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基于專用短程通信技術(shù)的緊急制動(dòng)預(yù)警
2019-01-21 23:35:22· 來(lái)源：智車科技 作者：朱賽春
摘要：根據(jù)中國(guó)智能交通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（C-ITS）發(fā)布的《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》[1]，深入研究了車與車協(xié)同駕駛主動(dòng)安全相關(guān)的緊急
摘要：根據(jù)中國(guó)智能交通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（C-ITS）發(fā)布的《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》[1]，深入研究了車與車協(xié)同駕駛主動(dòng)安全相關(guān)的緊急制動(dòng)預(yù)警（EBW）的應(yīng)用場(chǎng)景[2]，結(jié)合北京汽車車廠自身特點(diǎn)及人因工程特征提出了把剎車信號(hào)分為剎車預(yù)警信號(hào)、常規(guī)剎車信號(hào)和緊急剎車信號(hào)三種，并給出了通過(guò)采集制動(dòng)踏板行程距離獲取包含剎車加速度的剎車信號(hào)。通過(guò)專用短程通信（DSRC）技術(shù)，分等級(jí)剎車預(yù)警信號(hào)的提示，可以縮短人車系統(tǒng)在剎車過(guò)程中司機(jī)對(duì)緊急剎車的反應(yīng)時(shí)間，不但能達(dá)安全剎車，有效防止追尾，而且還能通過(guò)剎車信號(hào)確定合理的最大制動(dòng)力，減輕對(duì)車輛本身的耗損，同時(shí)也能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同時(shí)，提出了包含制踏板行程標(biāo)準(zhǔn)化距離的剎車板制造標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì) C-ITS 的《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》及《專用短程通信消息集字典》SAE J2735[3]中的數(shù)據(jù)集定義進(jìn)行了擴(kuò)展建議，就車廠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了說(shuō)明。本文基于專用短程通信（DSRC）技術(shù)，采用理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的研究方法，對(duì)車車協(xié)同、人車協(xié)同駕駛相關(guān)的安全問(wèn)題進(jìn)行研究。
關(guān)鍵詞：緊急制動(dòng)預(yù)警，前向碰撞預(yù)警，自動(dòng)緊急制動(dòng)，主動(dòng)安全
作者：北汽集團(tuán)研究總院 朱賽春
1.前言
針對(duì)防止行駛車輛常見(jiàn)的追尾事故的駕駛主動(dòng)安全設(shè)計(jì)上，主要采用緊急剎車輔助（EBA）方案。以 EBA 為代表的剎車系統(tǒng)，都是以立刻激發(fā)最大剎車壓力，以達(dá)到最高的剎車效果，達(dá)到理想的制動(dòng)效果，以制止交通事故的發(fā)生為目的而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。在一些非常緊急的事件中，該系統(tǒng)利用傳感器感應(yīng)駕駛者對(duì)制動(dòng)踏板踩踏的力度與速度大小，然后通過(guò)電腦判斷駕駛者此次剎車意圖。如果屬于非常緊急的制動(dòng)，EBA 會(huì)指示制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生更高的油壓使 ABS 發(fā)揮作用，從而使制動(dòng)力快速產(chǎn)生，減少制動(dòng)距離。而對(duì)于正常情況剎車，EBA 則會(huì)通過(guò)判斷不予啟動(dòng) ABS。
通常情況下，EBA 的響應(yīng)速度都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于駕駛者，這對(duì)縮短剎車距離，增強(qiáng)安全性非常有利。當(dāng)駕駛?cè)嗽诰o急情況下迅速踩制動(dòng)踏板而踩制動(dòng)踏板的力矩不足時(shí)，EBA系統(tǒng)便會(huì)在短時(shí)間內(nèi)把制動(dòng)力增至最大。其速度要比大多數(shù)駕駛?cè)艘苿?dòng)腳的速度快得多，在制動(dòng)踏板剛踩下部分行程時(shí)就可以有效停車，提前達(dá)到制動(dòng)的最大力矩，縮短緊急制動(dòng)情況下的制動(dòng)距離。由于更早地施加了最大的制動(dòng)力，EBA 系統(tǒng)可提前制動(dòng)，顯著縮短制動(dòng)距離，并有效防止在停停走走的交通路況中發(fā)生追尾事故。
EBA 系統(tǒng)主要是從駕駛員剎車執(zhí)行的角度出發(fā)，以立刻激發(fā)最大剎車壓力，以制止交通事故的發(fā)生為目的而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。EBA 方案是從改進(jìn)制動(dòng)踏板的制動(dòng)效率為出發(fā)點(diǎn)，以如何盡可能有效縮短制動(dòng)距離為問(wèn)題解決的突破口，而沒(méi)有考慮到防止車輛尾是人與車協(xié)作、車與車協(xié)作的系統(tǒng)問(wèn)題。改進(jìn)制動(dòng)踏板的制動(dòng)機(jī)制是一個(gè)方面，而從人因工程的層面來(lái)看，人的因素考慮是防止追尾的另外一個(gè)突破口。
從人機(jī)系統(tǒng)角度分析，剎車過(guò)程應(yīng)包括駕駛員反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。駕駛員反應(yīng)時(shí)間是前車尾燈亮燈開(kāi)始到自車剎車的腳踏板動(dòng)作開(kāi)始之間的時(shí)間。制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間是剎車的腳踏板動(dòng)作開(kāi)始到到達(dá)自車平均最大減速度之間的時(shí)間。根據(jù)汽車駕駛行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，駕駛員反應(yīng)時(shí)間一般為 0.8S 到 2.0S，而制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間一般為 0.7S。從以上經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，整體制動(dòng)效果影響因子中，駕駛員反應(yīng)時(shí)間能占到制動(dòng)效果的 51%到 74%，從而駕駛員反應(yīng)時(shí)間也是有效防止車輛追尾的重要因素，而這一因素通常被忽略。另一個(gè)方面，提高有效剎車次數(shù)和降低駕駛員的緊張感和疲勞感，也是設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)中必須考慮的因素。通過(guò)利用專用短距離通信技術(shù)（DSRC），研究車車、車人協(xié)作，以提高駕駛員應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間，減少無(wú)效的剎車預(yù)警信息，提高剎車的有效性，以達(dá)到合理地保持車距和確定合理的最大制動(dòng)力的目的，同時(shí)提高駕駛員駕駛的舒適感。
2.場(chǎng)景分析
數(shù)據(jù)更新頻率、系統(tǒng)延遲參照 J2945[4]及 NHTSA VSC-A[5]性能指標(biāo)說(shuō)明。圖 1 分析了包含人因工程的緊急剎車過(guò)程，根據(jù)汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)可以推導(dǎo)出最小安全距離模型如下[6]：
Vs、Vf 分別為 HV 及 RV 車速，T 為駕駛員反應(yīng)時(shí)間, 前車尾燈亮燈開(kāi)始到自車剎車腳踏板動(dòng)作開(kāi)始的時(shí)間； t1為制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間，剎車的腳踏板動(dòng)作開(kāi)始到到達(dá)自車開(kāi)始減速的時(shí)間；t2 為減速度增長(zhǎng)時(shí)間，從開(kāi)始制動(dòng)到達(dá)平均最大減速度的時(shí)間；d 為停止后車輛間距，車輛停止以后，自車和前車之間的距離。為了有效防止行車追尾事故的發(fā)生，達(dá)到合理地保持車距的目的，需要解決在剎車過(guò)程中，縮短駕駛員反應(yīng)時(shí)間 T，確定合理的最大制動(dòng)力。
圖 1 包含人因的制動(dòng)過(guò)程
如圖2主車（HV）和遠(yuǎn)車(RV)位置關(guān)系，需分析接收到的遠(yuǎn)車(RV)剎車制動(dòng)消息,通過(guò)行駛方向、速度、加速度、位置篩選出存在潛在危險(xiǎn)的遠(yuǎn)車制動(dòng)信息，并做剎車事件提提醒。
圖 2 車輛位置關(guān)系與威脅車輛篩查
3.設(shè)計(jì)方案
3.1 系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)分為通信底層和 V2X 應(yīng)用層兩大部分。通信底層用于實(shí)現(xiàn) V2X 通信相關(guān)底層軟件接口與驅(qū)動(dòng)的封裝。V2X 應(yīng)用層是基于通信底層的開(kāi)發(fā)接口進(jìn)行相關(guān)通信數(shù)據(jù)處理和 V2X 應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)部分。通信底層包括兩大部分，通信接口層和 Linux Kernel 及驅(qū)動(dòng)?；?Linux 操作系統(tǒng)，增加 V2X 設(shè)備通信相關(guān)的硬件芯片驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)了基于 Linux 操作系統(tǒng)級(jí)別上的軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)接口模塊層，這部分是通信基礎(chǔ)核心部分。通信接口層封裝了三部分接口，V2X 通信接口、GPS 通信接口、CAN 總線數(shù)據(jù)接口。V2X 通信接口采用包括數(shù)據(jù)接入層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)封裝層，通過(guò)這三層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝，網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)接入到應(yīng)用訪問(wèn)接口的處理過(guò)程。這三層統(tǒng)一封裝為 V2X 通信接口，使得開(kāi)發(fā)人員直接調(diào)用接口就可以實(shí)現(xiàn) V2X 數(shù)據(jù)通信。CAN 總線數(shù)據(jù)接口從總線上讀取車輛相關(guān)數(shù)據(jù)，如車輛轉(zhuǎn)向、緊急制動(dòng)、燈光等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)上傳到 V2X 應(yīng)用層供其使用。
V2X 應(yīng)用層包括任務(wù)管理、應(yīng)用層、信息安全三部分。任務(wù)管理來(lái)實(shí)現(xiàn)總體軟件資源的調(diào)配管理和信息節(jié)制，信息安全主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的加密解密和傳遞過(guò)程中的安全加密和保護(hù)，應(yīng)用層包括協(xié)議解析、業(yè)務(wù)調(diào)度和 V2X 業(yè)務(wù)功能、實(shí)現(xiàn)通知模塊、V2X HMI 交互界面。協(xié)議解析分為 CAN 解析、通信協(xié)議解析。CAN 解析從 CAN 總線接口讀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 V2X 業(yè)務(wù)需要的數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)向值、緊急制動(dòng)、燈光值等，通信協(xié)議解析用于解析其他 X 設(shè)備（車、人、基礎(chǔ)設(shè)施）發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)，同時(shí)提供逆向操作過(guò)程，即向 X設(shè)備（車、人、基礎(chǔ)設(shè)施）發(fā)出數(shù)據(jù)，該模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)的解析、數(shù)據(jù)加密/解密、數(shù)據(jù)壓縮/解壓縮。
3.2 處理流程
根據(jù)圖 3 系統(tǒng)處理模塊框圖，系統(tǒng)處理過(guò)程描述如下。
1)分析接收到的遠(yuǎn)車(RV)剎車制動(dòng)消息，通過(guò) RV 車輛的行駛方向、速度、加速度、位置信息，在 TC 模塊篩選出位于 Ahead in-lane，Ahead left 及 Ahead Right 區(qū)域的遠(yuǎn)車(RV)。
2)進(jìn)一步篩選處于一定距離范圍內(nèi)的遠(yuǎn)車（RV）作為潛在威脅車輛。
3)TA 模塊計(jì)算每一個(gè)潛在威脅車輛碰撞時(shí)間（TTC：time-to-collision）或防撞距離（collision avoidance range），篩選出與主車（HV）存在碰撞危險(xiǎn)的威脅車輛，進(jìn)行不同危險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警。
4)若有多個(gè)威脅車輛，則篩選出最緊急的威脅車輛。
5）系統(tǒng)通過(guò) HMI 對(duì)主車（HV）駕駛員進(jìn)行相應(yīng)的碰撞預(yù)警。
圖 3 系統(tǒng)處理模塊
4.交互數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)
車輛在行駛中正常制動(dòng)情況下，車輛減速度為 0.3G~0.4G，相對(duì)應(yīng)的制動(dòng)系統(tǒng)油壓大約為 3.5~4Mpa。在制動(dòng)系統(tǒng)踏板行程的分析與設(shè)計(jì)中，制動(dòng)踏板的行程可以分為制動(dòng)觸發(fā)、常規(guī)制動(dòng)及緊急制動(dòng)三中情況，即制動(dòng)系統(tǒng)壓力分別在 1MPa、3~4MPa和 10~12MPa 狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的三種制動(dòng)踏板的行程。為此，如表 3 的說(shuō)明，定義了剎車預(yù)警信號(hào)、常規(guī)剎車信號(hào)和緊急剎車信號(hào)三種剎車信號(hào)。剎車預(yù)警信號(hào)反映制動(dòng)觸發(fā)前的司機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)，相應(yīng)的制動(dòng)剎車板的行程為 10mm~40mm；常規(guī)剎車信號(hào)反映制 動(dòng) 觸 發(fā) 后 到 最 大 0.6G 減 速 度 的 常 規(guī) 制 動(dòng) 狀 態(tài) ， 其 制 動(dòng) 剎 車 板 的 行 程 為40mm~85mm；緊急剎車信號(hào)反映 0.6G 減速度以上的緊急制動(dòng)狀態(tài)，其制動(dòng)剎車板的行程為 85mm 以上。在定義三種剎車信號(hào)的基礎(chǔ)上，可以把前車的包含剎車預(yù)警的剎車狀態(tài)通知給后面車輛。
4.1 數(shù)據(jù)集定義
數(shù)據(jù)幀是應(yīng)用層數(shù)據(jù)包收發(fā)的基本單位。不同類別的消息用以下統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)打成數(shù)據(jù)幀進(jìn)行發(fā)送和接收。一個(gè)數(shù)據(jù)幀由一個(gè)消息類型 ID 和消息體組
成。
消息體打包了各類具體的消息內(nèi)容。目前，J2735 標(biāo)準(zhǔn)[3]定義了 4 個(gè)最基本的消息體。車輛基本安全消息是使用最廣泛的一個(gè)應(yīng)用層消息，用來(lái)在車輛之間交換安全狀態(tài)數(shù)據(jù)。該消息一般會(huì)周期性地進(jìn)行廣播，將自身的狀態(tài)信息告知周圍車輛，支持一系列協(xié)同安全應(yīng)用。廣播頻率一般為 10Hz。
其中，DE_BrakeSystemStatus 定義車輛的剎車系統(tǒng)狀態(tài),包括了 7 種不同類型的狀態(tài)。
- brakePadel：剎車踏板踩下情況。
- wheelBrakes：車輛車輪制動(dòng)情況。
- traction：牽引力控制系統(tǒng)作用情況。
- abs：制動(dòng)防抱死系統(tǒng)作用情況。
- scs：車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)作用情況。
- brakeBoost：剎車助力系統(tǒng)作用情況。
- auxBrakes：輔助制動(dòng)系統(tǒng)（一般指手剎）情況。
4.2 剎車狀態(tài)數(shù)據(jù)擴(kuò)展
C-ITS 的《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》[1]中定義的剎車踏板狀態(tài) DT_BrakePedalStatus，只是反映剎車板是否被踩下的兩種狀態(tài)。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上把剎車板是否被踩下擴(kuò)展為制動(dòng)觸發(fā)信號(hào)、常規(guī)制動(dòng)信號(hào)和緊急緊急信號(hào)三種。三種信號(hào)在最小工況下（荷載：空載；車速：50km/h）的定義如表 3說(shuō)明。
表 3 剎車信號(hào)定義
5.模擬實(shí)驗(yàn)
通過(guò)駕駛模擬平臺(tái)，在停停走走的路況條件下，對(duì)駕駛員反應(yīng)速度和有效剎車次數(shù)這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)場(chǎng)景為前后兩車，車速 60km/h，分別觀察后車和前車車距 20m 和 10m 兩種條件下，前車常規(guī)剎車和緊急剎車的駕駛行為對(duì)后車駕駛員的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)行駛 30 公里路程，隨機(jī)產(chǎn)生 10 次常規(guī)剎車信號(hào)和 10 次緊急剎車信號(hào)和相應(yīng)的 20 次剎車預(yù)警信號(hào)。并設(shè)定 DSRC 系統(tǒng)的車輛基本安全消息幀發(fā)送頻率為 10Hz。在沒(méi)有剎車預(yù)警信號(hào)的條件下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 4 所示。
表 4 無(wú)行為預(yù)判的反應(yīng)時(shí)間和緊急剎車有效性
在有剎車預(yù)警信號(hào)傳達(dá)的條件下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 5 所示。
表 5 行為預(yù)判下的反應(yīng)時(shí)間和緊急剎車有效性
以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，剎車預(yù)警方法可以把駕駛員反應(yīng)時(shí)間從 1.9 秒縮減到 0.秒，而其中需要花銷 0.1 秒的 DSRC 通信時(shí)延成本。同時(shí)，剎車預(yù)警方法在近距離跟馳駕駛場(chǎng)景下能明顯提升緊急剎車的有效性。
6.結(jié) 論
通過(guò) DSRC 短程通信技術(shù)，進(jìn)行剎車預(yù)警信號(hào)超視距后車傳達(dá)，可以明顯縮短人機(jī)剎車系統(tǒng)在剎車過(guò)程中駕駛員對(duì)緊急剎車的反應(yīng)時(shí)間和提高剎車有效率。而且在視障的場(chǎng)景下，不但能達(dá)到安全剎車，有效防止追尾，而且通過(guò)常規(guī)剎車信號(hào)的分級(jí)，還可以合理確定最大制動(dòng)力，減輕對(duì)車輛本身的耗損，同時(shí)能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。值得說(shuō)明的是，車與車間通信不限于 DSRC 技術(shù)，未來(lái)的 LTE-V 或 5G 移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著更低的信息時(shí)延。對(duì)于由于前車駕駛員不良的駕駛習(xí)慣而產(chǎn)生的錯(cuò)誤預(yù)警信息的過(guò)濾，還有等待于以后研究。
參考文獻(xiàn)
[1] T/ITS 0053-2016 合作式 ITS 車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)[S].C-ITS.
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[6] 吳浩然.基于駕駛意圖與動(dòng)態(tài)環(huán)境的車輛縱向碰撞預(yù)警研究[D].武漢理工大學(xué).
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