多传感信息融合的汽车防碰撞控制策略研究

摘 要：本文分析了基于多传感信息融合技术的汽车防碰撞系统的国内外研究现状，建立了目标物的识别模型，结合道路情况、车辆行驶工况等建立多传感信息防碰撞模型。根据自车与障碍物的距离、障碍物的动作轨迹建立防碰撞预警系统模型，搭建了其中的预警决策系统框架，并对安全距离计算参数进行了分析。

关键词：汽车防碰撞系统 多传感器信息融合 目标物识别

1 前言

随着汽车保有量的不断增加，为了降低事故发生率，减少事故对人和车造成的伤害，目前很多车企和高校等研究单位对汽车防碰撞系统展开了深入的研究。

该系统作为汽车主动安全装置可以给驾驶员发出声音、视觉和震动等警报信息，从而避免危险情况的发生。张楚金[1]开展障碍物的模糊预警算法研究。李亚娟[2]提出了车辆网络多级预警控制系统。洪浩[3]主要研究预警策略，以目标物与自车的相对距离为依据制定相应的预警策略。通用汽车公司的研究人员利用差分定位获得车辆的实时位置和速度等信息，同时使用扩展卡尔曼滤波估计车辆的位置，探究了车辆协同碰撞预警[4]。

本文将研究在多传感器信息融合条件下行人保护系统的控制策略，使得车辆能够利用多传感器集成技术以及融合技术结合环境信息、交通状况信息做出一个最优决策，实现车辆自动感知前方的行人或障碍物，及时采取措施进行降速或停车，从而保证行人的安全。

2 多传感器融合方案制定

2.1 汽车防撞系统传感器特性分析

汽车防碰撞系统的检测方法主要有：超声波检测、红外线检测、激光检测、毫米波检测、视频检测、多传感器融合检测等几种方法。由于单个传感器提取的特征具有局限性，利用多个传感器可以提取独立、互补的特征向量，因此，研究各类传感器融合算法，在进行防碰撞预警的时候提供可靠的行车环境信息，对减少碰撞事故发生起到了重要作用[5]。

2.2 目標物识别模型

在车辆行驶的过程中，传感器能探测到的目标物有很多，在道路系统中有车辆;非道路系统有行人、障碍物、动物等。每个被采集到的目标物都有不同的特征点，不同目标物的特性可总结如表1所示。

2.3 多传感信息防碰撞系统框架

根据采集的传感器信息对目标进行识别，结合车辆速度、路况等行驶信息，采用不同的控制策略，从而对车辆进行声光预警或者主动制动，建立的多传感信息防碰撞系统的框架概念图，如图1所示。

3 汽车防碰撞系统模型

结合前文对传感器特性和防碰撞系统框架的分析，建立汽车防碰撞系统模型，该系统可主要分为防碰撞预警系统（如图2所示）和预警决策系统两部分。

3.1 防碰撞预警系统模型

车辆的防碰撞预警是根据传感器的检测结果，来判断识别交通环境中能危及本车安全的信号，并通过相应的声光报警、座椅震动报警、语音报警等提示预警信息输出给驾驶员，还辅以自动刹车等主动安全措施。[5]根据前文分析，搭建防碰撞预警系统模型，根据障碍物的大小、位置和前后帧障碍物的位置变化信息为依据，作出预警决策，预警结果分为安全、提示性预警、紧急性预警三个等级。

3.2 预警决策系统模型

防碰撞预警决策是根据车辆信息、道路信息以及目标物的类型及行为而做出的决策。这在整个防碰撞预警系统中是至关重要的。图3为预警决策系统框架。

在行驶当中，驾驶员对不同的行车环境会做出不同的制动反应：

（1）在行车过程中突然出现障碍物、行人或者将要追尾前方车辆，需要迅速减速停车，驾驶员的第一反应是“急刹”，会迅速踩下踏板，并将踏板踩到最底。

（2）在会车、遇到路口或者发现远处有异常等类似情况下，驾驶员会采用“点刹”的方式制动过渡，使车辆迅速减速，然后又迅速松开踏板或者轻踩踏板。

（3）车辆需要在前方指定位置停车，驾驶员一般会轻踩刹车，踩下离合器，让车辆依靠惯性行驶，在要到达指定位置时，用力踩下踏板使车辆停止。

对上述几种行车环境下的驾驶员的制动操作可以看出，在某一种行车环境中，驾驶可能既有轻踩踏板，又有猛踩踏板且踏 板行程不同，因此驾驶员的制动意图是对某一时刻作用在踏板上动作而言，本文对驾驶制动意图分为轻度制动、中度制动和紧急制动。通过传感器获得的道路信息和车辆信息计算出安全距离，结合目标物的行为，查表得出相应的预警策略，预警策略表如表2所示。

3.3 安全距离计算

安全距离是车辆与周围环境目标物之间需要保持的距离，目的是保护汽车和驾驶员安全，其值根据路况的不同而不同。在汽车防碰撞预警系统中的安全距离模型一般包含安全行驶距离、提醒报警距离和紧急辅助制动距离三个阶段，提醒报警距离应该给予驾驶员充足的反应时间，让驾驶员较为从容地采取正确的操作;而紧急辅助制动距离作为汽车行驶的最小安全距离，一般是车辆采取主动紧急制动，以保证车辆和驾驶员安全为最终目的。

结合图4对安全距离进行说明。图中当前的车辆速度V1，行人速度V2，根据人车之间的距离及预警决策，判断St为提醒报警距离，在经过时间t之后，车辆和行人之间的距离迅速减小，达到紧急辅助制动距离Sz。此时车辆在t时间之后行驶距离为S1，行人在t时间内行走距离为S2。t时间后的车辆速度为V1*，行人速度为V2*。从图中分析可知[6]：

在实际制动过程中，车辆制动时间t2分为三个部分，包括制动延迟时间t21，制动力增长时间t22，持续制动时间t23;参考相关文献[7]可知，安全距离公式为：

式中，为最短安全距离

3.4 系统正面防碰撞安全距离模型确定

在确定正面防碰撞安全距离模型时，要考虑的参数主要有系统提醒报警时间，系统反应时间，驾驶员的反应时间，制动减速度的增长时间以及车停止时需保持的最短安全距离。

（1）系统反应时间与制动减速度增长时间根据车速不同而略有差异，欧盟规定了轿车车速为80km/h时，系统反应时间与制动减速度增长时间的一半之和应小于0.36s。一般设定制动减速度的增长时间为0.2s，系统反应时间小于0.16s。

（2）驾驶员的反应时间根据车速不同有较大的差异，范围为0.3s-1s。在汽车速度为40km/h时，驾驶员正常的反应时间约为0.4s;但当车速80km/h時，驾驶员的反应时间约为1s左右。

（3）应充分考虑不同道路条件及不同天气造成的影响。其核心就是路面附着系数，附着系数的大小直接影响到车轮的抓地力，从而影响汽车的安全驾驶。干燥混凝土路面和沥青路面附着系数较高，约为0.7-1.0;而天气开始下雨时、潮湿的土路上、雪地等路面附着系数较低，约为0.2-0.4;在进行安全距离模型测算时，应将路面附着系数影响因子考虑进去，否则模型的准确性就会大大降低，难以避免事故的发生。

（4）从安全冗余角度，考虑到系统的延迟和安全问题，设定车辆停止时与目标之间的距离为2.4m。

4 总结

本文分析了基于多传感信息融合技术的汽车防碰撞系统的国内外研究现状，建立了目标物的识别模型，结合道路情况、车辆行驶工况等建立多传感信息防碰撞模型。根据自车与障碍物的距离、障碍物的动作轨迹建立防碰撞预警系统模型，搭建了其中的预警决策系统框架，在今后的研究中，还将考虑更加详细的路况下的安全距离模型，建立更加精确的预警系统从而提高系统的可靠性。

资助项目：浙江省教育厅科研项目（编号：Y201942461）

参考文献：

[1]张楚金. 智能车的前方车辆检测和预警算法研究[D]. 湖南大学， 2015.

[2]李亚娟. 考虑拥塞的车辆网络多级预警控制系统[D]. 西安电子科技大学， 2014.

[3]洪浩. 基于视觉的车辆防碰撞预警系统算法研究[D]. 辽宁工业大学， 2016.

[4]Huang J，Tan H S.Design and implementation of a cooperative collision warning system.Intelligent Transportation Systems Conference，2006. ITSC06.IEEE。IEEE，2006：1017—1022.

[5]王芳，陈哲.汽车防碰撞系统研究现状分析[J]. 农业装备与车辆工程，2018.5.

[6]刘树峰. 多路况下汽车防碰撞预警系统设计与仿真[D]. 山东农业大学，2014.

[7]贾蕴发，刘杨，李超，等.基于多传感器的汽车防碰撞及行人保护预警设计[J]. 农业装备与车辆工程，2015，53（12）：56-59.