基于车路协同的驾驶员一体化预警装置

1.基于车路协同的驾驶员一体化预警装置，其特征在于：它包括设置在车辆上的自车状态感知模块、车外环境感知模块、主控模块、车载无线通信模块和人机交互模块，所述自车状态感知模块、车外环境感知模块的输出信号输入主控模块，主控模块通过无线通信模块与周围车辆以及道路上的设备通信，主控模块通过人机交互模块发出预警；
驾驶员预警装置还包括路侧装置，车载无线通信模块向路侧设备发送自身的驾驶状态和驾驶意图信息，路侧设备接收或者监控中心发布的信号，并将信息发送给附近的车载装置；
所述自车状态感知模块包括自车信息处理器、发动机转速传感器、油门开度传感器、手刹开关、脚刹开关、灯光开关、方向盘转角传感器、加速度传感器、GPS模块和档位传感器，其中发动机转速传感器、油门开度传感器、手刹开关、脚刹开关、灯光开关通过第一CAN总线与自车信息处理器连接，方向盘转角传感器、加速度传感器、GPS模块和档位传感器通过第二CAN总线与自车信息处理器连接，自车信息处理器进行自车信息的采集、预处理后通过第四CAN总线向主控模块的发送；
所述自车信息处理器的芯片为飞思卡尔MC9S12XS128单片机，该处理器通过两路CAN接口分别与第一、第二CAN总线连接；
所述车外环境感知模块包括车外环境信息处理器、用于检测车辆前方车辆和障碍物的毫米波雷达、用于采集车辆前方远红外热影像的红外热成像仪、用于采集车辆前方影像的摄像头，红外热成像仪和摄像头输出的信号经数字信号处理后通过第三输CAN总线与车外环境信息处理器连接，毫米波雷达通过第三输CAN总线与车外环境信息处理器连接，车外环境信息处理器进行车外环境信息的采集、预处理后通过第四CAN总线向主控模块的发送；
所述主控模块包括用于识别驾驶员驾驶意图的意图识别模块。

基于车路协同的驾驶员一体化预警装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及道路交通安全研究领域，尤其涉及驾驶行为的综合监测和预警装置，属于汽车安全辅助驾驶领域。\n背景技术\n[0002] 研究表明，在“人－车－路”的道路交通系统中，人的因素是道路交通事故的主要致因。驾驶员对外界环境的错误了解、以及驾驶中的错误操作都会严重影响机动车驾驶安全。因此开发关键的车载辅助驾驶装置，以增加驾驶员与周边环境的交互（尤其是驾驶员危险驾驶状态和驾驶意图的交互），并加强驾驶行为监测能够有效保障行车安全。目前，国内外公布了一些安全辅助驾驶装置，能够采集车辆运行信息、驾驶员状态信息和道路信息，用于提高车辆自身安全。\n[0003] 国外公开了一套智能安全复制驾驶装置（美国专利号：US2010/0063649A1），该系统基于多摄像头采集车辆周围全方位影像，并通过图像处理和安全阈值判断车辆安全状态，通过预警模块发出预警，同时通过储存模块存储识别的状态信息。国内公开了一种驾驶员汽车驾驶行为的综合监测系统（中国专利号：200920034413.6），该系统能够实时监测驾驶员视觉行为、操作行为、车辆运行状态和车辆周围道路环境，并能分析周围环境对驾驶员的影响。上述两个专利和其他类似的公开成果都是基于自车传感器采集的信息进行安全辅助驾驶，没有考虑周边其他车辆的状态信息驾驶意图。\n[0004] 目前公开的车载安全辅助驾驶装置，多数基于自车传感器对车辆状态与车外环境状态的采集，装置功能单一，仅能监控和预警车道偏离、疲劳驾驶和前方障碍等危险等情形；此外，目前的车载安全预警装置缺少基于车车/车路通信进行信息交换，特别是缺少驾驶员状态和驾驶意图等重要信息的交互，难以实现真正意义的车路协同和安全辅助驾驶。\n发明内容\n[0005] 为克服现有装置不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于车路协同的驾驶员一体化预警装置，该装置可通过车车通信方式获取周围车辆驾驶意图，从而对潜在危险进行识别、预警；与此同时，可进行车车/车路通信，将本车信息发送给周边车辆以及路侧设施，通过车路协达到安全辅助驾驶目的。\n[0006] 本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：\n[0007] 基于车路协同的驾驶员一体化预警装置，它包括设置在车辆上的自车状态感知模块、车外环境感知模块、主控模块、车载无线通信模块和人机交互模块，所述自车状态感知模块、车外环境感知模块的输出信号输入主控模块，主控模块通过无线通信模块与周围车辆以及道路上的设备通信，主控模块通过人机交互模块发出预警。\n[0008] 上述方案中，所述自车状态感知模块包括自车信息处理器、发动机转速传感器、油门开度传感器、手刹开关、脚刹开关、灯光开关、方向盘转角传感器、加速度传感器、GPS模块和档位传感器，其中发动机转速传感器、油门开度传感器、手刹开关、脚刹开关、灯光开关通过第一CAN总线与自车信息处理器连接，方向盘转角传感器、加速度传感器、GPS模块和档位传感器通过第二CAN总线与自车信息处理器连接，自车信息处理器进行自车信息的采集、预处理后通过第四CAN总线向主控模块的发送。\n[0009] 上述方案中，所述车外环境感知模块包括车外环境信息处理器、用于检测车辆前方车辆和障碍物的毫米波雷达、用于采集车辆前方远红外热影像的红外热成像仪、用于采集车辆前方影像的摄像头，红外热成像仪和摄像头输出的信号经数字信号处理后通过第三输CAN总线与车外环境信息处理器连接，毫米波雷达通过第三输CAN总线与车外环境信息处理器连接，车外环境信息处理器进行车外环境信息的采集、预处理后通过第四CAN总线向主控模块的发送。\n[0010] 上述方案中，所述主控模块包括用于识别驾驶员驾驶意图的意图识别模块。\n[0011] 本发明通过自车状态感知模块、车外环境感知模块采集车辆运行信息、驾驶员操作信息、车辆周边环境信息，进行综合处理信息，识别驾驶意图；同时通过车车/车路通信方式获取周围车辆驾驶意图，从而对潜在危险进行识别并预警；与此同时，进行车车/车路通信，还可将本车信息发送给周边车辆以及路侧设施，通过车路协达到安全辅助驾驶目的。\n附图说明\n[0012] 图1是本发明实施例的结构框图。\n[0013] 图2是自车状态感知模块结构图。\n[0014] 图3是车外环境感知模块结构图。\n[0015] 图4是本发明实施例的通讯方式示意图。\n[0016] 图5是车辆在普通路段的信息交互示意图。\n[0017] 图6是车辆在普通路段超车信息处理流程图。\n[0018] 图7是车辆在交叉口的信息交互示意图。\n[0019] 图8是车辆在交叉口信息处理流程图。\n具体实施方式\n[0020] 如图1（图中箭头实线为电源走向，箭头空心线为信号走向）所示，本发明基于车路协同的安全辅助驾驶装置实施例包括设置在车辆上的自车状态感知模块、车外环境感知模块、主控模块、车载无线通信模块、人机交互模块和电源模块，所述自车状态感知模块、车外环境感知模块的输出信号输入主控模块，主控模块通过无线通信模块与周围车辆以及道路上的设备通信，主控模块通过人机交互模块发出预警。所述主控模块包括用于识别驾驶员驾驶意图的意图识别模块。\n[0021] 主控模块采用ARM-11处理器。该ARM构架的主控模块通过第四CAN总线与自车信息感知模块、车外环境感知模块和通信模块实现数据连接。主控模块具备操作系统和运行应用软件的条件，通过软件算法能够基于多源信息识别本车驾驶员的状态、不良驾驶行为和驾驶意图。该模块能将本车驾驶状态和意图通过通信模块传送给周边车辆和路侧设备，同时能够实现不良驾驶行为、疲劳驾驶、车道偏离、前方危险状况等综合预警，并通过人机交互模块传递给驾驶员，达到安全辅助驾驶的最终目的。\n[0022] 人机交互模块是一个带有扬声器的液晶仪表盘，该模块通过第二CAN总线与主控模块连接。该模块能够显示本车常规的仪表信息（如车速、发动机转速、水温、油压、油量等），同时也能显示安全预警信息。在出现危险状况时能智能切换显示的内容，以图形和声音的方式提供多方位的信息以及预警信号，如通过屏幕显示前方道路线形和周边障碍物和车辆信息，通过语音提示过度超速、疲劳驾驶和车道偏离信息。\n[0023] 电源模块设有一路12V直流输入，接收汽车电瓶电源，通过整流和稳压芯片处理后，能输出5V、12V直流，供不同设备使用。为了防止汽车启动时因电流过大导致该装置断电，专门设置附属电瓶和保护电路。\n[0024] 如图2所示，自车状态感知模块包括自车信息处理器、发动机转速传感器、油门开度传感器、手刹开关、脚刹开关、灯光开关、方向盘转角传感器、加速度传感器、GPS模块和档位传感器，其中发动机转速传感器、油门开度传感器、手刹开关、脚刹开关、灯光开关通过车辆现有的CAN总线——第一CAN总线与自车信息处理器连接，方向盘转角传感器、加速度传感器、GPS模块和档位传感器通过加装的第二CAN总线与自车信息处理器连接，自车信息处理器进行自车信息的采集、预处理后通过第四CAN总线向主控模块的发送。\n[0025] 自车信息采集模块模块主要采集和处理两类信息：车辆运行状态信息和驾驶员操作信息，这些信息是进行安全辅助驾驶和危险预警的基础。该模块获取的信息主要基于车载现有CAN总线——第一CAN总线获取，其他CAN总线不能提供的信息通过加装传感器采集。\n[0026] （A）现有传感器。目前，一般汽车能够以CAN总线形式提供部分车载传感器的信号，如发动机转速信号、车速信号、电子油门信号、手刹状态信号、脚刹状态信号、灯光操作信号等。本发明将充分利用这些已经处理的信号，通过CAN信号收发模块采集第一CAN总线上的信号。\n[0027] （B）加装传感器。对于其他需要的信息，本装置通过加装传感器的形式实时采集。\n图2所示的实施例中，将加装方向盘转角传感器采集方向盘转角信息、加速度传感器采集车辆加速度信息、GPS模块采集车辆地理位置信息、档位传感器单元采集档位信息（目前手动档车辆一般仅能提供部分档位信息，如倒档和空挡）。上述N组信号将由N路CAN转换模块转换后连接到第二CAN总线。\n[0028] 如图2所示，自车状态感知模块的自车信息处理器芯片为飞思卡尔MC9S12XS128单片机，该处理器通过两路CAN接口分别与第一、第二CAN总线连接，实时采集车辆自带第一CAN总线的信息和加装传感器网络第二CAN总线上的信息。对车辆自带传感器和加装传感器采集的信息做时序处理、降噪等预处理之后，通过CAN接口（发送到第四CAN总线）传送给主控模块。\n[0029] 如图3所示，车外环境感知模块包括车外环境信息处理器、用于检测车辆前方车辆和障碍物的毫米波雷达、用于采集车辆前方远红外热影像的红外热成像仪、用于采集车辆前方影像的摄像头，红外热成像仪和摄像头输出的信号分别经红外影像处理器、CCD影像处理器数字信号处理后通过第三输CAN总线与车外环境信息处理器连接，毫米波雷达通过第三输CAN总线与车外环境信息处理器连接，车外环境信息处理器进行车外环境信息的采集、预处理后通过第四CAN总线向主控模块的发送。\n[0030] 车外环境感知模块的传感器主要有CCD摄像头、毫米波雷达和红外热成像仪各一个。三个传感器分别用于采集车道线信息、前方车辆和障碍物信息、前方行人和车辆信息。\n[0031] 如图3所示的CCD摄像机主要用于采集车辆前方车道标线信息，用于识别和车辆在车道线中的位置，CCD摄像机采集的可见光影像通过CVBS数据线传送到一片TI公司的DSP，在DSP中实现了车道线的识别，并将车道线偏移量和车道线偏移角等关键参数通过第三CAN总线发送到车外环境感知处理器进行集中处理。\n[0032] 如图3所示的毫米波雷达安装在车辆正前方，采用Delphi公司的ESR毫米波雷达，探测范围是0-150m，采集前方的车辆以及障碍物信息，传感器最终获得障碍物相对于车头中央的相对位置信息，经过CAN进行转换后传由第三CAN总线传送到车外环境感知处理器进行集中处理。\n[0033] 如图3所示的远红外热成像仪安装在车辆进气栅内，采用高德红外有限公司的\n311N设备，接收红外波长为8-14微米。该红外热成像仪获取车辆前方远红外影像，像通过CVBS数据线传送到另一片TI公司的数字信号处理器DSP，在DSP中实现了行人和车辆的特征提取和识别，并将行人和车辆相对于车辆正前方位置等关键参数通过第三CAN总线发送到车外环境感知处理器进行集中处理。\n[0034] 如图3所示，车外环境感知模块的车外环境信息处理器为飞思卡尔MC9S12XS128单片机，该处理器通过CAN接口分别与第三CAN总线连接，分别对车外的环境进行信息融合，最终获得精确的障碍物分类信息（障碍物种类、障碍物纵向距离、障碍物横向位置），通过CAN接口（发送到第四CAN总线）传送给主控模块。\n[0035] 采用远红外热成像仪识别车辆前方行人和车辆，虽成本相对于常规可见光摄像头或近红外摄像头较高，但热成像能用于黑夜、恶劣天气（雨雾）和炫光条件且成像稳定，在各种光照环境些都具有较高的识别率和误判率。\n[0036] 所述车外环境感知模块中的环境感知处理器是一片嵌入式单片机，主要用于接收给模块中车道线信息、车辆前方行人信息、车辆前方车辆信息等。嵌入式单片机对输入的信息进行信息融合，并将最终处理好车辆前方行人信息（行人相对于车辆前方位置）、车辆信息（车辆相对于车辆前方位置）、障碍物信息（障碍物相对于车辆前方位置）、车道线信息（车道线偏移量和偏移角），并通过第四CAN总线发送给主控模块。\n[0037] 如图4所示的通信模块由DSRC单元、CAN转发模块等组成。DSRC无线通信模块采用DENSO的WSU模块，采用频率为5.8GHz的短程专用无线通信（DSRC）方式进行通信。专用短程通信主要用于车-车（该装置与其他车载装置）和车-路（该装置与路侧装置）之间信息交互，通过DSRC通信收集其他周边车辆的驾驶状态和驾驶意图信息，并向其他车辆和路侧设备发送自身的驾驶状态和驾驶意图信息。\n[0038] 结合实例对本实施例工作原理进行说明：\n[0039] 如图5、6所示，在普通路段，后方车辆形式速度加快，并伴有左转向灯等操作动作，后方车辆车载装置识别出驾驶员的超车意图，并将超车意图通过车路协同通信方式传送给前方车辆；前方车辆装置接收到后车超车意图后，反馈给前车驾驶员，并提示驾驶员禁止加速，保留一定横向间距，这种车路通信提高了车辆在超车、减速、换道时的安全性。\n[0040] 如图7、8所示，在交叉口时常遇到高速车辆运行在绿灯变黄时的两难选择。如图东西走向的车子行驶到交叉口前时遇到东西向绿灯变黄，此时需紧急停车或加速通过。再接下来的两秒钟后南北向车子因绿灯开始通行，此时车辆极有可能与南北走向的车子碰撞。在本发明装置车路协同信息交互下，东西向车能根据状态识别出该车通过交叉口的意图，并将该意图发送给路侧装置，路侧装置接收到该危险意图后，将延长东西向的黄灯时间，且延长南北向的红灯时间，保证东西向车安全通行。\n[0041] 又例如，车辆行驶在能见度较低的环境中，前方已经发生追尾事故，驾驶员凭自身视觉不能及时发现前方道路危险状况；而路侧设备已经通过DSRC通信加收或者监控中心发布的事故信号，路侧装置能够及时将信息发送给附近的车载装置，该装置能够实现安全预警，并提醒驾驶员注意车速控制和障碍物避碰。\n[0042] 本发明实施例能够实现车辆行驶过程中驾驶员与周边车辆驾驶状态和驾驶意图等关键信息的交互，从而实现安全辅助驾驶。该装置通过DSRC技术与路边通讯设施以及周边车辆之间进行信息交互，可以获得周边道路基本信息（如天气状况、车道线形、限速、前方路口、前方事故、障碍物等）和周边车辆信息（驾驶员状态、驾驶员意图、车辆状态等）；同时车辆可以把自身的信息（如当前车速、驾驶员的状态、驾驶意图等）发送给路侧设施和其他车辆。通过这样一个车辆与路侧设施、车辆与车辆之间的实时信息交互，可以达到一种车路协同的目的，进一步提高驾驶安全性。\n[0043] 本发明实施例充分考虑了今后车路协同（Cooperative Vehicle Infrastructure System，CVIS）的应用，通过车载装置实现车-车、车-路之间的信息共享。该装置不仅可通过自车传感器系统认知自车信息和驾驶员意图，同车能通过车车/车路通信将驾驶意图进行交互，并将本车驾驶状态信息和驾驶意图信息传送给路侧设备和其他车辆。通过这样的一体化装置可以很好的实现车-车、车-路之间的信息交互，帮助驾驶员了解周边其他车辆驾驶意图和周边危险环境，预判危险；该装置各设备紧凑地实现一体化、小型化，可以安装使用于任何一部车上。\n[0044] 本发明基于车路协同的概念和思路，与其他单机装置相比，更注重车车/车路之间的信息交互。相比现有的装置，最显著特征就是在主控模块实现了驾驶员状态（如疲劳状态等）和驾驶意图（超车、换道、停车）的识别，并通过无线通信模块与周边车辆进行驾驶意图的交互，提高了驾驶安全性。