自动驾驶基础-ACWS 简介

先进碰撞预警系统 (ACWS Advanced Collision Warning System)的主要目的是减少引起车祸发生的主要原因——驾驶员的疏忽!

随着社会的不断进步,汽车正为越来越多的人所使用,而相应的,交通事故也越来越多。全球每年由交通事故造成的人员和财产损失的数目是惊人的,因此,车辆安全问题已引起人们的高度重视。对大量交通事故的分析表明,80%以上的车祸是由于驾驶员反应不及时引起的,超过65%的车辆相撞属于追尾相撞,其余则属于侧面相撞和正面相撞。有关研究表明,若驾驶员能够提早1秒到2秒意识到有事故危险并采取相应的措施,则90%的追尾事故和60%的正面碰撞事故都可以避免。

而基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统,就是根据多传感器(传感器包括视频传感器、激光雷达和毫米波雷达传感器等)接收到的车辆前方目标信息和本车的状态信息,利用多源信息融合技术,识别出本车前方车辆的距离和速度等状态信息,并进行碰撞危险估计的。举例说,若车间距接近临界距离时,发出报警信号,提请司机注意;若车间距小于临界安全距离时,则启动制动系统,以避免碰撞的发生.

先进碰撞预警系统 (ACWS Advanced Collision Warning System)是一套能预测到行车危险并在碰撞危险发生前2.7秒向驾驶员发出警报,预防交通事故发生的产品,被称为“永不疲倦的第三只眼”。Daimler Benz的调查显示,提前0.5秒发出警报能防止60%的追尾事故,提前1.5秒能防止90%。因此,在汽车上安装汽车碰撞预警系统,是减少公路交通事故行之有效的技术措施。

ACWS系统一般会包含四个功能,前方碰撞预警(FCWS)、车道偏离预警(LDWS)、车距监控预警(HMWS)及后方碰撞预警(RCWS),也有称为后车追尾预警(LFWS)。在实际使用过程中,这些功能是结合在一起的。比如在安全车距行车时,主控屏幕图像显示一辆绿色的“小车”,一旦车距低于当时车速下ACWS系统处理器计算的安全距离,ACWS的喇叭立刻会发出一声预警音,同时图像显示器上的“小车”变为报警颜色(比如橙色,或者琥珀色)。如果安全距离继续缩短,而车辆并未减速,预警声就会连续响起,同时图像显示器上的“小车”变为警报色,比如红色。这时候后车追尾预警功能也开始工作,通过闪烁本车刹车灯警示后方车辆的司机提高注意力,以避免后车追尾,本车司机刹车结束后,刹车灯可以停止闪烁。预警对驾驶员的提醒作用,可大大减少由于驾驶员对有效安全车距判断失误而造成的追尾。对于新手,ACWS的的功能不仅能防止车辆碰撞,还能教会你如何把握安全车距,如何跟车,非常实用。此外,ACWS的另外一个功能——车道偏离预警(LDWS, 可以参考前文“自动驾驶基础(十) -- LDWS 简介”),为日常行车安全也提供了又一个保障。

本文会重点介绍前向和后向碰撞预警系统(FCWS和RCWS)。

基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统,就是根据多传感器接收到的车辆前方目标信息和本车的状态信息,利用多源信息融合技术,识别出本车前方车辆的距离和速度等状态信息,并进行碰撞危险估计的。显然,基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统是一种主动式的防撞、防抱死的汽车安全系统,它使反应时间、距离、速度三个方面都能得到优化控制,可减少驾驶员的负担和判断错误,对于提高交通安全性将起到重要作用,能有效地避免大部分汽车事故的发生。同时也为提高使用车速、增加道路通行能力、实现自动化驾驶等奠定了良好的基础。

汽车防追尾碰撞控制系统具有三种功能:即环境监测功能、防碰撞判断功能和车辆控制功能。

行车环境监测包括环境探测和车况探测两个方面。环境探测系统由测量车间距离和前面车辆方位的毫米波雷达、激光雷达、CCD摄象机及能够判断路面状况的道路传感器所组成。车辆的周边传感技术是实现汽车防碰撞的关键技术。传感器性能的优劣将直接影响整个系统的性能,提高传感器的可靠性,可减少系统的虚警率。微波传感器(雷达)的性价比较高,因此一般选择工作于毫米波的微波传感器作为主传感器,配置以图像、路面传感器等作为辅助传感器来实现对车前障碍物的检测。毫米波雷达安装在车辆前端的中央位置上,激光雷达安装在毫米波雷达的两侧,它们的主要功能是测量本车与前车的距离和前面车辆的方位,并把所测数据传输到防碰撞判断系统;CCD摄象机获得前方车辆和障碍物的图像信息,道路传感器得到路面的状态信息,车况探测系统检测本车的速度、加速度和其他状态信息,所有信息都将被送往防碰撞判断系统。

防碰撞判断系统由目标识别系统和危险估计系统组成。目标识别系统将毫米波雷达、激光雷达、CCD摄象机等传感器的信息经融合处理后,估计出本车前方距离最近的车辆或障碍物的距离和相对速度,并将此信号传送给危险估计系统。

危险估计系统根据路面状况(湿/干)、本车的状况(如车速、转向角及横向摆动速率)、距前车的距离和相对速度以及司机的反应状况计算出“临界车间距离”,并将实际测量的车间距离与临界车间距离进行比较,在实际测量的车间距离非常接近临界车间距离的某一时刻,报警器发出警告信号。当实际测量的车间距离等于或小于临界车间距离时,自动启动制动控制系统。在正常行驶时,该系统处于非工作状态。当本车的车头非常接近于前车的车尾时,该系统将发出防追尾警告。在发出警告后,如果驾驶员没有采取制动减速措施,该系统便自动启动紧急制动装置,以避免发生追尾事故。

车辆控制功能主要指有自动制动操作装置的车辆控制。

国际公路委员会对驾驶员的反应时间做了调查,结论得出平均值为0.5~3s。若驾驶员的反应时间是1.5s,那么在汽车的车速为40Km/h时,反应时间内汽车的行驶的距离是16.7m;车速为80Km/h时,行驶的距离将达33.4m。自动制动系统的反应时间远比驾驶员少的多,它的反应距离只有0.5 m。正常工作时,防碰撞判断系统不断地根据测出的两车之间的距离、本身的车速、相对车速等有关信息,通过数据处理求出安全距离,并与雷达测出的实际距离相比较。如实测距离小于安全距离时,就发出报警信息,如驾驶员仍未采取措施,且安全距离小于极限安全距离时,系统通过执行机构对汽车的常规制动系统起作用,使汽车减速,当距离超过极限距离时,制动机构又恢复正常。

通常,系统由安全/危险预警信号控制的自动制动操作机构,制动防抱死系统(ABS),并采用高速电磁阀进行纵向加速度反馈控制。自动制动操作机构的优点是当自动操作机构处于工作状态时,如果驾驶员的脚制动力大于自动制动控制的前动力时,那么驾驶员的脚制动力有效。一旦自动制动操作机构失灵,脚制动系统并不受影响。

多传感信息融合(MultisensorInformation Fusion)或称多源信息融合是近年发展起来的一门新技术。信息融合是解决飞机、导弹之类飞行器航迹预测与跟踪的一种行之有效的方法,而且也是智能信息处理领域最有前途的一个研究方向。从广义角度讲,信息融合普遍存在于自然界。例如,人类认知客观世界,就是通过视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉等感官获得信息,并经过大脑进行融合而得到认知结论。从狭义角度讲,以不同的传感器获得同一对象的不同量测数据,利用某种算法获得一个综合信息,这就是数据融合。数据融合是信息融合中最简单和最实用的一类方法,这种方法是基于估计理论的,特别是Bayes估计理论,并且主要针对的是同一类型数据信息。典型的应用就是目标跟踪中的航迹预测,把来自不同监测装置的数据进行融合,从而得到最好的估计结果。数据融合方法分为集中处理方式和分布处理方式,在目标跟踪研究中,分布处理方式有其特殊的重要性。

汽车防碰撞系统的工作环境恶劣,干扰因素众多,只用单一雷达传感器做出判断容易产生虚警,为了提高对目标的识别和估计能力,就要引入多传感信息融合技术。其中,传感器包括毫米波雷达传感器、激光雷达传感器,视频传感器等。把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的多源信息,进行综合处理,其目的就是降低探测的不确定性,形成对系统环境相对一致的感知描述,以便得到一个准确可靠的分析和判断结果,从而提高系统决策能力。

基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统研究的主要内容,就是探讨关于多源信息实时融合的方法,其中包括多源信息实时融合的实时目标识别算法、多源信息实时融合的实时参数估计、多源信息实时融合的实时危险评估等,并将这些方法运用于工程实际。基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统所能达到的技术指标包括能在线实时采集数据,并完成目标识别和多传感信息的融合处理;目标识别精度达到工业应用标准;能根据车辆目前的状态和障碍物的状态,进行防碰撞判断;特别能对危险情况进行预警,当接近目标时发出报警信号,提醒司机注意。基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统的实施可以大大提高车辆运行的安全性,最大限度地减少交通事故的发生。

A. 基于多传感器信息融合技术的目标识别

汽车防碰撞系统的技术关键之一是目标识别系统。因为,雷达在向前方发射电磁波时,车前的所有物体如树木、公路标志、立体交叉、桥梁、架空电线等都会对雷达波产生反射。系统必须剔除那些虚假的,即不会引起碰撞危险的物体反射的信号,将那些真实的,即确有碰撞危险的信号检测出来进行处理,才能准确工作,而不会发生误动作。

为了消除或减少虚假报警现象的发生,除了在设计和选择传感器时要保证一定的技术指标外(如要求雷达的视角在一定的范围内),还要利用其它传感器的信息进行综合分析和判断。

B. 基于多传感器信息融合技术的距离估计

从上面的介绍可知,本车与前车的距离是汽车防碰撞系统的一个重要参数,在计算临界安全距离时,要根据它估算前车的速度和加速度,因此,该距离量的准确性将直接影响防碰撞系统工作的可靠性和准确性。

测量距离用的传感器有激光雷达传感器和毫米波雷达传感器,这两类传感器各有特点。它们的测量范围、对环境的适应能力和对目标的反映能力也不尽相同,但是无论使用哪种传感器去保证在整个测量范围内测量的准确性和可靠性,都必须利用融合技术,这样才能根据传感器信息的互补性和冗余性,进行合适的数学处理,得到一个比较准确的距离值。

C. 基于多传感器信息融合技术的危险评估

危险评估系统的核心就是根据路面状况、本车的运行状况、距前车的距离和相对速度以及司机的反应状况综合做出判断,计算出“临界车间距离”并将实际测量的车间距离与临界车间距离进行比较。 “临界车间距离”的确定必须考虑各个方面的影响,若司机的反应比较灵敏,或道路状况较好,或本车的制动系统工作良好,则“临界车间距离”可以取较小值;反之,“临界车间距离”则需取大一些的值,以防碰撞的发生。

下面简单介绍一下系统中使用的主流传感器。

目前最受关注的传感手段是运用毫米波进行测量的雷达系统。毫米波是指工作频率在30~100GHz,波长在1~10mm之间的电磁波。车用毫米波雷达主要包括24GHz和77GHz毫米波雷达。毫米波雷达可以全天候工作,不受天气状况的影响,而恶劣的气候环境正是导致交通事故的主要原因之一。随着CMOS高频器件和单片微波集成电路MMIC的出现和应用,毫米波雷达的性能有了很大的提高,成本也有所下降,并且雷达的外型尺寸可以做得很小,便于在汽车上安装。因此,毫米波雷达就成了汽车前视雷达的首选。为了在高速公路上及时发现前方的交通堵塞,汽车用毫米波雷达的探测距离必须在100m以上;为了覆盖左右两侧的车道线,探测宽度必为3.5m;为了不把道路上方的标识和人行天桥也探测进去,上、下方要有与道路的升降相对应的3m左右的探测幅度。

激光雷达是从激光发送至被测物体,然后反射回来被接收,其间的时间差即用来计算至障碍物的距离。早期的车用激光雷达都是发送多股激光光束,并依靠前车反射镜的反射时间来测定距离。现代汽车除了测定前方车的距离外还要对前方多辆车的位置进行辨识,因而开始采用扫描式激光雷达。

根据物体的反射特性,激光的反射光亮变化很大,因此可能检测出的距离也是变化的。由于车辆后部的反射镜等容易反射,故可以检测出稳定的较长距离。有少许凹凸的铁板等因不能得到充足的反射光量,故测出的距离较短。另外,在检测侧面方向及后方的障碍物时,与检测前方障碍物的情况不同,如果障碍物上没有反射镜,那么由于各种障碍物的反射特性变化很大,故可能稳定测出的距离变短。

系统采用测距传感器在水平面上呈扇形快速扫描,提高激光束的能量密度,可延长测距传感器的监测距离,消除因车辆颠簸引起的误差,并能监测弯道上的障碍。最小的传感器监测范围(一般在120m以上)是由实际车间距离确定的。该车间距离是指在潮湿路面状况下,保证在后面车辆减速制动后,不致于碰撞到前面的暂停车辆的距离。

简单的倒车防碰撞系统一般使用超声波传感器。声纳装置向车辆后方反射超声波,当车后无障碍物时,随着距离的增加,超声波逐渐减弱,就是说,根据向车后反射的超声波是否返回,可以判断检测范围内是否有障碍物。如向车后反射的超声波遇有障碍物返回时,测定所用的时间,再根据时间与距离的正比例关系,就可判断并显示出汽车到障碍物的距离。此外,将车辆后方划分为左、中、右三个区域,可以判断出障碍物在何处。这种系统还具有自我检验功能,用以检验本系统工作状况。

所谓超声波,即通常指人的耳朵无法听到的高频声波。超声波(距离)传感器的主要功用是车辆后退时,利用超声波检测车辆后方的障碍物,并利用指示灯及蜂鸣器等把车辆到障碍物的距离及位置等通知驾驶人员,起到确保安全的作用。超声波(距离)传感器采用的是压电元件锆钛化铝,一般称为PZT。这种传感器的特点在于它具有方向性,传感器用蜂鸣器的纸盆为椭圆形,其目的就是传感器的水平方向特性宽,而垂直方向受到限制。

关于毫米波雷达和激光雷达的内容, 后文会有详细介绍。

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