CN110097786B - 一种基于v2x的车车碰撞检测方法及应用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于V2X的车车碰撞检测方法及应用系统，包括(1)数据交互模块：实现汽车运动状态原始数据与V2V通信消息集报文解析与封装。(2)坐标转换及投影模块：基于汽车运动状态数据、外部配置地球几何属性数据，实现由大地地心坐标系到基于本车载体的高斯平面坐标系转换。(3)安全车距计算模块：求解汽车预计运动距离、汽车平面顶点坐标，引入安全车距参数，实现碰撞风险预测。(4)碰撞风险检测模块：判断汽车两两之间覆盖区域重叠情况，实现碰撞检测。本发明基于V2V通信广播的BSM车辆基本安全属性消息，为了提高碰撞检测准确性，通过引入车身尺寸参数，实现对车身边缘精确计算，达到碰撞检测的目的。
Description
【技术领域】
本发明涉及交通安全的汽车碰撞检测技术领域，特别涉及一种基于V2X的车车碰撞检测方法及应用系统。
【背景技术】
V2X车联网环境下基于车车通信的目标检测和状态感知，车车碰撞危险检测是辅助驾驶员行驶、提升行车安全的重要手段。车联网环境保障了车车通信高频、低时延及数据准确性，支持车辆运动状态和静态配置信息实时传输。然而，基于信息传输，如何实现精准、多维度的汽车目标检测与状态感知是当前面临的一个问题。一方面由于缺乏完整的汽车静态数据(如车身尺寸)，另一方面也缺乏合适的方法针对汽车覆盖区域建立二维数值模型。此外，合理的安全距离模型，在考虑碰撞危险预测的基础上，实现相对位置预测，避免碰撞事故发生尚需深入研究。综上原因成为了目前车车碰撞检测预警应用不够准确的主要因素。
为了辅助驾驶员行车、提升驾驶员安全，因此提出车联网环境下基于车车通信的碰撞检测方法显得十分重要，将是对交通安全类应用的极大补充。
【发明内容】
有鉴于此，为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于V2X的车车碰撞检测方法及应用系统，针对车联网环境下汽车目标检测维度不够的问题，建立汽车覆盖区域二维数值模型，准确预测车辆两两之间相对位置，针对碰撞检测不准确问题，提出顶点射线与平面边缘相交法，准确判定车车碰撞。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于V2X的车车碰撞检测方法，包括以下步骤：
(1)通过数据交互模块提取车辆信息，实现汽车运动状态原始数据与V2V通信信息集报文解析与封装；(2)通过坐标及投影模块实现坐标系转换及平面投影，基于汽车运动状态数据、外部配置地球基本属性数据，实现由大地地心坐标系到基于本车载体的高斯平面坐标系转换；(3)通过安全车距计算模块，在考虑通信时延、驾驶员反映时延、制动时延的前提下，求解汽车预计运动距离、汽车平面顶点坐标，进而引入安全车距参数，实现碰撞风险的提前预测，保障驾驶安全；(4)碰撞风险检测模块：求解汽车顶点射线及边缘线段解析式，结合顶点射线与平面边缘相交法，通过统计交点数量，判断汽车两两之间覆盖区域重叠情况，实现碰撞检测。
进一步，在步骤(1)中，所述数据交互模块解析接收到的V2V通信信息集(BSM)生成汽车运动状态数据，并提供完整运动状态数据结构，再根据汽车运动状态封装成消息集以支持V2V通信信息传输。
所述步骤(2)中，坐标系转换及平面投影方式如下：(21)基于地球球面半径及汽车位置数据完成由大地地心坐标系到东北天坐标系转换；
(22)基于东北天坐标系坐标，完成以本车GPS定位模块为原点，当前行驶方向为横轴正向，符合右手坐标系的载体坐标系转换；
(23)结合地球表面任意点海拔高度，完成三维载体坐标系向二维高斯平面坐标系投影；
(24)并对外提供不同坐标系下其他车辆位置数据API。
进一步，所述步骤(3)中，通过安全车距计算模块具体计算方法包括：
(31)计算考虑通信时延、驾驶员反应时延、制动时延的前提下，本车在水平和垂直方向上运动的距离，从而求得平面顶点坐标值；
(32)计算考虑通信时延、驾驶员反映时延、制动时延的前提下，其它车辆水平和垂直方向上运动的距离，从而求得平面顶点坐标值；
(33)分别用其他车辆和本车在水平和垂直方向上的运动距离表示考虑时延条件下的本车相对运动距离，预测本车与其他车辆的相对位置；
(34)提供考虑时延情况下的汽车平面顶点坐标API。
所述步骤(4)中，方法如下：
(41)求解汽车平面边缘线段解析式，以表征汽车平面区域覆盖；
(42)求解汽车顶点射线解析式；
(43)求解汽车两两之间线段相交交点，根据交点落入汽车平面区域情况，确定预测的汽车碰撞情形。
本发明还涉及一种基于V2X的车车碰撞检测应用系统，包括数据交互模块、坐标转换及投影模块、安全车距计算模块、碰撞风险检测模块，所述数据交互模块将监测车辆的运动状态信息传输给所述坐标转换及投影模块，所述坐标转换及投影模块将汽车运动状态数据投影后转换为可读取的坐标信息，所述安全车距计算模块通过上述车辆坐标信息求解汽车预计运动距离和安全车距参数，所述碰撞风险检测模块求解汽车顶点射线及边缘线段解析式，结合顶点射线与平面边缘相交法，通过统计交点数量，判断汽车两两之间覆盖区域重叠情况，实现碰撞检测。
进一步，所述坐标转换及投影模块对外提供不同坐标系下的车辆位置数据API。
所述碰撞风险检测模块进行碰撞情形判别，再通过点、线、面计算公式进行交点统计数据API，最后得出碰撞预警API。
本发明的有益效果是，本发明基于V2V通信广播的BSM车辆基本安全属性信息，通过提取必要运动状态和车辆静态属性数据，在考虑通信时延、驾驶员反应时延、刹车踏板踩踏时间的基础上、引入安全距离模型，进而预测车车碰撞态势。为了提高碰撞检测准确性，通过引入车身尺寸参数，提升了车车相对运动分析维度，实现对车身边缘的精确计算。最后基于车身顶点射线与平面边缘相交法，判断考虑安全车距的前提下车辆覆盖区域重叠情况，实现碰撞检测。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构原理流程示意图。
图2为本发明坐标系转换及平面投影的坐标运动示意图。
图3为本发明坐标系求解车身顶点坐标的示意图。
图4为本发明RV顶点坐标求解示意图。
图5为本发明碰撞风险检测中情形一顶点落入四边形内的示意图。
图6为本发明碰撞风险检测中情形二区域重合且无顶点落入对方平面四边形中的示意图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明一种基于V2X的车车碰撞检测方法，包括如下步骤：
(1)数据交互模块：实现汽车运动状态原始数据与V2V通信信息集报文解析与封装；
(11)解析接收到的V2V通信信息集(BSM)生成汽车运动状态数据，并提供完整运动状态数据结构；
(12)根据汽车运动状态封装成消息集以支持V2V通信信息传输。
(2)坐标转换及投影模块：基于汽车运动状态数据、外部配置地球基本属性数据，实现由大地地心坐标系到基于本车载体的高斯平面坐标系转换。
(21)基于地球球面半径及汽车位置数据完成由大地地心坐标系到东北天坐标系转换。
(22)基于东北天坐标系坐标，完成以本车GPS定位模块为原点，当前行驶方向为横轴正向，符合右手坐标系的载体坐标系转换。
(23)结合地球表面任意点海拔高度，完成三维载体坐标系向二维高斯平面坐标系投影。
(24)并对外提供不同坐标系下其他车辆位置数据API。
(3)安全车距计算模块：在考虑通信时延、驾驶员反应时延、制动时延的前提下，求解汽车预计运动距离、汽车平面顶点坐标，进而引入安全车距参数，实现碰撞风险的提前预测，保障驾驶安全。
(31)计算考虑通信时延、驾驶员反应时延、制动时延的前提下，本车在水平和垂直方向上运动的距离，从而求得平面顶点坐标值。
(32)计算考虑通信时延、驾驶员反映时延、制动时延的前提下，其它车辆水平和垂直方向上运动的距离，从而求得平面顶点坐标值。
(33)分别用其他车辆和本车在水平和垂直方向上的运动距离表示考虑时延条件下的本车相对运动距离，预测本车与其他车辆的相对位置。
(34)提供考虑时延情况下的汽车平面顶点坐标API。
(4)碰撞风险检测模块：求解汽车顶点射线及边缘线段解析式，结合顶点射线与平面边缘相交法，通过统计交点数量，判断汽车两两之间覆盖区域重叠情况，实现碰撞检测。
(41)求解汽车平面边缘线段解析式，以表征汽车平面区域覆盖。
(42)求解汽车顶点射线解析式。
(43)求解汽车两两之间线段相交交点，根据交点落入汽车平面区域情况，确定预测的汽车碰撞情形。
(44)采用顶点射线与平面边缘相交法，以
顶点射线为例，令
纵坐标
分别求得交点横坐标为
在满足横坐标范围的前提下，求得
每条射线与RV四条边有效交点个数
i表示
射线编号。若满足式(12)，则判断为发生碰撞。
同样地，以RV顶点射线为例，令
或
或
或
分别
求取交点坐标，在满足坐标范围(落入
四条边上)的前提下，求得每条射线与
四
条边有效交点个数
j表示RV射线编号。若满足式(15)，
则判断为发生碰撞。
进一步，在上述步骤(1)对车辆信息提取时，本发明基于V2V通信的目标感知与检测。接收信号可接收范围内周围车辆BSM报文消息，包括经纬度、速度、行驶方向等数据。以本车定位模块(GPS+惯导)为坐标原点、行驶方向为横坐标正轴、建立右手直角坐标系，以分别确定周围车辆的相对运动状态信息。
(I)其它车辆信息提取。
本车(HV：Host Vehicle)通过V2V通信实时接收周围车辆(RV：Remote Vehicle)广播的BSM消息，解析得到RV运动状态及配置信息，结合HV自身运动状态及配置信息，如下表1所示：
表1：HV与RV运动状态及配置属性
(II)坐标系转换及平面投影
考虑BSM报文内包含经纬度数据基于WGS84坐标系，为了实现RV方位的准确判定，经过两步坐标系转换。由WGS84坐标系转换至东北天坐标系，再转换至载体坐标系，得到以HV定位模块为圆心，当前航向为X正轴的右手坐标系，RV定位模块在该载体坐标系下的坐标，通过投影转换，得到二维平面下RV坐标，如下图2所示:
则
坐标表示为：
这里transverse为坐标系转换及平面投影函数。除此之外，相对航向角：
考虑车身尺寸。
为了精确检测车辆方位，需要准确识别车辆边界。因此，本发明将车身尺寸纳入考虑范围，在二维坐标系条件下，可将汽车视为规则矩形，由四个顶点组成，则可根据定位模块坐标分别求解得到HV和RV四个顶点坐标。如下图3所示。
则HV顶点坐标表示为：
同理，根据RV运动方向、定位模块在HV载体坐标系下坐标和车身尺寸配置，则可表示RV四个顶点坐标。以求解Arv(x,y)为例，如下图4所示，连接RV定位模块(Orv)与Arv，分别以Orv和Arv为起点，做横轴垂线，得到Prv和
另以Orv为起点，做
的垂线。
因此，Arv(x,y)坐标可表示为：
Brv(x,y)坐标分别为：
Crv(x,y)坐标表示为：
Drv(x,y)坐标表示为：
步骤二，安全车距建模。
考虑到驾驶员反应时间treact，通信时延tcomm、踩踏油门踏板引起的制动时延
tbrake，刹车阶段行驶距离，延时及刹车过程中RV行驶距离，进而引入安全车距参数，实现碰撞风险的提前预测，保障驾驶安全。首先，该过程中RV运动距离为：
所以，求得考虑安全车距情况下HV
横纵坐标为：
步骤三，碰撞风险检测。
在步骤二碰撞风险预测的前提下，若HV平面部分区域落入RV平面覆盖的区域，则表示两车发生了碰撞，即两车在地理平面覆盖区域出现了重叠。
(1)情形一、
或RV有顶点落入四边形内，如下图5所示。
为了准确判定覆盖区域重叠情况，以Aev为起点，沿HV运动方向做射线，若射线不与RV边界线相交，或者交点数为偶数，则表示不出现区域重叠，即无碰撞产生；若射线与RV边界线交点为奇数，则表示出现区域重叠，发生碰撞。
计算方法如下：
首先，求解RV四条边线段解析式：
然后，表示
八条顶点射线为：
采用顶点射线与平面边缘相交法，以
顶点射线为例，令
纵坐标
分别求得交点横坐标为
在满足横坐标范围的前提下，求得
每条射线与RV四条边有效交点个数
同理，求解
四条边线段解析式为：
然后，表示RV八条射线解析式为：
采用顶点射线与平面边缘相交法，以RV顶点射线为例，令
或
或
或
分别求取交点坐标，在满足坐标范围(落入
四条边上)的前提下，求得每条射线与
四条边有效交点个数
j表示RV射线编号。若满足式(15)，则判断为发生碰撞。
(2)情形二、
或RV有无任何顶点落入四边形内，且存在区域重合，如下图6所示。
根据
与RV四条边线段解析式(公式(10)、公式(13))，通过判断
与RV四条边之间是否有交点，确定是否存在区域重合。若有交点，则重合，即发生碰撞；若无交点，则不重合，没有发生碰撞。
根据以上步骤之后求解得到的交点个数进行判断，若存在任意一条射线与边的交点个数为奇数，则发生碰撞。
本发明还涉及一种基于V2X的车车碰撞检测应用系统，包括数据交互模块、坐标转换及投影模块、安全车距计算模块、碰撞风险检测模块，所述数据交互模块将监测车辆的运动状态信息传输给所述坐标转换及投影模块，所述坐标转换及投影模块将汽车运动状态数据投影后转换为可读取的坐标信息，所述安全车距计算模块通过上述车辆坐标信息求解汽车预计运动距离和安全车距参数，所述碰撞风险检测模块求解汽车顶点射线及边缘线段解析式，结合顶点射线与平面边缘相交法，通过统计交点数量，判断汽车两两之间覆盖区域重叠情况，实现碰撞检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于V2X的车车碰撞检测方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）通过数据交互模块提取车辆信息，实现汽车运动状态原始数据与V2V通信信息集报文解析与封装；（2）通过坐标及投影模块实现坐标系转换及平面投影，基于汽车运动状态数据、外部配置地球几何属性数据，实现由大地地心坐标系到基于本车载体的高斯平面坐标系转换；（3）通过安全车距计算模块，在考虑通信时延、驾驶员反映时延、制动时延的前提下，求解汽车预计运动距离、汽车平面顶点坐标，进而引入安全车距参数，实现碰撞风险的提前预测，保障驾驶安全；（4）碰撞风险检测模块：求解汽车顶点射线及边缘线段解析式，结合顶点射线与平面边缘相交法，通过统计交点数量，判断汽车两两之间覆盖区域重叠情况，实现碰撞检测；
所述步骤（3）中，通过安全车距计算模块具体计算方法包括：
（31）计算考虑通信时延、驾驶员反应时延、制动时延的前提下，本车在水平和垂直方向上运动的距离，从而求得平面顶点坐标值；
（32）计算考虑通信时延、驾驶员反映时延、制动时延的前提下，其它车辆水平和垂直方向上运动的距离，从而求得平面顶点坐标值；
（33）分别用其他车辆和本车在水平和垂直方向上的运动距离表示考虑时延条件下的本车相对运动距离，预测本车与其他车辆的相对位置；
（34）提供考虑时延情况下的汽车平面顶点坐标API；
所述步骤（4）中，方法如下：
（41）求解汽车平面边缘线段解析式，以表征汽车平面区域覆盖；
（42）求解汽车顶点射线解析式；
（43）求解汽车两两之间线段相交交点，根据交点落入汽车平面区域情况，确定预测的汽车碰撞情形。
2.根据权利要求1所述的一种基于V2X的车车碰撞检测方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述数据交互模块解析接收到的V2V通信信息集（BSM）生成汽车运动状态数据，并提供完整运动状态数据结构，再根据汽车运动状态封装成消息集以支持V2V通信信息传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于V2X的车车碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤（2）中，坐标系转换及平面投影方式如下：（21）基于地球球面半径及汽车位置数据完成由大地地心坐标系到东北天坐标系转换；
（22）基于东北天坐标系坐标，完成以本车GPS定位模块为原点，当前行驶方向为横轴正向，符合右手坐标系的载体坐标系转换；
（23）结合地球表面任意点海拔高度，完成三维载体坐标系向二维高斯平面坐标系投影；
（24）并对外提供不同坐标系下其他车辆位置数据API。
4.基于权利要求1所述的一种基于V2X的车车碰撞检测方法的应用系统，其特征在于，包括数据交互模块、坐标转换及投影模块、安全车距计算模块、碰撞风险检测模块，所述数据交互模块将监测车辆的运动状态信息传输给所述坐标转换及投影模块，所述坐标转换及投影模块将汽车运动状态数据投影后转换为可读取的坐标信息，所述安全车距计算模块通过上述车辆坐标信息求解汽车预计运动距离和安全车距参数，所述碰撞风险检测模块求解汽车顶点射线及边缘线段解析式，结合顶点射线与平面边缘相交法，通过统计交点数量，判断汽车两两之间覆盖区域重叠情况，实现碰撞检测。
5.根据权利要求4所述的一种基于V2X的车车碰撞检测方法的应用系统，其特征在于，所述坐标转换及投影模块对外提供不同坐标系下的车辆位置数据API。
6.根据权利要求4所述的一种基于V2X的车车碰撞检测方法的应用系统，其特征在于，所述碰撞风险检测模块进行碰撞情形判别，再通过点、线、面计算公式进行交点统计数据API，最后得出碰撞预警API。
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Denomination of invention: A Vehicle Collision Detection Method and Application System Based on V2X Effective date of registration: 20231010 Granted publication date: 20211130 Pledgee: Bank of China Limited Wuhan Economic and Technological Development Zone sub branch Pledgor: ISMARTWAYS (WUHAN) TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980060478 |