面向解決安全節(jié)能一體的高速下匝道生態(tài)控制系統(tǒng)研究

成朋樂 馮朝陽 尹嘉潔

摘要：隨著我國交通運輸事業(yè)的發(fā)展，高速公路交通運輸量與車輛保有量的快速增長，給出行帶來了很大的交通安全隱患。本文的研究是在高速公路匝道交通安全分析的基礎上，構(gòu)建面向解決安全節(jié)能一體的高速公路下匝道生態(tài)控制系統(tǒng)，旨在在高速下匝道區(qū)域通過L3級別自動駕駛的速度優(yōu)化模型與外場設備的配合，為駕駛?cè)颂峁┌踩鸟{駛模式和減少車輛在高速公路下匝道區(qū)域因至收費站路段時不必要的加、減速等情況、減少油耗、保證安全且提高車輛通行效率，使得車輛以較優(yōu)速度平穩(wěn)的通過收費路段。在STM32單片機、PID速度控制、雷達測距、傳感技術等先進技術的支持下，通過對速度優(yōu)化模型的建立和車載設備及外場設備的研究緩解收費站路段的擁堵、提高通行效率，保障行車安全性及減少汽車耗能。

關鍵詞：高速匝道;安全行駛;低碳交通;速度優(yōu)化;自動駕駛

1、項目背景

隨著社會汽車保有量的不斷增加、高速公路安全事故和尾氣排放日益嚴重，尤其是在高速下匝道是這兩種狀況的多發(fā)區(qū)，尤其在節(jié)假日時，高速收費站路段往往會發(fā)生大面積堵車，使得交通癱瘓。因空轉(zhuǎn)，急停等造成的汽車尾氣排放量加劇，“汽車災難”已基本形成。相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，每年在高速公路匝道發(fā)生的交通事故占總事故的30%以上。

2、項目概述

為了減少在高速下匝道處因人為因素而引起的燃油過多消耗、尾氣排放加劇，以及交通擁堵，故此項目致力于研究高速公路下匝道處車輛L3級別的自動行駛模式。

據(jù)調(diào)查，我國高速公路下匝道主段的長度為150-200m，本項目以180m為研究對象，主匝道末端到收費站的距離記為50米。首先，在距高速下匝道鼻角前后1KM以及收費站外處各設置信號機級信號觸發(fā)和結(jié)束裝置，車輛進入此處后觸發(fā)自動駕駛模式，再根據(jù)駕駛員的指令安全進入下匝道或安全直行。其次，為了避免該智能車輛與普通車輛因信息交流障礙產(chǎn)生控制不當?shù)那闆r，將閘道主段分為三段，每段分為兩部分，順序為50m實線+10m虛線依次分布，并且在道路兩側(cè)每隔lOm設置白色倒角，共計23個。在匝口主段始末位置分別安裝兩個壓敏磁阻傳感器，記錄匝道主段的車流量。在ETC收費站處設置電子流量攝像頭檢測主匝道末端到收費站范圍內(nèi)的車流量信息，在最右端下匝道末端和收費站之間為該智能車輛開設ETC通道，期間不能隨意變道，并在收費站口安裝電子警察，對違法車輛進行抓拍。

通過車載設備對車輛距收費站ETC識別區(qū)的距離和主匝道段的的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，用毫米波雷達測出與前車之間的距離，并將檢測數(shù)據(jù)進行收集傳送至STM32單片機。研究過程將對車輛行駛過程分為三階段：減速階段一一百米準備一一自動控制。通過速度比對得出符合當前狀態(tài)下的最優(yōu)速度，并將最優(yōu)速度的指令傳輸至車輛控制系統(tǒng)，依靠PID速度控制技術完成車輛時速的控制。使得其在可以適應收費站和下匝道的基本速度，車流要求，達到避免汽車頻繁的加減速和收費站處滯留，實現(xiàn)減少耗能、安全行車的目的。

車載要求：STM32單片機、毫米波雷達、無線信號接收裝置、微型高清攝像頭、自控速度啟動裝置，JF24D無線信號收發(fā)裝置。

道路設施：百米虛實線、高速攝像頭、白色標識、電子警察、ETC通道，信號機，壓敏磁阻傳感器。

3、項目介紹

3.1工作流程

3.2正常行駛階段

駕駛員于高速公路行駛時，因意外突發(fā)情況較少，在較長時間的直道行駛過程中可以開啟定速巡航或自適應巡航輔助駕駛模式。當駕駛員對車輛ECU控制單元發(fā)出進入自適應巡航模式后，汽車的各類傳感器及毫米波雷達等車載設備根據(jù)前車以及本車的行駛狀態(tài)，將車距、車速、前車速度、本車速度等參數(shù)信息發(fā)送至ECU。經(jīng)計算判斷后，向節(jié)氣門、制動、檔位等執(zhí)行器發(fā)送指令，以決定自己此時的形式狀態(tài)，加速、減速亦或向駕駛員提示退出巡航模式。在進入彎道駕駛時，駕駛員會根據(jù)彎道的情況而調(diào)整車速;長距離雷達的視野較小，彎道半徑最高可達150m，在實驗中顯示出較高的可靠性。自適應巡航模式可以解放駕駛員的雙手，降低了駕駛員因長時間疲勞駕駛而造成交通事故的概率。

3.3百米準備階段

當車輛進入1KM處時，L3級別的自動駕駛模式開啟，車輛按照駕駛?cè)说闹噶顝母咚僦鞲傻赖母咚佘嚵饕来瓮ㄟ^漸變路段和減速路段的減速后時，車速減至最高40km/h。較低的車速不容易引起收費口路段的交通事故，易于在車路協(xié)同環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運行與突發(fā)情況的判斷。當車輛行駛至距收費站230m的下匝道主段時，在默認情況下在道路旁設置的信號機會發(fā)出激活命令，通過JF24D信號收發(fā)裝置傳送至車輛ECU中，車輛的自動駕駛模式激活。車輛由人工控制轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械控制并進行語音播報提醒一一“車輛進入自動駕駛模式”。（如果司機拒絕此時開啟自動駕駛，可以從操作機界面輸入“關閉自動駕駛模式”的命令，由人工控制車輛通過。）當接收到信號機的觸發(fā)信息后車輛進入自動駕駛模式。此時以STM32為核心的內(nèi)置單片機電路被導通，自動駕駛模式信號傳輸電路開始工作。毫米波雷達測距模塊、無線信號接收裝置啟動、PID速度控制器被激活，車輛進入自動駕駛階段。

3.4自動控制階段

將信息采集節(jié)點分別置于車道中間用于監(jiān)測前方車道的車輛。當車輛駛過磁阻傳感器1和壓敏磁阻傳感器2時，兩個不同位置的磁阻傳感器會存在作用次數(shù)的差值Aa。則可得到當前在180m路段內(nèi)排隊的車輛數(shù)為等，信息采集節(jié)點將采集的車輛信息通過路由節(jié)點傳輸?shù)铰愤叺膮R聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過外部接口發(fā)送至車輛的ECU中。于此車輛便可獲知前方的排隊信息，彌補了毫米波雷達無法檢測障礙物前方情況的缺點，便于自動駕駛階段速度的優(yōu)化。（收費口路段車流量的檢測問題解決）

在電路激活的同時，信息處理單元接收到車載高速攝像頭采集的倒角圖像，通過圖像分析技術轉(zhuǎn)化成倒角的數(shù)量，通過STM32的內(nèi)置算法，車輛獲知了目前所處的位置信息以及通過比例尺對比確定出距收費站的信息。（車輛距收費站的位置信息解決）

當所有信息發(fā)送至STM32單片機中，信息處理單元會根據(jù)實時發(fā)送而來的數(shù)據(jù)判斷適合車輛當前情況的速度信息，并將處理結(jié)果發(fā)送至PID速度控制器，控制車輛以較優(yōu)速度前進，平順地通過收費路段?？蛇M一步緩解大量車流在ETC收費路段的擁堵，減少駕駛員不必要的加減速引起的燃料消耗，提高乘客的舒適度。

4、項目創(chuàng)新點

目前道路的最優(yōu)軌跡速度的研究有ielert et al交通輕型車輛通信（TLVC）系統(tǒng)，為降低油耗和排放提供速度建議，Koukoumidis等人提出了一個協(xié)作平臺，在該平臺中，裝有攝像頭的智能手機安裝在車輛的擋風玻璃上，提供交通和信號信息，并通過車對車通信進行傳播。根據(jù)車輛在信號干線上行駛時所共享的交通和信號信息，提出了最優(yōu)速度等，但是這些研究都因為硬件設備，通信技術和人為因素的問題導致最優(yōu)速度產(chǎn)生很大的誤差甚至引起更多的交通堵塞和交通事故。而該研究項目的創(chuàng)新點在于：

①首次將車輛速度自控技術引入最優(yōu)速度軌跡的實現(xiàn)中，實現(xiàn)智能化控制，避免了人為因素造成油門控制的不均勻性;

②區(qū)域的實線的布置，使得車輛井然有序的通過下主匝道;

③通過在主匝道一百五十米區(qū)域布置白線，結(jié)合高速攝像頭，實現(xiàn)車輛實時與收費站距離的測定，相比與傳統(tǒng)的Gps測量更加準確;

④實現(xiàn)了車路協(xié)同環(huán)境下網(wǎng)聯(lián)車下匝道生態(tài)控制和速度優(yōu)化引導。

⑤相對封閉的行駛環(huán)境使得車輛運行的安全性得到大大的提升

⑥經(jīng)濟實用，能夠滿足人們生活的基本要求