基于IEEE 802.11 p/1609的車輛防追尾碰撞終端系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

徐淑雨1盧紅洋2▲成健2

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究院北京100088；2.中國交通通信信息中心北京100011)

摘要車輛追尾碰撞是道路交通最主要的事故形態(tài)，車輛防追尾碰撞技術(shù)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。文中基于IEEE 802.11p/1609標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了車輛防追尾碰撞終端系統(tǒng)。系統(tǒng)由Freescale硬件平臺與嵌入式 Linux 軟件平臺構(gòu)成，采用全球定位系統(tǒng)技術(shù)實時獲取車輛位置等信息，通過WAVE技術(shù)使車輛間形成高速雙向交互式通信，實現(xiàn)車輛防追尾碰撞實時預(yù)警。通過系統(tǒng)通信性能測試和防追尾碰撞預(yù)警測試。通信性能測試結(jié)果表明，所設(shè)計終端系統(tǒng)能夠較好實現(xiàn)高效、可靠通信，在靜態(tài)和動態(tài)條件下，車輛采用BPSK調(diào)制方式時丟包率不高于10%，可很好的滿足車輛安全可靠性需求；而防追尾碰撞預(yù)警測試結(jié)果表明，該終端系統(tǒng)能比較真實地反映實際的駕車情形，及時給出預(yù)警，預(yù)警準(zhǔn)確率高達97%，具有較好的可用性。

關(guān)鍵詞交通安全；車輛防追尾碰撞；終端系統(tǒng)設(shè)計；IEEE 802.11p/1609標(biāo)準(zhǔn)；車間通信；Freescale硬件平臺

中圖分類號：TP315文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-07-16修回日期：2015-05-26

作者簡介：第一徐淑雨(1982-)，碩士，工程師.研究方向：交通運輸信息化.E-mail：sy.xu@rioh.cn

Design and Implementation of the Vehicle Rear-End Collision

Avoidance Terminal System Based on IEEE 802.11 p/1609

XU Shuyu1LU Hongyang2CHENG Jian2

(1.ResearchInstituteofHighwayMinistryofTransport，Beijing100088，China；

2.ChinaTransportTelecommunications&InformationCenter，Beijing100011，China)

Abstract:Rear-end collision is one of the main types of traffic collisions on the road. Therefore, rear-end collision avoidance technology has attracted extensive attention of numerous researchers around the world. This paper proposes a rear-end collision avoidance system based on the IEEE 802.11 p/1609 protocols. The system consists of a Freescale hardware platform and a software platform based on an embedded Linux OS. Real-time location information of each vehicle is obtained by Global Positioning System (GPS). A wireless access in vehicular environments (WAVE) is used to provide a high-speed and two-way interactive communication between vehicles for real-time rear-end collision warnings. The performance of the system is tested. Test results show that the proposed system can provide high efficient and reliable communications between vehicles. The packet loss rate is less than 10% with Binary Phase Shift Keying (BPSK) under either static or dynamic vehicle operating state. And the results show that the system developed can effectively capture the different driving behaviors and provide warnings in a real time with a high accuracy of 97%. The study results indicate that the proposed system is effective for field implementation.

Key words:traffic safety; rear-end collision avoidance; system design; IEEE 802.11 p/1609 standards; inter-vehicle communication; Freescale hardware platform

*國家863計劃項目(批準(zhǔn)號：2014AA123103)資助

▲通信作者：盧紅洋(1986-)，碩士，工程師.研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、主動安全. E-mail：luhongyang@cttic.cn

0引言

隨著生活水平的不斷提高，汽車成為人們?nèi)粘３鲂械闹饕煌üぞ咧唬覈?013年汽車保有量已達到1.37億輛[1]。汽車給人類社會帶來便利的同時也帶來了諸多問題，尤其以交通安全問題最為嚴(yán)重，這也是困擾當(dāng)今交通領(lǐng)域的三大難題之一。根據(jù)世界健康組織的預(yù)測，到2020年，交通事故傷害在數(shù)量上將上升65%，成為造成人類傷殘的第三大因素，造成的經(jīng)濟損失占到全球GDP的1%～2%[2]。而在交通事故中，車輛追尾碰撞是比較常見的，是公路上最主要的事故形態(tài)。通過對交通事故的分析表明，80%以上的車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員沒有及時做出反應(yīng)所造成的，超過65%的車輛間相撞屬于追尾碰撞[3]。

為降低追尾碰撞造成的影響，世界各國展開了對車輛追尾碰撞預(yù)警系統(tǒng)的研究，已經(jīng)有了許多的成果，如基于環(huán)境感知的各類追尾碰撞預(yù)警系統(tǒng)，包括雷達系統(tǒng)[4]、紅外系統(tǒng)[5]、基于環(huán)境感知與機電控制相結(jié)合的系統(tǒng)[6]等。同時，作為預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，以追尾和安全距離數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的預(yù)警算法也不斷涌現(xiàn)，如基于安全車距[7-8]或碰撞時間[9]的預(yù)警算法等。然而通過環(huán)境感知方法所獲取的車輛信息噪聲較大，易受環(huán)境影響，難以有效區(qū)分干擾目標(biāo)，而且無法獲取車輛間相對加速度信息，使其應(yīng)用受到限制。

隨著車車通信(vehicle-to-vehicle，V2V)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多學(xué)者對基于GPS與V2V[10-11]的防追尾碰撞技術(shù)進行了研究。將這兩者結(jié)合，可以使車輛獲取較為全面、準(zhǔn)確的信息，但其有效性在V2V通信受到干擾而被屏蔽或延時時，導(dǎo)致信息的不準(zhǔn)確甚至無法獲取，影響預(yù)警系統(tǒng)性能。近年來，基于WAVE(wireless access in vehicular environment，車載環(huán)境下無線接入)的車載無線通信系統(tǒng)[12-13]的核心關(guān)鍵技術(shù)的研究也在不斷進步，促使V2V通信性能不斷提高，時延、丟包率等也得到有效改善。如文獻[14]提出1種分析模型通過性能參數(shù)如平均傳輸延遲、包傳輸率、包接收率，評估高速公路上車輛的安全相關(guān)服務(wù)的性能；文獻[15]提出1種能夠動態(tài)調(diào)整CCH和SCH間長度的可變控制信道間隔多信道接入機制，在保證重要安全信息優(yōu)先傳播的前提下，可顯著提高SCHs的飽和吞吐量和降低服務(wù)包的傳輸延遲。這些研究成果也為本文的研究提供了理論基礎(chǔ)和有力支持。筆者基于WAVE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEE 802.11p及1609 協(xié)議族，構(gòu)建了車輛防追尾碰撞終端系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計及實現(xiàn)方案，并通過實地測試，對系統(tǒng)的可行性進行了評價。

1車輛防追尾碰撞終端系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

車輛防追尾碰撞終端系統(tǒng)通過車載單元(on board unit，OBU)實現(xiàn)車與車通信。當(dāng)前車輛車載單元OBU采集自身車輛 GPS 定位信息、車輛狀態(tài)信息，并將這些信息由DSRC(dedicated short range communications，專用短程通信技術(shù))模塊實時地發(fā)送給周邊其他車輛的車載單元OBU，同時接收來自其他車輛車載單元OBU播發(fā)的位置和狀態(tài)信息。當(dāng)前車輛信息處理單元將接收到的其他車輛的位置與狀態(tài)信息與自身信息相比對，判斷是否對當(dāng)前車輛造成威脅。若有，則將危險按等級分類，給出報警信息，提醒駕駛者注意，并采取相應(yīng)措施以避開危險，提高交通車輛安全性。

1.1硬件設(shè)計

由于車輛主動安全通信要求終端接入及時、信息收發(fā)實時性強等，對終端設(shè)備性能要求較高，因此，本終端設(shè)計采用一主多從的模塊化系統(tǒng)方案，GPS數(shù)據(jù)接收與處理、DSRC數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)顯示模塊通過相應(yīng)接口與主處理器相連，每個功能模塊在主處理器協(xié)調(diào)控制下單獨運行，完成數(shù)據(jù)通信與交互。這種設(shè)計模式便于模塊故障排查，有利于終端穩(wěn)定性的提高。為此系統(tǒng)選擇具有功耗低、穩(wěn)定性良好等特點的，符合車規(guī)級的Freescale I.MX6嵌入式開發(fā)板作為研發(fā)基礎(chǔ)。該開發(fā)板采用ARM架構(gòu)的Cortex A9處理器，主頻1 GHz，512 MB DDR內(nèi)存，Linux嵌入式操作系統(tǒng)，具有串口、USB接口、以太網(wǎng)接口、CAN接口、音頻口、視頻口、PCI口等，能夠很好滿足終端系統(tǒng)的設(shè)計需求。終端系統(tǒng)車載單元 OBU 硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

車載單元OBU硬件結(jié)構(gòu)主要包含如下模塊。

1)車輛接口模塊。本模塊主要完成OBU內(nèi)外各模塊的連接，為數(shù)據(jù)可靠通信和交互提供保障。采用CAN(controller area network)總線接口與車輛連接，通過CAN總線接口采集車輛加速度、速度、剎車、轉(zhuǎn)向燈等動態(tài)信息。

2)LCD顯示模塊。本模塊通過開發(fā)板提供的VGA接口外接LCD顯示屏，主要從處理器接收數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果，處理后的結(jié)果以預(yù)警信息圖片的方式提供給駕駛者，直觀、簡便。

3)GPS數(shù)據(jù)接收與處理模塊。GPS模塊選取UBLOX LEA4S模塊，模塊包括基帶與射頻模塊，外置天線，接收靈敏度高，定位實時精確。GPS 模塊主要完成GPS 定位信號與同步時間的提取，對GPS 信號進行解調(diào)和濾波處理，解算出 GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航報文，獲得車輛導(dǎo)航定位的位置、方向等數(shù)據(jù)。

4)DSRC數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該模塊主要完成周邊車輛DSRC信息的接收和自身車輛DSRC信息的播發(fā)。本文DSRC模塊選擇 Unex 公司的 DCMA-86P2 模塊，模塊采用miniPCI接口，需要將開發(fā)板PCI接口轉(zhuǎn)換為miniPCI接口。模塊可工作于5.850～5.925GHz的頻率范圍內(nèi)，支持IEEE 802.11p協(xié)議，傳輸速率達到13.5Mb/s，包含主控模塊及射頻模塊。

圖1　車載單元硬件結(jié)構(gòu) Fig.1　Hardware architecture of the OBU

1.2軟件設(shè)計

1.2.1終端操作系統(tǒng)設(shè)計

在Freescale開發(fā)板嵌入式硬件設(shè)計基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)軟件設(shè)計，Linux 系統(tǒng)提供串口、USB，PCI，CAN，LCD 等設(shè)備驅(qū)動程序，降低了系統(tǒng)軟件開發(fā)的難度，應(yīng)用層程序通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)接口對設(shè)備進行操作。硬件 DSRC模塊實現(xiàn)了物理層與部分 MAC 層協(xié)議，驅(qū)動程序需要對PCI 控制器進行設(shè)置，通過 PCI 接口配置 DSRC 模塊，包括初始化、設(shè)置發(fā)送接收操作、中斷處理等。上層協(xié)議由 Linux內(nèi)核實現(xiàn)，編寫IEEE 1609協(xié)議棧，實現(xiàn)1609.4，1609.3，1609.2等協(xié)議。同時，Linux 給應(yīng)用層用戶提供 Socket API接口，用戶由具體應(yīng)用調(diào)用接口實現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)用，例如，可編寫車輛防碰撞應(yīng)用、車輛換道警示等車輛主動安全應(yīng)用。

Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核中已經(jīng)存在的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧模塊，以及無線網(wǎng)卡的驅(qū)動程序。本文通過修改Atheros ath5k驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)DCMA-86P2網(wǎng)卡的IEEE802.11p協(xié)議規(guī)定的邏輯功能。GPS模塊則采用已有的GPS驅(qū)動程序。對以下程序模塊進行單獨開發(fā)：WSMP模塊，實現(xiàn)IEEE 1609.3的路由層功能；LLC模塊，整合WSMP和IPv6的數(shù)據(jù)報文；虛擬網(wǎng)卡層模塊，實現(xiàn)IEEE1609.4所的多信道協(xié)調(diào)控制；管理層的WME和MLME模塊，為通信雙方提供了數(shù)據(jù)傳輸通道，并完成WAVE協(xié)議棧的參數(shù)的設(shè)置與獲取等功能。

1.2.2車輛防追尾碰撞算法設(shè)計

車輛防追尾碰撞算法是在WAVE協(xié)議棧基礎(chǔ)上開發(fā)的。防追尾系統(tǒng)判斷流程說明如下：假設(shè)A車代表行駛在前方的車輛，B車為行駛在后方的車輛，當(dāng)系統(tǒng)啟動后A，B2車以10Hz的頻率將各自車輛GPS信息通過DSRC通信模塊播發(fā)。當(dāng)A車采取剎車措施后，觸發(fā)剎車板上的觸發(fā)器，A車的車載單元將觸發(fā)的剎車信息及GPS信息通過DSRC通信模塊發(fā)送出去。B車在播發(fā)的同時，也接收其它車輛的信息。B車接收到A車GPS等信息后，通過車載單元的防追尾碰撞算法，對接收到的信息與自身GPS信息進行判斷比較，如果達到碰撞前車的閾值上限，則觸發(fā)警示程序，通過聲音與圖像向駕駛員提示，直到駕駛員改變駕駛策略，算法重新解算無危險后解除警示。

另外，從2車距離判斷，為避免追尾碰撞事故，所探測的己車到目標(biāo)車輛的距離必須大于制動后2車的距離，否則汽車將有發(fā)生追尾碰撞的危險。設(shè)RA為A車通信范圍，RB為B車通信范圍，DAB為A，B2車相對距離，Dsafe為A，B2車的預(yù)警安全距離。采用動力學(xué)安全距離模型計算Dsafe如下[3]。

(1)

式中：vA，vB分別為前車A、后車B的車速；t1，t2，t3分別為駕駛員的反應(yīng)時間、制動協(xié)調(diào)時間、減速度增長到最大的時間；a為車輛的最大的制動減速度，且aA=aB=a；Δd為停車后2車的間距。

系統(tǒng)的防追尾碰撞算法具體描述見表1。

表1　車輛防追尾碰撞算法描述

2系統(tǒng)測試

2.1測試環(huán)境設(shè)置

測試場地選擇了1段車輛少的公路，分別進行系統(tǒng)通信性能測試和防追尾避碰測試。其中，通信性能測試主要測試了不同調(diào)制、不同速度、不同通信距離、不同數(shù)據(jù)包長度等條件下的通信速率及丟包率；防追尾碰撞測試則通過安裝防追尾終端時車輛預(yù)警情形，驗證防追尾終端系統(tǒng)的可行性，即驗證通過模型計算出的安全距離和終端系統(tǒng)輸出的預(yù)警信息是否符合實際駕車情況。具體測試參數(shù)見表2。

表2　測試參數(shù)設(shè)置

2.2通信性能測試

采用從OBU端在靜態(tài)條件下不同距離持續(xù)發(fā)送WSMP(wave short message protocol，WAVE短信息通信協(xié)議)數(shù)據(jù)包，OBU接收后立即回應(yīng)相同大小的WSMP數(shù)據(jù)包的形式，進行數(shù)據(jù)包丟包率測試。設(shè)定OBU發(fā)射功率為100mW，靜態(tài)條件下的2車車間距離分別為470m和683m(即d=470m和d=683m)，每次發(fā)送端OBU發(fā)送10000個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包大小(用B表示)分別為400Bytes和100Bytes (即B=400Bytes和B=100Bytes)，測得通信系統(tǒng)在不同的調(diào)制模式下的丟包率見圖2。由圖2可知，通信車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)車間距近時，BPSK調(diào)制模式未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，QAM16調(diào)制模式丟包率較大，而且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包越大丟包越嚴(yán)重；隨著車間距增大，丟包現(xiàn)象明顯加重，只有BPSK(binary phase shift keying，二進制相移鍵控)模式丟包率略低，在可接受范圍內(nèi)(丟包率不高于10%)，QAM16調(diào)制模式下的數(shù)據(jù)包幾乎全部丟失。可見，丟包率與編碼方式和通信距離密切相關(guān)，通信距離越大，傳輸速率越高，丟包現(xiàn)象越嚴(yán)重，在車載通信環(huán)境下，可靠通信應(yīng)優(yōu)選BPSK方式。

圖2　靜止車輛不同調(diào)制模式下的丟包率 Fig.2　Packet error rate of motionless vehicles under different modulation modes

設(shè)定OBU發(fā)射功率為100mW，通信車輛以30km/h的平均速度同向行駛，2車車間距離維持在300m和175m左右(即d=470m和d=683m)，每次發(fā)送端OBU發(fā)送5000個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包大小分別為400Bytes和100Bytes(即B=400Bytes和B=100Bytes)，測得通信系統(tǒng)在不同的調(diào)制模式下的丟包率見圖3。由圖3可知，OBU移動狀態(tài)下BPSK調(diào)制模式下的通信效果最佳。運動車輛車間距相同的情況下，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包越大，丟包越嚴(yán)重；相同傳輸速率時，隨著車間距的增大，丟包率上升。可見，丟包率還受車輛移動速度和和數(shù)據(jù)包大小的影響，為保證車輛間的可靠通信，可優(yōu)選BPSK或QPSK(quadrature phase shift keying，正交相移鍵控)方式。

圖3　運動車輛不同調(diào)制模式下的丟包率 Fig.3　Packet error rate of moving vehicles under different modulation modes

綜合上述，在保證數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性情況下，車載終端通信時編碼方式可選擇QPSK。

2.3防追尾碰撞測試分析

所設(shè)計系統(tǒng)是否能在實際駕車時較好地實現(xiàn)防追尾碰撞的情況，需要進行實際驗證和測試。筆者將終端系統(tǒng)直接安裝在車輛上進行防追尾碰撞測試。考慮實際測試的危險性，減少測試過程中的損失，只針對同車道上前車靜止和前車突然減速2種極端情況進行測試，并統(tǒng)計給出實驗結(jié)果，見表3和表4(表中數(shù)據(jù)是若干組測試結(jié)果中選取的一部分)，其中t1=1.5s，t2=0.2s，t3=0.2s，Δd=5m。由表3和表4可知，當(dāng)后車獲知與前車的實際間距小于預(yù)警安全距離時，系統(tǒng)能夠正常預(yù)警。

表3　前車靜止時的系統(tǒng)驗證

另外，考慮車輛行駛中受到各種因素的影響，如車輛速度、GPS定位誤差、交通環(huán)境干擾等，本文采取相同參數(shù)重復(fù)測試的方法進行系統(tǒng)驗證。在前車靜止時選取B車速50km/h、最大制動減速度5m/s2進行重復(fù)測試驗證，100次測試中準(zhǔn)確率為97%；在前車突然減速時選取A車速70km/h、B車速80km/h、最大制動減速度5m/s2進行重復(fù)測試驗證，100次測試中準(zhǔn)確率為95%?？梢姡摻K端系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確率可以滿足車輛應(yīng)用需求，能夠較好的幫助駕駛員實現(xiàn)追尾避碰。

綜上所述，防追尾碰撞系統(tǒng)能夠比較真實的反應(yīng)實際的駕車情形，及時給出報警，為安全駕駛提供保障。

表4　前車突然減速時的系統(tǒng)驗證

3結(jié)束語

筆者提出了基于IEEE 802.11p/1609標(biāo)準(zhǔn)的車輛防追尾碰撞終端系統(tǒng)。經(jīng)過實地測試，系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)高效、可靠通信，工作正常，可真實的反應(yīng)實際的駕車情形，及時給出預(yù)警，有助于道路上車輛的安全駕駛，具有較好的實用價值。然而基于IEEE 802.11p/1609標(biāo)準(zhǔn)的車輛防追尾碰撞終端系統(tǒng)實現(xiàn)正常安全預(yù)警工作的前提是相關(guān)車輛必須安裝相應(yīng)終端系統(tǒng)或設(shè)備，所以其普及應(yīng)用受到一定的限制。同時，復(fù)雜的道路交通環(huán)境、車輛位置定位精度、響應(yīng)時間等也對系統(tǒng)預(yù)警的可靠性造成影響。因此，仍需要進一步的研究以實現(xiàn)系統(tǒng)的完善和優(yōu)化，提高其預(yù)警準(zhǔn)確率和可靠性，來滿足系統(tǒng)的普及應(yīng)用需求。

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