[发明专利]一种基于增强型数字地图的车辆侧翻事前预警方法

摘要

本发明提出了一种基于增强型数字地图的车辆侧翻事前预警方法，该方法首先制作带有道路属性信息的增强型数字地图，然后确定车辆在数字地图中的位置和车辆即将驶入的前方路段，接着基于当前车速分析车辆在前方路段的横向受力，最后基于横向受力分析预估车辆以当前车速在前方路段行驶时是否有侧翻危险并预警。本发明制作的增强型数字地图，不需要大量的人工测绘工作，实施方便，同时包含道路曲率半径、横向坡度角和纵向坡度角信息；本发明提出的侧翻事前预警方法基于当前车速预估车辆在前方道路行驶时是否有侧翻危险，能够在车辆存在侧翻危险前提醒驾驶员安全驾驶，并给出车辆距前方侧翻点的距离和安全行驶速度，达到侧翻事前预警的目的。

主权项

1.一种基于增强型数字地图的车辆侧翻事前预警方法，具体步骤包括：步骤一：制作带有道路属性信息的增强型数字地图带有道路属性信息的增强型数字地图制作步骤如下：1)选定目标道路并确定起点和终点选定包含侧翻事故高发路段的高等级路面为目标道路，高等级路面包括高速公路和一级公路，确定目标道路的起始点与终点，目标道路的长度不超过5km；2)通过信息采集车辆获取目标道路的位置信息和车辆状态信息信息采集车辆搭载实时动态差分组合导航系统，水平定位精度的圆概率误差小于0.02m，连接的天线固定在车顶中心位置，可以实时输出信息采集车辆所在位置的经纬度信息R_i(L_i,B_i)，其中L_i表示经度信息，B_i表示纬度信息；纵向加速度计固定于信息采集车辆底盘质心处，输出信息采集车辆的纵向加速度信息A_i；陀螺仪固定于信息采集车辆后轮车桥上，输出后轮车桥侧倾角信息α_i；i＝1,2,3…；组合导航系统、纵向加速度计和陀螺仪输出频率均为20Hz，保证采集序号i相同的信息一一对应；选取行进方向左侧车道来提取道路的曲率信息，且在采集过程中信息采集车辆沿车道中心行驶；车辆在信息采集的过程中需要保持平稳运行，同时信息采集车辆的胎压也需要保持一致；车速控制在40～50km/h，相邻的道路信息采集点间隔距离在0.56～0.69m；3)将采集到经纬度坐标转化成平面坐标并将平面坐标表示的位置作为目标道路的节点从目标道路起点到终点之间有n个位置信息采集点，采用成熟的3度带高斯‑克吕格投影方法，将经纬度坐标R_i(L_i,B_i)投影为高斯平面直角坐标系坐标P_i(x_i,y_i)，{P_i(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n}表示目标道路的n个节点以及节点的位置信息；根据起点R₁(L₁,B₁)选定R₀(L₀,B₀)作为高斯‑克吕格投影的原点，其中L₀＝3D，D为L₁/3后四舍五入取整的值，B₀＝0°，坐标转换公式如下：式(1)中，x_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的纵坐标即北向位置；y_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的横坐标即东向位置；l为所求点的经度L_i与L₀之差；t＝tanB_i；η＝e'cosB_i；e'为椭球第二偏心率；N为通过所求点的卯酉圈曲率半径；为赤道至纬度B_i的子午线弧长，且其中C₀，C₁，C₂，C₃，C₄为与点位无关的系数，仅有椭球体长半轴、短半轴、第一偏心率参数确定；4)使用牛顿插值法拟合目标道路的平面曲线并计算节点处的道路属性信息定义n个节点P_i(x_i,y_i)所在道路轨迹的函数为f(x)，则y_i＝f(x_i)，i＝1,2,…,n，计算f(x)的各阶商差：分别变形可得：由下往上依次带入，可得：最后一项为牛顿插值公式的余项或截断误差，当n趋于无穷大时为零，可删除，故道路轨迹的函数f(x)为：节点P_i(x_i,y_i),i∈{1,2,…,n}处的道路曲率半径r_i为：式(6)中，f'(x)为道路轨迹函数f(x)的一阶导数，f”(x)为道路轨迹函数f(x)的二阶导数；节点P_i(x_i,y_i),i∈{1,2,…,n}处的横向坡度角θ_i为：θ_i＝|α_i|    (7)式(7)中，α_i为信息采集车辆在节点P_i(x_i,y_i),i∈{1,2,…,n}处后轮车桥的侧倾角；节点P_i(x_i,y_i),i∈{1,2,…,n}处的纵向坡度角为：式(8)中，g为重力加速度g＝9.8m/s²；5)将节点的位置信息、道路曲率半径信息、横向坡度角信息和纵向坡度角信息通过数字地图制作软件制作成带有道路属性信息的增强型数字地图步骤二：确定车辆在数字地图中的位置和车辆即将驶入的前方路段在目标道路上行驶的车辆搭载低成本的组合导航系统，定位精度在分米级和米级之间，连接的天线固定在车顶中心位置，输出频率为20Hz，可以实时输出车辆当前所在位置的经纬度信息R_a(L_a,B_a)，根据公式(1)将车辆当前经纬度信息R_a(L_a,B_a)投影为高斯平面直角坐标系坐标P_a(x_a,y_a)；分别计算车辆当前位置P_a(x_a,y_a)与数字地图中n个节点P_i(x_i,y_i)间的距离Δd_i，i＝1,2,…,n，计算公式为：比较n个间距Δd_i的大小，当得到一个最小的间距时，将此间距对应的节点定义为最近节点P_j(x_j,y_j)；当得到两个相等的最小间距时，将这两个间距对应的两个节点中i较大的节点定义为最近节点P_j(x_j,y_j)；j为距离车辆位置最近节点中下标i的值；车辆在目标道路上行驶时尾部两个非转向轮安装轮速传感器，输出频率为20Hz，可以实时输出车轮速度v₁和v₂，定义车辆纵向车速为v，计算公式为：在增强型数字地图中确定车辆在未来5s内行驶路段，将纵向车速v看成车辆当前车速，则前方路段长度为5v；定义前方路段的起点为步骤二中距离车辆位置最近道路节点P_j(x_j,y_j)，终点为节点P_k(x_k,y_k)，k为前方路段终点处节点中下标i的值，计算公式为：步骤三：基于当前车速分析车辆在前方路段的横向受力从节点P_j(x_j,y_j)到节点P_k(x_k,y_k)逐点对车辆进行横向受力分析，分析方法步骤如下：1)计算车辆在前方路段行驶时需要的向心力加速度a₁车辆在前方路段以v匀速行驶，车辆在节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处看成做匀速率圆周运动，a₁的计算公式为：式(12)中，v为车辆当前纵向车速；r_i为从增强型数字地图获得节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处道路曲率半径；2)计算车辆在前方路段平行于路面的重力分力和侧向静滑动摩擦力提供的最大向心力加速度a₂在节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处平行于路面的重力分力和侧向静滑动摩擦力提供的最大向心力F的计算公式为：式(13)中，μ为轮胎与路面的静摩擦系数；m为车辆的质量；g为重力加速度g＝9.8m/s²；θ_i为从增强型数字地图获得节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处的横向坡度角；为从增强型数字地图获得节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处的纵向坡度角；a₂的计算公式为：步骤四：基于横向受力分析预估车辆以当前车速在前方路段行驶时是否有侧翻危险并预警车辆在前方道路以v匀速行驶，利用步骤三中车辆横向受力分析方法，以i逐次加1的方式从节点P_j(x_j,y_j)到节点P_k(x_k,y_k)逐点预估侧翻危险，定义安全因子s，s∈[0.7,0.9]，在节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处侧翻预估分为以下两种情况：1)当车辆在节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处行驶时需要的向心力加速度a₁小于车辆在节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处平行于路面的重力分力和侧向静摩擦力提供的最大向心力加速度a₂，即a₁＜sa₂，车辆在节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处无侧翻危险；若i＝k，结束预警；否则i加1，预估下一个道路节点处是否有侧翻危险；2)当车辆在节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处行驶时需要的向心力加速度a₁大于等于车辆在节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处平行于路面的重力分力和侧向静摩擦力提供的最大向心力加速度a₂，即a₁≥sa₂，车辆在节点P_i(x_i,y_i),i∈{j,j+1,…,k}处有侧翻危险；将此处节点定义为危险节点P_h(x_h,y_h)，h为危险节点下标i的值；定义危险节点P_h(x_h,y_h)与节点P_j(x_j,y_j)的距离为Δσ，计算公式为：定义车辆能安全通过节点P_h(x_h,y_h)的安全速度为V_h，计算公式为：式(16)中，s为安全因子，s∈[0.7,0.9]；μ为轮胎与路面静摩擦系数；g为重力加速度g＝9.8m/s²；θ_h为从增强型数字地图获得节点P_h(x_h,y_h)处的横向坡度角；从增强型数字地图获得节点P_h(x_h,y_h)处的纵向坡度角；r_h为从增强型数字地图获得节点P_h(x_h,y_h)处道路曲率半径；结束预警，以语音的方式提醒驾驶员：“车辆将在前方Δσ处发生侧翻，请将车速控制在V_h以下”。