面向解决安全节能一体的高速下匝道生态控制系统研究

成朋乐 冯朝阳 尹嘉洁

摘要：随着我国交通运输事业的发展，高速公路交通运输量与车辆保有量的快速增长，给出行带来了很大的交通安全隐患。本文的研究是在高速公路匝道交通安全分析的基础上，构建面向解决安全节能一体的高速公路下匝道生态控制系统，旨在在高速下匝道区域通过L3级别自动驾驶的速度优化模型与外场设备的配合，为驾驶人提供安全的驾驶模式和减少车辆在高速公路下匝道区域因至收费站路段时不必要的加、减速等情况、减少油耗、保证安全且提高车辆通行效率，使得车辆以较优速度平稳的通过收费路段。在STM32单片机、PID速度控制、雷达测距、传感技术等先进技术的支持下，通过对速度优化模型的建立和车载设备及外场设备的研究缓解收费站路段的拥堵、提高通行效率，保障行车安全性及减少汽车耗能。

关键词：高速匝道;安全行驶;低碳交通;速度优化;自动驾駛

1、项目背景

随着社会汽车保有量的不断增加、高速公路安全事故和尾气排放日益严重，尤其是在高速下匝道是这两种状况的多发区，尤其在节假日时，高速收费站路段往往会发生大面积堵车，使得交通瘫痪。因空转，急停等造成的汽车尾气排放量加剧，“汽车灾难”已基本形成。相关数据统计表明，每年在高速公路匝道发生的交通事故占总事故的30%以上。

2、项目概述

为了减少在高速下匝道处因人为因素而引起的燃油过多消耗、尾气排放加剧，以及交通拥堵，故此项目致力于研究高速公路下匝道处车辆L3级别的自动行驶模式。

据调查，我国高速公路下匝道主段的长度为150-200m，本项目以180m为研究对象，主匝道末端到收费站的距离记为50米。首先，在距高速下匝道鼻角前后1KM以及收费站外处各设置信号机级信号触发和结束装置，车辆进入此处后触发自动驾驶模式，再根据驾驶员的指令安全进入下匝道或安全直行。其次，为了避免该智能车辆与普通车辆因信息交流障碍产生控制不当的情况，将闸道主段分为三段，每段分为两部分，顺序为50m实线+10m虚线依次分布，并且在道路两侧每隔lOm设置白色倒角，共计23个。在匝口主段始末位置分别安装两个压敏磁阻传感器，记录匝道主段的车流量。在ETC收费站处设置电子流量摄像头检测主匝道末端到收费站范围内的车流量信息，在最右端下匝道末端和收费站之间为该智能车辆开设ETC通道，期间不能随意变道，并在收费站口安装电子警察，对违法车辆进行抓拍。

通过车载设备对车辆距收费站ETC识别区的距离和主匝道段的的状态进行实时监测，用毫米波雷达测出与前车之间的距离，并将检测数据进行收集传送至STM32单片机。研究过程将对车辆行驶过程分为三阶段：减速阶段一一百米准备一一自动控制。通过速度比对得出符合当前状态下的最优速度，并将最优速度的指令传输至车辆控制系统，依靠PID速度控制技术完成车辆时速的控制。使得其在可以适应收费站和下匝道的基本速度，车流要求，达到避免汽车频繁的加减速和收费站处滞留，实现减少耗能、安全行车的目的。

车载要求：STM32单片机、毫米波雷达、无线信号接收装置、微型高清摄像头、自控速度启动装置，JF24D无线信号收发装置。

道路设施：百米虚实线、高速摄像头、白色标识、电子警察、ETC通道，信号机，压敏磁阻传感器。

3、项目介绍

3.1工作流程

3.2正常行驶阶段

驾驶员于高速公路行驶时，因意外突发情况较少，在较长时间的直道行驶过程中可以开启定速巡航或自适应巡航辅助驾驶模式。当驾驶员对车辆ECU控制单元发出进入自适应巡航模式后，汽车的各类传感器及毫米波雷达等车载设备根据前车以及本车的行驶状态，将车距、车速、前车速度、本车速度等参数信息发送至ECU。经计算判断后，向节气门、制动、档位等执行器发送指令，以决定自己此时的形式状态，加速、减速亦或向驾驶员提示退出巡航模式。在进入弯道驾驶时，驾驶员会根据弯道的情况而调整车速;长距离雷达的视野较小，弯道半径最高可达150m，在实验中显示出较高的可靠性。自适应巡航模式可以解放驾驶员的双手，降低了驾驶员因长时间疲劳驾驶而造成交通事故的概率。

3.3百米准备阶段

当车辆进入1KM处时，L3级别的自动驾驶模式开启，车辆按照驾驶人的指令从高速主干道的高速车流依次通过渐变路段和减速路段的减速后时，车速减至最高40km/h。较低的车速不容易引起收费口路段的交通事故，易于在车路协同环境下车联网系统的运行与突发情况的判断。当车辆行驶至距收费站230m的下匝道主段时，在默认情况下在道路旁设置的信号机会发出激活命令，通过JF24D信号收发装置传送至车辆ECU中，车辆的自动驾驶模式激活。车辆由人工控制转变为机械控制并进行语音播报提醒一一“车辆进入自动驾驶模式”。（如果司机拒绝此时开启自动驾驶，可以从操作机界面输入“关闭自动驾驶模式”的命令，由人工控制车辆通过。）当接收到信号机的触发信息后车辆进入自动驾驶模式。此时以STM32为核心的内置单片机电路被导通，自动驾驶模式信号传输电路开始工作。毫米波雷达测距模块、无线信号接收装置启动、PID速度控制器被激活，车辆进入自动驾驶阶段。

3.4自动控制阶段

将信息采集节点分别置于车道中间用于监测前方车道的车辆。当车辆驶过磁阻传感器1和压敏磁阻传感器2时，两个不同位置的磁阻传感器会存在作用次数的差值Aa。则可得到当前在180m路段内排队的车辆数为等，信息采集节点将采集的车辆信息通过路由节点传输到路边的汇聚节点，汇聚节点通过外部接口发送至车辆的ECU中。于此车辆便可获知前方的排队信息，弥补了毫米波雷达无法检测障碍物前方情况的缺点，便于自动驾驶阶段速度的优化。（收费口路段车流量的检测问题解决）

在电路激活的同时，信息处理单元接收到车载高速摄像头采集的倒角图像，通过图像分析技术转化成倒角的数量，通过STM32的内置算法，车辆获知了目前所处的位置信息以及通过比例尺对比确定出距收费站的信息。（车辆距收费站的位置信息解决）

当所有信息发送至STM32单片机中，信息处理单元会根据实时发送而来的数据判断适合车辆当前情况的速度信息，并将处理结果发送至PID速度控制器，控制车辆以较优速度前进，平顺地通过收费路段。可进一步缓解大量车流在ETC收费路段的拥堵，减少驾驶员不必要的加减速引起的燃料消耗，提高乘客的舒适度。

4、项目创新点

目前道路的最优轨迹速度的研究有ielert et al交通轻型车辆通信（TLVC）系统，为降低油耗和排放提供速度建议，Koukoumidis等人提出了一个协作平台，在该平台中，装有摄像头的智能手机安装在车辆的挡风玻璃上，提供交通和信号信息，并通过车对车通信进行传播。根据车辆在信号干线上行驶时所共享的交通和信号信息，提出了最优速度等，但是这些研究都因为硬件设备，通信技术和人为因素的问题导致最优速度产生很大的误差甚至引起更多的交通堵塞和交通事故。而该研究项目的创新点在于：

①首次将车辆速度自控技术引入最优速度轨迹的实现中，实现智能化控制，避免了人为因素造成油门控制的不均匀性;

②区域的实线的布置，使得车辆井然有序的通过下主匝道;

③通过在主匝道一百五十米区域布置白线，结合高速摄像头，实现车辆实时与收费站距离的测定，相比与传统的Gps测量更加准确;

④实现了车路协同环境下网联车下匝道生态控制和速度优化引导。

⑤相对封闭的行驶环境使得车辆运行的安全性得到大大的提升

⑥经济实用，能够满足人们生活的基本要求