摘 要

当前交通事故日益严重，由车辆碰撞所带来的人员伤亡与财产损失尤其严重。为此，本文研究了一种考虑制动驾驶习惯的精确安全车距计算方法，并据此设计了一种基于车载无线通讯的安全车距警示系统以预防车辆碰撞。考虑制动驾驶习惯的安全车距计算方法，能为车辆防撞等主动安全系统提供更为精确、合理的计算支持，对减少交通事故具有重要意义，并且合理的安全车距能提高交通运输效率。同时，结合车载无线通讯技术所设计的安全车距警示系统，对车车通讯和车辆防撞的综合研究有重要的参考价值。

本文首先基于车辆动力学分析，以车辆制动过程为依据进行安全车距计算，并综合考虑了ABS、道路状况对制动效能的影响以及前车不同行驶状态对安全车距计算的影响。同时，通过分析当前各安全车距计算研究，发现驾驶员作为人-车-路重要组成对安全车距计算有着极为重要的影响，为此分析并研究了常见或典型的驾驶员制动/减速驾驶习惯，并对其进行了计算评定以修正安全车距计算，得出了改进的安全车距计算方法。同时，设计制作了试验采集及仿真计算系统，并进行了制动踏板力等关键数据采集和仿真计算，验证了该安全车距计算方法的合理性与精确性。最后结合所提出的安全车距计算方法，设计了一种基于车载无线通讯的安全车距警示系统，并进行了关键技术模拟实验以验证该设计的可行性。

研究结果表明：本文所提出的安全车距计算更贴近实际，能有效警示车辆以预防发生车辆碰撞事故。所设计的基于车载无线通讯安全车距警示系统，能为后车提供充足、实时的警示信息。

本文的特色：（1）针对制动驾驶习惯的研究，从反应能力、性格特征、制动措施三个方面的制动驾驶习惯综合分析，提出了具体计算评定方法以修正安全车距计算；（2）针对所提出的安全车距计算，设计研制了专门的试验采集与仿真计算系统；（3）设计的安全车距警示系统中，前车对后车的警示信息通过车载无线通讯的传输更为充足与精确。

关键词：制动驾驶习惯；安全车距计算方法；试验采集；仿真计算；车载无线通讯

Abstract

Nowadays, traffic accidents are becoming more and more serious, especially the casualties and property loss caused by vehicle collision. Therefore, in this paper, an accurate calculation method of safe distance considering braking driving habits is studied, and a safe distance warning system based on wireless communication is designed to anti-collision. Considering driving habits of the safety car braking distance calculation method of active safety for vehicle collision avoidance system to provide more accurate and reasonable calculation of support, is of great significance to reduce the number of traffic accidents, and reasonable safety distance can improve the efficiency of transportation. At the same time, the safe distance warning system designed by vehicle wireless communication technology has important reference value for the comprehensive study of vehicle communication and vehicle collision prevention.

Based on the vehicle dynamics analysis, the safe distance calculation uses the vehicle braking process to consider the influences of ABS, road conditions on braking effectiveness and the different vehicle driving state on safe distance calculating effectiveness. At the same time, the safe distance calculation analyzes the driver which is an important component in human - car – road, and the driver has extremely important influence. So to analysis and study the common or typical driver/braking deceleration driving habits, and carries on the evaluation to fixed safety car distance calculation. Then, there is the safety car distance calculation has been put forward. Meanwhile, through the design and production of acquisition and simulation system, the key data acquisition and calculation simulation are carried out to verify the rationality and accuracy of the safe distance calculation. At last, based on the proposed safe distance calculation, a safety car distance warning system based on vehicle-mounted wireless communication was designed, and a key technology simulation experiment was carried out to verify the feasibility of the design.

The research results show that the calculation of safe distance in this paper is more practical and can effectively warn the vehicle to prevent the collision. The designed warning system based on vehicle-mounted wireless communication safety range can provide sufficient and real-time warning information for the rear vehicle.

This article features: (1) From three aspects of comprehensive analysis of the braking driving habits: reaction ability, traits of character, braking measures, the study puts forward the concrete evaluation method with fixed safety car distance calculation; (2) A special test acquisition and simulation calculation system was designed and developed for the proposed calculation of safe vehicle spacing; (3) In the designed safety car distance warning system, the warning information of the front car to the back car is more sufficient and accurate through the wireless communication of the car.

Key words: braking driving habit; calculation method of safe distance; acquisition system; simulation system; vehicle-mounted radio communication

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 课题研究的目的及意义 2

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 当前三种典型的安全车距研究方法 3

1.3.2 安全车距计算研究现状 4

1.4 主要研究内容 6

1.5 本章小结 6

第2章 制动驾驶习惯对行车安全影响分析 8

2.1 制动驾驶习惯类型分类 8

2.1.1 基于反应能力的制动驾驶习惯类型分类 8

2.1.2 基于性格特征的制动驾驶习惯类型分类 9

2.1.3 基于制动措施的制动驾驶习惯类型分类 9

2.2 制动驾驶习惯对行车安全影响分析 10

2.3 制动驾驶行为习惯评定方法 11

2.3.1 反应能力评定 11

2.3.2 性格特征评定 13

2.3.3 制动措施评定 14

2.4 本章小结 14

第3章 安全车距计算方法研究 16

3.1 驾驶制动过程动力学分析 16

3.1.1 制动过程分析 16

3.1.2 考虑ABS影响的制动距离分析 17

3.1.3 道路对安全车距影响分析 19

3.2 传统安全车距计算 19

3.2.1 前车匀速行驶或静止的安全车距计算 19

3.2.2 前车加速行驶的安全车距计算 20

3.2.3 前车减速行驶的安全车距计算 21

3.3 考虑制动驾驶习惯的安全车距计算 21

3.4 本章小结 22

第4章 安全车距仿真计算及试验 24

4.1 系统构成 24

4.1.1 模拟驾驶器 24

4.1.2 试验采集装置 25

4.1.3 数据传输通讯 28

4.1.4 仿真计算应用程序 30

4.2 试验采集、仿真计算及试验结果 32

4.2.1 试验采集及仿真计算 32

4.2.2 试验结果 33

4.3 本章小结 35

第5章 基于车载无线通讯的安全车距警示系统设计 37

5.1 安全车距警示系统设计 37

5.1.1 警示方式及内容 37

5.1.2 通讯方式 39

5.2 关键技术模拟实验 40

5.2.1 nRF24L01通讯 40

5.2.2 安全车距警示系统关键信息传输模拟试验 41

5.3 本章小结 42

第6章 结论与展望 43

6.1 全文总结 43

6.2 研究展望 43

参考文献 45

致 谢 47

绪论

• 1. 课题研究的背景

根据《道路交通安全发展报告2017》所统计的“不同区域各种类型道路使用者交通死亡情况”中，“驾乘汽车者”在世界范围内死亡占比为31%，远高于其它类型的道路使用者，对此国内外已有诸多学者及研究机构针对车辆行驶安全进行研究。如表1.1所示，在2015年里，中国、日本、德国的交通事故起数分别为187781、536899、305659，而死亡人数依次为58022、4859、3459，且万车死亡人数相应为2.08、0.53、0.62。上述数据表明了我国交通事故所带来的人员伤亡程度远高于其它国家，因此针对这一情形国内更重视对交通事故预防研究，而且国内越来越多的学者、机构开始研究能够预防交通事故发生的装置和系统。

表1.1 2015年世界部分国家道路交通事故数据

国外各个公司在车辆防撞都有深入研究，本田在2003年推出Collision Mitigation Brake System、奥迪在2010年推出AudiPreSence Plus系统中AudiPreSence Front/Rear防撞系统、梅赛德斯-奔驰2013更进Mercedes-Benz Intelligent Drive系统等。这些装置和系统中有代表性的是自动制动系统（AEB），一种能有效预防车辆碰撞的汽车电子产品，当自车与前车车距小于预设的安全车距时，该系统将发出安全警报以提醒驾驶员自车存在与前车碰撞的潜在安全危险，或者该系统会采取必要的紧急制动，以起到预防碰撞交通事故的作用。2015年11月1日起，在欧盟境内的所有车辆就要求必须安装AEB。安全车距的计算是该类车辆防撞安全系统的关键组成部分，其计算的合理性影响了系统的有效性与可靠性。

而且在如今智能网联、大数据的环境下，传统交通逐渐朝着智能交通（ITS）的方向发展。基于先进的信息技术、数据通讯技术等建立的车载无线通讯络模式，ITS是一种大规模的智能综合交通管理系统。在这样一个智能系统中，有学者指出微小的最小安全车距的变化将对车车通讯产生巨大的影响^[1]，即考虑最小安全车距的变化影响了跟车距离从而影响了车车间信息传输，安全车距的研究在车载无线通讯络模型构建中不容忽视。目前专用短程通讯技术（DSRC）是ITS中的高效无线通讯技术，主要应用在交通道路安全管理领域，其中结合车车通讯的安全车距计算将更为精准、贴合实际。

因此，安全车距计算研究无论是在道路交通减少人员伤亡、财产损失，或是在智能交通这一新的领域中都有极大的研究前景。

• 1. 课题研究的目的及意义

针对当前车辆碰撞交通事故多发的特点，许多学者对安全车距进行了大量研究，目前安全车距的计算主要基于人-车-路系统综合考虑，而且大量研究发现驾驶员作为该系统的重要组成部分对安全车距的计算有重要影响，相较于不考虑驾驶员的传统安全车距计算方法，考虑驾驶员的安全车距计算更为精准。因此驾驶习惯应是安全车距计算研究的重点考虑内容。

因此课题研究的目的是考虑研究制动过程驾驶员习惯以得到更为精准的安全车距计算方式，该计算模型可应用于实际交通道路，并为车辆防碰撞提供更为精准、可靠的车距计算，以减少车辆碰撞事故。为此本文首先从理论上分析国内外有关安全车距计算研究的现状，以制动驾驶习惯为主要研究对象分析其对安全车距计算的影响；在分析了制动驾驶习惯影响因素的前提下，得出制动驾驶习惯的评定方法；在考虑前车运动状态的基础上，提出传统安全车距计算方法；最后结合制动驾驶习惯的评定方法，修正所提出的传统安全车距计算方法。之后在理论基础上，进行了模拟紧急制动试验，并制作该实验中关键数据的采集硬件以及计算仿真软件。通过计算仿真以验证所提出的改进的安全车距计算方法的合理性及精准性。

本课题研究的意义主要分为三个方面：

（1）作为人-车-路系统中的关键^[2]，驾驶员的行为习惯应在安全车距的计算中重点考虑。因此针对目前研究中对安全车距的计算里对驾驶习惯的考虑缺少或不具体、不全面的分析，本文提出一种改进的安全车距计算模型。在所提出的模型中吸取目前较为完善的传统安全车距计算方法，并重点分析了驾驶制动过程中的驾驶习惯，最后所得到的计算模型更加切合驾驶员习惯，能为车辆防碰撞提供理论计算依据。

（2）车辆防碰撞主要以当前车距和安全车距为判断依据，因此合理且精确的安全车距计算对车辆防碰撞至关重要，由此精确性一直是安全车距计算研究的重要方向。本文基于制动驾驶习惯的考虑所改进的安全车距计算能极大地提高理论计算的精确性，在实际应用中能真实可靠地反映自车制动过程中的安全状态。

（3）本文针对制动驾驶习惯的安全车距计算研究，设计了硬件以采集处理关键的试验数据，并设计制作了计算仿真软件经行试验分析。这种半物理仿真的研究以及设计制作的软硬件能为相应领域的研究提供较高的参考价值。

• 1. 国内外研究现状

当前三种典型的安全车距研究方法

基于车辆动力学分析的安全车距计算

基于车辆动力学分析的安全车距计算思想，主要从车辆制动过程、车辆运动状态、道路环境多方面考虑，该安全车距计算思想主要应用与车辆防撞安全领域。

国内在安全车距计算研究中，边明远^[3]基于车辆动力学分析的传统制动模型所提出的一种安全车距计算公式，该计算思路是以车辆紧急制动为前提，对制动过程进行车辆运动学分析，最后所算出的紧急制动距离极为最小安全车距。这样一种基于车辆动力学的分析的安全车距计算是当前公认的典型计算方法之一，如式（1.1）所示：

式中，、、、分别为自车及前车的速度和制动减速度；为两车相对静止时应保持的最小安全车距；为自车制动系统协调时间；为驾驶员的制动反应时间。

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