一种规避交叉口困境区的路面引导装置

摘要

本发明涉及交通安全技术领域，具体涉及一种规避交叉口困境区的路面引导装置。本发明提出了一种规避交叉口困境区的路面引导装置，该路面引导装置主要由检测单元、通信单元、主控单元、指示单元、电源单元等功能单元组成，主要实现在绿灯转换期间对进入交叉口进口道的车辆进行速度检测、交叉口相位配时信息提取、车辆陷入交叉口困境区态势评估与指示等，规避车辆陷入交叉口困境区，减少由交叉口困境区产生的车辆发追尾、刮蹭、侧碰、斜碰等交通事故以及车辆闯红灯违法行为。同时，作为交通检测器为交叉口信号配时优化提供数据支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及交通安全技术领域，具体涉及一种规避交叉口困境区的路面引导 装置。

技术背景

据不完全统计，我国每年发生的各类交通事故中，有59％的交通事故发生在 交叉口，其中信号交叉口绿灯转换期间(含黄灯信号)发生的交通事故数约占交 叉口交通事故的50％。从交通工程学和运动学角度上分析：当车辆驶入信号交叉 口遇到绿灯信号转换成黄灯信号时，根据车辆所处的位置、速度、制动性能、道 路条件、交通流环境以及驾驶员当时的心生理状况等，如果车辆距交叉口停车线 的距离小于车辆能够减速停车的最小安全停车距离，且大于能够加速通行的最大 安全通行距离时(这一区间称为“困境区间”)，车辆将陷入既不能安全停车，又 不能安全通行的困境，无论驾驶员做出何种抉择，都必然出现紧急刹车制动或闯 红灯现象，容易引发追尾、刮蹭、侧碰、斜碰等交通事故；如果车辆距交叉口停 车线的距离大于车辆能够减速停车的最小安全停车距离，且小于能够加速通行的 最大安全通行距离时(这一区间称为“犹豫区间”)，驾驶员会陷入犹豫是选择停 车等待还是选择加速通行的困境状态，如果这一区间前后车辆做出相反的决定， 即前车选择停车，后车选择通行，那么两车发生追尾、刮蹭、斜碰等交通事故的 几率将大大增加。同时，可供驾驶员抉择的时间又极其短暂，在驾驶员犹豫的期 间可能又使其陷入“两难区间”的困境。交叉口的“两难区间”和“犹豫区间” 统称为交叉口困境区，是信号交叉口绿灯转换期间交通事故的高发区。

发明内容

为了规避驾驶员在交叉口绿灯转换期间陷入交叉口困境区，减少信号交叉口 闯红灯违法行为和车辆发生追尾、刮蹭、斜碰等交通事故，本发明提出了一种规 避交叉口困境区的路面引导装置，该路面引导装置主要由检测单元、通信单元、 主控单元、指示单元、电源单元等功能单元组成，如图1、图2所示，主要实现 在绿灯转换期间对进入交叉口进口道的车辆进行速度检测、交叉口相位配时信息 提取、车辆陷入交叉口困境区态势评估与指示等，规避车辆陷入交叉口困境区， 减少由交叉口困境区产生的车辆发追尾、刮蹭、侧碰、斜碰等交通事故以及车辆 闯红灯违法行为。同时，作为交通检测器为交叉口信号配时优化提供数据支撑。

本发明的技术解决方案主要在距信号交叉口停车线上游一定区间范围内的 进口道路面上均匀间隔安装本发明提出的路面引导装置，通过路面引导装置的检 测单元检测车辆的运行速度信息；通过通信单元获取交叉口信号相位信息，并上 传主控单元分析形成的交通流信息；通过主控单元根据车辆运行速度、交叉口相 位信息评估车辆是否会陷入交叉口困境区，并向指示单元发送指示信息；指示单 元根据接收到的指示信息，对驶进交叉口进口道的驾驶员进行车辆操纵驾驶指示； 通过电源单元为路面引导装置提供稳压直流电源。

本发明提出的一种规避交叉口困境区的路面引导装置，其特征主要包括：

1)检测单元

检测单元嵌有阵列脉冲激光二极管、光敏三极管、脉冲信号发生电路、脉冲 信号接收电路等组成，脉冲信号发生电路发生的脉冲信号驱动阵列脉冲激光二极 管发射905nm波长的单光速窄脉冲激光，脉冲激光经被测车辆反射后由光敏三 极管接收转换成电脉冲信号，并输入给脉冲信号接收电路；通过脉冲信号发生电 路和脉冲信号接收电路的高低电平脉冲信号，记录发射波发出和反射波接收的时 间，从而计算被测车辆与路面引导装置的距离。检测单元通过一系列连续固定时 间间隔的激光测距，得到被测车辆相对于路面引导装置随时间变化的距离序列， 从而获得被测车辆的运行速度及其变化。

2)通信单元

通信单元嵌有DSRC专用短程通信模块，与交叉口交通信号控制器进行通 信连接，获取路面引导装置所在车道的相位信息，具体包括绿灯时长、绿灯开始 时间、黄灯时长、黄灯启亮时间等；同时，将主控单元分析形成的车道交通流运 行参数以一定的时间间隔发送给交叉口交通信号控制器。

3)主控单元

主控单元嵌有单片机控制器和3UCPCI/PXI背板，主控单元与各功能单元 通过3UCPCI/PXI背板进行信息交互，获取检测单元、通信单元中的车辆信息、 车道相位信息等；单片机控制器根据车辆位置、速度以及车道相位信息，对车辆 是否陷入交叉口困境区进行评估，并对可能陷入困境区的车辆进行制动操纵提示； 同时，对通过路面引导装置的车辆进行统计分析，形成车道交通流参数。

4)指示单元

指示单元嵌有钢化玻璃透光面板和LED指示灯，指示单元根据主控单元发 送过来的指示信息，通过LED指示灯的灯色和指示标志，提示驾驶员对车辆进 行的制动操纵。

5)电源单元

电源单元嵌有高容量充电锂电池组、微型电压调整器、锂电池充电接口等， 为路面引导装置各功能单元提供直流稳压电源，同时当锂电池组电量不足是，通 过锂电池充电接口进行充电。

附图说明

图1：路面引导装置功能单元组成图；

图2：路面引导装置外观结构示意图；

图3：路面引导装置检测单元安装及工作原理示意图。

具体实施方式

本发明所述的一种规避交叉口困境区的路面引导装置安装在距离交叉口停 车线距离为的区域范围内(其中分别为交叉口最低平均 车速和最高平均车速，为车辆的平均制动加速度。)，并在这区间范围内以均匀 距离安装路面引导装置。该路面引导装置主要由检测单元、通信单元、主控单元、 提示单元、电源单元等组成，如图1、图2所示，主要实现在绿灯转换期间对进 入交叉口进口道的车辆进行速度检测、交叉口相位配时信息提取、车辆陷入交叉 口困境区态势评估与指示等，规避车辆陷入交叉口困境区，减少由交叉口困境区 产生的车辆发追尾、刮蹭、侧碰、斜碰等交通事故以及车辆闯红灯违法行为。同 时，作为交通检测器为交叉口信号配时优化提供数据支撑。

本发明提出的一种规避交叉口困境区的路面引导装置，其工作的具体流程为：

1)检测单元

检测单元中的脉冲信号发生电路发生的脉冲信号驱动阵列脉冲激光二极管 发射905nm波长的单光速窄脉冲激光，阵列脉冲激光二极管以一定的频率向行 驶过来的车辆发射窄脉冲激光，脉冲激光经被测车辆反射后由光敏三极管接收转 换成电脉冲信号，并输入给脉冲信号接收电路，如图3所示；通过记录发射波和 接收波的时间差，来估计被测车辆与路面引导装置的距离，检测单元通过一系列 连续固定时间间隔的激光测距，得到被测车辆相对于路面引导装置随时间变化的 距离序列，从而获得被测车辆的运行速度及其变化。具体工作步骤如下：

Step1：阵列脉冲激光二极管以一定的频率向城市道路路面发射905波长的 单光束阵列窄脉冲激光，当光敏三极管首次接收到脉冲激光发射波时，记录接收 到脉冲激光反射波的时间为T₁，并计算被测车辆与路面引导装置的距离：

$L_1=\frac{C_{air}·t_{TR1}}{2}$

其中：L₁为阵列脉冲激光二极管测量角度下路面引导装置与被测车辆的距离； t_TR1为脉冲激光从路面引导装置到被测车辆的往返传播时间；C_air为脉冲激光在 空气中的传播速度。

Step2：阵列脉冲激光二极管以固定的时间间隔向城市道路路面发射905nm 波长的单光束阵列窄脉冲激光，当光敏三极管第i次接收到脉冲激光反射波时， 记录第i次接收到脉冲激光反射波的时间为T₁，并计算第i次被测车辆与路面引导 装置的距离：

$L_i=\frac{C_{air}·t_{TRi}}{2}$

其中：L_i为阵列脉冲激光二极管第i次测量角度下路面引导装置与被测车辆 的距离；t_TRi为脉冲激光第i次从路面引导装置到被测车辆的往返传播时间。

Step3：当光敏三极管最后一次接收到从被测车辆反射回来的脉冲激光信号 时，记录最后一次接收到脉冲激光发射波的时间T_n，并计算最后一次被测车辆与 路面引导装置的距离：

$L_n=\frac{C_{air}·t_{TRn}}{2}$

其中：L_n为阵列脉冲激光二极管最后一次测量角度下路面引导装置与被测车 辆的距离；t_TRn为脉冲激光最后一次从路面引导装置到被测车辆的往返传播时间。

Step4：根据光敏三极管接收到被测车辆发射回来的激光脉冲信号的时间序 列以及计算得到的被测车辆与路面引导装置的距离序列，计算被测车辆的运行速 度：

$V_i=\frac{(L_{i+1}-L_i)·con\theta }{T_{i+1}-T_i}$

其中：V_i第i次计算得到的被测车辆运行速度，1≤i<n；θ为发射的脉冲激 光与道路平面的夹角。

Step5：检测单元将被测车辆的位置序列、时间序列、速度序列等信息通过3U CPCI/PXI背板传送给主控单元的单片机控制器。

2)检测单元

通信单元的DSRC无线专用短程通信模块与交叉口交通信号控制器进行通 信连接，获取路面引导装置所在车道的相位信息；同时，DSRC无线专用短程通 信模块以一定的时间间隔通过3UCPCI/PXI背板获取主控单元单片机控制器分 析形成的车道交通流运行参数，并传送给交叉口交通信号控制器，具体工作步骤 如下：

Step1：DSRC无线专用短程通信模块以交叉口的交通信号周期为调整周期， 对路面引导装置进行时钟校准和同步；并获取交叉口交通信号控制器当前信号周 期内路面引导装置所在车道的相位信息，包括绿灯时长、绿灯启亮时间、绿灯结 束时间、黄灯时长、黄灯启亮时间等信息。

Step2：DSRC无线专用短程通信模块将获取到的路面引导装置所在车道的 相位信息通过3UCPCI/PXI背板传送给主控单元的单片机控制器。

Step3：DSRC无线专用短程通信模块以可调整的时间间隔通过3UCPCI/PXI 背板获取主控单元单片机控制器分析形成的车道交通流运行参数，并传送给交叉 口交通信号控制器。

3)主控单元

主控单元通过3UCPCI/PXI背板获取车辆的位置序列、速度系列、时间序列 信息以及路面引导装置所在车道的相位信息，单片机控制器根据车辆运行信息、 车道相位信息，评估车辆是否会陷入交叉口困境区，并向指示单元发送指示信息， 具体工作步骤如下：

Step1：当检测单元检测到所在车道有车辆驶进交叉口时，单片机控制器提取 车道相位信息，计算当前时刻距离相位绿灯结束时间为Δt。

Step2：单片机控制器计算被测车辆到达交叉口停车线所需的时间为：

$t_{AR}=\frac{L_{stop}+L\left(t\right)·cos\theta }{V\left(t\right)}$

其中：t_AR为当前时刻被测车辆到达交叉口停车线所需的时间；L_stop为路面 引导装置距离交叉口停车线的距离；L(t)为当前时刻t检测到的被测车辆与路面 引导装置的距离；V(t)为当前时刻t检测到的被测车辆的运行速度。

Step3：评估被测车辆到达交叉口停车线的时间是否在剩余相位绿灯时间范 围内：

如果Δt≥t_AR，则被测车辆不会陷入交叉口困境区，单片机控制器不对指示 单元发送任何指示信息；

如果Δt<t_AR，则当前车辆将陷入交叉口困境区，单片机控制器进一步判断 被测车辆驾驶员的驾驶操作行为：

${\alpha }_i=\frac{V_{i+1}-V_i}{T_{i+1}-T_i}$

其中：α_i为第i次计算得到的被测车辆的制动加速度，1≤i<n。

Step3.1：当被测车辆制动加速度系列α_i∈[-δ，δ]，1≤i<n，则认为被测 车辆均速行驶。

如果则单片机控制器向指示单元发送“加速通行”指示 信息。

如果则单片机控制器向指示单元发送“减速停车”指示 信息。

其中：δ为加速度临界表征值；ε为加速度制动舒适临界值。

Step3.2：当被测车辆制动加速度系列存在α_i>0(1≤i<n)且α_i+1-α_i≥ 0(1≤i<n-1)，则认为被测车辆加速行驶。

如果$V\left(t\right)·\Delta t+\frac{1}{2}\alpha \left(t\right)·{\left(\Delta t\right)}^2\ge L_{stop}+L\left(t\right)·cos\theta ,$则当前车辆能够安全通 过交叉口，单片机控制器不对指示单元发送任何指示信息。

如果$V\left(t\right)·\Delta t+\frac{1}{2}\alpha \left(t\right)·{\left(\Delta t\right)}^2<L_{stop}+L\left(t\right)·cos\theta$且α(t)>ε，则单片机控 制器向指示单元发送“减速停车”指示信息。

如果$V\left(t\right)·\Delta t+\frac{1}{2}ϵ·{\left(\Delta t\right)}^2\ge L_{stop}+L\left(t\right)·cos\theta$且α(t)≤ε，则单片机控制器 向指示单元发送“加速通行”指示信息。

如果$V\left(t\right)·\Delta t+\frac{1}{2}ϵ·{\left(\Delta t\right)}^2<L_{stop}+L\left(t\right)·cos\theta$且α(t)≤ε，则单片机控制器 向指示单元发送“减速停车”指示信息。

其中：α(t)为当前时刻t被测车辆的制动加速度。

Step3.3：当被测车辆制动加速度系列存在α_i<0(1≤i<n)且α_i+1-α_i≤ 0(1≤i<n-1)，则认为被测车辆减速行驶。

如果$V\left(t\right)·\Delta t+\frac{1}{2}\alpha \left(t\right)·{\left(\Delta t\right)}^2\ge L_{stop}+L\left(t\right)·cos\theta$且|α(t)|≤ε，则单片机控 制器向指示单元发送“保持车速、通过路口”指示信息。

如果$V\left(t\right)·\Delta t+\frac{1}{2}\alpha \left(t\right)·{\left(\Delta t\right)}^2<L_{stop}+L\left(t\right)·cos\theta$且|α(t)|≤ε，则当前车辆 能够安全停车，单片机控制器向指示单元发送“安全停车”指示信息。

如果$V\left(t\right)·\Delta t-\frac{1}{2}ϵ·{\left(\Delta t\right)}^2<L_{stop}+L\left(t\right)·cos\theta$且|α(t)|>ε，则单片机控制 器向指示单元发送“减速停车”指示信息。

如果$V\left(t\right)·\Delta t-\frac{1}{2}ϵ·{\left(\Delta t\right)}^2\ge L_{stop}+L\left(t\right)·cos\theta$且|α(t)|>ε，则单片机控制 器向指示单元发送“保持车速、通过路口”指示信息。

Step4：当检测单元光敏三极管最后一次接收到被测车辆的脉冲激光反射波 时，单片机控制器对被测车辆的区间运行速度、车辆长度进行估计：

$V=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Sigma }}{V}_i/(n-1)$

V_L＝V·(T_n-T₁)

V_O＝T_n-T₁

V_H＝T₁-T_n′

其中：V为被测车辆的区域运行速度；V_L为被测车辆的长度；V_O为被测车辆 的检测占有时间；V_H为被测车辆与前车的车头时距；T_n′为被测车辆检测之前一辆 车最后一次检测到脉冲激光反射波的时间。

将V_L与车辆分类标准进行对比，确定被测车辆的类型V_C；以一定的时间间隔 统计上述车辆参数，可以获得车道流量、车道车型组成、车道车辆时间占有率、 车道车辆车头时距、车道车辆平均速度等车道交通流参数。

Step5：单片机控制器通过3UCPCI/PXI背板将车道流量、车道车型组成、 车道车辆时间占有率、车道车辆车头时距、车道车辆平均速度等车道交通流参数 传送给通信单元，由通信单元传送给交叉口交通信号控制器。

4)指示单元

指示单元根据主控单元单片机控制器发送过来的指示信息，通过嵌入在指示 单元中的LED指示灯，通过LED指示灯灯色和指示标志对驾驶员的驾驶操作行 为进行提示，具体工作步骤如下：

Step1：当指示单元没有接收到单片机控制器任何指示信息时，LED指示灯 处于熄灭状态，不显示任何指示标志。

Step2：当指示单元接收到单片机控制器发送过来的“加速通行”指示信息时， LED指示灯亮绿灯，动画显示加速指示标志，提示驾驶员加速通行。

Step3：当指示单元接收到单片机控制器发送过来的“减速停车”指示信息时， LED指示灯亮红色，动画显示减速指示标志，提示驾驶员减速停车。

Step4：当指示单元接收到单片机控制器发送过来的“保持车速、通过路口” 指示信息时，LED指示灯亮绿灯，动画显示通行“→”指示标志，提示驾驶员通 过交叉口。

Step5：当指示单元接收到单片机控制器发送过来的“安全停车”指示信息时， LED指示灯亮红色，动画显示停车“←”指示标志，提示驾驶员制动停车。

5)电源单元

电源单元由高容量充电锂电池组和微型电压调整器组成，主要为路面引导装 置各功能单元提供直流稳压电源。当高容量充电锂电池组电量不足时，可以通过 充电接口，与路侧供电设备或电源连接进行充电，无须封闭道路施工。