基于5G通信的车联网自动驾驶技术研究_马孟.pdf

收稿日期:2022-09-05基金项目:市级科技重大专项脑与类脑智能基础转化应用研究(2018SHZDZX01)作者简介:马孟(1982-),男,河南南阳人,硕士研究生,高级工程师,主要研究方向为建设项目组织和运营管理、自动驾驶智能网联汽车测试场建设运营。基于 5G 通信的车联网自动驾驶技术研究马 孟1,2,李韩军3(1.郑州发展投资集团有限公司,郑州 451450;2.郑州机动车质量检测认证技术研究中心有限公司,郑州 451450;3.中国信通院上海工创中心,上海 201206)摘 要:为了提高自动驾驶中碰撞预警系统的性能,提出一种基于 5G 通信的碰撞预警策略,帮助自动驾驶车辆规避车辆间的碰撞与剐蹭。具体则是在 5G 通信下,针对不同行驶状态进行安全距离的测算与分析,构建出安全距离测算模型,最后进行仿真实验进行验证。仿真结果表明:在一般刹车与紧急刹车两种情况下,得到的预警碰撞距离分别为 23.15 m 和 18.26 m,安全距离数值较为适中,不会出现预警提示过早或过晚的问题,可以应用于驾驶系统中;在实际联车实验中,车与车之间的距离小于设定的安全距离时会发出预警,达到了预期的预警效果。关键词:5G 通信;自动驾驶技术;碰撞预警;V2X 中图分类号:TP393 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.121Research on autonomous driving technology of Internet of Vehicles based on 5G communicationMA Men1,2,LI Hanjun 3(1.Zhengzhou Development Investment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 451450,China;2.Zhengzhou motor vehicle quality testing and Certification Technology Research Center Co.,Ltd.,Zhengzhou 451450,China;3.Shanghai Industrial Innovation Center of China Academy of information and communications,Shanghai 201206,China)Abstract:In order to improve the performance of collision warning system in autonomous driving,a collision warning strategy based on 5G-V2X is proposed to help autonomous vehicles avoid collision and scraping between vehicles.According to different driving states,the safe distance is calculated and analyzed,and the safe distance calculation model is constructed.Finally,the simulation experiment is carried out to verify the model.The simulation results show that the warning collision distance is 23.15 m and 18.26 m respectively under the two conditions of general brake and emergency brake,and the safety distance value is relatively moderate,so there is no problem of early warning or too late warning,which can be applied to the driving system.In the actual coupling experiment,when the distance between vehicles is less than the set safe distance,a warning will be issued,which achieves the expected warning effect.Key words:5G communication;Autonomous driving technology;Collision warning;V2X0 引言在我国,随着智慧交通的发展,5G 技术的应用成为一大热门趋势,主要表现在人机物互联的网络基础设施建设方面,对于汽车智能化升级多有助益。小到汽车的联网功能升级,例如车载娱乐 5G 升级、移动支付等,大到自动驾驶技术方面,例如远程驾驶、智能驾驶等。5G的运用实现了驾驶系统智能升级的目的,在快捷高效的同时,还保证了驾驶的安全性与可靠性,对智慧交通与自动驾驶的发展有重大意义。许多学者对此展开了热烈的讨论与研究:孙启昌为提高汽车的监控性能,在ARM 的基础上结合 5G 通信技术,构建了一套汽车监控系统,可以将图像信息直接传送至手机客户端,实现了利用 5G 网络实时监控汽车安全的目的1;朱陈伟等基于 5G 网络,提出了一种精准操控车辆的远程驾驶策略,主要通过车端与车辆的信息回传与解析执行,实现汽车远程操控2;尚大伟等考虑到汽车的安全问题,利用 5G车联网概念,结合椭圆曲线加密算法,设计出一套车辆身份认证的安全保护方案,以签名和 PKI 身份认证的方式增加车内网络的安全性,防止信息泄露3。上述研究解决了驾驶系统的不同方面的问题,但对于驾驶系统的安全碰撞预警系统研究较少,在自动驾驶中,自动碰撞预警的设置十分重要,本研究以此为切入点,结合 5G 技术对自动驾驶车辆进行碰撞预警系统升级。传统防撞预警多为被动装置,主动保护意识弱,安全隐患大,随着5G 的到来,车联网中 V2X 技术的应用解决了这一问题4-5。V2X 负责车辆与外界联系的媒介系统,主要分为 V2N、V2I、V2V 和 V2R 四部分,其中 V2V 是针对预防121自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)车辆事故的安全系统。本研究则以 V2X 安全系统为核心,提出一种碰撞预警策略,提高汽车驾驶过程中的安全性,并达成对汽车碰撞预警技术的智能化升级。1 整体架构设计1.1 硬件部分设置本研究的车端硬件架构以车端工控机为基础,部分设置如 1 图:图 1 车端硬件部分设计(1)通信模块:以 5G 通信网络服务为基础服务;(2)视频模块:采集车辆前后方、车内等区域视频;(3)信息处理模块:处理平台的数据信息,下发指令控制车辆;(4)定位模块:通过 GPS 定位车辆,并将采集的信息利用通信模块上传至平台6。1.2 软件部分设置软件功部分功能设如图 2 所示:图 2 车端软件部分设计(1)视频采集:采集车辆相关的视频流编码压缩传输至视频服务器;(2)数据上行传输:解析车辆 CAN 总线数据封装数据帧5G 通信网络传输至自动驾驶平台7;(3)数据下行传输:车端接收控制指令解析工控机发出指令执行控制车辆。1.3 通信部分设计系统整体分为 V2X 通信与网络通信两个部分。V2X 主要负责传输车辆间和车路间的数据,为碰撞预警用提供数据支持,而网络通信则以 5G 网络为基础,通过车端传输车辆相关的状态信息和下发控制指令8-10。系统通信方式的结构如图 3 所示:图 3 系统通信方式结构图2 碰撞预警策略设计2.1 碰撞预警时序分析碰撞预警作为汽车的高级辅助驾驶系统,需要时刻对车辆周围的环境进行监测,并利用声音提醒等方式告知驾驶员可能发生的情况,令驾驶员掌握路况信息、提前规避风险,以防事故发生。系统通过车辆之间的车速、减速度等数据,计算两车之间的安全距离,并以此作为碰撞预警是否发出的标准8。首先对预警系统影响较大的时间因素进行分析。时间因素包含驾驶员的反应时间、指令信号传输时间、制动协调时间等,如图 4 碰撞预警时序图所示:图 4 碰撞预警时序图碰撞预警时序流程:t0t1:前车与后车之间会在此阶段交换彼此的位置车速、位置、刹车等信息,此阶段受交通密度大小的影响,交通密度越大,导致信号接收速度越慢,较为空旷路段,信号接收速度较快;t1t2:此阶段为信息传输阶段,车辆将获取的数据上传至驾驶系统;t2t3:数据上传后计算安全距离,车间距小于安全距离系统会发出预警提示;t3t4:驾驶员通过提示进行反应与判断;t4t5:驾驶员采取制动措施,车辆产生减速度,此阶段时间值受车辆的制动结构与制动方式的影响,车辆性能越好,影响越小;t5t6:进行制动后,刹车启动,车辆减速直至静止。考虑到惯性因素、人脑的反应速度以及各种外界因素,碰撞预警模型会加强延时补偿11,为驾驶员争取更221基于 5G 通信的车联网自动驾驶技术研究 马 孟,等多的反应与操作时间,以保证安全。(1)式表示总延时:tdelay=tc+th+ta+ts2(1)式中,tc为传输及预警时间,th为反应时间,ta为制动时间,ts为延长时间。2.2 碰撞预警策略受路况、车辆性能等影响,车与车之间的距离、车速及位置等数值会根据实际产生变化,碰撞预警模型需要先设置具体参数,根据不同情况下的安全距离判断是否发出碰撞预警,从而帮助驾驶员规避事故。图 5 是自动驾驶车辆与前车之间的位置示意图。图 5 车辆位置示意图从图 3 可知,两车在同一路段行驶,在 T0时段中,两车之间的距离为 d0,假设自动驾驶车辆采取紧急刹车,即在 T1时段中,两车之间的距离为 d1,此时 X1为自动驾驶车辆的行驶距离,X2表示前车的行驶距离。两车间的安全距离计算公式公式为:dsafe=x1-x2+d1(2)前车通常会有减速、静止、匀速或加速三种行驶情况,将(2)式代入以上不同情况,构建安全距离测算模型。(1)减速前车减速分三种情况讨论,首先是两车同时静止,不会出现事故,其车辆速度与时间如图 6 所示:图 6 同时静止时车辆速度时间图其次是前车停车,自动驾驶车辆再停车,速度与时间如图 7 所示:图 7 前车先静止时车辆速度时间图最后是自动驾驶车辆先停车,前车再停车,两车的速度与时间如图 8 所示:图 8 自动驾驶车辆先静止时速度时间图此时,时间轴标红区域内,两车可能发生碰撞,为了确保两车有足够的安全距离,将两车辆同时静止的时刻视为危险时刻。自动驾驶车辆制动停止的行驶距离表示为:x1=v1tdelay+v122a1(3)前车制动停止的行驶距离为:x2=v222a2+v22ts(4)安全距离公式:dsafe=v1th+ta+tc()+vrelts2+v122a1-v222a2+d1(5)(2)前车静止当前车静止时,X2即为 0,此时安全距离公式为:dsafe=v1tdelay+v122a1+d1(6)式中 v1表示减速度值,a1表示自动驾驶车辆速度。(3)匀速或加速当前车处于匀速或加速状态时,自动驾驶车辆与之距离甚远,此时自动驾驶车辆随前车同速或自行减速时,均不会发生碰撞,除非自动驾驶车辆的车速在某一时段大于前车车速才会碰撞。如图 9 所示:图 9 匀速或加速时车辆速度时间图前车行驶距离 x2为:x2=v2tdelay+v2v1-v2()a1(7)安全距离为:321自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)dsafe=vreltdelay+v12-v222a1-v2vrela1+d1(8)式中,a2与 v2表示前车的减速度和速度值,vrel是两车速度差值。3 仿真实验3.1 实验环境实验将在 Matlab 平台中进行实验验证。硬件环境选择采用 Intel(R)Core(TM)i5-7500 型号的 CPU 和 Ge-