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在DSRC通信中一个先进的车辆碰撞预警算法
1.介绍
远程信息处理,是一个新兴的无线技术网络,不仅为汽车行业也为信息技术行业带来了新的市场。远程信息处理综合信息、通讯、汽车的电子产品提供应用程序和服务提高舒适和安全要求。对于安全问题,一些研究试图提供强大机制或方法,以防止事故发生。为了加强行驶安全性，在事故之前的碰撞预警帮助司机避免事故发生。
为了行驶安全性的加强，更多的路况如曲线道路应考虑碰撞预警系统。一种碰撞预警系统基于传感器在道路环境下，提出了克服曲线道路的问题情况。尽管系统可以应用于曲线道路，但是如果大多数曲线道路是由传感器组成的，那么系统的成本是昂贵的。
关于协同碰撞预警(公约)系统的基本思想是使用无线通信等专用短程通信(简称DSRC)广播位置信息给邻近车辆。接收端收到车辆位置信息, 迎面而来的碰撞就可以预测。在过去的几年尽管有许多碰撞预警算法和系统被提出，在一个碰撞预警系统中两个问题应该被考虑。首先,对一个移动的车辆,如加速和减速在碰撞的计算应该被考虑用以预测提高预警的准确性。第二, 在碰撞预警系统中，应该考虑曲线公路的情况。曲线道路是影响碰撞预警系统准确性的主要因素。
在本文中，一个先进的协同碰撞预警(ACCW)算法和解决解决上述两个问题。在ACCW 算法中，车辆通过DSRC通信定期地广播关系信息(RI) 给相邻车辆。当车辆收到RI消息,这些车辆计算两辆车(发送者和本身)之间潜在的碰撞可能发生或不发生。在ACCW算法中,主机车辆(接收器)使用它的RI信息和目标车辆的(发送方)RI消息计算这两个临近车辆的最接近的两点之间的距离。为了解决这些由速度和方向变化造成的错误，在计算两车辆最接近两点之间的距离,要利用车辆的加速度信息。在计算之后,如果最近的点与主机车辆之间的距离小于一个阈值,那就表明这两车即将碰撞。接下来, ACCW算法在即将到来的碰撞的k秒前发出了一个警告消息,k取决于用户的设置。最后,一些相关信息被记录在ACCW算法,它可用于事故识别。
本文的其余部分组织如下：第二节介绍别人的协同碰撞预警研究。第三部分描述了ACCW算法的提出。第四部分介绍了ACCW的性能分析。最后,第五部分有总结性的结论。
2.相关工作
协同碰撞预警系统的概念由通用汽车研究机构于2005提出。对于车辆而言，CCW是一种新颖的碰撞预警机制。CCW系统使用无线通信使临近汽车实现信息交换。信息包含了一些参数比如时间、经度、纬度、路线、速度等等,这些信息可以从全球定位系统(GPS)设备获取。CCW系统计算车辆碰撞是否可能发生取决于收到的信息。在2007年，该CCW系统已经被实施。
一些CCW依赖于DSRC通信技术。基于接收到的位置和速度信息安全行驶,是协助司机获取动态关系和保持合理的距离来留有足够的响应时间去应对紧急的情况。然而,基于距离研究的协同碰撞预警方案可能只能够适用于高速公路环境。某些情况没有被考虑在内,如十字路口和曲线。在文献[10]中,作者提出了一个基于两辆车之间距离的协同碰撞预警方案。研究的基本思路是通过无线通信交换车辆之间一些信息。在那之后,计算车辆到达交叉路口的时间。如果时间等于或小于一个阈值两辆车将碰撞。然而,它是不适合使用的环形路的环境。作者提出了一个预警系统,采用传感器、水槽节点和基站为避免在环形道路上的碰撞。然而, 该系统需要部署一些基础设施。这样基础设施系统是昂贵的。在所有的环形路上布置传感器花费较大。此外,它在十字路口环境下是不合适的因为大量的十字路口环境信息交换导致数据包碰撞和损失。在我们先前的工作中，已经提出了提前预警碰撞算法CPWA。参照仿真结果，在不同速度环境下，碰撞发生前预警信息被传递并且环形路环境也在仿真实验过。因此该预警算法可以应用于城市和高速路的情况。虽然我们之前的研究有很高碰撞预警探测的准确性,在之前章节涉及到两个问题应该在同一时间被考虑到。
3.先进的协同碰撞预警算法
ACCW算法包含三个部分：（1）信息交换，（2）碰撞计算（3）存贮与报警。让每个车辆配备GPS设备, 加速度计和无线接入的车辆环境(波)通信模块,该模块提供GPS位置信息,加速度车辆的信息,和无线功能沟通。这些部分在后文中将会逐渐被解释。
1.信息交换
在本部分中,主机车辆信息(RI) 包括GPS位置信息和加速度信息,在任何时候将会被传送到波通信设备。让车辆装备加速度计,因此它能够为ACCW算法提供信息。三个移动参数 (加速、减速和保持相同的速度) 从加速度计可以测量。因此,我的RI和目标RI消息可以包含加速度信息。接下来,我的RI信息被封装成RI数据包和通过通信设备定期播放。任何车辆通信范围内将收到RI数据包。当收到来自邻近的车辆RI(目标RI)数据包,将打开波通信模块包。接下来,两个RI消息,包括我的RI和目标RI,被送到下一个部分来触发碰撞过程的计算。
2.碰撞计算
ACCW算法在最近点的概念(CPA)的基础上计算目标和主机车辆之间是否会发生碰撞。如果不发生碰撞,系统返回到等待状态去迎接下一个RI讯息。否则, 根据预定义的警告级别司机将获知警告消息,例如前3或6秒即将发生的碰撞。预定义的警告等级为用户提供了三个选择,高、中、低。如果碰撞即将发生,在第三部分中,警告消息可以通过声音、灯光或图像等发送。
ACCW算法中符号的定义如下所示。是车辆A和车辆B之间的距离。是车辆A的向量。符号和分别是车辆A和B最近两点的时间和距离。符号是时间，是车辆B的加速度。符号和分别是临时点在第i个车轮和向量点在车辆B的第i个车轮。符号和分别是车辆B的转向角和向量计算。
速度改变
假设车辆是主机车辆和车辆B是目标车辆。让和分别是车辆A和车辆B的向量，是车辆B的加速度。加速度可能是正值或者负值。如果车辆加速的话，则为正值；车辆减速的话，则为负值。如果车辆保持等速行驶，则加速度为零。当碰撞计算开始时，首先就增加加速度到向量，例如到和到。然后增加相反的变量去寻找第一个临时点。如果车辆A和车辆B之间的距离比点和车辆B之间的距离足够大。让等同于加并且重复同样的程序，在每个重复的圆上标注i必须加1.
然后，我们能找到一个点称为该方法的最近点(CPA),这是一个经过车辆A的一条线和垂直于线之间两个临时点、。临时点被定义为一个点的临时属性, 这只用于计算。在几个时间单位（例如秒）后，CPA是在主机车辆和目标车辆的最近点。在主机车辆和点CPA之间的距离是DCPA（到CPA的距离），在几个时间单位后，这表示出主机车辆到目标车辆的最短距离。在找到CPA和DCPA之后，到CPA的时间可以从等式1中获取。TCPA是一个时间间隔，这表示着主机车辆和目标车辆在多久之后他们之间的距离最短（DCPA）。如果最短距离DCPA小于阈值或者等于0，碰撞可能会发生。另外，我们可以说如果DCPA等于零，在TCPA时间单位后，目标车辆和主机车辆将会碰撞。
ACCW算法的伪代码
接收（我的RI和目标RI）
环形路环境
第二个挑战在CCW系统环形路环境下。CCW系统应该考虑环形路环境例如山路和立交桥。在第一个例子中仅有一个车辆改变它的指引航线，并且在第二个例子中两个车辆都改变了他们的指引航线。
从加速计获取转向角并记作。如果转向角是顺时针，的值为正，否则的值为负。假定主机车辆A直行，目标车辆转向角为度。为了找到两个接近的车辆之间最接近的点，应执行三个步骤。
这些步骤是（1）找到车辆B的向量点（2）找到临时点（3）重复n圈
步骤1：找到目标车辆B向量点
碰撞检测算法被触发时, 第一步是在第n圈找到目标车辆的向量点B。让车辆B的GPS的位置成为一个起点，并且和是车辆的位置。向量点可以通过公式2获得。例如，假定车辆B的航线角为60度并且车辆B是15米/秒，向量点X轴等于。使用公式2，向量点可以被获取。接下来，车辆B的航向角应该从改变到用于下一圈的计算。
步骤2：找到每圈的临时点
通过等式2，我们可以得到的坐标点。接下来，回转的向量并且将它加到获得一个临时点。在这个场景，让车辆A转向角被记作。如果我们反转车辆A的向量，它应该被改变成。因为向量被反转，转向角也应该被反装，另外，点和点之间的距离就是车辆A的距离。
在我们反转车辆A的向量后并且将其加到点，我们可以得到一个临时点
步骤3：重复n圈
让点成为下一圈的起点，车辆B的航向线从改变到。然后在第一圈中使用相同的步数直到找到点CPA。有多少圈应该被计算仍然是一个急需解决的问题。除非车辆A和B之间的距离小于在每一圈两点之间的总距离，下一圈总是会持续。在下一圈被激活之前请注意它一定让等同于。在发现点CPA之后，可以通过等式1获得TCPA。
碰撞评判规则
碰撞评判规则界定哪一类计算结果将会导致碰撞。在这一部分，两个参数应该将会被介绍。第一个是预警距离——车辆圆形区域的半径，第二个是预警等级。三个界定预警等级是高、中、低。司机和使用者可以根据他们的需求来选择预警等级。在我们的设计中，高预警的等级意味碰撞预警信息应该在碰撞将要发生的9秒前被传到司机。中低预警等级分别设计成6秒和3秒。最后，碰撞评判准则被表达为等式3所示。
3.存储与报警
在碰撞计算之后，潜在的碰撞会在碰撞发生之前被检测到。在这个阶段，碰撞预警系统不得不存储碰撞计算的结果。原因是如果碰撞确实发生的话，它可以为事故仲裁提供一些信息。例如,一些关于速度, 车辆的加速度和定位的信息被存储。在另一方面，如果碰撞即将到来，预警信息将会传给司机。预警信息包括目标ID和TCPA。最后，司机有望刹车来避免事故因为预警信息被及时传递。
4.性能分析
为了评价ACCW算法的准确性，我们利用网络仿真工具NS-2来仿真车辆交流与运动。对于碰撞，预警增强，两个场景被测试：为了评价ACCW算法的准确性，我们可以比较CPWA和提议的ACCW算法。CPWA在我们之前的工作已经被提出，在速度和航线固定的时候被运行的非常好。
速度改变分析
为了理解ACCW算法在不同环境的准确性，我们专注于两辆在不同道路行驶的车辆。这两辆车将会在一个交叉点碰撞。四种不同的情况在这个子部分中被考虑。
1.仅仅有一辆车有加速度
表2显示ACCW和CPWA之间的比较结果。在这个仿真中，预警水平被设置较低。由此，碰撞预警算法在两车碰撞之前有三个预警信息。第一个预警信息应该在3秒之前被传递，第二个预警信息在2秒之前被传递。另外，加速度被设定是1m/s。在CPWA中，因为碰撞没有在计算后发生，第一个预警信息将会错过。接下来，在CPWA算法中，第二个预警信息将会错过。然而DCPA的误差为1.845m，TCPA的误差为0.15秒。在第三个预警信息中，DCPA的误差为0.61m，并且TCPA的误差为0.05秒.DCPA和TCPA的误差在第二个和第三个预警信息上减少。这是因为两个车辆越来越接近。在另一方面，DCPA和TCPA在ACCW算法中的低错误率是显而易见的。
2.两辆车具备同样的加速度
两辆车具备同样加速度的仿真结果已经在表三给出。两个的算法DCPA的错误较小而且是相同的。因为两个车辆有相同的加速度，CPA和DCPA的错误是相似的。然而，TCPA的错误在CPWA的算法中避在ACCW算法中的更大。
3.两辆车具有不同的速度
在这个仿真中，让两辆车有不同的的速度和加速度相遇。参照表格4，在CPWA算法中，DCPA错误或者lt;
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