基于GPS的汽車(chē)節(jié)能暢行紅綠燈提示系統(tǒng)分析

俞章榮

摘 要：汽車(chē)在行駛過(guò)程中，往往由于對(duì)交通信號(hào)燈的轉(zhuǎn)變時(shí)間有所預(yù)制，出現(xiàn)車(chē)輛存在等待紅燈或是急剎車(chē)等情況，影響交通安全、車(chē)輛暢通或是燃油損耗的狀況。若可以建立相應(yīng)的提示系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)的預(yù)制交通信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)，綜合GPS技術(shù)判定目前車(chē)輛行駛狀態(tài)和交通信號(hào)燈的位置，之后按照汽車(chē)節(jié)能措施提醒駕駛?cè)藛T合理的駕駛，就能夠?yàn)槌鞘薪煌ò踩约肮?jié)能駕駛給予一定的幫助。

關(guān)鍵詞：GPS;汽車(chē)節(jié)能暢行;紅綠燈;提示系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6;P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

道路中一般都會(huì)設(shè)置交通信號(hào)燈，其宗旨在于讓車(chē)輛能夠有序安全的行駛，提升交通安全性，也是交通管理當(dāng)中的必要裝置?？墒翘嗟慕煌ㄐ盘?hào)燈極易出現(xiàn)相應(yīng)的問(wèn)題，車(chē)輛行駛過(guò)程中通常要按照信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)變駕駛狀態(tài)，如此不僅提升車(chē)輛經(jīng)過(guò)紅綠燈的油耗以及時(shí)長(zhǎng)，并且極有可能對(duì)駕駛?cè)藛T帶來(lái)厭煩的心理以及交通堵塞的狀況。所以為讓車(chē)輛能夠適應(yīng)紅綠燈裝置，可以讓車(chē)輛暢通，降低駕駛?cè)藛T行駛時(shí)長(zhǎng)，減少油耗，基于GPS的汽車(chē)節(jié)能暢行紅綠燈提示系統(tǒng)，讓其能夠有預(yù)見(jiàn)性的經(jīng)過(guò)紅綠燈，從而有效緩解此種問(wèn)題帶來(lái)的困擾。

1 基于GPS的汽車(chē)節(jié)能暢行紅綠燈提示系統(tǒng)工作原理

1.1 提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

提示系統(tǒng)在輸入信號(hào)當(dāng)中的優(yōu)化引進(jìn)紅綠燈顏色狀態(tài)與位置信息，并且運(yùn)用GPS接收裝置掌握車(chē)輛實(shí)時(shí)速度與位置，從而開(kāi)展測(cè)算得出可以滿足節(jié)能暢行的經(jīng)過(guò)紅綠燈的速度。通過(guò)提示系統(tǒng)的需求，把提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分成四個(gè)單元模塊，即GPS模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊、紅綠燈模塊和顯示模塊。GPS模塊獲取時(shí)間、經(jīng)度緯度與速度信息。單片機(jī)系統(tǒng)模塊對(duì)輸入信號(hào)展開(kāi)處理分析，運(yùn)行車(chē)輛速度算法。紅綠燈模塊用來(lái)對(duì)系統(tǒng)提供紅綠燈位置與轉(zhuǎn)變時(shí)間表。顯示模塊顯示速度等相關(guān)信息[1]。

1.2 紅綠燈信號(hào)處理

首先，紅綠燈信號(hào)當(dāng)做提示系統(tǒng)不包括GPS信號(hào)之外的另一個(gè)重點(diǎn)信號(hào)來(lái)源，應(yīng)當(dāng)對(duì)紅綠燈系統(tǒng)展開(kāi)分析。紅綠燈是交通信號(hào)當(dāng)中的關(guān)鍵構(gòu)成部分，分成非機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈、機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈與人行橫道信號(hào)燈。文中的提示系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈進(jìn)行分析，紅綠燈通過(guò)交通信號(hào)機(jī)進(jìn)行控制，信號(hào)機(jī)能夠轉(zhuǎn)變交通信號(hào)的配時(shí)與順序，控制紅綠燈的運(yùn)行?；诳刂颇Ｊ降牟町?，信號(hào)機(jī)系統(tǒng)包括兩種，即靜態(tài)控制系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)。前者按照歷史信息數(shù)據(jù)通過(guò)離線形式生成信號(hào)配時(shí)方案，通常要實(shí)現(xiàn)整理統(tǒng)計(jì)一定的歷史交通數(shù)據(jù)資料，不足之處是要損耗更多的資源，并且無(wú)法按照目前交通狀況展開(kāi)實(shí)時(shí)優(yōu)化。后者能夠按照實(shí)時(shí)傳輸?shù)慕煌ㄐ畔?shù)據(jù)進(jìn)行在線配時(shí)，進(jìn)而做到信號(hào)的實(shí)時(shí)優(yōu)化。因?yàn)閯?dòng)態(tài)控制系統(tǒng)成效大大高于靜態(tài)控制系統(tǒng)，因此更多的國(guó)家逐漸運(yùn)用動(dòng)態(tài)信號(hào)控制機(jī)，動(dòng)態(tài)信號(hào)控制機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息是經(jīng)過(guò)車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)得出的。提示系統(tǒng)需要的紅綠燈信號(hào)，包括紅綠燈顏色轉(zhuǎn)變時(shí)間以及位置信息。

2 車(chē)速算法具體策略分析

2.1 駕駛模式策略

（1）駕駛模式策略要求。首先GPS輸入信息通過(guò)爾曼濾波了解車(chē)輛實(shí)時(shí)位置與速度信息。其次紅綠燈位置和狀態(tài)信息，之后經(jīng)過(guò)交管部門(mén)了解。為實(shí)現(xiàn)提示系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，車(chē)速算法要滿足相應(yīng)的目標(biāo)，其一經(jīng)過(guò)測(cè)算得出車(chē)速必須要滿足安全性;其二如若目前車(chē)速能夠滿足信號(hào)燈通行，就可以基于駕駛的平順性為前提，默認(rèn)駕駛者運(yùn)用的車(chē)速控制策略，不進(jìn)行轉(zhuǎn)變;其三讓無(wú)謂等候信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)盡可能縮短;其四根據(jù)提示系統(tǒng)信息，駕駛?cè)藛T能夠有預(yù)見(jiàn)性的駕駛車(chē)輛，降低由于紅綠燈變化導(dǎo)致的急剎車(chē)或是急加速現(xiàn)象，進(jìn)而降低燃油量，并且由于暢行能夠降低車(chē)輛無(wú)謂等待紅燈的時(shí)長(zhǎng)也可以降低油耗，該系統(tǒng)也能夠輔助駕駛?cè)藛T在暫且沒(méi)有紅綠燈的公路中進(jìn)行節(jié)能車(chē)速行駛[3]。與此同時(shí)，車(chē)速算法策略也會(huì)有所約束，首先，道路限制。提示車(chē)速由于道路限速，進(jìn)行合法的駕駛車(chē)輛。其次，道路交通情況與流量。車(chē)速策略對(duì)其余車(chē)輛影響有所忽視，僅考量單一的車(chē)輛，如此重點(diǎn)是由于提示系統(tǒng)初期階段研究，重點(diǎn)考慮車(chē)速算法實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，并且交通流量對(duì)車(chē)速影響具有一定的復(fù)雜性，因此暫且忽略。最后，紅綠燈定位偏差。道路當(dāng)中信號(hào)燈準(zhǔn)停線區(qū)域和交管部門(mén)信號(hào)燈GPS位置信息可能出現(xiàn)差異，可是算法在建模過(guò)程中忽視此種狀況。

（2）駕駛模式策略。在車(chē)輛行駛臨近紅綠燈時(shí)，為順應(yīng)信號(hào)燈達(dá)到暢通，車(chē)速要進(jìn)行一定的變化，可分成三種行駛狀態(tài)，即減速、勻速以及加速。車(chē)輛應(yīng)當(dāng)選擇哪種狀態(tài)體現(xiàn)在幾個(gè)方面，其一，前方信號(hào)燈顏色與剩余時(shí)長(zhǎng);其二是車(chē)輛與信號(hào)燈的距離;其三是目前行駛車(chē)速[4]。并且要考量交通法規(guī)，不可讓車(chē)速超過(guò)道路指定速度。見(jiàn)圖1所示。首先按照目前信號(hào)燈的顏色分成三種狀態(tài)展開(kāi)分別測(cè)算。在紅燈時(shí)，根據(jù)對(duì)比車(chē)輛基于目前車(chē)速行駛到信號(hào)燈的時(shí)間和紅燈所剩時(shí)長(zhǎng)展開(kāi)判斷，如果前者大，代表駕駛?cè)藛T到信號(hào)燈位置就要停車(chē)等候，可讓車(chē)輛預(yù)先減速，反之就代表駕駛?cè)藛T根據(jù)目前車(chē)速能夠通過(guò)信號(hào)燈，勻速行駛可通行。在黃燈時(shí)，為考慮安全性，把其歸類(lèi)紅燈。在綠燈時(shí)，根據(jù)對(duì)比速度進(jìn)行，按照目前距離和時(shí)間測(cè)算車(chē)速，和目前車(chē)速相比，如若大就要加速，反之勻速或是減速，測(cè)算過(guò)程中要考量限速規(guī)定。通過(guò)圖1所示，車(chē)輛距信號(hào)燈位置的間距叫做車(chē)輛和信號(hào)燈的剩余距離，把其分成遠(yuǎn)距與近距，信號(hào)燈基本轉(zhuǎn)變順序是紅-綠-黃-紅，把每個(gè)顏色轉(zhuǎn)變一次當(dāng)做一組，車(chē)輛行駛過(guò)程中可經(jīng)過(guò)包含目前紅綠燈狀態(tài)的一組時(shí)，把這種距離稱(chēng)作近距，反之需等待下一組稱(chēng)作遠(yuǎn)距。把距離進(jìn)行區(qū)分是為斷定車(chē)輛能否經(jīng)過(guò)信號(hào)燈路口。

2.2 駕駛車(chē)速策略

（1）紅燈狀態(tài)車(chē)速分析。在紅燈狀態(tài)下，車(chē)輛包括三種駕駛模式，即紅燈剩余時(shí)長(zhǎng)行駛到信號(hào)燈的減速模式、不轉(zhuǎn)變車(chē)速通過(guò)信號(hào)燈的勻速模式、加速通過(guò)下個(gè)綠燈的加速模式[5]。對(duì)紅燈加速的情況，代表車(chē)速慢或是車(chē)輛與信號(hào)燈距離遠(yuǎn)，在此種狀況下，在紅燈轉(zhuǎn)變成綠燈，車(chē)輛依舊未能行駛到路口，因此要考量測(cè)算的便捷性，把此種狀況等紅燈轉(zhuǎn)變成綠燈之后，列入綠燈狀況下展開(kāi)測(cè)算更具合理性。因?yàn)檐?chē)輛在行駛中要滿足節(jié)能需求，減速行駛在時(shí)間允許前提下采取緩慢減速。因?yàn)檫\(yùn)用提示系統(tǒng)，讓車(chē)輛行駛有著預(yù)見(jiàn)性。在車(chē)輛減速過(guò)程中要盡可能降低車(chē)輛怠速時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而降低燃油損耗，并且要讓車(chē)輛滿足運(yùn)用最少時(shí)長(zhǎng)經(jīng)過(guò)信號(hào)燈的要求。在紅燈減速狀態(tài)下，車(chē)輛包括幾種行駛模式，其一是車(chē)輛和信號(hào)燈的距離較近，車(chē)輛需要停車(chē)等候;其二是車(chē)輛減速后基于某種速度經(jīng)過(guò)信號(hào)燈，此種模式車(chē)輛可通過(guò)減速又或滑行的方式，讓車(chē)輛在紅燈后經(jīng)過(guò)信號(hào)燈。見(jiàn)圖2所示。即便在具體運(yùn)行時(shí)，車(chē)輛減速與加速是轉(zhuǎn)變的，很難測(cè)量?？墒管?chē)速轉(zhuǎn)變大概在10 km/h之內(nèi)，或者同一檔位內(nèi)，可以把行駛過(guò)程看做減速。線4代表車(chē)輛要減速等待，線5代表車(chē)輛減速之后進(jìn)行勻速行駛，線1/2/3代表滑行模式，ta代表紅燈所剩時(shí)長(zhǎng)，tb代表ta和下一綠燈時(shí)長(zhǎng)總和，v0代表目前車(chē)速，s是目前車(chē)輛與紅燈的間距。車(chē)輛通過(guò)時(shí)間ta行駛距離da應(yīng)當(dāng)小于s，在車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)間tb之后行駛距離db要大于s和路口長(zhǎng)度l總和，確保車(chē)輛綠燈時(shí)能夠經(jīng)過(guò)路口，同時(shí)再次變成紅燈時(shí)已經(jīng)駛離路口。若車(chē)輛滑行距離用時(shí)超過(guò)ta并且低于tb，能夠直接經(jīng)過(guò)信號(hào)燈，如線2所示。如若滑行太快就要滑行一定距離后進(jìn)行減速，如線1所示。如若滑行太慢就要滑行之后再進(jìn)行勻速行駛，如線3所示。如此在明確相關(guān)數(shù)據(jù)后，就能夠明確判斷是何種滑行狀態(tài)，經(jīng)過(guò)測(cè)算獲得滑行的實(shí)際模式。

（2）綠燈狀態(tài)車(chē)速分析。首先，綠燈勻速暢行，此種狀況基于目前車(chē)速能夠通過(guò)信號(hào)燈，因此預(yù)先考量汽車(chē)平穩(wěn)性。其次，綠燈加速，車(chē)輛目前速度不能通行，可只要加速就能夠在安全車(chē)速內(nèi)通過(guò)信號(hào)燈，這時(shí)需要考量車(chē)輛暢行性運(yùn)用加速對(duì)策。再次，綠燈減速不停車(chē)，車(chē)輛根據(jù)目前車(chē)速能夠綠燈，可使車(chē)輛高于路口安全車(chē)速，為保證車(chē)輛安全性要適當(dāng)降低車(chē)速，讓其減至安全范疇內(nèi)。最后，綠燈減速停車(chē)，根據(jù)車(chē)輛目前位置與綠燈所剩時(shí)長(zhǎng)，如果經(jīng)過(guò)綠燈就會(huì)超出規(guī)定限速，此時(shí)為保證安全性，車(chē)輛無(wú)法通行，暫且忽略暢行性，單一考量降低行駛的油耗，對(duì)其展開(kāi)適當(dāng)?shù)臏p速。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于GPS的汽車(chē)節(jié)能暢行紅綠燈提示系統(tǒng)是新型的車(chē)輛駕駛輔助提示系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠綜合車(chē)輛目前行駛狀態(tài)和紅綠燈信息，基于節(jié)省油耗行駛模式展開(kāi)智能判斷，及時(shí)把暢行措施對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行提示，對(duì)輔助駕駛起到積極的作用。

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