CN101071527A - 高速路自动导航系统 - Google Patents

Abstract

一种自动导航系统，发明的路标生成技术可以实现高速路应用下的定位与导航。属通信技术领域、电子技术领域、导航技术领域、交通技术领域。由无线电合成路标技术、多车道路标应用技术、应用通用通信平台实现防撞及可调度系统技术组成。同时解决了车辆行驶中的车道切换问题，定义了适当的接口标准以实现与可电操控的驾驶系统连接，设计了安全保证措施，提供了车辆管理调度的方案。当导航系统与车辆驾驶系统连接时可以实现无人驾驶，具有系统维护简单，安全，精度高，有很好的扩展性等特点。该技术也可以应用于运河，内河等环境。

Description

高速路自动导航系统

所属技术领域

本发明是一种自动导航系统，发明的路标生成技术可以实现高速路应用下的定位与导航。属通信技术领域、电子技术领域、导航技术领域、交通技术领域。

背景技术

目前，国内没有在高速公路能够实际应用的自动导航系统。随着我国高速公路网的不断扩大，高速路上的安全问题日益显现，连环撞车事件不断。原因主要是：1.高速路单调的环境使驾车者意识模糊，造成误操作。2.恶劣天气造成视野受阻，不能得到操作提前量。针对这个突出问题本方案提出了一种解决的途径。

发明内容

设计出无线电合成路标技术与通用通信平台组合的方式实现在高速路上的自动导航应用。

要解决的技术问题：

1.解决无线电合成路标的实现及在车道保持上的应用问题。

2.使用电波合成路标实现在多条车道应用下的车道保持。

3.应用通用通信平台实现防撞及可调度系统。

4.解决车辆行驶中的车道切换问题。

5.定义适当的接口标准以实现与可电操控的驾驶系统连接。

6.安全保证措施。

技术方案：

无线电合成路标技术和通用通信平台为在高速公路上行驶的车辆提供精确车道纵轴信息和本车辆及邻近车辆所处位置和速度信息。本方案实现了车辆驾驶信息自动导航，若与车辆上的电操控系统连接可以实现高速路段的车辆自主驾驶。详述如下：

1.解决无线电合成路标的实现及在车道保持上的应用问题。

定义：路标：指道路上各条车道的纵轴线标记。

原理：使用无线电发射机在道路两旁产生两路相干信号源，利用波的相干性在空间上形成固定的相位分布，即路标。在应用中将此两路信号源分别调制在两个不同的载频上，车载接收机通过两路解调通道分别接收，再以两路过零比较器分别侦测出两路信号的相位。由于相位差对应的时间差与传输距离差成正比例关系，因此两路相位差就标定了车辆偏离路标的程度。这个明确的结果应用在偏差矫正上即实现了持续地车道保持。

精度：接收精度---对于精度的量化取决于接收通道的相位侦测精度、定位信号频率和接收天线高度，假设对两通道延迟校准后达到10纳秒的延迟误差计算，依据公式：偏差等于时间差乘以电波速度(30万公里每秒)造成的中心偏差等于3厘米，即非常精确。而这个10纳秒的延迟校准要求，对比起延迟线器件目前的水平已经是相当低的了。第二个因数是定位信号频率，本方案中定位信号发生器(1.2)使用1KHZ信号，以200公里车辆时速按每周期推算，动态最大偏差为：车辆速度乘以矫正周期等于5.5厘米。第三是接收天线的高度，高度的变化可以导致路标发生偏移，所以这是车载台校准的必要项目。

路标精度---对于路标发射系统的精度影响的关键因数是两路信号源的相对相位。对于相对相位的变化可以依据接收精度中的偏差公式计算，使用模拟延迟线(例如长线等)的情况下，再配合环境控制偏差可以忽略不记。

工程精度：由于电缆架设的间距误差是不可避免的，也是影响系统精度的最主要因素。可以用公式估算：偏差等于间距误差的一半。另外电缆架设偏离量也是个因数。用公式估算：偏差等于偏离量。对于偏离偏差可以方便地在工程中进行中心校准。对于间距误差，在弯道上可以采用对漏缆密集固定的方法减小。条件不许可的情况下，对这两种偏差可以提前采集偏差数据，然后在车载台中预先设定补偿，辅助以地埋短距离射频触发设备启动。

2.使用电波合成路标实现在多条车道应用下的车道保持。

定义：多车道：高速路通常有4车道和6车道，本文涉及到的车道及其编号都指双向总车道数。

原理：目前，比较常见的是多车道。应用本方案可以方便的扩展到需要的车道规模。从前述的路标精度衡量方法已经得出结论：偏差等于时间差乘以电波速度。时间差又正比例与相位差，由此得出该方案也可以应用在路标不在道路中心的情况下，而变动仅仅限于是否预先设定了一个相位差。以下以四车道方案进行说明，其他情况可以类推。

车道的扩展：在路标应用原理的基础上，我们假设解决四车道系统的路标。对车道依次进行编号ROAD1、ROAD2、ROAD3、ROAD4，1、2号车道同方向，3、4号为相反方向车道。为了实现在系统规模变化时车载台定位成功标志的标准化和降低车载台时钟精度要求，规定车载台两路通道接收到的信号相位差为零时为车辆处于车道中心及锁定路标位置。依据这个要求信号源必须同时生成4个路标，分别对应4条车道，叫做路标1、路标2、路标3、路标4。显然4个路标不在整个路面的中心，系统需要同时发射4个预先设定了相位差的信号。为了减低接收和发射的成本，使用4+1信号方式，即4路预设相位差的信号和1路基准信号，把基准信号源放在一侧，4路预设相位差的信号源放在路面的另一侧，分别调节预设相位差的大小，使车辆在各个路标位置上的接收相位差为零。针对路标的相互独立的需要，分别使用5个载频分别对应4个路标和一个基准。车载台再按照选定的车道所对应的频率进行接收解调，实现定位。因为车道是一个长矩形的空间，为了获得无缝且保持5路信号相对固定的相位关系，系统使用两条泄露电缆作为天线。

3.应用通用通信平台实现防撞及可调度系统。

定义：通用通信平台：指由发射系统和接收系统的综合。

信息共享：指在高速路面上的车辆之间空间位置、移动速度、车辆运行状况等信息的共享。

原理：在车辆行使过程中，通常驾驶者需要通过目测获得自身及周边车辆的运行状况，以决定合适的车道，行使速度及合适的变道时机，采用通用通信平台可以获得自身及周边车辆的速度、位置，甚至车辆的动作信息，从而获得比目测更加全面的信息。这些信息可以用可视化的设备进行显示，还可以对紧急情况发出预警，如果再配合自动驾驶系统进行操控就实现了防撞。在系统中车载台被独立编号，道路信息中心轮流询问各车辆的速度、车道、行使路程等信息，然后发射给所有车载台，车载台再依据需要选择与自己较近距离的车辆信息送入车辆运行参数处理器(2.4)，处理后的信息送自动驾驶接口驱动及导航显示电路(2.5)提供给驾驶者，也同时为车辆电操控系统提供数据。车辆运行参数处理器(2.4)不断监测周边车辆数据，并在设定的预警时间要求下采取措施：声光警告、刹车或加速、切换车道。紧急情况下报告道路信息中心，道路信息中心通过车辆运行参数处理器(2.4)对车辆进行系统干预。如：限速、规划专用车道等。

4.解决车辆行驶中的车道切换问题。

定义：车道切换：指在车辆转换行使路线，例如超车等情况下改变车道。

原理：在正常情况下，车辆是按照选定的车道行使的。但是为了提高驾驶的灵活性及应对突发事故必须具有切换车道的能力。本系统由于采用了独立的路标信号，所以可以方便的进行切换。切换时只需要改变路标编号，车辆运行参数处理器(2.4)根据预先设定的标准频率调整接收信道，对应的车道保持电路会自动的把车辆调整到新的路标。即变道成功。

5.定义适当的接口标准以实现与驾驶系统的连接。

定义：接口标准：共享的信息系统与自动驾驶系统进行连接的软硬件标准和通信平台自身连接的标准。当我们试图在系统级实现互连互通时必须遵循一个统一的标准。

标准：一、通信平台的标准：

通信平台系统参数：包括道路信息中心下行信号频率、车载台上行频率、通信平台调制方式、调制参数等。建议使用数字调制方式。以达到方便功能扩展的目的。

信息交换协议和桢结构：上行控制建议使用分时方式，由下行信号同步，下行通道先呼叫要广播的车辆编号，然后车载台收到呼叫通过上行通道送到道路信息中心，然后被无延迟的广播出来。

对于上行数据桢结构考虑到信息的重要程度不同，本方案建议设定32位代码，前4位用于报告信息类型，如0表示速度，1表示里程，2表示车辆类型，3表示所在车道，15表示紧急信息报告等，接下来的20位是对应的数据，第25位为数据校验，26位为数据有效标志，27位和28位为车辆状态信息，如刹车、加速、变道中、倒车等信息，30位为车辆状态信息有效标志、31位为有无后续数据和32位为校验位。

对于下行数据桢结构设计主要考虑控制功能，设定为32位桢结构，前4位为功能标志位，若为0表示呼叫播报，若为1表示对指定车辆操作，若为2表示对全体操作，若为3表示其他功能等。接下的16位为车辆编号，17到22位为操作代码，如限速、清道等；23到30为操作所需相关参数，31位为数据有效标志，32位为校验位。

路标系统相关标准：路标系统载波发射频率、路标频率间隔、路标系统调制方式、车载台上行信号频率等都可以由交通部门指定。

推荐方案如下：

路标系统载波发射频率、路标频率间隔和路标系统调制方式：因为应用无线电合成路标技术是个相位量测系统，为了得到较好的相位特性，漏缆最好工作在谐振辐射方式，所以调幅方式比较理想，频率由电缆特性确定，另外为了获得较好的覆盖效果，频率不能太低，结合目前高频通信设备状况建议设定在800MHZ附近。对于路标频率间隔的设定取决与两个因数。一、车辆移动速度产生的多普勒效应，以200公里的时速为例，频率变化15KHZ，加上一定的安全间距，推荐保持在1MHZ以上。二、为了使漏缆工作尽可能达到谐振辐射方式，频率间隔也不能太大。本方案中采用1MHZ。调幅方式使路标占用资源很少。

车载台上行信号频率、道路信息中心下行信号频率、通信平台调制方式和调制任意设定在漏缆的工作带宽内即可。

标准：二、与驾驶系统连接的标准：

1)电信号标准；与驾驶系统相连接需要有较好的抗干扰性，建议使用TTY电平。

2)数据格式标准：建议使用上行下行数据格式编码和解码。

6.安全保证措施。

安全是车辆行使中最基本的要求。本方案建议，使用针对无人驾驶情况下系统中有可能出现的不安全情况设计保证措施。作者使用了信号完整性检测电路进行车道保持电路的安全保证。在车载台上，使用基准信号、路标信号、偏差相位信号进行或运算，信号一直为高电平时正常，这样的硬件监测达到了实时效果；另外为了防止两路信号同时丢失，再对基准信号、路标信号进行占空比量测，对不等于50％但小于100％的进行比较器基准调整，对于100％占空比的情况采取紧急措施，通过自动驾驶接口驱动及导航显示电路(2.5)告警并刹车。

附图说明和实施方案：

本发明说明书中的道路信息控制基站框图1、车载台框图2说明和漏缆布置示意图3是这样的：

图1：道路信息控制基站框图

基准车道信号载波发生器(1.1)，定位信号发生器(1.2)，基准车道信号调制器(1.3)，定位信号多路载波发生器(1.4)，车道1中心校准器(1.5)，车道2中心校准器(1.6)，车道n中心校准器(1.7)，车道1定位信号调制器(1.8)，车道2定位信号调制器(1.9)，车道n定位信号调制器(1.10)，功率合成器(1.11)，道路信息中心收发器(1.12)，双工器(1.13)，基准信号发射系统漏缆(A)，定位信号发射系统漏缆(B)。

1、基准发射：将定位信号发生器(1.2)产生的1KHZ无相移信号用基准车道信号调制器(1.3)调制在基准车道信号载波发生器(1.1)产生的800MHZ频点上，缓冲放大后通过基准信号发射系统漏缆(A)发射作为路标系统定位基准。

2、定位发射：将定位信号发生器(1.2)产生的1KHZ信号通过车道1中心校准器(1.5)相位延迟后用车道1定位信号调制器(1.8)调制在定位信号多路载波发生器(1.4)产生的810MHZ频点上。同理，再产生用于2车道的820MHZ被调信号和n车道的8n0MHZ被调信号。该n路被调信号与道路信息中心收发器(1.12)的输出信号经过功率合成器(1.11)合成后缓冲放大后经双工器(1.13)隔离，再通过定位信号发射系统漏缆(B)发射。漏缆(A)和漏缆(B)设置在道路两侧(参考图3)。

图2：车载台框图

双工器(2.1)，基准信号接收通道(2.2)，定位信号接收通道(2.3)，车辆运行参数处理器(2.4)，自动驾驶接口驱动及导航显示电路(2.5)，输出接口电路(2.6)，异或门(2.7)，锁存器(2.8)，与门(2.9)，信号完整性监测电路(2.10)，偏差方向信号输出(2.11)，偏差量信号输出(2.12)。车载台的天线接收到道路信息中心基站发出的信号，后经过双工器(2.1)将车辆运行参数处理器(2.4)发射信号隔离后送基准信号接收通道(2.2)、定位信号接收通道(2.3)和车辆运行参数处理器(2.4)。车辆运行参数处理器(2.4)根据预先设定选择定位信号接收通道(2.3)的接收频率，选频解调过零比较后获得的信号，与基准信号接收通道(2.2)选频解调过零比较后获得的基准信号在异或门(2.7)做相位差运算，得到偏差量信号输出(2.12)。为了获得偏差方向信号输出(2.11)，对基准信号接收通道(2.2)解调并过零比较后的信号在锁存器(2.8)和与门(2.9)的作用下进行比对，输出偏差方向信号输出(2.11)，输出电平的高和低表示了偏离方向或矫正方向。为了避免出现基准信号接收通道(2.2)和定位信号接收通道(2.3)故障造成定位错误，设计了信号完整性监测电路(2.10)，当信号输出为高时表示正常，相反时表示故障，该信号与偏差方向信号输出(2.11)偏差量信号输出(2.12)一起送入车辆运行参数处理器(2.4)处理后通过自动驾驶接口驱动及导航显示电路(2.5)送入输出接口电路(2.6)供自动驾驶系统使用。收集有本车状态参数的信息的车辆运行参数处理器(2.4)通过双工器(2.1)由天线发射到空间，反馈给道路信息控制基站。另外，车辆运行参数处理器(2.4)根据对基准信号接收通道(2.2)和定位信号接收通道(2.3)解调过零比较后的信号占空比测量的结果分别调整过零比较器的基准Vref-a和Vref-b，使占空比保持在50％，以达到减低接收通道零电平漂移影响的目的。

图3：漏缆布置示意图

基准信号发射系统漏缆(A)定位信号发射系统漏缆(B)

图中标记ROAD1对应1车道，ROAD2对应2车道，其它依此类推。基准信号发射系统漏缆(A)和定位信号发射系统漏缆(B)分别设置在道路两旁。

本发明的有益效果是，可以向在高速路上车辆进行导航，实现全天候行驶，当导航系统与车辆驾驶系统连接时可以实现无人驾驶，具有系统维护简单，安全，精度高等特点。该技术也可以应用于运河，内河等环境。

Claims (10)

1.一种导航系统。其特征是：由无线电合成路标技术、多车道保持技术、应用通用通信平台实现防撞及可调度系统、车道切换技术、可电操控的驾驶系统连接所需要的硬件接口标准、车载台与道路信息中心交换信息时所需要的协议标准、安全保证措施、天线收发发射系统等组成。

2.根据权利要求1所述的导航系统，其特征是：以无线电合成路标技术、车道保持使用无线电合成路标实现的技术、多车道保持使用无线电合成路标实现的技术、防撞及可调度系统使用通用通信平台、基于独立调制的路标技术的车道切换技术、32位硬件接口标准以实现与可电操控的驾驶系统连接、32位信息编码方式和分时控制的通信软件接口标准以实现与道路信息中心交换信息、应用信号完整性电路检测技术的安全保证措施、漏缆组成收发系统等组成。

3.根据权利要求2所述的无线电合成路标技术，其特征是：使用无线电信号的同频干涉原理实现固定的路标。

4.根据权利要求2所述的车道保持使用无线电合成路标实现的技术，其特征是：使用两通道分别接收定位信号和基准信号，然后进行相位检测的方法获得偏差量和偏差方向的方法。

5.根据权利要求2所述的多车道保持使用无线电合成路标实现的技术，其特征是：对定位信号做相位预调整以获得可预制的多个路标的生成和解调技术。

6.根据权利要求2所述的防撞及可调度系统，其特征是：使用通用通信平台对车辆运动等因数收集和发射，再由车辆自主根据需要做出预警的机制。

7.根据权利要求6所述的车辆运动等因数的收集和发射机制，其特征是：上行控制使用分时方式，由下行信号同步，下行通道先呼叫要广播的车辆编号，然后车载台收到呼叫通过上行通道送到道路信息中心，然后被无延迟的广播出来。

8.根据权利要求2所述的车道切换技术，其特征是：车载台依据自主选择车道对应路标信号载频的方法，获得平稳过度到新车道的技术。

9.根据权利要求2所述的安全保证措施，其特征是：由信号完整性检测电路、接收通道零飘矫正技术组成。

10.根据权利要求2所述的漏缆组成收发系统，其特征是：使用在路标系统工作频率上工作方式为辐射型的泄露电缆作为收发天线。

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