CN101131588A - 一种公路车辆自动驾驶系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种公路车辆自动驾驶系统，特别是涉及一种对行驶车辆提供自动驾驶信息指示并通过车辆自动控制系统实现车辆自动驾驶的系统；其特点是：沿路面行车线等间隔固定标识物，通过设定的中继信息站接收固定标识物地理定位信息形成公路路面行驶车道信息、将所接收到的卫星GPS或GLOVE－A定位导航信息和路面行驶车道定位信息综合处理后，时时向车辆信息接收处理装置提供该车所在路面的道路和车辆信息，车载电脑中安装有自动驾驶软件、可随时接收并处理中继信息站的相关信息，时时向车辆自动控制器发出操作指令使车辆行驶信息线与行驶车辆速度方向线保持一致，根据驾车司机所选定的方式向车辆自动控制器发出操作指令实现车辆自动驾驶。

Description

一种公路车辆自动驾驶系统
技术领域
本发明涉及一种公路车辆自动驾驶系统，特别是涉及一种对在公路上行驶的车辆提供自动驾驶信息指示的系统；具体而言是将GPS或GLOVE-A定位导航信息和公路路面行驶车道定位导航信息相结合，通过车辆行驶中继信息控制站向车辆信息接收装置提供该车所在路面的道路信息和车辆的行驶信息，经车载电脑处理向车辆控制器发出自动驾驶指令使车辆实现自动行驶。
背景技术
通过GPS定位和导航信息系统已成功实现海洋船舶自动航行。现有的车辆自动行驶技术，通常是指根据GPS定位信息处理得到的一种根据电子地图航线指示的车辆辅助驾驶技术，专利号01134494.6“用于汽车卫星导航系统的电子地图装置”及专利号02107585.9“GPS接收装置”等卫星导航电子地图技术，主要是通过电子地图为司机提供导航，一般而言的汽车自动驾驶是指汽车的某一种自动操作系统如在设定行驶速度时自动加油，由于在相临车道上行驶的车辆即使位置很近但并不影响车辆行驶，民用GPS定位导航信息经处理后很难对车辆发出自动驾驶指令，甚至无法实现汽车的自动驾驶；
我国目前还没有成熟的公路车辆自动行驶指示信息系统。GPS定位信息系统和GIS地理信息系统只是完成了公路交通电子地图道路标识，许多车辆电子控制技术解决了车辆驾驶的自动操作问题，但车辆控制的自动驾驶指令信息系统并不完善。专利号200410088734.6“智能车辆定位导航系统的电子地图位置匹配方法”公开了一种将车辆位置信息与电子地图数据库进行匹配，由管理中心实现对各用户完成车辆定位、调度、监控、报警等功能；车辆专利200520006674.9号“可视地钉”提出在路面固定标识物为行驶车辆指示位置，可精确确定车辆在公路行驶车道中的位置，为自动行驶提供了可能，但它们没有解决车辆自动行驶的指示信息传送及控制问题。参考资料：交通部科技教育司编《国道主干线设计集成系统开发研究》，李树广编著《数字通信》，扬宝玉主编《汽车电脑》，国家自然科学基金研究专著《公路网络规划建设与管理方法》等。
发明内容
本发明的目的：是针对现有民用GPS定位和导航信息指示车辆自动行驶的不足，提出一种将民用GPS定位导航信息和公路路面行驶车道固定标识信息相结合综合处理，通过车辆行驶中继信息控制站向车辆信息接收处理装置提供与电子地图匹配的车辆行驶信息和路况信息，经车辆信息接收处理装置处理后向车辆控制器发出自动行驶指令实现车辆自动行驶。尤其是可提高车辆在高速公路上自动驾驶技术的实用性。
本发明的技术方案，包括：
1、沿公路路面行车线等间隔固定标识物，固定标识物可发出标识该点的有线或无线定位信，或可同时发出可见光标识信息；
2、设有车辆行驶中继信息控制站，可接受公路路面行驶车道各固定标识物发出的标识该点的定位信息，同时可接收GPS行驶道路信息和车辆定位导航信息，经处理器综合处理得到车辆所在路面位置的局部电子地图与和车辆行驶车道及行驶车况的叠加信息，并将该车所在路面的道路信息和车辆的行驶信息发送给车辆信息接收处理装置；
3、车辆上装有的信息接收处理装置可接收车辆行驶中继信息控制站发出的汽车卫星导航电子地图及车辆所在的路面和车况信息，经车载自驾电脑处理向车辆控制器发出自动驾驶指令实现车辆自动行驶；
有益效果：与通常使用的民用GPS导航信息指示车辆行驶相比，本发明车辆自动行驶信息指示系统在车载电脑认定的安全行驶状态下可实现车辆自动驾驶，控制精度高成本低，自动驾驶技术的实用性强。
车载自驾电脑中的车辆自动驾驶软件可严格按照各项公路车辆行驶规定设定程序指令车辆控制器自动驾驶，本公路车辆自动行驶指示系统实现车辆自动行驶可使驾车司机尤其是长途驾驶司机的工作强度极大地降低，事故多发路段的事故率降低60～80％，行车安全性提高。
附图说明
图1公路车辆自动行驶指示信息系统示意图；
S：GPS定位卫星或GLOCE-A定位卫星(简称：卫星信息站)
H：车辆行驶中继信息控制站(简称：中继信息站)
G：车辆行驶的道路(简称：路面)
Vm：行驶车辆
U：车载信息接收处理装置(简称：车载自驾电脑)
图2局部公路路面、固定标识物和行驶车辆及车辆自动驾驶信息指示的示意图；
K：公路行驶线
K1：公路高速行驶边线(简称：高速边线)，
K2：公路高速行驶线(简称：中速道线)
K3：公路正常行驶线(简称：低速道线)
K4：公路低速行驶边线(简称：道路边线)
A：高速行驶边线上的等间隔固定标识物(简称：可视地钉)，沿线有A1、A2、A3～An；
B：高速行驶线上的等间隔固定标识物(简称：可视地钉)，沿线有B1、B2、B3～Bn；
C：正常行驶线上的等间隔固定标识物(简称：可视地钉)，沿线有C1、C2、C3～Cn；
D：低速行驶边线上的等间隔固定标识物(简称：可视地钉)，沿线有D1、D2、D3～Dn；
L：公路路面行驶方向间隔线(简称：道路间隔线)，沿路有L1、L2、L3～Ln；
M：车辆行驶信息线
M1：K1-K2线之间形成车辆行驶信息线(简称：高速线)；
M2：K2-K3线之间形成车辆行信息驶线(简称：中速线)；
M3：K3-K4线之间形成车辆行信息驶线(简称：低速线)；
VR：行驶车辆速度方向线；
图3局部公路弯道路面、固定标识物和行驶车辆及车辆自动驾驶信息指示的示意图；
K’：弯道公路行驶线
K’1：弯道公路高速行驶边线(简称：高速边线)，
K’2：弯道公路高速行驶线(简称：中速道线)
K’3：弯道公路正常行驶线(简称：低速道线)
K’4：弯道公路低速行驶边线(简称：道路边线)
M’：弯道车辆行驶信息线；
M’1：K’1-K’2线之间形成车辆行驶信息线(简称：高速线)；
M’2：K’2-K’3线之间形成车辆行信息驶线(简称：中速线)；
M’3：K’3-K’4线之间形成车辆行信息驶线(简称：低速线)；
VR’：弯道行驶车辆速度方向线；
O：公路弯道信息焦点；
具体实施方式
参照附图2：车辆宽度2米左右，路面G上的公路行驶线上K横向间隔3.75-4.00米，沿路面G的公路行驶线上分别间隔30米(或50米)等距固定可视地钉：其中高速边线K1沿线上固定有可视地钉A1、A2、A3～An；中速道线K2沿线上固定有可视地钉B1、B2、B3～Bn；低速道线K3沿线上固定有可视地钉C1、C2、C3～Cn；道路边线K4沿线上固定有可视地钉D1、D2、D3～Dn；相临公路行驶线K上交错固定的可视地钉沿道路方向的连线形成车载自驾电脑U中的道路间隔线L；如图2可视地钉A1C1连线形成L1，可视地钉A2C2连线形成L3，可视地钉B1D1连线形成L2，可视地钉B2D2连线形成L4，可视地钉B3D3连线形成L4，以此类推形成车载自驾电脑U中的道路间隔线Ln。相临的道路间隔线L间距为公路行驶线K上可视地钉间隔的一半即15米(或22.5米)；
路面G上每个可视地钉可分别(或分别经一次性精确测量定位)向中继信息站H发送定位点的地理位置信息，中继信息站H将接收到公路行驶线K上的可视地钉定位信息处理形成相临可视地钉连线交叉点的定位信息点P，每条车道中的定位信息点P连线形成车载自驾电脑U中的道路中的车辆行驶信息初始线Mo，如图2车载自驾电脑U中B1C3连线和B2C2连线形成定位信息交叉点PK23L34；B2C1连线和B1C2连线形成定位信息交叉点PK23L23；B2C3连线和C2B3连线形成交叉点PK23L45；PK23L23、PK23L34和PK23LA5等定位信息点的连线形成K2-K3之间的中速线M2；以此类推K1-K2线之间形成高速线M1；K3-K4之间的低速线M3；同理或者设定在车辆行驶信息初始线Mo两侧的公路行驶线K上的两个可视地钉连线位置的中点作为车辆行驶线上定位信息点P，形成车辆行驶信息初始线M。沿车道通过定位信息点的横向连线形成道路信息点间隔线Lp，如图2所示形成Lp1、Lp2、Lp3、Lp4----Lpn；道路间隔线L与道路信息点间隔线Lp的间隔即定位分隔信息点PKL的间隔为公路行驶线K上可视地钉间隔的四分之一即7.5米(或11.25米)；
根据车道方向可视地钉和定位信息点、通过车载自驾电脑U对车辆行驶信息初始线Mo进行等距离分割形成定位分隔信息点PK23L3；PK23L4和PK23L5等定位分隔信息点PKL，由车载自驾电脑U根据中继信息站H的公路局部电子地图对道路路况定位信息进行修订最终形成车辆行驶信息线M，车辆行驶信息线M始终位于相临公路行驶线上K的中央；
参照附图3需要特别说明的是：公路弯道路面上是弯道行驶线时可视地钉的间隔距离为相对等距，即弯道公路行驶线K’上可视地钉的间隔距离以弯道处的多条道路间隔线L的交会点形成的公路弯道信息焦点O为圆弧心，以公路行驶线K经中继信息站处理修定为公路行驶圆弧线K’，各条公路行驶圆弧线K’上可视地钉形成的圆弧线对焦点O的夹角相同，同时直行车道中的车辆行驶信息线M经车载电脑处理修定为圆弧形车辆行驶信息线M’；如焦点O在K’4线外侧，距离焦点O最远的K’1线上两可视地钉的间隔距离为30米(或50米)，K’2、K’3、K’4线上两个可视地钉的间隔距离依次缩短少于30米(或50米)，K’4线上的可视地钉间隔最短；同时，车辆行驶线M上信息定位间隔点的间隔距离依次缩短，M’1线上定位信息间隔点的间隔距离为7.5米(或11.25米)，M’2、M’3线上信息定位点的间隔距离少于7.5米，K’4线上的信息定位点的间隔距离最短；同理可知，在圆弧心O临近一侧的公路行驶线K上的可视地钉间隔距离相对缩短。
参照附图1附图2附图3：路面G上的可视地钉A、B、C、D和行驶车辆Vm向已设定的中继信息站H发送信息，中继信息站H接收GPS定位卫星S的定位信息、含有路面G上的可视地钉A、B、C、D行驶车辆道的定位信息经综合处理器处理后向行驶车辆Vm发送电子地图导航信息及局部路面G的时时信息：包括行驶车辆Vm的位置、速度信息和行驶车辆Vm位置点路面上沿公路行驶线K前后300米(或200米)的各行驶车辆的位置、速度信息；选定车辆自动驾驶速度、模式后，表示行驶车辆Vm位置点行驶方向的速度方向线VR将由车载自驾电脑U指令车辆操作系统使车辆与车辆行驶信息线M保持一致行驶，当速度方向线VR与车辆行驶信息线M的方向产生偏差时，车载自驾电脑U对中继信息站H的信息进行综合处理后，时时向车辆控制器发出自动操作指令，使行驶车辆Vm的速度方向线VR与行驶车辆的行驶信息线M保持一致；在弯道处使行驶车辆Vm的速度方向线VR’与行驶车辆前的车辆行驶信息线M’保持一致；当自动驾驶车辆速度方向线VR与车辆行驶信息线M的方向产生连续偏差时间超过设定的安全时间时或相临车道上车辆间距小于设定的安全距离时，车载自驾电脑U向车辆操作器发出指令自动减速制动。
可在主动驾驶车辆同时运行的车载自驾电脑U中储存有车辆自动驾驶软件，报警及停车指令信息由车载自驾电脑U自动向车辆控制器发出操作指令停车；在车载自驾电脑U接收到中继信息站H的信息后可时时对自身车辆行驶状态信息进行确认，同时跟踪确认路面G车况时时信息，车载自驾电脑U可将自身车辆行驶状态信息和路面G其它车辆信息进行确认处理、并根据司机事先选定车辆自动驾驶模式直接向车辆行驶控制器发出变速、换道、弯道自动行驶操作指令；
司机进行任一驾驶操作如变向、加油、换档、制动等操作将使车载自驾电脑U中储存的自动驾驶指令失效，自动行驶车辆变更为主动驾驶状态，当司机确认恢复车载自驾电脑U中储存的自动行驶指令后，车辆恢复为自动行驶状态；
行驶车辆Vm的自动驾驶模式由驾车司机事先按照车载自驾电脑U的提示选定，司机可分别选定目的地、自动行驶速度、变速换道模式等。
车载自驾电脑U中自动行驶速度有60、80、100、120公里/小时等多档供司机选定；
车辆自动驾驶模式有安全模式、标准模式、理想模式等多档供司机选定，在各种模式下，车载自驾电脑U接收并确认沿公路行驶信息线M上的车辆上坡斜度超过设定的安全斜度时，自动驾驶指令中的换道提速指令自动失效车辆仍保持原自动驾驶速度行驶；
车辆自动驾驶安全模式：可选定的车辆自动行驶速度不超过80公里/小时，实现自动驾驶指令的时间间隔1～1.5秒，在车前120米出现其它车辆时，车载自驾电脑U发出停车报警及停车操作准备指令、车前60米出现其它车辆时，车载自驾电脑U发出停车紧急报警信号同时向车辆控制器发出制动停车操作指令；当车载自驾电脑U接收到的信息是沿公路行驶信息线M车前200米和车后100米公路路面上的无行驶车辆时，时时向车辆控制器发出提速报警信号和操作指令：提速1档(20公里/小时)行驶；沿公路行驶信息线M车前100米中出现其它车辆信息时，车载自驾电脑U发出减速报警信号，同时在车载自驾电脑U确认车后100米无其它车辆时，时时向车辆控制器发出减速操作指令，使车辆按原选定速度沿行驶车辆前的车辆行驶信息线M行驶；沿公路行驶信息线M车后100米中出现其它车辆信息时，车载自驾电脑U发出安全报警信号，同时在车载自驾电脑U确认右侧慢速车道上车前100米和车后100米出现有其它车辆时，时时向车辆控制器发出换道操作指令，进入右侧慢速车道沿M1行驶，车辆行驶一段时间、当车载自驾电脑U接收到的信息是左侧车道上车前200米和车后100米公路路面上的无其它车辆后，自动换道按原选定速度沿原选定行驶车辆前的车辆行驶信息线M行驶；该模式可称为“不超车自动换道驾驶”或“自动限速行驶”。
车辆自动驾驶标准模式：可选定的车辆自动行驶速度不超过100公里/小时，实现自动驾驶操作指令的时间间隔1～1.5秒，在车前120米出现其它车辆时，车载自驾电脑U发出停车报警信号及停车操作准备指令、车前60米出现其它车辆时，车载自驾电脑U发出停车紧急报警信号同时向车辆控制器发出制动停车操作指令；车载自驾电脑U接收到的信息是左侧快速车道上车前200米和车后100米公路路面上无其它车辆时，时时向车辆控制器发出提速报警信号和操作指令：提速1档20公里/小时换道进入左侧车道沿快速公路行驶信息线Mh行驶，在高速行驶一段时间后，车载自驾电脑U确认沿快速公路行驶信息线Mh上车前300米出现其它车辆、而右侧原车道上车前200米、车后100米公路路面上无其它车辆时，车载自驾电脑U发出减速报警信号，时时向车辆控制器发出操作指令使行驶车辆Vm从快速车道自动换道按原选定速度、沿原选定车辆行驶信息线M行驶；该模式可称为“自动超车换道驾驶”或“自动保速行驶”。
车辆自动驾驶理想模式：可选定的车辆自动行驶速度不超过100公里/小时，实现自动驾驶操作指令的时间间隔0.8～1.2秒，在车前120米出现其它车辆时，车载自驾电脑U发出停车报警及停车操作准备指令、车前60米出现其它车辆时，车载自驾电脑U发出停车紧急报警信号同时向车辆控制器发出制动停车操作指令。车载自驾电脑U接收到的信息是沿公路行驶信息线M车前200米和车后100米公路路面上的无其它车辆时，时时向车辆控制器发出报警信号和操作指令：提速1档(20公里/小时)行驶；车辆提速行驶一段时间后左侧车道车前200米和车后100米公路路面上的无其它车辆时，车载自驾电脑U时时向车辆控制器发出提速报警信号和操作指令：提速1档(20公里/小时)换道行驶，同时进入左侧车道沿快速车辆行驶信息线Mh行驶；在沿公路快速车辆行驶信息线Mh前200米和后100米公路路面上的无其它行驶车辆时，保持在变道车速自动行驶状态；自动行驶车辆Vm收到车前300米中出现其它车辆信息时，车载自驾电脑U发出减速报警信号和操作指令：降速1档(20公里/小时)行驶；行驶过程中沿快速车辆行驶信息线Mh车前200米、车后150米出现其它车辆，同时车载自驾电脑U确认路面右侧原车道车前200米、车后100米无其它车辆时，时时向车辆控制器发出换道报警信号和操作指令，使行驶车辆Vm从快速车道进入原行驶车道并恢复原选定行驶速度沿公路行驶信息线M行驶；该模式可称为“自动提速换道驾驶”或“快速自动行驶”。
为说明本发明的具体实施方法，请参照如下实施例：
车辆仪表盘显示车速、行驶里程、油耗，打开车载自驾电脑开关触摸显示屏显示：可与电子地图同时显示的“道路名称”和“目的站”，及“自驾车道”、“自驾速度”、“自驾模式”、“自驾确认”和“恢复保存”图标；
点击电脑触摸显示屏上的“目的站”，显示屏上的电子地图变更为车辆行驶方向上所在路面前300米后100米的局部路况的车道、车辆的动态显示图象；
点击“自驾车道”图标，显示屏局部显示车辆所在路面的“高速车道”、“中速车道”、“低速车道”三个车道的四条公路行驶线K的方向线A、B、C、D及本车辆位置点所在车道中间公路行驶信息线M的方向线，点击“中速车道”确认选定车辆在路面上的行驶车道，“自驾车道”图标显示变更为“中速车道”图标同时改变颜色提示；再次点击“中速车道”删除已选定模式恢复显示原“自驾车道”图标；
点击“自驾速度”图标、显示屏局部显示60、80、100、120公里/小时，点击“80”确认车辆在行驶车道中的自动行驶速度为80公里/小时，“自驾速度”图标显示变更为“80时速”图标同时改变颜色提示，再次点击“中速车道”删除已选定模式恢复显示原“自驾车道”图标；
点击“自驾模式”图标，显示屏局部显示“安全模式”、“标准模式”、“理想模式”图标，点击确认选定“标准模式”，“自驾模式”图标显示变更为“标准模式”同时改变颜色提示，再次点击“标准模式”删除已选定模式，恢复显示原“自驾模式”图标；
点击“自驾确认”图标确认车辆从主动驾驶状态转换为自动驾驶状态，“自驾确认”图标改变颜色提示同时间隔闪烁提示车辆为自动驾驶状态；
进行主动驾驶操作删除所有选定“自驾确认”模式，车载电脑触摸显示屏恢复显示原图标；点击“恢复保存”图标车载电脑触摸显示屏恢复所保存的最近一次的“自驾确认”数据，点击“自驾确认”图标恢复车辆的自动驾驶状态。

Claims (1)

1.一种公路车辆自动驾驶系统，包括：设定的车辆行驶中继信息控制站将公路路面及车辆的GPS卫星或GLOCE-A卫星定位导航信息和局部路况信息发送给车载信息接收处理器，车载信息接收处理器向车辆自动控制器发出自动驾驶操作指令，通过车辆自动控制器的自动操作实现车辆自动驾驶；包括：
1)、设定有车辆行驶中继信息控制站，可时时连续接收GPS卫星或GLOCE-A卫星定位导航信息及车辆行驶公路路面行车线上间隔嵌入固定标识物的地理定位信息，经处理后时时连续向车辆发出所在行驶公路局部路面的路况信息：包括车辆所在车道前后一定范围距离中的左右车道上前后一定范围距离中的车辆位置、车辆速度等信息；
2)、公路路面上的行车线上间隔嵌入固定标识物，标识物可发出标识该点的、可为已设定的车辆行驶中继信息控制站接收处理的有线或无线定位信息、或可同时发出可见光标识信息；
3)、车辆上装有的信息自动接收处理装置，可通过车载自驾电脑时时接收并处理车辆行驶中继信息控制站发出的车辆所在的路面和车况信息；
4)、车辆上装有的车载自驾电脑中安装有车辆自动驾驶程序软件，时时确认自动纠正行驶车辆所在位置点的车辆行驶速度方向线与车辆行驶信息方向线所产生的偏差，使行驶车辆所在位置点的行驶速度方向线和车辆行驶信息方向线保持一致，车载自驾电脑经自动处理确认后向车辆控制器发出变速、换道、弯道和制动准备等自动驾驶指令；
5)、当公路路面为弯道时，行驶车辆所在位置点的行驶速度方向线和车辆行驶信息方向线经车载自驾电脑处理，使车道、车辆行驶方向信息自动修正为圆弧形，车载自驾电脑经自动处理确认后向车辆控制器发出弯道自动驾驶指令，使行驶车辆所在位置点的行驶速度方向线和车辆行驶信息方向线保持一致；
6)、当行驶车辆所在位置点的行驶速度方向线和车辆行驶信息方向线所产生偏差超过车辆自动驾驶程序软件认定的安全范围时、车载自驾电脑自动向车辆控制器发出制动停车操作指令。
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