CN102074114A - 一种快速公交车速控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于ITS智能交通系统技术领域，尤其是用于具有公交专用车道的BRT快速公交车的车速控制装置和方法。由车载GPS定位模块、RF无线传输模块、信号周期计时器、车载MCU、显示屏及语音提示器构成；应用该装置通过车载MCU计算出快速公交车在相邻两交叉路口间适时通过绿灯时间区的运行速度范围，并提示司机依据该运行速度范围控制车速，恰好在绿灯通行时间内顺利通过平面交叉路口。在没有干涉交叉路口信号灯循环周期的条件下和不干扰其他正常运行车辆的行车秩序的前提下一路绿灯，消除了快速公交车辆在交叉路口的等候时间，实现快速公交快速度、大运量、准点性运行的目的，优化了公交运行质量和效率，消除了路口停车、启动程序减少环境污染以及能源消耗。

Description

一种快速公交车速控制装置和方法

一、技术领域

本发明属于ITS智能交通系统技术领域，尤其是用于具有公交专用车道的BRT快速公交车的车速控制装置和方法。

二、背景技术

中国知识产权局授权公开号为CN101256717A，名称为“一种基于GPS的快速公交车辆定位及交通信号控制方法和装置”的专利，提出了通过调节交通信号灯来实现城市快速公交车信号优先，达到减少快速公交车辆运行过程中的时间延误及实现快速公交车辆优先通行的目的。

该专利所公开的快速公交车辆定位及交通信号控制装置，由安装在快速公交车辆上的GPS和MCU模块以及RF无线传输模块，安装在交通信号控制机中的MCU模块等装置构成。车载GPS装置将获得的BRT位置信息，实时通过RF无线传输模块发送到安装在交通信号控制机中的地面接收处理装置。地面接收装置通过计算将BRT车辆与地面接收装置的相对位置坐标，距离及车辆的行驶方向等信息实时、自动的发送到交通信号控制机。再由交通信号控制机对路口的交通信号灯进行及时、有效地切换，优先为快速公交车辆让道，从而保证快速公交车辆优先、快速通行，减少快速公交车辆在运行过程中的时间延误。

分析该专利，尽管在结构和控制方法上有许多优点且能解决BRT快速公交车辆运行过程中的时间延误问题，但是在实施的过程中，打乱了红、绿的变换周期，干扰了其他正常运行车辆的行车秩序，会造成相对相位上车辆的拥堵，产生新的交通障碍和安全隐患。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述发明的缺陷，通过动态设定快速公交车在相邻两交叉路口间的运行速度，来实现快速公交车运行到平面交叉路口时，交叉路口的信号灯恰好处于绿灯通行时间。提供一种在保障整个交叉路口的交通秩序和通行质量的前提下，实现BRT快速公交车辆一路绿灯畅通运行的一种快速公交车速控制装置和方法。

本发明快速公交车速控制装置的结构方案是：由车载GPS定位模块、RF无线传输模块、信号周期计时器、车载MCU模块、显示屏及语音提示器构成；车载GPS定位模块、RF无线传输模块、车载MCU模块、显示屏及语音提示器、安装在BRT车辆上，RF无线传输模块、显示屏及语音提示器与车载MCU串口相连接，信号周期计时器安装在交通信号控制机里，在每一个交叉路口等待线设定位置安装RF无线传输模块；

RF无线传输模块传送、接收信息；车载GPS定位模块，实时的获取快速公交车辆的经纬度位置信息，并即时传送到车载MCU模块；计时器模块实时记录每一时刻交通信号灯的信号状态，并通过RF无线传输将信息发送到车载MCU模块，车载MCU模块在收到时间段信息后计算出车辆在此路段运行的速度范围数据，将该计算结果数据的信息输送到与车载MCU模块相连接的车载显示器和语音提示器上，经过信号转换器件转换为视频和音频；

信号周期计时器是由RF无线传输模块、MCU模块、计时器模块组成，计时器模块实时记录每一时刻交通信号灯的信号状态；当快速公交车辆顺利通过上一平面交叉路口时，车载RF无线传输模块将车辆的位置信息传送到安装在下一平面交叉路口的信号周期计时器里，信号周期计时器内的MCU模块进行数据处理时，应用存储在该模块的软件信息中快速公交车在各个时间段内在站点的停靠时间的平均值t₂信息，计算得出符合快速公交运行要求的时间范围；

s是行驶车辆与等待线位置之间的距离，v₀是快速公交车辆常规运行的平均速度，t₀包括快速公交车辆在相邻两交叉路口间的运行时间t₁和在站点的停靠时间即乘客在站点登乘时间t₂，t₁＝s/v₀，t₀＝t₁+t₂；s值的计算是根据车载GPS定位模块发来的行驶车辆的位置和等待线位置在地球两点间的弧长，通过MCU计算软件中计算公式计算得来，设行驶车辆的位置为A点，等待线的位置为B点，A、B两点的经、纬度分别为(jA，wA)(jB，wB)，地球半径为R，弧AB＝R*arccos[sin(wA)sin(wB)+cos(wA)cos(wB)*cos(jA-jB)]，将该计算依据存储在车载MCU模块软件系统；因为各站点乘客量不同所以对应的t₂时间也就各不相同，为了便于量化快速公交车在站点的停靠时间，通过调研取早高峰、晚高峰、平峰以及工作日和节假日，快速公交车在各个时间段内在站点的停靠时间的平均值作为t₂，并将t₂值存储在信号周期计时器中的MCU计算软件中，在计算车辆运行时间段信息时调用。

应用安装在BRT车辆上的车载GPS定位模块、RF无线传输模块、信号周期计时器、车载MCU模块计算出快速公交车在相邻两交叉路口间适时通过绿灯时间区的运行速度范围，并通过显示屏及语音提示器提示司机控制车速，恰好在绿灯通行时间内顺利通过平面交叉路口。在快速公交车顺利通过上一平面交叉路口时，通过车载GPS定位系统实时获取快速公交车辆的经纬度位置信息，将车辆的经纬度位置信息通过RF无线射频传送到车载MCU模块，同时将车辆的位置信息发送到安装在交通信号控制机中的信号周期计时器里，安装在等待线位置的RF模块发出的无线射频将等待线的经纬度位置信息传送到车载MCU模块，车载MCU模块对接收到的数据，进行提取和数据处理，计算出行驶车辆与等待线位置间的距离和车辆运行该段距离所用的时间，并将时间信息发送到安装在交通信号机里的信号周期计时器；通过信号周期计时器，记录每一时刻交通信号灯所处的信号状态；当接收到车辆发送的位置信息后，信号周期计时器记录该时刻的信号周期时间点(即时时间)，将时间点信息发送到MCU模块，MCU模块会计算出车辆运行的时间段t₀；安装在交通信号控制机中的MCU模块通过获取t₀时刻交通信号灯信号状态，来确定t₀的取值范围，如果t₀时刻恰好处于信号灯的绿灯通行时间内，则t₀取值范围为(t₀-a)～(t₀+b)，其中a+b时间是绿灯通行时间；

如果t₀时刻恰好处于信号灯的红灯等待时间段内，则分两种情况进行数据处理：

第一种，是t₀时刻靠近上一个绿灯通行时间，则减少t₀值，提高车速使快速公交车辆可以在上一个绿灯通行时间内顺利通过平面交叉路口。t₀取值范围为(t₀-m)～(t₀-n)，其中m为t₀时刻在红灯时间区段内已经经历的红灯信号时间，n为从t₀时刻到上一绿灯通行开始时刻的时间差值；

第二种，是t₀时刻靠近下一个绿灯通行时间，则增大t₀值，降低车速使快速公交车辆可以在下一个绿灯通行时间内顺利通过平面交叉路口。t₀取值范围为(t₀+p)～(t₀+q)，其中p为t₀时刻到下一绿灯通行信号开始的时间差值，q为从t₀时刻到下一绿灯通行结束时刻的时间差值；

安装在交通信号控制机中的RF无线传输设备将t₀的取值范围(t₀-a)～(t₀+b)、(t₀-m)～(t₀-n)、t₀+p)～(t₀+q)传送到车载MCU模块，车载MCU模块通过t₀的取值范围计算得出快速公交车辆的运行速度范围数据，即时将速度范围值数据信息输送到车载显示器和语音提示器，经过信号转换器件转换为视频和音频，提示驾驶员实施调速运行。

本发明装置应用在BRT车辆上，通过动态获取快速公交车的经纬度位置信息，交通信号周期计时器计算出快速公交车在相邻两交叉路口间的运行时间，为驾驶员提供快速公交车的运行速度范围，控制BRT车辆在没有干涉交叉路口信号灯循环周期的条件下和不干扰其他正常运行车辆的行车秩序的前提下一路绿灯，消除了快速公交车辆在交叉路口的等候时间，实现快速公交快速度、大运量、准点性运行的目的，优化了公交运行质量和运行效率，消除了路口停车、启动程序减少环境污染以及能源消耗。

四、附图说明

图1为快速公交车速控制装置工作原理系统图；

图2为车载控制装置硬件结构示意图；

图3为信号周期计时器硬件结构示意图；

图4为车载控制装置软件控制过程流程图；

图5为信号周期计时器软件控制过程流程图。

附图标记：

RF1为安装在第1个交叉路口等待线位置的RF无线射频发射器；

RF2为安装在第2个交叉路口等待线位置的RF无线射频发射器；

RFn为安装在第n个交叉路口等待线位置的RF无线射频发射器；

P1是安装在第1个交叉路口交通信号控制机里的信号周期计时器；

P2是安装在第2个交叉路口交通信号控制机里的信号周期计时器；

Pn是安装在第n个交叉路口交通信号控制机里的信号周期计时器。

五、具体实施方式：

下面结合附图详细叙述本发明的实施过程：

如图1、图2、图3所示，本发明的快速公交速度控制装置，由车载GPS定位模块、RF无线传输模块、信号周期计时器、车载MCU模块、显示屏及语音提示器构成；将车载GPS定位模块、RF无线传输模块、车载MCU模块、显示屏及语音提示器、安装在BRT车辆上，RF无线传输模块、显示屏及语音提示器与车载MCU模块串口相连接；显示屏及语音提示器安装在驾驶员视觉与听觉方便的位置；在每一个交叉路口的交通信号控制机里安装信号周期计时器，在每一个等待线设定位置安装RF无线传输模块。

由安装在快速公交车辆上的车载装置实时、自动的获取快速公交车辆的经纬度位置信息，同时在通过上一平面交叉路口后，接收安装在下一交叉路口等待线位置的RF无线射频发射的经纬度位置信息，以及安装在下一交叉路口交通信号机里的交通信号周期计时器发送的时间信息。车载MCU模块，将接收到的信息进行有效地数据处理，包括数据有效性的检查、路口距离的计算、经纬度差的计算、行驶方向的计算将这些结果进行最后的计算，得出具体适时通过绿灯时间区的运行速度范围，将速度范围信息输送到车载显示屏和语音提示器上。

如图2所示，车载控制装置硬件原理图所示，GPS模块(GPS模块采用Gamin佳明GPS)通过无线导航定位的连续性和实时性导航、定位和授时功能，为BRT车辆经纬度位置信息的实时、准确地获取提供了保障。GPS模块将快速公交车辆定位信息传送到车载MCU模块(车载MCU模块采用德州仪器(TI)生产的最新低成本TMS320F2806x Piccolo浮点MCU)，同时接收安装在交叉路口等待线位置的RF无线传输模块传送来的经纬度位置信息，利用其软件系统计算行驶车辆距离下一交叉路口等待线位置间的距离。同时接收来自交通信号计时器中RF模块传送来的时间信息，经过计算得出，快速公交车的运行速度范围。并将该计算结果数据的信息输送到车载显示器和语音提示器上；语音提示器由MCU模块、语音芯片、语音功放模块、扬声器组成，显示器一般采用液晶显示器；经过信号转换为视频和音频将速度范围数据提供给驾驶人员；驾驶人员将该动态的速度范围数据即时与运行中的汽车速度表上显示的瞬时速度进行比较，当实际运行速度大于车载MCU模块计算出来的速度范围值时，驾驶员降低车辆行驶速度，反之，如果小于车载MCU模块计算出来的速度范围值时，驾驶员提高车辆行驶速度，控制车速在车载MCU模块提供的速度范围值以内行驶，能一路绿灯畅行。

处理过程为：

行驶车辆与等待线位置间的距离s由车载MCU软件系统计算即时提供，为1km；

设定平面交叉路口A-B间有一个公交站点；

设定在公交站点停靠时间t₂＝20s；

设定快速公交车的常规运行的平均速度为v₀＝25km/h；

交通信号灯循环周期为132s；

红灯周期89s；

绿灯周期40s；

黄灯周期3s；

根据公式t₁＝s/v₀；带入数据t₁＝1/25＝0.04h＝144s；

由公式t₀＝t₁+t₂；得t₀＝144+20＝164s；

车载MCU模块，将计算出来的时间信息t₀＝164s，发送到安装在交通信号机里的信号周期计时器，信号周期计时器预判断快速快速公交车辆运行到下一个平面路口等待线时，交通信号灯信号状态，分3种情况进行数据处理：

如果164s后，快速公交车辆完成在站点停靠，运行到平面交叉路口等待线时，恰好处于信号灯的绿灯通行时间内，且绿灯信号已运行5秒，则t₀取值范围为159s～199s，此时信号周期计时器将时间范围通过RF传送到车载MCU模块，利用其软件系统经过计算得到快速公交车的运行速度范围取值为20.11km/h～25.98km/h，将该计算结果数据的信息输送到车载显示器和语音提示器上，经过信号转换为视频和音频将速度范围数据提供给驾驶人员，驾驶人员依据该速度范围控制车辆运行速度，就可以在绿灯通行时间内顺利通过平面交叉路口。

如果164s时刻恰好处于信号灯的红灯等待时间内，则分两种情况考虑：

第一种，是164s时刻靠近上一个绿灯通行时间，设定164s时刻时交通信号灯红灯经过10s。t₀取值范围为114s～154s，此时信号周期计时器将时间范围通过RF传送到车载MCU，经过计算得到快速公交车的运行速度范围取值为38.30km/h～26.87km/h，将该计算结果数据的信息输送到车载显示器和语音提示器。

第二种，是164s时刻靠近下一个绿灯通行时间，设定164s时刻时交通信号灯红灯经过70s。t₀取值范围为183s～223s，车载MCU，经过计算得到快速公交车的运行速度范围取值为22.09km/h～17.73km/h，该计算结果数据的信息输送到车载显示器和语音提示器上，经过信号转换为视频和音频将速度范围数据提供给驾驶人员，驾驶人员依据该速度范围控制车辆运行速度，就可以在绿灯通行时间内顺利通过平面交叉路口。

图3为信号周期计时器的硬件原理图，信号周期计时器的RF接收模块收到快速公交车驶来的信息后，MCU模块进行数据处理时，应用存储在该模块的软件信息中快速公交车在各个时间段内在站点的停靠时间的平均值t₂信息，计算得出符合快速公交运行要求的时间范围，并将时间范围信息通过RF发送模块，发送到车载RF接收装置。

软件部分包括车载控制装置的软件设计和信号周期计时器装置的软件设计：

图4是车载控制装置软件流程图。GPS模块实时获取车辆的经纬度位置信息，车载MCU模块对车辆位置信息，以及交叉路口等待线的经纬度位置信息进行有效性数据处理，处理过程如下：

s值的计算是根据车载GPS定位模块发来的行驶车辆的位置和等待线位置在地球两点间的弧长，通过MCU计算软件中计算公式计算得来，设行驶车辆的位置为A点，等待线的位置为B点，A、B两点的经、纬度分别为(jA，wA)(jB，wB)，地球半径为R，弧AB＝R*arccos[sin(wA)sin(wB)+cos(wA)cos(wB)*cos(jA-jB)]，将该计算依据存储在车载MCU模块软件系统；

通过RF无线传送模块输出位置信息，与交通信号周期计时器进行信息交换，每成功完成一次信息交换，再进行下一次数据交换。

图5是交通信号计时器软件流程图。交通信号计时器从获取车辆信息时刻起，记录信号状态变换情况，在获取车辆运行时间后，分两种情况(红灯或绿灯)确定快速公交车辆运行的时间范围，并将时间信息发送到车载控制装置。每次数据传送结束后，重复接收车辆的位置信息。

Claims (3)

1.一种快速公交车速控制装置，由安装在BRT车辆上的车载装置和安装在道路交叉路口的交通信号控制机里的信息处理装置构成，其特征为由车载GPS定位模块、RF无线传输模块、信号周期计时器、车载MCU模块、显示屏及语音提示器构成；车载GPS定位模块、RF无线传输模块、车载MCU模块、显示屏及语音提示器、安装在BRT车辆上，RF无线传输模块、显示屏及语音提示器与车载MCU模块串口相连接，信号周期计时器安装在交通信号控制机里，在每一个交叉路口等待线设定位置安装RF无线传输模块；

RF无线传输模块传送、接收信息；车载GPS定位模块，实时的获取快速公交车辆的经纬度位置信息，计时器模块实时记录每一时刻交通信号灯的信号状态，并通过RF无线传输模块将信息发送到车载MCU模块，车载MCU模块在收到时间段信息后计算出车辆在此路段运行的速度范围数据，将该计算结果数据的信息输送到与车载MCU模块相连接的车载显示器和语音提示器上，经过信号转换器件转换为视频和音频。

2.根据权利要求1所述的一种快速公交车速控制装置，其特征为所述的信号周期计时器是由RF无线传输模块、MCU模块、计时器模块组成，计时器模块实时记录每一时刻交通信号灯的信号状态；当快速公交车辆顺利通过上一平面交叉路口时，车载RF无线传输模块将车辆的位置信息传送到安装在下一平面交叉路口的信号周期计时器里，信号周期计时器内的MCU模块进行数据处理时，应用存储在该模块的软件信息中快速公交车在各个时间段内在站点的停靠时间的平均值t₂信息，计算得出符合快速公交运行要求的时间范围；

s是行驶车辆与等待线位置之间的距离，v₀是快速公交车辆常规运行的平均速度，t₀包括快速公交车辆在相邻两交叉路口间的运行时间t₁和在站点的停靠时间即乘客在站点登乘时间t₂，t₁＝s/v₀，t₀＝t₁+t₂；s值的计算是根据车载GPS定位模块发来的行驶车辆的位置和等待线位置在地球两点间的弧长，通过MCU计算软件中计算公式计算得来，设行驶车辆的位置为A点，等待线的位置为B点，A、B两点的经、纬度分别为(jA，wA)(jB，wB)，地球半径为R，弧AB＝R*arccos[sin(wA)sin(wB)+cos(wA)cos(wB)*cos(jA-jB)]，将该计算依据存储在车载MCU模块软件系统；因为各站点乘客量不同所以对应的t₂时间也就各不相同，为了便于量化快速公交车在站点的停靠时间，通过调研取早高峰、晚高峰、平峰以及工作日和节假日，快速公交车在各个时间段内在站点的停靠时间的平均值作为t₂，并将t₂值存储在信号周期计时器中的MCU计算软件中，在计算车辆运行时间段信息时调用。

3.实施权利要求1所述的一种快速公交车速控制装置的方法，是应用安装在BRT车辆上的车载GPS定位模块、RF无线传输模块、信号周期计时器、车载MCU模块计算出快速公交车在相邻两交叉路口间的运行速度范围，并通过显示屏及语音提示器提示司机控制车速，其特征为：在快速公交车顺利通过上一平面交叉路口时，通过车载GPS定位系统实时获取快速公交车辆的经纬度位置信息，将车辆的具体位置信息通过RF无线射频传送到车载MCU模块，同时将车辆的位置信息发送到安装在交通信号控制机中的信号周期计时器里，安装在等待线位置的RF模块发出的无线射频将等待线的经纬度位置信息传送到车载MCU，车载MCU模块对接收到的数据，利用其软件系统进行提取和数据处理，计算出行驶车辆与等待线位置间的距离和车辆运行该段距离所用的时间，并将时间信息发送到安装在交通信号机里的信号周期计时器；通过信号周期计时器，记录每一时刻交通信号灯所处的信号状态；当接收到车辆发送的位置信息后，信号周期计时器记录该时刻的信号周期时间点，将时间点信息发送到MCU模块，MCU模块会计算出车辆运行的时间段t₀；

安装在交通信号控制机中的MCU模块通过交通信号灯信号状态来确定t₀的取值范围：如果t₀时刻恰好处于信号灯的绿灯通行时间内，则t₀取值范围为(t₀-a)～(t₀+b)，其中a+b时间是绿灯通行时间；

如果t₀时刻恰好处于信号灯的红灯等待时间段内，则分两种情况进行数据处理：

第一种，是t₀时刻靠近上一个绿灯通行时间，则减少t₀值，提高车速使快速公交车辆可以在上一个绿灯通行时间内顺利通过平面交叉路口，t₀取值范围为(t₀-m)～(t₀-n)，其中m为t₀时刻在红灯时间区段内已经经历的红灯信号时间，n为从t₀时刻到上一绿灯通行开始时刻的时间差值；

第二种，是t₀时刻靠近下一个绿灯通行时间，则增大t₀值，降低车速使快速公交车辆可以在下一个绿灯通行时间内顺利通过平面交叉路口，t₀取值范围为(t₀+p)～(t₀+q)，其中p为t₀时刻到下一绿灯通行信号开始的时间差值，q为从t₀时刻到下一绿灯通行结束时刻的时间差值；

安装在交通信号控制机中的RF无线传输模块将t₀的取值范围(t₀-a)～(t₀+b)、(t₀-m)～(t₀-n)、t₀+p)～(t₀+q)传送到车载MCU模块，车载MCU模块通过t₀的取值范围计算得出快速公交车辆的运行速度范围数据，即时将速度范围值数据信息输送到车载显示器和语音提示器，经过信号转换器件转换为视频和音频，提示驾驶员实施调速运行。

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