CN105204501B - 基于电子轨道的高速无人驾驶车辆及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电子轨道的高速无人驾驶车辆及系统。所述无人驾驶车辆包括：轨道数据装置，记录有设置于路上的电子轨道的电子轨道数据；轨道传感装置，用于检测设置于路上的电子轨道并输出所述车辆的实际运行轨道与所述电子轨道之间的轨道偏差信号；参数获取装置，用于获取所述车辆的物理参数、运行参数和控制参数；处理装置，在无人驾驶控制时基于所述轨道偏差信号、获取到的物理参数、运行参数和控制参数来校正所述控制参数；车辆操控装置，基于校正后的所述车辆的控制参数控制所述车辆，使得所述轨道偏差信号锁定于预定偏差范围内，所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内。这样，可以实现车辆沿电子轨道高度稳定的无人驾驶。

Description

基于电子轨道的高速无人驾驶车辆及系统

【技术领域】

本发明涉及无人驾驶领域，特别涉及一种基于电子轨道的高速无人驾驶车辆及系统。

【背景技术】

目前无人驾驶车辆技术越来越成熟，谷歌以及很多公司都在开发无人驾驶车辆技术，以期待将来可以实现大规模的无人驾驶，给人们带来更为便利的生活。然而，现有的无人驾驶技术通常都非常复杂，需要设置各种传感器，比如摄像头、红外传感器、位置检测器等，并且保证安全性也非常困难。此外，现有的无人驾驶车辆的车速通常都比较低，无法高效的运行。

目前铁路交通也非常发达，尤其是高铁的快速发展大大方便了人们的出行。火车或高速等轨道车辆，能够高速的、稳定的运行于轨道之上，因此这种交通方式也非常普遍。然而，铁路需要铺设专门的轨道，建设成本很高。

如何提供一种低成本的、高速的无人驾驶车辆及系统称为一个非常有挑战性的课题。

【发明内容】

本发明的目的之一在于提供无人驾驶车辆及系统，其实现成本低，可以实现高速稳定无人驾驶。

为了解决上述问题，本发明提供一种无人驾驶车辆，其包括：轨道数据装置，其记录有设置于路上的电子轨道的电子轨道数据；轨道传感装置，用于检测设置于路上的电子轨道并输出所述车辆的实际运行轨道与所述电子轨道之间的轨道偏差信号；参数获取装置，用于获取所述车辆的物理参数、运行参数和控制参数；处理装置，其在无人驾驶控制时，基于所述轨道偏差信号、获取到的所述车辆的物理参数、运行参数和控制参数来校正所述车辆的控制参数；车辆操控装置，基于校正后的所述车辆的控制参数控制所述车辆，使得所述轨道偏差信号锁定于预定偏差范围内，所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内。

进一步的，所述无人驾驶车辆还包括:编码传感装置，该编码传感装置用于检测设置于路上的编码标签，并基于所述编码标签得到所述车辆的位置信息；所述处理装置在无人驾驶控制时，执行如下操作：基于所述编码传感装置获取的所述车辆的当前位置和所述轨道数据装置中记录的设置于路上的电子轨道的电子轨道数据得到该车辆接下来的一段预置理论轨道；基于所述轨道传感装置输出的轨道偏差信号、车辆的物理参数、运行参数和控制参数对所述预置理论轨道进行修正得到修正理论轨道；根据车辆的物理参数、运行参数和控制参数得到该车辆的预测实际轨道；校正所述车辆的控制参数以使得所述预测实际轨道与所述修正理论轨道相一致，同时保证所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内。

进一步的，设置于路上的编码标签包含有该编码标签所在的精确的位置信息。所述编码标签为条形码或二维码。

进一步的，所述车辆的物理参数包括车辆的质量和惯性，所述车辆的控制参数包括油门控制参数和方向控制参数，所述车辆的运行参数包括车辆的俯仰角、滚转角、三个轴的加速度和速度。

进一步的，在所述处理装置中设置有所述车辆的俯仰角阈值范围、所述车辆的滚转角阈值范围、所述车辆的三个轴的加速度阈值范围和速度阈值范围，所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内是指：所述车辆的实际的俯仰角、滚转角、三个轴的加速度和速度分别位于对应的阈值范围内。

进一步的，所述轨道数据装置下载并存储所述车辆的附近的电子轨道的电子轨道数据。

进一步的，所述路上的电子轨道包括中心线、位于中心线左侧的第一部分和位于中心线右侧的第二部分，所述第一部分包括多个相互间隔的第一横向条，相邻的两个第一横向条之间的间隔距离为第一预定距离，所述第二部分包括多个相互间隔的第二横向条，相邻的两个第二横向条之间的间隔距离为第二预定距离，所述中心线的轨迹为车辆的理论电子轨道。

进一步的，所述轨道传感装置包括光学传感器、信号放大器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一包络检测器、第二包括检测器、运算放大器和低通滤波器，第一带通滤波器能够通过第一频率的信号，第二带通滤波器能够通过第二频率的信号，其中所述光学传感器感应所述电子轨道的第一部分产生第一频率的第一轨道信号，感应所述电子轨道的第二部分产生第二频率的第二轨道信号；所述信号放大器放大所述光学传感器感应到的信号进行放大，第一带通滤波器对放大的感应信号进行带通滤波，第二带通滤波器对放大的感应信号进行带通滤波，第一包络检测器对第一带通滤波器得到的信号进行包络检测，第二包络检测器对第二带通滤波器得到的信号进行包络检测，所述运算放大器对第一包络检测器输出的信号和第二包络检测器输出的信号进行差分放大，所述低通滤波器对所述运算放大器输出的信号进行低通滤波得到所述车辆的实际运行轨道与所述电子轨道之间的轨道偏差信号。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种无人驾驶系统，其包括：设置于路上的电子轨道；服务器，其内存储有设置于路上的电子轨道的电子轨道数据；上文中所述的无人驾驶车辆。

与现有技术相比，本发明在路上铺设有电子轨道，无人驾驶车辆能够沿所述电子轨道高速稳定行驶，相较于铁轨，该电子轨道铺设成本很低，相对于普通的无人驾驶技术，运行速度高且稳定性高。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1示意出了本发明的高速无人驾驶车辆系统的原理示意图；

图2示意出了本发明的高速无人驾驶车辆的结构示意图；

图3a至3b为无人驾驶车辆在偏离了电子轨道后如何调整回电子轨道的原理示意图；

图4为本发明中的电子轨道的示例图；

图5为图2中的轨道传感装置的结构示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提出一种基于电子轨道的高速无人驾驶系统。该无人驾驶系统包括有铺设于路面上的电子轨道100、沿所述电子轨道无人驾驶的行进的无人驾驶车辆200以及存储铺设于路面上的电子轨道100的电子轨道数据的服务器(未图示)。为了实现高速无人驾驶，需要事先在相关道路上铺设电子轨道。这些电子轨道就如同现在的公路标记线一样被铺设于所述公路的路面上。可以使用专门的电子轨道铺设车辆在所述公路的路面上形成预定性状的图形标记，该图形标记就可以被认为是电子轨道。由于是沿着电子轨道行进，其速度可以很高，且能够保证车辆稳定行驶。同时，由于只需要在路面上铺设预定图形，这样实现成本很低。

如图4所示的，其示意出了本发明中的电子轨道的一个示例图。如图4所示的，所述路上的电子轨道100包括中心线110、位于中心线110左侧的第一部分120和位于中心线右侧的第二部分130。所述第一部分120包括多个相互间隔的第一横向条121，相邻的两个第一横向条之间的间隔距离为第一预定距离d1，所述第二部分130包括多个相互间隔的第二横向条131，相邻的两个第二横向条之间的间隔距离为第二预定距离d2，所述中心线110的轨迹为电子轨道的理论轨道。其中第一预定距离d1和第二预定距离d2都是可以根据需要设置的，并且每个横向条的宽度也是可以根据需要设置的。

在道路的路面上铺设所述电子轨道后，可以将该电子轨道的相关电子轨道数据上传至所述服务器中。所述电子轨道数据包括该电子轨道的轨迹信息以及路面信息，该路面信息可以包括平整度信息、倾斜度信息等。这些信息可以用于后续的无人驾驶控制。

如图2所示的，其示出了本发明的高速无人驾驶车辆200在一个实施例中的结构，所述无人驾驶车辆200包括处理装置250、轨道传感装置260、轨道数据装置270、车辆操控装置280和参数获取装置290。

所述轨道数据装置270中记录有设置于路上的电子轨道100的电子轨道数据。在一个实施例中，所述轨道数据装置270从服务器中下载并存储车辆的附近的电子轨道的电子轨道数据。在一个实施例中，可以通过无线网络连接入所述服务器，并从所述服务器中下载电子轨道的电子轨道数据。在另一个实施例中，可以将车辆的操控系统连接至智能手机，借助智能手机连接至所述服务器，并从服务器中下载所述电子轨道的电子轨道数据。在再一个实施例中，也可以先将电子轨道数据下载入U盘中，通过U盘拷贝入所述轨道数据装置270中。在一个应用实例中，假如车辆位于无锡市，则将无锡市的所有电子轨道的电子轨道数据下载至所述轨道数据装置270，换句话说，所述轨道数据装置270无需存储记录所有的电子轨道的电子轨道数据，而只需要存储部分即可。

所述轨道传感装置260用于检测设置于路上的电子轨道并输出所述车辆的实际运行轨道与所述电子轨道100之间的轨道偏差信号To。

在一个实施例中，所述电子轨道100的第一横向条121和第二横向条131均为白色的，这样其间隔可被认为是黑色的。在轨道传感装置260感应到横向条时得到亮信号，而在感应到横向条之间的间隔时得到暗信号，一亮一暗就形成一个周期的信号。这样，在车辆以一定速度行驶时，所述轨道传感装置260感应第一横向条时会得到第一频率的第一轨道信号，所述轨道传感装置260感应第二横向条时得到第二频率的第二轨道信号，而由于横向条的间隔距离不同，因此第一频率和第二频率不同，并且成一定的比例。所述轨道传感装置260通常设置于车辆底部的位置，在车辆沿所述电子导轨正常运行时，所述轨道传感装置260应该对准所述中心线110。此时，第一轨道信号和第二轨道信号的差应该为0，如果第一轨道信号的幅度高于第二轨道信号的幅度，则会认为车辆偏向了第一横向条的一侧，反之，则认为车辆偏向了第二横向条的一侧。此外，第一频率和第二频率是会随着车速而改变的，但是第一频率和第二频率之间的比例是不变的。

在一个实施例中，如图5所示的，所述轨道传感装置260包括光学传感器261、信号放大器262、第一带通滤波器263、第二带通滤波器265、第一包络检测器264、第二包括检测器266、运算放大器267和低通滤波器268。第一带通滤波器263能够通过第一频率的信号，第二带通滤波器265能够通过第二频率的信号，其中所述光学传感器261感应所述电子轨道100的第一部分120产生第一频率的第一轨道信号，感应所述电子轨道100的第二部分130产生第二频率的第二轨道信号。所述信号放大器262放大所述光学传感器261感应到的信号进行放大。第一带通滤波器263对放大的感应信号进行带通滤波，第二带通滤波器264对放大的感应信号进行带通滤波。第一包络检测器264对第一带通滤波器263得到的信号进行包络检测。第二包络检测器266对第二带通滤波器265得到的信号进行包络检测。所述运算放大器267对第一包络检测器264输出的信号和第二包络检测器266输出的信号进行差分放大，所述低通滤波器268对所述运算放大器267输出的信号进行低通滤波得到所述车辆的实际运行轨道与所述电子轨道之间的轨道偏差信号To。

所述参数获取装置290包括控制参数获取单元220、物理参数获取单元230和运行参数获取单元240。所述物理参数获取单元230用于获取所述车辆的物理参数，所述车辆的物理参数包括车辆的质量、惯性、弹性系数、阻尼比、刚度等。所述控制参数获取单元220用于获取所述车辆的控制参数，所述车辆的控制参数包括油门控制参数和方向控制参数。运行参数获取单元240用于获取所述车辆的运行参数，所述车辆的运行参数包括车辆的俯仰角、滚转角、三个轴的加速度和速度。所述运行参数获取单元240包括一个或多个三轴加速计、一个或多个陀螺仪、速度检测器，三轴加速器用来提供所述车辆的三个轴的加速度，所述陀螺仪用来提供所述车辆的俯仰角和滚转角。所述多个三轴加速计可以放置于车辆的不同部位，以检验各个位置的三轴加速度。

所述处理装置250，在无人驾驶控制时，基于所述轨道偏差信号T0、获取到的所述车辆的物理参数、运行参数和控制参数来校正所述车辆的控制参数，并基于校正后的所述车辆的控制参数。所述车辆操控装置280基于校正后的所述车辆的控制参数控制所述车辆，使得所述轨道偏差信号锁定于预定偏差范围内，所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内。

在本发明中实现车辆的高速无人驾驶时，需要使得车辆能够沿预定的电子轨道行驶，因此所述轨道偏差信号应该锁定于一个能够容忍的范围内，比如-1cm至+1cm，在此范围内就可以认为是在沿所述电子轨道形式，即，如果实际运行轨道和电子轨道100相差在1cm之内，都认为是允许的。在本发明中实现车辆的高速无人驾驶时，还需要使得所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内，即保证所述车辆的运行稳定，比如前后的加速度进行保持0左右，以实现匀速形式，比如上下方向的加速度尽量较小，俯仰角和滚转角也维持在0左右，当然维持在绝对的0是不可能的，因此给定于接近0的一个运行参数范围。

在一个实施例中，在所述处理装置中设置有所述车辆的俯仰角阈值范围、所述车辆的滚转角阈值范围、所述车辆的三个轴的加速度阈值范围和速度阈值范围，所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内是指：所述车辆的实际的俯仰角、滚转角、三个轴的加速度和速度分别位于对应的阈值范围内。

由于本发明的车辆是沿预定的电子轨道行进，并且在不断的校正控制参数，这样可以使得车辆能够沿电子轨道高速稳定行驶。

此外，在一个优选的实施例中，在路面上伴随着所述电子轨道，在路面上还间隔设置有编码标签，该编码标签包含有该编码标签所在的精确的位置信息，该位置信息非常精确，能够精确到厘米和毫米级别。所述编码标签可以为条形码或二维码。所述无人驾驶车辆200还包括编码传感装置210，该编码传感装置用于检测设置于路上的编码标签，并基于所述编码标签得到所述车辆的精确位置信息。

所述编码传感装置210通过所述编码标签得到所述车辆的位置信息较普通的GPS定位装置或其他常用的位置定位装置定位的精度高很多，能够达到厘米级别，通常GPS定位装置获得的位置的精度在3-10米左右，这样的精度在本发明中实用性并不强，本发明需要更为精确的位置定位技术。

在该优选的实施例中，所述处理装置250在无人驾驶控制时，执行如下操作：基于所述编码传感装置210获取的所述车辆的当前位置和所述轨道数据装置280中记录的设置于路上的电子轨道的电子轨道数据得到该车辆接下来的一段预置理论轨道；基于所述轨道传感装置260输出的轨道偏差信号To、车辆的物理参数、运行参数和控制参数对所述预置理论轨道进行修正得到修正理论轨道；根据车辆的物理参数、运行参数和控制参数得到该车辆的预测实际轨道；校正所述车辆的控制参数以使得所述预测实际轨道与所述修正理论轨道相一致，同时保证所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内。

由于能够事先得到车辆的接下来的预置理论轨道，因此可以事先对所述车辆的控制参数进行设置和调整，比如前方有转弯，那么事先就会将速度降下来，并且可以根据转弯的半径，来调整得到最为合适的转弯速度。并且，只要实际运行轨道和预置理论轨道存在偏差，都会被及时的调整回来。这样，可以保证的无人驾驶的高速，可以达到200公里及以上，甚至300公里。同时，也可以根据车辆的运行参数来调整车辆的控制参数，比如震动幅度较大，则需要减速，震动幅度较小，则可以提速，等等。

图3a至3b为无人驾驶车辆在偏离了电子轨道后如何调整回电子轨道的原理示意图。如图3a所示，假如所述车辆的当前位置为C，得到该车辆接下来的一段预置理论轨道可以为S-E的电子轨道部分，由于存在轨道偏差信号，因此需要对预置理论轨道进行修正，而在修正时需要同步的考虑车辆的物理参数、运行参数和控制参数，需要同步考虑车辆的速度。如果速度快，则需要更长的过渡轨道，如图3a所示的；如果速度慢，则需要更短的过渡轨道，如图3b所示的。所述过渡轨道是指从轨道偏差信号To大于锁定范围的位置到最后轨道偏差信号To最后锁定于锁定范围内时的轨道。此外，也同步需要考虑车辆的加速度和运行姿态，比如运行姿态不是很平稳，即也需要考虑设置较长的过渡轨道，如果运行姿态平稳，则可以考虑设置较短的过渡轨道。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (9)

1.一种无人驾驶车辆，其特征在于，其包括：

轨道数据装置，其记录有设置于路上的电子轨道的电子轨道数据；

轨道传感装置，用于检测设置于路上的电子轨道并输出所述车辆的实际运行轨道与所述电子轨道之间的轨道偏差信号；

参数获取装置，用于获取所述车辆的物理参数、运行参数和控制参数；

处理装置，其在无人驾驶控制时，基于所述轨道偏差信号、获取到的所述车辆的物理参数、运行参数和控制参数来校正所述车辆的控制参数；

车辆操控装置，基于校正后的所述车辆的控制参数控制所述车辆，使得所述轨道偏差信号锁定于预定偏差范围内，所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内；

编码传感装置，该编码传感装置用于检测设置于路上的编码标签，并基于所述编码标签得到所述车辆的位置信息；

所述处理装置在无人驾驶控制时，执行如下操作：

基于所述编码传感装置获取的所述车辆的当前位置和所述轨道数据装置中记录的设置于路上的电子轨道的电子轨道数据得到该车辆接下来的一段预置理论轨道；

基于所述轨道传感装置输出的轨道偏差信号、车辆的物理参数、运行参数和控制参数对所述预置理论轨道进行修正得到修正理论轨道；

根据车辆的物理参数、运行参数和控制参数得到该车辆的预测实际轨道；

校正所述车辆的控制参数以使得所述预测实际轨道与所述修正理论轨道相一致，同时保证所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶车辆，其特征在于，设置于路上的编码标签包含有该编码标签所在的精确的位置信息。

3.根据权利要求2所述的无人驾驶车辆，其特征在于，所述编码标签为条形码或二维码。

4.根据权利要求1所述的无人驾驶车辆，其特征在于，所述车辆的物理参数包括车辆的质量和惯性，所述车辆的控制参数包括油门控制参数和方向控制参数，所述车辆的运行参数包括车辆的俯仰角、滚转角、三个轴的加速度和速度。

5.根据权利要求4所述的无人驾驶车辆，其特征在于，在所述处理装置中设置有所述车辆的俯仰角阈值范围、所述车辆的滚转角阈值范围、所述车辆的三个轴的加速度阈值范围和速度阈值范围，所述车辆的运行参数锁定于预定运行参数范围内是指：所述车辆的实际的俯仰角、滚转角、三个轴的加速度和速度分别位于对应的阈值范围内。

6.根据权利要求1所述的无人驾驶车辆，其特征在于，所述轨道数据装置下载并存储所述车辆的附近的电子轨道的电子轨道数据。

7.根据权利要求1所述的无人驾驶车辆，其特征在于，所述路上的电子轨道包括中心线、位于中心线左侧的第一部分和位于中心线右侧的第二部分，

所述第一部分包括多个相互间隔的第一横向条，相邻的两个第一横向条之间的间隔距离为第一预定距离，所述第二部分包括多个相互间隔的第二横向条，相邻的两个第二横向条之间的间隔距离为第二预定距离，

所述中心线的轨迹为车辆的理论电子轨道。

8.根据权利要求7所述的无人驾驶车辆，其特征在于，所述轨道传感装置包括光学传感器、信号放大器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一包络检测器、第二包括检测器、运算放大器和低通滤波器，

第一带通滤波器能够通过第一频率的信号，第二带通滤波器能够通过第二频率的信号，其中所述光学传感器感应所述电子轨道的第一部分产生第一频率的第一轨道信号，感应所述电子轨道的第二部分产生第二频率的第二轨道信号；

所述信号放大器对 所述光学传感器感应到的信号进行放大，

第一带通滤波器对放大的感应信号进行带通滤波，第二带通滤波器对放大的感应信号进行带通滤波，

第一包络检测器对第一带通滤波器得到的信号进行包络检测，

第二包络检测器对第二带通滤波器得到的信号进行包络检测，

所述运算放大器对第一包络检测器输出的信号和第二包络检测器输出的信号进行差分放大，

所述低通滤波器对所述运算放大器输出的信号进行低通滤波得到所述车辆的实际运行轨道与所述电子轨道之间的轨道偏差信号。

9.一种无人驾驶系统，其特征在于，其包括：

设置于路上的电子轨道；

服务器，其内存储有设置于路上的电子轨道的电子轨道数据；

如权利要求1-8任一所述的无人驾驶车辆。