CN108615364B - 一种基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法 - Google Patents

一种基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法，是基于在路侧设置的路侧单元和在车辆上设置的车载单元通过LTE‑V技术实现。在道路沿途设置多组路侧单元，两组路侧单元之间可以通信，相邻两组路侧单元之间通信范围有重叠，每一组路侧单元与车载单元通过LTE‑V技术实时通信。当车辆驶入路侧单元监测范围时，由路侧单元与车载单元实时通信，计算在不同时刻的车辆位置信息，经过计算获得在不同时刻的速度加速度信息，进而形成包含车辆位置、速度、加速度、时间、行驶轨迹在内的车辆行驶状态信息。本发明的优点在于，在对车辆行驶状态信息监控过程中，完全不依赖卫星定位系统，而是基于车路协同技术，实时性、可靠性更强。

Description

一种基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法
技术领域
本发明涉及一种基于车路协同技术对车辆行驶状态的监控方法，属于汽车电子及智能化控制技术领域。
背景技术
车辆智能化系统(如ADAS)、自动驾驶系统都是以了解车辆当前行驶状态作为控制的前提，通过对车辆当前行驶状态与目标状态的对比，判断是否需要采取相应措施，对车辆进行控制，保证车辆的稳定性，提升行驶安全性。车辆行驶过程中车辆各个方向的位置信息和车辆速度、加速度等信息可以描述车辆的行驶状态，是表征行驶状态的重要信息，是车辆驾驶辅助系统、自动驾驶系统的重要信息来源。
当前通常采用卫星定位系统获取车辆的位置信息，进而得到车辆的行驶状态信息。但是卫星定位系统信号强弱受环境影响大，在建筑物密集、有遮挡、通过隧道等情况下极易出现丢星或者没有信号的情况，在这种情况下，借助卫星定位系统获取车辆行驶状态信息手段不准确或者无法实现。车辆自动化等级越高，对车辆行驶状态信息的依赖性越强，车辆行驶状态信息丢失直接导致系统信息输入不完整，影响系统决策控制，直接影响车辆的行驶安全性。
车路协同是指采用先进的无线通信和新一代互联网等技术，全方位实施车路动态实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动控制和道路协同管理，从而保障复杂交通环境下车辆行驶安全，提高路网运行效率的智能交通系统技术。所以，在建筑物密集、有遮挡、通过隧道等情况利用GPS等卫星定位手段获取车辆位置难度非常大的情况下，采用车路协同技术，利用车路通信技术，可以实现车辆行驶状态信息的获取。
并且，本车的行驶状态信息也是其他车辆的重要交通环境信息，也是作为其他车辆决策控制的一个重要信息来源。基于车路协同技术，在路侧设置的路侧单元也可以将采集到的本车行驶状态信息直接传递给其他车辆，为附近车辆决策控制所用。
发明内容
为解决卫星定位信号缺失情况下车辆无法准确及时获得行驶状态信息的问题，本发明提供一种基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法。该方法通过车载单元与路侧单元动态信息实时交互，通过相邻两路侧单元分时差获取车辆位置信息，以及车辆通过相邻两路侧单元采集的时间差，进而计算获得表征车辆行驶状态的速度、加速度信息，实现对车辆行驶状态的实时监控，为车辆智能化自动控制提供准确的车辆行驶状态信息。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法，是基于在路侧设置的路侧单元和在行驶车辆上设置的车载单元通过LTE-V技术实时通信实现；其中，
在监测道路上沿途设置有多组路侧单元，相邻两组路侧单元之间可以实时通信，并且相邻两组路侧单元之间的有效通信覆盖范围有重叠，并且每一组路侧单元中的各个路侧单元都可与所述车载单元通过LTE-V技术实时通信；
其获取车辆行驶状态信息的实施步骤如下：
1)当装有车载单元的车辆驶入第一组路侧单元监测范围内时，由第一组路侧单元与车载单元实时通信，计算在t0时刻车辆的位置信息，记为(x0,y0,z0)，并传递给第二组路侧单元；
2)通过实时通信，所述第二组路侧单元在经过△t时间后获取车辆的第二个位置信息，记为(x1,y1,z1)，并计算车辆在由(x0,y0,z0)到(x1,y1,z1)期间的平均速度以及加速度：
Figure BDA0001753758000000021
Figure BDA0001753758000000022
Figure BDA0001753758000000023
Figure BDA0001753758000000024
Figure BDA0001753758000000025
Figure BDA0001753758000000026
vx、vy,、vz分别为车辆在x、y、z三个方向上的平均速度，ax、ay、az分别为车辆在x、y、z三个方向上的加速度；
3)按照1)～2)的方法，以后各组路侧单元依次根据相邻两次测量的车辆位置信息，逐步计算车辆每隔一定时间间隔的速度和加速度，形成包含车辆位置、速度、加速度、时间、行驶轨迹在内的车辆行驶状态信息，以LTE-V通信技术发送给车载单元，车载单元与自车CAN网络连接，车辆即可实时获得自身行驶状态信息。
进一步地，每一组路侧单元由三个接近的路侧单元组成。
进一步地，由三个路侧单元完成对车载单元的定位：
首先，在路侧单元安装定位时即标定出路侧单元的经度、纬度、高度信息；
其次，在测量时，将三个路侧单元和车载单元投影到同一平面坐标系下，分别记投影坐标为(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)、(xd,yd)，其中(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)即为三个路侧单元的经度、纬度信息，已知，(xd,yd)为车载单元的经度、纬度信息，未知；
设路侧单元的高度均为L，车载单元的高度均为h，均已知，通过车载单元与三个路侧单元的通信可获得距三个路侧单元的距离，计作dad、dbd、dcd，均已知；
记车载单元距三个路侧单元在平面投影坐标系内的距离分别为a、b、c，则有：
Figure BDA0001753758000000031
Figure BDA0001753758000000032
Figure BDA0001753758000000033
a、b、c三段距离可求；
进一步，根据以下公式计算出车载单元的平面投影坐标(xd,yd)：
a2＝(xd-xa)2+(yd-ya)2
b2＝(xd-xb)2+(yd-yb)2
c2＝(xd-xc)2+(yd-yc)2
结合车载单元的高度h，即得到车载单元的经度、纬度、高度信息，车载单元的位置得到确定。
进一步地，所述路侧单元可布置于道路一侧或两侧，每两个相邻路侧单元之间间隔一定距离，所有路侧单元组合构成对监测路段内信息采集范围的全覆盖。
进一步地，所述路侧单元主要由处理器、通信模块、数据存储器、信息采集器、实时时钟、供电模块和电源管理系统、数据接口、线缆组成。
进一步地，所述车载单元主要由处理器、数据存储器、车辆状态信息采集器、通信模块、数据接口组成。
进一步地，所述路侧单元将获得的本车行驶状态信息发送给同车道其他装有车载单元的车辆，作为其他车辆的信息输入。
与现有技术相比，本发明显著的有益效果为：
1.本发明在完成对车辆行驶状态信息监控过程中，完全不依赖卫星定位系统，基于车路协同技术，依靠路侧单元与车载单元采用短距离通信方式获取车辆信息，完全不依赖卫星定位系统实现对车辆行驶状态进行动态监控，实时性、可靠性更强。
2.路侧单元之间可以实时动态通信，路侧单元之间信息交互采用无线通信和光纤通信方式，最大程度保证实时性和可靠性。只要车辆行驶在路侧单元的有效覆盖范围内，该方法就可以对车辆的行驶状态实现全过程监控。
3.路侧单元可以与所有装有车载单元的车辆实现通信，车辆之间可以根据需求获取其他车辆的行驶状态信息作为本车的重要信息输入。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
图1为路侧单元的布局以及与装有车载单元的车辆之间的关系图；
图2为三个路侧单元与车载单元的空间关系转化到平面坐标系中的关系图；
图3为计算路侧单元与车载单元之间平面投影距离的方法图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。
一种基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法，该方法基于在路侧设置的路侧单元1和在车上设置的车载单元2实现。
如图1所示，路侧单元1布置在道路两侧或一侧，可隔段设置，其间距满足在监测路段内信息采集范围全覆盖即可。路侧单元1是用以实现与车辆通信的路侧装置。路侧单元1主要由处理器、通信模块、数据存储器、信息采集器、实时时钟、供电模块和电源管理系统、数据接口、线缆等组成。
路侧单元1可以通过LTE-V移动通信技术与安装在车辆上的车载单元2实现实时通信。路侧单元1在布置前期需要进行精确的位置信息标定。在前期布置路侧单元时，需要利用高精度GPS定位技术，确定每一个路侧单元的经纬度，准确测量路侧单元离地高度，进而标定出路侧单元的经-纬-高信息。
车载单元2安装在车上，用以实现采集车辆内网信息，并接受路侧单元1发送来的信息，并向路侧单元1发送反馈信息。车载单元2主要由处理器、数据存储器、车辆状态信息采集器、通信模块、数据接口组成。可以通过LTE-V移动通信技术与路侧单元1实现实时通信。
车辆进入路侧单元有效覆盖区域后，分别与道路两侧的路侧单元进行实时动态通信，在通信过程中，路侧单元可以获取车辆与本路侧单元的距离。由于路侧单元的位置信息确定，所以利用至少三个路侧单元就可以准确的确定当前车辆的位置。
定位原理如下：
如图2所示，将三个路侧单元(A、B、C三点所示)与车载单元(D点所示)投影到统一平面坐标系中(为地面)，定义为xy坐标系。三个路侧单元理论上只要覆盖道路信号采集区域就行，即能与区域内车辆进行通信，分布在两侧更合理，一侧有时也行。
A、B、C三点表示三个路侧单元，设位置投影坐标分别为(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，这三个坐标在做路侧单元位置标定时已经获知，D表示搭载有车载单元的车辆，位置投影坐标为(xd,yd)，定义D点距离A、B、C三点的距离分别为a、b、c，这只是在平面投影坐标系内的距离。
通过车载单元与三个路侧单元的通信可以获得距三个路侧单元的距离信息，计作dad、dbd、dcd，这是三维空间距离。由于路侧单元和车载单元距离地面的高度都已知(就是安装高度)，所以根据图3关系可以计算a、b、c三段距离：
Figure BDA0001753758000000061
式中，L表示路侧单元高度，h表示车载单元高度；
同理可以得到b、c表达式：
Figure BDA0001753758000000062
Figure BDA0001753758000000063
因此，根据以下公式可以计算出D点坐标(xd,yd)(路侧单元的精确位置预先已经标定)。
a2＝(xd-xa)2+(yd-ya)2
b2＝(xd-xb)2+(yd-yb)2
c2＝(xd-xc)2+(yd-yc)2
通过计算可以计算在平面坐标系下D点的坐标(xd,yd)，即得到D点经纬度信息。D点的高度就是h。
每一个路侧单元在布置过程中对自身经、纬、高信息已经精确标定，所以(x,y)坐标已知，L已知；h是车载单元高度，在装车固定时距离水平地面高度也已固定，所以高度信息也为已知信息。因此在车载单元进入车路通讯覆盖区域与第一组的三个路侧单元通信时，即可以确定当前时刻车辆的位置、时间信息，以经-纬-高-时间表示(xd,yd,h,t)。
因此，本发明车路协同技术车辆行驶状态监控方法具体实施步骤可如下：
第一步：装有车载单元的车辆驶入车路协同系统有效覆盖区域内，车载单元2与路侧单元1实时动态通信。基于上述定位原理，每三个接近的路侧单元组成一个定位组，两个组之间的路侧单元有可能交叉重复。车辆在通过第一组路侧单元时，分别与各个路侧单元实时动态通信。
第二步：每个路侧单元1都可与车载单元2通信，获取当前时刻车辆与路侧单元的距离。路侧单元内置的处理器基于上述定位原理计算车辆的位置、时间信息，记作:(x0,y0,z0,t0)。一组路侧单元中的三个路侧单元都可以进行此计算，并且向下一组路侧单元传递计算结果。
第三步：经过△t，第一组或第二组路侧单元再次通过车路实时通信获取车辆位置信息，路侧单元获得当前车辆位置、时间信息计作：(x1,y1,z1,t1)，t1＝t0+△t，z0＝z1＝h。值得说明的是，由于采样时间间隔设置的长短不同，有可能(x0,y0,z0,t0)和(x1,y1,z1,t1)两组位置信息都是由第一组路侧单元计算得到的，都由第一组路侧单元传递给第二组路侧单元，也有可能是两组位置信息分别由第一组路侧单元和第二组路侧单元计算获得的，此时只需要第一组路侧单元将计算的结果传递给第二组路侧单元即可。
第四步：连续两次获取车辆位置信息的时间间隔记为△t，路侧单元处理器根据在△t内两次获取的车辆位置、时间信息进行计算，得到车辆行驶状态信息，基于上述信息获取的方式，该计算可以在第一组路侧单元进行，也可以在第二组路侧单元进行。
车辆的行驶状态信息(vx,vy,,vz,ax,ay,az)，具体计算如下：
Figure BDA0001753758000000071
Figure BDA0001753758000000072
Figure BDA0001753758000000073
Figure BDA0001753758000000074
Figure BDA0001753758000000075
Figure BDA0001753758000000076
vx、vy,、vz分别为车辆在x、y、z三个方向上的平均速度，ax、ay、az分别为车辆在x、y、z三个方向上的加速度。
第五步：每组路侧单元与车载单元2之间以一定的时间间隔连续采集车辆实时位置信息，不断计算车辆的行驶状态。
相邻的前后两组路侧单元之间进行实时通信，在车辆驶离第一组路侧单元有效通信覆盖范围后，第一组路侧单元就会将车辆位置信息传递给第二组路侧单元，用于第二组路侧单元计算车辆行驶状态；在车辆驶离第二组路侧单元有效通信覆盖范围后，第二组路侧单元同样将车辆位置信息传递给第三组路侧单元，以此下去逐次以△t为采样步长计算车辆的行驶状态。前后两组路侧单元之间有效通信覆盖范围有重叠，因此在车辆行驶过程中路侧单元始终可以保证与车载单元通信，并以△t为时间间隔连续获取车辆行驶状态信息。当然，每组路侧单元之间的采样间隔可以一样，也可以不一样，最佳的是以固定的时间间隔△t。
至此通过车路协同技术可以实现对包含道路行驶车辆位置、速度、加速度、时间、行驶轨迹在内的车辆行驶状态进行实时监控。
第六步：路侧单元1获取车辆实时动态行驶信息后，将信息以LTE-V通信技术发送给车载单元，车载单元与自车CAN网络连接，车辆即可实时获得自身行驶状态信息。
第七步：路侧单元1还可以将本车的行驶状态信息发送给同车道其他装有车载单元的车辆，作为其他车辆的一个重要交通环境信息输入，参与其他车辆的决策控制。

Claims (5)

1.一种基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法，其特征在于：是基于在路侧设置的路侧单元和在行驶车辆上设置的车载单元通过LTE-V技术实时通信实现；其中，
在监测道路上沿途设置有多组路侧单元，相邻两组路侧单元之间可以实时通信，并且相邻两组路侧单元之间的有效通信覆盖范围有重叠，并且每一组路侧单元中的各个路侧单元都可与所述车载单元通过LTE-V技术实时通信；
其获取车辆行驶状态信息的实施步骤如下：
1)当装有车载单元的车辆驶入第一组路侧单元监测范围内时，由第一组路侧单元与车载单元实时通信，计算在t0时刻车辆的位置信息，记为(x0,y0,z0)，并传递给第二组路侧单元；
2)通过实时通信，所述第二组路侧单元在经过△t时间后获取车辆的第二个位置信息，记为(x1,y1,z1)，并计算车辆在由(x0,y0,z0)到(x1,y1,z1)位置期间的平均速度以及加速度信息：
Figure FDA0002364774650000011
Figure FDA0002364774650000012
Figure FDA0002364774650000013
Figure FDA0002364774650000014
Figure FDA0002364774650000015
Figure FDA0002364774650000016
vx、vy,、vz分别为车辆在x、y、z三个方向上的平均速度，ax、ay、az分别为车辆在x、y、z三个方向上的加速度；
其中，计算车辆的位置信息的方法是：设定每一组路侧单元由三个接近的路侧单元组成，车辆的位置信息即所装载的车载单元的位置信息，
首先，在路侧单元安装定位时即标定出路侧单元的经度、纬度、高度信息；
其次，在测量时，将三个路侧单元和车载单元投影到同一平面坐标系下，分别记投影坐标为(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)、(xd,yd)，其中(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)为三个路侧单元的经度、纬度信息，已知，(xd,yd)为车载单元的经度、纬度信息，未知；
设路侧单元的高度均为L，车载单元的高度均为h，均已知，通过车载单元与三个路侧单元的通信可获得车载单元距三个路侧单元的距离，分别计作dad、dbd、dcd，均已知；
记车载单元距三个路侧单元在平面坐标系下的距离分别为a、b、c，则有：
Figure FDA0002364774650000021
Figure FDA0002364774650000022
Figure FDA0002364774650000023
再次，根据以下公式计算出车载单元在平面坐标系下的经度、纬度信息(xd,yd)：
a2＝(xd-xa)2+(yd-ya)2
b2＝(xd-xb)2+(yd-yb)2
c2＝(xd-xc)2+(yd-yc)2
不同时刻的(x0,y0)、(x1,y1)值即对应相应的车载单元(xd,yd)值，不同时刻的z0、z1值即对应相应的车载单元高度h；
3)按照1)～2)的方法，以后各组路侧单元依次根据相邻两次测量的车辆位置信息，逐步计算车辆每隔一定时间间隔的速度和加速度，形成包含车辆位置、速度、加速度、时间、行驶轨迹在内的车辆行驶状态信息，以LTE-V通信技术发送给车载单元，车载单元与自车CAN网络连接，车辆即可实时获得自身行驶状态信息。
2.根据权利要求1所述的基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法，其特征在于：所述路侧单元布置于道路一侧或两侧，每两个相邻路侧单元之间间隔一定距离，所有路侧单元组合构成对监测路段内信息采集范围的全覆盖。
3.根据权利要求1或2所述的基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法，其特征在于：所述路侧单元主要由处理器、通信模块、数据存储器、信息采集器、实时时钟、供电模块和电源管理系统、数据接口、线缆组成。
4.根据权利要求1所述的基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法，其特征在于：所述车载单元主要由处理器、数据存储器、车辆状态信息采集器、通信模块、数据接口组成。
5.根据权利要求1所述的基于车路协同技术对车辆行驶状态进行监控的方法，其特征在于：所述路侧单元将获得的本车行驶状态信息发送给同车道其他装有车载单元的车辆，作为其他车辆的信息输入。
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