CN109062221A - 一种智能编组车辆系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能编组车辆系统，包括的模块有引导车模块和跟随车模块，跟随车模块数量n由实际运量需求确定，其中n可以是0；车辆队列的引导车模块至少能够实现L4级完全自动驾驶；车辆队列的跟随车模块能够实现自动编组与脱离、自动跟随、自动泊车的基础功能；车辆队列的模块间通过无线通讯实现信息交互和共享；车辆队列各模块可通过调度中心远程控制，在场站内进行自动编组、自动脱离以及自动泊车。本发明包括一个引导车模块和多个跟随车模块组成。模块间无物理连接，实现灵活编组，可缩小车距，降低风阻，降低能耗、提高运输效率。

Description

一种智能编组车辆系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种智能编组车辆系统及其控制方法。
背景技术
随着社会的发展以及城市的快速扩张，许多城市尤其是大中型城市因人口密集、资源紧张，城市公交系统面临着巨大的压力。客流高峰期运量不足严重拥挤，客流低峰期上座率低资源浪费等问题日益突显，这些问题严重影响了市民的出行体验和降低了公交的运营效率。
目前，传统公交单车运量有限，同时受跟车距离、发车间隔限制，运量难以再有提升，而市内轨道交通(例如地铁、轻轨、有轨电车等)虽然运量较大，但存在建设条件问题，成本又较高，并不适合大部分的城市和线路，且其运量的灵活性较低，对于一些城市线路大运量虽然可以满足高峰期需求，但低峰期客流较少时会造成更大的资源浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种智能编组车辆及其控制方法，通过车辆模块化、智能编组、近距离跟随，可实现按实际需求灵活调整运量，对节省道路资源，提高公交运营效率和乘客乘坐体验有重要意义。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种智能编组车辆系统，包括的模块有引导车模块和跟随车模块，跟随车模块数量n由实际运量需求确定，其中n可以是0，即n为自然数；
车辆队列的引导车模块能够实现L4级(或以上)完全自动驾驶；
车辆队列的跟随车模块能够实现自动编组与脱离、自动跟随、自动泊车的基础功能，满足车辆队列跟随运行需求的同时，降低成本；
车辆队列的模块间通过无线通讯实现信息交互和共享；
车辆队列各模块可通过调度中心远程控制，在场站内进行自动编组、自动脱离以及自动泊车。
作为优选方式，所述的引导车模块数量为1辆。
作为优选方式，车辆队列模块间的跟随距离S(S1、S2、…Sn-1、Sn)根据MAP标定的固定跟车距离、车辆速度和加速度信息、通讯延迟、安全系数综合确定，在保证行车安全同时，得出最优跟车距离。
作为优选方式，引导车模块设置有摄像头、毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达，采用分布式和集中式相结合方式，多传感器冗余；
摄像头，布置在引导车模块Y和跟随车模块G的前部、两侧和尾部，可实现车辆360度全景摄像；
毫米波雷达，至少在引导车模块Y和跟随车模块G的前部布置1个；
激光雷达，只在引导车模块Y上采用，至少在车辆顶部布置1个；
超声波雷达，布置在引导车模块Y和跟随车模块G的尾部。
作为优选方式，毫米波雷达、激光雷达和超声波雷达都带有本地处理器，可进行数据预处理，提取特征数据后，将数据传送至自动驾驶控制器，自动驾驶控制器将数据进行融合。
作为优选方式，引导车模块的自动驾驶系统包括环境感知系统、导航系统A、车辆定位系统、数据传输总线、自动驾驶控制器A、执行系统、无线通信模块。
作为优选方式，环境感知系统包含摄像头、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达，这些传感器可以包含应用处理器，通过数据预处理后通过数据传输总线发送至导航系统A和自动驾驶控制器A。
作为优选方式，车辆定位系统包含GPS/北斗接收器、IMU模块、高精度地图，三种技术的组合导航实现优势互补，提供厘米级准确的定位信息和路线导航。
作为优选方式，高精度地图与自动驾驶控制器A,导航系统A连接，传送动态交通数据，实时时间汇报和配置行为信息生成的速度配置数据，高精度地图为自动驾驶车辆提供先验模型，自动驾驶汽车根据已知地图的不断矫正，实现精确定位。通过预先获得行驶方向路线信息，弥补传感器无法探知的区域情况，实现预测驾驶。
作为优选方式，导航系统A通过获得环境感知系统和车辆定位系统的数据，清楚判断外界环境及车身姿态，进行信息融合，通过自动驾驶控制器A实现毫秒级避障规划和路径规划功能。
作为优选方式，自动驾驶控制器A可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器，该控制器可进行深度学习神经网络算法处理，安全协同控制。通过接受传感器及其他控制器相关数据，进行决策控制，以通过执行系统，实现纵向和横向控制。
作为优选方式，执行系统包含加速系统、制动系统、转向系统、电子稳定系统，这些系统直接决定是否能按照规划路径行驶。
作为优选方式，无线通讯模块，配置在车队的每辆车中，通讯方式可采用WI-FI、LTE-V、DSRC通讯，可以实现近距离车辆信息共享，同时进行远程控制。
作为优选方式，跟随车模块主要实现自动编组和脱离、自动跟随以及自动泊车功能，其中导航系统B可接收毫米波雷达和摄像头的信息，进行融合处理，通过SLAM技术进行实时定位和地图构建。
作为优选方式，SLAM(同时定位和建图)是车辆从一个位置环境的未知地点出发，在运动过程中通过传感器观测定位自身位置、姿态、运动轨迹，再根据自身位置进行增量式的地图创建，从而达到同时定位和地图构建。
一种智能编组车辆车距控制方法：
第一步，通过获取无线通讯模块进行车辆信息共享，共享信息包括各辆车的当前车速、加速度、位置及模块故障状态信息；
第二步，通过共享信息进行计算，获取固定跟车距离，该跟车距离同时可根据MAP标定进行反复优化，确认最佳固定跟车距离；
第三步，获取相邻模块通讯延迟时间，最小安全距离Smin＝当前车速*通讯延迟时间*安全系数，其中安全系数大于1，并且是可变化的标定值；
第四步，通过最小行车安全距离和固定跟车距离进行比较，获取期望跟车距离；
第五步，使用自动驾驶控制器进行加减速和转向控制，调整跟车距离，通过PID调节，确保实际跟车距离与期望跟车距离在误差范围内。
本发明的有益效果是：
(1)一种智能编组车辆，该车辆包括一个引导车模块和多个跟随车模块组成。模块间无物理连接，实现灵活编组，可缩小车距，降低风阻，降低能耗、提高运输效率。
(2)引导车模块采用L4级(或以上)完全自动驾驶，跟随车模块进行简单设计，通过实现自动编组和脱离、自动跟随及全自动泊车的基础功能，满足整车需求的同时，降低整车成本。
(3)一种智能编组车辆队列传感器的合理布置合理，多传感器技术互为冗余，提供车辆的安全可靠性。
(4)使用带有本地处理器的雷达和激光雷达，传感器模块与控制器之间可以使用更低带宽、更加简单且便宜的接口，传感器的数量增加不会大幅度增加对自动驾驶控制器性能的要求。
(5)智能编组车辆系统，包括引导车模块和跟随车模块，引导车模块通过环境感知系统和车辆定位系统确定车辆环境状态，位置和姿态，使用自动驾驶控制器进行决策控制，执行系统精确执行，实现L4级(或以上)自动驾驶功能。
(6)跟随车模块采用低成本的环境感知系统，通过跟随车模块传感器及引导车模块位置，进行增量式的地图创建，实现SLAM(实时定位和地图构建)功能，使用自动驾驶控制器进行决策控制，执行系统精确执行。
(7)车辆各模块装有无线通讯模块，通讯方式可采用WI-FI、LTE-V、DSRC通讯，通过广播式通讯模式，可以实现各模块间信息共享，同时与可以调度中心进行通讯，进行远程控制，增加通讯效率，确保车辆安全。
(8)智能编组车辆车距控制方法，首先通过共享信息进行计算得出最佳固定跟车距离和最小安全距离，再根据两个距离大小逻辑关系的比较判定，最后由自动驾驶控制器协同控制实现，既可确保跟车安全，同时也防止跟车距离的反复变化影响整车稳定性。
(9)随着通讯技术发展，通讯延迟可以达到毫秒级，最小行车安全距离也能控制在厘米级。
附图说明
图1为智能编组车辆队列示意图；
图2为智能编组车辆主要传感器布置结构示意图；
图3为智能编组车辆系统示意图；
图4为智能编组车辆车距控制流程图；
图中，201-摄像头201，202-毫米波雷达，203-激光雷达，204-超声波雷达，301-引导车模块，302-环境感知系统，303-导航系统A，305-车辆定位系统，304-数据传输总线，306-自动驾驶控制器A，307-执行系统，308-无线通信模块，309-跟随车模块，311-导航系统B。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种智能编组车辆系统，包括的模块有引导车模块301和跟随车模块309，跟随车模块309数量n由实际运量需求确定，其中n可以是0；
车辆队列的引导车模块301能够实现L4级(或以上)完全自动驾驶；
车辆队列的跟随车模块309能够实现自动编组与脱离、自动跟随、自动泊车的基础功能，满足车辆队列跟随运行需求的同时，降低成本；
车辆队列的模块间通过无线通讯实现信息交互和共享；
车辆队列各模块可通过调度中心远程控制，在场站内进行自动编组、自动脱离以及自动泊车。
在一个优选实施例中，所述的引导车模块301数量为1辆。
在一个优选实施例中，车辆队列模块间的跟随距离S(S1、S2、…Sn-1、Sn)根据MAP标定的固定跟车距离、车辆速度和加速度信息、通讯延迟、安全系数综合确定，在保证行车安全同时，得出最优跟车距离。
在一个优选实施例中，如图2所示，引导车模块301设置有摄像头、毫米波雷达202、激光雷达203、超声波雷达204，采用分布式和集中式相结合方式，多传感器冗余；
摄像头，布置在引导车模块301Y和跟随车模块309G的前部、两侧和尾部，可实现车辆360度全景摄像；
毫米波雷达202，至少在引导车模块301Y和跟随车模块309G的前部布置1个；
激光雷达203，只在引导车模块301Y上采用，至少在车辆顶部布置1个；
超声波雷达204，布置在引导车模块301Y和跟随车模块309G的尾部。
在一个优选实施例中，毫米波雷达202、激光雷达203和超声波雷达204都带有本地处理器，可进行数据预处理，提取特征数据后，将数据传送至自动驾驶控制器，自动驾驶控制器将数据进行融合。
在一个优选实施例中，如图3所示，引导车模块301的自动驾驶系统包括环境感知系统302、导航系统A303、车辆定位系统305、数据传输总线304、自动驾驶控制器A306、执行系统307、无线通信模块308。
在一个优选实施例中，环境感知系统302包含摄像头、超声波雷达204、毫米波雷达202、激光雷达203，这些传感器可以包含应用处理器，通过数据预处理后通过数据传输总线304发送至导航系统A303和自动驾驶控制器A306。
在一个优选实施例中，车辆定位系统305包含GPS/北斗接收器、IMU模块、高精度地图，三种技术的组合导航实现优势互补，提供厘米级准确的定位信息和路线导航。
在一个优选实施例中，高精度地图与自动驾驶控制器A306,导航系统A303连接，传送动态交通数据，实时时间汇报和配置行为信息生成的速度配置数据，高精度地图为自动驾驶车辆提供先验模型，自动驾驶汽车根据已知地图的不断矫正，实现精确定位。通过预先获得行驶方向路线信息，弥补传感器无法探知的区域情况，实现预测驾驶。
在一个优选实施例中，导航系统A303通过获得环境感知系统302和车辆定位系统305的数据，清楚判断外界环境及车身姿态，进行信息融合，通过自动驾驶控制器A306实现毫秒级避障规划和路径规划功能。
在一个优选实施例中，自动驾驶控制器A306可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器，该控制器可进行深度学习神经网络算法处理，安全协同控制。通过接受传感器及其他控制器相关数据，进行决策控制，以通过执行系统307，实现纵向和横向控制。
在一个优选实施例中，执行系统307包含加速系统、制动系统、转向系统、电子稳定系统，这些系统直接决定是否能按照规划路径行驶。
在一个优选实施例中，无线通讯模块，配置在车队的每辆车中，通讯方式可采用WI-FI、LTE-V、DSRC通讯，可以实现近距离车辆信息共享，同时进行远程控制。
在一个优选实施例中，跟随车模块309主要实现自动编组和脱离、自动跟随以及自动泊车功能，其中导航系统B311可接收毫米波雷达202和摄像头的信息，进行融合处理，通过SLAM技术进行实时定位和地图构建。
在一个优选实施例中，SLAM(同时定位和建图)是车辆从一个位置环境的未知地点出发，在运动过程中通过传感器观测定位自身位置、姿态、运动轨迹，再根据自身位置进行增量式的地图创建，从而达到同时定位和地图构建。
如图4所示，S401是通过获取无线通讯模块进行信息共享，共享信息包括各辆车的当前车速、加速度、位置及整车故障状态信息。S402是通过共享信息进行计算，获取固定跟车距离Sd,该跟车距离同时可根据MAP标定进行反复优化，确认最佳跟车距离。
S403是危险时刻前后两模块之间仍能保持一定最小行车安全距离。最小行车安全距离定义为前后两模块，无论以怎样的驾驶状态行驶，前车开始做减速运动直到停止的时刻，后车也能安全停车，两车不发生追尾碰撞。这需要确保每辆车控制器及执行器的一致性。由于车与车之间的通讯延迟，最小安全距离Smin＝当前车速*延迟时间*安全系数，其中安全系数大于1，并且是可变化的标定值。
S404是进行最小行车安全距离和固定跟车距离进行比较，S405和S406得到期望跟车距离SD，通过比较既能确保跟车安全，同时也防止跟车距离的反复变化，影响车辆稳定性。
S407是通过自动驾驶控制器进行加减速，转向控制跟车距离同S408和S409获得实际根据距离进行比较，通过PID调节，最后当在S411的误差范围内时，跟车距离控制完成，进入下一个循环控制。
一种智能编组车辆车距控制方法：第一步，通过获取无线通讯模块进行车辆信息共享，共享信息包括各辆车的当前车速、加速度、位置及模块故障状态信息；
第二步，通过共享信息进行计算，获取固定跟车距离，该跟车距离同时可根据MAP标定进行反复优化，确认最佳固定跟车距离；
第三步，获取相邻模块通讯延迟时间，最小安全距离Smin＝当前车速*通讯延迟时间*安全系数，其中安全系数Sλ大于1，并且是可变化的标定值；
第四步，通过最小行车安全距离和固定跟车距离进行比较，获取期望跟车距离；
第五步，使用自动驾驶控制器进行加减速和转向控制，调整跟车距离，通过PID调节，确保实际跟车距离与期望跟车距离在误差范围内。
本发明的关键：
(1)一种智能编组车辆，该车辆包括一个引导车模块301和多个跟随车模块309。各模块间无物理连接，跟随车模块309的数量由实际运量需求确定，可实现灵活编组。
(2)跟随车模块309出现故障，故障模块可自动脱离编组，其它模块继续正常运行。
(3)引导车模块301实现L4级(或以上)完全自动驾驶。跟随车模块309只需实现自动编组和脱离，自动跟随及全自动泊车的基础动作，满足车辆队列运行需求的同时，降低成本。
(4)引导车模块301和跟随车模块309传感器包括摄像头、超声波雷达204、毫米波雷达202、激光雷达203，采用分布式和集中式相结合的布置方式。
(5)第(4)点所述多种传感器技术互为冗余设计。
(6)使用带有本地处理器的雷达(毫米波雷达202和超声波雷达204)及激光雷达203，进行数据预处理，提取特征数据后，通过数据传输总线304，将数据传送至自动驾驶控制器。
(7)自动驾驶控制器将原始数据和特征数据融合处理。
(8)引导车模块301采用GPS/北斗接收器、IMU模块(惯导系统)、高精度地图，三种技术的组合导航实现优势互补，提供厘米级准确的定位信息和路线导航。
(9)引导车模块301通过环境感知系统302和车辆定位系统305确定车辆环境状态、位置和姿态，使用自动驾驶控制器进行决策控制，执行系统307精确执行。
(10)跟随车模块309采用低成本的环境感知系统302，通过跟随车模块309传感器及引导车模块301位置，进行增量式的地图创建，实现SLAM(实时定位和地图构建)功能，使用自动驾驶控制器进行决策控制，执行系统307精确执行。
(11)执行系统307包括加速系统，制动系统，转向系统，电子稳定系统。执行系统307响应，处理需速度快，精确度高，各模块的执行系统307保持高度一致。
(12)车辆各模块装有无线通讯模块，通讯方式可采用WI-FI、LTE-V、DSRC通讯，通过广播式通讯模式，可以实现各模块间信息共享，同时可以与调度控制中心进行通讯，进行远程控制。
(13)智能编组车辆车距控制，首先通过车辆模块间的无线通讯共享信息(当前车速，加速度，位置及模块故障状态信息)计算得出固定跟车距离和最小安全距离，再根据两个距离的大小逻辑关系比较判定，最后由自动驾驶控制器协同控制实现。
(14)最佳固定跟车距离通过共享信息进行计算得到，该距离同时可根据MAP标定进行反复优化，最终确认。
(15)最小行车安全距离定义为前后两模块，无论以怎样的驾驶状态行驶，前车开始做减速运动直到停止的时刻，后车也能安全停车，两车不发生追尾碰撞。
(16)最小行车安全距离通过当前车速和相邻模块间的通讯延迟进行计算，最小安全距离Smin＝当前车速*延迟时间*安全系数，其中安全系数大于1，并且是可变化的标定值。
(17)通过多传感器得到精确跟车距离，同期望跟车距离进行比较，自动驾驶控制器使用PID调节，确保跟车距离。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能编组车辆系统，其特征在于：包括的模块有引导车模块和跟随车模块，跟随车模块数量n由实际运量需求确定，其中n可以是0；
车辆队列的引导车模块至少能够实现L4级完全自动驾驶；
车辆队列的跟随车模块能够实现自动编组与脱离、自动跟随、自动泊车的基础功能；
车辆队列的模块间通过无线通讯实现信息交互和共享；
车辆队列各模块可通过调度中心远程控制，在场站内进行自动编组、自动脱离以及自动泊车。
2.根据权利要求1所述的一种智能编组车辆系统，其特征在于：所述的引导车模块数量为1辆。
3.根据权利要求1所述的一种智能编组车辆系统，其特征在于：车辆队列模块间的跟随距离S(S1、S2、…Sn-1、Sn)根据MAP标定的固定跟车距离、车辆速度和加速度信息、通讯延迟、安全系数综合确定，在保证行车安全同时，得出最优跟车距离。
4.根据权利要求1所述的一种智能编组车辆系统，其特征在于：引导车模块设置有摄像头、毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达；
摄像头，布置在引导车模块Y和跟随车模块G的前部、两侧和尾部；
毫米波雷达，至少在引导车模块Y和跟随车模块G的前部布置1个；
激光雷达，只在引导车模块Y上采用，至少在车辆顶部布置1个；
超声波雷达，布置在引导车模块Y和跟随车模块G的尾部。
5.根据权利要求1所述的一种智能编组车辆系统，其特征在于：毫米波雷达、激光雷达和超声波雷达都带有本地处理器，可进行数据预处理，提取特征数据后，将数据传送至自动驾驶控制器，自动驾驶控制器将数据进行融合。
6.根据权利要求1所述的一种智能编组车辆系统，其特征在于：引导车模块的自动驾驶系统包括环境感知系统、导航系统A、车辆定位系统、数据传输总线、自动驾驶控制器A、执行系统、无线通信模块。
7.根据权利要求6所述的一种智能编组车辆系统，其特征在于：环境感知系统包含摄像头、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达，这些传感器包含应用处理器，通过数据预处理后通过数据传输总线发送至导航系统A和自动驾驶控制器A。
8.根据权利要求7所述的一种智能编组车辆系统，其特征在于：车辆定位系统包含GPS/北斗接收器、IMU模块、高精度地图，三种技术的组合导航实现优势互补，提供厘米级准确的定位信息和路线导航；
高精度地图与自动驾驶控制器A,导航系统A连接，传送动态交通数据，实时时间汇报和配置行为信息生成的速度配置数据，高精度地图为自动驾驶车辆提供先验模型，自动驾驶汽车根据已知地图的不断矫正，实现精确定位；通过预先获得行驶方向路线信息，弥补传感器无法探知的区域情况，实现预测驾驶。
9.根据权利要求7所述的一种智能编组车辆系统，其特征在于：导航系统A通过获得环境感知系统和车辆定位系统的数据，清楚判断外界环境及车身姿态，进行信息融合，通过自动驾驶控制器A实现毫秒级避障规划和路径规划功能；
自动驾驶控制器A包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器，该控制器可进行深度学习神经网络算法处理，安全协同控制。通过接受传感器及其他控制器相关数据，进行决策控制，以通过执行系统，实现纵向和横向控制；
执行系统包含加速系统、制动系统、转向系统、电子稳定系统，这些系统直接决定是否能按照规划路径行驶。
10.一种智能编组车辆车距控制方法，其特征在于：
第一步，通过获取无线通讯模块进行车辆信息共享，共享信息包括各辆车的当前车速、加速度、位置及模块故障状态信息；
第二步，通过共享信息进行计算，获取固定跟车距离，该跟车距离同时可根据MAP标定进行反复优化，确认最佳固定跟车距离；
第三步，获取相邻模块通讯延迟时间，最小安全距离Smin＝当前车速*通讯延迟时间*安全系数，其中安全系数大于1，并且是可变化的标定值；
第四步，通过最小行车安全距离和固定跟车距离进行比较，获取期望跟车距离；
第五步，使用自动驾驶控制器进行加减速和转向控制，调整跟车距离，通过PID调节，确保实际跟车距离与期望跟车距离在误差范围内。
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