CN109348401A - 基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统及方法 - Google Patents

基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统及方法，通过基于车路协同的无线定位技术，对车辆进行准确的定位，并通过对某些特定点的准确位置信息，更加准确的获得车辆运动参数，从而为车辆行驶状态做出判断。该系统和方法能有效提升驾驶的安全性，系统配置简单方便，且该系统相比于传统监测系统，更多地依托于未来车路协同的相关技术装备，降低了设备成本；依赖于本系统实施的方法，简单、高效、准确。

Description

基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统及方法
技术领域
本发明涉及智能交通技术领域，具体的，涉及一种基于无线定位技术的车辆行驶姿态监测系统及方法，尤其涉及汽车列车系列。
背景技术
车辆行驶过程中的侧倾角、横摆角、折叠角是判定车辆是否安全行驶、控制系统以此作为控制依据的必要信息。一般通过在车辆上安装陀螺仪等多种传感器，然后根据传感器测出的数据参数等判定车辆的行驶状态，这种方式成本较高，且有些传感器安装不便，需要改变车辆结构，尤其针对在用车，不宜推广使用，如牵引车与挂车折叠角监测装置。国外专利公开了一种牵引车与挂车折叠预警系统(美国专利号：5912616)，该专利提供了一种通过测量制动压力及半挂车相对牵引车的转角向驾驶员发出警报信号，但该检测装置结构复杂，价格昂贵。
车路协同技术是指采用先进的无线通信技术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。车路协同技术是交通运输行业智能化发展的必然，车-路通信是网联车具备的基本功能，基于无线定位实现车辆行驶姿态监测，会大大降低成本，且安装简单。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统及方法，该系统和方法能有效提升驾驶的安全性，其中所述系统配置简单方便，不仅能够方便准确地实现车辆行驶异常状态的监测，而且还能在事故发生后将事故信息发送到监管部门，以便事故救援，且该系统相比于传统监测系统，更多地依托于车路协同的相关技术装备，降低了设备成本；依赖于本系统实施的方法，简单、高效、准确。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统，所述系统包括：车载单元、路侧单元、车载定位模块、风险判别模块、远程监控服务器，其中：
所述车载单元，在车辆的牵引车和挂车均有安装；
所述路侧单元，安装于车辆行驶道路侧；
所述车载定位模块、风险判别模块、远程监控服务器，安装于车辆上；
所述车载单元与路侧单元基于LTE-V2X通信，向所述路侧单元广播报文，所述报文包括车载单元的MAC地址以及车辆的ID；
所述路侧单元与车载定位模块基于LTE-V2X通信，向所述车载定位模块发送定位数据；
所述车载定位模块与风险判别模块通过有线或无线信号连接，将基于所述定位数据的车辆路况信息推送至风险判别模块；
所述风险判别模块除与所述车载定位模块信号连接外，还与车辆ECU及其他传感器信号连接，以及与远程监控服务器通过移动通信网络通信，将车辆行驶状态信息发送给远程监控服务器。
进一步地，所述车载单元，至少在所述牵引车上安装两个，在所述挂车上安装两个，在牵引车与挂车连接处安装一个。
再进一步地，所述车载单元，在所述牵引车前部左、右两侧各装一个，沿车身横向有距离，沿车身纵向无位差；在牵引车与挂车连接处安装一个，其位置处于车辆纵轴处；在所述挂车部尾部左、右两侧各装一个，横向有距离，纵向无位差。
优选地，所述路侧单元有多个，等间距布设于车辆行驶道路的两侧，布设规则为：在道路两侧对称的平行分布或等间隔的错位分布。
优选地，所述车载定位模块基于到达时间差的无线定位算法对定位数据进行处理，得到车辆路况信息。
优选地，所述风险判别模块判定当前车辆行驶状态为异常时，向驾驶员发送警报信息。
本发明还提供一种基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测方法。
所述方法包括：
1)在车辆上布置车载单元，在车辆行驶的道路侧布置路侧单元，所述车载单元与路侧单元通过LTE-V2X技术通信，向路侧单元广播报文，所述报文包括车载单元的MAC地址和所述车辆的ID；
2)所述路侧单元根据接收到的车载单元的报文，加载路侧单元标识序列号、路侧单元位置信息以及接收到的报文时间戳，形成定位数据，通过LTE-V2X通信技术将定位数据发送给车载定位模块；
3)所述车载定位模块采用基于到达时间差的无线定位算法对所述定位数据进行处理，得到车载单元的位置信息，并将位置信息发送给车辆上的风险判别模块；
4)所述风险判别模块接收车载单元的位置信息，并采集车辆ECU及车辆其它传感器的数据，计算车辆行驶状态；
5)根据相应判定法则，判定车辆行驶状态是否异常，如果异常则发出报警。
进一步地，所述方法采用5个车载单元，分别设置于牵引车前部左、右两侧各一个，挂车部尾部左、右两侧各一个，牵引车与挂车连接处一个；
所述牵引车上的两个，设横向距离为L1，纵向无位差，高度为h1；所述挂车上的两个横向距离定义为L2，纵向无位差；
牵引车与挂车连接处的一个，定义高度为h2；
所述挂车上的两个，设横向距离为L2，纵向无位差，高度为h3；
基于所述5个车载单元，设车辆在正常位姿时牵引车前部左、右两侧车载单元的位置信息为OBU_1：(x1，y1)、OBU_2：(x2，y2)，挂车部尾部左、右两侧车载单元的位置信息为OBU_3(x3，y3)、OBU_4(x4，y4)，牵引车与挂车铰接处车载单元的位置信息为OBU_0：(x0，y0)；设在车辆发生位姿变化时各车载单元的位置信息分别对应为OBU_1(x′1，y′1)、OBU_2(x′2，y′2)，OBU_3(x′3，y′3)、OBU_4(x′4，y′4)、OBU_0：(x′0，y′0)；OBU_0：(x0，y0)＝OBU_0：(x′0，y′0)；
则，可据此计算牵引车与挂车之间的折叠角θ：
即：
θ3、θ4分别为挂车部尾部两个车载单元相对于牵引车与挂车铰接处发生的折叠角，θ为综合折叠角；
则，可据此计算车辆侧倾角：
1)牵引车侧倾角α牵：
l＝|x′1-x1|
2)挂车侧倾角α挂：
l＝|x′3-x3|
则，可据此计算车辆横摆角速度：
1)牵引车横摆角速度：
2)挂车横摆角速度：
V1、V2、V3、V4分别对应于牵引车前部的两个车载单元和挂车尾部的两个车载单元的纵向速度，通过车载定位模块基于到达时间差的无线定位算法计算出来；
当以上计算的各项车辆行驶状态参数超过对应预设的阈值时，则车辆发生该项状态异常。
同理，优选地，所述路侧单元有多个，等间距布设于车辆行驶道路的两侧，布设规则为：在道路两侧对称的平行分布或等间隔的错位分布。
对于预设的阈值，加设一误差系数进行调整，取值在0.9～1.1之间。
结合上述技术方案，本发明表现出相较于传统的众多传感器的监测手段，具有简易、便捷、运算量小的优点，基于车路协同技术，显著的减少了对高性能硬件的依赖。运用该系统和方法能有效提升驾驶的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施列或现有技术中的技术方案，下面将对实施列或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见的，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的前提下，还可以根据这些图获得其它的附图。
图1是本发明提供的基于无线定位的车辆行驶状态监测系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的基于无线定位的危险品运输车辆行驶状态监测系统的车载单元及路侧单元的布设位置示意图；
图3是本发明一实施例提供的车辆折叠角计算方法示意图；
图4是本发明一实施例提供的车辆侧倾角计算方法示意图；
图5是本发明一实施例提供的车辆横摆角速度计算方法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，本发明一实施例提供的基于无线定位的汽车列车车辆行驶状态监测系统，包括：路侧单元201～20X、车载单元400～404、远程监控服务器101、风险判别模块301、车载定位模块501，20X表示继201之后的自然顺序号。
所述车载单元有多个，分别安装于车辆上的不同位置，在一具体的实施例中，一辆车上包括5个车载单元400～404，其中，车载单元400安装在牵引车与挂车连接的铰接点顶部，车载单元401、402安装在牵引车前部车顶左、右两侧各一个，车载单元403、404安装在挂车尾部车顶左、右两侧各一个。牵引车前部以及半挂车后部各自位置处的两个车载单元之间的横向距离(沿车辆的宽度方向)为1.8～2.2m(由标定后的系统精度并结合车辆宽度确定)，纵向几乎无位差，可以允许有0±0.01m的偏差(原则上两者纵向位置相同，只是允许有一点误差而已)；高度上，前侧的两个等高，后侧的两个等高，整体等高或不等高都可以。
各车载单元都包括报文发送装置和接收装置，用于监测车辆进入通信区域后分别向多个路侧单元广播报文，所述报文包括车载单元的MAC地址以及所述车辆的ID。
优选地，车载单元采用LTE-V2X通信技术和路侧单元进行通信，收发相关数据信息。优选地，车载单元采用锂电池供电。
路侧单元有多个，优选地间隔安装于车辆行驶道路的两侧。在一具体实施例中，系统包括的路侧单元数量至少为3个，如图1中所示的路侧单元201～20X，20X代表的接续201之后的顺序排列数，如果为三个，则此时X为3。图2中具体指的路侧单元201、202、203、204。各路侧单元间隔安装于车辆行驶道路的两侧，其中，间隔安装的布设规则为：对称的平行分布或等间隔的错位分布(图2为等间隔的错位分布)。其中优选地，平行分布时同侧单元间隔为50～100m，错位分布时同侧单元间隔为100～200m，道路两侧各单元的错位间隔为50～100m。
各路侧单元也都包括报文发送装置和接收装置，用于接收多个车载单元的广播报文，并根据所述报文形成定位数据，及将所述定位数据发送至车载定位模块501。
优选地，路侧单元采用LTE-V2X通信技术和车载单元、车载定位模块进行通信，收发相关数据信息。优选地，太阳能电池为所述路侧单元提供电能。
路侧单元接收各所述车载单元的广播报文，并根据所述报文分别加载路侧单元标识序列号、路侧单元位置信息以及接收所述报文的时间戳，形成各车载单元定位数据，及将所述定位数据发送至车载定位模块。
车载定位模块501，安装于所述车辆上，与多个路侧单元无线传输，用于接收多个路侧单元的定位数据，并基于到达时间差的无线定位算法(已知的算法)对所述定位数据进行处理，得到车辆的路况信息，并推送至风险判别模块301。
可选的，所述车辆路况信息除车载单元的位置信息外，还包括以下任一者或多者：车速、行驶方向、车头指向、车辆位置、车辆长度、定位时间以及相应车辆的车载单元的MAC地址。定义车载单元401～404的地面坐标分别为：OBU_0：(x0，y0)、OBU_1：(x1，y1)、OBU_2：(x2，y2)、OBU_3(x3，y3)、OBU_4(x4，y4)。
车载定位模块501通过有线或者无线方式与风险判别模块301进行通信，将上述5个车载单元的位置信息发送给风险判别模块301。
风险判别模块301安装于车辆上，接收车载处理模块推送的多个车载单元的位置信息并采集车辆ECU及其它传感器数据，判定当前车辆行驶状态。优选的，所述风险判别模块将所述车辆状态信息通过移动通信网络发送至远程监控服务器101。
风险判别模块301根据以上车载单元的坐标位置信息等，可通过几何关系的转换，计算以下参数信息：
1)牵引车与挂车之间的折叠角θ：
如图3所示，牵引车与挂车发生折叠时，一般情况是指挂车相对于牵引车的偏转，也就是说车载单元401、402的位置视为不变，车载单元403、404的位置发生偏转。
设车载单元403的坐标OBU_3(x3，y3)发生偏转后为OBU_3(x′3，y′3)，发生的偏转角为θ3，则有：
同样，设车载单元404的坐标OBU_4(x4，y4)偏转后为OBU_4(x′4，y′4)，发生的偏转角为θ4，则有：
OBU_0：(x0，y0)为铰接点处车载单元400的坐标。
为了减少误差可取上述计算值的算术平均值作为牵引车与挂车之间的综合折叠角θ：
即：
2)车辆侧倾角：
牵引车侧倾角α牵：利用牵引车车载单元401、402发生侧倾角度进行评估，侧倾前的坐标为OBU_1：(x1，y1)、OBU_2：(x2，y2)，侧倾后的坐标变为OBU_1(x′1，y′1)、OBU_2(x′2，y′2)，侧侧倾角α牵为：
l＝|x′1-x1|
h1为牵引车上的车载单元的高度；
挂车侧倾角α挂：利用挂车车载单元403、404发生侧倾角度进行评估，如图4所示，从后面看，挂车车载单元403、404由侧倾前OBU_3(x3，y3)、OBU_4(x4，y4)，变为侧倾后OBU_3(x′3，y′3)、OBU_4(x′4，y′4)，侧倾角α挂为：
l＝|x′3-x3|
h3为挂车上的车载单元的高度；
3)横摆角速度r：
整车横摆角速度也是分别由牵引车横摆角速度和挂车横摆角速度分别进行评估。
牵引车横摆角速度：L1为车载单元401与402之间的横向距离，可测得；
挂车横摆角速度：L2为车载单元403与404之间的横向距离，可测得。
车载单元401、402、403、404的对应的纵向速度V1、V2、V3、V4可通过车载定位模块基于到达时间差的无线定位算法计算出来。车上5个点的速度可能会不一样，看具体行驶状态。
通过以上计算出的车辆状态参数，可进行车辆异常状态的判断：
1)折叠危险工况判定准则
利用几何关系实时计算的折叠角θ，可进行折叠危险工况判定，当θ＞k1M时，就判定为折叠危险工况发生，进行报警。M为报警阈值，k1为误差系数。
2)倾翻危险工况判定准则
利用几何关系实时计算的侧倾角，进行侧翻危险工况的判定，无论牵引车侧倾角α牵，还是挂车侧倾角α挂，只要当α牵或α挂＞k2S时，就判定为折叠危险工况发生，进行报警。S为报警阈值，k2为误差系数。
3)车辆侧滑判定准则
利用几何关系实时计算的横摆角速度，可进行车辆侧滑危险工况判定，无论牵引车横摆角速度r牵，还是挂车横摆角速度r挂，只要当r牵或r挂＞k3W时，就判定为侧滑危险工况发生，进行报警。W为报警阈值，k3为误差系数。
以上，阈值M、S、W，这些都是预先对同款车型进行试验标定得到的，如按照GB12676-2014《商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法》的规定，在车辆上安装陀螺仪、六分力等测试设备，对其侧翻、侧滑、折叠等工况进行极限测试，就可获得这些阈值。阈值M与载质量、路面附着系数等参数相关，S与质心高度、车速、路面附着系数等参数相关，W与车辆行驶速度、方向盘转角和路面附着系数等参数相关。
由于车辆系统的不同，或者测试设备的精度高低不同，有可能造成个别车辆阈值有所波动，因此可设定一误差系数进行适度调整，k1、k2、k3围绕1这个数值上下波动，一般在0.9～1.1之间选取一固定值。
以上状态如发生异常，则向驾驶员发出警报信息并将信息发送到监控服务器，以便进行事故救援。
本发明旨在通过基于车路协同的无线定位技术，对车辆进行准确的定位，通过对某些特定点的准确定位，才能获得更加准确的车辆各种状态参数。应当注意的是，在本发明的系统的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器来实现根据本发明实施例的系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序例如，计算机程序和计算机程序产品。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供,或者以任何其他形式提供。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统，其特征在于：
所述系统包括：车载单元、路侧单元、车载定位模块、风险判别模块、远程监控服务器；
所述车载单元，在车辆的牵引车和挂车均有安装；
所述路侧单元，安装于车辆行驶道路侧；
所述车载定位模块、风险判别模块、远程监控服务器，安装于车辆上；
所述车载单元与路侧单元基于LTE-V2X通信，向所述路侧单元广播报文，所述报文包括车载单元的MAC地址以及车辆的ID；
所述路侧单元与车载定位模块基于LTE-V2X通信，向所述车载定位模块发送定位数据；
所述车载定位模块与风险判别模块通过有线或无线信号连接，将基于所述定位数据的车辆路况信息推送至风险判别模块；
所述风险判别模块除与所述车载定位模块信号连接外，还与车辆ECU及其他传感器信号连接，以及与远程监控服务器通过移动通信网络通信，将车辆行驶状态信息发送给远程监控服务器。
2.根据权利要求1所述的基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统，其特征在于：所述车载单元，至少在所述牵引车上安装两个，在所述挂车上安装两个，在牵引车与挂车连接处安装一个。
3.根据权利要求2所述的基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统，其特征在于：所述车载单元，在所述牵引车前部左、右两侧各装一个，沿车身横向有距离，沿车身纵向无位差；在牵引车与挂车连接处安装一个，其位置处于车辆纵轴处；在所述挂车部尾部左、右两侧各装一个，横向有距离，纵向无位差。
4.根据权利要求1所述的基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统，其特征在于：所述路侧单元有多个，等间距布设于车辆行驶道路的两侧，布设规则为：在道路两侧对称的平行分布或等间隔的错位分布。
5.根据权利要求1所述的基于无线定位技术的汽车列车行驶姿态监测系统，其特征在于：所述风险判别模块判定当前车辆行驶状态为异常时，向驾驶员发送警报信息。
6.根据权利要求1-5之一所述系统实现的汽车列车行驶姿态监测方法，其特征在于，所述方法包括：
1)在车辆上布置车载单元，在车辆行驶的道路侧布置路侧单元，所述车载单元与路侧单元通过LTE-V2X技术通信，向路侧单元广播报文，所述报文包括车载单元的MAC地址和所述车辆的ID；
2)所述路侧单元根据接收到的车载单元的报文，加载路侧单元标识序列号、路侧单元位置信息以及接收到的报文时间戳，形成定位数据，通过LTE-V2X通信技术将定位数据发送给车载定位模块；
3)所述车载定位模块采用基于到达时间差的无线定位算法对所述定位数据进行处理，得到车辆路况信息，并将信息发送给车辆上的风险判别模块；
4)所述风险判别模块接收车辆路况信息，并采集车辆ECU及车辆其它传感器的数据，计算车辆行驶状态；
5)根据相应判定法则，判定车辆行驶状态是否异常，如果异常则发出报警。
7.根据权利要求6所述的汽车列车行驶姿态监测方法，其特征在于，所述路侧单元有多个，等间距布设于车辆行驶道路的两侧，布设规则为：在道路两侧对称的平行分布或等间隔的错位分布。
8.根据权利要求6或7所述的汽车列车行驶姿态监测方法，其特征在于，所述方法采用5个车载单元，分别设置于牵引车前部左、右两侧各一个，挂车部尾部左、右两侧各一个，牵引车与挂车铰接处一个；
在所述牵引车前部的两个，设沿车身横向距离L1，沿车身纵向无位差，高度为h1；在所述挂车尾部的两个，设横向距离L2，纵向无位差，高度为h3；
基于所述5个车载单元，设车辆在正常位姿时牵引车前部左、右两侧车载单元的位置信息为OBU_1:(x1,y1)、OBU_2:(x2,y2)，挂车部尾部左、右两侧车载单元的位置信息为OBU_3(x3,y3)、OBU_4(x4,y4)，牵引车与挂车铰接处车载单元的位置信息为OBU_0:(x0,y0)；设在车辆发生位姿变化时各车载单元的位置信息分别对应为OBU_1(x′1,y′1)、OBU_2(x′2,y′2)，OBU_3(x′3,y′3)、OBU_4(x′4,y′4)、OBU_0:(x′0,y′0)；OBU_0:(x0,y0)＝OBU_0:(x′0,y′0)；
则，据此可计算牵引车与挂车之间的折叠角θ：
即：
θ3、θ4分别为挂车部尾部两个车载单元相对于牵引车与挂车铰接处发生的折叠角，θ为综合折叠角；
则，据此可计算车辆侧倾角：
1)牵引车侧倾角α牵：
l＝|x′1-x1|
2)挂车侧倾角α挂：
l＝|x′3-x3|
则，据此可计算车辆横摆角速度：
1)牵引车横摆角速度：
2)挂车横摆角速度：
V1、V2、V3、V4分别对应于牵引车前部的两个车载单元和挂车尾部的两个车载单元的纵向速度，通过车载定位模块基于到达时间差的无线定位算法计算出来；
当以上各项车辆行驶状态参数超过对应预设的阈值时，则车辆发生该项状态异常。
9.根据权利要求8所述的汽车列车行驶姿态监测方法，其特征在于，对于预设的阈值，加设一误差系数进行调整，取值在0.9～1.1之间。
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