CN109520498B - 一种用于虚拟轨道车辆的虚拟道岔系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于虚拟轨道车辆的虚拟道岔系统及方法，其中的决策控制装置包括：车辆定位模块，其通过高精度差分定位与高精度测速融合技术，以及识别的路面或路旁标识进行多冗余定位误差校正，实时监测所述虚拟轨道车辆的前进坐标位置；多维路径感知模块，其通过多维定位技术手段，实时感知特定的虚拟轨迹线；决策控制模块，其根据全局路径规划信息、列车定位信息以及路径感知信息，实时进行数据融合，并通过决策控制算法，确定在前方出现岔道口时的变轨策略，并在完成道岔变轨后进行自动循迹策略。本发明应用先进的车辆定位技术以及多维感知技术手，实现了智轨列车自动循迹，且当出现岔道口时，可以自动完成变“轨”。

Description

一种用于虚拟轨道车辆的虚拟道岔系统及方法

技术领域

本发明涉及虚拟轨道交通领域，尤其涉及一种虚拟道岔系统及方法，使虚拟轨道列车在跟随虚拟轨道自动循迹过程中，能够在虚拟轨道的岔道口，以类似传统轨道车辆道岔的方式，实现车辆自动道岔。

背景技术

现代有轨电车的发展趋势之一是有轨电车无轨化，即胶轮无轨列车—一种新型城市公共客运车辆，其特点表现为胶轮无轨、与传统汽车共享路权、不再沿固定轨道行驶。它既拥有公交车行驶灵活、建设和维护成本低的优点，又具备运输力大的优势，并且克服了地铁、轻轨、有轨电车等基础设施建设和车辆购置成本高，需要专门的电力系统和轨道配合设计的缺点。

以智能轨道列车为例，智轨列车取消了钢轨，取而代之的是通过胶轮承载、方向盘转向的方式跟随虚拟轨道行驶。方向盘可以人为控制，通过不断调整方向盘，实时追踪虚拟轨迹线。另一方面，还可以通过自动控制实现自动循迹。然而，在自动循迹的基础上，当车辆遇到岔道口时，如何进行道岔，实现变“轨”？现有技术中没有涉及此类问题的解决方案，因此，本发明基于这一问题，提出一种用于智能轨道列车的虚拟道岔系统及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种虚拟道岔系统及方法，使虚拟轨道列车以类似传统轨道车辆的道岔方式，实现变“轨”运行，也就是说，使自动循迹(虚拟轨道)的虚拟轨道列车，在岔道口可以实现自动道岔功能。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种用于虚拟轨道车辆的虚拟道岔决策控制装置，所述装置包括：车辆定位模块，其通过高精度差分定位与高精度测速融合技术，以及识别的路面或路旁标识进行多冗余定位误差校正，实时监测所述虚拟轨道车辆的前进坐标位置，获取列车定位信息；多维路径感知模块，其根据运营行车线路或辅助线路上构建的特定标识，通过多维定位技术手段，实时感知特定的虚拟轨迹线，获取路径感知信息，以及决策控制模块，其根据全局路径规划信息、列车定位信息以及路径感知信息，实时进行数据融合，并通过决策控制算法，确定在前方出现岔道口时的变轨策略，并在完成道岔变轨后进行自动循迹策略。

优选地，所述决策控制模块包括：自动循迹控制子模块，其始终保持列车运行过程中自动循迹，根据路径感知信息，计算预瞄点与车道线中心的横向距离偏差、航向角和道路曲率，并根据计算结果决策出前轮期望转角，以实现车辆随期望路径行驶；虚拟道岔控制子模块，其在获取路径感知信息中包含多条可选线路以及列车定位信息中的道岔位置点时，根据以上数据并结合全局路径信息，判断变轨方向；所述自动循迹控制子模块进一步在虚拟道岔控制子模块确定变轨方向后，根据列车与目标轨迹线之间的位置信息，计算出前轴车辆偏角，并发送至执行机构完成虚拟道岔变轨。

优选地，所述自动循迹控制子模块，进一步通过执行如下步骤决策出前轮期望转角，获取多个连续采样时刻车辆的航向偏差和航向预估量；基于多个连续采样时刻车辆的航向偏差和航向预估量，通过增量PID算法计算车辆当前时刻的前轮期望转角。

优选地，所述自动循迹控制子模块，其进一步通过计算车辆的预设时间周期内的纵向位移和车辆的转弯半径的比值来确定各采样时刻的航向预估量。

优选地，所述自动循迹控制子模块，其进一步根据车辆中心和车道线的横向距离偏差、航向角以及道路曲率，计算出预瞄点与车辆中心线的航向偏差。

另一方面，本发明实施例还提供了一种用于智能轨道列车的虚拟道岔系统，包括：全局路径规划模块，其获取全局路径规划信息；以及如上任一项所述的虚拟道岔决策控制装置。

另一方面，本发明实施例还提供了一种用于虚拟轨道车辆的虚拟道岔方法，所述方法包括：车辆定位步骤，通过高精度差分定位与高精度测速融合技术，以及识别的路面或路旁标识进行多冗余定位误差校正，实时监测所述虚拟轨道车辆的前进坐标位置，获取列车定位信息；多维路径感知步骤，根据运营行车线路或辅助线路上构建的特定标识，通过多维定位技术手段，实时感知特定的虚拟轨迹线，获取路径感知信息，以及决策控制步骤，根据全局路径规划信息、列车定位信息以及路径感知信息，实时进行数据融合，并通过决策控制算法，确定在前方出现岔道口时的变轨策略，并在完成道岔变轨后进行自动循迹策略。

优选地，在所述决策控制步骤中，进一步包括：自动循迹控制子步骤，始终保持列车运行过程中自动循迹，根据路径感知信息，计算预瞄点与车道线中心的横向距离偏差、航向角和道路曲率，并根据计算结果决策出前轮期望转角，以实现车辆随期望路径行驶；虚拟道岔控制子步骤，在获取路径感知信息中包含多条可选线路以及列车定位信息中的道岔位置点时，根据以上数据并结合全局路径信息，判断变轨方向；在确定变轨方向后，根据列车与目标轨迹线之间的位置信息，计算出前轴车辆偏角，并发送至执行机构完成虚拟道岔变轨。

优选地，在所述自动循迹控制子步骤中，进一步通过执行如下步骤决策出前轮期望转角，获取多个连续采样时刻车辆的航向偏差和航向预估量；基于多个连续采样时刻车辆的航向偏差和航向预估量，通过增量PID算法计算车辆当前时刻的前轮期望转角。

优选地，在所述自动循迹控制子步骤中，进一步通过计算车辆的预设时间周期内的纵向位移和车辆的转弯半径的比值来确定各采样时刻的航向预估量；根据车辆中心和车道线的横向距离偏差、航向角以及道路曲率，计算出预瞄点与车辆中心线的航向偏差。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明实施例的系统和方法应用先进的车辆定位技术以及多维感知技术手，实现了智轨列车自动循迹，且当出现岔道口时，可以自动完成变“轨”。同时由于应用多冗余校正的车辆定位技术，以及多维感知和信号系统的深度融合技术，使得该道岔装置具有较高的安全性与可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例的用于虚拟轨道车辆的虚拟道岔系统的构造示意图。

图2为本申请实施例的虚拟轨道车辆自动循迹原理图(以图像识别为例)的示意图。

图3为本申请实施例的自动循迹控制车-路示意图。

图4为本申请实施例的二自由度车辆简化模型的示意图。

图5为本申请实施例的虚拟道岔示意图。

图6为本申请实施例的用于虚拟轨道车辆的虚拟道岔控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1为本申请实施例的用于智能轨道列车的虚拟道岔系统的构造示意图。下面参考图1来说明本实施例的虚拟道岔系统的组成及工作原理。

概括来说，本实施例中的虚拟轨道车辆通过多维感知技术手段(例如图像识别、电磁感应、卫星定位等技术手段)识别特定的虚拟轨道(如地面标识线、电子标签、坐标数据等方式)，识别出车辆与道路的位置和方向，将这些信息作为车辆“路径感知”的信息，同时结合信号系统给出的“车辆定位”信息，经过“数据融合与决策控制”实现自动循迹。当前方出现道岔口时，信号系统给出的“变轨”提示，进行虚拟道岔。

如图1所示，该虚拟道岔系统主要由配置在运控中心或由运控中心实现的全局路径规划模块10以及配置在虚拟轨道车辆的虚拟道岔决策控制装置200构成，其中，该决策控制装置200主要包括：车辆定位模块20、多维路径感知模块30和决策控制模块40。

全局路径规划模块10，其优选由运控中心承担，能够获取全局路径规划信息。具体地，该全局路径规划模块10根据运行线路数据、时刻表及临时授权变道等综合信息，实时更新数据，确定虚拟轨道车辆所要进入的运营行车线路，即告知智轨列车“我要去哪”，使列车进入运营通道。

车辆定位模块20，其优选由通信信号系统承担，能够获取列车定位信息。具体地，车辆定位模块20通过厘米级高精度差分定位与高精度测速融合技术，以及识别的路面或路旁标识进行多冗余定位误差校正，实时监测虚拟轨道车辆前进坐标位置，告知列车“我在哪”。

多维路径感知模块30，其优选由车载自动循迹系统承担，能够获取路径感知信息。具体来说，多维路径感知模块30根据运营行车线路或辅助线路上构建的特定标识(如地面标识线、电子标签、坐标数据等)，通过图像识别、电磁感应、卫星定位等多维定位技术手段，实时感知特定的虚拟轨迹线，告知列车“轨道在哪，是否出现岔道口”。

决策控制模块40，其优选由列车中央处理器承担，确定列车变轨策略或自动循迹策略。具体地，决策控制模块40根据全局路径规划信息、列车定位信息以及路径感知信息，实时进行数据融合，并通过决策控制算法，确定在前方出现岔道口时的变轨策略，或在未出现岔道口时的自动循迹策略，即告知列车在前方出现岔道口时“如何变轨”，在未出现岔道口时“如何自动循迹”。

在决策控制模块40中，进一步包括：自动循迹控制子模块和虚拟道岔控制子模块(这两个模块未图示)。自动循迹控制子模块，其始终保持列车运行过程中自动循迹，根据路径感知信息，计算预瞄点与车道线中心的横向距离偏差、航向角和道路曲率，并根据计算结果决策出前轮期望转角，以实现车辆随期望路径行驶。虚拟道岔控制子模块，其在获取路径感知信息中包含多条可选线路以及列车定位信息中的道岔位置点时，根据以上数据并结合全局路径信息，判断变轨方向，实现虚拟道岔，且在变轨结束后，按照变轨后的虚拟轨道保持自动循迹。自动循迹控制子模块进一步在虚拟道岔控制子模块确定变轨方向后，根据列车与目标轨迹线之间的位置信息，计算出前轴车辆偏角，并发送至执行机构完成虚拟道岔变轨。

下面参照图2以地面标识线类虚拟轨道为例，对这两个子模块完成自动循迹和虚拟道岔的具体实施方法进行描述。

需要说明的是，要完成虚拟道岔方法的实施，所需要的前提条件是智轨列车已处于自动循迹的过程中，也就是说，在未出现岔道时，无变轨，智轨列车自动循迹，而出现岔道口时，进行变轨，也是自动循迹，自动循迹是虚拟道岔实现的大前提条件。随着科技的迅速发展，自动循迹依赖的路径感知技术手段可以有多种实现方法，本发明实施例不局限于某一种。下面以图像识别为例，说明虚拟道岔的具体实施方法。

首先说明实施道岔的前提——自动循迹功能的实现方法，图2为其结构组成及原理图的一个示例图。

根据多维路径感知模块30的视觉识别模块给出的车路信息，计算预瞄点与车道线中心的横向距离偏差Y(l,t)、航向角

道路曲率ρ等信息，决策出前轮期望转角，并发送给转向执行模块，使列车跟随期望路径行驶。具体来说，先获取多个连续采样时刻车辆的航向偏差

和航向预估量

然后根据多个连续采样时刻车辆的航向偏差和航向预估量通过增量PID算法计算车辆的前轮期望转角△u。

在本实施例中，视觉航向偏差通过车辆的车道线识别视觉系统获取，如图2所示，车道线识别视觉系统通过安装在车头上的摄像头获取中央车道线图像信息，并通过图像处理系统对该图像信息的分析和处理，得到车辆中心和车道线的横向距离偏差Y(l,t)、航向角

以及道路曲率等信息，然后换算出预瞄点与车辆中心线的航向偏差

需要说明的是，自动循迹控制与驾驶员手动转向应具有内在一致性，跟踪位置点不是当前车辆位置，而是在车辆前方某个点即预瞄点，即图3中的P点。通过控制距离偏差Y(l,t)或角度偏差

为0，可实现跟踪期望路径。

其中，根据图像识别输出的前轴中心与车道中心的偏差距离Y_e(t)、航向角

可以计算预瞄点的偏差距离Y(l,t)。预瞄点距车道线的距离偏差为：

l为车辆前视预瞄距离，ρ为道路曲率，假设道路曲率较小，即

为较小值；且道路曲率线性变化，变化缓慢，车辆总是跟踪车道线则：

式中：预瞄点的偏差

为车辆距车道线的侧向距离偏差和车辆航向角引起的；

为道路曲率引起的侧向位移变化量，U为车辆纵向车速。

预瞄点与车辆中心线的航向偏差

与预瞄点的偏差距离Y(l,t)之间的关系为：

因此，得到航向偏差

为：

接下来说明如何计算航向预估量

列车自动循迹控制与驾驶员手动转向应具有内在一致性，跟踪位置点不是当前车辆位置，而是在列车前方某个位置即预瞄点处，故衍生出一种类比驾驶员驾驶行为特性的虚拟轨道跟踪控制—预瞄控制。如图3所示，其中XOY为地面坐标系，xoy为车辆坐标系，p为预瞄点，d为预瞄距离，y1为预测偏差，f(d)为预瞄处距离偏差。

根据图4的二自由度列车头车简化模型，设控制器采样周期为T，v为纵向速度，则头车航向在一个控制周期的变化量

可以计算车辆的预设时间周期内的纵向位移和车辆的转弯半径的比值来确定各采样时刻的航向预估量，具体表示为：

式中：R为转弯半径。

车辆的转弯半径R通过获取车辆前后轴之间距离和前轮转向角，并根据车辆的转弯半径、车辆前后轴之间距离和前轮转向角之间的三角关系计算确定，如图4所示，G为整车重心，a、b分别为头车前、后轴中心到重心的距离，δ_f为前轮转角。

头车前轴绕运动中心的半径R可由下式得到：

R＝(a+b)/sin(δ_f) (6)

将式(2)代入式(1)，得到航向预估量为：

根据多维路径感知模块30的视觉识别模块的输出信号，并结合预瞄点信息，得到视觉航向偏差

采用增量PID算法，如式(8)所示，得到头车期望前轮转角：

△u＝u(k)-u(k-1)

＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (8)

其中，K_p、K_i、K_d分别为比例、积分和微分系数，u(k)表示第k(k＝0,1,2,…)个采样时刻的控制量车轮转角，

表示第k个采样时刻的等效航向偏差。

在实现了关键的自动循迹功能后，当虚拟轨道前方出现岔道口时，多维路径感知模块30可以同时识别多条可选择线路，车辆定位模块20则通过高精度多冗余定位给出精确的道岔位置点，决策控制模块40根据以上数据信息，并结合全局路径信息，判断变轨方向，实现虚拟道岔，如图5所示。当变轨动作完成后，接着执行自动循迹，直到到达终点站，运行结束。

图6为本申请实施例的用于虚拟轨道车辆的虚拟道岔控制方法的流程示意图。下面参照图6来说明如何利用图1所示的系统实现虚拟道岔。

列车在自动循迹过程中，多维路径感知模块30根据运营行车线路或辅助线路上构建的特定标识，通过多维定位技术手段，实时感知特定的虚拟轨迹线(列车前方轨迹线)，告知决策控制模块40，前方标识信息。同时，厘米级高精度车辆定位模块20实时监测车辆的亲近坐标位置点，告知决策控制模块40，车辆的经纬度信息。当前方出现岔道口时，首先多维路径感知模块30，可同时识别前方多条岔道线路，告知决策控制模块40前方出现了多条线路；高精度车辆定位模块20则告知决策控制模块40车辆是否已经到达道岔位置点(可以冗余轨旁电子标签，与车辆通信，告知决策控制模块40车辆是否已到达道岔位置点)，全局路径规划模块10则提前告知决策控制模块40，车辆到达道岔位置点后，向左右中三个方向(可以有更多方向)中的哪一个方向实施“变轨”动作。确定需要执行变轨动作后，决策控制模块40根据视觉模块发送来的车辆与目标轨迹线之间的位置信息，计算出前轴车辆偏角，完成“变轨”命令的执行。在计算前轴车辆偏角时，具体计算方法可以参照式(8)计算期望前轮转角的方法，此处不再赘述。

需要说明的是，路径感知模块涉及的虚拟轨道，它不限于只采用在地面画标识线的方式，而是某一类方式的特定虚拟轨迹线，如磁钉导向方式、图像识别导向方式、电子标签方式、惯性导航方式、卫星定位导航方式以及激光检测、超声检测、光反射检测和坐标识别方式等。它有别于物理有形轨道，采用非机械接触的方式承担了传统物理轨道具有的承载、导向、约束等功能。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种用于虚拟轨道车辆的虚拟道岔决策控制装置，其特征在于，所述装置包括：

车辆定位模块，其通过高精度差分定位与高精度测速融合技术，以及识别的路面或路旁标识进行多冗余定位误差校正，实时监测所述虚拟轨道车辆的前进坐标位置，获取列车定位信息；

多维路径感知模块，其根据运营行车线路或辅助线路上构建的特定标识，通过多维定位技术手段，实时感知特定的虚拟轨迹线，获取路径感知信息，以及

决策控制模块，其根据全局路径规划信息、列车定位信息以及路径感知信息，实时进行数据融合，并通过决策控制算法，确定在前方出现岔道口时的变轨策略，并在完成道岔变轨后进行自动循迹策略，其中，所述决策控制模块包括：

自动循迹控制子模块，其始终保持列车运行过程中自动循迹，根据路径感知信息，计算预瞄点与车道线中心的横向距离偏差、航向角和道路曲率，并根据计算结果决策出前轮期望转角，以实现车辆随期望路径行驶；

虚拟道岔控制子模块，其在获取路径感知信息中包含多条可选线路以及列车定位信息中的道岔位置点时，根据以上数据并结合全局路径信息，判断变轨方向；

所述自动循迹控制子模块进一步在虚拟道岔控制子模块确定变轨方向后，根据列车与目标轨迹线之间的位置信息，计算出前轴车辆偏角，并发送至执行机构完成虚拟道岔变轨。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自动循迹控制子模块，进一步通过执行如下步骤决策出前轮期望转角，

获取多个连续采样时刻车辆的航向偏差和航向预估量；

基于多个连续采样时刻车辆的航向偏差和航向预估量，通过增量PID算法计算车辆当前时刻的前轮期望转角。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述自动循迹控制子模块，其进一步通过计算车辆的预设时间周期内的纵向位移和车辆的转弯半径的比值来确定各采样时刻的航向预估量。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述自动循迹控制子模块，其进一步根据车辆中心和车道线的横向距离偏差、航向角以及道路曲率，计算出预瞄点与车辆中心线的航向偏差。

5.一种用于智能轨道列车的虚拟道岔系统，其特征在于，包括：

全局路径规划模块，其获取全局路径规划信息；以及如权利要求1～4中任一项所述的虚拟道岔决策控制装置。

6.一种用于虚拟轨道车辆的虚拟道岔方法，其特征在于，所述方法包括：

车辆定位步骤，通过高精度差分定位与高精度测速融合技术，以及识别的路面或路旁标识进行多冗余定位误差校正，实时监测所述虚拟轨道车辆的前进坐标位置，获取列车定位信息；

多维路径感知步骤，根据运营行车线路或辅助线路上构建的特定标识，通过多维定位技术手段，实时感知特定的虚拟轨迹线，获取路径感知信息，以及

决策控制步骤，根据全局路径规划信息、列车定位信息以及路径感知信息，实时进行数据融合，并通过决策控制算法，确定在前方出现岔道口时的变轨策略，并在完成道岔变轨后进行自动循迹策略，在所述决策控制步骤中，进一步包括：

自动循迹控制子步骤，始终保持列车运行过程中自动循迹，根据路径感知信息，计算预瞄点与车道线中心的横向距离偏差、航向角和道路曲率，并根据计算结果决策出前轮期望转角，以实现车辆随期望路径行驶；

虚拟道岔控制子步骤，在获取路径感知信息中包含多条可选线路以及列车定位信息中的道岔位置点时，根据以上数据并结合全局路径信息，判断变轨方向；在确定变轨方向后，根据列车与目标轨迹线之间的位置信息，计算出前轴车辆偏角，并发送至执行机构完成虚拟道岔变轨。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述自动循迹控制子步骤中，进一步通过执行如下步骤决策出前轮期望转角，

获取多个连续采样时刻车辆的航向偏差和航向预估量；

基于多个连续采样时刻车辆的航向偏差和航向预估量，通过增量PID算法计算车辆当前时刻的前轮期望转角。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述自动循迹控制子步骤中，进一步通过计算车辆的预设时间周期内的纵向位移和车辆的转弯半径的比值来确定各采样时刻的航向预估量；根据车辆中心和车道线的横向距离偏差、航向角以及道路曲率，计算出预瞄点与车辆中心线的航向偏差。

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