CN110867125B - 一种智慧车列交通系统沙盘演示装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种智慧车列交通系统沙盘演示装置及其控制方法，其中，该控制方法包括：步骤1，根据接收到的启动指令，将仿真车的行驶状态由待机状态切换为跟车循迹模式，根据接收到的进站指令，当判定进站指令对应的车队中指定的仿真车到达路侧红外传感器时，控制舵机分别将右转指示牌和匀速指示牌由平倒状态转换为竖立状态；步骤2，根据读取周期，获取仿真车两侧的车载红外传感器的检测状态，根据检测状态，切换仿真车的行驶状态；步骤3，根据仿真车当前的行驶状态，驱动仿真车行驶。通过本申请中的技术方案，实现智慧车列交通系统的演示，控制车列中仿真车跟车行驶、进出站以及融入车列，对智能交通系统进行初步验证以及推广宣传。

Description

一种智慧车列交通系统沙盘演示装置及其控制方法

技术领域

本申请涉及智慧交通的技术领域，具体而言，涉及一种智慧车列交通系统沙盘演示装置、以及一种智慧车列交通系统沙盘控制方法。

背景技术

发展智能网联车辆技术是解决城市交通拥堵问题的一个重要举措。城市交通系统的智能网联化升级能显著提高其安全性、通行效率以及经济性，已得到了产业界以及学术界的大量关注。智能城市交通系统沙盘模拟与演示系统，对新型智能交通系统的初步验证以及推广宣传具有重要的意义。

而现有技术中，由于交通系统中存在多个动态主体，其沙盘演示方案往往比较复杂，开发成本很高。并且，通常只是针对单独一辆仿真车进行进出站模拟，而没有针对多辆仿真车组成的车队、多个车队间的沙盘装置。

发明内容

本申请的目的在于：实现对智慧车列交通系统的演示，控制车列中仿真车的跟车行驶、进出站以及融入车列，对新型智能交通系统进行初步验证以及推广宣传。

本申请第一方面的技术方案是：提供了一种智慧车列交通系统沙盘演示装置，该演示装置包括：该演示装置包括：沙盘道路，仿真车；沙盘道路设置有至少两条连通的、对称的主干道和多条进出站匝道，进出站匝道的两端连接于主干道，进出站匝道的入口处依次设置有路侧红外传感器和右转指示牌，进出站匝道的中间两侧设置有站内停靠指示牌，右转指示牌的对侧设置有匀速指示牌，右转指示牌和匀速指示牌连接有舵机，其中，当判定指定仿真车到达路侧红外传感器时，舵机分别将右转指示牌和匀速指示牌由平倒状态转换为竖立状态；仿真车组成至少两个车队，仿真车运行于沙盘道路上，仿真车的左右两侧设置有车载红外传感器，车载红外传感器用于检测右转指示牌、站内停靠指示牌和匀速指示牌，仿真车根据车载红外传感器检测到的信号，切换行驶模式。

上述任一项技术方案中，进一步地，右转指示牌位于主干道的右侧，匀速指示牌位于主干道的左侧、且位于右转指示牌的后方，右转指示牌和匀速指示牌在主干道上投影的间距为车队中相邻的两辆仿真车间车间距的整数倍，其中，倍数的取值为大于1的正整数。

上述任一项技术方案中，进一步地，仿真车还包括：测距传感器和图像传感器；测距传感器设置于仿真车的正前方，测距传感器用于测量与前方仿真车之间的车间距；图像传感器设置于测距传感器的下方，且倾斜向下指向沙盘道路，图像传感器用于检测沙盘道路上的车道线。

本申请第二方面的技术方案是：提供了一种智慧车列交通系统沙盘控制方法，适用于如第一方面技术方案中任一项的智慧车列交通系统沙盘演示装置，其特征在于，该控制方法包括：步骤1，上电后，根据接收到的启动指令，将仿真车的行驶状态由待机状态切换为跟车循迹模式，根据接收到的进站指令，当判定进站指令对应的车队中指定的仿真车到达路侧红外传感器时，控制舵机分别将右转指示牌和匀速指示牌由平倒状态转换为竖立状态；步骤2，根据读取周期，获取仿真车两侧的车载红外传感器的检测状态，根据检测状态，切换仿真车的行驶状态，其中，当车载红外传感器检测到指示牌时，检测状态由0变为1；步骤3，根据仿真车当前的行驶状态，驱动仿真车行驶，其中，行驶状态包括跟车循迹模式、匀速循迹模式、匀速右转模式和强制停车模式。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤2中，具体包括：步骤21，当判定左侧车载红外传感器的检测状态为1，且右侧车载红外传感器的检测状态为0时，将仿真车的行驶状态切换为匀速循迹模式，且保持t₁秒后，将行驶状态由匀速循迹模式切换为跟车循迹模式；步骤22，当判定左侧车载红外传感器的检测状态为0，且右侧车载红外传感器的检测状态为1 时，将仿真车的行驶状态切换为匀速右转模式，控制仿真车右转，当判定完成右转时，将仿真车的行驶状态由匀速右转模式切换为匀速循迹模式；步骤23，当判定左侧车载红外传感器的检测状态为1，且右侧车载红外传感器的检测状态为1时，将仿真车的行驶状态切换为强制停车模式，且保持t₂秒后，将行驶状态再次切换到匀速循迹模式，保持t₃秒后，将行驶状态再次切换到跟车循迹模式，其中，t₁、t₂、t₃满足如下关系式：

t₁＝t₂+2t₃

s_BDE＝2vt₃

s_CABF＝vt₁

式中，v为车队基准速度，s_BDE为进出站匝道的路程长度，s_CABF为预设匀速距离。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤22中，具体包括：当仿真车运行于匀速右转模式时，根据预设速度和预设转向角，控制仿真车进行转向，运行至匝道；经过转向时间T后，判断转向条件是否成立，若成立，即完成右转，将仿真车的运行模式切换为匀速循迹模式，若否，仿真车仍根据预设转向角进行转向，其中，转向条件的判断公式为：

式中，Y_i为当前时刻i的动态阈值，β为预设系数，0.9<β<0.999，数组[c₁ c₂ …c₁₂₈]为图像传感器检测到的图像数据，ε为预设阈值， 0<ε<10。

上述任一项技术方案中，进一步地，控制方法还包括：根据仿真车的行驶状态，计算动态阈值Y_i，当判定行驶状态为跟车循迹模式、匀速循迹模式和强制停车模式中的一种时，根据图像传感器检测到的图像数据和阈值计算方程，计算动态阈值Y_i，其中，阈值计算方程为：

式中，Y_i-1为前一时刻的动态阈值，

当判定行驶状态为匀速右转模式时，阈值计算方程为：

Y_i＝Y_i-1。

上述任一项技术方案中，进一步地，控制方法还包括：当判定仿真车运行于跟车循迹模式时，对测距传感器检测到的车间距进行滤波，并根据图像传感器检测到的图像数据，确定车道线，其中，第i时刻的车间距D_i的滤波公式为：

D_i＝γD_i-1+(1-γ)d_ave,i

式中，d_ave,i为最近十次距离测量值d_j中剔除最大值和最小值后的平均值，γ为遗忘系数，0<γ<1；

根据滤波后的车间距和车道线，调整仿真车的行驶车速和行驶转向角。

上述任一项技术方案中，进一步地，图像传感器检测到的图像数据为一个包含128个数据的数组[c₁ c₂ … c₁₂₈]，根据图像传感器检测到的图像数据，确定车道线，具体包括：根据动态阈值Y_i，在数组[c₁ c₂ … c₁₂₈]中顺序寻找左分界线c_k1，左分界线c_k1的前5个数据小于动态阈值Y_i、且后 4个数据大于动态阈值Y_i；根据动态阈值Y_i，在数组[c₁ c₂ … c₁₂₈]中逆序寻找右分界线c_k2，右分界线c_k2的前4个数据大于动态阈值Y_i、且后5个数据小于动态阈值Y_i；根据左分界线c_k1和右分界线c_k2，计算车道线C_i，其中，车道线C_i的计算公式为：

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤2中，具体包括：每间隔 10ms读取一次车载红外传感器的状态信号，当判定连续获得5次状态信号的数值为1时，判定车载红外传感器的检测状态为1。

本申请的有益效果是：

本申请实现了一种低成本、开发简单的智慧车列交通系统，控制车列中仿真车的跟车行驶、进出站以及融入车列，对新型交通系统的推广宣传具有重要的意义。

本申请通过设置舵机、右转指示牌、匀速指示牌，使得，当进站指令对应的仿真车达到指定位置时，由舵机将右转指示牌、匀速指示牌升起，使得仿真车两侧的车载红外传感器获得相应的检测状态，进而调整车列中仿真车的行驶状态，使得进站仿真车出站后可以顺利融入车列，提高了车列的整体运转的流畅性。

本申请通过对动态阈值和车道线进行实时计算，并设定匀速右转模式下的转向条件，有助于提高不同行驶状态下，仿真车运行控制的准确性和可靠性。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的智慧车列交通系统沙盘演示装置的示意图；

图2是根据本申请的一个实施例的仿真车右转进入匝道的示意流程图；

图3是根据本申请的一个实施例的仿真车行驶状态切换的示意图；

图4是根据本申请的一个实施例的仿真车右转进站的运行过程的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供了一种智慧车列交通系统沙盘演示装置，该演示装置包括：沙盘道路，仿真车和站台控制器；

站台控制器用于根据路侧红外传感器的检测状态、车载红外传感器的检测状态以及进站指令，将需进站的仿真车的运行模式切换到匀速右转模式，控制该仿真车进入站台，同时，引导车队中的其他仿真车进行相应的模式切换，实现全过程的协同控制。

沙盘道路设置有至少两条连通的、对称的主干道和多条进出站匝道，进出站匝道的两端连接于主干道；

进一步的，相邻的两个主干道由弯道连通，相邻的两个主干道之间设置有信号隔离板，右转指示牌位于主干道的右侧，以匀速指示牌在主干道的投影位置为原点，建立坐标系，设定仿真车行驶的方向为正方向，即车头的朝向为正方向，则匀速指示牌位于主干道的左侧、且位于右转指示牌的后方(负方向)，右转指示牌和匀速指示牌在主干道上投影的间距为仿真车间车间距的整数倍，其中，倍数的取值为大于1的正整数。

具体的，本实施例中的演示装置包含两个由弯道连通的主干道和6 个站台，每个站台有对应的进出站匝道，其中，所有的道路背景色为黑色，道路中心线为白色车道线，道路两侧为黄色边界线。

通过设置右转指示牌和匀速指示牌在主干道上投影的间距为仿真车间车间距的整数倍，将该倍数记作z，则可以使得进站仿真车后的第z辆仿真车进入匀速循迹模式，不再跟随前方的仿真车，这样会在该匀速仿真车的前方，保留两倍的车间距，供进站仿真车出站重新汇入车队中时，不会与其他仿真车发生冲突。

进出站匝道的入口处依次设置有路侧红外传感器和右转指示牌，进出站匝道的中间两侧设置有站内停靠指示牌，右转指示牌的对侧后方设置有匀速指示牌，右转指示牌和匀速指示牌均连接有舵机，其中，当判定指定仿真车到达路侧红外传感器时，舵机分别将右转指示牌和匀速指示牌由平倒状态转换为竖立状态；

具体的，每个站台配套一个右转指示牌、一个匀速指示牌、两个站内停靠指示牌、一个路侧红外传感器。右转指示牌位于进站匝道与主干道的交汇处。匀速指示牌位于右转指示牌的主干道对侧的后方。右转、匀速指示牌有配套升降机构，本实施案例中，采用的是舵机直接驱动指示牌竖立或者平倒，实现升降功能。指示牌降下后，无法被仿真车两侧的红外传感检测，指示牌升起后，可被仿真车两侧红外传感检测。两个站内停靠指示牌竖立于站内仿真车停靠路段两侧，无升降装置。路侧红外传感器固定安装在右转指示牌前方，其安装高度低于仿真车两侧的红外传感器，以避免相互干扰。路侧红外传感器用于检测车头时距(连续两个仿真车车头通过红外传感器的时间差)，根据连续的车头时距信息可判断出经过的仿真车在车队中的位置。

在沙盘道路长度方向的中心线上还设置有隔离板，其高度高于仿真车的车载红外传感以及测距传感器的安装高度，屏蔽其左右两侧仿真车之间相互干扰。

在沙盘道路两端的环形弯道内侧设置有弯道匀速指示挡板，可被仿真车左侧的红外传感检测，使仿真车在弯道处匀速循迹行驶，此时，弯道上测距传感器的超声波探测不到前车，无法测量车间距。

仿真车组成至少两个车队，仿真车运行于沙盘道路上，仿真车的左右两侧设置有车载红外传感器，其中，设定仿真车右侧的车载红外传感器为左侧车载红外传感器，仿真车左侧的车载红外传感器为右侧车载红外传感器。车载红外传感器用于检测右转指示牌、站内停靠指示牌和匀速指示牌，仿真车根据车载红外传感器检测到的信号，切换行驶模式。

具体的，在本实施例中，设置3个车队，每个车队可以包括12-20 辆仿真车，按照仿真车在车队中的位置，将仿真车分为头车及成员车，并设定车队内的车间距为D_des，两个车队间的间距(前一个车队的尾车与后车队的头车)大于2D_des、且小于4D_des。仿真车选用成熟的可编程小车底盘即可，仿真车上设置有控制板，由后轮轮边电机驱动，轮边电机装有编码器进行电机转速测量，进而可推算出仿真车车速。仿真车由转向舵机驱动的转向连杆系统，实现前轮转向，转向舵机的转角与前轮转向角成正相关关系。

在仿真车左右相同的离地高度处，对称地背向安装两个红外传感器，并与仿真车上的控制板相连

进一步的，仿真车还包括：测距传感器和图像传感器；测距传感器设置于仿真车的正前方，测距传感器用于测量与前方仿真车之间的车间距；图像传感器设置于测距传感器的下方，且倾斜向下指向沙盘道路，图像传感器用于检测沙盘道路上的车道线。

具体的，在车头加装线性电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD) 作为图像传感器，CCD斜向下探测仿真车正前方一小段距离的路面，检测沙盘道路上的车道线。在CCD的上方安装超声波测距模块作为测距传感器，超声波测距模块朝向正前方，也可以根据实际需求略微上倾，用于探测与前方仿真车之间的距离，即车间距。

优选的，仿真车上还设置有无线通信模块，无线通信模块用于接收启停指令。

具体的，在仿真车控制板串口上加装wifi遥控模块，作为无线通信模块，该模块可接受遥控器的指令，并转化为串口信号传给仿真车控制板。一个遥控器可同时实现对多个wifi模块发送指令，实现对所有仿真车的一键启停控制。

实施例二：

本实施例中的仿真车，经加装传感器及扩展相应的算法后，具备纵向速度控制、跟车控制，横向主动转向控制、循迹(车道线)控制的功能。纵向速度控制功能下，仿真车以跟随预设速度为控制目标，不考虑车间距，仿真车速度由后轮轮边电机的编码器测得。跟车控制下，仿真车以保持预定车间距为目的，能自动调整速度，车间距由安装在车头的测距传感器测得。横向主动转向控制下，仿真车以跟随预设转向角为控制目标，由预设转向角求得仿真车中转向舵机的角度。循迹控制下，仿真车以跟随车道线为目标，自动调整转向舵机角度，进而调整前轮转向角，保证仿真车中轴线始终与车道线对齐。

因此，本实施例中，仿真车的运行模式分为跟车循迹模式、匀速循迹模式、匀速右转模式、强制停车模式和待机模式。跟车循迹模式下，仿真车的纵向速度根据车间距自动调整，横向转角由循迹控制调整。匀速循迹模式下，仿真车的纵向速度提前设定，横向转角由循迹控制调整。匀速右转模式下，仿真车的纵向速度横向转角都提前设定。强制停车模式下，仿真车的目标速度设置为0，横向转角由循迹控制调整。待机模式下，所有的传感器不工作、电机不工作，仿真车处于低能耗状态。

以下结合附图2至4，对本申请的实施例二进行说明。

本实施例提供一种智慧车列交通系统沙盘控制方法，适用于如上述实施例一种的智慧车列交通系统沙盘演示装置，该控制方法包括：

步骤1，上电后，根据接收到的启动指令，将仿真车的行驶状态由待机状态切换为跟车循迹模式，根据接收到的进站指令，当判定进站指令对应的车队中指定的仿真车到达路侧红外传感器时，控制舵机分别将右转指示牌和匀速指示牌由平倒状态转换为竖立状态；

具体的，仿真车通电后，默认进入低能耗待机模式，不断检测是否接收到启停指令，若接收到启动指令，则使能标志位(上电初始化为0) 置1，若接收到停止指令，则使能标志位置0。

当接收到无线传输的启动指令后，仿真车按照车队基准速度v开始运行，仿真车进入跟车循迹模式。在本实施例中，设定进站指令的指令形式为(p，q)，表示指定经过的第p(1、2或3)个车队的第q(1<q<10)辆仿真车进站。对仿真车的引导主要通过可升降的指示牌实现，当指示牌降下时，仿真车两侧的红外传感器无法探测到指示牌。

如图2所示，上电后匀速、右转指示牌都初始化为降下状态，车队记数np和仿真车位置记数nq分别初始化为0和1。进站指令(p，q)后，开始检测仿真车的车载红外传感器的检测状态，若连续两次检测到的上升沿时间间隔dt大于dt_m(dt_m＝1.8D_des/v)，则表明该时刻被红外传感检测到的车为头车，np＝np+1。当np＝p时，每检测到一个上升沿， nq＝nq+1。当nq＝q时，表明刚刚被红外传感器检测到的车为进站指令(p，q)指定的仿真车。此时，控制右转、匀速指示牌升起，并在t₄秒后，将两个指示牌降下，其中，t₄＝D_m1/v，保证在下一辆仿真车到达指示牌前，指示牌已经降下，避免让后一辆车也被误引导，同时，分别初始化车队记数np和仿真车位置记数nq为0和1。完成指令(p，q)的动作，继续等待下一个指令。

步骤2，根据读取周期，获取仿真车两侧的车载红外传感器的检测状态，根据检测状态，切换仿真车的行驶状态，其中，当车载红外传感器检测到指示牌时，检测状态由0变为1；

具体的，如图3所示，设定仿真车左右两侧的车载红外传感器依次标记为A1和A2，当其检测状态为1时，表示车载红外传感器检测到指示牌，为0，则未检测到指示牌，因此，可以用车载红外传感器A1和 A2的检测状态，标定仿真车的行驶状态。

进一步的，步骤2中，具体包括：

步骤21，当判定左侧车载红外传感器的检测状态为1，且右侧车载红外传感器的检测状态为0时，将仿真车的行驶状态切换为匀速循迹模式，且保持t₁秒后，将行驶状态由匀速循迹模式切换为跟车循迹模式；

步骤22，当判定左侧车载红外传感器的检测状态为0，且右侧车载红外传感器的检测状态为1时，将仿真车的行驶状态切换为匀速右转模式，控制仿真车右转，当判定完成右转时，将仿真车的行驶状态由匀速右转模式切换为匀速循迹模式；

步骤23，当判定左侧车载红外传感器的检测状态为1，且右侧车载红外传感器的检测状态为1时，将仿真车的行驶状态切换为强制停车模式，且保持t₂秒后，将行驶状态再次切换到匀速循迹模式，保持t₃秒后，将行驶状态再次切换到跟车循迹模式，其中，t₁、t₂、t₃满足如下关系式：

t₁＝t₂+2t₃

s_BDE＝2vt₃

s_CABF＝vt₁

式中，v为车队基准速度，s_BDE为进出站匝道的路程长度，s_CABF为预设匀速距离。

具体的，当使能标志位为1时，进一步检测仿真车左右两侧车载红外传感A1、A2的检测状态。

若A1＝0、A2＝0且仿真车当前处于待机状态，则仿真车切换到跟车循迹模式；

若A1＝0、A2＝0且仿真车当前处于非待机状态则仿真车保持当前状态；

若A1＝1、A2＝0，则仿真车切换到匀速循迹模式，t₁秒后自动切换到跟车循迹模式；

若A1＝0、A2＝1，则仿真车切换到匀速右转模式，完成强制转向动作后，在满足一定的切换条件后，仿真车进入匀速循迹模式；

若A1＝1、A2＝1，则仿真车进入强制停车模式，t₂秒后切换到匀速循迹模式，再过t₃秒后切换到跟车循迹模式，且在t₂+t₃时间内，仿真车不再根据A1、A2状态切换仿真车的运行模式，以避免仿真车启动离开站台时，A1、A2不同时变为0，造成误动作。

需要说明的是，在以上任意运行模式下，一旦检测到使能标志位为0，则仿真车切换到低能耗的待机状态。

也就是说，当匀速指示牌升起时，经过其旁边的仿真车左侧的红外传感器会探测到匀速指示牌，A1＝1，A2＝0，仿真车切换到匀速循迹模式；

当右转指示牌升起时，经过其旁边的仿真车右侧的红外传感器会探测到右转指示牌，A1＝0，A2＝1，仿真车切换到匀速右转模式。

更进一步的，步骤22中，具体包括：

当仿真车运行于匀速右转模式时，根据预设速度和预设转向角，控制仿真车进行转向，运行至匝道；

经过转向时间T后，判断转向条件是否成立，若成立，即完成右转，则说明CCD检测到了白色车道线，将仿真车的运行模式切换为匀速循迹模式，若否，仿真车仍根据预设转向角进行转向，其中，转向条件的判断公式为：

式中，Y_i为当前时刻i的动态阈值，β为预设系数，0.9<β<0.999，数组[c₁ c₂ …c₁₂₈]为图像传感器检测到的图像数据，ε为预设阈值， 0<ε<10。

当仿真车运行于匀速循迹模式时，根据预设速度，仿真车在匝道上行驶。

本实施例示出一种动态阈值的调整方法，具体包括：

根据仿真车的行驶状态，计算动态阈值Y_i，

当判定行驶状态为跟车循迹模式、匀速循迹模式和强制停车模式中的一种时，根据图像传感器检测到的图像数据和阈值计算方程，计算动态阈值Y_i，其中，阈值计算方程为：

式中，Y_i-1为前一时刻的动态阈值，

当判定行驶状态为匀速右转模式时，阈值计算方程为：

Y_i＝Y_i-1。

步骤3，根据仿真车当前的行驶状态，驱动仿真车行驶，其中，行驶状态包括跟车循迹模式、匀速循迹模式、匀速右转模式和强制停车模式。

进一步的，步骤3中，具体包括：

当判定仿真车运行于跟车循迹模式时，对测距传感器检测到的车间距进行滤波，并根据图像传感器检测到的图像数据，确定车道线，其中，第i时刻的车间距D_i的滤波公式为：

D_i＝γD_i-1+(1-γ)d_ave,i

式中，d_ave,i为最近十次距离测量值d_j中剔除最大值和最小值后的平均值，γ为遗忘系数，0<γ<1；

具体的，在本实施例中，采用超声波测距传感器检测相邻两辆仿真车之间的车间距，考虑到超声波测量车间距的精度较差，测量数据在真实值左右波动，因此，设置了双层距离滤波算法，对第i时刻的车间距D_i进行滤波。

第一层：第i时刻，假设测距传感器连续10次测得的数据分别为d_i-9、 d_i-8、…、d_i-1、d_i，计算剔除最大值和最小值后的平均值d_ave,i，计算公式为：

第二层，得到平均值d_ave,i后，对平均值d_ave,i进行滤波，对应的计算公式为：

D_i＝γD_i-1+(1-γ)d_ave,i。

根据滤波后的车间距和车道线，调整仿真车的行驶车速和行驶转向角。

更进一步的，图像传感器检测到的图像数据为一个包含128个数据的数组[c₁ c₂… c₁₂₈]，每个数据对应的是CCD探照到对应路面点的亮度。若CCD探测的是带有白色车道线的黑色道路，则[c₁ c₂ … c₁₂₈]中间连续存在一段较大的数值(对应白色车道线)，两边数值较小(对应车道线两侧的黑色道路)。可通过这个特征找到白色车道线中心在CCD探测区域的位置C_i。

本实施例示出一种确定车道线的方法，图像传感器检测到的图像数据为一个包含128个数据的数组[c₁ c₂ … c₁₂₈]，根据图像传感器检测到的图像数据，确定车道线的方法，具体包括：

根据动态阈值Y_i，在数组[c₁ c₂ … c₁₂₈]中顺序寻找左分界线c_k1，左分界线c_k1的前5个数据小于动态阈值Y_i、且后4个数据大于动态阈值Y_i；

根据动态阈值Y_i，在数组[c₁ c₂ … c₁₂₈]中逆序寻找右分界线c_k2，右分界线c_k2的前4个数据大于动态阈值Y_i、且后5个数据小于动态阈值Y_i；

根据左分界线c_k1和右分界线c_k2，计算车道线C_i，其中，车道线C_i的计算公式为：

根据车道线C_i，计算转向角a_i，转向角a_i的计算公式为：

a_i＝k_p2(C_i-64)+k_d2(C_i-C_i-1)，

式中，k_p1、k_d1为预设参数。

通过上述计算，a_i能保证C_i-64在0附近，即仿真车中线能够与车道线中线接近重合，实现循迹功能，即控制仿真车运行于跟车循迹模式。

之后，需要调整转向舵机的输入，使得仿真车响应给定的转向角a_i。由于舵机的角度控制精度较高，我们直接设计如下的控制率u_2,i：

u_2,i＝u_2,ini-Ka_i

式中，u_2,ini是使舵机转动90度的输入，为一个常数；K为横向转向角与舵机旋转角度(以舵机90度位置为基准)的比例系数。

进一步的，为了避免噪声对车载红外传感器的影响，提高仿真车行驶状态切换的可靠性，设定每间隔10ms读取一次车载红外传感器的状态信号，当判定连续获得5次状态信号的数值为1时，判定车载红外传感器的检测状态为1。

本实施例示出一种仿真车车速控制方法，适用于跟车循迹模式下的仿真车，对于头车(车队中的第一辆仿真车)，行驶车速v(D)定义如下：

式中，v为车队基准速度，保证了其能够与前一个车队的尾车保持大于2D_des的车间距。

对于成员车，行驶车速v(D)定义如下：

式中，D_m3<D_m2<D_m1<D_des<D_M1<D_M2，v_M>v>v_m>0。 D_des为设定的车间距。车间距在D_M1>D≥D_m1时对车速不作调整，允许车间距的微小误差，避免仿真车行驶车速在设定的车间距附近的发生抖动。随着车间距增大(减小)，车速平缓的上升(下降)到设定的v_M(v_m)。 D_m3为危险车距，因此，设置车间距小于D_m3时，车速为0。

之后，采用PID算法控制轮边电机的转速，假设仿真车后轮有效半径为r米，第i时刻由轮边电机的编码器测得的电机转速为n_i转每分钟，期望的仿真车车速为v_i米每秒，则第i时刻速度误差为：

e_i＝v_i-πrn_i/30。

为了跟随期望车速，第i时刻的控制量为：

式中，k_p1、k_i1、k_d1是PID参数，u_1,i是输入两个后轮轮边电机驱动器的PWM波占空比。在同样的负载条件下，PWM波占空比越大，电机转速越快。

如图4所示，单个站台、单辆仿真车右转进站的运行过程，假设该站台在前一个车队的尾车经过路侧红外传感器(A点)前，接收到(1,2) 进站指令。

图4(a)中，路侧红外传感器检测到头车后，在仿真车1到达A点时，满足进站指令(1,2)，控制右转、匀速指示牌升起，并在t₄秒后降下。

如图4(b)，在这段时间t₄内，由于A到B点距离很短，所以仿真车1能够运动到B点，从而检测到右转指示牌。仿真车3能够运动到C 点，从而检测到匀速指示牌。仿真车1切换到匀速右转模式，进入进出站匝道。仿真车3切换到匀速循迹模式，并保持t₁秒。

图4(c)仿真车1进入匝道后，仍然保持跟车循迹模式的仿真车2，检测到车间距增大，其速度增大，追赶头车，填补仿真车2进站留下的空位，仿真车3仍然处于匀速循迹模式，因此，仿真车2和仿真车3之间的间距逐渐增大。

图4(d)中，仿真车1到达D点后，由于站内停靠指示牌的引导，仿真车1会停车t₂秒后，切换到匀速循迹模式，并保持该模式t₃秒后，恢复跟车循迹模式，并到达E点。

图4(e)，仿真车1到达E点回到车队时，仿真车3也刚好到达F 点，并切换到跟车循迹模式。仿真车1进出站全过程完成。

设计参数需满足以下条件：

t₁＝t₂+2t₃

t₄＝D_m1/v

s_BDE＝2vt₃

s_CABF＝vt₁

s_BC＝zD_des，z＝2,3…

s_AB<D_m1

式中，s_BDE表示仿真车从B点出发经D点到达E点的位移，s_CABF表示仿真车从c点经过A、B到达F点的位移，s_BC表示仿真车在b、c两点间的位移，s_AB表示仿真车在A、B两点间的位移。

通过上述参数的设定，保证了仿真车1从B经过D达到E时，仿真车3能同时从C经过A、B到达F，也保证了进站仿真车后面一辆车到达右转指示牌位置，匀速仿真车后一辆车到达匀速指示牌时，两个指示牌都已经降下，避免对后车的误引导。

匀速仿真车和进站仿真车之间的仿真车数为z-1。当车队基准速度v、以及s_BDE，s_CABF确定后，t₁、t₂、t₃都可求。

通过设置本申请中的智慧车列交通系统沙盘演示装置以及控制方法，可以实现以下演示动作：

(1)沙盘道路具备主干道、多个专用站台及其配套进站、出站匝道。

(2)系统的所有仿真车可一键启停。

(3)无进站指令时，所有的仿真车(大于30辆)在主干道上保持车队行驶，能自动调整车间距，并保持一致的速度稳定行驶。

(4)控制仿真车从进出站匝道处，驶离车队进站，仿真车驶离车队后，车队中该仿真车后面的仿真车能及时加速填补驶离留出的空位，恢复车间距。

(5)进站仿真车能沿着进出站匝道驶入站台，并在站台位置短暂停留(模拟上下客时间)后，重新回到主干道，融入主干道上的车队。

(6)主干道上车队在站内仿真车汇入以前，需要及时调整好车间距，为站内仿真车空出两倍车间距的间距，同时，确保空出的间距和站内仿真车同时达到交汇处，保证站内仿真车汇入过程安全流畅。

(7)不同站台能自动随机地安排仿真车进站，能由用户手动设置起始站点和目的站点，也能自动指派仿真车到起始站点载客并“点到点”运送乘客到目的站点。

自动模式按照提前设定的仿真车进站规则，给对应的站台控制器发送进站指令，一种简单的设置方式为每隔30秒随机给一个站台发送(1， q)，其中，1<q<10。

手动模式下，用户可以选择始发站与目的站，根据用户的需求，自动给始发站指令(1，2)，让仿真车尽快进入始发站载客。当始发站找到 (1,2)对应的仿真车时，反馈仿真车进站的信号。在时间t₅后，发送指令(1,1+z)给目的站。假设始发站到目的站的位移为s_st，当t₅＝(s_st-5D_des)时，保证了检测到的第一个车队就是载客仿真车所在的车队(车队与车队间的间距小于4D_des)，另外，载客仿真车在始发站出站后，在车队中的序号由2变成1+z。所以，当t₅＝(s_st-5D_des)时，(1,1+z)就是始发站进站载客的仿真车，实现了始发站到目的站点到点接送乘客的演示。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种智慧车列交通系统沙盘演示装置及其控制方法，其中，该控制方法包括：步骤1，根据接收到的启动指令，将仿真车的行驶状态由待机状态切换为跟车循迹模式，根据接收到的进站指令，当判定进站指令对应的车队中指定的仿真车到达路侧红外传感器时，控制舵机分别将右转指示牌和匀速指示牌由平倒状态转换为竖立状态；步骤2，根据读取周期，获取仿真车两侧的车载红外传感器的检测状态，根据检测状态，切换仿真车的行驶状态；步骤3，根据仿真车当前的行驶状态，驱动仿真车行驶。通过本申请中的技术方案，实现智慧车列交通系统的演示，控制车列中仿真车跟车行驶、进出站以及融入车列，对智能交通系统进行初步验证以及推广宣传。

本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (10)

1.一种智慧车列交通系统沙盘演示装置，其特征在于，该演示装置包括：沙盘道路，仿真车；

所述沙盘道路设置有至少两条连通的、对称的主干道和多条进出站匝道，所述进出站匝道的两端连接于所述主干道，所述进出站匝道的入口处依次设置有路侧红外传感器和右转指示牌，所述进出站匝道的中间两侧设置有站内停靠指示牌，所述右转指示牌的对侧设置有匀速指示牌，所述右转指示牌和所述匀速指示牌连接有舵机，其中，当判定指定仿真车到达所述路侧红外传感器时，所述舵机分别将所述右转指示牌和所述匀速指示牌由平倒状态转换为竖立状态；

所述仿真车组成至少两个车队，所述仿真车运行于所述沙盘道路上，所述仿真车的左右两侧设置有车载红外传感器，所述车载红外传感器用于检测所述右转指示牌、所述站内停靠指示牌和所述匀速指示牌，所述仿真车根据所述车载红外传感器检测到的信号，切换行驶模式。

2.如权利要求1所述的智慧车列交通系统沙盘演示装置，其特征在于，

所述右转指示牌位于所述主干道的右侧，所述匀速指示牌位于所述主干道的左侧、且所述匀速指示牌相对于所述右转指示牌位于行驶方向的后方，所述右转指示牌和所述匀速指示牌在所述主干道上投影的间距为所述车队中相邻的两辆仿真车间车间距的整数倍，其中，倍数的取值为大于1的正整数。

3.如权利要求1所述的智慧车列交通系统沙盘演示装置，其特征在于，所述仿真车还包括：测距传感器和图像传感器；

所述测距传感器设置于所述仿真车的正前方，所述测距传感器用于测量与前方仿真车之间的车间距；

所述图像传感器设置于所述测距传感器的下方，且倾斜向下指向所述沙盘道路，所述图像传感器用于检测所述沙盘道路上的车道线。

4.一种智慧车列交通系统沙盘控制方法，适用于如权利要求1至3中任一项所述的智慧车列交通系统沙盘演示装置，其特征在于，该控制方法包括：

步骤1，上电后，根据接收到的启动指令，将所述仿真车的行驶状态由待机状态切换为跟车循迹模式，根据接收到的进站指令，当判定所述进站指令对应的车队中指定的仿真车到达所述路侧红外传感器时，控制舵机分别将所述右转指示牌和所述匀速指示牌由所述平倒状态转换为所述竖立状态；

步骤2，根据读取周期，获取仿真车两侧的车载红外传感器的检测状态，根据所述检测状态，切换所述仿真车的所述行驶状态，其中，当所述车载红外传感器检测到所述指示牌时，所述检测状态由0变为1；

步骤3，根据所述仿真车当前的所述行驶状态，驱动所述仿真车行驶，其中，所述行驶状态包括所述跟车循迹模式、匀速循迹模式、匀速右转模式和强制停车模式。

5.如权利要求4所述的智慧车列交通系统沙盘控制方法，其特征在于，步骤2中，具体包括：

步骤21，当判定左侧车载红外传感器的检测状态为1，且右侧车载红外传感器的检测状态为0时，将所述仿真车的所述行驶状态切换为所述匀速循迹模式，且保持t₁秒后，将所述行驶状态由所述匀速循迹模式切换为所述跟车循迹模式；

步骤22，当判定所述左侧车载红外传感器的检测状态为0，且所述右侧车载红外传感器的检测状态为1时，将所述仿真车的所述行驶状态切换为所述匀速右转模式，控制所述仿真车右转，当判定完成右转时，将所述仿真车的所述行驶状态由所述匀速右转模式切换为所述匀速循迹模式；

步骤23，当判定所述左侧车载红外传感器的检测状态为1，且所述右侧车载红外传感器的检测状态为1时，将所述仿真车的所述行驶状态切换为所述强制停车模式，且保持t₂秒后，将所述行驶状态再次切换到所述匀速循迹模式，保持t₃秒后，将所述行驶状态再次切换到所述跟车循迹模式，其中，t₁、t₂、t₃满足如下关系式：

t₁＝t₂+2t₃

S_BDE＝2vt₃

s_CABF＝vt₁

式中，v为车队基准速度，s_BDE为所述进出站匝道的路程长度，s_CABF为预设匀速距离。

6.如权利要求5所述的智慧车列交通系统沙盘控制方法，其特征在于，步骤22中，具体包括：

当所述仿真车运行于匀速右转模式时，根据预设速度和预设转向角，控制所述仿真车进行转向，运行至匝道；

经过转向时间T后，判断转向条件是否成立，若成立，即完成右转，将所述仿真车的运行模式切换为所述匀速循迹模式，若否，所述仿真车仍根据所述预设转向角进行转向，其中，所述转向条件的判断公式为：

式中，Y_i为当前时刻i的动态阈值，β为预设系数，0.9＜β＜0.999，数组[c₁ c₂...c₁₂₈]为所述仿真车上的图像传感器检测到的图像数据，ε为预设阈值，0＜ε＜10。

7.如权利要求6所述的智慧车列交通系统沙盘控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

根据所述仿真车的所述行驶状态，计算所述动态阈值Y_i，

当判定所述行驶状态为跟车循迹模式、匀速循迹模式和强制停车模式中的一种时，根据所述图像数据和阈值计算方程，计算所述动态阈值Y_i，其中，阈值计算方程为：

式中，Y_i-1为前一时刻的动态阈值，

当判定所述行驶状态为匀速右转模式时，阈值计算方程为：

Y_i＝Y_i-1。

8.如权利要求6所述的智慧车列交通系统沙盘控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

当判定所述仿真车运行于所述跟车循迹模式时，对所述仿真车上的测距传感器检测到的车间距进行滤波，并根据所述图像数据，确定车道线，其中，第i时刻的所述车间距D_i的滤波公式为：

D_i＝γD_i-1+(1-γ)d_ave，i

式中，d_ave，i为最近十次距离测量值d_j中剔除最大值和最小值后的平均值，γ为遗忘系数，0＜γ＜1；

根据滤波后的车间距和所述车道线，调整所述仿真车的行驶车速和行驶转向角。

9.如权利要求8所述的智慧车列交通系统沙盘控制方法，其特征在于，所述图像数据为一个包含128个数据的数组[c₁ c₂...c₁₂₈]，根据所述图像数据，确定车道线，具体包括：

根据所述动态阈值Y_i，在所述数组[c₁ c₂...c₁₂₈]中顺序寻找左分界线c_k1，所述左分界线c_k1的前5个数据小于所述动态阈值Y_i、且后4个数据大于所述动态阈值Y_i；

根据所述动态阈值Y_i，在所述数组[c₁ c₂...c₁₂₈]中逆序寻找右分界线c_k2，所述右分界线c_k2的前4个数据大于所述动态阈值Y_i、且后5个数据小于所述动态阈值Y_i；

根据所述左分界线c_k1和所述右分界线c_k2，计算所述车道线C_i，其中，所述车道线C_i的计算公式为：

10.如权利要求4至9任一项所述的智慧车列交通系统沙盘控制方法，其特征在于，步骤2中，具体包括：

每间隔10ms读取一次所述车载红外传感器的状态信号，当判定连续获得5次所述状态信号的数值为1时，判定所述车载红外传感器的所述检测状态为1。

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