CN111127883B - 考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算方法与系统，激光扫描单元对路表进行扫描，获取路表纹理，对各种载重和轮胎花纹的车辆进行受力模拟，更新轮胎与路面接触关系及相应的刹车距离；无线通信单元获取来向车辆的车型、载重和轮胎信息，检索预存的轮胎与路面接触关系，以选取最佳匹配数据，给出相应的刹车距离；抗滑预测单元获取道路表面环境参数，对所得的预测刹车距离进行修正；对校正后的刹车距离进行换算，获得适合该来向车辆的安全行驶速度；警示提醒单元提供建议安全行驶速度。本系统实现了车‑路的相互通讯，实时获取来向车辆信息，并将道路表面情况播报至来向车辆，保障了车辆行驶过程中的安全。

Description

考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算方法与系统
技术领域
本发明属于道路交通领域，具体涉及一种考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算方法与系统。
背景技术
交通安全问题历来是世界各国共同面对的难题，道路交通事故大多与路面抗滑能力下降有关。由于路表纹理直接决定了车辆的抗滑性能，因此决定了安全行驶车速与安全距离。而既有沥青路面经受了长期各种荷载作用及自然环境的影响，存在材料退化、纹理衰退等问题，因此有必要建立实时的路面抗滑性能监测系统，为车辆提供安全的操作参数。
随着智能汽车和无人驾驶技术的不断发展和研究的不断深入，车-路的相互通信得到了越来越多的关注，当前，尽管百度、清华、谷歌、特斯拉和丰田等厂商已经开始针对无人驾驶汽车进行研制，但是尚无能够实时准确监测道路表面情况并反馈给汽车的安全行驶控制方法与系统，阻碍了车和路之间的信息交互。
发明内容
针对现有技术实时准确监测道路表面情况比较困难的问题，本发明的目的是提供一种考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算方法与系统，以增强智能车辆与路面信息的交互，为后续无人驾驶车辆的安全制动提供实时、有效的路表安全操作参数，有助于无人驾驶技术在现有道路中的应用与推广。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算系统，包括电源单元、警示提醒单元、激光扫描单元、抗滑预测单元和无线通信单元；
所述激光扫描单元，用于对路表进行扫描，获取路表纹理，对各种载重和轮胎花纹的车辆进行受力模拟，更新轮胎与路面接触关系与相应的刹车距离；
所述无线通信单元，用于获取来向车辆的车型、载重和轮胎信息，获取轮胎与路面接触关系，以选取最佳匹配数据，给出相应的刹车距离；
所述抗滑预测单元，用于获取道路表面环境参数，对所得的预测刹车距离进行修正；对校正后的刹车距离进行换算，获得适合该来向车辆的安全行驶速度；
所述警示提醒单元，用于车辆提供建议安全行驶速度；
所述电源单元，用于为警示提醒单元、激光扫描单元、抗滑预测单元和无线通信单元提供电能。
可选的，所述电源单元包括变压器、发电装置和蓄电箱，所述发电装置和变压器均与蓄电箱连接。
可选的，所述发电装置为太阳能光伏板、温差发电装置和压力发电装置；
所述压力发电装置位于行车道轮迹带下，温差发电装置位于道路两侧，太阳能光伏板位于道路上方两侧。
可选的，所述温差发电装置包括导热板和温差发电片，导热板和温差发电片设置于道路两侧沥青面层中部，导热板将路表面的高温与路基土的低温分别传送至温差发电片的两端发电；
所述压力发电装置包括封装材料和压电陶瓷片，设置于行车道轮迹带下，封装材料包覆在压电陶瓷片外部，压电陶瓷片在上部荷载的作用下，产生变形发电。
可选的，所述警示提醒单元包括防风防撞支架、警示灯、反光条和限速LED警示屏；所述防风防撞支架支撑在路肩上方，警示灯和反光条等间隔均匀布置于风防撞支架上；所述限速LED警示屏位于横梁上方中部用于对抗滑预测单元得到的来向车辆的安全行驶速度进行播报。
可选的，所述激光扫描单元包括激光器、第一相机、第二相机、计算机、悬臂与横梁；所述激光器安装于横梁中部；所述第一相机与第二相机分别位于悬臂两端；
所述激光扫描单元对路表进行扫描，激光器发射红外激光，第一相机和第二相机接收反射回的红外激光，将数据传回计算机，获取路表纹理，利用计算机预置有限元程序对各种载重和轮胎花纹的车辆进行受力模拟，更新系统存储的轮胎-路面接触关系与相应的刹车距离。
可选的，所述抗滑预测单元包括红外线温枪、路表水膜厚度测量仪、风向风速仪、路表积雪厚度测量仪、路表结冰厚度测量仪、近路表湿度传感器及能见度测量仪；所述红外线温枪、路表水膜厚度测量仪、路表积雪厚度测量仪、路表结冰厚度测量仪和近路表湿度传感器位于防风防撞支架内测；所述风向风速仪和能见度测量仪分别位于横梁两端；
红外线温枪、路表水膜厚度测量仪、风向风速仪、路表积雪厚度测量仪、路表结冰厚度测量仪和近路表湿度传感器获取道路表面环境参数，并将环境参数传送至计算机处理。
可选的，所述的抗滑预测单元还包括有限元轮胎-路面接触模块、刹车距离预测模块和环境响应模块；
所述有限元轮胎-路面接触模块通过计算机对车辆轮胎和扫描所得的纹理进行模拟接触，获得接触应力的分布情况，即轮胎-路面接触关系；
所述的刹车距离预测模块利用预先存储的轮胎-路面接触关系与刹车距离回归曲线，对车辆的刹车距离进行预测，并根据路表的温度、湿度、水膜厚度、积雪厚度和结冰厚度对所预测的刹车距离进行修正，获得实时刹车距离预测结果；
所述的环境响应模块根据车辆距离、路面宽度、转弯半径以及能见度条件，以刹车距离为基础反算适合车辆的安全速度。
可选的，所述的无线通信单元，还用于将抗滑预测单元得到的来向车辆的安全行驶速度发送至车辆智能操作系统。
一种考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算方法，包括以下步骤：
对路表进行扫描，获取路表纹理，对各种载重和轮胎花纹的车辆进行受力模拟，更新轮胎与路面接触关系与相应的刹车距离；
获取来向车辆的车型、载重和轮胎信息，获取轮胎与路面接触关系，以选取最佳匹配数据，给出相应的刹车距离；
获取道路表面环境参数，对所得的预测刹车距离进行修正；对校正后的刹车距离进行换算，获得适合该来向车辆的安全行驶速度；
对车辆提供建议安全行驶速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明控制系统，包括电源单元、警示提醒单元、激光扫描单元、抗滑预测单元和无线通信单元；激光扫描单元通过红外激光获取道路表面纹理形貌，于抗滑预测单元中利用有限元模拟分析轮胎-路面接触关系，预测刹车距离；获取来向车辆车型、荷载和轮胎花纹等信息后考虑温度、湿度、风速、水膜厚度、积雪厚度和结冰厚度等因素对刹车距离进行修正，结合系统预置的地图信息（路面宽度、转弯半径和前方道路信息等），为车辆提供合适的安全行驶速度，利用限速LED警示屏和无线通信单元将该速度反馈给来向车辆驾驶员或智能行驶系统。本发明采用高精度三维扫描和有限元轮胎-路面接触模拟，提高了预测结果的准确性；主要计算工作由计算机预置程序完成，操作简便、计算高效、结果可靠；本系统实现了车-路的相互通讯，实时获取来向车辆信息，并将道路表面情况播报至来向车辆，保障了车辆行驶过程中的安全，有利于智能驾驶车辆的推广。具体优点如下：
（1）本发明突破了道路-车辆交互领域的固有思维，为道路赋予交互能力，将有助于后期智能驾驶车辆的发展和推广。
（2）本发明的多重电源单元保证了监测装置的可靠性，其不仅能够在市区内使用，同样适用于高速公路或供电不便地区，尤其适用于公路匝道口、隧道进出口、弯道处、高位路段、桥梁段和团雾多发易发路段。
（3）本发明的激光扫描单元能够获取高精度的路面纹理，且能够实时自动更新路面纹理情况，无需人工干预，使用方便，操作便捷，简单高效。
（4）本发明的抗滑预测单元，采用了有限元受力模拟，能够精确地给出轮胎-路面接触关系结果。另外，刹车距离数据库的建立将使本发明更好地适用于各种类型车辆；其次，人工定期对数据库进行补充和完善，保证了本发明刹车距离预测的可靠性；再者，考虑了路表温度、湿度、水膜厚度、积雪厚度和结冰厚度等条件对，保证了本发明刹车距离预测的准确性。更加重要的是，环境响应模块针对实际情况将刹车距离换算成安全速度，有利于驾驶员或驾驶单元直观、快速地获取信息，提高了交互效率。
（5）本发明的无线通信单元采用但不局限于单一通讯方式，确保无人驾驶车辆发展初期阶段；针对人工驾驶的车辆，采用限速LED警示屏播报安全速度，实现了所有车辆的全面覆盖。
附图说明
图1是本发明整体组成及使用流程示意图。
图2是本发明整体结构示意图。
图3是电源单元中温差发电模块和压力发电模块示意图。
图4是激光扫描单元示意图。
附图中各标号的含义：1-电源单元，2-警示提醒单元，3-激光扫描单元，4-抗滑预测单元，5-无线通信单元；
11-变压器，12-太阳能光伏板，13-温差发电装置，14-压力发电装置，15-蓄电箱；
131-导热板；132-温差发电片，141-封装材料，142-压电陶瓷片；
21-防风防撞支架，22-警示灯，23-反光条，24-限速LED警示牌；
31-激光器，32-第一相机，33-第二相机，34-计算机，35-悬臂。36-横梁；
41-红外线温枪，42-路表水膜厚度测量仪，43-风向风速仪，44-路表积雪厚度测量仪，45-路表结冰厚度测量仪，46-近路表湿度传感器，47-能见度测量仪。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在下述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。
如图1和图2所示，本发明公开了一种考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算方法与单元，包括电源单元、警示提醒单元、激光扫描单元、抗滑预测单元、无线通信单元；
电源单元1包括变压器11，太阳能光伏板12，温差发电装置13，压力发电装置14，蓄电箱15。电源单元1为系统中的元件供电。所述的传统市电模块采用路灯专用变压器对城市区域路灯进行供电；所述的太阳能模块采用太阳能光伏板进行发电，所得电能通过蓄电箱进行储存；所述的温差发电模块采用温差发电片结合导热板，利用黑色沥青路面的高温与路侧地下水管或地底土壤的低温之差进行发电，所得电能通过蓄电箱进行储存；所述的压力发电模块采用压电陶瓷，利用车辆荷载使其变形进行发电，所得电能通过蓄电箱进行储存。
警示提醒单元2包括防风防撞支架21，警示灯22，反光条23，限速LED警示牌24，其中防风防撞支架21安置于结构两侧，有利于支架稳定；反光条23布置于整个框架，警示灯22等距布置于框架上，限速LED警示屏24安置于横梁36上。所述的防风防撞支架设置于道路两侧，为整套设施提供支撑与防护；所述反光警示标识采用LED警示灯与反光条组成，用于夜间显示设施的整体框架并警示车辆；所述的限速LED警示屏采用LED屏幕，为未装载无线通信设备的车辆提供安全建议车速。
激光扫描单元3包括激光器31，第一相机32，第二相机33，计算机34，悬臂35，横梁36，其中激光器31位于横梁36中部下方，第一相机32与第二相机33分别安置于悬臂35末端，其中悬臂35可转动；变压器12、蓄电箱15和计算机34共同安置于防风防撞支架21旁的保护箱内。所述激光器安装于框架横梁中部，用于发生红外激光对路表纹理进行扫描；所述相机1与相机2通过接收反射回的红外激光对路表纹理进行识别；所述计算机将所述相机获得的路表纹理进行处理，最终获得道路的三维表面形貌。
抗滑预测单元4包括红外线温枪41，路表水膜厚度测量仪42，风向风速仪43，路表积雪厚度测量仪44，路表结冰厚度测量仪45，近路表湿度传感器46，能见度测量仪47；其中红外线温枪41、路表水膜厚度测量仪42、路表积雪厚度测量仪44、路表结冰厚度测量仪45和近路表湿度传感器46安置于框架内侧，风向风速仪43和能见度测量仪47分别位于框架外侧顶端。所述的抗滑预测单元包括有限元轮胎-路面接触模块、刹车距离预测模块和环境响应模块；所述的有限元轮胎-路面接触模块通过所述计算机对车辆轮胎和扫描所得的纹理进行模拟接触，获得接触应力的分布情况，即轮胎-路面接触关系；所述的刹车距离预测模块利用预先存储的轮胎-路面接触关系与刹车距离回归曲线，对车辆的刹车距离进行预测，并根据路表的温度、湿度、水膜厚度、积雪厚度和结冰厚度对所预测的刹车距离进行修正，获得实时刹车距离预测结果；所述的环境响应模块根据车辆距离、路面宽度、转弯半径以及能见度条件，以刹车距离为基础反算适合车辆的安全速度。
无线通信单元5安置于横梁36中部，且位于限速LED警示屏24下方。无线通信单元，通过常用的智能车辆无线通信方法，如C-V2X、LiFi等，将该安全车速广播至来向车辆。
如图3所示，在本发明的一个实施方式中，温差发电装置13由导热板131和温差发电片132组成，导热板131能够将路表面的高温与路基土的低温分别传送至温差发电片132的两端，将温度差转换为电动势差进行发电；其中压力发电装置14由封装材料141和压电陶瓷片142组成，封装材料141起到组合和保护压电陶瓷片142的作用，保证压力发电装置14在一定的变形程度内不受破坏，压电陶瓷片142在上部荷载的作用下，产生变形，从而发电；温差发电装置13和压力发电装置14均布置在路道面层中部。
如图4所示，在本发明的一个实施方式中，其中激光器31位于横梁36中部下方，第一相机32与第二相机33分别安置于悬臂35末端，其中悬臂35可转动。
以下对本发明的装置的使用和运行过程进行说明：
首先，整套系统通过电源单元1进行供电，在市电覆盖范围内，采用市电经变压器11转换后进行供电；在市电覆盖范围之外，利用太阳能光伏板12、温差发电装置13和压力发电装置14进行发电，将所获得的电能储存与蓄电箱15，然后对系统进行供电，如计算机34、激光器31、第一相机（32）、第二相机（33）、警示灯22、限速LED警示屏、红外线温枪41、路表水膜厚度测量仪42、风向风速仪43、路表积雪厚度测量仪44、路表结冰厚度测量仪45、近路表湿度传感器46和能见度测量仪47。
在夜间系统运行过程中，激光扫描单元3于夜间对路表进行扫描，一方面，夜间能够避免阳光的强光干扰，另一方面，夜间车流量较少，能够避免车辆对扫描过程中的干扰。横梁36中部下放的激光器31发射红外激光，位于悬臂35顶端的第一相机32和第二相机33接收反射回的红外激光，将数据传回计算机34，获取路表纹理。另外，由于路表纹理变化较为缓慢，路表纹理扫描可视蓄电箱电量情况选择扫描时间间隔。在获得路表纹理之后，利用计算机34预置有限元程序对各种载重和轮胎花纹的车辆进行受力模拟，更新系统存储的轮胎-路面接触关系与相应的刹车距离。
在日间系统运行过程中，无线通信单元5获取来向车辆的车型、载重和轮胎信息，搜索系统中预存的轮胎-路面接触关系，以选取最佳匹配数据，给出相应的刹车距离；利用红外线温枪41、路表水膜厚度测量仪42、风向风速仪43、路表积雪厚度测量仪44、路表结冰厚度测量仪45和近路表湿度传感器46获取道路表面的温度、湿度、风速、水膜厚度、积雪厚度和结冰厚度，根据预设的校正程序对所得的预测刹车距离进行修正；利用能见度测量仪47和系统内置的地图信息（路面宽度、转弯半径和前方道路信息等），对校正后的刹车距离进行换算，获得适合该来向车辆的安全行驶速度。一方面，利用限速LED警示屏对该速度进行播报；另一方面，并利用无线通信单元5，如蓝牙、NFC和C-V2X等方式，将该安全行驶速度发送至车辆智能操作系统。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明结论的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算系统，其特征在于，包括电源单元（1）、警示提醒单元（2）、激光扫描单元（3）、抗滑预测单元（4）和无线通信单元（5）；
所述激光扫描单元（3），用于对路表进行扫描，获取路表纹理，对各种载重和轮胎花纹的车辆进行受力模拟，更新轮胎与路面接触关系与相应的刹车距离；
所述无线通信单元（5），用于获取来向车辆的车型、载重和轮胎信息，获取轮胎与路面接触关系，以选取最佳匹配数据，给出相应的刹车距离；
所述抗滑预测单元（4），用于获取道路表面环境参数，对所得的预测刹车距离进行修正；对校正后的刹车距离进行换算，获得适合该来向车辆的安全行驶速度；
所述警示提醒单元（2），用于车辆提供建议安全行驶速度；
所述电源单元（1），用于为警示提醒单元（2）、激光扫描单元（3）、抗滑预测单元（4）和无线通信单元（5）提供电能；
所述的抗滑预测单元还包括有限元轮胎-路面接触模块、刹车距离预测模块和环境响应模块；
所述有限元轮胎-路面接触模块通过计算机对车辆轮胎和扫描所得的纹理进行模拟接触，获得接触应力的分布情况，即轮胎-路面接触关系；
所述的刹车距离预测模块利用预先存储的轮胎-路面接触关系与刹车距离回归曲线，对车辆的刹车距离进行预测，并根据路表的温度、湿度、水膜厚度、积雪厚度和结冰厚度对所预测的刹车距离进行修正，获得实时刹车距离预测结果；
所述的环境响应模块根据车辆距离、路面宽度、转弯半径以及能见度条件，以刹车距离为基础反算适合车辆的安全速度。
2.根据权利要求1所述的考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算系统，其特征在于，所述电源单元（1）包括变压器（11）、发电装置和蓄电箱（15），所述发电装置和变压器（11）均与蓄电箱（15）连接。
3.根据权利要求2所述的考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算系统，其特征在于，所述发电装置为太阳能光伏板（12）、温差发电装置（13）和压力发电装置（14）；
所述压力发电装置（14）位于行车道轮迹带下，温差发电装置（13）位于道路两侧，太阳能光伏板（12）位于道路上方两侧。
4.根据权利要求3所述的考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算系统，其特征在于，所述温差发电装置（13）包括导热板（131）和温差发电片（132），导热板（131）和温差发电片（132）设置于道路两侧沥青面层中部，导热板（131）将路表面的高温与路基土的低温分别传送至温差发电片（132）的两端发电；
所述压力发电装置（14）包括封装材料（141）和压电陶瓷片（142），设置于行车道轮迹带下，封装材料（141）包覆在压电陶瓷片（142）外部，压电陶瓷片（142）在上部荷载的作用下，产生变形发电。
5.根据权利要求1所述的考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算系统，其特征在于，所述警示提醒单元（2）包括防风防撞支架（21）、警示灯（22）、反光条（23）和限速LED警示屏（24）；所述防风防撞支架（21）支撑在路肩上方，警示灯（22）和反光条（23）等间隔均匀布置于风防撞支架（21）上；所述限速LED警示屏（24）位于横梁（36）上方中部用于对抗滑预测单元（4）得到的来向车辆的安全行驶速度进行播报。
6.根据权利要求1所述的考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算系统，其特征在于，所述激光扫描单元（3）包括激光器（31）、第一相机（32）、第二相机（33）、计算机（34）、悬臂（35）与横梁（36）；所述激光器（31）安装于横梁（36）中部；所述第一相机（32）与第二相机（33）分别位于悬臂（35）两端；
所述激光扫描单元（3）对路表进行扫描，激光器（31）发射红外激光，第一相机（32）和第二相机（33）接收反射回的红外激光，将数据传回计算机（34），获取路表纹理，利用计算机（34）预置有限元程序对各种载重和轮胎花纹的车辆进行受力模拟，更新系统存储的轮胎-路面接触关系与相应的刹车距离。
7.根据权利要求1所述的考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算系统，其特征在于，所述抗滑预测单元（4）包括红外线温枪（41）、路表水膜厚度测量仪（42）、风向风速仪（43）、路表积雪厚度测量仪（44）、路表结冰厚度测量仪（45）、近路表湿度传感器（46）及能见度测量仪（47）；所述红外线温枪（41）、路表水膜厚度测量仪（42）、路表积雪厚度测量仪（44）、路表结冰厚度测量仪（45）和近路表湿度传感器（46）位于防风防撞支架（21）内测；所述风向风速仪（43）和能见度测量仪（47）分别位于横梁（36）两端；
红外线温枪（41）、路表水膜厚度测量仪（42）、风向风速仪（43）、路表积雪厚度测量仪（44）、路表结冰厚度测量仪（45）和近路表湿度传感器（46）获取道路表面环境参数，并将环境参数传送至计算机（34）处理。
8.根据权利要求1所述的考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算系统，其特征在于，所述的无线通信单元（5），还用于将抗滑预测单元（4）得到的来向车辆的安全行驶速度发送至车辆智能操作系统。
9.权利要求1至8任一项所述的考虑路表状态的智能车辆安全行驶速度的测算系统的测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
对路表进行扫描，获取路表纹理，对各种载重和轮胎花纹的车辆进行受力模拟，更新轮胎与路面接触关系与相应的刹车距离；
获取来向车辆的车型、载重和轮胎信息，获取轮胎与路面接触关系，以选取最佳匹配数据，给出相应的刹车距离；
获取道路表面环境参数，对所得的预测刹车距离进行修正；对校正后的刹车距离进行换算，获得适合该来向车辆的安全行驶速度；
对车辆提供建议安全行驶速度。
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