CN112991797B - 一种基于窄波束的无线导轨系统和控制车辆行驶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于窄波束的无线导轨系统，包括无线导轨、超级基站、控制中心，其中，所述无线导轨由部署于全路段的通信节点组成，用于接收所述控制中心规划的车辆行驶路线以及引导和控制车辆行驶；所述通信节点安装窄波束发送和接收装置，用于获取车辆位置信息以及生成与车辆规划路线一致的窄波束；所述超级基站通过光纤与所有所述通信节点相连，所述通信节点之间通过超级基站高速通信，实现信息共享；所述控制中心用于规划车辆行驶路线，并将所述车辆行驶路线通过超级基站发送至所述无线通信节点。本发明还提供上述系统的控制车辆行驶的方法。

Description

一种基于窄波束的无线导轨系统和控制车辆行驶的方法

技术领域

本发明涉及无人驾驶领域，特别涉及一种基于窄波束的无线导轨系统和控制车辆行驶的方法。

背景技术

现有的无人驾驶技术主要是通过车载的图像识别系统、传感系统、控制系统等装置，使汽车具备交通环境感知能力，能自主分析汽车的行驶状态，继而智能规划行车路线，控制车辆到达预定目的地，最终实现无人驾驶。

现有无人驾驶技术存在的问题是，其主要针对车辆个体层面，依赖于车载道路识别与环境感知系统，在车辆行驶过程中，需要对周边复杂多变的道路环境进行实时感知，要求车载设备具有较强的计算能力，因此成本较高，推广难度较大。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，提供一种基于窄波束的无线导轨系统，包括无线导轨、超级基站、控制中心，其中，

所述无线导轨由部署于道路中的通信节点组成，用于接收所述控制中心规划的车辆行驶路线以及引导和控制车辆行驶；所述通信节点包括窄波束发送装置以及窄波束接收装置，用于获取车辆位置信息以及生成与车辆规划路线一致的窄波束；

所述超级基站与所述通信节点相连，所述通信节点之间通过超级基站通信；

所述控制中心用于规划车辆行驶路线，并将所述车辆行驶路线通过超级基站发送至所述无线通信节点。

优选的，所述通信节点还包括应答器，所述应答器用于通过电磁感应方式获取车辆位置信息。

优选的，所述窄波束发送装置用于发送激光或毫米波。

本发明还提供一种基于上述系统的车辆定位方法，包括：

步骤K1，基于车辆附近的通信节点采用窄波束进行定位，所述通信节点通过窄波束探测车辆的距离，探测结果包括通信节点的唯一标识符、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离；

步骤K2，基于通信节点的应答器获取车辆位置信息；

步骤K3，根据步骤K2所获得的车辆位置信息对步骤K1获得的车辆位置信息进行校准。

优选的，所述通信节点根据自身与车辆的距离以及车辆与车道轴线上的窄波束之间的横向偏移获得车辆的位置信息，并将车辆位置信息通过通信节点发送到车辆。

优选的，所述步骤K1中，所述通信节点将探测结果通过超级基站上送到控制中心，所述位置信息包括时间和坐标。

本发明还提供一种基于上述系统控制车辆行驶的方法，包括：

步骤R1，所述控制中心根据车辆的目的地、抵达时间、车型、路况、天气、与其它车辆的间距、中途停车等参数信息为车辆规划行驶路线；所述行驶路线包括参考时间点以及车辆在对应所述参考时间点应到达的参考位置信息；所述控制中心将所述行驶路线发送到无线虚拟导轨的通信节点；

步骤R2，当车辆途径通信节点时，部署于车道中部的通信节点通过窄波束发射和接收装置生成与车辆规划路径一致的窄波束；

步骤R3，车辆基于自身安装的窄波束检测装置，实时检测窄波束方向，沿窄波束指定的方向行驶。

优选的，上述控制车辆行驶的方法还包括：

步骤R4，部署于车道两侧的通信节点生成窄波束，构成导轨边界；车辆基于车身两侧安装的窄波束检测装置，实时比对车身与导轨边界的横向距离，控制方向和车速，使车辆行驶在允许的误差范围内。

优选的，上述控制车辆行驶的方法还包括：

步骤R5，通信节点基于车辆的精确定位和车辆的规划路径，比较车辆实际轨迹与规划路径之间的差距。

优选的，当所述差距超出了误差允许范围，通信节点向车辆传达行驶调整指令，控制车辆回归规划路径。

本发明具有如下特点和有益效果：本发明所提出的基于窄波束的无线导轨系统，基于全路段覆盖的通信节点，生成由窄波束构成的无线导轨，实现了对车辆的实时精准定位和边界控制。

附图说明

图1示出了本发明一个实施例中在道路上部署通信节点。

图2示出了本发明一个实施例中通信节点通过应答器将坐标传送到车辆。

图3示出了本发明一个实施例中车辆上安装的通信装置和窄波束检测装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明加以说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

发明人在进行无人驾驶领域的研究时，发现现有无人驾驶技术主要是改造智能汽车，依赖于车载道路识别与环境感知系统，要求车载设备具有高灵敏度、强实时性、强计算能力，成本较高，推广难度较大。

发明人改换思路，考虑在车辆之外提出解决方案，通过改造基础设施，基于全路段覆盖的通信节点，利用无线通信技术生成无线导轨，对车辆进行实时精准定位，并控制车辆沿导轨行驶。由于窄波束波长很短、波束角较窄、频率很高、穿透性好，具有极宽的带宽和较好的目标识别能力与成像质量，发明人考虑采用窄波束技术生成无线导轨。目前常用的、具有窄波束性质的波包括毫米波、激光。

根据本发明的一个实施例，提供一种无线导轨系统，包括三个组成部分：无线导轨，超级基站，控制中心。

无线导轨由覆盖全路段的通信节点组成，根据本发明的一个实施例，如图1所示，多个通信节点101以一定的拓扑规则铺设在公路100上，在公路的每条车道的轴线和两边部署通信节点，通信节点的沿道路方向的间距为10～100米。每个通信节点的位置坐标和通信半径在铺设后可精确测定，可达到厘米级精度，将其保存在通信节点自身和控制中心。

通信节点包括窄波束发射和接收装置、无线通信模块、光通信模块以及应答器。其中，窄波束发射和接收装置用于发射和接收窄波束，通信节点可通过窄波束探测车辆与自身的距离。通信节点可通过无线通信模块与行驶车辆进行无线通信，所述无线通信模块包括但不限于4G、5G、Wifi、蓝牙、Zigbee。通信节点通过光纤与超级基站连接，通过光通信模块与超级基站进行通信，可将所探测到的车辆的行驶信息上送到超级基站。通信节点上送超级基站的信息中包括通信节点的唯一标识符、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离。位置相邻的通信节点间可相互进行无线通信，可共享对车辆的定位信息。通信节点相互间共享的信息也包括通信节点的唯一标识符、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离。通信节点可与行驶车辆进行无线通信。通信节点与车辆的通信信息中包括通信节点的唯一标识符、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离。通信节点还向车辆传送控制中心通过超级基站传送的车辆行驶路线和车辆控制指令。另外，如图2所示，通信节点101上还有应答器104，当车辆102与通信节点101距离很近时，可以通过电磁感应方法和车辆101上的查询器103交互，将通信节点的精确坐标传输给车辆。应答器的技术原理可参考公交卡、列车应答器。由于该方法要求车辆和通信节点间要离得非常近，因此只有当车辆正好行驶到通信节点上方时，车辆才能得到通信节点通过应答器传输过来的精准定位结果。根据本发明的一个实施例，车辆与地面上的通信节点的垂直距离为10cm～50cm。

超级基站通过光纤与通信节点相连，使得通信节点间可以通过超级基站高速通信，实现信息共享。超级基站还与控制中心相连，可将控制中心规划并下发的车辆行驶路线通过通信节点发送到车辆。可以理解的是，为了保证系统的正确运行，超级基站还为全部通信节点进行对时。

控制中心规划车辆的行驶路线，并传达给超级基站，超级基站再告知车辆附近的通信节点，最终由通信节点通知车辆。控制中心还接收通信节点通过超级基站上送的车辆的实时位置，并判定车辆是否按照规划的路线行驶，进而调整车辆的规划路线，并将新的规划路线通过超级基站和通信节点下发到车辆。

在本发明中，如图3所示，车辆上安装有窄波束检测装置和通信装置。其中，窄波束检测装置用于检测通信节点发出的窄波束，并测出自身和车道轴线上的窄波束之间的横向偏移；车辆上的通信装置用于与通信节点通信。

本发明提供一种通过上述无线导轨系统进行车辆定位的方法，包括：

步骤K1，利用窄波束进行车辆定位。根据本发明的一个实施例，如图1所示，通信节点通过窄波束探测车辆的距离，通信节点101发射并接收窄波束信号，窄波束在触碰到车辆时，会发生一部分反射，通信节点接收到反射过来的窄波束，并利用信号发射与接收的时间差，即可测出节点和车辆间的距离。车辆通过自身装备的窄波束检测装置，可以测出自身和车道轴线上的窄波束之间的横向偏移，并传给通信节点，通信节点基于距离和横向偏移，计算车辆102的位置。根据本发明的一个实施例，在窄波束中包含信号强度、警戒信息，发射时间等信息。通信节点将探测结果通过超级基站上送到控制中心，探测结果包括通信节点的唯一标识符、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离；控制中心根据收到的探测结果以及通信节点的位置信息获得车辆的位置信息，并通过通信节点将车辆的位置信息发送到车辆。根据本发明的一个实施例，所述位置信息包括时间和坐标。窄波束定位的方式的优点是可以实现对车辆进行连续的实时定位。

步骤K2，通过当车辆经过某一通信节点，距离接近到可与通信节点的应答器直接通信时，车辆将自身的唯一标识符发送到该通信节点；通信节点将位置坐标发送到车辆，并将时间、自身唯一标识符、车辆唯一标识符以及通信报文类别，通过超级基站上送到控制中心，所述通信报文类别为定位报文；控制中心根据收到的定位报文，即可获知车辆在该时刻的实际坐标就是该通信节点的位置坐标。

通过通信节点的应答器获取车辆位置属于离散精确定位方式，其优点是不需要计算即可获得车辆的精确定位，缺点是当车辆与通信节点距离较远时，因不能与通信节点的应答器通信，无法获得车辆的位置信息。

步骤K3，根据步骤K2所获得的车辆位置信息对步骤K1获得的车辆位置信息进行校准。根据本发明的一个实施例，校准所采用的方法是，计算车辆在通信节点时通过步骤K1和步骤K2所获得的位置坐标的偏差，将所述偏差用于校准车辆到达下一个节点之前通过步骤K1获得的位置坐标。具体来说，假设车辆经过某一通信节点时获得的精确定位坐标是(x，y)，假设车辆在该节点前的路段行驶时，获得的一系列由窄波束定位方式确定的定位坐标是{(x₁，y₁)，...，(x_k，y_k)}，其中(x_k，y_k)是车辆经过该通信节点时由窄波束方式确定的定位结果，计算偏差Δ＝(x，y)-(x_k，y_k)，车辆在该通信节点之后，并且在到达下一个通信节点之前的路段行驶时，校准后的窄波束定位坐标为

{(x_k+1，y_k+1)+Δ，(x_k+2，y_k+2)+Δ，…}

其中，{(x_k+1，y_k+1)，...，(x_2k，y_2k)}是不考虑校准的由窄波束定位方式确定的定位结果。

步骤K1与步骤K2结合的定位方式的优点是既能保证定位的可靠性和连续性，也能达到厘米级的定位精度。

本发明还提供通过上述系统控制车辆行驶的方法，包括：

步骤R1，控制中心根据目的地、抵达时间、车型、路况、天气、与其它车辆的间距、中途停车等参数信息为车辆规划行驶路线，确保车辆在安全行驶的前提下准时到达目的地。根据本发明的一个实施例，控制中心为车辆所规划的行驶路线包括一系列参考坐标点和相对应的参考时间点，以集合{(x_t，y_t，t)}表示，集合中的每个元素表示车辆在某一参考时间点应该到达的坐标位置，并将车辆唯一标识符以及行驶路线{(x_t，y_t，t)}发送至公路上的一系列通信节点{d₁，...，d_N}，通信节点接收控制中心发送的车辆行驶路线，拥有了车辆途经自己通信范围内对应的路线信息{(x_t，y_t，t)}，通信节点将车辆唯一标识符与路线信息对应存储。

步骤R2，当车辆102途径通信节点101时，通信节点会通过窄波束发射装置生成与车辆规划路径一致的窄波束，该窄波束被发送到车辆规划路径上的下一个目标通信节点，该下一个目标通信节点通过窄波束接收装置接收该窄波束，从而构成通信节点间的窄波束105。可以理解的是，窄波束在空间中平行传播，扩散角度较小，在当前节点的发射装置和下一个节点的接收装置之间接近直线。车辆路径上一系列的窄波束构成了无线导轨。

步骤R3，车辆依靠自身安装的窄波束检测装置，实时检测窄波束方向，沿无线导轨所指定的规划路径行驶，抵达下一通信节点。车辆通过自身装备的窄波束检测装置，测出自身和车道轴线窄波束之间的横向偏移，通过控制方向和车速，缩小横向偏移，，确保车辆沿着窄波束方向行驶。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

步骤R4，为确保车辆不发生横向偏移，部署于车道两侧的通信节点也同样生成窄波束，构成导轨边界，该窄波束中含有警告信息，警告车辆发生严重偏移，需要调整行驶方向和速度，甚至及时停车。车身两侧安装有窄波束检测装置，用以检测车身是否超出导轨边界。在车辆正常行驶的情况下，车身不会碰触位于车道两侧的窄波束。车辆通过窄波束检测装置，实时比对车身与窄波束的横向距离，控制方向和车速，以确保车辆始终行驶在允许的误差范围内。当车辆侧边的检测装置检测到车身与窄波束的横向距离超出了允许范围，说明车辆位于车道边缘，偏离了规划路径，车辆应立即与周边的通信节点进行无线通信，核对规划路径信息，调整行驶状态，确保车辆始终行驶在可控范围内。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

步骤R5，通信节点基于车辆的精确定位和车辆的规划路径，比较车辆实际轨迹与规划路径之间的差距，如果该差距超出了误差允许范围，节点立即向车辆传达行驶调整指令，控制车辆回归规划路径。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (6)

1.一种基于窄波束的无线导轨系统控制车辆行驶的方法，该系统包括无线导轨、超级基站、控制中心，其中，

所述无线导轨由部署于道路中的通信节点组成，用于接收所述控制中心规划的车辆行驶路线以及引导和控制车辆行驶；所述通信节点包括窄波束发送装置以及窄波束接收装置，用于获取车辆位置信息以及生成与车辆规划路线一致的窄波束；

所述超级基站与所述通信节点相连，所述通信节点之间通过超级基站通信；

所述控制中心用于规划车辆行驶路线，并将所述车辆行驶路线通过超级基站发送至所述通信节点；

所述方法包括：

步骤R1，所述控制中心根据包括车辆的目的地、抵达时间、车型、路况、天气、与其它车辆的间距、中途停车的参数信息为车辆规划行驶路线；所述行驶路线包括参考时间点以及车辆在对应所述参考时间点应到达的参考位置信息；所述控制中心将所述行驶路线发送到无线虚拟导轨的通信节点；

步骤R2，当车辆途径通信节点时，部署于车道中部的通信节点通过窄波束发射和接收装置生成与车辆规划路径一致的窄波束；

步骤R3，车辆基于自身安装的窄波束检测装置，实时检测窄波束方向，沿窄波束指定的方向行驶。

2.根据权利要求1所述的方法，所述通信节点还包括应答器，所述应答器用于通过电磁感应方式获取车辆位置信息。

3.根据权利要求1所述的方法，所述窄波束发送装置用于发送激光或毫米波。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

步骤R4，部署于车道两侧的通信节点生成窄波束，构成导轨边界；车辆基于车身两侧安装的窄波束检测装置，实时比对车身与导轨边界的横向距离，控制方向和车速，使车辆行驶在允许的误差范围内。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

步骤R5，通信节点基于车辆的精确定位和车辆的规划路径，比较车辆实际轨迹与规划路径之间的差距。

6.根据权利要求5所述的方法，当所述差距超出了误差允许范围，通信节点向车辆传达行驶调整指令，控制车辆回归规划路径。

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