CN113771879A - 一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法 - Google Patents

一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人驾驶车辆行驶的运输系统，包括无人驾驶车辆行驶的道路；无人驾驶车辆，包括传感器组和主控系统；以及道路管理系统。无人驾驶车辆内置的传感器组包括位置激光传感器、速度传感器、距离传感器等，主控系统包括驱动模块和通信模块，对获取的数据进行输出并接收来自道路管理系统的指令输入；道路管理系统包括数据处理系统和通信模块，通过多个通信模块接收车辆运行的数据信息，通过数据处理系统对信息实时处理，转换成操作指令再发送给通信模块，传递给含主控系统的无人驾驶车辆，使其正常行驶。同时，系统采用冗余设计确保可靠性，车辆与道路系统实时交换信息，整个系统在计算机控制下自动运行，车辆平均运行速度更快，更安全。

Description

一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法
技术领域
本发明设计一种框架方法，尤其涉及一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法。
背景技术
目前，按照我国《公路工程技术标准》所修建的高速公路能适应120km/h以上的运行速度。但实际上车辆的运行速度仅达到60～120km/h，不能满足交通量的需求，降低了高等级公路的服务水平，难以利用公路运输提供“门到门”服务。另外，驾驶员的出行质量和行车安全由生理状态和心理状态决定，而驾驶员的生心理状态受时间(如光照强度、温度)、空间(如道路线形、环境)等因素影响，难以确保稳定的驾驶状态，致使行车不安全、车速难以提高、出行效率低下。因此，无人驾驶车辆发展迅速，但是无人驾驶车辆行驶在有人驾驶车辆的道路上，由于驾驶员行为的不可控性，很难让无人驾驶车辆的控制系统对路况作出及时有效地反映，无人驾驶车辆的功效不能完全发挥出来；因此，需要一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法，实现对交通流的整体监控和调整，提高运行速度，缩短出行时间，实现“点对点”交通。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种无人驾驶车辆行驶的运输系统框架设计方法，可以很好地解决上述问题。
为达到所述要求，本发明所采用的技术方案是：提供一种无人驾驶车辆行驶的运输系统框架设计方法。该框架设计方法包括三个基本部分：分别为无人驾驶车辆行驶的道路、含主控系统的无人驾驶车辆、道路管理系统；无人驾驶车辆在道路上行驶，含主控系统的无人驾驶车辆和道路管理系统通过5G、WIFI或者LTE网络相互连接，实现数据交换和控制管理。
框架设计方法的基本框架如下：
1.本发明框架内的道路是无人驾驶车辆行驶的道路。即车辆在驶入时需是无人驾驶模式，而且无人驾驶车辆的主控系统能够和其他无人驾驶车辆、道路管理系统互联。
2.无人驾驶车辆内置主控系统，包括驱动模块和通信模块，以对传感器组获取的数据进行输出并接收来自道路管理系统的指令输入；内置车载传感器组，包括位置激光传感器、速度传感器、距离传感器等，由传感器组采集和检测车辆的实时运行数据，向主控系统发送；当有多个传感器组连接时，主控系统内可以设置多组通信模块接收数据信息。含主控系统的无人驾驶车辆间存在信息交换，可以相互感知并实时通信，车辆会从道路管理系统获取当前道路信息、5min内前后运行车辆的驾驶状态和2s(系统数据交换周期)内前后运行车辆的驾驶意图等信息；每一信息交换的延迟时间不超过0.5s。
3.道路管理系统包括数据处理系统和通信模块，道路管理系统通过多个通信模块接收车辆运行的数据信息，通过数据处理系统对信息实时处理，转换成操作指令再发送给通信模块，传递给含主控系统的无人驾驶车辆，使其正常行驶。道路管理系统以时空锁定的形式对无人驾驶车辆进行管控。
4.无人驾驶车辆的一系列操作都是先发送指令给道路管理系统，道路管理系统进行相应的时空锁定，将信息反馈给车辆，车辆收到指令后按照规定完成相应动作。
优选的，所述的道路管理系统是分段式管理系统，即将一条道路划分为许多段，每段内都有一个道路管理系统，每段内的道路管理系统都含有数据处理系统和通信模块，可以独立处理本段内的车辆行驶请求信息，同时还可以与其他段内的道路管理系统共同处理车辆行驶请求信息。相邻的道路管理系统可以实时互相通信，交换信息，保证安全。
优选的，所述的时空锁定是指道路管理系统对某一辆车进行时间和空间锁定。即通过当前时刻某车辆所处车道为i车道，桩号x，此后任意时刻锁定范围还包括车辆几何外形、安全富余及按运行速度所推算位置的值，从车头、车尾向外推算并加上安全距离。
优选的，所述的道路管理系统对车辆进行管理控制是依据车辆的动力性能、当前位置和车辆运行速度计算出未来一段时间内的车辆位置。车辆的主控系统通过控制车辆的行驶系统将车辆控制在锁定范围内。车辆未来一段时间内的位置确定，具体公式为
Figure BDA0003285681010000021
式中s为未来某一时刻t车辆距离当前时刻t0位置的距离，v0为车辆在当前时刻t0时的速度，a为车辆的加速度。
优选的，所述的道路管理系统和无人驾驶车辆都使用统一的时空锁定控制协议，能够实现两两信息实时交互。无人驾驶车辆通过道路管理系统统一控制，无需人工驾驶，剔除驾驶人行为造成的行车不稳定性，可以实现安全、快速的全自动无人驾驶。
优选的，所述的车辆运行速度是由车辆机动性能、道路几何特征、环境状况、安全富余所决定的最高安全运行速度的α倍，取值范围为(0.8,0.95)。
优选的，道路管理系统优先配合驶入、驶出系统的变道行为；某一行驶车辆发出变道信号时，系统将同时锁定本车道及目标车道的对应范围。
该无人驾驶车辆行驶的运输系统框架设计方法具有的优点如下：
1.无人驾驶车辆都是通过计算机系统控制，道路管理系统能够对道路使用情况、利用率统一分配；在这样的前提下，车辆的平均行驶速度可以更高，车辆之间的安全距离可以降低，从而提升道路的容量，极大地提高出行效率；
2.系统中所有运行车辆通过道路管理系统统一控制，无需人工干扰，提高运输系统的运行效率，也避免了驾驶员行为造成的不稳定性。
附图说明
图1为本发明的框架图。
图2为本发明的控制流程图。
图3为本发明含主控系统的无人驾驶车辆的控制流程图。
图4为本发明道路管理系统的控制流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例应参照附图理解。下面通过参考附图描述的实施例仅用于解释本发明具体的框架设计方法，而不理解为对本发明的限制。
本发明是基于发明人对以下事实的思考：按照我国《公路工程技术标准》所修建的高速公路能适应120km/h以上的运行速度。但实际上车辆的运行速度仅达到60～120km/h，不能满足日益增长的交通量需求，降低了高等级公路的服务水平，难以利用公路运输提供“门到门”服务。另外，驾驶员的出行质量和行车安全由生理状态和心理状态决定，而驾驶员的生心理状态受时间(如光照强度、温度)、空间(如道路线形、环境)等因素影响，难以确保稳定的驾驶状态，致使行车不安全、车速难以提高、出行效率低下。
可见，如果能够提高公路上车辆的运行速度，减少车辆间的相互影响，避免驾驶人行为带来的行车不稳定性，就可以更有效地发挥公路“门到门”的优势，提高公路的服务水平。
与现有技术不同，本发明的思路是利用无人驾驶汽车来提供一种无人驾驶车辆行驶的运输系统框架设计方法。通过道路管理系统，使无人驾驶车辆安全地运行于道路上，是一种根据车辆运行情况实时管控、实时决策的过程。该方法科学合理，从驾驶过程中剔除驾驶员差异的影响，降低事故率并具有一定的实用性。
参照图1，一种无人驾驶车辆行驶的运输系统的实现基于三个部分：分别为无人驾驶车辆行驶的道路；无人驾驶车辆，包括传感器组和主控系统，以及道路管理系统。无人驾驶车辆内置的传感器组包括位置激光传感器、速度传感器、距离传感器等，以获取所述含主控系统的无人驾驶车辆的驾驶数据；主控系统包括驱动模块和通信模块，以对传感器组获取的数据进行输出并接收来自道路管理系统的指令输入；道路管理系统包括数据处理系统和通信模块，道路管理系统通过多个通信模块接收车辆运行的数据信息，通过数据处理系统对信息实时处理，转换成操作指令再发送给通信模块，传递给含主控系统的无人驾驶车辆，使其正常行驶。同时，系统采用冗余设计确保可靠性，车辆与道路系统实时交换信息，整个系统在计算机控制下自动运行，平均运行速度更快、车辆行驶更安全。
具体步骤如下：
S1.参照图2，道路管理系统包括数据处理系统和通信模块，道路管理系统通过多个通信模块(通信模块1,2，...，n)接收无人驾驶车辆在道路上运行的数据信息，包括车道、道路桩号(范围)、运行速度、车距等实时信息，并将信息传递给对应的数据处理系统(数据处理系统1,2，...，n)，通过数据处理系统对信息实时处理，转换成操作指令再反馈给通信模块，传递给含主控系统的无人驾驶车辆，操控车辆正常行驶。
S2.参照图3，无人驾驶车辆内置主控系统，包括驱动模块和通信模块，以对传感器组获取的数据进行输出并接收来自道路管理系统的指令输入；内置车载传感器组，包括位置激光传感器、速度传感器、距离传感器等，由传感器组采集和检测车辆的实时运行数据，向主控系统发送；当有多个传感器组连接时，主控系统内可以设置多组通信模块接收数据信息。
其中，无人驾驶车辆的参数信息，如最高时速、最大输出功率、车重等参数以元组形式集合输出；含主控系统的无人驾驶车辆间存在信息交换，可以相互感知并实时通信，获取当前道路信息、5min内前后运行车辆的驾驶状态和2s(系统数据交换周期)内前后运行车辆的驾驶意图等信息；每一信息交换的延迟时间不超过0.5s；无人驾驶车辆通过道路管理系统统一控制，无需人工驾驶。
S3.参照图4，当无人驾驶车辆的主控系统发出请求时，道路管理系统将根据请求内容按照以下方案发出操作指令：
(1)确认是否收到驶入请求或驶出请求。道路管理系统优先配合驶入、驶出系统的变道行为；某一行驶车辆发出变道信号时，系统将同时锁定本车道及目标车道的对应范围；当无人驾驶车辆的主控系统发出变道、超车或驶入、驶出请求时，道路管理系统通过当前时刻某车辆所处车道为i车道，桩号x，此后任意时刻锁定范围还包括车辆几何外形、安全富余及按运行速度所推算位置的值，从车头、车尾向外推算并加上安全距离，该安全距离由车辆之间的相对速度及车辆的机动性能进行推算；道路管理系统依据车辆的动力性能、当前位置、驾驶意图计算出未来一段时间内的位置及在任意时刻需要锁定的车道范围，车辆的主控系统通过控制车辆的行驶系统将车辆控制在锁定范围内；
进行空间锁定时，以Di表示车辆沿行进方向锁定距离，Dj表示侧向锁定距离；前后车辆存在速度差Δv时，车辆的前后锁定间距应相应变化。具体的锁定范围按照下述公式计算：
Di＝0.5v+0.3Δv
Dj＝0.7+|0.1v|
Δv＝v2-v1
其中，v2是后车的实时运行速度；v1是前车的实时运行速度。Δv为正时，为确保安全，车辆的前后锁定间距增大0.3Δv，反之减小。
进行时间锁定时，在锁定时长Tn内对车辆进行时空锁定，完成车辆请求后解除时空锁定，恢复正常运行。Tn包括等待时长Tw、插入时长Tm和时间差ΔT三部分，即：
Tn＝Tw+Tm+ΔT
等待时长Tw由车辆运行状况和数据交换周期决定。当下一周期目标车道可插入时，Tw＝0；如下一周期目标车道不能插入，则执行等待指令，Tw＝2t，t是等待周期数；插入时长Tm由车辆运行速度决定。时间差ΔT由前后车辆的运行速度和车间距决定。
(2)当车辆由外部道路驶入无人驾驶车辆行驶的公路时，先驶入匝道，从匝道入口到主线的行驶时间不少于系统数据交换周期，系统依据当前系统中运行车辆的实际状况计算主线车辆之间有无可用的间隙供车辆插入。具体方法为：先试图在下一个周期锁定车辆驶入所需要占用的空间位置，锁定成功则发出锁定指令和等待指令，如不成功，则发出指令让预期插入点之前的车辆加速，预期插入点之后的车辆减速，在运行车流中让出新加入车辆所需要的空间位置，使车辆驶入系统；如果上述方法均不能执行，那么新加入车辆在匝道上进入等待状态，等下一个信息交换周期再尝试进行插入位置占用锁定，直到完成驶入。
(3)如果在主线上运行的车辆需要通过变道操作驶出本系统，在下一周期中目标车道上的临近的前方车辆尝试加速，后方车辆尝试减速，为需要变道驶出的车辆让出所需要的空间，以便于该车辆驶出系统。
(4)在主线上运行的车辆需要离开当前车道并进入临近车道时，先尝试在下一个周期内锁定当前车道及目标车道中的行驶位置，如果锁定成功，在进入目标车道后并经横向定位系统反馈数据确认后，在原车道中解除位置锁定；如果在临近的数据交换周期位置锁定不成功时，由在下一个锁定周期继续尝试变车道锁定。

Claims (9)

1.一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法，其特征在于，该框架设计方法包括三个基本部分：分别为无人驾驶车辆行驶的道路、含主控系统的无人驾驶车辆、道路管理系统；无人驾驶车辆在道路上行驶，含主控系统的无人驾驶车辆和道路管理系统通过5G、WIFI或者LTE网络相互连接，实现数据交换和控制管理：无人驾驶车辆行驶在道路上，无人驾驶车辆的一系列操作通过车载主控系统发送指令给道路管理系统，道路管理系统进行时空锁定，然后将信息反馈给车辆，车辆收到指令后按照规定行驶；框架内的道路是无人驾驶车辆行驶的道路，即车辆在驶入时需是无人驾驶模式，而且无人驾驶车辆的主控系统能够和其他无人驾驶车辆、道路管理系统互联，无人驾驶车辆的一系列操作都是先发送指令给道路管理系统，道路管理系统进行相应的时空锁定，将信息反馈给车辆，车辆收到指令后按照规定完成相应动作。
2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法，其特征在于，无人驾驶车辆内置主控系统，包括驱动模块和通信模块，以对传感器组获取的数据进行输出并接收来自道路管理系统的指令输入；内置车载传感器组，包括位置激光传感器、速度传感器、距离传感器，由传感器组采集和检测车辆的实时运行数据，向主控系统发送；当有多个传感器组连接时，主控系统内设置多组通信模块接收数据信息，含主控系统的无人驾驶车辆间存在信息交换，可以相互感知并实时通信，车辆会从道路管理系统获取当前道路信息、5min内前后运行车辆的驾驶状态和2s(系统数据交换周期)内前后运行车辆的驾驶意图等信息；每一信息交换的延迟时间不超过0.5s。
3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法，其特征在于，道路管理系统包括数据处理系统和通信模块，道路管理系统通过多个通信模块接收车辆运行的数据信息，通过数据处理系统对信息实时处理，转换成操作指令再发送给通信模块，传递给含主控系统的无人驾驶车辆，使其正常行驶，道路管理系统以时空锁定的形式对无人驾驶车辆进行管控。
4.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法，其特征在于，所述的道路管理系统是分段式管理系统，即将一条道路划分为多段，每段内都有一个道路管理系统，每段内的道路管理系统都含有数据处理系统和通信模块，可以独立处理本段内的车辆行驶请求信息，同时还可以与其他段内的道路管理系统共同处理车辆行驶请求信息，相邻的道路管理系统可以实时互相通信，交换信息，保证安全。
5.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法，其特征在于，所述的时空锁定是指道路管理系统对某一辆车进行时间和空间锁定，即通过当前时刻某车辆所处车道为i车道，桩号x，此后任意时刻锁定范围还包括车辆几何外形、安全富余及按运行速度所推算位置的值，从车头、车尾向外推算并加上安全距离。
6.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法，其特征在于，所述的道路管理系统对车辆进行管理控制是依据车辆的动力性能、当前位置和车辆运行速度计算出未来一段时间内的车辆位置，车辆的主控系统通过控制车辆的行驶系统将车辆控制在锁定范围内；
车辆未来一段时间内的位置确定，公式为
Figure FDA0003285681000000021
式中s为未来某一时刻t车辆距离当前时刻t0位置的距离，v0为车辆在当前时刻t0时的速度，a为车辆的加速度。
7.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法，其特征在于，所述的道路管理系统和无人驾驶车辆都使用统一的时空锁定控制协议，能够实现两两信息实时交互，无人驾驶车辆通过道路管理系统统一控制，无需人工驾驶，剔除驾驶人行为造成的行车不稳定性，可以实现安全、快速的全自动无人驾驶。
8.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法，其特征在于，所述的车辆运行速度是由车辆机动性能、道路几何特征、环境状况、安全富余所决定的最高安全运行速度的α倍，取值范围为(0.8,0.95)。
9.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆行驶的道路运输系统框架设计方法，其特征在于，道路管理系统优先配合驶入、驶出系统的变道行为；某一行驶车辆发出变道信号时，系统将同时锁定本车道及目标车道的对应范围。
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