CN115512541A - 一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，包括数据采集终端、云端服务器和安全导航应用三部分；云端服务器包括用户管理模块、路面精确信息检测识别模块和数据点匹配下发模块，路面精确信息检测识别模块用于进行路面异常检测和弯道曲率识别，构建得到路面精确信息数据库；数据点匹配下发模块用于接收安全导航应用上传的路径规划信息，匹配路径包含的路面精确信息数据点并将其下发到安全导航应用；安全导航应用进行路径规划，针对云端服务器下发的路面精确信息数据点，进行车辆安全驾驶相关的使用。本发明构建用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，提供从数据采集、处理到应用的全流程，提高车辆驾驶过程中的安全性。

Description

一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统
技术领域
本发明涉及智慧车联网技术领域，尤其涉及一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统。
背景技术
随着我国经济的快速增长和科学技术水平的不断发展，人们对物质生活的要求逐渐提升，汽车越来越多地进入到普通家庭中，汽车拥有量在不可逆转的稳步上升，道路和车辆交通情况已经在人们的日常生产生活中扮演着非常重要的角色。此前人们更多地关注车辆及交通流量，而对与之相关的路面信息的关注非常少，但因为路面情况造成的安全事故等问题是交通问题中不容忽视的一环。
路面精确信息的及时获取是非常重要的，如路面不平整有坑洞、路面颠簸等路面异常不仅会造成车辆轮胎等车辆零部件的磨损，同时驾驶员面对路面异常做出的紧急刹车等避让措施，还会间接影响后续的道路通勤者，严重时可能造成汽车追尾等交通事故的发生，影响到人身安全，甚至造成道路路段拥塞，导致交通瘫痪。对于弯道的曲率，获得其精确值，也能够将其用于调整车辆的控制策略。如在曲率过大时提前降低速度或调整车辆的悬挂系统，避免车辆因速度和姿态调整不正确不及时的原因产生侧翻或甩尾，使得车辆驾驶更为安全和高效。
目前国内外对于路面异常检测和弯道曲率识别虽然有一定研究，但没有将其综合起来用于车辆安全驾驶。
综上所述，本发明最终解决以下问题：没有一套从数据收集、数据分析到最终应用的用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统。
发明内容
本发明针对现有不足，提出了一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统；本发明针对车辆驾驶对于路面精确信息的需求，提供从数据收集、数据分析到最终应用于车辆安全驾驶的一套完整系统，具有智能化和高效率特点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，该系统包括数据采集终端、云端服务器和安全导航应用：
所述数据采集终端用于采集车辆运行时数据，并通过通信模块上传到云端服务器；
所述云端服务器包括用户管理模块管理、路面精确信息检测识别模块和数据点匹配下发模块；
所述用户管理模块用于管理安全导航应用中用户的注册和登录；
所述路面精确信息检测识别模块用于根据数据采集终端上传的数据进行路面异常检测和弯道曲率识别，将路面异常检测和弯道曲率识别形成的数据点加入方向属性，用于标识数据点所属的车道方向，并将数据点聚类后构建得到路面精确信息数据库；
所述数据点匹配下发模块用于接收安全导航应用上传的路径规划信息，根据路径规划信息中的经纬度组，按经纬度和方向两个因素，在路面精确信息数据库中筛选出该路径中包含的路面精确信息数据点，最后将所有满足条件的数据点打包下发给安全导航应用；
所述安全导航应用根据选择的起点终点进行路径规划，将规划的路径转发到云端服务器进行数据点匹配，针对云端服务器下发的路面精确信息数据点，进行车辆安全驾驶相关的使用。
进一步地，所述数据采集终端采集的数据包括线性加速度计、陀螺仪和安卓定位服务的数据；线性加速度计和陀螺仪均有3轴方向上的数据；安卓定位服务的经纬度采用WGS84地球坐标系，同时提供此数据采集终端的运动速度；所述数据采集终端能够将数据保存到本地SQLite数据库；同时针对TCP协议，采用Netty架构将数据上传到云端服务器中。
进一步地，所述用户管理模块通过维护数据库中的用户信息表，管理安全导航应用的接入使用。
进一步地，所述路面精确信息检测识别模块在检测识别之前进行移动平均滤波，降低路面固有的不平整和车辆的机械抖动产生的数据噪声；通过移动窗口长度m控制滤波效果。
进一步地，所述路面异常检测，基于加速度数据和车速数据检测路面的异常凸起和凹陷；首先依据车速数据，排除非行驶状态下的抖动，如上下车关门带来的抖动，其次设定Z轴加速度的阈值Zt，只有Z轴加速度达到该阈值的冲击才判定为有效，形成数据点。
进一步地，所述弯道曲率识别，使用陀螺仪数据和车速数据进行计算，计算公式如下：
Figure BDA0003854838910000031
其中，C为曲率，ωr为横摆角速度，V为车速，R为弯道半径；设定阈值Ct，只有曲率达到该阈值的弯道才进行记录，形成数据点。
进一步地，所述路面精确信息检测识别模块中，当数据采集终端的采集点A经过路面异常检测和弯道曲率识别被标注为数据点后，同其前序采集点B组成矢量BA进行方向判断，方向属性direction长度为2bit；第1位为0：由南到北，第1位为1：由北到南；第2位为0：由西到东，第2位为1：由东到西。
进一步地，所述路面精确信息数据库由路面异常检测和弯道曲率识别形成的数据点聚类得到；具体为，不同的数据采集终端对于同一个路面异常和弯道曲率，由于定位精度原因，其经纬度并不相同；采用DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering ofApplication with Noise)算法，将空间上相近的数据点聚类，之后对同一簇的数据点经纬度进行平均得到一个数据点，最后将聚类后得到的数据点通过绑路服务API进行纠偏，存入路面精确信息数据库。
进一步地，所述数据点匹配下发模块中，按经纬度筛选数据点具体为：先通过初筛，提取出该路线构成的大矩形范围，即[最西经度，最东经度，最北纬度，最南纬度]构成的大矩形，从路面精确信息数据库中初筛出该大矩形内的数据点；再进行细筛选，通过路径规划信息中邻近的两个经纬度点，根据其指定的方向及定义好的扩展距离参数tolerance，构建出一个个小矩形，具体而言，由两个经纬度点构成一条线段，计算该线段的方向θ；由于实际为球面，方向需要进行修正，如下：
Figure BDA0003854838910000041
其中Δλ为两点经度差的弧度值，
Figure BDA0003854838910000042
为两点的纬度的弧度值；
再通过现有的2个经纬度点、自定义的扩展距离参数tolerance及线段方向，扩展得到4个新的经纬度点，形成小矩形；由于实际为球面，需要对已知一点经纬度、方向、距离，计算另一点经纬度进行修正，如下：
Figure BDA0003854838910000043
Figure BDA0003854838910000044
其中δ为tolerance/R，R为地球赤道的平均半径6371393，单位为米；λ1、λ2为两点的经度的弧度值；最终形成长为原线段长度s+2*tolerance，宽为2*tolerance的小矩形；通过射线法判断路面精确信息数据库中的数据点是否在这些区域中。
进一步地，所述数据点匹配下发模块中，按方向筛选数据点在按经纬度筛选数据点之后，具体为：当路径规划信息中邻近的两个经纬度点A和B构成的小矩形中包含了路面精确信息数据库中的数据点C时，通过AB两点构成矢量AB，计算并比较AB两点的经度差绝对值与纬度差绝对值大小，取较大者作为其方向显著性，并根据方向显著性计算得到矢量AB的1位方向属性bearing；具体而言，若方向显著性为经度，bearing为0表示B点经度大于A点经度，bearing为1表示B点经度小于A点经度；若方向显著性为纬度，bearing为0表示B点纬度大于A点纬度，bearing为1表示B点纬度小于A点纬度；最后根据AB的方向显著性比较矢量AB的方向属性bearing与数据点C的方向属性direction，当AB的方向显著性为纬度时，bearing与direction第1位比较；当AB的方向显著性为经度时，bearing与direction第2位比较；比较结果为相同时，数据点C通过筛选，包含在该路径中。
进一步地，所述安全导航应用包括注册登录模块和导航检索模块；用户必须登录后才可使用导航检索功能；导航检索模块在转发路径规划信息并接收到数据点匹配下发模块下发的数据点后，不断发送当前经纬度及数据点经纬度到高德Web API获得当前位置和数据点之间的距离，方便用于后续的安全控制。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明以车联网技术构建平台，将数据采集、数据处理到最终应用有机整合，采集车辆运行时的线性加速度计、陀螺仪和安卓定位服务数据；在云端服务器中完成路面异常检测和弯道曲率识别，并形成路面精确信息数据库；根据安全导航应用上传的路径规划，提前掌握未来行程中可能遇到的路面情况，达到提高车辆驾驶安全性目的。相比于目前已有路面信息系统，本系统既提供了弯道曲率这类较为静态的数据，也提供了路面异常这类较为动态的数据，同时这些数据下发应用于车辆安全驾驶，可以帮助车辆获取路面的精确信息，及时调整车辆的控制策略，避免车辆损坏和交通拥塞，使得车辆驾驶更为安全和高效。
附图说明
图1为本发明一实施例中用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统的架构图；
图2为本发明一实施例中路面精确信息检测识别模块工作流程图；
图3为本发明一实施例中路面异常检测的算法图；
图4为本发明一实施例中数据点方向属性的算法图；
图5为本发明一实施例中安全导航应用与云端服务器的交互图；
图6为本发明一实施例中匹配路径规划中包含的数据点的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出了一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，针对车辆驾驶对于路面精确信息的需求，提供从数据收集、数据分析到最终应用于车辆安全驾驶的一套完整系统，具有智能化和高效率特点。系统具体实施单元包括如下三部分：
(1)数据采集终端，用于采集车辆运行时数据，并通过通信模块上传到云端服务器；
(2)云端服务器，包括用户管理模块管理、路面精确信息检测识别模块和数据点匹配下发模块；
用户管理模块用于管理安全导航应用中用户的注册和登录；
路面精确信息检测识别模块用于根据数据采集终端上传的数据进行路面异常检测和弯道曲率识别，将路面异常检测和弯道曲率识别形成的数据点加入方向属性，用于标识数据点所属的车道方向，并将数据点聚类后构建得到路面精确信息数据库；
数据点匹配下发模块用于接收安全导航应用上传的路径规划信息，根据路径规划信息中的经纬度组，按经纬度和方向两个因素，在路面精确信息数据库中筛选出该路径中包含的路面精确信息数据点，最后将所有满足条件的数据点打包下发给安全导航应用；
(3)安全导航应用，根据选择的起点终点进行路径规划，将规划的路径转发到云端服务器进行数据点匹配，针对云端服务器下发的路面精确信息数据点，进行车辆安全驾驶相关的使用。
在一实施例中，数据采集终端保存及上传的数据结构包括：3轴方向上的线性加速度计和陀螺仪数据，安卓定位服务则包括时间、经度、纬度、速度、定位精度。
如图2所示，在一实施例中，路面精确信息检测识别模块的工作流程包括：
步骤3001：在检测识别之前进行移动平均滤波，降低路面固有的不平整和车辆的机械抖动产生的数据噪声。通过移动窗口长度m，控制滤波效果。对于第n个采样点，使用[n-m+1,n]共m点的均值作为n点的测量值Vn。即：
Figure BDA0003854838910000061
步骤3002：进行路面异常检测及弯道曲率识别。路面异常检测详细说明见图3。对于弯道曲率识别，使用陀螺仪数据和车速数据进行计算。计算公式如下：
Figure BDA0003854838910000071
其中，C为曲率，ωr为横摆角速度，V为车速，R为弯道半径。设定阈值Ct，只有曲率达到该阈值的弯道才进行记录，形成数据点。对路面异常检测和弯道曲率识别得到的数据点，加入方向属性，详细说明见图4。
步骤3003：将路面异常检测和弯道曲率识别得到的数据点加入原始数据库中。
步骤3004：不同的数据采集终端对于同一个路面异常和弯道曲率，由于定位精度原因，其经纬度并不相同。所以对于同一个目标，会产生多个数据点。采用DBSCAN算法，将空间上相近的数据点聚类，之后对同一簇的数据点经纬度进行平均得到一个数据点。
步骤3005：将步骤3004聚类后得到的数据点，通过绑路服务API进行纠偏，得到最终数据点。
步骤3006：将最终数据点存入路面精确信息数据库，实现一个目标对应路面精确信息数据库中的一条数据。
如图3所示，在一实施例中，路面异常检测包括以下步骤：
步骤4001：依据车速数据，排除非车辆行驶状态下的抖动，如上下车关门带来的抖动。
步骤4002：设定Z轴加速度的阈值Zt，只有Z轴加速度达到该阈值的冲击才算有效，形成数据点。
如图4所示，在一实施例中，当数据采集终端的采集点A经过路面异常检测和弯道曲率识别被标注为数据点后，同其前序采集点B组成矢量BA进行方向判断，数据点方向属性direction长度为2bit；第1位为0：由南到北，第1位为1：由北到南；第2位为0：由西到东，第2位为1：由东到西。
在一实施例中，路面精确信息检测识别模块最终生成的数据点存入路面精确信息数据库中，其数据表包括经度、纬度、方向、类型和数值。
经纬度用于描述数据点位置；方向用于标识数据点在哪个方向的车道上；类型包括路面异常和弯道曲率，分别用0和1表示；数值根据类型不同含义不同，当类型为0即路面异常时，数值为空，当类型为1即弯道曲率时，数值即为该弯道的曲率。
如图5所示，在一实施例中，安全导航应用与云端服务器的交互包括以下步骤：
步骤7001：安全导航应用发送用户名及密码到云端服务器的用户管理模块，若没有账号则可进行注册。
步骤7002：用户管理模块验证账号密码，一致则登录成功，只有登录后才能够使用导航及路面精确信息数据库的数据。
步骤7003：安全导航应用根据选择的起点终点进行路径规划，将该路径转发到云端服务器进行数据点匹配。
步骤7004：数据点匹配下发模块在路面精确信息数据库中筛选出该路径中包含的数据点，最后将所有满足条件的数据点打包下发给安全导航应用。
步骤7005：安全导航应用不断发送当前经纬度及数据点经纬度到高德Web API。
步骤7006：返回当前位置与数据点之间的距离，方便用于后续的安全控制，例如根据距离信息结合车速等情况调整车辆姿态。
如图6所示，在一实施例中，云端服务器的数据点匹配下发模块通过以下步骤完成检索规划路径中包含的数据点：
步骤8001：云端服务器接收安全导航应用以JSON格式上传的规划路径数据。
步骤8002：从JSON数据中提取出用以描述路线的经纬度坐标组。
步骤8003：根据经纬度坐标组，计算得到该路线所匹配的大矩形的范围，即该路线的最西经度，最东经度，最北纬度，最南纬度。根据大矩形，从路面精确信息数据库中初筛可能在该路径上的数据点。
步骤8004：初筛得到的数据点再经过细筛，判断这些数据点是否在路径中。
步骤8005：首先，依次从路线的经纬度坐标组中提取相连两经纬度坐标，连线并计算出其指定的方向。
步骤8006：自定义距离扩展参数tolerance，将线段扩展为小矩形。
步骤8007：采用射线法，判断初筛数据点是否在构建的小矩形中。若在其中，则进行下一步骤。
步骤8008：对比步骤8005中计算的方向与步骤8007中在小矩形中的数据点的方向属性，若一致，则该数据点在规划的路径上。
本发明提供的用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，以车联网技术构建平台，将数据采集、数据处理到最终应用有机整合，采集车辆运行时的线性加速度计、陀螺仪和安卓定位服务数据；在云端服务器中完成路面异常检测和弯道曲率识别，并形成路面精确信息数据库；根据安全导航应用上传的路径规划，提前掌握未来行程中可能遇到的路面情况，达到提高车辆驾驶安全性目的。相比于目前已有路面信息系统，本系统即提供了弯道曲率这类较为静态的数据，也提供了路面异常这类较为动态的数据，同时这些数据下发应用于车辆安全驾驶，可以帮助车辆获取路面的精确信息，及时调整车辆的控制策略，避免车辆损坏和交通拥塞，使得车辆驾驶更为安全和高效。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，其特征在于，包括数据采集终端、云端服务器和安全导航应用：
所述数据采集终端用于采集车辆运行时数据，并通过通信模块上传到云端服务器；
所述云端服务器包括用户管理模块管理、路面精确信息检测识别模块和数据点匹配下发模块；
所述用户管理模块用于管理安全导航应用中用户的注册和登录；
所述路面精确信息检测识别模块用于根据数据采集终端上传的数据进行路面异常检测和弯道曲率识别，将路面异常检测和弯道曲率识别形成的数据点加入方向属性，用于标识数据点所属的车道方向，并将数据点聚类后构建得到路面精确信息数据库；
所述数据点匹配下发模块用于接收安全导航应用上传的路径规划信息，根据路径规划信息中的经纬度组，按经纬度和方向两个因素，在路面精确信息数据库中筛选出该路径中包含的路面精确信息数据点，最后将所有满足条件的数据点打包下发给安全导航应用；
所述安全导航应用根据选择的起点终点进行路径规划，将规划的路径转发到云端服务器进行数据点匹配，针对云端服务器下发的路面精确信息数据点，进行车辆安全驾驶相关的使用。
2.根据权利要求1所述的一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，其特征在于，所述数据采集终端采集的数据包括线性加速度计、陀螺仪和安卓定位服务的数据；线性加速度计和陀螺仪均有3轴方向上的数据；安卓定位服务的经纬度采用WGS84地球坐标系，同时提供此数据采集终端的运动速度；所述数据采集终端能够将数据保存到本地SQLite数据库；同时针对TCP协议，采用Netty架构将数据上传到云端服务器中。
3.根据权利要求1所述的一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，其特征在于，所述路面精确信息检测识别模块在检测识别之前进行移动平均滤波，降低路面固有的不平整和车辆的机械抖动产生的数据噪声；通过移动窗口长度m控制滤波效果。
4.根据权利要求1所述的一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，其特征在于，所述路面异常检测，基于加速度数据和车速数据检测路面的异常凸起和凹陷；首先依据车速数据，排除非行驶状态下的抖动，其次设定Z轴加速度的阈值Zt，只有Z轴加速度达到该阈值的冲击才判定为有效，形成数据点。
5.根据权利要求1所述的一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，其特征在于，所述弯道曲率识别，使用陀螺仪数据和车速数据进行计算，计算公式如下：
Figure FDA0003854838900000021
其中，C为曲率，ωr为横摆角速度，V为车速，R为弯道半径；设定阈值Ct，只有曲率达到该阈值的弯道才进行记录，形成数据点。
6.根据权利要求1所述的一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，其特征在于，所述路面精确信息检测识别模块中，当数据采集终端的采集点A经过路面异常检测和弯道曲率识别被标注为数据点后，同其前序采集点B组成矢量BA进行方向判断，方向属性direction长度为2bit；第1位为0：由南到北，第1位为1：由北到南；第2位为0：由西到东，第2位为1：由东到西。
7.根据权利要求1所述的一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，其特征在于，所述路面精确信息数据库由路面异常检测和弯道曲率识别形成的数据点聚类得到；具体为，不同的数据采集终端对于同一个路面异常和弯道曲率，由于定位精度原因，其经纬度并不相同；采用DBSCAN算法，将空间上相近的数据点聚类，之后对同一簇的数据点经纬度进行平均得到一个数据点，最后将聚类后得到的数据点通过绑路服务API进行纠偏，存入路面精确信息数据库。
8.根据权利要求1所述的一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，其特征在于，所述数据点匹配下发模块中，按经纬度筛选数据点具体为：先通过初筛，提取出该路线构成的大矩形范围，即[最西经度，最东经度，最北纬度，最南纬度]构成的大矩形，从路面精确信息数据库中初筛出该大矩形内的数据点；再进行细筛选，通过路径规划信息中邻近的两个经纬度点，根据其指定的方向及定义好的扩展距离参数tolerance，构建出一个个小矩形，具体而言，由两个经纬度点构成一条线段，计算该线段的方向θ；由于实际为球面，方向需要进行修正，如下：
Figure FDA0003854838900000031
其中Δλ为两点经度差的弧度值，
Figure FDA0003854838900000032
为两点的纬度的弧度值；
再通过现有的2个经纬度点、自定义的扩展距离参数tolerance及线段方向，扩展得到4个新的经纬度点，形成小矩形；由于实际为球面，需要对已知一点经纬度、方向、距离，计算另一点经纬度进行修正，如下：
Figure FDA0003854838900000033
Figure FDA0003854838900000034
其中δ为tolerance/R，R为地球赤道的平均半径6371393，单位为米；λ1、λ2为两点的经度的弧度值；最终形成长为原线段长度s+2*tolerance，宽为2*tolerance的小矩形；通过射线法判断路面精确信息数据库中的数据点是否在这些区域中。
9.根据权利要求8所述的一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，其特征在于，所述数据点匹配下发模块中，按方向筛选数据点在按经纬度筛选数据点之后，具体为：当路径规划信息中邻近的两个经纬度点A和B构成的小矩形中包含了路面精确信息数据库中的数据点C时，通过AB两点构成矢量AB，计算并比较AB两点的经度差绝对值与纬度差绝对值大小，取较大者作为其方向显著性，并根据方向显著性计算得到矢量AB的1位方向属性bearing；具体而言，若方向显著性为经度，bearing为0表示B点经度大于A点经度，bearing为1表示B点经度小于A点经度；若方向显著性为纬度，bearing为0表示B点纬度大于A点纬度，bearing为1表示B点纬度小于A点纬度；最后根据AB的方向显著性比较矢量AB的方向属性bearing与数据点C的方向属性direction，当AB的方向显著性为纬度时，bearing与direction第1位比较；当AB的方向显著性为经度时，bearing与direction第2位比较；比较结果为相同时，数据点C通过筛选，包含在该路径中。
10.根据权利要求1所述的一种用于车辆安全驾驶的路面精确信息服务系统，其特征在于，所述安全导航应用包括注册登录模块和导航检索模块；用户必须登录后才可使用导航检索功能；导航检索模块在转发路径规划信息并接收到数据点匹配下发模块下发的数据点后，不断发送当前经纬度及数据点经纬度到高德Web API获得当前位置和数据点之间的距离，方便用于后续的安全控制。
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