基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統的制作方法

基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統的制作方法
【專利摘要】本發明專利涉及一種基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統，該系統由路面子系統、車載子系統和服務中心子系統組成。路面子系統由寫入路鈕、標簽路鈕組成；車載子系統由閱讀器、顯示器、前輪偏角檢測器、數據處理模塊和轉向電機組成；服務中心子系統由服務器和手持終端組成。當安裝車載系統的車輛接近寫入路鈕時激活虛擬軌道系統，閱讀器讀取標簽路鈕的位置坐標和該處道路線形信息，同時數據處理模塊讀取線形參數并處理得到道路切線與車身角度α，讀取前輪偏角β，讀取相鄰2個標簽路鈕之間的距離L，讀取車輛速度V，利用公式ω＝3.6V(β?α)]γmax/(Lnβmax)，得到車輛在相鄰2個標簽路鈕之間行駛時方向盤的轉動角速度ω，并將這些控制參數發送給轉向電機。
【專利說明】基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統 所屬技術領域
[0001] 本發明涉及一種高速公路虛擬軌道系統，該系統可以使汽車沿智能路鈕系統形成 的虛擬軌道高速行駛。
【背景技術】
[0002] 目前我國高速鐵路運營車速普遍在200km/h-300km/h，并且已經完全掌握了檢測 時速500公里的高鐵技術，中國南車CIT500型高鐵試驗時速甚至超過605km，打破了法國高 速列車TGV在2007年創造的世界高鐵最快紀錄574.8km/h。高速列車之所以能夠高速、安全 的行駛，是因為有鐵軌的約束。
[0003] 我國公路最高設計車速120km/h，最早出現在1972年版《公路工程技術標準（試 行)》中，直至今日最高設計車速仍為120km/h。40多年來汽車技術和道路施工技術都有很大 的進步，但是公路提速還是遙遙無期，主要原因是安全問題沒有很好解決。若能將車輛限制 在虛擬軌道內行駛，汽車行駛安全性將大大提高，設計車速高于120km/h的"超高速公路"將 成為可能。
[0004] 公開號為105564447A的發明專利公開了一種虛擬軌道汽車列車的控制系統，包 括:車頭狀態檢測組件、車廂狀態檢測組件、車尾狀態檢測組件和軌跡跟隨控制器，軌跡跟 隨控制器通過通訊網絡向各個車橋的線控轉向器發送轉向指令，實現后車輪與前輪的軌跡 跟隨，實現前后車輪軌跡完全重合，主要用于汽車列車。
[0005] 公開號為103863334A的發明專利公開了一種基于橡膠車輪和虛擬軌道技術的有 軌電車，由車體、控制系統和車輪組件構成，通過車體底部的檢測器探測地面虛擬軌道標識 的傳感器或衛星定位器控制車輛行駛軌跡，從而實現電車在虛擬軌道上行駛。
[0006] 公開號為103832435A的發明專利公開了一種車道保持控制裝置，是一種在傾斜道 路上行駛車輛的車道保持控制裝置。
[0007] 公開為103287429A的發明專利公開了一種車道保持系統及車道保持控制方法，車 道保持系統在對車輛的行進方向進行調整的過程中，對來自駕駛員的操作進行分析處理， 能夠根據駕駛員對車輛的不同操作動作做出相應處理。
[0008] 以上專利或利用視頻識別分車道線，或利用GPS定位，或利用檢測器檢測車輛狀 態，讓車輛按照既定軌跡行駛或在車道內行駛。
[0009] 本專利是基于一種智能路鈕系統的虛擬軌道系統。申請號為201610421239.5的發 明專利和申請號為201620571739.2的實用新型專利，保護了一種高速公路智能路鈕系統， 該系統由路面子系統、載子系統和服務中心子系統構成。高速公路智能路鈕系統是在傳統 發光路鈕的基礎上，增加讀、寫和存儲模塊，使其具有存儲和讀取數據的功能，并通過車載 端的顯示器顯示車輛位置、道路平、縱、橫線形參數，從而指導駕駛員的駕駛行為。本專利將 對車載子系統進行改進，增加數據處理和轉向控制裝置，使車輛自動沿標簽路鈕形成的虛 擬軌道行駛。

【發明內容】

[0010] (1)要解決的技術問題
[0011] 本發明專利要解決的技術問題是，在高速公路智能路鈕系統的基礎上，增加數據 處理模塊和轉向控制裝置，使其具有轉向控制功能，使車輛自動沿標簽路鈕形成的虛擬軌 道行駛。
[0012] ⑵技術方案
[0013] 本發明專利涉及的基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統由路面子系統、車載子 系統和服務中心子系統組成。路面子系統由寫入路鈕、標簽路鈕組成；車載子系統由閱讀 器、顯示器、前輪偏角檢測器、數據處理模塊和轉向電機組成;服務中心子系統由服務器和 手持終端組成;此外，各子系統還包括電源和連接線路。智能路鈕系統閱讀器和標簽路鈕通 過特高頻(902-928MHz)RFID射頻識別技術進行通信。
[0014] 路面子系統由寫入路鈕和標簽路鈕及其接線組成。路面子系統在路面鋪設施工時 被埋入路面結構層，頂部與路面平齊，可避免車輛碾壓時出現顛簸。寫入路鈕和標簽路鈕埋 設位置位于汽車行駛在車道正中心時駕駛員的正下方，這樣汽車行駛在車道正中央時，發 光路鈕形成的視線誘導線條位于駕駛員的正前方。寫入路鈕安裝在需要良好視線誘導的道 路起點或車道入口處，寫入路鈕除具有傳統發光路鈕所具備的發光結構外，還具備寫入接 口和存儲空間，可通過手持終端或者服務中心子系統的服務器寫入路鈕位置，和所在路段 道路平、縱、橫線形參數。標簽路鈕與寫入路鈕通過導線相連，標簽路鈕除具有傳統發光路 鈕所具備的發光結構外，還具備射頻發射結構。車輛駛過標簽路鈕位置時，能夠通過RFID準 確讀取寫入路鈕內存儲的道路平、縱、橫線形參數，同時讀取標簽路鈕的位置參數，也即車 輛所在的準確位置。與GPS定位系統和手機基站定位相比，智能路鈕系統定位精確度高，延 誤時間短，實時性強。
[0015] 車載子系統由閱讀器、顯示器、前輪偏角檢測器、數據處理模塊和轉向電機組成。 組成車載子系統的閱讀器安裝在車輛底部，駕駛員正下方，當車輛在車道正中央行駛時，閱 讀器位于標簽路鈕的正上方，此時閱讀器與標簽路鈕距離最近，為車輛最小離地間隙。組成 車載子系統的顯示器與車載導航系統兼容，車載導航系統地圖采用道路設計時的平、縱、橫 參數。車載子系統顯示器能夠將從標簽路鈕讀取的坐標信息代替GPS坐標信息，從而能夠更 精確、快速的實現定位，并且顯示在用從標簽路鈕讀取的平、縱、橫參數繪制的地圖上。車載 子系統的轉向電機可與車輛本身電動助力轉向系統電機共用。數據處理模塊可以讀取車輛 EQJ(Electronic Control Unit電子控制單元）中駛過第n-1個標簽路鈕時的速度Vn-i(km)， 數據處理模塊還可將閱讀器讀取的道路線形參數進行處理，得到各點切線方程。在第n-1個 標簽路鈕處，切線與車身角度為c^^rad):
[0017]當車輛駛過第n-l個標簽路鈕時，前輪偏角檢測器檢測得到前輪偏角Pn-Krad):
[0019] 汽車在行駛過程中，汽車前輪偏角應與道路切線平行，即θη = αη-βη = 〇。當車輛駛 過第η-1個標簽路鈕時，若矣〇，則需要轉動前輪，使車輛經過第η個標簽路鈕 時θη=α η-βη = 〇,則轉動角度Λθ = θη-θη-1= (an-0n)-(an-：L-)
[0021] 若某輛車前輪偏角β由0變到iW，方向盤轉動角度為丫_，則方向盤轉角與前輪偏 角的傳動比1= γ_χ/β_χ;方向盤轉動的角速度ω (rad/s)與車輛在兩個標簽之間行駛的時 間t(s)和所需轉動角度有關，ω =IA0/t;而t由兩個標簽之間長度Ln(m，可由閱讀器讀取） 和車輛行駛速度V(km)決定，t = Ln/3 · 6V( lm/s = 3 · 6km/h)。
[0022] 于是，ω =ΙΛΘ/? = 3·6νΛΘ ymax/(Lnftnax) = 3.6V(0n-ι_αη-i) ymax/(Lnftnax)〇
[0023] 因此，車輛在不同線形道路上行駛時，方向盤的轉動角速度（ω)就可確定，于是數 據處理模塊就可以控制轉向電機轉動方向盤，使車輛沿標簽路鈕形成的虛擬軌道行駛。 [0024]服務中心子系統，由服務器和手持終端組成。服務中心子系統服務器管理多條設 有智能路鈕的道路和眾多的車載子系統。服務中心子系統具有路面子系統信息寫入和車載 子系統地圖生成的功能。服務中心子系統服務器可通過導線與路面子系統連接，從而實現 標簽路鈕位置信息和道路線形信息的寫入，也可用手持終端實現較偏遠地區無有線連接的 路面子系統信息的寫入。車載子系統通過服務中心子系統手持終端完成車載子系統地圖的 生成。
[0025] (3)有益的效果
[0026] 基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統，其車載子系統數據處理模塊能夠利用智 能路鈕存儲的道路線形參數和前輪偏角檢測器采集的數據以及從車輛ECU讀取的的速度參 數生成前輪轉向控制參數，控制轉向電機，使車輛自動沿標簽路鈕形成的虛擬軌道行駛，由 于虛擬軌道的約束汽車行駛安全性大大提高。
[0027] 由于擬軌道系統不需要建設實體軌道，不需要新建道路，只需在原有路面增加路 鈕系統，因此成本大大降低。使用者也只需在車輛上安裝車載子系統即可，使用成本較低， 對于已有車載導航系統和電動助力轉向系統的汽車，只需要安裝帶有閱讀器和數據處理模 塊的車載子系統，因此使用成本更加低廉。
【附圖說明】
[0028]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明：
[0029] 圖1是基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統總體結構圖；
[0030] 圖2是路面子系統和車載子系統安裝圖；
[0031]圖3是寫入路鈕結構及安裝圖；
[0032]圖4是標簽路鈕結構及安裝圖
[0033] 圖5是前輪偏角與車身夾角圖；
[0034] 圖6是車身中心線與車道中心線切線夾角圖。
[0035] 圖中1.服務中心子系統;2.車載子系統;3.路面子系統;4.反光標;5.標簽路鈕;6. 電源數據線；7.寫入路鈕;8.服務器;9.手持終端；10.顯示器；11.閱讀器；12.路面結構層； 13.線管；14.汽車底盤；15. LED燈珠；16.RFID標簽；17.封固膠；18.釘腳；19.存儲模塊;20. 前輪偏角檢測器;21.數據處理模塊;22.轉向電機;23.車身中心線；24.轉向輪中心線;25. 車道中心線切線;26.車道中心線。
【具體實施方式】
[0036] 基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統由服務中心子系統1、車載子系統2和路面 子系統3組成。服務中心子系統1由服務器8和手持終端9組成;路面子系統2由寫入路鈕7、標 簽路鈕5組成;車載子系統2由閱讀器11、顯示器10前輪偏角檢測器20、數據處理模塊21和轉 向電機22組成;此外，各子系統還包括電源數據線6。智能路鈕系統閱讀器11和標簽路鈕5通 過特高頻(902-928MHz)RFID射頻識別技術進行通信。
[0037] 基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統的路面子系統3由寫入路鈕7和標簽路鈕5 及電源數據線6組成。路面子系統3在路面鋪設施工時被埋入路面結構層12,寫入路鈕7和標 簽路鈕5頂部與路面平齊，底部用封固膠17將標簽路鈕5釘腳18固定，電源數據線6,位于路 面結構層12的線管13中。埋設位置位于汽車行駛在車道正中心時駕駛員的正下方。寫入路 鈕7安裝在需要良好視線誘導的道路起點或車道入口處，可通過手持終端9或者服務中心子 系統1的服務器8寫入路鈕位置，和所在路段道路平、縱、橫線形參數。標簽路鈕5除不具備寫 入存儲結構外，其他結構、功能和安裝方法與寫入路鈕7相同。標簽路鈕5與寫入路鈕7通過 電源數據線6相連，標簽路鈕5除具有傳統發光路鈕所具備的發光結構LED燈珠15外，還具備 射頻發射RFID標簽16結構。車輛駛過標簽路鈕5位置時，能夠通過閱讀器11準確讀取寫入路 鈕7內存儲的道路平、縱、橫線形參數，同時讀取標簽路鈕的位置參數，也即車輛所在的準確 位置。
[0038]基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統的車載子系統2由閱讀器11、顯示器10、前 輪偏角檢測器20、轉向電機22和數據處理模塊21組成。組成車載子系統2的閱讀器11安裝在 車輛底盤14上，駕駛員正下方。組成車載子系統的顯示器10與車載導航系統兼容，車載導航 系統地圖采用道路設計時的平、縱、橫參數。車載子系統2的顯示器10能夠將從標簽路鈕5讀 取的坐標信息顯示在用從標簽路鈕5讀取的平、縱、橫參數繪制的地圖上。車載子系統2的前 輪偏角檢測器20安裝在轉向軸擺臂處，采集前輪偏角參數β，β為車身中心線23和轉向輪中 心線24構成的夾角。數據處理模塊21安裝在汽車ECU固定支架上，方便線路布置，數據處理 模塊21可將閱讀器11讀取的道路線形參數，包括相鄰標簽路鈕5之間的距離L，并進行處理 得到角度α，α為車身中心線23與車道中心線切線25的夾角;數據處理模塊21能夠讀取前輪 偏角檢測器20檢測得到的前輪偏角β，能夠從ECU讀取車輛行駛速度V(km)，還能夠在車載子 系統安裝調試時，手動輸入根據方向盤和前輪最大轉角確定的ftnax和γ max。數據處理模塊21 利用以上數據和公式ω rs.evdm) ymax/(LniW)，得到車輛在兩個標簽路鈕之間行 駛時，方向盤的轉動角速度（ω )，并將這些控制參數發送給轉向電機22。轉向電機22可與電 動助力轉向系統電機共用。
[0039] 基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統的服務中心子系統1，由服務器8和手持終 端9組成。服務中心子系統1的服務器8管理多條設有智能路鈕的道路和眾多的車載子系統 2。服務中心子系統1具有路面子系統3信息寫入和車載子系統2地圖生成的模塊。服務中心 子系統1服務器8可通過電源數據線6與路面子系統3連接，從而實現標簽路鈕5位置信息和 道路線形信息的寫入，也可用手持終端9實現較偏遠地區無有線連接的路面子系統3信息的 寫入。車載子系統2通過服務中心子系統1手持終端9完成車載子系統2地圖的生成。
[0040] 當安裝車載系統2的車輛接近寫入路鈕7時激活基于智能路鈕的高速公路虛擬軌 道系統，閱讀器11開始工作，通過標簽路鈕5讀取寫入路鈕7存儲的標簽路鈕5的位置坐標和 該處道路線形信息，并通過顯示器10顯示。同時數據處理模塊21開始工作，讀取線形參數并 處理得到道路在第n-1個標簽路鈕5處切線與車身角度為au，讀取前輪偏角βΗ，讀取第η個 標簽路鈕與第η-1個標簽路鈕之間的距離匕，讀取車輛駛過第η-1個標簽路鈕時的速度Vh， 讀取方向盤和前輪最大轉角ftnax和γ max，利用公式ω n=3.6V η-1(βη-1_αη-：〇 ] γ max/(Lnftnax)， 得到車輛在第η個標簽路鈕與第η-1個標簽路鈕之間行駛時，方向盤的轉動角速度（ω η)，并 將這些控制參數發送給轉向電機22。
【主權項】
1. 一種基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統，具體特征是：該系統由服務中心子系 統1、車載子系統2和路面子系統3組成;其中車載子系統2由閱讀器11、顯示器10前輪偏角檢 測器20、數據處理模塊21和轉向電機22組成。2. 根據權利要求1所述的一種基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統，具體特征是:車 載子系統2的前輪偏角檢測器20安裝在轉向軸擺臂處，采集前輪偏角參數β，β為車身中心線 23和轉向輪中心線24構成的夾角;數據處理模塊21安裝在汽車ECU固定支架上，數據處理模 塊21可將閱讀器11讀取的道路線形參數，包括相鄰標簽路鈕5之間的距離L，并進行處理得 到角度α，α為車身中心線23與車道中心線切線25的夾角;數據處理模塊21能夠讀取前輪偏 角檢測器20檢測得到的前輪偏角β，能夠從ECU讀取車輛行駛速度V(km)，還能夠在車載子系 統安裝調試時，手動輸入根據方向盤和前輪最大轉角確定的ftnax和Ymax;數據處理模塊21利 用以上數據和公式《=3.6￥他- 1-€^1)丫_/〇^_)，得到車輛在兩個標簽路鈕之間行駛 時，方向盤的轉動角速度ω，并將這些控制參數發送給轉向電機22;車載子系統2的轉向電 機22可與電動助力轉向系統電機共用。3. 根據權利要求1所述的一種基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統，具體特征是:車 載子系統的數據處理模塊可以讀取車輛ECU中駛過第η-1個標簽路鈕時的速度Vn-Kkm)，數 據處理模塊還可將閱讀器讀取的道路線形參數進行處理，得到各點切線方程和切線角度； 在第n-1個標簽路鈕處，切線與車身角度為c^^rad):當車輛駛過第n-1個標簽路鈕時，前輪偏角檢測器檢測得到前輪偏角iVKrad):汽車在行駛過程中，汽車前輪偏角應與道路切線平行，即θη = αη_βη = 0;當車輛駛過第 η-1個標簽路鈕時，若= 則需要轉動前輪，使車輛經過第η個標簽路鈕時θη = αη-βη = 0，貝lj 轉動角度Λθ = θη-θη-：l = (αη-βη)-(αη-廣)= βη-：L-an-：l ;若某輛車前輪偏角β由〇變到，方向盤轉動角度為γ ，則方向盤轉角與前輪偏角的 傳動比I = γ max/finax;方向盤轉動的角速度ω (rad/s)與車輛在兩個標簽之間行駛的時間t (s)和所需轉動角度有關，ω = IA0/t; 于是，ω =ΙΛΘ/? = 3·6νΛΘ ymax/(Lnftnax)=3.6V(0n-ι_αη-i) ymax/(Lnfinax) 因此，車輛在不同線形道路上行駛時，方向盤的轉動角速度ω就可確定，于是數據處理 模塊就可以控制轉向電機轉動方向盤，使車輛沿標簽路鈕形成的虛擬軌道行駛。
【文檔編號】G05D1/02GK105867392SQ201610442463
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月20日
【發明人】何永明, 裴玉龍
【申請人】東北林業大學