專利名稱：一種快速公交車速控制裝置和方法
技術領域：
本發明屬于ITS智能交通系統技術領域，尤其是用于具有公交專用車道的BRT快 速公交車的車速控制裝置和方法。
背景技術：
中國知識產權局授權公開號為CN101256717A，名稱為“一種基于GPS的快速公交 車輛定位及交通信號控制方法和裝置”的專利，提出了通過調節交通信號燈來實現城市快 速公交車信號優先，達到減少快速公交車輛運行過程中的時間延誤及實現快速公交車輛優 先通行的目的。該專利所公開的快速公交車輛定位及交通信號控制裝置，由安裝在快速公交車輛 上的GPS和MCU模塊以及RF無線傳輸模塊，安裝在交通信號控制機中的MCU模塊等裝置構 成。車載GPS裝置將獲得的BRT位置信息，實時通過RF無線傳輸模塊發送到安裝在交通信 號控制機中的地面接收處理裝置。地面接收裝置通過計算將BRT車輛與地面接收裝置的相 對位置坐標，距離及車輛的行駛方向等信息實時、自動的發送到交通信號控制機。再由交通 信號控制機對路口的交通信號燈進行及時、有效地切換，優先為快速公交車輛讓道，從而保 證快速公交車輛優先、快速通行，減少快速公交車輛在運行過程中的時間延誤。分析該專利，盡管在結構和控制方法上有許多優點且能解決BRT快速公交車輛運 行過程中的時間延誤問題，但是在實施的過程中，打亂了紅、綠的變換周期，干擾了其他正 常運行車輛的行車秩序，會造成相對相位上車輛的擁堵，產生新的交通障礙和安全隱患。
發明內容
本發明的目的在于克服上述發明的缺陷，通過動態設定快速公交車在相鄰兩交叉 路口間的運行速度，來實現快速公交車運行到平面交叉路口時，交叉路口的信號燈恰好處 于綠燈通行時間。提供一種在保障整個交叉路口的交通秩序和通行質量的前提下，實現BRT 快速公交車輛一路綠燈暢通運行的一種快速公交車速控制裝置和方法。本發明快速公交車速控制裝置的結構方案是由車載GPS定位模塊、RF無線傳輸 模塊、信號周期計時器、車載MCU模塊、顯示屏及語音提示器構成；車載GPS定位模塊、RF無 線傳輸模塊、車載MCU模塊、顯示屏及語音提示器、安裝在BRT車輛上，RF無線傳輸模塊、顯 示屏及語音提示器與車載MCU串口相連接，信號周期計時器安裝在交通信號控制機里，在 每一個交叉路口等待線設定位置安裝RF無線傳輸模塊；RF無線傳輸模塊傳送、接收信息；車載GPS定位模塊，實時的獲取快速公交車輛的 經緯度位置信息，并即時傳送到車載MCU模塊；計時器模塊實時記錄每一時刻交通信號燈 的信號狀態，并通過RF無線傳輸將信息發送到車載MCU模塊，車載MCU模塊在收到時間段 信息后計算出車輛在此路段運行的速度范圍數據，將該計算結果數據的信息輸送到與車載 MCU模塊相連接的車載顯示器和語音提示器上，經過信號轉換器件轉換為視頻和音頻；信號周期計時器是由RF無線傳輸模塊、MCU模塊、計時器模塊組成，計時器模塊實
4時記錄每一時刻交通信號燈的信號狀態；當快速公交車輛順利通過上一平面交叉路口時， 車載RF無線傳輸模塊將車輛的位置信息傳送到安裝在下一平面交叉路口的信號周期計時 器里，信號周期計時器內的MCU模塊進行數據處理時，應用存儲在該模塊的軟件信息中快 速公交車在各個時間段內在站點的停靠時間的平均值t2信息，計算得出符合快速公交運行 要求的時間范圍；s是行駛車輛與等待線位置之間的距離，Vtl是快速公交車輛常規運行的平均速度， t0包括快速公交車輛在相鄰兩交叉路口間的運行時間、和在站點的停靠時間即乘客在站 點登乘時間、，、=s/v0,t0 = ti+t2 ；S值的計算是根據車載GPS定位模塊發來的行駛車輛 的位置和等待線位置在地球兩點間的弧長，通過MCU計算軟件中計算公式計算得來，設行 駛車輛的位置為A點，等待線的位置為B點，A、B兩點的經、緯度分別為(jA，wA) (jB, wB)， 地球半徑為 R，弧 AB = R*arccos [sin (wA) sin (wB) +cos (wA) cos (wB) *cos (jA-jB)]，將該計 算依據存儲在車載MCU模塊軟件系統；因為各站點乘客量不同所以對應的、時間也就各不 相同，為了便于量化快速公交車在站點的停靠時間，通過調研取早高峰、晚高峰、平峰以及 工作日和節假日，快速公交車在各個時間段內在站點的停靠時間的平均值作為t2，并將t2 值存儲在信號周期計時器中的MCU計算軟件中，在計算車輛運行時間段信息時調用。應用安裝在BRT車輛上的車載GPS定位模塊、RF無線傳輸模塊、信號周期計時器、 車載MCU模塊計算出快速公交車在相鄰兩交叉路口間適時通過綠燈時間區的運行速度范 圍，并通過顯示屏及語音提示器提示司機控制車速，恰好在綠燈通行時間內順利通過平面 交叉路口。在快速公交車順利通過上一平面交叉路口時，通過車載GPS定位系統實時獲取 快速公交車輛的經緯度位置信息，將車輛的經緯度位置信息通過RF無線射頻傳送到車載 MCU模塊，同時將車輛的位置信息發送到安裝在交通信號控制機中的信號周期計時器里，安 裝在等待線位置的RF模塊發出的無線射頻將等待線的經緯度位置信息傳送到車載MCU模 塊，車載MCU模塊對接收到的數據，進行提取和數據處理，計算出行駛車輛與等待線位置間 的距離和車輛運行該段距離所用的時間，并將時間信息發送到安裝在交通信號機里的信號 周期計時器；通過信號周期計時器，記錄每一時刻交通信號燈所處的信號狀態；當接收到 車輛發送的位置信息后，信號周期計時器記錄該時刻的信號周期時間點(即時時間)，將時 間點信息發送到MCU模塊，MCU模塊會計算出車輛運行的時間段％ ；安裝在交通信號控制機 中的MCU模塊通過獲取、時刻交通信號燈信號狀態，來確定、的取值范圍，如果、時刻恰 好處于信號燈的綠燈通行時間內，則、取值范圍為Ucra) (tfb)，其中a+b時間是綠燈 通行時間；如果、時刻恰好處于信號燈的紅燈等待時間段內，則分兩種情況進行數據處理第一種，是t(l時刻靠近上一個綠燈通行時間，則減少、值，提高車速使快速公交車 輛可以在上一個綠燈通行時間內順利通過平面交叉路口。、取值范圍為(‘-ΠΙ) (tfn)， 其中m為、時刻在紅燈時間區段內已經經歷的紅燈信號時間，η為從、時刻到上一綠燈通 行開始時刻的時間差值；第二種，是、時刻靠近下一個綠燈通行時間，則增大、值，降低車速使快速公交車 輛可以在下一個綠燈通行時間內順利通過平面交叉路口。、取值范圍為(‘+ρ) (tdq)， 其中P為、時刻到下一綠燈通行信號開始的時間差值，q為從、時刻到下一綠燈通行結束 時刻的時間差值；
安裝在交通信號控制機中的RF無線傳輸設備將、的取值范圍Ucra) (tfb)、 (t0_m) (t0-n)、t0+p) (t0+q)傳送到車載MCU模塊，車載MCU模塊通過、的取值范圍 計算得出快速公交車輛的運行速度范圍數據，即時將速度范圍值數據信息輸送到車載顯示 器和語音提示器，經過信號轉換器件轉換為視頻和音頻，提示駕駛員實施調速運行。本發明裝置應用在BRT車輛上，通過動態獲取快速公交車的經緯度位置信息，交 通信號周期計時器計算出快速公交車在相鄰兩交叉路口間的運行時間，為駕駛員提供快速 公交車的運行速度范圍，控制BRT車輛在沒有干涉交叉路口信號燈循環周期的條件下和不 干擾其他正常運行車輛的行車秩序的前提下一路綠燈，消除了快速公交車輛在交叉路口的 等候時間，實現快速公交快速度、大運量、準點性運行的目的，優化了公交運行質量和運行 效率，消除了路口停車、啟動程序減少環境污染以及能源消耗。
四
圖1為快速公交車速控制裝置工作原理系統圖；圖2為車載控制裝置硬件結構示意圖；圖3為信號周期計時器硬件結構示意圖；圖4為車載控制裝置軟件控制過程流程圖；圖5為信號周期計時器軟件控制過程流程圖。附圖標記RFl為安裝在第1個交叉路口等待線位置的RF無線射頻發射器；RF2為安裝在第2個交叉路口等待線位置的RF無線射頻發射器；RFn為安裝在第η個交叉路口等待線位置的RF無線射頻發射器；Pl是安裝在第1個交叉路口交通信號控制機里的信號周期計時器；Ρ2是安裝在第2個交叉路口交通信號控制機里的信號周期計時器；Pn是安裝在第η個交叉路口交通信號控制機里的信號周期計時器。
五具體實施例方式下面結合附圖詳細敘述本發明的實施過程如圖1、圖2、圖3所示，本發明的快速公交速度控制裝置，由車載GPS定位模塊、RF 無線傳輸模塊、信號周期計時器、車載MCU模塊、顯示屏及語音提示器構成；將車載GPS定位 模塊、RF無線傳輸模塊、車載MCU模塊、顯示屏及語音提示器、安裝在BRT車輛上，RF無線 傳輸模塊、顯示屏及語音提示器與車載MCU模塊串口相連接；顯示屏及語音提示器安裝在 駕駛員視覺與聽覺方便的位置；在每一個交叉路口的交通信號控制機里安裝信號周期計時 器，在每一個等待線設定位置安裝RF無線傳輸模塊。由安裝在快速公交車輛上的車載裝置實時、自動的獲取快速公交車輛的經緯度位 置信息，同時在通過上一平面交叉路口后，接收安裝在下一交叉路口等待線位置的RF無線 射頻發射的經緯度位置信息，以及安裝在下一交叉路口交通信號機里的交通信號周期計時 器發送的時間信息。車載MCU模塊，將接收到的信息進行有效地數據處理，包括數據有效性 的檢查、路口距離的計算、經緯度差的計算、行駛方向的計算將這些結果進行最后的計算， 得出具體適時通過綠燈時間區的運行速度范圍，將速度范圍信息輸送到車載顯示屏和語音提不器上。如圖2所示，車載控制裝置硬件原理圖所示，GPS模塊(GPS模塊采用Gamin佳明 GPS)通過無線導航定位的連續性和實時性導航、定位和授時功能，為BRT車輛經緯度位置 信息的實時、準確地獲取提供了保障。GPS模塊將快速公交車輛定位信息傳送到車載MCU 模塊(車載MCU模塊采用德州儀器(Tl)生產的最新低成本TMS320F2806X Piccolo浮點 MCU)，同時接收安裝在交叉路口等待線位置的RF無線傳輸模塊傳送來的經緯度位置信息， 利用其軟件系統計算行駛車輛距離下一交叉路口等待線位置間的距離。同時接收來自交通 信號計時器中RF模塊傳送來的時間信息，經過計算得出，快速公交車的運行速度范圍。并 將該計算結果數據的信息輸送到車載顯示器和語音提示器上；語音提示器由MCU模塊、語 音芯片、語音功放模塊、揚聲器組成，顯示器一般采用液晶顯示器；經過信號轉換為視頻和 音頻將速度范圍數據提供給駕駛人員；駕駛人員將該動態的速度范圍數據即時與運行中的 汽車速度表上顯示的瞬時速度進行比較，當實際運行速度大于車載MCU模塊計算出來的速 度范圍值時，駕駛員降低車輛行駛速度，反之，如果小于車載MCU模塊計算出來的速度范圍 值時，駕駛員提高車輛行駛速度，控制車速在車載MCU模塊提供的速度范圍值以內行駛，能 一路綠燈暢行。處理過程為行駛車輛與等待線位置間的距離s由車載MCU軟件系統計算即時提供，為Ikm ；設定平面交叉路口 A-B間有一個公交站點；設定在公交站點停靠時間t2 = 20s ；設定快速公交車的常規運行的平均速度為Y0 = 25km/h ；交通信號燈循環周期為13 ；紅燈周期89s ；綠燈周期40s ；黃燈周期3s ；根據公式、=s/v0；帶入數據、=1/25 = 0. 04h = 144s ；由公式 tQ = t!+t2 ；得 tQ = 144+20 = 164s ；車載MCU模塊，將計算出來的時間信息、=164s，發送到安裝在交通信號機里的 信號周期計時器，信號周期計時器預判斷快速快速公交車輛運行到下一個平面路口等待線 時，交通信號燈信號狀態，分3種情況進行數據處理如果16 后，快速公交車輛完成在站點停靠，運行到平面交叉路口等待線時，恰 好處于信號燈的綠燈通行時間內，且綠燈信號已運行5秒，則tQ取值范圍為159s 199s， 此時信號周期計時器將時間范圍通過RF傳送到車載MCU模塊，利用其軟件系統經過計算得 到快速公交車的運行速度范圍取值為20. llkm/h 25. 98km/h，將該計算結果數據的信息 輸送到車載顯示器和語音提示器上，經過信號轉換為視頻和音頻將速度范圍數據提供給駕 駛人員，駕駛人員依據該速度范圍控制車輛運行速度，就可以在綠燈通行時間內順利通過 平面交叉路口。如果16 時刻恰好處于信號燈的紅燈等待時間內，則分兩種情況考慮第一種，是16如時刻靠近上一個綠燈通行時間，設定16如時刻時交通信號燈紅燈 經過10s。、取值范圍為IHs lMs，此時信號周期計時器將時間范圍通過RF傳送到車載MCU，經過計算得到快速公交車的運行速度范圍取值為38. 30km/h 26. 87km/h，將該計 算結果數據的信息輸送到車載顯示器和語音提示器。第二種，是16如時刻靠近下一個綠燈通行時間，設定16如時刻時交通信號燈紅燈 經過70s。、取值范圍為183s 223s，車載MCU，經過計算得到快速公交車的運行速度范 圍取值為22. 09km/h 17. 73km/h，該計算結果數據的信息輸送到車載顯示器和語音提示 器上，經過信號轉換為視頻和音頻將速度范圍數據提供給駕駛人員，駕駛人員依據該速度 范圍控制車輛運行速度，就可以在綠燈通行時間內順利通過平面交叉路口。圖3為信號周期計時器的硬件原理圖，信號周期計時器的RF接收模塊收到快速公 交車駛來的信息后，MCU模塊進行數據處理時，應用存儲在該模塊的軟件信息中快速公交車 在各個時間段內在站點的停靠時間的平均值、信息，計算得出符合快速公交運行要求的時 間范圍，并將時間范圍信息通過RF發送模塊，發送到車載RF接收裝置。軟件部分包括車載控制裝置的軟件設計和信號周期計時器裝置的軟件設計圖4是車載控制裝置軟件流程圖。GPS模塊實時獲取車輛的經緯度位置信息，車載 MCU模塊對車輛位置信息，以及交叉路口等待線的經緯度位置信息進行有效性數據處理，處 理過程如下s值的計算是根據車載GPS定位模塊發來的行駛車輛的位置和等待線位置在地 球兩點間的弧長，通過MCU計算軟件中計算公式計算得來，設行駛車輛的位置為A點，等 待線的位置為B點，A、B兩點的經、緯度分別為(jA，wA) (jB, wB)，地球半徑為R，弧AB = R*arccos [sin (wA) sin (wB) +cos (wA) cos (wB) *cos (jA-jB)]，將該計算依據存儲在車載 MCU 模塊軟件系統；通過RF無線傳送模塊輸出位置信息，與交通信號周期計時器進行信息交換，每成 功完成一次信息交換，再進行下一次數據交換。圖5是交通信號計時器軟件流程圖。交通信號計時器從獲取車輛信息時刻起，記 錄信號狀態變換情況，在獲取車輛運行時間后，分兩種情況(紅燈或綠燈)確定快速公交車 輛運行的時間范圍，并將時間信息發送到車載控制裝置。每次數據傳送結束后，重復接收車 輛的位置信息。
權利要求
1.一種快速公交車速控制裝置，由安裝在BRT車輛上的車載裝置和安裝在道路交叉路 口的交通信號控制機里的信息處理裝置構成，其特征為由車載GPS定位模塊、RF無線傳輸 模塊、信號周期計時器、車載MCU模塊、顯示屏及語音提示器構成；車載GPS定位模塊、RF無 線傳輸模塊、車載MCU模塊、顯示屏及語音提示器、安裝在BRT車輛上，RF無線傳輸模塊、 顯示屏及語音提示器與車載MCU模塊串口相連接，信號周期計時器安裝在交通信號控制機 里，在每一個交叉路口等待線設定位置安裝RF無線傳輸模塊；RF無線傳輸模塊傳送、接收信息；車載GPS定位模塊，實時的獲取快速公交車輛的經緯 度位置信息，計時器模塊實時記錄每一時刻交通信號燈的信號狀態，并通過RF無線傳輸模 塊將信息發送到車載MCU模塊，車載MCU模塊在收到時間段信息后計算出車輛在此路段運 行的速度范圍數據，將該計算結果數據的信息輸送到與車載MCU模塊相連接的車載顯示器 和語音提示器上，經過信號轉換器件轉換為視頻和音頻。
2.根據權利要求1所述的一種快速公交車速控制裝置，其特征為所述的信號周期計時 器是由RF無線傳輸模塊、MCU模塊、計時器模塊組成，計時器模塊實時記錄每一時刻交通信 號燈的信號狀態；當快速公交車輛順利通過上一平面交叉路口時，車載RF無線傳輸模塊將 車輛的位置信息傳送到安裝在下一平面交叉路口的信號周期計時器里，信號周期計時器內 的MCU模塊進行數據處理時，應用存儲在該模塊的軟件信息中快速公交車在各個時間段內 在站點的停靠時間的平均值t2信息，計算得出符合快速公交運行要求的時間范圍；S是行駛車輛與等待線位置之間的距離，Vtl是快速公交車輛常規運行的平均速度，t0包 括快速公交車輛在相鄰兩交叉路口間的運行時間ti和在站點的停靠時間即乘客在站點登 乘時間、，、=s/v0,t0 = ti+t2 ；s值的計算是根據車載GPS定位模塊發來的行駛車輛的位 置和等待線位置在地球兩點間的弧長，通過MCU計算軟件中計算公式計算得來，設行駛車 輛的位置為A點，等待線的位置為B點，A、B兩點的經、緯度分別為(jA，wA) (jB，wB)，地球半 徑為 R,弧 AB = R*arccos [sin (wA) sin (wB) +cos (wA) cos (wB) *cos (jA-jB)]，將該計算依據 存儲在車載MCU模塊軟件系統；因為各站點乘客量不同所以對應的、時間也就各不相同， 為了便于量化快速公交車在站點的停靠時間，通過調研取早高峰、晚高峰、平峰以及工作日 和節假日，快速公交車在各個時間段內在站點的停靠時間的平均值作為、，并將t2值存儲 在信號周期計時器中的MCU計算軟件中，在計算車輛運行時間段信息時調用。
3.實施權利要求1所述的一種快速公交車速控制裝置的方法，是應用安裝在BRT車輛 上的車載GPS定位模塊、RF無線傳輸模塊、信號周期計時器、車載MCU模塊計算出快速公交 車在相鄰兩交叉路口間的運行速度范圍，并通過顯示屏及語音提示器提示司機控制車速， 其特征為在快速公交車順利通過上一平面交叉路口時，通過車載GPS定位系統實時獲取 快速公交車輛的經緯度位置信息，將車輛的具體位置信息通過RF無線射頻傳送到車載MCU 模塊，同時將車輛的位置信息發送到安裝在交通信號控制機中的信號周期計時器里，安裝 在等待線位置的RF模塊發出的無線射頻將等待線的經緯度位置信息傳送到車載MCU，車載 MCU模塊對接收到的數據，利用其軟件系統進行提取和數據處理，計算出行駛車輛與等待線 位置間的距離和車輛運行該段距離所用的時間，并將時間信息發送到安裝在交通信號機里 的信號周期計時器；通過信號周期計時器，記錄每一時刻交通信號燈所處的信號狀態；當 接收到車輛發送的位置信息后，信號周期計時器記錄該時刻的信號周期時間點，將時間點 信息發送到MCU模塊，MCU模塊會計算出車輛運行的時間段、；安裝在交通信號控制機中的MCU模塊通過交通信號燈信號狀態來確定、的取值范圍 如果、時刻恰好處于信號燈的綠燈通行時間內，則、取值范圍為(‘-a) (tjb)，其中a+b 時間是綠燈通行時間；如果、時刻恰好處于信號燈的紅燈等待時間段內，則分兩種情況進行數據處理 第一種，是、時刻靠近上一個綠燈通行時間，則減少、值，提高車速使快速公交車輛可 以在上一個綠燈通行時間內順利通過平面交叉路口，、取值范圍為(‘-πι) (‘-η)，其中 m為、時刻在紅燈時間區段內已經經歷的紅燈信號時間，η為從、時刻到上一綠燈通行開 始時刻的時間差值；第二種，是、時刻靠近下一個綠燈通行時間，則增大、值，降低車速使快速公交車輛可 以在下一個綠燈通行時間內順利通過平面交叉路口，、取值范圍為(tfp) (tfq)，其中 P為、時刻到下一綠燈通行信號開始的時間差值，q為從、時刻到下一綠燈通行結束時刻 的時間差值；安裝在交通信號控制機中的RF無線傳輸模塊將、的取值范圍Ucra) (tjb)、 (t0-m) (t0-n)、t0+p) (t0+q)傳送到車載MCU模塊，車載MCU模塊通過、的取值范圍 計算得出快速公交車輛的運行速度范圍數據，即時將速度范圍值數據信息輸送到車載顯示 器和語音提示器，經過信號轉換器件轉換為視頻和音頻，提示駕駛員實施調速運行。
全文摘要
本發明屬于ITS智能交通系統技術領域，尤其是用于具有公交專用車道的BRT快速公交車的車速控制裝置和方法。由車載GPS定位模塊、RF無線傳輸模塊、信號周期計時器、車載MCU、顯示屏及語音提示器構成；應用該裝置通過車載MCU計算出快速公交車在相鄰兩交叉路口間適時通過綠燈時間區的運行速度范圍，并提示司機依據該運行速度范圍控制車速，恰好在綠燈通行時間內順利通過平面交叉路口。在沒有干涉交叉路口信號燈循環周期的條件下和不干擾其他正常運行車輛的行車秩序的前提下一路綠燈，消除了快速公交車輛在交叉路口的等候時間，實現快速公交快速度、大運量、準點性運行的目的，優化了公交運行質量和效率，消除了路口停車、啟動程序減少環境污染以及能源消耗。
文檔編號G08G1/0962GK102074114SQ20111002029
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月18日 優先權日2011年1月18日
發明者張慧, 王虎, 耿娜 申請人:山東大學