一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统及方法。所述系统包括智能车辆控制器，闭合电磁导轨，电磁传感器，转向舵机，电机驱动模块，测速模块，红外测距模块，射频识别模块，射频线圈和信号发生器。所述控制方法包括智能车辆沿智能交通平台的设定道路自主行驶步骤，速度控制步骤，编队行驶的步骤，在交叉路口按照交通规则行驶的步骤。本发明采用电磁传感器完成智能车辆循迹功能，解决了采用光电、摄像头传感器易受到可见光干扰的问题。基于红外测距实现编队行驶控制，解决了采用超声波测距技术存在的受环境温度影响较大、检测准确率低等问题。基于射频识别技术克服了智能车通过交叉口时控制信号无法和信号灯同步导致闯红灯的问题。
【专利说明】一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统及方法【技术领域】
[0001]本发明属于智能交通领域，涉及一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]由于全球经济的发展，城市人口和机动车保有量的持续增长，世界上各国多数城市都面临着很大的交通压力，面对世界全球化、信息化的发展趋势，传统的交通技术手段已不再适应经济社会发展的要求，发展智能交通是交通事业发展的必然选择，随着世界范围内经济的高速发展，汽车普及率的快速提高，汽车在方便人们生活的同时也带来了大量不可忽视的问题，如交通拥堵、驾驶安全、环境污染等，智能交通系统可以很好的解决交通快速发展中带来的问题，而智能车辆作为智能交通系统的关键技术，在解决交通问题的过程中有着不可替代的作用，因此，在智能交通发展过程中，智能车辆控制系统的设计变得尤为重要。
[0003]智能车辆控制系统按照传感器的不同可以分为光电、摄像头，电磁三类。智能车辆通过采集赛道图像方式进行路径检测的属于摄像头方式；智能车辆通过采集赛道上少数孤立点反射亮度进行路径检测的属于光电传感器方式；智能车辆通过感应由赛道中心电磁轨道产生的交变磁场进行路径检测的属于电磁传感器方式。利用摄像头方式循迹和光电方式循迹的智能车辆容易受到光线的影响，实验环境下的灯光，阳光等都会对智能车辆的循迹造成影响，导致智能车辆循迹失败。利用电磁传感器循迹则可以克服上述缺点。
[0004]现有智能车辆控制系统一般采用超声波测距完成智能车辆编队行驶控制，这种方法存在的问题是:受环境温度影响较大；发射角较大，导致检测准确率低，造成误停车；超声波收发装置体积大，安装困难。
[0005]现有智能车辆交叉路口行驶控制一般采用以下两种方案:(I)采用霍尔模块和埋在地面下的永磁铁实现交叉路口行驶控制。由于永磁铁控制无法与交叉口的信号灯同步，只能控制智能车辆在达固定位置停车，无法实现信号灯控制下的自动停车，即“红灯停、绿灯行”交通规则下行驶；(2)采用电磁感应技术，将电磁铁埋设在路面下，磁场检测设备安装于智能车辆上，当交叉口红灯亮起，电磁铁通电产生电磁场，磁场检测设备检测到电磁信号，智能车辆停车。虽然完成了“红灯停、绿灯行”交通规则行驶，但是电磁铁产生的磁场信号有效距离小，交叉口红灯亮起时智能车辆经常检测不到电磁信号，造成智能车辆闯红灯。
【发明内容】
[0006]针对智能车辆行驶控制中存在的上述问题，本发明提出一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统及方法，该系统在完成智能车辆循迹的前提下，完成基于红外测距的智能车辆的编队行驶，基于射频识别的“红灯停、绿灯行”规则下的行驶功能。
[0007]如图1所示，智能交通平台是将城市实际道路环境的交通元素进行微缩移植到实验室，其中智能车辆控制系统是智能交通平台的关键所在。本发明所述的智能车辆控制系统主要包括:智能车辆控制器，闭合电磁导轨，电磁传感器，转向舵机，电机驱动模块，测速模块，红外测距模块，射频识别模块，射频线圈和信号发生器。闭合电磁导轨辐射的电磁信号由安装在智能车辆车头正前方车架上的三个电磁传感器进行检测。传感器检测到的电磁信号送至智能车辆控制器进行信号处理，然后输出控制信号至安装在车体内部连接前轮轴的转向舵机，通过转向舵机动作控制前轮的转角，使智能车辆保持在道路的中央行驶。测速模块安装在智能车辆后轮电机传动轴上，将智能车辆的速度实时反馈给智能车辆控制器，通过车速闭环控制使车辆稳定行驶。安装在智能车辆车头正前方的红外测距模块，不断地向前方发出红外信号，检测前方是否有行驶的智能车辆或者其他障碍物，红外测距模块将测得的距离信息送到智能车辆控制器进行处理，智能车辆控制器根据车距大小输出控制信号至电机驱动模块，控制电机转速，使车辆减速或正常行驶。当智能车辆行驶至交叉口时，安装在智能车辆车头正前方车架右侧的射频识别模块，检测埋设在交叉口路面正下方的射频线圈是否有与红色信号灯信号同步的信号发出。射频识别模块将检测到的信号送至智能车辆控制器进行信号处理，完成智能车辆停车或行驶的控制。
[0008]所述三个电磁传感器，其中一个传感器安装在电磁导轨中心线正上方，其它两个对称地安装在它的左、右两侧。中间传感器的信号用来判断智能车辆偏离电磁导轨中心线的位置，左、右对称的两个传感器的信号用来判断智能车辆偏离电磁导轨中心线的方向。
[0009]所述电磁传感器是三个“工”字形电感线圈，每个电感线圈与电容并联，形成LC震荡电路，其谐振频率与电磁轨道内信号频率相同，故在电磁传感器的LC回路中产生谐振，使所述电磁传感器检测到的信号强度最大。
[0010]所述红外测距模块利用红外原理测距，由位置敏感探测器、红外发光二极管和信号处理电路组成。
[0011]所述信号发生器和射频线圈安装在交叉路口的路面下方，红灯亮时，使能信号发生器驱动射频线圈产生电磁场。
[0012]应用所述系统进行智能车辆控制的方法包括以下步骤:
[0013]步骤1，控制智能车辆沿智能交通平台的设定道路自主行驶的步骤，包括以下内容:
[0014]步骤1.1，三个电磁传感器检测电磁轨道辐射的电磁信号，并送至智能车辆控制器进行处理。
[0015]步骤1.2，智能车辆控制器根据三个电磁传感器检测到的信号强度判断车辆偏离电磁轨道中心线的大小和方向，方法如下:
[0016]假设智能车辆位于电磁轨道中心线时中间传感器检测到的信号强度为A，左、右传感器检测到的信号强度为B。
[0017]当中间传感器检测到的信号强度X+ = A时，表明车辆位于电磁轨道中心；
[0018]当中间传感器检测到的信号强度X +〈A时，如果左传感器检测到的信号强度X&〈B，右传感器检测到的信号强度XieM,表明车辆向左偏离电磁轨道中心；如果左传感器检测到的信号强度Xt>B，右传感器检测到的信号强度XieU,表明车辆向右偏离电磁轨道中心。
[0019]步骤1.3，智能车辆控制器根据A_X +的大小与车辆偏离电磁轨道中心的方向，输出控制信号至转向舵机，通过转向舵机控制前轮向相反方向偏转，使车辆保持在道路的中央行驶。
[0020]步骤2，智能车辆的速度控制步骤，包括以下内容:
[0021]步骤2.1，测速模块将电机转速信号实时传送至智能车辆控制器，经处理后转换成速度数字信号。
[0022]步骤2.2，所述控制器将步骤2.1转换成的速度数字信号与设定的速度数值求差。
[0023]步骤2.3，当智能车辆的速度偏离设定速度时，所述控制器根据步骤2.2求得的速度差的大小和符号，输出控制信号至电机驱动模块，电机驱动模块输出PWM波至电机，使电机转速向着智能车辆偏离设定速度相反的方向改变，从而使智能车辆按设定的速度稳定行驶。
[0024]步骤3，控制智能车辆沿智能交通平台设定的道路编队行驶的步骤，包括以下内容:
[0025]步骤3.1，红外测距模块将测得的前面车辆或障碍物的距离信息送到智能车辆控制器进行处理。
[0026]步骤3.2，当与前方行驶智能车辆或障碍物距离大于安全车距时，保持原来速度行驶。
[0027]步骤3.3，当与前方行驶智能车辆或障碍物距离小于安全车距时，智能车辆控制器输出控制信号至电机驱动模块，使智能车辆减速，直到达到安全车距后，智能车辆恢复正常车速。
[0028]步骤4，控制智能车辆在交叉路口按照“红灯停、绿灯行”交通规则行驶的步骤，包括以下内容:
[0029]步骤4.1，当智能车辆行驶至交叉口时，射频识别模块检测射频线圈发出的与红灯信号同步的信号，并送至车辆控制器进行信号处理。
[0030]步骤4.2，若步骤4.1检测到的信号强度小于设定值，智能车辆判断路口信号灯为绿灯，智能车辆正常驶过交叉口。
[0031]步骤4.3，若步骤4.1检测到的信号强度大于等于设定值，智能车辆判断路口为红灯，智能车辆停车，直至红灯结束，智能车辆启动，正常驶离交叉口。
[0032]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0033](I)本发明采用电磁传感器完成智能车辆循迹功能，成功地避开了可见光对智能车辆循迹带来的影响，解决了采用光电、摄像头传感器易受到可见光干扰的问题。
[0034](2)本发明基于红外测距实现了智能车辆的编队行驶控制，解决了采用超声波测距技术存在的受环境温度影响较大、发射角较大导致检测准确率低造成误停车、超声波收发装置体积大安装困难等问题。
[0035](3)本发明基于射频识别技术实现了智能车辆在交叉口“红灯停、绿灯行”交通规则下的行驶功能，克服了现有技术中存在的无法和信号灯同步、因检测信号弱导致智能车辆闯红灯的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为智能交通平台示意图；
[0037]图2为本发明所涉及智能车辆控制系统组成框图；[0038]图3为电磁传感器、红外测距模块放置俯视图；
[0039]图4为码盘与红外反射光电对管工作原理不意图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。
[0041]一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统的组成如图2所示，主要包括:智能车辆控制器，闭合电磁导轨，电磁传感器，转向舵机，电机驱动模块，测速模块，红外测距模块，射频识别模块，射频线圈和信号发生器。
[0042]闭合电磁轨道通以交变的正弦电流信号，频率为20kHz，大小为100mA，在跑道的附近产生20kHz的交变磁场。
[0043]电磁传感器是三个IOmH的“工”字形电感线圈，电感线圈与6.8nF的电容并联，形成LC震荡电路，谐振频率为20kHz。闭合电磁轨道内信号频率也为20kHz，故在电磁传感器的LC回路中产生谐振，使检测到的信号强度最大。三个电磁传感器安装在智能车辆车头正前方车架上，其中一个传感器安装在电磁导轨中心线位置，其它两个对称地安装在它的左、右两侧。如图3所示。中间传感器的信号用来判断智能车辆偏离电磁导轨中心线的位置，左、右对称的两个传感器的信号用来判断智能车辆偏离电磁导轨中心线的方向。
[0044]转向舵机安装在车体内部连接前轮轴上，采用型号为cys0006的1.2KG舵机，接受智能车辆控制器的输出信号，控制前轮的转角。
[0045]智能车辆控制器是智能车辆的控制中心，安装在智能车辆车身内部的车架中央，采用飞思卡尔公司的MC9S12XS128单片机作为主控芯片，通过处理电磁传感器采集的磁场信息判断车辆的位置；通过控制舵机的转角控制智能车辆前轮的转动，引导智能车辆沿设定的轨迹行进；通过采集电机速度信号控制车辆以设定的速度稳定行驶。
[0046]红外测距模块由位置敏感探测器、红外发光二极管、信号处理电路组成，安装在智能车辆车头正前方，利用红外原理测距，探测距离远，测距范围为lOcm-SOcm。
[0047]信号发生器和射频线圈埋设在交叉口路面正下方，红灯亮时，使能信号发生器驱动射频线圈产生电磁场。
[0048]射频识别模块包括LM358芯片组成的放大电路和二级管组成的桥式整流电路，安装在智能车辆车头正前方车架右侧，检测射频线圈发出的信号。
[0049]测速模块采用红外测速模块，由测速码盘和红外反射光电对管构成，如图4。码盘安装在电机的传动轴上，红外传感器安装在正对码盘的下方。当码盘随着齿轮转动时，光电管接收到的反射光强弱交替变化，由此可以得到一系列高低电脉冲。设置同时捕捉光电管输出的电脉冲的上升沿和下降沿。通过累计一定时间内的脉冲数，可以得到和速度等价的参数值。
[0050]电机驱动模块采用采用L298作为电机驱动芯片，利用PWM波来控制速度控制模块实现直流电机的调速。
[0051]应用本发明所述智能车辆控制系统进行控制的方法包括以下内容:
[0052]1.控制智能车辆沿智能交通平台的设定道路自主行驶
[0053]智能车辆位于电磁导轨的中心线时，中间传感器检测到的信号达到最大值，对应数字量为140，转换为模拟电压为2.734V，两对称传感器对应的数字量为80，转换为模拟电压值为1.563V ;当中间传感器的值小于140时，判断智能车辆偏移中心线位置。当左侧传感器值大于80，右侧传感器值小于80时，认为智能车辆往右侧偏；当左侧传感器的值小于80，右侧传感器的值大于80时，认为智能车辆往左偏。当车辆偏移时，智能车辆控制器输出控制信号，通过控制转向舵机的转角来控制前轮的实时转动，使智能车辆始终保持在电磁导轨的中央行驶。
[0054]2.智能车辆的速度控制
[0055]以智能车辆上坡、下坡时的速度控制为例说明速度控制过程。
[0056]当智能车辆上坡时，若电机采用恒定电压控制，智能车辆会出现爬不上去或者速度很慢的情况。而采用车速闭环控制，通过电机驱动模块实时调整，使智能车辆保持一个稳定的车速上坡；当智能车辆下坡时，若电机采用恒定的电压控制，智能车辆由于惯性，会出现舵机抖动或者车速过快冲出道路，造成安全隐患，而采用车速闭环控制，通过电机驱动模块使车辆减速，从而保证安全下坡。
[0057]3.控制智能车辆沿智能交通平台设定的道路编队行驶
[0058]智能车辆行进过程中，红外测距模块不断地向前方发出红外信号，检测与前方障碍物或者其他行驶的智能车辆的距离，当智能车辆的避障模块测得与前方行驶智能车辆或障碍物距离小于25cm的时候，智能车辆控制器判定当前车距小于安全车距，对应数字量为60，智能车辆减速，直至达到安全车距，智能车辆恢复正常车速。
[0059]4.控制智能车辆在交叉路口按照“红灯停、绿灯行”交通规则行驶
[0060]当智能车辆行驶至交叉口时，射频识别模块检测射频线圈发出的与红灯信号同步信号，并送至车辆控制器进行信号处理。若检测值小于设定值，智能车辆判断路口信号灯为绿灯，智能车辆正常驶过交叉口 ；若检测值大于等于设定值，智能车辆判断路口为红灯，智能车辆停车，直至红灯结束，智能车辆启动，正常驶离交叉口。
[0061]实验表明，本发明所述系统能够完成基于红外测距原理的智能交通平台多车辆编队行驶的控制，实现基于射频识别的智能交通平台下交叉口“红灯停、绿灯行”交通规则下的行驶功能，为智能交通平台的功能演示，基于智能交通平台的仿真研究提供了可行的智能车辆控制系统。
【权利要求】
1.一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统，其特征在于包括:智能车辆控制器，闭合电磁导轨，电磁传感器，转向舵机，电机驱动模块，测速模块，红外测距模块，射频识别模块，射频线圈和信号发生器；闭合电磁导轨辐射的电磁信号由安装在智能车辆车头正前方车架上的三个电磁传感器进行检测；所述传感器检测到的电磁信号送至智能车辆控制器进行信号处理，然后输出控制信号至安装在车体内部连接前轮轴的转向舵机，通过转向舵机动作控制前轮的转角，使智能车辆保持在道路的中央行驶；测速模块安装在智能车辆后轮电机传动轴上，将智能车辆的速度实时反馈给智能车辆控制器，通过车速闭环控制使车辆稳定行驶；安装在智能车辆车头正前方的红外测距模块，不断地向前方发出红外信号，检测前方是否有行驶的智能车辆或者其他障碍物，红外测距模块将测得的距离信息送到智能车辆控制器进行处理，智能车辆控制器根据车距大小输出控制信号至电机驱动模块，控制电机转速，使车辆减速或正常行驶；当智能车辆行驶至交叉路口时，安装在智能车辆车头正前方车架右侧的射频识别模块，检测埋设在交叉口路面正下方的射频线圈是否有与红色信号灯信号同步的信号发出；射频识别模块将检测到的信号送至智能车辆控制器进行信号处理，完成智能车辆停车或行驶的控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统，其特征在于，所述三个电磁传感器，其中一个传感器安装在电磁导轨中心线正上方，其它两个对称地安装在它的左、右两侧；中间传感器的信号用来判断智能车辆偏离电磁导轨中心线的位置，左、右对称的两个传感器的信号用来判断智能车辆偏离电磁导轨中心线的方向。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统，其特征在于，所述电磁传感器是三个“工”字形电感线圈，每个电感线圈与电容并联，形成LC震荡电路，其谐振频率与电磁轨道内信号频率相同，故在电磁传感器的LC回路中产生谐振，使所述电磁传感器检测到的信号强度最大。
4.根据权利要求1所述的一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统，其特征在于所述红外测距模块利用红外原理测距，由位置敏感探测器、红外发光二极管和信号处理电路组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于智能交通平台的智能车辆控制系统，其特征在于，所述信号发生器和射频线圈安装在交叉路口的路面下方，红灯亮时，使能信号发生器驱动射频线圈产生电磁场。
6.应用权利要求所述智能车辆控制系统进行控制的方法包括以下步骤: 步骤1，控制智能车辆沿智能交通平台的设定道路自主行驶的步骤； 步骤1.1，三个电磁传感器检测电磁轨道辐射的电磁信号，并送至智能车辆控制器进行处理； 步骤1.2，智能车辆控制器根据三个电磁传感器检测到的信号强度判断车辆偏离电磁轨道中心线的大小和方向，方法如下: 假设智能车辆位于电磁轨道中心线时中间传感器检测到的信号强度为A，左、右传感器检测到的信号强度为B ； 当中间传感器检测到的信号强度X + = A时，表明车辆位于电磁轨道中心； 当中间传感器检测到的信号强度X +〈A时，如果左传感器检测到的信号强度X&〈B，右传感器检测到的信号强度X；^^，表明车辆向左偏离电磁轨道中心；如果左传感器检测到的信号强度Xt>B,右传感器检测到的信号强度XjeCB,表明车辆向右偏离电磁轨道中心； 步骤1.3，智能车辆控制器根据A-X +的大小与车辆偏离电磁轨道中心的方向，输出控制信号至转向舵机，通过转向舵机控制前轮向相反方向偏转，使车辆保持在道路的中央行驶； 步骤2，智能车辆的速度控制步骤； 步骤2.1，测速模块将电机转速信号实时传送至智能车辆控制器，经处理后转换成速度数字信号； 步骤2.2，所述控制器将步骤2.1转换成的速度数字信号与设定的速度数值求差； 步骤2.3，当智能车辆的速度偏离设定速度时，所述控制器根据步骤2.2求得的速度差的大小和符号，输出控制信号至电机驱动模块，电机驱动模块输出PWM波至电机，使电机转速向着智能车辆偏离设定速度相反的方向改变，从而使智能车辆按设定的速度稳定行驶；步骤3，控制智能车辆沿智能交通平台设定的道路编队行驶的步骤； 步骤3.1，红外测距模块将测得的前方车辆或障碍物的距离信息送到智能车辆控制器进行处理； 步骤3.2， 当与前方行驶智能车辆或障碍物距离大于安全车距时，保持原来速度行驶；步骤3.3，当与前方行驶智能车辆或障碍物距离小于安全车距时，智能车辆控制器输出控制信号至电机驱动模块，使智能车辆减速，直到达到安全车距后，智能车辆恢复正常车速；步骤4，控制智能车辆在交叉路口按照“红灯停、绿灯行”交通规则行驶的步骤； 步骤4.1，当智能车辆行驶至交叉口时，射频识别模块检测射频线圈发出的与红灯信号同步的信号，并送至车辆控制器进行信号处理； 步骤4.2，若步骤4.1检测到的信号强度小于设定值，智能车辆判断路口信号灯为绿灯，智能车辆正常驶过交叉口 ； 步骤4.3，若步骤4.1检测到的信号强度大于等于设定值，智能车辆判断路口为红灯，智能车辆停车，直至红灯结束，智能车辆启动，正常驶离交叉口。
【文档编号】B60W10/08GK104015723SQ201410261100
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】李振龙, 王保菊, 荣建, 赵晓华, 金雪, 朱明浩 申请人:北京工业大学