基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统的制作方法
【专利摘要】本发明专利涉及一种基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统，该系统由路面子系统、车载子系统和服务中心子系统组成。路面子系统由写入路钮、标签路钮组成；车载子系统由阅读器、显示器、前轮偏角检测器、数据处理模块和转向电机组成；服务中心子系统由服务器和手持终端组成。当安装车载系统的车辆接近写入路钮时激活虚拟轨道系统，阅读器读取标签路钮的位置坐标和该处道路线形信息，同时数据处理模块读取线形参数并处理得到道路切线与车身角度α，读取前轮偏角β，读取相邻2个标签路钮之间的距离L，读取车辆速度V，利用公式ω＝3.6V(β?α)]γmax/(Lnβmax)，得到车辆在相邻2个标签路钮之间行驶时方向盘的转动角速度ω，并将这些控制参数发送给转向电机。
【专利说明】基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统 所属技术领域
[0001] 本发明涉及一种高速公路虚拟轨道系统，该系统可以使汽车沿智能路钮系统形成 的虚拟轨道高速行驶。
【背景技术】
[0002] 目前我国高速铁路运营车速普遍在200km/h-300km/h，并且已经完全掌握了检测 时速500公里的高铁技术，中国南车CIT500型高铁试验时速甚至超过605km，打破了法国高 速列车TGV在2007年创造的世界高铁最快纪录574.8km/h。高速列车之所以能够高速、安全 的行驶，是因为有铁轨的约束。
[0003] 我国公路最高设计车速120km/h，最早出现在1972年版《公路工程技术标准（试 行)》中，直至今日最高设计车速仍为120km/h。40多年来汽车技术和道路施工技术都有很大 的进步，但是公路提速还是遥遥无期，主要原因是安全问题没有很好解决。若能将车辆限制 在虚拟轨道内行驶，汽车行驶安全性将大大提高，设计车速高于120km/h的"超高速公路"将 成为可能。
[0004] 公开号为105564447A的发明专利公开了一种虚拟轨道汽车列车的控制系统，包 括:车头状态检测组件、车厢状态检测组件、车尾状态检测组件和轨迹跟随控制器，轨迹跟 随控制器通过通讯网络向各个车桥的线控转向器发送转向指令，实现后车轮与前轮的轨迹 跟随，实现前后车轮轨迹完全重合，主要用于汽车列车。
[0005] 公开号为103863334A的发明专利公开了一种基于橡胶车轮和虚拟轨道技术的有 轨电车，由车体、控制系统和车轮组件构成，通过车体底部的检测器探测地面虚拟轨道标识 的传感器或卫星定位器控制车辆行驶轨迹，从而实现电车在虚拟轨道上行驶。
[0006] 公开号为103832435A的发明专利公开了一种车道保持控制装置，是一种在倾斜道 路上行驶车辆的车道保持控制装置。
[0007] 公开为103287429A的发明专利公开了一种车道保持系统及车道保持控制方法，车 道保持系统在对车辆的行进方向进行调整的过程中，对来自驾驶员的操作进行分析处理， 能够根据驾驶员对车辆的不同操作动作做出相应处理。
[0008] 以上专利或利用视频识别分车道线，或利用GPS定位，或利用检测器检测车辆状 态，让车辆按照既定轨迹行驶或在车道内行驶。
[0009] 本专利是基于一种智能路钮系统的虚拟轨道系统。申请号为201610421239.5的发 明专利和申请号为201620571739.2的实用新型专利，保护了一种高速公路智能路钮系统， 该系统由路面子系统、载子系统和服务中心子系统构成。高速公路智能路钮系统是在传统 发光路钮的基础上，增加读、写和存储模块，使其具有存储和读取数据的功能，并通过车载 端的显示器显示车辆位置、道路平、纵、横线形参数，从而指导驾驶员的驾驶行为。本专利将 对车载子系统进行改进，增加数据处理和转向控制装置，使车辆自动沿标签路钮形成的虚 拟轨道行驶。
【发明内容】
[0010] (1)要解决的技术问题
[0011] 本发明专利要解决的技术问题是，在高速公路智能路钮系统的基础上，增加数据 处理模块和转向控制装置，使其具有转向控制功能，使车辆自动沿标签路钮形成的虚拟轨 道行驶。
[0012] ⑵技术方案
[0013] 本发明专利涉及的基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统由路面子系统、车载子 系统和服务中心子系统组成。路面子系统由写入路钮、标签路钮组成；车载子系统由阅读 器、显示器、前轮偏角检测器、数据处理模块和转向电机组成;服务中心子系统由服务器和 手持终端组成;此外，各子系统还包括电源和连接线路。智能路钮系统阅读器和标签路钮通 过特高频(902-928MHz)RFID射频识别技术进行通信。
[0014] 路面子系统由写入路钮和标签路钮及其接线组成。路面子系统在路面铺设施工时 被埋入路面结构层，顶部与路面平齐，可避免车辆碾压时出现颠簸。写入路钮和标签路钮埋 设位置位于汽车行驶在车道正中心时驾驶员的正下方，这样汽车行驶在车道正中央时，发 光路钮形成的视线诱导线条位于驾驶员的正前方。写入路钮安装在需要良好视线诱导的道 路起点或车道入口处，写入路钮除具有传统发光路钮所具备的发光结构外，还具备写入接 口和存储空间，可通过手持终端或者服务中心子系统的服务器写入路钮位置，和所在路段 道路平、纵、横线形参数。标签路钮与写入路钮通过导线相连，标签路钮除具有传统发光路 钮所具备的发光结构外，还具备射频发射结构。车辆驶过标签路钮位置时，能够通过RFID准 确读取写入路钮内存储的道路平、纵、横线形参数，同时读取标签路钮的位置参数，也即车 辆所在的准确位置。与GPS定位系统和手机基站定位相比，智能路钮系统定位精确度高，延 误时间短，实时性强。
[0015] 车载子系统由阅读器、显示器、前轮偏角检测器、数据处理模块和转向电机组成。 组成车载子系统的阅读器安装在车辆底部，驾驶员正下方，当车辆在车道正中央行驶时，阅 读器位于标签路钮的正上方，此时阅读器与标签路钮距离最近，为车辆最小离地间隙。组成 车载子系统的显示器与车载导航系统兼容，车载导航系统地图采用道路设计时的平、纵、横 参数。车载子系统显示器能够将从标签路钮读取的坐标信息代替GPS坐标信息，从而能够更 精确、快速的实现定位，并且显示在用从标签路钮读取的平、纵、横参数绘制的地图上。车载 子系统的转向电机可与车辆本身电动助力转向系统电机共用。数据处理模块可以读取车辆 EQJ(Electronic Control Unit电子控制单元）中驶过第n-1个标签路钮时的速度Vn-i(km)， 数据处理模块还可将阅读器读取的道路线形参数进行处理，得到各点切线方程。在第n-1个 标签路钮处，切线与车身角度为c^^rad):
[0017]当车辆驶过第n-l个标签路钮时，前轮偏角检测器检测得到前轮偏角Pn-Krad):
[0019] 汽车在行驶过程中，汽车前轮偏角应与道路切线平行，即θη = αη-βη = 〇。当车辆驶 过第η-1个标签路钮时，若矣〇，则需要转动前轮，使车辆经过第η个标签路钮 时θη=α η-βη = 〇,则转动角度Λθ = θη-θη-1= (an-0n)-(an-：L-)
[0021] 若某辆车前轮偏角β由0变到iW，方向盘转动角度为丫_，则方向盘转角与前轮偏 角的传动比1= γ_χ/β_χ;方向盘转动的角速度ω (rad/s)与车辆在两个标签之间行驶的时 间t(s)和所需转动角度有关，ω =IA0/t;而t由两个标签之间长度Ln(m，可由阅读器读取） 和车辆行驶速度V(km)决定，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，车辆在不同线形道路上行驶时，方向盘的转动角速度（ω)就可确定，于是数 据处理模块就可以控制转向电机转动方向盘，使车辆沿标签路钮形成的虚拟轨道行驶。 [0024]服务中心子系统，由服务器和手持终端组成。服务中心子系统服务器管理多条设 有智能路钮的道路和众多的车载子系统。服务中心子系统具有路面子系统信息写入和车载 子系统地图生成的功能。服务中心子系统服务器可通过导线与路面子系统连接，从而实现 标签路钮位置信息和道路线形信息的写入，也可用手持终端实现较偏远地区无有线连接的 路面子系统信息的写入。车载子系统通过服务中心子系统手持终端完成车载子系统地图的 生成。
[0025] (3)有益的效果
[0026] 基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统，其车载子系统数据处理模块能够利用智 能路钮存储的道路线形参数和前轮偏角检测器采集的数据以及从车辆ECU读取的的速度参 数生成前轮转向控制参数，控制转向电机，使车辆自动沿标签路钮形成的虚拟轨道行驶，由 于虚拟轨道的约束汽车行驶安全性大大提高。
[0027] 由于拟轨道系统不需要建设实体轨道，不需要新建道路，只需在原有路面增加路 钮系统，因此成本大大降低。使用者也只需在车辆上安装车载子系统即可，使用成本较低， 对于已有车载导航系统和电动助力转向系统的汽车，只需要安装带有阅读器和数据处理模 块的车载子系统，因此使用成本更加低廉。
【附图说明】
[0028]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
[0029] 图1是基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统总体结构图；
[0030] 图2是路面子系统和车载子系统安装图；
[0031]图3是写入路钮结构及安装图；
[0032]图4是标签路钮结构及安装图
[0033] 图5是前轮偏角与车身夹角图；
[0034] 图6是车身中心线与车道中心线切线夹角图。
[0035] 图中1.服务中心子系统;2.车载子系统;3.路面子系统;4.反光标;5.标签路钮;6. 电源数据线；7.写入路钮;8.服务器;9.手持终端；10.显示器；11.阅读器；12.路面结构层； 13.线管；14.汽车底盘；15. LED灯珠；16.RFID标签；17.封固胶；18.钉脚；19.存储模块;20. 前轮偏角检测器;21.数据处理模块;22.转向电机;23.车身中心线；24.转向轮中心线;25. 车道中心线切线;26.车道中心线。
【具体实施方式】
[0036] 基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统由服务中心子系统1、车载子系统2和路面 子系统3组成。服务中心子系统1由服务器8和手持终端9组成;路面子系统2由写入路钮7、标 签路钮5组成;车载子系统2由阅读器11、显示器10前轮偏角检测器20、数据处理模块21和转 向电机22组成;此外，各子系统还包括电源数据线6。智能路钮系统阅读器11和标签路钮5通 过特高频(902-928MHz)RFID射频识别技术进行通信。
[0037] 基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统的路面子系统3由写入路钮7和标签路钮5 及电源数据线6组成。路面子系统3在路面铺设施工时被埋入路面结构层12,写入路钮7和标 签路钮5顶部与路面平齐，底部用封固胶17将标签路钮5钉脚18固定，电源数据线6,位于路 面结构层12的线管13中。埋设位置位于汽车行驶在车道正中心时驾驶员的正下方。写入路 钮7安装在需要良好视线诱导的道路起点或车道入口处，可通过手持终端9或者服务中心子 系统1的服务器8写入路钮位置，和所在路段道路平、纵、横线形参数。标签路钮5除不具备写 入存储结构外，其他结构、功能和安装方法与写入路钮7相同。标签路钮5与写入路钮7通过 电源数据线6相连，标签路钮5除具有传统发光路钮所具备的发光结构LED灯珠15外，还具备 射频发射RFID标签16结构。车辆驶过标签路钮5位置时，能够通过阅读器11准确读取写入路 钮7内存储的道路平、纵、横线形参数，同时读取标签路钮的位置参数，也即车辆所在的准确 位置。
[0038]基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统的车载子系统2由阅读器11、显示器10、前 轮偏角检测器20、转向电机22和数据处理模块21组成。组成车载子系统2的阅读器11安装在 车辆底盘14上，驾驶员正下方。组成车载子系统的显示器10与车载导航系统兼容，车载导航 系统地图采用道路设计时的平、纵、横参数。车载子系统2的显示器10能够将从标签路钮5读 取的坐标信息显示在用从标签路钮5读取的平、纵、横参数绘制的地图上。车载子系统2的前 轮偏角检测器20安装在转向轴摆臂处，采集前轮偏角参数β，β为车身中心线23和转向轮中 心线24构成的夹角。数据处理模块21安装在汽车ECU固定支架上，方便线路布置，数据处理 模块21可将阅读器11读取的道路线形参数，包括相邻标签路钮5之间的距离L，并进行处理 得到角度α，α为车身中心线23与车道中心线切线25的夹角;数据处理模块21能够读取前轮 偏角检测器20检测得到的前轮偏角β，能够从ECU读取车辆行驶速度V(km)，还能够在车载子 系统安装调试时，手动输入根据方向盘和前轮最大转角确定的ftnax和γ max。数据处理模块21 利用以上数据和公式ω rs.evdm) ymax/(LniW)，得到车辆在两个标签路钮之间行 驶时，方向盘的转动角速度（ω )，并将这些控制参数发送给转向电机22。转向电机22可与电 动助力转向系统电机共用。
[0039] 基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统的服务中心子系统1，由服务器8和手持终 端9组成。服务中心子系统1的服务器8管理多条设有智能路钮的道路和众多的车载子系统 2。服务中心子系统1具有路面子系统3信息写入和车载子系统2地图生成的模块。服务中心 子系统1服务器8可通过电源数据线6与路面子系统3连接，从而实现标签路钮5位置信息和 道路线形信息的写入，也可用手持终端9实现较偏远地区无有线连接的路面子系统3信息的 写入。车载子系统2通过服务中心子系统1手持终端9完成车载子系统2地图的生成。
[0040] 当安装车载系统2的车辆接近写入路钮7时激活基于智能路钮的高速公路虚拟轨 道系统，阅读器11开始工作，通过标签路钮5读取写入路钮7存储的标签路钮5的位置坐标和 该处道路线形信息，并通过显示器10显示。同时数据处理模块21开始工作，读取线形参数并 处理得到道路在第n-1个标签路钮5处切线与车身角度为au，读取前轮偏角βΗ，读取第η个 标签路钮与第η-1个标签路钮之间的距离匕，读取车辆驶过第η-1个标签路钮时的速度Vh， 读取方向盘和前轮最大转角ftnax和γ max，利用公式ω n=3.6V η-1(βη-1_αη-：〇 ] γ max/(Lnftnax)， 得到车辆在第η个标签路钮与第η-1个标签路钮之间行驶时，方向盘的转动角速度（ω η)，并 将这些控制参数发送给转向电机22。
【主权项】
1. 一种基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统，具体特征是：该系统由服务中心子系 统1、车载子系统2和路面子系统3组成;其中车载子系统2由阅读器11、显示器10前轮偏角检 测器20、数据处理模块21和转向电机22组成。2. 根据权利要求1所述的一种基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统，具体特征是:车 载子系统2的前轮偏角检测器20安装在转向轴摆臂处，采集前轮偏角参数β，β为车身中心线 23和转向轮中心线24构成的夹角;数据处理模块21安装在汽车ECU固定支架上，数据处理模 块21可将阅读器11读取的道路线形参数，包括相邻标签路钮5之间的距离L，并进行处理得 到角度α，α为车身中心线23与车道中心线切线25的夹角;数据处理模块21能够读取前轮偏 角检测器20检测得到的前轮偏角β，能够从ECU读取车辆行驶速度V(km)，还能够在车载子系 统安装调试时，手动输入根据方向盘和前轮最大转角确定的ftnax和Ymax;数据处理模块21利 用以上数据和公式《=3.6￥他- 1-€^1)丫_/〇^_)，得到车辆在两个标签路钮之间行驶 时，方向盘的转动角速度ω，并将这些控制参数发送给转向电机22;车载子系统2的转向电 机22可与电动助力转向系统电机共用。3. 根据权利要求1所述的一种基于智能路钮的高速公路虚拟轨道系统，具体特征是:车 载子系统的数据处理模块可以读取车辆ECU中驶过第η-1个标签路钮时的速度Vn-Kkm)，数 据处理模块还可将阅读器读取的道路线形参数进行处理，得到各点切线方程和切线角度； 在第n-1个标签路钮处，切线与车身角度为c^^rad):当车辆驶过第n-1个标签路钮时，前轮偏角检测器检测得到前轮偏角iVKrad):汽车在行驶过程中，汽车前轮偏角应与道路切线平行，即θη = αη_βη = 0;当车辆驶过第 η-1个标签路钮时，若= 则需要转动前轮，使车辆经过第η个标签路钮时θη = αη-βη = 0，贝lj 转动角度Λθ = θη-θη-：l = (αη-βη)-(αη-广)= βη-：L-an-：l ;若某辆车前轮偏角β由〇变到，方向盘转动角度为γ ，则方向盘转角与前轮偏角的 传动比I = γ max/finax;方向盘转动的角速度ω (rad/s)与车辆在两个标签之间行驶的时间t (s)和所需转动角度有关，ω = IA0/t; 于是，ω =ΙΛΘ/? = 3·6νΛΘ ymax/(Lnftnax)=3.6V(0n-ι_αη-i) ymax/(Lnfinax) 因此，车辆在不同线形道路上行驶时，方向盘的转动角速度ω就可确定，于是数据处理 模块就可以控制转向电机转动方向盘，使车辆沿标签路钮形成的虚拟轨道行驶。
【文档编号】G05D1/02GK105867392SQ201610442463
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】何永明, 裴玉龙
【申请人】东北林业大学