一种基于城市专用道路的无人驾驶系统及控制方法与流程

本发明涉及无人驾驶、车辆、城市交通、人工智能的设计、智慧城市技术领域，特别是无人驾驶、车辆、城市交通设计技术领域。

背景技术：

车辆无人驾驶是当前的热门前沿科技之一，其发展和应用前景非常广阔。但是，目前主流的无人驾驶技术仍然主要侧重于车辆自身的个体，而非整个城市体系的整体。比如，立足于目标车辆自身个体的观测技术、电子地图匹配技术、定位技术、以及车辆控制技术，等等。然而无人驾驶所依赖的技术体系非常复杂，只要上述的任意一个子系统出问题，都可能导致整个无人驾驶功能的失败。

这种立足于车辆自身个体的无人驾驶技术虽然有其先进性，但是需要车辆自身个体来部分或完全取代车辆驾驶员的思路本身是有很高的风险性的，不仅对目标车辆自身有风险和安全隐患，对目标车辆周边的环境(如行人、车辆等)也有较大的风险和安全隐患。这种风险和安全隐患的根源即在于机器对人的替代的不完全性和不可靠性。比如，车辆观测对人眼的替代(如车载摄像头的解析度问题、易受雨雾等天气因素影响问题、对红绿灯的识别的准确性问题，等等)，车辆智能分析和判断对人脑的替代(如车载设备对车辆周边环境的感知、分析能力问题，以及对复杂驾驶环境的判断和决策问题等等)，车辆智能控制对人的手和脚的替代(如机器设备的反应速度问题)，等等。

基于上述现实，当前公开的无人驾驶车辆的智能驾驶功能都是比较局限的，而且也已经出现过多起由无人驾驶车辆试驾所引起的交通事故。

在未来，即使存在完全可以让机器替代人的100％智能化的无人驾驶技术，其硬件和软件成本也都必然是相对高昂的，而且其可靠性与实际效率可能还有待商榷。

现代(和未来)城市的高效交通依赖于体系化的组织方式，这是侧重于目标车辆自身个体的交通组织方式所难以逾越的障碍。因此，即便未来的车辆自身个体的无人驾驶技术再先进，也还是需要高效地融入城市交通体系之中，才能发挥最好的效果。

本发明所依赖的技术储备并非天方夜谭。当前，我国的杭州等地已经出现了保障vip或应急车辆(车队)优先通行(注：此处主要通过智能调配红绿灯来优先保障目标车辆通行实现)的初级城市智慧交通系统。本发明可以看作是在这些初级城市智慧交通系统上针对城市大规模无人驾驶功能的应用所进行的重大创新和升级，因而是具备现实的技术条件和基础的。

技术实现要素：

本发明立足于城市现有的交通体系和基本架构，结合车辆智能化发展的未来趋势，创造性地提出了一种低成本、高效率、高可靠性的城市智能交通解决方案。

本发明一种基于城市专用道路的无人驾驶系统，包括智能驾驶车辆、专用道路、监控设备、控制系统；所述智能驾驶车辆设置有身份标识、认证和应答模块、车辆智能控制模块；所述专用道路沿线设置有监控设备，专用道路用于智能驾驶车辆行驶；所述监控设备，用于监控车辆和专用道路状况；所述控制系统与智能驾驶车辆、监控设备通过网络连通，控制专用道路的开启和关闭(即智能驾驶车辆的进入和离开)，控制智能驾驶车辆的行驶(包括紧急停止和重新启动等)。

所述监控设备包括视频摄像设备、车辆测速设备、定位设备。

所述专用道路为公交专用道或城市道路及高速公路和快速路上规划的专用车道。

另一方面，本发明一种基于城市专用道路的无人驾驶系统的控制方法，步骤为：

智能驾驶车辆预备进入无人驾驶车辆的专用道路时，向控制系统发出进入请求，并发送自身的身份、位置、速度、目的地等信息；

控制系统根据智能驾驶车辆发送的信息和监控设备获取的信息、以及无人驾驶系统当前道路的状况，判断是否允该智能驾驶车辆进入：

如果允许进入，则在该智能驾驶车辆接近专用道路时，接管该智能驾驶车辆的控制权限，控制该智能驾驶车辆在专用道路的进入、行驶(包括紧急停止和重新启动等)和离开；

如果不允许进入，则向该智能驾驶车辆发出拒绝的信息。

所述智能驾驶车辆在将离开专用道路时，控制系统向智能驾驶车辆移交控制权限，并由智能驾驶车辆确认。

所述控制系统判断是否允许智能驾驶车辆进入时，将根据智能驾驶车辆的身份信息，查询其权限及优先级。

所述控制系统根据专用道路上行驶车辆的数量和速度来分配和调整各智能驾驶车辆的行驶速度和间隔距离，并把相关行驶参数分配给目标智能驾驶车辆的车辆智能控制模块。

所述控制系统在路段满负荷状态时，优化分配给该路段上所有行驶车辆的平均车速为(注：瞬时速度可快可慢，但需要尽可能快地调整到这个最优的平均车速):

对应的车辆最小间隔距离为：ii^*＝ci

g为重力常数，μ为路面的摩擦系数，ci为车辆长度。

此处的平均车速vi为“绝对安全速度”，即该路段中的行驶车辆能保证刹车停稳而不追尾，且间距还有一些盈余。在实际上完全可以采取“相对安全”的思路，把该路段中的所有车辆看作一个运动的整体。只要能充分保证该专用道路没有外界干扰(比如突然闯入的外界车辆或行人等)，那么该路段行驶中的车辆之间的间隔距离还可以进一步地缩小，或者还可以让该路段的平均行驶速度更快一些。

本发明的智能驾驶车辆既可以为具备100％智能化可替代人力驾驶的全自动驾驶功能的车辆，也可以为仅具备部分智能驾驶功能的车辆(只需具备由车辆智能控制模块控制车辆启动、加速、减速、转向、刹车等基本功能即可)；

无人驾驶车辆专用道路是指在城市交通的所有时段或者部分时段供本发明所述的无人驾驶车辆专用通行的道路，可以是公交专用车道、高速公路或城市快速路上的专用车道、或在其他城市道路中单独规划的道路；

本发明为车辆的无人驾驶特别是其在城市中的大规模应用提出了一种全新的思路。本发明基于城市体系化的交通资源，提出了一种低成本、高可靠性和高效率的无人驾驶方式，可以系统化地解决未来城市对高效无人驾驶的大规模应用需求。本发明与基于目标车辆自身个体的无人驾驶技术并非矛盾和对立的关系，而是一种相辅相成的关系。

附图说明

图1是本发明的操作流程示意图示意图。

图2是专用道路车辆和间隔示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明是一种基于城市专用道路的无人驾驶系统，包括智能驾驶车辆、专用道路、监控设备、控制系统；所述智能驾驶车辆设置有身份标识、认证和应答模块、车辆智能控制模块；所述专用道路沿线设置有监控设备，专用道路用于智能驾驶车辆行驶；所述监控设备，用于监控车辆和专用道路状况；所述控制系统与智能驾驶车辆、监控设备通过网络连通，控制专用道路的开启和关闭(即智能驾驶车辆的进入和离开)，控制智能驾驶车辆的行驶(包括紧急停止和重新启动等)。所述专用道路为专门规划车道，仅用于所述智能驾驶车辆通行。

实施例2

本发明的一种基于城市专用道路的无人驾驶系统的控制方法，步骤为：

智能驾驶车辆预备进入无人驾驶车辆的专用道路时，向控制系统发出进入请求，并发送自身的身份、位置、速度、目的地等信息；

控制系统根据智能驾驶车辆发送的信息和监控设备获取的信息、以及无人驾驶系统当前道路的状况，判断是否允该智能驾驶车辆进入：

如果允许进入，则在该智能驾驶车辆接近专用道路时，接管该智能驾驶车辆的控制权限，控制该智能驾驶车辆在专用道路的进入、行驶(包括紧急停止和重新启动等)和离开；

如果不允许进入，则向该智能驾驶车辆发出拒绝的信息。

所述智能驾驶车辆在将离开专用道路时，控制系统向智能驾驶车辆移交控制权限，并由智能驾驶车辆确认。

所述控制系统判断是否允许智能驾驶车辆进入时，将根据智能驾驶车辆的身份信息，查询其权限及优先级。

所述控制系统根据专用道路上行驶车辆的数量和速度来分配和调整各智能驾驶车辆的行驶速度和间隔距离，并把相关行驶参数分配给目标智能驾驶车辆的车辆智能控制模块。

实施例3

本发明是一种基于城市专用道路的无人驾驶系统，包括：

1，具备基本智能驾驶功能的车辆

所述车辆既可以为具备100％智能化可替代人力驾驶的全自动驾驶功能的车辆，也可以为仅具备部分智能驾驶功能的车辆，但必须具备下述功能和模块：

(1)身份标识、认证和应答模块

该模块类似于现有车辆上安装的etc，但显然具备更多的功能和用途。一旦车辆进入本发明所述之专用车道，该模块即与专用车道上的观测及控制模块进行交互和应答。一方面，该模块向专用车道“验明正身”，这不仅仅是车辆的身份验证，还可以完成专用道路使用的缴费等功能(既可以按照使用里程收费，也可以按照使用时长收费)。另一方面，该模块在本发明中及其重要的一个功能，是向所述专用车道的控制系统让渡本车辆的控制权限！这是本发明的无人驾驶系统和传统的依赖于车辆自身个体的无人驾驶系统的最本质区别。

(2)车辆智能控制模块

该模块是车辆自身在不需要人力介入的情况之下对本车辆进行操控，完成启动、加速、减速、转向、刹车等基本的车辆驾驶功能。

请注意，就本发明的体系化车辆无人驾驶功能而言，仅需要车辆自身具备上述两项基本的智能驾驶功能即可。更多的诸如车载摄像头、车载雷达等功能对本发明的系统而言不是必须的。

2，专用道路

所述专用道路是指在城市交通的所有时段或者部分时段(如早8点至晚8点等)供本发明所述的无人驾驶车辆专用通行的城市道路。该专用道路可以包含但不局限于以下几种类型：

(1)城市的公交专用车道

城市公交专用道路是城市里常见的一种现成的专用道路，在很多城市都有设置。但在实际使用中，不少城市的公交专用道路都存在或多或少的“资源浪费”情况，即在其他非公交专用道路很拥堵的时候，公交专用道的使用效率却不够高，处于一定的闲置状态(即不是随时都有公交车在所有专用道路的全部路面上行驶)。这种闲置状态显然是对宝贵的城市道路资源的浪费。而在公交专用道引入无人驾驶车辆，则可以最大程度地发挥出公交专用道的使用效率。

(2)非公交专用车道的专用城市道路

由于城市的道路体系中并非所有区域都有公交专用道，因此在没有公交专用道的区域，如果需要，也可以因地制宜的划分出专供无人驾驶车辆行驶的专用道路(如某一根或多跟行车道)。

(3)高速公路或城市快速路上的专用车道

相对封闭的高速公路或城市快速路其实是适合设置无人驾驶专用道路的最好应用场景。车辆在封闭的高速公路或城市快速路上一般行驶的距离较长，且受到路口等复杂外部因素的干扰较少。可以把封闭的高速公路或城市快速路的内侧超车道设置成无人驾驶车辆专用车道，这样可以最大限度地减少无人驾驶车辆专用车道与其他非无人驾驶车辆之间的相互干扰。

3，监控设备

监控设备设置于专用道路上，包括进行视频监控的摄像头、测速装置，定位设备，灯光设备、语音及无线应答交互设备。

4，控制系统

作为本发明所述整体系统的“大脑”，控制和协调每一个在专用道路体系中的车辆的进入、行驶(包括紧急停止和重新启动等)、驶出，已经在专用道路中的单个车辆和周边车辆的协调，等等。控制系统主要起到控制在专用道路上行驶的无人驾驶车辆的作用。一旦无人驾驶车辆向控制系统让渡了车辆的控制权，那么该车辆在专用道路上的行驶将完全由控制系统来操控。

5，通信设备

本发明必然还包括通信设备，控制系统通过通信设备与无人驾驶车辆进行通信联系、发送控制信息，获取监控设备的相关信息，甚至与该车辆的乘客(包括驾驶员)通话，等等。

实施例4

此处以某单个目标车辆为例，说明本发明的操作流程。

方案一：全程都为无人驾驶车辆的专用道路

主要包括智能驾驶车辆、专用道路、监控设备、控制系统。

1，预备

智能驾驶车辆驾驶员或者乘客指定目的地(注：既可通过菜单式操作、手写输入、语音操作、甚至未来可能出现的人脑意念操作等方式，也可以通过车载或者移动系统自动识别驾驶员或乘客的目的地等方式)。

一旦行驶目的地被确定，目标车辆自身的车载系统即开始自动规划行驶路线(驾驶员或者乘客也可以手动调整行驶路线)。特别地，该路线规划将会优先选择已知的最近的和连续最长的无人驾驶车辆专用道路(注：在本方案之中，设定的应用场景即为一条很长的连续无人驾驶车辆专用道路，比如高速公路)。

行驶路线设定以后，目标车辆即驶向路线规划之中预备进入的无人驾驶车辆专用道路，并预备进入(注：这一行驶过程既可以由驾驶员的人力手动驾驶，也可以由其所在目标车辆自身的个体无人驾驶功能智能控制，但与本发明的无人驾驶系统无关)。

2，应答和授权

一旦目标智能驾驶车辆接近预备进入的无人驾驶车辆专用道路的一定范围之内，目标车辆和该段专用道路的应答和授权设备即开始“对话”。这个“对话”是一个自动的过程，不需要人工干预和操作。打个比方，这个过程类似目标车辆向专用道路的应答和授权设备询问“我是否可以进入”并同时报上自己“姓甚名谁”以及“是否缴费”等等信息。专用道路的应答和授权设备收到该问询之后，即迅速和后台智能控制终端进行通讯联系。后台智能控制终端迅速查询之后，发现目标车辆符合进入条件(比如其真实的认证信息，是否通缉犯、车辆是否处于违法状态、是否缴费，以及是否享有vip的优先级等等信息之后)，即判断该目标车辆是否可以进入专用车道，以及准予进入专用车道的准确位置和时机(比如如果专用车道之中的车辆太多了，则目标车辆需要“排队”，而且进入的时机必须正好是专用车道之中的一个空挡和间隙)。当后台智能控制终端完成该项计算之后，即把“决定”(如是否允许目标车辆进入，如用于则把准予进入的具体位置、时间、车头朝向的方位、切入速度等详细的参数)发送给专用车道位于目标车辆附近的应答和授权设备。该应答和授权设备随即则把该项“决定”发送给目标车辆上的应答设备(即前述的车辆“身份标识、认证和应答模块”)，从而完成了整个应答和授权的流程。

3，进入

一旦完成上述的应答和授权流程，控制系统即发送指令(即准予进入的具体位置、时间、车头朝向的方位、切入速度等详细的参数)给智能驾驶车辆，引导车辆按照准确的参数进入该无人驾驶车辆专用车道。

4，接管

一旦目标车辆进入了无人驾驶车辆的专用道路，则随即向该车道的控制设备让渡本车辆的控制权限。自此，目标车辆在专用道路的行驶不由自身个体控制(自动或人工)，而由控制系统控制。

5，分配

控制系统根据该路段的行驶车辆的数量和速度来分配和调整个体车辆的行驶速度和间隔距离，并把相关行驶参数分配给目标车辆的控制模块。

6，行驶

目标车辆按照控制系统分配的速度和与前后车辆的间隔距离行驶。此时即使目标车辆身处环境的能见度为零(比如突然的大雾、暴雨等极端情况)，目标车辆也能够安全地在专用道路上行驶。这种行驶方式与依赖目标车辆自身个体的无人驾驶方式有着本质的不同，因为此时完全不用依靠目标车辆自身的车载摄像头等观测设备。

当目标车辆处于专用车道上的行驶状态之中时，也完全不需要类似gps或北斗这一类的卫星导航设备的帮助，其行驶完全按照控制系统“分配”的速度和方向在专用车道的规划路线上行驶。此时即使目标车辆位于隧道等gps等卫星导航信号很微弱或者完全没有的环境之中，也完全不影响本发明无人驾驶系统对目标车辆的导航。

7，脱离

当目标车辆接近该次行驶的目的地之时，控制系统即告知目标车辆即将脱离专用车道。和前述“进入”环节类似，控制系统通过计算获得目标车辆的脱离专用车道的最优位置、时间、车头方向、速度等参数，并发送给目标车辆自身的控制系统。

在目标车辆即将脱离专用道路的时候，车辆自身的显示设备(如车载显示屏、抬头显示器hud等)或语音播报设备可以显示(或播报)倒计时提示如“3，2，1，脱离”，告知车辆驾驶员或乘客该车辆即将脱离专用道路。

在目标车辆脱离专用道路的一瞬间，控制权限又让渡回车辆自身的个体，此时车辆自身个体的智能控制系统接手车辆的操控，并驾驶车辆驶出专用车道。

8，安全措施

如遇突发情况(包括但不限于专用车道中行驶的目标无人驾驶车辆自身或其他车辆突发故障、非专用车道车辆或行人的突然闯入，等等情形)，本发明的控制系统将会立即判明情况(如突发状况的种类、受影响的车道范围，等等)，并立即控制受影响范围内的专用车道上行驶中的车辆按照一定的速度减速或急刹车，并阻止外部新增车辆进入受影响范围内的专用车道。同时，控制系统会根据情况立即联系交警或120急救等外部系统力量前往出事地点处理和解决问题。

方案二：并非全程都有无人驾驶车辆专用道路。

9，分段控制

然而，城市交通路况之中一种更为现实的情况是，目标车辆计划行驶的道路并不全部是连续的无人驾驶专用道路，而是分段的。即在行驶过程中的某一段是无人驾驶专用道路，但另外一些路段不是。最常见的情况就是城市道路十字路口的转向问题。

在此种情况之下，本发明系统将在所述无人驾驶车辆驶出某一段无人驾驶车辆专用道路之前，提示并将车辆控制权限交还给目标车辆(注：此时与前述方案一的“脱离”类似)。然后在该目标车辆再次进入下一段无人驾驶车辆的专用车道时，本系统再重新拿回该目标车辆的控制权限。

如果在规划行驶路线中有很多段不连续的无人驾驶车辆专用道路，则反复重复上述步骤即可。

实施例5

本实施例主要介绍了本发明系统在智慧城市和5g应用方面的一些应用方式。

本发明前述的控制系统作为本发明所述整体系统的“大脑”，控制和协调每一个在专用道路体系中的车辆的进入、行驶(包括紧急停止和重新启动等)、驶出，已经在专用道路中的单个车辆和周边车辆的协调，等等。控制系统主要起到控制在专用道路上行驶的无人驾驶车辆的作用。一旦无人驾驶车辆向控制系统让渡了车辆的控制权，那么该车辆在专用道路上的行驶将完全由控制系统来操控。

在每个行驶在本发明专用道路上的车辆(或准备进入本发明专用道路的车辆)上都可以安装5g模块，从而可以便利地让本发明的控制系统通过5g模块与这些车辆之间进行通信和控制权限的交接以及实际行驶等的控制。

假设城市中的无人驾驶专用道路被分为若干个不相连接的路段，每一段用下标i表示。若每一路段的长度为li，在上面可以成串地行驶若干车辆(注：在本发明的讨论背景之下，这些均为无人驾驶车辆)。假设每一辆车的长度(即车长)为cij，其中i为如前所述的路段下标，而j表示车辆个体。同理，用iij表示每一辆车之后与下一辆车之间的间隔距离(如图2所示)。假设在该路段上可容纳同时行驶的车辆总数为ri，则有：

在一种简化情况之下，若在该路段中每一辆车的车长(以及随后的车辆间距)都一样，则上式可以简化为：

rici+riii＝li(2)

化简移项可得：

接着，假设该路段中所有车辆的平均速度均为vi(注：瞬时速度可快可慢，但需要尽可能快地调整到这个最优的平均车速)。显然，车辆之间的间隔距离与车辆的平均速度有着密切的联系。于是，可以把车辆之间的间隔距离看作是车辆平均速度的函数，即ii(vi)。必然地，有这意味着平均车速越大，则车辆之间的间隔距离也应该越大。

对于该路段来说，在路面满载的情况之下，任意时间t＝0时，都刚好有一辆车(即排在行驶方向路段首部的那辆车)驶出该路段，而恰好又有一辆新的车(即排在行驶方向路段尾部之后的那辆车)驶入该路段。而当t＝1时，排在前述驶出该路段的车辆之后的第二辆车，也跟着驶出了该路段。对于本发明的控制系统来说，重点应该关注的时从t＝0到t＝1这两个时点之间该路段的运行状况。令前述从t＝0到t＝1这两个时点之间的时间间隔为tii，则有：

因此，本发明的控制系统的优化目标即为最小化上述时间间隔tii，即：

于是，求解：

可得：

i(vi)′vi-i(vi)＝ci(7)

假设当发生紧急状况时，该道路中的车辆从速度vi刹车变为0，则有：

其中，g为重力常数，而μ为摩擦系数。将(8)式代入(7)式，可以解得：

上式即为本发明的控制系统分配给该路段上所有行驶车辆的平均车速(注：瞬时速度可快可慢，但需要尽可能快地调整到这个最优的平均车速)。

由此也可以解得：

ii^*＝ci(10)

上式也表明该路段中的最优车辆间隔距离就是车长本身。

代回(3)式可得：

上式说明在该路段中能够容纳的同时行驶的车辆的最大数量可以仅由路段长度和车长决定。

下面考察一些数值案例。

重力常数g的取值一般为9.8米/秒。摩擦系数μ的取值根据大数据测定，在水泥路面上一般为0.4至0.6，而在沥青路面上一般为0.4至0.8。在城市道路的情况下一般可以取值为0.5。家用轿车的车长一般为4至5米，此处可以给ci取值为5米。

由此，可以则算出该路段的平均车速vi为7米/秒，折合约25.2公里/小时。在城市路况之下，约25公里/小时的平均速度是不算低的了。可以参考设计时速达70公里/小时的有轨电车(注：可以参考全长11.7公里的深圳现代有轨电车示范线)，综合限速、停站时间和部分路口红绿灯等候时间，基本可以保持23至25公里/小时的平均速度。

若摩擦系数μ取值为0.8，则上述案例中所计算出的平均车速vi为8.9米/秒，折合约31.9公里/小时。这可能大致相当于约90公里/小时的设计速度了。目前我国城市道路的限速一般是60至80公里/小时，部分封闭快速路可以达到100公里/小时(高速公路可以达到120公里/小时)。因此，本发明的无人驾驶专用道路上车辆行驶的平均速度如果能达到25公里左右已经是符合实际需要的了。

此处的平均车速vi为“绝对安全速度”，即该路段中的行驶车辆能保证刹车停稳而不追尾，且间距还有一些盈余。在实际上完全可以采取“相对安全”的思路，把该路段中的所有车辆看作一个运动的整体。只要能充分保证该专用道路没有外界干扰(比如突然闯入的外界车辆或行人等)，那么该路段行驶中的车辆之间的间隔距离还可以进一步地缩小，或者还可以让该路段的平均行驶速度更快一些。

如前所述，本发明的控制系统将为每一个进入该无人驾驶专用车道路段的车辆分配包括平均速度在内的行驶参数。本发明的控制系统当然也可以根据上述计算的平均速度来控制车辆的瞬时行驶速度。

此外，根据前述的式(11)，本发明的控制系统也可以计算该路段能够容纳的同时行驶的车辆综述。比如，假设该路段长约2公里，在车长5米的设定之下，本发明的控制系统将允许200辆车辆同时在该路段行驶。一旦准备接入的车辆超出这个数量，本发明的控制系统将安排其排队等候，或者分配到另外相对更为空闲的路段行驶。

最后，由于城市中有若干段上述的无人驾驶专用道路的路段，因此本发明的控制系统可以结合车辆的行驶路线规划与城市道路资源的分布情况(如实时中某些路段正在拥挤而有的路段比较轻松)来进行全局化地优化分配无人驾驶专用道路的资源，从而让整个城市的交通运行都更为顺畅，全市路面的车辆平均行驶速度也更快。