一种无线虚拟导轨系统以及车辆定位和控制方法

1.本发明涉及无人驾驶领域，具体涉及一种无线虚拟导轨系统以及车辆定位和控制方法。


背景技术：

2.在无人驾驶领域，对车辆进行精确定位并控制车辆按照预定路线行驶是实现无人驾驶安全性的前提条件。现有的定位技术主要有：基于gps的定位技术、基于图像的定位技术、基于雷达传感器的定位技术。
3.基于gps的定位技术通过四颗已知位置的卫星来确定gps接收器的位置，但由于电离层和对流层对gps信号的延迟、多径效应(经过其他表面反射到接收机天线中的gps信号)、gps卫星的几何分布等因素的影响，gps的平均定位精度在10米左右，无法满足无人驾驶的厘米级精度要求。
4.基于图像的定位技术通过对图像进行处理，计算出物体的位置信息。其虽然可以满足厘米级精度要求，但容易受遮挡物影响，为无人驾驶带来安全隐患。
5.基于雷达传感器的定位技术通过测量发射信号和目标反射的回波信号之间的时间差，实现对目标物体的定位。其也容易受遮挡物影响，与基于图像的定位技术有相同的问题。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术中存在的问题，提供一种无线虚拟导轨系统，包括无线虚拟导轨、超级基站、控制中心，其中，
7.所述无线虚拟导轨由部署于全路段的通信节点组成，用于接收所述控制中心规划的车辆行驶路线，以及通过无线探测方式获取车辆位置信息；所述通信节点还包括应答器，所述应答器用于通过电磁感应方式获取车辆位置信息；
8.所述超级基站通过光纤与所有所述通信节点相连，使得通信节点间可以通过超级基站高速通信，实现信息共享；
9.所述控制中心用于规划车辆行驶路线，并将所述车辆行驶路线通过超级基站发送至所述无线通信节点。
10.优选的，所述通信节点的部署方式包括蜂窝型部署方式和/或等间距并列部署方式。
11.根据本发明的另一个方面，提供一种基于所述系统的车辆定位方法，包括：
12.步骤k1，基于车辆附近的多个通信节点进行连续无线定位，所述通信节点探测车辆的距离，探测结果包括通信节点的唯一标识符、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离；
13.步骤k2，基于通信节点的应答器获取车辆位置信息；
14.步骤k3，根据步骤k2所获得的车辆位置信息对步骤k1获得的车辆位置信息进行校
准。
15.优选的，所述步骤k1中，所述通信节点将探测结果通过超级基站上送到控制中心，控制中心根据收到的探测结果以及通信节点的位置信息获得车辆的位置信息，所述位置信息包括时间和坐标，所述控制中心通过三边定位算法获得车辆的位置信息，并将车辆位置信息通过通信节点发送到车辆。
16.优选的，所述步骤k1中，所述通信节点通过超级基站将探测结果发送到邻近的通信节点；通信节点根据自身的探测结果以及从超级基站收到的邻近通信节点的探测结果，获取车辆位置信息，通信节点将车辆的位置信息发送到车辆，并通过超级基站上送到控制中心。
17.根据本发明的另一个方面，还提供一种基于所述系统的控制车辆行驶的方法，包括：
18.步骤s1，所述控制中心根据车辆的目的地、抵达时间、车型、路况、天气、与其它车辆的间距、中途停车等参数信息为车辆规划行驶路线；所述行驶路线包括参考时间点以及车辆在对应所述参考时间点应到达的参考位置信息；
19.步骤s2，所述控制中心将所述行驶路线发送到无线虚拟导轨的通信节点；所述通信节点n拥有的参考坐标点和相对应的参考时间点信息符合以下公式，其中，通信节点n的位置坐标为(x
n
,y
n
)，r
n
为通信节点n的通信半径，t为参考时间点，为参考时间点t的位置坐标为(x
t
,y
t
)；
20.步骤s3，所述无线虚拟导轨根据所述行驶路线和车辆的实时定位信息监测并引导车辆行驶。
21.优选的，所述通信节点根据进入其通信范围的车辆的实际位置和实际时间点以及所述参考时间点和参考位置获取车辆行驶偏离结果，将所述行驶偏离结果发送至所述控制中心，所述控制中心根据所述行驶偏离结果调整或重新规划车辆行驶路线。
22.优选的，当实际时间点和参考时间点相同时，车辆的实际坐标和参考坐标一致或者坐标差距在系统可接受的误差范围内，所述无线虚拟导轨系统不调整车辆的行驶路线。
23.优选的，当实际时间点和参考时间点相同且车辆的参考坐标与实际坐标均在通信节点的通信范围内时，并且车辆的参考坐标与实际坐标间的差距超过了系统可接受的误差范围，所述通信节点将车辆的参考坐标信息以及相应的时间信息发送给车辆，车辆根据收到的信息进行车速、方向调整，重新回到规划的行驶路线。
24.优选的，当车辆在通信节点的通信范围内，但是通信节点并没有该车辆的参考坐标信息以及相应的时间点信息时，所述通信节点将通信范围内的应急车道坐标发送给车辆，引导车辆停靠在应急车道上，并立即将情况上报至所述控制中心，所述控制中心为车辆重新规划合理路线。
25.本发明具有如下特点和有益效果：本发明通过改造基础设施实现无人驾驶，无需对车辆进行大幅改造，能够减少无人驾驶技术应用成本，以推动无人驾驶技术的应用和普及。同时，不同于传统无人驾驶技术，无线虚拟导轨不依赖于图像、雷达等传感器生成对交通环境的感知，其感知精度不容易受外界条件，如光照、天气影响。本发明不同于gps技术，以及基于图像、雷达传感器的定位技术，本发明能将定位误差控制在厘米级，且不易受环境
变化影响。
附图说明
26.图1示出了本发明一个实施例中通信节点通过无线信号进行车辆定位。
27.图2示出了在本发明一个实施例中通信节点通过应答器将坐标传送到车辆。
28.图3示出了根据本发明一个实施例的通信节点蜂窝型部署方式。
29.图4示出了本发明一个实施例汇中多个通信节点对车辆进行定位。
30.图5示出了现有技术的三边定位方法。
31.图6示出了根据本发明一个实施例的通信节点的等间隔并列部署方式。
32.图7示出了根据本发明一个实施例的车辆参考坐标点和相对应的参考时间点的生成和传递方式。
33.图8示出了根据本发明一个实施例的通信节点的通信和定位方式。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明加以说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.现有的无人驾驶技术，主要通过在车辆上增加定位装置、测距装置和图像识别装置，来实现车辆定位、路线识别、障碍识别等功能，因此，新车造价以及对现有车辆进行技术改造的成本都很高。
36.发明人改换思路，从车辆之外考虑解决方案，通过改造基础设施，例如，在道路上增加辅助设施来实现无人驾驶。在轨道交通中，车辆行驶在轨道上，不能偏离行驶路线，因此已可实现无人驾驶。受此启发，并基于迅猛发展的无线通信技术，发明人考虑采用无线通信技术在道路上生成虚拟导轨来解决无人驾驶的技术问题。
37.发明人在研究时认识到，无人驾驶的关键问题包括车辆精确定位和控制车辆按预定路线行驶，如果采用无线通信技术生成虚拟导轨，需要解决以下几个具体技术问题：
38.1.如何利用无线通信技术为道路上的车辆实现精确定位？
39.2.如何根据车辆的预定路线生成一条可引导车辆行驶的导轨？
40.3.如何控制车辆沿生成的导轨行驶？
41.4.当车辆实际行驶路线和导轨不一致时，如何纠正行驶误差？
42.为了解决上述具体的技术问题，根据本发明的一个实施例，提供一种无线虚拟导轨系统，包括三个组成部分：无线虚拟导轨，超级基站，控制中心。
43.无线虚拟导轨由覆盖全路段的多个通信节点组成，根据本发明的一个实施例，如图1所示，通信节点101铺设在道路100上，通信节点101可探测车辆102与自身的距离，通信节点101安装有信号发射/接收器106。车辆102安装有源射频标签107，可接收通信节点101发射的无线信号，并返回包含自身信息的无线信号。通信节点101发射无线信号并接收无线信号，利用信号发射与接收的时间差，计算自己与车辆102之间的距离。通信节点的位置坐标和通信半径在铺设后可精确测定，并保存在通信节点自身和控制中心。通信节点可与超级基站、邻近的通信节点以及车辆进行通信。通信节点通过光纤与超级基站连接并进行通信，可将所探测到的车辆的行驶信息上送到超级基站。通信节点上送的信息中包括通信节
点的唯一标识符、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离。通信节点间可相互进行无线通信，可共享对车辆的定位信息，通信节点相互间共享的信息也包括通信节点的唯一标识符、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离。通信节点具有常规无线通信模块，可与行驶车辆进行无线通信，所述无线通信模块包括但不限于4g、5g、wifi、蓝牙、zigbee。通信节点与车辆的通信信息中包括通信节点的唯一标识符、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离。通信节点还向车辆传送控制中心通过超级基站传送的车辆行驶路线和车辆控制指令。另外，如图2所示，通信节点101上还有应答器104，当车辆102与通信节点101距离很近时，可以通过电磁感应方法和车辆101上的查询器103交互，将通信节点的精确坐标传输给车辆。应答器的技术原理可参考公交卡、列车应答器。由于该种方法要求车辆和通信节点间要离得非常近，因此只有当车辆正好行驶到通信节点上方时，车辆才能得到通信节点通过应答器传输过来的精准定位结果。根据本发明的一个实施例，车辆与地面上的通信节点的垂直距离为10cm～50cm。由于通信节点的位置坐标在铺设后可精确测定，可以达到厘米级精度。
44.超级基站通过光纤与所有通信节点相连，使得通信节点间可以通过超级基站高速通信，实现信息共享。关于超级基站的技术内容，可参考论文，m.gao，j.li，d.n.k.jayakody，h.chen，y.li，and j.shi,“a super base station architecture for future ultra
‑
dense cellular networks：toward low latency and high energy efficiency,”ieee commun.mag.,vol.56,no.6,pp.35
‑
41,jun.2018。超级基站还与控制中心相连，可将控制中心规划并下发的车辆行驶路线通过通信节点发送到车辆。可以理解的是，为了保证系统的正确运行，超级基站还为全部通信节点进行对时。
45.控制中心规划车辆的行驶路线，并传达给超级基站，超级基站再告知车辆附近的通信节点，最终由通信节点通知车辆。控制中心还接收通信节点通过超级基站上送的车辆的实时位置，并判定车辆是否按照规划的路线行驶，进而调整车辆的规划路线，并将新的规划路线通过超级基站和通信节点下发到车辆。
46.在上述的无线虚拟导轨系统中，车辆与通信节点之间的交互效果直接影响了系统的定位精度和控制车辆沿导轨行驶效果。车辆与通信节点之间的交互效果取决于多方面的因素，其中一个较为关键的因素是通信节点的部署方式。通信节点部署过于分散，会导致定位结果不精确、无法及时纠正车辆行驶偏差的问题；通信节点部署过于密集，会导致车辆与节点间、节点与节点间的通信频次过高，系统计算量过大等问题，影响定位计算和车辆引导与控制的效率。
47.根据本发明的一个实施例，从保证自动驾驶定位精度的角度出发，采用几何精度因子gdop作为通信节点部署指标，gdop表示由通信节点测距误差造成的通信节点与目标车辆的距离矢量放大因子，用以下公式表示：
[0048][0049]
其中，g表示通信节点到目标车辆的距离建立的线性方程组的系数矩阵，tr为矩阵的迹。gdop的数值越大，定位精度越低；gdop的数值越小，定位精度越高。因此，在部署通信节点时，应该使gdop尽可能小。
[0050]
根据本发明的一个实施例，在无线虚拟导轨系统中，在车辆运动比较复杂的路段，
例如，在收费站和服务区等车辆需要频繁换道的路段，需要对车辆进行精准定位，因此采用蜂窝型部署的方式，即等间隔交叉部署。图3示出了采用蜂窝型部署的方式，通信节点101以等间隔交叉方式部署在道路上，其通信范围是以之为中心的正六边形，根据本发明的一个实施例，通信节点的间隔为10米至90米之间。车辆102与周边邻近的通信节点通信。在车辆运动比较简单的路段，例如车辆只需直线行驶的正常行驶路段，采用等间隔并列部署方式，并列部署的节点可以同时部署和维修，从而降低部署成本。图6示出了采用等间隔并列部署的方式，在道路100上的车道上以相等间隔部署通信节点，两条车道的通信节点101并列设置。
[0051]
为了将定位误差控制在厘米级，本发明提供一种通过上述无线虚拟导轨系统进行车辆定位的方法，包括：
[0052]
步骤k1，利用车辆附近的多个通信节点进行定位。根据本发明的一个实施例，如图4所示，道路100上的通信节101向四周发射无线信号并接收车辆102的反射信号，根据信号收发时间差计算自己与目标车辆的距离，多个节点(三个或三个以上)协作定位。通信节点探测车辆的距离，将探测结果通过超级基站上送到控制中心，探测结果包括通信节点的唯一标识符、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离；控制中心根据收到的探测结果以及通信节点的位置信息获得车辆的位置信息，并通过通信节点将车辆的位置信息发送到车辆。根据本发明的一个实施例，所述位置信息包括时间和坐标。根据本发明的一个实施例，控制中心通过现有技术的三边定位算法获得车辆的位置信息。如图5所示，通信节点a、b、c测出与车辆d的距离分别为r1、r2、r3，分别以a、b、c为圆心，以r1、r2、r3为半径作三个圆，交点即为d，用如下方程组表示。
[0053][0054][0055][0056]
其中，(x1，y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x0,y0)分别为a、b、c、d的坐标。基于以上方程组，可采用最小二乘法求解出车辆d的坐标。步骤k1属于连续无线定位的方式，其优点是可以实现对车辆进行连续的实时定位。
[0057]
步骤k2，当车辆经过某一通信节点，距离接近到可与通信节点的应答器直接通信时,车辆将自身的唯一标识符发送到该通信节点；通信节点将位置坐标发送到车辆，并将时间、自身唯一标识符、车辆唯一标识符以及通信报文类别，通过超级基站上送到控制中心，所述通信报文类别为定位报文；控制中心根据收到的定位报文，即可获知车辆在该时刻的实际坐标就是该通信节点的位置坐标。
[0058]
通过通信节点的应答器获取车辆位置属于离散精确定位方式，其优点是不需要计算即可获得车辆的精确定位，缺点是当车辆与通信节点距离较远时，因不能与通信节点的应答器通信，无法获得车辆的位置信息。
[0059]
步骤k3，根据步骤k2所获得的车辆位置信息对步骤k1获得的车辆位置信息进行校准。根据本发明的一个实施例，校准所采用的方法是，计算车辆在通信节点时通过步骤k1和步骤k2所获得的位置坐标的偏差，将所述偏差用于校准车辆到达下一个节点之前通过步骤k1获得的位置坐标。具体来说，假设车辆经过某一通信节点时获得的精确定位坐标是(x,
y)，假设车辆在该节点前的路段行驶时，获得的一系列由无线定位方式确定的定位坐标是{(x1,y1)，
…
，(x
k
，y
k
)}，其中(x
k
，y
k
)是车辆经过该通信节点时由无线定位方式确定的定位结果，计算偏差δ＝(x,y)
‑
(x
k
,y
k
)，车辆在该通信节点之后，并且在到达下一个通信节点之前的路段行驶时，校准后的无线定位坐标为
[0060]
{(x
k+1
,y
k+1
)+δ,(x
k+2
,y
k+2
)+δ,
…
}
[0061]
其中，{(x
k+1
,y
k+1
),
…
,(x
2k
,y
2k
)}是不考虑校准的由无线定位方式确定的定位结果。
[0062]
步骤k1与步骤k2结合的定位方式的优点是既能保证定位的可靠性和连续性，也能达到厘米级的定位精度。
[0063]
根据本发明的一个实施例，上述步骤k1还可以利用超级基站强大的通信能力，通过超级基站实现的通信节点间的信息共享能力，将计算从控制中心下移到距离车辆距离较近的通信节点，减轻控制中心的计算负荷。如图7所示，具体包括：
[0064]
步骤m1：通信节点探测车辆的距离，通过超级基站将探测结果发送到邻近的通信节点；探测结果包括通信节点的唯一标识符、通信节点的位置坐标、探测时间、车辆的唯一标识符、与车辆的距离。
[0065]
步骤m2：通信节点根据自身的探测结果以及从超级基站收到的邻近通信节点的探测结果，获取车辆的实时位置信息。
[0066]
步骤m3：通信节点将车辆的位置信息发送到车辆，并通过超级基站上送到控制中心。
[0067]
本发明提供一种通过上述无线虚拟导轨系统控制车辆行驶的方法，包括：
[0068]
步骤s1，控制中心根据车辆以及行驶信息为车辆规划行驶路线，确保车辆在安全行驶的前提下准时到达目的地。根据本发明的一个实施例，该信息包括目的地、抵达时间、车型、路况、天气、与其它车辆的间距、中途停车等。根据本发明的一个实施例，控制中心为车辆所规划的行驶路线包括一系列参考坐标点和相对应的参考时间点，以集合{(x
t
,y
t
,t)}表示，集合中的每个元素表示车辆在某一参考时间点应该到达的坐标位置，并将车辆唯一标识符以及行驶路线{(x
t
,y
t
,t)}发送至道路上的一系列通信节点{d1,...,d
n
}，可以理解的是，为减少冗余和通信负载，控制中心根据集合元素中的坐标进行判断，将元素以及车辆唯一标识符发送到与该元素坐标距离最近的通信节点。根据本发明的一个实施例，该行驶路线还可以表示为集合{(d，t)}，其中，d表示通信节点的唯一标识符，也就是说，控制中心计算出车辆经过沿途节点的时刻，控制中心仅将集合中含有相应通信节点的唯一标识符的元素与车辆唯一标识符下发到对应的通信节点。可以理解的是，当车辆尚未出发，停在道路上时，其位置已被邻近的通信节点检测并上送到控制中心。
[0069]
步骤s2，通信节点接收控制中心发送的车辆行驶路线，拥有了车辆途经自己通信范围内对应的路线信息{(x
t
，y
t
，t)}，通信节点将车辆唯一标识符与路线信息对应存储。假设通信节点n的位置坐标为(x
n
,y
n
)，通信半径为r
n
，则该节点拥有的参考坐标点和相对应的参考时间点信息为如图8所示，以通信节点2为例，控制中心将车辆在通信节点2范围的路线信息发送到通信节点2，其约束条件为
其中，通信节点2的坐标为(x2,y2)。
[0070]
步骤s3，实时监测车辆是否偏离规划路线并引导车辆行驶。通信节点利用前述的车辆定位方法获得车辆的实际位置坐标、实际时间点，并将其与参考坐标、参考时间点进行对比，如果出现坐标差距大或时间点不匹配的问题，说明车辆未严格按规划路线行驶，需要根据实际情况控制车辆沿导轨行驶。
[0071]
当车辆进入某一通信节点的通信范围时，通信节点将此前控制中心下发的该车辆在自己通信范围内的规划路线信息(即参考坐标信息以及相应的时间信息)发送给车辆，车辆可按照规划路线信息行驶。
[0072]
通信节点通过将车辆的实际坐标、实际时间点和参考坐标、参考时间点进行对比，根据对比结果的三种情况控制车辆沿导轨行驶。
[0073]
第一，当实际时间点和参考时间点相同时，车辆和实际坐标和参考坐标一致，或者坐标差距在系统可接受的误差范围内。该情况说明车辆严格沿导轨规划的路线行驶，系统无需进行调整；
[0074]
第二，当实际时间点和参考时间点相同且车辆的参考坐标与实际坐标均在通信节点的通信范围内时，车辆的参考坐标与实际坐标间的差距超过了系统可接受的误差范围。该情况说明车辆行驶出现了严重程度较小、可调整的误差；通信节点将车辆的参考坐标信息以及相应的时间信息发送给车辆，车辆根据收到的信息进行车速、方向调整，重新回到规划的行驶路线；
[0075]
第三，虽然车辆在通信节点的通信范围内，但是通信节点并没有该车辆的参考坐标信息以及相应的时间点信息。该情况说明车辆不应该出现在该通信节点的通信范围内，出现了严重程度较大的误差。通信节点将通信范围内的应急车道坐标发送给车辆，引导车辆停靠在应急车道上，并立即将情况上报至控制中心。控制中心调查误差发生的原因，并为车辆重新规划合理路线。
[0076]
应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。