面向中高级别驾驶自动化的5G通信超视距代监管系统

面向中高级别驾驶自动化的5g通信超视距代监管系统
技术领域
1.本发明属汽车驾驶自动化技术领域，尤其涉及一种面向中高级别驾驶自动化的5g通信超视距代监管系统。


背景技术：

2.民众安全出行意识的普遍提升以及酒后驾驶违法行为的行政和刑事处罚力度的加大都促进了我国代驾市场的迅速扩大，使得整个代驾行业呈现蓬勃发展态势。代驾行业的快速发展也使得一些问题逐渐显现出来并受到关注，其一就是代驾人员需要在不同的指定地点来回奔波，且恶劣天气等户外工作不确定因素导致代驾人员需要付出更多的劳动消耗量。而随着驾驶自动化技术的发展，上述问题将得到解决。
3.但是自动驾驶的发展并非一蹴而就。比如，有条件自动驾驶作为驾驶自动化过度等级，仍然需要动态驾驶任务后援用户在系统发出介入请求时及时响应。超视距代监管系统作为自动驾驶技术过渡期的补充，能够为醉酒者、精力疲劳者、无能力者等本身不具备为中高级别驾驶自动化提供动态驾驶任务后援行为能力的人群提供远程出行后援服务，降低自动驾驶事故风险提升交通安全。
4.借助5g高带宽、低延迟的特点，可实现超视距代监管系统中车辆信息的低延迟传输。同时，通过5g通信传输为车辆提供动态驾驶任务实时后援。因此，本发明提出的面向中高级别驾驶自动化功能的5g通信超视距代监管系统，将有助于健全中高级别自动驾驶特定环境下市场化应用服务，在充分释放现阶段自动驾驶技术商业价值同时也促进了代驾行业的转型升级。
5.可供参考的现有技术的技术方案包括
6.cn110796851a-一种共享司机驾驶系统、单车驾驶方法及司机调度方法
7.cn112957045a-基于5g的车辆驾驶人疲劳监测和远程干预系统及方法
8.cn109017757a-汽车远程代驾方法及系统
9.cn110322679a-车辆交通事故远程驾驶接管救援方法及系统技术方案
10.现有技术方案的缺点包括：
11.1)对远程端人员缺乏监管，无安全冗余，存在安全隐患。
12.2)远程端人员无法获得充足的驾驶信息(如车身动态、环境音频，对实际道路情况模拟不充分)，无实际运用可能。
13.3)多为全时域远程代驾，没有利用现有自动驾驶技术，导致远程端人员工作量大、工作难度高。


技术实现要素：

14.针对现有技术的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种面向中高级别驾驶自动化的5g通信超视距代监管系统，可远程实现中高级别驾驶自动化功能车辆动态驾驶任务后援任务，以及用以解决代驾行业需要司机线下实车操控和远距离调度等问题。通过5g通信
技术摆脱线缆和空间束缚，高效利用有限的人力资源，为醉酒者、精力疲劳者、无能力者等本身不具备驾驶能力人群实现车辆的远程后援服务。
15.其提供了一种面向中高级别驾驶自动化功能车辆远程动态驾驶任务后援服务的5g通信超视距代监管系统，以解决醉酒者、精力疲劳者、无能力者等本身不具备为配备中高级别驾驶自动化功能车辆提供动态驾驶任务后援行为能力的问题，以及代驾行业需要司机线下实车操控和远距离调度的问题。
16.本发明具体采用以下技术方案：
17.一种面向中高级别驾驶自动化的5g通信超视距代监管系统，其特征在于：各功能组件分别设置在超视距代监管平台和被监管车辆上；
18.所述超视距代监管平台用于为被监管车辆提供监督与事件接管服务，接收被监管车辆的代监管请求、所处环境信息与车身动态信息，发送系统控制权接管指令与操控指令，包括：相互连接的代监管人疲劳检测模块和模拟控制模块；
19.在所述被监管车辆上，环境感知模块和车身动态感知模块分别经自动驾驶模块连接整车控制器；
20.所述模拟控制模块和整车控制器经5g通信网络连接。
21.进一步地，所述疲劳检测模块包含图像传感器和方向盘电容传感器，用于获取代监管人身体信息，判断代监管人是否处于正确的精神状态，以此决定是否向模拟控制模块发送中止车辆代监管指令；
22.所述模拟控制模块包括：道路环境图像显示器、道路环境声播放器、方向盘模拟器、制动与加速踏板模拟器、变速箱控制模拟器、车辆动态模拟座椅支架和第一5g通信单元，用于模拟被监管车辆所处环境信息与车辆动态信息，接收代监管人对被监管车辆的控制指令，并将控制指令发送到被监管车辆。
23.进一步地，所述整车控制器用于采集被监管车辆加速踏板开度信息、制动踏板开度信息、变速箱挡位信息和转向角度信息，并通过第二5g通信单元反馈到模拟控制模块，接受来自自动驾驶模块或模拟控制模块的控制指令；
24.所述控制指令包括：加速踏板开度控制指令、制动踏板开度控制指令、变速箱挡位控制指令和转向角度控制指令；
25.所述自动驾驶模块接收来自环境感知模块和车身动态感知模块的信息，通过自动驾驶模块的计算单元计算得出决策信息，并将决策信息发送到整车控制器；
26.所述环境感知模块用于将接收到的道路环境图像与道路环境声音信息反馈到自动驾驶决策模块或通过第二5g通信单元发送到超视距代监管平台的模拟控制模块；
27.所述车身动态感知模块用于将接收到的车辆加速度信息、车身倾斜角度信息、车身悬架振动信息反馈给自动驾驶模块或通过第二5g通信单元发送到超视距代监管平台的模拟控制模块。
28.进一步地，由被监管车辆车主在超视距代监管平台中选定目的地，发出代监管申请；所述超视距代监管平台根据被监管车辆出发地至目的地是否具有满足5g通信需求的路线，若没有满足5g通信需求的路线则终止代监管请求；若有满足5g通信需求的路线，则连接到超视距代监管平台，由代监管人检测被监管车辆各模块是否运行正常，若被监管车辆各模块运行正常，则由超视距代监管平台接管车辆，开始行程；否则终止代监管请求。
29.进一步地，当所述超视距代监管平台接入被监管车辆后，代监管人疲劳检测模块开始进行检测；利用图像传感器检测代监管人眼球虹膜角度判断代监管人是否目视显示屏，若目视显示屏则继续进行检测；若无目视显示屏则发出危险提示；利用图像传感器检测代监管人头部姿态是否正对显示屏，若正对显示屏则继续进行检测；若无正对显示屏则发出危险提示；利用方向盘压力传感器检测代监管人双手握持方向盘力度大小，若压力大小高于一定阈值则继续进行检测；若压力大小低于一定阈值则发出危险提示；当代监管人疲劳检测模块向代监管人发出危险提示后，若在设定时间内代监管人恢复正确状态则解除危险提示；若在设定时间内仍未恢复正确状态则中止车辆正常行驶，利用被监管车辆自动驾驶模块向整车控制器发出指令控制车辆减速靠边停车；超视距代监管平台将重新匹配代监管人员，接入代监管车辆后继续开始行程。
30.进一步地，当被监管车辆处于行程中时，被监管车辆利用5g通信将车辆环境信息与车身动态信息反馈到超视距代监管平台的模拟控制模块；代监管人通过模拟控制模块展现的信息了解车辆所处的状况，判断被监管车辆自动驾驶模块决策是否为最优解或工作异常，若自动驾驶模块运行正常则不介入，若自动驾驶模块决策非最优解或工作异常则直接操纵模拟驾驶模块中的方向盘模拟器、制动与加速踏板模拟器、变速箱控制模拟器输入控制指令；自动驾驶模块立即解除系统控制权进入人机共驾模式辅助模拟控制模块，整车控制器接收并执行人机共驾控制指令。
31.进一步地，被监管车辆的自动驾驶模块通过环境感知模块与车身动态感知模块反馈的信息，持续计算决策前方路况是否即将不满足设计运行条件；当决策前方路况即将不满足设计运行条件时，被监管车辆通过5g通信向超视距代监管平台发出系统控制权接管请求；超视距代监管平台将系统控制权接管请求通过模拟控制模块告知代监管人；如代监管人响应请求，则接管系统控制权，由代监管人操控车辆继续行驶；车辆行驶过程中，自动驾驶模块持续分析决策路况是否满足设计运行条件，当识别路况满足设计运行条件时，向超视距代监管平台申请接管系统控制权；代监管人收到申请并同意后，自动驾驶模块则接管系统控制权，进行动态驾驶任务；以上步骤循环执行以形成控制闭环。
32.进一步地，所述环境感知模块和车身动态感知模块传输采集获得的车辆信息的速率控制通过以下方法实现：
33.由λi＝αl (1-α)λ
i-1
计算平滑数据丢失率，其中，λi表示某一时段当前时刻的平滑数据丢失率，α表示权重系数，l表示未经处理的当前时刻实际数据丢失率，λ
i-1
表示某一时段前一时刻的平滑数据丢失率；
34.根据平滑数据丢失率由低到高的顺序，将网络状态划分为欠载、适载、超载三个状态，λ1表示欠载与适载间的门限，λ2表示适载与超载间的门限；
35.当λi＞λ2时，车辆信息数据传输速率处于超载状态，通过算法乘性降低车辆信息数据传输速率：ω
cur
＝max(ω
pre
·
β，ω
min
)以保证网络状态处于正常水平，避免对超视距代监管平台造成中断；当λ2＞λi＞λ1时，车辆信息数据传输速率处于适载状态：
36.ω
cur
＝ω
pre
，车辆信息数据传输速率维持原先水平；当λ1＞λi时，车辆信息数据传输速
37.率通过算法加性增长：ω
cur
＝min(ω
pre
ω
up
，ω
max
)每次循环递增一个发送速率加性增长参数ω
up
；
38.其中，ω
cur
表示某段时间内当前时刻车辆信息数据传输速率，ω
pre
表示某段时间内前一时刻车辆信息数据传输速率，ω
min
表示超视距代监管平台所要求的最小车辆信息数据传输速率，ω
max
表示超视距代监管平台所要求的最大车辆信息数据传输速率，β表示发送速率乘性快速降低因子，ω
up
表示发送速率加性增长参数。
39.进一步地，所述环境感知模块采用以下基于车速的视频帧率调节算法对采集到的视频进行处理和传输：
40.根据车速由低到高的顺序，将车速分为低速、中速、高速三个速别，v1为低速与中速间的门限，v2为中速与高速间的门限；
41.其中，v
cur
表示某段时间内当前时刻的车速，f
cur
表示某段时间内当前时刻的视频帧率，f1表示视频初始设定帧率，θ表示帧率调节权重系数，ω1表示超视距代监管平台所要求的初始最小车辆信息数据传输速率；
42.当v
vur
＜v1时，被监管车辆处于低速状态，传输的视频帧率保持为初始帧率：f
cur
＝f1，超视距代监管平台所要求的最小车辆信息数据传输速率保持为超视距代监管平台所要求的初始最小信息数据传输速率：ω
min
＝ω1；当v1＜v
cur
＜v2时，代监管车俩处于中速状态，传输的视频帧率随车速线性增长：f
cur
＝f1 θ
·
(v
cur-v1)，超视距代监管平台所要求的最小信息数据传输速率也随车速线性增长：当v2＜v
cur
时，被监管车辆属于高速状态，传输的视频帧率保持为固定的最大值：f
cur
＝f1 θ(v
2-v1)，超视距代监管平台所要求的最小信息数据传输速率也保持为最大值：
43.相比于现有技术，本发明及其优选方案为带有中高级别驾驶自动化功能的车辆提供了非接触的代监管系统，在充分释放现阶段自动驾驶技术商业价值的同时，避免了传统代驾人员为完成户外不同指定地点代驾工作而过度劳动消耗。此外，还提出了一种被监管车辆信息数据传输速率控制算法和一种基于车速的视频帧率调节算法，让超视距代监管系统能够有稳定的数据传输方案，有助于代监管人员监督及接管过程无阻碍进行。
44.其具有延展中高级别驾驶自动化功能及5g通信技术的商业化应用场景。
45.其引入代监管人疲劳检测模块，为被监管车辆的安全行驶带来了更高的安全冗余，提高超视距代监管系统的可靠性。
46.还提供了一种被监管车辆信息数据传输速率控制算法，以“和性增长，乘性降低”为原则，在被监管车辆信息数据传输速率与当前网络带宽实时匹配的同时，又能够保证信息数据传输的稳定性，避免了视频传输中出现网络堵塞、时延等现象。
47.还提供了一种基于车速的视频帧率调节算法，由于当帧率不变时，随着车速提升，每一帧画面间物体的位移变化会逐渐增大，造成画面的卡顿撕裂感；所以，令视频帧率随车速提升能够保证视频的平滑度，利于代监管人员的正常工作而不受影响。
附图说明
48.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
49.图1为本发明实施例面向中高级别驾驶自动化功能的5g通信超视距代监管系统基
本架构示意图。
50.图2为本发明实施例超视距代监管系统接管流程示意图。
51.图3为本发明实施例代监管人疲劳检测模块运行流程示意图。
52.图4为本发明实施例模拟控制模块介入系统控制权流程示意图。
53.图5为本发明实施例模拟控制模块接管系统控制权流程示意图。
54.图6为本发明实施例被监管车辆信息数据传输速率控制算法流程示意图。
55.图7为本发明实施例基于车速的视频帧率调节算法流程示意图。
具体实施方式
56.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下。
57.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
58.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
59.如图1所示，本实施例提供的面向中高级别驾驶自动化功能的5g通信超视距代监管系统，所提供和设计基于的主体包括超视距代监管平台和被监管车辆。
60.超视距代监管平台用于为被监管车辆提供监督与事件接管服务，接收被监管车辆的代监管请求、所处环境信息与车身动态信息，发送系统控制权接管指令与操控指令。
61.具体包括代监管人疲劳检测模块和模拟控制模块。
62.具体的，疲劳检测模块包含图像传感器和方向盘电容传感器，获取代监管人身体信息，判断代监管人是否处于正确的精神状态，以此决定是否向模拟控制模块发送中止车辆代监管指令。
63.代监管人通过包括但不限于眼球虹膜角度、头部姿态、双手握持力度等身体信息输出控制信息。
64.具体的，模拟控制模块包括道路环境图像显示器、道路环境声播放器、方向盘模拟器、制动与加速踏板模拟器、变速箱控制模拟器、车辆动态模拟座椅支架、5g通信单元。用于模拟被监管车辆所处环境信息与车辆动态信息，接收代监管人对被监管车辆的控制指令，并将控制指令发送到被监管车辆。
65.被监管车辆则设置有：整车控制器、自动驾驶模块、环境感知模块和车身动态感知模块。
66.具体的，整车控制器用于采集被监管车辆加速踏板开度信息、制动踏板开度信息、变速箱挡位信息、转向角度信息通过5g通信反馈到超视距代监管系统的模拟控制模块，接受来自自动驾驶模块或模拟控制模块的控制指令。
67.其中控制指令包括但不限于加速踏板开度控制指令、制动踏板开度控制指令、变速箱挡位控制指令、转向角度控制指令。
68.具体的，自动驾驶模块接收来自环境感知模块和车身动态感知模块的信息，通过
自动驾驶模块的计算单元计算得出决策信息，并将决策信息发送到整车控制器。
69.具体的，环境感知模块包括但不限于摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、麦克风等。环境感知模块将接收到的道路环境图像与道路环境声音信息反馈到自动驾驶决策模块或通过5g通信单元发送到超视距代监管平台的模拟控制模块。
70.具体的，车身动态感知模块包括但不限于加速度传感器、倾角传感器、振动传感器等。车身动态感知模块将接收到的车辆加速度信息、车身倾斜角度信息、车身悬架振动信息反馈给自动驾驶模块或通过5g通信单元发送到超视距代监管平台的模拟控制模块。
71.如图2的本发明实施例的超视距代监管系统接管流程图所示：由被监管车辆车主在超视距代监管平台中选定目的地，向远程端发出代监管申请。代监管系统根据被监管车辆出发地至目的地是否具有满足5g通信需求的路线，若没有满足5g通信需求的路线则终止代监管请求；若有满足5g通信需求的路线，则连接到超视距代监管平台，由代监管人检测被监管车辆各模块是否运行正常，若被监管车辆各模块运行正常，则由超视距代监管平台接管车辆，开始行程；否则终止代监管请求。
72.图3为代监管人疲劳检测模块运行流程图。当超视距代监管系统接入被监管车辆后，代监管人疲劳检测模块开始进行检测。利用图像传感器检测代监管人眼球虹膜角度判断代监管人是否目视显示屏，若目视显示屏则继续进行检测；若无目视显示屏则发出危险提示。利用图像传感器检测代监管人头部姿态是否正对显示屏，若正对显示屏则继续进行检测；若无正对显示屏则发出危险提示。利用方向盘压力传感器检测代监管人双手握持方向盘力度大小，若压力大小高于一定阈值则继续进行检测；若压力大小低于一定阈值则发出危险提示。当代监管人疲劳检测模块向代监管人发出危险提示后，若在设定时间内代监管人恢复正确状态则解除危险提示；若在设定时间内仍未恢复正确状态则中止车辆正常行驶，利用被监管车辆自动驾驶模块向整车控制器发出指令控制车辆减速靠边停车。超视距代监管系统将重新匹配代监管人员，接入代监管车辆后继续开始行程。
73.图4为模拟控制模块介入系统控制权流程图。当被监管车辆处于行程中时，被监管车辆将利用5g通信技术将车辆环境信息与车身动态信息反馈到超视距代监管系统的模拟控制模块；代监管人通过模拟控制模块展现的信息了解车辆所处的状况，判断被监管车辆自动驾驶模块决策是否为最优解或工作异常，若自动驾驶模块运行正常则不介入，若自动驾驶模块决策非最优解或工作异常则可直接操纵模拟驾驶模块中的方向盘模拟器、制动与加速踏板模拟器、变速箱控制模拟器输入控制指令。自动驾驶模块立即解除系统控制权进入人机共驾模式辅助模拟控制模块，整车控制器接收并执行人机共驾控制指令。
74.图5为模拟控制模块接管系统控制权流程图。在被监管车辆处于系统控制状态时，自动驾驶模块通过环境感知模块与车身动态感知模块反馈的信息，经过计算单元持续计算决策前方路况是否即将不满足设计运行条件；当决策前方路况即将不满足设计运行条件时，被监管车辆通过5g通信向超视距代监管系统发出系统控制权接管请求；超视距代监管平台将系统控制权接管请求通过模拟控制模块告知代监管人；代监管人响应请求，接管系统控制权，由代监管人操控车辆继续行驶；车辆行驶过程中，自动驾驶模块持续分析决策路况是否满足设计运行条件，直到识别路况满足设计运行条件时，向超视距代监管平台申请接管系统控制权；代监管人收到申请并同意后，自动驾驶模块则接管系统控制权，进行动态驾驶任务；如此循环，形成控制闭环。
75.图6为被监管车辆信息数据传输速率控制算法流程图，为超视距代监管系统提供了一种被监管车辆信息数据传输速率控制算法。
76.其中，车辆信息包括但不限于车身动态信息、环境音频信息、车辆加速踏板开度信息、制动踏板开度信息、变速箱挡位信息、转向角度信息等。
77.此方法由λi＝αl (1-α)λ
i-1
计算平滑数据丢失率，其中，λi表示某一时段当前时刻的平滑数据丢失率，α表示权重系数，l表示未经处理的当前时刻实际数据丢失率，λ
i-1
表示某一时段前一时刻的平滑数据丢失率。
78.根据平滑数据丢失率由低到高的顺序，将网络状态划分为欠载、适载、超载三个状态，λ1表示欠载与适载间的门限，λ2表示适载与超载间的门限。
79.图6中，ω
cur
表示某段时间内当前时刻车辆信息数据传输速率，ω
pre
表示某段时间内前一时刻车辆信息数据传输速率，ω
min
表示超视距代监管系统所要求的最小车辆信息数据传输速率，ω
max
表示超视距代监管系统所要求的最大车辆信息数据传输速率，β表示发送速率乘性快速降低因子，ω
up
表示发送速率加性增长参数。
80.当λi＞λ2时，车辆信息数据传输速率处于超载状态，通过算法乘性降低车辆信息数据传输速率，保证网络状态处于正常水平，避免对超视距代监管系统造成中断；当λ2＞λi＞λ1时，车辆信息数据传输速率处于适载状态，车辆信息数据传输速率维持原先水平；当λ1＞λi时，车辆信息数据传输速率通过算法加性增长，每次循环递增一个发送速率加性增长参数ω
up
。
81.图7为基于车速的视频帧率调节算法流程图，为超视距代监管系统提供了一种基于车速的视频帧率调节算法。
82.根据车速由低到高的顺序，将车速分为低速、中速、高速三个速别，v1为低速与中速间的门限，v2为中速与高速间的门限。
83.其中，v
cur
表示某段时间内当前时刻的车速，f
cur
表示某段时间内当前时刻的视频帧率，f1表示视频初始设定帧率，θ表示帧率调节权重系数，ω1表示超视距代监管系统所要求的初始最小车辆信息数据传输速率。
84.当v
vur
＜v1时，被监管车辆处于低速状态，传输的视频帧率保持为初始帧率，超视距代监管系统所要求的最小车辆信息数据传输速率保持为超视距代监管系统所要求的初始最小信息数据传输速率；当v1＜v
cur
＜v2时，代监管车俩处于中速状态，传输的视频帧率随车速线性增长，超视距代监管系统所要求的最小信息数据传输速率也随车速线性增长；当v2＜v
cur
时，被监管车辆属于高速状态，传输的视频帧率保持为固定的最大值，超视距代监管系统所要求的最小信息数据传输速率也保持为最大值。
85.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
86.本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的面向中高级别驾驶自动化的5g通信超视距代监管系统，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。