一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统及其引导方法与流程

1.本发明涉及一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统及其引导方法。


背景技术：

2.磁钉数字轨道利用地埋无源磁钉形成轨迹线路，取消了传统轨道列车使用的钢轨，但仍具有有轨系统中的定位、导向功能和信号系统功能，同时磁钉轨道具有不易失效、环境适应力强等特点，可以保证安全行的同时实现精密定位、自动导向和规划控制。
3.每颗磁钉被赋予横向偏差、纵向距离、曲率、gps坐标等位置信息，由所有磁钉数据库信息组合形成高精度磁钉地图，列车识别到磁钉后通过查询高精度磁钉地图可以获知当前位置等信息，从而控制列车安全高效运行。当前磁钉地图需要预先生成以配置文件的方式存储，系统启动时读取一次，运行期间不可变更。磁钉地图里的数据按运行线路组织，列车从起点至终点的经过的一条路径即为一条线路，需要将线路上的所有的磁钉信息预存在磁钉地图里。
4.近年来自动驾驶行业发展迅速，可用于精确定位的传感器发展迅速，轮速传感器、惯性导航仪、视觉传感器、毫米波雷达、激光雷达等传感器技术都可以用于列车定位，都可以用于列车速度引导。由于驾驶环境及其复杂，且目前自动驾驶算法都要求具有边界性，远未达到大规模使用的地步，仍处于试验测试和限定场景运行阶段。公共交通领域对安全性的要求极高，可靠性更高的自动驾驶方案需求紧迫。轮速传感器受车轮变形以及低速分辨率等影响纵向误差与长期累积误差大，无法做到可靠纵向定位。视觉传感器可识别信息量大，不仅可以有效识别位置信息，同时可感知图标、行人、障碍物以及红绿灯等多种信息，方便控制器决策，但受环境影响较大，雨雪天气、夜间或车道线模糊等情况下，定位精度降低甚至失效。激光雷达可以识别车辆与障碍物位置关系，具有精度高数据量相对小的特点，但激光雷达硬件成本高，且同样受雨雪等天气影响，无法做到高可靠性。毫米波雷达有环境适应性高、检测距离大等特点，但对位置识别精度不如激光雷达。磁钉导航方案不受环境因素的影响，不仅可以做到横纵向的高精度定位，而且磁钉点可以赋予环境信息到磁钉数据库中，信息全面、安全可靠性高，成本低。使用磁钉循迹导航，列车可以精确识别位置信息与环境信息，车与车、车与站台、车与红绿灯等交通环境信息可以精确识别，方便应用于列车的速度引导规划，在运行线路内可以实现高效运行，做到节能减排。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统及其引导方法，实时监视车辆在磁钉轨道内的纵向位置进行速度规划，提升列车速度引导精度和可靠性，根据车与红绿灯设备的高效应答机制，得到可靠的红绿灯相位信息，进而进行速度引导高效通过红绿灯路口。
6.实现上述目的的技术方案是：一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统，
包括车载端和路侧端，所述车载端包括车辆、前磁传感器、后磁传感器、导航规划处理器、车载通信单元和速度传感器；所述路侧端包括信号灯、信号机、路侧通信设备和磁钉轨道，其中：
7.车辆沿所述磁钉轨道运行；
8.所述前磁传感器安装在车辆的前端，所述后磁传感器安装在车辆的中后端；所述导航规划处理器、车载通信单元和速度传感器分别安装在所述车辆上，所述车辆上还设置有车辆控制器和车辆执行驱动端；
9.所述导航规划处理器和车载通信单元通过以太网连接，所述导航规划处理器分别与所述车辆控制器和车辆执行驱动端相连接；
10.所述车载通信单元用于实现车辆与交叉口信号灯设备、其余车辆信息和调度中心的信息交互，得到路端信息和其余车辆位置信息，并将路端信息和其余车辆位置信息发送给所述导航规划处理器，所述导航规划处理器根据路端信息和其余车辆位置信息发出建议速度信息给所述车辆控制器，实现车辆速度的控制；
11.所述信号灯、信号机和路侧通信设备安装在路侧；
12.所述信号机对信号灯的信号进行控制信息的传递，所述信号机将信号灯实时灯态、信号灯识别、灯态相位信息通过无线形式传递给所述车载通信单元；
13.所述磁钉轨道由设置车辆运行轨道上的多个间隔等距的磁钉构成，磁钉产生的磁场分布被所述前磁传感器和后磁传感器获取，所述前磁传感器和后磁传感器将获取的磁场分布信息发送给所述导航规划处理器，在导航规划处理器中拟合一条虚拟的数字化轨道，约束车辆行驶。
14.上述的一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统，其中，所述速度传感器采用惯导设备或轮速传感器。
15.上述的一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统，其中，所述前、后磁传感器的安装位置距离地面20cm，所述前、后磁传感器均由多个mems磁传感器模组组成，用于测量磁钉的三维磁场，进而识别出车辆和磁钉的相对位置信息。
16.上述的一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统，其中，所述导航规划处理器中预先加载有磁钉轨道电子地图，每颗磁钉具有唯一编号；当前、后磁传感器经过任意磁钉正上方时，识别磁钉的编号并准确定位车辆的物理位置，将磁钉编号发送给所述导航规划处理器；所述导航规划处理器根据磁钉编号，索引磁钉轨道电子地图，读取预制在磁钉轨道电子地图中的当前位置对应的参数，将磁钉点信息提取出来，用于速度规划的磁钉点信息包含磁钉纵向位置、道路曲率、距离最近停车线距离、前方信号灯id号、当前建议车速和路网最大限速；车辆沿所述磁钉轨道上的磁钉循迹时，所述导航规划处理器准确定位车辆的位置及路侧信息。
17.上述的一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统，其中，所述导航规划处理器发送请求信号给所述车载通信单元，通过所述车载通信单元以无线方式传递给所述路侧通信设备，所述路侧通信设备将请求信息发送给所述信号机，所述请求信息包含请求信号灯id，当路侧端的信号灯的id与请求信号灯id相匹配时，所述信号机将信号灯信息传递给所述路侧通信设备，通过所述路侧通信设备将信号灯信息以无线形式发送给所述车载通信单元，所述车载通信单元将信号灯信息发送给所述导航规划处理器，实现所述导航规划
处理器对前方信号灯信息的采集，信号灯信息包含信号灯id、灯态和灯态相位信息。
18.实现上述目的的另一种技术方案是：一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统的引导方法，基于上述的一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统，进行红绿灯交叉口速度规划，具体包括以下步骤：
19.s1，路网速度信息提取及红绿灯匹配步骤：根据磁钉轨道电子地图匹配路网速度信息，路网速度信息包含运营要求对道路大曲率弯道、直道、路口等路网的建议速度和最大限速，在该速度基础上进行速度规划，并通过导航规划处理器、车载通信单元和路侧通信设备之间的通信，实现所述导航规划处理器对前方信号灯信息的采集，得到信号灯控制周期、灯态以及灯态相位；
20.s2，判断当前状态能否通过路口步骤：根据磁钉轨道电子地图计算车辆到达停车线距离，车辆位置由磁钉位置和速度传感器积分共同得出，磁钉定位车辆纵向绝对坐标，速度传感器通过积分确定与最近磁钉相对距离，基于该方法实现纵向距离的连续性，通时对比磁钉轨道电子地图中已加载好的停车线位置信息，精确计算出车辆到达停车线距离，并计算出在当前磁钉轨道电子地图匹配建议车速行驶状态下到达停车线时红绿灯状态；
21.s3，优化步骤s2中红绿灯路口通行策略步骤：根据步骤s2判断结果决定是否进入车速引导模块，若到达停车线在红灯时段，则计算车辆能否以步骤s1中匹配的最大限速行驶能否通过交叉口，若可通过则进入车速引导模块，若不可通过则计算车辆能否以消散速度通过交叉口；若以消散速度车辆可以低速行驶到绿灯时段，则进入车速引导模块；
22.s4，计算当前引导车速并输入给车辆控制器步骤，根据步骤s3的结果，如果进入车速引导模块则进行建议车速更新计算，车速引导模块对磁钉轨道电子地图匹配的建议车速做进一步处理，首先结合步骤s3中能通过交叉口的速度结果更新路网建议车速v
road
；车辆自动驾驶状态的预瞄参数，在预瞄距离内所有磁钉点的最小建议速度v
min
作为当前的建议车速v
adv
，并输入给车辆控制器，控制车辆速度，实现红绿灯交叉口速度规划。
23.上述的一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统的引导方法，步骤s3中，消散速度考虑红灯情况下多车辆滞留场景，结合磁钉轨道及车辆调度中心信息交互，计算出车流密度及各车速度信息，结合车流波动理论算出消散速度。
24.上述的一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统的引导方法，步骤s3中，当无法计算出通行车速或车辆无法通过交叉口时，对算法收敛，此时车辆无法跟随前方排队车辆通过交叉口，不对该车辆进行速度引导，此时车辆不穿过交叉口，速度引导系统提示无法通过交叉口，指示停车到交叉口。
25.本发明的利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统及其引导方法，实时监视车辆在磁钉轨道内的纵向位置进行速度规划，提升列车速度引导精度和可靠性，根据车与红绿灯设备的高效应答机制，得到可靠的红绿灯相位信息，进而进行速度引导高效通过红绿灯路口。
附图说明
26.图1为本发明的利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统的结构示意图；
27.图2为车载端与路侧端的通信示意图；
28.图3为本发明的速度引导系统的引导方法的流程图。
具体实施方式
29.为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
30.请参阅图1、图2和图3，本发明的最佳实施例，一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统及其引导方法，包括车载端和路侧端，车载端包括车辆1、前磁传感器2、后磁传感器3、导航规划处理器(ncu)4、车载通信单元(obu)5和速度传感器10；路侧端包括信号灯6、信号机7、路侧通信设备(rsu)8和磁钉轨道9。速度传感器10不限于惯导设备、轮速传感器等可用于速度测量的传感器。
31.车辆1沿磁钉轨道9运行。
32.前磁传感器2安装在车辆1的前端，后磁传感器3安装在车辆1的中后端；导航规划处理器4、车载通信单元5和速度传感器10分别安装在车辆1上，车辆1上还设置有车辆控制器和车辆执行驱动端；导航规划处理器4和车载通信单元5通过以太网连接，导航规划处理器4分别与车辆控制器和车辆执行驱动端相连接。
33.车载通信单元5用于实现车辆与交叉口信号灯设备、其余车辆信息和调度中心的信息交互，得到路端信息和其余车辆位置信息，并将路端信息和其余车辆位置信息发送给导航规划处理器4，导航规划处理器4根据路端信息和其余车辆位置信息发出建议速度信息给车辆控制器，实现车辆速度的控制。
34.信号灯6、信号机7和路侧通信设备8安装在路侧；信号机6对信号灯的信号进行控制信息的传递，信号机6将信号灯实时灯态、信号灯识别、灯态相位信息通过无线形式传递给车载通信单元5；磁钉轨道9由设置车辆运行轨道上的多个间隔等距的磁钉构成，磁钉的间隔距离可以采用1m；磁钉产生的磁场分布被前磁传感器2和后磁传感器3获取，前磁传感器2和后磁传感器3将获取的磁场分布信息发送给导航规划处理器4，在导航规划处理器4中拟合一条虚拟的数字化轨道，约束车辆行驶。
35.前磁传感器2、后磁传感器3的安装位置距离地面20cm，前、后磁传感器均由多个mems磁传感器模组组成，用于测量磁钉的三维磁场，进而识别出车辆和磁钉的相对位置信息。
36.导航规划处理器4中预先加载有磁钉轨道电子地图，每颗磁钉具有唯一编号；当前磁传感器2、后磁传感器3经过任意磁钉正上方时，识别磁钉的编号并准确定位车辆的物理位置，将磁钉编号发送给导航规划处理器4；导航规划处理器4根据磁钉编号，索引磁钉轨道电子地图，读取预制在磁钉轨道电子地图中的当前位置对应的参数，将磁钉点信息提取出来，用于速度规划的磁钉点信息包含磁钉纵向位置、道路曲率、距离最近停车线距离、前方信号灯id号、当前建议车速和路网最大限速；车辆沿磁钉轨道9上的磁钉循迹时，导航规划处理器4准确定位车辆的位置及路侧信息。
37.请参阅图2，本发明的利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统，同时匹配磁钉轨道电子地图，车载系统可匹配最近红绿灯，通过应答机制，可解决多红绿灯干扰问题，进而做可靠的红绿灯交叉口速度规划，达到可运营要求；首先导航规划处理器ncu发送请求信号给车载通信单元obu，通过车载通信单元obu以无线方式传递给路侧通信设备rsu，路侧通信设备rsu将请求信息发送给信号机，由于请求信息包含请求信号灯id，当信号灯的id与请求信号灯id相匹配时，信号机将信号灯信息传递给路侧通信设备rsu，通过路侧通信设备
rsu将信号灯信息无线方式发送给车载通信单元obu，车载通信单元obu将信号灯信息发送给导航规划处理器ncu，进而实现导航规划处理器ncu对前方信号灯的信息采集，信号灯信息包含信号灯id、灯态、灯态相位信息；基于该方法，本发明同样保护多路口信号灯的速度规划，导航规划处理器ncu不仅可发送前方路口信号灯id信息请求，通过磁钉轨道电子地图前瞻，导航规划处理器ncu也可发送前方第二路口甚至更前方路口信息请求，只要达到车载通信单元obu与路侧通信设备rsu的通信距离范围即可对信号灯信息采集，导航规划处理器ncu可进行更为高效的速度规划。
38.请参阅图3，一种磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统的引导方法，基于上述的一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统，进行红绿灯交叉口速度规划，具体包括以下步骤：
39.s1，路网速度信息提取及红绿灯匹配步骤：根据磁钉轨道电子地图匹配路网速度信息，路网速度信息包含运营要求对道路大曲率弯道、直道、路口等路网的建议速度和最大限速，在该速度基础上进行速度规划，参照图2中导航规划处理器、车载通信单元和路侧通信设备之间的通信，实现导航规划处理器对前方信号灯信息的采集，得到信号灯控制周期c、灯态以及灯态相位。其中信号灯绿灯时段为0-tg，信号灯处于黄灯时段为t
g-th，信号灯处于红灯时刻为t
h-tr等相位信息，灯态以及灯态相位与信号灯时段匹配；
40.s2，判断当前状态能否通过路口步骤：根据磁钉轨道电子地图计算车辆到达停车线距离，车辆位置由磁钉位置和速度传感器积分共同得出，磁钉定位车辆纵向绝对坐标，速度传感器通过积分确定与最近磁钉相对距离，基于该方法实现纵向距离的连续性，通时对比磁钉轨道电子地图中已加载好的停车线位置信息，精确计算出车辆到达停车线距离，并计算出在当前磁钉轨道电子地图匹配建议车速行驶状态下到达停车线时红绿灯状态；
41.s3，优化步骤s2中红绿灯路口通行策略步骤：根据步骤s2判断结果决定是否进入车速引导模块，若到达停车线在红灯时段，则计算车辆能否以步骤s1中匹配的最大限速行驶能否通过交叉口，若可通过则进入车速引导模块，若不可通过则计算车辆能否以消散速度通过交叉口；若以消散速度车辆可以低速行驶到绿灯时段，则进入车速引导模块；消散速度考虑红灯情况下多车辆滞留场景，结合磁钉轨道及车与调度中新信息交互，可计算出车流密度及各车速度信息，结合车流波动理论算出消散速度。若通过消散速度车辆可以低速行驶到绿灯时段，则进入车速引导模块。通过步骤s3实现了是否进入车速引导模块的决策，同时将决策的速度信息传给车速引导模块，决策的速度信息也就是可通过交叉口速度；
42.s4，计算当前引导车速并输入给车辆控制器步骤，根据步骤s3的结果，如果进入车速引导模块则进行建议车速更新计算，车速引导模块对磁钉轨道电子地图匹配的建议车速做进一步处理，首先结合步骤s3中能通过交叉口的速度结果更新路网建议车速v
road
；车辆自动驾驶状态的预瞄参数，在预瞄距离内所有磁钉点的最小建议速度v
min
作为当前的建议车速v
adv
，并输入给车辆控制器，控制车辆速度，实现红绿灯交叉口速度规划。
43.步骤s3中，当无法计算出通行车速或车辆无法通过交叉口时，对算法收敛，此时车辆无法跟随前方排队车辆通过交叉口，不对该车辆进行速度引导，此时车辆不穿过交叉口，速度引导系统提示无法通过交叉口，指示停车到交叉口。
44.本发明的利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统及其引导方法，针对在地面铺设完整磁钉数字轨道的运营线路行驶的胶轮电车、公交车、汽车等，基于该数字轨道可以
实现更为安全的车辆速度引导策略，解决了自动驾驶行业无法做到可靠的精确定位的问题。
45.本发明的一种利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统及其引导方法，基于磁钉轨道准确识别车与红路灯停车线距离，实现更为准确的红绿灯路口通行方案，通过该速度引导方案提高车辆运营效率，降低能耗。同时基于磁钉轨道电子地图以及车与交通信号机应答机制，可准确识别前方以其更前方信号灯信息，避免多红绿灯干扰造成车速引导失效的问题，同时该方案适应性强，可应用于不具备信号优先条件路段，无需控制信号灯就可实现速度引导，降低投入成本的同时可实现安全运营
46.综上所述，本发明的利用磁钉轨道实现安全运营的速度引导系统及其引导方法，基于磁钉轨道的胶轮电车，通过实时采集磁钉信息实现车辆精确定位，准确识别车与红路灯停车线距离，实现更为准确的红绿灯路口通行方案，提高车辆运营效率，降低能耗。同时基于磁钉轨道电子地图，车载系统可匹配前方红绿灯，通过应答机制，解决了多红绿灯干扰问题，提高系统可靠性。
47.本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。