專利名稱：高速路自動導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種自動導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)明的路標生成技術(shù)可以實現(xiàn)高速路應(yīng)用下的定位與導(dǎo)航。屬通信技術(shù)領(lǐng)域、電子技術(shù)領(lǐng)域、導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域、交通技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)沒有在高速公路能夠?qū)嶋H應(yīng)用的自動導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著我國高速公路網(wǎng)的不斷擴大，高速路上的安全問題日益顯現(xiàn)，連環(huán)撞車事件不斷。原因主要是1.高速路單調(diào)的環(huán)境使駕車者意識模糊，造成誤操作。2.惡劣天氣造成視野受阻，不能得到操作提前量。針對這個突出問題本方案提出了一種解決的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
設(shè)計出無線電合成路標技術(shù)與通用通信平臺組合的方式實現(xiàn)在高速路上的自動導(dǎo)航應(yīng)用。
要解決的技術(shù)問題1.解決無線電合成路標的實現(xiàn)及在車道保持上的應(yīng)用問題。
2.使用電波合成路標實現(xiàn)在多條車道應(yīng)用下的車道保持。
3.應(yīng)用通用通信平臺實現(xiàn)防撞及可調(diào)度系統(tǒng)。
4.解決車輛行駛中的車道切換問題。
5.定義適當?shù)慕涌跇藴室詫崿F(xiàn)與可電操控的駕駛系統(tǒng)連接。
6.安全保證措施。
技術(shù)方案無線電合成路標技術(shù)和通用通信平臺為在高速公路上行駛的車輛提供精確車道縱軸信息和本車輛及鄰近車輛所處位置和速度信息。本方案實現(xiàn)了車輛駕駛信息自動導(dǎo)航，若與車輛上的電操控系統(tǒng)連接可以實現(xiàn)高速路段的車輛自主駕駛。詳述如下1.解決無線電合成路標的實現(xiàn)及在車道保持上的應(yīng)用問題。
定義路標指道路上各條車道的縱軸線標記。
原理使用無線電發(fā)射機在道路兩旁產(chǎn)生兩路相干信號源，利用波的相干性在空間上形成固定的相位分布，即路標。在應(yīng)用中將此兩路信號源分別調(diào)制在兩個不同的載頻上，車載接收機通過兩路解調(diào)通道分別接收，再以兩路過零比較器分別偵測出兩路信號的相位。由于相位差對應(yīng)的時間差與傳輸距離差成正比例關(guān)系，因此兩路相位差就標定了車輛偏離路標的程度。這個明確的結(jié)果應(yīng)用在偏差矯正上即實現(xiàn)了持續(xù)地車道保持。
精度接收精度---對于精度的量化取決于接收通道的相位偵測精度、定位信號頻率和接收天線高度，假設(shè)對兩通道延遲校準后達到10納秒的延遲誤差計算，依據(jù)公式偏差等于時間差乘以電波速度(30萬公里每秒)造成的中心偏差等于3厘米，即非常精確。而這個10納秒的延遲校準要求，對比起延遲線器件目前的水平已經(jīng)是相當?shù)偷牧?。第二個因數(shù)是定位信號頻率，本方案中定位信號發(fā)生器(1.2)使用1KHZ信號，以200公里車輛時速按每周期推算，動態(tài)最大偏差為車輛速度乘以矯正周期等于5.5厘米。第三是接收天線的高度，高度的變化可以導(dǎo)致路標發(fā)生偏移，所以這是車載臺校準的必要項目。
路標精度---對于路標發(fā)射系統(tǒng)的精度影響的關(guān)鍵因數(shù)是兩路信號源的相對相位。對于相對相位的變化可以依據(jù)接收精度中的偏差公式計算，使用模擬延遲線(例如長線等)的情況下，再配合環(huán)境控制偏差可以忽略不記。
工程精度由于電纜架設(shè)的間距誤差是不可避免的，也是影響系統(tǒng)精度的最主要因素?？梢杂霉焦浪闫畹扔陂g距誤差的一半。另外電纜架設(shè)偏離量也是個因數(shù)。用公式估算偏差等于偏離量。對于偏離偏差可以方便地在工程中進行中心校準。對于間距誤差，在彎道上可以采用對漏纜密集固定的方法減小。條件不許可的情況下，對這兩種偏差可以提前采集偏差數(shù)據(jù)，然后在車載臺中預(yù)先設(shè)定補償，輔助以地埋短距離射頻觸發(fā)設(shè)備啟動。
2.使用電波合成路標實現(xiàn)在多條車道應(yīng)用下的車道保持。
定義多車道高速路通常有4車道和6車道，本文涉及到的車道及其編號都指雙向總車道數(shù)。
原理目前，比較常見的是多車道。應(yīng)用本方案可以方便的擴展到需要的車道規(guī)模。從前述的路標精度衡量方法已經(jīng)得出結(jié)論偏差等于時間差乘以電波速度。時間差又正比例與相位差，由此得出該方案也可以應(yīng)用在路標不在道路中心的情況下，而變動僅僅限于是否預(yù)先設(shè)定了一個相位差。以下以四車道方案進行說明，其他情況可以類推。
車道的擴展在路標應(yīng)用原理的基礎(chǔ)上，我們假設(shè)解決四車道系統(tǒng)的路標。對車道依次進行編號ROAD1、ROAD2、ROAD3、ROAD4，1、2號車道同方向，3、4號為相反方向車道。為了實現(xiàn)在系統(tǒng)規(guī)模變化時車載臺定位成功標志的標準化和降低車載臺時鐘精度要求，規(guī)定車載臺兩路通道接收到的信號相位差為零時為車輛處于車道中心及鎖定路標位置。依據(jù)這個要求信號源必須同時生成4個路標，分別對應(yīng)4條車道，叫做路標1、路標2、路標3、路標4。顯然4個路標不在整個路面的中心，系統(tǒng)需要同時發(fā)射4個預(yù)先設(shè)定了相位差的信號。為了減低接收和發(fā)射的成本，使用4+1信號方式，即4路預(yù)設(shè)相位差的信號和1路基準信號，把基準信號源放在一側(cè)，4路預(yù)設(shè)相位差的信號源放在路面的另一側(cè)，分別調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)相位差的大小，使車輛在各個路標位置上的接收相位差為零。針對路標的相互獨立的需要，分別使用5個載頻分別對應(yīng)4個路標和一個基準。車載臺再按照選定的車道所對應(yīng)的頻率進行接收解調(diào)，實現(xiàn)定位。因為車道是一個長矩形的空間，為了獲得無縫且保持5路信號相對固定的相位關(guān)系，系統(tǒng)使用兩條泄露電纜作為天線。
3.應(yīng)用通用通信平臺實現(xiàn)防撞及可調(diào)度系統(tǒng)。
定義通用通信平臺指由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的綜合。
信息共享指在高速路面上的車輛之間空間位置、移動速度、車輛運行狀況等信息的共享。
原理在車輛行使過程中，通常駕駛者需要通過目測獲得自身及周邊車輛的運行狀況，以決定合適的車道，行使速度及合適的變道時機，采用通用通信平臺可以獲得自身及周邊車輛的速度、位置，甚至車輛的動作信息，從而獲得比目測更加全面的信息。這些信息可以用可視化的設(shè)備進行顯示，還可以對緊急情況發(fā)出預(yù)警，如果再配合自動駕駛系統(tǒng)進行操控就實現(xiàn)了防撞。在系統(tǒng)中車載臺被獨立編號，道路信息中心輪流詢問各車輛的速度、車道、行使路程等信息，然后發(fā)射給所有車載臺，車載臺再依據(jù)需要選擇與自己較近距離的車輛信息送入車輛運行參數(shù)處理器(2.4)，處理后的信息送自動駕駛接口驅(qū)動及導(dǎo)航顯示電路(2.5)提供給駕駛者，也同時為車輛電操控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。車輛運行參數(shù)處理器(2.4)不斷監(jiān)測周邊車輛數(shù)據(jù)，并在設(shè)定的預(yù)警時間要求下采取措施聲光警告、剎車或加速、切換車道。緊急情況下報告道路信息中心，道路信息中心通過車輛運行參數(shù)處理器(2.4)對車輛進行系統(tǒng)干預(yù)。如限速、規(guī)劃專用車道等。
4.解決車輛行駛中的車道切換問題。
定義車道切換指在車輛轉(zhuǎn)換行使路線，例如超車等情況下改變車道。
原理在正常情況下，車輛是按照選定的車道行使的。但是為了提高駕駛的靈活性及應(yīng)對突發(fā)事故必須具有切換車道的能力。本系統(tǒng)由于采用了獨立的路標信號，所以可以方便的進行切換。切換時只需要改變路標編號，車輛運行參數(shù)處理器(2.4)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的標準頻率調(diào)整接收信道，對應(yīng)的車道保持電路會自動的把車輛調(diào)整到新的路標。即變道成功。
5.定義適當?shù)慕涌跇藴室詫崿F(xiàn)與駕駛系統(tǒng)的連接。
定義接口標準共享的信息系統(tǒng)與自動駕駛系統(tǒng)進行連接的軟硬件標準和通信平臺自身連接的標準。當我們試圖在系統(tǒng)級實現(xiàn)互連互通時必須遵循一個統(tǒng)一的標準。
標準一、通信平臺的標準通信平臺系統(tǒng)參數(shù)包括道路信息中心下行信號頻率、車載臺上行頻率、通信平臺調(diào)制方式、調(diào)制參數(shù)等。建議使用數(shù)字調(diào)制方式。以達到方便功能擴展的目的。
信息交換協(xié)議和楨結(jié)構(gòu)上行控制建議使用分時方式，由下行信號同步，下行通道先呼叫要廣播的車輛編號，然后車載臺收到呼叫通過上行通道送到道路信息中心，然后被無延遲的廣播出來。
對于上行數(shù)據(jù)楨結(jié)構(gòu)考慮到信息的重要程度不同，本方案建議設(shè)定32位代碼，前4位用于報告信息類型，如0表示速度，1表示里程，2表示車輛類型，3表示所在車道，15表示緊急信息報告等，接下來的20位是對應(yīng)的數(shù)據(jù)，第25位為數(shù)據(jù)校驗，26位為數(shù)據(jù)有效標志，27位和28位為車輛狀態(tài)信息，如剎車、加速、變道中、倒車等信息，30位為車輛狀態(tài)信息有效標志、31位為有無后續(xù)數(shù)據(jù)和32位為校驗位。
對于下行數(shù)據(jù)楨結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮控制功能，設(shè)定為32位楨結(jié)構(gòu)，前4位為功能標志位，若為0表示呼叫播報，若為1表示對指定車輛操作，若為2表示對全體操作，若為3表示其他功能等。接下的16位為車輛編號，17到22位為操作代碼，如限速、清道等；23到30為操作所需相關(guān)參數(shù)，31位為數(shù)據(jù)有效標志，32位為校驗位。
路標系統(tǒng)相關(guān)標準路標系統(tǒng)載波發(fā)射頻率、路標頻率間隔、路標系統(tǒng)調(diào)制方式、車載臺上行信號頻率等都可以由交通部門指定。
推薦方案如下路標系統(tǒng)載波發(fā)射頻率、路標頻率間隔和路標系統(tǒng)調(diào)制方式因為應(yīng)用無線電合成路標技術(shù)是個相位量測系統(tǒng)，為了得到較好的相位特性，漏纜最好工作在諧振輻射方式，所以調(diào)幅方式比較理想，頻率由電纜特性確定，另外為了獲得較好的覆蓋效果，頻率不能太低，結(jié)合目前高頻通信設(shè)備狀況建議設(shè)定在800MHZ附近。對于路標頻率間隔的設(shè)定取決與兩個因數(shù)。一、車輛移動速度產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，以200公里的時速為例，頻率變化15KHZ，加上一定的安全間距，推薦保持在1MHZ以上。二、為了使漏纜工作盡可能達到諧振輻射方式，頻率間隔也不能太大。本方案中采用1MHZ。調(diào)幅方式使路標占用資源很少。
車載臺上行信號頻率、道路信息中心下行信號頻率、通信平臺調(diào)制方式和調(diào)制任意設(shè)定在漏纜的工作帶寬內(nèi)即可。
標準二、與駕駛系統(tǒng)連接的標準1)電信號標準；與駕駛系統(tǒng)相連接需要有較好的抗干擾性，建議使用TTY電平。
2)數(shù)據(jù)格式標準建議使用上行下行數(shù)據(jù)格式編碼和解碼。
6.安全保證措施。
安全是車輛行使中最基本的要求。本方案建議，使用針對無人駕駛情況下系統(tǒng)中有可能出現(xiàn)的不安全情況設(shè)計保證措施。作者使用了信號完整性檢測電路進行車道保持電路的安全保證。在車載臺上，使用基準信號、路標信號、偏差相位信號進行或運算，信號一直為高電平時正常，這樣的硬件監(jiān)測達到了實時效果；另外為了防止兩路信號同時丟失，再對基準信號、路標信號進行占空比量測，對不等于50％但小于100％的進行比較器基準調(diào)整，對于100％占空比的情況采取緊急措施，通過自動駕駛接口驅(qū)動及導(dǎo)航顯示電路(2.5)告警并剎車。


和實施方案本發(fā)明說明書中的道路信息控制基站框圖1、車載臺框圖2說明和漏纜布置示意圖3是這樣的圖1道路信息控制基站框圖基準車道信號載波發(fā)生器(1.1)，定位信號發(fā)生器(1.2)，基準車道信號調(diào)制器(1.3)，定位信號多路載波發(fā)生器(1.4)，車道1中心校準器(1.5)，車道2中心校準器(1.6)，車道n中心校準器(1.7)，車道1定位信號調(diào)制器(1.8)，車道2定位信號調(diào)制器(1.9)，車道n定位信號調(diào)制器(1.10)，功率合成器(1.11)，道路信息中心收發(fā)器(1.12)，雙工器(1.13)，基準信號發(fā)射系統(tǒng)漏纜(A)，定位信號發(fā)射系統(tǒng)漏纜(B)。
1、基準發(fā)射將定位信號發(fā)生器(1.2)產(chǎn)生的1KHZ無相移信號用基準車道信號調(diào)制器(1.3)調(diào)制在基準車道信號載波發(fā)生器(1.1)產(chǎn)生的800MHZ頻點上，緩沖放大后通過基準信號發(fā)射系統(tǒng)漏纜(A)發(fā)射作為路標系統(tǒng)定位基準。
2、定位發(fā)射將定位信號發(fā)生器(1.2)產(chǎn)生的1KHZ信號通過車道1中心校準器(1.5)相位延遲后用車道1定位信號調(diào)制器(1.8)調(diào)制在定位信號多路載波發(fā)生器(1.4)產(chǎn)生的810MHZ頻點上。同理，再產(chǎn)生用于2車道的820MHZ被調(diào)信號和n車道的8n0MHZ被調(diào)信號。該n路被調(diào)信號與道路信息中心收發(fā)器(1.12)的輸出信號經(jīng)過功率合成器(1.11)合成后緩沖放大后經(jīng)雙工器(1.13)隔離，再通過定位信號發(fā)射系統(tǒng)漏纜(B)發(fā)射。漏纜(A)和漏纜(B)設(shè)置在道路兩側(cè)(參考圖3)。
圖2車載臺框圖雙工器(2.1)，基準信號接收通道(2.2)，定位信號接收通道(2.3)，車輛運行參數(shù)處理器(2.4)，自動駕駛接口驅(qū)動及導(dǎo)航顯示電路(2.5)，輸出接口電路(2.6)，異或門(2.7)，鎖存器(2.8)，與門(2.9)，信號完整性監(jiān)測電路(2.10)，偏差方向信號輸出(2.11)，偏差量信號輸出(2.12)。車載臺的天線接收到道路信息中心基站發(fā)出的信號，后經(jīng)過雙工器(2.1)將車輛運行參數(shù)處理器(2.4)發(fā)射信號隔離后送基準信號接收通道(2.2)、定位信號接收通道(2.3)和車輛運行參數(shù)處理器(2.4)。車輛運行參數(shù)處理器(2.4)根據(jù)預(yù)先設(shè)定選擇定位信號接收通道(2.3)的接收頻率，選頻解調(diào)過零比較后獲得的信號，與基準信號接收通道(2.2)選頻解調(diào)過零比較后獲得的基準信號在異或門(2.7)做相位差運算，得到偏差量信號輸出(2.12)。為了獲得偏差方向信號輸出(2.11)，對基準信號接收通道(2.2)解調(diào)并過零比較后的信號在鎖存器(2.8)和與門(2.9)的作用下進行比對，輸出偏差方向信號輸出(2.11)，輸出電平的高和低表示了偏離方向或矯正方向。為了避免出現(xiàn)基準信號接收通道(2.2)和定位信號接收通道(2.3)故障造成定位錯誤，設(shè)計了信號完整性監(jiān)測電路(2.10)，當信號輸出為高時表示正常，相反時表示故障，該信號與偏差方向信號輸出(2.11)偏差量信號輸出(2.12)一起送入車輛運行參數(shù)處理器(2.4)處理后通過自動駕駛接口驅(qū)動及導(dǎo)航顯示電路(2.5)送入輸出接口電路(2.6)供自動駕駛系統(tǒng)使用。收集有本車狀態(tài)參數(shù)的信息的車輛運行參數(shù)處理器(2.4)通過雙工器(2.1)由天線發(fā)射到空間，反饋給道路信息控制基站。另外，車輛運行參數(shù)處理器(2.4)根據(jù)對基準信號接收通道(2.2)和定位信號接收通道(2.3)解調(diào)過零比較后的信號占空比測量的結(jié)果分別調(diào)整過零比較器的基準Vref-a和Vref-b，使占空比保持在50％，以達到減低接收通道零電平漂移影響的目的。
圖3漏纜布置示意圖基準信號發(fā)射系統(tǒng)漏纜(A)定位信號發(fā)射系統(tǒng)漏纜(B)圖中標記ROAD1對應(yīng)1車道，ROAD2對應(yīng)2車道，其它依此類推?；鶞市盘柊l(fā)射系統(tǒng)漏纜(A)和定位信號發(fā)射系統(tǒng)漏纜(B)分別設(shè)置在道路兩旁。
本發(fā)明的有益效果是，可以向在高速路上車輛進行導(dǎo)航，實現(xiàn)全天候行駛，當導(dǎo)航系統(tǒng)與車輛駕駛系統(tǒng)連接時可以實現(xiàn)無人駕駛，具有系統(tǒng)維護簡單，安全，精度高等特點。該技術(shù)也可以應(yīng)用于運河，內(nèi)河等環(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)航系統(tǒng)。其特征是由無線電合成路標技術(shù)、多車道保持技術(shù)、應(yīng)用通用通信平臺實現(xiàn)防撞及可調(diào)度系統(tǒng)、車道切換技術(shù)、可電操控的駕駛系統(tǒng)連接所需要的硬件接口標準、車載臺與道路信息中心交換信息時所需要的協(xié)議標準、安全保證措施、天線收發(fā)發(fā)射系統(tǒng)等組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征是以無線電合成路標技術(shù)、車道保持使用無線電合成路標實現(xiàn)的技術(shù)、多車道保持使用無線電合成路標實現(xiàn)的技術(shù)、防撞及可調(diào)度系統(tǒng)使用通用通信平臺、基于獨立調(diào)制的路標技術(shù)的車道切換技術(shù)、32位硬件接口標準以實現(xiàn)與可電操控的駕駛系統(tǒng)連接、32位信息編碼方式和分時控制的通信軟件接口標準以實現(xiàn)與道路信息中心交換信息、應(yīng)用信號完整性電路檢測技術(shù)的安全保證措施、漏纜組成收發(fā)系統(tǒng)等組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線電合成路標技術(shù)，其特征是使用無線電信號的同頻干涉原理實現(xiàn)固定的路標。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的車道保持使用無線電合成路標實現(xiàn)的技術(shù)，其特征是使用兩通道分別接收定位信號和基準信號，然后進行相位檢測的方法獲得偏差量和偏差方向的方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多車道保持使用無線電合成路標實現(xiàn)的技術(shù)，其特征是對定位信號做相位預(yù)調(diào)整以獲得可預(yù)制的多個路標的生成和解調(diào)技術(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的防撞及可調(diào)度系統(tǒng)，其特征是使用通用通信平臺對車輛運動等因數(shù)收集和發(fā)射，再由車輛自主根據(jù)需要做出預(yù)警的機制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的車輛運動等因數(shù)的收集和發(fā)射機制，其特征是上行控制使用分時方式，由下行信號同步，下行通道先呼叫要廣播的車輛編號，然后車載臺收到呼叫通過上行通道送到道路信息中心，然后被無延遲的廣播出來。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的車道切換技術(shù)，其特征是車載臺依據(jù)自主選擇車道對應(yīng)路標信號載頻的方法，獲得平穩(wěn)過度到新車道的技術(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的安全保證措施，其特征是由信號完整性檢測電路、接收通道零飄矯正技術(shù)組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的漏纜組成收發(fā)系統(tǒng)，其特征是使用在路標系統(tǒng)工作頻率上工作方式為輻射型的泄露電纜作為收發(fā)天線。
全文摘要
一種自動導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)明的路標生成技術(shù)可以實現(xiàn)高速路應(yīng)用下的定位與導(dǎo)航。屬通信技術(shù)領(lǐng)域、電子技術(shù)領(lǐng)域、導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域、交通技術(shù)領(lǐng)域。由無線電合成路標技術(shù)、多車道路標應(yīng)用技術(shù)、應(yīng)用通用通信平臺實現(xiàn)防撞及可調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)組成。同時解決了車輛行駛中的車道切換問題，定義了適當?shù)慕涌跇藴室詫崿F(xiàn)與可電操控的駕駛系統(tǒng)連接，設(shè)計了安全保證措施，提供了車輛管理調(diào)度的方案。當導(dǎo)航系統(tǒng)與車輛駕駛系統(tǒng)連接時可以實現(xiàn)無人駕駛，具有系統(tǒng)維護簡單，安全，精度高，有很好的擴展性等特點。該技術(shù)也可以應(yīng)用于運河，內(nèi)河等環(huán)境。
文檔編號G08G1/09GK101071527SQ20061008222
公開日2007年11月14日 申請日期2006年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月9日
發(fā)明者演云柱 申請人:演云柱