專利名稱：一種汽車自動駕駛系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車及公路，屬于汽車自動駕駛領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，世界各國投入大量的人力物力對汽車自動駕駛系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。
日本在1995年研制了一輛有自動駕駛功能的試驗車，其做法為在路面中央埋設(shè)一條導(dǎo)航磁鐵線，汽車根據(jù)磁鐵線行駛，車身設(shè)置障礙物檢測雷達(dá)，再配備電子控制油門、電子剎車裝置等等，從而進(jìn)行自動駕駛。
美國的自動化車路系統(tǒng)力圖利用互聯(lián)網(wǎng)將道路信息輸入給汽車，再配合衛(wèi)星定位系統(tǒng)輔助汽車按照既定的路線行駛，希望最終達(dá)到自動駕駛的目的。
在我國，汽車自動駕駛方面的研究也一直沒有停止。1999年，楊更新公開了發(fā)明專利——“汽車自動駕駛系統(tǒng)”，想法為在汽車上安裝攝像系統(tǒng)收集路況信息，通過車載計算機(jī)根據(jù)路況自動做出確定行駛方向、加減速、剎車、超車等駕駛決策。2004年，一汽集團(tuán)公司和國防科技大學(xué)合作研制的紅旗牌自動駕駛轎車進(jìn)入了試車階段，其主要原理是仿人駕駛。由環(huán)境識別系統(tǒng)識別出道路狀況，測量前方車輛的距離和相對速度；然后，車載主控計算機(jī)和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)道路信息、車前車輛情況以及自身的行駛狀態(tài)，決定是沿道路前進(jìn)還是換道準(zhǔn)備超車；接著，自動駕駛控制軟件按照需要跟蹤的路徑和汽車行駛動力學(xué)，向方向盤控制器、油門控制器和剎車控制器發(fā)出動作指令，進(jìn)行自動駕駛操作。
然而，直至目前，尚未見到有自動駕駛汽車投入批量生產(chǎn)和使用。究其原因，有以下幾點a)價格昂貴。例如，安裝有環(huán)境識別系統(tǒng)、雷達(dá)測距系統(tǒng)的汽車，汽車增加的硬件造價較為剛性，較難壓縮；同時這種自動駕駛系統(tǒng)往往還需配置龐大復(fù)雜的軟件予以支持，因而汽車造價大幅度增加，造成現(xiàn)階段無法推廣；b)可靠性差。由于自動駕駛涉及人身安全，不容許有絲毫差錯。而現(xiàn)有的自動駕駛系統(tǒng)由于路況的復(fù)雜性，無法保證路況識別、磁鐵導(dǎo)航的可靠性，并且受風(fēng)雨、能見度等環(huán)境變化的影響較大，因此達(dá)不到投入實際使用所需的可靠性要求。
c)糾錯能力差。對于磁鐵導(dǎo)航的自動駕駛系統(tǒng)，磁鐵的性能和維修有明顯的局限性；對于根據(jù)路況識別進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)，對于復(fù)雜路況或偶發(fā)路況，無法自動識別差錯，有較大的隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的汽車自動駕駛系統(tǒng)價格昂貴、可靠性差和糾錯能力差的缺點，提供一種新的汽車自動駕駛系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車自動駕駛能投入實際推廣使用的目的。
技術(shù)方案1、系統(tǒng)組成(圖1)汽車自動駕駛系統(tǒng)由方向控制部分、位置坐標(biāo)獲取和確認(rèn)部分、位置坐標(biāo)實時交換部分、數(shù)據(jù)處理控制部分、自動駕駛執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分、輔助部分組成。
1.1方向控制部分。
方向控制部分由有軌車道和安裝于汽車上的方向舵組成。
在公路上選擇一個車道(例如靠近中間隔離帶的一個車道)作為自動駕駛車道(圖2)，在車道中間埋設(shè)一條凹形導(dǎo)軌(圖3)，當(dāng)汽車上安裝的方向舵卡軸卡入凹形導(dǎo)軌內(nèi)后，引導(dǎo)汽車準(zhǔn)確無誤地沿自動駕駛車道行駛。凹形導(dǎo)軌設(shè)有排沙管，并在公路的低處和一定距離處設(shè)置沙井，定期清理，以免沙土堆積使導(dǎo)軌導(dǎo)向作用失效。
汽車上的方向舵(圖4、圖5)由卡軸11、定軸12、轉(zhuǎn)向臂13、掛輪14、卡軸提升電機(jī)15、彈簧16、支承轉(zhuǎn)向臂后端的弧形滑道18(圖6)組成。其中，轉(zhuǎn)向臂前端17與汽車前輪的轉(zhuǎn)向橫桿相連，定軸12及弧形滑道18固定于汽車底盤上用于支承方向舵，卡軸提升電機(jī)15固定于轉(zhuǎn)向臂上，其上鋼絲與卡軸相連，通過提升電機(jī)15收放鋼絲及彈簧16的作用，可以將卡軸提起或放下。
卡軸(圖7、圖8)由卡桿19、套筒20、橡膠緩沖頭21、鋼絲22組成。橡膠緩沖頭21旋緊于卡軸端部，用于緩沖放下卡軸時的地面沖擊力。套筒20通過軸承23套在卡桿19上，可繞卡桿19旋轉(zhuǎn)，減小卡軸與車道導(dǎo)軌的摩擦力。
汽車自動行駛時，卡軸11放入自動駕駛車道的凹形導(dǎo)軌內(nèi)，引導(dǎo)汽車行駛。通過轉(zhuǎn)向臂13的轉(zhuǎn)動，拉動汽車前輪的轉(zhuǎn)向橫桿左右運(yùn)動，從而拉動前輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。當(dāng)汽車直線行駛時，車道(即導(dǎo)軌)與汽車縱軸線平行，轉(zhuǎn)向臂13與汽車縱軸線也平行，轉(zhuǎn)向臂13不發(fā)生轉(zhuǎn)動，前輪也不發(fā)生轉(zhuǎn)向，汽車保持直線行駛；當(dāng)車道(即導(dǎo)軌)發(fā)生轉(zhuǎn)彎，例如向左轉(zhuǎn)彎時，由于卡軸11位于凹形導(dǎo)軌內(nèi)，導(dǎo)軌迫使卡軸11向左移動，帶動轉(zhuǎn)向臂13繞定軸12轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向臂前端向右移動，轉(zhuǎn)向臂前端17與汽車轉(zhuǎn)向橫桿相連(汽車轉(zhuǎn)向橫桿通過球節(jié)點連接于汽車前輪后部)，從而拉動汽車轉(zhuǎn)向橫桿，前輪向左轉(zhuǎn)向；當(dāng)轉(zhuǎn)向后恢復(fù)直線行駛時，在導(dǎo)軌的指引下，通過卡軸11的作用使轉(zhuǎn)向臂13自動回正方向，恢復(fù)直線行駛。
1.2位置坐標(biāo)獲取和確認(rèn)部分。
包括鑲貼于車道上作為位置坐標(biāo)確認(rèn)點的反光鏡帶(圖9、圖10)、安裝于汽車上的電子里程計、條碼認(rèn)讀設(shè)備及反光計數(shù)設(shè)備。
反光鏡帶的位置與條碼認(rèn)讀設(shè)備及反光計數(shù)設(shè)備的位置相對應(yīng)；汽車通過時，條碼認(rèn)讀設(shè)備能讀取該處的位置坐標(biāo)值，同時反光計數(shù)設(shè)備輸出一次計數(shù)脈沖。
①位置坐標(biāo)的獲取通過電子里程計獲得汽車通過每一個位置坐標(biāo)確認(rèn)點后所運(yùn)行的路程數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸送至車載計算機(jī)修正后，加上位置坐標(biāo)確認(rèn)點的坐標(biāo)即可獲得汽車運(yùn)行的實時位置坐標(biāo)值(一維坐標(biāo))。
②位置坐標(biāo)的確認(rèn)在每個自動駕駛車道入口處和自動駕駛車道的每固定距離處(例每800米處)，自動駕駛車道上均橫向鑲貼一段反光鏡帶作為位置坐標(biāo)確認(rèn)點，每段反光鏡帶由一段水平鏡面和一段傾斜反光鏡面構(gòu)成，其中水平鏡面上印有該處位置坐標(biāo)值的條碼，傾斜鏡面能反射反光計數(shù)設(shè)備的射光。反光計數(shù)設(shè)備由射燈及光電計數(shù)器組成，射燈及光電計數(shù)器的受光管均垂直于反光鏡帶的傾斜鏡面。汽車通過位置坐標(biāo)確認(rèn)點時，反光計數(shù)設(shè)備接收到反射光后將計數(shù)脈沖信號輸送到車載計算機(jī)，車載計算機(jī)根據(jù)計數(shù)脈沖數(shù)可計算出該確認(rèn)點準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)值，而條碼認(rèn)讀設(shè)備通過直接讀取該處的位置坐標(biāo)值與反光計數(shù)設(shè)備獲取的位置坐標(biāo)值相互印證。汽車的實時位置坐標(biāo)值以最新經(jīng)過的位置坐標(biāo)確認(rèn)點為起始計算點，可消除累積誤差。
為了使汽車的位置坐標(biāo)值滿足自動駕駛的精度要求，采用三重保證措施①、汽車進(jìn)入自動駕駛車道的起始位置坐標(biāo)，由車道入口處的位置坐標(biāo)確認(rèn)點獲得，此位置坐標(biāo)確認(rèn)點的坐標(biāo)由自動駕駛車道的位置坐標(biāo)推算得到。汽車在入口處減速認(rèn)讀起始位置坐標(biāo)。若出現(xiàn)無法讀取數(shù)據(jù)的情況，車載計算機(jī)自動提醒駕駛?cè)藛T按入口提示人工輸入。②、行駛過程中汽車速度較快，優(yōu)先采用反光計數(shù)的方式計算運(yùn)行距離，輔助采用條碼認(rèn)讀印證。由于車道上位置坐標(biāo)確認(rèn)點的間距均為固定距離S1(例如800米)，當(dāng)汽車上的反光計數(shù)設(shè)備接收到一次強(qiáng)烈的反射光時，即意味汽車運(yùn)行了一個S1的距離，將其與汽車電子里程計在兩位置坐標(biāo)確認(rèn)點間讀得的運(yùn)行距離S2相比較，即可得到汽車電子里程計的修正系數(shù)(修正系數(shù)＝S1/S2)。汽車在兩個位置坐標(biāo)確認(rèn)點間行駛時，其運(yùn)行距離乘以修正系數(shù)后，可以消除由于不同汽車的電子里程計精度不同而產(chǎn)生的誤差。③、為了防止反光計數(shù)設(shè)備和條碼認(rèn)讀設(shè)備漏操作或電子里程計突然出現(xiàn)故障，在計算機(jī)程序中設(shè)置異常數(shù)據(jù)警告程序。當(dāng)反光計數(shù)設(shè)備和條碼認(rèn)讀設(shè)備漏操作或電子里程計突然出現(xiàn)故障時，會造成電子里程計得到的運(yùn)行距離和反光計數(shù)設(shè)備得到的運(yùn)行距離有很大的差異，修正系數(shù)發(fā)生異常波動(如波動大于指定值時)，計算機(jī)自動放棄該修正系數(shù)，繼續(xù)沿用前次修正系數(shù)，并提醒駕駛?cè)藛T人工介入。
1.3位置坐標(biāo)實時交換部分。
由安裝于車頭的定向接收天線、接收機(jī)和車尾的定向發(fā)射天線、發(fā)信機(jī)組成。
汽車與汽車之間的位置坐標(biāo)通過無線傳輸數(shù)據(jù)的方式實時傳輸，采用擴(kuò)頻通信的方法，車載計算機(jī)將經(jīng)過確認(rèn)和修正的本車位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入給發(fā)信機(jī)，發(fā)信機(jī)將數(shù)據(jù)信息用PN地址碼正交擴(kuò)頻和進(jìn)行正交調(diào)制后，通過車尾的定向發(fā)射天線向后定向發(fā)射信號；同時車頭的定向接收天線接收來自前方車輛的數(shù)據(jù)信號，經(jīng)接收機(jī)解調(diào)、解擴(kuò)后恢復(fù)前車的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，輸入車載計算機(jī)進(jìn)行處理。
在傳輸數(shù)據(jù)的過程中，所有同一方向行駛的汽車均采用相同的工作頻段和相同的發(fā)射功率，接收機(jī)的工作頻段與發(fā)信機(jī)相同。工作頻段采用現(xiàn)行CDMA無線通訊網(wǎng)中移動臺發(fā)射機(jī)的工作頻段；發(fā)信機(jī)采用小發(fā)射功率，只保證短距離的接收質(zhì)量(如只保證600米范圍內(nèi)的接收質(zhì)量)，以減少對目前使用的各種通信系統(tǒng)的干擾。
車尾發(fā)信機(jī)的信號傳輸信道包括導(dǎo)頻信道、同步信道和數(shù)據(jù)信道；導(dǎo)頻信道用于區(qū)分不同的信號源和作信號強(qiáng)度比較用，不同汽車的導(dǎo)頻信道均采用相同的引導(dǎo)PN序列，但時間偏置不同，此不同的時間偏置分別對應(yīng)于不同的PN地址碼，使得隨后車輛的接收機(jī)根據(jù)導(dǎo)頻信道的不同時間偏置能判斷出不同的信號源，并因此獲得此信號源的PN地址碼。汽車導(dǎo)頻信道的引導(dǎo)PN序列及相應(yīng)的PN地址碼和同步信道中的系統(tǒng)時間由入口處得到的一塊身份識別卡中獲?。黄囻偝鲎詣玉{駛車道后在出口處歸還身份識別卡，做到“車卡分離”。
車頭接收機(jī)包括信號選擇接收機(jī)和信號跟蹤接收機(jī)兩部分信號選擇接收機(jī)對前車的導(dǎo)頻信號進(jìn)行電平檢測，將信號強(qiáng)度超過門限值的均進(jìn)行相干解調(diào)、解擴(kuò)，判斷出前車位置坐標(biāo)最小且大于本車位置坐標(biāo)的信號源(此信號源由前方距離最近的那輛汽車發(fā)射)，將此信號源的PN地址碼輸入到信號跟蹤接收機(jī)，由信號跟蹤接收機(jī)跟蹤此信號源，將接收到的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入車載計算機(jī)進(jìn)行處理。
1.4數(shù)據(jù)處理控制部分。
由車載計算機(jī)及其控制程序組成，其主要任務(wù)為①計算電子里程計的修正系數(shù)η；計算本車的實時位置坐標(biāo)值Y；η＝兩反光鏡帶間的距離/期間電子里程計讀得的運(yùn)行距離Y＝前一反光鏡帶處的位置坐標(biāo)+汽車通過該反光鏡帶后電子里程計讀得的運(yùn)行距離×修正系數(shù)η②根據(jù)前車和本車的實時位置坐標(biāo)值按一極小的時間間隔(如0.02秒)實時計算本車與前車的距離D、本車的速度v及應(yīng)與前車保持的安全距離S，根據(jù)車距D和車速v的情況輸出控制指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行汽車自動控制；車距D＝前車位置坐標(biāo)值-本車同一時刻的位置坐標(biāo)值車速v＝時間間隔內(nèi)本車位置坐標(biāo)值之差/時間間隔安全距離S＝路況系數(shù)μ×車速v+0.2(單位m)3、接到警告信號發(fā)出警告，要求駕駛?cè)藛T介入；接到緊急信號，發(fā)出緊急剎車指令。數(shù)據(jù)處理控制部分的控制程序的流程圖(如圖11)。
其中，路況系數(shù)μ和汽車的最高車速由汽車進(jìn)入自動駕駛車道時、通過人工輸入一個路況參數(shù)來確定。例如，路況可分為“路況良好”、“雨霧”，“結(jié)冰”三種狀態(tài)，則路況系數(shù)μ和最高車速在程序中可分別對應(yīng)設(shè)置為(1，100km/h)、(2，70km/h)和(5，50km/h)。
1.5自動駕駛執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。
由自動剎車裝置、油門控制裝置、警告信號裝置組成。
自動剎車裝置和油門控制裝置均由步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行動作，根據(jù)車載計算機(jī)的控制指令，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正向或反向動作一個或幾個步距，以達(dá)到實施剎車或松開剎車、加大油門或減小油門或維持油門不動的目的。
若發(fā)現(xiàn)警告信號，警告信號裝置則發(fā)出警告，提示人工介入。
1.6輔助部分。
輔助部分包括自動/人工駕駛切換裝置、自動駕駛車道正常出入口、自動駕駛車道分隔欄、故障檢測裝置。
1、自動/人工駕駛切換裝置設(shè)置一個開關(guān)，當(dāng)從自動駕駛轉(zhuǎn)為人工駕駛時，將開關(guān)撥向人工駕駛，此時，方向舵的卡軸提起脫離車道的凹形導(dǎo)軌，并切斷自動駕駛執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源，油門和剎車轉(zhuǎn)為人工操作，而位置坐標(biāo)確認(rèn)設(shè)備、發(fā)信機(jī)和接收機(jī)及車載計算機(jī)的電源仍然連通發(fā)揮作用。只有當(dāng)汽車駛出自動駕駛車道，駕駛?cè)藛T再次確認(rèn)后，才切斷位置坐標(biāo)確認(rèn)設(shè)備、發(fā)信機(jī)和接收機(jī)及車載計算機(jī)的電源，汽車完全轉(zhuǎn)為人工駕駛；當(dāng)汽車從人工駕駛轉(zhuǎn)為自動駕駛時，首先進(jìn)入自動駕駛車道入口處的連接車道，在連接車道將方向舵放入凹形導(dǎo)軌內(nèi)，駕駛?cè)藛T將開關(guān)撥向自動駕駛，此時接通位置坐標(biāo)確認(rèn)設(shè)備、發(fā)信機(jī)和接收機(jī)、車載計算機(jī)、自動駕駛執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源，汽車完全轉(zhuǎn)為自動駕駛。
2、自動駕駛車道的分隔欄和出入口A、出入口。自動駕駛車道采用有組織的出入口，并每隔固定距離設(shè)置緊急出口，供在自動駕駛車道內(nèi)行駛的汽車突然發(fā)生故障時緊急駛出自動駕駛車道。正常出入口分開設(shè)置，并相距足夠的安全距離。出入口均設(shè)有連接車道(圖12、圖13)以保證安全。入口連接車道設(shè)置有起始位置坐標(biāo)確認(rèn)點6和凹形導(dǎo)軌2，入口連接車道的凹形導(dǎo)軌還設(shè)有導(dǎo)軌寬度較寬段30及導(dǎo)軌寬度的過渡段29，方便汽車在入口連接車道將方向舵的卡軸放入凹形導(dǎo)軌內(nèi)。出口連接車道不設(shè)置凹形導(dǎo)軌。
B、分隔欄。自動駕駛車道分隔欄除緊急出口外均采用普通鋼筋混凝土分隔欄36，緊急出口處采用塑料分隔欄(圖14)，當(dāng)普通車道的事故車輛或異物沖斷分隔欄的固定卡頭34進(jìn)入自動駕駛車道時，安裝于緊急出口處的發(fā)信機(jī)立即發(fā)出位置坐標(biāo)信號，警示隨后車輛剎車；而自動駕駛車道的汽車遇緊急情況駛出自動駕駛車道沖斷分隔欄的固定卡頭34時，不發(fā)出信號。
緊急出口處的塑料分隔欄由欄體和固定卡頭34(圖15)組成，固定卡頭有兩塊側(cè)擋板和一塊底板，兩塊側(cè)擋板均預(yù)留缺口，在受沖擊時固定卡頭的側(cè)擋板在缺口處首先被沖斷；其中，靠近自動駕駛車道一側(cè)的側(cè)擋板38內(nèi)含檢測導(dǎo)線41，檢測導(dǎo)線41通過接線柱40與發(fā)信機(jī)37連接，當(dāng)普通車道的事故車輛或異物沖過分隔欄時，靠近自動駕駛車道一側(cè)的側(cè)擋板38被沖斷，檢測導(dǎo)線41斷開，緊急出口處的發(fā)信機(jī)37立即按汽車上的發(fā)信機(jī)相同的方式向后發(fā)出位置坐標(biāo)信號，隨后的汽車接收到信號后，將此信號判斷為一輛停于緊急出口處的汽車發(fā)出的信號，則根據(jù)其與緊急出口處的距離進(jìn)行判斷操作；而當(dāng)自動駕駛車道的汽車遇緊急情況(如機(jī)械故障等)需越過分隔欄駛出自動駕駛車道時，靠近普通車道一側(cè)的側(cè)擋板39被沖斷，但由于側(cè)擋板39處無檢測導(dǎo)線，因此不會誤發(fā)出緊急信號，只需及時通知公路維護(hù)人員重新安裝分隔欄和更換固定卡頭即可。
3、故障檢測裝置。故障檢測裝置包括方向舵的正常使用檢測裝置、發(fā)射設(shè)備的正常使用檢測裝置、異常數(shù)據(jù)報警裝置。
A、方向舵的正常使用檢測裝置在方向舵上容易損壞和斷裂的位置設(shè)置檢測回路，當(dāng)方向舵正常時，布置于方向舵上的檢測回路正常；當(dāng)方向舵損壞時，檢測回路斷開不通，說明方向舵出現(xiàn)故障，即發(fā)出緊急信號并緊急剎車，直至停車或駕駛?cè)藛T切換為人工駕駛。
B、發(fā)射設(shè)備的正常使用檢測裝置在車尾安裝一條接收天線，將本車發(fā)射的信號回饋至車載計算機(jī)，如檢測到發(fā)射設(shè)備無信號發(fā)出，則發(fā)出報警信號，提示人工介入。
C、異常數(shù)據(jù)報警裝置當(dāng)發(fā)射設(shè)備無信號發(fā)出，或電子里程計修正系數(shù)波動超出規(guī)定值，或單位時間內(nèi)本車與前車車距變化幅度超出規(guī)定值時，發(fā)出警告信號。
技術(shù)效果本發(fā)明可達(dá)到以下效果1、減少自動駕駛系統(tǒng)的費用。由于本發(fā)明對于汽車，只需增加較為簡單的硬件設(shè)備和配套簡單的軟件，不需增加費用昂貴的雷達(dá)等硬件和配套功能復(fù)雜的軟件，因此對于汽車增加的費用不高；對于公路，增加的凹形導(dǎo)軌和分隔欄是費用較低的常用材料，因此增加的費用也不高。
2、提高自動駕駛系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明中汽車的行駛方向由凹形導(dǎo)軌引導(dǎo)，屬機(jī)械強(qiáng)制引導(dǎo)，并有機(jī)械損壞報警裝置，因此可靠性很高；而車距的判斷建立在可靠的車輛位置坐標(biāo)上，同時數(shù)據(jù)的傳遞采用擴(kuò)頻無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑墉h(huán)境、氣候影響較小，抗干擾能力強(qiáng)。在受到干擾時，設(shè)置了異常數(shù)據(jù)報警的措施，因此也有很好的可靠性。
3、糾錯能力強(qiáng)。在汽車自動駕駛所能預(yù)見的每一個可能出錯環(huán)節(jié)，均設(shè)置有數(shù)據(jù)異常報警或故障報警，提示人工介入，故有較好的安全性。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意2為公路車道示意3為凹形導(dǎo)軌示意4為方向舵結(jié)構(gòu)示意5為圖4中的A向視6為方向舵弧形滑道示意7為方向舵卡軸結(jié)構(gòu)示意8為圖7中的B向剖視9為反光鏡帶示意10為圖9中的C向剖視11為車載計算機(jī)控制程序流程12為自動駕駛車道入口連接車道示意13為自動駕駛車道出口連接車道示意14為緊急出口處塑料分隔欄示意15為塑料分隔欄固定卡頭示意圖具體實施方式
如圖1所示，在汽車底盤安裝方向舵和條碼認(rèn)讀設(shè)備、反光計數(shù)設(shè)備、汽車前部安裝定向接收天線和接收機(jī)、汽車后部安裝定向發(fā)射天線和發(fā)信機(jī)，加上電子里程計、車載計算機(jī)及控制程序、自動駕駛執(zhí)行機(jī)構(gòu)和有軌車道，即構(gòu)成本發(fā)明的自動駕駛系統(tǒng)。
如圖2所示，在公路上選擇一個車道(如靠近中間隔離帶1的車道)作為自動駕駛車道，在車道中間埋設(shè)一條凹形導(dǎo)軌2，自動駕駛車道與普通車道間設(shè)置鋼筋混凝土分隔欄3和緊急出口4，并有正常出入口；車道上每隔固定距離還橫向鑲貼一段反光鏡帶6作為位置坐標(biāo)確認(rèn)點，此段反光鏡帶在車道上的橫向位置保持固定，并與汽車上的條碼認(rèn)讀設(shè)備和反光計數(shù)設(shè)備的位置相對應(yīng)，以使汽車在自動行駛時，汽車上的條碼認(rèn)讀設(shè)備和反光計數(shù)設(shè)備能讀取位置坐標(biāo)確認(rèn)點處的坐標(biāo)。
如圖3所示，在公路車道中間用鋼板8做成凹形導(dǎo)軌，鋼板8用錨固鋼筋7與公路混凝土面層10牢固結(jié)合。凹形導(dǎo)軌下設(shè)有排沙管9，并在公路的低處和一定距離處設(shè)置沙井，定期清理，以免沙土堆積使導(dǎo)軌導(dǎo)向作用失效。本發(fā)明并不限定排沙管的材料和形狀。
如圖4-圖8所示，汽車上的方向舵由卡軸11、定軸12、轉(zhuǎn)向臂13、掛輪14、卡軸提升電機(jī)15、彈簧16、支承轉(zhuǎn)向臂后端的弧形滑道18組成。其中，轉(zhuǎn)向臂前端17與汽車前輪的轉(zhuǎn)向橫桿相連，定軸12及弧形滑道18固定于汽車底盤上，用于支承方向舵的轉(zhuǎn)向臂。卡軸提升電機(jī)15固定于轉(zhuǎn)向臂上，通過提升電機(jī)15收放鋼絲及彈簧16的作用，可以將卡軸提起或放下。
卡軸由卡桿19、套筒20、橡膠緩沖頭21、鋼絲22組成。橡膠緩沖頭21旋緊于卡桿端部，用于緩沖放下卡軸時的地面沖擊力。套筒20通過軸承23套在卡桿19上，可繞卡桿19旋轉(zhuǎn)，減小卡軸與車道導(dǎo)軌的摩擦力。
如圖9、10所示，車道上反光鏡帶由一段水平鏡面25和一段傾斜鏡面26構(gòu)成，每隔固定距離用鑲貼材料24鑲貼于車道上，并且在車道上的橫向距離與汽車上的條碼認(rèn)讀設(shè)備和反光計數(shù)設(shè)備的位置相對應(yīng)。其中水平鏡面上印有該處位置坐標(biāo)值條碼28，傾斜鏡面能反射汽車上反光計數(shù)設(shè)備的射光。
如圖12、13所示，自動駕駛車道采用有組織的出入口，出入口分開設(shè)置，并相距足夠的安全距離。出入口均設(shè)有連接車道以保證安全。入口連接車道設(shè)置有起始位置坐標(biāo)確認(rèn)點6和凹形導(dǎo)軌2，入口連接車道的凹形導(dǎo)軌還設(shè)有導(dǎo)軌寬度較寬段30及導(dǎo)軌寬度的過渡段29，方便汽車將方向舵的卡軸放入凹形導(dǎo)軌內(nèi)；出口位置的安排應(yīng)避開公路上凸起的反光鏡帶6，以免影響駛出汽車的行車安全。出口連接車道不設(shè)置凹形導(dǎo)軌。
如圖14所示，緊急出口處的塑料分隔欄由欄體和固定卡頭34組成。欄體包括豎桿33、橫桿35，橫桿35由固定于鋼筋混凝土分隔欄36上的固定卡頭34固定。鋼筋混凝土分隔欄內(nèi)設(shè)有發(fā)信機(jī)37，發(fā)信機(jī)與固定卡頭中的檢測導(dǎo)線相連，當(dāng)檢測導(dǎo)線斷開時，發(fā)信機(jī)立即發(fā)出信號。
如圖15所示，塑料分隔欄的固定卡頭有兩塊側(cè)擋板和底板，兩塊側(cè)擋板均預(yù)留缺口42，在受沖擊時固定卡頭的側(cè)擋板在缺口處首先被沖斷；其中，靠近自動駕駛車道一側(cè)的側(cè)擋板38內(nèi)含檢測導(dǎo)線41，檢測導(dǎo)線41通過接線柱40與發(fā)信機(jī)37連接，當(dāng)普通車道的事故車輛或異物沖過分隔欄時，靠近自動駕駛車道一側(cè)的側(cè)擋板38被沖斷，檢測導(dǎo)線斷開，觸動緊急出口處的發(fā)信機(jī)按汽車上的發(fā)信機(jī)相同的方式向后發(fā)出位置坐標(biāo)信號，隨后的汽車接收到信號后根據(jù)其與緊急出口處的距離進(jìn)行判斷操作；而當(dāng)自動駕駛車道的汽車遇緊急情況(如機(jī)械故障等)需越過分隔欄駛出自動駕駛車道時，靠近普通車道一側(cè)的側(cè)擋板39被沖斷，但由于外側(cè)側(cè)擋板處無檢測導(dǎo)線，因此不會誤發(fā)出緊急信號。
自動駕駛過程汽車自動駕駛時，方向舵的卡軸放入自動駕駛車道的凹形導(dǎo)軌內(nèi)，強(qiáng)制引導(dǎo)汽車按車道導(dǎo)軌的方向行駛。
汽車自動駕駛的過程中，每通過一個位置坐標(biāo)確認(rèn)點，由汽車上的條碼認(rèn)讀設(shè)備和反光計數(shù)設(shè)備獲取此位置坐標(biāo)確認(rèn)點的位置坐標(biāo)，根據(jù)位置坐標(biāo)確認(rèn)點的坐標(biāo)值對汽車電子里程計的讀數(shù)進(jìn)行修正，即可得到汽車行駛時準(zhǔn)確的實時位置坐標(biāo)值。車尾的發(fā)信機(jī)連續(xù)將本車的實時位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)向后發(fā)射數(shù)據(jù)信號；同時，車頭的接收機(jī)接收前方車輛的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過解調(diào)、解擴(kuò)后獲得前車的位置坐標(biāo)。車載計算機(jī)根據(jù)本車和前車的實時位置坐標(biāo)計算出車距、車速，根據(jù)車距、車速做出駕駛決策供執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。以上步驟不斷循環(huán)進(jìn)行，汽車就可沿著車道導(dǎo)軌的方向，與前車保持足夠的安全距離自動向前行駛。
自動駕駛車道與普通車道用鋼筋混凝土分隔欄分隔，但提供緊急出口供自動駕駛汽車突然發(fā)生故障時緊急駛出自動駕駛車道；同時防止普通車道的事故車輛沖過緊急出口進(jìn)入自動駕駛車道。當(dāng)有普通車道的事故車輛沖過緊急出口進(jìn)入自動駕駛車道時，安裝于緊急出口處的發(fā)信機(jī)發(fā)出位置坐標(biāo)信號，隨后的汽車接收到此固定不變的位置坐標(biāo)信號后，判斷為一輛停于緊急出口處的汽車，則根據(jù)其與緊急出口處的距離，采取緩慢減速或緊急剎車的不同駕駛決策。
權(quán)利要求
1.一種汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為汽車自動駕駛系統(tǒng)由方向控制部分、位置坐標(biāo)獲取和確認(rèn)部分、位置坐標(biāo)實時交換部分、數(shù)據(jù)處理控制部分、自動駕駛執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分、輔助部分組成1)方向控制部分包括有軌車道和安裝于汽車上的方向舵；2)位置坐標(biāo)獲取和確認(rèn)部分包括自動駕駛車道入口處及每固定距離處鑲貼于車道上的一段反光鏡帶、安裝于汽車上的電子里程計、條碼認(rèn)讀設(shè)備及反光計數(shù)設(shè)備；反光鏡帶的位置與條碼認(rèn)讀設(shè)備、反光計數(shù)設(shè)備的位置相對應(yīng)；汽車通過時，條碼認(rèn)讀設(shè)備能讀取該處的位置坐標(biāo)值，同時反光計數(shù)設(shè)備輸出一次計數(shù)脈沖；3)位置坐標(biāo)實時交換部分包括安裝于車頭的定向接收天線、接收機(jī)和車尾的定向發(fā)射天線、發(fā)信機(jī)，通過無線傳輸數(shù)據(jù)的方式實時傳輸汽車與汽車之間的位置坐標(biāo)；4)數(shù)據(jù)處理控制部分包括車載計算機(jī)及其控制程序，其作用為①計算電子里程計的修正系數(shù)η；計算本車的實時位置坐標(biāo)值Y；η＝兩反光鏡帶間的距離/期間電子里程計讀得的運(yùn)行距離Y＝前一反光鏡帶處的位置坐標(biāo)+汽車通過該反光鏡帶后電子里程計讀得的運(yùn)行距離×修正系數(shù)η②計算本車與前車的距離D、本車的速度v及應(yīng)與前車保持的安全距離S，根據(jù)車距D和車速v的情況輸出控制指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行汽車自動駕駛控制；車距D＝前車位置坐標(biāo)值一本車同一時刻的位置坐標(biāo)值車速v＝時間間隔內(nèi)本車位置坐標(biāo)值之差/時間間隔安全距離S＝路況系數(shù)μ×車速v+0.2③接到警告信號發(fā)出警告，要求駕駛?cè)藛T介入；接到緊急信號，發(fā)出緊急剎車指令；5)自動執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分包括自動剎車裝置、油門控制裝置、警告信號裝置；6)輔助部分包括自動/人工駕駛切換裝置、自動駕駛車道正常出入口、自動駕駛車道分隔欄、故障檢測裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為所述的有軌車道包括車道及在車道中間沿行車方向埋設(shè)的一條凹形導(dǎo)軌和排沙管，排沙管于公路低處和一定距離處設(shè)置可定期清理的沙井。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為所述的方向舵包括卡軸(11)、定軸(12)、轉(zhuǎn)向臂(13)、掛輪(14)、卡軸提升電機(jī)(15)、彈簧(16)和支承轉(zhuǎn)向臂后端的弧形滑道(18)，其中轉(zhuǎn)向臂前端(17)與汽車前輪的轉(zhuǎn)向橫桿相連，定軸(12)及弧形滑道(18)固定于汽車底盤上用于支承方向舵，卡軸提升電機(jī)(15)固定于轉(zhuǎn)向臂上，其上鋼絲與卡軸相連，通過提升電機(jī)(15)收放鋼絲及彈簧(16)的作用，可以將卡軸提起或放下。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為所述的卡軸(11)由卡桿(19)、套筒(20)、橡膠緩沖頭(21)、鋼絲(22)組成，橡膠緩沖頭(21)旋緊于卡桿端部，套筒(20)通過軸承(23)套在卡桿(19)上，可繞卡桿(19)旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為所述的反光鏡帶包括一段印有該處位置坐標(biāo)值條碼的水平鏡面和能反射安裝于汽車上反光計數(shù)設(shè)備的射光的傾斜鏡面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為所述的反光計數(shù)設(shè)備包括射燈及光電計數(shù)器；射燈及光電計數(shù)器的受光管均垂直于車道上反光鏡帶的傾斜鏡面，光電計數(shù)器接收到反射光后將計數(shù)脈沖信號輸送到車載計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為位置坐標(biāo)實時交換部分中所述的無線傳輸數(shù)據(jù)方式是指擴(kuò)頻通信的方式，前車的發(fā)信機(jī)將數(shù)據(jù)信息用PN地址碼正交擴(kuò)頻和進(jìn)行正交調(diào)制后向后發(fā)出信號，后車的接收機(jī)接收到前車的數(shù)據(jù)信號后，通過解調(diào)、解擴(kuò)恢復(fù)前車的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入車載計算機(jī)進(jìn)行處理；這個無線傳輸數(shù)據(jù)的過程是不斷循環(huán)進(jìn)行的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為位置坐標(biāo)實時交換部分中所述的發(fā)信機(jī)，其信號傳輸信道包括導(dǎo)頻信道、同步信道和數(shù)據(jù)信道；不同汽車的導(dǎo)頻信道采用相同的引導(dǎo)PN序列，但時間偏置不同；不同的時間偏置分別對應(yīng)于不同的PN地址碼。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為位置坐標(biāo)實時交換部分中所述的接收機(jī)包括信號選擇接收機(jī)和信號跟蹤接收機(jī)兩部分信號選擇接收機(jī)根據(jù)前車的導(dǎo)頻信號強(qiáng)度，超過門限值的均分別進(jìn)行相干解調(diào)、解擴(kuò)，判斷出前車位置坐標(biāo)最小且大于本車位置坐標(biāo)的信號源，將此信號源的PN地址碼輸入到信號跟蹤接收機(jī)，由信號跟蹤接收機(jī)跟蹤此信號源，將接收到的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入車載計算機(jī)進(jìn)行處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為所有同一方向行駛的汽車，其發(fā)信機(jī)均采用相同的工作頻段和相同的發(fā)射功率，接收機(jī)的工作頻段與發(fā)信機(jī)相同；工作頻段采用現(xiàn)行CDMA無線通訊網(wǎng)中移動臺發(fā)射機(jī)的工作頻段；發(fā)射功率采用只保證短距離接收質(zhì)量的小發(fā)射功率。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為在進(jìn)入自動駕駛車道時，需人工輸入一個路況參數(shù)，分別對應(yīng)于不同的路況狀態(tài)，在車載計算機(jī)的控制程序中根據(jù)不同的路況參數(shù)對路況系數(shù)μ和最高車速分別進(jìn)行不同的賦值。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為自動駕駛執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的自動剎車裝置和油門控制裝置均由步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行動作，根據(jù)車載計算機(jī)的控制指令，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正向或反向動作一個或幾個步距，以達(dá)到實施剎車或松開剎車、加大油門或減小油門或維持油門不動的目的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為自動駕駛車道分隔欄除緊急出口外均采用普通鋼筋混凝土分隔欄，緊急出口每隔固定距離設(shè)置，采用塑料分隔欄，當(dāng)普通車道的事故車輛或異物沖斷分隔欄的固定卡頭進(jìn)入自動駕駛車道時，安裝于緊急出口處的發(fā)信機(jī)立即發(fā)出該處位置坐標(biāo)信號；而自動駕駛車道的汽車遇緊急情況駛出自動駕駛車道沖斷分隔欄的固定卡頭時，不發(fā)出信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為塑料分隔欄的固定卡頭有兩塊側(cè)擋板和一塊底板，兩塊側(cè)擋板均預(yù)留缺口，在受沖擊時固定卡頭的側(cè)擋板在缺口處首先被沖斷；其中，靠近自動駕駛車道一側(cè)的側(cè)擋板內(nèi)含檢測導(dǎo)線，檢測導(dǎo)線與發(fā)信機(jī)連接，當(dāng)檢測導(dǎo)線斷開時，發(fā)信機(jī)按自動駕駛汽車上的發(fā)信機(jī)相同的方式向后發(fā)出位置坐標(biāo)信號；靠近普通車道一側(cè)的側(cè)擋板內(nèi)不含檢測導(dǎo)線，側(cè)擋板被沖斷時不發(fā)出信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為故障檢測裝置包括方向舵的正常使用檢測裝置、發(fā)射設(shè)備的正常使用檢測裝置、異常數(shù)據(jù)報警裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為方向舵的正常使用檢測裝置是在方向舵上容易損壞和斷裂的位置設(shè)置檢測回路，檢測回路斷開不通時立即發(fā)出緊急信號并緊急剎車。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為發(fā)射設(shè)備的正常使用檢測裝置是在車尾安裝一條接收天線，將本車發(fā)射的信號回饋至車載計算機(jī)，如檢測到發(fā)射設(shè)備無信號發(fā)出，則發(fā)出報警信號，提示人工介入。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的汽車自動駕駛系統(tǒng)，其特征為異常數(shù)據(jù)報警裝置是當(dāng)發(fā)射設(shè)備無信號發(fā)出，或電子里程計修正系數(shù)波動超出規(guī)定值，或單位時間內(nèi)本車與前車車距變化幅度超出規(guī)定值時，發(fā)出警告信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種汽車自動駕駛系統(tǒng)，它通過安裝于汽車上的方向舵卡軸卡入公路車道上凹形導(dǎo)軌的方式引導(dǎo)汽車的行駛方向；通過條碼認(rèn)讀設(shè)備、反光計數(shù)設(shè)備獲取車道上位置坐標(biāo)確認(rèn)點的坐標(biāo)，由此對汽車電子里程計的坐標(biāo)讀數(shù)進(jìn)行修正；再用無線傳輸數(shù)據(jù)的方式將實時位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給隨后車輛。每輛汽車根據(jù)前車和本車的實時位置坐標(biāo)由車載計算機(jī)計算出車距、車速，并由此做出駕駛決策供執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。它可用于汽車在路況簡單的公路上進(jìn)行自動駕駛，具有成本低、可靠性好的優(yōu)點。
文檔編號G05D1/02GK1746801SQ20051003582
公開日2006年3月15日 申請日期2005年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月18日
發(fā)明者李勝強(qiáng) 申請人:李勝強(qiáng)