CN115294763B - 一种应用于智慧道路照明的车路协同***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于智慧道路照明的车路协同***及其控制方法，涉及照明设备技术领域。本发明包括激光雷达、毫米波雷达、摄像头、光照传感器、边缘计算单元和灯光控制器；激光雷达、毫米波雷达、摄像头均经以太网传输由网关接入边缘计算单元，激光雷达、毫米波雷达、摄像头、光照传感器、边缘计算单元和灯光控制器均设置在道路入口处。本发明通过一系列的改进，使得协同设备能有效营造区间路段内良好的驾驶视觉环境，同时有利于道路照明***的优化，降低运营成本，且通过边缘计算单元经多源信息融合技术对道路区间的车流进行目标检测，以判断道路前是否有车辆驶入以及目标车辆的位置、距离、车速信息。

Description

一种应用于智慧道路照明的车路协同***及其控制方法
技术领域
本发明属于照明设备技术领域，特别是涉及一种应用于智慧道路照明的车路协同***及其控制方法。
背景技术
随着智慧照明技术的成熟，公路照明开始逐步应用区间分段照明技术。司机在驾车从当前路段进入下一道路区间的时候，往往会存在亮度差。如果区间路段内灯具亮度调节不当，导致各区间过渡路段亮度相差过大，驾驶员在由明到暗的行驶过程中容易产生类似隧道照明的“黑洞效应”；
而在驾驶员驶出该区间过渡路段的时候，在道路出口，同样假如因为该区间内的灯具亮度调节不当导致区间外亮度差过大，在这个由暗到明的过程中会产生“白洞效应”问题；
这两种情况对于驾驶员而言，轻则会影响驾驶体验、降低舒适感，重则会产生交通事故。尤其是在车流量大的隧道路段，后果更加严重。据有关资料显示，车辆追尾是隧道洞口发生交通事故中最常见的事故，而造成汽车追尾事件的最大原因之一就是隧道洞口处内外亮度差过大导致的；
同时考虑到隧道作为一个相对比较封闭，空间比较小的环境，汽车在道路里面行驶会产生很多尾气，而这些尾气不容易扩散出去，会对隧道灯具的照明、汽车前灯照明形成影响，这也是影响驾驶员视线的一个因素，可能会造成交通事故，为此，本发明设计了一种一种应用于智慧道路照明的车路协同***及其控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于智慧道路照明的车路协同***及其控制方法，以解决上述背景技术提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种应用于智慧道路照明的车路协同***，本***包括激光雷达、毫米波雷达、摄像头、光照传感器、边缘计算单元和灯光控制器；
所述激光雷达、毫米波雷达、摄像头均经以太网传输由网关接入边缘计算单元，所述激光雷达、毫米波雷达、摄像头、光照传感器、边缘计算单元和灯光控制器均设置在道路入口处。
进一步地，所述光照传感器布置于道路入口及道路区间内，所述光照传感器内置无线网卡模块，所述边缘计算单元经多源信息融合技术对道路洞口前方及道路内的车流进行目标检测。
一种应用于智慧道路照明的车路协同***控制方法，用于如上任意一项，步骤如下：
S1：在一个检测周期内，如果检测到距离道路入口m米处有车辆目标出现，则判断为该周期内即将有车驶入，则根据前后两帧目标出现的时间和位置计算当前车速v，其中v＝S/T，T为两帧的间隔时间，S为两帧之间目标的位置距离差；假设目标车辆以恒定车速v，计算其即将驶入道路的时间；
S2：在上述计算结果基础上，计算目标车辆进入道路后分别到达道路接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段和分离段的时间；
S3：根据S2中计算的时间，对道路相应各段照明强度进行主动控制；
S4：在一个检测周期内，如果到距离道路区间入口m米处未能检测到车辆目标出现，则认为在该检测周期内道路内并无车辆驶入，则该周期内道路各段照明处于关闭状态，直至进入下一个检测周期。
进一步地，将道路照明控制对象设计成如下二阶LTI***：
y(t)＝cTx(t)+d(t)
其中，为二阶的状态变量，包含了实际被控对象的电流、电压以及道路接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段和分离段对应所需的光照度，A、b、cT为状态空间方程的***矩阵，uf(t)和y(t)为***的输入电压和输出照度，dd(t)和d(t)为未知的外扰；
区间内车辆灯光、检修灯光、报警灯光、汽车尾气等外扰信号产生自以下未知的外部***，数学模型设计如下：
dd(t)＝Bdω(t)
其中，ω(t)为外部***的状态变量，cm∈R3,Bd∈R2x3,cd∈R3为适合的未知向量和矩阵，Ad为外部***的***矩阵，Ad是特征值都在虚轴的未知矩阵并有如下特征多项式DIM(λ)：
DIM(λ)＝det(λI-Ad)＝λ3+α2λ2+α1λ+α0。
进一步地，设计扩张控制***的公式如下：
GIM(s)为预内部模型补偿器：
其中，NIM(s)为任意的二阶稳定多项式，u(t)为闭环控制***经过反馈增益后的***输入；
误差***的公式如下：
e(t)＝[1,0,···,0]ez(t)
其中，ez(t)为误差***的状态变量，ez(t)∈Rγ，ηe(t)∈Rn+m-γ，其中Ae、be、Ce、Aηe、Cηe为适当的矩阵。
进一步地，为保证误差***的ASPR性，设计平行前馈补偿器H(s)：
xf(t)为补偿器H(s)的状态变量，Af、bf、为状态空间方程的***矩阵，yf(t)为补偿器的输出；
得到误差扩张***的公式如下：
这里xea(t)为误差扩张***的状态变量，Aea、bea、为状态空间方程的***矩阵，ea(t)为误差扩张***的输出，其中，
其中内模补偿器的公式如下：
u(t)＝θTzc(t)+uf(t)
这里zc(t)为内模补偿器的状态变量，Ac、bc、θT为状态空间方程的***矩阵，在此处u(t)为内模补偿器状态方程的输出，其中，
θT＝[α1-β1,α2-β2,α3-β3]。
进一步地，设计输入的公式如下：
u(t)＝-k(t)ea(t)
设计自适应律的公式如下：
其中，k(t)为闭环控制***的自适应反馈增益系数，u(t)为闭环控制***经过反馈增益后的***输入，uf(t)为在模型层面为内部模型补偿后控制器的实际输入值，为内部模型的自适应系数，γ、σ、σθ1、σθ2为自适应律的正常数，Γ＝ΓT>0为自适应律中的正定矩。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过一系列的改进，使得协同设备能有效营造道路良好的驾驶视觉环境，同时有利于道路照明***的优化，降低运营成本。
2、本发明通过边缘计算单元经多源信息融合技术对道路洞口前方及道路内的车流进行目标检测，以判断道路前是否有车辆驶入以及目标车辆的位置、距离、车速信息，并基于上述信息计算目标车辆到达道路入口的时间、进入道路口后目标车辆的距离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的误差***示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1所示，本发明为一种应用于智慧道路照明的车路协同***。
本***包括激光雷达、毫米波雷达、摄像头、光照传感器、边缘计算单元和灯光控制器；
其中，激光雷达、毫米波雷达、摄像头均经以太网传输由网关接入边缘计算单元，激光雷达、毫米波雷达、摄像头、光照传感器、边缘计算单元和灯光控制器均设置在道路入口处；
进一步的，光照传感器布置于道路入口及道路内，光照传感器内置无线网卡模块，同属一个网段采用无线WIFI接入边缘计算单元，边缘计算单元经多源信息融合技术对道路洞口前方及道路内的车流进行目标检测，以判断道路前是否有车辆驶入以及目标车辆的位置、距离、车速信息，并基于上述信息计算目标车辆到达道路入口的时间、进入道路口后目标车辆的距离；
实施例二：
请参考图2，在上述实施例1的基础上，公开其使用方法：
1.计算依据为
第一步：在一个检测周期内，如果检测到距离道路区间m米处有车辆目标出现，则判断为该周期内即将有车驶入，则根据前后两帧目标出现的时间和位置计算当前车速v，其中v＝S/T，T为两帧的间隔时间，S为两帧之间目标的位置距离差；假设目标车辆以恒定车速v，计算其即将驶入道路的时间；
第二步：在上述计算结果基础上，计算目标车辆进入道路后分别到达道路接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段和分离段的时间；
第三步：根据第二步中计算的时间，对道路相应各段照明强度进行主动控制；
第四部：在一个检测周期内，如果到距离区间m米处未能检测到车辆目标出现，则认为在该检测周期内道路内并无车辆驶入，则该周期内道路各段照明处于关闭状态，直至进入下一个检测周期；
2.光照控制方法
道路内的实际亮度值由于受到车辆照明、汽车尾气排放烟雾的干扰，以及光照传感器本身网络传输阻塞、信号丢失、传感器噪声等因素，导致实际亮度与灯光控制器发出的目标亮度值并不一致。为提高复杂环境下道路照明控制***稳定性，本发明将道路接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段和分离段的光照强度需求值和实际亮度值作为闭环反馈***的输入，设计了基于内模原理的抗干扰自适应控制***。具体控制方法为：
(1)将道路照明控制对象设计成如下二阶LTI***：
y(t)＝cTx(t)+d(t)
其中，为二阶的状态变量，包含了实际被控对象的电流、电压以及道路接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段和分离段对应所需的光照度，A、b、cT为状态空间方程的***矩阵，uf(t)和y(t)为***的输入电压和输出照度，dd(t)和d(t)为未知的外扰，如各种电磁噪声干扰，常见的有各种阶跃以及正弦外扰。
(2)车辆灯光、检修灯光、报警灯光、道路烟雾等外扰信号产生自以下未知的外部***，数学模型设计的公式如下：
dd(t)＝Bdω(t)
其中，ω(t)为外部***的状态变量，这里的外部***并不需要确切已知，只是用来设计平行前馈补偿器H(s)保证***模型收敛性。这里的cm∈R3,Bd∈R2x3,cd∈R3为适合的未知向量和矩阵，Ad为外部***的***矩阵，Ad是特征值都在虚轴的未知矩阵并有如下特征多项式DIM(λ)：
DIM(λ)＝det(λI-Ad)＝λ3+α2λ2+α1λ+α0
(3)设计扩张控制***如图1，公式如下：
GIM(s)为预内部模型补偿器：
其中，NIM(s)为任意的二阶稳定多项式，使得扩张***具备构成自适应输出反馈型控制器的条件并使***具有强鲁棒性，u(t)为闭环控制***经过反馈增益后的***输入。
(4)误差***可表示的公式如下：
e(t)＝[1,0,···,0]ez(t)
ez(t)为误差***的状态变量，ez(t)∈Rγ，ηe(t)∈Rn+m-γ，其中Ae、be、Ce、Aηe、Cηe为适当的矩阵。
(5)为保证误差***的ASPR性，设计平行前馈补偿器H(s)，公式如下：
xf(t)为补偿器H(s)的状态变量，Af、bf、为状态空间方程的***矩阵，yf(t)为补偿器的输出。
(6)得到误差扩张***的公式如下：
这里xea(t)为误差扩张***的状态变量，Aea、bea、为状态空间方程的***矩阵，ea(t)为误差扩张***的输出。其中，
其中内模补偿器的公式如下：
u(t)＝θTzc(t)+uf(t)
这里zc(t)为内模补偿器的状态变量，Ac、bc、θT为状态空间方程的***矩阵，在此处u(t)为内模补偿器状态方程的输出，其中，
θT＝[α1-β1,α2-β2,α3-β3]
(7)设计输入的公式如下：
u(t)＝-k(t)ea(t)
(8)设计自适应律的公式如下：
以上***中k(t)为闭环控制***的自适应反馈增益系数，u(t)为闭环控制***经过反馈增益后的***输入，uf(t)为在模型层面为内部模型补偿后控制器的实际输入值，也就是物理层面的***输入电压，为内部模型的自适应系数，γ、σ、σθ1、σθ2为自适应律的正常数，Γ＝ΓT>0为自适应律中的正定矩阵。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该本发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种应用于智慧道路照明的车路协同***的控制方法，其特征在于，所述***包括激光雷达、毫米波雷达、摄像头、光照传感器、边缘计算单元和灯光控制器；
所述激光雷达、毫米波雷达、摄像头均经以太网传输由网关接入边缘计算单元，所述激光雷达、毫米波雷达、摄像头、光照传感器、边缘计算单元和灯光控制器均设置在道路入口处；
所述光照传感器布置于道路入口及道路内，所述光照传感器内置无线网卡模块，所述边缘计算单元经多源信息融合技术对道路洞口前方及道路内的车流进行目标检测；
S1：在一个检测周期内，如果检测到距离道路区间m米处有车辆目标出现，则判断为该周期内即将有车驶入，则根据前后两帧目标出现的时间和位置计算当前车速v，其中v＝S/T，T为两帧的间隔时间，S为两帧之间目标的位置距离差；假设目标车辆以恒定车速v，计算其即将驶入道路的时间；
S2：在上述计算结果基础上，计算目标车辆进入道路后分别到达道路接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段和分离段的时间；
S3：根据S2中计算的时间，对道路相应各段照明强度进行主动控制；
S4：在一个检测周期内，如果到距离区间m米处未能检测到车辆目标出现，则认为在该检测周期内道路内并无车辆驶入，则该周期内道路各段照明处于关闭状态，直至进入下一个检测周期；
将道路照明控制对象设计成如下二阶LTI***：
y(t)＝cTx(t)+d(t)
其中，为二阶的状态变量，包含了实际被控对象的电流、电压以及道路接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段和分离段对应所需的光照度，A、b、cT为状态空间方程的***矩阵，uf(t)和y(t)为***的输入电压和输出照度，dd(t)和d(t)为未知的外扰；
道路内车辆灯光、检修灯光、报警灯光、车辆尾气的外扰信号产生自以下未知的外部***，数学模型设计如下：
dd(t)＝Bdω(t)
其中，ω(t)为外部***的状态变量，cm∈R3,Bd∈R2x3,cd∈R3为适合的未知向量和矩阵，Ad为外部***的***矩阵，Ad是特征值都在虚轴的未知矩阵并有如下特征多项式DIM(λ)：
DIM(λ)＝det(λI-Ad)＝λ3+α2λ2+α1λ+α0。
2.根据权利要求1所述的一种应用于智慧道路照明的车路协同***的控制方法，其特征在于，设计扩张控制***的公式如下：
GIM(s)为预内部模型补偿器：
其中，NIM(s)为任意的二阶稳定多项式，u(t)为闭环控制***经过反馈增益后的***输入；
误差***的公式如下：
e(t)＝[1，0，…，0]ez(t)
其中，ez(t)为误差***的状态变量，ez(t)∈Rγ，ηe(t)∈Rn+m-γ，其中Ae、be、Ce、Aηe、Cηe为适当的矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种应用于智慧道路照明的车路协同***的控制方法，其特征在于，为保证误差***的ASPR性，设计平行前馈补偿器H(s)：
xf(t)为补偿器H(s)的状态变量，Af、bf、为状态空间方程的***矩阵，yf(t)为补偿器的输出；
得到误差扩张***的公式如下：
这里xea(t)为误差扩张***的状态变量，Aea、bea、为状态空间方程的***矩阵，ea(t)为误差扩张***的输出，其中，
其中内模补偿器的公式如下：
u(t)＝θTzc(t)+uf(t)
这里zc(t)为内模补偿器的状态变量，Ac、bc、θT为状态空间方程的***矩阵，在此处u(t)为内模补偿器状态方程的输出，其中，
θT＝[α1-β1，α2-β2，α3-β3]。
4.根据权利要求3所述的一种应用于智慧道路照明的车路协同***的控制方法，其特征在于，设计输入的公式如下：
u(t)＝-k(t)ea(t)
设计自适应律的公式如下：
其中，k(t)为闭环控制***的自适应反馈增益系数，u(t)为闭环控制***经过反馈增益后的***输入，uf(t)为在模型层面为内部模型补偿后控制器的实际输入值，为内部模型的自适应系数，γ、σ、σθ1、σθ2为自适应律的正常数，Γ＝ΓT＞0为自适应律中的正定矩。
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