CN104484998A - 车辆检测装置及防跟车方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆检测装置及防跟车方法，涉及ETC技术领域，本发明的车辆检测装置无需购买额外的车辆检测器，在现有路侧单元RSU的硬件结构的基础上增加车辆检测模块即可实现车辆检测，并且该车辆检测模块只需要根据检测信号和反射信号之间的频率差来判定所述目标区域是否存在车辆，稳定性好，精确度高。

Description

车辆检测装置及防跟车方法

技术领域

本发明涉及ETC技术领域，特别涉及一种车辆检测装置及防跟车方法。

背景技术

ETC是指电子不停车收费(Electronic Toll Collection)。车辆在通过收费站时，安装在收费站的天线(也称路侧单元RSU)通过专用短程通讯(DSRC)技术，与安装在车上的车载单元(也称电子标签OBU)通信，实现车辆信息读取、费率计算及扣除等操作。车主只需要一次性安装好相关的车载设备，后续通过收费站时就不再需要停车进行人工缴费，高速费将从绑定的账户中自动扣除。

现有的ETC应用中，跟车问题普遍存在的。所谓跟车，是指前车无OBU，后车有OBU，RSU与后车的OBU交易，扣除了后车的费用，抬杆放行了前车。为防止跟车现象，关键需要检测出无OBU车辆的存在。目前一般需要借助车辆检测器才能检测出车辆的存在。但是目前的车辆检测器的稳定性较差，容易出现误报，并可能影响交易逻辑。同时，因为车辆检测器与RSU一般分属不同的厂商，容易因为配合不好无法有效解决跟车问题。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种车辆检测装置，所述车辆检测装置包括：相互连接的路侧单元和车辆检测模块，所述路侧单元包括：发射模块、接收模块和控制模块，所述发射模块和接收模块分别与所述控制模块连接；

所述发射模块，用于向目标区域发射检测信号；

所述接收模块，用于接收反射信号；

所述控制模块，用于控制所述发射模块的朝向，以使得所述发射模块朝向所述目标区域；

所述车辆检测模块，用于根据所述检测信号和反射信号之间的频率差来判定所述目标区域是否存在车辆。

其中，所述车辆检测模块根据以下判定方式来判定所述目标区域是否存在车辆：

若所述频率差为零，则判定所述目标区域不存在车辆；若所述频率差不为零，则判定所述目标区域存在车辆。

其中，所述车辆检测模块在判定所述目标区域存在车辆后，根据下式计算该车辆的速度v，

$v=\frac{c\·\mathrm{\Δf}}{2\·f_1\·\cos \mathrm{\θ}}$

其中，c为微波的传播速度，f₁为检测信号的频率，Δf为所述频率差，θ为发射模块与车辆行驶方向的夹角。

其中，所述车辆检测模块包括：依次连接的射频放大器、混频器、滤波器、比较器、计数器和车辆判断器；

所述射频放大器，用于接收所述接收模块发送的反射信号，对所述反射信号进行射频放大；

所述混频器，用于对本振信号和放大后的反射信号进行混频处理；

所述滤波器，用于对混频处理后的信号进行低通滤波；

所述比较器，用于将低通滤波获得的模拟信号转换为数字信号；

所述计数器，用于对所述数字信号进行计数，以获得所述数字信号的频率，根据所述本振信号的频率、所述检测信号的频率及所述数字信号的频率确定所述检测信号和反射信号之间的频率差；

所述车辆判断器，用于根据所述检测信号和反射信号之间的频率差来判定所述目标区域是否存在车辆。

本发明还公开了一种基于所述的车辆检测装置的防跟车方法，所述方法包括：

S1：发射模块向预设区域发送检测信号；

S2：接收模块接收反射信号，车辆检测模块根据所述检测信号和反射信号之间的频率差判定该区域是否存在车辆，若存在车辆，则执行步骤S3；

S3：所述车辆检测模块根据所述检测信号和反射信号之间的频率差计算所述车辆的车速，控制模块根据所述车速确定所述车辆在检测时间段内的位移，并根据该区域和位移确定所述车辆当前所在的区域；

S4：所述控制模块控制所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送广播信号，并判断所述接收模块是否接收到车载单元的回复；若未收到车载单元的回复，则执行步骤S5；

S5：所述控制模块判断所述车辆当前所在的区域是否为跟车报警区域，若为跟车报警区域，则由所述控制模块输出报警信号，并结束流程，否则执行步骤S6；

S6：所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送检测信号，所述接收模块接收反射信号，并返回步骤S3。

其中，步骤S4中，若接收到车载单元的回复，则由所述控制模块与车载单元之间进行ETC交易，若交易成功，则由所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送检测信号，并返回步骤S2。

其中，步骤S4中，若交易不成功，则由所述控制模块输出报警信号，并结束流程。

其中，步骤S2中，若不存在车辆，则执行以下步骤：

S2’：所述控制模块判断该区域是否为预设的信号保持区域，若是预设的信号保持区域，则由所述发射模块向该区域发送检测信号，并返回步骤S2，若不是预设的信号保持区域，则由所述发射模块向该区域的相邻区域发送检测信号，并返回步骤S2，所述相邻区域从所述预设区域向所述信号保持区域的方向选取。

其中，步骤S1中，所述发射模块向所述预设区域发送m次检测信号，所述m为不小于1的整数。

其中，步骤S4中，所述控制模块控制所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送n次广播信号，所述n为不小于1的整数。

本发明无需购买额外的车辆检测器，在现有路侧单元RSU的硬件结构的基础上增加车辆检测模块即可实现车辆检测，并且该车辆检测模块只需要根据检测信号和反射信号之间的频率差来判定所述目标区域是否存在车辆，稳定性好，精确度高。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的车辆检测装置的结构框图；

图2是车辆检测装置和车辆之间的多普勒频移的原理图；

图3是图1所示的车辆检测装置的车辆检测原理图；

图4是图1所示的车辆检测装置中车辆检测模块的结构框图；

图5是本发明一种实施方式的防跟车方法的具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明一种实施方式的车辆检测装置的结构框图；参照图1，所述车辆检测装置包括：相互连接的路侧单元和车辆检测模块，所述路侧单元包括：发射模块、接收模块和控制模块，所述发射模块和接收模块分别与所述控制模块连接；

所述发射模块，用于向目标区域发射检测信号；

所述接收模块，用于接收反射信号；

所述控制模块，用于控制所述发射模块的朝向，以使得所述发射模块朝向所述目标区域；

所述车辆检测模块，用于根据所述检测信号和反射信号之间的频率差来判定所述目标区域是否存在车辆。

需要说明的是，本实施方式中，无需购买额外的车辆检测器，在现有路侧单元RSU的硬件结构的基础上增加车辆检测模块即可实现车辆检测，并且该车辆检测模块只需要根据检测信号和反射信号之间的频率差来判定所述目标区域是否存在车辆，稳定性好，精确度高。

为便于判断所述目标区域是否存在车辆，优选地，所述车辆检测模块根据以下判定方式来判定所述目标区域是否存在车辆：

若所述频率差为零，则判定所述目标区域不存在车辆；若所述频率差不为零，则判定所述目标区域存在车辆。

为便于计算所述目标区域存在车辆，优选地，所述车辆检测模块在判定所述目标区域存在车辆后，根据下式计算该车辆的速度v，

$v=\frac{c\·\mathrm{\Δf}}{2\·f_1\·\cos \mathrm{\θ}}$

其中，c为微波的传播速度，f₁为检测信号的频率，Δf为所述频率差，θ为发射模块与车辆行驶方向的夹角。

上述公式的推导过程如下：

ETC应用中，车辆在驶入车道时，相对于RSU而言有位置变化，把RSU当成波源，车辆当成移动台，则两者之间存在多普勒效应，即接收信号频率与发射信号频率存在多普勒频移。

RSU和车辆之间的多普勒频移如图2所示，当信号源与接收体之间有相对运动时，接收体接收的信号频率与信号源频率存在多普勒频移。当接收体与信号源相互靠近时，接收频率大于发射频率；当接收体与信号源相互远离时，接收频率小于发射频率。

如图3所示，在ETC应用中，RSU作为信号源，发出频率为f₁的微波信号(即检测信号)，车辆作为接收体，接收到的信号频率为f₂，则多普勒频移为：

Δf₁＝f₂-f₁

微波遇到车辆后反射，此时车辆作为发射源，发出信号的频率为f₃，RSU作为接收体，接收到的信号(即反射信号)频率为f₄，则多普勒频移为：

Δf₂＝f₄-f₃

假设车辆以速度v(相对于地面的速度)驶入车道，RSU发出的微波信号频率为f₁，与车辆行驶方向的夹角为θ，微波传播速度为c，根据经过多普勒频移后，接收体车辆端的信号频率f₂为：

$f_2=f_1\·(1+\frac{v\·\cos \mathrm{\θ}}{c})$

可推导出 ${\mathrm{\Δf}}_1=f_2-f_1=f_1\·\frac{v\·\cos \mathrm{\θ}}{c}$

对于反射信号，满足：

${\mathrm{\Δf}}_2=f_4-f_3=f_3\·\frac{v\·\cos \mathrm{\θ}}{c}$

由于车辆的反射信号与接收信号的频率基本相同，故可以认为f₂＝f₃，则对于RSU，发射信号频率f₁与接收信号频率f₄之间满足：

$\mathrm{\Δf}=f_4-f_1=(f_4-f_3)+(f_2-f_1)=(f_3+f_1)\·\frac{v\·\cos \mathrm{\θ}}{c}$

上述公式中，c为已知值，即3*10⁸m/s，使用DRSC下行信号载波作为发送信号，有f₁为5.83GHz(或5.84GHz)，假设v＝30km/s，θ＝45°，则：

${\mathrm{\&Delta;f}}_1=f_2-f_1=f_1\&CenterDot;\frac{v\&CenterDot;\cos \mathrm{\&theta;}}{c}<<f_1$

可认为：

f₃＝f₂≈f₁

即：

$\mathrm{\&Delta;f}=2\&CenterDot;f_1\&CenterDot;\frac{v\&CenterDot;\cos \mathrm{\&theta;}}{c}$

综上可见：

1)通过判断Δf是否为零，可以判断车道上是否存在行驶的车辆：当Δf＝0时，不存在频移，车道上不存在行驶的车辆；当Δf≠0时，v≠0，此时车道上存在行驶的车辆。

2)通过判断Δf是正数还是负数可以判断车辆行驶的方向，Δf＞0时，表示车辆驶入车道(驶向RSU)；Δf＜0时，表示车辆驶离车道(驶离RSU)。

3)通过Δf的值可以计算车辆行驶的速度：

$v=\frac{c\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;f}}{2\&CenterDot;f_1\&CenterDot;\cos \mathrm{\&theta;}}$

可见当RSU具备以下功能时可以实现对车道车辆的检测：

1)可发送频率为f₁的微波：可以使用DSRC通信中的5.83GHz(或5.84GHz)载波；

2)可接收频率为f₄(约为f₁)的反射信号：由于目前的RSU下行信号都采用右旋极化方式，反射信号是左旋极化方式；

3)可计算求得发射和接收的电磁波的频率差(Δf)；

为实现车辆检测，本实施方式提供了一种实现车辆检测的电路结构，当然，本电路结构仅用于判断目标区域是否存在车辆，若需要计算车速，则可由该电路结构中的车辆判断器根据上述公式来计算，优选地，参照图4，所述车辆检测模块包括：依次连接的射频放大器、混频器、滤波器、比较器、计数器和车辆判断器；

所述射频放大器，用于接收所述接收模块发送的反射信号，对所述反射信号进行射频放大；

所述混频器，用于对本振信号和放大后的反射信号进行混频处理；

所述滤波器，用于对混频处理后的信号进行低通滤波；

所述比较器，用于将低通滤波获得的模拟信号转换为数字信号；

所述计数器，用于对所述数字信号进行计数，以获得所述数字信号的频率，根据所述本振信号的频率、所述检测信号的频率及所述数字信号的频率确定所述检测信号和反射信号之间的频率差；

所述车辆判断器，用于根据所述检测信号和反射信号之间的频率差来判定所述目标区域是否存在车辆。

需要说明的是，由于射频信号的为了使比较器的转换结果更加准确，可在滤波器和比较器之间增加一个中频放大器，

本电路结构的车辆检测原理为：

1)RSU发射发出检测信号，频率为f₁，该检测信号可以简单表示为：

其中ω₁＝2·π/f₁。

2)RSU接收到的反射信号频率为f₄，可以简单表示为：

其中ω₄＝2·π/f₄。

3)本振信号可选用发射信号，也可选用频率可控的本振信号源。假设所用的本振信号频率为f₅，该载波信号可以简单表示为：

其中ω₅＝2·π/f₅。

把接收到的反射信号与本振信号相乘(混频)，得到混频就是指将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，即相乘：

将上式变形可得：

由此可见，经过混频后，产生了两种频率的信号，频率分别为f₅+f₄和f₅-f₄。对混频后的信号进行低通滤波后，即可获得(f₅-f₄)，从而可得到Δf＝|f₁-f₄|＝|(f₁-f₅)+(f₅-f₄)|，其中，f₁和f₅已知。特别地，当选用发射信号作为本振信号源时，f₅＝f₁。

通过上述所述车辆检测装置检测车辆的存在以及车速，再结合相控阵天线(即发射模块)可实现基于RSU的防跟车。

所谓相控阵天线是指，通过控制模块控制阵列天线中发射模块的相位，来改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。该技术已经比较成熟，在此不再赘述。

本发明还公开了一种基于所述的车辆检测装置的防跟车方法，参照图5，所述方法包括：

S1：发射模块向预设区域发送检测信号；

S2：接收模块接收反射信号，车辆检测模块根据所述检测信号和反射信号之间的频率差判定该区域是否存在车辆，若存在车辆，则执行步骤S3；

S3：所述车辆检测模块根据所述检测信号和反射信号之间的频率差计算所述车辆的车速，控制模块根据所述车速确定所述车辆在检测时间段内的位移，并根据该区域和位移确定所述车辆当前所在的区域(当然，此处所针对的车辆正常行驶的情况，若此时车辆后退行驶，则继续向该区域发送检测信号，而不再根据该区域和位移确定当前区域)；

S4：所述控制模块控制所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送广播信号(BST)，并判断所述接收模块是否接收到车载单元的回复，若未收到车载单元的回复，则执行步骤S5；

S5：所述控制模块判断所述车辆当前所在的区域是否为跟车报警区域，若为跟车报警区域，则由所述控制模块输出报警信号，并结束流程，否则执行步骤S6；

S6：所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送检测信号，所述接收模块接收反射信号，并返回步骤S3。

为保证在防跟车的基础上，也能同时实现正常的ETC交易，优选地，步骤S4中，若接收到车载单元的回复，则由所述控制模块与车载单元之间进行ETC交易，若交易成功，则所述发射模块向当前区域发送检测信号，并返回步骤S2。

为便于解决交易不成功的情况，优选地，步骤S4中，若交易不成功，则由所述控制模块输出报警信号，并结束流程，直至人工干预完成。

在未检测到车辆的情况下，需要从所述预设区域逐步向所述预设的信号保持区域发送检测信号，直到到达所述预设的信号保持区域，并保持向该区域发送检测信号，优选地，步骤S2中，若不存在车辆，则执行以下步骤：

S2’：所述控制模块判断该区域是否为预设的信号保持区域，若是预设的信号保持区域，则由所述发射模块向该区域发送检测信号，并返回步骤S2，若不是预设的信号保持区域，则由所述发射模块向该区域的相邻区域发送检测信号，并返回步骤S2，所述相邻区域从所述预设区域向所述信号保持区域的方向选取。

通常情况下，由发射模块向所述预设区域发送1次检测信号即可；但为了避免出现特殊情况导致仅发送1次检测信号时未接收到，而产生误判，优选地，步骤S1中，所述发射模块向所述预设区域发送m次检测信号，所述m为不小于2的整数。

同样，广播信号在通常情况下发送1次即可；但为了避免出现特殊情况导致，优选地，步骤S4中，所述控制模块控制所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送n次广播信号，所述n为不小于2的整数。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种车辆检测装置，其特征在于，所述车辆检测装置包括：相互连接的路侧单元和车辆检测模块，所述路侧单元包括：发射模块、接收模块和控制模块，所述发射模块和接收模块分别与所述控制模块连接；

所述发射模块，用于向目标区域发射检测信号；

所述接收模块，用于接收反射信号；

所述控制模块，用于控制所述发射模块的朝向，以使得所述发射模块朝向所述目标区域；

所述车辆检测模块，用于根据所述检测信号和反射信号之间的频率差来判定所述目标区域是否存在车辆。

2.如权利要求1所述的车辆检测装置，其特征在于，所述车辆检测模块根据以下判定方式来判定所述目标区域是否存在车辆：

若所述频率差为零，则判定所述目标区域不存在车辆；若所述频率差不为零，则判定所述目标区域存在车辆。

3.如权利要求2所述的车辆检测装置，其特征在于，所述车辆检测模块在判定所述目标区域存在车辆后，根据下式计算该车辆的速度v，

$v=\frac{c\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;f}}{2\&CenterDot;f_1\&CenterDot;\cos \mathrm{\&theta;}}$

其中，c为微波的传播速度，f₁为检测信号的频率，Δf为所述频率差，θ为发射模块与车辆行驶方向的夹角。

4.如权利要求1～3中任一项所述的车辆检测装置，其特征在于，所述车辆检测模块包括：依次连接的射频放大器、混频器、滤波器、比较器、计数器和车辆判断器；

所述射频放大器，用于接收所述接收模块发送的反射信号，对所述反射信号进行射频放大；

所述混频器，用于对本振信号和放大后的反射信号进行混频处理；

所述滤波器，用于对混频处理后的信号进行低通滤波；

所述比较器，用于将低通滤波获得的模拟信号转换为数字信号；

所述计数器，用于对所述数字信号进行计数，以获得所述数字信号的频率，根据所述本振信号的频率、所述检测信号的频率及所述数字信号的频率确定所述检测信号和反射信号之间的频率差；

所述车辆判断器，用于根据所述检测信号和反射信号之间的频率差来判定所述目标区域是否存在车辆。

5.一种基于权利要求1～4中任一项所述的车辆检测装置的防跟车方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：发射模块向预设区域发送检测信号；

S2：接收模块接收反射信号，车辆检测模块根据所述检测信号和反射信号之间的频率差判定该区域是否存在车辆，若存在车辆，则执行步骤S3；

S3：所述车辆检测模块根据所述检测信号和反射信号之间的频率差计算所述车辆的车速，控制模块根据所述车速确定所述车辆在检测时间段内的位移，并根据该区域和位移确定所述车辆当前所在的区域；

S4：所述控制模块控制所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送广播信号，并判断所述接收模块是否接收到车载单元的回复；若未收到车载单元的回复，则执行步骤S5；

S5：所述控制模块判断所述车辆当前所在的区域是否为跟车报警区域，若为跟车报警区域，则由所述控制模块输出报警信号，并结束流程，否则执行步骤S6；

S6：所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送检测信号，所述接收模块接收反射信号，并返回步骤S3。

6.如权利要求5所述的防跟车方法，其特征在于，步骤S4中，若接收到车载单元的回复，则由所述控制模块与车载单元之间进行ETC交易，若交易成功，则由所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送检测信号，并返回步骤S2。

7.如权利要求6所述的防跟车方法，其特征在于，步骤S4中，若交易不成功，则由所述控制模块输出报警信号，并结束流程。

8.如权利要求5所述的防跟车方法，其特征在于，步骤S2中，若不存在车辆，则执行以下步骤：

S2’：所述控制模块判断该区域是否为预设的信号保持区域，若是预设的信号保持区域，则由所述发射模块向该区域发送检测信号，并返回步骤S2，若不是预设的信号保持区域，则由所述发射模块向该区域的相邻区域发送检测信号，并返回步骤S2，所述相邻区域从所述预设区域向所述信号保持区域的方向选取。

9.如权利要求5～8中任一项所述的防跟车方法，其特征在于，步骤S1中，所述发射模块向所述预设区域发送m次检测信号，所述m为不小于1的整数。

10.如权利要求5～8中任一项所述的防跟车方法，其特征在于，步骤S4中，所述控制模块控制所述发射模块向所述车辆当前所在的区域发送n次广播信号，所述n为不小于1的整数。