CN109147391A - 基于可见光通信智能交通***及告警方法和车距保持方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于可见光通信智能交通***及告警方法和车距保持方法，包括可见光通信单元；所述可见光通信单元分别配置于车辆车头和交通灯，将发送的信息转换成可见光信号发射出去，以及接收可见光信号并从中还原出原始信息，完成可见光通信信号收发；所述可见光通信***包括设置于货车及轿车车头的可见光收发模块，设置于交通灯处的可见光收发模块和设置于交通灯处的中央处理模块。本发明通过货车车队与交通灯之间建立的可见光通信链路，把货车车队的运动信息及时传送至交通信号灯，并由其计算后适时改变不同方向的交通信号，以保证货车车队以匀速通过路口，避免了货车车队减速或紧急制动造成的车辆损耗，有效减小或避免道路交通事故的发生。

Description

基于可见光通信智能交通***及告警方法和车距保持方法

技术领域

本发明涉及智能交通***应用领域，具体涉及基于可见光通信智能交通***及告警方法和车距保持方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展和交通运输行业的快速发展，人们的出行方式也越来越方便。据相关统计，仅在2017年全国汽车的销量已经超过了2400万辆。车辆保有量的快速增加带来了包括交通事故、环境污染、城市拥堵等一系列问题。其中与货车(包括货车车队)有关的交通事故增加的最为明显。由于货车(车队)固有的质量大、制动难、视野差等缺点，在出现突发情况时难以及时减速或制动，易造成追尾、碰擦、相撞等各种交通事故。根据相关数据统计：仅2017年共有50400宗货车引起的交通事故，造成25000人死亡，46800人受伤。为了减少和预防道路交通事故的发生，智能交通***(Intelligent Transport System，ITS)应运而生。其核心是将人、车、道路等紧密结合协调、协调运作，结合现代计算机技术、电子技术、通信技术和优化控制技术等，建立大范围、全方位、持久发挥作用的城市道路综合管理***，提供高效、实时、准确的道路信息，能够有效地降低交通阻塞及事故的发生。在各种ITS的实现方案中，相对于传统的雷达，红外和微波技术等技术，可见光通信(VisibleLight Communication，VLC)具有对人体安全、传输速率高、无电磁干扰、使用寿命长等优点。因此，VLC已经被广泛接受为解决ITS问题中的最佳方案之一。

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)被广泛认为是继白炽灯和荧光灯之后的第三代照明光源，目前在包括室内照明、交通信号灯、以及车辆照明***中已经得到普遍使用，这也为推广基于LED的VLC***奠定了良好的基础。将可见光通信技术引入智能交通***应用场景，可以有效解决车辆与车辆间(Vehicle-to-Vehicle，V2V)以及车辆与固定设施间(Vehicle-to-Infrastructure，V2I)的通信难题，实现车辆运动位置/轨迹确定、道路交通信息预警、车辆变道/碰撞避免等功能。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于可见光通信智能交通***及告警方法和车距保持方法，在车辆与LED交通灯进行双向通信，并用以实现智能交通***中交通灯智能控制以及车辆碰撞避免等功能；本发明提出的方案使货车车队无需减速或制动，以匀速通过路口，同时避免与相交车道的车辆相撞。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

基于可见光通信智能交通***，包括可见光通信单元；

所述可见光通信单元分别配置于车辆车头和交通灯，将发送的信息转换成可见光信号发射出去，以及接收可见光信号并从中还原出原始信息，完成可见光通信信号收发；

所述可见光通信***包括可见光收和/或发模块和中央处理模块。

优选的，可见光收和/或发模块包括可见光通信收和/或发天线组件、信号调制组件和信号解调组件；

所述可见光通信收和/或发天线组件将输入信息调制后获得的信号转变为可见光信号，并通过发送天线发送至空间信道，接收天线检测和接收空间信道中的可见光信号，并将其转换为电信号后进行解调，还原出原始信息；

所述信号调制组件对发送的信息进行处理并将其加到可见光频段的载波上，使其转换为适合于空间信道传输的形式；

所述信号解调组件对收发天线组件接收并完成转换的电信号进行解调，还原出其中携带的原始信息。

优选的，所述中央处理模块包括信号灯判决模块和信号灯控制模块；

所述中央处理模块指交通灯接收到发送的信息后，判别以及控制信号灯状态的变化；

所述信号灯控制模块根据信号灯判决模块的判断结果，控制信号灯的状态和时长。

基于可见光通信智能交通告警方法，车头和交通灯处分别设置可见光收发模块及交通灯处设置中央处理模块；

包括：

(1)、当货车发出信号时，若货车车队行驶方向信号灯为绿灯，正交方向上信号灯为红灯，延长绿灯和红灯时间，保证货车车队顺利通过路口；

(2)、当货车发出信号时，若货车车队行驶方向信号灯为红灯，正交方向信号灯为绿灯或黄灯，当货车车队到达路口前，其行驶方向的信号灯变为绿灯，若绿灯维持时间小于货车车队通过时间，则延长绿灯时间，否则不延长绿灯维持时间；

(3)、当货车发出信号时，若货车车队行驶方向信号灯为黄灯，正交方向为红灯，延长红灯时长，将黄灯跳变为绿灯，并保证货车车队通过路口。

优选的，所述(1)中设货车车队方向绿灯剩余时间Δt₁，货车车队通过路口所需时间为t₂：

当Δt₁≥t₂，货车车队在绿灯剩余时间内通过路口，无需改变信号灯状态；

当Δt₁<t₂，货车车队在绿灯剩余时间无法通过路口，延长信号灯绿灯时为t₂-Δt₁。

优选的，所述(2)中设红灯剩余时长为Δt₂，货车到达路口所需时间为t₁：当Δt₂<t₁，货车车队到达路口之前，信号灯已经由红灯变为绿灯，因此正交方向信号灯已变为红灯，货车车队方向信号灯无需跳变；

此时需要判断货车车队方向信号变为绿灯后是否需要延长时间：

若Δt₂+T_g<t₂(T_g：绿灯时长)，货车车队方向绿灯结束时货车车队仍未完全通过路口，此时需要延长信号灯以保证绿灯通过，此时绿灯延时为ΔT_g＝t₂-(Δt₂+T_g)，绿灯时长应变为T_g＝t₂-Δt₂；

若Δt₂+T_g>t₂，货车车队在绿灯时间内通过路口，无需延长信号灯。

优选的，所述(2)中设红灯剩余时长为Δt₂，货车到达路口所需时间为t₁：

若Δt₂>t₁时，货车车队正交方向的信号灯通过黄灯警示车辆减速，如果正交方向车辆通过路口的时间加上黄灯的时间小于货车车队到达路口的时间，即轿车不影响货车车队通过路口，则令正交方向车辆优先通过路口，否则停车让行。

优选的，所述(3)中货车一侧绿灯时长变为t₂，而正交方向车辆跳变为绿灯的时间为T_g＝T_y+t₂。

基于可见光通信智能交通车距保持方法，可见光通信发射模块安装于货车车尾，可见光通信接收模块安装于车头和车载处安装中央处理模块，前车车尾的可见光通信发送天线组件将该货车速度信息转变为可见光信号，并通过发送天线发送至空间信道；

后车车头的接收天线检测和接收空间信道中的可见光信号，并将其转化为电信号后进行解调，还原出原始信息；

后车车辆的中央处理器根据接收功率的大小E和光的照度I，由公式E＝I/l²计算出后车和前车的车距l，并根据前车的车速v_A和后车的车速v_B算出最小安全车距S，计算方法如下：

其中，t_d为驾驶员收到告警反应的时延，a_max为货车最大制动加速度。

本发明的有益之处在于：本发明通过货车车队与交通灯之间建立的可见光通信链路，把货车车队的运动信息及时传送至交通信号灯，并由其计算后适时改变不同方向的交通信号，以保证货车车队以匀速通过路口，避免了货车车队减速或紧急制动造成的车辆损耗，也有效地减小或避免道路交通事故的发生。

附图说明

图1是本发明的基于可见光通信智能交通***可见光收发模块示意图。

图2是本发明的基于可见光通信智能交通告警方法应用场景示意图。

图3是本发明的基于可见光通信智能交通告警方法流程图。

图4是本发明的基于可见光通信智能交通***中应用场景示意图。

图5是本发明的基于可见光通信智能交通***车距保持后的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

基于可见光通信智能交通***，包括可见光通信单元；

所述可见光通信单元分别配置于车辆车头和LED交通灯，将发送的信息转换成可见光信号发射出去，以及接收可见光信号并从中还原出原始信息，完成可见光通信信号收发；

所述可见光通信***包括设置于货车及轿车车头的可见光收发模块，设置于交通灯处的可见光收发模块和设置于交通灯处的中央处理模块。

所述可见光收发模块包括可见光通信收发天线组件、信号调制组件和信号解调组件；

所述可见光通信收发天线组件将输入信息调制后获得的信号转变为可见光信号，并通过发送天线发送至空间信道，接收天线检测和接收空间信道中的可见光信号，并将其转换为电信号后进行解调，还原出原始信息；

所述信号调制组件对发送的信息进行处理并将其加到可见光频段的载波上，使其转换为适合于空间信道传输的形式；

所述信号解调组件对收发天线组件接收并完成转换的电信号进行解调，还原出其中携带的原始信息。

所述中央处理模块包括信号灯判决模块和信号灯控制模块；

所述中央处理模块指交通灯接收到发送的信息后，判别以及控制信号灯状态的变化；

所述信号灯控制模块根据信号灯判决模块的判断结果，控制信号灯的状态和时长。

工作原理如图1-3所示。

货车车队进入有效通信范围(S₁)后，头车将车队的长度、速度(v)、间距(d)等信息调制为可见光信号发送出去，交通灯侧的接收模块检测和接收到空气信道中的可见光信号，经解调后还原出原始信息。交通灯的中央处理模块经过计算和分析后判断信号灯状态是否需要改变，以及判断其时长是否需要调整(若货车车队进入有效通信范围初试状态时交通灯为红灯，则判断是否按原始红绿灯循环间隔转换为绿灯或提前完成信号转换；若货车车队进入有效通信范围初试状态时交通灯为绿灯，则通过计算并判断是否需要延长时长以保证货车车队完全通过)。与此同时，调整或转换与货车车队车道相垂直方向的车道交通灯信号，以保证货车车队以匀速通过交通路口。

为解决本发明专利所针对的货车车队匀速通过道路交通路口的问题，考虑了货车车队行驶方向信号灯不同状态时的三种情况。

设绿灯时长记为T_g，红灯时长记为T_r，黄灯的时长寄为T_y，

(1)当货车发出可见光通信信号并于交通灯建立通信时，货车车队行驶方向信号灯为绿灯，则小轿车行驶方向信号灯为红灯，此时小轿车到达路口应减速停车，此时延长货车方向绿灯时间，同时延长小轿车方向红灯时间，即可保证货车车队能够顺利通过路口。

设货车车队方向绿灯剩余时间为Δt₁，货车车队通过路口所需时间为t₂：

当Δt₁＜t₂时，货车车队可以在绿灯剩余时间内完全通过路口，因此不需要改变信号灯状态；

当Δt₁＜t₂时，货车车队无法在绿灯剩余时间内完全通过，此时将信号灯时间延长ΔT_g＝t₂-Δt₁，则货车车队恰好可以在绿灯时间内匀速通过路口，此时绿灯时长应为T_g＝t₂；

(2)当货车发出信号时，货车车队行驶方向信号灯为红灯，此时小轿车行驶方向信号灯为绿灯或黄灯，设红灯剩余时间为Δt₂：

当Δt₂＜t₁时，即货车车队到达路口之前，信号灯已经由红灯变为绿灯，因此正交方向信号灯已变为红灯，轿车按照交通规则理应在路口前停车或者已经通过路口，此时信号灯无需跳变，但是需要判断货车车队方向信号变为绿灯后是否需要延长时间；

若Δt₂+T_g＜t₂，即货车方向绿灯结束时货车车队仍未完全通过路口，此时需要延长信号灯以保证绿灯通过，此时绿灯延时为ΔT_g＝t₂-(Δt₂+T_g)，

绿灯时长应变为T_g＝t₂-Δt₂；

反之，若Δt₂+T_g＞t₂，则货车车队能在绿灯时间内通过路口，此时无需延长信号灯。

当Δt₂＞t₁时，此时信号灯需要跳变，此时轿车行驶方向的信号灯需要通过黄灯警示车辆减速，假设黄灯时间为T_y＝3。规定，如果轿车通过路口的时间加上黄灯的时间小于货车车队到达路口的时间，即轿车不影响货车车队通过路口，则令轿车优先通过路口，否则轿车需停车让行。

具体流程如下：

假设小轿车到达路口所需的时间为t₃，若t₃+T_y＞t₁，则货车一侧信号灯直接变为绿灯，轿车需要停车让行，此时绿灯时长应变为t₂；

若t₃+T_y＜t₁，则小轿车先通过路口，小轿车一侧绿灯时间跳变为t₃，货车一侧红灯时间变为t₃+T_y，此时绿灯时长应变为T_g＝t₂-(t₃+T_y)，

这样既保证小轿车安全通过路口，同时货车车队在不减速带前提下安全匀速通过路口。

(3)当货车发出可见光通信信号并于交通灯建立通信时，货车车队行驶方向为黄灯时，另一侧小轿车方向信号灯仍为红灯，此时为了安全起见，将另一侧红灯时间延长，并在货车一侧直接将信号灯跳变为绿灯。

此时货车一侧绿灯时长变为t₂，而轿车一侧跳变为绿灯后的时间为T_g＝T_y+t₂，

考虑到可见光的传输和处理时延约为0.3s-0.5s，以上的交通灯信号变化均可以在一秒内完成，故不存在轿车一侧变为绿灯的情况，因此黄灯条件下货车车队也可以安全匀速地通过路口。

本***还用于在货车车队中车辆间建立可靠通信连接，保持必要安全行驶差距，无需担心因车距过近或过远带来的安全隐患。

所述可见光通信发射模块安装于货车车尾，可见光通信接收模块安装于车头和车载处安装中央处理模块，将发送的信息转换成可见光信号发射出去，以及接收可见光信号并从中还原出原始信息。

当货车车队行驶时，前车车尾的可见光通信发送天线(透镜组)组件，将该货车速度的信息转变为可见光信号，并通过发送天线(即发送透镜组件)发送至空间信道；后车车头的接收天线(即接收透镜组件)可以检测和接收空间信道中的可见光信号，并将其转化为电信号后进行解调，还原出原始信息。

同时，后车车辆的中央处理器根据接收功率的大小E和光的照度I，由公式E＝I/l²可以计算出后车和前车的车距l，并根据前车的车速v_A和后车的车速v_B算出最小安全车距S，计算方法如下：

其中，t_d是驾驶员收到告警反应的时延，a_max是货车最大制动加速度。

当前车距于最小安全距离时，发出告警信号令驾驶员减速，当车距大于安全距离时则停止告警。这样便能保证货车车队两车间的车距保持在安全范围，避免了追尾碰撞的可能性。

工作原理如图1、4及5所示。

货车车队进入有效通信范围(S₁)后，头车将车队的长度、速度(v)、间距(d)等信息调制为可见光信号发送出去，交通灯侧的接收模块检测和接收到空气信道中的可见光信号，经解调后还原出原始信息。交通灯的中央处理模块经过计算和分析后判断信号灯状态是否需要改变，以及判断其时长是否需要调整(若货车车队进入有效通信范围初试状态时交通灯为红灯，则判断是否按原始红绿灯循环间隔转换为绿灯或提前完成信号转换；若货车车队进入有效通信范围初试状态时交通灯为绿灯，则通过计算并判断是否需要延长时长以保证货车车队完全通过)。与此同时，调整或转换与货车车队车道相垂直方向的车道交通灯信号，以保证货车车队以匀速通过交通路口。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.基于可见光通信智能交通***，其特征在于：包括可见光通信单元；

所述可见光通信单元分别配置于车辆车头和交通灯，将发送的信息转换成可见光信号发射出去，以及接收可见光信号并从中还原出原始信息，完成可见光通信信号收发；

所述可见光通信***包括可见光收和/或发模块和中央处理模块。

2.根据权利要求1所述的基于可见光通信智能交通***，其特征在于：所述可见光收和/或发模块包括可见光通信收和/或发天线组件、信号调制组件和信号解调组件；

所述可见光通信收和/或发天线组件将输入信息调制后获得的信号转变为可见光信号，并通过发送天线发送至空间信道，接收天线检测和接收空间信道中的可见光信号，并将其转换为电信号后进行解调，还原出原始信息；

所述信号调制组件对发送的信息进行处理并将其加到可见光频段的载波上，使其转换为适合于空间信道传输的形式；

所述信号解调组件对收发天线组件接收并完成转换的电信号进行解调，还原出其中携带的原始信息。

3.根据权利要求1所述的基于可见光通信智能交通***，其特征在于：所述中央处理模块包括信号灯判决模块和信号灯控制模块；

所述中央处理模块指交通灯接收到发送的信息后，判别以及控制信号灯状态的变化；

所述信号灯控制模块根据信号灯判决模块的判断结果，控制信号灯的状态和时长。

4.基于可见光通信智能交通告警方法，其特征在于：车头和交通灯处分别设置可见光收发模块及交通灯处设置中央处理模块；

包括：

(1)、当货车发出信号时，若货车车队行驶方向信号灯为绿灯，正交方向上信号灯为红灯，延长绿灯和红灯时间，保证货车车队顺利通过路口；

(2)、当货车发出信号时，若货车车队行驶方向信号灯为红灯，正交方向信号灯为绿灯或黄灯，当货车车队到达路口前，其行驶方向的信号灯变为绿灯，若绿灯维持时间小于货车车队通过时间，则延长绿灯时间，否则不延长绿灯维持时间

(3)、当货车发出信号时，若货车车队行驶方向信号灯为黄灯，正交方向为红灯，延长红灯时长，将黄灯跳变为绿灯，并保证货车车队通过路口。

5.根据权利要求4所述的基于可见光通信智能交通告警方法，其特征在于：所述(1)中设货车车队方向绿灯剩余时间Δt₁，货车车队通过路口所需时间为t₂：

当Δt₁≥t₂，货车车队在绿灯剩余时间内通过路口，无需改变信号灯状态；

当Δt₁<t₂，货车车队在绿灯剩余时间无法通过路口，延长信号灯绿灯时为t₂-Δt₁。

6.根据权利要求4所述的基于可见光通信智能交通告警方法，其特征在于：所述(2)中设红灯剩余时长为Δt₂，货车到达路口所需时间为t₁：

当Δt₂<t₁，货车车队到达路口之前，信号灯已经由红灯变为绿灯，因此正交方向信号灯已变为红灯，货车车队方向信号灯无需跳变；

此时需要判断货车车队方向信号变为绿灯后是否需要延长时间：

若Δt₂+T_g<t₂(T_g：绿灯时长)，货车车队方向绿灯结束时货车车队仍未完全通过路口，此时需要延长信号灯以保证绿灯通过，此时绿灯延时为ΔT_g＝t₂-(Δt₂+T_g)，绿灯时长应变为T_g＝t₂-Δt₂；

若Δt₂+T_g>t₂，货车车队在绿灯时间内通过路口，无需延长信号灯。

7.根据权利要求4所述的基于可见光通信智能交通告警方法，其特征在于：所述(2)中设红灯剩余时长为Δt₂，货车到达路口所需时间为t₁：

若Δt₂>t₁时，货车车队正交方向的信号灯通过黄灯警示车辆减速，如果正交方向车辆通过路口的时间加上黄灯的时间小于货车车队到达路口的时间，即轿车不影响货车车队通过路口，则令正交方向车辆优先通过路口，否则停车让行。

8.根据权利要求4所述的基于可见光通信智能交通告警方法，其特征在于：所述(3)中货车一侧绿灯时长变为t₂，而正交方向车辆跳变为绿灯的时间为T_g＝T_y+t₂。

9.基于可见光通信智能交通车距保持方法，其特征在于：可见光通信发射模块安装于货车车尾，可见光通信接收模块安装于车头和车载处安装中央处理模块，前车车尾的可见光通信发送天线组件将该货车速度信息转变为可见光信号，并通过发送天线发送至空间信道；

后车车头的接收天线检测和接收空间信道中的可见光信号，并将其转化为电信号后进行解调，还原出原始信息；

后车车辆的中央处理器根据接收功率的大小E和光的照度I，由公式E＝I/l²计算出后车和前车的车距l，并根据前车的车速v_A和后车的车速v_B算出最小安全车距S，计算方法如下：

其中，t_d为驾驶员收到告警反应的时延，a_max为货车最大制动加速度。