CN101408992A - 数字无线电子车牌系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种数字无线电子车牌系统装置，包括第一无线接收装置，用于接收第一无线发射装置发射的包含有电子车牌检查请求信息的第一无线编码信号，并对所述的编码信号进行解码处理；第二无线发射装置，用于当接收到的第一无线编码信号中的请求信息被确认时，向第二无线接收装置发射包含有自身车牌标识码信息的第二无线编码信号；电子车牌信息单元，用于储存所述车辆的车牌标识码及相关的信息。本发明的数字无线电子车牌系统可用于车辆身份的自动识别、限制区的出入控制、车辆的防盗追踪，以及电子道路及停车场的收费等方面，具有可靠、环保、全天候、易于实现等特点，同时也方便与ITS系统集成，组成一个全电子的车辆通行控制系统。

Description

数字无线电子车牌系统

技术领域

本发明涉及一种电子车牌，特别是一种数字无线电子车牌系统装置。

背景技术

电子车牌技术是电子道路收费的基础之一，电子道路收费(ElectronicToll Collection，简称ETC)是利用无线技术、电子技术、计算机技术、通信网络技术、传感技术、图象识别技术等的设备和软件所组成的系统，以实现车辆无需停车即可自动收取道路通行费用的收费方法。从目前实现的技术手段上来看可分为3种：DSRC(Dedicated Short Range Communication，短程无线通信)，ANPR(Automatic Number Plate Recognition，车牌识别)，以及VPS(Vehicle Positioning System，车辆定位系统)。

DSRC电子收费是近几年国际上比较成熟的收费技术。它是利用路边设备与行驶在收费道路的车辆上的车载装置联系起来，司机不停车、不使用现金而支付通行费用的一种收费技术。它通常应用在城市道路收费、公路收费及大桥、隧道收费系统中。其成功的例子包括有新加坡的ERP、美国的E-ZPAss、澳洲的CityLink、挪威的AutoPass、奥地利的LKW Maut，以及日本的ETC等。

ANPR电子收费是基于图像处理与光学字符识别(OCR)的汽车牌照自动识别技术，主要运用“不同车辆不同牌照”的概念来识别车辆。车牌识别技术在道路收费的应用主要是辅助收费系统的执法功能，在半自动收费和电子收费中都是利用ANRP来实现逃费抓拍系统，而真正采用ANPR作为一种收费技术的是2003年2月伦敦市政府在中心区实施的道路拥挤收费。除伦敦外，采用相似技术的有安大略湖407ETR电子收费系统及英国Darfford桥梁电子收费系统。

而VPS是近几年不停车收费系统最受关注的技术。它利用卫星定位系统(Global Positioning System，简称GPS)及全球移动通信系统(Global Systemfor Mobile Communication，简称GSM)，通过与车载装置的通信，进行不停车收费。目前全球采用VPS电子收费最典型的系统为德国的″Toll Collect″系统。香港在1997年也开始了电子道路收费的可行性研究，VPS电子收费技术是研究的重点之一，并被认为是香港实施电子道路收费的首选技术，该项研究报告还于法国巴黎的IRF世界大会上赢得了2001年度的IRF全球道路贡献奖(研究领域)。此外，哥本哈根、歌德堡也采用了VPS收费技术来进行收费示范。

虽然上述三种电子道路收费系统技术在世界上都得到了应用并取得了巨大的经济效益，但其同时也存在有自身的一些不足，主要如下：

(1)、ANPR技术不成熟、且车牌识别精度不高，同时容易受天气情况影响，无法实现全天候的稳定工作，这是制约技术发展及应用的最大障碍。

(2)、DSRC虽然技术成熟，但需要高额费用来建设及维护路边设备，同时也在一定程度上影响城市的景观，因此通常会用于交通的主干道上，同时其微波辐射问题及电磁干扰问题也是一个值得商榷的问题。

(3)、VPS技术虽有较高的灵活性，但其车载装置投入较高，车载电子地图的更新复杂，在城市道路中GPS定位信号容易受到建筑物的阻挡，以及如果系统设计得不合理，将会涉及到用户的隐私等问题。

本发明认为，理想的电子道路收费系统应该是建立在数字无线电子车牌基础上的全电子化车辆通行控制的一部分，电子化通行控制除了电子道路收费之外，应该还具有停车场通行控制及收费、特定街道通行及滞留收费，以及特定限制区的通行控制等。进一步地，该电子化通行控制还应该具有与ITS(智能交通)系统、交通信号系统、车辆信号系统进行互动的功能。

在本发明人之前的中国发明专利申请“于行驶车辆中实现动态距离检测及信息传递的方法”(申请号200810216836.X)，“全天候电子无线交通信息指示系统及装置”(申请号200810216835.5)及“全天候车辆行驶安全指示及控制系统装置”(申请号200810216834.0)中提出一种车辆与车辆之间，以及车辆与交通信号系统之间实现互动的方法，使车辆可以得到全天候的交通信息显示、驾驶安全提示，以及使车辆具备防红灯、防追尾及防连环相撞等功能。本发明的技术与上述三项专利的技术具有一定的相关性，本发明易于与上述专利整合，从而在最少成本增加的前提下，实现电子收费系统与ITS系统、交通信号系统及车辆信号系统的完美结合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对上述现有产品技术的不足，提供的一种数字无线电子车牌系统、以及一种相关的电子道路及停车场收费系统，一种超声波定位及超声波导航方法及一种超声波电子环保喇叭系统装置。这些系统、装置和方法是可靠的、环保的及易于实现的，并且方便与ITS系统、交通信号系统及安全驾驶系统集成而组成为一个具有完整功能的电子化车辆通行控制/收费系统。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种数字无线电子车牌系统装置，包括第一无线接收装置，用于接收第一无线发射装置发射的包含有电子车牌检查请求信息的第一无线编码信号，并对所述的编码信号进行解码处理；第二无线发射装置，用于当接收到的第一无线编码信号中的请求信息被确认时，向第二无线接收装置发射包含有自身车牌标识码信息的第二无线编码信号；电子车牌信息单元，用于储存所述车辆的车牌标识码及与车辆相关的其它信息。

本发明实施例还提供一种实现无线电子车牌识别及测试的方法，包括以下步骤：于电子车牌阅读器上，向行驶车辆发射第一无线编码信号，该信号中包含要求查阅所述车辆电子车牌的请求信息；于行驶车辆上，接收上述第一无线编码信号，并对其包含的请求信息进行解码及确认；于行驶车辆上，当上述的请求信息被确认后，向电子车牌阅读器发射第二无线编码信号，该信号包含车辆自身的电子车牌标识码信息；于电子车牌阅读器上，接收上述第二无线编码信号，并解读其包含的电子车牌标识码信息，从而实现所述电子车牌的无线识别。

本发明实施例还提供一种数字无线电子道路及停车场收费系统，包括第一无线发射装置，安装于收费监测点，用于发射第一无线编码信号，该信号中包含有要求查阅电子车牌的请求信息；第一无线接收装置，安装于出入车辆中，用于接收所述的第一无线编码信号，并对该第一无线信号进行解码处理；第二无线发射装置，安装于出入车辆中，用于当第一无线编码信号中的请求信息被确认时，发射包含有自身电子车牌信息及其它相关信息的第二无线编码信号；第二无线接收装置，安装于收费监测点处，用于接收所述的第二无线编码信号，并对第二无线信号进行解码处理；监测点处理器，用于第一无线信号发射及第二无线信号接收的控制，以及相关信号的编解码；车载处理器，用于第一无线信号接收及第二无线信号发射的控制，以及相关信号的编解码；电子车牌信息单元，用于出入车辆储存电子车牌标识码及与车辆相关的其它信息；收费计费单元，于收费监测点，或系统后台服务器，或中央收费处根据车辆进出收费监测点的时间地点及其它相关信息计费收费。

本发明实施例还提供一种于电子道路及停车场收费系统中实现车辆识别、测试及计费的方法，包括以下步骤：于收费入口处，对驶入车辆发射第一无线编码信号，该信号中包含有要求查阅电子车牌的请求信息；于驶入车辆中，接收所述的第一无线编码信号，并对该第一无线信号进行解码处理；于驶入车辆中，当第一无线编码信号中的请求信息被确认时，向入口处发射包含有自身车牌标识信息的第二无线编码信号；于收费入口处，接收所述的第二无线编码信号，并对第二无线信号进行解码处理，获取驶入车辆的电子车牌信息；于收费入口处，将驶入车辆的电子车牌及其它相关信息传送给相关的收费监测点，或系统后台服务器，或中央收费处，或将车辆驶入的时间地点信息存入车辆中的非易失性存储器，或IC卡/收费卡之内；于收费出口处，对驶出车辆发射第一无线编码信号，该信号中包含有要求查阅电子车牌的请求信息；于驶出车辆中，接收所述的第一无线编码信号，并对该第一无线信号进行解码处理；于驶出车辆中，当第一无线编码信号中的请求信息被确认时，向出口处发射包含有自身车牌标识信息的第二无线编码信号；于收费出口处，接收所述的第二无线编码信号，并对第二无线信号进行解码处理，获取驶出车辆的电子车牌信息；系统根据车辆车辆于出入口的时间地点信息及其它相关信息进行计费处理。

本发明实施例还提供一种超声波定位及超声波导航系统装置，包括第一超声波发射装置，安装于道路、出入口，或前方特定位置上，用于向行驶车辆发射第一超声波编码信号；左侧第一超声波接收装置、右侧第一超声波接收装置，分别安装于行驶车辆前方左、右两侧，同步接收上述第一超声波编码信号，并由此产生左侧第一超声波接收信号及右侧第一超声波接收信号；红外线发射装置，安装于道路、出入口，或前方特定位置上，用于发射红外线编码信号，该红外线编码信号与第一超声波编码信号同步发射并具有相同或相关的编码信息；红外线接收装置，安装于行驶车辆的前方，用于接收上述的红外线编码信号；所述行驶车辆可根据接收到的左、右两侧第一超声波接收信号及红外线编码信号计算出道路、出入口，或前方特定物体与行驶车辆间的方位及距离。

本发明实施例还提供一种超声波定位及超声波导航的方法，包括以下步骤：于道路、出入口，或前方特定位置上，向行驶车辆发射第一超声波编码信号；于行驶车辆前方左、右两侧同步接收上述的第一超声波编码信号，并由此产生左侧第一超声波接收信号、右侧第一超声波接收信号；于道路、出入口，或前方特定位置上，发射红外线编码信号，该红外线编码信号与第一超声波编码信号同步发射并具有相同或相关的编码信息；于行驶车辆的前方，接收上述的红外线编码信号；所述行驶车辆根据接收到的左、右两侧第一超声波接收信号及红外线编码信号计算出道路、出入口，或前方特定物体与行驶车辆间的方位及距离；行驶车辆根据自身的车速及上述的方位、距离数据对驾驶者作出提示或对车辆行驶实施控制。

本发明实施例还提供一种超声波定位及超声波导航的方法，包括以下步骤：于行驶车道中线上，向行车道左、右两侧同步发射超声波信号，或于行驶车道的两侧，向车道中线同步发射超声波信号；于行驶车辆下方左、右两侧同步接收上述的超声波信号，并由此产生左侧超声波接收信号、右侧超声波接收信号；所述行驶车辆根据接收到的左、右两侧超声波接收信号判断是否偏离行车道；当行驶车辆发现偏离车道时，可通过显示/提示装置对驾驶员进行显示或提示，或通过车辆行驶控制装置对车辆实施行驶控制。

本发明实施例还提供一种基于超声波编码及超声波定位技术的环保喇叭装置，包括超声波发射装置，安装于车辆前部，用于发射超声波编码信号，并且该编码信号包含有喇叭指令信息；超声波接收装置，安装于车辆后部，用于接收上述的超声波编码信号，并从信号中提取所述的喇叭指令信息；音频发声装置，当收到上述的喇叭指令信息后，于车内发出模拟喇叭声或提示声。

本发明具有的有益效果在于：一、它是一个多功能的系统装置；二、它可以在全天候环境下工作；三、它同时适用于电子道路收费及停车场收费；四、它同时适用于收费管理及通行控制；五、它易于与ITS系统互动；六、它易于与交通信号系统互动；七、它易于与其它车辆信号系统互动；八、它没有电磁干扰问题，是一个环保的信号系统；九、它可以实现车辆追踪功能；十、它具有低成本及易于普及化应用。

附图说明

图1是本发明实施例的电子车牌无线信号收发示意图；

图2是本发明实施例的数字无线电子道路及停车场收费系统框图；

图3是本发明实施例的超声波定位及导航示意；

图4是本发明实施例的无线数字编码信号波形及测距原理示意图；

图5是本发明实施例的行车道偏离监测示意图；

图6是本发明实施例的行车道偏离监测波形图；

图7是本发明实施例的超声波定位/导航及车道偏离监测的系统框图；

图8是本发明实施例的超声波环保喇叭系统示意图；

图9是本发明实施例的实现电子车牌识别及测试的流程图；

图10是本发明实施例的实现超声波定位及超声波导航的流程图；

图11是本发明实施例的实现电子道路及停车场收费的流程图；

图12是本发明实施例的系统与现有技术的系统性能比较一览表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。请参照图1所示，这是本发明实施例的数字无线电子车牌的无线信号收发示意图。图中10为行驶中的车辆，11为行车道前方中线上的一个无线发射装置，可向行驶车辆10发射无线信号12，12中包含有电子车牌检查请求信息，当车辆10接收到上述请求信息并确认后，会返回包含有自身电子车牌信息的无线信号15，15会被前方的无线接收器18或电子车牌显示器16所接收并进行显示。发出电子车牌检查请求信息的除了安装于行车道中线上的11外，也可以安装在交通信号灯13上，或安装在交通路牌、停车线，或前方任意特定物体或位置上，我们称这样的装置为电子车牌阅读器，而安装电子车牌阅读器的地方为监测点，如果与收费系统相关则还可以称其为收费监测点。

下面再请参照图2所示，这是本发明实施例的基于上述电子车牌的数字无线电子道路及停车场收费系统框图，实际上也是图1所示系统细化后的一个功能组成框图。图中20为行驶中的车辆，21为电子车牌阅读器或电子道路或停车场收费出入口(监测点)的控制系统(简称为收费监测点)，21中包含有第一无线发射装置，可向驶近的车辆发射包含有电子车牌检查请求信息的第一无线编码信号22，22被车辆20中的第一无线接收装置所接收，并送到车载处理器27进行信号解码处理，当有关请求信息被确认后，可通过第二无线信号发射装置发送包含有电子车牌信息及车辆相关信息的第二无线编码信号23(所述的电子车牌信息储存于20中的电子车牌信息单元之内)。第二无线编码信号被21内的第二无线接收装置所接收，并将有关信号送给位于21内的监测点处理器28进行解码处理，从而获得20的电子车牌及其它相关的信息(包括车辆类型、载重、轴数等与收费有关的信息)，同时可通过车牌显示装置显示其车牌号码。

如果21是安装于道路或停车场入口处的收费监测点单元，则21内的监测点处理器28会将有关电子车牌及其它相关信息，连同由时间地点信息单元提供的入口时间地点信息通过数据通信单元发送给收费系统出口处的监测点单元，或发送给收费系统的后台服务器进行处理，也可以发送到中央收费处进行处理，还可以将车辆于入口处的时间地点信息通过第一无线发射装置发送给20，由20存进其非易失性存储器或IC卡/收费卡之内，让车辆自身将相关的信息带到收费出口处。

如果21是安装于道路或停车场出口处的收费监测单元，则21内的监测点处理器28会将有关电子车牌及其它相关信息，连同由时间地点信息单元提供的出口时间地点信息通过数据通信单元发送给收费系统的后台服务器进行处理，或发送到系统的中央收费处进行确认，或从据数据通信单元获取车辆经过入口监测点的时间地点信息在出口处进行处理，或从车辆非易失性存储器或IC卡/收费卡中提取其经过收费监测点的时间地点信息进行处理等。至于费用的支付方式也是可以多样化的，可以由后台服务器通过支付系统自动收取，也可以在中央收费处支付而在出口监测点进行确认，也可以在出口处进行现金支付，或直接在车辆的IC卡/储值卡上扣除等。

从上述分析可以看到，本系统的21单元可安装于收费入口处，也可以安装于收费出口处；有关车辆的信息及于入口处的时间地点信息可以存储于收费系统的后台服务器、系统的中央收费处，也可以存储于收费出口处的监测单元，还可以存储于行驶车辆的非易失性存储器、IC卡或收费卡之内；有关的收费可以通过系统的后台服务器、中央收费处来进行，也可以通过出口处的收费监测单元来进行，还可以通过行驶车辆自身系统来进行(直接于IC卡/收费卡中扣除)。即是说收费的模式是灵活的，关键之处是系统于车辆进入及驶出收费区时，必须有效识别车辆及记录车辆进出的时间及地点信息，并根据车辆的类型、载重、轴数等信息及于出入口的时间地点信息进行计费及收费。

除了上述的主要功能之外，图2所示的系统还具有其它的功能。21中进一步包含有第三无线发射装置，可以向驶近的车辆20发射第三无线编码信号24，而20中亦包含有第三无线接收装置，可以接收所述的三无线编码信号；更进一步地，20中还包含有第四无线发射装置，可以向21发射第四无线编码信号25，而21还包含有第四无线接收装置，可以接收所述的四无线编码信号。

在本实施例中，第一、第二无线信号为红外线编码信号，主要用于数字编码信息的传输，例如传送电子车牌请求信息，返回电子车牌信息，传送入口时间地点信息，传送收费信息，以及传送各种加密的或不加密的数据问答或确认信息等。而第三、第四无线信号为超声波编码信号，主要用于对车辆的定位、导航及测试之用。上述两种信号都是对人体无害及对环境无污染的信号，没有现有的DSRC道路收费系统的微波辐射及VPS系统的电磁干扰问题，亦不会有激光等系统可能存在的对人体视觉的伤害。上述红外线及超声波信号都可以进行定向传输，可以将信号的干扰减到最少，同时上述两种信号都具有全天候工作的能力，没有现有的ANPR光学/视觉识别系统受天气影响的缺陷。红外线(特别是8～14微米波长的红外线)及超声波(特别是20千赫兹左右的超声波)在大气中的传输能力都非常强，几乎不受空气中的光线、浓雾、尘埃、雨水、风雪及电磁干扰的影响。

本发明的行驶车辆不但可以根据监测点发射的第一无线编码信号(红外线)接收到来自监测点的信号指令/请求(或称查询指令)，同时还能根据监测点发射的第三无线编码信号(超声波信号)计算出车辆与监测点(例如收费闸门)之间的距离及速度，以便引导车辆平稳地进入收费闸门或收费匝道，并在有需要时令车辆停于最适当的停车位置上。本发明的收费系统可以适应不同的收费/控制模式(闸门式或匝道式)，如果是匝道式收费则车辆无需停车，这时本发明的系统可以引导车辆以最恰当的速度通过匝道(通过显示/提示装置对驾驶人士作出提示，或通过车辆行驶控制装置对车辆的速度进行自动的调节)，当车辆被确认时可对车辆发出确认信号，车辆可恢复正常行驶，如果车辆有问题或无法确认，则亦可以引导车辆驶入停车区或在适当的位置停下待查。

本发明的车辆测速及测距是通过所述的红外线及超声波信号来实现的，这两种信号在监测点被同时发射，并具有相同或相关的编码信息。由于上述两种信号于空气中的传播速度不同，红外线信号以光速进行传播(每秒30万公里)，因此无需考虑其传输的延迟，而超声波信号于空气中的传播速度为每秒340米(15摄氏度时，不同空气温度时声波的传播速度稍有不同，需要对其进行补偿)，这个速度相对红外线来说要慢很多，因此行驶车辆20便可根据接收到的上述两种信号的时间差(因为上述信号具有相同或相关的编码及被同时发射，因此我们也称这个时间差为相位时间差或相位差)来判别车辆与监测点的距离，具体算法为：S＝V*ΔT，其中S为接收器与发射器之间的距离，V为超声波于空气中的传播速度，ΔT为红外线信号与超声波信号的相位时间差。

由于能够实时测量车辆与监测点之间的距离，因此本发明的系统也同时具有动态测量车速的能力，即通过对监测点距离的连续测量便可计算出车辆的实时车速，这有助与对车辆的行驶状态作出提示(通过显示/提示装置)或作出调整(通过车辆的行驶控制装置)。实时测量车辆与监测点之间的距离还有一个作用就是可以对接收信号的有效性进行确认，因为在实际环境中可能存在有干扰信号或杂散反射信号，系统根据信号的方位、距离便可对信号的有效性进行确认，以确保所接收的信号是真实及可靠的。

在图2中监测点单元21中还可以进一步包括有通行控制装置(例如闸门)，可以只让身份被确认的车辆进入，这对限制区的通行控制特别有用，例如用在在私家地方、会所、政府部门，或其它只限特定车辆进入的地方。另外监测点单元还可以与交通信号灯系统结合使用(21中包含有交通信号单元)，使交通信号灯同时具有进入/收费监测及控制功能，这个功能特别适合于街道的进入收费或滞留收费，以解决个别街道或街道特定时段的拥挤问题，同时还可以在交通点上对车辆实施追踪，具有防盗功能。

从上面的分析中知道，本发明系统中同步发射第一、第三无线信号主要用于向车辆传送查询指令及对车辆进行导航(距离检测)，行驶中的车辆可以根据上述第一、第三无线信号计算出与监测点(信号源)之间的距离。同样地，车辆返回的第二、第四无线信号也是被同步发射的，也包含有相同或相关的编码信息，监测点同样也可以通过对这两个信号的相位时间差计算得出车辆与监测点的距离数据，并根据这些数据对第二、第四无线信号的有效性进行判别以排除可能出现的干扰。另外监测点还可以通过第一、第三无线信号对准备进入高速公路或限制区的车辆发出测试指令，并根据车辆返回的第二、第四无线信号对车辆进行确认，使只有符合要求的车辆可以进入。

下面再请参照图3所示，这是本发明实施例的超声波定位及导航示意。本发明的系统既适合于不停车收费，同时也适合于停车收费，图3中显示了一个停车收费时的情形。图中30为驶向收费闸门的车辆，31为收费闸门栏杆，32为监测点无线发射装置(信号源)，可发射红外无线编码信号(第一无线信号)33及超声波无线编码信号(第三无线信号)35L及35R，35L及35R实际上是同一个信号(统称为35)，只是其发射的方向不同。车辆30前部左、右两侧各有一个超声波接收装置(36L及36R)，由于收装置的位置不同，36L接收到的信号(左侧第三无线接收信号)与36R接收到的信号(右侧第三无线接收信号)在相位上便可能会有所不同，这主要取决于36L/36R与信号源32之间的距离，如果距离相等则相位相同，否则就会出现一个相位时间差，车辆30便可根据这个时间差判断车辆的行驶方向是否准确，并可根据偏差调整车辆的行驶方向以实现超声波导航的功能。

要实现对信号源的准确定位除了需要信号35L及35R外，还要依赖红外信号33，由于红外信号33及超声波信号35是同时发射并具有相同或相关的数字编码信息，车辆可根据这些信息及相位时间差准确判断信号源的方位及距离，并通过对距离的连续测量计算出车辆的速度，车辆30可根据这些数据通过显示/提示装置38对车辆驾驶者作出有关的提示，或通过车辆行驶控制装置39对车辆的行驶姿态作出必要的调整。

下面再请参照图4所示，这是用于上述图2及图3所示系统的本发明实施例的无线数字编码信号波形及测距原理示意图。图中40为车辆接收到的红外线编码信号波形(即第一无线编码信号，对应于图2中的22及图3中的33)，41L为接收到的左侧超声波编码信号波形，41R则为接收到的右侧超声波编码信号波形，为了便于分析，这里假设车辆正好处于行车道的中线位置并正向面对信号源，这样车辆左、右两侧的超声波接收装置所接收到的超声波编码信号便是一样的(这时可统一称为41，为第三无线编码信号，与图2中的24及图3中的35是对应的)。再假设红外线及超声波信号于发射端的波形和相位都是一样的(具有相同的编码格式)，但由于发射接收之间有一定的距离，而红外线与超声波信号的传播速度不同，因此信号于接收方所看到的波形便在相位上出现一个差异，我们将这个差异称为相位差或相位时间差。图中T1、T2便表现了这两种信号的相位时间差，T3也是这两种信号的相位时间差，只不过其量度的位置不同而已。对于信号编码可以采用不同的方式，最常用的方式是采用“0”和“1”的数字编码，并用信号脉冲的高低电平的时间长短来定义。在图中，一个脉冲与一个相对窄的间隔代表数字“0”，而一个脉冲与一个相对宽的间隔代表数字“1”，在实际系统中还可以有其它不同的编码及数字的定义方式。为了能识别两个波形(数据包)是否为同一个时刻发射的数据，在上述波形中还包含了数据包的识别代码(ID)，在图4中前一个波的ID为0110，后一个波的ID为0111，系统只会将具有相同(或相关)ID的波形进行比较，这样会就不会有相位错位的情况出现了，即可以实现信号接收的同步。

以下以一些具体的数据为例进行有关的计算和分析。假设上述波形来自图3所示的系统，并且初始时速(T1时)为8.0米/每秒(28.8公里/小时)，图中T1为52.94毫秒，T2为50.62毫秒，T1、T2的间隔为0.10秒，则可根据前面提及的公式S＝V*ΔT计算出车辆在T1、T2时与闸门(信号源)间的距离分别为18.00米和17.21米(超声波传播速度以340米/秒计)，再根据加速度公式(S＝V0*t+0.5*a*t^2、Vt^2-Vo^2＝2*a*S、a＝(Vt-V0)/t)计算出所述的车辆正以-2.00米/平方秒的平均加速度在减速，预计车辆将会在4.0秒钟内前行16.0米，并在距闸门2.0米处停下。

以上的分析是假设闸门处为信号发射源的位置，实际上本发明的系统还具有虚拟闸门功能，这个功能是目前其它现有系统无法实现的。例如可以将信号发射源埋在收费出入口行车道的中线上，或者悬挂在收费出入口行车道的上方，并且发出停车指令，这样便形成了一个虚拟的闸门，该虚拟闸门可引导车辆进入并停在最恰当的位置上(通过显示/提示装置或车辆行驶控制装置)。通过于发射端调节红外线编码信号与超声波编码信号之间的初始相位，还可以将虚拟闸门的位置推前或拉后。由于闸门是虚拟的，不会有撞闸情况的出现，因此对车辆及收费监测点都更为安全。对于该虚拟的闸门，有时候会与某些特定的标志(例如停车线)联系起来，这样虚拟闸门的位置刚好落在停车线的位置上，这样车辆检测到的与前方信号源的距离实际上就是与停车线之间的距离，使车辆可以在停车线的位置上准确停下来。由于信号源与车辆信号接收装置不在同一个水平线上，因此车辆在计算有关距离时可能还需要对有关数据进行角度的修正，这样可以在信号源的信息中包含其安装高度的信息，以便车辆利用三角形边长公式对计算出来的与行驶方向有角度偏差的直线距离修正为前方的水平距离。

电子装置的反应速度比人的反应速度快，因此其调节过程也就更为及时、平稳及准确。本发明的系统可以实现对距离、速度的连续检测，以增加系统的可靠性及避免因偶然因素或干扰带来误差。在上述例子中，分析了对应的数据包之间(例如42、43L/R之间及45、46L/R之间)包含的距离信息，并据此进一步计算出两者之间的加速度。除此之外，还可以在一个数据包的任何一个脉冲位置进行检测，下面将结合图4对这一点作进一步的分析和说明。图中42为红外线信号的第一数据包，45为红外线信号的第二数据包，每个数据包都具有前导波形部分421/451，数字编码区部分422/452。同样地，图中也包括有两个超声波数据包43及46，每个数据包也都具有前导波形部分431/461，以及数字编码区部分432/462。T1及T2只是在前导波形中对同一个数据包(具有相同ID)中的两种不同无线信号的相位时间差进行比较，由于数据包间的时间间隔相对较长(例如0.1秒一个数据包)，因此本发明还提供了一种更快的采样方式，就是当接收器在有效识别了两个不同无线信号的同一个数据包(具有相同的数据包ID)后，便可以在这个数据包上的任何一个脉冲信号上进行测量和计算，这种状态被称为同步检测状态。例如T3便是在数字编码区的第一个脉冲的上升沿上进行测量，同样地也可以在随后的每一个脉冲的上升沿或下降沿上进行测量，这样每次采样的时间间隔便可大为缩短，这不但增加了系统的反应速度，同时还可以对多个测量数据进行分析，可以提高系统的可靠性及消除个别数据采样误差影响到系统测量的精确性。

在本例之中，由于车辆正对着信号发射源，因此左、右两个超声波信号波形是一样的。如果车辆方向与信号源之间有一个角度，则左、右两个超声波信号波形的相位就会不同，比较靠近信号源的一侧相位相对超前，而离信号源较远的一侧相位相对落后，根据左、右两个超声波信号的相位时间差，以及超声波信号与红外线信号的相位时间差，便可准确计算车辆偏离信号源的角度，从而可以有效地对车辆的行驶方向进行调节，使车辆可以准确入闸并停在最恰当的位置上。

图4所述的波形图实际上也适用于监测点接收行驶车辆发出无线信号的情形。这时图4中的40便相当于第二无线编码信号，与图2中的23相对应；同样地图4中的41便相当于第四无线编码信号，与图2中的25相对应。上述第二、第四无线信号于车辆中同步发射并具有相同或相关的编码信息(在图4的例子中是具有相同的数据包ID)，监测点可根据第二、第四无线信号的相位差计算出与车辆间的距离，这一方面可以排除可能出现的信号干扰，另一方面也可以测试所述车辆的无线信号系统是否工作正常。

除了上述实施例的超声波定位/导航功能外，本发明实施例还提供了另外一种超声波导航系统(行车道偏离监测系统)，该系统具体见图5所示，这是本发明实施例的行车道偏离监测示意图。图中50为于导航段行驶的车辆，51为超声波发射装置，安装于行车道的中线上，可向左、右两侧发射超声波信号52L及52R，52L/R分别被安装于车辆左、右两侧的超声波接收装置53L/R所接收。由于52L及52R为相同的信号(具有相同的编码及被同时发射)，如果车辆处于车道的中线位置，则其左、右两侧的超声波接收装置53L/R所接收到的信号波形相位便是一样的，但如果车辆偏离了行车道，则左、右两侧的信号波形相位就会产生差异，靠近中线的一侧相位相对超前而偏离中线的一侧相位相对落后。根据左、右两个信号的相位差便可计算出车辆的偏离距离，这时可通过车上的显示/提示装置55对驾驶人士进行提示，或通过车辆行驶控制装置56直接对车辆的行驶姿态作出调整，以消除所述的差异/偏离。上述的超声波发射装置也可以分别安装在车道的左、右两侧(51L及51R)向车道中线发射信号，但车辆的左、右两个超声波接收装置(53L/R)必须具有这个方向上的信号接收能力，其基本原理与安装在中线上的超声波发射装置51是一样的。

下面再请参照图6所示，这是本发明实施例的行车道偏离监测波形图，与图5所示的系统相对应。图中61为超声波信号于中线发射端的波形，62L和62R则分别为车辆左、右两侧接收到的超声波信号波形。为了区别图中的62L/62R及图4中的41L/41R，这里称41L及41R为左侧第一超声波接收信号及右侧第一超声波接收信号，而62L及62R为左侧第二超声波接收信号及右侧第二超声波接收信号。在图中可以发现62L、62R与61之间存在有一个相位时间差(T1L/R，T2L/R、T3L/R，统称为TL/TR)，这个相位差代表了信号从发射到接收出现的延迟，这也代表着接收装置与发射装置之间的距离。在本实施例中，车辆并不关心TL/TR的绝对值，而是关心其相对的差异(TL-TR)，这种差异代表了车辆相对于中线的偏离度。在图中于第一个脉冲611时，T1L＝T1R代表波形相位相同，意味着车辆行走在中线上，而在第二个脉冲612时，T2L与T2R的相位出现了差异(T2L＞T2R)，代表车辆偏向了左侧，这时系统可以通过显示/提示装置对驾驶人士发出提示，或通过车辆行驶控制装置自动对车辆的行驶方向进行调节，令车辆从新返回中线之上，使第三个脉冲613时，T3L与T3R再度相等。

下面再请参照图7所示，这是本发明实施例的超声波定位/导航及车道偏离监测系统框图，是对图3至图6实施例功能的概括。图中70为行驶车辆，71为信号发射源，包括有第一超声波发射装置、第二超声波发射装置、红外信号发射装置，以及用于信号发射控制的信号源处理器。信号源71通过红外信号发射装置发射红外线编码信号72，该信号一方面包含有关于定位/导航的数字编码信息，另一方面也作为超声波定位的同步信号。与72同步发射的有第一超声波编码信号73，该超声波信号与上述的红外线信号具有相同或相关的数字编码信息。红外线72及超声波信号73同时被车辆70内的红外线信号接收装置及左侧第一超声波接收装置、右侧第一超声波接收装置所接收，车辆70可根据上述左、右两侧的超声波信号相位是否平衡判断信号源的方向，并根据超声波信号与红外线信号的相位时间差计算车辆与信号源之间的距离，以实现超声波的定位及导航功能。在车载系统70中还进一步包括用于接收控制、信号解码及距离计算的车载处理器76，以及对驾驶人士进行显示和提示的显示/提示装置77，还有电子车辆行驶控制装置78，以在必要时对车辆的行驶状态作出调整。

为了进一步监测车辆的车道偏离情况，在信号源71中还包括有第二超声波信号发射装置，该发射装置安装于车道的中线上向左、右两侧同时发射超声波信号74，也可以安装在车道左、右两侧向中线发射超声波信号74，该信号被70中的左、右两侧第二超声波接收装置所接收，并根据左、右两侧的超声波信号相位是否平衡判断车辆是否偏离车道，当发现车辆已偏离车道时，可通过显示/提示装置77对驾驶人士作出提示或通过电子车辆行驶控制装置78对车辆的行驶状态作出自动的调节。

在信号源71中，还进一步包括有交通信号/信息单元，该单元的信号/信息可通过信号源处理器处理后，再通过红外信号发射装置(或超声波信号发射装置)传递给70的车载系统，并可通过其显示/提示装置进行显示或提示。这些信号/信息可包括入闸信息、收费信息、限速信息、弯道信息(包括弯度参数)、危险信息，以及交通信号，例如红绿灯信号、停车信号、检查信号、放行信号等，使本发明实施例的系统可同时具有交通信号灯及交通指示牌的功能。从另一个角度来看，也可以说是这种交通信号系统还同时具有导航功能。

下面再请参照图8所示，这是本发明实施例的超声波环保喇叭系统示意图。该喇叭系统与传统汽车喇叭的最大不同在于采用红外线及超声波来传送喇叭信号，该喇叭信号只有在车内可以听到，而车外是没有声音发出来的，这样既实现了车辆之间的喇叭提示/警告功能，同时又不会对周围环境产生噪声影响，因此在本发明中便被称之为“环保喇叭”。

图中85及80分别为前、后两部车，当后车80需要对前车85发喇叭信号时，可通过安装在车辆前部的无线发射装置81发出超声波信号82L及82R，82L及82R(统称为82)实际上是同一个超声波信号，只是其传输角度不同而已。82中包含有电子喇叭信号指令(编码)，当85接收到信号82并从82中解读出喇叭指令时，便可通过车内的音频发声装置88发出模拟喇叭声或提示声，从而实现超声波环保喇叭的功能。

为了于85中实现对发出喇叭指令的车辆80进行定位，在85中配置有两个(或以上)超声波接收装置，分别为86L及86R，这些接收装置通常安装在车辆的后部。85可根据86L及86R的相位差判断出超声波声源的大致方向。进一步地，85中于车辆后部还装置有红外接收装置87，可接收80中无线发射装置81发射的红外无线编码信号83，由于83和82同步发射并具有相同或相关的编码信息，因此85可根据82L/82R及83的相位时间差准确计算出信号源81的方位及距离，并可通过显示装置88显示出来。85的系统还可以进一步具有智能判别功能，当信号源81与85相距较远，或不在同一个方向时，可将声音屏蔽掉，以免影响正常的驾驶，因为这时收到的喇叭信号可能与本车无关。

下面再请参照图9所示，这是本发明实施例的实现电子车牌识别及测试的流程图，其中：

步骤S901为于电子车牌阅读器上向行驶车辆发射第一数字无线编码信号，该信号中包含有要求查阅所述车辆电子车牌的请求信息；

步骤S902为于行驶车辆上接收上述的第一数字无线编码信号，并对其包含的请求信息进行解码及确认；

步骤S903为当上述请求信息被确认后，行驶车辆向电子车牌阅读器发射第二数字无线编码信号，该信号包含有车辆电子车牌标识码信息；

步骤S904为于电子车牌阅读器上接收上述第二数字无线编码信号，并解读其包含的电子车牌标识码信息，从而实现上述电子车牌的无线识别；

步骤S905为还于电子车牌阅读器上向行驶车辆发射第三无线信号，第一、第三无线编码信号被同步发射并具有相同或相关的编码信息；

步骤S906为还于行驶车辆中同步接收第一、第三无线信号，并根据第一、第三无线编码信号计算出车辆与电子车牌阅读器之间的距离；

步骤S907为还于行驶车辆中向电子车牌阅读器同步发射与第二无线编码信号传播速度不同的第四无线编码信号；

步骤S908为还于电子车牌阅读器上同步接收所述第二、第四无线编码信号，并根据该第二、第四无线编码信号对行驶车辆进行相关测试。

下面再请参照图10所示，这是本发明实施例的实现超声波定位及超声波导航的流程图，其中：

步骤S1001为于道路、出入口，或前方特定位置上，向行驶车辆发射第一超声波编码信号；

步骤S1002为于行驶车辆前方左、右两侧同步接收上述第一超声波编码信号，并产生左侧第一超声波接收信号及右侧第一超声波接收信号；

步骤S1003为于道路、出入口，或前方特定位置上发射红外线编码信号，该信号与第一超声波信号同步发射并有相同或相关的编码信息；

步骤S1004为于行驶车辆的前方位置上，接收上述的红外线编码信号；

步骤S1005为行驶车辆根据接收到的左、右两侧第一超声波信号及红外线信号计算出道路、出入口、前方特定物体与行驶车辆的方位及距离；

步骤S1006为行驶车辆根据自身的车速及上述的方位、距离参数对驾驶者作出提示或对车辆行驶实施控制；

步骤S1007为还于行驶车道中线上，向车道左、右方向发射第二超声波信号，或于行驶车道的两侧，向车道的中线同步发射第二超声波信号；

步骤S1008为还于行驶车辆下方左、右两侧同步接收上述的第二超声波信号，并产生左边第二超声波接收信号及右边第二超声波接收信号；

步骤S1009为行驶车辆还根据接收到的左边第二超声波接收信号，以及右边第二超声波接收信号判断行驶车辆是否已偏离行车道；

步骤S1010为当车辆发现偏离车道时，还可通过显示/提示装置对驾驶员进行提示或通过车辆行驶控制装置对车辆行驶实施控制。

下面再请参照图11所示，这是本发明实施例的实现电子道路及停车场收费的流程图，其中：

步骤S1101为于收费入口处，对驶入车辆发射第一无线编码信号，该信号中包含有要求查阅电子车牌的请求信息；

步骤S1102为于驶入车辆中，接收所述的第一无线编码信号，并对该第一无线信号进行解码处理；

步骤S1103为于驶入车辆中，当第一无线编码信号中的请求信息被确认时，向入口处发射包含有自身车牌标识信息及其它相关信息的第二无线编码信号；

步骤S1104为于收费入口处，接收所述的第二无线编码信号，并对第二无线信号进行解码处理，获取驶入车辆电子车牌信息及其它车辆相关的信息；

步骤S1105为于收费入口处，将车辆电子车牌及其它相关信息传送给相关收费监测点、系统后台服务器，或中央收费处，或将车辆驶入的时间地点信息存入驶入车辆的非易失性存储器，或IC卡/收费卡之内；

步骤S1106为于收费出口处，对驶出车辆发射第一无线编码信号，该信号中包含有要求查阅电子车牌的请求信息；

步骤S1107为于驶出车辆中，接收所述的第一无线编码信号，并对该第一无线信号进行解码处理；

步骤S1108为于驶出车辆中，当第一无线编码信号中的请求信息被确认时，向出口处发射包含有自身车牌标识信息及其它相关信息的第二无线编码信号；

步骤S1109为于收费出口处，接收所述的第二无线编码信号，并对第二无线信号进行解码处理，获取驶出车辆的电子车牌信息及其它相关信息；

步骤S1110为系统根据于出入口处的时间地点信息及其它相关信息进行计费处理。

最后请参照图12所示，这是本发明实施例的系统与现有技术的系统综合性能比较一览表，从图中可以看到，本发明的系统不但在系统成本、收费准确率、全天候工作能力、抗电磁干扰性能，以及营运管理的易难程度等主功能上具有出色的表现，同时更在与ITS的配合，以及在交通信号、车辆安全、车辆进出管理的扩展方面，具有其它系统所没有的技术优势。上述这些扩展功能与“背景技术”中提及的本发明人的另外三项专利技术“于行驶车辆中实现动态距离检测及信息传递的方法”(申请号200810216836.X)，“全天候电子无线交通信息指示系统及装置”(申请号200810216835.5)及“全天候车辆行驶安全指示及控制系统装置”(申请号200810216834.0)相关，本发明易于与上述专利整合，从而在最少成本增加的前提下，实现电子收费系统与ITS系统、交通信号系统及车辆信号系统的完美结合，这里则不作进一步的赘述了。

关于以上本文中提到的超声波及红外线的特性、超声波于空气传播速度的温度效应及补偿、信号的编解码及发射接收等内容，均为相关领域中的公知技术，本文在此不作详述。同时以上本文所述的仅是本发明的部分优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术开发人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种数字无线电子车牌系统装置，其特征在于，包括：

第一无线接收装置，用于接收第一无线发射装置发射的包含有电子车牌检查请求信息的第一无线编码信号，并对所述的编码信号进行解码处理；

第二无线发射装置，用于当接收到的第一无线编码信号中的请求信息被确认时，向第二无线接收装置发射包含有自身车牌标识码信息的第二无线编码信号；

电子车牌信息单元，用于储存所述车辆的车牌标识码信息。

2、如权利要求1所述的数字无线电子车牌系统装置，其特征在于所述的系统装置进一步包括有第三无线接收装置，用于同步接收与第一无线信号传播速度不同的，由第三无线发射装置发射的第三无线编码信号；及

第一、第三无线信号具有相同或相关的编码信息并被同步发射；及

所述系统装置可根据第一、第三无线编码信号计算出与第一、第三无线发射装置之间的距离；及

所述系统装置可根据上述计算出来的距离数据，对第一、第三无线编码信号的有效性进行确认。

3、如权利要求2所述的数字无线电子车牌系统装置，其特征在于所述的系统装置进一步包括有第四无线发射装置，用于发射与第二无线信号传播速度不同的第四无线编码信号，第二、第四无线信号同步发射并具有相同或相关的编码信息。

4、如权利要求1，或2，或3所述的数字无线电子车牌系统装置，其特征在于所述的第一、第二无线信号为红外线编码信号，而所述的第三、第四无线信号为超声波编码信号，第一、第三无线编码信号，以及第二、第四无线编码信号包含有相同或相关的数据包ID。

5、如权利要求1所述的数字无线电子车牌系统装置，其特征在于所述的系统装置进一步包括有显示/提示装置及车辆行驶控制装置。

6、一种实现数字无线电子车牌识别及测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

于电子车牌阅读器上，向行驶车辆发射第一无线编码信号，该信号中包含要求查阅所述车辆电子车牌的请求信息；

于行驶车辆上，接收上述第一无线编码信号，并对其包含的请求信息进行解码及确认；

于行驶车辆上，当上述的请求信息被确认后，向电子车牌阅读器发射第二无线编码信号，该信号包含车辆自身的电子车牌标识码信息；

于电子车牌阅读器上，接收上述第二无线编码信号，并解读其包含的电子车牌标识码信息，从而实现电子车牌的无线识别。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的方法进一步包括以下步骤：

于电子车牌阅读器上，向行驶车辆发射与第一无线编码信号传播速度不同的第三无线编码信号，该第一、第三无线编码信号被同步发射并具有相同或相关的编码信息；及

于行驶车辆中，同步接收所述的第一、第三无线编码信号，并根据第一、第三无线编码信号计算出车辆与电子车牌阅读器或前方特定标志之间的距离。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的方法进一步包括以下步骤：

于行驶车辆中，向电子车牌阅读器发射与第二无线编码信号传播速度不同的第四无线编码信号，第二、第四无信号被同步发射并具有相同或相关的编码信息；

于电子车牌阅读器上，同步接收所述的第二、第四无线编码信号，并根据该第二、第四无线编码信号对行驶车辆进行测试，并对符合要求的车辆给予放行。

9、如权利要求6，或7，或8所述的方法，其特征在于：

所述的第一、第二信号为红外线数字编码信号，所述的第三、第四信号为超声波数字编码信号；及

第一、第三无线数字编码信号，及第二、第四无线数字编码信号包含有相同或相关的数据包ID。

10、如权利要求6所述的方法，其特征在于所述的行驶车辆进一步包括有显示/提示装置及车辆行驶控制装置。

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