CN105160921A - 一种基于dsrc和gps的红绿灯预报系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及道路交通控制系统，具体涉及一种基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，包括信号机、路侧单元和车载装置，信号机内含信号控制系统，通过有线或无线链路技术向路侧单元发送数据；路侧单元包括单片机和无线数据传输模块，无线数据传输模块用以接收信号机发送的数据并向车载装置发送；车载装置包括单片机、GPS模块、DSRC无线数据接收模块、距离计算及预测模块和显示输出模块，GPS模块定位汽车位置，DSRC无线数据接收模块用以接收路侧单元发送的数据，距离计算及预测模块用以分析处理数据，显示输出模块实时显示预测结果，本发明能够帮助驾驶员及早预测红绿灯，并提供推荐车速，以求在绿灯状态下通过交叉口。

Description

一种基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统

【技术领域】

本发明涉及道路交通控制系统，具体涉及一种基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统。

【背景技术】

随着汽车拥有量的不断增加，城市道路上的车流量日益增加，而道路扩建的速度跟不上车辆增加的速度，供需矛盾突出导致城市交通堵塞严重。以北上广为例，上下班高峰，常常堵车严重，有时甚至一堵几个小时，因此如何解决堵车问题不仅成了政府也成了广大有车一族的难题。

目前，已检索到的专利是通过获取交通红绿灯状态的方法，或获取前方红绿灯的实测信息并给出相应的提示，也就是相当于将信号灯缩小并置入汽车内，可以帮助驾驶员提前了解红绿灯的状态。然而这样并不足以给驾驶员提供一种准确直观的信息并以最合理的行驶速度通过信号控制交叉口，有时为了赶绿灯，驾驶员甚至会超速行驶，很容易发生交通事故。

【发明内容】

本发明主要针对现有技术的不足，提供一种基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，能及早预测红绿灯，并提供驾驶员行驶的推荐车速，使驾驶员主动调整自己的行驶状态以求在绿灯状态下通过交叉口，减少交叉口的延误。

本发明采用如下技术方案：

一种基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，包括信号机、路侧单元和车载装置，信号机内含信号控制系统，通过有线或无线链路技术向路侧单元发送数据；路侧单元包括单片机和无线数据传输模块，无线数据传输模块用以接收信号机发送的数据并向车载装置发送；车载装置包括单片机、GPS模块、DSRC无线数据接收模块、距离计算及预测模块和显示输出模块，GPS模块定位汽车位置，DSRC无线数据接收模块用以接收路侧单元发送的数据，距离计算及预测模块用以分析处理数据，显示输出模块实时显示预测结果。

优选地，信号控制系统包括定时信号控制和感应信号控制。

优选地，路侧单元和车载装置之间通过DSRC技术进行无线数据传输。

优选地，车载装置通过车载供电设备进行供电。

优选地，车载装置还包括输出显示屏。

优选地，显示输出模块分为无信号和有信号两种状态，有信号状态根据接收到的数据参数类型又可以分为定时低速、定时正常行驶、感应低速和感应正常行驶4种状态。

优选地，GPS模块定与所述距离计算及预测模块连接，用以向距离计算及预测模块提供所述车辆位置信息。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明能帮助驾驶员提前了解红绿灯的状态，给驾驶员提供一种准确直观的信息，以最合理的行驶速度通过信号控制交叉口，同时，还可以提供给驾驶员行驶的推荐车速，使驾驶员主动调整自己的行驶状态以求在绿灯状态下通过交叉口，减少交叉口的延误，减少尾气排放和环境污染。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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是本发明的系统组成示意图。

图2是本发明的路侧单元示意图。

图3是本发明的车载装置组成示意图。

图4是本发明定时低速显示界面示意图。

图5是本发明定时正常显示界面示意图。

图6是本发明感应状态1、2相位显示界面示意图。

图7是本发明感应状态3、4相位显示界面示意图。

其中，1为信号机，2为路侧单元，3为车载装置。

【具体实施方式】

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，如图1所示，包括信号机、路侧单元和车载装置，信号机内含信号控制系统，通过有线或无线链路技术向路侧单元发送数据；路侧单元包括单片机和无线数据传输模块，无线数据传输模块用以接收信号机发送的数据并向车载装置发送；车载装置包括单片机、GPS模块、DSRC无线数据接收模块、距离计算及预测模块和显示输出模块，GPS模块定位汽车位置，DSRC无线数据接收模块用以接收路侧单元发送的数据，距离计算及预测模块用以分析处理数据，显示输出模块实时显示预测结果。

工作状态如下：信号机向路侧单元发送信号数据；路侧单元含有无线数据接收模块和无线数据发送模块，可以接收信号机发送的数据并向车载装置发送接收到的信号数据；车载装置通过无线接收模块接收到数据，通过GPS模块以及单片机分析处理定位，最终帮助车主预测红绿灯，并能提供驾驶员行驶的推荐车速。

具体原理如下：

信号机可以通过特定的有线或无线链路技术向路侧单元发送相应的数据，可以处理定时信号控制和感应信号控制两种情况：

1)信号机向路侧单元传输的信号控制参数：

a)定时信号数据：周期时长、信号控制方案、周期起始时刻、结束时刻等。

b)感应信号数据：感应控制参数，如单位延长时间、最小绿灯、最大绿灯时间等。

2)路侧单元整合信号控制数据后发送给车载装置：

a)定时信号数据：左转绿灯起始时刻l₀、、左转绿灯持续时间l、左转黄灯起始时刻m₀、左转黄灯持续时间m、直行绿灯起始时刻g₀、直行绿灯持续时间g、直行黄灯起始时刻m₀′、直行黄灯持续时间m′、红灯起始时刻h′、红灯持续时间h₀等。

b)感应信号数据：最小绿灯时间G_mini，单位绿灯延长时间G₀，最大绿灯时间G_maxi，黄灯时间M_i，红灯时间H_i等信号控制参数，其中i代表信号方案的相位，i＝1，2，3，4。

在整个系统中，路侧单元承担着一个数据传输的过渡作用，将信号机相应的数据传输给车载装置。路侧单元与车载装置中均含有相应的无线数据发送装置和无线数据接收装置，两者之间通过DSRC技术进行无线数据传输。

车载装置中，单片机包括数据接收模块、距离计算模块、预测模块和显示输出模块。

1)数据接收模块：

数据接收模块主要应用DSRC短程通信技术以及GPS技术来实现数据获取及传输。

a)车载装置通过DSRC接收路侧单元的数据。

b)GPS定位数据：GPS位置信息，以及据此计算到的行驶速度v。

2)距离计算模块：

车载装置内部GPS模块记录其接收数据的时刻T₀以及位置信息，设为A点(纬度α₁，经度λ₁)，结合路侧单元发送的前方交叉口停车线位置，设为B点(纬度α₂，经度λ₂)，按式(1)可以精确计算A，B两点间的角度，再结合地球半径即可求出汽车所处位置到前方交叉口停车线的精确距离L。

cosΔ＝A₁·A₂+B₁·B₂+C₁·C₂(1)

其中A₁＝cosα₁·sinλ₁；B₁＝cosα₁·cosλ₁；C₁＝sinα₁；A₂＝cosα₁·sinλ₂；B₂＝cosα₂·cosλ₁；C₂＝sinα₂；Δ是两点间的角度

3)预测模块：

根据前面计算得到的距离L和GPS模块获取的车速v可以计算出汽车当前所处位置到前方行驶到前方停车线所需的时间。利用t′和GPS模块获取的车速v可以预测出车辆到达前方停车线处时信号灯的显示状况，并根据信号灯状态预测推荐速度。

4)显示输出模块：

当路侧单元将重新整合的数据传输到车载装置后，车载装置迅速将数据进行相关运算对比，最后以最简单直观的方式显示输出。该模块主要以输出显示屏的形式来输出显示前方红绿灯信号显示情况、距离停车线的距离以及推荐车速等相关信息。为了提供驾驶员更多方便，显示屏上还提供一些时间、日期等常用信息。

车载装置除了计算和预测之外，还有重要的任务是将预测结果显示输出。输出显示分为无信号和有信号两种情况。汽车在行驶路段上未接收到信号参数即为无信号状态，也称待机状态。汽车在行驶路段上接收到信号参数则为有信号状态，根据接收到的数据参数类型又可以分为定时低速、定时正常行驶、感应低速和感应正常行驶4种状态。

首先，我们来看车载装置的参数预测。

1)按当前车速预测到达交叉口时间

汽车在路段某一位置到前方停车线的距离L是已知的，根据公式(2)可以预测出汽车以当前车速到达前方交叉口的时间：

t′＝L/v(2)

其中，L是汽车在路段某一位置到前方停车线的距离；v是汽车当前的行驶车速。

输出界面上主要含有信号条、指示线，利用公式(3)便可以预测出车辆抵达前方交叉口时，指示线在信号条中所处的位置(指示线到显示条最左端的时间长度)。

$y=\mathrm{mod}\left(\frac{T_0-t_0-t^{\′}}{c}\right)---\left(3\right)$

其中，T₀是汽车进入路段接收到路侧单元发送的数据的时刻；t₀是信号灯周期起始时刻；t′是汽车以当前车速行驶到前方停车线所需的时间；c是信号灯周期时长。

根据以上公式对比及车载装置从路侧单元接收到的红绿灯数据通过内部程序运行得到定时和感应输出显示界面。

2)按信号状态计算推荐车速

车载装置根据接收到的信号参数，利用公式(4)～(9)计算出汽车在左转绿灯、直行绿灯和红灯三种状态下通过交叉口的推荐车速V₁、V₂和V₃。

左转绿灯和直行绿灯状态如下：

$V_1=\frac{L}{t^{\′}-y}---\left(4\right)$

$V_2=\frac{L}{t^{\′}+l_0-y}---\left(5\right)$

$V_3=\frac{L}{t^{\′}+l_0+g_0-y}---\left(6\right)$

红灯状态下：

$V_1=\frac{L}{t^{\′}+l_0+g_0+h_0-y}---\left(7\right)$

$V_2=\frac{L}{t^{\′}+2l_0+g_0+h_0-y}---\left(8\right)$

$V_3=\frac{L}{t^{\′}+l_0+g_0-y}---\left(9\right)$

其中，L是汽车从当位置到前方停车线所处位置之间的距离；T′是汽车以当前速度行驶到前方停车线所需时间；l₀是信号灯左转绿灯持续时间；g₀是信号灯直行绿灯持续时间；h₀是信号灯红灯持续时间；y是指示线到显示条最左端的时间长度。

其次，车载装置的输出显示原理如下：

车载装置根据接收到的数据参数及上述预测参数显示下面5种状态。

1、无信号状态下

当汽车行驶在路段上，车载装置未接收到信号参数时，车载装置则为待机状态。该种状态下车载装置不提供预测结果。

2、定时低速状态

定时低速的显示如图4所示，红灯指示、黄灯指示、绿灯指示。由图可见，定时低速显示界面主要由指示线、直行信号显示条和左转信号显示条组成。显示条上的竖直指示线位置不变，直行和左转两个显示条自右向左推移，驾驶员据此可以了解前方信号灯当前灯色还有多长时间结束。

3、定时正常行驶状态

从图5中可以看出红灯指示、绿灯指示和黄灯指示三种颜色的显示条的长度分别代表着在一个信号灯周期中各自的时间长度，左转和直行箭头上的绿色显示条分别代表左转和直行相位的绿灯时长。

显示条上的竖直虚线则是指示线，当驾驶员增加车速时，指示线将向左移动；同理，当降低车速时，指示条将向右移动。根据本车的行驶方向选择左转或直行信号状态作为行驶参考，屏幕上方从左至右依次为推荐车速V₁、V₂和V₃，单位为km/h。

4、感应低速状态

感应低速状态与定时低速状态类似，此时道路通行能力较差或者其他因素导致汽车速度过低，驾驶员不能随意更改汽车的行驶状态，因此车载装置也只给出更为直观的红绿灯状态预报。

5、感应正常行驶状态

图6为南北方向左转和直行信号相位显示，也即第一和第二相位。

第一相位显示条中绿灯指示长度为最短绿灯时间，浅绿色模块为单位绿灯延长时间，感应信号机可以通过其自带侦测单元感应车辆通过信息来增加单位绿灯延长时间，显示条中也会据此增加浅绿色模块的个数，直至达到最大绿灯时间。灰色模块是绿灯待定时间，在此时间段内不能确定是否有车辆继续通过信号灯侦测感应装置，如果在接下来特定时间内没有车辆通过，灰色模块取消，如果继续有车辆通过，灰色模块会由相应的浅绿色模块替代。黄灯指示和红灯指示分别表示该相位黄灯时间和红灯时间。

第二相位显示条首先是红灯指示，长度与第一显示条中绿灯指示长度相同，之后的灰色模块也会随第一相位显示条中灰色模块的改变而改变。再之后是第二相位的最小绿灯时间、单位延长时间、绿灯待定时间、黄灯时间和红灯时间。

图7为东西方向左转和直行的相位显示，原理与南北方向相同。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，其特征在于：包括信号机、路侧单元和车载装置，所述信号机内含信号控制系统，通过有线或无线链路技术向路侧单元发送数据；所述路侧单元包括单片机和无线数据传输模块，所述无线数据传输模块用以接收信号机发送的数据并向车载装置发送；所述车载装置包括单片机、GPS模块、DSRC无线数据接收模块、距离计算及预测模块和显示输出模块，所述GPS模块定位汽车位置，所述DSRC无线数据接收模块用以接收路侧单元发送的数据，所述距离计算及预测模块用以分析处理数据，所述显示输出模块实时显示预测结果。

2.根据权利要求1所述的基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，其特征在于：所述信号控制系统包括定时信号控制和感应信号控制。

3.根据权利要求2所述的基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，其特征在于：所述路侧单元和车载装置之间通过DSRC技术进行无线数据传输。

4.根据权利要求2所述的基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，其特征在于：所述车载装置通过车载供电设备进行供电。

5.根据权利要求1所述的基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，其特征在于：所述车载装置还包括输出显示屏。

6.根据权利要求1-5任意所述的基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，其特征在于：所述显示输出模块分为无信号和有信号两种状态，有信号状态根据接收到的数据参数类型又可以分为定时低速、定时正常行驶、感应低速和感应正常行驶4种状态。

7.根据权利要求1所述的基于DSRC和GPS的红绿灯预报系统，其特征在于：所述GPS模块定与所述距离计算及预测模块连接，用以向距离计算及预测模块提供所述车辆位置信息。