CN106157690A - 一种基于可见光通信的汽车追尾预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信的汽车追尾预警系统，包括定位模块、MCU、光通信调制模块、LED灯、光敏接收器和HMI系统；所述定位模块、光通信调制模块、光敏接收器和HMI系统分别与MCU连接，所述LED灯与光通信调制模块连接。本发明还公开了一种基于可见光通信的汽车追尾预警方法，在前方车辆和后方接近车辆上均安装有所述的基于可见光通信的汽车追尾预警系统，后方接近车辆采用主动方式向前方车辆发送信息，使前方车辆能够获得后方接近车辆更多的状态信息，确保了前方车辆追尾预警的准确性；另外，前方车辆的追尾预警能够根据后方接近车辆的车型选择合适的TTC阈值，使判断更精确。

Description

一种基于可见光通信的汽车追尾预警系统及方法

所属技术领域

本发明属于汽车电子控制技术，具体涉及一种基于可见光通信的汽车追尾预警系统及方法。

背景技术

追尾事故是汽车行驶事故中最具代表性的事故形式，在我国，追尾事故率占总交通事故率的1/3左右，引起巨大的人员伤亡与经济损失。为减少追尾事故率，提高整车安全性能，追尾预警系统被越来越广泛地应用到汽车中，在潜在追尾风险发生时，向车辆提供追尾预警，使得驾驶员能及时采取加速、转向等措施来规避追尾或减少伤害。

现有追尾预警系统一般是基于雷达的追尾预警系统，即在车辆的尾部安装雷达，通过雷达主动探测在本车道快速接近的后方接近车辆，如图4所示，在行车过程中，系统不断检测本车正后方接近车辆的距离，判断是否有追尾危险，当本车道快速接近的后方接近车辆的碰撞时间(TTC)小于时间阈值时，发出追尾预警，即收紧安全带，预警指示灯点亮等方式进行预警。

然而基于雷达的追尾预警系统存在以下不足：

(1)接近车辆可能是乘用车、卡车等，不同车型的接近车辆的纵向加速度、制动特性、转向特性等动力学特性不同，应该标定的TTC情况应不同。但是基于雷达的追尾预警系统采用主动探测的方法，只能探测到后方接近车辆的距离和速度信息，不能获得更多的后方接近车辆的信息，因此无法根据后方车型进行更合理的动态设定TTC阈值和报警时间点。

(2)基于雷达的追尾预警系统只能探测到本车正后方的车辆，参见图4，在弯道情况下，相邻车道车辆12被车辆10的雷达波13探测到，易产生相邻车道车辆的误报；而与车辆10同车道的后方车辆11由于无法被车辆10的雷达波13探测到，则存在潜在追尾危险被漏报。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于可见光通信的汽车追尾预警系统及方法，后方接近车辆采用主动方式向前方车辆发送信息，使前方车辆能获得后方接近车辆更多的状态信息，以确保前方车辆追尾预警的准确性；另外，前方车辆的追尾预警能根据后方接近车辆的车型选择合适的TTC阈值，使判断更精确。

本发明所述的基于可见光通信的汽车追尾预警系统，包括定位模块、MCU、光通信调制模块、LED灯、光敏接收器和HMI系统；

所述定位模块用于获取本车辆的位置信息、航向信息及行驶姿态信息并发送给MCU，该定位模块与MCU连接；

所述MCU用于从本车辆的总线上获取车辆行驶状态、载荷状态和车型信息，并基于所述本车辆的位置信息计算出历史轨迹，同时将所述历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息发送给光通信调制模块，该光通信调制模块与MCU连接；

所述光通信调制模块对所述历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息进行调制并驱动LED灯闪烁，该LED灯与光通信调制模块连接；

所述LED灯安装在汽车的头部，用于产生包含本车辆的历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息的光信号，并发送出去；

所述光敏接收器安装在汽车的尾部，用于接收后方接近车辆的LED灯发射的包含有后方接近车辆的历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息的光信号，并将接收的光信号进行调理与解调后发送给MCU，该光敏接收器与MCU连接；

所述MCU根据本车辆的位置信息、航向信息、行驶姿态信息计算得到本车辆的预测路径，并基于本车辆的位置信息和预测路径，以及后方接近车辆的位置信息和历史轨迹信息判断出本车辆与后方接近车辆是否在同一车道上；若在同一车道上，则基于两车辆的距离以及相对速度计算出本车辆与后方接近车辆的TTC(即碰撞时间)，并根据后方接近车辆的车型、载荷信息计算出后方接近车辆可选择的最大减速度值并依此选择TTC阈值；当TTC<TTC阈值，且保持的时间大于预设的时间阈值，则输出给本车辆的HMI系统(即人机界面系统)，对驾驶员进行预警，该HMI系统与MCU连接。

所述LED灯为LED日间行车灯或LED大灯。

本发明所述的基于可见光通信的汽车追尾预警方法，在前方车辆和后方接近车辆上均安装有基于可见光通信的汽车追尾预警系统，包括以下步骤：

步骤一、在行驶过程中，后方接近车辆的定位模块获取本车辆的位置信息，后方接近车辆的MCU基于本车辆的位置信息计算出本车辆的历史轨迹；后方接近车辆的MCU从车辆总线上获得本车辆的行驶状态、载荷状态；再将本车辆的位置信息、历史轨迹、行驶状态、载荷状态以及车型信息传递给本车辆的光通信调制模块，由所述光通信调制模块对信息进行编码，并驱动本车辆的LED日间行车灯或LED大灯闪烁，产生包含本车辆的位置信息、历史轨迹、行驶状态、载荷状态以及车型信息的光信号，并发送出去；

步骤二、当前方车辆的光敏接收器接收到后方接近车辆发送出来的光信号，由前方车辆的光敏接收器对接收到的光信号进行调理与解调，前方车辆的MCU根据本车辆的位置信息、航向信息、行驶姿态信息计算得到本车辆的预测路径，并基于本车辆的位置信息和预测路径，以及后方接近车辆的位置信息和历史轨迹信息判断出前方车辆与后方接近车辆是否在同一车道上，若在同一车道，则基于两车辆的距离以及相对速度计算出前方车辆与后方接近车辆TTC；再根据后方接近车辆的车型、载荷信息计算出后方接近车辆可选择的最大减速度值并依此选择TTC阈值；当TTC<TTC阈值，且保持的时间大于预设的时间阈值，则输出给前方车辆的HMI系统，对前方车辆的驾驶员进行预警。

所述后方接近车辆采用自适应前照灯系统，即LED大灯可以根据弯道自适应调节方向。

本发明具有以下优点：

(1)后方接近车辆采用主动方式向前方车辆发送信息，使前方车辆能够获得后方接近车辆更多的状态信息，确保了前方车辆追尾预警的准确性；

(2)前方车辆的追尾预警根据后方接近车辆的车型选择最合适的TTC阈值，使判断更精确；

(3)本发明通过后方接近车辆的历史轨迹与前方车辆的预测路径对比判断后方接近车辆与前方车辆是否在同一车道上的方法，当车辆在弯道行驶时，该方法同样适用，故不会出现因车辆经过弯道而产生误报的情况；

(4)该系统与AFS(即自适应前照灯)系统相结合，由于LED大灯可以根据弯道自适应调节，在弯道处，后方接近车辆的信息也能够传递给前方车辆，减少了弯道追尾危险漏报的情况；

(5)该系统与车辆本身的灯光系统(LED日间行车灯/LED大灯)结合，不会影响灯光系统的正常工作，减少了传统追尾预警系统安装雷达所产生的成本。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的使用框图；

图3为本发明的使用状态图；

图4为现有技术的使用状态图；

图5为本发明中光通信调制模块的结构框图；

图6为图5中CPU处理器的管脚结构图；

图7为图5中CPU处理器与汽车LIN总线的一种连接电路；

图8为图5中电压变换电路的一种具体结构图；

图9为图5中前向电压测试电路的一种具体结构图；

图10为图5中恒流压控电路的一种具体结构图。

图11为本发明中光敏接收器的结构框图；

图12为图11中光电转换电路的原理图；

图13为图11中冗余平均电路的一种具体原理图；

图14为图11中低通滤波电路的一种具体原理图；

图15为本发明微机处理器计算最优接收空间角度的程序流程图；

其中，图2，图3和图4中的箭头表示车辆行驶的方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述的一种基于可见光通信的汽车追尾预警系统，包括定位模块4、MCU3(即：微控制单元)、光通信调制模块2、LED灯1、光敏接收器5和HMI系统6(如：仪表显示屏、仪表蜂鸣器、安全带等)；其中，LED灯1采用LED日间行车灯。

定位模块4由卫星定位系统和陀螺仪组成，用于获取本车辆的位置信息、航向信息及行驶姿态信息，并将本车辆的位置信息、航向信息及行驶姿态信息发送给MCU3，该定位模块4与MCU3连接。

MCU3用于从本车辆的总线上获取车辆行驶状态(比如：车速、制动状态)、载荷状态和车型信息(比如：大卡、轻卡、大客、中客、乘用车等，车型信息存储在汽车上的某一控制器内)，并基于所述本车辆的位置信息计算出历史轨迹，同时将所述历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息发送给光通信调制模块2，该光通信调制模块2与MCU3连接。

光通信调制模块2对所述历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息进行调制并驱动LED日间行车灯高频闪烁产生光信号9，该LED日间行车灯与光通信调制模块2连接。

LED日间行车灯安装在汽车的头部，用于产生包含本车辆的历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息的光信号9，并发送出去。

光敏接收器5安装在汽车的尾部，用于接收后方接近车辆8的LED日间行车灯发射的包含有后方接近车辆8的历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息的光信号9，并将接收的光信号9进行调理与解调后发送给MCU3，该光敏接收器5与MCU3连接。

MCU3根据本车辆的位置信息、航向信息及行驶姿态信息计算得到本车辆的预测路径，并基于本车辆的位置信息和预测路径，以及后方接近车辆8的位置信息和历史轨迹信息判断出本车辆与后方接近车辆8是否在同一车道上；若在同一车道上，则基于两车辆的距离以及相对速度计算出本车辆与后方接近车辆8的TTC(即碰撞时间)，并根据后方接近车辆8的车型、载荷信息计算出后方接近车辆8可选择的最大减速度值并依此选择TTC阈值；当TTC<TTC阈值，且保持的时间大于预设的时间阈值，则输出给本车辆的HMI系统6，对驾驶员进行预警，该HMI系统6与MCU3连接。

本发明所述的基于可见光通信的汽车追尾预警系统中，所述LED灯1亦可采用LED大灯。

如图2和图3所示，本发明所述的一种基于可见光通信的汽车追尾预警方法，在前方车辆7和后方接近车辆8上均安装有本发明所述的基于可见光通信的汽车追尾预警系统，且至少后方接近车辆8采用AFS(即自适应前照灯)系统；该方法包括以下步骤：

步骤一、在行驶过程中，后方接近车辆8的定位模块4获取本车辆的位置信息，后方接近车辆8的MCU3基于本车辆的位置信息计算出本车辆的历史轨迹；后方接近车辆8的MCU3从车辆总线上获得本车辆的行驶状态、载荷状态；再将本车辆的位置信息、历史轨迹、行驶状态、载荷状态以及车型信息传递给本车辆的光通信调制模块2，由所述光通信调制模块2对信息进行编码，并驱动本车辆的LED日间行车灯或LED大灯闪烁，产生包含本车辆的位置信息、历史轨迹、行驶状态、载荷状态以及车型信息的光信号9，并发送出去。

步骤二、当前方车辆7的光敏接收器5接收到后方接近车辆8发送出来的光信号9，由前方车辆7的光敏接收器5对接收到的光信号9进行调制与解调，前方车辆7的MCU3根据本车辆的位置信息、航向信息及行驶姿态信息计算得到本车辆的预测路径，并结合本车辆的位置信息和预测路径，以及后方接近车辆8的位置信息和历史轨迹信息判断出前方车辆7与后方接近车辆8是否在同一车道上，若在同一车道，则基于两车辆的距离以及相对速度计算出前方车辆7与后方接近车辆8的TTC；再根据后方接近车辆8的车型、载荷信息计算出后方接近车辆8可选择的最大减速度值并依此选择TTC阈值；当TTC<TTC阈值，且保持的时间大于预设的时间阈值，则输出给前方车辆7的HMI系统6，HMI系统6驱动前方车辆7的仪表进行图像报警，蜂鸣器进行声音提示，安全带进行振动对前方车辆7的驾驶员进行预警。

参见图3，本发明通过后方接近车辆8的历史轨迹与前方车辆7的预测路径对比判断后方接近车辆与前方车辆是否在同一车道的方法，当车辆在弯道行驶时，该方法同样适用，故不会出现因车辆经过弯道而产生误报的情况。

参见图3，后方接近车辆8采用自适应前照灯系统，即LED大灯可以根据弯道自适应调节，在弯道处，后方接近车辆8信息能够传递给前方车辆7，从而减少了弯道追尾危险漏报的情况。

本发明中的光通信调制模块2采用现有技术，比如：申请号：2014205836509公开的一种驱动LED车灯光通信的发射装置，其包括如图5所示，包括起控制作用和进行数据处理、输出的CPU处理器21，以及为LED灯1提供驱动电流的电压变换电路25。所述CPU处理器21(光通信调制模块2可不单独使用CPU处理器，可通过汽车追尾预警系中MCU3进行控制和数据处理)通过接口电路23与汽车LIN/CAN总线22通信连接，以获取光通信的信息内容。所述电压变换电路25对CPU处理器21发送来的通信数据以高、低电平的形式调制到照明电流上，受电压变换电路25驱动的高频半导体开关26为电流波形的调制器件。

对所述LED灯1设置有测量正向压降的前向电压测试电路24，所述前向电压测试电路24的输出端与CPU处理器21连接，CPU处理器21根据正向压降和温度系数算出LED灯1的结温值，并结合通信数据从电平输出端输出数字式参考电平。CPU处理器21电平输出端依次连接有D/A转换电路28、第二低通滤波电路29和恒流压控电路27，对参考电平进行模拟量转换。所述恒流压控电路27的输出端与电压变换电路25的参考电压端连接进行线与，电压变换电路25的输出电流值大小参考电压大小决定，即是通信数据编码的电流波形的高、低电平值由CPU处理器21对结温和通信数据进行模糊分类判决后的参考电压决定。

作为一种具体的实施电路，所述CPU处理器21为飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128，单片机的管脚对应的端子编号如图6所示，单片机的管脚50～52(即是端子LIN-RXD、LIN-TXD、LIN-EN)通过型号为MC33661的LIN总线驱动器与汽车LIN总线连接，如图7所示，单片机的管脚45(即是端子PAD06)为前向电压输入端，其余管脚的设置参见图6。

所述电压变换电路25包括型号为LM3421的LED驱动控制器，LM3421的管脚设置如图8所示，LM3421的管脚8(即是端子nDIM)通过三极管Q7与单片机的管脚63(即是端子PWM7)连接，LM3421的管脚7(即是端子OVP)为参考电压端，LM3421的管脚12(即是端子VCC)与一NPN型三极管Q4的基极连接，LM3421的管脚9(即是端子DDRV)与三极管Q4的发射极电阻连接，三极管Q4的集电极分别与一NPN型三极管Q2和一PNP型三极管Q3的基极连接，三极管Q2的集电极与基极电阻连接，三极管Q2的发射极与三极管Q3的发射极连接，三极管Q3的集电极与一PNP型三极管Q6的基极连接，三极管Q3的集电极还连接供电源电压且通过一二极管与基极连接，三极管Q6的发射极与三极管Q2的集电极电阻连接，三极管Q6的集电极与LM3421的管脚7(即是端子OVP)连接且通过电阻接地。

为避免电压变换电路25控制过程中出现非收敛性，引起开关电源的非正常工作，导致照明功能失效，所述可变方波调制用的高频半导体开关26采用GaN基的高电子迁移率晶体管Q1，其开关频率小于开关电源工作频率的十分之一，且为避免视觉性能畸变，Q1的工作频率大于200Hz为宜。Q1的G极与Q2的发射极连接，Q1的D极与LM3421的的管脚1(工作电压端)间连接一GaN基的二极管D5，Q1的S极连接有第一电阻RSNS1，所述第一电阻RSNS1与Q1的S极连接的一端与LM3421的管脚15(即是端子HSP)电阻连接，第一电阻RSNS1的另一端与LM3421的管脚16(即是端子HSN)电阻连接且连接供电源电压，二极管D5的负极与Q2的集电极连接，代表LED灯1的ILED1连接于二极管D5的负极与Q1的D极之间。

所述前向电压测试电路24用于测试LED灯1的正向压降，CPU处理器21根据正向压降和温度系数计算结温，其电路结构如图9所示。所述恒流压控电路27中，如图10所示，通过运放LM358和场效应管组成，实现对电压变换电路25的参考电压Vref进行线与。其余的D/A转换电路28和第二低通滤波电路29采用现有模块即可，不再赘述。

本发明的驱动LED车灯光通信的方法：所述CPU处理器21将通信数据以数据帧的格式发送至电压变换电路25进行调制，电压变换电路25将通信数据以高低电平的形式调制在LED灯1的照明直流电流波上；所述CPU处理器21实时根据LED灯1的结温值，结合汽车LIN/CAN总线22的行车参数及通信数据，对电压变换电路25提供参考电压，电压变换电路25根据参考电压调节通信数据对应电流波形的高、低电平值。

影响通信效果的因素应考虑两车的间距、环境光照干扰等因素，而LED灯1的照明光效受结温和驱动电流等因素的影响。在使LED灯1工作在规定的照明亮度的情况下，通信数据要调制在照明电流上。而通信数据是以高低电平的形式表现，其高电平的引入会降低LED灯1的光效，因此，在两车处于通信接收效果较好的车况下时，通过减小电流波形高、低电平的差值，使之趋于照明直流电，能够增大光效。

而LED灯1的结温，直接影响其寿命和可靠性，在保证LED灯1规定的工作照明亮度条件下，降低通过LED灯1的平均电流值来降低结温。所述LED灯1的结温值由正向压降和温度系数计算得到。上述结温值作为实时反馈值，形成参考电平动态调节环路，以实现驱动LED灯1工作的电流值的可控调节，在有无通信时结温的动态调节，可以保证LED灯1的寿命。其中LED灯1的结温值由前面所述的前向电压测试电路24测量计算得到。

除调节电流值，所述CPU处理器21结合汽车LIN/CAN总线22的行车参数及通信数据调节通信数据对应电流波形的频率，以提高通信数据的传输速率，缩短车辆通信的响应时间。除LED灯1无通信时照明电流的发生频率，所述通信数据以二进制数据流的形式由不少于2个的不同频率的方波信号进行组合编码，为不影响正常的照明功能，每个频率f_i大于1kHz且小于电压变换电路25电源开关频率的十分之一，考虑光的复杂传播对接收端频率解调误码率的影响，方波信号中的任意相对频差值大于1％且相邻频率的相对频差不小于5％。其中相对频差的定义为：(f_i-f_j)/(f_i+f_j)×100％，f_i，f_j表示编码电流中的两个不同方波频率。

所述通信数据对应电流波形的高、低电平值按模糊分类指数加权调节，所谓模糊分类指数加权调节具体如下：

当LED灯1的结温值T_jn大于阈值温度T_th时，对当前t_k时刻电流波形I(k)的电平值进行指数加权衰减，获得下一时刻电流波形的电平值I(k+1)即，α₁∈[1,100]，在这一首要调节条件下，又有3种车距情况：

(1)当车与车间的通信距离d_c2c小于阈值距离下限时，对当前t_k时刻电流波形的高、低电平差值按指数衰减减小，获得下一时刻t_k+1电流波形的高低电平值差值ΔI(k+1)即， $\mathrm{\&Delta;I}(k+1)=\mathrm{\&Delta;I}\left(k\right)\&CenterDot;\exp [-{\mathrm{\&alpha;}}_2/(d_{\mathrm{th}}^d-d_{c2c})],$ α₂∈[0.1,30]。

(2)当车与车间的通信距离d_c2c大于阈值距离上限且在有效通信距离内时，对当前t_k时刻电流波形的高、低电平差值按指数加强增大，获得的下一时刻t_k+1电流波形的高低电平值差值ΔI(k+1)即， $\mathrm{\&Delta;I}(k+1)=\mathrm{\&Delta;I}\left(k\right)\&CenterDot;\exp [{\mathrm{\&alpha;}}_3/(d_{c2c}-d_{\mathrm{th}}^u)],$ α₃∈(0.1，300]。

(3)当车与车间的通信距离d_c2c在阈值距离上下限内时，当前t_k时刻与下一时刻t_k+1的高、低电平差值与通信距离呈指数衰减即， $\mathrm{\&Delta;I}(k+1)=\mathrm{\&Delta;I}\left(k\right)\&CenterDot;\{{\mathrm{\&alpha;}}_4\&CenterDot;\exp [-{\mathrm{\&alpha;}}_2/(d_{c2c}-d_{\mathrm{th}}^d)]+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_4)\&CenterDot;\exp \left(\right[{\mathrm{\&alpha;}}_2/(d_{\mathrm{th}}^u-d_{c2c})]\},$ α₄∈[0，1]。

上述α₁～α₄为系数，其值可根据技术需要选取，影响电流值改变的幅度；而时刻间的间隔长短关系调节的频繁与否。本发明从理论上讲，其电流的电平值可实现连续线性的高、低电平调节，或是较多数值的电平值，但在实际运用中，连续线性的值或是大量的电平值，会导致调制系统对微小因素的变化过于敏感，使系统长时间处于高频率的运算和调制中，反而消耗器件和能源。

因此，一般选用三个电平和三个频率进行切换式调节，即可显著地提高光效，降低能耗。车与车间的距离安全阈值可按GB7258规范涉及的300米、20米和10米进行设置，对近距离高风险范围增加编码频率。设驱动LED灯1的电流波形涉及高电平I₃、低电平I₁和照明电平I₂，LED灯1的额定照明电流为I_avg，若LED灯1的结温值T_jn大于阈值温度100℃，则在k时刻的后一时刻，均有I_i(k+1)＝I_i(k)·exp(-13/(T_jn-100))，i＝1,2,3，在该条件下有：

(1)当车与车间的距离大于阈值距离上限30米且小于300米时，无通信数据时LED灯1初始的照明电平I₂＝I_avg，在通信数据对应电流波形中初始的高电平I₃为2I_avg，初始的低电平I₁为0，I₂的发生频率为200Hz,I₁的发生频率为20kHz，I₃的发生频率为21kHz。

(2)当车与车间的距离大于阈值距离下限10米时且小于阈值距离上限30米时，无通信数据时LED灯1初始的照明电平I₂＝I_avg，在通信编码驱动电流波形中初始的高电平I₃为1.5I_avg，初始的低电平I₁为0.5I_avg，I₂的发生频率为1000Hz,I₁的发生频率为500kHz，I₃的发生频率为510kHz。

(3)当车与车间的距离小于阈值距离下限10m时，无通信数据时LED灯1初始的照明电平I₂＝I_avg，在通信编码驱动电流波形中初始的高电平I₃为1.5I_avg，初始的低电平I₁为0.5I_avg，I₂的发生频率为0Hz,I₁的发生频率为2000kHz，I₃的发生频率为210kHz。

(4)当车与车间的通信距离大于有效通信距离300米时，停止通信，LED灯1初始的额定照明电流I₂＝I_avg。

除上述三个电平值的情况，可以更细分地设置更多的电平值。在电流波形的高电平的选择时，应保证其小于5倍额定照明电流为I_avg，以免过高的电流损坏LED灯1。LED灯1的结温值的调节幅度一般不超过10％为宜，避免调节幅度太大引起驱动LED灯1的电流减小过多，不符合规定的照明亮度。

本发明通过结温调节保证了LED灯的使用寿命，并通过调节数据通信中电流波形的高低电平差值，保证不同车距间能够可靠通信；另一方面在规定照度下提高了照明光效，最大程度的避免“droop”效应的发生，保护电路器件；再一方面通过频率调节，提高通信速率，保证通信的及时性。

如图11所示，本发明所述的光敏接收器5可采用现有技术，比如：专利号：2014205712760，公开的一种用于LED车灯光通信的自适应接收装置，包含光电转换模块、微机处理器17和微机电机构16，光电转换模块中的光电二极管阵列14作为接收和转换光信号的器件安装在微机电机构16上，采用包含多只二极管的阵列形式，光电二极管阵列14能够在较大角度范围内接收到光信号，且对应二极管的个数输出多路电信号，后经多通道放大电路15放大至标准信号输入微机处理器17。由于各光电二极管相对于光信号发射源的位置不同，因此接收到的各路信号强度也不同，微机处理器17对各路信号进行识别和筛选。通常情况下，本装置相对光信号发射源是运动的，微机处理器17根据信号的接收情况，控制微机电机构16移动，进而调整光电二极管阵列14的接收角度，以保持实时的跟踪接收，获得较优的信号。

为了信号的调解更准确，所述微机处理器17输出连接有冗余平均电路18以将若干路信号处理成一路信号，该路信号偏差小相似度高。所述冗余平均电路18输出连接有第一低通滤波电路19，所述第一低通滤波电路19输出连接有整形电路20，信号进一步得到去噪和规整，利于信号的解调。

微机处理器17选用处理能力不低于型号为MC9S12XS128的单片机，以该型号的单片机为例，其控制输出端的微机电机构16可选用型号为NM-XY-100X的MEMS系统，单片机的三个PWM波形输出端口与微机电机构16的输入端连接。

所述光电二极管阵列14包含多只GaN基光电二极管，工作时，可选用其中均布在各部的六只D1～D6，如图12所示，每个光电二极管的正极均连接至一工作电压源Vcc，光电二极管D1～D6的负极一一对应阻值相同的电阻R1～R6接地，该六个光电二极管的负极经六通道放大电路与单片机的其中六个PAD端子一一对应连接，D1～D6的负极处的电压值与其自身接收到的光信号对应，即为光电转换后的电信号。

所述冗余平均电路18为加法平均电路，如图13所示，其包括一型号为LM324C的比较器，该比较器的负输入端接地、正输入端与输出端通过电阻Rf连接，六路信号经单片机筛除偏颇信号后，保留四路信号，单片机的PA0～PA3端子与比较器的正输入端通过电阻R、Ra、Rb、Rc连接，比较器的输出端V0与第一低通滤波电路19的输入端、单片机的另一PAD端子连接。

第一低通滤波电路19和整形电路20采用现有技术即可，如图14所示的一种二阶第一低通滤波电路。

本发明中光敏接收器5的自适应接收方法：采用光电二极管阵列14接收LED车灯发射出来的光信号并进行光电转换，并将二极管阵列安装在微机电系统的执行机构上，所述光电二极管阵列14采用多个光电二极管并行接收和转换光信号，输出组数与光电二极管数量对应的电信号。

采用微机处理器17对光电二极管阵列14输出的多组电信号进行处理，微机处理器17计算各组信号的相似度或互相关系数大小，去掉偏颇电信号组保留有效电信号组，如光电二极管阵列14输出六组电信号，可筛除两路电信号后保留四组电信号，将这四组电信号储存；同时，这四组电信号实时地进入处理环节和解调环节。

所述执行机构按间隔时间驱动二极管阵列在三维空间内微移动，该微移动量设为扰动输入量，微机处理器17根据扰动观察法计算扰动前后来自光电二极管阵列14的电信号组的相似度，比较扰动前还是扰动后的电信号组相似度哪个综合较高。相似度较高的电信号组对应的二极管阵列所在的空间角度设为最优接收角度暂存于微机处理器17内，微机处理器17将该最优接收角度信息发送至微机电系统，执行机构将二极管阵列调至该最优接收角度，最优接收角度随每次扰动输入得到更新。这些计算过程由微机处理器17按程序代码执行，程序的原理流程图如图15所示。

上述处理环节包括对有效电信号组的冗余平均处理，得到一路相似度最大信号，该路相似度最大信号经低通滤波和整形后得到完美的信号，进入解调环节。由于多组电信号与多组电信号计算相似度的量较大，为简化计算，提高可实施性，用上述的一路相似度最大信号代表其所在电信号组，用于计算和比较相似度值。因此，该路相似度最大信号反馈回微机处理器17作为计算相似度的基准电信号。

进一步说明，计算最优接收空间角度的步骤如下：

步骤a：设最优接收角度的坐标变量为(X^opt,Y^opt,Z^opt)；

步骤b：设第k次扰动输入前接收角度的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，其电信号对应的波形组根据波形相似度计算或互相关运算得到有效电信号组(V01，.......，V0n)，该有效电信号组(V01，.......，V0n)冗余平均后得到一路相似度最大信号V_k，该路相似度最大信号V_k与第k-1次扰动输入前的相似度最大信号V_k-1比较，得到相似度值为f_k-1；

步骤c：第k次扰动输入，扰动量为(△X₀，△Y₀，△Z₀)，扰动后的接收角度的坐标为(X₀+△X₀，Y₀+△Y₀，Z₀+△Z₀)，其电信号相对的波形组根据波形相似度计算或互相关运算得到有效电信号组(V11，.......，V1m)，该有效电信号组(V11，.......，V1m)冗余平均后得到一路相似度最大信号V_k+1，该路相似度最大信号V_k+1与第k次扰动输入前的相似度最大信号V_k比较，得到相似度值为f_k；

步骤d：比较f_k-1与f_k的值，

若f_k-1＞f_k，令(X^opt，Y^opt，Z^opt)取值(X₀，Y₀，Z₀)，

其余结果，令(X^opt,Y^opt,Z^opt)取值(X₀+△X₀，Y₀+△Y₀，Z₀+△Z₀)。

在计算最优接收空间角度的持续过程中，最优接收角度的坐标变量(X^opt,Y^opt,Z^opt)由前次扰动后是确定坐标的。而在刚开始求最优接收空间角度的时候，由于之前没有扰动，可以以二极管阵列当前的接收角度初始赋值，在随后的多次扰动中得到不断修正。

相似度的计算原理，根据信号处理技术，有：

k时刻的相似度大小矩阵为：其中，表示卷积算子，k时刻的前一时刻的信号组v^k-1(V₁,…,V_i，…,V_j,…V_n)作为当前k时刻检测信号组v^k的基准波。

定义的相似度值 $f(V1,......,\mathrm{Vn})=\underset{i=n}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j=n}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{step}(S_{i,j}^k>s_{\mathrm{th}}),$ 其中step(·)表示单位阶跃函数，s_th为定义的阈值。

上述计算原理中，在具体实施时s_th常取值为0.8，二极管阵列信号通道数常取6～10个。该计算过程较为复杂，而现有技术中已有专用的卷积和相似度计算函数，程序编写时直接调用即可。

在实际运用中，如果每次的扰动量只作用在一维方向上，则调整至最优接收角度所需的调整次数和运算次数将会大幅度增加，找到最优接收角度的速度将会变慢，而车辆是运动的，这样不但容易导致执行机构不停地调整却不能停留到相对稳定的状态，影响到信号的接收效果，还对微机处理器17的运算速度及微机电系统的响应速度提出了极高的要求。因此，较实用且易于实施的，所述扰动量(△X0，△Y0，△Z0)取三维合成方向，执行机构对应移动0.01mm，即可满足自适应追踪效果。

本发明利用GaN二极管阵列实现光电转换，扩大了接收角度，抑制了外部环境光的干扰，同时对多路信号采用冗余平均技术，且把GaN二极管阵列封装在微机电结构上，在此基础上结合扰动观察法由微机处理器实现最优接收空间角度{X^opt，Y^opt，Z^opt}的计算和控制，增强了对光信号的跟踪能力。相比传统雪崩光电二极管、硅光电二极管的昂贵价格和弱光谱选择能力，本方案中的GaN基底的LED具有廉价、光谱带窄等优点。简言之，本方案对光信号的灵敏度高，接收角度大，动态跟踪能力强，解决了车车之间发送及接收的位置关系的时变问题，尤其有利于车与车之间的光通信。

Claims (4)

1.一种基于可见光通信的汽车追尾预警系统，其特征在于：包括定位模块（4）、MCU（3）、光通信调制模块（2）、LED灯（1）、光敏接收器（5）和HMI系统（6）；

所述定位模块（4）用于获取本车辆的位置信息、航向信息及行驶姿态信息并发送给MCU（3），该定位模块（4）与MCU（3）连接；

所述MCU（3）用于从本车辆的总线上获取车辆行驶状态、载荷状态和车型信息，并基于本车辆的位置信息计算出历史轨迹，同时将所述历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息发送给光通信调制模块（2），该光通信调制模块（2）与MCU（3）连接；

所述光通信调制模块（2）对所述历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息进行调制并驱动LED灯（1）闪烁，该LED灯（1）与光通信调制模块（2）连接；

所述LED灯（1）安装在汽车的头部，用于产生包含本车辆的历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息的光信号（9），并发送出去；

所述光敏接收器（5）安装在汽车的尾部，用于接收后方接近车辆（8）的LED灯（1）发射的包含有后方接近车辆（8）的历史轨迹、车辆行驶状态、载荷状态以及车型信息的光信号（9），并将接收的光信号（9）进行调理与解调后发送给MCU（3），该光敏接收器（5）与MCU（3）连接；

所述MCU（3）根据本车辆的位置信息、航向信息、行驶姿态信息计算得到本车辆的预测路径，并基于本车辆的位置信息和预测路径，以及后方接近车辆（8）的位置信息和历史轨迹信息判断出本车辆与后方接近车辆（8）是否在同一车道上；若在同一车道上，则基于两车辆的距离以及相对速度计算出本车辆与后方接近车辆（8）的TTC，并根据后方接近车辆（8）的车型、载荷信息计算出后方接近车辆（8）可选择的最大减速度值并依此选择TTC阈值；当TTC<TTC阈值，且保持的时间大于预设的时间阈值，则输出给本车辆的 HMI系统（6），对驾驶员进行预警，该HMI系统（6）与MCU（3）连接。

2.根据权利要求1所述的基于可见光通信的汽车追尾预警系统，其特征在于：所述LED灯（1）为LED日间行车灯或LED大灯。

3.一种基于可见光通信的汽车追尾预警方法，其特征在于：在前方车辆（7）和后方接近车辆（8）上均安装有如权利要求2所述的基于可见光通信的汽车追尾预警系统，包括以下步骤：

步骤一、在行驶过程中，后方接近车辆（8）的定位模块（4）获取本车辆的位置信息，后方接近车辆（8）的MCU（3）基于本车辆的位置信息计算出本车辆的历史轨迹；后方接近车辆（8）的MCU（3）从车辆总线上获得本车辆的行驶状态、载荷状态；再将本车辆的位置信息、历史轨迹、行驶状态、载荷状态以及车型信息传递给本车辆的光通信调制模块（2），由所述光通信调制模块（2）对信息进行编码，并驱动本车辆的LED日间行车灯或LED大灯闪烁，产生包含本车辆的位置信息、历史轨迹、行驶状态、载荷状态以及车型信息的光信号（9），并发送出去；

步骤二、当前方车辆（7）的光敏接收器（5）接收到后方接近车辆（8）发送出来的光信号（9），由前方车辆（7）的光敏接收器（5）对接收到的光信号（9）进行调理与解调，前方车辆（7）的MCU（3）根据本车辆的位置信息、航向信息、行驶姿态信息计算得到本车辆的预测路径，并基于本车辆的位置信息和预测路径，以及后方接近车辆（8）的位置信息和历史轨迹信息判断出前方车辆（7）与后方接近车辆（8）是否在同一车道上，若在同一车道，则基于两车辆的距离以及相对速度计算出前方车辆（7）与后方接近车辆（8）的TTC；再根据后方接近车辆（8）的车型、载荷信息计算出后方接近车辆（8）可选择的最大减速度值并依此选择TTC阈值；当TTC<TTC阈值，且保持的时间大于预设的时间阈值，则输出给前方车辆（7）的HMI系统（6），对前方车辆（7）的驾驶员进行预警。

4.根据权利要求3所述的基于可见光通信的汽车追尾预警方法，其特征在于：所述后方接近车辆（8）采用自适应前照灯系统。