CN107064921B - 一种无线测距及车辆防撞预警方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线测距及车辆防撞预警方法和系统，发射端以最大发射功率P_max发射电磁波；接收端接收发射端的电磁波信号，计算一个信号周期内收到的信号强度大于等于设置的门槛临界值∆P的时长∆t或计数器数值，根据时长∆t或计数器数值来确定接收端与发射端的距离；发射端发射的电磁波信号满足一个信号周期内发射功率函数的单调性，并单一频率辐射；以接收端车辆为原点，使用三点定位原理测出发射端车辆两次以上位置，如果发射车辆两次位置所在直线经过接收车辆安全行驶范围，且距离逐渐减小，告知司机提前做出预警。硬件电路实现比较容易，硬件成本低；无需考虑发射端与接收端时间同步问题，无需考虑电磁波速的影响，测量误差非常小。

Description

一种无线测距及车辆防撞预警方法和系统

技术领域

本发明涉及一种无线测距及车辆防撞预警方法和系统，特别是涉及一种适用于车辆无线测距防撞领域的无线测距及车辆防撞预警方法和系统。

背景技术

无线测距技术在生产生活中大量应用，特别是在汽车预警方面。现有汽车测距技术方式包括定向雷达反射波（红外线、超声雷达等）、询问——应答式、单向测距（见申请号201210296473.1）都存在应用的不足：

定向雷达反射波测距：由于信号受到最近车辆或者建筑物的阻挡，只能知晓相邻最近车辆的运行状况，无法提前知晓稍远处的交通状况，如高速公路连环追尾事故。

询问——应答式：根据文献资料，这种以倍频反馈方式一对一应答最突出缺点：1、时间占用较大，比较浪费时间，2、工作频率不单一，在车流量密集区域进行测距时，系统频带占用较宽，对于现在稀缺的频带资源这种方式不可取，3、并且该询问——应答式测距方式受电磁波的巨大波速和系统的延时影响，造成测距误差较大。

单向测距（见申请号201210296473.1）：这种方式也存在严重不足：1、根据文献，发射时间是从频率中获取，不同时间有不同频率，所以对本身稀缺的频带占用较大，很浪费频带；2、由于系统运行时间差异，信号接收终端和信号发射端很难保证时间精确同步，并且该测距方式受电磁波的巨大波速的影响，造成测量误差较大；3、频带很宽对于硬件的实现和成本都是一个难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种信号不受阻挡，时效性好，占用频率唯一，测量误差小，实现成本更低的广播式无线测距及车辆防撞预警方法和系统。

本发明采用的技术方案如下：一种无线测距方法，发射端以最大发射功率P_max发射电磁波信号，接收端接收发射端的电磁波信号，并记录一个信号周期内收到的信号强度大于等于设置的门槛临界值∆P的时长∆t，或收到信号强度大于等于∆P这段时间，计数器进行计数获得计数值，根据时长∆t或计数器数值来确定接收端与发射端之间的距离；

所述发射端发射的电磁波信号采用可变功率，满足一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性，以保证在一个射频周期内△P传播方向的单一性，不产生折返和驻留；

所述发射端发射的电磁波信号采用单一频率辐射（一个单一的发射频率）。

当发射端以一个最大发射功率P_max向外辐射电磁波时，随着该电磁波传输距离的增加，每个接收端接收到的信号强度的逐渐变弱，如果在不同距离上的所有接收端，设定一个统一的门槛临界值∆P，则随着传输距离的增加，一个信号周期内，每个接收端接收到的信号强度满足门槛临界值∆P的响应时间时长∆t逐渐减小，因此，能够根据响应时间时长∆t、最大发射功率P_max及其门槛临界值∆P的对应关系来求得发射端与接收端之间的距离r。

采用单一频率广播式辐射，节约了频带资源，并且硬件电路实现比较容易，节约硬件成本；发射电磁波采用可变功率和信号强度门槛临界值△P，由于接收端计时或计数条件是信号强度大于等于门槛临界值△P这一段时间作为计时或计数，因此无需考虑发射端与接收端时间同步问题，无需考虑电磁波速的影响，测量误差非常小，理论值可以精确到毫米甚至更小。

所述发射端发射的电磁波信号采用广播式辐射，不受车辆阻挡影响，一次可以同时实现多个接收端对同一射频端的测距定位，大大节约时间，有着提前预知道路状况的能力。

所述发射端发射的电磁波信号发射功率与时间关系函数为单调递增或单调递减。设一个信号周期为t，单调递增的情况下，从0时刻到t时刻，信号发射功率逐渐增加，到t时刻达到最大值P_max，然后瞬间降为0；单调递减的情况下，0时刻瞬间达到最大值，然后，从0时刻到t时刻，信号发射功率逐渐降低，到t时刻降到最小值。所述最小值可以为0，也可以是一个信号强度小于等于∆P的值。

具体方法步骤为：

a、接收端接收到发射端发射的电磁波信号，判断该电磁波信号的强度是否大于等于设定门槛临界值∆P，如果是，则进入下一步；

b、记录时刻t1，并判断所述电磁波信号的强度是否小于设定门槛临界值∆P，如果是则进入下一步；

c、记录时刻t2，根据公式∆t=t2-t1得出时长∆t，进入下一步；

d、根据时长∆t确定接收端与发射端之间的距离。

具体方法步骤为：

a、接收端接收到发射端发射的电磁波信号，判断该电磁波信号的强度是否大于等于设定门槛临界值∆P，如果是，则进入下一步；

b、开始计时，并判断所述电磁波信号的强度是否小于设定门槛临界值∆P，如果是，则进入下一步；

c、结束计时，得出时长∆t，进入下一步；

d、根据时长∆t确定接收端与发射端之间的距离。

所述方法还包括，计时时采用计数器进行计时，电磁波信号的强度大于等于设定门槛临界值∆P则开始计数，电磁波信号的强度小于设定门槛临界值∆P则停止计数，根据计数器对应的时长∆t确定接收端与发射端之间的距离，或直接根据计数器计数值与距离的一一对应关系得到接收端与发射端之间的距离。由于多个接收端与同一发射端距离r的不同导致△P响应时间不同，从而使计数器计数时长不同，所以计数器计数值也就不同，因此计数值与距离有一一对应的关系，因此，也可以直接根据计数器与距离的一一对应关系得到接收端与发射端之间的距离。

一种基于上述无线测距方法的车辆防撞预警方法，以接收端车辆为坐标原点，使用三点定位原理测出发射端车辆两次以上位置，如果发射车辆最新相邻两次位置所在直线经过接收车辆安全行驶范围，并且两车距离逐渐减小，系统告知司机提前做出预警。

一种无线测距系统，包括电磁波发射端和接收端，所述发射端用于发射单一频率电磁波信号；所述电磁波信号采用可变功率，满足一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性；所述接收端包括电磁波信号强度门槛临界值∆P设定模块及判断模块；所述判断模块判断接收到的信号强度是否大于等于设定门槛临界值∆P或小于设定门槛临界值∆P；所述接收端还包括计算模块，计算一个信号周期内收到的信号强度大于等于设置的门槛临界值∆P的时长∆t或计数器数值，根据时长∆t或计数器数值来确定接收端与发射端之间的距离。

所述发射端采用广播式发送单一频率电磁波信号。

所述发射端还包括身份信息存储模块，发射端发射电磁波信号时，附带其身份信息一起数据广播。

所述发射端和/或接收端设置于便携式移动设备上。

一种基于上述无线测距系统的车辆防撞预警系统，包括位置判断模块及位置安全判断模块；接收端包括三个接收天线，所述位置判断模块，用于利用三点定位原理测出发射端车辆两次以上的位置；所述安全判断模块，用于判断发射车辆最新相邻两次位置所在直线是否经过接收车辆安全行驶范围，并且两车距离是否逐渐减小；还包括预警模块，用于系统告知司机提前做出预警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用单一频率广播式辐射，节约了频带资源，并且硬件电路实现比较容易，节约硬件成本；

发射电磁波采用可变功率和门槛临界值△P，由于接收端计时或计数条件是大于等于门槛临界值△P这一段时间作为计时或计数，因此无需考虑发射端与接收端时间同步问题，无需考虑电磁波速的影响，测量误差非常小，理论值可以精确到毫米甚至更小；

采用广播式，不受车辆阻挡影响，一次可以同时实现多个接收端对同一射频端的测距定位，大大节约时间，有着提前预知道路状况的能力；

由于本设计电路实现简单，可以将所述发射端和/或接收端集成到手机、电话手表等便携式设备上，进一步实现人车之间预警，减少交通事故；

能够在车况预警系统中脱离地图使用：无需知晓发射车辆速度方向等，仅需要测出发射车位置，以接收车辆为坐标原点，使用三点定位原理测出发射车辆两次位置，经过简单坐标运算，如果发射车辆两次位置所在直线经过接收车辆安全行驶范围，并且两车距离逐渐减小，系统告知司机提前做出预警。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性变化图。

图2为本发明其中一实施例的一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性变化图。

图3为本发明其中一实施例的一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性变化图。

图4为本发明其中一实施例的一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性变化图。

图5为本发明其中一实施例的一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性变化图。

图6为本发明其中一实施例的一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性变化图。

图7为本发明其中一实施例的信号强度车辆测距示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

具体实施例1

一种无线测距方法，发射端以最大发射功率P_max发射电磁波信号，接收端接收发射端的电磁波信号，并记录一个信号周期内收到的信号强度大于等于设置的门槛临界值∆P的时长∆t，或收到信号强度大于等于∆P这段时间，计数器进行计数获得计数值，根据时长∆t或计数器数值来确定接收端与发射端之间的距离；所述发射端发射的电磁波信号采用可变功率，满足一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性（如图1到图6所示）；所述发射端发射的电磁波信号采用单一频率辐射。

具体实施例2

在具体实施例1的基础上，所述发射端发射的电磁波信号采用广播式辐射。在本具体实施例中，将信号以广播形式发射出去，供接收车辆接收。

具体实施例3

在具体实施例1或2的基础上，所述发射端发射的电磁波信号发射功率与时间关系函数为单调递增或单调递减。设一个信号周期为t，单调递增的情况下（如图1、图3和图5所示），从0时刻到t时刻，信号发射功率逐渐增加，到t时刻达到最大值P_max，然后瞬间降为0；单调递减的情况下（如图2、图4和图6所示），0时刻瞬间达到最大值，然后，从0时刻到t时刻，信号发射功率逐渐降低，到t时刻降到最小值。所述最小值可以为0，也可以是一个信号强度小于等于∆P的值。

具体实施例4

在具体实施例1到3之一的基础上，具体方法步骤为：

a、接收端接收到发射端发射的电磁波信号，判断该电磁波信号的强度是否大于等于设定门槛临界值∆P，如果是，则进入下一步；

b、记录时刻t1，并判断所述电磁波信号的强度是否小于设定门槛临界值∆P，如果是，则进入下一步；

c、记录时刻t2，根据公式∆t=t2-t1得出时长∆t，进入下一步；

d、根据时长∆t确定接收端与发射端之间的距离。

具体实施例5

在具体实施例1到3之一的基础上，具体方法步骤为：

a、接收端接收到发射端发射的电磁波信号，判断该电磁波信号的强度是否大于等于设定门槛临界值∆P，如果是，则进入下一步；

b、开始计时，并判断所述电磁波信号的强度是否小于设定门槛临界值∆P，如果是，则进入下一步；

c、结束计时，得出时长∆t，进入下一步；

d、根据时长∆t确定接收端与发射端之间的距离。

具体实施例6

在具体实施例1、2、3和5之一的基础上，所述方法还包括，计时时采用计数器进行计时，电磁波信号的强度大于等于设定门槛临界值∆P则开始计数，电磁波信号的强度小于设定门槛临界值∆P则停止计数，根据计数器对应的时长∆t确定接收端与发射端之间的距离，或直接根据计数器计数值与距离的一一对应关系得到接收端与发射端之间的距离。由于多个接收端与同一发射端距离r的不同导致△P响应时间不同，从而使计数器计数时长不同，所以计数器计数值也就不同，因此计数值与距离有一一对应的关系，因此，也可以直接根据计数器与距离的一一对应关系得到接收端与发射端之间的距离。

采用计数器进行计数时，接收的电磁波信号生成高频时钟方波信号，用于门槛响应计数器计数。门槛响应计数器接收车辆在信号响应强度大于等于△P时间段作为计数时间段。

在本具体实施例中，采用查表或公式法得出广播发射车辆与信号接收车辆之间的距离r。

具体实施例7

在具体实施例1到6之一的基础上，一种车辆防撞预警方法，以接收端车辆为坐标原点，使用三点定位原理测出发射端车辆两次以上位置，如果发射车辆最新相邻两次位置所在直线经过接收车辆安全行驶范围，并且两车距离逐渐减小，系统告知司机提前做出预警。

具体实施例8

在具体实施例1到6之一的基础上，一种无线测距系统，包括电磁波发射端和接收端，所述发射端用于发射单一频率电磁波信号；所述电磁波信号采用可变功率，满足一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性；所述接收端包括电磁波信号强度门槛临界值∆P设定模块及判断模块；所述判断模块判断接收到的信号强度是否大于等于设定门槛临界值∆P或小于设定门槛临界值∆P；所述接收端还包括计算模块，计算一个信号周期内收到的信号强度大于等于设置的门槛临界值∆P的时长∆t或计数器数值，根据时长∆t或计数器数值来确定接收端与发射端之间的距离。

具体实施例9

一种无线测距系统，包括电磁波发射端和接收端，所述发射端用于发射单一频率电磁波信号；所述电磁波信号采用可变功率，满足一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性；所述接收端包括电磁波信号强度门槛临界值∆P设定模块及判断模块；所述判断模块判断接收到的信号强度是否大于等于设定门槛临界值∆P或小于设定门槛临界值∆P；所述接收端还包括计算模块，计算一个信号周期内收到的信号强度大于等于设置的门槛临界值∆P的时长∆t或计数器数值，根据时长∆t或计数器数值来确定接收端与发射端之间的距离。

采用计数器进行计数时，包括高频时钟信号生成模块，用于产生高频时钟方波信号，该高频时钟方波信号用于方波门槛响应计数器计数。门槛响应计数器接收车辆在信号响应强度大于等于△P时间段作为计数时间段。

具体实施例10

在具体实施例8到9之一的基础上，所述发射端采用广播式发送单一频率电磁波信号。

具体实施例11

在具体实施例8到10之一的基础上，所述发射端还包括身份信息存储模块，发射端发射电磁波信号时，附带其身份信息一起数据广播。

具体实施例12

在具体实施例8到11之一的基础上，所述发射端和/或接收端设置于便携式移动设备上。

具体实施例13

在具体实施例8到12之一的基础上，一种车辆防撞预警系统，包括位置判断模块及位置安全判断模块；接收端包括三个接收天线，所述位置判断模块，用于利用三点定位原理测出发射端车辆两次以上的位置；所述安全判断模块，用于判断发射车辆最新相邻两次位置所在直线是否经过接收车辆安全行驶范围，并且两车距离是否逐渐减小；还包括预警模块，用于系统告知司机提前做出预警。

具体实施例14

以图1、图3和图5情况下，如图7所示，当距离A车为R的圆环上接收到的最大信号强度为设定门槛临界值△P时，则在圆环内接收到的最大信号强度都大于△P，在圆环外部接收到的最大信号强度都小于△P，则R是A车最大发射功率P_max的对应门槛信号强度最大覆盖范围，我们假设R为150米，B、C、D车在A车门槛信号强度的最大覆盖范围内，B离A最近，D离A最远，C在B、D之间。

关于测量误差分析，以B车为例：在t_B时刻射频功率达到0.3P_max瞬间，B车门槛信号强度还未达到△P，经过时延r_B除以电磁波速所得时间后△P才传播到B处，才开始反应计数，即计数时B车反应靠后，反应时延长度r_B除以电磁波速，当功率达到P_max并瞬间变为0，在A原点处△P为0，经过时延长度r_B除以电磁波速后，B车才停止计数，停止计数反应也是靠后，而B车前后时延相等，相互抵消，所以B车计数值没有误差，测量误差≤精度1mm，同理C、D车测量误差也是≤1mm。所以测量误差与精度有关，也就是与R、t及时钟计数频率有关。

Claims (10)

1.一种无线测距方法，发射端以最大发射功率P_max递减至0或以功率为0递增至P_max发射电磁波信号；接收端接收发射端的电磁波信号，并记录一个信号周期内收到的信号强度大于等于设置的门槛临界值∆P的时长∆t，或收到信号强度大于等于∆P这段时间，计数器进行计数获得计数值，根据时长∆t或计数器数值来确定接收端与发射端之间的距离；采用公式法或查表得出发射端与接收端之间的距离；

所述发射端发射的电磁波信号采用可变功率，满足一个信号周期内发射功率与时间关系函数为单调递增或单调递减；

所述发射端发射的电磁波信号采用单一频率辐射。

2.根据权利要求1所述的无线测距方法，具体方法步骤为：

a、接收端接收到发射端发射的电磁波信号，判断该电磁波信号的强度是否大于等于设定门槛临界值∆P，如果是，则进入下一步；

b、记录时刻t1，并判断所述电磁波信号的强度是否小于设定门槛临界值∆P，如果是，则进入下一步；

c、记录时刻t2，根据公式∆t=t2-t1得出时长∆t，进入下一步；

d、根据时长∆t确定接收端与发射端之间的距离。

3.根据权利要求1所述的无线测距方法，具体方法步骤为：

a、接收端接收到发射端发射的电磁波信号，判断该电磁波信号的强度是否大于等于设定门槛临界值∆P，如果是，则进入下一步；

b、开始计时，并判断所述电磁波信号的强度是否小于设定门槛临界值∆P，如果是则进入下一步；

c、结束计时，得出时长∆t，进入下一步；

d、根据时长∆t确定接收端与发射端之间的距离。

4.根据权利要求3所述的无线测距方法，所述方法还包括，计时采用计数器进行计时，电磁波信号的强度大于等于设定门槛临界值∆P则开始计数，电磁波信号的强度小于设定门槛临界值∆P则停止计数，根据计数器对应的时长∆t确定接收端与发射端之间的距离，或直接根据计数器计数值与距离的一一对应关系得到接收端与发射端之间的距离。

5.一种基于权利要求1到4之一所述无线测距方法的车辆防撞预警方法，以接收端车辆为坐标原点，使用三点定位原理测出发射端车辆两次以上位置，如果发射端车辆最新相邻两次位置所在直线经过接收端车辆安全行驶范围，并且两车距离逐渐减小，系统告知司机提前做出预警。

6.一种无线测距系统，包括电磁波发射端和接收端，其特征在于：所述发射端用于发射单一频率电磁波信号；所述电磁波信号采用可变功率，满足一个信号周期内发射功率与时间关系函数的单调性；所述接收端包括电磁波信号强度门槛临界值∆P设定模块及判断模块；所述判断模块判断接收到的信号强度是否大于等于设定门槛临界值∆P或小于设定门槛临界值∆P；所述接收端还包括计算模块，计算一个信号周期内收到的信号强度大于等于设置的门槛临界值∆P的时长∆t或计数器数值，根据时长∆t或计数器数值来确定接收端与发射端之间的距离，采用公式法或查表得出发射端与接收端之间的距离。

7.根据权利要求6所述的无线测距系统，所述发射端采用广播式发送单一频率电磁波信号。

8.根据权利要求6所述的无线测距系统，所述发射端还包括身份信息存储模块，发射端发射电磁波信号时，附带其身份信息一起数据广播。

9.根据权利要求6所述的无线测距系统，所述发射端和/或接收端设置于便携式移动设备上。

10.一种基于权利要求6到8之一所述无线测距系统的车辆防撞预警系统，其特征在于：包括位置判断模块及位置安全判断模块；接收端包括三个接收天线，所述位置判断模块，用于利用三点定位原理测出发射端车辆两次以上的位置；所述位置安全判断模块，用于判断发射端车辆最新相邻两次位置所在直线是否经过接收端车辆安全行驶范围，并且两车距离是否逐渐减小；还包括预警模块，用于系统告知司机提前做出预警。

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