CN107097733A - 车辆通信中的电磁波的引导 - Google Patents

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CN107097733A CN201710085983.7A CN201710085983A CN107097733A CN 107097733 A CN107097733 A CN 107097733A CN 201710085983 A CN201710085983 A CN 201710085983A CN 107097733 A CN107097733 A CN 107097733A
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佩里·罗宾逊·麦克尼尔
奥马尔·马克
崔德华
戴维·艾伦·科瓦斯基
艾伦·R·默里
奥利弗·莱伊
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Abstract

本公开涉及车辆通信中的电磁波的引导。一种车辆可包括导电壳体，所述导电壳体围绕天线，并且限定具有与由天线辐射的信号的波长至少相等的尺寸的孔。控制器可被配置为：对所述导电壳体进行定向，以将所述孔指向行驶方向，从而引导来自所述天线的电磁辐射。所述控制器可响应于从已经建立的车辆的队列接收到协作自适应巡航控制信号而对所述导电壳体进行定向。

Description

车辆通信中的电磁波的引导
技术领域
本公开涉及车辆与车辆的通信。
背景技术
很多车辆配备由用于与附近的其它车辆或对象进行通信的系统。这些系统可传送与车辆速度、方向或其它重要参数有关的信息。全向天线可允许与附近的所有其它车辆和对象进行不确定的通信。当太多车辆在附近尝试进行通信时，与其它车辆或对象的通信可能变得不可用。
发明内容
一种车辆可包括导电壳体，所述导电壳体围绕天线，并且限定具有至少与由所述天线辐射的信号的波长相等的尺寸的孔。控制器可被配置为：对所述导电壳体进行定向以将所述孔指向与所述前方车辆相反的方向，并且在对所述信号进行中继之后，对所述导电壳体进行定向以将所述孔指向朝向所述前方车辆的方向。所述控制器可响应于从队列中的前方车辆接收到协作控制信号而进行操作。
所述控制器还可被配置为：基于即将到来的具有收费系统的跨线桥(gantry)，来调节所述孔相对于所述天线的仰角。所述控制器还可被配置为：调节所述孔的尺寸，以减小从所述天线向所述导电壳体外部发射的电磁辐射的衰减。所述孔可以是可变光阑(irisdiaphragm)。所述天线可发射具有5.850GHz和5.925GHz之间的频率的信号。
根据本发明，提供一种车辆，所述车辆包括：控制器，被配置为：响应于在车辆加入队列中时发生车辆事件，对在其中具有天线的导电壳体进行定向，以将由所述导电壳体限定的孔指向与车辆行驶方向相反的方向，从而经由所述天线将与所述车辆事件有关的数据发送到所述队列中的跟随车辆，然后对所述导电壳体进行定向以将所述孔指向车辆行驶方向。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：将所述孔的尺寸确定为具有与从所述天线发射的电磁辐射的一个波长至少相等的内径。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：将所述内径的最小尺寸限制为两英寸。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：经由所述天线以5.850GHz和5.925GHz之间的频率发射所述数据。
根据本发明的一个实施例，所述车辆事件是轮胎漏气的指示。
根据本发明，提供一种交通系统，所述交通系统包括：导电壳体，具有光阑，所述光阑限定具有比由所述导电壳体中的天线发射的电磁辐射的一个波长大的直径的孔；控制器，被配置为：响应于接收到改变交通指示器的请求，对所述导电壳体进行定向，以将所述孔指向受所述请求影响的即将到来的车流的方向，从而将关于所述改变的经由所述天线的发射引导向所述即将到来的车流中的车辆。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：将所述孔的尺寸确定为具有与从所述天线发射的电磁辐射的一个波长至少相等的内径。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：将所述内径的最小尺寸限制为两英寸。
根据本发明的一个实施例，所述天线被配置为：经由所述天线以5.850GHz和5.925GHz之间的频率发射数据。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：对所述导电壳体进行定向，以将所述孔指向受正在接近所述交通系统的应急车辆影响的即将到来的车流的方向。
附图说明
图1描绘具有用于引导电磁波的设备的车辆的示例的示意图；
图2是被安装用于保持天线组件的壳体的剖视图；
图3是用于壳体的底座的等距视图；
图4是限定矩形孔的壳体的等距视图；
图5是限定圆形孔的壳体的等距视图；
图6A和图6B是使用用于引导电磁波的设备的车辆的队列的示意图；
图7是与用于引导电磁波的设备适配的交通信号的示意图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种形式和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
目前，很多车辆采用车辆与车辆(“V2V”)的通信来改善车辆之间的协作并提升客户满意度。V2V通信可根据需要对与位置、速度、加速度、交通状况、交通信号的状态和其它信息进行中继。V2V通信可使用专用短程通信(“DSRC”)和802.11p协议来进行通信。很多协议可促进V2V通信。这些协议可以是基于自组织(ad-hoc)网络设计或分散式网络设计的，或者可使用需要结构化网络设计的单独的协议。
DSRC系统可连接到天线组件以传播电磁波。天线组件可包括具有单极、偶极或其它波传播构造的天线。天线组件还可包括连接到天线的收发器。收发器可使用电磁频谱上的任何频率来传送信息。例如，系统可使用无线电频带内的电磁辐射。天线组件还可包括用于产生或准备用于传输的数据的处理器或处理器阵列。5.9GHz附近(例如，5.850GHz和5.925GHz之间)的频带可被用于促进V2V通信。这些频带可被分成信道，以最小化指定的通信路径之间的串扰。
天线可以是全向的。天线可被构造为向任何方向或多个方向发射电磁波和从任何方向或多个方向接收电磁波。全向天线的使用可导致车辆和对象之间的通信路径拥塞，这可引起信息接收不良。DSRC尝试通过使用车辆环境中的无线访问(“WAVE”)协议的媒体访问控制、WAVE简单消息协议和信道选择来解决这个问题。尽管这些方法可减轻特定水平的拥塞和干扰，但是这些方法可能在具有高车辆交通量的区域中提供很少益处。全向天线的发射功率和接收灵敏度对于进一步防止拥塞来说可能是有限的。
定向天线可适于在特定方向上引导波。例如，天线可使用物理孔径、合成孔径、抛物线反射器、分形结构、喇叭结构等来引导波。天线可被构造为向在前后接受角内的车辆或对象发射信号和在位于前后接受角内的车辆或对象接收信号。天线可被构造为在竖直方向上发射和接收信号。如上所述的定向天线可具有提高的发射功率和接收灵敏度，同时减少拥塞和干扰。
壳体可围绕天线的全部或一部分，以偏转、阻碍、衰减、重新定向、停止或减弱从天线发射或接收的信号。壳体可围绕用于壳体的与天线关联的其它电子装置或控制器。壳体可由导电材料制成以屏蔽天线免受电磁辐射。导电材料可以是任何类型(例如，铜、铝、石墨烯、金、银、钙)的。导电材料可接地到车辆。壳体还可由被设计为使磁信号衰减的材料制成。被设计为进行衰减的材料可使信号磁性地衰减(即，具有高磁导率的材料引起涡流以对抗磁场)，或者该材料可阻碍信号通过结构。壳体可由这些材料的组合制成，以提供改善的电磁屏蔽。壳体可使来自所有方向的信号衰减，或者可允许来自指定方向(例如，竖直方向)的信号。
壳体可限定孔。孔可被构造为允许信号以期望的方向或形状从天线被发射和接收。孔可具有圆形、矩形或其它几何形状。圆形孔可由光阑(diaphragm)形成，光阑由安装在壳体上的叶片(blade)构成。孔的尺寸可由叶片来调节，以允许可变量的电磁辐射或不同形状的电磁辐射。如本领域已知的，所述尺寸可由用户手动调节或者通过控制器自动调节。由孔形成的壳体的入口可通过以一片玻璃、遮蔽物(screen)或不透明件来保护元件。
可使用切口或可调节的垂直板来形成矩形孔。针对两个移动方向中的每个，可使用螺杆传动装置(screw drive)以及齿条或齿轮来调节垂直板。垂直板可由与壳体材料类似的材料制成。垂直板可由不同的材料制成，以提供不同的波导特性。可使用两对相对的板来形成矩形孔，以使矩形孔的中心保持与天线对准，而不发生偏移。
可调节壳体以改变孔的方向。存在本领域的技术人员已知的用于调节壳体的方位的多种方式。例如，螺杆传动装置可与齿条配合，以使壳体关于基本水平的平面旋转。这可调节关于方位角的信号的方向。齿条可安装在支承件上，以减少齿条与安装到车辆的底盘之间的摩擦。连接到控制器的DC马达可对螺杆传动装置进行致动。也可使用感应马达或永磁马达。DC马达可与编码器或其它定位装置连接，以向控制器提供位置反馈。控制器可被配置有最大编码器位置，以防止将天线连接到其它电子器件的线缆发生缠绕。
可关于水平角或仰角调节壳体。例如，扇形齿轮可提供用于调节壳体的仰角的大于90°的运动范围。扇形齿轮可被安装成与安装到包含壳体的内部底盘的第二传动螺杆配合。扇形齿轮可被安装在支承件上以减少摩擦。螺杆传动装置可由DC马达来致动。DC马达可连接到控制器。DC马达也可具有编码器，以向控制器提供反馈。
孔可被构造为通过在宽度或直径上调整至少一个波长来引导电磁波、信号或辐射。可手动地或自动地调整孔的尺寸，以适当地引导给定波长的电磁波。当波遇到孔时，波经历衍射。如果波的确遇到孔的话，则对于波而言尺寸太小的孔将不会将波引导向期望的方向。具有大约5.9GHz频率的DSRC信号可具有大约2.0英寸的波长。孔的尺寸应该为至少2.0英寸，最好大于2英寸，以对信号提供足够的方向控制。
因为V2V标准需要至少一个全向天线，所以除了使用全向天线以外，还可使用如上所述的定向天线。这种配置将允许通过增大发射或接收强度来延伸定向天线的范围，而且满足了需要全向支持的标准。
可结合地图和位置数据来使用定向天线，以与已知的或预期的装置进行通信。例如，可将定向天线引导朝向即将到来的交通灯、在交叉路口处即将到来的车流或者引导朝向紧急救助。因为已经经过的车辆不可能调转方向，所以在路边出现故障的车辆可使用定向天线只向即将到来的车流发送信号进行求助。因为定向天线可具有增大的发射功率或接收功率，所以定向天线还可在距全向DSRC天线的增大的范围内将车辆的位置通知给即将到来的应急车辆。应急车辆可使用定向天线来通知行驶路径中的车辆让路。例如，可使用定向天线来通知相同行驶方向上的车辆或在期望的行驶路径上的车辆。
定向天线可被竖直地定向，以与头顶的跨线桥进行通信。例如，收费系统可被安装到跨线桥上，以从车辆收集收费信息。考虑到即将到来的跨线桥的定向天线的竖直定向可消除来自其它车辆的干扰，并且可导致与收费器的通信得到改善。
定向天线可被用于通过将来自交通信号或交通系统的DSRC信号引导向特定车道或方向来改善繁忙的交叉路口处的拥塞和干扰。可将接近信号通知给即将到来的车流，而已经通过交通信号的车辆可具有减小的拥塞和干扰。壳体的控制器可对壳体进行定向，使得孔指向即将到来的车辆的方向并且避免孔脱离车流范围。
定向天线可被用于改善协作自适应巡航控制。协作自适应巡航控制(“CACC”)提供队列中的车辆之间的协作以传送和匹配速度。CACC可通过从系统中移除延迟来减少车辆速度的振荡。可使用如上所述的定向天线通过隔离队列中的通信来改进CACC。全向天线在即将到来的队列和其它车道上的队列之间产生实质性干扰和握手。可使用定向天线来减弱全向天线的这种不利的结果。
CACC可利用由五个车辆组成的队列中的定向天线，其中，队列中的第一车辆向后发送信号。然后，第二车辆可接收该信号并向第一车辆发送确认。第一车辆随后可通过间歇性地使定向天线的孔向前旋转来继续收听前方车辆，并且使定向天线的孔向后旋转以与第二车辆进行通信。可利用时域复用来配置CACC系统，时域复用对DSRC信号的发射序列和接收序列进行同步。在整个队列中传送的信息可包括速度、方向、预期的目的地以及促进CACC所需的其它信息。
车辆事件可能需要车辆队列之间的CACC通信。例如，前方车辆可从该车辆的车辆控制系统接收到轮胎漏气指示。前方车辆或领先车辆可能需要将该信息指示给队列中的其它车辆，以将碎片或即将发生的减速通知给其它车辆。前方车辆可将壳体定向为与行驶方向相反的方向(例如，向后)，以通知跟随车辆存在紧急情况。
现在参照图1，车辆100包括定向天线102。定向天线可安装到车辆的车顶、内部、底盘或其它位置。车辆可具有动力传动系统控制模块104-A、车身控制模块104-B、无线电收发器模块104-C、通信和娱乐单元104-D、气候控制管理模块104-E、GPS模块104-F以及用户界面模块104-G。这些模块可被配置为经由通信网络106(例如，CAN)进行通信。DSRC控制单元108可被配置为在通信网络106或上面指定的其它模块中的一部分上进行通信。DSRC控制单元108可包括处理器110和存储器，以处理数据并在网络106上发送数据，并且准备数据以经由收发器112进行传输。
现在参照图2，示出了定向天线102的剖视图。天线102可具有导电壳体114。导电壳体可包括用于提供无线电波屏蔽的单独的层。导电壳体114可围绕天线116的至少一部分。天线116可定位在壳体114的中心。天线可电连接到收发器112。收发器112可将信号传播到天线以用于传输，或者从天线接收信号以对内容进行解密。DSRC控制单元108可与控制器118进行通信，以确定定向天线102的合适的方向。DSRC控制单元108和控制器118可以是同一集成电路的一部分。控制器118可通过从其它车辆或对象接收到的信息来确定定向天线102的合适的方向。控制器118可基于GPS位置信息或先前接收的数据确定合适的方向。控制器118可被配置为控制致动器或马达，所述致动器或马达被配置为调节壳体114的相对位置。控制器可被配置为从马达上的传感器或编码器接收相对运动的指示。
图3描绘了壳体运动系统的实施例。环形齿轮120具有附连的传动螺杆122，以使壳体绕轴线旋转。环形齿轮120可安装到一组支承件124上，这允许定向天线102与车辆(未示出)之间的运动。支撑件(strut)121从环形齿轮120径向延伸。扇形齿轮126以及定向天线102安装在支撑件121的中央。定向天线102经由扇形齿轮126围绕竖直轴或关于仰角移动。扇形齿轮126可安装在扇形齿轮壳体中，以限制平移运动。可使用扇形齿轮传动螺杆128来致动扇形齿轮126。传动螺杆122和128两者均可机械地连接到由控制器(未示出)控制的电磁驱动器。传动螺杆122和128中的每个可装配有编码器，以向控制器指示位置。
图4描绘了定向天线102的至少一个实施例。定向天线102具有壳体114和矩形孔200，壳体114能够使电磁信号衰减。矩形孔200的尺寸适合于引导来自天线(未示出)的输入信号或输出信号。壳体114可包括被配置为改变孔200的尺寸的两对垂直板202和208以及204和206。板202和208以及板204和206可由连接到电动马达和控制器的一对螺杆传动装置(未示出)来致动。孔200的尺寸可被调整为具有输入信号或输出信号的至少一个波长的宽度和高度，以限制衍射。
图5描绘了定向天线102的至少一个实施例。壳体114可限定圆形的孔300。孔300可以是可变光阑类型。可通过旋转能够相互改变孔的尺寸的叶片302来限定孔。可自动地调整孔300的尺寸，以匹配指定的信号频率或波长。例如，5.9GHz的信号可具有大约两英寸的波长。孔的尺寸可具有至少两英寸的内径，以提供足够的信号转向。
现在参照图6A，描绘了定向天线的至少一个实施例。定向天线可安装到车辆600A的车顶。车辆600A可包括能够进行V2V通信的DSRC收发器。车辆600A可将信号602A向后发送到一个车道上的车辆600B、600C、600D和600E的队列。队列中的下一个车辆600B经由面向前方的定向天线接收来自车辆600A的信号。车辆600B的定向天线随后可向后旋转，以将通信引导向队列中的其它车辆(例如，600C、600D、600E等)。天线的定向属性允许增大的接收灵敏度和发射强度。如图6B所示，信号和接收区域602A、602B、602C、602D以及602E可被限制在600A、600B、600C、600D和600E的队列的车道上。
现在参照图7，在至少另一个实施例中，定向天线702可被放置在交通信号或指示器700上，以将信号状态通知给特定驾驶员。交通信号700可提供给车辆704的任何值可在车辆已经通过交叉路口之后减弱。定向天线702可向即将到来的车辆704或者可从指示中接收值的车辆提供DSRC通信。此外，被配置有定向天线702的车辆704可通过GPS或其它V2V通信来识别即将到来的交通信号。车辆704随后可基于当前位置和交通信号的位置将定向天线702定向到期望的位置。这可向车辆704提供信号状态的提早的指示，并且可减小来自其它信号的干扰。
在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机/通过处理装置、控制器或计算机实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或者专用的电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以以多种形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于信息永久地存储在非可写存储介质(诸如，ROM装置)上以及信息可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁介质和光学介质)上。所述处理、方法或算法还可在软件可执行对象中被实现。可选地，所述处理、方法或算法可使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或任何其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合被整体或部分地实现。
说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成可能未被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：
导电壳体，围绕天线，并且限定具有与由所述天线辐射的信号的波长至少相等的尺寸的孔；
控制器，被配置为：响应于从队列中的前方车辆接收到协作控制信号，对所述导电壳体进行定向以将所述孔指向与所述前方车辆相反的方向，并且在对所述信号进行中继之后，对所述导电壳体进行定向以将所述孔指向朝向所述前方车辆的方向。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，控制器还被配置为：基于即将到来的具有收费系统的跨线桥，来调节所述孔相对于所述天线的仰角。
3.如权利要求1所述的车辆，其中，控制器还被配置为：调节所述孔的尺寸，以减小从所述天线向所述导电壳体外部发射的电磁辐射的衰减。
4.如权利要求1所述的车辆，其中，所述孔为可变光阑。
5.如权利要求1所述的车辆，其中，所述天线发射具有5.850GHz和5.925GHz之间的频率的信号。
6.一种车辆，包括：
控制器，被配置为：响应于在车辆加入队列中时发生车辆事件，对在其中具有天线的导电壳体进行定向，以将由所述导电壳体限定的孔指向与车辆行驶方向相反的方向，从而经由所述天线将与所述车辆事件有关的数据发送到所述队列中的跟随车辆，然后对所述导电壳体进行定向以将所述孔指向车辆行驶方向。
7.如权利要求6所述的车辆，其中，控制器还被配置为：将所述孔的尺寸确定为具有与从所述天线发射的电磁辐射的一个波长至少相等的内径。
8.如权利要求6所述的车辆，其中，控制器还被配置为：将所述内径的最小尺寸限制为两英寸。
9.如权利要求6所述的车辆，其中，控制器还被配置为：经由所述天线以5.850GHz和5.925GHz之间的频率发射所述数据。
10.一种交通系统，包括：
导电壳体，具有光阑，所述光阑限定具有比由所述导电壳体中的天线发射的电磁辐射的一个波长大的直径的孔；
控制器，被配置为：响应于接收到改变交通指示器的请求，对所述导电壳体进行定向，以将所述孔指向受所述请求影响的即将到来的车流的方向，从而将关于所述改变的经由所述天线的发射引导向所述即将到来的车流中的车辆。
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