CN108594231A - 一种特定车辆路口优先雷达探测方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特定车辆路口优先雷达探测方法及其系统，包含以下过程：车辆的车载主机向路旁主机发送测距信号，进行车辆距离和车辆速度的解算，向路旁主机发送第一数据包；路旁主机收到车载主机发送的所述第一数据包后，对应地向所述车辆主机发送诱导数据包；所述路旁主机还进行车辆距离的计算，并将包含测距信息的车车协同数据包发送给所述车载主机。本发明在实现车辆的实时定位时还兼容通信功能；本发明可提高大众出行效率，发挥最大效力，为系统的工作及后期维护节约了大量成本，本发明还不受道路上方遮挡情况的影响，后期维护简便。
Description
技术领域
本发明涉及的是雷达信号处理领域和通信传输领域，特别涉及一种特定 车辆路口优先雷达探测方法及其系统。
背景技术
随着城市交通形势日益严峻，研究特定车辆路口优先的雷达探测系统迫 在眉睫。不少城市已经建设公交专用道，地铁、有轨电车以及快速公交的多 模式公交系统，但是大部分城市的公交出行率在15％以下。
从我国人口密集，用地紧缺的国情出发，优先发展客运效率最高的公共 交通是解决交通拥堵问题的主要方向。多模式公交系统则建设成本高，不易 实现；而开辟公交专用车道的方法是目前多数城市的主流做法。然而，即便 公交车辆在专用车道上拥有路权，但是一旦到了路口区段，还是经常被迫减 速，降低效率。究其原因，是公交与路口以及站台缺乏可靠的数据交流，在 交叉路口无法实现公交车辆优先通行导致的。
申请号为CN201220404103.0的专利《一种保证公交优先的交叉口信号 配时控制系统》采用RFID技术获取车辆运行方向，ARM7处理器用于车载 电子标签信息的采集、预先存储车载电子标签信息、路口相位信息等，C51 处理器用于处理ARM7处理器传送来的公交优先相位信息，并与相关模块进 行信息交互。该系统硬件成本高，且RFID技术通常用于单一地点的车辆识 别，无法连续跟踪，应用范围受限。
申请号为CN201320395929.X的专利《基于视觉和RFID的公交车优先 行装置》主要通过公交车上GPS定位装置实现定位，利用射频信号发出优先 请求，通过图像采集获知优先车辆的准确信息。该技术方案成本高，需要控 制中心事先安装GPS地图模块才可实现准确定位，因此在各城市推广应用难 度较大。
申请号为CN201510440067.1的专利《路口公交信号优先控制系统》通 过RFID阅读器准确识读驶近路口的公交车辆上的汽车电子标识，获得公交 车辆注册信息后，向交通信号控制机发送公交信号优先请求和预计到达时间， 实现路口级信号控制对公交车给予时间优先，减少公交车辆在路口等候延误。 但是该专利在信息传输的内容上过于匮乏，未包含站台信息，建议车速等实 用信息。
在论文《信号交叉口BRT优先方法及技术研究》中运用GPS技术、计 算机技术实现BRT车辆的迅速定位。GPS定位模块安装在BRT车辆上，接 收GPS定位卫星的信号，通过解码运算获得车辆当前位置、速度、时间等信 息。由于需要和定位卫星通信，因此定位的准确性还受到GPS信号强弱的影 响。
在论文《基于GPS、3G车辆定位及车载视频监控系统的设计与研究》 中设计了一套基于GPS、3G车辆定位及车载视频监控系统。该系统利用GPS 定位技术实现车辆定位，通过对比选择了WCDMA标准的3G无线网络作为 通信平台。但是3G无线网络的使用依赖于运营商的流量，因此投入成本高。
所以在现有技术的以RFID、GPS、3G/4G定位技术的公交车辆优先系统 基础上，从公交优先的角度出发，可以延伸至更加一般的情况，如特定车辆 的优先通行。
发明内容
本发明的目的是提供一种特定车辆路口优先雷达探测方法及其系统，其 是一种基于调频连续波雷达系统的车辆探测，距离与速度解算方法和基于 IEEE 802.15.4协议和CAMA/CD协议的数据通讯方法，主要包含特定车辆向 路旁主机发送测距信号或数据包和路旁主机向特定车辆发送测距信号或数据 包，可以实现特定车辆路口优先雷达探测。
为了达到上述目的，本发明提供的一种特定车辆路口优先雷达探测方法， 该方法包含：
第一过程：车辆的车载主机向路旁主机发送测距信号，进行车辆距离和 车辆速度的解算，向路旁主机发送第一数据包；
第二过程：所述路旁主机收到所述车载主机发送的所述第一数据包后， 向所述车辆主机发送诱导数据包；所述路旁主机还进行车辆距离计算，并将 包含该测量的距离信息的车车协同数据包发送给车载主机。
优选地，所述第一过程包含：
S1：车辆向路旁主机发送测距信号；
S2：车辆收到路旁主机发送测距信息或返回数据包，通过所述车车协同 数据包的车载设备ID进行比对过滤；
S3：计算该车辆与路旁主机之间的距离；
S4：利用卡尔曼滤波方法测量该车辆速度；
S5：确定车辆的行车方向，对该车辆的路旁主机按距离远近和行车方向 进行排序。
优选地，所述第二过程包含：
T1：路旁主机接收车辆发送的测距信息或第一数据包；
T2：路旁主机根据车辆向其发送的第一数据包的路口编号ID进行比对 过滤；
T3：所述路旁主机会将所述第一数据包传送至上位机；
T4：所述路旁主机会收到该上位机根据第一数据包或车车协同数据包所 给出的建议车速、是否给予优先、前方绿灯倒计时和前方站点客流信息的诱 导数据包；
T5：所述路旁主机向车辆发送该诱导数据包。
优选地，数据包的传输采用IEEE 802.15.4协议或CSMA/CD协议的数据 通讯方法。
优选地，所述步骤S3中，车辆距离的计算是通过发射信号和接收回波 信号的时间差来测距，包括传播时间延迟和处理时间延迟；
所述传播时间延迟是车载主机发射的信号从发射时到接收时之间的时间 差；所述处理时间延迟是车载主机接收到信号时并由硬件进行信号处理再到 路旁主机发射回波信号所用的总时间。
优选地，所述步骤S4中的卡尔曼滤波方法具体为：
给出状态估计和估计误差自相关矩阵的初始值，由前两个时刻的观测值 进行确定；利用卡尔曼滤波算法递推出车辆的位置和速度；
其中，车载主机和路旁主机之间的距离由式(1)计算得到；
距离D由式(2)或式(3)可得：
式中，c表示电磁波在空气中传播的速度，T1表示从车载主机到路旁主机信号 传送的一个完整回路的传播延迟时间，T2表示在路旁主机中信号处理延迟时 间，T3表示从路旁主机到车载主机信号传送的一个完整回路的传播延迟时间， T4表示在车载主机中信号处理延迟时间。
优选地，所述步骤S5中，排序后的结果依次为：距离最近且呈靠近趋 势的路旁主机、距离第二近且呈靠近趋势路旁主机、距离最近且呈远离趋势 路旁主机和距离第二近且呈远离趋势路旁主机。
优选地，车载主机和路旁主机的发射系统会发射线性调频连续波，该线 性调频连续波的调频斜率和调频时宽根据所需距离分辨率和探测目标的特性 确定。
本发明还提供了一种如上文所述的特定车辆路口优先雷达探测方法的特 定车辆路口优先雷达探测系统，其包含有：车辆的车载主机、路旁主机和上 位机；
所述车载主机向与所述路旁主机连接，发射测距信号或数据包，并进行 车辆距离和车辆速度解算；路旁主机接收车载主机向其发送数据包，并将收 到的该数据包发送至与其连接的上位机；所述上位机与所述路旁主机连接， 发送含有该路旁主机所需信息的诱导数据包至所述路旁主机。
优选地，所述车载主机设置有车载一体机通信接口、车车单元和无线通 信设备；所述车载一体机通信接口与车车单元和无线通信设备依次进行 RS232信号形式的传输过程；所述车车单元作为车载主机的信号处理部分， 用于车载主机与车载一体机的信息交互；所述车车单元通过无线通信设备获 得路旁主机信号并进行解算以及向无线通信设备发送解算后的数据信息；
所述路旁主机设置有无线通信设备、车车协同单元和优先主机；所述车 车协同单元用于车辆之间的协同作用，当路旁主机的探测范围内除本车还有 其余车辆，且其他车辆处于本车行驶方向的前方，所述路旁主机将计算前车 与本车的距离、获得前车内乘客人数信息，并将包含该信息的数据包传输给 本车上的车载主机；所述优先主机是路旁主机中的数据处理模块，对无线通 信设备接收到的信号进行解算处理，同时控制无线通信设备进行收发；
所述路旁主机的无线通信设备与所述车载主机的无线通信设备通信连 接，所述路旁主机的无线通信设备与所述优先主机以RS323信号形式进行传 输过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明的数据信息丰富， 且探测有效区间大大超过RFID定位技术，并且能够在特定车辆进入探测范 围后进行高精度测距，准确给出车辆的接近原理轨迹和速度趋势。(2)本发 明的位置和速度信息的采集可实现车辆的实时定位且本发明还兼容通信功 能，在测距的同时，能够进行车底之间的数据通信，将车辆相对路口/车站的 信息落地，并可附加定制数据如车内人数(需其他传感器配合)，紧急状态一 键报警等。(3)本发明还接收地面平台推送的数据如车速诱导信息、站台候 车人数等数据，准确可靠地实现特定车辆路口优先；克服遮挡影响：当道路 上方有高楼、高架或车辆在隧道中通行时，若采用GPS信号作为定位技术手 段，存在信号差，定位不准确的问题。(4)本发明的雷达系统搭配定向天线 的方法可以不受道路上方遮挡情况的影响，后期维护简便。(5)本发明的无 线信号测距及通信采取雷达脉冲压缩技术和802.15.4协议相结合的方法，不 需要依赖于运营商的3G/4G流量，为系统的工作及后期维护节约了大量成本。
附图说明
图1是特定车辆路口优先雷达探测系统示意图，
图2是Upchirp信号和Downchirp信号，
图3是Upchirp和Dawnchirp脉冲序列，
图4是Upchirp/Off脉冲序列，
图5是Downchirp/Off脉冲序列，
图6是发射功率和射频模块寄存器输出功率的关系，
图7是特定车辆和路旁主机信息交互示意图，
图8是特定车辆向路旁主机发送测距信息/数据包流程图，
图9是路旁主机向特定车辆发送数据包流程图，
图10是测距方法，
图11是测距流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种特定车辆路口优先雷达探测方法及其系统，为了使本 发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的特定车辆路口优先雷达探测系统包含车载主机、 路旁主机和上位机。其中，路旁主机分别与车载主机和上位机通信连接。
特定车辆的车载主机设置有车载一体机通信接口(车载一体机是车辆上 自带的多媒体设备)、车车单元和无线通信设备。车载一体机通信接口与车车 单元和无线通信设备依次可进行RS232信号形式进行信号传输过程。车车单 元是车载主机中的信号处理部分，用于车载主机与车载一体机的信息交互， 从无线通信设备获得的路旁主机信号解算以及向无线通信设备发送解算后的 数据信息。
路旁主机设置有无线通信设备和优先主机，该优先主机是路旁主机中的 数据处理模块，对无线通信设备接收到的信号进行解算处理，同时能够控制 无线通信设备进行收发。该路旁主机内的无线通信设备与车辆中的无线通信 设备通信连接，进行信号数据传输。其中，路旁主机的无线通信设备与优先 主机以RS323信号形式进行信号传输过程。
本发明的车载主机的无线通信设备和路旁主机的无线通信设备实质相当 于一种雷达系统，是工程中关键数据传感器，主要用于路口基站对即将靠近 的特定车辆的探测和身份识别，由服务器进行相关逻辑匹配后控制路口交通 信号灯进行优先放行。
本发明的车载主机主要用于向路旁主机进行发射测距信号，以实现车辆 距离和速度解算，再在确定车载设备行车方向并将路旁主机进行排序后，向 路旁主机发送数据包。
路旁主机在接收到车辆发送的数据包后，将该数据包发送给上位机后， 上位机的建议车速、是否给予优先通行、前方绿灯倒计时等诱导数据包会被 发送给该车辆。其中，该上位机主要用于实现对路旁主机的控制以及信息显 示，将所需信息传递给路旁主机，并显示车辆的实时状态。
车载主机和路旁主机各自的发射系统(即各自的无线通信设备)会发射 线性调频连续波，该线性调频连续波的调频斜率和调频时宽可根据所需距离 分辨率和探测目标的特性确定。
本发明的特定车辆路口优先雷达探测方法是一种特定车辆和路旁主机进 行信息传输的交互过程，如图7所示。特定车辆和路旁主机的信息交互过程 为：首先进行车距探测，并保存距离信息，再通过卡尔曼滤波测速，并保存 速度信息。通过与多个路旁主机的信息交互，进行解算和排序，可将数据包 传输给最近的路旁主机。路旁主机通过与上位机的联系，将诱导数据包的信 息发送给特定车辆，实现特定车辆按既定标准优先通行。
所以，如图10、图11所示，该方法的具体过程为：
(一)特定车辆的车载主机的操作过程，如图8所示的特定车辆向路旁 主机传送测距信息或数据包的具体流程。
特定车辆扫描最近的路口设备(包括前向和后向各两个路口设备，但总 数不超过四个)，进行测距并排序。每一秒向距离最近的路口设备的主机(即 路旁主机，总数不超过四个)发送数据包，通过该数据，每个与特定车辆通 讯的路旁主机可以掌握该特定车辆的准确位置、车速等信息，为交通信号控 制服务提供决策的数据依据。该特定车辆的车载主机的具体操作过程的步骤 为：
S1：车辆向路旁主机发送测距信号。
S2：车辆收到路旁主机返回的测距信息或数据包，通过车载设备ID进 行比对过滤。
S3：计算该车辆与路旁主机之间的距离，例如d1，d2，d3，d4。
S4：通过连续两次距离计算并得到结果后，利用卡尔曼滤波方法进行测 速，得到车辆的车速。
S5：确定车辆的行车方向，并对该车辆的路旁主机按距离远近和行车方 向进行排序。
S6：车辆向最近的路旁主机发送数据包。
(二)路旁主机的操作过程：如图9所示。图9描述了路旁主机收到特 定车辆发送的数据包后，将建议的车速、是否给予优先通行、前方绿灯倒计 时等诱导数据包传递给特定车辆的具体过程。该过程具体为：
T1：对应的路旁主机收到车辆发送的测距信号和数据包。
T2：路旁主机根据车辆向其发送的数据包中的路口编号ID比对过滤。
T3：路旁主机会将从车辆获取的数据包传送至上位机。
T4：路旁主机会收到上位机基于该数据包给出的建议车速、是否给予优 先、前方绿灯倒计时和前方站点客流等信息的诱导数据包。
T5：路旁主机会向车辆发送该诱导数据包。
上述特定车辆的车载主机的操作步骤的具体过程如下：
在步骤S1中，车辆向路旁主机发送测距信号。路旁主机收到车辆发送 的测距信号后，会向车辆发送反馈回来的测距信号的回波信号。
S2：车辆收到路旁主机返回的测距信息或诱导数据包，通过车载设备ID 进行比对过滤。
同时，系统还具有部分车辆之间的协同功能，如果路旁主机的探测范围 内除本车外还有其余车辆，且该车处于本车行驶方向的前方，路旁主机将计 算前车与本车的距离、同时获得前车内乘客人数等信息，并将包含该信息的 数据包传输给靠近的车辆(即本车)上的车载主机。该车车协同数据包的具 体内容如下表1。车辆是通过接收该车车协同数据包而获得该数据包中的测 距信息。另，对于步骤S2或步骤T5中的诱导数据包的具体内容如下表2。
表1车车协同数据包的具体内容
表2本发明的路旁主机向特定车辆发送的诱导数据包内容
| 名称 | 长度 | 格式 | 描述 |
| 包头 | 2 | HEX | 0xFEFD |
| 数据源标识 | 1 | Uint8 | 源地址：0x01，表示数据源为路侧主机 |
| 车载设备ID | 2 | Uint16 | 设备编号 |
| 建议车速(SPD) | 1 | Uint8 | 单位：公里/小时(整数) |
| 是否给予优先 | 1 | HEX | 0＝未知、1＝给予优先。 |
| 前方绿灯倒计时 | 1 | Uint8 | 倒计时以秒记录表示(0～256)秒 |
| 目标车辆线性里程 | 2 | Uint16 | 单位：米。表示0～65536米 |
| 前方站点客流 | 1 | Uint8 | 单位：人。表示0～256人 |
| 保留位 | 3 | HEX | Reserved，填充0 |
| 校验字 | 2 | HEX | CRC16 MODBUS(高字节在前) |
| 包尾 | 2 | HEX | 0x0D0A |
其中，诱导数据包和车车协同数据包按照总体0.5秒/帧的速度由路旁主 机发送给车载主机。其中诱导数据包和车车协同数据包中均包含车载设备 ID。
当车辆设备ID形成编码信息并在路旁主机的雷达信号(无线通信设备 的通信信号)中加入。车载主机的无线通信设备接收到路旁主机发送的诱导 数据包或车车协同数据包后，会提取车辆ID编码信息，并与本特车辆ID进 行比对过滤，向车辆终端设备输出。
S3：计算该车辆与路旁主机之间的距离，例如d1，d2，d3，d4。
车载主机通过发射信号和接收到回波信号的时间差来进行测距，主要包 括传播时间延迟和处理时间延迟。
传播时间延迟是指车载主机发射的信号从发射时到接收时之间的时间 差。其中，因已知电磁波在空气中传送的速度(即光速)，则传播时间延迟可 以用来计算发射端和接收端的距离，即可计算车辆和路旁主机之间的距离。
处理时间延迟是指车载主机接收到信号时并且由硬件进行信号处理再到 路旁主机发射回波信号所用的总时间。由于该处理时间延迟的时间也是已知 的，因此可将其作为测距所需时间量的一部分。
当已知传播时间延迟和处理时间延迟时，通过距离公式进行计算，可得 到车辆和路旁主机的距离。本发明选择的是车载主机向路旁主机发送测距信 号并接收回波信号之间的时间差来计算距离。
S4：通过连续两次距离计算并得到结果后，利用卡尔曼滤波方法进行测 速，得到车辆的车速。
该测速方法为利用卡尔曼滤波系统的观测向量有效地估计出系统的状态 向量。其中，卡尔曼滤波方法常被应用于雷达目标跟踪中，主要通过状态方 程来描述目标的运动特性，状态方程的状态向量通常由目标的位置、速度和 (或)加速度参量构成；观测方程中的观测向量由雷达测得的目标运动参量 构成。即卡尔曼滤波法解决的问题是利用系统的观测向量有效地估计出系统 的状态向量。
示例地，本发明的特定车辆路口优先雷达探测系统的状态向量只需由特 定车辆的位置和速度构成。为利用卡尔曼滤波进行特定车辆的测速，首先需 要给出状态估计和估计误差自相关矩阵的初始值，即由前两个时刻的观测值 进行确定。然后利用卡尔曼滤波算法递推出特定车辆的位置和速度。
在步骤S4的测距步骤中，已知系统的信息传播方式是双向的，所以测距 方法也有两种并且对称(即ABA和BAB)，如图10所示。图11描述了测距 的具体流程，车载主机和路旁主机之间的距离由式(1)计算得到。
同时，距离D可由式(2)或式(3)可得：
式中，D表距离，c表示电磁波在空气中传播的速度，T1表示从车载主机 到路旁主机信号传送的一个完整回路的传播延迟时间，T2表示在路旁主机中 信号处理延迟时间，T3表示从路旁主机到车载主机信号传送的一个完整回路 的传播延迟时间，T4表示在车载主机中信号处理延迟时间。
在步骤2中，卡尔曼滤波算法的已知条件为：
a、状态方程：
式中，状态向量为x(n)为目标x方向 的位置，vx(n)为目标x方向的速度，y(n)为目标y方向的位置，vy(n)为目标y 方向的速度；
状态转移矩阵F(n,n-1)为T为上一状态和当前状 态的时间间隔；
系统过程噪声输入矩阵Γ(n,n-1)为
系统过程噪声为其中，δx(n)为噪声 在x方向的值，δy(n)为噪声在y方向的值。
b、观测方程：
式中，观测向量为zx(n)和zy(n)为n时刻目标两 方向的位置x(n)和y(n)的测量值；观测矩阵C(n)为 为 观测噪声向量。
代表噪声v1(n)的相关矩阵，代表噪声v2(n)的相关矩阵，
在初始时刻，由于不能精确知道过程方程的初始状态，而通常用状态估 计和估计误差自相关矩阵的初始值来确定，即由前2个时刻的观测值即可， 工程中常用状态向量估计初始化方法。两坐标雷达中，可利用观测值z(1)和 z(2)来确定该向量估计的初始状态和状态误差自相关矩阵P(2)。
其中，
qxx(n)，qxy(n)和qyy(n)为 观测噪声自相关矩阵Q2(n)的元素，即有：
综上，卡尔曼滤波算法的递推步骤如下：
P1：状态一步预测即
P2：由观测信号计算新息过程即
P3：一步预测误差自相关矩阵P(n,n-1)
P(n,n-1)＝F(n,n-1)P(n-1)FH(n,n-1)+Γ(n,n-1)Q1(n-1)ΓH(n,n-1)
P4：新息过程自相关矩阵A(n)A(n)＝C(n)P(n,n-1)CH(n)+Q2(n)
P5：卡尔曼增益K(n)
K(n)＝P(n,n-1)CH(n)A-1(n)
或
P6：状态估计
P7：状态估计误差自相关矩阵P(n)
P(n)＝[I-K(n)C(n)]P(n,n-1)
或
P(n)＝[I-K(n)C(n)]P(n,n-1)[I-K(n)C(n)]H+K(n)Q2(n)KH(n)
P8：重复步骤P1～P7，进行递推滤波计算。
步骤P1～P8中，为观测信号一步预测，C(n)为观测矩阵，F(n,n-1) 为状态转移矩阵，Γ(n,n-1)为系统过程噪声输入矩阵，P(n,n-1)为一步预 测误差自相关矩阵，P(n-1)为状态误差自相关矩阵，Q1(n)为系统过程噪声自 相关矩阵，Q2(n)为观测噪声自相关矩阵。
在步骤S5中，确定车辆的行车方向，并对该车辆的路旁主机按距离远 近和行车方向进行排序。
排序后的排序结果依次为：距离最近且呈靠近趋势的路口设备、距离第 二近且呈靠近趋势路口设备、距离最近且呈远离趋势路口设备和距离第二近 且呈远离趋势路口设备。
在步骤S6中，车辆向最近的路旁主机发送数据包。
数据包主要包含各路口设备编号和各路口设备距离(即步骤S2中d1、d2、 d3和d4)等距离信息，则路旁主机即可解算出本车辆的准确位置、车辆ID 和车速等信息。其中，数据包具体内容如表3。
表3本发明的特定车辆向路旁主机发送的数据包信息
| 名称 | 长度 | 格式 | 描述 |
| 包头 | 2 | HEX | 0xFEFD |
| 数据源标识 | 1 | Uint8 | 源地址：0x00，表示数据源为车载终端 |
| 设备ID | 2 | Uint16 | 车载设备ID编号 |
| 路口1编号 | 2 | Uint16 | 距离最近且呈靠近趋势路口设备编号，0xFF表示无 |
| 路口1距离 | 2 | Uint16 | 距离最近且呈靠近趋势路口设备距离，0xFFFF表示∞ |
| 路口2编号 | 2 | Uint16 | 距离第二近且呈靠近趋势路口设备编号，0xFF表示无 |
| 路口2距离 | 2 | Uint16 | 距离第二近且呈靠近趋势路口设备距离，0xFFFF表示∞ |
| 路口3编号 | 2 | Uint16 | 距离最近且呈远离趋势路口设备编号，0xFF表示无 |
| 路口3距离 | 2 | Uint16 | 距离最近且呈远离趋势路口设备距离，0xFFFF表示∞ |
| 路口4编号 | 2 | Uint16 | 距离第二近且呈远离趋势路口设备编号，0xFF表示无 |
| 路口4距离 | 2 | Uint16 | 距离第二近且呈远离趋势路口设备距离，0xFFFF表示∞ |
| 车速 | 1 | Uint8 | 单位：公里/小时(整数) |
| 校验字 | 2 | HEX | CRC16MODBUS(高字节在前) |
| 包尾 | 2 | HEX | 0x0D0A |
(二)上述路旁主机的操作步骤具体如下：
T1：对应的路旁主机收到特定车辆发送的测距信号和数据包。其中，路 旁主机在接收时采用匹配滤波器的脉冲压缩算法获得窄脉冲以提高距离分辨 率。
在步骤T2中，路旁主机根据特定车辆向其发送的数据包中的路口编号 ID比对过滤，其与步骤S2中的车载设备比对过滤路口编号ID的方法一样， 即路旁主机也需比对过滤车载设备ID。
在步骤T3中，当上位机收到数据包后会给出：建议的车速、是否给予 优先、前方绿灯倒计时和前方站点客流等信息。
在步骤T4中，路旁主机会收到上位机基于该数据包给出的建议车速、 是否给予优先、前方绿灯倒计时和前方站点客流等信息的诱导数据包。
雷达(即本发明的无线通信设备)发射系统采用线性调频信号(LFM信 号)。该LFM信号(也称Chirp信号)的数学表达式为：
式中，fc为载波频率，为矩形信号。
其中是调频斜率，B为频率变化范围，T为脉冲宽度且表示线性调 频信号的频率随时间线性变化。当线性调频信号大于0时，称为Upchirp信 号，当线性调频信号小于0时，称为Downchirp信号，如图2所示。
其中，Upchirp信号和Downchirp信号具有以下特征：(1)信号波形持续 时间为0.5、1、2和4微秒。(2)当频率为80MHz时，码元周期为0.5、1、 2、4微秒；当频率为22MHz时，码元周期为2，4微秒。(3)频率带宽范围 为80MHz或22MHz。
利用以上信号脉冲，不同调制类型的组合可以用来表示二进制码元，调 制类型包括：
(1)Upchirp信号和Dawnchirp信号共同表示，如图3所示。
(2)Upchirp信号/无表示，如图4所示。
(3)Dawnchirp信号/无表示，如图5所示。
发射系统的射频信号(即发射的线性调频信号))的发射功率直接影响雷 达的性能。当已知射频信号的发射功率和芯片中射频模块的输出功率(设置 为RfT×OutputPower，即寄存器值)存在一定关系，如图6所示。
图6的横坐标为芯片中射频模块的输出功率，纵坐标为发射功率。其中， 射频模块的输出功率由该射频模块中SMA连接器的输出功率得到。本发明 探测系统的寄存器值取最大值，即设置寄存器的值为63dec，此时发射功率 可达到1.79dBm。
本发明在数据传输方面采用IEEE 802.15.4协议和CSMA/CD(Carrier SenseMultiple Access with Collision Detection)协议的数据通讯方法。
其中，IEEE 802.15.4协议为：该协议是针对低速无线个人区域网络(low-ratewireless personal area network，LR-WPAN)制定的标准，把低能量 消耗、低速率传输、低成本作为目标，并与传感器网络有很多相似之处，无 线通信信道的特征是动态变化的。节点位置或天线方向的微小改变、物体移 动等周围环境的变化都有可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化，因 而无线通信的覆盖范围不是确定的。这就造成了LR-WPAN网络中设备的数 量以及它们之间关系的动态变化。
IEEE 802.15.4协议具有以下特点：在不同的载波频率下实现了20kbps、 40kbps和250kbps三种不同的传输速率；支持星型和点对点两种网络拓扑结 构；有16位和64位两种地址格式；支持冲突避免的载波多路侦听技术；支 持确认(ACK，Acknowledgement；确认字符)机制，保证传输可靠性。
其中，CSMA/CD协议：该协议解决了各个工作站如何在总线上进行传输 的问题，利用它检测和避免当两个或两个以上设备需要进行数据传送时网络 上的冲突。
综上所述，本发明可以实现对特定车辆的距离和速度解算，以及特定车 辆和路旁主机的信息交互。本发明相对于现有RFID、GPS、基站定位等技术 手段，具有探测距离远，克服高架遮挡、免流量费用等优势，在提高了性能 的同时考虑工程应用实际，节约了建设和维护成本，有效地解决了特定车辆 优先通行的技术难题，为缓解城市交通提供了可靠性方案。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识 到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述 内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的 保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种特定车辆路口优先雷达探测方法，其特征在于，包含：
第一过程：车辆的车载主机向路旁主机发送测距信号，进行车辆距离和车辆速度的解算，向路旁主机发送第一数据包；
第二过程：所述路旁主机收到所述车载主机发送的所述第一数据包后，向所述车辆主机发送诱导数据包；所述路旁主机还进行车辆距离计算，并将包含该测量的距离信息的车车协同数据包发送给车载主机。
2.如权利要求1所述的特定车辆路口优先雷达探测方法，其特征在于，
所述第一过程包含：
S1：车辆向路旁主机发送测距信号；
S2：车辆收到路旁主机发送测距信息或返回数据包，通过所述车车协同数据包的车载设备ID进行比对过滤；
S3：计算该车辆与路旁主机之间的距离；
S4：利用卡尔曼滤波方法测量该车辆速度；
S5：确定车辆的行车方向，对该车辆的路旁主机按距离远近和行车方向进行排序。
3.如权利要求1所述的特定车辆路口优先雷达探测方法，其特征在于，
所述第二过程包含：
T1：路旁主机接收车辆发送的测距信息或第一数据包；
T2：路旁主机根据车辆向其发送的第一数据包的路口编号ID进行比对过滤；
T3：所述路旁主机会将所述第一数据包传送至上位机；
T4：所述路旁主机会收到该上位机根据第一数据包或车车协同数据包所给出的建议车速、是否给予优先、前方绿灯倒计时和前方站点客流信息的诱导数据包；
T5：所述路旁主机向车辆发送该诱导数据包。
4.如权利要求1或2或3所述的特定车辆路口优先雷达探测方法，其特征在于，
数据包的传输采用IEEE 802.15.4协议或CSMA/CD协议的数据通讯方法。
5.如权利要求2所述的特定车辆路口优先雷达探测方法，其特征在于，
所述步骤S3中，车辆距离的计算是通过发射信号和接收回波信号的时间差来测距，包括传播时间延迟和处理时间延迟；
所述传播时间延迟是车载主机发射的信号从发射时到接收时之间的时间差；
所述处理时间延迟是车载主机接收到信号时并由硬件进行信号处理再到路旁主机发射回波信号所用的总时间。
6.如权利要求2所述的特定车辆路口优先雷达探测方法，其特征在于，
所述步骤S4中的卡尔曼滤波方法具体为：
给出状态估计和估计误差自相关矩阵的初始值，由前两个时刻的观测值进行确定；利用卡尔曼滤波算法递推出车辆的位置和速度；
其中，车载主机和路旁主机之间的距离由式(1)计算得到；
距离D由式(2)或式(3)可得：
式中，c表示电磁波在空气中传播的速度，T1表示从车载主机到路旁主机信号传送的一个完整回路的传播延迟时间，T2表示在路旁主机中信号处理延迟时间，T3表示从路旁主机到车载主机信号传送的一个完整回路的传播延迟时间，T4表示在车载主机中信号处理延迟时间。
7.如权利要求2所述的特定车辆路口优先雷达探测方法，其特征在于，
所述步骤S5中，排序后的结果依次为：距离最近且呈靠近趋势的路旁主机、距离第二近且呈靠近趋势路旁主机、距离最近且呈远离趋势路旁主机和距离第二近且呈远离趋势路旁主机。
8.如权利要求1所述的特定车辆路口优先雷达探测方法，其特征在于，
车载主机和路旁主机的发射系统会发射线性调频连续波，该线性调频连续波的调频斜率和调频时宽根据所需距离分辨率和探测目标的特性确定。
9.一种基于如权利要求1-8任意一项所述的特定车辆路口优先雷达探测方法的特定车辆路口优先雷达探测系统，其特征在于，包含有：车辆的车载主机、路旁主机和上位机；
所述车载主机向与所述路旁主机连接，发射测距信号或数据包，并进行车辆距离和车辆速度解算；路旁主机接收车载主机向其发送数据包，并将收到的该数据包发送至与其连接的上位机；
所述上位机与所述路旁主机连接，发送含有该路旁主机所需信息的诱导数据包至所述路旁主机。
10.如权利要求9所述的特定车辆路口优先雷达探测系统，其特征在于，
所述车载主机设置有车载一体机通信接口、车车单元和无线通信设备；所述车载一体机通信接口与车车单元和无线通信设备依次进行RS232信号形式的传输过程；所述车车单元作为车载主机的信号处理部分，用于车载主机与车载一体机的信息交互；所述车车单元通过无线通信设备获得路旁主机信号并进行解算以及向无线通信设备发送解算后的数据信息；
所述路旁主机设置有无线通信设备、车车协同单元和优先主机；所述车车协同单元用于车辆之间的协同作用，当路旁主机的探测范围内除本车还有其余车辆，且其他车辆处于本车行驶方向的前方，所述路旁主机将计算前车与本车的距离、获得前车内乘客人数信息，并将包含该信息的数据包传输给本车上的车载主机；所述优先主机是路旁主机中的数据处理模块，对无线通信设备接收到的信号进行解算处理，同时控制无线通信设备进行收发；
所述路旁主机的无线通信设备与所述车载主机的无线通信设备通信连接，所述路旁主机的无线通信设备与所述优先主机以RS323信号形式进行传输过程。
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