CN109448440A - 一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，该装置包括车体以及设置在车体上的单片机、可见光发射端和可见光接收端，所述的可见光发射端包括发射信号调制模块和作为照明灯及发生可见光信息的LED光源，所述的可见光接收端包括光电检测器、滤波放大模块和信号解调模块，所述的单片机、信号解调模块、滤波放大模块和设置在车尾的光电检测器依次连接，所述的单片机、发射信号调制模块和设置在车头的LED光源依次连接。与现有技术相比，本发明具有通讯速率高、电磁干扰少、安全协同换道、兼具照明和通讯等优点。

Description

一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置

技术领域

本发明涉及交通通信领域，尤其是涉及一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置。

背景技术

车联网作为一个可供车辆实现互联交通与信息交互的综合网络系统，能有有效保证驾驶安全、提高通行效率，随着大数据和云计算等计算机技术迅猛发展，车联网中开始传递越来越多的信息量，基于4G/LTE或IRRR802.11p协议构建的车联网由于通讯负荷的增大而存在网络吞吐量低、延时大、丢包率高的问题。因此，车联网V2V系统亟需一种高速的车车通讯技术，以保障对时延敏感型信息(道路、车辆安全信息)的可靠传输。

随着LED技术的进步和LED在车灯和交通灯上的广泛应用，基于移动端可见光通讯的车联网技术成为一种可行的无线通信手段。车载可见光通信系统具备如下优点：1)传输数据率高达50Gbps；2)保密性强，光照射不到的地方无法进行信息传输；3)无电磁干扰，不会干扰其它电子设备的正常工作；4)无需频谱认证，不占用无线电通信频道；5.可利用已有的照明设备，同时实现照明与通信的功能。目前，尚没有车载可见光通讯应用于协同换道技术中。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，该装置包括车体以及设置在车体上的单片机、可见光发射端和可见光接收端，所述的可见光发射端包括发射信号调制模块和作为照明灯及发生可见光信息的LED光源，所述的可见光接收端包括光电检测器、滤波放大模块和信号解调模块，所述的单片机、信号解调模块、滤波放大模块和设置在车尾的光电检测器依次连接，所述的单片机、发射信号调制模块和设置在车头的LED光源依次连接。

所述的发射信号调制模块包括发射端控制器、可见光发射端信号发生器模块以及三态门电路模块，所述的发射端控制器、可见光发射端信号发生器模块、三态门电路模块和LED光源依次连接，所述的单片机与三态门电路模块连接。

该装置还包括设置在车体上且与单片机连接的超声波雷达、光电编码器、转向舵机、WIFI通信模块、驱动马达和红外传感器，所述的超声波雷达设置在车头中间位置，两LED光源之间。

所述的单片机采用MPC5604芯片，所述的LED光源为PC-LED光源。

所述的发射端控制器为ArduinoUno发射端控制单片机，采用ATmega328微处理器，所述的可见光发射端信号发生器模块为AD9850信号发生器，且设有两个，所述的三态门电路模块包括HC125三态门电路和HC126三态门电路，所述的发射端控制器控制AD9850信号发生器分别生成38KHz和48KHz的方波信号给HC125三态门电路和HC126三态门电路产生输出信号经过叠加后输出给LED光源。

所述的超声波雷达的型号为US100，通过LINFlex串口与单片机连接，用以探测周边障碍物的距离，所述的WiFi通讯模块为USR-WIFI232-A2通讯模块，通过LINFlex串口与单片机连接，用以实现与上位机的无线通信。

所述的光电检测器为2DU6硅光电池，安装在车尾灯上方，用以接收小车斜后方发射来的可见光信号，所述的滤波放大模块采用TIA跨阻放大电路和TL082运算放大器，所述的信号解调模块为LM567锁相环译码器，用以获取后方或侧方智能小车车头的LED光源发出的可见光信号，实现可见光通信。

采用该换道装置的换道方法包括以下步骤：

1)行驶过程中，后方小车A产生换道意图；

2)后方小车A在不考虑与邻车道小车B发生碰撞的前提下，以自车换道性能指标最优为目标规划换道轨迹；

3)当后方小车A的换道轨迹与邻车道小车B的预测行驶轨迹不存在冲突时，则后方小车A按照预设轨迹执行换道操作，当存在冲突时，则后方小车A通过可见光向B车发送变道预警信息以及光电编码器和超声波雷达采集到的车速和位姿信息，邻车道小车B基于后方小车A发出的可见光信息确定自车减速度和减速时间，执行减速让车动作，同时后方小车A以AB车换道性能指标最优为目标重新规划换道轨迹，并按照该轨迹执行换道动作。

所述的步骤2)和步骤3)中，换道性能指标包括车辆稳定性、交通效率、安全性和安全裕度。

所述的步骤2)和步骤3)中，通过PID控制或模糊PID控制方法进行轨迹预测及跟踪。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用可见光车车通讯系统，具有通讯速率高、电磁干扰少、无需频谱认证的优点；

(2)采用协同自动换道方式，自车换道时协同车辆会同时执行必要的减速动作，保证了自动换道过程的安全性。

(3)基于自车和协同车两车的综合性能指标(安全性、安全裕度、稳定性、交通效率、舒适性等)规划自车换道轨迹以及协同车的速度变化曲线，可以在保证自动换道安全性前提下，最大程度的提升自动换道的性能指标。

(4)基于可见光通讯的汽车协同换道系统中的LED光源可以与车辆本身的灯光系统(LED远近光灯、日间行车灯、转向灯)相结合，兼具照明和通讯的作用，减少了V2V设备的成本。

附图说明

图1为基于可见光通讯的汽车自动换道技术的应用工况示意图。

图2为本发明的可见光通讯的结构图。

图3为本发明传感器及动力、转向部分结构图。

图4为一种智能小车可见光通讯方案。

图5为可见光接收模块滤波放大电路图。

图中标记说明：

其中，1-LED光源，2-三态门电路模块，3-可见光发射端信号发生器模块，4-发射端控制器，5-单片机，6-信号解调模块，7-滤波放大模块，8-光电检测器，9-红外传感器，10-转向舵机，11-超声波雷达，12-WiFi通讯模块，13-驱动马达，14-光电编码器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本专利提供一种基于可见光通讯的汽车协同换道装置及换道方法，以提升自动换道的安全性和换道过程的交通效率。换道车辆在自动换道前进行换道轨迹规划，若与邻车道车辆行车路线冲突，则换道车辆基于可见光通讯系统主动向邻车道车辆发送换道预警信号及自车车速和位姿信息。邻车道车辆接收信息后，减速避让，减速过程的加速度、减速时间均由控制器通过自车和换道车的相对速度、位置信息确定。

本发明基于可见光通讯的汽车协同换道系统包括：小车模型、MPC5604芯片、转向舵机、驱动马达、光电编码器、超声波雷达、WiFi通讯模块、可见光发射模块、可见光接收模块，其中小车模型为其他装置和模块的载体。

MPC5604芯片用于处理传感器信息，控制光通讯信号收发，控制转向舵机和驱动马达的转角和转速，控制车载LED状态灯的开关，同时基于通讯系统获取的自车状态和周边车辆状态进行轨迹规划。

转向舵机与小车模型和转向节臂相连，控制智能小车前轮转向。所述驱动马达与小车模型后桥相连，控制智能小车前进或后退。所述光电编码器用于检测驱动马达的转速，并将转速信息反馈到控制器从而形成速度闭环控制。所述超声波雷达用于检测换道车辆与邻车道车辆的相对位置和距离，超声

波雷达安装在车头中间位置，两照明车灯之间，并通过串口与MPC5604相连。WiFi通讯模块安装于小车MPC5604芯片接口上，用于连接智能小车和上位PC机，上位机可通过TCP协议控制智能小车，同时可以查看小车的行车信息。

可见光发射模块包括LED光源和信号调制模块。信号调制模块包括ArduinoUno单片机和Ad9850信号发生器、74HC125、74HC126三态门模块，用于对上文所述的换道预警信息和自车车速位姿等信息进行调制，并驱动LED光源闪烁。LED光源即为小车头部的两个照明灯，用于发射调制电路输出的光信号。

可见光接收模块包括光电检测器、滤波放大模块和信号解调模块。光电检测器安装在车辆尾部两端，用来接收可见光信号，并将其转化为电信号。

滤波放大模块用来滤除接收信号中背景光干扰，并将有效信号放大一定倍数。信号解调模块用来将电信号恢复为数字信号。

基于可见光通信的汽车协同换道方法，涉及自车道的换道车辆A和邻车道车辆B，两车均安装有基于可见光通讯的协同换道系统，协同换道包括以下步骤：

步骤一：行驶过程中，A车产生换道意图；

步骤二：A车在不考虑与邻车道车B车发生碰撞的前提下，以自车换道性能指标最优为目标规划换道轨迹；

步骤三：对比A车换道轨迹与B车预测行驶轨迹，若不存在冲突，则A车按照预设轨迹执行换道操作；若存在冲突，则A车通过可见光通讯系统向B车发送变道预警信息及光电编码器和超声波雷达采集的车速和位姿信息，B车基于以上信息确定自车减速度和减速时间，执行减速礼让动作，同时A车以AB车换道性能指标为目标重新规划换道轨迹，并按照该轨迹执行换道动作。

实施例：

如图2-4所示，本例提供一种基于可见光通讯的汽车协同换道装置，具体包括：

智能小车搭载单片机5、转向舵机10、驱动马达13、光电编码器14、超声波雷达11、WiFi通讯模块12、可见光发射端和可见光接收端，可见光发射端包括LED光源1和发射信号调制模块，可见光接收端包括光电检测器8、滤波放大模块7和信号解调模块6，其中：

单片机5采用MPC5604芯片，该芯片是飞思卡尔公司的32位处理器，频率为64MHz，包含144个引脚。

光电编码器14采用512线光电编码器，即每旋转一周产生512个脉冲信号，从而根据脉冲频率和车轮结构测得实际车速，输出信号连接MPC5604芯片。

超声波雷达11选用US100型号，探测范围2-450cm，探测频率为40KHz，波特率9600，用于探测周边障碍物的距离。超声波雷达通过LINFlex串口与MPC5604相连。

WiFi通讯模块12选用USR-WIFI232-A2通讯模块，基于TCP协议实现智能小车与上位机的无线通讯，WiFi通讯模块12通过LINFlex串口与MPC5604相连；

LED光源1采用白光LED，具有工作波长大，对人体无害，不需要限制发光功率的优点，LED日间行车灯安装于小车头部如图2所示，电压输入端与调制模块相连，兼具照明和通讯功能。

发射信号调制模块包括发射端控制器4、可见光发射端信号发生器模块3和三态门电路模块2，发射端控制器4采用ArduinoUno单片机控制器，可见光发射端信号发生器模块3为AD9850信号发生器，三态门电路模块2包括HC125和HC126三态门电路。

光电检测器8采用2DU6硅光电池，硅光电池能够直接将光能转化为电能，响应速度快，适用于可见光检测，其核心部分的PN结面积远大于二极管，因此光生电动势和电流远大于PIN光电二极管，光通讯效率更高。两个硅光电池分别安装于智能小车尾灯上方，用以接收小车斜后方发射来的可见光信号，安装方式如图2所示。

滤波放大模块7采用TIA跨阻放大电路，具有高带宽、低阻抗、大增益的特点。选用TL082运算放大器，滤波放大模块电路如图5所示，输入端连接光电检测器输出端，输出端连接信号解调模块。

信号解调模块6采用LM567锁相环译码器，输入端连接滤波放大模块，输入信号为38/48Hz的调频正弦波信号，输出端连接MPC5604的RX串口。当LM567的输入信号与其固有频率(38KHz)接近时，LM567的输出信号为低电平，否则为高电平，从而将正弦波调频信号解析为数字信号，输出到单片机，实现可见光通讯。

本发明的光信号调制采用频移键控(2FSK)的方法。其中，ArduinoUno单片机采用ATmega328微处理器，用来控制两个AD9850信号发生器分别输出38KHz和48KHz的方波信号，两路方波信号分别输入HC125和HC126三态门电路，其真值表如表1所示。

表1 HC125,HC126三态门电路真值表

其中，HC125输入端A连接输出为38KHz的AD9850信号发生器，控制使能端EO输入所要发射的数字信号，当EO＝0时，三态门呈正常高低电平输出状态，当EO＝1时，三态门呈高阻状态，因此HC125将输入数字信号的“0”转化为38KHz的方波信号；同理，HC126输入端A连接输出为48KHz的AD9850信号发生器，控制使能端EO输入所要发射的数字信号，当EO＝1时，三态门呈正常高低电平输出状态，当EO＝0时，三态门呈高阻状态，因此HC126将输入数字信号的“1”转化为38KHz的方波信号，将两者输出信号叠加，从而完成基于2FSK的D/A转换。

本发明的轨迹规划采用五次多项式模型，并设定换道车纵向运动为匀速运动，模型中包含6个未知参数，其中5个参数通过边界条件求解，包括：换道车初始时刻和换道终了时刻的位置、速度、加速度。第6个参数则需要基于换道过程中与自车前车和邻车道前车的安全距离求解该参数的安全举止取值范围，并基于平均侧向加速度、换道纵向距离，求取最优解。

协同轨迹规划基于五次多项式模型，当依据换道性能指标规划处得到的换道轨迹与邻车道后车轨迹冲突时，则需要基于可见光通讯系统向其传递预警信息，控制邻车道后车减速避让，在这种工况下，邻车道后车的减速度和自车换道轨迹的第6参数则需要基于两车的综合性能指标确定，包括：自车换道过程平均侧向加速度、换道纵向距离、邻车道后车的制动减速度和减速时间。

Claims (10)

1.一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，其特征在于，该装置包括车体以及设置在车体上的单片机(5)、可见光发射端和可见光接收端，所述的可见光发射端包括发射信号调制模块和作为照明灯及发生可见光信息的LED光源(1)，所述的可见光接收端包括光电检测器(8)、滤波放大模块(7)和信号解调模块(6)，所述的单片机(5)、信号解调模块(6)、滤波放大模块(7)和设置在车尾的光电检测器(8)依次连接，所述的单片机(5)、发射信号调制模块和设置在车头的LED光源(1)依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，其特征在于，所述的发射信号调制模块包括发射端控制器(4)、可见光发射端信号发生器模块(3)以及三态门电路模块(2)，所述的发射端控制器(4)、可见光发射端信号发生器模块(3)、三态门电路模块(2)和LED光源(1)依次连接，所述的单片机(5)与三态门电路模块(2)连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，其特征在于，该装置还包括设置在车体上且与单片机(5)连接的超声波雷达(11)、光电编码器(14)、转向舵机(10)、WIFI通信模块(12)、驱动马达(13)和红外传感器(9)，所述的超声波雷达(11)设置在车头中间位置，两LED光源(1)之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，其特征在于，所述的单片机(5)采用MPC5604芯片，所述的LED光源(1)为PC-LED光源。

5.根据权利要求2所述的一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，其特征在于，所述的发射端控制器(4)为ArduinoUno发射端控制单片机，采用ATmega328微处理器，所述的可见光发射端信号发生器模块(3)为AD9850信号发生器，且设有两个，所述的三态门电路模块(2)包括HC125三态门电路和HC126三态门电路，所述的发射端控制器(4)控制AD9850信号发生器分别生成38KHz和48KHz的方波信号给HC125三态门电路和HC126三态门电路产生输出信号经过叠加后输出给LED光源(1)。

6.根据权利要求3所述的一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，其特征在于，所述的超声波雷达(11)的型号为US100，通过LINFlex串口与单片机(5)连接，用以探测周边障碍物的距离，所述的WiFi通讯模块为USR-WIFI232-A2通讯模块，通过LINFlex串口与单片机(5)连接，用以实现与上位机的无线通信。

7.根据权利要求1所述的一种基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，其特征在于，所述的光电检测器(8)为2DU6硅光电池，安装在车尾灯上方，用以接收小车斜后方发射来的可见光信号，所述的滤波放大模块(7)采用TIA跨阻放大电路和TL082运算放大器，所述的信号解调模块(6)为LM567锁相环译码器，用以获取后方或侧方智能小车车头的LED光源(1)发出的可见光信号，实现可见光通信。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，其特征在于，采用该换道装置的换道方法包括以下步骤：

1)行驶过程中，后方小车A产生换道意图；

2)后方小车A在不考虑与邻车道小车B发生碰撞的前提下，以自车换道性能指标最优为目标规划换道轨迹；

3)当后方小车A的换道轨迹与邻车道小车B的预测行驶轨迹不存在冲突时，则后方小车A按照预设轨迹执行换道操作，当存在冲突时，则后方小车A通过可见光向B车发送变道预警信息以及光电编码器和超声波雷达采集到的车速和位姿信息，邻车道小车B基于后方小车A发出的可见光信息确定自车减速度和减速时间，执行减速让车动作，同时后方小车A以AB车换道性能指标最优为目标重新规划换道轨迹，并按照该轨迹执行换道动作。

9.根据权利要求8任一项所述的基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，其特征在于，所述的步骤2)和步骤3)中，换道性能指标包括车辆稳定性、交通效率、安全性和安全裕度。

10.根据权利要求8任一项所述的基于可见光通讯的智能小车协同换道装置，其特征在于，所述的步骤2)和步骤3)中，通过PID控制或模糊PID控制方法进行轨迹预测及跟踪。