CN114268369A

CN114268369A - 一种基于可见光的车际网通信系统

Info

Publication number: CN114268369A
Application number: CN202111560285.0A
Authority: CN
Inventors: 刘立军; 虞文武; 孟浩飞
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-04-01

Abstract

本发明提出一种基于可见光的车际网通信系统，包括安装于车辆上的VLC发射装置、VLC接收装置、VLC计算单元、以及VLC通信单元和分布式智能控制单元；所述VLC发射装置用于传递单向或交互信息，所述VLC接收装置用于动态信息接收，所述VLC计算单元用于传感器输入、VLC编码解码、VLC调制解调、图像捕捉、图像处理、信息交互系统输入输出或线控执行系统输入输出；所述VLC通信单元用于车内网通信以及车辆间通信，所述分布式智能控制单元用于分布式智能控制算法。本发明应用自由度高、安全性好、功耗低，对车辆外观改动小，易于前装、后装和批量应用。

Description

一种基于可见光的车际网通信系统

技术领域

本发明涉及一种基于可见光的车际网通信系统，属于智能网联汽车、自动驾驶及电通信技术技术领域。

背景技术

智能网联是汽车行业的发展方向，其中实现车际通信的车际网通常采用的是移动物联网技术，无论射频（RFID）、专用短程通信（DSRC）、4G蜂窝车联网（LTE-V2X）还是5G蜂窝车联网（5G-V2X）移动互联网均采用频率低于毫米波（30G-300GHz）的电磁波通信，目前5G用到最高到30GHz、Wifi用到最高66GHz的毫米波频段，6G预计最高可达10THz的太赫兹频段，此类频段工作能耗高、频谱资源有限且使用大多受限。

此外，将上述频段大规模用于道路交通后，其通信安全性、抗干扰能力和环境安全性难以保证，如对包括飞行器、轨道交通在内的交通工具，对包括心脏起搏器在内的医疗设备等的影响难以确定，同时这类频段信息非定向传输，也就容易互相干扰、被拦截或被攻击。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于可见光的车际网通信系统，使用380THz到750THz（400nm~780nm）的可见光频段代替现有太赫兹（30μm~3mm）以下电磁波频段进行车际通信，车联网频段资源可扩大2个数量级，同时实现基于可见光通信（VLC）组建车际网的目标，通过VLC（Visible Light Communication ，即可见光通信）发射装置发送信息，通过VLC接收装置接收信息，通过VLC计算单元完成信息的收发、使用和决策，通过VLC通信方法实现信息的编解码并确保有效传输。在此基础上实现车辆间通信，车际网与信息交互系统、线控执行系统等的互联，服务智能网联和交通智能化。

技术方案：本发明解决上述技术问题的方法通过如下的技术方案实现：

本发明的一种基于可见光的车际网通信系统，该系统包括安装于车辆上的VLC发射装置、VLC接收装置、VLC计算单元、以及VLC通信单元和分布式智能控制单元；所述VLC发射装置用于传递单向或交互信息，所述VLC接收装置用于动态信息接收，所述VLC计算单元用于传感器输入、VLC编码解码、VLC调制解调、图像捕捉、图像处理、信息交互系统输入输出或线控执行系统输入输出；所述VLC通信单元用于车内网通信以及车辆间通信，所述分布式智能控制单元用于分布式智能控制算法。

进一步地，所述VLC发射装置包括日光灯、倒车灯、转向灯、制动灯、雾灯、前照灯、氛围灯、示廓灯、牌照灯、警示灯、Logo灯。

进一步地，所述VLC接收装置包括光电传感器、机器视觉传感器、光学天线三种可见光信息接收装置；所述光电传感器包括通过光敏二极管和/或光敏三极管和/或雪崩光电二极管和/或光电倍增管；所述机器视觉传感器包括照相机、摄像机；所述光学天线是利用麦克斯韦方程组的频率不变性设计的微纳尺度光学天线。

进一步地，所述VLC通信单元具备简码协议和V2X协议两种类型的通信协议，其中简码协议包括灯语格式、电报格式、自定义格式，V2X协议采用PC5的V2X通信协议。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明将可见光通信（VLC）技术引入车际网和智能交通领域，相比采用的毫米波以下频率的电磁波频段的车联网技术，其频谱资源高2个数量级、无需认证和付费使用，应用自由度高、安全性好、功耗低，对车辆外观改动小，易于前装、后装和批量应用。将分布式智能控制与车联网技术相结合，可以在交通多智能体模式下增强高级辅助驾驶或自动驾驶的智能化水平，提升交通安全、车辆运行效率和驾乘体验。

附图说明

附图1为本发明所述可见光通信系统组成示意图，其中各组合（不含虚线部分）及粗体字部分为系统关键组成。

附图2为复合频谱光学天线示意图（f1~fn代表为不同频谱的天线布置）。

附图3为计算单元主控部分示意图（如采用不同计算单元电路将有所差异）。

附图4为本发明所述可见光车际网通信系统应用场景示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和说明书附图，详细说明本发明的实施过程。

实施例1：

如图1所示，本实施例的基于可见光的车际网通信系统，该系统包括安装于车辆上的VLC发射装置、VLC接收装置、VLC计算单元、以及VLC通信单元和分布式智能控制单元；所述VLC发射装置用于传递单向或交互信息，所述VLC接收装置用于动态信息接收，所述VLC计算单元用于传感器输入、VLC编码解码、VLC调制解调、图像捕捉、图像处理、信息交互系统输入输出或线控执行系统输入输出；所述VLC通信单元用于车内网通信以及车辆间通信，所述分布式智能控制单元用于分布式智能控制算法。

本实施例中的VLC发射装置：首选的持续型VLC发射装置是借用现有的日行灯（日间行车灯），该类灯具汽车点火或启动时常亮，且绝大多数为带有多个灯珠的LED灯，可以通过VLC计算单元控制单个灯珠或整个灯具的点亮或熄灭、亮度或颜色变化；其次可选的持续型VLC发射装置是常亮的Logo车灯或者外置氛围灯，可以实现类似日行灯的功能；对于有特定标准要求及功能的灯具，比如制动灯、转向灯、倒车灯、前照灯（远近光变化），可作为通用型、临时型发射装置，用于对持续型发射装置的冗余补充；也可以根据不同车型的造型要求，定制VLC发射装置，并作为日行灯、Logo灯或车外氛围灯使用。

本实施例中的VLC接收装置：在车辆正前方中间位置（如格栅或车辆Logo处）安装光电传感器、机器视觉系统或光学天线，或采用上述三种接收装置的组合；同样，在车辆后方中间位置（如顶置制动灯或拍照灯处）安装光电传感器、可见光相机或光学天线，或采用上述三种接收装置的组合。其中光电传感器采用雪崩二极管（APD）或光电倍增管作为感光器件，感光器件按照m×n（如3×5）矩阵设计并优先采用1×n（如1×10）型式布置；机器视觉系统采用面阵式彩色全局快门单目相机，用于获取整幅照片并具备RGB三通道颜色识别功能；光学天线尺寸根据发射装置所发出的可见光波长λ（400nm~780nm），以及天线所处的介质环境的折射率n，由公式L =λ/(2n)计算得到，为实现多光谱的可靠性接收，设计为复合光谱光学天线阵列，如附图2所示，其中f1~fn代表不同频谱的天线布置（天线阵列微结构尺寸在58nm到115nm之间）。

本实施例中的VLC计算单元：为使VLC计算单元达到车载性能及可靠性要求，主控芯片首选嵌入式芯片，耐高温性能不低于85℃，如附图3所示，主控芯片周边分别设置发射端（连接VLC发射装置）、接收端（连接VLC接收装置）、通信及供电模块和必备的晶体振荡器电路。特别的，如配备机器视觉系统作为接收装置时需额外加装GPU或类似功能的芯片模组，用于实现高性能计算；通信模块除具备芯片级板载通信功能外，还需要具备车内网通信（CAN、LIN等）、VLC通信和程序刷写功能。

本实施例中的VLC通信方法：具备简码协议和V2X协议两种类型的通信协议，其中简码协议包括灯语格式（语义）和电报格式（标准或非标准类型的摩尔斯电码），并具备自定义功能；简码协议中的灯语格式为，灯亮1代表1、灯灭代表0，由此可以通过VLC发射装置中灯的亮灭自定义相应的通信协议，如灯灭1个周期+灯亮1个周期表示同意（OK）、灯亮3个周期+灯灭2个周期表示求救（三长两短）等，只需要发射端和接收端事先约定（自定义）灯语语义或者采用约定俗成的灯语语义即可；简码协议中的电报格式是在灯语格式基础上的升级，采用标准或非标准（自定义）的摩尔斯电码，根据发射装置中灯的亮灭组合，代表不同的信息，如灯灭1个周期+灯亮1个周期代表A，灯亮1个周期+灯灭3个周期代表B等；为提高VLC通信效率，也可通过调频、调幅、调相或RGB色彩通道代表不同信息，并采用曼彻斯特通断键控M-OOK、可变脉冲周期的曼彻斯特通断键控VPPM或瞬时混合颜色信息的CSK格式协议等；以上各类自定义协议可由车主、驾驶员、车队管理员或者第三方定义；V2X协议采用PC5等专用通信协议，此协议由行业标准定义和维护，作为可选方案。

本实施例的基于可见光车际网通信系统在自动驾驶编队、节能控制等群体智能控制场景的应用：

如附图4所示，车辆A、B、C为同一物流公司的配备安全员的自动驾驶车辆，均配备LED日行灯作为VLC发射装置、光学天线作为VLC接收装置，该物流公司在通信协议中预置了私有规则，主要包括常用控制指令如“编队”、“右转”、“保持车速80 km/h”、“紧急制动”等，以及驾驶员自定义可见光通信简码密码本，如“准备超车”、“我去加油”等。

车辆C、B、A相继出发，前往同一目的地，其中车辆B在车辆A前面，两车以自动驾驶状态保持20m车距并以80km/h车速同向等速行驶在左侧车道，两车之间通过可见光链路D保持车联网通信。车辆C受其他车辆干扰，于数分钟前脱离编队，以80km/h车速、人工接管模式行驶在右侧车道，行驶方向与车辆A、B相同，通过可见光链路E与车辆A保持车联网通信。由于车辆C进入车辆B的通信盲区，两车之前建立的可见光通信链路断开。

车辆A的自动驾驶控制系统通过计算车辆B、车辆C的距离、车速、驾驶模式、油门开度、方向盘转角等信息，结合自动驾驶系统内置的车道级高精度定位，判断可将车辆C纳入车辆A、B的编队行驶，以降低能耗、减轻安全员接管车辆的负担，故通过可见光链路E向车辆C发出“编队”指令同步通知车辆B，由于该协议为私有协议，周边车辆中仅车辆B、C可理解（可见光通信易于按需建立车-车独立通信链接，盲区自动断开，有利于规避被第三方接入、监听或攻击等问题），车辆C自动驾驶系统判断前后障碍物后同意执行，并将执行该指令的规划路径（车辆C将在车辆A后方80m处并入编队）反馈给车辆A，要求车辆A保持匀速并通知链路上的其他车辆（车辆B）。随后车辆C自动驾驶系统介入，安全员退出人工接管模式，车辆C并入编队后开始加速，直至与车辆A保持恒定距离20m和相同车速80km/h。此时车辆A、B、C车机显示屏显示，目的地剩余里程500km，预计节省能耗10%。

编队行驶风阻降低约40%、综合能耗降低约10%，自动驾驶模式下可实现编队内各车辆分布计算（根据单车及车队的安全性、总能耗、总效率等计算决定加入或脱离编队、前后车距、单车及编队车速），满足条件时统一由头车领航（统一感知、决策、执行，并通过单车智能做出有益于车队整体的群体决策）。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于可见光的车际网通信系统，其特征在于，该系统包括安装于车辆上的VLC发射装置、VLC接收装置、VLC计算单元、以及VLC通信单元和分布式智能控制单元；所述VLC发射装置用于传递单向或交互信息，所述VLC接收装置用于动态信息接收，所述VLC计算单元用于传感器输入、VLC编码解码、VLC调制解调、图像捕捉、图像处理、信息交互系统输入输出或线控执行系统输入输出；所述VLC通信单元用于车内网通信以及车辆间通信，所述分布式智能控制单元用于分布式智能控制算法。

2.根据权利要求1所述的基于可见光的车际网通信系统，其特征在于，所述VLC发射装置包括日光灯、倒车灯、转向灯、制动灯、雾灯、前照灯、氛围灯、示廓灯、牌照灯、警示灯、Logo灯。

3.根据权利要求1所述的基于可见光的车际网通信系统，其特征在于，所述VLC接收装置包括光电传感器、机器视觉传感器、光学天线三种可见光信息接收装置；所述光电传感器包括通过光敏二极管和/或光敏三极管和/或雪崩光电二极管和/或光电倍增管；所述机器视觉传感器包括照相机、摄像机；所述光学天线是利用麦克斯韦方程组的频率不变性设计的微纳尺度光学天线。

4.根据权利要求1所述的基于可见光的车际网通信系统，其特征在于，所述VLC通信单元具备简码协议和V2X协议两种类型的通信协议，其中简码协议包括灯语格式、电报格式、自定义格式，V2X协议采用PC5的V2X通信协议。