PT2843640T - Métodos e sistemas para determinar posição de veículo num sistema de identificação automática de veículos - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

MÉTODOS E SISTEMAS PARA DETERMINAR POSIÇÃO DE VEÍCULO NUM SISTEMA DE IDENTIFICAÇÃO AUTOMÁTICA DE VEÍCULOS

CAMPO DA INVENÇÃO

0 presente pedido refere-se a sistemas de transporte inteligentes (ITS) com identificação automática de veículos, como se pode utilizar em sistemas de cobrança eletrónica de portagens (ETC), e, em particular, a métodos e sistemas para determinar a posição de um veiculo numa estrada utilizando um sistema de identificação automática de veículos. O documento US 2010/0237998 revela tais métodos e sistemas para localizar transpondedores ETC avaliando a intensidade de sinal (RSSI) das suas respostas. ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Sistemas de transporte inteligentes como sistemas ETC, utilizam comunicações de radiofrequência (RF) entre leitores de estrada e transpondedores dentro de ou fixos a veículos. Os leitores fazem parte de um sistema de identificação automática de veículos para identificar unicamente veículos numa área, como uma praça de portagem. Cada leitor emite um sinal de identificação codificado, e quando um transpondedor entra no alcance de comunicação e deteta o leitor, o transpondedor envia um sinal de resposta. O sinal de resposta contém informação de identificação de transpondedor, incluindo um ID de transpondedor único. Nos Estados Unidos, sistemas de comunicação RF atuais baseados em ITS, e em particular baseados em ETC são licenciados sob a categoria de Sistemas de Localização e Monitorização (LMS) através das cláusulas do Código de Regulamentos Federais (CFR) Título 47 da Parte 90 da Subparte M.

Transpondedores montado no veículo podem ser quer ativos quer passivos. Transpondedores ativos contêm uma bateria que fornece energia ao transpondedor. Cada transpondedor atende um sinal ou impulso de ativação de um leitor de estrada e, após detetar um, gera e transmite um sinal de resposta. Transpondedores passivos assentam na energia fornecida pelo leitor de estrada na forma de um sinal RF de onda continua. 0 sinal de onda continua fornece energia ao transpondedor e o transpondedor transmite o seu sinal de resposta por meio de modulação por retroespalhamento do sinal de onda continua. Transpondedores passivos podem ou não incluir uma bateria em algumas implementações.

Em algumas situações, as estações estradais são concebidas para serem "estrada livre", também conhecidas como "fluxo livre de multi-faixa", significando que se realizam comunicações à velocidade de autoestrada e não há separações de faixa físicas para que veículos não sejam restringidos. Em sistemas ETC isto ocorre sem cancelas, o que significa que transações ocorrem rapidamente, e também significa que não há cancela ou barreira que impeça um veículo sem um transpondedor válido de atravessar a área de praça de portagem. Sistemas ETC em estrada livre assentam em execução ex post facto. Por exemplo, em muitas implementações uma imagem é capturada de cada área de placa de matrícula de veículo. A captura de imagem depende de um mecanismo de deteção de veículo, como uma cortina de luz ou laço magnético para detetar presença de veículo na estrada. 0 ponto de captura de imagem e deteção de veículo está frequentemente fora da zona de captura RF dentro da qual o transpondedor montado no veículo comunica com o sistema ETC. 0 sistema ETC pode ter como tarefa correlacionar imagens de chapa de matrícula capturadas com transações de portagem baseadas em transpondedor processadas para determinar se qualquer das imagens de placa de matrícula do veículo pertence a um veículo que não completou uma transação de portagem electrónica bem sucedida. O proprietário de veiculo pode então receber uma fatura da quantidade de portagem.

Noutras estações ITS, a estação pode estar a medir caracteristicas de veiculo como peso, ou volume, ou velocidade, e o sistema tem como tarefa correlacionar as medições de instrumento com transações baseadas em transpondedor processadas para associar as medições aos veículos. Também se pode utilizar captura de imagem em tais estações. 0 desafio em qualquer sistema estrada livre é correlacionar rapidamente e precisamente informação de veículo de sensores, como imagens de placa de matrícula, com a transação de comunicação de transpondedor. Em sistemas ETC é particularmente importante que os veículos detetados sejam correlacionados com transações de portagem processadas para identificar que veículo, se houver, não pagou uma portagem via um transpondedor. Um dos desafios em todos estes sistemas é estimar precisamente o caminho percorrido por um veículo associado a um transpondedor que completou uma transação, de tal forma que a posição de veículo pode ser correlacionada com os outros sensores, por exemplo, um veículo identificado pelo sistema de deteção de veículos utilizado pelo sistema de captura de imagem.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Agora será feita referência, a título de exemplo, aos desenhos que acompanham que mostram formas de realização da presente invenção, e em que: a Figura 1 mostra, em forma de diagrama de blocos, um sistema de cobrança eletrónica de portagens (ETC); a Figura 2 mostra, em forma de diagrama de blocos, um diagrama de blocos simplificado de um leitor RFID para determinar deslocamento Doppler num RFID de retroespalhamento;

a Figura 3 mostra, em forma de diagrama de blocos, uma vista lateral de uma zona de captura de sistema ETC exemplificativa; a Figura 4 mostra um diagrama de blocos simplificado de uma vista em planta de caminhos de veículos através de uma zona de captura de sistema ETC exemplificativa; a Figura 5 mostra um diagrama simplificado de uma gama de determinações de posição para um veículo numa zona de captura de sistema ETC; a Figura 6 mostra outro diagrama simplificado de uma gama de determinações de posição para um veículo numa zona de captura de sistema ETC; a Figura 7 mostra um gráfico de medições de magnitude de variação de distância exemplificativas e um ajuste de curva aos dados; a Figura 8 mostra outro gráfico de medições de magnitude de variação de distância exemplificativas e um ajuste de curva aos dados; e a Figura 9 mostra um diagrama simplificado adicional de uma gama de determinações de posição para um veículo numa zona de captura de sistema ETC multi-antena.

Números de referência similares são utilizados em figuras diferentes para representar componentes similares. DESCRIÇÃO DE FORMAS DE REALIZAÇÃO ESPECÍFICAS

Num aspeto, o presente pedido descreve um método de determinar uma variação de distância de um transpondedor de retroespalhamento montado no veículo numa estrada utilizando um sistema de identificação automática de veículos, o sistema incluindo uma antena que define uma área de cobertura para comunicar com o transpondedor de retroespalhamento, sendo a variação de distância uma velocidade do transpondedor em relação à antena, doravante também referida com uma taxa de alteração de uma distância entre o transpondedor e a antena. 0 método inclui transmitir via a antena, um sinal de onda contínua que tem uma frequência de portadora; receber um sinal de resposta refletido modulado do transpondedor, em que a modulação está numa frequência de modulação; converter o sinal de resposta refletido modulado para um sinal convertido descendentemente misturando o sinal de resposta refletido modulado com a frequência de portadora; filtrar por passa-banda o sinal convertido descendentemente para passar um sinal filtrado por passa-banda contendo pelo menos a frequência de modulação; aplicar uma função de transferência de amplitude não linear ao sinal filtrado por passa-banda para remover modulação e produzir um sinal de modulação suprimida; medir a frequência do sinal de modulação suprimida; e determinar a variação de distância com base num deslocamento Doppler correspondente à frequência medida do sinal de modulação suprimida.

Noutro aspeto, o presente pedido descreve um leitor para determinar uma variação de distância de um transpondedor de retroespalhamento montado no veículo numa estrada. 0 leitor inclui um transmissor para gerar um sinal de onda contínua que tem uma frequência de portadora; uma antena para transmitir o sinal de onda contínua e para receber um sinal de resposta refletido modulado do transpondedor, em que a modulação está numa frequência de modulação, e em que a variação de distância é uma taxa de alteração de uma distância entre o transpondedor e a antena; um misturador para misturar o sinal de resposta refletido modulado com a frequência de portadora para produzir um sinal convertido descendentemente; um filtro passa-banda para filtrar o sinal convertido descendentemente para passar um sinal filtrado por passa-banda contendo pelo menos a frequência de modulação; uma função de transferência de amplitude não linear para produzir um sinal de modulação suprimida quando se aplica a função ao sinal filtrado por passa-banda para remover modulação; e um medidor de frequência para medir a frequência do sinal de modulação suprimida e para determinar a variação de distância da frequência medida.

Num aspecto, o presente pedido descreve um método de estimar localização de veiculo numa estrada utilizando um sistema de identificação automática de veículos, o sistema incluindo uma antena que define uma área de cobertura para comunicar com um transpondedor montado num veículo na estrada. 0 método inclui receber um conjunto de sinais de resposta do transpondedor em pontos no tempo e determinar uma variação de distância do transpondedor em relação à antena em cada ponto no tempo; identificar um valor mínimo da variação de distância, doravante também referido como uns mínimos na magnitude da variação de distância; estimar uma primeira posição do transpondedor num primeiro tempo correspondente à ocorrência dos mínimos; estimar uma velocidade do veículo com base numa ou mais das variações de distância determinadas; e estimar uma segunda posição do transpondedor com base na primeira posição e na velocidade.

Noutro aspeto, o presente pedido descreve um sistema de identificação automática de veículos para identificar a posição numa estrada de um veículo. 0 sistema compreende uma antena para comunicar com um transpondedor montado no veículo na estrada; um transcetor para difundir um sinal de onda contínua pela antena e para receber sinais de resposta do transpondedor; uma memória que armazena instruções de localização de posições de veículo; e um processador, que ao executar as instruções de localização de posições de veículo, está configurado para determinar uma variação de distância do transpondedor em relação à antena com base em sinais de resposta recebidos em pontos no tempo, identificar uns mínimos na magnitude da variação de distância, estimar uma primeira posição do transpondedor num primeiro tempo correspondente à ocorrência dos mínimos, estimar uma velocidade do veículo com basea numa ou mais das variações de distância determinadas, e estimar uma segunda posição do transpondedor com base na primeira posição e na velocidade.

Ainda num aspeto adicional, o presente pedido descreve um meio legível por computador não transitório que armazena instruções executáveis por processador que, quando executadas, levam um processador a realizar um dos métodos descritos no presente documento.

Outros aspetos e características da presente invenção serão evidentes aos peritos na técnica a partir de uma revisão da seguinte descrição pormenorizada quando considerada em conjunção com os desenhos.

Primeiro faz-se referência à Figura 1, que mostra, em forma de diagrama de blocos, um sistema de cobrança eletrónica de portagem (ETC) exemplificativo 10. O sistema ETC 10 é empregue em ligação com uma estrada 12 que tem uma ou mais uma ou mais faixas para tráfego veicular. A seta indica a direção de deslocação na estrada 12. Para fins diagramáticos, um veículo 22 é ilustrado na estrada 12. Em alguns casos, a estrada 12 pode ser uma estrada de acesso que leva a ou de uma autoestrada com portagens. Noutros casos, a estrada 12 pode ser a autoestrada com portagens.

Veículo 22 é mostrado na Figura 1 com um transpondedor 20 montado no pára-brisas. Noutras formas de realização, o transpondedor 20 pode estar montado noutras localizações. O sistema ETC inclui antenas 18 ligadas a um leitor de identificação automática de veículos (AVI) 17. 0 leitor 17 gera sinais para transmissão pelas antenas 18 e processa sinais que são recebidos pelas antenas 18. O leitor 17 inclui um processador 35 e um ou mais módulos de radiofrequência (RF) 24 (mostra-se um por clareza). Em muitas implementações, cada antena 18 pode ter um módulo RF dedicado 24; embora em algumas formas de realização um módulo RF 24 pode ser partilhado por mais de uma antena 18 através de multiplexagem no tempo.

As antenas 18 são antenas de transmissão e receção direcionais que, na forma de realização ilustrada, estão orientadas para definirem uma série de zona de capturas 26 que se estendem através da estrada 12 numa direção ortogonal. A disposição de zona de capturas 26 define a zona de comunicação dentro da qual se efetuam transações de portagens utilizando um protocolo de comunicações ETC. 0 sistema ETC 10 pode funcionar, por exemplo, dentro das bandas de rádio industriais, cientificas e médicas (ISM) em 902-928 MHz. Por exemplo, o sistema ETC 10 pode efetuar comunicações em 915 MHz. Noutras formas de realização, podem utilizar-se outras bandas/frequências, incluindo 2,4 GHz, 5,9 GHz, etc.

Nesta forma de realização, o sistema ETC 10 funciona utilizando um transpondedor de retroespalhamento passivo. O sistema ETC 10, e em particular o leitor 17 e antenas 18, interrogam continuamente as zonas de capturas 26 utilizando multiplexagem por divisão de tempo ou multiplexagem por divisão de frequência ou multiplexagem por divisão de código para serem capazes de suprimir ou ignorar sinais de zonas de captura 2 6 que se sobrepõem. A interrogação pode incluir difundir um sinal RF de onda continua e esperar um sinal de resposta detetada de qualquer transpondedor que acabe por estar dentro da zona de captura 26. O sinal de resposta inclui geralmente um sinal refletido modulado do transpondedor. Em alguns casos cada das antenas 18 pode incluir uma antena de transmissão e antena de receção separadas. Em alguns outros casos, cada antena 18 inclui uma antena individual utilizada para transmissão e receção e os caminhos de transmissão e receção estão acopladas à antena 18 através de um circulador ou outro dispositivo de divisão/acoplamento de sinal.

No sistema ETC 10, detetam-se veículos quando entram nas zonas de captura 26 e o transpondedor montado no veículo 20 responde à difusão de sinal RF por uma das antenas 18. A frequência da interrogação cíclica é tal que enquanto o veículo 22 atravessa a zona de captura 26, o transpondedor 20 recebe e responde a sinais RF do leitor 17 um número de vezes. Cada destas trocas de interrogação-resposta pode referir-se como um "aperto de mão" ou " aperto de mão de leitor-transpondedor" no presente documento.

Logo que o leitor 17 identifica o transpondedor 20 como um transpondedor 20 acabado de chegar iniciará realização de uma transação de portagem ETC. Isto pode incluir programar o transpondedor 20 através de envio de um sinal de programação que o transpondedor 20 utiliza para atualizar a informação de transpondedor armazenada em memória no transpondedor 20. O sistema ETC 10 inclui ainda um sistema de execução. O sistema de execução pode incluir um sistema de imagensde veículos, indicado geralmente pelo número de referência 34. O sistema de imagens de veículos 34 está configurado para capturar uma imagem de um veículo na estrada 12, particularmente a placa de matrícula de veículo. Se o veículo falhar a conclusão de uma transação de portagem bem sucedida, então utiliza-se a imagem de placa de matrícula para identificar o proprietário do veículo e envia-se uma fatura ao proprietário. O sistema de imagens de veículos 34 inclui câmaras 36 montadas para capturar a placa de matrícula frontal e/ou traseira de um veículo na estrada 12. Um detetor de veículo 40 define uma linha de deteção de veículo 44 que se estende ortogonalmente através da estrada 12. O detetor de veículos 40 pode incluir um pórtico que suporta um sistema de deteção e classificação de veículos (VDAC) para identificar a presença física de veículos que passam por baixo do pórtico e classificá-los operacionalmente como uma característica física, por exemplo, altura. Em algumas formas de realização, o detetor de veículos 40 pode incluir detetores de laço na estrada para detetar um veículo transeunte. Podem empregar-se outros sistemas para detetar a presença de um veículo na estrada 12, incluindo cortinas de luz, sistemas de deteção de laser, e outros sistemas. 0 processador de imagens 42 e detetor de veículos 40 estão acoplados a e interagem com um controlador de estrada 30. O controlador de estrada 30 também comunica com sistemas ou componentes ETC à distância (não mostrados) para processar transações de portagem. O controlador de estrada 30 recebe dados do leitor 17 relativos ao transpondedor 20 e à presença do veiculo 22 na estrada 12. O controlador de estrada 30 inicia uma transação de portagem que, em algumas formas de realização, pode incluir comunicar com bases de dados ou sistemas remotos. Ao concluir uma transação de portagem, o controlador de estrada 30 instrui o leitor 17 para comunicar com um transpondedor 20 para indicar se a transação de portagem foi bem-sucedida. O transpondedor 20 pode receber um sinal de programação do leitor 17 que o avisa do sucesso ou falha da transação de portagem e o leva a atualizar os seus conteúdos de memória. Por exemplo, pode configurar-se o transpondedor 20 para armazenar o tempo e localização do seu último pagamento de portagem ou um saldo de conta. O controlador de estrada 30 pode receber dados do sistema de imagens de veículos 34 e/ou do detetor de veículos 40 relativos a veículos detetados na linha de deteção de veículo 44. O controlador de estrada 30 controla operação do sistema de execução coordenando a deteção de veículos com a posição de veículos que completaram com êxito uma transação de portagem. Por exemplo, se um veículo é detetado na estrada na linha de deteção de veículo 44 numa faixa de rodagem particular, o controlador de estrada 30 avalia se comunicou com um veículo que completou uma transação de portagem bem sucedida e cuja posição corresponde à posição do veículo detetado. Se não, então o controlador de estrada leva o processador de imagens 42 a capturar uma imagem da placa de matrícula de veículo detetado ou, se já capturado a montante, então o controlador de estrada 30 pode iniciar um processo de execução, como um processo de identificação de placa de matricula automático ou manual seguido por faturação. A placa de matricula, uma vez identificada, pode correlacionar-se com a mesma placa de matrícula identificada noutro ponto de entrada/saída para calcular a quantidade de portagem adequada para faturação. A linha de deteção de veículo 44 pode estar fora das zonas de captura 26. O sistema ETC 100 precisa de determinar o caminho ou posição provável de um transpondedor com que comunicou para determinar quando e onde o transpondedor teria provavelmente passado a linha de deteção de veículo 44. Então pode correlacionar transpondedores com imagens de veículos. Há algumas soluções existentes para determinar localização de veículo num sistema ETC. Uma é fornecer múltiplos conjuntos de leitores de estrada para realizar varredura de feixe estreito enquanto veículo se aproxima das zonas de captura. Utilizando leitores em qualquer lado da estrada, os feixes que se intersectam a que um transpondedor responde dão uma indicação de posição provável. Esta solução requer a instalação de equipamento de estrada adicional e pode não ser adequada para todas as instalações, particularmente sistemas de retroespalhamento passivos, pois requer um longo período de tempo na zona, feixes de movimento rápido estreitos, e podem assentar em medições RSSI.

Outra solução é utilizar recetores de estrada adicionais para receber as transmissões de transpondedor em conjunção com antenas monoimpulso. Estas antenas permitem determinar direção de chegada e com duas destas pode determinar-se a localização do veículo. Esta solução requer a instalação de equipamento de estrada adicional e pode não ser adequada para todas as instalações. Pode adequar-se melhor a um sistema de transpondedor ativo pois num sistema de transpondedor passivo a transmissão de leitor recolhida pelos recetores inundará os sinais de transpondedor e degradará a operação monoimpulso. Também há soluções visadas a determinar a faixa em que um veiculo está provavelmente a deslocar-se. Os ditos algoritmos de "votação" tomam uma decisão de atribuição de faixa com base no número de apertos de mão completados com cada antena, às vezes utilizando um algoritmo de ponderação ou outras técnicas. Estas soluções, contudo, apenas indicam a posição lateral provável de um veículo na estrada no momento em que o veiculo está a atravessar as zonas de captura 26.

De acordo com um aspeto do presente pedido, o sistema ETC 10 determina o deslocamento Doppler associado a sinais recebidos pelas antenas 18 do transpondedor 20. O deslocamento Doppler correlaciona-se com uma variação de distância, isto é, a taxa de a que a distância entre o transpondedor 20 e a antena 18 está a alterar; por outras palavras, a velocidade de transpondedor para ou da antena (note-se que as antenas 18 estão tipicamente elevadas acima da estrada e o veiculo se desloca tangencial à antena 18). A variação de distância alcança um ponto de passagem por zero quando o tanspondedor passa sob o pórtico que suporta a antena de modo que então se está a afastar da antena do que ir para a antena. Consequentemente, se o sistema ETC 10 determina o ponto de passagem por zero de uma variação de distância de transpondedor, então sabe o ponto em que passa sob o pórtico. Utilizando uma ou mais medições de variação de distância prévias (ou posteriores) de sinais de transpondedor prévios (ou posteriores), a velocidade do veiculo pode então ser estimada em pontos no tempo anteriores (ou posteriores) permitindo estimação de um caminho provável do veiculo para (ou de) a antena. Em algum dos seguintes exemplos, assume-se que o ponto de deteção de veiculo esteja a montante das zonas de captura; assim, o sistema ETC 10 procura estimar a posição de veiculo num ponto no tempo prévio com base em medições de variação de distância de sinais de transpondedor. Contudo, é de assinalar que se podem utilizar técnicas similares para determinar posição a jusante num ponto no tempo posterior utilizando medições de variação de distância posteriores.

Num exemplo, utilizam-se o ponto de passagem por zero e uma medição de variação de distância individual prévia para determinar a gama de estimativas de velocidade (com base numa gama limitada de alturas de transpondedor, e uma gama limitada de ângulos de deslocamento para a antena e desvios laterais da antena) , que, assumindo velocidade constante, correlacionam-se com uma gama de posições de veiculo estimadas em prévios pontos no tempo. Então utiliza-se esta gama de estimativas de velocidade e caminho para estimar posição de veiculo provável na altura de cruzar a linha de deteção de veiculo. A estimativa de posição de veiculo no tempo de cruzar a linha de deteção de veiculo pode estar correlacionada com dados de veiculo fisicamente detetados.

Noutro exemplo, determinam-se múltiplas medições de variação de distância e determinam-se estimativas de velocidade correspondentes para esses pontos no tempo. Utilizando ajuste de curva, então podem estimar-se o intervalo e posição de veículo em vários pontos no tempo, com as estimativas de distância estando limitadas por limites em altura de transpondedor, ângulos de deslocamento, e desvios laterais do caminho de veiculo da antena. Em alguns casos, podem determinar-se dois conjuntos de estimativas correspondentes a sinais recebidos por duas das antenas. Então podem comparar-se os dois conjuntos de estimativas para encontrar pontos de interseção entre as gamas de caminhos/velocidades estimados para chegar a um subconjunto mais preciso de estimativas e também se podem utilizar para determinar o ângulo de deslocamento através da estrada.

Em ainda outro exemplo, o processo de estimação de posição baseado em variação de distância é combinado com outro sistema de localização de posição, como um sistema de atribuição de faixa, para melhorar precisão da estimativa de posição.

Determinação de Variação de Distância A primeira dificuldade que surge em implementar formas de realização do sistema de localização de posição é determinar a variação de distância para um transpondedor. Num sistema ETC, a antena é estacionária e o dispositivo RFID (transpondedor) está em movimento; contudo surgiriam problemas similares no caso de um leitor/antena em movimento e um dispositivo RFID estacionário, ou caso tanto o leitor tanto dispositivo RFID estejam em movimento.

Num sistema baseado em retroespalhamento, o leitor difunde um sinal RF para o dispositivo RFID e recebe de volta um sinal refletido. 0 dispositivo RFID impõe modulação no sinal refletido, que é detetado e desmodulado pelo leitor.

No caso de sistemas veiculares do tipo discutido no presente documento, particularmente em velocidades de autoestrada, o deslocamento Doppler não é constante com tempo e manifesta um grande deslocamento de fase variável no tempo através da duração de um pacote de modulação individual do dispositivo RFID. Isto torna difícil recuperação da modulação e deteção do deslocamento Doppler. Medir deslocamento Doppler em radar convencional ou tais sistemas envolve tipicamente medir diretamente o deslocamento de fase de um sinal refletido em relação a um sinal transmitido. Medindo esse deslocamento de fase com o tempo, pode utilizar-se o deslocamento Doppler para determinar a velocidade do dispositivo RFID e/ou mudanças de velocidade.

No caso de RFID montado no veículo, a fase do sinal recebido inclui o sinal refletido do dispositivo RFID, mas também componentes de distorção que introduzem erros nas medições de fase. Pode surgir distorção de fuga de transmissão no recetor, reflexões de outros itens, não idealidades no sinal de recetor/caminho de circuito como desvios DC, reflexões multi-caminho de objetos estacionários e em movimento, e reflexão do sinal de veículos, incluindo o veículo com o dispositivo RFID.

Tipicamente é preciso uma alta relação de sinal para ruido (SNR) para medir diretamente fase com precisão suficiente para determinar deslocamento Doppler. Com retroespalhamento RFID, por causa da modulação imposta no sinal refletido e da variabilidade de taxa de modulação entre dispositivos RFID, há pouca SNR disponível para dirigir medições de deslocamento de fase do sinal refletido recebido.

De acordo com um aspeto do presente pedido, pode determinar-se deslocamento Doppler e/ou variação de distância explorando o facto de modulação por retroespalhamento em dispositivos RFID se manifestar como modulação de amplitude bipolar do sinal recebido. No leitor, o sinal refletido é convertido descendentemente para banda base e filtrado por passa-baixo para passar a parte modulada do sinal refletido de deslocamento Doppler. Esse sinal filtrado é então ajustado através de pedido de uma função de transferência de amplitude não linear que serve para remover efetivamente a modulação e deixar um sinal modificado de onde se pode medir diretamente o deslocamento Doppler.

Agora faz-se referência à Figura 2, que mostra um diagrama de blocos simplificado de um leitor RFID 100 para determinar deslocamento Doppler num sistema RFID de retroespalhamento. O leitor RFID 100 inclui um transmissor 102 e uma antena de transmissão 104. O leitor RFID 100 inclui ainda uma antena de receção 106, embora em algumas formas de realização a antena de transmissão 104 e a antena de receção 106 sejam a mesma antena, que está então acoplada ao transmissor 102 e circuitos de recetor através de um circulador ou outro dispositivo de divisão/combinação de sinal. O transmissor 102 gera e difunde um sinal RF utilizando a antena de transmissão 104. O sinal RF transmitido pode ser definido como: /! T * cos(wr * t)

Nesta expressão, At é a magnitude de sinal de transmissão, wt é a frequência em radianos, e t é o tempo instantâneo.

Um dispositivo RFID (não mostrado) recebe o sinal RF e retorna um sinal refletido. O dispositivo RFID impõe modulação no sinal refletido. O sinal refletido é recebido pelo leitor RFID 100 via a antena de receção 102. O sinal refletido de qualquer objeto no campo pode ser expresso como:

O índice x representa o objeto de onde se reflete o sinal, que pode incluir objetos estacionários ou em movimento, incluindo veículos. Na expressão acima, Lx(t) é a perda de energia RF para um sinal entre transmissão e receção da reflexão. Inclui o ganho das antenas de subsistema na direção do objeto como também efeitos de propagação. Se o objeto está em movimento estará dependente do tempo. É unipolar (isto é, pode ter valores positivos ou negativos) dentro da região de interesse. Ox(t) é a quantidade de reflexão pelo objeto na direção da antena de receção. Está dependente do tempo se o objeto está em movimento. É também unipolar na região de interesse. 0 termo dx(t) indica a distância (gama) entre o objeto e a antena de receção. Está dependente de tempo se o objecto está em movimento. A velocidade de propagação de RF é dada por c. 0 termo Rx(t) é a magnitude do sinal recebido, e inclui Άτ· (Lx (t) ) 2 · 0X (t) . 0 deslocamento Doppler em radianos é dado por wx(t) se o objeto está em movimento. Expresso em Hz, o deslocamento Doppler é fx(t). Note-se que:

Nesta expressão, /ré a frequência do sinal de transmissão e d(dx(t))/dt é o diferencial da distância em relação a tempo, isto é, a variação de distância ou velocidade do objeto em relação à antena de receção. 0 sinal refletido do próprio dispositivo RFID pode ser expresso como:

Na expressão acima, o termo mr(t) representa a modulação imposta pelo dispositivo RFID no sinal refletido. 0 índice r indica que os termos se referem ao dispositivo RFID, ao contrário de outros objetos no campo. Note-se que o item de interesse particular é wr(t), que é a frequência em radianos de deslocamento Doppler para o sinal do dispositivo RFID em movimento. Em Hz, isto pode ser expresso como:

Ainda em relação à Figura 2, converte-se descendentemente o sinal refletido recebido na antena de receção 106 utilizando um sinal de frequência de portadora (mais algum deslocamento de fase constante Θ) do transmissor 104 e de um combinador 108. O sinal convertido descendentemente pode ser expresso como:

Isto também se pode expressar como:

0 primeiro termo está ao dobro da frequência de portadora e o segundo termo está na banda base em relação à portadora. É de assinalar que o segundo termo inclui a modulação dependente de tempo mr(t) e as mudanças dependentes de tempo em refletividade e perda de energia que resultam de movimento do dispositivo RFID. É de assinalar também que a mistura/conversão descendente produzirá outros produtos, geralmente em múltiplos superiores da frequência de portadora. Para o fim da presente análise, estes termos são ignorados pois serão filtrados do sinal convertido descendentemente.

Note-se que o sinal recebido incluirá outros sinais refletidos além do sinal refletido modulado do dispositivo RFID. Após conversão descendente, estes outros sinais serão dados por:

Como acima notado, a modulação mr(t) de um dispositivo RFID pode ser representado como uma modulação de fase bipolar ou uma modulação de amplitude bipolar, com algum desvio médio. No caso de modulação de amplitude bipolar, a modulação é expressa como:

Nesta expressão, ai é o desvio médio, am é a magnitude da mudança de sinal, e Hr(t) é um de dois estados: (1, -1).

Como um caso específico, em modulação on-off ai ^ am.

Modulação de fase bipolar pode ser expressa como: m, {Ú ~ «x -f % ' cos{(?r(í) - φ)

Na expressão acima, Gr(t) pode assumir um dos dois estados: (0, n). Esta expressão é então equivalente a: tn, (í) - αΑ 4 az ' cqs(Gr(t)) * cos(^) ” ftj 4 <lVt ’ (í)

Por outras palavras, a modulação de fase bipolar (assim definida) pode ser tratada da mesma maneira que modulação de amplitude bipolar.

Se a expressão acima para modulação bipolar é substituída pela expressão para o sinal refletido modulado convertido descendentemente, então se torna: 0,5 * 4 * RT(t) - (cos(2wy * t 4 wr(t) * t 4 θ') 4 cos(wt (f) -1 — $}) -03 (ai 4 * f?r(t)} * Rrít) * (cOS(2Wy ' t 4 Wr{t) ' t 4 &amp;}) 4-0.5 - αχ - Rr(t) ' cos(wr(t) - t — Θ) 40,5 * am * Rr(t) - c©s(wr(£) * t — 0)

Pode fazer-se a seguinte observação relativa aos componentes de frequência de alguns dos termos dependentes de tempo nas expressões acima. Para qualquer taxa Doppler razoável, é de assinalar que:

Por outras palavras, a taxa de variação da magnitude de sinal devido a variações em perda de propagação e reflectividade devido a movimento do objeto ou dispositivo RFID será inferior à taxa de variação no deslocamento Doppler, que por seu turno é muito inferior à taxa de modulação.

Consequentemente, outra vez em relação à Figura 2, pode utilizar-se um filtro passa-banda 110 para filtrar os sinais convertidos descendentemente e passar a frequência de modulação, rejeitando quaisquer termos que contenham múltiplos da frequência de portadora (muito alta) ou quaisquer termos que não estejam modulados (muito baixa). Com um tal filtro passa-banda 110, eliminamos ambos os termos do sinal refletido de outros objetos, e eliminamos dois termos do sinal refletido modulado do dispositivo RFID, e são deixados com: 0,5 ' - &amp;r(t) * í?r (t) * * t -#)

Este sinal filtrado por passa-banda ainda se pode expressar como: · Cús(wr(t) * £ Θ) 0 termo Km(t) é uma função de amplitude dependente de tempo que contém quer os efeitos de atenuação de sinal quer modulação imposta por RFID Hx (t), significando assim que é bipolar. 0 sinal inclui ainda a função de amplitude periódica cos{wr(t)-t - Θ) , que é também bipolar e é unicamente dependente da frequência Doppler. A modulação pode então ser removida do sinal refletido convertido descendentemente filtrado por passa-banda aplicando uma função de transferência de amplitude não linear 112. Exemplos da função de transferência de amplitude não linear 112 incluem uma função da lei de quadrado ou uma função de magnitude absoluta. A função de transferência de amplitude não linear 112 aborda o facto de ambos os contribuidores de fase terem magnitudes bipolares. Eliminando o comportamento bipolar do termo Km(t), a modulação é efetivamente removida como um contribuidor de fase do sinal para o fim de analisar o efeito Doppler.

Agora descreve-se um exemplo em relação à função de lei de quadrado. A saida unipolar após elevar a quadrado o sinal convertido descendentemente filtrado por passa banda é: (ã'ík {£:) J * ϋί — (i^mCt)) ' (l -f cos(2»v<.t) ’ t 25}) :?? {Km(t)f + (Ãrw(t>j“ ' CffiSpWr(r) *#** 2d)

Da definição acima de Km(t), podem fazer-se as seguintes observações: (Km ít)f « (or(£))2 · (ar(t)f

Mas da definição de Hr(t), o quadrado da mesma será igual a 1. Consequentemente: fc(Oj* m ím$3*

Um filtro 114 é então aplicado ao sinal elevado ao quadrado resultante. 0 filtro 114 pode incluir um filtro passa-baixo que suprime quaisquer frequências de modulação residuais ou conteúdo de ruido. Também se pode utilizar um filtro passa-banda para suprimir o termo independente (Km(t))2. Como a frequência mais alta que o filtro 114 deve passar é a frequência Doppler, a largura de banda de filtro será muito inferior a qualquer filtro requerido para desmodulação e portanto se pode obter uma SNR alta mesmo que a largura de banda de modulação seja fraca. 0 efeito do filtro será calcular a media da função de amplitude (Km(t))2 de tal forma que o que é saido do filtro 114 é o sinal: * cos(2wr(í)" t — 2$)

Nesta expressão, Ka(t) é uma função de amplitude média que varia relativamente lentamente dependente de (Lr(t))4 (Or(t))2. É portanto unipolar e não zero. 0 termo cos (2wr(t,J · t - 2Θ) é uma função de amplitude periódica ao dobro da frequência Doppler, e é bipolar. Como um resultado, a frequência Doppler pode então ser determinada numa etapa de medição de frequência 116 detetando, por exemplo, passagens por zero do sinal elevado a quadrado filtrado.

Noutro exemplo, implementa-se a função de transferência de amplitude não linear 112 utilizando uma função de magnitude absoluta. Neste exemplo, numa implementação a polaridade é descartada da saida de sinal do filtro passa-banda 110. O resultado de uma tal operação é:

Como no caso de lei de quadrado, a magnitude da função de modulação Hr(t) é igual a 1, assim pode eliminar-se da análise.

Aplicar o filtro 114 para suprimir frequência de modulação residual ou conteúdo de ruido melhora a SNR. O efeito de tal filtragem é calcular a média da função de amplitude | Km(t) de modo que o sinal de magnitude filtrado seja dado por:

O termo Kb(t) é uma função de amplitude média que varia lentamente dependente de | (Lr (t))2 Όι (t) |, e é portanto unipolar e não zero se um sinal RFID estiver presente. É de assinalar que a componente Doppler, | cos (wr (t) t - θ)|, exibe dois mínimos de amplitude cada período de fr(t) . Medindo, por exemplo, o tempo entre os mínimos obtém-se diretamente a frequência Doppler.

Também se pode observar que o termo \cos (wr(t) · t -0)1 dá a mesma resposta para deslocamentos Doppler negativos ou positivos. Esta ambiguidade pode ser resolvida através de múltiplas observações da frequência Doppler para avaliar se está aumentar ou diminuir, que correspondem, respetivamente, ao afastamento ou aproximação do dispositivo RFID da antena de receção 106.

Em alguma formas de realização, a função de modulação Hr(t) não está restrita ao conjunto (-1, 1). Por exemplo, a função pode ter bits em forma de tempo. Contudo, ainda se podem aplicar os processos acima descritos, desde que a amplitude média de estados positivos e negativos sejam iguais e desde que a taxa de modulação se mantenha muito superior à taxa Doppler para permitir o processo de filtragem.

Em algumas formas de realização, o sinal de transmissão pode ser modulado por fase (ou amplitude bipolar) e o processo levará à frequência Doppler desde que a modulação seja passada através do filtro de conversão descendente e então removida (calculada a média) pela função de transferência de amplitude não linear pós-conversão descendente. É de assinalar que o método acima descrito requer apenas um único caminho de receção, isto é, não requer determinação da fase do sinal de entrada e remove a modulação para determinar o deslocamento Doppler diretamente.

Pode modificar-se o processo acima descrito, em algumas formas de realização, utilizando conversão descendente de quadratura. Por exemplo, quer os caminhos em fase quer de quadratura podem ser independentemente processados (filtrados por passa-banda, modificados por função de transferência não linear, e filtrados), utilizando por exemplo a abordagem de função de magnitude, para resultar em sinais como:

A componente em fase terá mínimos em wr(t) · t = 0 + n-π, e a componente de quadratura terá mínimos em wr(t)-t = π/2 + Ώ’Π. Comparando a diferença de tempo entre os mínimos nos dois canais, determina-se uma fração conhecida de período Doppler e portanto, a frequência Doppler. A medição de frequência Doppler não está restrita a utilizar mínimos. Como frequência é a taxa de alteração de fase com tempo, determinando a alteração de fase através de qualquer parte de uma transmissão e conhecendo o tempo, pode medir-se a frequência.

Determinação de Localização

Como acima descrito, o sistema ETC pode determinar a variação de distância (velocidade do dispositivo RFID relativa à antena de leitor) utilizando sinais refletidos modulados RFID para cada dos sinais. Podem utilizar-se estes dados para determinar, isto é, estimar, a velocidade veicular e posição provável do veiculo e dispositivo RFID nos tempos durante os quais os sinais refletidos foram enviados e, com base nesses dados, a posição provável do veículo noutros pontos no tempo. 0 caso mais fácil é um em que o veiculo é obrigado a deslocar num caminho longitudinal conhecido sem variação lateral ampla em posição. Isto pode ocorrer no caso de um conjunto de vias-férreas ou no caso de uma única faixa de autoestrada ou estrada.

Agora faz-se referência à Figura 3, que ilustra uma vista lateral de um sistema ETC exemplificativo 200, em que veículos são obrigados a deslocar numa única faixa. A obrigação é tal que o sistema é modelado em 2 dimensões com um veículo 202 a deslocar um vetor fixo que passa sob uma antena elevada 204. 0 veículo 202 está equipado com um transpondedor 206 montado no seu para-brisas. Noutras formas de realização, o transpondedor 206 pode estar montado em qualquer lugar no veículo 202. Em geral, transpondedores habitualmente estão localizados entre cerca de 3 a 8 pés acima da superfície da estrada. A antena 204 é uma antena direcional que define uma área de cobertura 208 (isto é, zona de captura) dentro da qual é geralmente capaz de comunicar com e receber sinais de respostas de transpondedores 206. É de assinalar que enquanto o veículo 202 se desloca através da área de cobertura 208 a velocidade estradai veicular, o transpondedor 206 recebe sinais de transmissão da antena 204 e responde modulando um sinal refletido. Como acima descrito, o leitor (não ilustrado) pode determinar uma variação de distância para o transpondedor 206 com base no sinal refletido modulado recebido na antena 204. Com base numa ou mais medições de variação de distância, pode estimar-se a velocidade estradai do veiculo 202. Com uma posição estimada num ponto no tempo e um vetor de velocidade estimado, pode então estimar-se a posição do transpondedor 206, e assim do veiculo 202, noutros pontos no tempo.

Consequentemente, o sistema 100 determina (isto é, estima) a posição do transpondedor 206 num ponto no tempo. Um ponto que se pode utilizar em algumas formas de realização é o ponto em que o transpondedor 206 passa diretamente sob a antena 204. Neste ponto, a variação de distância passa por zero. Noutras formas de realização, podem utilizar-se diferentes posições. Por exemplo pode utilizar-se um sensor de deteção de veiculo, como um detetor de laço, cortina de luz ou digitalizador para localizar a localização do veiculo num dado ponto no tempo. Note-se que as últimas técnicas ainda precisariam de estar correlacionadas com comunicações de transpondedor para associar medições de variação de distância à posição de veiculo, enquanto a abordagem de passagem por zero de variação de distância já está correlacionada com um transpondedor 206 particular. A variação de distância em qualquer ponto no tempo é uma função de quatro variáveis: a velocidade de veiculo (v) ; a altura (h) entre a antena e o transpondedor; a distância (d(t)) do transpondedor ao longo da trajetória de veiculo; e a frequência de portadora de comunicação (fr) do sistema RFID de retroespalhamento.

Assume-se que no tempo t=0, d(t) = 0. Então as seguintes expressões aplicam geralmente:

Na expressão acima, r(tl) é a distância no tempo tl, fd(t1) é a medição Doppler no tempo tl, e c é a velocidade de propagação RF. Consequentemente, é de assinalar que, com a medição Doppler no tempo tl calculada do sinal de resposta de transpondedor, o sistema 100 pode então determinar a taxa de alteração de r(t1), isto é, a variação de distância. O tamanho z da área de cobertura 208 é geralmente conhecido. Não é um valor fixo pois, dependendo da idade do transpondedor 206, sua configuração de montagem, fatores ambientais, etc., diferentes transpondedores 206 podem ser capazes de comunicar com a antena 206 através de zonas dimensionadas ligeiramente diferentes. Contudo, uma gama limitada z de valores de posição razoáveis é conhecida para uma dada instalação. Por exemplo, uma área de cobertura 208 que tem nominalmente 12 pés de comprimento pode praticamente ser considerada como estando entre cerca de 8 e 15 pés de comprimento.

Também se conhece a extensão de tempo que o transpondedor 206 está em comunicação com a antena 204. Assim se conhece o tempo que leva o veiculo 202 a atravessar a área de cobertura 208. Portanto, com base na gama de valores de tamanho z, há uma gama de valores v possíveis para o veículo 202. Isto dá um conjunto razoável de estimativas limitadas para velocidade v, que são então iterativamente testadas para ajustar com a(s) medição(ões) Doppler.

Como um exemplo, suponhamos que no tempo tl, calcula-se uma variação de distância de 12,89 m/s da medição Doppler. A antena 204 está montada 17 pés acima da estrada e assume-se que a altura de transpondedor seja 4 pés. 0 tamanho z da área de cobertura 208 está entre 8 e 15 pés. O transpondedor 206 está em comunicação por 115,5 ms. O ponto de passagem por zero de variação de distância ocorre num tempo de tO = tl + 80,85 ms. Com base numa gama limitada de velocidades v entre 80 e 150 kph, podem testar-se as velocidades para determinar que resultados de velocidade numa variação de distância de 12,8 9 m/s no tempo tl. A velocidade v estimada resultante nesta situação exemplificativa é 96,5 kph.

Consequentemente, com esta velocidade estimada, e posições estimadas do veiculo 202 nos tempos tO e tl, pode então estimar-se a posição de veiculo noutros tempos, como t2 ou t3.

Determinou-se empiricamente que a altura de transpondedor tem um impacto aproximadamente insignificante sobre estimativas de posição pois a altura de antena tende a ser muito superior à altura de transpondedor. Contudo, a altura de transpondedor pode ser tratada como uma gama limitada, resultando assim numa gama de valores de velocidade estimados.

Com mais do que uma medição de variação de distância, pode obter-se mais do que uma estimativa para velocidade. Pode calcular-se a média das velocidades assim obtidas, ou uma curva pode ser ajustada para as estimativas de velocidade para considerar possíveis alterações de velocidade enquanto o veículo atravessa a área de cobertura 208.

Um problema mais complexo é determinar a posição de um veículo num ambiente multi-faixa em que não se pode assumir que o veículo se desloque num caminho limitado. Agora faz-se referência à Figura 4, que mostra uma vista de cima de um exemplo de um sistema ETC 250. Mostram-se três veículos 202, representados 202a, 202b, e 202c. Cada veículo 202 é mostrado numa primeira posição (Posl) e numa segunda posição (Pos2). Uma antena 204 é mostrada neste exemplo. O primeiro veiculo 202a é mostrado a deslocar-se paralelamente à berma da estrada sem nenhum desvio lateral da antena 204, como no exemplo de deslocamento limitado ilustrado previamente. O segundo veiculo 202b é mostrado a deslocar-se paralelamente à berma da estrada da antena 204. A distância do desvio é uma distância transversal à trajetória x. A relação entre a distância r, altura h, distância d, e distância transversal à trajetória x agora pode ser expressa como:

Note-se que ainda há uns mínimos em variação de distância que ocorrem onde a direção de movimento/ caminho do veículo é ortogonal à antena. O terceiro veículo 202c é mostrado a deslocar-se num ângulo Θ de paralela à linha central da estrada e desviado da antena 204 pela distância transversal à trajetória x.

Notou-se experimentalmente que, como altura de antena h, a distância transversal à trajetória para gamas razoáveis de x tem um impacto quase insignificante sobre a correlação de medições de variação de velocidade e estimativas de velocidade/distância. Contudo, pode assumir-se uma gama limitada de distâncias transversais à trajetória x, resultando numa gama limitada de estimativas de velocidade/distância para uma dada medição de variação de velocidade.

Recordar que num sistema multi-faixa, há múltiplas antenas que englobam a estrada, e que o sistema seleciona a antena com as melhores (por exemplo maior número de) comunicações com o transpondedor montado no veículo. Essa antena habitualmente tenderá a ser a antena pela qual o veículo passa mais de perto, embora não seja necessariamente o caso dependendo de fatores ambientais, idade de antena e anomalias, e reflexões multi-caminho. Portanto, há um limite superior de valores x razoáveis em cada lado de uma antena, acima do qual pode assumir-se que o veiculo iria comunicar melhor com outra antena. Similarmente, num ambiente de estrada livre multi-faixa, há um limite superior no ângulo Θ em que um veiculo é capaz de se deslocar em relação à linha central de estrada sem se desviar da estrada. Numa forma de realização, os limites no ângulo Θ podem estar relacionados com o tempo na zona de captura, pois quanto mais rápido se desloca o veiculo, é menos provável que esteja a deslocar num ângulo grande Θ em relação à linha central.

Consequentemente, dados uns minimos de variação de distância num tempo tO e uma medição de variação de distância num ou mais outros tempos tl, podemos estimar uma região limitada em que o veiculo está provavelmente localizado num terceiro tempo.

Agora faz-se referência à Figura 5, que mostra diagramaticamente uma vista de cima de um sistema de localização de veiculo 300. O sistema 300 inclui uma antena 302. Detetam-se uns minimos de variação de distância no tempo tO, que correspondem a uma localização sob a antena 302 ou ao longo de um desvio transversal à trajetória x da antena ortogonal à direção de deslocação. Num tempo tl, calcula-se uma variação de distância com base numa medição Doppler. 0 conjunto limitado de localizações possíveis é indicado pelo número 304 com base num conjunto limitado de velocidades e desvios transversais à trajetória x possíveis correspondentes e ângulos Θ correspondentes a essas velocidades. Cada localização dentro do conjunto limitado de localizações 304 corresponde a uma única combinação de velocidade v, desvio transversal à trajetória x e ângulo Θ. Cada então (supondo velocidade constante e direção de deslocação) corresponde a uma localização prevista no tempo tn. Assim, o sistema 300 é capaz de prever as localizações possíveis do veículo num tempo tn. Neste exemplo, no tempo tn, a gama de possíveis localizações é indicada por número de referência 306.

Noutra forma de realização, o sistema 300 avalia se é possível o veículo estar numa localização particular num tempo tn com base em se essa localização cai dentro do conjunto limitado de possíveis localizações. Pode utilizar-se esta forma de realização para determinar se um veículo fisicamente detetado pode estar correlacionado com um veículo equipado com transpondedor com que o sistema 300 comunicou. Em ainda outra forma de realização, o sistema 300 prevê uma gama de tempos possíveis a que o veículo alcançará uma linha de deteção de veículo, com base na gama de velocidades possíveis v e trajetória (x e e) .

Agora faz-se referência à Figura 6, que mostra diagramaticamente uma vista de cima de um sistema de localização de veículo 400 num ambiente multi-faixa que inclui uma pluralidade de antena 402a, 402b, 402c, 402d, e 402e. Nesta forma de realização, calculam-se múltiplas medições de variação de distância, correspondente a tempos tl, t2 e t3. Indica-se a gama de velocidades e posições correspondentes com base na primeira medição de variação de distância no tempo tl utilizando número de referência 406. Indica-se a gama de velocidades e posições correspondentes com base na segunda medição de variação de distância no tempo t2 utilizando número de referência 408. A pluralidade de medições de variação de distância ajuda a estreitar a gama de possíveis velocidades que cumprem os critérios (para velocidade, ângulo, e desvio) em ambos os conjuntos de dados e, assim, a gama de localizações possíveis no tempo tn. Como um resultado determina-se uma gama mais estreita de localizações possíveis 410 no tempo tn.

Em algumas formas de realização, podem calcular-se a média ou caso contrário combinar-se as medições de variação de distância. Em alguns casos, o conjunto limitado calculado de velocidades (e os seus valores x e Θ) para uma medição de variação de distância é combinado com o conjunto limitado correspondente de velocidades (e os seus valores x e Θ correspondentes) de outras medições de variação de distância para chegar a um subconjunto de possíveis velocidades e os seus valores x e Θ correspondentes. A combinação pode considerar aceleração ou desaceleração razoáveis possíveis entre dois pontos no tempo.

Agora faz-se referência à Figura 7, que mostra um gráfico 500 de variação de distância calculada versus tempo. Será entendido que os cálculos de variação de distância correspondem a (quase) pontos discretos no tempo em que um sinal de resposta é recebido pelo sistema de um transpondedor. Neste exemplo, mostram-se cinco cálculos de variação de distância nos tempos tl, t2, t3, t4, e t5. Também neste exemplo, assume-se que o sinal do deslocamento de fase não é conhecido da análise de medição acima, deixando o sistema 300 com apenas uma magnitude de variação de distância nos pontos específicos no tempo. Será entendido que os tempos de medição não incluem necessariamente uma medição em exatamente tempo tO durante o qual a variação de distância é zero.

Uma abordagem, ilustrada na Figura 7, é ajustar uma curva às magnitudes de variação de distância medidas e, tendo encontrado uma curva de melhor ajuste, identificar o tempo em que curva está nuns mínimos. Isto é então identificado como tempo tO. O ajuste de curva pode basear-se em ajuste de um polinomial de segundo grau, neste exemplo. Quadrados mínimos podem ser a base para encontrar um melhor ajuste, em algumas implementações.

Outra abordagem, ilustrada por um gráfico 502 mostrado na Figura 8, é alterar iterativamente, começando na última medição, a magnitude negativa de variação de distância medida e tentar ajustar uma curva aos pontos de dados. Esta iteração é realizada até que se realize o melhor ajuste. Podem então determinar-se o ponto de passagem por zero e inclinação da curva. É de salientar que a curva pode ser um polinomial de primeiro grau em algumas implementações. Em algumas implementações, o sistema 300 pode tentar ajustar um polinomial de terceiro grau aos pontos de dados em vez de um polinomial de primeiro grau. Com o polinomial de terceiro grau o ponto de inflexão pode corresponder ao ponto de passagem por zero. Podem utilizar-se quadrados mínimos para encontrar o melhor ajuste.

Em relação agora à Figura 9, que mostra outra vista de cima de um sistema de localização de veículo 600, é de salientar que a gama de localizações possíveis possa ainda estar limitada caso se assume que o veículo esteja num lado de uma antena 602, reduzindo assim a gama de desvios transversais à trajetória x para um lado da antena 602. Esta determinação pode basear-se, por exemplo, em comunicações recebidas por uma antena adjacente 604 em comparação com comunicações recebidas por uma antena adjacente 606 noutro lado da antena 602. A determinação pode basear-se em contagens de aperto de mão relativas, medições RSSI, ou outros tais dados.

Como ilustrado na Figura 9, podem utilizar-se as medições de variação de distância feitas por ambas as antenas para limitar as localizações, trajetórias e velocidades possíveis, levando a uma estimativa mais precisa de localização de veículo em tempo tn.

Em relação agora às Figuras 1 e 2, o leitor 17, módulo RF 24, controlador de estrada 30, sistema 100, ou partes do mesmo, podem ser implementados por meio de componentes de circuito integrado programável, circuitos integrados de aplicação específica, dispositivos analógicos, ou combinações dessas componentes. Em alguns casos, as funções ou operações descritas no presente documento podem ser implementadas por meio de instruções executáveis por processador armazenadas numa memória legível por processador que, quando executadas, levam um ou mais processadores a desempenhar essas funções ou operações.

Algumas dessas funções acima descritas podem ser implementadas pelo leitor 17 e algumas pelo controlador de estrada 30, dependendo da implementação escolhida.

Em particular, a presente invenção pode compreender uma ou mais das seguintes características:

Cláusula 1: Um método de estimar localização de veiculo numa estrada (12) utilizando um sistema de identificação automática de veículos, o sistema incluindo uma antena direcional (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) que define uma área de cobertura (26, 208) para comunicar com um transpondedor (20, 206) montado num veículo (22, 202) na estrada (12), o método compreendendo: receber um conjunto de sinais de resposta do transpondedor (20, 206) em pontos no tempo (tl-t5) e determinar uma variação de distância do transpondedor (20, 206) em relação à antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604,606) em cada ponto no tempo (11— t5) ; identificar uns mínimos na magnitude da variação de distância; estimar uma primeira posição(posO) do transpondedor (20, 206) num primeiro tempo (tO) correspondente à ocorrência dos mínimos; estimar uma velocidade (v) do veículo (22, 202) com base numa ou mais das variações de distância determinadas; e estimar uma segunda posição (posl, pos2, pos3) do transpondedor (20, 206) com base na primeira posição (posO) e na velocidade (v).

Cláusula 2: O método da cláusula 1, em que a variação de distância do transpondedor (20, 206) em relação à antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) compreende a taxa de alteração de uma distância (r) entre o transpondedor (20, 206) e a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606), e em que a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) é elevada acima da estrada (12).

Cláusula 3: O método da cláusula 1 ou cláusula 2, em que determinar a variação de distância do transpondedor (20, 206) em relação à antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a- 402e, 602, 604, 606) em cada ponto no tempo (tl-t5) compreende medir o deslocamento Doppler no sinal de resposta em cada ponto no tempo (tl-t5).

Cláusula 4: 0 método de qualquer uma das cláusulas 1 a 3, em que identificar uns mínimos na magnitude da variação de distância compreende encontrar uma curva de melhor ajuste utilizando as variações de distância determinadas.

Cláusula 5: O método da cláusula 4, em que encontrar a curva de melhor ajuste inclui utilizar erro mínimo quadrado para selecionar a curva de melhor ajuste, e em que identificar os mínimos na magnitude inclui encontrar um ponto de passagem por zero da curva de melhor ajuste. Cláusula 6: 0 método de qualquer uma das cláusulas 1 a 5, em que estimar a velocidade (v) compreende um conjunto limitado de velocidades e selecionar a velocidade (v) dentro do conjunto limitado que corresponde às variações de distância determinadas ocorridas.

Cláusula 7: O método da cláusula 6, em que selecionar o conjunto limitado de velocidades inclui determinar o tempo durante o qual o transpondedor (20, 206) esteve em comunicação com a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606), determinar uma gama limitada de possíveis comprimentos para a área de cobertura (26, 208), e determinar o conjunto limitado de velocidades com base na gama limitada de possíveis comprimentos e no tempo durante o qual o transpondedor (20, 206) esteve em comunicação com a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) .

Cláusula 8: O método de qualquer uma das cláusulas 1 a 7, em que estimar a segunda posição (posl, pos2, pos3) se baseia ainda num gama limitada de desvios transversais à trajetória, em que o desvio transversal à trajetória é uma distância (x), num plano paralelo à estrada (12), entre uma trajetória do transpondedor (20, 206) e um centro da antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606), em que a distância(x) é ortogonal à trajetória.

Cláusula 9: 0 método de qualquer uma das cláusulas 1 a 8, em que estimar a segunda posição (posl, pos2, pos3) se baseia ainda num gama limitada de ângulos (Θ) possíveis de uma trajetória do transpondedor (20, 206) para uma linha central da estrada (12).

Cláusula 10: O método de qualquer uma das cláusulas 1 a 9, em que estimar a velocidade (v) compreende estimar a velocidade (v) num segundo ponto no tempo, e em que o método compreende ainda estimar uma segunda velocidade do veículo (22, 202) noutro tempo com base numa ou mais das variações de distância determinadas, e estimar uma terceira posição do transpondedor (20, 206) com base na primeira posição (posO) e na segunda velocidade.

Cláusula 11: O método de qualquer uma das cláusulas 1 a 10, compreendendo ainda determinar uma posição provável do transpondedor (20, 206) num tempo selecionado com base nas estimativas para a velocidade (v) , a primeira posição (posO) e a segunda posição (posl, pos2, pos3).

Cláusula 12: O método da cláusula 11, em que a posição provável do transpondedor (20, 206) está fora da área de cobertura (26, 208).

Cláusula 13: O método de qualquer uma das cláusulas 1 a 10, compreendendo ainda determinar um tempo e uma localização em que o transpondedor (20, 206) provavelmente passou uma linha de deteção (44) de veículo (22, 202) através da estrada (12), com base nas estimativas para a velocidade (v) , a primeira posição (posO) e a segunda posição (posl, pos2, pos3).

Cláusula 14: Um sistema de identificação automática de veículos para identificar a posição numa estrada (12) de um veículo (22,202), o sistema compreendendo: uma antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) para comunicar com um transpondedor (20, 206) montado no veículo (22, 202) na estrada (12); um transcetor para difundir um sinal de onda contínua pela antena e para receber sinais de reposta do transpondedor (20,206); uma memória que armazena instruções de localização de posições de veículo; e um processador, que ao executar as instruções de localização de posições de veiculo, está configurado para: determinar uma variação de distância do transpondedor (20, 206) em relação à antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a402e, 602, 604, 606) com base em sinais de resposta recebidos em pontos no tempo (tl-t5), identificar uns mínimos na magnitude da variação de distância, estimar uma primeira posição (posO) do transpondedor (20, 206) num primeiro tempo (tO) correspondente à ocorrência dos mínimos, estimar uma velocidade(v) do veículo(22, 202) com base numa ou mais das variações de distância determinadas, e estimar uma segunda posição (posl, pos2, pos3) do transpondedor (20, 206) com base na primeira posição (posO) e na velocidade (v).

Cláusula 15: O sistema da cláusula 14, em que a variação de distância do transpondedor (20, 206) em relação à antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) compreende a taxa de alteração de uma distância (r) entre o transpondedor (20, 206) e a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606), e em que a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) é elevada acima da estrada (12).

Cláusula 16: O sistema da cláusula 14 ou cláusula 15, em que o processador está configurado para determinar a variação de distância do transpondedor (20, 206) em relação à antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) em cada ponto no tempo (tl-t5) medindo o deslocamento Doppler no sinal de resposta em cada ponto no tempo (tl-t5) .

Cláusula 17: O sistema de qualquer uma das cláusulas 14 a 16, em que o processador está configurado para identificar uns mínimos na magnitude da variação de distância encontrando uma curva de melhor ajuste utilizando as variações de distância determinadas.

Cláusula 18: O sistema da cláusula 17, em que encontrar a curva de melhor ajuste inclui utilizar erro minimo quadrado para selecionar a curva de melhor ajuste, e em que o processador identifica os mínimos na magnitude encontrando um ponto de passagem por zero da curva de melhor ajuste. Cláusula 19: O sistema de qualquer uma das cláusulas 14 a 18, em que o processador está configurado para estimar a velocidade (v) selecionando um conjunto limitado de velocidades e selecionar a velocidade (v) dentro do conjunto limitado que corresponde às variações de distância determinadas ocorridas.

Cláusula 20: O sistema da cláusula 19, em que selecionar o conjunto limitado de velocidades inclui determinar o tempo durante o qual o transpondedor (20, 206) esteve em comunicação com a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) , determinar um gama limitada de possíveis comprimentos para a área de cobertura (26, 208), e determinar o conjunto limitado de velocidades com base na gama limitada de possíveis comprimentos e no tempo durante o qual o transpondedor (20, 206) esteve em comunicação com a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) .

Cláusula 21: O sistema de qualquer uma das cláusulas 14 a 20, em que o processador está configurado para estimar ainda a segunda posição (posl, pos2, pos3) com base numa gama limitada de desvios transversais à trajetória, em que o desvio transversal à trajetória é uma distância (x), num plano paralelo à estrada (12), entre uma trajetória do transpondedor (20, 206) e um centro da antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606), e em que a distância (x) é ortogonal à trajetória.

Cláusula 22: O sistema de qualquer uma das cláusulas 14 a 21, em que o processador está configurado para estimar ainda a segunda posição (posl, pos2, pos3) com base numa gama limitada de ângulos (Θ) possíveis de uma trajetória do transpondedor (20, 206) para uma linha central da estrada (12) .

Cláusula 23: O sistema de qualquer uma das cláusulas 14 a 22, em que o processador está configurado para estimar a velocidade (v) estimando a velocidade (v) num segundo ponto no tempo, e em que o processador está ainda configurado para estimar uma segunda velocidade do veículo (22, 202) noutro tempo com base numa ou mais das variações de distância determinadas, e estimar uma terceira posição do transpondedor (20, 206) com base na primeira posição (posO) e na segunda velocidade.

Cláusula 24: O sistema de qualquer uma das cláusulas 14 a 23, em que o processador está ainda configurado para determinar uma posição provável do transpondedor (20, 206) num tempo selecionado com base nas estimativas para a velocidade (v) , a primeira posição (posO) e a segunda posição (posl, pos2, pos3).

Cláusula 25: O sistema da cláusula 24, em que a posição provável do transpondedor (20, 206) está fora da área de cobertura (26, 208).

Cláusula 26: O sistema de qualquer uma das cláusulas 14 a 23, em que o processador está ainda configurado para determinar um tempo e uma localização em que o transpondedor (20, 206) provavelmente passou uma linha de deteção de veiculo (44) através da estrada (12), com base nas estimativas para a velocidade (v) , a primeira posição (posO) e a segunda posição (posl, pos2, pos3).

Cláusula 27: Um meio legível por computador não transitório que armazena instruções executáveis por processador que, quando executadas, levam um processador a realizar o método de qualquer uma das cláusulas 1 a 14.

Cláusula 28: Um método de determinar uma variação de distância de um transpondedor de retroespalhamento montado no veículo (20, 206) numa estrada (12) utilizando um sistema de identificação automática de veículos, o sistema incluindo uma antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) que define uma área de cobertura (26, 208) para comunicar com o transpondedor de retroespalhamento (20, 206) , sendo a variação de distância uma taxa de alteração de uma distância (r) entre o transpondedor (20, 206) e a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606), o método compreendendo: transmitir um sinal de onda contínua via a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) que tem uma frequência de portadora; receber um sinal de resposta refletido modulado do transpondedor (20, 206) , em que a modulação está numa frequência de modulação; converter o sinal de resposta refletido modulado para um sinal convertido descendentemente misturando o sinal de resposta refletido modulado com a frequência de portadora; filtrar por passa-banda o sinal convertido descendentemente para passar um sinal filtrado por passa-banda contendo pelo menos a frequência de modulação; aplicar uma função de transferência de amplitude não linear ao sinal filtrado por passa-banda para remover modulação e produzir um sinal de modulação suprimida; medir a frequência do sinal de modulação suprimida; e determinar a variação de distância com base num deslocamento Doppler correspondente à frequência medida do sinal de modulação suprimida.

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patentes citados na descrição • US 20100237998 A [0001]

Claims (17)

REIVINDICAÇÕES

1. Um método de estimar localização de veiculo numa estrada (12) com uma direção de deslocação utilizando um sistema de identificação automática de veículos, o sistema incluindo uma antena direcional (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) que define uma área de cobertura (26, 208) para comunicar com um transpondedor (20, 206) montado num veículo (22, 202) na estrada (12), sendo o método caracterizado por: difundir um sinal de onda contínua pela antena; receber um conjunto de sinais de reposta modulados contendo informação de comunicação por meio de modulação por retroespalhamento do sinal de onda contínua do transpondedor (20, 206) em pontos no tempo (tl-t5) e determinar uma variação de distância do transpondedor (20, 206) em relação à antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) em cada ponto no tempo (tl-t5) medindo o deslocamento Doppler no sinal de resposta em cada ponto no tempo (tl-t5), sendo a dita variação de distância uma velocidade do transpondedor em relação à antena; identificar um valor mínimo da variação de distância; estimar uma primeira posição (posO) do transpondedor (20, 206) num primeiro tempo (tO) correspondente à ocorrência do valor mínimo; estimar uma velocidade (v) do veículo (22, 202) com base numa ou mais das variações de distância determinadas; e estimar uma segunda posição (posl, pos2, pos3) do transpondedor (20, 206) com base na primeira posição (posO) e na velocidade (v) .

2. O método reivindicado na reivindicação 1, em que identificar um valor mínimo da variação de distância compreende encontrar uma curva de melhor ajuste utilizando as variações de distância determinadas.

3. 0 método reivindicado na reivindicação 1 ou reivindicação 2, em que estimar a velocidade (v) compreende selecionar um conjunto limitado de velocidades e selecionar a velocidade (v) dentro do conjunto limitado que corresponde às variações de distância determinadas ocorridas.

4. 0 método reivindicado na reivindicação 3, em que selecionar o conjunto limitado de velocidades inclui determinar o tempo durante o qual o transpondedor (20, 206) esteve em comunicação com a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602,604, 606), determinar uma gama limitada de possíveis comprimentos para a área de cobertura (26, 208), e determinar o conjunto limitado de velocidades com base na gama limitada de possíveis comprimentos e no tempo durante o qual o transpondedor (20, 206) esteve em comunicação com a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) .

5. O método reivindicado em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que estimar a segunda posição (posl, pos2, pos3) se baseia ainda numa gama limitada de desvios transversais à trajetória, em que o desvio transversal à trajetória é uma distância (x) , num plano paralelo à estrada (12), entre uma trajetória do transpondedor (20, 206) e um centro da antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606), em que a distância (x) é ortogonal à trajetória.

6. O método reivindicado em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, em que estimar a segunda posição (posl, pos2, pos3) se baseia ainda numa gama limitada de ângulos (Θ) possíveis de uma trajetória do transpondedor (20, 206) para uma linha central da estrada (12).

7. O método reivindicado em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, compreendendo ainda determinar uma posição provável do transpondedor (20, 206) num tempo selecionado com base nas estimativas para a velocidade (v), a primeira posição (posO) e a segunda posição (posl, pos2, pos3) .

8. O método reivindicado na reivindicação 7, em que a posição provável do transpondedor (20, 206) está fora da área de cobertura (26, 208).

9. Um sistema de identificação automática de veículos para identificar a posição de um veículo (22, 202) numa estrada (12) com uma direção de deslocação, o sistema compreendendo: uma antena direcional (18, 104, 106, 204, 302, 402a- 402e, 602, 604, 606) para comunicar com um transpondedor (20, 206) montado no veículo (22, 202) na estrada (12); um transcetor para difundir um sinal de onda contínua pela antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606) e para receber sinais de reposta modulados contendo informação de comunicação por meio de modulação por retroespalhamento do sinal de onda contínua do transpondedor (20, 206); uma memória que armazena instruções de localização de posições de veículo; e sendo caracterizado por compreender ainda: um processador, que ao executar as instruções de localização de posições de veículo, está configurado para: determinar uma variação de distância do transpondedor (20, 206) em relação à antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a402e, 602, 604, 606) com base em sinais de resposta recebidos em pontos no tempo (tl-t5) medindo o deslocamento Doppler no sinal de resposta em cada ponto no tempo (tl-t5), sendo a dita variação de distância uma velocidade do transpondedor em relação à antena, identificar um valor mínimo da variação de distância, estimar uma primeira posição (posO) do transpondedor (20, 206) num primeiro tempo (tO) correspondente à ocorrência do valor mínimo, estimar uma velocidade (v) do veículo (22, 202) com base numa ou mais das variações de distância determinadas, e estimar uma segunda posição (posl, pos2, pos3) do transpondedor (20, 206) com base na primeira posição (posO) e na velocidade (v).

10. 0 sistema reivindicado na reivindicação 9, em que o processador está configurado para identificar um valor mínimo da variação de distância encontrando uma curva de melhor ajuste utilizando as variações de distância determinadas.

11. O sistema reivindicado na reivindicação 9 ou reivindicação 10, em que o processador está configurado para estimar a velocidade (v) selecionando um conjunto limitado de velocidades e selecionando a velocidade (v) dentro do conjunto limitado que corresponde às variações de distância determinadas ocorridas.

12. 0 sistema reivindicado na reivindicação 11, em que selecionar o conjunto limitado de velocidades inclui determinar o tempo durante o qual o transpondedor (20, 206) esteve em comunicação com a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602,604, 606), determinar uma gama limitada de possíveis comprimentos para a área de cobertura (26, 208), e determinar o conjunto limitado de velocidades com base na gama limitada de possíveis comprimentos e o tempo durante o qual o transpondedor (20, 206) esteve em comunicação com a antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606).

13. O sistema reivindicado em qualquer um das reivindicações 9 a 12, em que o processador está configurado para ainda estimar a segunda posição (posl, pos2, pos3) com base numa gama limitada de desvios transversais à trajetória, em que o desvio transversal à trajetória é uma distância (x), num plano paralelo à estrada (12), entre uma trajetória do transpondedor (20, 206) e um centro da antena (18, 104, 106, 204, 302, 402a-402e, 602, 604, 606), em que a distância (x) é ortogonal à traj etória.

14. 0 sistema reivindicado em qualquer uma das reivindicações 9 a 13, em que o processador está configurado para estimar ainda a segunda posição (posl, pos2, pos3) com base numa gama limitada de ângulos (Θ) possíveis de uma trajetória do transpondedor (20, 206) para uma linha central da estrada (12).

15. O sistema reivindicado em qualquer uma das reivindicações 9 a 14, em que o processador está ainda configurado para determinar uma posição provável do transpondedor (20, 206) num tempo selecionado com base nas estimativas para a velocidade (v) , a primeira posição (posO) e a segunda posição (posl, pos2, pos3).

16. 0 sistema reivindicado na reivindicação 15, em que a posição provável do transpondedor (20, 206) está fora da área de cobertura (26, 208).

17. Um meio legível por computador não transitório caracterizado por armazenar instruções executáveis por processador que, quando executadas, levam um processador a realizar o método reivindicado em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.