基于可见光通信的车距测量方法

1.一种基于可见光通信的车辆之间或者车辆与固定物体之间的距离的测量方法：
安装在一个车辆上或者固定物体上的2个具有一定间距的光发射机与安装在另一车辆上或者固定物体上的光通信接收机在一定距离内建立光通信链路；
其中的光发射机由控制器、调制器、驱动器和发光二极管组成；控制器提供发送的0，1形式的编码数据，调制器接收编码数据并将其转换为特定调制形式的电平信号，驱动器在调制信号的控制下驱动发光二极管的发光，发光二极管将电信号转换为光信号发送出去；
光发射机所发送的信号中包含了2个发射光源之间的距离信息以及其它辅助信息；
其中的光通信接收机是兼有摄像功能的光接收机，由光学系统、面阵光电传感器、信号输出电路及信息处理电路组成；光学系统将视场内的光汇聚到面阵光电传感器上，面阵光电传感器实现光电转换功能并在输出电路的控制下输出通信信号或者图像信号，信息处理电路对通信和图像信号进行处理获取光发射机发送的信息；
光接收机对处于其视场内包括了光发射机在内的物体成像、接收光发射机发射的光信号并提取携带的光发射机的实际间距信息，在获取的图像中测定2个光发射机在图像中的间距，根据特定的拍照视场角，计算出光发射机对应拍摄点的夹角，根据几何关系由获取的实际光发射机间距推算出光接收机与光发射机之间的实际距离，并由特定时间间隔Δt内分别测得的两个距离Sa、Sb按照公式(Sb-Sa)/Δt推算出光接收机与光发射机之间的相对移动速度。
2.如权利要求1所述的基于可见光通信的车辆之间或者车辆与固定物体之间的距离的测量方法，其中，光接收机根据光发射机携带的标识信息分辨处于同一车辆上的成对光发射机并通过它们在图像中的位置确定车辆在实际中相对光接收机的位置。
3.如权利要求1所述的基于可见光通信的车辆之间或者车辆与固定物体之间的距离的测量方法，其中，光接收机和光发射机安装在多个车辆上时，形成车流的多个车辆之间构成光通信网络。

基于可见光通信的车距测量方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于智能交通技术领域，具体涉及的是利用LED车灯及面阵光电传感器构成的通信网络实现车距、相对车速及相对位置的测量方法。\n背景技术\n[0002] 在智能交通系统中，车辆之间的距离以及车辆之间的相对速度、位置信息是实现智能交通安全控制算法的主要依据。各种车辆主动安全技术，如汽车前向碰撞报警系统、前向主动避撞系统、自适应巡航控制系统等均是通过车载测距设备测量主车与其它车辆之间的距离、相对速度以及相对方位等信息，并将其传送给系统的控制单元来实施的。\n[0003] 目前运用在汽车上的测距方法主要有超声波短距离测距、毫米波雷达长距离测距、激光测距、摄像系统测距等。超声波测距简单、成本低，但不适于高速行驶的车辆和远距离测量，一般应用在倒车防撞系统上。毫米波雷达利用目标对电磁波的反射来发现目标并测定其位置、相对速度，其探测距离较远、运行可靠、性能受天气的影响较小，但成本过于昂贵，且无法在复杂的交通环境下准确工作。激光测距系统根据发射的扫描激光束传播时间和发射角度确定目标距离和目标的角位置。但激光的传输受天气状况的影响较大，光学机构对震动也比较敏感。像机测距模拟人眼视觉原理，同时使用两台摄像机对同一景物成象，对两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，但是目前成像速度较慢，不适于实时测量。\n[0004] 由于上述各种测距技术不可克服的局限性，都难以在未来成为车载测距设备的唯一主流设备。因此有必要寻求新的测距方法，这种测距方法能够替代或者补充车辆间距测量的现有手段。\n[0005] 当前LED(发光二极管)已经越来越多地使用在各种类型的照明系统中，由于其节能、可靠、长寿命等优势，预计在不远的将来即可能成为主要的照明设备。LED在中高档车辆的尾灯上已经有广泛的使用。\n[0006] 基于LED的光通信研究也已经展开，并初步证实了不同环境下使用照明用LED通信的可行性，其中包括在智能交通中的应用。这也使得车辆之间以及车辆与路灯、路标之间通过LED灯进行通信变为可能。比如在这方面的研究论文“Visible Light Communication with LED-based Traffic Lights Using2-Dimensional Image Sensor”(使用二维图像传感器基于LED交通信号灯的可见光通信，IEEE CCNC 2006proceedings)，“A New Receiving System of VisibleLight Communication for ITS”(Proceedings of the 2007 IEEE IntelligentVehicles Symposium Istanbul，Turkey，June 13-15，2007)，专利“可见光通信用的带照相机便携式终端”(中国专利200580003881.1)，“可见光空分多址多路通信系统”(中国专利200710047554.7)等。\n[0007] 但是上述研究均未涉及应用于智能交通系统时LED通信的同时实现测距的概念。\n本专利文件提出了一种在LED通信的基础上实现测距，同时测速、测相对位置的方法。\n发明内容\n[0008] 本发明的目的是在智能交通系统中实现基于LED可见光通信的基础上实现车辆之间的距离、相对速度及相对位置的测量。\n[0009] 在中国专利“可见光空分多址多路通信系统”(200710047554.7)、“光接收机面阵传感器的信号输出方法”(CN101159821A)、“面阵光电传感器输出信号的移动跟踪方法”(CN101170359A)中，提出一种利用CCD面阵图像传感器实现LED通信的方法。本发明利用这种方法进行车辆之间通信的同时实现车辆之间距离等其它信息的测量。\n[0010] 上述专利中所阐述方法的基本原理是LED发射调制的光信号，这些光信号中寄载着特定的通信信息。面阵CCD传感器的某些光探测单元(对应像素)接收这些调制的光信号，并将其转换为电信号后输送给信号处理器处理得到LED传送的信息，信号处理的同时可以判定对应的光探测器单元的位置。\n[0011] 当将其应用到车辆上时，汽车的LED尾灯(包括刹车灯、转向灯，或LED前灯、LED侧灯等，或者专门用于通信的LED)作为光通信的发射机，汽车的前部(或者同时后部、侧面)设置能够进行上述光通信信号接收的摄像机，摄像机的输出连接到汽车系统的安全告警与控制系统。这些摄像机可以是专用的也可以是兼用的，比如摄像机本身即担负着监视车道偏离、辅助倒车等任务。\n[0012] 当前后(或左右)两辆车均安装有这样的设备时，在一定的距离范围内，一致的通信/控制协议将使它们建立起通信关系。如此，在道路上的行车流中，众多的车辆将构成一个前后、左右互相通信的网络。将一个车辆视为网络中的一个节点，那么信息的传递通过采用节点之间中继的方式，将能够不间断地波及到整个车流。\n[0013] 这样的通信网络，可以为车辆的安全驾驶系统提供许多重要的信息。例如，对前后两辆车，则能够更及时地让后车感知到前车的刹车信号，这种感知不只是通过摄像系统实现比人眼更及时地探测到刹车的灯光信号，而是通过更及时的通信信息传递进行，前车的任何速度变化、姿态变化等都可以通过发送光信息让后车感知，从而后车在进行必要的信息处理和判断后，做出相应的决策，包括向乘员告警，或者通过车辆的主控制器单元直接控制车辆的运行。而对整个车流，则能够及时实现交通拥堵、交通事故等信息的传递与处理。\n[0014] 本发明针对上述应用背景，基于面阵CCD图像传感器的成像与光通信双重功能，提出车辆之间通信的同时实现车辆间距、速度、方位的测量方法。这种方法由下述措施实现。\n[0015] 前后的两辆车行驶过程中，前车通过其位于车后两侧的LED尾灯向后连续发送光信号，光信号中包括着2个LED车灯的间距WLED、车身宽度Wbody、车的身份标识信息(如ID号)，以及其它信息。后车的前置摄像头通过其CCD传感器对特定视场角内的物体成像，其中包括前车及其发送光信号的尾灯。同时，CCD的相应探测器单元探测到2个LED灯的光信号，并输出到接收机的信号处理单元处理后得到所发送的灯距信息。信号处理器在所接收光信号特征的协同下，分析、确定图像中的2个尾灯位置，在图像中得到一个距离d2。假设整个图像的宽度，即横向距离为d1。那么从几何角度看，d1对应着成像的整个视场角α(α在摄像机拍照时的某一状态下是特定的)，d2应该对应着2个尾灯相对于拍摄点的张角δ。\n由于d1、d2和α是已知的，信号处理器通过三角函数运算就可以得到δ。图像中的距离d2在实际中对应的距离是WLED，当δ已知后，就可以通过WLED运用三角函数算出摄像机位置到车灯之间的距离S，即两车之间的距离。由于在CCD探测器上车灯成像位置与响应通信信号的探测器单元的位置是一致的，因此很容易根据接收到的车辆的ID号在图像中识别出成对的尾灯，以区别于同样进入摄像机视场内的前方其它车辆。如果辅助以图像识别的方法，在成像良好的情况下，还可以将同一帧图象中的不同车辆分割开来，通过发送的车身宽度信息Wbody，同样也可以得到两车之间的距离S。两种测量结果可以互补。\n[0016] 上述测量并不只是针对正前方的车辆，处于视场中的能够交换信息的任何车辆的距离信息均可以估计出来。同时，还可以根据一帧图像中每一个车辆的位置估计出车辆之间的相对方位。\n[0017] 车辆之间的距离如果可以实时测定，根据两次测量之间的时间间隔Δt，就可以估算出两车之间的瞬时相对速度值v。\n[0018] 上述测量方法可以是双向的。只要后车用前灯，比如日间行车灯(DRL：DayRunning Light)，向前发送携带车灯间距信息的光信号，前车安装有能够接收光通信信号的后视摄像头(如辅助倒车摄像头)或其它类似的光电探测装置，前车也可以测量后车的车距以及两车之间的相对速度。前车依此判断后车是否有超车意向等。\n[0019] 显然，这种方法对并行的车辆同样适用，只要在车的侧面安装一定间距的两个(组)LED和摄像头即可。\n[0020] 本发明的LED光发射机与车辆的信号(或照明)灯光复用、光接收机与车载摄像系统复用，技术简单、可靠、成本低，且有合适的作用距离和作用范围。同时除了实现车辆之间通信外，还可以实现车辆与LED交通信号灯、LED道路指示标牌、其它交通标识牌，以及与街道旁边的LED广告牌等之间的信息互换。\n附图说明\n[0021] 图1：LED车尾灯的一种结构示意。\n[0022] 图2：通过LED车灯实现光通信发射机功能的组成框图。\n[0023] 图3：通过车载摄像头实现光通信接收机的组成框图。\n[0024] 图4：光发射机的具体实施电路示例。\n[0025] 图5：基于面阵光电探测器的光接收机。\n[0026] 图6：成像的几何关系图\n[0027] 图7：具有光通信功能的交通信息牌\n[0028] 图8：图像中的车身宽度和车灯间距的测量流程\n具体实施方式\n[0029] 系统组成：\n[0030] 主体是车辆及车辆形成的车流，在车的前部安装有一个摄像头，在车的尾部两侧安装有LED尾灯。摄像头除了常规成像功能外，还能够从其图像传感器中接收LED的调制光信号并输出信息，且具有图像处理功能。LED尾灯除常规的指示、照明功能外，还能够发射调制的信号，信号中携带特定的信息。\n[0031] 工作环境：\n[0032] 各种道路及相关周边设施，包括复杂的立交桥、市区，特别是高速公路等。\n[0033] 详细描述：\n[0034] 采用LED的车尾灯，一般有多个高亮度LED单元组成，有各种排列方式，图1即是其中的一种结构，其中1-1是固定多个LED的基板，1-2是LED单元。这些LED通常由功率驱动器驱动。常规的LED尾灯，其功能仅做指示用，没有通信功能。当对驱动LED的信号进行调制后，就能够寄载特定的信息。图2是可以同时实现灯光和光通信发射机功能的系统组成示意图。其中发光器件由LED单元(2-1)组成发光阵列/组(2-2)，其发光功率和频率受驱动器(2-3)控制，驱动器通过控制电源向LED提供所需的能量，使LED在最佳的效率下稳定发光。能够实现此种功能的器件有很多，如MAX16834(4-2)就是可用的一款由MOSFET开关驱动LED的集成驱动器。它其中有一个PWMDIM输入引脚和一个DIMOUT引脚。PWMDIM可以直接与数字逻辑电路的输出相连接，DIMOUT直接驱动外部的MOSFET开关(4-3)控制加在LED(4-1)上的电流导通。通常仅作指示灯或者照明用的LED采用PWM(脉冲宽度调制)的驱动方式，通过改变PWM脉冲的占空比(一般频率不变，改变脉冲的宽度。)改变灯光的亮度。当同时用作光通信时，调制器(2-4)将MCU(微控制器)(2-5)(也可以是数字信号处理器等任何输出传送数据的器件、系统，例如能够直接输出PWM信号的DsPIC30F6012数字信号控制器等。)传送的数据转换为调制信号，根据所采用的调制方式，控制LED阵列的发光。\n[0035] 直接检测体制的光无线通信系统发送的光信号通常采用脉冲幅度调制(PAM)，脉冲频率调制(PFM)、脉冲宽度调制(PWM)或者脉冲位置调制(PPM)等。无论哪种调制方式，其表现都是间断性的光信号。PPM是比较简单且有效的一种调制方式，在本发明中可作为实现方式之一例采用。调制器(2-4)的功能是将(2-5)MCU输出的0，1数字信号转换为PPM信号，将0，1与控制脉冲的有无对应起来并实现到驱动器(2-3)的电平匹配。在图3中示出了数字序列(3-1)转换为PPM脉冲序列(3-2)的对应关系。如果驱动器(2-3)的输入与MCU的输出信号相位和电平兼容，则在PPM调制时调制器(2-4)可以省掉，MCU的输出直接到驱动器(2-3)的PWM输入口即可。上述的MAX16834驱动器可直接与MCU的数字输出连接，由数字输出的高、低电平控制DIMOUT的输出，其PWM输入控制口直接用来作为PPM的调制输入。\n[0036] 基于摄像与通信共用的光通信接收机(5-0)由光学系统(5-1)、CCD面阵光电转换器阵列(5-2)、视频/图象信息处理单元DSP(5-4)、光通信信号输出控制单元构成。光学系统是常规的摄像光学系统，视场内的所有光信号通过光学系统后汇聚在面阵探测器上。CCD面阵光电转换器通常是集成的器件，包括了实现光电转换功能的面阵探测器(5-2)，以及用于输出控制的行地址选择器(5-3)和输出移位寄存器(5-5)。\n[0037] 在正常摄像或拍照时，CCD按照固定的或者设定的速率，比如30帧/秒，通过移位寄存器(5-5)串行输出CCD各个单元的图像信号到DSP(5-4)。每一帧图像的输出首先由行地址选择器将CCD的每一个探测单元内存储的光响应信息转移到内嵌的列寄存器中，每一列CCD单元紧邻一列寄存器。然后在行时钟信号的同步触发下，一次向移位寄存器(5-5)并行送入一行的图像信号。在位时钟的驱动下，移位寄存器(5-5)诸位移出图像信号。\n[0038] 在进行光通信时，为了能够使选定的某个(或某些)响应接收光信号的探测器单元(一个探测器单元对应一个像素)高速输出，增加了输出选择器(5-6)。在行地址选择器的配合下，选择特定的探测单元输出，以减少或抑制非通信光信号响应单元的输出。这是在DSP的控制下进行的。\n[0039] DSP(5-4)是综合的数字信号处理单元，担负视频/图像信号、通信信号的处理，以及本发明中的主要功能：测距算法。视频/图像处理时主要完成视频/图像的压缩、显示、播放等功能；通信信号处理时主要完成信号的解调、解码功能；测距时对采集的一帧图像进行车辆分割、识别、车灯识别等处理，结合接收到的通信信息，估计摄像头到视场内某一车辆或物体的距离。此处对DSP的处理能力要求较高，实现的方法根据系统要求可以选择不同的方案。比如DSP+FPGA(现场可编程门阵列)，或者ASIC(专用集成电路)，或者功能强大些的DSP，如TI公司的OMAP3530器件(其中包括了4个主要模块：ARM Cortex-A8核、\n2D/3D图形加速器、成像和视频加速器IVA、TMAS320C64x+DSP核)。\n[0040] 经DSP处理后得到的有关信息，包括需要的测距信息，传送到车载的主信号处理器或者负责安全驾驶的处理器(5-7)。MCU(5-7)进一步结合来自其它车载单元的信息(比如车速表)产生相应的告警或者控制信号。\n[0041] 车距信息的测量根据几何关系计算。首先，前车的两个LED尾灯向后周期发送包含两尾灯实际间距Wled、车灯编号(如左灯、右灯)、车身宽度Wbody以及车辆身份(比如与车牌照相关)、标识等信息的信号。后车的前置摄像头拍摄前车照片的同时实时接收前车发送的光信号，并经过解调、解码等操作得到传送的信息。\n[0042] 在图6示意的成像几何关系中，假设(6-1)是拍摄的一帧图像，这幅图像由后车的摄像机(6-2)在距离前车(6-3)一定距离的A点以特定的、已知的视场角(6-6)拍摄，即图\n6中BAC之间形成的夹角，设为α。d1代表图像的横向宽度，这是确定的；d2代表图像中两车尾灯(6-4)、(6-5)之间的宽度，这由摄像机中的DSP(5-4)根据响应光信号的探测单元的位置以及图像处理的方法得到；d3代表图像中车身的宽度，这也由摄像机中的DSP(5-4)运用图像处理的方法得到。\n[0043] d2、d3的计算流程如图8所示，这些功能算法在图像处理中都是常规的算法。首先获取一帧图像，由于车辆运行环境差异很大，这些图像的差异也会很大，比如白天与夜晚所拍摄的图像在光照方面就有很大差别，需要根据所获取图像的统计特征，首先对图像进行预处理。其中包括滤波除噪、边缘增强等。然后根据事先制作的车辆模板或抽取的车辆识别特征参数，将图像中的车辆分割出来。分割出来的独立车辆，根据其在图像中占据的位置，计算出车身在图像中的间距d3。这种计算最直接的单位是像素数。例如，整幅图像的宽度为1024个像素值，那么车身占据的宽度可能是其中的120个像素值，以此代表间距即可。\nd2的获取需要首先在图像中识别出成对车灯的位置。在照明良好的图像中，通过图像处理可以容易分割出车辆轮廓，但在其中精确分割出车灯，特别是车灯的中心位置仍比较困难；\n在光照很差的图像中，车辆的轮廓无法准确地从图像中分割出来，车灯的形状、亮度虽然在图像中容易识别、确定，但仅靠图像处理的方法无法确定成对的车灯(如果前方有多辆车以及其它路灯的话)。因此，具有通信功能的LED车灯成为识别成对车灯的主要判别信息。\n因为属于同一车辆的LED车灯发送的标识信息相同，在采用CCD接收光信号的同时，由于它确定的不同于视场内其它物体的发光特点，可以容易辨识出来，并根据其位置计算出以像素为单位的间隔。\n[0044] d2的获取可以与d3的获取相互支持，结果可以做融合处理，也可以独立操作或者单独使用。针对不同的成像条件，可以制定不同的支持规则。\n[0045] 将图像与虚拟的拍摄点A合并在一起后形成的图6，d1对应着α，d2对应A点的角度为(6-8)，设为δ，d3对应A点的角度为(6-7)，设为θ。那么由于d1、d2、d3之间的比例关系，其对应的角度α、δ、θ也成比例关系。假设点A距前车(图象中示为6-3)的距离为S，即A点到BC之间的距离，那么：\n[0046] \n[0047] \n[0048] 其中α、d1已知，因此通过下式即可求出角度δ和θ。\n[0049] \n[0050] \n[0051] 由于图中距离d2、d3在实际中分别对应着车灯间距Wled和车身宽度Wbody，并且已知(每辆车通过LED通信发送各自的数据)，则由图6中的三角函数关系可以求出：\n[0052] \n[0053] \n[0054] 理想情况下：S＝S1＝S2\n[0055] 但是实际中，由于d2、d3是通过图像处理的方式估计出来的，因此估计的δ和θ也存在误差，所以S1、S2的结果不会太一致。\n[0056] 如果在一个时间间隔Δt内分别测得两个距离Sa、Sb，那么两车之间的相对瞬时速度可以通过下式评估出来：\n[0057] \n[0058] 对多个连续的瞬时速度进行平均，则可以得到其平均速度。\n[0059] 前车相对于后车的方位，可以通过判断图像中车辆(6-3)以及其它并行车辆与图像边缘之间的距离，用上述同样的方法得出它们偏离中心前方的角度。\n[0060] 上述方法，即使前后车辆不在一个直线上时，仍旧可以用三角函数求出距离和偏角。而且这种方法比较简单，在任何微控制器上均可以轻松实现。\n[0061] 当前方有多个车辆存在并进入摄像视场时，有两种方法识别出不同的车辆并标定其相对位置。一是通过独立的图像识别技术，将不同的车辆根据图形特征的不同分割出来；\n另一个是根据不同车辆的尾灯所发送的标识信息不同，通过识别成对的尾灯将不同的车辆分割出来。\n[0062] 上述方法，也可以用于前车测量后车与其间距，只要前车安装有后视的摄像通信系统，后车的前灯发送车灯间距信息。\n[0063] 上述方法也可用于并行的车辆之间的测距。在车身的侧面安装摄像头，而另一车身侧面安装有相隔一定距离的2个或2组LED发光管。如果有标准规定所有车辆上这两个LED的间距是相同的，那么仅仅靠采集的一帧图像就可以得到车辆之间的距离信息，而不需要LED再发送间距信息。但是如果每种车辆上的2个(或2组)LED间距是不相同的，那么仍旧需要兼有光通信的功能。\n[0064] 这种测距方法并不局限于车辆之间，在车辆和LED交通标识牌之间，甚至广告牌之间也可实现，只需在其上有两处标志性的LED即可，如图7中所示。(7-1)是一LED交通信息牌，其中有两组LED(7-2)和(7-3)分别作为通信发射机使用。两组LED之间的距离已知并传送给接近的车辆，接近的车辆就可以判断出来真实距离。反过来，信息牌只要安装摄像通信系统(7-4)也可以测试接近车辆的距离和车速，并立即显示出来以提醒驾驶人员。\n[0065] 通过在众多车辆上、交通信息牌上等使用上述方法，可以在整个车流中构成光通信网络，并且可以接入到其它通信网络上。