基于DSRC的车速测量方法、装置及DSRC应用系统

摘要

本申请公开了一种基于DSRC的车速测量方法、装置及DSRC应用系统，方法包括以下步骤：RSU接收车辆通过OBU发送的多个微波信号，至少一个微波信号携带车辆的车辆信息，至少两个微波信号分别对应于t1和t2时刻，t1和t2时刻之间的时间间隔为t0；RSU根据t1时刻的微波信号，获得车辆在t1时刻的定位信息，根据t2时刻的微波信号，获得车辆在t2时刻的定位信息；RSU利用车辆在t1时刻的定位信息和t2时刻的定位信息，计算车辆在t1与t2时刻之间的距离信息，并根据距离信息和时间间隔t0，计算车辆在t1与t2时刻之间的速度信息。本申请简化了能够对车辆及进行准确定位，扩充了现有DSRC设备的功能。

权利要求

1.一种基于DSRC的车速测量方法,其特征在于，包括以下步骤：

信号接受步骤：路侧单元接收车辆通过车载单元发送的多个微波信号，至少一个所述微波信号携带所述车辆的车辆信息，至少两个所述微波信号分别对应于t1和t2时刻，其中，t1和t2时刻之间的时间间隔为t0；

定位步骤：路侧单元根据t1时刻的所述微波信号，获得所述车辆在t1时刻的定位信息，根据t2时刻的所述微波信号，获得所述车辆在t2时刻的定位信息；所述定位步骤采用相位差定位法；

计算步骤：路侧单元利用所述车辆在t1时刻的定位信息和t2时刻的定位信息，计算所述车辆在t1与t2时刻之间的距离信息，并根据所述距离信息和时间间隔t0，计算所述车辆在t1与t2时刻之间的速度信息；

所述相位差定位法具体为：利用在同一直线上排布的接收天线(1)、接收天线(2)、接收天线(3)形成天线组接收同一车载单元发送的微波信号，车载单元发送的微波信号的来波方向与天线阵列法线之间的夹角为θ，即微波信号的方向角；

根据θ的数值，结合各接收天线的安装高度和角度，计算出车载单元的定位信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算步骤之后，还包括信息匹配步骤：路侧单元将所述车辆的速度信息与所述车辆的车辆信息相匹配。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车辆在t1时刻的定位信息包括第一方向的位置坐标y1，所述车辆在t2时刻的定位信息包括第一方向的位置坐标y2；所述距离信息包括第一方向的行驶距离Sy，其计算公式为Sy＝|y2-y1|；所述速度信息包括第一方向的行驶速度Vy，其计算公式为Vy＝Sy/t0。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车辆在t1时刻的定位信息包括第一方向的位置坐标y1和第二方向的位置坐标x1，所述车辆在t2时刻的定位信息包括第一方向的位置坐标y2和第二方向的位置坐标x2，其中，第一方向与第二方向垂直；所述距离信息包括总距离S0，其计算公式为 所述速度信息包括总速度V0，其计算公式为V0＝S0/t0。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述速度信息还包括第一方向的速度分量Vy和第二方向的速度分量Vx，其中，Vy的计算公式为Vy＝|y2-y1|/t0，Vx的计算公式为Vx＝|x2-x1|/t0。

6.一种基于DSRC的车速测量装置，其特征在于，包括路侧单元，所述路侧单元包括：

信号接收模块，用于接收车辆通过车载单元发送的多个微波信号，至少一个所述微波信号携带所述车辆的车辆信息，至少两个所述微波信号分别对应于t1和t2时刻，其中，t1和t2时刻之间的时间间隔为t0；

定位模块，用于通过t1时刻的所述微波信号，获得所述车辆在t1时刻的定位信息，通过t2时刻的所述微波信号，获得所述车辆在t2时刻的定位信息；所述定位模块用于采用相位差定位法；

计算模块，用于利用所述车辆在t1时刻的定位信息和t2时刻的定位信息，计算所述车辆在t1与t2时刻之间的距离信息，并根据所述距离信息和时间间隔t0，计算所述车辆在t1与t2时刻之间的速度信息；

所述相位差定位法具体为：利用在同一直线上排布的接收天线(1)、接收天线(2)、接收天线(3)形成天线组接收同一车载单元发送的微波信号，车载单元发送的微波信号的来波方向与天线阵列法线之间的夹角为θ，即微波信号的方向角；

根据θ的数值，结合各接收天线的安装高度和角度，计算出车载单元的定位信息。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括信号匹配模块，用于将所述车辆的速度信息与所述车辆的车辆信息相匹配。

8.一种专用短程通信应用系统，其特征在于，包括权利要求6或7所述的车速测量装置。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述专用短程通信应用系统为单或多车道带栏杆机电子不停车收费系统、单车道自由流系统或多车道自由流系统，所述信号接收模块设置在所述单车道带栏杆机电子不停车收费系统、多车道带栏杆机电子不停车收费系统或单车道自由流系统的对应车道上，或设置在多车道自由流系统中的至少一个自由流断面上。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述专用短程通信应用系统包括车辆检测系统、车速测量系统、车型识别系统、图像识别系统、图像抓拍系统中的至少一个。

说明书

基于DSRC的车速测量方法、装置及DSRC应用系统

技术领域

[0001] 本申请涉及智能交通（ITS：Intelligent Transportation System）领域，尤其涉及一种基于DSRC（DSRC：Dedicated Short Range Communications）的车速测量方法、装置及DSRC应用系统。

背景技术

[0002] 电子不停车收费（ETC：Electronic Toll Collection）系统等DSRC应用系统通常采用DSRC关键设备路侧单元（RSU：Road Side Unit）和车载单元（OBU：On-board Units）对车辆进行收费、检测或监控。

[0003] 城市公路、高速公路等道路为了保障车辆的行驶安全，有时需要对通行车辆进行测速，以便对这些车辆进行监控和管理，例如在检测到通行车辆的行驶速度大于者小于道路规定的行驶速度时，需要对该车辆的违规行为进行记录，然而，目前的DSRC应用系统并不具备车速测量功能。

发明内容

[0004] 本申请提供一种基于DSRC的车速测量方法、装置即DSRC应用系统。

[0005] 根据本申请的第一方面，本申请提供一种基于DSRC的车速测量方法，包括以下步骤：

[0006] 信号接受步骤：路侧单元（RSU：Road Side Unit）接收车辆通过车载单元（OBU：On-board Units）发送的多个微波信号，至少一个所述微波信号携带所述车辆的车辆信息，至少两个所述微波信号分别对应于t1和t2时刻，其中，t1和t2时刻之间的时间间隔为t0；

[0007] 定位步骤：RSU根据t1时刻的所述微波信号，获得所述车辆在t1时刻的定位信息，根据t2时刻的所述微波信号，获得所述车辆在t2时刻的定位信息；

[0008] 计算步骤：RSU利用所述车辆在t1时刻的定位信息和t2时刻的定位信息，计算所述车辆在t1与t2时刻之间的距离信息，并根据所述距离信息和时间间隔t0，计算所述车辆在t1与t2时刻之间的速度信息；

[0009] 一种实施例中，计算步骤之后，还包括信息匹配步骤：RSU将所述车辆的速度信息与所述车辆的车辆信息相匹配。

[0010] 一种实施例中，所述车辆在t1时刻的定位信息包括第一方向的位置坐标y1，所述车辆在t2时刻的定位信息包括第一方向的位置坐标y2；所述距离信息包括第一方向的行驶距离Sy，其计算公式为Sy=|y2-y1|；所述速度信息包括第一方向的行驶速度Vy，其计算公式为Vy=Sy/t0。

[0011] 一种实施例中，所述车辆在t1时刻的定位信息包括第一方向的位置坐标y1和第二方向的位置坐标x1，所述车辆在t2时刻的定位信息包括第一方向的位置坐标y2和第二方向的位置坐标x2，其中，第一方向与第二方向垂直；所述距离信息包括总距离S0，其计算公式为 所述速度信息包括总速度V0，其计算公式为V0=S0/t0。

[0012] 一种实施例中，所述速度信息还包括第一方向的速度分量Vy和第二方向的速度分量Vx，其中，Vy的计算公式为Vy＝|y2-y1|/t0，Vx的计算公式为Vx=|x2-x1|/t0。

[0013] 一种实施例中，所述定位步骤采用相位差定位法。

[0014] 根据本申请的第二方面，本申请提供一种基于DSRC的车速测量装置，包括RSU，所述RSU包括：

[0015] 信号接收模块，用于接收车辆通过OBU发送的多个微波信号，至少一个所述微波信号携带所述车辆的车辆信息，至少两个所述微波信号分别对应于t1和t2时刻，其中，t1和t2时刻之间的时间间隔为t0；

[0016] 定位模块，用于通过t1时刻的所述微波信号，获得所述车辆在t1时刻的定位信息，通过t2时刻的所述微波信号，获得所述车辆在t2时刻的定位信息；

[0017] 计算模块，用于利用所述车辆在t1时刻的定位信息和t2时刻的定位信息，计算所述车辆在t1与t2时刻之间的距离信息，并根据所述距离信息和时间间隔t0，计算所述车辆在t1与t2时刻之间的速度信息；

[0018] 信号匹配模块，用于将所述车辆的速度信息与所述车辆的车辆信息相匹配。

[0019] 根据本申请的第三方面，本申请提供一种DSRC应用系统，包括以上所述的车速测量装置。

[0020] 一种实施例中，所述专用短程通信应用系统为单车道带栏杆机电子不停车收费系统、多车道带栏杆机电子不停车收费系统、单车道自由流系统或多车道自由流系统，所述信号接收模块设置在所述单车道带栏杆机电子不停车收费系统、多车道带栏杆机电子不停车收费系统或单车道自由流系统的对应车道上，或设置在多车道自由流系统中的至少一个自由流断面上。

[0021] 一种实施例中，所述专用短程通信应用系统包括车辆检测系统、车速测量系统、车型识别系统、图像识别系统、图像抓拍系统中的至少一个。

[0022] 本申请的有益效果是：本申请应用于公路交通领域，通过DSRC技术、利用RSU与OBU之间的信息交互就能够实现车速测量,对现有的RSU和OBU应用方式形成了有益补充，扩大了现有DSRC应用系统的功能和使用范围。

[0023] 本申请在车速测量的同时获得相应的车辆信息，与传统的采用测速仪并配合辅助设备进行车速测量的方式相比，本申请不需要采用两套设备分别采集车辆的速度信息和车辆信息，因此本申请简化了系统结构和运行方式，降低了设计成本和设备成本。另外，本申请利用同一RSU获得了速度信息与车辆信息，避免多个设备在独立工作或者协作过程中产生故障而对测量结果产生影响，因此在一定程度上改善了测量的稳定性。

附图说明

[0024] 图1为本申请一种实施例车速测量方法的流程图；

[0025] 图2为本申请一种实施例的车辆位于RSU信号覆盖区域内的侧视图；

[0026] 图3为本申请一种实施例的车辆位于RSU信号覆盖区域内的俯视图；

[0027] 图4为本申请一种实施例的定位方法的接收天线布局图；

[0028] 图5为本申请一种实施例的车速测量装置的结构框图。具体实施例

[0029] 下面通过具体实施例结合附图对本申请作进一步详细说明。

[0030] 在本申请实施例中，通过DSRC技术实现了车速测量，具体地，DSRC关键设备RSU在与车辆上的OBU进行交互的过程中，接收到OBU的多次微波信号，RSU从其中至少一个微波信号中获得了车辆信息，根据两个不同时刻的微波信号对车辆进行两次定位，从而获得了车辆在两个不同时刻的定位信息，接着根据获得的定位信息计算出车辆在两个不同时刻之间的速度信息。

[0031] 实施例一：

[0032] 请参考图1，本实施例的车速测量方法基于RSU与OBU之间的信息交互。其中，RSU包括室外单元和室内单元，RSU室外单元具有收发天线，用于向OBU发送微波信号并接收来自OBU的微波信号，RSU室外单元通常安装在道路上方或道路侧部，RSU室内单元用于对RSU室外单元进行控制并对RSU室外单元接收和发送的信息进行处理；OBU也具有天线，用于向RSU发送微波信号并接收来自RSU的微波信号，OBU通常安装在车辆内，例如固定在车辆的前挡风玻璃上。本实施例的方法主要包括以步骤：

[0033] S101：请参考图2和图3，当车辆进入虚线所示的RSU信号覆盖区域内后，车辆上安装的OBU被RSU周期性发送的唤醒信号唤醒，该OBU向RSU发送应答信号从而与RSU之间建立通信链路。

[0034] S102：RSU向OBU发送微波信号，该微波信号中携带请求数据帧，该请求数据帧的具体内容根据需要而定，通常用于请求OBU向RSU返回一定的信息，例如本实施例的请求数据帧用于请求车辆信息（包括车牌号、车辆型号、车辆颜色等信息中的一种或几种）。

[0035] S103：OBU收到RSU的微波信号后，对其进行解析，然后通过内部计算获得RSU所请求的车辆信息并封装成应答数据帧，接着向RSU返回微波信号，该微波信号包含应答数据帧以及OBU的ID等信息。

[0036] S104：信号接收步骤，RSU在t1时刻接收到OBU向RSU返回的微波信号A。

[0037] S105：定位步骤：RSU记录接收到OBU的微波信号A的时刻t1，对该信号进行解析后获取应答数据帧，并利用该微波信号A获得车辆在t1时刻的定位信息。本实施例中，RSU对车辆进行两个方向的定位而获得包含二维坐标的定位信息，即车辆在t1时刻的定位信息包括车辆在第一方向的位置坐标y1和第二方向的位置坐标x1，其中第二方向和第一方向都在路面平面内且相互垂直，第一方向与道路延伸方向平行，第二方向与道路延伸方向垂直。获得车辆在某一时刻的定位信息的方法包括多种，例如相位差定位法或信号强度定位法，前者利用RSU中不同接收天线接收同一微波信号时对应的相位差值对OBU进行定位，后者利用RSU中接收天线接收微波信号时对应的信号强度大小对OBU进行定位。

[0038] 例如一种微波信号的相位差定位法具体为：

[0039] 请参考图4，利用在同一直线上排布的接收天线1、接收天线2、接收天线3形成天线组接收同一OBU发送的微波信号，接收天线1与接收天线2之间的距离d12<λ，接收天线1与接收天线3之间的距离d13>Nλ，OBU发送的微波信号的来波方向与天线阵列法线之间的夹角为θ，即微波信号的方向角。微波信号分别到达三个接收天线时，由于微波信号与接收天线之间距离比较远，属于接收天线远场区域，因此相当于微波信号平行到达各个接收天线，接收天线2接收的微波信号比接收天线1接收的微波信号的相位滞后 即接收天线2相对于接收天线1的相位差为 接收天线3接收的微波信号比接收天线1接收的微波信号的相位滞后 即接收天线3相对于接收天线1的相位差为

[0040] 则 （公式一）

[0041] 则 （公式二）

[0042] 其中，为通过相位比较获取相位差 时的实际度数，由于 因此该数值具有唯一性。

[0043] 为了确定N值,可利用如下公式：

[0044] （公式三）

[0045]

[0046] 以上公式中，d12和d13已知， 可通过相位比较得到实际读数，而 可根据公式三计算得出。

[0047] 在可接受的误差范围内，如果假设：

[0048]

[0049] 则可结合公式三得到以下公式以确定N：

[0050] （公式四）

[0051] 考虑到 中包含有信号接收通路中各项处理所造成的误差，由公式三计算出的的误差数值为 的误差数值的 因此通过公式三和公式二计算出的 仅近似相等，无法完全相等，只要计算出的 的误差在可接受范围内，就可以用结合公式二和公式四得到以下公式来确定θ：

[0052] （公式五）

[0053] 以上推导过程中，由公式二可知， 的数值与假设值之间的差值为 N值越大，则的误差值越小，然而N值过大则d13较大，导致定位天线的总长度增加而布局困难，因此可选取3≤N≤10，既能够确保一定的定位精度，又方便天线布局。最后，根据θ的数值，结合各接收天线的安装高度和角度，计算出OBU的定位信息，即其在RSU天线垂直投影点前方覆盖区域的具体坐标。

[0054] 根据以上方式可对OBU进行一维定位，如果再增加一组与以上天线组垂直的天线组，采用同样的处理方式即可对OBU进行二维定位。

[0055] S106：RSU再次向OBU发送微波信号，该微波信号中携带请求数据帧，该请求数据帧用于请求OBU向RSU返回其他信息。

[0056] S107：类似于步骤S103，OBU再次收到RSU的微波信号后，通过内部计算获得RSU所请其他信息并封装成应答数据帧，再次向RSU返回微波信号，该微波信号包含应答数据帧以及OBU的ID等信息。

[0057] S108：类似于步骤S104，RSU在t2时刻接收到OBU在S107步骤中向RSU返回的微波信号B，RSU记录当前时刻，对该信号进行解析后获取应答数据帧，并利用该微波信号B获得车辆在t2时刻的定位信息。本实施例中，t2时刻在t1时刻之后,车辆在t2时刻的定位信息包括第一方向的位置坐标y2和第二方向的位置坐标x2。

[0058] S109：计算步骤，RSU利用车辆在t1时刻的定位信息和t2时刻的定位信息，计算车辆在t1与t2时刻之间的距离信息，并计算t1与t2时刻之间的时间间隔t0，最后根据该距离信息和时间间隔t0，计算车辆在t1与t2时刻之间的速度信息。本实施例中，距离信息包括车辆在t1与t2时刻之间行驶的总距离S0，其计算公式为 速度信息包括总速度V0，其计算公式为V0=S0/t0，进一步地，速度信息还可包括总速度V0在第一方向的速度分量Vy和第二方向的速度分量Vx，其中，Vy的计算公式为Vy＝|y2-y1|/t0，Vx的计算公式为Vx=|x2-x1|/t0。

[0059] S110：RSU将车辆的速度信息与车辆的车辆信息相匹配，即将车辆的车牌号、车辆型号、车辆颜色等信息中的一种或几种，尤其是车牌号与该车辆的速度信息尤其是总速度V0相匹配。

[0060] 本实施例中，计算时间间隔t0的方法可采用时刻相减法，即利用记录的时刻t2的数值与t1的数值进行相减，另一实施例中，还可在t1时刻直接启动一计时器，在t2时刻读取计时器的读数直接得到t0。时间间隔t0的具体大小由RSU根据需要进行控制。

[0061] 实际应用中，RSU与OBU之间的信息交互可能具有多次，OBU向RSU发送的微波信号相应地也具有多个，这些信号都包含OBU的ID号，为了达到定位和获取车辆信息的目的，OBU向RSU发送的微波信号中，至少应当有一个微波信号携带车辆信息，至少应当有两个用于定位的微波信号对应的时刻分别为t1时刻和t2时刻。t1时刻和t2时刻通常是指RSU接收微波信号的时刻，有些实施例中，t1时刻和t2还可以指OBU发送微波信号的时刻。

[0062] 实施例二：

[0063] 本实施例与上一实施例不同的是，RSU对车辆进行定位的过程中仅实现了一个方向的定位，尤其是实现了车辆在平行于道路延伸方向的第一方向的定位而获得包含一维坐标的定位信息，具体地，本实施例的两次定位步骤中，得到车辆在t1时刻的定位信息包括车辆在第一方向的位置坐标y1，车辆在t2时刻的定位信息包括第一方向的位置坐标y2，计算步骤中，距离信息包括车辆在t1与t2时刻之间沿第一方向的行驶距离Sy，其计算公式为Sy＝|y2-y1|，速度信息包括车辆在t1与t2时刻之间沿第一方向的行驶速度Vy，其计算公式为Vy=Sy/t0。

[0064] 实施例三：

[0065] 如图5所示，本实施例用于实现实施例一或实施例二的基于DSRC的车速测量装置包括RSU，RSU主要包括信号接收模块10、定位模块20、计算模块30和信号匹配模块40。

[0066] 其中信号接收模块10设置在RSU室外单元，其包括天线，用于接收车辆通过OBU发送的多个微波信号，至少一个微波信号携带车辆的车辆信息，至少两个微波信号分别对应于t1和t2时刻，其中，t1和t2时刻之间的时间间隔为t0；

[0067] 定位模块20用于通过t1时刻的微波信号，获得车辆在t1时刻的定位信息，通过t2时刻的微波信号，获得车辆在t2时刻的定位信息；定时模块20中还可包括时间记录模块21，时间记录模块21主要用于获取t1和t2时刻之间的时间间隔为t0，例如一种实施例中，时间记录模块21分别记录两个微波信号分别对应的时刻t1时刻和t2时刻，并采用时刻相减法得到t0，另一种实施例中，时间记录模块21包括一计时器，在t1时刻直接启动一计时器，在t2时刻读取计时器的读数直接得到t0。根据定位方式的不同，定位模块可对车辆进行一个方向的定位而获得包含一维坐标的定位信息，也可进行两个方向的定位而获得包含二维坐标的定位信息。

[0068] 计算模块30用于利用车辆在t1时刻的定位信息和t2时刻的定位信息，计算车辆在t1与t2时刻之间的距离信息，并根据距离信息和时间间隔t0，计算车辆在t1与t2时刻之间的速度信息。根据定位方式的不同，计算模块可得到车辆在t1与t2时刻之间沿一个方向的行驶速度，也可得到车辆的总行驶速度，以及车辆沿两个方向的速度分量。

[0069] 信号匹配模块40用于将车辆的速度信息与车辆的车辆信息相匹配，并用于根据具体需要将匹配后的信息传送给控制中心。

[0070] 以上各实施例的车速测量方法可广泛适用于各类DSRC应用系统，例如单车道带栏杆机ETC系统、多车道带栏杆机ETC系统、单车道自由流系统、多车道自由流系统、以及用于对车辆进行实时监控或违规稽查的车辆测速系统、车型识别系统、图像识别系统、图像抓拍系统等各类车辆监控系统。其中，信号接收模块设置在单车道带栏杆机电子ETC系统、多车道带栏杆机ETC系统或单车道自由流系统的对应车道上，或设置在多车道自由流系统中的至少一个自由流断面上，操作方便、检测速度快且准确性高。以上实施例二可用于单车道DSRC应用系统，RSU的结构和信息处理方比较相对简单，成本较低，实施例一可用于单车道或多车道DSRC应用系统，测速结果更加准确、可靠。

[0071] 本领域技术人员可以理解，上述实施例中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。

[0072] 以上内容是结合具体的实施例对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。