一种基于可见光通信的车辆通信和导航方法与流程

1.本发明涉及交通领域，更具体地说，涉及一种基于可见光通信的车辆通信和导航方法。


背景技术：

2.车辆行驶在道路上时，司机通常对周围车辆的未来行驶路线并无直观的认知。因此，他们无法预判哪个行驶方向可以节约时间，也不能避开可能导致拥堵的道路。更糟糕的是，由于无法及时知晓其他车辆的行驶意图，司机可能难以提前变道，这在极端情况下可能会引发交通事故。
3.另一方面，现有的导航系统，例如gps，虽然能为司机提供路线建议，但这些建议大多基于公开可获取的交通信息，而非实时的、来自同路段的其他车辆的具体行驶路线信息。此外，这些系统需要处理的数据量极大，因为它们需要考虑所有道路的交通状况。这不仅需要大量的计算资源，而且也会因为数据传输延迟，导致导航信息的实时性受到影响。
4.因此，急需一种能够让车辆间能够共享预计行驶路线信息，提高道路利用率，降低拥堵，并且不需要额外大量计算资源的通信和导航方法。其中，本发明尝试采用可见光通信的方法。
5.可见光通信（visible light communication，简称vlc）是一种利用可见光频谱范围内的光波实现数据传输的无线通信技术。vlc 的核心是利用光源进行光通信，该技术通常与现有的通信系统（如无线电）结合使用，以增加通信系统的数据吞吐量。
6.vlc 的主要优点是其使用的是非授权的电磁频谱资源，这部分资源是丰富的且不受任何法规限制，可以极大地缓解无线频谱资源的紧张。此外，由于光信号不会穿过固体墙壁，因此具有较强的安全性和隐私性。而且，由于它的频谱范围非常宽，数据传输速率也相当高。
7.在vlc中，通信过程主要涉及两个步骤：调制和解调。调制是在发送端进行的，其过程是将输入的电信号转化为光信号。在vlc中，这主要通过改变led光源的亮度来实现。解调则在接收端进行，其过程是将收到的光信号转化回电信号。这主要通过光敏接收器来实现，如光电二极管或者光电倍增管等。
8.vlc是一种有很大发展潜力的新型通信技术，其应用领域包括室内无线通信、车载通信、智能交通系统等。本发明正是利用vlc技术，在车辆导航和通信中实现了有效的信息传输和处理，大大提高交通的智能化程度和安全性。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是提供一种基于可见光通信的车辆通信和导航方法，以解决背景技术中提到的问题。
10.为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
11.一种基于可见光通信的车辆通信和导航方法，包括如下步骤：
12.s1：为每辆车配备vlc单元，其中vlc单元包括位于车辆前方和两侧的接收器，和位于车辆后方和两侧的发射器；
13.s2：每辆车将自身车辆id、车辆位置、车辆速度以及在前方路口的行进方向实时编码为可由vlc单元发送的数据格式，并实时通过车辆后方和两侧的发射器发送给附近车辆；若该车辆同时能看到前方路口的红绿灯信号以及对应的红绿灯等待时长，则车辆同时将红绿灯状态及红绿灯等待时长通过光信号传递给附近车辆；
14.s3：每一辆车在接收到附近车辆发送来的光信号后，将其解码获取信息，并同时将从前方车辆传来的光信号信息直接传递给后方车辆；
15.s4：每一车辆系统或者与车辆通信的云端系统，根据通过光通信接收到的同一道路上所有车辆的信息，估算自身车辆在前方左转时需要等待的时间t1、直行时需要等待的时间t2和右转时需要等待的时间t3；
16.系统同时估算车辆在前方左转后前往目的地时的最优导航路线对应的行驶时长t1,在前方采取直线后前往目的地时的最优导航路线对应的行驶时长t2，在前方采取右转后前往目的地时的最优导航路线对应的行驶时长t3；并计算：
17.ttot1=t1+t1;
18.ttot2=t2+t2;
19.ttot3=t3+t3;
20.计算其中的最小值ttoti，i=1或2或3，并将ttoti对应的行进方向作为后续行进的导航方向，并将实时变更的导航信息实时发送给附近车辆。
21.在一些实施例中，其中s3还包括：
22.每一车辆在接收到所有附近车辆发送来的光信号后，将其解码，并将对应的附近车辆的每辆车的位置以及前方行驶方向标记在同一张地图上供驾驶者参考。
23.在一些实施例中，vlc单元中：
24.位于车辆前方的发射器集成于车辆的前灯，位于车辆前方的接收器集成于车辆的前摄像头；
25.位于车辆后方的发射器集成于车辆的尾灯，位于车辆后方的接收器集成于车辆的后摄像头。
26.在一些实施例中，vlc单元中：
27.位于车辆侧方的发射器集成于车辆的转向灯或额外增设的侧灯；
28.位于车辆侧方的接收器集成于车辆的侧向摄像头。
29.在一些实施例中，当位于车辆侧方的发射器集成于车辆的转向灯时，转向灯传递光信号时，采用与表示车辆转向或变道时转向灯闪烁频率不同的频率来传递光信号。
30.在一些实施例中，ti，i=1、2、3，的估算方法如下：
31.a.若此时为绿灯，则分以下两种情况：
32.1）若tgreen-ni
×ꢀ
ticrossg＞0，则等待时间ti=ni
×ꢀ
ticrossg；
33.其中tgreen为绿灯剩余时长；ni为前方车辆中朝i方向行进的车辆数量；ticrossg为持续绿灯情况下单个车辆朝i行进方向上经过路口所需要的时间；
34.2）若tgreen-ni
×ꢀ
ticrossg＜0，则等待时间为：
35.ti=（ni-tgreen/ticrossg)
×
ticrossr+tredtot；
36.其中tgreen为绿灯剩余时长；tredtot为红灯总时长；ni为前方车辆中朝i方向行进的车辆数量；ticrossg为持续绿灯情况下单个车辆朝i行进方向上经过路口所需要的时间；ticrossr为红灯变绿灯后单个车辆从路口起步朝方向i驶过路口所需要的时间；
37.b.若此时为红灯，则：
38.ti=ni
×
ticrossr+tred；
39.ni为前方车辆中朝i方向行进的车辆数量；ticrossr为红灯变绿灯后单个车辆从路口起步朝方向i驶过路口所需要的时间；tred为当前剩余的红灯时长。
40.在一些实施例中，其中ticrossg=li/vig,其中li为朝方向i行进时的路口行驶轨迹长度，vig为车辆在绿灯常亮情况下朝方向i行进时的路口平均速度。
41.在一些实施例中，ticrossr=li/vir,其中li为朝方向i行进时的路口行驶轨迹长度，vir为红灯变绿灯后车辆朝方向i行进时的路口平均速度。
42.在一些实施例中，s4中的最优导航路线基于现有的导航算法，包括dijkstra算法、a星算法。
43.本发明相对于现有技术的优点在于：
44.1、本发明充分利用可见光通信技术的局域性的特性，将导航信息等非常方便快捷地传递给附近的车辆，可以使得附近的车辆可以方便快捷地了解同一道路上的车辆在前方道路的行驶路线，一方面可以减少交通拥堵，另一方面，可以避免变道时可能带来的碰撞。
45.2、本发明通过步骤s2中把前方车辆的光信号数据传递到后方车辆，解决了后方车辆如何确认前方车辆行驶轨迹的问题，因为后方车辆并看不到前方车辆，通过中间车辆的传递，巧妙地解决了这个问题。
46.3、本发明所需要的计算资源少，因为每个车辆只需要考虑同一道路上的车辆的行驶，而无需考虑其它道路上的车辆，因此计算起来相对简单，而一旦每个道路上的车辆都采取这样的计算后，在总体上又会减少拥堵情况的出现，尤其是能够让每个路口的车辆行进方向尽量均匀，从而减少众多车辆挤在一条道上的情况。
47.4、本发明配备了详实的时间计算公式，能够为每种行驶决策定量估算所需时间。通过选择花费时间最短的行驶方向，可以减少导航时间，缓解交通拥堵，提高行驶效率。
附图说明
48.图1是本发明方法的流程图示意图。
具体实施方式
49.下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述。
50.如图1所示为本发明的流程示意图，本发明一种基于可见光通信的车辆通信和导航方法，包括如下步骤：
51.s1：为每辆车配备vlc单元，其中vlc单元包括位于车辆前方和两侧的接收器，和位于车辆后方和两侧的发射器；
52.s2：每辆车将自身车辆id、车辆位置、车辆速度以及在前方路口的行进方向实时编码为可由vlc单元发送的数据格式，并实时通过车辆后方和两侧的发射器发送给附近车辆；若该车辆同时能看到前方路口的红绿灯信号以及对应的红绿灯等待时长，则车辆同时将红
绿灯状态及红绿灯等待时长通过光信号传递给附近车辆；
53.s3：每一辆车在接收到附近车辆发送来的光信号后，将其解码获取信息，并同时将从前方车辆传来的光信号信息直接传递给后方车辆；
54.s4：每一车辆系统或者与车辆通信的云端系统，根据通过光通信接收到的同一道路上所有车辆的信息，估算自身车辆在前方左转时需要等待的时间t1、直行时需要等待的时间t2和右转时需要等待的时间t3；
55.系统同时估算车辆在前方左转后前往目的地时的最优导航路线对应的行驶时长t1,在前方采取直线后前往目的地时的最优导航路线对应的行驶时长t2，在前方采取右转后前往目的地时的最优导航路线对应的行驶时长t3；并计算：
56.ttot1=t1+t1;
57.ttot2=t2+t2;
58.ttot3=t3+t3;
59.计算其中的最小值ttoti，i=1或2或3，并将ttoti对应的行进方向作为后续行进的导航方向，并将实时变更的导航信息实时发送给附近车辆。
60.在一些实施例中，其中s3还包括：
61.每一车辆在接收到所有附近车辆发送来的光信号后，将其解码，并将对应的附近车辆的每辆车的位置以及前方行驶方向标记在同一张地图上供驾驶者参考。
62.在一些实施例中，vlc单元中：
63.位于车辆前方的发射器集成于车辆的前灯，位于车辆前方的接收器集成于车辆的前摄像头；
64.位于车辆后方的发射器集成于车辆的尾灯，位于车辆后方的接收器集成于车辆的后摄像头。
65.在一些实施例中，vlc单元中：
66.位于车辆侧方的发射器集成于车辆的转向灯或额外增设的侧灯；
67.位于车辆侧方的接收器集成于车辆的侧向摄像头。
68.在一些实施例中，当位于车辆侧方的发射器集成于车辆的转向灯时，转向灯传递光信号时，采用与表示车辆转向或变道时转向灯闪烁频率不同的频率来传递光信号。
69.在一些实施例中，ti，i=1、2、3，的估算方法如下：
70.a.若此时为绿灯，则分以下两种情况：
71.1）若tgreen-ni
×ꢀ
ticrossg＞0，则等待时间ti=ni
×ꢀ
ticrossg；
72.其中tgreen为绿灯剩余时长；ni为前方车辆中朝i方向行进的车辆数量；ticrossg为持续绿灯情况下单个车辆朝i行进方向上经过路口所需要的时间；
73.2）若tgreen-ni
×ꢀ
ticrossg＜0，则等待时间为：
74.ti=（ni-tgreen/ticrossg)
×
ticrossr+tredtot；
75.其中tgreen为绿灯剩余时长；tredtot为红灯总时长；ni为前方车辆中朝i方向行进的车辆数量；ticrossg为持续绿灯情况下单个车辆朝i行进方向上经过路口所需要的时间；ticrossr为红灯变绿灯后单个车辆从路口起步朝方向i驶过路口所需要的时间；
76.b.若此时为红灯，则：
77.ti=ni
×
ticrossr+tred；
78.ni为前方车辆中朝i方向行进的车辆数量；ticrossr为红灯变绿灯后单个车辆从路口起步朝方向i驶过路口所需要的时间；tred为当前剩余的红灯时长。
79.在一些实施例中，其中ticrossg=li/vig,其中li为朝方向i行进时的路口行驶轨迹长度，vig为车辆在绿灯常亮情况下朝方向i行进时的路口平均速度。
80.在一些实施例中，ticrossr=li/vir,其中li为朝方向i行进时的路口行驶轨迹长度，vir为红灯变绿灯后车辆朝方向i行进时的路口平均速度。
81.在一些实施例中，s4中的最优导航路线基于现有的导航算法，包括dijkstra算法、a星算法。
82.上述算法中，每辆车都在不断地根据其他车辆的信息和自己的目标来调整自己的行驶路径，这可能导致系统在一个稳定的解，亦或是在不断变化的解之间振荡。
83.一种可能的情况是，系统最终会收敛到一个稳定的解，因为每辆车都在追求自己的最优解，而且由于每辆车的行驶路径和目标可能都不同，因此系统最终可能会找到一个解，使得每辆车都在这个解下达到自己的最优解；在这样的最优解的情况下，交通会得到大大改善。
84.但不得不承认的是，另一种可能的情况是，系统可能会在不同的解之间振荡，没有一个稳定的解。例如，每当一辆车改变了自己的行驶路径，其他车辆的最优解可能也会改变，从而导致他们也改变自己的行驶路径。在这种情况下，系统可能会在不同的解之间不断振荡，没有一个稳定的解。
85.可以采取很多种方式来解决这个问题，比如引入某种形式的“惩罚”或“激励”，使得车辆在改变自己的行驶路径时需要考虑更多的因素，从而促使系统向一个稳定的解收敛。亦或是考虑如下例子：
86.在步骤s4中，每辆车计算出三个可能的行驶时间：ttot1，ttot2和ttot3，然后对这三个时间进行排序，得到三个排序后的时间：ttot(i1)，ttot(i2)和ttot(i3)，其中i1、i2和i3是1、2和3的一个排列，满足ttot(i1) ≤ ttot(i2) ≤ ttot(i3)。
87.然后，每辆车以p1的概率选择行驶时间最短的路线（即i1对应的路线），以p2的概率选择行驶时间第二短的路线（即i2对应的路线），以p3的概率选择行驶时间最长的路线（即i3对应的路线）。其中p1、p2和p3是预先设定的三个概率值，满足p1 》 p2 》 p3且p1 + p2 + p3 = 1。例如，可以设定p1 = 0.7，p2 = 0.2，p3 = 0.1，这意味着每辆车在70%的时间会选择最优路线，在20%的时间会选择第二优路线，在10%的时间会选择最差路线。
88.通过这种概率随机化的方法，即使当前的最优路线因为其他车辆的变化而不再是最优，也有一部分车辆会选择其他路线，从而避免系统的集体行为过于剧烈地变化，增加了系统的稳定性。同时，由于p1 》 p2 》 p3，因此每辆车大部分时间还是会选择最优路线，从而不会损失太多的效率。
89.具体来说，在原始规划中，每辆车总是选择预期行驶时间最短的路径，这导致了一种连锁反应：当一辆车改变路线，可能会导致该路线的预期时间增加，随后其他车辆也会做出相应的调整，这样会形成一种连锁反应，从而可能引起整个系统的剧烈变化，形成无稳定解的情况。
90.这时，我们引入概率随机化。这种方法能在一定程度上打破这种连锁反应。具体来说，即使某条路线的预期行驶时间增加，由于每辆车不总是选择预期时间最短的路线，而是
以一定的概率选择非最优路线，因此即使该路线的预期时间增加，也不会立即引发所有车辆的路线改变。这就减少了连锁反应的可能性，从而降低了系统行为剧烈变化的可能性。
91.举一个具体的例子，假设有三条路线，路线a的预期行驶时间最短，然后是路线b和路线c。如果所有车辆都选择路线a，那么路线a的预期行驶时间就会增加。但是，如果车辆以一定的概率选择路线b和路线c，那么即使路线a的预期行驶时间增加，也不会立即引发所有车辆的路线改变，从而避免了连锁反应，使得系统的行为更加稳定。这种方法为系统增加了一种“阻尼”，使得系统的行为对单个车辆的行为变化不会过于敏感，从而提高了系统的稳定性。
92.除此之外，为了避免系统在持续的重新计算和调整中陷入无止境的循环，还可以设置一个时间阈值。当系统在该时间阈值内无法达到一个稳定的解决方案时，可以选择直接采取当前计算出的最优路径，即使这个路径可能并非真正的全局最优解。
93.这样的做法为系统提供了一个“容错”机制，允许系统在有限的时间内接受一个“足够好”而非“完美”的解决方案。其次，实际的交通环境是动态变化的，一个现在计算出的最优解，可能在一段时间后就不再是最优的。因此，这种方法也可以防止系统过度消耗计算资源，从而提高系统的运行效率。
94.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于可见光通信的车辆通信和导航方法，其特征在于，包括步骤：s1：为每辆车配备vlc单元，其中vlc单元包括位于车辆前方和两侧的接收器，和位于车辆后方和两侧的发射器；s2：每辆车将自身车辆id、车辆位置、车辆速度以及在前方路口的行进方向实时编码为可由vlc单元发送的数据格式，并实时通过车辆后方和两侧的发射器发送给附近车辆；若该车辆同时能看到前方路口的红绿灯信号以及对应的红绿灯等待时长，则车辆同时将红绿灯状态及红绿灯等待时长通过光信号传递给附近车辆；s3：每一辆车在接收到附近车辆发送来的光信号后，将其解码获取信息，并同时将从前方车辆传来的光信号信息直接传递给后方车辆；s4：每一车辆系统或者与车辆通信的云端系统，根据通过光通信接收到的同一道路上所有车辆的信息，估算自身车辆在前方左转时需要等待的时间t1、直行时需要等待的时间t2和右转时需要等待的时间t3；系统同时估算车辆在前方左转后前往目的地时的最优导航路线对应的行驶时长t1,在前方采取直线后前往目的地时的最优导航路线对应的行驶时长t2，在前方采取右转后前往目的地时的最优导航路线对应的行驶时长t3；并计算：ttot1=t1+t1;ttot2=t2+t2;ttot3=t3+t3;计算其中的最小值ttoti，i=1或2或3，并将ttoti对应的行进方向作为后续行进的导航方向，并将实时变更的导航信息实时发送给附近车辆。2.根据权利要求1所述基于可见光通信的车辆通信和导航方法，其特征在于，其中s3还包括：每一车辆在接收到所有附近车辆发送来的光信号后，将其解码，并将对应的附近车辆的每辆车的位置以及前方行驶方向标记在同一张地图上供驾驶者参考。3.根据权利要求1所述基于可见光通信的车辆通信和导航方法，其特征在于，vlc单元中：位于车辆前方的发射器集成于车辆的前灯，位于车辆前方的接收器集成于车辆的前摄像头；位于车辆后方的发射器集成于车辆的尾灯，位于车辆后方的接收器集成于车辆的后摄像头。4.根据权利要求1所述基于可见光通信的车辆通信和导航方法，其特征在于，vlc单元中：位于车辆侧方的发射器集成于车辆的转向灯或额外增设的侧灯；位于车辆侧方的接收器集成于车辆的侧向摄像头。5.根据权利要求4所述基于可见光通信的车辆通信和导航方法，其特征在于，当位于车辆侧方的发射器集成于车辆的转向灯时，转向灯传递光信号时，采用与表示车辆转向或变道时转向灯闪烁频率不同的频率来传递光信号。6.根据权利要求1所述基于可见光通信的车辆通信和导航方法，其特征在于，ti，i=1、2、3，的估算方法如下：
a.若此时为绿灯，则分以下两种情况：1）若tgreen-ni
×ꢀ
ticrossg＞0，则等待时间ti=ni
×ꢀ
ticrossg；其中tgreen为绿灯剩余时长；ni为前方车辆中朝i方向行进的车辆数量；ticrossg为持续绿灯情况下单个车辆朝i行进方向上经过路口所需要的时间；2）若tgreen-ni
×ꢀ
ticrossg＜0，则等待时间为：ti=（ni-tgreen/ticrossg)
×
ticrossr+tredtot；其中tgreen为绿灯剩余时长；tredtot为红灯总时长；ni为前方车辆中朝i方向行进的车辆数量；ticrossg为持续绿灯情况下单个车辆朝i行进方向上经过路口所需要的时间；ticrossr为红灯变绿灯后单个车辆从路口起步朝方向i驶过路口所需要的时间；b.若此时为红灯，则：ti=ni
×
ticrossr+tred；ni为前方车辆中朝i方向行进的车辆数量；ticrossr为红灯变绿灯后单个车辆从路口起步朝方向i驶过路口所需要的时间；tred为当前剩余的红灯时长。7.根据权利要求6所述基于可见光通信的车辆通信和导航方法，其特征在于，其中ticrossg=li/vig,其中li为朝方向i行进时的路口行驶轨迹长度，vig为车辆在绿灯常亮情况下朝方向i行进时的路口平均速度。8.根据权利要求6所述基于可见光通信的车辆通信和导航方法，其特征在于，ticrossr=li/vir,其中li为朝方向i行进时的路口行驶轨迹长度，vir为红灯变绿灯后车辆朝方向i行进时的路口平均速度。9.根据权利要求1所述基于可见光通信的车辆通信和导航方法，其特征在于，s4中的最优导航路线基于现有的导航算法，包括dijkstra算法、a星算法。

技术总结
本发明公开了一种基于可见光通信的车辆通信和导航方法，涉及交通领域，每辆车都配备了VLC单元，用于实时发送和接收光信号。该信号包括车辆ID、位置、速度、预期行进方向和前方红绿灯信息等。当车辆接收到来自附近车辆或前方车辆的光信号后，会进行解码以获取相关信息，同时将前方车辆传来的信息直接传递给后方车辆。系统会根据接收到的所有车辆信息，估算车辆在前方左转、直行和右转时需要等待的时间，以及后续前往目的地的最优导航路线对应的行驶时长。通过计算，将总行驶时间最短的行进方向作为后续的导航方向，并将变更的导航信息实时发送给附近车辆。本发明能有效提高路口通行效率和道路利用率，同时有助于降低交通拥堵。同时有助于降低交通拥堵。同时有助于降低交通拥堵。


技术研发人员：刘君 李静林 邹思思 李永
受保护的技术使用者：新唐信通（北京）科技有限公司
技术研发日：2023.08.14
技术公布日：2023/9/13