本發(fā)明屬于汽車電子控制技術(shù)，具體涉及一種基于可見光通信的汽車追尾預(yù)警系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

追尾事故是汽車行駛事故中最具代表性的事故形式，在我國，追尾事故率占總交通事故率的1/3左右，引起巨大的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。為減少追尾事故率，提高整車安全性能，追尾預(yù)警系統(tǒng)被越來越廣泛地應(yīng)用到汽車中，在潛在追尾風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，向車輛提供追尾預(yù)警，使得駕駛員能及時(shí)采取加速、轉(zhuǎn)向等措施來規(guī)避追尾或減少傷害。

現(xiàn)有追尾預(yù)警系統(tǒng)一般是基于雷達(dá)的追尾預(yù)警系統(tǒng)，即在車輛的尾部安裝雷達(dá)，通過雷達(dá)主動(dòng)探測在本車道快速接近的后方接近車輛，如圖4所示，在行車過程中，系統(tǒng)不斷檢測本車正后方接近車輛的距離，判斷是否有追尾危險(xiǎn)，當(dāng)本車道快速接近的后方接近車輛的碰撞時(shí)間(TTC)小于時(shí)間閾值時(shí)，發(fā)出追尾預(yù)警，即收緊安全帶，預(yù)警指示燈點(diǎn)亮等方式進(jìn)行預(yù)警。

然而基于雷達(dá)的追尾預(yù)警系統(tǒng)存在以下不足：

(1)接近車輛可能是乘用車、卡車等，不同車型的接近車輛的縱向加速度、制動(dòng)特性、轉(zhuǎn)向特性等動(dòng)力學(xué)特性不同，應(yīng)該標(biāo)定的TTC情況應(yīng)不同。但是基于雷達(dá)的追尾預(yù)警系統(tǒng)采用主動(dòng)探測的方法，只能探測到后方接近車輛的距離和速度信息，不能獲得更多的后方接近車輛的信息，因此無法根據(jù)后方車型進(jìn)行更合理的動(dòng)態(tài)設(shè)定TTC閾值和報(bào)警時(shí)間點(diǎn)。

(2)基于雷達(dá)的追尾預(yù)警系統(tǒng)只能探測到本車正后方的車輛，參見圖4，在彎道情況下，相鄰車道車輛12被車輛10的雷達(dá)波13探測到，易產(chǎn)生相鄰車道車輛的誤報(bào)；而與車輛10同車道的后方車輛11由于無法被車輛10的雷達(dá)波 13探測到，則存在潛在追尾危險(xiǎn)被漏報(bào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于可見光通信的汽車追尾預(yù)警系統(tǒng)及方法，后方接近車輛采用主動(dòng)方式向前方車輛發(fā)送信息，使前方車輛能獲得后方接近車輛更多的狀態(tài)信息，以確保前方車輛追尾預(yù)警的準(zhǔn)確性；另外，前方車輛的追尾預(yù)警能根據(jù)后方接近車輛的車型選擇合適的TTC閾值，使判斷更精確。

本發(fā)明所述的基于可見光通信的汽車追尾預(yù)警系統(tǒng)，包括定位模塊、MCU、光通信調(diào)制模塊、LED燈、光敏接收器和HMI系統(tǒng)；

所述定位模塊用于獲取本車輛的位置信息、航向信息及行駛姿態(tài)信息并發(fā)送給MCU，該定位模塊與MCU連接；

所述MCU用于從本車輛的總線上獲取車輛行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)和車型信息，并基于所述本車輛的位置信息計(jì)算出歷史軌跡，同時(shí)將所述歷史軌跡、車輛行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息發(fā)送給光通信調(diào)制模塊，該光通信調(diào)制模塊與MCU連接；

所述光通信調(diào)制模塊對所述歷史軌跡、車輛行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息進(jìn)行調(diào)制并驅(qū)動(dòng)LED燈閃爍，該LED燈與光通信調(diào)制模塊連接；

所述LED燈安裝在汽車的頭部，用于產(chǎn)生包含本車輛的歷史軌跡、車輛行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息的光信號(hào)，并發(fā)送出去；

所述光敏接收器安裝在汽車的尾部，用于接收后方接近車輛的LED燈發(fā)射的包含有后方接近車輛的歷史軌跡、車輛行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息的光信號(hào)，并將接收的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)理與解調(diào)后發(fā)送給MCU，該光敏接收器與MCU連接；

所述MCU根據(jù)本車輛的位置信息、航向信息、行駛姿態(tài)信息計(jì)算得到本車輛的預(yù)測路徑，并基于本車輛的位置信息和預(yù)測路徑，以及后方接近車輛的位置信息和歷史軌跡信息判斷出本車輛與后方接近車輛是否在同一車道上；若在同一車道上，則基于兩車輛的距離以及相對速度計(jì)算出本車輛與后方接近車輛的TTC(即碰撞時(shí)間)，并根據(jù)后方接近車輛的車型、載荷信息計(jì)算出后方接近車輛可 選擇的最大減速度值并依此選擇TTC閾值；當(dāng)TTC<TTC閾值，且保持的時(shí)間大于預(yù)設(shè)的時(shí)間閾值，則輸出給本車輛的HMI系統(tǒng)(即人機(jī)界面系統(tǒng))，對駕駛員進(jìn)行預(yù)警，該HMI系統(tǒng)與MCU連接。

所述LED燈為LED日間行車燈或LED大燈。

本發(fā)明所述的基于可見光通信的汽車追尾預(yù)警方法，在前方車輛和后方接近車輛上均安裝有基于可見光通信的汽車追尾預(yù)警系統(tǒng)，包括以下步驟：

步驟一、在行駛過程中，后方接近車輛的定位模塊獲取本車輛的位置信息，后方接近車輛的MCU基于本車輛的位置信息計(jì)算出本車輛的歷史軌跡；后方接近車輛的MCU從車輛總線上獲得本車輛的行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)；再將本車輛的位置信息、歷史軌跡、行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息傳遞給本車輛的光通信調(diào)制模塊，由所述光通信調(diào)制模塊對信息進(jìn)行編碼，并驅(qū)動(dòng)本車輛的LED日間行車燈或LED大燈閃爍，產(chǎn)生包含本車輛的位置信息、歷史軌跡、行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息的光信號(hào)，并發(fā)送出去；

步驟二、當(dāng)前方車輛的光敏接收器接收到后方接近車輛發(fā)送出來的光信號(hào)，由前方車輛的光敏接收器對接收到的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)理與解調(diào)，前方車輛的MCU根據(jù)本車輛的位置信息、航向信息、行駛姿態(tài)信息計(jì)算得到本車輛的預(yù)測路徑，并基于本車輛的位置信息和預(yù)測路徑，以及后方接近車輛的位置信息和歷史軌跡信息判斷出前方車輛與后方接近車輛是否在同一車道上，若在同一車道，則基于兩車輛的距離以及相對速度計(jì)算出前方車輛與后方接近車輛TTC；再根據(jù)后方接近車輛的車型、載荷信息計(jì)算出后方接近車輛可選擇的最大減速度值并依此選擇TTC閾值；當(dāng)TTC<TTC閾值，且保持的時(shí)間大于預(yù)設(shè)的時(shí)間閾值，則輸出給前方車輛的HMI系統(tǒng)，對前方車輛的駕駛員進(jìn)行預(yù)警。

所述后方接近車輛采用自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)，即LED大燈可以根據(jù)彎道自適應(yīng)調(diào)節(jié)方向。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)后方接近車輛采用主動(dòng)方式向前方車輛發(fā)送信息，使前方車輛能夠獲得后方接近車輛更多的狀態(tài)信息，確保了前方車輛追尾預(yù)警的準(zhǔn)確性；

(2)前方車輛的追尾預(yù)警根據(jù)后方接近車輛的車型選擇最合適的TTC閾值，使判斷更精確；

(3)本發(fā)明通過后方接近車輛的歷史軌跡與前方車輛的預(yù)測路徑對比判斷后方接近車輛與前方車輛是否在同一車道上的方法，當(dāng)車輛在彎道行駛時(shí)，該方法同樣適用，故不會(huì)出現(xiàn)因車輛經(jīng)過彎道而產(chǎn)生誤報(bào)的情況；

(4)該系統(tǒng)與AFS(即自適應(yīng)前照燈)系統(tǒng)相結(jié)合，由于LED大燈可以根據(jù)彎道自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在彎道處，后方接近車輛的信息也能夠傳遞給前方車輛，減少了彎道追尾危險(xiǎn)漏報(bào)的情況；

(5)該系統(tǒng)與車輛本身的燈光系統(tǒng)(LED日間行車燈/LED大燈)結(jié)合，不會(huì)影響燈光系統(tǒng)的正常工作，減少了傳統(tǒng)追尾預(yù)警系統(tǒng)安裝雷達(dá)所產(chǎn)生的成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的使用框圖；

圖3為本發(fā)明的使用狀態(tài)圖；

圖4為現(xiàn)有技術(shù)的使用狀態(tài)圖；

圖5為本發(fā)明中光通信調(diào)制模塊的結(jié)構(gòu)框圖；

圖6為圖5中CPU處理器的管腳結(jié)構(gòu)圖；

圖7為圖5中CPU處理器與汽車LIN總線的一種連接電路；

圖8為圖5中電壓變換電路的一種具體結(jié)構(gòu)圖；

圖9為圖5中前向電壓測試電路的一種具體結(jié)構(gòu)圖；

圖10為圖5中恒流壓控電路的一種具體結(jié)構(gòu)圖。

圖11為本發(fā)明中光敏接收器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖12為圖11中光電轉(zhuǎn)換電路的原理圖；

圖13為圖11中冗余平均電路的一種具體原理圖；

圖14為圖11中低通濾波電路的一種具體原理圖；

圖15為本發(fā)明微機(jī)處理器計(jì)算最優(yōu)接收空間角度的程序流程圖；

其中，圖2，圖3和圖4中的箭頭表示車輛行駛的方向。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，本發(fā)明所述的一種基于可見光通信的汽車追尾預(yù)警系統(tǒng)，包括定位模塊4、MCU3(即：微控制單元)、光通信調(diào)制模塊2、LED燈1、光敏接收器5和HMI系統(tǒng)6(如：儀表顯示屏、儀表蜂鳴器、安全帶等)；其中，LED燈1采用LED日間行車燈。

定位模塊4由衛(wèi)星定位系統(tǒng)和陀螺儀組成，用于獲取本車輛的位置信息、航向信息及行駛姿態(tài)信息，并將本車輛的位置信息、航向信息及行駛姿態(tài)信息發(fā)送給MCU3，該定位模塊4與MCU3連接。

MCU3用于從本車輛的總線上獲取車輛行駛狀態(tài)(比如：車速、制動(dòng)狀態(tài))、載荷狀態(tài)和車型信息(比如：大卡、輕卡、大客、中客、乘用車等，車型信息存儲(chǔ)在汽車上的某一控制器內(nèi))，并基于所述本車輛的位置信息計(jì)算出歷史軌跡，同時(shí)將所述歷史軌跡、車輛行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息發(fā)送給光通信調(diào)制模塊2，該光通信調(diào)制模塊2與MCU3連接。

光通信調(diào)制模塊2對所述歷史軌跡、車輛行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息進(jìn)行調(diào)制并驅(qū)動(dòng)LED日間行車燈高頻閃爍產(chǎn)生光信號(hào)9，該LED日間行車燈與光通信調(diào)制模塊2連接。

LED日間行車燈安裝在汽車的頭部，用于產(chǎn)生包含本車輛的歷史軌跡、車輛行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息的光信號(hào)9，并發(fā)送出去。

光敏接收器5安裝在汽車的尾部，用于接收后方接近車輛8的LED日間行車燈發(fā)射的包含有后方接近車輛8的歷史軌跡、車輛行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息的光信號(hào)9，并將接收的光信號(hào)9進(jìn)行調(diào)理與解調(diào)后發(fā)送給MCU3，該光敏接收器5與MCU3連接。

MCU3根據(jù)本車輛的位置信息、航向信息及行駛姿態(tài)信息計(jì)算得到本車輛的預(yù)測路徑，并基于本車輛的位置信息和預(yù)測路徑，以及后方接近車輛8的位置信息和歷史軌跡信息判斷出本車輛與后方接近車輛8是否在同一車道上；若在同一車道上，則基于兩車輛的距離以及相對速度計(jì)算出本車輛與后方接近車輛8的TTC(即碰撞時(shí)間)，并根據(jù)后方接近車輛8的車型、載荷信息計(jì)算出后方接近 車輛8可選擇的最大減速度值并依此選擇TTC閾值；當(dāng)TTC<TTC閾值，且保持的時(shí)間大于預(yù)設(shè)的時(shí)間閾值，則輸出給本車輛的HMI系統(tǒng)6，對駕駛員進(jìn)行預(yù)警，該HMI系統(tǒng)6與MCU3連接。

本發(fā)明所述的基于可見光通信的汽車追尾預(yù)警系統(tǒng)中，所述LED燈1亦可采用LED大燈。

如圖2和圖3所示，本發(fā)明所述的一種基于可見光通信的汽車追尾預(yù)警方法，在前方車輛7和后方接近車輛8上均安裝有本發(fā)明所述的基于可見光通信的汽車追尾預(yù)警系統(tǒng)，且至少后方接近車輛8采用AFS(即自適應(yīng)前照燈)系統(tǒng)；該方法包括以下步驟：

步驟一、在行駛過程中，后方接近車輛8的定位模塊4獲取本車輛的位置信息，后方接近車輛8的MCU3基于本車輛的位置信息計(jì)算出本車輛的歷史軌跡；后方接近車輛8的MCU3從車輛總線上獲得本車輛的行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)；再將本車輛的位置信息、歷史軌跡、行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息傳遞給本車輛的光通信調(diào)制模塊2，由所述光通信調(diào)制模塊2對信息進(jìn)行編碼，并驅(qū)動(dòng)本車輛的LED日間行車燈或LED大燈閃爍，產(chǎn)生包含本車輛的位置信息、歷史軌跡、行駛狀態(tài)、載荷狀態(tài)以及車型信息的光信號(hào)9，并發(fā)送出去。

步驟二、當(dāng)前方車輛7的光敏接收器5接收到后方接近車輛8發(fā)送出來的光信號(hào)9，由前方車輛7的光敏接收器5對接收到的光信號(hào)9進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，前方車輛7的MCU3根據(jù)本車輛的位置信息、航向信息及行駛姿態(tài)信息計(jì)算得到本車輛的預(yù)測路徑，并結(jié)合本車輛的位置信息和預(yù)測路徑，以及后方接近車輛8的位置信息和歷史軌跡信息判斷出前方車輛7與后方接近車輛8是否在同一車道上，若在同一車道，則基于兩車輛的距離以及相對速度計(jì)算出前方車輛7與后方接近車輛8的TTC；再根據(jù)后方接近車輛8的車型、載荷信息計(jì)算出后方接近車輛8可選擇的最大減速度值并依此選擇TTC閾值；當(dāng)TTC<TTC閾值，且保持的時(shí)間大于預(yù)設(shè)的時(shí)間閾值，則輸出給前方車輛7的HMI系統(tǒng)6，HMI系統(tǒng)6驅(qū)動(dòng)前方車輛7的儀表進(jìn)行圖像報(bào)警，蜂鳴器進(jìn)行聲音提示，安全帶進(jìn)行振動(dòng)對前方車輛7的駕駛員進(jìn)行預(yù)警。

參見圖3，本發(fā)明通過后方接近車輛8的歷史軌跡與前方車輛7的預(yù)測路徑對比判斷后方接近車輛與前方車輛是否在同一車道的方法，當(dāng)車輛在彎道行駛時(shí)，該方法同樣適用，故不會(huì)出現(xiàn)因車輛經(jīng)過彎道而產(chǎn)生誤報(bào)的情況。

參見圖3，后方接近車輛8采用自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)，即LED大燈可以根據(jù)彎道自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在彎道處，后方接近車輛8信息能夠傳遞給前方車輛7，從而減少了彎道追尾危險(xiǎn)漏報(bào)的情況。

本發(fā)明中的光通信調(diào)制模塊2采用現(xiàn)有技術(shù)，比如：申請?zhí)枺?014205836509公開的一種驅(qū)動(dòng)LED車燈光通信的發(fā)射裝置，其包括如圖5所示，包括起控制作用和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、輸出的CPU處理器21，以及為LED燈1提供驅(qū)動(dòng)電流的電壓變換電路25。所述CPU處理器21(光通信調(diào)制模塊2可不單獨(dú)使用CPU處理器，可通過汽車追尾預(yù)警系中MCU3進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理)通過接口電路23與汽車LIN/CAN總線22通信連接，以獲取光通信的信息內(nèi)容。所述電壓變換電路25對CPU處理器21發(fā)送來的通信數(shù)據(jù)以高、低電平的形式調(diào)制到照明電流上，受電壓變換電路25驅(qū)動(dòng)的高頻半導(dǎo)體開關(guān)26為電流波形的調(diào)制器件。

對所述LED燈1設(shè)置有測量正向壓降的前向電壓測試電路24，所述前向電壓測試電路24的輸出端與CPU處理器21連接，CPU處理器21根據(jù)正向壓降和溫度系數(shù)算出LED燈1的結(jié)溫值，并結(jié)合通信數(shù)據(jù)從電平輸出端輸出數(shù)字式參考電平。CPU處理器21電平輸出端依次連接有D/A轉(zhuǎn)換電路28、第二低通濾波電路29和恒流壓控電路27，對參考電平進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換。所述恒流壓控電路27的輸出端與電壓變換電路25的參考電壓端連接進(jìn)行線與，電壓變換電路25的輸出電流值大小參考電壓大小決定，即是通信數(shù)據(jù)編碼的電流波形的高、低電平值由CPU處理器21對結(jié)溫和通信數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊分類判決后的參考電壓決定。

作為一種具體的實(shí)施電路，所述CPU處理器21為飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12XS128，單片機(jī)的管腳對應(yīng)的端子編號(hào)如圖6所示，單片機(jī)的管腳50～52(即是端子LIN-RXD、LIN-TXD、LIN-EN)通過型號(hào)為MC33661的LIN總線驅(qū)動(dòng)器與汽車LIN總線連接，如圖7所示，單片機(jī)的管腳45(即是端子PAD06)為前向電壓輸入端，其余管腳的設(shè)置參見圖6。

所述電壓變換電路25包括型號(hào)為LM3421的LED驅(qū)動(dòng)控制器，LM3421的管腳設(shè)置如圖8所示，LM3421的管腳8(即是端子nDIM)通過三極管Q7與單片機(jī)的管腳63(即是端子PWM7)連接，LM3421的管腳7(即是端子OVP)為參考電壓端，LM3421的管腳12(即是端子VCC)與一NPN型三極管Q4的基極連接，LM3421的管腳9(即是端子DDRV)與三極管Q4的發(fā)射極電阻連接，三極管Q4的集電極分別與一NPN型三極管Q2和一PNP型三極管Q3的基極連接，三極管Q2的集電極與基極電阻連接，三極管Q2的發(fā)射極與三極管Q3的發(fā)射極連接，三極管Q3的集電極與一PNP型三極管Q6的基極連接，三極管Q3的集電極還連接供電源電壓且通過一二極管與基極連接，三極管Q6的發(fā)射極與三極管Q2的集電極電阻連接，三極管Q6的集電極與LM3421的管腳7(即是端子OVP)連接且通過電阻接地。

為避免電壓變換電路25控制過程中出現(xiàn)非收斂性，引起開關(guān)電源的非正常工作，導(dǎo)致照明功能失效，所述可變方波調(diào)制用的高頻半導(dǎo)體開關(guān)26采用GaN基的高電子遷移率晶體管Q1，其開關(guān)頻率小于開關(guān)電源工作頻率的十分之一，且為避免視覺性能畸變，Q1的工作頻率大于200Hz為宜。Q1的G極與Q2的發(fā)射極連接，Q1的D極與LM3421的的管腳1(工作電壓端)間連接一GaN基的二極管D5，Q1的S極連接有第一電阻RSNS1，所述第一電阻RSNS1與Q1的S極連接的一端與LM3421的管腳15(即是端子HSP)電阻連接，第一電阻RSNS1的另一端與LM3421的管腳16(即是端子HSN)電阻連接且連接供電源電壓，二極管D5的負(fù)極與Q2的集電極連接，代表LED燈1的ILED1連接于二極管D5的負(fù)極與Q1的D極之間。

所述前向電壓測試電路24用于測試LED燈1的正向壓降，CPU處理器21根據(jù)正向壓降和溫度系數(shù)計(jì)算結(jié)溫，其電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。所述恒流壓控電路27中，如圖10所示，通過運(yùn)放LM358和場效應(yīng)管組成，實(shí)現(xiàn)對電壓變換電路25的參考電壓Vref進(jìn)行線與。其余的D/A轉(zhuǎn)換電路28和第二低通濾波電路29采用現(xiàn)有模塊即可，不再贅述。

本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)LED車燈光通信的方法：所述CPU處理器21將通信數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送至電壓變換電路25進(jìn)行調(diào)制，電壓變換電路25將通信數(shù)據(jù)以高低電平的形式調(diào)制在LED燈1的照明直流電流波上；所述CPU處理器21實(shí) 時(shí)根據(jù)LED燈1的結(jié)溫值，結(jié)合汽車LIN/CAN總線22的行車參數(shù)及通信數(shù)據(jù)，對電壓變換電路25提供參考電壓，電壓變換電路25根據(jù)參考電壓調(diào)節(jié)通信數(shù)據(jù)對應(yīng)電流波形的高、低電平值。

影響通信效果的因素應(yīng)考慮兩車的間距、環(huán)境光照干擾等因素，而LED燈1的照明光效受結(jié)溫和驅(qū)動(dòng)電流等因素的影響。在使LED燈1工作在規(guī)定的照明亮度的情況下，通信數(shù)據(jù)要調(diào)制在照明電流上。而通信數(shù)據(jù)是以高低電平的形式表現(xiàn)，其高電平的引入會(huì)降低LED燈1的光效，因此，在兩車處于通信接收效果較好的車況下時(shí)，通過減小電流波形高、低電平的差值，使之趨于照明直流電，能夠增大光效。

而LED燈1的結(jié)溫，直接影響其壽命和可靠性，在保證LED燈1規(guī)定的工作照明亮度條件下，降低通過LED燈1的平均電流值來降低結(jié)溫。所述LED燈1的結(jié)溫值由正向壓降和溫度系數(shù)計(jì)算得到。上述結(jié)溫值作為實(shí)時(shí)反饋值，形成參考電平動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)LED燈1工作的電流值的可控調(diào)節(jié)，在有無通信時(shí)結(jié)溫的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，可以保證LED燈1的壽命。其中LED燈1的結(jié)溫值由前面所述的前向電壓測試電路24測量計(jì)算得到。

除調(diào)節(jié)電流值，所述CPU處理器21結(jié)合汽車LIN/CAN總線22的行車參數(shù)及通信數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)通信數(shù)據(jù)對應(yīng)電流波形的頻率，以提高通信數(shù)據(jù)的傳輸速率，縮短車輛通信的響應(yīng)時(shí)間。除LED燈1無通信時(shí)照明電流的發(fā)生頻率，所述通信數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)據(jù)流的形式由不少于2個(gè)的不同頻率的方波信號(hào)進(jìn)行組合編碼，為不影響正常的照明功能，每個(gè)頻率f_i大于1kHz且小于電壓變換電路25電源開關(guān)頻率的十分之一，考慮光的復(fù)雜傳播對接收端頻率解調(diào)誤碼率的影響，方波信號(hào)中的任意相對頻差值大于1％且相鄰頻率的相對頻差不小于5％。其中相對頻差的定義為：(f_i-f_j)/(f_i+f_j)×100％，f_i，f_j表示編碼電流中的兩個(gè)不同方波頻率。

所述通信數(shù)據(jù)對應(yīng)電流波形的高、低電平值按模糊分類指數(shù)加權(quán)調(diào)節(jié)，所謂模糊分類指數(shù)加權(quán)調(diào)節(jié)具體如下：

當(dāng)LED燈1的結(jié)溫值T_jn大于閾值溫度T_th時(shí)，對當(dāng)前t_k時(shí)刻電流波形I(k)的電平值進(jìn)行指數(shù)加權(quán)衰減，獲得下一時(shí)刻電流波形的電平值I(k+1)即，α₁∈[1,100]，在這一首要調(diào)節(jié)條件下，又有3種車距情況：

(1)當(dāng)車與車間的通信距離d_c2c小于閾值距離下限時(shí)，對當(dāng)前t_k時(shí)刻電流波形的高、低電平差值按指數(shù)衰減減小，獲得下一時(shí)刻t_k+1電流波形的高低電平值差值ΔI(k+1)即，$\mathrm{\&Delta;I}(k+1)=\mathrm{\&Delta;I}\left(k\right)\&CenterDot;\exp [-{\mathrm{\&alpha;}}_2/(d_{\mathrm{th}}^d-d_{c2c})],$α₂∈[0.1,30]。

(2)當(dāng)車與車間的通信距離d_c2c大于閾值距離上限且在有效通信距離內(nèi)時(shí)，對當(dāng)前t_k時(shí)刻電流波形的高、低電平差值按指數(shù)加強(qiáng)增大，獲得的下一時(shí)刻t_k+1電流波形的高低電平值差值ΔI(k+1)即，$\mathrm{\&Delta;I}(k+1)=\mathrm{\&Delta;I}\left(k\right)\&CenterDot;\exp [{\mathrm{\&alpha;}}_3/(d_{c2c}-d_{\mathrm{th}}^u)],$α₃∈(0.1，300]。

(3)當(dāng)車與車間的通信距離d_c2c在閾值距離上下限內(nèi)時(shí)，當(dāng)前t_k時(shí)刻與下一時(shí)刻t_k+1的高、低電平差值與通信距離呈指數(shù)衰減即，$\mathrm{\&Delta;I}(k+1)=\mathrm{\&Delta;I}\left(k\right)\&CenterDot;\{{\mathrm{\&alpha;}}_4\&CenterDot;\exp [-{\mathrm{\&alpha;}}_2/(d_{c2c}-d_{\mathrm{th}}^d)]+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_4)\&CenterDot;\exp \left(\right[{\mathrm{\&alpha;}}_2/(d_{\mathrm{th}}^u-d_{c2c})]\},$α₄∈[0，1]。

上述α₁～α₄為系數(shù)，其值可根據(jù)技術(shù)需要選取，影響電流值改變的幅度；而時(shí)刻間的間隔長短關(guān)系調(diào)節(jié)的頻繁與否。本發(fā)明從理論上講，其電流的電平值可實(shí)現(xiàn)連續(xù)線性的高、低電平調(diào)節(jié)，或是較多數(shù)值的電平值，但在實(shí)際運(yùn)用中，連續(xù)線性的值或是大量的電平值，會(huì)導(dǎo)致調(diào)制系統(tǒng)對微小因素的變化過于敏感，使系統(tǒng)長時(shí)間處于高頻率的運(yùn)算和調(diào)制中，反而消耗器件和能源。

因此，一般選用三個(gè)電平和三個(gè)頻率進(jìn)行切換式調(diào)節(jié)，即可顯著地提高光效，降低能耗。車與車間的距離安全閾值可按GB7258規(guī)范涉及的300米、20米和10米進(jìn)行設(shè)置，對近距離高風(fēng)險(xiǎn)范圍增加編碼頻率。設(shè)驅(qū)動(dòng)LED燈1的電流波形涉及高電平I₃、低電平I₁和照明電平I₂，LED燈1的額定照明電流為I_avg，若LED燈1的結(jié)溫值T_jn大于閾值溫度100℃，則在k時(shí)刻的后一時(shí)刻，均有I_i(k+1)＝I_i(k)·exp(-13/(T_jn-100))，i＝1,2,3，在該條件下有：

(1)當(dāng)車與車間的距離大于閾值距離上限30米且小于300米時(shí)，無通信數(shù)據(jù)時(shí)LED燈1初始的照明電平I₂＝I_avg，在通信數(shù)據(jù)對應(yīng)電流波形中初始的高電 平I₃為2I_avg，初始的低電平I₁為0，I₂的發(fā)生頻率為200Hz,I₁的發(fā)生頻率為20kHz，I₃的發(fā)生頻率為21kHz。

(2)當(dāng)車與車間的距離大于閾值距離下限10米時(shí)且小于閾值距離上限30米時(shí)，無通信數(shù)據(jù)時(shí)LED燈1初始的照明電平I₂＝I_avg，在通信編碼驅(qū)動(dòng)電流波形中初始的高電平I₃為1.5I_avg，初始的低電平I₁為0.5I_avg，I₂的發(fā)生頻率為1000Hz,I₁的發(fā)生頻率為500kHz，I₃的發(fā)生頻率為510kHz。

(3)當(dāng)車與車間的距離小于閾值距離下限10m時(shí)，無通信數(shù)據(jù)時(shí)LED燈1初始的照明電平I₂＝I_avg，在通信編碼驅(qū)動(dòng)電流波形中初始的高電平I₃為1.5I_avg，初始的低電平I₁為0.5I_avg，I₂的發(fā)生頻率為0Hz,I₁的發(fā)生頻率為2000kHz，I₃的發(fā)生頻率為210kHz。

(4)當(dāng)車與車間的通信距離大于有效通信距離300米時(shí)，停止通信，LED燈1初始的額定照明電流I₂＝I_avg。

除上述三個(gè)電平值的情況，可以更細(xì)分地設(shè)置更多的電平值。在電流波形的高電平的選擇時(shí)，應(yīng)保證其小于5倍額定照明電流為I_avg，以免過高的電流損壞LED燈1。LED燈1的結(jié)溫值的調(diào)節(jié)幅度一般不超過10％為宜，避免調(diào)節(jié)幅度太大引起驅(qū)動(dòng)LED燈1的電流減小過多，不符合規(guī)定的照明亮度。

本發(fā)明通過結(jié)溫調(diào)節(jié)保證了LED燈的使用壽命，并通過調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)通信中電流波形的高低電平差值，保證不同車距間能夠可靠通信；另一方面在規(guī)定照度下提高了照明光效，最大程度的避免“droop”效應(yīng)的發(fā)生，保護(hù)電路器件；再一方面通過頻率調(diào)節(jié)，提高通信速率，保證通信的及時(shí)性。

如圖11所示，本發(fā)明所述的光敏接收器5可采用現(xiàn)有技術(shù)，比如：專利號(hào)：2014205712760，公開的一種用于LED車燈光通信的自適應(yīng)接收裝置，包含光電轉(zhuǎn)換模塊、微機(jī)處理器17和微機(jī)電機(jī)構(gòu)16，光電轉(zhuǎn)換模塊中的光電二極管陣列14作為接收和轉(zhuǎn)換光信號(hào)的器件安裝在微機(jī)電機(jī)構(gòu)16上，采用包含多只二極管的陣列形式，光電二極管陣列14能夠在較大角度范圍內(nèi)接收到光信號(hào)，且對應(yīng)二極管的個(gè)數(shù)輸出多路電信號(hào)，后經(jīng)多通道放大電路15放大至標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入微機(jī)處理器17。由于各光電二極管相對于光信號(hào)發(fā)射源的位置不同，因此接收到的各路信號(hào)強(qiáng)度也不同，微機(jī)處理器17對各路信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和篩選。通常情況 下，本裝置相對光信號(hào)發(fā)射源是運(yùn)動(dòng)的，微機(jī)處理器17根據(jù)信號(hào)的接收情況，控制微機(jī)電機(jī)構(gòu)16移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整光電二極管陣列14的接收角度，以保持實(shí)時(shí)的跟蹤接收，獲得較優(yōu)的信號(hào)。

為了信號(hào)的調(diào)解更準(zhǔn)確，所述微機(jī)處理器17輸出連接有冗余平均電路18以將若干路信號(hào)處理成一路信號(hào)，該路信號(hào)偏差小相似度高。所述冗余平均電路18輸出連接有第一低通濾波電路19，所述第一低通濾波電路19輸出連接有整形電路20，信號(hào)進(jìn)一步得到去噪和規(guī)整，利于信號(hào)的解調(diào)。

微機(jī)處理器17選用處理能力不低于型號(hào)為MC9S12XS128的單片機(jī)，以該型號(hào)的單片機(jī)為例，其控制輸出端的微機(jī)電機(jī)構(gòu)16可選用型號(hào)為NM-XY-100X的MEMS系統(tǒng)，單片機(jī)的三個(gè)PWM波形輸出端口與微機(jī)電機(jī)構(gòu)16的輸入端連接。

所述光電二極管陣列14包含多只GaN基光電二極管，工作時(shí)，可選用其中均布在各部的六只D1～D6，如圖12所示，每個(gè)光電二極管的正極均連接至一工作電壓源Vcc，光電二極管D1～D6的負(fù)極一一對應(yīng)阻值相同的電阻R1～R6接地，該六個(gè)光電二極管的負(fù)極經(jīng)六通道放大電路與單片機(jī)的其中六個(gè)PAD端子一一對應(yīng)連接，D1～D6的負(fù)極處的電壓值與其自身接收到的光信號(hào)對應(yīng)，即為光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)。

所述冗余平均電路18為加法平均電路，如圖13所示，其包括一型號(hào)為LM324C的比較器，該比較器的負(fù)輸入端接地、正輸入端與輸出端通過電阻Rf連接，六路信號(hào)經(jīng)單片機(jī)篩除偏頗信號(hào)后，保留四路信號(hào)，單片機(jī)的PA0～PA3端子與比較器的正輸入端通過電阻R、Ra、Rb、Rc連接，比較器的輸出端V0與第一低通濾波電路19的輸入端、單片機(jī)的另一PAD端子連接。

第一低通濾波電路19和整形電路20采用現(xiàn)有技術(shù)即可，如圖14所示的一種二階第一低通濾波電路。

本發(fā)明中光敏接收器5的自適應(yīng)接收方法：采用光電二極管陣列14接收LED車燈發(fā)射出來的光信號(hào)并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將二極管陣列安裝在微機(jī)電系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，所述光電二極管陣列14采用多個(gè)光電二極管并行接收和轉(zhuǎn)換光信號(hào)，輸出組數(shù)與光電二極管數(shù)量對應(yīng)的電信號(hào)。

采用微機(jī)處理器17對光電二極管陣列14輸出的多組電信號(hào)進(jìn)行處理，微機(jī)處理器17計(jì)算各組信號(hào)的相似度或互相關(guān)系數(shù)大小，去掉偏頗電信號(hào)組保留有效電信號(hào)組，如光電二極管陣列14輸出六組電信號(hào)，可篩除兩路電信號(hào)后保留四組電信號(hào)，將這四組電信號(hào)儲(chǔ)存；同時(shí)，這四組電信號(hào)實(shí)時(shí)地進(jìn)入處理環(huán)節(jié)和解調(diào)環(huán)節(jié)。

所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)按間隔時(shí)間驅(qū)動(dòng)二極管陣列在三維空間內(nèi)微移動(dòng)，該微移動(dòng)量設(shè)為擾動(dòng)輸入量，微機(jī)處理器17根據(jù)擾動(dòng)觀察法計(jì)算擾動(dòng)前后來自光電二極管陣列14的電信號(hào)組的相似度，比較擾動(dòng)前還是擾動(dòng)后的電信號(hào)組相似度哪個(gè)綜合較高。相似度較高的電信號(hào)組對應(yīng)的二極管陣列所在的空間角度設(shè)為最優(yōu)接收角度暫存于微機(jī)處理器17內(nèi)，微機(jī)處理器17將該最優(yōu)接收角度信息發(fā)送至微機(jī)電系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將二極管陣列調(diào)至該最優(yōu)接收角度，最優(yōu)接收角度隨每次擾動(dòng)輸入得到更新。這些計(jì)算過程由微機(jī)處理器17按程序代碼執(zhí)行，程序的原理流程圖如圖15所示。

上述處理環(huán)節(jié)包括對有效電信號(hào)組的冗余平均處理，得到一路相似度最大信號(hào)，該路相似度最大信號(hào)經(jīng)低通濾波和整形后得到完美的信號(hào)，進(jìn)入解調(diào)環(huán)節(jié)。由于多組電信號(hào)與多組電信號(hào)計(jì)算相似度的量較大，為簡化計(jì)算，提高可實(shí)施性，用上述的一路相似度最大信號(hào)代表其所在電信號(hào)組，用于計(jì)算和比較相似度值。因此，該路相似度最大信號(hào)反饋回微機(jī)處理器17作為計(jì)算相似度的基準(zhǔn)電信號(hào)。

進(jìn)一步說明，計(jì)算最優(yōu)接收空間角度的步驟如下：

步驟a：設(shè)最優(yōu)接收角度的坐標(biāo)變量為(X^opt,Y^opt,Z^opt)；

步驟b：設(shè)第k次擾動(dòng)輸入前接收角度的坐標(biāo)為(X₀，Y₀，Z₀)，其電信號(hào)對應(yīng)的波形組根據(jù)波形相似度計(jì)算或互相關(guān)運(yùn)算得到有效電信號(hào)組(V01，.......，V0n)，該有效電信號(hào)組(V01，.......，V0n)冗余平均后得到一路相似度最大信號(hào)V_k，該路相似度最大信號(hào)V_k與第k-1次擾動(dòng)輸入前的相似度最大信號(hào)V_k-1比較，得到相似度值為f_k-1；

步驟c：第k次擾動(dòng)輸入，擾動(dòng)量為(△X₀，△Y₀，△Z₀)，擾動(dòng)后的接收角度的坐標(biāo)為(X₀+△X₀，Y₀+△Y₀，Z₀+△Z₀)，其電信號(hào)相對的波形組根據(jù)波形相似度計(jì)算或互相關(guān)運(yùn)算得到有效電信號(hào)組(V11，.......，V1m)，該有效電信號(hào)組 (V11，.......，V1m)冗余平均后得到一路相似度最大信號(hào)V_k+1，該路相似度最大信號(hào)V_k+1與第k次擾動(dòng)輸入前的相似度最大信號(hào)V_k比較，得到相似度值為f_k；

步驟d：比較f_k-1與f_k的值，

若f_k-1＞f_k，令(X^opt，Y^opt，Z^opt)取值(X₀，Y₀，Z₀)，

其余結(jié)果，令(X^opt,Y^opt,Z^opt)取值(X₀+△X₀，Y₀+△Y₀，Z₀+△Z₀)。

在計(jì)算最優(yōu)接收空間角度的持續(xù)過程中，最優(yōu)接收角度的坐標(biāo)變量(X^opt,Y^opt,Z^opt)由前次擾動(dòng)后是確定坐標(biāo)的。而在剛開始求最優(yōu)接收空間角度的時(shí)候，由于之前沒有擾動(dòng)，可以以二極管陣列當(dāng)前的接收角度初始賦值，在隨后的多次擾動(dòng)中得到不斷修正。

相似度的計(jì)算原理，根據(jù)信號(hào)處理技術(shù)，有：

k時(shí)刻的相似度大小矩陣為：其中，表示卷積算子，k時(shí)刻的前一時(shí)刻的信號(hào)組v^k-1(V₁,…,V_i，…,V_j,…V_n)作為當(dāng)前k時(shí)刻檢測信號(hào)組v^k的基準(zhǔn)波。

定義的相似度值$f(V1,......,\mathrm{Vn})=\underset{i=n}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j=n}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{step}(S_{i,j}^k>s_{\mathrm{th}}),$其中step(·)表示單位階躍函數(shù)，s_th為定義的閾值。

上述計(jì)算原理中，在具體實(shí)施時(shí)s_th常取值為0.8，二極管陣列信號(hào)通道數(shù)常取6～10個(gè)。該計(jì)算過程較為復(fù)雜，而現(xiàn)有技術(shù)中已有專用的卷積和相似度計(jì)算函數(shù)，程序編寫時(shí)直接調(diào)用即可。

在實(shí)際運(yùn)用中，如果每次的擾動(dòng)量只作用在一維方向上，則調(diào)整至最優(yōu)接收角度所需的調(diào)整次數(shù)和運(yùn)算次數(shù)將會(huì)大幅度增加，找到最優(yōu)接收角度的速度將會(huì)變慢，而車輛是運(yùn)動(dòng)的，這樣不但容易導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)不停地調(diào)整卻不能停留到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，影響到信號(hào)的接收效果，還對微機(jī)處理器17的運(yùn)算速度及微機(jī)電系統(tǒng)的響應(yīng)速度提出了極高的要求。因此，較實(shí)用且易于實(shí)施的，所述擾動(dòng)量(△X0，△Y0，△Z0)取三維合成方向，執(zhí)行機(jī)構(gòu)對應(yīng)移動(dòng)0.01mm，即可滿足自適應(yīng)追蹤效果。

本發(fā)明利用GaN二極管陣列實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，擴(kuò)大了接收角度，抑制了外部環(huán)境光的干擾，同時(shí)對多路信號(hào)采用冗余平均技術(shù)，且把GaN二極管陣列封裝在微機(jī)電結(jié)構(gòu)上，在此基礎(chǔ)上結(jié)合擾動(dòng)觀察法由微機(jī)處理器實(shí)現(xiàn)最優(yōu)接收空間角度{X^opt，Y^opt，Z^opt}的計(jì)算和控制，增強(qiáng)了對光信號(hào)的跟蹤能力。相比傳統(tǒng)雪崩光電二極管、硅光電二極管的昂貴價(jià)格和弱光譜選擇能力，本方案中的GaN基底的LED具有廉價(jià)、光譜帶窄等優(yōu)點(diǎn)。簡言之，本方案對光信號(hào)的靈敏度高，接收角度大，動(dòng)態(tài)跟蹤能力強(qiáng)，解決了車車之間發(fā)送及接收的位置關(guān)系的時(shí)變問題，尤其有利于車與車之間的光通信。