[发明专利]基于专用短程通信的十字路口非机动车和行人位置检测方法

摘要

本发明公开一种基于专用短程通信的十字路口非机动车和行人位置检测方法，在十字路口转弯区域部署路侧专用短程通信单元、路基计算机单元；路侧专用通信单元与路基计算机单元相连，路侧专用短程通信单元获取十字路口区域无线信号数据帧，以数据帧为输入信号交由路基计算机单元进行实时信号谱分析、窗函数加权、多径信号抑制处理，实现基于时间序列的十字路口转弯区域非机动车和行人位置检测；本发明的优点为：不受时空变化影响，有效的利用十字路口区域的无线信号资源，提升了十字路口的安全等级。

主权项

1.基于专用短程通信的十字路口非机动车和行人位置检测方法，其特征在于：通过下述步骤实现：步骤1：建立十字路口转弯区域xy坐标系；令十字路口中的四个转角中的一个转角A的转弯弧顶点O_Vertex与十字路口中心点O_Centre间的连线作为y轴，y轴正方向为O_Vertex到O_Centre方向；令十字路口转角A的两侧边处斑马线的起始端中远离十字口中心的一端端点分别为N₁、N₄，靠近十字路口中心的一端端点分别为N₂、N₃；其中，N₁与N₄的连线与y轴交点为O_Bound；在O_Vertex指向转角A的转弯弧曲率中心方向上，距O_Vertex距离为L的位置为xy坐标系原点O(0,0)；上述O_Vertex与O_Bound间的距离为L_vb，L>L_vb；令过原点O并与y轴正方向成顺时针90°方向为x轴正方向，由此完成十字路口转弯区域xy坐标系的建立；将xy坐标系第一、二象限与角区间[0°,180°]建立均匀映射关系；其中，x轴正方向为0°，x轴负方向为180°；同时，测定N₁、N₂、N₃、N₄的坐标，记为N₁(x₁,y₁)、N₂(x₂,y₂)、N₃(x₃,y₃)、N₄(x₄,y₄)；步骤2：获取十字路口区域内信号源发出的DSRC数据帧信号；采用两个路侧专用短程通信单元中的天线阵列分别获取十字路口区域内信号源发出的DSRC数据帧信号，并分别进行滤波、解调处理；随后对两个路侧专用短程通信单元中天线阵列接收到的经滤波、解调后的DSRC数据帧信号分别进行下述步骤3～6；上述天线阵列中的长边对应M根天线，与地面垂直指向天空；M需大于自身接收到的DSRC数据帧信号节点数D；宽边对应1根天线；且相邻两根天线的布设间距为DSRC数据帧信号的半波长d：d=c2f=2.54---(1)]]>其中，f为DSRC数据帧信号中心频率，f＝5.9；c为信号传播速度，c＝3×10⁸；两个路侧专用短程通信单元中的天线阵列前后布设，使长边中心点与十字路口中心点、转角A的转弯弧顶点处于同一条直线上；天线阵列中每个天线阵列长宽分别为Ceiling[(M-1)×2.54]×3，距离地面高度1.5m；Ceiling()是向上取整函数；步骤3：对经滤波、解调后的DSRC数据帧信号，进行空间平滑处理，降低DSRC数据帧信号的相关性；所述DSRC数据帧信号为：其中，h(t)＝[h₁(t),h₂(t),...,h_M(t)]^T，是一个复矩阵；而α(θ)=e-j2πdλ1e-jπλcosθ...e-j(M-1)πλcosθ=1e-j2πdcosθ...e-j2(M-1)πdcosθ,]]>α(θ)为转移向量；其中，波长λ＝2d，e是自然常数，d为天线阵列中相邻天线间距，等于DSRC数据帧信号的半波长；j为虚数单位，即θ_k为第k个信号源的波达角；S(t)为信号源的信号幅度向量，而S_k(t)则为第k个信号源的信号幅度；n(t)为服从高斯分布的均值为0，方差为的噪声信号，n(t)＝[n₁(t),...,n_M(t)]^T，上述为复空间，t为离散时间变量；由此，顺序将天线阵列中的每相邻两根天线收到的DSRC数据帧信号作为一组，由路基计算机单元将天线阵列收到的DSRC数据帧信号虚拟化为：h·={h·1,h·2,...,h·i,...,h·M-1}---(3)]]>其中，h·i=12(hi+hi+1),1≤i≤M-1;]]>步骤4：通过MUSIC谱分析，得到天线阵列接收到的十字路口区域内中DSRC数据帧信号的波达角集合；a、构造协方差矩阵R＝hh^H，根据步骤3计算得到的计算协方差矩阵R的特征值和特征向量；特征值ξ按模递增排序为ξ₁,...,ξ_M-1；特征向量为其中，前M-D-1个较小特征值对应的特征向量h_N为噪声子空间，后D个较大特征值对应特征向量h_S为信号子空间；其中，特征向量h_S最多含有M-1个元素；b、构造谱函数P(θ)的谱峰对应的所有θ组成集合Ω^I，即为天线阵列接收到的十字路口区域内DSRC数据帧信号的波达角集合。步骤5：得到天线阵列接收到的转角A区域内非机动车道侧和人行横道处的DSRC数据帧信号的波达角集合；设定十字路口位置加权窗函数W₂(θ)：其中，分别为N₁O、N₂O、N₃O、N₄O连线与x轴正方向夹角；将使得波达角集合Ω^I中与W₂(θ)相乘加权后，取得非零值的波达角θ组成集合Ω^II，Ω^II为天线阵列接收到的转角A区域内非机动车道侧和人行横道处的DSRC数据帧信号的波达角集合；步骤6：将Ω^II中属于直连信号的DSRC数据帧信号对应的波达角组成集合Ω^III；比较Ω^II中的波达角θ在[t,t+kτ]时间内的k次信号谱分析结果，k为正整数，k的取值与区域内散射源分布有关，本发明中取k=2；信号谱分析间隔τ＝100ms；将满足的波达角θ对应的DSRC数据帧信号归为直连信号，并将直连信号对应的波达角θ组成集合Ω^III，ω为正整数；步骤7：令步骤4中两个路侧专用短程通信单元对应的谱函数分别为P₁(θ)、P₂(θ)，由此建立目标函数其中，P_μ(θ)为第μ个路侧专用短程通信单元对应的谱函数；θ_μ,ν为与第μ个路侧专用短程通信单元对应的第ν个波达角，ν＝0,1,...,D；求解与目标函数L(x,y)峰值点对应的（θ_1,ν，θ_2,ν）；步骤8：根据步骤5～6得到的与谱函数P₁(θ)、P₂(θ)对应的转角A区域内非机动车道侧和人行横道处的直连的DSRC数据帧信号的波达角集合与中的波达角与的组合；由三角方法通过确定目标坐标点(x,y)；步骤9：确定十字路口非机动车和行人位置；令坐标点（x,y）为一个11×11个节点组成的两两节点间距1cm的网格中心节点，并以坐标点(x,y)为初始迭代节点，比较初始节点与四个邻居节点处目标函数L(x,y)的取值；若初始节点处目标函数值最大，则将初始节点的坐标点(x,y)作为最终结果输出；否则选取坐标点(x,y)的邻居节点中使目标函数值最大的节点作为下一次比较的初始节点，如此往复，直至使得初始节点处目标函数值最大时，输出初始节点的坐标点(x,y)；随后，根据输出结果建立位置坐标的时间序列，从而实现非机动车和行人的位置检测。