一种协同导航系统与方法与流程

本申请要求2016年2月29日提交的美国临时申请号62/301,249的优先权。该申请通过引用并入美国临时申请号62/301,249的全部内容。

关于联邦政府资助研究的声明

本发明是在与联邦公路管理局，交通部的合作研究和开发协议no.fhwa-2015-01下产生的。美国政府拥有本发明的某些权利。

本发明涉及智能交通领域，更具体地说，涉及多模式车辆公路协同通信，以提高交通安全性和交通效率。

背景技术：

我们所知道的大都市环境有望发生巨大的变化。作为近期科幻小说主元素的自动驾驶汽车网络，很快将对整个美国和世界各城市的交通流量产生明显的影响。无论未来是人为控制的还是越来越自动化的，这种转型变化将影响现有的汽车交通生态系统。它也会影响与生活，工作和行走在这些环境的行人之间的互动。

交通事故是世界上15到29岁年轻人死亡的首要原因。虽然汽车制造商已经投入研发汽车安全技术，但是在交通管理方面却没有同等的投资。只有最近才有新的交通管理应用程序进入市场，以使旅行更安全。一些应用程序通过显示直播交通更新来允许司机更好地规划他们的路线。其他一些应用会通知驾驶者是否有交通违规行为来帮助追踪和遏制违法行为。

虽然这些应用程序提供了额外的旅行安全措施，但很少有人努力使道路和旅行路线变得更安全。荷兰推出了“智能高速公路”概念，其特色是采用夜光车道线来改善欧洲的道路安全。另一项发明，高摩擦表面处理通过在下雨时使路面不那么光滑来提高安全性。中心线隆隆带提醒司机车道漂移。通过类似的创新，道路设计终于获得了应有的关注。许多城市创新公司都致力于实现更智能的移动。然而，迄今为止，无论是旅行应用程序，公路工程，环境可持续的道路设计还是其他举措仅极小的改善了旅行安全。这种不可避免的发展趋势给我们提供了一个机会，可以智能地利用汽车生态系统的变化，实现汽车和行人的共同利益。

技术实现要素：

本发明是一种用于车辆和行人通过感测室内和室外环境中的道路，人行道和其他铺砌表面上选定涂层来确定其位置的系统和方法。它提供了一种性价比优越的技术来连接的车辆和行人以准确地确定它们在任何环境中的位置。例如，本发明的系统利用安装在车辆或盲人手杖上的传感器来识别道路上选定的材料以及时可靠地确定地理位置。本发明的材料和系统被结合到道路涂料/标记(例如，透明，有色或不透明)中用于标记道路表面的关键位置(例如，停止杆，里程碑等)。此外，车辆识别标准的公路的路面标线涂料和交通标识来获取专门信息给驾驶者和控制程序提供信息。本发明的材料包含有可以吸收可见或红外光同时转换成可见光或红外光的稀土磷光晶体。然后车载传感器探测转换后的光来识别材料。传感器将转换后的光转为处理信号，然后用于确定车辆的运行状态，包括位置和运动特性，并提供操作车辆动作，包括改变运动和速度(例如，加速，减速，制动，停止等等)和改变位置(例如，转弯，前进，后退等)。对于行动不便的行人(例如，视觉，认知和其他身体损伤)，智能系统能够精确定位人行道，交叉路口，公共汽车站，休息室等的地理位置，从而改善态势感知。

本发明利用智能涂料建立智能网络来识别，引导和保护行人和驾驶者。它提供了与多种模式的车-公路协同通信相关的智能交通，提高了交通的安全性和交通效率。其应用还包括机场标记：在诸如飞机，公共汽车，有轨电车，割草机等的机场车辆上提供精确的实时机场交通控制。本发明的系统也用于仓储交通控制的自动化运作和安全。同样，本发明的系统和方法可以为空基机和陆基的无人机和其它机器人提供导航。

道路与车辆系统之间的协作给应用程序提供驾驶者信息和车辆控制的价值将继续增长。本发明包含与涂料或其他涂层混合或存在于其他预成型的交通标记中的稀土磷光晶体，应用于道路表面或其他标记，并被安装的车载传感器识别，使得车辆系统接收表征车辆的运行状态(例如，速度，方向等)和道路的特征(例如，公路上的车道分隔线，转弯车道，路肩等)的数据。然后，系统使用所接收的数据来辅助或自动驾驶车辆。其他用途包括识别交叉路口处的停车线的位置以及道路上的特定位置，以确认和/或校正其他位置数据，例如由车辆的gps或其他定位系统提供的位置数据。

本发明的协同引导系统包括智能涂料组合物，其包括一种树脂和一种稀土结晶磷光体。本发明也可包括路面标记材料，其包括热塑性树脂和稀土结晶磷光体。本发明的协同引导系统还包括涂覆有具有至少一种稀土磷光晶体的智能涂料组合物的公路表面。公路表面可以是车辆行驶的道路，车辆行驶的机场。公路表面也可以是公路标志，例如限速标志，停车标志，避让标志，公路名称标志等。

智能涂料吸收光并将吸收的光转换成电磁能。电磁能可以是可见光谱，红外光谱和射频谱中的能量。

该系统还包括耦合到车辆的传感器，其中传感器感测来自智能涂料的电磁能量并将电磁能量转换成处理信号。该系统还包括处理器，该处理器识别处理信号并基于识别的处理信号确定车辆的运行状态或公路表面的特性。处理器可以基于所识别的处理信号识别智能涂料中的稀土磷光晶体材料化合物或稀土磷光晶体材料的混合物。该处理器可以识别处理信号并基于所识别的处理信号确定车辆的位置。处理器基于所识别的处理信号向车辆提供操作动作。基于所识别的处理信号对车辆的操作动作可以包括加速，减速，保持恒定速度，制动，停止，转弯，提供警告信号等。

本发明的协作引导系统还可以包括全球定位卫星(gps)设备和/或其他定位单元。定位单元可以在全球坐标中计算车辆的位置，并且全球定位装置可以与来自处理信号的位置信息同步。此外，本发明的系统还可以包括图像处理单元，该图像处理单元将由传感器接收的空间信息转换为平面图像，并计算车辆与车辆的行进路径之间的空间关系。

本发明的系统可以确定车辆的运行状态或公路表面的特征。该系统将光线照射到涂有智能涂料的公路表面上。该系统基于稀土磷光晶体的时间上升和/或时间衰减特性将电磁能从智能涂料接收回传感器。如上所述，系统将传感器接收的电磁能转换为处理信号，识别处理信号，并根据识别的处理信号确定车辆的运行状态或公路表面的特性。

附图说明

该专利或申请文件包含至少一幅彩色附图。具有彩色附图的本专利或专利申请说明的副本将向专利局申请并支付必要费用后获得。

图1为一个根据本发明建立的用于改善交通安全和效率的协同导航系统的例子。

图2为一个跟踪和显示图1的系统性能的用户界面。

图3a-3i为在不同车速下来路面标志信号的数据图。

图4a为一个示例性车辆公路协作通信系统，及其预先校准的全球卫星定位(gps)的位置和本发明系统实际测量的位置。

图4b为使用预校准gps位置和使用图4a中示例性车辆公路通信系统测量位置点的比较图。

图5a为在本发明示例性车辆公路协作通信系统中使用路面标签计算的车辆速度与全球定位系统计算的车辆速度的比较。

图5b为使用本发明示例性车辆公路协作通信系统中传感器在标签上的的行进时间和标签的宽度来测量不同速度的图。

图6a-6f为在本发明的示例性车辆公路协作通信系统中使用不同宽度条带来测量标签时间和位置以标定gps的坐标。

图7为一个使用具有独特光学标签的智能涂料的车辆行人通信系统的示例。

图8a-8c和图9为一个使用具有独特光学标签的智能涂料的机场通信系统的示例。

图10为由本发明的传感器修改制成的视觉障碍者使用的盲人手杖，它被用于探测道路标记中智能涂料的光学特征。

图11为一个连接多个车辆和行人的协作通信系统的示例。

图12为一个依据本发明的光与智能涂料的相互作用的示例。

图13为多个塑料组合物的透射光谱。

图14为太阳辐射光谱和所得的光学窗口。

图15为许多稀土磷光体的中红外辐射光谱。

图16a-16c为几种掺杂稀土的磷光体热塑涂料的各自辐射光谱。

图17为稀土磷光体的向上转换波长过程的辐射功率密度与1.570微米激光激发功率密度之间的相关图。

图18为1.570微米激光激发的y2o2s：yber晶体的近红外转换的光谱。

图19为使用980纳米激发的yb，er掺杂的磷光体的激发衰减寿命可调性和在1540纳米记录的激发衰减寿命测量值。

图20a和20b为本发明的稀土磷光体实测激发衰减寿命和使用频域计算出的激发衰减寿命的对比图。

图21a-21c为三种不同的稀土磷光晶体，它们具有非常相似的组成成分，当用红外光激发时显示相似的光谱分布。

图21d示出了图21a-21c中基于形态的稀土磷光晶体的不同时间特性。

具体实施方法

协同导航系统和方法使用智能材料，包括智能涂料，并从稀土磷光晶体或稀土磷光晶体的混合物中读取信息。本发明的系统与人类视觉感官运作方式类似。在人类视觉感官运作时，来自太阳或来自其他辐射源(例如灯泡)的光子从物体反射并进入眼睛，然后通过一个复杂的系统被转换成电信号并于记忆做对比。

稀土元素是具有完全完整的最外层电子轨道(即，充满电子)的复杂的材料。随着稀土元素的原子序数增加，电子被添加到未填充的内层电子轨道中。例如，镧在第四个电子轨道没有电子，而镥在第四个电子轨道却有14个电子。

用预定的材料比例和宿主晶格控制生产的稀土结晶具有能够使上下转换电磁波能谱的稀土磷光体结晶结构。这种稀土磷光体已在美国专利no.9，181,477中描述，并且可从新泽西州普林斯顿的intelligentmaterialsystems公司获得。本发明中的稀土磷光晶体包括三种组分：主体基质，吸收体和辐射体。主体基质通常是与所选择的掺杂物的光学属性相兼容的材料，并使系统具有最大的量子效率。例如，本发明的系统使用钇和镧。钇和镧因其价格便宜在地壳中丰富，它们是制造钕和镝等磁性稀土的副产品。

主体基质成分包括氧硫化物，氧化物，卤化物，石榴石，氮化物和硫化物。主体基质被稀土或多种稀土元素(m)进行改性，所述稀土元素选自一种或多种以下稀土，包括钇，镧，铈，镨，钕，钐，铕，钆，铽，镝，钬，铒，铥，镱和镥。每种稀土都提供独特的，可测量的光学性质。例子包括：y(1-x-y)2o2s：yb(x＝0.005-0.5)-，er(y＝0.005-0.5)，其中x和y可以是上面列出的任何稀土元素中选择。

常见的红外吸收体是镱和钐。光子撞击晶体并将能量转移到辐射体，如铒，铕和铥。具有极少量晶格缺陷的稀土晶体的相纯度是能否有效能量交换的重要特征。吸收体的选择是基于描叙稀土元素能级的dieke能级图。

下转换材料将较高能量的光子(例如紫外线或x射线辐射)转换为较低能量的光子，例如可见光。下转换材料辐射的电磁辐射称为“荧光”。上转换是指将较低能量光子(较低频率，较长波长)转换为较高能量光子(较高频率，较短波长)的材料。掺杂有镱和铒的氧化钇晶体是上转换材料的一个例子。这些晶体吸收1550纳米的光(更长波长，更低能量)并将其转换为更短波长，更高能量980纳米的光以及540纳米和660纳米处的可见光辐射。晶体还具有独特的时间特性。例如，晶体“点亮”所需的时间(上升时间)和关闭所需的时间(衰减时间)可以精确控制，取决于主体基质，掺杂物，形状和晶体的大小。具有非常相似的组成但不同形状的晶体在脉冲红外光下将表现不同。例如，图21a-21c显示具有非常相似组成的三种不同晶体。当用红外光激发这些晶体时，它们都显示出几乎相同的光谱分布，然而晶体的时间特性将根据形态而变化，如图21d所示。每种形态将具有其自己的表面积与体积比，这导致声子能量变化并最终导致晶体的时间特性。特定能级的寿命可以描述为辐射和非辐射的总和，因此不同的形态将具有独特的上升和/或衰减时间。还参见专利usp9，181,477，其通过引用整体并入。

不同的稀土磷光晶体在脉冲红外光下表现不同，并且可以基于晶体的时间上升特性和时间衰减特性来区分。结合多个具有不同衰减时间的y2o3：yber晶体允许信息的多路复用，这允许车辆感测晶体(通过智能涂料)识别各种物体并采取相应操作。

稀土磷光体

在某些氧化物组合物中，晶格里特定镧系元素离子的存在导致入射辐射的上转换(uc)和下转换(dc)。上转换过程通常将近红外(nir)或红外光转换为更高的能量，而下转换将高能量的光子转换为低能量的光子。利用近红外光照下的下转换的特性提高太阳能电池的应用也得到了极大的关注。

如上所述，当材料被较短波长光激发以导致较长波长的多个光辐射时，发生下转换。图12为一个本发明智能涂料与光相互作用的示例，其中智能涂料包含有y2o2s：er，yb颗粒。图12所代表例子显示来自智能涂料的下转换和磷光辐射，其中940纳米光的激发了在980奈米处辐射光的检测。当能级具有一个相邻的较低能级时，较高的能级将通过声子/晶格振动的辐射衰减到较低的能量水平，如图12中所示。基本上，对于吸收的每个高能光子，可以辐射两个或更多个低能光子。本发明的材料其主吸收带位于900纳米和1050纳米之间(yb³⁺跃迁²f7/2→²f5/2)，是yb³⁺-活化材料的特征。材料中yb³⁺离子的存在允许其吸收进入的940奈米的光然后下转换。结果，对于特定的激发波长，这些组合物的量子效率可以超过200％。

掺入稀土磷光体的道路涂料的光学跃迁

在本发明的智能涂料利用的组合物和稀土掺杂物实现近红外(nir)的最大的光学转换效率，特别是将940纳米的光(激发)转换为980纳米(辐射)。图13显示近红外光学跃迁是最好的，因为几乎所有潜在的粘合剂组分(即丙烯酸酯和其它聚合物树脂)，包括用于道路涂料的那些，都具有优异的近红外光透射性能，通常＞85％。

第一种智能涂料所使用组合物和稀土掺杂剂被设计成使材料在近红外(nir)光学转换效率最大，特别是将800纳米或940纳米(激发)转换为860纳米或980纳米(辐射)。选择近红外光学跃迁是因为如图13所示在道路涂料中使用的几乎所有热塑性组合物(例如丙烯酸酯和其它聚合物树脂)具有极好的近红外透射性能，大多数超过85％的透射率。另外，在图14中，选择近红外光学跃迁是因为地表太阳辐射具有若干个近红外(～950纳米-1000纳米)的光学窗口。这些窗口与本发明的智能涂料的光学输入和输出波长范围一致。在一个实例中，传感器样机利用的太阳辐射光谱中近红外光窗口来探测，其他传感器设计和智能涂料组分利用如图15中所示的材料在1.3-2.0微米之间的短波红外(swir)和长达6微米的中红外辐射。

稀土的多个电子跃迁的存在可以在单一组合物中提供许多离散的激发区域以及上转换和下转换的辐射。另外，将几种稀土掺杂的磷光体组合物混合到标准热塑性涂料中并测量它们的光学性质。这些材料和各自光谱的实例示于图16a-16c。例如，图16a为使用808纳米的连续激光激发的掺杂有镱和铒的氧化钇。图16b为掺杂有使用808纳米连续激光激发的掺杂有钕，镱和铥的氧硫化钇，图16c为使用纳米连续激光激发的掺杂有铬的钆镓石榴石。

本发明中使用的另一种组分y2o2s：yb,er具有上下转换的多种激发和辐射转变的能力。图17中的示例为测量到的1.570微米激光激发上转换过程产生的可见光和近红外光辐射强度对功率密度依赖性。图18为y2o2s：的y2o2s：yb,er在1.570微米的上转换辐射光谱。

检测该材料的一种方法利用这些材料的特定光学跃迁和可调辐射寿命(上升和衰减)特性。通过改变主晶格或掺杂剂浓度或比率，我们可以控制这些材料吸收和释放光子的速率。图19为一个用980纳米的光激发的镱和铒掺杂的磷光体的辐射寿命可调性的示例，所测量是1540纳米的辐射光的寿命。其可调辐射寿命是通过调节yb与er的比率实现的。

一般而言，如果能级具有相邻的较低能级，则较高的能级将通过声子/晶格振动的辐射衰减到较低的水平。这个寿命原理通过一阶动力学描述为激励状态种群在按照简单衰变定律关闭激发脉冲后的指数衰减：

i(t)＝ioexp(-t/τ)(1)

其中对于单个指数衰减i(t)＝依赖于时间的强度，io＝时间为零时强度(或振幅)，并且τ＝磷光体(或荧光体)保留处于激发状态的平均时间(或<t>)，相当于寿命。τ是总衰减率的倒数：

τ＝(t+knr)^-1(2)

在激发后的时间t，t是辐射速率而knr导致非辐射衰减速率。通常，寿命的倒数是激发态减少的速率之和。发光寿命可以简单地由ini(t)对t的曲线的斜率确定，其等于1/τ。它也可以是强度降低到其原始值(在时间0点的值)的1/e所需的时间。

本发明的传感器利用频域(fd)和相位调制方法来对材料进行寿命鉴别，其中激发光既是强度调制的又是可变的高频。在相同调制频率下的辐射响应导致寿命相对于激励产生了延迟。该延迟被测量为相移。该系统可以结合该方法来区分在微秒时间尺度的时域中难以检测的磷光上升时间。磷光体所拥有上升时间提供了绝大多数已知发光体所没有的独特光谱特征。对于大多数发光体，辐射从最初激发的状态发生并立即开始衰变。对于磷光体，在辐射能级被充满时存在一个时间延迟，这是上升时间。该上升时间可以导致一种独特的频域观察，其相位角＞90度。如果磷光体的上升时间不显着取决于激发强度，那么上升时间可以与衰减时间相同的方式使用。通常，当有上升时间时，存在较低的参数相关性。图20a为在808纳米光的激发下计算得到的y2o2s：yb，er的辐射响应，而图20b为实际测量得到的辐射响应。

车辆道路协同导航

如上所述，将具有不同衰减时间的多种稀土磷光晶体(例如y2o3：yber稀土磷光晶体)组合可以实现信息的多路复用。智能涂料复用光学签名的能力增强了与环境的交互能力，增进了目前大多数依靠机器视觉系统的自动驾驶车辆对环境的感知能力。利用多路复用的特性能够给各种交通标志和标记分配独特的光学代码从而提供详细的环境反馈，这些标志将自动驾驶车辆的在自动驾驶汽车的决策过程中发挥重要作用，并随着人工智能和增强现实技术的不断发展而变得更加实用。例如，在公路的不同车道可喷涂具有不同的稀土磷光晶体的标线，以用于确定行驶车辆的位置。图19展示了使用火焰喷雾热解合成不同yb/er比率的y2o3稀土磷光晶体时产生的可调光学性质。在图19中，通过调节yb和er之间的微小比率，稀土磷光晶体的时间特性实现了可调。激光器和检测器的同步可实现在脉冲激光开关时由检测器测量稀土磷光晶体的上升和衰减辐射。各种稀土磷光晶体组合物的组合测序为车辆传感器提供了多个检测参数，包括功率密度依赖性，吸收，波长偏移，峰值比和多个波长的时间特性，增大了可覆盖的信息量。道路上的车辆需要能够识别许多不同的物体。避碰度量合作伙伴(collisionavoidancemetricpartnership)是一家从事互联汽车工作的主要汽车制造商联盟。合作伙伴关系的目标是确保每辆车都知道其他车辆的位置。所有车辆最终都将不可避免地被连接在一起。当前车辆定位系统的主要短板是严重依赖全球定位系统(gps)来辅助车辆导航。gps在许多环境和天气条件下不可用。在都大型建筑物的遮挡下，在丛林密布的野外，gps会丢失信号或降低分辨率。在这些情况下，路面上的智能涂料有助于校准车辆位置并精确定位。智能涂料的多路复用使得它可以在gps不工作的环境下提供更多位置信息。

在本发明的一个示例中，在车辆接近交叉路口时，当前时间下车辆的位置难以准确得被测量。在交叉路口之前一定距离处铺上的智能涂料有助于识别车辆所处的车道以及车辆与交叉路口的距离。经度和纬度位置被发送到其他车辆并与车辆的gps系统同步。

本发明提供了在危险的公路环境，变化的光照条件，恶劣天气和长期磨损状态中通过协同系统可靠地定位车辆的系统和方法。一个价格低廉的传感器加处理器安装在车辆上与道路涂料和其他标记进行信息交互。车辆可以识别用不同稀土磷光晶体来编码的道路涂料和标记(例如，标志，其他车辆，铁路交叉口，地标等)并区分其代码。从代码中，车辆获得当前位置点内的信息。使用该系统，标准道路标记给车辆控制程序提供了智能信息。本发明中使用的材料具有高度可调的光，磁或射频辐射谱。系统使用稀土磷光晶体材料辐射一种独特的光学，磁性或射频特征，并可以被调制好的传感器轻松读取。例如，一类材料利用其可调光学性质而被设计成在可见到远红外光谱中吸收和辐射特定波长的材料。这样稀土磷光晶体用可见光和红外光激活，在红外区由明显的辐射谱线，并具有特定的时间衰减。美国国家航空航天情报中心(nasic)最近的一次测试中使用被动激发(即环境光)，在大于11,000英尺的距离内检测到ygg：cr稀土磷光晶体的红外特征。

本发明的涂料或标记材料中的稀土磷光晶体的浓度可以为总重量的十亿分之几至约20％。其浓度为百万分之一(1ppm)至约15％的填充。例如，1％的填充提供了令人满意的结果。

利用本发明的材料和方法，车辆可以及时可靠得识别车辆所处位置。它可以支持许多不同的道路标记以及道路以外的标识和标记等。该系统可以确定车辆的横向和纵向位置。

安装本发明系统的车辆能成功识别由本发明的信息材料(稀土磷光晶体)编码的标准路面涂层和标记。本发明制作的标记可以包含一般或特殊的信息以提供给驾驶者或控制应用程序。道路标记可以位于车辆下方，前方或附近。申请人测量了本发明识别过程的准确性，及时性，测量距离，测量方向和可靠性。

例如，用于评估本发明的智能涂料技术的研究，开发和演示测试证实了及时可靠地识别了车辆通过标记位置。该测试还证实了本发明区分用不同稀土磷光晶体标记的位置的能力。另外，测试证实了本发明可以按照道路涂料/标记用途和位置进行识别的能力。通过实现协同导航技术的应用为公众提供重要的安全性，移动性和环境效益。

美国专利号9，181,477的专利描述的稀土磷光晶体，可使用在本发明的系统和方法中。其它关于稀土磷光体描述出现在美国专利号为5,674,698；6039894；6132642；6159686；和6,379,584的专利中。稀土磷光晶体可从新泽西州普林斯顿的intelligentmaterialsystems，inc.公司购买。

本发明系统使用的材料是在电磁波光谱具有独特光学属性的稀土磷光晶体。在制造过程中，通过控制这些稀土磷光晶体的形态来控制诸如上升和衰减时间的时间特性。该系统采用了许多不同的技术从晶体稀土磷光体中获得数据。本发设计制造的设备成可以补偿太阳光其他的干扰的影响。

如图11所示，一个协同车辆公路通信系统2100连接多辆车辆2100，2190和佩戴可以穿戴传感器2107的行人2180.例如，车辆a2110配备有激光器(发射器)2195，传感器(检测器)2105，中央处理器(cpu)2115。车辆b2190类似地配备有激光器2196，传感器2106，cpu2116和gps2126。行人2180佩戴或携带激光器2197，传感器2107，cpu2117和gps2127。

本发明的系统可使用集成的gps设备(即与传感器，车辆，或诸如手杖的行人设备集成)，或者可以使用gps设备和智能手机和其他便携式gps设备的软件。惯性测量单元(imu)也可包括在本发明的系统中，来测量和汇报在车辆，行人和其他物体周围的一个特定力，角速率和磁场。惯性测量单元可以采用加速度计，陀螺仪和磁力计，使gps在诸如隧道，桥，城市冠层，机场，地铁等区域内无信号时任继续工作。。

当车辆a2110驱动时，激光器2195激发涂在道路或表面标记2135上的智能涂料2145所包含的稀土磷光晶体。传感器2105检测激发智能涂料2145中磷光体后产生的辐射。

传感器2105将数据传给cpu2115作处理。gps2125基于智能涂料2145的已知gps坐标重新校准。cpu2115重组和校准数据并自动将数据上载到基于云的存储和检索同步的网络2199。车辆b2190和行人2180在行进中遇到包含智能涂料2147的标记2136时也发生类似过程。在车辆b2190和行人2180中，各自激光器2196,2197激发在道路或表面标记2136上的智能涂料2146所包含的稀土磷光晶体。传感器2106，2107检测激发智能涂料2146中磷光体后产生的辐射，并将数据传递到cpu2116，2117作处理。gps2126，2127基于智能涂料2146的已知gps坐标重新校准。cpu2116，2117重组和校准数据并自动将数据上传网络2199，通过云的存储和检索同步的网络实现各车辆和行人位置信息数据共享，使车辆与车辆和车辆与行人之间通信成为可能。

图1为操作中的系统的附加细节。在示例系统中，车辆110上的一个或多个传感器105从道路标记/标记120，125中的稀土磷光晶体115读取信息。如上所述，含有稀土磷光晶体标记体120，125被铺设在道路表面130或者被用于补充传统的道路标志和标记。车辆110中的处理单元(未单独示出)处理传感器105检测到的道路标记120,125包含的稀土磷光晶体115的信息，并将接收信息转换为位置，速度，方向以及其他空间和操作特性。处理单元可以与传感器105集成在一起，也可以是车辆110的一个分立部件。

在一个示例实现中，系统100通过传感器105获取标记120，125提供的空间信息并使用图像处理单元(图1中未示出)进行逆变换转换为平面图像。例如，图像处理单元沿着路线135识别涂有稀土磷光晶体115的一对白色引导线(标记120，125)。路线135可以是道路的侧边界，中心线，人行横道等。无论标记120，125是任何方向或排列，传感器105都可以从标记120，125接收相应信息以定位和定向，然后图像处理单元测量相对于车辆110标记线120，125的长度。通过对白色引导线的探测，处理单元能够计算出车辆110与其路线135之间的空间关系。例如，处理单元计算车辆110与路线的左侧或右侧的白线之间距离，以及车辆的前进方向和路线之间的角度和其他有关的位置值等。在弯道上，车辆在穿过弯道的一半距离时可确定弯道的方向。另一个例子是系统通过车辆在到达交叉路口之前检测并测量白线上的路口定位点来确定车辆距路口的距离。

系统一旦确定了车辆和其路线之间的空间关系，处理单元就将空间信息提供给位置单元(图1中未示出)。位置单元包括确定速度和方向部件，例如来自速度计或车轮速度传感器的反馈。类似地，位置单元可以在全球坐标中计算车辆的位置。传感器，处理器和位置单元可作为车辆控制部件给其他车辆部件和系统提供补充或发起新的动作。例如，当系统传感器接收道路标记信息并确定车辆正在进入转弯时，车辆控制部件可以提供输入以影响速度(例如，油门踏板)和方向(例如，方向盘)。同样地，当系统传感器接收道路标记信息并确定车辆正在进入交叉路口时，车辆控制部件可以提供输入以影响速度(例如，制动动作)和位置(例如，在交叉口停止线处停止)。

道路标记中的稀土磷光晶体可以用不同的形状和不同的组合方式来提供不同类型的信息。稀土磷光晶体的不同形状和不同组合提供不同的上升和衰减特性，给道路和车辆之间传递信息。例如，白线车道标记可以用一种稀土磷光晶体的组合涂料来提供车道信息，而速度限制标志可以用不同的稀土磷光晶体组合涂料以影响车辆的速度和方向操作。停止标志可以涂上另一种稀土磷光晶体的组合，当被探测到时，车辆控制部件处理传感器接收到的信息从而影响车辆的不同操作(例如，确定在交叉路口的制动和停止位置)。橙色防撞桶可以涂有另一种不同的稀土磷光晶体组合，以向车辆提供进一步的位置和操作信息。

本发明的材料给出了许多确定和增强车辆操作和自动驾驶的可行性。以下示例详细介绍了车辆和智能涂料之间通信以及用智能涂料进行空间态势感知的各种方法。这些实例是使用廉价的传感器实现的，该传感器旨在寻找智能涂料的独特光学特征，具有高信噪比，高重复性和可靠性。

本发明还提供含有稀土磷光晶体的涂料。涂料可以是透明的，不透明的或着色的。用于道路，高速公路，柏油路面，人行道和工业地板等表面的交通标志的涂料是包含密封剂或透明明涂料成分的涂料样品。本发明的涂料包含混有稀土磷光晶体的树脂粘合剂。取决于其特定用途，涂料可以是基于有机溶剂的或基于水的。稀土磷光晶体可以像已知的其他颜料一样掺入到涂料当中。例如，美国专利7,338，704公开了一种含有荧光着色剂的涂料。另一个例子，美国专利8，298,441描述了一种含有磷光颜料的水基涂料。公开的pct申请wo2007/056820a1也公开了一种发光乳胶漆及其在道路标记中的用途。在美国专利3,046,851，3,136,733，3,321,329和3,474,057中描述的其他道路标记组合物和程序通过引用并入本文。

稀土磷光晶体可以添加到油漆和塑料制品中来制作智能涂料。它可以被添加到常见的高分子树脂里，包括：丙烯酸类材料如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)和非丙烯酸类热塑性塑料如尼龙，pla塑料，聚苯并咪唑，聚碳酸酯，聚醚砜，聚醚醚酮，聚醚酰亚胺，聚乙烯，聚乙烯，聚苯醚，聚苯硫醚，聚丙烯，聚苯乙烯，聚氯乙烯和聚四氟乙烯。

本发明也可以掺入当前涂料领域已知的其它染料和添加剂来控制涂料的流动性，表面性质或其他涂料性质。例如，本发明的涂料可再加入其他涂料添加剂。这些涂料添加剂包括一种或多种流平剂，流变剂和流动控制剂等，例如硅氧烷，碳氟化合物或纤维素；填充剂；如美国专利no.4，522,587中所述的反应性聚结助剂；增塑剂；消光剂；颜料润湿分散剂和表面活性剂；紫外线(uv)吸收剂；紫外线稳定剂；着色颜料；着色剂；消泡剂；防沉降、抗流挂和增稠剂；防结皮剂；防淹剂和防浮剂；生物杀灭剂、杀菌剂和防霉剂；腐蚀抑制剂；增稠剂；以及聚结剂。这些添加剂的具体的实例可以在nationalmaterials&coatingsassociation，1500rhodeislandavenue，n.w.，washington，d.c.20005中公布的原始材料索引中找到。在美国专利no.4，522,596中找到的其它添加剂实例，其全部内容通过引用并入本文。

本发明的稀土磷光晶体添加到塑料中后所生产智能标记，可以直接应用于道路，高速公路，柏油路面，人行道，工业地板等的表面。添加了稀土磷光晶体的道路使用的标准热塑材料不但可以用于定位和导航，还可以利用其中的磷光晶体辐射强度来反馈材料的耐久性和磨损状况。此功能可以准确确定路面需要重新铺设标识的时间。

本发明的另一个应用领域是预知的含有稀土磷光晶体的热塑性路面标记。预制的热塑性路面标记材料，被安装到路面上，例如，通过加热将材料粘附到表面。这些路面/标记材料以及制造和使用它们的方法在本领域中是已知的。例如，参见美国专利no.9,133,318里全部内容。美国专利no.9,133,318和其中讨论的其他专利描述了可以使用的许多不同的热塑性塑料来制造的各种路面标记。含有稀土磷光晶体的热塑性路面/标记可以像涂料一样提供信息，实现本发明所述的协同导航系统。除此之外，预制材料中的稀土磷光晶体还可以用来识别制造和磨损信息，如材料来源，安装日期，以及自安装以来的磨损程度(如，由车辆引起的材料磨损)。

例子

示例1：车辆位置的确定和导航

如上所述，图1中系统100包括两个50厘米宽的片材(标记120，125)，其表面用掺杂了2％的由直径约10微米的y2o2s：yb，er制成的型号为n111稀土磷光晶体(115)的富士透明油墨印制而成。两块片材(标记120，125)被放置在道路表面130上，其间隔为50厘米(标记120，125)。传感器105包括一个800纳米脉冲led和与其脉冲时间同步的硅探测器，它被安装在汽车(车辆110)与道路表面130有20厘米高度(图1中高度h)的地方。一个5伏电池给传感器105提供电力。传感器105把采集的信号送到一个由定制的数据采集程序控制的数据采集卡中。在车辆105上，可视化的数据采集和仪器控制程序可以被集成到车载计算设备中，也可以在一个独立的笔记电脑上运行。

图2为一个可视化的数据采集和仪器控制程序的图形用户界面示例。

如图4a所示，车辆410驶过路线435的标记420，425上方。含有智能涂料的薄条纹标记可以在不同速度下被区分。传感器405在标记420，425正上方时接收到高信号333，而在没有标记的情况下在道路表面430上接收到最小信号332a，332b，332c，参见图3a-3h。

图2为智能涂料标记120,125中的稀土磷光晶体115被车辆触发后产生的信号222。传感器以20万个采样点每秒的的采样速率数字化信号。为了将传感器测量的读数与已知位置进行比较，车辆110配备了一个mtk3339芯片组的小型gps模块，并提供10赫兹的gps信号。图4a为标记120，125测量结果与预校准gps点460，461，462，463的对比图。图3i为标记320，325的道路表面330的另一个视图。图2为记录的gps测量数据244。

图4a中的车辆110在路线135上行驶并捕获gps位置信息，如图4b所示的菱形。同样地，也绘制了传感器在测量点455的测量结果与预校准的gps点460，461，462，463的对比图。从8个不同测试点测得的gps位置均在所用gps模块的测量误差范围内。如图3a至3h所示，车速可以从传感器穿越智能涂料的时间来估算。如图5a和5b为基于传感器在标记上的时间和标记520，525的宽度估计出车辆速度。

如图6a至6e所示，传感器区分不同宽带的标记材料(标记120，125)，这为车辆提供带有信息的代码。例如图4中位置点460，461，462,463的精确gps坐标可以被转化为带有特定条形码的标记(120，125)。条形码可以由多个不同宽度的标记带和标记带间的不同间距的组合而成。在图6a到6e中，不同宽度的标记带(分别为10厘米和15厘米)被精确地测量为宽度664和666并且用于gps坐标的精确校准。

车辆通过传感器识别其下方，前方或附近的位置，从而及时可靠地确定车辆的横向和纵向位置。

配备有本发明的系统的车辆可以识别标准路面标记。标记包含有根据所用的稀土磷光晶类型来编码地特定信息。标记也可以远离车辆，然后根据所用的稀土磷光晶体的类型来确定它们的所包含地一般或特定含义。标记给驾驶员提供信息并控制相关驾驶应用。该识别过程的准确性，及时性，识别距离，方向和可靠性均可被测量和限定。

示例2：车辆位置的确定和导航

该系统的物理结构类似于示例1中使用的系统。该系统利用稀土磷光晶体的上转换特性从标记中读取光学信息。掺入y2o3：er,yb，钇镓石榴石(ygg：cr)和la2so2：ybnd混合物的透明薄膜粘合剂铺设在道路的不同位置上。探测器使用廉价的通信激光器激发稀土磷光晶体，并用硅探测器读取结果。一个带通滤波窗片用来近一步消除其他波长信号，只允许固定检测范围内的波长被探测到。

该系统测试两个不同的激发光源，一个是峰值波长为1565纳米，输出功率为0.35瓦，to-9高帽封装，镜头准直＜10mrad的单模连续激光器(seminex公司部件号to9-105114)；另一个是800纳米高功率圆形led阵列。和两种不同的传感探测器：一个是硅探测器(lasercomponentscorporation部件号sr500)；另一个是硅基雪崩光电二极管(探测波长范围＜1100纳米，在905纳米的响应度为50a/w)。

1.55微米激光器发射红外光激发智能涂料中的稀土磷光晶体，使其将红外光转换成近红外光。硅检测器以每秒20万次的采样速率从辐射光中获取稀土磷光晶体的上升和衰减时间。车辆8可以在80公里每小时的移动速度下读取一个宽度为7.5厘米的标记上信息。在情况下，无需要过滤激光器1.55微米的红外光，因为硅检测器(传感器)探测截止波长在大约1100纳米处。传感器唯一可以探测到的脉冲红外光是来自稀土磷光晶体的辐射光。自然界中没有任何东西会产生如此独特的红外脉冲。因此系统的这些功能提供了先前系统史无前例的准确性和可重复性。与简单“发光”的材料不同，这些稀土磷光晶体所提供独特的光学信息，可以用来区分道路标线，车辆，停车标志和用于导航的其他重要标记。

车辆可以用低成本的传感器获取稀土磷光晶体中的信息。稀土磷光晶体也和现有的激光雷达(lidar)设备一起使用。商用激光雷达系统利用905纳米激光和1.55微米激光(如veladynehdl-64e)来扫描周边环境。la2so2：ybnd和y2o3：eryb稀土磷光晶体可被激光雷达的发射波长激活且具有可被检测的转换特性。ygg：zncr材料将可见光转换为红外光谱并维持一段时间“余辉”。一个带有特定滤光系统的商用ccd相机可以将借助这种发光把它与普通的白色涂料区分开来。本发明的智能涂料增强了白色涂料在红外区域中的辐射，以区别于普通涂料，从而提供了独一无二的安全措施。

示例3：智能道路标记示例

本发明的智能涂料具有独特且可识别的光学特征，从而提供大量与周围环境有关的信息。智能涂料所包含信息增进车辆和驾驶者对周围环境和态势感知。

例如，本发明的智能涂料提供各种环境反馈信号，通知车辆和驾驶员其所处的环境。如图7所示的例子，智能涂料给当前道路标线和标志提供光学识别，如图中双黄线710，白色虚线711，白色车道分隔线712，交叉路口标记773，停止标志713，避让标志714，速度限制标志715和公共汽车站标志716.车载传感器(例如，前视传感器)可以检测这些道路标记和标志。智能涂料可用于识别人行横道771，并提供gps校准和速度测量值给车辆717，718以便其控制速度，制动和其他避免碰撞的措施。掺入具有红外辐射性能的智能材料的热塑性标记也可单独或组合铺设在各种道路表面，为车辆的gps装置提供可以改善其空间分辨率和定位的精确全球定位坐标。这些标记可以应用于人行道和人行道表面，如公共汽车站749，路缘线746，即将到来的交叉路口点角747之类的位置，并且还可以指示包括东北、东南、西南、西北方向的地理位置748。另外，智能涂料应用于特定标记775以增加道路车道在处于对计算机视觉系统的不利照明和其他环境条件下(例如直射阳光，雾，雪等)的可见性。

示例4：机场协同车辆导航和交通控制

机场扩建和地面路线的变更增加了机场交通流量。交通流量增加带来更高的错误风险，从而导致空中交通延误和安全问题。机场控制塔人员主要通过视觉，口头(超高频率无线电)和雷达辅助导航监测来控制大量机场交通。日常交通管制问题主要示与大量空中交通和天气情况有关。

本发明的智能涂料应用于各种机场标记。各个传感器单元可简易牢固地安装在机场车辆上，包括飞机，客车，公共汽车，有轨电车，加油卡车，行李车等。智能涂料系统用于识别机场上的有高安全风险的战略位置，并为车载传感器提供指令以协调机场交通。此外，智能涂料和车辆传感器平台可以与实时视频成像和跟踪算法相结合使用。该系统利用光学条形编码后的智能涂料创建了精确的环境gps坐标，为跟踪和图像分析算法提供了额外信息。智能涂料/标记和传感器平台作给实时的机场交通控制系统带来了多种优势，包括提高机场安全和效率，减少空中交通管制人员的工作量，以及使用附加的车辆自动导航减少由人为错误造成的风险。

一个将智能涂料/标记和传感器平台用于机场标记的具体示例是用于防止跑道侵入。根据美国联邦航空管理局的定义，跑道入侵是在飞机用于起飞和降落跑道安全区域表面出现不该出现的飞机，车辆和人员。跑道入侵的管理和预防是每个机场一直存在的问题，也是影响任何机场安全高效运营的主要问题。跑道侵入的三个主要原因是操作错误，飞行员偏差和车辆/行人偏差。当车辆或行人未经空中交通管制授权进入跑道安全区域时，会发生车辆/行人偏离入侵。跑道安全区域是机场上指定用于滑行，起飞或降落飞机的区域。根据美国联邦航空局的数据，车辆/行人偏离入侵占跑道总入侵的约20％。

如图8a-8c所示，智能涂料被涂在机场表面，用以识别跑道安全区域边界，或经机场塔台批准的车辆穿越跑道所使用的服务通道边界线868车载传感器监控车辆路线并通知操作员，控制塔人员和其他机场/飞机人员是否有跑道侵入。如之前所述的车辆公路协同通信系统，它还可以实现各种车辆控制，包括自动控制速度，制动，加速，减速，关闭等。

机场标记中的智能涂料进一步的应用通过光学识别机场标记来实时引导车辆并提供地理定位信息。智能涂料/标记可协助飞机着陆和起飞。如图8a所示的各种使用涂料标识的机场标记，如跑道宽度限值标记852，标识着陆区域和距离信息的标记853，为着陆飞机提供视觉瞄准点的瞄准点标记854和跑道边缘线855。同样，智能涂料系统也为指定跑道856，跑道中心线857，距离标记858和保持位置868提供标识。

此外，智能涂料系统给精确和非精密跑道的提供了额外的指示，如图8b所示。非精密跑道通常用于中小型机场。这些跑道表面会有阈值标记，指示标记，中心线标记，有时还有1,000英尺标记或1,500英尺标记(即瞄准点)。非精确跑道通过非定向信标，vhf全向定位，全球定位系统等为飞机提供水平位置引导。通常位于大中型机场精密仪表跑道，包含有爆破垫/拦截道(用于机场处理喷气式飞机)，阈值标记，指示符标记，中心线标记，瞄准点标记，以及500英尺，1,000英尺/1,500英尺，2,000英尺，2,500英尺和3,000英尺触地区域标记。精密跑道提供水平和垂直引导。

本发明的智能涂料所具有有独特且可区分的光学特征，可以承担机场周围环境有关的大量信息。来自智能涂料的信息为车辆，用户和控制塔人员提供周围的环境和态势感知。

图9是智能涂料在机场应用的另一个示例，其中智能涂料和稀土磷光晶体可以结合在各种非地面信号中，例如停止标志981，警告标志982和其他信息标志983，984，985，从而提供作为附加安全措施的额外信息。

示例5：用于行人引导的智能涂料

智能连接社区生态系统必须要更好地满足与环境中的车辆的相互作用影响的各种的行人群体的长期需求。其中最主要的是已经面临挑战在社区里行走的盲人或视障人士(bvi)。根据康奈尔大学就业与残疾研究所2015年的一项研究，美国境内有约有超过720万人是视障人士。根据美国医学会眼科学杂志的视力障碍和失明人口统计学和地理估计，到2050年，法定失明的成年人数量预计将翻一番。失明限制了一个人的活动范围和经历，以及在自己所在社区内行动和与环境互动的能力。不幸的是，基于gps的解决方案具有有限的精确度(+/-30米)，因此无法告知用户他们是在人行道上还是在街道中间行走。更安静，电动车是情况更糟糕，它消除了视障人士一个主要工具：声音。

随着车辆自动化的快速进步，无人驾驶车辆在公共公路和公路上变得更具可能性，因此自动驾驶车辆和行人之间的相互作用需要被充分理解从而降低公共安全的风险。城市交通模式和行人路线的变化突出了对一体化涂料和传感器平台的需求，该平台也供行人使用并在行人和车辆之间现实数据共享。

本发明的智能涂料可为视觉或认知障碍行人提供引导和保障安全。盲人和低视力个体缺乏大多数人认为理所当然的视觉线索。这导致他们在现有城市内难以安全行动。为了满足这一群人的需要，车载传感器平台被小型化并略微修改以与如图10所示的视觉障碍者使用的“白色”手杖1038结合使用。手杖1038包括有用户反馈机构和电源的手柄安装控制单元1036，和具有激发源和传感器1039的尖端单元1040。手杖1038可以使用各种网络和标准的无线连接，包括蓝牙，4g等，以实现与移动设备和gps的通信。

本发明的系统和方法连接这些受移动受阻的群体，向那些无法通过视线导航的人提供带有网络功能的精确定位服务。如上所述，本发明使用光转换氧化物，其依次吸收两个或多个光子，然后发射具有不同能量的单个光子，如美国专利no.9,181,477中所述。更具体地说，某些氧化物表现出下转换，在这个光学过程，材料吸收的光子辐射出更长波长的光子。这些材料在吸收940纳米光后可辐射980纳米的光。这些波长的一个优点是它们可以激发辐射，同时还有效地穿透路面和人行道标记里常见的有机基质。如图10所示，用于检测掺入下转换氧化物的智能涂料的光学器件1037可以安装在盲人手杖1038上，来检测由这些氧化物独特辐射光谱。

现代日益复杂的交叉路口使得穿越交叉路口变得越来越困难。如图7所示，智能涂料可应用于各种人行道，提供安全的路线引导。光学编码的涂料可以用作“草线”的标识符或用于安全路线的路缘746。智能涂料和传感器嵌入式手杖1038还可用于引导跨越交叉路口771和确认方向坐标748(例如，西北，西南，东北，和东南交叉角)和识别公共汽车站749。移动设备应用提供各种用于行人引导的音频提示。

当使用嵌入传感器的手杖1038的视力受损的行人接近交叉路口747时，系统发出“行走标志”开启的声音通知。当手杖1038访问环境wi-fi以获得详细的空间信息时，系统获知空间内有行人。然而在高交通流量的情况下，尽管语言信号表明行走很可以通过，交叉路口747会被车辆751阻挡。在没有智能传感器的情况下，视觉受损的行人752将不会意识到环境中的车辆751从而增加的受伤风险。类似地，阻挡人行道(交叉路口747)的车辆751还配备有智能传感器，识别指定交叉路口747的智能涂料。在自动驾驶的情况下，当行人步入交叉路口771时，手杖1038和智能涂料将使该区域内的所有自动驾驶车辆知道视觉障碍行人的存在。系统从车辆751发送信息到网络799，然后将信息通过拐杖1038的反馈机构1036传递给视觉障碍的行人752。智能涂料的部署为收集，管理和分析视障人士在智能互联社区环境中的精确到厘米级别行动数据提供新方法。这为改善旅行安全和效率带来了新的理解和机会。

同样地，本发明的智能涂料系统让没有身体或认知障碍一般公众受益。系统和平台可以嵌入或附接到各种鞋类或其他可穿戴设备以及自行车，轮椅，服务犬等，以降低自动车之间的负面交互的风险。该系统提供车辆和行人之间的真正连接和前所未有的更高安全性。