车联网沿路节点定位系统的制作方法

本发明属于车联网技术领域，具体涉及车联网中协助道路沿线两侧感知节点进行定位的车联网沿路节点定位系统。

背景技术：

车联网是物联网应用于车辆交通领域的具体形式，具有更多主动性、交互性、实时性和准确性等特性，已成为产业化开发和科学研究的热点。

车联网的重点在于车车、车路信息的交互，其中道路信息的交互包括了对道路沿线空气、山体、河涌和路桥设施等检测信息的收集及处理。一方面，感知空气质量、山体状况、河涌污染和路桥设施劳损需要设置大量的无线通信节点，由于成本的原因，大多数感知节点不带有类似GPS等定位模块，因此这类缺乏位置信息的感知量会降低车联网的车路交互性，收集的感知量只能做为沿路情况的信息，难以用于准确的反馈控制决策；另一方面，由于体积限制，大多数感知节点并不带有充电装置，其能量有限，如果采用如跳数定位等复杂的通信协议获得位置信息，相关节点需要频繁的发射位置信息，再有，如检测河涌污染等的节点经常处于运动中，利用分簇的方法会造成路由经常的更替，同样也需要大量的交互信息更新路由表，这样会降低感知节点的使用寿命。因此，需要在车联网中考虑有效的方法使感知节点有效的获得位置信息。

目前在车联网中的定位研究和开发，较多讨论车辆的精确定位问题，虽然随着导航技术的发展，目前车辆都可以安装定位装置，但是由于城市高楼或山体岩石等的阻碍，会造成不同程度的定位误差。而对于车联网中道路附近的感知节点的定位装置和方法的研究和应用较少，而由于车联网自身移动的特性以及感知节点的特点，固定结构中的自组网定位方法并不适用。

在节点定位方法中，大多数采用全向天线的方法，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大，全向天线在通信系统中一般应用距离近，覆盖范围大，价格便宜。有向天线，在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，有向天线在通信系统中一般应用于通信距离远，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高的环境。由此可见，有向天线是一种高效的信号辐射装置。虽然有部分的研究采用有向天线进行移动环境下节点定位，但是这些方法无法克服的问题是，当车辆沿直线轨迹行驶时，感知节点不能从车辆广播的信息求解唯一位置坐标，因此需要采用邻居节点协助定位，这类方法需要增加通信协议和交互次数，还有方法讨论制定特殊的移动路线保证定位坐标唯一，但是在车联网中，车辆的运动线路不可能进行预先设定，而且道路的大部分区域都是直线型，很难实现任意的转向，因此这类方法的实用性限制较大。

因此，针对现有技术不足，提供一种用于车联网中协助道路沿线感知节点定位的车联网沿路节点定位系统以简单、准确地获得节点位置坐标甚为必要。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种应用于车联网中协助感知节点定位的车联网沿路节点定位系统，能够简单、准确地获得节点位置坐标。

本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

提供一种车联网沿路节点定位系统，由安装于车联网车辆上的车载定位信息广播装置和沿路设置的感知节点组成，车载定位信息广播装置将广播帧射频信号发送至沿路感知节点，感知节点对广播帧射频信号进行处理并获得感知节点的位置坐标。

上述车载定位信息广播装置设置有车辆定位单元、控制处理单元、射频单元和两个有向天线；

车辆定位单元，用于获得车辆的位置，并将车辆的位置信息实时发送至控制处理单元；

控制处理单元，用于接收车辆定位单元输送的车辆位置信息、控制射频单元的发射功率、控制生成广播帧数据以及定期将广播帧数据发送给射频单元；

射频单元，用于将广播帧数据转换成射频信号作为广播帧射频信号，根据广播帧数据的发射功率要求控制发射能量，根据广播帧数据的发射天线信息传送至指定的有向天线使有向天线发射广播帧射频信号；

有向天线，数量为两个，分别设置于车辆的两侧，每个有向天线以辐射夹角θ向道路沿线两边发射广播帧射频信号，其中0<θ<180°。

上述广播帧数据包括车辆位置、发射功率和发射天线。

优选的，两个有向天线安装在车辆两侧，分别朝向车辆行驶方向两侧的道路边沿发射广播帧射频信号，两个有向天线辐射范围不重叠，每个有向天线辐射范围的中线与行车方向的夹角β满足：(180°－θ/2)＞β＞θ/2。

上述的车联网沿路节点定位系统，感知节点对广播帧射频信号进行处理，具体包括如下步骤，

S1、感知节点在接收到车辆发射的广播帧射频信号后，对广播包进行解析处理，获得广播该帧时车辆的位置、发射功率值以及发射天线的信息；

S2、感知节点根据在接收广播帧射频信号时获得的信号接收功率和从广播帧射频信号获得的发射功率，计算信号接收功率和发射功率的差值获得能量衰减量，依据衰减量计算所接收的广播帧射频信号发射的位置与感知节点的距离；

S3、将广播帧的车辆发射位置、发射天线、广播帧发射位置与感知节点之间的距离作为广播帧读取数据，依照先后顺序存储在广播帧记录列表中；

S4、根据广播帧记录列表中的广播帧接收情况对车辆行驶状态进行分析，判断车辆是否已经驶离感知节点的通信范围，如果车辆没有驶离通信范围，感知节点等待接收新的广播帧射频信号并返回步骤S1，否则，执行S5步骤计算感知节点的位置坐标；

S5、从广播帧记录列表中取出第一个广播帧读取数据和最后一个广播帧读取数据，对第一个广播帧读取数据和最后一个广播帧读取数据的发射天线进行比较，确定感知节点的坐标。

优选的，上述步骤S2具体通过公式Ⅰ计算所接收的广播帧射频信号发射的位置与感知节点之间的距离：

其中，d为所接收的广播帧射频信号发射的位置与感知节点的距离，d0是参考距离，Pd0是参考距离d0的路径损耗功率，η为无线信号传播路径的损耗指数，PLoss为能量衰减量，PLoss＝P-PR，

P为感知节点在接收信号的时候获得的广播帧射频信号接收功率，PR是从广播帧获得的发射功率。

优选的，上述步骤S5对第一个广播帧读取数据和最后一个广播帧读取数据的发射天线进行比较，确定感知节点的坐标，具体包括：

步骤51：第一个广播帧读取数据记为Framestart、最后一个广播帧读取数据记为Frameend，Framestart的发射天线为Tstart，Frameend的发射天线为Tend，将Tstart与Tend进行比较，如果发射天线相同，即Tstart＝Tend，则执行步骤511；否则，即Tstart≠Tend，则执行步骤521；

步骤511：根据第一个广播帧发射位置Astart(Xstart，Ystart)和与感知节点N之间的距离dstart，以及最后一个广播帧位置Aend(Xend，Yend)和与感知节点N之间的距离dend，联立如下方程组求解感知节点N的坐标(X，Y)；

该方程组的解不唯一，可以得到两个解N1(X1，Y1)和N2(X2，Y2)，即感知节点在车辆的行驶路线的两侧各存在一个可能的坐标，感知节点记录了车辆行驶方向上在Astart和Aend发射的广播包，通过Astart和Aend的直线为L0，根据本步骤计算感知节点可能存在的两个位置N1和N2，分别在行驶直线的两边；在行驶路线左边的坐标记为NL(XL，YL)，在行驶路线右边的坐标记为NR(XR，YR)；

步骤512：根据公式Ⅱ计算通过Astart和Aend的直线L0的斜率k0：

将Astart与步骤511获得的两个解N1(X1，Y1)和N2(X2，Y2)对应的坐标点分别相连，形成两条直线L1和L2，根据公式Ⅲ、Ⅳ分别计算L1和L2的斜率为k1和k2：

计算直线L0到L1的转向角符号，如果k1-k0>0，则N1在车辆行驶的左侧，记为NL，否则则在车辆行驶方向的右侧，记为NR；同理，可以求出N2与车辆行驶方向的关系；

步骤513：根据广播帧记录列表中的发射天线值获得天线朝向，对步骤512求出的解进行方向判断，选取属于与发射天线同侧的解作为感知节点的位置坐标；

步骤521：从广播帧记录列表S中查找发射天线值突变的记录，选择突变附近的其中一帧作为突变帧读取数据Framemid；

步骤522：将第一个广播帧读取数据Framestart、最后一个广播帧读取数据Frameend和突变帧读取数据Framemid的坐标和距离联立以下方程组：

对该方程组求解得到的唯一解作为感知节点的位置坐标。

与现有技术相比，本发明提供的上述技术方案具有如下优点：

1.车载定位信息广播装置结构简单，不需要增加大量的硬件单元，有向天线的安装灵活，只要尽量最大范围的覆盖沿线范围即可，对在车身上的具体安装位置没有严格要求，适合安装于车辆上：2.广播帧主要信息较少，不会增加大量的通信信息开销，同时节省了感知节点对广播帧的解析时间和能量；3.定位处理方法易于实现，当出现多解的情况时，只对所求解进行转向角判断并与发射天线信息比较，即可较快的获得位置坐标，适合感知节点的快速处理；4.定位方法可以实现不同道路形状下的沿路节点定位，克服了在常见的直线型道路中出现多解而无法定位的问题。综上所述，本发明的车联网沿路节点定位系统能够简单、准确地获得节点位置坐标。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明一种车联网沿路节点定位系统的结构示意图。

图2是本发明车联网沿路节点定位系统的车载定位信息广播装置的结构示意图。

图3是车载定位信息广播装置的有向天线安装示意图。

图4为感知节点处理广播帧射频信号的流程图。

图5为图4的感知节点定位方法流程图。

图6为图5判断所得解与车辆行驶方向关系坐标示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

一种车联网沿路节点定位系统，如图1所示，该车联网沿路节点定位系统由安装于车联网车辆上的车载定位信息广播装置和沿路设置的感知节点组成，车载定位信息广播装置将广播帧射频信号发送至沿路感知节点，感知节点对广播帧射频信号进行处理并获得感知节点的位置坐标。

具体的，如图2所示，车载定位信息广播装置设置有车辆定位单元、控制处理单元、射频单元和两个有向天线。

车辆定位单元，用于获得车辆的位置，并将车辆的位置信息实时发送至控制处理单元。车辆定位单元可以采用GPS，北斗，公里标等一种或多种定位装置，实时的将车辆位置信息发送给控制处理单元。

控制处理单元，用于接收车辆定位单元输送的车辆位置信息、控制射频单元的发射功率、控制生成广播帧数据以及定期将广播帧数据发送给射频单元。

射频单元，用于将广播帧数据转换成射频信号作为广播帧射频信号，根据广播帧数据的发射功率要求控制发射能量，根据广播帧数据的发射天线信息传送至指定的有向天线使有向天线发射广播帧射频信号。射频单元含有开关切换电路，根据广播帧中的天线信息，广播信号进入不同的通道，传送给不同的有向天线。由于车辆都带有电池等高电能的设备，所以为了能让更多的节点获得广播信息，射频单元可以按照最大功率值发射。

有向天线，数量为两个，分别设置于车辆的两侧，每个有向天线以辐射夹角θ向道路沿线两边发射广播帧射频信号，其中0<θ<180°。两个有向天线安装在车辆两侧，分别朝向车辆行驶方向两侧的道路边沿发射广播帧射频信号，两个有向天线辐射范围不重叠，每个有向天线辐射范围的中线与行车方向的夹角β满足：(180°－θ/2)＞β＞θ/2。两个有向天线安装于车辆的左右两侧，分别向道路两边发射广播信号通知感知节点，其安装示意图如图3所示，虚线扇形是两个天线的辐射范围，横坐标是车辆行驶方向，纵坐标是天线的辐射范围中线，θ是有向天线的辐射角度，有向天线辐射范围的中线与行车方向有一个夹角β，为了使有向天线辐射范围能尽量的大，且两个有向天线辐射范围不重叠，β必须满足(180°－θ/2)＞β＞θ/2。优选β为90°，即有向天线中线与车辆行驶方向垂直，两个有向天线采用相同的辐射角度。

车载定位信息广播装置定期发送的广播帧主要包括车辆位置A、发射功率P和发射天线T。

车辆位置A是感知节点进行定位的重要信息，感知节点可以根据车辆广播的多个位置以及测距值计算节点坐标，但是在直线型道路上进行求解，无法得到感知节点的唯一坐标解。

发射功率P是感知节点定位中测距的重要信息，感知节点可以根据自身的接收功率PR以及车辆天线发射功率P计算功率的衰减，然后求出感知节点和车辆当前广播帧位置之间的距离。

天线信息T用于决定广播帧的发射天线，感知节点获得天线信息后可以确定其节点位置与车辆行驶方向的关系，在存在多解的情况下选取正确的值做为节点坐标。在本实例中，用左侧天线发射的广播帧，天线信息T＝1，用右侧天线发射的广播帧，天线信息T＝0。

广播帧中可以含有更多的相关信息，比如有向天线夹角，有向天线与车辆行驶方向的夹角等，这些信息可以用于节点判断自身是否在天线的辐射范围内，但考虑以车辆位置A、发射功率P和发射天线T已满足定位需求，所以本实例没有进一步说明。

本发明的车联网沿路节点定位系统，感知节点对广播帧射频信号进行处理，如图4所示，具体包括如下步骤：

S1、感知节点在接收到车辆发射的广播帧射频信号后，对广播包进行解析处理，获得广播该帧时车辆的位置A、发射功率值P以及发射天线T的信息。

S2、感知节点根据在接收广播帧射频信号时获得的信号接收功率和从广播帧射频信号获得的发射功率，计算信号接收功率和发射功率的差值获得能量衰减量，由无线信号在空间传播的模型，依据衰减量计算所接收的广播帧射频信号发射的位置与感知节点的距离。

步骤S2具体通过公式Ⅰ计算所接收的广播帧射频信号发射的位置与感知节点之间的距离：

其中，d为所接收的广播帧射频信号发射的位置与感知节点的距离，d0是参考距离，Pd0是参考距离d0的路径损耗功率，η为无线信号传播路径的损耗指数，PLoss为能量衰减量，PLoss＝P-PR，

P为感知节点在接收信号的时候获得的广播帧射频信号接收功率，PR是从广播帧获得的发射功率。

S3、将广播帧的车辆发射位置A、发射天线T、广播帧发射位置与感知节点之间的距离d作为广播帧读取数据，依照先后顺序存储在广播帧记录列表S中，列表S包含了每次接收到的广播帧的车辆位置A、车辆与感知节点距离d和发射天线T信息。

S4、根据广播帧记录列表中的广播帧接收情况对车辆行驶状态进行分析，判断车辆是否已经驶离感知节点的通信范围，如果车辆没有驶离通信范围，感知节点等待接收新的广播帧射频信号并返回步骤S1，否则，执行S5步骤计算感知节点的位置坐标。

本实例中对于车辆驶离的判断可以采用超时判断的方法：每次接收到广播帧之后，启动定时器计时。如果在设定的时间内接收到新的广播帧，定时器重新计时，如果定时器超过了设定时间仍未收到新的广播帧，则认为车辆驶离了通信区域，可以进行下一步骤的处理。

S5、从广播帧记录列表S中取出第一个广播帧读取数据和最后一个广播帧读取数据，对第一个广播帧读取数据和最后一个广播帧读取数据的发射天线进行比较，确定感知节点的坐标。

如图5所示，步骤S5对第一个广播帧读取数据和最后一个广播帧读取数据的发射天线进行比较，确定感知节点的坐标，具体包括：

步骤51：第一个广播帧读取数据记为Framestart、最后一个广播帧读取数据记为Frameend，Framestart的发射天线为Tstart，Frameend的发射天线为Tend，将Tstart与Tend进行比较，如果发射天线相同，即Tstart＝Tend，则车辆行驶的道路可能是直线型，执行步骤511；否则，即Tstart≠Tend，则车辆在感知节点的通信范围内的行驶路线肯定不是直线形，执行步骤521；

步骤511：根据第一个广播帧发射位置Astart(Xstart，Ystart)和与感知节点N之间的距离dstart，以及最后一个广播帧位置Aend(Xend，Yend)和与感知节点N之间的距离dend，联立如下方程组求解感知节点N的坐标(X，Y)；

该方程组的解不唯一，可以得到两个解N1(X1，Y1)和N2(X2，Y2)，即感知节点在车辆的行驶路线的两侧各存在一个可能的坐标，参阅图6所示，感知节点记录了车辆行驶方向上在Astart和Aend发射的广播包，通过Astart和Aend的直线为L0，根据本步骤计算感知节点可能存在的两个位置N1和N2，分别在行驶直线的两边；在行驶路线左边的坐标记为NL(XL，YL)，在行驶路线右边的坐标记为NR(XR，YR)。

步骤512：根据公式Ⅱ计算通过Astart和Aend的直线L0的斜率k0：

将Astart与步骤511获得的两个解N1(X1，Y1)和N2(X2，Y2)对应的坐标点分别相连，形成两条直线L1和L2，根据公式Ⅲ、Ⅳ分别计算L1和L2的斜率为k1和k2：

计算直线L0到L1的转向角符号，如果k1-k0>0，则N1在车辆行驶的左侧，记为NL，否则则在车辆行驶方向的右侧，记为NR；同理，可以求出N2与车辆行驶方向的关系。在本实例中，如果k1-k0>0，则N1为车辆行驶方向左侧的坐标，记为NL，则N2为车辆行驶方向右侧的坐标，记为NR。

步骤513：根据广播帧记录列表中的发射天线值获得天线朝向，对步骤512求出的解进行方向判断，选取属于与发射天线同侧的解作为感知节点的位置坐标。

步骤521：从广播帧记录列表S中查找发射天线值突变的记录，选择突变附近的其中一帧作为突变帧读取数据Framemid。由于第一帧和最后一帧的发射天线值发生了变化，所以车辆在感知节点的通信范围内的行驶路线不可能是直线型，存在一个或多个广播帧发射位置与其余位置不在同一条直线上，其中发射天线值发生变化，即表示车辆行驶时在发射天线值突变附近发生了转向，因此天线值突变附近的位置不可能与第一帧和最后一帧共线。

步骤522：将第一个广播帧读取数据Framestart、最后一个广播帧读取数据Frameend和突变帧读取数据Framemid的坐标和距离联立以下方程组：

对该方程组求解得到的唯一解作为感知节点的位置坐标。

本发明的车联网沿路节点定位系统，由安装于车联网车辆上的车载定位信息广播装置和沿路设置的感知节点组成，车载定位信息广播装置将广播帧射频信号发送至沿路感知节点，感知节点对广播帧射频信号进行处理并获得感知节点的位置坐标。利用广播装置的有向天线的特性，对道路特性进行分析，使道路沿线的感知节点可以实现准确的定位，适用于车联网中不同道路环境的定位感知要求，对于车联网中的监测和控制等应用开发有重大意义。本发明的车联网沿路节点定位系统能够简单、准确地获得节点位置坐标。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。