TW201544376A - 利用都卜勒效應之車輛防撞系統 - Google Patents

Abstract

一種利用都卜勒效應之車輛防撞系統，具有：一第一天線；一第二天線；一第三天線；以及一車速及位置監測單元，用以：由該第一天線、該第二天線、及該第三天線分別接收一第一微波信號、一第二微波信號、及一第三微波信號以決定一第一安全距離和一第二安全距離；以及依該第一安全距離產生一第一警示信號，及依該第二安全距離產生一第二警示信號。

Description

利用都卜勒效應之車輛防撞系統

本發明係有關於車輛防撞系統，特別是關於一種利用都卜勒效應之車輛防撞系統。

隨著交通運輸服務進入優化及管理的階段，智慧型運輸系統已經被廣泛地運用，並且協助駕駛人在交通運輸及安全駕駛上。在道路駕駛方面，當車輛行駛時，駕駛必須注意與前、後方車輛保持適當的安全距離，通常駕駛是使用眼睛及後視鏡來觀察及判斷前、後方是否有來車靠近，其判斷易受氣候或光線的影響。

為解決此問題，習知已有將通訊、電子、資訊、及控制等各種技術整合在一起之交通運輸系統，此系統稱為智慧型運輸系統(Intelligent Transportation System,ITS)。智慧型運輸系統為提高交通運輸的效率以及駕駛在行駛時的安全性，時常使用車與路(Vehicle to Roadside)、車與車(Vehicle to Vehicle)、以及車內(Inter Vehicle)等方式所收集的資訊，並應用各種感測技術，整合成用來觀察以及判斷各種即時的路況及車況。

美國交通運輸部(U.S.Department of Transportation,U.S.DOT)國家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration,NHTSA)最近宣布推動車與車(Vehicle to Vehicle,V2V)之間的通訊系統。為了 確保駕駛和乘客的人身安全，未來小客車、輕型卡車等車輛上，都將強制規定需配備這項V2V安全系統。現在的科技日新月異，車輛上的安全配備與系統已經相當豐富，為了讓交通與運輸管理更加有效率以及安全性，根據NHTSA所提出之研究，V2V這項技術若廣泛應用，每年可降低70%~80%的車禍發生，亦可預防因車禍而死亡之人數，可達數千人之多，將是在道路交通上的一大進步。先進車輛控制及安全系統(Advanced Vehicle Control and Safety System,AVCSS)是ITS相當重要的一環，其係將具備有輔助駕駛對車輛控制之感應設備安裝至車上，並與車上的駕駛系統配合，以對車輛的速度、方向、安全距離、以及煞車等進行控制。

行車時為了保有足夠的反應時間，駕駛都會保持著適當的安 全距離來維護自己以及其他車輛的安全。一般而言，通常駕駛是以自己以往的行車經驗，加上觀察對方車輛行駛的速度及距離作出臨時性的判斷，若駕駛精神不夠集中，或前方車輛突然地緊急煞車之類的情況發生，往往還是會有意外的發生。依照交通部交通管制規則第六條，汽車行駛高速公路及快速公路時，前後兩車間必須有適當之行車安全距離，大型車之安全距離為時速減20(單位公尺)；小型車之安全距離為時速除以2(單位公尺)，如表1所示。

雖然現在有影像處理等的技術作為協助，但若是在濃霧、大 雨、颱風天等氣候狀況不佳，或是夜間行駛、光線不足、可見度低等特殊狀況時，就容易受到這些環境狀況影響其判斷。

又，當今市面上已經出現使用各種偵測技術，其中紅外線及 超音波因測量距離有限，大多應用於停車輔助系統；雷射雷達雖然有高指向性、精準度高、測量距離長等優點，但若在氣候狀況不佳，如大雨、下雪、濃霧等惡劣環境下，測量效果將會大受影響。

為解決前述諸多問題，吾人亟需一新穎的車輛防撞系統。

本發明之主要目的在於揭露一種車輛防撞系統，其係藉由微波天線監測前、後車輛之行進狀態以在參考車輛和前方車輛或後方車輛間之距離小於一安全距離時發出警示。

本發明之另一目的在於揭露一種車輛防撞系統，其系統功能可較不受氣候不佳或視線不良等因素之影響，且可增加駕駛在行駛時的反應時間，以減少意外碰撞的發生。

為達前述目的，一種利用都卜勒效應之車輛防撞系統乃被提出，其具有：一第一天線，係位於一參考車輛之前下方；一第二天線，係位於該參考車輛之前方；一第三天線，係位於該參考車輛之後方；以及 一車速及位置監測單元，係位於該參考車輛內，用以：由該第一天線、該第二天線、及該第三天線分別接收一第一微波信號、一第二微波信號、及一第三微波信號；由該第一微波信號得出一第一頻率偏移量，由該第二微波信號得出一第二延遲時間，及由該第三微波信號得出一第三延遲時間及一第三頻率偏移量；由該第一頻率偏移量依一都卜勒頻率偏移量公式計算出一第一速度、由該第三頻率偏移量依該都卜勒頻率偏移量公式計算出一第三速度、由該第二延遲時間依一距離計算公式計算出一第一距離、及由該第三延遲時間依該距離計算公式計算出一第二距離，其中該第一速度係該參考車輛之行進速度，該第三速度係一後方車輛與該參考車輛之相對速度，該第一距離係所述前方車輛與該參考車輛之距離，及該第二距離係所述後方車輛與該參考車輛之距離；由該第一速度依一安全距離函數決定一第一安全距離，及由該第一速度和該第三速度依該安全距離函數決定一第二安全距離；以及依該第一距離和該第一安全距離之差產生一第一警示信號，及依該第二距離和該第二安全距離之差產生一第二警示信號。

為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。

100‧‧‧車速及位置監測單元

110‧‧‧第一天線

120‧‧‧第二天線

130‧‧‧第三天線

140‧‧‧警示單元

200‧‧‧參考車輛

圖1為用以描述都卜勒效應之一示意圖。

圖2為本發明車輛防撞系統之方塊圖。

圖3為本發明車輛防撞系統之天線設置示意圖。

圖4(a)為待測車輛與參考車輛行駛速度相同之示意圖，此時反射訊號之頻率等於發射訊號之頻率。

圖4(b)為待測車輛較參考車輛行駛速度快之示意圖，此時反射訊號之頻率大於發射訊號之頻率。

圖4(c)為待測車輛較參考車輛行駛速度慢之示意圖，此時反射訊號之頻率小於發射訊號之頻率。

圖5繪示本發明一車輛防撞判斷流程圖。

圖6繪示本發明車輛防撞系統之一實際測試結果。

圖7為本發明車輛防撞系統之一應用例示意圖。

本發明之車輛防撞系統係一種應用都卜勒效應(Doppler Effect)於微波天線系統上之技術方案，用以偵測前、後方是否有車輛接近。利用微波天線技術可偵測前、後方車輛的位置，而都卜勒效應則能由發射信號頻率與接收到的反射信號頻率之頻率偏移，得出待測車輛速度，再將該待測車輛速度與自身參考車輛之速度互相比較，即可得知待測車輛是否進入預設之安全距離內。本系統能於一定的行車速度內，提早提醒駕駛，增加駕駛的反應時間以及安全距離的維持，亦可降低受到氣候不佳或能見度低等狀況的影響。

請參照圖1，其為用以描述都卜勒效應之一示意圖。如圖1所示，一個以速度v移動之物體，從x點移動至y點，沿著距離d的路徑前進；當信號源S發射微波訊號時，訊號首先在x點遇到該移動物體，經△t時間後該移動物體到達y點，則該移動物體接收到該微波訊號的頻率會產 生都卜勒偏移f _d ，如下列式子所示。該現象是因為接收端與傳送端的相對運動，使得接收端收到的訊號波長被壓縮或拉長，產生頻率偏移之現象，此現象稱為都卜勒效應。

△l=v．△t．cosθ=d．cosθ (1)

其中，λ為波長，θ為信號源與移動物體的夾角。

請參照圖2，其為本發明車輛防撞系統之方塊圖。如圖2所示，本發明之車輛防撞系統具有一車速及位置監測單元100、一第一天線110、一第二天線120、一第三天線130、以及一警示單元140。

車速及位置監測單元100係位於一參考車輛內，用以：由第一天線110、第二天線120、及第三天線130分別接收一第一微波信號、一第二微波信號、及一第三微波信號；由該第一微波信號得出一第一頻率偏移量，由該第二微波信號得出一第二延遲時間，及由該第三微波信號得出一第三延遲時間及一第三頻率偏移量；由該第一頻率偏移量依一都卜勒頻率偏移量公式計算出一第一速度、由該第三頻率偏移量依該都卜勒頻率偏移量公式計算出一第三速度、由該第二延遲時間依一距離計算公式計算出一第一距離、及由該第三延遲時間依該距離計算公式計算出一第二距離，其中該第一速度係該參考車輛之行進速度，該第三速度係一後方車輛與該參考車輛之相對速度，該第一距離係所述前方車輛與該參考車輛之距離，及該第二距離係所述後方車輛與該參考車輛之距離；由該第一速度依一安全距離函數決定一第一安全距離，及由該第一速度和該第三速度依該安全 距離函數決定一第二安全距離；以及依該第一距離和該第一安全距離之差產生一第一警示信號，及依該第二距離和該第二安全距離之差產生一第二警示信號。

第一天線110係位於該參考車輛之前下方、第二天線120係位於該參考車輛之前方、以及第三天線130係位於該參考車輛之後方。

警示單元140係用以將該第一警示信號傳送至所述前方車輛，以及將該第二警示信號傳送至所述後方車輛。

請參照圖3，其為本發明車輛防撞系統之天線設置示意圖。如圖3所示，一參考車輛200係將第一天線110係配置於該參考車輛之前下方、第二天線120配置於該參考車輛之前方、以及第三天線130配置於該參考車輛之後方。首先，利用第一天線110以45°朝向前方地面之方向發射微波訊號，將地面反射之訊號接收後，經由傅立葉分析(Fourier analysis)計算都卜勒頻率偏移量f _d ，由式(4)-即所述的都卜勒頻率偏移量公式-之關係，可得知參考車輛200之行駛速度v。而第二天線120及第三天線130則用來偵測同一車道上之前、後方的待測車輛，經由計算反射訊號的時間延遲τ，可得知待測物體的距離L等於(τ/2)C，其中C為光速，如式(5)-即所述的距離計算公式-所示，並且透過都卜勒效應可觀察出頻率的偏移量，亦可得知前、後方車輛與參考車輛200之間的相對速度。

若待測車輛在參考車輛200之後方，當待測車輛與參考車輛200之行駛速度相同，則反射訊號之頻率等於發射訊號的頻率，其情形如圖 4(a)所示；若待測車輛較參考車輛200之行駛速度快，則反射訊號之頻率將大於發射訊號之頻率，其情形如圖4(b)所示；若待測車輛較參考車輛200之行駛速度慢，則反射訊號之頻率將小於發射訊號之頻率，其情形如圖4(c)所示。

車速及位置監測單元100具有一車輛防撞判斷流程。請參照 圖5，該車輛防撞判斷流程具有以下步驟：檢測參考車輛速度(步驟a)；檢測前、後方有無來車(步驟b)；檢測並計算前、後方車輛的速度及位置(步驟c)；判斷是否在安全距離外(步驟d)；以及開啟警示以提醒駕駛及前方或後方車輛(步驟e)。

亦即，本發明先檢測參考車輛200之頻率偏移量，利用都卜 勒效應計算出參考車輛200的速度，接著根據前、後方天線(120及130)接收訊號判斷前、後方在量測範圍內是否有車輛，若無來車，則繼續計算參考車輛200之速度；若檢測出前方或後方有車輛行進時，則透過發射及接收訊號的頻率偏移量，即可計算出該方向之車輛相對速度，並且依據參考車輛200的速度與反射訊號的時間延遲，即可得到待測車輛的距離及速度，以判斷是否在應保持的安全距離外。若有保持在安全距離外，則繼續計算參考車輛速度及待測車輛之速度及距離；若沒有保持在安全距離外，則立即警示該方向的車輛及駕駛，以避免碰撞發生，其中所述的安全距離係依所述的安全距離函數決定，而所述安全距離函數可表示成如表一所示的表格。

請參照圖6，其繪示本發明車輛防撞系統之一實際測試結 果。首先，我們將後方車輛、參考車輛200以及前方車輛分別於25、100、 162公尺處前進；在BV1和FV1之線段可看出，前方以及後方車輛都逐漸往參考車輛200靠近；觀察BV1，在時間t=4秒時，後方車輛所保持之距離已經小於兩車應保持之安全距離，將立即發出警示，以增加駕駛反應時間，並且提醒後方車輛進行減速行駛之動作；觀察FV1，在時間t=5秒時，與前方車輛所保持之距離已經小於兩車應保持之安全距離，將立即發出警示，以增加駕駛反應時間且進行減速或切換車道之動作，並提醒前方車輛進行加速行駛之動作，避免碰撞意外的發生。BV1及FV1線段期間量測訊號所發射以及接收訊號之關係如圖4(b)所示；另外，在BV2和FV2之線段可看出，前方以及後方車輛都逐漸從參考車輛200遠離；從BV2來看，在時間t=4秒時，因後方車輛接收到參考車輛200之警示，而逐漸地減速並拉開兩車之間的距離；從FV2來看，在時間t=5秒時，前方車輛接收到參考車輛200之警示，而提高車速拉開兩車間之距離，BV2及FV2線段期間量測訊號所發射以及接收訊號之變化如圖4(c)所示；最後，在BV3和FV3之線段可以看出，前方以及後方車輛都已經與參考車輛200保持了一定的距離後，皆以時速60公里的速度等速行駛，BV3及FV3線段期間量測訊號所發射以及接收訊號之變化關係如圖4(a)所示。另外，參考車輛200與前、後方待測車輛的速度與位置關係如表2、表3所示。

由以上說明可知，本發明之車輛防撞系統係利用天線結合都 卜勒效應以計算參考車輛本身的速度和前、後車輛的位置及相對速度，從而得知兩車之間的距離是否低於交通部所規定之安全距離，並且發出警示提醒前車或後車避免碰撞之發生，其情形如圖7所示。因此，本發明之車輛防撞系統能降低氣候不佳或視線不良等因素之影響，亦可增加駕駛在行駛時的反應時間，以減少意外碰撞的發生。

本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源 於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異 於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。

100‧‧‧車速及位置監測單元

110‧‧‧第一天線

120‧‧‧第二天線

130‧‧‧第三天線

140‧‧‧警示單元

Claims (4)

1. 一種利用都卜勒效應之車輛防撞系統，其具有：一第一天線，係位於一參考車輛之前下方；一第二天線，係位於該參考車輛之前方；一第三天線，係位於該參考車輛之後方；以及一車速及位置監測單元，係位於該參考車輛內，用以：由該第一天線、該第二天線、及該第三天線分別接收一第一微波信號、一第二微波信號、及一第三微波信號；由該第一微波信號得出一第一頻率偏移量，由該第二微波信號得出一第二延遲時間，及由該第三微波信號得出一第三延遲時間及一第三頻率偏移量；由該第一頻率偏移量依一都卜勒頻率偏移量公式計算出一第一速度、由該第三頻率偏移量依該都卜勒頻率偏移量公式計算出一第三速度、由該第二延遲時間依一距離計算公式計算出一第一距離、及由該第三延遲時間依該距離計算公式計算出一第二距離，其中該第一速度係該參考車輛之行進速度，該第三速度係一後方車輛與該參考車輛之相對速度，該第一距離係所述前方車輛與該參考車輛之距離，及該第二距離係所述後方車輛與該參考車輛之距離；由該第一速度依一安全距離函數決定一第一安全距離，及由該第一速度和該第三速度依該安全距離函數決定一第二安全距離；以及依該第一距離和該第一安全距離之差產生一第一警示信號，及依該第二距離和該第二安全距離之差產生一第二警示信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之利用都卜勒效應之車輛防撞系統，其進一步具有一警示單元，用以將該第一警示信號傳送至所述前方車輛，以及 將該第二警示信號傳送至所述後方車輛。
3. 如申請專利範圍第1項所述之利用都卜勒效應之車輛防撞系統，其中所述的都卜勒頻率偏移量公式係表示為f _d =cosθ，其中f _d 為一頻率偏移量，v為一相對速度，λ為一波長，θ為一信號源與一移動物體的夾角。
4. 如申請專利範圍第1項所述之利用都卜勒效應之車輛防撞系統，其中所述的距離計算公式係表示為L=(τ/2)C，其中τ為一反射訊號的延遲時間，L為一待測物體的距離，且C為光速。