CN104169738B - 确定相对定位信息 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于确定相对定位信息的系统、方法、设备和计算机可读介质。被配置为与第一车辆相关联的信号检测单元包括一个或多个信号传感器和一个或多个处理器，并被配置为从可与第二车辆相关联的一个或多个信号源接收一个或多个信号。可以基于信号的到达时间来确定时间值组，并可以生成距离表达式组。可以基于所述时间值组和所述距离表达式组来生成距离方程组，并可以求解所述距离方程组以确定在所定义的坐标系内与所述第一车辆或者所述一个或多个信号源相关联的一个或多个位置。

Description

确定相对定位信息
技术领域
本公开总体涉及使用一个或多个信号传感器和一个或多个信号源来确定相对定位信息，并且更具体地，涉及确定车辆之间的相对定位信息。
背景技术
存在各种对象检测系统和技术。例如，声音导航和测距（SONAR）是使用声波的传播来导航对象或者与对象通信或检测对象的技术。SONAR可以用于水和空气两者中的声学定位，但一般已被用于确定空气中的对象的范围、速度等的无线电检测和测距（RADAR）替代。SONAR涵盖了两种主要类型的测距和检测方案，包括：被动SONAR，涉及侦听对船发出的声音；以及主动SONAR，涉及发射声音的脉冲和侦听所生成的回声。尽管SONAR是相对便宜的技术且在短距离处相当准确，但与RADAR和其他测距技术相比，SONAR供应了相对较差的分辨率。
RADAR是利用无线电波确定对象的范围、高度、速度等的对象检测系统。RADAR技术一般包括发送器，该发送器发送无线电波或微波的脉冲，该无线电波或微波从其路径中的对象反弹。对象将波的能量的一部分返回到典型地位于发送器附近的碟或天线。RADAR不能够直接确定对象之间的位置信息（例如，对象之间的角度关系），取而代之，这必须从范围确定和天线角度推断。例如，RADAR是与SONAR相比以更长的范围和更好的分辨率提供更好的准确度的相对昂贵的技术。
另一感测和测距技术——光检测和测距（LIDAR）——是一种光学远程感测技术，能够通过利用来自由辐射受激发射（激光）源进行的光放大的紫外、可见或近红外光谱中的光脉冲照射目标来测量与目标的距离或目标的其他属性。LIDAR系统包括相干和非相干检测系统两者，其中每一个进一步涵盖两种类型的脉冲模型：微脉冲和高能量系统。微脉冲系统使用激光中的显著较少的能量，且典型地是人眼安全的。高能量系统更普遍地被用在进行大气研究时。移动平台（例如车辆、卫星等）上安装的LIDAR传感器需要仪器来确定传感器的绝对位置和定向。这种仪器一般包括全球定位系统（GPS）接收器和惯性测量单元（IMU）。类似于RADAR，LIDAR仅能够确定对象之间的距离；对象之间的位置信息的任何确定必须被间接地推断。尽管LIDAR一般供应了比其他测距技术（诸如SONAR和RADAR）更好的准确度和更高的分辨率，但LIDAR也在实现上显著地更昂贵。
附图说明
贯穿下面的详细描述，将参考附图，附图形成本公开的一部分。附图不必按比例绘制。每幅图的简要描述如下：
图1A是采用根据本公开的实施例的系统的车辆之间的交互的示意表示。
图1B是采用根据本公开的可替换实施例的系统的车辆之间的交互的示意表示。
图1C是示意性地描绘了图1A中描绘的根据本公开的实施例的系统的部件的框图。
图1D是示意性地描绘了图1B中描绘的根据本公开的实施例的系统的部件的框图。
图1E是图1A和1C中描绘的根据本公开的实施例的信号的发送和接收的示意描绘。
图1F是图1B和1D中描绘的根据本公开的实施例的信号的发送和接收的示意描绘。
图2是图示了根据本公开的一个或多个实施例的用于确定车辆之间的范围信息的示例性方法的流程图。
图3是图示了根据本公开的一个或多个实施例的定位技术的示例性曲线图。
图4是根据本公开的一个或多个附加实施例的车辆之间的交互的示意描绘。
图5是根据本公开的一个或多个附加实施例的车辆之间的交互的示意描绘。
具体实施方式
本公开的实施例涉及用于使用一个或多个信号传感器和一个或多个信号源确定相对定位信息的系统、方法、设备和计算机可读介质。本公开的一个或多个具体实施例涉及用于确定第一车辆相对于第二车辆或者反过来的一个或多个位置的系统、方法、设备和计算机可读介质，其中，第一车辆具有与之相关联的一个或多个信号传感器，该一个或多个信号传感器检测从与第二车辆相关联的一个或多个信号源接收的一个或多个信号。
下文中通过参考附图来更全面地描述本公开的实施例，在附图中示出了本公开的特定实施例。然而，本公开可以以许多不同形式体现，且不应当理解为限于本文阐述的实施例；相反，这些实施例被提供以使得本公开将是透彻且全面的，并将所公开的主题的范围完整地传达给本领域技术人员。自始至终，相似的附图标记指代相似的元素。
现在将参考附图来描述本公开的示例实施例。
图1A是采用根据本公开的一个或多个实施例的系统的两个车辆之间的交互的示意描绘。贯穿本公开，术语“车辆”可以指代但不限于汽车、摩托车、电动自行车、小型摩托车、自行车、其他两轮车、全地形车（ATV）、卡车、轻型卡车、重型卡车、皮卡、小型货车、跨界多功能车（CUV）、厢式货车、商用车、私家车、运动型多功能车（SUV）、牵引拖车、飞机、直升飞机、其他飞行器、宇宙飞船、卫星、或者被提供有通信和传感能力的任何其他合适移动对象。然而，应当意识到，还可以在可实现两个系统之间的电子通信的其他运输或非运输相关应用中利用本公开的实施例。
此外，贯穿本公开，术语“位置”或“位置向量”可以指代三维空间中的向量（例如，<x, y, z>）。本公开的各种实施例涉及求解对象在所定义的坐标系内的位置。在本公开的一个或多个实施例中，z坐标可以是已知的，在这种情况下，根据这种实施例的技术可以涉及求解位置向量的仅x和y坐标。另外，在本公开的一个或多个附加实施例中，术语“距离”可以指代位置向量的斜边（或量值）。
参考图1A，第一车辆100A可以具有与之相关联的信号传感器102。参考图1C，信号传感器102可以形成与车辆100A相关联的信号检测单元108的至少一部分。信号检测单元108可以另外包括一个或多个处理器109、操作耦合至该一个或多个处理器109的存储器110、以及操作耦合至该存储器110的相位差检测器111。该相位差检测器111和/或该一个或多个处理器109可以包括一个或多个数字信号处理器（DSP）。第一车辆100A可以进一步包括被配置为由该一个或多个处理器109控制的一个或多个车辆控制单元112和一个或多个输入/输出控制单元113。该一个或多个车辆控制单元112可以被配置为控制一个或多个车辆部件114的操作。该一个或多个输入/输出控制单元113可以被配置为控制结合车辆100A提供的用户界面（UI）115。
第二车辆100B可以包括三个信号源101A-101C。参考图1A和1C，信号源101A-101C可以被配置为发射可分别沿传播路径103A-103C行进的各自的对应信号118A-118C。可以关于第二车辆100B定义坐标系104。坐标系104可以具有邻近信号源101A-101C定位的中心坐标104A，诸如例如垂直处于信号源101B下方。然而，在其他实施例中，坐标系104可以以与关联于车辆100B的信号源101A-101C相对邻近的空间位置为中心。
与车辆100A相关联的信号传感器102可以被配置为检测分别从信号源101A-101C接收的信号118A-118C。根据本公开的一个或多个实施例，信号源101A-101C均可以为能够以任何合适波长、强度和相干性发射辐射的任何设备。由信号源101A-101C发射的辐射可以是单色的或多色的，并可以处于紫外（UV）、近紫外（近UV）、红外（IR）或可见范围内。例如，在本公开的一个或多个实施例中，信号源101A-101C均可以为发射UV、近UV、IR或可见波长范围内的辐射的发光二极管（LED）。
在信号源101A-101C是LED的那些实施例中，每个LED可以被电气控制以生成脉冲信号。例如，参考图1C，可以结合车辆100B提供信号发生器116，其电气控制信号源101A-101C以同步地发射脉冲信号118A-118C（例如，信号源可以同步地开启和关闭）。
如前所述，信号源101A-101C中的每一个可以发送各自的对应信号118A-118C（例如，测距波形）。由信号源101A-101C发送的信号118A-118C可以分别沿传播路径103A、103B和103C行进。信号118A-118C可以是使用任何适当的模拟或数字调制技术来调制的，包括但不限于：幅度调制（AM），诸如例如幅移键控（ASK）调制；相位调制，诸如例如一种或多种形式的相移键控（PSK）；频率调制，诸如例如一种或多种形式的频移键控（FSK）；正交幅度调制（QAM）；或任何其他调制技术。在本公开的特定实施例中，可以将一个或多个副载波信号加到信号118A-118B中的每一个，并且，可以对副载波信号进行相位调制或频率调制。另外，可以利用正交频分复用（OFDM）来对副载波信号进行调制。作为非限制性示例，信号源101A-101C均可以表示被施脉冲以生成高频ON（启）和OFF（闭）键控波形的LED。启闭键控（OOK）是一种形式的ASK调制，其将数字数据表示为载波的存在或不存在。
信号118A-118C均可以是利用对信号检测单元108来说可能已知的不同OOK频率来调制的。可替换地，在本公开的一个或多个实施例中，信号源101A-101C中的每一个可以发射具有相同OOK频率的各自的对应信号118A-118C。信号118A-118C均可以是利用约20 MHz至约70 MHz的范围内的频率来调制的。然而，其他频率也处于本公开的范围内。一般地，信号118A-118C是以足够高以许可定位技术被用于分析信号但不高到导致相位混淆的频率来调制的。如果信号118A-118C的飞行时间超过信号的周期的一半，则可能发生相位混淆。
信号检测单元108可以检测分别从信号源101A-101C发射的信号118A-118C。由于信号118A-118C分别行进所沿着的传播路径可能在长度上不同，因此由信号源101A-101C发射的信号118A-118C可能在不同时间处到达信号传感器102。相位差检测器111可以被配置为确定由信号传感器102接收的信号118A-118C中的每一对之间的相移。具体地，相位差检测器111可以被配置为在频域中处理信号118A-118C。即，相位差检测器111可以被配置为测量信号118A-118C中的每一个相对于每个其他信号的相移。例如，参考图1E，信号118A与信号118B之间的相移φ1、信号118B与信号118C之间的相移φ2以及信号118A与信号118C之间的相移φ3可以由相位差检测器111测量。
两个信号之间在弧度上的相移或相位差可以由2*π*f*τ给出，其中，f表示信号的频率，并且τ表示由于由信号采取的不同传播路径而引起的在信号传感器处对信号的接收的时间延迟差。信号118A-118C中的每一对之间的相移φ1、φ2、φ3可以由相位差检测器111测量，并可以被传递至信号检测单元108的一个或多个处理器109，该一个或多个处理器109可以被配置为使用上述关系、基于所测量的相移来确定时间值组。时间值组可以表示接收信号118A-118C中的每一对之间的时间延迟差。例如，时间值组可以包括值τ1、τ2和τ3，表示在信号传感器102处分别对信号118A和118B、信号118B和118C以及信号118A和118C的接收或检测的时间的差。
对于足够的信噪比（SNR），相位差检测器111可能能够测量与约150 ps延迟相对应的几度的相移。确定信号之间的相移到该准确程度可能需要约40 dB的SNR和约100 Hz的检测带宽。信号传感器102处存在的SNR可以受各种因素影响，包括但不限于信号118A-118C的传输的功率、信号传感器102的透镜的大小或者数字信号处理器检测带宽。
信号传感器102可以是凝视阵列，其能够在空间上将从信号源101A-101C接收的信号118A-118C分离，以供相位差检测器111确定信号118A-118C之间的相移。参考图1E，信号传感器102可以是包括光学透镜117的非成像传感器阵列。信号118A-118C可以汇聚在透镜117的一侧上且在透镜的相对侧上在空间上分离。信号传感器102可以进一步包括像素传感器119A-119C，其中，每个像素传感器检测信号118A-118C的各自的对应信号。相位差检测器111可以测量在像素传感器119A-119C处接收的信号118A-118C之间的相移。
应当注意，信号传感器102还可以是具有合适像素密度的成像传感器阵列。此外，信号传感器102可以是扫描阵列，其具有足够高的帧速率，能够对信号118A-118C的频率进行采样，使得信号之间的相移可以由信号传感器102在接收到时确定。
如下文中将更详细描述的那样，该一个或多个处理器109可以被配置为生成距离表达式组。每个距离表达式可以表示信号源101A-101C之一与信号传感器102之间的距离。该一个或多个处理器109可以进一步被配置为基于距离表达式组和时间值组来确定距离方程组。另外，该一个或多个处理器109可以进一步被配置为求解距离方程组，以确定第一车辆100A在关于第二车辆100B（或者更具体地，关于信号源101A-101C）定义的坐标系104内的位置（例如，信号传感器102的位置）。
在本公开的一个或多个实施例中，所确定的位置可以用于促进协作驾驶、碰撞避免和/或碰撞警告功能。作为非限制性示例，该一个或多个处理器109可以将所确定的位置输出至一个或多个车辆控制单元112，该一个或多个车辆控制单元112可以进而控制一个或多个车辆部件114更改车辆100A的速度或加速度、发起碰撞避免或碰撞安全措施、或者将警告指示提供给车辆100A的用户或车辆100B的用户。作为另一非限制性示例，该一个或多个处理器109可以将所确定的位置输出至一个或多个输入/输出控制单元113，该一个或多个输入/输出控制单元113进而可以控制用户界面115以给车辆100A的用户（例如，驾驶员）提供所确定的位置的指示和一个或多个潜在警告指示。用户界面115还可以给车辆100A的用户提供允许用户经由该一个或多个车辆控制单元112基于所确定的位置控制该一个或多个车辆部件114的功能。
在图1A中描绘的实施例中示出了三个信号源101A-101C和一个信号传感器102。然而，许多其他配置处于本公开的范围内。车辆100B可以具有与之相关联的任何数目的信号源。类似地，车辆100A可以具有与之相关联的任何数目的信号传感器。作为非限制性示例，在特定实施例中，车辆100B可以包括三个信号源的一个或多个附加组，并且车辆100A可以包括附加信号传感器，使得三个信号源的每个组将各自信号发送至每个信号传感器。由此，各种配置处于本公开的范围内，其确定车辆相对于另一车辆的多个位置，这可以用于例如确定车辆之间的角度偏差或位移。此外，尽管信号源101A-101C被描绘为位于车辆的前部处，但其他配置处于本公开的范围内。例如，附加信号源可以位于车辆100B的前部、侧部、顶部或后部处。类似地，附加信号源可以位于车辆100A的前部、顶部、侧部或后部处。
图1B描绘了根据本公开的一个或多个可替换实施例的两个车辆之间的交互。图1B示意性地描绘了具有与之相关联的三个信号传感器106A-106C的第一车辆100C。参考图1D，信号传感器106A-106C可以形成与第一车辆100C相关联的信号检测单元120的至少一部分。可以关于第一车辆100C定义坐标系105。坐标系105可以具有位于信号传感器106A-106C附近的中心坐标105A，诸如例如垂直处于信号传感器106B下方。然而，许多其他配置处于本公开的范围内。坐标系105可以以信号传感器106A-106C的相对邻近度内的任何空间位置为中心。信号源128可以与第二车辆100D相关联。信号源128可以发射沿传播路径107A-107C行进的信号130。
与车辆100C相关联的信号检测单元120可以被配置为检测从信号源128接收的信号130。如前结合图1A中描绘的本公开的实施例描述的那样，信号源128可以是能够以任何合适波长、强度和相干性发射辐射的任何设备。即，由信号源128发射的辐射可以是单色的或多色的，并可以处于UV、近UV、IR或可见范围内。例如，在本公开的一个或多个实施例中，信号源128可以为发射UV、近UV、IR或可见波长范围内的辐射的LED。信号源128可以被电气控制以生成脉冲信号。例如，参考图1D，可以结合车辆100D提供信号发生器129，其电气控制信号源128以发射脉冲信号130。如果多于一个信号源128被提供，则信号源可以被配置为同步地开启和关闭。
由信号源128发射的信号130可以是使用任何适当的模拟或数字调制技术来调制的，包括但不限于：幅度调制（AM），诸如例如幅移键控（ASK）调制；相位调制，诸如例如一种或多种形式的相移键控（PSK）；频率调制，诸如例如一种或多种形式的频移键控（FSK）；正交幅度调制（QAM）；或任何其他调制技术。在本公开的特定实施例中，可以将一个或多个副载波信号加到信号130，并且，可以对副载波信号进行相位调制或频率调制。另外，可以利用正交频分复用（OFDM）来对副载波信号进行调制。作为非限制性示例，信号源128可以是被施脉冲以生成高频ON（启）和OFF（闭）键控波形的LED。启闭键控（OOK）是一种形式的ASK调制，其将数字数据表示为载波的存在或不存在。
在本公开的一个或多个实施例中，不同OOK频率可以被调制到所发射的信号130上。在本公开的一个或多个可替换实施例中，由信号源128发射的信号130可以具有单个OOK频率。
信号检测单元120可以进一步包括一个或多个处理器121、操作耦合至该一个或多个处理器121的存储器122、以及操作耦合至该存储器122的相位差检测器123。第一车辆100C可以进一步包括被配置为由该一个或多个处理器121控制的一个或多个车辆控制单元124和一个或多个输入/输出控制单元125。该一个或多个车辆控制单元124可以被配置为控制一个或多个车辆部件126的操作。该一个或多个输入/输出控制单元125可以被配置为控制用户界面（UI）127。
由信号源128发射的信号130可以分别沿传播路径107A-107C行进。由于每个传播路径可能在长度上不同，因此信号130可能在不同时间处到达信号检测单元120的信号传感器106A-106C。信号检测单元120的相位差检测器123可以被配置为在由信号传感器106A-106C中的每一个接收或检测到信号130时确定信号之间的相移或相位差。所测量的相移可以被传递至信号检测单元120的一个或多个处理器121，该一个或多个处理器121可以被配置为基于所测量的相移来确定时间值组。
信号130可以是利用约20 MHz至约70 MHz的范围内的频率来调制的。然而，其他频率也处于本公开的范围内。一般地，信号130可以是以足够高以许可定位技术被用于在由信号传感器106A-106C接收到时分析信号但不高到导致相位混淆的频率来调制的。如果信号130沿传播路径107A-107C的飞行时间超过信号的周期的一半，则可能发生相位混淆。
类似于图1A中描绘的本公开的实施例，信号检测单元120可以检测从信号源128发射的信号130。由于信号130沿着可能在长度上不同的传播路径107A-107C行进，因此信号130可能在不同时间处到达信号传感器106A-106C中的每一个。相位差检测器123可以被配置为确定在信号传感器106A-106C处接收的信号130之间的相移。具体地，相位差检测器123可以被配置为在频域中处理接收信号130。即，相位差检测器123可以被配置为测量在信号传感器106A-106C中的每一个处接收的信号130相对于在其他信号传感器106A-106C中的每一个处接收的信号130的相移。例如，参考图1F，在信号传感器106A处接收的信号130与在信号传感器106B处接收的信号130之间的相移φ1、在信号传感器106B处接收的信号130与在信号传感器106C处接收的信号130之间的相移φ2以及在信号传感器106A处接收的信号130与在信号传感器106C处接收的信号130之间的相移φ3可以由相位差检测器123以与先前关于图1A中描绘的实施例描述的方式类似的方式测量。
所测量的相移φ1、φ2、φ3可以由相位差检测器123经由存储器122传递至信号检测单元120的一个或多个处理器121，该一个或多个处理器121可以被配置为基于所测量的相移来确定时间值组。时间值组中的每个值可以表示在信号传感器106A-106C中的每一个处对信号130的接收与在其他信号传感器106A-106C中的每一个处对信号130的接收之间的时间延迟差。例如，时间值组可以包括值τ1、τ2和τ3，表示分别在信号传感器106A和106B处、在信号传感器106B和106C处以及在信号传感器106A和106C处对信号130的接收或检测的时间的差。
该一个或多个处理器121可以被配置为生成距离表达式组。每个距离表达式可以表示信号源128与信号传感器106A-106C之一之间的距离。该一个或多个处理器121可以进一步被配置为基于距离表达式组和时间值组来确定距离方程组。另外，该一个或多个处理器121可以进一步被配置为求解距离方程组，以确定在关于第一车辆100C（或者更具体地，关于信号传感器106A-106C）定义的坐标系105内与第二车辆100D相关联的位置（例如，信号源128的位置）。
在本公开的一个或多个实施例中，所确定的位置可以用于促进协作驾驶、碰撞避免和/或碰撞警告功能。作为非限制性示例，该一个或多个处理器121可以将所确定的位置输出至一个或多个车辆控制单元124，该一个或多个车辆控制单元124可以进而控制一个或多个车辆部件126更改车辆100C的速度或加速度、发起碰撞避免或碰撞安全措施、或者将警告指示提供给车辆100C的用户或车辆100D的用户。作为另一非限制性示例，该一个或多个处理器121可以将所确定的位置输出至一个或多个输入/输出控制单元125，该一个或多个输入/输出控制单元125进而可以控制用户界面127以给车辆100C的用户（例如，驾驶员）提供所确定的位置的指示和一个或多个潜在警告指示。用户界面127还可以给车辆100C的用户提供允许用户经由该一个或多个车辆控制单元124基于所确定的位置控制该一个或多个车辆部件126的功能。
信号传感器106A-106C均可以为本领域中已知的任何光电感测或光电检测设备，包括但不限于光电二极管、光检测器、被反向偏置以充当下述各项的LED：光电二极管、光电晶体管、光电阻器、光电管、光伏电池、量子点光电导体、电荷耦合器件（CCD）或有源像素传感器。前述列表不意图作为穷尽列表，并且，可以使用本领域中现在已知或未来可开发的任何合适信号传感器。
在图1B中描绘的本公开的实施例中示出了三个信号传感器106A-106C和一个信号源128。然而，许多其他配置处于本公开的范围内。车辆100D可以具有与之相关联的任何数目的信号源。类似地，车辆100C可以具有与之相关联的任何数目的信号源。作为非限制性示例，在特定实施例中，车辆100D可以包括一个或多个附加信号源，并且车辆100C可以包括三个信号传感器的附加组，使得三个信号传感器的每个组从每个信号源接收所发送的信号。以这种方式，可以确定车辆100C和100D之间的多个相对位置，其可以进而用于确定车辆100C和100D之间的角度偏差或位移。此外，尽管信号源128被描绘为位于车辆100D的后部处，但其他配置处于本公开的范围内。例如，附加信号源可以位于车辆100D的前部、侧部、顶部或后部处。类似地，尽管信号传感器106A-106C被描绘为位于车辆100C的前部，但附加信号源可以位于车辆100C的前部、顶部、侧部或后部。
在本公开的一个或多个实施例中，可以采用分组结构将信息传达给信号检测单元，其中，该信息与各自的对应信号源相关。下面的讨论适用于本公开的一个或多个实施例，且因此将在不参考任何具体实施例的情况下概括地呈现。下面描绘了代表性的分组结构：
同步 车辆ID <x, y, z> --- OOK测距波形---
参考上面描绘的分组结构，同步字段可以用于获得比特同步；车辆ID字段可以包括对信号源与之相关联的车辆进行唯一标识的标识符；以及<x, y, z>字段可以包括与信号源相关联的空间坐标，如前所述，该空间坐标可以是关于车辆定义的坐标系内的空间坐标。上面的分组结构中描绘的剩余字段可以指代从信号源发射的信号。尽管信号被称为OOK测距波形，但信号可以是根据前述调制方案中的任一种来调制的。在本公开的一个或多个实施例中，同步字段、车辆ID字段和信号源空间坐标字段可以经由从信号源发射的信号的调制而发送。作为非限制性示例，从信号源发射的信号可以是使用任何适当调制方案（例如频移启闭键控（OOK）、曼彻斯特编码等）来频率调制的，以传达与其他非测距字段相关的数字数据。
本公开的实施例提供了与传统系统相比的若干优势。例如，本公开的实施例涉及用于确定车辆之间的相对定位信息的定位系统和技术，其以例如与SONAR相关联的相对便宜的成本提供了例如LIDAR的准确度。此外，诸如LIDAR、RADAR和SONAR之类的测距技术不能够确定根据本公开的实施例的对象之间的定位信息。例如，LIDAR仅能够确定范围信息；空间或角度关系必须基于激光的方向性而间接地确定。
图1A中描绘的实施例的信号源101A-101C或图1B中描绘的实施例的信号源128中的任一个分别可以是作为车辆100B和100D的信号灯的一部分而提供的。更具体地，信号源101A-101C或信号源128均可以是作为一个或多个车辆信号灯的一部分而提供的LED。该一个或多个信号灯可以是任何合适的信号灯，包括但不限于尾灯、刹车灯、倒车灯、头灯、侧灯、镜灯、雾灯、近光灯、远光灯、附加灯或其组合。可替换地，信号源101A-101C可以位于车辆100B上，或者信号源128可以与任何信号灯无关地位于车辆100D上，并可以被配置为发射不可见辐射，使得车辆操作者不将所发射的辐射与由信号灯提供的其他指示混淆。
信号源101A-101C或信号源128可以包括但不限于LED、白炽灯、卤素灯、荧光灯、紧凑型荧光灯、气体放电灯、由辐射受激发射（激光）进行的光放大、二极管激光器、气体激光器、固态激光器或其组合。
该一个或多个处理器109或该一个或多个处理器121可以包括但不限于中央处理单元（CPU）、数字信号处理器（DSP）、精简指令集计算机（RISC）、复杂指令集计算机（CISC）、微处理器、微控制器、现场可编程门阵列（FPGA）或其任何组合。该一个或多个处理器109或该一个或多个处理器121可以来自Intel®处理器族，诸如Intel®Atom®处理器族。该一个或多个处理器109或该一个或多个处理器121还可以包括用于处理具体数据处理功能或任务的一个或多个专用集成电路（ASIC）或专用标准产品（ASSP）。
在特定实施例中，该一个或多个处理器109或该一个或多个处理器121可以是一般车辆主计算机系统的一部分。在本公开的各种实施例中，主计算机系统可以管理车辆的操作的各种方面，诸如发动机控制、变速器控制和各种部件控制。在其他实施例中，信号检测单元108或信号检测单元120可以是控制车辆间通信的分离且独立的系统。另外，在特定实施例中，信号检测单元108或信号检测单元120可以被集成到车辆中，而在其他实施例中，其可以在车辆的生产和/或初始配置之后被添加到车辆。
存储器110或122可以包括一个或多个易失性和/或非易失性存储器设备，包括但不限于磁储存设备、随机存取存储器（RAM）、动态RAM（DRAM）、静态RAM（SRAM）、同步动态DRAM（SDRAM）、双数据速率（DDR）SDRAM（DDR-SDRAM）、RAM-BUS DRAM（RDRAM）、闪存设备、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、非易失性RAM（NVRAM）、通用串行总线（USB）、可移除存储器或其组合。
用户界面115或用户界面127可以是可由用户使用以与该一个或多个处理器109或该一个或多个处理器121通信的任何已知输入设备、输出设备或者输入和输出设备，并可以包括但不限于触摸面板、键盘、显示器、扬声器、开关、视觉指示器、音频指示器、触觉指示器、话音至文本引擎或其组合。在本公开的一个或多个实施例中，用户界面115或用户界面127分别可以由用户（诸如，车辆100A的驾驶员或车辆100C的驾驶员）使用以选择性地激活或去激活信号检测单元108或信号检测单元120。在本公开的其他实施例中，用户界面115或用户界面127可以被采用以控制该一个或多个处理器109或该一个或多个处理器121分别将一个或多个控制信号提供给一个或多个车辆控制单元112或一个或多个车辆控制单元124，以便控制车辆100A的一个或多个部件114或车辆100C的一个或多个部件126。该一个或多个车辆部件114或该一个或多个车辆部件126可以包括但不限于制动器、发动机、变速器、燃料供给、节流阀、离合器或其任何组合。
图2描绘了用于使用到达时间差（TDOA）技术确定车辆之间的位置信息的示例性方法。将通过参考图1A中描绘的实施例来描述TDOA技术，其中，与车辆100A相关联的信号传感器102从与车辆100B相关联的各自对应的三个信号源101A-101C接收三个信号118A-118C。然而，应当意识到，根据本公开的实施例的方法适用于信号传感器和信号源的任何配置，包括但不限于图1B中描绘的本公开的实施例。
参考图2，在框201处，相位差检测器111测量信号118A与信号118B之间、信号118B与信号118C之间以及信号118A与信号118C之间分别的相移φ1、φ2、φ3。相位差检测器111将所测量的相移传递至信号检测单元108的一个或多个处理器109，该一个或多个处理器109可以被配置为基于所测量的相移来确定时间值组。如前所述，时间值组可以表示接收信号118A-118C中的每一对之间的时间延迟差。
在框203处，该一个或多个处理器109可以被配置为执行例如在存储器110中存储的一个或多个计算机程序指令以生成距离表达式组，其中，每个距离表达式表示坐标系104内信号源101A-101C之一与信号传感器102之间的距离。例如，距离表达式组可以包括信号源101A与信号传感器102之间的距离、信号源101B与信号传感器102之间的距离以及信号源101C与信号传感器102之间的距离的代数表示。
在框204处，该一个或多个处理器109可以进一步被配置为执行例如在存储器110中存储的一个或多个计算机程序指令以基于距离表达式组和时间值组来生成距离方程组。每个距离方程可以表示一个距离表达式与一个其他距离表达式之间的差，并可以等价于信号118A-118C之一和其他信号118A-118C之一的接收之间的时间延迟（例如，φ1、φ2或φ3）乘以信号118A-118C的速度。
在框205处，该一个或多个处理器109可以被配置为执行例如在存储器110中存储的一个或多个计算机程序指令，以求解距离方程组以便确定第一车辆10A相对于关于第二车辆100B定义的坐标系104的一个或多个位置。更具体地，该一个或多个处理器109可以进一步被配置为使用TDOA双曲定位技术来求解距离方程组。
现在将更详细地描述根据本公开的一个或多个实施例的示例性代数导出。在图1A中描绘的本公开的实施例的上下文中呈现了示例性导出。然而，本领域技术人员将认识到，下面描述的技术适用于本公开的任何实施例，并且用于确定具有一个或多个信号源的车辆同与之相关联的一个或多个信号传感器之间的位置的其他技术处于本公开的范围内。
令Ai、Aj和Ak分别表示三个信号源101A-101C。可以关于坐标平面104给Ai、Aj和Ak分别指派空间坐标<xi, yi, zi>、<xj, yj, zj>和<xk, yk, zk>。此外，令At表示信号传感器102。可以关于坐标系104给信号传感器At指派空间坐标<xt, yt, zt>。根据本公开的实施例，用于确定车辆（例如，车辆100A和车辆100B）之间的一个或多个距离的TDOA技术的起始点是两个点之间的距离的方程，
方程1。
可以通过确定由接收宿从发射源接收的信号的到达时间（TOA）来间接地确定发射源与接收宿之间的距离。将TOA t 乘以信号速度c（例如，光在空气中的速度）得到了行进距离R。可以基于与信号源Ai、Aj和Ak相关联的向量坐标和与信号传感器At相关联的向量坐标将方程1展开成三个距离表达式，
方程2
方程3
方程4。
出于该示例性导出的目的，假定沿坐标系104的z轴的距离是已知的。由此，参考图3，下面的导出得到了两个方程的系统300，其中，每个方程描述了各自的双曲函数301、302。这两个双曲函数301、302的交点303表示At（例如，信号传感器102）相对于信号源Ai、Aj和Ak或更具体地在坐标系104内的位置。
方程2、3和4可以用于生成与距离差R ji 、R ki 和R kj 相对于的距离方程，其中：
方程5
方程6
方程7。
由于距离差R ji 、R ki 和R kj 均等价于在信号传感器102处对信号118A、118B或118C之一和其他信号118A、118B或118C之一的接收或检测之间的时间延迟乘以信号118A-118C的速度，因此可以基于在框202（图2）处确定的时间值组来确定距离差R ji 、R ki 和R kj 的值，时间值组进而可以基于在框201处测量的信号之间的频移而确定。
如前所讨论，出于下面详述的定位技术的目的，假定车辆之间沿z轴的距离是已知常量。然而，本领域技术人员将意识到，沿z轴的距离不是已知常量的实施例也出于本公开的范围内，并且该示例性导出可以被扩展为涵盖这种实施例。
假定沿z轴的距离差是已知常量，那么可以利用如下面在方程8中所示表示常量的代数符号来替换这些距离差，
和 方程8。
以由方程8提供的常量代入并将一个平方根项移到方程5、6和7中的每一个的另一侧得到：
方程9
方程10
方程11。
对方程9、10和11中的每一个的两侧求平方产生了下面的方程组：
方程12
方程13
方程14。
展开方程12、13和14中的每一个中的剩余平方项产生了：
方程15
方程16
方程17。
从方程15、16和17中的每一个的两侧消除和将方程组精简为下面的方程：
方程18
方程19
方程20。
将除平方根项外的所有项移位到方程18、19和20中的每一个的右侧并组合类似的项得到：
方程21
方程22
方程23。
现在可以通过进行下面的变量带入来简化方程21、22和23：x ij 替代x i -x j 并且y ij 替代y i -y j ，
方程24
方程25
方程26。
通过上述代数操作，已经将方程5-7变换成方程24-26，方程24-26在被求平方时表示相交的双曲面。通过使方程24和方程25相等以形成方程27，我们可以导出y = Ax + C 形式的平面方程。使方程24和25相等得到：
方程27。
将方程27的两侧乘以Rki并分离分数分量得到：
方程28。
在方程28的两侧之间移动特定项得到：
方程29。
从方程29的左侧对特定项进行重新布置和提取公因式得到：
方程30。
将项x t (R ji x ik - R ki x ij )从方程30的左侧移到右侧得到：
方程31。
将方程31的两侧除以(R ji y ik - R ki y ij )得到：
方程32。
方程32现在具有由下面的方程33给出的一般平面方程的期望形式：
方程33
其中
方程34
并且
方程35。
将方程33代入回到方程26中得到下面的方程36：
方程36。
在方程36的左侧重新布置并展开特定项得到：
方程37。
在方程37的右侧将特定项乘开得到：
方程38。
在方程38的右侧对同类项提取公因式、重新组合特定项并分离分数项得到：
方程39。
现在可以使用替换符号来表示方程39中的常量项：
方程40
方程41
方程42
方程43
方程44。
现在可以将方程40-44的符号代入到方程39得到：
方程45。
对方程45的两侧求平方得到：
方程46。
在方程46的两侧之间对同类项提取公因式并对各项重新布置得到：
方程47。
可以使用替换符号来简化方程47如下：
方程48
方程49
方程50。
将来自方程48-50的替换符号代入到方程47中得到：
方程51。
方程51现在具有二次方程的形式。现在可以使用下面示出的二次公式来求解xt：
方程52。
求解xt可以得到正根和负根两者。按照惯例，可以确定负根指示车辆100A位于车辆100B后面。类似地，正根可以指示车辆100A位于车辆100B前面。根据本公开的一个或多个可替换实施例，可以使用其他惯例。可以将方程52代入回到方程33中已求解y t 。由于假定信号传感器102与信号源101A-101C之间沿z轴的距离是已知的，并且因而假定zt（其表示信号传感器At相对于坐标系104的z坐标）是已知的，求解x t 和y t 将得到信号传感器At（例如，信号传感器102）在坐标系104内的空间坐标<xt, yt, zt>。确定信号传感器At在坐标系104内的空间坐标<xt, yt, zt>提供了车辆100A相对于车辆100B的位置的测量。
尽管已经通过参考图1A中描绘的本公开的实施例描述了上面的定位技术，但该技术等同地适用于本公开的其他实施例，包括图1B中描绘的实施例以及在其中提供附加信号源和附加信号传感器的其他实施例。
图4描绘了在其中使用多个信号源和多个信号传感器来确定车辆400A与车辆400B之间的多个位置的本公开的特定实施例。在本公开的一个或多个实施例中，元件402A-402C可以表示与车辆400B相关联的三个信号源。信号源402A-402C可以具有先前描述的类型。元件401A-401C可以表示与车辆400A相关联的三个信号传感器。信号传感器401A-401C可以具有先前描述的类型。信号传感器401A-401C中的每一个可以从信号源402A-402C中的每一个接收信号。使用先前描述的技术，可以确定在关于车辆400A定义的坐标系内与信号源402A-402C中的每一个相关联的位置。可以基于所确定的位置来确定车辆400B相对于车辆400A的角度偏差和位移。
在本公开的一个或多个可替换实施例中，元件402A-402C可以表示与车辆400B相关联的三个信号源。信号传感器402A-402C可以具有先前描述的类型。元件401A-401C可以表示与车辆400A相关联的三个信号源。信号源401A-401C可以具有先前描述的类型。信号传感器402A-402C中的每一个可以从信号源401A-401C中的每一个接收信号。使用先前描述的技术，可以确定在关于车辆400A定义的坐标系内与信号传感器402A-402C中的每一个相关联的位置。可以基于所确定的位置来确定车辆400B相对于车辆400A的角度偏差和位移。
使用上述定位技术确定的车辆之间的一个或多个位置可以表示车辆之间的倾斜位置。参考图5，例如，车辆500C相对于车辆500D或反过来的一个或多个位置可以基于根据本公开的实施例的定位技术而确定，并可以表示车辆500C与车辆500D之间的倾斜位置。倾斜位置可以是沿参考平面定义的，该参考平面可以延伸通过与车辆500C和500D相关联的坐标系的原点。如前所讨论，车辆500C与500D之间的高度间隔503可以表示沿关于车辆500C或车辆500D定义的坐标系的z轴的已知距离（常量）。
可以使用例如硬件、软件和/或固件来实现本文描述的实施例，以执行本文描述的方法和/或操作。本文描述的特定实施例可以是作为存储机器可执行指令的有形非瞬变机器可读介质而提供的，该机器可执行指令在由机器执行的情况下使该机器执行本文描述的方法和/或操作。有形机器可读介质可以包括但不限于：任何类型的盘，包括软盘、光盘、压缩盘只读存储器（CD-ROM）、可重写压缩盘（CD-RW）和磁光盘；半导体器件，诸如只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）（诸如动态和静态RAM、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM））、闪存、磁或光卡；或者适于存储电子指令的任何类型的有形介质。机器可以包括任何合适的处理或计算平台、设备或系统，并可以使用硬件和/或软件的任何合适组合而实现。指令可以包括任何合适类型的代码并可以使用任何合适的编程语言而实现。在特定实施例中，用于执行本文描述的方法和/或操作的机器可执行指令可以被体现为以能够被编译或解释的一种或多种高级编程语言中的任一种体现的软件、微代码或固件。
本文描述了各种特征、方面和实施例。该特征、方面和实施例易于彼此组合以及变型和修改，如本领域技术人员将理解的那样。因此，本公开应当被视为涵盖这种组合、变型和修改。
本文已采用的术语和表达被用作描述的术语而非限制的术语。在使用这种术语和表达时，不意图排除所示出和描述的特征的任何等同物（或其部分），并且应当认识到，各种修改在权利要求的范围内是可能的。其他修改、变型和替换也是额可能的。相应地，权利要求意图覆盖所有这种等同物。
尽管已经结合目前被视为最实用的各种实施例的内容描述了本公开的特定实施例，但应当理解，本公开不限于所公开的实施例，而是相反，本公开意图覆盖权利要求的范围内包括的各种修改和等同布置。尽管本文采用了具体术语，但它们仅在通用且描述性的意义上使用，而不出于限制的目的使用。
该书写描述使用示例来公开本公开的包括最佳模式的特定实施例，且还使本领域技术人员能够实施本公开的特定实施例，包括制作和使用任何设备或系统以及执行任何所并入的方法。本公开的特定实施例的可专利范围是在权利要求中限定的，并可以包括本领域技术人员可想到的其他示例。这种其他示例意图处于权利要求的范围内，如果它们具有不与权利要求的字面语言相区别的结构元件的话，或者如果它们包括与权利要求的字面语言有非实质区别的等同结构元件的话。

Claims (20)

1.一种用于确定相对定位信息的方法，包括：
在与第一车辆相关联的信号检测单元处检测从一个或多个信号源接收的一个或多个信号，所述信号检测单元包括一个或多个信号传感器和一个或多个处理器；
由所述一个或多个处理器基于所述一个或多个信号的到达时间来确定时间值组，其中，所述时间值组包括所述一个或多个信号中的每一个在所述信号检测单元处的到达时间相对于其他一个或多个信号中的每一个的到达时间的差；
由所述一个或多个处理器生成距离表达式组，其中，每个距离表达式对应于所述一个或多个信号传感器之一与所述一个或多个信号源之一之间的距离；
由所述一个或多个处理器基于所述时间值组和所述距离表达式组来生成距离方程组，其中，每个距离方程表示一个距离表达式与一个其他距离表达式之间的差；以及
由所述一个或多个处理器求解所述距离方程组以确定第一位置或第二位置，其中，所述第一位置表示在关于所述一个或多个信号源定义的坐标系内与所述第一车辆相关联的位置，并且所述第二位置表示在关于所述第一车辆定义的坐标系内与所述一个或多个信号源相关联的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个信号传感器包括位于所述第一车辆上的至少三个信号传感器，并且所述一个或多个信号包括由所述至少三个信号传感器中的每一个从一个信号源接收的信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个信号包括从至少三个各自对应的信号源接收的至少三个信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，进一步包括：
将所述第一位置或所述第二位置输出至所述第一车辆的用户界面或一个或多个控制单元中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述一个或多个控制单元基于所述第一位置或所述第二位置来控制所述第一车辆的一个或多个部件。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述时间值组是基于由所述信号检测单元检测到的一个或多个信号之间的相位差来确定的。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个信号中的每一个是传达与位于第二车辆上的各自对应的信号源相关的信息的经调制的信号，所述信息包括与所述第二车辆相关联的标识符或与所述各自对应的信号源相关联的空间坐标中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
由所述一个或多个处理器求解所述距离方程组以确定第三位置或第四位置，其中，所述第三位置表示在关于所述一个或多个信号源定义的坐标系内与所述第一车辆相关联的另一位置，并且所述第四位置表示在关于所述第一车辆定义的坐标系内与所述一个或多个信号源相关联的另一位置，并且其中，所述一个或多个信号源与第二车辆相关联；以及
基于所述第一位置和所述第三位置或基于所述第二位置和所述第四位置，确定所述第一车辆与所述第二车辆之间的角度偏差。
9.一种用于确定相对定位信息的系统，包括：
与第一车辆相关联的信号检测单元，所述信号检测单元包括一个或多个信号传感器和一个或多个处理器，其中，所述信号检测单元被配置为检测从一个或多个信号源接收的一个或多个信号，
其中，所述一个或多个处理器被配置为：
基于所述一个或多个信号的到达时间来确定时间值组，其中，所述时间值组包括所述一个或多个信号中的每一个在所述信号检测单元处的到达时间相对于其他一个或多个信号中的每一个的到达时间的差；
生成距离表达式组，其中，每个距离表达式对应于所述一个或多个信号传感器之一与所述一个或多个信号源之一之间的距离；
基于所述时间值组和所述距离表达式组来生成距离方程组，其中，每个距离方程表示一个距离表达式与一个其他距离表达式之间的差；以及
求解所述距离方程组以确定第一位置或第二位置，其中，所述第一位置表示在关于所述一个或多个信号源定义的坐标系内与所述第一车辆相关联的位置，并且所述第二位置表示在关于所述第一车辆定义的坐标系内与所述一个或多个信号源相关联的位置。
10.根据权利要求9所述的系统，进一步包括耦合至所述信号检测单元的第一车辆。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的系统，其中，所述一个或多个信号传感器包括位于所述第一车辆上的至少三个信号传感器，并且所述一个或多个信号包括由所述至少三个信号传感器中的每一个从一个信号源接收的信号。
12.根据权利要求9或权利要求10所述的系统，其中，所述一个或多个信号包括从至少三个各自对应的信号源接收的至少三个信号。
13.根据权利要求9或权利要求10所述的系统，其中，所述一个或多个处理器进一步被配置为：
将所述第一位置或所述第二位置输出至所述第一车辆的用户界面或一个或多个控制单元中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述一个或多个控制单元基于所述第一位置或所述第二位置来控制所述第一车辆的一个或多个部件。
15.根据权利要求9或权利要求10所述的系统，其中，所述时间值组是基于由所述信号检测单元检测到的一个或多个信号之间的相位差来确定的。
16.根据权利要求9或权利要求10所述的系统，其中，所述一个或多个信号中的每一个是传达与位于第二车辆上的各自对应的信号源相关的信息的经调制的信号，所述信息包括与所述第二车辆相关联的标识符或与所述各自对应的信号源相关联的空间坐标中的至少一个。
17.根据权利要求9所述的系统，其中，所述一个或多个处理器进一步被配置为：
求解所述距离方程组以确定第三位置或第四位置，其中，所述第三位置表示在关于所述一个或多个信号源定义的坐标系内与所述第一车辆相关联的另一位置，并且所述第四位置表示在关于所述第一车辆定义的坐标系内与所述一个或多个信号源相关联的另一位置，并且其中，所述一个或多个信号源与第二车辆相关联；以及
基于所述第一位置和所述第三位置或基于所述第二位置和所述第四位置，确定所述第一车辆与所述第二车辆之间的角度偏差。
18.一种用于确定相对定位信息的系统，包括：
用于检测从一个或多个信号源接收的一个或多个信号的装置；
用于基于所述一个或多个信号的到达时间来确定时间值组的装置，其中，所述时间值组包括所述一个或多个信号中的每一个的到达时间相对于其他一个或多个信号中的每一个的到达时间的差；
用于生成距离表达式组的装置，其中，每个距离表达式对应于用于检测的装置中所包括的一个或多个信号传感器之一与所述一个或多个信号源之一之间的距离；
用于基于所述时间值组和所述距离表达式组来生成距离方程组的装置，其中，每个距离方程表示一个距离表达式与一个其他距离表达式之间的差；以及
用于求解所述距离方程组以确定第一位置或第二位置的装置，其中，所述第一位置表示在关于所述一个或多个信号源定义的坐标系内与关联于用于检测的装置的第一车辆相关联的位置，并且所述第二位置表示在关于所述第一车辆定义的坐标系内与所述一个或多个信号源相关联的位置。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，用于检测一个或多个信号的装置包括位于所述第一车辆上的至少三个信号传感器，并且所述一个或多个信号包括由所述至少三个信号传感器中的每一个从一个信号源接收的信号。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述一个或多个信号包括从至少三个各自对应的信号源接收的至少三个信号。
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