CN111034060A - 使用无人机进行的车辆对车辆通信 - Google Patents

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Abstract

描述了一种无人机通信系统。可以使用所述系统执行一种方法，所述方法包括：当接收方车辆超出无线射程时，从发送车辆向将天线波束聚焦在所述发送车辆上的多个无人机发射消息，使得所述多个无人机然后可以通过将天线波束聚焦在所述接收方车辆上来向所述接收方车辆发射所述消息。

Description

使用无人机进行的车辆对车辆通信
背景技术
车辆对车辆(V2V)通信可能并不总是成功。例如，车辆可能尝试V2V通信，但例如因为任何合适的接收方都可能超出射程，因此可能没有接收方会做出响应。
附图说明
图1是示出了辅助第一车辆和第二车辆之间的车辆对车辆通信的多个无人机的示意图。
图2是多个无人机中的一个的示意图。
图3是多个无人机相对于第一车辆和第二车辆的无人机配置的示意图，其中多个无人机被示出为将天线接收波束聚焦在第一车辆上并且被示出为将天线发射波束聚焦在第二车辆上。
图4是图3所示的无人机配置的另一示意图。
图5A至图5B是示出了可以使用多个无人机、第一车辆和第二车辆执行的过程的流程图。
具体实施方式
描述了一种无人机通信系统，所述无人机通信系统包括多个无人机，所述多个无人机可以辅助促进车辆对车辆(V2V)通信。根据一个说明性示例，一种方法可以包括：当接收方车辆超出无线射程时，从发送车辆向将天线波束聚焦在所述发送车辆上的多个无人机发射消息，使得所述多个无人机然后可以通过将天线波束聚焦在所述接收方车辆上来向所述接收方车辆发射所述消息。
根据上述至少一个示例，所述接收方车辆上的所述聚焦的天线波束形成共形波前。
根据上述至少一个示例，所述方法还可以包括：在所述发送车辆处，经由将天线波束聚焦在所述发送车辆上的多个无人机接收来自所述接收方车辆的答复消息。
根据另一个说明性示例，一种方法可以包括：相对于第一车辆和第二车辆确定多个无人机的无人机配置；在所述多个无人机中的每一个处接收来自所述第一车辆的消息；以及经由共形波前向所述第二车辆发射所述消息，所述波前是基于所述配置和相应的无人机相位延迟。
根据上述至少一个示例，基于所述多个无人机与所述第一车辆之间的相位延迟的最小化来确定所述配置。
根据上述至少一个示例，基于所述多个无人机与所述第二车辆之间的相位延迟的最小化来确定所述配置。
根据上述至少一个示例，接收所述消息还包括使用第一组相位延迟参数来重构所述消息，其中每个参数与所述多个无人机中的一个和所述第一车辆相关联。
根据上述至少一个示例，接收还包括将所述多个无人机中的每一个的天线接收波束聚焦在所述第一车辆上。
根据上述至少一个示例，发射所述消息还包括计算第二组相位延迟参数，其中每个参数与所述多个无人机中的一个和所述第二车辆相关联。
根据上述至少一个示例，发射还包括将所述多个无人机中的每一个的天线发射波束聚焦在所述第二车辆上。
根据上述至少一个示例，所述方法还可以包括：在确定所述配置之前，确定在所述多个无人机之间建立无人机对无人机通信。
根据上述至少一个示例，所述方法还可以包括：在确定所述配置之前，确定辅助所述第一车辆和所述第二车辆之间的车辆对车辆通信。
根据上述至少一个示例，所述方法还可以包括：在接收和发射所述消息时以及在所述第一车辆和所述第二车辆移动时，保持所述配置。
根据上述至少一个示例，所述方法还可以包括：在从所述第二车辆接收针对所述第一车辆的答复消息之前，更改所述配置以使所述多个无人机与所述第二车辆之间的相位延迟最小化。
根据另一个说明性示例，一种系统包括：多个无人机，所述多个无人机各自具有处理器和存储可由所述相应处理器执行的指令的存储器，所述相应指令包括用于进行以下操作的指令：相对于第一车辆和第二车辆，确定所述多个无人机的无人机配置；在所述多个无人机中的每一个处接收来自所述第一车辆的消息；以及经由共形波前向所述第二车辆发射所述消息，所述波前是基于所述配置和相应的无人机相位延迟。
根据上述至少一个示例，所述指令还可以包括用于进行以下操作的指令：确定所述配置以使所述多个无人机与所述第一车辆之间、所述多个无人机与所述第二车辆之间或这两种情况的相位延迟最小化。
根据上述至少一个示例，所述指令还可以包括用于进行以下操作的指令：在接收时，将所述多个无人机中的每一个的天线接收波束聚焦在所述第一车辆上；以及在发射时，将所述多个无人机中的每一个的天线发射波束聚焦在所述第二车辆上。
根据上述至少一个示例，所述指令还可以包括用于进行以下操作的指令：在确定所述配置之前，确定在所述多个无人机之间建立无人机对无人机通信。
根据上述至少一个示例，所述指令还可以包括用于进行以下操作的指令：在确定所述配置之前，确定辅助所述第一车辆和所述第二车辆之间的车辆对车辆通信。
根据上述至少一个示例，所述指令还可以包括用于进行以下操作的指令：在从所述第二车辆接收针对所述第一车辆的答复消息之前，更改所述配置以使所述多个无人机与所述第二车辆之间的相位延迟最小化。
根据至少一个示例，公开了一种计算机，所述计算机被编程为执行上述示例的任何组合。
根据至少一个示例，公开了一种计算机，所述计算机被编程为执行上述一种或多种方法的示例的任何组合。
根据至少一个示例，公开了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储可由计算机处理器执行的指令的计算机可读介质，其中所述指令包括上述指令示例的任何组合。
根据至少一个示例，公开了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储可由计算机处理器执行的指令的计算机可读介质，其中所述指令包括上述一种或多种方法的示例的任何组合。
现在转向附图，其中在所有各图中相同的数字表示相同的部分，示出了无人机通信系统10，所述无人机通信系统包括多个无人机12、14、16，所述多个无人机可以辅助促进车辆对车辆(V2V)通信。如下面将更多描述的，无人机12至16可以各自通过将天线波束接收聚焦在第一目标车辆18(例如，发送车辆)上来从所述第一目标车辆18接收相对弱的无线信号。所述信号可以包括针对第二目标车辆20(例如，预期接收方车辆)的消息。然而，在至少一些示例中，例如基于车辆18、20、障碍物21等之间的距离，从车辆18所发送的无线信号在到达车辆20之前可能会衰减。无人机12至16可以使用分别接收的信号来重构最初发射的信号(来自第一车辆18)，放大所述重构的信号，然后例如通过将它们相应的天线波束发射聚焦在车辆20上来将所述重构的信号发射到车辆20。因此，可以在原本可能不可行的情况下，在车辆18和20之间实现无线消息通信。
如下面将更多解释的，这种辅助的车辆对车辆(V2V)通信可以基于以下而实现，即无人机12至16中的每一个都了解到它们相对于彼此的相对间距和取向(例如，无人机配置22)并且了解到它们中的每一个与第一车辆18和第二车辆20的相对间距和取向。此外，如下面将更多解释的，无人机12至16可以确定相对于车辆18、20的最佳无人机配置、射程和取向。
可以使用至少两个无人机来实现本文所述的相位和波束聚焦技术。并且虽然示出了三个无人机(12至16)，但在其他示例中可以使用更多的无人机。此外，在至少一个示例中，所示的无人机12至16可以是完全相同的；因此，出于说明的目的，本文将仅描述一个。
如图2所示，无人机12可以是任何飞行器，其可以由无人机12自身上的至少一个计算机26至少部分地(如果不是全部的话)来操作和控制。无人机的非限制性示例包括无人驾驶飞行器(UAV)、无人驾驶飞机系统(UAS)等。无人机12的自主操作尤其可以包括无人机飞行控制、无人机转向、无人机稳定、无人机导航、无人机对无人机通信、无人机位置确定、车辆位置确定以及无人机天线控制(例如，波束成形、波束转向、放大等)。用于自主飞行控制、转向、稳定和导航的技术在本领域中是已知的并且下面不会详细讨论。
为了改善V2V通信，无人机12可以包括计算机26(所述计算机包括耦接到存储器30的至少一个处理器28)、远程信息处理装置32、天线电路34和传感器系统36。计算机26可以是单个计算机(或多个计算装置(例如，与其他无人机系统和/或子系统共享))。处理器28可以是能够处理电子指令的任何类型的装置，非限制性示例包括微处理器、微控制器或控制器、专用集成电路(ASIC)等，仅仅列举几个示例。一般来讲，计算机26可以被编程为执行数字存储的指令，所述数字存储的指令可以存储在存储器30中，使得计算机26尤其能够进行以下操作：在多个无人机12至16之间确定将来自第一车辆18的消息中继到第二车辆20；确定适合用于接收和重构携带消息的信号(例如，基于相位延迟)的无人机配置22；将多个无人机12至16中的每一个的天线接收聚焦在第一车辆18上以接收消息；再次使用相位延迟参数来确定也适合用于将具有共形波前37(例如，波前37可以具有平坦的前缘)的信号内的消息朝向第二车辆20发射的无人机配置22；以及将多个无人机12至16中的每一个的天线发射聚焦在第二车辆20上以向其发送消息。
远程信息处理装置32可以是被配置为与其他电子装置进行无线通信(即与诸如车辆18、20等的目标车辆进行无线通信)的任何合适的电信装置。装置32可以包括专用微处理器(未示出)、至少一个无线芯片组38以及耦接到芯片组38的匹配天线40。芯片组38可以促进根据预定频率、符号率等进行的无线通信。远程信息处理装置32可以使用芯片组38和天线40，经由蜂窝通信(例如，GSM、CDMA、LTE等)、经由中程无线通信(例如，专用短程通信(DSRC))、经由短程无线通信(例如，蓝牙、Wi-Fi、Wi-Fi Direct等)、其组合等进行通信。在至少一个示例中，当尝试车辆对车辆通信时，装置32经由与车辆18、20不同的频率和/或协议进行通信。一个示例包括使用诸如Wi-FiDirect、蓝牙或其他合适的对等通信的协议而经由短程无线通信链路进行的通信。以这种方式，无人机间通信可能不太可能干扰车辆对无人机(或无人机对车辆)通信，如下面将更详细解释的。
天线电路34可以用于在车辆18、20之间中继通信，例如，用于接收来自车辆18的消息然后向车辆20发射所述消息。一般来讲，电路34可以包括任何合适的定向天线。在图示(图2)中，电路34包括相控阵列天线实施方式；然而，这仅仅是一个示例。例如，相控阵列天线实施方式可以包括：多个天线元件44，所述多个天线元件耦接到电源46(所述电源可以在天线44之间分配功率)；收发器48(耦接到电源46和计算机26)；以及移相驱动器50，所述移相驱动器耦接到天线中的每一个(也耦接到计算机26)。在操作中，计算机26可以使用驱动器50来选择性地控制一个或多个天线44的致动。以这种方式，天线电路34可以使用本领域技术人员已知的相位控制技术来控制一个或多个天线44的方向性。此外，计算机26可以通过控制收发器48来将天线44在接收模式和发射模式之间选择性地切换。
如下面将更多讨论的，计算机26可以操作天线接收波束(例如，以接收来自第一车辆18的消息)并且相对快速地切换到天线发射波束(例如，以向第二车辆20发送所述消息)。该切换可能不仅包括将收发器48从接收模式变为发射模式，而且包括改变天线44的方向性(例如，从第一车辆18变为第二车辆20)。根据至少一个示例(例如，诸如相控阵列示例)，从第一车辆18到第二车辆20的波束转向(或所谓的波束移位)可以发生在彼此的1/4波长内。以这种方式，可以使接收方车辆(例如，车辆20)处经历的发射滞后最小化。本领域技术人员将理解相控阵列天线致动的其他方面和技术。如下面将更多解释的，当多个无人机(例如，12至16)控制共同对象(例如，诸如车辆18或20)上的天线接收或天线发射的方向性时，那么无人机12至16可以将它们相应的天线波束聚焦在所述共同对象上，导致发射射程更长且信噪比更高(例如，不管是接收还是发射)；以这种方式，无人机12至16可以促进原本可能困难或不可能(例如，包括在障碍物21周围、超出扩展的射程等)的V2V。
天线电路34可以适于接收和/或发射具有任何合适的频率并且根据任何合适的协议的无线信号。因此，电路34可以被配置为在兆赫(MHz)频带、千兆赫(GHz)频带、太赫(THz)频带或超宽带(UWB)中操作，仅举几个非限制性示例。协议的非限制性示例包括Wi-Fi、蓝牙、DSRC、蜂窝网络等。根据至少一个示例，天线电路34被配置用于DSRC通信，例如更具体地，被配置为参与智能交通系统(ITS)通信。在某些商业实施方式中，DSRC利用5.9GHz频带(例如，美国和欧洲)、5.8GHz频带(例如，日本)、红外频带等；当然，也存在其他示例。以这种方式，无人机12至16(例如，经由它们相应的天线电路34)可以接收从车辆18所发送的并且针对车辆20的DSRC通信消息，特别是当车辆20超出车辆18的射程时。
无人机12上的传感器系统36可以包括定位装置52和一个或多个其他任选的位置确定单元54。根据一个示例，定位装置52为无线电探测和测距(RADAR)装置，即，可以使用无线电波来确定以下各项的对象检测装置：从装置52到车辆18(和/或20)的射程；地面56上的参考点(例如，P1,P2,P3,…,Pn)的射程；车辆18(和/或20)与装置52的角度或取向；和/或车辆18(和/或20)相对于装置52的车速或速度。定位装置52可以包括一个或多个定向天线或全向天线，使得无人机12可以确定其周围的对象的三维定位或位置。除雷达外的定位装置也是可能的，例如包括装置52为GPS装置、光探测和测距(LIDAR)装置等。
在至少一个示例中，传感器系统36包括雷达装置52和至少一个位置确定单元54。单元54的非限制性示例包括：可以使用全球定位系统(GPS)或全球导航卫星系统(GLONASS)来确定位置的电子装置；使用LIDAR的电子装置；使用三角测量、所接收的信号强度、到达角度、飞行时间、差分飞行时间、其组合等来使用确定位置(或相对位置)的电子装置。因此，无人机12可以使用雷达装置52和单元54来更准确地确定其他无人机、地面56、车辆18、20等的相对位置。
现在转向车辆18、20，在至少一个示例中，车辆18、20是完全相同的。因此，将仅详细说明一个。车辆18被示出为轿车；然而，车辆18也可以是使用无人机通信系统10来通信的卡车、运动型多功能车(SUV)、休闲车、公共汽车、列车、船舶等。
车辆18尤其包括促进车辆对车辆(V2V)通信的一个或多个计算机60。根据一个示例，计算机60包括与(无人机12至16的)装置32类似的远程信息处理装置；然而，这不是必需的(例如，虽然计算机60可以为车辆18执行一项或多项电信服务，但它也可以执行其他车辆指令)。根据一个示例，计算机60可以包括处理器62、存储器64、无线芯片组66和匹配的天线68。处理器62可以是能够处理电子指令的任何类型的装置，非限制性示例包括微处理器、微控制器或控制器、专用集成电路(ASIC)等，仅仅列举几个示例。一般来讲，计算机60可以被编程为执行数字存储的指令，所述数字存储的指令可以存储在存储器64中，使计算机60尤其能够进行以下操作：使用与车辆20和无人机12至16共同的协议、信道等来接收和/或发射无线通信；试图经由芯片组66和天线68向另一车辆(例如，诸如车辆20)发射消息；确定所述消息失败(例如，通过未从车辆20接收到确认(ACK)消息)；基于通信失败，识别可以辅助V2V通信的多个无人机(例如，诸如无人机12至16)；以及经由芯片组66和天线68再次发射消息，使得无人机12至16然后可以通过将天线发射波束聚焦在接收方车辆(例如，20)上并通过提供发射(来自多个无人机12至16)作为共形波前37来向接收方车辆发射消息。这些指令仅仅是一个示例；其他示例也是可能的，包括用于进行以下操作的指令：在车辆18处，经由芯片组66和天线68接收经由多个无人机12至16而来自车辆20的答复消息(例如，由于无人机12至16将天线发射波束聚焦在车辆20上)。
存储器64可以包括任何非暂时性计算机可用或可读介质，所述非暂时性计算机可用或可读介质可以包括一个或多个存储装置或制品。示例性非暂时性计算机可用存储装置包括常规的计算机系统RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、以及任何其他易失性或非易失性介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘以及其他持久存储器。易失性介质包括通常构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。计算机可读介质的常见形式包括例如软磁盘、软盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、任何其他具有孔图案的物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其他存储器芯片或盒式磁带、或计算机可以从中读取的任何其他介质。如上面所讨论的，存储器64可以存储一个或多个计算机程序产品，所述一个或多个计算机程序产品可以体现为软件、固件等。
由于无线芯片组66和匹配的天线68可能与芯片组38和天线40完全相同，因此这里不再更详细地描述这些元件。在至少一个示例中，芯片组66和天线68被配置用于DSRC；然而也可以使用其他通信协议和频率。此外，应当理解，在至少一些示例中，车辆18可以具有多个分布式天线68。此外，在至少一个示例中，一个或多个天线68是全向或双向的，并且通常是不可转向的或不可聚焦的。
图3和图4示出了无人机12至16的无人机配置22的简化示例。该图仅用于说明目的而不是限制性的(例如，具体地讲，无人机配置的不同配置将产生具有不同特性的波束，但无人机配置一般是任意的)。在附图中，车辆18、20分别以速度v18和v20沿着道路70行进。这里，车辆18、20沿共同方向移动；然而，这不是必需的。如下面将更多描述的，当车辆18发射针对车辆20的消息时(例如，根据DSRC)，车辆20可以与车辆18隔开足够的距离以至于其超出无线射程。或者例如，自然障碍物或人为障碍物(诸如图1所示的障碍物21)可能导致消息无法到达车辆20(或者消息的强度和/或质量可能降低，以至于车辆20无法从信号噪声中分解出所述消息)。障碍物的非限制性示例包括山地、道路弯曲部、建筑物、隧道、其组合等。
无人机12至16可能已处于(或进入)配置22，因此可以辅助V2V通信。图3示出了无人机12至16的沿着Y轴彼此隔开的配置22(其中，车辆18、20沿着X轴隔开，并且定位在无人机12、16之间的无人机14沿着Z轴定位(例如，相对于地面56竖直))。如下面将更多讨论的，在辅助车辆18、20之间的V2V通信时，可能存在可以使每个车辆18、20与无人机12至16之间的相位延迟最小化的理想的(例如，甚至是最佳的)配置22。当然，由于车辆18、20可能在移动(并且可能具有不同的速度)、由于周围的地形(和潜在的障碍物21)可能在变化(相对于车辆18、20)、以及由于道路70的形状、方向和/或斜度可能在变化，因此无人机12至16的最佳配置也可能在变化。因此，图3至图4仅示出了一个示例。
图3还示出了在无人机12至16中的每一个与每个相应的车辆18、20之间的波束聚焦。无人机12可以将具有发散角α18的天线波束72朝向车辆18聚焦和/或可以将具有发散角α20的天线波束74朝向车辆20聚焦；取决于相应的收发器48的模式，波束72、74中的任一个可以是天线接收波束或天线发射波束。无人机14可以将具有发散角β18的天线波束76朝向车辆18聚焦和/或可以将具有发散角β20的天线波束78朝向车辆20聚焦；再一次，取决于相应的收发器48的模式，波束76、78中的任一个可以是天线接收波束或天线发射波束。并且无人机16可以将具有发散角γ18的天线波束80朝向车辆18聚焦和/或可以将具有发散角γ20的天线波束82朝向车辆20聚焦；并且再一次，取决于相应的收发器48的模式，波束80、82中的任一个可以是天线接收波束或天线发射波束。角α18、α20、β18、β20、γ18和γ20的量可以相同和/或不同。在至少一个示例中，无人机12至16中的每一个基于相应的和相对的视线(LOS)射程r12,18、r12,20、r14,18、r14,20、r16,18和r16,20(图4)来确定并调整相应波束的形状，如下面将更详细解释的。图4示出与图3类似的图，不同之处在于隐藏了波束72至82，相反示出了射程r12,18、r12,20、r14,18、r14,20、r16,18和r16,20。
现在转向图5A至图5B，示出了过程500，其各部分可以使用无人机通信系统10或者车辆18、20中的一个来执行。所述过程开始于框502，其中无人机12至16使用相应的计算机26来建立无人机对无人机通信(例如，建立无线无人机通信网络90)。可以由无人机12至16中的一个或多个无人机例如使用相应的计算机26来执行下述指令中的至少一些。例如，单个无人机(例如，无人机12)可以通过控制其余无人机(例如，如在主从关系中那样)来执行指令；或者每个无人机12至16可以被编程为例如通过根据一组预定的协议和优先级进行操作来执行指令中的至少一些，其中无单个无人机控制其余无人机。这些仅仅是两个无人机操作示例；也存在其他示例。
根据框502的一个示例，无人机12至16使用它们相应的远程信息处理装置32而经由蜂窝、蓝牙、Wi-Fi、Wi-Fi Direct或其他合适的短程、中程或远程无线通信来建立通信。在至少一个示例中，无人机12至16经由诸如蓝牙的对等协议来建立通信。再次，如上面所讨论的，可以使用多于或少于三个无人机。此外，例如随着可用的无人机进入辅助促进V2V通信的联网无人机集群的附近(或离开它们附近)，可以临时向网络90添加或从中移除附加的无人机。
之后可以是框504。这里，无人机12至16可以使用相应的计算机26来确定执行两个目标车辆(例如，车辆18、20)之间的V2V辅助。该确定可以任何合适的方式出现。根据一个示例，无人机12至16以监听模式操作，例如，直到被请求才与车辆18、20交互。例如，车辆18可以发射(经由芯片组66)针对车辆20的消息，并且例如，车辆18可以基于未从车辆20接收到确认(ACK)消息来推断出失败。基于该推断出的失败，车辆18可以经由DSRC来与无人机网络90进行通信，例如，请求V2V辅助。
存在框504的其他示例。例如，无人机12至16中的一个或多个可以确定车辆18、20的通信尝试失败并且可以进行调解。仍还存在其他示例。
在之后的框506中，根据一个示例，无人机12至16中的每一个可以确定其相对于目标车辆18、20中的每一个的相对定位和取向。例如，每个相应的计算机26可以利用其车载传感器系统36(例如，RADAR、GPS等)来确定相对位置和取向参数。根据一个示例，每个无人机12至16识别其当前位置以及目标车辆18、20的对应定位(例如，相对于所述无人机)。在某些情况下，每个无人机还可以使用地面56上的参考点(例如，P1,P2,P3,…,Pn)来识别此定位和取向数据，例如，这样无人机12至16可以具有共同的参考系。在这种情况下，无人机12至16中的每一个可以利用相同的一个或多个当前参考点；应当理解，在V2V通信辅助期间，由于车辆18、20(和无人机12至16)可能在移动，因此参考点可能会不时地变化。
在至少一个示例中，框508与框506至少部分同时发生。在框508中，无人机12至16的相应的计算机26可以确定无人机的初始无人机配置22。如本文所用，无人机配置限定了无人机通信网络90中的一个无人机相对于至少另一个无人机(即无人机通信网络90)的相对位置，并且当无人机处于配置22时，无人机中的每一个一起作为一个整体移动，从而保持它们相对于彼此的相对位置和取向(例如，在预定公差内)。因此，在框508中，无人机12至16可以确定它们的当前配置22(例如，在框504时，此时无人机12至16被确定为辅助V2V)。在至少一个示例中，网络90为短程无线通信网络(例如，诸如蓝牙)，并且配置22的大小受无人机12至16的相对位置及其间的相应蓝牙衰减射程限制。
在之后的框510中，无人机12至16的相应计算机26中的至少一个可以确定更改配置22。如果无人机12至16确定更改或重新配置配置22，则过程500前进到框520。如果无人机确定不更改配置，则所述过程前进到框530。
框520可以包括框522、524和526；应当理解，可以重复地迭代框520以补偿由于风、天气等导致的无人机之间的漂移。因此，过程500可以从框510前进到框522。在框522中，无人机12至16的相应计算机26可以确定最佳的或更理想的配置。在至少一个示例中，更理想的无人机配置平衡和/或最小化无人机12至16与相应车辆18(或20)之间的通信延迟。如下所述，例如当无人机12至16将来自车辆18的无线信号中继到车辆20时，更理想的配置22还可以促进共形波前37的形成。例如，车辆18可以具有全向发射器(例如，具有弯曲的波前)。当无人机12至16处于接收模式时，无人机配置22形成以关于波前曲率的先验假设调谐的空间滤波器。根据一个示例，这个假设可以是共形波前37是平坦的；然而，这仅仅是一个示例。其他共形形状也是可能的。(类似地，在发射模式下来自无人机12至16的波前(例如，朝向车辆20)可以弯曲成与可能本质上为球形的车辆20的天线相符；然而，在发射模式下的共形波前37可能也是平坦的(例如，为简单起见)。
如本文所用，共形波前37是在接收模式或发射模式下的波前，其符合相应的发射车辆天线或接收车辆天线的形状。根据一个示例，共形波前37可以包括平坦的中间部分91，并且可以具有不平坦的外部区域93、95(所述外部区域从中间部分91向外延伸)。中间部分91可以至少与车辆18或20的车舱97一样大。例如，为形成平坦的波前，无人机12至16的位置和取向需要共享共同的轴线和沿着该轴线的方向；例如，通过使用附图进行说明，无人机12至16(到车辆20，如下所述)的发射的至少某个分量可以沿着正X轴，尽管沿着Y轴和Z轴的分量可以不同。形成共形波前37的其他方面利用相位延迟参数(例如，τ12,20、τ14,20、τ16,20)，如下所述。
在又一示例中，确定更理想的配置22可以包括确定将无人机12至16中的一个或多个重新定位在车辆18、20的无线射程内。为进行说明，考虑例如道路70的直道(例如，在图3至图4的简化示例中示出)；如果无人机12比无人机16距离无人机14更远(例如，如果r12,18>>r16,18并且r12,20>>r16,20)，那么更理想的无人机配置可能是将无人机12移动得更靠近无人机14、16(例如，使得r12,18≈r16,18并且r12,20≈r16,20)。在该简化示例中，这可以将无人机12置于车辆18和20的无线射程内，并且还可以使无人机12与车辆18以及无人机12与车辆20之间的相位延迟最小化。
如本文所用，相位延迟是指在车辆与至少两个无人机之间的无线发射中的差分时间延迟，并且如本文所用，相位延迟参数是指这种差分时间延迟的值。例如，如果车辆18发射DSRC信号，则所述信号可以由无人机12、14和16中的每一个在不同的时间接收；例如，如果到无人机12、16的射程r12,18、r16,18比到无人机14的射程r14,18长，那么与车辆18和无人机14相关联的相位延迟参数(τ14,18)可以为零，但无人机12、16(相对于车辆18)的相位延迟参数(τ12,18，τ16,18)可以大于零。当然，无人机12的相位延迟参数τ12,18与无人机16的相位延迟参数τ16,18也可能不同。类似地，如果无人机12、14、16中的每一个同时向车辆20发射了信号，则由于相位延迟(例如，可能不同的值τ12,20、τ14,20、τ16,20)，可能会在车辆20处在三个不同时间接收到所述信号。因此，在框520中，无人机12至16的计算机26可以至少部分地基于无人机网络90内的总体相位延迟(例如，τ12,18、τ14,18、τ16,18、τ12,20、τ14,20、τ16,20)的最小化来确定新的配置22。
在框524中(其可以与框522至少部分地同时发生)，无人机12至16的计算机26可以确定第一组相位延迟参数(例如，τ12,18、τ14,18、τ16,18)(例如，在这种情况下，与接收有关)和第二组相位延迟参数(例如，τ12,20、τ14,20、τ16,20)(例如，在这种情况下，与发射有关)。第一组相位延迟参数可以与无人机12至16相对于车辆18的相对位置和/或取向相关联。并且第二组相位延迟参数可以与无人机12至16相对于车辆20的相对位置和/或取向相关联。如本文所用，第一组(或第二组)相位延迟参数为两个或更多个相位延迟值，布置22中的每个无人机各一个。如上所述，无人机中的至少一个的相位延迟值可以等于零(0)；然而，这不是必需的。根据至少一个非限制性示例，可能期望的是，组中的相位延迟参数的最大值不大于相应组中的不同相位延迟参数的较小值的十倍；然而，这仅仅是一个示例，并且还存在其他示例。
在框526中，无人机12至16中的一个或多个可以根据新确定的无人机配置22(例如，根据框522中的确定)来移动和重新定位。应当理解，例如因为情况可以基于车辆18、20的变化的车速和/或方向、基于地形的变化、基于不同的障碍物等而反复地变化，因此在框522中确定的配置22可以是临时的。
在框520的至少一个示例中，(框526的)无人机12至16的配置22可以改变相对于车辆18、20中的一个或两者的无人机位置和/或取向。例如，配置22可以作为单一整体而相对于车辆18、车辆20或两者移动。在框526之后，过程500可以前进到框528。
在框528中，无人机12至16可以至少暂时保持该配置22。例如，无人机12至16可以保持配置22至少直到无人机12至16从车辆18接收到无线信号(例如，包括针对车辆20的消息)。如下面讨论的框中所描述的，可以进一步保持该配置22直到消息被从无人机12至16发射到车辆20。在框528之后，过程500可以前进到框540。
回到框530(其可以在框510之后，此时无人机12至16确定不更改框508中所确定的初始配置22)，在框530中，一个或多个无人机12至16可以确定相应的第一组相位延迟参数(例如，τ12,18、τ14,18、τ16,18)和相应的第二组相位延迟参数(例如，τ12,20、τ14,20、τ16,20)。计算机26执行的该指令可以与框524完全相同或相似(不同之处在于它属于不同的射程r12,18、r12,20、r14,18、r14,20、r16,18和r16,20)；因此，将不对其进行更详细描述。框528(保持配置22，在这种情况下，在框508中确定的初始配置)可以在框530之后。并且再一次，在框530之后，所述过程前进到框540。
在框540中，无人机12至16可以各自将天线接收波束聚焦在第一目标车辆18处。在随后的示例中，天线44被描述为相控天线阵列；然而，这仅仅出于示例目的，并不旨在进行限制。例如，无人机12至16的每个相应的计算机26可以将收发器48置于接收模式，并且聚焦天线44的相控阵列可以朝向车辆18引导。天线44的焦点可以控制无人机12至16的相应的相控阵列天线的发散角(α18、β18、γ18)。例如，图3(上文讨论)示出了每个波束72、76、80的焦点可以基于相应的无人机(12、14、16)相对于车辆18的位置和取向而不同。
在框542中，无人机12至16中的每一个可以经由聚焦的波束72、76、80来接收携带来自车辆18的消息(并且针对车辆20)的无线信号。由于射程r12,18、r14,18、r16,18可能不同，因此可能会在不同的时间接收到这些无线信号。此外，在至少一些示例中，分别接收的无线信号中的一个或多个可能相对较弱；例如，SNR可以为10至15分贝(dB)。
在框544中，无人机12至16可以重构从车辆18的计算机60所发射的原始无线信号。根据一个示例，无人机12至16可以经由相应的计算机26来将实际的相位延迟参数与所计算的参数(例如，框522的参数)进行比较，并且假如所计算的值和实际值在预定公差内，则无人机12至16确定成功接收了消息。在框544中，不管计算机26是否执行比较指令，计算机26都可以使用相位延迟参数τ12,18、τ14,18、τ16,18来将所接收的无线信号相关联、组合所述信号并重构来自车辆18的原始发射。
在框546中，无人机12至16可以将它们相应的天线电路34的收发器48切换到发射模式，并且还可以将它们相应的相控阵天线44转向第二目标车辆20。与以上讨论类似，天线44的焦点可以控制无人机12至16的相应的相控阵列天线的发散角(α20、β20、γ20)。例如，图3(上文讨论)示出了每个波束74、78、82的焦点可以基于相应的无人机(12、14、16)相对于车辆20的位置和取向而不同。框546也可以包括非时域复用示例。例如，无人机12至16中的每一个可以包括多个天线或被划分的单个天线。并且配置22可以使用多个天线或例如两个半双工信道来进行双向通信(例如，而无需在发射模式和接收模式之间切换)。
在之后的框548中，相应的无人机12至16的计算机26可以向车辆20的相应的计算机60发射(框544的)重构的信号。根据一个示例，根据它们的相应的计算出的相位延迟参数(例如，最小到最大)，具有最远射程的无人机可以首先发射，然后是每个依次更近的无人机。通过使用附图进行说明，无人机14的射程r14,20可能最小，而无人机16的射程r16,20可能最大。在这样的示例中，相位延迟参数τ16,20可以为零(0)，相位延迟参数τ12,20可以大于相位延迟参数τ16,20，并且相位延迟参数τ14,20可以大于相位延迟参数τ12,20。因此，在操作中，根据上述配置22，无人机16可以发起重构的无线信号的发射(在时间(t)＝0)，无人机12可以在稍后时间(t＝τ12,20)发射重构的信号，然后无人机14可以(在稍后时间(t＝τ14,20))最后发射重构的信号。以这种方式，波前37的中间部分91(例如，对准车辆20并由其接收)可以是平坦的，并且聚焦的信号可由计算机60分解出来，例如即使无人机12至16与车辆20之间的距离可能会比使用协议的情况下的典型无线射程更大。并且当这些单独的无线无人机信号被作为共形波前37接收时(例如，相长干涉)，车辆20可以将这些多个信号感知为单个无线信号或发射。
应当理解，如果无人机发射不以这种方式同步，则在车辆20处可以接收到凹面波前或凸面波前。例如，无人机12、14、16同时发射(例如，不根据上面示例中讨论的相位延迟参数)可能会引起凹面波前。或者例如，无人机14的发射滞后于无人机12、16的发射可能会引起凸面波前。无论形状如何，车辆20都可能无法分解出非平坦的波前或其他未聚焦的发射，因为信号的强度和/或质量可能会大大降低。此外，在某些情况下，代替相长干涉，无线信号甚至可以相消地组合。
通过无人机12至16的相应天线44的波束转向的使用以及使用相位延迟技术对共形波前37的构造，仅预期的接收方可以接收信号。例如，道路70可以具有许多其他可以拦截无线信号的车辆(例如，诸如图1中的车辆92)。计算机26可以使用前述指令，通过使接收所发射的信号的接收方最小化、规避潜在的窃听者等等来增加通信安全性。在一些示例中，仅预期接收方(例如，车辆20)可以接收无线信号。
因此，车辆20(经由芯片组66和天线68)可以接收从车辆18所发送的消息，即使直接的车辆对车辆通信是不可行的或不成功的。此外，使用相位延迟技术，可以扩展无线射程。根据一个非限制性示例，最大DSRC射程可以为大约300米；然而，通过使用聚焦的天线波束74、78、82并形成共形波前37，所述发射可以扩展到20公里。响应于接收到重构的信号，如以下更多描述的，车辆20可以发送答复消息。
在框548之后，过程500可以前进到框550(例如，再次确定是否更改配置22)。框550可以与框510相似或完全相同；因此，不再进行详细描述。然而，应当理解，车辆18、20可以分别以速度v18和v20移动。在一些示例中，速度v18和v20可以是同一值并且道路70可以是笔直的；因此，无人机12至16的计算机26可以确定不更改配置22，并且过程500可以前进到框554。然而，在其他示例中，速度v18和v20可能不同，道路70可能不是笔直的，车辆18、20可能正在接近不同的障碍物21等。因此，情况可能已变化，这使得首先更新配置22然后再继续是期望的(例如，或者甚至更佳的)。在后一种情况下，过程500可以首先前进到框552。
框552可以与框520相同；因此，这里不再讨论。作为框552的结果，无人机计算机26中的一个或多个可以存储新的相位延迟参数，可以保持新的配置，可以具有相对于车辆18和/或20的新的位置和取向等等。在框552之后，所述过程前进到框554。
在框554中，无人机12至16的计算机26可以确定促进来自车辆20的答复消息到车辆18的中继。在框554中，无人机12至16的计算机26可以将收发器48再次切换到接收模式，并且将天线波束74、78、82聚焦在车辆20上。
并且在框556中，无人机12至16中的每一个可以经由计算机26从车辆20接收携带答复消息的无线信号。可以根据与上述讨论的那些类似的指令(例如，使用相应的计算机26)来重构该信号，从而可以将所述消息提供给车辆18(例如，使用确定的相位延迟参数、共形波前等)。因此，在至少一些示例中，可以重复使用无人机12至16来在车辆18、20之间来回发送通信。此后，过程500可以结束。
因此，应当理解，无人机12至16的操作可以与所谓的合成孔径阵列相关联，所述合成孔径阵列各自具有不同的三维位置和取向，并且各自相对于包括地面56上的点P1、P2等的参考系移动。与合成孔径阵列类似，上面讨论的配置22中使用的无人机越多，重构的信号的强度和/或质量越高，并且接收方车辆接收到的信号的强度和/或质量也越高。
也存在其他示例。根据一个示例，框550可以在框544和框546之间发生；即，无人机可以在从车辆18接收到无线信号之后但在将重构的信号发射到车辆20之前更改配置22。
在另一示例中，可以使用一组或多组附加的无人机来扩展车辆18和20之间的射程。例如，第一组无人机可以确定配置，从车辆18接收无线信号，然后将重构的信号发射到第二组无人机。具有其自己的配置的第二组无人机可以接收重构的无线信号并将其发射到车辆20。当然，一组或多组中间无人机也可以在第一组和第二组之间隔开(例如，以进一步扩展无线射程)。
因此，已经描述了可以用于两个车辆之间的车辆对车辆(V2V)通信的无人机通信系统。车辆可以使用所述系统来在射程和/或障碍物原本可能会阻止无线通信时进行通信。
一般来讲，所描述的计算系统和/或装置可以采用许多计算机操作系统中的任一者，包括但绝不限于以下版本和/或变型的操作系统：Ford
Figure BDA0002388708450000201
应用程序、AppLink/Smart Device Link中间件、
Figure BDA0002388708450000202
汽车操作系统、Microsoft
Figure BDA0002388708450000203
操作系统、Unix操作系统(例如，由加州红木海岸的Oracle公司发布的
Figure BDA0002388708450000204
操作系统)、由纽约阿蒙克市的International Business Machines发布的AIXUNIX操作系统、Linux操作系统、由加州库比蒂诺的Apple公司发布的Mac OSX和iOS操作系统、由加拿大滑铁卢的Blackberry有限公司发布的BlackBerry OS，以及由Google股份有限公司开发的Android操作系统和由QNX Software Systems供应的Open HandsetAlliance或
Figure BDA0002388708450000211
CAR信息娱乐平台。计算装置的示例包括但不限于车载计算机、计算机工作站、服务器、台式计算机、笔记本计算机、或膝上型计算机或手持计算机、或一些其他计算系统和/或装置。
计算装置一般包括计算机可执行指令，其中所述指令可以由诸如以上列出的那些计算装置等一个或多个计算装置来执行。计算机可执行指令可以由使用各种编程语言和/或技术创建的计算机程序编译或解译，所述编程语言和/或技术单独地或组合地包括但不限于JavaTM、C、C++、Visual Basic、Java Script、Perl等。这些应用中的一些可以在虚拟机(诸如Java虚拟机、Dalvik虚拟机等)上编译和执行。一般来讲，处理器(例如，微处理器)接收例如来自存储器、计算机可读介质等的指令并且执行这些指令，由此执行一个或多个过程，包括本文所述的过程中的一个或多个。可以使用多种计算机可读介质来存储和发射此类指令和其他数据。
计算机可读存储介质(也被称为处理器可读介质)包括参与提供可以由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的任何非暂时性的(例如，有形的)介质。此类介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘以及其他持久性存储器。易失性介质可以包括例如通常构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。此类指令可由一种或多种传输介质来传输，所述传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括构成联接到计算机的处理器的系统总线的电线。计算机可读介质的常见形式包括例如软磁盘、软盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、任何其他具有孔图案的物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其他存储器芯片或盒式磁带、或计算机可以从中读取的任何其他介质。
数据库、数据仓库或本文描述的其他数据存储装置可以包括用于存储、访问和检索各种数据的各种机构，包括分层数据库、文件系统中的文件集、专用格式的应用程序数据库、关系型数据库管理系统(RDBMS)等。每个这样的数据存储装置通常包括在采用诸如上述一种操作系统的计算机操作系统的计算装置内，并且经由网络以各种方式中的任何一种或多种来访问。文件系统可以从计算机操作系统访问，并且可以包括以各种格式存储的文件。除了用于创建、存储、编辑和执行已存储的程序的语言(诸如上面提到的PL/SQL语言)之外，RDBMS通常还采用结构化查询语言(SQL)。
在一些示例中，系统元件可以被实现为一个或多个计算装置(例如，服务器、个人计算机等)上的计算机可读指令(例如，软件)，所述计算机可读指令存储在与其相关联的计算机可读介质(例如，磁盘、存储器等)上。计算机程序产品可以包括存储在计算机可读介质上的用于执行本文描述的功能的此类指令。
处理器经由电路、芯片或其他电子部件来实现，并且可包括一个或多个微控制器、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个专用电路(ASIC)、一个或多个数字信号处理器(DSP)、一个或多个客户集成电路等。处理器可被编程来处理传感器数据。处理数据可包括处理由传感器捕获的视频馈送或其他数据流，以确定主车辆的道路车道和任何目标车辆的存在。如下所述，处理器指示车辆部件根据传感器数据来致动。处理器可结合到控制器(例如，自主模式控制器)中。
存储器(或数据存储装置)经由电路、芯片或其他电子部件来实施，并且可包括以下一个或多个：只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；快闪存储器；电可编程存储器(EPROM)；电可擦除可编程存储器(EEPROM)；嵌入式多媒体卡(eMMC)；硬盘驱动器；或任何易失性或非易失性介质等。存储器可存储从传感器所收集的数据。
已经以说明性方式描述了本公开，并且应理解，已经使用的术语意图是描述性字词的性质而非限制性字词的性质。鉴于以上教导，本公开的许多修改和变化是可能的，并且本公开可以不同于具体描述的其他方式来实践。

Claims (20)

1.一种方法，其包括：
当接收方车辆超出无线射程时，从发送车辆向将天线波束聚焦在所述发送车辆上的多个无人机发射消息，使得所述多个无人机然后可以通过将天线波束聚焦在所述接收方车辆上来向所述接收方车辆发射所述消息。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述接收方车辆上的所述聚焦的天线波束形成共形波前。
3.如权利要求1所述的方法，其还包括：在所述发送车辆处，经由将天线波束聚焦在所述发送车辆上的多个无人机，接收来自所述接收方车辆的答复消息。
4.一种方法，其包括：
相对于第一车辆和第二车辆确定多个无人机的无人机配置；
在所述多个无人机中的每一个处接收来自所述第一车辆的消息；以及
经由共形波前向所述第二车辆发射所述消息，所述波前是基于所述配置和相应的无人机相位延迟。
5.如权利要求4所述的方法，其中基于所述多个无人机与所述第一车辆之间的相位延迟的最小化来确定所述配置。
6.如权利要求4所述的方法，其中基于所述多个无人机与所述第二车辆之间的相位延迟的最小化来确定所述配置。
7.如权利要求4所述的方法，其中接收所述消息还包括使用第一组相位延迟参数来重构所述消息，其中每个参数与所述多个无人机中的一个和所述第一车辆相关联。
8.如权利要求4所述的方法，其中接收还包括将所述多个无人机中的每一个的天线接收波束聚焦在所述第一车辆上。
9.如权利要求4所述的方法，其中发射所述消息还包括计算第二组相位延迟参数，其中每个参数与所述多个无人机中的一个和所述第二车辆相关联。
10.如权利要求4所述的方法，其中发射还包括将所述多个无人机中的每一个的天线发射波束聚焦在所述第二车辆上。
11.如权利要求4所述的方法，其还包括在确定所述配置之前，确定在所述多个无人机之间建立无人机对无人机通信。
12.如权利要求4所述的方法，其还包括在确定所述配置之前，确定辅助所述第一车辆和所述第二车辆之间的车辆对车辆通信。
13.如权利要求4所述的方法，其还包括在接收和发射所述消息时以及在所述第一车辆和所述第二车辆移动时，保持所述配置。
14.如权利要求4所述的方法，其还包括在从所述第二车辆接收针对所述第一车辆的答复消息之前，更改所述配置以使所述多个无人机与所述第二车辆之间的相位延迟最小化。
15.一种系统，其包括：
多个无人机，所述多个无人机各自具有处理器和存储可由所述相应处理器执行的指令的存储器，所述相应指令包括用于进行以下操作的指令：
相对于第一车辆和第二车辆，确定所述多个无人机的无人机配置；
在所述多个无人机中的每一个处接收来自所述第一车辆的消息；以及
经由共形波前向所述第二车辆发射所述消息，所述波前是基于所述配置和相应的无人机相位延迟。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述指令还包括用于进行以下操作的指令：确定所述配置以使所述多个无人机与所述第一车辆之间、所述多个无人机与所述第二车辆之间或这两种情况的相位延迟最小化。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述指令还包括用于进行以下操作的指令：在接收时，将所述多个无人机中的每一个的天线接收波束聚焦在所述第一车辆上；以及在发射时，将所述多个无人机中的每一个的天线发射波束聚焦在所述第二车辆上。
18.如权利要求15所述的系统，其中所述指令还包括用于进行以下操作的指令：在确定所述配置之前，确定在所述多个无人机之间建立无人机对无人机通信。
19.如权利要求15所述的系统，其中所述指令还包括用于进行以下操作的指令：在确定所述配置之前，确定辅助所述第一车辆与所述第二车辆之间的车辆对车辆通信。
20.如权利要求15所述的系统，其中所述指令还包括用于进行以下操作的指令：在从所述第二车辆接收针对所述第一车辆的答复消息之前，更改所述配置以使所述多个无人机与所述第二车辆之间的相位延迟最小化。
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