CN111788851A - 车辆和用于控制车辆的方法 - Google Patents

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Abstract

一种车辆包括：控制器，其用于控制所述车辆的至少一个部件的操作；时钟，其用于使车辆的部件的操作同步；存储器，其用于存储相对于车辆的时钟的时钟偏移，以同步车辆的部件的操作；以及接收器，其从相邻车辆集合接收心跳消息集合，从相邻车辆接收的每个心跳消息均包括心跳消息的传送时间、相邻车辆的位置以及相邻车辆的速率。所述接收器在使用车辆的时钟测量的相应接收时间接收每个心跳消息。所述车辆还包括处理器，其用于通过将心跳消息的传送时间和利用未知时钟偏移调整的相应接收时间之间的光传播距离与未知位置处的车辆和从心跳消息中获取的相邻车辆的位置之间的距离进行比较，响应于同时确定车辆在特定时间的未知时钟偏移和未知位置来更新存储在存储器中的时钟偏移。

Description

车辆和用于控制车辆的方法
技术领域
本发明总体上涉及车辆通信网络中的无线通信，尤其涉及车辆的时钟同步。
背景技术
“车对车(V2V)”是一种汽车技术，旨在允许汽车彼此“交谈”。V2V通信启用车辆通信系统和/或网络，其中车辆和路边单元是通信节点，彼此之间提供信息，例如安全警告和交通信息。车辆通信系统可以有效避免事故、自主组队和交通拥堵。然而，那些应用依赖于车辆通信网络中的时间敏感性，这要求形成车辆通信网络的车辆的时钟同步。通常基于全球导航卫星系统(GNSS)的时钟来完成这种同步。
GNSS是一种卫星系统，能用于确定移动接收器相对于地球的地理位置。GNSS包括GPS、Galileo、Glonass和北斗。各种全球导航卫星(GNS)校正系统构造成用于从GNSS卫星接收GNSS信号数据、用于处理这些GNSS数据、用于从GNSS数据计算GNSS校正，并用于将这些校正提供给车辆，以实现更快并且更准确地计算车辆地理位置的目的。
GNSS可以用于使车辆的时钟(即GNSS接收器)相对于GNSS系统的时钟同步。然而，GNSS接收器时钟相对于最终定义特定GNSS系统的稳定原子时间标度漂移。具有不同GNSS接收器的不同车辆可能具有不同的漂移，从而使车辆通信网络不同步。例如，大气条件的不一致影响GNSS信号穿过地球大气层(尤其是电离层)时的速度。校正这些错误是一项重大挑战。当卫星直接位于头顶上方时，这些影响最小，而对于距离地平线更近的卫星则由于穿过大气层的路径更长影响更大。一旦知道了接收器的大概位置，就可以使用数学模型来估计并补偿这些误差。然而，各种位置估计方法也可能具有难以解决的模糊性，例如，参见US2017-0254901。
因此，需要在车辆通信环境中对时间敏感网络进行时钟同步。
发明内容
一些实施方式基于时间敏感联网为汽车工业提供解决方案以实现对形成车辆通信网络的车辆的实时控制的认识。时间敏感的联网需要网络智能同步。因此，可以通过使参与形成网络的车辆的时钟同步来实现允许参与的车辆协调其操作的时间敏感的车辆通信网络。
车辆的时钟可以与车辆的GNSS接收器通信的全球导航卫星系统(GNSS)的时钟同步。然而，一些实施方式基于以下认识：由于不同的车辆可能具有不同的时钟偏移误差，车辆的时钟与GNSS的时钟的单独同步不能保证车辆在网络通信网络中的同步。此外，GNSS同步可能会受到城市环境中卫星信号的多径影响。另外，车辆通信网络中的某些车辆可能不具有GNSS接收器。
不同的标准提供了时钟相互同步的协议。例如，IEEE一直在开发基于精确时间协议(PTP)的同步标准。然而，那些协议需要同步装置之间的信息交换，这在通用的车辆通信网络的背景下可能是不切实际的。
一些实施方式基于以下认识：车辆通信网络对参与车辆具有特殊要求。与其他网络中的节点不同，车辆通信网络中的车辆会定期宣布其存在。例如，在用于车辆环境中的无线访问(WAVE)的IEEE专用短距离通信(DSRC)中，要求车辆每100毫秒传送一次心跳消息，以向相邻车辆宣布其存在。心跳消息的属性包括临时ID、时间、纬度、经度、海拔、位置精度、速度和传送、航向、加速度、方向盘角度、制动系统状态和车辆大小之一或组合。
一些实施方式基于以下认识：该心跳消息包括必要的同步数据，因此可以用于同步。这种方法减少了网络流量并减轻了干扰。利用自动传送的同步数据，车辆可以实现静默同步，而无需常规同步方法中执行的消息交换。
例如，一些实施方式基于这样的认识，即在假设车辆的时钟偏移和车辆的位置未知的情况下，可以基于在多个心跳消息中接收到的信息的三边测量，将车辆的时钟与其他车辆的时钟同步。这是因为可以用两种方法进行车辆的三边测量。一种方法使用在心跳消息的传送和接收时间之间光传播的距离，该距离是未知时钟偏移的函数。另一方法使用特定时间多个车辆的位置与车辆的未知位置之间的距离。通过比较两种距离，能够同时确定车辆在特定时间的未知时钟偏移和未知位置。
一些实施方式基于以下认识：上述方法可以用于具有导航系统(例如GNSS)的车辆或不具有导航系统的车辆。这是因为当利用使用时钟的导航系统确定位置时，时钟偏移中的错误会传导至位置测量。因此，一些实施方式不信任该位置，并且随后刻意使用三边测量来同时确定未知时钟偏移和未知位置(即使当偏移和位置的一些值已知时)。以这种方式，可以校正引起位置不确定性的偏移不确定性。
因此，一个实施方式公开了一种车辆，所述车辆包括：控制器，所述控制器用于控制所述车辆的至少一个部件的操作；时钟，所述时钟用于使所述车辆的所述部件的所述操作同步；存储器，所述存储器用于存储相对于所述车辆的所述时钟的时钟偏移，以调整所述车辆的所述部件的所述操作的同步；接收器，所述接收器从相邻车辆集合接收心跳消息集合，从相邻车辆接收的每个心跳消息均包括所述心跳消息的传送时间、所述相邻车辆的位置以及所述相邻车辆的速率，其中，所述接收器在使用所述车辆的所述时钟测量的相应接收时间接收每个心跳消息；以及处理器，所述处理器用于通过将光在所述心跳消息的传送时间和利用所述车辆在特定时间的未知时钟偏移调整的相应接收时间之间的传播距离的第一三边测量与在该特定时间的未知位置处的所述车辆与从所述心跳消息中获取的所述相邻车辆的位置之间的距离的第二三边测量进行比较，响应于同时确定所述车辆在所述特定时间的所述未知时钟偏移和所述未知位置来更新存储在所述存储器中的所述时钟偏移。
另一实施方式公开了一种用于控制车辆的方法，其中，所述方法使用与存储的实施该方法的指令耦合的处理器，其中，所述指令在由实施所述方法的至少部分步骤的所述处理器执行时包括：跳消息集合，从相邻车辆接收的每个心跳消息均包括所述心跳消息的传送时间、所述相邻车辆的位置以及所述相邻车辆的速率，其中，接收器在使用所述车辆的时钟测量的相应接收时间接收每个心跳消息；通过将在特定时间在未知位置处的所述车辆与从所述心跳消息中获取的所述相邻车辆的位置之间的距离与光在所述心跳消息的传送时间和利用所述车辆在该特定时间的未知时钟偏移调整的相应接收时间之间的传播距离进行比较，同时确定所述车辆在所述特定时间的所述未知时钟偏移和所述未知位置；利用所确定的所述时钟偏移更新所述车辆的时钟；并且根据所述车辆的更新的时钟，控制所述车辆的至少一个部件的操作。
又一实施方式公开了一种非暂时性计算机可读存储介质，在所述非暂时性计算机可读存储介质上实现有能由处理器执行的用于进行以下方法的程序，该方法包括：从相邻车辆集合接收心跳消息集合，从相邻车辆接收的每个心跳消息均包括所述心跳消息的传送时间、所述相邻车辆的位置以及所述相邻车辆的速率，其中，所述接收器在使用所述车辆的时钟测量的相应接收时间接收每个心跳消息；通过将在特定时间在未知位置处的所述车辆与从所述心跳消息中获取的所述相邻车辆的位置之间的距离与光在所述心跳消息的传送时间和利用所述车辆在该特定时间的未知时钟偏移调整的相应接收时间之间的传播距离进行比较，同时确定所述车辆在所述特定时间的所述未知时钟偏移和所述未知位置；利用所确定的所述时钟偏移更新所述车辆的时钟；并且根据所述车辆的更新的时钟，控制所述车辆的至少一个部件的操作。
附图说明
[图1]
图1示出了根据一些实施方式的参与时间敏感联网并进行静默时钟同步和位置确定的车辆的示意图。
[图2]
图2示出了基于IEEE精确时间协议(PTP)的同步中的同步消息交换。
[图3]
图3示出了根据一个实施方式的用于基于接收到的心跳消息来使车辆静默同步的控制系统的框图。
[图4]
图4示出了根据一些实施方式的车辆的邻域的实施例。
[图5A]
图5A示出了一些实施方式用于车辆的时钟的静默同步的三边测量的实施例。
[图5B]
图5B示出了一些实施方式用于车辆的时钟的静默同步的三边测量的实施例。
[图6]
图6示出了根据一些实施方式的用于在一组车辆之间进行迭代静默同步的方法的框图。
[图7]
图7示出了根据一个实施方式车辆从四个邻居V1、V2、V3和V4接收心跳消息的示意图。
[图8]
图8示出了根据一个实施方式的用于计算车辆与相邻车辆之间的通信持续时间的示意图。
[图9]
图9示出了根据一些实施方式设计的用于选择相邻车辆组以进行静默同步的前馈神经网络。
[图10]
图10示出了根据本发明的一个实施方式在时间敏感联网中处理接收到的控制命令消息的控制器的框图。
[图11]
图11示出了根据一个实施方式在车辆的同步控制器与其他控制器之间的相互作用的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据一些实施方式的参与时间敏感联网并且进行静默时钟同步和位置确定的车辆100的示意图。如本文所使用的，车辆100可以是任何类型的轮式车辆，例如乘用车、公共汽车或巡视车。此外，车辆100可以是自主或半自主车辆。车辆100包括控制器101，以控制车辆的至少一个部件的操作。车辆100的可控制部件的实施例包括转向系统102、制动系统103、导航系统104等。在一个实施方式中，转向系统102由控制器101控制。另外，或者另选地，转向系统102可以由车辆100的驾驶员控制。
车辆100包括：时钟105，其用于提供正时和/或时钟以同步车辆的部件的操作；存储器106，其用于存储同步数据，例如存储相对于车辆的时钟的时钟偏移，以调整车辆部件的操作的同步性；处理器107，其用于进行时钟和位置计算；收发器108，其用于接收和传送包括心跳消息的V2V消息；以及内部测量单元(IMU)109，其用于测量车辆100的速率。车辆100还可以包括：GNSS接收器110，其用于接收GNSS信号；以及一个或多个传感器111，其用于感测车辆100的状态。
在各个实施方式中，收发器108包括接收器，该接收器接收来自相邻车辆集合的心跳消息集合，从相邻车辆接收到的每个心跳消息包括心跳消息的传送时间、相邻车辆的位置和相邻车辆的速率。接收器在使用车辆时钟测量的相应接收时间接收每个心跳消息。
基于从心跳消息中获取的数据，处理器107更新存储在存储器106中的时钟偏移。在一些实施方式中，处理器107通过将未知位置处的车辆与从心跳消息中获取的相邻车辆的位置之间的距离与光在心跳消息的传送时间与利用未知时钟偏移调整的相应接收时间之间传播的距离进行比较，来同时确定车辆在特定时间的未知时钟偏移和未知位置。
一些实施方式基于这样的认识：时间敏感联网为汽车工业提供解决方案以实现对形成车辆通信网络的车辆实时控制。时间敏感联网需要网络智能同步。因此，可以通过使参与形成网络的车辆的时钟同步来实现允许参与的车辆协调其操作的时间敏感车辆通信网络。
车辆的时钟可以与车辆的GNSS接收器通信的全球导航卫星系统(GNSS)的时钟同步。然而，一些实施方式基于以下认识：由于不同的车辆可能具有不同的时钟偏移误差，车辆的时钟与GNSS的时钟的单独同步不能保证车辆在车辆通信网络中的同步。
为此，为了使车辆100参与时间敏感联网，需要时钟同步。车辆通信网络中的时钟同步与其他网络中的时钟同步不同，前者可能需要额外的消息交换。
不同的标准提供了时钟相互同步的协议。例如，IEEE一直在开发基于精确时间协议(PTP)的同步标准。然而，那些协议需要同步装置之间的信息交换，这在通用的车辆通信网络的背景下可能是不切实际的。
图2示出了基于IEEE精确时间协议(PTP)的同步中的同步消息交换。这种同步需要主站和从站之间的至少两个消息交换。主站首先在时间T1向从站发送Sync消息。从站在时间T2接收Sync消息。即使Sync消息包含时间戳T1，为了更精确的同步，主站也可以将包含精确时间戳T1的Follow_Up消息发送给从站。在处理了从主站接收到的Sync消息和Follow_Up消息后，从站在时间T3将Delay_Req消息发送给主站。一旦主站在时间T4接收到Delay_Req消息后，它就将包含时间戳T4的Delay_Resp消息发送回从站。从站使用四个时间戳T1、T2、T3和T4，计算消息传播时间和时钟偏移，并因此将其时钟与主站时钟同步。例如，对于对称链路，传播时间tp和时钟偏移to可以计算为
Figure BDA0002655312900000061
以及
Figure BDA0002655312900000071
一些实施方式基于以下认识：车辆通信网络对参与车辆具有特殊要求。与其他网络中的节点不同，车辆通信网络中的车辆会定期宣布其存在。例如，在用于车辆环境中的无线访问(WAVE)的IEEE专用短距离通信(DSRC)中，要求车辆每100毫秒传送一次心跳消息，以向相邻车辆宣布其存在。心跳消息的属性包括临时ID、时间、纬度、经度、海拔、位置精度、速度和传送、航向、加速度、方向盘角度、制动系统状态和车辆大小之一或其组合。
一些实施方式基于以下认识：该心跳消息包括必要的同步数据，因此可以用于同步。这种方法减少了网络流量并减轻了干扰。利用自动传送的同步数据，车辆可以实现静默同步，而无需常规同步方法中执行的消息交换。
图3示出了根据一个实施方式用于基于接收到的心跳消息来使车辆静默同步的控制系统300的框图。控制系统300包括连接至存储器106和收发器108的处理器107。当车辆100的收发器108从相邻车辆接收到心跳消息302时，处理器107处理心跳消息302以获得诸如时间戳之类的必要信息，这些消息指示心跳消息302的传送时间、相邻车辆在传送时间时的位置、相邻车辆在传送时间时的速率等。处理器107可以将该信息存储到存储器106中。然后，处理器107计算车辆100的新时钟偏移303、新位置304和其他度量。控制系统300还可以使用内部测量单元109测量新速率305。这些新度量存储在存储器106中。基于新度量，控制系统300生成心跳消息306。然后，车辆100经由收发器108传送车辆100的新心跳消息306。以这种方式，车辆和相邻车辆迭代地使它们的时钟彼此同步。
对于具有GNSS接收器110和导航系统104的车辆，可以维持时钟偏移、位置和其他度量的两个集合，一个集合根据一些实施方式计算，另一个集合根据GNSS系统计算。第一度量集合用于参与时间敏感联网。
图4示出了根据一些实施方式的车辆的邻域的实施例。如图4所示，对于车辆100，车辆通信网络中的邻居可以是相邻车辆400或路边单元(RSU)410，其可以传送警报消息或控制命令消息。RSU 410具有固定位置并且不移动。
图5A和图5B示出了一些实施方式用于车辆的时钟的静默同步的三边测量的实施例。具体地，一些实施方式基于这样的认识，即在假设车辆的时钟偏移和车辆的位置未知的情况下，可以基于在多个心跳消息中接收到的信息的三边测量，将车辆的时钟与其他车辆的时钟同步。一般而言，三边测量是使用圆、球和/或三角形的几何形状，通过测量距离来确定点的绝对位置或相对位置的过程。
在一些实施方式中，可以用两种方法进行车辆的三边测量以比较两种距离。一个三边测量510(在本文中称为第一三边测量)使用光在心跳消息的传送和接收时间之间传播的距离，该接收时间是未知时钟偏移的函数。另一个三边测量520(在本文中称为第二三边测量)使用特定时间时多个车辆的位置与车辆的未知位置之间的距离。通过比较两个三边测量，能够同时确定车辆在特定时间的未知时钟偏移和未知位置。
三边测量510和520被设计用于使位于一个平面上的车辆静默同步。图5B示出了三边测量515和525的实施例，每个三边测量515和525均包括用于三维坐标系中车辆的静默同步的四个等式。
一些实施方式基于以下认识：上述方法可以用于具有导航系统(例如GNSS)的车辆或不具有导航系统的车辆。这是因为当利用使用时钟的导航系统确定位置时，时钟偏移中的错误会传播至位置测量。因此，一些实施方式不信任该位置，并且随后刻意使用三边测量来同时确定未知时钟偏移和未知位置(即使当偏移和位置的一些值已知时)。以这种方式，可以校正引起位置不确定性的偏移不确定性。
因此，一个实施方式公开了一种车辆，该车辆包括：控制器，其用于控制车辆的至少一个部件的操作；时钟，其用于同步车辆部件的操作；存储器，其用于存储相对于车辆的时钟的时钟偏移，以调整车辆部件的操作的同步性；接收器，其用于从相邻车辆集合接收心跳消息集合，接收自相邻车辆的每个心跳消息均包括该心跳消息的传送时间、相邻车辆的位置以及相邻车辆的速率，其中，接收器在使用车辆的时钟测量的相应接收时间接收每个心跳消息；以及处理器，其用于通过将在未知位置处的车辆和从心跳消息中获取的相邻车辆的位置之间的距离的第一三边测量与光在心跳消息的传送时间和利用未知时钟偏移调整的相应接收时间之间传播的距离的第二三边测量进行比较，来响应于同时确定车辆在特定时间的未知时钟偏移和未知位置，从而更新存储在存储器中的时钟偏移。
例如，在一些实施方式中，处理器使用从心跳消息中获取的同步数据，所述心跳消息包括例如时间戳、位置、速率、移动方向、加速度等。为了实现静默同步，同步节点(即控制系统)选择在一个平面上的三个车辆或不在同一平面上的四个车辆上进行其时钟同步和位置估计。如图7所示，假设同步车辆100从四个相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)接收心跳消息。关于同步车辆100从相邻车辆接收心跳消息存在两种情况：1)同步车辆100在同一时间从相邻车辆接收心跳消息；以及2)同步车辆100在不同时间从相邻车辆接收心跳消息。
如果同步车辆在同一时间接收心跳消息，则使用以下四个等式来计算同步车辆100的时钟偏移co和位置(x，y，z)
Figure BDA0002655312900000091
Figure BDA0002655312900000092
Figure BDA0002655312900000093
Figure BDA0002655312900000094
其中c是光速，tti(i＝1，2，3，4)是相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)传送心跳消息302中的同步数据的时间，tri(i＝1，2，3，4)是同步车辆100从相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)接收同步数据的时间，并且(xi，yi，zi)是相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)的位置。因为同步车辆100同时接收四个心跳消息，所以tri(i＝1，2，3，4)相同，并且位置(x，y，z)是同步车辆100接收四个心跳消息时的未知位置。但是，tti(i＝1，2，3，4)不同，因为它们是根据四个相邻车辆的时钟测得的。未知时钟偏移可以是对原子时钟的偏移，或者可以是对根据相邻车辆的四个时钟计算出的最佳时钟的偏移，例如四个时钟偏移的平均值。
即使当四个相邻车辆不在同一平面上时，车辆100也可以唯一地计算其时钟偏移co和位置(x，y，z)。如果所有相邻车辆都在同一平面上，则所有相邻车辆的坐标之一相同。同步车辆100使用公共坐标作为其对应的坐标并且使用不在同一条线上的三个相邻车辆来计算其时钟偏移co和该位置的其他两个坐标。如果所有相邻车辆都在同一条线上，则所有相邻车辆的其中两个坐标相同。同步车辆100使用公共坐标作为其对应坐标并且使用具有不同位置的两个相邻车辆来计算其时钟偏移co和其位置的剩余一个坐标。
当在不同时间接收相邻车辆的心跳消息时，违反了车辆100对于不同心跳传送的恒定位置的要求。为此，一些实施方式使用车辆100的速率调整车辆100对于不同心跳传送的位置。例如，在一个实施方式中，车辆的IMU 109确定车辆的速率，并且处理器在基于不同心跳消息的接收时间的差异以及车辆速率的距离第二三边测量中调整车辆在特定时间的未知位置。
例如，车辆100需要通过将未知位置处的车辆与从心跳消息中获取的相邻车辆的位置之间的距离的第二三边测量与光在心跳消息的传送时间和利用未知时钟偏移调整的相应接收时间之间的传播距离的第一三边测量进行比较，在同步过程中同时确定四个未知数，即其时钟偏移及其位置(x，y，z)。为了实现静默同步，车辆100选择不在同一平面上的四个或更多个相邻车辆以进行时钟同步和位置确定。
图7示出了根据一个实施方式车辆100从四个相邻车辆V1、V2、V3和V4接收心跳消息302的示意图。车辆100除了从四个邻居接收心跳消息之外，还使用其内部测量单元(IMU)109来测量其速率。使用接收到的心跳消息和测得的速率，该实施方式使用以下四个等式来计算车辆100的时钟偏移co和车辆100的位置(x，y，z)：
Figure BDA0002655312900000101
Figure BDA0002655312900000102
Figure BDA0002655312900000103
Figure BDA0002655312900000104
其中c是光速，tti(i＝1，2，3，4)是相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)传送心跳消息302的时间，tri(i＝1，2，3，4)是车辆100从相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)接收心跳消息302的时间，(xi，yi，zi)是相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)传送其心跳消息302之处的位置，tmi＝min{tr1，tr2，tr3，tr4}，(x0，y0，z0)是车辆100在时间tmi的位置，并且(vx，vy，vz)是使用IMU 109在时间tmi测得的车辆100的速率。公式(3)至(6)求解时钟偏移co和位置(x0，y0，z0)。因此，在时间tma＝max{tr1，tr2，tr3，tr4}，车辆100的位置(x，y，z)可以被计算为(x，y，z)＝(x0，y0，z0)+(tma–tmi)*(vx，vy，vz)。在这种情况下，tri(i＝1，2，3，4)不同。
在等式(7)至(10)的每个等式中，等式的左手侧是未知位置处的车辆与从心跳消息中获取的相邻车辆的位置之间的距离的第二三边测量，并且等式的右手侧是光在心跳消息的传送时间和利用未知时钟偏移调整的相应接收时间之间的传播距离的第一三边测量。
因为四个相邻的车辆不在同一平面上，所以车辆100可以唯一地计算其时钟偏移co和位置(x，y，z)。如果所有相邻车辆都在同一平面上，则所有相邻车辆的其中一个坐标相同。车辆100使用公共坐标作为其对应坐标并且使用不在同一条线上的三个相邻车辆，来计算其时钟偏移co和该位置的其他两个坐标。如果所有相邻车辆都在同一条线上，则所有相邻车辆的其中两个坐标相同。车辆100使用公共坐标作为其对应坐标并且使用具有不同位置的两个相邻车辆，来计算其时钟偏移co和其位置的剩余一个坐标。
图6示出了根据一些实施方式用于在一组车辆之间进行迭代静默同步的方法的框图。形成时间敏感网络的车辆进行同步迭代，以实现更精确的时钟偏移计算。在一个可选的实施中，车辆100首先进行初始时钟同步和位置估计610。例如，车辆100可以使用GNSS接收器进行初始时钟同步，并且可以使用GNSS接收器和/或IMU的移动估计进行位置估计。
在各个实施方式中，车辆100通过进行静默同步方法的多次迭代605来改善其时钟偏移和/或位置精度。在每次迭代中，车辆100从相邻车辆接收620心跳消息。在一个实施方式中，车辆选择630由相邻车辆的子集传送的心跳消息的子集。例如，车辆选择参与到与车辆100共同的控制应用的相邻车辆传送的心跳消息。这种控制应用的实施例是该组车辆的组队。在另选实施方式中，车辆选择由相邻车辆在与车辆100的最小时间段内传送的心跳消息。该实施方式基于以下理解：需要在同步车辆之间的单跳消息交换的最小时间段内完成用于进行静默同步的多次迭代。
在某些情况下，对于图5B所示的3D空间同步，接收的和/或选择的心跳消息的数量大于四个心跳消息。在这些情况下，实施方式选择消息并将其分组630以形成多个三边测量比较系统。接下来，实施方式使用三边测量比较(即，距离比较)针对每组心跳消息确定640车辆的时钟偏移和位置。
一些实施方式基于以下认识：图5A和图5B的三边测量比较系统更适合于同时接收相邻车辆的心跳消息的情况。这是因为车辆的三边测量假定恒定位置。为此，当车辆100的接收器接收到的心跳消息大于未知数的数量(例如，图5A的系统中的三个未知数和图5B的系统中的四个未知数)，并且车辆的处理器107选择传送时间差小于阈值的心跳消息集合并将其分组630。以这种方式，图5A和图5B的三边测量比较系统可以用来简化计算。
例如，在一些实施方式中，处理器从相邻车辆中选择630M个可靠心跳消息以更新其时钟和位置。因此，存在
Figure BDA0002655312900000121
种可能的组合以从M个可靠邻居中选择四个邻居。对于每种组合，应用640等式(7)至(10)来确定时钟偏移
Figure BDA0002655312900000122
和位置(xi,yi,zi)(i＝1,2,…,K)。使用这些偏移和位置，车辆100可以根据以下等式更新650车辆的时钟偏移和位置作为对应值的平均值：
Figure BDA0002655312900000123
Figure BDA0002655312900000124
也可以使用其他方法基于
Figure BDA0002655312900000125
以及(xi，yi，zi)(i＝1,2,…,K)计算最佳时钟偏移co和位置(x，y，z)。
在更新时钟和位置之后，车辆100使用IMU 109来测量其速率。然后，车辆100传送660新的心跳消息以向其邻居宣布其新信息。邻居可以使用车辆100传送的心跳消息来更新其时钟偏移、位置并传送新的心跳消息。在预定次数的迭代605之后，车辆100及其邻居可以实现期望的时钟同步。
一些实施方式基于以下认识：在车辆通信环境中，由于高移动性和可能的网络攻击，数据传递是不可靠的。因此，车辆100需要使用更可靠的心跳消息来进行时钟同步。不同的实施方式使用不同的方式来识别可靠的心跳消息。例如，一个实施方式将机器学习应用于数据分类。神经网络是机器学习技术之一。
为了使神经网络学习更可靠的心跳消息，最好从邻居那里接收更多的心跳消息。为此，车辆100需要与邻居的通信持续时间更长。然而，在车辆通信网络中，存在许多影响车辆100与邻居之间的通信持续时间的因素，例如位置、速度、移动方向等。
图8示出了根据一个实施方式用于计算车辆100与相邻车辆840之间的通信持续时间的示意图。在该实施方式中，车辆100沿方向
Figure BDA0002655312900000126
移动，相邻车辆840沿方向
Figure BDA0002655312900000127
移动，并且通信范围为R830。假定当车辆100位于(x0，y0，z0)并且邻居840位于(x1，y1，z1)时，车辆100在时间t0从邻居840接收第一心跳消息。
如下所述计算车辆100与邻居840之间的通信持续时间cd。注意，cd是邻居840离开车辆100的通信范围的时间。在时间t0+cd处，车辆100移动至新位置
Figure BDA0002655312900000131
Figure BDA0002655312900000132
并且邻居840移动至新位置
Figure BDA0002655312900000133
因为邻居840正在离开车辆100的通信范围，所以其位置必须位于以车辆100的位置为中心的球体表面上。
因此，以下等式一定成立
Figure BDA0002655312900000134
在等式(13)中，仅cd是未知的。因此，求解等式(13)得出了车辆100与邻居840之间的通信持续时间。为了求解等式(13)，令
Figure BDA0002655312900000135
和
Figure BDA0002655312900000136
Figure BDA0002655312900000137
则通信持续时间cd由下式得出：
Figure BDA0002655312900000138
其中A＝(ux-vx)2+(uy-vy)2+(uz-vz)2,B=(x1-x0)(ux-vx)+(y1-y0)(uy-vy)+(z1-z0)(uz-vz)，并且
Figure BDA0002655312900000139
可以看出，D是当接收到第一心跳消息时车辆100与相邻车辆840之间的距离。
一些实施方式基于以下认识：车辆100可以具有通信持续时间较长的多个邻居。在这种情况下，车辆100需要在通信持续时间较长的邻居中选择更可靠的邻居。
机器学习提供了一种对邻居进行分类的方法。假设车辆100具有通信持续时间较长的N(N≥4)个邻居。然后，车辆100选择从M个(N≥M≥4)个可靠邻居接收到的心跳消息，以进行时钟同步和位置确定。神经网络提供了一种选择M个可靠邻居的方法。
图9示出了根据一些实施方式设计的用于选择相邻车辆组以进行静默同步的前馈神经网络900。神经网络900包括输入层910、隐藏层920和输出层930。神经网络中的节点称为神经元。在前馈神经网络中，输入层的神经元连接至隐藏层的神经元，并且隐藏层的神经元连接至输出层的神经元。每个连接都分配有权重。因此，从输入层到隐藏层的所有连接构成权重向量Wi 940，并且从隐藏层到输出层的所有连接构成权重向量Wo 950。
输入层的神经元数量取决于输入数据的数量。邻居传送的心跳消息包括时间戳t、位置(x，y，z)、速率(vx，vy，vz)、加速度和其他数据。如果将时间戳t、位置(x，y，z)、速率(vx，vy，vz)、用作输入数据，则每个心跳消息提供七个输入。在N个邻居的情况下，输入层具有7*N个神经元。在训练过程中确定隐藏层的神经元数量。输出层中的神经元的数量设定为N，使得每个输出神经元均与邻居对应。输出值1表示对应的邻居可靠，并且输出值0表示对应的邻居不可靠。
用标记的数据训练神经网络900。训练过程确定隐藏层的神经元数量以及权重向量Wi和Wo。然后，训练的神经网络由车辆100使用来选择更可靠的相邻车辆以进行静音同步。
图10示出了根据本发明的一个实施方式的在时间敏感联网中处理接收到的控制命令消息的控制器101的框图。当V2V收发器108接收警报消息或控制命令1000时，控制器101的处理器1010处理接收到的消息1000以获得要进行的动作、要进行动作的时间和/或位置。然后，控制器101生成动作消息1001，以使对应的设备1002在特定时间和/或特定位置进行动作。动作装置1002可以是车辆100的方向盘102、制动系统103和其他部件。动作可以是加速、减速、左转、右转等。
图11示出了根据一个实施方式的控制器101与车辆101的控制器1100之间的相互作用的示意图。该实施方式基于以下理解：由控制器101生成的动作消息1001可以是随后由车辆101的其他控制器处理的时间敏感命令。例如，在一些实施方式中，车辆100的控制器1100是控制车辆的旋转和加速度的转向控制器1110以及制动/节气门控制器1120。在这种情况下，控制器101可以将控制输入输出至控制器1110和1120以控制车辆的状态。控制器1100还可以包括高级控制器，例如车道保持辅助控制器1130，其进一步处理控制器101的控制输入。最终，控制器1100映射使用控制器101的输出来控制车辆的至少一个致动器(例如车辆的方向盘和/或制动器)以控制车辆的运动。
可以以多种方式中的任何一种来实施本发明的上述实施方式。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实施这些实施方式。当以软件实施时，无论处理器是在单个计算机中提供还是分布在多台计算机中，都可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行软件代码。这样的处理器可以实施成集成电路，集成电路组件中具有一个或多个处理器。但是，可以使用任何适当格式的电路来实施处理器。
而且，本文概述的各种方法或过程可以被编码为可在采用多种操作系统或平台中的任何一种的一个或多个处理器上执行的软件。另外，可以使用多种合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任何一种来写这样的软件，并且还可以将其编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。通常，在各个实施方式中，程序模块的功能可以根据需要进行组合或分配。
同样，本发明的实施方式可以体现为已经提供了实施例的方法。作为该方法的一部分进行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以与所示出的顺序不同的顺序进行动作的实施方式，即使一些动作在说明性实施方式中被示为顺序的动作，这些实施方式也可以包括同时进行这些动作。

Claims (16)

1.一种车辆，所述车辆包括：
控制器，所述控制器用于控制所述车辆的至少一个部件的操作；
时钟，所述时钟用于使所述车辆的所述部件的所述操作同步；
存储器，所述存储器用于存储相对于所述车辆的所述时钟的时钟偏移，以调整所述车辆的所述部件的所述操作的同步；
接收器，所述接收器从相邻车辆集合接收心跳消息集合，从相邻车辆接收的每个心跳消息均包括所述心跳消息的传送时间、所述相邻车辆的位置以及所述相邻车辆的速率，其中，所述接收器在使用所述车辆的所述时钟测量的相应接收时间接收每个心跳消息；以及
处理器，所述处理器用于通过将光在所述心跳消息的传送时间和利用所述车辆在特定时间的未知时钟偏移调整的相应接收时间之间的传播距离的第一三边测量与在该特定时间的未知位置处的所述车辆与从所述心跳消息中获取的所述相邻车辆的位置之间的距离的第二三边测量进行比较，响应于同时确定所述车辆在所述特定时间的所述未知时钟偏移和所述未知位置来更新存储在所述存储器中的所述时钟偏移。
2.根据权利要求1所述的车辆，所述车辆还包括：
内部测量单元IMU，所述IMU用于确定所述车辆的速率，其中，基于不同心跳消息的传送时间的差异以及所述车辆的速率来调整在距离的所述第二三边测量中所述车辆在所述特定时间的所述未知位置。
3.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述心跳消息的数量等于或大于所述第一三边测量和所述第二三边测量中的未知数的数量。
4.根据权利要求3所述的车辆，其中，所述接收器接收的所述心跳消息大于未知数的数量，并选择所述传送时间的差异小于阈值的所述心跳消息集合。
5.根据权利要求1所述的车辆，所述车辆还包括：
导航系统，所述导航系统用于确定所述车辆在由具有所述时钟偏移的所述时钟测量的当前时间的位置；
内部测量单元IMU，所述IMU用于确定所述车辆在所述当前时间的速率；以及
传送器，所述传送器用于传送所述车辆的心跳消息，所述心跳消息包括所述当前时间、由所述导航系统确定的所述位置以及由所述IMU确定的所述速率。
6.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述处理器从所述相邻车辆集合中选择一组相邻车辆，以通过多次迭代进行同步，其中，所述一组中的每个相邻车辆均具有这样的相对于所述车辆的位置和速率的位置和速率：其使得，在由心跳消息传送频率和预定迭代次数限定的持续时间内，所述相邻车辆位于通信范围内。
7.根据权利要求6所述的车辆，其中，所述处理器将所述相邻车辆的时间戳、位置和速率提交给神经网络，以选择可靠的所述一组相邻车辆。
8.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述接收器接收用于进行联合控制应用的一组相邻车辆的指示。
9.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述处理器使用比较系统基于从所述相邻车辆接收的心跳消息同时确定所述车辆的所述未知时钟偏移和所述未知位置，所述比较系统等同于：
Figure FDA0002655312890000021
Figure FDA0002655312890000022
Figure FDA0002655312890000023
Figure FDA0002655312890000024
其中，c是光速，tti(i＝1，2，3，4)是所述相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)传送所述心跳消息的时间，tri(i＝1，2，3，4)是所述车辆从所述相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)接收所述心跳消息的时间，并且(xi，yi，zi)是所述相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)的位置。
10.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述处理器使用比较系统基于从所述相邻车辆接收的心跳消息同时确定所述车辆的所述未知时钟偏移和所述未知位置，所述比较系统等同于：
Figure FDA0002655312890000025
Figure FDA0002655312890000026
Figure FDA0002655312890000027
Figure FDA0002655312890000031
Figure FDA0002655312890000032
其中，c是光速，tti(i＝1，2，3，4)是所述相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)传送所述心跳消息的时间，tri(i＝1，2，3，4)是所述车辆从所述相邻车辆Vi(i＝1，2，3，4)接收所述心跳消息的时间，(xi，yi，zi)是所述相邻车辆Vi在其心跳消息中传送的其位置，tmi＝min{tr1，tr2，tr3，tr4}，(x0，y0，z0)是所述车辆在时间tmi的位置，并且(vx，vy，vz)是所述车辆在时间tmi的速率，co是所述时钟偏移。
11.一种用于控制车辆的方法，其中，所述方法使用与存储的实施该方法的指令耦合的处理器，其中，所述指令在由实施所述方法的至少部分步骤的所述处理器执行时包括：
从相邻车辆集合接收心跳消息集合，从相邻车辆接收的每个心跳消息均包括所述心跳消息的传送时间、所述相邻车辆的位置以及所述相邻车辆的速率，其中，接收器在使用所述车辆的时钟测量的相应接收时间接收每个心跳消息；
通过将在特定时间在未知位置处的所述车辆与从所述心跳消息中获取的所述相邻车辆的位置之间的距离与光在所述心跳消息的传送时间和利用所述车辆在该特定时间的未知时钟偏移调整的相应接收时间之间的传播距离进行比较，同时确定所述车辆在所述特定时间的所述未知时钟偏移和所述未知位置；
利用所确定的所述时钟偏移更新所述车辆的时钟；并且
根据所述车辆的更新的时钟，控制所述车辆的至少一个部件的操作。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：
确定所述车辆的速率；并且
基于不同心跳消息的传送时间的差异以及所述车辆的速率，调整所述车辆在所述特定时间的所述未知位置。
13.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：
从所述相邻车辆集合中选择一组相邻车辆，以通过多次迭代进行同步，其中，所述一组中的每个相邻车辆均具有这样的相对于所述车辆的位置和速率的位置和速率：其使得，在由心跳消息传送频率和预定迭代次数限定的持续时间内，所述相邻车辆位于通信范围内。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述选择包括：将来自所述相邻车辆的所述心跳消息的数据提交给神经网络，以选择所述一组相邻车辆。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述接收器接收用于进行联合控制应用的一组相邻车辆的指示。
16.一种非暂时性计算机可读存储介质，在所述非暂时性计算机可读存储介质上实现有能由处理器执行的用于进行以下方法的程序，该方法包括：
从相邻车辆集合接收心跳消息集合，从相邻车辆接收的每个心跳消息均包括所述心跳消息的传送时间、所述相邻车辆的位置以及所述相邻车辆的速率，其中，所述接收器在使用所述车辆的时钟测量的相应接收时间接收每个心跳消息；
通过将在特定时间在未知位置处的所述车辆与从所述心跳消息中获取的所述相邻车辆的位置之间的距离与光在所述心跳消息的传送时间和利用所述车辆在该特定时间的未知时钟偏移调整的相应接收时间之间的传播距离进行比较，同时确定所述车辆在所述特定时间的所述未知时钟偏移和所述未知位置；
利用所确定的所述时钟偏移更新所述车辆的时钟；并且
根据所述车辆的更新的时钟，控制所述车辆的至少一个部件的操作。
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