阅读说明：本技术 使用5g基础设施的自主车辆定位 (Autonomous vehicle positioning using 5G infrastructure ) 是由 莎拉·霍茨 什里亚莎·波德尔 林恩·瓦莱丽·凯泽 泰勒·里德 于 2019-05-14 设计创作，主要内容包括：本公开提供了“使用5G基础设施的自主车辆定位”。一种用于自主车辆定位的方法。所述方法可以包括由自主车辆接收来自至少两个5G传输点的毫米波信号。可以基于所述信号相对于所述5G传输点中的每一者来计算方位测量。可以通过观察所述信号的特性来确定车辆速度。然后,可以融合包括所述方位测量和所述车辆速度的传感数据,以定位所述自主车辆。本文还公开并要求保护一种对应的系统和计算机程序产品。(the present disclosure provides "autonomous vehicle positioning using 5G infrastructure. A method for autonomous vehicle positioning. The method may include receiving, by the autonomous vehicle, millimeter wave signals from at least two 5G transmission points. A bearing measurement may be calculated based on the signal relative to each of the 5G transmission points. The vehicle speed may be determined by observing a characteristic of the signal. Sensory data including the bearing measurements and the vehicle speed may then be fused to locate the autonomous vehicle. A corresponding system and computer program product are also disclosed and claimed herein.)

使用5G基础设施的自主车辆定位

背景技术

发明领域

本发明涉及定位车辆。

发明背景

全球定位系统(“GPS”)是全球卫星导航系统，只要四个或更多个GPS卫星的视线畅通无阻，就可以为世界各地的GPS接收器提供定位、导航和定时服务。GPS卫星由美国政府拥有，并且承诺以小于7.8米(25.6英尺)的全球平均用户测距误差和95％的概率在太空中广播其信号。实际表现超出了该承诺。然而，由GPS接收器接收到的信号取决于其它因素，诸如卫星几何形状、信号阻塞、大气条件以及接收器的设计、特征和/或质量。例如，虽然支持GPS的智能手机典型地在清楚、开阔天空下准确到4.9米(16英尺)内，但是它们的准确度在建筑物、桥梁和树木附近变差。

类似地，政府保证在任何3秒间隔内在太空中的GPS信号的速度准确度小于或等于0.006米/秒，概率为95％，特定接收机的速度准确度可能取决于在政府控制外的因素。与影响位置的因素一样，影响速度的因素可以包括卫星几何形状、信号阻塞、大气条件以及接收器的设计和特征和/或质量。

虽然仍在开发，但是自主车辆利用地图和GPS来定位在世界上的物体并对其周围进行导航。自主车辆还必须能够在城市环境中在10厘米的范围内对其相对于这些物体的位置进行定点，以确保自主车辆安全性。由于GPS技术本质上易出错，诸如在接收中断或校正信号不可用的情况下，因此需要其它定位技术来用于安全关键的自主驾驶情况，以确保在所有情况下都具有必要的精确度。

鉴于前述，需要的是在任何状况或环境下在10厘米的范围内精确地和可靠地定位自主车辆的系统和方法。理想地，这种系统和方法在计算上成本最低，从而限制能量消耗并使车辆行程范围最大化。这些系统和方法还将利用现有设备和处理来使实现方式的成本最小化。

发明内容

本公开提供了用于自主车辆定位的系统、方法和计算机程序产品。在一个实施例中，根据本公开的方法可以涉及由自主车辆接收来自至少两个5G传输点的毫米波信号。可以基于信号而相对于5G传输点中的每一者来计算诸如方位角和/或仰角的方位测量。可以通过观察所述信号的特性来确定车辆速度。然后,可以融合包括所述车辆速度和所述方位测量的传感数据，以定位自主车辆。在一些实施例中，可以使用诸如扩展卡尔曼滤波器或粒子滤波器的滤波器来接收和分析所述传感数据。

附图说明

为了将容易地理解本发明的优点，将通过参考附图中所示的特定实施例来呈现以上简要地描述的本发明的更具体的描述。应理解，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，并且因此不被视为限制本发明的范围，本发明将通过使用附图用附加的特征和细节来描述和说明，在附图中：

图1是示出其中可实现根据本发明的系统和方法的计算系统的一个示例的高级框图；

图2是示出根据本发明的某些实施例的多冗余定位架构的高级框图；

图3是示出根据本发明的实施例的用于利用5G传输点的自主车辆定位的系统的部件的高级框图；

图4是示出根据本发明的某些实施例的相对于5G传输点的方位测量的高级示意图；

图5是示出根据本发明的某些实施例的捕获5G传输点的图像数据的高级示意图；以及

图6是示出根据本发明的实施例的用于自主车辆定位的过程的流程图。

具体实施方式

参考图1，示出了计算系统100的一个示例。呈现计算系统100以示出其中可实现根据本发明的系统和方法的环境的一个示例。计算系统100可以被体现为移动装置100，诸如智能电话或平板计算机、台式计算机、工作站、服务器等。计算系统100是通过示例呈现的，而并非旨在进行限制。实际上，除了所示的计算系统100之外，本文公开的系统和方法还可以适用于各种不同的计算系统。本文公开的系统和方法还可以潜在地分布在多个计算系统100中。

如图所示，计算系统100包括至少一个处理器102，并且可以包括一个以上的处理器102。处理器102可以可操作地连接到存储器104。存储器104可以包括一个或多个非易失性存储装置，诸如硬盘驱动器104a、固态驱动器104a、CD-ROM驱动器104a、DVD-ROM驱动器104a、磁带驱动器104a等。存储器104还可以包括非易失性存储器(诸如只读存储器104b(例如，ROM、EPROM、EEPROM和/或快闪ROM))或易失性存储器(诸如随机存取存储器104c(RAM或运算存储器))。总线106或多条总线106可以将处理器102、存储器装置104以及其它装置互连以使得能够在它们之间传递数据和/或指令。

为了使得能够与外部系统或装置通信，计算系统100可以包括一个或多个端口108。此类端口108可以被体现为有线端口108(例如，USB端口、串行端口、火线端口、SCSI端口、并行端口等)或无线端口108(例如，蓝牙、IrDA等)。端口108可以使得能够与一个或多个输入装置110(例如，键盘、鼠标、触摸屏、相机、传声器、扫描仪、存储装置等)和输出装置112(例如，显示器、监视器、扬声器、打印机、存储装置等)通信。端口108还可以使得能够与其它计算系统100通信。

在某些实施例中，计算系统100包括有线或无线网络适配器114以将计算系统100连接到网络116，诸如LAN、WAN或因特网。这样的网络116可以使得计算系统100能够连接到一个或多个服务器118、工作站120、个人计算机120、移动计算装置或其它装置。网络116还可以使得计算系统100能够通过路由器122或其它装置122连接到另一个网络。这样的路由器122可以允许计算系统100与位于不同网络上的服务器、工作站、个人计算机或其它装置通信。

如前所述，与自主车辆相关联的可靠性和安全性固有地取决于它们能够从一个地方导航到另一个地方的准确性。虽然全球定位系统(“GPS”)被广泛地使用并依赖于日常地图绘制、车辆跟踪和导航，但是其性能本质上受到在车辆控制外的因素限制，诸如卫星几何形状、信号阻塞和大气状况。在GPS接收中断或校正信号不可用的情况下，自主车辆安全性可能发生不可接受的折损。另外，许多定位方法在计算上是昂贵的，从而限制自主车辆可实现的范围。

如本文所阐述，本发明的实施例提供了与当前车辆定位技术相关联的问题的最低计算密集的解，同时确保高水平的准确性和可靠性。此外，通过利用现有设备和处理来使实现成本最小化，本发明的实施例可以提供优于当前车辆定位技术的附加优点。

如本文所使用，术语“5G”和“毫米波”系统或信号可以互换地使用，以指代第五代无线系统和提供高速移动互联网连接性的信号。

现在参考图2，根据本发明的用于自主车辆定位的系统200可以包括自主车辆，该自主车辆具有车载传感器阵列，以从外部环境收集数据。这样的传感器可以包括例如激光雷达传感器202、相机传感器204、位置、GPS或全球导航卫星系统(“GNSS”)传感器206、惯性测量单元(“IMU”)传感器208、雷达传感器210、毫米波信号传感器212和其它214这样的传感器。每个传感器可以使用其特定的感测模态来提供相对于自主车辆的方位、范围或其它定位测量。

例如，相机传感器204可以捕获与周围环境相关联的图像和/或视频数据。在一些实施例中，相机传感器204可以包括相机或立体相机系统，以使用立体视觉图像处理技术提供距离测量。类似地，激光雷达传感器202可以用于通过用激光扫描在自主车辆周围的环境来收集距离和图像数据，而雷达传感器210可以使用电磁波来确定物体之间的距离。

位置、GPS或GNSS传感器206可以提供地理空间定位测量，该地理空间定位测量可以用于检测自主车辆相对于道路和地图特征的位置。该信息可以帮助自主车辆的地理定位和导航。IMU传感器208可以利用加速度计、陀螺仪和/或磁力计来测量和记录自主车辆的特定力、角速率和/或磁场。在一个实施例中，IMU传感器208可以包括在三个车辆轴线中的每一者上，以测量俯仰、侧倾和横摆。

毫米波信号传感器212可以接收从周围环境中的5G微小区广播的毫米波信号。本发明的实施例可以利用波束控制技术来确定对5G微小区基站的已知位置的精确方位测量。在一些实施例中，毫米波信号的特性也可以用于确定在5G微小区基站的方向上的速度测量，从而改进自主车辆的位置的估计。

车载车辆传感器阵列中的每个传感器可以与被配置为接收和分析传感器数据的车载或远程定位的服务器或处理器通信。传感器数据可以通过本领域的技术人员已知的适当的有线或无线通信技术传达到服务器或处理器，适当的有线或无线通信技术诸如Wi-Fi连接、蜂窝数据连接、互联网等。

在某些实施例中，服务器或处理器可以包括定位滤波器216，以处理从传感器202、204、206、208、210、212、214接收到的数据。定位滤波器216可以通过利用例如扩展卡尔曼滤波器、粒子滤波器(“PF”)等来融合来自传感器数据的方位测量，以估计自主车辆在世界上的位置。以这种方式，本发明的实施例可以为具有低计算要求的自主车辆提供高度准确和可靠的位置解218。

现在参考图3，在一个实施例中，根据本发明的用于自主车辆定位的系统300的部件可以包括波束控制天线302和相机304。波束控制天线302可以是毫米波相控阵列天线302，以提供自主车辆与互联网之间的高速通信。然而，本发明的实施例可以使相关联的波束控制能够兼作自主车辆定位方法。

在某些实施例中，波束控制天线302可以位于自主车辆上，并且可以被配置为接收从一个或多个5G微小区基站广播的毫米波信号。相控阵列波束控制天线302可以包括相位检测器的线性阵列，以监测相邻的辐射元件之间的相位差。波束控制天线302可以与处理器或服务器通信以读出相位差并调整移相器以获得所期望的性能。

另外，由波束控制天线302接收的毫米波信号可以用于确定相对于从中广播它们的5G传输点的方位测量。对已知固定位置(即，5G传输点)的这种方位测量可以减少与传统的基于GPS的定位技术相关联的漂移和随机误差累积，尤其是在诸如城市峡谷或可能存在GPS多径的地方的GPS拒绝环境中。这些方位测量可以包括自主车辆与5G传输点之间的方位角306和仰角308。具体地，可以在自主车辆的线性定向和从自主车辆到5G微小区基站的线路之间测量方位角306。可以在自主车辆的线性定向与从自主车辆到5G传输点的视线之间测量仰角308。

在一些实施例中，还可以确定距5G微小区基站或传输点的范围测量310。可以使用自主车辆与5G微小区基站之间的单向(无源)测距来进行范围测量310，该单向(无源)测距类似于GPS/GNSS系统的码分多址(“CDMA”)信号。在其它实施例中，类似于民用航空中使用的距离测量设备(“DME”)技术的双向测距可以用于进行范围测量310确定。

在一个实施例中，可见光相机304等可以用于范围测量310确定。例如，自主车辆上的可见光相机304可以捕获来自外部环境的图像和/或视频数据。图像数据可以用于基于捕获到的图像中的5G微小区基站的表观大小而确定距已知5G微小区基站的范围测量310。在某些实施例中，可以根据5G微小区基站相对于自主车辆的方位角306和/或仰角308来缩小5G微小区基站的可见光相机图像。可以将所得到的相机304图像大小与已知5G毫米波基站的实际大小进行比较，以确定自主车辆与基站之间的范围测量310。

该范围测量310可以与包括方位角306和/或仰角308的波束方位测量融合，以提高与自主车辆位置估计相关联的准确度。在一些实施例中，方位角306和仰角308方位测量可以与定位滤波器314中的范围测量310融合。在一个实施例中，对应于5G微小区基站的已知位置312的坐标也可以与定位滤波器314中的方位测量306、308和范围测量310融合。定位滤波器314可以分析该信息以确定自主车辆的位置解316。在某些实施例中，位置解316可以包括与自主车辆相关联的海拔、经度、纬度、侧倾、俯仰和航向。

现在参考图4，在一个实施例中，根据本发明的用于定位自主车辆的系统400可以包括自主车辆402，该自主车辆402具有位于例如自主车辆402的车顶上的中心处的波束控制天线404。波束控制天线404可以接收源自附近5G毫米波微小区414的毫米波信号。5G毫米波微小区414可以包括传输点412，可以从该传输点412广播毫米波信号。

在一些实施例中，波束控制天线404可以接收从传输点412广播的毫米波信号。这些毫米波信号可以用于高速通信，以及定位自主车辆402。为此，波束控制天线404可以将来自毫米波信号的信息或数据传达到自主车辆402上的服务器或处理器。在某些实施例中，毫米波信号信息或数据可以被传输到远程定位的服务器，诸如基于云的服务器，以进行进一步分析。

在任何情况下，服务器或处理器可以分析毫米波信号信息以确定相对于自主车辆402的方位测量。如前所述，方位测量可以包括自主车辆402与从中广播毫米波信号的传输点412之间的方位角418和/或仰角416。

方位角418可以对应于自主车辆402的直行车道410和从自主车辆402到5G毫米波微小区基站416的线路408之间的水平角度。另一方面，仰角416可以对应于从自主车辆402到5G毫米波微小区基站416的线路408与自主车辆402和毫米波信号传输点412之间的视线406之间的竖直角度。在某些实施例中，每个方位测量可以源自自主车辆402的波束控制天线404。

在一些实施例中，多普勒频移测量可以用于将具有来自5G毫米波微小区414或传输点412的直射路径的毫米波信号与具有反射路径的毫米波信号区分开。重要地，5G毫米波系统可以利用直射信号以及反射的毫米波信号进行连接，但是反射的毫米波信号可能不代表从自主车辆402到5G毫米波微小区414或传输点412的实际方位。在某些实施例中，反射的毫米波信号的多普勒频移可以与直射毫米波信号充分地不同，以使得根据本发明的系统能够容易地确定是否应将特定波束方位测量用于自主车辆定位。

在某些实施例中，对于给定的车辆位置、航向和速度，可以使用5G毫米波微小区基站416的现有位置的地图来计算特定5G毫米波微小区基站416的预期多普勒频移。如果测量到的位移与该预期值显著地不同，那么自主车辆402可以忽略该波束方位测量。当然，反射波束仍可以用于无线连接性。

现在参考图5，在一些实施例中，根据本发明的用于自主车辆定位的系统500可以包括自主车辆502，该自主车辆502具有车载相机504，以收集周围环境的图像和/或视频数据。在一个实施例中，相机504可以捕获5G毫米波微小区512的图像数据。5G毫米波微小区512的表观大小510可以取决于相机504与5G毫米波微小区512之间的实际距离506、508而变化。

由相机504获得的5G毫米波微小区512的图像数据可以输入到服务器或处理器中以进行处理。反映5G毫米波微小区512的已知实际大小的预定地图或其它数据也可以输入到服务器或处理器中和/或由服务器或处理器存储。服务器或处理器可以将包括在图像数据中的5G毫米波微小区512的表观大小510与包含在预定地图或其它数据中的5G毫米波微小区512的实际大小进行比较，以确定从自主车辆502到5G毫米波微小区512的距离。该测量可以输入到定位滤波器中，以便于准确地确定自主车辆502相对于5G毫米波微小区512的精确位置。

现在参考图6，根据本发明的用于定位自主车辆的方法600可以包括从自主车辆上的传感器阵列收集602传感数据。这样的传感器可以包括例如激光雷达传感器、相机传感器、位置、GPS或GNSS传感器、IMU传感器、雷达传感器、毫米波信号传感器等。可以分析来自这些传感器的数据以确定604是否已经接收到来自5G毫米波微小区的信号。如果否，那么方法600可以继续收集602传感数据。

如果是，那么可以计算与5G毫米波信号相关联的方位测量。具体地，可以计算6065G毫米波信号的传输点与自主车辆之间的方位角。也可以计算608自主车辆与5G毫米波传输点之间的仰角。在一些实施例中，可以使用5G毫米波信号的特性来确定610在5G毫米波微小区或传输点的方向上的车辆速度。

方法600可以询问612传感数据是否包括从中广播5G毫米波信号的5G毫米波微小区的图像数据。如果是，那么可以通过将图像数据的表观大小与5G毫米波微小区的预定实际大小进行比较来确定614自主车辆与5G毫米波微小区之间的距离。然后，可以除其它传感数据和计算之外还将该距离确定614输入定位滤波器中并由定位滤波器融合616。如果否，那么可以除任何相关计算和确定之外还输入传感数据并由定位滤波器融合616来以高度的准确性和可靠性定位618自主车辆。通过利用自主车辆平台的导航和连接性需求之间的协同作用，可以使用相同的设备和处理来实现两者。以这种方式，可以降低系统的总体功率要求。

在以上公开内容中，已经参考附图，该附图形成本公开的一部分，并且其中以示出的方式示出可实践本公开的特定实现方式。应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其它实现方式，并且可以做出结构改变。本说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的提及指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每一个实施例可能不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，此类短语不一定是指同一个实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确地描述，结合其它实施例实现这样的特征、结构或特性都被认为是在本领域的技术人员的知识范围内。

本文公开的系统、装置和方法的实现方式可以包括或利用包括计算机硬件(诸如像一个或多个处理器和系统存储器，如本文所讨论)的专用或通用计算机。在本公开的范围内的实现方式还可以包括用于携带或存储计算机可执行指令和/或数据结构的物理和其它计算机可读介质。这种计算机可读介质可以是可由通用或专用计算机系统存取的任何可用介质。存储计算机可执行指令的计算机可读介质是计算机存储介质(装置)。携带计算机可执行指令的计算机可读介质是传输介质。因此，作为示例而非限制，本公开的实现方式可以包括至少两种截然不同的种类的计算机可读介质：计算机存储介质(装置)和传输介质。

计算机存储介质(装置)包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM、固态驱动器(“SSD”)(例如，基于RAM的)、快闪存储器、相变存储器(“PCM”)、其它类型的存储器、其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于存储所期望的程序代码手段(呈计算机可执行指令或数据结构的形式，并且可由通用或专用计算机存取)的任何其它介质。

本文公开的装置、系统和方法的实现方式可以通过计算机网络进行通信。“网络”被定义为使得能够在计算机系统和/或模块和/或其它电子装置之间传输电子数据的一个或多个数据链路。当通过网络或另一种通信连接(硬接线、无线或硬接线或无线的组合)向计算机传递或提供信息时，计算机适当地将连接视为传输介质。传输介质可以包括网络和/或数据链路，其可以用于携带呈计算机可执行指令或数据结构的形式的所期望的程序代码手段，并且可以由通用或专用计算机存取。上述的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。

计算机可执行指令包括例如在处理器中执行时使通用计算机、专用计算机或专用处理装置执行某个功能或功能组的指令和数据。计算机可执行指令可以是例如二进制文件、中间格式指令(诸如汇编语言)或甚至源代码。虽然已经用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了本主题，但是应理解，在所附权利要求中限定的主题不一定限于上面描述的所述的特征或动作。相反，所述的特征和动作被公开为实施权利要求的示例形式。

本领域的技术人员将了解，本公开可以在具有许多类型的计算机系统配置的网络计算环境中实践，所述计算机系统配置包括内置式车辆计算机、个人计算机、台式计算机、膝上型计算机、消息处理器、手持式装置、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机、移动电话、PDA、平板计算机、寻呼机、路由器、交换机、各种存储装置等。本公开还可以在分布式系统环境中实践，其中通过网络链接(通过硬接线数据链路、无线数据链路或通过硬接线与无线数据链路的组合)的本地和远程计算机系统都执行任务。在分布式系统环境中，程序模块可以位于本地和远程存储器存储装置这两者中。

此外，在适当时，本文所述的功能可以在以下一个或多个中执行：硬件、软件、固件、数字部件或模拟部件。例如，可以对一个或多个专用集成电路(ASIC)进行编程以执行本文所述的系统和程序中的一者或多者。某些术语贯穿描述和权利要求使用以指代特定系统部件。本领域的技术人员将了解，可以用不同名称来提及部件。本文件并不意图区分名称不同但功能相同的部件。

应注意，上面讨论的传感器实施例可以包括计算机硬件、软件、固件或以上项的任何组合以执行其功能的至少一部分。例如，传感器可以包括被配置为在一个或多个处理器中执行的计算机代码，并且可以包括由计算机代码控制的硬件逻辑/电路。这些示例装置在本文中提供用于说明目的而不是旨在进行限制。本公开的实施例可以在其它类型的装置中实现，如相关领域的技术人员将获知的。

本公开的至少一些实施例涉及计算机程序产品，其包括存储在任何计算机可用介质上的这种逻辑(例如，呈软件的形式)。这种软件在一种或多种数据处理装置中执行时使装置如本文所述的进行操作。

虽然上面已经描述了本公开的各种实施例，但是应理解，仅以举例的方式呈现了这些实施例而不是进行限制。相关领域的技术人员将清楚，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出在形式和细节上的各种改变。因此，本公开的广度和范围不应受上述示例性实施例中的任何一个的限制，而应仅根据以下权利要求及其等同物限定。已经出于说明和描述目的而呈现了以上描述。不旨在穷举或将本公开限制为所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。此外，应注意，任何或所有前述替代实现方式可以以所期望的任何组合使用以形成本公开的附加混合实现方式。

根据一个实施例，传感数据还包括对应于第一5G传输点和第二5G传输点中的每一者的图像数据。

根据一个实施例，定位自主车辆包括确定对应于自主车辆的海拔、经度和纬度。