本發(fā)明大體上涉及車輛上的對象檢測傳感器,并且更具體地涉及一種通過使用遞歸計(jì)算中的車輛動(dòng)態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)和被檢測的靜態(tài)對象數(shù)據(jù)自動(dòng)地確定對象傳感器的姿態(tài)-包括其在主車輛上的位置和安裝角-的方法。
背景技術(shù):
許多現(xiàn)代車輛包括對象檢測傳感器,其用于啟用碰撞警告或避免以及其它主動(dòng)安全應(yīng)用。對象檢測傳感器可以使用許多檢測技術(shù)中的任一種技術(shù)-包括例如短程或遠(yuǎn)程雷達(dá)、具有圖像處理的攝像頭、激光或激光雷達(dá)(lidar)以及超聲。對象檢測傳感器檢測車輛以及主車輛的路徑中的其它對象,且應(yīng)用軟件使用對象檢測信息以酌情發(fā)出警告或采取動(dòng)作。
為了使應(yīng)用軟件最佳地執(zhí)行,對象檢測傳感器必須與車輛正確地對準(zhǔn)。例如,如果傳感器檢測到實(shí)際上處于主車輛的路徑中的對象、但由于傳感器錯(cuò)位導(dǎo)致該傳感器確定該對象處于主車輛的路徑稍微偏左,那么這可對應(yīng)用軟件具有顯著意義。類似地,對象傳感器在主車輛上的真正位置在對象檢測計(jì)算中也是至關(guān)重要的。即使車輛上存在多個(gè)對象檢測傳感器,它們的位置和對準(zhǔn)已知以便最小化或消除沖突或不準(zhǔn)確的傳感器讀數(shù)仍然是至關(guān)重要的。
在許多車輛中,對象檢測傳感器直接集成至車輛前儀表板或后儀表板中。此類型的安裝是簡單、有效且美學(xué)上令人愉悅的,但是其具有以下缺點(diǎn):沒有實(shí)用方式來物理地調(diào)整傳感器的位置或?qū)?zhǔn)。因此,如果傳感器與車輛的真正航向錯(cuò)位,那么由于對儀表板或壽命和氣候相關(guān)翹曲的損壞,除更換包括傳感器的整個(gè)儀表板組件外,傳統(tǒng)上沒有任何方式來修正錯(cuò)位。在其它情形中,對象傳感器可以放置在車輛上但沒有精確地確定傳感器的位置和定向,因此造成對象檢測計(jì)算的不確定性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo),公開一種用于自動(dòng)地確定車輛上的對象傳感器位置和對準(zhǔn)的方法和傳感器系統(tǒng)。雷達(dá)傳感器檢測正常操作中包圍主車輛的對象。靜態(tài)對象識別為地面速度約等于零的這些對象。車輛動(dòng)態(tài)學(xué)傳感器提供車輛縱向和橫向速度以及橫擺率數(shù)據(jù)。用于靜態(tài)對象的測量數(shù)據(jù)-包括相對于傳感器的方位角、范圍和范圍變化率-連同車輛動(dòng)態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)在遞歸幾何計(jì)算中使用,該遞歸幾何計(jì)算收斂于該主車輛上的雷達(dá)傳感器的二維位置和方位對準(zhǔn)角度的實(shí)際值。
本發(fā)明的另外特征從結(jié)合附圖取得的以下描述和隨附權(quán)利要求書中將顯而易見。
附圖說明
圖1是包括若干對象檢測傳感器、車輛動(dòng)態(tài)學(xué)傳感器以及用于其間的通信的處理器的俯視圖圖示;
圖2是具有檢測靜態(tài)對象的雷達(dá)傳感器的主車輛的俯視圖圖示,并且示出主車輛上的雷達(dá)傳感器的姿態(tài)的計(jì)算中使用的幾何關(guān)系;
圖3是智能傳感器的示意圖,在給定車輛動(dòng)態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)作為輸入的情況下可學(xué)習(xí)其在主車輛上的姿態(tài);以及
圖4是用于自動(dòng)估計(jì)主車輛上的雷達(dá)傳感器的姿態(tài)的方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
針對自動(dòng)對象傳感器姿態(tài)估計(jì)的本發(fā)明的實(shí)施例的以下討論僅僅具有示例性本質(zhì),并且決不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。
對象檢測傳感器在現(xiàn)代車輛中已經(jīng)很普遍了。這些傳感器用于檢測在車輛駕駛路徑中或附近-向前、向后或側(cè)面的對象。許多車輛現(xiàn)在以妨礙傳感器的機(jī)械調(diào)整的方式將對象檢測傳感器集成至外部車身裝飾面板中。本文公開一種用于以軟件自動(dòng)地校準(zhǔn)傳感器位置和對準(zhǔn)、從而確保精確的傳感器讀數(shù)且無需傳感器的機(jī)械調(diào)整的方法和系統(tǒng)。
圖1是包括若干傳感器的車輛10的俯視圖圖示,該傳感器可用于對象檢測、車道保持以及其它主動(dòng)安全應(yīng)用。車輛10包括處理器12-其可以是專用對象檢測處理器或與其它車輛系統(tǒng)和應(yīng)用共享的處理器。處理器12與車輛動(dòng)態(tài)學(xué)模塊20和對象檢測模塊30通信。車輛動(dòng)態(tài)學(xué)模塊20包括多個(gè)車輛動(dòng)態(tài)學(xué)傳感器-諸如縱向和橫向加速度計(jì)以及橫擺率傳感器-并且從通信總線接收諸如車速的數(shù)據(jù)。使用車輛動(dòng)態(tài)學(xué)傳感器和其它可用數(shù)據(jù),車輛動(dòng)態(tài)學(xué)模塊20連續(xù)地計(jì)算車輛動(dòng)態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)-最低程度包括車輛縱向和橫向速度以及橫擺率。
對象檢測模塊30與一個(gè)或多個(gè)對象檢測傳感器通信。車輛10示為具有前中央對象傳感器32、后中央對象傳感器34、前拐角(l和r)對象傳感器36以及后拐角(l和r)對象傳感器38。車輛10可以包括更多或更少對象傳感器-包括另外的位置(未示出),諸如左側(cè)和右側(cè)傳感器(安裝在例如側(cè)視鏡或門板中)。對象傳感器32至38中的某些或全部對象傳感器通常集成至保險(xiǎn)杠儀表板或車輛10的其它車身面板中。對象檢測模塊30的功能可以與處理器12集成。
對象傳感器32至38可以用于檢測限定車道或路面邊界的對象-諸如護(hù)路緣、護(hù)欄以及中間壁。對象傳感器32至38還可以用于檢測包圍路面的其它靜態(tài)對象-諸如樹、燈柱、信箱以及指示牌。另外,對象傳感器32至38用于檢測車輛10附近的移動(dòng)對象-諸如其它車輛、行人、自行車、野生生物等?,F(xiàn)代車輛上使用許多不同類型的對象傳感器技術(shù)-包括雷達(dá)、光檢測和測距(lidar)、超聲等。為了本文所公開的本發(fā)明的目的,對象傳感器32至38可被視為雷達(dá)傳感器或提供目標(biāo)對象的范圍和范圍變化率這二者的任何其它傳感器技術(shù)。對象傳感器32至38可以包括遠(yuǎn)程雷達(dá)(lrr)和短程雷達(dá)(srr)傳感器。
控制模塊、模塊、控制、控制器、控制單元、處理器和類似術(shù)語意味著以下一個(gè)或多個(gè)中任何合適的一個(gè)或各個(gè)組合:專用集成電路(asic)、電子電路、中央處理單元(優(yōu)選地,微處理器)以及執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)軟件或固件程序的相關(guān)存儲器和存儲裝置(只讀、可編程只讀、隨機(jī)訪問、硬盤等)、組合邏輯電路、輸入/輸出電路和裝置、適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)和緩沖電路以及提供所述功能性的其它合適部件。處理器12、車輛動(dòng)態(tài)學(xué)模塊20以及對象檢測模塊30-其可以是單獨(dú)裝置或單個(gè)裝置-用一組計(jì)算和控制算法來編程,該計(jì)算和控制算法包括存儲在存儲器中并且執(zhí)行來提供理想功能的駐留軟件程序指令和校準(zhǔn)。算法可以在預(yù)設(shè)循環(huán)周期期間或響應(yīng)于事件發(fā)生來執(zhí)行。算法是諸如由中央處理單元執(zhí)行,并且可操作以監(jiān)測來自感測裝置和其它聯(lián)網(wǎng)控制模塊的輸入、執(zhí)行診斷例程,并且控制其它車輛系統(tǒng)的操作-諸如轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、顯示以及警告裝置等。
無關(guān)于車輛10上提供多少對象傳感器,精確地獲知傳感器的姿態(tài)(位置和方位定向)是至關(guān)重要的。傳感器位置和定向?qū)τ谠谲嚨辣3謶?yīng)用(諸如護(hù)路緣和護(hù)欄)中使用的對象數(shù)據(jù)以及對于在碰撞避免和其它自主駕駛應(yīng)用(諸如其它車輛)中使用的對象數(shù)據(jù)這二者來說是至關(guān)重要的。下文討論的本發(fā)明提供用于使用易于獲得的數(shù)據(jù)來自動(dòng)地確定車輛10上的對象傳感器32至38的位置和定向的技術(shù)。
圖2是具有左前雷達(dá)傳感器70的主車輛50的俯視圖圖示,其檢測靜態(tài)對象90并示出在主車輛50上的雷達(dá)傳感器的姿態(tài)的計(jì)算中使用的幾何關(guān)系。主車輛50表示圖1的車輛10,且雷達(dá)傳感器70表示圖1的左前對象傳感器36。下文相對于圖2討論的計(jì)算同樣可適用于示出在車輛10上的任何對象傳感器,或位于車輛50上的任何位置和定向處-包括直線向前、直線向后、直接在左側(cè)或右側(cè)或在任何車輛拐角處的對象傳感器。
車輛50具有重心52以及指定為(x',y')的局部坐標(biāo)系54。車輛50具有由參考標(biāo)號56表示的縱向速度vx以及由參考標(biāo)號58表示的橫向速度vy。車輛50還具有如所示的橫擺率ω。vx、vy和ω的值是由如相對于圖1描述的車輛動(dòng)態(tài)學(xué)模塊20確定和提供。
雷達(dá)傳感器70位于主車輛50上的位置(a,b)處,其中a是在重心52前面的縱向距離(由參考標(biāo)號72指定),且b是相距重心52左側(cè)的橫向距離(由參考標(biāo)號74指定)。雷達(dá)傳感器70具有由x軸76和y軸78限定的局部坐標(biāo)系,其中雷達(dá)傳感器具有限定為雷達(dá)傳感器的參考框架相對于主車輛的局部坐標(biāo)系54的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方位定向角α。此處所述的全部方向規(guī)范是從上方觀察的。
下文描述的姿態(tài)估計(jì)計(jì)算中僅使用靜態(tài)對象。這是因?yàn)橹T如其它車輛的移動(dòng)對象具有主車輛50未知的地面速度,并且可能會改變。當(dāng)然,可以使用來自雷達(dá)傳感器70的數(shù)據(jù)計(jì)算任何檢測到的對象的地面速度,但是此對象速度計(jì)算給計(jì)算增加了額外的變量。通過僅使用靜態(tài)對象,傳感器姿態(tài)估計(jì)計(jì)算中所涉及的未知數(shù)的數(shù)量減少,使得可通過許多測量周期中的遞歸計(jì)算確定雷達(dá)傳感器70的姿態(tài)(a,b,α)。
在使用每個(gè)新的一組傳感器測量數(shù)據(jù)執(zhí)行正進(jìn)行的遞歸姿態(tài)估計(jì)計(jì)算之前,執(zhí)行對象篩選步驟以識別該組靜態(tài)對象。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是,使用來自雷達(dá)傳感器70的測量數(shù)據(jù)以及雷達(dá)傳感器70的標(biāo)稱位置和定向值來計(jì)算由雷達(dá)傳感器70檢測到的任何對象的絕對速度或地面速度。靜態(tài)對象識別為具有零或極接近零的地面速度的這些對象,且僅這些靜態(tài)對象在傳感器姿態(tài)估計(jì)計(jì)算中使用。雖然圖2中僅示出且以下計(jì)算中討論一個(gè)靜態(tài)對象90,但是應(yīng)理解的是,通過使用如許多駕駛案例中將通常存在的若干靜態(tài)對象來改進(jìn)計(jì)算的保真度。
靜態(tài)對象90具有由范圍r(由參考標(biāo)號92表示)和方位角θ限定的位置,這二者均是由雷達(dá)傳感器70測量。角度θ限定為雷達(dá)傳感器的局部坐標(biāo)系的正x軸與從雷達(dá)傳感器70至靜態(tài)對象90的向量之間的角度,如所示。靜態(tài)對象90還具有也由雷達(dá)傳感器70測量的范圍變化率
使用基本幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué),可將速度向量96寫為:
v96=vx-bω(1)
且可將速度向量98寫為:
v98=vy+aω(2)
其中上文已經(jīng)限定了等式(1)和(2)中的全部變量。
從等式(1)和(2)中限定的幾何關(guān)系得知,當(dāng)每個(gè)新的一組傳感器測量數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)可遞歸地執(zhí)行一對計(jì)算。在第一計(jì)算中,假設(shè)方位定向角α是已知的(從默認(rèn)設(shè)置或遞歸計(jì)算的前一周期得知),且計(jì)算位置值a和b。在第二計(jì)算中,假設(shè)位置值a和b是已知的(從默認(rèn)設(shè)置或遞歸計(jì)算的前一周期得知),且計(jì)算方位定向角α。在一定時(shí)段(通常一分鐘至幾分鐘)中,由于測量數(shù)據(jù)每秒鐘到達(dá)若干次,這些計(jì)算收斂以產(chǎn)生傳感器姿態(tài)的實(shí)際值(a,b,α)。
可如下設(shè)置第一計(jì)算,其中假設(shè)方位定向角α是已知的且計(jì)算位置值a和b。等式(1)和(2)以及它們與范圍變化率向量
其中上文已經(jīng)限定了等式(3)中的全部變量。
可將等式(3)重寫為:
其中上文已經(jīng)限定了等式(4)中的全部變量,且僅位置值a和b是未知的。等式(4)有利地寫成將未知數(shù)a和b分離為可使用許多測量周期上的遞歸計(jì)算獲得的向量。
為了設(shè)置遞歸計(jì)算,限定以下項(xiàng)是有幫助的:
其中
正如等式(5)限定等式(4)的左手側(cè)的向量一樣,可將等式(4)的右手側(cè)限定為:
以及
其中θi還是靜態(tài)對象90針對測量周期i的方位角的值,且x是大小2xn的矩陣,其中x的兩列如等式(6)中所示且n是計(jì)算中使用的傳感器測量周期的數(shù)量。
將等式(5)至(7)代入至等式(4)中產(chǎn)生:
x·β=y(tǒng)(8)
可使用一定時(shí)段中的靜態(tài)對象測量結(jié)果在遞歸計(jì)算中對等式(8)迭代地求解。應(yīng)牢記,在等式(8)中,x和y中的全部數(shù)據(jù)是已知值-α是給定的,且全部其它值來源于傳感器測量結(jié)果或車輛動(dòng)態(tài)學(xué)。因此,僅包括位置值a和b的向量β是未知的并且可求解。
可如下設(shè)置第二計(jì)算,其中假設(shè)位置值a和b是已知的且確定方位定向角α。首先,可將等式(3)重寫為:
為了促進(jìn)對定向角α的求解,可建立以下定義:
以及
將等式(10)至(12)代入至等式(9)中,可通過二次約束最小二乘方對x向量如下求解:
minx‖ax-c‖2(13)
受到以下約束:
‖x‖2=1(14)
以與如上所述相同的方式,a和c在每個(gè)傳感器測量周期時(shí)填充有已知值,且遞歸最小平方計(jì)算收斂在x值,產(chǎn)生方位定向角α。
上述姿態(tài)估計(jì)技術(shù)已在車輛上實(shí)施、在真實(shí)世界駕駛條件中得到測試并且表明是有效的。這些測試包括特意將方位定向角α改變?nèi)舾啥取Ⅰ{駛車輛以及觀察新的定向角α的正確值上的計(jì)算收斂。類似地,雷達(dá)傳感器位于車輛上的拐角位置處(前面和后面、左側(cè)和右側(cè)),其中a和b的實(shí)際值是1米至2米的數(shù)量級,但是a和b的初始默認(rèn)值設(shè)置成等于零。另外,在正常駕駛中,計(jì)算收斂在傳感器位置(a,b)的正確值上。
上述測試表明所公開的傳感器姿態(tài)估計(jì)技術(shù)可不僅自適應(yīng)地學(xué)習(xí)位置和定向的任何變化,而且該技術(shù)可用于繼車輛組裝或維修后自動(dòng)地學(xué)習(xí)傳感器的位置和定向,其中不需要額外的測量或計(jì)算步驟。再次強(qiáng)調(diào)使用已經(jīng)獲得的車輛和對象數(shù)據(jù)執(zhí)行這些姿態(tài)估計(jì)計(jì)算。另外,雖然傳感器測量緩沖器可以針對統(tǒng)計(jì)穩(wěn)健性而調(diào)整大小以包括(例如)相等于10分鐘的測量數(shù)據(jù),但是即使實(shí)際姿態(tài)與初始默認(rèn)值顯著不同,該測試仍然僅表明3分鐘至4分鐘的實(shí)際姿態(tài)(a,b,α)上的收斂。
圖3是智能傳感器100的示意圖,其在給定車輛動(dòng)態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)作為輸入的情況下可自動(dòng)地且連續(xù)地估計(jì)其在車輛10或主車輛50上的姿態(tài)。智能傳感器100包括傳感器測量核心102,其傳輸雷達(dá)信號并且接收雷達(dá)回波以識別主車輛附近的對象。智能傳感器100還包括安裝姿態(tài)估計(jì)器104,其自動(dòng)地且連續(xù)地計(jì)算智能傳感器100的安裝姿態(tài)(a,b,α)。安裝姿態(tài)估計(jì)器104使用來自傳感器測量核心102的靜態(tài)對象數(shù)據(jù)連同傳感器姿態(tài)計(jì)算中的車輛動(dòng)態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)-如上文詳述。在線路112上從模塊110向智能傳感器100提供車輛動(dòng)態(tài)學(xué)數(shù)據(jù),該模塊可以是圖1上示出且先前討論的車輛動(dòng)態(tài)學(xué)模塊20。
測量核心102-針對每個(gè)檢測到的對象在線路106上提供對象方位角(θ)、范圍(r)和范圍變化率
圖3的智能傳感器100是所公開發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。所公開發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例如圖1中所示,其中處理器12或?qū)ο髾z測模塊30自動(dòng)地且連續(xù)地估計(jì)車輛10上的全部傳感器32至38的姿態(tài)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白的是,處理器12或?qū)ο髾z測模塊30可如何基于來自車輛動(dòng)態(tài)學(xué)模塊20的可用數(shù)據(jù)以及靜態(tài)對象的每個(gè)傳感器的測量、使用上文詳述的技術(shù)計(jì)算每個(gè)傳感器的姿態(tài)。
圖4是用于自動(dòng)估計(jì)主車輛上的雷達(dá)傳感器的姿態(tài)的方法的流程圖200。流程圖的方法可編程為處理器12或?qū)ο髾z測模塊30上的算法(且施用至全部車輛的雷達(dá)傳感器)或在智能傳感器100的安裝姿態(tài)估計(jì)器104中編程。
表格1提供作為與參考圖4描述的流程圖200相關(guān)聯(lián)的解釋,其中以數(shù)字標(biāo)記的框和對應(yīng)功能如下陳述。
表格1
該方法開始于開始框202在判決菱形框204處,確定新的對象傳感器測量數(shù)據(jù)是否已到達(dá)如果否,那么該程序周期回到判決菱形框204上面并且等待直至新數(shù)據(jù)到達(dá)。當(dāng)新的對象傳感器數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí),在框206處,提供車輛的速度(縱向vx和橫向vy)以及橫擺率ω。如上文所討論,由車輛動(dòng)態(tài)學(xué)模塊20基于由車輛動(dòng)態(tài)學(xué)傳感器提供的數(shù)據(jù)以及通信總線上可用的其它車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算vx、vy以及ω。
在框208處,獲取來自圖2的雷達(dá)傳感器70(或圖1的傳感器32至38)的對象數(shù)據(jù),且基于零或非零地面速度確定靜態(tài)對象。對象地面速度基本上等于零、指示靜態(tài)對象、限定為低于閾值的地面速度,諸如0.05米/秒。在框210處,使用等式(5)至(8)的遞歸學(xué)習(xí)計(jì)算估計(jì)傳感器的安裝位置值(a,b)。在框212處,使用等式(10)至(14)的遞歸學(xué)習(xí)計(jì)算估計(jì)傳感器的方位定向角(α)。在框214,存儲傳感器的姿態(tài)的更新值(a,b,α)以在遞歸計(jì)算的下一個(gè)迭代中使用,且還使用傳感器位置和定向值來重新計(jì)算由傳感器檢測到的對象位置(錯(cuò)位補(bǔ)償)。明顯在預(yù)期值之外的傳感器姿態(tài)值也可以標(biāo)記為診斷故障代碼(dtc)、傳送至駕駛員作為警報(bào)、經(jīng)由遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)傳輸至維修設(shè)施以供后續(xù)使用等。
繼框214處的傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)存儲和錯(cuò)位補(bǔ)償后,該方法返回至判決菱形框204以等待下一次傳感器數(shù)據(jù)到達(dá)。如先前詳細(xì)討論,流程圖200的方法在車輛操作期間連續(xù)地運(yùn)行,產(chǎn)生每個(gè)傳感器的姿態(tài)的更精確值。即使車輛損壞導(dǎo)致傳感器位置和/或定向突然變化或如果新傳感器以默認(rèn)姿態(tài)值安裝,那么遞歸計(jì)算技術(shù)將僅在幾分鐘車輛操作內(nèi)收斂在精確的傳感器位置和定向值上,因此確保在下游應(yīng)用中使用的對象檢測數(shù)據(jù)的精確度。
本文所述的自動(dòng)傳感器姿態(tài)估計(jì)方法提供一種用于確定對象檢測傳感器(包括無物理調(diào)整裝置的傳感器)的位置和對準(zhǔn)的簡單且有效方式,因此改進(jìn)使用傳感器數(shù)據(jù)的應(yīng)用的性能。該姿態(tài)估計(jì)技術(shù)還避免造成傳感器移位的儀表板損壞時(shí)以其它方式可用的儀表板部件的昂貴更換,并且避免對車輛服務(wù)訪問重新定位或重新校準(zhǔn)已經(jīng)移位的傳感器的需要。
前述討論僅僅公開并且描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易從此討論和附圖以及權(quán)利要求書認(rèn)識到,在不脫離如以下權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可在其中作出各種改變、修改和變動(dòng)。