CN114019494A - 具有自校准的自动车辆雷达系统 - Google Patents

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Abstract

一种能够进行自校准的自动车辆雷达系统，包括天线、收发机和控制器。天线广播雷达信号并检测由物体反射的反射信号。收发机基于雷达信号和反射信号确定物体相对于天线的距离、角度和临近速率。控制器确定主车辆的速度；基于速度、角度和临近速率确定物体何时静止；在存储器中存储多个检测，所述多个检测对应于随着主车辆行驶经过物体时距离、角度和临近速率的多个实例；基于速度选择角度相对于临近速率的理想响应；基于多个检测与理想响应之间的差来确定系统的校准矩阵；以及根据校准矩阵来调整到后续物体的指示角度。

Description

具有自校准的自动车辆雷达系统
本申请是申请日为2017年10月30日、发明名称为“具有自校准的自动车辆雷达系统”的专利申请201711041885.X的分案申请。
技术领域
本公开内容总体上涉及自动车辆(automated vehicle)雷达系统，具体而言，涉及当主车辆(host vehicle)行驶经过静止物体时进行自校准的雷达系统。
背景技术
汽车雷达系统通常在诸如电波暗室之类的测试设施中被初始校准，然后安装在主车辆上，而无需进一步的再校准。因此，校准可能不是最佳的，因为校准没有补偿可能影响雷达系统的响应的主车辆的仪表板、车架或其它部件的影响。此外，这种初始校准没有补偿由于老化或环境条件变化所引起的响应的变化，这可能并且经常导致系统性能的劣化。雷达系统在被安装在主车辆之前的典型初始校准将目标放在室中的参考点处，并且旋转雷达天线，以便在对应于雷达系统的操作视场的角度集合上收集响应。在每个角度，针对天线的每个元件收集复电压形式的响应，并且这些响应可用于完全确定系统的默认或初始校准。即，注意到响应偏离预期或理想响应的地方，并且建立校正因子或校准矩阵以校正或补偿针对测试的每个角度的来自天线的每个元件的复电压。
发明内容
本文描述的是被编程具有汽车雷达系统的在线或动态校准方法的雷达系统，其中，校准不依赖于受控的室环境或预定的测试设施。当主车辆在系统的整个使用寿命期间行驶时，都可以执行校准。这提供了系统的更精确的校准，即使当系统或主车辆的部分随时间而改变(例如，退化)和/或由于操作环境的变化而改变时。该系统使用的前提是，随着主车辆行驶经过目标，可以针对多个角度找到来自单个目标的响应。该方法包括用于挑选这样的目标并更新/调节提供系统的完全校准的校准矩阵的过程。该方法利用多普勒散射现象，其中由于随着主车辆朝向静止物体行驶并最终超过静止物体而不断变化的径向速度，静止物体具有不同的多普勒值，其中，径向速度取决于主车辆的速度和与物体的角度。静止物体的物理角度的范围取决于其相对于主车辆的相对位置，其与初始范围相关。某一多普勒值与静止物体的物理角度之间可以存在一对一的映射。对于前向雷达，最初感兴趣的静止物体可以位于与系统的视轴(bore-site)偏移一度(1°)处。只要主车辆具有固定的轨迹(在相对笔直的道路上以恒定的速度行驶)，就可以跟踪诸如路灯柱或限速标志之类的静止物体，并且可以存储该数据并稍后用于校准。
以设计时确定的某种间隔，雷达进入在线校准模式。这可以基于行驶的里程、天气变化、时间间隔(周期性)或从传感器操作的初始时间开始的时间增量。在校准模式下，系统可以切换到感测模式，其给予其与车辆速度相适应的最高的多普勒分辨率。例如，系统可以被配置为以一度的角度间隔收集物体的离散检测。例如，如果主车辆以60kph的速度行驶并且物体处于一度的角度(最大压力)，则系统需要至少2.5mm/s的多普勒分辨率以便能够确定物体处于1度的位置。然而，当物体处于40度时，多普勒分辨率仅需要为185mm/s。检测范围限于5-40度而不是1-40度；可以放宽最低多普勒分辨率要求。
在基于主车辆的速度设置感测模式的参数之后，可以搜索系统的视场以获得主要的静止物体。然后跟踪该物体并以例如一度的角度间隔记录复电压，并持续直到物体超出系统的视场，例如四十五度。值得注意的是，不需要针对视场中的每个角度都完成数据收集，但是收集越完整，校准就将越准确。
根据一个实施例，提供了一种适于用在自动车辆上并且能够进行自校准的雷达系统。该系统包括天线、收发机和控制器。天线安装在主车辆上。该天线用于广播雷达信号并检测因物体对雷达信号的反射而产生的反射信号。收发机与天线通信。收发机基于雷达信号和反射信号确定物体相对于天线的距离、角度和临近速率。控制器与收发机通信。控制器确定主车辆的速度；基于速度、角度和临近速率确定物体何时静止；在存储器中存储多个检测，其对应于随着主车辆行驶经过物体时的距离、角度和临近速率的多个实例；基于速度选择角度相对于临近速率的理想响应；当物体静止时，基于多个检测与理想响应之间的差来确定系统的校准矩阵；以及根据校准矩阵来调整到后续物体的指示角度。
在阅读以下仅通过非限制性示例的方式并参考附图给出的优选实施例的详细描述之后，其它特征和优点将更清楚地显现。
附图说明
现在将通过示例的方式参考附图来描述本发明，在附图中：
图1是根据一个实施例的雷达系统的图；
图2A和2B是对根据一个实施例的在时间上两个不同实例的配备有图1的系统的主车辆与图1的系统检测到的静止物体的相对位置的图示；以及
图3是根据一个实施例的图1的系统的理想响应的曲线图；以及
图4是根据一个实施例的由图1的系统使用的天线的上边缘视图。
具体实施方式
图1示出了雷达系统10的非限制性示例，雷达系统10在下文中被称为系统10。系统10适合于由自动车辆使用，例如，主车辆12。如本文所使用的，术语自动车辆适用于当主车辆12以自动模式14操作的情况，即完全自主的模式，其中主车辆12的操作人员18仅仅指定目的地以操作主车辆12。然而，完全自动化不是必需的。可以想到，当主车辆12以手动模式16操作时，本文中给出的教导是有用的，其中，在手动模式16中自动化的程度或水平仅仅是向通常控制主车辆12的方向盘、加速踏板和刹车的操作人员18提供听觉或视觉警告。例如，系统10可以仅根据需要来辅助操作人员18以改变车道和/或避免与例如物体20(例如，其它车辆或路标)的干扰和/或碰撞。
本文描述的系统10有利地能够进行自校准以克服以上关于一次性初始校准描述的问题。如下面将更详细地描述的，本文所描述的系统10能够使用检测到的静止物体的实例(例如，路标或通常安装在柱上用于指示道路边缘的反射器的实例)来周期性地、定期地或不断地更新或改进系统10的校准。
系统10包括安装在主车辆12上的天线22。通常，天线22具有接收元件24的多个实例(图4)，因此可以确定与物体20的方位角，如本领域技术人员将认识到的。天线22可以是建立在单个基板26上的单个统一单元，或者天线22可以具有分布在主车辆12上的不同间隔位置处的元件。天线22可以包括一个或多个单独的元件(未示出)用于广播雷达信号28，或者可以多路复用接收元件24中的一个或多个以广播雷达信号28并且检测由物体20对雷达信号28的反射而产生的反射信号30。
系统10包括与天线22通信的收发机32。该通信可以采用线路、光纤、波导等、或其任何组合的方式，如本领域技术人员将认识到的。收发机32可用于基于雷达信号28和反射信号30来确定物体20相对于主车辆12或更具体地相对于天线22的距离34、角度36(即，上述方位角)以及临近速率38(同样参见图2A和2B)。
系统10包括与收发机32通信的控制器40。虽然收发机32被示出为与控制器40分离，但这只是为了简化对系统10的说明。可以想到，收发机32的功能可以集成到控制器40中。控制器40可以包括诸如微处理器之类的处理器(未具体示出)或其它控制电路，例如模拟和/或数字控制电路，包括用于处理数据的专用集成电路(ASIC)，如对于本领域技术人员应该是显而易见的。控制器40可以包括存储器42，其包括非易失性存储器，例如用于存储一个或多个例程、阈值和捕获的数据的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。处理器可以执行一个或多个例程，以执行以下方法步骤：如本文所述的基于由控制器40发送和接收的信号来对系统10进行校准。即，控制器40可以被描述为被编程以执行下面描述的方法来对系统10进行校准。
在一个步骤中，控制器40确定主车辆12的速度44。速度44可以以多种方式来确定，包括但不限于从旋转速度传感器(例如，车轮速度传感器)接收信号，其中，该信号也可以用于操作主车辆的速度计；从主车辆12的全球定位系统(GPS)接收速度值；或收集/平均与位于系统10的视轴46(图2A和2B)附近的静止物体相关联的临近速率。
在另一步骤中，控制器40基于速度44、角度36和临近速率38来确定物体20何时是静止的。如果临近速率38除以角度36的余弦值近似等于速度44，例如+/-2％，则假定物体20是静止的。如果物体20不是静止的，则可以认识到可以跟踪物体20并用于对系统10进行校准。然而，认为使用具有未知且不稳定的速度的移动物体来对系统10进行校准的复杂性和可能的较低置信度不是优选的，因为假设存在足够数量的静止物体来使得对系统10的校准有效。可以认识到，可以考察由物体20反射的反射信号30的其它特性(除了是静止的之外)，以确定物体20是否适合用于对系统10进行校准，其中一些将在后面描述。
图2A和2B示出了物体20位于与主车辆12行驶的道路或车道相邻处的场景的非限制性示例。图2A示出了物体20和主车辆12在时刻A的相对位置。物体20相对较远，因此角度36相对较小。因此，临近速率38将相对类似于速度44。在图2B中，在稍后的时刻(时刻B在时刻A之后)，物体20更靠近，因此角度36更大，因此临近速率38将相对于速度44有所减小。图2A和2B示出了随着主车辆以恒定速度行驶经过物体20时，临近速率38如何变化。
再次参考控制器40的方法或编程，在另一步骤中，控制器40在存储器42中存储多个检测48，其可以是来自接收元件24的复电压50的形式。通常，复电压50对应于或指示随着主车辆12行驶经过物体20时的距离34、角度36和临近速率38的多个实例。作为对于具有接收元件24的N个实例(对于图4所示的示例性天线，N＝8)天线和与收集检测的M个角度对应的检测数量的通用数学描述，该数据可以组成N×M矩阵，其如下等式1所示。
Figure BDA0003344569970000051
虽然到目前为止的描述可以解释为暗示用于确定图1所示的X矩阵的多个检测48与物体20的单个实例相关联，但这不是必需的。即，多个检测48可以包括与来自多个物体20'的距离34、角度36和临近速率38的实例相关联的复电压。作为示例而非限制，X矩阵可以包括来自反射器的多个实例的检测，该反射器安装在柱上通常用于指示道路边缘。
图3是示出了对于临近速率38相对于角度36的系统10的理想响应52的非限制性示例的图。理想响应52对应于如果系统10被完美地校准并且主车辆12以恒定的速度在笔直的道路上行驶则系统10所确定的。应该认识到，图3对应于角度36的余弦值乘以速度44，在这种情况下，速度44是每小时六十公里(60kph)或每秒十六又三分之二米(16.67m/s)。图3是相关的，因为在另一步骤中，控制器40基于速度44选择角度相对于临近速率的理想响应52。即，如果速度44是除了60kph之外的某个值，则相应地缩放理想响应52。如下面将更详细地解释的，对系统10的校准是基于以上等式1中存储的实际检测与理想响应52的比较。
在另一步骤中，当物体20是静止的时，控制器40基于多个检测48与理想响应52之间的差来确定系统10的校准矩阵54，其中，所述差基于在理想临近速率等于指示临近速率60的条件下指示临近速率60下的指示角度66与理想响应52所指示的理想临近速率下的理想角度之间的角度差。为此，由对应于天线22的配置的等式2和等式3定义对应于理想化响应的导向矢量集合。
Figure BDA0003344569970000061
其中，
Figure BDA0003344569970000062
于是，对于M个到达角中的每个，由等式4定义针对每个角度的由M个导向矢量构成的N×M矩阵。
Figure BDA0003344569970000063
对于每个到达角，提供了对应于总任意增益和相位的复乘法器，其有助于进一步调整来自那些角度的响应，其如下由等式5所示，并被记为矩阵Z。
Figure BDA0003344569970000064
在另一步骤中，控制器40根据校准矩阵54调整到后续物体的指示角度66。在下面的等式6中，校准矩阵54(被记为C)作用于与后续物体56(即，与用于确定校准矩阵54的物体20不同的物体)相关联的多个检测48(被记为X)，以等于理想响应52乘以一组复数值，这有助于将理想响应调整为校准响应的响应。得到的等式是：
CX＝AZ 等式6
C和Z都可以通过求解以下等式7来确定，这是针对C和Z的所有可能值通过教科书的最小化方法解决的优化问题。
min(CX-ZA) 等式7
由于它是优化问题，所以可能不是唯一的解。注意，测量矢量X中包括的角度的数量不需要是完全的。随着X的列接近完整的角度集合，校准矩阵54变得更准确。即，一旦确定校准矩阵54，效果在于控制器40根据校准矩阵54调整到后续物体56的指示距离58和指示临近速率60，以提供与到后续物体56的实际距离和临近速率相对应的调整距离62和调整的临近速率64。
如上所述，可以认识到，可以考察由物体20反射的反射信号30的其它特性(除了是静止的之外)，以确定物体20是否适合用于对系统10进行校准。作为示例而非限制，当物体20的面线性度70小于线性度阈值72时，可以使用与物体20相关联的多个检测48的实例来确定校准矩阵54。如本文使用的，面线性度70是如果多个回波或目标与物体20相关联，对指示距离有多少变化的度量。例如，如果因为路标太靠近而使得系统的角度分辨率可以以角度36的多于一个值而检测到相同的标志，所以诸如限速标志之类的路标具有多个回波，则可以比较那些多个回波的距离34。由于路标相对平坦，所以每个回波的距离34几乎没有变化。相比之下，如果是在道路路肩上的停放车辆的情况下的物体20，对应于尾灯反射器和侧视镜的回波将具有基本上不同的距离。距离的这种变化可能使确定校准矩阵的过程复杂化，因此停放的车辆将不是用于系统10的校准的物体20的优选实例。如果线性度阈值72例如被设置为二十厘米(20cm)，则停放的车辆的面线性度70可能大于线性度阈值72，因此停放的车辆可能不是用于校准的适当物体。然而，路标的面线性度70可能小于线性度阈值72，因此路标可以是用于校准的适当物体。
作为进一步的示例，例如当距离34小于距离阈值74五十米(50m)时，可以使用与物体20相关联的多个检测48的实例来确定校准矩阵54。如果物体20太远，例如大于50m，则回波信号的信噪比(SNR)可能太低而不能提供相对一致的检测。此外，在这样的距离处，主车辆12可能需要在角度36变化而足以让系统10检测角度36的不同值之前行驶相当长的距离。因此，可以优选仅使用更接近距离阈值74的物体。还可以优选仅使用以高于某个阈值的SNR检测到的和/或当反射信号30具有大于某个强度阈值的信号强度时的物体。
图4示出了天线22的非限制性示例。如上所述，优选地，如果天线22包括多个接收元件24，使得可以确定到物体20的方向(例如，角度36)。虽然该图仅示出反射信号30的三个实例，但这仅仅是为了简化说明，并且预期通常所有这些接收元件24都将接收或检测到反射信号30的实例。因此多个检测48的每个实例包括来自多个接收元件24中的每一个的复电压50。尽管上面的解释可以被解释为暗示多个检测48采用距离、角度36和临近速率38的形式，但应当理解，这是概念性的，以简化对系统10的说明。实际上，多个检测48通常采用从接收元件24的每个接收到的复电压50的形式，因此随之校准矩阵54被配置为转换复电压50以校正或补偿系统的响应与理想响应52相比的差异。
因此，提供了雷达系统(系统10)、用于系统10的控制器40以及操作系统10的方法。系统10是对在制造环境中被初始校准但是在主车辆12离开工厂后不具有“动态(on-the-fly)”更新和/或改进系统10的校准的能力的系统的改进。
虽然已经关于本发明的优选实施例描述了本发明，但是并非旨在受限于此，而是仅限于所附权利要求书中所阐述的范围。

Claims (11)

1.一种方法，包括：
在主车辆以恒定速度行驶并且临近物体时在多个时间从多个接收元件接收雷达检测；
基于所述雷达检测来确定在所述多个时间所述主车辆与所述物体之间的角度和临近速率；
确定所述物体是静止的；
基于所述主车辆的所述恒定速度来选择临近速率相对于角度的理想响应；
对所确定的在所述多个时间的角度和临近速率与所选择的临近速率相对于角度的理想响应之间的差进行确定；
基于所确定的在所述多个时间的角度和临近速率与所选择的临近速率相对于角度的理想响应之间的确定差来生成校准矩阵；
在稍后时间从所述多个接收元件接收其他雷达检测；
基于所述校准矩阵来调整所述其他雷达检测；以及
使用调整后的所述其他雷达检测来确定所述主车辆与临近所述主车辆的另一物体之间的调整后角度、调整后临近速率或调整后距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述雷达检测和所述其他雷达检测包括复电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述复电压指示相应所述接收元件与所述物体和所述另一物体之间的距离或临近速率。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，调整所述其他雷达检测包括：调整所述其他雷达检测的所述复电压。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，调整所述其他雷达检测包括：调整相应所述接收元件与所述另一物体之间的距离或临近速率的指示。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定所述调整后角度、所述调整后临近速率或所述调整后距离包括：基于相应所述接收元件与所述另一物体之间的距离或临近速率的调整后指示来确定所述调整后角度、所述调整后临近速率或所述调整后距离。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，基于所述主车辆的所述恒定速度和至少一个由所确定的角度和临近速率构成的对来确定所述物体是静止的。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，确定与所述另一物体的所述调整后角度、所述调整后临近速率或所述调整后距离包括：确定与所述另一物体的所述调整后角度。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述差包括所确定的在所述多个时间的角度和临近速率与所选择的临近速率相对于角度的理想响应之间的角度差。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：
基于所述雷达检测来确定所述物体的面线性度；以及
确定所述物体的所述面线性度小于线性度阈值，
其中，还响应于确定所述物体的所述面线性度小于所述线性度阈值来确定在所述多个时间所述主车辆与所述物体之间的角度和临近速率。
11.一种系统，包括：
控制器，被配置为使所述系统执行根据权利要求1-10所述的任一方法。
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