CN101013158A - 用于车载对象跟踪系统的校准和定向的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明包括对多个对象定位传感器执行在线微调的方法和相关的设备。基于对象轨迹,可为每个传感器计算多达三个几何参数、两个用于位置、一个用于方位对准。该方法包括建立用于相对于车辆坐标系对准每个传感器的初始值,和确定每个对象定位传感器的目标对象的位置。确定目标对象的轨迹。基于目标对象的轨迹调节每个对象定位传感器相对于车辆坐标系的对准。

Description

用于车载对象跟踪系统的校准和定向的方法和设备
技术领域
本发明总体来说涉及对象跟踪系统,更具体地说,涉及与车辆操作有关的对象跟踪系统相关的测量系统。
背景技术
现代车辆可配置各种传感装置和系统,这些传感装置和系统辅助车辆操纵者管理车辆操作。一种类型的传感系统用于确定公路上其它车辆和其它对象的相对位置和轨迹。使用确定公路上其它车辆和其它对象相对位置和轨迹的传感器的示例性系统包括防碰撞系统和自适应巡航控制系统。
安装在车辆上的传感器系统通常在车辆装配过程中校准。但是,现在关心的是在传感器的使用期间传感器定向和信号输出会漂移,以致传感器相对于车辆的定向发生变化。当传感器定向变化或漂移时,测量结果相对于车辆变得偏斜。当有多个传感器时,因为传感器之间的输出变得偏斜所以关心的问题变得更复杂。
为了成功组合来自各种传感器的数据以产生一致的对象图,也就是远程对象的位置和轨迹,需要正确记录传感器数据。也就是说,需要确定传感器的相对位置、以及它们的坐标系与车辆坐标系之间的关系,车辆坐标系通常定向到车辆框架。当系统不能正确解释记录错误时,结果可能包括已编译的对象图(传感器数据)和地面实况之间的失配。示例包括对诸如车辆的远程对象(或目标)的位置和运动的夸大自信,和车载跟踪数据库中不必要的多重轨迹,该车辆跟踪数据库中包含对应于单个远程对象的多重轨迹。
因而,需要使用与它的固有分辨力相对应的精度来对准每个单个传感器,例如,对方位角精度在0.1度级别的传感器来说具有0.1度的对准精度。在车辆的使用期限内精密传感器安装容易受到漂移的影响,很难手动维护。
需要确保来自传感器的信号输出已对准,且在固定坐标系中定向,以便消除与偏斜读数相关的错误风险。因而,希望具有一种传感器系统,它能自动将传感器输出对准到参考坐标系。还希望使用被跟踪的对象作为参考来对准传感器,以便方便定期进行对准,从而改善传感器精度,并减少与漂移相关的错误。
发明内容
本发明提供了一种方法和设备,通过该方法和设备装置安装在车辆上的对象定位传感器可相对于彼此对准到高精度。本发明包括一种方法和相关的设备,以便自动执行多个传感器的在线微调对准。基于对象轨迹,可为每个传感器计算多达三个几何参数,两个用于位置,一个用于方位角对准。
因而,根据本发明,提供一种制造产品,该制造产品包括存储介质,该存储介质内具有编码的计算机程序,用于实现对准安装在车辆上的多个对象定位传感器之一的方法。执行该程序实现该方法,该方法包括建立用于相对于车辆坐标系对准每个对象定位传感器的初始值,确定每个对象定位传感器的目标对象的多个位置。确定目标对象的轨迹。基于目标对象的轨迹调节每个对象定位传感器相对于车辆坐标系的对准。
本发明的另一个方面包括使用手动校准过程建立用于对准每个对象定位传感器的初始值。
本发明的另一个方面包括确定在一段时间内发生的一系列基本上时间重合的瞬间的每个对象定位传感器的目标对象的位置,包括确定目标对象的多个匹配位置。
本发明的另一个方面包括基于目标对象的轨迹调节每个对象定位传感器相对于车辆坐标系的对准,包括确定在一段时间内发生的一系列基本上时间重合的瞬间的目标对象的匹配位置,和使用最小二乘方法估计修正。确定传感器相对于车辆坐标系的角对准。目标对象的每个匹配位置包括目标对象的融合位置和时间重合的传感器观测的目标对象位置。
本发明的另一个方面包括通过反复执行最小二乘估计方程式估计多个修正。
本发明的另一个方面包括增加地反复修正传感器相对于车辆坐标系的角对准。
本发明的另一个方面包括对象定位传感器和子系统,其可包括短程雷达子系统、远程雷达子系统、和前视子系统。
本发明的另一个方面包括用于定位目标对象的系统。该系统包括配置有控制系统的车辆,该控制系统可操作地连接多个对象定位传感器,每个对象定位传感器用于产生信号输出,该信号输出按照从定向到车辆的坐标系测量的距离、基于时间的距离变化和角度来表征目标对象的位置。控制系统用于融合对象定位传感器的多个信号输出,以便定位目标对象。控制系统包括用于对准每个对象定位传感器的信号输出的算法。
在阅读和理解了下面对实施例的详细描述之后,本发明的这些和其它方面对本领域技术人员来说将变得显而易见。
附图说明
本发明在某些部分和布局部分采取了实物形式,将详细描述本发明的优选实施例,形成本发明一部分的附图阐述了该优选实施例,其中:
图1是根据本发明的车辆系统的示意图;和
图2和3是根据本发明的控制系统的示意图。
具体实施方式
现在参考附图,其中所示仅为了阐述本发明的目的,而不是为了限制本发明,图1显示车辆系统10,该车辆系统根据本发明的实施例构造。
示例性车辆包括设计为在公路上使用的客车,尽管可以理解此处所述的本发明可应用于试图监视远程车辆和其它对象的位置和轨迹的任何车辆或其它系统。车辆包括控制系统,该控制系统包含用于在各种时间执行的各种算法和校准程序。控制系统优选为总车辆控制结构的子集,该总车辆控制结构用于提供协调的车辆系统控制。控制系统用于监视来自各种传感器的输出,合成相关的信息和输入以及执行算法,以便控制各种致动器实现控制目标,控制目标包括例如防碰撞和自适应巡航控制的参数。车辆控制结构包括多个分布式处理器和装置,包括提供例如防抱死制动、牵引控制和车辆稳定性的功能的系统控制器。
每个处理器优选为通用数字计算机,其通常包括微处理器或中央处理单元、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)电路、输入/输出电路和装置(I/O)以及适当的信号调节和缓冲电路。每个处理器具有一组控制算法,其包括固有程序指令和存储在ROM中的校准程序,它们被执行以提供每个计算机的各个功能。
此处所述的算法通常在预设周期中执行,以致每个算法在每个周期中至少执行一次。存储在非易失性存储器装置中的算法由中央处理单元之一执行,这些算法用于监视来自传感装置的输入,执行控制和诊断例行程序,以便利用预设的校准程序控制各个装置的操作。周期通常每隔规定的间隔执行,例如在正在进行的发动机和车辆操作中每隔3、6.25、15、25和100毫秒执行。供选择地,算法也许被执行以响应事件的发生。
现在参考图2和图3,示例性的车辆10通常包括控制系统,该控制系统具有观测模块22、数据关联和分类(DAC)模块24和轨迹寿命管理(TLM)模块26,其中数据关联和分类模块24还包括卡尔曼滤波器24a,轨迹寿命管理模块26保持轨迹列表26a中的轨迹,轨迹列表26a包括多个对象轨迹。更具体地,观测模块由传感器14和16、它们各自对应的传感器处理器、和传感器、传感器处理器和DAC模块之间的互连组成。示例性传感系统优选包括对象定位传感器,该对象定位传感器包括至少两个前视距离传感装置14、16和附随的子系统或处理器14a、16a。对象定位传感器可包括短程雷达子系统、远程雷达子系统和前视子系统。对象定位传感装置可包括任何距离传感器,例如FM-CW雷达(调频等幅波)、脉冲和FSK(频移键控)雷达、和激光雷达(光探测及测距)装置、和超声波装置,其依靠诸如多普勒效应测量结果的效应来定位前方对象。可能的对象定位装置包括电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)视频图像传感器,和其它已知的利用数字摄影法来“观察”前方对象的照相机/视频图像处理器。这种传感系统在汽车应用中通常用于检测和定位对象,可与包括例如自适应巡航控制、防碰撞、预碰撞安全和侧面对象检测的系统一起使用。示例性车辆系统还可包括全球定位传感(GPS)系统。这些传感器优选放置在从车辆前方观察车辆10内相对不受阻碍的位置。值得赏识的是,每个传感器还提供了对目标对象的实际位置或情况的估计,其中所述估计包括估计位置和标准偏差。同样,传感器对对象位置和情况的检测和测量通常称为“估计”。更值得赏识的是,这些传感器的特性是互补的,因为一些传感器比其它传感器在估计某些参数方面更加可靠。传统传感器具有不同的工作范围和角度覆盖,并且能估计在它们工作范围内的不同参数。例如,雷达传感器通常能估计对象的距离、接近速度和方位角位置,但通常不擅长估计被检测对象的范围。具有图像处理器的照相机更擅长估计对象的形状和方位角位置,但是不能有效估计对象的距离和接近速度。扫描型激光雷达能有效和准确地完成估计距离和方位角位置,但是通常不能估计接近速度,因而不能准确地完成新的对象获取/识别。超声波传感器能估计距离,但通常不能估计或计算接近速度和方位角位置。此外,值得注意的是,每种传感器技术的执行受到不同环境情况的影响。因而,传统传感器会出现参数差异,但更重要的是,这些传感器的操作重叠会为传感器融合创造机会。
每个对象定位传感器和子系统提供输出,这些输出通常以优选从车辆纵向轴线测量的距离R、基于时间的距离变化R_dot、和角度Θ来表征。示例性短程雷达子系统具有160度的视野(“FOV”)和30米的最大距离。示例性远程雷达子系统具有17度的视野和220米的最大距离。示例性前视子系统具有45度的视野和50米的最大距离。对每个子系统而言视野优选围绕车辆10的纵向轴线定向。车辆优选定向到被称为XY坐标系20的坐标系,其中车辆10的纵向轴线建立X轴,该X轴具有便于车辆和信号处理的点的轨迹,并且Y轴由位于水平面内、垂直于车辆10的纵向轴线的轴建立,因而其平行于地表面。
如图3所示,所示观测模块22包括在车辆上的离散点A处放置和定向的第一传感器14、第一信号处理器14a、在车辆上的离散点B处放置和定向的第二传感器16、和第二信号处理器16a。第一处理器14a对从第一传感器14接收的信号进行转换,以便确定对目标对象30的每个及时测量结果估计的距离(RA)、距离变化时率(R_dotA)、和方向角(ΘA)。类似地,第二处理器16a对从第二传感器16接收的信号进行转换,以便确定为对象30估计的第二组距离(RB)、接近速度(R_dotB)、和方向角(ΘB)。
优选DAC模块24包括控制器28,其中存储算法和相关的校准程序(未示出),其构造为接收来自每个传感器A、B的估计数据,将数据分类到相似的观测轨迹(即,在一系列的离散时间事件中传感器14、16对对象30的时间重合的观测结果),融合已分类的观测结果以便确定真实的轨迹状态。应理解使用不同的传感系统和技术融合数据会得到可靠的结果。此外,在该技术中可使用任意数量的传感器。但是,传感器数量的增加会导致算法复杂性的增加,需要更多的计算能力以便在相同的时帧内产生结果。优选控制器28容纳在主车辆10内,但也可放置在远程位置。在这点上,优选控制器28电耦合到传感器处理器14a、16a,但也可通过RF、LAN、红外或者其它传统无线技术无线耦合到传感器处理器。TLM模块26构造为接收相似观测的融合数据,将该融合的观测结果存储在轨迹列表26a中。
正如现在所述,本发明包括一种方法,该方法用于确定每个对象定位传感器相对于车辆XY坐标系20的对准,其作为上述控制系统中的一个或多个算法执行。该方法包括对于每个传感器,建立用于相对于车辆XY坐标系对准每个对象定位传感器的初始值。根据每个对象定位传感器的测量确定目标对象30的多个位置,因而确定轨迹。基于上述轨迹确定目标对象的融合轨迹。基于目标对象的融合轨迹调节每个对象定位传感器相对于车辆XY坐标系的对准。现在更加详细地描述该方法。
图1的示意性阐述包括安装在示例车辆的位置A和B处的上述对象定位传感器14、16,优选安装在车辆10的前部。单个目标30远离车辆移动,其中t1、t2和t3表示3个连续时帧。线ra1-ra2-ra3、rf1-rf2-rf3和rb1-rb2-rb3分别表示在时刻t1、t2和t3由第一传感器14、融合处理器和第二传感器16测量的目标位置,利用位于点A、B处的传感器14、16按照RA、RB、R_dotA、R_dotB、ΘA、ΘB测量的。
轨迹融合过程包括一种方法和设备,其用于融合来自多个传感器的跟踪数据,以便更精确估计对象位置。使用多个传感器和数据融合的示例性目标跟踪系统和方法增加了任何单个系统传感器的系统测量结果的准确性和确定性。通过合并传感器视野和减少对象捕获/再捕获时间可扩大传感器覆盖范围,因而降低产生错误正值和错误负值的可能性。示例性目标跟踪和传感器融合系统能估计至少一个对象的情况。该系统包括构造为确定对象情况第一估计的第一传感器和构造为确定对象情况第二估计的第二传感器。该系统包括控制器,该控制器通信耦合到传感器,并构造为确定对象情况的第三估计。第三估计部分基于第一和第二估计,第一和第二估计的每一个包括测量值和标准偏差值。第三估计提供一个计算值和一个标准偏差,该标准偏差低于第一和第二标准偏差的每一个。控制器执行的计算机程序构造为接收来自传感器的至少一个情况的初始估计数据,例如位置、距离或角度,将融合算法应用到初始估计数据,以便确定情况的状态估计。该状态估计提供比初始估计数据更高的可能性和更小的标准偏差。传感器融合算法应用到具有相似或不同传感器的车辆,该算法增加对象检测的可靠性。在该结构中,可提高例如全速自适应巡航控制(ACC)、自动车辆制动、和预碰撞系统的应用。
上述融合过程允许确定装置在与车辆相关的XY坐标系中的位置。融合过程包括利用位于点A、B处的传感器14、16测量前方对象30的RA、RB、R_dotA、R_dotB、ΘA、ΘB。确定前方对象30的融合位置,该融合位置用如前所述的距离R和角度Θ描述的RF、R_dotF、ΘF、Θ_dotF表示。接着将前方对象30的位置转换为与车辆XY坐标系相关的参数坐标。控制系统优选使用包括多个融合对象的融合轨道轨迹(线rf1、rf2、rf3)作为基准,也就是地面实况,以便估计传感器14、16的真实传感器位置。如图1所示,给出了对象30在时间序列t1、t2和t3处的融合轨道轨迹。使用大量相关的对象对应参数例如{ra1,rf1,rb1),(ra2,rf2,rb2),(ra3,rf3,rb3)}可分别计算点A和B处的传感器14和16的真实位置,以便最小化余项,优选使用已知的最小二乘计算方法。在图1中,ra1、ra2和ra3代表的项目表示第一传感器14测量的对象图。rb1、rb2和rb3代表的项目表示第二传感器16观测的对象图。
现在参考图2,优选在图3的传感器融合框28中计算和确定融合轨迹。传感器记录的过程包括确定传感器14、16的相对位置和它们的坐标系与由现在描述的XY坐标系确定的车辆框架之间的关系。现在描述单个对象传感器16的记录。优选相似地处理所有对象传感器。优选使用传感器坐标系或框架即UV坐标系和车辆坐标框架即XY坐标系来实现对象图补偿。优选如下定义传感器坐标系(u,v):原点位于传感器中心;v轴沿着纵向方向(瞄准线),u轴正交于v轴且指向右侧。如前所述,车辆坐标系表示为(x,y),其中x轴表示车辆纵向轴线,y轴表示车辆横向轴线。
为了将传感器坐标系(u,v)内表示目标对象30带有时间标记的位置的点变换到车辆坐标系(x,y),如上所述,可在车辆控制系统内执行作为算法和校准程序的下列操作,由方程式1开始:
r=Rq+r0    (1)
其中r=(x,y),q=(u,v),R是2维旋转,r0=(x0,y0)是传感器中心在车辆框架内的位置。
最初R和r0通常在车辆装配厂内由手动校准过程确定。在操作中,该信息由增量旋转δR和平移δr0修正,因此,新的旋转和平移变成如下面的方程式2和3所示:
R′=δRR,和,    (2)
r0′=r0+δr0      (3)
其中R写成:
R = cos ψ sin ψ - sin ψ cos ψ
值ψ表示特定传感器相对于车辆框架的角对准,即UV坐标系相对于XY坐标系的定向。因为对准修正通常较小,所以增量旋转δR可近似用下面的方程式4表示:
δR=I+ε          (4)
其中:
ϵ = 0 δψ - δψ 0
δψ表示对准角度的修正。
方程式5给出对象位置的修正:
Δr=r′-r=R′q+r0′-Rq-r0    (5)
组合上述方程式1-5可得到方程式6:
Δr=δRRq+δr0-Rq=ε(r-r0)+δr0    (6)
方程式6可改写为方程式7所示的构成形式:
Δr = Δx Δy = Aβ = 1 0 - ( y - y 0 ) 0 1 x - x 0 δ x 0 δ y 0 δψ - - - ( 7 )
其中:
δr0=(δx0,δy0)T
ri=(xi,yi)T
r0=(x0,y0)T,和
β=(δx0,δy0,δψ)T
利用匹配的对象来确定传感器位置的修正。方程式7中计算的结果提供了一种模型,利用该模型通过使用大量匹配对象最小化各个x2函数来估计未知的修正β。
作为示例,假设匹配对象用{(rfi,rai)|i=1,...,N}表示,其中rfi和rai分别表示第i个融合对象和传感器观测对象的位置。
x2函数最小化为方程式8:
χ 2 = Σ i = 1 N ( Δ r i - A i β ) T W ( Δ r i - A i β ) - - - ( 8 )
其中总和来自所有匹配对象对(rfi,rai),Δri=rfi-rai和W=diag{w1,w2,...,wN}是权矩阵。此处wi是对象距离的函数(即wi=f(ri)),从而使得远处的匹配对象比近处的匹配对象具有更大的加权因子。通过最小二乘估计过程求得修正β。下面的方程式9显示了解决方案:
Figure A20071008794900132
其中X表示X的伪逆。
因而,传感器位置(R和r0)的增量修正方程式包括下面的方程式10和11:
R ′ = R + ϵR = R + η 0 δψ - δψ 0 R - - - ( 10 )
r 0 ′ = r 0 + η δx 0 δ y 0 - - - ( 11 )
其中η是学习因子,通常为小的正数(例如η=0.01),用于随着时间反复更新传感器位置。η的大值可使算法快速收敛到一个真实值,但是可能导致不希望的衍生效果。另一方面,传感器位置漂移通常是缓慢的过程,因而允许η为较小的参数值。
概括地说,调节每个对象定位传感器相对于车辆坐标系的对准包括最初将每个传感器的位置(R和r0)设定为额定值。重复下述步骤。基于每个传感器的位置(R和r0)补偿每个对象图。融合来自每个传感器的输出,以便确定目标对象的一系列时间基准位置。轨迹和相关的对象图存储在融合输出的循环队列中。当融合对象的队列具有充足数量的数据时,每个传感器执行下述操作:输出队列中的匹配对象{(rfi,rai)|i=1,...,N},其中rfi和rai分别表示融合对象和传感器观测对象的位置。执行方程式9计算修正β,执行方程式10和11更新每个传感器的位置(R和r0)。
特别参考优选实施例和其修改描述了本发明。阅读和理解说明书之后其他人可做出更多的修改和改变。应当认为本发明包括所有这些修改和变化,只要它们在本发明的范围之内。

Claims (18)

1、制造产品,包括存储介质,该存储介质中具有编码的计算机程序,用于实现对准安装在车辆上的多个对象定位传感器之一的方法,所述程序包括:
用于建立相对于车辆的坐标系对准每个对象定位传感器的初始值的代码;
用于确定每个对象定位传感器的目标对象的多个位置的代码;
用于确定目标对象轨迹的代码;和,
用于基于目标对象的轨迹调节每个对象定位传感器相对于车辆坐标系的对准的代码。
2、如权利要求1所述的制造产品,其中,用于建立相对于车辆坐标系对准每个对象定位传感器的初始值的代码包括:使用手动校准过程建立值。
3、如权利要求1所述的制造产品,其中,用于确定每个对象定位传感器的目标对象的多个位置的代码包括:用于确定发生在一段时间内的一系列基本上时间重合的瞬间的每个对象定位传感器的目标对象的位置的代码。
4、如权利要求3所述的制造产品,其中,用于确定目标对象轨迹的代码包括:用于确定发生在一段时间内的一系列基本上时间重合的瞬间的每个对象定位传感器的目标对象的多个匹配位置的代码。
5、如权利要求1所述的制造产品,其中,用于基于目标对象的轨迹调节每个对象定位传感器相对于车辆坐标系的对准的代码还包括:用于确定发生在一段时间内的一系列基本上时间重合的瞬间的目标对象的多个匹配位置的代码;
用于利用最小二乘方法估计多个修正的代码;和,
用于确定传感器相对于车辆坐标系的角对准的代码。
6、如权利要求5所述的制造产品,其中,目标对象的每个匹配位置包括目标对象的融合位置和时间重合的传感器观测的目标对象位置。
7、如权利要求5所述的制造产品,其中,用于估计多个修正的代码还包括:用于反复执行最小二乘估计方程式的代码。
8、如权利要求5所述的制造产品,其中,用于确定传感器相对于车辆坐标系的角对准的代码还包括:增加地反复修正传感器相对于车辆坐标系的角对准。
9、如权利要求1所述的制造产品,其中,对象定位传感器之一包括短程雷达子系统。
10、如权利要求1所述的制造产品,其中,对象定位传感器之一包括远程雷达子系统。
11、如权利要求1所述的制造产品,其中,对象定位传感器之一包括前视子系统。
12、用于相对于车辆对准安装在车辆上的多个对象定位传感器之一的方法,包括:
建立用于相对于车辆坐标系对准每个对象定位传感器的初始值;
确定每个对象定位传感器的目标对象的多个位置;
确定目标对象的轨迹;和
基于目标对象的轨迹相对于车辆坐标系调节每个对象定位传感器的对准。
13、如权利要求12所述的方法,其中,用于对准安装在车辆上的多个对象定位传感器之一的方法还包括:将对象定位传感器之一对准到车辆坐标系。
14、如权利要求13所述的方法,其中,建立用于相对于车辆坐标系对准每个对象定位传感器的初始值包括:建立用于相对于每个传感器的坐标系对准每个对象定位传感器的初始值。
15、如权利要求13所述的方法,其中,建立用于相对于车辆坐标系对准每个对象定位传感器的初始值包括:利用手动校准过程建立值。
16、如权利要求13所述的方法,其中,相对于车辆坐标系确定每个对象定位传感器的目标对象的多个位置包括:确定发生在一段时间内的一系列基本上时间重合的瞬间的每个对象定位传感器的目标对象的多个位置。
17、如权利要求16所述的方法,其中,确定目标对象的轨迹包括:确定发生在一段时间内的一系列基本上时间重合的瞬间的每个对象定位传感器的目标对象的多个匹配位置。
18、用于定位目标对象的系统,包括:配置有控制系统的车辆,该控制系统可操作地连接多个对象定位传感器,每个对象定位传感器用于产生信号输出,该信号输出按照从定向到车辆的坐标系测量的距离、基于时间的距离变化和角度来表征目标对象的位置;
控制系统用于融合对象定位传感器的多个信号输出,以便定位目标对象;
控制系统包括用于对准每个对象定位传感器的信号输出的算法,所述算法包括:
a)用于建立相对于车辆坐标系对准每个对象定位传感器的初始值的代码;
b)用于确定每个对象定位传感器的目标对象的多个位置的代码;
c)用于确定目标对象轨迹的代码;和
d)用于基于目标对象的轨迹调节每个对象定位传感器相对于车辆坐标系的对准的代码。
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