CN102778670A - 用于主动安全车辆应用的新型传感器对准方法和工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于主动安全车辆应用的新型传感器对准方法和工具。一种用于不需要物理地调整所述传感器而虚拟对准在车辆上的物体检测传感器的方法和工具。在主车辆的正常驾驶期间通过互相比较不同的传感器读数来检测传感器失准情况。在车辆维修场所，主车辆放置在对准目标固定装置中，并且将所有物体检测传感器的对准与地面实况比较来确定对准校准参数。通过在跟随引导车辆的受控环境中驾驶主车辆可以进一步细化对准校准。最终的对准校准参数被授权并且储存在系统存储器中，并且使用物体检测数据的应用此后根据所述校准参数调整传感器读数。

Description

用于主动安全车辆应用的新型传感器对准方法和工具

技术领域

本发明总体上涉及在车辆上的物体检测传感器，并且更具体地，涉及一种用于执行车载短距雷达或其他传感器的虚拟对准的方法，其检测一个或多个传感器的失准状况，确定用于这些传感器的校准角度调整，以及通过在软件中调整传感器读数来不必物理地调整这传感器地来执行这些传感器的虚拟校准。

背景技术

许多现代车辆包括物体检测传感器，其被用来实现碰撞报警或避免以及其他主动安全应用。物体检测传感器可以使用多种检测技术中的任一种—例如包括短距雷达、具有图像处理的摄影机、激光或LIDAR、以及超声波。物体检测传感器检测在主车辆的路径中的车辆和其他物体，并且应用软件使用物体检测信息来在适当时发出报警或者采取动作。

为了优化地执行应用软件，物体检测传感器必须正确地与车辆对准。例如，如果传感器检测实际上在主车辆的路径中的物体，但是由于传感器失准，传感器就确定物体位于主车辆的路径的稍左侧，这会对应用软件产生重大后果。即使在车辆上有多个前视物体检测传感器，将它们都正确地对准也是重要的，以便于最小化或消除冲突的传感器读数。

在许多车辆中，物体检测传感器直接集成到车辆的前外饰板件内。这种类型的安装是简单有效的、并且美学上合意的，但是它具有一缺点，即没有现实办法来物理地调整传感器的对准。因此，如果由于外饰板件的损坏或者老化以及天气相关的扭曲，传感器变为与车辆的真实前进方向失准，那么传统上已经没有办法来校正失准，除了更换包括传感器的整个外饰板件组件。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于不需要物理地调整传感器而虚拟对准在车辆上的物体检测传感器的方法和工具。在主车辆的正常驾驶期间通过互相比较不同的传感器读数来检测传感器失准情况。在车辆服务场所，主车辆被放置在对准固定装置中，并且将所有物体检测传感器的对准与地面实况比较来确定对准校准参数。通过在受控环境中跟随引导车辆地驾驶主车辆可以进一步细化对准校准。最终的对准校准参数被授权并且储存在系统存储器中，并且使用物体检测数据的应用此后根据所述校准参数调整传感器读数。

本发明还提供了如下方案：

方案1. 一种用于虚拟对准在主车辆上的物体检测传感器的方法，所述方法包括：

在主车辆正常驾驶期间检测传感器失准情况；

利用具有已知地面实况的对准目标固定装置确定用于物体检测传感器的对准校准参数；

将所述对准校准参数储存在存储器中；以及

由应用程序使用所述对准校准参数来调整所述物体检测传感器的读数。

方案2. 如方案1所述的方法，其中检测传感器失准情况包括确定存在一组必要驾驶条件，计算在每个物体检测传感器的读数之间的差值，以及确定一个或多个所述物体检测传感器是否以超过预定阈值的量失准。

方案3. 如方案2所述的方法，其中所述一组必要驾驶条件包括在笔直道路上驾驶，以及在主车辆前面的道路上存在引导车辆。

方案4. 如方案2所述的方法，还包括通知失准情况给主车辆的驾驶员。

方案5. 如方案1所述的方法，其中确定用于物体检测传感器的对准校准参数包括将主车辆布置在所述对准目标固定装置中并且用每个物体检测传感器静态地测量一个或多个已知定位的物体的位置。

方案6. 如方案1所述的方法，其中将所述对准校准参数储存在存储器中包括由维修技术员将技术员工具连接到主车辆，并且使用所述技术员工具来授权将对准校准参数储存在存储器中。

方案7. 如方案1所述的方法，还包括通过在引导车辆后面的预定布置中驾驶主车辆来细化和验证所述对准校准参数。

方案8. 如方案7所述的方法，其中细化和验证所述对准校准参数包括在笔直道路上在引导车辆后面驾驶主车辆，获取一系列的传感器读数，以及最小化包含所述传感器读数和相应于所述传感器读数的对准校准参数的数学函数。

方案9. 如方案1所述的方法，其中所述物体检测传感器包括左侧短距雷达、右侧短距雷达、以及长距雷达。

方案10. 如方案1所述的方法，其中所述应用程序是碰撞检测报警或碰撞避免系统。

方案11. 一种用于虚拟对准在主车辆上的物体检测传感器的方法，所述物体检测传感器包括两个短距雷达传感器以及长距雷达传感器，所述方法包括：

在主车辆正常驾驶期间检测传感器失准情况；

利用具有已知地面实况的对准目标固定装置确定用于物体检测传感器的对准校准参数；

通过在引导车辆后面的预定布置中驾驶主车辆来细化和验证所述对准校准参数；

授权所述对准校准参数的储存以及将所述参数储存在存储器中；以及

由碰撞检测报警或碰撞避免系统使用所述对准校准参数来调整所述物体检测传感器的读数。

方案12. 如方案11所述的方法，其中检测传感器失准情况包括确定存在一组必要驾驶条件，计算在每个物体检测传感器的读数之间的差值，以及确定一个或多个所述物体检测传感器是否以超过预定阈值的量失准。

方案13. 如方案11所述的方法，其中确定用于物体检测传感器的对准校准参数包括将主车辆布置在所述对准目标固定装置中并且用每个物体检测传感器静态地测量一个或多个已知定位的物体的位置。

方案14. 如方案11所述的方法，其中细化和验证所述对准校准参数包括在笔直道路上在引导车辆后面驾驶主车辆，获取一系列的传感器读数，以及最小化包含所述传感器读数和相应于所述传感器读数的对准校准参数的数学函数。

方案15. 一种用于在主车辆上的物体检测传感器的虚拟对准系统，所述系统包括：

在所述主车辆上的多个物体检测传感器；

使用来自所述物体检测传感器的信号的应用程序模块；

用于储存所述物体检测传感器的参数数据的存储器模块；

用于提供信息给主车辆的驾驶员的显示单元；

与所述物体检测传感器、所述应用程序模块、所述存储器模块、以及所述显示单元通信的控制器，所述控制器配置来确定对准校准参数并且利用所述对准校准参数调整来自所述物体检测传感器的信号；以及

适于与所述控制器通信的技术员工具，所述技术员工具被用来授权对所述对准校准参数的改变。

方案16. 如方案15所述的虚拟对准系统，其中所述多个物体检测传感器包括左侧短距雷达、右侧短距雷达、以及长距雷达。

方案17. 如方案15所述的虚拟对准系统，其中所述应用程序模块包括碰撞检测报警或碰撞避免系统。

方案18. 如方案15所述的虚拟对准系统，其中所述控制器配置成在主车辆在一组必要驾驶条件下的驾驶期间检测传感器失准情况。

方案19. 如方案15所述的虚拟对准系统，其中所述控制器配置成在所述主车辆定位在具有已知地面实况的对准目标固定装置中时确定所述物体检测传感器的对准校准参数。

方案20. 如方案15所述的虚拟对准系统，其中所述控制器配置成通过在笔直道路上在引导车辆后面驾驶主车辆，获取一系列的传感器读数，以及最小化包含所述传感器读数和相应于所述传感器读数的对准校准参数的数学函数而细化和验证所述对准校准参数。

从下面结合附图的描述和附属权利要求，本发明的附加特征将变得清晰。

附图说明

图1为包括可以用于物体检测的若干传感器的车辆的俯视图；

图2为在图1中所示的车辆的俯视图，示出物体检测传感器的示例性覆盖样式；

图3为允许物体检测传感器的虚拟对准的系统的示意图；

图4为用于物体检测传感器的虚拟对准的方法的流程图；

图5为在正常驾驶操作期间用于检测传感器失准的方法的流程图；

图6为可以使用于虚拟传感器对准的目标固定装置的俯视图；

图7为可以使用于传感器对准细化和验证的测试环境的俯视图；以及

图8为用于细化对准校准值的方法的流程图。

具体实施方式

本发明致力于物体检测传感器虚拟对准方法的实施例的下述讨论本质上仅为示例性的，并且决不是旨在限制本发明或它的应用或使用。

物体检测传感器在现代车辆中已经变得很常见。这种传感器使用来检测在车辆的向前或者向后的驾驶路径中或附近的物体。许多车辆现在以排除机械调整传感器的方式将物体检测传感器集成在外部车身装饰板内。本文公开了一种用于在软件中校准传感器对准的方法和工具，而不是机械地调整传感器。

图1为包括若干个传感器的车辆10的俯视图，所述传感器可以使用于物体检测、车道保持、以及其他主动安全应用。所述传感器包括左侧短距雷达、或SRR左12，右侧短距雷达、或SRR右14，以及长距雷达（LRR）16。SRR左12和SRR右14通常集成到在车辆前面的保险杠板件内。LRR 16通常安装在前保险杠的中央处，并且可以集成到保险杠板件内。车辆10还包括摄影机18，其可以与其他传感器联合使用以用于物体检测、以及用于其他基于视觉的应用。摄影机18通常安装在车辆10的风挡内侧，在顶部中央附近。

图2为车辆10的俯视图，示出SRR左12、SRR右14、LRR 16以及摄影机18的示例性覆盖样式。覆盖样式指示每个设备的有效视场，该设备可以在该视场内可靠地检测物体。SRR左12和SRR右14分别具有覆盖样式20和22，它们偏置于它们在车辆10的相应侧，并且在车辆10的延长中心线附近几乎接触或稍微交叠。作为实例，覆盖样式20和22可以在车辆的前面延伸大约30-40米。LRR 16具有如图所示的覆盖样式24，其可以在车辆的前面延伸大约60米。LRR 16可以具有两种操作模式，包括由图2的覆盖样式24所示的中距模式，以及具有更窄覆盖样式的长距模式（未示出），在其中物体检测范围举例而言为大约200米。摄影机18具有与LRR 16的覆盖样式24相似尺寸和形状的视场或覆盖样式26。注意在图2中覆盖样式20-26的长度不是相对于车辆10的按比例示出。

车辆10可以还包括后视物体检测传感器（未示出），其可以是短距雷达、或者基于可视的、或可以使用某些其他技术。这些通常安装在车辆10的后保险杠中。可以使用为物体检测传感器的其他技术包括超声波、以及基于激光的（包括LIDAR）。本文公开的虚拟对准方法可以应用到这些物体检测技术中的任一种。

如上所述，SRR左12和SRR右14通常集成到车辆10的前外饰板件内。在大多数的这种安装中，如果它们变为失准，没有现实办法来物理地调整SRR左12或SRR右14的朝向。经验已经表明外饰板件集成的传感器通常确实在一段时间周期之后变为失准，这由于对外饰板件的事故损坏、或者由于外饰板件的与天气相关的扭曲。集成到前外饰板件的传感器的显著失准会不利地影响物体检测或使用传感器数据的其他系统的性能。在传感器已经变为明显失准的情况下，传统上已经没有选择余地，除了更换前外饰板件和传感器组件。这个更换对于车主来说会是非常昂贵的。

外饰板件集成的传感器的失准问题可以通过在软件中执行SRR左12、SRR右14、和/或其他传感器的虚拟对准来克服。下面描述的虚拟对准消除了需要更换变形的外饰板件。

图3为允许物体检测传感器虚拟对准的系统30的示意图。车辆10包括控制器32，其从SRR左12和SRR右14接收数据。控制器32还管理下面准备描述的虚拟对准方法。控制器32提供传感器数据给应用模块34，其使用传感器数据以实现物体检测或其他目的。控制器32还与将传感器相关参数储存在非易失性存储器中的存储器模块36通信。如果如下面讨论，控制器32检测到失准情况，可以在显示器38上提供消息给车辆10的驾驶员。技术员工具40连接到车辆10以便于与控制器32通信，并且由技术员使用来执行虚拟传感器对准以及授权新的对准校准参数的储存。

图4为用于虚拟对准物体检测传感器，例如SRR左12和SRR右14的方法的流程图50。在方框52，在正常驾驶操作期间检测大于某个阈值，例如2级的失准。当在方框52处检测到这种失准时，经由在显示器38上的消息给驾驶员报警，并且传感器对准数据储存在存储器模块36中。在方框54，利用具有已知地面实况的目标固定装置虚拟地调整传感器对准。在方框56，利用储存在存储器模块36中的数据，在受控路上驾驶测试中细化和验证传感器对准。在方框58，经细化的对准校准值被授权并且储存在存储器模块36中用于供控制器32和应用模块34使用。

图5为用于在正常驾驶操作期间检测传感器失准的方法的流程图，如在上面描述的流程图50的方框52执行的。车辆在开始方框62处开始驾驶。在方框64，评估驾驶环境来确定是否存在合适的条件以检测传感器对准。具体地，在方框64，确定是否车辆10在笔直道路上驾驶，以及是否短距离引导车辆存在于与车辆10相同的车道上。为了确定车辆10是否笔直驾驶，可以通过分析车辆侧向加速数据来执行车道几何形状的评估，因为大多数现代车辆包括车载加速器。车道几何形状评估也可以经由分析转向盘角度数据、从摄影机图像评估车道边界几何形状、以及其他手段来执行。靠近的引导车辆的存在由前视传感器来确定，例如SRR左12、SRR右14、LRR 16以及摄影机18。靠近的引导车辆的标准可以是引导车辆例如以20-40米的距离范围存在于与车辆10相同的车道上。在决定菱形框66，作出关于是否可以执行传感器对准检测的决定。如果车辆10在笔直道路上驾驶并且存在靠近的引导车辆，那么流程前进到方框68。如果笔直道路和引导车辆条件都不满足，那么流程循环回到在方框64处的再评估驾驶环境。

在方框68，根据靠近的引导车辆的测量值计算传感器测量残差。在方框68处通过比较来自不同传感器，例如SRR左12、SRR右14、LRR 16以及甚至摄影机18的传感器数据计算所述残差。如果传感器直接指示引导车辆的目标方位角，那么可以比较方位角。例如，如果SRR左12指示3度的目标方位角，而其他传感器都指示0度的目标方位角，那么可以确定SRR左12失准3度。如果传感器测量引导车辆的范围和侧向位置，而不是方位角，那么可以计算失准角度。例如，如果传感器检测靠近的引导车辆在20米的范围处，但由SRR左12指示的靠近的引导车辆的侧向位置—或者靠近的引导车辆的特定特征与由其他传感器指示的侧向位置偏差1米，那么SRR左12的失准或者传感器测量残差                                                可以计算为：

。

在决定菱形框70，来自方框68的传感器测量残差可以与阈值比较。例如，所述阈值可以由车辆制造商指定为2度，意味着如果发现任何传感器偏离对准大于2度就将采取动作。如果确定任何传感器的残差超过所述阈值，那么在方框72，传感器失准经由在显示器38上的消息报告给驾驶员。否则，流程循环回到在方框64处的再评估驾驶环境。在上面描述的实例中，其中SRR左12的残差

计算为等于大约3度，在方框72将报告传感器失准给驾驶员，并且失准数据将捕获在存储器模块36中。

在方框68计算传感器测量残差以及在决定菱形框70将所述残差与阈值比较中，需要可重复性、或者统计意义，以便作出决定。换句话说，在方框72处不会只基于单个一组传感器读数就报告失准。更确切地，可以在若干秒的滚动时间窗口上估算数据，并且只有在一个传感器始终与其他传感器以大于阈值的量失准时才报告失准。应该注意本文描述的方法可以使用来执行物理地失准若干度或更多的传感器的虚拟校准。

在图5的流程图60中描述的失准检测活动发生在流程图50的方框52处。如前面所述，在方框54，利用具有已知地面实况的目标固定装置虚拟地调整传感器对准。虽然可以展望一种没有用户或技术员干预的连续和自动地执行传感器对准校准的系统，但是这里推荐的是，在方框54，在车辆维修场所处由维修技术员执行虚拟传感器对准。因此，在方框52处检测并且发送失准给技术员之后一定时间后，车辆10将被带到维修场所以对传感器进行在方框54处的虚拟对准。

图6为可以使用于虚拟传感器对准的目标固定装置80的俯视图。车辆10放置在目标固定装置80中的已知位置。这可以通过驱动车辆10的轮胎进入轨道，或者其他方法来完成。引导车辆模板82直接定位在车辆10的前面。引导车辆模板82可以是车辆后端部的三维模型，或者它可以简单地是在平板上的车辆后端部图像。在任何情况下，模板82必须对在车辆10上的传感器看起来像引导车辆。前面目标84也包括在固定装置80中。前面目标84是窄物体，例如竖直金属管，其能够实现车辆10车载的传感器对具体物体的方位角的测量。引导车辆模板82和前面目标84以已知距离86定位在车辆10前面。引导车辆模板82和前面目标84应该优选地居中位于车辆10的延伸中心线88上，以便它们呈现0度的地面实况方位角。然而，模板82和目标84可以以非零方位角定位，只要角度是已知的。

后面目标90也可以包括在目标固定装置80中，用于后视传感器的对准。后面目标90可以想象为窄物体，例如竖直金属管，与前面目标84相似。后面目标90以已知距离92定位在车辆10后面。在目标固定装置80中的所有测量值都是在静态条件下获取的。

利用目标固定装置80，在方框54处可以检查在车辆10上车载的传感器的对准。这可以由维修技术员将技术员工具40连接到车辆10以便工具40与控制器32通信来完成。维修技术员会发送命令给控制器32以从车载传感器，例如SRR左12和SRR右14获取读数。车载传感器会检测引导车辆模板82和前面目标84，这两者已知地以相对于车辆10的已知方位角（通常为0度）定位。来自车载传感器的读数相对于地面实况的任何偏差可以被注意到并且储存在存储器模块36中作为名义对准校准值。

在方框56，在受控条件下可以利用动态路上测试细化和验证传感器对准。图7为测试环境100的俯视图，其可以用于在方框56处的传感器对准细化和验证。车辆10在道路102上在引导车辆104后面被驾驶。在测试环境100中，车辆10由维修技术员驾驶，并且技术员工具40仍然与控制器32通信。意图是车辆10以固定距离106跟随引导车辆104，并且车辆10和引导车辆104在道路102的笔直部分上的相同车道上。

如前面所述，在测试环境100中在方框56处的验证会需要在一些时间窗口上被执行，例如几秒，以便可以应用统计模型到传感器读数以便于确定经细化的对准校准值。

图8为用于在方框56处细化对准校准值的方法的流程图110。在方框112，在车辆10的坐标系中确定用于引导车辆104的地面实况方位角值。在通常情况下，地面实况角为0度。在方框114，传感器测量值例如由SRR左12和SRR右14获取。在方框114处的测量值产生到引导车辆114的目标方位角。在方框116，提供传感器对准校准参数。从在方框54处的目标固定装置80上的测试确定并且储存初始的传感器对准校准参数。在方框118，通过利用来自方框116的校准参数调整来自方框114的传感器读数来计算预测目标位置。在方框120，来自方框118的预测目标位置与来自方框112的地面实况值比较并且计算任何残余误差。来自方框120的残余误差被反馈从而调整在方框116处的传感器对准校准参数。在流程图50的方框56处，在流程图110上显示的程序可以继续，直到残余误差最小化。

在方框56处的计算可以如下执行。假设传感器数据序列

，以及初始对准校准值，可以利用传感器数据细化校准值。目标动态模型可以定义为：

其中

和

是在连续时间步长处目标、或者引导车辆104的位置，

是目标模型函数，以及

是随机噪声变量，其服从具有协方差矩阵Q的正态或高斯分布；也就是，。

相似地，传感器观察模型可以定义为：

其中

是传感器观察数据，其模型化为目标位置以及对准校准值的函数，h是观察模型函数，以及w是随机噪声变量，其服从具有协方差矩阵R的正态或高斯分布；也就是， 

。

利用方程（2）的目标动态模型和方程（3）的传感器观察模型，可以执行加权最小二乘法计算来查找目标动态数据序列

以及经细化的对准校准值。这通过最小化下列函数来完成：

其中J是要最小化的函数，

是正被细化和调整来最小化J的对准校准值，以及所有其他变量都事先定义。

可以对正在校准的每个物体检测传感器执行上面描述的加权最小二乘法计算。计算的输出是经细化的对准校准值

。

在流程图50的方框58，如上面描述的那样计算的一组对准校准参数值由维修技术员授权给车辆10。对需要虚拟对准的每个车载传感器计算和储存对准校准参数值。利用技术员工具40，维修技术员命令控制器32将经细化的对准校准值储存在存储器模块36中。经细化的对准校准值此后由应用模块34使用来调整来自SRR左12、SRR右14、和/或LRR 16的读数，以消灭由于外饰板件损坏或扭曲带来的任何失准。

本文描述的虚拟对准方法提供简单和有效的方法来校正物体检测传感器的对准，包括没有物理调整方法的那些传感器，因此提高使用传感器数据的应用的性能，并且避免对在其它方面仍可使用的外饰板件部件的昂贵更换。

上述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员从这个讨论和从附图以及权利要求将容易认识到在不脱离本发明如在下面权利要求中限定的精神和范围情况下可以作出各种改变、修改以及变形。

Claims (10)

1.一种用于虚拟对准在主车辆上的物体检测传感器的方法，所述方法包括：

在主车辆正常驾驶期间检测传感器失准情况；

利用具有已知地面实况的对准目标固定装置确定用于物体检测传感器的对准校准参数；

将所述对准校准参数储存在存储器中；以及

由应用程序使用所述对准校准参数来调整所述物体检测传感器的读数。

2.如权利要求1所述的方法，其中检测传感器失准情况包括确定存在一组必要驾驶条件，计算在每个物体检测传感器的读数之间的差值，以及确定一个或多个所述物体检测传感器是否以超过预定阈值的量失准。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述一组必要驾驶条件包括在笔直道路上驾驶，以及在主车辆前面的道路上存在引导车辆。

4.如权利要求2所述的方法，还包括通知失准情况给主车辆的驾驶员。

5.如权利要求1所述的方法，其中确定用于物体检测传感器的对准校准参数包括将主车辆布置在所述对准目标固定装置中并且用每个物体检测传感器静态地测量一个或多个已知定位的物体的位置。

6.如权利要求1所述的方法，其中将所述对准校准参数储存在存储器中包括由维修技术员将技术员工具连接到主车辆，并且使用所述技术员工具来授权将对准校准参数储存在存储器中。

7.如权利要求1所述的方法，还包括通过在引导车辆后面的预定布置中驾驶主车辆来细化和验证所述对准校准参数。

8.如权利要求7所述的方法，其中细化和验证所述对准校准参数包括在笔直道路上在引导车辆后面驾驶主车辆，获取一系列的传感器读数，以及最小化包含所述传感器读数和相应于所述传感器读数的对准校准参数的数学函数。

9.一种用于虚拟对准在主车辆上的物体检测传感器的方法，所述物体检测传感器包括两个短距雷达传感器以及长距雷达传感器，所述方法包括：

在主车辆正常驾驶期间检测传感器失准情况；

利用具有已知地面实况的对准目标固定装置确定用于物体检测传感器的对准校准参数；

通过在引导车辆后面的预定布置中驾驶主车辆来细化和验证所述对准校准参数；

授权所述对准校准参数的储存以及将所述参数储存在存储器中；以及

由碰撞检测报警或碰撞避免系统使用所述对准校准参数来调整所述物体检测传感器的读数。

10.一种用于在主车辆上的物体检测传感器的虚拟对准系统，所述系统包括：

在所述主车辆上的多个物体检测传感器；

使用来自所述物体检测传感器的信号的应用程序模块；

用于储存所述物体检测传感器的参数数据的存储器模块；

用于提供信息给主车辆的驾驶员的显示单元；

与所述物体检测传感器、所述应用程序模块、所述存储器模块、以及所述显示单元通信的控制器，所述控制器配置来确定对准校准参数并且利用所述对准校准参数调整来自所述物体检测传感器的信号；以及

适于与所述控制器通信的技术员工具，所述技术员工具被用来授权对所述对准校准参数的改变。

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