CN103712556A

CN103712556A - 定位系统及用于车辆定位的方法

Info

Publication number: CN103712556A
Application number: CN201310445147.7A
Authority: CN
Inventors: 米歇尔·芬代森; 马库斯·赫斯; 冈戈尔夫·希尔茨; 赖纳·克诺尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: EP2712762B1; US9477893B2; US20140092236A1; EP2712762A1; CN103712556B

Abstract

本发明涉及一种用于车辆（2）的定位系统（1），所述定位系统具有摄像机（3）、计算机单元（4）和数据存储器（33）的，其中关于车辆（2）的特征（18，19，20，21，22，23，24，25）的长度（35）储存在该数据存储器（33）中。在对用于感应充电过程的车辆（2）进行定位的方法中，车辆（2）由摄像机（3）拍摄，其中识别车辆（2）的特征（18，19，20，21，22，23，24，25），其中计算关于特征（18，19，20，21，22，23，24，25）的位置。

Description

定位系统及用于车辆定位的方法

技术领域

本发明涉及一个用于车辆定位的定位系统，以及一种用于车辆定位的方法。

背景技术

如果车辆具有电能量存储器和用于驱动车辆的电耗能器，为此应当提供一个充电过程或一个充电装置。这种类型的车辆的实例有混合动力车辆，插入式混合动力车辆，无内燃机的电动车辆，电动载重卡车等。这类的车辆由于不断发展的流动性需求变得越来越重要。在此特别有利的是更少的能源消耗和少的排放。这样车辆的一个组件是能量存储器。其在很多情况下是用蓄电池来实现的。也可以使用电容器。作为电池例如可以使用NiMH和Li离子蓄电池。这种储存器的大小和因此的最大储能量由使用场合决定。例如用于轿车的插入式混合动力装置有一个大小为20至30kWh的能量存储器。如果轿车是无内燃机驱动的纯电动车辆，那么能量存储器的大小可以在40至大约50kWh之间变动。取决于相应的使用场合也可以选择其它容量大小的能量存储器，其中例如出租车完全可以有一个大约100千瓦时的需求。目前在一般情况下，插入式混合动力车辆（轿车）在纯电动运行中的最大行驶距离大约为50km以及纯电动公路车辆（载客车辆）是100至150km。之后必须给能量存储器再次充电。根据使用场合、车辆设计和电池技术的进一步发展，里程可能会显著地与以上数值有偏差。

车辆能量存储器的充电例如可以借助于一个从家庭网络，公司网络或从公共充电站为充电取得电量的车载充电器。此时车载充电器通过电线与相应的电网连接。为给车辆充电，通过使用电缆在两个组件，即在电网和具有电能量存储器的车辆之间建立机械连接。这样会给使用者带来使用限制和/或舒适性限制，因为这样要么必须使用电线要么也因为有线充电具有运动的机械组件，该机械组件会磨损的和/或在使用时会损坏。如果电缆的连接插头非常重或电缆非常长、肮脏和/或潮湿，那么会降低使用者利用基于电缆的充电系统给车辆充电的积极性。这也降低了使用电机驱动车辆的接受度。

发明内容

本发明的目的是提供一种定位系统和一种用于车辆定位的方法，通过其优化车辆的感应充电。

当使用感应充电系统为车辆的电能量存储器充电时，那么充电效率此外取决于使用的感应体相互间的定位。一个感应体例如是初级线圈，以及另一个感应体是次级线圈（车辆具有次级线圈）。感应充电可以借助于只有一个初级线圈和只有一个次级线圈，或借助于一个初级线圈和多个次级线圈，或借助于多个初级线圈和一个次级线圈，或借助于多个初级线圈和多个次级线圈实现。相应的初级线圈必须占据与相应的次级线圈对应的充电位置。取决于所占据的位置，在初级线圈和次级线圈之间的能量传输的效率可能相比于其它位置更好或更差。有利的是位置进行了优化。

在一个实施方式中，车辆（比如载客车辆）为实现“感应充电”在一个隔离的区域内（比如车库，停车场，停车位，…）占据或驶近特定的位置（x，y）。这个通过装入地面中或固定于此处的充电模块而确定的特定位置是静止的。这个位置，即充电模块在坐标系中的位置、特别是在世界坐标系中是已知的。因此该位置存储在数据存储器上，其中被存储的位置数据用于计算与此充电模块相比的车辆位置。同充电模块的位置一样初级线圈的位置也是已知的，因为其位置固定在充电模块中。初级线圈代表充电器的单元，其作为功率模块可以生成电磁场或磁场。充电模块或初级线圈的位置存储是具有相同意义的。这些位置涉及在二维坐标系（x，y）或在三维坐标系（x，y，z）中的位置。笛卡尔坐标的使用是有利但不是强制的。为了利用相应的精确度驶近充电模块的、或者说车辆的、或者说车辆相对于充电模块的位置，在一个实施方式中车辆的驾驶员被告知关于额定位置和/或实际位置。为此提供了一个例如以在墙壁上的或在车辆内的显示器的形式的人机交互接界面。

在一个应用于车辆充电的定位系统的设计方案中，定位系统具有摄像机、计算机和数据存储器，其中在数据存储器中存储关于车辆特征的信息、特别是长度信息。借助于摄像机拍摄的照片在至少一个车辆特征的识别之后测定基于已识别的特征的信息并且借助于所存储的车辆的信息进行关于车辆位置的计算。

在另一个设计方案中，车辆的身份和/型号是通过基于摄像机的号码识别而识别。可替换地，另外也有可能通过无线技术系统识别车辆（例如通过RFID芯片）。当车辆被识别时，访问在数据存储器中已存储的特征（或多个特征），其中为了计算车辆的位置使用该特征。为车辆在数据存储器中储存的数据可以因此用于计算车辆的位置。

在一个定位的设计方案中可以由此测定，车辆的实际位置是否和在多大程度上与用于感应充电必需的位置（额定位置）偏离。这可以知会驾驶者。此外可以确定的是，驾驶者为了使实际位置靠近额定位置应该如何使车辆运动。因此为了能实现车辆的传感器支持的导航，其位置应该确定，其中为此使用了光学传感器（特别是摄像机）。单摄像机的使用在此与立体摄像机或更多的摄像机相比降低了技术方面的费用。

为了车辆的位置确定使用3D世界坐标是有利的。为此在一个设计方案中选择了在车辆上的显著的测量点（如前照灯，外后视镜等）。此时例如可以遵循如下用于位置确定的方法：

·利用立体摄像机借助于两个静态连接画面从2D图像坐标中直接测定3D世界坐标；

·利用“从运动信息中恢复三维场景结构（Structure-From-Motion）”借助于单摄像机间接地测定车辆运动的特征的3D世界坐标；

·测定车辆的足点和通过摄像机的外部校准的这些点计算3D位置，其中在一个用于车辆定位的方法的设计方案中单摄像机进行外部校准。

在一个定位系统的设计方案中，计算机单元与人机交互界面（也称为Human Machine Interface HMI）数据技术地连接，其中特别是通讯按照如下来实现：

·通过无线；

·通过电缆；和/或；

·仪器内部，因为HMI与计算机单元形成结构单元。

获得的、关于位置和必要时其它改进的定位的信息的融合（Fusion）和通讯借助HMI（比如显示器）来实现。获得的有关车辆的位置和方向的信息可以以GUI形式呈现给驾驶者。驾驶者可以使用这些信息进行车辆行驶道路的矫正。

在定位系统的一个设计方案中，在数据存储器中存储位置固定的目标单元的位置，特别是充电模块的位置，其中充电模块是用于对车辆的能量存储器进行感应充电的充电站的部件。因为目标单元是位置固定的，所以可以使用单摄像机。

在一个对用于感应充电过程的车辆进行定位的方法中，车辆由摄像机、特别是单摄像机拍摄，其中识别一个或多个特征，例如车辆的号码牌、外后视镜、前照灯等，其中计算车辆的关于特征的位置。为改进精准度可以识别两个相互远距离间隔的特征，例如前照灯、倒车灯、外后视镜，其中其相互距离在由摄像机拍摄的图像来测定。

在一个设计方案中，计算出特征的取决于已识别的特征中的长度、特别是距离或者尺寸（例如号码牌的长度），其中由这个长度和用于特征的、已储存的也与这个长度有关的数值计算出位置。在此特别是使用世界坐标系来实现计算，其中，特别是该世界坐标系通过用于车辆的充电装置或充电模块的初级线圈的位置来确定。

在一个用于定位的方法的设计方案中，为了计算车辆的至少一个特征的位置和/或车辆的位置使用摄像机的焦距的数值。由此位置计算取决于使用的摄像机。有利的是，为了确定位置，通过在计算公式中改变用于摄像机的焦距的数值，计算单元可以适用于不同型号的不同摄像机。如果焦距是一个可设定的可变化的参数，那么在由于损坏而需要更换摄像机时可以使用另一个不同型号的或不同焦距的摄像机。

在用于定位的方法的一个设计方案中，由车辆的实际位置和车辆的额定位置生成行驶指示，其中，特别是行驶指示借助于人机交互界面示出。行驶指示涉及车辆的位置优化所需的行驶运动。行驶指示也可以直接传输至可自动驾驶车辆的驾驶者辅助系统。该驾驶者辅助系统例如也可以作为自助停车辅助来使用。

在车辆感应充电时不可排除的是，在车辆底盘和处于地面处的、特别是装入的充电模块之间会有一个异物。例如以下称为异物：硬币，饮料罐，口香糖包装纸。这个问题导致功能限制和安全限制。由于这个原因有关的异物有利地可以通过传感器来识别。这例如借助于感应传感器来实现。由此可以检测到有磁性的异物如锡纸，硬币等。为此例如通过感应线圈的平面既在初级侧又在次级侧设置另一个传感线圈。为确保一个相对于自身能量区域的高次谐波的足够的频率间隔，此测量线圈利用高频交流电压来运转。测量区域是用来检测能量区域内的有磁性的异物的。

在另一个设计方案中，传感器是基于通过频谱分析识别的并且用于检测能量区域内的异物的瞬态电流。

在一个具有高频运行的感应式传感器的基于高频的传感器系统中，例如可以使用两个传感板，其中一个设置于充电站，并且另一个设置于车辆上。线圈布置按照以下方式，即尽可能小的金属部件（如硬币）会干扰高频场，由此能实现异物检测。高频场的运行频率应该这样高地选择，即功率场的高次谐波尽可能的不会影响到这个高频场的工作频率。

异物的存在可以在HMI上显示。

附图说明

参照附图示例性地阐述本发明。附图示出：

图1是车辆驶近充电模块；

图2是车辆的充电；

图3是拍摄到的一个车辆图片；

图4是人机交互界面；

图5是车辆特征的比较；

图6是图形化地用于确定位置的计算方式；

图7是定位系统；和

图8是用于确定位置的可能的坐标系。

具体实施方式

图1示出了车辆2，该车辆为进行电能量存储器的充电根据导航方向7驶近充电模块6。为了车辆定位有不同的解决方法。例如可以在机动车道表面具有凹槽，其强制并保持车辆向着优选的位置。在地表上的多个线圈也可以作为解决方法来使用。当然这要求提高的建筑措施及成本。在车辆上的距离探测的超声波传感器也可以用来支持定位（泊车辅助）。此时在车辆前必须有一物体可以确保距离测量的可能性。这在车库中是存在的，但在空旷的停车场或车棚确实不可能的。再者利用朝向物体的距离测量，纵向定位是可能的，但横向定位确是不可能的。如果在车库中有例如像轮胎那样的物体，那么虽然超声波传感器能检测出到这个障碍物的距离，然而不能检测到相对于车库的绝对位置以及因此相对于充电站的绝对位置。另外经过在车辆侧的线圈系统中例如5个发送线圈的场分布通过由地面侧的线圈系统中的接收线圈进行的场分布的测量可以识别位置。当然这种近场探测（Nahfelderkennung）在驶近充电站时对车辆定位没有进一步产生影响的可能性。当然这个定位的变体在图1中未示出。

根据图2的视图示出了车辆2的充电。在感应充电系统中车载充电器与电网间没有机械连接。能量的传输通过线圈系统的气隙12实现，其距离可以在20cm以内。一般情况下在地面还有一个初级线圈8。第二线圈、次级线圈11位于车辆2的底部。两个一般来说是等大的线圈在此具有60cm以内的直径。当地面侧的线圈8是交流电压供电时，在线圈对8和11之间形成磁场，通过该磁场能量由电网9经过功率件10传输至车辆2。在车辆2中能量通过整流器13、DC/DC变换器14传输至能量存储器15、电池。

这显著提高了舒适性并且显著增加了电动车辆的可用性，因为能量存储器的充电过程也可以自动实现，不需要驾驶者的主动干预。只要充电系统的这两个线圈8和线圈11直接相对，效率是超过90%的。如果这两个线圈不是上下重叠地定位的，而是例如有一个大于10厘米的偏移，效率会显著降低。挑战就在于，车辆在停车时尽可能的准确定位，使两个线圈尽可能地相对。

根据图3的视图示出了一个被摄像机拍摄到的车辆2的图像16。车辆2的一个足够准确的光学识别特别是在车库环境中可能会有很多挑战。车辆2有很多的不规则的和不同的反射面。由此利用一个光学传感器（摄像机）可能会导致错误的测量。光学传感器受其动态范围的限制并且可能仅仅有条件地适用于强烈变化的光线比例。简单摄像机的光圈通常只能手动机械地配置。此外还需可虑的是不同构造的车辆类型。另一种可能的潜在干扰是在驶近充电站时在车辆前行走的路人。

车辆相对于测量系统或充电模块以及由此相对于世界的位置和方向的测定是通过车辆上关键点的检测，例如前照灯，车轮，号码牌等实现的。对于利用摄像机确定绝对尺寸数（间距，宽度，…），车辆参考尺寸是必需的，例如前照灯的间距，车轮的间距或号码牌的大小。这些信息例如可以借助于图像数据中的校准目标（已知的测量对象）提取出来。在另一个实施方式中，相应的数据也可以从数据库、也就是数据储存器中提取。

在图像16中示出了车辆2的不同的显著特征：

·右后视镜19；

·左后视镜20；

·右前照灯18；

·左前照灯17；

·右雾灯22；

·左雾灯23；

·右前轮胎24；

·左前轮胎25；和

·号码牌19。

通过图像16，可以测定相同特征（如雾灯）间的但也在不同特征（如右后视镜19和左雾灯23）间的间距。这个数值通过截线定理（Strahlensatz）和相对于相应的间距的存储的数值用于定位计算。在此定位确定基于一个光学系统，该光学系统借助于外部的摄像机系统检测车辆在车库中的绝对位置并且通过这种方式和方法通过显示器或发光标识（见图4）向驾驶者提供车辆的目标精确的定位。车辆为了“感应充电”驶近一个确定的位置（x，y在一个隔离的区域，例如车库）。这个通过位于地面处的充电模块确定的位置是静态的并且其位置是的已知。为了利用相应的精确度驶近该位置，驾驶员获悉关于额定位置和实际位置的信息。为了车辆的传感器支持的导航该车辆的当前位置借助于摄像机系统被持续的测量。

定位的过程这样实现，即在当前的图像中寻找系统校准时确定的显著特征。在特征的检测之后通过在图像中的测量确定在世界坐标系中的实际位置。按照这种方式和方法可以精准到厘米范围中地确定相对于预期的参考位置（充电站）的车辆位置。

根据图4的视图示出了人机交互界面5。其具有摄像机3、以及可自动激活的方向指示26和27。通过横条29可以实现移动指示（特别是根据提议的速度接近目标位置），以及一个相对于目标位置的距离指示。此外存在停止指示28，这表明已到达额定位置。驾驶者可以借助于发光指示、显示器或也可以是声音信号获悉转向角度（左/右）以及停止位置。

朝向驾驶员的界面具有这样的优点，即全部的车辆可以被定位，这无需使用内部的驾驶员辅助系统。在另一个实施方式中可能的是，已测定的车辆定位传输至车辆（例如借助无线电技术）并且在车辆中存在的指示仪器以光学的或声学的方式作为人机交互界面而使用。

根据图5的视图示出了在已识别的特征30中（前照灯）的摄像机图像以及叠加了前照灯的参考位置31。已识别的特征30彼此间的间距小于参考特征31间的间距。由此计算出车辆的实际位置。此计算的基本思路会在图6中示出。

根据图6的视图示出了一个射线系统。示出的是前照灯17，18。此外示出了以下：

·摄像机与车辆间的间距37；

·摄像机的焦距38；

·特征17和18的间距35；和

·在摄像机拍摄的图像上的特征17和18的间距36。

在此由此出发，车辆的前部显示于摄像机的传感器面上。由于3D空间的图形发生在2D平面上，这会导致信息损失。为了能在3D空间中确定车辆的位置，有必要了解进一步的信息。该信息由在图像中检测到的选出的显著特征产生。图像中这些特征的间距会被计算。因为在世界坐标系中显著特征间的距离以及光学传感器的图像属性（特别是焦距）是已知的，可以借助于截线定理确定车辆与摄像机的准确距离。考虑到一个独特实施的“外部校准”可以计算出特征在世界坐标中的准确位置。因此计算结果将从三角测量法中得出。摄像机与车辆的间距和因此车辆的绝对定位可以计算出来。原理由此是根据下列公式：

1) \frac{d_{I}}{f} = \frac{d_{M}}{d_{K - F} + f}

2) d_{I} = \sqrt{{(y_{I, links} - y_{I, rechts})}^{2} + {(x_{I, links} - x_{I, rechts})}^{2}}

其中：

·d_I 36：图像中的间距；

·f 38：焦距；

·d_M 35：特征的间距；

·d_K-F 37：摄像机与车辆的间距；

·y_I，links：左特征的y数值；

·y_I，rechts：右特征的y数值；

·x_I，links：左特征的x数值；和

·x_I，rechts：右特征的x数值。

在定位过程中，特征的已获得的3D世界点与那些参考世界点进行对比，其在一个独特的校准过程中计算，在该独特校准过程中车辆被停在最优位置。点之间的差距显示了驾驶者必须把车辆开向的方向并且知会驾驶者。

根据图7的视图示出了定位系统，具有车辆2、HMI5和充电模块6。HMI5具有摄像机3和用于计算车辆2的位置与车辆导向的计算机单元4。为此HMI具有光学装置。HMI5可以通过无线电信号34与数据存储器33（特别是网络服务器）交换数据。在数据存储器33中例如储存了车辆特征的参考数据。当然数据存储器也可以自身地存在于HMI单元中。车辆本身也可以通过无线电信号34传输参考数据。光学测量系统（摄像机）在待检测的车辆2前。在此车辆是向前或向后驶近充电站是无关紧要的。整个的待测量的行驶路线在静止地安装的摄像机系统的可见范围内。此外，充电站位于摄像机系统的可见范围中。具有充电模块6和其中的初级线圈8和9的充电站定义了所谓的世界坐标系以及由此对于所有测量的参考。朝向充电站的摄像机3的位置是借助于单独的“外部校准”进行的。因此朝向充电站的摄像机的位置和方向是已知的。这样地光学车辆定位是可以精确到厘米范围的。利用在车辆定位的范畴下的单摄像机在3D世界坐标中车辆定位的检测是有利的，其中，当为检测使用前照灯时，此时特别涉及一个强大的车辆定位检测。即使在强烈变化的光线比例（白天/黑夜）的情况下这会产生一个可靠的使用。

图8示出了位置确定的可能的坐标系，其中示出了世界坐标系38和第一摄像机的第一坐标系39以及第二摄像机的第二坐标系40。摄像机的坐标系应从外部校准。当使用单摄像机时，不存在第二坐标系40，因为单摄像机只需要一个，例如仅仅第一坐标系39。装入地面中的充电模块例如示出了对于所有被计算的位置的参考。这就是世界坐标系38。车辆的定位通过摄像机实现，其中摄像机的位置以及其朝向充电模块的和由此朝向世界坐标系的方向被看作为静止的并且通过单独的“校准”测量技术地测定。摄像机的位置也可以作为世界坐标系来使用。

Claims

1.一种用于车辆（2）的定位系统（1），所述定位系统具有摄像机（3）、计算机单元（4）和数据存储器（33），其中在所述数据存储器中储存关于所述车辆（2）的特征（18，19，20，21，22，23，24，25）的信息、特别是长度信息（35）。

2.根据权利要求1所述的定位系统（1），其特征在于，所述计算机单元（4）与人机交互界面（5）数据技术地连接。

3.根据权利要求1所述的定位系统（1），其特征在于，在所述数据存储器（33）中存储位置固定的目标单元（8）的位置，其中位置固定的所述目标单元（8）是用于对车辆（2）的能量存储器（15）进行感应充电的充电站。

4.一种对用于感应充电过程的车辆（2）进行定位的方法，其中所述车辆（2）由摄像机（3）拍摄，其中，识别所述车辆（2）的特征（18，19，20，21，22，23，24，25），其中，计算关于所述特征（18，19，20，21，22，23，24，25）的位置。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，计算取决于所述特征（18，19，20，21，22，23，24，25）的长度（35），其中由所述长度（35）和用于该特征（18，19，20，21，22，23，24，25）的存储的数值计算出所述位置。

6.根据权利要求4或5所述方法，其中，为了计算所述位置使用世界坐标系（38），其中特别是所述世界坐标系通过用于所述车辆（2）的充电装置的初级线圈（8）的位置来确定。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，为了计算所述位置使用所述摄像机（3）的焦距的数值。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其中由所述车辆（2）的实际位置和所述车辆（2）的额定位置生成行驶指示，其中，特别是所述行驶指示借助于人机交互界面（5）示出，其中特别是检测充电模块（6）的区域内的异物，其中所述检测特别是借助于感应的方法来实现。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中，所述车辆的类型和/或个别车辆本身被识别，并且为所述车辆（2）存储的数据被用于计算所述车辆的所述位置。

10.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中，所述摄像机（3）将被外部校准或已被外部校准。