CN104428686B - 用于获得车辆位置的方法和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于求得车辆(10，10’)位置的方法，在该方法中利用传感器(14)检测位于车辆(10，10’)周围环境中的物体(16)。在求取车辆(10，10’)与物体(16)的相对位置时，考虑了给出物体(16)位置的数据值。为了求得车辆(10，10’)的相对位置，在两个不同的时刻下分别确定在由传感器(14)和物体(16)所确定的直线与基准方向(L)之间的角度(α，β)。此外确定车辆(10，10’)在这两个时刻之间驶过的行程的长度(c)。本发明还涉及一种具有定位装置(12)的车辆(10，10’)。

Description

用于获得车辆位置的方法和车辆

技术领域

本发明涉及一种用于获得车辆位置的方法，在该方法中利用传感器检测位于车辆周围环境中的物体。获得车辆与物体的相对位置，其中考虑到给出物体位置的数据值。本发明还涉及一种具有定位装置的车辆。

背景技术

在车辆技术中同时存在多个系统，它们利用借助于GPS的车辆位置确定(GPS＝Global Positioning System，全球定位系统)。这些系统例如是导航系统或者用于灯光控制的系统。在灯光控制系统中可以根据车辆在街道上的位置例如改变车辆大灯的位置，例如在弯道行驶时。同样，通过使参与通信的车辆传达各自的位置，也在车对车通信领域使用GPS定位。这有助于避免事故。

但是由于在获得位置时的干扰影响，在实际位置与利用GPS确定的位置之间的水平偏差为10m或更大。这对于需要定位特别准确的功能产生不利作用。在这方面由现有技术已知，利用位于车辆周围环境中的、已知精确GPS位置的物体或显著的点。

DE 10 2008 020 446 A1描述了利用显著的点对车辆位置的修正，其中按照对这种显著的点的鉴别来修正所测得的车辆位置。

显著的点以其精确的GPS位置存储在车辆的数据库里面。利用摄像机检测到显著的点，并且在达到该显著的点时将相应的精确GPS位置与在车辆中测得的位置进行比较。接着修正所测得的位置。

此外JP 2006 242 731 A描述了一种定位装置，该定位装置利用GPS信号和位于定位装置周围环境中的物体。在此还借助于图像分析处理来改善定位精度。

在车辆周围环境中高度精确地测得的、可以用于改善GPS定位的物体也称为地标。通过确定相对于这种地标的相对位置，可以修正利用GPS确定的车辆位置，并因此改善定位精度。作为这些地标例如可以使用交通牌或者红绿灯。这些地标的位置例如可以通过具有差分信号的全球定位系统(Differential Global Positioning System(差分全球定位系统)，DGPS)来测量并且存储在数据库里面。如果在一稍后的时刻车辆驶过这个地标，则可以由该地标的高精度测量的GPS位置并借助于其与地标的相对距离自动地更精确地确定并由此改善其GPS位置。

但是，以足够高的精度确定地标的相对位置是困难的。如果通过目前在车辆技术中可供使用的传感器、例如摄像机或者雷达确定地标的相对位置，则这带来一定的不精确性。对于摄像机其原因在于，由二维的摄像机图像仅能不准确地重建地标与车辆的三维的空间关系、即距离。如果使用雷达传感器，则由于反射特性仅能不精确地测量地标的横向位置。

发明内容

因此本发明的目的是，实现一种上述形式的方法以及车辆，利用其能够以特别高的精度确定车辆相对于周围环境中的物体的相对位置。

这个目的通过具有权利要求1特征的方法和通过具有权利要求10特征的车辆得以实现。在从属权利要求中给出具有本发明的适宜的改进方案的有利扩展结构。

在按照本发明的方法中，为了获得车辆相对于位于其周围环境中的物体的相对位置，在两个不同的时刻下分别确定存在于由传感器和物体所确定的直线与基准方向之间的角度。此外确定车辆在这两个时刻之间驶过的行程的长度。即，为了确定相对位置，考虑车辆在对所述两个角度进行检测的所述两个时刻之间完成的运动。这基于这种认识，即：能够高精度地确定所述角度和由车辆驶过的行程，其中为了获得相对位置可以使用简单的、例如三角函数运算。

因为已知传感器在车辆中的安装地点以及传感器的校准参数，因此能够特别精确地确定相对于基准方向(该基准方向优选与车辆纵轴线重合)的角度。与此相比，仅能不精确地实现对于获得相对位置所必需的、由被设计成摄像机的传感器检测到的二维图像在三维周围环境中的投影。但是由摄像机的二维图像可以非常精确地确定上述角度。

同样可以以特别高的精度确定由车辆在两个时刻之间驶过的行程的长度，例如通过对车辆车轮的旋转圈数进行积分。因此在考虑给出车辆与物体的相对位置的几何参数的条件下也能够利用高精度(物体位置以该高精度被已知)来改善车辆定位。

在本发明的一种有利扩展结构中，借助于在两个时刻出现的、在所述直线与基准方向之间的角度，并且借助于所述行程的长度，获得在两个时刻中的第二时刻存在的、传感器与物体的距离。如果已知这个距离，就能够特别精确地确定传感器位置和进而车辆位置，这是因为物体位置提供了高精度测量的基准点。

例如，可利用下述关系式计算所述距离：

$a=\frac{\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\α})}\·c,$

其中，a是在第二时刻在传感器与物体之间的距离，α是在第一时刻在所述直线与基准方向之间的角度，β是在第二时刻在所述直线与基准方向之间的角度，c是所述行程的长度。也就是，通过使用正弦定理能够特别快速、精确且低费用地计算出所述距离。在此满足：

其中，γ是在相应时刻存在的两个直线之间的角度。

已经证实还有利的是，借助于传感器与物体之间的距离获得传感器相对于物体的坐标。所述坐标可以特别好地用于修正传感器位置和进而车辆位置。

优选借助于下述关系式计算所述坐标：

y_rel＝a·sin(90°-β)，和

x_rel＝a·cos(90°-β)。

其中，y_rel是传感器在基准方向上的坐标值，x_rel是传感器在垂直于基准方向的方向上的坐标值；a是在第二时刻在传感器与物体之间的距离，α是在第一时刻在所述直线与基准方向之间的角度，β是在第二时刻在所述直线与基准方向之间的角度。

这个三角函数关系也能够非常简单且低费用地用于计算传感器相对于物体的坐标。

已经证实还有利的是，将给出物体位置的地理数据值和给出车辆位置的地理数据值转换成平面坐标系的数据值。然后能够特别简单地通过给出物体位置和车辆位置的平面坐标系数据值计算出传感器相对于物体的坐标。作为平面坐标系例如可以使用UTM坐标系(UTM＝Universal Transverse Mercator(通用横轴墨卡托))。

优选借助于传感器的坐标并且借助于给出物体位置的平面坐标系数据值来修正给出车辆位置的平面坐标系数据值。由此利用物体的高精度的平面坐标来得到修正的车辆坐标。这能够特别容易地利用计算机技术实现。

优选地，给出车辆位置的平面坐标系数据值借助于下述关系式来修正：

(y_korr，x_korr)＝(y₃，x₃)-(y_rel，x_rel)，

其中，y_korr是车辆在基准方向上的修正坐标值，x_korr是车辆在垂直于基准方向的方向上的修正坐标值，y₃是物体在基准方向上的坐标值，x₃是物体在垂直于基准方向的方向上的坐标值。由车辆的修正的平面坐标可以特别简单地得到修正的GPS坐标。由此高精度地确定并修正GPS位置。

最后已经证实有利的是，通过对图像进行分析处理来获得在两个不同时刻下确定的角度，该图像由被设计成摄像机的传感器在所述两个时刻下检测到。借助于摄像机图像能够特别简单且精确地确定在各个时刻下的角度。

为了保证在两个时刻之间驶过的行程是直线的，合理的是，在相对较短地相互衔接的时刻中确定所述角度。对此，借助摄像机的图像的分析处理也是有利的，因为进行检测的摄像机的运动一般每40ms摄取一张图像。因此对于行驶的车辆，对在两个拍摄时刻之间彼此衔接的图像进行拍摄的行驶距离基本是直线。

但是视车辆行驶速度而定，也可以使用不同于直接衔接在第一时刻摄取的图像后面的、在第二时刻摄取的图像以进行分析处理，以便保证，两个角度足够明显地相互区别开。在行驶速度高时可以使用直接相互衔接地摄取的图像来确定角度，而在行驶速度低时也可以使用几个时间步之后摄取的图像。

按照本发明的车辆包括用于获得车辆位置的定位装置。该定位装置包括传感器，利用传感器可以检测位于车辆周围环境中的物体。此外，该定位装置包括存储装置，在存储装置中存储有给出物体位置的数据值。利用定位装置的分析装置，在考虑了给出物体位置的数据值的条件下，可以获得车辆与物体的相对位置。为此所述分析装置被设计用于，在两个不同的时刻下分别确定在由传感器和物体所确定的直线与基准方向之间的角度。此外利用分析装置还可以确定车辆在两个时刻之间驶过的行程的长度。通过这种定位装置能够例如借助于简单的三角函数计算以非常高的精度确定车辆位置。车辆周围环境中的物体高精度地被测量，而给出其精确位置的相应数据值存储在存储装置里面。

对于本发明方法描述的优点和优选实施例也适用于本发明的车辆，反之亦然。

上面在说明书中列举的特征和特征组合以及下面在附图描述中列举的和/或仅在附图中示出的特征和特征组合不仅可以以所给出的组合使用，而且也可以以其它组合或者单独使用，而不离开本发明的范围。

附图说明

由权利要求、下面对优选实施例的描述以及借助附图给出本发明的其它优点、特征和细节。

具体实施方式

该附图示意性示出一车辆，该车辆相对于布置在车辆周围环境中的物体运动，其中借助于车辆的运动并且借助于在两个不同时刻下物体分别关于车辆纵轴线所处的角度来修正车辆的GPS位置。

在附图中示意性示出的车辆10包括定位装置12。定位装置12的传感器在本例中是摄像机14，它摄取车辆10周围环境的图像。

形式为所谓的地标16的物体位于车辆10的周围环境中。地标16(其例如可以是交通牌或者红绿灯)以特别高的精度测得。即，由地标16已知高精度地给出其位置的数据值。这些数据值在本例中存储在定位装置12的存储器15里面。在另选的实施例中可以使地标16例如通过无线电、WLAN或者类似手段将这些数据值传递给定位装置12。

定位装置12还包括分析装置18，该分析装置能够确定地标16相对于车辆纵轴线L的角度。分析装置18为此可以例如集成到摄像机14里面。

然后利用摄像机14可以在第一时刻t₁确定车辆纵轴线L与由摄像机14和地标16确定的直线所夹的角度α。这个直线在附图中表示在时刻t₁摄像机14与地标16之间的距离b。车辆纵轴线L给出基准方向，该基准方向优选与车辆10运动的行驶方向重合。

而且由于已知摄像机14在车辆10中的安装位置并且由于已知摄像机14的校准参数，可以高精度地确定角度α。但是从摄像机14在出现角度α的时刻所摄取的图像不能以足够高的精度确定车辆10相对于地标16的相对位置。这是源于，为此所需的、由摄像机14检测到的二维图像在三维环境中的投影仅能不精确地完成。

因此在此在两个不同的时刻t₁、t₂确定在通过车辆纵轴线L给出的基准方向与由摄像机14和地标16确定的直线之间的角度。在时刻t₁车辆10位于坐标y₁、x₁的位置。这个位置例如可以是车辆10的GPS位置，该GPS位置利用坐标转换已经转换到平面坐标系、例如UTM坐标系中。在时刻t₂车辆10’已经在基准方向上驶过一定的行驶距离，其中在附图中清楚地给出这个驶过的行程的长度c。

在时刻t₂车辆10’位于坐标y₂、x₂的位置。在时刻t₂重新确定由摄像机14和地标16所确定的直线与车辆纵轴线L所夹的角度β。附加地在车辆10’中已知驶过的行程的长度c，即车辆10在时刻t₁与t₂之间驶过的行程。长度c例如可以通过对车辆10的车轮的旋转圈数进行积分来确定。

在附图中以a表示在时刻t₂在车辆10’与地标16之间的距离。在时刻t₂的这个距离a可以通过使用正弦定理借助于下面的关系式来确定：

其中γ是车辆10’在时刻t₂距地标16的距离a与车辆10在时刻t₁距地标16的距离b之间的角度。具有值180°-β的角度对应于在以边a、b和c和另外的角度α和γ构成的三角形中的一个角。

车辆10’与地标16在时刻t₂的相对位置现在可以通过正弦和余弦关系获得，例如通过关系式：

y_rel＝a·sin(90°-β)和

x_rel＝a·cos(90°-β)。

现在在下一步骤中由已知的且高精度的、地标16的GPS位置和表示车辆10’相对于地标的相对位置的坐标y_rel和x_rel计算出车辆10’的修正的GPS位置。这例如如下实现：

首先将地标16的高精度的GPS位置转换成平面坐标、例如UTM坐标。然后由地标16的平面UTM坐标即坐标y₃、x₃减去距离y_rel和x_rel。因此作为车辆10’在时刻t₂的修正的UTM坐标，得到：

(y_korr，x_korr)＝(y₃，x₃)-(y_rel，x_rel)。

接着将车辆10’的修正的平面UTM坐标y_korr和x_korr转换成GPS坐标。因此高精度地确定和修正了车辆10’在时刻t₂的GPS位置。

上述的三角函数计算以及GPS位置到平面坐标的转换和相反的转换可以由定位装置12的分析装置18执行。尤其是如果利用摄像机14的分析装置来确定角度α、β，则除了摄像机14的分析装置外还可以使用独立的分析装置18。

Claims (6)

1.一种用于求得车辆(10，10’)位置的方法，在该方法中，利用传感器检测位于车辆(10，10’)周围环境中的物体(16)，求得车辆(10，10’)相对于物体(16)的相对位置，其中，考虑了给出物体(16)位置的数据值，其特征在于，为了求得车辆(10，10’)的相对位置，在两个不同的时刻下分别确定在基准方向(L)与由传感器和物体(16)所确定的直线之间的角度(α，β)以及车辆(10，10’)在所述两个时刻之间驶过的行程的长度(c)，

其中，借助于在所述两个时刻出现的、在所述直线与基准方向(L)之间的角度(α，β)并且借助于所述行程的长度(c)，求得在所述两个时刻中的第二时刻出现的、传感器与物体(16)的距离(a)，

其中，借助于传感器与物体(16)之间的所述距离(a)求得传感器相对于物体(16)的坐标(y_rel，x_rel)，

其中，将给出物体(16)位置的地理数据值和给出车辆(10，10’)位置的地理数据值转换成平面坐标系数据值，

其中，借助于传感器相对于物体(16)的坐标(y_rel，x_rel)和借助于给出物体(16)位置的平面坐标系数据值(y₃，x₃)来修正给出车辆(10，10’)位置的平面坐标系数据值(y_korr，x_korr)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用下述关系式计算所述距离(a)：

$a=\frac{sin\left(\mathrm{\α}\right)}{sin(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})}\·c,$

其中，

a＝在第二时刻在传感器与物体(16)之间的距离，

α＝在第一时刻在所述直线与基准方向(L)之间的角度，

β＝在第二时刻在所述直线与基准方向(L)之间的角度，

c＝所述行程的长度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于下述关系式计算所述坐标(y_rel，x_rel)：

y_rel＝a·sin(90°-β)和

x_rel＝a·cos(90°-β)，

其中，

y_rel＝传感器在基准方向(L)上的坐标值，

x_rel＝传感器在垂直于基准方向(L)的方向上的坐标值，

a＝在第二时刻在传感器与物体(16)之间的距离，

α＝在第一时刻在所述直线与基准方向(L)之间的角度，

β＝在第二时刻在所述直线与基准方向(L)之间的角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于下述关系式修正给出车辆(10，10’)位置的平面坐标系数据值：

(y_korr，x_korr)＝(y₃，x₃)-(y_rel，x_rel)，

其中，

y_korr＝车辆(10，10’)在基准方向(L)上的修正的坐标值，

x_korr＝车辆(10，10’)在垂直于基准方向(L)的方向上的修正的坐标值，

y₃＝物体(16)在基准方向(L)上的坐标值，

x₃＝物体(16)在垂直于基准方向(L)的方向上的坐标值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过对由被设计成摄像机(14)的传感器在两个不同的时刻下检测到的图像进行分析处理，求得在该两个时刻下确定的角度(α，β)。

6.一种车辆，具有用于求得车辆(10，10’)位置的定位装置(12)，该定位装置包括传感器和存储装置(15)，利用所述传感器能检测位于车辆(10，10’)周围环境中的物体(16)，在所述存储装置中存储有给出物体(16)位置的数据值，其中，所述定位装置(12)包括分析装置(18)，该分析装置被设计用于在考虑所述给出物体(16)位置的数据值的条件下求得车辆(10，10’)与物体(16)的相对位置，其特征在于，利用所述分析装置(18)在两个不同的时刻下能分别确定在由传感器和物体(16)所确定的直线与基准方向(L)之间的角度(α，β)，其中，利用所述分析装置(18)还能确定车辆(10，10’)在所述两个时刻之间驶过的行程的长度(c)，

其中，利用所述分析装置(18)借助于在所述两个时刻出现的、在所述直线与基准方向(L)之间的角度(α，β)以及所述行程的长度(c)，能求得在所述两个时刻中的第二时刻出现的、传感器与物体(16)的距离(a)，

其中，利用所述分析装置(18)借助于传感器与物体(16)之间的所述距离(a)能求得传感器相对于物体(16)的坐标(y_rel，x_rel)，

其中，利用所述分析装置(18)能将给出物体(16)位置的地理数据值和给出车辆(10，10’)位置的地理数据值转换成平面坐标系数据值，

其中，利用所述分析装置(18)能借助于传感器相对于物体(16)的的坐标(y_rel，x_rel)和借助于给出物体(16)位置的平面坐标系数据值(y₃，x₃)来修正给出车辆(10，10’)位置的平面坐标系数据值(y_korr，x_korr)。