CN107656280A - 使用运动补偿距离的障碍物监测 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用运动补偿距离的障碍物监测。一种障碍物监测系统包括使用第一线性频率调制(“LFM”)啁啾获得对障碍物的第一距离量度的第一换能器。该系统还包括能够与第一换能器同时操作的第二换能器，其使用第二LFM啁啾获得对障碍物的第二距离量度。与第一LFM啁啾相比，第二LFM啁啾具有反转的斜率或偏移的中心频率。该系统还包括控制器，其处理第一和第二距离量度以确定对障碍物的运动补偿后的距离量度。

Description

使用运动补偿距离的障碍物监测
背景技术
超声距离检测的核心概念是在障碍物处发送超声波脉冲，并且测量多久接收到来自障碍物的回波以便确定到障碍物的距离。具体地说，脉冲的发送与回波的接收之间的时间与到障碍物的距离成线性比例。然而，由于随着距离越来越远，回波的幅度减小，距离的增加导致可靠性的降低，因为回波的振幅难以与噪声区分开来。
减轻这种折损的一个直接方法是通过增加发送功率来增加信噪比。然而，在包括泊车辅助系统的一些应用中，发送功率被其他系统有效地限制。减轻这种折损的另一种方法是增加发送脉冲的长度。然而，更长的发送脉冲使得频谱更窄，使多普勒补偿更加困难，并减弱时间分辨率。这些负面的副作用对于包括泊车辅助系统在内的快速反应障碍物监测应用的实际利用特别有害。
发明内容
一种障碍物监测系统，包括使用第一线性频率调制(“LFM”)啁啾(chirp)获得对障碍物的第一距离量度的第一换能器。该系统还包括能够与第一换能器同时操作的第二换能器，其使用第二LFM啁啾获得对障碍物的第二距离量度。与第一LFM啁啾相比，第二LFM啁啾具有反转的斜率或偏移的中心频率。该系统还包括控制器，其处理第一和第二距离量度以确定对障碍物的运动补偿后的距离量度。
一种障碍物监测方法，包括发送第一LFM啁啾。该方法还包括基于对第一LFM啁啾的响应来确定对障碍物的第一距离量度。该方法还包括发送第二LFM啁啾，第二LFM啁啾与第一LFM啁啾相比具有反转的斜率或偏移的中心频率。该方法还包括基于对第二LFM啁啾的响应来确定对障碍物的第二距离量度。该方法还包括处理第一和第二距离量度以确定对障碍物的运动补偿后的距离量度。
一种非暂时性计算机可读介质，包括指令，当被执行时使得一个或多个处理器使用第一LFM啁啾获得对障碍物的第一距离量度。进一步使一个或多个处理器使用第二LFM啁啾获得对障碍物的第二距离量度，第二LFM啁啾与第一LFM啁啾相比具有反转的斜率或偏移的中心频率。进一步使一个或多个处理器处理第一和第二距离量度以确定对障碍物的运动补偿后的距离量度。
附图说明
本文公开了使用运动补偿距离的障碍物监视的系统和方法。在图中：
图1是向障碍物发送线性频率调制(“LFM”)啁啾并从障碍物接收回波的示意性换能器的图；
图2是向障碍物发送LFM啁啾并从障碍物接收回波的两个说明性换能器的图；
图3是对LFM啁啾的说明性响应的图表；
图4是用于障碍物监测的说明性方法的流程图；和
图5是耦合到能够进行障碍物监视的一个或多个处理器的说明性计算机可读介质的图；
然而，应当理解，附图中给出的具体实施例及其详细描述并不限制本公开。相反，它们为普通技术人员提供了在随附权利要求书的范围内与一个或多个给定实施例一起包含的替代形式，等同物和修改的基础。
具体实施方式
符号和声明
在下面的描述和权利要求书中使用某些术语来指代特定的系统部件和配置。正如普通技术人员所了解的，附图可能会以不同的名称来引用部件。本文献不打算区分名称不同而不是功能不同的部件。在下面的讨论和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放的方式使用，因此应被解释为意味着“包括但不限于...”。此外，术语“耦合”或“耦接”意图是指间接或直接电学地或物理地连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，该连接在各种实施例中可以通过直接电连接，经由其他设备和连接的间接电连接，通过直接物理连接，或通过经由其他设备和连接的间接物理连接。
为了清楚起见，本文使用的示例讨论泊车辅助系统，然而本公开的概念可以应用于优先处理快速响应的任何类型的障碍物监视。为了减轻距离和可靠性之间的折损，向发送脉冲添加适当的调制可以解决增加发送脉冲长度的缺点。随后，可以使用相关器来缩短或压缩更长的调制脉冲的回波。
发送脉冲的一种形式的调制是线性频率调制(“LFM”)啁啾。LFM啁啾是在传输期间改变频率的发送脉冲。上调啁啾是在传输期间频率增加的LFM啁啾，下调啁啾是频率在传输期间减小的LFM啁啾。为了清楚起见，本文使用的实例将考虑线性增加或减少，然而在各种实施例中增加或减少不是线性的。可变啁啾在脉冲期间的不同点处频率增加和减少。啁啾的回波可以在相关器中被压缩而不引入大量或任何相关噪声。因此，回波的峰值检测在不降低时间分辨率的情况下得以缓解。此外，LFM啁啾抗受多普勒频移而不增加或最小化相关噪声。LFM啁啾可用作测量距换能器系统前方的障碍物或物体的距离的发送脉冲，图1中示出了普通的障碍物监测情景。
图1是说明性系统100的图，系统100包括换能器102，向障碍物106发送LFM啁啾108，并接收回波104。换能器102和障碍物106之间的距离通过测量LFM啁啾108的发送和回波104的接收之间的时间，并将该时间乘以空气中的声速来确定。在各种实施例中，使用另一材料中的声速。由于多普勒效应，如果障碍物106或换能器102正在移动，则回波相对于发送频率经历频移。可以使用这种频移来确定障碍物106相对于换能器102的速度。具体地，障碍物106的速度v可以由v＝(fd(c))/(2(ft))来确定，其中fd是多普勒频移，c是声速，ft是LFM啁啾中心频率。
系统100还包括LFM啁啾发生器112和耦合到换能器102的发送驱动器110。发生器112可以产生上调啁啾、下调啁啾，或所希望的定制带宽、持续时间和中心频率的可变啁啾。发生器112可以基于来自先前测量的反馈来调整要由换能器102发送的LFM啁啾108。例如，可以基于最小检测距离(具有增加的啁啾持续时间，最小距离则减小)；信噪比和最大检测距离(具有增加的啁啾持续时间，信噪比和最大检测距离则增加)；信道间隔的可靠性(具有增加的啁啾持续时间，信道间隔则提高)；渡越时间精度和分辨率(更宽的带宽导致提高的精度和分辨率)；换能器带宽等等来调整LFM啁啾108。发生器112将生成的啁啾提供给发送驱动器110，发送驱动器110将该啁啾变换成用于换能器102的适当信号以便发送。具体地，发送驱动器110将啁啾嵌入适当的载波内，以便在信道上传输啁啾。发送驱动器110将信号提供给换能器102，换能器102将LFM啁啾108朝障碍物发送并接收回波104。
系统100还包括放大器114和滤波器116，它们被配置为分别从回波104放大来自回波104的有用信号分量并且抑制来自回波104的干扰信号分量。如图所示，滤波器116是针对由周围环境通知的特定频率范围校准的带通滤波器，但是在各种实施例中，可以使用其他类型的滤波器。例如，可以使用低通滤波器和高通滤波器。另外，滤波器116可以用于数字化，采样或变换放大的回波。例如，希尔伯特变换可以应用于放大回波。
系统100还包括相关器118。相关器118被配置为确定LFM啁啾108和回波104之间的相关性最高的时间。通过将这样的时间指定为回波104的接收时间，通过区分发送时间和接收时间可以确定LFM啁啾108和回波104的渡越时间(time-of-flight)。因此，与障碍物106的距离可以通过乘以声速和渡越时间来确定。来自回波104的数据被提供为向频率啁啾发生器112的反馈，其可以基于该数据对未来啁啾进行调整。系统100可以包括多于一个的如图2所示的换能器。
图2是障碍物监测系统200的图，障碍物监测系统200包括向障碍物206发送LFM啁啾204的两个换能器202。一个换能器202使用上调啁啾204(具有增加的频率的LFM啁啾)获得对障碍物206的第一距离量度。第二换能器202与第一换能器202同时操作，并且使用下调啁啾204(具有降低的频率的LFM啁啾)获得对障碍物206的第二距离量度。在至少一个实施例中，与上调啁啾相比，下调啁啾具有反转的斜率或不同的中心频率。系统200还包括控制器210，其对第一和第二距离量度进行平均以确定对障碍物206的运动补偿后的距离量度。当经受多普勒频移时，上调啁啾预测障碍物206的位置，因为对于正接近的障碍物206，上调啁啾和回波的总渡越时间减小，使其显得更接近换能器202。类似地，当经受多普勒频移时，下调啁啾指示障碍物206的先前位置，因为对于后退的障碍物206，总渡越时间增加。在至少一个实施例中，上调啁啾与和下调啁啾不同的信道相关联，并且两个啁啾具有相同的斜率大小(但相反符号)。
控制器210可以交替针对每个换能器202的输出，使得每个换能器202在上调啁啾和下调啁啾的测量之间交替，并且任何给定的测量时间包括上调啁啾测量和下调啁啾测量两者。在一个实施例中，第一换能器202在发送上调啁啾和下调啁啾之间交替，并且第二换能器202在发送与第一换能器202相反的下调啁啾和上调啁啾之间交替。上调啁啾和下调啁啾的各种组合可以用于各种实施例。
除了对上调啁啾量度和下调啁啾量度求平均以确定位置之外，上调啁啾量度和下调啁啾量度可以被区分以确定障碍物206的运动特性。例如，障碍物206的运动特性可以包括障碍物相对于换能器202是否正在接近或正在后退，以及障碍物206相比于第一或第二换能器202的相对速度。控制器210可以基于：最小检测距离(具有增加的啁啾持续时间，最小距离则减小)；信噪比和最大检测距离(具有增加的啁啾持续时间，信噪比和最大检测距离则增加)；信道间隔的可靠性(具有增加的啁啾持续时间，信道间隔则提高)；渡越时间精度和分辨率(更宽的带宽导致提高的精度和分辨率)；以及换能器带宽来调整啁啾的持续时间、带宽、中心频率等。
另外，控制器210可以基于相对速度来补偿第一或第二距离量度以用于更准确的距离测量。控制器可以基于检测的障碍物来生成音频，视觉或视听警报。这样的警报可以通过显示器，扬声器等输出。啁啾和响应的一个例子如图3所示。
图3是对啁啾300的说明性响应302的图表。啁啾300以频率F1开始，以频率F2结束。如图所示，啁啾线300是线性的，使得带宽B等于F2和F1之间的差。啁啾300持续时间T。响应302是在时间2T上由相关器输出的信号，在时间-τ至τ之间具有中心峰值，其中τ是带宽B的倒数。中心峰值的高度是T乘以B的平方根。相关器输出提供良好定义的峰值，从而提高测量精度。这些类型的啁啾和响应可以通过图4所示的方法来实现。
图4是用于障碍物监测的说明性方法400的流程图。在402处，换能器朝障碍物发送上调啁啾。在各种实施例中，可以互换地使用上调啁啾和下调啁啾。换能器接收回波，并且在404处，耦合到换能器的控制器基于响应来确定对障碍物的第一距离量度。在406处，第二换能器发送下调啁啾并接收回波。下调啁啾可以在与上调啁啾分开的信道上传输。在至少一个实施例中，与上调啁啾相比，下调啁啾具有反转的斜率或不同的中心频率。在408处，控制器基于对下调啁啾的响应来确定对障碍物的第二距离量度。换能器可以同时操作，并且上调啁啾斜率的绝对值可以等于下调啁啾的斜率的绝对值。例如，斜率的大小可以是相同的，但符号可以不同。
在410处，控制器处理第一和第二距离量度以确定对障碍物的运动补偿后的距离量度。例如，距离可以被平均化，即，第一距离量度可以被相加于第二距离量度，并且结果可以被除以2。在412，控制器区分第一和第二距离量度来测量障碍物的运动。例如，障碍物的运动特性可以包括障碍物是正在接近还是正在后退，以及与第一或第二换能器相比障碍物的相对速度。方法400还可以包括基于相对速度来补偿第一或第二距离量度。
在414处，控制器基于如上描述的最小检测距离、最大检测距离、信噪比、信道间隔、渡越时间精度、渡越时间分辨率或换能器带宽来调整随后的上调啁啾或下调啁啾。该方法可以包括基于检测到障碍物产生音频，视觉或视听警报。这样的警报可以通过显示器，扬声器等输出。
图5是耦合到能够进行障碍物监测的一个或多个处理器的说明性计算机可读介质的图。具体地，系统500包括车辆502，车辆502容纳计算机可读介质504，计算机可读介质504耦合到一个或多个处理器506或控制器，处理器506或控制器耦合到一个或多个换能器508。非暂时性计算机可读介质504包括指令，当指令被执行时使一个或多个处理器执行本公开中描述的任何适当的动作。例如，使处理器如上所述地使用上调啁啾获得对障碍物的第一距离量度，使用下调啁啾获得对障碍物的第二距离量度，并处理第一和第二距离量度以确定对障碍物的运动补偿的距离量度。这种的处理可以包括对第一和第二距离求平均。
例如，指令可以位于用于在车辆中在其上实现驾驶员辅助系统或其子系统的模块上，或用于驾驶员辅助功能的应用中。指令可以存储在非暂时性的机器可读存储介质上，例如在永久的或可重写的存储介质上，或者与计算机设备(例如，可移动CD-ROM、DVD)相关联，或在便携式移动存储介质(诸如存储卡或USB插条)上。
为了清楚起见，换能器508被示出在车辆502的一侧上。然而，在其他实施例中，换能器508例如设置在车辆502的前部和/或后部保险杠中，用于泊车辅助和/或避免碰撞。例如，系统500可以被配置为检测车辆502的部分环境。例如，在前部区域中用于检测车辆502前方的环境的换能器508，在侧面区域中用于检测车辆的侧面区域的换能器508，和/或在后部区域中用于检测车辆502的后部区域的换能器508，每一种都可以包括在系统500中。系统500可以基于检测到障碍物生成音频，视觉或视听警报。这样的警报可以通过显示器，扬声器等输出。
在一些方面，根据以下一个或多个示例提供用于障碍物监测的系统和方法：
示例1：一种障碍物监控系统，包括：第一换能器，其使用第一线性频率调制(“LFM”)啁啾获得对障碍物的第一距离量度。该系统还包括能够与第一换能器同时操作的第二换能器，其使用第二LFM啁啾获得对障碍物的第二距离量度。与第一LFM啁啾相比，第二LFM啁啾具有反转的斜率或偏移的中心频率。该系统还包括控制器，其处理第一和第二距离量度以确定对障碍物的运动补偿后的距离量度。
示例2：一种障碍物监控方法，包括：发送第一线性频率调制(“LFM”)啁啾。该方法还包括基于对第一LFM啁啾的响应来确定对障碍物的第一距离量度。该方法还包括发送第二LFM啁啾，第二LFM啁啾与第一LFM啁啾相比具有反转的斜率或偏移的中心频率。该方法还包括基于对第二LFM啁啾的响应来确定对障碍物的第二距离量度。该方法还包括处理第一和第二距离量度以确定对障碍物的运动补偿后的距离量度。
示例3：一种非暂时性计算机可读介质，包括指令，当被执行时，使得一个或多个处理器使用第一线性频率调制(“LFM”)啁啾获得对障碍物的第一距离量度。进一步使一个或多个处理器使用第二LFM啁啾获得对障碍物的第二距离量度，第二LFM啁啾与第一LFM啁啾相比具有反转的斜率或偏移的中心频率。进一步使一个或多个处理器处理第一和第二距离量度以确定对障碍物的运动补偿后的距离量度。
以下特征可以并入到上述各种实施例中，这些特征单独地并入其中或与一个或多个其它特征结合地并入。控制器可以区分(difference)第一和第二距离量度以测量障碍物的运动。障碍物的运动可能包括接近或后退。障碍物的运动可以包括与第一或第二换能器相比的障碍物的相对速度。控制器可以基于相对速度补偿第一或第二距离量度。控制器可以根据最小检测距离、最大检测距离、信噪比、信道间隔、渡越时间精度、渡越时间分辨率或换能器带宽来调整后续啁啾。控制器可以调整啁啾持续时间。控制器可以调整啁啾带宽。控制器可以调整啁啾中心频率。第一和第二LFM啁啾可以在分开的信道上传输。第一和第二LFM啁啾的斜率的绝对值可以相等。该方法还可以包括对第一和第二距离量度进行区分来测量障碍物的运动。该方法还可以包括基于相对速度来补偿第一或第二距离量度。该方法还可以包括基于最小检测距离、最大检测距离、信噪比、信道间隔、渡越时间精度、渡越时间分辨率或换能器带宽来调整随后的LFM啁啾。发送第二LFM啁啾可以包括在与第一LFM啁啾分开的信道上发送第二LFM啁啾。
一旦完全理解了上述公开内容，许多其它修改，等同物和替代方案对于本领域技术人员将变得明显。随附的权利要求书旨在解释为包括适用的所有这些修改、等同物和替代方案。

Claims (10)

1.一种障碍物监测系统，包括：
第一换能器，其使用第一线性频率调制(LFM)啁啾获得对障碍物的第一距离量度；
第二换能器，其与所述第一换能器同时操作，所述第二换能器使用第二LFM啁啾获得对所述障碍物的第二距离量度，所述第二LFM啁啾与所述第一LFM啁啾相比具有反转的斜率或偏移的中心频率；以及
控制器，其处理所述第一和第二距离量度以确定对所述障碍物的运动补偿后的距离量度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器区分所述第一和第二距离量度以测量所述障碍物的运动。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述障碍物的运动包括所述障碍物相比于所述第一或第二换能器的相对速度。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器基于所述相对速度来补偿所述第一或第二距离量度。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二LFM啁啾在分开的信道上发送。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二LFM啁啾的所述斜率的绝对值相等。
7.一种障碍物监测装置，包括：
控制器，其基于对第一线性频率调制(LFM)啁啾的响应来确定对障碍物的第一距离量度；
其中所述控制器基于对第二LFM啁啾的响应来确定对所述障碍物的第二距离量度，所述第二LFM啁啾与所述第一LFM啁啾相比具有反转的斜率或偏移的中心频率；以及
其中所述控制器处理所述第一和第二距离量度以确定对所述障碍物的运动补偿后的距离量度。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述控制器区分所述第一和第二距离量度以测量所述障碍物的运动。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述控制器基于最小检测距离、最大检测距离、信噪比、信道间隔、渡越时间精度、渡越时间分辨率或换能器带宽来调整后续的LFM啁啾。
10.根据权利要求7所述的装置，其中所述控制器在与所述第一LFM啁啾分开的信道上发送所述第二LFM啁啾。
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