CN107710010B - 车辆雷达系统和用于估计车辆雷达系统失准的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种车辆雷达系统(2)，所述车辆雷达系统包括雷达检测器(3)，所述雷达检测器配置为当车辆(1)相对于静止对象移动时多次检测至少一个静止对象(10)。在相对于雷达检测器(3)固定的局部坐标系(15)中获得多个检测到的位置(11、12、13)。对象(10)相对于整体坐标系(16)是固定的，整体坐标系相对于外部环境固定。位置检测器(14)配置为参照整体坐标系(16)检测其当前的运动状况。对局部坐标系(15)中的对象的每个检测到的位置均应用校正因子。然后将所有获得的校正的检测位置变换到整体坐标系(16)中，并为每个校正因子计算误差/成本值。选择导致最小误差/成本值的校正因子。

Description

车辆雷达系统和用于估计车辆雷达系统失准的方法
技术领域
本公开涉及一种车辆雷达系统和用于估计车辆雷达系统失准的方法，其中，所述车辆雷达系统配置为检测车辆外部的对象，其中，所述雷达系统包括雷达检测器和处理单元。
背景技术
现如今，可以将雷达装置安装在车辆上以检测周围对象的反射，从而实现速度控制和碰撞预防的功能。在这样的雷达装置中，需要获得目标方向角形式的方位角、相对于对象的距离以及车辆和对象之间的相对速度。
对于大多数车辆雷达应用来说，以非常高的精度测量目标方向角是非常重要的。雷达系统的角度精度取决于调制技术、天线设计、组件公差、装配精度和/或安装条件等基本参数。此外，由于机械应力或恶劣天气等各种环境影响，角度估计性能可能会受到额外的影响。其中一些误差源显示了随机统计分布，而另一些误差源导致固定的角度偏移。这个固定的偏移就是所谓的失准角。监视失准角通常是车辆应用中的基本要求。
已知使用车辆动态信息(例如，车辆速度、偏航角速度或转向角)来验证地面静止目标的轨迹的若干方法。通过比较障碍物的预期路径与雷达观测的实际进程，应该能够估计常见的方位偏差。这些技术的成功在很大程度上取决于车辆动态数据的精度。
为解决上述问题，文献US 7443335公开了基于相对速度和反射的车辆雷达的角度误差估计。
此外，WO 2014/003615公开了通过找到如下函数的导数有零交叉来检测雷达检测器失准：该函数将检测到的目标多普勒速度的级数描述为检测到的目标角度的函数。
然而，需要为车辆雷达找到可靠且不复杂的误差补偿，这构成了本公开的目的。
发明内容
通过配置为检测车辆外部的对象的车辆雷达系统来实现所述目的。所述雷达系统包括雷达检测器和处理单元，其中雷达检测器配置为当相对于静止对象移动时多次检测至少一个静止对象，使得在相对于雷达检测器固定的局部坐标系中获得多个检测到的位置，其中，静止对象相对于整体坐标系静止，整体坐标系相对于车辆外部的环境固定。所述雷达系统还包括位置检测器，所述位置检测器配置为参照整体坐标系检测其当前运动状况。所述处理单元配置为：
-对局部坐标系中的静止对象的每个检测到的位置应用多个校正因子，从而获得多个校正的检测位置。
-将所有校正的检测位置变换成整体坐标系。
-计算每个校正因子的误差或成本值。
-选择导致最小误差或成本值的校正因子。
所述目的还通过一种用于估计车辆雷达系统失准的方法来实现，其中所述车辆雷达系统用于检测车辆外部的对象。所述方法包括以下步骤：
-当相对于静止对象移动时多次检测至少一个静止对象，使得在相对于雷达检测器固定的局部坐标系中获得多个检测到的位置，其中静止对象相对于整体坐标系静止，而整体坐标系相对于车辆外部的环境固定。
-对局部坐标系中的静止对象的每个检测到的位置应用多个校正因子，从而获得多个校正的检测位置。
-将所有校正的检测位置变换成整体坐标系。
-计算每个校正因子的误差或成本值。
-选择导致最小误差或成本值的校正因子。
-通过将连续雷达周期的变换的和校正的检测位置之间的距离相加来获得每个误差或成本值。
根据一个示例，通过方差或平均值计算来获得每个误差或成本值。
根据另一个示例，处理单元配置为通过插值、斜率分析、非线性优化技术和/或曲线拟合来找到所述误差或成本函数的最小值。
根据另一个示例，位置检测器由一个或多个加速度计、一个或多个车辆动态获取装置、一个或多个相机、一个或多个陀螺仪或GPS(全球定位系统)装置构成。
在从属权利要求中公开了其他示例。
通过本公开获得许多优点；主要提供车辆雷达的可靠且不复杂的误差补偿。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本公开，其中：
图1示出了具有雷达系统的车辆的示意性俯视图；
图2示出了三个不同时刻的雷达检测器的示意性俯视图；
图3示出了根据本公开的方法的流程图；并且
图4示出了线性调频脉冲信号。
具体实施方式
参考图1，车辆1包括雷达系统2，雷达系统进而包括雷达检测器3和处理单元4。车辆1以特定车速Vh移动，并且对象5出现在车辆的路径上，在该路径上，通过雷达检测器3检测该对象。但是，由于诸如失准误差等误差，存在与实际对象5不同的检测到的对象6，使得对于实际对象5有真实的目标角度Θref，并且对于检测到的对象6有检测到的目标角度Θerr，其中，这些角度是相对于从车辆1沿其向前行进方向8延伸的线7测量的。线7可被视为在雷达检测器3的瞄准线上延伸。此外，雷达检测器3以先前已知的方式检测检测到的对象6的目标多普勒速度Vd。
参照上述角度，失准角Θm被定义为：
Θm＝Θref-Θerr (1)
根据上述定义，现在参考图2。此处，当沿着线7经过静止对象10时，仅示出在对应于三个连续的雷达周期的三个不同时刻的雷达检测器3。在这个示例中，假设存在30°的失准角Θm。
在这种情况下，存在局部坐标系15和整体坐标系16，该局部坐标系相对于雷达检测器3固定并且具有局部坐标，该整体坐标系相对于车辆1外部的环境固定并且具有整体坐标。
由于30°的失准角Θm，因此在三个雷达周期内不能在整体坐标中的同一位置处看到对象10。相反，首先在第一检测到的位置11处然后在第二检测到的位置12处并且最终在第三检测到的位置13处检测到对象10。
根据本公开，如图1所示，雷达系统2还包括连接到处理单元4的位置检测器14，其中，位置检测器14配置为检测其当前运动状况并且例如可以由一个或多个加速度计、一个或多个车辆动态获取装置、一个或多个相机、一个或多个陀螺仪或GPS(全球定位系统)装置构成。
位置检测器14因此配置为检测车辆的当前运动，这意味着位置检测器14能够提供局部坐标系15和整体坐标系16之间的链接，这两个坐标系15、16继而对处理单元4是已知的。然后可以在整体坐标和局部坐标之间进行坐标变换。位置检测器14还可以配置为经由车辆数据总线(例如CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线)接收车辆动态。
可以将多个误差校正因子应用于局部坐标中的每个检测到的位置11、12、13，从而获得校正的检测位置。通过位置检测器14，处理单元4继而能够计算被检测对象在整体坐标系16中的位置。某个误差校正因子越使失准角Θm接近0°(无失准)，则在整体坐标中校正的检测位置11、12、13将会越靠近。
在参照图2的示例中，对于0°的校正因子而言，校正的检测位置将与检测到的位置11、12、13相同。总误差值e1,3被定义为校正的检测位置之间的距离。这表示总误差e1,3等于第一误差值e1,2和第二误差值e2,3的总和，其中，第一误差值e1,2被定义为第一校正的检测位置与第二校正的检测位置之间的距离，第二误差值e2,3被定义为第二校正的检测位置与第三校正的检测位置之间的距离。这在图2中示出，其中，当校正因子是0°时，校正的检测位置将与检测位置11、12、13相同。
对于30°的校正因子而言，所有检测到的位置11、12、13在被变换到相应的校正的检测位置时，将旋转回到静止对象10，并且总误差e1,3将为0。
以最小化总误差e1,3为目标，测试多个校正因子，并且选择提供总误差e1,3的最低值的校正因子；在这个示例中，将选择30°的校正因子。
因此，在移动时，雷达检测器3检测静止对象10并在若干雷达周期内跟踪它；上面示例中的三个雷达周期只是一个示例，通常在更多的周期内进行跟踪，尽管它应该至少有两个雷达周期。静止对象10的位置通过位置检测器14被变换到整体坐标系中。
如果雷达检测器3在没有测量噪声的情况下正确测量范围和角度，则所有检测到的位置的叠加将在整体坐标中处于同一点。
如果雷达检测器3的测量范围和角度不正确，具有偏移误差，则所有检测到的位置的叠加将导致整体坐标中模糊的浊点。误差越大，模糊点云的程度越高。引入测量噪声将会导致更多的模糊。
程序因此以下面的方式工作：
1.在多个雷达周期期间保存静止跟踪对象的检测位置。
2.测试多个不同的校正因子。对于每个校正因子，执行以下步骤：
a)通过当前校正因子校正局部坐标系15中静止对象的每个检测到的位置；
b)将所有校正的检测位置变换到整体坐标系16中；
c)例如通过将连续雷达周期的变换的和校正的检测位置之间的距离相加，来计算当前校正因子的误差或成本值；
3.选择导致最小误差或成本值的校正因子。
因此，在局部坐标中的不同校正因子被尝试并在整体坐标中相互比较。
需要以下内容以便能够执行上述步骤。
-雷达检测器移动。
-雷达检测器的运动是已知的。
-雷达系统(2)能够将对象归类为静止或移动。
-当找到一个静止对象时，雷达检测器(3)能够在若干雷达周期内跟踪它。
参照图3，本发明还涉及一种用于估计车辆雷达系统失准Θm的方法，其中车辆雷达系统2用于检测车辆1外部的对象。该方法包括：
17：当相对于静止对象10移动时多次检测至少一个静止对象10，使得在相对于雷达检测器3固定的局部坐标系15中获得多个检测到的位置11、12、13，其中，静止对象10相对于整体坐标系16静止，整体坐标系相对于车辆1外部的环境固定。
18：对局部坐标系(15)中的静止对象的每个检测到的位置应用多个校正因子，从而获得多个校正的检测位置。
19：将所有校正的检测位置变换成整体坐标系16。
20：计算每个校正因子的误差或成本值。
21：选择导致最小误差或成本值的校正因子。
本公开不限于以上示例，而是可以在所附权利要求的范围内自由地变化。例如，雷达系统可以是任何类型的多普勒雷达系统，例如FMCW(Frequency Modulated ContinuousWave，调频连续波)系统。
假定雷达系统2的微波部分是以前已知的设计，并且雷达系统2包括比所示更多的部件，例如雷达发射器，而假定雷达接收器包含在雷达检测器3中。雷达检测器3可以包括接收天线阵列。雷达系统2还可以包括多个其他部件，并且例如以先前已知的方式连接到包含在车辆1中的警报和/或信息设备。
处理单元4可以包括一个或多个控制和/或处理单元。
雷达系统2可以包括一个或多个雷达检测器3。
所测量的角度被定义为是相对于从车辆1沿其向前前进方向8延伸的线7测量的。当然，可以相对于任何合适的参考线或平面来测量这些角度。
当前校正因子的误差或成本值已被定义为将连续雷达周期的变换的和校正的检测位置之间的距离相加。但是，这只是误差或成本值的示例。确定合适的误差或成本值的许多其他方式当然是可能的。例如，可以使用方差和平均值。误差或成本值应该是某个值与特定点匹配的程度。
误差或成本值可以从具有最小值的误差或成本函数导出，例如通过插值、斜率分析、非线性优化技术和/或曲线拟合来导出。可以使用斜率分析来分析误差或成本函数的斜率，其中每个获取的斜率用于选择要分析的嵌套斜率，从而连续达到最小值。
然后在整体坐标系16中定义误差或成本函数，并且通过找到误差或成本函数的最小值来获得期望的校正因子。
雷达周期通常是重复多次的过程，每个雷达周期提供一定数量的数据。
如图4所示，FMCW系统中的发射信号可以是所谓的线性调频脉冲信号22，即其中输出频率Fout在斜坡r的过程中从第一频率fstart变化到第二频率fstop的连续正弦曲线的形式，其中每个线性调频脉冲信号22包括多个频率斜坡r的重复周期。此时，第一频率fstart的幅度低于第二频率fstop的幅度，尽管还有其他的选择；例如第一频率fstart的幅度可以超过第二频率fstop的幅度。
线性调频脉冲信号22的雷达周期持续一定的周期时间tc，每个斜坡r持续一定的斜坡时间tr，具有斜坡周期时间tT。在线性调频脉冲信号22的两个连续斜坡之间存在延迟时间tD。
其他类型的FMCW信号和FMCW信号配置可能导致其他类型的雷达周期，并且其他类型的多普勒雷达系统和多普勒雷达信号也可能导致其他类型的雷达周期。
一般而言，本公开涉及一种车辆雷达系统2，所述车辆雷达系统配置为检测车辆1外部的对象，其中所述雷达系统2包括雷达检测器3和处理单元4。雷达检测器3配置为检测：当相对于静止对象10移动时多次检测至少一个静止对象10，使得在相对于雷达检测器3固定的局部坐标系15中获得多个检测到的位置11、12、13，其中静止对象10相对于整体坐标系16静止，而整体坐标系相对于车辆1外部的环境固定。雷达系统2还包括位置检测器14，该位置检测器配置为参照整体坐标系16检测其当前的运动状况，其中处理单元4配置为：
-对局部坐标系15中的静止对象的每个检测到的位置应用多个校正因子，从而获得多个校正的检测位置；
-将所有校正的检测位置变换成整体坐标系16；
-计算每个校正因子的误差或成本值；并且
-选择导致最小误差或成本值的校正因子。
根据一个示例，通过将连续雷达周期的变换的和校正的检测位置之间的距离相加来获得每个误差或成本值。
根据一个示例，通过方差或平均值计算来获得每个误差或成本值。
根据一个示例，处理单元4配置为定义误差或成本函数并且找到所述误差或成本函数的最小值。
根据一个示例，处理单元4配置为通过插值、斜率分析、非线性优化技术和/或曲线拟合来找到所述误差或成本函数的最小值。
根据一个示例，位置检测器14由一个或多个加速度计、一个或多个车辆动态获取装置、一个或多个相机、一个或多个陀螺仪或GPS全球定位系统装置构成。
根据一个示例，雷达系统2能够将对象10归类为在整体坐标系16中静止或移动。
一般而言，本公开还涉及一种用于估计车辆雷达系统失准Θm的方法，所述车辆雷达系统2用于检测车辆1外部的对象，所述方法包括：
17：当相对于静止对象10移动时多次检测至少一个静止对象10，使得在相对于雷达检测器3固定的局部坐标系15中获得多个检测到的位置11、12、13，其中静止对象10相对于整体坐标系16静止，而整体坐标系相对于车辆1外部的环境固定；
18：对局部坐标系(15)中的静止对象的每个检测到的位置均应用多个校正因子，从而获得多个校正的检测位置；
19：将所有校正的检测位置变换成整体坐标系16；
20：计算每个校正因子的误差或成本值；并且
21：选择导致最小误差或成本值的校正因子。
根据一个示例，通过将连续雷达周期的变换的和校正的检测位置之间的距离相加来获得每个误差或成本值。
根据一个示例，通过方差或平均值计算来获得每个误差或成本值。
根据一个示例，所述方法包括定义误差或成本函数并找出所述误差或成本函数的最小值。
根据一个示例，所述方法包括通过使用插值、斜率分析、非线性优化技术和/或曲线拟合来找到所述误差或成本函数的最小值。
根据一个示例，通过使用一个或多个加速度计、一个或多个车辆动态获取装置、一个或多个相机、一个或多个陀螺仪或GPS(全球定位系统)装置，将所有校正的检测位置变换到整体坐标系16中。
根据一个示例，所述方法包括将对象10归类为在整体坐标系16中静止或移动。

Claims (14)

1.一种车辆雷达系统(2)，其配置为检测车辆(1)外部的对象，所述雷达系统(2)包括雷达检测器(3)和处理单元(4)，所述雷达检测器(3)配置为当相对于静止对象(10)移动时多次检测至少一个所述静止对象(10)，使得在相对于所述雷达检测器(3)固定的局部坐标系(15)中获得多个检测到的位置(11、12、13)，其中，所述静止对象(10)相对于整体坐标系(16)静止，所述整体坐标系(16)相对于所述车辆(1)外部的环境固定，其特征在于，所述雷达系统(2)还包括位置检测器(14)，所述位置检测器配置为参照所述整体坐标系(16)检测所述雷达系统当前的运动状况，其中，所述处理单元(4)配置为：
-对所述局部坐标系(15)中的静止对象的每个检测到的位置应用多个校正因子，从而获得多个校正的检测位置；
-将所有校正的检测位置变换到所述整体坐标系(16)中；
-计算每个所述校正因子的误差或成本值；并且
-选择导致最小误差或成本值的校正因子。
2.根据权利要求1所述的车辆雷达系统，其特征在于，通过将连续雷达周期的变换的和校正的检测位置之间的距离相加来获得每个所述误差或成本值。
3.根据权利要求1所述的车辆雷达系统，其特征在于，通过方差或平均值计算来获得每个所述误差或成本值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的车辆雷达系统，其特征在于，所述处理单元(4)配置为定义误差或成本函数并且找到所述误差或成本函数的最小值。
5.根据权利要求4所述的车辆雷达系统，其特征在于，所述处理单元(4)配置为通过插值、斜率分析、非线性优化技术和/或曲线拟合来找到所述误差或成本函数的最小值。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的车辆雷达系统，其特征在于，所述位置检测器(14)由一个或多个加速度计、一个或多个车辆动态获取装置、一个或多个相机、一个或多个陀螺仪或全球定位系统(GPS)装置构成。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的车辆雷达系统，其特征在于，所述雷达系统(2)能够将对象归类为在所述整体坐标系(16)中静止或移动。
8.一种用于估计车辆雷达系统失准的方法，所述车辆雷达系统用于检测车辆(1)外部的对象，所述方法包括：
(17)当相对于静止对象(10)移动时多次检测至少一个所述静止对象(10)，使得在相对于所述雷达检测器(3)固定的局部坐标系(15)中获得多个检测到的位置(11、12、13)，其中，所述静止对象(10)相对于整体坐标系(16)静止，所述整体坐标系(16)相对于所述车辆(1)外部的环境固定；
其特征在于，所述方法还包括：
(18)对所述局部坐标系(15)中的所述静止对象的每个检测到的位置应用多个校正因子，从而获得多个校正的检测位置；
(19)将所有校正的检测位置变换到所述整体坐标系(16)中；
(20)计算每个所述校正因子的误差或成本值；并且
(21)选择导致最小误差或成本值的校正因子。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过将连续雷达周期的变换的和校正的检测位置之间的距离相加来获得每个所述误差或成本值。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过方差或平均值计算来获得每个所述误差或成本值。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括定义误差或成本函数并找到所述误差或成本函数的最小值。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过使用插值、斜率分析、非线性优化技术和/或曲线拟合来找到所述误差或成本函数的最小值。
13.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于，通过使用一个或多个加速度计、一个或多个车辆动态获取装置、一个或多个相机、一个或多个陀螺仪或全球定位系统(GPS)装置将所有校正的检测位置变换到所述整体坐标系(16)中。
14.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括将对象归类为在所述整体坐标系(16)中静止或移动。
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