CN108646250A - 一种多探头式车载雷达及距离求取方法 - Google Patents

Abstract

本发明的多探头式车载雷达，包括第一、第二转轴，第一、第二驱动电机和控制电路；特征在于：第一、第二转轴的轴线分别与Z轴、X轴重合，第一转轴上固定有1号超声波收发器和2号超声波收发器，第二转轴上固定有3号超声波收发器和4号超声波收发器。本发明的距离求取方法，包括：a).计算安装误差；b).计算悬空物和台阶距离；c).计算行进方向障碍物距离；d).计算障碍物距离。本发明的多探头式车载雷达，可对下方台阶和上方悬空障碍物的检测，雷达的探测宽度可调，可应用在宽度较大的各种工程车辆上，使用范围更加广泛。

Description

一种多探头式车载雷达及距离求取方法

技术领域

本发明涉及一种多探头式车载雷达及距离求取方法，更具体的说，尤其涉及一种可对下方台阶和上方悬空物进行距离探测的多探头式车载雷达及距离求取方法。

背景技术

由于低廉的成本，基于超声波传感器的避障方法得到了广泛的应用，其基本原理是利用超声波遇到障碍物时会产生反射回波，通过测量发送信号与回波信号的时间差，计算载体与障碍物的距离。由于超声波的波束有一定的发射角度限制，因此，为了实现车辆尾端或前端的障碍物检测，大都是采用多个超声波探头轮流工作的方式。这样的方法中存在如下问题：

1)存在大量的测量盲区。例如：相邻两个超声波传感器的中间位置、比传感器安装位置低的台阶类型障碍物、比传感器安装位置高的悬空类型障碍物。

2)所使用的超声波工作在相同频率，超声波探头之间存在相互干扰，因此只能轮流工作。

3)当载体倾斜时，容易产生误报警。

4)需要兼顾最大探测距离和最小距离距离。

在工程车辆的应用中，由于车辆的宽度、高度与家用车辆有着明显的差别，上述技术缺陷使得该避障装置难以在工程车辆中推广应用。另外，采用不可见光的激光雷达近年来在车载避障设备中得到了广泛的应用，以平面激光雷达最为常见。但其高昂的价格使其难以在中低端市场中推广应用。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种多探头式车载雷达及距离求取方法。

本发明的多探头式车载雷达，包括第一转轴、第二转轴、第一驱动电机、第二驱动电机和控制电路；设载体的行进方向为X轴方向，沿X轴望去的右方为Y轴方向，垂直向上为Z轴方向，以确定立体坐标系XYZ；其特征在于：第一转轴、第二转轴的轴线分别与Z轴、X轴重合，第一驱动电机、第一驱动电机的输出轴分别与第一转轴、第二转轴相连接，第一驱动电机与第二驱动电机固定在一起；

第一转轴上固定有当第一转轴不发生转动时位于XZ平面内的1号超声波收发器和2号超声波收发器，1号超声波收发器、2号超声波收发器的探测方向分别朝前下方和前上方，且与X轴正向的夹角分别为δ₁、δ₂；第二转轴上固定有当第二转轴不发生转动时位于XZ平面内的3号超声波收发器和4号超声波收发器，3号超声波收发器、4号超声波收发器的探测方向分别朝向上方和下方，且与X轴正向的夹角分别为δ₃、δ₄。

本发明的多探头式车载雷达，所述1号超声波收发器与X轴的夹角δ₁、2号超声波收发器与X轴的夹角δ₂均小于π/2；3号超声波收发器与X轴的夹角δ₃、4号超声波收发器与X轴的夹角δ₄均小于π/2。

本发明的多探头式车载雷达，所述1号超声波收发器、2号超声波收发器、3号超声波收发器和4号超声波收发器均工作在不同的频率范围。

本发明的多探头式车载雷达，所述第一驱动电机驱使第一转轴向X轴两侧的转动角度均小于π/2，第二驱动电机驱使第二转轴向Z轴两侧的转动角度均小于π/2。

本发明的多探头式车载雷达，所述控制电路中设置有用于测量车载雷达安装角度误差的三轴加速度计。

本发明的多探头式车载雷达的距离求取方法，其特征在于，设t时刻控制电路通过1号、2号、3号和4号超声波收发器测得与障碍物的距离分别为x₁、x₂、x₃、x₄，该时刻第一旋转轴、第二旋转轴的旋转角度分别为α、β，距离求取方法通过以下步骤来实现：

a).计算安装误差，设控制电路通过三轴加速计测得重力加速度在三个坐标轴上的分量分别为a_x、a_y、a_z，则车载雷达X轴和Y轴的安装误差分别通过公式(1)和公式(2)进行求取：

b).计算悬空物和台阶距离，通过公式(3)和公式(2)分别计算上方悬空物和下方台阶的距离：

L_v3＝x₃*sin(-θ_x+δ₃)*cos(θ_y+β) (3)

L_v4＝x₄*sin(θ_x+δ₄)*cos(θ_y+β) (4)

可得到载体车辆距离上下方障碍物的最近距离为L_v＝min(L_v3,L_v4)；

c).计算行进方向障碍物距离，通过公式(5)至公式(8)分别计算1号、2号、3号和4号超声波收发器测得的前方障碍物的距离：

L₁＝x₁*cos(θ_x+δ₁)*cosθ_y*cosα (5)

L₁＝x₂*cos(-θ_x+δ₂)*cosθ_y*cosα (6)

L₃＝x₃*cos(-θ_x+δ₃)*cos(θ_y+β) (7)

L₄＝x₄*cos(θ_x+δ₄)*cos(θ_y+β) (8)

d).计算障碍物距离，与前一时刻相比，当L_v无变化时，表明没有台阶或悬空类障碍物，此时载体车辆与前方障碍物的距离L为：

L＝min(L₁,L₂)

与前一时刻相比，当L_v存在变化时，表明有台阶或悬空类障碍物存在，此时载体车辆与前方障碍物的距离L为：

L＝min(L₁,L₂,L₃,L₄)。

本发明的有益效果是：本发明的多探头式车载雷达，通过在沿行进方向的第二转轴上设置2个超声波收发器，实现了对下方台阶和上方悬空障碍物的检测；通过在沿竖向方向的第一转轴上设置2个超声波收发器，有效增加了车载雷达在行进方向上的探测范围；同时，通过调节第一、第二驱动电机驱使第一、第二转轴的转动角度范围，使得雷达的探测宽度可调，使其不仅可应用在家用轿车上，也可应用在宽度较大的各种工程车辆上，使用范围更加广泛。

进一步地，4个超声波收发器工作在不同的频率范围，避免了不同超声波收发器之间的干扰，使得测量结果更加准确。通过设置三轴加速度计，可计算出车载雷达的安装角度误差，并利用安装角度误差对距离进行校准，保证了测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的多探头式车载雷达及距离求取方法的结构示意图；

图2为本发明中3号超声波收发器与上方障碍物的距离计算示意图。

图中：1第一转轴，2第二转轴，3第一驱动电机，4第二驱动电机，5 1号超声波收发器，6 2号超声波收发器，7 3号超声波收发器，8 4号超声波收发器，9控制电路，10固定板。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的多探头式车载雷达及距离求取方法的结构示意图，为了便于对车载雷达中各个部件的位置进行准确说明，设载体的行进方向为X轴方向，沿X轴望去的右方为Y轴方向，垂直向上为Z轴方向，以确定立体坐标系XYZ。所示的多探头式车载雷达由第一转轴1、第二转轴2、第一驱动电机3、第二驱动电机4、1号超声波收发器5、2号超声波收发器6、3号超声波收发器7、4号超声波收发器8、控制电路9和固定板10组成，所示第一驱动电机3的壳体和第二驱动电机4的壳体分别固定于固定板10上，第一转轴1的轴线和第二转轴2的轴线分别与Z轴、X轴重合，第一转轴1和第二转轴2分别与第一驱动电机3和第二驱动电机4的输出轴相连接，以便驱使第一转轴1和第二转轴2进行转动。控制电路9具有信号采集、数据运算和控制输出的作用。

所示1号超声波收发器5和2号超声波收发器6均固定于第一转轴1上，当第一转轴1不发生转动(处于初始位置)时，1号超声波收发器5和2号超声波收发器6位于XZ平面内，1号超声波收发器5的探测方向朝前下方，2号超声波收发器6的探测方向朝前上方，以实现对载体车辆行进方向上障碍物的探测。1号超声波收发器5和2号超声波收发器6与X轴正向的夹角分别为δ₁、δ₂，δ₁和δ₂均小于90°。

所示3号超声波收发器7和4号超声波收发器8均固定于第二转轴2上，当第二转轴2不发生转动(处于出事位置)时，3号超声波收发器7和4号超声波收发器8均处于XZ平面内，3号超声波收发器7的探测方向朝上，用于探测载体车辆行进方向上方悬空类障碍物。4号超声波收发器8的探测方向朝下，用于探测下方台阶等障碍物。3号超声波收发器7、4号超声波收发器8与X轴正向的夹角分别为δ₃、δ₄，3号超声波收发器7与X轴正向的夹角δ₃、4号超声波收发器8与X轴正向的夹角δ₄均小于90°。

为了避免不同超声波收发器之间的干扰，所示的1号超声波收发器5、2号超声波收发器6、3号超声波收发器7和4号超声波收发器8工作在不同的频率范围。第一驱动电机3驱使第一转轴1向X轴两侧的转动角度均小于π/2，第二驱动电机4驱使第二转轴2向Z轴两侧的转动角度均小于π/2。控制电路9中设置有用于测量车载雷达安装角度误差的三轴加速度计，以便计算出车载雷达的安装角度误差，并利用安装角度误差对距离进行校准，保证了测量结果的准确性。

本发明的多探头式车载雷达的距离求取方法，设t时刻控制电路通过1号、2号、3号和4号超声波收发器测得与障碍物的距离分别为x₁、x₂、x₃、x₄，该时刻第一旋转轴、第二旋转轴的旋转角度分别为α、β，距离求取方法通过以下步骤来实现：

a).计算安装误差，设控制电路通过三轴加速计测得重力加速度在三个坐标轴上的分量分别为a_x、a_y、a_z，则车载雷达X轴和Y轴的安装误差分别通过公式(1)和公式(2)进行求取：

b).计算悬空物和台阶距离，通过公式(3)和公式(2)分别计算上方悬空物和下方台阶的距离：

L_v3＝x₃*sin(-θ_x+δ₃)*cos(θ_y+β) (3)

L_v4＝x₄*sin(θ_x+δ₄)*cos(θ_y+β) (4)

可得到载体车辆距离上下方障碍物的最近距离为L_v＝min(L_v3,L_v4)；

如图2所示，给出了1号超声波收发器与上方障碍物的距离计算示意图，其中A点表示3号超声波收发器，B点为障碍物，C点为障碍物在X轴上的投影，D点为B在平面XY的投影，可知AB＝x₃，在不考虑车载雷达安装误差时，在直角三角形ACB中，BC＝AB*sin(π-δ₃)＝x₃*sin(δ₃)，在直角三角形CDB中，BD＝BC*cosβ＝x₃*sin(δ₃)*cosβ。再考虑上车载雷达X轴和Y轴上的安装误差，则可获取公式(3)。同样地，亦可推导出L_v4、L₁、L₂、L₃、L₃的计算公式。

c).计算行进方向障碍物距离，通过公式(5)至公式(8)分别计算1号、2号、3号和4号超声波收发器测得的前方障碍物的距离：

L₁＝x₁*cos(θ_x+δ₁)*cosθ_y*cosα (5)

L₁＝x₂*cos(-θ_x+δ₂)*cosθ_y*cosα (6)

L₃＝x₃*cos(-θ_x+δ₃)*cos(θ_y+β) (7)

L₄＝x₄*cos(θ_x+δ₄)*cos(θ_y+β) (8)

d).计算障碍物距离，与前一时刻相比，当L_v无变化时，表明没有台阶或悬空类障碍物，此时载体车辆与前方障碍物的距离L为：

L＝min(L₁,L₂)

与前一时刻相比，当L_v存在变化时，表明有台阶或悬空类障碍物存在，此时载体车辆与前方障碍物的距离L为：

L＝min(L₁,L₂,L₃,L₄)。

Claims (6)

1.一种多探头式车载雷达，包括第一转轴(1)、第二转轴(2)、第一驱动电机(3)、第二驱动电机(4)和控制电路(9)；设载体的行进方向为X轴方向，沿X轴望去的右方为Y轴方向，垂直向上为Z轴方向，以确定立体坐标系XYZ；其特征在于：第一转轴、第二转轴的轴线分别与Z轴、X轴重合，第一驱动电机、第一驱动电机的输出轴分别与第一转轴、第二转轴相连接，第一驱动电机与第二驱动电机固定在一起；

第一转轴上固定有当第一转轴不发生转动时位于XZ平面内的1号超声波收发器(5)和2号超声波收发器(6)，1号超声波收发器、2号超声波收发器的探测方向分别朝前下方和前上方，且与X轴正向的夹角分别为δ₁、δ₂；第二转轴上固定有当第二转轴不发生转动时位于XZ平面内的3号超声波收发器(7)和4号超声波收发器(8)，3号超声波收发器、4号超声波收发器的探测方向分别朝向上方和下方，且与X轴正向的夹角分别为δ₃、δ₄。

2.根据权利要求1所述的多探头式车载雷达，其特征在于：所述1号超声波收发器(5)与X轴的夹角δ₁、2号超声波收发器(6)与X轴的夹角δ₂均小于π/2；3号超声波收发器(7)与X轴的夹角δ₃、4号超声波收发器(8)与X轴的夹角δ₄均小于π/2。

3.根据权利要求1或2所述的多探头式车载雷达，其特征在于：所述1号超声波收发器(5)、2号超声波收发器(6)、3号超声波收发器(7)和4号超声波收发器(8)均工作在不同的频率范围。

4.根据权利要求1或2所述的多探头式车载雷达，其特征在于：所述第一驱动电机(3)驱使第一转轴(1)向X轴两侧的转动角度均小于π/2，第二驱动电机(4)驱使第二转轴(2)向Z轴两侧的转动角度均小于π/2。

5.根据权利要求1或2所述的多探头式车载雷达，其特征在于：所述控制电路(9)中设置有用于测量车载雷达安装角度误差的三轴加速度计。

6.一种基于权利要求1所述的多探头式车载雷达的距离求取方法，其特征在于，设t时刻控制电路通过1号、2号、3号和4号超声波收发器测得与障碍物的距离分别为x₁、x₂、x₃、x₄，该时刻第一旋转轴、第二旋转轴的旋转角度分别为α、β，距离求取方法通过以下步骤来实现：

a).计算安装误差，设控制电路通过三轴加速计测得重力加速度在三个坐标轴上的分量分别为a_x、a_y、a_z，则车载雷达X轴和Y轴的安装误差分别通过公式(1)和公式(2)进行求取：

b).计算悬空物和台阶距离，通过公式(3)和公式(2)分别计算上方悬空物和下方台阶的距离：

L_v3＝x₃*sin(-θ_x+δ₃)*cos(θ_y+β) (3)

L_v4＝x₄*sin(θ_x+δ₄)*cos(θ_y+β) (4)

可得到载体车辆距离上下方障碍物的最近距离为L_v＝min(L_v3,L_v4)；

c).计算行进方向障碍物距离，通过公式(5)至公式(8)分别计算1号、2号、3号和4号超声波收发器测得的前方障碍物的距离：

L₁＝x₁*cos(θ_x+δ₁)*cosθ_y*cosα (5)

L₁＝x₂*cos(-θ_x+δ₂)*cosθ_y*cosα (6)

L₃＝x₃*cos(-θ_x+δ₃)*cos(θ_y+β) (7)

L₄＝x₄*cos(θ_x+δ₄)*cos(θ_y+β) (8)

d).计算障碍物距离，与前一时刻相比，当L_v无变化时，表明没有台阶或悬空类障碍物，此时载体车辆与前方障碍物的距离L为：

L＝min(L₁,L₂)

与前一时刻相比，当L_v存在变化时，表明有台阶或悬空类障碍物存在，此时载体车辆与前方障碍物的距离L为：

L＝min(L₁,L₂,L₃,L₄)。