CN108944929B - 一种用于车辆自适应巡航控制系统的目标提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车辆自适应巡航控制系统的目标提取方法，利用ESR雷达传感器识别前方目标，提取目标数据，判断目标是否为目标车辆还是目标物体；针对前方目标物体的数据，利用最小二乘法进行三次曲线拟合，拟合出的三次曲率曲线来表示道路边沿情况，利用拟合的三次曲线提前估计车辆前方行驶道路情况，判断是否需要退出自适应巡航控制系统；在弯道处时进行弯道识别，判断主车前方目标是否为有效目标。本发明能准确识别正在跟踪的车辆，保障自适应巡航控制系统在使用中的行车安全性。

Description

一种用于车辆自适应巡航控制系统的目标提取方法

技术领域

本发明涉及一种用于车辆自适应巡航控制系统的目标提取方法，尤其针对使用自适应巡航模式的驾驶主车能够对于目标车辆进行识别和追踪。

背景技术

目前，无人驾驶和辅助驾驶越来越得到人们的关注，将是未来汽车的发展方向。辅助驾驶在提高安全性、减轻驾驶员操作负担、节能环保等方面有非常重大的作用，汽车自适应巡航的技术在产生的十几年间迅速发展，目前已有车辆配备了自适应巡航系统，自适应巡航系统主要基于雷达和摄像头，当驾驶员打开自适应巡航模式，车辆会按照驾驶员设定的参数以一定的距离自动跟随处在本车前方的目标车辆。但是，现有技术中的自适应巡航系统存在有局限性。车辆在弯道时，毫米波雷达的视野较小，汽车会根据弯道的情况而调整车速，若是弯道半径过小，可能会丢失目标，造成对跟踪车辆的误判，存在安全隐患，现阶段大部分自适应巡航驾驶系统是对150m以上的弯道半径做性能要求。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的问题，提供一种用于车辆自适应巡航控制系统的目标提取方法，以便准确识别正在跟踪的车辆，保障行车安全性。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明用于车辆自适应巡航控制系统的目标提取方法的特点是：

所述车辆是指具有自适应巡航控制系统功能的主车，所述目标包括是指主车前方、且与主车按相同方向行进的目标车辆，以及处在主车前方道路两侧的目标物体；

在所述主车上配置有GPS定位系统和毫米波雷达；所述毫米波雷达通过目标合并输出目标信号，所述目标信号包括目标ID号、主车与目标之间的距离ρ、主车与目标之间的相对速度v，以及主车与目标之间的相对方位角θ；

所述目标提取方法按如下步骤进行：

步骤1：利用相对方位角θ，根据式(1)计算获得主车与目标之间的纵向距离为d_y，以及主车与目标之间的侧向距离为d_x，

纵向是指沿着主车的行驶方向，所述侧向是指垂直于主车的行驶方向；

步骤2、利用主车上的GPS定位系统检测获得主车的行驶速度v_a，利用所述毫米波雷达检测获得目标相对于主车的径向速度v_r，则：目标相对于主车的切向速度v_t为：

其中，v_r＝v，为θ的微分值；

径向是指主车与目标连线的方向，切向是指垂直于主车与目标连线的方向；

利用式(2)计算获得目标相对于主车的纵向速度v_y；利用式(3)计算获得目标相对于主车的侧向速度为v_x；

v_y＝v_rcosθ-v_tsinθ (2)

v_x＝v_rsinθ+v_tcosθ (3)

步骤3、按如下方式对目标进行判断：

针对主车与目标A，在毫米波雷达的连续三个检测周期内，若是满足条件一，则判断目标A为静止目标A1，

设置条件一为：|v_y-v_a|＜0.1m/s；

在所述主车与静止目标A1之间，若不满足条件二，则判断静止目标A1为目标车辆；

在所述主车与静止目标A1之间，若满足条件二，则判断静止目标A1为目标物体；

设置条件二为：|d_x|≥4.5m；

步骤4：针对目标物体，按如下方式获得道路曲线：

定义坐标系：以纵向为y轴向，以侧向为x轴向，以雷达中心点为坐标原点；

利用目标物体的目标信号，采用最小二乘法进行拟合，获得由式(4)所表征的道路曲线y(x)：

y(x)＝p₁₁x³+p₁₂x²+p₁₃x+p₁₄ (4)

其中，x和y分别由式(1)计算获得：y(x)＝d_y，x＝d_x；

利用式(5)所示的正规方程组求解获得各系数p₁₁、p₁₂、p₁₃和p₁₄：

其中，m是由毫米波雷达检测获得、且按时间序列排布的目标信号的个数，m至少为4，x_k为m个目标信号中第k个目标信号中的x的值；y_k为的m个目标信号中第k个目标信号中的y的值；

步骤5：根据所获得的由式(4)所表征的道路曲线，按如下方式选取道路曲线的有效区域：

设定：道路曲线有效区域的x值为：0≤x≤x_m；取x＝x_m，利用式(4)计算获得y(x_m)；

定义：雷达中心点在沿侧向上延伸并于道路侧边形成的交点为P1点；

道路曲线中(x_m，y(x_m))点为P2点；

P1与P2的连线为P1P2；获得连线P1P2与主车行进方向的夹角为β角；

步骤6：按照β角的阈值对是否需要退出自适应巡航控制系统做出处理；

若β角大于10°，判断为不适于自适应巡航的工作模式，退出自适应巡航；

若β小于0.1°，判断道路为近似直线，主车保持为自适应巡航的工作模式；

若β角度在0.1°和10°之间，判断为主车处在弯道中；

针对处在弯道中的主车，判断处在主车前方的目标车辆为有效目标或为无效目标；若为有效目标，则主车保持与有效目标之间的自适应巡航工作模式；若为无效目标，则主车退出自适应巡航工作模式；

所述有效目标是指：目标车辆与主车处于同一车道中；

所述无效目标是指：目标车辆与主车处于不同车道中。

本发明目标提取方法的特点也在于按如下方式判断目标车辆是否为有效目标：

目标车辆尾部中点为p5，自点p5起在沿侧向上延伸并于道路侧边形成的交点为P3点；经过点p5，并与p5和毫米波雷达中点连线相垂直的线与道路侧边形成的交点为p4；

对于处在弯道中的主车，根据主车与目标之间的距离ρ₁和相对方位角θ₁，利用式(1)分别计算获得d_x1和d_y1的值为：d_y1＝ρ₁cosθ₁；d_x1＝ρ₁sinθ₁

利用d_y1的值，将y(x₁)＝d_y1代入三次式(4)计算获得对应的x1的值；

计算获得p3和p5间的距离L₁为：L₁＝x₁-d_x1；

计算获得p4与p5间的距离L₂为：L₂＝L₁×cos2θ；

设置条件三：

H为前方目标车辆的宽度，W为车道宽度；

若满足条件三，判断前方目标车辆为有效目标，主车维持自适应巡航控制模式；

若不满足条件三，则判断前方目标车辆为无效目标，主车退出自适应巡航控制系统。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明中设计的毫米波雷达目标识别与弯道有效目标识别方法可有效滤除干扰和无效信息，准确识别自适应巡航控制所需的目标，同时可在在弯道工况下进行有效目标识别.本发明所设计的目标识别方法可以用于自适应巡航控制系统道路信息的识别与检测。

2、本发明创建的弯道识别模型可识别前方目标是否属于自适应巡航控制系统的有效目标，经验证，本发明所建立的模型对于模型里的参数的波动不敏感，具有良好的稳定性。建立的自适应巡航控制系统有效目标辨识模型结构简单，在弯道处能够准确跟踪前方目标车辆，保证驾驶安全性。

3、本发明中通过毫米波雷达测量试验车辆与前方目标的相对距离相对角度和相对车速，根据雷达数据,采用三次多项式作为基函数，采用最小二乘方法拟合道路参数方程，能以较高精度描述道路平面线形，为自适应巡航控制系统在弯道处能够判断是否为有效目标提供依据。

4、本发明基于几何分析方法建立了自适应巡航控制系统有效目标的辨识模型，验证试验表明，模型辨识准确，实时分辨能力较强。依据发明中提出的方法，可以判断在弯道处是否满足自适应巡航控制系统的工作条件，对提高驾驶员的安全性有很大的帮助。

附图说明

图1为本发明中自适应巡航控制系统工作判断情况的流程示意图；

图2为本发明中主车与目标车辆相对位置示意图；

图3为本发明中弯道工况下几何关系分析示意图；

图4为本发明中弯道识别模型示意图；

图中标号：1主车，2目标车辆，3道路。

具体实施方式

本实施例中用于车辆自适应巡航控制系统的目标提取方法是：

车辆是指具有自适应巡航控制系统功能的主车，目标包括是指主车前方、且与主车按相同方向行进的目标车辆，以及处在主车前方道路两侧的目标物体。

在主车上配置有GPS定位系统和德尔福毫米波雷达，毫米波雷达具有同时工作的两种检测模式，分别是中距离模式和远距离模式；中距离模式用于检测主车前方60m、水平视角±45°之内的目标；远距离模式用于检测主车前方175m、水平视角±10°之内的目标；毫米波雷达通过目标合并输出目标信号，目标信号包括目标ID号、主车与目标之间的距离ρ、主车与目标之间的相对速度v，以及主车与目标之间的相对方位角θ。

ID号包含在雷达数据中，毫米波雷达在一个检测周期内总计输出64个目标信号，毫米波雷达的目标信号更新频率为20Hz，主车的行驶速度v_a为：v_a≥30km/h。

目标提取方法按如下步骤进行：

步骤1：如图2所示,利用相对方位角θ，根据式(1)计算获得主车1与目标之间的纵向距离为d_y，以及主车1与目标之间的侧向距离为d_x，

纵向是指沿着主车1的行驶方向，侧向是指垂直于主车1的行驶方向；

比如：选择目标ID号为2的目标为ID2，主车与ID2之间的距离ρ₂＝82.56028m、主车与ID2之间的相对速度v₂＝25.8404m/s，主车与ID2之间的相对方位角θ₀＝0.718461°；计算获得主车与目标车辆的相对侧向距离为：d_x2＝1.03524m，其相对纵向距离为：d_y2＝82.5538m。

步骤2、利用主车上的GPS定位系统检测获得主车1的行驶速度v_a，利用毫米波雷达检测获得目标相对于主车1的径向速度v_r，则：目标相对于主车1的切向速度v_t为：

其中，v_r＝v，为θ的微分值；

径向是指主车1与目标连线的方向，切向是指垂直于主车1与目标连线的方向。

利用式(2)计算获得目标相对于主车1的纵向速度v_y；利用式(3)计算获得目标相对于主车1的侧向速度为v_x；

v_y＝v_rcosθ-v_tsinθ (2)

v_x＝v_rsinθ+v_tcosθ (3)

步骤3、按如下方式对目标进行判断：

针对主车与目标A，在毫米波雷达的连续三个检测周期内，若是满足条件一，则判断目标A为静止目标A1；若是不满足条件一，则判断目标A为运动目标A1，剔除运动目标A1信号。

设置条件一为：|v_y-v_a|＜0.1m/s；

在主车与静止目标A1之间，若不满足条件二，则判断静止目标A1为目标车辆；

在主车与静止目标A1之间，若满足条件二，则判断静止目标A1为目标物体；

设置条件二为：|d_x|≥4.5m；

此时主车行驶在每条道路宽为3m三车道上，且车辆在中间车道行驶；比如：主车利用GPS测得的绝对车速为v_a＝25.7967m/s，计算得到目标车辆纵向相对速度为v_y2＝25.8384m/s，计算得到|v_y2-v_a|＝0.042km/h，同时满足条件一和条件二，判断例中目标ID2是目标车辆。

步骤4：针对目标物体，按如下方式获得道路曲线：

定义坐标系：如图3所示，以纵向为y轴向，以侧向为x轴向，以雷达中心点为坐标原点；

利用目标物体的目标信号，采用最小二乘法进行拟合，获得由式(4)所表征的道路曲线y(x)：

y(x)＝p₁₁x³+p₁₂x²+p₁₃x+p₁₄ (4)

其中，x和y分别由式(1)计算获得：y(x)＝d_y，x＝d_x；采用三次曲线拟合主要是避免了高次曲线计算上的复杂性及其它方面的不利因素，同时又达到了较好的拟合效果，便于在计算机上编程实现。

利用式(5)所示的正规方程组求解获得各系数p₁₁、p₁₂、p₁₃和p₁₄：

其中，m是由毫米波雷达检测获得、且按时间序列排布的目标信号的个数，m至少为4，x_k为m个目标信号中第k个目标信号中的x的值；y_k为的m个目标信号中第k个目标信号中的y的值。

步骤5：根据所获得的由式(4)所表征的道路曲线，按如下方式选取道路曲线的有效区域：

设定：道路曲线有效区域的x值为：0≤x≤x_m；取x＝x_m，利用式(4)计算获得y(x_m)；

定义：如图3所示,雷达中心点在沿侧向上延伸并于道路3侧边形成的交点为P1点；道路曲线中的(x_m，y(x_m))点为P2点；P1与P2的连线为P1P2；获得连线P1P2与主车1行进方向的夹角为β角；

步骤6：如图1所示，按照β角的阈值对是否需要退出自适应巡航控制系统做出处理：

若β角大于10°，判断为不适于自适应巡航的工作模式，退出自适应巡航，其道路半径很小；

若β小于0.1°，判断道路为近似直线，主车保持为自适应巡航的工作模式；

若β角度在0.1°和10°之间，判断为主车处在弯道中，此时主车不会丢失目标，同时说明道路具有一定弧度，可能会误把其他车道的车辆作为目标跟踪。

针对处在弯道中的主车，判断处在主车前方的目标车辆为有效目标或为无效目标；若为有效目标，则主车保持与有效目标之间的自适应巡航工作模式；若为无效目标，则主车退出自适应巡航工作模式；

有效目标是指：目标车辆与主车处于同一车道中；

无效目标是指：目标车辆与主车处于不同车道中。

具体实施中，如图4所示按如下方式判断目标车辆是否为有效目标：

目标车辆2尾部中点为p5，自点p5起在沿侧向上延伸并于道路侧边形成的交点为P3点；经过点p5，并与p5和毫米波雷达中点连线相垂直的线与道路侧边形成的交点为p4；

对于处在弯道中的主车1，根据主车1与目标之间的距离ρ₁和相对方位角θ₁，利用式(1)分别计算获得d_x1和d_y1的值为：d_y1＝ρ₁cosθ₁；d_x1＝ρ₁sinθ₁；

利用d_y1的值，将y(x₁)＝d_y1代入三次式(4)计算获得对应的x1的值。

计算获得p3和p5间的距离L₁为：L₁＝x₁-d_x1；

计算获得p4与p5间的距离L₂为：L₂＝L₁×cos2θ；

设置条件三：

H为前方目标车辆2的宽度，W为车道宽度。

若满足条件三，判断前方目标车辆2为有效目标，主车1维持自适应巡航控制模式；

若不满足条件三，则判断前方目标车辆2为无效目标，主车1退出自适应巡航控制系统。

如果主车1和目标车辆2处于同一车道，自适应巡航控制系统利用控制算法对车速进行控制，如果前方所有车辆都与主车不处于同一车道，则ACC系统根据预设车速保持固定车速行驶，或者需要驾驶人员退出自适应巡航控制系统，主动驾驶车辆。同时以上分析方法也适用于右转弯弯道，由此可完成对弯道处自适应巡航控制系统对前方目标是否为有效目标的判断计算。

利用获取的数据拟合出的道路曲线为

y(x)＝70x³-1117x²+6005x-10783；

利用三次拟合曲线公式，计算得到主车与目标物体纵向相对距离为d_y30＝87.5611m,计算得到主车与目标物体纵向相对距离为d_x30＝ρ₃₀sinθ₃₀＝5.6608m，主车与道路边缘点的距离为d_x2，利用上述方案拟合的三次曲线计算的x₁＝4.5049m，，计算得到β＝0.7563°。认为不会丢失目标，进行弯道识别。比如，主车车辆与ID的方位夹角θ₀＝0.718461°。计算得到d＝1.04586m，车宽H＝1.75m，W＝3.75m,满足条件三，可以得出主车和前方车辆处于同一车道，不需要退出自适应巡航控制系统。

表1

表1前四列所示为雷达获取的目标信号，包括包括目标ID号、主车与目标之间的距离ρ、主车与目标之间的相对方位角θ，以及主车与目标之间的相对速度v，第五列第六列为主车与目标之间的侧向距离为d_x和主车与目标之间的纵向距离为d_y。

Claims (2)

1.一种用于车辆自适应巡航控制系统的目标提取方法，其特征是：

所述车辆是指具有自适应巡航控制系统功能的主车，所述目标包括主车前方、且与主车按相同方向行进的目标车辆，以及处在主车前方道路两侧的目标物体；

在所述主车上配置有GPS定位系统和毫米波雷达；所述毫米波雷达通过目标合并输出目标信号，所述目标信号包括目标ID号、主车与目标之间的距离ρ、主车与目标之间的相对速度v，以及主车与目标之间的相对方位角θ；

所述目标提取方法按如下步骤进行：

步骤1：利用相对方位角θ，根据式(1)计算获得主车与目标之间的纵向距离为d_y，以及主车与目标之间的侧向距离为d_x，

纵向是指沿着主车的行驶方向，所述侧向是指垂直于主车的行驶方向；

步骤2、利用主车上的GPS定位系统检测获得主车的行驶速度v_a，利用所述毫米波雷达检测获得目标相对于主车的径向速度v_r，则：目标相对于主车的切向速度v_t为：

其中，ν_r＝v，为θ的微分值；

径向是指主车与目标连线的方向，切向是指垂直于主车与目标连线的方向；

利用式(2)计算获得目标相对于主车的纵向速度v_y；利用式(3)计算获得目标相对于主车的侧向速度为v_x；

v_y＝v_rcosθ-v_tsinθ (2)，

v_x＝v_rsinθ+v_tcosθ (3)；

步骤3、按如下方式对目标进行判断：

针对主车与目标A，在毫米波雷达的连续三个检测周期内，若是满足条件一，则判断目标A为静止目标A1，

设置条件一为：|v_y-v_a|＜0.1m/s；

在所述主车与静止目标A1之间，若不满足条件二，则判断静止目标A1为目标车辆；

在所述主车与静止目标A1之间，若满足条件二，则判断静止目标A1为目标物体；

设置条件二为：|d_x|≥4.5m；

步骤4：针对目标物体，按如下方式获得道路曲线：

定义坐标系：以纵向为y轴向，以侧向为x轴向，以雷达中心点为坐标原点；

利用目标物体的目标信号，采用最小二乘法进行拟合，获得由式(4)所表征的道路曲线y(x)：

y(x)＝p₁₁x³+p₁₂x²+p₁₃x+p₁₄ (4)，

其中，x和y分别由式(1)计算获得：y(x)＝d_y，x＝d_x；

利用式(5)所示的正规方程组求解获得各系数p₁₁、p₁₂、p₁₃和p₁₄：

其中，m是由毫米波雷达检测获得、且按时间序列排布的目标信号的个数，m至少为4，x_k为m个目标信号中第k个目标信号中的x的值；y_k为的m个目标信号中第k个目标信号中的y的值；

步骤5：根据所获得的由式(4)所表征的道路曲线，按如下方式选取道路曲线的有效区域：

设定：道路曲线有效区域的x值为：0≤x≤x_m；取x＝x_m，利用式(4)计算获得y(x_m)；

定义：雷达中心点在沿侧向上延伸并于道路侧边形成的交点为P1点；道路曲线中(x_m，y(x_m))点为P2点；

P1与P2的连线为P1P2；获得连线P1P2与主车行进方向的夹角为β角；

步骤6：按照β角的阈值对是否需要退出自适应巡航控制系统做出处理；

若β角大于10°，判断为不适于自适应巡航的工作模式，退出自适应巡航；

若β小于0.1°，判断道路为近似直线，主车保持为自适应巡航的工作模式；

若β角度在0.1°和10°之间，判断为主车处在弯道中；

针对处在弯道中的主车，判断处在主车前方的目标车辆为有效目标或为无效目标；若为有效目标，则主车保持与有效目标之间的自适应巡航工作模式；若为无效目标，则主车退出自适应巡航工作模式；

所述有效目标是指：目标车辆与主车处于同一车道中；

所述无效目标是指：目标车辆与主车处于不同车道中。

2.根据权利要求1所述的用于车辆自适应巡航控制系统的目标提取方法，其特征是按如下方式判断目标车辆是否为有效目标：

目标车辆尾部中点为p5，自点p5起在沿侧向上延伸并于道路侧边形成的交点为p3点；经过点p5，并与p5和毫米波雷达中点连线相垂直的线与道路侧边形成的交点为p4；

对于处在弯道中的主车，根据主车与目标之间的距离ρ₁和相对方位角θ₁，利用式(1)分别计算获得d_x1和d_y1的值为：d_y1＝ρ₁cosθ₁；d_x1＝ρ₁sinθ₁

利用d_y1的值，将y(x₁)＝d_y1代入三次式(4)计算获得对应的x1的值；

计算获得p3和p5间的距离L₁为：L₁＝x₁-d_x1；

计算获得p4与p5间的距离L₂为：L₂＝L₁×cos2θ；

设置条件三：

H为前方目标车辆的宽度，W为车道宽度；

若满足条件三，判断前方目标车辆为有效目标，主车维持自适应巡航控制模式；

若不满足条件三，则判断前方目标车辆为无效目标，主车退出自适应巡航控制系统。