CN109421453A - 具有预测挂接角功能的挂车倒退辅助系统 - Google Patents

Abstract

本文提供了一种挂车倒退辅助系统。所述系统包括校准特征，所述校准特征用于校准用于牵引角检测的成像装置。所述系统还采用多种牵引角检测方法，所述方法中的许多方法可以并行运行以增加可测量牵引角的间隔。所述系统另外包括预测特征，在所述预测特征中，可在挂车感测装置发生故障的情况下预测牵引角。所述系统进一步被配置为估算挂车长度并生成转向命令，所述转向命令在某些状况下对于所估算挂车长度是不变的。

Description

具有预测挂接角功能的挂车倒退辅助系统

技术领域

本发明大体涉及用于辅助驾驶员使挂车倒退的系统，并且更具体地涉及使用基于成像器的挂接角(hitch angle)检测的系统。

背景技术

在拖挂挂车的同时使车辆倒车对于许多驾驶员来说可能是具有挑战性的，尤其是对于不经常在有挂车的情况下进行驾驶的驾驶员或者在有各种类型的挂车的情况下进行驾驶的驾驶员。用于辅助驾驶员使挂车倒退的一些系统依赖于挂接角测量来确定挂车相对于车辆的位置。因此，挂接角测量的准确度和可靠性对于挂车倒退辅助系统的操作可能是至关重要的。在采用基于成像器的挂接角检测的系统中，成像装置的不正确校准可能导致不准确的挂接角测量。此外，在成像装置被阻碍的情况下，可能迫使此类系统脱机并且使其无法确定车辆与挂车之间的挂接角。为了正确地运行，一些系统要求用户输入诸如挂车长度的测量值。这不仅对用户来说是麻烦的，而且可能导致错误的测量值输入到系统。因此，需要一种克服上述问题的挂车倒退辅助系统。本公开旨在满足这种需要。

发明内容

根据本发明的第一方面，本文提供了一种校准方法。所述方法包括以下步骤：使用成像装置捕获后保险杠的图像；以及提供控制器，所述控制器被配置为：处理所述捕获图像、识别将所述后保险杠与地面分开的边界、将所述识别的边界与理想边界进行比较、以及确定所述识别的边界与所述理想边界之间的偏移。

所述第一方面的实施例可包括以下特征中的任何一个或其组合：

●所述理想边界包括连续线；

●所述理想边界包括具有断裂部的线；

●所述理想边界覆盖在所述捕获图像上；

●所述偏移由具有水平分量、垂直分量和旋转分量的矢量限定；

●所述控制器通过迭代所述水平分量、所述垂直分量和所述旋转分量中的每一个的候选值来确定所述偏移，直到所述识别的边界与所述理想边界重叠为止；并且

●所述控制器被进一步配置为在无法确定所述偏移时生成警告。

根据本发明的第二方面，提供了一种挂车倒退辅助系统。所述系统包括：装置，所述装置被配置为感测挂车；以及控制器，所述控制器被配置为基于所述装置提供的数据确定车辆与所述挂车之间的挂接角。如果所述装置发生故障，则所述控制器基于已知最新的挂接角、所述挂车的已知最新的角速度和执行循环时间来预测所述挂接角。

所述第二方面的实施例可包括以下特征中的一个或其组合：

●所述装置包括成像装置，并且所述控制器被配置为在所述成像装置被阻碍或以其他方式发生故障的情况下预测所述挂接角；

●所述控制器被进一步配置为预测所述挂接角，直到误差带达到阈值为止；

●所述控制器被进一步配置为确定所述预测挂接角的上误差带和下误差带，并且在所述上误差带达到最大可控挂接角或所述下误差带达到最小可控挂接角的情况下，制定对策，不论哪一种情况先发生；

●所述上误差带和所述下误差带各自基于预测挂接角、所述装置发生故障时的初始度数误差、累积车辆行进距离和挂车长度来确定；

●所述对策包括以下中的至少一者：使所述车辆转向以防止超过所述最大可控挂接角或所述最小可控挂接角，以及降低所述车辆的速度；并且

●所述已知最新的角速度是基于按百分比误差调整的角速度。

根据本发明的第三方面，提供了一种确定车辆与挂车之间的挂接角的方法。所述方法包括以下步骤：在多个挂接角检测方法中选择至少一个挂接角检测方法；使用所述选定的至少一个挂接角检测方法来确定车辆与挂车之间的挂接角；以及在所述选定的至少一个挂接角检测方法变得不可用的情况下转换到另一个挂接角检测方法。

所述第三方面的实施例可包括以下特征中的一个或其组合：

●所述多个挂接角检测方法各自采用基于成像器的挂接角检测；

●基于赋予每个挂接角检测方法的置信度分数对所述多个挂接角检测方法进行排序，并且其中所述至少一个选定的挂接角检测包括具有最高置信度分数的可用挂接角检测方法；

●步骤：基于赋予所述至少一个选定的挂接角检测方法的所述置信度分数来限制所述车辆的所述速度；

●步骤：在所述至少一个选定的挂接角检测方法与另一个挂接角检测方法之间的转换期间，或者在所述多个挂接角检测方法中的每一个都变得不可用时，预测所述挂接角；以及

●步骤：使用所述确定的挂接角来控制挂接角操作范围、所述车辆的速度限制和所述挂车的倒退路径的所述曲率中的至少一个。

根据本发明的第四方面，提供了一种挂车倒退辅助系统。转向输入装置被配置为基于用户输入提供曲率命令。控制器被配置为基于车辆和挂车横摆率估算挂车长度。所述控制器基于所述估算的挂车长度、所述曲率命令、最大转向角和车辆速度生成转向命令。所述生成的转向命令在某些状况下对于所述估算的挂车长度是不变的。

所述第四方面的实施例可包括以下特征中的一个或其组合：

●所述转向输入装置包括可旋转旋钮，所述可旋转旋钮被配置为允许用户输入由车辆倒退的挂车的倒退路径的期望的方向和曲率；

●所述控制器包括曲率输入缩放模块，所述曲率输入缩放模块被配置为通过最大有效曲率缩放所述曲率命令，以基于所述最大转向角和所述估算的挂车长度生成曲率输入；

●所述控制器进一步包括曲率映射模块，所述曲率映射模块被配置为基于所述曲率输入和所述估算的挂车长度生成参考挂接角；

●所述控制器进一步包括减法器，所述减法器被配置为从所述参考挂接角减去估算的挂接角以生成信号，所述信号提供给被配置为生成控制变量的比例积分(PI)控制器，其中所述估算的挂接角是基于所述车辆和挂车横摆率的；

●所述控制器进一步包括挂接角控制器，所述挂接角控制器被配置为基于所述控制变量、所述估算的挂车长度和所述车辆速度生成所述转向角；

●所述控制器进一步包括所述PI控制器的比例系数，所述PI控制器的比例系数仅仅基于所述估算的挂车长度，使得所述控制器的瞬态响应对于所述估算的挂车长度是不变的；以及

●所述某些状况包括零曲率命令、最大曲率命令和最小曲率命令中的一个。

通过参考以下说明书、权利要求和附图，本领域技术人员将进一步理解和了解本发明的这些和其他特征、优点和目标。

附图说明

在附图中：

图1是与挂车附接的车辆的顶部透视图，其具有用于操作挂车倒退辅助系统的挂接角传感器的一个实施例；

图2是示出挂车倒退辅助系统的一个实施例的框图；

图3示出车辆与挂车之间的运动学关系；

图4示出具有可旋转旋钮的转向输入装置，其用于操作挂车倒退辅助系统；

图5示出用于选择挂车的期望曲率的可旋转旋钮和示出在与可选定的期望曲率相关的各种挂车曲率路径情况下的车辆和挂车的对应的示意图；

图6是用于校准车辆的成像装置的方法的流程图；

图7示出捕获图像，所述捕获图像示出车辆的后保险杠的边缘；

图8示出捕获图像，在所述捕获图像中，根据一个实施例，识别后保险杠与地面之间的理想边界；

图9示出捕获图像，在所述捕获图像中，根据替代性实施例，识别理想边界；

图10示出捕获图像，在所述捕获图像中，将识别的边界与理想边界进行比较，以确定在校准成像装置时使用的偏移；

图11是一个图，所述图示出车辆行进距离范围内的实际挂接角与预测挂接角之间的偏差；

图12是用于确定车辆与挂车之间的挂接角的方法的流程图；

图13示出用于缩放使用转向输入装置输入的曲率命令的曲率输入缩放模块；

图14示出包括曲率输入缩放模块的挂车倒退辅助系统的控制器；并且

图15是一个图，所述图示出对于多个估算挂车长度作为曲率命令的函数的一族闭环平衡。

具体实施方式

出于本文的描述的目的，应理解，所公开的挂车倒退辅助系统和相关方法可采用各种替代性实施例和取向，除非明确指明相反。还应理解，附图中说明且在以下说明书中描述的特定装置和过程仅仅是所附权利要求中限定的发明构思的示例性实施例。尽管参考具体例示性实施例描述了挂车倒退辅助系统和相关方法的各个方面，但是所公开的发明不限于此类实施例，并且可以在不脱离所公开的发明的情况下实现另外的修改、应用和实施例。因此，除非权利要求另外明确地说明，否则与本文公开的实施例相关的特定尺寸和其他物理特性不应被视为限制性的。

如本文所用，术语“和/或”在用于列举两个或更多个项目中时意指可单独采用任何一个所列出项目或者可采用任意组合的两个或更多个所列出项目。例如，如果组合物被描述为含有组分A、B和/或C，则所述组合物可以仅含有A；仅含有B；仅含有C；含有A和B的组合；含有A和C的组合；含有B和C的组合；或含有A、B和C的组合。

参见图1和图2，附图标号10通常表示用于辅助车辆12对挂车14进行倒车的挂车倒退辅助(TBA)系统。车辆12被体现为可枢转地附接到挂车14的一个实施例的皮卡车，所述挂车14具有带有封闭货物区域18的箱形框架16、可操作地耦接到车轮22和24的单个轴20和从封闭的货物区域18纵向向前延伸的舌部26。示出的挂车14还具有呈联接器组件28形式的挂车栓钩连接器(trailer hitch connector)，所述联接器组件28连接到呈栓钩球30和牵引杆31形式的车辆栓钩连接器。联接器组件28锁扣到栓钩球30上以提供枢转的栓钩32，所述枢转的栓钩32允许车辆12与挂车14之间的挂接角(例如，挂接角γ；图3)的铰接。如本文所限定的，挂接角对应于车辆12的中心纵向轴线与挂车14的中心纵向轴线之间形成的角。应了解，挂车14的另外的实施例可以可替代地与车辆12耦接以提供枢转连接，诸如通过与第五车轮连接器连接。还可预期，挂车14的另外的实施例可包括多于一个的轴，并且可具有被配置用于不同的负载和物品项(诸如船挂车或平板挂车)的各种形状和大小。

TBA系统10还包括成像装置34，所述成像装置34位于车辆12的后部并且被配置为对后部车辆场景(rear-vehicle scene)进行成像。成像装置34可以居中地位于车辆后挡板35的上部区域处，使得成像装置34相对于挂车14的舌部26升高。成像装置34具有视野36，所述视野36被定位和取向成捕获一个或多个图像，所述一个或多个图像可包括挂车14的舌部26和栓钩球30等等。图像数据被供应给TBA系统10的控制器38并由控制器38处理以确定车辆12与挂车14之间的挂接角。关于基于图像的挂接角检测和相关联的方法的附加信息可见于2017年4月4日公布的授予Hu等人的且标题为“HITCH ANGLE DETECTION FOR TRAILERBACKUP ASSIST SYSTEM”的共同转让的美国专利号9,610,975，其全部公开内容以引用方式并入本文。

控制器38被配置有微处理器40和/或用于处理存储在存储器42中的一个或多个逻辑程序的其他模拟和/或数字电路。逻辑程序可包括挂接角检测程序44、操作程序46和曲率程序47。来自成像装置34或TBA系统10的其他部件的信息可以通过车辆12的通信网络供应给控制器38，所述车辆12的通信网络可包括控制器局域网(CAN)、局域互连网(LIN)或汽车工业中使用的其他常规协议。应了解，除了任何其他可想到的车载或车外车辆控制系统之外，控制器38可以是独立的专用控制器或者可以是与成像装置34或TBA系统10的其他部件集成的共享控制器。

相对于本实施例，控制器38被配置为与多种车辆设备通信。TBA系统10可包括监测车辆12的某些动态的车辆传感器模块48。车辆传感器模块48可生成发送到控制器38的多个信号，诸如由速度传感器50生成的车辆速度信号和由车辆横摆率传感器52生成的车辆横摆率信号。提供了挂车传感器模块53，其监测挂车14的某些动态。挂车传感器模块53包括挂车横摆率传感器54，所述挂车横摆率传感器54被配置为生成提供给控制器38的挂车横摆率信号。

提供了转向输入装置55以使驾驶员能够控制或以其他方式修改挂车14的倒退路径的期望曲率(例如，期望曲率56；图5)。转向输入装置55可以有线或无线的方式通信地耦接到控制器38，并且向控制器38提供限定挂车14的倒退路径的期望曲率的输入。响应于所述输入，控制器38生成对应的转向命令，所述转向命令被供应到车辆12的动力助力转向系统57。在一个实施例中，转向输入装置55包括可在多个旋转位置之间操作的可旋转旋钮58，每个旋转位置提供到挂车14的倒退路径的期望曲率56的增量变化。

旋钮58可以是能够围绕延伸通过旋钮58的顶表面或面的旋转轴线旋转的。在其他实施例中，旋钮58可以是能够围绕基本上平行于旋钮58的顶表面或面延伸的旋转轴线旋转的。此外，根据另外的实施例，转向输入装置55可包括用于提供期望输入的替代性装置，诸如操纵杆、小键盘、一系列按压式按钮或开关、滑动输入装置、触摸屏显示器上的各种用户界面、用于接收手势的基于视觉的系统、便携式装置上的控制界面以及本领域普通技术人员通常理解的其他可想到的输入装置。可预期，转向输入装置55还可用作其他特征的输入装置，诸如为其他车辆特征或系统提供输入。

根据一个实施例，TBA系统10的控制器38可控制车辆12的动力助力转向系统57来操作车辆12的转向轮60，以用于使车辆12以某一方式移动，从而使得挂车14根据挂车14的倒退路径的期望曲率56进行反应。动力助力转向系统57可以是包括电动转向马达62的电动助力转向(EPAS)系统，所述电动转向马达62用于基于控制器38生成的转向命令将转向轮60转动成转向角，由此转向角可通过动力助力转向系统57的转向角传感器64感测到并且被提供给控制器38。转向命令可被提供用于在倒退操作期间使车辆12自主转向，并且可以可替代地通过方向盘66或可旋转旋钮58的旋转位置(例如，方向盘角度)手动提供。然而，在一些实施例中，车辆12的方向盘66可以与车辆12的转向轮60机械地耦接，使得方向盘66通过内部扭矩与转向轮60一致地移动，从而防止在车辆12的自主转向期间通过方向盘66进行人工干预。在此类情况下，动力助力转向系统57可包括扭矩传感器68，所述扭矩传感器68感测方向盘66上的扭矩(例如，夹紧和/或转动)，所述扭矩预计并非来自方向盘66的自主控制，并且因此指示驾驶员的手动干预。在一些实施例中，施加到方向盘66的外部扭矩可以用作到控制器38的信号(即驾驶员已经采取手动控制)，以使得TBA系统10停止自主转向功能。

TBA系统10的控制器38还可以与车辆12的车辆制动器控制系统70通信，以接收车辆速度信息，诸如车辆12的个别车轮速度。另外或可替代地，车辆速度信息可通过动力传动系统控制系统72和/或速度传感器50以及其他可想到的装置提供给控制器38。可想到，个别车轮速度可用于确定车辆横摆率，作为由车辆传感器模块48的横摆率传感器52测量的车辆横摆率的替代方案或除其之外，所述确定的车辆横摆率可被提供给控制器38。在一些实施例中，控制器38可向车辆制动器控制系统70提供制动命令，从而允许TBA系统10在挂车14的倒退操作期间调节车辆12的速度。应了解，控制器38可以另外或可替代地通过与动力传动系统控制系统72的交互来调节车辆12的速度。

通过与车辆12的动力助力转向系统57、车辆制动器控制系统70和/或动力传动系统控制系统72进行交互，可以减少出现不可接受的挂车倒退状况的可能性。不可接受的挂车倒退状况的示例包括但不限于：车辆超速状况、高挂接角速率、挂接角动态不稳定、挂车弯折状况、传感器故障等。在此类情况下，驾驶员可能无法意识到故障，直到不可接受的挂车倒退状况即将发生或已经发生为止。因此，本文公开了：TBA系统10的控制器38可生成对应于实际的、即将发生的和/或预期的不可接受的挂车倒退状况的通知的警报信号，并且可在驾驶员干预之前生成对策措施，从而防止发生这种不可接受的挂车倒退状况。

根据一个实施例，控制器38可以与一个或多个装置通信，所述一个或多个装置包括可提示视觉、听觉和触觉警告的车辆警报系统74。例如，车辆制动灯76和车辆紧急闪光灯可提供视觉警报，并且车辆喇叭78和/或扬声器80可提供可听警报。另外，控制器38和/或车辆警报系统74可以与车辆12的人机界面(HMI)82通信。HMI 82可包括触摸屏车辆显示器84，诸如能够显示指示警报的图像的中控面板(center-stack)安装的导航或娱乐显示器。可期望这种实施例通知车辆12的驾驶员正在发生不可接受的挂车倒退状况。此外，可预期，控制器38可以通过无线通信与诸如体现为智能手机的便携式电子装置86的一个或多个电子便携式装置进行通信。便携式电子装置86可包括用于向用户显示一个或多个图像和其他信息的显示器88。作为响应，便携式电子装置86可提供反馈信息，诸如视觉、可听和触觉警报。

当成像装置34安装在车辆12上时，重要的是使安装期间或稍后出现的误差最小化。此类误差通常是由于成像装置34与车辆12之间在横摆、俯仰和侧倾方面的不正确对准造成的。这些误差可能由各种因素引起，诸如制造可变性、随时间推移的部件间可变性、车辆损坏或部件更换，例如，所有这些因素都有可能改变成像装置34与车辆12之间的对准。最初，这些误差被校准，之后成像装置34可用于支持诸如基于成像器的挂接角检测的功能。如果没有正确地校准，则所得的误差可能对由成像装置34设置的功能的准确度和鲁棒性产生负面影响。

参见图6，示出了描述校准成像装置(例如，图像装置34)的方法90的流程图，所述成像装置通常安装到车辆的后部并且被配置为对后部车辆场景进行成像。然而，应理解，方法90可被类似地设置用于校准位于车辆上其他地方的成像装置。

在步骤95处，准备基准安装。例如，基准安装包括沿相对于车辆的理想取向定位成像装置。在图1的实施例中，例如，成像装置理想地安装到车辆后挡板35的上部区域，并且被取向成捕获包括后保险杠的后部车辆场景的图像。当成像装置被理想地定位时，在步骤100处，成像装置被操作用于捕获包括后保险杠的图像，所述后保险杠被类似地配置为车辆12的后保险杠96(图1)。根据一个实施例，图像是在均一化的背景(例如，均匀照明的白墙)下捕获的，或者编译自在车辆以预限定速度移动时捕获的一系列图像。速度可以是特定的速度或速度范围，并且通常被选定来防止成像装置的过度振动并且进一步允许地面在编译图像中虚化。

在步骤105处，对捕获的图像进行边缘检测。出于说明的目的，图7是示出检测到的后保险杠96'的边缘(例如，边缘106)的样本捕获图像，所述保险杠96'被类似地配置为车辆12的后保险杠96。在步骤110处，基于在步骤105处检测到的一个或多个边缘，在捕获图像中识别后保险杠与地面之间的理想边界。出于说明的目的，图8示出了在图7所示的检测到的边缘106与地面112之间识别的理想边界111。如图所示，理想边界111是横跨图像的连续线，并且将后保险杠96与地面112分开。在图9所示的替代性实施例中，理想边界111包含中心断裂部并且识别自仅出现在捕获图像的下拐角部分113中的边缘。换句话讲，当识别理想边界111时，忽略了捕获图像的主要部分114。主要部分通常对应于捕获图像中不可能存在有效边界的区域。任选地，如图9所示，主要部分114包括捕获图像的下中心区域114'，以避免处理其中挂车栓钩连接器可被检测到且可能破坏理想边界111的形状的区域。通过忽略捕获图像的某些部分，有效地减小了捕获图像的大小，从而允许更快速地识别理想边界111。在又一替代性实施例中，理想边界111可以从计算机图片等生成。在步骤115处，记录理想边界111及其位置，以便稍后用于校准具有相同型号且类似地安装在相同车辆模型上的其他成像装置。因此，应理解，每个车辆模型仅需要执行一次步骤95-115。这样，如果需要，可在实验室环境中执行步骤95-115。

相比之下，步骤120-150通常在组装线上进行，并且针对具有相同模型的每个车辆进行重复。出于理解的目的，将相对于图1所示的车辆12的实施例描述步骤120-150。在步骤120处，将在步骤110处预定的理想边界111及其位置提供给控制器38(例如，存储在存储器42上)。接下来，在步骤125处，控制器38操作成像装置34以捕获包括车辆12的后保险杠96的图像。在步骤130处，控制器38处理捕获的图像以识别车辆12的后保险杠96与地面之间的边界。当识别到边界时，控制器38将所识别的边界的位置与所存储的理想边界111的位置进行比较。例如，所存储的理想边界111可以覆盖在捕获的图像上。如果所识别的边界的位置与所存储的理想边界111的位置重叠，则成像装置34的安装完成并且不需要进行校准。换句话讲，成像装置34安装无误并且准备好以供使用。这样，方法90在步骤140处结束。

可替代地，如果所识别的边界的位置无法与所存储的理想边界111的位置重叠，则控制器38在步骤145处确定所识别的边界与所存储的理想边界111之间的偏移。出于说明的目的，图10是示出相对于所存储的理想边界111偏移的所识别的边界146的样本图像。在所描绘的实施例中，偏移被限定为具有水平分量X、垂直分量Y和旋转分量θ的矢量。可预期，偏移可通过以下确定：对分量X、Y和θ中的每一个的合理候选值进行迭代，直到所识别的边界146与所存储的理想边界111重叠为止，或反之亦然。当确定偏移时，成像装置34的校准完成，并且成像装置34现准备好以供使用。因此，方法100在步骤150处结束。

应了解，成像装置34可在车辆12的寿命期间进行多次校准。例如，可预期，当检测到成像装置34的更换时，和/或当检测到碰撞时，可以规则的时间间隔执行前述步骤，即每个点火循环执行一次。可进一步预期，控制器38可以在以下情况下禁止成像装置34的校准：例如，后保险杠96的取向和/或位置已经明显改变，所识别的边界146的形状无法与所存储的理想边界111匹配(通常由于后保险杠96的损坏或改装)，后保险杠96并未紧固地附接到车辆12，或者成像装置34并未紧固地固定到车辆12(例如，后挡板35不是紧固的)。另外或可替代地，当分量X、Y和θ的值超过一个或多个预定阈值时或者当边界的像素与所识别的边界的像素之间的误差超过阈值时，可以禁止成像装置34的校准。

在控制器38禁止成像装置34的校准的情况下，可以向TBA系统10的用户提供警告。警告可以由控制器38生成并且由例如像显示器34、扬声器80以及便携式电子装置86的现有车辆部件执行。可预期，警告可以是视觉的、听觉的、触觉的或其组合。在(例如，通过惯性和/或周边传感器)检测到车辆12损坏的情况下，TBA系统10可存储对应的诊断故障码(DTC)和/或警告用户成像装置34和/或后保险杠96可能需要修理。

如本文所述，TBA系统10具有基于成像器的挂接角检测等等特征。作为缺点，存在可能阻碍成像装置34追踪挂车14或成像场景中用于挂接角检测的其他对象的情况。例如，当出现以下情况时可能发生阻碍：碎片或其他对象沉积在成像装置34的透镜上，成像装置34由于日光直接照射而经历眩光，或者成像装置34无法可靠地对场景中的关键特征进行成像。在成像装置34被阻碍的此类情况下，可预期，TBA系统10可向驾驶员报告该状况，并且可另外停止基于成像器的挂接角检测以及依赖于图像数据处理的任何其他功能。虽然此类情况通常不常见，但是如果TBA系统10的某些功能变得不可用，则驾驶员可能会受挫。因此，需要一种解决方案，所述解决方案使得由于成像装置34无法可靠地对场景进行成像而造成的基于图像的挂接角检测的停机时间最小化。

在这种情况下，TBA系统10可被配置为使用“预测模型方法”来预测挂接角，所述方法可体现在挂接角检测程序44中并且将在下文参考图3更详细地描述，图3示出了车辆12与挂车14之间的运动学关系。为了预测挂接角，控制器38首先确定挂车14的角速度其可通过以下等式确定：

其中：

γ是车辆12与挂车14之间的挂接角(β-α)，

δ是车辆12的转向轮60的转向角，

L是栓钩32与车辆12的后轴155之间的牵引杆长度，

D是栓钩32与挂车14的有效轴20之间的挂车长度，

W是车辆12的前轴157与后轴155之间的轴距长度，并且v是车辆12的纵向速度。应注意，函数对应于车辆12的横摆率并且可以由车辆横摆率传感器52(图2)以其他方式供应。

在计算挂车14的角速度时，假设已知挂车长度D、牵引杆长度L和轴距长度W。转向角δ和纵向速度v可以分别通过转向角传感器64(图2)和速度传感器50(图2)容易地提供给控制器38。在正常操作状况下，挂接角γ可根据任何已知的基于成像器的挂接角检测方法来确定。因此，只要成像装置34未被阻碍，或者换句话讲，能够可靠地追踪挂车14，控制器38就能够确定挂车14的角速度

然而，如果成像装置34突然被阻碍，使得基于成像器的挂接角检测变得不可用，则控制器38可以基于包括已知最新的挂接角、挂车14的已知最新的角速度和图像处理器(例如，微处理器40，图2)的执行循环时间的预定信息来预测挂接角，如下面的等式所表示的：

其中：

γ_p是预测的挂接角，

γ_lk是已知最新的挂接角，

是挂车14的已知最新的角速度，并且

t_c是图像处理器的执行循环时间。因此，只要控制器38能够在成像装置34被阻碍之前迭代等式1至少一次，控制器38就将具有足够的信息来通过迭代等式2预测挂接角γ_p。控制器38可再次计算挂车14的角速度这是通过将预测的挂接角γ_p带入等式1进行的，然后进而再次预测挂接角γ_p，这是通过在等式2中使用重新计算的角速度作为已知最新的角速度进行的。因此，通过逐步重新迭代等式1和等式2，控制器38能够在基于成像器的栓钩检测不可用或以其他方式不可靠的情况下预测挂接角。

以上概述的预测模型方法可被实现用于延长的持续时间。然而，随着时间的推进，预测的挂接角可能开始偏离真实或实际的挂接角。参见图11，示出了图，所述图示出了车辆行进距离D范围内的实际挂接角与预测挂接角之间的偏差。出于示例性目的，当成像装置34在任意距离D₀处被阻碍时，控制器38开始预测挂接角。随着车辆12继续行进，示出为上误差带和下误差带的预测挂接角的误差带开始相对于车辆行进距离D呈指数地增大。因此，随着车辆行进距离增加，挂接角预测趋于失去可靠性。在操作时，控制器38继续预测挂接角，一直到误差带达到阈值为止。例如，当上误差带达到最大可控挂接角160或者下误差带达到最小可控挂接角162时，控制器38将停止预测挂接角，不论哪一种情况先发生。在所示实施例中，上误差带被示出为在距离D_最大处达到最大可控挂接角，因此提示控制器38停止预测挂接角。

预测挂接角与真实挂接角之间的度数误差由以下等式确定：

其中：

e是度数误差，

e₀是在成像装置34被阻碍时的初始度数误差(例如，根据挂接角检测的准确度，为0.5度至1度)，

s是由车辆12的里程表确定的累积车辆行进距离，并且

D是挂车长度，假设其是已知的。

已知度数误差e，误差带由以下等式确定：

γ⁺＝γ_p+e (4)

γ^-＝γ_p-e (5)

其中：

γ⁺是上误差带，

γ^-是下误差带，

γ_p是由等式2确定的预测挂接角，并且

e是由等式3确定的度数误差。可替代地，上误差带和下误差带的确定可包括并入等式1的每次迭代中的误差调整。即，使用等式1确定的角速度按百分比误差调整，并且经调整的角速度然后用作已知最新的角速度这是当在等式2中预测挂接角γ_p时进行的。

具体而言，相对于上误差带γ⁺，对角速度进行的调整由以下等式给出：

相对于下误差带γ^-，对角速度进行的调整由以下等式给出：

其中：

是经调整的角速度，

是在等式1中确定的角速度，并且

ε是百分比误差，并且是通过实验导出的。因此，从等式6和等式7可以看出，与上误差带和下误差带相关联的经调整的角速度将有所不同，并因此产生不同的预测的挂接角γ_p，这是当所述角速度在等式2中用作已知最新的角速度时发生的。因此，等式2被迭代两次，一次是使用在等式6中确定的经调整的角速度并且第二次是使用在等式7中确定的经调整的角速度每个所得的预测挂接角γ_p然后分别在对应的等式4、5中用于确定上误差带γ⁺和下误差带γ^-。

在上误差带γ⁺接近或达到最大可控挂接角或下误差带γ^-达到最小可控挂接角的情况下，控制器38可制定对策。例如，对策可包括向动力助力转向系统57(图2)提供转向命令，以用于使车辆12转向，从而尝试阻止挂接角超过最大可控挂接角或者下降到低于最小可控挂接角。另外或可替代地，对策可包括向车辆制动器控制系统70(图2)提供制动命令以降低车辆12的速度。仍然另外或可替代地，对策可包括：指令驾驶员清洁成像装置34的透镜，指令驾驶员控制转向输入装置55(图2)、渐出(ramp out)转向控制，使自主转向功能脱机，或其组合。在一些实施例中，一个或多个对策可应用于预定车辆行进距离处，所述预定车辆行进距离出现在上误差带或下误差带γ⁺、γ^-分别达到最大或最小可控挂接角之前。

在本实施例中，控制器38实现误差带确定并且用作图像处理器和转向控制器。在图像处理器和转向控制器分离的替代性实施例中，可预期，误差带确定可由图像处理器、转向控制器或其组合来实现。通常，如果图像处理器和转向控制器一起用于实现误差带确定，则可以需要附加的硬件为代价避免车辆通信网络(例如，CAN总线)上的附加通信量。如果仅使用转向控制器实现误差带确定，则可以增加车辆通信网络上的通信量为代价来实现更高的准确度。可替代地，如果仅使用图像处理器实现误差带确定，则可以牺牲准确度为代价避免车辆通信网络上的附加通信量。在仅使用图像处理器和转向控制器中的一个来实现误差带确定的情况下，可以将所述误差带的副本供应给图像处理器和转向控制器中的另一个。通常，当没有网络接口(例如，CAN接口)容纳误差带信号的传输时，优选地使用图像处理器和转向控制器两者来实现误差带确定。

应理解，本文所述的预测模型方法可用于减轻配置为感测挂车14的其他装置中的故障。此类装置可包括横摆率传感器、霍尔效应传感器、旋转电位计等。在操作时，控制器可将来自这些装置的数据用于预测车辆与挂车之间的挂接角。因此，如果这些装置中的一个由于故障或某一其他因素而变得不可用，则可使用预测模型方法来确定挂接角。

参见图12，示出了确定车辆12与挂车14之间的挂接角的方法。所述方法可以由TBA系统10的控制器38执行，并且可体现在挂接角检测程序44中。在步骤170处，控制器38在多个挂接角检测方法中选择至少一个挂接角检测方法。挂接角检测方法可各自采用基于成像器的挂接角检测，并且包括在授予Hu等人的美国专利号9,610,975中描述的任何挂接角检测方法。例如，挂接角检测方法可包括模板匹配方法、中心线方法和/或稳态方法，如美国专利号9,610,975中所描述的。在此可预期，可以基于赋予每个挂接角检测方法的置信度分数对挂接角检测方法进行排序。置信度分数可以基于给定挂接角检测方法的可靠性和/或鲁棒性。例如，模板匹配方法通常是最可靠和最鲁棒的，其次是稳态方法和中心线方法。因此，所述至少一个选定的挂接角检测方法通常包括具有最高置信度分数的可用挂接角检测方法。

在步骤175处，控制器38使用选定的至少一个挂接角检测方法来确定车辆12与挂车14之间的挂接角。在确定挂接角时，其他相关数据可变得可用，诸如但不限于：挂接角误差带、挂接角速率、挂接角速率误差带、挂接角准确度等。根据一个实施例，可预期，可以并行使用所有挂接角检测方法以确定挂接角，并且由具有最高置信度分数的挂接角检测方法确定的挂接角由TBA系统10使用以采用与挂车14的倒退相关的函数。在其他实施例中，仅使用具有最高置信度分数的挂接角检测方法。可替代地，如果需要，可以并行使用一些但不是全部的挂接角检测方法。在任何情况下，可预期，选定的挂接角检测方法的数量可能受到TBA系统10或其某些部件(例如，成像装置34和控制器38)的硬件性能的限制。这样，可以选择并行使用的挂接角检测方法的数量，以便使得TBA系统10和/或相关部件上的计算应变最小化。此外，可预期，控制器38可以基于赋予所述至少一个选定的挂接角检测方法的置信度分数来限制车辆12的速度。也就是说，置信度分数越低，对车辆12施加的速度限制越大。为了限制车辆12的速度，控制器38可以将制动命令输出到车辆12的车辆制动器控制系统70。

在步骤180处，当选定的至少一个挂接角检测方法变得不可用时，控制器38转换到另一个挂接角检测方法。如本文所述，基于成像器的挂接角检测依赖于成像装置34准确地捕获后部车辆场景并且通常包括挂车14或其部件的图像的能力。这样，当成像装置34被透镜上的碎片、来自太阳的眩光等阻碍时，成像装置34捕获的图像的图像质量可能受损。因此，可能存在一些挂接角检测方法可用而其他挂接角检测方法不可用的情况。

如果捕获图像的图像质量下降到低于与具体挂接角检测方法相关联的阈值，则控制器38可确定具体挂接角检测方法变得不可用。因此，在仅使用具有最高置信度分数的挂接角检测方法并且所述方法突然变得不可用的实施例中，控制器38可转换到可用且具有下一个最高置信度分数的另一个挂接角检测方法。在并行使用一些但不是全部的挂接角检测方法的实施例中，如果选定的挂接角检测方法中的一个突然变得不可用，则控制器38可以用未选择的挂接角检测方法中可用且具有最高置信度分数的另一种挂接角检测方法来替换它。以这种方式，正在使用的总的选定的挂接角检测方法保持不变。通过使用多于一个的挂接角检测方法，可以更大的间隔确定挂接角，因为每个选定的挂接角检测方法可能需要一定的时间段来确定挂接角。因此，通过增加正在使用的挂接角检测方法的数量，增加能够在任何给定时间点确定挂接角的可能性。

在步骤185处，在至少一个选定的挂接角检测方法与另一个挂接角检测方法之间的转换期间，或者在多个挂接角检测方法中的每一个都变得不可用时，控制器38预测挂接角。为了预测挂接角，控制器38可使用本文先前描述的预测模型方法。在一些实施例中，无论使用哪一种或多种方法来确定挂接角，控制器38都可将数字滤波器应用于所确定的挂接角和其他挂车相关数据。在步骤190处，控制器38使用所确定的或所预测的挂接角来控制挂接角操作范围、车辆12的速度限制和挂车14的倒退路径的期望曲率56(图5)中的至少一个。例如，如果所确定的或所预测的挂接角具有±10％的挂接角准确度并且TBA系统10具有50度的最大可控挂接角，则控制器38可按照所确定的挂接角的挂接角准确度将最大可控挂接角限制为40度。此外，控制器38可以限制车辆12的速度或者使车辆12在挂车14的一些预定减速度下完全停止。

现有的TBA系统可采用需要驾驶员测量挂车长度D以输入到系统存储器中的曲率程序。此类系统表现出某些缺点，诸如引入人为误差和/或TBA系统无法在连接例如挂车14与车辆12时立刻进行操作。因此，本控制器38可包括在曲率程序47(图2)中体现的基于横摆率的程序，所述程序可在不知道挂车长度D或检测到的挂接角的情况下进行操作，以便确保稳定性和避免弯折。然而，可预期，控制器38可还包括需要输入挂车长度D的标准曲率程序，并且通过诸如使用成像装置(例如，成像装置34)直接检测挂接角来起作用。标准曲率程序的示例在2014年12月9日公布的授予Rhode等人的且标题为“TRAILER PATH CURVATURECONTROL FOR TRAILER BACKUP ASSIST”的美国专利号8,909,426中有所描述，其全部公开内容以引用方式并入本文。

如图4和图5所示，本文公开的TBA系统10提供用于驾驶员输入的旋钮58。驾驶员通过转动旋钮58指示倒退路径的期望的方向和曲率。旋钮58a-58e的各种位置或旋钮角度由控制器38解释为分别致使挂车14遵循类似于k(a)-k(e)的路径的请求。根据一个实施例，位置58a可对应于旋钮58的静止位置P(AR)(所述旋钮可弹簧偏置到这种位置)，其对应于沿着基本上笔直的路径k(a)进行的倒退，并且各种其他位置58b、58c处于旋钮58的运动的左侧范围R(L)内，并且其他位置58d、58e处于旋钮58的运动的右侧范围R(R)内。

参见图13，示出控制器38的曲率输入缩放模块200。旋钮58的旋钮角度可通过某一(可能是非线性的)函数k映射到区间[-1，1]中。由于旋钮角度是时间函数，因此映射函数的值也是时间函数。为方便起见，这种时变量在本文中称为“曲率命令”并简单地表示为k(t)。当使用曲率程序47时，旋钮58将曲率命令k(t)提供给曲率输入缩放模块200，并通过最大有效曲率进行缩放以生成曲率输入其中如图所示，最大有效曲率由复合函数限定。

对应于有效的弯折角并且由以下等式给出：

其中：

是一个常数，其通过最大转向角δ_最大减去可配置的缓冲Δ_buf进行限定，其中Δ_buf≥0，

是估算的挂车长度，

L是牵引杆长度，并且假设其是已知的，并且

W是车辆轴距，并且假设其是已知的。有效的弯折角可能小于理论上的弯折角，因为在实践中，控制器38可在挂接角中生成一些过冲，并且通常期望保持另外的转向锁以确保从最大曲率快速转换到零曲率。

对应于最大有效曲率并且由以下等式给出：

其中：

是由等式8确定的有效弯折角，

上是牵引杆长度，并且

是估算的挂车长度。相对于本公开，为了简单起见，曲率输入缩放模块200(其由复合函数的连续的输入-输出限定)由表示。

参考图14，示出了包括曲率输入缩放模块200的控制器38。曲率输入缩放模块200与估算器202通信，所述估算器202被配置为生成估算的挂车长度和估算的挂接角这是基于车辆横摆率ω₁(t)和挂车横摆率ω₂(t)生成的。如本文所述，车辆和挂车横摆率ω₁(t)、ω₂(t)可分别通过车辆横摆率传感器52和挂车横摆率传感器54提供给控制器38。估算器202将估算的挂车长度提供到曲率输入缩放模块200以使得曲率输入能够如本文先前参考图13描述的那样进行计算。估算器202还将估算的挂车长度提供到控制器38的曲率映射模块204，为了简单起见，所述曲率映射模块204由表示。曲率映射模块204被配置为生成参考挂接角这是基于从估算器202接收的估算的挂车长度和从曲率输入缩放模块200接收的曲率输入生成的。参考挂接角对应于实现曲率输入听需的稳态挂接角并且由以下等式给出：

其中：

是曲率输入，

L是牵引杆长度，并且

是估算的挂车长度。

曲率映射模块204提供的参考挂接角以及估算器202提供的估算的挂接角由减法器206接收，所述减法器206被配置为生成信号e(t)，所述信号通过参考挂接角减去估算的挂接角进行限定。估算的挂接角由以下等式给出：

其中：

ω₁(t)是车辆横摆率，

ω₂(t)是挂车横摆率，

L是牵引杆长度，

是估算的挂车长度，并且

υ(t)是车辆速度。在实时实现方式中，卡尔曼滤波器可以与估算的挂接角以及其内部状态测量一起使用。

信号e(t)被提供给比例积分(PI)控制器208以生成控制变量u(t)，所述控制变量由以下等式限定：

其中：

e(t)是减法器206生成的信号，

K_p是具有非负值的比例系数，并且

K_i是具有非负值的积分系数。

控制变量u(t)连同估算器202提供的估算的挂车长度和估算的挂接角以及速度传感器50(图2)提供的车辆速度v(t)被提供到挂接角控制器210以生成供应给动力助力转向系统57(图2)的呈转向角δ(t)的形式的转向命令。为了简单起见，挂接角控制器210由表示并且由以下等式给出：

其中：

u(t)是PI控制器208生成的控制变量，

是估算的挂车长度，

是估算器202提供的估算的挂接角，

W是车辆轴距，

是估算的挂车长度，并且

υ(t)是由速度传感器50(图2)提供的车辆速度

当根据图14所示的实施例配置控制器38时，挂车14在稳态状况下(例如，在零、最大或最小曲率命令k(t)下)达到相同的平衡，不论使用哪一种估算的挂车长度出于说明和理解的目的，图15示出一族闭环平衡γ_eq(以度数为单位)，其作为曲率命令k(t)的函数(对于估算挂车长度出于示例性目的，平衡γ_eq对应于以下情况，其中W＝3.98m，L＝1.35m，υ(t)＝5，K_p＝0.75。为简单起见，假设关闭积分控制，即，K_i＝0。如图15所示，虚线212对应于并且虚线214对应于尤其，估算的挂车长度收敛到相同的平衡γ_eq，这是在零曲率命令k(t)＝0、最大曲率命令k(t)＝1以及最小曲率命令k(t)＝-1下进行的。因此，在某些状况(例如，稳态状况)下，生成的转向角δ(t)对于估算的挂车长度是不变的。在一些实施例中，控制器38的瞬态响应对于估算的挂车长度也可以是不变的。这是通过增益调度比例系数K_p(仅基于估算的挂车长度)实现的。例如，比例系数K_p可以由函数限定。以这种方式，闭环动态以均匀的方式成形。

应理解，在不脱离本发明的概念的情况下，可以对前述结构和方法做出变化和修改，并且此外应理解，除非以下权利要求以他们的语言另外明确表示，否则此类概念旨在由这些权利要求涵盖。

根据本发明，提供了一种校准方法，所述方法具有以下步骤：使用成像装置捕获后保险杠的图像；以及提供控制器，所述控制器被配置为：处理所述捕获图像、识别将所述后保险杠与地面分开的边界、将所述识别的边界与理想边界进行比较、以及确定所述识别的边界与所述理想边界之间的偏移。

根据实施例，所述理想边界包括连续线。

根据实施例，所述理想边界包括具有断裂部的线。

根据实施例，所述理想边界覆盖在所述捕获图像上。

根据实施例，所述偏移由具有水平分量、垂直分量和旋转分量的矢量限定。

根据实施例，所述控制器通过迭代所述水平分量、所述垂直分量和所述旋转分量中的每一个的候选值来确定所述偏移，直到所述识别的边界与所述理想边界重叠为止。

根据实施例，所述控制器被进一步配置为在无法确定所述偏移时生成警告。

根据本发明，提供了一种挂车倒退辅助系统，所述挂车倒退辅助系统具有：装置，所述装置被配置为感测挂车；以及控制器，所述控制器被配置为基于所述装置提供的数据确定车辆与所述挂车之间的挂接角，其中如果所述装置发生故障，则所述控制器基于已知最新的挂接角、所述挂车的已知最新的角速度和执行循环时间来预测所述挂接角。

根据实施例，所述装置包括成像装置，并且所述控制器被配置为在所述成像装置被阻碍或以其他方式发生故障的情况下预测所述挂接角。

根据实施例，所述控制器被进一步配置为预测所述挂接角，一直到误差带达到阈值为止。

根据实施例，所述控制器被进一步配置为确定所述预测挂接角的上误差带和下误差带，并且在所述上误差带达到最大可控挂接角或所述下误差带达到最小可控挂接角的情况下，制定对策，不论哪一种情况先发生。

根据实施例，所述上误差带和所述下误差带各自基于预测挂接角、所述装置发生故障时的初始度数误差、累积车辆行进距离和挂车长度来确定。

根据实施例，所述对策包括以下中的至少一者：使所述车辆转向以防止超过所述最大可控挂接角或所述最小可控挂接角，以及降低所述车辆的速度。

根据实施例，所述已知最新的角速度是基于按百分比误差调整的角速度。

根据本发明，提供了一种确定车辆与挂车之间的挂接角的方法，所述方法具有以下步骤：在多个挂接角检测方法中选择至少一个挂接角检测方法；使用所述选定的至少一个挂接角检测方法来确定车辆与挂车之间的挂接角；以及在所述选定的至少一个挂接角检测方法变得不可用的情况下转换到另一个挂接角检测方法。

根据实施例，所述多个挂接角检测方法各自采用基于成像器的挂接角检测。

根据实施例，基于赋予每个挂接角检测方法的置信度分数对所述多个挂接角检测方法进行排序，并且其中所述至少一个选定的挂接角检测包括具有最高置信度分数的可用挂接角检测方法。

根据实施例，上述发明的特征进一步在于以下步骤：基于赋予所述至少一个选定的挂接角检测方法的所述置信度分数来限制所述车辆的所述速度。

根据实施例，上述发明的特征进一步在于以下步骤：在所述至少一个选定的挂接角检测方法与另一个挂接角检测方法之间的转换期间，或者在所述多个挂接角检测方法中的每一个都变得不可用时，预测所述挂接角。

根据实施例，上述发明的特征进一步在于以下步骤：使用所述确定的挂接角来控制挂接角操作范围、所述车辆的速度限制和所述挂车的倒退路径的所述曲率中的至少一个。

根据本发明，提供了一种挂车倒退辅助系统，所述挂车倒退辅助系统具有：转向输入装置，所述转向输入装置被配置为基于用户输入提供曲率命令；以及控制器，所述控制器被配置为基于车辆和挂车横摆率估算挂车长度，并基于所述估算的挂车长度、所述曲率命令、最大转向角和车辆速度生成转向命令，其中所述生成的转向命令在某些状况下对于所述估算的挂车长度是不变的。

根据实施例，所述转向输入装置包括可旋转旋钮，所述可旋转旋钮被配置为允许用户输入由车辆倒退的挂车的倒退路径的期望的方向和曲率。

根据实施例，所述控制器包括曲率输入缩放模块，所述曲率输入缩放模块被配置为通过最大有效曲率缩放所述曲率命令，以基于所述最大转向角和所述估算的挂车长度生成曲率输入。

根据实施例，所述控制器进一步包括曲率映射模块，所述曲率映射模块被配置为基于所述曲率输入和所述估算的挂车长度生成参考挂接角。

根据实施例，所述控制器进一步包括减法器，所述减法器被配置为从所述参考挂接角减去估算的挂接角以生成信号，所述信号提供给被配置为生成控制变量的比例积分控制器，其中所述估算的挂接角是基于所述车辆和挂车横摆率的。

根据实施例，所述控制器进一步包括挂接角控制器，所述挂接角控制器被配置为基于所述控制变量、所述估算的挂车长度和所述车辆速度生成所述转向角。

根据实施例，所述比例积分控制器的比例系数仅仅基于所述估算的挂车长度，使得所述控制器的瞬态响应对于所述估算的挂车长度是不变的。

根据实施例，所述某些状况包括零曲率命令、最大曲率命令和最小曲率命令中的一个。

Claims (7)

1.一种挂车倒退辅助系统，其包括：

装置，所述装置被配置为感测挂车；以及

控制器，所述控制器被配置为基于由所述装置提供的数据确定车辆与所述挂车之间的牵引角，其中如果所述装置发生故障，则所述控制器基于已知最新的牵引角、所述挂车的已知最新的角速度和执行循环时间来预测所述牵引角。

2.如权利要求1所述的挂车倒退辅助系统，其中所述装置包括成像装置，并且所述控制器被配置为在所述成像装置被阻碍或以其他方式发生故障的情况下预测所述牵引角。

3.如权利要求1所述的挂车倒退辅助系统，其中所述控制器进一步被配置为预测所述牵引角，一直到误差带达到阈值为止。

4.如权利要求1所述的挂车倒退辅助系统，其中所述控制器进一步被配置为确定所述预测牵引角的上误差带和下误差带，并且在所述上误差带达到最大可控牵引角或所述下误差带达到最小可控牵引角的情况下，制定对策，不论哪一种情况先发生。

5.如权利要求4所述的挂车倒退辅助系统，其中所述上误差带和所述下误差带各自基于预测牵引角、所述装置发生故障时的初始度数误差、累积车辆行进距离和挂车长度来确定。

6.如权利要求4所述的挂车倒退辅助系统，其中所述对策包括以下中的至少一者：使所述车辆转向以防止超过所述最大可控牵引角或所述最小可控牵引角，以及降低所述车辆的速度。

7.如权利要求1-6中任一项所述的挂车倒退辅助系统，其中所述已知最新的角速度是基于按百分比误差调整的角速度。