CN112572460A - 用于求横摆速率的高精度估计值的方法和设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于求取高精度的横摆速率信息来控制车辆的方法，所述方法包括以下步骤：借助惯性传感器、GNSS传感器、车轮速度传感器和/或转向角传感器的传感器数据的融合来求取所述车辆的第一横摆速率估计值；通过对配属于所述车辆的摄像机的传感器数据的分析评估来求取所述车辆的第二横摆速率估计值，所述摄像机以光学的方式感测所述车辆的环境；执行借助所述第二横摆速率估计值对所述第一横摆速率估计值的修正，以便求取修正的横摆速率估计值；和输出修正的横摆速率估计值作为横摆速率信息，以便产生用于控制所述车辆的控制信号。本发明还涉及一种相应的控制装置、计算机程序和计算机可读的存储介质。

Description

用于求横摆速率的高精度估计值的方法和设备及存储介质
技术领域
本发明涉及用于求取高精度的横摆速率信息来控制车辆的一种方法和一种控制设备。此外，本发明涉及一种用于实施上面所提到的方法的计算机程序以及一种具有相应的计算机程序的计算机可读的存储介质。
背景技术
在不同的汽车应用领域中需要关于车辆的当前横摆速率的信息。因此，在高精度的停车操作期间或者更普遍地在自动驾驶的背景下，横摆速率例如在用于引导车辆的不同调节系统中是重要参数。原则上，关于车辆的横摆速率的信息在任何相关车辆可能发生的驾驶状况中都必须存在。在此，尤其是在自动化驾驶时需要在任何时刻都确保横摆速率的非常高的精度。如果车辆处于以缺少人类驾驶员的任何操作为特点的自主模式中，则横摆速率的估计参量在任何时间都必须满足所需的精度。因为在自主模式中必须始终存在可以执行车辆的紧急停车的可能性，这例如在相关的控制器失效时是这种情况。
在此，车辆的横摆速率可以直接借助于合适的惯性传感装置(InertialMeasurement Unit，IMU：惯性测量单元)测量。然而，这种惯性传感装置在不同的状况下具有很高的不可靠性，使得各个测量值不总是满足自主驾驶的高要求。由于这些不确定性，使用多个信息源，以便提高信号的品质。用于横摆速率估计的现有方法首先使用单个车轮的车轮速度、加速度、旋转速率、GNSS数据以及GNSS修正数据。这些参量借助特定方法彼此关联并且例如借助特定的算法彼此融合，以便在各种驾驶状况中尽可能精确地估计横摆速率。在此，问题是，当由传感器提供的数据没有以足够的品质来提供，也要确保横摆速率估计的精度。因此，借助惯性传感装置测量的参量、例如加速度或旋转速率具有很高的不确定性，所述不确定性例如归因于相关传感器的热漂移。此外，借助GNSS传感器和所属的GNSS修正数据所求取的位置数据由于接收困难而不能以足够的品质来提供。这尤其是在城市区域中常常是这种情况，在城市区域中许多很高的建筑物导致反射并且因此导致不能很好地接收GNSS信号和修正数据信号。如果在这种情况下还附加地出现极端的物理效应，例如很高的温度升高，则惯性传感器也可能具有很高的不可靠性。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种可能方案，即在具有相应传感器的高的不可靠性的状况下修正尤其是由惯性传感装置和GNSS的数据的融合计算出的横摆速率估计。该任务通过本发明的方法来解决。此外，该任务通过本发明的控制器、计算机程序以及计算机可读的存储介质来解决。在优选实施方式中说明了其它有利的扩展方案。
根据本发明，提供一种用于求取高精度的横摆速率信息来控制车辆的方法，其中，车辆的第一横摆速率估计值借助GNSS传感器、惯性传感器、车轮速度传感器和/或转向角传感器的传感器数据的融合来求取，在另一方法步骤中，通过对配属于车辆的摄像机的传感器数据进行分析评估来求取所述车辆的第二横摆速率估计值，所述摄像机以光学的方式感测所述车辆的环境。在随后的方法步骤中，执行借助第二横摆速率估计值对第一横摆速率估计值的修正，以便求取修正的横摆速率估计值。最后，输出修正的横摆速率估计值作为横摆速率信息，以便产生用于控制车辆的控制信号。通过使用借助对环境的光学掌握所求取的第二横摆速率估计值来修正通过传感器融合所求取的第一横摆速率估计值，可以实现高精度的横摆速率信息。在此，通过这样获得的横摆速率信息在任何时候都确保尤其对于自主驾驶模块而言必需的相关控制信号的高精度。此外，即使在单个传感器失效的情况下，所使用的方法也可以确保横摆速率的足够高的精度，以采取紧急措施，例如车辆的紧急停车。
在一个实施方式中设置，将第一横摆速率估计值与第二横摆速率估计值进行比较，以便求取横摆速率修正值。接下来，将横摆速率修正值用于修正第一横摆速率估计值。在此，以这种方式求取的横摆速率修正值是基本上反映第一横摆速率估计值的当前误差的一种参量。在此，该误差的随时间发展使得能够得出以下结论：是涉及恒定的偏差还是涉及例如由传感器信号的热漂移决定的偏差。该信息又可以用于即使在第二横摆速率估计值暂时失效的情况下也求取修正的横摆速率估计值。
在另一实施方式中设置，求取第一横摆速率估计值相对于第二横摆速率估计值的偏差作为横摆速率修正值。在此，利用第一横摆速率估计值计算出横摆速率修正值，以便求取修正的横摆速率估计值。这种做法可以实现对横摆速率估计值的特别简单的修正。
在另一实施方式中设置，借助相对于第一横摆速率估计值的时间延迟来求取第二横摆速率估计值。在此，第一横摆速率估计值被中间存储。此外，为了求得横摆速率修正值，读取中间存储的第一横摆速率估计值并且将其与求取的当前第二横摆速率估计值进行比较。通过中间存储第一横摆速率估计值，可以以特别简单的方式补偿两个横摆速率估计值之间的时间偏差。以这种方式求取的横摆速率修正值虽然同样具有相对于求取的当前第一横摆速率估计值的时间偏差。然而，这在第一横摆速率估计值的恒定误差的情况下原则上是没有问题的，并且可以即使在该误差由于热漂移而经历变化的情况下也可以必要时在计算上被考虑。
根据另一实施方式，第二横摆速率估计值被用于第一横摆速率估计值的可信性验证。由此，可以以特别有利的方式实现对用于传感器融合的传感器以及相应的传感器融合装置的监测。因此，可以确保所参与的部件的无缺陷的功能。
在另一实施方式中设置，最后求取的横摆速率修正值被存储。在此，在没有当前横摆速率修正值可提供的情况下，重新读取最后求取的横摆速率修正值并且将其用于修正第一横摆速率估计值。从而，即使在相应的部件例如修正值求取装置、用于求取第二横摆速率估计值的相应装置或摄像机系统失效的情况下也可以相应地修正第一横摆速率估计值。
此外，根据另一实施方式，在摄像机的传感器数据不可用或者不具有足够高的品质地可用的情况下，输出所述第一横摆速率估计值作为横摆速率信息，以便产生用于控制车辆的控制信号。以这种方式，即使在摄像机失效或者在由摄像机的传感器数据求取第二横摆速率估计值的部件失效的情况下也可以提供还可用的横摆速率信息。
根据另一方面，提供一种用于求取高精度的横摆速率信息来控制车辆的控制设备，该控制设备设置为用于实施上述方法的步骤的至少一部分。
根据另一方面，设置有包括指令的计算机程序，在计算机上执行所述计算机程序时所述指令安排所述计算机实施上述方法。
最后，根据另一方面，设置有计算机可读的存储介质，在该存储介质上存储有上述计算机程序。以计算机程序的形式实现上述方法提供了特别高的灵活性。
附图说明
本发明在下面的借助附图详细阐述。在此：
图1示意性地示出车辆，该车辆具有用于求取确定参量的传感器以及用于借助所求取的参量求取车辆横摆速率的估计值的控制装置；
图2示出车辆的控制装置的方框图，该控制装置用于借助基于摄像机的横摆速率估计值来求取修正的横摆速率估计值；和
图3示意性地示出方法的流程图，该方法用于借助由对周围环境的光学感测所求取的横摆速率估计值来修正通过传感器混合所求取的横摆速率估计值。
具体实施方式
附图1示意性地示出车辆100，该车辆位于周围环境200中的道路210上。优选以自动化车辆的形式构造的车辆100具有传感器装置130，所述传感器装置具有多个不同的传感器131、133、135、137、139、141，用于感测确定的车辆参数以及其环境200。尤其，传感器装置130在当前情况下包括惯性传感装置、车轮速度传感装置以及转向角传感器135，该惯性传感装置具有至少一个用于感测车辆100的加速度和/或旋转运动的惯性传感器131，该车轮速度传感装置具有优选多个用于感测单个车轮101、102的旋转速度的车轮速度传感器133，该转向角传感器用于感测当前转向角。此外，车辆100还具有用于在卫星支持的导航的范畴内进行位置确定的GNNS传感器137以及用于接收相应的GNNS修正数据140的修正数据接收器139。此外，传感器装置130具有至少一个用于以光学的方式感测车辆环境200的摄像机。在本示例中，以前置摄像机的形式构造的摄像机141具有向前指向的感测区域144并且因此感测位于车辆100前方的道路210的具有相应道路标记211、212、213的区段以及布置在车辆100前方的对象220。
如从附图1中可见，车辆100还具有用于控制确定的功能的控制装置110。在此，控制装置110被构造用于分析评估由不同部件131、133、135、137、139、141提供的数据132、134、136、138、140、142并且基于该分析评估提供用于控制车辆100的横摆速率信息。尤其，控制装置110构造为用于将合适的信号305输出给至少一个促动器控制装置160，所述信号安排所述促动器控制装置产生相应的控制信号306，用于操控车辆100的确定的促动器161、162。
如在图1中示例性示出的那样，存储装置110也包括计算机可读的存储介质118，在该存储介质上可以存储用于执行在此所描述的方法的计算机程序。
车辆100优选构造为自动化车辆100，其典型地可以自动执行其驾驶任务的至少一部分。根据自主等级，自动化车辆100可向驾驶员仅仅提供辅助功能(SAE Level 1和2：SAE等级1和2)或者在完全没有人类操作的情况下自动执行纵向和横向引导(SAE 3至5，SAE等级3至5)。然而，尤其在没有驾驶员的情况下具有自主等级SAE为4和5的车辆中，非常稳健的传感器组是非常重要的，以便在其环境中可靠地使车辆运动。
出于该原因，通过共同分析评估多个传感器的传感器数据来求取车辆100的重要参数。以这种方式确保，基于传感器数据所求取的参数具有必要的精度。因此，虽然原则上能够直接借助于合适的惯性传感装置(Inertial Measurement Unit，IMU)来测量车辆的横摆速率300、也就是说车辆100围绕其竖直轴线103的转动。然而，相应的惯性传感器131在不同的状况下具有很高的不可靠性，使得各个测量值不总能满足自主驾驶的高要求。由于这些不可靠性，在车辆100中使用多个信息源，以便提高横摆速率信息的品质。因为不同的传感器、例如惯性传感装置、GNSS、车轮速度传感器、转向角传感器等具有部分互补的特点，所以同时使用这些传感器中的多个来确定横摆速率300是有意义的。在此，横摆速率300的估计值典型地由惯性传感器131与其他传感器、尤其与用于卫星支持的导航的GNSS传感器137、车轮速度传感器133和/或转向角传感器135的融合来求取。在此，相应的融合算法、例如以合适的方式在控制装置110中实现的卡曼滤波器用于传感器融合。在此，横摆速率300能够被确定得越精确，则通过指定于此的系统和算法则实现越高的性能。
然而，用于传感器融合的传感器数据132、134、136、138、140经历不同的不可靠性，所述不可靠性归因于针对对应传感器类型的典型效应。因此，通过GNSS传感器141对GNSS信号的接收以及通过修正数据接收器150对修正数据信号的接收可能被地形情况干扰。此外，惯性传感器133的传感器数据134由于温度变化而可能部分地具有很高的不可靠性。
因此根据本发明，考虑基于摄像机的横摆速率估计来改善基于传感器的横摆速率估计的精度。由于基于摄像机的横摆速率估计对温度的敏感性较低，因此它是一种用于求取横摆速率的更可靠的信息源。
图2示意性地示出图1中的车辆100的控制装置110的细节视图。在此，控制装置110包括用于求取高精度的横摆速率信息的横摆速率求取装置111、用于借助摄像机140的传感器数据142求取基于摄像机的横摆速率估计值302的计算装置150、用于求取横摆速率修正值303的修正值求取装置115以及可选地包括用于中间存储横摆速率修正值303的中间存储器117。在此，横摆速率求取装置111包括用于求取第一横摆速率估计值301的传感器融合装置112、用于求取修正的横摆速率估计值304的修正装置114以及用于输出横摆速率信息的决定装置113。横摆速率求取装置111首先借助于合适的融合算法根据从传感器131、133、135、137接收的传感器数据132、134、136、138求取第一横摆速率估计值301。接下来，横摆速率求取装置111将所求取的第一横摆速率估计值301输出给修正装置114、决定装置113以及修正值求取装置115。与求取第一横摆速率估计值301并行地，计算装置150基于摄像机140的传感器数据142求取第二横摆速率估计值302并且也将所述第二横摆速率估计值输出给修正值求取装置115。接下来，修正值求取装置115根据第一横摆速率估计值301以及第二横摆速率估计值302求取第一横摆速率估计值301与横摆速率300的实际值的可能偏差，然后生成相应于所求取的偏差的横摆速率修正值303，然后该横摆速率修正值类似于第一横摆速率估计值301地被输出给修正装置114。因为第二横摆速率估计值302由于在分析评估由摄像机41提供的传感器数据142时的较高计算花费而相对于通过传感器融合求取的第一横摆速率估计值301具有一定的时间延迟，所以第一横摆速率估计值301可以在其在修正值求取装置115内与第二横摆速率估计值302进行比较之前被延迟相应的时间段。这例如可以通过将第一横摆速率估计值301中间存储在合适的存储装置116中来进行，在限定的时间结束之后从该存储装置中重新读取第一横摆速率估计值。在图2中，这种存储装置116布置在修正值求取装置115内。然而原则上，存储装置也可以设置在控制装置110的其他位置上，例如设置在横摆速率求取装置111内。
一旦修正装置114中存在第一横摆速率估计值301和修正值303，则修正装置执行对第一横摆速率估计值301的修正，并将相应的修正结果以修正的横摆速率估计值104的形式输出给决定装置113。在此，决定装置113根据预先给定的准则决定，两个横摆速率修正值301、304中的哪个以横摆速率信息305的形式被输出。尤其，在确定第一横摆速率估计值301和修正的横摆速率估计值304之间存在明显偏差的情况下，决定装置113可以将修正的横摆速率估计值304作为横摆速率信息305输出。相反地，在没有确定第一横摆速率估计值301和修正的横摆速率估计值304之间存在偏差或者仅确定非常小的偏差情况下，决定装置113可以将相比修正的横摆速率估计值304稍微更新的第一横摆速率估计值301作为横摆速率信息305输出。
如从图2中可以看出，可以将这样求取的横摆速率信息305传输给至少一个促动器控制装置160，该促动器控制装置基于所述信息产生用于操控车辆100的促动器161的控制信号306。
可选地，控制装置110也可以包括用于中间存储横摆速率修正值303的中间存储器117。如在图2中示例性示出那样，该中间存储器可以布置在修正值求取装置115和横摆速率求取装置111之间，或者也可以构造为这些部件之一的一部分。
在当前横摆速率修正值303暂时不可用的情况下，保存在中间存储器117中的横摆速率修正值303可以从中间存储器117被重新读取并且被用于通过修正装置114来修正第一横摆速率估计值101。
控制装置110典型地以硬件的形式实现。然而在此，控制装置110的结合图2描述的功能的至少一部分可以根据应用而定以硬件、软件的形式或以由硬件和软件构成的混合形式实现。以硬件形式实现相应的功能提供了特别高效的工作方式。相反地，以软件形式实现相应的功能提供了特别高的灵活性。
在图3中示出用于说明该方法的简化流程图400。在此，在方法步骤410中求取车辆的横摆速率的、基于摄像机的估计值。这通过借助至少一个布置在车辆侧的摄像机130感测车辆100的环境400内的对象和/或结构并且通过随后分析评估在此获得的数据来进行。在方法步骤420中，基于传感器融合来求取相关车辆的横摆速率的基于传感器的估计值。为此，首先借助于车辆100的不同传感器来感测传感器数据，并且接下来通过对所感测的传感器数据的融合来求取横摆速率的基于传感器的估计值。在方法步骤430中，根据基于传感器的横摆速率估计值301以及基于摄像机的横摆速率估计值302来求取用于基于传感器的横摆速率估计值301的修正值303。这例如通过将基于传感器的横摆速率估计值301与基于摄像机的横摆速率估计值302比较来进行。在另一方法步骤440中，求取修正的横摆速率估计值304。这典型地通过利用横摆速率修正值303求取基于传感器的横摆速率估算值301来进行。在另一方法步骤450中决定，是否应该将修正的横摆速率估计值304或基于传感器的横摆速率估计值301用作横摆速率信息。随后，在另一方法步骤460中，以横摆速率信息的形式输出分别选出的横摆速率估计值301、304。最后，在另一方法步骤470中，基于所输出的横摆速率信息产生至少一个用于控制车辆100的控制信号306。
在此描述的方案考虑基于摄像机的横摆速率估计来改善基于传感器的横摆速率估计的精度。由于基于摄像机的横摆速率估计对温度的敏感性较低，因此它是一种用于求取横摆速率的更可靠的信息源。然而，基于摄像机的横摆速率估计由于计算密集型摄像机数据处理而具有相对较高的时间延迟。取决于此地，基于摄像机求取的横摆速率估计值不能直接用于与其它横摆速率源融合，而是非常好地适用于修正以基于传感器的横摆速率估计值301为基础的传感器的不可靠性。如果例如来自融合算法的横摆速率估计值显示很高偏移，则这可以通过在修正算法中与基于摄像机的横摆速率估计值的比较来发现。如果在该时间期间确保摄像机信息的高品质，则可以执行基于传感器融合的横摆速率估计值的修正。如果例如存在来自修正算法的修正值时，则该修正值可以特别在GNSS信号不可用期间、在摄像机信息取消时(例如当车道线不存在或未识别到时)或者即使在这些部件之一失效时被使用。在进一步的应用中，不是使用修正的横摆速率估计值，而是使用基于传感器的横摆速率估计值，其事先借助横摆速率修正值被计算出。
除了提高的估计精度以外，通过在摄像机失效和/或GNSS接收干扰期间确保横摆速率精度还产生另一优点。这首要地在失效或干扰持续较长路段上时是重要的。这在自主紧急停车时可能是这种情况。例如当出现一个或多个硬件故障时，发生该功能的激活。在这种情景中，仅还有很少的传感器可用于确定横摆速率，由此修正值具有非常高的重要性。
因此，这里描述的方案的核心是，借助摄像机信息来修正高精度的横摆速率估计值的不可靠性。这种不可靠性可能由于不同传感器数据的不同灵敏性而出现。因此，惯性数据的精度典型地与温度有关。相反地，GNSS传感器数据在城市中通常非常不精确，因为GNSS信号的接收被在建筑物上的反射干扰。在不久的将来，自主车辆也将在城市中和极端温度下运行，因此必须考虑用于融合或用于修正的其它传感器。惯性传感装置的传感器数据与GNSS传感器的传感器数据以及与修正数据的融合用作横摆速率估计的基础。在所估计的横摆速率存在很高的不可靠性的状况中，借助摄像机信息对所估计的横摆速率进行可信性验证和修正。
尽管本发明在细节上通过优选实施例详细说明并且描述，但是本发明并不局限于公开的实施例。在不脱离本发明的保护范围的情况下，更多地，可以由本领域技术人员推导出其它变型方案。

Claims (11)

1.一种用于求取高精度的横摆速率信息来控制车辆(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
-借助惯性传感器(131)、GNSS传感器(137)、车轮速度传感器(133)和/或转向角传感器(135)的传感器数据(132，134，136，138)的融合来求取所述车辆(100)的第一横摆速率估计值(301)，
-通过对配属于所述车辆(100)的摄像机(141)的传感器数据(142)进行分析评估来求取所述车辆(100)的第二横摆速率估计值(302)，所述摄像机以光学的方式感测所述车辆(100)的环境(200)，
-执行借助所述第二横摆速率估计值(302)对所述第一横摆速率估计值(301)的修正，以便求取修正的横摆速率估计值(304)，和
-输出所述修正的横摆速率估计值(304)作为横摆速率信息，以便产生用于控制所述车辆(100)的控制信号(306)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述第一横摆速率估计值(301)与所述第二横摆速率估计值(302)进行比较，以便求取横摆速率修正值(303)，其中，所述横摆速率修正值(303)用于修正所述第一横摆速率估计值(301)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，求取所述第一横摆速率估计值(301)相对于所述第二横摆速率估计值(302)的偏差作为横摆速率修正值(304)，其中，利用所述第一横摆速率估计值(301)来计算所述横摆速率修正值(303)，以便求取修正的横摆速率估计值(304)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，相对于第一横摆速率估计值(301)带有时间延迟地求取所述第二横摆速率估计值(302)，其中，所述第一横摆速率估计值(301)被中间存储，其中，为了求取所述横摆速率修正值(304)，读取中间存储的第一横摆速率估计值(301)并且将其与当前求取的第二横摆速率估计值(302)进行比较。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述第二横摆速率估计值(302)用于对所述第一横摆速率估计值(301)进行可信性验证。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，最后求取的横摆速率修正值(303)被存储，其中，在没有当前的横摆速率修正值(303)可用的情况下读取最后求取的横摆速率修正值(303)并且将其用于修正所述第一横摆速率估计值(301)。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，监测所述摄像机(141)的传感器数据(142)的可用性和品质，其中，仅仅在所述摄像机(141)的传感器数据(142)可用并且具有足够高的品质时所述横摆速率修正值(303)才被求取和/或被用于修正所述第一横摆速率估计值(301)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述摄像机(141)的传感器数据(142)不可用或不具有足够高的品质地可用的情况下，所述第一横摆速率估计值(301)作为横摆速率信息被输出，以便产生用于控制所述车辆(100)的控制信号(306)。
9.一种用于求取高精度的横摆速率信息来控制车辆(100)的控制装置(110)，所述控制装置设置为用于实施根据权利要求1至8之一所述的方法的步骤中的至少一部分。
10.一种计算机程序，所述计算机程序包括指令，在通过计算机实施所述计算机程序时，所述指令安排所述计算机实施根据权利要求1至8之一所述的方法。
11.一种计算机可读的存储介质(118)，在所述存储介质上存储有根据权利要求10所述的计算机程序。
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