CN115698764A - 基于多普勒的速度方向确定 - Google Patents

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Abstract

本发明尤其涉及用于在车辆(F)自主驾驶时区分活物和死物的方法。该方法尤其包括以下步骤：1、确定车辆环境中的物体(O)的物体位置(x0)；2、通过基于多普勒频率确定物体(O)的移动速度(vO)的大小和方向的方法，确定物体(O)的运动的速度矢量
Figure DDA0003990587860000011
的值；3、如果物体(O)的运动的速度矢量
Figure DDA0003990587860000012
的大小低于第一阈值，则增加物体(O)是活物的概率值；4、如果物体(O)的运动的速度矢量
Figure DDA0003990587860000013
的大小高于能够等于第一阈值的第二阈值，则降低物体(O)是活物的概率值，其中，概率值可取决于其他参数；以及5、如果概率值高于第三阈值，则将物体(O)评估为活物。

Description

基于多普勒的速度方向确定
技术领域
本发明涉及用于确定车辆的环境中的物体的三维或二维速度矢量的方法。
背景技术
本文论述了通过评估多普勒频移来确定车辆的环境中的物体的速度。
在现有技术中已知有大量的关于通过超声波测量确定物体参数的文献。正因为如此，可以在无需在此解释现有技术中已知的相应方法和设备的情况下给出一些先决条件。
因此，在此可以假定一些能够利用可用的超声波换能器进行这种测量的先决条件。
在本文中，假定可以确定物体的物体位置x0。为了简化起见，在此假定这种确定在通过评估从相应超声波换能器到物体并再次返回到一个或多个超声波换能器的超声波信号传播时间来确定多普勒速度之前就已经完成，因此可以假定物体位置x0是已知的。
此外，假定在确定二维平面中的坐标的情况下，至少两个超声波换能器在该二维平面中不位于一个点上，并且在确定三维空间中的坐标的情况下，至少三个超声波换能器在该三维空间中既不位于一个点上也不位于一条线上。
每个超声波换能器的超声波测量系统确定多普勒频率fd,i，其中，脚注i代表N个超声波换能器中的第i个超声波换能器。
发明内容
任务
因此，该提案的目的是实现一种用于测量移动物体的速度的大小和方向的方法。
该目的通过根据权利要求的方法实现。
任务的解决方案
在此提出的提案的基本思想是，当物体以速度v0相对于车辆的超声波测量系统横向地运动时，在保险杠的不同点处的多个超声波换能器通过评估由多个超声波换能器及其评估系统检测的多个不同的多普勒频移来确定速度矢量
Figure BDA0003990587840000021
在x、y和z方向上的运动方向。因此，当物体相对于车辆的超声波测量系统横向地运动时，在车辆的不同点处(例如，这种车辆的保险杠的不同点处)的多个具有超声波换能器的超声波测量系统可以通过随后发生的不同多普勒频移来估算实际运动方向。
如上所述，在此假定车辆的环境中的物体的位置x0是已知的。现在的任务是确定物体位置x0处的物体的速度矢量的大小和方向。超声波换能器的数量为N，其中，对于二维问题，N为大于1的正整数，而对于三维问题，N为大于2的正整数。因此，对于二维问题，应存在至少两个超声波换能器，其中，一个位置处的第一超声波换能器和不同于第一位置的位置处的第二超声波换能器连接到车辆。对于三维问题，至少三个超声波换能器应连接到车辆，其中，超声波换能器的位置彼此不同。
为此，参与本文所述方法的每个超声波换能器都被设置为在与评估系统的交互下确定物体位置x0处的物体的多普勒速度。
在本文所述的方法中，N个超声波换能器中的一者仅检测物体的多普勒速度在从物体到相关超声波换能器的方向上的方向分量。
因此，对于相关超声波换能器，相对于该超声波换能器和相关物体之间的视线垂直地移动的物体具有速度v＝0m/s。因此，将多个超声波换能器的多个测量值用于确定速度矢量的分量。多个超声波换能器必须彼此间隔开。因此，确保了当物体以相关速度运动时，并非所有检测的物体的多普勒速度的方向分量都同时为0m/s。为了确定物体的速度矢量，N个超声波换能器US1至USN中的多个超声波换能器分别测量多普勒频率fd,1至fd,N。
考虑到声速c，基于检测的与初始发射频率fs相关的多普勒频率fd,1至fd,N，可以建立以下方程组：
Figure BDA0003990587840000031
在此的含义是：
Figure BDA0003990587840000032
是未知的、待求的速度矢量；
Figure BDA0003990587840000033
是N个多普勒速度的矢量。其中，N个多普勒速度是在考虑到音速c的情况下根据由N个超声波换能器在各自发射频率fs下测量的多普勒频fd,1至fd,N得出的。
X是具有已知大小的矩阵。该矩阵对各个超声波换能器的位置和取向进行编码。
在下文中，通常仅考虑单个超声波换能器或线性方程组的一行。为此，引入了正整数脚注i，其中，1≤i≤N。
现在，矩阵的每个第i行计算如下，其中，X的第i行由行矢量eiDi(βi)得出：
Xi＝eiDi(βi)＝eiDi(βi,x,βi,y,βi,z)
ei是沿物体和第i个超声波换能器USi之间的距离根据以下公式标准化的单位方向矢量：
ei＝(xo-xi)/‖xo-xi‖
Di(βi)是旋转矩阵，其是特定于第i个超声波换能器USi的第i个旋转角矢量βi的三个旋转角(βi，x，βi，y，βi，z)的函数。
在此，第i个旋转矩阵Di(βi)由以下公式给出：
Di(βi)＝Rx(βi，x)Ry(βi,y)Rz(βi,z)
在这种情况下：
Rx(βi,x)是围绕x轴旋转角度βi,x的常规旋转矩阵，
Ry(βi，y)是围绕y轴旋转角度βi，y的常规旋转矩阵，
Rz(βi,z)是围绕z轴旋转角度βi,z的常规旋转矩阵。
由于通常根据车辆设计固定了车辆上的N个超声波换能器的N个位置x1至xN以及N个超声波换能器的旋转角(β1,x，β1，y，β1,z)至(βN,x,βN,y，βN,z)，因此可以预先计算出第i个超声波换能器的第i个旋转矩阵Di(βi)。
通过以下公式给出由最小二乘法确定的反射点的速度矢量：
Figure BDA0003990587840000041
因此，在此提出的方法是一种用于确定车辆的环境中的物体的三维速度矢量的方法。
优选地，车辆具有多个(N个)超声波换能器US1至USN以及评估系统。评估系统可以是用于所有超声波换能器的中央评估系统。然而，评估系统也可以是全部或部分分散的评估系统。在这种分散的评估系统的情况下，在极端情况下，N个超声波换能器US1至USN中的每个超声波换能器USi(其中，1≤i≤N)都可以关联有评估系统AS的子评估系统ASi，使得在必要时可以将与超声波换能器USi关联的子评估系统ASi视为相关超声波换能器USi的一部分。N个超声波接收器也可以与至少一个超声波发射器结合使用，以代替N个超声波换能器US1至USN。因此，只要不需要超声波传输功能，在此也将超声波换能器明确地理解为包括超声波接收器。在全文中，数字N为正整数，其中，N≥2。N个超声波换能器US1至USN位于彼此不同的N个位置x1至xN。N个超声波换能器US1至USN不在一条直线上。至少一个超声波换能器(在此例如为N个超声波换能器US1至USN中的第i个超声波换能器USi)发射超声波信号。为了使系统正常运行，超声波发射器可以代替N个超声波换能器US1至USN中的超声波换能器USi，只要它能够发射超声波信号即可。N个超声波换能器US1至USN接收由车辆的环境中的物体反射的超声波信号。N个超声波换能器US1至USN中的每个超声波换能器USi将其分别接收的反射超声波信号转换为相应的超声波接收器输出信号。因此，N个超声波换能器US1至USN将反射的超声波信号转换为N个超声波接收器输出信号。基于这N个超声波接收器输出信号，评估系统确定超声波信号的N个传播时间，该传播时间从发射超声波换能器或超声波发射器发射超声波信号时的时间开始到N个超声波换能器US1至USN中的相应超声波换能器USi相应地接收由物体反射的超声波信号时的相应时间结束。评估系统通常根据这N个传播时间确定物体的物体位置x0。
现在，N个超声波换能器US1至USN中的每个超声波换能器USi(在下文中，又将其称为第i个超声波换能器USi，其中，1≤i≤N)在与评估系统的交互下确定该第i个超声波换能器USi的多普勒频率fd,i，该多普勒频率fd,i是由物体反射的超声波信号在被该第i个超声波换能器USi接收时所具有的频率。
如上所述，在本文所述的方法中做如下假定：对于N个超声波换能器US1至USN中的每个(第i个)超声波换能器USi，相对于车辆坐标系的取向角βi,x,βi,y,βi,z都是已知的。此外，如上所述，还做如下假定：对于N个超声波换能器US1至USN中的每个(第i个)超声波换能器，其在车辆上的第i个位置xi以及其余超声波换能器在车辆上的N-1个位置(x1至xN，不含xi)是已知的。
因此，所提出的方法做如下假定：作为该方法的第一步骤，已经成功确定相对于车辆的物体位置x0。然后，进一步的步骤包括通过N个超声波换能器US1至USN及其评估系统检测N个多普勒频率fd,1至fd,N。该方法还包括：在考虑声速c的情况下，基于在最初发射的超声波信号的相应发射频率fs下检测的N个多普勒频率fd,1至fd,N，计算N个多普勒速度。然后，该方法还包括确定由N个超声波换能器测量的N个多普勒速度的N维矢量
Figure BDA0003990587840000052
并通过以下公式计算矩阵Xi：Xi＝eiDi(βi)。
通常，这些值已经在工厂中以特定于类型的汇总方式进行了预先计算，并被编程到系统中或在设计中另行指定。
作为最后步骤，评估系统通过计算以下公式来估算物体反射点的速度矢量
Figure BDA0003990587840000053
的值：
Figure BDA0003990587840000051
评估系统例如通过数据接口输出以此方式计算的速度矢量
Figure BDA0003990587840000054
的值，或保存这些值以供另一设备检索，或出于其他目的对这些值进一步处理。因此，在方法的最后，将速度矢量
Figure BDA0003990587840000055
的值用作物体运动的速度矢量的值。
在此基础上，可以给出一种简单、粗略的方法在车辆自主驾驶时区分活物和死物，但这本身不足以实现可靠的区分。活物和死物之间的区分首先是通过评估系统将移动的物体分类为潜在活物进行的。在这种情况下，所有在可预定的时间段内相对于它们的环境移动的物体都可以被归类为可能的活物。对于有生命/无生命的区分，评估设备通常使用诸如衰减、失真和相移之类的其他参数。在这方面，下文说明的方法仅被理解为用于在车辆自主驾驶时区分活物和死物的部分方法。该部分方法包括以下步骤：
确定在车辆环境中的物体的物体位置x0；
通过上述两种方法中的一者确定物体运动的速度矢量的值；
如果物体运动的速度矢量的大小低于第一阈值，则增加该物体是活物的概率值；
如果物体运动的速度矢量的大小高于第二阈值，则降低该物体是活物的概率值；
其中，该第二阈值可以等于第一阈值，并且
其中，概率值可以取决于其他参数，
最后，如果该概率值高于第三阈值，则将该物体评估为活物。
优点
本文提出的方法能够更好地将移动物体(例如，人)从静止的环境(例如，Isopol(作为参考障碍物的垂直1m长的DN5 PVC污水管)或墙壁)中区分出来。
然而，优点不限于此。
附图说明
图1
图1说明了测量情况。物体O位于车辆F的车辆环境中，作为示例，该车辆的轮廓部分由加粗线表示。在超声波发射器和/或超声波换能器USi向该车辆环境发射声学超声波信号之后，物体O反射该超声波信号，然后由三个(在此以N＝3为例)超声波换能器US1至US3和/或超声波接收器接收反射的超声波信号，每个超声波换能器和/或超声波接收器具有取决于相应的声音传播路径的特定传播时间。物体O以物体速度v0相对于车辆F移动。示例性的超声波换能器US1、US2、US3和评估系统AS根据超声波信号的传播时间确定物体O相对于车辆F的位置xO，该传播时间从发射超声波换能器或超声波发射器发射超声波信号时的时间开始，到相应超声波换能器US1至US3相应地接收由物体反射的超声波信号时的相应时间结束。由于物体O以物体速度vO相对于车辆F移动，因此反射的超声波信号的频率从发射超声波信号的超声波发射频率fs转换为多普勒频率fd。然而，这种转换是依赖于方向的。由于超声波换能器US1至US3相对于车辆坐标系位于不同的坐标x1至x3，因此这种方向依赖性发挥了作用，由此三个超声波换能器(US1至US3)检测出三个不同的多普勒频率fd,1、fd,2、fd,3。三个超声波换能器US1至US3和/或评估系统AS基于相应超声波换能器USi(其中，i＝1或i＝2或i＝3)确定与该超声波换能器USi和物体关联的相应多普勒频率fd。然后，基于以此方式确定的多普勒频率fd,i，评估系统AS在必要时在与示例性的三个超声波换能器US1、US2、US3的交互下确定估算的物体速度
Figure BDA0003990587840000072
然后例如可以由车辆和/或车辆的子系统获取该物体速度并将其用于其他目的。
附图标记列表
F 车辆
USi 超声波换能器
AS 评估系统
O 物体
fs 超声波发射频率
fd 多普勒频率
βi,x,βi,y,βi,z 取向角
xO 物体位置
xi 第i个超声波换能器的位置
Figure BDA0003990587840000071
速度矢量
c 声速

Claims (3)

1.一种用于确定车辆(F)的环境中的物体(O)的三维速度矢量
Figure FDA0003990587830000011
的方法，
其中，所述车辆(F)包括多个、N个超声波换能器(US1至USN)，并且
其中，所述车辆(F)包括评估系统(AS)，并且
其中，N是正整数，N≥2，并且
其中，所述N个超声波换能器(US1至USN)位于N个不同的点x1至xN处，并且
其中，所述N个超声波换能器(US1至USN)不在一条直线上，并且其中，所述N个超声波换能器(US1至USN)中的至少一个超声波换能器(USi)或者至少一个超声波发射器发射超声波信号，并且
其中，所述N个超声波换能器(US1至USN)中的每者具有各自的特定传播时间，其中，各个传播时间取决于相应的声音传播路径，
其中，所述N个超声波换能器(US1至USN)接收由所述车辆(F)的环境中的物体(O)反射的所述超声波信号，并且
其中，所述评估系统(AS)根据所述超声波信号的N个传播时间确定物体位置(x0)，所述N个传播时间从发射所述超声波信号时的时间开始并在所述N个超声波换能器(US1至USN)中的相应一个超声波换能器(USi)接收由所述物体(O)反射的所述超声波信号时的相应时间结束，并且
其中，在与所述评估系统(AS)的交互下，所述N个超声波换能器(US1至USN)中的在以下被简称为第i个超声波换能器(USi)的每个超声波换能器(USi)确定第i个超声波换能器(USi)的多普勒频率fd,i，其中，1≤i≤N，并且
其中，对于所述N个超声波换能器(US1至USN)中的每个第i个超声波换能器(USi)，取向角(βi,x,βi,y,βi,z)是已知的，并且
其中，对于所述N个超声波换能器(US1至USN)中的每个第i个超声波换能器，作为所述车辆(F)上的N个位置(x1至xN)中的一者的第i个位置(xi)是已知的，
所述方法包括以下步骤：
确定所述物体(O)相对于所述车辆(F)的所述物体位置x0；
检测N个多普勒频率(fd,1至fd,N)；
在考虑声速(c)的情况下，基于在相应的发射频率(fs)下的所述N个多普勒频率(fd,1至fd,N)计算N个多普勒速度；
确定由所述N个超声波换能器测量的所述N个多普勒速度的N维矢量y；
通过以下公式计算矩阵Xi：Xi＝eiDi(βi)；
通过以下公式计算来估算所述物体(O)的反射点的速度矢量
Figure FDA0003990587830000021
的值：
Figure FDA0003990587830000022
输出和/或准备好所述速度矢量
Figure FDA0003990587830000023
的值；以及
将所述速度矢量
Figure FDA0003990587830000024
的值用作所述物体(O)的运动速度矢量的值。
2.一种用于确定车辆(F)的可二维表示的环境中的物体(O)的二维速度矢量
Figure FDA0003990587830000025
的方法，
其中，所述车辆(F)包括多个、N个超声波换能器(US1至USN)，并且
其中，所述车辆(F)包括评估系统(AS)，并且
其中，N是正整数，N≥1，并且
其中，所述N个超声波换能器(US1至USN)位于N个彼此不同的位置(x1至xN)处，并且
其中，所述N个超声波换能器(US1至USN)中的至少一个超声波换能器(USi)或者至少一个超声波发射器发射超声波信号，并且
其中，所述N个超声波换能器(US1至USN)中的每者具有各自的特定传播时间，其中，各个传播时间取决于相应的声音传播路径，
其中，所述N个超声波换能器(US1至USN)接收由所述车辆(F)的环境中的物体(O)反射的超声波信号，并且
其中，所述评估系统(AS)根据所述超声波信号的N个传输时间确定物体位置(x0)，所述N个传播时间从发射所述超声波信号时的时间开始并在所述N个超声波换能器(US1至USN)中的相应一个超声波换能器(USi)接收由所述物体(O)反射的所述超声波信号时的相应时间结束，并且
其中，在与所述评估系统(AS)的交互下，所述N个超声波换能器(US1至USN)中的在以下被简称为第i个超声波换能器(USi)的每个超声波换能器确定第i个超声波换能器(USi)的多普勒频率(fd,i)，其中，1≤i≤N，并且
其中，对于所述N个超声波换能器(US1至USN)中的每个第i个超声波换能器(USi)，取向角(βi,x,βi,y,βi,z)是已知的，并且
其中，对于所述N个超声波换能器(US1至USN)中的每个第i个超声波换能器，作为所述车辆(F)上的N个位置(x1至xN)中的一者的第i个位置(xi)是已知的，
所述方法包括以下步骤：
确定所述物体(O)相对于所述车辆(F)的所述物体位置(x0)；
检测N个多普勒频率(fd,1至fd,N)；
在考虑声速(c)的情况下，基于在相应的发射频率(fs)下的所述N个多普勒频率(fd,1至fd,N)计算N个多普勒速度；
确定由所述N个超声波换能器测量的所述N个多普勒速度的N维矢量
Figure FDA0003990587830000032
通过以下公式计算矩阵Xi：Xi＝eiDi(βi)；
通过计算以下公式来估算所述物体(O)的反射点的速度矢量
Figure FDA0003990587830000035
的值：
Figure FDA0003990587830000031
输出和/或准备好所述速度矢量
Figure FDA0003990587830000033
的所述值；以及
将所述速度矢量
Figure FDA0003990587830000034
的所述值用作所述物体(O)的运动速度矢量的值。
3.一种用于在车辆(F)的自主驾驶时区分活物和死物的方法，所述方法包括以下步骤：
确定所述车辆的环境中的物体(O)的物体位置(x0)；
通过根据权利要求1或2所述的方法确定所述物体(O)的所述运动速度矢量
Figure FDA0003990587830000038
的值；
如果所述物体(O)的所述运动速度矢量
Figure FDA0003990587830000036
的大小低于第一阈值，则增加所述物体(O)是活物的概率值；
如果所述物体(O)的所述运动速度矢量
Figure FDA0003990587830000037
的大小高于能够等于所述第一阈值的第二阈值，则降低所述物体(O)是活物的概率值；
其中，所述概率值可取决于其他参数，并且
如果所述概率值高于第三阈值，则将所述物体(O)评估为活物。
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