CN116057407A - 用于在转弯行驶时确定具有雷达传感器的车辆的纵向速度和雷达传感器的安装取向的方法 - Google Patents

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CN116057407A CN202180053504.8A CN202180053504A CN116057407A CN 116057407 A CN116057407 A CN 116057407A CN 202180053504 A CN202180053504 A CN 202180053504A CN 116057407 A CN116057407 A CN 116057407A
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Abstract

本发明涉及一种用于在转弯行驶时确定具有至少一个雷达传感器(2)的车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向的方法，所述方法具有以下步骤：(a)在车辆(1)的转弯行驶期间确定所述至少一个雷达传感器(2)的至少一个速度向量(3)，所述至少一个速度向量(3)包含所述至少一个雷达传感器(2)的纵向速度分量和横向速度分量；(b)将所述至少一个速度向量(3)传输给用于估计车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向的模块(14)；以及(c)至少根据传输给模块(14)的所述至少一个速度向量(3)并且借助于模块(14)估计车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向。

Description

用于在转弯行驶时确定具有雷达传感器的车辆的纵向速度和 雷达传感器的安装取向的方法
在汽车工业中雷达传感器的应用范围越来越大。为了提供驾驶员辅助功能、如距离调节速度控制器、用于在倒车时识别死角中的车辆的警告系统和车道变换辅助，越来越多的车辆配备有雷达传感器作为针对在车辆周围环境中的对象的距离测量仪器、相对速度测量仪器和角度测量仪器。从这些测量通过分类算法得出对复杂的车辆周围环境的理解，所述分类算法将所识别的雷达目标区分成具有特定行为方式的不同对象类型。
除了对周围的对象进行传统的探测和定位之外，将来也应当借助于雷达传感器对不同的对象类型进行精确的分类。为了这种分类，在信号处理过程中必须从信号形状提取主要特征。在此，一个重点是检测车辆周围环境中的显著的反射体并且将其分类为运动的目标的和静止的目标。因为后者可能改变其相对于车辆或所谓的自体车辆(Ego-Fahrzeug)的相对位置，所以动态目标需要比静止目标更完善的定位和控制措施。
为了能够准确地实施这种分类，必须将雷达系统在几何上或者外在地相对于引导雷达的自体车辆校准。此外，前提是对自体车辆(以下称为“车辆”)的运动状态的精确认知。关于车辆的运动状态的不充分认知直接导致分类精度变差。
由Grimm,C.、Farhound,R.、Fei,T.、Warsitz,E.和Breddermann,T.以及
Figure BDA0004100239260000011
R.在2017年微波、雷达和遥感研讨会(MICROSWAVE，RADAR ANREMOSINGSYMPOSIUM(MRRS)，2017)的进程中发表的“利用失真的自体速度信息在汽车雷达中检测移动目标(Detection of moving targets in automotive Radar with distorted ego-velocity information)”，已知在纵向的车辆运动中估计车辆的或者自体车辆的纵向速度或者自身速度。在那里所使用的算法中考虑所确定的显著的反射体，以便由此估计车辆的相对的纵向自身运动并且因此显著改善对目标的分类。这种方法限于纵向的车辆运动。
本发明的任务是，改进已知的用于确定具有雷达传感器的车辆的纵向速度的方法，特别是实现对由雷达传感器所检测到的不同对象的特别准确的分类。
上述任务通过各权利要求的技术方案、特别是通过一种根据权利要求1所述的用于在转弯行驶时确定具有雷达传感器的车辆和雷达传感器的安装取向的方法、一种根据权利要求13所述的雷达系统以及一种根据权利要求15所述的机动车来解决。本发明的其他优点和细节由从属权利要求、说明书和附图得出。在此，结合根据本发明的方法所描述的特征和细节当然也适用于结合根据本发明的雷达系统和根据本发明的车辆，并且相应地反之亦然，从而关于各个发明方面的公开内容始终相互参考或者可以相互参考。
根据本发明的第一方面，所述任务相应地通过一种用于在转弯行驶时确定具有至少一个雷达传感器的车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向的方法来解决，其中，所述方法具有以下步骤：
(a)在车辆的转弯行驶期间确定所述至少一个雷达传感器的至少一个速度向量，其中，所述至少一个速度向量包含所述至少一个雷达传感器的纵向速度分量和横向速度分量；
(b)将所述至少一个速度向量传输给用于估计车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向的模块；以及
(c)至少根据传输给所述模块的所述至少一个速度向量并且借助于所述模块估计车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向。
根据本发明，开头所提及的任务一方面通过如下方式来解决：所述方法设置用于在转弯行驶时确定车辆的纵向速度。并且另一方面，开头所提及的任务通过如下方式来解决：附加于估计车辆的纵向速度，也估计并且因此确定所述至少一个雷达传感器的安装取向或者多个雷达传感器的安装取向。这允许在车辆的转弯行驶时也精确地确定车辆的纵向速度，并且避免由错误地或者不精确地参数化或检测到的安装取向所引起的测量误差。此外可以规定，也以车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向来估计车辆的纵向加速度。
自然，在根据本发明的方法中可以确定多个速度向量，并且将所述多个速度向量传输给所述模块，以便基于所确定的所述多个速度向量来确定估计。借助于模块的估计最后可以随着速度向量或测量值的增加、即随着所述至少一个雷达传感器的测量时间的增加而起振并且因此进行特别无偏的估计。
可以规定，在转弯行驶期间确定至少两个雷达传感器中的各一个雷达传感器的至少一个速度向量，将所述至少两个雷达传感器的速度向量传输给所述模块，并且根据所述至少两个雷达传感器的所传输的速度向量来进行对车辆的纵向速度和所述至少两个雷达传感器的每个安装取向的估计。代替于两个雷达传感器，例如也可以使用三个、四个或更多个雷达传感器来确定速度向量。每个雷达传感器然后提供纵向速度分量和横向速度分量。相应地，能够更准确地估计车辆的纵向速度，并且也能够估计所述雷达传感器中的每个雷达传感器的安装取向。
此外可以规定，对车辆的纵向速度和对所述至少一个雷达传感器的安装取向的估计同时进行。这具有的优点是：两个估计值可以借助于仅一个共同的估计方法同时提供或由一个共同的模块同时提供。车辆的纵向加速度也可以与车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向同时地被估计。
也可以规定，所述模块在车辆的所述至少一个雷达传感器或中央计算单元上实施。在此，中央计算单元可以是雷达系统的一部分，其包括所述至少一个传感器和所述模块。所述模块可以作为程序或算法存储在所述至少一个雷达传感器上、在多个雷达传感器中的一个雷达传感器上或在中央计算单元上并且在那里实施。
最后也可以规定，根据所述至少一个雷达传感器的相对速度、车辆的浮动角、所述至少一个雷达传感器的水平入射角和所述至少一个雷达传感器的竖直入射角来确定所述至少一个雷达传感器的所述至少一个速度向量。所述至少一个雷达传感器的相对速度被测量为径向速度。所述径向速度能够在相应地测量或认知车辆的浮动角、所述至少一个雷达传感器的水平入射角和所述至少一个雷达传感器的竖直入射角的情况下允许确定速度向量的纵向速度分量和横向速度分量。以下等式表示这种关系：
Figure BDA0004100239260000041
在此，vr是雷达传感器的相对速度，vx是在车辆的车辆纵轴线的方向上的纵向速度分量，vy是与纵向速度分量正交的横向速度分量，
Figure BDA0004100239260000042
是水平入射角，ε是竖直入射角，并且δ是浮动角。在此，在所谓的浮动时形成浮动角，这描述了车辆在方向方面不稳定地进行的行驶特性。浮动角是在车辆在重心中的运动与车辆的车辆纵轴线之间的角度。
也可以规定，还由车辆的里程计传感器确定车辆的至少一个不精确的纵向速度，将所述不精确的纵向速度传输给所述模块，其中，还与车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向同时地估计针对车辆的所传输的不精确的纵向速度的至少一个缩放因数。由里程计传感器测量的或者提供的纵向速度就这点而言是不精确的，因为其相对于实际的纵向速度具有不精确性或者测量误差。这种测量误差可以通过所述方法以估计的缩放因数的形式来检测。所述缩放因数可以校正测量误差。这可以通过将不精确的纵向速度与所估算的缩放因数相乘来进行。
此外可以规定，还由车辆的至少一个横摆率传感器确定车辆的至少一个不精确的横摆速度，将所述不精确的横摆速度传输给所述模块，其中，还与车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向同时地估计针对车辆的所述不精确的横摆速度的至少一个缩放因数。由横摆率传感器测量的或者提供的横摆速度或者说横摆率就此而言是不精确的，因为其相对于实际的横摆速度具有不精确性或测量误差。这种测量误差可以通过所述方法以估计的缩放因数的形式来检测。所述缩放因数可以校正测量误差。这可以通过将所述不精确的横摆速度与所估算的缩放因数相乘来进行。
此外可以规定，与车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向同时地还估计车辆的横摆速度。由此，可以借助于所述模块基于所述至少一个雷达传感器的测量来求取另一个精确的测量参量。也可以规定，与其他参数同时地确定横摆加速度。
此外可以规定，通过估计在参数化的安装角度与真实的安装角度之间的差来确定所述至少一个雷达传感器的安装取向。
也可以规定，所述模块是卡尔曼滤波器。已经表明，这提供了对车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向的特别无偏的估计。
此外可以规定，在模块中将具有所述至少一个雷达传感器的纵向速度分量和横向速度分量的测量向量与具有车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向的要估计的状态向量组合成状态-测量方程(Zustands-zu-Messgleichung)。
在此可以规定，在所述模块中由状态-测量方程建立状态-测量矩阵(Zustands-zu-Messmatrix)，并且由所述模块借助于状态-测量矩阵估计车辆的纵向速度和所述至少一个雷达传感器的安装取向。
根据本发明的第二方面，开头提到的任务此外通过一种用于车辆的雷达系统来解决，其中，所述雷达系统具有至少一个雷达传感器和至少一个模块，其中，所述雷达系统设置用于执行根据本发明的第一方面的方法。
相应地，所述雷达系统可以具有多个雷达传感器、例如两个、三个、四个或更多个雷达传感器。
在此可以规定，所述至少一个雷达传感器借助专有的或开放的数据通道、特别是CAN总线与所述模块连接。相应地，所述至少一个速度向量向所述模块的传输可以借助专有的或开放的数据通道、特别是CAN总线进行。
根据本发明的第三方面，开头提到的任务此外通过一种车辆来解决，所述车辆具有根据本发明的第二方面的雷达系统。
下面借助附图详细说明本发明。所有从权利要求、说明书或附图中得出的特征不仅本身而且以任意的不同组合对于本发明都是重要的。图中分别示意性地：
图1示出在转弯行驶时的根据本发明的一个实施例的车辆；
图2示出车辆连同在参数化的安装角度与真实的安装角度之间的差；
图3示出用于图1和图2中的车辆的根据一个实施例的雷达系统；
图4示出图3中的雷达系统的雷达传感器的测量；
图5示出状态-测量矩阵；
图6a至图6d示出在使用图3的雷达系统的情况下估计参数和真实参数的图表，以及
图7a至图7d示出另外的在使用图3的雷达系统的情况下估计参数和真实参数的图表。
具有相同功能和作用方式的元件在图1至图7中分别设有相同的附图标记。只要一个元件多次存在，则该元件被连续编号，其中，连续的编号设置在附图标记之后并且以点与附图标记分开。
图1示出在转弯行驶时的根据本发明的一个实施例的车辆1。在此，车辆1在笛卡尔x-y坐标系中示出。
车辆1具有四个雷达传感器2.1、2.2、2.3、2.4。备选地，车辆也可以具有仅一个、两个、三个或多于四个雷达传感器2。雷达传感器2.1、2.2、2.3、2.4中的每一个雷达传感器分别经历一个速度，所述速度可以作为向量示出。速度向量
Figure BDA0004100239260000062
分别具有纵向速度分量vsensor，x、横向速度分量vsensor，y和竖直速度分量vsensor，z。每个雷达传感器2.1、2.2、2.3、2.4的速度向量由此采用形式
Figure BDA0004100239260000061
其中，以下由vsensor，z＝0出发。
雷达传感器2.1、2.2、2.3、2.4的所示出的速度向量
Figure BDA0004100239260000063
在此以3.1、3.2、3.3、3.4来标记。由于雷达传感器2.1、2.2、2.3、2.4在车辆1上的不同安装位置，在转弯行驶时雷达传感器2.1、2.2、2.3、2.4相对于对象或反射体10经过不同的半径，雷达传感器2.1、2.2、2.3、2.4将所述对象或反射体感知为点状目标。相应地，速度向量3.1、3.2、3.3、3.4彼此不同。相应地绘出了雷达传感器2.1、2.2、2.3、2.4的转弯半径4.1、4.2、4.3、4.4以及车辆1的转弯半径5。相应地，在图1中也示出了车辆1的浮动角δ作为在转弯行驶时在车辆1的车辆纵轴线与车辆1的运动方向之间所夹的角。
以在此介绍的方法一方面通过尽可能精确的估计来确定车辆1的纵向速度vx，而同时也可以通过精确的估计来确定雷达传感器2.1、2.2、2.3、2.4的安装取向。安装取向在此估计为与参数化的安装取向或安装位置的定向误差。
在图2中，定向误差示出为在由雷达传感器2测量的雷达传感器2的速度向量3与真实速度向量6之间的误差定向角度α。真实速度向量6也可以称为地面实况的速度向量
Figure BDA0004100239260000072
图3现在示出根据本发明的一个实施例的用于图1和图2中的车辆1之一的雷达系统100，所述雷达系统具有一个或多个雷达传感器2.1……2.N，所述雷达传感器的速度向量
Figure BDA0004100239260000073
在(当前以卡尔曼滤波器的形式的)模块14中评估。模块14在此可以在雷达系统100的未示出的计算单元上实施。下面应当由N＝2出发，即评估两个雷达传感器2.1、2.2。
在车辆1转弯行驶时，雷达传感器2.1、2.2探测一个或多个反射体。雷达传感器2.1、2.2由此通过传感器速度确定来独立地求取速度向量
Figure BDA0004100239260000074
为了传感器速度确定，考虑由雷达传感器2.1、2.2测量的相对速度vr。这是径向速度。对于雷达传感器2.1、2.2中的每一个雷达传感器，其可以借助于车辆1的浮动角δ、雷达传感器2.1、2.2的水平入射角
Figure BDA0004100239260000075
和雷达传感器2.1、2.2的竖直入射角ε如下表示：
Figure BDA0004100239260000071
在此，如上面已经阐述的那样，vx是雷达传感器2.1、2.2中的相应雷达传感器在车辆1的车辆纵轴线的方向上的纵向速度分量，并且vy是雷达传感器2.1、2.2中的相应雷达传感器的横向速度分量。
图4示例性地示出所述两个雷达传感器2.1、2.2之一对于不同的静止的反射体或目标10的相对速度vr的测量结果。为了确定速度向量
Figure BDA0004100239260000086
计算关于由静止的目标10展开的平面的法向向量7并且在坐标
Figure BDA00041002392600000812
和-
Figure BDA00041002392600000813
的方向上求微分。负的倒数梯度现在表示雷达传感器2.1、2.2中的相应雷达传感器的估计的纵向速度分量vx和估计的横向速度分量vy。
在此，雷达传感器2.1、2.2中的每个雷达传感器的所求取的速度向量
Figure BDA0004100239260000083
可以通过关系式
Figure BDA0004100239260000082
来建模，其中，
Figure BDA0004100239260000085
是
Figure BDA0004100239260000084
的旋转速度向量，
Figure BDA0004100239260000087
是先前已经被参数化的从车辆后轴到相应的雷达传感器2.1、2.2的参数化位置的位置向量，并且
Figure BDA0004100239260000088
是在车辆1的后轴上测量的车辆1的速度向量。因此，对雷达传感器2.1、2.2中的每个雷达传感器的速度向量
Figure BDA00041002392600000810
和位置向量
Figure BDA0004100239260000089
的认知使得能够求取车辆1的横摆速度或横摆率w以及纵向速度或纵向的车辆速度vx。
雷达传感器2.1、2.2中的每个雷达传感器的所求取的速度向量
Figure BDA00041002392600000811
在此可以通过传感器间通信彼此传输到雷达传感器2.1、2.2上。然而，特别是将这些速度向量传输给模块14。为此，可以使用开放的或专有的数据通道、特别是CAN总线13。此外，通过CAN总线13从里程计传感器11和横摆率传感器12传送不精确的纵向速度vCAN和不精确的横摆速度wCAN，所述纵向速度和横摆速度是不精确的，因为其不相应于地面实况或者不是真实的，而是带有测量误差。
传输给所述模块的测量值在模块14中组合成测量向量z，所述测量向量可以被表示为
Figure BDA0004100239260000081
在此，速度分量vx1，vx2，vy1，vy2分别是所述两个雷达传感器2.1、2.2的横向速度分量和纵向速度分量。
所追求的结果是要估计的状态向量x，所述要估计的状态向量由模块14估计并且输出。所述状态向量可以表示为
Figure BDA0004100239260000094
其中，vx表明车辆1的纵向速度，
Figure BDA0004100239260000095
表明车辆1的纵向加速度，w表明车辆1的横摆速度或横摆率，
Figure BDA0004100239260000096
表明车辆1的横摆加速度，α1，α2表明雷达传感器2.1、2.2的误差定向角度，β是对于不精确的纵向速度vCAN的缩放因数或修正因数，以及γ是对于不精确的横摆速度wCAN的缩放因数或修正因数。
如果雷达传感器2.1、2.2由于公差而经相对转动地安装在车辆1中，则速度向量
Figure BDA0004100239260000097
同样经相对转动。所测量的传感器速度
Figure BDA0004100239260000091
则相应于车辆1的经相对转动的速度
Figure BDA0004100239260000092
并且可以如下地组成状态-测量方程h(x)：
Figure BDA0004100239260000093
相应地得到在图5中示出的状态-测量矩阵，其解产生所追求的要估计的状态向量x。
图6a至图6d以及图7a至图7d针对不同的待估计的参数示出估计的结果、即估计值相对于地面实况、即真实值。根据图6a至图6d可以看出，对于整个持续时间无偏地估计了运动状态。根据图7a至图7d可以看出，在卡尔曼滤波器起振之后也无偏地估计了机械的系统状态。
附图标记列表
1 车辆
2 雷达传感器
3，
Figure BDA0004100239260000101
雷达传感器的速度向量
4 雷达传感器的转弯半径
5 车辆的转弯半径
6 雷达传感器的真实速度向量
7 法向向量
10 目标、反射体
11 里程计传感器
12 横摆率传感器
13 CAN总线
14 模块
100 雷达系统
α 误差定向角度
δ 浮动角
z 测量向量
x 状态向量

Claims (15)

1.一种用于在转弯行驶时确定具有至少一个雷达传感器(2)的车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向的方法，其中，所述方法具有以下步骤：
(a)在车辆(1)的转弯行驶期间确定所述至少一个雷达传感器(2)的至少一个速度向量(3)，所述至少一个速度向量(3)包含所述至少一个雷达传感器(2)的纵向速度分量和横向速度分量；
(b)将所述至少一个速度向量(3)传输给用于估计车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向的模块(14)；以及
(c)至少根据传输给所述模块(14)的所述至少一个速度向量(3)并且借助于所述模块(14)估计车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在转弯行驶期间确定至少两个雷达传感器(2)中的各一个雷达传感器的至少一个速度向量(3)，将所述至少两个雷达传感器(2)的速度向量(3)传输给所述模块(14)，并且根据所述至少两个雷达传感器(2)的所传输的速度向量(3)来进行对车辆(1)的纵向速度和对所述至少两个雷达传感器(2)的每个安装取向的估计。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对车辆(1)的纵向速度和对所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向的估计同时进行。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模块(14)在车辆(1)的所述至少一个雷达传感器(2)或中央计算单元上执行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据所述至少一个雷达传感器(2)的横摆速度、车辆的浮动角(δ)、所述至少一个雷达传感器(2)的水平入射角和所述至少一个雷达传感器(2)的竖直入射角来确定所述至少一个雷达传感器(2)的所述至少一个速度向量(3)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，还由车辆(1)的里程计传感器(11)确定车辆(1)的至少一个不精确的纵向速度，将所述不精确的纵向速度传输给所述模块(14)，与车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向同时地还估计针对车辆(1)的所传输的不精确的纵向速度的至少一个缩放因数。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，还由车辆(1)的至少一个横摆率传感器(12)确定车辆(1)的至少一个不精确的横摆速度，将所述不精确的横摆速度传输给所述模块(14)，与车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向同时地还估计针对车辆(1)的不精确的横摆速度的至少一个缩放因数。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，与车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向同时地还估计车辆(1)的横摆速度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过估计在参数化的安装角度与真实的安装角度之间的差来确定所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模块(14)是卡尔曼滤波器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述模块(14)中将具有所述至少一个雷达传感器(2)的纵向速度分量和横向速度分量的测量向量(z)与具有车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向的要估计的状态向量(x)组合成状态-测量方程。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述模块(14)中由状态-测量方程建立状态-测量矩阵，并且由模块(14)借助于状态-测量矩阵估计车辆(1)的纵向速度和所述至少一个雷达传感器(2)的安装取向。
13.一种用于车辆(1)的雷达系统(100)，其中，所述雷达系统(100)具有至少一个雷达传感器(2)和至少一个模块(14)，所述雷达系统(100)设置用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
14.根据权利要求13所述的雷达系统(100)，其中，所述至少一个雷达传感器(2)借助专用的或开放的数据通道、特别是CAN总线(13)与模块(14)连接。
15.一种车辆(1)，所述车辆具有根据权利要求13或14所述的雷达系统(100)。
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