DE102019204408A1 - Method for determining the yaw rate of a target object on the basis of the sensor data, for example from a high-resolution radar - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung der Gierrate (ω) eines Zielobjektes (50), umfassend ein Empfangen von Sensordaten, welche eine Punktwolke (P1, ... PN) umfassen, welche das Zielobjekt (50) beschreibt, ein Abschätzen der Lage des Gierzentrums (64) des Zielobjektes (50) auf Grundlage der Punktwolke (P1, ...PN), sowie ein Bestimmen der Gierrate (ω) auf Grundlage des abgeschätzten Ortes des Gierzentrums (64).Method for determining the yaw rate (ω) of a target object (50), comprising receiving sensor data which comprise a point cloud (P1, ... PN) which describes the target object (50), estimating the position of the yaw center (64) of the target object (50) on the basis of the point cloud (P1, ... PN), as well as determining the yaw rate (ω) on the basis of the estimated location of the yaw center (64).
Description
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Auswerten von Sensordaten, insbesondere im Gebiet der Fahrzeugsensorik für Fahrerassistenzsysteme, autonome Fahrzeuge oder halbautonome Fahrzeuge.The present disclosure relates to a method for evaluating sensor data, in particular in the field of vehicle sensor technology for driver assistance systems, autonomous vehicles or semi-autonomous vehicles.
Autonome Fahrzeuge und Fahrassistenzsysteme gewinnen an Relevanz und Verbreitung. Für solche Systeme ist es insbesondere von Bedeutung, dass das Fahrzeug den Fahrweg umliegender Fahrzeuge, beispielsweise von Fahrzeugen anderer Verkehrsteilnehmer richtig einschätzen kann. Um den Fahrweg anderer Fahrzeuge im Straßenverkehr einzuschätzen, ist neben der Ortsinformation und der Bewegungsgeschwindigkeit auch die Gierrate (Drehung) des einzuschätzenden Fahrzeugs von Bedeutung.Autonomous vehicles and driver assistance systems are becoming more relevant and widespread. For such systems it is particularly important that the vehicle can correctly assess the route of surrounding vehicles, for example vehicles of other road users. In order to estimate the route of other vehicles in road traffic, the yaw rate (rotation) of the vehicle to be assessed is important in addition to the location information and the speed of movement.
Es sind bereits Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt, die in der Lage sind die Gierrate eines Fahrzeugs basierend auf Sensordaten zu bestimmen. So bestimmt das in Patentoffenbarung
Es sind auch weitere Lösungen bekannt, welche die Gierrate über zeitliche Filterung (Tracking) der Sensordaten bestimmen.Other solutions are also known which determine the yaw rate by filtering (tracking) the sensor data over time.
Die bekannten Lösungen sind allerdings im zeitlichen Auflösungsvermögen beschränkt, da mehrere zeitlich versetzte Messungen ausgewertet werden müssen, oder es besteht die Notwendigkeit, mehrere Sensoren zu verwenden, was den Aufbau der Messapparatur platz- und ressourcenintensiv macht.The known solutions are, however, limited in their temporal resolving power, since several measurements offset in time have to be evaluated, or there is a need to use several sensors, which makes the construction of the measuring apparatus space-consuming and resource-intensive.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Auswertungseinheit bereitzustellen, welches die Bestimmung der Gierrate verbessert. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Auswertungseinheit nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.Proceeding from this, the invention is based on the object of providing a method and an evaluation unit which improve the determination of the yaw rate. This object is achieved by the method according to
Die Ausführungsbeispiele zeigen ein Verfahren zur Bestimmung der Gierrate eines Zielobjektes, umfassend ein Empfangen von Sensordaten, welche mehrere Detektionen umfassen, welche das Zielobjekt beschreibt, ein Abschätzen der Lage des Gierzentrums des Zielobjektes auf Grundlage der Detektionen, sowie ein Bestimmen der Gierrate auf Grundlage des abgeschätzten Ortes des Gierzentrums. Die Gierrate beschreibt hierbei die Rotationsgeschwindigkeit eines Objekts um die Hochachse an einem definierten Referenzpunkt, hier Gierzentrum genannt. Vorzugsweise liefern die mehreren Detektionen liefern eine Punktwolke, welche das Zielobjekt beschreibt.The exemplary embodiments show a method for determining the yaw rate of a target object, comprising receiving sensor data comprising multiple detections which describe the target object, estimating the position of the yaw center of the target object on the basis of the detections, and determining the yaw rate on the basis of the estimated Location of the greed center. The yaw rate describes the speed of rotation of an object around the vertical axis at a defined reference point, here called the yaw center. The multiple detections preferably provide a point cloud which describes the target object.
Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein fahrerloses autonomes oder um ein teilautonom bewegtes Fahrzeug handeln. Es kann sich beispielsweise um ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug handeln, beispielsweise um ein fahrerloses Transportsystem (FTS), einen autonomen PKW, ein Schienenfahrzeug, eine Drohne oder ein Boot.The vehicle can in particular be a driverless autonomous vehicle or a partially autonomous vehicle. For example, it can be a land, air or water vehicle, for example a driverless transport system (AGV), an autonomous car, a rail vehicle, a drone or a boat.
Die Sensordaten stammen beispielsweise von ein oder mehreren Sensoren, welche dazu ausgelegt sind, das Umfeld eines Fahrzeugs zu erfassen. Bei den Sensoren kann es sich insbesondere um Kameras, Radar-Sensoren, Lidar-Sensoren, Ultraschall-Sensoren oder dergleichen handeln.The sensor data originate, for example, from one or more sensors which are designed to detect the surroundings of a vehicle. The sensors can in particular be cameras, radar sensors, lidar sensors, ultrasonic sensors or the like.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise eine Kombination eines Least Squares-Schätzverfahrens von mehreren Detektionen mit einer Orientierungsschätzung auf Basis der Hauptkomponentenanalyse, zusammen mit einer Abschätzung des Gierzentrums.The method preferably comprises a combination of a least squares estimation method of several detections with an orientation estimation based on the principal component analysis, together with an estimation of the yaw center.
Die Gierrate wird beispielsweise bestimmt durch Lösung einer überbestimmten Modellgleichung, welche die Bewegung des Zielobjektes abschätzt. Hierbei kann beispielsweise eine Modellgleichung verwendet werden, die als Unbekannte den Betrag der Zielobjektsgeschwindigkeit und die Gierrate des Zielobjekts enthält.The yaw rate is determined, for example, by solving an overdetermined model equation which estimates the movement of the target object. Here, for example, a model equation can be used which contains the amount of the target object speed and the yaw rate of the target object as unknowns.
Die Modellgleichung wird beispielsweise gelöst, indem N Detektionen bzw. Messpunkte der Sensordaten in die Modellgleichung eingesetzt werden, um ein Gleichungssystem mit zwei Unbekannten und N Gleichungen zu erhalten.The model equation is solved, for example, by inserting N detections or measuring points of the sensor data into the model equation in order to obtain an equation system with two unknowns and N equations.
Das Gleichungssystem kann beispielsweise mit Hilfe eines Least-Square-Schätzverfahrens gelöst werden.The system of equations can be solved, for example, with the aid of a least square estimation method.
Die Sensordaten liegen beispielsweise als Punktwolke vor, die Orts- und Geschwindigkeitsinformationen von Zielen des Zielobjektes umfasst.The sensor data are available, for example, as a point cloud that includes location and speed information of targets of the target object.
Das Abschätzen der Lage des Gierzentrums kann beispielsweise durch Abschätzung der Koordinaten des Clusterzentrums der Punkwolke erfolgen. Beispielsweise kann das Clusterzentrum als der Schwerpunkt der Punkwolke ermittelt werden.The position of the yaw center can be estimated, for example, by estimating the coordinates of the cluster center of the point cloud. For example, the cluster center can be determined as the center of gravity of the point cloud.
Die Lage des Gierzentrums kann auch auf Basis einer Hauptkomponentenanalyse abgeschätzt werden. Die Ermittlung der Orientierung des Zielobjekts erfolgt beispielsweise mit einer Hauptkomponentenanalyse der dem Zielobjekt zugehörigen Detektionen, indem der Winkel der Hauptkomponenten ausgewertet wird.The location of the yaw center can also be estimated based on a principal component analysis. The orientation of the target object is determined, for example, with a main component analysis of the detections associated with the target object, in that the angle of the main components is evaluated.
Beispielsweise kann die Lage des Gierzentrums als Mitte einer Hinterachse des Zielobjektes abgeschätzt werden.For example, the position of the yaw center can be estimated as the center of a rear axle of the target object.
Die Ausführungsbeispiele zeigen auch eine Auswertungseinheit mit einem Prozessor, der dazu ausgelegt ist, das hier beschrieben Verfahren durchzuführen. Bei dem Prozessor kann es sich beispielsweise um eine Recheneinheit wie eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU = central processing unit) handeln, die Programminstruktionen ausführt.The exemplary embodiments also show an evaluation unit with a processor which is designed to carry out the method described here. The processor can be, for example, a computing unit such as a central processing unit (CPU) that executes program instructions.
Das Verfahren kann beispielsweise als ein computer-implementiertes Verfahren realisiert werden, das von einem Prozessor einer Auswertungseinheit ausgeführt wird. Gegenstand ist somit auch ein Computerprogramm, welches die hier beschriebenen Verfahren ausführt.The method can be implemented, for example, as a computer-implemented method that is carried out by a processor of an evaluation unit. The subject matter is therefore also a computer program that executes the method described here.
Die Erfassung, Überprüfung und Verarbeitung, beispielsweise die Bestimmung der Gierrate erfolgt vorzugsweise in Echtzeit. Das heißt, die Bestimmung der Gierrate eines Zielobjekts auf Grundlage der Sensordaten beispielsweise eines hochauflösenden Radars erfolgt vorzugsweise instantan. Instantan bedeutet hier, dass die Schätzung der Gierrate innerhalb eines Messzyklus, also ohne Historieninformation, erfolgt.The detection, checking and processing, for example the determination of the yaw rate, is preferably carried out in real time. That is, the determination of the yaw rate of a target object on the basis of the sensor data, for example from a high-resolution radar, is preferably instantaneous. Instantaneous means here that the yaw rate is estimated within a measurement cycle, i.e. without any history information.
Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 ein Blockdiagramm zeigt, das schematisch die Konfiguration eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; -
2 ein Blockdiagramm ist, das eine beispielhafte Konfiguration eines Steuergeräts für autonomes Fahren zeigt; -
3 die von einem Radarsensor gemessenen Daten eines Fahrzeugs schematisch darstellt; -
4 und5 schematisch die schrittweise Bestimmung des Drehzentrums eines girierenden Fahrzeugs aus einer von einem Radarsensor bereit gestellten Punktwolke zeigen; -
6 in einem Flussdiagram die Bestimmung des Drehzentrums eines girierenden Fahrzeugs aus einer von einem Radarsensor bereit gestellten Punktwolke schematisch darstellt; und -
7 die Bestimmung der Gierrate eines girierenden Fahrzeugs aus einer von einem Radarsensor bereit gestellten Punktwolke bei bereits bestimmtem Drehzentrum zeigt. -
8 eine mögliche Modellgleichung zur Berechnung der Gierrate verdeutlicht.
-
1 Fig. 13 is a block diagram schematically showing the configuration of a vehicle according to an embodiment of the present invention; -
2 Fig. 13 is a block diagram showing an exemplary configuration of an autonomous driving control device; -
3 shows schematically the data of a vehicle measured by a radar sensor; -
4th and5 schematically show the step-by-step determination of the center of rotation of a gyrating vehicle from a point cloud provided by a radar sensor; -
6th shows schematically in a flow diagram the determination of the center of rotation of a gyrating vehicle from a point cloud provided by a radar sensor; and -
7th shows the determination of the yaw rate of a yawing vehicle from a point cloud provided by a radar sensor with an already determined center of rotation. -
8th illustrates a possible model equation for calculating the yaw rate.
In dem in
Das autonome Fahrzeug
Das Fahrzeug umfasst ferner ein oder mehrere Sensoren
Die Fahrzeugsensorik des Fahrzeugs umfasst ferner eine Satellitennavigationseinheit
Das Fahrzeug umfasst ferner eine Benutzerschnittstelle
Wenn steuerungsseitig oder fahrerseitig ein Betriebszustand für das autonome Fahren aktiviert ist, bestimmt die Steuereinheit für autonomes Fahren
Beispielsweise ist die Steuereinheit für autonomes Fahren
Eine zusätzliche Rotation des Zielobjekts um das Rotationszentrum (im realen Umfeld oft gegeben, beispielsweise bei einer Kurvenfahrt) mit einer Gierrate ω führt zu einer Überlagerung der mittleren Zielobjektgeschwindigkeit v' mit dem Geschwindigkeitsanteil vθ,i, der durch die Rotation des Zielobjekts verursacht wird. Die Superposition dieser Geschwindigkeitskomponenten beeinflusst die radiale Geschwindigkeitsverteilung vr,i, die vom Sensor erfasst wird. Durch die zusätzlichen unbekannten Größen (Gierrate ω, Rotationszentrum) ist eine allgemeine Bestimmung der Fahrzeugkinematik in einem einzigen Zyklus nicht mehr sinnvoll durchführbar. Aus diesem Grund nutzt das folgende Verfahren einige Annahmen über die Form und Funktionalität von Fahrzeugen, um das mathematische Problem der Bestimmung der Gierrate aus den gemessenen Sensordaten zu vereinfachen.An additional rotation of the target object around the center of rotation (often given in the real environment, for example when cornering) with a yaw rate ω leads to an overlay of the mean target object speed v 'with the speed component v θ, i , which is caused by the rotation of the target object. The superposition of these speed components influences the radial speed distribution v r, i , which is recorded by the sensor. Due to the additional unknown variables (yaw rate ω, center of rotation), a general determination of the vehicle kinematics in a single cycle can no longer be carried out in a meaningful way. For this reason, the following procedure uses some assumptions about the shape and functionality of vehicles in order to simplify the mathematical problem of determining the yaw rate from the measured sensor data.
Setzt man zur Beschreibung der Kinematik des Zielobjekts ein Einspurmodell mit Vorderachslenkung voraus (klassisches Fahrzeug), lässt sich der Referenzpunkt, um den das Fahrzeug rotiert, durch das Zentrum der Hinterachse genau beschreiben. Dieser Referenzpunkt wird im Folgenden als Drehzentrum
In
Das Rechteck wird beispielsweise unter der Hilfsbedingung an die Punktwolke gefittet, dass die jeweiligen Rechteckseiten a und b orthogonal auf den Hauptkomponenten
Simulationen haben bestätigt, dass die Position des Rotationszentrums nicht exakt bekannt sein muss, um eine robuste Gierratenschätzung zu erhalten. Für die Bestimmung des Rotationszentrums
Da für ein Zielobjekt mehrere räumlich verteilte Detektionen vorhanden sind, kann die geometrische Ausdehnung und somit auch die Orientierung des Zielobjekts bestimmt werden. Die Ermittlung der Orientierung des Zielobjekts erfolgt beispielsweise mit einer Hauptkomponentenanalyse der dem Zielobjekt zugehörigen Detektionen, indem der Winkel der Hauptkomponenten ausgewertet wird. Für die Bestimmung des Rotationszentrums wird die Annahme getroffen, dass eine Abschätzung über die Koordinaten des Clusterzentrums ausreichend ist. Simulationen haben bestätigt, dass die Position des Rotationszentrums nicht exakt bekannt sein muss, um eine robuste Gierratenschätzung zu erhalten. Es verbleiben zwei Unbekannte (Betrag der Zielobjektgeschwindigkeit und Gierrate) für eine Modellgleichung, somit ist die Gleichung unterbestimmt. Daher wird die Modellgleichung für mehrere Detektionen aus einem Messzyklus ausgewertet, was ein überbestimmtes Gleichungssystem mit zwei Unbekannten und N Gleichungen zur Folge hat, wobei N für die Anzahl der betrachteten Detektionen steht. Dieses Gleichungssystem wird mit einem Least-Squares-Schätzverfahren gelöst und man erhält eine Schätzung der Gierrate und des Betrags des Geschwindigkeitsvektors.Since several spatially distributed detections are available for a target object, the geometric extent and thus also the orientation of the target object can be determined. The orientation of the target object is determined, for example, with a main component analysis of the detections associated with the target object, in that the angle of the main components is evaluated. To determine the center of rotation, the assumption is made that an estimate based on the coordinates of the cluster center is sufficient. Simulations have confirmed that the exact position of the center of rotation does not need to be known to get a robust yaw rate estimate. There remain two unknowns (amount of target object speed and yaw rate) for a model equation, so the equation is underdetermined. The model equation is therefore evaluated for several detections from one measurement cycle, which results in an over-determined system of equations with two unknowns and N equations, where N stands for the number of detections considered. This system of equations is solved using a least squares estimation method and an estimate of the yaw rate and the magnitude of the speed vector is obtained.
Die Ausführungsbeispiele zeigen somit eine Kombination eines Least Squares-Schätzverfahrens von mehreren Detektionen mit einer Orientierungsschätzung auf Basis der Hauptkomponentenanalyse, zusammen mit einer Abschätzung des Rotationszentrums. Dadurch kann der Geschwindigkeitsbetrag und die Gierrate des Objekts innerhalb eines Messzyklus mit nur einem Radarsensor ausgewertet werden. Bisher beschriebene Verfahren sind zur Gierratenschätzung eines Zielobjekts in einem Messzyklus auf mindestens zwei Radarsensoren angewiesen, oder benötigen bei Verwendung von einem Radarsensor mehrere Messzyklen um die Gierrate zu bestimmen.The exemplary embodiments thus show a combination of a least squares estimation method of several detections with an orientation estimation based on the principal component analysis, together with an estimation of the center of rotation. As a result, the amount of speed and the yaw rate of the object can be evaluated within one measuring cycle with just one radar sensor. The methods described so far are dependent on at least two radar sensors to estimate the yaw rate of a target object in one measuring cycle, or, if one radar sensor is used, require several measuring cycles to determine the yaw rate.
Eine Modellgleichung zur Beschreibung der Bewegung, insbesondere der Drehung eines Fahrzeugs
Die Punktwolke ℘, die der Sensor liefert besteht aus N Detektionen mit mindestens den Einträgen ri, vD,i und θi:
Die Werte xR und yR (Koordinaten des Gierzentrums
Gleichung (1) kann als Skalarprodukt zweier Vektoren dargestellt werden, wobei der zweite Vektor die Unbekannten v und ω enthält:
Durch Invertieren der Matrix X kann Gleichung (3) nach
Da das Gleichungssystem überbestimmt ist, kann, wie bereits weiter oben erwähnt,
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Fahrzeugvehicle
- 1212th
-
ECU 1 Bremssystem
ECU 1 braking system - 1414th
-
ECU 2 Antriebsstrang
ECU 2 powertrain - 1616
-
ECU 3 Lenksystem
ECU 3 steering system - 1818th
-
ECU 4 Steuereinheit für autonomes Fahren
ECU 4 control unit for autonomous driving - 2020th
- Safety-ECUSafety ECU
- 2424
- GNSSGNSS
- 2626th
- Umfeldsensoren (Radar)Environment sensors (radar)
- 2828
- FahrzeugkommunikationsnetzwerkVehicle communication network
- 3030th
- Notaus-ECUEmergency stop ECU
- 3232
- HMIHMI
- 5050
- Fahrzeug und ZielobjektVehicle and target
- 5151
-
Hinterachse des Fahrzeugs 50Rear axle of the
vehicle 50 - 6161
- HauptkomponenteMain component
- 6262
- HauptkomponenteMain component
- 6060
- Rechteckrectangle
- 6363
- HinterachseRear axle
- 6464
- GierzentrumGreed center
- 260260
-
Sichtfeld des Sensors 26Field of view of
sensor 26 - P1, ... PN P 1 , ... P N
- Punktwolke des ZielobjektsPoint cloud of the target object
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102013019804 A1 [0003]DE 102013019804 A1 [0003]
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R020 | Patent grant now final |