TWI687707B - 障礙物偵測方法及其裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種障礙物偵測方法及其裝置，包括第一感測器與第二感測器可發射第一發射訊號及第二發射二訊號至障礙物，以反射第一回波訊號與第二回波訊號後傳遞至控制器中，令其產生第一平滑訊號與第二平滑訊號後，再利用合理性指標方程式判斷出需被濾除的第一、第二平滑訊號，並將保留的第一、第二平滑訊號帶入辨識值方程式中並平均產生辨識平均值，控制器再根據角度對照表計算出對應辨識平均值的角度值，藉此取得障礙物的角度資訊。本發明透過特殊障礙物定位演算法，可使用成本較低的感測器，即能達到良好的障礙物角度偵測功效。

Description

障礙物偵測方法及其裝置
本發明係有關一種無線電定位技術，特別是指一種具特殊演算法之障礙物偵測方法及其裝置。
雷達(Radar)技術是一種以定向的方式，將電磁波發射到空間裡的一物體，以藉由物體所反射回來的電磁回波，判斷出該物體的大小、方向、位置及速度等資訊。
雷達技術是二戰期間中被應用於軍事用途上的產物，當時的雷達技術係被應用在偵測空中是否具飛行物體，如飛機等。隨著科技逐漸發展，雷達技術也從軍事用途上逐漸被拿來應用船隻航運或車機等系統上，如應用在先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems，ADAS)時，雷達技術即可提供先進駕駛輔助系統偵測障礙物的資訊，令先進駕駛輔助系統根據障礙物的資訊判斷出車輛的行駛路線等。
但應用在先進駕駛輔助系統時，若藉由兩顆雷達探測不同位置的目標距離後，利用三角定位法計算出目標的位置的雷達技術，則會因車輛寬度 會限制到雷達安裝間距，而無法達到定位準度要求。雖然目前先進駕駛輔助系統(ADAS)使用的雷達技術，大多採用單顆積體電路微晶片(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)的雷達裝置，其係為多發多收的雷達，且使用波束合成方法取得障礙物的大小、方向、位置及速度等，以達成目標定位功能，雖準確度較高，但此款單顆積體電路微晶片成本較高。
有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種使用較低成本之一發一收積體電路微晶片之障礙物偵測方法及其裝置，以有效克服上述之該等問題。
本發明之主要目的在提供一種障礙物偵測方法及其裝置，其提出一種特殊的障礙物定位演算法，令本發明能使用成本較低的感測器，即能達到良好的障礙物角度偵測功效。
本發明之另一目的在提供一種障礙物偵測方法及其裝置，其架構簡單且裝置元件的成本低，除了能有效降低成本之外，更因結構簡單可使生產效率提高。
為達上述之目的，本發明在提供一種障礙物偵測方法，步驟包括，首先在不同時間點發射至少一第一發射訊號及至少一第二發射二訊號至至少一障礙物，以分別在不同時間點反射至少一第一回波訊號與至少一第二回波訊號。接收不同時間點的複數第一回波訊號與複數第二回波訊號，並對複數第一回波訊號之複數第一回波強度訊號與複數第二回波訊號之複數第二回波強度訊號進行濾波，以分別產生複數第一平滑訊號與複數第二平滑訊號。接著將每一第一平滑訊號與每一第二平滑訊號分別帶入一合理性指標方程式中，產生複數合理性數值，以判斷每一合理性數值是否符合一合理性指標，若否，不符合合理性指標，則濾除不符合合理性指標之合理性數值所對應的複數第一平滑訊號與複數第二平滑訊號，並進入將複數第一平滑訊號與複數第二平滑訊號分別帶入一辨識值方程式中，以產生複數辨識值並平均複數辨識值後產生一辨識平均值之步驟；但若是，所算出來的合理性數值皆符合合理性指標，則直接進入將複數第一平滑訊號與複數第二平滑訊號分別帶入一辨識值方程式中，以產生複數辨識值並平均複數辨識值後產生一辨識平均值之步驟。最後根據一角度對照表計算出對應辨識平均值的一角度值，以成為障礙物之角度。
其中合理性指標方程式如下所示：
Figure 02_image001
Figure 02_image003
為合理性數值，
Figure 02_image005
為第一平滑訊號，
Figure 02_image007
為第二平滑訊號。辨識值方程式如下所示：
Figure 02_image009
Figure 02_image011
為辨識值，
Figure 02_image005
為第一平滑訊號，
Figure 02_image007
為第二平滑訊號。
其中在將複數第一回波強度訊號與複數第二回波強度訊號進行濾波之步驟前，更包括根據複數第一回波訊號取得障礙物之複數第一距離訊號與複數第一速度訊號，以及根據複數第二回波訊號取得障礙物之複數第二距離訊號與複數第二速度訊號，接著計算每一第一距離訊號與每一第二距離訊號的複數距離差值，以及每一第一速度訊號與每一第二速度訊號的複數速度差值，以擷取同時符合距離範圍值之距離差值與一速度範圍值之速度差值所對應的複數第一回波訊號與複數第二回波訊號後，進入對複數第一回波訊號與複數第二回波訊號進行濾波之步驟。
其中角度對照表包括複數個不同的辨識值範圍，及其對應的複數個不同的角度值範圍。而在根據角度對照表計算出對應辨識平均值的角度值，以成為障礙物之角度的步驟中，係取得辨識平均值所位於的辨識值範圍中，最大辨識值及最小辨識值，及其對應角度值範圍的最大角度值與最小角度值，以帶入一線性內插法計算出角度值。
另外，本發明亦提供一種障礙物偵測裝置，其包括一第一感測器在不同時間點發射至少一第一感測訊號，並接收至少一障礙物反射之至少一第一回傳訊號。一第二感測器相鄰緊靠於第一感測器，且第二感測器之發射端與第一感測器之發射端之間留有一夾角，第二感測器可在不同時間點發射至少一第二感測訊號，並接收障礙物反射之至少一第二回傳訊號。至少一控制器連接第一感測器與第二感測器，以接收第一感測器與第二感測器所傳遞之不同時間點的複數第一回傳訊號及複數第二回傳訊號，並對複數第一回波訊號之複數第一回波強度訊號與複數第二回波訊號之複數第二回波強度訊號進行濾波，以分別產生複數第一平滑訊號與複數第二平滑訊號後，將每一第一平滑訊號與每一第二平滑訊號分別帶入一合理性指標方程式中，以產生複數合理性數值，並濾除不符合一合理性指標之合理性數值所對應之第一平滑訊號與第二平滑訊號，控制器再將複數第一平滑訊號與複數第二平滑訊號分別帶入一辨識值方程式中，以產生複數辨識值，並平均複數辨識值產生一辨識平均值，控制器再根據一角度對照表計算出對應辨識平均值的一角度值，以成為障礙物之角度。
其中第二感測器之發射端與第一感測器之發射端的夾角，係為第一感測器或第二感測器之波束寬度的0.25倍至1.0倍之間。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明為一種障礙物偵測方法及其裝置，其可應用在先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems，ADAS)，以作為先進駕駛輔助系統中偵測障礙物角度、距離及速度等資訊之技術。
請參照第一圖與第二圖，以詳細說明本發明如何達到判斷障礙物角度、距離及速度等資訊之技術，首先說明障礙物偵測裝置1之裝置架構，本發明之障礙物偵測裝置1可供安裝在車輛2上，以偵測車輛2周圍的障礙物與本車車輛2之間的角度、距離及速度等資訊，並將其資訊傳遞給車輛2上所安裝的先進駕駛輔助系統20，使先進駕駛輔助系統20可根據角度、距離及速度等資訊判斷自動駕駛的路徑。
接著請參照第二圖，以詳細說明本發明障礙物偵測裝置1之結構，障礙物偵測裝置1包括一第一感測器10、一第二感測器12以及至少一控制器14，控制器14內更包括有一濾波器142，濾波器142可為移動平均濾波器，以對2~5個訊號進行濾波。本實施例舉例第一感測器10與第二感測器12設置在車輛2前端，第一感測器10與第二感測器12為一發一收的雷達裝置，如頻率調變連續波雷達(FMCW)，第一感測器10會發出一第一感測訊號至一障礙物後，反射一第一回波訊號回第一感測訊號接收，第二感測器12則會發出一第二感測訊號至障礙物，以反射一第二回波訊號回第二感測訊號接收。除此之外，第一感測器10與第二感測器12係相鄰緊靠設置在一起，但第一感測器10之發射端與第二感測器12之發射端之間留有一夾角，夾角的角度為第一感測器10或第二感測器12之波束寬度(beam width)的0.25倍至1.0倍之間，且第一感測器10與第二感測器12的掃頻起始頻率應錯開兩倍中頻頻寬以上，以避免第一感測器10與第二感測器12的訊號互相干擾。
控制器14可為微控制器(Micro Control Unit)、中央處理器(Central Processing Unit，CPU)或計算機等可進行資料處理之裝置，控制器14訊號連接第一感測器10與第二感測器12，控制器14可控制第一感測器10與第二感測器12發射第一感測訊號與第二感測訊號，並接收第一感測器10與第二感測器12傳遞的第一回波訊號與第二回波訊號，令控制器14根據第一回波訊號與第二回波訊號判斷出障礙物相對於車輛的角度、距離及速度等資訊，令控制器14可將障礙物的資訊傳遞給先進駕駛輔助系統20進行自動駕駛路徑的判斷。
在說明完本發明之裝置架構後，接下來請配合參照第一圖至第三圖，以說明障礙物偵測裝置1如何計算出障礙物相對於車輛2的角度之方法，如第三圖所示，首先進入步驟S10，控制器14控制第一感測器10與第二感測器12第一發射訊號及第二發射訊號至至少一障礙物，以反射第一回波訊號至第一感測器10，以及反射第二回波訊號至第二感測器12，第一感測器10與第二感測器12再將第一回波訊號與第二回波訊號傳遞至控制器14中。本實施例舉例控制器14在一段時間內控制第一感測器10與第二感測器12發出第一發射訊號與第二發射訊號並接收第一回波訊號與第二回波訊號後，再次控制第一感測器10與第二感測器12發出第一發射訊號與第二發射訊號並接收第一回波訊號與第二回波訊號，因此一段時間後控制器14就可以擷取到不同時間點的多個第一回波訊號與第二回波訊號。
其中控制器14內具有判斷第一感測器10與第二感測器12所傳遞的第一回波訊號與第二回波訊號，是否為同一個障礙物的回波訊號之方法，其判斷方法如下，首先根據每一個第一回波訊號，判斷出障礙物的第一距離訊號與第一速度訊號，以及根據每一第二回波訊號取得障礙物的第二距離訊號與第二速度訊號；接著計算每一第一距離訊號與每一第二距離訊號的距離差值，並判斷距離差值是否符合一距離範圍值，以方程式表示如下：
Figure 02_image013
其中
Figure 02_image015
為第一距離訊號，
Figure 02_image017
為第二距離訊號，
Figure 02_image019
為距離範圍值。接著再計算每一第一速度訊號與每一第二速度訊號的速度差值，並判斷速度差值是否符合一速度範圍值，以方程式表示如下所示：
Figure 02_image021
其中
Figure 02_image023
為第一速度訊號，
Figure 02_image025
為第二速度訊號，
Figure 02_image027
為速度範圍值。經上述判斷後，控制器14即可擷取同時符合距離範圍值之距離差值與速度範圍值之速度差值，所對應的複數第一回波訊號與複數第二回波訊號，以進入下一步驟S12，令控制器14對可使用的複數第一回波訊號與複數第二回波訊號進行處理。
如步驟S12所示，控制器14接收不同時間點的複數第一回波訊號與複數第二回波訊號，並取得複數第一回波訊號(signal strength)之複數第一回波強度訊號，以及複數第二回波訊號之複數第二回波強度訊號，以利用濾波器142對複數第一回波強度訊號，以及複數第二回波強度訊號進行濾波，以分別產生複數第一平滑訊號(smoothed signal strength)與複數第二平滑訊號。接著進入步驟S14，控制器14將每一第一平滑訊號與每一第二平滑訊號分別帶入一合理性指標方程式中，以計算出複數合理性數值，其中合理性指標方程式如下所示：
Figure 02_image001
Figure 02_image003
為合理性數值，
Figure 02_image005
為第一平滑訊號，
Figure 02_image007
為第二平滑訊號。控制器14計算出複數合理性數值後，判斷每一合理性數值是否符合一合理性指標，若否，合理性數值不符合合理性指標時，則進入步驟S16，控制器14將不符合合理性指標之複數合理性數值所對應的複數第一平滑訊號與複數第二平滑訊號濾除，並進入下一步驟S18；但若是，合理性數值皆符合合理性指標時，則直接進入下一步驟S18。
如步驟S18所示，控制器14將被保留的複數第一平滑訊號與複數第二平滑訊號分別帶入一辨識值方程式中，以產生複數辨識值，其中辨識值方程式如下所示：
Figure 02_image009
Figure 02_image011
為辨識值，
Figure 02_image005
為第一平滑訊號，
Figure 02_image007
為第二平滑訊號，接著控制器14將計算出來的複數辨識值利用濾波器142進行平均，以產生一辨識平均值。最後進入步驟S20，控制器14根據一角度對照表計算出對應辨識平均值的一角度值，以得出障礙物之角度。
接下來請配合參照第一圖至第四圖，以詳細說明步驟S20時，控制器14如何利用角度對照表計算出對應辨識平均值的角度值，首先請參第四圖，其為角度對照表示意圖，角度對照包括有複數個不同的辨識值範圍，及其對應的複數個不同的角度值範圍。第四圖中的複數個不同的辨識值範圍，及其對應的複數個不同的角度值範圍的數值，僅作為實施例說明，並非用以限定辨識值範圍及角度值範圍的數值，以及為使本實施方式內容更加明確，在說明控制器14如何利用角度對照表計算出對應辨識平均值的角度值時，則帶入一實際數值進行說明，詳述如下。舉例來說控制器14在步驟S18時，所計算出的辨識平均值為0.72，對照第四圖之角度對照表發現，0.72的數值介於0.7383 ~ 0.7109的辨識值範圍中，其對應的角度值範圍為-8.0012 ~ -7.1428，因此控制器14擷取該辨識值範圍的最大辨識值0.7383及最小辨識值0.7109，以及對應角度值範圍的最大角度值-7.1428與最小角度值-8.0012，帶入一線性內插法計算出角度值，其演算的方程式如下所示： 角度值=
Figure 02_image029
藉由上述演算方程式即可得知角度值為-7.4279，也就是說障礙物的位置係位於本車車輛的-7.4279方位角，此時控制器14即可提供該角度值給先進駕駛輔助系統20，以及提供先前根據第一回波訊號判斷出障礙物的第一距離訊號與第一速度訊號，根據每第二回波訊號取得障礙物的第二距離訊號與第二速度訊號給先進駕駛輔助系統20，令先進駕駛輔助系統20作為自動駕駛的判斷資訊。
綜上所述，本發明提出一種特殊的障礙物定位演算法，令本發明使用成本較低的感測器，即能達到良好的障礙物角度偵測功效，且本發明架構簡單且成本低，除了能有效降低成本之外，更因結構簡單可有效提升生產效率。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1:障礙物偵測裝置 10:第一感測器 12:第二感測器 14:控制器 142:濾波器 2:車輛 20:先進駕駛輔助系統
第一圖係為本發明之障礙物偵測裝置安裝於車輛示意圖。 第二圖係為本發明之障礙物偵測裝置方塊圖。 第三圖係為本發明之障礙物偵測方法流程圖。 第四圖係為本發明之角度對照表示意圖。
1:障礙物偵測裝置
10:第一感測器
12:第二感測器
14:控制器
142:濾波器

Claims (17)

  1. 一種障礙物偵測方法，包括下列步驟： 在不同時間點發射至少一第一發射訊號及至少一第二發射二訊號至至少一障礙物，以反射至少一第一回波訊號與至少一第二回波訊號； 將不同時間點的複數該第一回波訊號之複數第一回波強度訊號與複數該第二回波訊號之複數第二回波強度訊號進行濾波，以分別產生複數第一平滑訊號與複數第二平滑訊號； 將每一該第一平滑訊號與每一該第二平滑訊號分別帶入一合理性指標方程式中，產生複數合理性數值，以判斷每一該合理性數值是否符合一合理性指標： 若否，則濾除不符合該合理性指標之該等合理性數值所對應之該等第一平滑訊號與該等第二平滑訊號，並進入下一步驟；及 若是，則直接進入下一步驟； 將該等第一平滑訊號與該等第二平滑訊號分別帶入一辨識值方程式中，以產生複數辨識值，並平均該等辨識值產生一辨識平均值；以及 根據一角度對照表計算出對應該辨識平均值的一角度值，以成為該障礙物之角度。
  2. 如請求項1所述之障礙物偵測方法，其中該合理性指標方程式如下所示：
    Figure 03_image001
    其中該
    Figure 03_image003
    為該合理性數值，該
    Figure 03_image005
    為該第一平滑訊號，該
    Figure 03_image007
    為該第二平滑訊號。
  3. 如請求項1所述之障礙物偵測方法，其中該辨識值方程式如下所示：
    Figure 03_image009
    其中該
    Figure 03_image011
    為該辨識值，該
    Figure 03_image005
    為該第一平滑訊號，該
    Figure 03_image007
    為該第二平滑訊號。
  4. 如請求項1所述之障礙物偵測方法，其中在將該等第一回波強度訊號與該等第二回波強度訊號進行濾波之步驟前，更包括： 根據該等第一回波訊號取得該障礙物之複數第一距離訊號與複數第一速度訊號，以及根據該等第二回波訊號取得該障礙物之複數第二距離訊號與複數第二速度訊號；以及 計算每一該第一距離訊號與每一該第二距離訊號的複數距離差值，以及每一該第一速度訊號與每一該第二速度訊號的複數速度差值，擷取同時符合一距離範圍值之該等距離差值與一速度範圍值之該等速度差值，所對應的該等第一回波訊號與該等第二回波訊號後，進入對該等第一回波訊號與該等第二回波訊號進行濾波之步驟。
  5. 如請求項1所述之障礙物偵測方法，其中該角度對照表包括複數個不同的辨識值範圍，及其對應的複數個不同的角度值範圍。
  6. 如請求項5所述之障礙物偵測方法，其中在根據該角度對照表計算出對應該辨識平均值的該角度值，以成為該障礙物之角度之步驟中，係取得該辨識平均值所位於之該辨識值範圍中，最大辨識值及最小辨識值，及其對應的該角度值範圍中最大角度值與最小角度值，以帶入一線性內插法計算出該角度值。
  7. 如請求項1所述之障礙物偵測方法，其中對該第一回波強度訊號以及該第二回波強度訊號進行濾波，以分別產生該等第一平滑訊號與該等第二平滑訊號之步驟中，係使用移動平均濾波器對該第一回波訊號以及該第二回波訊號進行濾波。
  8. 如請求項1所述之障礙物偵測方法，其中在平均該等辨識值產生該辨識平均值之步驟中，係使用移動平均濾波器產生該辨識平均值。
  9. 一種障礙物偵測裝置，包括： 一第一感測器，在不同時間點發射至少一第一感測訊號，並接收至少一障礙物反射之至少一第一回傳訊號； 一第二感測器，相鄰緊靠於該第一感測器，且該第二感測器之發射端與該第一感測器之發射端之間留有一夾角，該第二感測器可在不同時間點發射至少一第二感測訊號，並接收該障礙物反射之至少一第二回傳訊號；以及 至少一控制器，連接該第一感測器與該第二感測器，接收不同時間點的複數該第一回傳訊號及複數該第二回傳訊號，並對該等第一回波訊號之複數第一回波強度訊號與該等第二回波訊號之複數第二回波強度訊號進行濾波，以分別產生複數第一平滑訊號與複數第二平滑訊號後，該控制器將每一該第一平滑訊號與每一該第二平滑訊號分別帶入一合理性指標方程式中，以產生複數合理性數值，並濾除不符合一合理性指標之該合理性數值所對應之該等第一平滑訊號與該等第二平滑訊號，並將該等第一平滑訊號與該等第二平滑訊號分別帶入一辨識值方程式中，以產生複數辨識值，並平均該等辨識值產生一辨識平均值，該控制器再根據一角度對照表計算出對應該辨識平均值的一角度值，以成為該障礙物之角度。
  10. 如請求項9所述之障礙物偵測裝置，其中該第一感測器與該第二感測器可為雷達。
  11. 如請求項9所述之障礙物偵測裝置，其中該第二感測器之該發射端與該第一感測器之該發射端的夾角，係為該第一感測器或該第二感測器之波束寬度(beam width)的0.25倍至1.0倍之間。
  12. 如請求項9所述之障礙物偵測裝置，其中該合理性指標方程式如下所示：
    Figure 03_image001
    其中該
    Figure 03_image003
    為該合理性數值，該
    Figure 03_image005
    為該第一平滑訊號，該
    Figure 03_image007
    為該第二平滑訊號。
  13. 如請求項9所述之障礙物偵測裝置，其中該辨識值方程式如下所示：
    Figure 03_image009
    其中該
    Figure 03_image011
    為該辨識值，該
    Figure 03_image005
    為該第一平滑訊號，該
    Figure 03_image007
    為該第二平滑訊號。
  14. 如請求項9所述之障礙物偵測裝置，其中該控制器將該等第一回波強度訊號與該等第二回波強度訊號進行濾波之前，該控制器更可計算每一該第一回波訊號之第一距離訊號與每一該第二回波訊號之第二距離訊號的距離差值，以及每一該第一回波訊號之第一速度訊號與每一該第二回波訊號之第二速度訊號的速度差值，以擷取同時符合一距離範圍值之該等距離差值與一速度範圍值之該等速度差值，所對應的該等第一回波訊號與該等第二回波訊號後，對該等第一回波訊號與該等第二回波訊號進行濾波。
  15. 如請求項9所述之障礙物偵測裝置，其中該角度對照表包括複數個不同辨識值範圍，及其對應的複數個不同的角度值範圍。
  16. 如請求項15所述之障礙物偵測裝置，其中該控制器計算該障礙物之角度時，係取得該辨識平均值所位於之該辨識值範圍中，最大辨識值及最小辨識值，及其對應的該角度值範圍中最大角度值與最小角度值，以帶入一線性內插法計算出該角度值。
  17. 如請求項9所述之障礙物偵測裝置，其中該控制器更包括一移動平行濾波器，以對該第一回波強度訊號以及該第二回波強度訊號進行濾波，以及平均該等辨識值，以產生該辨識平均值。
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