CN112566828A - 用于车辆的驾驶辅助方法、控制单元、驾驶辅助系统和车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于车辆(1)的驾驶辅助方法(T),其中,(i)求取(T1)所述车辆(1)的瞬时速度(v)和所述车辆(1)的瞬时横摆速率(ω)和(ii)基于所述车辆(1)的所求取的瞬时速度(v)和所求取的瞬时横摆速率(ω)实施(T2)所述车辆(1)的自定位过程,其中,为此直接感测、分析评价所述车辆(1)的一个或多个车轮(4)的瞬时车轮周向速度(V)并且将其作为求取(T1)所述车辆(1)的所述瞬时速度(v)和所述瞬时横摆速率(ω)的基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的驾驶辅助方法、一种用于车辆的驾驶辅助系统的控制单元和一种驾驶辅助系统以及一种车辆本身。
背景技术
车辆的驾驶辅助方法和驾驶辅助系统越来越受欢迎。这种方法和系统的基本方面是车辆的自定位能力,例如关于车辆相对于车道、周围环境对象、周围交通和尤其是相对于停车空位等的定位和取向。
在传统的系统和方法中,基于这种驾驶辅助方法和驾驶辅助系统的实时请求,利用所谓的车轮脉冲计数器或WICS(英文缩写“wheel impulse conter”)的信号。然而,在低速范围中,例如在以小于5km/h泊车时,这些信号通常以不足够的测量精度提供值。
发明内容
与此相应地,具有权利要求1特征的根据本发明的驾驶辅助方法具有以下优点:即使在低速范围中也以足够的测量精度为所基于的车辆的自定位提供测量值。根据本发明,这通过权利要求1的特征由此实现:提出一种用于车辆的驾驶辅助方法,其中,(i)求取车辆的瞬时速度和车辆的瞬时横摆速率,并且其中,(ii)基于车辆的所求取的瞬时速度和所求取的瞬时横摆速率实施车辆的自定位过程,其中,为此直接感测、分析评价车辆的一个或多个车轮的瞬时车轮周向速度并将其作为求取车辆的瞬时速度和瞬时横摆速率的基础。相比于一般所使用的车轮脉冲计数器测量值,一个或多个车轮的车轮周向速度的测量可以以更高的测量精度实现。由此,根据本发明,在所基于的车辆的自定位中总体上也产生更高的精度。
从属权利要求示出本发明的优选扩展方案。
在根据本发明的驾驶辅助方法的一个优选实施方式中,通过车轮周向速度传感器感测并且提供对应的瞬时车轮周向速度。
特别有利的是,在根据本发明的驾驶辅助方法的一个实施方式中,通过将较早测量时间点的测量值朝向实时评价时间点实施时间外推法来补偿所感测的瞬时车轮周向速度的时间延迟。通过该措施可以补偿测量数据的在多个车轮周向速度传感器的情况下由于时间延迟而不总是足够的实时性或精确性,使得优选出现实时应用的优点。
当补偿(i)通过从先前测量时间点到实时评价时间点的时间积分进行,(ii)基于用于车辆的瞬时加速度的一个或多个测量值和/或基于车辆的单轨模型进行时,可以实现该补偿的特别简单的构型。
在根据本发明的驾驶辅助方法的另一有利的实施例中,当在求取车辆的瞬时速度和瞬时横摆速率时提供摩尔伪反演的过程并且将其应用于所求取的车轮周向速度时,得出各处理步骤的在实现方面特别有利且快速的可实施性。通过这些所设置的措施,以有利且同时可靠的方式利用描述车辆状态的多个不同参量之间的关联,即一方面要确定的车辆瞬时速度和瞬时横摆速率与车轮周向速度的可测量值之间的关联。
这尤其可以由此进行,即,在求取车辆的瞬时速度和瞬时横摆速率时并且为了进行求取,产生在所基于的车辆的状态和由所求取的各个车轮周向速度所求出的矢量之间的变换矩阵的摩尔伪反演,并且为了提供车辆的瞬时速度和瞬时横摆速率将该变换矩阵的摩尔伪反演应用到由所求取的各个车轮周向速度算出的矢量。在此,车辆的状态尤其描述车辆的瞬时速度和瞬时横摆速率。可选地,也可以考虑关于车辆的一个或多个车轮的车轮接触点经过的行程长度,所述车轮接触点经过的行程长度也可以被称为车轮接触点的瞬时经过的行程长度。
摩尔伪反演的优点在于在其分析学上可给出的描述和结构以及其如下特性方面:可以在没有数值方法或迭代的情况下固有地最小化或优化所基于的标准。
如果根据本发明的驾驶辅助方法的另一有利扩展方案除了车轮周向速度附加地也感测、分析评价车辆的一个或多个车轮的接触点的瞬时经过路程,并且将其作为求取车辆的瞬时速度、瞬时横摆速率、瞬时位置和/或瞬时取向的基础,能实现自定位时的精度的特别高的量度。
在此,可以以有利的方式通过对应的车轮脉冲计数器在考虑针对车轮周长所提供的值的情况下感测和提供车辆的车轮的对应接触点的对应瞬时经过的路程。因此,通过这些措施,根据本发明可以利用在ESP系统中根反正已提供的测量值。
在此,当按照根据本发明的驾驶辅助方法的另一有利构型方式将车辆的一个或多个车轮的对应的所感测的瞬时车轮周向速度和车辆的一个或多个车轮的接触点的对应的所感测的瞬时经过的路程馈送给贝叶斯滤波器和尤其扩展的卡尔曼滤波器,用于对车辆的瞬时位置和/或瞬时取向进行评价、可信性测验和/或确定时,能进一步提高精度。
根据本发明的另一方面,提出一种用于车辆的驾驶辅助系统的控制单元,其中,该控制单元设置为用于引发、实施、控制和/或调节根据本发明的驾驶辅助方法。
此外,本发明的主题也包括用于车辆本身的驾驶辅助系统,其中,所述驾驶辅助系统设置为用于引发、实施、控制和/或调节根据本发明的驾驶辅助方法,和/或其中,所述驾驶辅助系统具有根据本发明构型的控制单元或与这种根据本发明构型的控制单元的作用连接。
根据本发明的驾驶辅助方法和根据本发明的驾驶辅助系统可以纯硬件技术地理解和实现,例如也作为用于控制车辆运行的设备来理解和实现。
例如可以考虑实现为ASIC。替代于此,可以考虑纯方法技术地实现,例如与根据本发明的驾驶辅助方法的和驾驶辅助系统的计算机实现相关联地实现,优选与用于控制车辆运行的方法相关联地实现或实现为用于控制车辆运行的方法。也可以考虑组合式或混合式系统,在这些系统中,本发明的部分方面在硬件技术上和/或在软件技术上或方法技术上实现。
此外,本发明也提出一种车辆本身。根据本发明的车辆设置为用于与根据本发明构型的驾驶辅助方法一起使用。替代地或附加地,所提出的车辆构造有根据本发明的驾驶辅助系统。
附图说明
参考附图详细说明本发明的实施方式。
图1按照示意性方框图的类型示出根据本发明构型的车辆,其中,使用根据本发明的车辆驾驶方法的一个实施方式,
图2示出按照驾驶辅助方法的类型的根据本发明的驾驶辅助系统的一个实施方式的流程图,
图3以示意性的方式阐述在根据本发明的驾驶辅助系统或驾驶辅助方法的一个实施方式中所使用的、关于所基于的车辆的状态的多个不同参数,
图4至7示出用于阐述根据本发明的驾驶辅助系统和驾驶辅助方法的实施方式的作用方式的曲线图。
具体实施方式
下面,参考图1至7来详细说明本发明的实施例和技术背景。相同的和等效的以及相同作用或等效作用的元件和部件用相同的附图标记表示。不会在这些相同附图标记出现的任何情况下都对所表示的元件和部件再进行详细说明。
所示出的特征和其他特性可以以任意形式相对彼此独立并且可以任意地相互组合,而不偏离本发明的核心。
图1按照示意性方框图的方式示出根据本发明构型的车辆1,该车辆使用根据本发明的驾驶辅助系统100的实施方式和/或根据本发明的驾驶辅助方法T的实施方式。
示意性地示出地,根据本发明的车辆1具有车身2、车轮4、具有驱动系31的驱动部30和具有转向和/或制动系41的用于转向和制动的系统40。
此外,设置用于所基于的本发明驾驶辅助系统100的根据本发明构型的控制单元50,该控制单元例如也可以构造为车辆控制装置的一部分或马达控制装置的一部分并且该控制单元通过控制和/或感测线路51与驱动部30和用于制动和转向的系统40建立连接。
此外,控制单元50通过控制和/或感测线路51也与传感器10连接,即呈用于车轮周向速度的传感器形式的第一传感器10-1和呈车轮脉冲计数器形式的第二传感器10-2。
在车辆1的运行中,通过传感器10、10-1、10-2将关于车轮周向速度或关于车轮转速或者关于车轮旋转角度的相应测量信号馈送给控制单元50,并且在使用贝叶斯滤波器和尤其卡尔曼滤波器20的情况下所述测量信号经受进一步处理和分析,以便一方面生成、提供车辆速度v的值和横摆速率ω的值,并且另一方面生成、提供由车轮4的对应接触点所经过的路程S的值,并且由此即使在车辆1的速度低的情况下也以高可靠性度来提供车辆1在环境中的位置和/或取向。
图2示出根据本发明的构型为驾驶辅助方法T的驾驶辅助系统100的一个实施方式的流程图。
根据核心,根据本发明的驾驶辅助方法T的根据图2的实施方式划分为:(i)用于求取车辆1的速度v和横摆速率ω的步骤T1,(ii)基于提供的测量值和/或由此推导出的数据自定位车辆1的步骤T2,(iii)感测和评价车辆周围环境的步骤T3以及(iv)基于该自定位和对车辆周围环境的评价来控制车辆总成的步骤T4。
求取车辆1的速度v和横摆速率ω的步骤T1划分成一系列子步骤T1-1至T1-3。
在第一子步骤T1-1中,感测关于一个或多个车轮4的车轮周向速度V,尤其通过利用用于配属的车轮4的车轮周向速度V的相应传感器10-1进行直接测量。
在第二子步骤T1-2中,补偿在感测车轮周向速度V时可能出现的时间延迟,例如通过借助时间积分向将来进行时间外推法来补偿,如在下面结合本发明的优选实施方式对此所做的详细阐述。
最终,在第三子步骤T1-3中,生成和提供所基于的车辆1的速度v和横摆速率ω。
在本发明的一个实施方式中,车辆1的自定位的步骤T2也可以划分为一系列子步骤T2-1至T2-3。
在第一子步骤T2-1中,针对一个或多个车轮4感测车轮接触点的瞬时经过的行程S,尤其通过直接测量来感测和/或基于车辆1的对应配属的车轮4的车轮半径、车轮直径和/或车轮周长、与由WIC传感器10-2所读取的测量数据相结合地来感测。
在第二子步骤T2-2中,将贝叶斯滤波器和尤其卡尔曼滤波器20应用于所感测的数据,即一方面应用于所基于的车辆1的速度v和横摆速率ω并且另一方面应用于针对车轮接触点的瞬时经过的路程S所感测的数据。
在另一子步骤T2-3中,由此对所基于的车辆1在其环境中的位置和/或取向进行确定和/或可信性检验。
这样以高可靠性产生的、关于车辆1在其周围环境中的位置和/或取向的数据则在步骤T3中成为对车辆周围环境进行评价的基础并且接着在步骤T4中成为控制至少一个车辆总成的基础,例如与控制车辆1的转向和制动的系统40和/或驱动部30相结合。
借助下面的说明进一步阐述本发明的这些和另外的特征和特性:
精确的车辆自定位
自动化泊车系统的客户接受度提高导致这种系统被越来越多地使用。在此,通过应用者来评价整个系统的性能并且自定位的概念在这方面中起重要作用。
在自动化泊车的范畴中的两个决定性的且可测量的方面是(i)存在或不存在路边石棱边和(ii)用于给定车辆的停车位所必须的最小尺寸。这些方面的影响可以降低,以便改善客户体验。然而,为了实现这种目标,在泊车期间更精确地定位车辆是基本前提。
本发明提出一种新的用于使用可从传统ESP系统推导出的信息的方法。
通过根据本发明的方法,提高了在自动化的驾驶和泊车的系统中的工作能力,而不需要新的或附加的传感器并且不必分析评价新的和/或附加的ESP系统信号。在速度低的情况下,传统的自定位算法使用能从在ESP系统中使用的车轮脉冲计数器(英文:WheelImpulse Counter或WIC)中读取出的信息。相应的测量值虽然带有已知的、固定的时间延迟地可供使用,然而为了评价车辆速度和横摆速率,相应的测量值由于量化而被施加以相对较高的误差并且因此不精确并且因此在车辆应用中、例如在自动化行驶或泊车时不允许精确地自定位。
通常,不使用来自用于车轮周向速度或车轮旋转速度(每单位时间的路程长度)的传感器的更精确的测量值。
这是由于,
(A)在低于感测时间的确定阈值的情况下,用于车轮周向速度或车轮旋转速度的传感器的测量值不是直接可用的,和
(B)用于车轮周向速度或车轮旋转速度的传感器的测量值仅带有可变延迟地可用。
因此,这两者都基于与此相关的信号预处理和相应的超时比例。
估计车辆速度和横摆速率
根据本发明,车辆1一般可以具有四轮转向。这意味着,根据本发明,车辆1的全部四个车轮4都可以是可转向的。
此外,在根据本发明的方法中并且在实现为算法时可以实现实时转换,尽管在根据本发明的方法的一个构型形式中在分析评价时包含矩阵反演。
待反演的矩阵的维数例如可以通过使用扩展信息滤波器相对于扩展卡尔曼滤波器或扩展的卡尔曼滤波器这样降低,使得根据本发明的方法和算法由于小计算时间而保持实时性。
此外,在根据本发明的方法的其他构型方式中可以引入延迟补偿,使得尤其可以使用来自用于车轮周向速度或车轮旋转速度的传感器的测量值。
由车轮速度得出车辆的速度和横摆速率
如果横摆速率ω-即车辆1的横摆角度的时间变化率-和车辆1的速度v已给出并且被作为状态表示,则可以借助合适的变换矩阵通过下面的表达来描述也被称为车轮速度或车轮周向速度的车轮旋转速度V(所有概念同义地使用):
V=H(u)·x (1.1.1)
H(u)=(cos(δ-γ)rx·sinδ-ry·cosδ) (1.1.2)
u=(δγ rx ry)T (1.1.3)
仅给出了车轮周向速度或车轮速度V的测量值,然而没有给出状态x本身。因此,值得期望的是,寻找对于状态x来说的最佳估计,该最佳估计使被选为评价的品质量度的、所基于的标准的值-即在这里例如最小标准的值最小化:
该问题可以被解决,其方式是,确定和使用配属于矩阵H(u)的伪反演pinv(H(u))(替代本来需要的反演)。该伪反演或者是明确的最小二乘解,或者是根据1.1.4的最小标准的最小二乘解:
伪反演的分析解
根据本发明地使用伪倒置pinv(H(u))的优点在于,可以针对矩阵H(u)分析性计算伪反演pinv(H(u)),由此,可以例如基于以下表达式1.1.6在实时应用中容易地实现该计算方法。
j=b(c(bc-ad)-afe-ahg+be2+bg2)+
a(ad2+af2+ah2-bcd-bef-bgh)-
cfde-decf-chdg-dgch+c2f2+
c2h2+d2e2+d2g2-fgeh-ehfg+e2h2+f2g2 (1.1.6)
对车辆速度和横摆速率的延迟补偿
在时间点K=k·Ts,由于信号的时间延迟,具有值Vk的直接速度测量不可用。假设在时间L=I·Ts,其中k>1,测量V1可用,则可以例如根据(1.1.7)确定相应的状态x:
在之后的时间点K=k·Ts确定值的可能性例如可以在于,将状态x的变化在时间上积分,即从时间点L至时间点K进行积分,例如根据表达式(1.1.8):
为了根据表达式(1.1.10)计算用于这种描述的值,用于加速度A的测量值和用于旋转中心或转动中心的测量值或用于旋转中心的相应间距R的测量值对于单轨模型来说必须在没有明显延迟的情况下可供使用并且是已知的。在使用来自ESP系统的关于加速度的测量时,必须进行偏移估算。
应用测量和模拟概念
在图4和5中,以曲线图140、150的形式示出用于横摆速率和速度的多个不同信号的、作为时间t函数的轨迹143-1至153-3,更确切地说作为平行泊车场景的一部分。
实线轨迹143-1、153-1涉及用于描述实际情况的参考系统。通过与DGPS系统耦合的惯性测量单元记录与参考系统相关联的测量,以便补偿传感器误差,例如偏移、漂移和增益。
从车轮周向速度或车轮速度计算出的值作为导出值或估计值在轨迹143-2、153-2中以虚线示出。这些值具有时间延迟并且根据表达式(1.1.7)来确定。
在轨迹143-3、153-3中以点划线示出通过加速度测量在时间延迟方面经补偿的测量,相应的值根据表达式(1.1.10)产生。
在图4和5的曲线图140和150中,在横坐标141和151上绘制时间。在纵坐标142和152上绘制横摆速率或车辆速度。
融合概念
在将贝叶斯滤波器和尤其扩展的卡尔曼滤波器(extended Kalman filter)与用于实际的变换矩阵H(u)的上述伪反演一起使用的情况下,可以将测量车轮周向速度V的值和测量车轮接触点或车轮支承点所经过的路程S的值相融合或相结合。
在该描述中,Ts是采样时间。参量rx和ry表示接触点矢量。参量δ标记单个车轮旋转角度的矢量。对于这些参量得出以下分量描述(1.2.2):
测量函数h描述了,可以如何将测量z的值作为系统状态x和输入值或初始值u的函数确定。得到以下分量描述(1.2.3):
在该描述中以下参量根据分量描述(1.2.4)出现:
在此,参量Si表示由相应车轮接触点所经过的路程,该路程可以基于所配属的车轮4的相应周长和由WIC传感器中读取出的值来求取。参量和表示在使用上述方法的情况下的速度或横摆速率的值或者速度或横摆速率的估计值。
以测量来更新:Kk=Ψk·Sk -1
在按照(1.2.5)的关联中,P表示系统协方差,S表示改进协方差(Innovationskovarianz),K表示卡尔曼增益,Q表示系统噪声,R表示测量噪声。以ψ表示辅助参量。
矩阵F和H在该关联中以表达式(1.2.6)和(1.2.7)定义。
在一个优选实施方式中,根据上述模式(1.2.5)使用贝叶斯滤波器和尤其扩展的卡尔曼滤波器,以便确定或估计v和ω的值。在此,一般求取包含S的完整状态。
然而,在此,S仅由v和ω集成。由此,可以在滤波器以外求取车辆1的可以由v和ω计算出的位置。为此,得出根据表达式(1.2.6)的描述:
在此,s不能直接被S的测量影响。尽管如此,通过v和ω的状态或值间接校正s。
由此,可以确定或估计车辆1的位置,更确切地说从v和ω的状态或值并且通过经过的行程确定或估计,更确切地说与接触点的行程符合并且一致地确定或估计。
模拟结果
在图6和7中,在曲线图160和170中,示出针对与前面所说明的场景相同的场景的模拟结果。
在图6和7的曲线图160和170中,在横坐标161和171上绘制时间。在纵坐标162和172绘制横摆速率或车辆速度。
实线轨迹163-1和173-1也涉及参考测量,虚线示出的轨迹163-2和173-2涉及在使用贝叶斯滤波器和尤其是扩展的卡尔曼滤波器20(EKF)的情况下生成的值。
可以看出,尤其是在速度v和横摆速率ω的伪测量可用的那段时间期间,由贝叶斯滤波器和尤其扩展的卡尔曼滤波器20进行的最后的或最终有效的确定或估计非常好。角速率的精度可以通过在使用单轨模型情况下进行的伪测量或简单地通过对横摆速率进行测量而进一步改善。
Claims (10)
1.一种用于车辆(1)的驾驶辅助方法(T),其中,
-求取(T1)所述车辆(1)的瞬时速度(v)和所述车辆(1)的瞬时横摆速率(ω)和
-基于所述车辆(1)的所求取的瞬时速度(v)和所求取的瞬时横摆速率(ω)实施(T2)所述车辆(1)的自定位过程,
其中,为此直接感测、分析评价所述车辆(1)的一个或多个车轮(4)的瞬时车轮周向速度(V)并且将其作为求取(T1)所述车辆(1)的瞬时速度(v)和瞬时横摆速率(ω)的基础。
2.根据权利要求1所述的驾驶辅助方法(T),其中,通过车轮周向速度传感器感测和提供对应的瞬时车轮周向速度(V)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的驾驶辅助方法(T),其中,通过将较早测量时间点的测量值朝向实时评价时间点实施外推法来补偿所感测的瞬时车轮周向速度(V)的时间延迟,尤其是(i)通过从较早测量时间点到实时评价时间点的时间积分来补偿,(ii)基于所述车辆(1)的瞬时加速度(A)的一个或多个测量值和/或基于所述车辆(1)的单轨模型来补偿。
4.根据上述权利要求中任一项所述的驾驶辅助方法(T),其中,在求取(T1)所述车辆(1)的瞬时速度(v)和瞬时横摆速率(ω)时提供摩尔伪反演的过程并且将该过程应用于所求取的车轮周向速度(V)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的驾驶辅助方法(T),其中,在求取(T1)所述车辆(1)的瞬时速度(v)和瞬时横摆速率(ω)时并且为了所述求取,产生在所述车辆(1)的状态(x)和由所求取的各车轮周向速度(V)算出的矢量之间的变换矩阵(H(u))的摩尔伪反演(pinv(H(u))),并且为了提供所述车辆(1)的瞬时速度(v)和瞬时横摆速率(ω)将该摩尔伪反演应用于由所求取的各车轮周向速度(V)算出的矢量上。
6.根据上述权利要求中任一项所述的驾驶辅助方法(T),其中
-附加地感测、分析评价所述车辆(1)的一个或多个车轮(4)的接触点的瞬时经过的路程(S)并且将其作为求取(T1)所述车辆(1)的瞬时速度(v)、瞬时横摆速率(ω)、瞬时位置和/或瞬时取向的基础,尤其是,
-在考虑所提供的、所述车轮(4)的周长值的情况下,通过对应的车轮脉冲计数器来感测和提供所述车辆(1)的车轮(4)的对应接触点的对应的瞬时经过的路程(S)。
7.根据权利要求6所述的驾驶辅助方法(T),其中,将所述车辆(1)的一个或多个车轮(4)的对应的所感测的瞬时车轮周向速度(V)和所述车辆(1)的一个或多个车轮(4)的接触点的对应的所感测的经过的路程(S)馈送给贝叶斯滤波器(20)和尤其扩展的卡尔曼滤波器(20),用于对所述车辆(1)的瞬时位置和/或瞬时取向进行评价、可信性检验和/或确定。
8.一种用于车辆(1)的驾驶辅助系统(100)的控制单元(50),其中,所述控制单元(50)设置为用于引发、实施、控制和/或调节根据上述权利要求中任一项所述的驾驶辅助方法(T)。
9.一种用于车辆(1)的驾驶辅助系统(100),其中,所述驾驶辅助系统(100)设置为用于引发、实施、控制和/或调节根据上述权利要求1至7中任一项所述的驾驶辅助方法(T),和/或具有根据权利要求8所述的控制单元(50)或与这种控制单元(50)的作用连接。
10.一种车辆(1),所述车辆设置为用于通过根据权利要求1至7中任一项所述的驾驶辅助方法(T)来使用,和/或所述车辆构造有根据权利要求9所述的驾驶辅助系统(100)。
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