DE102020124572A1

DE102020124572A1 - Ein verfahren zur unüberwachten automatischen ausrichtung von fahrzeugsensoren

Info

Publication number: DE102020124572A1
Application number: DE102020124572.6A
Authority: DE
Inventors: Emanuel Mordechai; Michael Slutsky
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2020-09-22
Publication date: 2021-04-29
Also published as: CN112710327A; US20210123754A1

Abstract

Ein Fahrzeug, System und Verfahren zum Ausrichten eines Sensors auf das Fahrzeug. Eine erste, dem Fahrzeug zugeordnete Trägheitsmesseinheit (IMU) erhält eine erste Messung eines kinematischen Vektors des Fahrzeugs. Eine zweite, dem Sensor zugeordnete Trägheitsmesseinheit erhält eine zweite Messung des kinematischen Vektors. Ein Prozessor bestimmt aus dem kinematischen Vektor eine aktuelle relative Ausrichtung zwischen einem ersten, dem Fahrzeug zugeordneten Bezugssystem und einem zweiten, dem Sensor zugeordneten Bezugssystem, bestimmt einen Ausrichtungsfehler zwischen dem Sensor und dem Fahrzeug auf der Grundlage der aktuellen relativen Ausrichtung und einer spezifizierten relativen Ausrichtung und stellt den Sensor von der aktuellen relativen Ausrichtung auf die spezifizierte relative Ausrichtung ein, um den Ausrichtungsfehler zu korrigieren.

Description

EINLEITUNG
Der Gegenstand der Offenbarung bezieht sich auf Fahrzeugsensoren und insbesondere auf ein System und Verfahren zur automatischen Ausrichtung von Fahrzeugsensoren.
Autonome, teilautonome und fahrerunterstützte Fahrzeuge verwenden Sensoren wie Lidar, Radar, Kamera usw., um Messungen der Umgebung eines Fahrzeugs zu erhalten. Diese Messungen werden dann von einem Prozessor oder Navigationssystem des Fahrzeugs verwendet, um den Betrieb und die Navigation des Fahrzeugs zu steuern. Die richtige geometrische Ausrichtung dieser Sensoren ist wichtig, um dem Prozessor oder Navigationssystem selbstkonsistente Daten zu liefern. Der normale Gebrauch und Verschleiß des Fahrzeugs kann jedoch dazu führen, dass diese Sensoren mit der Zeit ihre Ausrichtung verlieren. Daher ist es wünschenswert, ein System und eine Methode zur automatischen Neuausrichtung dieser Sensoren bereitzustellen.
BESCHREIBUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform wird eine Methode zur Ausrichtung eines Sensors auf ein Fahrzeug vorgestellt. Eine erste Messung eines kinematischen Vektors des Fahrzeugs wird an einer ersten, dem Fahrzeug zugeordneten Trägheitsmesseinheit (IMU) durchgeführt. Eine zweite Messung des kinematischen Vektors wird an einer zweiten, dem Sensor zugeordneten Trägheitsmesseinheit (IMU) erhalten. Aus dem kinematischen Vektor wird eine aktuelle relative Orientierung zwischen einem ersten, dem Fahrzeug zugeordneten Bezugssystem und einem zweiten, dem Sensor zugeordneten Bezugssystem bestimmt. Ein Ausrichtungsfehler zwischen dem Sensor und dem Fahrzeug wird auf der Grundlage der aktuellen relativen Ausrichtung und einer festgelegten relativen Ausrichtung bestimmt. Der Sensor wird auf die spezifizierte relative Ausrichtung eingestellt, um den Ausrichtungsfehler zu korrigieren.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale umfasst das Bestimmen der aktuellen relativen Orientierung auch das Bestimmen einer Rotationsmatrix zur Drehung des ersten Bezugsrahmens in den zweiten Bezugsrahmen. Das Bestimmen der Rotationsmatrix umfasst ferner die Reduzierung einer Kostenfunktion. Die Kostenfunktion umfasst eine Differenz zwischen der ersten Messung des kinematischen Vektors im ersten Bezugssystem und einer Drehung der zweiten Messung des kinematischen Vektors. In verschiedenen Ausführungsformen erhält man die erste Messung des kinematischen Vektors zu einem ersten Zeitpunkt und die zweite Messung des kinematischen Vektors zu einem zweiten Zeitpunkt. Der kinematische Vektor ist mindestens einer von einem Beschleunigungsvektor und einem Winkelgeschwindigkeitsvektor. Die erste IMU ist entweder dem Fahrzeug oder einem anderen Sensor zugeordnet.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein System zur Ausrichtung eines Sensors auf ein Fahrzeug vorgestellt. Das System umfasst eine erste Trägheitsmesseinheit (IMU), die mit dem Fahrzeug verbunden ist, wobei die erste IMU so eingerichtet ist, dass sie eine erste Messung eines kinematischen Vektors des Fahrzeugs erhält, eine zweite IMU, die mit dem Sensor verbunden ist, wobei die zweite IMU so eingerichtet ist, dass sie eine zweite Messung des kinematischen Vektors erhält, und einen Prozessor. Der Prozessor ist so eingerichtet, dass er aus dem kinematischen Vektor eine aktuelle relative Ausrichtung zwischen einem ersten, dem Fahrzeug zugeordneten Bezugssystem und einem zweiten, dem Sensor zugeordneten Bezugssystem bestimmt, einen Ausrichtungsfehler zwischen dem Sensor und dem Fahrzeug auf der Grundlage der aktuellen relativen Ausrichtung und einer spezifizierten relativen Ausrichtung bestimmt und den Sensor von der aktuellen relativen Ausrichtung auf die spezifizierte relative Ausrichtung einstellt, um den Ausrichtungsfehler zu korrigieren.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist der Prozessor ferner so eingerichtet, dass er die aktuelle relative Orientierung bestimmt, indem er eine Rotationsmatrix für die Drehung des ersten Bezugsrahmens in den zweiten Bezugsrahmen bestimmt. Der Prozessor ist ferner so eingerichtet, dass er die Rotationsmatrix bestimmt, indem er eine Kostenfunktion reduziert. Die Kostenfunktion umfasst eine Differenz zwischen der ersten Messung des kinematischen Vektors und einer Drehung der zweiten Messung des kinematischen Vektors. Der Prozessor ist ferner so eingerichtet, dass er die erste Messung zu einem ersten Zeitpunkt erhält und die zweite Messung zu einem zweiten Zeitpunkt erhält. Der kinematische Vektor ist mindestens einer von einem Beschleunigungsvektor und einem Winkelgeschwindigkeitsvektor. Die erste IMU ist entweder dem Fahrzeug oder einem anderen Sensor zugeordnet.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Fahrzeug enthüllt. Das Fahrzeug umfasst eine erste Trägheitsmesseinheit (IMU), die mit dem Fahrzeug verbunden ist, wobei die erste IMU so eingerichtet ist, dass sie eine erste Messung eines kinematischen Vektors des Fahrzeugs erhält, eine zweite IMU, die mit einem Sensor des Fahrzeugs verbunden ist, wobei die zweite IMU so eingerichtet ist, dass sie eine zweite Messung des kinematischen Vektors erhält, und einen Prozessor. Der Prozessor ist so eingerichtet, dass er aus dem kinematischen Vektor eine aktuelle relative Ausrichtung zwischen einem ersten, dem Fahrzeug zugeordneten Bezugssystem und einem zweiten, dem Sensor zugeordneten Bezugssystem bestimmt, einen Ausrichtungsfehler zwischen dem Sensor und dem Fahrzeug auf der Grundlage der aktuellen relativen Ausrichtung und einer spezifizierten relativen Ausrichtung bestimmt und den Sensor von der aktuellen relativen Ausrichtung auf die spezifizierte relative Ausrichtung einstellt, um den Ausrichtungsfehler zu korrigieren.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist der Prozessor ferner so eingerichtet, dass er die aktuelle relative Orientierung bestimmt, indem er eine Rotationsmatrix für die Drehung des ersten Bezugsrahmens in den zweiten Bezugsrahmen bestimmt. Der Prozessor ist ferner so eingerichtet, dass er die Rotationsmatrix bestimmt, indem er eine Kostenfunktion reduziert, wobei die Kostenfunktion eine Differenz zwischen der ersten Messung des kinematischen Vektors und einer Rotation der zweiten Messung des kinematischen Vektors enthält. Der Prozessor ist ferner so eingerichtet, dass er die erste Messung zu einem ersten Zeitpunkt erhält und die zweite Messung zu einem zweiten Zeitpunkt erhält. Der kinematische Vektor ist mindestens einer von einem Beschleunigungsvektor und einem Winkelgeschwindigkeitsvektor. Die erste IMU ist entweder dem Fahrzeug oder einem anderen Sensor zugeordnet.
Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Figuren aufgenommen werden.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Figuren bezieht, in denen:

1 zeigt ein Fahrzeug in einer illustrativen Ausführungsform;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Fahrzeugs aus 1;
3 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Methode zum Bestimmen einer Ausrichtung für eine Vielzahl von IMUs und die zugehörigen Sensoren veranschaulicht;
4 zeigt Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsmessungen in Bezugsrahmen verschiedener IMUs des Fahrzeugs;
5 zeigt ein Diagramm, das eine Methode zur Simulation kinematischer Vektoren an zwei Sensoren/IMUs veranschaulicht; und
6 zeigt ein dreidimensionales Diagramm, das die Auswirkungen von Rauschen und Zeitverzögerung auf die Messung von Ausrichtungsfehlern veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch nicht einschränken. Es ist zu verstehen, dass in den Figuren durchgehend entsprechende Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale hinweisen.
Entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform zeigt 1 ein Fahrzeug 10. In einer beispielhaften Ausführung ist das Fahrzeug 10 ein teilautonomes oder autonomes Fahrzeug. In verschiedenen Ausführungsformen enthält das Fahrzeug 10 mindestens ein Fahrerassistenzsystem sowohl für die Lenkung als auch für die Beschleunigung/Verzögerung unter Verwendung von Informationen über die Fahrumgebung, wie z.B. Tempomat und Spurführung. Während der Fahrer von der physischen Bedienung des Fahrzeugs 10 abgekoppelt werden kann, indem er gleichzeitig die Hände vom Lenkrad und den Fuß vom Pedal nimmt, muss der Fahrer bereit sein, die Kontrolle über das Fahrzeug zu übernehmen.
Im Allgemeinen bestimmt ein Trajektorienplanungssystem 100 einen Trajektorienplan für das automatisierte Fahren des Fahrzeugs 10. Das Fahrzeug 10 besteht im Allgemeinen aus einem Fahrgestell 12, einer Karosserie 14, Vorderrädern 16 und Hinterrädern 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Fahrgestell 12 angeordnet und umschließt im Wesentlichen Komponenten des Fahrzeugs 10. Die Karosserie 14 und das Fahrgestell 12 können gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 16 und 18 sind jeweils in der Nähe der jeweiligen Ecken der Karosserie 14 mit dem Fahrgestell 12 drehgekoppelt.
Wie gezeigt, umfasst das Fahrzeug 10 im Allgemeinen ein Antriebssystem 20, ein Übertragungssystem 22, ein Lenksystem 24, ein Bremssystem 26, ein Sensorsystem 28, ein Aktuatorsystem 30, mindestens eine Datenspeichervorrichtung 32, mindestens einen Controller 34 und ein Kommunikationssystem 36. Das Antriebssystem 20 kann in verschiedenen Ausführungsformen einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine, wie z.B. einen Fahrmotor, und/oder ein Brennstoffzellen-Antriebssystem umfassen. Das Getriebesystem 22 ist so eingerichtet, dass es die Leistung vom Antriebssystem 20 auf die Fahrzeugräder 16 und 18 entsprechend wählbarer Geschwindigkeitsverhältnisse überträgt. Nach verschiedenen Ausführungsformen kann das Getriebesystem 22 ein stufenloses Automatikgetriebe, ein stufenloses Getriebe oder ein anderes geeignetes Getriebe umfassen. Das Bremssystem 26 ist so eingerichtet, dass es Bremsmoment an die Fahrzeugräder 16 und 18 abgibt. Das Bremssystem 26 kann in verschiedenen Ausführungsformen Reibungsbremsen, Drahtbremse, ein regeneratives Bremssystem, wie z.B. eine elektrische Maschine, und/oder andere geeignete Bremssysteme umfassen. Das Lenksystem 24 beeinflusst die Stellung der Fahrzeugräder 16 und 18. Obwohl das Lenksystem 24 zur Veranschaulichung mit einem Lenkrad dargestellt wird, kann es in einigen Ausführungsformen, die im Rahmen dieser Offenbarung in Betracht gezogen werden, kein Lenkrad enthalten.
Das Sensorsystem 28 umfasst eine oder mehrere Sensorvorrichtungen 40a-40n, die beobachtbare Bedingungen der äußeren Umgebung und/oder der inneren Umgebung des Fahrzeugs erfassen 10. Die Sensorvorrichtungen 40a-40n können unter anderem Radare, Lidare, globale Positionierungssysteme, optische Kameras, Wärmebildkameras, Ultraschallsensoren und/oder andere Sensoren zur Beobachtung und Messung von Parametern der äußeren Umgebung umfassen. Die Sensorvorrichtungen 40a-40n können ferner Bremssensoren, Lenkwinkelsensoren, Radgeschwindigkeitssensoren usw. zur Beobachtung und Messung fahrzeuginterner Parameter des Fahrzeugs umfassen. Die Kameras können zwei oder mehr Digitalkameras umfassen, die in einem ausgewählten Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die zwei oder mehr Digitalkameras dazu verwendet werden, stereoskopische Bilder der Umgebung zu erhalten, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten. Das Aktuatorsystem 30 umfasst eine oder mehrere Aktuatorvorrichtungen 42a-42n, die ein oder mehrere Fahrzeugmerkmale steuern, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, das Antriebssystem 20, das Übertragungssystem 22, das Lenksystem 24 und das Bremssystem 26. In verschiedenen Ausführungsformen können die Fahrzeugmerkmale darüber hinaus innere und/oder äußere Fahrzeugmerkmale umfassen, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, Türen, einen Kofferraum und Kabinenmerkmale wie Luft, Musik, Beleuchtung usw. (nicht nummeriert).
Der mindestens eine Controller 34 umfasst mindestens einen Prozessor 44 und ein computerlesbares Speichergerät oder -medium 46. Bei dem mindestens einen Prozessor 44 kann es sich um einen beliebigen kundenspezifischen oder handelsüblichen Prozessor, eine Zentraleinheit (CPU), eine Graphikverarbeitungseinheit (GPU), einen Hilfsprozessor unter mehreren Prozessoren, der mit dem mindestens einen Controller 34 verbunden ist, einen Mikroprozessor auf Halbleiterbasis (in Form eines Mikrochips oder Chipsatzes), einen Makroprozessor, eine beliebige Kombination davon oder allgemein eine beliebige Vorrichtung zur Ausführung von Befehlen handeln. Das computerlesbare Speichergerät oder die computerlesbaren Speichermedien 46 können z.B. flüchtige und nichtflüchtige Speicherung in Festwertspeicher (ROM), Direktzugriffsspeicher (RAM) und Keepalive-Speicher (KAM) umfassen. KAM ist ein persistenter oder nichtflüchtiger Speicher, der zur Speicherung verschiedener Betriebsvariablen verwendet werden kann, während der mindestens eine Prozessor 44 abgeschaltet ist. Das computerlesbare Speichergerät oder -medium 46 kann unter Verwendung eines beliebigen aus einer Reihe bekannter Speichergeräte wie PROMs (programmierbarer Festwertspeicher), EPROMs (elektrisch PROM), EEPROMs (elektrisch löschbares PROM), Flash-Speicher oder jedes anderen elektrischen, magnetischen, optischen oder kombinierten Speichergeräts implementiert werden, das in der Lage ist, Daten zu speichern, von denen einige ausführbare Befehle darstellen, die von dem mindestens einen Steuergerät 34 zur Steuerung des Fahrzeugs 10 verwendet werden.
Die Anweisungen können ein oder mehrere separate Programme umfassen, von denen jedes eine geordnete Auflistung ausführbarer Anweisungen zur Implementierung logischer Funktionen enthält. Wenn die Befehle von dem mindestens einen Prozessor 44 ausgeführt werden, empfangen und verarbeiten sie Signale vom Sensorsystem 28, führen Logik, Berechnungen, Methoden und/oder Algorithmen zur automatischen Steuerung der Komponenten des Fahrzeugs 10 aus und erzeugen Steuersignale für das Aktuatorsystem 30, um die Komponenten des Fahrzeugs 10 auf der Grundlage der Logik, Berechnungen, Methoden und/oder Algorithmen automatisch zu steuern. Obwohl in 1 nur ein Steuergerät dargestellt ist, können Ausführungsformen des Fahrzeugs 10 eine beliebige Anzahl von Steuergeräten enthalten, die über ein beliebiges geeignetes Kommunikationsmedium oder eine Kombination von Kommunikationsmedien kommunizieren und die zusammenarbeiten, um die Sensorsignale zu verarbeiten, Logik, Berechnungen, Methoden und/oder Algorithmen durchzuführen und Steuersignale zur automatischen Steuerung von Merkmalen des Fahrzeugs 10 zu erzeugen.
Das Kommunikationssystem 36 ist so eingerichtet, dass es drahtlos Informationen zu und von anderen Entitäten 48 übermittelt, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, andere Fahrzeuge („V2V“-Kommunikation), Infrastruktur („V2I“-Kommunikation), entfernte Systeme und/oder persönliche Geräte. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Kommunikationssystem 36 ein drahtloses Kommunikationssystem, das so eingerichtet ist, dass es über ein drahtloses lokales Netzwerk (WLAN) unter Verwendung des IEEE 802.11-Standards oder unter Verwendung zellularer Datenkommunikation kommuniziert. Zusätzliche oder alternative Kommunikationsmethoden, wie z.B. ein dedizierter Nahbereichskommunikationskanal (DSRC-Kanal), werden jedoch auch im Rahmen dieser Offenbarung in Betracht gezogen. DSRC-Kanäle beziehen sich auf einseitige oder zweiseitige drahtlose Kommunikationskanäle mit kurzer bis mittlerer Reichweite, die speziell für den Einsatz in Kraftfahrzeugen entwickelt wurden, sowie auf einen entsprechenden Satz von Protokollen und Standards.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Fahrzeugs 10 aus 1. Das Fahrzeug 10 umfasst eine Vielzahl von Inertialmesseinheiten (IMUs), die in der Lage sind, kinematische Parameter oder kinematische Vektoren zu messen. Die Mehrzahl der IMUS umfasst eine fahrzeugzentrierte IMU 200, die mit dem Fahrgestell 12 des Fahrzeugs 10 verbunden ist, und eine oder mehrere sensorzentrierte IMUs 202a, 202b, 202c,... 202N. Jede sensorzentrierte IMU 202a, 202b, 202c,... 202N ist mit einem zugehörigen Sensor verbunden oder gekoppelt. Die Sensoren können Antennen, Digitalkameras, Lidar-, Radar-, Ultraschallsensoren usw. umfassen. die entweder zur autonomen Steuerung des Fahrzeugs oder zur Unterstützung eines Fahrers bei der Bedienung des Fahrzeugs verwendet werden 10. Jede sensorzentrierte IMU verfügt über einen oder mehrere Einstellaktoren, mit denen der zugehörige Sensor in drei Translationsrichtungen (x, y, z) und drei Winkelrichtungen (θ, φ, ψ) bewegt werden kann, um die Ausrichtung des zugehörigen Sensors einzustellen. Die mehreren IMUs stehen in Kommunikation mit einem Prozessor 44 des Fahrzeugs, um Daten bezüglich der kinematischen Parameter an den Prozessor zu senden und Befehle zur Verwendung der Einstellstellglieder zur Einstellung der Ausrichtung des zugehörigen Sensors zu empfangen. Obwohl in 1 zur Veranschaulichung fünf IMUs dargestellt sind, kann eine beliebige Anzahl von IMUs im Fahrzeug verwendet werden.
Jede IMU 200, 202a, 202b, 202c,... 202N enthält kinematische Sensoren zur Messung eines kinematischen Vektors. Jede sensorzentrierte IMU 202a, 202b, 202c,... 202N misst den kinematischen Vektor in einem Bezugssystem für ihren zugehörigen Sensor, während die fahrzeugzentrierte IMU 200 den kinematischen Vektor in einem Bezugssystem des Fahrzeugs misst 10. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der kinematische Vektor einen Winkelgeschwindigkeitsvektor Q und einen Beschleunigungsvektor A. Eine IMU kann Komponenten des kinematischen Vektors in drei Dimensionen messen. Der Beschleunigungsvektor ist ein dreidimensionaler Vektor. Die größte Komponente des Beschleunigungsvektors liegt jedoch entlang einer Vorwärtsachsenrichtung, während die seitliche Beschleunigung und die vertikale Beschleunigung wesentlich kleiner sind. In ähnlicher Weise ist die Winkelgeschwindigkeit ein dreidimensionaler Vektor. Die größte Komponente der Winkelgeschwindigkeit ist jedoch eine Giergeschwindigkeitskomponente Ω_z, während die Vektoren der Nick- und Rollkomponente wesentlich kleiner sind. Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsvektoren werden im Allgemeinen gemessen, während das Fahrzeug in Bewegung ist.
Während der Fahrzeugbewegung erhält jede IMU Messungen des kinematischen Vektors und registriert ihre Vektormessungen am Prozessor 44. Der Prozessor 44 bestimmt eine aktuelle relative Ausrichtung zwischen den Vektormessungen, wodurch eine aktuelle relative Ausrichtung entweder zwischen einem Sensor und dem Chassis des Fahrzeugs oder zwischen zwei beliebigen Sensoren bestimmt wird. Die aktuelle relative Ausrichtung kann mit einer für die Sensoren erforderlichen spezifischen Ausrichtung verglichen werden, wodurch ein Ausrichtungsfehler bestimmt wird. Der Prozessor 44 kann dann ein Signal an eine ausgewählte IMU senden, das die ausgewählte IMU veranlasst, einen oder mehrere ihrer Justieraktivatoren zu aktivieren, um den Sensor wieder auf die spezifizierte Ausrichtung einzustellen.
3 zeigt ein Flussdiagramm 300, das eine Methode zum Bestimmen einer Ausrichtung für die Vielzahl der IMUs und der zugehörigen Sensoren veranschaulicht. In Kasten 302 wird das Fahrzeug für einen längeren Zeitraum in Bewegung gesetzt. In Kasten 304 wird von jeder Fahrzeugeinheit eine Stichprobe genommen, um die kinematischen Parameter (d. h. Beschleunigung und/oder Ausrichtung) zu messen. Die IMUs können zeitlich nacheinander abgetastet werden. In einer illustrativen Darstellung wird die Fahrzeug-WMG 200 zur Zeit t beprobt, um A_Fahrzeug(t) und Ω_Fahrzeug(t) zu erhalten. Die erste Sensor-WMG wird zur Zeit t+Δt1 abgetastet, um a_1(t+At1) und Ω_1(t+Δt1) zu erhalten, die zweite Sensor-WMG wird zur Zeit t+Δt2 abgetastet, um a_2(t+Δt2) und Ω_2(t+Δt2) zu erhalten, usw. Die N-te Sensor-WMU wird zum Zeitpunkt t+ΔtN abgetastet, um a_N(t+ΔtN) und Ω_N(t+ΔtN) zu erhalten.
In Kasten 306 wird eine Korrelationsfunktion auf die kinematischen Messungen angewendet, um die Unterschiede in den kinematischen Vektoren aufgrund von Zeitunterschieden zwischen den Messungen aufzulösen. Die in Kasten 308 gezeigten Ergebnisse der Korrelationsfunktion liefern kinematische Messungen für alle Sensoren zum Zeitpunkt t (d. h. ((a_Vehikel(t), Ω_Vehikel(t)),... (a_1(t), Ω_1(t)), (a_2(t), Ω_2(t),..., (a_N(t), Ω_N(t))), wie in Kasten 308 gezeigt.
In Kasten 310 werden Rotationsmatrizen zwischen jeder sensorzentrierten IMU und der fahrzeugzentrierten IMU gefunden, wobei die in Kasten 308 erhaltenen zeitkorrigierten kinematischen Vektoren verwendet werden. Eine Rotationsmatrix kann unter Verwendung desentsprechenden kinematischen Vektors bestimmt werden. Beispielsweise kann die Rotationsmatrix zwischen dem Bezugssystem (oder „Bezugssystem“) der ersten Fahrzeugeinheit und dem Bezugssystem des Fahrzeugs unter Verwendung von (a_vehicle(t), Ω_vehicle(t)) und (a_1(t), Ω_1(t)) gefunden werden. Die aktuelle relative Ausrichtung des ersten IBU zum Fahrzeugchassis ist daher durch die Rotationsmatrix gegeben. In Feld 312 können die relativen Rotationsmatrizen R_ij zwischen zwei beliebigen sensorgestützten Fahrzeugeinheiten aus den Rotationsmatrizen in Feld 310 bestimmt werden. Der Vergleich der aktuellen relativen Ausrichtung mit der angegebenen relativen Ausrichtung ergibt einen Ausrichtungsfehler. Der Prozessor 44 kann diesen Ausrichtungsfehler ermitteln und ein Signal an die entsprechenden IMUs senden, um den Ausrichtungsfehler zu korrigieren.
4 zeigt Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsmessungen 400 in Bezugsrahmen verschiedener IMUs des Fahrzeugs. Zur Veranschaulichung sind ein Fahrzeugrahmen der Referenz 402, ein erster Sensorrahmen der Referenz 404 und ein zweiter Sensorrahmen der Referenz 406 dargestellt. Jeder Bezugsrahmen ist einer Fahrzeugeinheit zugeordnet. Der Winkelgeschwindigkeitsvektor Ω des Fahrzeugs und der Beschleunigungsvektor A des Fahrzeugs sind in jedem der drei Bezugsrahmen dargestellt. Während der Winkelgeschwindigkeitsvektor Ω des Fahrzeugs und der Beschleunigungsvektor A unabhängig vom Bezugssystemgleichsind, hängt der gemessene Wert dieser Vektoren in einem Bezugssystem von der Orientierung des Bezugssystems ab. Die Messungen dieser Vektoren in jedem der Bezugsrahmen können daher zur Bestimmen der relativen Orientierungen zwischen den Bezugsrahmen verwendet werden.
Bezugnehmend auf das illustrative Beispiel von 4, im Fahrzeugrahmen von Referenz 402, liegt der Winkelgeschwindigkeitsvektor Ω entlang einer z-Achse und der Beschleunigungsvektor A entlang der y-Achse. Im ersten Bezugsrahmen des Sensors 404 steht der Winkelgeschwindigkeitsvektor Ω in der xz-Eben ein einem kleinen Winkel zur z-Achse, und der Beschleunigungsvektor A steht in der yz-Ebene in einemkleinen Winkel zur y-Achse. Im zweiten Sensorbezugssystem 406 steht der Winkelgeschwindigkeitsvektor Ω in der yz-Ebene untereinem Winkel zur z-Achse, und der Beschleunigungsvektor A steht in der xy-Ebene unter einem Winkel zur y-Achse.
Eine Rotationsmatrix R₁ dreht den ersten Sensorrahmen von Referenz 404 in Ausrichtung mit dem Fahrzeugrahmen von Referenz 402. Eine Rotationsmatrix R₂ dreht den zweiten Sensorrahmen von Referenz 406 in den Fahrzeugrahmen von Referenz 402. Unter der Annahme von Orthogonalität dreht eine Rotationsmatrix R₁R₂ ^T den ersten Sensorrahmen von Referenz 404 in den zweiten Sensorrahmen von Referenz 406.
Generell gilt, dass der Beschleunigungsvektor ai Bezugssystem des i-ten Sensors und der Winkelgeschwindigkeitsvektor Ω_i im Bezugssystem des i-ten Sensors durch Anwendung der Rotationsmatrix R_i auf den Beschleunigungsvektor A und den Winkelgeschwindigkeitsvektor Ω im Fahrzeugbezugssystem 402 erhalten werden, wie durch Gl. (1) gezeigt: $a_{i} = R_{i} a$
und $Ω_{i} = R_{i} Ω$
Eine Rotationsmatrix zwischen einem i-ten Sensor-Referenzrahmen und einem j-ten Sensor-Referenzrahmen ist gegeben durch $a_{i} = R_{i j} a_{j}$
wo $R_{i j} = (θ_{i j}, ϕ_{i j}, ψ_{i j}) = R_{i} R_{j}^{- 1} = R_{i} R_{j}^{T}$
Bei zwei beliebigen Messsätzen (z.B. m-Messungen {v^(m)}_i im i-ten Bezugssystem und m-Messungen {v^(m)}_j im j-ten Bezugssystem), bestimmt die hier beschriebene Methode eine relative Rotationsmatrix zwischen dem IMUi des i-ten Bezugssystems und dem IMUj des j-ten Bezugssystems. Die Relativrotationsmatrix wird bestimmt, indem man die Werte der Winkeldrehungsvariablen findet, die eine Kostenfunktion minimieren oder reduzieren (Gl. (5)): ${\hat{θ}}_{i j}, {\hat{ϕ}}_{i j}, {\hat{ψ}}_{i j} = a r g min [Φ (θ_{i j}, ϕ_{i j}, ψ_{i j})]$
wobei die Kostenfunktion Φ gegeben ist durch: $Φ (θ_{i j}, ϕ_{i j}, ψ_{i j}) = \sum_{m} {(v_{i}^{(m)} - R_{i j} v_{j}^{(m)})}^{T} Π_{v}^{- 1} (v_{i}^{(m)} - R_{i j} v_{j}^{(m)})$
wobei die Gesamtkovarianz Π_v aus gemessenen Kovarianzen berechnet wird $Π_{v} = Π_{v}^{(i)} + R_{i j} Π_{v}^{(j)} R_{i j}^{T}$
als: $Π_{v} = Π_{v}^{(i)} + R_{i j} Π_{v}^{(j)} R_{i j}^{T}$
Die in Gl. (5)-(7) durchgeführten Berechnungen können auf die globale Ausrichtung einer Vielzahl von IMUs ausgedehnt werden, indem alle entsprechenden Messungen aus allen IMUs einbezogen werden, um eine Kostenfunktion zu erhalten: $Φ_{g} = Σ_{i > j} Φ (θ_{i j}, ϕ_{i j}, ψ_{i j})$
und Minimierung der Kostenfunktion von Gl. (8) wie in Gl. (5)-(7) angegeben. Dieser Ansatz tendiert dazu, Fehler zwischen den Sensoren zu verteilen und reduziert die Gesamtfehlerfortpflanzung der Methode.
5 zeigt ein Diagramm 500, das eine Methode zur Simulation kinematischer Vektoren an zwei Sensoren/IMUs illustriert. Auf Stufe 502 wird ein Referenz-IMU-Signal erzeugt. Das Referenz-IMU-Signal kann ein kinematischer Vektor innerhalb des Bezugsrahmens des Fahrzeugs sein und kann den Beschleunigungsvektor und den Winkelgeschwindigkeitsvektor enthalten. In Stufe 504 wird das Referenz-IMU-Signal entlang eines Zweiges (über R₁) in einen ersten Sensor-Referenzrahmen gedreht, um einen ersten gedrehten Vektor zu erhalten. Entlang eines anderen Zweiges wird das Referenz-IMU-Signal (über R₂) in einen zweiten Sensor-Referenzrahmen gedreht, um einen zweiten gedrehten Vektor zu erhalten. In Stufe 506 wird dem ersten gedrehten Vektor und dem zweiten gedrehten Vektor jeweils Rauschen hinzugefügt. In Stufe 508 wird dem ersten gedrehten Vektor eine erste zufällige Zeitverzögerung und dem zweiten gedrehten Vektor eine zweite zufällige Zeitverzögerung hinzugefügt. Das Ergebnis auf Stufe 510 ist eine Simulation einer Signalmessung der kinematischen Vektoren (d.h. Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit) bei jeweils einer ersten und einer zweiten IMU.
Die simulierten Signalmessungen können zum Bestimmen einer Schätzung einer relativen Rotationsmatrix verwendet werden R̂₁₂ zwischen dem ersten Bezugsrahmen des ersten IMU und dem zweiten Bezugsrahmen des zweiten IMU. Ein Ausrichtungsfehler kann dann auf der Grundlage der Schätzung R̂₁₂ und die bekannten Rotationsmatrizen_R1 und_R2, die im Stadium 504 verwendet wurden. Der Ausrichtungsfehler wird daher angegeben als: $δ R = (R_{2} R_{1}^{T}) {\hat{R}}_{12}$
Durch Ausführen der in 5 gezeigten Simulation über mehrere Sensorausrichtungen kann eine Reihe von Statistiken erhalten und die Auswirkung von Rauschen und Netzverzögerung auf den Ausrichtungsfehler bestimmt werden.
6 zeigt ein dreidimensionales Diagramm 600, das die Auswirkungen von Rauschen und Zeitverzögerung auf die Messung von Ausrichtungsfehlern veranschaulicht. Eine Achse des Diagramms 600 zeigt eine maximale Netzverzögerung in Millisekunden. Eine zweite Achse zeigt das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in Dezibel. Die dritte Achse zeigt den mittleren quadratischen Grundmittelwert des Ausrichtungsfehlers in Grad. Der Abgleichfehler wird als Minimum für hohe Signal-Rausch-Verhältnisse und geringe Netzwerkverzögerung dargestellt. Eine Erhöhung der Netzwerkverzögerung (bis zu etwa 10 Millisekunden) hat nur sehr geringe Auswirkungen auf die Erhöhung des Abgleichfehlers. Mit abnehmendem Signal-Rausch-Verhältnis (d.h. das Signal wird rauschintensiver) kann der Abgleichfehler jedoch zunehmen. Bei einem SNR von 20 Dezibel beträgt der Abgleichfehler etwa 0,1 Grad.
Während die obige Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird es von den Fachleuten verstanden werden, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne von ihrem Anwendungsbereich abzuweichen. Darüber hinaus können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Anwendungsbereich abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die einzelnen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen einschließt, die in ihren Anwendungsbereich fallen.

Claims

Ein Verfahren zum Ausrichten eines Sensors auf ein Fahrzeug, umfassend: Erhalten einer ersten Messung eines kinematischen Vektors des Fahrzeugs an einer ersten, dem Fahrzeug zugeordneten Trägheitsmesseinheit (IMU); Erhalten einer zweiten Messung des kinematischen Vektors an einer zweiten, dem Sensor zugeordneten IMU; Bestimmen einer aktuellen relativen Orientierung zwischen einem ersten, dem Fahrzeug zugeordneten Bezugssystem und einem zweiten, dem Sensor zugeordneten Bezugssystem aus dem kinematischen Vektor; Bestimmen eines Ausrichtungsfehlers zwischen dem Sensor und dem Fahrzeug auf der Grundlage der aktuellen relativen Ausrichtung und einer festgelegten relativen Ausrichtung; und Einstellen des Sensors auf die angegebene relative Ausrichtung, um den Ausrichtungsfehler zu korrigieren.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der aktuellen relativen Orientierung weiterhin das Bestimmen einer Rotationsmatrix zum Drehen des ersten Bezugsrahmens in den zweiten Bezugsrahmen umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der Rotationsmatrix ferner das Reduzieren einer Kostenfunktion umfasst, die eine Differenz zwischen der ersten Messung des kinematischen Vektors im ersten Bezugssystem und einer Rotation der zweiten Messung des kinematischen Vektors einschließt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Erhalten der ersten Messung des kinematischen Vektors zu einem ersten Zeitpunkt und das Erhalten der zweiten Messung des kinematischen Vektors zu einem zweiten Zeitpunkt umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste IMU entweder dem Fahrzeug oder einem anderen Sensor zugeordnet ist.
Ein System zum Ausrichten eines Sensors auf ein Fahrzeug, umfassend eine erste mit dem Fahrzeug verbundene Trägheitsmesseinheit (IMU), wobei die erste IMU so eingerichtet ist, dass sie eine erste Messung eines kinematischen Vektors des Fahrzeugs erhält; eine zweite, mit dem Sensor verbundene IMU, wobei die zweite IMU so eingerichtet ist, dass sie eine zweite Messung des kinematischen Vektors erhält; und einen Prozessor, der eingerichtet ist um: aus dem kinematischen Vektor eine aktuelle relative Orientierung zwischen einem ersten, dem Fahrzeug zugeordneten Bezugssystem und einem zweiten, dem Sensor zugeordneten Bezugssystem zu bestimmen; einen Ausrichtungsfehler zwischen dem Sensor und dem Fahrzeug auf der Grundlage der aktuellen relativen Ausrichtung und einer festgelegten relativen Ausrichtung zu bestimmen; und den Sensor von der aktuellen relativen Ausrichtung auf die angegebene relative Ausrichtung einstellen, um den Ausrichtungsfehler zu korrigieren.
Das System nach Anspruch 6, wobei der Prozessor ferner eingerichtet ist, die aktuelle relative Orientierung zu bestimmen, indem er eine Rotationsmatrix zum Drehen des ersten Bezugsrahmens in den zweiten Bezugsrahmen bestimmt.
Das System nach Anspruch 7, wobei der Prozessor ferner eingerichtet ist, die Rotationsmatrix zu bestimmen, indem er eine Kostenfunktion reduziert, die eine Differenz zwischen der ersten Messung des kinematischen Vektors und einer Rotation der zweiten Messung des kinematischen Vektors enthält.
Das System nach Anspruch 6, wobei der Prozessor ferner eingerichtet ist, die erste Messung zu einem ersten Zeitpunkt zu erhalten und die zweite Messung zu einem zweiten Zeitpunkt zu erhalten.
Das System des Anspruchs 6, wobei die erste IMU mit dem Fahrzeug oder einem anderen Sensor verbunden ist.