專利名稱：一種前方道路曲率估計裝置及其估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交通領(lǐng)域，涉及一種道路曲率估計裝置，尤其是一種前方道路曲率估計裝置及其估計方法。
背景技術(shù)：
道路的曲率是影響到車輛運行安全的重要因素，隨著車輛主動安全技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的車輛先進安全系統(tǒng)需要使用道路曲率參數(shù)對車輛的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。由車輛的運行過程可知，對車輛運行安全存在影響的道路曲率包括兩種類型，第一種為車輛當(dāng)前行駛路段的道路曲率，第二種為車輛前方道路的曲率。對于車輛當(dāng)前行駛路段的道路曲率值，目前通過采用橫擺角速度傳感器、輪速傳感器或者方向盤轉(zhuǎn)角傳感器可以進行道路曲率分析與計算。對于車輛前方道路的曲率測量問題，目前還沒有有效的技術(shù)方法。從理論上而言，利用GPS技術(shù)可以提前感知前方道路的曲率技術(shù)，但實際推廣使用過程中需要對所有道路的線形進行提前測量存儲，這個過程的工作量太大，目前還無法進行推廣使用。另一方面，前方道路的曲率對于車輛的運行安全存在重要影響，例如車輛高速解決彎道時，如果駕駛員不提前減速則可能會引發(fā)車輛發(fā)生側(cè)翻，因此如果能夠提前知道前方道路的曲率即可預(yù)先對駕駛員進行提示，避免交通事故的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種前方道路曲率估計裝置及其估計方法，該前方道路曲率估計裝置投資費用少，適合大規(guī)模推廣使用，其道路曲率估計方法，智能化、自動化、無需人工操作，工作可靠性高。本發(fā)明的基本原理是利用一個激光雷達來實時監(jiān)控自身車輛運行過程中前方其他車輛的運行狀態(tài)，通過對激光雷達的數(shù)據(jù)進行分析，識別出前方道路上正常行駛的其他車輛。在自身車輛行駛路徑保持直線的情況下，前方車輛的行駛狀態(tài)體現(xiàn)了前方道路的線形，即可以通過對前方其他車輛的行駛狀態(tài)進行分析來間接的獲取前方道路線形。因此，通過對自身激光雷達所返回的自身車輛與前方其他車輛的相對距離、相對方位角進行分析，采用曲線擬合方法對前方其他車輛的行駛軌跡的線形進行擬合。如果擬合結(jié)果為直線，則表明前方道路為直道。如果擬合結(jié)果為曲線，則表明遣返道路為彎道，再利用曲線擬合結(jié)果計算分析道路的曲率值，從而得到前方道路的曲率估計值。為達到上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)一種前方道路曲率估計裝置，包括一個激光雷達,安裝于車輛的前保險杠中央,激光發(fā)射面朝向車輛的前方安裝,對自身車輛前方的其他車輛進行實時監(jiān)控；一個方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，安裝于車輛轉(zhuǎn)向軸上，實時測量自身車輛行駛過程中的方向盤轉(zhuǎn)動角度；一個車速傳感器，安裝于車輪上隨車輪一起轉(zhuǎn)動，實時測量自身車輛的行駛速度；一個LED微型顯示器，用于實時顯示前方道路的估計曲率值，固定于車輛儀表盤上；一個微處理器，分別通過I/O接口分別連接激光雷達、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器以及LED微型顯不器。所述激光雷達采用IBEO LUX激光掃描雷達，測量距離200m。所述方向盤轉(zhuǎn)角傳感器采用KMT32B角度傳感器。
所述車速傳感器采用W221輪速傳感器。所述微處理器為DSP處理器，具體型號為TMS320F28335。所述微型LED顯示器采用PlO單元板。所述曲率估計裝置的道路曲率估計方法，包括以下步驟(I)自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀判斷；微處理器實時采集方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的數(shù)據(jù)，對方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進行判斷；如果方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)小于3度，則表明自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為直道；如果方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)大于3度，則表明自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為彎道；如果判斷得到自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為彎道，則表明當(dāng)前時刻自身車輛正行駛于彎道上，在這種情況下將不對前方道路的曲率進行估計；只有在自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為彎道的情況下，微處理器才對自身車輛前方道路的曲率進行估計；(2)自身車輛行駛速度采集；微處理器接收來自車速傳感器的信號，對信號進行計算分析得到車速值；(3)自身車輛與前方車輛的相對位置關(guān)系數(shù)據(jù)采集；車輛行駛過程中，前方通常存在多個其他車輛目標(biāo)，分別以第一目標(biāo)、第二目標(biāo)表示；對于每一個目標(biāo)，激光雷達測量返回自身車輛與該目標(biāo)車輛的相對距離以及相對角度；(4)前方道路曲率計算估計；當(dāng)自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀判斷結(jié)果為彎道時，維處理器根據(jù)步驟(2)、步驟(3)所得到的數(shù)據(jù)，對前方的所有目標(biāo)進行前方道路曲率計算估計，每一個目標(biāo)計算得到一個相對應(yīng)的道路曲率值，計算所有目標(biāo)的曲率平均值，將此平均值作為前方道路曲率估計的結(jié)果；以某一個目標(biāo)為例，前方道路曲率計算過程如下對同一目標(biāo)，以第一目標(biāo)為例，經(jīng)過連續(xù)兩次的測量，將得到兩組自身車輛與該目標(biāo)之間的相對距離和相對角度，分別以屯、\和(12、Ci2表示；以V表示這兩次測量過程中的車速，t表示兩次測量過程中的時間間隔，則在這兩次測量過程中自身車輛朝前行駛的距離L為L = vXt對于這兩次測量過程所得到的相對距離和相對角度值，以向右轉(zhuǎn)彎為例，這些參數(shù)滿足以下關(guān)系式Y(jié)11 = d\ + J,2 - 2 X J2 X X cos(a2 - a,)其中，Y是第一目標(biāo)在連續(xù)兩次測量時刻所在位置的連線長度；由此式計算得到Y(jié)2 ；對于連續(xù)兩次的測量過程，沿自車行駛的直線方向上目標(biāo)車輛所發(fā)生的位移長度k計算公式如下k = d2 X cos a ^d1 X cos a x
由此可計算得到前方車輛沿道路弧線行駛過程中繞圓心所轉(zhuǎn)過的角度3

此外，上述參數(shù)之間還滿足以下關(guān)系
Y2 = RX ^式中，R為前方車輛行駛路徑的半徑值；由以上公式，結(jié)合激光雷達傳感器和車速傳感器的測量數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)對前方道路曲率的估計；(5)前方道路曲率估計結(jié)果顯示；微處理器估計得到前方道路曲率結(jié)果后，利用I/O接口，將前方道路曲率估計值發(fā)送到微型LED顯示器進行顯示。本發(fā)明的前方道路曲率估計裝置，主要部件采用激光雷達和DSP處理器，投資費用少，設(shè)計簡單，可靠性高，而且不需要對車輛進行過多改裝。本發(fā)明的前方道路曲率估計方法，基于上述前方道路曲率估計裝置，其前方道路曲率估計過程由DSP處理器完成，智能化高，對前方道路曲率估計的結(jié)果直觀、可靠。


圖1為自身車輛與前方其他車輛、道路的示意圖；圖2為DSP微處理器的信號輸入輸出不意圖。圖中1、自身車輛；2、激光雷達；3、前方其他車輛；4、DSP微處理器；5、微型LED顯示器；6、第一 I/O接口 ;7、第二 I/O接口 ；8、第三I/O接口 ；9、第四I/O接口。
具體實施例方式參考圖1、圖2，在前方道路曲率估計裝置中，DSP處理器安裝于儀表盤下方，激光雷達安裝于車輛前保險杠中央，朝向車輛行駛方向前方安裝。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器安裝于車輛轉(zhuǎn)向柱上，車速傳感器安裝于車輪上。微型LED顯示器安裝于儀表盤左側(cè)駕駛員容易注意到的區(qū)域。 將方向盤轉(zhuǎn)角傳感器通過導(dǎo)線連接到DSP處理器的第一 I/O接口 6，將車速傳感器通過導(dǎo)線連接到DSP處理器的第二 I/O接口，將激光雷達傳感器通過導(dǎo)線連接到DSP處理器的第三I/O接口，將微型LED顯示器通過導(dǎo)線連接到DSP處理器的第四I/O接口。微處理器接收激光雷達傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器和車速傳感器的信號，通過進行分析計算對前方道路的曲率進行估計，并利用微型LED顯示器將曲率估計結(jié)果實時顯示。為了實現(xiàn)本發(fā)明的前方道路曲率估計方法，結(jié)合上述前方道路曲率估計裝置為基礎(chǔ)，具體步驟如下(I)激光雷達傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器以及微型LED顯示器的安裝。首先安裝激光雷達，利用螺栓將激光雷達安裝于車輛前保險杠的中央。利用導(dǎo)線將激光雷達和DSP處理器的第三I/O接口連接。然后安裝方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，利用螺栓固定于車輛轉(zhuǎn)向柱上，利用導(dǎo)線將方向盤轉(zhuǎn)角傳感器與DSP處理器的第一 I/O接口連接。利用螺栓將車速傳感器安裝于車輪上，使用導(dǎo)線將車速傳感器與DSP處理器的第二 I/O接口連接。使用雙面膠將微型LED顯示器粘貼在駕駛員前方的儀表盤上，利用導(dǎo)線將微型LED顯示器與DSP處理器第四I/O接口連接。(2)自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀判斷。微處理器實時采集方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的數(shù)據(jù)，對方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進行判斷。如果方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)小于3度，則表明自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為直道。如果方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)大于3度，則表明自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為彎道。如果判斷得到自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為彎道，則表明當(dāng)前時刻自身車輛正行駛于彎道上，在這種情況下將不對前方道路的曲率進行估計。只有在自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為彎道的情況下，微處理器才對自身車輛前方道路的曲率進行估計。( 3 )自身車輛行駛速度采集。微處理器接收來自車速傳感器的信號，對信號進行計算分析得到車速值。(4)自身車輛與前方車輛的相對位置關(guān)系數(shù)據(jù)采集。車輛行駛過程中，前方通常存在多個其他車輛目標(biāo)，分別以第一目標(biāo)、第二目標(biāo)表示。對于每一個目標(biāo)，激光雷達測量返回自身車輛與該目標(biāo)車輛的相對距離以及相對角度。(5)前方道路曲率計算估計。當(dāng)自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀判斷結(jié)果為彎道時，維處理器根據(jù)步驟(2)、步驟(3)所得到的數(shù)據(jù)，對前方的所有目標(biāo)進行前方道路曲率計算估計，每一個目標(biāo)計算得到一個相對應(yīng)的道路曲率值，計算所有目標(biāo)的曲率平均值，將此平均值作為前方道路曲率估計的結(jié)果。以某一個目標(biāo)為例，前方道路曲率計算過程如下對同一目標(biāo)，以第一目標(biāo)為例，經(jīng)過連續(xù)兩次的測量，將得到兩組自身車輛與該目標(biāo)之間的相對距離和相對角度，分別以屯、a i和d2、a 2表示。以V表示這兩次測量過程中的車速，t表示兩次測量過程中的時間間隔，則在這兩次測量過程中自身車輛朝前行駛的距離L為L = vX t對于這兩次測量過程所得到的相對距離和相對角度值，以向右轉(zhuǎn)彎為例，這些參數(shù)滿足以下關(guān)系式y(tǒng)\ = d\ +df -2xd2x d' xcos(a2 -a})其中，Y是第一目標(biāo)在連續(xù)兩次測量時刻所在位置的連線長度。由此式計算得到
Y 2 °對于連續(xù)兩次的測量過程，沿自車行駛的直線方向上目標(biāo)車輛所發(fā)生的位移長度k計算公式如下k = d2 X cos a ^d1 X cos a 由此可計算得到前方車輛沿道路弧線行駛過程中繞圓心所轉(zhuǎn)過的角度3
權(quán)利要求
1.一種前方道路曲率估計裝置，其特征在于，包括 一個激光雷達，安裝于車輛的前保險杠中央，激光發(fā)射面朝向車輛的前方安裝，對自身車輛前方的其他車輛進行實時監(jiān)控； 一個方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，安裝于車輛轉(zhuǎn)向軸上，實時測量自身車輛行駛過程中的方向盤轉(zhuǎn)動角度； 一個車速傳感器，安裝于車輪上隨車輪一起轉(zhuǎn)動，實時測量自身車輛的行駛速度； 一個LED微型顯示器，用于實時顯示前方道路的估計曲率值，固定于車輛儀表盤上； 一個微處理器，分別通過I/O接口分別連接激光雷達、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器以及LED微型顯不器。
2.如權(quán)利要求1所述前方道路曲率估計裝置，其特征在于所述激光雷達采用IBEOLUX激光掃描雷達，測量距離200m。
3.如權(quán)利要求1所述前方道路曲率估計裝置，其特征在于所述方向盤轉(zhuǎn)角傳感器采用KMT32B角度傳感器。
4.如權(quán)利要求1所述前方道路曲率估計裝置，其特征在于所述車速傳感器采用W221輪速傳感器。
5.如權(quán)利要求1所述前方道路曲率估計裝置，其特征在于所述微處理器為DSP處理器，具體型號為TMS320F28335。
6.如權(quán)利要求1所述前方道路曲率估計裝置，其特征在于所述微型LED顯示器采用PlO單元板。
7.如權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述曲率估計裝置的道路曲率估計方法，其特征在于，包括以下步驟 (O自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀判斷；微處理器實時采集方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的數(shù)據(jù)，對方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進行判斷；如果方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)小于3度，則表明自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為直道；如果方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)大于3度，則表明自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為彎道；如果判斷得到自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為彎道，則表明當(dāng)前時刻自身車輛正行駛于彎道上，在這種情況下將不對前方道路的曲率進行估計；只有在自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀為彎道的情況下，微處理器才對自身車輛前方道路的曲率進行估計； (2)自身車輛行駛速度采集；微處理器接收來自車速傳感器的信號，對信號進行計算分析得到車速值； (3)自身車輛與前方車輛的相對位置關(guān)系數(shù)據(jù)采集；車輛行駛過程中，前方通常存在多個其他車輛目標(biāo)，分別以第一目標(biāo)、第二目標(biāo)表示；對于每一個目標(biāo)，激光雷達測量返回自身車輛與該目標(biāo)車輛的相對距離以及相對角度； (4)前方道路曲率計算估計；當(dāng)自身車輛當(dāng)前行駛路段形狀判斷結(jié)果為彎道時，維處理器根據(jù)步驟(2)、步驟(3)所得到的數(shù)據(jù)，對前方的所有目標(biāo)進行前方道路曲率計算估計，每一個目標(biāo)計算得到一個相對應(yīng)的道路曲率值，計算所有目標(biāo)的曲率平均值，將此平均值作為前方道路曲率估計的結(jié)果；以某一個目標(biāo)為例，前方道路曲率計算過程如下 對同一目標(biāo)，以第一目標(biāo)為例，經(jīng)過連續(xù)兩次的測量，將得到兩組自身車輛與該目標(biāo)之間的相對距離和相對角度，分別以屯、\和(12、Ci2表示；以ν表示這兩次測量過程中的車速，t表示兩次測量過程中的時間間隔，則在這兩次測量過程中自身車輛朝前行駛的距離L為L = vX t 對于這兩次測量過程所得到的相對距離和相對角度值，以向右轉(zhuǎn)彎為例，這些參數(shù)滿足以下關(guān)系式Y(jié) -d\ +Cif-1xd1XdlXcos(<2; -αΛ) 其中，Y是第一目標(biāo)在連續(xù)兩次測量時刻所在位置的連線長度；由此式計算得到Y(jié)2;對于連續(xù)兩次的測量過程，沿自車行駛的直線方向上目標(biāo)車輛所發(fā)生的位移長度k計算公式如下 k = d2 X cos a ^d1 X cos a j 由此可計算得到前方車輛沿道 路弧線行駛過程中繞圓心所轉(zhuǎn)過的角度β β = arcsin(—) x 0.017453 fl 此外，上述參數(shù)之間還滿足以下關(guān)系Y 2 = RX β 式中，R為前方車輛行駛路徑的半徑值； 由以上公式，結(jié)合激光雷達傳感器和車速傳感器的測量數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)對前方道路曲率的估計； (5)前方道路曲率估計結(jié)果顯示；微處理器估計得到前方道路曲率結(jié)果后，利用I/O接口，將前方道路曲率估計值發(fā)送到微型LED顯示器進行顯示。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種前方道路曲率估計裝置及其估計方法，用一個激光雷達來實時監(jiān)控自身車輛運行過程中前方其他車輛的運行狀態(tài)，通過對激光雷達的數(shù)據(jù)進行分析，識別出前方道路上正常行駛的其他車輛。在自身車輛行駛路徑保持直線的情況下，通過對前方其他車輛的行駛狀態(tài)進行分析來間接的獲取前方道路線形。因此，通過對自身激光雷達所返回的自身車輛與前方其他車輛的相對距離、相對方位角進行分析，采用曲線擬合方法對前方其他車輛的行駛軌跡的線形進行擬合。如果擬合結(jié)果為直線，則表明前方道路為直道。如果擬合結(jié)果為曲線，則表明遣返道路為彎道，再利用曲線擬合結(jié)果計算分析道路的曲率值，從而得到前方道路的曲率估計值。
文檔編號B60W40/072GK102991505SQ20121052407
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者王暢, 郭艷君, 付銳, 郭應(yīng)時, 袁偉 申請人:長安大學(xué)