通過數(shù)據(jù)融合的失效操作的車輛速度估計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及通過數(shù)據(jù)融合的失效操作車輛速度估計，其中數(shù)據(jù)融合包括6-DOF IMU、GPS和雷達數(shù)據(jù)融合。公開了一種用于提供冗余車輛速度估計的方法。該方法包括從多個主要傳感器提供傳感器輸出信號和從慣性測量單元提供慣性測量信號。該方法也包括利用主要傳感器信號在主要模塊中估計車輛速度，并且在預(yù)定時間段內(nèi)緩沖來自主要模塊的所估計的車輛速度值。該方法還包括確定主要傳感器或主要模塊中的一個或多個已失效，并且如果如此，則利用緩沖的車輛速度值和慣性測量信號在次要模塊中估計車輛速度。如果GPS信號數(shù)據(jù)和/或靜態(tài)物體的測距數(shù)據(jù)可用，該方法能夠使用上述數(shù)據(jù)以在次要模塊中改進估計的車輛速度。
【專利說明】
通過數(shù)據(jù)融合的失效操作的車輛速度估計
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明總體上涉及用于估計車輛速度的系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及用于在主 要速度估計模塊失效的情況中車輛速度的次要或冗余估計的系統(tǒng)和方法，其中次要速度估 計模塊采用來自6自由度(D0F)慣性測量單元aMU)、GPS接收器和距離傳感器的傳感器輸 入。
【背景技術(shù)】
[0002] 車輛正變得更加自主或者認(rèn)識到目標(biāo)是完全自主駕駛的車輛，即能夠在最小限度 的或沒有駕駛員干預(yù)的情況下提供駕駛控制的車輛。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)已經(jīng)可用多年， 其中系統(tǒng)不僅維持設(shè)定速度，而且也將在檢測到在主體車輛前方存在更緩慢地運動的車輛 的情況中自動地使車輛減慢。當(dāng)前存在的車輛控制系統(tǒng)包括自主停泊，其中車輛將自動地 提供用于停泊車輛的轉(zhuǎn)向控制。而且，如果駕駛員做出可以影響車輛穩(wěn)定性和車道居中能 力的生硬的轉(zhuǎn)向改變，則存在的控制系統(tǒng)可以干預(yù)，其中車輛系統(tǒng)試圖使車輛保持在行駛 車道的中間附近。未來的車輛將有可能采用用于變道、通過、轉(zhuǎn)離交通、轉(zhuǎn)入交通、匯入交 通、在交叉路口處穿過或轉(zhuǎn)向等的自主系統(tǒng)。
[0003] 車輛上的各種主動安全控制系統(tǒng)、駕駛員輔助系統(tǒng)和自主駕駛操作(諸如電子穩(wěn) 定性控制(ECS)、自適應(yīng)巡航控制(ACC)、車道保持(LK)、變道(LC)等等），需要高度穩(wěn)健且精 確的模塊以便估計各種車輛動力學(xué)。這樣的模塊對于提供關(guān)于車輛位置和速度的知識以控 制車輛而言是必要的。
[0004] 用于上述系統(tǒng)及其它的主動安全控制依賴于準(zhǔn)確的車輛速度估計以便獲得恰當(dāng) 的性能。現(xiàn)今，所提出的系統(tǒng)的這些類型依賴于車輪轉(zhuǎn)速傳感器和其它車輛運動學(xué)輸入來 提供車輛速度估計。但是，有時確定車輛速度的傳感器和控制模塊失效或者不正確地操作， 其中車輛速度的損失可能是嚴(yán)重的。某些機動車輛安全要求(諸如ASIL-D)在如果發(fā)生主要 估計處理器失效時，需要冗余車輛速度估計方法。例如，對于那些需要主動控制的系統(tǒng)，需 要控制系統(tǒng)在失效事件之后五秒內(nèi)提供準(zhǔn)確的速度估計以便為駕駛員提供時間來掌控車 輛。期望的將是利用車輛上的現(xiàn)有硬件提供這樣的冗余速度估計方法以降低車輛成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本公開描述了用于提供冗余車輛速度估計的系統(tǒng)和方法。所述方法包括提供來自 多個主要傳感器的傳感器輸出信號和提供來自慣性測量單元的慣性測量信號。所述方法也 包括利用主要傳感器信號在主要模塊中估計車輛速度，并且在預(yù)定時間段中緩沖來自主要 模塊的所估計的車輛速度值。所述方法進一步包括確定主要傳感器中的一個或多個或主要 模塊是否失效，并且如果是這樣，則利用緩沖的車輛速度值和慣性測量信號在次要模塊中 估計車輛速度。所述方法能夠使用GPS信號數(shù)據(jù)和/或由距離傳感器(諸如雷達、光檢測與測 距和視覺系統(tǒng))提供的距靜態(tài)物體的速度數(shù)據(jù)，以便改善次要模塊中的所估計的車輛速度 (如果它們是可用的）。
[0006] 本發(fā)明還公開了以下技術(shù)方案： 方案1. 一種用于提供移動平臺的速度的冗余估計的方法，所述方法包括： 從多個主要傳感器提供傳感器輸出信號； 從慣性測量單元提供慣性測量信號； 利用所述主要傳感器信號在主要模塊中估計所述速度； 在預(yù)定時間段內(nèi)緩沖來自所述主要模式的估計的速度值； 確定所述主要傳感器或所述主要模塊中的一個或多個已失效;以及 如果所述主要傳感器或所述主要模塊已失效，則利用所述緩沖的速度值和所述慣性測 量信號在次要模塊中估計所述速度。
[0007] 方案2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，提供傳感器輸出信號包括從車輪轉(zhuǎn)速傳感 器、轉(zhuǎn)向角傳感器、偏航率傳感器或者縱向加速度傳感器提供傳感器輸出信號。
[0008] 方案3.根據(jù)方案1所述的方法，其中，從慣性測量單元提供慣性測量信號包括從6 自由度慣性測量單元提供慣性測量信號，包括三個加速度值，包括橫向、縱向和上/下加速 度值;以及包括滾動、俯仰和偏航值的三個角速率值。
[0009] 方案4.根據(jù)方案1所述的方法，還包括提供GPS信號從而識別所述移動平臺的位 置，其中在次要模塊中估計所述速度包括利用來自所述GPS信號的移動平臺位置數(shù)據(jù)來改 進所述速度的估計。
[0010] 方案5.根據(jù)方案1所述的方法，還包括提供從所述移動平臺至檢測到的靜態(tài)物體 的距離傳感器信息，其中在次要模塊中估計所述速度包括利用所述距離傳感器信息來改進 所述速度的估計。
[0011] 方案6.根據(jù)方案1所述的方法，其中，在次要模塊中估計所述速度包括在主體坐 標(biāo)系中利用運動學(xué)。
[0012] 方案7.根據(jù)方案6所述的方法，其中在主體坐標(biāo)系中利用運動學(xué)包括使用等式：
其中1淨(jìng)是所述主體坐標(biāo)系b中所述慣性測量單元的中心處的速度，其對應(yīng)于縱向、橫 向和上/下速度，即# ^ ，其中假定所述移動平臺總是接觸地面，具體地 在卡爾曼濾波中"虛擬"測量值_@Q是所述b_坐標(biāo)系中角速度co的斜對稱矩陣;裏@ 是慣性坐標(biāo)系a中的地球重力向量，具體地（〔九0, -9.80 665)T m/s2; 是從所述b-坐標(biāo) 系到慣性坐標(biāo)系a的旋轉(zhuǎn)矩陣；/&是所述b-坐標(biāo)系中的加速度;并且《是所述b-坐標(biāo)系中 的角速率;并且其中所述斜矩陣Q是：
并且其中巾是滾動角度，9是俯仰角度并且it是偏航角度。
[0013] 方案8.根據(jù)方案6所述的方法，其中，在所述次要模塊中估計所述速度包括從平 臺運動的所述慣性測量信號中去除沿上/下方向的數(shù)據(jù)。
[0014] 方案9.根據(jù)方案6所述的方法，其中，在所述次要模塊中估計所述速度包括從所 述慣性測量信號中去除偏航數(shù)據(jù)。
[0015] 方案10.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述預(yù)定時間段是五秒。
[0016] 方案11.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述移動平臺是車輛。
[0017] 方案12. -種用于提供車輛速度的冗余估計的方法，所述方法包括： 從多個主要傳感器提供傳感器輸出信號； 從6自由度慣性測量單元提供慣性測量信號，包括三個加速度值，包括橫向、縱向和上/ 下加速度值;以及包括滾動、俯仰和偏航值的三個角速率值； 提供識別所述車輛的位置的GPS信號； 提供從所述車輛至檢測到的靜態(tài)物體的距離傳感器信息； 利用所述主要傳感器信號在主要模塊中估計所述車輛速度； 在預(yù)定時間段內(nèi)緩沖來自所述主要模式的估計的所述車輛速度； 確定所述主要傳感器或所述主要模塊中的一個或多個已失效;以及 利用緩沖的所述車輛速度值和所述慣性測量信號在次要模塊中估計所述車輛速度，包 括利用來自所述GPS信號的車輛位置數(shù)據(jù)和所述距離傳感器信息以改進所述車輛速度的估 計。
[0018] 方案13.根據(jù)方案12所述的方法，其中，提供傳感器輸出信號包括從車輪轉(zhuǎn)速傳 感器、轉(zhuǎn)向角傳感器、偏航率傳感器或者縱向加速度傳感器提供傳感器輸出信號。
[0019] 方案14.根據(jù)方案12所述的方法，其中，在次要模塊中估計所述車輛速度包括在 車輛主體坐標(biāo)系中利用車輛運動學(xué)。
[0020] 方案15.根據(jù)方案14所述的方法，其中，在車輛主體坐標(biāo)系中利用車輛運動學(xué)包 括利用等式：
其中1#是所述車輛主體坐標(biāo)系b中的所述慣性測量單元的中心處的車輛速度，其對應(yīng) 于車輛縱向、橫向和上/下速度，即，其中假定所述車輛的車輪總是 接觸地面，具體地在卡爾曼濾波中"虛擬"測量值轉(zhuǎn)Q是所述b-坐標(biāo)系中角速度《 的斜對稱矩陣；是慣性坐標(biāo)系a中的地球重力向量，具體地|_麻一I，關(guān)義:懷義0 ; II是從所述b-坐標(biāo)系到所述慣性坐標(biāo)系a的旋轉(zhuǎn)矩陣;是所述b-坐標(biāo)系中的加速度;并 且w是所述b -坐標(biāo)系中的角速率;并且其中所述斜矩陣是：
并且所述角速率w是： 并且其中巾是滾動角度，9是俯仰角度并且it是偏航角度。
[0021] 方案16.根據(jù)方案14所述的方法，其中，在所述次要模塊中估計所述車輛速度包 括從車輛運動的所述慣性測量信號中去除沿上/下方向的數(shù)據(jù)。
[0022] 方案17.根據(jù)方案14所述的方法，其中，在所述次要模塊中估計所述車輛速度包 括從所述慣性測量信號中去除偏航數(shù)據(jù)。
[0023] 方案18. -種用于提供車輛速度的冗余估計的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 提供傳感器輸出信號的多個主要傳感器； 提供慣性測量信號的慣性測量單元； 利用所述主要傳感器信號估計所述車輛速度的主要器件； 用于在預(yù)定時間段內(nèi)緩沖所估計的車輛速度值的器件； 用于確定所述主要傳感器或所述主要器件中的一個或多個已失效的器件；以及 用于利用所述緩沖的車輛速度值和所述慣性測量信號在次要模塊中估計所述車輛速 度的次要器件。
[0024]方案19.根據(jù)方案18所述的系統(tǒng)，其中，所述慣性測量單元是6自由度慣性測量單 元，其提供包括橫向、縱向和上/下加速度值的三個加速度值以及包括滾動、俯仰和偏航值 的三個角速率值。
[0025]方案20.根據(jù)方案18所述的系統(tǒng)，還包括用于提供識別所述車輛的位置的GPS信 號的GPS接收器和提供從所述車輛至檢測到的靜態(tài)物體的距離信息的距離傳感器，其中用 于在次要模塊中估計所述速度的所述器件包括利用來自所述GPS信號的位置數(shù)據(jù)和所述距 離傳感器信息來改進所述速度的估計。
[0026] 結(jié)合附圖從以下描述和所附權(quán)利要求中將顯而易見到本發(fā)明的附加特征。
【附圖說明】
[0027] 圖1是包括用于估計車輛速度的冗余系統(tǒng)的車輛的簡單示意圖； 圖2是包括用于估計車輛速度的主要模塊和用于估計車輛速度的次要模塊的控制系統(tǒng) 的框圖； 圖3是示出用于估計車輛速度的車輛運動學(xué)的流程圖； 圖4是示出用于在主要模塊失效之前估計車輛姿態(tài)的過程的流程圖； 圖5是沿道路行駛的車輛的圖示，其示出用于利用測距數(shù)據(jù)改善車輛速度的估計的技 術(shù)中所采用的變量;以及 圖6是示出用于利用GPS信號或測距數(shù)據(jù)來測量車輛縱向速度的過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0028] 本發(fā)明實施例的下述討論涉及用于在主要車輛速度估計失效的情況下估計車輛 速度的次要技術(shù)，其在本質(zhì)上僅是示例性的并且不以任何方式試圖限制本發(fā)明或其應(yīng)用或 使用。例如，如所討論的那樣，系統(tǒng)和方法具有用于估計車輛速度的具體應(yīng)用。但是，如本領(lǐng) 域技術(shù)人員將認(rèn)識到的那樣，系統(tǒng)和方法可以具有用于其它移動平臺（諸如火車、機器、拖 拉機、船舶、娛樂車輛等上)的應(yīng)用。
[0029] 如下文將詳細(xì)描述的那樣，本發(fā)明提出了用于在用于估計車輛速度的主要系統(tǒng)失 效的情況下估計車輛速度的次要系統(tǒng)和方法。在一種實施例中，次要速度估計系統(tǒng)具有下 述應(yīng)用：用于在主要技術(shù)已失效之后的特定時間段(諸如五秒）內(nèi)提供車輛速度估計，如車 輛自主或半自主駕駛控制系統(tǒng)的機動車輛標(biāo)準(zhǔn)所要求的那樣，以允許車輛駕駛員有時間掌 控車輛。次要速度估計技術(shù)采用來自在主要速度估計系統(tǒng)中未被用于確定車輛速度的現(xiàn)有 車輛傳感器的數(shù)據(jù)。在一種實施例中，次要速度估計系統(tǒng)采用來自6-D0F頂U、GPS接收器和 距離傳感器(諸如雷達、光檢測和測距、視覺系統(tǒng)等等)的信號，它們能夠融合在一起以確定 車輛速度。在主要速度估計系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的期間，針對若干樣本點緩沖所計算的車輛速度，其中 針對每個樣本周期不斷地更新緩沖的速度信息。通過利用由主要系統(tǒng)計算的緩沖的車輛速 度數(shù)據(jù)，在主要速度估計系統(tǒng)失效之后的某些時間段內(nèi)，6-D0F MU傳感器數(shù)據(jù)被用于推算 車輛速度。來自6-D0F頂U的這種數(shù)據(jù)能夠結(jié)合GPS信號（如果它們是可用的）來使用。此外， 來自車輛周圍的靜止物體的速度測量數(shù)據(jù)能夠結(jié)合所推算的6-D0F IUM數(shù)據(jù)和GPS信號中 的一者或二者來使用。
[0030] 圖1是包括冗余車輛速度估計系統(tǒng)12的車輛10的簡化的示意圖。系統(tǒng)12包括主要 車輛速度估計模塊14和次要車輛速度估計模塊16,每個車輛速度估計模塊均能夠生成對車 輛橫向和縱向速度的估計。由模塊14和16生成的車輛橫向和縱向速度被提供至一個或多個 控制器18,所述控制器18控制車輛的一些方面(諸如自主駕駛系統(tǒng)、主動安全控制系統(tǒng)、穩(wěn) 定性控制系統(tǒng)等等）。主要模塊14接收來自若干運動學(xué)傳感器的信號（總體上在框20處表 示），其使用這些信號來估計車輛速度。這樣的傳感器可以包括車輪轉(zhuǎn)速傳感器、方向盤角 度傳感器、偏航率傳感器、縱向和橫向加速度傳感器等等。如果這些傳感器中的一個或多個 失效或者模塊14本身失效，則系統(tǒng)12將檢測到該失效，并且使用來自次要模塊16而不是主 要模塊14的車輛速度估計信號。次要模塊16使用不同于主要模塊14的傳感器，諸如6-D0F 頂U、GPS接收器、距離傳感器等等，總體上在框22處表示。
[0031] 圖2是類似于系統(tǒng)12的車輛速度估計系統(tǒng)30的示意性框圖。系統(tǒng)30包括主要車輛 速度估計模塊32和次要車輛速度估計模塊34，其向主動安全控制器36提供所估計的車輛橫 向和縱向速度信號。模塊32包括計算車輛速度估計信號的主要函數(shù)處理器38和確定模塊32 的任何部分或其輸入是否已發(fā)生失效的失效-安全判定(decider)處理器40。同樣地，次要 模塊34包括次要函數(shù)處理器42,其計算僅當(dāng)主要模塊32失效時使用的車輛速度估計信號。 次要模塊34也包括失效-安全判定處理器44,其確定次要模塊34是否恰當(dāng)?shù)剡\行。主要模塊 32和次要模塊34從車輛通信信道或總線48接收傳感器信號。若干傳感器46(諸如車輪轉(zhuǎn)速 傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器、偏航率傳感器、縱向和煒度加速度傳感器等等)在總線48上提供由 主要模塊32獲取的傳感器信號。此外，系統(tǒng)30包括6-D0F MU 50、GPS接收器52和距離傳感 器54,它們也向通信總線48提供它們的信號并且可用于次要模塊34。
[0032]次要模塊34也接收來自主要函數(shù)處理器38的速度信號并且在至少某些滾動時間 段(諸如五秒)緩沖那些速度信號。如果檢測到主要模塊32中的故障，則次要模塊34讀取緩 沖的數(shù)據(jù)并且利用來自6-D0F MU 50的角速率和加速度信號推算該數(shù)據(jù)以提供車輛速度 估計。6-D0F頂U 50是某些車輛上可用的公知傳感器，其提供六個變化速率的測量值，具體 地，車輛滾動、俯仰和偏航的角速率測量值《，以及縱向加速度、橫向加速度和上/下加速度 的加速度測量值f。在次要模塊34中利用儲存的速度值和6-DOF IMU數(shù)據(jù)對車輛速度的推算 能夠利用來自GPS接收器52的GPS數(shù)據(jù)和/或來自檢測靜止物體(如果是可用的）的距離傳感 器54的數(shù)據(jù)來校正或擴充，其中車輛和所檢測的靜止物體之間的間距的距離變化率能夠被 用于幫助確定車輛速度。如果主要模塊32從失效或故障恢復(fù)，則系統(tǒng)30的操作轉(zhuǎn)變回主要 模塊32，其中主要模塊32的狀態(tài)變量(諸如車輛縱向速度、車輛橫向速度、滾動角度和俯仰 角度)使用通信總線48上的來自次要模塊34的最近的狀態(tài)變量來初始化。
[0033]以下討論描述了來自6-D0F頂U 50的速率變化數(shù)據(jù)如何能夠用于在主要模塊32 已失效之后的一些時間段內(nèi)利用緩沖的車輛速度數(shù)據(jù)預(yù)測車輛速度。車輛主體坐標(biāo)系b中 的車輛速度的常微分方程(0DE)的車輛運動學(xué)限定為：
其中是車輛主體坐標(biāo)系b中MU 50的中心處的車輛速度，其對應(yīng)于車輛縱向、橫向 和上/下速度，即，其中假定車輛的車輪總是接觸地面，具體地在卡 爾曼濾波中"虛擬"測量值_$ ^Q是在b-坐標(biāo)系中的角速度《的斜對稱矩陣;議?是在 慣性坐標(biāo)系a中的地球重力向量，具體地遽&是從b-坐標(biāo)系到慣 性坐標(biāo)系a的旋轉(zhuǎn)矩陣;是由b-坐標(biāo)系中的加速度計測量的車輛加速度(MU數(shù)據(jù)）;并且 w是由b-坐標(biāo)系中的陀螺儀測量的角速率(頂U數(shù)據(jù)）;并且其中斜矩陣Q是：
其中〇是滾動角度，9是俯仰角度并且也是偏航角度。
[0034] 如果值P是車輛的重心(CG)在慣性坐標(biāo)系(a-坐標(biāo)系）中的速度，則由于牛頓定 律：
注意旋轉(zhuǎn)矩陣的性質(zhì)以及車輛主體坐標(biāo)系中觀察到的加速度向量。使等式(6)乘以 旋轉(zhuǎn)矩陣海出車輛主體坐標(biāo)系b中的車輛速度的0DE。
[0035] 圖3是示出等式（1)如何被用于預(yù)測車輛速度值;!#的流程圖60。在框62處提供來 自主要模塊32的最后緩沖的車輛速度值if，其具有三個分量，即，縱向速度__、橫向速度 和車輛上/下速度丨_，如：
[0036] 在框64處對主體坐標(biāo)系中的車輛速度求積分以獲得車輛速度值#=:。在框66處速 度值一被用于獲得上速度誤差一 1其在乘法器70中乘以在框68處提供的卡爾曼濾波增 益K以獲得一器::％p。然后，在減法器72中從車輛速度值:一減去濾波的上速度誤差一 以在線74上獲得估計的縱向和橫向車輛速度信號作為來自次要函數(shù)處理器42的輸出。
[0037] 關(guān)于如何獲得速度值〖，的討論提供如下。在框76處提供來自6-D0F IMU 50的俯 仰、滾動和偏航角速率《，并且在框78處將其用于計算斜矩陣Q。斜矩陣Q在乘法器80中乘 以車輛速度值1.聲并且由逆變器82求逆以獲得作為等式(1)的第一分量的值一及?戶。
[0038]在次要模塊34中由次要函數(shù)處理器42預(yù)測車輛速度需要車輛姿態(tài)（即滾動、俯仰 和偏航）的初始值，其確定了從慣性坐標(biāo)系統(tǒng)(a-坐標(biāo)系）到車輛坐標(biāo)系統(tǒng)(b-坐標(biāo)系）的旋 轉(zhuǎn)矩陣||。在這種示例中，值對于方位旋轉(zhuǎn)是不變的，并且因此僅需要車輛的滾動 和俯仰角，其中偏航角被設(shè)定為零。對于靜止車輛，車輛的滾動和俯仰姿態(tài)能夠從重力向量 和IMU測量的加速度之間的二維角度計算出。然而，對于運動的車輛，能夠利用來自主要模 塊32的車輛速度向量值確定滾動和俯仰的姿態(tài)。來自框78的斜矩陣由逆變器58求逆 以獲得斜矩陣的逆矩陣，其在乘法器98中乘以線56上提供的旋轉(zhuǎn)矩陣的估計以獲得 值一ili|。向積分算子86提供在檢測到主要模塊32的故障之前在框84處提供的最后緩沖的 旋轉(zhuǎn)矩陣和來自乘法器98的值以生成新的旋轉(zhuǎn)矩陣1|。圖4和下述討論示出了 當(dāng)主要模塊32起作用時如何確定這些緩沖的旋轉(zhuǎn)矩陣。
[0039]由旋轉(zhuǎn)矩陣形成的空間是非歐幾里得(non-Euclidean)的，并且因此當(dāng)處理車輛 姿態(tài)估計時需要特別小心。例如，來自積分算子86的值居^可以不是旋轉(zhuǎn)矩陣。需要奇異值 分解(SVD)投影來提供值U的歸一化以將其識別為旋轉(zhuǎn)矩陣。計算SVD矩陣U、S和V，使得：
[0040] 在框88處通過如下計算獲得歸一化的旋轉(zhuǎn)矩陣: 。(10)。
[0041 ]從旋轉(zhuǎn)矩陣獲得包括滾動角巾、俯仰角9和偏航角也的車輛姿態(tài)。車輛坐標(biāo)系統(tǒng) (b-坐標(biāo)系)附接至車輛的主體，并且a-坐標(biāo)系是慣性坐標(biāo)系統(tǒng)。
[0042]旋轉(zhuǎn)矩陣能夠由三個歐拉角表示為： 振=:卿:1:,輕。(11)。
[0043] 從a-坐標(biāo)系至b-坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣篆|被提供為：
[0044] 從b-坐標(biāo)系到a-坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣衣|的導(dǎo)數(shù)確定如下?？紤]到車輛的滾動巾、俯 仰9和偏航力運動的無窮小的角度:透象顯3神 r，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣R能夠由 繼:及愚+扇9近似，其中3多-是旋轉(zhuǎn)角度舞|的斜對稱矩陣表示：
其中x代表斜對稱矩陣算子，即，CM? Si :f_(獅。
[0045] 在時間t，b_坐標(biāo)系中的向量p能夠在a_坐標(biāo)系中表示為現(xiàn)在考 慮在時間:t手在e時：
[0046] 旋轉(zhuǎn)矩陣衣|的時間導(dǎo)數(shù)限定為：

是斜對稱矩陣角速率《 ，即焱=隣_。注意到等 式(15)等價于車輛姿態(tài)： (16) 來自框88的旋轉(zhuǎn)矩陣窮|和來自框90的重力向量Jf由乘法器92相乘以獲得等式(1)的 第二分量，具體地沒氣在框94處提供來自6-D0F頂U 50的三個加速度值以用于等式 (1)的第三分量，并且所有分量~ 和/^由加法器96加在一起以獲得發(fā)送至積 分框64的速度值
[0047] 圖4是流程圖100,其示出用于利用在框102處由主要模塊32提供的速度向量確 定或估計失效前的車輛姿態(tài)9的過程。速度向量1#在框104處被低通濾波，并且由求導(dǎo)框 106提供其變化率以獲得速度向量值的變化率Pt。在框108處提供MU角速率co，并且在框 110處提供MU加速度變化率/ &。在框112處利用角速率co計算斜矩陣Q，如與上文描述的 框78中相同的那樣。然后在乘法器114中斜矩陣Q乘以速度值〗._以獲得值。加速度變 化率f§由逆變器1 1 6求逆，并且值和-I#由加法器1 1 8相加以獲得 '^奪.#:!^: -!^，在框120處利用滾動-俯仰角0和來自框122的重力向量f從該值如下估 計旋轉(zhuǎn)矩陣
旋轉(zhuǎn)矩陣it的估計是： 氣纖，。（21)。
[0048]針對滾動角巾和俯仰角0的車輛姿態(tài)0被計算為：
[0049]如上所述，如果來自GPS接收器52的GPS數(shù)據(jù)可用，則其能夠被用于結(jié)合由頂U 50 提供的數(shù)據(jù)來改善預(yù)測的車輛速度，原因在于隨著誤差累積，預(yù)測性能降低。GPS信號根據(jù)
:被用作車輛縱向速度的測量值，其中屬是車輛縱向速度， %_是車輛橫向速度，并且e是零均值高斯分布誤差。當(dāng)新的GPS數(shù)據(jù)到達且信號接收高于 預(yù)定的信噪比時，當(dāng)發(fā)生GPS校正時應(yīng)用卡爾曼-布西濾波器來校正車輛速度估計。
[0050]而且，如上所述，來自距離傳感器的速度數(shù)據(jù)能夠被用于改善車輛速度估計量。作 為示例實施例，下文參考圖5討論利用雷達數(shù)據(jù)的校正，其中圖5示出沿道路130行駛的車輛 128的圖示126。車輛128包括前雷達傳感器132和后雷達傳感器134,其檢測沿著道路132的 物體，例如分別檢測道路標(biāo)志136和138。利用以下狀態(tài)變量：車輛縱向速度和橫向速度 % =你fam-L來自頂u 50的車輛偏航率、二維斜對稱矩陣、由雷達傳感器132 檢測到的在車輛坐標(biāo)系中位于點：Pi:處的第i個物體、距離變化率(range rate),、由雷達 傳感器132檢測到的在車輛坐標(biāo)系中位于點Pj處的第j個物體，以及距離變化率，，能夠獲 得兩個測量值等式，如：
其中麵和％是由雷達多普勒測量值引入的零均值高斯分布誤差項。因此卡爾曼-布西 濾波器能夠被設(shè)計成基于測量值等式校正車輛速度預(yù)測。
[0051] 圖6是流程圖140,其示出用于利用GPS數(shù)據(jù)和/或雷達數(shù)據(jù)(如果其可用）以幫助確 定所估計的車輛速度的過程。算法開始于框142并且在決策菱形144處確定新的GPS數(shù)據(jù)或 雷達數(shù)據(jù)是否可用。如果在決策菱形144處新的GPS或雷達數(shù)據(jù)不可用，則在框146處算法使 用如上討論的來自IMU數(shù)據(jù)的預(yù)測的車輛速度。如果在決策菱形144處新的GPS信號或雷達 數(shù)據(jù)是可用的，則在決策菱形148處算法確定信號接收是否足夠良好或者雷達靜態(tài)目標(biāo)是 否存在。如果在決策菱形148處GPS信號接收并不令人滿意或者雷達靜態(tài)目標(biāo)不存在，則算 法進行到框146以使用車輛預(yù)測速度數(shù)據(jù)。如果在決策菱形148處GPS信號良好或者雷達傳 感器正拾取靜態(tài)目標(biāo)，則在框150處算法使用那些值中的一個或兩個以從所預(yù)測的車輛速 度信號中去除誤差。由框150提供的基于卡爾曼-布西濾波的校正在框68處提供為誤差校 正。
[0052] 如本領(lǐng)域技術(shù)人員將很好地理解的，本文討論的用以描述本發(fā)明的多個和各種步 驟和過程可以指的是由計算機、處理器或利用電氣現(xiàn)象操縱和/或傳輸數(shù)據(jù)的其它電子計 算裝置來執(zhí)行的操作。那些計算機和電子裝置可以采用各種易失性和/或非易失性存儲器， 包括帶有儲存于其上的可執(zhí)行程序的非瞬時計算機可讀介質(zhì)，所述可執(zhí)行程序包括能夠由 計算機或處理器執(zhí)行的各種代碼或者可執(zhí)行指令，其中存儲器和/或計算機可讀介質(zhì)可以 包括所有形式和類型的存儲器和其它計算機可讀介質(zhì)。
[0053] 前述討論僅公開并描述了本發(fā)明的示例性實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員從這樣的討論 和從附圖和權(quán)利要求中將容易地認(rèn)識到，能夠在不背離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的 精神和范圍的情況下在其中做出各種改變、改型和變型。
【主權(quán)項】
1. 一種用于提供移動平臺的速度的冗余估計的方法，所述方法包括： 從多個主要傳感器提供傳感器輸出信號； 從慣性測量單元提供慣性測量信號； 利用所述主要傳感器信號在主要模塊中估計所述速度； 在預(yù)定時間段內(nèi)緩沖來自所述主要模式的估計的速度值； 確定所述主要傳感器或所述主要模塊中的一個或多個已失效；以及 如果所述主要傳感器或所述主要模塊已失效，則利用所述緩沖的速度值和所述慣性測 量信號在次要模塊中估計所述速度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供傳感器輸出信號包括從車輪轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn) 向角傳感器、偏航率傳感器或者縱向加速度傳感器提供傳感器輸出信號。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，從慣性測量單元提供慣性測量信號包括從6自由 度慣性測量單元提供慣性測量信號，包括三個加速度值，包括橫向、縱向和上/下加速度值； 以及包括滾動、俯仰和偏航值的三個角速率值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括提供GPS信號從而識別所述移動平臺的位置，其 中在次要模塊中估計所述速度包括利用來自所述GPS信號的移動平臺位置數(shù)據(jù)來改進所述 速度的估計。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括提供從所述移動平臺至檢測到的靜態(tài)物體的距 離傳感器信息，其中在次要模塊中估計所述速度包括利用所述距離傳感器信息來改進所述 速度的估計。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在次要模塊中估計所述速度包括在主體坐標(biāo)系中 利用運動學(xué)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中在主體坐標(biāo)系中利用運動學(xué)包括使用等式：其中#是所述主體坐標(biāo)系b中所述慣性測量單元的中心處的速度，其對應(yīng)于縱向、橫向 和上/下速度，即，其中假定所述移動平臺總是接觸地面，具體地在 卡爾曼濾波中"虛擬"測量值Q是所述b-坐標(biāo)系中角速度co的斜對稱矩陣；是 慣性坐標(biāo)系a中的地球重力向量，具體地f ft獅一 ili顯紙知2; :_是從所述b-坐標(biāo)系 到慣性坐標(biāo)系a的旋轉(zhuǎn)矩陣；是所述b-坐標(biāo)系中的加速度;并且《是所述b-坐標(biāo)系中的 角速率;并且其中所述斜矩陣D是：并且所述角速率〇是： 并且其中是滾動角度，9是俯仰角度并且也是偏航角度。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，在所述次要模塊中估計所述速度包括從平臺運動 的所述慣性測量信號中去除沿上/下方向的數(shù)據(jù)。9. 一種用于提供車輛速度的冗余估計的方法，所述方法包括： 從多個主要傳感器提供傳感器輸出信號； 從6自由度慣性測量單元提供慣性測量信號，包括三個加速度值，包括橫向、縱向和上/ 下加速度值;以及包括滾動、俯仰和偏航值的三個角速率值； 提供識別所述車輛的位置的GPS信號； 提供從所述車輛至檢測到的靜態(tài)物體的距離傳感器信息； 利用所述主要傳感器信號在主要模塊中估計所述車輛速度； 在預(yù)定時間段內(nèi)緩沖來自所述主要模式的估計的所述車輛速度； 確定所述主要傳感器或所述主要模塊中的一個或多個已失效；以及 利用緩沖的所述車輛速度值和所述慣性測量信號在次要模塊中估計所述車輛速度，包 括利用來自所述GPS信號的車輛位置數(shù)據(jù)和所述距離傳感器信息以改進所述車輛速度的估 計。10. -種用于提供車輛速度的冗余估計的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 提供傳感器輸出信號的多個主要傳感器； 提供慣性測量信號的慣性測量單元； 利用所述主要傳感器信號估計所述車輛速度的主要器件； 用于在預(yù)定時間段內(nèi)緩沖所估計的車輛速度值的器件； 用于確定所述主要傳感器或所述主要器件中的一個或多個已失效的器件；以及 用于利用所述緩沖的車輛速度值和所述慣性測量信號在次要模塊中估計所述車輛速 度的次要器件。
【文檔編號】G01S19/52GK106053879SQ201610212098
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月7日 公開號201610212098.6, CN 106053879 A, CN 106053879A, CN 201610212098, CN-A-106053879, CN106053879 A, CN106053879A, CN201610212098, CN201610212098.6
【發(fā)明人】S.曾, D.M.西羅斯基, D.W.德爾
【申請人】通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司