专利名称：一种前方道路曲率估计装置及其估计方法
技术领域：
本发明属于交通领域，涉及一种道路曲率估计装置，尤其是一种前方道路曲率估计装置及其估计方法。
背景技术：
道路的曲率是影响到车辆运行安全的重要因素，随着车辆主动安全技术的飞速发展，越来越多的车辆先进安全系统需要使用道路曲率参数对车辆的运行状态进行实时监控。由车辆的运行过程可知，对车辆运行安全存在影响的道路曲率包括两种类型，第一种为车辆当前行驶路段的道路曲率，第二种为车辆前方道路的曲率。对于车辆当前行驶路段的道路曲率值，目前通过采用横摆角速度传感器、轮速传感器或者方向盘转角传感器可以进行道路曲率分析与计算。对于车辆前方道路的曲率测量问题，目前还没有有效的技术方法。从理论上而言，利用GPS技术可以提前感知前方道路的曲率技术，但实际推广使用过程中需要对所有道路的线形进行提前测量存储，这个过程的工作量太大，目前还无法进行推广使用。另一方面，前方道路的曲率对于车辆的运行安全存在重要影响，例如车辆高速解决弯道时，如果驾驶员不提前减速则可能会引发车辆发生侧翻，因此如果能够提前知道前方道路的曲率即可预先对驾驶员进行提示，避免交通事故的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种前方道路曲率估计装置及其估计方法，该前方道路曲率估计装置投资费用少，适合大规模推广使用，其道路曲率估计方法，智能化、自动化、无需人工操作，工作可靠性高。本发明的基本原理是利用一个激光雷达来实时监控自身车辆运行过程中前方其他车辆的运行状态，通过对激光雷达的数据进行分析，识别出前方道路上正常行驶的其他车辆。在自身车辆行驶路径保持直线的情况下，前方车辆的行驶状态体现了前方道路的线形，即可以通过对前方其他车辆的行驶状态进行分析来间接的获取前方道路线形。因此，通过对自身激光雷达所返回的自身车辆与前方其他车辆的相对距离、相对方位角进行分析，采用曲线拟合方法对前方其他车辆的行驶轨迹的线形进行拟合。如果拟合结果为直线，则表明前方道路为直道。如果拟合结果为曲线，则表明遣返道路为弯道，再利用曲线拟合结果计算分析道路的曲率值，从而得到前方道路的曲率估计值。为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案予以实现一种前方道路曲率估计装置，包括一个激光雷达,安装于车辆的前保险杠中央,激光发射面朝向车辆的前方安装,对自身车辆前方的其他车辆进行实时监控；一个方向盘转角传感器，安装于车辆转向轴上，实时测量自身车辆行驶过程中的方向盘转动角度；一个车速传感器，安装于车轮上随车轮一起转动，实时测量自身车辆的行驶速度；一个LED微型显示器，用于实时显示前方道路的估计曲率值，固定于车辆仪表盘上；一个微处理器，分别通过I/O接口分别连接激光雷达、方向盘转角传感器、车速传感器以及LED微型显不器。所述激光雷达采用IBEO LUX激光扫描雷达，测量距离200m。所述方向盘转角传感器采用KMT32B角度传感器。
所述车速传感器采用W221轮速传感器。所述微处理器为DSP处理器，具体型号为TMS320F28335。所述微型LED显示器采用PlO单元板。所述曲率估计装置的道路曲率估计方法，包括以下步骤(I)自身车辆当前行驶路段形状判断；微处理器实时采集方向盘转角传感器的数据，对方向盘转角数据进行判断；如果方向盘转角数据小于3度，则表明自身车辆当前行驶路段形状为直道；如果方向盘转角数据大于3度，则表明自身车辆当前行驶路段形状为弯道；如果判断得到自身车辆当前行驶路段形状为弯道，则表明当前时刻自身车辆正行驶于弯道上，在这种情况下将不对前方道路的曲率进行估计；只有在自身车辆当前行驶路段形状为弯道的情况下，微处理器才对自身车辆前方道路的曲率进行估计；(2)自身车辆行驶速度采集；微处理器接收来自车速传感器的信号，对信号进行计算分析得到车速值；(3)自身车辆与前方车辆的相对位置关系数据采集；车辆行驶过程中，前方通常存在多个其他车辆目标，分别以第一目标、第二目标表示；对于每一个目标，激光雷达测量返回自身车辆与该目标车辆的相对距离以及相对角度；(4)前方道路曲率计算估计；当自身车辆当前行驶路段形状判断结果为弯道时，维处理器根据步骤(2)、步骤(3)所得到的数据，对前方的所有目标进行前方道路曲率计算估计，每一个目标计算得到一个相对应的道路曲率值，计算所有目标的曲率平均值，将此平均值作为前方道路曲率估计的结果；以某一个目标为例，前方道路曲率计算过程如下对同一目标，以第一目标为例，经过连续两次的测量，将得到两组自身车辆与该目标之间的相对距离和相对角度，分别以屯、\和(12、Ci2表示；以V表示这两次测量过程中的车速，t表示两次测量过程中的时间间隔，则在这两次测量过程中自身车辆朝前行驶的距离L为L = vXt对于这两次测量过程所得到的相对距离和相对角度值，以向右转弯为例，这些参数满足以下关系式Y11 = d\ + J,2 - 2 X J2 X X cos(a2 - a,)其中，Y是第一目标在连续两次测量时刻所在位置的连线长度；由此式计算得到Y2 ；对于连续两次的测量过程，沿自车行驶的直线方向上目标车辆所发生的位移长度k计算公式如下k = d2 X cos a ^d1 X cos a x
由此可计算得到前方车辆沿道路弧线行驶过程中绕圆心所转过的角度3
此外，上述参数之间还满足以下关系
Y2 = RX ^式中，R为前方车辆行驶路径的半径值；由以上公式，结合激光雷达传感器和车速传感器的测量数据，即可实现对前方道路曲率的估计；(5)前方道路曲率估计结果显示；微处理器估计得到前方道路曲率结果后，利用I/O接口，将前方道路曲率估计值发送到微型LED显示器进行显示。本发明的前方道路曲率估计装置，主要部件采用激光雷达和DSP处理器，投资费用少，设计简单，可靠性高，而且不需要对车辆进行过多改装。本发明的前方道路曲率估计方法，基于上述前方道路曲率估计装置，其前方道路曲率估计过程由DSP处理器完成，智能化高，对前方道路曲率估计的结果直观、可靠。
图1为自身车辆与前方其他车辆、道路的示意图；图2为DSP微处理器的信号输入输出不意图。图中1、自身车辆；2、激光雷达；3、前方其他车辆；4、DSP微处理器；5、微型LED显示器；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。
具体实施例方式参考图1、图2，在前方道路曲率估计装置中，DSP处理器安装于仪表盘下方，激光雷达安装于车辆前保险杠中央，朝向车辆行驶方向前方安装。方向盘转角传感器安装于车辆转向柱上，车速传感器安装于车轮上。微型LED显示器安装于仪表盘左侧驾驶员容易注意到的区域。 将方向盘转角传感器通过导线连接到DSP处理器的第一 I/O接口 6，将车速传感器通过导线连接到DSP处理器的第二 I/O接口，将激光雷达传感器通过导线连接到DSP处理器的第三I/O接口，将微型LED显示器通过导线连接到DSP处理器的第四I/O接口。微处理器接收激光雷达传感器、方向盘转角传感器和车速传感器的信号，通过进行分析计算对前方道路的曲率进行估计，并利用微型LED显示器将曲率估计结果实时显示。为了实现本发明的前方道路曲率估计方法，结合上述前方道路曲率估计装置为基础，具体步骤如下(I)激光雷达传感器、方向盘转角传感器、车速传感器以及微型LED显示器的安装。首先安装激光雷达，利用螺栓将激光雷达安装于车辆前保险杠的中央。利用导线将激光雷达和DSP处理器的第三I/O接口连接。然后安装方向盘转角传感器，利用螺栓固定于车辆转向柱上，利用导线将方向盘转角传感器与DSP处理器的第一 I/O接口连接。利用螺栓将车速传感器安装于车轮上，使用导线将车速传感器与DSP处理器的第二 I/O接口连接。使用双面胶将微型LED显示器粘贴在驾驶员前方的仪表盘上，利用导线将微型LED显示器与DSP处理器第四I/O接口连接。(2)自身车辆当前行驶路段形状判断。微处理器实时采集方向盘转角传感器的数据，对方向盘转角数据进行判断。如果方向盘转角数据小于3度，则表明自身车辆当前行驶路段形状为直道。如果方向盘转角数据大于3度，则表明自身车辆当前行驶路段形状为弯道。如果判断得到自身车辆当前行驶路段形状为弯道，则表明当前时刻自身车辆正行驶于弯道上，在这种情况下将不对前方道路的曲率进行估计。只有在自身车辆当前行驶路段形状为弯道的情况下，微处理器才对自身车辆前方道路的曲率进行估计。( 3 )自身车辆行驶速度采集。微处理器接收来自车速传感器的信号，对信号进行计算分析得到车速值。(4)自身车辆与前方车辆的相对位置关系数据采集。车辆行驶过程中，前方通常存在多个其他车辆目标，分别以第一目标、第二目标表示。对于每一个目标，激光雷达测量返回自身车辆与该目标车辆的相对距离以及相对角度。(5)前方道路曲率计算估计。当自身车辆当前行驶路段形状判断结果为弯道时，维处理器根据步骤(2)、步骤(3)所得到的数据，对前方的所有目标进行前方道路曲率计算估计，每一个目标计算得到一个相对应的道路曲率值，计算所有目标的曲率平均值，将此平均值作为前方道路曲率估计的结果。以某一个目标为例，前方道路曲率计算过程如下对同一目标，以第一目标为例，经过连续两次的测量，将得到两组自身车辆与该目标之间的相对距离和相对角度，分别以屯、a i和d2、a 2表示。以V表示这两次测量过程中的车速，t表示两次测量过程中的时间间隔，则在这两次测量过程中自身车辆朝前行驶的距离L为L = vX t对于这两次测量过程所得到的相对距离和相对角度值，以向右转弯为例，这些参数满足以下关系式y\ = d\ +df -2xd2x d' xcos(a2 -a})其中，Y是第一目标在连续两次测量时刻所在位置的连线长度。由此式计算得到
Y 2 °对于连续两次的测量过程，沿自车行驶的直线方向上目标车辆所发生的位移长度k计算公式如下k = d2 X cos a ^d1 X cos a 由此可计算得到前方车辆沿道路弧线行驶过程中绕圆心所转过的角度3
权利要求
1.一种前方道路曲率估计装置，其特征在于，包括 一个激光雷达，安装于车辆的前保险杠中央，激光发射面朝向车辆的前方安装，对自身车辆前方的其他车辆进行实时监控； 一个方向盘转角传感器，安装于车辆转向轴上，实时测量自身车辆行驶过程中的方向盘转动角度； 一个车速传感器，安装于车轮上随车轮一起转动，实时测量自身车辆的行驶速度； 一个LED微型显示器，用于实时显示前方道路的估计曲率值，固定于车辆仪表盘上； 一个微处理器，分别通过I/O接口分别连接激光雷达、方向盘转角传感器、车速传感器以及LED微型显不器。
2.如权利要求1所述前方道路曲率估计装置，其特征在于所述激光雷达采用IBEOLUX激光扫描雷达，测量距离200m。
3.如权利要求1所述前方道路曲率估计装置，其特征在于所述方向盘转角传感器采用KMT32B角度传感器。
4.如权利要求1所述前方道路曲率估计装置，其特征在于所述车速传感器采用W221轮速传感器。
5.如权利要求1所述前方道路曲率估计装置，其特征在于所述微处理器为DSP处理器，具体型号为TMS320F28335。
6.如权利要求1所述前方道路曲率估计装置，其特征在于所述微型LED显示器采用PlO单元板。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述曲率估计装置的道路曲率估计方法，其特征在于，包括以下步骤 (O自身车辆当前行驶路段形状判断；微处理器实时采集方向盘转角传感器的数据，对方向盘转角数据进行判断；如果方向盘转角数据小于3度，则表明自身车辆当前行驶路段形状为直道；如果方向盘转角数据大于3度，则表明自身车辆当前行驶路段形状为弯道；如果判断得到自身车辆当前行驶路段形状为弯道，则表明当前时刻自身车辆正行驶于弯道上，在这种情况下将不对前方道路的曲率进行估计；只有在自身车辆当前行驶路段形状为弯道的情况下，微处理器才对自身车辆前方道路的曲率进行估计； (2)自身车辆行驶速度采集；微处理器接收来自车速传感器的信号，对信号进行计算分析得到车速值； (3)自身车辆与前方车辆的相对位置关系数据采集；车辆行驶过程中，前方通常存在多个其他车辆目标，分别以第一目标、第二目标表示；对于每一个目标，激光雷达测量返回自身车辆与该目标车辆的相对距离以及相对角度； (4)前方道路曲率计算估计；当自身车辆当前行驶路段形状判断结果为弯道时，维处理器根据步骤(2)、步骤(3)所得到的数据，对前方的所有目标进行前方道路曲率计算估计，每一个目标计算得到一个相对应的道路曲率值，计算所有目标的曲率平均值，将此平均值作为前方道路曲率估计的结果；以某一个目标为例，前方道路曲率计算过程如下 对同一目标，以第一目标为例，经过连续两次的测量，将得到两组自身车辆与该目标之间的相对距离和相对角度，分别以屯、\和(12、Ci2表示；以ν表示这两次测量过程中的车速，t表示两次测量过程中的时间间隔，则在这两次测量过程中自身车辆朝前行驶的距离L为L = vX t 对于这两次测量过程所得到的相对距离和相对角度值，以向右转弯为例，这些参数满足以下关系式Y -d\ +Cif-1xd1XdlXcos(<2; -αΛ) 其中，Y是第一目标在连续两次测量时刻所在位置的连线长度；由此式计算得到Y2;对于连续两次的测量过程，沿自车行驶的直线方向上目标车辆所发生的位移长度k计算公式如下 k = d2 X cos a ^d1 X cos a j 由此可计算得到前方车辆沿道 路弧线行驶过程中绕圆心所转过的角度β β = arcsin(—) x 0.017453 fl 此外，上述参数之间还满足以下关系Y 2 = RX β 式中，R为前方车辆行驶路径的半径值； 由以上公式，结合激光雷达传感器和车速传感器的测量数据，即可实现对前方道路曲率的估计； (5)前方道路曲率估计结果显示；微处理器估计得到前方道路曲率结果后，利用I/O接口，将前方道路曲率估计值发送到微型LED显示器进行显示。
全文摘要
本发明公开了一种前方道路曲率估计装置及其估计方法，用一个激光雷达来实时监控自身车辆运行过程中前方其他车辆的运行状态，通过对激光雷达的数据进行分析，识别出前方道路上正常行驶的其他车辆。在自身车辆行驶路径保持直线的情况下，通过对前方其他车辆的行驶状态进行分析来间接的获取前方道路线形。因此，通过对自身激光雷达所返回的自身车辆与前方其他车辆的相对距离、相对方位角进行分析，采用曲线拟合方法对前方其他车辆的行驶轨迹的线形进行拟合。如果拟合结果为直线，则表明前方道路为直道。如果拟合结果为曲线，则表明遣返道路为弯道，再利用曲线拟合结果计算分析道路的曲率值，从而得到前方道路的曲率估计值。
文档编号B60W40/072GK102991505SQ20121052407
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者王畅, 郭艳君, 付锐, 郭应时, 袁伟 申请人:长安大学