导向拖曳挂接控制系统和方法与流程

本公开涉及一种导向拖曳挂接控制系统和方法。

背景技术：

可以使用拖车挂接组件将拖车、备用轮或其它非动力轮式结构拖曳在车辆后面。虽然拖车挂接组件以各种配置出现，但是典型的配置包括拖车联接器和挂接球。拖车联接器与拖车连接，其包括从拖车延伸出的拖车舌状件。拖车舌状件的杯状物绕挂接球定位，挂接球转而连接至牵引车。拖车联接器通过杠杆和保持销锁定在适当位置。适当挂接的拖车形成带有牵引车的单一结构单元，所述牵引车能够转弯，同时在道路上保持稳定。然而，因挂接球位于牵引车后端，可能使操作员在挂接操作期间很难适当地将挂接球和拖车联接器对准，特别是在低照明条件下。

现代车辆包括一个或多个提供倒车辅助的摄像机。用于倒车辅助的后部摄像机系统可以采用叠加在摄像机图像上的可视重叠图形以提供倒车转向引导。通过确定摄像机参数(例如，焦距、光心、取向及位置)的校准过程，使这些操作中的摄像机图像和车辆坐标关联。可以使用摄像机建模技术，所述技术帮助说明拖车舌状件高出地面的高度，同时还在驾驶员将车辆转向时，对牵引车相对于旋转中心的运动进行建模。然而，用于引导倒车操作的基于摄像机的技术在应用于拖车挂接操作时可能不是最理想的，特别是在拖车挂接操作的近距离控制阶段期间。

技术实现要素：

本文公开了一种方法，其旨在改善在现存的拖车挂接操作方面的可能的限制。所述方法使得能够对具有第一挂接装置的牵引车与具有第二挂接装置的拖车之间的挂接操作进行导向控制，例如，所述第一挂接装置和第二挂接装置分别为挂接球和拖车联接器。所述方法包括：使用连接至牵引车的数字或模拟摄像机，采集第一挂接装置和第二挂接装置的动态像素图像，以及然后通过本地定位装置，例如，使用如下所述的发射器和接收器对，来确定第二挂接装置相对于第一挂接装置的位置。所述方法还包括在挂接操作的第一阶段期间，在显示屏上显示对动态像素图像的第一图形重叠。第一图形重叠，例如，响应于变化的转向角在取向、重量和/或颜色上被动态地调整的导向线，描绘了牵引车至拖车联接器的预计或预期路径。

此外，所述方法包括：通过控制器来计算第一挂接装置的已校准位置与第二挂接装置的所确定位置之间的线性距离。然后，当计算出的距离小于已校准的距离时，再次使用显示屏通过控制器来显示第二图形重叠，包括自动地控制摄像机的变焦级别。以提高的变焦级别在像素图像上的第二图形重叠对牵引车的驾驶员提供第一挂接装置和第二挂接装置的各自位置的标记。当第二图形重叠指示各自位置的标记的基本上重叠时(例如，如本文所述的同心重叠)，控制器执行控制动作，包括将用信号通知基本上重叠的音频和/视觉指示器激活。

第一挂接装置或第二挂接装置可包括如上所述的本地定位装置，所述本地定位装置可操作用于发射原始位置数据。在这种情况下，确定第二挂接装置的位置包括检测原始位置数据。

作为非限制性的示例，本地定位装置可以是发射灯光信号(诸如，连续的光束、激光雷达或光脉冲)的灯标、发射声波或无线电波的声波发射器(例如，超声发射器)或者发射电磁波(诸如，雷达)的电磁波发射器。

所述方法可包括将显示的导向线标上色标，以表示第一挂接装置和第二挂接装置的正确的或不正确的对准。

显示第二图形重叠可能需要在动态像素图像上在拖车联接器上显示开口圆，在挂接球上显示闭口圆。在本实施例中，各自位置的标记的基本上重叠可能需要圆的同心重叠。

还公开了一种系统，所述系统用于对具有第一挂接装置的牵引车与具有第二挂接装置的拖车之间的挂接操作提供导向控制。所述系统包括一个或多个摄像机和本地定位装置，所述摄像机可操作用于采集第一挂接装置和第二挂接装置的动态像素图像，所述本地定位装置可连接至第一挂接装置或第二挂接装置且可操作用于发射原始位置信号。所述系统还可包括与本地定位装置通信的接收器、显示屏以及控制器，其中所述接收器可操作用于使用所发射的原始位置信号来确定第二挂接装置相对于第一挂接装置的位置。

控制器被编程为在挂接操作的第一阶段期间显示对动态像素图像的第一图形重叠，并且计算第一挂接装置的已校准的距离与第二挂接装置的所确定的距离之间的距离。控制器还被编程为在所计算出的距离小于已校准的距离时，使用显示屏来显示第二图形重叠，其中第二图形重叠提供如上所述的第一挂接装置和第二挂接装置的各自位置的标记。然后，当第二图形重叠指示各自位置的标记的同心对准时，控制器执行控制动作，包括将用信号通知基本上重叠的音频和/视觉指示器中的至少一个激活。

当结合附图和随附权利要求考虑时，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将根据下文对用于实行本公开的实施例和最佳模式的详细描述变得显而易见。

附图说明

图1是示出了示例性的拖车和具有控制器的牵引车的示意性透视图，所述控制器以如本文所述的导向拖曳挂接控制逻辑进行编程。

图2A至图2C是在拖车挂接操作的第一阶段中挂接球和拖车联接器以及编码的图形重叠的示意图，所述图形重叠可通过图1中的牵引车的显示屏来呈现。

图3A至图3C是在拖车挂接操作的第二阶段中拖车联接器以及图形重叠的示意图，所述图形重叠可通过图1中的牵引车的显示屏来呈现。

图4是描述本方法的示例性实施例的流程图，所述方法用于对涉及图1中的牵引车的拖车挂接操作提供导向拖曳挂接控制。

具体实施方式

参照附图，其中贯穿若干视图，相似的参考标号表示相似的部件，图1中描绘了示例性的牵引车10和拖车12。虽然为了说明的简单性示出了轻型货车和传统的拖车，但是牵引车10的其它类型也可在本公开的预期范围内使用，诸如，运动型多功能车辆或货车。同样地，拖车12可具体表现为多轴拖车、备用轮或可被拖曳在牵引车10后面的任意其它非动力轮式结构。

牵引车10包括第一挂接装置18，以下称其为挂接球。拖车12包括匹配的第二挂接装置28，以下称其为拖车联接器，这两者在本领域中是已知的且如以上所述配置。在不偏离本公开的预期范围的情况下，可以使用其它实施例，并且因此方法100不局限于装置18和装置28的特定配置。牵引车10可如箭头R所指示朝着拖车12后退操作，直到挂接球18与拖车联接器28正确地对准。一旦挂接球18由拖车联接器28适当地接合并固定，挂接操作便完成。牵引车10之后可沿着公路表面拖曳拖车12。

图1中的牵引车10包括以用于执行方法100的指令进行编程的控制器(C)50。方法100的执行，其中一个示例在图4中示出，允许控制器50在导向挂接操作期间，通过与显示屏55交换或者传达图形控制信号(箭头11)来在视觉上引导牵引车10的驾驶员。也就是说，通过显示屏55(即，诸如在车辆中控台的导航或信息娱乐系统中常见的类型的触敏输入屏等的人机界面)来提示操作员，其中图形重叠采用导向线形式、几何形状形式或下面参照图2A至图3C说明的其它图形标记的形式。

控制器50包括处理器P和存储器M，以及记录在存储器M中的图像处理指令56。控制器50还可包括高速时钟、模拟转数字和/或数字转模拟电路、计时器、输入/输出电路和相关联的装置、信号调节和/或信号缓冲电路。存储器M应包括足够有形的、非暂时性存储器(诸如，磁性或光学只读存储器、快闪存储器等)以及随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等。控制器50可接收额外信号，诸如，在控制挂接操作中来自制动踏板17的制动程度(箭头BX)以及来自方向盘15的转向角(θ_S)，或者控制器50可以自主方式产生所述信号。

为了实现方法100，牵引车10包括连接至牵引车10的车体14(例如，接近后挡板手柄16)的一个或多个摄像机20。摄像机20通过导线或传输导体(未示出)与控制器50通信。摄像机20可操作用于实时地采集拖车12的动态像素图像或视频，特别是拖车联接器28的动态像素图像或视频，如整体由箭头25指示。动态像素图像(箭头25)还可包括挂接球18。动态像素图像(箭头25)随后根据导向挂接操作的阶段以如下文参考图2A至图3C阐述的相应变焦级别显示。

方法100然后可根据动态像素图像(箭头25)的分辨率的自动调整而前进，使得摄像机20针对拖车联接器28的初始视觉采集提供正常的观看图像(如图2A至图2C所示)，并且提供如图3A至图3C所示的、用于挂接球18与拖车联接器28的精密对准的特写图像或者放大图像。在一些实施例中，控制器50可使用有源摄像机控制信号(箭头35)来控制摄像机20的操作，例如，命令摄像机20的摇摄、俯仰和光学变焦。在其它实施例中，控制器50可通过对所采集的像素图像(箭头25)进行裁剪、缩放或增强，在软件中处理所采集的像素图像(箭头25)，根据摄像机20的配置和功能，也存在特定的实施例。

在执行方法100中，控制器50的操作原理是将位置感测和机器视觉功能应用于传统的拖车挂接操作。也就是说，复杂的基于机器视觉的功能(诸如图案、图像、或者，例如，通过神经网络处理或使用状态机的其它特征识别)可以去掉，这样有利于在双阶段目标采集和识别过程中距离测量和图像的分辨率提高。如本领域中已知，机器视觉测量涉及使诸如拖车联接器28和挂接球18等部件成像，其中被成像部件的物理尺寸和相对定位是预先得知的；以及测量所采集的图像内的受关注点之间的线性距离。这样，在挂接操作的不同阶段，为了精确地确定挂接球18与拖车联接器28之间的相对位置和距离，图像处理指令56可被单独使用或结合发射器和接收器一起使用，如下文所述。

动态像素图像(箭头25)可以由图像像素的矩阵构成。在各种非限制性实施例中，摄像机20可被配置为电光装置，例如，电荷联接装置或液态镜头摄像机，可能具有红外功能，以促进挂接操作在低光照条件下进行，诸如，当在夜间从拖车12的平的变体上使船只下水或装载船只时。通过执行图像处理指令56，处理器P能够测量到动态像素图像(箭头25)的所识别的边缘之间的已校准的像素距离的线性距离，使得挂接球18到拖车联接器28的对准可以在几分之一英寸的距离内加以确定。

本地定位装置30使摄像机20能够确定拖车联接器28在自由空间中相对于挂接球18的位置。例如，本地定位装置30可如所示连接至拖车连接器28。本领域的技术人员应当理解的是，可使用各种替代性实施例来确定挂接球18与拖车联接器28的相对位置，且因此图1中的示例是非限制性的。例如，本地定位装置30可以位于牵引车10之上，同时，接收器128在这种情况下位于拖车联接器28之上或者靠近拖车联接器28。在其它实施例中，本地定位装置30和接收器128两者可并置在牵引车10之上，和/或图像处理软件可用于通过所采集的动态像素图像(箭头25)，帮助确定拖车联接器28的位置。

本地定位装置30可被配置为发射光(例如，光脉冲)的灯标或激光雷达或激光测距实施例，在这些实施例中相移或其它物理学原理被用于确定距离，如本领域中所已知。可替换地，本地定位装置30可以是可操作用于发射声波的声波发射器，例如，可操作用于在超声频率范围中发射声波的超声发射器，和/或可操作用于发射电磁波(诸如雷达波)的电磁波发射器，其中反射信号由控制器50来处理以确定距离。

在这些示例性实施例的任一个中，本地定位装置30可以是启用蓝牙的装置或通过无线控制信号(箭头W)激活的其它无线装置，所述无线控制信号由牵引车10的驾驶员使用显示屏55或其它输入装置发出，从而引起本地定位装置30发射原始位置数据PR。在一些实施例中，原始位置数据PR可由接收器128检测，例如天线或声音、电磁波或光接收器。接收器128可位于牵引车10的车体14上，与本地定位装置30分开或者与本地定位装置30并置。接收器128可将联接器位置信号(箭头P_X)中继至控制器50，控制器50转而可处理联接器位置信号(箭头P_X)，并且使用摄像机20的已校准位置动态地调整在显示屏55上描绘的一组图形重叠的质量。本文描述的摄像机20、本地定位装置30、接收器128、显示屏55和控制器50可在一些实施例中共同地形成一个系统，例如，作为售后市场系统以与牵引车10以及拖车12一起使用。

图2A、图2B和图2C描绘了示例性拖车挂接操作的第一阶段。如前面所阐述的那样，拖车联接器28连接至拖车12，且挂接球12连接至图1中的牵引车10。出于说明简便起见，虽然图2A至图2C有所省略，但是所描绘的拖车联接器28和挂接球18旨在表示来自摄像机20的视频馈送，如在牵引车10的操作员观看显示屏55时其将呈现给操作员那样。在实际应用中，拖车12和牵引车10的周围结构也可以通过显示屏55看到。

在发起导向拖车挂接操作时，诸如通过选择显示屏55上所显示的选项，或者激活按钮或其它输入装置，控制器50命令显示屏55自动地显示来自摄像机20的数据，在车辆切换至倒车时，在典型的倒车摄像机中所发生的情况与此类似。在通过无线信号(箭头W)或通过手动激活来激活本地定位装置30时，控制器50处理联接器位置信号(箭头P_X)并且计算拖车轨迹线(TL)，作为对显示屏55上的显示动态像素图像(箭头25)的图形重叠。拖车轨迹线(TL)是挂接球18与拖车联接器28之间的路径，挂接球18的位置是已校准的且因此对于控制器50是已知的，拖车联接器的位置通过联接器位置信号(箭头P_X)得知。虽然为了简单起见在图2A至图2C中显示为直线，但是拖车轨迹线(TL)的外观是基于转向角(θ_S)而动态调整的。同时，控制器50显示导向线(GL)为另一图形重叠，其基于转向角(θ_S)而动态调整，且当它朝向拖车联接器28后退时，形成表示牵引车10的基座或其它后部结构的路径的已校准的宽度的路径。以此方式，随着牵引车10将其与拖车12之间的缺口封闭，导向线(GL)在视觉上指示一片将被牵引车10覆盖的地面。

如图2A所示，在挂接操作开始时，拖车轨迹线(TL)可具有已校准的厚度，其指示挂接球18与拖车联接器28的正确的线性对准。当挂接球18与拖车联接器28之间的水平对准或者水平和垂直对准是正确时，拖车轨迹线(TL)可被标上色标，例如，特定厚度或线宽的绿色实线。相对于拖车轨迹线(TL)的正确对准是任意对准，其中如果牵引车10准备继续没有转向偏差地移动，则牵引车10的挂接球18将最终拦截拖车联接器28。当对准不正确时，拖车轨迹线(TL)的颜色或其它特性可以通过控制器50自动地改变，例如，通过将拖车轨迹线(TL)从绿色改变到红色，如图2B中用更细的拖车轨迹线(TL)所示，从而对牵引车10的操作员的视觉反馈标上色标。当牵引车10接近拖车12时，导向线(GL)的取向及线长度缩短，以描绘拖车联接器28的更加靠近，如图2C所示。

在图2A至图2C中的每个图中，控制器50可以显示指示拖车联接器28与挂接球18的相对位置的额外的图形重叠。例如，可以用圆29和圆52或其它几何形状来分别突显拖车联接器28与挂接球18的中心。当挂接球18最终在成功对准时被拖车联接器28覆盖时，可能的实施例包括实心圆52和直径大于实心圆52的开口圆29，在图3A至图3C中示出了所述实施例的目的。

图3A至图3C共同描绘了导向挂接操作的第二“封闭”阶段。在第二阶段，拖车联接器28和挂接球18彼此紧邻，诸如在12英寸之内。牵引车10的操作员尝试使用牵引车10的精密控制，即，通过图1的制动信号(箭头BX)和转向角(θ_S)，将挂接球18与拖车联接器28适当地对准。当挂接球18和拖车联接器28之间的线性距离在预定距离内时，控制器50可控制摄像机20的光学变焦级别或者如果摄像机20是固定焦距摄像机，则通过图1的图像处理指令56，对采集的动态像素图像(箭头25)执行数字缩放操作。在任一配置中，显示屏55呈现拖车联接器28及挂接球18的特写视图，以利于在最后数英寸距离上对挂接操作进行精密控制。

如上文所述，圆29和52可用来突显拖车联接器28与挂接球18各自的中心。挂接球18从图3A的透视图仍然是部分可见的，在挂接过程的这个阶段，其基本上处于摄像机20的正下方。然而，随着牵引车10的驾驶员继续将牵引车10朝向拖车12移动，在图3B和图3C中，从摄像机20的角度来看，挂接球18基本上被拖车联接器28重叠或完全覆盖。

设想了一个实施例，其中实心圆52指示挂接球18的中心，且具有更大直径的开口圆29指示拖车联接器28的中心，其便于视觉采集适当对准的挂接球18，如在图3C中所示。实心圆52与开口圆29的同心对准可以指示挂接球18与拖车联接器28的适当对准。一旦图1的显示屏55中描绘了图3C的视图，则驾驶员接收视觉确认：挂接球18准备与拖车联接器28接合，通常涉及手动地锁住和插入保持销(未示出)，如在本领域中所知。

参照图4，方法100的示例性实施例从步骤S102开始，其中图1的牵引车10的操作员将发起导向挂接操作的意图用信号通知控制器50，例如，通过对显示屏55输入触摸选择。作为步骤S102的结果，摄像机20可以打开。然后，方法100前进到步骤S104。

步骤S104可包括将本地定位装置30(其位于例如拖车联接器28上，或者可替换地位于牵引车10上)激活，例如，通过将无线信号(箭头W)发射到定位装置30，或者通过开关或按钮(未示出)手动地将本地定位装置30激活。在其它实施例中，可以单独使用图像处理指令56来执行以下步骤，图像处理指令56在步骤S104处被激活或者初始化。然后，当控制器50通过连接至牵引车10的摄像机20开始采集拖车联接器28的动态像素图像(箭头25)时，方法100前进到步骤S106。在动态像素图像(箭头25)中还很可能看到挂接球18，特别是在使用单个摄像机20的实施例中。然而，在挂接操作的第一阶段期间，未必需要挂接球18的图像。也就是说，步骤S104可能仅需要采集拖车联接器28的动态像素图像(箭头25)。

在步骤S106处，控制器50使用来自接收器128的定位信号(箭头P_X)，确定拖车联接器28的位置，和/或在其它实施例中，可以使用图像处理指令56来确定来自动态像素图像(箭头25)的定位信号(箭头P_X)，例如，使用本领域中已知的类型的2D到3D范围的成像。在导向挂接操作的第一阶段中，控制器50还通过对所采集的动态像素图像(箭头25)的第一图形重叠，在显示屏55上显示导向线(GL)。如上所述，导向线(GL)以图形描述了牵引车10到拖车联接器28的路径，并因此基于转向角(θ_S)而动态地调整。也就是说，显示屏上的导向线(GL)的取向响应于转向角(θ_S)而变化。作为步骤S106的一部分，控制器50计算挂接球10的已校准的或已知的位置与拖车联接器28的所确定位置之间的距离。以此方式，控制器50可确定何时拖车联接器28在挂接球18的已校准的距离之内，例如，在12英寸之内或更近。

当牵引车10缓慢地朝向拖车12后退时，步骤S106可参照图2A至图2C观看。步骤S106循环继续，直到检测到第一已校准的距离，然后前进到步骤S108。在执行步骤S106的同时，控制器50继续自动地且动态地调整图形重叠的描绘，包括导向线(GL)的外观和/或取向以及显示屏55上的拖车轨迹线(TL)。还可用音频反馈来增强对驾驶员的反馈，诸如，当对准不正确时，发出警告音调。

在步骤S108处，控制器50中止图2A至图2C中的导向线(GL)的显示，并对摄像机20或者所采集的动态像素图像(箭头25)执行变焦级别控制，例如，通过自动提高摄像机20的变焦级别，或如果牵引车10配备有多个摄像机20，则通过任选地切换至牵引车10上的不同的摄像机20的控制，来呈现拖车联接器28和挂接球18的特写图像，如在图3A至图3C中已最佳地示出。换句话说，当挂接球18与拖车联接器28之间的所计算出的距离小于上述已校准的距离时，步骤S108需要通过控制器50，使用显示屏55来显示拖车联接器28和挂接球18的放大的视图上的第二图形重叠，其中第二图形重叠提供特写视图中挂接球18与拖车联接器28各自位置的标记。步骤S108可包括将所采集的像素图像(箭头25)裁剪至小窗口，在小窗口中，拖车联接器28和挂接球18填充了图1的显示屏55的大部分。然后，方法100前进到步骤S110。

步骤S110包括通过控制器50来确定拖车联接器28和挂接球18是否充分地对准，如在图3C中所描绘。步骤S110循环继续，并且自动地调整图形重叠，包括圆29和52的外观和取向，或者图3A至图3C中的其它标记，以给驾驶员提供拖车联接器28与挂接球18的精密对准的视觉反馈。当拖车联接器28与挂接球18对准时，方法100继续至步骤S112。

步骤S112包括：当步骤S110的图形重叠(例如，圆29和52或挂接球18与拖车联接器28各自位置的其它标记)指示标记的同心对准，或者至少基本上重叠(即，圆52的至少90％的区域位于圆29内)时，执行控制动作。步骤S112可包括将音频和/或视觉指示器激活，向驾驶员指示拖车联接器28与挂接球18适当地对准，以完成挂接操作的目的。类似于步骤S106，可在步骤S112处使用音频和/或视觉反馈，以便警告驾驶员，拖车联接器28准备锁至并且固定至挂接球18。例如，圆29和52或者其它标记可以被标上色标，可以以闪烁图案被打开和关闭，或者可通过显示屏55显示文本信息，通知驾驶员标记的充分的同心对准，且因此通知拖车联接器28与挂接球18的充分的对准。可以发出钟声音调来指示对准是正确的，上述任一指示或者所有指示都可以用来命令驾驶员将拖车联接器28固定至挂接球18。

本领域中的一般技术人员应当理解的是，在本公开的范围之内，可以设想其它实施例。例如，摄像机20可以是360°全景摄像机，或者可安装到牵引车10的其它区域，而不是在图1中描绘的区域。此外，在其它实施例中，控制器50可被编程为执行自主导向拖车挂接操作。通过示例方式，通常由牵引车10的驾驶员输入并且由控制器50处理的制动输入(箭头BX)和转向角(θ_S)可以替代地通过控制器50产生且自主地应用，使得整个过程可自主地由控制器50来执行。在这样的实施例中，如果检测到形式为制动输入(箭头BX)和/或转向角(θ_S)的阈值驾驶员输入，那么控制器50可被编程为被覆写，然后回到驾驶员控制功能。

详细的描述和附图旨在支持和描述本公开，但是本公开的范围仅由权利要求书限定。虽然已经详细地描述了用于执行本公开的一些最佳模式和其它实施例，但是仍存在用于实践所附权利要求中所限定的公开的各种替代设计和实施例。此外，附图中所示的实施例或本描述中提及的各种实施例的特征不必被理解为彼此独立的实施例。而是，可能的是，在实施例的一个示例中描述的每个特征可与来自其它实施例的一个或多个其它特征相结合，形成没有用文字或参考附图描述的其它实施例。因此，这类其它实施例落在所附权利要求书的范围的框架之内。