本发明涉及汽车技术领域，更具体的说是涉及一种拖挂车动态轨迹线的实现方法及装置。
背景技术：
汽车动态轨迹线是指汽车在行驶过程中，汽车车身各部位经过位置的连线，而车身每一个部位即将通过的位置，和当前汽车前轮的转角有关，即获得任一时刻汽车前轮转角的情况下，可以计算得到在当前转角下，车身任一部位即将通过的轨迹线。通过将世界坐标系下的轨迹线进行坐标转换和映射，则可以将实际空间轨迹线描绘在不同安装位置和角度的摄像头画面中，以及经过处理融合的摄像头画面中，从而在显示器画面中显示车身特定部位即将经过的位置，帮助司机从显示器画面中直观判断车身即将通过的位置和周围环境的位置关系。该方法已经在部分乘用车的倒车影像系统和360度全景系统中开展应用。对于拖挂车，由于车辆特别是挂车的运行原理有所不同，因此现有方法只能计算车头部分的动态轨迹线，而无法直接用于计算挂车部分的动态轨迹线。而带有挂车的车辆通常车身总长度较长，车身运动轨迹更为复杂，司机需要很丰富的经验才能够控制挂车的运动轨迹，所以计算挂车特定部位的动态轨迹线对驾驶员来说会有更大的帮助。
挂车是指由汽车牵引而本身无动力驱动装置的车辆。通常需要有牵引力的车头(货车或牵引车、叉车)牵引。载货汽车和牵引汽车为汽车列车的驱动车节，称为主车；被主车牵引的从动车节称为挂车。一个驱动车节可以驱动一辆或一辆以上的挂车。
现有计算汽车动态轨迹线的方法通常只适用于车身整体是一个刚性物体的情况，车辆前轮随方向盘转动方向，后轮车轴始终保持和车体主轴垂直。在此模型基础上，计算任一前轮角度下，车辆前进或后退过程中，车身相应部位所经过的轨迹线。对于固定的前轮角度，车身任一部位的轨迹是固定的。而对于带有挂车的车辆而言，挂车部分通常通过连接部件和前车车体相连，导致挂车和前车的车体主轴之间会有一个夹角，而挂车车身部位的轨迹线除了和头车前轮角度有关以外，还和挂车和前车车体主轴之间的夹角有关。
因此，如何提供一种计算和显示挂车车体动态轨迹线，为司机驾驶提供有效的辅助的拖挂车动态轨迹线的实现方法及装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种拖挂车动态轨迹线的实现方法及装置，能够计算和显示挂车车体动态轨迹线，进一步为司机驾驶提供有效的辅助。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种拖挂车动态轨迹线的实现方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)：获取方向盘转角及基于方向盘转角的牵引车前轮角度计算；
步骤(2)：相邻车厢主轴夹角的获取和计算；所述相邻车厢包括：牵引车和挂车、挂车和挂车；
步骤(3)：通过所述方向盘转角和所述牵引车前轮角度以及所述相邻车厢主轴夹角确定相应车体运动轨迹线的圆心，进一步获得运行动态轨迹线；
步骤(4)：动态轨迹线在用户视图中的绘制。
通过上述技术方案，本发明的技术效果：本方法能够计算和显示挂车车体动态轨迹线，进一步为司机驾驶提供有效的辅助。
优选的，在上述一种拖挂车动态轨迹线的实现方法中，所述步骤(1)中首先获取所述方向盘转角的信息；然后通过测量或预设模型获得方向盘转角和牵引车前轮角度之间的转换关系；最后计算牵引车前轮角度。其中转换关系举例说明：牵引车前轮转动角度等于1/8方向盘转动角度，以前轮朝向车身正前方的位置为方向盘和车轮的零度角位置。
通过上述技术方案，本发明的技术效果：通过测量所述方向盘转角，获得牵引车前轮角度。
优选的，在上述一种拖挂车动态轨迹线的实现方法中，所述步骤(2)中在牵引车和挂车上安装相邻车体夹角获取模块，从而获取相邻两节车体之间实时的夹角数据；所述相邻车体夹角获取模块获取的数据直接为相邻车体的夹角数据，或每个车体单独的绝对方向数据，通过进一步计算，获得夹角数据。比如相邻车体主轴与正南方向的夹角分别为30°和80°，则相邻车体夹角为50°。
通过上述技术方案，本发明的技术效果：获取相邻两节车体之间实时的夹角数据，为后续获得动态轨迹线做准备。
优选的，在上述一种拖挂车动态轨迹线的实现方法中，所述步骤(3)中随着前轮角度变化或车体间夹角的变化，相应车体的圆心的位置会发生变化，但始终在两后轮轴线确定的直线上；在前轮角度不变或车体间夹角不变的情况下，车身每一点都围绕圆心进行圆周运动，以圆心和车身特定点的连线为半径的圆周为车身特定点在当前状态下的运动轨迹线。
通过上述技术方案，本发明的技术效果：确定圆心，以圆心和车身特定点的连线为半径的圆周为车身特定点在当前状态下的运动轨迹线。
优选的，在上述一种拖挂车动态轨迹线的实现方法中，所述步骤(4)中把摄像头图像和动态轨迹线相融合，从世界坐标经仿射变换、透视变换、摄像头畸变矫正得到用户视图坐标；通过摄像头标定，计算变换参数，从而获取两个坐标系间的变换关系。
通过上述技术方案，本发明的技术效果：将世界坐标转换得到用户视图坐标，获得坐标系之间的变换关系。
优选的，在上述一种拖挂车动态轨迹线的实现方法中，所述步骤(1)中所述方向盘转角通过汽车can总线获得，或者通过外加的角度传感器获得。
优选的，在上述一种拖挂车动态轨迹线的实现方法中，所述步骤(1)中牵引车前轮角度通过当前方向盘转角计算获得。
一种拖挂车动态轨迹线的实现装置，包括：角度传感器、牵引车前轮角度获取模块、相邻车体夹角获取模块、车载摄像头、轨迹线计算模块、摄像头视频标定模块、轨迹线融合模块和视频显示装置；所述角度传感器固定在所述方向盘上或其传动结构上；所述牵引车前轮角度获取模块用于获取牵引车前轮角度，通过所述角度传感器测量数值进行转化获得；所述相邻车体夹角获取模块用于获取相邻车体的夹角数据，或每个车体单独的绝对方向数据，进一步转换为夹角数据；所述车载摄像头安装在牵引车和挂车上；轨迹线计算模块用于确定所述圆心和确定车身特定点在当前状态下的运动轨迹线；所述摄像头标定模块用于对所述车载摄像头进行标定，从而获得包括畸变系数在内的摄像头内部参数，以及获得从世界坐标系到用户视图坐标系的转换关系；所述轨迹线融合模块用于从世界坐标到用户视图坐标的变换关系通进行仿射变换、透视变换、摄像头畸变矫正进行变换，所述车载摄像头获取的图像和动态轨迹线相融合。
优选的，在上述一种拖挂车动态轨迹线的实现方法中，所述拖挂车动态轨迹线的实现装置适用于一台牵引车连接多台挂车的情况。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种拖挂车动态轨迹线的实现方法及装置，能够计算和显示挂车车体动态轨迹线，进一步为司机驾驶提供有效的辅助。首先计算牵引车前轮转角，及获取相邻两节车体之间实时的夹角数据，为后续获得动态轨迹线做准备；然后确定每个车体的轨迹圆心，以圆心和车身特定点的连线为半径的圆周为车身特定点在当前状态下的运动轨迹线，获得坐标系之间的变换关系，将世界坐标转换得到用户视图坐标图像，将轨迹线和摄像头图像融合并在显示器上显示给用户。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的运动状态图；
图2附图为本发明的计算相邻车厢夹角的示意图；
图3附图为本发明的计算动态轨迹线的示意图；
图4附图为本发明的倒车时动态轨迹线示意图；
图5附图为本发明的正常行驶时动态轨迹线示意图；
图6附图为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种拖挂车动态轨迹线的实现方法及装置，能够计算和显示挂车车体动态轨迹线，进一步为司机驾驶提供有效的辅助。
实施例
请参阅附图1-5，本发明提供了一种拖挂车动态轨迹线的实现方法及装置，方向盘转角信息从汽车can总线获得，或者通过外加的角度传感器获得方向盘转角信息；方向盘转角和牵引车前轮转角之间的转换关系可以通过测量，或者预设模型计算获得。如图1所示，牵引车左右前轮可以随方向盘转动，其转动角度分别为α，β，从can总线获取的方向盘角度数据为γ，则有α＝f(γ)，β＝g(γ)。对同一γ值，α，β不相同，f，g表示不同的映射函数。为了方便计算，有时可以取α，β的加权平均值作为前轮转角数值。比如，f(γ)＝γ/8+δ1(γ)，g(γ)＝γ/8+δ2(γ)，其中δ1(γ)，δ2(γ)是左右轮在每个方向盘角度下的调整数，则可以简化认为前轮转角为(α+β)/2。
在驱动车和所有的挂车上安装陀螺仪或其他可以感知方向的传感器，安装时对所有的传感器进行校准和标定，从而获取相邻两节车体(驱动车-挂车，挂车-挂车)之间实时的夹角数据。这里的夹角，是指不同车体车辆主轴之间的夹角。这里，传感器获取的数据可以直接为相邻车体的夹角数据，也可以是每个车体单独的绝对方向数据，通过进一步计算，获得夹角数据。如图1中，θ为牵引车和挂车的夹角，对于相邻挂车的夹角可以使用相同的方法表示。
对于牵引车，车身任何一点的轨迹和前车轮转向角度、轴距等参数有关。如图2，牵引车两前轮轴线1，2，两后轮轴线3交一点o。随着前轮角度变化，o的位置会发生变化，但始终在两后轮轴线确定的直线3上。在前轮角度不变的情况下，车身每一点都围绕o点进行圆周运动，因此以o为圆心，以o和车身特定点的连线为半径的圆周，即是车身特定点在当前状态下的运动轨迹线。通常，牵引车最小转弯半径为op1，p1为转向内侧后轮与地面的接触面中心点，p1点的运动轨迹为4；最大转弯半径为op2，p2为转向外侧车身最前端，p2的运动轨迹为5。牵引车与拖车的连接结构为a，a与拖挂车的接触点为a1，a1点的轨迹为6。这里，所有的车身点、轨迹线均指相应点、线在地面的投影。
对于拖挂车，车身任何一点轨迹和牵引车转向圆心o1，牵引车与拖挂车连接结构a及a与拖挂车的连接点a1的位置，拖挂车后轮位置有关，如图3。拖挂车的运动由a进行牵引，a1点的运动轨迹由牵引车决定，为以o1为原点，o1a1为半径的圆周，如轨迹线9所示。a1o1的延长线与后轮主轴的焦点为o2，o2位置会随着o1位置的变化而变化，但始终位于后轮主轴线上。拖挂车身每一点都围绕o2进行圆周运动。因此，以o2为圆心，以o2和车身特定位置的连线为半径的圆周，即是车身特定点在当前状态下的运动轨迹。通常，拖挂车最小转弯半径为o2p1，p1为转向内侧后轮与地面的接触面中心点，p1点的运动轨迹为7；最大转弯半径为o2p2，p2为转向外侧车身最前端，p2的运动轨迹为8。这里，所有的车身点、轨迹线均指相应点、线在地面的投影。如果有多节拖挂车，则拖挂车间运动关系同理可计算，可认为前车是后车的牵引车。
车身上的点通常在世界坐标系中表达，即在x-y-z坐标系中表达，以地平面为x-y平面，z轴垂直于x-y平面向上。由于摄像头获取的图像和视频只包含二维信息，而在最终用户观察视图中，需要的是空间轨迹线在地平面上的投影。因此，在计算轨迹线的过程中，首先将整个车体向x-y平面进行投影，即对于车身上任何一点p(x，y，z)，首先将其投影到p(x，y，0)点，并计算p(x，y，0)点在当前方向盘转角下的轨迹线c(x，y，0)。
用户视图是指摄像头拍摄的原始画面或处理后画面在显示器上的显示视图。由于摄像头自身的成像原理以及为了符合用户观察习惯而对视图做的变换，需要将轨迹线绘制在用户视图中的对应位置，才能够帮助用户确定车身即将通过的区域。这里，需要首先将世界坐标中x-y平面中的轨迹线进行坐标变换，变换到用户视图坐标系x’-y’中，并进一步在用户视图中相应的位置对轨迹线进行绘制，从而把摄像头图像和轨迹线相融合，方便用户观察。从世界坐标到用户视图坐标的变换关系通常会包含仿射变换、透视变换、摄像头畸变矫正等若干个变换步骤。需要通过摄像头标定，计算变换参数，从而获取两个坐标系间的变换关系。图4是在倒车情况下，在显示视图上绘制轨迹线示例，其中轨迹线1、2是前车最大和最小转弯半径对应的轨迹线，3、4是拖挂车最大和最小转弯半径对应的轨迹线，5是外侧后轮对应的轨迹线。图5为正向行驶的情况下，在显示视图上绘制轨迹线示例，其中2，3是牵引车最大最小转弯半径对应的轨迹线，1为左前轮对应的轨迹线，4，5为拖挂车最小最大转弯半径对应的轨迹线。图4，图5作为示例，显示了一种在保障安装和符合司机观察习惯的情况下，轨迹线的绘制方法的示例。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。