用于确定刚体的运动状态的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于借助于针对刚体(2)的环境中的对象(4)的多个测量数据组来确定所述刚体相对于所述环境的运动状态的方法，其中每个测量数据组均包括测量时间点以及多普勒速度(d)和相对于相应传感器参考系(S)的方位角(θ)，所述方法包括：将所述刚体相对于所述环境的运动状态确定为体参考系(B)中的速度矢量(v

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定刚体的运动状态的方法


[0001]本专利技术涉及一种用于借助于大量测量数据组来确定刚体相对于环境的运动状态的方法、一种用于确定相对位置和/或相对定向的方法以及执行这些方法的一种计算单元和一种计算机程序。

技术介绍

[0002]里程计处理确定移动体(例如车辆和/或机器人)的位置和定向的问题。为此可以确定该移动体的运动状态，例如速度和/或角速度，该移动体的时间上连续的位置或定向的差异对应于所述速度和/或角速度。为了确定运动状态，可以使用惯性测量装置，即加速度传感器和陀螺仪，所述惯性测量装置直接通过测量来确定运动状态或运动状态的分量。还可以使用安装在移动体上的相机，所述相机的图像或视频记录使得能够借助于合适的图像处理软件来评估运动状态。

技术实现思路

[0003]根据本专利技术，提出了具有独立权利要求的特征的一种用于借助于大量测量数据组来确定刚体相对于环境的运动状态的方法、一种用于确定相对位置和/或相对定向的方法以及用于执行这些方法的一种计算单元和一种计算机程序。有利的设计是从属权利要求和以下描述的主题。
[0004]本专利技术使用从测量数据组中确定条件集合并基于此借助于回归分析确定运动状态的措施。通过形成条件集合，可以有针对性地找出测量数据组，从而可以实现运动状态确定的高精度。
[0005]具体地，该方法使用针对刚体的环境中的对象的大量测量数据组，其中每个测量数据组包括测量时间点和多普勒速度以及相对于传感器的(三维)传感器参考系的方位角。所述测量数据组可以用一个或多个传感器来检测，其中每个传感器具有传感器参考系，包括在测量数据组中的测量结果与该传感器参考系有关。每个测量数据组与传感器检测到的对象有关，即针对对象的每个测量数据组包括测量时间点和多普勒速度以及相对于检测所述对象的传感器的传感器参考系的方位角。可以以合适的方式提供测量数据组。该方法优选地包括对应的提供步骤。
[0006]一般而言，可以为本专利技术使用来自确定对象的多普勒速度(即确定朝向或远离传感器的径向速度)的传感器的测量数据组。因此，这些传感器也可以称为多普勒传感器。传感器优选地是雷达传感器和/或激光雷达传感器。特别地，规定使用FMCW雷达传感器和/或FMCW激光雷达传感器(雷达：“Radio Detection and Ranging，无线电探测和测距”；激光雷达：“Light Detection and Ranging，光探测和测距”或“Light Imaging，Detection and Ranging，光成像、探测和测距”；FMCW：“Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波”)。对应地，测量数据组优选地是雷达测量数据组和/或激光雷达测量数据组。
[0007]优选地，一个或多个(特别是所有)测量数据组包括仰角(相对于相应传感器的传
感器参考系)。通过考虑仰角，可以显著提高确定运动状态的准确性。进一步优选地规定，从仅包括测量时间点、多普勒速度和方位角的测量结果中确定所述一个或多个(特别是所有)测量数据组中的至少一些测量数据组，其中所述仰角被设置为等于预定值，特别是等于零。较旧的雷达传感器或激光雷达传感器通常不测量或不确定仰角。对应的测量结果因此最初仅包括多普勒速度和方位角。为了能够使用具有和不具有仰角的测量结果，假设仰角具有预定值，优选零(该预定值与传感器有关，即，对于同一传感器的不同测量结果而言，该预定值是相同的)。通过将仰角设置为零，或更一般地设置为预定值，可以进行均匀处理。为了简单起见，在进一步的描述中将仅讲述传感器检测仰角的情况。如果传感器不这样做，则如上所述，仰角应等于预定值或等于零，而无需对此单独提及。当然，从仰角被设定为预定值的测量结果中获得的测量数据组可以与从一开始就已经包含仰角的测量数据组一起使用。即使要测量仰角，也可以将仰角设置为等于预定值，特别是等于零，以例如简化回归分析中使用的方程并因此实现更短的计算时间。
[0008]该方法还包括将刚体相对于环境的运动状态确定为体参考系中的速度矢量和角速度矢量，其中每个传感器参考系可通过非奇异变换转换(即映射)为体参考系。
[0009]术语“速度矢量”指的是线性速度(与角速度不同)并且在本说明书的范围中也称为线性速度矢量。线性速度矢量和角速度矢量在三维的体参考系中加以说明。由于它们是根据针对环境中对象的(多普勒)测量来计算的，因此它们说明了相对于所述对象的速度。原则上，这些(静止的)对象再次定义了环境参考系，使得线性速度矢量和角速度矢量说明相对于环境或环境参考系的运动状态(在体参考系中表示)。
[0010]由于(三维)传感器参考系与(三维)体参考系可通过相应的(针对每个传感器参考系或每个传感器的)非奇异变换(即，特别地也是可逆的)连接或者相互映射，确保了在确定运动状态时考虑传感器的相对定向和位置(英语：Sensorpose，传感器位姿)。例如，如果将本身三维的测量数据投影到一个平面中，则信息将会丢失并且确定运动状态的准确性将会降低。传感器参考系和体参考系均具有三个维度。对应地，速度矢量和角速度矢量均具有三个维度或三个分量。因此涉及三维空间中的运动状态，该运动状态由3+3＝6个分量决定。
[0011]在确定运动状态时，形成至少一个条件集合，所述条件集合包括多个测量数据组，其中在回归分析中针对至少一个条件集合将取决于估计的多普勒速度与包括在所述至少一个条件集合中的测量数据组的多普勒速度之间的多普勒速度偏差的函数最小化，其中估计的多普勒速度作为因变量(其取决于相应测量数据组的方位角并且必要时取决于相应测量数据组的仰角)被包括或表示在所述回归分析中，其中通过该回归分析确定速度矢量和/或角速度矢量的至少一个分量。表示因变量的多普勒速度分别通过映射而与速度矢量和角速度矢量相关，所述映射取决于相应测量数据组的方位角并且必要时取决于相应测量数据组的仰角以及取决于传感器参考系和体参考系之间的相应变换。
[0012]在回归分析的范围内，计算刚体的运动状态，即速度矢量和角速度矢量或至少其一个分量。估计的多普勒速度取决于相应测量数据组的方位角并且必要时取决于仰角，其中这不应理解为方位角和仰角必须是回归分析中的独立变量。特别地，估计的多普勒速度在回归分析所包括的回归方法或包括的回归中可以通过作为相应测量数据组的方位角和仰角的函数以及作为要在回归方法或回归中确定的速度(即速度矢量和角速度矢量或传感器的速度矢量)的函数的方程来表示，参见下面的方程组(2)、(5)。如果回归方法或回归被
视为优化问题或变化问题，则待确定的速度表示待变化的变量。
[0013]优选地，速度矢量和/或角速度矢量的所有(总共六个)分量通过回归分析来确定(即表示待变化的变量)。然而也可能的是，一个或多个分量在限制的意义上是设定的(例如，在轨道车辆中可以设定不能发生横向运动)或者由独立于传感器的测量结果来预给定(例如由旋转速率传感器)。在这种情况下，对应的分量可以通过限制或独立的测量结果来加以确定，并且在回归分析中不能用作待变化的变量。然而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于借助于针对刚体(2)的环境中的对象(4)的大量测量数据组来确定所述刚体相对于所述环境的运动状态的方法，其中每个测量数据组均包括测量时间点以及多普勒速度(d)和相对于传感器(S1、S2、S3、S4)的传感器参考系(S)的方位角(θ)，所述方法包括：将所述刚体相对于所述环境的运动状态确定为体参考系(B)中的速度矢量(v
x
，v
y
)和角速度矢量(ω
z
)，其中每个传感器参考系能够通过非奇异变换(R，t)转换为所述体参考系，其中形成(106)至少一个条件集合，所述至少一个条件集合包括多个测量数据组，其中在回归分析中针对所述至少一个条件集合最小化(110、112)取决于估计的多普勒速度与包括在所述至少一个条件集合中的测量数据组的多普勒速度之间的多普勒速度偏差的函数，其中所述估计的多普勒速度在所述回归分析中被表示为因变量，其中通过所述回归分析来确定所述速度矢量和/或角速度矢量的一个或多个分量。2.根据权利要求1所述的方法，其中，一个或多个、特别是所有测量数据组包括仰角(φ)；其中优选地从仅包括所述测量时间点、所述多普勒速度和所述方位角的测量结果中确定所述一个或多个、特别是所有测量数据组中的至少一些测量数据组，其中所述仰角被设置为等于预定值，特别是等于零。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助于安装在所述刚体(2)上的一个或多个传感器(S1、S2、S3、S4)来检测(102)所述测量数据组，所述传感器检测所述刚体的环境。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量数据组包括一个传感器的具有不同测量时间点(t
‑1、t0、t1、t2、t3、t4、t5)的至少两个测量数据组。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少两个不同传感器(S1、S2)的测量数据组的测量时间点(t
‑1、t0、t1、t2、t3、t4、t5)彼此不同。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在至少一个计算时间点(λ1、λ2)针对确定时间点(T1)确定所述运动状态；其中所述至少一个条件集合由测量时间点位于确定时间段内的测量数据组形成。7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述函数中将所述多普勒速度偏差与正时间权重相乘，所述正时间权重是相应测量数据组的测量时间点(t
‑1、t0、t1、t2、t3、t4、t5)与确定所述运动状态的确定时间点(T1)之间的时间差的函数；其中优选地所述时间权重随着所述时间差的绝对值增加而减小。8.根据权利要求6或7中任一项所述的方法，其中，针对多个连续的确定时间点(T0、T1、T2)确定所述运动状态，其中所述多个连续的确定时间点(T0、T1、T2)的每个确定时间段具有下限时间和上限时间，其中所述下限时间等于所述多个连续的确定时间点(T0、T1、T2)中的先前确定时间点，并且所述上限时间等于所述多个连续的确定时间点(T0、T1、T2)中的后续确定时间点或相应的计算时间点。9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，基于第一确定时间段针对所述确定时间点(T1)对所述运动状态进行第一确定，并且基于第二确定时间段针对所述确定时间点对所述运动状态进行第二确定；其中所述第二
确定时间段不同于所述第一确定时间段并且包括未包括在所述第一确定时间段中的至少一个测量时间点；其中优选地所述第一确定在第一计算时间点(λ1)进行，而所述第二确定在稍后的第二计算时间点(λ2)进行，其中所述第二确定时间段的上限时间在时间上位于所述第一计算时间点之后。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述回归分析(110)中还使用相应传感器参考系与所述体参考系之间的变换将所述估计的多普勒速度表示为取决于所述速度矢量和所述角速度矢量，并且所述速度矢量和所述角速度矢量被确定为，使得所述函数得到最小化。11.根据权利要求1至9中任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：