用于估算车辆相对于道路的俯仰的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年5月30日提交的第10-2022-0066017号韩国专利申请的优先权和权益，该申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于估算车辆相对于道路的俯仰的装置和方法。

背景技术

通常，安装前照灯是为了在预定方向上发射光。当即使车辆的高度改变时也在预定方向上发射光时，会发生无法确保足够视野的情况或迎面驶来的车辆中的驾驶员目盲的情况。

已经提出了检测这种车身高度变化并基于检测值调整前照灯发射角度的方法，在这种情况下，使用车辆高度传感器检测车身高度变化。

然而，由于使用车辆高度传感器计算车辆俯仰(vehicle pitch)是基于车身和车辆悬架之间的高度差进行的，因此计算的车辆俯仰与实际车辆俯仰之间存在差异，并且在使用一个车辆高度传感器的情况下，存在计算的坡度与实际坡度之间的差变大的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种用于估算车辆相对于道路的俯仰的装置和方法。

本发明要实现的目的不限于上述目的，并且可以包括通过本发明的描述和下面描述的实施例可以认识到的目的和效果。

根据本发明的一方面，提供了一种用于测量车辆相对于道路的俯仰的装置，该装置包括：车轮速度传感器部，其获取车轮速度数据；惯性测量单元(inertial measurementunit,IMU)传感器部，其获取IMU数据；预处理部，其基于车轮速度数据和IMU数据来提取停止区段和移动区段；以及坡度(slope)估算部，其估算在停止区段的车辆俯仰和在移动区段的道路坡度，并基于车辆俯仰和道路坡度来估算车辆相对于道路的俯仰。

预处理部可以包括：第一预处理部，其比较IMU数据和预定阈值，以根据比较结果检查IMU数据是否为有效数据；和第二预处理部，其当IMU数据为有效数据时，基于IMU数据的加速度数据和车轮速度数据来提取停止区段和移动区段。

移动区段可以包括加速区段和减速区段，并且第二预处理部可以成对提取停止区段和加速区段，或减速区段和停止区段。

第二预处理部可以计算IMU传感器部在停止区段的偏差平均值，并从IMU数据的转速数据中减去并移除所计算的偏差平均值。

坡度估算部可以基于在停止区段的IMU数据的加速度数据来估算车辆俯仰。

坡度估算部可以接收在移动区段的每个预定时间处的速度，基于接收到的速度来提取速度大于或等于预定速度的区段作为感兴趣区段，基于感兴趣区段中每个点处的速度来计算多个道路坡度，并最终将计算出的多个道路坡度的平均值估算为在移动区段的道路坡度。

坡度估算部可以基于在移动区段的至少一部分区段中的速度来估算道路坡度。

坡度估算部可以接收在移动区段的每个预定时间处的位置，并基于移动区段的起点和终点处的位置来最终估算在移动区段的道路坡度。

坡度估算部可以基于移动区段的至少一部分区段的位置来估算道路坡度。

坡度估算部可以将虚拟直线拟合到道路的形状上，并基于虚拟直线和车辆位置来计算误差的大小，将所计算出的误差大小与预定阈值进行比较，以评估道路的线性度；并且当道路的线性度合适时，根据评估结果来估算车辆相对于道路的俯仰。

根据本发明的另一方面，提供了一种估算车辆相对于道路的俯仰的方法，该方法包括：获取车轮速度数据和惯性测量单元(IMU)数据的操作；基于车轮速度数据和IMU数据而提取停止区段和移动区段的预处理操作；估算在停止区段的车辆俯仰的第一估算操作；估算在移动区段的道路坡度的第二估算操作；以及基于车辆俯仰和道路坡度而估算车辆相对于道路的俯仰的第三估算操作。

预处理操作可以包括：第一预处理操作，其包括比较IMU数据和预定阈值，以根据比较结果检查IMU数据是否为有效数据；和第二预处理操作，其包括当IMU数据为有效数据时，基于IMU数据的加速度数据和车轮速度数据来提取停止区段和移动区段。

移动区段可以包括加速区段或减速区段，第二预处理操作可以包括成对提取停止区段和加速区段，或减速区段和停止区段。

第二预处理操作可以包括计算IMU传感器部在停止区段的偏差平均值，并从IMU数据的转速数据中减去并移除所计算的偏差平均值。

第一估算操作可以包括基于停止区段的IMU数据的加速度数据来估算车辆俯仰。

第二估算操作可以包括接收在移动区段的每个预定时间处的速度，基于接收到的速度来提取速度大于或等于预定速度的区段作为感兴趣区段，以及基于该感兴趣区段的每个点处的速度来计算多个道路坡度，以最终将计算出的多个道路坡度的平均值估算为在移动区段的道路坡度。

第二估算操作可以包括基于移动区段的至少一部分区段中的速度来估算道路坡度。

第二估算操作可以包括：接收在移动区段的每个预定时间处的位置，并基于在移动区段的起点和终点处的位置来最终估算在移动区段的道路坡度。

第二估算操作可以包括基于移动区段的至少一部分区段的位置来估算道路坡度。

第三估算操作可以包括将虚拟直线拟合到道路形状上，并基于虚拟直线和车辆位置来计算误差的大小，并所将计算出的误差大小与预定阈值进行比较，以评估的道路的线性度；当道路的线性度合适时，根据评估结果来估算车辆相对于道路的俯仰。

附图说明

通过参考附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他目的、特征和优点将对本领域普通技术人员更加明显，其中：

图1是示出根据实施例的用于估算车辆相对于道路的俯仰的装置的视图；

图2A至图2C是用于描述根据实施例的坐标系的视图；

图3是用于描述车辆俯仰、道路坡度，和车辆相对于道路的俯仰的视图；

图4是示出估算车辆相对于道路的俯仰的方法的视图；

图5A至图5D是用于示出图4所示的提取道路坡度估算区段的过程的曲线图；

图6是用于描述图4所示的消除偏差的原理的视图；

图7是用于描述图4所示的估算车辆俯仰的原理的视图；

图8A和图8B是用于描述根据实施例的基于速度计算道路坡度的原理的视图；

图9A和9B是用于描述根据实施例的基于位置估算道路坡度的原理的视图；和

图10是用于描述图4所示的评估道路的线性度的原理的视图。

具体实施方式

以下，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。

然而，本发明的技术精神不限于将要描述的一些实施例，并且可以以各种不同的形式来体现，并且可以在技术精神的范围内选择性地组合、替换和使用实施例的至少一个或多个部件。

此外，除非上下文另有明确和具体定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)可被解释为具有本领域技术人员通常理解的含义，以及通常使用的术语的含义，例如在常用词典中定义的术语，将考虑相关技术的上下文含义来解释。

此外，在本发明的实施例中使用的术语仅在描述性意义上考虑，并不限制本发明。

在本说明书中，除非上下文另有明确指示，否则单数形式包括复数形式，并且在描述了“A、B和C中的至少一个(或一个或多个)”的情况下，这可以包括A、B、C的所有可能组合中的至少一个。

此外，在对本发明的组件的描述中，可以使用诸如“第一”、“第二”、“A”、“B”、“(a)”和“(b)”之类的术语。

术语仅用于区分一个元件与另一个元件，元件的本质、顺序等不受术语限制。

此外，应当理解的是，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，这种描述可以包括该元件直接连接或耦合到另一元件的情况，以及该元件连接或耦合至另一元件且又另一元件置于其间的情况。

此外，当任何一个元件被描述为形成或设置在另一元件“之上”或“之下”时，这种描述既包括两个元件被形成或设置为彼此直接接触的情况，也包括一个或多个其他元件插入两个元件之间的情况。此外，当一个元件被描述为形成在另一个元件“之上或之下”时，这种描述可以包括一个元件相对于另一元件形成在上侧或下侧的情况。

图1是示出根据实施例的用于估算车辆相对于道路的俯仰的装置的视图。图2A至图2C是用于描述根据实施例的坐标系的视图，并且图3是用于描述车辆俯仰、道路坡度，和车辆相对于道路的俯仰的视图。

参考图1，根据实施例的用于估算车辆相对于道路的俯仰的装置可以包括惯性测量单元(IMU)传感器部110、车轮速度传感器部120、预处理部130和坡度估算部140。

IMU传感器部110可以获取关于车辆运动的数据，例如加速度(acceleration)和转速(rotation rate)，即IMU数据。加速度可以包括x轴加速度、y轴加速度，和z轴加速度以及车身框架的重力，并且转速可以包括车身框架的x轴转速、y轴转速，和z轴转速。

在这种情况下，图2A的车身框架(body frame)是随着车辆移动而移动的车辆参考坐标系统，图2B的道路框架(road frame)是根据道路坡度而变化的道路参考坐标系统，图2C的导航框架(navigation frame)是无论车辆如何移动都不会基于参考点而变化的坐标系统。

使用这些框架的主要变量可以表示为

IMU传感器部110可以包括陀螺仪传感器和加速度传感器。首先，加速度传感器可以测量车身框架的加速度和重力。车身框架的三轴加速度和重力可以由IMU传感器部110测量。此外，陀螺仪传感器可以测量车身框架的转速。由于应考虑车辆的垂直运动，因此应测量车辆的俯仰运动。因此，可以使用单个y轴陀螺仪，但是即使不使用单个y轴陀螺仪也可以测量车辆的俯仰运动，然而，性能可能会降低。

速度传感器部120可通过控制器区域网络(controller area network，CAN)来获取车轮速度数据。在这种情况下，可以通过对两个后车轮而不是驱动轮求平均速度来获得车轮速度数据，但不一定限于此。

预处理部130可以预处理从IMU传感器部110获得的IMU数据和从车轮速度传感器部120获得的车轮速度数据。预处理部120可以包括第一预处理部131和第二预处理部132。

第一预处理部131可以检测IMU数据是否为有效数据。例如，第一预处理部131可以在IMU数据大于或等于预定阈值时判定IMU数据为有效数据，并且在IMU数据小于预定阈值时判定IMU数据为无效数据。

第二预处理部132可以基于IMU数据和车轮速度数据来提取停止区段和移动区段。停止区段是车辆处于停止状态且车轮速度数据指示为零的区段。移动区段可以是车辆减速或加速的区段。

第一预处理部131可以从IMU数据中移除IMU误差。有两种类型的IMU误差，例如偏差(bias)和零均值白噪声(zero mean white noise)。当加速度和转速积分(integrated)时，这种误差可能会引起大问题。当车辆停止时，陀螺仪的输出只有偏差和噪声。

在本实施例中，通过消除陀螺仪的偏差来改善IMU数据的质量，并且通过平均值来估算偏差，以消除零均值白噪声。

坡度估算部140可以基于预处理过的IMU数据和车轮速度数据来估算相对于道路的车辆俯仰。坡度估算部140可以包括第一坡度估算部141、第二坡度估算部142、第三坡度估算部143和线性度评估部144。

第一坡度估算部141可以估算在停止状态下的车辆俯仰。第一坡度估算部141可以估算由第二预处理部132提取的在停止区段的车辆俯仰。

第二坡度估算部142可以估算在移动状态下的道路坡度。第二坡度估算部142可以估算由第二预处理部132提取的在移动区段的道路坡度。

第三坡度估算部143可以基于所估算的在停止区段的车辆俯仰和在移动区段的道路坡度来估算车辆相对于道路的俯仰。例如，如图3所示，第三坡度估算部143可以通过从车辆俯仰

线性度评估部144可以评估道路的线性度，以便计算道路坡度。例如，当评估道路的线性度合适时，可以执行估算过程，并且第三坡度估算部143可以估算车辆相对于道路的俯仰。

图4是示出估算车辆相对于道路的俯仰的方法的视图。图5A至图5D是用于示出图4所示的提取道路坡度估算区段的过程的曲线图。图6是用于描述图4所示的消除偏差的原理的视图，并且图7是用于描述图4所示的估算车辆俯仰的原理的视图。

参考图4，根据实施例的用于估算车辆相对于道路的俯仰的装置(以下称为坡度估算装置)可以接收IMU数据和车轮速度数据(S110)。

然后，坡度估算装置可以检查所接收的IMU数据是否为有效数据(S120)。在这种情况下，坡度估算装置可以基于预定参数来检查IMU数据是否为有效数据。预定参数可以包括加速度、转向角和道路坡度。

例如，当车辆的加速度小于或等于预定加速度，车辆的转向角大于或等于预定转向角，车辆所处的道路坡度大于或等于预定道路坡度(在俯仰方向上)或预定道路坡度(在侧倾(roll)方向上)时，坡度估算装置可以确定IMU数据和车轮速度数据为无效数据，并且基于IMU数据及车轮速度数据来停止坡度估算过程。

考虑以上的原因是，由于突然加速而产生的加速度主要是由于悬架移动而产生的噪声，转向角导致Y轴加速度的变化，以及大于或等于预定角度的道路坡度导致相对于道路的车辆俯仰因负载而发生静态变化。

然后，坡度估算装置可以基于接收到的IMU数据和车轮速度数据来提取道路坡度估算区段(S130)。在这种情况下，道路坡度估算区段可以包括车辆在停止后加速的停止-加速区段和车辆在减速后停止的减速-停止区段。根据该实施例，由于在道路坡度估算区段中确定停止后的加速状态或行驶或减速后的停止状态，所以使用IMU数据的IMU加速度数据。

具体地，坡度估算装置可以接收如图5A所示的IMU加速度数据，并对接收到的IMU加速度数据进行过滤，以便提取具有数值大于或等于预定值的IMU加速度数据。

如图5B所示，坡度估算装置可以基于过滤的IMU加速度数据和车轮速度数据来区分停止区段、加速区段和减速区段。

在这种情况下，在停止区段和加速区段中，或者在减速区段和停止区段中，加速度值大于或等于预定值的区段可以被确定为是包括加速区段和减速区段的移动区段。

在图5C和图5D中，坡度估算装置可以基于区分的停止区段、加速区段和减速区段来提取停止-加速区段或减速-停止区段作为道路坡度估算区段。

在本实施例中，如上所述，将使用减速-停止区段或停止-加速区段的IMU数据和车轮速度数据来估算车辆相对于道路的俯仰。

然后，坡度估算装置可以通过计算停止区段中的偏差平均值并从IMU数据(即IMU转速数据)中减去计算出的偏差平均值来消除偏差(S140)。

如图6所示，示出了由于陀螺仪的输出值(即IMU转速数据)因为包括偏差而较大，因此通过从中减去偏差的平均值来减小该输出值。

然后，坡度估算装置可以基于IMU数据(即，在停止区段的IMU加速度数据)估算静态车辆俯仰，即俯仰和侧倾(S150)。在这种情况下，如图7所示，基于重力gn的位置来估算停止区段的静态车辆俯仰，并且静态车辆俯仰如公式1和公式2所定义。

公式1

公式2

其中，acc

然后，坡度估算装置可以基于IMU数据来估算道路坡度(S160)。可以基于加速度、速度和位置来计算道路坡度，并且可以如公式3、公式4和公式5定义道路坡度。

公式3

在此，

公式4

公式5

在这种情况下，加速度、速度和位置之间的关系如下面的公式6和公式7所示。

公式6

在此，v

公式7

在此，

图8A和8B是用于描述根据实施例的基于速度计算道路坡度的原理的视图。

参考图8A，坡度估算装置可以接收在移动区段的每个预定时间处的速度，并基于接收到的速度来提取速度大于或等于预定速度的区段作为感兴趣区段。

坡度估算装置可以基于每个点的速度来计算多个第一道路坡度。

坡度估算装置可以对多个第一道路坡度求平均以计算第二道路坡度，并且该第二道路坡度被计算为最终道路坡度。

参考图8B，在该实施例中，考虑到速度的起始裕量(start margin)和结束裕量(end margin)，在部分移动区段而不是整个移动区段计算道路坡度。

例如，基于整个移动区段中除起始区段的部分移动区段和终止区段的部分移动区段以外的剩余区段中的速度来计算道路坡度。

图9A和9B是用于描述根据实施例的基于位置估算道路坡度的原理的视图。

参考图9A，坡度估算装置接收在移动区段的每个预定时间处的位置，并基于起点和终点处的位置来计算道路坡度。

参考图9B，在该实施例中，考虑到位置的起始裕量和结束裕量，仅在部分移动区段而不是整个移动区段中计算道路坡度。

例如，基于在整个移动区段中除起始区段的部分移动区段和终止区段的部分移动区段以外的剩余区段中接收到的位置来计算道路坡度。

在这种情况下，可以将起始裕量和结束裕量设置为起始裕度率和结束裕度率。在这种情况下，描述了考虑起始裕量和结束裕量两者的示例，但本发明不一定限于此，并且可以考虑起始裕量和结束裕量中的至少一个。

此外，起始裕量和结束裕量可以具有相同的裕度率(margin ratio)，但不一定限于此，并且可以根据情况具有不同的裕度率。例如，在车辆停止后加速的区段中，起始裕度率比可以被设置为大于结束裕度率，并且在车辆减速后停止的区段中，结束裕度率可以被设置为大于起始裕度率。

然后，坡度估算装置可以评估道路的线性度(S170)。

图10是用于描述图4所示的评估道路的线性度的原理的视图。

参考图10，坡度估算装置可以将虚拟直线拟合到道路的形状上，基于虚拟直线和车辆位置来计算误差的大小，并基于所计算的误差的大小来评估道路的线性度。

例如，当误差的大小大于或等于预定阈值时，坡度估算装置确定道路严重不规则并且不具有用于计算道路坡度的适当线性度，不估算相对于道路的车辆俯仰，并且停止估算过程。

然而，当误差的大小小于预定阈值时，坡度估算装置可以确定道路的不规则性不严重，并且道路的线性度适合于计算道路坡度。

然后，当坡度估算装置确定道路的线性度合适时，坡度估算装置可以基于估算的车辆俯仰和道路坡度来估算车辆相对于道路的俯仰(S180)。车辆相对于道路的俯仰如公式8中所定义。

公式8

根据实施例，可以通过基于车轮速度数据和惯性测量单元(IMU)数据来提取停止区段和移动区段，估算在停止区段的车辆俯仰和在移动区段的道路坡度，以及基于车辆俯仰和道路坡度来估算车辆相对于道路的俯仰，从而可以精确估算车辆相对于道路的俯仰。

本发明的各种有用的优点和效果不限于上述内容，在本发明的具体实施例的上述详细描述中将更容易理解。

本实施例中使用的“单元”等术语指的是软件或硬件组件，如现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)或应用专用集成电路(application-specificintegrated circuit,ASIC)，称为“单元”的对象执行某些功能。然而，术语“单元”不限于软件或硬件。“单元”可以被配置为驻留在可寻址存储介质上或复制一个或多个处理器。因此，在一个示例中，术语“单元”包括诸如软件组件、面向对象的软件组件、类组件、任务组件、进程、函数、属性、过程、子程序、程序代码段、驱动器、固件、微代码、电路、数据、数据库、数据结构、表、阵列和变量等组件。由这些组件和“单元”提供的功能可以组合成较少数量的组件和“单元”，或可以细分为附加组件和“单元”。此外，组件和“单元”还可以实现为在设备或安全多媒体卡中再现一个或多个中央处理单元(central processing unit,CPU)。

虽然以上已经参考示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员可以理解，本发明可以在不背离本发明的精神和范围的范围内进行各种修改和改变。