CN101987597A - 基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统及方法，包括：安装于车辆尾部用于获取车辆后方影像的倒车摄像头，安装于驾驶室内的显示屏，方向盘转角测量器，倒车轨迹计算模块和倒车轨迹投影模块。本发明根据方向盘转角计算倒车轨迹，并将倒车轨迹投影到倒车摄像头成像屏坐标系中，与倒车摄像头获取的车辆后方影像叠加后显示在驾驶室的显示屏，为驾驶者提供倒车指示线及倒车轨迹周围的影像，从而能够指导驾驶者倒车。同时，其在倒车轨迹上设置表示离车尾距离的距离标记线，通过这些距离标记线，驾驶者能够准确判断车辆后方障碍物的距离，从而指导驾驶者安全倒车。

Description

基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车电子领域，特别涉及可视化智能倒车辅助系统及方法。

背景技术

汽车尾部盲区所潜在的危险，往往会给人们带来生命财产的重大损失以及精神上的严重伤害。据统计，由于车后盲区所造成的交通事故在中国约占30％，美国20％。另外，随着汽车数量的急剧增长，汽车走进千家万户的同时，各大城市内的停车位变的越发狭窄，对驾驶员倒车技能的要求越来越高。特别是对于很多新手司机或女士而言，每次倒车时更是可以用瞻前顾后，胆战心惊来形容，稍不小心就会刮伤或者与相邻车辆碰撞。因此，倒车安全问题越来越多地受到社会的关注，而先进的倒车辅助系统则是智能车辆安全系统中最受瞩目的技术之一。

目前市场上常见的倒车辅助系统主要分为两类：一种是在车尾安装传感器等装置，当其接近并探测到有障碍物时报警。以倒车雷达为主要代表，采用超声波测距原理探测车后是否有障碍物以及障碍物距车的距离，并发出警示信号。此类产品在很大程度上减小或弥补了汽车尾部盲区，提醒驾驶员车后障碍物的存在。另一种是影像倒车系统，利用后视摄像头将车辆后方的事物影像清晰地传输到中控台液晶显示屏上，并显示出车尾距障碍物的距离。而这两种系统均只是停留在“报警”“可视”层次上，只能提示驾驶者后面是否有障碍物，不能提示如何倒车进入某个特定的位置，因此不能对倒车过程进行智能指导。因此，倒车辅助系统需要尽量向“智能化”方向发展，提供操作参考的指示线来指导驾驶者倒车，以彻底解决倒车这一难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统及方法，该系统能够根据方向盘的转动角度估算出倒车轨迹，并将其与车辆后方影像叠加显示，从而为驾驶者倒车提供参考。

本发明基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统，包括：

一倒车摄像头，安装于车辆尾部，用于获取车辆后方影像；及

安装于驾驶室内的显示屏；

其特征在于还包括：

一方向盘转角测量器，安装在车辆的方向盘上，用于获取方向盘转角信息；

一倒车轨迹计算模块，其根据所述方向盘转角测量器输出的方向盘转角(“方向盘转角”即方向盘的转动角度)，结合车辆长度和宽度、以及倒车摄像头到后轮轴线的距离，计算倒车轨迹；及

一倒车轨迹投影模块，其根据地面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影模型，将倒车轨迹计算模块输出的倒车轨迹、以及倒车轨迹上的距离标记线投影到倒车摄像头成像屏坐标系，使它们与倒车摄像头获取的车辆后方影像叠加后输出至所述显示屏。

进一步，本发明中的方向盘转角测量器是自行设计的，它包括：

一标记盘，固定在方向盘的转轴上，能与方向盘同步转动，其表面设有一圈共N个不同的标记；及

一成像传感器，固设在所述标记盘上方或下方，不随方向盘转动，它通过识别标记盘表面的标记，进而计算出方向盘转角。

上述倒车轨迹计算模块可以通过公式

$\left|\right|P_{\mathrm{bl}}-P_O\left|\right|=R_{\mathrm{bl}}^2$

$\left|\right|P_{\mathrm{br}}-P_O\left|\right|=R_{\mathrm{br}}^2$

计算倒车轨迹，其中，P_bl、P_br分别为后左轮和后右轮的坐标，当前轮与车身之间的夹角保持不变时，车辆做圆周运动，P_O为圆周运动的圆心坐标，R_bl、R_br分别为后左轮、后右轮圆周运动的半径，当车辆向左后方倒车时，P_O、R_bl、R_br通过公式

$P_o=(-L/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-\frac{W}{2},-d)$

R_bl＝L/sin(θ)

R_br＝L/sin(θ)+W

计算，当车辆向右后方倒车时，P_O、R_bl、R_br通过公式

$P_o=(L/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{W}{2},-d)$

R_bl＝L/sin(θ)+W

R_br＝L/sin(θ)

计算，其中，L为车辆长度，W为车辆宽度，d为倒车摄像头到后轮轴线的距离，θ为前轮与车身方向之间的夹角，θ根据方向盘转角求得。

上述倒车轨迹投影模块中，地面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影关系可以为

$y^{\′}=D\×\tan (\arctan \left(\frac{H}{y}\right)-\mathrm{\α})$

$x^{\′}=\frac{x}{y}(D\cos \mathrm{\α}-y^{\′}\sin \mathrm{\α})$

其中，x、y分别为地面坐标系中某一点P的横坐标和纵坐标，x’y’分别为点P在成像屏坐标系的横坐标和纵坐标，D为倒车摄像头的成像屏距其透镜的垂直距离，H为倒车摄像头距地面的高度，α为倒车摄像头的视角方向与水平线的夹角。

本发明基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成方法，包括以下步骤：

当驾驶者排入倒车档时，方向盘转角测量器和倒车摄像头启动，自动获取方向盘转角和车辆后方影像；

倒车轨迹计算模块根据所述方向盘转角测量器输出的方向盘转角，结合车辆长度和宽度、以及倒车摄像头到后轮轴线的距离，计算倒车轨迹；

倒车轨迹投影模块根据地面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影模型，将倒车轨迹计算模块输出的倒车轨迹、以及倒车轨迹上的距离标记线投影到倒车摄像头成像屏坐标系，使它们与倒车摄像头获取的车辆后方影像叠加后显示在驾驶室内的显示屏，从而便于驾驶者选择合适的倒车转角和轨迹，根据显示的指示线进行倒车，以及根据显示的距离标记线准确判断车辆后方障碍物的距离。

与现有技术相比，本发明能够根据方向盘转角计算倒车轨迹，并将倒车轨迹投影到倒车摄像头成像屏坐标系中，与倒车摄像头获取的车辆后方影像叠加后显示在驾驶室的显示屏，为驾驶者提供倒车指示线(即倒车轨迹)及倒车轨迹周围的影像，从而能够指导驾驶者倒车。同时，其在倒车轨迹上设置表示离车尾距离的距离标记线，通过这些距离标记线，驾驶者能够准确判断车辆后方障碍物的距离，从而指导驾驶者安全倒车。

其采用自行设计的由标记盘和成像传感器构成的方向盘转角测量器，相比目前通用的扭矩角度传感器、光电耦合角度传感器、磁矩角度传感器，有着便于拆装、成本较低、不易受外界磁场及光线影响等优点。

附图说明

图1为本发明基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统的原理框图；

图2为其方向盘转角测量器的示意图；

图3为车辆运动模型；

图4为地面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影模型；

图5-1为前轮与车身之间夹角θ为0度时，根据车辆运动模型在地面坐标系画出的倒车轨迹；

图5-2为倒车摄像头的视角与水平方向夹角α为0度时，图5-1的倒车轨迹投射到倒车摄像头成像屏坐标系中的状态；

图5-3为倒车摄像头的视角与水平方向夹角α为20度时，图5-1的倒车轨迹投射到倒车摄像头成像屏坐标系中的状态；

图6-1为前轮与车身夹角θ为5度时，地面坐标系中的倒车轨迹；

图6-2为倒车摄像头的视角与水平方向夹角α为0度时，图6-1的倒车轨迹投射到倒车摄像头成像屏坐标系中的状态；

图6-3为倒车摄像头的视角与水平方向夹角α为20度时，图6-1的倒车轨迹投射到倒车摄像头成像屏坐标系中的状态；

图7-1为前轮与车身夹角θ为15度时，地面坐标系中的倒车轨迹；

图7-2为倒车摄像头的视角与水平方向夹角α为0度时，图7-1的倒车轨迹投射到倒车摄像头成像屏坐标系中的状态；

图7-3为倒车摄像头的视角与水平方向夹角α为20度时，图7-1的倒车轨迹投射到倒车摄像头成像屏坐标系中的状态。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

参照图1，本基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统，包括：倒车摄像头、方向盘转角测量器和显示屏。其中，倒车摄像头安装在车辆尾部的中心位置，用于获取车辆后方影像。方向盘转角测量器安装在车辆的方向盘上，用于获取方向盘的转动角度。显示屏安装在驾驶室内，可采用车辆驾驶室内原有的液晶显示屏。本系统还包括：一倒车轨迹计算模块和一倒车轨迹投影模块。其中，倒车轨迹计算模块能够根据所述方向盘转角测量器输出的方向盘转角，结合车辆长度和宽度、以及倒车摄像头到后轮轴线的距离，计算出倒车轨迹。倒车轨迹投影模块能够根据地面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影模型，将倒车轨迹计算模块输出的倒车轨迹、以及倒车轨迹上的距离标记线投影到倒车摄像头成像屏坐标系，使它们与倒车摄像头获取的车辆后方影像叠加后输出至所述显示屏。

方向盘转角测量器是自制的，参照图2，它包括：一标记盘10和一成像传感器20。其中，标记盘10固定在方向盘的转轴上，能与方向盘同步转动，其表面在一个圆环内等分成N个标记格，依次在N个标记格内设置N个不同的标记。成像传感器20位于所述标记盘10下方，且不随方向盘转动，当方向盘未打角度时，成像传感器20正对标记盘10上的0转角标记。方向盘转动时，成像传感器20通过识别标记盘10表面的不同标记，进而计算出方向盘的转动角度。成像传感器20最好采用带红外感光的成像传感器。也可以进一步将前轮与车身方向之间的夹角θ与方向盘转角的对应关系式存储在方向盘转角测量器内，使得方向盘转角测量器能将测量到的方向盘转角直接变换为前轮与车身方向之间的夹角θ。

图3为车辆运动模型。图中的四个短粗线段30、40、50、60分别代表四个车轮，O为车尾中心，也是倒车摄像头在地面上的投影位置，车长为L，车宽为W，倒车摄像头距后轴(即后轮转轴)中心点的距离为d，前轮与车身方向之间的夹角为θ。对车辆倒车运动进行分析可得，当前轮30、40方向保持不变时，车身做圆周运动，因此倒车时两后轮50、60的轨迹方程为：

$\left|\right|P_{\mathrm{bl}}-P_O\left|\right|=R_{\mathrm{bl}}^2$

$\left|\right|P_{\mathrm{br}}-P_O\left|\right|=R_{\mathrm{br}}^2$

其中，P_bl、P_br分别代表后左轮和后右轮的坐标，当前轮与车身之间的夹角保持不变时，车辆做圆周运动，P_O为圆周运动的圆心坐标，R_bl、R_br分别为后左轮、后右轮圆周运动的半径。其中，当车辆向左后方倒车时，P_O、R_bl、R_br计算公式如下：

$P_o=(-L/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-\frac{W}{2},-d)$

R_bl＝L/sin(θ)

R_br＝L/sin(θ)+W

当车辆向右后方倒车时，P_O、R_bl、R_br计算公式如下：

$P_o=(L/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{W}{2},-d)$

R_bl＝L/sin(θ)+W

R_br＝L/sin(θ)

通过以上轨迹方程，根据测得的方向盘转角，可以计算出车辆倒车轨迹。

得到倒车轨迹之后，需要将其以倒车摄像头的视角转换到影像坐标上(即倒车摄像头成像屏坐标系中)，从而与倒车摄像头获得的车辆后方影像叠加显示，为驾驶者倒车提供参考。图4为本发明地面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影模型，如图4所示，点M为倒车摄像头，装在车尾的中心位置，将其在水平面上的投影坐标设为原点，倒车摄像头距地面的高度为H，倒车摄像头的视角方向与水平线的夹角为α，倒车摄像头的成像屏距其透镜的垂直距离为D，P为地面上倒车轨迹上的某一点，其坐标为(x，y)，设其在成像屏上的投影点P′坐标为(x′，y′)。根据成像原理，分析得到的轨迹点P与其投影点P′的关系式如下：

$y^{\′}=D\×\tan (\arctan \left(\frac{H}{y}\right)-\mathrm{\α})$ ，该关系式即为本发明中，地

$x^{\′}=\frac{x}{y}(D\cos \mathrm{\α}-y^{\′}\sin \mathrm{\α})$

面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影关系。

本发明还在倒车轨迹线上设置了距离标记线，以指示距车尾水平距离。同样也将这些距离标记线通过上述投影模型投影到了倒车摄像头成像屏坐标系，这样便于驾驶者根据显示的距离标记线准确判断车后方障碍物距车尾的水平距离。

安装上述系统后，首先需要测量并存储下述参数：车长L，车宽W，倒车摄像头距地面的高度H，倒车摄像头到后轮轴线的距离d，倒车摄像头中的成像屏到其透镜的距离D，倒车摄像头视角与水平线的夹角α。还要对方向盘转角测量器进行定标，调试0刻度标记的位置。并实际测量当方向盘分别打45度、90度、180度、360度、540度时前轮与车身方向之间的夹角θ，建立前轮与车身方向之间的夹角θ和方向盘转角的关系式。

应用上述可视化倒车轨迹线形成系统的辅助倒车方法，包括以下步骤：

当驾驶员排入倒车档准备倒车时，倒车摄像头与方向盘转角测量器自动开启，倒车摄像头获取车辆后方影像数据，方向盘转角测量器通过其成像传感器识别不同的标记来得到方向盘的转角，并将该转角转化为前轮与车身方向之间的夹角θ；

将已测得的车长L、车宽W、倒车摄像头到后轮轴线的距离d、前轮与车身方向之间的夹角θ代入上述倒车轨迹方程，得到地面坐标系中的倒车轨迹，同时，在倒车轨迹上标记出距车尾1m、2m、……6m距离的距离标记线，以便驾驶员准确判断车后障碍物距车的距离，如图5-1、6-1、7-1所示；

根据上述地面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影模型，以及已测得的参数倒车摄像头中的成像屏到其透镜的距离D、倒车摄像头视角与水平线的夹角α、倒车摄像头距地面的高度H，将地面坐标系中的倒车轨迹投射到倒车摄像头成像屏坐标系中。同样，也将地面坐标系中的距离标记线投影到倒车摄像头成像屏坐标系中，如图5-2，5-3，6-2，6-3，7-2，7-3所示；

将投射之后的倒车轨迹以及距离标记线与倒车摄像头获取的车辆后方影像叠加，传输到显示屏上显示，从而便于驾驶者选择合适的倒车转角和轨迹，根据显示的指示线进行倒车，以及根据显示的距离标记线准确判断车辆后方障碍物距车尾的水平距离。

Claims (9)

1.基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统，包括：

一倒车摄像头，安装于车辆尾部，用于获取车辆后方影像；及

安装于驾驶室内的显示屏；

其特征在于还包括：

一方向盘转角测量器，安装在车辆的方向盘上，用于获取方向盘转角信息；

一倒车轨迹计算模块，其根据所述方向盘转角测量器输出的方向盘转角，结合车辆长度和宽度、以及倒车摄像头到后轮轴线的距离，计算倒车轨迹；及

一倒车轨迹投影模块，其根据地面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影模型，将倒车轨迹计算模块输出的倒车轨迹、以及倒车轨迹上的距离标记线投影到倒车摄像头成像屏坐标系，使它们与倒车摄像头获取的车辆后方影像叠加后输出至所述显示屏。

2.如权利要求1所述的基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统，其特征在于，所述方向盘转角测量器包括：

一标记盘，固定在方向盘的转轴上，能与方向盘同步转动，其表面设有一圈共N个不同的标记；及

一成像传感器，固设在所述标记盘上方或下方，它通过识别标记盘表面的标记，进而计算出方向盘转角。

3.如权利要求2所述的基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统，其特征在于：所述方向盘转角测量器进一步能根据前轮与车身方向之间的夹角θ与方向盘转角的对应关系式，将测量到的方向盘转角变换为前轮与车身方向之间的夹角θ。

4.如权利要求2所述的基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统，其特征在于：所述方向盘转角测量器的成像传感器为带红外感光的成像传感器。

5.如权利要求1所述的基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统，其特征在于：所述倒车轨迹计算模块通过公式

$\left|\right|P_{\mathrm{bl}}-P_O\left|\right|=R_{\mathrm{bl}}^2$

$\left|\right|P_{\mathrm{br}}-P_O\left|\right|=R_{\mathrm{br}}^2$

计算倒车轨迹，其中，P_bl、P_br分别为后左轮和后右轮的坐标，当前轮与车身之间的夹角保持不变时，车辆做圆周运动，P_O为圆周运动的圆心坐标，R_bl、R_br分别为后左轮、后右轮圆周运动的半径，当车辆向左后方倒车时，P_O、R_bl、R_br通过公式

$P_o=(-L/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-\frac{W}{2},-d)$

R_bl＝L/sin(θ)

R_br＝L/sin(θ)+W

计算，当车辆向右后方倒车时，P_O、R_bl、R_br通过公式

$P_o=(L/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{W}{2},-d)$

R_bl＝L/sin(θ)+W

R_br＝L/sin(θ)

计算，其中，L为车辆长度，W为车辆宽度，d为倒车摄像头到后轮轴线的距离，θ为前轮与车身方向之间的夹角，θ根据方向盘转角求得。

6.如权利要求1所述的基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成系统，其特征在于：所述倒车轨迹投影模块中，地面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影关系为

$y^{\′}=D\×\tan (\arctan \left(\frac{H}{y}\right)-\mathrm{\α})$

$x^{\′}=\frac{x}{y}(D\cos \mathrm{\α}-y^{\′}\sin \mathrm{\α})$

其中，x、y分别为地面坐标系中某一点P的横坐标和纵坐标，x’、y’分别为点P在成像屏坐标系的横坐标和纵坐标，D为倒车摄像头的成像屏距其透镜的垂直距离，H为倒车摄像头距地面的高度，α为倒车摄像头的视角方向与水平线的夹角。

7.一种基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成方法，其特征在于包括以下步骤：

当驾驶者排入倒车档时，方向盘转角测量器和倒车摄像头启动，自动获取方向盘转角和车辆后方影像；

倒车轨迹计算模块根据所述方向盘转角测量器输出的方向盘转角，结合车辆长度和宽度、以及倒车摄像头到后轮轴线的距离，计算倒车轨迹；

倒车轨迹投影模块根据地面坐标系与倒车摄像头成像屏坐标系之间的投影模型，将倒车轨迹计算模块输出的倒车轨迹、以及倒车轨迹上的距离标记线投影到倒车摄像头成像屏坐标系，使它们与倒车摄像头获取的车辆后方影像叠加后显示在驾驶室内的显示屏，从而便于驾驶者选择合适的倒车转角和轨迹，根据显示的指示线进行倒车，以及根据显示的距离标记线准确判断车辆后方障碍物的距离。

8.如权利要求7所述的基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成方法，其特征在于：所述倒车轨迹计算模块通过公式

$\left|\right|P_{\mathrm{bl}}-P_O\left|\right|=R_{\mathrm{bl}}^2$

$\left|\right|P_{\mathrm{br}}-P_O\left|\right|=R_{\mathrm{br}}^2$

计算倒车轨迹，其中，P_bl、P_br分别为后左轮和后右轮的坐标，当前轮与车身之间的夹角保持不变时，车辆做圆周运动，P_O为圆周运动的圆心坐标，R_bl、R_br分别为后左轮、后右轮圆周运动的半径，当车辆向左后方倒车时，P_O、R_bl、R_br通过公式

$P_o=(-L/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-\frac{W}{2},-d)$

R_bl＝L/sin(θ)

R_br＝L/sin(θ)+W

计算，当车辆向右后方倒车时，P_O、R_bl、R_br通过公式

$P_o=(L/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{W}{2},-d)$

R_bl＝L/sin(θ)+W

R_br＝L/sin(θ)

计算，其中，L为车辆长度，W为车辆宽度，d为倒车摄像头到后轮轴线的距离，θ为前轮与车身方向之间的夹角，θ根据方向盘转角求得。

9.如权利要求7所述的基于角度信息的可视化倒车轨迹线形成方法，其特征在于，所述方向盘转角测量器包括：

一标记盘，固定在方向盘的转轴上，能与方向盘同步转动，其表面设有一圈共N个不同的标记；及

一带红外感光的成像传感器，固设在所述标记盘上方或下方，它通过识别标记盘表面不同的标记计算方向盘转角。

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