CN107139834B - 基于3d光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置 - Google Patents
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Abstract
基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置，涉及车辆配件设施领域。本发明是为了解决现有测距探测技术探测距离短的问题。本发明所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置，柱透镜光栅由多个柱透镜元构成；条纹画设置在柱透镜光栅中所有柱透镜元共同的焦平面上；条纹画由宽窄两种纯色条纹交替排布构成，两种条纹颜色不同，两种条纹的宽度之和等于柱透镜光栅的栅距，多个柱透镜元的轴向均与条纹画上的条纹平行，条纹画上的所有窄条纹分别与多个柱透镜元一一对应，且窄条纹与其所对应柱透镜元的中正对。本发明适用于车距检测领域。
Description
技术领域
本发明属于车辆配件设施领域，尤其涉及防追尾驾驶辅助装置。
背景技术
作为现代化的交通运输基础设施，高等级公路(二级公路及二级以上公路)以其交通量大、行车速度快、设施完善、环境舒适等特点，已成为支撑国民经济增长的生命线工程。截止2015年底，我国二级及以上公路总里程已超过57.49万公里，居世界首位。然而，据有关资料统计，我国高等级公路的事故率远高于低等级公路(二级以下公路)，仅高速公路的事故发生率就为普通公路事故发生率的4倍，特大交通事故时有发生，造成难以估量的生命及财产损失。通过对交通事故的总结分析发现，无论是从人员伤亡还是从财产损失来看，交通事故形态中比例最大的一种就是追尾碰撞。国内外学者对于追尾交通事故的预防方面做了大量的研究工作，Davis等人的研究表明，车头间距过小是造成交通追尾事故的主要因素。在高等级公路上行驶的车辆，需要和前车保持一定距离，以保证在前车紧急制动的情况下，后车有足够的时间完成制动并且不和前车相撞。这个距离的最小值称为最小安全距离，简称安全距离。在实际情况中，驾驶员大多凭借驾驶经验判断行车时应与前车保持的距离，这一判断出于主观，往往并不准确；在考虑了驾驶员长时间驾驶后产生驾驶疲劳、夜间行车时视线不良等因素后，我们认为目前的安全距离判断方法不够安全，需要开发一种辅助驾驶员判断车距、帮助驾驶员确认安全距离的工具(即车辆追尾预警装置)，以保持驾驶员在行驶时将车辆保持在安全距离外，防止追尾事故的发生。
国内外研究人员，尤其是美欧等发达国家已经在车辆追尾预警系统的研究、开发、改进及应用等方面做出了许多努力，并取得了一些成果，现举几例：奔驰汽车公司和劳伦斯电子公司联合研制了汽车防撞报警系统，探测距离为150米，这一系统目前已经得到应用；福特汽车公司开发的类似系统探测距离为106米；德国Benz600S型轿车上安装有自动距离控制雷达，可以自动控制与前车的距离，防止追尾事故的发生。这些装置所使用的汽车车距探测技术主要包括毫米波雷达、激光雷达、超声波探测、图像处理技术等。由于造价和交通条件的限制，这些装置通常应用于高档汽车上。
国内的相关研究已经起步，不过并不成熟，处于相对落后状态，如航天工业总公司8358所采用窄脉冲半导体激光测距技术，开发出的车辆追尾碰撞预警装置探测距离仅为30米，且尚有一些关键技术性问题有待解决；广西大学与华中理工大学的学者共同研制出了一种基于毫米波的汽车雷达系统；张承畅等人设计出了基于厘米波脉冲，通过单波束辐射方式测距的防撞雷达系统。
总体而言，现有技术普遍具有成本高、探测距离短等缺点，尤其是国内相关技术尚不成熟，有待进一步发展，无法进行大规模推广及应用。因此，目前亟待一种成本较低、使用方便、泛用性强、能在较远距离上实现预警，使前后车的距离不小于安全距离的车辆追尾预警装置。
发明内容
本发明是为了解决现有测距探测技术探测距离短的问题，现提供基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置。
基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置包括：条纹画1和柱透镜光栅，所述柱透镜光栅由多个柱透镜元2构成；
条纹画1设置在柱透镜光栅中所有柱透镜元2共同的焦平面上；
条纹画1由宽窄两种纯色条纹交替排布构成，两种条纹颜色不同，
两种条纹的宽度之和等于柱透镜光栅的栅距，
多个柱透镜元2的轴向均与条纹画1上的条纹平行，条纹画1上的所有窄条纹分别与多个柱透镜元2一一对应，且窄条纹与其所对应柱透镜元2的中轴正对。
基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置还包括LED灯3，LED灯3固定在位于最外侧的一个柱透镜元2的外侧，LED灯3发出的光为白光。
基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置还包括吸盘，吸盘固定在条纹画1的背面，用于将防追尾驾驶辅助装置固定在车尾。
条纹画1的宽度为90mm。
柱透镜元2的材料为树脂纤维。
两种条纹颜色分别为红黄、红蓝或红白。
本发明创新地使用了3D光栅技术，应用3D光栅技术实现根据观察者位置反馈不同图像信息的方式，给予后车驾驶员不同视觉提示信息，即：车距不同，后车驾驶员观察到的颜色不同，颜色简单清晰，降低驾驶员误判率。相较于目前使用的测距雷达及传感器等电子设备，具有使用距离增加至250米、制造成本低、检修维护方便等优点，更有利于大规模推广和使用。
在实际测试中，本发明在不同天气、不同路面条件下取得了良好的实际应用效果，能够代替现有车距提示装置。并且，制作3D光栅的主要材料是树脂纤维等新型环保材料，LED灯也是公认的节能环保光源，体现了节能环保意识。
附图说明
图1为基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置的立体图；
图2为基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置的主视图；
图3为图2的左视图；
图4为图1的A部放大图；
图5为柱透镜元的折射光路图；
图6为光栅分像原理示意图；
图7为获取视觉信息随观察距离改变原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置包括：条纹画1和柱透镜光栅，所述柱透镜光栅由多个柱透镜元2构成；
条纹画1设置在柱透镜光栅中所有柱透镜元2共同的焦平面上；
条纹画1由宽窄两种纯色条纹交替排布构成，两种条纹颜色不同，
两种条纹的宽度之和等于柱透镜光栅的栅距，
柱透镜元2的横截面为弓形，柱透镜元2圆弧的弧度为89°—90°，
多个柱透镜元2的轴向均与条纹画1上的条纹平行，
条纹画1上的所有窄条纹分别与多个柱透镜元2一一对应，
窄条纹与其所对应柱透镜元2的中轴正对。
本实施方式中，每个柱透镜元2在其轴向上不对光线起汇聚透镜作用，而在其径向上则相当于汇聚透镜起聚光成像的作用，柱透镜元2平面为焦平面，使得柱透镜元2对图像具有“压缩”和“隔离”的效用。
3D光栅成像技术的原理是使用3D光栅板与对应的光栅条纹画成像。本实施方式的多个柱透镜元2构成了3D光栅板。将图像按光栅栅距(即柱透镜元弦长)处理成分条的光栅条纹画，并按一定顺序排列在柱透镜光栅板焦平面上，由凸透镜的特性可知，在焦平面上发出的光经过折射后，均为与透镜元主光轴成一定角度的平行光。由于光栅板上每一个柱透镜元的折射，在各单元中的图像被平行折射至相同角度。人眼从不同角度观察，每个单元中的图像就组合成整体图像。当观察角度改变时，人眼看到的整体图像也随之变化。
组成光栅板的每一个圆柱透镜元结构完全相同，对任意一个圆柱透镜元的光路进行分析，如图5所示。条纹图像所在的ZOY平面为柱透镜元共同的焦平面。柱透镜元沿OY方向平行布置。OO’为柱透镜元的主光轴，O为焦点，透镜曲率半径为R(柱透镜的R<0)。P指栅距，即每个柱透镜元的宽度。d为厚度，等于透镜元的物方焦距f。n指柱透镜元的材料折射率。δ为焦平面上距离光心y的一点，经透镜折射后光传输方向与OO’夹角，即传输方向角。光的传输方向线与OO’交点为C，C距O距离为q。
由几何关系可知
q＝d-(-R) (2)
将单球面透镜焦距计算公式
代入(1)可得：
公式(3)表明，在焦平面上距所在柱透镜元光心O距离为y的点发出的光，会沿传输方向角δ以平行光束的方式传播，且该平行光束宽度为栅距P。其中，在光轴上方的点(y>0)，形成的光束向下传播；在光轴下方的点(y<0)，形成的光束向上传播。光束的传输方向角δ与所在柱透镜元d、n及y点位置相关。
在每一柱透镜元中，成像规律完全相同。在距光栅板D时观测到的图像，即为每一柱透镜单元中距光心相同y处的点的组合。将图像按光栅栅距处理成左右两幅并按一定顺序排列在柱透镜光栅板焦平面上，制成对应光栅板的特殊条纹图像，就可以在不同角度观察到由每一圆柱透镜元折射后的图像组成的整体图像，如图6所示。
若保持观察者在如下图中与光轴平行的轴MM’上运动，信息传输角δ也即观察者视角θ，将随观察距离D的变化而变化，使观察者获得不同图像信息，如图7所示。
在实际应用时，防追尾驾驶安全辅助装置安装于机动车车尾部，根据在机动车与其后行驶的其他机动车间的车距，给予后车驾驶员不同的视觉提示信息(显示颜色不同)，指导其调整车距以遏止追尾事故并提高行车效率。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括LED灯3，
LED灯3固定在位于最外侧的一个柱透镜元2的外侧，
LED灯3发出的光为白光。
本实施方式中增加了LED灯3，用于为条纹画1和多个柱透镜元2照明。在实际使用时，司机视环境光线情况开启LED灯3以便于后车司机观察。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括吸盘，
吸盘固定在条纹画1的背面，用于将防追尾驾驶辅助装置固定在车尾。
将防追尾驾驶辅助装置分为甲乙两种类型，其中甲型适用于小型客车上，乙型适用于大型客车上，其分类方式和距离地面高度如表所示：
表1安装位置
| 防追尾驾驶辅助装置类型 | 安装车型 | 距地面高度(m) |
| 甲 | A、C | 0.5 |
| 乙 | B、D | 1.9 |
其中距地面高度为装置的水平中轴线距离地面的高度。
装置的尺寸如以下表格所示：
表2宏观尺寸
| 装置类型 | 安装车型 | 宽(m) | 高(m) |
| 甲 | A、C | 0.4 | 0.3 |
| 乙 | B、D | 0.6 | 0.45 |
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一至三任一实施方式所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置作进一步说明，本实施方式中，条纹画1的宽度为90mm。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一至四任一实施方式所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置作进一步说明，本实施方式中，柱透镜元2的材料为树脂纤维。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一至五任一实施方式所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置作进一步说明，本实施方式中，两种条纹颜色分别为红黄、红蓝或红白。
采用上述实施方式公开的防追尾驾驶辅助装置进行试验：
将防追尾驾驶辅助装置安装在前车上，使条纹与地面平行，LED灯3所在边朝上，并保证防追尾驾驶辅助装置高度与表1的高度基本一致。观察者驾驶后车从前车后方接近前车，以模拟实际行驶中的跟驰状态。观察者在驾驶的同时观察前车装置的变色情况。当装置开始变色时，记录此时前后车的间距。记录完毕后，观察者继续向前行驶，直至装置完全变色，记录此时前后车间距。
甲乙两种类型的防追尾驾驶辅助装置在变色临界至柱透镜单元光心的区间内均三等分为黄、白两种颜色带，当后车与前车车速大于10km/h时，后车驾驶员观察到车距指示牌发生2Hz黄白交替的“闪烁”现象。
Claims (6)
1.基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置，其特征在于，包括：条纹画(1)和柱透镜光栅，所述柱透镜光栅由多个柱透镜元(2)构成；
条纹画(1)设置在柱透镜光栅中所有柱透镜元(2)共同的焦平面上；
条纹画(1)由宽窄两种纯色条纹交替排布构成，两种条纹颜色不同，
两种条纹的宽度之和等于柱透镜光栅的栅距，
多个柱透镜元(2)的轴向均与条纹画(1)上的条纹平行，条纹画(1)上的所有窄条纹分别与多个柱透镜元(2)一一对应，且窄条纹与其所对应柱透镜元(2)的中轴正对；
LED灯(3)用于为条纹画(1)和多个柱透镜元(2)照明。
2.根据权利要求1所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置，其特征在于，LED灯(3)固定在位于最外侧的一个柱透镜元(2)的外侧，LED灯(3)发出的光为白光。
3.根据权利要求1或2所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置，其特征在于，它还包括吸盘，吸盘固定在条纹画(1)的背面，用于将防追尾驾驶辅助装置固定在车尾。
4.根据权利要求1所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置，其特征在于，条纹画(1)的宽度为90mm。
5.根据权利要求1所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置，其特征在于，柱透镜元(2)的材料为树脂纤维。
6.根据权利要求1所述的基于3D光栅成像原理的防追尾驾驶辅助装置，其特征在于，两种条纹颜色分别为红黄、红蓝或红白。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Xiqiao Inventor after: Shi Huiduo Inventor after: Li Xiaosong Inventor after: Cui Hongtao Inventor after: Na Weilun Inventor after: Wang Tianyu Inventor before: Shi Huiduo Inventor before: Li Xiaosong Inventor before: Cui Hongtao Inventor before: Na Weilun Inventor before: Wang Tianyu |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210118 Address after: Building 9, accelerator, 14955 Zhongyuan Avenue, Songbei District, Harbin City, Heilongjiang Province Patentee after: INDUSTRIAL TECHNOLOGY Research Institute OF HEILONGJIANG PROVINCE Address before: 150001 No. 92 West straight street, Nangang District, Heilongjiang, Harbin Patentee before: HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221123 Address after: 150027 Room 412, Unit 1, No. 14955, Zhongyuan Avenue, Building 9, Innovation and Entrepreneurship Plaza, Science and Technology Innovation City, Harbin Hi tech Industrial Development Zone, Heilongjiang Province Patentee after: Heilongjiang Industrial Technology Research Institute Asset Management Co.,Ltd. Address before: Building 9, accelerator, 14955 Zhongyuan Avenue, Songbei District, Harbin City, Heilongjiang Province Patentee before: INDUSTRIAL TECHNOLOGY Research Institute OF HEILONGJIANG PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230103 Address after: Room 111-096, Floor 1, Building 2, Science and Innovation Headquarters, Shenzhen (Harbin) Industrial Park, No. 288, Zhigu Street, Songbei District, Harbin, 150000, Heilongjiang Patentee after: Tiananma Technology (Heilongjiang) Co.,Ltd. Address before: 150027 Room 412, Unit 1, No. 14955, Zhongyuan Avenue, Building 9, Innovation and Entrepreneurship Plaza, Science and Technology Innovation City, Harbin Hi tech Industrial Development Zone, Heilongjiang Province Patentee before: Heilongjiang Industrial Technology Research Institute Asset Management Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |