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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Früherkennung einer Kollision eines Fahrzeuges mit einem Kollisionsobjekt.
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Aus der
DE 10 2004 046 101 A1 ist ein Verfahren zur Früherkennung von Kraftfahrzeugskollisionen bekannt, wobei mit einem Kamerasystem die Umgebung mit möglichen Kollisionsobjekten eines Kraftfahrzeugs erfasst wird. Es werden Bildsequenzen erzeugt, wobei durch Auswertung der Bildsequenzen eine Kollisionszeit für mögliche Kollisionsobjekte und das Kraftfahrzeug ermittelt wird. Auf Basis der ermittelten Kollisionszeit wird eine Kollisionsgefährdung abgeschätzt und bei Überschreiten einer vorgegebenen Kollisionsgefährdung werden Kollisionsfolgen vermindernde Maßnahmen eingeleitet. Ferner ist aus der
DE 10 2004 046 101 A1 eine Sicherheitsvorrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, die ein Kamerasystem zur Erfassung der Umgebung eines Kraftfahrzeugs und ein Auswertesystem umfasst. Das Auswertesystem ist programmtechnisch zur Ermittlung der Kollisionszeit zwischen einem sich in der Umgebung bewegenden Objekt und dem Kraftfahrzeug und zur Erzeugung von Befehlen zur Einleitung von Kollisionsfolgen vermindernden Maßnahmen ausgestaltet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Früherkennung einer Kollision eines Fahrzeuges mit einem Kollisionsobjekt anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Früherkennung einer Kollision eines Fahrzeuges mit einem Kollisionsobjekt werden mit einer Kamera Bildsequenzen einer Umgebung des Fahrzeuges aufgenommen und aus diesen Bildsequenzen Flussvektoren eines optischen Flusses ermittelt. Aus den Flussvektoren wird eine Kollisionszeit, die eine Zeit bis zu einer Kollision des Fahrzeuges mit einem Kollisionsobjekt angibt, ermittelt, wobei die Flussvektoren verschiedener Bildpunkte paarweise ausgewertet werden.
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Gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Auswertung von Flussvektoren zur Früherkennung einer drohenden Kollision werden die Flussvektoren erfindungsgemäß paarweise ausgewertet. Dadurch lässt sich allein anhand der ermittelten Flussvektoren in unten näher beschriebener Weise beurteilen, ob ein Kollisionsobjekt tatsächlich mit dem Fahrzeug zusammenstoßen wird oder nicht, da sich durch die paarweise Auswertung der Flussvektoren nicht nur abschätzen lässt, wann ein Kollisionsobjekt eine Ebene erreicht, in der eine Fahrzeugaußenfläche liegt, sondern auch, ob dieses Kollisionsobjekt diese Ebene tatsächlich am Ort des Fahrzeuges erreichen und folglich mit dem Fahrzeug kollidieren wird. Dies hat den Vorteil, dass eine Kollisionsgefahr zuverlässiger anhand der Auswertung der Flussvektoren erkannt werden kann als mittels der aus dem Stand der Technik bekannten Auswertung von Flussvektoren.
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Entsprechend umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung für ein Fahrzeug zur Früherkennung einer Kollision des Fahrzeuges mit einem Kollisionsobjekt eine am Fahrzeug anordbare Kamera zur Erfassung einer Umgebung des Fahrzeuges und eine Auswerteeinheit zur Ermittelung von Flussvektoren eines optischen Flusses aus mittels der Kamera aufgenommenen Bildsequenzen und zur Ermittelung einer Kollisionszeit anhand der ermittelten Flussvektoren, wobei mittels der Auswerteeinheit Flussvektoren verschiedener Bildpunkte paarweise auswertbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
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Dabei zeigen:
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1 eine Draufsicht auf ein Fahrzeug mit an Außenspiegeln angeordneten Kameras und ein sich dem Fahrzeug seitlich näherndes Kollisionsobjekt, und
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2 eine Prinzipskizze zur Auswertung von Bildsequenzen zur Früherkennung einer Kollision eines Fahrzeuges mit einem Kollisionsobjekt.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Fahrzeug 1, an dessen Außenspiegeln 2 je eine Kamera 3.1, 3.2 angeordnet ist und dem sich seitlich ein Kollisionsobjekt 4 nähert.
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Die Kameras 3.1, 3.2 bilden zusammen mit einer im Fahrzeug 1 angeordneten Auswerteeinheit 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Früherkennung einer Kollision des Fahrzeuges 1 mit einem Kollisionsobjekt 1. Dabei erfassen die Kameras 3.1, 3.2 jeweils eine seitliche Umgebung des Fahrzeuges 1 auf der Seite des zugehörigen Außenspiegels 2 und sind als Videokameras ausgebildet, so dass mit ihnen Bildsequenzen der jeweiligen seitlichen Umgebung des Fahrzeuges 1 aufgenommen werden können. Ferner sind die Kameras 3.1, 3.2 mit der Auswerteeinheit 5 verbunden, mittels derer in unten näher beschriebener Weise von den Kameras 3.1, 3.2 aufgenommene Bildsequenzen zur Früherkennung einer Kollision des Fahrzeuges 1 mit einem Kollisionsobjekt 1 auswertbar sind.
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Die Bewegung des Kollisionsobjektes 4 relativ zu dem Fahrzeug 1 wird im Folgenden in einem mit dem Fahrzeug 1 mitbewegten kartesischen Koordinatensystem (x, y, z) beschrieben, dessen x-Achse parallel zu einer Längsachse des Fahrzeuges 1 ausgerichtet ist und dessen y-Achse parallel zu einer Querachse des Fahrzeuges 1 ausgerichtet ist. Das Kollisionsobjekt 4 bewegt sich in diesem Koordinatensystem mit einer Momentangeschwindigkeit, deren y-Komponente im dargestellten Beispiel negativ ist. Der Betrag dieser y-Komponente wird mit ν bezeichnet.
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2 zeigt eine Prinzipskizze zur Auswertung von mittels einer ersten Kamera 3.1 aufgenommenen Bildsequenzen zur Früherkennung einer Kollision des Fahrzeuges 1 mit dem Kollisionsobjekt 4 mittels der Auswerteeinheit 5, wobei diese Prinzipskizze der in 1 dargestellten Situation entspricht. Der Koordinatenursprung P des mitbewegten kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) ist in einen Punkt innerhalb der ersten Kamera 3.1 gelegt, in dem sich von zwei verschiedenen Objektpunkten P1, P2 mit gleichen y-Koordinaten auf dem Kollisionsobjekt 4 ausgehende Lichtstrahlen kreuzen. Die beiden Objektpunkte P1, P2 werden von der ersten Kamera 3.1 zu einem ersten Zeitpunkt t1 = 0 auf Bildpunkte P'1(0) und P'2(0) in einer Bildebene B der ersten Kamera 3.1 abgebildet. Die x-Koordinaten der Objektpunkte P1, P2 sind jeweils mit h1 und h2 bezeichnet, die x-Koordinaten der Bildpunkte P'1(0) und P'2(0) mit h'1(0) und h'2(0), der Abstand der Bildebene B zum Koordinatenursprung P mit a, ein Abstand des Kollisionsobjektes 4 zur ersten Kamera 3.1 bzw. zum Koordinatenursprung P zum Zeitpunkt t1 = 0 mit d(0).
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Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 = Δt, der nach einem kleinen Zeitintervall Δt auf den ersten Zeitpunkt t1 = 0 folgt, hat sich das Kollisionsobjekt 4 in die negative y-Richtung auf das Fahrzeug 1 zu bewegt, wobei der Einfachheit halber angenommen wurde, dass es sich dabei relativ zum Fahrzeug 1 nicht in der x-Richtung bewegt hat, so dass die x-Koordinaten h1 und h2 der Objektpunkte P1, P2 sich nicht ändern. Durch die Bewegung des Kollisionsobjektes 4 in y-Richtung haben sich jedoch die Bildpunkte der Objektpunkte P1, P2 in der Bildebene B zu P'1(Δt) und P'2(Δt) und deren x-Koordinaten zu h'1(Δt) und h'2(Δt) geändert und der Abstand des Kollisionsobjektes 4 zur ersten Kamera 3.1 bzw. zum Koordinatenursprung P hat sich zu d(Δt) verringert.
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Dabei werden zu denselben Objektpunkten P1, P2 gehörende Bildpunkte P'1(0), P'2(0) und P'1(Δt), P'2(Δt) verschiedener Kamerabilder durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, die hier nicht näher beschrieben werden, identifiziert, beispielsweise mittels einer pixelweisen Analyse von Grau- oder Farbwerten.
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Bezeichnet man wie in
1 die Differenz der x-Koordinaten der Objektpunkte P
1, P
2 mit h = h
1 – h
2, die Differenz der x-Koordinaten der Bildpunkte P'
2(0) und P'
1(0) mit h'(0) = h'
2(0) – h'
1(0) und die Differenz der x-Koordinaten der Bildpunkte P'
2(Δt) und P'
1(Δt) mit h'(Δt) = h'
2(Δt) – h'
1(Δt), so gelten gemäß dem Strahlensatz folgende Beziehungen:
und
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Division von Gleichung [1] durch Gleichung [2] ergibt
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Für ein kleines Zeitintervall Δt gelten in guter Näherung (Taylorentwicklung):
d(Δt) ≈ d(0) – ν(0)Δt [4] und
h'(Δt) ≈ h'(0) + h'(0)Δt, [5] wobei ν(0) den Betrag der y-Komponente der Momentangeschwindigkeit des Kollisionsobjektes
4 zum Zeitpunkt t
1 = 0 und ḣ'(0) die erste Ableitung von h'(t) nach der Zeit t zu demselben Zeitpunkt bezeichnen. Setzt man Gleichung [4] auf der linken Seite von Gleichung [3] ein, so erhält man
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Durch Einsetzen von Gleichung [5] auf der rechten Seite von Gleichung [3] erhält man
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Die Gleichungen [3], [6] und [7] liefern
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Das in Gleichung [8] auftretende Verhältnis d(0)/ν(0) ist eine Kollisionszeit T
12, zu der das Kollisionsobjekt
4 die Ebene y = 0, d. h. die xz-Ebene, in welcher der Koordinatenursprung P liegt, erreichen würde, wenn sich das Kollisionsobjekt
4 nach dem Zeitpunkt t
1 = 0 gleichförmig mit dem Geschwindigkeitsbetrag ν(0) in die negative y-Richtung bewegen würde. Da, wie unten näher erläutert wird, insbesondere kleine Kollisionszeiten T
12 von Interesse sind und sich der Geschwindigkeitsbetrag ν(0) während kleiner Zeiten in der Regel nicht wesentlich ändert, ist das Verhältnis d(0)/ν(0) zum Zeitpunkt t
1 = 0 somit ein gutes Maß für eine Zeit bis zu einer Kollision des Fahrzeuges
1 mit dem Kollisionsobjekt
4, da der gewählte Koordinatenursprung P an einem Außenspiegel
2 des Fahrzeuges
1 liegt. Gleichung [8] liefert damit als guten Schätzwert für eine Kollisionszeit T
12 das Verhältnis von h'(0) und ḣ'(0):
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Wenn die Objektpunkte P
1, P
2 in dem mitbewegten kartesischen Koordinatensystem (x, y, z) jeweils wenigstens näherungsweise die z-Koordinate z = 0 haben und innerhalb des Zeitintervalls Δt beibehalten (d. h. sich auf gleicher Höhe wie die erste Kamera
3.1 befinden), so ist h'(0) der Abstand der Bildpunkte P'
1(0) und P'
2(0) in der Bildebene B zum Zeitpunkt t
1 = 0 und ḣ'(0) ist der Betrag der Differenz der Flussvektoren dieser Bildpunkte zu diesem Zeitpunkt in der in
2 dargestellten Situation. Gleichung [9] besagt dann, dass die Kollisionszeit T
12 als Verhältnis des Abstandes der Bildpunkte P'
1(0) und P'
2(0) in der Bildebene B zum Zeitpunkt t
1 = 0 und des Betrages der Differenz der zugehörigen Flussvektoren zu diesem Zeitpunkt abgeschätzt werden kann. Dem Fachmann erschließt sich durch eine entsprechende Verallgemeinerung dieses Spezialfalles leicht, dass sich dieses Ergebnis erfindungsgemäß folgendermaßen auf allgemeine Relativbewegungen des Fahrzeuges
1 und des Kollisionsobjektes
4 und allgemeine Lagen zweier Objektpunkte P
i und P
j verallgemeinern lässt: die Kollisionszeit T
ij wird abgeschätzt als das Verhältnis des Abstandes
|P →'i(t) – P →'j(t)| der zugehörigen Bildpunkte P'
i(t) und P'
j(t) der beiden Objektpunkte P
i, P
j zu einer Zeit t in einem von einer Kamera
3.1,
3.2 aufgenommenen Kamerabild zu dem Betrag
der Differenz zugehöriger Flussvektoren
und
wobei P →'
i(t) und P →'
j(t) Ortsvektoren der Bildpunkte P'
i(t) und P'
j(t) in diesem Kamerabild und die Flussvektoren
und
deren erste Ableitungen nach der Zeit bezeichnen:
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Vorzugsweise wird nicht nur für ein Paar P'1(t), P'2(t) von Bildpunkten und zu einer Zeit t, sondern für eine Anzahl von Paaren von Bildpunkten P'i(t), P'j(t) und zu verschiedenen Zeiten t jeweils eine Kollisionszeit Tij ermittelt. Dadurch können Paare von Bildpunkten P'i(t), P'j(t) erkannt werden, die tatsächlich zu Objektpunkten Pi, Pj auf einem sich nähernden Kollisionsobjekt 4 gehören und nicht zu anderen Objekten in den von den Kameras 3.1, 3.2 erfassten Umgebungen des Fahrzeuges 1. Aus denjenigen ermittelten Kollisionszeiten Tij, die dabei einem Kollisionsobjekt 4 zugeordnet werden, wird durch eine Mittelung eine gemittelte Kollisionszeit T ermittelt. Die Mittelung hat den Vorteil, dass dadurch die Auswirkung von Fehlern bei der Bildauswertung und Zuordnung von Bildpunkten P'i(t) und P'j(t) zu dem Kollisionsobjekt 4 reduziert wird.
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In einer alternativen Ausführung des Verfahrens wird vor der paarweisen Auswertung von Bildpunkten P'
i(t), P'
j(t) eine Objekterkennung durchgeführt und nach der Objekterkennung werden nur Flussvektoren
und
von Bildpunkten P'
i(t), P'
j(t) ausgewertet, die bei der Objekterkennung einem Kollisionsobjekt
4 zugeordnet werden. Dadurch wird vorteilhaft die Anzahl auszuwertender Bildpunkte P'
i(t), P'
j(t) und dadurch der Rechenaufwand reduziert sowie die Auswertungsgeschwindigkeit erhöht.
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In einer Weitergestaltung des Verfahrens wird vor der Bildauswertung erforderlichenfalls eine Entzerrung der von den Kameras 3.1, 3.2 aufgenommenen Kamerabilder durchgeführt. Dadurch werden vorteilhaft Bildverzerrungen korrigiert, die die Bestimmung der Kollisionszeiten Tij und T verfälschen können.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht ferner vor, dass für jedes Paar ausgewerteter Flussvektoren
ein Winkel zwischen den beiden Flussvektoren
und
ermittelt wird und aus den ermittelten Winkeln ein Kriterium dafür gebildet wird, ob eine Kollision des Fahrzeuges
1 mit einem Kollisionsobjekt
4 droht. Ein geeignetes derartiges Kriterium ist insbesondere, dass eine vorgebbare Mindestanzahl von ermittelten Winkeln einen vorgebbaren Mindestwinkel überschreitet, der nahe bei 180 Grad liegt. Aus den ermittelten Kollisionszeiten T
ij, T allein Isst sich nämlich nur abschätzen, wann das Kollisionsobjekt
4 die xz-Ebene erreicht, in der eine Kamera
3.1,
3.2 liegt, nicht jedoch, wo es diese Ebene erreicht. Somit lässt sich den Kollisionszeiten T
ij, T allein nicht entnehmen, ob ein erkanntes Kollisionsobjekt
4 tatsächlich mit dem Fahrzeug
1 kollidieren würde. Letzteres lässt sich jedoch mittels des oben genannten Kriteriums erkennen.
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Dieses Kriterium nutzt aus, dass ein Kollisionsobjekt
4, das beispielsweise mit der ersten Kamera
3.1 kollidieren wird, Paare von Objektpunkten P
i, P
j aufweist, deren Flussvektoren
und
bei Annäherung an das Fahrzeug
1 einen Winkel von annähernd 180 Grad bilden. Derartige Objektpunkte P
i, P
j sind insbesondere solche, die auf verschiedenen Seiten einer durch die erste Kamera
3.1 verlaufenden yz-Ebene liegen, wie beispielsweise die Objektpunkte P
1, P
2 in
2. Kollisionsobjekte
4, die nicht mit der ersten Kamera
3.1 kollidieren, weisen dagegen keine derartigen Objektpunkte P
i, P
j auf. Entsprechendes gilt für die zweite Kamera
3.2.
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Daher ermöglicht die erfindungsgemäße paarweise Auswertung von Bildpunkten P'i(t), P'j(t) nicht nur die Ermittelung von Kollisionszeiten Tij, T, sondern zusätzlich eine Unterscheidung von Kollisionsobjekten 4, die voraussichtlich mit dem Fahrzeug 1 kollidieren werden, und anderen Objekten, die voraussichtlich nicht mit dem Fahrzeug 1 kollidieren werden. Dies verbessert vorteilhaft qualitativ die Früherkennung von Kollisionen des Fahrzeuges 1.
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Wenn mittels des Verfahrens eine drohende Kollision ermittelt wird, dann wird mittels der Auswerteeinheit 5 vorzugsweise ein Warnsignal und/oder ein Auslösesignal für wenigstens ein Sicherheitssystem des Fahrzeuges 1, beispielsweise für ein Rückhaltemittel wie einen Airbag oder Gurtstraffer, erzeugt, sobald eine ermittelte Kollisionszeit Tij, T einen vorgebbaren Schwellenwert, beispielsweise 200 ms, unterschreitet. Daher ist eine genaue Bestimmung der Kollisionszeiten Tij, T vor allem für kleine Kollisionszeiten Tij, T wichtig, was die zu den Gleichungen [9] und [10] führenden Näherungen rechtfertigt.
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Bei Fahrzeugen 1, die mit einem Fahrerassistenzsystem ausgestattet sind, das eine oder mehrere Kameras 3.1, 3.2 zur Erfassung einer Fahrzeugumgebung aufweist, beispielsweise bei Fahrzeugen 1 mit einer kamerabasierten Einparkhilfe, können vorteilhaft Kameras 3.1, 3.2 dieses Fahrerassistenzsystems für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Früherkennung einer Kollision und zur Durchführung des entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden, sofern sie dafür geeignet sind.
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Dem Fachmann ist ohne Weiteres einsichtig, dass die Kameras 3.1, 3.2 nicht notwendigerweise wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen an Außenspiegeln 2 des Fahrzeuges 1 angeordnet sein brauchen, sondern alternativ oder zusätzlich Kameras 3.1, 3.2 auch an anderen zweckmäßigen Orten des Fahrzeuges 1 angeordnet werden können. Kameras 3.1, 3.2, die seitliche Umgebungen des Fahrzeuges 1 erfassen, sind jedoch besonders bevorzugt, da infolge fehlender Knautschzonen an den Fahrzeugseiten seitliche Kollisionen von Fahrzeugen mit Kollisionsobjekten 4 regelmäßig zu deutlich schwerwiegenderen Verletzungen von Fahrzeuginsassen führen als Kollisionen an einer Front- oder Heckseite von Fahrzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 1 Fahrzeug
- 2 Außenspiegel
- 3.1 erste Kamera
- 3.2 zweite Kamera
- 4 Kollisionsobjekt
- 5 Auswerteeinheit
- (x, y, z) mitbewegtes kartesisches Koordinatensystem
- Pi Objektpunkt
- P Koordinatenursprung
- ν Geschwindigkeitsbetrag
- t Zeit
- t1 erster Zeitpunkt
- t2 zweiter Zeitpunkt
- Δt Zeitintervall
- ν(0) Geschwindigkeitsbetrag zum Zeitpunkt t1 = 0
- P'i(t) Bildpunkt zur Zeit t
- B Bildebene
- a Abstand der Bildebene zum Koordinatenursprung
- hi x-Koordinate eines Objektpunktes
- h'i(t) x-Koordinate eines Bildpunktes zur Zeit t
- h Differenz der x-Koordinaten zweier Objektpunkte
- h'(t) Differenz der x-Koordinaten zweier Bildpunkte zur Zeit t
- d(t) Abstand eines Kollisionsobjektes zur ersten Kamera
- ḣ'(0) erste Ableitung von h'(t) nach der Zeit zum Zeitpunkt t1 = 0
- Tij Kollisionszeit
- T gemittelte Kollisionszeit
- P →'i(t) Ortsvektor eines Bildpunktes
- Flussvektor eines Bildpunktes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004046101 A1 [0002, 0002]