DE102011113197A1 - Method for determining angle between towing vehicle and trailer, involves evaluating image by image evaluation unit, where angle between towing vehicle and trailer is determined based on image evaluation - Google Patents

Method for determining angle between towing vehicle and trailer, involves evaluating image by image evaluation unit, where angle between towing vehicle and trailer is determined based on image evaluation Download PDF

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Abstract

The method involves detecting an image of the trailer using an image capturing device (3). The detected image is evaluated by an image evaluation (16), where the image evaluation is based on a three-dimensional movement model of a trailer drawbar (5) of a trailer (2). An angle between a towing vehicle (1) and the trailer is determined based on the image evaluation, and the image capturing device is provided with a rear camera of the towing vehicle. The image evaluation is provided with three rotation angles of the trailer drawbar as output values. An independent claim is also included for a device for determining an angle between a towing vehicle and a trailer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Zugfahrzeug und einem daran gekoppelten Anhänger.The invention relates to a method and an apparatus for determining an angle between a towing vehicle and a trailer coupled thereto.

Zur Unterstützung bei Fahrten mit einem Anhänger existieren verschiedene Assistenzsysteme. Unterschieden wird dabei zwischen passiven Systemen, bei denen beispielsweise Hilfslinien in einem Rückfahrkamerabild angezeigt werden, und aktiven Systemen, bei denen beispielsweise unterstützende Regeleingriffe erfolgen. Aktive Systeme benötigen einen Sensor zur Messung einer Deichselbewegung. Dies kann ein in einer Anhängerkupplung integrierter Drehrichtungssensor oder Magnetsensor sein. Die Deichsel des Anhängers muss demzufolge einen Magneten an einem Gegenstück zur Anhängerkupplung umfassen. Bei einer Änderung des Winkels zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhänger ändert sich somit die Ausrichtung des Magneten zum Magnetsensor. Dies wird vom Magnetsensor detektier und kann für die Bestimmung der Winkeländerung verwendet werden. Eine derartige Winkelbestimmung erfordert, dass die Anhängerkupplung mit solch einem Magneten ausgestattet ist, ansonsten ist eine Winkelbestimmung nicht möglich. Des Weiteren ist die magnetbasierte Art der Winkelbestimmung anfällig für Magnetfelder oder Magnetfeldverzerrungen, die auf Grund einer Beladung des Zugfahrzeugs oder des Anhängers auftreten können.Various assistance systems exist to assist with trips with a trailer. A distinction is made here between passive systems in which, for example, auxiliary lines are displayed in a rear view camera image and active systems in which, for example, supportive control interventions take place. Active systems require a sensor to measure a drawbar movement. This may be a direction of rotation sensor or magnetic sensor integrated in a trailer hitch. The drawbar of the trailer must therefore include a magnet on a counterpart to the trailer hitch. In a change in the angle between the tractor and the trailer thus changes the orientation of the magnet to the magnetic sensor. This is detected by the magnetic sensor and can be used to determine the angle change. Such an angle determination requires that the trailer hitch be equipped with such a magnet, otherwise an angle determination is not possible. Furthermore, the magnet-based type of angle determination is susceptible to magnetic fields or magnetic field distortions that may occur due to a load on the towing vehicle or trailer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Zugfahrzeug und einem daran gekoppelten Anhänger bereitzustellen, wobei eine sehr genaue Bestimmung der Anhängerbewegung und somit eine aktive Fahrunterstützung ermöglicht wird. Des Weiteren soll die Bestimmung des Winkels kostengünstig und robust gegenüber externen Einflüssen möglich sein.The object of the present invention is therefore to provide a method and a device for determining an angle between a towing vehicle and a trailer coupled thereto, wherein a very accurate determination of the trailer movement and thus an active driving assistance is made possible. Furthermore, the determination of the angle should be cost-effective and robust against external influences.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 12.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Zugfahrzeug und einem daran gekoppelten Anhänger bereitgestellt, wobei ein Bild des Anhängers mit Hilfe einer Bilderfassungsvorrichtung erfasst wird, wobei es sich bei der Bilderfassungsvorrichtung um eine Rückkamera mit bekannten inneren und äußeren Kameraparametern handeln kann, welche bereits in vielen Fahrzeugen standardisiert enthalten ist. Das Verfahren und die Vorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten des erfassten Bildes durch eine Bildverarbeitung erfolgt, wobei die Bildverarbeitung auf einem dreidimensionalen Bewegungsmodell einer Anhängerdeichsel beruht. Dadurch kann der Winkel, beispielsweise ein Anfangsknickwinkel, zwischen dem Fahrzeug und dem Anhänger bestimmt werden.According to the invention, there is provided a method and apparatus for determining an angle between a towing vehicle and a trailer coupled thereto, wherein an image of the trailer is detected using an image capture device, wherein the image capture device may be a rear camera having known interior and exterior camera parameters , which is already included in many vehicles standardized. The method and the device are characterized in that the evaluation of the acquired image is effected by image processing, the image processing being based on a three-dimensional movement model of a trailer tongue. Thereby, the angle, for example a starting kink angle, between the vehicle and the trailer can be determined.

Der Winkel zwischen dem Fahrzeug und dem daran gekoppelten Anhänger wird durch Auswerten von Bilddaten bestimmt, dadurch sind keine besonderen Einrichtungen an dem Anhänger erforderlich, so dass das Verfahren und die Vorrichtung mit einem beliebigen Anhänger angewendet werden können. Viele Fahrzeuge verfügen über eine Bilderfassungsvorrichtung, beispielsweise eine Rückkamera, die den Fahrer des Zugfahrzeugs beim Einparken oder Rangieren unterstützt. So kann das Verfahren und die Vorrichtung kostengünstig, beispielsweise in einem Steuergerät des Fahrzeugs, realisiert werden.The angle between the vehicle and the trailer coupled thereto is determined by evaluating image data, thus requiring no special features on the trailer so that the method and apparatus can be used with any trailer. Many vehicles have an image capture device, such as a rear camera, that assists the driver of the towing vehicle when parking or maneuvering. Thus, the method and the device can be realized inexpensively, for example in a control unit of the vehicle.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Winkelbestimmung können auf einer Auswertung von korrespondierenden Merkmalspunkten von zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern basieren. Dabei wird für einen Zeitpunkt ein Bild k und ein zeitlich vorangegangenes Bild k – 1 als Eingangsgrößen ausgewertet.The method and the device for angle determination can be based on an evaluation of corresponding feature points of temporally successive images. In this case, an image k and a temporally preceding image k-1 are evaluated as input variables for a point in time.

Des Weiteren wird beispielsweise eine kalibrierte Rückkamera mit bekannten inneren und äußeren Kameraparametern, sowie eine bekannte Position einer Kugel einer Anhängerkupplung verwendet.Furthermore, for example, a calibrated rear camera with known inner and outer camera parameters, as well as a known position of a ball of a trailer hitch is used.

Um eine hohe Genauigkeit der Schätzung des Winkels zwischen dem Zugfahrzeug und dem dazugehörigen Anhänger zu erreichen kann dazu ein Bewegungsmodell verwendet werden, welches eine Drehung der Anhängerdeichsel um die Kupplungskugel mit drei Rotationswinkeln beschreibt.In order to achieve a high accuracy of the estimation of the angle between the towing vehicle and the associated trailer, a movement model can be used for this, which describes a rotation of the trailer drawbar about the coupling ball with three rotation angles.

Ausgangsgrößen des Bewegungsmodells sind die drei Rotationswinkel rx, ry und rz der Anhängerdeichsel, die eine Rotation der Deichsel um einen Kopf der Anhängerkupplung, zum Beispiel einen Kugelkopf der Anhängerkupplung, als Drehpunkt der Anhängerdeichsel beschreiben.Output variables of the movement model are the three rotation angles r x , r y and r z of the trailer drawbar, which describe a rotation of the drawbar about a head of the trailer coupling, for example a ball head of the trailer coupling, as the pivot point of the trailer drawbar.

Für die Schätzung der drei Rotationswinkel kann ein Bildbereich, der einen Deichselkopf und die Kupplungskugel enthält, heran gezogen werden, wobei nur Merkmalspunkte in diesem Bildbereich detektiert und von zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern verfolgt werden sollen. Durch solch eine Maskierung kann ein Rechenaufwand reduziert und ein störender Einfluss von beispielsweise Deichseln mit einer Längsfederung verringert werden.For the estimation of the three rotation angles, an image area containing a tiller head and the coupling ball can be used, with only feature points in this image area being detected and being tracked by temporally successive images. By such a masking a computational effort can be reduced and a disturbing influence of, for example, drawbars with a longitudinal suspension can be reduced.

Die Koordinaten der Merkmalspunkte im Koordinatensystem des Bildsensors der Kamera können weiter verwendet werden. Durch eine Auswahl von Korrespondenzen, wobei es sich bei einer Korrespondenz um zwei Merkmalspunkte in zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern handelt, werden nur solche Merkmalspunkte bereitgestellt, welche sich auf der Anhängerdeichsel befinden, und diese werden für die weitere Berechnung des Winkels verwendet. Die Auswahl kann beispielsweise durch ein Random Sampling Consensus Verfahren (RANSAC-Verfahren) erfolgen. The coordinates of the feature points in the coordinate system of the image sensor of the camera can be further used. Through a selection of correspondences, where correspondence is two feature points in two temporally successive images, only those feature points are provided which are on the trailer tongue and these are used for further calculation of the angle. The selection can be made, for example, by a Random Sampling Consensus method (RANSAC method).

Die Schätzung der Rotationswinkel kann aus den Bildkoordinaten der Merkmalspunkte und den Punkten der Anhängerdeichsel im dreidimensionalen Raum erfolgen. Aus dem für jedes Bild kontinuierlicher geschätzter Rotationswinkel kann die gesuchte Änderung des horizontalen Rotationswinkels abgeleitet werden.The estimation of the rotation angles can be made from the image coordinates of the feature points and the points of the trailer tongue in three-dimensional space. From the continuously estimated rotation angle for each image, the desired change in the horizontal rotation angle can be derived.

Durch das Verfahren und die Vorrichtung zur Bestimmung des horizontalen Rotationswinkels zwischen einem Zugfahrzeug und einem Anhänger auf Basis einer dreidimensionalen Bildauswertung ist es möglich hohe Genauigkeiten, insbesondere bei einer starken Schrägstellung des Anhängers oder bei einem unebenen Untergrund, zu erzielen, da das Bewegungsmodell vorzugsweise durch eine Drehung der Anhängerdeichsel um die Kupplungskugel mit den drei Rotationswinkeln rx, ry und rz beschrieben wird. Des Weiteren kann zusätzlich zu einer Bildanzeige eine hochgenaue Vermessung einer Anhängerbewegung und dadurch eine aktive Fahrunterstützung ermöglicht werden. Die Erfindung kann kostengünstig durch bereits integrierte Rückkameras realisiert werden.By the method and apparatus for determining the horizontal rotation angle between a towing vehicle and a trailer based on a three-dimensional image analysis, it is possible to achieve high accuracies, especially in a strong inclination of the trailer or an uneven ground, since the movement model preferably by a Rotation of the trailer drawbar about the coupling ball with the three rotation angles r x , r y and r z is described. Furthermore, in addition to an image display, highly accurate measurement of trailer movement and thereby active driving assistance can be enabled. The invention can be realized inexpensively by already integrated rear cameras.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.The invention will be described below with reference to preferred embodiments with reference to the drawings.

1 zeigt ein Zugfahrzeug mit einem daran gekoppelten Anhänger und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Winkels zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhänger gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 shows a towing vehicle with a trailer coupled thereto and a device for determining the angle between the towing vehicle and the trailer according to an embodiment of the invention.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Bestimmung des Winkels zwischen einem Fahrzeug und einem daran gekoppelten Anhänger gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 shows a schematic representation of a method for determining the angle between a vehicle and a trailer coupled thereto according to another embodiment of the invention.

3 zeigt das Zugfahrzeug mit dem daran gekoppelten Anhänger aus 1 mit drei Rotationswinkeln rx, ry und rz der Anhängerdeichsel, die eine Rotation der Deichsel um den Kugelkopf der Anhängerdeichsel als Drehpunkt der Anhängerdeichsel beschreiben, sowie die Position der Kamera und das Fahrzeugkoordinatensystem. 3 shows the towing vehicle with the trailer coupled to it 1 with three rotation angles r x , r y and r z of the trailer drawbar, which describe a rotation of the drawbar about the ball head of the trailer drawbar as the pivot point of the trailer drawbar, as well as the position of the camera and the vehicle coordinate system.

1 zeigt ein Zugfahrzeug 1, welches über eine Kupplungskugel 4 mit einem Anhänger 2 gekoppelt ist und mit einer Bilderfassungsvorrichtung 3, beispielsweise einer Rückkamera, versehen ist. In vielen Fahrzeugen 1 ist bereits eine Rückkamera installiert, so dass mit Hilfe der Rückkamera eine Bestimmung eines Knick- oder Rotationswinkels zwischen dem Zugfahrzeug 1 und dem Anhänger 2 kostengünstig realisiert werden kann. 1 shows a towing vehicle 1 , which has a coupling ball 4 with a trailer 2 is coupled and with an image capture device 3 , For example, a rear camera is provided. In many vehicles 1 a rear camera is already installed, so that with the help of the rear camera a determination of a kink or rotation angle between the towing vehicle 1 and the trailer 2 can be realized inexpensively.

Durch das Auswerten eines Bildes der Bilderfassungsvorrichtung 3 müssen an dem dazugehörigen Anhänger 2 keine speziellen Vorrichtungen vorhanden sein, so dass jeder beliebige Anhänger 2 verwendet werden kann.By evaluating an image of the image capture device 3 must be attached to the trailer 2 No special devices exist, so any pendant 2 can be used.

Des Weiteren ist das Fahrzeug 1 mit einer Bildauswertungsvorrichtung 16, welche mit der Bilderfassungsvorrichtung 3 elektronisch verbunden ist, und einem Anhängerrangierassistenzsystem 17, welches mit der Bildauswertungsvorrichtung 16 elektronisch verbunden ist, ausgestattet. Der von der Bildauswertungsvorrichtung 16 bestimmte Winkel zwischen dem Fahrzeug 1 und dem Anhänger 2 wird dem Anhängerrangierassistenzsystem 17 zur Verfügung gestellt, um somit Rangiervorgänge des Zugfahrzeugs 1 unterstützen zu können.Furthermore, the vehicle 1 with an image evaluation device 16 associated with the image capture device 3 electronically connected, and a Anhängerrangierassistenzsystem 17 , which with the image evaluation device 16 electronically connected, equipped. The image evaluation device 16 certain angles between the vehicle 1 and the trailer 2 becomes the Trailerrangierassistenzsystem 17 provided, thus shunting the towing vehicle 1 to be able to support.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Bestimmung eines Winkel, insbesondere eines Knickwinkels, zwischen einem Zugfahrzeug und einen daran gekoppelten Anhänger gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es bei der in 1 gezeigten Vorrichtung und insbesondere bei der Bildauswertungsvorrichtung 16 vorgesehen sein kann. 2 shows a schematic representation of a method for determining an angle, in particular a bending angle, between a towing vehicle and a trailer coupled thereto according to an embodiment of the invention, as in the in 1 shown device and in particular in the image evaluation device 16 can be provided.

In Schritt 6 wird von der Bilderfassungsvorrichtung 3 ein Bild des Anhängers 2 aufgenommen. Die Bildauswertungsvorrichtung 16 wertet die daraus resultierenden Bilddaten mittels einer Bildauswertung aus, um den Knickwinkel bestimmen zu können. Dabei werden für einen Zeitpunkt ein aktuelles Bild k und ein zeitlich vorangegangenes Bild k – 1 als Eingangsgrößen ausgewertet. Die Bilder können mittels einer kalibrierten Kamera mit bekannten inneren und äußeren Kameraparametern, beispielsweise der Rückkamera 3 des Fahrzeugs 1, erfasst werden, wobei die Position TK der Kupplungskugel 4 der Anhängerkupplung als bekannt vorausgesetzt wird. Die inneren Kameraparameter umfassen z. B. eine Brennweite, ein Höhen-Seitenverhältnis eines Bildsensors der Kamera sowie eine Linsenverzerrung der Kamera. Die äußeren Kameraparameter umfassen z. B. eine Position und eine Orientierung der Kamera relativ zu einem Fahrzeugkoordinatensystem, welches wie in 3 dargestellt orientiert ist, wobei der Ursprung des Fahrzeugkoordinatensystems sich an der Position der Kupplungskugel der Anhängerdeichsel befindet.In step 6 is from the image capture device 3 a picture of the trailer 2 added. The image evaluation device 16 evaluates the resulting image data by means of an image evaluation in order to determine the bending angle. In this case, a current image k and a temporally preceding image k-1 are evaluated as input variables for a point in time. The images can be viewed using a calibrated camera with known internal and external camera parameters, such as the rear camera 3 of the vehicle 1 , are detected, wherein the position T K of the coupling ball 4 the trailer hitch is assumed to be known. The internal camera parameters include z. B. a focal length, a height aspect ratio of an image sensor of the camera and a lens distortion of the camera. The outer camera parameters include z. B. a position and orientation of the camera relative to a vehicle coordinate system, which as in 3 is oriented, where the origin of the vehicle coordinate system is located at the position of the coupling ball of the trailer drawbar.

Das Koordinatensystem der Kamera kann durch eine Drehung um –90 Grad um eine x-Achse, eine Drehung um +180 Grad um eine gedrehte y-Achse sowie eine Verschiebung in das Fahrzeugkoordinatensystem transformiert werden. Eine Abbildung eines Punktes in einem dreidimensionalen Raum Pj = (X, Y, Z)T in einen Bildpunkt pj,k = (x, y)T ergibt sich mit Hilfe einer Projektionsmatrix Ak = KkRk[I – Ck], welche eine Kalibriermatrix KK, die die inneren Kameraparameter enthält, und einer Rotationsmatrix Rk, welche die Orientierung der Kamera beschreibt und sich aus drei Rotationswinkeln rx, ry, rz zusammensetzt, enthält. Des Weitern beschreibt I eine 3×3-Einheitsmatrix, und Ck beschreibt die Position der Kamera, wobei gilt: pj,k = AkPj.The coordinate system of the camera can be transformed by a rotation of -90 degrees about an x-axis, a rotation of +180 degrees about a rotated y-axis and a shift in the vehicle coordinate system. An image of a point in a three-dimensional space P j = (X, Y, Z) T into a pixel p j, k = (x, y) T is obtained by means of a projection matrix A k = K k R k [I-C k ], which contains a calibration matrix K K , which contains the internal camera parameters, and a rotation matrix R k , which describes the orientation of the camera and is composed of three rotation angles r x , r y , r z . Further, I describes a 3 × 3 unit matrix, and C k describes the position of the camera, where: p j, k = A k P j .

Die in 3 gezeigten Rotationswinkel rx, ry, rz beschreiben eine Rotation der Anhängerdeichsel um den Kugelkopf der Anhängerkupplung als einen Drehpunkt der Deichsel um die x-, y- und z-Achse des Fahrzeugkoordinatensystems und beziehen sich relativ zur Deichselbewegung auf ein Startbild k = 0, wie in 3 gezeigt. Der Knickwinkel αK zwischen dem Anhänger und dem Zugfahrzeug ist bei einer bekannten absoluten Orientierung der Deichsel für das Bild k = 0 aus dem kontinuierlich für jedes Bild bestimmten Rotationswinkel rz zu berechnen. Im Gegensatz zur Bestimmung eines absoluten Knickwinkels kann die Änderung des Knickwinkels ΔαK ohne Kenntnis der absoluten Orientierung der Deichsel für das Bild k = 0 aus dem Rotationswinkel rz für mindestens zwei Bilder berechnet werden.In the 3 Rotation angles r x , r y , r z shown describe a rotation of the trailer drawbar about the ball head of the trailer hitch as a fulcrum of the drawbar about the x, y and z axis of the vehicle coordinate system and refer relative to the drawbar motion on a start image k = 0 , as in 3 shown. The bending angle α K between the trailer and the towing vehicle is to be calculated in the case of a known absolute orientation of the drawbar for the image k = 0 from the rotation angle r z determined continuously for each image. In contrast to the determination of an absolute kink angle, the change of the kink angle Δα K without knowledge of the absolute orientation of the drawbar for the image k = 0 can be calculated from the rotation angle r z for at least two images.

Zur Bestimmung der relativen Knickwinkeländerung ΔαK wird im Schritt 7 eine Maskierung durchgeführt. Ein Bildbereich, der den Deichselkopf und die Kupplungskugel enthält kann für die Schätzung heran gezogen werden. Dabei werden nur Merkmalspunkte, welche in dem Bildbereich liegen, detektiert und weiter in zeitlich aufeinander folgenden Bildern verfolgt. Die Maskierung reduziert den Rechenaufwand und verringert einen störenden Einfluss von Deichseln, die beispielsweise eine Längsfederung aufweisen.To determine the relative bending angle change Δα K is in step 7 performed a masking. An image area containing the tiller head and the hitch ball can be used for the estimation. In this case, only feature points which lie in the image area are detected and further tracked in temporally successive images. The masking reduces the computational effort and reduces the disruptive influence of drawbars, which have, for example, a longitudinal suspension.

Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird in einem weiteren Schritt 8 eine Korrespondenzanalyse durchgeführt. Dabei kann die Korrespondenzanalyse korrespondierende Merkmalspunkte von zeitlich aufeinanderfolgenden und von der Bildererfassungsvorrichtung 3 erfassten Bildern bestimmen. Der Bildbereich, der für die Schätzung herangezogen werden kann, umfasst vorzugsweise den Deichselkopf und die Kupplungskugel. Dabei können nur Merkmalspunkte aus deren Bildbereich ausgewertet und in zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern bestimmt werden.At the in 2 shown embodiment is in a further step 8th a correspondence analysis performed. In this case, the correspondence analysis corresponding feature points of temporally successive and the image capture device 3 Determine captured images. The image area which can be used for the estimation preferably comprises the tiller head and the coupling ball. Only feature points from their image area can be evaluated and determined in temporally successive images.

Die Bildkoordinaten der Merkmalspunkte können in Schritt 9 einer Kompensation der Linsenverzerrung unterzogen werden. Dabei werden die Bildkoordinaten der Merkmalspunkte mit den inneren Kameraparametern 10, welche die Parameter der Linsenverzerrung der Kamera enthalten, entzerrt und in ein Koordinatensystem des Bildsensors der Kamera transformiert. Das Koordinatensystem des Bildsensors der Kamera kann seinen Ursprung in einem Hauptpunkt der Kamera besitzen und weist eine metrische Einheit in mm auf.The image coordinates of the feature points can be determined in step 9 be subjected to a compensation of the lens distortion. The image coordinates of the feature points with the inner camera parameters 10 , which contain the parameters of the lens distortion of the camera, equalized and transformed into a coordinate system of the image sensor of the camera. The coordinate system of the image sensor of the camera may originate at a major point of the camera and has a metric unit in mm.

Weitere Verfahrensschritte 11–15 verarbeiten die Koordinaten der Merkmalspunkte in dem Koordinatensystem des Bildsensors der Kamera.Further process steps 11 - 15 process the coordinates of the feature points in the coordinate system of the image sensor of the camera.

Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden in dem weiteren Schritt 11 mit einer Auswahl von Korrespondenzen, wobei es sich bei einer Korrespondenz um zwei Merkmalspunkte in zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern handelt, nur Merkmalspunkte, die sich auf der Anhängerdeichsel befinden, für eine weitere Verarbeitung bereitgestellt. Die Auswahl kann mit einem Random Sampling Consensus Verfahren (RANSC-Verfahren) erfolgen. Als Bewegungsmodell korrespondierender Merkmalspunkte kann näherungsweise angenommen werden, dass sich die Merkmalspunkte tangential um die Kupplungskugel im Bild bewegen. Mit Hilfsvektoren vk = pj,k-1 – tC und vk-1 = pj,k – tC einer Korrespondenz j kann ein Winkel β mit β = arccos[(vk-1·vk)·(|vk-1|·|vk|)–1] als Modellparameter berechnet werden, wobei die Berechnung des Winkels β aus einer zufälligen Stichprobe eines Merkmalspunktes pj,k, welcher zu einer Korrespondenz gehört, erfolgt. Dabei beschreibt tC ein projiziertes Rotationszentrum, beispielsweise die projizierte Kugel der Anhängerdeichsel, pj,k-1 beschreibt einen korrespondierenden Merkmalspunkt des Bildes k – 1, und pj,k beschreibt einen korrespondierenden Merkmalspunkt des Bildes k. Mit dem dadurch berechneten Winkel β kann eine Überprüfung der verbleibenden Merkmalspunkte anhand eines euklidischen Abstandes berechnet werden. Dabei unterstützt eine Korrespondenz einen berechneten Winkel β, wenn der zu berechnende euklidische Abstand kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Das RANSC-Verfahren kann abgebrochen werden, falls ein Winkel β gefunden wurde, der von einer Mindestanzahl an Merkmalspunkten, beispielsweise mehr als 70% der Merkmalspunkte, unterstützt wird, oder wenn eine maximale Anzahl von Stichproben erreicht ist. Dabei wird die bis zum Abbruch gefundene größte Anzahl unterstützender Merkmalspunkte für die weiteren Verfahrenschritte 13–15 ausgewählt.At the in 2 embodiment shown are in the further step 11 with a selection of correspondences, where a correspondence is two feature points in two temporally successive images, only feature points located on the trailer tongue are provided for further processing. The selection can be made using a Random Sampling Consensus method (RANSC method). As a movement model of corresponding feature points, it can be assumed approximately that the feature points move tangentially about the coupling ball in the image. With auxiliary vectors v k = p j, k-1 -t C and v k-1 = p j, k -t C of a correspondence j, an angle β with β = arccos [( vk-1 * vk ) * ( | v k-1 | · | v k |) -1 ] are calculated as model parameters, the calculation of the angle β being performed from a random sample of a feature point p j, k which belongs to a correspondence. In this case, t C describes a projected rotation center, for example the projected sphere of the trailer tongue, p j, k-1 describes a corresponding feature point of the image k-1, and p j, k describes a corresponding feature point of the image k. With the angle β thus calculated, a check of the remaining feature points can be calculated on the basis of a Euclidean distance. A correspondence supports a calculated angle β if the Euclidean distance to be calculated is smaller than a predefined threshold value. The RANSC method may be aborted if an angle β has been found to be supported by a minimum number of feature points, for example more than 70% of the feature points, or if a maximum number of samples has been reached. In the process, the largest number of supporting feature points found until the termination is identified for the further method steps 13 - 15 selected.

In einem weiteren Schritt 13 wird eine Initialisierung von Punkten im dreidimensionalen Raum durchgeführt, falls keine oder nur eine geringe Bewegung der Anhängerdeichsel vorliegt oder Trajektorien der Merkmalspunkte zu kurz sind, da dann eine Bestimmung einer dreidimensionalen Position der Punkte schwierig ist, da aufgrund einer Parallaxe von Sichtlinien der korrespondierenden Merkmalspunkte eine Triangulierung zu ungenau ist. Deswegen kann für jeden Merkmalspunkt ein Schnittpunkt einer Sichtlinie mit einer Ebene, die parallel zur Fahrbahn auf Höhe der Kugel der Anhängerkupplung verläuft, berechnet werden. Der Schnittpunkt kann dann eine initiale Position des zu einem Merkmalspunkt gehörenden Punktes im dreidimensionalen Raum sein.In a further step 13 Initialization of points in three-dimensional space is carried out if there is little or no movement of the trailer tongue or trajectories of the feature points are too short, since then a determination of a three-dimensional position of the points is difficult because due to a parallax of line of sight of the corresponding feature points Triangulation is too inaccurate. Therefore, for each feature point, an intersection of a line of sight with a plane parallel to the road at the height of the ball of the trailer hitch can be calculated. The point of intersection can then be an initial position of the point belonging to a feature point in three-dimensional space.

Ist die Parallaxe der Sichtlinien ausreichend groß, so können die dreidimensionalen Positionen der Punkte im dreidimensionalen Raum im Schritt 14 des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels mittels Triangulierung aktualisiert werden. Die Triangulierung kann auf ein lineares Gleichungssystem führen, welches zum Beispiel mit einer Singulärwertzerlegung gelöst werden kann. Die Lösung liefert dann die dreidimensionalen Koordinaten des Punktes im dreidimensionalen Raum.If the parallax of the line of sight is sufficiently large, then the three-dimensional positions of the points in the three-dimensional space in the step 14 of in 2 shown embodiment are updated by triangulation. The triangulation can lead to a linear equation system which can be solved, for example, with a singular value decomposition. The solution then provides the three-dimensional coordinates of the point in three-dimensional space.

Ein Rückprojektionsfehler des Punktes im dreidimensionalen Raum kann für ein Bild k ausgewertet werden. Ist dieser größer als ein Bildpunkt, kann der Punkt im dreidimensionalen als fehlerhaft verworfen werden.A back projection error of the point in the three-dimensional space can be evaluated for an image k. If this is larger than a pixel, the point in the three-dimensional can be rejected as defective.

Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann im Schritt 15 eine Schätzung der Rotationswinkel durchgeführt werden, wobei anstelle der Schätzung einer Rotationsbewegung der Anhängerdeichsel eine Bewegung der Bilderfassungsvorrichtung 3 bzw. der Kamera relativ zur Anhängerdeichsel 5 bestimmt werden kann und sich die Kamera auf einer Kreisbahn um ein Rotationszentrum, welches die Position der Kupplungskugel 4 ist, bewegt. Das dabei verwendete Bewegungsmodell der Kamera kann eingeschränkt werden, denn bei einer Translations- und Rotationsbewegung der Kamera kann angenommen werden, dass sich die Kamera nur durch eine Rotationsbewegung bewegt. Da eine Verschiebung der Kamera vom Rotationszentrum Tk bekannt ist, kann die Bewegung der Kamera aus den drei Rotationswinkeln und der Position des Rotationszentrums Tk berechnet werden. Die äußeren Kameraparameter umfassen somit drei Rotationswinkel rX, rY, und rZ. Eine Verschiebung des Projektionszentrums in zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern ist von den drei Rotationswinkeln abhängig. Mit dem eingeschränkten Bewegungsmodell der Kamera lautet eine Projektionsmatrix der Kamera A ' / k = KkRk[I|(R T / k – I)TK], wobei für die Abbildung eines Raumpunktes Pj in die Bildebene der Kamera gilt: pj,k = A ' / kPj. At the in 2 embodiment shown in step 15 an estimate of the angles of rotation may be made, wherein instead of estimating rotational movement of the trailer drawbar, movement of the image capture device 3 or the camera relative to the trailer drawbar 5 can be determined and the camera on a circular path around a rotation center, which shows the position of the coupling ball 4 is, moves. The motion model of the camera used in this case can be limited, because during a translational and rotational movement of the camera, it can be assumed that the camera moves only by a rotational movement. Since a displacement of the camera from the rotation center T k is known, the movement of the camera can be calculated from the three rotation angles and the position of the rotation center T k . The outer camera parameters thus comprise three rotation angles r X , r Y , and r Z. A shift of the projection center in temporally successive images is dependent on the three rotation angles. The limited motion model of the camera is a projection matrix of the camera A '/ k = K k R k [I | (RT / k -I) T K ], where for the mapping of a point in space P j in the image plane of the camera applies: p j, k = A '/ j kP.

Für eine Bewegungsschätzung der Kamera des aktuellen Bildes k können alle Punkte im dreidimensionalen Raum herangezogen werden, die im aktuellen Bild einen ausgewählten korrespondierenden Merkmalspunkt aufweisen. Dabei kann nur die Bewegung der Kamera geschätzt werden.For a motion estimation of the camera of the current image k, all points in the three-dimensional space can be used that have a selected corresponding feature point in the current image. Only the movement of the camera can be estimated.

Für alle Punkte im dreidimensionalen Raum kann zudem ein quadratischer Abstand des projizierten Punktes im dreidimensionalen Raum zu dem dazugehörigen korrespondierenden Merkmalspunkt im Bild minimiert werden durch die Gleichung

Figure 00080001
In addition, for all points in three-dimensional space, a quadratic distance of the projected point in three-dimensional space to the corresponding corresponding feature point in the image can be minimized by the equation
Figure 00080001

Dabei handelt es sich bei z ^x, r ^y, r ^z um die Schätzwerte der Rotationswinkel, d∧ ist die Mahalanobis-Distanz, welche ein Distanzmaß zwischen Punkten im mehrdimensionalen Vektorraum beschreibt.Here, z ^ x , r ^ y , r ^ z are the estimated values of the angles of rotation, d ∧ is the Mahalanobis distance, which describes a distance measure between points in the multidimensional vector space.

Die Minimierung kann mit einem iterativen Levenberg-Marquardt Verfahren erfolgen, wobei die Position und Orientierung der Kamera mit den bereits bestimmten Kameraparametern des zeitlich vorangegangenen Bildes k – 1 initialisiert und Werte der drei Rotationswinkel bestimmt werden.The minimization can be carried out with an iterative Levenberg-Marquardt method, wherein the position and orientation of the camera are initialized with the already determined camera parameters of the temporally preceding image k-1 and values of the three rotation angles are determined.

Claims (14)

Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Zugfahrzeug (1) und einem damit gekoppelten Anhänger (2), umfassend die Schritte Erfassen eines Bildes des Anhängers (2) mit Hilfe einer Bilderfassungsvorrichtung (3), gekennzeichnet durch Auswerten des erfassten Bildes durch eine Bildauswertung, wobei die Bildauswertung auf einem dreidimensionalen Bewegungsmodell einer Anhängerdeichsel (5) des Anhängers (2) basiert, und Bestimmen des Winkels zwischen Zugfahrzeug (1) und dem Anhänger (2) auf Grundlage der Bildauswertung (16).Method for determining an angle between a towing vehicle ( 1 ) and a trailer coupled thereto ( 2 ), comprising the steps of capturing an image of the trailer ( 2 ) using an image capture device ( 3 ), characterized by evaluating the captured image by an image analysis, wherein the image evaluation on a three-dimensional movement model of a trailer drawbar ( 5 ) of the trailer ( 2 ), and determining the angle between towing vehicle ( 1 ) and the trailer ( 2 ) based on the image analysis ( 16 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungsvorrichtung (3) eine Rückkamera des Zugfahrzeugs (1) umfasst.Method according to claim 1, characterized in that the image capture device ( 3 ) a rear camera of the towing vehicle ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildauswertung auf einer Auswertung von korrespondierenden Merkmalspunkten aufeinanderfolgender Bilder beruht.A method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the image evaluation is based on an evaluation of corresponding feature points of successive images. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildauswertung drei Rotationswinkel der Anhängerdeichsel (5) als Ausgangsgrößen umfasst, wobei die Rotationswinkel eine Rotation der Anhängerdeichsel (5) in einer Anhängerkupplung (4) des Zugfahrzeugs (1) um drei unterschiedliche räumliche Achsen beschreiben.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the image evaluation three rotation angle of the trailer drawbar ( 5 ) as output variables, wherein the rotation angle rotation of the trailer drawbar ( 5 ) in a trailer hitch ( 4 ) of the towing vehicle ( 1 ) to describe three different spatial axes. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Rotationswinkel Merkmalspunkte in einem Bildbereich des Bildes, der einen Kopf der Anhängerdeichsel (5) und einen Kopf der Anhängerkupplung (4) enthält, detektiert werden.A method according to claim 4, characterized in that for the determination of the rotation angle feature points in an image area of the image, the head of the trailer drawbar ( 5 ) and a head of the trailer hitch ( 4 ) is detected. Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der korrespondierenden Merkmalspunkte auf demselben Bildbereich der aufeinanderfolgenden Bilder beruht.Method according to Claim 3 and Claim 5, characterized in that the evaluation of the corresponding feature points is based on the same image area of the successive images. Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Bildkoordinaten der Merkmalspunkte durch innere Kameraparameter (10) der Bilderfassungsvorrichtung (3) entzerrt und in ein Sensorkoordinatensystem transformiert werden.Method according to one of Claims 3, 5 or 6, characterized in that image coordinates of the feature points are determined by internal camera parameters ( 10 ) of the image capture device ( 3 ) and transformed into a sensor coordinate system. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildauswertung nur solche Merkmalspunkte in dem erfassten Bild ausgewählt werden, die sich auf der Anhängerdeichsel (5) befinden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the image evaluation only those feature points are selected in the captured image, located on the trailer drawbar ( 5 ) are located. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildauswertung die Auswahl von zu berücksichtigenden Merkmalspunkten der Bilder durch ein Random Sampling Consensus Verfahren (RANSAC-Verfahren) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the image evaluation, the selection of feature points of the images to be taken into account by a random sampling consensus method (RANSAC method). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Rotationswinkel zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem dazugehörigen Anhänger (2) nach einer Auswertung von Bildkoordinaten der Merkmalspunkte und von Punkten in einem dreidimensionalen Raum der Anhängerdeichsel (5) bestimmt werden.Method according to one of claims 8 or 9, characterized in that rotation angle between the towing vehicle ( 1 ) and the associated trailer ( 2 ) after an evaluation of image coordinates of the feature points and points in a three-dimensional space of the trailer drawbar ( 5 ). Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung eines Rotationswinkels bestimmt wird durch die für jedes erfasste Bild bestimmten Rotationswinkel.A method according to claim 4, 5 or 10, characterized in that a change of a rotation angle is determined by the rotation angle determined for each detected image. Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Zugfahrzeug (1) und einem damit gekoppelten Anhänger (2), umfassend eine Bilderfassungsvorrichtung (3) zum Erfassen eines Bildes des Anhängers (2), gekennzeichnet durch eine Bildauswertungsvorrichtung (16), die mit der Bilderfassungsvorrichtung (3) gekoppelt ist, zum Auswerten der erfassten Bilder mittels eines dreidimensionalen Bewegungsmodells einer Anhängerdeichsel (5) des Anhängers (2) und zum Bestimmen des Winkels zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhänger (2) auf Grundlage der Bildauswertung.Device for determining an angle between a towing vehicle ( 1 ) and a trailer coupled thereto ( 2 ) comprising an image capture device ( 3 ) for capturing an image of the trailer ( 2 ), characterized by an image evaluation device ( 16 ) connected to the image capture device ( 3 ), for evaluating the captured images by means of a three-dimensional movement model of a trailer drawbar ( 5 ) of the trailer ( 2 ) and for determining the angle between the towing vehicle ( 1 ) and the trailer ( 2 ) based on image analysis. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–11 ausgestaltet ist.Apparatus according to claim 12, characterized in that the device for carrying out the method according to one of claims 1-11 is configured. Fahrzeug (1) mit einer Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13.Vehicle ( 1 ) with a device according to claim 12 or claim 13.
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