DE102016220559A1 - Method and system for determining a roll angle of a two-wheeler during cornering - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Ermittlung eines Rollwinkels (λ) eines Zweirads (1) während einer Kurvenfahrt. Das Verfahren umfasst die Schritte Aufnehmen einer Bildfolge einer Umgebung des Zweirads (1) mittels einer an dem Zweirad (1) montierten Kamera (3), Extrahieren eines optischen Flusses aus der Bildfolge, Ermitteln des Rollwinkels (λ) der Kamera (3) anhand des extrahierten optischen Flusses und Ermitteln des Rollwinkels (λ) des Zweirads (1) anhand des ermittelten Rollwinkels (λ) der Kamera (3).The invention relates to a method and a system for determining a roll angle (λ) of a two-wheeler (1) during cornering. The method comprises the steps of recording an image sequence of an environment of the bicycle (1) by means of a camera (3) mounted on the bicycle (1), extracting an optical flow from the image sequence, determining the roll angle (λ) of the camera (3) with reference to FIG extracted optical flux and determining the roll angle (λ) of the two-wheeler (1) based on the determined roll angle (λ) of the camera (3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Ermittlung eines Rollwinkels eines Zweirads während einer Kurvenfahrt.The invention relates to a method and a system for determining a roll angle of a bicycle during cornering.
Aus der
Weiterhin lehrt die
Ferner ist bekannt, den Rollwinkel durch eine vollständig videobasierte Eigenbewegungsschätzung und eine Modellierung eines statischen Umfelds durch Anwendung eines sogenannten „Structure from Motion“-Verfahrens zu ermitteln. Außerdem kann der Rollwinkel durch einen Lagesensor bestimmt werden.Furthermore, it is known to determine the roll angle by a completely video-based self-motion estimation and a modeling of a static environment by using a so-called "structure from motion" method. In addition, the roll angle can be determined by a position sensor.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine Ermittlung des Rollwinkels mit geringem Rechenaufwand und mit geringem apparativen Aufwand ermöglichen.It is the object of the present invention to provide a method and a system of the type mentioned, which allow a determination of the roll angle with little computational effort and with low equipment costs.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.The object is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are subject of the dependent claims, the following description and the figures.
Ein Kern der Erfindung liegt darin, aus einer Bildsequenz bzw. aus einer Videosequenz einer Umgebung eines Zweirads wenigstens einen optischen Fluss zu extrahieren und basierend auf dem optischen Fluss einen Rollwinkel einer an dem Zweirad montierten Kamera, welche die Bildsequenz aufnimmt, und somit auch des Zweirads zu bestimmen.It is an essence of the invention to extract at least one optical flow from an image sequence or from a video sequence of an environment of a bicycle and, based on the optical flow, to create a roll angle of a camera mounted on the bicycle which records the image sequence and thus also of the two-wheeler to determine.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Rollwinkels eines Zweirads während einer Kurvenfahrt bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte Aufnehmen einer Bildfolge einer Umgebung des Zweirads mittels einer an dem Zweirad montierten Kamera, Extrahieren eines oder wenigstens eines optischen Flusses aus der Bildfolge, Ermitteln des Rollwinkels der Kamera anhand des extrahierten optischen Flusses, und Ermitteln des Rollwinkels des Zweirads anhand des ermittelten Rollwinkels der Kamera.According to a first aspect of the invention, there is provided a method of detecting a roll angle of a two-wheel during cornering. The method comprises the steps of recording an image sequence of an environment of the bicycle by means of a camera mounted on the bicycle, extracting one or at least one optical flow from the image sequence, determining the roll angle of the camera based on the extracted optical flow, and determining the roll angle of the bicycle using the determined roll angle of the camera.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Berechnung des Rollwinkels in einem geschlossenen Verfahren aus dem wenigstens einen optischen Fluss wenigstens eines beliebigen Raumpunktes, ohne dass eine Iteration notwendig ist. Dabei wird mindestens der optische Fluss für ein Bild benötigt, der mehrere Flussvektoren beinhaltet. Somit kann das Verfahren mit besonders geringem Rechenaufwand durchgeführt werden. Weiterhin ist für die Durchführung des Verfahrens insbesondere keine zusätzliche Hardware beispielsweise in Form von Drehratensensoren oder Lagesensoren notwendig.The method according to the invention makes it possible to calculate the roll angle in a closed method from the at least one optical flow of at least one arbitrary point in space, without an iteration being necessary. At least the optical flow is needed for an image that contains several flow vectors. Thus, the method can be performed with very little computational effort. Furthermore, in particular no additional hardware, for example in the form of yaw rate sensors or position sensors, is necessary for carrying out the method.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der optische Fluss in einen optischen Translationsfluss und in einen optischen Rotationsfluss zerlegt wird, wobei anhand einer Richtung des optischen Rotationsflusses der Rollwinkel der Kamera ermittelt wird. Für die Ermittlung des Rollwinkels der Kamera werden die im Folgenden erläuterten Annahmen bzw. Vereinfachungen getroffen, um eine besonders einfache und effiziente Berechnung des Rollwinkels des Zweirads zu ermöglichen.According to one embodiment, it is provided that the optical flow is decomposed into an optical translation flow and a rotational optical flow, wherein the roll angle of the camera is determined on the basis of a direction of the optical rotation flow. For the determination of the roll angle of the camera, the following explained assumptions or simplifications are made in order to allow a particularly simple and efficient calculation of the roll angle of the two-wheeler.
So wird vereinfachend angenommen, dass der optische Translationsfluss bei einer Bewegung der Kamera in Richtung einer optischen Achse der Kamera durch Vektoren gegeben ist, welche in radialer Richtung von einem optischen Zentrum der Kamera weg zeigen. Eine Länge der Vektoren hängt dabei von korrespondierenden 3d-Weltpunkten ab und ist somit zunächst unbekannt. Weiterhin wird angenommen, dass ein optischer Fluss bei einer Rotation der Kamera um deren Hochachse näherungsweise horizontal verlaufende Flussvektoren gleicher Länge ergibt. Ferner wird angenommen, dass sich ein um einen Neigungswinkel gekippter Fluss ergibt, wenn die Kamera um die optische Achse gekippt wird und dann wie vorstehend beschrieben um die Hochachse der Kamera rotiert wird. Thus, for the sake of simplification, it is assumed that the optical translation flow during a movement of the camera in the direction of an optical axis of the camera is given by vectors which point in the radial direction away from an optical center of the camera. A length of the vectors depends on corresponding 3d world points and is thus initially unknown. Furthermore, it is assumed that an optical flow during a rotation of the camera around its vertical axis yields approximately horizontally extending flow vectors of equal length. Further, it is assumed that a tilted angle flux results when the camera is tilted about the optical axis and then rotated around the vertical axis of the camera as described above.
Außerdem wird angenommen, dass sich eine Gesamtbewegung der gekippten Kamera aus einer Translation der Kamera in Richtung der optischen Achse und aus einer Rotation der Kamera um deren Hochachse bzw. um eine Achse quer zu einer Fahrbahn zusammensetzt, auf welcher das Zweirad fährt, wobei eine Translation der Kamera quer zur optischen Achse vernachlässigt wird. Somit lässt sich der optische Fluss aus dem um den Neigungswinkel geneigten Rotationsfluss und dem Translationsfluss in Richtung von dem optischen Zentrum weg zusammensetzen, wobei ferner angenommen wird, dass der Neigungswinkel des Zweirads während der Kurvenfahrt gleich bleibt und somit der Vektor des optischen Rotationsflusses für alle Positionen im Bild näherungsweise identisch in Richtung und Betrag ist. Der Neigungswinkel des optischen Rotationsflusses kann dabei dem Neigungswinkel der Kamera und dem Neigungswinkel des Zweirads entsprechen.In addition, it is assumed that an overall movement of the tilted camera is composed of a translation of the camera in the direction of the optical axis and a rotation of the camera about its vertical axis or about an axis transverse to a roadway on which the bicycle is traveling, wherein a translation the camera is neglected across the optical axis. Thus, the optical flux can be composed of the tilt-tilted rotational flux and the translational flux in the direction away from the optical center, and it is further assumed that the angle of inclination of the two-wheel during cornering remains the same, and thus the vector of optical rotation flux for all positions in the picture is approximately identical in direction and amount. The angle of inclination of the optical flow of rotation can correspond to the inclination angle of the camera and the angle of inclination of the two-wheeled vehicle.
Die Richtung des optischen Rotationsflusses kann durch Lösung eines Gleichungssystems berechnet werden. Durch die Annahme, dass der wenigstens eine optische Translationsfluss von dem optischen Zentrum der Kamera aus radial nach außen verläuft, ist zwar die Richtung des Translationsflusses bekannt, nicht jedoch dessen Betrag. Weiterhin sind durch die weitere Annahme, dass der Neigungswinkel des Zweirads während der Kurvenfahrt gleich bleibt und somit der Vektor des optischen Rotationsflusses für alle Positionen im Bild näherungsweise identisch in Richtung und Betrag ist, noch nicht die konkrete Richtung und der konkrete Betrag des optischen Rotationsflusses bekannt.The direction of the optical flow of rotation can be calculated by solving a system of equations. By assuming that the at least one optical translation flow extends radially outward from the optical center of the camera, the direction of the translation flow is known, but not its magnitude. Furthermore, the further assumption that the angle of inclination of the two-wheeler during cornering remains the same and thus the vector of the optical rotation flux for all positions in the image is approximately identical in direction and magnitude, not yet the specific direction and the concrete amount of optical rotation flow known ,
Es ist daher vorgesehen, durch Lösen eines mathematischen Gleichungssystems den Betrag des wenigstens einen extrahierten Translationsflusses sowie die Richtung und den Betrag des optischen Rotationsflusses zu berechnen. Das mathematische Gleichungssystem kann auf unterschiedliche, bekannte Art und Weise gelöst werden, z.B. auch iterativ.It is therefore intended to calculate the magnitude of the at least one extracted translational flux as well as the direction and the magnitude of the optical rotational flow by solving a mathematical equation system. The mathematical equation system can be solved in various known ways, e.g. also iterative.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein System zur Ermittlung eines Rollwinkels eines Zweirads während einer Kurvenfahrt bereitgestellt. Das System kann kommunikativ mit einem Fahrerassistenzsystem des Zweirads verbunden sein, so dass insbesondere von dem System ermittelte Rollwinkel dem Fahrerassistenzsystem übermittelt werden können. Weiterhin kann das System auch in das Fahrerassistenzsystem integriert sein. Das System gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst eine Kamera und eine Steuerungseinheit, wobei die Kamera zum Aufnehmen einer Bildfolge einer Umgebung des Zweirads eingerichtet ist, wenn die Kamera an dem Zweirad montiert ist, und wobei die Steuerungseinheit dazu eingerichtet ist, einen optischen Fluss aus der Bildfolge zu extrahieren, den Rollwinkel der Kamera anhand des extrahierten optischen Flusses zu ermitteln, und den Rollwinkel des Zweirads anhand des ermittelten Rollwinkels der Kamera zu ermitteln.According to a second aspect of the invention, there is provided a system for detecting a roll angle of a two-wheel during cornering. The system can be communicatively connected to a driver assistance system of the two-wheeled vehicle, so that in particular roll angles determined by the system can be transmitted to the driver assistance system. Furthermore, the system can also be integrated into the driver assistance system. The system according to the second aspect of the invention comprises a camera and a control unit, wherein the camera is adapted to capture an image sequence of an ambience of the bicycle when the camera is mounted on the bicycle and wherein the control unit is adapted to perform an optical flow extract the image sequence, determine the roll angle of the camera based on the extracted optical flow, and determine the roll angle of the two-wheel on the basis of the determined roll angle of the camera.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerungseinheit dazu eingerichtet ist, den optischen Fluss in einen optischen Translationsfluss und in einen optischen Rotationsfluss zu zerlegen und anhand einer Richtung des optischen Rotationsflusses den Rollwinkel der Kamera zu ermitteln.According to one embodiment, it is provided that the control unit is set up to divide the optical flow into an optical translation flow and a rotational optical flow and to determine the roll angle of the camera based on a direction of the optical rotation flow.
Weiterhin kann die Steuerungseinheit dazu eingerichtet sein, die Richtung des optischen Rotationsflusses durch Lösung eines Gleichungssystems zu berechnen.Furthermore, the control unit can be set up to calculate the direction of the optical rotation flow by solving a system of equations.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Zweirad bereitgestellt, insbesondere ein Motorrad, wobei das Zweirad ein System gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst.According to a third aspect of the invention, a bicycle is provided, in particular a motorcycle, wherein the bicycle comprises a system according to the second aspect of the invention.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird die Verwendung von aus einer Bildfolge extrahiertem optischem Fluss zur Ermittlung eines Rollwinkels eines Zweirads während einer Kurvenfahrt vorgeschlagen.According to a fourth aspect of the invention, the use of optical flow extracted from an image sequence for determining a roll angle of a two-wheel during cornering is proposed.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt
-
1 eine Vorderansicht eines Zweirads mit einer Kamera, -
2 eine Draufsicht auf die Kamera des Zweirads während einer Kurvenfahrt des Zweirads, -
3 eine Darstellung eines optischen Rotationsflusses bei einer Rotation der Kamera nach2 , -
4 eine Darstellung eines optischen Rotationsflusses bei einer Rotation der um ihre optische Achse gekippten Kamera nach2 , -
5 eine Darstellung eines optischen Translationsflusses bei einer Translationsbewegung der Kamera nach2 , -
6 eine Darstellung von optischen Gesamtflüssen, welche aus einer Videosequenz extrahiert wurden, -
7 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Ermittlung eines Rollwinkels eines Zweirads während einer Kurvenfahrt.
-
1 a front view of a two-wheeler with a camera, -
2 a top view of the camera of the two-wheeler during a cornering of the bicycle, -
3 a representation of an optical flow of rotation during a rotation of the camera after2 . -
4 a representation of an optical flow of rotation during a rotation of the camera tilted about its optical axis2 . -
5 a representation of an optical translation flow during a translational movement of the camera2 . -
6 a representation of total optical fluxes extracted from a video sequence, -
7 a flowchart of an embodiment of a method for determining a roll angle of a bicycle during cornering.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel fällt die Hochachse H des Zweirads
Die Kamera
Zum ersten Zeitpunkt und zum zweiten Zeitpunkt befindet sich das Zweirad
Ferner wird angenommen, dass die Kamera
Für die Bestimmung des Neigungswinkels φ und des Rollwinkels λ wird vereinfachend angenommen, dass sich während der Kurvenfahrt des Zweirads
Zum einen erfährt die um die optische Achse L gekippte Kamera
Weiterhin erfährt die Kamera
Außerdem erfährt die um die optische Achse L gekippte Kamera
In einem ersten Schritt
In einem zweiten Schritt
Dieses Extrahieren kann mittels der dazu eingerichteten Steuerungseinheit
In einem dritten Schritt
Es werden daher durch Lösen eines im Folgenden beschriebenen mathematischen Gleichungssystems die Beträge t1 und t2 der Translationsflüsse
Die optischen Gesamtflüsse
Die gleiche Zerlegung kann auch für die weiteren, nicht durch
Dieses Gleichungssystem kann in Matrixschreibweise wie folgt dargestellt werden:
Dabei können die einzelnen Matrizen wie folgt abgekürzt werden:
Das Gleichungssystem b = A ▪ x kann auf die folgende Weise nach der Unbekannten x aufgelöst werden:
Aus der berechneten oder graphisch bestimmten Richtung des Vektors
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- WO 2011/063785 A1 [0003]WO 2011/063785 A1 [0003]
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