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 EP 1 989 086 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, welche zur Bestimmung eines Rollwinkels eines Kraftrades verwendet werden, wobei eine Rollrate des Kraftrades ermittelt wird, insbesondere mittels eines Drehratensensors . Aus der Rollrate wird eine erste Rollwinkelgröße bestimmt und es wird mindestens eine weitere fahrdynamische Kenngröße des Kraftrades ermittelt, anhand welcher zumindest eine zweite Rollwinkelgröße bestimmt wird. Aus den Rollwinkelgrößen wird, insbesondere durch Addition, der Rollwinkel berechnet.From the EP 1 989 086 B1 a method and a device are known, which are used for determining a roll angle of a motorcycle, wherein a roll rate of the motorcycle is determined, in particular by means of a rotation rate sensor. From the roll rate, a first roll angle variable is determined, and at least one further dynamic driving parameter of the motorcycle is determined based on which at least one second roll angle variable is determined. From the roll angle variables, the roll angle is calculated, in particular by addition.

Weiterhin lehrt die WO 2011/063785 A1 ein Verfahren zur Schätzung des Rollwinkels in einem fahrenden Fahrzeug. In einem Schritt a) wird mit einer Kamera eine Bilderfolge von der Fahrzeugumgebung aufgenommen, insbesondere von der vorausliegenden Fahrbahn. In einem Schritt b) wird aus den Kamerabildern mindestens eine Signatur auf der Fahrbahnoberflache extrahiert, also ermittelt und verfolgt. Aus der veränderten Position der mindestens einen Signatur in einem oder mehreren darauffolgenden Kamerabild (ern) wird in einem Schritt c) ermittelt, in welche Richtung die Kamera bzgl. des Rollwinkels gedreht ist. Der Betrag des Rollwinkels wird in einem Schritt d) geschätzt. Hierzu wird entweder in einem Schritt d1) unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit und eines Abbildungsmodells der Kamera der Rollwinkel direkt geschätzt oder in einem Schritt d2) wird der Rollwinkel iterativ um einen vorgegebenen Korrekturwinkel erhöht oder erniedrigt, bis der Rollwinkel die Drehung der Kamera hinreichend kompensiert. Hieraus ergibt sich der geschätzte Rollwinkel als Gesamtkorrekturwert.Furthermore, the teaches WO 2011/063785 A1 a method for estimating the roll angle in a moving vehicle. In a step a), a sequence of images of the vehicle surroundings is recorded with a camera, in particular of the road ahead. In a step b), at least one signature on the road surface is extracted from the camera images, that is, determined and tracked. From the changed position of the at least one signature in one or more subsequent camera image (s), it is determined in a step c) in which direction the camera is rotated with respect to the roll angle. The amount of roll angle is estimated in a step d). For this purpose, either in a step d1) taking into account the vehicle speed and an imaging model of the camera, the roll angle is estimated directly or in step d2) the roll angle is iteratively increased or decreased by a predetermined correction angle until the roll angle sufficiently compensates for the rotation of the camera. This results in the estimated roll angle as the total correction value.

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 nach 2,
  • 4 eine Darstellung eines optischen Rotationsflusses bei einer Rotation der um ihre optische Achse gekippten Kamera nach 2,
  • 5 eine Darstellung eines optischen Translationsflusses bei einer Translationsbewegung der Kamera nach 2,
  • 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.
Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the schematic drawing. This shows
  • 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 after 2 .
  • 4 a representation of an optical flow of rotation during a rotation of the camera tilted about its optical axis 2 .
  • 5 a representation of an optical translation flow during a translational movement of the camera 2 .
  • 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.

1 zeigt ein Zweirad 1, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Form eines Motorrads. Das Zweirad 2 fährt in Schräglage auf einer ebenen Fahrbahn 2. Unter Schräglage ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass ein Neigungswinkel φ zwischen der Fahrbahn 2 und einer Hochachse H des Zweirads kleiner als 90° ist. Die Linie N stellt eine Fahrbahnnormale dar. Ein Winkel zwischen der Fahrbahnnormalen N und der Hochachse H ist der Rollwinkel λ des Zweirads 1. 1 shows a two-wheeler 1 in the embodiment shown in the form of a motorcycle. The bicycle 2 drives in an inclined position on a level road 2 , Slope in this context is to be understood that an inclination angle φ between the road 2 and a vertical axis H of the two-wheeler is less than 90 °. The line N represents a road normal. An angle between the road normal N and the vertical axis H is the roll angle λ of the two-wheeler 1 ,

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel fällt die Hochachse H des Zweirads 1 mit einer Hochachse H einer an dem Zweirad montierten Kamera 3 zusammen, dies ist jedoch nicht zwingend. Daher entsprechen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Neigungswinkel φ und der Rollwinkel λ des Zweirads 1 einem Neigungswinkel φ und einem Rollwinkel λ der Kamera 3. Sofern die Hochachsen H von Zweirad 1 und Kamera 3 nicht zusammenfallen und nicht parallel zueinander verlaufen, können der Neigungswinkel φ und der Rollwinkel λ über eine Winkeldifferenz der Hochachsen H entsprechend berechnet werden.In the embodiment shown, the vertical axis H of the bicycle falls 1 with a vertical axis H of a camera mounted on the bicycle 3 together, but this is not mandatory. Therefore, in the illustrated embodiment, the inclination angle φ and the roll angle λ of the two-wheeler 1 an inclination angle φ and a roll angle λ of the camera 3 , Unless the Hochachsen H of two-wheeler 1 and camera 3 do not coincide and do not run parallel to one another, the inclination angle φ and the roll angle λ can be calculated correspondingly via an angular difference of the vertical axes H.

Die Kamera 3 kann eine Steuerungseinheit 6 aufweisen und kann an dem Zweirad 1 derart montiert sein, dass die Kamera 3 bei einem Einschlag eines Lenkers 4 des Zweirads 1 um die Hochachse H des Zweirads 1 um den jeweiligen Lenkeinschlag verschwenkt wird, dies ist jedoch nicht zwingend. Alternativ kann die Kamera beispielsweise auch an einem festen Gestell des Zweirads 1 befestigt sein. Sofern die Kamera 3 dem Lenkeinschlag des Lenkers 3 folgen kann, wird ermöglicht, dass mittels der Kamera 3 Bildaufnahmen in einer durch den jeweiligen Lenkeinschlag beabsichtigten Richtung des Zweirads 1 aufgenommen werden.The camera 3 can be a control unit 6 and can be attached to the two-wheeler 1 be mounted such that the camera 3 in the event of a steering wheel impact 4 of the two-wheeler 1 around the vertical axis H of the two-wheeler 1 is pivoted about the respective steering angle, but this is not mandatory. Alternatively, the camera, for example, on a fixed frame of the bicycle 1 be attached. Unless the camera 3 the steering angle of the handlebar 3 can follow that is made possible by means of the camera 3 Image recordings in a direction intended by the respective steering angle of the two-wheeler 1 be recorded.

2 zeigt das Zweirad 1 bzw. die Kamera 3 des Zweirads 1 nach 1 zu einem ersten Zeitpunkt (in 2 unten dargestellt) und zu einem zweiten Zweitpunkt (in 2 oben dargestellt) während der Kurvenfahrt. Mittels der Kamera 3 wird während der Kurvenfahrt des Zweirads 1 eine Videosequenz einer Umgebung des Zweirads 1 aufgenommen. Ein Bereich der aufgenommenen Umgebung wird dabei insbesondere durch eine optische Achse L der Kamera und deren Ausrichtung bestimmt, wobei die Ausrichtung insbesondere durch den jeweiligen Lenkeinschlag und den Neigungswinkel φ des Zweirads 1 abhängig ist. Insbesondere kann während der Kurvenfahrt ein erstes Bild und ein zweites Bild der Umgebung aufgenommen werden. 2 shows the bicycle 1 or the camera 3 of the two-wheeler 1 to 1 at a first time (in 2 shown below) and to a second second point (in 2 shown above) during cornering. By means of the camera 3 becomes while cornering the two-wheeler 1 a video sequence of an environment of the two-wheeler 1 added. An area of the recorded environment is determined in particular by an optical axis L of the camera and its orientation, wherein the alignment in particular by the respective steering angle and the inclination angle φ of the bicycle 1 is dependent. In particular, during cornering, a first image and a second image of the environment can be recorded.

Zum ersten Zeitpunkt und zum zweiten Zeitpunkt befindet sich das Zweirad 1 in Kurvenfahrt. Zum ersten Zeitpunkt verläuft die Hochachse H der Kamera 3 parallel zur Fahrbahnnormalen N. Zum Nehmen der Kurve wird das Lenkrad 4 eingeschlagen, so dass die Kamera 3 während der Kurvenfahrt in Abhängigkeit von dem Lenkradeinschlag um die Hochachse H der Kamera 3 bzw. um die Fahrbahnnormale N verdreht wird. Es wird angenommen, dass ein optischer Fluss bei einer solchen Rotation näherungsweise horizontal verlaufende Flussvektoren gleicher Länge ergibt, wie dies durch 3 gezeigt ist.At the first time and at the second time is the two-wheeler 1 in cornering. At the first time, the vertical axis H of the camera runs 3 parallel to the road normal N. To take the turn, the steering wheel 4 smashed, leaving the camera 3 during cornering in response to the steering angle around the vertical axis H of the camera 3 or to the road normal N is twisted. It is assumed that an optical flow in such a rotation results in approximately horizontally extending flow vectors of the same length, as by 3 is shown.

Ferner wird angenommen, dass die Kamera 3 zusätzlich zu der Rotation um die Hochachse H der Kamera 3 in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel φ um die optische Achse L gekippt wird. Dabei wird angenommen, dass sich ein um den Neigungswinkel φ gekippter optischer Fluss ergibt, wie dies durch 4 gezeigt ist. Der Neigungswinkel φ des gekippten optischen Flusses entspricht dabei dem Neigungswinkel φ der Kamera 3 bzw. dem Zweirad 1 während der Kurvenfahrt.Further, it is assumed that the camera 3 in addition to the rotation about the vertical axis H of the camera 3 is tilted about the optical axis L depending on the inclination angle φ. It is assumed that there is a tilted by the inclination angle φ optical flow, as by 4 is shown. The inclination angle φ of the tilted optical flux corresponds to the inclination angle φ of the camera 3 or the two-wheeler 1 while cornering.

Für die Bestimmung des Neigungswinkels φ und des Rollwinkels λ wird vereinfachend angenommen, dass sich während der Kurvenfahrt des Zweirads 1 eine Gesamtbewegung der um die optische Achse L gekippten Kamera 3 aus den im Folgenden beschriebenen einzelnen, durch 2 gezeigten Bewegungen zusammensetzt.For the determination of the inclination angle φ and the roll angle λ is simplified assuming that during cornering of the two-wheeler 1 an overall movement of the tilted about the optical axis L camera 3 from the individual below, through 2 composed movements.

Zum einen erfährt die um die optische Achse L gekippte Kamera 3 eine Translation Δx in Richtung der optischen Achse L. Es wird vereinfachend angenommen, dass ein entsprechender optischer Translationsfluss bei einer Bewegung der Kamera 3 in Richtung der optischen Achse L durch Vektoren gegeben ist, welche in radialer Richtung von einem optischen Zentrum 5 der Kamera 3 heraus zeigen, wie dies durch 5 dargestellt ist. On the one hand experienced by the tilted about the optical axis L camera 3 a translation Δx in the direction of the optical axis L. It is assumed for simplicity that a corresponding optical translation flow during a movement of the camera 3 in the direction of the optical axis L is given by vectors which extend in the radial direction from an optical center 5 the camera 3 show it out like this 5 is shown.

Weiterhin erfährt die Kamera 3 eine Translation Δy quer zur optischen Achse L. Die Translation Δy wird für die Berechnung des Neigungswinkels φ und des Rollwinkels λ vereinfachend nicht berücksichtigt.Furthermore, the camera learns 3 a translation Δy transverse to the optical axis L. The translation Δy is simplified for the calculation of the inclination angle φ and the roll angle λ not taken into account.

Außerdem erfährt die um die optische Achse L gekippte Kamera 3 eine Rotation Δα um die Hochachse H der Kamera 3 oder um die Fahrbahnnormale N. Ein entsprechender optischer Rotationsfluss ist durch 4 gezeigt. Ein vereinfachend angenommener Gesamtfluss p 1

Figure DE102016220559A1_0001
bzw. p 2
Figure DE102016220559A1_0002
ergibt sich somit aus einer vektoriellen Addition eines Translationsflusses (gezeigt durch 5) sowie eines Rotationsflusses (gezeigt durch 4) der um die optische Achse L gekippten Kamera 3.In addition, the camera tilted about the optical axis L experiences 3 a rotation Δα about the vertical axis H of the camera 3 or about the road normal N. A corresponding optical rotation flow is through 4 shown. A simplifying assumed total flow p 1
Figure DE102016220559A1_0001
respectively. p 2
Figure DE102016220559A1_0002
thus results from a vectorial addition of a translation flow (shown by 5 ) and a rotational flow (shown by 4 ) of the tilted about the optical axis L camera 3 ,

6 zeigt beispielhaft für zwei Bildpunkte zwei Überlagerungen bzw. vektorielle Additionen von Translationsflüssen t 1 e t 1

Figure DE102016220559A1_0003
und t 2 e t 2  
Figure DE102016220559A1_0004
sowie Rotationsflüssen r 1
Figure DE102016220559A1_0005
und r 2 ,
Figure DE102016220559A1_0006
woraus ein jeweiliger Gesamtfluss p 1 = t 1 e t 1 + r 1  und  p 2 = t 2 e t 2 + r 2
Figure DE102016220559A1_0007
mit  r 1 = r 2 r = c o n s t .
Figure DE102016220559A1_0008
resultiert. Die Gesamtflüsse p 1
Figure DE102016220559A1_0009
und p 2
Figure DE102016220559A1_0010
können aus dem ersten aufgenommenen Bild und aus dem zweiten aufgenommenen Bild extrahiert werden. 6 shows two overlays or vectorial additions of translational flows as an example for two pixels t 1 e t 1
Figure DE102016220559A1_0003
and t 2 e t 2
Figure DE102016220559A1_0004
as well as rotational flows r 1
Figure DE102016220559A1_0005
and r 2 .
Figure DE102016220559A1_0006
from which a respective total flow p 1 = t 1 e t 1 + r 1 and p 2 = t 2 e t 2 + r 2
Figure DE102016220559A1_0007
With r 1 = r 2 r = c O n s t ,
Figure DE102016220559A1_0008
results. The total flows p 1
Figure DE102016220559A1_0009
and p 2
Figure DE102016220559A1_0010
can be extracted from the first recorded image and from the second captured image.

7 zeigt den Ablauf eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Ermittlung des Rollwinkels A des Zweirads 1 nach 1 während der Kurvenfahrt nach 2. 7 shows the sequence of an embodiment of a method for determining the roll angle A of the two-wheeler 1 to 1 while cornering 2 ,

In einem ersten Schritt 100 wird während der Kurvenfahrt des Zweirads 1 mittels der Kamera 3 eine Videosequenz aufgenommen, welche ein zu einem ersten Zeitpunkt t1 aufgenommenes erstes Bild und ein zu einem späteren Zeitpunkt t2 aufgenommenes zweites Bild umfasst. Die Videosequenz wird an die Steuerungseinheit 6 des Zweirads 1 übermittelt, wobei sich die Steuerungseinheit 6 - wie durch 2 gezeigt - beispielsweise an oder in der Kamera 3 befinden kann, was jedoch nicht zwingend ist.In a first step 100 becomes while cornering the two-wheeler 1 by means of the camera 3 recorded a video sequence which comprises a first image recorded at a first time t 1 and a second image recorded at a later time t 2 . The video sequence is sent to the control unit 6 of the two-wheeler 1 transmitted, wherein the control unit 6 - like through 2 shown - for example, on or in the camera 3 which is not mandatory.

In einem zweiten Schritt 200 wird aus dem ersten Bild und aus dem zweiten Bild wenigstens ein Gesamtfluss extrahiert, in dem durch 6 gezeigten Beispiel zwei optische Gesamtflüsse p 1

Figure DE102016220559A1_0011
und p 2 .
Figure DE102016220559A1_0012
In a second step 200 is extracted from the first image and from the second image at least one total flow in which 6 shown two total optical fluxes p 1
Figure DE102016220559A1_0011
and p 2 ,
Figure DE102016220559A1_0012

Dieses Extrahieren kann mittels der dazu eingerichteten Steuerungseinheit 6 erfolgen.This extraction can be done by means of the control unit set up for this purpose 6 respectively.

In einem dritten Schritt 300 wird der Neigungswinkel φ der Kamera 3 berechnet, was ebenfalls mittels der dazu eingerichteten Steuerungseinheit 6 erfolgen kann. Dabei wird angenommen, dass die optischen Translationsflüsse t 1 e t 1

Figure DE102016220559A1_0013
und t 2 e t 2
Figure DE102016220559A1_0014
von einem optischen Zentrum 5 der Kamera 3 aus radial nach außen verlaufen, wodurch zwar die Richtungen e t 1
Figure DE102016220559A1_0015
und e t 2
Figure DE102016220559A1_0016
der Translationsflüsse t 1 e t 1
Figure DE102016220559A1_0017
und t 2 e t 2
Figure DE102016220559A1_0018
bekannt sind, nicht jedoch deren Längen bzw. Beträge t1 und t2. Weiterhin wird angenommen, dass der Neigungswinkel φ des Zweirads 1 während der Kurvenfahrt gleich bleibt und somit der Vektor des optischen Rotationsflusses r
Figure DE102016220559A1_0019
für alle Positionen im Bild näherungsweise identisch in Richtung und Betrag ist. Allerdings sind die konkrete Richtung und der konkrete Betrag des optischen Rotationsflusses r
Figure DE102016220559A1_0020
zunächst unbekannt.In a third step 300 becomes the inclination angle φ of the camera 3 calculated, which also by means of the dedicated control unit 6 can be done. It is assumed that the optical translation flows t 1 e t 1
Figure DE102016220559A1_0013
and t 2 e t 2
Figure DE102016220559A1_0014
from an optical center 5 the camera 3 from radially outward, whereby the directions e t 1
Figure DE102016220559A1_0015
and e t 2
Figure DE102016220559A1_0016
the translation flows t 1 e t 1
Figure DE102016220559A1_0017
and t 2 e t 2
Figure DE102016220559A1_0018
are known, but not their lengths or amounts t 1 and t 2 . Furthermore, it is assumed that the inclination angle φ of the two-wheeler 1 while cornering remains the same and thus the vector of the optical flow of rotation r
Figure DE102016220559A1_0019
for all positions in the picture is approximately identical in direction and amount. However, the concrete direction and the concrete amount of the optical rotation flow are r
Figure DE102016220559A1_0020
initially unknown.

Es werden daher durch Lösen eines im Folgenden beschriebenen mathematischen Gleichungssystems die Beträge t1 und t2 der Translationsflüsse t 1 e t 1

Figure DE102016220559A1_0021
und t 2 e t 2
Figure DE102016220559A1_0022
berechnet. Ferner werden auch die Beträge t3 bis ti weiterer, nicht durch 6 gezeigter extrahierter optischer Gesamtflüsse p 3
Figure DE102016220559A1_0023
bis   p l
Figure DE102016220559A1_0024
berechnet. Dies kann durch die dazu eingerichtete Steuerungseinheit 6 erfolgen. Dabei werden auch die Richtung und der Betrag des optischen Rotationsflusses r
Figure DE102016220559A1_0025
berechnet.Therefore, by solving a mathematical equation system described below, the amounts t 1 and t 2 of the translation flows become t 1 e t 1
Figure DE102016220559A1_0021
and t 2 e t 2
Figure DE102016220559A1_0022
calculated. Furthermore, the Amounts t 3 to t i further, not by 6 shown extracted total optical fluxes p 3
Figure DE102016220559A1_0023
to p l
Figure DE102016220559A1_0024
calculated. This can be done by the dedicated control unit 6 respectively. At the same time the direction and the amount of the optical rotation flow become r
Figure DE102016220559A1_0025
calculated.

Die optischen Gesamtflüsse p 1

Figure DE102016220559A1_0026
und p 2
Figure DE102016220559A1_0027
können jeweils in eine x-Komponente und in eine y-Komponente zerlegt werden: p 1 x = t 1 e t 1 x + r x ,
Figure DE102016220559A1_0028
p 1 y = t 1 e t 1 y + r y ,
Figure DE102016220559A1_0029
p 2 x = t 2 e t 2 x + r x  und
Figure DE102016220559A1_0030
p 2 y = t 2 e t 2 y + r y .
Figure DE102016220559A1_0031
The total optical fluxes p 1
Figure DE102016220559A1_0026
and p 2
Figure DE102016220559A1_0027
can each be decomposed into an x-component and a y-component: p 1 x = t 1 e t 1 x + r x .
Figure DE102016220559A1_0028
p 1 y = t 1 e t 1 y + r y .
Figure DE102016220559A1_0029
p 2 x = t 2 e t 2 x + r x and
Figure DE102016220559A1_0030
p 2 y = t 2 e t 2 y + r y ,
Figure DE102016220559A1_0031

Die gleiche Zerlegung kann auch für die weiteren, nicht durch 6 gezeigten extrahierten optischen Gesamtflüsse p 3

Figure DE102016220559A1_0032
bis p l
Figure DE102016220559A1_0033
erfolgen: P 3 x = t 3 e t 3 x + r x , P 3 y = t 3 e t 3 y + r y , P i x = t i e t i x + r x   und P i y = t i e t i y + r y .
Figure DE102016220559A1_0034
The same decomposition can also for the further, not through 6 shown extracted total optical fluxes p 3
Figure DE102016220559A1_0032
to p l
Figure DE102016220559A1_0033
respectively: P 3 x = t 3 e t 3 x + r x . P 3 y = t 3 e t 3 y + r y . P i x = t i e t i x + r x and P i y = t i e t i y + r y ,
Figure DE102016220559A1_0034

Dieses Gleichungssystem kann in Matrixschreibweise wie folgt dargestellt werden: [ p 1 x p 1 y p 2 x p 2 x    ] = [ e t 1 x 0 1 0 e t 1 y 0 0 1 0 e t 2 x 1 0 0 e t 2 y 0 1 ] [ t 1 t 2   r x r y ] .

Figure DE102016220559A1_0035
This system of equations can be represented in matrix notation as follows: [ p 1 x p 1 y p 2 x p 2 x ] = [ e t 1 x 0 1 0 e t 1 y 0 0 1 0 e t 2 x 1 0 0 e t 2 y 0 1 ] [ t 1 t 2 r x r y ] ,
Figure DE102016220559A1_0035

Dabei können die einzelnen Matrizen wie folgt abgekürzt werden: [ p 1 x p 1 y p 2 x p 2 x    ] = b ,   [ e t 1 x 0 1 0 e t 1 y 0 0 1 0 e t 2 x 1 0 0 e t 2 y 0 1 ] = A  und [ t 1 t 2   r x r y ] = x .

Figure DE102016220559A1_0036
The individual matrices can be abbreviated as follows: [ p 1 x p 1 y p 2 x p 2 x ] = b . [ e t 1 x 0 1 0 e t 1 y 0 0 1 0 e t 2 x 1 0 0 e t 2 y 0 1 ] = A and [ t 1 t 2 r x r y ] = x ,
Figure DE102016220559A1_0036

Das Gleichungssystem b = A ▪ x kann auf die folgende Weise nach der Unbekannten x aufgelöst werden: b = A x

Figure DE102016220559A1_0037
A T b = A T A x
Figure DE102016220559A1_0038
x = ( A T A ) 1 A T b .
Figure DE102016220559A1_0039
The equation system b = A ▪ x can be solved for the unknown x in the following way: b = A x
Figure DE102016220559A1_0037
A T b = A T A x
Figure DE102016220559A1_0038
x = ( A T A ) - 1 A T b ,
Figure DE102016220559A1_0039

Aus der berechneten oder graphisch bestimmten Richtung des Vektors r

Figure DE102016220559A1_0040
des optischen Rotationsflusses wird der Neigungswinkel φ der Kamera 3 berechnet. Dabei wird angenommen, dass der Neigungswinkel φ des gekippten optischen Rotationsflusses dem Neigungswinkel φ der Kamera 3 bzw. dem Zweirad 1 während der Kurvenfahrt entspricht. In einem vierten Schritt 400 wird aus dem Neigungswinkel der Kamera 3 der Neigungswinkel φ des Zweirads 1 berechnet, wobei die beiden Winkel in dem durch 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Zweirads 1 mit der Kamera 3 identisch sind. Falls die beiden Neigungswinkel nicht identisch sind, können bei Kenntnis einer entsprechenden Winkeldifferenz die Neigungswinkel leicht ineinander umgerechnet werden, z.B. mittels der dazu eingerichteten Steuerungseinheit 6.From the calculated or graphically determined direction of the vector r
Figure DE102016220559A1_0040
of the optical rotation flux becomes the inclination angle φ of the camera 3 calculated. It is assumed that the inclination angle φ of the tilted optical rotation flux corresponds to the inclination angle φ of the camera 3 or the two-wheeler 1 while cornering. In a fourth step 400 is from the tilt angle of the camera 3 the angle of inclination φ of the bicycle 1 calculated, with the two angles in the by 1 illustrated embodiment of a bicycle 1 with the camera 3 are identical. If the two angles of inclination are not identical, the inclination angles can be easily converted into one another, for example by means of the control unit set up for this purpose, if a corresponding angular difference is known 6 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • WO 2011/063785 A1 [0003]WO 2011/063785 A1 [0003]

Claims (8)

Verfahren zur Ermittlung eines Rollwinkels (λ) eines Zweirads (1) während einer Kurvenfahrt, das Verfahren umfassend die Schritte: (100) Aufnehmen einer Bildfolge einer Umgebung des Zweirads (1) mittels einer an dem Zweirad (1) montierten Kamera (3), (200) Extrahieren eines optischen Flusses ( p 1
Figure DE102016220559A1_0041
bis p l )
Figure DE102016220559A1_0042
aus der Bildfolge, (300) Ermitteln des Rollwinkels (λ) der Kamera (3) anhand des extrahierten optischen Flusses ( p 1
Figure DE102016220559A1_0043
bis p l )
Figure DE102016220559A1_0044
und (400) Ermitteln des Rollwinkels (λ) des Zweirads (1) anhand des ermittelten Rollwinkels (λ) der Kamera (3).
Method for determining a roll angle (λ) of a two-wheeler (1) during cornering, the method comprising the steps of: (100) taking a sequence of images of an environment of the two-wheeled vehicle (1) by means of a camera (3) mounted on the bicycle (1), (200) Extract an optical flow ( p 1
Figure DE102016220559A1_0041
to p l )
Figure DE102016220559A1_0042
from the image sequence, (300) determining the roll angle (λ) of the camera (3) on the basis of the extracted optical flux ( p 1
Figure DE102016220559A1_0043
to p l )
Figure DE102016220559A1_0044
and (400) determining the roll angle (λ) of the two-wheeler (1) on the basis of the determined roll angle (λ) of the camera (3).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der optische Fluss ( p 1
Figure DE102016220559A1_0045
bis p l )
Figure DE102016220559A1_0046
in einen optischen Translationsfluss ( t 1 e t 1
Figure DE102016220559A1_0047
bis t i e t l )
Figure DE102016220559A1_0048
und in einen optischen Rotationsfluss ( r )
Figure DE102016220559A1_0049
zerlegt wird, wobei anhand einer Richtung des optischen Rotationsflusses ( r )
Figure DE102016220559A1_0050
der Rollwinkel (λ) der Kamera (3) ermittelt wird.
Method according to Claim 1 where the optical flow ( p 1
Figure DE102016220559A1_0045
to p l )
Figure DE102016220559A1_0046
in an optical translation flow ( t 1 e t 1
Figure DE102016220559A1_0047
to t i e t l )
Figure DE102016220559A1_0048
and in a rotational optical flow ( r )
Figure DE102016220559A1_0049
is decomposed, using a direction of optical rotation flow ( r )
Figure DE102016220559A1_0050
the roll angle (λ) of the camera (3) is determined.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Richtung des optischen Rotationsflusses ( r )
Figure DE102016220559A1_0051
durch Lösung eines Gleichungssystems berechnet wird.
Method according to Claim 2 where the direction of the optical flow of rotation ( r )
Figure DE102016220559A1_0051
is calculated by solving a system of equations.
System zur Ermittlung eines Rollwinkels (λ) eines Zweirads (1) während einer Kurvenfahrt, das System umfassend eine Kamera (3) und eine Steuerungseinheit (6), wobei die Kamera (3) zum Aufnehmen einer Bildfolge einer Umgebung des Zweirads (1) eingerichtet ist, wenn die Kamera (3) an dem Zweirad (1) montiert ist, und wobei die Steuerungseinheit (6) dazu eingerichtet ist, einen optischen Fluss ( p 1
Figure DE102016220559A1_0052
bis p l )
Figure DE102016220559A1_0053
aus der Bildfolge zu extrahieren, den Rollwinkel (λ) der Kamera (3) anhand des extrahierten optischen Flusses ( p 1
Figure DE102016220559A1_0054
bis p l )
Figure DE102016220559A1_0055
zu ermitteln, und den Rollwinkel (λ) des Zweirads (1) anhand des ermittelten Rollwinkels (λ) der Kamera (3) zu ermitteln.
System for determining a roll angle (λ) of a two-wheeled vehicle (1) during cornering, the system comprising a camera (3) and a control unit (6), the camera (3) being adapted to record an image sequence of an environment of the two-wheeled vehicle (1) when the camera (3) is mounted on the bicycle (1), and wherein the control unit (6) is adapted to provide an optical flow ( p 1
Figure DE102016220559A1_0052
to p l )
Figure DE102016220559A1_0053
to extract from the image sequence, the roll angle (λ) of the camera (3) based on the extracted optical flux ( p 1
Figure DE102016220559A1_0054
to p l )
Figure DE102016220559A1_0055
to determine, and to determine the roll angle (λ) of the two-wheeler (1) on the basis of the determined roll angle (λ) of the camera (3).
System nach Anspruch 4, wobei die Steuerungseinheit (6) dazu eingerichtet ist, den optischen Fluss ( p 1
Figure DE102016220559A1_0056
bis p l )
Figure DE102016220559A1_0057
in einen optischen Translationsfluss ( t 1 e t 1
Figure DE102016220559A1_0058
bis t i e t l )
Figure DE102016220559A1_0059
und in einen optischen Rotationsfluss ( r )
Figure DE102016220559A1_0060
zu zerlegen und anhand einer Richtung des optischen Rotationsflusses ( r )
Figure DE102016220559A1_0061
den Rollwinkel (λ) der Kamera (3) zu ermitteln.
System after Claim 4 , wherein the control unit (6) is adapted to the optical flow ( p 1
Figure DE102016220559A1_0056
to p l )
Figure DE102016220559A1_0057
in an optical translation flow ( t 1 e t 1
Figure DE102016220559A1_0058
to t i e t l )
Figure DE102016220559A1_0059
and in a rotational optical flow ( r )
Figure DE102016220559A1_0060
to disassemble and by a direction of the optical rotation flow ( r )
Figure DE102016220559A1_0061
to determine the roll angle (λ) of the camera (3).
System nach Anspruch 5, wobei die Steuerungseinheit (6) dazu eingerichtet ist, die Richtung des optischen Rotationsflusses ( r )
Figure DE102016220559A1_0062
durch Lösung eines Gleichungssystems zu berechnen.
System after Claim 5 wherein the control unit (6) is adapted to the direction of the optical flow of rotation ( r )
Figure DE102016220559A1_0062
by solving a system of equations.
Zweirad (1), insbesondere ein Motorrad, umfassend ein System nach einem der Ansprüche 4 bis 6.A two-wheeled vehicle (1), in particular a motorcycle, comprising a system according to one of Claims 4 to 6 , Verwendung von aus einer Bildfolge extrahiertem optischem Fluss ( p 1
Figure DE102016220559A1_0063
bis p l )
Figure DE102016220559A1_0064
zur Ermittlung eines Rollwinkels (λ) eines Zweirads (1) während einer Kurvenfahrt.
Use of optical flow extracted from a sequence of images ( p 1
Figure DE102016220559A1_0063
to p l )
Figure DE102016220559A1_0064
for determining a roll angle (λ) of a two-wheeler (1) during cornering.
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