DE10226278A1 - Rückfahrhilfe für Fahrzeuge - Google Patents

Rückfahrhilfe für Fahrzeuge

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein System zur Hinderniswarnung und Kollisionsvermeidung beim Rückwärtsfahren von Fahrzeugen. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein System zur Erfassung und Warnung vor Hindernissen vorgeschlagen, das aus einem Video-Kamerasystem in Kombination mit einem lichtoptischen Entfernungsmesssysstem besteht. Eine Linienstruktur wird im sichtbaren oder im infraroten Bereich auf die betrachtete Szene projiziert und von der Kamera gemeinsam mit dem Bild der Szene aufgenommen. Kamera und Beleuchtungseinheit sind in einem von Entfernungen und Auflösung abhängigen Abstand voneinander angeordnet, so dass durch anschließende Bildverarbeitung die Entfernung an den durch die Lichtstruktur beleuchteten Punkten berechnet werden kann. Diese Entfernungswerte können in das Bild eingeblendet und entsprechend farblich gekennzeichnet werden. Entfernungswerte aus zurückliegenden Bildern während der Fahrt können entsprechend geometrisch umgerechnet im Bild beibehalten werden, so dass Teile eines Entfernungsbildes der Szene überlagert werden. Die Struktur der Beleuchtung lässt sich durch entsprechend zeitliche und spektrale Filtermethoden weitgehend von der Szenenstruktur trennen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Hinderniswarnung und Kollisionsvermeidung beim Rückwärtsfahren von Fahrzeugen.
  • Rückfahrhilfen werden zur Zeit in zwei Varianten angeboten. Zum einen werden durch eine Reihe von in der Stoßstange angeordneter Ultraschallsender und Empfänger, die aufgrund der gemessenen Schalllaufzeit die Entfernung zu einem Hindernis aufzeigen und mittels optischen oder akustischem Signal den Fahrer warnen, wenn ein gewisser Abstand unterschritten wird und eine Kollision droht.
  • Ein weiteres Prinzip (siehe Zeitschrift STERN, 2002, Nr. 19, S. 180) beschreibt eine Fernsehkamera, die den Raum hinter der Stoßstange aufnimmt und das Bild dem Fahrer übermittelt. Eingeblendet sind meist zusätzliche Linien, die den Bereich kennzeichnen, in dem das Fahrzeug bei Rückwärtsfahrt fährt, respektive Linien, die zusätzlich den Lenkeinschlag berücksichtigen und so potentielle Hindernisse eingrenzen.
  • Nachteilig an diesem System ist, dass die eingezeichneten Linien keine Information über Höhe und Entfernung potentieller Hindernisse vermitteln und dass weiterhin die 3-d Information über Lage und Gestalt der Objekte, die zur Beurteilung der Kollisionsgefährdung nötig ist, nur indirekt vorhanden ist. Fährt man beispielsweise auf eine kontrastarme Hauswand zu, ist die Gefährdung durch Bild und eingezeichnete Linien, die durch den Bildinhalt nicht verändert werden, nur sehr schwer einzuschätzen.
  • Erfindungsgemäß wird eine Abänderung des Systems dadurch vorgeschlagen, dass eine Linie, Linienstücke oder Punkte mittels einer im Fahrzeug befindlichen Beleuchtungseinheit in die hinter dem Fahrzeug liegende Szene projiziert wird und dass aufgrund der Gestalt und Entfernung der Objekte die projizierte Linie im Kamerabild verformt wird, so dass die Ablenkung der Linien von ihrer ursprünglichen Form Information über Abstand und Gestalt des Objektes, das zu einer Kollision führen kann, liefert.
  • Das Prinzip wird anhand von Fig. 1 und Fig. 2 erläutert.
  • Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit der Kamera 3 und der Beleuchtungseinheit 2. Schematisch dargestellt ist ein Hindernis 4 sowie die am auf den Boden projizierte Linie 6, die teilweise durch das Hindernis abgeschattet wird, sowie den Teil der Linie 5, die auf dem Hindernis abgebildet wird.
  • Fig. 2 zeigt die projizierte Linie, aufgenommen durch die Videokamera und dargestellt im Videobild 9. Da Kamera und Beleuchtungseinheit in verschiedener Höhe am Fahrzeug angebracht sind, ergibt sich im Videobild ein Versatz gegenüber der Grundlinie 7, dessen Höhe ein Maß für die Entfernung des Hindernisses ist und nach den Gesetzen einer Triangulationsberechnung leicht für jeden Punkt des Zeilenabschnittes berechnet werden kann. Durch Farbkodierung (beispielhaft über grün nach gelb und rot) lässt sich die Information über Entfernung und Bedrohungszustand dem Fahrer übermitteln.
  • Verschwindet die Linie bei Annäherung, ohne eine bestimmte Höhe zu erreichen, so ist das Hindernis nicht höher als die Bodenfreiheit des Fahrzeuges und braucht nicht als Hindernis berücksichtigt zu werden.
  • Die Beleuchtungseinheit 2 kann beispielsweise als Laserdiode, als Diodenstack oder als Diodenzeile ausgeführt werden.
  • Der Frequenzbereich des ausgesandten Lichtes kann sowohl im optisch sichtbaren als auch im unsichtbaren Infrarotbereich liegen, wobei im nahen Infrarot (0.7-1.2 µ) vergleichsweise lichtstarke und kostengünstige Elemente zur Verfügung stehen.
  • Moderne CCD-Farbkameras sind in diesem Bereich im Allgemeinen empfindlich, wobei bei manchen Systemen ein vorhandenes IR-Sperrfilter für diese Anwendung entfernt werden müsste.
  • Die Beleuchtungseinheit im Kraftfahrzeug sollte möglichst verschmutzungssicher entweder hinter der Heckscheibe oder möglicherweise kombiniert mit dem hinteren oberen Bremslicht, das üblicherweise als Diodenzeile ausgebildet ist, angebracht werden.
  • Die Aufweitung des aus einer Laserdiode austretenden Lichtes zu einem Zeilenabschnitt kann üblicherweise mit einer Zylinderlinse erfolgen.
  • Zum Auffinden der Beleuchtungslinie zum Zwecke der Nachverarbeitung sind zwei Prinzipien vorgesehen.
  • Zum einen zeichnen sich LEDs und insbesondere Laserdioden durch eine im Allgemeinen monochromatische Lichtabstrahlung aus. Eine Filterung vor dem Aufnahmeobjektiv würde die Szeneninformation der Landschaft, die zusätzlich zu der Entfernungsinformation dargestellt wird, unterdrücken. Daher wird eine Filterung in der Nachverarbeitung des Bildes vorgeschlagen.
  • Die Helligkeitsanteile des Beleuchtungssystems, die auf die jeweiligen Farbkomponenten (beispielsweise R, G, B) entfallen, lassen sich vermessen.
  • Das reflektierte Signal eines beleuchteten Punktes enthält im RGB Signal die Anteile Rrot.Srot + Urot für den Rotanteil. Dabei bedeuten Rrot den chromatischen Reflexionskoeffizienten des beleuchteten Szenenpunktes für Rot, Srot den Rotanteil aus dem Beleuchtungssignal und Urot den Anteil des reflektierten Lichtes aus der Umgebungsbeleuchtung.
  • Der enthaltene Anteil der Beleuchtung A im reflektiertem Signal lässt sich aus der Beziehung

    (Rrot.Srot + Urot - A.Srot)2 + (Rgelb.Sgelb + Ugelb - A.Sgelb)2 + (Rblau.Sblau + Ublau - A.Sblau)2 = Min.

    berechnen.
  • Daraus ergibt sich der Signalanteil A des Beleuchtungssignals als


  • Durch punktweise Bestimmung des Signalanteils A lässt sich der Anteil der Umgebungsbeleuchtung unterdrücken und der Anteil der Eigenbeleuchtung hervorheben. Eine weitere Möglichkeit, die strukturierte Beleuchtung vom Hintergrund zu separieren ergibt sich dadurch, dass man die Beleuchtungsquelle synchron zur Bildfrequenz der Videokamera moduliert. Beispielsweise ist die Beleuchtung bei jedem ersten Halbbild resp. Vollbild eingeschaltet, bei jedem zweiten ausgeschaltet. Durch positionsgerechte Subtraktion der so erzeugten Bilder werden die gleichen Strukturen, die von der Szeneninformation der Umgebung herrühren, unterdrückt und die Information der eigenen strukturierten Beleuchtung hervorgehoben. Eventuell kann eine Positionskorrektur durch die Eigenbewegung des Fahrzeuges beim Rückwärtsfahren nötig werden, die aufgrund im Fahrzeug befindlicher Sensorik (Radsensoren, Neigungssensoren, GPS-Empfänger) durchgeführt werden kann. Eine weitere Verbesserung des Systems kann dadurch erreicht werden, dass man Informationen aus der strukturierten Beleuchtung und abgeleiteten Berechnungen zurückliegender Positionen speichert und positionsgerecht in das aktuelle Videobild mit einblendet. Das Verfahren wird in Fig. 3 und 4 näher erläutert. Fährt das Fahrzeug 10 auf das schematisch angedeutete Hindernis (beispielhaft ein Pfahl) 11 zu, so erscheint zunächst eine Linie 13 am Pfahl sowie als unterste Linie der abgelenkten Linien 17 im Videobild 15. Bewegt sich das Fahrzeug näher auf das Hindernis zu (schematisch gezeichnet durch den Pfahl 12 näher am Fahrzeug 10, so wandert die Linie der Beleuchtungseinheit 14 am Pfahl hoch. Im Videobild 15 erscheinen nach und nach die weiteren Linien, die Abweichung von der Grundlinie 16 wird größer und zeigt an, dass sich das Fahrzeug dem Hindernis nähert. Die Entfernung jeden Linienelements zu jedem Zeitpunkt kann durch einfache Triangulationsberechnung für jeden Punkt bestimmt werden, so dass sich Linien, die im zurückliegenden Zeitpunkt vermessen wurden, positionsrichtig in das aktuelle Bild einblenden lassen. Falschfarbenkodierung kann ein für den Fahrer ein schnell erfassbares Signal der Berdrohungssituation liefern. Zusätzlich zu Videobild wird so die 3-dimensionale Struktur des Hindernisses in das Bild eingeblendet und kann der sehr sicheren Beurteilung der Situation dienen.
  • In den zur Zeit angebotenen Systemen wird die Trajektorie und die durch die Fahrzeugabmessungen gegebenen Begrenzungslinien der erwarteten Fahrspur eingezeichnet. Aufgrund der Kenntnis des Lenkeinschlages und des Radstandes des Fahrzeuges kann die Trajektorie der voraussichtlichen Kurvenfahrt angepasst werden. Nachteilig dabei ist, dass die Fahrspur von den Hindernissen und der Geländewelligkeit in dem zu befahrenden Gebiet nicht beeinflusst wird. Die Fahrspur wird an der Hauswand beispielsweise hochlaufen und kann zu Fehlhandlungen führen.
  • Erfindungsgemäß kann die Fahrspur durch Kenntnisse der vermessenen Geländestruktur geländeangepasst und perspektivisch richtig eingezeichnet werden.
  • Dies wird in Fig. 5 schematisch erläutert. Die Fahrspur 20 im Videobild 21 passt sich den Geländeunebenheiten, dargestellt durch den unruhigen Konturverlauf an. Sie wird durch das Hindernis 19 begrenzt. Die Unebenheit 18, die aufgrund der Bodenfreiheit des Fahrzeuges zu keiner Kollision führen würde, wird zwar angezeigt aber als befahrbar markiert.
  • Fig. 6 zeigt ein Prinzipschaltbild des gesamten Systems. Die Beleuchtungseinheit 23, dargestellt als eine Anzahl Einzeldioden, wird von einem Steuergerät 22 angesteuert. Hier wird auch das Synchronsignal für Kamera 24 und Beleuchtungseinheit erzeugt, wobei die Synchroninformation üblicherweise vom internen Kamerasignal übernommen wird. Das Kamerasignal wird von der Verarbeitungseinheit 25 aufbereitet und dem Monitor 26 zur Anzeige weitergeleitet.

Claims (8)

1. Gerät und Verfahren als Rückfahrhilfe für Fahrzeuge, bestehend aus einer rückwärts gerichteten Fernsehkamera, einer Beleuchtungseinheit in räumlichen Abstand zur Kamera zur Beleuchtung mit einem Lichtmuster, einer Auswerteeinheit, die die aus dem Lichtmuster abgeleitete Entfernungs- und Positionsinformation aufbereitet und die Information über Hindernisse auf einem Monitor darstellt.
2. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmuster im Videobild durch Auswertung der spezifischen Farbinformation der Beleuchtungsquelle vom restlichen Bildinhalt separiert wird.
3. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch zeitliche Modulation des Lichtmusters die Unterschiede aufeinanderfolgender Voll- oder Halbbilder dazu benutzt werden, um die Linien oder Punktmuster der Beleuchtung besser separieren zu können.
4. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Position der separierten Linien oder Punktstrukturen, die von der Beleuchtung auf dem Target der Videokamera abgebildet und vorverarbeitet wurden, im Bild bestimmt werden und die korrespondierenden Entfernungswerte in der Verarbeitungseinheit berechnet werden.
5. Gerät und Verfahren nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Information über Position und Lage des Fahrzeuges zur Bildkorrektur bei der Auswertung aufeinanderfolgender Bilder ausgenutzt wird.
6. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass aufgenommene Beleuchtungsmuster respektive korrespondierende Entfernungswerte im Videobild durch schwarz/weisse oder farbige Muster eingeblendet werden, wobei die Grauwerte oder Farbwerte den Entfernungen zum Objekt entsprechen.
7. Gerät und Verfahren nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass bereits vermessene und eingeblendete Strukturen vergangener Videobilder im aktuellen Bild nach Korrektur durch Positions- und Lagedaten verbleiben und mit den aktuellen Messdaten zu einer bildhaften Information über die 3-dimensionale Oberfläche der beleuchteten Szene zusammengefügt werden.
8. Verfahren und Gerät nach den vorangegangenen Ansprüchen, wobei eine eingeblendete Information über die mögliche Fahrtroute perspektivisch richtig unter Berücksichtigung von Hindernissen aufgrund der vorher gemessenen Entfernunginformationen eingeblendet wird.
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