DE10303015A1 - System aus laserscanner und katadioptrischer Kamera - Google Patents

Abstract

Zur Erhöhung der Verkehrssicherheit, insbesondere zur Erkennung von Personen und Objekten im Verkehrsumfeld, verfügen moderne Kraftfahrzeuge zunehmend über Sensorsysteme zur Umgebungsüberwachung. In besonderer Weise eignet sich hierzu ein System, bestehend aus einer Kamera und einem Laserscanner, welche so angeordnet sind, dass sich der Erfassungsbereich der Kamera und des Laserscanners zumindest in Teilen überlappen. Die Kamera ist hierbei mit einer Spiegelkonfiguration versehen, welche die Umgebung in Form eines Panoramabildes abbildet. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird erreicht, dass alle Punkte der Umgebung zur gleichen Zeit in den Kameradaten abgebildet werden, so dass eine ausreichend lange Belichtungszeit garantiert werden kann. Auch wird durch eine solche Kameraanordnung vermieden, dass sich schnell bewegende Objekte, welche im Allgemeinen von besonderem Interesse sind, nur unscharf oder verzerrt aufgezeichnet werden können. Insbesondere kann ohne negativen Einfluss auf die für die Szene notwendige Belichtungsdauer die Bildwiederholrate der Kamera hoch genug gewählt werden, um ein Tracking von bewegten Objekten in den Bilddaten zu ermöglichen. DOLLAR A Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für Fahrzeuganwendungen innerhalb eines dynamischen Verkehrsszenarios. So beispielsweise zur Früherkennung und Vermeidung von möglichen Zusammenstößen mit anderen Verkehrsteilnehmern oder Verkehrsinfrastruktur.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umgebungserfassung für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Zur Erhöhung der Verkehrssicherheit, insbesondere zur Erkennung von Personen und Objekten im Verkehrsumfeld, verfügen moderne Kraftfahrzeuge zunehmend über Sensorsysteme zur Umgebungsüberwachung. In der Regel bestehen die Systeme aus Kameras welche in der Front oder der Rückseite eines Kraftfahrzeugs integriert sind, wobei die Systeme die den Kameras eingesehen Bereiche einem Kraftfahrzeuglenker über ein Videodisplay darstellen.
• Ein derartiges System, welches in der Lage ist Bildinformation rund um das Fahrzeug darzustellen ist aus der EP 1 158 473 A2 bekannt. Hierbei wird die Bildinformation der Umgebung mittels eine katadioptrischen Kamera erfasst, welche vorzugsweise auf dem Dach des Fahrzeugs oder aber mit eingeschränkten Blickwinkel an einer der äußeren Stellen der Stoßfänger montiert wird. Dieses System verfügt zwar über einen großen Blickwinkel liefert aber keine Entfernungsinformation in Bezug auf die in den Bilddaten abgebildeten Objekte.
• Um über einen ausgedehnten Bereich Entfernungsbezogene Information zu erhalten, beschreibt die DE 195 30 281 einen Laserscanner, welcher um einen Winkel von 360° rotiert. Hierbei kann dessen Erfassungsbereich über ein dem Sensor vorgeschaltetes Spiegelsystem in einem großen Winkelbereich an den gewünschten Erfassungsbereich angepasst werden. Ein weiterer Laserscanner zur Erfassung großer Umgebungsbereiche seitlich eines Kraftfahrzeugs ist aus der DE 101 14 932 A1 bekannt. Hierbei tritt der Lichtschleier eines Laserscanners seitlich aus dem Fahrzeug aus, wobei die Erfassung entlang des Fahrweges durch die Eigenbewegung des Kraftfahrzeuges erfolgt. Nachteilig wirkt sich bei diesen System aus, dass die Qualität des durch den Laserscanner erzeugten Datenmaterials, insbesondere auf Grund seiner Auflösung, für eine komplexe Klassifikation von Personen oder Objekten nicht ausreichend ist.
• Eine Kombination der Bilder einer Videokamera mit den entfernungsaufgelösten Daten eines Laserscanners wird in der Schrift US 6 134 497 A1 beschrieben. Hierbei stehen eine Kamera und ein Laserscanner über eine Datenverarbeitungseinheit in Verbindung, so dass den einzelnen oder Gruppen von Pixeln des Videobildes Entfernungswerte aus den Scannerdaten zugeordnet werden können. Die DE 42 22 642 A1 zeigt eine nach diesem Prinzip arbeitende Vorrichtung, bei welcher durch eine gemeinsame Optik eine Videokamera und eine Impulslaufzeitmesseinrichtung den selben Bereich erfassen, und so den Videodaten Entfernungsinformation zuordnen können. Beide System sind jedoch auf einen relativ schmalen Sichtwinkel, welcher bei üblichen Kamerasystem typischer Weise bei 15° liegt, eingeschränkt.
• Das Prinzip eines Panoramavideosystems, welches den Videodaten entfernungsaufgelöste Daten eines Laserscanners zuordnet wird in DE 197 57 840 C1 aufgezeigt. Hierin ist eine Zeilenkamera auf eine Achse schwenkbar angeordnet. Mit der Kamera steht ein Laserscanner in direkter Verbindung, so dass dieser synchron mit der Kamera, parallel zu deren Blickebene, mitge schwenkt wird. Nachteilig ist mechanische Konstruktion der rotierenden Sensoranordnung, welche nicht die für einen Einsatz im Straßenverkehr notwendig Robustheit aufweist. Desweiteren ist die mögliche Bildwiederholfrequenz des Videosignals stark von der mechanischen Leistungsfähigkeit der Schwenkeinrichtung abhängig. Zum anderen entsteht bei zu hoher Schwenkgeschwindigkeit das Problem dass die an den einzelnen Positionen zur Verfügung stehende Belichtungszeit nicht ausreichend ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es ein entfernungsauflösendes Videosystem zu schaffen, welches die für einen Einsatz im Straßenverkehr notwendige Robustheit aufweist, und welches Bildmaterial in einer zur Beobachtung dynamischer Szenarios notwendigen Rate bei ausreichender Beleuchtungsstärke anliefert.
• Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Umgebungserfassung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umgebungserfassung für ein Kraftfahrzeug besteht aus einer Kamera und einem Laserscanner, welche so angeordnet sind, dass sich der Erfassungsbereich der Kamera und des Laserscanners zumindest in Teilen überlappen. Des weiteren stehen die Kamera und der Laserscanner über eine Datenverarbeitungseinheit miteinander in Verbindung. Die Datenverarbeitungseinheit ist hierbei so ausgestaltet, dass sie die Videobildinformation der Kamera mit Entfernungsinformation des Laserscanners überlagert. In erfinderischer Weise ist nun die Kamera mit einem Spiegelkonfiguration versehen, welche die Umgebung in Form eines Panoramabildes abbildet. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird erreicht, dass alle Punkte der Umgebung zur gleichen Zeit in den Kameradaten abgebildet werden, so dass eine ausreichend lange Belichtungszeit garantiert werden kann. Auch wird durch eine solche Kameraanordnung vermieden, dass sich schnell bewegende Objekte, welche im allgemeinen von besonderen Interesse sind, nur unscharf oder verzerrt aufgezeichnet werden können. Insbesondere kann ohne negativen Einfluss auf die für die Szene notwendige Belichtungsdauer die Bildwiederholrate der Kamera hoch genug gewählt werden, um ein Tracking von bewegen Objekten in den Bilddaten zu ermöglichen.
• Nachfolgend wir die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe von Figuren im Detail beschrieben.
• 1 zeigt den Prinzipaufbau eines rotierenden Laserscanners
• 2 zeigt schematisch eine geeignete Ablenkoptik um den Erfassungsbereich des Laserscanners aufzuweiten.
• In besonders vorteilhafter Weise handelt es sich bei der mit eine Spiegelkonfiguration versehenen Kamera um eine katadioptrisches Kamerasystem. Bei einem solchen Kamerasystem ist der Spiegel rotationssymmetrisch ausgeformt, so dass sich die Umgebung in den Kamerabilddaten als Panoramabild abbildet. Die den Bilddaten zuzuordnenden Entfernungsdaten werden durch einen Laserscanner erzeugt, welcher gewinnbringend so gestaltet ist, dass sich dessen Messoptik 11 kontinuierlich um eine im wesentlichen senkrecht zur Erfassungsrichtung stehende Achse 10 dreht (1). Der Pfad auf dem sich der Messstrahls 13 bei der Drehung der Messoptik 11 bewegt ist durch einen Pfeil 14 symbolhaft angedeutet. Der eigentliche Laser und das Empfangsarray des Laserscanners sind in einem festarretierten Gehäuse 12 untergebracht, auf welchem die Messoptik 11 drehbar verbunden gelagert ist.
• In besonders vorteilhafter Weise verfügt der Laserscanner über wenigstens ein optisches Element 20, welches es erlaubt senkrecht zu seiner Schwenkrichtung mittels mehrerer von einem Laser 21 ausgehender synchron ausgesandter Laserstrahlen 22 gleichzeitig mehrere Messpunkte zu vermessen. Die von dem vermessenen Objekt reflektierte Strahlung wird parallel von einem Array von Empfängern 23 empfangen und anschließend einer Auswertung durch eine Datenverarbeitungseinheit zugeführt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass jedes Objekt durch zumeist mehrere Messpunkte in seiner vertikalen Ausdehnung vermessen wird. So wird auch vermieden, dass durch eine zufällige ungünstige Gestaltung oder Position des Objektes eine Vermessung unterbleibt. Beispielsweise könnte ein Messstrahl bei auftreffen auf einen Spiegel abgelenkt werden, oder könnte angestrahlte Bereich an dem Objekt auf den Laserstrahl absorbierend wirken.
• Es bietet sich an, insbesondere um einen kompakten Systemaufbau zu ermöglichen, die Kamera und den Laserscanner in einem gemeinsamen Gehäuse zu integrieren. Anderseits mag es sich aber auch anbieten konventionelle Kamera- und Scannersysteme zu verwenden und aus diesem Grunde die beiden Sensormodule getrennt voneinander am Fahrzeug anzuordnen. Dies insbesondere auch dann, wenn aus gestalterischen Gesichtspunkten nicht an einer einzigen Stelle des Fahrzeugs, sowohl die Optik der Kamera als auch die Optik des Laserscanners sichtbar erscheinen sollte.
• In besonders vorteilhafter Weise steht die Vorrichtung zur Umgebungserfassung mit einem Mittel zur Klassifikation von Verkehrsteilnehmern oder Verkehrsinfrastruktur in Verbindung, welche es ermöglicht die mit Entfernungsinformation versehene Bildinformation auf relevante Objekte hin zu untersuchen.
• Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für Fahrzeuganwendungen innerhalb eines dynamischen Verkehrsszenarios. So beispielsweise zur Früherkennung und Vermeidung von möglichen Zusammenstößen mit anderen Verkehrsteilnehmern oder Verkehrsinfrastruktur, oder aber auch zur Parkraumdetektion oder zur Erkennung und Überwachung von Kreuzungsbereichen. Die Sensoranordnung kann aufgrund ihrer Kombination der beiden optischen Messtechniken besonders gut für Klassifikationsaufgaben und somit beispielsweise zur Fußgängererkennung eingesetzt werden, welcher insbesondere in Kreuzungsbereichen eine hohe Bedeutung zukommt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Umgebungserfassung für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Kamera und einem Laserscanner, welche so angeordnet sind, dass sich der Erfassungsbereich der Kamera und des Laserscanners zumindest in Teilen überlappt, sowie einer Datenverarbeitungseinheit, welche mit der Kamera und dem Laserscanner in Verbindung steht, und welche so ausgestaltet ist, dass sie die Videobildinformation der Kamera mit Entfernungsinformation des Laserscanners überlagert, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera mit einem Spiegelkonfiguration versehen ist, welche die Umgebung in Form eines Panoramabildes abbildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera eine katadioptrisches Kamerasystem ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner über wenigstens ein optisches Element verfügt, welches es erlaubt senkrecht zu seiner Schwenkrichtung gleichzeitig mehrere Messpunkte zu vermessen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera und der Laserscanner in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera und der Laserscanner getrennt voneinander an unterschiedlichen Orten am Kraftfahrzeug angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Mittel zur Klassifikation von Verkehrsteilnehmern oder Verkehrsinfrastruktur umfasst.
7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Früherkennung und Vermeidung von möglichen Zusammenstößen (Pre-Crash).
8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Parkraumdetektion oder zur Erkennung und Überwachung von Kreuzungsbereichen.
9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Fußgängererkennung.