DE4006989C2

DE4006989C2 - Nachführende Abstandsmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE4006989C2
Application number: DE4006989A
Authority: DE
Inventors: Yasuya Kajiwara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-03-07
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 2010-03-07
Also published as: US5023712A; KR900014861A; KR930004880B1; DE4006989A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine nachführende Abstandsmeßvorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Ab standes zu einem beweglichen Ziel, wie beispielsweise zu einem fahrenden Kraftfahrzeug.

Fig. 4 zeigt eine Entfernungsmeßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie in der DE 33 04 62 062 oder der JP-A-63-46363 offenbart ist. Bezugnehmend auf Fig. 4 weist diese Entfernungsmeßvor richtung ein rechtes und ein linkes optisches System mit Linsen 1 und 2 auf, die in einem Abstand L bezüglich der Länge der Basislinie zwischen den beiden optischen Achsen angeordnet sind. Ferner umfassen sie Bildsensoren 3 und 4, die in einem Abstand f entsprechend der Brennweite der Linsen 1 und 2 auf den optischen Achsen angeordnet sind. Das Abbild eines Zieles 5 in einem Abstand R von der die Linsen 1 und 2 umfassenden Ebene wird mittels der Linsen 1 und 2 auf den Bildsensoren 3 und 4 fokussiert. Dabei erzeugen die Bildsen soren Bildsignale. Analog-Digitalwandler 6 und 7 wandeln die analogen Bildsignale in proportionale digitale Bildsignale, und Speicher 8 und 9 speichern diese digitalen Bildsignale. Ein Mikroprozessor 10 verarbeitet die digitalen Bildsignale in den Speichern 8 und 9 zur Bestimmung der Entfernung zum Ziel 5.

Im Betrieb liest der Mikroprozessor 10 ein Bildelementsignal, das ein Bildelement in der oberen linken Ecke des Bildsensors 3 repräsentiert, aus dem Speicher 8, und liest ein Bild elementsignal, welches ein Bildelement in der oberen linken Ecke des Bildsensors 4 darstellt, aus dem Speicher 9, und errechnet anschließend den absoluten Wert der Differenz zwischen diesen beiden Bildelementsignalen. Anschließend liest der Mikroprozessor 10 Bildelementsignale von Bild elementen, die rechts an die Bildelemente in den linken oberen Ecken der Bildsensoren 3 und 4 angrenzen, errechnet den Absolutwert der Differenz zwischen den Bildelement signalen, und addiert anschließend den Absolutwert zu dem im vorherigen Rechendurchlauf erhaltenen Absolutwert. Dieser Vorgang wird nacheinander für alle Bildelemente der Bildsensoren 3 und 4 zur Erzielung eines ersten Wertes wiederholt. Anschließend liest der Mikroprozessor 10 das Bildelementsignal, welches das Bildsignal in der oberen linken Ecke des Bildsensors 3 repräsentiert, aus dem Speicher 8, liest ein Bildelementsignal, welches einem Bildelement rechts neben dem Bildelement in der linken oberen Ecke des Bildsensors 4 entspricht, und errechnet anschließend den Absolutwert der Differenz zwischen diesen Bildelementsigna len. Dieser Vorgang wird nacheinander für die Differenzen zwischen den Bildelementsignalen, die die vorherigen Bildelemente des Bildsensors 3 darstellen, und den Bildelementsignalen, die den Rest der Bildelemente des Bildsensors 4 darstellen, zum Erhalt eines zweiten Wertes wiederholt. Dieser stellt die aufaddierte Summe der Absolutwerte der Differenzen dar.

Die relative Abweichung der rechten und linken Abbildungen wird durch das Minimum der aufaddierten Summen repräsentiert. Die Entfernung vom Ziel 5 ist mittels der folgenden Formel bestimmbar:

R = f · L/n · p,

wobei R die Entfernung vom Ziel 5 darstellt, n die Anzahl der Bildelemente ist, die mit der relativen Abweichung korrespon diert. p ist der Abstand der Bildelemente, f ist die Brenn weite der Linsen 1 und 2, und L ist der Abstand zwischen den optischen Achsen der Linsen 1 und 2 und entspricht der Länge der Basislinie.

Diese herkömmliche Entfernungsmeßeinrichtung ist nur in der Lage, die Entfernung eines Zieles auf dessen optischer Achse zu messen. Entsprechend muß bei der Messung des Abstandes zu einem beweglichen Objekt die Entfernungsmeßeinrichtung ent sprechend der Bewegung des beweglichen Zieles gedreht werden, so daß die optische Achse mit dem Ziel fluchtet.

Aus der GB 22 02 104 A, die eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erfassung des Abstandes von einem vorgegebenen Markierungspunkt betrifft, ist es bekannt, in den beiden Abbildungen Fenster festzulegen. Dabei wird dann zum Ausgleich echter oder scheinbarer Bewegungen der Markierung vor der nächsten Abstandsermittlung das Fenster nachgeführt, wozu neue, gegenüber dem alten Fenster verschobene Fenster gleicher Größe gebildet und mit dem alten Fenster verglichen werden, so lange, bis ein neues Fenster gefunden ist, das mit dem alten Fenster übereinstimmt. Weder die Richtung noch die Geschwindigkeit der Bewegung wird dabei berücksichtigt.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine nachführende Abstandsmeßvorrichtung zu schaffen, die zur kontinuierlichen Messung des sich ändernden Abstandes zu einem beweglichen Ziel in der Lage ist, die die Richtung zum Ziel solange bestimmen kann, wie das Ziel innerhalb des Sichtfeldes verbleibt, nachdem das Ziel einmal im Sichtfeld gefangen wurde, und die gegenüber herkömmlichen Systemen weniger Rechenzeit erfordert, also schneller ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die nachführende Abstandsmeßvorrichtung gemäß der vorliegen den Erfindung verwendet zweidimensionale Bildsensoren zur Erfassung von Abbildungen, die mittels des ersten und zweiten optischen Systems fokussiert worden sind. Sie hat ferner eine Fensterfunktion zur Festlegung eines bestimmten Bildes, und von dem ersten und dem zweiten optischen System stammende Bildsignale werden auf der Grundlage eines bestimmten Bildsignals verglichen. Sie errechnet die Entfernung zum Ziel gemäß dem Triangulationsprinzip aus den Abweichungen der vom ersten und zweiten optischen System fokussierten Abbilder von den optischen Achsen, wenn sich die Bildsignale in größter Übereinstimmung miteinander befinden. Ferner werden die Bildsignale periodisch in vorbestimmten Intervallen abgetastet, die Bildsignale im Abtastzeitpunkt werden mit Bildsignalen im nächsten Abtastpunkt verglichen zur Bestimmung der Bewegungsrichtung und der Entfernung des Zieles, und die Basisdaten für den nächsten Entfernungs berechnungsdurchlauf werden auf den neuesten Stand gebracht. Auf diese Weise kann die Entfernung zum sich bewegenden Ziel und die Bewegungsrichtung des Zieles ohne eine Bewegung der nachführenden Abstandsmeßvorrichtung bestimmt werden. Daher kann bei Verwendung der Erfindung die Rechenzeit wesentlich reduziert werden, nachdem ein Bildsignalbereich je nach der Bewegungsgeschwindigkeit des Zieles festgelegt wird.

Die oben beschriebenen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nach folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer nachführenden Abstands meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A und 2B sind Darstellungen zur Unterstützung der Erklärung der Arbeitsweise des Bildvergleiches in Fenstern;

Fig. 3A, 3B und 3C sind Darstellungen zur Erläuterung der Vorgehensweise bei einem Vergleich zwischen einem ersten und einem zweiten Abbild durch das Festlegen eines neuen Fensters mittels des Vergleiches von einem zum Zeitpunkt t0 abgetasteten Bild mit einem zum Zeitpunkt t1 abgetasteten Bild, wobei t1 zeitlich nach t0 liegt, und

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Entfernungsmeßvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine nachführende Abstandsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher gleiche oder gleich wirkende Bauteile, verglichen mit der herkömmlichen Entfernungsmeßvorrichtung, die oben unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben worden ist, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Deren Beschreibung wird zur Vermeidung von Wiederholungen weggelassen.

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird eine Anzeige 11 zur Darstellung eines Bildes vom Mikroprozessor 10 gesteuert. Eine Fenster bildungseinheit 12 wird vom Bedienungspersonal zum Festlegen eines Fensters betätigt. Die Größe und Position des Fensters werden auf der Anzeige 11 bestätigt.

Die Wirkungsweise der nachführenden Abstandsmeßvorrichtung wird nachfolgend beschrieben. Angenommen ein Abbild entsprechend dem Ausgangssignal des Bildsensors 3 zu einem Abtastzeitpunkt t0 wird auf der Anzeige 11 dargestellt, wie in Fig. 2A gezeigt. In diesem Fall wird die Fensterbildungs einheit 12 zur Bestimmung eines Fensters 13 betätigt. Der Mikroprozessor 10 findet im Speicher 8 eine Speicherstelle mit einem Bezugsbildelementsignal zur Berechnung der Entfernung aus dem das Fenster 13 bildenden Signal. Der Mikroprozessor 10 wählt Bereiche in den Speichern 8 und 9 zum Vergleich aus, und berechnet die Gesamtsumme der einzelnen Absolutwerte der Differenzen zwischen den Bildelementsignalen durch die Verschiebung der Bildsignale des Bildes in Fig. 2B um ein Bildelement nach dem anderen, bezogen auf das Bezugsbildsignal des Bildes in Fig. 2A. Ein Bereich 14 des Bildes in Fig. 2B, der dem Fenster 13 in Fig. 2A entspricht, wird bei der Entfernungsberechnung verwendet.

Die oben beschriebenen Schritte werden mathematisch beschrie ben.

Angenommen, daß der Bereich des Fensters 13 mit der X-Achse und der Y-Achse (Spalte und Zeile) ein Gebiet festlegt, das, wie in Fig. 2A gezeigt, durch (p, q) und (p+i, q+j) abgegrenzt ist; in diesem Fall ist der korrespondierende Bereich im rechten Bild zur Durchführung des Vergleichs das Gebiet zwischen (p, 1) und (p+i, 1), wie in Fig. 2B gezeigt. Wenn die entsprechenden Größen der Bildelemente des rechten und des linken Bildes S_xy und S′_xy sind, so wird die Gesamtsumme der die Bildelementdifferenz darstellenden Signalabsolut werte durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

Die durch k vertretenen Werte auf der Y-Achse sind in der Gleichung zur Berechnung von S_n ersetzt, und in einem Zustand, bei dem der Wert von S_n ein Minimum aufweist, stimmen das rechte und das linke Abbild miteinander bestmöglich überein, wobei zwischen ihnen eine relative Abweichung von n Bildelementen vorliegt.

Ist einmal die Bildelementverschiebung n, die dem minimalen Wert der Gesamtsumme der Bildelementdifferenzen zwischen dem rechten und dem linken Bild entspricht, erhalten, so kann die Entfernung R vom Ziel 5 durch Ersetzen des Bildelementab standes p über die folgende Formel berechnet werden:

R = f · L/n · p,

wobei die Bezugslänge L der Entfernung zwischen den optischen Achsen der Linsen 1 und 2 entspricht, und f die Brennweite der Linsen 1 und 2 darstellt.

Das Berechnungsverfahren gemäß der Erfindung ist derart ausgebildet, daß der Bereich 16 entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Zieles 5 bestimmt wird, und ein zum Abtastzeitpunkt t1 abgetastetes Bild wird - nachfolgend beschrieben - Bildelement für Bildelement verschoben.

Ein Suchgebiet zum Zeitpunkt t1 ist ein Gebiet von der Spalte p-r und der Reihe q-t zur Spalte p+i+r und zur Reihe q+j+t, das sich aus der Ausdehnung des Bereiches zum Zeitpunkt t0 um r und t ergibt, und entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Zieles 5 bestimmt worden ist. In diesem Gebiet wird die Berechnung durchgeführt unter Verwendung von:

Ein Bild in dem Zustand, bei dem S_{u, v} ein Minimum aufweist, weist die größte Übereinstimmung auf mit dem Bild im Fenster, so daß zum Zeitpunkt t1 ein Fenster in dem Bereich von einer Spalte u und einer Reihe v, wo S_{u, v} ein Minimum hat, bis zu einer Spalte u+i und einer Reihe v+j, bestimmt wird.

Bei der Berechnung der Entfernung zum Zeitpunkt t1 wird das Suchgebiet, das durch die Bezugsziffer 17 in Fig. 3C darge stellt ist, je nach der Bewegungsgeschwindigkeit des Zieles 5, um +e seitlich ausgedehnt. Denn die Entfernung zum Zeit punkt t1 ist bekannt, genau wie die Anzahl der der Differenz entsprechenden verschobenen Bildelemente. Die Entfernung wird berechnet mittels

Nachdem, wie oben dargestellt, das Intervall zwischen den Abtastpunkten t0 und t1 nur sehr kurz ist, und daher die Ent fernung zum Ziel 5 sich nur wenig ändert, kann gemäß der Erfindung das Gebiet des Bildsignals für den Vergleich auf ein Gebiet 17 begrenzt werden, wie in Fig. 3C gezeigt. Daher läßt sich die Rechenzeit zur Bestimmung des Abstandes zum Ziel 5 verringern und das Abbild des Zieles 5 wird in kurzen Intervallen abgetastet. Hierdurch ist die nachführende Entfernungsmeßvorrichtung in der Lage, die Entfernung zum sich bewegenden Ziel 5 zu messen und die Richtung und die Entfernung des sich bewegenden Zieles 5 durch Verfolgung des sich bewegenden Zieles 5 zu bestimmen.

Die Linsen 1 und 2 können horizontal, vertikal oder schräg ausgerichtet sein; die Erstreckungsrichtung der Basislinie wird entsprechend der Ausrichtung der Linsen 1 und 2 ver ändert. Auch kann ein einzelner Bildsensor mit zwei separaten Sensorbereichen kann anstelle von zwei Bildsensoren 3 und 4 verwendet werden.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist die nachführende Entfernungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, ein Fenster in einem Abbild zu bestimmen, ein Bild signal in vorherbestimmten Intervallen abzutasten, und ein in einem zum Abtastzeitpunkt bestimmten Fenster befindliches Bild und ein zum nächsten Abtastzeitpunkt gebildetes Bild miteinander zu vergleichen, zur Bestimmung der Richtung der Bewegung und der Entfernung eines beweglichen Zieles, und um ein neues Fenster zu bestimmen. Dieses Verfahren wird periodisch wiederholt zur Verfolgung des sich bewegenden Zieles und zur kontinuierlichen Messung der Entfernung zum sich bewegenden Ziel, wobei dies effektiver in einer kürzeren Zeit durchgeführt werden kann als bei herkömmlichen Abstandsmeßvorrichtungen.

Somit ist die verfolgende Entfernungsmeßvorrichtung in der Lage, die Entfernung zu einem sich bewegenden Ziel zu messen und die Richtung der Bewegung des sich bewegenden Zieles zu bestimmen. Die Vorrichtung ist somit vielseitig einsetzbar, z.B. zur Messung der Entfernung zu einem vorausfahrenden Kraftfahrzeug.

Claims

Abstandsmeßvorrichtung zur Messung des Abstandes zu einem beweglichen Ziel nach dem Triangulationsverfahren, mit
- - ersten und zweiten optischen Systemen (1, 2), die bezüglich ihrer optischen Achsen in einem Abstand (L) nebeneinander angeordnet sind;
- - ersten und zweiten Bildsensoren (3, 4), auf die jeweils die Abbildung des zugehörigen optischen Systems fokussiert ist; und
- - einer elektronischen Signalverarbeitung (6, 7, 8, 9, 10) zur Ermittlung des Abstandes zum Ziel (5) aus der Abweichung zwischen den durch die ersten und zweiten Bildsensoren (3, 4) erfaßten ersten und zweiten Abbildungen durch Vergleich der von den Bildsensoren (3, 4) stammenden Bildsignale;
  dadurch gekennzeichnet, daß
- - eine Einrichtung (11, 12) zur Festlegung eines Fensters (13) in einem bestimmten Bereich einer der beiden Abbildungen vorgesehen ist, wobei der Abstand zum Ziel (5) durch Vergleich des Bildsignales in dem Fenster (13) der einen Abbildung mit dem Bildsignal in einem das Fenster (13) enthaltenden Bereich (14, 17) der anderen Abbildung ermittelt wird; und daß
- - durch periodische Abtastung der Bildsignale in vorbestimmten Zeitintervallen und durch Vergleich des Bildsignales in dem einen Fenster (13) zu einem ersten Abtastzeitpunkt (t0) und des Bildsignales in einem neuen Fenster (15) zu einem zweiten Abtastzeitpunkt (t1) die Bewegungsrichtung des Zieles (5) bestimmt wird, wobei das neue Fenster (15) innerhalb eines Suchgebiets (16) gebildet wird, das sich durch Ausdehnung des Fensters (13) zu dem ersten Abtastzeitpunkt (t0) entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Zieles (5) ergibt.