CN201380816Y

CN201380816Y - 自动导航汽车和车辆避障告警系统及其相应的电路

Info

Publication number: CN201380816Y
Application number: CN 200820206304
Authority: CN
Inventors: 李植滔
Original assignee: Steelmate Co Ltd
Current assignee: Rail Car Electronic Ltd By Share Ltd
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2018-12-29

Abstract

本实用新型公开一种车辆避障告警系统，该系统包括摄像单元，置于车体前部，从同一水平线上两个不同视角摄录车体前方路况影像；合成模块，对该两个不同视角的影像进行合成；测距模块，利用合成前后影像求取车体与障碍物之间的距离；运算模块，利用该距离求取碰撞时差，当该碰撞时差等于或大于某一预设值时，产生一具有标识意义的信号；告警单元，受该具有标识意义的信号作用而告警。此外，本实用新型还公开了该系统相应的电路，及该系统在自动导航汽车上的应用。本实用新型通过整合不同领域的多项先进技术，使汽车具有更高的安全性，提高汽车的智能化程度，而且基于低成本、高性能及可移植性强等优点，便于大面积推广应用。

Description

自动导航汽车和车辆避障告警系统及其相应的电路

技术领域

本实用新型涉及对车辆障碍物进行测距及告警的技术，尤其涉及一种自动导航汽车和车辆避障告警系统及其相应的电路。

背景技术

目前，车辆的测距技术主要应用在倒车雷达产品上。泊车雷达作为车辆的泊车辅助装置，一般被装配在车辆的尾部，通过内置的超声波装置向车辆运动方向发射信号，该信号遇障时反射，该装置便可据该信号从发射和反射的时间差计算当前车辆至障碍物的实际距离，并以某种形式告知驾驶员，当该距离太近容易发生碰撞事故时，则启动相应的告警程序，从而可以以不同的告警信息辅助驾驶员控制好车辆的停放、倒车等操作。

传统的汽车设计中，对泊车技术的关注较为密集，而对车辆在行进过程中前向避障的关注却是前所未有。

而在人工智能领域，双目立体摄像技术迅速发展，由双目立体摄像系统摄取前方物体后，基于视差原理进行几何分析，可以实现对空间各点进行三维定位，从而获得包括与前方物体距离在内的一系列参数。关于双目立体摄像技术已日趋成熟，多见于各种已公开的专利文件，如：

1、公开号为CN1605827A的专利申请，公开日为2005年4月13日，其公开一种双目立体结构多功能视觉传感器；

2、公开号为CN101093160A的专利申请，公开日为2007年12月26日，公开一种基于双目立体视觉技术的空间圆几何参数的测量方法，该发明可以一次性地精确测量出空间圆的所有几何参数，并可以实现全自动检测等；

3、公开号为CN101261115A的专利申请，公开日为2008年9月10日，公开一种空间圆几何参数的双目立体视觉测量方法，通过该方法可以获得空间圆几何参数；

4、公开号为CN101231750A的专利申请，公开日为2008年7月30日，公开一种双目立体测量系统的标定方法。

类似的专利申请还有很多，无法穷举，但通过综合上述文件基本可以获知双目立体系统的基本构成应当至少包括第一图像传感器、第二图像传感器以及控制运算模块，两个图像传感器分别直接或间接与该控制运算模块电性连接，以将各自所获取的图像信息传输给该控制运算模块以进一步计算出相应的参数。

尽管双目立体摄像技术已经非常完善，但其在车辆上的应用却未曾被发现，实际上，以传统倒车雷达及类似的以无线信号为基础进行避障告警的方法已经构成汽车领域内普通从业技术人员的惯性思维，而对于车前方避障的技术研究则极度有限，本申请人多年来一直致力于汽车相关产品的研究，特别注重从现有技术中寻找突破口，以便形成更适合时代要求的技术方案。

通过长期的研究，申请人萌发了为进一步提高车辆行进过程中安全性的思维。

发明内容

本实用新型的首要目的在于提供一种车辆避障告警系统，以提高车辆在行进过程中的安全性。

本实用新型的另一目的在于提供一种应用了该系统的自动导航汽车。

本实用新型的再一目的在于提供一种与前述目的相应的车辆避障告警电路。

为实现该目的，本实用新型采取如下技术方案：

本实用新型一种车辆避障告警系统，用于监测车身前方的障碍物以进行避障处理，包括：

摄像单元，置于车体前部，从同一水平线上两个不同视角摄录车体前方路况影像；

合成模块，对该两个不同视角的影像进行合成；

测距模块，利用合成前后影像求取车体与障碍物之间的距离；

运算模块，利用该距离求取碰撞时差，当该碰撞时差等于或大于某一预设值时，产生一具有标识意义的信号；

告警单元，受该具有标识意义的信号作用而告警。

该系统还包括测速单元，用于检测当前车速，以供运算模块中与距离一起参与关于碰撞时差的运算。

所述摄像单元包括两个摄像装置，分别装设在车身前部的同一水平线的两侧上。

所述两个摄像装置装设在汽车仪表台、挡风玻璃、观后镜或车身最前端位置处。

该系统还包括显示单元，用于显示距离、车速、碰撞时差中至少之一。

该系统还包括显示单元，用于显示合成后影像。

本实用新型一种自动导航汽车，包括：

前述的车辆避障告警系统；

自动导航系统，为汽车自动导航；

所述告警系统在汽车遇障时发送信号给该自动导航系统，以引导自动导航系统调整汽车正在运行的动作。

本实用新型一种车辆避障告警电路，用于监测车身前方的障碍物以进行避障处理，包括：

控制芯片，用于控制整个电路的协作；

测速单元，与控制芯片电性连接，用于检测当前车速；

摄像单元，置于车体前部，从同一水平线上两个不同视角摄录车体前方路况影像，并将两个不同来源的影像传输至控制芯片和运算模块；

所述运算芯片，受控制芯片作用，对两个影像进行合成，并依据合成前后影像计算车身与前方障碍物的距离，利用该距离与所述车速的比求取碰撞时差，以及在该碰撞时差小于或等于某一预定数值输出一具有标识意义的信号；

存储单元，用于存储所述运算芯片中使用的程序和所述预设值，由所述控制芯片调度；

告警单元，所述控制芯片检测到所述运算芯片输出的具有标识意义的信号时，进一步提供信号给本告警单元进行报警。

所述告警单元包括一与所述控制芯片相连接的音频放大电路，及一与该音频放大电路相连接的报警器。

所述摄像单元包括摄像头和视频采集编码单元。

首先，利用双目立体摄像原理为行驶中的车辆提供了避障系统，提高行车过程中的安全性，特别是在驾驶人员精神麻痹的情况下，起到自动提醒的作用；

其次，基于视差原理所获得的车身前方路况影像尽管和实际情况有些误差，但是，可以智能化地实现路况的自动化监测，为无人驾驶或者具有自动导航功能的汽车提供了全自动控制的基础，尤其对于自动导航汽车而言，汽车可根据实测数据自行进行避障驾驶；

再者，在电路结构上，本实用新型的实现较为简单，便于批量组装生产，而且制造成本相对较低，有利于在现有汽车系统上的快速普及，能带来巨大的社会效益；

最后，由于本实用新型完全实现模块化设计，符合现代汽车通过总线网络互联的设计理念，因而，既可以应用于车间中，也可简便地加装在正在使用的汽车上，便于安装维护，易被消费者接受。

附图说明

图1为本实用新型所应用的原理示意图；

图2为本实用新型告警系统的原理框图；

图3为本实用新型告警系统的一个具体实现的电路原理框图；

图4为本实用新型告警系统在汽车正前方视图上的安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细的说明：

尽管在背景技术部分已经援引了诸多关于双目立体摄像技术的在先申请对本实用新型的发明基础的公知性进行了说明，申请人认为应足够构成对双目立体摄像技术的足够公开，但考虑到便于读者理解本实用新型的需要，依然结合图1对相关的双目立体摄像原理进行说明。

图1示出了同一方向的两个相邻车道，假设汽车(图中未示出)行驶在位于右侧的第一车道上，并遭遇位于其前方不远处的障碍物。此时，若从L和R两点同时摄录前方路况，并对摄录后的图像进行合成，便可利用视差原理对合成前后图像进行计算。

图中点L和点R的连线LR作为三角形的一条底边，远方障碍物的某点T的距离便是本实用新型中需要获知的车身与障碍物之间的距离，对于点T来说，点L和点R与点T构成三角形并对点T进行聚焦，结合双目立体摄像头参数，可以建立三角测量方程求解点T的深度，而所述距离TB即为自点T至基线LB之间的最短距离，也可理解为景深。其中，具体的计算方式可参照各种双目立体摄像技术相关的文件，如背景技术部分所述。或者，利用数学常识的勾股定理、或者三角函数等，本领域内普通技术人员在阅读完本说明书后也自然可以通过推理知晓TB的计算方法。在本实用新型的发明人的设计中，TB一旦得知，便可进一步令汽车或驾驶员视情况选择是否从第一车道切线变换至第二车道，详细的描述将在以下体现。

既然已经介绍了本实用新型的发明基础相关的知识，请读者继续参阅图2。图2是在上述原理的基础上发展出来的本实用新型的车辆避障告警系统原理框图，在该图中，该告警系统包括两摄像装置11、12、合成模块81、测距模块82、运算模块83、测速单元5、告警单元2以及显示单元6。

其中的两个摄像装置11和12，存在相同的结构，可参阅图3，每个摄像装置11，12均应包括起录像作用的摄像头110，120和视频采集编码单元115，125，两个摄像头110，120在汽车上的安装位置可参阅图4所示，图4示出多个安装位置对，从D1到D5共五对，均集中在汽车的前半身上，既可设置在驾驶室内，也可设置驾驶室外，以不遮挡摄像头对准汽车前方的视线为准。如其中D1对位于汽车最前端的底部两侧，D2对位于汽车前端两侧灯位处，D3对位于汽车两侧的观后镜背面，D4对位于挡风玻璃顶部两侧，D5对则位于挡风玻璃外侧的车身上。D4对也可视为装设在挡风玻璃之内，也即驾驶室内，D5对则也可以视为装设在仪表台与挡风玻璃之间。可见，关于摄像头110，120在汽车前半身上的位置设置是非常灵活的，只要其满足双目摄像技术的相应要求，两个摄像头110，120最好处于同一水平线，而且最好是基于汽车的纵中面对称设置，便更能较好地发挥其应有的效果。

所述的合成模块81，负责将两个摄像装置11，12的视频采集编码单元115，125的视频数据进行合成，合成后的视频数据在经过一系列的校正、调整操作后，最终可以输出至显示单元6进行显示。

所述的测距模块82，用于计算车身与当前路况中出现的障碍物的实际距离s。其属于双目立体摄像技术的直接应用，利用合成模块81中的视频数据，基于视差原理，通过一系列的几何和数学运算，可以计算出障碍物到车身之间的实际距离。申请人强调，任何可以用编程的方式计算得到目标点到两摄像点连线之间垂直距离的双目摄像技术，均应视为本实用新型所指的测距模块82所能采用的技术范围，至于更具体的计算技术已在本申请前述所引用的各份在先申请中，以及在其它未引用的多种专利文献和技术文献中体现，因而不再赘述。

所述的测速单元5，用于获取当前车速v，检测当前行车速度的电路已经是相当成熟的技术。由于目前汽车中广泛应用CAN(Control Area Network，控制局域网络)和LIN(Local Interconnect Network，本地互联网络)等总线网络技术，以提供给汽车的仪器和设备进行数据和信号的互联，因而，该测速单元5实时对当前车速进行检测，并可通过总线网络提供给车上其它仪器或设备使用。

所述的运算模块83，是利用双目摄像技术实现本实用新型的告警功能的关键所在。所述测距模块82的距离数值和测速单元5的速度数值均被读取到该运算模块83中参与运算。运算模块83的功能在于求取一个碰撞时差t_a，并将该时差与一预设值进行比较，最终视情况进行告警。

对于一般的情况，该碰撞时差t_a是依据所述测距模块82测得的距离s₀与所述测速单元5测得的车速v₀的比值求得的，也即：

t_a＝s₀/v₀ 公式1

也即，该碰撞时差t_a意味着，按照当前的车速，在经过时间t_a之后，汽车将会与前方的障碍物碰撞。

该预设值t_r设置为供驾驶人员获知险情后可反应的时间t_r，因而，该预设的供反应时间既不宜太长也不宜太短，太长容易造成无效告警，太短则起不到告警的作用，一般在≤3～5秒时开始启动告警。

运算模块83进一步比较t_a是否小于或等于t_r，如果比较结果为真值，则立刻发送信号给告警单元2，否则，不必影响驾驶员的正常驾驶。

但上述的这种计算方式一般只适用于前方障碍物静止的情况，对于运动中的障碍物如相向行驶的汽车或前后速度不一致的汽车而言，上述计算方式并不能精确地反映两车的碰撞时差t_a，因此，需要进一步提高运算模块83的智能化程度，提高运算模块83智能化程度的方法主要在于处理追及问题，以下将进一步阐述相应的处理方法。

由于本车与障碍物(如车辆)均处于运动状态，而障碍物的速度无法直接获得，因而，需要为运算模块83的程序预设一个瞬时间隔t_p用于测量两车的相对运动速度，如：

设t_p＝1s；

在时刻t₀时，测得两车相对距离为s₀；

当到达时刻t₁＝t₀+t_p之后，测得两车相对距离为s₁；

求两车在t₁时刻的相对运动速度：v₁＝(s₁-s₀)/t_p；注意到当v₁的值为负数时，表示两车的相对距离在缩小，反之当为正数时，则表示两车的相对距离在继续拉大；

基于该相对运动速度进一步求取碰撞时差t_a：

t_a＝s₁/v₁

从这个公式可以看出当要求告警的时间既定时，如果两车的相对运动速度越大，则两车实际距离就越大，否则就越小。如，当两车以相对高速相向行驶时，告警单元2在两车相距较远时便开始告警，如当两车以相对低速相向行驶时，则告警单元2在两车相距相对较近时才开始告警。

整理上述公式可得任意时刻时即将发生碰撞的时差t_a：

t_a＝s₁ t_p/(s₁-s₀) 公式2

根据公式2可知，实际上碰撞时差t_a可以不依赖于本车的测速单元5而计算获得，因此，在本实用新型的一个实施中，不使用所述测速单元5，而是直接应用公式2计算碰撞时差t_a也是允许的。

碰撞时差t_a可能呈现正值，其与所述容许驾驶员响应的时间t_r进行比较时，须先取其绝对值方为准确。但这种情况反映的是两车的距离在拉大，险情在缓解，说明驾驶人员可能意识到此一危险，因而可以作为一个可选项，设置在这种情况下运算模块83将不产生用于告警的信号，或者虽然产生信号但以一种较为柔和的信号形式出现，而无论碰撞时差t_a是否小于或等于预设值t_r，这样的设计将有利于减少驾驶员对频繁告警的厌倦情绪。

而当碰撞时差t_a呈现负值时，而且碰撞时差t_a已经确定小于或等于预设值t_r时，则此时便构成了触发告警的最低条件，运算模块83应产生信号直接或间接提供给所述告警单元2进行告警，告警形式可特别设计，如采用较为紧急的声响等。

尽管在本实用新型的一个实施例中所述测速单元5是非必须的，但该测速单元5测得的车速与所述碰撞时差和相对距离一起提供参考数据给驾驶者时，则至少能为驾驶者提供某种程度的便利，至少能获得对险情的感性认识，且，为了克服上述计算过程产生的误差，有时也需要该测速单元5获得参考数据，如同时提供利用公式1计算出的碰撞时差t_a与利用公式2计算出的碰撞时差t_a等。

从上述的说明可以看出，关于合成模块81、测距模块82以及运算模块83，并非严格的在物理上的独立关系，而是属于三个实现各自应有功能的功能模块，其可通过同一块芯片实现，也可通过多个不同的芯片配合实现，甚至还可通过其它起控制功能的芯片参与其中，以便完成该三个模块之间的配合关系等等，申请人料想本领域内普通技术人员均已知晓此一变通，故不赘述。

所述告警单元2，其接收一个由该运算模块83产生的具有标识意义的信号，一般情况下，如在公式1的逻辑作用下，或者在应用公式2时时间段t_p内的相对距离逐渐拉近的情况下，该信号是在运算模块83中当出现需要碰撞时差t_a小于或等于表征驾驶员反应速度的预设值t_r时产生的第一种信号；对于公式2的逻辑而言，虽然碰撞时差t_a小于或等于该预设值t_r，但是由于测得时间段内的相对距离渐次拉远时，则可以提供一个可选项由用户自行设置是否需要产生该第一信号，或者，虽然也默认产生该信号，但告警效果不同于前者，通过产生第二种信号实现。以图3的实施电路图为例，该告警单元2包括音频放大电路21和扬声器22，运算模块83产生第一信号后，音频放大电路21接收该信号，继而推动扬声器22发出急促的“嘟嘟嘟-嘟嘟嘟-”警报；运算模块83产生第二信号后，音频放大电路21接收该信号，继而推动扬声器22发出“嘟-嘟-嘟-”的相对和缓的声音以示区别。

所述显示单元6，可以用于显示两个摄像装置11和12之一的影像，或者用于显示合成后的影像，或者以图标形式显示，以供驾驶者参考。更重要的，显示单元6还用于显示由运算模块83计算而得的所述本车与障碍物之间的距离、显示所述碰撞时差t_a，以及由测速单元5获得的速度等，这三个参数可以分别根据实际设置而决定显示与否。

请继续参阅图3，在图3的电路图中，所述显示单元6包括相连接的视频采集译码单元61和显示器62；图3的存储单元9由EEPROM、SDRAM及FLASH等存储器构成，用于存储参与运算的程序和参数等数据，此外，还可以用于存储行车过程中的上述合成后的影像，或者任意摄像装置之一摄录而得的影像以及所述碰撞时差、距离、速度等，起到类似于黑匣子的功能；所述合成模块81、测距模块82和运算模块83则集成在运算芯片8中。由图3可以看出，摄像装置11，12的视频采集编码单元115，125、测速单元5、存储单元9、视频采集译码单元61、音频放大电路21以及运算芯片8等均受控于控制芯片7，在控制芯片7的作用下驱动整个电路工作。而摄像装置11，12的视频采集编码单元115，125还分别将其视频数据发送至运算芯片8的合成模块81处参与运算。

图3的工作过程是，由两个摄像装置11和12的摄像头110和120录制车前方的录像后，由各自的视频采集编码单元115和125进行编码并一方面发送信号通知控制芯片7，另一方面将视频数据传输至运算芯片8，控制芯片7收到摄像装置的信号后，从存储单元9中调取相应的程序和参数给运算芯片8执行，必要时也读取测速单元5的数据至视频采集译码单元61处。所述运算芯片8获取视频数据后，由合成模块81对视频数据进行合成，并由测距模块82运用双目立体摄像技术原理计算出当前车辆与前方障碍物之间的距离，继而，运算芯片8中的运算模块83利用该距离参数，必要时还利用测速单元5的速度参数，进行所述碰撞时差t_a的运算，在确定碰撞时差t_a达到预设值t_r后，产生一个信号给控制芯片7，控制芯片7判别该信号后，从存储单元9中读取相应的告警音频文件给告警单元2的音频放大电路21，音频放大电路21将其驱动后由扬声器22播放实现告警。

在上述的工作过程中，运算芯片8可以将合成模块81合成后的影像输出至显示单元6的视频采集译码单元61，完成视频数据的转换，以及必要时与测速单元5的速度合成后，将视频数据输出至显示器62进行显示。

对于实现了自动导航系统的汽车而言，该自动导航汽车内置一自动导航系统(未图示，下同)，图3所示的电路可与该自动导航系统配合完成自动导航过程。具体是由该控制芯片7识别运算芯片8的运算模块83的运算结果后，在发现险情时，发送信号给自动导航汽车的自动导航系统，由该自动导航系统根据实际情况选择执行制动或者转弯的指令，这样的设计便显得更为智能化。

综上所述，本实用新型通过整合不同领域的多项先进技术，使汽车具有更高的安全性，提高汽车的智能化程度，而且基于低成本、高性能及可移植性强等优点，便于大面积推广应用。

尽管本实用新型中未罗列更多的具体实施方式，但是，申请人深信本领域内普通技术人员均可明白，任何对本实用新型各个技术特征进行简单的替换以完成实现相同技术效果的行为，均应视为不超脱本实用新型的发明精神的。

Claims

1、一种车辆避障告警系统，用于监测车身前方的障碍物以进行避障处理，其特征在于，包括：

合成模块，对该两个不同视角的影像进行合成；

告警单元，受该具有标识意义的信号作用而告警。

2、根据权利要求1所述的车辆避障告警系统，其特征在于，该系统还包括测速单元，用于检测当前车速，以供运算模块中与距离一起参与关于碰撞时差的运算。

3、根据权利要求2所述的车辆避障告警系统，其特征在于：所述摄像单元包括两个摄像装置，分别装设在车身前部的同一水平线的两侧上。

4、根据权利要求3所述的车辆避障告警系统，其特征在于：所述两个摄像装置装设在汽车仪表台、挡风玻璃、观后镜或车身最前端位置处。

5、根据权利要求1至4中任意一项所述的车辆避障告警系统，其特征在于：该系统还包括显示单元，用于显示距离、车速、碰撞时差中至少之一。

6、根据权利要求1至4中任意一项所述的车辆避障告警系统，其特征在于：该系统还包括显示单元，用于显示合成后影像。

7、一种自动导航汽车，其特征在于，包括：

如权利要求1至6中任意一项所述的车辆避障告警系统；

自动导航系统，为汽车自动导航；

8、一种车辆避障告警电路，用于监测车身前方的障碍物以进行避障处理，其特征在于，包括：

控制芯片，用于控制整个电路的协作；

测速单元，与控制芯片电性连接，用于检测当前车速；

9、根据权利要求8所述的车辆避障告警电路，其特征在于，所述告警单元包括一与所述控制芯片相连接的音频放大电路，及一与该音频放大电路相连接的报警器。

10、根据权利要求9所述的车辆避障告警电路，其特征在于，所述摄像单元包括摄像头和视频采集编码单元。