DE10215673A1

DE10215673A1 - Verfahren zur Detektion von systematischen Fehlern bei parallaktischen Entfernungsmeßsystemen in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10215673A1
Application number: DE10215673A
Authority: DE
Inventors: Goetz Braeuchle; Martin Heinebrodt; Juergen Boecker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2003-10-30
Also published as: ITMI20030691A1; FR2838514B1; FR2838514A1

Abstract

Verfahren zur Detektion von systematischen Fehlern bei parallaktischen Entfernungsmeßsystemen (12, 14) in Kraftfahrzeugen (10), dadurch gekennzeichnet, daß die parallaktisch gemessene Entfernung D¶p¶ mindestens eines Objektes (16, 18) nach der Zeit differenziert wird, daß unabhängig davon die Relativgeschwindigkeit V dieses Objektes bestimmt wird und daß ein systematischer Fehler erkannt wird, wenn die Ergebnisse signifikant voneinander abweichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von systematischen Fehlern bei parallaktischen Entfernungsmeßsystemen in Kraftfahrzeugen.

STAND DER TECHNIK

Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit Fahrerassistenzsystemen (FAS) ausgerüstet, die den Fahrer bei der Fahrzeugführung unterstützen oder ihm spezielle Fahrmanöver erleichtern. Solche Systeme werden auch als ADAS-Systeme (Advanced Driver Assistance Systems) bezeichnet. Generell benötigen solche Systeme eine Sensorik, die die nötigen Informationen über die Umgebung des Fahrzeugs bereitstellt, beispielsweise über den Verlauf der Fahrbahn, Hindernisse auf und neben der Fahrbahn und dergleichen. Bei einigen bekannten System umfaßt die Sensorik ein Radarsystem, das die direkte Messung des Abstands und der Relativgeschwindigkeit von Objekten gestattet, die Radarwellen reflektieren. In anderen Fällen wird ein Lidar-System eingesetzt, das eine Entfernungsmessung auf der Grundlage der Laufzeit von Lichtsignalen ermöglicht und generell eine höhere Winkelauflösung aufweist als Radarsysteme. Da jedoch bestehende Informations- und Leitsysteme für den Straßenverkehr in erster Linie auf visuelle Wahrnehmbarkeit durch einen menschlichen Fahrer optimiert sind, erscheint auch für Fahrerassistenzsysteme die Videosensorik als besonders geeignet.

Prinzipiell umfaßt die Videosensorik mindestens zwei optische Sensoren, beispielsweise zwei Videokameras, die in einem bekannten Abstand, der sogenannten Basisbreite, in Querrichtung des Fahrzeugs angeordnet sind, so daß nicht nur Richtungsinformation, sondern anhand der scheinbaren parallaktischen Verschiebung der von den beiden Sensoren erfaßten Objekte auch die Enfernung der Objekte bestimmt werden kann. Diese optische Sensorik erfüllt somit zumindest unter anderem auch die Funktion eines parallaktischen Entfernungsmeßsystems. Die Ergebnisse der Entfernungsmessungen können jedoch durch systmatische Fehler verfälscht werden, die insbesondere auf eine Fehljustierung eines oder beider optischer Sensoren zurückzuführen sind.

AUFGABE, LÖSUNG UND VORTEILE DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das die automatische Erkennung und gegebenenfalls Korrektur solcher systematischer Fehler gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die parallaktisch gemessene Enfernung mindestens eines Objektes nach der Zeit differenziert wird, daß unabhängig davon die Relativgeschwindigkeit dieses Objektes bestimmt wird und daß ein systematischer Fehler erkannt wird, wenn die Ergebnisse signifikant voneinander abweichen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß man durch Ableitung der parallaktisch gemessenen Entfernung nach der Zeit einen Wert für die Relativgeschwindigkeit des Objektes erhält und daß es bei Kraftfahrzeugen relativ einfach ist, die Relativgeschwindigkeit vieler Objekte auch unabhängig von der parallaktischen Messung zu bestimmen, so daß dann durch Vergleich der Ergebnisse auf einen systematischen Fehler geschlossen werden kann. Für die unabhängige Bestimmung der Realativgeschwindigkeit bieten sich insbesondere stehende Objekte an, beispielswiese Verkehrsschilder, Leitpfosten und dergleichen am Fahrbahnrand. Für diese Objekte, die sich durch elektronische Bildverarbeitung oder auch durch statistische Analyse der Häufigkeitsverteilung der Relativgeschwindigkeiten relativ leicht identifizieren lassen, stimmt nämlich die Relativgeschwindigkeit dem Betrage nach mit Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs überein, die mit üblichen Geschwindigkeitsmessern relativ genau meßbar ist.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Auswertung von stehenden Objekten beschränkt. Wenn beispielsweise zusätzlich zu der Videosensorik ein Radarsytem vorhanden ist, können als Vergleichswerte auch die mit dem Radarsystem gemessenen Relativgeschwindigkeiten stehender und beweglicher Objekte herangezogen werden. Zwar ist mit einem solchen Radarsystem dann auch eine direkte Entfernungsmessung möglich, doch hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß es eine von Meßfehlern bei der Radar-Entfernungsmessung unabhängige Vergleichsmessung ermöglicht und eine höhere Genauigkeit bei der Erkennung von Justagefehlern bietet, die sich speziell im Nahbereich auswirken.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der systematische Fehler nicht nur erkannt, sondern auch automatisch korrigiert, indem durch Abgleich der auf verschiedene Weisen gemessenen Relativgeschwindigkeiten eine Korrektur für die parallaktisch gemessenen Entfernungen berechnet wird. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, systematische Fehler zu korrigieren, die auf einem falschen Wert für die Basisbreite und/oder einer falschen Winkelausrichtung der beiden optischen Sensoren relativ zueinder beruhen.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden durch elektronische Bildverarbeitung Objekte identifiziert, die als stehend bekannt sind, beispielsweise Verkehrsschilder, Leitpfosten, Fahrbahnmarkierungen und dergleichen. In diesem Fall kann die Auswertung für jedes identifizierte Objekt gesondert erfolgen, so daß die anhand verschiedener Objekte berechneten Korrekturen auf Konsistenz geprüft werden können und die Genauigkeit durch Mittelwertbildung gesteigert werden kann.

Bei einer anderen Verfahrensvariante macht man sich den Umstand zunutze, daß stehende Objekte statistisch wesentlich häufiger auftreten als bewegte Objekte und sich deshalb in einem Histogramm, das die Häufigkeiten der parallaktisch gemessenen Relativgeschwindigkeiten für ein größeres Ensemble von Objekten angibt, in einem scharf begrenzten Maximum bei der Relativgeschwindigkeit null bemerkbar machen. Justagefehler, die zu einer Verfälschung der gemessenen Entfernungen um einen zeitlich konstanten Faktor führen, sind dann daran zu erkennen, daß sich dieses Maximum auf der Geschwindigkeitsachse gegenüber dem Wert null verschiebt, ohne daß sich die Breite des Maximums ändert. Justagefehler, die eine Verfälschung um einen zeitabhängigen Faktor verursachen, wirken sich dahingehend aus, daß die gemessenen Relativgeschwindigkeiten über einen breiteren Geschwindigkeitsbereich verschmiert werden, so daß die Höhe des Maximums abnimmt und seine Breite zunimmt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines parallaktischen Entfernungsmeßsystems eines Kraftfahrzeugs;
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Bestimmung von Korrekturparametern; und
Fig. 3 und 4 Histogramme, die die Häufigkeitsverteilung von parallaktisch gemessenen Relativgeschwindigkeiten mit und ohne Justagefehler angeben.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

In Fig. 1 ist die Frontpartie eines Kraftfahrzeugs 10 schematisch in der Draufsicht dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 ist mit einem an sich bekannten und deshalb hier nicht näher dargestellen Fahrerassistenzsystem ausgerüstet, dessen Videosensorik unter anderem durch zwei Videokameras 12, 14 gebildet wird, die in einem bestimmten seitlichen Abstand zueinander im Frontbereich des Kraftfahrzeugs installiert sind. Durch elektronische Bildverarbeitung der mit den beiden Videokameras 12, 14 aufgenommenen Bilder werden Objekte 16, 18 erkannt und identifiziert. Im gezeigten Beispiel soll es sich bei den Objekten 16, 18 um stehende Objekte am Fahrbahnrand handeln.
Die optischen Achsen 20, 22 der Videokameras 12, 14 verlaufen bei korrekter Justierung der Kameras parallel zur Fahrzeuglängsachse, und ihr Abstand definiert die Basisbreite B eines durch die beiden Videokameras 12, 14 gebildeten Entfernungsmeßsystems. Durch Auswertung der Bildinformation jeder Kamera wird für jedes Objekt, beispielsweise für das Objekt 18, der Azimutwinkel φ_L bzw. φ_R bestimmt, unter dem das Objekt von der betreffenden Kamera gesehen wird. Die Differenz φL - φR ist die Parallaxe φ des Objekts 18, aus der sich in Verbindung mit der Basisbreite B die Entfernung D des Objekts in der Richtung parallel zu den optischen Achsen 20, 22 bestimmen läßt.
In der Näherung für große Entfernungen (und entsprechend kleine Azimutwinkel) läßt sich die Entfernung D wie folgt berechnen:

BL/D = tan φL ≍ φL

BR/D = tan φR ≍ φR
Die Größen BL und BR geben dabei jeweils den seitlichen Versatz des Objektes 18 gegenüber der optischen Achse der betreffenden Kamera an. Es gilt also:

B = BL - BR = D.(φL - φR) = D.φ

D = B/φ
Eine fehlerhafte Justage der Videokameras 12, 14 kann einerseits zu einem Fehler ΔB in der Basisbreite und andererseits zu einem Fehler Δφ in der Parallaxe führen. Als Beispiel ist in Fig. 1 gestrichelt die optische Achse 20' für den Fall eingezeichnet, daß die Videokamera 12 um den Winkel Δφ falsch justiert ist. Der gemessene Azimutwinkel φL ist dann um Δφ vergrößert, das heißt, das Videosystem "sieht" das Objekt 18 in der Position 18'. Die parallaktisch gemessene Entfernung D_p des Objekts 18 ist dann im Vergleich zum Istwert D um den Fehler ΔD zu klein.
Nach den Regeln der Fehlerrechnung gilt:

ΔD = (∂D/∂B)ΔB + (∂D/∂φ)Δφ

ΔD = (1/φ)ΔB - (B/φ²)Δφ

D_p = D + ΔD = (B/φ) + (ΔB/φ) - (B/φ²)Δφ

D_p = (B/φ).(1 + (ΔB/B) - Δφ/φ)

D_p = D.(1 + Δ - (Δφ/B).D)
Wenn der Fehlerquotient D_p/D mit F bezeichnet wird, so gilt also für die hier benutzte Näherung:

F = 1 + Δ - (Δφ/B).D, mit Δ = ΔB/B
Allgemein gilt:

F = 1 + ΔD/D = 1 + ((∂D/∂B)/D)ΔB + ((∂D/∂φ)/D)Δφ

D_p = D.F
Wenn man diese Gleichungen nach der Zeit differenziert, so erhält man einen parallaktisch gemessenen Wert V_p für die Relativgeschwindigkeit des Objekts 18:

V_p = ∂/∂t(D_p) = ∂/∂t(D.F) = V.F + D.∂F/∂t

darin ist V die tatsächliche Relativgeschwindigkeit des Objektes, die für die Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens aus einer anderen Quelle bekannt sein muß.
Im folgenden soll angenommen werden, daß das Objekt 18 durch elektronische Bildverarbeitung als stehendes Objekt erkannt wurde, beispielsweise als ein Leitpfosten. In diesem Fall ist die tatsächliche Relativgeschwindigkeit V gleich der Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs, die direkt mit dem Geschwindigkeitsmesser des Fahrzeugs gemessen wird.
Für den Quotienten V_p/V erhält man:

V_p/V = F + ((∂F/∂t)/V).D
In dem Spezialfall, daß der Fehlerquotient F nicht von der Zeit abhängig ist, ist dieser Fehlerquotient F unmittelbar durch den Quotienten V_p/V gegeben, und man erhält einen genaueren, korrigierten Wert D_c für die Entfernung D des Objektes 18, indem man die parallaktisch gemessene Entfernung D_p mit einem Korrekturfaktor 1/F multipliziert:

D_c = (V/V_p).D_p.
Im allgemeinen Fall gilt:

V_p/V = F + A.D, mit A = (∂F/∂t)/V
Wenn man annimmt, daß der Koeffizient A in erster Näherung unabhängig von der Entfernung D ist, so läßt sich A anhand der für mehrere Objekte gemessenen Quotienten V_p/V durch lineare Regression bestimmen, und man erhält:

D_c = D_p/F = D_p/((V_p/V) - A.D)
Diese Annahme ist beispielsweise erfüllt, wenn der Fehlerquotient F wie oben durch

F = 1 + Δ - (Δφ/B).D

gegeben ist. Man erhält dann nämlich:

V_p/V = F + ((∂F/∂t)/V).D = 1 + D - (Δφ/B).D + (∂/∂t[1 + Δ - (Δφ/B).D])/V).D = 1 + D - (Δφ/B).D - ((Δφ/B).V)/V).D = 1 + D - (Δφ/B).D - (Δφ/B).D

V_p/V = 1 + Δ - 2.(Δφ/B).D (1)

V_p/V = F + A.D, mit F = 1 + Δ und A = -2.(Δφ/B)
In Fig. 2 ist für mehrere Objekte, die jeweils durch einen Meßpunkt X repräsentiert werden, der Koeffizient V_p/V gegen die gemessene Entfernung D_p aufgetragen. Die Meßwerte liegen annähernd auf einer Geraden, die die Ordinate D_p = 0 bei 1 + Δ schneidet. Der Betrag der Steigung ist gleich 2.(Δφ/B). Anhand des Ordinatenschnittpunktes und der Steigung dieser Geraden lassen sich daher Korrekturwerte sowohl für die Basisbreite B als auch für den Parallaxenfehler Δφ bestimmen.
Der Rechenaufwand für das oben beschriebene Verfahren ist verhältnismäßig gering und ergibt sich größtenteils aus dem Erfordernis, stehende Objekte anhand ihrer Klassifizierung als Verkehrsschilder, Leitpfosten und dergleichen sicher zu erkennen. Durch den Einsatz statistischer Verfahren läßt sich der Rechenaufwand weiter reduzieren, wie nachstehend anhand der Fig. 3 und 4 erläutert werden soll.
Fig. 3 zeigt ein Histogramm, in dem die Häufigkeit n, mit der die Relativgeschwindigkeiten bei der parallaktischen Messung auftreten, gegen die gemessene Geschwindigkeit V_p aufgetragen sind. Die gemessenen Geschwindigkeiten sind hier auf die Eigengeschwindigkeit V des Fahrzeugs normiert.
Die in durchgezogenen Linien eingezeichnete Kurve 26 zeigt die Häufigkeitsverteilung für den Fall, daß die Videokameras 12, 14 korrekt justiert sind. Bewegliche Objekte bilden ein relativ flaches und breites Untergrundsignal, da die Geschwindigkeiten der beweglichen Objekte im allgemeinen stark streuen. Alle stehenden Objekte haben dagegen dieselbe Geschwindigkeit V_p = V, so daß die Kurve 26 bei dem Wert 1 ein ausgeprägtes und scharf begrenztes Maximum aufweist.
Die gestrichelt eingezeichnete Kurve 28 zeigt die Häufigkeitsverteilung für den Fall eines zeitunabhängigen Fehlers F (beispielsweise F = 1 + Δ). In diesem Fall sind die gemessenen Geschwindigkeiten der stehenden Objekte alle um denselben Betrag Δ verschoben, so daß auch das Maximum um diesen Betrag verschoben erscheint, ohne daß sich seine Form wesentlich ändert.
In Fig. 4 zeigt dagegen die gestrichelt eingezeichnete Kurve 30 die Häufigkeitsverteilung für den Fall eines zeitabhängigen Fehlers F (beispielsweise F = 1 + Δ - 2.(Δφ/B).D). In diesem Fall ist das durch die stehenden Objekte verursachte Maximum weniger weit verschoben, und es fällt flacher und breiter aus. Dennoch ist auch hier eine Fehlerkorrektur analog zu dem in Fig. 2 illustrierten Verfahren möglich. Wenn die Histogramme zu verschiedenen Zeiten aufgenommen werden, so werden sich nicht nur die gemessenen Entfernungen D_p der einzelnen Objekte unterscheiden, sondern auch ihre jeweiligen Mittelwerte. Es lassen sich daher ähnlich wie in Fig. 2 verschiedene Meßpunkte aufnehmen, wobei für V_p jeweils der Scheitelwert der Kurve 30 und für D_p jeweils der Mittelwert der Objekte genommen wird, die das ausgeprägte Maximum in der Kurve 30 bilden.
In einer modifizierten, noch weniger rechenaufwendigen Ausführungsform werden die Histogramme gemäß Fig. 4 jeweils nur für diejenigen Objekte aufgezeichnet, die innerhalb zweier relativ schmaler Entfernungsfenster liegen. Die beiden Entfernungsfenster liefern dann zwei Meßpunkte in dem Diagramm nach Fig. 2 und ermöglichen so die Bestimmung der Geraden 24. Da die Dejustagefehler im allgemeinen im wesentlichen zeitlich konstant sein werden, ist es ohne weiteres akzeptabel, wenn die Aufzeichnung der Histogramme relativ lange Zeit in Anspruch nimmt.
Eine noch genauere Fehlerkorrektur läßt sich gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens dadurch erreichen, daß nicht nur die parallaktisch gemessenen Relativgeschwindigkeiten ausgewertet werden, sondern ergänzend auch die Winkelgeschwindigkeiten, also die zeitlichen Ableitungen der Azimutwinkel φ_L und φ_R der Objekte, an denen das Kraftfahrzeug 10 vorbeifährt. Auch diese Winkelgeschwindigkeiten werden auf berechenbare Weise durch Δ und Δφ beeinflußt, so daß man in Verbindung mit Gleichung (1) ein Gleichungssystem erhält, aus dem sich die beiden Unbekannten Δ und Δφ berechnen lassen.

Claims

1. Verfahren zur Detektion von systematischen Fehlern bei parallaktischen Entfernungsmeßsystemen (12, 14) in Kraftfahrzeugen (10), dadurch gekennzeichnet, daß die parallaktisch gemessene Entfernung D_p mindestens eines Objektes (16, 18) nach der Zeit differenziert wird, daß unabhängig davon die Relativgeschwindigkeit V dieses Objektes bestimmt wird und daß ein systematischer Fehler erkannt wird, wenn die Ergebnisse signifikant voneinander abweichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erkennung eines systematischen Fehlers automatisch eine Fehlerkorrektur vorgenommen wird, indem anhand der Abweichung der parallaktisch, durch Ableitung von D_p bestimmten Relativgeschwindigkeit V_p und der unabhängig gemessenen Relativgeschwindigkeit V eine Korrektur für die gemessene Entfernung D_p berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur in der Multiplikation der gemessenen Entfernung D_p mit einem Korrekturfaktor 1/F besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrekturwert ΔB für die Basisbreite B des parallaktischen Entfernungsmeßsystems (12, 14) berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrekturwert Δφ für einen Fehler in der Winkeljustage der Sensoren (12, 14) des Entfernungsmeßsystems berechnet wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeit stehender Objekte (16, 18) anhand der Eigengeschwindigkeit V des Kraftfahrzeugs (10) bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Objekte (16, 18) durch elektronische Bildverarbeitung als stehende Objekte erkannt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Histogramm über die Häufigkeit (n) aufgestellt wird, mit der die durch Differenzieren der gemessenen Entfernungen D_p nach der Zeit bestimmten Relativgeschwindigkeiten V_p auftreten, und daß stehende Objekte (16, 18) anhand ihrer Häufigkeit im Histogramm erkannt werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung des Korrekturfaktors 1/F der Quotient aus der parallaktisch gemessenen Relativgeschwindigkeit V_p und der Eigengeschwindigkeit V des Fahrzeugs berechnet wird, wenn die Streuung der Geschwindigkeiten der stehenden Objekte im Histogramm nicht größer ist als der statistische Meßfehler.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrektur für die Zeitabhängigkeit des Korrekturfaktors 1/F vorgenommen wird, wenn die Streuung der Geschwindigkeitswerte der stehenden Objekte im Histogramm größer ist als der statistische Fehler.