DE4006989A1

DE4006989A1 - Nachfuehrende abstandsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE4006989A1
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: 1990-09-13
Anticipated expiration: 2010-03-07
Also published as: KR930004880B1; DE4006989C2; US5023712A; KR900014861A

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. 5 zeigt eine Entfernungsmeßvorrichtung, wie sie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-46 363 offenbart ist. Bezugnehmend auf Fig. 5 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 focussiert. 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 Entfernungmeßeinrichtung 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.

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, und die die Richtung zum Ziel solange bestimmen kann, wie das Ziel innerhalb des Sichtfeldes verbleibt, nachdem das Ziel einmal im Sichtfeld gefangen wurde.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine nachfüh rende Abstandsmeßvorrichtung zur Messung des Abstandes zu einem beweglichen Ziel mittels des Triangulationsverfahrens vorgeschlagen, mit elektrischer Ermittlung der Abweichungen von ersten und zweiten auf Bildsensoren focussierten Abbildern über einen Vergleich der von den Bildsensoren stammenden Bildsignalen, wobei die Bildsensoren einem Paar eines ersten und eines zweiten nebeneinander bezüglich einer optischen Achse angeordneten optischen System zugeordnet sind, die gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfaßt: Mittel zur Festlegung eines Fensters in einem bestimmten Ausschnitt entweder des ersten oder des zweiten Bildsignales; Mittel zur Bestimmung des Abstandes zum Ziel durch Vergleich des ersten und des zweiten Bildsignales auf der Grundlage eines Bildsignales in dem Fenster, und Mittel zur periodischen Abtastung der Bildsignale in vorbestimmten Intervallen, und zum Vergleich eines Bildsignales in einem zu einem Abtastzeitpunkt festgelegten Fenster mit einem Bild signal im nächsten Abtastzeitpunkt zur Bestimmung eines neuen Fensters in einem Ausschnitt, bei dem größte Übereinstimmung zwischen den Bildsignalen vorliegt, um Bewegungsrichtung und Entfernung des Zieles aus der Veränderung zu ermitteln.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die nachführende Abstandsmeßvorrichtung zusätzlich zu den oben genannten Mitteln zur Festlegung eines Fensters und zur Bestimmung des Abstandes zum Ziel: Mitteln zur periodischen Abtastung der Bildsignale in vorbestimmten Intervallen, und zum Vergleich eines Bildsignales in einem zu einem Abtast zeitpunkt festgelegten Fenster, mit einem bestimmten Aus schnitt eines zum nächsten Abtastzeitpunkt abgetasteten Bildsignals, der der Bewegungsgeschwindigkeit des Zieles entspricht. Es erfolgt die Bestimmung eines neuen Fensters in einem Ausschnitt, bei dem größte Übereinstimmung zwischen den Bildsignalen vorliegt, um Bewegungsrichtung und Entfernung des Zieles aus der Veränderung zu ermitteln. Und es wird ein Bereich für den Vergleich eines Bezugsbildsignales in dem Fenster mit dem anderen Bildsignal auf der Grundlage der im vorhergehenden Abtastzeitpunkt bestimmten Entfernung festge legt.

Die nachführende Abstandsmeßvorrichtung gemäß der vorliegen den Erfindung verwendet zweidimensionale Bildsensoren zur Erfassung von Abbildungen, die mittels des ersten und zweiten optischen Systems focussiert 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 focussierten 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 zweiten Ausführungsform 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 in einer ersten und zweiten Ausführungsform 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 Unterstützung der Erklärung der Arbeitsweise beim Vergleich von ersten und zweiten Abbildungen gemäß einer ersten Ausführungsform durch das Festlegen eines neuen Fensters mittels Vergleich eines zum Zeitpunkt t 0 abgetasteten Bildes mit einem zum Zeitpunkt t 1 abgetasteten Bild, wobei t 1 zeitlich nach t 0 liegt;

Fig. 4A, 4B und 4C sind Darstellungen zur Erläuterung der Vorgehensweise bei einem Vergleich zwischen einem ersten und einem zweiten Abbild gemäß der zweiten Ausführungsform durch das Festlegen eines neuen Fensters mittels des Vergleiches von einem zum Zeitpunkt t 0 abgetasteten Bild mit einem zum Zeitpunkt t 1 abgetasteten Bild, wobei t 1 zeitlich nach t 0 liegt, und

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Entfernungsmeßvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine nachführende Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher gleiche oder gleich wirkende Bauteile, verglichen mit der herkömmlichen Entfernungsmeßvorrichtung, die oben unter Bezugnahme auf Fig. 5 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 t 0 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 _x und S′ _x 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.

Zu einem Abtastzeitpunkt t 1 eine kurze Zeit nach dem Abtast zeitpunkt t 0 wird das Abbild des Zieles 5 in einer Position focussiert, die von der Position des Abbildes des Zieles 5 zum Abtastzeitpunkt t 0 verschieden ist, da das Ziel 5 sich bewegt. Zur Bestimmung der Position des Zieles 5 im Abtast zeitpunkt t 1 wird gemäß der ersten Ausführungsform das zum Abtastzeitpunkt t 0 bestimmte Fenster 13, wie in Fig. 3A gezeigt, als Bezugsbildsignal verwendet. Das gesamte zum Ab tastzeitpunkt t 1 abgetastete Bild wird sequentiell ein Bildelement nach dem anderen verschoben, und die Gesamtsumme der Absolutwerte der Differenzen zwischen den Bildelementen wird auf die gleiche Weise berechnet, wie bei der in den Fig. 2A und 2B durchgeführten Berechnung. Ein Gebiet, bei dem die Gesamtsumme ein Minimum ergibt, entspricht der Position des Zieles 5 zum Abtastzeitpunkt t 1. Anschließend wird das Fenster zum Abtastzeitpunkt t 1 als neues Fenster 15 zum Ab tastzeitpunkt t 1 gesetzt, wie in Fig. 3A gezeigt. Dann wird die Entfernung zum Ziel 5 durch Verarbeitung der Ausgangs signale der Bildsensoren 3 und 4 unter Verwendung des neuen Fensters 15 berechnet.

Auf diese Weise ist die nachführende Abstandsmeßvorrichtung in der Lage, unmittelbar die Entfernung zum Ziel 5 zu bestimmen, und die Richtung und die Entfernung der Bewegung des Zieles 5 durch Verfolgung des sich bewegenden Zieles 5.

Das Berechnungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform ist derart ausgebildet, daß der Bereich 16 entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Zieles 5 bestimmt wird, und ein zum Abtastzeitpunkt t 1 abgetastetes Bild wird - nachfolgend beschrieben - Bildelement für Bildelement verschoben.

Ein Suchgebiet zum Zeitpunkt t 1 ist ein Gebiet von der Spalte p-r und der Reihe q-t zur Spalte p+i+r und zur Reihe q+j+t, die sich aus der Ausdehnung des Bereiches zum Zeitpunkt t 0 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 t 1 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 t 1 wird das Suchgebiet, das durch die Bezugsziffer 17 in Fig. 4C darge stellt ist, je nach der Bewegungsgeschwindigkeit des Zieles 5, um +e seitlich ausgedehnt. Denn die Entfernung zum Zeit punkt t 1 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 t 0 und tl nur sehr kurz ist, und daher die Ent fernung zum Ziel 5 sich nur wenig ändert, kann gemäß der zweiten Ausführungsform das Gebiet des Bildsignals für den Vergleich auf ein Gebiet 17 begrenzt werden, wie in Fig. 4C 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 ersten und der zweiten Ausführungsform 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 und der Entfernung der Bewegung eines beweglichen Zieles, und um ein neues Fenster zu bestimmen. Dieses Verfahren wird in beiden Ausführungsformen periodisch wiederholt zur Verfolgung des sich bewegenden Zieles und zur kontinuierlichen Messung der Entfernung zum sich bewegenden Ziel; gemäß der zweiten Ausführungsform kann dies effektiver in einer kürzeren Zeit durchgeführt werden.

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.

Obwohl die Erfindung in den bevorzugten Ausführungsformen mit einer gewissen Genauigkeit beschrieben worden sind, sind selbstverständlich viele Änderungen und Modifikationen mög lich. Es versteht sich daher, daß die Erfindung auch auf andere Weise als oben detailliert beschrieben, ausgeführt werden kann, ohne hierdurch den Rahmen der Erfindung zu ver lassen.

Claims

1. Nachführende Abstandsmeßvorrichtung zur Messung des Abstandes zu einem beweglichen Ziel mittels Triangulationsverfahrens durch elektrische Ermittlung der Abweichungen zwischen ersten und zweiten auf Bildsensoren focussierten Bildern über einen Vergleich der von den Bildsensoren stammenden Bildsignale, wobei die Bildsensoren einem Paar eines ersten und eines zweiten nebeneinander bezüglich einer optischen Achse angeordneten optischen System zugeordnet sind,
mit Mitteln zur Festlegung eines Fensters in einem bestimmten Ausschnitt entweder des ersten oder des zweiten Bildsignales,
Mitteln zur Bestimmung des Abstandes zum Ziel durch Vergleich des ersten und zweiten Bildsignales auf der Grundlage eines Bildsignales in dem Fenster, und
Mitteln zur periodischen Abtastung der Bildsignale in vorbestimmten Intervallen, und zum Vergleich eines Bildsignales in einem zu einem Abtastzeitpunkt festgelegten Fenster, mit einem Bildsignal im nächsten Abtastzeitpunkt zur Bestimmung eines neuen Fensters in einem Ausschnitt, bei dem größte Übereinstimmung zwischen den Bildsignalen vorliegt, um Bewegungsrichtung und Entfernung des Ziels aus der Veränderung zu ermitteln.

2. Nachführende Abstandsmeßvorrichtung zur Messung des Abstandes von einem beweglichen Ziel mittels des Triangulationsverfahrens durch elektrische Ermittlung der Abweichungen zwischen ersten und zweiten auf Bildsensoren focussierten Bildern über einen Vergleich der von den Bildsensoren stammenden Bildsignale, wobei die Bildsensoren einem Paar eines ersten und eines zweiten nebeneinander bezüglich einer optischen Achse angeordneten optischen System zugeordnet sind,
mit Mitteln zur Festlegung eines Fensters in einem bestimmten Ausschnitt entweder des ersten oder des zweiten Bildsignales,
Mitteln zur Bestimmung des Abstandes zum Ziel durch Vergleich des ersten und zweiten Bildsignales auf der Grundlage eines Bildsignales in dem Fenster, und
Mitteln zur periodischen Abtastung der Bildsignale in vorbestimmten Intervallen, und zum Vergleich eines Bildsignales in einem zu einem Abtastzeitpunkt festgelegten Fenster, mit einem zum nächsten Abtastzeitpunkt abgetasteten, bestimmten Ausschnitt eines Bildsignals, der der Bewegungsgeschwindigkeit des Zieles entspricht, zur Bestimmung eines neuen Fensters in einem Ausschnitt, bei dem größte Übereinstimmung zwischen den Bildsignalen vorliegt, um Bewegungsrichtung und Entfernung des Ziels aus der Veränderung zu ermitteln.

3. Nachführende Abstandsmeßvorrichtung zur Messung des Abstandes zu einem beweglichen Ziel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich für den Vergleich eines Bezugsbildsignals in dem Fenster mit dem anderen Bildsignal entsprechend der Geschwindigkeit der Zielbewegung auf der Grundlage der im vorhergehenden Abtastzeitpunkt bestimmten Entfernung festlegbar ist.