DE4116255C2 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1 und eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6.
Eine automatische Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs wird im Stand der Technik beispielsweise gemäß JP 1-37 12 A dadurch erzielt, daß eine auf einer Straße gezo­ gene weiße Linie erfaßt wird und die Lenkung des Kraftfahrzeugs au­ tomatisch so gesteuert wird, daß das Kraftfahrzeug dieser weißen Linie folgt.
Bei einem in Fig. 6 gezeigten herkömmlichen Verfahren zur automati­ schen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs wird ein Abstand AA′ zwischen einem Punkt A, der sich auf der optischen Achse AX ei­ ner an einem Kraftfahrzeug 100 montierten und in Richtung der mitti­ gen Fahrzeuglängsachse orientierten Kamera CA befindet, und einem Punkt A′, der sich auf einer auf einer Straße gezogenen weißen Linie SW befindet und in dem eine zur optischen Achse AX im Punkt A senkrechte Linie SA die weiße Linie SW schneidet, berechnet; anhand dieses berechneten Abstandes AA′ wird ein Lenkwinkel berechnet. Dabei wird die Berechnung des Lenkwinkels Φ unter Verwendung einer sogenannten Regressionsgleichung ausgeführt. Mit dieser Regressions­ gleichung wird der Lenkwinkel Φ aus drei Abständen AA′(i-2), AA′(i- 1) und AA′(i), die in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten i-2, i-1 und i nacheinander erfaßt werden, gemäß der folgenden Gleichung (1) be­ rechnet:
Φ = aiAA′(i) + ai-1 AA′(i-1) + ai-2AA′(i-2) + a₀ (1)
wobei ai, ai-1, ai-2 und a₀ Konstanten sind.
Zur Erweiterung des Blickwinkels der Kamera CA kann diese mit einer weiteren Kamera CB funktional verbunden werden, die ebenfalls am Kraftfahrzeug 100 mit einer zur mittigen Fahrzeuglängsachse um einen Winkel Θ zur Vorderseite des Kraftfahrzeugs 100 geneigten Richtung montiert ist. In diesem Fall wird ein Abstand BB′ zwischen einem Punkt B, der sich auf der optischen Achse BX der Kamera CB befin­ det, und einem Punkt B′, der sich auf der auf der Straße gezogenen weißen Linie SW befindet und in dem eine zur optischen Achse BX im Punkt B senkrechte Linie SB die weiße Linie SW schneidet, berechnet; anhand dieses berechneten Abstandes BB′ wird unter Verwendung der Regressionsgleichung für die Kamera CB, die eine zur Gleichung (1) für die Kamera CA ähnliche Form besitzt, ein Lenkwinkel berechnet.
Bei diesem herkömmlichen Verfahren zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs, in dem eine Mehrzahl von in verschie­ denen Richtungen orientierten und in einer Folgeschaltung angeordne­ ten Kameras verwendet werden, um einen größeren Blickwinkel der Kamera zu erzielen, ist es erforderlich, Regressionsgleichungen in ei­ ner der Anzahl der vorhandenen Kameras entsprechenden Anzahl vor­ zusehen, was dieses Verfahren schwerfällig macht.
Ferner besteht hierbei das Problem, daß es bei der Ersetzung der Mehrzahl der Kameras durch eine einzige Kamera, deren Orientierung durch Drehung verändert werden kann, erforderlich ist, unendlich viele Regressionsgleichungen vorzusehen, was unpraktisch ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, mit denen die automatische Steuerung un­ ter Verwendung einer einzigen Regressionsgleichung zur Berechnung eines Lenkwinkels effizient ausgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art er­ findungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des An­ spruches 1 und bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art erfin­ dungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des An­ spruches 6 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, die sich auf besondere Ausführungsformen der vor­ liegenden Erfindung beziehen, angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus­ führungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zei­ gen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Lenk­ steuerung;
Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur auto­ matischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs, das von der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur automatischen Lenksteuerung ausgeführt wird;
Fig. 3 eine weitere Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahr­ zeugs, das von der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur auto­ matischen Lenksteuerung ausgeführt wird;
Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur au­ tomatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs, das von der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur automatischen Lenksteuerung ausgeführt wird;
Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung eines alternativen Verfah­ rens zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraft­ fahrzeugs, das von der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur automatischen Lenksteuerung ausgeführt wird; und
Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung eines herkömmlichen Ver­ fahrens zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs im einzelnen beschrieben.
Die Vorrichtung zur automatischen Lenksteuerung umfaßt eine Mehr­ zahl (in Fig. 1: drei) von Kameras 1, 2 und 3, deren optische Achsen in unterschiedlichen, um die Vorwärtsrichtung des Kraftfahrzeugs ver­ teilten Orientierungen ausgerichtet sind, wobei die Kamera 2 längs ei­ ner mittigen Fahrzeuglängsachse orientiert ist, die Kamera 1 längs ei­ ner zur mittigen Fahrzeuglängsachse nach rechts geneigten Richtung und die Kamera 3 längs einer zur mittigen Fahrzeuglängsachse nach links geneigten Richtung orientiert ist. Ferner umfaßt die erfindungs­ gemäße Vorrichtung zur automatischen Lenksteuerung eine Bildverar­ beitungseinheit 5 für den Empfang von Bildsignalen von den Kameras 1, 2 und 3 und zur Berechnung des Abstandes zu einer weißen Linie auf der Straße entsprechend den von jeder der Kameras 1, 2 und 3 empfangenen Bildsignalen, eine Aufnahmepunkt-Berechnungseinheit 7 zum Umformen der von der Bildverarbeitungseinheit 5 entsprechend den Bildsignalen von den Kameras 1 und 3 berechneten Abstände in umgeformte Abstände, die auf die Koordinaten der optischen Achse der Kamera bezogen sind, und eine Lenk-Steuereinheit 9 zur Berechnung der Lenkung oder des Lenkwinkels des Kraftfahrzeugs unter Verwen­ dung der von der Aufnahmepunkt-Berechnungseinheit 7 erhaltenen um­ geformten Abstände und zur Steuerung der Lenkung des Kraftfahr­ zeugs entsprechend dem erhaltenen Lenkwinkel.
Nun wird mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 die Operation einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Lenksteuerung beschrie­ ben.
In Fig. 2 besitzt ein vorgegebener Punkt A auf der optischen Achse AX der auf der mittigen Längsachse des Kraftfahrzeugs 100 befindlichen Kamera 2 die Koordinate L₀, während ein beliebiger Punkt B auf der optischen Achse BX der Kamera 3 die Koordinate L′ besitzt. Die opti­ sche Achse BX der Kamera 3 besitzt gegenüber der optischen Achse AX der Kamera 2 einen Neigungswinkel Θ, wobei die Kameras 2 und 3 im Kraftfahrzeug 100 durch einen Abstand D getrennt sind.
Eine zur optischen Achse BX der Kamera 3 im Punkt B senkrechte Li­ nie schneidet die weiße Linie SW auf der Straße im Punkt B′, während eine zur optischen Achse AX der Kamera 2 im Punkt A senkrechte Li­ nie die weiße Linie SW auf der Straße im Punkt A′ schneidet. Der Punkt B′ wird entlang einer zur optischen Achse AX senkrechten Richtung auf eine Projektionskoordinate L auf der optischen Achse AX der Kamera 2 projiziert.
Dann gilt die durch die folgende Gleichung (2) gegebene geometrische Beziehung:
L = L′·cosΘ-BB′·sinΘ (2)
Wenn der Punkt B auf der optischen Achse BX der Kamera 3 längs der optischen Achse BX allmählich verschoben wird, bis die Projektions­ koordinate L mit der Koordinate L₀ im Punkt A übereinstimmt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, entspricht der von der Kamera 3 beobachtete Abstand BB′ dem vom Aufnahmepunkt A der Kamera 2 beobachteten Abstand AA′. In diesem Fall ist der Abstand AA′ durch die folgende Gleichung (3) gegeben:
AA′ =L₀·tanΘ+D+BB′/cosΘ (3)
Dieser Abstand AA′, der durch die Beobachtung des Abstandes BB′ mit der Kamera 3 in einem Fall, in dem die obige Gleichung (3) gilt, und durch die Umformung des beobachteten Abstands BB′ in den ent­ sprechenden Abstand AA′ gemäß der obigen Gleichung (3) erhalten wird, kann zur Berechnung eines Lenkwinkels Φ der oben für eine herkömmliche Vorrichtung zur automatischen Lenksteuerung beschrie­ benen Regressionsgleichung (1), die für die Kamera 2 geeignet ist, verwendet werden.
Um mit dieser Vorrichtung zur automatischen Lenksteuerung den obenbeschriebenen Fall zu erreichen, in dem die obige Gleichung (3) gilt, wird der Punkt B auf der optischen Achse BX der Kamera 3 all­ mählich entlang der optischen Achse BX so verschoben, wie im fol­ genden durch die Koordinate L′ des Punktes B ausgedrückt wird:
  • (i) L′ =L′-ΔL, wenn L L₀ und
  • (ii) L′ = L′ + ΔL, wenn L < L₀, wobei ΔL eine kleine Verschiebung ist.
Nun wird der Betrieb dieser Vorrichtung zur automatischen Lenksteue­ rung mit Bezug auf das Flußdiagramm in Fig. 4 beschrieben.
Zunächst wird im Schritt 110 auf der optischen Achse BX der Kamera 3 ein beliebiger Punkt B mit der Koordinate L′ gesetzt.
Dann wird im Schritt 120 von der Bildverarbeitungseinheit 5 der Ab­ stand BB′ zwischen dem Punkt B und dem Punkt B′, in dem eine zur optischen Achse BX im Punkt B senkrechte Linie die weiße Linie SW auf der Straße schneidet, erhalten.
Anschließend wird im Schritt 130 die Projektionskoordinate L des Punkts B′ auf der optischen Achse AX der Kamera 2 in einer zur opti­ schen Achse AX senkrechten Richtung gemäß der obenbeschriebenen Gleichung (2) aus dem Abstand BB′ erhalten.
Dann wird im Schritt 140 die berechnete Projektionskoordinate L mit der Koordinate L₀ des Punkts A verglichen. Wenn L L₀ ist, wird die Koordinate L′ des Punktes B im Schritt 150 gemäß der Gleichung L′ = L′ - ΔL verkleinert, während im Fall, daß L < L₀ gilt, die Ko­ ordinate L′ des Punktes B im Schritt 160 gemäß der Gleichung L′ = L′ + ΔL vergrößert wird.
Anschließend wird im Schritt 170 geprüft, ob sich die Koordinaten L und L₀ nur innerhalb einer vorgegebenen Toleranz ε unterscheiden, d. h. ob gilt: |L - L₀| ε. Wenn sich L und L₀ nicht nur innerhalb einer vorgeschriebenen Toleranz ε unterscheiden, kehrt die Verarbei­ tung zum Schritt 120 zurück, um die Anpassung der Koordinate L′ des Punktes B zu wiederholen. Wenn sich andererseits L und L₀ nur inner­ halb der vorgeschriebenen Toleranz ε unterscheiden, wird im Schritt 180 der dem im Schritt 120 erhaltenen Abstand BB′ entsprechende Ab­ stand AA′ von der Aufnahmepunkt-Berechnungseinheit 7 gemäß der obenerwähnten Gleichung (3) berechnet.
Dann wird im Schritt 190 von der Lenk-Steuereinheit 9 unter Verwen­ dung der obenerwähnten Regressionsgleichung (1) anhand des Abstan­ des AA′, der im Schritt 180 berechnet worden ist, und den zwei vorhergehenden Werten für die Abstände AA′ der Lenkwinkel berech­ net, so daß die Lenkung des Kraftfahrzeugs 100 von der Lenk­ steuereinheit 9 gemäß dem auf diese Weise erhaltenen Lenkwinkel Θ gesteuert werden kann.
Die Kamera 1 wird auf die gleiche Weise, wie oben in bezug auf die Kamera 3 beschrieben, betrieben.
Somit können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Lenksteuerung die Abstände, die von den entlang den von der mittigen Längsachse des Kraftfahrzeugs verschiedenen Richtungen orientierten Kameras 1 und 3 erhalten werden, in entsprechende Abstände für die entlang der mittigen Längsachse des Kraftfahrzeugs orientierte Kamera umgeformt werden, so daß über eine Mehrzahl von Kameras, die in unterschiedlichen Richtungen orientiert sind, lediglich eine Regressionsgleichung erforderlich ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Mehrzahl der Kameras, die in der obigen Ausführungsform verwendet werden und in verschiedenen Richtungen orientiert sind, durch eine einzige Kamera ersetzt werden können, die durch Drehung ihre Orientierung ändern kann. In diesem Fall entspricht die in Fig. 2 gezeigte Situation für die obenbeschriebene Ausführungsform der in Fig. 5 gezeigten Situation, wobei der Abstand D, in dem sich die Kameras in Fig. 2 befinden, den Wert Null besitzt. Somit kann in diesem Fall der Abstand AA′ mittels der obenbeschrie­ benen Gleichung (3) berechnet werden, wobei D = 0 gesetzt wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeuges (100) mit den Schritten
  • a) Erfassen einer auf einer Straße gezogenen weißen Linie (SW) durch eine Kameraeinrichtung (1, 2, 3) und
  • b) Bestimmen eines ersten Abstandes (BB′) der im Erfassungs­ schritt erfaßten weißen Linie (SW) in bezug auf eine erste optische Achse (BX) einer ersten Kamera (1; 3) wobei dieser Abstand (B, B′) als Abstand zwischen einem ersten Punkt (B) auf der ersten optischen Achse (BX) der ersten Kamera (1; 3) und einem ersten Schnittpunkt (B′) mit einer im ersten Punkt (B) zur optischen Achse (BX) der ersten Kamera (1; 3) senkrechten Linie mit der weißen Linie (SW) bestimmt wird,
  • c) Berechnen eines Lenkwinkels (Φ) unter Verwendung einer Regressionsgleichung aus mehreren ersten Abständen (B, B′), die in auf einanderfolgenden Zeitpunkten erfaßt wurden und
  • d) Steuern der Lenkung des Kraftfahrzeuges (100) gemäß dem er­ mittelten Lenkwinkel Φ, derart, daß das Kraftfahrzeug der weißen Linie (SW) folgt,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • e) in einem Umwandlungsschritt der erste Abstand (B, B′) in einen einem zweiten Abstand (A, A′) entsprechenden Abstand durch Koordinatentransformation und -verschiebung umgewandelt wird, wobei der zweite Abstand (A, A′) definiert ist durch einen beliebigen zweiten Punkt (A), der sich auf der opti­ schen Achse (AX) einer in Fahrzeuglängsrichtung orientier­ ten zweiten Kamera (2) befindet und durch einen zweiten Schnittpunkt (A′), der sich auf der weißen Linie (SW) befin­ det und in dem eine zur optischen Achse (AX) im zweiten Punkt (A) senkrechte Linie die weiße Linie (SW) schneidet, wobei
  • f) in einem Transformationsschritt die Koordinatentransforma­ tion und -verschiebung des ersten Abstandes (B, B′) in der Art erfolgt daß die Koordinaten des ersten Schnittpunktes (B′) mit den Koordinaten des zweiten Schnittpunktes (A′) und die Projektionskoordinate (L) des ersten Schnittpunktes (B′) auf die optische Achse (AX) der zweiten Kamera (2) mit der Koordinate (L₀) des zweiten Punktes (A) übereinstimmt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kameraeinrichtung (1, 2, 3) mehrere Kameras (1; 2; 3) verwendet werden, dies untereinander in verschiedenen Richtun­ gen orientiert sind; und im Erfassungsschritt die weiße Linie (SW) zu einem bestimmten Zeitpunkt von einerKamera (1; 3) der Kame­ raeinrichtung (1, 2, 3) erfaßt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kameraeinrichtung (1, 2, 3) eine einzige Kamera (2) verwendet wird, deren Orientierung geändert werden kann; und im Erfassungsschritt die weiße Linie (SW) zu einem bestimmten Zeitpunkt bei einer bestimmten Orientierung der einzigen Ka­ mera (2) erfaßt wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Anpassungsschritt eine Koordinate (L) der Projektion des Schnittpunktes (B′) anhand einer Koordinate (L′) des Punktes (B) auf der optischen Achse (BX) der Kamera (1; 3) und anhand dem im Bestimmungsschritt bestimmten Abstand (BB′) der weißen Linie (SW) bezüglich der optischen Achse (BX) der Kamera (1; 3) bestimmt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Umformungsschritt der im Bestimmungsschritt bestimmte Abstand (BB′) entsprechend einer Koordinate (L₀) des vorgegebenen Punktes (A) auf der mittigen Längsachse (AX) des Kraftfahr­ zeuges (100) in einen Abstand (AA′) der weißen Linie (SW) be­ züglich der mittigen Längsachse (AX) des Kraftfahrzeuges (100) umgeformt wird.
6. Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeuges (100) mit:
einer Kameraeinrichtung (1, 2, 3) zur Erfassung einer auf einer Straße gezogenen weißen Linie (SW)
einer Bestimmungseinrichtung (3) zur Bestimmung eines ersten Abstandes (BB′) der im Erfassungsschritt erfaßten weißen Li­ nie (SW) in Bezug auf eine erste optische Achse (BX) einer ersten Kamera (1; 3), wobei dieser Abstand (B, B′) als Abstand zwischen einem ersten Punkt (B) auf der ersten optischen Ach­ se (BX) der ersten Kamera (1; 3) und einem ersten Schnittpunkt (B′) mit einer im ersten Punkt (B) zur optischen Achse (BX) der ersten Kamera (1; 3) senkrechten Linie mit der weißen Li­ nie (SW) bestimmt wird,
einer Einrichtung zur Berechnung eines Lenkwinkels (Φ) unter Verwendung einer Regressionsgleichung aus mehreren ersten Ab­ ständen (B, B′), die in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten er­ faßt wurden und
einer Einrichtung zur Steuerung der Lenkung des Kraftfahr­ zeuges (100) gemäß dem ermittelten Lenkwinkel Φ, derart, daß das Kraftfahrzeug der weißen Linie (SW) folgt, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Umformungseinrichtung (7) vorgesehen ist zur Umwandlung des ersten Abstandes (B, B′) in einen einem zweiten Abstand (A, A′) entsprechenden Abstand durch Koordinationstransformation und -verschiebung′ wobei der zweite Abstand (A, A′) definiert ist durch einen beliebi­ gen zweiten Punkt (A), der sich auf der optischen Achse (AX) einer in Fahrzeuglängsrichtung orientierten zweiten Kamera (2) befindet und durch einen zweiten Schnittpunkt (A′), der sich auf der weißen Linie (SW) befindet, und in dem eine zur optischen Achse (AX) im zweiten Punkt (A) senkrechte Linie die weiße Linie (SW) schneidet, wobei in einem Transformati­ onsschritt die Koordinationsformation und -verschiebung des ersten Abstandes (B,B′) in der Art erfolgt, daß die Koordina­ ten des ersten Schnittpunktes (B′) mit den Koordinaten des zweiten Schnittpunktes (A′) und die Projektionskoordinate (L) des ersten Schnittpunktes (B′) auf die optische Achse (AX) der zweiten Kamera (2) mit der Koordinate (L₀) des zweiten Punktes (A) übereinstimmt.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameraeinrichtung (1, 2, 3) eine Mehrzahl von Kameras (1; 2; 3) umfaßt, die in untereinander verschiedenen Richtungen orientiert sind; und
die weiße Linie (SW) zu einem bestimmten Zeitpunkt von einer (1; 3) der Kameras (1; 2; 3) erfaßt wird.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameraeinrichtung (1, 2, 3) eine einzige Kamera (2) umfaßt, deren Orientierung veränderbar ist, und
die weiße Linie (SW) zu einem bestimmten Zeitpunkt bei einer bestimmten Orientierung der einzigen Kamera (2) erfaßt wird.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungseinrichtung anhand einer Koordinate (L′) des Punktes (B) auf der optischen Achse (BX) der Kameraeinrichtung (1; 3) und anhand dem von der Bestimmungseinrichtung (5) bestimmten Abstand (BB′) der weißen Linie (SW) bezüglich der optischen Achse (BX) der Kamera (1; 3) eine Koordinate (L) der Projektion des Schnittpunkts (B) bestimmt.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformungseinrichtung (7) den von der Bestimmungseinrichtung (5) bestimmten Abstand (BB′) gemäß einer Koordinate (L₀) des vorgegebenen Punktes (A) auf der mittigen Längsachse (AX) des Kraftfahrzeugs (100) in einen Abstand (AA′) der weißen Linie (SW) bezüglich der mittigen Längsachse (AX) des Kraftfahrzeugs (100) umformt.
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