ES2273802T3 - Dispositivo de deteccion de presencia de objetos. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de detección de presencia de objetos, del tipo que van montados en un vehículo automóvil, que presenta por lo menos unángulo muerto, donde el dispositivo de detección es apto para detectar un objeto situado en el ángulo muerto y comprende: un receptor apto para detectar unas ondas electromagnéticas, con un dispositivo focalizador, y un fotosensor que transforma dichas ondas electromagnéticas recibidas en unas señales eléctricas, un circuito electrónico que transforma las señales eléctricas en unas señales digitalizadas, un circuito lógico que analiza las señales digitalizadas para analizar la presencia de objetos en el ángulo muerto con un movimiento relativo respecto de dicho vehículo, y que emite unas señales de salida variables en función del resultado del análisis, [d] unos elementos indicatores, activados mediante las señales de salida, aptos para ser percibidos por el conductor.
Description
Dispositivo de detección de presencia de
objetos.
La invención se refiere a un método de detección
de presencia de objetos y a un dispositivo que pone en práctica
dicho método, siendo dicho dispositivo del tipo que va montado en un
vehículo automóvil, que presenta por lo menos un ángulo muerto,
donde el dispositivo de detección es apto para detectar un objeto
situado en el ángulo muerto.
Los vehículos automóviles convencionales suelen
disponer de unos espejos retrovisores, generalmente uno interno y
uno o dos externos, que permiten al usuario o conductor ver hacia
atrás sin necesidad de que el usuario se gire sobre sí mismo. Sin
embargo, a pesar de disponer de una pluralidad de espejos, suelen
quedar unas zonas, llamadas ángulos muertos, que no quedan
cubiertas por dichos espejos.
Es conocido el empleo de sistemas que captan una
imagen orientada hacia un ángulo muerto mediante una cámara CCD y
que la muestran al usuario a través de una pantalla colocada en el
habitáculo del vehículo. Estos sistemas permiten que el usuario
pueda ver los ángulos muertos sin necesidad de incorporarse, sin
embargo, presentan una serie de inconvenientes: requieren unos
sistemas de transmisión de imagen con una calidad suficiente para
que el usuario perciba una imagen clara, lo que requiere trabajar
con una elevada cantidad de pixels, se debe disponer de espacio en
el habitáculo para poder colocar la correspondiente pantalla, el
sistema no procesa la imagen, sino que únicamente la transmite,
etc. Son, por tanto, unos sistemas caros y que no colaboran
activamente en la detección de situaciones de riesgo.
El documento US 5 424 952 A describe un aparato
de monitorización del entorno de un vehículo que comprende todas
las características del preámbulo de las reivindicaciones 1 y
17.
El documento EP 0 591 743 A describe un
dispositivo de detección de posiciones relativas entre vehículos,
principalmente para la prevención de colisiones, en el que dicho
dispositivo está asociado a un espejo retrovisor exterior de un
vehículo automóvil y comprende un sensor óptico de tipo CCD, así
como una unidad electrónica de procesamiento conectada al sistema
de información a bordo, para detectar e indicar la presencia de
otros vehículos que se aproximan y el riesgo de colisión con el
vehículo en el que va montado dicho dispositivo, en base a una
predicción de las intenciones del conductor del vehículo.
El documento US 5 521 633 A describe un sistema
de monitorización de obstáculos para un vehículo automóvil que
emplea el procesamiento del flujo óptico para vehículos en
movimiento, permitiendo con ello que se determine la presencia de
peligro a partir de la magnitud de un vector del flujo óptico.
El documento US 5 699 057 A describe un sistema
de aviso para un vehículo que comprende un par de cámaras
estereoscópicas, unos medios de reconocimiento de imagen y dos
dispositivos de aviso dispuestos en el lado izquierdo y en el
derecho del conductor.
Todos los dispositivos y métodos de estos
documentos se diferencian claramente del que propone la presente
invención.
La invención tiene por objeto superar algunos
inconvenientes y limitaciones del estado de la técnica citado. Este
objeto se consigue mediante un método y dispositivo de detección de
presencia de objetos según la parte caracterizadora de las
reivindicaciones 1 y 17.
Efectivamente, un método y dispositivo de
detección de este tipo capta la imagen del ángulo muerto y la
analiza, informando al conductor del resultado del análisis. Ello
tiene una serie de ventajas: al conductor no se le muestra la
imagen del ángulo muerto, por lo que no es necesario disponer de
espacio en el habitáculo para una pantalla, adicionalmente al
conductor se le da una información de "mayor valor", en el
sentido que, por parte del dispositivo de detección, ya se ha hecho
una labor de análisis, y se comunica al conductor o usuario el
resultado del análisis. Por otro lado, el dispositivo de detección
requiere unos receptores con una cantidad de pixels menor que la
necesaria para presentar al usuario una imagen del ángulo muerto con
una mínima calidad, por lo que el dispositivo de detección puede
ser equipado con receptores más económicos sin que pierda
prestaciones.
El dispositivo de detección no analiza
únicamente la presencia de un objeto en el ángulo muerto, sino que
da una idea cualitativa de la velocidad relativa del objeto respecto
del vehículo y, por tanto, determina si el objeto se acerca o se
aleja, y con una idea aproximada de la velocidad. Ello permite que
la información que se suministra al conductor sea más completa, ya
que puede distinguir diferentes niveles de riesgo en función de la
velocidad relativa del
objeto.
objeto.
El dispositivo de detección también da una idea
cualitativa de la distancia relativa del objeto respecto del
vehículo y, por tanto, determina la posición del objeto con respecto
al vehículo. Ello permite que la información que se suministra al
conductor sea más completa, ya que puede distinguir diferentes
niveles de riesgo en función de la posición del objeto.
El fotosensor es un conjunto de elementos
fotosensores activos, que ventajosamente son fotodiodos,
distribuidos según una matriz de dos dimensiones, plana, que define
unas filas paralelas entre sí. De esta forma, la matriz de
elementos sensores define la superficie de imagen, que está
compuesta por una pluralidad de pixels, donde a cada pixel le
corresponde un elemento sensor.
Los fotodiodos transforman las ondas
electromagnéticas en una corriente eléctrica. Esta corriente
eléctrica se transforma preferentemente en una tensión eléctrica y
se amplifica.
Los elementos fotosensores activos presentan
preferiblemente un rango dinámico igual o superior a las seis
décadas (10^{6} = 120 dB) en una misma superficie de imagen, es
decir, que entre el valor umbral mínimo de detección, y el umbral
de saturación hay un rango de seis décadas, expresando las
intensidades de luz en lux. Asimismo, un pixel que en un instante
determinado está recibiendo el valor mínimo de detección, puede
detectar en la siguiente adquisición de imagen un valor que sea seis
décadas mayor, y viceversa. Ello permite que el receptor pueda
trabajar en múltiples condiciones de luz, e incluso en condiciones
de luz adversas, con fuertes contrastes de luz, como en la
conducción nocturna. Por la misma razón es preferente que un mismo
elemento sensor presente un rango dinámico igual o superior a las
seis décadas entre dos imágenes consecutivas.
Preferentemente el circuito electrónico puede
efectuar una selección de cada uno de dichos elementos sensores
activando la correspondiente fila y la correspondiente posición en
dicha fila, siendo así posible seleccionar cualquier elemento
sensor a continuación de cualquier elemento sensor. De esta manera,
se puede tomar la señal eléctrica procedente de cada uno de los
elementos sensores y se puede amplificar y digitalizar
secuencialmente todos los pixels que conforman la superficie de
imagen. Alternativamente es también posible que el circuito
electrónico transforme simultáneamente todas las señales eléctricas
de una fila de elementos sensores a señales digitalizadas. En cada
diseño concreto se deberá entonces valorar el mayor coste de esta
solución frente a la mayor rapidez de digitalizado de la
imagen.
Como ya se ha indicado anteriormente, uno de los
objetivos de la presente invención es poder emplear receptores con
unos fotosensores de bajo coste. En este sentido, es preferente que
la matriz de elementos sensores sea de cómo máximo 512 x 512
elementos sensores, y muy preferentemente que sea de como máximo 320
x 256 elementos sensores. En general estos valores hacen referencia
a la cantidad de sensores activos para el procesado de la imagen.
Es decir, es posible que la matriz de elementos sensores disponga de
más elementos sensores, pero que no estén activados para el
procesado de la imagen.
Una vez digitalizada la imagen el circuito
lógico analiza la superficie de imagen. Para ello realiza
preferentemente una convolución matemática, en particular un núcleo
de convolución apropiado para una detección de movimiento, a lo
largo de toda la superficie de imagen de la señal digitalizada o a
lo largo de una parte de la misma.
El circuito lógico comprende preferentemente un
circuito electrónico especializado que incluye: [a] una unidad
central de proceso (CPU) secuencial de tipo Von Neumann, [b] un
coprocesador en paralelo, especializado en el cálculo de la
convolución sobre toda la superficie de imagen, y que incluye por lo
menos 32 multiplicadores acumuladores paralelos con una alta
velocidad de cálculo aptos para calcular la convolución directamente
sobre la superficie de imagen a una velocidad de cálculo tal que la
convolución se complete antes de iniciarse una nueva adquisición de
imagen, y [c] una memoria RAM local. En particular es preferente que
la velocidad de cálculo sea tal que permita calcular una
convolución en un tiempo inferior a 100 ms.
El dispositivo de detección es apto para
distinguir un vehículo de otros objetos. Ello se consigue, por
ejemplo, a base de reconocer unos bordes o aristas, formar unos
rectángulos con dichos bordes y comparar dichos rectángulos con
unos patrones. Cuando ha detectado un vehículo, analiza a partir de
la siguiente imagen la velocidad relativa entre el vehículo
detectado y el vehículo portador del dispositivo de detección.
Una forma preferente de realización de la
invención prevé dividir la superficie de imagen en por lo menos dos
partes, y emplear técnicas de análisis diferentes en cada una de
dichas partes. Así, en una de dichas partes la técnica consiste en
la ya indicada en el párrafo anterior, es decir, en el
reconocimiento de los bordes, la formación de unos rectángulos, la
comparación de los rectángulos con unos patrones y la comparación
de dos imágenes consecutivas para calcular la velocidad relativa,
mientras que en otra de las partes se emplea una técnica basada en
una diferencia de fase para obtener una estimación del flujo óptico
en una dirección determinada, concretamente en dirección de la
calle o carretera por la que circula el vehículo.
La técnica de análisis aplicada consiste en
detectar aristas verticales y/o horizontales claramente marcadas
sobre la imagen de la carretera. Ventajosamente esta técnica incluye
también el seguimiento, a lo largo de imágenes sucesivas, del
movimiento de dichas aristas, y el cálculo, a partir de dicho
seguimiento, de la velocidad relativa entre el objeto (vehículo)
detectado y el vehículo portador del dispositivo de detección. Esta
técnica se describe con más detalle más adelante.
Asimismo es posible que en alguna de las partes
en las que se ha dividido la superficie de imagen se haga servir
simultáneamente más de una técnica de análisis.
En general, el dispositivo de detección debe
suministrar una señal de aviso cuando detecta una situación en la
que hay un riesgo de colisión. Esta señal debe servir para que el
conductor tenga tiempo de evitar o de corregir una maniobra
peligrosa. En este sentido es evidente que la señal de aviso debe
activarse con tiempo suficiente para que el conductor pueda
reaccionar adecuadamente. Si se considera una situación en la que un
vehículo entra en una autopista, lo que representa una situación
extrema por lo que respecta a la velocidad relativa entre el
vehículo entrante y los vehículos que circulan por la autopista, se
comprende que el dispositivo de detección debe tener un radio de
acción elevado, para poder avisar al conductor con tiempo
suficiente. Por ello es preferente que el radio de acción del
dispositivo de detección sea mayor de 15 m, o mejor aún, mayor de
20 m. En este sentido, el dispositivo de detección cubre un campo de
visión más grande que estrictamente el ángulo muerto. Así, el
dispositivo de detección puede detectar situaciones de riesgo y
alertar al conductor incluso aunque la situación de riesgo fuese
detectable a través del espejo retrovisor. De esta manera el
dispositivo de detección colabora de una forma más amplia en la
seguridad durante la conducción del vehículo.
El dispositivo focalizador puede comprender
cualquier elemento óptico habitual y que sea evidente para un
experto en la materia. En particular, puede disponer de una lente o
de una microlente integrada en el circuito integrado que incluye el
dispositivo focalizador. Asimismo es posible incluir una guía de
transmisión de ondas electromagnéticas. Ello permitiría, por
ejemplo, colocar todo el dispositivo de detección en un punto
cualquiera en el interior del vehículo, y conectarlo con el
exterior a través de dicha guía. Sin embargo, las reducidas
dimensiones del dispositivo de detección permiten colocarlo en el
interior de un espejo retrovisor, lo que constituye una forma
preferente de realización, o incluso es posible colocar un
dispositivo de detección en cada uno de los espejos retrovisores
exteriores de un vehículo.
Para conseguir unos tamaños reducidos, al mismo
tiempo que unos consumos bajos y una simplificación en las
comunicaciones entre los diferentes componentes del dispositivo de
detección, es recomendable que el circuito electrónico y el
fotosensor sean de tecnología CMOS, DMOS, MOS,
Si-Ge, BiCMOS o de tecnología SOI (silicon on
insulator), y que el fotosensor y el circuito electrónico estén
físicamente unidos en un módulo multi-chip (MCM,
multi chip module) sobre un sustrato de material plástico, fibra de
vidrio (FR4), cerámico o de silicio.
Opcionalmente se puede mejorar la capacidad del
dispositivo de detección de analizar las situaciones de riesgo si,
a las características de detección de un objeto que se aproxima, se
le añade la capacidad de detectar si el vehículo en el que va
montado el dispositivo de detección ha inicializado acciones
indicadoras de una aproximación al objeto. En particular, es
ventajoso que el dispositivo de detección sea capaz de detectar la
puesta en marcha de una luz intermitente y/o que sea capaz de
detectar un giro en el volante del vehículo.
También es interesante que el dispositivo de
detección sea capaz de comunicar al usuario o conductor del vehículo
diversas señales, que permitan matizar la señal de aviso en función
del riesgo de colisión. Así es preferible que los elementos
indicadores incluyan unas señales luminosas con por lo menos dos
colores, donde cada color indica un nivel de aviso diferente.
También es ventajoso incluir un elemento de salida que permita la
representación de pictogramas, donde dicho elemento de salida es
una matriz de LED's o una pantalla gráfica.
Asimismo puede haber una situación de riesgo si
un pasajero del vehículo portador del dispositivo de detección abre
una puerta sin mirar si se aproxima otro vehículo por detrás. Es,
por tanto, ventajoso que el dispositivo de detección indique
también a los pasajeros del vehículo dichas situaciones de
riesgo.
Es ventajoso permitir que el dispositivo de
detección actúe sobre el cierre de las puertas. Así, por ejemplo,
puede bloquear una puerta si detecta una situación de riesgo.
Finalmente es ventajoso añadir al dispositivo de
detección de presencia de objetos un dispositivo de detección de
somnolencia del conductor. Preferentemente el dispositivo de
somnolencia comparte la mayoría de los dispositivos físicos con el
dispositivo detección de presencia de objetos y emite una señal de
alarma en función de la posición relativa entre el vehículo
portador del dispositivo de detección y las líneas de marcado de los
carriles de la carretera.
Otras ventajas y características de la invención
se aprecian a partir de la siguiente descripción, en la que, sin
ningún carácter limitativo, se relata un modo preferente de
realización de la invención, haciendo mención de los dibujos que se
acompañan.
Las Figs. 1A - 1D muestran un esquema de los
ángulos muertos de un vehículo, las zonas de visión directa y a
través del espejo retrovisor izquierdo, y la zona cubierta por un
dispositivo de detección de acuerdo con la invención;
la Fig. 2 es un esquema simplificado de un
dispositivo de detección de acuerdo con la invención;
la Fig. 3 es una vista en alzado frontal de un
espejo retrovisor mostrando 5 posibles ubicaciones del receptor;
la Fig. 4 es un esquema de una superficie de
imagen;
la Fig. 5 ilustra la superficie de imagen de la
Fig. 4, dividida en tres partes, y
la Fig. 6 es un diagrama de bloques de un
algoritmo de acuerdo con la invención.
A modo de ejemplo, en las Figs. 1A a 1D se
muestran esquemáticamente las zonas visibles a través del espejo
retrovisor 1 del lado izquierdo (lado conductor), las zonas visibles
gracias a la visión periférica lateral del conductor 3, y los
ángulos muertos 5. Las zonas visibles a través de los espejos
retrovisores 1 deben cumplir una serie de requisitos legales, por
ejemplo los definidos en E.C. 71/127 y en las directivas siguientes.
En particular, tal como se muestra en la Fig. 1A, el ángulo de
visión debe ser tal que a una distancia de 10 m del espejo
retrovisor, la anchura de la zona vista sea de como mínimo 2,5 m. En
la Fig. 1A se ha mostrado un área rectangular sombreada que
corresponde con la exigencia legal, y un área triangular que
corresponde con la visión real a través de un espejo retrovisor
convencional que cumpla con el requisito legal.
Estos ángulos muertos 5 son precisamente los que
se quieren cubrir con el dispositivo de detección. El dispositivo
de detección debe, además, solaparse parcialmente con el área vista
por el espejo retrovisor, a fin de evitar discontinuidades entre lo
que detecta el sensor y lo que aprecia el conductor. Por esta misma
razón es conveniente que el sensor también cubra parte del área
vista directamente por el conductor. En este sentido, una posible
solución consiste en emplear un dispositivo de detección que cubra
un área como la sombreada en la Fig. 1C: una zona en forma de
triángulo rectángulo cuyos catetos sean ambos de 4,5 m seguido de
una zona rectangular de 4,5 m de ancho. La longitud total del área
cubierta puede depender, en función de las prestaciones del
dispositivo de detección. A modo de ejemplo, en la Fig. 1C se ha
representado un alcance de 20 m, si bien el dispositivo de
detección que se describe a continuación tiene un alcance de más de
20 m.
En la Fig. 1D se han representado todas las
zonas anteriores conjuntamente. Se aprecia que el ángulo muerto
queda cubierto prácticamente en su totalidad, por lo que se refiere
a la zona correspondiente al carril adyacente. Asimismo hay un
solapamiento con las zonas vistas directamente o a través del espejo
retrovisor.
El dispositivo de detección de acuerdo con la
invención que se muestra en las Figs. 2 a 5 comprende un receptor
7, que está formado por una matriz de 256 filas de fotodiodos, con
320 fotodiodos en cada fila. El receptor 7 recibe las ondas
electromagnéticas procedentes del exterior, en este caso particular
dentro del rango de la luz visible, convenientemente enfocadas
gracias a una lente. Al incidir la luz sobre los fotodiodos, éstos
generan una corriente eléctrica cuya intensidad es función de la
intensidad de luz recibida. Esta corriente eléctrica es convertida
a una tensión eléctrica. Seleccionando una fila y una posición
dentro de la fila, se puede seleccionar un fotodiodo determinado,
el cual transmite así la señal eléctrica a un circuito electrónico
9. El circuito electrónico 9 tiene una etapa de amplificación 11, y
una unidad de conversión analógico-digital ADC, de
la que sale una señal digitalizada.
La señal digitalizada es introducida en un
circuito lógico 15. El circuito lógico 15 comprende una unidad
central de proceso CPU secuencial de tipo Von Neumann, un
coprocesador en paralelo TOT que calcula la convolución y que se
apoya en una memoria auxiliar MEM, una memoria permanente FLASH y
una memoria RAM, de acceso rápido (SRAM). La unidad central de
proceso CPU controla asimismo al receptor 7, enviando las señales de
selección de fila 17 y de posición dentro de la fila 19 a los
correspondientes registros, y al circuito electrónico 9.
El receptor 7 capta una imagen, que incluye el
ángulo muerto, que se proyecta sobre la superficie de imagen
formada por los fotodiodos. Esta superficie de imagen es la que se
transmite al circuito lógico 15 como una serie de pixels
digitalizados. El receptor 7 está orientado de tal manera que el
borde lateral de la superficie de imagen queda prácticamente
enrasado con la superficie lateral del coche 21 y el borde superior
de la superficie de imagen está enrasado con el horizonte 23. El
circuito lógico 15 determina la dirección de movimiento a lo largo
de la calle o carretera, lo que le permite determinar si un
movimiento detectado es en la dirección de la carretera o si es en
otra dirección, por ejemplo vertical. De esta manera puede filtrar
"ruidos", como puede ser la lluvia, la nieve, vehículos en
sentido contrario, etc.
En la Fig. 3 se muestran unos ejemplos de
posicionamiento del receptor 7 o, en su caso, del extremo de la
guía de ondas electromagnéticas, en un espejo retrovisor
exterior.
Como ya se ha indicado anteriormente, es posible
la realización de diversos algoritmos de análisis de la imagen. En
un caso la superficie de imagen es dividida en dos partes 25, 27,
que presentan una zona de solapamiento 29, tal como se muestra en
la Fig. 5. El circuito lógico 15 dispone de dos algoritmos
independientes: un algoritmo detector de vehículos, que se aplica
en la parte 25, y un algoritmo detector de movimiento, que se aplica
en la parte 27. En la zona de solapamiento 29 se aplican ambos
algoritmos. El algoritmo detector de vehículos reconoce los bordes
de figuras existentes en la superficie de imagen, selecciona los
bordes dispuestos horizontal y verticalmente y se compara con unos
patrones para determinar si existe un objeto con una forma similar a
la de un vehículo. En caso afirmativo, se analiza la siguiente
imagen obtenida por el receptor 7, lo que permite determinar la
dirección del movimiento, así como la velocidad del objeto. El
algoritmo detector de movimiento se basa en una técnica de
diferencia de fase para obtener una estimación del flujo óptico en
la dirección de la carretera. El resultado es comparado con los
resultados obtenidos en imágenes anteriores, para eliminar errores
y ruidos por medio de una comprobación de consistencia.
Otro posible algoritmo de análisis de imágenes
se basa en lo siguiente. Como ya se ha dicho el dispositivo está
diseñado para detectar vehículos que adelantan al vehículo portador
del dispositivo mediante la serie de imágenes capturadas con una
cámara digital, por ejemplo una cámara CMOS, dispuesta en el espejo
retrovisor de un vehículo.
La presencia de un vehículo que se aproxima se
basa en la detección y seguimiento de objetos que se mueven a lo
largo del eje de la carretera (en general cualquier vía pública) en
sentido de aproximación con respecto del vehículo portador del
dispositivo. A partir de una imagen, se puede apreciar la presencia
de un vehículo por la presencia de aristas (o bordes) claramente
marcadas en sentido vertical y horizontal sobre el pavimento de la
carretera. En imágenes sucesivas estos elementos visuales (las
aristas verticales y horizontales) se mueven hacia delante si son
parte de un vehículo que se aproxima. Por el contrario se mueven
hacia atrás si son parte de objetos estáticos (como elementos de la
carretera, vallas protectores, árboles, señales de tráfico, hitos,
etc.) o si pertenecen a vehículos que se mueven en sentido contrario
que el vehículo portador del dispositivo. Por lo tanto un
movimiento hacia delante coherente es interpretado como vehículo que
está adelantando.
Esta interpretación es generalmente correcta en
autopistas o carreteras similares, en las que los carriles están
claramente definidos y las curvas suelen ser de radios amplios. En
estos casos la imagen es una perspectiva sencilla y el carril de
adelantamiento puede ser aislado de una forma sencilla del resto del
escenario usando una máscara apropiada. Por ello el movimiento
hacia delante en el carril de adelantamiento es una indicación
clara de un vehículo que se está aproximando. Ruidos e
interferencias debido a baches o movimientos bruscos del vehículo
portador del dispositivo pueden ser eliminados a base de obligar que
el movimiento hacia delante sea coherente a lo largo de diversas
imágenes sucesivas.
La imagen visual en una carretera que no sea una
autopista o similar es mucho más compleja. En particular, los giros
a la izquierda del vehículo portador del dispositivo pueden generar
un movimiento aparente consistente que puede generar falsas
alarmas. Esto es particularmente frecuente en ambientes urbanos,
donde la escena visual tiene una gran cantidad de objetos (coches
aparcados, edificios, señalizaciones de tráfico diversas, etc.) que
presentan aristas marcadas. Además la distancia real entre el
vehículo que se aproxima y el vehículo portador del dispositivo no
puede ser estimada correctamente a partir de su posición, ya que los
carriles no están bien definidos. Por este motivo es conveniente
que el dispositivo detector tenga un módulo de funcionamiento
específico para cuando el vehículo portador gira a la izquierda. De
esta manera, durante un giro a la izquierda, el campo de detección
se desplaza hasta una posición más próxima al vehículo portador y se
imponen unos requerimientos más restrictivos antes de activar la
señal de alarma. Como consecuencia, la señal de alarma se activará
cuando el vehículo que se aproxima está más cerca del vehículo
portador. Sin embargo esto no es un problema porque durante las
curvas cerradas las velocidades de los vehículos son más reducidas
que en las autopistas u otras vías rápidas. Además, dada la
configuración de la calle y la frecuente presencia de
intersecciones, no es necesario un largo rango de detección en el
caso de un entorno urbano.
Como ejemplo concreto la cámara puede disponer
de un sensor que es una matriz CMOS de 320 x 256 con un rango
dinámico elevado (120 dB). El tamaño de las imágenes procesadas es
de por lo menos 128 x 128 pixels. El campo de visión de la cámara
es de aproximadamente unos 55º. La cámara está posicionada de tal
manera que:
- -
- el borde vertical izquierdo de la imagen está próximo al borde lateral del vehículo portador;
- -
- el borde superior de la imagen está ligeramente por encima de la línea del horizonte, en aproximadamente un octavo de la imagen;
- -
- la cámara está ligeramente inclinada en sentido horario de manera que alinea la imagen a lo largo del eje de la carretera.
Se emplea una máscara, que se controla a partir
del software, que delimita la región de interés de las imágenes. La
máscara se posiciona de tal manera que un coche situado en el carril
de adelantamiento de una carretera recta y a una gran distancia
queda posicionado en el extremo superior izquierdo de la máscara. La
posición de la máscara en la imagen puede ser ajustada para
conseguir un ajuste fino del campo de visión.
Para que el dispositivo de detección funcione
adecuadamente la velocidad de captación de imágenes debería ser
preferentemente superior a las 40 imágenes por segundo, ya que de
esta manera el dispositivo es capaz de seguir la trayectoria de los
vehículos que se aproximan con una mayor precisión. El algoritmo del
dispositivo de detección tiene básicamente cuatro módulos
principales:
- -
- Un módulo de detección de flujo óptico. El algoritmo usa una técnica basada en la diferencia de fases para producir una estimación densa del flujo óptico en la dirección del eje de la carretera. Para ello se procesa un par de imágenes sucesivas. Los elementos visuales que no se estén moviendo hacia delante son filtrados y eliminados. Las imágenes resultantes son alimentadas a los siguientes módulos. Este módulo es opcional y puede no utilizarse.
- -
- Módulo de detección y seguimiento de vehículos. En la región delimitada por la máscara, el algoritmo calcula las aristas de la imagen y sus direcciones. Las aristas verticales y las aristas horizontales son normalizadas y son integradas a lo largo de los ejes vertical y horizontal, respectivamente. El factor de normalización es ajustado dinámicamente en base a la densidad promedio de la arista. La proyección unidireccional de dichas aristas sobre el eje de coordenadas correspondiente se emplea para trazar la trayectoria según dicho eje. Los objetos que se aproximan generan proyecciones con velocidades positivas, es decir hacia la derecha y hacia abajo de la imagen. Estos puntos son separados de otros puntos que sean estacionarios o que presenten movimientos relativos a base de filtros direccionales. Las trayectorias resultantes son identificadas y seleccionadas.
- -
- Módulo de detección de vehículos sin velocidad relativa. Una vez que se ha identificado la trayectoria de un vehículo que se aproxima (mediante el desplazamiento de sus proyecciones unidireccionales correspondientes) se estima y supervisa la velocidad del vehículo. Por lo tanto es posible detectar situaciones en las que este vehículo que se aproximaba reduce su velocidad y circula a la misma velocidad que el vehículo portador del dispositivo, quedándose a una corta distancia del vehículo portador del dispositivo. En estos casos es posible emitir algún tipo de señal de alarma específico hasta que no se observe que el entorno de la imagen del vehículo que se aproxima sufre cambios sustanciales (alejándose o adelantando al vehículo portador del dispositivo de detección). Es decir, este módulo permite el control de situaciones de tráfico (por ejemplo tráfico denso) en el que tiene lugar la circulación en paralelo, es decir, vehículos circulando por carriles diferentes a velocidades prácticamente iguales. En estos casos es relativamente frecuente que un vehículo quede posicionado en el ángulo muerto de otro vehículo, lo que puede generar situaciones de peligro.
- -
- Módulo de detección durante los giros a la izquierda. Durante los giros a la izquierda se produce un desplazamiento de los elementos visuales contenidos en diferentes imágenes constante y global. Mediante una técnica en correlaciones se detectan los desplazamientos constantes en la parte superior de imágenes sucesivas. La coherencia de esta señal durante diversas imágenes sucesivas se usa como indicación de que el vehículo portador está girando y, por tanto, que debe ser activado el módulo de detección de giros a la izquierda.
La Figura 6 se muestra un diagrama de bloques en
el que se muestran las etapas del algoritmo. Las referencias
indicadas representan los siguientes bloques:
- 6.1 - Inicio del algoritmo
- 6.2 - Adquisición de imagen
- 6.3 - Estimación del flujo óptico
- 6.4 - Detección de giros a la izquierda
- 6.5 - Detección y seguimiento de vehículos
- 6.6 - ¿Movimiento hacia delante consistente?
- 6.7 - Activar alarma
En primer lugar el módulo de flujo óptico 6.3
realiza un filtrado grosero del flujo de imagen basándose en la
dirección del movimiento. A continuación el módulo de giro a la
izquierda 6.4 avisa al sistema si el vehículo portador está
girando. A continuación el sistema de detección y seguimiento 6.5
sigue las trayectorias de los objetos que se mueven y activa, si
procede, la señal de alarma correspondiente. A continuación, si la
alarma está activada, se activa el módulo de velocidad cero.
Se pueden establecer dos modos de operación. Si
el vehículo portador no está girando, únicamente se consideran las
proyecciones de las trayectorias a lo largo del eje horizontal. Si
el módulo de seguimiento detecta una trayectoria más larga que 15
imágenes, se genera una señal de alarma y da una estimación de la
distancia relativa y de velocidad relativa del vehículo que se
aproxima. Esta indicación es fiable en el caso de carreteras planas
y rectas, como autopistas o similares.
Si el detector de giro a la izquierda está
activado, los requerimientos para que se active la alarma son más
estrictos. Primero se filtran las imágenes utilizando el detector de
flujo óptico, a fin de reducir el ruido, y las dos proyecciones (a
lo largo del eje vertical y a lo largo del eje horizontal) son
tenidas en consideración. Únicamente si un efecto visual se está
moviendo hacia adelante tanto en el eje X como en el eje Y se activa
la señal de alarma. Ello se realiza de esta manera ya que durante
las rotaciones los elementos visuales se caracterizan por tener una
velocidad positiva según el eje X, pero con una velocidad
aproximadamente nula según el eje Y, ya que se mantiene la altura
de los mismos. Adicionalmente la máscara se baja de posición y se
desplaza hacia la derecha para cubrir la región de interés (el
carril de adelantamiento) de las imágenes.
A continuación, el circuito lógico, en función
de la información obtenida (presencia de vehículo, distancia del
vehículo, y velocidad relativa) activa, por ejemplo, un grupo de
tres LED's (no representados en las Figs.) de tres colores
diferentes (rojo, anaranjado, verde), lo que le permite comunicar
diferentes niveles de aviso, en función de la peligrosidad. Son
posibles una pluralidad de formas de presentación de los niveles de
aviso: desde una única señal luminosa roja, que se active para
indicar la presencia de un objeto en la zona de detección, hasta
dispositivos complejos, con diversas señales luminosas, acústicas y
táctiles.
El dispositivo de detección tiene un alcance de
más de 20 m. De esta manera, en la situación indicada anteriormente
a modo de ejemplo, en la que un vehículo desea entrar en una
autopista, caso en el que puede haber velocidades relativas del
orden de 120 km/h, el conductor recibe la señal de aviso con casi 1
s de tiempo.
En el caso de que el dispositivo de detección
esté montado simultáneamente en dos espejos retrovisores exteriores
del vehículo (uno en cada lado del vehículo), es posible añadirle,
adicionalmente, un dispositivo de detección de somnolencia del
conductor. Preferentemente el dispositivo de detección de
somnolencia comparte todos los elementos físicos del dispositivo de
detección de presencia de objetos que participan en la captación y
procesado de imágenes, como el receptor, el circuito electrónico y
el circuito lógico. Adicionalmente el dispositivo de detección de
somnolencia dispone de un algoritmo que permite detectar la
somnolencia de la manera que se describe a continuación.
Mediante las imágenes obtenidas a través de cada
uno de los dispositivos de detección de presencia de objetos
dispuestos en cada uno de los retrovisores se detectan las líneas de
marcado del carril por el que circula el vehículo portador de los
dispositivos de detección. De esta manera se puede detectar cuándo
el vehículo portador cruza una de dichas líneas de marcado.
Efectivamente, como consecuencia de la somnolencia el conductor ya
no es capaz de seguir el carril, marcado por las líneas de marcado,
y se sale del mismo, creando una situación de peligro. El detector
de somnolencia es capaz, por tanto, de detectar esta circunstancia y
de emitir una señal de alarma.
Para reconocer dichas líneas de marcado, el
dispositivo de detección de somnolencia analiza la imagen en la
parte inmediatamente posterior del coche, extrae los bordes de la
línea de marcado (las aristas de la misma) y las sigue a lo largo
del tiempo. Se puede determinar la distancia entre la rueda y el
borde de la línea de marcado y así es posible emitir una señal de
alarma cuando dicha línea de marcado va a ser traspasada.
Preferentemente el dispositivo de detección de somnolencia está
conectado con el módulo de detección de giros, que le permite
identificar el caso en el que se produzca una aproximación a la
línea de marcado debido a que se está tomando una curva. Asimismo
el dispositivo de detección de somnolencia recibe información sobre
la posible activación de las luces intermitentes, lo que le permite
discernir entre un cruce voluntario de las líneas de marcado de un
cruce involuntario o, al menos, no notificado.
Si el dispositivo de detección de somnolencia
detecta un cruce inadvertido de una línea de marcado, activa una
señal de aviso. Esta señal de aviso puede ser táctil (por ejemplo
vibraciones en el volante), luminosa y/o acústica.
Es posible asimismo realizar un dispositivo de
detección de somnolencia a partir de un dispositivo de detección de
presencia de objetos único, dispuesto en un único espejo retrovisor,
si bien en este caso es probable que las prestaciones del mismo, en
el sentido de la calidad o pertinencia de las señales de aviso que
emite, no sean iguales.
El dispositivo de detección de somnolencia está
enfocado siempre hacia atrás, y cubre exactamente la misma área de
detección del dispositivo de detección de presencia de objetos, ya
que preferentemente comparte con él todos los elementos físicos de
detección y de cálculo.
Claims (19)
1. Método de detección de presencia de objetos
mediante el uso de un dispositivo de detección del tipo que va
montado en un vehículo automóvil, presentando dicho vehículo
automóvil por lo menos un ángulo muerto, donde dicho dispositivo de
detección es apto para detectar un objeto tal como un vehículo que
se aproxima situado en dicho ángulo muerto y para distinguirlo de
otros objetos, que comprende las etapas de:
detectar unas ondas electromagnéticas mediante
un receptor (7) que comprende un dispositivo focalizador y un
detector de luz que incluye un conjunto de elementos fotosensores
activos que transforman dichas ondas electromagnéticas en señales
eléctricas, definiendo dicho fotosensor una superficie de
imagen;
transformar dichas señales eléctricas en señales
digitalizadas mediante un circuito electrónico (9);
analizar dichas señales digitalizadas mediante
un circuito lógico (15) para analizar la presencia de objetos en
dicho ángulo muerto, que es al menos uno, con un movimiento relativo
respecto de dicho vehículo, y generar unas señales de alarma, de
salida, variables en función del resultado de dicho análisis, y
activar unos elementos indicadores mediante
dichas señales de salida,
caracterizado porque dicha distinción
entre un vehículo y otros objetos se realiza a base de reconocer
unas aristas, claramente marcadas en al menos una primera parte de
dicha superficie de imagen de interés en sentido vertical y/o
horizontal, y a base de seguir el movimiento de dichas aristas a lo
largo de diversas imágenes sucesivas para calcular una velocidad
relativa entre un objeto detectado que proporciona dichas aristas y
el vehículo a motor equipado con dicho dispositivo de detección.
2. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque en una segunda parte de dicha superficie
de imagen se emplea una técnica diferente basada en una diferencia
de fase para obtener una estimación del flujo óptico en una
dirección determinada.
3. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho circuito lógico (15) efectúa el
reconocimiento de aristas realizando una convolución matemática a
lo largo de al menos dicha primera parte de dicha superficie de
imagen de la señal digitalizada, distinguiendo en consecuencia un
vehículo de otros objetos.
4. Método según la reivindicación 3,
caracterizado porque dicha convolución matemática a lo largo
de al menos dicha primera parte de dicha superficie de imagen se
realiza mediante una convolución de núcleo apropiada para una
detección de movimiento.
5. Método según la reivindicación 3,
caracterizado porque dicha convolución se calcula en un
tiempo menor de 100 ms.
6. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque:
dicha primera parte, que es al menos una, de
dicha imagen de interés se define mediante una máscara controlada
por un programa informático y porque un algoritmo calcula las
aristas de la imagen y sus direcciones, siendo dichas aristas
verticales y horizontales normalizadas e integradas a lo largo de
los ejes vertical y horizontal, respectivamente;
se ajusta dinámicamente un factor de
normalización sobre la base de la densidad media de dichas aristas,
empleando la proyección unidireccional de dichas aristas sobre los
ejes de coordenadas correspondientes para trazar una trayectoria
según dicho eje, con lo que los objetos que se aproximan generan
puntos de proyección sobre dicho eje con velocidades positivas,
y
dichos puntos de proyección se separan de otros
puntos que están fijos o tienen movimientos relativos con la ayuda
de filtros de dirección, identificando y seleccionando finalmente
las trayectorias resultantes.
7. Método según la reivindicación 6,
caracterizado porque:
en cuanto se ha identificado la trayectoria de
un vehículo que se aproxima mediante el desplazamiento de sus
correspondientes proyecciones unidireccionales, se calcula y
supervisa la velocidad de dicho vehículo para que sea posible
detectar situaciones en las que el vehículo que se aproxima reduzca
su velocidad y circule a la misma velocidad que dicho vehículo
equipado con dicho dispositivo, quedándose a poca distancia del
mismo, o vehículos que circulan por diversos carriles a
prácticamente la misma velocidad, y
se emite un tipo específico de señal de alarma
hasta que se observen cambios sustanciales en el entorno de dicha
imagen de un vehículo que se aproxima.
8. Método según la reivindicación 6,
caracterizado porque:
dicha máscara controlada desde un programa
informático que define dicha superficie de imagen de interés está
colocada de tal modo que un coche ubicado en el carril de
adelantamiento de una carretera recta y a mucha distancia se sitúa
en el extremo superior izquierdo de dicha máscara, y
la posición de la máscara en relación con la
imagen puede ajustarse para conseguir un ajuste preciso del campo
de visión.
9. Método según la reivindicación 2,
caracterizado porque, a fin de estimar un flujo óptico en
dicha dirección de un eje de una carretera, se procesa un par de
imágenes sucesivas y se filtran y eliminan los elementos visuales
que no avanzan, y porque dicho procedimiento es opcional y puede no
emplearse.
10. Método según la reivindicación 7,
caracterizado porque, en el caso de un giro del vehículo
automóvil hacia la izquierda, se detecta el desplazamiento
constante de unos elementos visuales contenidos en diversas
imágenes en una parte superior de unas imágenes sucesivas mediante
una técnica basada en correlaciones y se utiliza la coherencia de
dicha señal durante varias imágenes sucesivas como indicación de que
el vehículo equipado con dicho dispositivo está girando hacia la
izquierda, con lo que, cuando el campo de detección se mueve hacia
una posición más cercana a dicho vehículo equipado con dicho
dispositivo, se imponen unas condiciones más restrictivas antes de
activar dichas señales de alarma.
11. Método según la reivindicación 7, que además
detecta si dicho vehículo equipado con dicho dispositivo ha
iniciado acciones indicadoras de una aproximación a dicho
objeto.
12. Método según la reivindicación 11,
caracterizado porque dichas acciones indicadoras comprenden
la puesta en marcha de una luz intermitente.
13. Método según la reivindicación 11,
caracterizado porque dichas acciones indicadoras comprenden
efectuar un giro de un volante.
14. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichas señales de alarma incluyen unas
señales luminosas con por lo menos dos colores, donde cada color
indica un nivel de aviso diferente.
15. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque incluye además unos medios de detección
de somnolencia del conductor utilizando dicho dispositivo de
detección y emitiendo una señal de alarma en función de la posición
relativa del vehículo equipado con dicho dispositivo de detección
con respecto a las líneas de marcado de los carriles sobre el
pavimento de la carretera.
16. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho conjunto de elementos fotosensores
se integra en una cámara digital montada en un espejo retrovisor de
un vehículo y porque dicha cámara se coloca de tal modo que:
un borde vertical izquierdo de dicha superficie
de imagen está cerca de un borde lateral de un vehículo equipado
con dicho dispositivo;
un borde superior de dicha superficie de imagen
está situado ligeramente por encima de la línea del horizonte, en
aproximadamente una octava parte de dicha imagen, y
dicha cámara está ligeramente inclinada en el
sentido de las agujas del reloj para así alinear dicha superficie
de imagen a lo largo de un eje de la carretera.
17. Dispositivo de detección de presencia de
objetos que pone en práctica un método según la reivindicación 1,
siendo dicho dispositivo de detección del tipo que van montados en
un vehículo automóvil, presentando dicho vehículo por lo menos un
ángulo muerto, donde dicho dispositivo de detección es apto para
detectar un objeto tal como un vehículo que se aproxima situado en
dicho ángulo muerto y para distinguirlo de otros objetos, que
comprende:
[a] un receptor (7) apto para detectar unas
ondas electromagnéticas, comprendiendo dicho receptor (7) un
dispositivo focalizador y un detector de luz que incluye un
conjunto de elementos fotosensores activos que transforman dichas
ondas electromagnéticas en señales eléctricas, definiendo dicho
detector de luz una superficie de imagen;
[b] un circuito electrónico (9) que transforma
dichas señales eléctricas en señales digitalizadas;
[c] un circuito lógico (15) que analiza dichas
señales digitalizadas para analizar la presencia de objetos en
dicho ángulo muerto, que es al menos uno, con un movimiento relativo
respecto de dicho vehículo, y generar unas señales de salida
variables en función del resultado de dicho análisis;
[d] unos elementos indicadores activados
mediante dichas señales de salida,
caracterizado porque
dichos elementos fotosensores activos se
integran en una cámara digital;
dicha cámara digital se coloca de tal modo
que:
- -
- un borde vertical izquierdo de dicha superficie de imagen está cerca de un borde lateral de un vehículo equipado con dicho dispositivo;
- -
- un borde superior de dicha superficie de imagen está situado ligeramente por encima de la línea del horizonte, en aproximadamente una octava parte de la imagen;
- -
- dicha cámara está ligeramente inclinada en el sentido de las agujas del reloj para así alinear dicha superficie de imagen a lo largo de un eje de la carretera;
dicho dispositivo comprende una máscara
controlada por un programa informático que permite realizar una
selección de las partes de una superficie de interés que definen
una zona de interés;
dicho detector de luz está constituido por unos
elementos sensores activos que presentan un rango dinámico igual o
superior a seis décadas, o sea que entre un valor umbral de
detección mínimo y un valor umbral de saturación hay un rango de
seis décadas, expresándose la intensidad de la luz en lux, en una
misma superficie de imagen, y
un mismo elemento sensor presenta un rango
dinámico igual o superior a las seis décadas, tal como se define
anteriormente, entre dos imágenes consecutivas.
18. Dispositivo de detección según la
reivindicación 17, caracterizado porque dicha cámara digital
se aloja en una unidad de espejo retrovisor exterior del
vehículo.
19. Dispositivo de detección según la
reivindicación 18, que incluye una cámara digital en cada uno de
dichos espejos retrovisores exteriores de dicho vehículo.
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