专利名称：基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统及方法
技术领域：
本发明属于驾驶安全领域，涉及一种倒车安保系统，特别涉及一种超声测距，红外探测，图像处理与图像识别，传感，信号处理与电磁继电等领域综合控制的倒车安保系统。
背景技术：
随着城市化的推进和人们生活水平的提高，汽车拥有率不断攀升，汽车的行车安全问题也越来越引起大众的关注。其中在倒车过程中，由于驾驶员往往难以准确获知车后的状况，容易在倒车过程中产生撞击，撞人事故，发生危险。当前汽车的倒车安保系统还基本局限在倒车雷达的阶段。倒车雷达能够识别到基本的车后障碍物(包括人)，但对于车身后的沟壑以及车后是否有人应予避让的情况束手无策，特别是在车后有人并且需要采取紧急措施的情况下，往往因为驾驶员的惊慌失措或疏忽而导致反应不及。对于车后存在沟壑的情况，现时驾驶员在倒车过程中只能通过后视镜观察并依靠经验判断，存在很大的安全隐患，并且，这样对于深沟、暗壑往往无能为力。以上这些状况对于大多数汽车驾驶员，特别是驾驶新手来说是相当苦恼却难以避免的，因此利用现有技术尽可能简单高效地填补这方面的空白是迫切而又需要的。另外，现有的倒车雷达只具有实现基本报警的功能，在危险情况下仍然需要驾驶员手动操作，在驾驶员误操作或者报警未引起驾驶员足够重视的情况下依然可能发生危险状况。故本专利在汽车原有倒车雷达的基础上实现了对驾驶员和汽车多种情况下的多重保护。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统及方法；提高汽车在复杂状况下的安全系数。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统，其特征在于，它主要由信号采集装置，信号分析处理系统和执行机构顺序连接组成；其中，所述信号采集装置包括四个水平超声波测距传感器、远地点超声波测距传感器、近地点超声波测距传感器、两个红外传感器、摄像头和档位压力传感器等；执行机构包括刹车闸、电磁继电器、第一刹车线圈、第二刹车线圈和报警装置等；水平超声波测距传感器、远地点超声波测距传感器、近地点超声波测距传感器、红外传感器、摄像头、电磁继电器、档位压力传感器和报警装置均与信号分析处理系统相连，电磁继电器分别与第一刹车线圈和第二刹车线圈相连。进一步地，所述四个水平超声波测距传感器按等间距置于汽车后保险杠上、远地点超声波测距传感器安装在汽车后保险杠的中间上侧，近地点超声波测距传感器安装在汽车后保险杠的中间下侧，远地点超声波测距传感器与地面的夹角
弋力15-45°，近地点超声波测距传感器与地面的夹角4力45-75° ;两个红外传感器分别
安装在汽车后保险杠两端距边缘1/6处；摄像头安装于车顶后方以获得车后视野；第一刹车线圈固定于刹车底部板外侧；第二刹车线圈固定在刹车闸上，并与第一刹车线圈正面相对，档位压力传感器置于变速箱倒挡位置的底部，当换挡杆处于倒档位置时会使档位压力传感器输出高电平。—种应用上述倒车辅助系统的倒车辅助方法，该方法包括以下步骤
(1)倒车状态检测汽车启动后，基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统处于上电待机状态；正常驾驶过程中，当档位压力传感器检测到倒车状态，即换变速箱换挡杆处于倒档位置时，档位压力传感器输出信号到输入信号分析处理系统；
(2)车后状态信号采集信号分析处理系统接收到档位压力传感器的输出信号，控制水平超声波测距传感器、远地点超声波测距传感器、近地点超声波测距传感器、红外传感器和摄像头采集汽车后部信息，这些汽车后部信息传输至信号分析处理系统；
(3)车后状况判断信号分析处理系统接收汽车后部信息，将车后状况分为以下四种情·况
(3. I)倒车过程中机动车后方有人红外传感器探测到车后有人或其他生命体的存在，同时水平超声波测距传感器检测倒车后存在障碍物，判断为车后有人，输入信号至信号分析处理系统；
(3. 2)倒车轨迹车后有非人障碍物红外传感器没有探测到车后有人或其他生命体的存在，水平超声波测距传感器、远地点超声波测距传感器、近地点超声波测距传感器之一测定后方有障碍物时，判断为车后有非人障碍物，输入信号至信号分析处理系统；
(3. 3)倒车过程车后有沟壑依据摄像头昼夜工作条件限制分为两种情况白天时，位于车顶后方的摄像头如果检测到车后方图像有明显的灰度分界，并且远地点超声波测距传感器或近地点超声波测距传感器的反馈距离大于预设值的10%时，判断为车后有沟壑，输入信号至信号分析处理系统；夜晚时，摄像头输出的图像没有明显灰度分界，如果远地点超声波测距传感器或近地点超声波测距传感器的反馈距离大于预设值的10%时，判断为车后有沟壑，输入信号至信号分析处理系统；
(3. 4)车后正常状况水平超声波测距传感器、远地点超声波测距传感器、近地点超声波测距传感器、红外传感器和摄像头均没有明显的输出变化，判断为正常状况；
(4)第一级信号处理，针对步骤3的四种情况，采取以下方式之一处理
(4. I)当信号分析处理系统判断倒车过程中机动车后方有人时，启动避人模式，当水平超声波测距传感器测量车尾距车后的人距离小于I. 5米时，信号分析处理系统控制报警装置发出报警信号；
(4. 2)当信号分析处理系统判断倒车轨迹车后有非人障碍物时，启动避障模式，当水平超声波测距传感器测量车尾距车后的障碍物距离小于I. 5米时，信号分析处理系统控制报警装置发出报警信号；
(4. 3)当信号分析处理系统判断倒车过程车后有沟壑时，启动沟壑模式，当远地点超声波测距传感器和近地点超声波测距传感器两者之一的距离测量结果大于原先设定值的10%时，信号分析处理系统控制报警装置发出报警信号；
(4. 4)当信号分析处理系统判断车后正常状况时，继续探测直至停车；
(5)第二级信号处理当报警信号响起之后继续倒车行驶，并到达限定阈值，对汽车进行强制制动，采取以下方式之一处理
(5. I)启动避人模式后，当水平超声波测距传感器测量车尾距车后的人距离小于O. 8米时，信号分析处理系统输出高电平使电磁继电器带电，从而使得第一刹车线圈和第二刹车线圈相互吸合，继而吸合刹车闸，实现汽车的强制制动；
(5. 2)启动避障模式后，当水平超声波测距传感器I测量车尾距车后的障碍物距离小于O. 3米时，信号分析处理系统输出高电平使电磁继电器带电，从而使得第一刹车线圈和第二刹车线圈相互吸合，继而吸合刹车闸，实现汽车的强制制动；
(5. 3)启动沟壑模式后，当近地点超声波测距传感器的距离测量结果大于预设值的30%时，信号分析处理系统输出高电平使电磁继电器带电，从而使得第一刹车线圈和第二刹车线圈相互吸合，继而吸合刹车闸，实现汽车的强制制动；
(6)强制制动后的解锁当信号分析处理系统判断汽车处于强制制动状态时，若需要对汽车运动系统解锁，只需将变速箱档位推离倒档档位，此时档位压力传感器的采集信号输入信号分析处理系统，重新使基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统处于待机状态，此时，自动解锁。 本发明相对于现有技术，其有益效果在于通过多种传感器的协同作用，使驾驶员在倒车过程中能够获取更多信息，继而有效减少因视觉死角或紧急状况下踩错离合器导致安全事故的发生，同时对倒车过程中遇到沟壑以及倒车后方有人的情况提供有力的安全保障。并且，本发明是基于传统超声波测距传感器(倒车雷达)，红外传感器和摄像头的协同作用，具有精确定位、稳定可靠、抗干扰能力强、实用性高等特点，适合大多数汽车的倒车辅助驾驶。
图I是本倒车辅助系统的结构示意 图2是本倒车辅助系统的工作步骤流程示意 图3是本倒车辅助系统的超声波测距模块空间位置详 图4是本倒车辅助系统基于电磁继电器控制的自动刹车原理 图5是本倒车辅助系统的总体功能流程 图6是本倒车辅助系统的避人模式实现方式流程 图7是本倒车辅助系统的避障模式实现方式流程 图8是本倒车辅助系统的沟壑模式实现方式流程 图9是本倒车辅助系统的信号传递 图中，水平超声波测距传感器I、远地点超声波测距传感器2、近地点超声波测距传感器3、红外传感器4、摄像头5、汽车后保险杠6、第一刹车线圈7、第二刹车线圈8、刹车闸9、电磁继电器10、信号分析处理系统11、档位压力传感器12、报警装置13。
具体实施例方式本发明基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统主要由信号采集装置，信号分析处理系统11和执行机构顺序连接组成(图I)。其中，信号采集装置包括四个水平超声波测距传感器I、远地点超声波测距传感器2、近地点超声波测距传感器3、两个红外传感器4、摄像头5和档位压力传感器12。执行机构包括刹车闸9、电磁继电器10、第一刹车线圈7、第二刹车线圈8和报警装置13。水平超声波测距传感器I、远地点超声波测距传感器2、近地点超声波测距传感器3、红外传感器4、摄像头5、电磁继电器10、档位压力传感器12和报警装置13均与信号分析处理系统11相连，电磁继电器10分别与第一刹车线圈7和第二刹车线圈8相连。如图3所示，水平超声波测距传感器I为传统倒车雷达，四个水平超声波测距传感器I按等间距置于汽车后保险杠6上、远地点超声波测距传感器2安装在汽车后保险杠6的中间上侧，近地点超声波测距传感器3安装在汽车后保险杠6的中间下侧，远地点超声波
测距传感器2与地面的夹角4力15-45°，近地点超声波测距传感器3与地面的夹角H力45-75°。两个红外传感器4分别安装在汽车后保险杠6两端距边缘1/6处。摄像头5安装于车顶后方以获得车后视野。如图4所示，第一刹车线圈7固定于刹车底部板外侧;第二刹车线圈8固定在刹车闸9上，并与第一刹车线圈7正面相对，其中刹车线圈电力由汽车电瓶提供。档位压力传感器12置于变速箱倒挡位置的底部，当换挡杆处于倒档位置时会使档位压力传感器12输出高电平。
其中，信号分析处理系统11可以由DSP或者ARM处理器来实现，如TI公司新推出的DSP产品TMS320F2812，但不限于此。本发明基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助方法，包括以下步骤(图2)
I、倒车状态检测
汽车启动后，基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统处于上电待机状态。正常驾驶过程中，当档位压力传感器12检测到倒车状态，即换变速箱换挡杆处于倒档位置时，档位压力传感器12输出信号到输入信号分析处理系统11。2、车后状态信号采集
信号分析处理系统11接收到档位压力传感器12的输出信号，控制水平超声波测距传感器I、远地点超声波测距传感器2、近地点超声波测距传感器3、红外传感器4和摄像头5采集汽车后部信息，这些汽车后部信息传输至信号分析处理系统11。3、车后状况判断
信号分析处理系统11接收汽车后部信息，将车后状况分为以下四种情况
3.I、倒车过程中机动车后方有人红外传感器4探测到车后有人或其他生命体的存在，同时水平超声波测距传感器I检测倒车后存在障碍物，判断为车后有人，输入信号至信号分析处理系统11。3. 2、倒车轨迹车后有非人障碍物红外传感器4没有探测到车后有人或其他生命体的存在，水平超声波测距传感器I、远地点超声波测距传感器2、近地点超声波测距传感器3之一测定后方有障碍物时，判断为车后有非人障碍物，输入信号至信号分析处理系统11。3. 3、倒车过程车后有沟壑依据摄像头昼夜工作条件限制分为两种情况。白天时，位于车顶后方的摄像头5如果检测到车后方图像有明显的灰度分界，并且远地点超声波测距传感器2或近地点超声波测距传感器3的反馈距离大于原先设定值的10%时(根据车型不同，该设定值会有所不同)，判断为车后有沟壑，输入信号至信号分析处理系统11 ；
夜晚时，摄像头5输出的图像没有明显灰度分界，如果远地点超声波测距传感器2或近地点超声波测距传感器3的反馈距离大于原先设定值的10%(根据车型不同，该设定值会有所不同)，判断为车后有沟壑，输入信号至信号分析处理系统11。3. 4、车后正常状况
水平超声波测距传感器I、远地点超声波测距传感器2、近地点超声波测距传感器3、红外传感器4和摄像头5均没有明显的输出变化，判断为正常状况。4、第一级信号处理(报警)
4.I、当信号分析处理系统11判断倒车过程中机动车后方有人时，启动避人模式(图6)，当水平超声波测距传感器I测量车尾距车后的人距离小于I. 5米时，信号分析处理系统11控制报警装置13发出报警信号。4. 2、当信号分析处理系统11判断倒车轨迹车后有非人障碍物时，启动避障模式(图7)，当水平超声波测距传感器I测量车尾距车后的障碍物距离小于I. 5米时，信号分析处理系统11控制报警装置13发出报警信号。 4. 3、当信号分析处理系统11判断倒车过程车后有沟壑时，启动沟壑模式(图8)，当远地点超声波测距传感器2和近地点超声波测距传感器3两者之一的距离测量结果大于原先设定值的10%时(根据车型不同，该设定值会有所不同)，信号分析处理系统11控制报警装置13发出报警信号。4. 4、当信号分析处理系统11判断车后正常状况时，继续探测直至停车。5、第二级信号处理(强制制动)
如果驾驶员在报警信号响起之后继续倒车行驶，并到达一定的限定阈值，此时可以认为驾驶员的行为已经严重威胁到自身或者他人的安全，需要在特定情况下实现对汽车的强制制动，即
5.I、启动避人模式后(图6)，当水平超声波测距传感器I测量车尾距车后的人距离小于O. 8米时，信号分析处理系统11输出高电平使电磁继电器10带电，从而使得第一刹车线圈7和第二刹车线圈8相互吸合，继而吸合刹车闸9，实现汽车的强制制动。5. 2、启动避障模式后(图7)，当水平超声波测距传感器I测量车尾距车后的障碍物距离小于O. 3米时，信号分析处理系统11输出高电平使电磁继电器10带电，从而使得第一刹车线圈7和第二刹车线圈8相互吸合，继而吸合刹车闸9，实现汽车的强制制动。5. 3、启动沟壑模式后(图8)，当近地点超声波测距传感器3的距离测量结果大于原先设定值的30%时(根据车型不同，该设定值会有所不同)，信号分析处理系统11输出高电平使电磁继电器10带电，从而使得第一刹车线圈7和第二刹车线圈8相互吸合，继而吸合刹车闸9，实现汽车的强制制动。6、强制制动后的解锁
当信号分析处理系统11判断汽车处于强制制动状态时，若需要对汽车运动系统解锁，驾驶员只需将变速箱档位推离倒档档位，此时档位压力传感器12的采集信号输入信号分析处理系统11，重新使能基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统处于待机状态，此时，汽车运动系统自动解锁，汽车可以由驾驶员手动驾驶前进。上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统，其特征在于，它主要由信号采集装置，信号分析处理系统和执行机构顺序连接组成；其中，所述信号采集装置包括四个水平超声波测距传感器、远地点超声波测距传感器、近地点超声波测距传感器、两个红外传感器、摄像头和档位压力传感器等；执行机构包括刹车闸、电磁继电器、第一刹车线圈、第二刹车线圈和报警装置等；水平超声波测距传感器、远地点超声波测距传感器、近地点超声波测距传感器、红外传感器、摄像头、电磁继电器、档位压力传感器和报警装置均与信号分析处理系统相连，电磁继电器分别与第一刹车线圈和第二刹车线圈相连。
2.根据权利要求I所述基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统，其特征在于，所述四个水平超声波测距传感器按等间距置于汽车后保险杠上、远地点超声波测距传感器安装在汽车后保险杠的中间上侧，近地点超声波测距传感器安装在汽车后保险杠的中间下侧，远地点超声波测距传感器与地面的夹角圬为15-45°，近地点超声波测距传感器与地面的夹角■^力45-75° ;两个红外传感器分别安装在汽车后保险杠两端距边缘1/6处；摄像头安装于车顶后方以获得车后视野；第一刹车线圈固定于刹车底部板外侧；第二刹车线圈固定在刹车闸上，并与第一刹车线圈正面相对，档位压力传感器置于变速箱倒挡位置的底部，当换挡杆处于倒档位置时会使档位压力传感器输出高电平。
3.一种应用权利要求I所述倒车辅助系统的倒车辅助方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 (1)倒车状态检测汽车启动后，基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统处于上电待机状态；正常驾驶过程中，当档位压力传感器检测到倒车状态，即换变速箱换挡杆处于倒档位置时，档位压力传感器输出信号到输入信号分析处理系统； (2)车后状态信号采集信号分析处理系统接收到档位压力传感器的输出信号，控制水平超声波测距传感器、远地点超声波测距传感器、近地点超声波测距传感器、红外传感器和摄像头采集汽车后部信息，这些汽车后部信息传输至信号分析处理系统； (3)车后状况判断信号分析处理系统接收汽车后部信息，将车后状况分为以下四种情况 (3. I)倒车过程中机动车后方有人红外传感器探测到车后有人或其他生命体的存在，同时水平超声波测距传感器检测倒车后存在障碍物，判断为车后有人，输入信号至信号分析处理系统； (3. 2)倒车轨迹车后有非人障碍物红外传感器没有探测到车后有人或其他生命体的存在，水平超声波测距传感器、远地点超声波测距传感器、近地点超声波测距传感器之一测定后方有障碍物时，判断为车后有非人障碍物，输入信号至信号分析处理系统； (3. 3)倒车过程车后有沟壑依据摄像头昼夜工作条件限制分为两种情况白天时，位于车顶后方的摄像头如果检测到车后方图像有明显的灰度分界，并且远地点超声波测距传感器或近地点超声波测距传感器的反馈距离大于预设值的10%时，判断为车后有沟壑，输入信号至信号分析处理系统；夜晚时，摄像头输出的图像没有明显灰度分界，如果远地点超声波测距传感器或近地点超声波测距传感器的反馈距离大于预设值的10%时，判断为车后有沟壑，输入信号至信号分析处理系统；(3. 4)车后正常状况水平超声波测距传感器、远地点超声波测距传感器、近地点超声波测距传感器、红外传感器和摄像头均没有明显的输出变化，判断为正常状况； (4)第一级信号处理，针对步骤3的四种情况，采取以下方式之一处理 (4. I)当信号分析处理系统判断倒车过程中机动车后方有人时，启动避人模式，当水平超声波测距传感器测量车尾距车后的人距离小于I. 5米时，信号分析处理系统控制报警装置发出报警信号； (4. 2)当信号分析处理系统判断倒车轨迹车后有非人障碍物时，启动避障模式，当水平超声波测距传感器测量车尾距车后的障碍物距离小于I. 5米时，信号分析处理系统控制报警装置发出报警信号； (4. 3)当信号分析处理系统判断倒车过程车后有沟壑时，启动沟壑模式，当远地点超声波测距传感器和近地点超声波测距传感器两者之一的距离测量结果大于原先设定值的10%时，信号分析处理系统控制报警装置发出报警信号； (4. 4)当信号分析处理系统判断车后正常状况时，继续探测直至停车； (5)第二级信号处理当报警信号响起之后继续倒车行驶，并到达限定阈值，对汽车进行强制制动，采取以下方式之一处理 (5. I)启动避人模式后，当水平超声波测距传感器测量车尾距车后的人距离小于O. 8米时，信号分析处理系统输出高电平使电磁继电器带电，从而使得第一刹车线圈和第二刹车线圈相互吸合，继而吸合刹车闸，实现汽车的强制制动； (5. 2)启动避障模式后，当水平超声波测距传感器I测量车尾距车后的障碍物距离小于O. 3米时，信号分析处理系统输出高电平使电磁继电器带电，从而使得第一刹车线圈和第二刹车线圈相互吸合，继而吸合刹车闸，实现汽车的强制制动； (5. 3)启动沟壑模式后，当近地点超声波测距传感器的距离测量结果大于预设值的30%时，信号分析处理系统输出高电平使电磁继电器带电，从而使得第一刹车线圈和第二刹车线圈相互吸合，继而吸合刹车闸，实现汽车的强制制动； (6)强制制动后的解锁当信号分析处理系统判断汽车处于强制制动状态时，若需要对 汽车运动系统解锁，只需将变速箱档位推离倒档档位，此时档位压力传感器的采集信号输入信号分析处理系统，重新使基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统处于待机状态，此时，自动解锁。
全文摘要
本发明公开了一种基于摄像头和超声波传感器的倒车辅助系统及方法，该系统可实现对驾驶员倒车过程中的预警及必要时强制停车的控制，根据采集到的红外传感器和摄像头探测信息以及多角度超声波测距传感器的数据，对驾驶状态进行自动反馈，并通过一般性预警及强制性停车等方式，实现驾驶员倒车的安全辅助功能，有效减少因驾驶员视觉死角或紧急状况下踩错离合器的情况发生，特别是对于倒车过程中遇到沟壑以及倒车后方有人的情况提供有力的安全保障。本发明可以应用于现今使用的大部分汽车倒车模式，实现简单，适应性强，并能够提高驾驶安全性，填补该领域这方面的空白。
文档编号B60Q5/00GK102923055SQ20121046666
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者孟濬, 梁浩, 张树魁 申请人:浙江大学