基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置。

背景技术：
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近年来，汽车进入到越来越多的家庭当中，汽车的普及带来了出行便利的优势，与此同时引起的交通事故也在逐年增长，汽车在行驶或者泊车的过程中，由于驾驶员没有及时了解汽车周围的环境可能会造成交通事故，后视镜作为辅助驾驶员观察后方及两侧情况的工具，它是安全行车和泊车时必不可少的。

电动后视镜作为取代传统手动后视镜的新设备，它有便捷的优势，但依然有不足之处，当更换不同身材的驾驶员时，驾驶员需要在车内通过按钮多次进行调节以获得认为合适的后方视域，如果在驾驶过程中进行调节将分散驾驶员的注意力，存在很大的危险性，另外，有些驾驶员特别是新驾驶员，在调节后视镜时并不掌握最佳后视镜视野的调节原理，可能导致后视镜视野范围不合理，从而埋下行车的安全隐患。

技术实现要素：
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本实用新型的目的是提供一种基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，用以解决上述问题。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，其组成包括：后视镜本体，所述的后视镜本体包括外壳体与镜面，所述的外壳体与镜面之间设置电路板，所述的镜面上设置红外摄像头；

所述的红外摄像头安装在在驾驶员右前上方的车内；

所述的电路板包括ARM9处理器，所述的ARM9处理器通过线路连接红外摄像头、存储器、重新调整键、电源转换模块、步进电机驱动器Ⅰ、步进电机驱动器Ⅱ、步进电机驱动器Ⅲ与步进电机驱动器Ⅳ，所述的电源转换模块通过线路连接蓄电池，所述的蓄电池通过线路连接步进电机驱动器Ⅰ、步进电机驱动器Ⅱ、步进电机驱动器Ⅲ与步进电机驱动器Ⅳ，所述的步进电机驱动器Ⅰ通过线路连接步进电机Ⅰ，所述的步进电机驱动器Ⅱ通过线路连接步进电机Ⅱ，所述的步进电机驱动器Ⅲ通过线路连接步进电机Ⅲ，所述的步进电机驱动器Ⅳ通过线路连接步进电机Ⅳ，所述的步进电机Ⅰ与步进电机Ⅱ配合左后视镜镜片使用，所述的步进电机Ⅲ与步进电机Ⅳ配合右后视镜镜片使用。

所述的基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，所述的红外摄像头型号为OV9655。

述的基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，所述的ARM9处理器型号为S3C2440。

所述的基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，所述的步进电机型号为28BYJ-48。

所述的基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，所述的步进电机驱动器型号为L298N。

有益效果：

1.本实用新型采用一个重新调整按键一键式操作，驾驶员操作轻松、简单、快速、方便。

2.本实用新型使用单个摄像头对驾驶员眼部定位，可用软件实现图像矫正，成本低、定位准确。

3.本实用新型采用步进电机作为后视镜片驱动，后视镜片调节角度更加精确。

4.本实用新型采用红外摄像头使得夜间后视镜片调节不受影响。

附图说明：

附图1是本实用新型的电路流程图。

附图2是本实用新型的车内侧视图。

附图3是本实用新型的驾驶员眼部的空间移动区域

附图4是本实用新型的透视投影模型A。

附图5是本实用新型的透视投影模型B。

附图6是本实用新型的坐标区域矫正过程。

附图7是本实用新型的后视镜片内外移动范围。

附图8是本实用新型的后视镜片上下移动范围。

具体实施方式：

一种基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，其组成包括：后视镜本体，所述的后视镜本体包括外壳体与镜面，所述的外壳体与镜面之间设置电路板，所述的镜面上设置红外摄像头；

所述的红外摄像头安装在在驾驶员右前上方的车内；

所述的电路板包括ARM9处理器，所述的ARM9处理器通过线路连接红外摄像头、存储器、重新调整键、电源转换模块、步进电机驱动器Ⅰ、步进电机驱动器Ⅱ、步进电机驱动器Ⅲ与步进电机驱动器Ⅳ，电源转换模块将汽车自身的蓄电池的直流12V电压转换为ARM9处理器所需的直流3.3V电源，所述的电源转换模块通过线路连接蓄电池，所述的蓄电池(汽车蓄电池)通过线路连接步进电机驱动器Ⅰ、步进电机驱动器Ⅱ、步进电机驱动器Ⅲ与步进电机驱动器Ⅳ，所述的步进电机驱动器Ⅰ通过线路连接步进电机Ⅰ，所述的步进电机驱动器Ⅱ通过线路连接步进电机Ⅱ，所述的步进电机驱动器Ⅲ通过线路连接步进电机Ⅲ，所述的步进电机驱动器Ⅳ通过线路连接步进电机Ⅳ，所述的步进电机Ⅰ与步进电机Ⅱ配合左后视镜镜片使用，所述的步进电机Ⅲ与步进电机Ⅳ配合右后视镜镜片使用。

所述的基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，所述的红外摄像头型号为OV9655。

述的基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，所述的ARM9处理器型号为S3C2440。

所述的基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，所述的步进电机型号为28BYJ-48。

所述的基于人眼定位的汽车后视镜自动调节装置，所述的步进电机驱动器型号为L298N。

本实用新型工作原理：

⑴定位区域与摄像头位置选择

图2为驾驶员在车内的侧视图，正常驾驶员在车内驾驶的过程中并不需要左右移动身体，所以，不同身材驾驶员在车内的位置仅是沿着X、Y轴方向变化，图中的原点为后视镜片调整到最外最下极限位置时，能够正常观测后视镜的驾驶员双眼的中心位置。

图3为驾驶员眼部的空间移动区域图，虽然驾驶员处于车内的立体三维空间中，但是由于正常情况下驾驶员在z轴方向并不会发生移动，因此，驾驶员眼部位置仅仅在x、y方向可能发生变化，这样，驾驶员车内的三维空间中的变化就可以简化成一个平面内的变化，即将车内驾驶员人眼的三维空间定位简化成为二维平面内的定位。由(0,y_max)与(x_max,0)构成的区域就是驾驶员在车内通过后视镜可以获得的最佳后视视野的眼部中心的区域，一般的驾驶员在正常驾驶时，眼部中心是不会超出这个区域。

为了减少定位运算时间和降低系统硬件成本，本系统使用单个摄像头对驾驶员进行拍照，为了对驾驶员眼部X和Y方向的坐标都能够实现精确定位，将摄像头安装在驾驶员前的右上方，且与X、Y、Z轴均成45度角的位置。

红外摄像头OV9655为130万像素，假定安装摄像头的位置使采集的图像中覆盖由(0,y_max)与(x_max,0)构成的区域的像素数为70～100万像素之间(不同车型由于驾驶室内空间的尺寸不同而略有不同)，下面以80万像素为例。

设：x_max＝400mm，y_max＝380mm，对应图像像素约为985×812。

则：X方向每个像素代表0.41mm，Y方向每个像素代表0.46mm。图像的定位分辨率为0.46mm，此分辨率不会对后视镜调节结果造成影响。

⑵人眼定位坐标的矫正

OpenCV作为开源的跨平台计算机视觉库，可以运行在Linux、Windows和MacOS操作系统上。因此本系统要在ARM平台实现人眼定位功能，可以交叉编译在ARM-Linux平台上移植OpenCV的函数库。本文中采用的人眼定位方法是基于OpenCV的Haar_Like特征的Adaboost级联分类器算法，通过使用OpenCV的“haarcascad_eye.xml”文件中的目标检测分类器对图像进行转换，由于用的是类harr特征，因此将图像转化成灰度图像，对人脸区域的2/5的部分进行搜索并找到人眼区域，最后将检测区域返回得到一个像素值矩形区域，通过计算得到该区域的中心位置，从而获得人眼定位的坐标(x,y)。

⑶定位坐标矫正

摄像头是在位于驾驶员斜上方45度的位置进行拍摄，由于被拍照驾驶员与像平面不平行，则产生了非线性成像的透视畸变，因此，所得到的图像与正面拍摄图像存在一定的几何畸变，由此定位所得到的坐标不能直接映射坐标的实际位置。拍摄得到的图像与垂直x、y轴的图像发生了几何变化，即像素点的个数与x、y实际距离之间的关系呈现为非线性。

透视投影模型A如图4所示，视点即摄像头拍摄点，正视面为垂直于x、y轴拍摄的图像画面，而透视面则为拍摄点与x、y、z均成45度角拍摄的图像画面，正视图的点到视点之间的直线与透视面会产生交点，同时，由于视点与正视面上目标点的角度及距离关系，可能会使正视面的规则矩形的边与透视面对应边的形状发生了变化，因此可以看出如果正视面中的所有点都可以通过某种映射关系在透视面中获得，则可得到正确的驾驶员眼部位置的坐标。

根据透视投影模型B如图5所示，透视矫正的目的是要通过改变图像的几何结构来实现图像的变形。当然简单的将图像缩放，或是将图像的局部缩放，也可以产生所需的图像形态变化，但是如此变化会丢失大量的图像细节，图像中的线条平行关系、物体大小比例等变化改变了原图像中元素之间的关联关系，虽然得到了易识别的规定图形，但却使识别结果出现了很大的误差。正确的图像矫正是参考现实物体在图像中的成像规律，为原始图像找出变换的映射关系，这样既满足了形状的变化，真实物体在图像中也可以客观规律在图像中呈现，保证了识别结果的真实性。

矫正问题实际上就是将一个给定的标准图像P变换成矫正图像P′，转化为图像像素的坐标变换：

P(x,y)→P′(x′,y′)

即图像函数P中原来位于(x,y)处的值会发生位置移动，该位置变化使正视面中的坐标为(x′,y′)。对于这个过程进行建模，建立一个映射函数：将每一个透视面I上的(x,y)映射到新图像I′中相应的目标点(x′,y′)上，即

T:I:(x,y)→I′:(x′,y′)

为了找到任意实现点集(P₁,P₂,P₃,P₄)到点集(P′₁,P′₂,P′₃,P′₄)之间的映射(其中P_i＝(x_i,y_i)表示原图像I中的点，P′_i＝(x′_i,y′_i)表示目标图像I′中的点)，即为解决采集图像时不只一个维度带来的角度偏差,需要有8个自由度的支持，用齐次坐标表示即为：

(x′,y′)为(x,y)变换后的像素坐标，注，h′为不等于0的任意值。

如图5所示，直线被映射为直线，矩形被映射为四边形。一般情况下，不会保持两直线间的平行关系和距离比。在笛卡尔坐标系下，得到的映射函数：

很显然它们的映射关系不是线性的，尽管如此，直线在这个变换的作用下还是直线。实际上，多数变换都会将2D下的直线映射为直线。它实际上将任意N次代数曲线映射为另一条N次代数曲线。特别地，圆和椭圆总是会被变换为另一个二次曲线(即圆锥曲线)。然而，与仿射变换不同的是，投影变换一般不会将平行直线映射为平行直线，也不会保持直线上点之间的距离比例。

为确定上式中8个未知变换参数a₁₁…a₃₂，可以通过解线性方程组来求得，需参照给定的四对对应点(P₁,P′₁)…(P₄,P′₄)。带入(2)、(3)式，可得到一对线性方程：

将得到的8个方程联合起来用矩阵的形式表示为：

求解线性方程组即可。

本文提出的矫正算法，用单位正方形作为特征信息载体，实现待矫正坐标所形成的区域转化到规则的坐标的区域。

图6中是通过两步投影映射可以实现从任意四边形到规定矩形的变换。首先，通过逆映射函数T₁^-1将四边形S₁变换到单位正方形S₀，由前一过程检测出的畸变特征点提供映射的计算条件。然后，T₂将单位正方形S₁变换到目标矩形S₂，由三维世界中物体的实际比例确定映射的计算条件。完整的映射T可以分解为映射T₁^-1和T₂，即

x＝T(x′)＝T₂(T₁^-1(x′))

单位正方形到任意四边形的表达方程可简化为：

对于未知的变换参数a₁₁…a₃₂，该方程组有下述闭式解：

即得到x′到x的映射关系，但映射点有可能不是原图像中某一像素点，而是在4点围成的区域内，通过距离比对，选取距离更近的点的像素值作为变换之后的像素值。数字图像中图像元素的坐标是离散的整数值，使用本方法将一幅离散图像转换为另一幅离散图像时不会带来质量的下降，以保证后续定位的准确性。

⑷矫正坐标与后视镜角度的关系

由于左右两个后视镜的位置与驾驶员的距离不同，因此，它们的调节参数也各不相同，同样获得的坐标后视镜调节关系也会有所区别，但是计算后视镜角度的方法是相同的，仅仅只是系数不同而已，下面计算矫正后的坐标与后视镜角度的关系以左后视镜驾驶员能够观察到车外最佳视野为例。

后视镜片内外移动范围如图7所示，当驾驶员的眼部位置沿着x轴向前(后)移动时，后视镜镜片需要沿i轴的中心点运动，相对于后视镜的左边沿的U点向内(外)旋转。

在当后视镜片对应图3中y＝0位置时，即图5后视镜片在最外的极限位置时设为0度角，后视镜片向内直至极限所转动的角度为α，此时，对应驾驶员眼部位置向前移动的距离则为x_max，可以看出驾驶员眼部位置移动的距离与后视镜片调节的角度成一定的比例关系。

设：内外调节参数为a，可得到：

α＝ax_max (8)

后视镜片上下移动范围如图8所示，当驾驶员的眼部位置沿着Y轴向上(下)移动时，后视镜镜片需要沿i轴的中心点运动，即相对于后视镜上沿的V点向后(前)旋转。

当后视镜片在对应图3中x＝0位置时，即后视镜片在最上的极限位置时设为0度角，后视镜片向直至极限所转动的角度为β，此时对应驾驶员眼部位置向上移动的距离则为y_max。

设：上下调节参数为b，可得到：

β＝by_max (9)

如果通过图像对驾驶员眼部定位的坐标为(x,y)，带入式(2)、(3)矫正后得到驾驶员所在车内实际位置坐标为(x′,y′)，则可以计算得到所需的后视镜片内外、上下调节旋转角度分别是：

其中：β_k-1、β_k分别为后视镜所处角度和本次调节的角度，当△α或△β值为正时，控制步进电机正转，当△α或△β值为负时，控制步进电机反转。从而得到后视镜从原点起所需内外、上下分别调节旋转的角度(△α,△β)。

⑸后视镜旋转角度与步进电机脉冲值关系

28BYJ-48是四项八拍的步进电机，其步距角度为5.625/64度，该步进电机的输出轴转一圈需要4096个脉冲信号，通过控制输出脉冲数目，可以精确地控制步进电机的转动圈数，从而达到精确地控制后视镜片旋转角度的目的。

设：图7中后视镜片沿i轴旋转1度时步进电机组需要输入n个脉冲，图8中后视镜片沿j轴旋转1度时步进电机组需要输入m个脉冲(m、n分别为步进电机转动角度与后视镜片旋转角度的转换比率，同时不同结构的后视镜会导致m、n发生变化，其数值取决于后视镜的机械转换结构)。

则：当驾驶员眼部定位的坐标为(x′,y′)时，需要给两个步进电机的脉冲数分别为

式(12)中T表示图7中后视镜内外旋转调节脉冲数，L表示图8中后视镜的上下旋转调节脉冲数。ARM9处理器通过得到的T、L两个脉冲数值，发送信号给步进电机驱动器来驱动步进电机的运行。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。