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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Die Geometrie von Kraftfahrzeugen ist ein mögliches Bewertungskriterium für die Klassifizierung von Fahrzeugen, typische Anwendungsfelder sind dabei die Ermittlung von Tarifstufen zur Mauteinhebung, Anwendungen der Verkehrsleittechnik oder die statistische Erfassung von Verkehrsdaten. Der geforderte Leistungsumfang geht von der reinen Ablaufsteuerung (z. B. Starten eines Mautvorganges, Ansteuerung von Schranken) bis hin zu komplexen Messaufgaben wie der geometrischen Vermessung von Zugfahrzeugen, der Anhängererkennung oder der Erkennung und Klassifizierung nebeneinanderfahrender einspuriger Fahrzeuge.
Zur Verfolgung und Klassifizierung von Fahrzeugen sowie zur zeitlichen Steuerung von Abläufen werden in einspuriger Umgebung (typisch: Mautstationen mit manueller Abfertigung) heute verschiedene Sensorkonzepte verfolgt, wobei die Sensoranordnung und die Messdatenauswertung stets applikationsspezifisch ausgelegt sind. Zum Einsatz kommen Induktionsschleifen, allenfalls in Kombination mit weiteren Sensoren wie beispielsweise Lichtschranken, Lichtvorhängen oder weiteren Sensoren in der Fahrbahn, um den Vorgaben der jeweiligen Messaufgabe gerecht zu werden.
Die WO 90/09014 beschreibt ein Verfahren mit zwei Laserscannern, welche jeweils normal zur Fahrtrichtung orientiert sind. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird aus der Weg-Zeitdifferenz des aufeinanderfolgenden Passierens der Laserscanner ermittelt. Eine Bestimmung der Geometrie eines Fahrzeuges ist in dieser Schrift nicht offenbart.
Die US 6,195,019 offenbart ein Fahrzeugklassifizierungssystem der einleitend genannten Art.
Bei dem bekannten System sind beide Laserscanner an ein und demselben longitudinalen Ort über der Fahrbahn angeordnet. Dadurch kann es zu Abschattungen bzw. toten Winkeln bei der Erfassung durchfahrender Fahrzeuge kommen, was Messfehler und Betriebsstörungen zur Folge hat.
Die US 6,195,019 schlägt zur Lösung dieses Problems eine Identifizierung durchfahrender Fahrzeuge mittels ortfesten Sendeempfängern und Sendempfängern auf den Fahrzeugen (Transpondern) vor, was aufwendige Telekommunikationsverfahren und-einrichtungen erforderlich macht.
Entsprechend den obigen Ausführungen ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, die Geometrie und den Aufenthaltsort von ein- und mehrspurigen Fahrzeugen in einspurigen Fahrbahnabschnitten selbst bei ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie Stop-and-go-Verkehr oder beeinträchtigter Witterung, unter Einsatz von Laserscannern zuverlässig in einer Weise zu vermessen, die eine einfache Anpassung an sämtliche heute üblichen Aufgaben der geometrischen Fahrzeugvermessung, -klassifizierung und -Verfolgung ermöglicht, und dies auf besonders einfache und störungsunanfällige Art und Weise.
Dieses Ziel wird mit einem Verfahren und einer Vorrichtung der einleitend genannten Art erreicht, die sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 11 auszeichnen.
Im Vergleich zu den bekannten Fahrzeugklassifizierungs- und -verfolgungssystemen, bei denen von der mindestens bereitzustellenden Basisinformationen zur Erfüllung der jeweils vorliegenden Messaufgabe ausgegangen und die dafür geeignete Sensorik zusammengestellt wird, geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, unter den an einspurigen Fahrbahnabschnitten typischen Gegebenheiten ein möglichst vollständiges Abbild des Messbereiches zu generieren, um ausgehend davon die im Einzelfall erforderlichen Zusatzinformationen mit relativ niedrigem Adaptionsaufwand in das Gesamtsystem einfliessen lassen zu können. Dies wird durch die Verwendung zweier allgemein gekreuzt abtastender Laserscanner erreicht, die eine lückenlose Abbildung und Verfolgung der im Messbereich passierenden Fahrzeuge ermöglichen.
Damit wird ein hohes Mass an Messredundanz erzielt, was selbst bei widrigen Umgebungsbedingungen, wie schlechter Witterung, Stopand-go-Verkehr usw. einen störungsfreien Betrieb gewährleistet. Durch die zeitlich und räumlich verknüpfte gemeinsame Bewertung der Messdaten der beiden Laserscanner wird eine Gesamtfunktionalität erzielt, die weit über das bei getrennter Behandlung der Einzelmessungen erzielbare Mass hinausgeht. Durch die erfindungsgemässe Lösung, dass der erste Laserscanner in ObjektFahrtrichtung gesehen vor dem zweiten Laserscanner angeordnet wird, werden dabei die Nachteile der bekannten Lösungen vermieden und eine besonders einfache und störungsunanfällige Art der Detektion passierender Objekte möglich.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei-
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bung anhand von in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen zeigen die Fig. 1a bis 1c ein Beispiel für eine Sensoranordnung in der Seitenansicht (Fig. 1a), in der Draufsicht (Fig. 1 b) und in der Vorderansicht (Fig. 1c); die Fig. 2a bis 2f an einem Beispiel das Prinzip der Objektvermessung zu sechs zeitlich aufeinanderfolgenden, beispielhaft herausgegriffenen Zeitpunkten, u.zw. jeweils links in der Seitenansicht und rechts in der Vorderansicht;
Fig. 3 ein Flussdiagramm für die zyklische Messdatenauswertung ;
die Fig. 4a bis 4o an einem Beispiel das Prinzip der Zusammenhangsanalyse zu fünfzehn zeitlich aufeinanderfolgenden, beispielhaft herausgegriffenen Zeitpunkten, u.zw. jeweils in der Messebene des quer abtastenden Laserscanners gesehen, d. h. in der Vorderansicht;
Fig. 4p die Zeichnungslegende für die Fig. 4a bis 4o; die Fig. 5a bis 5h an einem Beispiel das Prinzip der Erkennung und Verfolgung knapp hintereinander fahrender Fahrzeuge zu acht zeitlich aufeinanderfolgenden, beispielhaft herausgegriffenen Zeitpunkten, u.zw. jeweils links in der Seitenansicht und rechts in der Vorderansicht ; die Fig. 6a und 6b Beispiele für Erweiterungsmöglichkeiten des Verfahrens bzw. der Vorrich- tung.
Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine vorteilhafte Realisierung dieser Erfindung. Im vorliegenden Fall werden über der Fahrbahn montierte Laser-Scanner verwendet, wobei ein Laser-Scanner (1 ) die Messung des Querprofils und der andere Laser-Scanner (2) die Messung des Fahrzeuges in longitudinaler Richtung bewerkstelligt. Ein Paar von Lichtschranken (3) ermöglicht an einer definierten longitudinalen Position die Erkennung von Fahrzeugen, die vom zweiten Laser-Scanner (2) nicht bzw. nicht zuverlässig verfolgt werden können. Das einheitlich gewählte kartesische Bezugssystem (4) ist für diese und die nachfolgenden Figuren gewählt.
Als Anwendungsbeispiel wird eine typische Aufgabe dargestellt, die darin besteht, die Länge, Breite und Höhe von Fahrzeugen sowie deren Anhängerstatus zu ermitteln ; Daten sollen bei Erreichen einer definierten longitudinalen Position gemeinsam mit einer eindeutigen Fahrzeugnummer ausgegeben werden. Ein Zurückschieben eines bereits abgefertigten Fahrzeuges soll dabei ebenso gemeldet werden wie eine Fahrzeugpassage in falscher Richtung. Schliesslich soll auch das Nebeneinanderfahren einspuriger Fahrzeuge und das knappe Hintereinanderfahren von Fahrzeugen innerhalb des Beobachtungsbereiches zu keinen Fehlern in der Fahrzeugvermessung und -Verfolgung führen.
Ein in korrekter Fahrtrichtung (5) einfahrendes Fahrzeug (6) wird von beiden Laser-Scannern erfasst und vom System registriert. Figur 2 zeigt die Verfolgung und Vermessung eines mehrspurigen Kraftfahrzeuges mit Anhänger an ausgewählten Zeitpunkten. Nachdem das Objekt im System registriert wurde (Figur 2a) und sich weiter in Fahrtrichtung bewegt, wird fallweise die Anhängerdeichsel nur an einem einzigen Messpunkt detektiert (Figur 2b). Um ein "Abreissen" des zusammengehörigen Objektes zu verhindern, darf dieser Messpunkt durch wie auch immer geartete Filteroperationen keinesfalls eliminiert werden. Da dieser Messwert, wie später gezeigt wird, durchaus auch von einer singulären Fehlmessung (Regentropfen etc. ) stammen könnte, ist eine Strategie erforderlich, die eine robuste Unterscheidung zwischen einem Messfehler und einer Objektdetektion ermöglicht.
Das Fahrzeug bewegt sich weiter, das Ende des Fahrzeuges wird im Messbereich des ersten Laser-Scanners (1) erkannt (Figur 2c, 2d). Ist dies der Fall, so wird die Länge des Fahrzeuges gemessen, indem der durch den vom zweiten Scanner (2) verfügbare, dem Fahrzeug zugeordnete Messpunkt mit der maximalen longitudinalen Position festgestellt wird. Die dem Fahrzeug zugewiesenen Messergebnisse werden bei Erreichen einer definierten longitudinalen Position (Figur 2e, (3) in Figur 1) ausgegeben. Schliesslich verlässt das Fahrzeug den Messbereich in korrekter Richtung.
Aus den Seitenansichten ist zu erkennen, dass zwischen Zugfahrzeug und Anhänger stets Messwerte auf Fahrbahnniveau festgestellt werden, die Anhängerdeichsel wird also aus der Perspektive des zweiten Scanners (2) nicht zuverlässig detekiert. Um dennoch eine korrekte Verfolgung des kompletten Fahrzeuges einschliesslich Anhänger zu ermöglichen, ist auch in diesem Fall eine Verknüpfung der auf Basis der Messdaten des ersten Laser-Scanners (1) ermittelten Information mit der auf Basis der Messdaten des zweiten Laser-Scanners (2) sinnvoll.
Aus Figur 2 ist zu erkennen, dass durch die laufende Verfügbarkeit der longitudinalen Fahr-
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zeugposition während der Passage des quer zur Fahrspur abtastenden Laser-Scanners (2) auch eine in longitudinaler Richtung korrekt skalierte Objektrepräsentation ermittelt werden kann, sodass mit dem dargestellten System für mehrspurige Fahrzeuge praktisch beliebige geometriebasierte Klassifizierungsaufgaben realisiert werden können.
Eine Vermessung von Länge und Längsprofil ist für einspurige Fahrzeuge praktisch bedeutungslos, sodass diese der Vergabe einer Standardlänge weichen kann. Gleichermassen kann üblicherweise mit sehr kompakten mehrspurigen Fahrzeugen vorgegangen werden, die soweit am Spurrand fahren, dass eine Beobachtung durch den in Fahrtrichtung abtastenden Laser-Scanner nicht möglich ist.
Figur 3 zeigt anhand eines Flussdiagrammes den zyklischen Ablauf der Messung, der am Beispiel der in Figur 2 dargestellten Fahrzeugpassage erläutert wird. In Figur 2 entspricht das Tracking (rechter Verarbeitungspfad in Figur 3) den durch Rechtecke angedeuteten Objektbereichen in der (xz) -Ebene (7) und das Profil (linker Verarbeitungspfad in Figur 3) den durch Rechtecke gekennzeichneten Objektbereichen in der (yz) -Ebene (8).
Zunächst befinden sich keine Objekte im Messbereich der beiden Laser-Scanner, die Anzahl der im System registrierten Objektrepräsentationen (9) ist Null. Nachdem im vorläufigen Profil (10) die Schwellwertkriterien für die Detektion eines neuen Objektes erfüllt sind, wird das neue Objekt registriert (11). Eine Berücksichtigung der Objektrepräsentationen (9) sowie des aktuellen Trackings (12) ist deshalb erforderlich, da auf diese Weise festgestellt werden kann, ob tatsächlich ein neues Fahrzeug in den Beobachtungsbereich einfährt oder ob ein ein zurückschiebendes oder in die falsche Fahrtrichtung fahrendes Fahrzeug detektiert wurde.
Um aus der verkehrten Richtung einfahrende Fahrzeuge später korrekt zu behandeln wird eine Objektregistrierung in (11) übrigens auch dann vorgenommen, wenn es nicht im Beobachtungsbereich des Profils, sondern vorerst nur Ausfahrtbereich (im Tracking) unter Berücksichtigung vorgegebener Mindestabmessungen detektiert wird. Im vorliegenden Fallbeispiel wird das Fahrzeug zunächst im Profil erkannt und im darauffolgenden Messzyklus des anderen Laser-Scanners (2) ebenfalls detektiert, sodass eine Zuordnung zur Objektrepräsentation hergestellt (13) und zudem geprüft wird, ob dieser Laser-Scanner das Fahrzeug tatsächlich auch zuverlässig verfolgen kann. Dies ist nur dann der Fall, wenn sich das detektierte Fahrzeug bei Detektionsbeginn im aktuellen Profil über einen definierten Toleranzbereich sowohl links als auch rechts der Messebene von Laser-Scanner (2) erstreckt.
In diesem Fall wird in der Objektrepräsentation ein Attribut gesetzt (14), das es als "in longitudonaler Richtung verfolgbares Objekt" auszeichnet, sodass die weitere Geometrievermessung unter Berücksichtigung beider Scannerdaten erfolgt. Messdaten jener Objekte, die dem Attribut "in longitudinaler Richtung verfolgbares Objekt" nicht genügen, werden mit jedem Zyklus erfasst (14). Andernfalls werden, solange das Objekt sowohl vom ersten (1) als auch vom zweiten Laser-Scanner (2) beobachtet werden kann, neue Geometriedaten genau dann zur weiteren Verarbeitung erfasst (14), wenn die Überschreitung von äquidistant festgelegten longitudinalen Weginkrementen festgestellt wird. Begleitend wird auch geprüft, ob eine Mindestdimension eines möglichen Zugfahrzeuges erreicht wurde, sodass bei Erkennung schmaler Objektbereiche, vgl.
Figur 2b, ein Attribut "mögliche Anhängerdeichsel" gesetzt wird. Mit der weiteren Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges wird im vorliegenden Beispiel eine spätere Überschreitung einer für die Anhängererkennung festgelegte Abmessung schliesslich in eine Objekteigenschaft "Fahrzeug mit Anhänger" übergeführt (14).
Solange ein Fahrzeug im Messbereich des ersten Laser-Scanners (1) erkannt wird, ist klar, dass es sich zumindest bis dorthin erstrecken muss. Sollten im Tracking zunächst mehrere getrennte Objekte detektiert werden, wird das vorläufig erstellte Tracking in der Weise korrigiert (13), dass sich das Fahrzeug bis zur Messebene des ersten Scanners (1 ) erstreckt. Sobald ein aus Sicht des zweiten Laser-Scanners (2) scheinbar aus zwei Objekten bestehendes Fahrzeug einmalig im Tracking zusammengefasst wurde, funktioniert üblicherweise durch eine ständige Überlappung der Einzelobjekte mit dem dann korrekten Tracking vom vorigen Zyklus (15) eine richtige Objektzuordnung bereits bei der vorläufigen Ermittlung des aktuellen Trackings (16) ohne nachträgliche Korrekturmassnahmen (13). Nur in Ausnahmefällen, z.
B. wenn der Anhänger oder das gesamte Objekt vorübergehend aus dem Messbereich des zweiten Laser-Scanners verschwindet, sind wieder entsprechende Korrekturmassnahmen erforderlich, die auf Basis bereits vermessener Objekteigenschaften (9) funktionieren. Sobald das Fahrzeug den Messbereich des ersten Laser-Scanners (1) vollständig passiert hat, wird die Fahrzeugvermessung abgeschlossen. Im vorliegenden Fall eines
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"in longitudinaler Richtung verfolgbaren Objekts" wird die aktuelle longitudinale Position der Fahrzeugfront als Objektlänge zugewiesen, im zugrundeliegenden Anwendungsbeispiel wird aus zuvor vermessenen Geometriedaten unter Einsatz geläufiger Filterverfahren ein repräsentativer Breitenund Höhenwert ermittelt. In weiterer Folge wird eine definierte longitudinale Position (longitudinale Position der Lichtschranken, vgl.
Figur 1, (3)) erreicht, an der die Ergebnisse der Fahrzeugvermessung mit einer inkrementellen Objektnummer versehen, in eine geeignete Form gebracht und ausgegeben werden (17). Schliesslich wird das System im vordefinierten aktiven Messbereich nicht mehr gefunden (vgl. Figur 2f), die zugehörige Objektrepräsentation wird gelöscht (18).
Das einfache Fallbeispiel zeigt, dass erst eine laufende Berücksichtigung der Abhängigkeiten zwischen den Messdaten der Einzelsensoren sowie einer Vielzahl von bereits bekannten Objektjekteigenschaften und interen Zuständen zunächst eine dreidimensionale Rekonstruktion mehrspuriger Fahrzeuge und in weiterer Folge eine zuverlässige Trennung von Fahrzeugen auch abseits des Messbereichs des ersten Laser-Scanners (1) sicherstellt.
Aus Figur 3 ist auch zu ersehen, dass ein vorläufiges Profil (10) im Gegensatz zum Tracking zunächst ohne Bezug auf die Messung aus dem vorigen Zyklus (19), (20), (15) ermittelt wird, und erst später unter Berücksichtigung des aktuellen Trackings (12) sowie des alten Profils (20) eine Zuordnung bereits registrierter Objekte (21) sowie eine allfällige Korrektur (22) vorgenommen wird.
In Figur 4 wird das Prinzip der Objekterkennung und das der Objekttrennung gezeigt ; Trennung hinter- und nebeneinanderfahrender Fahrzeuge geschieht nach erstmaliger Registrie- rung durch die örtliche Korrelation von Messdaten aufeinanderfolgender Abtastzyklen. Im dargestellten Beispiel wird davon ausgegangen, dass anfänglich die Zahl registrierter Objekte (vgl.
Figur 3, (9)) Null ist.
Zunächst erreicht ein Objekt die Messebene des quer abtastenden Laser-Scanners (1) (Figur 4a). Es wird vorerst noch nicht registriert (23), da das erkannte Objekt eine vorgegebene Mindestabmessung noch nicht überschritten hat (vgl. auch Messfehler in Figur 4c). Sobald dieses Kriterium erfüllt ist, wird eine interne Objektrepräsentation (Figur 3, (11) und Figur 4 (24)) und angelegt, die Messdatenerfassung wird begonnen. Ab diesem Zeitpunkt werden sämtliche Messdaten, die in aufeinanderfolgenden Messzyklen einen gemeinsamen Überlappungsbereich aufweisen, diesem Objekt (24) zugeordnet. In Figur 4d wird ein weiteres Objekt (25) erkannt, es wird in gleicher Weise behandelt.
Aus Figur 4f geht hervor, dass die bisher als getrennt behandelten Objekte (24) und (25) offenbar zu einem Fahrzeug gehören, sodass die bisherigen Objektrepräsentationen zu einem einzigen Objekt (24) zusammengeführt werden (vgl. Figur 3, (22)). In den weiteren Zyklen (Figur 4g - 4n) wird neben Objekt (24) ein getrenntes Objekt (26) beobachtet, das schliesslich als neben Objekt (24) befindliches Objekt behandelt wird. Um sicherzustellen, dass Objektbereiche mit niedriger oder verschwindener Breite (vgl. Figur 2b) wegen geringer lateraler Verschiebungen keinen Überlappungsbereich im folgenden Zyklus aufweisen, wird der gültige Suchbereich in solchen Fällen vergrössert (vgl. Figur 4k).
Ein zusammenhängendes Objekt wird somit so lange im Messbereich des ersten LaserScanners (1) detektiert, bis im Suchbereich, der aus vorhergehenden Messungen hervorgeht, kein Objekt mehr gefunden wird oder bis es durch das Zusammenwachsen mit einem anderen Objekt als Teil des anderen Objektes interpretiert wird.
Figur 5 zeigt das Systemverhalten, wenn unmittelbar hinter einem Objekt ein weiteres folgt.
Ein Lastkraftwagen wird, wie bereits beschrieben, vom System detektiert und vermessen (Figur 5a bis 5d). Es ist im Messbereich des zweiten Laser-Scanners (2) zu erkennen, dass ein scheinbar mit dem vorderen Fahrzeug zusammenhängendes Objekt folgt (5f). Da jedoch das vordere Fahrzeug nicht mehr den Messbereich des ersten Scanners (1 ) belegt, kann ausgeschlossen werden, dass dieses Objekt ein Teil dieses bereits detektierten Fahrzeuges ist. Durch die kombinierte Betrachtung der Einzeldaten der beiden Scanner kann eine fehlerfreie Objektverfolgung realisiert werden (5g, 5h).
Aus den bisherigen Ausführungen kann in naheliegender Weise auch abgeleitet werden, dass für mehrspurige Fahrzeuge, die zunächst in den Messbereich korrekt einfahren, dann die Triggerlinie erreichen und den Messbereich unter Beobachtung durch den zweiten Laser-Scanner (2) durch Zurückschieben den Messbereich verlassen, eine weitere Information über dieses Zurückschieben eines bereits ausgegebenen Objektes bereitgestellt werden kann.
Fahren Kraftfahrzeuge aus der falschen Richtung in den Messbereich ein, so kann die Bewe-
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gungsrichtung zunächst aus der Belegungsreihenfolge an der Lichtschranke (3) detektiert werden, mehrspurige Fahrzeuge können darüber hinaus auch vom zweiten Laser-Scanner (2) beobachtet werden, sodass nach vollständiger Passage eine Meldung über ein falsch passierendes Fahrzeug ausgegeben werden kann. Im Falle schmaler Fahrzeuge, die abseits des Messbereiches des zweiten Laser-Scanners (2) passieren, kann die Ausgabe nicht unmittelbar dann erfolgen, wenn das Fahrzeug den Messbereich des ersten Laser-Scanners (1) verlässt, da zu diesem Zeitpunkt noch nicht feststeht, dass die Detektion am ersten Laser-Scanner (1) tatsächlich dem falsch eingefahrenen Fahrzeug zugeordnet werden kann.
Erst anhand einer Bewertung im Rahmen der darauffolgenden Fahrzeugpassage kann unter typischen Voraussetzungen festgestellt werden, ob das einspurige Fahrzeug den Messbereich tatsächlich in falscher Richtung passiert hat.
Zur korrekten Behandlung von in richtiger Richtung passierenden Fahrzeugen ist es für gewöhnlich hinreichend, auf Basis eines sequentiellen Ablaufs (kein Überholen) hintereinander fahrende Fahrzeuge an einer definierten longitudinalen Position zu erkennen. Dies kann im vorliegenden Realisierungsbeispiel sowohl anhand der Daten des zweiten Laser-Scanners (2) als auch durch die Lichtschranken (3) geschehen. Eine verbleibende Unschärfe ist in diesem Fall die fehlende Beobachtbarkeit von nebeneinander fahrenden einspurigen Fahrzeugen im Bereich der Lichtschranken.
Eine mögliche Strategie besteht darin, die Messdaten einspuriger Fahrzeuge sofort dann auszugeben, wenn mehrere einspurige Fahrzeuge hintereinander in den Beobachtungsbereich eingefahren sind, den Messbereich des ersten Laser-Scanners (1) bereits passiert haben und das vorderste einspurige Fahrzeug an der Triggerlinie detektiert wurde.
Um oben angeführte Unsicherheiten weiter zu reduzieren, kann mit gerätetechnischem Mehraufwand, jedoch mit einem in seinem Grundprinzip gleichbleibenden Verfahren vorgegangen werden ; zur zuverlässigen Erkennung in die falsche Richtung fahrender schmaler Fahrzeuge kann im einfachsten Fall beispielsweise auch in einer geringen Entfernung zur Messebene des ersten Laser-Scanners (1) eine zusätzliche Lichtschranke angeordnet werden, um in Verbindung mit der Messebene dieses Laser-Scanners die Belegungsreihenfolge festzustellen, und so auch die Passagerichtung eines passierenden, schmalen Fahrzeuges zu ermitteln.
Figur 6 zeigt die modulare Erweiterbarkeit des Systems an einem Beispiel. Es ist leicht einzusehen, dass durch eine Anordnung eines weiteren quer abtastenden Laser-Scanners (27), alternativ bzw. ergänzend zu einer Lichtschranke (3), sichergestellt werden kann, dass bereits beschriebene Fahrzeugtrennung an jeder weiteren Stelle des Beobachtungsbereiches wiederholt werden kann und die bereits in der Messebene des ersten quer abtastenden Laser-Scanners zugewiesenen Objektrepräsentationen neuerlich gefunden werden können. Für einspurige, nebeneinander fahrende Fahrzeuge, die eine so ähnliche Geometrie haben, dass sie im Detektionsbereich nicht voneinander unterschieden werden können, ist es schliesslich bedeutungslos, ob die Objektinstanzen zwischen den beiden realen Objekten im Messbereich des nachfolgenden quer abastenden Scanners fälschlicherweise vertauscht wurden.
Aus Figur 1 ist zu erkennen, dass der Messbereich des in longitudinaler Richtung abtastenden Laser-Scanners bei einer vorgegebenen Montagehöhe begrenzt ist. Durch die Anbringung eines oder mehrerer Laser-Scanner, vgl. Figur 5 (28), lässt sich die Erweiterung des Messbereichs in longitudinaler Richtung realisieren.
Ebenso kann die Verfolgung auch schmaler mehrspuriger Fahrzeuge sichergestellt werden, indem das bisher dargestellte System um einen oder mehrere in longitudinaler Richtung abtastende Laser-Scanner erweitert wird, welche in unterschiedlichen Messebenen (29) angeordnet sind.
Soll neben der Fahrzeuggeometrie auch die Anzahl der Achsen eines Fahrzeuges festgestellt werden, so können geeignete Sensoren, z. B. Drucksensoren (30) zur Achszählung in die Fahrspur eingebracht werden. Durch den bzw. die in longitudinaler Richtung abtastenden Laser-Scanner wird die Position sowie der Bewegungszustand des Fahrzeuges ermittelt, womit eine robuste Bewertung der Messdaten von derartigen Sensoren möglich ist.
Es kann leicht nachvollzogen werden, dass auch eine Vermessung eines in umgekehrter Richtung passierenden Fahrzeuges ohne weitere Einschränkungen möglich ist, indem beispielsweise als vom zweiten Laser-Scanner (2) zunächst als getrennte Objekte bewertete Abschnitte eines Fahrzeuges bei der Passage des ersten Laser-Scanners (1) zusammengeführt werden.
Sofern das System sowohl im vorgesehenen Ein- wie Ausfahrtsbereich mit einem quer abtastenden Laser-Scanner misst (vgl. Figur 5), kann die zuvor beschriebene Massnahme komplett
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enfallen, zumal die weiter oben beschriebene Zusammenhangsanalyse für beide Fahrtrichtungen grundsätzlich in gleicher Weise abläuft.
Dem technisch versierten Leser ist klar, dass abseits des hier konkret dargestellten Realisierungsvorschlages eine beliebige Anzahl von Variationsmöglichkeiten gibt. Die nachfolgend formulierten Patentansprüche sind dahingehend zu verstehen, dass die Erfindung auch auf andere Weise realisiert werden kann als in diesem Rahmen dargestellt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur geometrischen Vermessung und Verfolgung von sich auf einer Fahrbahn in
Längsrichtung derselben bewegenden Objekten, wie Kraftfahrzeugen, mit Hilfe von zumin- dest zwei Laserscannern, die jeweils oberhalb des Fahrbahnniveaus montiert sind und die
Fahrbahn bzw.
ein sich darauf bewegendes Objekt innerhalb eines begrenzten Messberei- ches in einer Messebene abtasten und als Messdaten eines Abtastzyklus ein Profil des Ob- jektes in der Messebene erzeugen, wobei die Messebene zumindest eines ersten Laser- scanners im wesentlichen quer zur Fahrbahn und die Messebene zumindest eines zweiten
Laserscanners im wesentlichen in Längsrichtung der Fahrbahn orientiert wird und die
Messdaten der Laserscanner zu einer zeitbezogenen räumlichen Repräsentation der Ob- jekte verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermessung durch den ersten
Laserscanner (1) beginnt und mit dem in Objekt-Fahrtrichtung (5) gesehen nachgeordne- ten zweiten Laserscanner (2) weitergeführt wird.
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The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 11.
The geometry of motor vehicles is a possible evaluation criterion for the classification of vehicles, typical application fields are the determination of tariff levels for toll collection, applications of the traffic control system or the statistical collection of traffic data. The required scope of services ranges from pure sequence control (eg starting a tolling operation, control of barriers) to complex measuring tasks such as the geometric measurement of towing vehicles, trailer detection or the detection and classification of side-by-side single-lane vehicles.
Today, various sensor concepts are pursued in single-lane surroundings (typically: toll stations with manual handling) for the tracking and classification of vehicles as well as for the timing of processes. The sensor arrangement and the measurement data evaluation are always designed application-specifically. Induction loops are used, if necessary in combination with other sensors such as light barriers, light curtains or other sensors in the carriageway to meet the specifications of the respective measuring task.
WO 90/09014 describes a method with two laser scanners, which are each oriented normal to the direction of travel. The vehicle speed is determined from the path-time difference of the successive passing of the laser scanner. A determination of the geometry of a vehicle is not disclosed in this document.
US 6,195,019 discloses a vehicle classification system of the aforementioned type.
In the known system, both laser scanners are arranged at one and the same longitudinal location above the carriageway. This can lead to shadowing or blind spots in the detection of passing vehicles, resulting in measurement errors and malfunctions.
The US 6,195,019 proposes to solve this problem, an identification of passing vehicles by means of stationary transceivers and transceivers on the vehicles (transponders), which makes complex telecommunications methods and facilities required.
In accordance with the above, it is an object of the present invention to reliably and geometrically determine the geometry and location of single and multi-lane vehicles in single lane pavement sections even under adverse environmental conditions such as stop-and-go traffic or degraded weather using laser scanners to measure, which allows a simple adaptation to all today common tasks of geometric vehicle measurement, classification and tracking, and this in a particularly simple and störungsananfällige way.
This object is achieved with a method and a device of the aforementioned type, which are characterized by the characterizing features of claim 1 and claim 11, respectively.
In comparison to the known vehicle classification and tracking systems in which the basis is at least to be provided base information to fulfill the respective measurement task and the appropriate sensor is compiled, the invention is based on the knowledge, under the conditions typical of single-track sections as possible To be able to generate a complete image of the measuring range in order to be able to use the additional information required in the individual case with a relatively low adaptation effort into the overall system on the basis of this. This is achieved by the use of two generally crossed scanned laser scanners, which allow a gapless imaging and tracking of passing in the measuring range vehicles.
Thus, a high degree of measurement redundancy is achieved, which ensures trouble-free operation even in adverse environmental conditions, such as bad weather, stop-go traffic, etc. The temporally and spatially linked joint evaluation of the measurement data of the two laser scanners achieves a total functionality that goes far beyond the extent that can be achieved with separate treatment of the individual measurements. By the inventive solution that the first laser scanner seen in ObjektFahrtrichtung is arranged in front of the second laser scanner, while the disadvantages of the known solutions are avoided and a particularly simple and störungsunanfällige way of detecting passing objects possible.
Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description.
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with reference to embodiments illustrated in the accompanying drawings. In the drawings, Figs. 1a to 1c show an example of a sensor arrangement in the side view (Fig. 1a), in the plan view (Fig. 1 b) and in the front view (Fig. 1c); FIGS. 2a to 2f show, by way of an example, the principle of object measurement at six temporally successive, exemplarily selected times, u.zw. each on the left in the side view and on the right in the front view;
3 shows a flow chart for the cyclical measurement data evaluation;
4a to 4o an example of the principle of the context analysis at fifteen temporally successive, exemplarily selected times, u.zw. each seen in the measurement plane of the transversely scanning laser scanner, d. H. in front view;
Fig. 4p is the drawing legend for Figs. 4a to 4o; FIGS. 5a to 5h show, by way of an example, the principle of recognition and tracking of vehicles driving one behind the other at eight time-sequential, exemplarily selected points in time, u.zw. each on the left in the side view and on the right in the front view; FIGS. 6a and 6b show examples of expansion possibilities of the method or the device.
FIG. 1 shows an example of an advantageous realization of this invention. In the present case, over-the-lane mounted laser scanners are used, with one laser scanner (1) measuring the cross-section and the other laser scanner (2) accomplishing the measurement of the vehicle in the longitudinal direction. A pair of light barriers (3) allows at a defined longitudinal position, the detection of vehicles that can not or not reliably tracked by the second laser scanner (2). The uniformly chosen Cartesian reference system (4) is chosen for this and the following figures.
As an application example, a typical task is shown, which is to determine the length, width and height of vehicles and their trailer status; Data should be output on reaching a defined longitudinal position together with a unique vehicle number. A pushing back of an already completed vehicle should be reported as well as a vehicle passage in the wrong direction. Finally, the juxtaposition of single-lane vehicles and the close succession of vehicles within the observation area should not lead to any errors in vehicle measurement and tracking.
A vehicle (6) entering in the correct direction of travel (5) is detected by both laser scanners and registered by the system. Figure 2 shows the tracking and measurement of a multi-lane motor vehicle with trailer at selected times. After the object has been registered in the system (FIG. 2a) and moves further in the direction of travel, in some cases the trailer drawbar is only detected at a single measuring point (FIG. 2b). In order to prevent a "tearing off" of the associated object, this measuring point may not be eliminated by any filtering operations whatsoever. Since this measured value, as will be shown later, could certainly also originate from a singular erroneous measurement (raindrops, etc.), a strategy is required which enables a robust distinction between a measurement error and an object detection.
The vehicle continues to move, the end of the vehicle is detected in the measuring range of the first laser scanner (1) (Figure 2c, 2d). If this is the case, the length of the vehicle is measured by determining the measuring point with the maximum longitudinal position which is available from the second scanner (2) available to the vehicle. The measurement results assigned to the vehicle are output on reaching a defined longitudinal position (FIG. 2e, (3) in FIG. 1). Finally, the vehicle leaves the measuring range in the correct direction.
It can be seen from the side views that measured values at road level are always detected between towing vehicle and trailer, so the trailer drawbar is not reliably detected from the perspective of the second scanner (2). In order nevertheless to enable a correct tracking of the complete vehicle, including trailers, a linking of the information determined on the basis of the measurement data of the first laser scanner (1) with that based on the measurement data of the second laser scanner (2) is also useful in this case ,
From FIG. 2 it can be seen that the continuous availability of the longitudinal driving
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tool position during the passage of scanning across the lane laser scanner (2) also in the longitudinal direction correctly scaled object representation can be determined so that virtually any geometry-based classification tasks can be realized with the illustrated system for multi-lane vehicles.
A measurement of length and longitudinal profile is virtually meaningless for single-track vehicles, so that they can give way to a standard length. Equally, it is usually possible to proceed with very compact multi-lane vehicles which travel as far as the edge of the lane so that observation by the laser scanner scanning in the direction of travel is not possible.
FIG. 3 shows, with reference to a flowchart, the cyclical sequence of the measurement, which is explained using the example of the vehicle passage shown in FIG. In FIG. 2, the tracking (right-hand processing path in FIG. 3) corresponds to the object areas indicated by rectangles in the (xz) plane (7) and the profile (left-hand processing path in FIG. 3) corresponds to the object areas in the (yz) plane marked by rectangles (8th).
Initially there are no objects in the measuring range of the two laser scanners, the number of object representations (9) registered in the system is zero. After the threshold criteria for the detection of a new object are fulfilled in the preliminary profile (10), the new object is registered (11). A consideration of the object representations (9) and the current tracking (12) is therefore necessary because it can be determined in this way, whether actually a new vehicle enters the observation area or if a vehicle pushing back or traveling in the wrong direction of travel has been detected.
Incidentally, object registration in (11) is also carried out in order to correctly treat vehicles arriving from the wrong direction later if it is not detected in the observation area of the profile but for the time being only the exit area (in tracking) taking into account predetermined minimum dimensions. In the present case, the vehicle is first recognized in profile and also detected in the subsequent measurement cycle of the other laser scanner (2), so that an association with the object representation produced (13) and also checked whether this laser scanner actually track the vehicle reliably can. This is only the case when the detected vehicle extends at the start of detection in the current profile over a defined tolerance range both left and right of the measurement plane of the laser scanner (2).
In this case, an attribute is set in the object representation (14), which distinguishes it as a "longitudinally traceable object", so that the further geometry measurement takes place taking into account both scanner data. Measurement data of those objects which do not satisfy the attribute "longitudinally traceable object" are detected every cycle (14). Otherwise, as long as the object can be observed by both the first (1) and second laser scanners (2), new geometry data is captured (14) for further processing if and only if exceeding of equidistant longitudinal path increments is detected. In addition, it is also checked whether a minimum dimension of a possible towing vehicle has been achieved, so that when narrow object areas are detected, cf.
2b, an attribute "possible trailer hitch" is set. With the further forward movement of the vehicle, in the present example, a later exceeding of a dimension defined for the trailer recognition is finally transferred to an object property "vehicle with trailer" (14).
As long as a vehicle is detected in the measuring range of the first laser scanner (1), it is clear that it must extend at least up to there. If several separate objects are initially detected in the tracking, the provisionally created tracking is corrected (13) in such a way that the vehicle extends to the measurement plane of the first scanner (1). As soon as a vehicle apparently consisting of two objects from the point of view of the second laser scanner (2) has once been combined in the tracking, a correct object assignment usually already works with the provisional one by a constant overlapping of the individual objects with the then correct tracking from the previous cycle (15) Determination of the current tracking (16) without subsequent corrective measures (13). Only in exceptional cases, z.
B. if the trailer or the entire object temporarily disappears from the measuring range of the second laser scanner, again appropriate correction measures are required, which work on the basis of already measured object properties (9). As soon as the vehicle has completely passed the measuring range of the first laser scanner (1), the vehicle measurement is completed. In the present case one
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"in the longitudinal direction traceable object" the current longitudinal position of the vehicle front is assigned as object length, in the underlying application example, a representative width and height value is determined from previously measured geometry data using current filter methods. Subsequently, a defined longitudinal position (longitudinal position of the light barriers, cf.
FIG. 1, (3)), at which the results of the vehicle measurement are provided with an incremental object number, brought into a suitable form and output (17). Finally, the system is no longer found in the predefined active measuring range (see Figure 2f), the associated object representation is deleted (18).
The simple case example shows that only a continuous consideration of the dependencies between the measurement data of the individual sensors and a multiplicity of already known object properties and internal states initially a three-dimensional reconstruction of multi-lane vehicles and subsequently a reliable separation of vehicles also outside the measuring range of the first laser Scanner (1) ensures.
It can also be seen from FIG. 3 that, in contrast to the tracking, a preliminary profile (10) is first determined without reference to the measurement from the previous cycle (19), (20), (15), and only later, taking into account the current one Tracking (12) and the old profile (20) an assignment of already registered objects (21) and any correction (22) is made.
FIG. 4 shows the principle of object recognition and object separation; Separation of behind and next to each other moving vehicles happens after initial registration by the local correlation of measurement data of successive sampling cycles. In the example shown it is assumed that initially the number of registered objects (cf.
Figure 3, (9)) is zero.
First, an object reaches the measurement plane of the transversely scanning laser scanner (1) (FIG. 4a). For the time being, it is not yet registered (23) since the detected object has not yet exceeded a predetermined minimum dimension (compare also measuring errors in FIG. 4c). Once this criterion is met, an internal object representation (Figure 3, (11) and Figure 4 (24)) and applied, the measurement data acquisition is started. From this point in time, all measured data which have a common overlapping area in successive measuring cycles are assigned to this object (24). In Figure 4d, another object (25) is recognized, it is treated in the same way.
4f shows that the previously treated as separately treated objects (24) and (25) belong to a vehicle, so that the previous object representations are merged into a single object (24) (see Figure 3, (22)). In the further cycles (FIGS. 4g-4n), apart from object (24), a separate object (26) is observed, which is finally treated as an object next to object (24). In order to ensure that object areas with a low or vanishing width (see Figure 2b) have no overlapping area in the following cycle due to small lateral displacements, the valid search area is increased in such cases (see Figure 4k).
A contiguous object is thus detected in the measuring range of the first laser scanner (1) until no longer an object is found in the search range, which results from previous measurements, or until it is interpreted as part of the other object by merging with another object.
FIG. 5 shows the system behavior when another follows immediately after one object.
A truck is, as already described, detected and measured by the system (Figure 5a to 5d). It can be seen in the measuring range of the second laser scanner (2) that an object apparently connected with the front vehicle follows (5f). However, since the front vehicle no longer occupies the measuring range of the first scanner (1), it can be ruled out that this object is part of this already detected vehicle. By the combined consideration of the individual data of the two scanners an error-free object tracking can be realized (5g, 5h).
From the previous explanations it can also be deduced in an obvious way that for multi-lane vehicles, which first enter the measuring range correctly, then reach the trigger line and leave the measuring range under observation by the second laser scanner (2) by pushing back the measuring range Further information about this pushing back an already issued object can be provided.
If motor vehicles enter the measuring range from the wrong direction, the movement
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tion direction at the photocell (3) are initially detected, multi-track vehicles can also be observed by the second laser scanner (2), so that after complete passage a message about a wrong passing vehicle can be issued. In the case of narrow vehicles that pass beyond the measuring range of the second laser scanner (2), the output can not be made immediately when the vehicle leaves the measuring range of the first laser scanner (1), because at this time is not yet certain, that the detection at the first laser scanner (1) can actually be assigned to the wrongly retracted vehicle.
Only on the basis of an assessment during the subsequent vehicle passage can it be determined under typical conditions whether the single-track vehicle actually passed the measuring range in the wrong direction.
For the correct handling of vehicles passing in the right direction, it is usually sufficient, on the basis of a sequential sequence (no overtaking), to recognize consecutive vehicles at a defined longitudinal position. This can be done in the present implementation example both on the basis of the data of the second laser scanner (2) and through the light barriers (3). A remaining blur in this case is the lack of observability of side-by-side single-lane vehicles in the area of the light barriers.
One possible strategy is to output the measurement data of single-lane vehicles immediately when several single-lane vehicles have entered the observation area in succession, have already passed the measurement range of the first laser scanner (1) and the foremost single-lane vehicle has been detected at the trigger line.
In order to further reduce the above-mentioned uncertainties, it is possible to proceed with equipment-related additional expenditure, but with a method which remains the same in its basic principle; for reliable detection in the wrong direction moving narrow vehicles in the simplest case, for example, even at a small distance to the measuring plane of the first laser scanner (1) an additional light barrier can be arranged to determine in connection with the measuring level of this laser scanner, the occupancy order, and also to determine the fitting direction of a passing, narrow vehicle.
Figure 6 shows the modular expandability of the system by way of example. It is easy to see that by arranging a further transversely scanning laser scanner (27), as an alternative or in addition to a light barrier (3), it can be ensured that already described vehicle separation can be repeated at each further point of the observation area and the already in the measuring level of the first transversely scanning laser scanner assigned object representations can be found again. For single-lane, side-by-side vehicles that have such a similar geometry that they can not be distinguished in the detection area, it is irrelevant whether the object instances between the two real objects in the measuring area of the following transversely scanning scanner were incorrectly reversed.
It can be seen from FIG. 1 that the measuring range of the laser scanner scanning in the longitudinal direction is limited at a predetermined mounting height. By attaching one or more laser scanners, cf. FIG. 5 (28), the extension of the measuring range in the longitudinal direction can be realized.
Likewise, the tracking of narrow multi-lane vehicles can be ensured by extending the system previously shown by one or more scanning in the longitudinal direction laser scanner, which are arranged in different measurement levels (29).
If, in addition to the vehicle geometry, the number of axles of a vehicle is to be ascertained, then suitable sensors, eg. B. pressure sensors (30) are introduced for axle counting in the lane. The position and the state of motion of the vehicle are determined by the laser scanner scanning in the longitudinal direction, which enables a robust evaluation of the measurement data from such sensors.
It can be easily understood that also a measurement of a vehicle passing in the reverse direction is possible without any further restrictions, for example by sections of a vehicle which are first evaluated as separate objects by the second laser scanner (2) during the passage of the first laser scanner (FIG. 1) are merged.
If the system measures both in the planned entry and exit area with a transversely scanning laser scanner (see Figure 5), the measure described above can be complete
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fall, especially since the relationship analysis described above for both directions basically runs in the same way.
It is clear to the technically savvy reader that apart from the implementation proposal specifically presented here, there are any number of possible variations. The claims formulated below are to be understood in the sense that the invention can also be realized in other ways than shown in this context.
PATENT CLAIMS:
1. Method for geometric measurement and tracking on a roadway in
The longitudinal direction of the same moving objects, such as motor vehicles, with the help of at least two laser scanners, which are each mounted above the road level and the
Roadway or
scanning a object moving thereon within a limited measurement area in a measurement plane and generating a profile of the object in the measurement plane as measurement data of a scan cycle, the measurement plane of at least one first laser scanner being substantially transverse to the roadway and the measurement plane being at least one second
Laser scanner is oriented substantially in the longitudinal direction of the roadway and the
Messdaten the laser scanner are linked to a time-related spatial representation of the objects, characterized in that the measurement by the first
Laser scanner (1) begins and continues with the second laser scanner (2) arranged downstream in the object direction of travel (5).