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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von aus dem Fahrzeughub
resultierenden Messfehlern bei der fahrzeugbasierten Vermessung von
Fahrbahnoberflächenprofilen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Um
den Schwingungskomfort bei Fahrzeugen optimieren zu können, benötigt man
alle Glieder der Übertragungskette
auftretender Schwingungen von der Fahrbahn bis zur Schwingungswahrnehmung
durch den Menschen im Fahrzeug. Das erste Glied in dieser Kette
kann mit Hilfe der Messdaten aus der Vermessung der Fahrbahnoberflächenkontur bestimmt
werden. Hierzu ist jedoch ein hochpräzises Messverfahren notwendig.
In der
JP 10168810 wird ein
derartiges Verfahren beschrieben, welches im Wesentlichen auf einer
Kombination von Laserabstandssensoren und einem Inertialsensor beruht. Hierbei
werden die Messdaten in Form von Abstandswerten von drei verteilt
im vorderen Stoßfänger angeordneten
Laserabstandssensoren erfasst und in einem Speicher abgelegt, um
hieraus im Anschluss an die Messung das Oberflächenprofil der vermessenen
Straßenoberfläche zu rekonstruieren. Mittels
des Inertialsensors kann die Lage des Messfahrzeuges im Raum bestimmt
werden, so dass den einzelnen Messwerten der Laserabstandssensoren ihre
jeweilige Messposition zugeordnet werden kann. Indem mittels des
Inertialsensors die genaue Lage des Fahrzeuges im Raum bestimmt
werden kann, ist es im Rahmen dieses Verfahrens möglich Verkippungen
des Fahrzeuges zu erkennen und die hieraus resultierenden Fehlausrichtungen
der Laserabstandssensoren (d.h.: durch die Verkippung trifft der
Messstrahl nicht senkrecht auf Fahrbahn) rechnerisch zu kompensieren.
Die Kompensation betrifft dabei zum einen die Bestimmung der korrekten
Höhe der
Abstandssensoren über
der Fahrbahnoberfläche
als auch die des korrekten Auftreffpunktes des Messstrahles auf
der Oberfläche.
Aus der durch den Inertialsensor bestimmten Beschleunigung senkrecht
zur Fahrbahnoberfläche
kann mittels dieses Verfahrens auch eine Steigung oder ein Gefälle erkannt
und in den abzuspeichernden Messdaten berücksichtigt werden. So kann
neben dem Feinprofil der Fahrbahnoberfläche, auch deren Welligkeit
im Bezug auf einen langen Fahrbahnverlauf erfasst werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren
zur fahrzeug-basierten Vermessung von Oberflächenprofilen von Fahrbahnen
in ihrer Mess- und Rekonstruktionsgenauigkeit weiter zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird durch Verfahren zur Korrektur von aus dem Fahrzeughub
resultierenden Messfehlern bei der fahrzeugbasierten Vermessung von
Fahrbahnoberflächenprofilen
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche beschrieben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Korrektur
des Fahrzeughubes in den Messdaten eines fahrzeug-basierten Oberflächenmessverfahrens
wird mittels wenigstens einem entfernungs-auflösendem Abstandssensor das Oberflächenprofil
einer Fahrbahn abgetastet. Die so erfassten Abtastwerte werden gemeinsam
mit Referenz auf die Messposition in einem Speicher abgelegt. Hierbei
ist es denkbar, dass die Referenz durch entsprechende, vorbestimmte
Adressierung der Speicherzelle repräsentiert wird, oder aber, dass
die Referenz des Abtastwertes durch explizite Speicher von 3-dimensionaler Messpositionsinformation
erfolgt. Zur Bestimmung der Lage des Fahrzeuges im Raum bzw. der
Messposition wird die Information eines Inertialsensors herangezogen.
Dabei wird durch zweifache Integration über die Zeit der aus den Messdaten
des Inertialsensors ermittelten Beschleunigung senkrecht zur Fahrbahn
die zeitliche Variation des Bewegungsverhaltens des Fahrzeuges in
die entsprechende Richtung erfasst. In erfinderischer Weise wird
das mittels der zweifachen Integration erfasste Bewegungsverhalten des
Fahrzeuges in zu einer der Fahrbahnoberfläche senkrechten Richtung der
zeitlichen Variation des Fahrzeughubes gleichgesetzt. Von dieser
Annahme ausgehend werden vor der endgültigen Abspeicherung der Abtastwerte
und der diesen jeweilig zugeordneten Messpositionen diese Daten
mittels einer Korrekturroutine einer Nachberechnung bezüglich des
zeitlich variablen Fahrzeughubes unterzogen. Hierbei wird besonders
vorteilhaft der ermittelte Fahrzeughub in einer quasi-rekursiven
Weise wiederholt in die Nachberechnung einbezogen.
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In
gewinnbringender Weise vermeidet die Erfindung Fehler in bei dem
aus den gespeicherten Messdaten rekonstruierten Oberflächenprofil,
indem der Einfluss des dynamischen Verhaltens des Fahrzeughubes
auf die gemessene Höheninformation
herausgerechnet und hierdurch eliminiert werden kann.
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Nachfolgend
wird die Erfindung mit Hilfe von Ausführungsbeispielen und Figuren
im Detail erläutert.
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Dabei
zeigt
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1 die
Einflüsse
des Fahrzeughubes auf die gemessene Höheninformation,
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2 Zusammenhang
zwischen Fahrzeuglage im Raum, Fahrzeugnickwinkel und Fahrbahnsteigung,
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3 den
Ablauf des quasi-rekursiven Korrekturalgorithmus beschreibende Flussdiagram.
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Bewegt
sich ein Messfahrzeug (10) in Fahrtrichtung (11) über eine
unebene Fahrbahn, so erfährt es
Beschleunigungen in zur Fahrbahnoberfläche (12) senkrechten
Richtung. Moderne Federungssysteme sind so ausgelegt, dass die Räder des
Fahrwerkes zumindest bei moderaten auf und ab Bewegungen des Fahrzeugs
in kontinuierlichem Kontakt mit der Fahrbahn verbleiben. Das Chassis
des Fahrzeuges wird sich jedoch dynamisch nach oben und unten bewegen.
Zur Erfassung des Profils der Fahrbahnoberfläche erfasst ein am Fahrzeug
angebrachter Abstandssensor (13) seinen Abstand (14a, 14b)
zu Messpunkten (15) auf der Fahrbahnoberfläche (12). Bei
der im linken Teil von 1 dargestellten Situation sind
die Federbeine des Fahrzeuges (10) gestaucht, so dass sich
ein relativ kurzer Abstand (14a) zum Messfleck (12)
ergibt. Bei der im rechten Teil der 1 aufgezeigten
Messsituation ist das Fahrzeug (10) weit nach oben geschwungen,
so dass der Abstandswert (14b) signifikant größer als
der an derselben Stelle bei anderer Fahrsituation gemessene Abstandswert
(14a) ist. Würde
bei der Abspeicherung der Abstandswerte zum Messzeitpunkt der vorherrschende
Fahrzeughub nicht berücksichtigt,
ergäben sich
für denselben
Messpunkt (12) bei unterschiedlichen Messsituationen unterschiedliche
Höhenwerte. Dies
führte
zu einer dem dynamischen Verlauf des Fahrzeughubes bei der Messfahrt
entsprechenden welligen Verlauf der aus den abgespeicherten Messdaten
rekonstruierten Fahrbahnoberfläche.
Um derartige Rekonstruktionsfehler zu vermeiden, wird der abzuspeichernde
Abstandsmesswert mit dem mittels des Inertialsensors ermittelten
Fahrzeughub (h1, h2) korrigiert. In erster Näherung ist die tatsächliche
relative Höhe
des Messpunktes (12) auf der Fahrbahnoberfläche proportional
zu der Differenz aus Fahrzeughub (h1, h2) und dem Abstandsmesswert
(14a, 14b).
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In 2 wird
der Zusammenhang zwischen dem Fahrzeuglagewinkel α, dem Fahrzeugnickwinkel β und der
Fahrbahnsteigung χ dargestellt.
Hierbei seien die x- und y-Achse eines orthogonalen Koordinatensystems
so ausgerichtet, dass die z-Achse die Normale zur Erdoberfläche bildet.
Dies entspricht im All gemeinen der Definition der drei, durch ein
Inertialmesssystem vermessenen Richtungskoordinaten. Die Lage des
Messfahrzeugs (1) in diesem durch die xyz-Koordinaten aufgespannten
Raum lässt
sich somit durch einen im Fahrzeug integrierten Inertialsensor vermessen.
Aus dieser Vermessung kann der Fahrzeuglagewinkel α gegenüber der
z-Achse bestimmt werden. Auf Grund von auf es wirkende Beschleunigungen
neigt das Messfahrzeug jedoch dazu um einen Nickwinkel β nach hinten
oder nach vorne zu Nicken, so dass aus dem Fahrzeuglagewinkel α nicht direkt
auf die interessierenden Fahrbahnsteigung χ geschlossen werden kann; vielmehr
gilt: χ = α – β
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Hierbei
kann in besonders vorteilhafter Weise der Fahrzeugnickwinkel b mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf Basis wenigstens zweier redundanter Abstandsmessungen, durch
an in Fahrtrichtung versetzt angeordneten Abstandssensoren, erfolgen.
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In
der realen Messumgebung handelt es sich bei dem Abstandsmesswert
(14a, 14b) um einen 3-dimensionalen Vektor dessen
Lage im Raum durch das dynamische Bewegungsverhalten des Messfahrzeugs
(10), insbesondere durch dessen Kippen, Nicken und dessen
Hub, beeinflusst wird. Um für
die spätere
Rekonstruktion zu einem möglichst
exakten, das Oberflächen
der Fahrbahn repräsentierenden Messwert
zu gelangen und um dessen Messposition auf der Oberfläche möglichst
genau festlegen zu können,
sind die Messdaten in einer besonders vorteilhafter Weise einem
Korrekturalgorithmus zu unterwerfen, welcher sich im Wesentlichen
in 8 Teilschritte gliedern lässt.
Die einzelnen mittels des wenigstens einen Abstandssensors aufgenommenen
Messdaten werden zur späteren
Rekonstruktion des Oberflächenprofils
der Fahrbahn auf Positionsdaten in einem 3-dimensionalen, durch Einheitsvektoren
x, y und z beschriebenen Messraum referenziert. Hierbei wird in
x- und y-Richtung eine Ebene im Wesentlichen parallel zur Erdoberfläche aufgespannt,
während
die Ablage der Messpunkte in z-Richtung senkrecht zu dieser Ebene
steht, und insbesondere die Erhabenheit diese Messpunkte beschreibt.
Die x-Richtung wird im Allgemeinen so gewählt, dass sie mit der Fahrtrichtung
des Messfahrzeuges (10) im Wesentlichen übereinstimmt.
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Der
8-stufige Verfahrensablauf ist in 3 symbolisch
dargestellt, wobei jede Verfahrensstufe durch ein separates Rechteck-Symbol
repräsentiert wird;
gleiche Symbole verweisen auf im wesentlichen ähnliche Verfahrensabläufe, so
dass in der Wiederholung gleicher Symbole der quasi-rekursive Charakter
des quasi-rekursiven Korrekturalgorithmus deutlich zum Ausdruck
kommt. Im ersten Verarbeitungsschritt wird die gemessene, skalare
Fahrzeuggeschwindigkeit V in Richtung der Fahrzeuglagewinkel gedreht,
welche insbesondere durch den Inertialsensor gemessenen werden.
Die Drehung erfolgt hierbei in Bezug auf den Wankwinkel WWank, den Nickwinkel WNick und
den Gierwinkel WGier des Fahrzeuges. Der skalare
Wert der Fahrzeuggeschwindigkeit V wird hierbei insbesondere durch
einen Wegstreckenzähler
wie beispielsweise einem mit der Antriebsachse in Verbindung stehenden
Tachometer ermittelt. Durch diese Drehung wird der skalare Geschwindigkeitswert
V in einen 3-dimensionalen Geschwindigkeitsvektor V(x,y,z) umgebildet.
Die Integration dieser Geschwindigkeit V(x,y,z) liefert sodann die
Fahrzeugposition im Raum und somit in Kenntnis der geometrischen
Anordnung des wenigstens einen Abstandssensor am Messfahrzeug dessen
aktuelle Position im Raum P(x, y, z). P(x, y,
z) = f(WWank, WNick,
WGier)
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Ausgehend
von einem frei definierbaren Fahrzeugnullpunkt befindet sich der
wenigstens eine Abstandssensor an einer im ersten Ansatz bekannten
geometrischen Position mit Versatz zum Fahrzeugnullpunkt in x- und
y-Richtung; die Höhe
des Ab standssensors über
der Fahrbahn, d.h. die z-Position des Sensors an dessen x/y-Position
ergibt sich im ersten Ansatz aus dem gemessenen Abstandswert. Aus
diesen geometrischen Verhältnissen
wird nun im zweiten Verarbeitungsschritt ausgehende von den Fahrzeuglagewinkeln
die tatsächliche
dreidimensionale Ausrichtung L(x,y,z) des Messstrahls des Abstandssensors
im Raum bestimmt.
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Aus
der Kenntnis der Position des Abstandssensors im Raum P(x,y,z) und
dem Wissen um die Ausrichtung des Messstrahls L(x,y,z) kann zwar
auf die Messposition auf der Fahrbahnoberfläche geschlossen werden, um
aber auf deren korrekte Ablage zur Fahrbahnoberfläche schließen zu können, muss
dieser Wert in der 3. Verarbeitungsstufe des Korrekturalgorithmus
um den aktuellen Fahrzeughub Phub in z-Richtung
korrigiert werden. Ohne diesen Schritt, würde sich ein zeitlich veränderlicher
Fahrzeughub in einer entsprechenden Welligkeit des Oberflächenprofils
nach dessen Rekonstruktion aus den Messdaten abbilden. Der Fahrzeughub
wird durch zweifache Integration der durch den Inertialsensor ermittelten
Beschleunigung senkrecht zur Fahrbahn ermittelt. Das so erfasste
Bewegungsverhalten des Fahrzeuges in einer zur Fahrbahnoberfläche senkrechten
Richtung wird mit der zeitlichen Variation des Fahrzeughubes Phub gleichgesetzt. In Kenntnis des Fahrzeughubes
kann die korrekte Position des Abstandssensors in z-Richtung Pz,neu korrigiert werden, indem der Fahrzeughub
Phub zur ursprünglichen im ersten Verarbeitungsschritt
ermittelten Position Pz addiert wird: Pz,neu = Pz +
Phub.
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Besonders
vorteilhaft wirkt es sich aus, wenn die mittels des Inertialsensors
ermittelten Beschleunigungswerte senkrecht zur Fahrbahn vor einer
der Integrationsstufen bei der zweifachen Integration über die
Zeit einer Hochpassfilterung unterzogen werden. Hierdurch können niederfrequente
Stör- und Rauscheinflüsse, welche
auf den Inertialsensor einwirken eliminiert werden.
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Ausgehende
hiervon lässt
sich im 4. Verarbeitungsschritt nun mittels der bereits im zweiten
Verarbeitungsschritt bestimmten 3-dimensionale Ausrichtung L(x,y,z)
des Messstrahls die Position des Messpunktes auf der Fahrbahn PMess (x,y,z) korrigieren: PMess,x = Px + Lx; PMess,y = Py + Ly; PMess,z = Pz,neu +
Lz
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Der
5. Verfahrensabschnitt dient dazu die Fahrzeuglage in Bezug auf
den Fahrzeugnickwinkel WNick dahingehend
zu korrigieren, dass die aus Beschleunigungs- und Bremsmanövern resultierenden Fahrzeugneigungen
Wkorr eliminiert werden. In besonders vorteilhafter
Weise lässt
sich die auf Beschleunigungs- und Bremsmanövern zurückzuführende Fahrzeugneigung Wkorr dadurch bestimmen, dass am Messfahrzeug
entlang der zur Fahrrichtung parallelen Fahrzeuglängsachse
neben dem wenigstens einen Abstandssensor ein weiterer Abstandssensor
versetzt angeordnet wird. Die beiden Abstandssensoren sind sodann
so anzusteuern, bzw. deren Messdaten sind so auszuwerten, dass von
beiden Sensoren Messwerte an derselben Messposition auf der Fahrbahnoberfläche ausgewertet
werden können.
In einem ersten Schritt wird sodann die Differenz Ldiff der
beiden Messstrahlen L1(x,y,z) und L2(x,y,z) gebildet. Aus dem arctan(Ldiff) und dem geometrischen Versatz bzw.
Abstand der Abstandssensoren in x-Richtung abs(L1,x-L2,x) lässt
sich ein Korrekturwert WNick,korr für den Nickwinkel
berechnen: WNick,korr =
arctan(Ldiff)/abs(L1,x-L2,x)
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Auf
diese Weise ergibt sich ein neuer Nickwinkel WNick,neu zu: WNick,neu = WNick + WNick,korr
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Unter
Rückgriff
auf den neu berechneten Nickwinkel WNick,neu erfolgt
in der 6. Verarbeitungsstufe analog zu Verarbeitungsstufe 1 eine
erneute Berechnung der Fahrzeugposition. PMess (x, y, z) = f (WWank,
WNick,neu, WGier)
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Ausgehend
von den nun gültigen
Winkellagen des Fahrzeuges erfolgt in der 7. Stufe der Verarbeitungskette,
analog zum vormaligen Verarbeitungsschritt 3, eine erneute Bestimmung
des Fahrzeughubs Phub ausgehend von der
durch den Inertialsensor ermittelten Beschleunigung senkrecht zur Fahrbahnoberfläche. In
Kenntnis dieses nachkorrigierten Wertes zum Zeitpunkt t1 des Fahrzeughubes Phub kann nun erneut die korrekte Position
des Abstandssensors in z-Richtung Pz,neu,t1 berechnet
werden, indem der Fahrzeughub Phub zur im
dritten Verarbeitungsschritt zum Zeitpunkt t0 erstmalig nachberechneten
Position Pz,neu,t0 addiert wird: Pz,neu,t1 = Pz,neu,t0 + Phub.
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Ausgehende
hiervon lässt
sich abschließen in
der letzten Verarbeitungsstufe analog zum 4. Verarbeitungsschritt
mittels der bereits im zweiten Verarbeitungsschritt bestimmten 3-dimensionale Ausrichtung
L(x,y,z) des Messstrahls die Position des Messpunktes auf der Fahrbahn
PMess (x,y,z) korrigieren und damit erneut
bestimmen: PMess,x =
Px + Lx; PMess,y = Py + Ly; PMess,z = Pz,neu + Lz
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Die
mittels des quasi-rekursiven Verfahrens ermittelten Positionen PMess(x,y,z) des Messpunktes auf der Fahrbahnoberfläche dienen
zur Zuordnung der Abstandsmesswerte und bilden mit diesen gemeinsam
die Grundlage für
die Rekonstruktion der Fahrbahnoberfläche.
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In
gewinnbringender Weise kann zur Bestimmung der Lage des Fahrzeuges
im Raum bzw. der Messposition ein Wegstreckenzäh ler oder ein Navigationssystem,
insbesondere ein DGPS-System, herangezogen werden. Eine Fusion der
mittels dieser Sensoren ermittelten Orts und Richtungsinformation mit
den aus den Daten des Inertialsensors abgeleiteten Informationen
führt zu
einer Steigerung der Genauigkeit der Lage und Positionsbestimmung
des Messfahrzeugs bzw. der Messsensoren und in Folge zu einer Steigerung
der Qualität
der Oberflächenrekonstruktion.
Als Inertialsensor im Rahmen der Erfindung eigenen sich jede Art
von Sensoren, mittels welchen man eine Bewegungsbestimmung im dreidimensionalen
Raum durchführen
kann, so beispielsweise auch ein System von gekoppelten GPS-Sensoren.