DE102006015036A1

DE102006015036A1 - Verfahren zur Fahrwegüberwachung

Info

Publication number: DE102006015036A1
Application number: DE102006015036A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Bauer; Thomas Dr. Wösch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-11

Abstract

Bei einem Verfahren zur Fahrwegüberwachung scannt ein Laserstrahl (1) entlang einer ortsfesten Querlinie auf dem Fahrweg zwischen einem Punkt Ai auf einer ersten von einer rechten und linken Überwachungsgrenze (3) und einem Punkt Ai+1 auf der zweiten von einer rechten und linken Überwachungsgrenze (4) in der Ebene einer Maximalhöhe (hmax). Anschließend folgt ein Scannen entlang einer ortsfesten Längslinie zwischen Punkten Ai+1 auf der zweiten Überwachungsgrenze (4) und einem Punkt Ai+2 auf der zweiten Überwachungsgrenze (4) in der Ebene der Maximalhöhe (hmax). Ai+2 liegt nicht weiter vor Ai+1 als der Punkt, an dem der Laserstrahl zuvor beim Querscannen in der Ebene einer Minimalhöhe (hmax) die zweite Überwachungsgrenze (4) getroffen hat. Es folgt erneutes Querscannen zur ersten Überwachungsgrenze (3) und anschließendes Längsscannen auf der ersten Überwachungsgrenze (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Fahrwegs vor einem fahrenden Fahrzeug, insbesondere betrifft die Erfindung eine Fahrwegüberwachung für Gleise.
Bei der lückenlosen Überwachung eines Verkehrsweges im Bereich vor einem Fahrzeug mittels Sensoren, insbesondere durch Radar, Laser oder Ultraschall, muss man einen Kompromiss schließen zwischen der Größe des pro Messung vor dem Fahrzeug überwachten Bereichs und der Auflösung, mit der der Ort eines Gegenstandes innerhalb des zu überwachenden Bereichs bestimmt werden kann.
Allgemein gilt, dass je genauer der Ort bestimmt werden muss, desto mehr Messungen mit einem Sensor mit geringem Öffnungswinkel durchgeführt werden müssen. Um somit ein Bereich mit hoher Auflosung abzudecken, werden scannende Sensoren verwendet, die zeilenweise einen horizontalen und vertikalen Winkelbereich abtasten.
Möchte man damit einen linearen Verkehrsweg überwachen, so muss man die Winkelbereiche so groß wählen, dass alle äußersten Randpunkte des Verkehrswegs erfasst werden. Dies führt dazu, dass es sehr viele Messungen gibt, die überwiegend einen Bereich erfassen, der außerhalb des eigentlich zu erfassenden Bereichs liegt. Dies kostet wertvolle Mess- und Rechenzeit.
Aus der WO 2006/00829 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen eines Hindernisses auf eine Eisenbahnstrecke bekannt, wobei das Lichtraumprofil vor einem Schienenfahrzeug durch mindestens einen am Schienfahrzeug angeordneten Sensor überwacht wird. Bei einer Messfahrt wird eine dreidimensionale Abbildung aus entlang einer Strecke an bekannten Orten erfassten Lichtraum profilen erstellt. Diese Abbildung wird abgespeichert. Beim Fahrbetrieb wird dann ein aktuell erfasstes Lichtraumprofil mit dem aus den dreidimensionalen Abbildungen entnommenen verglichen und bei einer Abweichung ein Hindernis angezeigt.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die komplette Fahrstrecke zuvor erfasst werden muss. Dadurch ist dieses Verfahren sehr aufwändig.
Aus der DE 102 44 127 A1 ist ein Sensorsystem zu Überwachung eines Fahrwegs einer autonomen mobilen Einheit bekannt, wie beispielsweise eines fahrerlosen spurgebundenen Verkehrsmittels. Es wird ein Multisensorsystem verwendet, bei dem drei verschiedene Sensortypen, ein Lasersensor, ein Radarsensor und ein Videosensor fusioniert werden und mit dem Fusionsergebnis der Fahrweg überwacht wird.
Insbesondere ist aus der Druckschrift ein Laserscannersystem bekannt, bei dem ein Laser über Winkelbereiche geschwenkt werden kann.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass es sehr aufwändig und teuer ist, drei nach verschiedenen Grundprinzipien arbeitende Systeme miteinander zu kombinieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem effizient ein definierter Bereich eines Verkehrsweges, insbesondere ein Bereich vor einem Fahrzeug auf einem Fahrweg erfasst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Fahrwegüberwachung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 werden in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einem Verfahren zur Fahrwegüberwachung vor einem sich auf einem Fahrweg bewegenden Fahrzeug fährt ein Laserstrahl ein Überwachungsvolumen ab. Das Überwachungsvolumen wird durch eine Mindesthöhe (h_min) und eine Maximalhöhe (h_max) über dem Fahrweg sowie eine rechte und linke Überwachungsgrenze an den Seiten des Fahrwegs begrenzt und der Laser ist oberhalb der Maximalhöhe in zwei Winkelebenen verschwenkbar angeordnet. Der Laser fällt mit einem Winkel zu der Ebene der Maximalhöhe in das Überwachungsvolumen ein.
In einem ersten Schritt wird eine Querlinie zwischen einem ersten Punkt A_i auf einer ersten von linker und rechter Überwachungsgrenze und einem ersten Punkt A_i+1 auf der verbleibenden zweiten von rechter und linker Überwachungsgrenze in der Ebene der Maximalhöhe quer gescannt, wobei die Linie ortsfest zu dem Fahrweg und senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ist.
Weiter erfolgt ein Längsscannen einer Längslinie zwischen dem zuletzt erreichten Punkt A_i+1 auf der zweiten Überwachungsgrenze und einem nächsten Punkt A_i+2 auf dieser zweiten Überwachungsgrenze in der Ebene der Maximalhöhe, wobei die Linie ortsfest zu dem Fahrweg und in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs abgefahren wird und der nächste Punkt A_i+2 nicht weiter vor dem vorigen Punkt A_i+1 liegt, als der Punkt, an dem der Laserstrahl zuvor Querscannen in der Ebene der Minimalhöhe die auf diese senkrecht projizierte zweite Überwachungsgrenze getroffen hat.
Es schließt sich ein erneutes Querscannen zur ersten Überwachungsgrenze und anschließendes Längsscannen auf der ersten Überwachungsgrenze an. Sodann wiederholt sich der Ablauf erneut und überwacht damit kontinuierlich den Fahrweg.
Vorteilhaft kann mit diesem Verfahren die Anzahl der Messungen bei der Überwachung des Volumens im zu überprüfenden Bereich über Fahrwegen optimiert werden. Dabei wird von der Annahme ausgegangen, dass ein Hindernis auf dem Fahrweg eine Ebene in dem Überwachungsvolumen zumindest einmal schneidet. D.h. ein Hindernis weist zwischen Minimalhöhe und Maximalhöhe in irgendeiner Ebene zumindest einen Punkt auf, solange die Ebene in ihrer Projektion auf den Fahrweg den zu überwachenden Bereich vollständig abdeckt. Es reicht dann, in dem Überwachungsvolumen solche Ebenen zu überprüfen, wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ebene, die durch den schräg von der Maximalhöhe zur Minamalhöhe laufenden Laserstrahl definiert und während des Querscannens überprüft wird.
Durch das erfindungsgemäße verfahren können Fahrwege mit hoch auflösenden Einstrahl-Lasersensoren schnell lückenlos überwacht werden. Bei fahrerlosen Fahrzeugen ist eine deutliche Steigerung der maximal möglichen Geschwindigkeit möglich. Das Verfahren der Führung des Laserstrahls optimiert die Anzahl der notwendigen Messungen zur Überwachung eines linearen Verkehrswegs. Gleichzeitig wird die Länge der Trajektorie des Laserstrahls optimiert, so dass die Bewegung möglichst schnell ausgeführt werden kann.
Soweit der Laser beim Querscannen über die Überwachungsgrenzen hinausläuft, da er in der Ebene der Maximalhöhe von der ersten Überwachungsgrenze bis zur zweiten scannt, jedoch bis zur Ebene der Minimalhöhe außerhalb Dreiecke seitlich erfasst, ergeben sich zusätzliche Informationen über den Fahrweg.
In einer günstigen Ausführungsform des Verfahrens wird beim Längsscannen der nächste Punkt A_i+2 auf der zweiten Überwachungsgrenze genau so weit vor dem vorherigen Punkt A_i+1 gelegt, wie der Punkt, an dem der Laserstrahl zuvor beim Querscannen in der Ebene der Minimalhöhe die auf diese projizierte zweite Überwachungsgrenze getroffen hat.
Somit kommt es zu keinen Überschneidungen und es wird beim zweiten Querscannen der sich an den im ersten Querscannen gescannten Teil des Überwachungsvolumens anschließende Teil gescannt.
Die beim beschriebenen Quer- und Längsscannen erreichten Punkte A_i, A_i+1 und A_i+2 können in einem auf den Fahrweg bezogenen Koordinatensystem bestimmt werden.
Dadurch werden Kurven und Neigungen des Fahrwegs automatisch ausgeglichen.
Der Laser kann im Bezug auf das Fahrzeug im Wesentlichen in der Mitte angeordnet sein.
Die jeweils nötigen Schwenkwinkel des Lasers sind dann optimiert und gleichmäßig auf rechts und links verteilt.
Das Fahrzeug kann ein Schienenfahrzeug und der Fahrweg ein Gleis ist.
Dadurch kann die gesamte Breite des Lichtraumprofils eines Gleises auf der Gleisebene effizient überwacht werden.
Vorteilhaft können das Überwachungsvolumen und die durch dieses bestimmten Punkte A_i, A_i+1 und A_i+2 gezielt in einen Bereich eines vermuteten Objekts verschoben werden, um ein Objekt im Bereich des Fahrwegs zu lokalisieren.
Dies ermöglicht, Objekte außerhalb des bei einem Fahrweg zwingend zu überwachenden Bereichs gezielt zu erfassen und zur Lokalisierung zu verwenden.
Bei einem Verfahren zur Fahrwegüberwachung bei einem Fahrzeug auf einem Fahrweg wird eine Vielzahl von Lasermessdaten eines den Bereich vor dem Fahrzeug scannenden Lasers gewonnen. Es werden nur die Lasermessdaten für eine Fahrwegüberwachung verwendet, die Messpunkten des Lasers nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 entsprechen.
Durch dieses Verfahren ist es möglich, Rechenzeit bei der computergesteuerten Fahrwegüberwachung zu sparen, da aus vielen Messungen (z.B. 3D-Laserscanner) diejenigen Messungen herausgefiltert werden, die für eine lückenlose Überwachung nötig sind. Dies sind die Daten, die man erhalten hätte, wenn man den Laser entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren geführt hätte.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
1 das Schema eines fahrwegbezogenen Koordinatensystems,
2 schematisch den Überwachungsraum eines Fahrwegs von der Seite,
3 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 schematisch eine Trajektorie des Lasers des Ausführungsbeispiels bei seiner Bewegung und
5 ein Diagramm des Verlaufs der Überwachungsgrenzen in einer Kurve.
1 zeigt das Schema eines fahrwegbezogenen Koordinatensystems. In Richtung der Bewegung des Fahrzeuges auf dem Fahrweg, bei dem vorliegenden Beispiel eines Gleises mit seinen Schienen 2, angedeutet durch die zwei durchgezogene Linien, ist die (Fahr-)Strecke s. Quer zum Gleis, bezogen auf eine gestrichelt dargestellte Mittellinie, ist der y-Wert. Als dritter Wert kommt hinzu die Höhe h über der Gleisoberkante. Im vorliegenden Beispiel kann dadurch ein Punkt P(s,y,h) definiert werden.
2 zeigt schematisch das Überwachungsvolumen eines Fahrwegs, hier wiederum eines Gleises, von der Seite. Ist ein Laserstrahl 1 von einer über dem Gleis angeordneten, hier nicht dargestellten, Quelle unter einem Winkel in Richtung auf die Schienen 2 gerichtet, so kann der Bereich zwischen den Punk ten an denen der Laser eine Maximalhöhe h_max, die als Mindesthöhe für ein zu berücksichtigendes Hindernis angesehen wird, bis zu dem Punkt, an dem er eine Mindesthöhe h_min unterschreitet, als überwacht betrachtet werden. Man kann davon ausgehen, dass jedes Hindernis, das auf dem Gleis in dem überwachten Bereich, aufliegt, eine solche Ebene schneidet. Der hier in der Längserstreckung überwachte Bereich ist durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet.
3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt ist eine Aufsicht auf den Fahrweg, zum Beispiel ein Gleis, von oben im Bereich vor einem Fahrzeug. Dabei befindet sich das Fahrzeug unterhalb und bewegt sich nach oben. Es sind vier Laserstrahlen 1 dargestellt, ausgerichtet auf vier Punkte A₁, A₂, A₃ und A₄ in der Ebene der Maximalhöhe. Die Punkte A₁ und A₄ liegen auf einer ersten Überwachungsgrenze 3, die im vorliegenden Beispiel die linke Überwachungsgrenze ist, jedoch am Anfang des erfindungsgemäßen Verfahrens willkürlich gewählt werden kann. Die Punkte A₂ und A₃ liegen dann auf der verbleibenden rechten Überwachungsgrenze als zweiter Überwachungsgrenze 4.
Der Abstand zwischen linker Überwachungsgrenze 5 und rechter Überwachungsgrenze 6 entspricht der Breite des Lichtraumprofils einer Eisenbahn.
Der Laserstrahl scannt in einem ersten Schritt zunächst entlang einer Querlinie zwischen einem ersten Punkt A₁ auf der ersten Überwachungsgrenze 3 und einem ersten Punkt A₂ auf der zweiten Überwachungsgrenze 4 in der Ebene der Maximalhöhe. Die Linie dieses Querscannens ist ortsfest zu dem Fahrweg und senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Die Bewegung des Fahrzeugs wird dabei von dem Laser ausgeglichen, beispielsweise indem der Einfallwinkel verändert wird. Anschließend folgt ein Längsscannen entlang einer Längslinie zwischen dem ersten Punkt A₂ auf der zweiten Überwachungsgrenze 4 und einem nächsten Punkt A₃ auf dieser zweiten Überwachungsgrenze 4, wiederum in der Ebene der Maximalhöhe. Auch die Längslinie ist ortsfest zu dem Gleis und wird in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs abgefahren. Der Abstand zwischen den Punkten A₂ und A₃ ist dabei so groß, dass beim anschließenden Querscannen zum nächsten Punkt A₄ auf der ersten Überwachungsgrenze 3 die Überwachung genau an der Linie beginnt, bis zu der bei zuvor erfolgtem Querscannen der Laser überwacht hat, da er entlang dieser Linie die Minimalhöhe unterschritten hat. Durch die Bewegung des Laserstrahls vom Punkt A₂ zum Punkt A₃ längs der zweiten Überwachungsgrenze 4 beim Längsscannen wird die Flache überwacht, die durch die Punkte A₂, A₃, auf der zweiten Überwachungsgrenze und durch Punkte außerhalb der rechten Überwachungsgrenze 4 aufgespannt wird, an denen der Laserstrahl die Minimalhöhe unterschreitet. Diese Informationen ergeben sich zusätzlich und können ergänzend für die Fahrwegüberwachung ausgewertet werden.
Die 4 zeigt schematisch eine Trajektorie des Lasers des Ausführungsbeispiels bei seiner Bewegung. Auf den zuvor anhand 3 beschriebenen Bewegungsablauf des Lasers zwischen den Punkten A₁ bis A₄ folgt ein weiteres Längsscannen zum Punkt A₅ auf der ersten Überwachungsgrenze 3 und ein anschließendes Querscannen zum Punkt A₆ auf der zweiten Überwachungsgrenze 4, usw. Es ergibt sich als Bewegungslinie des Lasers in der Ebene der Maximalhöhe eine Rechtecklinie, die ständig zwischen linker Überwachungsgrenze 3 und rechter Überwachungsgrenze 4 wechselt.
5 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Überwachungsgrenzen in einer Kurve. Dargestellt ist der Verlauf in einem ortsfesten Koordinatensystem mit X, Y und der Höhe H. Da die Berechnung der Punkte A_i im Gleiskoordinatensystem, wie es in 1 dargestellt ist, erfolgt, ergibt sich automatisch eine Berücksichtung der Krümmung und der Überhöhung des Gleises.

Claims

Verfahren zur Fahrwegüberwachung vor einem sich auf einem Fahrweg bewegenden Fahrzeug mittels eines Laserstrahls, der ein Überwachungsvolumen abfährt, wobei das Überwachungsvolumen durch eine Mindesthöhe (h_min) und eine Maximalhöhe (h_max) über dem Fahrweg sowie eine rechte Überwachungsgrenze (4) und eine linke Überwachungsgrenze (3) an den Seiten des Fahrwegs begrenzt wird und der Laser oberhalb der Maximalhöhe in zwei Winkelebenen verschwenkbar angeordnet ist und mit einem Winkel zu der Ebene der Maximalhöhe (h_max) in das Überwachungsvolumen einfällt mit den Schritten, Querscannen einer Querlinie zwischen einem ersten Punkt A_i auf einer ersten aus linker und rechter Überwachungsgrenze (3) und einem ersten Punkt A_i+1 auf der verbleibenden zweiten aus rechter und linker Überwachungsgrenze (4) in der Ebene der Maximalhöhe (h_max), wobei die Linie ortsfest zu dem Fahrweg und senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ist, Längsscannen einer Längslinie zwischen dem zuletzt erreichten Punkt A_i+1 auf der zweiten Überwachungsgrenze (4) und einem nächsten Punkt A_i+2 auf der zweiten Überwachungsgrenze (4) in der Ebene der Maximalhöhe (h_max), wobei die Linie ortsfest zu dem Fahrweg und in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs abgefahren wird und der Punkt A_i+2 nicht weiter vor dem Punkt A_i+1 liegt als der Punkt, an dem der Laserstrahl zuvor beim Querscannen in der Ebene der Minimalhöhe (h_min) die zweite Überwachungsgrenze (4) getroffen hat, erneutes Querscannen zur ersten Überwachungsgrenze (3) und anschließendes Längsscannen auf der ersten (3) Überwachungsgrenze.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Längsscannen der nächste Punkt A_i+2 genau so weit vor dem Punkt A_i+1 liegt, wie der Punkt, an dem der Laserstrahl zuvor beim Querscannen in der Ebene der Minimalhöhe (h_min) die zweite Überwachungsgrenze (4) getroffen hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Punkte A_i, A_i+1 und A_i+2 in einem auf den Fahrweg bezogenen Koordinatensystem (s,y,h) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser im Bezug auf das Fahrzeug im Wesentlichen in der Mitte angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug und der Fahrweg ein Gleis ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsvolumen und die durch dieses bestimmten Punkte A_i, A_i+1 und A_i+2, um ein Objekt im Bereich des Fahrwegs zu lokalisieren, gezielt in einen Bereich eines vermuteten Objekts verschoben werden.
Verfahren zur Fahrwegüberwachung bei einem Fahrzeug auf einem Fahrweg bei dem eine Vielzahl von Lasermessdaten eines den Bereich vor dem Fahrzeug scannenden Lasers gewonnen werden und nur die Lasermessdaten für eine Fahrwegüberwachung verwendet werden, die Messpunkten des Lasers nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 entsprechen.