DE102006056408B4

DE102006056408B4 - Verfahren zum Bestimmen einer Position, Vorrichtung und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102006056408B4
Application number: DE102006056408A
Authority: DE
Inventors: Elisabeth Balcerak; Prof. Dr.-Ing. Zöbel Dieter; Thorsten Weidenfeller
Original assignee: KOBLENZ LANDAU, University of; Universitat Koblenz-Landau
Current assignee: KOBLENZ LANDAU, University of; Universitat Koblenz-Landau
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: DE102006056408A1; WO2008064892A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Position eines zweiachsigen Anhängers (14) mit zumindest einer beweglichen Radachse, relativ zu einem Zugfahrzeug (12) mit den Schritten: – Erzeugen von farbigen Bilddaten umfassend eine Vielzahl von Pixel zumindest eines Beobachtungselements (18) mit zumindest drei zugeordneten Meßpunkten (R, S, V) anhand einer Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32), – Detektion der zumindest drei vorgegebenen Meßpunkte (R, S, V) in den Bilddaten, durch ein Detektieren zumindest dreier Hilfspunkte durch ein Umwandeln der farbigen Bilddaten mittels eines Schwellwertes in schwarzweiß Bilddaten, wobei für die detektierten Hilfspunkte jeweils ein Schwerpunkt berechnet wird, wobei für die Position Px, Py des jeweiligen Schwerpunktes gilt:wobei für die Vielzahl von Schwerpunkten detektierter Hilfspunkte benachbarte Schwerpunkte detektiert werden und die benachbarten Schwerpunkte als auf einer Strecke liegend detektiert werden, wenn die Summe der Abstände der einzelnen Schwerpunkte untereinander gleich ist zu dem größten Abstand zweier der Schwerpunkte, und durch ein Zuordnen der Hilfspunkte...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines zweiachsigen Anhängers mit zumindest einer beweglichen Radachse, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines zweiachsigen Anhängers mit zumindest einer beweglichen Radachse und ein Computerprogrammprodukt.
Im Straßentransport dominieren heute Sattelschlepper mit Sattelaufliegern. In der Kinematik werden solche Fahrzeuge in die Kategorie der ”general-2-trailer” oder kurz G2T-Fahrzeuge eingestuft. Gegenüber G2T-Fahrzeugen haben Lastkraftwagen mit zweiachsigen Anhängern, insbesondere mit zumindest einer Lenkachse, kinematisch als G3T-Fahrzeuge bezeichnet, einige Vorteile. Dazu zählen:

– Vergleichsweise niedriger Preis,
– vergleichsweise niedriger Verschleiß, insbesondere hinsichtlich des Abriebs der Reifen,
– gutes Verhältnis zwischen Nutzlast und Eigenlast.

Erfahrungsgemäß lassen sich G3T-Fahrzeuge insbesondere bei Rückwärtsfahrt jedoch nur schwer steuern, so daß rückwärtige Fahrmanöver von einem Fahrer ein hohes Maß an Fahrkönnen abverlangen. Herkömmlicherweise sind ungeübte Fahrer schnell überfordert, wenn gezielte Fahrmanöver bei Rückwärtsfahrt notwendig sind.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2004 050 149 A1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung mindestens des Deichselwinkels und des Trailerwinkels eines Anhängers eines Gelenkzuges, bei dem aus einem Videostrom eines bildgebenden Sensors charakteristische Kanten und Linien mindestens der Deichsel und der Vorderseite des Anhängers ermittelt werden, aus deren geometrischen Verhältnissen und/oder relativen Lage zueinander mindestens der Deichselwinkel und der Trailerwinkel des Anhängers bestimmt werden.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 42 457 A1 ist ein System zur photogrammmetrischen Bestimmung der Schwerpunkte von Signalmarken an bewegten Objekten bekannt.
Ferner offenbart die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2004 059 596 A1 ein Verfahren zum Ermitteln eines Knickwinkels zwischen einer Zugmaschine und mindestens einem Anhänger eines einen Gliederzug bildenden Kraftfahrzeuggespanns, wobei mindestens ein Sensor der Zugmaschine und/oder des Anhängers Positionsdaten von mindestens einem Objekt des Anhängers und/oder der Zugmaschine ermittelt.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Position eines Anhängers relativ zu einem Zugfahrzeug mit einer höheren Zuverlässigkeit zu bestimmen, um somit ein sicheres Manövrieren von G3T-Fahrzeugen zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird gelöst anhand des Verfahrens gemäß Anspruch 1, der Vorrichtung gemäß Anspruch 14 und des Computerprogramms gemäß Anspruch 18. Bevorzugte Ausführungsvarianten bzw. Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorrichtung gemäß eines Aspekts der Erfindung
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Anhängers mit zumindest einer beweglichen Radachse relativ zu einem Zugfahrzeug mit den Schritten:

– Erzeugen von farbigen Bilddaten umfassend eine Vielzahl von Pixeln zumindest eines Beobachtungselements mit zumindest drei zugeordneten Meßpunkten anhand einer Bildaufnahmeeinrichtung,
– Detektion der zumindest drei vorgegebenen Meßpunkte in den Bilddaten, indem durch ein Detektieren zumindest dreier Hilfspunkte durch ein Umwandeln der farbigen Bilddaten mittels eines Schwellwertes in schwarz/weiß Bilddaten, wobei für die detektierten Hilfspunkte jeweils ein Schwerpunkt berechnet wird, wobei für die Position P_x, P_y des jeweiligen Schwerpunktes gilt:
wobei für die Vielzahl von Schwerpunkten detektierter Hilfspunkte benachbarte Schwerpunkte detektiert werden und die benachbarten Schwerpunkte als auf einer Strecke liegend detektiert werden, wenn die Summer der Abstände der einzelnen Schwerpunkte untereinander gleich ist zu dem größten Abstand zweier der Schwerpunkte, und durch ein Zuordnen der Hilfspunkte zu den Meßpunkten,
– Bestimmen der Position eines jeden Meßpunktes relativ zu der Bildaufnahmeeinrichtung, in Bezugskoordinaten eines vorgegebenen Koordinatensystems,
– Bestimmen einer absoluten Position eines jeden Meßpunktes gegenüber der Bildaufnahmeeinrichtung anhand der Bezugskoordinaten,
– Bestimmen – eines Anordnungswinkels Θ_1,2 zwischen einer Fahrzeuglängsachse des Zugfahrzeugs und einer Lenkachse des Anhängers und – eines Anordnungswinkels Θ_2,3 zwischen der Lenkachse und einer Anhängerlängsachse des Anhängers

In anderen Worten werden die detektierten Hilfspunkte, insbesondere die Schwerpunkte der detektierten Hilfspunkte nacheinander abgearbeitet. Zu jedem Schwerpunkt wird der nächstliegende Schwerpunkt bestimmt. Zu diesem bzw. diesen Schwerpunkt(en) wird bzw. werden dann auch wiederum nächstliegende Schwerpunkte gesucht. Anschließend wird überprüft, ob die Punkte auf einer Geraden bzw. einer Strecke liegen.
Diese Überprüfung wird vollzogen, indem der Abstand vorzugsweise von dem ersten bis zu dem dritten Schwerpunkt mit der Strecke von dem ersten, über den zweiten bis zu dem dritten Schwerpunkt verglichen wird. Sind beide Strecken, d. h. der Abstand zwischen dem ersten und dem dritten Schwerpunkt und die Summe der Abstände zwischen dem ersten und dem zweiten Schwerpunkt und dem zweiten und dem dritten Schwerpunkt gleich groß, müssen die drei Schwerpunkte zwangsläufig auf einer Geraden liegen. Andernfalls wird ein Fehler ausgegeben und/oder die Schwerpunkte werden verworfen, insbesondere werden die Schwerpunkte in diesem Fall neu bestimmt. Alternativ kann auch ein Fehler ausgegeben werden und anschließend können die Schwerpunkte auf andere Art zugeordnet werden um gegebenenfalls einen Schenkel zu bilden.
Vorteilhafterweise wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Ausrichtung aller drei Fahrzeugglieder in Echtzeit ermittelt. Die drei Fahrzeugglieder sind hierbei vorzugsweise die Fahrzeuglängsachse des Zugfahrzeugs, die Lenkachse des Anhängers und die Anhängerlängsachse des Anhängers. Die Fahrzeuglängsachse des Zugfahrzeugs ist insbesondere eine Achse, welche senkrecht zu den Radachsen des Zugfahrzeugs bei Geradeausfahrt, d. h. beispielsweise der Vorderachse und der einen oder mehreren Hinterachsen des Zugfahrzeugs ist. Ferner ist die Fahrzeuglängsachse des Zugfahrzeugs insbesondere mittig zwischen den gegenüberliegenden Rädern einer (jeden) Achse angeordnet. Die Fahrzeuglängsachse des Zugfahrzeugs halbiert daher die Vorderachse(n) und die Hinterachse(n).
Die Lenkachse des Anhängers ist vorzugsweise eine Achse, welche senkrecht zu der zumindest einen beweglich angeordneten bzw. drehbar angeordneten Radachse des Anhängers ist. Die beweglich angeordnete Radachse ist vorzugsweise die Vorderachse bzw. die vorderste Radachse des Anhängers. Ferner ist die Lenkachse mittig zwischen den entsprechenden, gegenüberliegenden Rädern der beweglichen Radachse des Anhängers angeordnet. Die Lenkachse des Anhängers ist somit gegenüber dem Anhänger beweglich angeordnet, wobei, im Bezugssystem der Erde, die Lenkachse des Anhängers horizontal und/oder vertikal bewegbar ist. Der Anhänger kann über mehr als nur eine bewegliche Achse verfügen. Jede dieser beweglichen Achsen kann eine Lenkachse aufweisen. Die Lenkachse kann beispielsweise parallel oder identisch zu einer Deichsel des Anhängers sein.
Die Anhängerlängsachse des Anhängers ist, analog zur Fahrzeuglängsachse des Zugfahrzeugs, senkrecht zu der Vorderachse und der Hinterachse des Anhängers, bei Geradeausfahrt des Anhängers, d. h., wenn die Vorderachse des Anhängers und die Hinterachse des Anhängers parallel sind. Ferner ist in diesem Zustand die Anhängerlängsachse mittig zwischen gegenüberliegenden Rädern, d. h. mittig zwischen gegenüberliegenden Vorderrädern und mittig zwischen gegenüberliegenden Hinterrädern angeordnet. In anderen Worten schneidet die Anhängerlängsachse den Mittelpunkt der Vorderachse und den Mittelpunkt der Hinterachse des Anhängers, bei Geradeausfahrt des Anhängers. Wird beispielsweise die Orientierung der Vorderachse des Anhängers und/oder die Orientierung der Hinterachse des Anhängers geändert, um insbesondere eine Kurvenfahrt des Anhängers zu ermöglichen, ist die Anhängerlängsachse jedoch ortsfest, d. h. die Ausrichtung der Anhängerlängsachse zu der Vorderachse/oder der Hinterachse ist veränderbar.
Bei Geradeausfahrt des Gespanns bestehend aus Zugfahrzeug und Anhänger sind insbesondere die Fahrzeuglängsachse des Zugfahrzeugs und die Anhängerlängsachse des Anhängers parallel. Die Fahrzeuglängsachse und die Anhängerlängsachse können jedoch, aufgrund unterschiedlicher Bodenfreiheit von Zugfahrzeug und Anhänger, vertikal gegeneinander verschoben sein. Die Lenkachse des Anhängers ist bei Geradeausfahrt des Gespanns in Draufsicht des Gespanns parallel zu der Fahrzeuglängsachse und der Anhängerlängsachse. Insbesondere bilden die Fahrzeuglängsachse, die Lenkachse des Anhängers und die Anhängerlängsachse in Draufsicht in diesem Fall eine Linie. In einer Seitenansicht sind die Fahrzeuglängsachse und die Anhängerlängsachse parallel, die Lenkachse des Anhängers ist jedoch bei unterschiedlicher Höhe der Radachsen von Zugfahrzeug und Anhänger relativ zur Fahrbahn, nicht parallel zu der Fahrzeuglängsachse und der Anhängerlängsachse. Vielmehr verbindet die Lenkachse des Anhängers die Fahrzeuglängsachse und die Anhängerlängsachse.
Die Fahrzeuglängsachse, die Lenkachse und die Anhängerlenkachse müssen keine körperlichen Achsen des Gespanns sein. Vielmehr sind die vorgenannten Achsen geometrische Achsen, die zur Beschreibung der Kinematik herangezogen werden. Die vorgenannten Achsen können aber auch mit körperlichen Achsen des Gespanns zumindest teilweise zusammen fallen. Beispielsweise kann die Lenkachse zumindest teilweise identisch mit einer Längsachse einer Deichsel des Anhängers sein.
Die Fahrzeuglängsachse und die Anhängerlängsachse können auch vertikal verschiebbar sein. In anderen Worten ist die Fahrzeuglängsachse nicht auf die Ebene, welche anhand der Radachsen des Zugfahrzeugs gebildet wird, beschränkt. Ebenso ist die Anhängerlängsachse nicht auf die Ebene, welche durch die Radachsen des Anhängers gebildet wird, beschränkt. Vielmehr kann die Fahrzeuglängsachse jede Gerade sein, welche parallel zu der Ebene ist, die anhand der Radachsen der Vorder- und Hinterräder des Zugfahrzeugs gebildet ist und, die parallel zu einer Ebene ist, die senkrecht zu den Radachsen des Zugfahrzeugs (in Geradeausfahrt) ist und die Mittelpunkte der Radachsen hinsichtlich des Abstands gegenüberliegender Räder umfaßt. Gleiches gilt sinngemäß für die Position der Anhängerlängsachse des Anhängers.
Die Position der Lenkachse des Anhängers ist vorzugsweise durch einen Punkt des Zugfahrzeugs und einen Punkt des Anhängers bestimmt. Der Punkt des Zugfahrzeugs ist beispielsweise der Punkt der Kopplung bzw. Kupplung des Anhängers an das Zugfahrzeug. Der entsprechende Punkt an dem Anhänger ist beispielsweise der Drehpunkt bzw. die Drehlagerung der Vorderachse an dem Anhänger.
Der Begriff ”Bestimmen” beinhaltet im Sinne dieser Erfindung insbesondere ein ”Berechnen” einer Position beispielsweise der Position des Beobachtungselements, insbesondere der absoluten Position, eines Winkels, insbesondere eines Anordnungswinkels, usw. des Beobachtungselements. Zusätzlich/alternativ kann der Begriff ”Bestimmen” auch ein Näherungsverfahren, ein teilweises oder vollständiges Entnehmen einer Tabelle, usw. beinhalten.
Ein ”Anordnungswinkel” im Sinne dieser Erfindung ist insbesondere ein Winkel im dreidimensionalen Raum. Ein Anordnungswinkel kann jedoch auch auf eine Ebene im dreidimensionalen Raum, beschränkt sein, d. h. eine zweidimensionale Größe sein.
Eine „absolute Position” eines Meßpunktes, eines Hilfspunktes, usw. ist vorzugsweise die Position des Meßpunktes in einem vorgegebenen Koordinatensystem, wie z. B. einem kartesischen Koordinatensystem. Hierbei kann beispielsweise die Bildaufnahmeeinrichtung am Ursprung bzw. ein Kopplungspunkt am Ursprung des Koordinatensystemsangeordnet sein bzw. diesen definieren. Die absolute Position relativ zu diesem Ursprung wird angegeben und als Einheit wird beispielsweise eine Einheit im metrischen System, wie z. B. Meter, Zentimeter, usw. verwendet.
Die absolute Position eines Meßpunktes bzw. eines Hilfspunktes unterscheidet sich daher von der Position des Meßpunktes bzw. des Hilfspunktes in den Bilddaten, obwohl beide Positionen in dem Koordinatensystem der Bildaufnahmeeinrichtung bestimmt werden können. Insbesondere haben die Bilddaten keine vollständige Rauminformation im dreidimensionalen Raum, da die Meßpunkte bzw. Hilfspunkte alle in der Bildebene wiedergegeben werden. Die absolute Position eines Punktes hingegen ist eine (echte) dreidimensionale Positionsangabe, in der insbesondere ein Abstand eines jeden Meßpunktes bzw. Hilfspunktes von dem Koordinatenursprung angegeben wird. Beispielsweise kann dies in kartesischen Koordinaten erfolgen und die Position bezüglich jeder der drei Achsen des kartesischen Koordinatensystems angegeben werden. Hierbei kann das kartesische Koordinatensystem in ein Koordinatensystem des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers eingebettet sein, wobei die Fahrzeuglängsachse eine Achse des Koordinatensystems sein kann und beispielsweise die beiden weiteren Achsen durch eine Ebene parallel zu Fahrbahnebene bzw. parallel zu einer Ladefläche des Zugfahrzeugs und eine Ebene senkrecht zu der ersten Ebene bestimmt werden, wobei die beiden Ebenen die Fahrzeuglängsachse enthalten müssen. Analog kann das Koordinatensystem auch hinsichtlich des Anhängers gebildet sein.
Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein präzises Bestimmen der Ausrichtung der drei Fahrzeugglieder, d. h. der Fahrzeuglängsachsen, des Zugfahrzeugs, der Lenkachse des Anhängers und der Anhängerlängsachse des Anhängers. Diese Bestimmung ist vorzugsweise in Echtzeit möglich.
Bevorzugte Ausführungsvarianten des Verfahrens
Vorzugsweise werden für genau drei vorgegebene Meßpunkte R, S, V die absolute Position gefunden, nachdem die Meßpunkte in den Bilddaten detektiert wurden, wobei für die Anordnungswinkel Θ_1,2 und Θ_2,3 gilt:
wobei
(x_K2, y_K2 z_K2) die Koordinaten eines Punktes K₂ und (x_P, y_P, z_P) die Koordinaten eines Punktes P in einem Koordinatensystem, insbesondere in einem kartesischen Koordinatensystem eines vorbestimmten Punktes K₁ als Zentrum sind,
K₁ der Schnittpunkt der Lenkachse mit der Anhängerlängsachse des Anhängers ist,
und
K₂ sich durch eine Drehung eines Verbindungsvektors SR der Punkte S, R um einen Winkel –ρ = (–arctan(h b / h)) und durch eine anschließende Streckung des Verbindungsvektors SR mit einem Faktor h + PK₂ R_S = D(R, –arctan( b / h),S)
ergibt und für P gilt: P = S + (SR_S)·( h / m), wobei m die Länge des Vektors SR ist und b, h vorgegebene Abmessungen des zumindest einen Beobachtungselements ist.
Beispielhaft sind die Größen m, b und h in der nachfolgenden Figurenbeschreibung, insbesondere in Hinsicht auf 6 näher beschrieben. Der Vektor SR ist hierbei durch zwei vorzugsweise gegenüberliegende Meßpunkte definiert. Die Parameter b und h sind Abmessungen des Beobachtungselements, insbesondere Parameter der Tiefe und der Breite des Beobachtungselements. Hierbei können die Zeichen θ und Θ ähnliche, insbesondere gleiche Beutung haben, insbesondere gleiche Winkel bezeichnen, wobei das Zeichen θ insbesondere zur Beschreibung eines Winkels dient und das Zeichen Θ vorzugsweise ein Winkeltripel ist. Beispielsweise kann der Winkel Θ₁₂ die Winkel θ_g12, θ_n12 und θ_w12 enthalten. Werden, wie in obiger bevorzugter Ausführungsform vorzugsweise nur Bewegungen im zweidimensionalen Raum betrachtet, umfaßt Winkel Θ_1,2 beispielsweise lediglich den Winkel θ_g12, der als θ₁₂ bezeichnet wird. Analog kann der Winkel Θ₁ die Winkel θ_g1, θ_n1 und θ_w1 enthalten.
Die obigen Bedingungen sind beispielhafte Bedingungen einer planaren Bewegung des Gespanns bestehend aus Zugfahrzeug und Anhänger. In anderen Worten bewegt sich das Gespann in einer Ebene vorwärts bzw. ist in einer Ebene angeordnet. Es ist auch möglich, daß das Zugfahrzeug relativ zu dem Anhänger in einer davon verschiedenen Ebene angeordnet ist, beispielsweise, wenn ein oder mehrere Reifen des Anhängers an oder über einem Hindernis, beispielsweise einem Randstein, einem Schlagloch, etc. angeordnet sind und das Zugfahrzeug herkömmlicherweise auf der Fahrbahn angeordnet ist. In diesem Fall können sich beispielsweise der Wankwinkel der Fahrzeuglängsachse und der Wankwinkel der Anhängerlängsachse unterscheiden und die Gier und Nickwinkel der beiden Achsen beispielsweise im wesentlichen gleich sein. Ebenso können bei einer Bergauf- bzw. Bergabfahrt des Gespanns um eine Kurve die Wankwinkel der beiden Achsen gleich sein, sich jedoch die Gier- und/oder Nickwinkel voneinander unterscheiden. Vorzugsweise werden anhand der Bildaufnahmeeinrichtung RGB Bilddaten, rot, grün, blau, erzeugt.
Weiterhin vorzugsweise erfolgt die Umwandlung der farbigen Bilddaten mittels des Schwellwertes, wobei für jedes Pixel i gilt:
und wobei alle Pixel der schwarzweiß Bilddaten überprüft werden, wobei sobald ein weißer Pixel detektiert wird, in der angrenzenden Umgebung überprüft wird, ob ein weiterer weißer Pixel vorhanden ist,
wobei für jeden Punkt, der zumindest aus einem detektierten weißen Pixel besteht und eine vorbestimmte Größe aufweist, der Schwerpunkt berechnet wird.
Besonders bevorzugt werden sieben Hilfspunkte identifiziert.
Weiterhin wird vorzugsweise überprüft, ob die Verhältnisse der Längen zwischen den einzelnen Punkten den vorgegebenen geometrischen Verhältnissen aus den (tatsächlich vorgegebenen) Geometriedaten, insbesondere den Geometriedaten des zumindest einen Beobachtungselements entsprechen. In anderen Worten können die tatsächlichen geometrischen Verhältnisse der Hilfspunkte beispielsweise baubedingt vorgegeben werden und mit den detektierten geometrischen Verhältnissen der Hilfspunkte verglichen werden.
Weiterhin vorzugsweise wird zumindest ein Schenkel identifiziert, wenn vier benachbarte Schwerpunkte auf einer gemeinsamen Strecke liegen.
Es können auch mehr benachbarte Schwerpunkte auf dem Schenkel liegen bzw. diesen bilden.
In anderen Worten, wenn, wie oben ausgeführt, drei Schwerpunkte bzw. Hilfspunkte gefunden werden, wird versucht, auf dieselbe Art und Weise noch einen vierten Schwerpunkt bzw. Hilfspunkt zu finden. Ist dies der Fall, wird angenommen, daß diese vier Punkte einen Schenkel bilden.
Besonders bevorzugt wird ein Schenkel detektiert, wenn der maximale Abstand zweier Schwerpunkte auf einer der Strecken größer als eine vorgegebene Mindestlänge ist.
Weiterhin vorzugsweise wird eine Rampe detektiert, wenn

– zwei Schenkel detektiert werden,
– die beiden Schenkel einen gemeinsamen Punkt aufweisen und
– der gemeinsame Punkt Endpunkt der beiden Schenkel ist.

In anderen Worten wird versucht, aus den erhaltenen Schenkeln eine Rampe in den Bilddaten zusammenzusetzen bzw. die tatsächliche Abmessung der Rampe zu bestimmen. Da die Schenkel vorzugsweise so ermittelt werden, daß zuerst die eng aneinanderliegenden Schwerpunkte bzw. Hilfspunkte gefunden werden und anschließend erst die Schwerpunkte bzw. Hilfspunkte, die etwas weiter voneinander entfernt liegen, ergibt sich, daß der zuletzt detektierte Schwerpunkt bzw. Hilfspunkt eines Schenkels der Mittelpunkt der Rampe ist.
Werden somit zwei Schenkel detektiert, die einen gemeinsamen, letzten Schwerpunkt bzw. Hilfspunkt aufweisen, ergibt sich aus diesen beiden Schenkeln eine Rampe.
Die Gültigkeit der Rampe kann weiterhin vorzugsweise überprüft werden, indem die Länge der die Rampe bildenden Schenkel bestimmt wird. Je weiter ein Schenkel von der Bildaufnahmeeinrichtung weg gedreht ist, desto kleiner erscheint er in den Bilddaten. Umgekehrt erscheint ein zu der Bildaufnahmeeinrichtung hingewandter Schenkel größer, als er tatsächlich ist. Daraus folgt, daß vorzugsweise zumindest einer der beiden Schenkel eine gewisse Mindestlänge nicht unterschreiten darf. Falls jedoch beide Schenkel einer erkannten Rampe kleiner sind, als die vorbestimmte Mindestlänge, wird die Rampe wieder verworfen. Das obige Verfahren wird anschließend vorzugsweise wiederholt durchgeführt, das heißt, es wird wiederholt eine Rampe identifiziert, bis die identifizierte Rampe akzeptiert wird.
Weiterhin vorzugsweise werden die zumindest drei Meßpunkte R, S, V anhand der Position der Rampe bestimmt, wobei einer der Meßpunkte einem Mittelpunkt der Rampe zugeordnet wird und die beiden weiteren Meßpunkte äußeren Enden der Rampe zugeordnet werden.
In anderen Worten wird vorzugsweise dem in den Bilddaten am linken Ende der Rampe angeordneten Hilfspunkt der Meßpunkt R zugeordnet. Der dem in der Mitte der Rampe angeordneten Hilfspunkt wird vorzugsweise der Meßpunkt S zugeordnet und den an dem rechten Ende der Rampe angeordneten Hilfspunkte vorzugsweise der Meßpunkt V zugeordnet.
Die obigen Ausführungen können sinngemäß für mehr als drei Meßpunkte durchgeführt werden. Beispielsweise können eine Vielzahl, insbesondere 8, 9, 10, 15, 20, etc. Hilfspunkte bestimmt werden und anhand der Hilfspunkte 3, 4, 5, 10, etc. Meßpunkte bestimmt werden. Beispielsweise kann die Vielzahl von Hilfspunkten durch Anordnung einer entsprechenden Anzahl von Leuchtdioden (siehe unten) vorgegeben werden.
Ferner können zwei oder mehr Rampen identifiziert werden, wobei beispielsweise die einzelnen Rampen unter einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sein können bzw. baubedingt derart angeordnet sein müssen. Beispielsweise kann eine erste Rampe zu einer zweiten Rampe senkrecht stehen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, falls die Anordnungswinkel im dreidimensionalen Raum bestimmt werden.
In anderen Worten werden anhand der vorgenannten Schritte, vorzugsweise anhand der detektierten Schwerpunkte, die Schenkel der Rampe bestimmt, insbesondere errechnet, wobei ein Schenkel folgende Eigenschaften aufweist:

– ein Schenkel besteht aus zumindest vier Schwerpunkten bzw. Hilfspunkten;
– alle vier Schwerpunkte bzw. Hilfspunkte liegen auf einer Linie;
– die Schenkel, die eine Rampe bilden, haben genau einen Schwerpunkt bzw. Hilfspunkt gemeinsam;
– die Rampe besteht aus genau zwei solcher Schenkel;
– keiner der beiden Schenkel, die die Rampe bilden, darf eine Mindestlänge unterschreiten.

Bevorzugt wird die zumindest eine Rampe als Beobachtungselement in einem initialen Schritt detektiert und nach Detektion der Rampe eine Veränderung der Position des zumindest einen Hilfspunktes, insbesondere zumindest eines der Meßpunkte detektiert und anhand dieser Detektion die Position der Rampe erneut bestimmt.
Besonders bevorzugt wird eine Veränderung der Position eines Hilfspunkts in den Bilddaten von einem ersten Bild zu einem nächsten Bild, welche von der Bildaufnahmeeinrichtung erzeugt wurden, dadurch detektiert, daß in einer Umgebung eines jeden bereits in den Bilddaten des ersten Bilds detektierten Hilfspunkts die Pixel in dem nächsten Bild überprüft werden und die Position des Schwerpunkts des neu detektierten Hilfspunkts detektiert wird.
In anderen Worten werden die initial erkannten Koordinaten zumindest der Punkte R, S, V herangezogen und in einem gewissen Umkreis um sie herum erneut nach Schwerpunkten gesucht. Sollten alle drei Meßpunkte auf diese Art erneut gefunden werden, so werden die Koordinaten dieser Punkte als R, S, V zurückgegeben. Hierbei kann auch von allen Hilfspunkten, nicht nur von den vorzugsweise drei Meßpunkten R, S, V ausgegangen werden und eine Veränderung der Position der Hilfspunkte detektiert werden. Anhand der geänderten Position der Hilfspunkte können anschließend die Positionen der Meßpunkte neu bestimmt werden. Die Hilfspunkte sind vorzugsweise identisch mit den Schwerpunkten.
Besonders bevorzugt wird, wenn nicht alle Meßpunkte R, S, V in dem nächsten Bild detektiert werden, das vorgenannte Verfahren erneut durchgeführt.
In anderen Worten, sollten ein oder mehrere Meßpunkte nicht gefunden werden, werden erneut die Meßpunkte R, S, V dadurch bestimmt, daß in den Bilddaten Hilfspunkte identifiziert werden, daraus Schenkel identifiziert werden, daraus ein oder mehrere Rampen identifiziert werden und daraus schließlich die Meßpunkte R, S, V identifiziert werden.
Besonders bevorzugt wird, wenn nicht alle Meßpunkte in dem nächsten Bild detektiert werden, einer der Schritte oder werden mehrere der Schritte, insbesondere alle diese Schritte wiederholt durchgeführt.
Weiterhin vorzugsweise ist die Winkelauslenkung eines jeden Meßpunktes relativ zu der Bildaufnahmeeinrichtung gegeben durch
Diese trigonometrische Beziehung ist beispielhaft in 12 beschrieben.
Besonders bevorzugt wird anhand des Anordnungswinkels Θ_1,2 zwischen der Fahrzeuglängsachse des Zugfahrzeugs und der Lenkachse des Anhängers und anhand des Anordnungswinkels Θ_2,3 zwischen der Lenkachse und der Anhängerlängsachse des Anhängers eine Trajektorie des Gespanns bestehend aus Zugfahrzeug und Anhänger insbesondere automatisch bestimmt.
Vorteilhafterweise kann bei einer Rückwärtsfahrt einem Fahrer die Trajektorie dargestellt werden, so daß der Fahrer die Rückwärtsfahrt, insbesondere die Position des Anhängers bei einer Rückwärtsfahrt erkennt und entsprechend reagieren kann.
Weiterhin vorteilhafterweise kann eine automatische Rückwärtsfahrt des Gespanns ermöglicht werden, wobei ein Fahrer beispielsweise lediglich die Geschwindigkeit regelt.
Vorrichtung gemäß eines Aspekts der Erfindung
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Anhängers mit zumindest einer beweglichen Radachse relativ zu einem Zugfahrzeug mit

– zumindest einem Beobachtungselement, dem zumindest drei Meßpunkte zugeordnet sind,
– einer Bildaufnahmeeinrichtung, welche ausgelegt ist farbige Bilddaten umfassend eine Vielzahl von Pixeln des zumindest einen Beobachtungselements zu erzeugen,
– einer Detektionseinrichtung, welche ausgelegt ist zumindest drei vorgegebene Meßpunkte in den Bilddaten zu detektieren, indem zumindest drei Hilfspunkte detektiert werden, welche durch ein Umwandeln der farbigen Bilddaten mittels eines Schwellwertes in schwarz/weiß Bilddaten bestimmt werden und wobei für die detektierten Hilfspunkte jeweils ein Schwerpunkt berechnet wird, wobei für die Position P_x, P_y des jeweiligen Schwerpunktes gilt:
wobei für die Vielzahl von Schwerpunkten detektierter Hilfspunkte benachbarte Schwerpunkte detektiert werden und die benachbarten Schwerpunkte als auf einer Strecke liegend detektiert werden, wenn die Summe der Abstände der einzelnen Schwerpunkte untereinander gleich ist zu dem größten Abstand zweier der Schwerpunkte, und indem die Hilfspunkte den Meßpunkten zugeordnet werden,
– einer Bestimmungseinrichtung, welche ausgelegt ist, – die Position eines jeden Meßpunktes relativ zu der Bildaufnahmeeinrichtung, in Bezugskoordinaten, – eine absolute Position eines jeden Meßpunktes gegenüber der Bildaufnahmeeinrichtung anhand der Bezugskoordinaten zu bestimmen, – einen Anordnungswinkel Θ_1,2 zwischen einer Fahrzeuglängsachse des Zugfahrzeugs und einer Lenkachse des Anhängers anhand der absoluten Positionen der Meßpunkte gegenüber der Bildaufnahmeeinrichtung zu bestimmen und – einen Anordnungswinkel Θ_2,3 zwischen der Lenkachse und einer Anhängerlängsachse des Anhängers anhand der absoluten Positionen der Meßpunkte gegenüber der Bildaufnahmeeinrichtung zu bestimmen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung
Vorzugsweise umfaßt das Beobachtungselement eine Vielzahl von Darstellungseinrichtungen. Beispielsweise kann eine derartige Darstellungseinrichtung eine Diode, insbesondere eine Infrarotdiode, eine Laserdiode oder eine herkömmliche Halbleiterdiode, welche gelbes und/oder grünes und/oder rotes und/oder blaues und/oder weißes Licht aussendet, sein.
Die Darstellungseinrichtungen sind vorzugsweise Infrarotdioden, insbesondere 3, 7, 10, usw. Infrarotdioden.
Zusätzlich oder alternativ kann das Darstellungsmittel auch ein Aufkleber, ein Farbpunkt, eine Farbfläche, eine herkömmliche Glühlampe, ein akustischer Signalgeber, ein RFID-Sender, usw. sein.
Weiterhin vorzugsweise umfaßt die Bildaufnahmeeinrichtung eine herkömmliche Digitalkamera und/oder eine herkömmliche Analogkamera.
Computerprogrammprodukt gemäß eines Aspekts der Erfindung
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, insbesondere auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder als Signal verwirklicht, welches, wenn geladen in den Speicher eines Computers und ausgeführt von einem Computer, bewirkt, daß der Computer ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt.
Die vorangehende Beschreibung der Aspekte der Erfindung ist nicht auf die jeweiligen Aspekte beschränkt. Vielmehr gelten die Ausführungen zu den jeweiligen Aspekten sinngemäß für die weiteren Aspekte der Erfindung. Insbesondere gelten die Ausführungen in Hinsicht auf das Verfahren bzw. bevorzugte Ausführungsvarianten des Verfahrens sinngemäß für die Vorrichtung und das Computerprogrammprodukt bzw. bevorzugte Ausführungsformen hiervon.
Figurenbeschreibung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsvarianten bzw. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand begleitender Figuren beispielhaft beschrieben. Einzelne Elemente der beschriebenen Ausführungsvarianten bzw.
Ausführungsformen sind nicht auf diese Ausführungsvarianten bzw. Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können Elemente der Ausführungsvarianten bzw. Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden und neue Ausführungsvarianten bzw. Ausführungsformen dadurch erstellt werden. Es zeigt
1: eine schematische Darstellung einer Achse im dreidimensionalen Raum;
2: eine schematische Anordnung von Objekten und Achsen;
3: eine schematische Ansicht eines Gespanns;
4: eine schematische Abbildung eines Beobachtungselements,
5a: eine schematische Ansicht einer beispielhaften Anordnung;
5b: eine schematische Abbildung einer beispielhaften Anordnung;
6: eine schematische Detailansicht gemäß 3;
7: eine schematische Ansicht einer beispielhaften Geometrie eines Gespanns;
8: eine schematische Ansicht einer beispielhaften Aufnahme anhand der Bildaufnahmeeinrichtung;
9: eine schematische Ansicht einer speziellen Aufnahme;
10: eine schematische Ansicht von Teilelementen;
11a: ein Flußdiagramm;
11b: ein Flußdiagramm;
12: eine schematische Ansicht einer Geometrie;
Tabelle 1: eine Übersicht von Modellwerten;
Tabelle 2: eine Übersicht von tatsächlichen Meßwerten;
Tabelle 3: eine visuelle Darstellung von tatsächlichen Meßwerten;
Tabelle 4: eine visuelle Darstellung von tatsächlichen Meßwerten;
Nachfolgend wird mit Bezugnahme zu den Figuren eine bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens beschrieben. Hierbei wird eine mathematische Beschreibung von Objekten im dreidimensionalen Raum verwendet. Grundlage der Beschreibung von Objekten im Raum ist deren Lage.
Zur Beschreibung der Lage wird ein Bezugspunkt des Objektes im Raum und die Ausrichtung des Objektes im Raum angenommen. Der Bezugspunkt eines Objektes O im Koordinatensystem X ist allgemein beschrieben durch:
Die Ausrichtung eines Objektes O im Koordinatensystem X ist beschrieben durch dessen Gier-, Nick- und Wankwinkel:
die beispielhaft in 1 dargestellt sind. Die Lage eines Objektes O im Koordinatensystem X ist dann: L_X(O) = (K_X(O), Θ_X(O))
Weiterhin läßt sich die Ausrichtung dreier Glieder G₁, G₂ und G₃ eines Gespanns aus Zugfahrzeug und Anhänger mit zumindest einer beweglichen Radachse (nachfolgend als G3T-Fahrzeug bezeichnet) im dreidimensionalen Raum eindeutig über statische und dynamische Angaben beschreiben:

Statische Angaben: Als statische Angabe kann eine Länge L_i, i ∊ {1, ..., 3}, eines jeden Fahrzeuggliedes dienen.

Dynamische Angaben: Als dynamische Angaben können Gier-, Nick- und Wankwinkel eines jeden Fahrzeuggliedes dienen. Die Gier-, Nick- und Wankwinkel werden üblicherweise folgendermaßen dargestellt:
wobei θ_X,g(G_i) den Gierwinkel bezeichnet, θ_X,n(G_i) den Nickwinkel bezeichnet und θ_X,w(G_i) den Wankwinkel bezeichnet. Der Winkel θ_X(G_i) bzw. das Winkeltripel ist hierbei ein bevorzugter Lagewinkel.
Wenn klar ist, um welches (indizierte) Objekt es sich handelt und welcher Bezugspunkt zugrunde liegt, kann der Lagewinkel θ_X(G_i) vereinfacht geschrieben werden:
Folgende Beziehung der Winkel zu den kartesischen Koordinaten eines Gliedes G_i, i ∊ {1, ..., 3}, existiert: x_i = l_isin(θ_n,i)cos(θ_g,i) y_i = l_isin(θ_n,i)sin(θ_g,i) z_i = l_icos(θ_n,i)
Optische Meßsysteme, wie sie nachfolgend beispielhaft als bevorzugte Ausführungsform(en) von einem oder mehreren Bestandteil(en) bzw. als bevorzugte Ausführungsform(en) der Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben werden, umfassen beispielsweise ein Gerät C zur optischen Erfassung eines Beobachtungsgegenstandes O. Die Randbedingungen für die Funktionsfähigkeit des Messsystems liegen insbesondere darin, daß O im Sichtbereich von C ist, und daß C starr an Θ₁ gekoppelt ist und O starr an Θ₃ gekoppelt ist (oder O starr an Θ₁ und C starr an Θ₃), wie dies beispielhaft anhand der Schemazeichnung von 2 gezeigt ist. Die Linie Θ₁ kann eine beispielhafte Repräsentation einer Fahrzeuglängsachse (gezeigt in 3) des Zugfahrzeugs (gezeigt in 3) sein. Die Linie Θ₃ kann eine beispielhafte Repräsentation einer Anhängerlängsachse sein (gezeigt in 3). Die Linie Θ₁ kann auch eine beispielhafte Repräsentation der Anhängerlängsachse sein. In diesem Fall kann die Linie Θ₃ eine beispielhafte Repräsentation der Fahrzeuglängsachse des Zugfahrzeugs sein. Die Linie Θ₂ kann eine beispielhafte Repräsentation einer Lenkachse des Anhängers sein (gezeigt in 3).
Die starre Kopplung von C an G₁ und von O an G₃ wird durch die relativen Lagen
usgedrückt.
Durch die feste Kopplung der Fahrzeugglieder sind die Winkel Θ_i,i+1, zwischen den Fahrzeuggliedern als bevorzugte Anordnungswinkel vorzugsweise folgendermaßen definiert: Θ_i,i+1 = Θ_i – Θ_i+1 i ∊ {1, ..., 2}
Die Bestimmung der Winkel zwischen den Fahrzeuggliedern, d. h. der Anordnungswinkel kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante in zwei nacheinander auszuführenden Verfahrensschritten erfolgen:
Erster Verfahrensschritt: Erkennung des Beobachtungsgegenstandes
Um den Beobachtungsgegenstand O als bevorzugte Ausführungsform des zumindest einen Beobachtungselements, der ganz oder teilweise im Sichtfeld der Kamera C, als bevorzugter Bildaufnahmeeinrichtung, angeordnet ist, zu erkennen, werden m ausgezeichnete Punkte, insbesondere Hilfspunkte am Beobachtungsgegenstand gesucht. Vorteilhafterweise ist es ausreichend, wenn (O, ..., O_n) Punkte, als bevorzugte Meßpunkte gefunden und identifiziert werden, wobei n ≤ m gilt. Insbesondere sind die Meßpunkte eine Teilmenge der Hilfspunkte. Die Punkte (O₁, ..., O_n) können in Winkel umgerechnet werden, unter denen die Kamera diese Punkte sieht. Bezogen auf eine gedachte Ebene, im weiteren Linsenebene genannt, die längs durch die Linse der Kamera geht, werden diesen Punkten zwei Winkel analog zu polaren Kugelkoordinaten zugeordnet. Die Ausführungen dieser Anmeldung gelten sinngemäß für die Bestimmung der Winkel im dreidimensionalen Raum, d. h. insbesondere als Kugelkoordinaten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Linsenebene vorzugsweise eine Ebene, die in Gebrauchsstellung der Kamera parallel zu einer Ebene ist, die durch zwei Achsen des Zugfahrzeugs aufgespannt ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung (wie unten weiter beschrieben) sind die Fahrzeuglängsachse, die Lenkachse und die Anhängerlängsachse vorzugsweise in einer Ebene angeordnet. Die Linsenebene ist vorzugsweise parallel zu dieser Ebene.
Für ein Winkeltupel bzw. Winkelpaar C_i (in der Linsenebene der Kamera bzw. einer Projektion in die Linsenebene), unter dem ein Punkt O_i relativ zu der Kamera angeordnet ist gilt:
Damit ist die Ausgabe der Erkennung des Beobachtungsgegenstandes ein Tupel (C₁, ..., C_n) von Paaren von Winkeln, die eine Schar von n Geraden definieren, welche sowohl durch den Mittelpunkt der Linse als auch jeweils durch einen Punkt O_j, j ∊ {1, ..., n} gehen. Die Punkte O_j können ein oder mehrere Leuchtdioden repräsentieren.
Zweiter Verfahrensschritt: Berechnung der Winkel Θ_1,2 und Θ_2,3
Aus den n Winkelpaaren (C₁, ..., C_n) werden Tripel von Winkeln Θ_1,2 und Θ_2,3 berechnet. Dies erfolgt in zwei Teilschritten:
Erster Teilschritt:
Lokalisierung eines Beobachtungsgegenstandes bzw. eines oder mehrerer Hilfspunkte bzw. Meßpunkte in kartesischen Koordinaten relativ zur Kamera:
Die Lage des Bobachtungsgegenstandes, d. h. die Lage der Gesamtheit der Punkte (O₁, ..., O_n) relativ zur Linsenebene und dem Mittelpunkt der Linse, ist gegeben durch die kartesischen Koordinaten
und die drei Freiheitsgrade möglicher Drehungen:
Mittels einer Berechnungsvorschrift f₁ (siehe unten) kann aus den Winkelpaaren (C₁, ..., C_n) die Lage der Punkte (O₁, ..., O_n) in Bezug zur Kamera C ermittelt werden: f₁(C₁, ..., C_n) = (L_C(O₁), ..., L_C(O_n))
Zweiter Teilschritt:
Aus den Lagen (L_C(O₁), ..., L_C(O_n)) können mittels einer Berechnungsvorschrift f₂ (siehe unten) die beiden Winkel Θ_1,2 und Θ_2,3 des Zweiachsanhängers bestimmt werden: f₂(L_C(O₁), ..., L_C(O_n)) = (Θ_1,2, Θ_2,3).
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung wird im Folgenden eine bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Gemäß dieser Ausführungsvariante bewegt sich der Zweiachsanhänger vorzugsweise nur planar. Es werden somit vorzugsweise nur die Gierwinkel (θ_g,12, θ_g,23) berechnet, die Nick- (θ_n,12, θ_n,23) und Wankwinkel (θ_w,12, θ_w,23) Zum einfacheren Verständnis werden die Gierwinkel (θ_n,12, θ_n,23) und Wankwinkel (θ_w,12, θ_w,23) können jedoch analog zu den Gierwinkeln (θ_g,12, θ_g,23) berechnet werden. Zum einfacheren Verständnis werden die Gierwinkel (θ_g,12, θ_g,23) im Folgenden als θ₁₂, θ₂₃ bezeichnet.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist beispielhaft in der Schemazeichnung der 3 dargestellt. 3 zeigt ein Gespann 10 mit einem Zugfahrzeug 12 und einem Anhänger 14. Die Grundlage des optischen Vermessungssystems gemäß der bevorzugten Ausführungsform von 3 ist eine Kamera 16, welche vorzugsweise am Heck des Zugfahrzeuges 12 angebracht ist. Ein Beobachtungsgegenstand 18 ist an dem Anhänger 14 angeordnet. Vorteilhafterweise kann der Beobachtungsgegenstand 18 vor oder hinter einer Anhängerzugvorrichtung 20 befestigt sein. In diesem Beispiel ist die Anhängerzugvorrichtung 20 identisch zu einer Lenkachse 20 des Anhängers 14. Die Kamera 16 ist vorzugsweise auf der Längsachse 22 und in der Mitte des Zugfahrzeuges 12 angebracht. Alternativ kann die Kamera 16 auch an dem Anhänger 14 angeordnet sein und der Beobachtungsgegenstand 18 an dem Zugfahrzeug 12.
Die Kamera 16 ist vorzugsweise mit einem Filter für Infrarotlicht ausgestattet, welcher das eingehende Licht bis auf den Infrarotanteil herausfiltert. Dadurch wird ereicht, daß weniger Störlicht in die Kamera 16 einfällt und das System auch noch bei schlechten Wetterverhältnissen gut funktioniert. Die Kamera 16 kann aber auch ein optisches Element sein, das elektromagnetische Strahlung einer vorgegebenen Wellenlänge detektiert, z. B. UV-Strahlung, usw. Alternativ/zusätzlich kann das optische Element auch ein Sensor bzw. Detektor von Laserstrahlung sein, insbesondere ein Laser Scanner. Hierbei kann das Laserlicht eine beliebige vorgegebene Wellenlänge aufweisen, z. B. rotes, blaues, grünes Licht, usw. Der Laser kann insbesondere ein Infrarot-Laser, ein UV-Laser, usw. sein. Vorzugsweise ist der Laser ein herkömmlicher Diodenlaser.
Das Gegenstück zu der Kamera 16, der Beobachtungsgegenstand 18 bzw. das Beobachtungselement 18, ist vorzugsweise eine pyramidenartige Rampe 18, welche sich vorzugsweise an einer Vorderseite des Anhängers 14 im wesentlichen genau auf der Höhe der Kamera 16 befindet.
An dieser Rampe 18 sind vorzugsweise sieben Infrarotdioden 24 als bevorzugte Hilfspunkte, angeordnet, welche zumindest teilweise anhand der Bilddaten der Kamera 16 erkannt werden können. Es können mehr oder weniger Infrarotdioden 24 eingesetzt werden. Beispielsweise können 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 usw. Infrarotdioden 24 eingesetzt werden. Vorzugsweise sind die Infrarotdioden 24 im wesentlichen im gleichen Abstand und symmetrisch zueinander angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zusätzlich oder alternativ zu den Infrarotdioden 24 weitere Hilfspunkte vordefiniert, z. B. durch Anordnung von Laserdioden und/oder akustischen Signalgebern, insbesondere im Ultraschallbereich, ein oder mehrfarbigen Aufklebern, Farbflächen, etc.
Für die spätere Berechnung der Gierwinkel, werden von diesen vorzugsweise sieben Infrarotdioden 24 besonders bevorzugt nur die beiden äußeren Hilfspunkte (R, V) und die Spitze (S) als bevorzugte Meßpunkte benötigt. Dazu wird der Winkel, unter dem die Kamera 16 den Punkt S sieht, berechnet und an den Algorithmus weitergegeben. Gleiches gilt auch für die Punkte R und V. Die Meßpunkte R, S, V werden in 3 mit den Bezugszeichen 26 dargestellt.
Weiterhin ist in 3 eine Hinterachse 28 des Anhängers 14 dargestellt, an der weitere Leuchtdioden 30 angeordnet sind. Die Leuchtdioden 30 können beispielsweise anhand einer Kamera 32 abgebildet werden. Die Hinterachse 28 kann beispielsweise eine lenkbare Achse sein und anhand der Leuchtdioden 30 kann, analog zu den Leuchtdioden 24, die Ausrichtung der Hinterachse 28 relativ zu weiteren Achsen, wie beispielsweise einer Anhängerlängsachse 34, der Lenkachse 20 und der Fahrzeuglängsachse 22 bestimmt werden. Hierzu kann an der Hinterachse 28 eine Rampe (nicht gezeigt) ähnlich oder identisch zu Rampe 18 angeordnet sein.
In 4 ist eine bevorzugte Rampe 18 als bevorzugtes Beobachtungselement 18 beispielhaft abgebildet. Rampe 18 hat eine Vielzahl von Dioden 24 als bevorzugte Hilfspunkte. Drei der Dioden 24 werden als bevorzugte Meßpunkte verwendet, um die vorgenannten Winkel zu bestimmen. Anstelle der Rampe 18 können die Dioden 24 etc. direkt an dem Anhänger 14 bzw. dem Zugfahrzeug 12 angeordnet werden. Beispielsweise können sieben Infrarotdioden 24 an dem Anhänger 14 angeordnet werden. Die Infrarotdioden 24 bilden folglich zusammen ein Beobachtungselement 18 und jeweils einen Hilfspunkt. Werden beispielsweise nur drei Infrarotdioden 24 angeordnet, repräsentieren die drei Infrarotdioden 24 zusammen ein Beobachtungselement 18 und jeweils einen Hilfspunkt und ebenfalls einen Meßpunkt. Die drei Dioden 24 können aber auch jeweils ein Beobachtungselement 18 repräsentieren.
Um die Geometrie eines Zweiachsanhängers zu simulieren, wurde beispielhaft auf einer 100 cm × 150 cm großen Grundplatte ein Modell eines solchen Zweiachsanhängers eingerichtet, wie dies schematisch in 5a dargestellt ist und beispielhaft in 5b abgebildet ist. Wie in den 5a, 5b dargestellt, sind zwei Drehpunkte 36, 38 angeordnet, auf denen zwei kleine drehbare Holzplatten befestigt wurden. Auf dem hinteren Teil wurde eine 80 cm × 80 cm große schwarze Holzplatte senkrecht angebracht, welche die Meßfläche am vorderen Teil des Anhängers simulieren soll. An dieser Platte ist das Beobachtungsobjekt 18 in Form einer Diodenrampe 18, befestigt. Die Kamera 16 wurde am anderen Drehpunkt genau auf der Höhe der Rampe 18 angebracht (siehe 5a).
Wie zuvor beispielhaft festgelegt, befinden sich auf dieser Rampe 18 vorzugsweise sieben Infrarotdioden 24, welche im seitlichen Abstand von 10 cm und 7 cm Abstand in der Höhe angebracht wurden. Dadurch ergibt sich, daß die Dioden 24
voneinander entfernt sind. Weiterhin ist die Rampe 18 60 cm breit und 21 cm hoch. Weitere Abmessungen der beispielhaften Modellrechnung sind in Tabelle 1 angegeben.
Weitere wichtige bzw. notwendige Größen für die nachfolgend beschriebene Berechnung sind in 6 dargestellt, welche eine Detailansicht eines Ausschnitts von 3 ist. Identische Bestandteile von 3 und 6 sind daher mit identischen Bezugszeichen versehen. Insbesondere zeigt 6 geometrische Relationen der Beobachtungseinrichtung 18 beispielsweise im Verhältnis zu dem Zugfahrzeug 12, insbesondere der Fahrzeuglängsachse 22 des Zugfahrzeugs 12 und/oder dem Anhänger 14, insbesondere der Lenkachse 20 und/oder der Anhängerlängsachse 34. Die Rampe 18 weißt insbesondere eine dreidimensionale Form auf, wobei in 6 die Projektion der Rampe 18 in die vorgenannte Ebene dargestellt ist. Die Rampe 18 hat somit eine Tiefe h und eine Breite 2b. Die Tiefe h ist vorzugsweise definiert durch den Abstand der vordersten Diode 24, d. h. der Diode 24 die dem Zugfahrzeug 12 am nächsten ist und der hintersten Diode 24. In dem gezeigten Beispiel ist die Tiefe h gleich dem Abstand der Punkte S und P. Die Breite 2b ist gleich dem Abstand der beiden äußersten Dioden 24. In diesem Beispiel ist die Breite 2b gleich dem Abstand der Punkte V und R voneinander.
In 6 sind ferner die Kupplungspunkte 40, 42 dargestellt, welche vorzugsweise die Position der Lenkachse 20 festlegen. Weiterhin sind die Anordnungswinkel Θ_1,2 und Θ_2,3 dargestellt, welche durch die Lage der Fahrzeuglängsachse 22, der Lenkachse 20 und der Anhängerlängsachse 34 bestimmt sind.
Da vorzugsweise nur die Bewegung in einer planaren Ebene betrachtet wird, kann das Gespann mit seiner orthogonalen Projektion auf diese Ebene identifiziert werden. Die Punkte R, S, V, K₁, K₂ sind folglich Punkte in der (vorgegebenen) Ebene bzw. Projektionen der Punkte in diese Ebene. Die Ebene kann sein:

– eine Ebene, die von den Radachsen des Zugfahrzeugs aufgespannt wird,
– eine Ebene, die von den Radachsen des Anhängers aufgespannt wird,
– eine Ebene parallel zu einer Horizontalebene im Bezugssystem der Erde,
– eine Ebene parallel zu der Fahrbahnoberfläche,
– eine Kombination der vorgenannten Ebenen, usw.

In der nachfolgenden Beschreibung ist mit dem Begriff „Bewegung” nicht eine Bewegung im Sinne von Vorwärts- und/oder Rückwärtsfahrt gemeint, sondern die Änderung der Position des Anhängers in Relation zum Zugfahrzeug.
Hierbei wird vorzugsweise der Punkt K₁ als Bezugspunkt 40 der Bewegung festgelegt und erhält im selbst gewählten Koordinatensystem (x, y) die Koordinaten (0, 0). Der Punkt K₁ ist daher ein Fixpunkt in dem beispielhaft gewählten Koordinatensystem. Die Verbindungsgerade von K₁ zur Kamera 16 definiert die x-Achse. Somit hat auch die Kamera 16 festgelegte Koordinaten in dem beispielhaften Koordinatensystem. Es ist auch möglich, daß die Kamera 16 den Ursprung des Koordinatensystems definiert.
Die Koordinaten der Punkte K₂, R, S, V verändern sich mit der Bewegung des Zugfahrzeugs 12 bzw. des Gespanns bestehend aus Zugfahrzeug 12 und Anhänger 14. Während der Fahrt bewegt sich eine Kupplung K₂ auf einem Kreis um den Mittelpunkt K₁. Der Radius entspricht der Länge der Verbindung L₂ zwischen den Kupplungen K₁, K₂. Ebenso bewegt sich jeder Eckpunkt des Dreiecks auf seinem Kreis um dem Mittelpunkt K₂. Durch deren feste Verbindungen zu K₂ sind die Radii dieser Punkte fest definiert. Dies ist beispielhaft in 7 dargestellt.
Jedoch kann nicht jeder Punkt auf diesen Kreisen angenommen werden, da die technischen Vorraussetzungen, wie z. B. die Gespannsparameter, der Kameraöffnungswinkel, etc. gewisse Konstellationen nicht zulassen.
Aus den Aufnahmen der Punkte R, S, V werden die Winkel bestimmt, unter denen die Kamera 16 die Punkte sieht, d. h. unter denen die Punkte in den Bilddaten abgebildet werden. Diese werden nachfolgend Aufnahmewinkel genannt und durch C_R, C_S, C_V bezeichnet. Die Aufnahmewinkel sind vorzugsweise Winkel in Kugelkoordinaten oder in Polarkoordinaten im Koordinatensystem der Kamera 16 oder des Bezugspunktes K₁.
Der nachfolgend beschriebene Algorithmus gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung besteht, wie oben ausgeführt, im wesentlichen aus zwei Schritten:

– Anhand der Aufnahme-Winkel der Kamera C_R, C_S, C_V werden die Positionen der Meßpunkte R, S, V bestimmt.
– Anhand der Positionen der Meßpunkte R, S, V werden die beiden Gierwinkel θ₁₂, θ₂₃ bestimmt. Die Gierwinkel θ₁₂, θ₂₃ dienen dazu, die relative Lage des Zugfahrzeugs 12 und des Anhängers 14 darzustellen.

Die Aufnahmewinkel C_R, C_C, C_V entsprechen nur genau einer Position von R, S, V, d. h. das Dreieck (S, V, R) kann nur auf eine einzige Weise zwischen den Strahlen plaziert werden, so daß die Ecken auf den Strahlen entsprechend liegen, was im nachfolgenden bewiesen wird.
Angenommen das Dreieck könnte so plaziert werden, daß der Punkt S – vom Punkt C aus gesehen – zwischen R und V liegt, wie dies in 8 beispielhaft dargestellt ist. Weiterhin wird angenommen, daß zwei verschiedene Möglichkeiten R, S, V und R', S', V' existieren, um dieses Dreieck zu positionieren. Wenn sich der Punkt S' zwischen S und C befindet, wird wegen der festen Länge der Seite S, R (bzw. S', R') der Winkel des Dreiecks zwischen der Seite S', R' und dem S-Strahl an der Ecke S' kleiner als der entsprechende Winkel bei S. Entsprechend ist dies auch an der Seite S', V' der Fall. Daher gilt für die Winkel: ∠(V'S'R') < ∠(VSR) (2)
Da aber das Dreieck fest definiert ist, d. h. alle Seiten und alle Winkel gleich sind, ist dies nicht möglich. Wenn sich S' auf der anderen Seite von S befindet, wird der entsprechende Winkel größer, was auch nicht möglich ist. Das bedeutet, daß die mögliche Position des Dreiecks eindeutig ist. In allen anderen Fällen wird man analog vorgehen.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, um die Position eines Anhängers 14 relativ zu dem Zugfahrzeug 12, insbesondere der Fahrzeuglängsachse 22, der Lenkachse 20 und der Anhängerlängsachse 34 zueinander zu bestimmen. Dabei wird im ersten Schritt die Berechnungsvorschrift f₁ ausformuliert und im zweiten Schritt Berechnungsvorschrift f₂ ausformuliert. Insoweit stellt die nachfolgende Beschreibung des ersten Schrittes eine Definition der Berechnungsvorschrift f₁ dar und die nachfolgende Beschreibung des zweiten Schrittes eine Definition der Berechnungsvorschrift f₂.
Erster Schritt: Aus C_R, C_S, C_V werden die Koordinaten von R, S, V bestimmt.
Sei durch AB die Entfernung zwischen zwei gewählten Punkten A und B bezeichnet. Die gesuchten drei Punkte R, S, V erfüllen folgende Bedingungen:
R, S, V befinden sich auf Strahlen, die von C ausgehen und durch die Aufnahme-Winkel bestimmt sind.
Die Entfernungen zwischen ihnen sind fest: RV = 2·b (3) RP = PV = b (4) SP = h (5)
∠(K₂SR) = ∠(K₂SV) = ρ = arctan( b / h) (7)
Alle möglichen Aufnahmen sind in vierverschiedene Fälle aufzuteilen, die nachfolgend einzeln beschrieben werden: C_V < C_S < C_R C_V = C_S < C_R oder C < C_S = C_R C_S < C_V < C_R C_V < C_R < C_S
Fall 1: C_V < C_S < C_R
Die entsprechenden Winkel in 8 sind durch die Aufnahme-Winkel bestimmt: C₁ = C_R – C_S (8) C₂ = C_S – C_V (9)
Der Winkel bei S innerhalb des Dreiecks (RSV), welcher 2·ρ beträgt, ist durch den Strahl durch S in zwei Winkel, S₁ und S₂, aufgeteilt: S₁ + S₂ = 2·ρ (10)
Es gilt: ∠(CRS) = R₀ = S₁ – C₁ (11) ∠(CVS) = V₀ = S₂ – C₂ (12) V₀ = 2·ρ – C₁ – C₂ – R₀ (13)
Weiterhin sei D definiert durch: D = 2·ρ – (C₁ + C₂) (14) d. h. V₀ = D – R₀ (15)
Das Dreieck (VCS) und das Dreieck (SCR) haben am Punkt C den Winkel C₁ bzw. C₂.
Gegenüber von diesen Winkel haben beide Dreiecke eine Seite gleicher Länge m und eine gemeinsame unbekannte Seite der Länge CS. Es gilt:
Aus diesen Gleichungen ergibt sich:
Mit Hilfe von (15):
Nach Umformung und der Division durch cosR₀ ergibt sich:
oder entsprechend:
Nun kann die Strecke CS mit den bekannten Winkel R₀ (bzw. V₀) ausgerechnet werden:
Sei durch
der durch C_S bestimmte, normierte Richtungsvektor gegeben. Die gesuchten Punkte:
Sei ein Hilfspunkt R_S so definiert, daß die Strecke SR_S die Länge m hat und mit
gleichgerichtet ist:
Durch entsprechende Drehungen dieses Punktes R_S werden die Punkte R und V definiert. Sei durch D(A, α, B) eine Drehung des Punktes A um den Winkel α um den Punkt B bezeichnet. Dann gilt: R = D(R_S, S1, S) (27) V = D(R, –2·ρ, S) (28) oder V = D(R_S, –S₂, S) (29) R = D(V, 2·ρ, S) (30)
Somit sind die gesuchten Punkte R, S, V ausgerechnet.
Fell 2: C = C_S < C_R oder C_V < C_S = C_R
Als Sonderfall ist hervorzuheben, wenn C_R = C_S (oder C_V = C_S), wie dies beispielhaft in 9 dargestellt ist.
Hier liegen S und ein weiterer Punkt, hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit R, auf demselben Strahl: C_R = C_S (31) C₁ = C_R – C_S = 0 (32) C₂ = C_S – C_V = ∠(RCV) (33)
Die genaue Position des Dreiecks, d. h. die Koordinaten von R, S, V, kann in einfacher Weise berechnet werden. Es gilt:
und die gesuchten Punkte berechnen sich entsprechend dem ersten Fall.
Analog kann für C_S = C_V, d. h. wenn S und V auf demselben Strahl liegen, vorgegangen werden.
Fall 3: C_V < C_R < C_S
Da die Rampe vorzugsweise aus Holz gebaut ist, kann dieser Fall in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform nicht auftreten. Die Spitze der Rampe S würde den Punkt R verdecken und dieser ist für die Kamera nicht mehr wahrnehmbar (wie beispielhaft in 10 gezeigt). Somit ist die obige Ausführungsform durch die Geometrie der Rampe auf ein bestimmtes Winkelmaß beschränkt.
Die Rampe kann aber zumindest teilweise aus einem teildurchsichtigen oder vollständig durchsichtigen Material bestehen. Dies kann vorzugsweise auf das Licht der Wellenlänge der Dioden beschränkt sein. Sind die Dioden beispielsweise Infrarotdioden, kann die Rampe aus einem Material sein, das für Infrarotlicht zumindest teilweise transparent ist. Vorteilhafterweise können nunmehr mit Hilfe der folgenden beiden Fälle höhere Gradzahlen erfaßt werden.
Die in (8) und (9) definierten Winkel haben hier andere Vorzeichen: C₁ < 0 (36) C₂ > 0 (37)
Das bedeutet: R₀ < 0 (40) V₀ > 0 (41)
Durch (14) ergibt sich:
Im Fall 1 konnte die gesuchte Größe CS entweder aus der Formel für R₀ oder aus der Formel für V₀ bestimmt, insbesondere ausgerechnet werden. Damit das in diesem Fall auch so möglich wäre, muß gelten: tan(R₀) < 0 (44) und tan(V₀) > 0 (45)
In Formel (42) ist der Zähler negativ, d. h. tan(R₀) < 0 (46)
Dies gilt jedoch nur dann, wenn sin(C₂) + sin(C₁)·cos(D) > 0 (47) d. h. sin(C₂) > –sin(C₁)·cos(D) (48)
Aber weil C₂ > –C₁ > 0 (49) gilt, ist sin(C₂) > sin(–C₁) > sin(–C₁)·cos(D) (50) und damit tan(R₀) < 0 (51)
In Formel (43) ist der Zähler positiv, d. h. tan(V₀) > 0 (52)
Dies gilt jedoch nur, wenn sin(C₁) + sin(C₂)·cos(D) > 0 (53) d. h. sin(C₂)·cos(D) > –sin(C₁) (54) bzw.
Das bedeutet, daß (52) nur gilt, wenn (55) erfüllt ist. Jedoch gibt es keine D, die diese Bedingung erfüllen. Daher ist für den Fall C_V < C_R < C_S (56) die gesuchte Größe CS mit Hilfe von R₀ berechenbar. Die anschließende Berechnung der Punkte R, S, V ist analog zu Fall 1.
Fall 4: C_S < C_V < C_R
Die Vorgehensweise hier, ist analog zu Fall 3, nur daß hier die gesuchte Größe CS aus V₀ berechnet werden muß.
2. Schritt: Aus den Punkten R, S, V die Winkel θ₁₂, θ₂₃ berechnen
Zunächst wird der Punkt K₂ berechnet, indem der Vektor SR, welcher die Länge m hat, um den festen Winkel –ρ = (–arctan( b / h)) (57) um den Punkt S gedreht wird und anschließend um den Faktor (h + PK₂) gestreckt wird. R_S = D(R, –arctan( b / h), S) (58)
Analog wird der Punkt P wie folgt gefunden: P = S + (SR_S)·( h / m) (60)
Seien durch (x_A, y_A) die Koordinaten des Punktes A bezeichnet. Somit ergeben sich die gesuchten Winkel durch:
wobei θ₂₃ als Winkel zwischen den Vektoren (K₂K₁) und (K₂P) berechnet wird.
Analog können mit einem umgekehrten Algorithmus aus den Winkeln θ₁₂, θ₂₃ die Punkte R, S, V und die Winkel C_S, C_R, C_V berechnet werden.
Aus den Gierwinkeln θ₁₂, θ₂₃ können die Koordinaten der Punkte S, R, V sowie die von P, K₂ ausgerechnet werden.
Sei durch
eine vorläufige Position des Punktes P bezeichnet. Nur θ₁₂ wird betrachtet (θ₂₃ = 0). P₀ = (L₂ – PK₂‚ 0) (65)

hat folgende Koordinaten: x = (K₁K₂ – PK₂)·cos(θ₁₂) (67) y = (K₁K₂ – PK₂)·sin(θ₁₂) (68)
Der Punkt P, mit Koordinaten (x, y) ist als Drehung des
um den Winkel θ₂₃ um Punkt K₂ entstanden:
Analog für den Punkt S mit Koordinaten (x_S, y_S) wird zuerst einen entsprechender Punkt
berechnet:
und anschließend
Für den Punkt R mit Koordinaten (x_R, y_R) wird ebenfalls zuerst ein entsprechender Punkt
berechnet:
und anschließend
Gleiches gilt auch für den Punkt V mit Koordinaten (x_V, y_V), für den zunächst ein entsprechender Punkt
berechnet wird:
und anschließend
Für diese Punkte (R, S, V) können die Winkel, unter denen die Kamera die Punkte sieht, ausgerechnet werden. Seien durch C_R, C_S, C_V die entsprechenden Winkel bezeichnet:
In 11a ist ein Flußdiagramm zur Übersicht der ablaufenden Verfahrensschritte dargestellt. In Schritt S1 werden Bilddaten von einer Bildaufnahmeinrichtung 16 (gezeigt in der vorangehenden 6) generiert, was auch als „Bild holen” bezeichnet wird. In Schritt S2 werden anhand der Bilddaten die zur weiteren Bestimmung der Anordnungswinkel notwendigen Meßpunkte erkannt. Anhand der Position der Meßpunkte in den Bilddaten, d. h. anhand der tatsächlichen Position der Meßpunkte in Pixel in den Bilddaten, werden in Schritt S3 die tatsächlichen Positionen der Meßpunkte, d. h. beispielsweise der Infrarotdioden 24, insbesondere im Bezugssystem der Kamera berechnet. Diese Positionen werden als Aufnahmewinkel bezeichnet und werden vorzugsweise als Zylinderkoordinaten oder Kugelkoordinaten, insbesondere polare Kugelkoordinaten angegeben. Das Bezugssystem der Kamera kann in einfacher Weise auf das Bezugssystem beispielsweise des Zugfahrzeugs transformiert werden. Im Schritt S4 schließlich wird anhand der Aufnahmewinkel der Anordnungswinkel der Fahrzeuglängsachse relativ zu der Lenkachse und der Anordnungswinkel der Lenkachse zu der Anhängerlängsachse bestimmt, insbesondere berechnet. Diese Winkel können beispielsweise anhand eines Displays, einer Computerschnittstelle, einer Funkübertragung, usw. ausgegeben werden. Diese Winkel können auch verwendet werden, um eine Trajektorie des Gespanns zu bestimmen. Ferner kann anhand einer Winkeländerung eine Änderung der Trajektorie bestimmt und insbesondere angezeigt werden. Die Anordnungswinkel bzw. deren Änderung können auch verwendet werden, um die Rückwärtsfahrt eines Gespanns automatisch zu überwachen bzw. zu steuern bzw. zu regeln.
Die genauen Verarbeitungsschritte gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung, die vorzugsweise in einem Computer stattfinden, sind jedoch weitaus komplexer als nur Bild holen und Winkel ausgeben. Folglich wird in den folgenden Abschnitten, bezugnehmend auf das in 11b dargestellte Flußdiagramm, eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung beispielhaft beschrieben, insbesondere, wie aus einem RGB – Bild der Kamera die Gierwinkel als bevorzugte Anordnungswinkel bestimmt, insbesondere berechnet werden.
In einem initialen Schritt werden die Bilddaten anhand der Bildaufnahmeeinrichtung generiert. Diese Bilddaten sind farbige Bilddaten, insbesondere RGB Bilddaten.
Vorzugsweise wird die nachfolgend beschriebene bevorzugte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt unter Linux, beispielsweise SuSe Linux 10 in der Sprache C++, beispielsweise mit dem GCC 4.0 Compiler implementiert. Die wird vorzugsweise mit Hilfe der QT Bibliothek realisiert, insbesondere mit QT 3.3.
Vorteilhafterweise kann auf die Linux Standard Bibliothek Video4Linux (als v4l bezeichnet) zurückgegriffen werden. Dieser Treiber liest die Bilder vorzugsweise in Schritt S1, wie in 11a gezeigt, aus einer Framegrabberkarte als beispielhaftem Bestandteil der Bildaufnahmeeinrichtung aus, an die die Kamera, als beispielhaftem, weiteren Bestandteil der Bildaufnahmeeinrichtung, angeschlossen ist. Die Synchronisation von der Software mit der Kamera geschieht vorzugsweise ebenfalls über diesen Treiber, wodurch schließlich ein komplettes RGB-Bild von der Kamera erhalten wird.
Da das zuvor beschriebene, bevorzugte Verfahren auf Infrarotdioden als beispielhaften Hilfspunkten bzw. Meßpunkten beruht, ist es nicht notwendig, die ganze Zeit über mit RGB-Bildern zu arbeiten. Daher wird vorzugsweise in einer ersten Stufe dieses Schrittes S2 (gezeigt in 11a), insbesondere in Schritt S20 aus dem RGB-Bild ein Graustufenbild gemäß
bestimmt, insbesondere berechnet, welches vorteilhafterweise nur noch 1 / 3 des Speichers belegt.
Anhand eines Schwellwertes wird anschließend das Schwarz-Weiß Bild berechnet, indem für jedes Pixel i entschieden wird:
Dieser Wert wird vorzugsweise so hoch vorgegeben bzw. gewählt, daß vorteilhafterweise möglichst viele Stör-Bildpunkte verschwinden. Andererseits muß dieser Wert aber auch so niedrig sein, daß die Punkte der Rampe, d. h. die Hilfspunkte bzw. die Meßpunkte noch eindeutig erkennbar sind.
In dem nächsten Schritt S21 wird auf das Schwarz-Weiß Bild eine rekursive Such-Funktion für weiße Punkte angewandt. Insbesondere wird das Bild vorzugsweise Pixel für Pixel durchgegangen und kontrolliert, ob der momentane Pixel

– schon einmal untersucht wurde oder nicht. Wenn er schon einmal untersucht wurde, wird zum nächsten übergegangen, ansonsten wird überprüft, ob dieser Pixel
– schwarz oder weiß ist. Ist dieser schwarz, wird zum nächsten Pixel übergegangen. Ist dieser jedoch weiß, wird untersucht, ob in der angrenzenden Umgebung (d. h. den 8 nächsten Nachbarn) ebenfalls ein weißer Pixel vorhanden ist. Ist dies der Fall, ruft sich diese Funktion wieder selbst auf.

In dieser Rekursion werden die aneinanderhängenden weißen Pixel vorzugsweise mitgezählt. Da die zu erkennenden Infrarotdioden eine maximale und eine minimale Größe erreichen, gehen hier zwei Parameter in die Funktion ein. Mit Hilfe dieser wird dann entschieden, ob die erkannte Fläche eine Infrarotdiode, d. h. ein Hilfspunkt bzw. ein Meßpunkt ist oder nicht: min ≤ size ≤ max. (82)
Für alle die Punkte, die in Frage kommen könnten, wird der sog. Schwerpunkt gebildet. Das bedeutet:
Diese Werte werden als möglicher Infrarotdioden-Punkt, d. h. als möglicher Hilfspunkt bzw. Meßpunkt angenommen.
In dem darauffolgenden Schritt S22 wird ausgewählt, ob ein sogenanntes „großes Verfahren” oder ein sogenanntes „kleines Verfahren” durchgeführt werden soll. Das große Verfahren beinhaltet insbesondere die Schritte S23, S24, S25. Das kleine Verfahren beinhaltet insbesondere die Schritte S26, S27, S25.
Nachfolgend wird zuerst das große Verfahren beschrieben. Aus den in Schritt S21 erhaltenen Schwerpunkten werden die Schenkel der Rampe bestimmt, insbesondere errechnet. Ein Schenkel hat dabei vorzugsweise folgende Eigenschaften:

– er besteht aus vier Punkten
– alle vier Punkte liegen auf einer Linie die Schenkel, die eine Rampe bilden, haben genau einen Punkt gemeinsam
– die Rampe besteht aus genau zwei solcher Schenkel
– einer der beiden Schenkel, die die Rampe bilden sollen, darf eine Mindestlänge nicht unterschreiten.

Die Schenkelerkennung läuft vorzugsweise folgendermaßen ab. Die gefundenen Schwerpunkte werden nacheinander abgearbeitet. Zu jedem Punkt wird der nächstliegende Punkt gesucht. Zu diesen Punkten werden wiederum die nächstliegenden Punkte gesucht. Anschließend wird überprüft, ob die Punkte auf einer Geraden liegen.
Dies geschieht indem der Abstand vom ersten bis zum dritten Punkt mit der Strecke vom ersten über den zweiten bis zum dritten Punkt verglichen wird. Sind beide gleich müssen die drei Punkte auf einer Geraden liegen. Des weiteren wird überprüft, ob die Verhältnisse der Längen zwischen den einzelnen Punkten, den vorgegebenen Verhältnissen aus den Geometriedaten entsprechen.
Wenn auf diese Weise drei Punkte gefunden wurden, wird versucht auf die selbe Art und Weise noch einen vierten Punkt zu finden. Ist dieser Schritt geglückt, wird angenommen, daß diese vier Punkte einen Schenkel bilden.
Aus den so erhaltenen Schenkeln wird versucht, diese zu einer Rampe zusammenzusetzen. Da die Schenkel immer so ermittelt werden, daß zuerst die eng aneinander liegenden Punkte gefunden werden und danach erst die Punkte, die etwas weiter voneinander entfernt liegen, ergibt sich daraus, daß der letzte gefundene Punkt eines Schenkels der Mittelpunkt der Rampe ist. Sollten sich also zwei Schenkel finden, die den gleichen letzten Punkt besitzen, dann ergibt sich aus diesen beiden eine Rampe.
Die Gültigkeit dieser Rampe wird überprüft, indem die Länge der Schenkel gemessen wird. Insbesondere wird in Schritt S24 überprüft, ob der detektierte Schenkel tatsächlich ein Schenkel ist. Hierzu wird die Länge des Schenkels überprüft. Je weiter ein Schenkel von der Kamera, als bevorzugter Bildaufnahmeinrichtung weggedreht wird, desto kleiner erscheint auf dem Kamerabild, als bevorzugten Bilddaten. Umgekehrt erscheint der zur Kamera hingewandte Schenkel größer als er in Wirklichkeit ist. Daraus folgt, daß zumindest einer der beiden Schenkel eine gewisse Mindestlänge nicht unterschreiten darf.
Falls beide Schenkel einer erkannten Rampe kleiner sind als die Mindestlänge, wird die erkannte Rampe verworfen und nach einer anderen gesucht, d. h. das oben beschriebene Verfahren zumindest teilweise erneut durchgeführt. Insbesondere kann das vorgenannte Verfahren so oft teilweise oder vollständig wiederholt durchgeführt werden, bis eine oder mehrere Rampen detektiert bzw. bestimmt sind.
Ist schließlich eine Rampe erkannt worden, werden die Koordinaten der, von der Kamera aus betrachtet, rechten (V), linken (R) und mittleren (S) Infrarotdiode vorzugsweise in kartesischen Koordinaten, Zylinderkoordinaten oder Kugelkoordinaten zurückgegeben (Schritt S25). Anschließend können die Schritte S3 und S4 durchgeführt werden. Die Schritte S20 bis S25 sind vorzugsweise Teilschritte des Schritts S2.
Das zuvor beschriebene, beispielhafte Verfahren zur Erkennung der Rampe, d. h. das „große Verfahren” geht davon aus, daß sich von Bild zu Bild große Veränderungen in der Lage der Punkte ergeben. Daher wird die Erkennung von Schwerpunkten und Rampe für jedes Bild vorzugsweise völlig neu gestartet. Dieses Verfahren benötigt daher einen großen Teil der Rechenkapazität des Prozessors und ist für weniger leistungsstarke Systeme ungeeignet.
Daher macht sich die nachfolgend beschriebene bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens, d. h. das „kleine Verfahren” den Sachverhalt zu nutze, daß in der Realität die Bewegung des Anhängers von Bild zu Bild, aufgrund der hohen Frequenz der Kamera, nur sehr gering ausfällt. In Schritt S22 wird somit das kleine Verfahren durchgeführt, falls zuvor das große Verfahren bereits durchgeführt wurde und/oder Meßpunkte, insbesondere die drei Meßpunkte R, S, V bereits detektiert waren. In diesem Fall werden die vom großen Verfahren erkannten Koordinaten der Punkte R, S und V herangezogen und in einem gewissen Umkreis um sie herum erneut nach Schwerpunkten gesucht (Schritt S26). Sollten alle Meßpunkte, d. h. gemäß dieser Ausführungsvariante die drei Punkte R, S, V auf diese Art erneut gefunden werden (Schritt S27), so werden die Koordinaten dieser (neuen) Punkte als die Koordinaten für R, S, V zurückgegeben (Schritt S25). Sollte in Schritt S27 festgestellt werden, daß ein oder mehrere der Punkte nicht gefunden werden, wird vorzugsweise das große Verfahren durchgeführt, da die Verschiebung zu groß war um eindeutig sagen zu können, daß es sich um die alten Punkte handelt. Folglich wird nach Schritt S27, d. h. der fehlgeschlagenen Detektion aller Punkte, Schritt S23 ausgeführt.
Für die Umrechnung der gefundenen R, S, V Punkte in die relativen Winkel aus Sicht der Kamera müssen die Pixel vorzugsweise zunächst in Abstände zum Lot der Kamera umgerechnet werden. Dies geschieht gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante mit Hilfe einer Tabelle, welche beispielsweise zuvor, in einem initialen Schritt, in dem die bevorzugte Vorrichtung an das Gespann angepaßt wird, angelegt wird.
Hier wird zunächst bestimmt, bei welchem Pixel sich die Diode in der Nullstellung (θ₁₂ = θ₂₃ = 0) zuerst 10 cm, dann 20 cm usw. entfernt vom Lot der Kamera befindet. Gleiches gilt auch für die andere Seite, wo mit negierten Werten gearbeitet wird. Daraus werden dann die Pixelwerte interpoliert und beispielsweise in Zentimeter Angaben umgerechnet. Dies ist beispielhaft in 12 dargestellt.
Nachdem der Pixelwert in den zugehörigen Abstand zum Lot umgerechnet wurde, kann mit Hilfe der tan – Funktion der Aufnahme Winkel des Punktes berechnet werden:
wie dies beispielhaft in 12 dargestellt ist.
Mit Hilfe des beispielhaften Laboraufbaus, wie er z.B. in 5a, 5b dargestellt ist, wurden verschiedene Messungen durchgeführt, um die Korrektheit des vorhergehend beschriebenen Algorithmus zu untersuchen. Aufgrund dessen Testwerte erstellt wurden, wie sie in Tabelle 2 dargestellt sind.
Anzumerken hierzu ist, daß ein manuelles Vorgeben bzw. Vorbestimmen eines Winkels sehr schwierig ist. Insbesondere kann ein Winkel bis auf die zweite Nachkommastelle im wesentlichen nicht exakt eingestellt werden. Schwierig ist es sogar schon, die erste Nachkommastelle genau vorzugeben. Daher sind die Werte, die eine Abweichung von 0,5° haben, also ±0,25° vom eigentlichen Wert, dennoch als korrekte Werte anzunehmen.
Für eine leichtere Übersicht, sind in Tabelle 3 und Tabelle 4 die einzelnen Abweichungen der Winkel θ₁₂ und θ₂₃ gegeneinander aufgetragen. Hierbei gilt, je dunkler das Feld dargestellt ist, desto größer ist die Abweichung des einzelnen Winkels.
Bezugszeichenliste

O: Objekt
C: Gerät
10: Gespann
12: Zugfahrzeug
14: Anhänger
16: Kamera
18: Beobachtungsgegenstand/Rampe
20: Anhängerzugvorrichtung/Lenkachse
22: Längsachse des Zugfahrzeugs/Fahrzeuglängsachse
24: Infrarotdioden
26: Meßpunkte
28: Hinterachse
30: IR-Dioden
32: Kamera
34: Anhängerlängsachse
36: Drehpunkt
38: Drehpunkt
40: Kopplung/Kupplung/Kupplungspunkt K1
42: Kopplung/Kupplung/Kupplungspunkt K2

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Position eines zweiachsigen Anhängers (14) mit zumindest einer beweglichen Radachse, relativ zu einem Zugfahrzeug (12) mit den Schritten: – Erzeugen von farbigen Bilddaten umfassend eine Vielzahl von Pixel zumindest eines Beobachtungselements (18) mit zumindest drei zugeordneten Meßpunkten (R, S, V) anhand einer Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32), – Detektion der zumindest drei vorgegebenen Meßpunkte (R, S, V) in den Bilddaten, durch ein Detektieren zumindest dreier Hilfspunkte durch ein Umwandeln der farbigen Bilddaten mittels eines Schwellwertes in schwarzweiß Bilddaten, wobei für die detektierten Hilfspunkte jeweils ein Schwerpunkt berechnet wird, wobei für die Position P_x, P_y des jeweiligen Schwerpunktes gilt:
wobei für die Vielzahl von Schwerpunkten detektierter Hilfspunkte benachbarte Schwerpunkte detektiert werden und die benachbarten Schwerpunkte als auf einer Strecke liegend detektiert werden, wenn die Summe der Abstände der einzelnen Schwerpunkte untereinander gleich ist zu dem größten Abstand zweier der Schwerpunkte, und durch ein Zuordnen der Hilfspunkte zu den Meßpunkten (R, S, V), – Bestimmen der Position eines jeden Meßpunktes (R, S, V) relativ zu der Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32), in Bezugskoordinaten eines vorgegebenen Koordinatensystems, – Bestimmen einer absoluten Position eines jeden Meßpunktes (R, S, V) gegenüber der Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32) anhand der Bezugskoordinaten, – Bestimmen – eines Anordnungswinkels Θ_1,2 zwischen einer Fahrzeuglängsachse (22) des Zugfahrzeugs (12) und einer Lenkachse (20) des Anhängers (14) und – eines Anordnungswinkels Θ_2,3 zwischen der Lenkachse (20) und einer Anhängerlängsachse (34) des Anhängers (14) anhand der absoluten Positionen der Meßpunkte (R, S, V) gegenüber der Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für genau drei vorgegebene Meßpunkte (R, S, V) die absolute Position gefunden wird, nachdem die Meßpunkte in den Bilddaten detektiert wurden, und für die Anordnungswinkel Θ_1,2 und Θ_2,3 gilt:
wobei: (x_K2, y_K2, z_K2) die Koordinaten eines Punktes K₂ und (x_P, y_P, z_P) die Koordinaten eines Punktes P in einem Koordinatensystem, insbesondere in einem kartesischen Koordinatensystem eines vorbestimmten Punktes K₁ als Zentrum sind, K₁ der Schnittpunkt der Lenkachse mit der Anhängerlängsachse des Anhängers ist, und K₂ sich durch eine Drehung eines Verbindungsvektors SR der Punkte S, R um einen Winkel –ρ = (–arctan( b / h)) und durch eine anschließende Streckung des Verbindungsvektors SR mit einem Faktor h + PK₂ R_S = D(R, –arctan( b / h), S)
ergibt und für P gilt: P = S + (SR_S)·( h / m), wobei m die Länge des Vektors SR ist und b, h vorgegebene Abmessungen des zumindest einen Beobachtungselements sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei anhand der Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32) RGB Bilddaten, rot, grün, blau, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Umwandlung der farbigen Bilddaten mittels des Schwellwertes erfolgt, wobei für jedes Pixel i gilt:
und wobei alle Pixel der schwarz/weiß Bilddaten überprüft werden, wobei sobald ein weißer Pixel detektiert wird, in der angrenzenden Umgebung überprüft wird, ob ein weiterer weißer Pixel vorhanden ist, wobei für jeden Punkt, der zumindest aus einem detektierten weißen Pixel besteht und eine vorbestimmte Größe aufweist, der Schwerpunkt berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Schenkel detektiert wird, wenn vier benachbarte Schwerpunkte auf einer gemeinsamen Strecke liegen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Schenkel detektiert wird, wenn der maximale Abstand zweier Schwerpunkte auf einer der Strecken größer als eine vorgegebene Mindestlänge ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Rampe (18) detektiert wird, wenn zwei Schenkel detektiert werden, die beiden Schenkel einen gemeinsamen Punkt aufweisen und der gemeinsame Punkt ein Endpunkt der beiden Strecken ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zumindest drei Meßpunkte (R, S, V) anhand der Position der Rampe (18) bestimmt werden, wobei einer der Meßpunkte (S) einem Mittelpunkt der Rampe (18) zugeordnet wird und die beiden weiteren Meßpunkte (R, V) äußeren Enden der Rampe (18) zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Rampe (18) als Beobachtungselement in einem initialen Schritt detektiert wird und nach Detektion der Rampe (18) eine Veränderung der Position des zumindest einen Hilfspunkts detektiert wird und anhand dieser Detektion die Position der Rampe (18) erneut bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Veränderung der Position eines Hilfspunkts in den Bilddaten von einem ersten Bild zu einem nächsten Bild, welche von der Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32) erzeugt wurden, dadurch detektiert wird, daß in einer Umgebung eines jeden bereits in den Bilddaten des ersten Bilds detektierten Hilfspunkts die Pixel in dem nächsten Bild überprüft werden und die Position des Schwerpunkts des neu detektierten Hilfspunkts detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei, wenn nicht alle Meßpunkte (R, S, V) in dem nächsten Bild detektiert werden, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 5 bis 10 durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei, wenn nicht alle Meßpunkte (R, S, V) in dem nächsten Bild detektiert werden, ein Schritt oder mehrere Schritte wiederholt durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei anhand des Anordnungswinkels Θ_1,2 zwischen der Fahrzeuglängsachse (22) des Zugfahrzeugs (12) und der Lenkachse (20) des Anhängers (14) und anhand des Anordnungswinkels Θ_2,3 zwischen der Lenkachse (20) und der Anhängerlängsachse (34) des Anhängers (14) eine Trajektorie des Gespanns bestehend aus Zugfahrzeug (12) und Anhänger (14) insbesondere automatisch bestimmt wird.
Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Anhängers (14) mit zumindest einer bewegbaren Radachse relativ zu einem Zugfahrzeug (12) mit – zumindest einem Beobachtungselement (18), dem zumindest drei Meßpunkte (R, S, V) zugeordnet sind, – einer Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32), welche ausgelegt ist, farbige Bilddaten umfassend eine Vielzahl von Pixeln des zumindest einen Beobachtungselements (18) zu erzeugen, – einer Detektionseinrichtung, welche ausgelegt ist zumindest drei vorgegebene Meßpunkte (R, S, V) in den Bilddaten zu detektieren, indem zumindest drei Hilfspunkte detektiert werden, welche durch ein Umwandeln der farbigen Bilddaten mittels eines Schwellwertes in schwarz/weiß Bilddaten bestimmt werden und wobei für die detektierten Hilfspunkte jeweils ein Schwerpunkt berechnet wird, wobei für die Position P_x, P_y des jeweiligen Schwerpunktes gilt:
wobei für die Vielzahl von Schwerpunkten detektierter Hilfspunkte benachbarte Schwerpunkte detektiert werden und die benachbarten Schwerpunkte als auf einer Strecke liegend detektiert werden, wenn die Summe der Abstände der einzelnen Schwerpunkte untereinander gleich ist zu dem größten Abstand zweier der Schwerpunkte, und indem die Hilfspunkte den Meßpunkten zugeordnet werden, – einer Bestimmungseinrichtung, welche ausgelegt ist, – die Position eines jeden Meßpunktes (R, S, V) relativ zu der Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32) in Bezugskoordinaten zu bestimmen, – eine absolute Position eines jeden Meßpunktes (R, S, V) gegenüber der Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32) anhand der Bezugskoordinaten zu bestimmen, – einen Anordnungswinkel Θ_1,2 zwischen einer Fahrzeuglängsachse (22) des Zugfahrzeugs (12) und einer Lenkachse (20) des Anhängers (14) anhand der absoluten Positionen der Meßpunkte (R, S, V) gegenüber der Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32) zu bestimmen und – einen Anordnungswinkel Θ_2,3 zwischen der Lenkachse (20) und einer Anhängerlängsachse (34) des Anhängers (14) anhand der absoluten Positionen der Meßpunkte (R, S, V) gegenüber der Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Beobachtungselement (18) eine Vielzahl von Darstellungseinrichtungen (24, 30) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Darstellungseinrichtungen (24, 30) Infrarotdioden, insbesondere drei, vorzugsweise sieben Infrarotdioden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Bildaufnahmeeinrichtung (16, 32) eine Digitalkamera und/oder eine Analogkamera umfaßt.
Computerprogrammprodukt, insbesondere auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder als Signal verwirklicht, welches, wenn geladen in den Speicher eines Computers und ausgeführt von dem Computer ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchführt.