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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Modellschienenfahrzeuges, wie beispielsweise einer Modelleisenbahn.
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Neue funkbasierte Kommunikationstechnologien, wie beispielsweise Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation und Fahrzeug-zu-Infrastruktur Kommunikation für den Schienen- und Straßenverkehr erlauben eine Vielzahl innovativer Anwendungen zur Verkehrssteuerung und- Kontrolle, sowie zur Erhöhung der Sicherheit im Verkehr. Für die Entwicklung solcher neuer Systeme, wie beispielsweise Kollisionswarnsysteme, ist es notwendig ihre Funktionsweise zu testen und weiter zu entwickeln. Insbesondere müssen Anforderungen an das System hinsichtlich seiner Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit überprüft werden. Besonders sind hierbei die Interaktionen mit zentralen Verkehrsleitstellen und den teilweise autonomen Fahrzeugen bzw. den Fahrzeuglenkern und Triebwagenführern zu berücksichtigen.
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Die Bewertung der Systemeigenschaften während der Entwicklung wird im Allgemeinen mittels Simulationen, Testplattformen und Hardwareprototypen vorgenommen. Aus Kosten- und Sicherheitsgründen werden hierbei Miniaturtestanlagen eingesetzt. Dabei kann auf kostengünstige Fahrzeuge aus dem Modellbau zurückgegriffen werden, um das Schadensausmaß bei der Entwicklung sicherheitskritischer Anwendungen, wie beispielsweise Kollisionsvermeidung zu minimieren.
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Der Großteil der angesprochenen Anwendungen beruht auf dem Austausch von Verkehrsinformationen, wie beispielsweise Position, Geschwindigkeit und Richtung von Fahrzeugen, mittels der erwähnten Fahrzeug-zu-Fahrzeug- und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation. Für eine realitätsnahe Nachbildung der Ortung von Fahrzeugen mittels Sensoren, wie zum Beispiel Satellitennavigationsempfängern, Drehwinkelgebern, usw. oder beispielsweise auch Balisen im Eisenbahnverkehr, ist es notwendig auf Miniatur-Test- und Verifikationsanlagen eine geeignete Technologie einzusetzen, die skaliert entsprechend dem Maßstab der Anlage eine sehr präzise Positionsbestimmung (typisch im Millimeterbereich) erlaubt.
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Für industrielle Ortungsaufgaben, für „Safety of Life“ Anwendungen oder „Location-based“ Services existiert eine Vielzahl von Methoden zur Positionsbestimmung. Vor allem für die Ortung in Gebäuden wurden Alternativen zu GPS entwickelt, mit denen ähnliche Genauigkeiten erreicht werden können. Für eine noch präzisere Ortung können Motion-Capture-Systeme verwendet werden, die darauf beruhen, dass mehrere im Raum montierte Kameras Reflektoren verfolgen, welche auf bewegten Objekten platziert wurden, um daraus die absolute Position der Objekte zu schätzen. Nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet ein System, bei dem die Geschwindigkeiten der Objekte anhand von Kamerabildern geschätzt werden und zusammen mit statischen Reflektoren in der Umgebung zu einer Positionsschätzung der Objekte führen. Ein solches System ist in D. Wagner, T.Pintaric, F. Ledermann und D. Schmalstieg „Towards Massively Multi-User Augmented Reality on Handheld Devices" Proceedings of the third International Conference on Pervasive Computing, Munich, Germany 2005, beschrieben.
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Genauigkeiten bis in den Zentimeterbereich sind auch mit Ultra-Wide Band (UWB) Systemen erreichbar. Um die Positionsinformation direkt am bewegten Objekt zur Verfügung zu stellen, ist es ferner bekannt, Stereokamerasysteme mit integrierter Bildverarbeitung einzusetzen, welche die Bestimmung der Trajektorie des Objekts erlauben. Derartige Systeme sind in folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
- - D. Griessbach, A. Börner , M. Scheele, K. Scheibe, S. Sujew, „Line scanner in combination with internal measurement unit" In: Proccedings of the ISPRS working group V/1, XXXIV (5W16). ‚Panoramic Photogrammetry Workshop‘ 19. - 22. Februar 2004, Dresden, ISSN 1682 - 1750
- - Grießbach, Dennis und Bröner, Anko und Ernst, Ines und Zuev, Sergey (2010) Real-time dense stereo mapping for multi-sensor navigation. In: International Archives of Photogrammetry , Remote Sensing and Spatial Information Scienes, XXXVIII (5), Seiten 256 - 261, ISPRS. ISPRS, Commision V, Midterm symposium, Newcastle 2010, Newcastle, UK.
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Eine im Modellbau eingesetzte Technik zur Lok-individuellen Zugsteuerung (LISSY) bedient sich der Infrarottechnik, um an bestimmten Stellen entlang der Strecke das Passieren eines bestimmten Zuges an eine Zentrale zu melden. Dies wird dadurch erreicht, dass sich am Modellzug ein IR-Sender befindet, der eine lockspezifische ID aussendet. An den entsprechenden Punkten entlang der Strecke befinden sich IR-Empfänger, die beim Überfahren die ID der Lock an die Zentrale melden. Beim Überfahren dieser Empfänger ist also für einen Augenblick die präzise Position des Modellzuges in der Zentrale bekannt. Das LISSY-System ist in der folgenden Druckschrift beschrieben: Zeitschrift MIBA-Miniaturbahnen, 5/2006, Seiten 84-87.
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Motion-Capture-Systeme und UWB-Systeme weisen den Nachteil auf, dass die Positionsinformation nicht wie für die Nachbildung von kooperativen Fahrzeugsystemen notwendig, am Fahrzeugmodell selbst zur Verfügung steht. Die Positionsinformation müsste somit zunächst möglichst ohne Verzögerung an das Fahrzeugmodell übertragen werden. Weiterhin sind diese Systeme nicht geeignet, mehrere nahe beieinander liegende bewegte Fahrzugmodelle gleichzeitig zu orten, zu unterscheiden und ihre individuelle Positionsinformation zu übermitteln.
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Während bei (Stereo)- Kamerasystemen die Positionsinformation am Objekt selbst zur Verfügung steht, haben sie den Nachteil, dass die Fahrzeugmodelle dafür hinreichend groß sein müssen. Für eine absolute Positionsbestimmung sind Zusatzsensoren oder Referenzpunkte notwendig. Ferner besteht wie bei anderen optischen Lösungen die Voraussetzung eine geeignete Beleuchtung des Raumes zu schaffen.
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Beim IR-System für Modellbahnen steht wiederum die Positionsinformation nicht am Modellzug selbst zur Verfügung. Weiterhin sind infrastrukturseitig sehr viele IR-Empfänger notwendig, um eine präzise flächendeckende Positionsinformation bereit zu stellen. Dies bedeutet einen hohen Hardwareeinsatz und einen hohen Aufwand bei der Auswertung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren zur Positionsbestimmung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Modellschienenfahrzeuges bereitzustellen, das eine hohe Genauigkeit aufweist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Positionsbestimmung eines Fahrzeuges und insbesondere eine Modellfahrzeuges, wie zum Beispiel eines Modellschienenfahrzeuges und umfasst die folgenden Schritte: Durch mindestens eine IR-Lichtquelle, wie beispielsweise eine IR-LED wird ein IR-Lichtsignal ausgesendet. Die IR-Lichtquelle ist entlang der vom Fahrzeug zu befahrenden Strecke, beispielsweise an den Schienen positioniert. Das ausgesendete IR-Lichtsignal wird durch mindestens einen im oder am Fahrzeug angebrachten Lichtempfänger detektiert. Dies geschieht zum Zeitpunkt des Überfahrens der IR-Lichtquelle, so dass hierdurch am Fahrzeug die Information zur Verfügung steht, dass sich das Fahrzeug zu diesem Zeitpunkt an der Position dieser IR-Lichtquelle befindet. Erfindungsgemäß kann das verwendete Messsystem kalibriert werden, indem die genauen Positionen der mindestens einen IR-Lichtquelle entlang der Strecke durch folgende Schritte bestimmt werden: Es werden am Fahrzeug angebrachte Markierelemente durch ein Motion-Capture-System erfasst. Die Position des Fahrzeuges wird anhand der erfassten Markierelemente bestimmt. Hierbei kann ein handelsübliches Motion-Capture-System verwendet werden, beispielsweise das von Vicon Motion Systems angebotene System Vicon MX.
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Erfindungsgemäß wird zum Zeitpunkt des Überfahrens einer IR-Lichtquelle dieser Lichtquelle die durch das Motion-Capture-System erfasste Position zugeordnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass ein IR-Lichtempfänger relativ kleine Abmessungen aufweist und somit auch in kleiner Fahrzeugmodelle eingebaut werden kann. Die Positionsbestimmung durch den IR-Lichtempfänger erfolgt immer absolut, so dass auch beim Platzieren des Modells an einer beliebigen Stelle sofort die absolute Positionsinformation zur Verfügung steht, sofern ein IR-Lichtsignal empfangbar ist. Dies ist im Gegensatz hierzu bei Sensoren wie Drehwinkelgebern usw., die auf Relativmessungen beruhen, nicht möglich. Der IR-Lichtempfänger kann beispielsweise eine Empfängerdiode am Fahrzeug sein. Je nach Abstand und Anzahl der Empfängerdioden am Fahrzeugen bzw. dem Abstand der IR-Lichtquellen oder Sender entlang der Strecke, dem Öffnungswinkel der Sendedioden und der Senderate kann der Hardwareeinsatz minimiert werden, um eine bestimmte Positionsgenauigkeit zu erzielen.
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Für die Modellierung des Schienenverkehrs ist eine eindimensionale Abdeckung mit Sendemodulen entlang der Schienenwege ausreichend. Bei Straßenverkehrs-Modellanlagen können analog die einzelnen Fahrspuren abgedeckt werden (beispielsweise für die Untersuchung von „Platooning“-Szenarien). Weiterhin kann die Anordnung der Sendmodule auch zur präzisen Modellierung eines Spurwechsels zweidimensional erfolgen.
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Um das System einsetzen zu können, ist es notwendig die genaue Position der Infrarotsendemodule zu kennen. Dies muss in Bezug auf jedes einzelne IR-Sendemodul erfolgen. Das erfindungsgemäße Kalibrieren des Messsystems unter Verwendung des Motion-Capture-Systems vereinfacht diese Schritte gegenüber einem manuellen Vermessen der Positionen. Durch das erfindungsgemäße Kalibrieren findet somit ein Mapping, das heißt Zuordnen, jeder IR-Lichtquelle zu einer Position statt, die durch das Motion-Capture-System ermittelt wurde.
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Erfindungsgemäß wird somit eine millimetergenaue zweidimensionale absolute Positionsbestimmung auch an Bord kleiner Objekte ermöglicht. Es bestehen keine besonderen Anforderungen hinsichtlich der Umgebungsbeleuchtung.
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Als Markierelemente im oder am Fahrzeug können beispielsweise silberne Kugeln verwendet werden, die von Kameras des Motion-Capture Systems erfasst werden.
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Es ist bevorzugt, dass eine dreidimensionale Position der IR-Lichtquellen durch das Motion-Capture System erfasst wird.
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Weiterhin ist bevorzugt, dass durch Befahren der Strecke mit dem Fahrzeug und durch Erfassen der hierauf angebrachten Markierelemente eine Karte mit den Positionen der IR-Lichtquellen entlang der Strecke erstellt wird. Für die Kalibrierung eines Systems, das beispielsweise eine Modelleisenbahn nutzt, könnte hierzu eine Lokomotive verwendet werden, die zuverlässig vom Motion-Capture System erfasst wird. Hierbei wird berücksichtigt, dass Motion-Capture-Systeme nicht in der Lage sind, mehrere nahe beieinander liegende bewegte Fahrzeugmodelle gleichzeitig zu orten und zu unterscheiden.
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Während des tatsächlichen Fahrbetriebs wird das Schienennetz selbstverständlich von einer Vielzahl von unabhängigen Fahrzeugen befahren, deren Position allerdings nicht mehr durch Motion-Capture System sondern durch die genannten IR-Lichtquellen und IR-Lichtempfänger ermittelt wird. Es ist somit bevorzugt, das Motion-Capture System lediglich zur Kalibrierung des Messsystems und nicht für die anschließende Positionsbestimmung im Testbetrieb zu verwenden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Realisierung von Testszenarien unter Verwendung von Modellfahrzeugen verwendet werden, wobei durch eine Koordinatentransformation die dem Maßstab der Anlage entsprechenden Koordinaten einem realen Streckennetz zugeordnet werden können. Hierbei kann es sich beispielsweise um WGS 84 Koordinaten handeln. Anhand dieser Zuordnung zu einer realen Umgebung ist es möglich, reale Ortungssysteme und deren Eigenschaften auf einer Modellanlage nachzubilden.
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Es ist bevorzugt, dass während des Befahrens der Strecke für die Kalibrierung eine Datenverbindung zwischen dem Fahrzeug und dem Motion-Capture System hergestellt wird, über die dem Motion-Capture System der genaue Zeitpunkt mitgeteilt wird, an dem das Fahrzeug eine IR-Lichtquelle überfährt. Die Bestimmung der genauen Positionen der IR-Lichtquellen erfolgt in dieser Ausführungsform der Erfindung somit in Echtzeit.
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Alternativ ist es möglich, die Zeitpunkte, an denen das Fahrzeug eine bestimmte IR-Lichtquelle überfährt und die anhand des Motion-Capture Systems ermittelte Position des Fahrzeuges über die Zeit derart aufzuzeichnen, dass sie zeitlich einander zugeordnet werden können. Dies kann in einem Post-Processing erfolgen.
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Erfindungsgemäß findet somit eine automatische Systemkalibrierung statt, die besonders schnell und einfach realisiert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist das Fahrzeug mehrere IR-Lichtempfänger auf. Beispielsweise kann das Fahrzeug zwei IR-Lichtempfänger aufweisen. Ferner sind an mindestens einer bestimmten Position entlang der Strecke mehrere IR-Lichtquellen angeordnet. Dies bedeutet, dass dieses IR-Lichtquellen nicht über einen größeren Abschnitt der Strecke verteilt sind, sondern sich an einer bestimmten Position in einem geringen Abstand zueinander befinden.
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Der Abstand der mehreren Empfänger am Fahrzeug zueinander kann sich hierbei von dem Abstand der mehreren IR-Lichtquellen an der mindestens einen bestimmten Position entlang der Strecke unterscheiden. Hierdurch kann eine erhöhte Genauigkeit der Positionsinformation erreicht werden. Dies liegt darin begründet, dass die Genauigkeit der Positionsinformation vom Öffnungswinkel der Lichtquelle abhängt. Wird beispielsweise eine Sendediode mit einem schmalen Öffnungswinkel verwendet, ist eine genauere Positionsbestimmung möglich, weil nur exakt über der Position der Lichtquelle das Signal empfangen werden kann. Allerdings wird das Signal, das heißt zum Beispiel die ID mit einer endlichen Wiederholrate ausgesendet, zum Beispiel bei LISSY 18 Mal pro Sekunde. Dies bedeutet, dass es bei sehr kleinem Öffnungswinkel und einer hohen Geschwindigkeit des Fahrzeuges vorkommen kann, dass der Empfänger beim Überfahren keine ID empfängt. Die Genauigkeit und Auflösung der Positionsinformation kann somit dadurch erhöht werden, dass mehrere IR-Lichtempfänger am Fahrzeug angebracht werden. Der Abstand der Lichtempfänger am Fahrzeug ist ungleich dem Abstand der IR-Lichtsender im Gleis. Bewegt sich nun das Fahrzeug um ein Stück, welches kleiner ist als der Abstand der Sender im Gleis, führt dies dazu, dass einer der am Fahrzeug angebrachten Empfänger nichts mehr empfängt, weil er aus dem Sendekegel hinausfährt. Ein zweiter Empfänger empfängt aber nach wie vor die ID des darunterliegenden Senders. Bewegt sich das Fahrzeug noch ein kleines Stück weiter, kann beispielsweise ein dritter Empfänger an den Rand des nächsten Sendekegels gelangen und eine neue ID empfangen.
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Somit ermöglicht die gleichzeitige Auswertung mehrerer Infrarotempfänger eine präzisere Bestimmung der aktuellen Position des Fahrzeuges weil kleine Teilschritte in der Positionsveränderung erkennbar werden. Abhängig vom gewählten Abstand der Empfänger am Fahrzeug, dem Abstand der Sender im Gleis, dem Öffnungswinkel und der Wiederholfrequenz der Sender lassen sich Auflösung und Genauigkeit im Hinblick auf einen bestimmten Hardwareeinsatz optimieren.
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Der Einsatz von mehr als einem Empfänger am Fahrzeug erlaubt ferner zusätzlich die Bestimmung der Orientierung des Fahrzeuges.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer Figur näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsytems.
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Hierbei handelt es sich um eine Anlage zur Evaluierung eines Kollisionsvermeidungssystems im Schienenverkehr. In der Modelllokomotive 10 ist neben den beiden IR-Empfangsmodulen 14a, 14b eine Steuereinheit, wie beispielsweise ein Mini-PC 22 angeordnet, der beispielsweise über einen WLAN-Adapter mit dem Motion-Capture System 20 kommunizieren kann. Die IR-Lichtquellen 12a bis 12d sind im Gleisbett 16 integriert und können beispielsweise direkt von den Schienen mit Strom versorgt werden. Die Sendemodule 12a bis 12d weisen einen Speicher auf, in dem die ID jedes Moduls gespeichert ist, sowie eine IR-Sendediode. Jede ID entspricht gemäß dem Verbauungsplan jeweils einer bestimmten Ortskoordinate, wobei die genaue Position jeder IR-Lichtquelle erfindungsgemäß durch das Motion-Capture System 20 vorab ermittelt wird.
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Die Kalibrierung des Systems erfolgt durch simples Abfahren der Anlage mit dem Modellfahrzeug 10. Dabei werden die Positionen der IR-Sender 12a, 12b im Koordinatensystem des Motion-Capture Systems 20 bestimmt. Durch eine Koordinatentransformation können schließlich die dem Maßstab der Anlage entsprechenden WGS 84 Koordinaten einem realen Streckennetz zugeordnet werden. Anhand dieser Zuordnung zu einer realen Umgebung ist es möglich, reale Ortungssysteme auf der dargestellten Modellanlage nachzubilden.
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Die IR-Empfangsmodule 14a, 14b können beispielsweise an der Unterseite des Fahrzeuges 10 angebracht sein. Für die IR-Sendemodule können statt SMD-Dioden Hochleistungsdioden mit kleinem Öffnungswinkel verwendet werden, die in Bohrungen der Gleisschwellen untergebracht sind. Hierdurch kann eine größere Reichweite erreicht werden.
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Als Motion-Capture System zur Kalibrierung der Komponenten der IR-Positionsbestimmung eignet sich das Vicon MX System mit Kameras vom Typ Bonita. Diese Kameras unterstützen die Ortung von langsamen und schnell bewegten Objekten mit einer Rate von Maximal 240 Bildern pro Sekunde. Die Genauigkeit der Ortung beträgt bis zu 1mm für ein Areal von 4×4m.
