DE102017212955A1

DE102017212955A1 - Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs mit Hilfe einer bordeigenen Kamera

Info

Publication number: DE102017212955A1
Application number: DE102017212955.7A
Authority: DE
Inventors: Steven Alexander Calder; Hamed KETABDAR; Navid Nourani-Vatani; Andrew Palmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-01-31
Also published as: WO2019020348A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit (V((t)) eines Schienenfahrzeugs (30) beschrieben. Bei dem Verfahren wird eine dynamische Bildaufnahme (DBD) des Innenbereichs und/oder der äußeren Umgebung des Schienenfahrzeugs (30) mit einer im Fahrzeuginneren angeordneten Überwachungskamera (21) durchgeführt. Weiterhin werden bewegte Strukturen (OB) in der dynamischen Bildaufnahme (DBD) ermittelt. Schließlich wird auf Basis der Bewegung der bewegten Strukturen (OB) die Fahrzeuggeschwindigkeit (v(t)) ermittelt. Es wird auch eine Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung (20) beschrieben. Überdies wird ein Schienenfahrzeug (30) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs. Überdies betrifft die Erfindung eine Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug.
Die Ermittlung der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen ist essentiell für das autonome Fahren und den Betrieb von Assistenzsystemen. Die Geschwindigkeitsinformation kann für unterschiedliche Zwecke, wie zum Beispiel die Überwachung der Einhaltung von Verkehrsbestimmungen, das Einhalten von Fahrplänen, Bremsmanöver und zum Zwecke der Positionsbestimmung genutzt werden.
Messungen zur Ermittlung von Geschwindigkeiten von Schienenfahrzeugen erfolgen mit Hilfe von technischen Einrichtungen, wie zum Beispiel Tachometern, Doppler-Radargeräten, GPS-Sensoren oder Balise-Detektoren. Einzelne Messverfahren können auch miteinander kombiniert werden, wodurch eine verbesserte Zuverlässigkeit der ermittelten Daten erreicht wird. Es gibt jedoch Situationen, bei denen mit Hilfe derartiger Sensoren keine genauen Angaben zur Geschwindigkeit eines Fahrzeugs gemacht werden können. Dies kann zum Beispiel dann passieren, wenn die Räder des Schienenfahrzeugs aufgrund einer starken Beschleunigung oder eines plötzlichen Bremsmanövers in den Gleitzustand übergehen, ein Signalfehler bei niedrigen Temperaturen auftritt oder kein GPS-Signal in Tunneln erfasst werden kann.
Es besteht also die Aufgabe, ein robustes Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs zu entwickeln, welche gegebenenfalls mit bereits vorhandenen Verfahren bzw. Vorrichtungen kombiniert werden kann, um eine zuverlässige Geschwindigkeitsermittlung leisten zu können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1, eine Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung gemäß Patentanspruch 9 und ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs wird eine dynamische Bildaufnahme des Innenbereichs und/oder der äußeren Umgebung des Schienenfahrzeugs mit einer im Fahrzeuginneren angeordneten Überwachungskamera durchgeführt. Als Bildaufnahme soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine optische Bildaufnahme verstanden werden. Von dem Begriff Bildaufnahme sollen aber auch andere Bildaufnahmetechniken, wie zum Beispiel Infrarotaufnahmen, umfasst sein, deren Daten als Grundlage für eine optische Bilddarstellung dienen können.
In der dynamischen Bildaufnahme bzw. den zugehörigen dynamischen Bilddaten werden bewegte Strukturen ermittelt. Bewegte Strukturen sollen in diesem Zusammenhang aufgrund von Kontrastunterschieden identifizierbare bzw. lokalisierbare Bildbereiche umfassen, die sich in einer Bildfolge in zeitlich nacheinander aufgenommenen Bildern an unterschiedlichen Positionen befinden. Schließlich wird die Fahrzeuggeschwindigkeit auf Basis der Bewegung der bewegten Strukturen ermittelt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere bei einer Kombination mit herkömmlichen Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs eine erhöhte Robustheit bei der Ermittlung dieser Größe erreicht werden. Weiterhin kann auch die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung verbessert werden. Vorteilhaft können üblicherweise vorhandene Überwachungseinrichtungen, wie zum Beispiel Überwachungskameras in den Schienenfahrzeugen, zur Aufnahme der notwendigen Bilddaten der Bildaufnahme verwendet werden, so dass keine zusätzliche Hardware installiert werden muss, um das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren.
Die erfindungsgemäße Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung für ein Schienenfahrzeug umfasst eine im Fahrzeuginneren angeordnete Überwachungskamera zum Durchführen einer dynamischen Bildaufnahme des Innenbereichs und/oder der äußeren Umgebung des Schienenfahrzeugs. Die erfindungsgemäße Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung weist eine Strukturermittlungseinheit zum Ermitteln von bewegten Strukturen in der dynamischen Bildaufnahme auf. Teil der erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung ist auch eine Geschwindigkeitsermittlungseinheit zum Ermitteln der Fahrzeuggeschwindigkeit auf Basis der Bewegung der bewegten Strukturen. Die erfindungsgemäße Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs.
Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist die erfindungsgemäße Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung auf. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung.
Einige Komponenten der erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere Teile der Strukturermittlungseinheit und der Geschwindigkeitsermittlungseinheit. Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher in einem Schienenfahrzeug vorhandene Rechnersysteme auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines solchen Rechnersystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in dem Rechnersystem ausgeführt wird.
Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile, wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen
Zum Transport zur Speichereinrichtung des Rechnersystems und/oder zur Speicherung an dem Rechnersystem kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibungsteilen weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung auch die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs werden scheinbar bewegte Strukturen in der äußeren Umgebung, welche von der Überwachungskamera durch ein Fenster des Schienenfahrzeugs aufgenommen wird, zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit genutzt. Da die meisten Objekte, wie zum Beispiel Masten, Brücken, Signale, Warnschilder, außerhalb eines Schienenfahrzeugs stationär sind, eignen sich diese besonders gut, um die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs als Relativgeschwindigkeit zu den stationären Strukturen ermitteln. Denn bei diesen Objekten ist deren Relativgeschwindigkeit zum Schienenfahrzeug mit dessen Fahrgeschwindigkeit betragsmäßig gleichzusetzen.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs werden mit Hilfe der Überwachungskamera Lichteffekte im Inneren des Schienenfahrzeugs aufgenommen, welche von außerhalb des Schienenfahrzugs befindlichen Lichtquellen erzeugt werden und auf Basis der Positionsänderung der Lichteffekte wird anhand der dynamischen Bildaufnahme die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt. Bei dieser Variante können die Überwachungskameras zur Überwachung auf den Innenraum gerichtet sein und gleichzeitig zur Geschwindigkeitsmessung genutzt werden. Werden die Lichteffekte durch stationäre Lichtquellen oder schattenwerfende Objekte erzeugt, so kann die Bewegung der entsprechenden Lichteffekte in den Überwachungsbildern vom Innenraum des Schienenfahrzeugs zur Geschwindigkeitsermittlung verwendet werden. Vorteilhaft können von den Überwachungskameras mehrere Funktionen, d.h. die Überwachungsfunkton und eine Funktion zur Ermittlung einer Fahrzeuggeschwindigkeit, gleichzeitig wahrgenommen werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs wird die scheinbare Bewegung von Kanten oder Objekten in der äußeren Umgebung durch die dynamische Bildaufnahme erfasst und es wird auf Basis der scheinbaren Bewegung der Kanten oder Objekte in der dynamischen Bildaufnahme die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt. Die Verwendung von Kanten in Bildaufnahmen zur Geschwindigkeitsermittlung erlaubt es aufgrund der exakten Lokalisierbarkeit dieser Strukturen, eine besonders genaue Ermittlung von Positionsänderungen durchzuführen und auf diese Weise die Genauigkeit der ermittelten Geschwindigkeitswerte weiter zu verbessern.
In einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs wird die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs durch eine Kombination aus der erfindungsgemäß ermittelten Fahrzeuggeschwindigkeit und mit anderen Techniken gewonnenen Geschwindigkeitsdaten ermittelt. Vorteilhaft können durch Mittelwerte Abweichungen bei einzelnen Messverfahren kompensiert werden, so dass die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Geschwindigkeitsmessung verbessert ist.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs werden die mit anderen Techniken gewonnenen Geschwindigkeitsdaten mit Hilfe mindestens einer der folgenden Vorrichtungen ermittelt:

- Doppler-Radar,
- Drehzahlmesser.

Vorteilhaft können bei der Anwendung dieser herkömmlichen Anordnungen zur Geschwindigkeitsmessung auftretende Abweichungen mit Hilfe der zusätzlichen erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsmessung erkannt werden.
Werden unterschiedliche Werte, welche auf Basis von unterschiedlichen Geschwindigkeitsmessverfahren gewonnen wurden, miteinander kombiniert, so kann die Kombination der Geschwindigkeitsdaten mit Hilfe eines Kalman-Filters erfolgen. Mit einem Kalman-Filter können bei Messungen erzeugte Störungen herausgefiltert werden und damit die Qualität der Messdaten verbessert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Ermitteln einer Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
2 ein Blockdiagramm, welches eine Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
3 ein Blockdiagramm, welches ein Schienenfahrzeug mit einer Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.

In 1 ist ein Flussdiagramm 100 gezeigt, welches ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem Schritt 1. I wird eine dynamische Bildaufnahme der äußeren Umgebung des Schienenfahrzeugs mit einer im Fahrzeuginneren angeordneten Überwachungskamera durchgeführt. Dabei werden dynamische Bilddaten DBD, welche eine Bildfolge von der äußeren Umgebung des Schienenfahrzeugs umfassen, erfasst. Bei dem Schritt 1. II werden bewegte Strukturen OB in der dynamischen Bildaufnahme bzw. in den zugeordneten Bilddaten ermittelt. Diese Strukturen werden bei dem Schritt 1. III in der Bildfolge der dynamischen Bilddaten DBD lokalisiert. Dabei wird eine zeitabhängige Position P_OB(t) der identifizierten Strukturen ermittelt. Schließlich wird bei dem Schritt 1.IV eine Fahrzeuggeschwindigkeit v(t) auf Basis der ermittelten zeitabhängigen Position P_OB(t) der bewegten, identifizierten Strukturen ermittelt.
In 2 ist ein Blockdiagramm gezeigt, welches eine Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung 20 kann zum Beispiel Teil eines Schienenfahrzeugs 30 (siehe 3) sein. Die Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung 20 umfasst eine Videokamera 21. Die Videokamera 21 erfasst dynamische Bildinformationen DBD von der äußeren Umgebung des betreffenden Schienenfahrzeugs 30 (siehe 3). Die dynamischen Bilddaten DBD werden an eine Auswerteeinheit 22 übermittelt. Die Auswerteeinheit 22 umfasst eine Strukturermittlungseinheit 23. Die Strukturermittlungseinheit 23 ist in eine Strukturdetektionseinheit 23a und eine Positionsermittlungseinheit 23b aufgeteilt. Mit der Strukturdetektionseinheit 23a werden markante, wiederauffindbare Strukturen OB in den dynamischen Bilddaten identifiziert. Diese Strukturen OB werden markiert und von der Positionsermittlungseinheit 23b in dem Bildmaterial lokalisiert. Die ermittelten Positionsdaten P_OB(t) der Strukturen OB werden an eine Geschwindigkeitsermittlungseinheit 24 übermittelt, welche auf Basis der Positionsdaten P_OB(t) die Geschwindigkeit v(t) des betreffenden Schienenfahrzeugs 30 berechnet.
In 3 ist ein Schienenfahrzeug 30 mit einer erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung 20 gezeigt. Das Schienenfahrzeug 30 umfasst die in 2 veranschaulichte Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung 20 sowie eine Anzeigeeinheit 31 zur Anzeige der ermittelten Geschwindigkeit v(t) Wie in 3 zu erkennen ist, werden an der Streckenseite in regelmäßigen Abständen d angeordnete Masten M von der Kamera 21 der Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung 20 zeitlich nacheinander erfasst. Anhand der Position der Masten M in den Bildern DBD kann zum Beispiel von einer Auswerteeinheit 22, die Teil der Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung 20 ist, ermittelt werden, in welchem Zeitintervall Δt zwei aufeinanderfolgende Masten in den Bildaufnahmen genau an derselben Position auftreten. Mithin ergibt sich die Geschwindigkeit v(t) wie folgt: $v (t) = \frac{d}{Δ t} .$
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit (v((t)) eines Schienenfahrzeugs (30), aufweisend die Schritte: - Durchführen einer dynamischen Bildaufnahme (DBD) des Innenbereichs und/oder der äußeren Umgebung des Schienenfahrzeugs (30) mit einer im Fahrzeuginneren angeordneten Überwachungskamera (21), - Ermitteln von bewegten Strukturen (OB) in der dynamischen Bildaufnahme (DBD), - Ermitteln der Fahrzeuggeschwindigkeit (v(t)) auf Basis der Bewegung der bewegten Strukturen (OB).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei scheinbar bewegte Strukturen (OB) in der äußeren Umgebung, welche von der Überwachungskamera (21) durch ein Fenster des Schienenfahrzeugs (30) aufgenommen wird, zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit (v(t)) genutzt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - mit Hilfe der Überwachungskamera (21) Lichteffekte im Inneren des Schienenfahrzeugs (30) aufgenommen werden, welche von außerhalb des Schienenfahrzugs (30) befindlichen Lichtquellen erzeugt werden, und - auf Basis der Positionsänderung der Lichteffekte auf der dynamischen Bildaufnahme (DBD) die Fahrzeuggeschwindigkeit (v(t)) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - eine scheinbare Bewegung von Kanten oder Objekten in der äußeren Umgebung durch die dynamische Bildaufnahme (DBD) erfasst wird und - auf Basis der scheinbaren Bewegung der Kanten oder Objekte in der dynamischen Bildaufnahme (DBD) die Fahrzeuggeschwindigkeit (v(t)) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Geschwindigkeit (v(t)) des Schienenfahrzeugs (30) durch eine Kombination aus der mit dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ermittelten Fahrzeuggeschwindigkeit und aus mit anderen Techniken gewonnenen Geschwindigkeitsdaten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die mit anderen Techniken gewonnenen Geschwindigkeitsdaten mit Hilfe mindestens einer der folgenden Vorrichtungen ermittelt werden: - Doppler-Radar, - Drehzahlmesser.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Kombination der Geschwindigkeitsdaten mit Hilfe eines Kalman-Filters erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei fehlerhafte Abweichungen der mit anderen Techniken gewonnenen Geschwindigkeitsdaten mit Hilfe der mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gewonnenen Geschwindigkeitsdaten detektiert werden.
Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung (20) für ein Schienenfahrzeug (30), aufweisend: - eine im Fahrzeuginneren angeordnete Überwachungskamera (21) zum Durchführen einer dynamischen Bildaufnahme (DBD) - eine Strukturermittlungseinheit (23) zum Ermitteln von bewegten Strukturen (OB) in der dynamischen Bildaufnahme (DBD), - eine Geschwindigkeitsermittlungseinheit (24) zum Ermitteln der Fahrzeuggeschwindigkeit (v(t)) auf Basis der Bewegung der bewegten Strukturen (OB).
Schienenfahrzeug (30), ausweisend eine Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung (v(t)) nach Anspruch 9.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinheit eines Schienenfahrzeugs (30) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, wenn das Computerprogramm in dem Schienenfahrzeug (30) ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechnereinheit ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit ausgeführt werden.