DE102017218006A1

DE102017218006A1 - Bewegungsermittlungseinrichtung mit Beschleunigungssensor mit beweglicher Aufhängung

Info

Publication number: DE102017218006A1
Application number: DE102017218006.4A
Authority: DE
Inventors: Navid Nourani-Vatani; Andreas Pfrunder; Florian Tschopp
Original assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Siemens AG
Current assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Siemens AG
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2019-04-11
Also published as: WO2019072635A1

Abstract

Es wird eine Bewegungsermittlungseinrichtung (10) für ein Fahrzeug (20), vorzugsweise ein Schienenfahrzeug, beschrieben. Die Bewegungsermittlungseinrichtung (10) weist eine optische Sensoreinheit (1) zum Erfassen von optischen Sensordaten (OSD) von einer Umgebung des Fahrzeugs (20) auf. Die Bewegungsermittlungseinrichtung (10) weist auch eine Beschleunigungssensoreinheit (2), welche mit dem Fahrzeug (20) mechanisch verbunden, aber relativ zu dem Fahrzeug (20) beweglich angeordnet ist auf. Teil der Bewegungsermittlungseinrichtung (10) ist auch eine Auswertungseinheit (3) zum Ermitteln einer Referenz-Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (20) auf Basis von Beschleunigungsdaten (BD) der Beschleunigungssensoreinheit (2). Überdies umfasst die Bewegungsermittlungseinrichtung (10) auch eine Maßstab-Ermittlungseinheit (4) zum Ermitteln eines Maßstabs (MS) für die optischen Sensordaten (OSD) auf Basis der ermittelten Referenz-Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (20) und der optischen Sensordaten (OSD). Schließlich weist die Bewegungsermittlungseinrichtung (10) eine Geschwindigkeitsermittlungseinheit (5) zum Ermitteln einer Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (20) auf Basis von von der optischen Sensoreinheit (1) erfassten optischen Sensordaten (OSD) und des ermittelten Maßstabs (MS) auf. Weiterhin wird ein Fahrzeug (20) beschrieben. Zudem wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Bewegung eines Fahrzeugs (20) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bewegungsermittlungseinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer Bewegung eines Fahrzeugs.
In Fahrzeugen sind heutzutage oft optische Sensoren, beispielsweise Kameras angeordnet. Kameras können z.B. dazu verwendet werden, um Videos oder Bilder von der Umgebung des Fahrzeugs aufzunehmen, und diese Bilder können dem Fahrzeugführer gezeigt werden oder sie werden mit Hilfe von Verfahren, welche maschinelles Sehen verwenden, oder ähnlichen Verfahren prozessiert, um auswertbare Informationen zu extrahieren. Bei einer solchen Information handelt es sich um die Geschwindigkeit einer Bewegung eines Fahrzeugs, an dem eine Kamera montiert ist. Die Messung der Geschwindigkeit erfolgt durch Ermitteln des Versatzes zwischen unterschiedlichen Bildern.
Wird eine einzige Kamera dafür genutzt, so tritt das folgende Problem auf: Der Maßstab der beobachteten Versetzung bzw. von Abständen in den Bilddaten kann nicht direkt ermittelt werden. Dieses Problem kann auf verschiedene Art gelöst werden. Beispielsweise kann ein Objekt oder ein Muster mit einer bekannten Größe, welches sich im Sichtfeld der Kamera befindet, detektiert werden und zur Ermittlung des Maßstabs genutzt werden. Alternativ können zwei oder mehr Kameras mit bekannter relativer Position und Orientierung zusammen genutzt werden und eine Triangulation durchgeführt werden. Stattdessen oder zusätzlich kann auch ein Beschleunigungssensor an der Kamera montiert werden und auf Basis der Beschleunigungsmessung wird die Bewegung aus den integrierten Beschleunigungswerten berechnet. Weiterhin können zusätzliche Sensoren, wie z.B. Drehgeber oder Bodenradarsysteme, verwendet werden, um den Maßstab zu ermitteln.
Ein Beschleunigungssensor ist besonders interessant aufgrund seiner niedrigen Kosten, wobei kein Bedarf für Zusatzanalysen von Mustern besteht und die erforderlichen Berechnungen einfacher sind. Die Kombination von optischem Sensor und Beschleunigungssensor wird als visueller Inertial-Sensor bezeichnet. Visuelle Inertial-Sensoren werden auch kurz VI-Sensoren genannt. Ein solcher VI-Sensor ist in J. Nikolic et al., „A synchronized visual-inertial sensor system with FPGA pre-processing for accurate real-time SLAM", veröffentlicht in 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), beschrieben.
VI-Sensoren ergeben gute Schätzwerte für Geschwindigkeiten und werden hauptsächlich in Handgeräten oder in Mikrofluggeräten eingesetzt. Wenn jedoch die Bewegung des Fahrzeugs und des Sensors primär in einer Richtung erfolgt, wie es z.B. bei Schienenfahrzeugen der Fall ist, sind die Abweichungen von Messwerten des Inertial-Messgeräts nicht beobachtbar und daher ist die Bewegungsinformation, welche von dem visuellen Inertial-Sensor erfasst wurde, nicht ausreichend, um einen korrekten Maßstab zu ermitteln.
Beschleunigungssensoren weisen als Abweichungen einen Offset-Wert und eine Drift auf. Beide Werte lassen sich messen, wenn die Bewegung des Beschleunigungssensors stark genug ausgeprägt ist. Dies ist bei hochbeweglichen Systemen, wie z.B. Kraftfahrzeugen, Drohnen oder tragbaren elektronischen Geräten gegeben. Bei Schienenfahrzeugen allerdings werden nur relativ niedrige Beschleunigungswerte erreicht. Denn Kurvenradien sind meistens gering, ebenso Höhenänderungen. Zudem sind auch Beschleunigungswerte und Verzögerungswerte bei schweren Schienenfahrzeugen relativ niedrig, so dass es schwierig ist, die genannten Abweichungen zu ermitteln.
Es besteht mithin die Aufgabe, eine kostengünstige und trotzdem exakte Schätzung von Bewegungen von Fahrzeugen auf der Basis von optischen Sensoren zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Bewegungsermittlungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Fahrzeug gemäß Patentanspruch 14 und ein Verfahren zum Ermitteln einer Bewegung eines Fahrzeugs gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
Die erfindungsgemäße Bewegungsermittlungseinrichtung, beispielsweise eine Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung, weist eine optische Sensoreinheit zum Erfassen von optischen Sensordaten von einer Umgebung eines Fahrzeugs, an dem die Bewegungsermittlungseinrichtung angeordnet ist, auf. Eine solche optische Sensoreinheit, beispielsweise eine Kamera, erfasst zeitabhängige Daten, beispielsweise eine Bildfolge von der Umgebung des Fahrzeugs. Anhand von Positionsverschiebungen desselben Objekts in den zeitabhängigen Daten kann auf eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs geschlossen werden. Hierfür muss allerdings ein Maßstab für die Abstände in den zeitabhängigen Daten bekannt sein. Als Maßstab soll in diesem Zusammenhang wie üblich eine Angabe über das Verhältnis von scheinbaren Abständen, beispielsweise zwischen unterschiedlichen Positionen, in den Sensordaten und den tatsächlichen Abständen umfassen. Für den Fall von Bilddaten handelt es sich also um das Verhältnis zwischen der Bildgröße eines Gegenstands oder dem scheinbaren Abstand zwischen zwei Positionen und der entsprechenden Objektgröße bzw. der entsprechenden realen Distanz.
Teil der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung ist auch eine Beschleunigungssensoreinheit, welche vorzugsweise mit der optischen Sensoreinheit fest verbunden, aber relativ zu dem Fahrzeug beweglich angeordnet ist. Die Bewegungsermittlungseinrichtung umfasst mit der optischen Sensoreinheit und der Beschleunigungssensoreinheit also zwei unterschiedliche Sensoreinheiten. Die optische Sensoreinheit und die Beschleunigungssensoreinheit können vorzugsweise nahe beieinander, besonders bevorzugt fest miteinander verbunden angeordnet sein, aber relativ zu dem Fahrzeug beweglich sein und bilden bei dieser Variante zusammen eine VI-Sensoreinheit. Infolge der Beweglichkeit der Beschleunigungssensoreinheit wird es ermöglicht, dass die Beschleunigungssensoreinheit nicht nur eine Beschleunigungskraft aufgrund der Bewegung des Fahrzeugs erfährt, sondern zusätzlich auch eine Beschleunigung infolge der Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit relativ zum Fahrzeug misst. Vorteilhaft werden auf diese Weise höhere Beschleunigungsmesswerte ermittelt, die ausreichend hoch sind, um ein günstiges Signal/Rauschverhältnis zu erhalten und damit einer verbesserte Messgenauigkeit zu ermöglichen. Bei der Variante, bei der die optische Sensoreinheit und die Beschleunigungssensoreinheit eine VI-Sensoreinheit bilden, ergibt sich der Vorteil, dass keine Relativbewegungen zwischen der optischen Sensoreinheit und der Beschleunigungssensoreinheit auftreten können und die Positionen der beiden Einheiten annähernd identisch sind, so dass Positionswerte, Orientierungswerte und Bewegungswerte der optischen Sensoreinheit mit entsprechenden Werten der Beschleunigungssensoreinheit übereinstimmen.
Überdies umfasst die erfindungsgemäße Bewegungsermittlungseinrichtung eine Auswertungseinheit zum Ermitteln einer Referenz-Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf Basis von Beschleunigungsdaten der Beschleunigungssensoreinheit. Anhand der Beschleunigungsdaten können beispielsweise durch Integration über die Zeit Geschwindigkeitswerte ermittelt werden. Zudem weist die erfindungsgemäße Bewegungsermittlungseinrichtung eine Maßstab-Ermittlungseinheit zum Ermitteln eines Maßstabs für die optischen Sensordaten auf Basis der ermittelten Referenz-Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der optischen Sensordaten auf. Wie erwähnt, lässt sich mit Hilfe der Beschleunigungssensoreinheit aus den Beschleunigungswerten eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermitteln. Dieser Vorgang funktioniert allerdings nur in Zeitfenstern, in denen auch eine entsprechende Kraft auf den Beschleunigungssensor wirkt so dass auch deutlich von Null verschiedene Beschleunigungswerte gemessen werden können, die sich ausreichend von einem Messrauschen abheben. Um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auch ununterbrochen während der Fahrt messen zu können, weist die erfindungsgemäße Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung zusätzlich eine Geschwindigkeitsermittlungseinheit zum Ermitteln einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf Basis von von der optischen Sensoreinheit erfassten optischen Sensordaten und des ermittelten Maßstabs auf. Es erfolgt also mit Hilfe des Maßstabs eine Kalibration der Geschwindigkeitsmessung bzw. Geschwindigkeitsermittlung durch die Geschwindigkeitsermittlungseinheit.
Vorteilhaft können mit Hilfe der beweglichen Beschleunigungssensoreinheit ausreichend hohe Beschleunigungsmesswerte gemessen werden, so dass für die Kalibration der Geschwindigkeitsmessung ein günstiges Signal/Rauschverhältnis erreicht wird. Mithin kann eine optische Geschwindigkeitsmessung sehr genau und dank der optischen Messung auch dauerhaft erfolgen. Neben Geschwindigkeiten können mit Hilfe der Bewegungsermittlungseinrichtungen auch Orientierungsänderungen der optischen Sensoreinheit bzw. des Fahrzeugs ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug, vorzugsweise ein Schienenfahrzeug, umfasst die erfindungsgemäße Bewegungsermittlungseinrichtung. Das erfindungsgemäße Fahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln einer Bewegung eines Fahrzeugs erfolgt eine Kalibration einer optischen Geschwindigkeitsmessung mit Hilfe einer relativ zu dem Fahrzeug beweglichen Beschleunigungssensoreinheit. Dabei werden optische Sensordaten von einer Umgebung des Fahrzeugs durch eine optische Sensoreinheit erfasst. Wie bereits erwähnt, kann es sich bei der optischen Sensoreinheit z.B. um eine Kamera, insbesondere eine Videokamera, handeln, mit der eine zeitabhängige Bildfolge von der Umgebung aufgenommen wird. Weiterhin wird eine Beschleunigungssensoreinheit, welche mit dem Fahrzeug mechanisch verbunden ist, aber relativ zu dem Fahrzeug beweglich angeordnet ist, relativ zu dem Fahrzeug bewegt. Die Bewegung kann sowohl aktiv als auch passiv erfolgen. D.h., bei einer aktiven Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit bzw. vorzugsweise der VI-Sensoreinheit wird die Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit bzw. der VI-Sensoreinheit gezielt gesteuert, während bei einer passiven Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit bzw. der VI-Sensoreinheit diese nur durch die Bewegung des Fahrzeugs in Bewegung, gegebenenfalls auch relativ zu dem Fahrzeug, versetzt wird. Die mechanische Verbindung kann z.B. formschlüssig, kraftschlüssig oder reibschlüssig sein. Dabei bleibt allerdings eine Beweglichkeit der Beschleunigungssensoreinheit bzw. der VI-Sensoreinheit relativ zu dem Fahrzeug in mindestens einer Richtung, vorzugsweise in mehreren Richtungen, beispielsweise in zwei Richtungen, erhalten. Anschließend wird eine Referenz-Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf Basis von Beschleunigungsdaten der Beschleunigungssensoreinheit ermittelt. Auf Basis der ermittelten Referenz-Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der optischen Sensordaten wird ein Maßstab für die optischen Sensordaten ermittelt. Nach Durchführung dieses Kalibrationsvorgangs wird dann eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf Basis von von der optischen Sensoreinheit erfassten optischen Sensordaten und des ermittelten Maßstabs ermittelt. Die Kalibrierung wird vorzugsweise während der Fahrt des Fahrzeugs häufiger wiederholt, um einen aktualisierten Maßstab zu erhalten, wenn sich z.B. die Umgebung ändert. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln einer Geschwindigkeit eines Fahrzeugs teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung.
Einige Komponenten der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung können nach einer Hinzufügung von zusätzlichen Hardwarekomponenten zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere Teile der Auswertungseinheit, der Maßstab-Ermittlungseinheit 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 Fahrzeug vorhandene Steuerungssysteme oder Rechnersysteme nach einer eventuellen Ergänzung durch zusätzliche Hardwareelemente, wie z.B. Messsensoren, insbesondere optische Sensoren und Beschleunigungssensoren, sowie eine entsprechende bewegliche Lagerung der Beschleunigungssensorik bzw. des VI-Sensors, 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 der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung umfasst die Beschleunigungssensoreinheit einen mikro-elektro-mechanischen Beschleunigungssensor, auch MEMS-Beschleunigungssensor genannt. Ein solcher Beschleunigungssensor, benötigt zur Messung von Beschleunigungskräften Messwerte in mehreren Dimensionen. Wie bereits erwähnt, haben solche MEMS-Sensoren einen nicht zu vernachlässigenden Bias, der auf Basis von Beschleunigungsmessungen mitgeschätzt werden muss. Hierfür werden Beschleunigungsmessungen in mehreren Dimensionen benötigt. Vorteilhaft können mit Hilfe einer beweglichen Anordnung der Beschleunigungssensoreinheit, wobei die Beweglichkeit in einer Richtung ermöglicht wird, welche nicht die Fahrtrichtung ist, Beschleunigungskräfte in mehreren Dimensionen gemessen werden, so dass eine Beschleunigungsmessung mit Hilfe eines MEMS-Beschleunigungssensor realisiert werden kann. MEMS-Beschleunigungssensoren sind im Vergleich zu anderen Beschleunigungssensoren, besonders kostengünstig und kompakt. Wird der Beschleunigungssensor als MEMS-Sensor ausgeführt, so kann er auch als Gyroskop eingesetzt werden, mit dem die Orientierung des Beschleunigungssensors überwacht bzw. korrigiert werden kann. Die Ermittlung der Orientierung des Beschleunigungssensors ist besonders bei nicht-linearen Bewegungen notwendig. Dies ist der Fall, wenn der Beschleunigungssensor hin- und herschwingt, denn dann kann es zu Änderungen der Orientierung der Achsen des Beschleunigungssensors kommen.
In einer besonders praktikablen Variante der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung ist die Beschleunigungssensoreinheit in einem vorbestimmten Ausmaß beweglich relativ zu dem Fahrzeug angeordnet. Vorteilhaft kann mit Hilfe der bekannten Einschränkung der Bewegung eine Position der Beschleunigungssensoreinheit, beispielsweise ein gemeinsamer Startpunkt und Endpunkt, festgelegt werden, in der die Beschleunigungssensoreinheit relativ zu dem Fahrzeug unbeweglich ist. Diese Festlegung ist insbesondere bei passiver Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit sinnvoll. Vorteilhaft entspricht die zurückgelegte Wegstrecke der Sensoreinheit zum Zeitpunkt der Ruhestellung bei identischem Startpunkt und Endpunkt der zurückgelegten Wegstrecke des Fahrzeugs, wobei Wegstrecken, welche in einander entgegengesetzten Richtungen zurückgelegt werden, voneinander subtrahiert werden, d.h. sich gegeneinander aufheben. Auf diese Weise können während der Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit gemessene Beschleunigungswerte direkt zur Ermittlung einer Referenz-Geschwindigkeit des Fahrzeugs genutzt werden, ohne dass eine Relativbewegung bzw. Relativbeschleunigung der Beschleunigungssensoreinheit zum Fahrzeug gesondert ermittelt werden muss.
In einer speziellen Variante der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung umfasst das vorbestimmte Ausmaß mindestens eine der folgenden Größen:

- eine Distanz in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs,
- eine Distanz in Horizontalrichtung quer zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs,
- eine Distanz in Vertikalrichtung,
- eine Rotationsbewegung um einen vorbestimmten Winkel.

Um Beschleunigungen von passiv bewegten Beschleunigungssensoren in mehreren Dimensionen zu ermitteln, kann eine entsprechende Beschränkung der Bewegung in mehreren Dimensionen sinnvoll sein. Wie bereits erwähnt, können neben der Geschwindigkeit oder der Position eines Fahrzeugs auch eine Orientierung oder eine Orientierungsänderung des Fahrzeugs und/oder der optischen Sensoreinheit mit Hilfe des Beschleunigungssensors ermittelt werden.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung weicht mindestens eine der Bewegungsrichtungen der Beschleunigungssensoreinheit von der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ab. Vorteilhaft können bei einer solchen Anordnung auch MEMS-Beschleunigungssensoren zur Beschleunigungsmessung genutzt werden, welche eine Beschleunigung in mehreren Dimensionen benötigen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung umfassen die optischen Sensordaten Bilddaten. Solche Bilddaten können z.B. zeitabhängige Bildfolgen aufweisen, die dazu genutzt werden können, Verschiebungen von Positionen ein und desselben Objekts zwischen verschiedenen Zeitpunkten zu ermitteln und daraus eine Geschwindigkeit eines Fahrzeugs berechnen.
In einer Variante der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung ist die Beschleunigungssensoreinheit passiv bewegbar. Eine passive Lagerung einer Beschleunigungssensoreinheit, bei der die Beschleunigungssensoreinheit nur infolge der Bewegung bzw. Beschleunigung des Fahrzeugs bewegt bzw. beschleunigt wird, ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und leicht wartbar. Eine solche Lagerung kann z.B. durch ein Federelement erreicht werden, an der der die Beschleunigungssensoreinheit bewegbar befestigt ist.
Alternativ kann die Beschleunigungssensoreinheit auch aktiv bewegbar sein. Eine solche Anordnung erlaubt eine aktive Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit in einer gewünschten Richtung und/oder um eine vorbestimmte Distanz und/oder mit einer vorbestimmten Relativgeschwindigkeit zu dem Fahrzeug. Vorteilhaft lässt sich aufgrund der Kenntnis dieser Daten eine Relativbewegung der Beschleunigungssensoreinheit zu dem Fahrzeug festlegen bzw. kontrollieren, so dass eine exakte Ermittlung der Relativbewegung der Beschleunigungssensoreinheit zum Fahrzeug und damit auch eine exakte Ermittlung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs erleichtert ist.
In einer speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung weist diese eine Trageinheit an dem Fahrzeug auf. An der Trageinheit ist die Beschleunigungssensoreinheit bzw. gegebenenfalls der VI-Sensor relativ zu dem Fahrzeug beweglich angeordnet. Die Trageinheit kann auch das bereits erwähnte Federelement zur passiven Bewegung oder einen steuerbaren Arm zur aktiven Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit aufweisen. Die Trageinheit kann z.B. mit einer kardanischen Aufhängung gelagert sein.
Die Trageinheit kann dazu eingerichtet sein, die Beschleunigungssensoreinheit mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit aktiv relativ zu dem Fahrzeug zu bewegen. Die Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit kann z.B. mit Hilfe eines durch einen Aktor bewegten Tragarms erfolgen, an dem die Trageinheit befestigt ist und der seinerseits an dem Fahrzeug montiert ist. Ein solcher Aktor kann z.B. einen Motor aufweisen. Wie bereits erwähnt, lässt sich mit Hilfe aktiver Bewegungselemente eine Relativbewegung der Beschleunigungssensoreinheit zu dem Fahrzeug exakt kontrollieren, wodurch die Genauigkeit der durch die Sensorik ermittelten Fahrzeuggeschwindigkeit verbessert wird.
Die Trageinheit kann auch dazu eingerichtet sein, die Beschleunigungssensoreinheit aktiv um eine vorbestimmte Wegstrecke zu bewegen. Vorteilhaft weist eine solche Anordnung einen Umkehrpunkt auf, bei dem die Beschleunigungssensoreinheit relativ zu dem Fahrzeug nicht bewegt wird. An dieser Position entspricht die Geschwindigkeit der Beschleunigungssensoreinheit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Vorteilhaft entspricht die zurückgelegte Wegstrecke der Sensoreinheit zum Zeitpunkt der Ruhestellung der zurückgelegten Wegstrecke des Fahrzeugs, wobei Wegstrecken, welche in einander entgegengesetzten Richtungen zurückgelegt werden, voneinander subtrahiert werden, d.h. sich gegeneinander aufheben.
In einer Variante der erfindungsgemäßen Bewegungsermittlungseinrichtung ist die Beschleunigungssensoreinheit derart an der Trageinheit angeordnet, dass sie nach einer Bewegung in eine vorbestimmte Ruheposition zurückkehrt. Wie bereits erwähnt, erlaubt eine solche bekannte Ruheposition eine exakte Berechnung einer Bewegung des Fahrzeugs auf Basis der ermittelten Beschleunigungswerte der Beschleunigungssensoreinheit.
Die erfindungsgemäße Bewegungsermittlungseinrichtung kann auch eine zweite, fest an dem Fahrzeug fixierte Beschleunigungssensoreinheit aufweisen. Diese zusätzliche Beschleunigungssensoreinheit kann bei einer Bewegungsermittlungseinrichtung sinnvoll sein, bei der eine Halteposition der beweglichen Beschleunigungssensoreinheit nicht bekannt ist bzw. zufallsgesteuert eingenommen wird. Mit Hilfe der zusätzlichen Beschleunigungssensoreinheit lässt sich die Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit von der Bewegung des Fahrzeugs trennen, so dass eine verbesserte Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung bzw. der Kalibration der optischen Geschwindigkeitsmessung erfolgen kann.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Bewegungsermittlungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Ermitteln einer Geschwindigkeit eines Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.

In 1 ist eine Bewegungsermittlungseinrichtung, in diesem Fall eine Geschwindigkeitsmesseinrichtung 10, für ein Fahrzeug 20 (siehe 2) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die Geschwindigkeitsmesseinrichtung 10 umfasst als optische Sensoreinheit eine Kamera 1, welche dazu eingerichtet ist, Bilddaten OSD von einer Umgebung des Fahrzeugs 20 (siehe 2) aufzunehmen. Außerdem weist die Geschwindigkeitsmesseinrichtung 10 eine Beschleunigungssensoreinheit 2 auf, die relativ zu dem Fahrzeug 20 beweglich angeordnet ist und Beschleunigungsdaten BD erfasst, die aus der Bewegung des Fahrzeugs 20 sowie der Bewegung der Beschleunigungssensoreinheit 2 relativ zu dem Fahrzeug 20 resultieren. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kamera 1 und die Beschleunigungssensoreinheit 2 miteinander fest verbunden und bilden einen VI-Sensor VI (gestrichelt gezeichnet). Die Beschleunigungsdaten BD werden an eine Auswertungseinheit 3 übermittelt, die ebenfalls Teil der Geschwindigkeitsmesseinrichtung 10 ist. Die Auswertungseinrichtung 3 ermittelt auf Basis der Beschleunigungsdaten BD der Beschleunigungssensoreinheit 2 eine Referenz-Geschwindigkeit v_R des Fahrzeugs 20. Die Referenz-Geschwindigkeit v_R dient später zur Kalibrierung der optischen Sensoreinheit 1 mit der Beschleunigungssensoreinheit 2 unter Ermittlung eines Maßstabs MS, welcher dazu eingesetzt wird, anhand von bewegten Bilddaten OSD eine Geschwindigkeit v_F des Fahrzeugs 20 bzw. Abstände zwischen Objekten in den Bilddaten OSD zu ermitteln. Die Referenz-Geschwindigkeit v_R kann z.B. durch Integration von Beschleunigungswerten über die Zeit ermittelt werden.
Die Referenz-Geschwindigkeit v_R wird an eine Maßstab-Ermittlungseinheit 4 übermittelt, welche auf Basis der erfassten Bilddaten OSD sowie der Referenz-Geschwindigkeit v_R einen Maßstab MS ermittelt. Beispielsweise kann anhand der Referenz-Geschwindigkeit v_R auf tatsächliche Abstände zwischen Objekten in den Bilddaten OSD geschlossen werden. Damit kann ein Maßstab MS für Abstände in den erfassten Bilddaten festgelegt werden, welcher eine Relation zwischen Bildabständen und tatsächlichen Abständen angibt. Damit ist eine Art Bildmaßstab gefunden, der während eines längeren Zeitintervalls für eine Geschwindigkeitsermittlung auf der Basis von Bilddaten OSD genutzt werden kann. Da die Beschleunigungsdaten nur kurzzeitig in Beschleunigungsphasen zur Verfügung stehen, eignen sie sich nicht für eine längere bzw. kontinuierliche Geschwindigkeitsmessung und dienen daher der Kalibration des Beschleunigungssensors 2 mit der Kamera 1, wodurch eine Auswertung der optisch erfassten Bilddaten zur Ermittlung einer Fahrzeuggeschwindigkeit v_F ermöglicht wird.
Die eigentliche Geschwindigkeitsermittlung während der Fahrt des Fahrzeugs erfolgt dann mit Hilfe einer Geschwindigkeitsermittlungseinheit 5, welche auf Basis des ermittelten Maßstabs MS und auf Basis von von der Kamera 1 erfassten optischen Bilddaten OSD eine Geschwindigkeit v_F des Fahrzeugs 20 mit erhöhter Präzision ermittelt.
In 2 ist ein Fahrzeug 20 mit der in 1 gezeigten Geschwindigkeitsmesseinrichtung 10 gezeigt. Das Fahrzeug 20 bewegt sich in einer Fahrtrichtung FR. Die in 1 bereits erläuterten Bestandteile der Geschwindigkeitsmesseinrichtung 10 werden an dieser Stelle nicht erneut erläutert. Zusätzlich umfasst das Fahrzeug 20 eine Steuerungseinrichtung 6, welche von der Geschwindigkeitsmesseinrichtung 10 ermittelte Geschwindigkeitsmesswerte v_F empfängt und an eine Anzeigeeinheit 7 weitergibt. Weiterhin steuert die Steuerungseinrichtung 6 auf Basis der Geschwindigkeitswerte v_F eine Traktionseinheit 8 mit Hilfe von Steuerbefehlen SB an. Beispielsweise wird mit Hilfe der Steuerbefehle SB eine Fahrzeuggeschwindigkeit v_F auf eine erlaubte oder erwünschte Geschwindigkeit angepasst.
In 3 ist ein Flussdiagramm 300 gezeigt, welches ein Verfahren zum Ermitteln einer Geschwindigkeit v_F eines Fahrzeugs 20 (siehe 2) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem Schritt 3.I werden Bilddaten OSD für eine Kalibrierung von einer Umgebung des Fahrzeugs 20 durch eine Kamera 1 während einer Fahrt des Fahrzeugs 20 erfasst. Weiterhin wird bei dem Schritt 3.II eine Beschleunigungssensoreinheit 2 (siehe 1, 2), welche mit dem Fahrzeug 20 mechanisch verbunden, aber relativ zu dem Fahrzeug 20 beweglich angeordnet ist, relativ zu dem Fahrzeug 20 beschleunigt bewegt. Dieser Vorgang kann sowohl passiv als auch aktiv erfolgen. Bei diesem Vorgang werden Beschleunigungsdaten BD mit Hilfe der Beschleunigungssensoreinheit 2 erfasst. Bei dem Schritt 3.III wird dann eine Referenz-Geschwindigkeit v_R des Fahrzeugs 20 auf Basis der Beschleunigungsdaten BD der Beschleunigungssensoreinheit 2 ermittelt. Bei dem Schritt 3.IV erfolgt ferner im Rahmen des Kalibrierungsvorgangs ein Ermitteln eines Maßstabs MS für die Bilddaten auf Basis der ermittelten Referenz-Geschwindigkeit v_R des Fahrzeugs 20 und der bei dem Schritt 3.I erfassten Bilddaten OSD. Damit ist der Kalibrierungsvorgang abgeschlossen. Die Kalibrierung wird aber während der Fahrt ständig wiederholt, da sich ändernde Umweltbedingungen auf den Maßstab auswirken.
Nachfolgend kann bei den Schritten 3.V und 3.VI eine Geschwindigkeit v_F des Fahrzeugs 20 auf Basis von von der Kamera 1 erfassten Bilddaten OSD und des ermittelten Maßstabs MS ermittelt werden. Hierzu werden bei dem Schritt 3.V bewegte Bilddaten OSD von der Umgebung des Fahrzeugs 20 erfasst. In den Bilddaten OSD bzw. den darauf basierenden Bildfolgen werden bei dem Schritt 3.VI Distanzen von Translationen und Rotationen zwischen Positionen ein und desselben Objekts unter Anwendung des mit Hilfe des beschriebenen Kalibrationsvorgangs ermittelten Maßstabs MS bestimmt und daraus eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit v_F ermittelt. Die Schritte 3.V und 3.VI können mehrfach hintereinander wiederholt werden. Bei einer Änderung der Geschwindigkeit v_F des Fahrzeugs 20, d.h. einem Beschleunigungsvorgang des Fahrzeugs 20 können bei Bedarf dann wieder gemäß den Schritten 3.I bis 3.IV neue Kalibrationsdaten MS bzw. ein neuer Maßstab MS ermittelt werden, um so den Maßstab MS zu aktualisieren und eine ausreichende Genauigkeit bei der Geschwindigkeitsmessung zu erreichen.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei der beschriebenen Geschwindigkeitsmesseinrichtung 10, dem beschriebenen Fahrzeug 20 und dem beschriebenen Verfahren zum Ermitteln einer Geschwindigkeit v_F eines Fahrzeugs 20 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 ggf. auch räumlich verteilt sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Nikolic et al., „A synchronized visual-inertial sensor system with FPGA pre-processing for accurate real-time SLAM“, veröffentlicht in 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) [0004]

Claims

Bewegungsermittlungseinrichtung (10) für ein Fahrzeug (20), vorzugsweise ein Schienenfahrzeug, aufweisend: - eine optische Sensoreinheit (1) zum Erfassen von optischen Sensordaten (OSD) von einer Umgebung des Fahrzeugs (20), - eine Beschleunigungssensoreinheit (2), welche mit dem Fahrzeug (20) mechanisch verbunden, aber relativ zu dem Fahrzeug (20) beweglich angeordnet ist, - eine Auswertungseinheit (3) zum Ermitteln einer Referenz-Geschwindigkeit (v_R) des Fahrzeugs (20) auf Basis von Beschleunigungsdaten (BD) der Beschleunigungssensoreinheit (2), - eine Maßstab-Ermittlungseinheit (4) zum Ermitteln eines Maßstabs (MS) für die optischen Sensordaten (OSD) auf Basis der ermittelten Referenz-Geschwindigkeit (v_R) des Fahrzeugs (20) und der optischen Sensordaten (OSD), - eine Geschwindigkeitsermittlungseinheit (5) zum Ermitteln einer Geschwindigkeit (v_F) des Fahrzeugs (20) auf Basis von von der optischen Sensoreinheit (1) erfassten optischen Sensordaten (OSD) und des ermittelten Maßstabs (MS).
Bewegungsermittlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Sensoreinheit (1) und die Beschleunigungssensoreinheit (2) miteinander fest verbunden sind und vorzugsweise eine VI-Sensoreinheit bilden.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschleunigungssensoreinheit (2) in einem vorbestimmten Ausmaß beweglich relativ zu dem Fahrzeug (20) angeordnet ist.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei das vorbestimmte Ausmaß mindestens eine der folgenden Größen umfasst: - eine Distanz in Bewegungsrichtung (FR) des Fahrzeugs (20), - eine Distanz in Horizontalrichtung quer zur Bewegungsrichtung (FR) des Fahrzeugs (20), - eine Distanz in Vertikalrichtung, - eine Rotationsbewegung um einen vorbestimmten Winkel.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Bewegungsrichtungen der Beschleunigungssensoreinheit (2) von der Bewegungsrichtung (FR) des Fahrzeugs (20) abweicht.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optischen Sensordaten (OSD) Bilddaten umfassen.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschleunigungssensoreinheit (2) passiv bewegbar ist.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschleunigungssensoreinheit (2) aktiv bewegbar ist.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine Trageinheit an dem Fahrzeug (20), an welcher die Beschleunigungssensoreinheit (2) relativ zu dem Fahrzeug (20) beweglich angeordnet ist.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach Anspruch 9, wobei die Trageinheit dazu eingerichtet ist, die Beschleunigungssensoreinheit (2) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit aktiv relativ zu dem Fahrzeug (20) zu bewegen.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Trageinheit dazu eingerichtet ist, die Beschleunigungssensoreinheit (2) aktiv um eine vorbestimmte Wegstrecke zu bewegen.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Beschleunigungssensoreinheit (2) derart an der Trageinheit angeordnet ist, dass sie nach einer Bewegung in eine vorbestimmte Ruheposition zurückkehrt.
Bewegungsermittlungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine zweite, fest an dem Fahrzeug (20) fixierte Beschleunigungssensoreinheit.
Fahrzeug (20), vorzugsweise Schienenfahrzeug, aufweisend eine Bewegungsermittlungseinrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zum Ermitteln einer Bewegung (v_F) eines Fahrzeugs (20), aufweisend die Schritte: - Erfassen von optischen Sensordaten (OSD) von einer Umgebung des Fahrzeugs (20) durch eine optische Sensoreinheit (1), - Bewegen einer Beschleunigungssensoreinheit (2), welche mit dem Fahrzeug (20) mechanisch verbunden, aber relativ zu dem Fahrzeug (20) beweglich angeordnet ist, relativ zu dem Fahrzeug (20), - Ermitteln einer Referenz-Geschwindigkeit (v_R) des Fahrzeugs (20) auf Basis von Beschleunigungsdaten (BD) der Beschleunigungssensoreinheit (2), - Ermitteln eines Maßstabs (MS) für die optischen Sensordaten (OSD) auf Basis der ermittelten Referenz-Geschwindigkeit (v_R) des Fahrzeugs (20) und der optischen Sensordaten (OSD), - Ermitteln einer Geschwindigkeit (v_F) des Fahrzeugs (20) auf Basis von von der optischen Sensoreinheit (1) erfassten optischen Sensordaten (OSD) und des ermittelten Maßstabs (MS) .
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinheit einer Rechnereinheit eines Fahrzeugs (20) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach Anspruch 15 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Rechnereinheit ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechnereinheit einlesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach Anspruch 15 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von Rechnereinheit ausgeführt werden.