DE10244127A1

DE10244127A1 - Sensorsystem zur Fahrwegüberwachung für eine autonome mobile Einheit, Verfahren sowie Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und Computerprogramm-Produkt zur Überwachung eines Fahrwegs für eine autonome mobile Einheit

Info

Publication number: DE10244127A1
Application number: DE10244127A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Bauer; Mark Christmann; Wendelin Dr. Feiten; Claudio Dr. Laloni; Peter Rummel; Hartmut Scherer-Winner; Richard Dr. Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-08
Also published as: AU2003270142A1; WO2004028881A1; TW200424823A; EP1542893A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachung eines Fahrwegs einer autonomen mobilen Einheit, wie beispielsweise eines fahrerlosen spurgebundenen Verkehrsmittels, unter Verwendung eines Multisensorsystems, bei dem drei verschiedene Sensortypen, ein Lasersensor, ein Radarsensor und ein Videosensor fusioniert werden und mit dem Fusionsergebnis der Fahrweg überwacht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Überwachung eines Fahrwegs einer autonomen mobilen Einheit, wie beispielsweise eines fahrerlosen, im Wesentlichen spurgebundenen Fahrzeugs, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Fahrwegüberwachung, ein entsprechendes Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und auch ein entsprechendes Computerprogramm-Produkt.

Ein eben solches Sensorsystem zur Fahrwegüberwachung bei einem fahrerlosen, spurgebundenen Schienenfahrzeug, einem Verkehrsmittel Eisenbahn, ist aus [1] bekannt.

Fahrerlose bzw. automatisch fahrende Fahrzeuge sind autonome Systeme, welche nicht einer unmittelbaren Überwachung und Steuerung durch Bedienpersonal unterliegen, sondern selbständig, d.h. autonom, ihre Funktion erfüllen. Dabei müssen sie Umgebungsbedingungen, unter denen sie agieren, erfassen und entsprechend diesen reagieren können.

Dazu bedürfen sie technischer Einrichtungen, beispielweise solcher zur Erkennung von Hindernissen vor dem Fahrzeug, insbesondere auf einem Fahrweg vor dem Fahrzeug.

Das aus [1] bekannte fahrerlose Schienenfahrzeug verwendet hierfür ein kombiniertes Sensorsystem bzw. eine leistungsfähige Sensorik, mit der Abstände und Differenzgeschwindigkeiten zu sämtlichen Objekten in einem Beobachtungsbereich des Schienenfahrzeugs präzise gemessen werden können.

Dieses kombinierte Sensorsystem, ein Multisensorsystem, besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Komponenten (Einzel sensoren), die zusammen mindestens einen gleichen Sicherheitsstandard gewährleisten, wie er im herkömmlichen Schienenverkehr gilt.

Im Detail umfasst das bekannte Multisensorsystem eine schwenkbare Telekamera, realisiert durch eine CCD-Videokamera mit Teleobjektiv, einen Fernbereichsradar, realisiert durch ein gepulstes CW-Radar im 77 GHz Band, eine Übersichtskamera, in Form einer CCD-Videokamera mit Normalobjektiv, sowie ein Nahbereichsradarnetzwerk, realisiert durch mehrere hochauflösende Pulsradare in 24 GHz Band.

Entsprechende Einzelsensoren sowie deren grundlegende Techniken sind allgemein bekannt; auch wird auf sie in [1] verwiesen.

Einbaupositionen für die Radarsensoren an dem Schienenfahrzeug sind vergleichsweise niedrig gewählt, um unter einem möglichst flachen Winkel den Bereich vor dem Fahrzeug zu vermessen.

Die Kameras des Mulisensorsystems befinden sich vor Wettereinflüssen geschützt hinter einer Frontscheibe des Schienenfahrzeugs und sind damit in einer hohen Einbauposition. Die hohe Einbauposition der Kameras gewährt einen guten Blick auf den Beobachtungsbereich vor dem Fahrzeug.

Die einzelnen Sensorsysteme übertragen ihre Messergebnisse an eine zentrale Fusionseinheit. Dort wird aus den verschiedenen Messwerten ein Abbild der Umgebung vor dem Schienefahrzeug erstellt.

Dieses Abbild, eine Szenenrepräsentation, bildet eine Grundlage für eine Detektion von Hindernissen auf dem Fahrweg.

Nachteilig bei diesem aus [1] bekannten Sensorsystem zur Fahrwegüberwachung ist, dass insbesondere bei messtechnisch ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie bei Dunkelheit und Regen, eine Genauigkeit und damit eine Sicherheit bei der Hinderniserkennung durch das Multisensorsystem vermindert sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem bzw. ein Verfahren zur Überwachung eines Fahrwegs einer autonomen mobilen Einheit zur Verfügung zu stellen, welches flexibel bei beliebigen Umgebungsbedingungen einsetzbar ist und die Überwachung eines Fahrwegs mit höherer Zuverlässigkeit und mit höherer Sicherheit als obiges bekannte System ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das Sensorsystem zur Fahrwegüberwachung für eine mobile Einheit sowie durch das Verfahren, das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und das Computerprogramm-Produkt zur Überwachung eines Fahrwegs für eine autonome mobile Einheit mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst.

Das Sensorsystem zur Fahrwegüberwachung für eine autonome mobile Einheit weist auf:

– ein Radarüberwachungssystem, welches derart an der autonomen mobilen Einheit angebracht ist, dass ein Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation erzeugt wird,
– ein Laserüberwachungssystem, welcher derart an der autonomen mobilen Einheit angebracht ist, dass ebenfalls der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wobei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsinformation erzeugt wird,
– ein Videoüberwachungssystem, welches derart an der autonomen mobilen Einheit angebracht ist, dass ebenfalls der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinformation erzeugt wird.

Neben mindestens diesen drei Überwachungssystemen, in der Regel realisiert durch entsprechende Sensoren bzw. Sensortypen, weist das Sensorsystem eine mit den Überwachungssystemen gekoppelte zentrale Kontrolleinheit auf, in welcher die Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme zusammengeführt werden (Sensorfusion). Aus den Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme ist eine Gesamtfahrwegsüberwachungsinformation ermittelbar, mit welcher Gesamtfahrwegsüberwachungsinformation der Fahrweg überwachbar ist.

Bei dem Verfahren zur Fahrwegüberwachung für eine autonome mobile Einheit wird:

– unter Verwendung eines Radarüberwachungssystems ein Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation erzeugt wird,
– unter Verwendung eines Laserüberwachungssystems ebenfalls der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsinformation erzeugt wird,
– unter Verwendung eines Videoüberwachungssystems auch der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinformation erzeugt wird.

Die Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme werden zusammengeführt (Sensorfusion). Aus den Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme wird eine Gesamtfahrwegsüberwachungsinformation ermittelt, mit welcher Gesamtfahrwegsüberwachungsinformation der Fahrweg überwacht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen sensorunterstütztem Fahrwegüberwachungssystem handelt es sich um ein multifunktionales, kombiniertes Sicherheitssystem, welches sehr hohe Anforderungen, die an eine Messgenauigkeit, Reaktionszeit, Reichweite usw. des Systems gestellt werden, bei nahezu beliebigen Umgebungsbedingungen erfüllt.

Entsprechendes gilt analog für das erfindungsgemäße Verfahren.

Der Einsatz verschiedener bzw. verschiedenartiger Sensoren innerhalb des erfindungsgemäßen Multisensorsystems eröffnet für die genannte Sicherheitsaufgabe die Möglichkeit, die spezifischen Vorteile jedes einzelnen Sensors bzw. Sensortyps zu nutzen und die insgesamt von den Sensoren gemessene Information in einer Datenfusionseinrichtung auszuwerten.

Durch eine gewinnbringende Fusion der verschiedenen Messdaten entsteht ein Informationsbestand, der mehr Aussagekraft als die Summe der isoliert betrachteten Einzeldaten hat.

Die charakteristischen Eigenschaften von Sensoren bzw. Sensortypen für die Objektvermessung, deren Schwächen und Stärken, sind prinzipiell von der verwendeten Technologie bzw. vom verwendeten Typ abhängig.

Beispiele für die technologiebedingten Unterschiede bzw. Schwächen und Stärken sind die gute Entfernungsmessung der Radartechnik im Gegensatz zur guten Winkelmessung von Videosystemen sowie die von Umgebungsbedingungen relativ unabhängige hohe Genauigkeit der Laserscanner insgesamt.

Stellt man unter diesem Gesichtspunkt die verschiedenen Eigenschaften von Videosystemen, von Radarsensoren und Laserscannern gegenüber, so zeigt sich, dass die drei Technologien sich gegenseitig sehr gut ergänzen.

Die Bilder von Videokameras können als Grauwertmatrizen angesehen werden. Diese werden anhand passender Modellannahmen interpretiert und auf das Vorhandensein von Hindernissen untersucht. Aufgrund der hohen räumlichen Auflösung können so mit Videosystemen besonders gut die Winkel zu detektierten Objekten gemessen werden. Auch können bei bekannter Entfernung die Breite und Höhe eines Hindernisses über die Winkel zu den Außenkanten bestimmt werden.

Gerade die Entfernung kann aber mit monokularen Videosystemen nur ungenau ermittelt werden. Desweiteren ist die Videotechnik stark lichtabhängig und bei messtechnisch ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie Dunkelheit und Regen, nur unzureichend einsetzbar.

Es ist deshalb sinnvoll, die Videosensorik durch ein bzw. mehrere Systeme zu ergänzen, das bzw. die die Entfernung auch bei schwierigen Umgebungsbedingungen gut messen kann bzw. können.

Hierfür bietet sich zum einen Radarsensorik an.

Sie ist in der Lage auch in großen Distanzen noch zuverlässig die Entfernung zu messen. Die Einschränkung einer vergleichsweise eher schlechteren Winkelauflösung und -genauigkeit bei Radarsystemen wird hingegen durch das Videosystem kompensiert.

Da aber auch die alleinige Kombination von Radar- und Videosensorik unter erwähnten schwierigen Umgebungsbedingungen Nachteile aufweist, ist es sinnvoll, eine weitere Technik zu integrieren, nämlich eine Lasertechnik.

Ein solcher Nachteil bei alleiniger Kombination von Radar- und Videosensorik wäre beispielsweise, dass eine Zuordnung von Messungen in einem Videobild zu Messungen durch den Radarsensor dadurch schwierig ist, dass der Radarsensor eine schlechte Winkelauflösung aufweist.

Die Lasertechnik hingegen zeichnet sich durch hohe Genauigkeit sowohl bei Winkel- und Entfernungsmessung aus.

Das derart kombiniert konzipierte, erfindungsgemäße Sensorsystem erreicht durch seine Sensorkombination hohe Flexibilität beim Einsatz unter nahezu beliebigen Umgebungsbedingungen sowie hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit beim Überwachen von Fahrwegen.

Das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln ist eingerichtet, um alle Schritte gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.

Das Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln ist eingerichtet, um alle Schritte gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.

Das erfindungsgemäße System sowie das erfindungsgemäße Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln sowie das erfindungsgemäße Computerprogramm-Produkt sind insbesondere geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner nachfolgend erläuterten Weiterbildungen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die im Weiteren beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das erfindungsgemäße System, das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln sowie das erfindungsgemäße Computerprogramm-Produkt.

Die Erfindung und die im Weiteren beschriebenen Weiterbildungen können sowohl in Software als auch in Hardware, beispielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung, realisiert werden.

Ferner ist eine Realisierung der Erfindung oder einer im Weiteren beschriebenen Weiterbildung möglich durch ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder eine deren Weiterbildungen ausführt.

Auch kann die Erfindung oder jede im Weiteren beschriebene Weiterbildung durch ein Computerprogrammerzeugnis realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist, auf welchem das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder eine deren Weiterbildungen ausführt.

Ein erster Block von Weiterbildungen und Ausgestaltungen betrifft das Laserüberwachungssystem bzw. den Lasersensor [4].

Hierbei kann als Lasersensor ein Laserscanner verwendet werden. 2D- oder 3D-Laserscanner sind beide einsetzbar, wobei in den jeweiligen Fällen die Laserüberwachungsinformation eine 2D- bzw. 3D-Information einer Umgebung des Fahrwegs beinhaltet. Diese können in Form von entsprechenden 2D- oder 3D-Umgebungsmodellen vorliegen [4].

Weitergehend können mehrere Lasersensoren, wie die vorerwähnten Laserscanner, nebeneinander, sich jeweils unterstützend verwendet werden, beispielsweise derart, dass der oder die zusätzlichen Lasersensoren zu einer schnellen Abtastung besonders gefährdeter Regionen bzw. Ebenen herangezogen werden.

Ein zweiter Block von Weiterbildungen und Ausgestaltungen betrifft das Radarüberwachungssystem bzw. den Radarsensor [3].

Entsprechende 2D- oder 3D-Sensoren, analog zu denjenigen der Lasertechnik, sind jeweils in Alleinstellung oder auch in Kombination einsetzbar.

So kann es unter Umständen sinnvoll sein, einen Fernbereichsradar, beispielsweise einen gepulsten CW-Radar, in Kombination mit einem Nahbereichsradar, wie einem hochauflösenden Pulsradar, einzusetzen.

Ein nächster Block von Weiterbildungen und Ausgestaltungen betrifft das Videoüberwachungssystem bzw. den Videosensor [2], [5].

Hierzu eigenen sich CCD-Videokameras, welche mit Normal- oder Teleobjektiven ausgestattet sein können. Auch ist es möglich eine solche in Alleinstellung oder in Kombination mit weiteren Kameras zu verwenden.

In einer weiteren Ausgestaltung beobachten die einzelnen Sensorsysteme den Bereich vor dem Schienenfahrzeug zunächst unabhängig voneinander und vermessen Positionen und/oder gegebenenfalls Geschwindigkeiten von detektierten Objekten.

Dazu erfolgt in den jeweiligen Sensorsystemen eine spezifische Signalverarbeitung, da dort die meisten Randbedingungen, die einen Einfluss auf die Entstehung der Beobachtung haben, bekannt sind. Auf diese Weise wird eine verbesserte Verteilung der Verarbeitungslast zwischen den Sensorsystemen und der Sensor- bzw. Datenfusion erreicht und die Menge der zu übertragenden Daten wird reduziert.

Bei der Fusionierung der verschiedenen Messdaten des Multisensorsystems können Charakteristika, wie spezifische Stärken und Schwächen, individuelle (Mess-)Genauigkeiten, Ausfallwahrscheinlichkeiten und/oder Sicherheiten, der unterschiedlichen Sensorsysteme berücksichtigt werden.

So ist es beispielsweise möglich, bei der Ermittlung der Gesamtfahrwegüberwachungsinformation aus den Überwachungsinformationen diese jeweils entsprechend einer Sicherheit des jeweiligen Überwachungssystems zu berücksichtigen. Weiterfüh rend können die jeweiligen Sicherheiten von Umgebungsbedingungen der autonomen mobilen Einheit abhängig gemacht werden.

Die bei der Sensorfusion gebildete Gesamtfahrwegüberwachungsinformation beinhaltet ein Abbild der beobachteten Szene vor dem Fahrweg und damit im allgemeinen eine 3D-Information der Umgebung des Fahrwegs. Diese kann in Form eines 3D-Umgebungsmodells vorliegen.

Die erfindungsgemäß überwachbare mobile, autonome Einheit kann ein spurgebundenes Fahrzeug, wie ein an Schienen gebundenes (Schienen-)Fahrzeug oder ein straßengebundenes (Straßen-)Fahrzeug, sein.

Ein Ziel der Fahrwegüberwachung ist unter anderem auch die Erkennung eines Objekts bzw. eines Hindernisses auf dem Fahrweg der überwachbaren autonomen, mobilen Einheit. Dazu wird das fusionierte Umgebungsabbild (3D-Umgebungsmodell) entsprechend ausgewertet, wobei Bildverarbeitungstechniken einsetzbar sind, und dabei Objekte und Hindernisse erkannt bzw. detektiert. Anhand des Umgebungsabbilds wird entschieden, ob sich eines der detektierten Objekte auf bzw. in dem Fahrweg befindet.

In diesem Fall erfolgt eine entsprechende (Warn-)Meldung an eine Steuereinheit der mobilen Einheit, die entsprechend auf die Fahrt der mobilen Einheit einwirkt.

So kann beispielsweise bei der Detektion eines relevanten Hindernisses die Geschwindigkeit bis zum Stillstand reduziert bzw. entsprechend angepasst werden und/oder ein akustisches oder visuelles Warnsignal gegeben werden.

In Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im Weiteren näher erläutert wird.
Es zeigen
1a und 1b Skizzen eines autonomen, fahrerlosen Schienenfahrzeugs (CargoMover) mit einem Fahrwegüberwachungssystem;
2 Skizze eines Aufbaus eines kombinierten Fahrwegüberwachungssystems mit unterschiedlichen Sensorsystemen mit den jeweiligen Sensordetektionsbereichen;
3 strukturelle und funktionelle Systemübersicht des Fahrwegüberwachungssystems.
Ausführungsbeispiel: "CargoMover", ein autonomes, fahrerloses Schienenfahrzeug
1a und 1b zeigen ein autonomes, fahrerloses Schienenfahrzeug, einen "CargoMover" 100.
Der CargoMover 100 ist ein fahrerloses, autonomes, schienengebundenes Transportsystem, welches nicht einer unmittelbaren Überwachung und Steuerung durch Bedienpersonal unterliegt, sondern selbständig und autonom seine (Transport-)Funktion erfüllt.
Um autonom agieren zu können, muss er Umgebungsbedingungen im Gleisbereich automatisch erfassen, dort Objekte und/oder Hindernisse erkennen und detektieren, diese entsprechend ihrer Bedeutung interpretieren und in Abhängigkeit davon regieren können.
Dazu ist er mit einem Sicherheitssystem, einem Multisensorsystem 110, ausgestattet, welches ihm die Durchführung der genannten Aufgaben ermöglicht. Insbesondere ermöglicht dieses Multisensorsystem 110, Abstände und Differenzgeschwindigkeiten zu sämtlichen Objekten bzw. Hindernissen in einem Beobachtungsbereich des CargoMovers 100 präzise zu messen.
Dieses Multisensorsystem 110 kombiniert Sensoren 120 unterschiedlicher Messtechniken, einer Lasertechnik, einer Radartechnik und einer Videotechnik, miteinander.
Im Detail umfasst das Multisensorsystem 110 des CargoMovers 100 ein Radarüberwachungssystem 124, umfassend einen rechten 121, einen mittleren 122 und einen linken 123 Radarsensor, ein Laserüberwachungssystem 132, umfassend einen unteren, festen 130 und einen oberen, schwenkbaren 131 3D-Laserscanner, sowie ein Videoüberwachungssystem 141, umfassend eine Videokamera 140.
Die einzelnen Sensorsysteme 124, 132, 141 übertragen ihre Messergebnisse an eine zentrale Fusionseinheit 150 des Multisensorsystems 110. Dort wird aus den verschiedenen Messwerten ein Abbild der Umgebung vor dem CargoMover 100 erstellt.
Dieses Abbild, eine Szenenrepräsentation, bildet eine Grundlage für die Erkennung bzw. Detektion von Objekten und Hindernissen auf dem Gleis 160.
Multisensorkonzept
An das Sicherheitssystem 100 bzw. an das Multisensorsystem 110 werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit bei der Erkennung von Objekten und Hindernissen gestellt. Denn nur dann ist ein sicherer, autonomer Betrieb des CargoMovers 100 gewährleistbar bzw. möglich.
Daraus resultieren hohe Anforderungen in Bezug auf Messgenauigkeit, Reaktionszeit, Reichweite usw., die an das Multisensorsystem 110 gestellt werden.
Der Einsatz der verschiedenen, passend ausgewählten Sensorsysteme 124, 132, 141 innerhalb des Multisensorsystems 110 eröffnet für diese Aufgabe die Möglichkeit, die spezifischen Vorteile jedes einzelnen Sensortyps zu nutzen und die insge samt von den Sensoren gemessene Information in einer Datenfusionseinrichtung, der Fusionseinheit 150, auszuwerten.
Durch eine gewinnbringende Fusion der verschiedenen Messdaten entsteht ein Informationsbestand, der mehr Aussagekraft als die Summe der Einzeldaten hat.
Die charakteristischen Eigenschaften von Sensoren für die Objektvermessung sind prinzipiell von der verwendeten Technologie und anderen Designparametern abhängig. So zeichnet sich die Radartechnik insbesondere durch gute Entfernungsmessung aus im Gegensatz zur guten Winkelmessung von Videosystemen. Die Stärke einer Lasertechnik liegt in ihrer Genauigkeit sowohl bei Winkel- und Entfernungsmessung.
Stellt man unter diesem Gesichtspunkt die verschiedenen Eigenschaften bzw. Schwächen und Stärken von Videosystemen, von Radarsystemen und von Lasersystemen einander gegenüber, so zeigt sich, dass die Technologien sich gegenseitig sehr gut ergänzen.
Aufgrund des großen zu überwachenden Bereiches werden bei dem Multisensorsystems 110 des CargoMovers 100 jeweils mehrere Einzelsensoren desselben Sensortechnik, so bei dem Radar- 124 und dem Lasersystem 132, verwendet, die jeweils unterschiedliche Bereiche schwerpunktmäßig vor dem CargoMover 100 erfassen.
2 zeigt das Multisensorsystem 110 des CargoMovers 100 mit den jeweiligen Detektionsbereichen 200 bzw. 210, 220, 230 der einzelnen Sensoren bzw. Sensorsystemen 124, 132, 141.
Es werden folgende Modellreihen von Sensoren als Basistypen für das Multisensorsystem 110 verwendet:
Videokamera 140: JAI M10RS, 1/2 Zoll Chip, Progressive Scan, 782 × 582 Pixel mit Auto-Iris Objektiv COSM H1212E;
Infrarot Laser Scanner 130, 131: Fa. Sick AG, LMS 221-30206 mit veränderlicher Winkelauflösung und damit korrelierter Scanzeit, einer davon schwenkbar montiert;
Radarsensor 121, 122, 123: FMCW Radar-Modulen mit Patch Antennen, modifiziert.
Die Bilder der Videokamera 140 werden auch genutzt zur Bestimmung des Fahrwegverlaufs (vgl. 3, 311, 322).
Sensorfusion (3)
Die einzelnen Sensorsysteme 124, 132, 141 beobachten den Bereich vor dem CargoMover zunächst unabhängig voneinander und vermessen die Position und ggf. die Geschwindigkeit der detektierten Objekte bzw. Hindernisse.
Dazu erfolgt in den jeweiligen Sensorsystemen 124, 132, 141 eine spezifische Signalverarbeitung (vgl. 3, 310 bis 312, 320 bis 322), da dort die meisten Randbedingungen bekannt sind, die einen Einfluss auf die Entstehung der Beobachtung haben. Bei der spezifischen Signalverarbeitung werden die oben besprochenen Charakteristika bzw. Stärken und Schwächen der unterschiedlichen Sensorsysteme 124, 132, 141 berücksichtigt.
Ferner wird auf diese Weise eine bessere Verteilung der Datenverarbeitungslast zwischen den Sensorsystemen 124, 132, 141 und der Datenfusion erreicht und die Menge der zu übertragenden Daten wird reduziert.
Um aus den Messungen der verschiedenen Sensorsysteme 124, 132, 141 ein gutes Abbild der zu beobachtenden Szene vor dem CargoMover 100 zu erhalten (3D-Umgebungsmodell, vgl. 3, 330), werden die jeweiligen Messergebnisse bzw. Verarbeitungsergebnisse möglichst gewinnbringend vereint bzw. fusioniert (vgl. 3, 330).
Deshalb werden auch bei dieser Fusionierung (vgl. 3, 330) der verschiedenen Messdaten des Multisensorsystems 110 die oben besprochenen Charakteristika bzw. Stärken und Schwächen der unterschiedlichen Sensorsysteme 124, 132, 141 berücksichtigt. Dies erfolgt durch variabler Gewichtung der zu fusionierenden Messdaten.
Das Ziel der Datenfusion ist es dabei, ein möglich genaues Abbild der Umgebung (3D-Umgebungsmodell) des CargoMovers 100 zu erzeugen (vgl. 3, 330) sowie die Zustände (Position und Geschwindigkeit) der beobachteten Objekte sowie deren Entfernung (vgl. 3, 340) zum CargoMover 100 aus dem Umgebungsabbild bzw. aus den aktuellen und vorhergegangenen Messungen möglichst präzise zu bestimmen.
Das entstehende Umgebungsabbild (vgl. 3, 330) wird für die Interpretation der Szenen, d.h. in diesem Fall für die Entscheidung, ob sich eines der detektierten Objekte im Gleis 160 befindet, und für die anschließende Entfernungsbestimmung 340 genutzt.
3 zeigt eine strukturelle und funktionelle Systemübersicht 300 des Multisensorsystems 110 des CargoMovers 100. Die Datenflüsse sind durch Pfeile in 3 gekennzeichnet.
Von den einzelnen Sensorsystemen 124, 132, 141 werden die jeweiligen Messergebnisse 310 bis 312, 320 bis 322 an die zentrale Fusionseinheit 150 übertragen.
Dort erfolgt unter anderem die Bestimmung des 3D-Umgebungsmodells 330, welches als Grundlage für die Identifizierung von Hindernissen sowie die Ermittlung der jeweiligen Entfernungen 340 dieser zum CargoMover 100 dient.
Auf Basis der einzelnen Sensorsignale der Sensorsysteme 124, 132, 141 wird insbesondere ermittelt:

– aus den Messsignalen des Radarsystems 124 eine 2D-Hindernisserkennung 312,
– aus den Messsignalen des Videosystems 141 ein 2D- 311 und daraus ein 3D-Streckenverlauf 321 sowie Hindernisse in Bodennähe (2D) 322,
– aus den Messsignalen des Lasersystems 132 eine 3D-Hinderniserkennung 320 und aus den Messsignalen des Lasersystems 132 in Kombination mit dem 2D-Streckenverlauf 311 eine Gleishöhe und eine Überhöhung 310, welche auch in die Ermittlung des 3D-Streckenverlaufs 321 einfließt.

Das 3D-Umgebungsmodell 330, eine entlang einer 3D-Kurve angeordnete Folge von 2D-Gitterkarten mit Lichtraumprofil, wird erstellt unter Verwendung der 2D-Hinderniserkennung 312, der Hindernisse in Bodennähe 322, des 3D-Streckenverlaufs 321 sowie der 3D-Hinderniserkennung 320.
Anschließend wird unter Verwendung des 3D-Umgebungsmodells 330 ein Hindernis identifiziert und die Entfernung dieses Hindernisses zum CargoMover 100 ermittelt 340.
Wird nun ein Hindernis als relevant, d.h. als auf dem Gleis 160 oder in dem Gleisbereich befindlich, erkannt und nähert sich der CargoMover 100 diesem auf weniger als einen vorgebbaren Sicherheitsabstand, in diesem Fall von 70m, so erfolgen entsprechende Meldungen von der Fusionseinheit 50 an eine Steuereinheit des CargoMovers 100.
Die Steuereinheit veranlasst notwendige Sicherheitsmassnahmen, die eine Kollision mit dem erkannten Hindernis ausschließen. So wird in diesem Fall ein Bremsvorgang eingeleitet, wobei die Geschwindigkeit des CargoMovers 100 kontinuierlich reduziert wird. Darüber hinaus gibt der CargoMover 100 ein akustisches und visuelles Warnsignal ab.
In diesem Dokument sind folgende Schriften zitiert:

[1] Kruse F., et al., "Multisensorsystem für schienengebundene Fahrzeuge", Symposium für Mobilität und Sicherheit.
[2] 3D-Szenenrekonstruktion aus Bilddaten (mittels CCD-Kameras), BMBF-Projekt, erhältlich am 23. September 2002 unter: http://ais.gmd.de/projects/Makro/reports/makro-report-VI-l.pdf.
[3] Mikrowellen-Radar, erhältlich am 23. September 2002 unter: http://www.elva-1.spb.ru/products/industrial/FMCW.html.
[4] H. Surmann, K. Lingemann, A. Nüchter, J. Hertzberg: „A 3D laser range finder for autonomous mobile robots" Proc. 32. ISR (International Symposium on Robotics) pp. 153-158, 2001 3D Laserscanner.
[5] CCD-Videokamera, erhältlich am 23. September 2002 unter: http://www.sony.de/professional/medical/kameras/dxc 990p. html.

Claims

Sensorsystem zur Fahrwegüberwachung für eine autonome mobile Einheit – mit einem Radarüberwachungssystem, welches derart an der autonomen mobilen Einheit angebracht ist, dass ein Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation erzeugt wird, – mit einem Laserüberwachungssystem, welcher derart an der autonomen mobilen Einheit angebracht ist, dass ebenfalls der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wobei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsinformation erzeugt wird, – mit einem Videoüberwachungssystem, welches derart an der autonomen mobilen Einheit angebracht ist, dass ebenfalls der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinformation erzeugt wird, – sowie mit einer mit den Überwachungssystemen gekoppelten zentralen Kontrolleinheit, – in welcher die Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme zusammengeführt werden und – mit welcher aus den Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme eine Gesamtfahrwegsüberwachungsinformation ermittelbar ist, mit welcher Gesamtfahrwegsüberwachungsinformation der Fahrweg überwachbar ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1, mit mehreren Radarüberwachungssystemen und/oder mehreren Laserüberwachungssystemen und/oder mehreren Videoüberwachungssystemen, die alle mit der zentralen Kontrolleinheit gekoppelt sind.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Überwachungsinformationen jeweils eine 2D- oder 3D-Umgebungsinformation einer Umgebung des Fahrwegs beinhalten.
Sensorsystem nach Anspruch 3, bei dem die Umgebungsinformation ein Umgebungsmodell beinhaltet.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Laserüberwachungssystem einen Laserscanner, insbesondere einen 3D-Laserscanner, aufweist.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Radarüberwachungssystem ein Radar auf Basis einer FMCW-Technik aufweist.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Videoüberwachungssystem eine CCD-Videokamera aufweist.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei der Ermittlung der Gesamtfahrwegüberwachungsinformation aus den Überwachungsinformationen diese jeweils entsprechend einer Sicherheit des jeweiligen Überwachungssystems berücksichtigt werden.
Sensorsystem nach Anspruch 8, bei dem die jeweiligen Sicherheiten von Umgebungsbedingungen der autonomen mobilen Einheit abhängig sind.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Gesamtfahrwegüberwachungsinformation eine 3D-Information einer Umgebung des Fahrwegs beinhaltet
Sensorsystem nach Anspruch 10, bei dem die 3D-Information ein 3D Umgebungsmodell ist.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die mobile autonome Einheit ein spurgebundenes Fahrzeug, insbesondere ein fahrerloses Schienenfahrzeug, ist.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, eingesetzt zur Erkennung eines Objekts auf dem Fahrweg, wobei das Objekt unter Verwendung der Gesamtfahrwegüberwachungsinformation als Hindernis identifiziert wird.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, eingesetzt zu einer Überwachung einer Fahrt der autonomen mobilen Einheit auf dem Fahrweg, wobei während der Fahrt unter Verwendung des Sensorsystems der Fahrweg überwacht wird.
Sensorsystem nach Anspruch 13 und Anspruch 14, eingesetzt bei einer überwachten Fahrt der autonomen mobilen Einheit, wobei auf die Fahrt der mobilen Einheit eingewirkt wird, wenn ein Objekt als ein Hindernis erkannt wird.
Verfahren zur Fahrwegüberwachung für eine autonome mobile Einheit, bei dem – unter Verwendung eines Radarüberwachungssystems ein Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht wird, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation erzeugt wird, – unter Verwendung eines Laserüberwachungssystems der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht wird, wobei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsinformation erzeugt wird, – unter Verwendung eines Videoüberwachungssystems der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht wird, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinformation erzeugt wird, – die Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme zusammengeführt werden und – aus den Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme eine Gesamtfahrwegüberwachungsinformation ermittelt wird, mit welcher der Fahrweg überwacht wird.
Computerprogramm-Erzeugnis, das ein computerlesbares Speichermedium umfasst, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in einen Speicher des Computers geladen worden ist, folgende Schritte durchzuführen zur Überwachung eines Fahrwegs für eine autonome mobile Einheit: – unter Verwendung eines Radarüberwachungssystems wird ein Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation erzeugt wird, – unter Verwendung eines Laserüberwachungssystems wird der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Laserüberwachung eine Laderüberwachungsinformation erzeugt wird, – unter Verwendung eines Videoüberwachungssystems wird der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinformation erzeugt wird, – die Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme werden zusammengeführt und – aus den Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme wird eine Gesamtfahrwegüberwachungsinformation ermittelt, mit welcher der Fahrweg überwacht wird.
Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in einen Speicher des Computers geladen worden ist, folgende Schritte durchzuführen zur Überwachung eines Fahrwegs für eine autonome mobile Einheit: – unter Verwendung eines Radarüberwachungssystems wird ein Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation erzeugt wird, – unter Verwendung eines Laserüberwachungssystems wird der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsinformation erzeugt wird, – unter Verwendung eines Videoüberwachungssystems wird der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinformation erzeugt wird, – die Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme werden zusammengeführt und – aus den Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme wird eine Gesamtfahrwegüberwachungsinformation ermittelt, mit welcher der Fahrweg überwacht wird.
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß Anspruch 16 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gemäß Anspruch 19, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind.
Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß Anspruch 16 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.