DE4411994A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion, Klassifizierung und Verfolgung von Fahrzeugen, die am Straßenverkehr teilnehmen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion, Klassifizierung und Verfolgung von Fahrzeugen, die am Straßenverkehr teilnehmen

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DE4411994A1
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Description

Die Erfindung betrifft die Detektion, Klassifizierung und Verfolgung von Fahr­ zeugen.
Die Klassifizierung von Fahrzeugen im fließenden Verkehr wird heute auf ver­ schiedene Art und Weise gelöst:
  • - In die Straße eingelassene Induktionsschleifen zur Messung der magnetischen Signatur.
  • - In die Straße eingelassene Drucksensoren zur Zählung der Achsen.
  • - Lichtschrankenzellen zur Messung der Höhe des Fahrzeugs.
  • - Klassifizierung mit Hilfe von passiv gewonnenen optischen Bildern und Bildverarbeitung.
  • - In die Straße eingelassene Gewichtssensoren (Weight in Motion).
  • - Radarsensoren.
Die Einzelsensoren lassen eine sichere Klassifizierung nicht zu, weshalb bei Anwendungen zur Erhebung von Straßenbenutzungsgebühren eine Kombi­ nation aus mehreren Sensoren eingesetzt wird. Weiter benötigen die meisten der oben aufgeführten Verfahren unerwünschte Umbaumaßnahmen an der Fahrbahn.
Zur Detektion von Fahrzeugen werden auch aktive optische Sensoren an­ gewendet. Diese Sensoren messen von oben, ob sich im erzeugten aufge­ fächerten Laserstrahl ein Fahrzeug befindet. Die bisher eingesetzten Senso­ ren erlauben jedoch keine sichere und genaue Fahrzeugklassifizierung.
Aufgabe der Erfindung ist es, am Straßenverkehr teilnehmende Fahrzeuge berührungslos und vollautomatisch zu erfassen und nicht kooperativ, das heißt ohne Mithilfe des Fahrzeuges, zu klassifizieren und ihren Weg auch bei Wechsel der Fahrspur zu verfolgen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der Patentan­ sprüche gelöst.
Die Vorteile der Erfindung liegen in der sicheren Klassifizierung und Spurver­ folgung von Fahrzeugen durch einen Sensor ohne Modifikationen im Fahr­ bahnbelag. Die in Echtzeit erzeugten Klassifizierungsdaten erlauben die effi­ ziente Einbindung in Verkehrsüberwachungssysteme und Verkehrskontroll­ systeme sowie in Straßengebührensysteme.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Funktionsschema der Erfindung,
Fig. 2 ein Ablaufschema eines Auswerteprogramms.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Doppelzeilenscanner und einem Auswerterechner.
Diese Komponenten werden in den folgenden Abschnitten beschrieben. Ein Funktionsschema ist in Fig. 1 dargestellt.
Doppelzeilenscanner 1.1 Entfernungsbildkamera
Als Sensor für die Fahrzeugklassifizierung wird eine modifizierte Ent­ fernungsbildkamera der Firma Dornier benutzt. Es handelt sich dabei im wesentlichen um den abbildenden Laserradarsensor, dessen Merkmale bereits in der DE 39 42 770 C2 ausführlich beschrieben wurden und dessen Eigenschaften hier nur stichpunktartig aufgezählt werden:
  • - 3D-abbildender Sensor.
  • - Entfernungsmessung über Licht-Laufzeitmessung
  • - Entfernungsauflösung im cm-Bereich.
  • - Strahlablenkung in zwei Dimensionen.
  • - Zeilenscanner, z. B. realisiert als faseroptische Scanner, beschrieben in DE 39 42 771 C1.
  • - Spaltenscanner, z. B. realisiert durch geregelte Spiegel­ bewegung.
  • - Generierung von Entfernungsbildern.
Für die beschriebene Anwendung wurde dieses Gerät in der nachfolgend be­ schriebenen Weise modifiziert, um bewegte Fahrzeuge genau klassifizieren und verfolgen zu können.
1.2 3D-Abbildung schneller Fahrzeuge
Zur Abbildung schneller Fahrzeuge ist die Strahlablenkung durch ge­ regelte Spiegelbewegung zu langsam. Daher wird die Entfernungs­ bildkamera zu einem Zeilenscanner modifiziert, das heißt der Licht­ strahl wird nur in einer Richtung abgelenkt. Wird ein Fahrzeug von einem Zeilenscanner senkrecht zur Fahrtrichtung abgetastet, entsteht ein dreidimensionales Bild des Fahrzeugs, dessen Länge von der Verweildauer des Fahrzeugs im Scanbereich und damit von der Ge­ schwindigkeit des Fahrzeugs abhängt. Deshalb wird in die Entfer­ nungsbildkamera eine zweite Abtastzeile integriert, die zur ersten Zeile örtlich im definierten Abstand versetzt ist. Aus der zeitlichen Korrelation der Abstandssignale der beiden Zeilen wird die Geschwin­ digkeit des Fahrzeugs berechnet. Mit Hilfe des Geschwindigkeitswerts wird dann ein exaktes, entzerrtes 3D-Bild des Fahrzeugs gewonnen. Weiter ermöglicht die örtlich versetzte zweite Zeile eine genaue Spurverfolgung des Fahrzeugs.
2. Auswerterechner 2.1 Rechneraufbau
Der Auswerterechner kann sowohl in den Sensor integriert werden als auch als externes Modul betrieben werden. Er besteht aus folgenden Subsystemen:
  • 1. Prozessorboard mit Steckplätzen für einen oder mehrere Prozessoren und Speicherbausteinen.
  • 2. Schnittstelle zum Sensor zum Entfernungsdatentransfer.
  • 3. Schnittstelle zur Übergabe der anwenderspezifischen Klassifizierungsdaten.
  • 4. Eventuell getrennte Schnittstelle zur Programmierung des Rechners.
Die Software des Auswerterechners besteht aus:
  • 1. Echtzeit-Betriebssystem.
  • 2. Treiberroutine für die Schnittstelle zum Entfernungs­ bildsensor.
  • 3. Auswerteprogramm mit den Funktionen
  • - Fahrzeugdetektion.
  • - Geschwindigkeitsbestimmung.
  • - Bestimmung der Länge, Höhe, Breite des Fahrzeugs.
  • - Bestimmung der Fahrzeugklasse.
  • - Fahrzeug Orts/Zeit Transformation zur Triggerung weiterer Sensoren.
  • 4. Treiberroutinen für Outputschnittstelle
Das Auswerteprogramm 3. ist speziell auf den Informationsgehalt des Entfernungsbildes ausgelegt und daher nur in Verbindung mit einer Entfernungsbildkamera funktionsfähig. Das Auswerteprogramm wird im Folgenden näher beschrieben.
2.2 Auswerteprogramm 2.2.1 Übersicht
Die Hauptfunktionen des Programms sind die Bestimmung von Fahr­ zeugklasse und Fahrzeuggeschwindigkeit aus den Sensorrohdaten in Echtzeit.
Der Prozeßablauf des Auswerteprogramms ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Es werden zwei parallele Prozesse implementiert, die den beiden Sensorzeilen zugeordnet sind. Beide Prozesse sind zyklisch; jeder Zyklus beginnt mit der Detektion des Fahrzeuganfangs und endet mit der Detektion des Fahrzeugendes. Dazwischen wird das Fahrzeugprofil in Höhe und Breite zeilenweise erfaßt, und es wird die laterale Position vermessen. Prozeß B ist zeitlich gegen Prozeß A versetzt, da die zweite Sensorzeile (in Fahrtrichtung) hinter der ersten liegt. Wenn die Fahrzeugfront von Prozeß B vollständig erfaßt ist, wer­ den die Fahrzeugprofile der Zeile 1 und 2 korreliert. Aus der Korrela­ tion ergibt sich der Geschwindigkeitsvektor mit hoher Genauigkeit. Die Geschwindigkeit wird unter anderem benötigt, um das gemessene Hö­ henprofil des Fahrzeugs zu entzerren. Das entzerrte Höhenprofil dient zur Klassifikation des Fahrzeugs. Die Outputdaten (z. B. Geschwindig­ keitsvektor, laterale Position, Fahrzeugklasse) werden sofort nach der Detektion des Fahrzeugendes durch Prozeß B von diesem über die Schnittstelle ausgegeben, so daß Prozeß B für die Vermessung des nächsten Fahrzeugs zur Verfügung seht.
2.2.2 Detektion Fahrzeuganfang/Fahrzeugende
Der Doppelzeilenscanner ist dauernd in Betrieb und erzeugt zwei "Lichtvorhänge" auf der Fahrbahn. Dem Auswerterechner sind die Signale, die die Straße erzeugt, bekannt. Tritt nun ein Fahrzeug durch den ersten "Vorhang", wird dies vom Prozessor sofort als Veränderung detektiert und der Klassifizierungsprozeß eingeleitet. Das Detektions­ signal wird auch zur Triggerung zusätzlicher Systeme verwendet.
2.2.3 Erfassung Fahrzeugprofil
Jede Datenzeile des Scanners definiert die Schnittlinie des betreffen­ den Scanfächers mit der Fahrzeugoberfläche. Die Korrelation dieser Kontur mit einem Rechtecksignal liefet die Merkmale (Fächer-)Höhe, Breite und laterale Position. Dieser Merkmalssatz wird im Sensortakt aus den Rohdaten extrahiert.
Der Höhenwert wird als Funktion des Sensortaktes gespeichert (soge­ nanntes Höhenprofil), um später für die Korrelation zur Verfügung zu stehen. Die Werte für die Breite werden statistisch analysiert; für Fahr­ zeuge mit konstanter Breite ergibt sich ein sehr genauer Mittelwert. Aus den Werten für die laterale Position wird später die laterale Ge­ schwindigkeit abgeleitet.
2.2.4 Korrelation Höhenprofile
Die Höhenprofile der beiden Sensorzeilen werden von der Fächer­ höhe auf die wahre Höhe umgerechnet ("Fächerkorrektur"). Das korri­ gierte Höhenprofil der ersten Zeile wird durch Verschieben auf der Zeitachse mit dem korrigierten Höhenprofil der zweiten Zeile optimal zur Deckung gebracht. Auf diese Weise gelingt eine genaue Zuord­ nung ("Korrelation") der einzelnen Höhenwerte bei beiden Scanzei­ len.
2.2.5 Bestimmung Geschwindigkeitsvektor
Für jeden Höhenwert im Höhenprofil der ersten Scanzeile ist der zu­ gehörige Sensortakt und somit die zugehörige Systemzeit bekannt. Für den korrelierten Höhenwert im Höhenprofil der zweiten Scanzeile ist dies auch der Fall. Aus dem Fächerabstand bei dieser Höhe und aus der Differenz der Systemzeiten läßt sich die Längsgeschwindig­ keit des Fahrzeugs für diesen einen Sensortakt bestimmen. Entspre­ chendes gilt für die laterale Position und die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs. Einen hochgenauen Wert für den Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeugs erhält man durch statistische Auswertung der einzel­ nen Vektoren für alle Sensortakte.
2.2.6 Klassifikation
Unter Verwendung der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit läßt sich das Höhenprofil des Fahrzeugs als Funktion des Ortes statt - wie bisher - der Zeit darstellen ("Normierung"). Zur Klassifikation wird das normier­ te Höhenprofil mit im Rechner gespeicherten Referenzprofilen vergli­ chen. Der Vergleich der Kurven wird unscharf ("fuzzy") durchgeführt. Aus Rechenzeitgründen wird hierfür ein "Look-Up-Table" implemen­ tiert, in dem für einen Meßwert dessen Zugehörigkeitswerte zu allen Klassen nachgeschlagen werden können. Nach Vergleich aller Meß­ werte ergibt sich eine beste Klasse mitsamt ihrer Vertrauenszahl.
Die Referenzprofile für unterschiedliche Klassen können entweder manuell implementiert werden oder sie können durch Messung mit dem System automatisch erfaßt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Auswertung von Verkehrssituationen des Straßenver­ kehrs oder Schienenverkehrs, mittels kontinuierlicher Aufnahme von Entfernungsbildern der Verkehrsszene, vorzugsweise von oben, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Verkehrsszene kontinuierlich zeilenförmig abgetastet wird und
  • - durch die Bewegung der Fahrzeuge eine 3-dimensionale Dar­ stellung der Verkehrsszene entsteht und
  • - die Abtastung zweizeilig erfolgt und mit der Korrelation der beiden Zeilen die Geschwindigkeit der Fahrzeuge ermittelt und hiermit die 3. Dimension ihrer Darstellung korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch kontinuierliche Aufnahme von Entfernungsbildern, vorzugsweise von oben, und Auswertung der Bilddaten die Klassifizierung von Fahrzeu­ gen erfolgt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung ein aktiver, elektro­ optischer, scannender Sensor als Frontend des Systems verwendet wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sensor ein Infrarot-Lasersensor verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die Korrelation der beiden Zeilen die seitliche Bewegung der Fahrzeuge ermittelt wird und dadurch die Fahrzeuge auch bei Spurwechsel verfolgt werden können
DE4411994A 1994-04-11 1994-04-11 Verfahren und Vorrichtung zur Detektion, Klassifizierung und Verfolgung von Fahrzeugen, die am Straßenverkehr teilnehmen Withdrawn DE4411994A1 (de)

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