DE4434042A1 - Anordnung zum berührungslosen Erfassen und Vermessen von räumlich ausgedehnten Objekten, insbesondere zum Erfassen von verkehrsbezogenen Daten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum berührungslosen Erfassen und Vermessen von räumlich ausgedehnten Objekten, insbesondere zum Erfassen von verkehrsbezogenen Daten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Das Erfassen von verkehrsbezogenen Daten ist für Anwendungen der automatischen Gebührenerhebung, für die kollektive und individuelle Verkehrsleittechnik und für Innenstadtanwendungen (Rotlichtüberwachung für Ampeln, Zufahrtskontrolle für Parkflächen und innerstädtische Parkzonen etc.) wichtig. Zu den Verkehrsdaten, die festgestellt werden können, gehören das Vorhandensein von Fahrzeugen, die Fahrtrichtung der Fahrzeuge, die Geschwindigkeit und die Klassenzugehörigkeit von Fahrzeugen.

Der Einsatz von Lasern in der Verkehrsleittechnik ist bekannt. In der US 49 47 353 wird eine Anordnung beschrieben, mit der Fahrzeuge automatisch detektiert werden können, beispielsweise an einem Gebührenerfassungssystem. Dabei ist ein Laserscanner vorgesehen, der auf einer Seite der Fahrbahn positioniert ist und ein vertikaler fotoelektrischer Detektor auf der anderen Seite der Fahrbahn. Mit dem angegebenen Laserscanner kann die Höhe eines Fahrzeuges festgestellt werden.

Aus der DE 38 04 750 C1 ist ein System zur Fernerfassung von Überschreitungen der Höchstgeschwindigkeit und des Verkehrsflusses im Straßenverkehr bekannt. Dabei wird von einer zentral gelegenen Meßanlage aus, die Sichtverbindung zu mehreren zu überwachenden Straßenabschnitten hat, mit einem Lasergerät die Fahrzeuggeschwindigkeit gemessen. Zur Beweissicherung werden die einzelnen Straßenabschnitte von Kameras überwacht. Bei Feststellung einer Höchstgeschwindigkeitsüberschreitung wird das entsprechende Beweisbild abgerufen.

Aus der DE 38 21 892 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsmessung von Containerumsetzfahrzeugen bekannt. Dabei wird die mit Reflektoren ausgerüstete Umgebung des Fahrzeuges als Bezug zur Messung vom Fahrzeug aus benutzt. Während der Fahrt und insbesondere im Stand wird kontinuierlich mit einem rotierenden Laserentfernungsmesser die Umgebung vom Fahrzeug aus gemessen. Der verwendete Laserscanner spannt dabei eine Ebene auf. Wollte man einen solchen Laserscanner zur Überwachung von Fahrbahnen einsetzen, so läge die Scanebene quer zur Fahrtrichtung und nur das Querprofil hindurchfahrender Fahrzeuge könnte ermittelt werden. Zur Bestimmung der Länge und Geschwindigkeit des Fahrzeuges muß dann durch einen zweiten Laserscanner eine zweite Ebene aufgespannt werden. Hohe Kosten und erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit sind die Folge. Zudem ist keine Messung möglich während der Laserstrahl den nach oben gerichteten Teil der Ebene durchläuft. Um eine hohe Scanrate zu erreichen, sind zur Strahlablenkung entweder sehr schnell rotierende Spiegel oder aufwendige und massereiche Polygonspiegel notwendig. Zudem ist mit hohem Aufwand dafür zu sorgen, daß die Abtaststrahlen synchron laufen, damit sich keine ständig ändernde Meßungenauigkeit der Geschwindigkeitsmessung ergibt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum berührungslosen Erfassen und Vermessen von räumlich ausgedehnten Objekten anzugeben, insbesondere zum Erfassen von verkehrsbezogenen Daten, die zuverlässig arbeitet und die für die Anwendung in der Verkehrsleittechnik notwendigen hohen Anforderungen erfüllt.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich dadurch aus, daß der Laserstrahl nicht wie herkömmlich in einer Ebene abgelenkt wird, sondern in der Art, daß der Laserstrahl sich auf einem Kegelmantel bewegt. Das Meßprinzip beruht auf einer optischen Laufzeitmessung mit einem rotierenden Laserstrahl und einer Winkelcodierung. Die Auftreffpunkte des Strahls beschreiben also je nach Neigung der Auftreffebene einen Kreis oder eine Ellipse. Aus den gemessenen Auftreffpunkten des Strahls auf ein Objekt können Längs- und Querprofil des Objektes sowie dessen Bewegungsrichtung bestimmt werden. Aus der Zeit, die ein Objekt zum Durchdringen der räumlichen Meßgeometrie benötigt, ist eine Geschwindigkeitsbestimmung auf einfache Weise mit nur einem einzigen Sensor möglich. Die gesamte Umlaufzeit des Meßstrahles kann genutzt werden.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Laserstrahl, der derart abgelenkt wird, daß er einen Kegelmantel beschreibt, wobei die Symmetrieachse des Kegels senkrecht zur Überwachungsebene steht,

Fig. 2 einen gescannten Laserstrahl, der ebenfalls einen Kegelmantel beschreibt, wobei jedoch die Symmetrieachse des Kegelmantels geneigt zur Überwachungsebene steht,

Fig. 3 einen Laserstrahl mit ausgeblendeten Bereichen,

Fig. 4a) eine Seitenansicht und

Fig. 4b) eine Aufsicht auf einen LKW, der sich im Abtastfeld des Lasers bewegt,

Fig. 5 eine Fahrbahn mit einer erfindungsgemäßen Anordnung und

Fig. 6 eine Scan-Einrichtung.

In einem Gehäuse 7 sind ein Laser 1 und eine Scan- Einrichtung 2 untergebracht. Dieses Gehäuse ist in den Figuren jeweils dargestellt. In Fig. 1 sind mehrere Abtaststrahlen A_t und A_{t+ Δ t} dargestellt, die jeweils auf eine Überwachungsoberfläche 4 treffen. Der Kreis 8 bildet die Schnittebene von dem durch die Abtaststrahlen aufgespannten Strahlkegel und der Überwachungsoberfläche 4.

Auch Fig. 2 zeigt ein Gehäuse 7 mit einem Laser und einer Scan-Einrichtung. Auch hier bilden die vom Laser ausgesendeten Strahlen die Oberfläche eines Kegels. Die Symmetrieachse dieses Kegels ist jedoch gegen die Überwachungsoberfläche 4 geneigt. Somit ist die Schnittfläche des aufgespannten Strahlkegels mit der Beobachtungsoberfläche eine Ellipse 8′. Der Vorteil dieser Variante ist, daß man den Sensor seitlich neben der Beobachtungsoberfläche aufstellen kann. Die Signalverarbeitung und die Trennung zwischen sich hintereinander und nebeneinander bewegenden Objekten wird dadurch jedoch schwieriger. Bei senkrechter Aufhängung des Sensors besteht die Möglichkeit, die seitlichen Segmente des aufgespannten Strahlkegels (z. B. mechanisch) auszublenden. Dies ist in Fig. 3 dargestellt.

Die Fig. 4a und 4b zeigen ein Anwendungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung. Ein Lastkraftwagen L bewegt sich auf einer Straße S. Die Anordnung ist senkrecht über der Straße befestigt. Laser und Scan-Einrichtung befinden sich in einem Gehäuse 7. Die Abtastpunkte A sind durch dicke schwarze Punkte auf den Figuren dargestellt. In der Aufsicht ist leicht zu sehen, daß im Bereich B die Abtastpunkte keine weitere Information bringen und ausgeblendet werden können. Über die beiden verbleibenden Zonen können folgende Informationen ermittelt werden:

• - Eintritts- und Austrittszeitpunkt/-Ort
• - Geschwindigkeit eines Fahrzeugs
• - seitliche Position, multilanefähig
• - Höhen- und Querprofil (auch dreidimensional) eines Fahrzeuges zur Klassifikation
• - Richtung eines Fahrzeugs
• - Fahrzeugabstände.

Dadurch, daß auch die seitliche Position der Fahrzeuge ermittelt werden kann, ist es möglich, auch bei mehreren benachbarten Fahrspuren zwischen den einzelnen Fahrzeugen zu unterscheiden. Damit ist das System multilanefähig. Eine Reihe von Möglichkeiten sind bei einem solchen System frei wählbar, nämlich die Höhe des Sensors, der Winkel des Laserstrahls und damit der Radius auf der Straße und der auszublendende Bereich.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, die neben einer Straße mit zwei Fahrspuren F1 und F2 und einer Standspur S aufgebaut ist. Das Gehäuse 7 mit dem Laser und der Scan-Einrichtung ist auf einem Mast 10 seitlich neben der Straße angeordnet. Es könnte auch an einer Brücke 9 befestigt sein. An der Brücke 9 oder an dem Mast 10 können auch weitere Sensoren oder beispielsweise Kameras 11 bis 13 befestigt sein.

Eine schematische Darstellung des Aufbaus der Scan- Einrichtung ist in Fig. 6 dargestellt. Der Laser 1 trifft auf einen Strahlteiler St, der den Strahl in einen transmittierten Anteil und einen reflektierten Anteil aufteilt. Der reflektierte Anteil trifft auf einen Empfänger EM. Der transmittierte Anteil trifft auf eine verspiegelte geneigte Stirnfläche 6 eines rotierenden Zylinders 5, der von einem Antriebsmotor AM gedreht wird. Der Abtaststrahl A tritt durch ein Austrittsfenster AF, das sich an dem Gehäuse 7 befindet, aus diesem aus. Es ist auch eine Realisierung der Scan-Einrichtung denkbar, bei der statt des rotierenden Zylinderspiegels die Strahlablenkung durch verspiegelte Piezoschwinger erfolgt. Die Auswerteeinrichtung 3 kann sich ebenfalls im Gehäuse 7 befinden.

Claims (6)

1. Anordnung zum berührungslosen Erfassen und Vermessen von räumlich ausgedehnten Objekten, insbesondere zum Erfassen von verkehrsbezogenen Daten, wobei sich die Objekte auf einer Überwachungsoberfläche bewegen, mit einem Laser (1), einer Scan-Einrichtung (2) für den Laserstrahl und einer Auswerteeinrichtung (3), mit der eine optische Laufzeitmessung zur Entfernungsbestimmung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der abgelenkte Laserstrahl einen Kegelmantel aufspannt, dessen Symmetrieachse orthogonal oder geneigt zur Überwachungsoberfläche (4) angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl auf bestimmten Segmenten des Kegelmantels, wo sich keine Objekte bewegen können, ausgeblendet wird zur Datenreduktion.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scan-Einrichtung (2) einen rotierenden Zylinder (5) aufweist, dessen eine verspiegelte Stirnfläche (6), die zur Ablenkung des Laserstrahls dient, geneigt ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Motor eine Winkelcodierung vorgesehen ist, um die Position des Laserstrahls zu ermitteln.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsoberfläche (4) eine Fahrbahn, Straße oder Fahrspur ist und Laser (1) und Scan- Einrichtung (2) an einer Brücke (9) über der Überwachungsoberfläche (4) oder an einem Mast (10) neben der Überwachungsoberfläche (4) angebracht sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Fahrbahn, Fahrspur oder Straße seitlich angeordneten Bereiche des vom Laserstrahl beschriebenen Kegelmantels ausgeblendet werden.