EP4277827A1 - Orientierungsbasierte positionsermittlung von schienenfahrzeugen - Google Patents

Orientierungsbasierte positionsermittlung von schienenfahrzeugen

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Publication number
EP4277827A1
EP4277827A1 EP22708754.1A EP22708754A EP4277827A1 EP 4277827 A1 EP4277827 A1 EP 4277827A1 EP 22708754 A EP22708754 A EP 22708754A EP 4277827 A1 EP4277827 A1 EP 4277827A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rail vehicle
orientation
determined
dependent
basis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22708754.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Seidel
Kristian Weiß
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of EP4277827A1 publication Critical patent/EP4277827A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or vehicle trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or vehicle trains
    • B61L25/025—Absolute localisation, e.g. providing geodetic coordinates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or vehicle train for signalling purposes ; On-board control or communication systems
    • B61L15/0081—On-board diagnosis or maintenance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or vehicle trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or vehicle trains
    • B61L25/023—Determination of driving direction of vehicle or vehicle train
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or vehicle train for signalling purposes ; On-board control or communication systems
    • B61L15/0054—Train integrity supervision, e.g. end-of-train [EOT] devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L2205/00—Communication or navigation systems for railway traffic
    • B61L2205/04—Satellite based navigation systems, e.g. GPS
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B61L23/00—Control, warning, or like safety means along the route or between vehicles or vehicle trains
    • B61L23/04—Control, warning, or like safety means along the route or between vehicles or vehicle trains for monitoring the mechanical state of the route
    • B61L23/042—Track changes detection
    • B61L23/045—Rail wear
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or vehicle trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or vehicle trains
    • B61L25/021—Measuring and recording of train speed
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position of a rail vehicle based on its orientation.
  • the invention also relates to a position determination device.
  • the invention also relates to a rail vehicle.
  • Knowing the position of a rail vehicle can be used to solve many different tasks and problems. For example, an automated control of the journey of the rail vehicle can follow it depending on the location. In general, the driving behavior of a rail vehicle, in particular the speed or stopping maneuvers, can be controlled depending on the location.
  • GNSS global navigation satellite system
  • a map of the surroundings of a rail vehicle is created by sensors and its spatial position within this map is determined.
  • An absolute position of the rail vehicle can then be determined by comparing the created map with a reference map.
  • a particular challenge with this approach is that a correspondingly detailed map is required for precise position determination and the exact position of the sensor unit must be known in order to generate a detailed map. Consequently, map creation and self-localization cannot be solved independently of one another.
  • the map is determined incrementally, with the movement of the rail vehicle being able to be determined on the basis of changes in the position of map points.
  • the object is therefore to provide a method and a device for determining the position of a rail vehicle, which works with reduced effort and with sufficient accuracy compared to conventional methods.
  • sensors Sor schemes which are correlated with a change in orientation of the rail vehicle, recorded.
  • the sensor data can be recorded, for example, with an angle-resolving sensor, preferably an angle-resolving radar sensor.
  • the sensor is preferably arranged on the front side of the rail vehicle and aligned in the direction of travel or in the direction of the longitudinal axis of the rail vehicle. However, the sensor can also be arranged at a different location on the rail vehicle.
  • a rail vehicle can also have a number of sensors, which can also be arranged at different points on the rail vehicle.
  • the sensors can also have different modes of operation, or their measurements can be based on different physical principles.
  • a time-dependent change in the orientation of the rail vehicle is determined on the basis of the sensor data.
  • an estimated speed is determined on the basis of the recorded sensor data and/or on the basis of additionally recorded sensor data.
  • Such an estimated speed is less accurate than a speed determined on the basis of the position of the rail vehicle to be determined by the method according to the invention or on the basis of a position change derived therefrom over time. If this speed is determined as a relative speed to the environment on the basis of sensor data from sensors that scan the surroundings of the rail vehicle, then one can speak of a "local speed" of the rail vehicle, which is determined by the estimation described.
  • the estimated speed can but also on the basis of additional sensor data related to a global system, such as satellite navigation data.
  • a path-dependent orientation of the rail vehicle is determined on the basis of the estimated speed and the time-dependent change in orientation of the rail vehicle.
  • orientation also called “heading”
  • the Direction are understood in which a vehicle running through the rails longitudinal axis is directed. This direction can be oriented in the direction of the rail track or tangentially to the rail track.
  • an absolute position of the rail vehicle is determined by comparing the determined path-dependent orientation of the rail vehicle with reference data for a path-dependent orientation.
  • the reference data can be obtained, for example, on the basis of map data in which a rail route is drawn. However, they can also be obtained by driving a route and a simultaneous orientation measurement or a combination of the two procedures mentioned.
  • the position determination device has an orientation sensor unit for acquiring sensor data, for example from the surroundings of a rail vehicle, which are correlated with a change in orientation of the rail vehicle. Part of the position determination device according to the invention is also an orientation change determination unit for determining a time-dependent change in orientation of the rail vehicle on the basis of the detected sensor data. Furthermore, the position determination device according to the invention comprises a speed determination unit for determining an estimated speed of the rail vehicle on the basis of the recorded sensor data and/or additionally recorded sensor data. In addition, the position determination device according to the invention has an orientation determination unit for determining a path-dependent orientation of the rail vehicle on the basis of the estimated speed and the detected sensor data.
  • the position determination device comprises a position determination unit for determining an absolute position of the rail vehicle by comparing the determined path-dependent orientation of the rail vehicle with reference data for a path-dependent orientation.
  • the position determination device shares the advantages of the method according to the invention for orientation-based position determination of a rail vehicle.
  • the rail vehicle according to the invention has the position determination device according to the invention. Furthermore, the rail vehicle according to the invention comprises a control unit for controlling travel of the rail vehicle based on a position of the rail vehicle determined by the position determination device and a traction unit for driving the rail vehicle on the basis of control commands from the control unit.
  • the rail vehicle according to the invention shares the advantages of the position determination device according to the invention.
  • Some components of the position determination device according to the invention can be designed predominantly in the form of software components, optionally after the addition of hardware systems, such as a sensor unit. This applies in particular to parts of the change in orientation determination unit, the speed determination unit, the orientation determination unit and the position determination unit. In principle, however, these components can also be partially implemented in the form of software-supported hardware, for example FPGAs or the like, particularly when particularly fast calculations are involved.
  • the required interfaces for example when it is only a matter of taking over data from other software components, can be designed as software interfaces. However, they can also be in the form of hardware interfaces that are controlled by suitable software.
  • a largely software-based implementation has the advantage that even previously existing in a rail vehicle computer systems after a possible supplementation by additional Liche hardware elements, such as additional sensor units, can easily be upgraded with a software update to the inventive way to work.
  • the object is also achieved by a corresponding computer program product with a computer program that can be loaded directly into a memory device of such a computer system, with program sections in order to execute the steps of the method according to the invention that can be implemented by software when the computer program is executed in the computer system.
  • such a computer program product may also include additional components such as documentation and/or additional components, including hardware components such as hardware keys (dongles, etc.) for using the software.
  • additional components such as documentation and/or additional components, including hardware components such as hardware keys (dongles, etc.) for using the software.
  • a computer-readable medium for example a memory stick, a hard disk or another transportable or permanently installed data medium, on which the program sections of the computer program that can be read and executed by a computer unit, can be used for transport to the storage device of the computer system and/or for storage on the computer system are saved.
  • the computing unit can have one or more working micro processors or the like for this purpose.
  • the comparison includes determining a cross-correlation function between the determined path-dependent orientation of the rail vehicle and the reference data for a path-dependent orientation of a rail vehicle.
  • the speed of the rail vehicle can also be determined on the basis of the sensor data and a distance covered can be determined on the basis of the determined speed of the rail vehicle in order to direct the measurement signal to the reference signal or the orientation data determined by sensor measurement to the reference data standardize
  • a common sampling interval is defined for the reference data, which is based on map data, and the sensor data, i.e. the measurement data, which should not be too coarse in order not to lose resolution.
  • the orientation for both datasets is then linearly interpolated according to the sampling selected.
  • the two datasets can include complex phases i* h mess r ⁇ *h map of orientation angles, which are correlated with each other using a complex cross-correlation function r(k):
  • n and k are integers that count the sampling intervals.
  • a maximum value of the complex cross-correlation function r(k) is determined. At the point k max of the maximum, it is determined whether the maximum is sufficiently pronounced. This means in particular that it is determined whether the maximum of the correlation function r(k) of the distance already covered is sufficiently large or is unambiguous.
  • the location of the maximum k max describes the offset between the measurement signal and the reference signal.
  • the uniqueness of the maximum can also be determined by evaluating an autocorrelation function of the path-dependent orientation determined by measurement over the path already covered. If the autocorrelation function only has secondary maxima below a predetermined threshold value, localization within the route previously covered is possible.
  • a correlation in a search area can also be estimated using previous knowledge based, for example, on satellite navigation, location markers or cell phone data, and it can be determined whether the correlation function estimated in this way has a sufficiently pronounced maximum so that unambiguous localization is possible.
  • the level of cross correlation is a quality measure for estimating the position of a rail vehicle.
  • the complex phase describes the difference between the phase of the comparison signal and the reference signal and can be used as a correction value for the orientation measurement. Based on the determined offset, the correct starting point of the measurement signal can be determined in the reference signal. Subsequently, the projection of the traveled Distance on the mapped route the current route point is determined. Furthermore, an absolute or global position can be determined with the aid of map data coordinates assigned to the route points.
  • the graph of the path-dependent orientation of the map and the measurement can also be divided into continuous sections with the aim of reducing the amount of data and, if necessary, "disorders", i.e. deviations from the heading of the route, e.g. small variations caused by the S-course For a position determination, map sections which have a good correlation result are subsequently preferred.
  • the measurement signal used for the cross-correlation or the path-dependent orientation determined on the basis thereof can be compressed or stretched in continuous areas in order to increase the correlation. In this way, an error in an odometric path estimation can be compensated for or determined, thus enabling more precise localization.
  • the cross-correlation function r(k) can also comprise a real correlation function.
  • a complex cross-correlation function r(k) generally provides clearer maxima, making it better suited for position determination.
  • One of the following sensor system types can be used to acquire the sensor data that is correlated with a change in orientation of the rail vehicle:
  • a camera-based, preferably stereo camera-based measuring system is provided.
  • REMER Robot Ego Motion Estimation with Radar
  • a change in orientation of a rail vehicle can also be determined with an inertial measuring unit.
  • a rough position of a rail vehicle can be determined with the aid of a satellite navigation system, the knowledge of which is used to correlate reference data of a corresponding rail section with the signal of an orientation of the rail vehicle based on a measurement.
  • 3D data from the surroundings of a rail vehicle can also be recorded and/or generated, with which an exact assessment of a positioning of the rail vehicle is possible.
  • Depth sensor data can also be captured as 3D data from the environment. Such a depth sensor allows a three-dimensional scanning of an area to be monitored, as a result of which a position or an orientation of a rail vehicle in three-dimensional space can be determined more precisely.
  • the 3D data can be captured from the monitored environment by a lidar unit or a stereo camera, for example will.
  • Lidar units or stereo cameras are also used to detect collision obstacles for a rail vehicle.
  • these special sensor units can also be used for the self-localization of the rail vehicle without having to install an additional sensor unit.
  • the 3D data can preferably be reproduced as a depth image or as a point cloud.
  • Point clouds are particularly suitable for capturing the environment using lidar systems or laser-based systems in general, as they limit the amount of data to be processed.
  • the 3D data can also be determined based on video data from a mono camera and based on the detection of the optical flow of the captured video data.
  • the concept of determining 3D data based on the acquisition of the optical flow can be implemented, for example, by using a "structure from motion" algorithm.
  • a complex 3D camera can be dispensed with and three-dimensional information from the environment of the Rail vehicle are generated, on the basis of which an orientation and position of the rail vehicle can be determined.
  • a starting point for the detected orientation data is first determined in the reference data, preferably by comparing the determined path-dependent orientation of the rail vehicle with reference data, which corresponds to a starting point of a route traveled in the reference data. Furthermore, an absolute starting position of the rail vehicle is determined on a map by an absolute position assigned to the starting point in the reference data. A dynamic absolute position can then be determined by determining a distance covered on the basis of the correlated reference data and a projection of the length of the distance covered onto a distance drawn on the map Route can be determined.
  • An exact global position of the rail vehicle can advantageously be determined, the accuracy of which is only limited by the accuracy of the measurements and the accuracy of the map used and by the geodetic model on which the map is based.
  • the reliability of the determined absolute position of the rail vehicle can be checked using one of the following methods:
  • the confidence values are determined on the basis of the peak height of the cross-correlation function between the orientation based on the measurement signal and the orientation based on the reference data, normalized over the route length, and on the basis of the height of the secondary maxima of the autocorrelation function of the measurement and the cross-correlation function between the measurement and the route-based reference data.
  • Examination of the curve shape includes examination of the height of side lobes, the distance between these side lobes and the sharpness of the main lobe of the cross-correlation function.
  • a sharp maximum allows a more precise position determination than a weaker maximum.
  • the highest local maximum is determined in addition to the absolute maximum of the cross-correlation function and its distance from the absolute maximum.
  • the comparison of sequential correlation shifts includes the comparison of a route distance from positions obtained by the method according to the invention at at least two measurement times that are not necessarily consecutive with a route that is determined by the speed estimation method used in the position estimation and by integration of the estimated speed data in the corresponding measurement period becomes.
  • An incorrect position determination can advantageously be recognized. In this way, for example, certain road sections that are not suitable for determining a position using the method according to the invention can be recognized.
  • the correlation level ie the ratio of the maximum of the correlation function to the length of the corresponding route section. If there is no correlation result within a specified tolerance, this can indicate a change in the course of the rail. If necessary, this change can be transmitted to a central location for checking the course of the rails if the correlation result falls below a threshold value. For example, a detour in a section of the route that was previously unknown to the central office can be made known in this way.
  • a sensor alignment of sensors of a rail vehicle can be calibrated by the inventive correlation of uncalibrated measurement data with reference data.
  • the orientation of the sensors on a rail vehicle shows a certain deviation from a target value.
  • a calibration can advantageously be carried out by comparing orientation values based on sensor data with reference data.
  • the deviation corresponds to a linear trend or an increase in the orientation values of the measurement data.
  • the torsion or deviation ß can also be determined by regular checking.
  • Condition monitoring and/or asset monitoring can also be carried out on the basis of the position determination and/or calibration.
  • a map can be created using a precise trajectory. Defects and/or errors in an existing map can also be recognized and eliminated on the basis of the more precise trajectory. In addition, flaws in a physical rail of a track body can also be determined.
  • a one-sided lowering which manifests itself as a sine curve of a rail vehicle at a point where this is not to be expected, can be determined.
  • the status monitoring can also include the detection of a yaw movement or a sine run of the rail vehicle, since such a deviation is reflected in the measured orientation of the rail vehicle.
  • the length of a rail vehicle or train can also be determined by adding a rear sensor. Like a sensor arranged on the front side of the rail vehicle, the rear sensor supplies an orientation signal which is correlated with the course of the route. The orientation signals from the front sensor and the rear sensor can be correlated with each other. The shift determined during the correlation then yields the length of the rail vehicle or train. Alternatively the orientation values based on the front sensor and the rear sensor can be correlated with reference data. The difference in the global position of the front and the tail of the train can then be determined as the train length. In this way, for example, it is possible to observe how the length of a train changes when starting, braking and cornering.
  • Knowledge of a precise global position of a rail vehicle can also be used to identify stationary targets as landmarks for mapping or for relocation.
  • the orientation of individual wagons of a train can be determined more precisely using map information based on the course of the orientation of the route if the position of the train is known more precisely.
  • RCS filtering can be used to monitor the density and/or moisture and/or health of vegetation surrounding a track area, or the health of infrastructure such as catenary poles containing organic matter includes, to be monitored.
  • organic material changes its reflective properties depending on humidity. The amount of material in the room or the density also has an influence on the reflected signal energy.
  • objects in the vicinity of the rail vehicle and their status can be monitored in this way, insofar as it is correlated with the signal energy of the signals reflected by them.
  • the sensor data recorded can also be combined in order to be able to determine the position and orientation of the rail vehicle or the position of objects in the vicinity of the rail vehicle more precisely.
  • certain sensors are particularly suited to certain weather conditions. If necessary, this sensor data can be weighted according to the current weather conditions in such a way that an adjusted measurement result is achieved.
  • FIG. 1 shows a flowchart which illustrates a method for orientation-based position determination of a rail vehicle according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a position determination device according to an embodiment of the inventions
  • FIG. 3 shows a diagram which illustrates a real-valued and a complex-valued autocorrelation function between a measured orientation of a rail vehicle and reference data
  • FIG. 5 shows a diagram which illustrates a shift between an orientation curve determined by real-valued correlation and an orientation curve determined by complex-valued correlation
  • FIG. 6 shows a diagram which illustrates a calibration of an orientation sensor by comparing measured orientation data with reference data
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a rail vehicle according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a flowchart 100 which illustrates a method for determining the position of a rail vehicle based on an orientation according to an exemplary embodiment of the invention.
  • step 1.1 sensor data SD from the surroundings of a rail vehicle 2 are recorded with the aid of a radar sensor.
  • a speed vector Vi 0k relative to the environment is estimated in step l.II. Since there is little traffic in the area around a rail vehicle 2, at least outside of densely populated areas, the area behaves essentially statically compared to the moving rail vehicle 2.
  • a local speed vector Vi k can therefore be determined or estimated based on the knowledge of changes in the distance between the rail vehicle 2 and the environment and/or Doppler measurements.
  • the change in orientation dO/dt can also be determined by other sensor measurement methods, such as acceleration sensor measurements or inertial sensor measurements.
  • the estimated scalar speed v(t) can also be determined by other measurement methods, such as odometry or satellite navigation, instead of by measuring sensor data from the area surrounding the rail vehicle 2 .
  • step 1.III a change in orientation dO/dt as a function of time t is determined using the determined local velocity vector Vi k .
  • a scalar speed v(t) of rail vehicle 2 is determined on the basis of local speed vector V iok .
  • the value of the scalar speed v(t) corresponds to the absolute value of the local speed vector Vi ok .
  • a path-dependent orientation 0(s) is estimated by dividing the time-dependent change in orientation dO/dt by the scalar speed v(t) of the rail vehicle 2 and integrating it according to the path (see also Equation (3)).
  • step IV a so-called complex cross-correlation function r c (s) is determined between the estimated path-dependent orientation O(s) of the rail vehicle and reference data O ref (s) of a path-dependent orientation.
  • step l.VI an absolute maximum of the cross-correlation function r c (s) is determined. At the path position so assigned to the maximum, the starting point for the estimated orientation data O(s) lies in the reference data O ref (s). Consequently, in step 1.VI, the starting point So of a route traveled is exactly determined in the reference data O ref (s).
  • step 1.VII an absolute starting position of the rail vehicle is determined in a map by an absolute position p abS o assigned to the starting point So in the reference data O ref (s).
  • a dynamic absolute position p abs (t) is determined by determining a distance s(t) covered since the assigned absolute position p abS o and based on a projection of the length of the distance covered s(t). determines a route drawn in the map of the reference data.
  • Steps 1.1 to 1.VIII are repeated as often as desired while the rail vehicle 2 is in motion, so that a precise and constantly updated position p abS (t) of the rail vehicle 2 is constantly available.
  • the position determination device 20 is part of a control system of a rail vehicle 2 (see FIG. 7).
  • the position determination device 20 includes an orientation sensor unit 21, which is set up to detect radar sensor data SD, which are correlated with a change in orientation of a rail vehicle 2, from the surroundings of the rail vehicle 2.
  • Part of the position determination device 20 is also a speed determination unit 22, which is set up to determine a local speed vector Vi ok of the rail vehicle 2 on the basis of the detected radar sensor data SD.
  • a type of local map can be generated on the basis of the radar sensor data SD, with a relative movement Vi ok of the rail vehicle 2 in relation to the static structures of this local map also being determined by the radar sensor data SD.
  • the position determination device 20 also includes an orientation change determination unit 23 for determining a time-dependent change in orientation dO/dt of the rail vehicle 2 on the basis of the radar sensor data SD or the relative movement Vi ok of the rail vehicle 2.
  • a local orientation relative to a local map results from the direction of movement of the Relative movement Vi ok of the rail vehicle 2.
  • a change dO/dt in the orientation can now be calculated on the basis of this local orientation.
  • the position determination device 20 also includes an orientation determination unit 24 for determining a path-dependent orientation O(s) of the rail vehicle 2 on the basis of the change dO/dt in the orientation O(s) and the scalar local speed v(t).
  • the position determination device 20 also has a position determination unit 25 for determining an absolute position P abs (t) of the rail vehicle 2 .
  • Part of the position determination unit 25 is a correlation function generation unit 25a, which is set up to generate a complex cross-correlation function r c ( s) to generate.
  • the reference data O ref (s) is obtained by the correlation function generation unit 25a from a database 25b.
  • the determined complex cross-correlation function r c ( s) is transmitted to a starting point determination unit 25c, which determines a starting point So in the reference data O ref ( s) at the point at which the maximum of the complex cross-correlation function r c ( s) is located .
  • an absolute starting position P abs o of the rail vehicle 2 is determined by a starting point determination unit 25d.
  • the starting point determination unit 25d determines an absolute starting position p abS o assigned to the starting point So in the reference data O ref (s) in a map KD, which it receives from the already mentioned database 25b.
  • a distance s(t) is determined, which the rail vehicle 2 has covered since passing the absolute position p abS o.
  • a current, dynamic cal absolute position p abS ( t) of the rail vehicle 2 is determined on the map KD.
  • FIG. 3 shows a diagram 30 which shows an auto-correlation a of an orientation of a rail vehicle 2 as a function of the path s covered by the rail vehicle 2 .
  • a real-valued autocorrelation function a r ( s) (with solid lines)
  • a complex-valued autocorrelation function a c ( s) (with dashed lines) of an orientation depending on the path s are shown.
  • the complex autocorrelation function a c( s) shows small side lobes, which have a distance of 600m to the main lobe and less than 30% of the correlation value of the main lobe. Consequently, it does not have any high secondary maxima and promises a stable, unambiguous localization in the case of a cross-correlation with a reference signal.
  • FIG. 4 shows a diagram 40 which illustrates a real-valued cross-correlation function r r ( s) (with solid lines) and a complex-valued cross-correlation function r c ( s) (with dashed lines).
  • the cross-correlation functions r r ( s), rc ( s) give a correlation value between an orientation 0(s) of a rail vehicle 2 determined on the basis of sensor measurement data SD and a reference orientation O ref ( s) determined on the basis of map data KD Rail vehicle 2 on.
  • the actual starting point So in the case shown in FIG. 4 is approximately 6000 m and is illustrated by the absolute maximum of the complex-valued cross-correlation function r c ( s).
  • the secondary maximum at around 6000m would have to be determined as the starting point So, although this secondary maximum with a correlation of around 0.85 is lower than the main maximum with a correlation of 1.
  • FIG. 5 shows a diagram 50 which illustrates a comparison of an orientation O(s) determined by measurement with a reference orientation O ref ( s).
  • the real-valued cross-correlation function r r( s) would find an incorrect starting point so f so that the two orientation functions O(s), Oref (s) would not agree well either, but would be shifted relative to one another by the value So - Sof.
  • the current route point can be determined by projecting the distance traveled onto the mapped route.
  • An absolute position of the rail vehicle can also be determined from this, since each point on the route has an absolute position on the map and can therefore also be assigned globally.
  • FIG. 6 shows a diagram 60 which illustrates a calibration of an orientation sensor by comparing measured orientation data O(s) with reference orientation data O ref (s).
  • Diagram 60 shows orientation values in angle units.
  • a sensor can generally not be installed in a rail vehicle 2 exactly at the specified angle, since increased accuracy is associated with a disproportionate amount of assembly work.
  • a sensor installed in or on a rail vehicle 2 therefore has a deviation, in particular its orientation, with respect to a predetermined measurement plane.
  • REMER Robot Ego Motion Estimation with Radar
  • a long, straight rail section A k is first identified in the reference data O ref (s) (drawn with solid lines), on which the Rail vehicle 2 has already driven and orientation data O(s) (dashed lines) were recorded.
  • a linear trend or a straight line G is then determined in the corresponding measurement data section A k by a fitting process to the measured orientation 0(s).
  • equation (2) results for the deviation where 1 describes the distance from the sensor to the pivot point of the rail vehicle.
  • the torsion or deviation ß can also be determined by regular checking.
  • FIG. 7 shows a schematic representation 70 of a track section or rail area 1 on which a rail vehicle 2 is traveling in the direction of the arrow.
  • the rail vehicle 2 has a position determination device 20 with which an absolute position p abS (t) of the rail vehicle 2 is determined in the manner shown in connection with FIG. 1 to FIG.
  • the absolute position p abS (t) is transmitted to a control unit 71 which transmits control commands SB to a drive unit 72 .

Abstract

Es wird ein Verfahren zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs (2) beschrieben. Bei dem Verfahren werden Sensordaten (SD), welche mit einer Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) korreliert sind, erfasst. Auf Basis der Sensordaten (SD) wird eine zeitabhängige Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) ermittelt. Auf Basis der erfassten Sensordaten (SD) und/oder auf Basis von zusätzlich erfassten Sensordaten wird außerdem eine geschätzte Geschwindigkeit (Vlok) des Schienenfahrzeugs (2) ermittelt wird. Auf Basis der geschätzten Geschwindigkeit (Vlok) und der zeitabhängigen Orientierungs- änderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) wird nachfolgend eine wegabhängige Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) ermittelt. Weiterhin wird eine absolute Position (pabs(t)) des Schienenfahrzeugs (2) durch Abgleich der ermittelten 20 wegabhängigen Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) mit Referenzdaten (Oref(s)) einer wegabhängigen Orientierung ermittelt. Es wird auch eine Positionsermittlungseinrichtung (20) beschrieben. Weiterhin wird ein Schienenfahrzeug (2) beschrieben.

Description

Beschreibung
Orientierungsbasierte Positionsermittlung von Schienenfahr zeugen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur orientierungsbasier ten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs. Außerdem betrifft die Erfindung eine Positionsermittlungseinrichtung. Überdies betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug.
Die Kenntnis der Position eines Schienenfahrzeugs kann für die Lösung vieler unterschiedlicher Aufgaben und Problemstel lungen genutzt werden. Beispielsweise kann eine automatisier te Steuerung der Fahrt des Schienenfahrzeugs ortsabhängig er folgen. Allgemein kann das Fahrverhalten eines Schienenfahr zeugs, insbesondere die Geschwindigkeit oder Haltemanöver ortsabhängig gesteuert werden.
Eine Möglichkeit, die Position eines Fahrzeugs zu ermitteln, kann mit Hilfe eines satellitenbasierten Navigationssystems (GNSS = global navigation satellite System) realisiert wer den. Allerdings sind Satellitensignale nicht immer verfügbar und außerdem ist die Genauigkeit der Satellitennavigation bei standardmäßig aufgebauten Systemen auf einige wenige Meter beschränkt. Verbesserte Genauigkeiten können zum Beispiel durch RTK-Positionsmessungen erreicht werden. Bei RTK-Posi- tionsmessungen werden zwei Empfangsantennen benötigt, die erste ist die Referenzstation, die zweite der sogenannte Rover, dessen Position durch dreidimensionales polares An hängen an die Referenzstation nach dem Basislinienverfahren bestimmt wird. Meist existiert ein durch einen Betreiber bereitgestelltes Netz von Referenzstationen. Mithin müssen fest installierte Referenzstationen bereitgestellt werden, was zu einem im Vergleich zur herkömmlichen Satellitennavi gation deutlich erhöhten Ressourcenaufwand beiträgt.
Eine andere Herangehensweise zur Positionsbestimmung ist durch eine simultane Positionsbestimmung und Kartierung (SLAM = Simultaneous Localization and Mapping = Simultane Posi tionsbestimmung und Kartierung) gekennzeichnet. Dabei wird durch Sensoren eine Karte der Umgebung eines Schienenfahr zeugs erstellt und seine räumliche Lage innerhalb dieser Karte ermittelt. Durch einen Vergleich der erstellten Karte mit einer Referenzkarte kann dann eine absolute Position des Schienenfahrzeugs ermittelt werden. Eine besondere Herausfor derung bei dieser Herangehensweise besteht darin, dass für eine genaue Positionsbestimmung eine entsprechend detaillier te Karte benötigt wird und für die Generierung einer detail lierten Karte die genaue Position der Sensoreinheit bekannt sein muss. Mithin können also die Kartenerstellung sowie die Selbstlokalisierung nicht unabhängig voneinander gelöst wer den. Die Ermittlung der Karte erfolgt inkrementeil, wobei die Bewegung des Schienenfahrzeugs anhand von Positionsänderungen von Kartenpunkten ermittelt werden kann. Da die Bewegung des Schienenfahrzeugs zwischen zwei Messungen aber nie exakt er mittelbar ist, wird die berechnete Position des Schienenfahr zeugs immer weiter von der wahren Position abweichen. Um die Konsistenz der Karte zu erhalten, muss mit Hilfe eines Algo rithmus erkannt werden, wenn ein schon bekannter Teil der Um gebung erneut vermessen wird. Diese Verfahren sind oft sehr rechenaufwändig und gegebenenfalls eher ungenau.
Es besteht also die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs bereit zustellen, welches mit reduziertem Aufwand und ausreichender Genauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur orientierungsba sierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1, eine Positionsermittlungseinrichtung gemäß Patentanspruch 12, und ein Schienenfahrzeug gemäß Patent anspruch 13 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur orientierungsbasier ten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs werden Sen- sordaten, welche mit einer Orientierungsänderung des Schie nenfahrzeugs korreliert sind, erfasst. Die Sensordaten können zum Beispiel mit einem winkelauflösenden Sensor, vorzugsweise einem winkelauflösenden Radarsensor, erfasst werden. Der Sen sor ist vorzugsweise an der Frontseite des Schienenfahrzeugs angeordnet und in Fahrtrichtung bzw. in Richtung der Längs achse des Schienenfahrzeugs ausgerichtet. Der Sensor kann aber auch an einer anderen Stelle des Schienenfahrzeugs ange ordnet sein. Wie später noch ausführlicher erläutert, kann ein Schienenfahrzeug auch mehrere, auch an unterschiedlichen Stellen des Schienenfahrzeugs angeordnete Sensoren aufweisen. Die Sensoren können auch unterschiedliche Funktionsweisen aufweisen, bzw. deren Messungen können auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basieren. Auf Basis der Sensordaten wird eine zeitabhängige Orientierungsänderung des Schienen fahrzeugs ermittelt. Außerdem wird auf Basis der erfassten Sensordaten und/oder auf Basis von zusätzlich erfassten Sensordaten eine geschätzte Geschwindigkeit ermittelt. Eine solche geschätzte Geschwindigkeit weist im Gegensatz zu einer auf Basis der durch das erfindungsgemäße Verfahren zu ermit telnden Position des Schienenfahrzeugs bzw. auf Basis einer daraus zeitlich abgeleiteten Positionsänderung ermittelten Geschwindigkeit eine geringere Genauigkeit auf. Wird diese Geschwindigkeit auf Basis von Sensordaten von Sensoren, wel che die Umgebung des Schienenfahrzeug abtasten, als Relativ geschwindigkeit zur Umgebung ermittelt, so kann von einer „lokalen Geschwindigkeit" des Schienenfahrzeugs gesprochen werden, die durch die beschriebene Schätzung ermittelt wird. Die geschätzte Geschwindigkeit kann aber auch auf Basis zusätzlicher Sensordaten, welche auf ein globales System bezogen sind, wie zum Beispiel Satellitennavigationsdaten, ermittelt werden.
Auf Basis der geschätzten Geschwindigkeit und der zeit abhängigen Orientierungsänderung des Schienenfahrzeugs wird eine wegabhängige Orientierung des Schienenfahrzeugs ermit telt. Als Orientierung, auch „Heading" genannt, soll die Richtung verstanden werden, in die eine durch das Schienen fahrzeug verlaufende Längsachse gerichtet ist. Diese Richtung kann in Richtung des Schienenstrangs bzw. tangential zum Schienenstrang orientiert sein. Weiterhin wird eine absolute Position des Schienenfahrzeugs durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs mit Refe renzdaten einer wegabhängigen Orientierung ermittelt. Die Referenzdaten können zum Beispiel auf Basis von Kartendaten, in denen ein Schienenverlauf eingezeichnet ist, gewonnen werden. Sie können aber auch durch Abfahren einer Strecke und eine simultane Orientierungsmessung oder eine Kombination aus den beiden genannten Vorgehensweisen gewonnen werden.
Vorteilhaft werden für die Positionsermittlung des Schienen fahrzeugs keine infrastrukturseitigen Systeme, wie zum Beispiel Satelliten, Balisen, Magnetschleifen, benötigt und es wird auch keine Verwendung von Gray Codes oder optischen Markern benötigt. Vorteilhaft werden Kosten im Vergleich zu den mit einer Aufrüstung der Infrastruktur verbundenen Verfahren gespart. Trotz des reduzierten Aufwands wird eine im Vergleich zu einfachen herkömmlichen Positionsermittlungs verfahren erhöhte Genauigkeit erreicht. Im Gegensatz zu An sätzen mit der bereits erwähnten SLAM-Technik müssen erfin dungsgemäß keine Merkmalspunkte oder Landmarken in aufein anderfolgenden Zeitschriften wiedergefunden werden. Weiterhin lässt sich eine robuste Lokalisierung erreichen, welche ins besondere im Gegensatz zur Rad-Odometrie auch robust gegen Rutschen und Gleiten, im Englischen als "Slip and Slide" bezeichnet, sind.
Die erfindungsgemäße Positionsermittlungseinrichtung weist eine Orientierung-Sensoreinheit zum Erfassen von Sensordaten, beispielsweise von der Umgebung eines Schienenfahrzeugs, auf, welche mit einer Orientierungsänderung des Schienenfahrzeugs korreliert sind. Teil der erfindungsgemäßen Positionsermitt lungseinrichtung ist auch eine Orientierungsänderung-Ermitt lungseinheit zum Ermitteln einer zeitabhängigen Orientie rungsänderung des Schienenfahrzeugs auf Basis der erfassten Sensordaten. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Posi tionsermittlungseinrichtung eine Geschwindigkeit-Ermittlungs einheit zum Ermitteln einer geschätzten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs auf Basis der erfassten Sensordaten und/oder von zusätzlich erfassten Sensordaten. Außerdem weist die erfindungsgemäße Positionsermittlungseinrichtung eine Orientierung-Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer wegab hängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs auf Basis der ge schätzten Geschwindigkeit und der erfassten Sensordaten auf. Überdies umfasst die erfindungsgemäße Positionsermittlungs einrichtung eine Position-Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer absoluten Position des Schienenfahrzeugs durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung des Schienenfahr zeugs mit Referenzdaten einer wegabhängigen Orientierung. Die erfindungsgemäße Positionsermittlungseinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur orientierungs basierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs.
Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist die erfindungs gemäße Positionsermittlungseinrichtung auf. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug eine Steuereinheit zur Steuerung einer Fahrt des Schienenfahrzeugs auf Basis einer von der Positionsermittlungseinrichtung ermittelten Position des Schienenfahrzeugs und eine Traktionseinheit zum Antrieb des Schienenfahrzeugs auf Basis von Steuerbefehlen der Steuereinheit. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Positionsermittlungs einrichtung.
Einige Komponenten der erfindungsgemäßen Positionsermitt lungseinrichtung können, gegebenenfalls nach Ergänzung um Hardwaresysteme, wie zum Beispiel eine Sensoreinheit, zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebil det sein. Dies betrifft insbesondere Teile der Orientierungs änderung-Ermittlungseinheit, der Geschwindigkeit-Ermittlungs einheit, der Orientierung-Ermittlungseinheit und der Position-Ermittlungseinheit . Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher in einem Schienenfahrzeug vorhandene Rechnersysteme nach einer eventuellen Ergänzung durch zusätz liche Hardwareelemente, wie zum Beispiel zusätzliche Sensor einheiten, auf einfache Weise durch ein Software-Update nach gerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entspre chendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines solchen Rechnersystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um die durch Software realisierbaren Schritte des erfindungs gemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in dem Rechnersystem ausgeführt wird.
Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computer programm 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 com puterlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest ein gebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rech nereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikro prozessoren 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 ab hängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibungsteilen weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unter schiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienen fahrzeugs umfasst der Abgleich eine Ermittlung einer Kreuz korrelationsfunktion zwischen der ermittelten wegabhängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs und den Referenzdaten einer wegabhängigen Orientierung eines Schienenfahrzeugs. Zusätzlich zu der Orientierung des Schienenfahrzeugs kann auf Basis der Sensordaten auch die Geschwindigkeit des Schienen fahrzeugs ermittelt werden und ein zurückgelegter Weg auf Basis der ermittelten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ermittelt werden, um das Messsignal auf das Referenzsignal bzw. die durch Sensormessung ermittelten Orientierungsdaten auf die Referenzdaten zu normieren.
Für die Referenzdaten, welche auf Kartendaten basieren, sowie die Sensordaten, also die Messdaten, wird ein gemeinsames Sampling-Intervall festgelegt, welches nicht zu grob gewählt werden sollte, um nicht an Auflösung zu verlieren. Anschließend wird die Orientierung für beide Datensätze ent sprechend der gewählten Abtastung linear interpoliert.
Die beiden Datensätze können zum Beispiel komplexe Phasen i* hmess r ί*hmap von Orientierungswinkeln umfassen, die mit einer komplexen Kreuzkorrelationsfunktion r(k) miteinander korreliert werden:
Die beiden Variablen n und k sind ganze Zahlen, die die Ab- tastintervalle abzählen. Bei dem Abgleich wird ein betrags mäßiges Maximum der komplexen Kreuzkorrelationsfunktion r(k) ermittelt. An der Stelle kmax des Maximums wird ermittelt, ob das Maximum ausreichend ausgeprägt ist. Das bedeutet insbe sondere, dass ermittelt wird, ob das Maximum der Korrela tionsfunktion r(k) der bereits zurückgelegten Wegstrecke ausreichend groß ist bzw. eindeutig ist.
Ist das der Fall, so beschreibt die Stelle des Maximums kmax den Versatz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal. Die Eindeutigkeit des Maximums kann auch durch die Auswertung einer Autokorrelationsfunktion der durch Messung ermittelten wegabhängigen Orientierung über den bereits zurückgelegten Weg ermittelt werden. Wenn die Autokorrelationsfunktion nur Nebenmaxima unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts aufweist, ist die Lokalisierung innerhalb der bisher zurück gelegten Strecke möglich. Es kann auch eine Korrelation in einem Suchbereich durch vorheriges Wissen basierend bei spielsweise auf Satellitennavigation, Ortungsmarken oder Mobilfunkdaten abgeschätzt werden und ermittelt werden, ob die derart abgeschätzte Korrelationsfunktion ein hinreichend ausgeprägtes Maximum aufweist, damit eine eindeutige Lokali sierung möglich ist.
Allgemein kann gesagt werden, dass die Höhe der Kreuzkor relation ein Gütemaß für die Schätzung der Position eines Schienenfahrzeugs ist.
Die komplexe Phase beschreibt die Differenz der Phase des Vergleichssignals zum Referenzsignal und kann als Korrek turwert für die Orientierungsmessung genutzt werden. Auf Basis des ermittelten Versatzes kann der korrekte Startpunkt des Messsignals im Referenzsignal ermittelt werden. Anschließend wird über die Projektion der zurückgelegten Entfernung auf die kartierte Strecke der aktuelle Strecken punkt ermittelt. Weiterhin kann eine absolute bzw. globale Position mit Hilfe von den Streckenpunkten zugeordneten Koordinaten von Kartendaten ermittelt werden.
Der Graph der wegabhängigen Orientierung der Karte und der Messung kann auch in stetige Abschnitte unterteilt werden, mit dem Ziel, die Datenmenge zu reduzieren und gegebenenfalls „Störstellen", d.h. Abweichungen von dem Heading des Streckenverlaufs, z.B. durch S-Verlauf entstandene kleine Variationen, zu eliminieren. Für eine Positionsermittlung werden nachfolgend Kartenabschnitte bevorzugt, welche ein gutes Korrelationsergebnis aufweisen.
Das für die Kreuzkorrelation genutzte Messsignal bzw. die auf dessen Basis ermittelte wegabhängige Orientierung kann in stetigen Bereichen gestaucht bzw. gestreckt werden, um die Korrelation zu erhöhen. Auf diese Weise kann ein Fehler einer odometrischen Wegschätzung ausgeglichen bzw. ermittelt werden und so eine genauere Lokalisierung ermöglicht werden.
Die Kreuzkorrelationsfunktion r(k) kann auch alternativ eine reelle Korrelationsfunktion umfassen. Allerdings liefert eine komplexe Kreuzkorrelationsfunktion r(k) in der Regel eindeu tigere Maxima, so dass sie sich besser zur Positionsermitt lung eignet.
Zur Erfassung der Sensordaten, welche mit einer Orientie rungsänderung des Schienenfahrzeugs korreliert sind, kann eine der folgenden Sensorsystemarten genutzt werden:
- ein Radarsystem,
- eine inertiale Messeinheit,
- ein Satellitennavigationssystem,
- ein Beschleunigungssensorsystem,
- ein Magnetfeldsensorsystem,
- ein Ultraschallsensorsystem,
- ein laserbasiertes Messsystem, - ein auf der Modulation radioaktiver Strahlung basierendes Messsystem,
- ein kamerabasiertes, vorzugsweise stereokamerabasiertes Messsystem.
Wird ein Radarsystem genutzt, so kann insbesondere das REMER- Verfahren (REMER = Robust Ego Motion Estimation with Radar) verwendet werden, um eine Orientierungsänderung sowie eine Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs zu ermitteln. Das genannte REMER-Verfahren ist in einer deutschen Patentanmel dung mit dem amtlichen Aktenzeichen 102020 206 771.6 be schrieben.
Auch mit einer inertialen Messeinheit kann eine Orientie rungsänderung eines Schienenfahrzeugs ermittelt werden.
Es können auch unterschiedliche Messmethoden mit unterschied lichen Sensoren oder Sende-/Empfangssystemen kombiniert wer den. Beispielsweise kann mit Hilfe eines Satellitennavi gationssystems eine grobe Position eines Schienenfahrzeugs ermittelt werden, deren Kenntnis dazu verwendet wird, Refe renzdaten eines korrespondierenden Schienenabschnitts mit dem auf einer Messung basierenden Signal einer Orientierung des Schienenfahrzeugs zu korrelieren.
Beispielsweise können auch 3D-Daten von einer Umgebung eines Schienenfahrzeugs erfasst und/oder erzeugt werden, mit denen eine exakte Einschätzung einer Positionierung des Schienen fahrzeugs möglich ist.
Es können auch als 3D-Daten von der Umgebung Tiefensensor daten erfasst werden. Ein solcher Tiefensensor erlaubt eine dreidimensionale Abtastung eines zu überwachenden Bereichs, wodurch eine Position oder eine Orientierung eines Schienen fahrzeugs im dreidimensionalen Raum genauer ermittelbar ist.
Die 3D-Daten können beispielsweise durch eine Lidareinheit oder eine Stereokamera von der überwachten Umgebung erfasst werden. Lidareinheiten oder Stereokameras werden auch zur Detektion von Kollisionshindernissen für ein Schienenfahrzeug genutzt. Vorteilhaft können diese speziellen Sensoreinheiten zusätzlich für die Selbstlokalisierung des Schienenfahrzeugs verwendet werden, ohne zusätzliche Sensoreinheit installieren zu müssen.
Die 3D-Daten können vorzugsweise als Tiefenbild oder als Punktwolke wiedergegeben werden. Punktwolken eignen sich ins besondere für die Erfassung der Umgebung durch Lidarsysteme oder allgemein laserbasierte Systeme, da damit die zu verar beitende Datenmenge beschränkt wird.
Die 3D-Daten können auch auf Basis von Videodaten von einer Mono-Kamera und auf Basis der Detektion des optischen Flusses der erfassten Videodaten ermittelt werden. Das Konzept der Ermittlung von 3D-Daten auf Basis der Erfassung des optischen Flusses lässt sich zum Beispiel durch Anwendung eines „structure from motion"-Algorithmus realisieren. Vorteilhaft kann auf eine aufwändige 3D-Kamera verzichtet werden und trotzdem können dreidimensionale Informationen von der Umgebung des Schienenfahrzeugs erzeugt werden, auf deren Basis eine Orientierung und Position des Schienenfahrzeugs ermittelt werden kann.
Zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schie nenfahrzeugs wird vorzugsweise durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs mit Refe renzdaten zunächst ein Anfangspunkt für die erfassten Orien tierungsdaten in den Referenzdaten ermittelt, welcher einem Anfangspunkt einer gefahrenen Strecke in den Referenzdaten entspricht. Weiterhin wird eine absolute Startposition des Schienenfahrzeugs durch eine dem Anfangspunkt in den Refe renzdaten zugeordnete Absolutposition in einer Karte ermit telt. Eine dynamische Absolutposition kann dann durch Ermitt lung einer zurückgelegten Wegstrecke auf Basis der korrelier ten Referenzdaten und einer Projektion der Länge der zurück gelegten Wegstrecke auf einen in der Karte eingezeichneten Streckenverlauf ermittelt werden. Vorteilhaft kann eine exak te globale Position des Schienenfahrzeugs ermittelt werden, deren Genauigkeit nur durch die Genauigkeit der Messungen und die Genauigkeit der verwendeten Karte sowie durch das der Karte zugrundeliegende geodätische Modell limitiert ist.
Die Zuverlässigkeit der ermittelten Absolutposition des Schienenfahrzeugs kann durch eine der folgenden Methoden geprüft werden:
- Ermitteln von Konfidenzwerten auf Basis der Ermittlung der Orientierungswerte,
- Ermitteln auf Basis der Kurvenform der Kreuzkorrelations funktion, ob ein eindeutiger Abgleich zwischen der ermit telten wegabhängigen Orientierung des Schienenfahrzeugs und den Referenzdaten möglich ist,
- Vergleichen von sequentiellen Korrelationsverschiebungen, welche auf die Trajektorie des Schienenfahrzeugs in longi tudinaler Richtung abgebildet werden, mit einer aktuell gemessenen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, um zu prüfen, ob die Schätzung im Zeitverlauf plausibel ist.
Die Konfidenzwerte werden auf Basis der über die Strecken länge normierten Peakhöhe der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen der auf dem Messsignal basierenden Orientierung und der referenzdatenbasierten Orientierung sowie auf Basis der Höhe der Nebenmaxima der Autokorrelationsfunktion der Messung und der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen der Messung und den streckenbasierten Referenzdaten ermittelt.
Die Untersuchung der Kurvenform umfasst die Untersuchung der Höhe von Nebenmaxima, des Abstands dieser Nebenmaxima sowie der Schärfe des Hauptmaximums der Kreuzkorrelationsfunktion. Ein scharfes Maximum erlaubt eine präzisiere Positionsbestim mung als ein schwächer ausgeprägtes Maximum. Außerdem wird das höchste lokale Maximum neben dem absoluten Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion sowie dessen Abstand zu dem abso luten Maximum ermittelt. Das Vergleichen von sequenziellen Korrelationsverschiebungen umfasst den Vergleich einer Streckendistanz von durch das er findungsgemäße Verfahren gewonnenen Positionen zu mindestens zwei nicht zwingend aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten mit einer Strecke, welche durch das bei der Positionsschätzung genutzte Geschwindigkeitsschätzverfahren und durch Integra tion der geschätzten Geschwindigkeitsdaten in dem korrespon dierendem Messzeitraum ermittelt wird. Vorteilhaft kann eine fehlerhafte Positionsermittlung erkannt werden. Auf diese Weise können zum Beispiel auch bestimmte Streckenabschnitte, die nicht für eine Positionsermittlung durch das erfindungs gemäße Verfahren geeignet sind, erkannt werden.
Bei der Überprüfung, ob ein Korrelationsergebnis valide ist, kann auch die Korrelationshöhe, also das Verhältnis des Maxi mums der Korrelationsfunktion zur Länge des korrespondieren den Streckenabschnitts herangezogen werden. Im Fall keines Korrelationsergebnisses innerhalb einer vorgegebenen Toleranz kann dies auf eine Veränderung des Schienenverlaufs hinwei- sen. Gegebenenfalls kann diese Veränderung an eine zentrale Stelle zur Überprüfung des Schienenverlaufs übermittelt werden, falls das Korrelationsergebnis einen Schwellwert unterschreitet. Beispielsweise kann so eine für die zentrale Stelle bisher noch nicht bekannte Umgehungsführung in einem Streckenabschnitt bekannt gemacht werden.
Eine Kalibration einer Sensorausrichtung von Sensoren eines Schienenfahrzeugs kann durch die erfindungsgemäße Korrelation von unkalibrierten Messdaten mit Referenzdaten erfolgen. Die Orientierung der Sensoren eines Schienenfahrzeugs weist eine gewisse Abweichung von einem Sollwert auf. Um Ungenauigkeiten bei der Messung von Sensordaten und deren Verarbeitung zu vermeiden, kann vorteilhaft eine Kalibration durch Abgleich von auf Sensordaten basierenden Orientierungswerten mit Referenzdaten durchgeführt werden. Der Abweichung entspricht ein linearer Trend bzw. eine Steigung der Orientierungswerte der Messdaten. Auf Basis dieser Steigung Acp/As kann dann ein Abweichungswinkel ß berechnet werden. Für einen geradlinigen Streckenverlauf mit = 0 ergibt sich für die Abweichung wobei 1 den Abstand des Sensors zum Drehpunkt beschreibt. Die Verdrehung bzw. Abweichung ß kann auch durch eine regelmäßige Überprüfung ermittelt werden.
Auf Basis der Positionsermittlung und/oder Kalibration kann auch eine Zustandsüberwachung und/oder eine Asset-Überwachung durchgeführt werden.
Im Rahmen der Zustandsüberwachung kann zum Beispiel eine Kar te durch eine präzisierte Trajektorie erstellt werden. Es können auch Fehlstellen und/oder Fehler in einer existie renden Karte auf Basis der präzisierten Trajektorie erkannt und eliminiert werden. Außerdem können auch Fehlstellen in einer physikalischen Schiene eines Gleiskörpers ermittelt werden.
Beispielsweise kann dabei eine einseitige Absenkung, welche sich durch einen Sinus-Lauf eines Schienenfahrzeugs an einer Stelle äußert, an der das nicht zu erwarten ist, ermittelt werden. Die Zustandsüberwachung kann auch das Erkennen einer Gierbewegung oder eines Sinus-Laufs des Schienenfahrzeugs umfassen, da sich eine solche Abweichung in der gemessenen Orientierung des Schienenfahrzeugs äußert.
Es kann auch die Länge eines Schienenfahrzeugs oder Zugs durch Ergänzung eines rückseitigen Sensors ermittelt werden. Der rückwärtige Sensor liefert ebenfalls wie auch ein an der Fronseite des Schienenfahrzeugs angeordneter Sensor ein Orientierungssignal, welches mit dem Streckenverlauf korre liert ist. Die Orientierungssignale des vorderen Sensors und des rückseitigen Sensors können gegeneinander korreliert wer den. Die bei der Korrelation ermittelte Verschiebung ergibt dann die Länge des Schienenfahrzeugs bzw. Zuges. Alternativ können die Orientierungswerte auf Basis des vorderen Sensors und des rückseitigen Sensors mit Referenzdaten korreliert werden. Die Differenz der globalen Position der Front und des Endes des Zugs kann dann als Zuglänge ermittelt werden. Bei spielsweise kann auf diese Weise beim Anfahren, Bremsen und in Kurvenfahrten beobachtet werden, wie sich eine Zuglänge ändert.
Es können auch andere Abstände bzw. Längen eines Zugs oder Schienenfahrzeugs gemessen werden, wenn ein Sensor nicht an der Rückseite bzw. am Ende des betreffenden Schienenfahr zeugs, sondern irgendwo zwischen dem Anfang und dem Ende des betreffenden Schienenfahrzeugs angeordnet wird.
Auch kann die Kenntnis einer genauen globalen Position eines Schienenfahrzeugs zur Identifikation stationärer Ziele als Landmarken für eine Kartierung oder zur Relokalisierung genutzt werden.
Weiterhin kann die Orientierung einzelner Wagons eines Zugs anhand von Karteninformation basierend auf dem Verlauf der Orientierung der Strecke genauer ermittelt werden, wenn die Position des Zugs genauer bekannt ist.
Darüber hinaus kann auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basierend auch eine Asset-Überwachung erfolgen. Diese Über wachung kann im Fall der Verwendung von Radarsignalen zur Orientierungsmessung durch RCS-Filterung (RCS = Radio Cross Section = Radio-Querschnitt) erfolgen. Bei der RCS-Filterung erfolgt eine Selektion anhand eines ermittelten RCS-Wertes basierend auf der empfangenen Signalenergie einzelner Ziele oder Cluster bzw. gruppierter Ziele.
Beispielsweise kann mit RCS-Filterung die Dichte und/oder Feuchtigkeit und/oder der Gesundheitszustand der einen Schienenbereich umgebenden Vegetation überwacht werden oder es kann der Erhaltungszustand von Infrastruktur, wie zum Beispiel Oberleitungsmasten, welche organisches Material umfasst, überwacht werden. Organisches Material ändert z.B. je nach Feuchtigkeit seine Reflexionseigenschaften. Auch die Menge an Material im Raum bzw. die Dichte hat einen Einfluss auf die reflektierte Signalenergie. Allgemein lassen sich so Objekte in der Umgebung des Schienenfahrzeugs und deren Zu stand, soweit er mit der Signalenergie der von ihnen reflek tierten Signale korreliert ist, überwachen.
Die erfassten Sensordaten können auch kombiniert werden, um die Position und Orientierung des Schienenfahrzeugs oder die Position von Objekten in der Umgebung des Schienenfahrzeugs genauer ermitteln zu können. Beispielsweise sind bestimmte Sensoren besonders geeignet für bestimmte Wetterbedingungen. Gegebenenfalls können diese Sensordaten entsprechend den aktuellen Wetterbedingungen derart gewichtet werden, dass ein angepasstes Messergebnis erreicht wird.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beige fügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur orientie rungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschau licht,
FIG 2 eine schematische Darstellung einer Positionsermitt lungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin dung,
FIG 3 ein Schaubild, welches eine reellwertige und eine komp lexwertige Autokorrelationsfunktion zwischen einer gemessenen Orientierung eines Schienenfahrzeugs und Referenzdaten veran schaulicht,
FIG 4 ein Schaubild, welches Maxima einer reellwertigen und einer komplexwertigen Autokorrelationsfunktion zwischen einer gemessenen Orientierung eines Schienenfahrzeugs und Referenz daten veranschaulicht,
FIG 5 ein Schaubild, welches eine Verschiebung zwischen einer durch reellwertige Korrelation ermittelten Orientierungskurve und einer durch komplexwertige Korrelation ermittelten Orien tierungskurve veranschaulicht,
FIG 6 ein Schaubild, welches eine Kalibration eines Orientie rungssensors durch Vergleich von gemessenen Orientierungs daten mit Referenzdaten veranschaulicht,
FIG 7 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In FIG 1 ist ein Flussdiagramm 100 gezeigt, welches ein Ver fahren zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin dung veranschaulicht.
Bei dem Schritt 1.1 werden mit Hilfe eines Radarsensors Sensordaten SD von der Umgebung eines Schienenfahrzeugs 2 erfasst.
Auf Basis der Radarsensordaten SD wird bei dem Schritt l.II ein Geschwindigkeitsvektor Vi0k relativ zur Umgebung ge schätzt. Da in der Umgebung eines Schienenfahrzeugs 2, zumin dest außerhalb dichter Besiedlung, wenig Verkehr herrscht, verhält sich die Umgebung im Vergleich zu dem fahrenden Schienenfahrzeug 2 im Wesentlichen statisch. Mithin kann an hand der Kenntnis von Abstandsänderungen des Schienenfahr zeugs 2 zur Umgebung und/oder Dopplermessungen ein lokaler Geschwindigkeitsvektor Vik ermittelt bzw. geschätzt werden. Anhand des lokalen Geschwindigkeitsvektors Vik lässt sich zwar nicht unmittelbar ein globaler Geschwindigkeitsvektor V oder eine globale Orientierung 0 ermitteln, aber es lässt sich eine geschätzte skalare Geschwindigkeit v(t) = ds/dt des Schienenfahrzeugs 2 und eine Orientierungsänderung dO/dt bestimmen. Es soll an dieser Stelle nochmals erwähnt werden, dass die Orientierungsänderung dO/dt auch durch andere Sen sormessmethoden, wie zum Beispiel Beschleunigungssensormes sungen oder Trägheitssensormessungen ermittelt werden kann. Die geschätzte skalare Geschwindigkeit v(t) kann anstatt durch eine Messung von Sensordaten aus der Umgebung des Schienenfahrzeugs 2 auch durch andere Messmethoden, wie zum Beispiel die Odometrie oder die Satellitennavigation ermittelt werden.
Bei dem Schritt l.III wird anhand des ermittelten lokalen Geschwindigkeitsvektors Vik eine Orientierungsänderung dO/dt in Abhängigkeit von der Zeit t ermittelt.
Bei dem Schritt 1.IV wird auf Basis des lokalen Geschwindig keitsvektors Viok eine skalare Geschwindigkeit v(t) des Schie nenfahrzeugs 2 ermittelt. Der Wert der skalaren Geschwindigk eit v(t) entspricht dabei dem Betrag des lokalen Geschwindig keitsvektors Viok . Weiterhin wird durch Division der zeitab hängigen Orientierungsänderung dO/dt durch die skalare Ge schwindigkeit v(t) des Schienenfahrzeugs 2 und Aufintegrie- rung nach dem Weg eine wegabhängige Orientierung 0(s) geschätzt (siehe auch Gleichung (3)).
Bei dem Schritt l.V wird eine sogenannte komplexe Kreuz korrelationsfunktion rc(s) zwischen der geschätzten weg abhängigen Orientierung 0(s) des Schienenfahrzeugs und Referenzdaten Oref(s) einer wegabhängigen Orientierung ermittelt.
Bei dem Schritt l.VI wird ein absolutes Maximum der Kreuz korrelationsfunktion rc(s) ermittelt. Bei der dem Maximum zugeordneten Wegposition so liegt der Anfangspunkt für die geschätzten Orientierungsdaten 0(s) in den Referenzdaten Oref(s). Mithin wird bei dem Schritt l.VI der Anfangspunkt So einer gefahrenen Strecke in den Referenzdaten Oref(s) exakt ermittelt. Bei dem Schritt l.VII wird eine absolute Startposition des Schienenfahrzeugs durch eine dem Anfangspunkt So in den Referenzdaten Oref(s) zugeordnete Absolutposition pabSo in einer Karte ermittelt.
Weiterhin wird bei dem Schritt l.VIII eine dynamische Abso lutposition pabs (t) durch Ermittlung einer seit der zugeord neten Absolutposition pabSo zurückgelegten Wegstrecke s(t) und auf Basis einer Projektion der Länge der zurückgelegten Weg strecke s(t) auf einen in der Karte der Referenzdaten einge zeichneten Streckenverlauf ermittelt.
Die Schritte 1.1 bis l.VIII werden während der Fahrt des Schienenfahrzeugs 2 beliebig oft wiederholt, so dass eine präzise und ständig aktualisierte Position pabS (t) des Schie nenfahrzeugs 2 ständig verfügbar ist.
In FIG 2 ist eine Positionsermittlungseinrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dar gestellt. Die Positionsermittlungseinrichtung 20 ist Teil eines Steuerungssystems eines Schienenfahrzeugs 2 (siehe FIG 7). Die Positionsermittlungseinrichtung 20 umfasst eine Orientierung-Sensoreinheit 21, welche dazu eingerichtet ist, Radarsensordaten SD, welche mit einer Orientierungsänderung eines Schienenfahrzeugs 2 korreliert sind, von der Umgebung des Schienenfahrzeugs 2 zu erfassen.
Teil der Positionsermittlungseinrichtung 20 ist auch eine Geschwindigkeit-Ermittlungseinheit 22, welche dazu einge richtet ist, einen lokalen Geschwindigkeitsvektor Viok des Schienenfahrzeugs 2 auf Basis der erfassten Radarsensordaten SD zu ermitteln. Anhand der Radarsensordaten SD lässt sich eine Art lokale Karte erzeugen, wobei eine Relativbewegung Viok des Schienenfahrzeugs 2 zu den statischen Strukturen dieser lokalen Karte ebenfalls durch die Radarsensordaten SD ermittelt wird. Die Positionsermittlungseinrichtung 20 umfasst auch eine Orientierung-Änderungsermittlungseinheit 23 zum Ermitteln einer zeitabhängigen Orientierungsänderung dO/dt des Schienenfahrzeugs 2 auf Basis der Radarsensordaten SD bzw. der Relativbewegung Viok des Schienenfahrzeugs 2. Eine lokale Orientierung relativ zu einer lokalen Karte ergibt sich anhand der Bewegungsrichtung der Relativbewegung Viok des Schienenfahrzeugs 2. Anhand dieser lokalen Orientierung kann nun eine Änderung dO/dt der Orientierung berechnet werden.
Die Positionsermittlungseinrichtung 20 umfasst auch eine Orientierung-Ermittlungseinheit 24 zum Ermitteln einer wegabhängigen Orientierung O(s) des Schienenfahrzeugs 2 auf Basis der Änderung dO/dt der Orientierung O(s) sowie der skalaren lokalen Geschwindigkeit v(t).
Auf Basis der skalaren lokalen Geschwindigkeit v(t) = ds/dt und der Änderung dO/dt der Orientierung O(s) des Schie nenfahrzeugs 2 ergibt sich die Orientierung gemäß
Die Orientierung O(s) lässt sich also auf Basis der skalaren lokalen Geschwindigkeit v(t) = ds/dt und der Änderung dO/dt der Orientierung des Schienenfahrzeugs 2 berechnen.
Die Positionsermittlungseinrichtung 20 weist auch eine Posi tion-Ermittlungseinheit 25 zur Ermittlung einer absoluten Po sition Pabs (t) des Schienenfahrzeugs 2 auf.
Teil der Position-Ermittlungseinheit 25 ist eine Korrela tionsfunktionserzeugungseinheit 25a, welche dazu eingerichtet ist, auf Basis der ermittelten wegabhängigen Orientierung O(s) des Schienenfahrzeugs 2 und auf Basis von Referenzdaten Oref(s) einer wegabhängigen Orientierung eine komplexe Kreuz korrelationsfunktion rc(s) zu erzeugen. Die Referenzdaten Oref(s) erhält die Korrelationsfunktionserzeugungseinheit 25a von einer Datenbank 25b. Die ermittelte komplexe Kreuzkorre lationsfunktion rc(s) wird an eine Anfangspunktermittlungs einheit 25c übermittelt, welche einen Anfangspunkt So in den Referenzdaten Oref(s) an der Stelle, an der sich das Maximum der komplexen Kreuzkorrelationsfunktion rc(s) befindet, ermittelt.
Anhand des Anfangspunkts Sowird eine absolute Startposition Pabso des Schienenfahrzeugs 2 durch eine Startpunktermitt lungseinheit 25d ermittelt. Die Startpunktermittlungseinheit 25d ermittelt eine dem Anfangspunkt So in den Referenzdaten Oref(s) zugeordnete absolute Startposition pabSo in einer Karte KD, welche sie von der bereits erwähnten Datenbank 25b übermittelt bekommt.
Schließlich wird auf Basis der korrelierten Referenzdaten Oref(s) eine Wegstrecke s(t) ermittelt, welche das Schie nenfahrzeug 2 seit dem Passieren der Absolutposition pabSo zurückgelegt hat.Anschließend wird anhand der ermittelten Wegstrecke s(t) und einer Projektion dieser Wegstrecke s(t) auf den Schienenweg auf der Karte KD eine aktuelle, dynami sche Absolutposition pabS (t) des Schienenfahrzeugs 2 auf der Karte KD ermittelt.
In FIG 3 ist ein Schaubild 30 dargestellt, welches eine Auto korrelation a einer Orientierung eines Schienenfahrzeugs 2 in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg s des Schienenfahrzeugs 2 darstellt. Insbesondere werden eine reellwertige Autokorrela tionsfunktion ar(s) (mit durchgezogenen Linien) und eine komplexwertige Autokorrelationsfunktion ac(s) (mit gestri chelten Linien) einer Orientierung in Abhängigkeit vom Weg s gezeigt.
Die Hauptkeule der komplexen Autokorrelationsfunktion ac(s) bei s = 0 ist schmaler als die Hauptkeule der reellen Auto korrelationsfunktion ar(s). Die komplexe Autokorrelations funktion ac(s) weist allerdings kleine Nebenkeulen auf, welche einen Abstand von 600m zur Hauptkeule aufweisen und weniger als 30% des Korrelationswerts der Hauptkeule auf weisen. Mithin weist sie keine hohen Nebenmaxima auf und verspricht eine stabile eindeutige Lokalisierung bei einer Kreuzkorrelation mit einem Referenzsignal.
In FIG 4 ist ein Schaubild 40 gezeigt, welches eine reell wertige Kreuzkorrelationsfunktion rr(s) (mit durchgezogenen Linien) und eine komplexwerte Kreuzkorrelationsfunktion rc(s) (mit gestrichelten Linien) veranschaulicht. Die Kreuzkorrela tionsfunktionen rr(s), rc(s) geben einen Korrelationswert zwischen einer auf Basis von Sensormessdaten SD ermittelten Orientierung 0(s) eines Schienenfahrzeugs 2 und einer auf Basis von Kartendaten KD ermittelten Referenz-Orientierung Oref(s) eines Schienenfahrzeugs 2 an. Der tatsächliche An fangspunkt So liegt in dem in FIG 4 dargestellten Fall etwa bei 6000 m und wird durch das absolute Maximum der komplex wertigen Kreuzkorrelationsfunktion rc(s) veranschaulicht. Das absolute Maximum der reellwertigen Kreuzkorrelationsfunktion rr(s) liegt dagegen bei etwa 4900 m und damit an der falschen Stelle sof. Bei der Auswertung der reellwertigen Kreuzkorre lationsfunktion rr(s) müsste stattdessen das Nebenmaximum bei etwa 6000m als Anfangspunkt So ermittelt werden, obwohl die ses Nebenmaximum mit einer Korrelation von etwa 0,85 niedri ger ist als das Hauptmaximum mit einer Korrelation von 1.
Zwar weist die komplexwertige Kreuzkorrelationsfunktion rc(s) bei etwa 200 m und 3000 m Nebenmaxima mit Werten von etwa 0,7 auf, diese sind mit 70% der Werte des Hauptmaximums, welches einen Wert von 1 aufweist, allerdings deutlich gedämpft, so dass eine eindeutige Lokalisierung möglich ist.
In FIG 5 ist ein Schaubild 50 dargestellt, welches einen Abgleich einer durch Messung ermittelten Orientierung 0(s) mit einer Referenz-Orientierung Oref(s) veranschaulicht. Die Orientierung 0(s), deren Anfangspunkt So durch die komplexe Kreuzkorrelationsfunktion rc(s) ermittelt wurde, stimmt mit der Referenzorientierung Oref(s) offensichtlich sehr genau überein. Dagegen würde durch die reellwertige Kreuzkorrela tionsfunktion rr(s) ein falscher Anfangspunkt sof gefunden werden, so dass auch die beiden Orientierungsfunktionen O(s), Oref(s) nicht gut übereinstimmen würden, sondern um den Wert So - Sof zueinander verschoben wären. Von dem korrekten Start punkt So ausgehend wird über die Projektion der zurückgeleg ten Entfernung auf die kartierte Strecke der aktuelle Streckenpunkt ermittelbar. Daraus ist auch eine absolute Position des Schienenfahrzeugs ermittelbar, da jedem Punkt der Strecke eine absolute Position in der Karte und damit auch global zuzuordnen ist.
In FIG 6 ist ein Schaubild 60 dargestellt, welches eine Kalibration eines Orientierungssensors durch Vergleich von gemessenen Orientierungsdaten 0(s) mit Referenz-Orientie rungsdaten Oref(s) veranschaulicht. Das Schaubild 60 zeigt Orientierungswert in der Winkeleinheit.
Ein Sensoreinbau in einem Schienenfahrzeug 2 lässt sich in der Regel nicht exakt unter dem spezifizierten Winkel reali sieren, da eine erhöhte Genauigkeit mit einem überproportio nalen Montageaufwand verbunden ist. Ein in oder an einem Schienenfahrzeug 2 installierter Sensor weist daher eine Abweichung, insbesondere seiner Orientierung, bezüglich einer vorbestimmten Messebene auf. Dadurch liefert die Ermittlung der Orientierungsänderung auf Basis der Sensormessdaten SD, welche beispielsweise durch das bereits erwähnte REMER- Verfahren (REMER = Robust Ego Motion Estimation with Radar) ermittelt werden, bei einer Geradeausfahrt eine von dem Wert 0 abweichende konstante Drehrate. Eine solche Abweichung ist sowohl ungünstig für eine Bildung einer Kreuzkorrelations funktion r(k) als auch für andere Auswertungsvorgänge der Sensordaten SD, wie zum Beispiel eine Objektdetektion. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, den Abweichungswinkel ß eines Sensors zu ermitteln und eine Kalibrierung vorzunehmen, um eine genauere Positionsermittlung durchführen zu können.
Bei der Kalibrierung wird zunächst ein langer gerader Schie nenabschnitt Ak in den Referenzdaten Oref(s) (mit durchgezo genen Linien gezeichnet) identifiziert, auf welchem das Schienenfahrzeug 2 bereits gefahren ist und Orientierungs daten O(s) (gestrichelt gezeichnet) aufgezeichnet wurden. Anschließend wird in dem korrespondierenden Messdatenab schnitt Ak ein linearer Trend bzw. eine Gerade G durch einen Fitting-Prozess an die gemessene Orientierung 0(s) ermittelt. Die Steigung m = Acp/As der Geraden G wird anschließend dazu genutzt, um die Abweichung ß der Orientierung des Radarsen sors zu ermitteln. Für einen geradlinigen Streckenverlauf mit einem Winkel zu einer vorbestimmten Referenzorientierung von = 0 ergibt sich, wie bereits erwähnt, gemäß Gleichung (2) für die Abweichung wobei 1 den Abstand des Sensors zum Drehpunkt des Schienen fahrzeugs beschreibt. Die Verdrehung bzw. Abweichung ß kann auch durch eine regelmäßige Überprüfung ermittelt werden.
In FIG 7 ist eine schematische Darstellung 70 eines Gleis abschnitts bzw. Schienenbereichs 1 gezeigt, auf dem ein Schienenfahrzeug 2 in Pfeilrichtung unterwegs ist. Das Schie nenfahrzeug 2 weist eine Positionsermittlungseinrichtung 20 auf, mit der eine Absolutposition pabS (t) des Schienenfahr zeugs 2 auf die im Zusammenhang mit FIG 1 bis FIG 6 gezeigte Art und Weise ermittelt wird. Die Absolutposition pabS (t) wird an eine Steuereinheit 71 übermittelt, welche Steuerbefehle SB an eine Antriebseinheit 72 übermittelt.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständig keit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit" nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur orientierungsbasierten Positionsermittlung eines Schienenfahrzeugs (2), aufweisend die Schritte:
- Erfassen von Sensordaten (SD), welche mit einer Orientie rungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) korreliert sind,
- Ermitteln einer zeitabhängigen Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der Sensordaten (SD),
- Ermitteln einer geschätzten Geschwindigkeit (Vi0k) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der erfassten Sensordaten (SD) und/oder auf Basis von zusätzlich erfassten Sensordaten,
- Ermitteln einer wegabhängigen Orientierung (O(s)) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der geschätzten Geschwin digkeit (Viok) und der zeitabhängigen Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2),
- Ermitteln einer absoluten Position (pabs (t)) des Schienen fahrzeugs (2) durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung (0(s)) des Schienenfahrzeugs (2) mit Referenz daten (Oref(s)) einer wegabhängigen Orientierung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abgleich eine Ermittlung einer Kreuzkorrelationsfunktion (r(k)) zwischen der ermittelten wegabhängigen Orientierung (0(s)) und den Referenzdaten (Oref(s)) einer wegabhängigen Orientierung umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kreuzkorrelations funktion (r(k)) eine komplexe Kreuzkorrelationsfunktion (rc (s)) umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kreuzkorrelations funktion (r(k)) eine reelle Kreuzkorrelationsfunktion (rr(s)) umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur
Erfassung der Sensordaten (SD), welche mit einer Orientie rungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) korreliert sind, eines der folgenden Sensorsysteme genutzt wird:
- ein Radarsystem,
- eine inertiale Messeinheit,
- ein Satellitennavigationssystem,
- ein Beschleunigungssensorsystem,
- ein Magnetfeldsensorsystem,
- ein Ultraschallsensorsystem,
- ein laserbasiertes Messsystem,
- ein auf der Modulation radioaktiver Strahlung basierendes Messsystem,
- ein kamerabasiertes Messsystem.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
- auf Basis der geschätzten Geschwindigkeit (Vik) eine skalare Geschwindigkeit (v(t)) des Schienenfahrzeugs (2) ermittelt wird,
- ein zurückgelegter Weg (s) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der skalaren Geschwindigkeit (v(t)) des Schienen fahrzeugs (2) ermittelt wird und
- auf Basis des zurückgelegten Wegs (s) eine Kalibrierung zwischen der ermittelten wegabhängigen Orientierung (0(s)) und den Referenzdaten (Oref(s)) einer wegabhängigen Orientierung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
- durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung
(0(s)) des Schienenfahrzeugs (2) mit Referenzdaten (Oref(s)) zunächst ein Anfangspunkt (so) für die erfassten Orientie rungsdaten (0(s)) in den Referenzdaten (Oref(s)) ermittelt wird, welcher einem Anfangspunkt einer gefahrenen Strecke in den Referenzdaten (Oref(s)) entspricht, und
- eine absolute Startposition (pabSo) des Schienenfahrzeugs (2) durch eine dem Anfangspunkt (so) in den Referenzdaten (Oref(s)) zugeordnete Absolutposition in einer Karte (KD) ermittelt wird, und - eine dynamische Absolutposition (pabs (t)) des Schienenfahr zeugs (2) durch Ermittlung einer zurückgelegten Wegstrecke (s(t)) auf Basis der korrelierten Referenzdaten (Oref(s)) und einer Projektion der Länge der zurückgelegten Strecke
(s(t)) auf einen in der Karte (KD) eingezeichneten Streckenverlauf ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Zuverlässigkeit der ermittelten Absolutposition (pabs (t)) des Schienenfahrzeugs (2) geprüft wird durch eine der folgenden Methoden:
- Ermitteln von Konfidenzwerten auf Basis der Ermittlung der Orientierungswerte (0(s), Oref(s)),
- Ermitteln auf Basis der Kurvenform der Kreuzkorrelations funktion (r(k)), ob ein eindeutiger Abgleich zwischen der ermittelten wegabhängigen Orientierung (0 (s)) des Schienen fahrzeugs (2) und den Referenzdaten (Oref(s)) möglich ist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Kalibration einer Sensorausrichtung von Sensoren des Schienenfahrzeugs (2) durch Korrelation von unkalibrierten Messdaten (0 (s)) mit Referenzdaten (Oref(s)) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf Basis der Positionsermittlung und/oder Kalibration
- eine Zustandsüberwachung und/oder
- eine Asset-Überwachung durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Zustandsüberwachung einen der folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- das Erstellen einer Karte durch eine präzisierte Trajektorie,
- das Ermitteln von Fehlstellen und/oder Fehlern in einer existierenden Karte auf Basis der präzisierten Trajektorie,
- das Ermitteln von Fehlstellen in einer Schiene eines Gleiskörpers, - das Erkennen einer Gierbewegung und/oder eines Sinus-Laufs des Schienenfahrzeugs (2), und/oder die Asset-Überwachung einen der folgenden Verfah rensschritte umfasst:
- das Ermitteln der Dichte und/oder Feuchtigkeit und/oder des Gesundheitszustands der einen Schienenbereich (1) umgeben den Vegetation,
- das Ermitteln des Erhaltungszustands von Infrastruktur, welche organisches Material umfasst.
12. Positionsermittlungseinrichtung (20), aufweisend:
- eine Orientierung-Sensoreinheit (21) zum Erfassen von Sensordaten (SD), welche mit einer Orientierungsänderung (dO/dt) eines Schienenfahrzeugs (2) korreliert sind,
- eine Orientierungsänderung-Ermittlungseinheit (22) zum Ermitteln einer zeitabhängigen Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis der Sensordaten (SD),
- eine Geschwindigkeit-Ermittlungseinheit (23) zum Ermitteln einer geschätzten Geschwindigkeit (Vik) des Schienenfahr zeugs (2) auf Basis der erfassten Sensordaten (SD) und/oder zusätzlich erfassten Sensordaten (SD),
- eine Orientierung-Ermittlungseinheit (24) zum Ermitteln einer wegabhängigen Orientierung (0(s)) des Schienenfahr zeugs (2) auf Basis der geschätzten Geschwindigkeit (Vik) und der ermittelten zeitabhängigen Orientierungsänderung (dO/dt) des Schienenfahrzeugs (2),
- eine Position-Ermittlungseinheit (25) zum Ermitteln einer absoluten Position (pabs(t) des Schienenfahrzeugs (2) durch Abgleich der ermittelten wegabhängigen Orientierung (0(s)) des Schienenfahrzeugs (2) mit Referenzdaten (Oref(s)) einer wegabhängigen Orientierung.
13. Schienenfahrzeug (2), aufweisend
- eine Positionsermittlungseinrichtung (20) nach Anspruch 12, - eine Steuereinheit (71) zur Steuerung einer Fahrt des Schienenfahrzeugs (2) auf Basis einer von der Positions- ermittlungseinrichtung (20) ermittelten Position des Schienenfahrzeugs (2), - eine Traktionseinheit (72) zum Antrieb des Schienenfahr zeugs (2) auf Basis von Steuerbefehlen (SB) der Steuereinheit (71).
14. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinheit einer Steuerein richtung eines Schienenfahrzeugs (2) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn das Computer programm in der Steuereinrichtung ausgeführt wird.
15. Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechner einheit ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechner- einheit ausgeführt werden.
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