EP4570616A1 - Verfahren zur magnetfeldbasierten erkennung eines referenzpunktes - Google Patents

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EP4570616A1
EP4570616A1 EP24218416.6A EP24218416A EP4570616A1 EP 4570616 A1 EP4570616 A1 EP 4570616A1 EP 24218416 A EP24218416 A EP 24218416A EP 4570616 A1 EP4570616 A1 EP 4570616A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic field
measurements
series
reference point
section
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
EP24218416.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Siebler
Stephan Dr. Sand
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.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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 Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4570616A1 publication Critical patent/EP4570616A1/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 trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or 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 train for signalling purposes
    • B61L15/0072—On-board train data handling
    • 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 trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • B61L25/026—Relative localisation, e.g. using odometer

Definitions

  • the present invention relates to a method for magnetic field-based detection of a reference point when performing multiple measurement series to create a magnetic field map for a rail network. Furthermore, the invention relates to a method for creating a magnetic field map in which the inventive, magnetic field-based detection of a reference point is used. Furthermore, the present invention relates to a method for magnetic field-based position determination for a rail vehicle in which a magnetic field map created by the inventive method is used.
  • Positioning methods play a particularly important role in various application areas. For example, the precise determination of the position of a rail vehicle is essential if it is to be controlled autonomously or if the position data is to be used to optimize traffic management.
  • GNSS global navigation satellite systems
  • Magnetic field-based methods for position determination are known in various forms. Some of these methods utilize a magnetic field map in which information about a magnetic field at various reference points is stored. The magnetic field can be based on the Earth's magnetic field or, alternatively, be induced by magnets that are actively deployed in a specific environment to generate a (locally) significantly varying magnetic field. If a precise magnetic field map exists for a specific environment within which the magnetic field differs at different locations, the current position of an object can be deduced from knowledge of the magnetic field.
  • Graph-based methods for simultaneous positioning and map creation also known as graph simultaneous localization and mapping or graph SLAM
  • graph SLAM graph simultaneous localization and mapping
  • a route is traveled several times. Each time the route is covered, a series of measurements is taken in which the magnetic field is measured at predetermined reference points (also known as nodes) (position and magnetic field of the respective reference point). The probable position of the individual reference points is then determined from the information obtained within the individual series of measurements using statistical methods.
  • the above method requires comparing the reference points acquired in a series of measurements with those from previous series of measurements in order to identify previously recorded reference points. If a reference point acquired during a series of measurements is recognized in a subsequent series of measurements, this information can be used to more precisely determine the position of the reference points within the map data. However, in practice, identifying the reference points presents a non-trivial challenge.
  • the present invention provides a method for magnetic field-based detection of a reference point in
  • the method according to the invention allows a reliable and precise detection of previously recorded reference points within the specified This allows for increased precision in the creation of a magnetic field map.
  • the method according to the invention advantageously does not require the introduction of additional magnets into the route section.
  • additional magnets can optionally be provided to specifically adapt the magnetic field based on the Earth's magnetic field.
  • the magnetic field signatures recorded during the first and second series of measurements comprise N measured values, which may, for example, border on the reference point.
  • N can, for example, be 100, 200, or 300, whereby a magnetic field sensor can, for example, be recorded with a measuring frequency of 100 Hz.
  • the measured data can preferably be interpolated, whereby the number of values within a magnetic field signature can be increased.
  • Each measured value can, for example, contain a vector that describes the magnetic field at the respective measuring point. It can also be provided that the measured values are designed such that the reference point lies within the defined measuring range. For example, the reference point can also be centrally located within the measuring range.
  • An odometer in the sense of the present invention generally measures the distance traveled by a vehicle and is therefore also referred to as a distance measuring device. The distance traveled relative to a reference point is measured, which is why the measurement results exhibit increasing measurement error as the measuring distance increases.
  • the local magnetic field signatures are recorded using the odometer and the magnetic field sensor, respectively, whereby a local magnetic field signature describes the magnetic field in the immediate vicinity of a reference point.
  • the section of the magnetic field signature (instead of the entire magnetic field signature) and the sliding comparison with one magnetic field signature at a time from the first series of measurements, several technical advantages are achieved.
  • this ensures that a reference point is detected even if it is detected at positions that are offset from one another in the first and second series of measurements.
  • This significantly increases the reliability of the reference point detection and makes the inventive method more robust against measurement inaccuracies of the odometer.
  • the smaller l section is compared to l sig2 , the greater the detection tolerance when comparing the section of the magnetic field signature from the second series of measurements with the magnetic field signatures from the first series of measurements.
  • the sliding comparison makes it possible not only to detect one reference point, but also to simultaneously detect the distance of the detected reference point between the first and second series of measurements.
  • l section is a maximum of 75% of l sig2 , that preferably l section is a maximum of 50% of l sig2 and that particularly preferably l section is a maximum of 25% of l sig2 .
  • the choice of the length of the section of the magnetic field signature l section depends on several factors. If the section is selected too small, the precision of the detection during the comparison decreases. If the section is selected too large, the detection tolerance decreases, so that reference points that are slightly shifted between the first and second series of measurements cannot be detected.
  • l section is at least 20% of l sig2 , that preferably l section is at least 40% of l sig2 and that particularly preferably l section is at least 70% of l sig2 .
  • At least one local magnetic field signature within the first measurement series and/or within the second measurement series reproduces the magnetic field in a range of 100 m to 500 m, preferably in a range of 200 to 400 m, wherein the range includes the associated reference point.
  • the selection of such measurement ranges for recording the magnetic field signatures has proven suitable in practice, so that reliable detection of the reference points can be achieved. If the magnetic field signature reproduces a smaller range, the detection of the reference points becomes more difficult, while the precision of the position determination decreases if the magnetic field signature reproduces a significantly larger range.
  • the stated value ranges therefore represent a compromise that has proven successful in practice.
  • the method according to the invention can provide for the recording of at least one local magnetic field signature by detecting the magnetic field in the vicinity of a reference point at a measurement frequency of ⁇ 10 Hz or ⁇ 30 Hz or ⁇ 50 Hz, preferably at a measurement frequency of ⁇ 100 Hz and particularly preferably at a measurement frequency of ⁇ 200 Hz.
  • a measurement frequency of ⁇ 10 Hz or ⁇ 30 Hz or ⁇ 50 Hz preferably at a measurement frequency of ⁇ 100 Hz and particularly preferably at a measurement frequency of ⁇ 200 Hz.
  • the comparison of at least one magnetic field signature recorded during the second measurement series or a section of this magnetic field signature with the magnetic field signatures recorded during the first measurement series is based on a correlation calculation.
  • This allows the degree of similarity to be easily determined, so that a reliable decision regarding the identity of two reference points can be made based on the result of the correlation calculation. If the correlation calculation is performed between a section of a magnetic field signature recorded during the second measurement series and the magnetic field signatures of the first measurement series, the distance between two reference points identified as identical in the first and second measurement series can be determined. In this case, the magnetic field signatures of the first measurement series are longer than the section of the magnetic field signature recorded during the second measurement series.
  • the correlation coefficients for all positions of the section within the local measurement signature of the first measurement series can be advantageously evaluated by "sliding" the section over the local measurement signature of the first measurement series.
  • the largest correlation coefficient determined can be determined and saved together with the position at which this maximum was determined.
  • a final check can be made to determine whether the largest of the determined correlation coefficients exceeds a specified threshold. If this is the case, the identity between the reference points can be detected and, at the same time, the shift between the first and second measurement series. In this way, the sliding comparison in combination with the correlation calculation allows for the reliable detection of a reference point and its distance between two measurement series.
  • a magnetic field signature determines the magnetic field along a distance that is longer than the distance between two reference points. It can also be provided that the distance described by a magnetic field signature is at least twice as long, at least three times as long, or at least four times as long as the distance between two reference points.
  • a correlation coefficient is calculated to determine the similarity of a magnetic field signature recorded during the second series of measurements with several magnetic field signatures recorded during the first series of measurements, wherein the correlation coefficient with the largest value is compared with a predetermined correlation threshold, and an identity between a reference point recorded during the second series of measurements and a reference point recorded during the first series of measurements is detected if the correlation coefficient with the largest value exceeds the predetermined correlation threshold.
  • the method according to the invention can also provide for the comparison of the reference point acquired during the second series of measurements with the reference points acquired during the first series of measurements to be carried out selectively, so that the comparison is only carried out with selected reference points for which there is an increased probability of the reference points being identical.
  • the comparison is thus limited to a predetermined range, whereby the restriction can preferably be based on the odometer measurement data.
  • the comparison of the newly acquired reference point can be limited to the reference points 83 to 87 of the first series of measurements. This can increase the efficiency of the method, so that the correlation calculation is limited to only a selection of the reference points.
  • the method according to the invention can provide for the values of the recorded local magnetic field signatures to be interpolated.
  • the odometer can be provided with a speed sensor designed to detect the speed of a wheel of a rail vehicle and/or a Doppler radar sensor designed to measure the speed of the rail vehicle.
  • a speed sensor designed to detect the speed of a wheel of a rail vehicle
  • a Doppler radar sensor designed to measure the speed of the rail vehicle.
  • other methods known from the prior art for direct or indirect distance measurement can also be implemented.
  • speed sensors can be used, whose measurement results are integrated.
  • an edge is added within the SLAM graph between a reference point from the second measurement series and a reference point from the first measurement series, provided that an identity between the reference points has been detected.
  • the added edge describes the displacement between two reference points. The distance is also determined by the magnetic field.
  • the present invention relates, among other things, to a method for creating magnetic field maps along railway tracks, even in scenarios where GNSS positioning is not possible.
  • the proposed method can be used to improve existing SLAM methods (in particular pose graph SLAM).
  • pose graph SLAM is that the problem can be formulated as a sparse graph, which can be solved efficiently in terms of computational complexity and memory requirements.
  • each node in the pose graph can be associated with a local magnetic field map (also referred to as a local magnetic field signature), which is generated from the measurements of an odometer and a magnetometer.
  • These local maps are then used to detect loop closures (also referred to as loop closure detection) between nodes and to calculate their relative positions.
  • Magnetic field-based train localization has the potential to enable localization even in areas where GNSS is not available, such as tunnels, without the need to install special trackside localization devices such as balises or radio beacons.
  • Magnetic localization is a fingerprinting method and requires a map that links a specific magnetic fingerprint or pattern to the position where the pattern is located.
  • creating the map requires a position reference system (e.g., GNSS), which leads to a chicken-and-egg problem.
  • the magnetic localization system requires a map, and creating the map requires a reference position. This type of problem arises in many applications, such as robotics, which has led to the development of a variety of simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithms.
  • SLAM simultaneous localization and mapping
  • SLAM was based on extended Kalman filters, whose complexity increased quadratically with the number of observed landmarks and which exhibited only low accuracy for highly nonlinear problems. Therefore, particle filters and Rao-Blackwellized particle filters in the form of the well-known FastSLAM algorithm were introduced as alternatives. While the above-mentioned solutions are based on filters, alternatives have also been proposed that attempt to find a solution to the SLAM problem through optimization. Graph-based methods, in particular, were introduced, which are now considered state-of-the-art for SLAM due to their computational efficiency and stability. In SLAM, a distinction is also made between landmark-based and landmark-free approaches.
  • a landmark-free approach can be preferably used, which can be found, for example, in [1]. Furthermore, the present invention proposes improvements over the method described in [2], introducing a new loop closure detection and preferably introducing a priori information edges and absolute measurement edges, which are necessary due to the limited freedom in the train's trajectory when recording measurements.
  • the starting point for the derivation of graph-based SLAM is the definition of the cost function to be optimized.
  • the set contains measurements zij ⁇ , which describe how two positions x i and x j with i ⁇ j are related to each other in the trajectory.
  • the position of a train along the track is considered here, the position is one-dimensional, and z ij is essentially just a measure of the distance between x i and x j .
  • This type of measurement can be obtained from an odometer, or distance measuring device, which measures the distance traveled by the train between two positions, or, as will be explained in more detail in the next sections, this information can also be obtained from the magnetic field itself.
  • the set y contains absolute information about a specific position. Therefore, an element y i of y is only connected to one position x i .
  • a position x i is also referred to as a node, and measurements are referred to as edges. This will be explained in more detail below in connection with the derivation of the cost function.
  • the law of conditional probabilities is applied to the posterior expression to obtain the following: p x Z , Y ⁇ p Z , Y x p x .
  • the elements of the set C z are pairs of node indices for which a relative measurement in is contained, and the amount Contains the indices of positions for which an absolute measurement exists. For simplicity, only one relative measurement per node pair and one absolute measurement per node are considered here, but extension to multiple measurements is easily possible.
  • the last two terms in (4) are the product of the probability densities of the individual measurements.
  • the probability density is assumed to be Gaussian.
  • p z i , j x i x j N z i , j ; z ⁇ x i x j , ⁇ ij ⁇ 1
  • the cost function c(x) can be visually represented by a graph, where each edge represents a term of the cost function and each node is a position to be optimized.
  • the graph in the Fig. 1 exhibits a discontinuity between poses x 5 and x 6. This is because, in a railway environment, it can happen that a train passes through a tunnel and then does not return for an extended period of time.
  • the SLAM algorithm must therefore be able to combine data from multiple discontinuous measurement runs on the same track.
  • These discontinuities motivate the preferential inclusion of absolute position measurements in the graph because they connect the poses from multiple measurement runs on the same track, even if the train always passes through the tunnel from the same direction.
  • absolute measurements at the beginning and end of a tunnel help during optimization to reduce the overall position error in the tunnel when only relative information between different poses is available.
  • the matrix H that needs to be inverted during the optimization has dimension N ⁇ N , where N is the number of nodes and thus the dimension of x.
  • N is the number of nodes and thus the dimension of x.
  • this leads to high complexity, especially because the matrix H needs to be recalculated at the position of the new estimate x ⁇ after each iteration step. In the simplest implementation, this would have a complexity of ( N 3 ). Fortunately, it can be shown that the matrix H is typically sparse by its construction.
  • a core aspect of the present invention relates to the manner in which loop inclusions are detected, or rather, how reference points acquired in previous measurement series are detected in subsequent measurement series.
  • a local map or a local magnetic field signature To create a local map or a local magnetic field signature, the magnetic field measurement results and the train's speed during these measurements can be stored in a buffer. The train speed is also measured, e.g., using a wheel speed sensor. From this buffer, a local map can be calculated each time a new node is created. To calculate the map, the measured speed can first be integrated backward in time, starting with the most recent available measurement. By integrating the speed, the relative position for each magnetic field measurement is also assigned to the position of the newly created node. In a second step, the magnetic data can be interpolated to an equidistant position grid.
  • This interpolation is advantageous because the relative position from the speed integration depends on the train's speed during the measurements and therefore the magnetic field data in the spatial domain are not equally spaced, which may affect further processing.
  • An example of a magnetic map and the measurement of relative position is shown in the Fig. 2
  • the length L map of the map can be freely chosen. However, initial studies have shown that setting the length to a few hundred meters is advantageous. If the maps are too long, the error in the relative position caused by the integration of the measured train speed becomes too large.
  • the choice of map length is a compromise between maximizing the number of loop closures between the nodes and the accuracy and reliability of the loop closure.
  • Detector Using the local maps from the previous section, a loop closure detector can now be implemented.
  • the detector which is preferred here, is essentially a correlator.
  • L sig A piece of the map with a length of L sig can then be cut out, which is called the magnetic signature or magnetic field signature.
  • the signature can, for example, be cut out at the beginning of the map.
  • L map > L sig should be satisfied, since the entire signature should be compared with the local maps of the other nodes to obtain good and reliable results.
  • the local map of each candidate node included in the index set contained in the map are compared with the signature of the newly created node.
  • the comparison is preferably based on a correlation coefficient. If the map is longer than the signature, the correlation coefficient can be evaluated for all possible positions of the signature in the local map by "sliding" the signature across the map. For the detector, only the highest value of the correlation coefficient and the relative position at which it was calculated are stored. After the comparison has been performed for all candidate nodes, a loop closure can be detected if the stored maximum coefficient exceeds the threshold T LC . For each detected loop closure, a relative measurement edge is inserted between the corresponding candidate node and the newly created node.
  • the measurements z i,j of the inserted edge correspond to the position in the local map where the maximum coefficient was observed. Care should be taken to ensure the correct sign, as the sign depends on the direction of the edge and the definition of the relative position. If the local map and the signature were recorded during journeys with different travel directions, the map or the signature must be adjusted accordingly.
  • the graph has only 166 nodes despite the distance traveled of approximately 9 km.
  • a node was only created when the train had traveled 50 m compared to the last node according to the odometer.
  • the sparseness of the nodes can be achieved because local maps are used that densely represent the magnetic field between the nodes.
  • the improvement in terms of the position error of the SLAM algorithm compared to the pure unaided Odometer is in the Fig. 4 shown. After optimization, the error is usually less than 10 m, whereas the pure odometer (odometer) has errors of up to 60 m.
  • a train was simulated traveling twice, forwards and backwards, on the same approximately 5 km long route.
  • the magnetic field map used for the simulation was measured with the BRB between Augsburg and Friedberg. To simulate the measurements, the map value was taken at the train's current position and noise was added. Compared to the measured data, the simulated dataset is continuous (in the sense that the train position does not jump from one journey to the next) and therefore no external information is required to perform SLAM, i.e., no GNSS is needed. Only the first node was anchored to its position to fix the coordinate system, as is common in SLAM procedures.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur magnetfeldbasierten Erkennung eines Referenzpunktes bei Durchführung mehrerer Messreihen zur Erstellung einer Magnetfeldkarte für ein Schienennetz. Das Verfahren umfasst die nachfolgenden Schritte. Eine erste Messreihe wird durchgeführt zur Ermittlung eines Magnetfeldes an mehreren Referenzpunkten innerhalb eines vorgegebenen Streckenabschnittes des Schienennetzes. Eine zweite Messreihe wird durchgeführt zur Ermittlung des Magnetfeldes an mehreren Referenzpunkten innerhalb des vorgegebenen Streckenabschnittes des Schienennetzes. An jedem der Referenzpunkte wird das Magnetfeld unter Verwendung eines Magnetfeldsensors und die Position des Referenzpunktes unter Verwendung eines Positionssensors erfasst. An jedem Referenzpunkt wird eine lokale Magnetfeldsignatur aufgenommen und in einer Datenbank gespeichert. Jede lokale Magnetfeldsignatur gibt das lokale Magnetfeld in der Umgebung um den Referenzpunkt wieder. Mindestens eine während der zweiten Messreihe aufgenommene Magnetfeldsignatur wird mit den während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen abgeglichen. Es wird eine Identität zwischen einem innerhalb in der zweiten Messreihe erfassten Referenzpunkt sowie einem bereits in der ersten Messreihe erfassten Referenzpunkt erkannt, sofern die Magnetfeldsignatur zu dem Referenzpunkt aus der zweiten Messreihe eine Mindestähnlichkeit mit der Magnetfeldsignatur zu dem Referenzpunkt aus der zweiten Messreihe aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur magnetfeldbasierten Erkennung eines Referenzpunktes bei der Durchführung mehrerer Messreihen zur Erstellung einer Magnetfeldkarte für ein Schienennetz. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erstellung einer Magnetfeldkarte, in dem die erfindungsgemäße, magnetfeldbasierte Erkennung eines Referenzpunktes zum Einsatz kommt. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur magnetfeldbasierten Positionsbestimmung für ein Schienenfahrzeug, bei dem eine durch das erfindungsgemäße Verfahren erstellte Magnetfeldkarte zum Einsatz kommt.
  • Positionsbestimmungsverfahren spielen in diversen Anwendungsgebieten eine besonders bedeutende Rolle. Beispielsweise ist die präzise Bestimmung der Position eines Schienenfahrzeugs unerlässlich, wenn diese autonom angesteuert werden soll oder wenn die Positionsdaten für die Optimierung der Verkehrsführung genutzt werden soll.
  • Diverse Positionsbestimmungsverfahren sind weitläufig bekannt. Häufig basieren derartige Verfahren auf globalen Navigationssatellitensystemen (auch als global navigation satellite system oder GNSS bezeichnet). Dieser Ansatz ist jedoch in bestimmten Szenarien jedoch nicht oder nur eingeschränkt implementierbar. Beispielsweise in Tunneln kann nicht auf GNSS-Verfahren zurückgegriffen werden. Daher kann es in bestimmten Szenarien bevorzugt sein, auf magnetfeldbasierende Verfahren zurückzugreifen.
  • Magnetfeldbasierte Verfahren zur Positionsbestimmung sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Bei einigen dieser Verfahren kommt eine Magnetfeldkarte zum Einsatz, in der Informationen über ein Magnetfeld an verschiedenen Referenzpunkten gespeichert sind. Das Magnetfeld kann auf dem Erdmagnetfeld basieren oder alternativ durch Magnete hervorgerufen sein, die aktiv in einer bestimmten Umgebung bereitgestellt werden, um ein (örtlich) signifikant variierendes Magnetfeld zu erzeugen. Sofern eine präzise Magnetfeldkarte für eine bestimmte Umgebung vorhanden ist, innerhalb derer sich das Magnetfeld an verschiedenen Positionen unterscheidet, kann durch Kenntnis des Magnetfeldes auf die aktuelle Position eines Objektes geschlossen werden.
  • Die präzise Erstellung von Magnetfeldkarten stellt jedoch in der Praxis eine besondere Herausforderung dar. Dies liegt insbesondere daran, dass für die Erstellung einer Magnetfeldkarte einerseits das Magnetfeld an einzelnen Referenzpunkten bekannt sein muss, anderseits aber auch die genaue Position dieser Referenzpunkte. Dies setzt jedoch voraus, dass die Position des Referenzpunktes hinreichend genau bestimmt werden kann, ohne auf GNSS-Daten zurückzugreifen.
  • Aus dem Stand der Technik sind diverse Verfahren bekannt, um die genannten Magnetfeldkarten zu erstellen. Insbesondere haben sich hierzu graphen-basierte Verfahrens zur simultanen Positionsbestimmung und Kartenerstellung (auch als graph Simultaneous Localization and Mapping oder graph SLAM) als geeignet erwiesen (siehe [1], [2]). Bei diesen Verfahren wird eine Strecke mehrmals abgefahren. Jedes Mal, wenn die Strecke zurückgelegt wird, erfolgt eine Messreihe, bei der das Magnetfeld an vorgegebenen Referenzpunkten (auch als Knoten oder node bezeichnet) gemessen wird (Position und Magnetfeld des jeweiligen Referenzpunktes). Aus den Informationen, die innerhalb der einzelnen Messreihen ermittelt wurden, wird dann unter Verwendung statistischer Mittel die wahrscheinliche Position der einzelnen Referenzpunkte ermittelt.
  • Bei dem vorstehenden Verfahren ist es erforderlich, die in einer Messreihe erfassten Referenzpunkte mit denen aus vorhergehenden Messreihen abzugleichen, um bereits zuvor aufgenommene Referenzpunkte zu identifizieren. Sofern ein während einer Messreihe erfasster Referenzpunkt in einer nachfolgenden Messreihe wiedererkannt wird, kann diese Information genutzt werden, um die Position der Referenzpunkte innerhalb der Kartendaten zu präzisieren. Jedoch stellt die Erkennung der Referenzpunkte in der Praxis als eine nicht-triviale Herausforderung dar.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine zuverlässige Erkennung eines Referenzpunktes bei der Durchführung mehrerer Messreihen zur Erstellung einer Magnetfeldkarte für ein Schienennetz erlaubt.
  • Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur magnetfeldbasierten Erkennung eines Referenzpunktes bei
  • Durchführung mehrerer Messreihen zur Erstellung einer Magnetfeldkarte für ein Schienennetz vorgeschlagen, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
    • Durchführung einer ersten Messreihe zur Ermittlung eines Magnetfeldes an mehreren Referenzpunkten innerhalb eines vorgegebenen Streckenabschnittes des Schienennetzes, wobei an jedem der Referenzpunkte das Magnetfeld unter Verwendung eines Magnetfeldsensors und die Position des Referenzpunktes unter Verwendung eines Hodometers erfasst werden, wobei an jedem Referenzpunkt eine lokale Magnetfeldsignatur aufgenommen und in einer Datenbank gespeichert wird, und jede lokale Magnetfeldsignatur das lokale Magnetfeld in der Umgebung um den Referenzpunkt wiedergibt, wobei die während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen eine Länge lsig1 aufweisen;
    • Durchführung einer zweiten Messreihe zur Ermittlung des Magnetfeldes an mehreren Referenzpunkten innerhalb des vorgegebenen Streckenabschnittes des Schienennetzes, wobei an jedem der Referenzpunkte das Magnetfeld unter Verwendung des Magnetfeldsensors und die Position des Referenzpunktes unter Verwendung eines Hodometers erfasst werden, wobei zu jedem Referenzpunkt eine lokale Magnetfeldsignatur aufgenommen wird, und jede lokale Magnetfeldsignatur das lokale Magnetfeld in der Umgebung um den Referenzpunkt wiedergibt, wobei die während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen eine Länge lsig2 aufweisen;
    • Abgleichen mindestens einer während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur oder eines Ausschnitts dieser Magnetfeldsignatur mit den während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen; und
    • Erkennung der Identität zwischen einem innerhalb in der zweiten Messreihe erfassten Referenzpunkt sowie einem bereits in der ersten Messreihe erfassten Referenzpunkt, sofern die Magnetfeldsignatur oder der Ausschnitt der Magnetfeldsignatur zu dem Referenzpunkt aus der zweiten Messreihe eine Mindestähnlichkeit mit der Magnetfeldsignatur zu dem Referenzpunkt aus der ersten Messreihe aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine zuverlässige und präzise Detektion von zuvor erfassten Referenzpunkten innerhalb des vorgegebenen Streckenabschnittes. Dadurch kann die Präzisierung bei der Erstellung einer Magnetfeldkarte erhöht werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhafterweise nicht darauf angewiesen, dass zusätzliche Magnete in den Streckenabschnitt eingeführt werden. Optional können jedoch zusätzliche Magnete vorgesehen sein, um das auf dem Erdmagnetfeld basierende Magnetfeld spezifisch anzupassen.
  • Die Magnetfeldsignaturen, die während der ersten und der zweiten Messreihe aufgenommen werden, umfassen N Messwerte, die beispielsweise an den Referenzpunkt angrenzen können. N kann dabei beispielsweise 100, 200 oder 300 betragen, wobei ein Magnetfeldsensor beispielsweise mit einer Messfrequenz von 100 Hz aufgenommen sein kann. Die Messdaten können dabei bevorzugt interpoliert werden, wodurch die Anzahl der Werte innerhalb einer Magnetfeldsignatur erhöht werden kann. Jeder Messwert kann beispielsweise einen Vektor enthalten, der das Magnetfeld an dem jeweiligen Messpunkt beschreibt. Auch kann es vorgesehen sein, dass die Messwerte so ausgelegt sind, dass der Referenzpunkt innerhalb des definierten Messbereichs liegt. Beispielsweise kann der Referenzpunkt auch mittig innerhalb des Messbereichs liegen.
  • Ein Hodometer im Sinne der vorliegenden Erfindung misst im Allgemeinen eine zurückgelegte Wegstrecke eines Fahrzeuges, und wird daher auch als Wegmesseinrichtung bezeichnet. Dabei wird die relativ zu einem Bezugspunkt zurückgelegte Strecke gemessen, weshalb die Messergebnisse bei zunehmender Messstrecke einen zunehmenden Messfehler aufweisen.
  • Die lokalen Magnetfeldsignaturen werden jeweils unter Verwendung des Hodometers und des Magnetfeldsensors aufgenommen, wobei eine lokale Magnetfeldsignatur das Magnetfeld in der unmittelbaren Umgebung eines Referenzpunktes beschreibt.
  • Die Länge der Magnetfeldsignaturen, die während der ersten Messreihe aufgenommen werden, sind bevorzugt identisch (lsig1 = lsig2)
  • Auch wenn das erfindungsgemäße Verfahren vorstehend mit zwei Messreihen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass in der Praxis die Durchführung von mehr als zwei Messreihen wünschenswert ist und zu einer erhöhten Präzision des Verfahrens beiträgt.
  • Bei einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
    • Abgleichen eines Ausschnitts einer während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur mit den während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen, wobei der Ausschnitt der während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur eine Länge lsection aufweist und wobei lsection < lsig2 gilt; wobei
    • während des Abgleichens der Ausschnitt der während der zweiten Messreihe aufgenommenen Signatur mit den während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen ein sukzessiver Vergleich des genannten Ausschnitts mit gegeneinander verschobenen Ausschnitten einer während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur erfolgt.
  • Durch die Verwendung des Ausschnitts der Magnetfeldsignatur (anstatt der gesamten Magnetfeldsignatur) und den gleitenden Vergleich mit jeweils einer Magnetfeldsignatur aus der ersten Messreihe werden mehrere technische Vorteile erzielt. Insbesondere wird dadurch erreicht, dass ein Referenzpunkt auch dann erkannt wird, wenn dieser der ersten und bei der zweiten Messreihe an gegenüber einander verschobenen Positionen erkannt wird. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Referenzpunkterkennung signifikant erhöht und das erfindungsgemäße Verfahren somit robuster gegenüber Messungenauigkeiten des Hodometers. Je kleiner lsection gegenüber lsig2 gewählt wird, desto größer ist die Erkennungstoleranz beim Abgleichen des Ausschnitts der Magnetfeldsignatur aus der zweiten Messreihe mit den Magnetfeldsignaturen aus der ersten Messreihe. Zudem wird es durch den gleiten Vergleich ermöglicht, nicht die einen Referenzpunkt zu erkennen, sondern auch gleichzeitig den Abstand des erkannten Referenzpunktes zwischen der ersten und der zweiten Messreihe zu erkennen.
  • Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass lsection maximal 75 % von lsig2 beträgt, dass bevorzugt lsection maximal 50 % von lsig2 beträgt und dass besonders bevorzugt lsection maximal 25 % von lsig2 beträgt. Die Wahl der Länge des Ausschnitts der Magnetfeldsignatur lsection hängt von mehreren Faktoren ab. Wird der Ausschnitt zu klein gewählt, dann nimmt die Präzision der Erkennung beim Abgleich ab. Wird der Ausschnitt zu groß gewählt, dann nimmt die Erkennungstoleranz ab, sodass Referenzpunkte, die zwischen der ersten und der zweiten Messreihe leicht verschoben sind, nicht wiedererkannt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es zudem vorgesehen sein, dass lsection mindestens 20 % von lsig2 beträgt, dass bevorzugt lsection mindestens 40 % von lsig2 beträgt und dass besonders bevorzugt lsection mindestens 70 % von lsig2 beträgt.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass mindestens eine lokale Magnetfeldsignatur innerhalb der ersten Messreihe und/oder innerhalb der zweiten Messreihe das Magnetfeld in einem Bereich von 100 m bis 500 m, bevorzugt in einem Bereich von 200 bis 400 m wiedergibt, wobei der Bereich den dazugehörigen Referenzpunkt umfasst. Die Wahl derartiger Messbereiche für die Aufnahme der Magnetfeldsignaturen hat sich in der Praxis als geeignet erwiesen, sodass eine zuverlässige Erkennung der Referenzpunkte erreicht werden kann. Wenn die Magnetfeldsignatur einen kleineren Bereich wiedergibt, wird die Erkennung der Referenzpunkte erschwert, während die Präzision der Positionsbestimmung abnimmt, wenn die Magnetfeldsignatur einen deutlich größeren Bereich wiedergibt. Die genannten Wertebereiche stellen daher einen Kompromiss dar, der sich in der Praxis bewährt hat.
  • Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die Aufnahme mindestens einer lokalen Magnetfeldsignatur durch die Erfassung des Magnetfeldes in der Umgebung eines Referenzpunktes mit einer Messfrequenz von ≥ 10 Hz oder ≥ 30 Hz oder ≥ 50 Hz, bevorzugt mit einer Messfrequenz von ≥ 100 Hz und besonders bevorzugt mit einer Messfrequenz von ≥ 200 Hz erfolgt. Dadurch kann eine hochaufgelöste Erfassung eines charakteristischen Magnetfeldes um einen Referenzpunkt herum erreicht werden, wodurch die Erkennungsgenauigkeit der Referenzpunkte erhöht werden kann. Zudem bewirkt die hochauflösende Erfassung des Magnetfeldes in der Umgebung eines Referenzpunktes, dass insgesamt weniger Referenzpunkte zu beachten sind.
  • Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Abgleichen mindestens einer während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur oder einem Ausschnitt dieser Magnetfeldsignatur mit den während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen basierend auf einer Korrelationsberechnung erfolgt. Dadurch kann der Ähnlichkeitsgrad in einfacher Weise bestimmt werden, sodass eine zuverlässige Entscheidung hinsichtlich der Identität zweier Referenzpunkte basierend auf das Ergebnis der Korrelationsberechnung getroffen werden kann. Wenn die Korrelationsberechnung zwischen einem Ausschnitt einer während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur und den Magnetfeldsignaturen der ersten Messreihe erfolgt, kann ermittelt werden, wie groß der Abstand zwischen zwei als identisch erkannten Referenzpunkten in der ersten und der zweiten Messreihe ist. In diesem Fall sind die Magnetfeldsignaturen der ersten Messreihe länger als der Ausschnitt der Magnetfeldsignatur, die während der zweiten Messreihe aufgenommen wurde. Es können daher in vorteilhafter Weise die Korrelationskoeffizienten für alle Position des Ausschnitts innerhalb der lokalen Messsignatur der ersten Messreihe ausgewertet werden, indem der Ausschnitt über die lokale Messsignatur der ersten Messreihe "gleitet". Dabei kann der größte ermittelte Korrelationskoeffizient ermittelt und gemeinsam mit der Position, an der dieses Maximum ermittelt wurde, gespeichert. Nachdem der Vergleich für einen Ausschnitt einer Magnetfeldsignatur der zweiten Messreihe mit allen in Frage kommenden lokalen Magnetfeldsignaturen aus der ersten Messreihe abgeglichen wurde, kann abschließend noch geprüft werden, ob der größte der ermittelten Korrelationskoeffizienten einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Ist dies der Fall, so kann einerseits die Identität zwischen den Referenzpunkten erkannt werden und gleichzeitig auch die Verschiebung zwischen der ersten und der zweiten Messreihe. Auf diese Weise erlaubt der gleitende Abgleich in Kombination mit der Korrelationsberechnung eine zuverlässige Erkennung eines Referenzpunktes und seines Abstandes zwischen zwei Messreihen. Wenn die lokalen Karten der verschiedenen Referenzpunkte überlappen, kann auch die Identität zu mehrere Referenzpunkten und die jeweilige Verschiebung ermittelt werden. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn alle 50 m ein Referenzpunkt vorgesehen ist und die lokalen Karten beispielsweise eine Länge von 200 m aufweisen. Es können dann (zumindest teilweise) mehrere korrekte Loop-Closures detektiert und in den Graph eingefügt werden. Entsprechend kann gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass eine Magnetfeldsignatur das Magnetfeld entlang einer Strecke beschreibt, die länger ist als der Abstand zwischen zwei Referenzpunkten. Auch kann vorgesehen sein, dass die durch eine Magnetfeldsignatur beschriebene Strecke mindestens doppelt so lang, mindestens dreimal so lang, oder mindestens viermal so lang wie der Abstand zwischen zwei Referenzpunkten ist.
  • Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeweils ein Korrelationskoeffizient zur Bestimmung der Ähnlichkeit eines während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur mit mehreren, während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen berechnet wird, wobei der Korrelationskoeffizient mit dem größten Wert mit einem vorgegebenen Korrelations-Grenzwert verglichen wird und eine Identität zwischen einem während der zweiten Messreihe erfassten Referenzpunkt und einem während der ersten Messreihe erfassten Referenzpunkt erkannt wird, sofern der Korrelationskoeffizient mit dem größten Wert den vorgegebenen Korrelations-Grenzwert überschreitet. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Erkennung eines Referenzpunktes eingestellt werden, wobei der Grenzwert je nach Anwendungsgebiet und Anforderungen eingestellt werden kann.
  • Auch kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass das Abgleichen des während der zweiten Messreihe erfassten Referenzpunktes mit den während der ersten Messreihe erfassten Referenzpunkte selektiv erfolgt, sodass der Abgleich lediglich mit ausgewählten Referenzpunkten erfolgt, bei denen eine erhöhte Wahrscheinlichkeit einer Identität der Referenzpunkte vorliegt. Anders ausgedrückt wird der Abgleich somit auf einen vorgegebenen Bereich beschränkt, wobei die Beschränkung bevorzugt auf Grundlage der Hodometermessdaten erfolgen kann. Wenn bei der ersten Messreihe 100 Referenzpunkte ermittelt worden sind und während der zweiten Messung bei einem neu erfassten Referenzpunkt aufgrund der vorhandenen, fehlerbehafteten Hodometermessdaten anzunehmen ist, dass der neu erfasste Referenzpunkt lediglich eine Identität mit einem der Referenzpunkte 83 bis 87 der ersten Messreihe aufweisen kann, so kann der Abgleich des (während der zweiten Messreihe) neu erfassten Referenzpunktes auf die Referenzpunkte 83 bis 87 der ersten Messreihe beschränkt werden. Dadurch kann die Effizienz des Verfahrens erhöht werden, so dass die Korrelationsberechnung sich nur noch auf eine Auswahl der Referenzpunkte beschränkt wird.
  • Zusätzlich wird auch die Präzision des Erkennungsverfahrens erhöht, da das Risiko einer fehlerhaften Zuordnung der Referenzpunkte reduziert wird.
  • Zudem kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die Werte der aufgenommenen lokalen Magnetfeldsignaturen interpoliert werden.
  • Bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass das Hodometer einen Drehzahlsensor aufweist, der dazu ausgelegt ist, die Drehzahl eines Rades eines Schienenfahrzeuges zu erfassen, und/oder einen Doppler-Radarsensor, der dazu ausgelegt ist, die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges zu messen. Es können jedoch auch weitere, aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur direkten oder indirekten Wegstreckenmessung implementiert werden. Bei der indirekten Wegstreckenmessung können beispielsweise Geschwindigkeitssensoren verwendet werden, deren Messergebnisse integriert werden.
  • Zudem wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Erstellung einer Magnetfeldkarte für einen Streckenabschnitt innerhalb eines Schienennetzes vorgeschlagen, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
    • Erstellen einer Magnetfeldkarte für einen Streckenabschnitt unter Verwendung eines graphen-basierten Verfahrens zur Simultanen Positionsbestimmung und Kartenerstellung, SLAM,
    • Erkennung von Referenzpunkten, die bereits in vergangenen Messreihen erfasst wurden unter Verwendung eines der vorstehenden Referenzpunkt-Erkennungsverfahren.
  • Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass eine Kante innerhalb des SLAM-Graphen zwischen einem Referenzpunkt aus der zweiten Messreihe und einem Referenzpunkt aus der ersten Messreihe hinzugefügt wird, sofern eine Identität zwischen den genannten Referenzpunkten erkannt wurde. Dabei beschreibt die hinzugefügte Kante die Verschiebung zwischen zwei Referenzpunkten. Der Abstand wird ebenfalls durch das Magnetfeld bestimmt.
  • Ferner wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Schienenfahrzeuges innerhalb eines Schienennetzes vorgeschlagen, wobei das Schienenfahrzeug einen Magnetfeldsensor aufweist und das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
    • Erstellung einer Magnetfeldkarte für einen Streckenabschnitt innerhalb eines Schienennetzes nach einem der vorherigen Verfahren zur Magnetfeldkarten-Erstellung;
    • Erfassen eines Magnetfeldes unter Verwendung des Magnetfeldsensors;
    • Abgleichen des Magnetfeldes mit der Magnetfeldkarte; und
    • Bestimmen der Position des Schienenfahrzeuges innerhalb des Schienennetzes in Abhängigkeit von dem zuvor erfassten Magnetfeld und der erstellten Magnetfeldkarte.
  • Nachfolgend wird auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung näher eingegangen.
  • Wie vorstehend ausgeführt, betrifft die vorliegende Erfindung unter anderem ein Verfahren für die Erstellung von Magnetfeldkarten entlang von Eisenbahnschienen, und zwar auch in Szenarien, in denen keine GNSS-Ortung möglich ist. Das vorgeschlagene Verfahren kann dazu verwendet werden, bestehende SLAM-Verfahren (insbesondere in pose graph SLAM) zu verbessern. Der Vorteil von Pose Graph SLAM besteht darin, dass das Problem als dünn besetzter Graph formuliert werden kann, der hinsichtlich der Rechenkomplexität und des Speicherbedarfs effizient gelöst werden kann. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden der Erfindung kann jedem Knoten im Pose-Graphen eine lokale Magnetfeldkarte (auch als lokale Magnetfeldsignatur bezeichnet) zugeordnet werden, die aus den Messungen eines Kilometerzählers und eines Magnetometers erzeugt wird. Diese lokalen Karten werden dann verwendet, um Schleifenschlüsse (auch als Erkennung identischer Referenzpunkte oder loop-closures bezeichnet) zwischen Knoten zu erkennen und deren relative Positionen zu berechnen. Da Schleifenschlüsse nur für nahe beieinander liegende Knoten bzw. Referenzpunkte erkannt werden können, ist der resultierende Graph spärlich besetzt und die Optimierung auf ihm kann effizient durchgeführt werden, so dass der Algorithmus auch für lange Strecken eingesetzt werden kann. Um die vorgeschlagene Methode zu bewerten, wird ein Datensatz verwendet, der mit dem advanced TrainLab der Deutschen Bahn aufgezeichnet wurde, der mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 km/h unterwegs war. Zusätzlich wurden
  • Simulationen durchgeführt, um ein Szenario zu bewerten, das von den Messungen nicht abgedeckt wurde.
    • Motivation
  • Die magnetfeldbasierte Zuglokalisierung hat das Potenzial, die Lokalisierung auch in Bereichen zu ermöglichen, in denen kein GNSS verfügbar ist, wie z. B. in Tunneln, ohne dass spezielle streckenseitige Geräte zur Lokalisierung wie Balisen oder Funkbaken installiert werden müssen. Die magnetische Lokalisierung ist eine Fingerabdruckmethode und erfordert eine Karte, die einen bestimmten magnetischen Fingerabdruck oder ein bestimmtes Muster mit der Position verknüpft, an der sich das Muster befindet. Leider erfordert die Erstellung der Karte ein Positionsreferenzsystem (z.B. GNSS), was zu einer Art Henne-Ei-Problem führt. Das magnetische Lokalisierungssystem erfordert eine Karte, und die Erstellung der Karte erfordert eine Referenzposition. Diese Art von Problem tritt bei vielen Anwendungen auf, z. B. in der Robotik, was zur Entwicklung einer Vielzahl von Algorithmen zur Simultanen Positionsbestimmung und Kartenerstellung (Simultaneous Localization and Mapping oder SLAM) geführt hat. Anfangs basierte SLAM auf erweiterten Kalman-Filtern, deren Komplexität quadratisch mit der Anzahl der beobachteten Landmarken zunahm und die bei stark nichtlinearen Problemen nur eine geringe Genauigkeit aufwiesen. Daher wurden alternativ Partikelfilter und Rao-Blackwellized Partikelfilter in Form des bekannten FastSLAM-Algorithmus eingeführt. Während die oben genannten Lösungen auf Filtern basieren, wurden auch Alternativen vorgeschlagen, die versuchen, eine Lösung für das SLAM-Problem durch Optimierung zu finden. Vor allem graphen-basierte Methoden wurden eingeführt, die heute aufgrund ihrer Recheneffizienz und Stabilität als Stand der Technik für SLAM gelten. Bei SLAM unterscheidet man auch zwischen landmarkenbasierten und landmarkenfreien Ansätzen. Bei der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt ein landmarkenfreier Ansatz verwendet werden, der z.B. in [1] zu finden ist. Zudem werden mit der vorliegenden Erfindung Verbesserungen gegenüber dem in [2] beschriebenen Verfahren vorgeschlagen, wobei eine neue Schleifenschlusserkennung eingeführt wird und bevorzugt a-priori Informationskanten und absolute Messkanten eingeführt werden, die aufgrund der begrenzten Freiheit in der Trajektorie des Zuges bei der Aufnahme von Messungen erforderlich sind.
    • Graphen-basiertes SLAM
  • Nachfolgend sollen kurz die Grundlagen des graph-basierten SLAM zusammengefasst werden. Genauer gesagt soll das SLAM-Verfahren mit Pose-Graph-Optimierung erläutert werden, wonach die Karte nicht direkt geschätzt wird. Stattdessen wird dabei nur die Serie von Posen optimiert. Auf der Grundlage der erhaltenen Trajektorie kann dann die gewünschte Karte erstellt werden.
  • Der Ausgangspunkt für die Herleitung von graph-basiertem SLAM ist die Definition der zu optimierenden Kostenfunktion. In diesem speziellen Fall ist die Kostenfunktion die vollständige posteriore Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (probability density function - pdf) über die Trajektorie eines Zuges x p x Z , Y
    Figure imgb0001
     wobei
    Figure imgb0002
    und y zwei Sätze von Messungen sind und die Trajektorie durch eine Folge x von Zugpositionen dargestellt wird, die in einem Vektor x = [x 1, ··· , xN ] zusammengefasst sind, wobei xi die i-te Zugposition entlang der Strecke ist. Der Satz
    Figure imgb0003
    enthält Messungen zij ∈
    Figure imgb0004
    , die beschreiben, wie zwei Positionen xi und xj mit i ≠ j in der Trajektorie zueinander in Beziehung stehen. Da hier die Position eines Zuges entlang der Strecke betrachtet wird, ist die Position eindimensional, und zij ist im Grunde nur ein Maß für den Abstand zwischen xi und xj . Diese Art von Messungen kann von einem Hodometer bzw. von einer Wegstreckenmesseinrichtung erhalten werden, welches bzw. welche die Strecke misst, die der Zug zwischen zwei Positionen zurückgelegt hat, oder, wie in den nächsten Abschnitten näher erläutert wird, kann diese Information auch aus dem Magnetfeld selbst gewonnen werden. Im Gegensatz zur Menge
    Figure imgb0005
    enthält die Menge y absolute Informationen über eine bestimmte Position. Daher ist ein Element yi von y nur mit einer Position xi verbunden. Im Folgenden wird eine Position xi auch als Knoten bezeichnet und Messungen werden als Kanten bezeichnet. Dies wird nachfolgend noch im Zusammenhang mit der Herleitung der Kostenfunktion näher erläutert.
  • Das Ziel der Optimierung ist es, die maximale a-posteriori-Schätzung (maximum a-posteriori - MAP) zu finden x ^ = arg max x p x Z , Y .
    Figure imgb0006
  • Zur Durchführung der Optimierung ist es von Vorteil, den hinteren Ausdruck in eine geeignetere Form zu zerlegen. In einem ersten Schritt wird das Gesetz für bedingte Wahrscheinlichkeiten auf den hinteren Ausdruck angewendet, um Folgendes zu erhalten p x Z , Y ∝ p Z , Y x p x .
    Figure imgb0007
  • Dabei ist zu beachten, dass die rechte Seite des obigen Ausdrucks nur proportional zum posteriori Ausdruck ist. Das ändert jedoch nicht die Position des Maximums. In einem zweiten Schritt wird die rechte Seite in (3) weiter zerlegt p x Z , Y ∝ p Z , Y x p x = p Z x p Y x p x = p x ∏ i j ∈ C Z p z i , j x i x j ∏ i ∈ C Y p y i x i .
    Figure imgb0008
  • Die Elemente der Menge Cz sind Paare von Knotenindizes, für die eine relative Messung in
    Figure imgb0009
    enthalten ist, und die Menge
    Figure imgb0010
    enthält die Indizes von Positionen, für die eine absolute Messung existiert. Der Einfachheit halber wird hier nur eine relative Messung pro Knotenpaar und eine absolute Messung pro Knoten betrachtet, aber die Erweiterung auf mehrere Messungen ist problemlos möglich.
  • Die letzten beiden Terme in (4) sind das Produkt der Wahrscheinlichksdichten der einzelnen Messungen. Für jede der Messungen wird die Wahrscheinlichkeitsdichte als gaußförmig angenommen. Für die relativen Messungen in
    Figure imgb0011
    ist die Wahrscheinlichkeitsdichte gegeben durch p z i , j x i x j = N z i , j ; z ˜ x i x j , Ω ij − 1
    Figure imgb0012
     wobei der Mittelwert durch die vorhergesagte Messung z̃(xi , xj ) gegeben ist, die für den hier betrachteten 1D-Fall einfach z̃(xi, xj ) = xi - xj lautet.
  • Für die absoluten Messungen in y hängt die Wahrscheinlichkeit nur von einem Knoten ab p y i x i = N y i x i Ω i − 1 .
    Figure imgb0013
  • Für die pdf p(x) sei angenommen, dass nur Informationen über den ersten Knoten vorliegen. Daher wird sie auf p x 0 = N x 0 x ˜ 0 Ω 0 − 1 .
    Figure imgb0014
     gesetzt. Das Setzen von Ω0 auf einen hohen Wert verankert den Knoten auf den Mittelwert x̃ 0 von p(x). Dieser Mittelwert kann z. B. durch GNSS ermittelt werden, bevor die Züge in einen Tunnel einfahren. Wenn keine absoluten Messungen verfügbar sind, kann der erste Knoten dazu genutzt werden das Koordinatensystem definieren.
  • Für Kostenfunktionen der obigen Form ist es zweckmäßig, den Logarithmus der Kostenfunktion zu optimieren. Mit den Gaußschen pdf's in (5)-(7) ergibt sich dann folgender Ausdruck c x = x 0 − x ˜ 0 2 Ω 0 + ∑ i ∈ C y y i − x i 2 Ω i + ∑ i j ∈ C z z i , j − z ˜ x i x j 2 Ω ij = e p x 2 Ω 0 + ∑ i j ∈ C z e ij x 2 Ω ij + ∑ i ∈ C y e i x 2 Ω i ,
    Figure imgb0015
    wobei alle konstanten Teile, die für die Optimierung nicht wichtig sind, vernachlässigt werden und die gesamte Funktion zur Vereinfachung der Ausdrücke mit -2 multipliziert wurde. Indem die Kostenfunktion mit -2 multipliziert wird, wird das Problem in ein Minimierungsproblem umgewandelt, das die Grundlage für die Optimierung sein wird x ^ = arg min x c x .
    Figure imgb0016
  • Die Kostenfunktion c(x) kann visuell durch einen Graphen dargestellt werden, wobei jede Kante einen Term der Kostenfunktion darstellt und jeder Knoten eine zu optimierende Position ist. Ein Beispiel für einen Graphen, wie er in der Eisenbahnumgebung anzutreffen ist, ist in der Fig. 1 dargestellt. Der Graph in der Fig. 1 weist eine Diskontinuität zwischen den Posen x5 und x6 auf. Dies liegt daran, dass es in der Eisenbahnumgebung vorkommen kann, dass ein Zug durch einen Tunnel fährt und dann für längere Zeit nicht zurückkommt. Der SLAM-Algorithmus muss daher in der Lage sein, die Daten von mehreren diskontinuierlichen Messfahrten auf demselben Gleis zu kombinieren. Diese Diskontinuitäten sind die Motivation, bevorzugt auch absolute Positionsmessungen in den Graphen einzubeziehen, weil sie die Posen von mehreren Messfahrten auf demselben Gleis miteinander verbinden, selbst wenn der Zug den Tunnel immer aus derselben Richtung durchfährt. Außerdem helfen absolute Messungen am Anfang und am Ende eines Tunnels bei der Optimierung, den Gesamtpositionsfehler im Tunnel zu reduzieren, wenn nur relative Informationen zwischen verschiedenen Posen vorliegen.
  • Die Untersuchung von (8) zeigt, dass die MAP-Schätzung der Trajektorie ein gewichtetes nicht-lineares Least-Square-Problem ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Least-Square-Lösung mit der Gauß-Newton-Methode gefunden werden. Dies erfordert eine Linearisierung der Fehlerfunktionen für die a-priori Information ep(x), relativen Messungen eij(x) und absoluten Messungen ei(x). Die linearisierte Version dieser Funktionen ergibt sich aus ihren Taylorreihenentwicklungen um den Arbeitspunkt x* e p l x = e p x ∗ + J p x − x ∗ e ij l x = e ij x ∗ + J ij x − x ∗ e i l x = e i x ∗ + J i x − x ∗ .
    Figure imgb0017
  • Dabei sind J p, J ij und J j die entsprechenden Jacobi-Matrizen evaluiert an der Stelle x*, d. h. die Jacobi-Matrix ergibt sich aus J ij = ∇ x e ij x x = x * T
    Figure imgb0018
    . Da die Fehlerfunktionen skalar sind, sind die Jacobi-Matrizen Zeilenvektoren der Dimension N und das Produkt mit dem Vektor Δx = x-x* ist ein Skalar. Für den Gauß-Newton-Algorithmus können die linearisierten Fehlerfunktionen in die Kostenfunktion in (8) eingesetzt werden c 1 x = e p 1 x 2 Ω 0 + ∑ i j ∈ C z e ij 1 x 2 Ω ij + ∑ i ∈ C y e i 1 x 2 Ω i = c p x + c ij x + c i x .
    Figure imgb0019
  • Die Gauß-Newton-Gleichungen erhält man, indem man den Gradienten der Kostenfunktion mit den linearisierten Fehlerfunktionen in (11) auf Null setzt ∇ x c 1 x = ∇ x c p x + ∇ x c ij x + ∇ x c i = 0 .
    Figure imgb0020
  • Mit den Gradienten der einzelnen Teile der Kostenfunktion ∇ x c p x = 2 Ω 0 J p T e p x ∗ + 2 Ω 0 J p T J p x − x ∗ ∇ x c ij x = ∑ i j ∈ C z 2 Ω ij J ij T e ij x ∗ + 2 Ω ij J ij T J ij x − x ∗ ∇ x c i x = ∑ i ∈ C y 2 Ω i J i T e i x ∗ + 2 Ω i J i T J i x − x ∗
    Figure imgb0021
     ergibt sich dann eine Gleichung der Form − b = HΔx
    Figure imgb0022
     mit dem Vektor b = 2Ω 0 J p T e p x ∗ + ∑ i j ∈ C z 2Ω ij J ij T e ij x ∗ + ∑ i ∈ C y 2Ω i J i T e i x ∗ = b p + b r + b a
    Figure imgb0023
     und die Matrix H = 2Ω 0 J p T J p + ∑ i j ∈ C z 2Ω ij J ij T J ij + ∑ i ∈ C y 2Ω i J i T J i = H p + H r + H a .
    Figure imgb0024
  • Um die Kostenfunktion zu minimieren, kann nun nach Δx gelöst und der geschätzte Wert für x berechnet werden x ^ = x ∗ − H − 1 b .
    Figure imgb0025
  • Dieses Verfahren wird iterativ durchgeführt, indem nach jeder Iteration x* = x̂ eingestellt wird, bis die Schätzung konvergiert ist.
    • Komplexitätserwägungen
  • Die Matrix H, die während der Optimierung invertiert werden muss, hat die Dimension N × N, wobei N die Anzahl der Knoten und damit die Dimension von x ist. Für große Vektoren x führt dies zu einer hohen Komplexität, insbesondere weil die Matrix H nach jedem Iterationsschritt an der Position der neuen Schätzung x̂ neu berechnet werden muss. In der einfachsten Implementierung hätte dies eine Komplexität von
    Figure imgb0026
    (N 3). Erfreulicherweise kann gezeigt werden, dass die Matrix H typischerweise durch ihre Konstruktion dünn besetzt ist.
    • Relative Messungen
  • Im vorherigen Abschnitt wurde die allgemeine Idee des graphen-basierten SLAM-Ansatzes allgemein erläutert. Zur Verdeutlichung einiger bevorzugter Aspekte der Erfindung, sollen in diesem Abschnitt die relativen Beobachtungen und deren mögliche Gewinnung näher beschrieben werden.
    1. 1) Odometer-Kanten: Wie im Beispielgraphen in der Fig. 1 dargestellt, gibt es eine Kante zwischen aufeinanderfolgenden Knoten, sofern sie während desselben Laufs bzw. derselben Messreihe erstellt wurden. Die Messungen zi,j für die Kanten zwischen aufeinanderfolgenden Knoten werden beispielsweise von einem Kilometerzähler gewonnen. Bei Eisenbahnen kann der Kilometerzähler typischerweise durch Integration der Geschwindigkeit eines Raddrehzahlsensors oder eines Doppler-Radars ermittelt werden.
    2. 2) Erkennung eines Schleifenschlusses bzw. eines zuvor erfassten Referenzpunktes: Neben den Kanten aufgrund von Hodometermessungen werden vorliegend bevorzugt auch Kanten zwischen nicht aufeinanderfolgenden Knoten berücksichtigt. Eine Kante zwischen zwei nicht-konsekutiven Knoten kann eingeführt werden, wenn ein Schleifenschluss erkannt wird. Ein Schleifenschluss sollte erkannt werden, wenn ein Zug eine Position bzw. einen Referenzpunkt auf dem Gleis erneut ansteuert. Der Vorteil einer Schleifenschlusskante besteht darin, dass sie neu hinzugefügte Knoten mit älteren, bereits im Graphen vorhandenen Knoten verbindet. Grob gesagt "begrenzt" diese Verbindung zwischen neuen und alten Knoten die Gesamttrajektorie und kann daher, wenn genügend Schleifenschlüsse erkannt werden, die geschätzte Trajektorie im Vergleich zum reinen Kilometerzähler signifikant verbessern.
  • Wie zuvor erwähnt, betrifft ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung die Art und Weise, wie Schleifeneinschlüsse erkannt werden bzw. wie in vorherigen Messreihen erfasste Referenzpunkte in nachfolgenden Messreihen erkannt werden. Vorliegend wird insbesondere vorgeschlagen, Schleifeneinschlüsse zu erkennen, indem für jeden neu hinzugefügten Knoten eine lokale Karte des Magnetfelds (auch als lokale Magnetfeldsignatur) in seiner Umgebung erstellt wird. Wie diese lokalen Karten erstellt werden können, wird im nächsten Abschnitt näher erläutert. Zunächst reicht es aus zu wissen, dass eine lokale Karte bevorzugt eine Funktion ist, die als Eingabe eine eindimensionale Position aufnimmt und den entsprechenden Magnetfeldvektor an dieser Position zurückgibt. Da die Karte "lokal" ist, ist die Eingabeposition bevorzugt relativ zur Position des entsprechenden Referenzpunktes. Mit dieser lokalen Karte kann die Erkennung des
  • Schleifenschlusses bevorzugt in drei Schritten erfolgen, wenn ein neuer Knoten hinzugefügt wird
    • Suche nach der Menge der Indizes
      Figure imgb0027
      aller Knoten, die sich in einem vordefinierten Suchradius R LC um den neu erstellten Knoten befinden
    • Vergleiche das Magnetfeld, das auf den letzten d LC Metern der Strecke um den neuen Knotenpunkt aufgezeichnet wurde, mit den lokalen Karten aller Knotenpunkte auf
      Figure imgb0028
      und finde die Position, an der es am besten zu jeder lokalen Karte passt
    • Füge eine Kante zwischen dem aktuellen Knoten und einem Knoten in
      Figure imgb0029
      hinzu, wenn die Ähnlichkeit zwischen dem aktuellen Magnetfeld und der lokalen Karte über einem definierten Schwellenwert liegt T LC . Die relativen Maße der Kante sind durch die Position gegeben, an der das aktuelle Magnetfeld am besten zur lokalen Karte passt, wobei die Maße den Abstand der Punkte zueinander beschreiben.
  • Im Folgenden soll erläutert werden, wie die Ähnlichkeit ermittelt und wie die lokalen Karten konstruiert werden können.
  • 3) Lokale Karten: Um eine lokale Karte bzw. eine lokale Magnetfeldsignatur zu erstellen, können die Magnetfeldmessergebnisse und die Geschwindigkeit des Zuges während dieser Messungen in einem Puffer gespeichert werden. Die Zuggeschwindigkeit wird ebenfalls gemessen, z. B. mit einem Raddrehzahlgeber. Aus diesem Puffer kann nun jedes Mal, wenn ein neuer Knotenpunkt erstellt wird, eine lokale Karte berechnet werden. Zur Berechnung der Karte kann zunächst die gemessene Geschwindigkeit rückwärts in der Zeit integriert werden, beginnend mit der neuesten verfügbaren Messung. Durch die Integration der Geschwindigkeit wird nun für jede Magnetfeldmessung auch die relative Position im Verhältnis zur Position des neu erstellten Knotens zugeordnet. In einem zweiten Schritt kann eine Interpolation der magnetischen Daten auf ein äquidistantes Positionsgitter durchgeführt werden. Diese Interpolation ist vorteilhaft, da die relative Position aus der Geschwindigkeitsintegration von der Geschwindigkeit des Zuges während der Messungen abhängt und daher die Magnetfelddaten im räumlichen Bereich nicht in gleichen Abständen vorliegen, was die weitere Verarbeitung beeinflussen kann. Ein Beispiel für eine magnetische Karte und die Messung der relativen Position ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Länge L map der Karte kann frei gewählt werden. Erste Untersuchungen konnten jedoch zeigen, dass das Festsetzen der Länge auf einige hundert Meter vorteilhaft ist. Wenn die Karten zu lang werden, wird der Fehler in der relativen Position, der durch die Integration der gemessenen Zuggeschwindigkeit entsteht, zu groß. Die Wahl der Kartenlänge ist ein Kompromiss zwischen der Maximierung der Anzahl der Schleifenschlüsse zwischen den Knotenpunkten und der Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Schleifenschlusses.
  • 4) Detektor: Mit den lokalen Karten aus dem vorherigen Abschnitt kann nun ein Detektor für Schleifenschlüsse implementiert werden. Der Detektor, der vorliegend bevorzugt vorgeschlagen wird, ist im Grunde ein Korrelator. Wenn ein neuer Knoten erstellt wird, kann seine lokale Karte erstellt und gemeinsam mit dem Knoten gespeichert werden. Anschließend kann ein Stück der Karte mit der Länge L sig herausgeschnitten werden, das als magnetische Signatur oder Magnetfeldsignatur genannt wird. Die Signatur kann beispielsweise am Anfang der Karte ausgeschnitten werden. Im Allgemeinen sollte die Gleichung L map > L sig erfüllt sein, da die gesamte Signatur mit den lokalen Karten der anderen Knoten abgeglichen werden sollte, um gute und zuverlässige Ergebnisse zu erhalten.
  • Um einen Schleifenschluss zu erkennen, kann die lokale Karte jedes Kandidatenknotens, der im Indexsatz
    Figure imgb0030
    enthalten ist, mit der Signatur des neu erstellten Knotens verglichen werden. Der Vergleich basiert bevorzugt auf einem Korrelationskoeffizienten. Wenn die Karte länger ist als die Signatur, kann der Korrelationskoeffizient für alle möglichen Positionen der Signatur in der lokalen Karte ausgewertet werden, indem die Signatur über die Karte "geschoben" wird. Für den Detektor wird nur der höchste Wert des Korrelationskoeffizienten und die relative Position, an der er berechnet wurde, gespeichert. Nachdem der Vergleich für alle Kandidatenknoten durchgeführt wurde, kann ein Schleifenschluss erkannt werden, wenn der gespeicherte maximale Koeffizient über dem Schwellenwert T LC liegt. Für jeden erkannten Schleifenschluss wird eine relative Messkante zwischen dem entsprechenden Kandidatenknoten und dem neu erstellten Knoten eingefügt. Die Messungen zi,j der eingefügten Kante entspricht der Position in der lokalen Karte, an der der maximale Koeffizient beobachtet wurde. Hier sollte auf das richtige Vorzeichen geachtet werden, da das Vorzeichen von der Richtung der Kante und der Definition der relativen Position abhängt. Wenn die lokale Karte und die Signatur bei Fahrten mit unterschiedlicher Fahrtrichtung aufgezeichnet wurden, muss die Karte oder die Signatur entsprechend angepasst werden.
    • Auswertung
  • In diesem Abschnitt soll der vorgeschlagene Ansatz mit Messdaten evaluiert werden, die mit dem advanced TrainLab der Deutschen Bahn aufgezeichnet wurden. Die Messungen wurden auf der Strecke zwischen Göttingen und Kassel mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 km/h aufgezeichnet. Das Magnetfeld wurde mit einem Low-Cost-Magnetometer der Firma KMX gemessen und die Geschwindigkeit des Zuges mit einem Raddrehgeber der Firma Deuta ermittelt. Für die Auswertung werden die Daten von drei Fahrten auf einem etwa 3 km langen Streckenabschnitt verwendet. Während der drei Fahrten überfuhr der Zug das Gleis immer aus derselben Richtung, was für den vorgeschlagenen Ansatz nicht zwingend erforderlich ist. Das bedeutet, dass der Datensatz diskontinuierlich ist und GNSS-Messungen am Anfang und am Ende des Streckenabschnitts verwendet wurden, um die Koordinatensysteme der verschiedenen Fahrten anzugleichen. Dabei wurden GNSS-Daten nur am Anfang und am Ende verwendet, da dies einem Tunnelszenario entspricht.
  • In der Fig. 3 ist der endgültige Graph nach den drei Durchläufen zu sehen. Wie zu sehen ist, hat der Graph trotz der zurückgelegten Strecke von etwa 9 km nur 166 Knoten. Ein Knoten wurde nur erstellt, wenn der Zug laut Kilometerzähler 50 m im Vergleich zum letzten Knoten zurückgelegt hat. Die Spärlichkeit der Knoten kann erreicht werden, weil lokale Karten verwendet werden, die das Magnetfeld zwischen den Knoten dicht darstellen. Die Verbesserung in Bezug auf den Positionsfehler des SLAM-Algorithmus im Vergleich zum reinen ungestützten Kilometerzähler ist in der Fig. 4 dargestellt. Nach der Optimierung liegt der Fehler meist bei unter 10 m, während der reine Kilometerzähler (Hodometer) Fehler von bis zu 60 m aufweist. In den Messdaten war der Raddurchmesser gut kalibriert, so dass der Fehler des Kilometerzählers sehr klein war, weshalb bei der Auswertung der Raddurchmesser um einen Zentimeter verringert wurde, um größere Fehler im Kilometerzähler zu erhalten und um zu prüfen, ob auch dann noch die Optimierung gute Ergebnisse liefert. Es sollte zudem erwähnt werden, dass der Kilometerzähler hier recht gut zu funktionieren scheint. Bei ETCS darf der Fehler des Kilometerzählers nach 3 km bis zu 5 m + 5 % x 3000 m = 155 m betragen. Für eine genaue Abbildung des Magnetfelds über größere Distanzen ist die reine Hodometermessung daher eher ungeeignet.
  • Um die gewünschte magnetische Karte zu erstellen, sollte eine zusätzliche Verarbeitung vorgenommen werden, da der Graph nur alle 50 m einen Knoten enthält. Für die Kartierung kann daher zwischen den Knoten interpoliert werden, um die Positionen der einzelnen Magnetfeldmessungen zu erhalten, für die kein Knoten erstellt wurde. Aufgrund des geringen Dynamik- und Beschleunigungsvermögens eines Zuges kann davon ausgegangen werden, dass eine lineare Interpolation in diesem Fall ausreichend sein sollte.
  • Um die Auswertung zu vervollständigen, wurde ein Zug simuliert wurde, der zweimal vorwärts und rückwärts auf derselben, ca. 5 km langen Strecke fuhr. Die für die Simulation verwendete Magnetfeldkarte wurde mit der BRB zwischen Augsburg und Friedberg gemessen. Um die Messungen zu simulieren, wurde den Wert der Karte an der aktuellen Position des Zuges genommen und es wurde Rauschen hinzugefügt. Im Vergleich zu den Messdaten ist der simulierte Datensatz kontinuierlich (in dem Sinne, dass die Zugposition nicht von einer Fahrt zur nächsten springt) und daher werden keine externen Informationen benötigen, um SLAM durchzuführen, d. h. es wird kein GNSS benötigt. Es wurde lediglich der erste Knoten an seiner Position verankert, um das Koordinatensystem zu fixieren, wie es beim SLAM-Verfahren üblich ist.
  • In den Fign. 5 und 6 sind der Graph und der dazugehörige resultierende Positionsfehler dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass zur Abdeckung der fast 20 km an Daten nur 362 Knoten benötigt werden. Aus dem Graphen ist auch ersichtlich, dass die verschiedenen Fahrten nun über eine Hodometer-Kante miteinander verbunden sind, da der Zug am Ende der Strecke abbremst und dann in die entgegengesetzte Richtung zu fahren beginnt. Der Hodometer in der Simulation hat einen systematischen Fehler, der zu einem Positionsfehler von mehreren hundert Metern führt. Wie in der Fig. 6 zu erkennen ist, kann durch den Einsatz des graphen-basierten SLAM-Verfahrens der Fehler des Kilometerzählers erheblich reduziert werden. Dies wird durch die Schleifenschlüsse erreicht, die Knoten, die am Anfang des Datensatzes erstellt wurden, mit Knoten verbinden, die gegen Ende erstellt wurden. Dadurch werden Knoten mit einer geringen Unsicherheit mit Knoten mit einer hohen Unsicherheit verbunden. Die Einführung dieser Verbindungen ermöglicht es, die Positionen der Knoten zu korrigieren, die mit einer Hodometer-Position erstellt wurden, die bereits einen großen Fehler aufweist.
  • Diese Arbeit ist entstanden im Rahmen einer Zuwendung aus dem Impuls- und Vernetzungsfonds des Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V. (Vertragsnummer ZT-I-PF-5-49 ("Ubiquitous Spatio-Temporal Learning for Future Mobility (ULearn4Mobility)")).
    • LITERATURVERZEICHNIS
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    2. [2] J. Jung, J. Choi, T. Oh, and H. Myung, "Indoor Magnetic Pose Graph SLAM with Robust Back-End," in Robot Intelligence Technology and Applications 5. Springer International Publishing, 2019, pp. 153-163.

Claims (13)

  1. Verfahren zur magnetfeldbasierten Erkennung eines Referenzpunktes bei Durchführung mehrerer Messreihen zur Erstellung einer Magnetfeldkarte für ein Schienennetz, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
    - Durchführung einer ersten Messreihe zur Ermittlung eines Magnetfeldes an mehreren Referenzpunkten innerhalb eines vorgegebenen Streckenabschnittes des Schienennetzes, wobei an jedem der Referenzpunkte das Magnetfeld unter Verwendung eines Magnetfeldsensors und die Position des Referenzpunktes unter Verwendung eines Hodometers erfasst werden, wobei an jedem Referenzpunkt eine lokale Magnetfeldsignatur aufgenommen und in einer Datenbank gespeichert wird, und jede lokale Magnetfeldsignatur das lokale Magnetfeld in der Umgebung um den Referenzpunkt wiedergibt, wobei die während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen eine Länge lsig1 aufweisen;
    - Durchführung einer zweiten Messreihe zur Ermittlung des Magnetfeldes an mehreren Referenzpunkten innerhalb des vorgegebenen Streckenabschnittes des Schienennetzes, wobei an jedem der Referenzpunkte das Magnetfeld unter Verwendung des Magnetfeldsensors und die Position des Referenzpunktes unter Verwendung eines Hodometers erfasst werden, wobei zu jedem Referenzpunkt eine lokale Magnetfeldsignatur aufgenommen wird, und jede lokale Magnetfeldsignatur das lokale Magnetfeld in der Umgebung um den Referenzpunkt wiedergibt, wobei die während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen eine Länge lsig2 aufweisen;
    - Abgleichen mindestens einer während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur oder eines Ausschnitts dieser Magnetfeldsignatur mit den während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen; und
    - Erkennung der Identität zwischen einem innerhalb der zweiten Messreihe erfassten Referenzpunkt sowie einem bereits in der ersten Messreihe erfassten Referenzpunkt, sofern die Magnetfeldsignatur oder der Ausschnitt der Magnetfeldsignatur zu dem Referenzpunkt aus der zweiten Messreihe eine Mindestähnlichkeit mit der Magnetfeldsignatur zu dem Referenzpunkt aus der ersten Messreihe aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
    - Abgleichen eines Ausschnitts einer während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur mit den während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen, wobei der Ausschnitt der während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur eine Länge lsection aufweist und wobei lsection < lsig2 gilt; wobei
    - während des Abgleichens der Ausschnitt der während der zweiten Messreihe aufgenommenen Signatur mit den während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen ein sukzessiver Vergleich des genannten Ausschnitts mit gegeneinander verschobenen Ausschnitten einer während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass lsection maximal 75 % von lsig2 beträgt, dass bevorzugt lsection maximal 50 % von lsig2 beträgt und dass besonders bevorzugt lsection maximal 25 % von lsig2 beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine lokale Magnetfeldsignatur innerhalb der ersten Messreihe und/oder innerhalb der zweiten Messreihe das Magnetfeld in einem Bereich von 100 m bis 500 m, bevorzugt in einem Bereich von 200 bis 400 m wiedergibt, wobei der Bereich den dazugehörigen Referenzpunkt umfasst.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme mindestens einer lokalen Magnetfeldsignatur durch die Erfassung des Magnetfeldes in der Umgebung eines Referenzpunktes mit einer Messfrequenz von ≥ 10 Hz oder ≥ 30 Hz oder ≥ 50 Hz, bevorzugt mit einer Messfrequenz von ≥ 100 Hz und besonders bevorzugt mit einer Messfrequenz von ≥ 200 Hz erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgleichen mindestens einer während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur mit der während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen basierend auf einer Korrelationsberechnung erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Korrelationskoeffizient zur Bestimmung der Ähnlichkeit eines während der zweiten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignatur mit mehreren, während der ersten Messreihe aufgenommenen Magnetfeldsignaturen berechnet wird, wobei der Korrelationskoeffizient mit dem größten Wert mit einem vorgegebenen Korrelations-Grenzwert verglichen wird und eine Identität zwischen einem während der zweiten Messreihe erfassten Referenzpunkt und einem während der ersten Messreihe erfassten Referenzpunkt erkannt wird, sofern der Korrelationskoeffizient mit dem größten Wert den vorgegebenen Korrelations-Grenzwert überschreitet.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgleichen des während der zweiten Messreihe erfassten Referenzpunktes mit den während der ersten Messreihe erfassten Referenzpunkte selektiv erfolgt, sodass der Abgleich lediglich mit ausgewählten Referenzpunkten erfolgt, bei denen eine erhöhte Wahrscheinlichkeit einer Identität der Referenzpunkte vorliegt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der aufgenommenen lokalen Magnetfeldsignaturen interpoliert werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hodometer einen Drehzahlsensor aufweist, der dazu ausgelegt ist, die Drehzahl eines Rades eines Schienenfahrzeuges zu erfassen, und/oder einen Doppler-Radarsensor, der dazu ausgelegt ist, die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges zu messen.
  11. Verfahren zur Erstellung einer Magnetfeldkarte für einen Streckenabschnitt innerhalb eines Schienennetzes, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
    - Erstellen einer Magnetfeldkarte für einen Streckenabschnitt unter Verwendung eines graphen-basierten Verfahrens zur Simultanen Positionsbestimmung und Kartenerstellung, SLAM,
    - Erkennung von Referenzpunkten, die bereits in vergangenen Messreihen erfasst wurden unter Verwendung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kante innerhalb des SLAM-Graphen zwischen einem Referenzpunkt aus der zweiten Messreihe und einem Referenzpunkt aus der ersten Messreihe hinzugefügt wird, sofern eine Identität zwischen diesen Referenzpunkten erkannt wurde.
  13. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Schienenfahrzeuges innerhalb eines Schienennetzes, wobei das Schienenfahrzeug einen Magnetfeldsensor aufweist und das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
    - Erstellung einer Magnetfeldkarte für einen Streckenabschnitt innerhalb eines Schienennetzes nach einem der Ansprüche 11 oder 12;
    - Erfassen eines Magnetfeldes unter Verwendung des Magnetfeldsensors;
    - Abgleichen des Magnetfeldes mit der Magnetfeldkarte; und
    - Bestimmen der Position des Schienenfahrzeuges innerhalb des Schienennetzes in Abhängigkeit von dem erfassten Magnetfeld und der Magnetfeldkarte.
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