WO2003036319A2 - Verfahren und vorrichtung zum erfassen und klassifizieren von fahrzeugen in bewegung - Google Patents

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WO2003036319A2
WO2003036319A2 PCT/DE2002/002621 DE0202621W WO03036319A2 WO 2003036319 A2 WO2003036319 A2 WO 2003036319A2 DE 0202621 W DE0202621 W DE 0202621W WO 03036319 A2 WO03036319 A2 WO 03036319A2
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WO
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vehicle
data
lane
lidar
camera
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PCT/DE2002/002621
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English (en)
French (fr)
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WO2003036319A3 (de
Inventor
Reinhard KOY-OBERTHÜR
Lothar Brenneis
Thomas MÜNSTERER
Norbert Stein
Original Assignee
Vitronic Dr.-Ing. Stein Bildverarbeitungssysteme Gmbh
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Publication date
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Priority to AU2002320979A priority patent/AU2002320979A1/en
Priority to DE50210861T priority patent/DE50210861D1/de
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Publication of WO2003036319A3 publication Critical patent/WO2003036319A3/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
    • G08G1/01—Detecting movement of traffic to be counted or controlled
    • G08G1/017—Detecting movement of traffic to be counted or controlled identifying vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting vehicles in motion, in particular trucks on motorways, with the aid of at least one camera and / or other devices for detecting the contour or spatial structure of a vehicle and possibly its speed.
  • the present invention also relates to a device for detecting vehicles in motion, in particular trucks on motorways, which has at least one camera and / or other device for detecting the contour or spatial structure of the vehicle and possibly its speed.
  • Toll monitoring devices are also already known. Similar to the devices at traffic lights or at speed measuring points, these devices generally have a camera which detects a vehicle and, in particular, its number plate when it passes a toll station. In addition, however, such toll devices often also have communication devices which connect to corresponding communication devices which are arranged on a vehicle and in the process exchange all the data relevant for the toll calculation. This can also be linked to automatic booking and communication to a central facility.
  • US Patents 5,757,286 and 5,809,161 as well as the corresponding international publications WO 94/28377 and WO 93/19441 could possibly be closest to the present invention, the first-mentioned publication in each case providing a device for speed measurement with the aid of two video cameras with the production of Has stereo images at predetermined time intervals, which results in the location, path and speed of a vehicle.
  • the second-mentioned publication describes a camera that is capable of moving objects to be distinguished and tracked from other moving and static objects, this being done essentially by an appropriate image processing system.
  • corresponding highway sections are generally limited or interrupted by large stops, which have a number of payment counters at which the vehicles stop briefly so that the driver pays a corresponding fee or at which payment of the fee is briefly checked using a corresponding receipt or stamp becomes.
  • systems have already been proposed for this purpose, e.g. Exchange information with a toll station via transponders or other communication devices, the vehicle being identified and a corresponding debit being carried out on an account assigned to the vehicle owner.
  • the toll booths with stops and payment stations or with a check have the disadvantage that they are generally quite large structures, since they usually have to have far more checkout or payment points than the motorway in question has lanes in order to avoid significant traffic jams on the To create a freeway.
  • these toll booths have the disadvantage that they either have to be additionally provided at every exit or driveway of a motorway, or that no further driveway or exit may exist between two corresponding toll booths. This means that the user may have to accept long distances or detours to reach the next freeway entrance or exit, which significantly reduces the acceptance of such a system and at least partially nullifies the time saved.
  • such a system is completely impractical in cases in which only a certain part, even if under certain circumstances a considerable part, of the vehicles using a motorway is subject to charges. This applies, for example, to a motorway fee limited to trucks, as is currently being considered for the Federal Republic of Germany.
  • a modern toll system should therefore limit the stopping of vehicles to the absolutely unavoidable level, for example to the payment of a toll fee at most once a day, insofar as journeys can be predicted. Otherwise, tolls can also be paid for longer periods, as a package for certain routes or for any number of kilometers, and it should also be possible to register the vehicle with an automatic debit system.
  • there is no need to set up toll booths in such systems if there are opportunities to reliably identify any toll bumpers.
  • a corresponding system must therefore be secure enough to effectively prevent any attempt at manipulation and any attempt to travel a certain distance without paying the fees due.
  • the toll monitoring points must therefore be able to clearly identify each vehicle that is subject to toll as such, and the error rate should be as low as possible. This means that, on the one hand, vehicles which are not subject to the toll requirement and, on the other hand, on vehicles subject to tolls for which a toll fee has actually been paid should not be given the error message that the fee has not been paid.
  • all toll vehicles should actually be recorded as such.
  • induction loops as a trigger for a camera, vehicles that are subject to tolls and those that are not subject to tolls are recorded indiscriminately and the evaluation of corresponding image recordings would require an immense effort, which in none would stand in relation to the achievable toll fees.
  • the present invention has for its object to provide a method and an apparatus for detecting vehicles in motion, which are able to make an automatic distinction between toll and non-toll vehicles, so that the unnecessary detection of large Avoid amounts of data.
  • This system can preferably also be expanded in such a way that it only registers vehicles that are subject to tolls and where the proper payment of the tolls is in doubt.
  • the object on which the invention is based is achieved in that, prior to the detection of the contour and / or spatial structure, the detection and tracking of the vehicle is carried out by a LIDAR system, the path and speed of the vehicle being determined from the LIDAR data which are assigned to the contour and structure data determined subsequently.
  • an independent speed and path estimate is carried out by a LIDAR system, the path and speed of the vehicle being able to be estimated with sufficient accuracy from the LIDAR data in order to clearly identify the independently measured structural data, that is to say in particular height and / or width of the vehicle, the number of axles, the vehicle type, the license plate etc., to be able to assign to the LIDAR data.
  • These data together result in e.g. the approximate length, width and / or height as well as other parameters of the vehicle and the fact whether the vehicle may have a trailer.
  • This information is sufficient to classify the vehicle with a high degree of accuracy, whereby it is important to differentiate trucks with a certain size and weight class with sufficient accuracy, so that false messages from the system are largely avoided.
  • the corresponding device is characterized in that it has a LIDAR system which, together with an evaluation device for the detection and tracking of a vehicle at a distance before reaching a measuring point or recording position of a camera, the camera and / or the other devices for recording structural data being arranged and designed in such a way that they are at least one of the dimensions height or width of the one previously recorded by the LIDAR and for that Record the pre-calculated vehicle when it reaches the measuring point.
  • the at least one profile parameter (height or width) of the vehicle is detected by laser distance sensors which are oriented essentially perpendicular to the direction of travel of the vehicle, so that any perspective distortions are minimal and can be corrected easily. It is expedient if the laser distance sensors assigned to the monitoring of a lane are arranged above and laterally offset from the lane, and if in particular a pair of corresponding laser distance sensors is used. These then simultaneously capture a side front and the roof of the vehicle and the comparison of the data determined by the two laser sensors then enables a precise, stereoscopic determination of the cross section. In order to further improve the accuracy of the height and width dimensions, a method is preferred in which the data from the laser distance sensors are statistically evaluated or averaged.
  • the LIDAR is a laser or maser measuring system, which generally consists of a larger number of individual beams which span a plane in the manner of a fan, the opening angle of this fan preferably not being significantly greater than 60 for the purposes of the present invention ° is.
  • Each lane is expediently assigned its own LIDAR system and a corresponding LIDAR camera is preferably arranged above and next to the lane to be monitored by it.
  • the plane spanned by the individual beams of the LIDAR is inclined both with respect to the street plane and with respect to a plane perpendicular to the street plane. In the case of a three-axis coordinate system, of which two axes span the street plane and the third the direction perpendicular thereto, the plane spanned by the LIDAR is rotated about all three axes.
  • a line of intersection of the LIDAR plane with the plane of the road runs along a line which intersects the direction of travel at an acute angle and, for a plane parallel to the street plane, this line of intersection accordingly moves closer to the LIDAR system.
  • Each of the n lasers that span the LIDAR plane is able to carry out a distance measurement over the transit time of a reflected laser beam.
  • a vehicle In the described alignment of the LIDAR, a vehicle must necessarily break through the LIDAR plane and thereby generate corresponding distance data which are only evaluated in such a way that the path, the speed and the acceleration of the vehicle or object can be estimated therefrom In particular, whether the vehicle remains on the lane on which it was recorded or whether it is currently changing lanes, the LIDAR system can then use this path and speed data to determine the location and time of the structure measurement or height and width measurement, ie he can clearly assign the distance and speed data to the measurement data of the corresponding sensors, and a suitable point in time can be determined on the basis of the LIDAR data, at which a license plate camera is triggered, which essentially detects the front of a vehicle.
  • the optical axis of the camera is preferably inclined at an angle between 15 and 70 °, preferably at an angle between 25 and 40 °, with respect to the road surface and the camera itself is, if possible, arranged directly above the lane on which it detects the vehicles.
  • An infrared camera with an infrared flash which does not dazzle the drivers of the vehicles and which generally also has a long service life, is expediently used for this purpose.
  • the flash is preferably arranged in the vicinity of the camera, so that retroreflective sections, as are widespread with license plates, stand out clearly as a lighter image area.
  • communication devices are also provided which allow communication with a corresponding communication device provided in a vehicle. It would basically be possible, for example, to use the lidar system at the same time as a communication device, for which purpose coding and decoding devices could possibly also be used in order to form one or more of the lidar beams as a communication beam and to obtain the essential vehicle information.
  • At least one communication device and preferably even two or more communication devices per lane are provided for each lane of a roadway, although each of these communication devices only has a relatively narrowly limited detection area.
  • an approximately conical detection area with an elliptical cross section can be produced, the longitudinal axis of the elliptical cross section running in the direction of the lane and the short semi-axis of the elliptical cross section perpendicular this runs.
  • the detection areas can be less than the width of a lane and the length can be, for example, two to three times the width, but is usually limited to a maximum of 20 m.
  • This communication device should preferably contain the data about the type and type and size class of the vehicle, its identity (license plate, including country code), and toll fee data, so that the registration system can dispense with the collection or storage of data that has already been recorded if the toll is properly paid is determined by the communication device.
  • an embodiment is preferred in which exactly one communication device, preferably based on infrared, is used per lane, wherein the detection areas may well overlap.
  • the double detection of vehicles that is possible when changing lanes due to the overlap of the detection areas can be corrected later by data comparison.
  • the simultaneous detection of a vehicle by two communication devices also provides additional information about the current position of this vehicle.
  • Figure 1 is a schematic view of a road bridge with different types of
  • FIG. 2 shows a roadway view near a bridge from above, detection areas for different sensors being marked differently,
  • Figure 3 is a top view of a camera / lighting system for a front view of a truck and its number plate
  • Figure 4 is a data processing and communication scheme in the detection of vehicles.
  • a highway bridge 10 can be seen in FIG. 1, the cross member 12 of which extends over three parallel carriageways and a standing lane, the cross member 12 resting on two pillars 11.
  • the bridge can be a normal road bridge, but it will usually be a separately erected bridge in the manner of the known gantry bridges or the bridges for the accommodation of speed measuring devices and cameras.
  • the bridge 10 can also be designed so that it can be walked on, safety devices on the pillars 11, not shown here, ensuring that climbing onto the bridge 10 by unauthorized persons is generally prevented.
  • the direction of view in Figure 1 is the direction of travel and you can see on the right a standing lane of width b and then on the left a total of three lanes of width S, with the contour of two trucks 8 being recognizable in a rear view on the right and in the middle lane.
  • 1 denotes a license plate camera with integrated lighting, which preferably works on an infrared basis.
  • a license plate camera 1 is arranged approximately in the middle above the right and the left lane, whereas an overview camera 6 with LED flash lighting 5 is provided above the left lane.
  • the cameras 1, like the overview camera 6, preferably operate on an infrared basis, which has the advantage, among other things, that the drivers of the motor vehicles are not dazzled by the flashes of light which are required anyway in poor visibility conditions, with corresponding infrared flash units also having a very long operating time.
  • the LIDAR camera 2 is attached to the right pillar 11 and is provided for monitoring the right lane, while that on the right lane on the cross member 12 of the LIDAR camera 2 'is provided for the detection of the middle lane. Furthermore, laser distance sensors 3, 3' can be seen, which are provided in pairs for each lane.
  • the pair 3 of laser distance sensors each consist of a line camera and one over one Angle of a little more than 90 ° scanned laser beam, whereby one of the laser distance sensors 3 is mounted on the right pillar 11 and the other laser distance sensor 3 is mounted above the left lane, but should detect vehicles in the right lane and only for the detection of the Vehicles in the right lane is evaluated by the simultaneous detection of a truck 8 in the right lane by the b With the laser distance sensors 3, a stereoscopic image or a real cross section of the truck 8 located in the right lane can be generated.
  • a corresponding pair of laser sensors 3 ' is provided in order to detect trucks 8 in the middle lane.
  • This pair of sensors is mounted above the left and right lanes, so that each of these laser sensors 3 'detects both the roof or the top of a truck and one of the sides, that is to say either the right or the left side of the truck.
  • the transition along the right and left roof edges is very easy to detect on the basis of the abruptly changing distance data, and by comparing the data recorded by the two line cameras or laser distance sensors 3 ', a stereoscopic image or an exact cross-section can be generated, during the passage of a truck through the bridge 10, if possible, several measurement series are recorded with each of the laser distance sensors 3, 3 ', so that, in addition to the comparison of the data of the pairs of sensors, each of which has detected the same vehicle from different positions, to determine the true dimensions ( Height and width), statistical averaging over several measurements can also be carried out.
  • the dimensions in the longitudinal direction of the trucks 8 can also be detected under certain circumstances solely by the laser distance sensors 3, 3 ', since the wheels or axles of the trucks which can be seen from the side are also detected during the passage of the truck.
  • the length of a truck which is obtained by the laser distance sensors 3, 3 'in a large number of successive cross-sectional measurements can then be e.g. be determined under the condition that the wheels with these measurements with detected wheels must have a substantially circular shape.
  • This boundary condition can also be introduced as a control condition if the length of the truck is determined solely from the driving time (total detection time of the distance sensors 3, 3 ') and the independently determined speed of the truck 8.
  • the LIDAR systems 2, 2 ' are used to determine the speed. These are explained in more detail in connection with FIG. 2.
  • the bridge 10 also shows what are known as DSRC units 4, which are used for communication with corresponding communication units installed in trucks.
  • each of these communication units 4 has a detection area 4 ', which has the shape of an elongated ellipse, with the major axis of the ellipse approximately in the direction of travel and the minor axis perpendicular to it.
  • Each lane is covered by two of these communication units 4, the overlap with the communication units of adjacent lanes being kept as small as possible.
  • the length of the elliptical detection areas 4 ' is in any case less than 20 m and is approximately 8 m in the specifically illustrated case. This means that about 0.35 seconds are available for communication between a communication unit 4 and the corresponding devices in a truck when the truck 8 moves through the area 4 ′ at a speed of 80 km / h.
  • the communication system must exchange all relevant data, that is, record the identity of the vehicle, preferably via its electronically transmitted license plate number, the distance traveled or the intended route and the confirmation of a toll fee or the arrival hand over to a toll payment agency where a corresponding toll has been paid or will be paid.
  • a variant of the communication devices is currently preferred, in which only a single but wider detection area of a single communication device per lane is provided in each case compared to the illustration in FIG. 2, the detection areas also being able to overlap, since double detections can be made later Data synchronization can be corrected.
  • the communication system can decide whether the remaining data to be recorded or still to be recorded for the vehicle in question must be saved or whether data storage is obsolete because the vehicle has been proven to pay the required toll has been.
  • the detection areas 9 and 9 'of the two LIDAR systems 2 and 2' can also be seen in FIG.
  • the LIDAR system detects corresponding laser echoes, generally in parallel on several channels, according to the number of laser beams used. In the present case, a number of 16 individual laser beams has proven to be sufficient for the LIDAR 2 or 2 '.
  • the LIDAR data is processed automatically, i.e. the echoes of the different laser beams are assigned to the front or side surfaces of a truck due to their only slightly or more deviating values.
  • This assignment of the individual laser channels to the front or side surface of a truck enables the current speed and also the direction of travel of a vehicle or truck to be determined on the basis of the continuously continued measurement, and in particular lane changes can also be detected and predicted.
  • the recording can also be controlled with the aid of the license plate cameras 1 and possibly also the laser distance sensors 3, 3 '.
  • the license plate cameras 1 are each arranged approximately centrally over the right and middle lanes and are inclined with their optical axis approximately 30 ° downwards in the direction of the road surface. They are triggered exactly at the point in time at which the front of the vehicle is essentially completely in the field of view of the camera 1, this point in time likewise being determined from the data of the associated LIDAR 2 or 2 '.
  • the laser distance sensors 3, 3 ' permanently scan the empty street space, they can also be switched on if necessary before a truck 8 detected and tracked by the LIDAR system has reached the detection range of the laser distance sensors 3, 3' , They could be switched off again after a time interval which, given the detected speed of the truck and a theoretical maximum length of a truck and trailer (with trailer), is sufficient to drive through the bridge, this time in turn being calculated from the speed data recorded using the LIDAR can.
  • All images and data are preferably recorded and stored digitally and, if necessary, forwarded to a central office. Further communication devices (not shown) are provided for this. However, it is expedient if the local system mounted on a bridge 10 is sufficiently self-sufficient that it itself decides which data are to be transmitted to the control center and which do not need to be transmitted. It goes without saying that both the remote transmission of the data and the data exchange between the communication devices 4 and corresponding counterparts in the truck should, if possible, be secured cryptographically and made tamper-proof.
  • the license plate cameras 1 are primarily used for this purpose. In principle, these record a complete front image of a truck, but this is recorded with a sufficiently high resolution so that, in particular, the area of the license plate can be enlarged or evaluated. Numerous systems for the automatic reading of motor vehicle license plates are now known, so that these systems need not be discussed in more detail here.
  • the communication device can establish a connection with a central point in order to check whether there are data on the payment of the toll fees for the license plate in question.
  • the recorded data of the vehicle cross-section, the number of its axles and the determination of whether a trailer is present or not can be compared with the data stored centrally for the license plate, in order, for example, to prevent manipulation through the use of incorrect number plates.
  • all recorded data including the frontal view of a truck saved and kept in order to be able to carry out a corresponding check. This is particularly true of course for the data of those vehicles that have clearly not paid the toll due.
  • the data of the vehicles for which the fees have been clearly paid either due to direct communication or due to a request from a head office can be deleted immediately, unless you want them for statistical purposes or to compile a complete fee statement save and process anyway.
  • a surveillance camera 7 can also be seen in FIG. 1, which is intended to prevent possible manipulation attempts on the bridge or the sensors mounted thereon.
  • Figure 3 is shown schematically how the license plate cameras 1 work by an infrared flash light 13 is aligned and mounted at a small angle of 1 ° to 10 ° relative to the axis of the camera 1, so that the license plate retroreflective surfaces of trucks as well as infrared light particularly bright picture elements emerge in the picture taken by the camera 1.
  • the overview image generated with a similar camera 6 is also only required in cases of doubt.
  • it serves as a classification aid for a human observer who has received the corresponding data at a central office in order to decide whether a given vehicle is a toll vehicle.
  • FIG. 4 shows the schematic sequence of the communication process, as well as the cryptographic process (encryption / decryption, digital signature, etc.). This preferably takes place on a plug-in card 32.
  • the images digitized in 21 are digitally signed 32 before they are evaluated by various image processing methods 25. Together with the DSRC data, the data obtained from the image processing are fed to the decision process 26. If there are significant deviations between the data from communication and image processing, the corresponding vehicle is classified as a toll bouncer. The data from the communication are then digitally signed and stored together with the digitally signed images as evidence 30. Otherwise, the data is deleted at 31.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Fahrzeugen in Bewegung, insbesondere von Lkw auf Autobahnen, mit Hilfe mindestens einer Kamera und/oder sonstigen Einrichtungen zur Erfassung der Kontur oder räumlichen Struktur des Fahrzeuges und gegebenenfalls seiner Geschwindigkeit. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Erfassen von Fahrzeugen in Bewegung, insbesondere von Lkw auf Autobahnen, mit mindestens einer Kamera zur Aufnahme eines Videobildes des Fahrzeuges und mit sonstigen Einrichtungen zur Erfassung der Kontur und/oder räumlichen Struktur des Fahrzeuges und gegebenenfalls seiner Geschwindigkeit. Um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Fahrzeugen in Bewegung zu schaffen, welche in der Lage sind, eine automatische Unterscheidung zwischen mautpflichtigen und nicht mautpflichtigen Fahrzeugen vorzunehmen, um so die unnötige Erfassung großer Datenmengen zu vermeiden, wird hinsichtlich des Verfahrens vorgeschlagen, dass vor dem Erfassen der Kontur und/oder räumlichen Struktur die Erfassung und Verfolgung des Fahrzeuges eines LIDAR-Systems erfolgt, wobei aus den LIDAR-Daten Weg und Geschwindigkeit des Fahrzeuges abgeschätzt werden und den anschließend ermittelten Kontur- und Strukturdaten zugeordnet werden. Hinsichtlich der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein LIDAR-System aufweist, welches so ausgerichtet ist, dass es ein Fahrzeug im Abstand vor der Aufnahmeposition der Kamera und/oder der sonstigen Einrichtungen erfasst, und eine Recheneinheit aufweist, welche mit dem LIDAR verbunden ist und aus den LIDAR-Daten Weg und Geschwindigkeit des Fahrzeuges prognostiziert, diese Daten gegebenenfalls korrigiert und auf der Basis dieser Daten eine Zuordnung zu den Daten der sonstigen Einrichtung und/oder dem erfassten Videobild vornimmt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen und Klassifizieren von Fahrzeugen in Bewegung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Fahrzeugen in Bewegung, insbesondere von Lkw auf Autobahnen, mit Hilfe mindestens einer Kamera und/oder sonstigen Einrichtungen zur Erfassung der Kontur oder räumlichen Struktur eines Fahrzeuges und gegebenenfalls dessen Geschwindigkeit.
Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung zum Erfassen von Fahrzeugen in Bewegung, insbesondere von Lkw auf Autobahnen, welche mindestens eine Kamera und/oder sonstige Einrichtung zur Erfassung der Kontur oder räumlichen Struktur des Fahrzeuges und gegebenenfalls seiner Geschwindigkeit aufweist.
Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen sind seit langem bekannt, z.B. in Form von Überwachungskameras an Ampeln oder an Geschwindigkeitsmeßstellen, wobei z.B. das Durchfahren einer Lichtschranke oder aber das Meßergebnis einer Radar- oder Lasermessung die Überschreitung eines Geschwindigkeitsgrenzwertes anzeigt, was dann im Regelfall das Auslösen einer Kamera zur Folge hat, die das Fahrzeug und nach Möglichkeit auch dessen Kennzeichen und das Gesicht des Fahrers bzw. der Fahrerin erfaßt.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind auch in zahlreichen Veröffentlichungen und Patenten beschrieben. Bekannt sind auch bereits Einrichtungen zur Mautüberwachung. Diese Einrichtungen weisen in ähnlicher Weise wie die Vorrichtungen an Ampeln oder an Geschwindigkeitsmeßstellen im Regelfall eine Kamera auf, welche ein Fahrzeug und insbesondere dessen Kennzeichen erfaßt, wenn es an einer Mautstelle vorbeifährt. Daneben weisen aber solche Mautvorrichtungen oftmals auch noch Kommunikationseinrichtungen auf, die mit entsprechenden Kommunikationseinrichtungen, die an einem Fahrzeug angeordnet sind, in Verbindung treten und dabei alle für die Mautberechnung relevanten Daten austauschen. Dies kann auch mit automatischer Buchung und der Kommunikation zu einer zentralen Einrichtung verbunden sein.
Der vorliegenden Erfindung möglicherweise nächstliegend könnten die US-Patente 5 757 286 und 5 809 161 sowie die entsprechenden internationalen Veröffentlichungen WO 94/28377 und WO 93/19441 sein, wobei die jeweils erstgenannte Druckschrift eine Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung mit Hilfe von zwei Videokameras unter Erstellung von Stereobildern in vorgegebenen Zeitabständen aufweist, woraus sich Ort, Weg und Geschwindigkeit eines Fahrzeuges ergeben. Die zweitgenannte Druckschrift beschreibt eine Kamera, die in der Lage ist, sich bewegende Objekte von anderen sich bewegenden und statischen Objekten zu unterscheiden und zu verfolgen, wobei dies im wesentlichen von einem entsprechenden Bildverarbeitungssystem geleistet wird.
Beide Druckschriften entsprechen im wesentlichen den Merkmalen des Oberbegriffes der Ansprüche 1 bzw. 12.
In vielen Staaten ist es üblich, für die Benutzung von Straßen oder Autobahnen oder bestimmten Abschnitten hiervon Benutzungsgebühren zu verlangen. Hierzu sind entsprechende Autobahnabschnitte im Regelfall durch großflächige Haltestellen begrenzt bzw. unterbrochen, die eine Reihe von Zahlschaltern aufweisen, an denen die Fahrzeuge kurz anhalten, damit der Fahrer eine entsprechende Gebühr bezahlt oder an denen eine Bezahlung der Gebühr anhand einer entsprechenden Quittung oder Marke kurz überprüft wird. Wie bereits erwähnt, sind hierzu schon Systeme vorgeschlagen worden, die z.B. über Transponder oder andere Kommunikationseinrichtungen Informationen mit einer Mautstelle austauschen, wobei das Fahrzeug identifiziert und auf einem dem Fahrzeugbesitzer zugeordneten Konto eine entsprechende Abbuchung vorgenommen wird.
Derartige Kommunikationseinrichtungen sind jedoch nutzlos, wenn ein Lkw nicht damit ausgestattet ist oder wenn die Kommunikationseinrichtung in dem Lkw zum Zwecke der Manipulation verändert, außer Betrieb gesetzt oder abgekapselt worden ist.
Die Mautstellen mit Halt- und Zahlstationen oder mit Überprüfung haben dagegen den Nachteil, daß sie in der Regel recht umfangreiche Bauwerke sind, da sie üblicherweise weit mehr Kassen- bzw. Zahlstellen aufweisen müssen als die betreffende Autobahn Spuren hat, um nicht erhebliche Staus auf der Autobahn entstehen zu lassen.
Weiterhin haben diese Mautstellen den Nachteil, daß sie entweder zusätzlich auch an jeder Ausfahrt bzw. Auffahrt einer Autobahn vorgesehen werden müssen oder daß zwischen zwei entsprechenden Mautstellen keine weitere Auffahrt oder Ausfahrt vorhanden sein darf. Dies führt dazu, daß der Benutzer unter Umständen lange Wege bzw. Umwege bis zum Erreichen der nächsten Autobahnauffahrt oder -abfahrt in Kauf nehmen muß, was die Akzeptanz eines solchen Systems deutlich verringert und den angestrebten Zeitgewinn zumindest teilweise wieder zunichte macht. Darüber ist ein solches System völlig unpraktikabel in Fällen, in welchen nur ein gewisser Teil, wenn auch unter Umständen ein erheblicher Teil der eine Autobahn benutzenden Fahrzeuge gebührenpflichtig ist. Dies gilt beispielsweise für eine auf Lkw beschränkte Autobahngebühr, wie sie für die Bundesrepublik Deutschland derzeit ins Auge gefaßt wird. Die pauschale Erhebung einer Autobahngebühr für jeden Lkw wird dabei als teilweise sehr ungerecht und deshalb politisch auch unerwünscht abgelehnt. Außerdem würde dies wiederum an den Grenzen, wo bisher in erheblichem Umfang Kontrollen entfallen sind, ein erneutes Einführen von Kontrollen und Mautstellen erfordern. Der Umbau der Autobahnen unter Einrichtung herkömmlicher Mautstellen, die nur für Lkw zu benutzen wären und für die entsprechende Lkw-Spuren von der Hauptstrecke der Autobahn zu einer Mautstelle hin abzweigen, kommt aus Kostengründen kaum in Betracht, da wegen der Vielzahl von Aus- und Abfahrten im deutschen Autobahnnetz eine entsprechend große Zahl von Mautstellen eingerichtet werden müßte. Darüber hinaus würde die Einrichtung einer solchen Mautstelle auch keineswegs sicherstellen, daß insbesondere während der Dunkelheit oder bei wenig Verkehr nicht doch der eine oder andere Lkw die Abzweigung über die Mautstelle vermeiden würde. Darüber hinaus kostet ein solches Anhalten und Überprüfen immer relativ viel Zeit, die eigentlich durch Benutzung der Autobahn eingespart werden sollte.
Ein zeitgemäßes Mautsystem sollte daher ein Anhalten von Fahrzeugen auf das absolut unvermeidliche Maß beschränken, also beispielsweise auf das pro Tag höchstens einmalige Entrichten einer Mautgebühr, soweit sich Fahrten vorhersehen lassen. Ansonsten können Mautgebühren auch für größere Zeiträume, im Paket für bestimmte Strecken oder für eine beliebige Anzahl von Kilometern entrichtet werden und es sollte auch eine Registrierung des Fahrzeuges mit einem automatischen Abbuchungssystem möglich sein. In Verbindung mit moderner Kommunikations- und Navigationstechnologie kann bei solchen Systemen auf die Einrichtung von Mautstellen gänzlich verzichtet werden, wenn Möglichkeiten geschaffen werden, etwaige Mautpreller sicher zu identifizieren.
Wie bereits erwähnt, gibt es bereits automatische Mautkontrollsysteme, die auf der Kommunikation zwischen Fahrzeug und einer entsprechenden Kommunikationsrichtung an einer Mautstelle beruhen, wobei die Kommunikation automatisch navigationsgestützt mit dem Fahrzeug erfolgt. Diese Systeme setzen aber voraus, daß in jedem mautpflichtigen Fahrzeug eine entsprechende Kommunikationseinrichtung vorhanden ist, aus welcher die wesentlichen Daten des Fahrzeuges abgerufen werden können, die seiner Identifikation dienen, wobei außerdem auch noch die benutzten, mautpflichtigen Autobahnabschnitte bei jeder Kontrolle erfaßt und/oder übermittelt werden sollten. Bei dem erwähnten manuellen Einbuchungsverfahren kann auf eine solche Kommunikationseinrichtung verzichte werde, wenn entsprechende Kontrollmöglichkeiten vorgesehen werden
Ein entsprechendes System muß also sicher genug sein, um jeden Manipulationsversuch und jeden Versuch, ohne Zahlung der fälligen Gebühren eine bestimmte Strecke zu befahren, wirksam zu unterbinden. Die Mautüberwachungsstellen müssen daher in der Lage sein, jedes Fahrzeug, welches mautpflichtig ist, eindeutig als solches zu identifizieren, wobei die Fehlerquote möglichst gering sein sollte. Dies heißt, daß zum einen nicht solche Fahrzeuge erfaßt werden dürfen, die der Mautpflicht nicht unterliegen und zum anderen auch zu mautpflichtigen Fahrzeugen, für die tatsächlich eine Mautgebühr entrichtet wurde, nicht die Fehlmeldung ausgegeben werden sollte, daß die Gebühr nicht entrichtet worden sei. Schließlich sollen aber auch alle mautpflichtigen Fahrzeuge tatsächlich als solche erfaßt werden. Zwar ist es mit herkömmlichen Kamerasystemen möglich, grundsätzlich alle eine Strecke befahrenden Fahrzeuge zu erfassen, z.B. mit Induktionsschleifen als Auslöser für eine Kamera, jedoch werden dabei unterschiedslos mautpflichtige und nicht mautpflichtige Fahrzeuge erfaßt und die Auswertung entsprechender Bildaufnahmen würde einen immensen Aufwand erfordern, der in keinem Verhältnis zu den erzielbaren Mautgebühren stehen würde.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Fahrzeugen in Bewegung zu schaffen, welche in der Lage sind, eine automatische Unterscheidung zwischen mautpflichtigen und nicht mautpflichtigen Fahrzeugen vorzunehmen, um so die unnötige Erfassung großer Datenmengen zu vermeiden. Vorzugsweise kann dieses System auch dahingehend erweitert werden, daß es nur mautpflichtige Fahrzeuge erfaßt, bei denen die ordnungsgemäße Entrichtung der Mautgebühren in Zweifel steht.
Hinsichtlich des entsprechenden Verfahrens wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß vor dem Erfassen der Kontur und/oder räumlichen Struktur die Erfassung und Verfolgung des Fahrzeuges durch ein LIDAR-System erfolgt, wobei aus den LIDAR-Daten Weg und Geschwindigkeit des Fahrzeuges bestimmt werden, die den anschließend ermittelten Kontur- und Strukturdaten zugeordnet werden.
Die bisherigen Systeme, insbesondere das aus der US 5 757 286 bzw. der WO 94/28377, waren zwar in der Lage, mit Hilfe von zwei Kameras Stereobilder und damit den Abstand von Kraftfahrzeugen zu der Kamera zu erfassen, jedoch dienten diese Stereobilder nur dazu, die in einer gegebenen Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einzelbildern zurückgelegte Entfernung zu bestimmen, um auf diese Weise die Geschwindigkeit eines Fahrzeuges zu messen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt jedoch eine unabhängige Geschwindigkeits- und Wegabschätzung durch ein LIDAR-System, wobei sich aus den LIDAR-Daten Weg und Geschwindigkeit des Fahrzeuges mit genügender Genauigkeit abschätzen lassen, um eindeutig die unabhängig gemessenen Strukturdaten, also insbesondere Höhe und/oder Breite des Fahrzeuges, die Achszahl, der Fahrzeugtyp, das Kennzeichen etc., den LIDAR-Daten zuordnen zu können. Aus diesen Daten gemeinsam ergeben sich dann z.B. die ungefähre Länge, die Breite und/oder Höhe sowie weitere Parameter des Fahrzeuges und die Tatsache, ob das Fahrzeug gegebenenfalls einen Anhänger aufweist. Diese Informationen reichen aus, um das Fahrzeug mit hoher Treffsicherheit zu klassifizieren, wobei es darauf ankommt, mit einer ausreichenden Genauigkeit Lkw ab einer bestimmten Größen- und Gewichtsklasse zu unterscheiden, so daß Fehlmeldungen des Systems weitgehend vermieden werden.
Die entsprechende Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein LIDAR-System aufweist, welches zusammen mit einer Auswerteeinrichtung für das Erfassen und Verfolgen eines Fahrzeuges im Abstand vor Erreichen einer Meßstelle bzw. Aufnahmeposition einer Kamera ausgelegt ist, wobei die Kamera und/oder die sonstigen Einrichtungen zur Erfassung von Strukturdaten so angeordnet und ausgelegt sind, daß sie mindestens eines der Maße Höhe oder Breite des zuvor vom LIDAR erfaßten und für das Erreichen der Meßstelle vorausberechneten Fahrzeuges erfassen.
In der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der mindestens eine Profilparameter (Höhe oder Breite) des Fahrzeuges durch Laserabstandssensoren erfaßt wird, die im wesentlichen senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeuges ausgerichtet sind, so daß etwaige perspektivische Verzerrungen minimal sind und leicht korrigiert werden können. Zweckmäßig ist es dabei, wenn die der Überwachung einer Fahrspur zugeordneten Laserabstandssensoren oberhalb der Fahrspur und seitlich zu dieser versetzt angeordnet sind, und wenn insbesondere ein Paar entsprechender Laserabstandssensoren verwendet wird. Diese erfassen dann gleichzeitig eine Seitenfront und das Dach des Fahrzeuges und der Abgleich der von beiden Lasersensoren ermittelten Daten ermöglicht dann eine präzise, stereoskopische Bestimmung des Querschnitts. Dabei ist zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit der Höhen- und Breitenmaße ein Verfahren bevorzugt, bei welchem die Daten der Laserabstandssensoren statistisch ausgewertet bzw. gemittelt werden. Mit anderen Worten, es erfolgen nacheinander mehrere unabhängige Abstandsmessungen durch die Laserabstandssensoren und die dabei erfaßten Daten werden statistisch aufbereitet, so daß durch Mittelwertbildung die Genauigkeit der Höhen- und Breitenmaße verbessert werden kann. Selbstverständlich muß das System dabei die Maße eines Fahrerhauses von den Maßen eines nachfolgenden Kasten- oder Pla- nenaufbaus oder sonstigen Ladeabschnittes eines Lkw unterscheiden. Auch dies kann jedoch relativ einfach mit Hilfe entsprechender statistischer Mittel geschehen, indem beispielsweise nur von einer Gruppe aufeinanderfolgender Meßdaten ein Mittelwert gebildet wird, wenn die Einzeldaten gegenüber dem Mittelwert eine bestimmte, vorgegebene Schwankungsbreite nicht überschreiten. Zusätzlich kann mit einer entsprechenden Datenverarbeitung die Anzahl der Fahrzeugachsen, das Typenzeichen (die Marke), das Kennzeichen (z. aus Videodaten) bestimmt werden.
Der LIDAR ist ein Laser- bzw. Maser-Meßsystem, welches in der Regel aus einer größeren Zahl von Einzelstrahlen besteht, die nach Art eines Fächers eine Ebene aufspannen, wobei der Öffnungswinkel dieses Fächers für die Zwecke der vorliegenden Erfindung vorzugsweise nicht wesentlich größer als 60° ist.
Zweckmäßigerweise wird jeder Fahrspur ein eigenes LIDAR-System zugeordnet und eine entsprechende LIDAR-Kamera wird vorzugsweise oberhalb und neben der von ihr zu überwachenden Fahrspur angeordnet. Dabei wird die durch die Einzelstrahlen des LIDAR aufgespannte Ebene sowohl gegenüber der Straßenebene als auch gegenüber einer zur Straßenebene senkrechten Ebene geneigt. Bei einem dreiachsigen Koordinatensystem, von welchem zwei Achsen die Straßenebene und die dritte die hierzu senkrechte Richtung aufspannen, ist die von dem LIDAR aufgespannte Ebene um alle drei Achsen verdreht. Dadurch verläuft eine Schnittlinie der LIDAR-Ebene mit der Ebene der Straße entlang einer Linie, die die Fahrtrichtung unter einem spitzen Winkel schneidet und für eine zur Straßenebene parallele Ebene rückt diese Schnittlinie entsprechend näher an das LIDAR-System heran. Jeder einzelne der n Laser, welche die LIDAR-Ebene aufspannen, ist in der Lage, eine Entfernungsmessung über die Laufzeit eines reflektierten Laserstrahls durchzuführen. Bei der beschriebenen Ausrichtung des LIDAR muß ein Fahrzeug notwendigerweise die LIDAR-Ebene durchbrechen und erzeugt dabei entsprechende Abstandsdaten, die lediglich so ausgewertet werden, daß daraus der Weg, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Fahrzeuges bzw. Objektes" abgeschätzt werden können. Daraus ergibt sich insbesondere, ob das Fahrzeug auf der Spur bleibt, auf welcher es erfaßt wurde oder ob es gerade einen Spurwechsel vornimmt. Aus diesen Weg- und Geschwindigkeitsdaten kann das LIDAR-System dann Ort und Zeitpunkt der Strukturmessung bzw. Höhen- und Breitenmessung bestimmen, das heißt er kann die Weg- und Geschwindigkeitsdaten eindeutig den Meßdaten der entsprechenden Sensoren zuordnen. Weiterhin kann aufgrund der LIDAR-Daten ein geeigneter Zeitpunkt bestimmt werden, zu welchem eine Kennzeichenkamera ausgelöst wird, welche im wesentlichen die Frontseite eines Fahrzeuges erfaßt.
Die optische Achse der Kamera ist dabei vorzugsweise um einen Winkel zwischen 15 und 70°, vorzugsweise um einen Winkel zwischen 25 und 40° gegenüber der Fahrbahnebene geneigt und die Kamera selbst ist nach Möglichkeit unmittelbar oberhalb der Fahrspur angeordnet, auf welcher sie die Fahrzeuge erfaßt. Zweckmäßigerweise verwendet man hierzu eine Infrarotkamera mit einem Infrarotblitz, der die Fahrer der Fahrzeuge nicht blendet und der im allgemeinen auch eine lange Lebensdauer hat. Der Blitz ist vorzugsweise in der Nähe der Kamera angeordnet, so daß retroreflek- tierende Abschnitte, wie sie bei Kennzeichen weit verbreitet sind, als hellerer Bildbereich deutlich hervortreten.
Darüber hinaus sind bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch Kommunikationseinrichtungen vorgesehen, die eine Kommunikation mit einer entsprechenden, in einem Fahrzeug vorgesehenen Kommunikationseinrichtung erlauben. Dabei wäre es grundsätzlich zum Beispiel möglich, das Lidarsystem gleichzeitig auch als Kommunikationseinrichtung zu verwenden, wozu man gegebenenfalls noch Kodier- und Decodiereinrichtungen verwenden könnte, um einen oder mehrere der Lidarstrahlen als Kommunikationsstrahl auszubilden und um die wesentlichen Fahrzeuginformationen zu erhalten.
Selbstverständlich können aber auch separate und unabhängige Kommunikationseinrichtungen verwendet werden. In einer Variante der Erfindung sind für jede Spur einer Fahrbahn mindestens eine Kommunikationseinrichtung und vorzugsweise sogar zwei oder mehr Kommunikationseinrichtungen pro Spur vorgesehen, wobei allerdings jede dieser Kommunikationseinrichtungen nur einen relativ eng begrenzten Erfassungsbereich hat. Durch entsprechende Ausgestaltung von Sende- und Empfangseinrichtungen, bzw. im Falle der Verwendung von Mikrowellen- oder Infrarotstrahlung als Träger der Kommunikationsverbindung durch Blenden, kann man einen näherungsweise kegelförmigen Erfassungsbereich mit elliptischem Querschnitt erzeugen, wobei die Längsachse des elliptischen Querschnittes in Richtung der Fahrspur verläuft und die kurze Halbachse des elliptischen Querschnittes senkrecht hierzu verläuft. Die Erfassungsbereiche können dabei geringer als die Breite einer Fahrspur sein und die Länge kann z.B. das Zwei- bis Dreifache der Breite betragen, ist aber im Regelfall auf höchstens 20 m begrenzt. Diese Kommunikationseinrichtung sollte vorzugsweise die Daten über Typ und Art sowie Größenklasse des Fahrzeuges, seine Identität (Kennzeichen, einschließlich Länderkennzeichen), und Mautgebührendaten enthalten, so daß das Erfassungssystem auf die Erfassung bzw. Speicherung bereits erfaßter Daten verzichten kann, wenn die ordnungsgemäße Entrichtung der Mautgebühren durch die Kommunikationseinrichtung festgestellt wird.
Derzeit wird jedoch eine Ausführungsform bevorzugt, bei welcher pro Fahrspur genau eine Kommunikationseinrichtung, vorzugsweise auf Infrarotbasis, verwendet wird, wobei die Erfassungsbereiche durchaus überlappen können. Die bei einem Spurwechsel wegen der Überlappung der Erfassungsbereiche mögliche doppelte Erfassung von Fahrzeugen kann später durch Datenabgleich korrigiert werden. Dabei liefert die gleichzeitige Erfassung eines Fahrzeuges durch zwei Kommunikationseinrichtungen auch die Zusatzinformation über die aktuelle Position dieses Fahrzeuges.
Vorzugsweise sind alle oder die meisten Sensoren des erfindungsgemäßen Systems auf dem Querträger einer die Fahrspur bzw. die Fahrspuren überspannenden Brücke angeordnet, wobei ein Teil der Sensoren bei Bedarf auch an den vertikalen Pfeilern einer solchen Brücke angeordnet werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Fahrbahnbrücke mit verschiedenen Typen von
Sensoren,
Figur 2 eine Fahrbahnansicht in der Nähe einer Brücke von oben, wobei Erfassungsbereiche für unterschiedliche Sensoren unterschiedlich gekennzeichnet sind,
Figur 3 eine Ansicht von oben auf ein Kamera/Beleuchtungssystem für eine Frontalaufnahme eines Lkw und dessen Kennzeichen, und
Figur 4 ein Datenverarbeitungs- und Kommunikationsschema bei der Erfassung von Fahrzeugen.
Man erkennt in Figur 1 eine Autobahnbrücke 10, deren Querträger 12 sich über drei parallele Fahrbahnen und eine Standspur hinweg erstreckt, wobei der Querträger 12 auf zwei Pfeilern 11 ruht. Die - o -
Brücke kann eine normale Straßenbrücke sein, sie wird jedoch in der Regel eine separat aufgestellte Brücke nach Art der bekannten Schilderbrücken oder der Brücken für die Unterbringung von Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen und -kameras ausgestaltet sein. Zur Wartung und Montage kann die Brücke 10 auch begehbar ausgestaltet sein, wobei hier nicht dargestellte Sicherheitseinrichtungen an den Pfeilern 11 gewährleisten, daß ein Besteigen der Brücke 10 durch Unbefugte im allgemeinen verhindert wird. Die Blickrichtung in Figur 1 ist die Fahrtrichtung und man erkennt rechts eine Standspur der Breite b und daran links anschließend insgesamt drei Fahrspuren der Breite S, wobei auf der rechten und auf der mittleren Fahrspur jeweils noch die Kontur zweier Lkw 8 in einer Rückansicht erkennbar sind.
Teilweise an den Pfeilern 11, überwiegend jedoch an dem Querträger 12 sind eine Reihe verschiedener Sensoren, Kameras, Meßgeräte und Kommunikationseinrichtungen montiert. Im einzelnen ist mit 1 eine Kennzeichenkamera mit integrierter Beleuchtung bezeichnet, die vorzugsweise auf Infrarotbasis arbeitet. Jeweils eine Kennzeichenkamera 1 ist in etwa mittig über der rechten und der linken Fahrspur angeordnet, wohingegen über der linken Fahrspur eine Übersichtskamera 6 mit einer LED-Blitzbeleuchtung 5 vorgesehen ist. Die Kameras 1 arbeiten ebenso wie die Übersichtskamera 6 vorzugsweise auf Infrarotbasis, was unter anderem den Vorteil hat, daß die Fahrer der Kraftfahrzeuge nicht von den ohnehin bei schlechten Sichtverhältnissen erforderlichen Lichtblitzen geblendet werden, wobei entsprechende Infrarot-Blitzgeräte außerdem eine sehr lange Betriebsdauer aufweisen. Es versteht sich, daß die Übersichtskamera 6 mit dem entsprechenden Blitz 5 auch durch eine weitere, die linke Fahrspur erfassende Kennzeichenkamera 1 ersetzt werden könnte, wobei hier jedoch davon ausgegangen wird, daß auf der linken Spur für Lkw Fahrverbot herrscht und die hier vorgestellte Brücke für ein System vorgesehen ist, bei dem nur Lkw erfaßt werden sollen.
Mit 2 und 2" sind zwei LIDAR-Systeme bzw. -Kameras bezeichnet, wobei die LIDAR-Kamera 2 an dem rechten Pfeiler 11 befestigt ist und für die Überwachung der rechten Fahrspur vorgesehen ist, während die über der rechten Fahrspur an dem Querträger 12 der Brücke 10 montierte LIDAR- Kamera 2' für die Erfassung der mittleren Fahrspur vorgesehen ist. Des weiteren erkennt man Laserabstandssensoren 3, 3', die für jede Fahrspur paarweise vorgesehen sind. Das eine Paar 3 von Laserabstandssensoren besteht jeweils aus einer Zeilenkamera und einem über einen Winkel von etwas mehr als 90° gescannten Laserstrahl, wobei der eine der Laserabstandssensoren 3 an dem rechten Pfeiler 11 montiert ist und der andere Laserabstandssensor 3 über der linken Fahrspur montiert ist, dabei aber Fahrzeuge auf der rechten Fahrspur erfassen soll und nur für die Erfassung der Fahrzeuge auf der rechten Fahrspur ausgewertet wird. Durch die gleichzeitige Erfassung eines Lkw 8 auf der rechten Fahrspur durch die beiden Laserabstandssensoren 3 kann ein stereoskopisches Abbild bzw. ein echter Querschnitt des auf der rechten Fahrspur befindlichen Lkw 8 erzeugt werden.
Ein entsprechendes Paar von Lasersensoren 3' ist vorgesehen, um Lkws 8 auf der mittleren Fahrspur zu erfassen. Dieses Sensorpaar ist über der linken und der rechten Fahrspur montiert, so daß jeder dieser Lasersensoren 3' sowohl das Dach bzw. die Oberseite eines Lkw als auch eine der Seiten, das heißt entweder die rechte oder die linke Seite des Lkw erfaßt. Der Übergang entlang der rechten und linken Dachkanten ist dabei sehr leicht anhand der sich sprunghaft ändernden Abstandsdaten zu erfassen und durch Abgleich der von beiden Zeilenkameras bzw. Laserabstandssensoren 3' erfaßten Daten kann ein stereoskopisches Abbild bzw. ein exakter Querschnitt erzeugt werden, wobei während der Durchfahrt eines Lkw durch die Brücke 10 nach Möglichkeit mehrere Meßserien mit jedem der Laserabstandssensoren 3, 3' aufgenommen werden, so daß neben dem Abgleich der Daten der Paare von Sensoren, die jeweils das gleiche Fahrzeug aus unterschiedlichen Positionen erfaßt haben, zur Ermittlung der wahren Abmessungen (Höhe und Breite) auch eine statistische Mittelung über mehrere Messungen erfolgen kann.
Auch die Maße in Längsrichtung der Lkw 8 können unter Umständen allein durch die Laserabstandssensoren 3, 3' erfaßt werden, da während der Durchfahrt des Lkws auch die seitlich erkennbaren Räder bzw. Achsen der Lkw erfaßt werden. Die Länge eines Lkws, welcher durch die Laserabstandssensoren 3, 3' in einer Vielzahl aufeinanderfolgender Querschnittsmessungen erhalten wird, kann dann z.B. unter der Bedingung ermittelt werden, daß die bei diesen Messungen mit erfaßten Räder eine im wesentlichen kreisrunde Form haben müssen. Diese Randbedingung kann im übrigen auch als Kontrollbedingung eingeführt werden, wenn im übrigen die Länge des Lkw allein aus der Durchfahrdauer (gesamte Erfassungszeit der Abstandssensoren 3, 3') und der unabhängig bestimmten Geschwindigkeit des Lkw 8 ermittelt wird. Für die Bestimmung der Geschwindigkeit werden die LIDAR-Systeme 2, 2' verwendet. Diese werden im Zusammenhang mit Figur 2 noch näher erläutert.
Man erkennt an der Brücke 10 außerdem noch sogenannte DSRC-Einheiten 4, die der Kommunikation mit entsprechenden, in Lkw eingebauten Kommunikationseinheiten dienen.
In Figur 2 erkennt man, daß jede dieser Kommunikationseinheiten 4 einen Erfassungsbereich 4' hat, der die Form einer länglichen Ellipse hat, mit der großen Hauptachse der Ellipse in etwa in Fahrtrichtung und der kleinen Achse senkrecht hierzu. Jede Fahrspur wird von zwei dieser Kommunikationseinheiten 4 abgedeckt, wobei die Überlappung mit den Kommunikationseinheiten benachbarter Fahrspuren möglichst gering gehalten wird. Die Länge der elliptischen Erfassungsbereiche 4' beträgt auf jeden Fall weniger als 20 m und liegt in dem konkret dargestellten Fall bei etwa 8 m. Dies bedeutet, daß für die Kommunikation zwischen einer Kommunikationseinheit 4 mit den entsprechenden Einrichtungen in einem Lkw etwa 0,35 Sekunden zur Verfügung stehen, wenn der Lkw 8 sich mit einer Geschwindigkeit von 80 km/h durch den Bereich 4' hindurchbewegt. In dieser Zeit muß das Kommunikationssystem alle relevanten Daten austauschen, das heißt die Identität des Fahrzeuges erfassen, vorzugsweise über dessen elektronisch übermitteltes Kennzeichen, die bisher zurückgelegte oder noch beabsichtigte Fahrtstrecke und die Quittierung einer Mautgebühr oder aber die An- gabe einer Mautzahlungsstelle, wo eine entsprechende Maut bezahlt wurde oder noch bezahlt werden wird.
Wie bereits erwähnt, wird aber derzeit eine Variante der Kommunikationseinrichtungen bevorzugt, bei der gegenüber der Darstellung in Figur 2 jeweils nur ein einziger, dafür aber breiterer Erfassungsbereich einer einzigen Kommunikationseinrichtung je Fahrspur vorgesehen ist, wobei die Erfassungsbereiche auch durchaus überlappen dürfen, da Doppelerfassungen durch nachträglichen Datenabgleich korrigiert werden.
Anhand dieser Daten kann das Kommunikationssystem, gegebenenfalls auch unter Rückgriff auf eine zentrale Erfassungsstelle, entscheiden, ob die übrigen erfaßten oder noch zu erfassenden Daten des betreffenden Fahrzeuges gespeichert werden müssen oder ob eine Datenspeicherung obsolet ist, weil für das betreffende Fahrzeug nachgewiesenermaßen die erforderliche Maut entrichtet wurde.
Man erkennt in Figur 2 weiterhin die Erfassungsbereiche 9 bzw. 9' der beiden LIDAR-Systeme 2 und 2'. Die LIDAR-Kameras 2 bzw. 2' spannen mit einer Mehrzahl von Laserstrahlen eine Ebene auf, deren oberhalb der Straßenoberfläche liegender Bereich 9 bzw. 9' in Figur 2 schraffiert dargestellt ist. Das heißt, die jeweils schräg zu den Fahrbahnen verlaufende Begrenzungslinie der schraffierten Bereiche 9, 9' definiert die Schnittlinie der von dem LIDAR aufgespannten Laserebene mit der Straßenoberfläche. Sobald ein Lkw in den Bereich 9 oder 9' hineingerät, erfaßt das LIDAR-System entsprechende Laserechos, und zwar im allgemeinen parallel auf mehreren Kanälen, entsprechend der Anzahl der verwendeten Laserstrahlen. Im vorliegenden Fall hat sich eine Anzahl von 16 einzelnen Laserstrahlen für den LIDAR 2 bzw. 2' als ausreichend erwiesen.
Die LIDAR-Daten werden automatisch verarbeitet, das heißt die Echos der verschiedenen Laserstrahlen werden aufgrund ihrer nur leicht oder aber stärker voneinander abweichenden Werte der Frontseite oder den Seitenflächen eines Lkw zugeordnet. Diese Zuordnung der einzelnen Laserkanäle zur Front- bzw. Seitenfläche eines Lkw ermöglicht aufgrund der kontinuierlich fortgesetzten Messung die Bestimmung der aktuellen Geschwindigkeit und auch der Fahrtrichtung eines Fahrzeuges bzw. Lkw, wobei insbesondere auch Spurwechsel erfaßt und vorhergesagt werden können. Wenn beispielsweise ein solcher Spurwechsel gerade unter der Brücke bzw. in den Erfassungsbereichen 4' der Kommunikationseinheiten 4 erfolgt, so kann dementsprechend aus den LIDAR-Daten vorhergesagt werden, durch welche der elliptischen Flächen der betreffende Lkw 8 gerade hindurchgefahren ist bzw. hindurchfährt, so daß die durch den Kommunikationsaustausch erfaßten Daten eindeutig dem bereits vorher mit Hilfe des LIDAR erfaßten Lkw 8 zugeordnet werden können.
Außerdem kann durch die Bestimmung der genauen aktuellen Fahrtrichtung und Geschwindigkeit des Lkw 8 auch die Aufnahme mit Hilfe der Kennzeichenkameras 1 und gegebenenfalls auch der Laserabstandssensoren 3, 3' gesteuert werden. Die Kennzeichenkameras 1 sind jeweils über der rechten und mittleren Spur in etwa mittig angeordnet und sind mit ihrer optischen Achse in etwa um 30° nach unten in Richtung der Straßenoberfläche geneigt. Sie werden genau zu dem Zeitpunkt ausgelöst, zu dem sich die Frontseite des Fahrzeuges im wesentlichen vollständig im Blickfeld der Kamera 1 befindet, wobei dieser Zeitpunkt ebenfalls aus den Daten des zugehörigen LIDAR 2 bzw. 2' ermittelt wird. Auch wenn es bevorzugt ist, daß die Laserabstandssensoren 3, 3' den leeren Straßenraum permanent abscannen, können sie bei Bedarf auch gezielt eingeschaltet werden, bevor ein durch das LIDAR-System erfasster und verfolgter Lkw 8 den Erfassungsbereich der Laserabstandssensoren 3, 3' erreicht hat. Sie könnten nach einem Zeitintervall wieder abgeschaltet werden, der bei der erfaßten Geschwindigkeit des Lkw und einer theoretischen Maximallänge eines Lkw-Gespanns (mit Anhänger) ausreicht, um durch die Brücke hindurchzufahren, wobei diese Zeit wiederum aus den mit Hilfe des LIDAR erfaßten Geschwindigkeitsdaten berechnet werden kann.
Vorzugsweise werden alle Bilder und Daten digital erfaßt und gespeichert und gegebenenfalls an eine Zentrale weitergeleitet. Hierfür sind weitere (nicht dargestellte) Kommunikationseinrichtungen vorgesehen. Allerdings ist es zweckmäßig, wenn das lokale, auf einer Brücke 10 montierte System soweit autark ist, daß es selbst darüber entscheidet, welche Daten an die Zentrale übermittelt werden und welche nicht übermittelt zu werden brauchen. Es versteht sich, daß sowohl die Fernübermittlung der Daten als auch der Datenaustausch zwischen den Kommunikationseinrichtungen 4 und entsprechenden Gegenstücken im Lkw nach Möglichkeit kryptographisch abgesichert und manipulationssicher gemacht werden sollte. Man kann sich dann darauf verlassen, daß bei der Kommunikationsverbindung zwischen der Kommunikationseinheit 4 und einer entsprechenden Einrichtung im Lkw 8 sicher festgestellt werden kann, ob für den betreffenden Lkw die fälligen Gebühren entrichtet wurden oder aber über ein entsprechendes, automatisches Abbuchungssystem automatisch abgebucht werden können. Sofern die betreffenden Lkw 8 nicht über entsprechende Kommunikationseinrichtungen verfügen, muß zunächst die Identität des betreffenden Lkw auf andere Art und Weise festgestellt werden. Hierzu dienen vor allem die Kennzeichenkameras 1. Diese nehmen zwar im Prinzip ein komplettes Frontbild eines Lkw auf, jedoch wird dieses mit genügend hoher Auflösung erfaßt, um daraus insbesondere auch die Fläche des Kennzeichens vergrößern bzw. auswerten zu können. Es sind inzwischen zahlreiche Systeme zum automatischen Lesen von Kraftfahrzeugkennzeichen bekannt, so daß auf diese Systeme hier nicht näher eingegangen zu werden braucht. Sobald das Kennzeichen nicht nur optisch, sondern auch logisch erfaßt worden ist, kann die (nicht dargestellte) Kommunikationseinrichtung Verbindung mit einer zentralen Stelle aufnehmen, um zu überprüfen, ob dort Daten über die Entrichtung der Mautgebühren zu dem betreffenden Kennzeichen gespeichert sind. Außerdem können noch die erfaßten Daten des Fahrzeugquerschnitts, die Zahl seiner Achsen und die Feststellung, ob ein Anhänger vorhanden ist oder nicht, mit den zu dem Kennzeichen zentral gespeicherten Daten abgeglichen werden, um z.B. Manipulationen durch Verwendung falscher Nummernschilder auszuschließen. Im Zweifelsfall werden sämtliche erfaßte Daten einschließlich der Frontalaufnahme zu einem Lkw gespeichert und aufbewahrt, um eine entsprechende Überprüfung vornehmen zu können. Erst recht gilt dies selbstverständlich für die Daten derjenigen Fahrzeuge, die die fällige Maut eindeutig nicht entrichtet haben. Dagegen können die Daten der Fahrzeuge, für die entweder aufgrund der direkten Kommunikation oder aufgrund der Nachfrage bei einer Zentrale die Gebühren eindeutig entrichtet worden sind, sofort wieder gelöscht werden, es sei denn, man möchte sie für statistische Zwecke oder aber zur Aufstellung einer kompletten Gebührenabrechnung dennoch speichern und weiterverarbeiten.
Man erkennt in Figur 1 im übrigen noch eine Überwachungskamera 7, die mögliche Manipulationsversuche an der Brücke oder den daran montierten Sensoren verhindern soll.
In Figur 3 ist noch schematisch dargestellt, wie die Kennzeichenkameras 1 arbeiten, indem ein Infrarotblitzlicht 13 unter einem kleinen Winkel von 1° bis 10° relativ zur Achse der Kamera 1 ausgerichtet und montiert wird, so daß die auch für Infrarotlicht retroreflektierenden Kennzeichenflächen von Lkw als besonders helle Bildelemente in dem von der Kamera 1 aufgenommenen Bild hervortreten.
Das mit einer ähnlichen Kamera 6 erzeugte Übersichtsbild wird ebenfalls nur in Zweifelsfällen benötigt. Es dient im Regelfall einem menschlichen Beobachter, der entsprechende Daten in einer Zentrale übermittelt bekommen hat, als Klassifizierungshilfe, um zu entscheiden, ob es sich bei einem gegebenen Fahrzeug um ein mautpflichtiges Fahrzeug handelt.
Figur 4 stellt den schematischen Ablauf des Kommunikationsprozesses, sowie des kryptographi- schen Prozesses (Ver-/Entschlüsselung, Digitale Signatur etc.) dar. Dieser findet vorzugsweise auf einer Steckkarte 32 statt.
Fährt ein Fahrzeug in den Erfassungsbereich der Kommunikationseinheit 20 findet der durch Fig. 2 beschrieben Datenaustausch zwischen dem Fahrzeug und der Kontrollstelle statt. Nahezu zeitgleich werden mehrere Bilder des Fahrzeuges aufgenommen 1.
Die in 21 digitalisierten Bilder werden digital signiert 32, bevor sie durch verschiedene Bildverarbeitungsverfahren 25 ausgewertet werden. Zusammen mit den DSRC-Daten werden die aus der Bildverarbeitung gewonnen Daten dem Entscheidungsprozeß 26 zugeführt. Kommt es dabei zu signifikanten Abweichungen zwischen den Daten aus Kommunikation und Bildverarbeitung, wird das entsprechende Fahrzeug als Mautpreller eingestuft. Die Daten aus der Kommunikation werden dann digital signiert und zusammen mit den digital signierten Bildern als Beweismittel abgespeichert 30. Im anderen Fall werden die Daten bei 31 gelöscht.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Erfassen von Fahrzeugen in Bewegung, insbesondere von Lkw auf Autobahnen, mit Hilfe mindestens einer Kamera und/oder sonstigen Einrichtungen zur Erfassung der Kontur oder räumlichen Struktur des Fahrzeuges und gegebenenfalls seiner Geschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Erfassen der Kontur und/oder räumlichen Struktur die Erfassung und Verfolgung des Fahrzeuges eines LIDAR-Systems erfolgt, wobei aus den LIDAR-Daten Weg und Geschwindigkeit des Fahrzeuges abgeschätzt werden und den anschließend ermittelten Kontur- und Strukturdaten zugeordnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Profilparameter (Breite und/oder Höhe) des Fahrzeuges durch Laserabstandssensoren erfaßt werden, die im wesentlichen senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeuges bzw. einer Fahrspur ausgerichtet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten der Laserabstandssensoren statistisch ausgewertet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorhandene Fahrquerschnitt eines Fahrzeuges durch Laserabstandssensoren erfaßt wird, die als Zeilenkameras ausgebildet sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Weg- und/oder Geschwindigkeitsdaten des LIDAR Erfassungszeitpunkte oder -intervalle für die Erfassung von Daten eines Fahrzeuges für die sonstigen Einrichtungen ermittelt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennzeichen des Fahrzeugs und/oder eine Typenkennzeichnung durch eine frontale Kameraaufnahme erfaßt wird, wobei die optische Achse der Kamera unter einem Winkel zwischen 15 und 70°, vorzugsweise zwischen 25 und 40° relativ zur Straßenoberfläche geneigt ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kommunikationsverbindung mit dem Fahrzeug hergestellt wird, vorzugsweise auf IR- oder Mikrowellenbasis.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reichweite und Ausrichtung der Kommunikationsverbindung auf höchstens die Breite jeweils einer Fahrspur begrenzt wird und in Längsrichtung der Spur auf höchstens 20 m begrenzt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Fahrspur mehrere Kommunikationseinrichtungen verwendet werden und daß für mehrere Fahrspuren eine Anzahl von Kommunikationseinrichtungen verwendet wird, die mindestens der Zahl der Fahrspuren entspricht und vorzugsweise mindestens das Doppelte beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera- und Sensoraufnahmen ebenso wie die LIDAR-Aufnahmen aus einer erhöhten Position in Höhe von mindestens 1 ,5 m und mindestens teilweise von einer die Fahrspur überspannenden Brücke aus erfolgen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der LIDAR und die Laserabstandssensoren seitlich versetzt zu derjenigen Fahrspur angeordnet sind, auf welchen sie Fahrzeuge erfassen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Achsenzahl eines Fahrzeuges aus den Laserscannerdaten ermittelt wird.
13. Vorrichtung zum Erfassen von Fahrzeugen in Bewegung, insbesondere von Lkw auf Autobahnen, mit mindestens einer Kamera zur Aufnahme eines Videobildes des Fahrzeuges und mit sonstigen Einrichtungen zur Erfassung der Kontur und/oder räumlichen Struktur des Fahrzeuges und gegebenenfalls seiner Geschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein LIDAR-System aufweist, welches so ausgerichtet ist, daß es ein Fahrzeug im Abstand vor der Aufnahmeposition der Kamera und/oder der sonstigen Einrichtungen erfaßt, und eine Recheneinheit aufweist, welche mit dem LIDAR verbunden ist und aus den LIDAR- Daten Weg und Geschwindigkeit des Fahrzeuges prognostiziert, diese Daten gegebenenfalls korrigiert und auf der Basis dieser Daten eine Zuordnung zu den Daten der sonstigen Einrichtung und/oder dem erfaßten Videobild vornimmt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das LIDAR-System für das Erfassen und Verfolgen eines Fahrzeuges im Abstand vor Erreichen einer Meßstelle bzw. Aufnahmeposition der Kamera oder der sonstigen Einrichtungen ausgelegt ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die sonstigen Einrichtungen mindestens eines der Maße Höhe oder Breite und vorzugsweise die gesamte Kontur in der Seitenansicht des zuvor von dem LIDAR erfaßten und für das Erreichen der Meßstelle vorausberechneten Fahrzeuges erfaßt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die sonstigen Einrichtungen Laserabstandssensoren aufweisen, die vorzugsweise paarweise neben und oberhalb einer zu überwachenden Fahrspur angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßebene der Laserabstandssensoren im wesentlichen senkrecht zur Fahrtrichtung verläuft.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kamera zur Erfassung der Frontseite und/oder des Kennzeichens des Fahrzeuges vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera oberhalb der zu überwachenden Fahrspur und vorzugsweise mit der optischen Achse um 15 bis 70°, vorzugsweise um 25 bis 40° gegenüber der Fahrbahnebene geneigt montiert ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kommunikationseinrichtung pro Fahrspur vorgesehen ist, welche mit einer entsprechenden Einrichtung in einem Fahrzeug kommunikationsfähig ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Reichweite der Kommunikationseinrichtung auf einen in etwa kegelförmigen Sektor mit elliptischem Querschnitt begrenzt ist, dessen Breite kleiner ist als die Breite einer Fahrspur und dessen Länge etwa das Doppelte der Fahrspurbreite und jedenfalls weniger als 20 m beträgt.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21 dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Kamera für Übersichtsaufnahmen einer oder mehrerer Fahrspuren vorgesehen ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserabstandssensoren, der LIDAR und auch die Kommunikationseinrichtungen an den senkrechten Pfeilern oder dem Querträger einer die Fahrspur bzw. die Fahrspuren überspannenden Brücke vorgesehen sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Fahrspur überwachenden Laserabstandssensoren etwa um eine halbe Spurbreite gegenüber zu überwachenden Spur versetzt sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Recheneinheit vorgesehen ist, welche die Daten des LIDAR und/oder der Laserabstandssensoren und/oder der Kamera auswertet und miteinander in Beziehung setzt.
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