Christmann, Mark (Weddingenstr. 29, München, 81737, DE)
Feiten, Wendelin (Max-Löw-Strasse 47, Neubiberg, 85579, DE)
Laloni, Claudio (Dammerbauerweg 8, Taufkirchen, 82024, DE)
Rummel, Peter (Miesbacher Strasse 94, Gmund, 83703, DE)
Scherer-winner, Harmut (Am Blumengarten 12, München, 81547, DE)
Schneider, Richard (Egerländer Strasse 5, Taufkirchen, 82024, DE)
Bauer, Jochen (Innsbrucker Ring 165, München, 81669, DE)
Christmann, Mark (Weddingenstr. 29, München, 81737, DE)
Feiten, Wendelin (Max-Löw-Strasse 47, Neubiberg, 85579, DE)
Laloni, Claudio (Dammerbauerweg 8, Taufkirchen, 82024, DE)
Rummel, Peter (Miesbacher Strasse 94, Gmund, 83703, DE)
Scherer-winner, Harmut (Am Blumengarten 12, München, 81547, DE)
Schneider, Richard (Egerländer Strasse 5, Taufkirchen, 82024, DE)
| 1. | Sensorsystem zur Fahrwegüberwachung für eine autonome mo bile Einheit mit einem Radarüberwachungssystem, welches derart an der autonomen mobilen Einheit angebracht ist, dass ein Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation er zeugt wird, mit einem Laserüberwachungssystem, welcher derart an der autonomen mobilen Einheit angebracht ist, dass ebenfalls der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wobei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsin formation erzeugt wird, mit einem Videoüberwachungssystem, welches derart an der autonomen mobilen Einheit angebracht ist, dass ebenfalls der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsin formation erzeugt wird, sowie mit einer mit den Überwachungssystemen gekoppelten zentralen Kontrolleinheit, in welcher die Überwachungsinformationen der Überwa chungssysteme zusammengeführt werden und mit welcher aus den Überwachungsinformationen der Über wachungssysteme eine Gesamtfahrwegsüberwachungsinforma tion ermittelbar ist, mit welcher Gesamtfahrwegsüberwa chungsinformation der Fahrweg überwachbar ist. |
| 2. | Sensorsystem nach Anspruch 1, mit mehreren Radarüberwachungssystemen und/oder mehreren La serüberwachungssystemen und/oder mehreren Videoüberwachungs systemen, die alle mit der zentralen Kontrolleinheit gekop pelt sind. |
| 3. | Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Überwachungsinformationen jeweils eine 2Doder 3DUmgebungsinformation einer Umgebung des Fahrwegs beinhal ten. |
| 4. | Sensorsystem nach Anspruch 3, bei dem die Umgebungsinformation ein Umgebungsmodell beinhal tet. |
| 5. | Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Laserüberwachungssystem einen Laserscanner, ins besondere einen 3DLaserscanner, aufweist. |
| 6. | Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Radarüberwachungssystem ein Radar auf Basis einer FMCWTechnik aufweist. |
| 7. | Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Videoüberwachungssystem eine CCDVideokamera auf weist. |
| 8. | Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei der Ermittlung der Gesamtfahrwegüberwachungsin formation aus den Überwachungsinformationen diese jeweils entsprechend einer Sicherheit des jeweiligen Überwachungssys tems berücksichtigt werden. |
| 9. | Sensorsystem nach Anspruch 8, bei dem die jeweiligen Sicherheiten von Umgebungsbedingungen der autonomen mobilen Einheit abhängig sind. |
| 10. | Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Gesamtfahrwegüberwachungsinformation eine 3DIn formation einer Umgebung des Fahrwegs beinhaltet. |
| 11. | Sensorsystem nach Anspruch 10, bei dem die 3DInformation ein 3D Umgebungsmodell ist. |
| 12. | Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die mobile autonome Einheit ein spurgebundenes Fahr zeug, insbesondere ein fahrerloses Schienenfahrzeug, ist. |
| 13. | Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, eingesetzt zur Erkennung eines Objekts auf dem Fahrweg, wobei das Objekt unter Verwendung der Gesamtfahrwegüberwachungsin formation als Hindernis identifiziert wird. |
| 14. | Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, eingesetzt zu einer Überwachung einer Fahrt der autonomen mo bilen Einheit auf dem Fahrweg, wobei während der Fahrt unter Verwendung des Sensorsystems der Fahrweg überwacht wird. |
| 15. | Sensorsystem nach Anspruch 13 und Anspruch 14, eingesetzt bei einer überwachten Fahrt der autonomen mobilen Einheit, wobei auf die Fahrt der mobilen Einheit eingewirkt wird, wenn ein Objekt als ein Hindernis erkannt wird. |
| 16. | Verfahren zur Fahrwegüberwachung für eine autonome mobile Einheit, bei dem unter Verwendung eines Radarüberwachungssystems ein Fahr weg der autonomen mobilen Einheit überwacht wird, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation erzeugt wird, unter Verwendung eines Laserüberwachungssystems der Fahr weg der autonomen mobilen Einheit überwacht wird, wobei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsinformation erzeugt wird, unter Verwendung eines Videoüberwachungssystems der Fahr weg der autonomen mobilen Einheit überwacht wird, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinformation erzeugt wird, die Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme zu sammengeführt werden und aus den Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme eine Gesamtfahrwegüberwachungsinformation ermittelt wird, mit welcher der Fahrweg überwacht wird. |
| 17. | ComputerprogrammErzeugnis, das ein computerlesbares Speichermedium umfasst, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in einen Spei cher des Computers geladen worden ist, folgende Schritte durchzuführen zur Überwachung eines Fahrwegs für eine autono me mobile Einheit : unter Verwendung eines Radarüberwachungssystems wird ein Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation er zeugt wird, unter Verwendung eines Laserüberwachungssystems wird der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsinformation er zeugt wird, unter Verwendung eines Videoüberwachungssystems wird der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinformation er zeugt wird, die Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme wer den zusammengeführt und aus den Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme wird eine Gesamtfahrwegüberwachungsinformation ermittelt, mit welcher der Fahrweg überwacht wird. |
| 18. | Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm ge speichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in einen Speicher des Computers geladen worden ist, folgende Schritte durchzuführen zur Überwachung eines Fahrwegs für ei ne autonome mobile Einheit : unter Verwendung eines Radarüberwachungssystems wird ein Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation er zeugt wird, unter Verwendung eines Laserüberwachungssystems wird der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsinformation er zeugt wird, unter Verwendung eines Videoüberwachungssystems wird der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinformation er zeugt wird, die Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme wer den zusammengeführt und aus den Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme wird eine Gesamtfahrwegüberwachungsinformation ermittelt, mit welcher der Fahrweg überwacht wird. |
| 19. | Computerprogramm mit ProgrammcodeMitteln, um alle Schritte gemäß Anspruch 16 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird. |
| 20. | Computerprogramm mit ProgrammcodeMitteln gemäß Anspruch 19, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind. |
| 21. | ComputerprogrammProdukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten ProgrammcodeMitteln, um alle Schritte gemäß Anspruch 16 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird. |
Ein eben solches Sensorsystem zur Fahrwegüberwachung bei ei- nem fahrerlosen, spurgebundenen Schienenfahrzeug, einem Ver- kehrsmittel Eisenbahn, ist aus [1] bekannt.
Fahrerlose bzw. automatisch fahrende Fahrzeuge sind autonome Systeme, welche nicht einer unmittelbaren Überwachung und Steuerung durch Bedienpersonal unterliegen, sondern selbstän- dig, d. h. autonom, ihre Funktion erfüllen. Dabei müssen sie Umgebungsbedingungen, unter denen sie agieren, erfassen und entsprechend diesen reagieren können.
Dazu bedürfen sie technischer Einrichtungen, beispielweise solcher zur Erkennung von Hindernissen vor dem Fahrzeug, ins- besondere auf einem Fahrweg vor dem Fahrzeug.
Das aus [1] bekannte fahrerlose Schienenfahrzeug verwendet hierfür ein kombiniertes Sensorsystem bzw. eine leistungsfä- hige Sensorik, mit der Abstände und Differenzgeschwindigkei- ten zu sämtlichen Objekten in einem Beobachtungsbereich des Schienenfahrzeugs präzise gemessen werden können.
Dieses kombinierte Sensorsystem, ein Multisensorsystem, be- steht aus einer Vielzahl von einzelnen Komponenten (Einzel-
sensoren), die zusammen mindestens einen gleichen Sicher- heitsstandard gewährleisten, wie er im herkömmlichen Schie- nenverkehr gilt.
Im Detail umfasst das bekannte Multisensorsystem eine schwenkbare Telekamera, realisiert durch eine CCD-Videokamera mit Teleobjektiv, einen Fernbereichsradar, realisiert durch ein gepulstes CW-Radar im 77 GHz Band, eine Übersichtskamera, in Form einer CCD-Videokamera mit Normalobjektiv, sowie ein Nahbereichsradarnetzwerk, realisiert durch mehrere hochauflö- sende Pulsradare in 24 GHz Band.
Entsprechende Einzelsensoren sowie deren grundlegende Techni- ken sind allgemein bekannt ; auch wird auf sie in [1] verwie- sen.
Einbaupositionen für die Radarsensoren an dem Schienenfahr- zeug sind vergleichsweise niedrig gewählt, um unter einem möglichst flachen Winkel den Bereich vor dem Fahrzeug zu ver- messen.
Die Kameras des Mulisensorsystems befinden sich vor Wet- tereinflüssen geschützt hinter einer Frontscheibe des Schie- nenfahrzeugs und sind damit in einer hohen Einbauposition.
Die hohe Einbauposition der Kameras gewährt einen guten Blick auf den Beobachtungsbereich vor dem Fahrzeug.
Die einzelnen Sensorsysteme übertragen ihre Messergebnisse an eine zentrale Fusionseinheit. Dort wird aus den verschiedenen Messwerten ein Abbild der Umgebung vor dem Schienefahrzeug erstellt.
Dieses Abbild, eine Szenenrepräsentation, bildet eine Grund- lage für eine Detektion von Hindernissen auf dem Fahrweg.
Nachteilig bei diesem aus [1] bekannten Sensorsystem zur Fahrwegüberwachung ist, dass insbesondere bei messtechnisch
ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie bei Dunkelheit und Re- gen, eine Genauigkeit und damit eine Sicherheit bei der Hin- derniserkennung durch das Multisensorsystem vermindert sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem bzw. ein Verfahren zur Überwachung eines Fahrwegs einer auto- nomen mobilen Einheit zur Verfügung zu stellen, welches fle- xibel bei beliebigen Umgebungsbedingungen einsetzbar ist und die Überwachung eines Fahrwegs mit höherer Zuverlässigkeit und mit höherer Sicherheit als obiges bekannte System ermög- licht.
Diese Aufgabe wird durch das Sensorsystem zur Fahrwegüberwa- chung für eine mobile Einheit sowie durch das Verfahren, das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und das Computer- programm-Produkt zur Überwachung eines Fahrwegs für eine au- tonome mobile Einheit mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Das Sensorsystem zur Fahrwegüberwachung für eine autonome mo- bile Einheit weist auf : - ein Radarüberwachungssystem, welches derart an der autono- men mobilen Einheit angebracht ist, dass ein Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation erzeugt wird, - ein Laserüberwachungssystem, welcher derart an der autono- men mobilen Einheit angebracht ist, dass ebenfalls der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wo- bei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsinfor- mation erzeugt wird, - ein Videoüberwachungssystem, welches derart an der autono- men mobilen Einheit angebracht ist, dass ebenfalls der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwachbar ist, wo- bei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinfor- mation erzeugt wird.
Neben mindestens diesen drei Überwachungssystemen, in der Re- gel realisiert durch entsprechende Sensoren bzw. Sensortypen, weist das Sensorsystem eine mit den Überwachungssystemen ge- koppelte zentrale Kontrolleinheit auf, in welcher die Überwa- chungsinformationen der Überwachungssysteme zusammengeführt werden (Sensorfusion). Aus den Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme ist eine Gesamtfahrwegsüberwachungsinfor- mation ermittelbar, mit welcher Gesamtfahrwegsüberwachungsin- formation der Fahrweg überwachbar ist.
Bei dem Verfahren zur Fahrwegüberwachung für eine autonome mobile Einheit wird : - unter Verwendung eines Radarüberwachungssystems ein Fahr- weg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Radarüberwachung eine Radarüberwachungsinformation erzeugt wird, - unter Verwendung eines Laserüberwachungssystems ebenfalls der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Laserüberwachung eine Laserüberwachungsinformation erzeugt wird, - unter Verwendung eines Videoüberwachungssystems auch der Fahrweg der autonomen mobilen Einheit überwacht, wobei bei der Videoüberwachung eine Videoüberwachungsinformation er- zeugt wird.
Die Überwachungsinformationen der Überwachungssysteme werden zusammengeführt (Sensorfusion). Aus den Überwachungsinforma- tionen der Überwachungssysteme wird eine Gesamtfahrwegsüber- wachungsinformation ermittelt, mit welcher Gesamtfahrwegs- überwachungsinformation der Fahrweg überwacht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen sensorunterstütztem Fahrwegüberwa- chungssystem handelt es sich um ein multifunktionales, kombi- niertes Sicherheitssystem, welches sehr hohe Anforderungen, die an eine Messgenauigkeit, Reaktionszeit, Reichweite usw.
des Systems gestellt werden, bei nahezu beliebigen Umgebungs- bedingungen erfüllt.
Entsprechendes gilt analog für das erfindungsgemäße Verfah- ren.
Der Einsatz verschiedener bzw. verschiedenartiger Sensoren innerhalb des erfindungsgemäßen Multisensorsystems eröffnet für die genannte Sicherheitsaufgabe die Möglichkeit, die spe- zifischen Vorteile jedes einzelnen Sensors bzw. Sensortyps zu nutzen und die insgesamt von den Sensoren gemessene Informa- tion in einer Datenfusionseinrichtung auszuwerten.
Durch eine gewinnbringende Fusion der verschiedenen Messdaten entsteht ein Informationsbestand, der mehr Aussagekraft als die Summe der isoliert betrachteten Einzeldaten hat.
Die charakteristischen Eigenschaften von Sensoren bzw. Sen- sortypen für die Objektvermessung, deren Schwächen und Stär- ken, sind prinzipiell von der verwendeten Technologie bzw. vom verwendeten Typ abhängig.
Beispiele für die technologiebedingten Unterschiede bzw.
Schwächen und Stärken sind die gute Entfernungsmessung der Radartechnik im Gegensatz zur guten Winkelmessung von Video- systemen sowie die von Umgebungsbedingungen relativ unabhän- gige hohe Genauigkeit der Laserscanner insgesamt.
Stellt man unter diesem Gesichtspunkt die verschiedenen Ei- genschaften von Videosystemen, von Radarsensoren und Laser- scannern gegenüber, so zeigt sich, dass die drei Technologien sich gegenseitig sehr gut ergänzen.
Die Bilder von Videokameras können als Grauwertmatrizen ange- sehen werden. Diese werden anhand passender Modellannahmen interpretiert und auf das Vorhandensein von Hindernissen un- tersucht. Aufgrund der hohen räumlichen Auflösung können so
mit Videosystemen besonders gut die Winkel zu detektierten Objekten gemessen werden. Auch können bei bekannter Entfer- nung die Breite und Höhe eines Hindernisses über die Winkel zu den Außenkanten bestimmt werden.
Gerade die Entfernung kann aber mit monokularen Videosystemen nur ungenau ermittelt werden. Desweiteren ist die Videotech- nik stark lichtabhängig und bei messtechnisch ungünstigen Um- gebungsbedingungen, wie Dunkelheit und Regen, nur unzurei- chend einsetzbar.
Es ist deshalb sinnvoll, die Videosensorik durch ein bzw. mehrere Systeme zu ergänzen, das bzw. die die Entfernung auch bei schwierigen Umgebungsbedingungen gut messen kann bzw. können.
Hierfür bietet sich zum einen Radarsensorik an.
Sie ist in der Lage auch in großen Distanzen noch zuverlässig die Entfernung zu messen. Die Einschränkung einer vergleichs- weise eher schlechteren Winkelauflösung und-genauigkeit bei Radarsystemen wird hingegen durch das Videosystem kompen- siert.
Da aber auch die alleinige Kombination von Radar-und Video- sensorik unter erwähnten schwierigen Umgebungsbedingungen Nachteile aufweist, ist es sinnvoll, eine weitere Technik zu integrieren, nämlich eine Lasertechnik.
Ein solcher Nachteil bei alleiniger Kombination von Radar- und Videosensorik wäre beispielsweise, dass eine Zuordnung von Messungen in einem Videobild zu Messungen durch den Ra- darsensor dadurch schwierig ist, dass der Radarsensor eine schlechte Winkelauflösung aufweist.
Die Lasertechnik hingegen zeichnet sich durch hohe Genauig- keit sowohl bei Winkel-und Entfernungsmessung aus.
Das derart kombiniert konzipierte, erfindungsgemäße Sensor- system erreicht durch seine Sensorkombination hohe Flexibili- tät beim Einsatz unter nahezu beliebigen Umgebungsbedingungen sowie hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit beim Überwachen von Fahrwegen.
Das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln ist eingerich- tet, um alle Schritte gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausge- führt wird.
Das Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln ist eingerichtet, um alle Schritte gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausge- führt wird.
Das erfindungsgemäße System sowie das erfindungsgemäße Compu- terprogramm mit Programmcode-Mitteln sowie das erfindungsge- mäße Computerprogramm-Produkt sind insbesondere geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer sei- ner nachfolgend erläuterten Weiterbildungen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die im Weiteren beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das erfindungsgemäße System, das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln sowie das erfindungsgemäße Computerpro- gramm-Produkt.
Die Erfindung und die im Weiteren beschriebenen Weiterbildun- gen können sowohl in Software als auch in Hardware, bei- spielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung, realisiert werden.
Ferner ist eine Realisierung der Erfindung oder einer im Wei- teren beschriebenen Weiterbildung möglich durch ein computer- lesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder eine deren Weiterbildungen ausführt.
Auch kann die Erfindung oder jede im Weiteren beschriebene Weiterbildung durch ein Computerprogrammerzeugnis realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist, auf welchem das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder eine deren Weiterbildungen aus- führt.
Ein erster Block von Weiterbildungen und Ausgestaltungen be- trifft das Laserüberwachungssystem bzw. den Lasersensor [4].
Hierbei kann als Lasersensor ein Laserscanner verwendet wer- den. 2D-oder 3D-Laserscanner sind beide einsetzbar, wobei in den jeweiligen Fällen die Laserüberwachungsinformation eine 2D-bzw. 3D-Information einer Umgebung des Fahrwegs beinhal- tet. Diese können in Form von entsprechenden 2D-oder 3D- Umgebungsmodellen vorliegen [4].
Weitergehend können mehrere Lasersensoren, wie die vorerwähn- ten Laserscanner, nebeneinander, sich jeweils unterstützend verwendet werden, beispielsweise derart, dass der oder die zusätzlichen Lasersensoren zu einer schnellen Abtastung be- sonders gefährdeter Regionen bzw. Ebenen herangezogen werden.
Ein zweiter Block von Weiterbildungen und Ausgestaltungen be- trifft das Radarüberwachungssystem bzw. den Radarsensor [3].
Entsprechende 2D-oder 3D-Sensoren, analog zu denjenigen der Lasertechnik, sind jeweils in Alleinstellung oder auch in Kombination einsetzbar.
So kann es unter Umständen sinnvoll sein, einen Fernbereichs- radar, beispielsweise einen gepulsten CW-Radar, in Kombinati- on mit einem Nahbereichsradar, wie einem hochauflösenden Pulsradar, einzusetzen.
Ein nächster Block von Weiterbildungen und Ausgestaltungen betrifft das Videoüberwachungssystem bzw. den Videosensor [2], [5].
Hierzu eigenen sich CCD-Videokameras, welche mit Normal-oder Teleobjektiven ausgestattet sein können. Auch ist es möglich eine solche in Alleinstellung oder in Kombination mit weite- ren Kameras zu verwenden.
In einer weiteren Ausgestaltung beobachten die einzelnen Sen- sorsysteme den Bereich vor dem Schienenfahrzeug zunächst un- abhängig voneinander und vermessen Positionen und/oder gege- benenfalls Geschwindigkeiten von detektierten Objekten.
Dazu erfolgt in den jeweiligen Sensorsystemen eine spezifi- sche Signalverarbeitung, da dort die meisten Randbedingungen, die einen Einfluss auf die Entstehung der Beobachtung haben, bekannt sind. Auf diese Weise wird eine verbesserte Vertei- lung der Verarbeitungslast zwischen den Sensorsystemen und der Sensor-bzw. Datenfusion erreicht und die Menge der zu übertragenden Daten wird reduziert.
Bei der Fusionierung der verschiedenen Messdaten des Multi- sensorsystems können Charakteristika, wie spezifische Stärken und Schwächen, individuelle (Mess-) Genauigkeiten, Ausfall- wahrscheinlichkeiten und/oder Sicherheiten, der unterschied- lichen Sensorsysteme berücksichtigt werden.
So ist es beispielsweise möglich, bei der Ermittlung der Ge- samtfahrwegüberwachungsinformation aus den Oberwachungsinfor- mationen diese jeweils entsprechend einer Sicherheit des je- weiligen Überwachungssystems zu berücksichtigen. Weiterfüh-
rend können die jeweiligen Sicherheiten von Umgebungsbedin- gungen der autonomen mobilen Einheit abhängig gemacht werden.
Die bei der Sensorfusion gebildete Gesamtfahrwegüberwachungs- information beinhaltet ein Abbild der beobachteten Szene vor dem Fahrweg und damit im allgemeinen eine 3D-Information der Umgebung des Fahrwegs. Diese kann in Form eines 3D- Umgebungsmodells vorliegen.
Die erfindungsgemäß überwachbare mobile, autonome Einheit kann ein spurgebundenes Fahrzeug, wie ein an Schienen gebun- denes (Schienen-) Fahrzeug oder ein straßengebundenes (Stra- ßen-) Fahrzeug, sein.
Ein Ziel der Fahrwegüberwachung ist unter anderem auch die Erkennung eines Objekts bzw. eines Hindernisses auf dem Fahr- weg der überwachbaren autonomen, mobilen Einheit. Dazu wird das fusionierte Umgebungsabbild (3D-Umgebungsmodell) entspre- chend ausgewertet, wobei Bildverarbeitungstechniken einsetz- bar sind, und dabei Objekte und Hindernisse erkannt bzw. de- tektiert. Anhand des Umgebungsabbilds wird entschieden, ob sich eines der detektierten Objekte auf bzw. in dem Fahrweg befindet.
In diesem Fall erfolgt eine entsprechende (Warn-) Meldung an eine Steuereinheit der mobilen Einheit, die entsprechend auf die Fahrt der mobilen Einheit einwirkt.
So kann beispielsweise bei der Detektion eines relevanten Hindernisses die Geschwindigkeit bis zum Stillstand reduziert bzw. entsprechend angepasst werden und/oder ein akustisches oder visuelles Warnsignal gegeben werden.
In Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darge- stellt, welches im Weiteren näher erläutert wird.
Es zeigen
Figuren la und 1b Skizzen eines autonomen, fahrerlosen Schie- nenfahrzeugs (CargoMover) mit einem Fahrwegüberwa- chungssystem ; Figur 2 Skizze eines Aufbaus eines kombinierten Fahrwegüber- wachungssystems mit unterschiedlichen Sensorsystemen mit den jeweiligen Sensordetektionsbereichen ; Figur 3 strukturelle und funktionelle Systemübersicht des Fahrwegüberwachungssystems.
Ausführungsbeispiel : "CargoMover", ein autonomes, fahrerloses Schienenfahrzeug Figuren la und lb zeigen ein autonomes, fahrerloses Schienen- fahrzeug, einen"CargoMover"100.
Der CargoMover 100 ist ein fahrerloses, autonomes, schienen- gebundenes Transportsystem, welches nicht einer unmittelbaren Überwachung und Steuerung durch Bedienpersonal unterliegt, sondern selbständig und autonom seine (Transport-) Funktion erfüllt.
Um autonom agieren zu können, muss er Umgebungsbedingungen im Gleisbereich automatisch erfassen, dort Objekte und/oder Hin- dernisse erkennen und detektieren, diese entsprechend ihrer Bedeutung interpretieren und in Abhängigkeit davon regieren können.
Dazu ist er mit einem Sicherheitssystem, einem Multisensor- system 110, ausgestattet, welches ihm die Durchführung der genannten Aufgaben ermöglicht. Insbesondere ermöglicht dieses Multisensorsystem 110, Abstände und Differenzgeschwindigkei- ten zu sämtlichen Objekten bzw. Hindernissen in einem Beo- bachtungsbereich des CargoMovers 100 präzise zu messen.
Dieses Multisensorsystem 110 kombiniert Sensoren 120 unter- schiedlicher Messtechniken, einer Lasertechnik, einer Radar- technik und einer Videotechnik, miteinander.
Im Detail umfasst das Multisensorsystem 110 des CargoMovers 100 ein Radarüberwachungssystem 124, umfassend einen rechten 121, einen mittleren 122 und einen linken 123 Radarsensor, ein Laserüberwachungssystem 132, umfassend einen unteren, festen 130 und einen oberen, schwenkbaren 131 3D- Laserscanner, sowie ein Videoüberwachungssystem 141, umfas- send eine Videokamera 140.
Die einzelnen Sensorsysteme 124,132, 141 übertragen ihre Messergebnisse an eine zentrale Fusionseinheit 150 des Multi- sensorsystems 110. Dort wird aus den verschiedenen Messwerten ein Abbild der Umgebung vor dem CargoMover 100 erstellt.
Dieses Abbild, eine Szenenrepräsentation, bildet eine Grund- lage für die Erkennung bzw. Detektion von Objekten und Hin- dernissen auf dem Gleis 160.
Multisensorkonzept An das Sicherheitssystem 100 bzw. an das Multisensorsystem 110 werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Sicher- heit bei der Erkennung von Objekten und Hindernissen ge- stellt. Denn nur dann ist ein sicherer, autonomer Betrieb des CargoMovers 100 gewährleistbar bzw. möglich.
Daraus resultieren hohe Anforderungen in Bezug auf Messgenau- igkeit, Reaktionszeit, Reichweite usw., die an das Multisen- sorsystem 110 gestellt werden.
Der Einsatz der verschiedenen, passend ausgewählten Sensor- systeme 124,132, 141 innerhalb des Multisensorsystems 110 eröffnet für diese Aufgabe die Möglichkeit, die spezifischen Vorteile jedes einzelnen Sensortyps zu nutzen und die insge-
samt von den Sensoren gemessene Information in einer Datenfu- sionseinrichtung, der Fusionseinheit 150, auszuwerten.
Durch eine gewinnbringende Fusion der verschiedenen Messdaten entsteht ein Informationsbestand, der mehr Aussagekraft als die Summe der Einzeldaten hat.
Die charakteristischen Eigenschaften von Sensoren für die Ob- jektvermessung sind prinzipiell von der verwendeten Technolo- gie und anderen Designparametern abhängig. So zeichnet sich die Radartechnik insbesondere durch gute Entfernungsmessung aus im Gegensatz zur guten Winkelmessung von Videosystemen.
Die Stärke einer Lasertechnik liegt in ihrer Genauigkeit so- wohl bei Winkel-und Entfernungsmessung.
Stellt man unter diesem Gesichtspunkt die verschiedenen Ei- genschaften bzw. Schwächen und Stärken von Videosystemen, von Radarsystemen und von Lasersystemen einander gegenüber, so zeigt sich, dass die Technologien sich gegenseitig sehr gut ergänzen.
Aufgrund des großen zu überwachenden Bereiches werden bei dem Multisensorsystems 110 des CargoMovers 100 jeweils mehrere Einzelsensoren desselben Sensortechnik, so bei dem Radar-124 und dem Lasersystem 132, verwendet, die jeweils unterschied- liche Bereiche schwerpunktmäßig vor dem CargoMover 100 erfas- sen.
Figur 2 zeigt das Multisensorsystem 110 des CargoMovers 100 mit den jeweiligen Detektionsbereichen 200 bzw. 210,220, 230 der einzelnen Sensoren bzw. Sensorsystemen 124,132, 141.
Es werden folgende Modellreihen von Sensoren als Basistypen für das Multisensorsystem 110 verwendet : Videokamera 140 : JAI M10RS, 1/2 Zoll Chip, Progressive Scan, 782 x 582 Pixel mit Auto-Iris Objektiv COSM H1212E ;
Infrarot Laser Scanner 130,131 : Fa. Sick AG, LMS 221-30206 mit veränderlicher Winkelauflösung und damit korrelierter Scanzeit, einer davon schwenkbar montiert ; Radarsensor 121,122, 123 : FMCW Radar-Modulen mit Patch An- tennen, modifiziert.
Die Bilder der Videokamera 140 werden auch genutzt zur Be- stimmung des Fahrwegverlaufs (vgl. Figur 3,311, 322).
Sensorfusion (Figur 3) Die einzelnen Sensorsysteme 124,132, 141 beobachten den Be- reich vor dem CargoMover zunächst unabhängig voneinander und vermessen die Position und ggf. die Geschwindigkeit der de- tektierten Objekte bzw. Hindernisse.
Dazu erfolgt in den jeweiligen Sensorsystemen 124,132, 141 eine spezifische Signalverarbeitung (vgl. Figur 3,310 bis 312,320 bis 322), da dort die meisten Randbedingungen be- kannt sind, die einen Einfluss auf die Entstehung der Beo- bachtung haben. Bei der spezifischen Signalverarbeitung wer- den die oben besprochenen Charakteristika bzw. Stärken und Schwächen der unterschiedlichen Sensorsysteme 124,132, 141 berücksichtigt.
Ferner wird auf diese Weise eine bessere Verteilung der Da- tenverarbeitungslast zwischen den Sensorsystemen 124,132, 141 und der Datenfusion erreicht und die Menge der zu über- tragenden Daten wird reduziert.
Um aus den Messungen der verschiedenen Sensorsysteme 124, 132,141 ein gutes Abbild der zu beobachtenden Szene vor dem CargoMover 100 zu erhalten (3D-Umgebungsmodell, vgl. Figur 3,330), werden die jeweiligen Messergebnisse bzw. Verarbei- tungsergebnisse möglichst gewinnbringend vereint bzw. fusio- niert (vgl. Figur 3,330).
Deshalb werden auch bei dieser Fusionierung (vgl. Figur 3, 330) der verschiedenen Messdaten des Multisensorsystems 110 die oben besprochenen Charakteristika bzw. Stärken und Schwä- chen der unterschiedlichen Sensorsysteme 124,132, 141 be- rücksichtigt. Dies erfolgt durch variabler Gewichtung der zu fusionierenden Messdaten.
Das Ziel der Datenfusion ist es dabei, ein möglich genaues Abbild der Umgebung (3D-Umgebungsmodell) des CargoMovers 100 zu erzeugen (vgl. Figur 3,330) sowie die Zustände (Position und Geschwindigkeit) der beobachteten Objekte sowie deren Entfernung (vgl. Figur 3,340) zum CargoMover 100 aus dem Um- gebungsabbild bzw. aus den aktuellen und vorhergegangenen Messungen möglichst präzise zu bestimmen.
Das entstehende Umgebungsabbild (vgl. Figur 3,330) wird für die Interpretation der Szenen, d. h. in diesem Fall für die Entscheidung, ob sich eines der detektierten Objekte im Gleis 160 befindet, und für die anschließende Entfernungsbestimmung 340 genutzt.
Figur 3 zeigt eine strukturelle und funktionelle Systemüber- sicht 300 des Multisensorsystems 110 des CargoMovers 100. Die Datenflüsse sind durch Pfeile in Figur 3 gekennzeichnet.
Von den einzelnen Sensorsystemen 124,132, 141 werden die je- weiligen Messergebnisse 310 bis 312,320 bis 322 an die zent- rale Fusionseinheit 150 übertragen.
Dort erfolgt unter anderem die Bestimmung des 3D- Umgebungsmodells 330, welches als Grundlage für die Identifi- zierung von Hindernissen sowie die Ermittlung der jeweiligen Entfernungen 340 dieser zum CargoMover 100 dient.
Auf Basis der einzelnen Sensorsignale der Sensorsysteme 124, 132,141 wird insbesondere ermittelt :
- aus den Messsignalen des Radarsystems 124 eine 2D- Hindernisserkennung 312, - aus den Messsignalen des Videosystems 141 ein 2D-311 und daraus ein 3D-Streckenverlauf 321 sowie Hindernisse in Bo- dennähe (2D) 322, aus den Messsignalen des Lasersystems 132 eine 3D- Hinderniserkennung 320 und aus den Messsignalen des Laser- systems 132 in Kombination mit dem 2D-Streckenverlauf 311 eine Gleishöhe und eine Überhöhung 310, welche auch in die Ermittlung des 3D-Streckenverlaufs 321 einfließt.
Das 3D-Umgebungsmodell 330, eine entlang einer 3D-Kurve ange- ordnete Folge von 2D-Gitterkarten mit Lichtraumprofil, wird erstellt unter Verwendung der 2D-Hinderniserkennung 312, der Hindernisse in Bodennähe 322, des 3D-Streckenverlaufs 321 so- wie der 3D-Hinderniserkennung 320.
Anschließend wird unter Verwendung des 3D-Umgebungsmodells 330 ein Hindernis identifiziert und die Entfernung dieses Hindernisses zum CargoMover 100 ermittelt 340.
Wird nun ein Hindernis als relevant, d. h. als auf dem Gleis 160 oder in dem Gleisbereich befindlich, erkannt und nähert sich der CargoMover 100 diesem auf weniger als einen vorgeb- baren Sicherheitsabstand, in diesem Fall von 70m, so erfolgen entsprechende Meldungen von der Fusionseinheit 50 an eine Steuereinheit des CargoMovers 100.
Die Steuereinheit veranlasst notwendige Sicherheitsmassnah- men, die eine Kollision mit dem erkannten Hindernis aus- schließen. So wird in diesem Fall ein Bremsvorgang eingelei- tet, wobei die Geschwindigkeit des CargoMovers 100 kontinu- ierlich reduziert wird. Darüber hinaus gibt der CargoMover 100 ein akustisches und visuelles Warnsignal ab.
In diesem Dokument sind folgende Schriften zitiert : [1] Kruse F., et al., "Multisensorsystem für schienengebunde- ne Fahrzeuge", Symposium für Mobilität und Sicherheit.
[2] 3D-Szenenrekonstruktion aus Bilddaten (mittels CCD- Kameras), BMBF-Projekt, erhältlich am 23. September 2002 unter : http : //ais. gmd. de/projects/Makro/reports/makro-report-VI- 1. pdf.
[3] Mikrowellen-Radar, erhältlich am 23. September 2002 un- ter : http ://www. elva-l. spb. ru/products/industrial/FMCW. html.
[4] H. Surmann, K. Lingemann, A. Nüchter, J. Hertzberg :"A 3D laser range finder for autonomous mobile robots"Proc.
32. ISR (International Symposium on Robotics) pp. 153- 158,20013D Laserscanner.
[5] CCD-Videokamera, erhältlich am 23. September 2002 unter : http : //www. sony. de/professional/medical/kameras/dxc_990p. html.
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