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Dokumentenidentifikation DE4411994A1 02.11.1995
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Detektion, Klassifizierung und Verfolgung von Fahrzeugen, die am Straßenverkehr teilnehmen
Anmelder Dornier GmbH, 88090 Immenstaad, DE
Erfinder Hopfmüller, Harald, Dipl.-Phys., 88677 Markdorf, DE;
Schäfer, Christoph, Dr.rer.nat., 88709 Meersburg, DE;
Neumeyer, Bernhard, Dr.-Ing., 88090 Immenstaad, DE;
Eibert, Max, Dr.rer.nat., 88048 Friedrichshafen, DE
DE-Anmeldedatum 11.04.1994
DE-Aktenzeichen 4411994
Offenlegungstag 02.11.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.11.1995
IPC-Hauptklasse G06T 7/20
IPC-Nebenklasse G06K 9/60   G08G 1/015   G01S 7/52   
Zusammenfassung Fahrzeugdetektion, Fahrzeugklassifizierung und Fahrzeugverfolgung mittels intelligentem Doppelzeilenscanner, gekennzeichnet durch die Aufnahme eines zweizeiligen Entfernungsbildes in Echtzeit, Verwendung eines elektrooptischen, scannenden Sensors, Auswertung des Entfernungsbildes mit systemspezifischen Algorithmen und on-line Auswertung auf einem Rechner.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft die Detektion, Klassifizierung und Verfolgung von Fahrzeugen.

Die Klassifizierung von Fahrzeugen im fließenden Verkehr wird heute auf verschiedene Art und Weise gelöst:

  • - In die Straße eingelassene Induktionsschleifen zur Messung der magnetischen Signatur.
  • - In die Straße eingelassene Drucksensoren zur Zählung der Achsen.
  • - Lichtschrankenzellen zur Messung der Höhe des Fahrzeugs.
  • - Klassifizierung mit Hilfe von passiv gewonnenen optischen Bildern und Bildverarbeitung.
  • - In die Straße eingelassene Gewichtssensoren (Weight in Motion).
  • - Radarsensoren.


Die Einzelsensoren lassen eine sichere Klassifizierung nicht zu, weshalb bei Anwendungen zur Erhebung von Straßenbenutzungsgebühren eine Kombination aus mehreren Sensoren eingesetzt wird. Weiter benötigen die meisten der oben aufgeführten Verfahren unerwünschte Umbaumaßnahmen an der Fahrbahn.

Zur Detektion von Fahrzeugen werden auch aktive optische Sensoren angewendet. Diese Sensoren messen von oben, ob sich im erzeugten aufgefächerten Laserstrahl ein Fahrzeug befindet. Die bisher eingesetzten Sensoren erlauben jedoch keine sichere und genaue Fahrzeugklassifizierung.

Aufgabe der Erfindung ist es, am Straßenverkehr teilnehmende Fahrzeuge berührungslos und vollautomatisch zu erfassen und nicht kooperativ, das heißt ohne Mithilfe des Fahrzeuges, zu klassifizieren und ihren Weg auch bei Wechsel der Fahrspur zu verfolgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der Patentansprüche gelöst.

Die Vorteile der Erfindung liegen in der sicheren Klassifizierung und Spurverfolgung von Fahrzeugen durch einen Sensor ohne Modifikationen im Fahrbahnbelag. Die in Echtzeit erzeugten Klassifizierungsdaten erlauben die effiziente Einbindung in Verkehrsüberwachungssysteme und Verkehrskontrollsysteme sowie in Straßengebührensysteme.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsschema der Erfindung,

Fig. 2 ein Ablaufschema eines Auswerteprogramms.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Doppelzeilenscanner und einem Auswerterechner.

Diese Komponenten werden in den folgenden Abschnitten beschrieben. Ein Funktionsschema ist in Fig. 1 dargestellt.

Doppelzeilenscanner 1.1 Entfernungsbildkamera

Als Sensor für die Fahrzeugklassifizierung wird eine modifizierte Entfernungsbildkamera der Firma Dornier benutzt. Es handelt sich dabei im wesentlichen um den abbildenden Laserradarsensor, dessen Merkmale bereits in der DE 39 42 770 C2 ausführlich beschrieben wurden und dessen Eigenschaften hier nur stichpunktartig aufgezählt werden:

  • - 3D-abbildender Sensor.
  • - Entfernungsmessung über Licht-Laufzeitmessung
  • - Entfernungsauflösung im cm-Bereich.
  • - Strahlablenkung in zwei Dimensionen.
  • - Zeilenscanner, z. B. realisiert als faseroptische Scanner, beschrieben in DE 39 42 771 C1.
  • - Spaltenscanner, z. B. realisiert durch geregelte Spiegelbewegung.
  • - Generierung von Entfernungsbildern.


Für die beschriebene Anwendung wurde dieses Gerät in der nachfolgend beschriebenen Weise modifiziert, um bewegte Fahrzeuge genau klassifizieren und verfolgen zu können.

1.2 3D-Abbildung schneller Fahrzeuge

Zur Abbildung schneller Fahrzeuge ist die Strahlablenkung durch geregelte Spiegelbewegung zu langsam. Daher wird die Entfernungsbildkamera zu einem Zeilenscanner modifiziert, das heißt der Lichtstrahl wird nur in einer Richtung abgelenkt. Wird ein Fahrzeug von einem Zeilenscanner senkrecht zur Fahrtrichtung abgetastet, entsteht ein dreidimensionales Bild des Fahrzeugs, dessen Länge von der Verweildauer des Fahrzeugs im Scanbereich und damit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängt. Deshalb wird in die Entfernungsbildkamera eine zweite Abtastzeile integriert, die zur ersten Zeile örtlich im definierten Abstand versetzt ist. Aus der zeitlichen Korrelation der Abstandssignale der beiden Zeilen wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs berechnet. Mit Hilfe des Geschwindigkeitswerts wird dann ein exaktes, entzerrtes 3D-Bild des Fahrzeugs gewonnen. Weiter ermöglicht die örtlich versetzte zweite Zeile eine genaue Spurverfolgung des Fahrzeugs.

2. Auswerterechner 2.1 Rechneraufbau

Der Auswerterechner kann sowohl in den Sensor integriert werden als auch als externes Modul betrieben werden. Er besteht aus folgenden Subsystemen:

  • 1. Prozessorboard mit Steckplätzen für einen oder mehrere Prozessoren und Speicherbausteinen.
  • 2. Schnittstelle zum Sensor zum Entfernungsdatentransfer.
  • 3. Schnittstelle zur Übergabe der anwenderspezifischen Klassifizierungsdaten.
  • 4. Eventuell getrennte Schnittstelle zur Programmierung des Rechners.


Die Software des Auswerterechners besteht aus:

  • 1. Echtzeit-Betriebssystem.
  • 2. Treiberroutine für die Schnittstelle zum Entfernungsbildsensor.
  • 3. Auswerteprogramm mit den Funktionen
  • - Fahrzeugdetektion.
  • - Geschwindigkeitsbestimmung.
  • - Bestimmung der Länge, Höhe, Breite des Fahrzeugs.
  • - Bestimmung der Fahrzeugklasse.
  • - Fahrzeug Orts/Zeit Transformation zur Triggerung weiterer Sensoren.
  • 4. Treiberroutinen für Outputschnittstelle


Das Auswerteprogramm 3. ist speziell auf den Informationsgehalt des Entfernungsbildes ausgelegt und daher nur in Verbindung mit einer Entfernungsbildkamera funktionsfähig. Das Auswerteprogramm wird im Folgenden näher beschrieben.

2.2 Auswerteprogramm 2.2.1 Übersicht

Die Hauptfunktionen des Programms sind die Bestimmung von Fahrzeugklasse und Fahrzeuggeschwindigkeit aus den Sensorrohdaten in Echtzeit.

Der Prozeßablauf des Auswerteprogramms ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Es werden zwei parallele Prozesse implementiert, die den beiden Sensorzeilen zugeordnet sind. Beide Prozesse sind zyklisch; jeder Zyklus beginnt mit der Detektion des Fahrzeuganfangs und endet mit der Detektion des Fahrzeugendes. Dazwischen wird das Fahrzeugprofil in Höhe und Breite zeilenweise erfaßt, und es wird die laterale Position vermessen. Prozeß B ist zeitlich gegen Prozeß A versetzt, da die zweite Sensorzeile (in Fahrtrichtung) hinter der ersten liegt. Wenn die Fahrzeugfront von Prozeß B vollständig erfaßt ist, werden die Fahrzeugprofile der Zeile 1 und 2 korreliert. Aus der Korrelation ergibt sich der Geschwindigkeitsvektor mit hoher Genauigkeit. Die Geschwindigkeit wird unter anderem benötigt, um das gemessene Höhenprofil des Fahrzeugs zu entzerren. Das entzerrte Höhenprofil dient zur Klassifikation des Fahrzeugs. Die Outputdaten (z. B. Geschwindigkeitsvektor, laterale Position, Fahrzeugklasse) werden sofort nach der Detektion des Fahrzeugendes durch Prozeß B von diesem über die Schnittstelle ausgegeben, so daß Prozeß B für die Vermessung des nächsten Fahrzeugs zur Verfügung seht.

2.2.2 Detektion Fahrzeuganfang/Fahrzeugende

Der Doppelzeilenscanner ist dauernd in Betrieb und erzeugt zwei "Lichtvorhänge" auf der Fahrbahn. Dem Auswerterechner sind die Signale, die die Straße erzeugt, bekannt. Tritt nun ein Fahrzeug durch den ersten "Vorhang", wird dies vom Prozessor sofort als Veränderung detektiert und der Klassifizierungsprozeß eingeleitet. Das Detektionssignal wird auch zur Triggerung zusätzlicher Systeme verwendet.

2.2.3 Erfassung Fahrzeugprofil

Jede Datenzeile des Scanners definiert die Schnittlinie des betreffenden Scanfächers mit der Fahrzeugoberfläche. Die Korrelation dieser Kontur mit einem Rechtecksignal liefet die Merkmale (Fächer-)Höhe, Breite und laterale Position. Dieser Merkmalssatz wird im Sensortakt aus den Rohdaten extrahiert.

Der Höhenwert wird als Funktion des Sensortaktes gespeichert (sogenanntes Höhenprofil), um später für die Korrelation zur Verfügung zu stehen. Die Werte für die Breite werden statistisch analysiert; für Fahrzeuge mit konstanter Breite ergibt sich ein sehr genauer Mittelwert. Aus den Werten für die laterale Position wird später die laterale Geschwindigkeit abgeleitet.

2.2.4 Korrelation Höhenprofile

Die Höhenprofile der beiden Sensorzeilen werden von der Fächerhöhe auf die wahre Höhe umgerechnet ("Fächerkorrektur"). Das korrigierte Höhenprofil der ersten Zeile wird durch Verschieben auf der Zeitachse mit dem korrigierten Höhenprofil der zweiten Zeile optimal zur Deckung gebracht. Auf diese Weise gelingt eine genaue Zuordnung ("Korrelation") der einzelnen Höhenwerte bei beiden Scanzeilen.

2.2.5 Bestimmung Geschwindigkeitsvektor

Für jeden Höhenwert im Höhenprofil der ersten Scanzeile ist der zugehörige Sensortakt und somit die zugehörige Systemzeit bekannt. Für den korrelierten Höhenwert im Höhenprofil der zweiten Scanzeile ist dies auch der Fall. Aus dem Fächerabstand bei dieser Höhe und aus der Differenz der Systemzeiten läßt sich die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs für diesen einen Sensortakt bestimmen. Entsprechendes gilt für die laterale Position und die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs. Einen hochgenauen Wert für den Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeugs erhält man durch statistische Auswertung der einzelnen Vektoren für alle Sensortakte.

2.2.6 Klassifikation

Unter Verwendung der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit läßt sich das Höhenprofil des Fahrzeugs als Funktion des Ortes statt - wie bisher - der Zeit darstellen ("Normierung"). Zur Klassifikation wird das normierte Höhenprofil mit im Rechner gespeicherten Referenzprofilen verglichen. Der Vergleich der Kurven wird unscharf ("fuzzy") durchgeführt. Aus Rechenzeitgründen wird hierfür ein "Look-Up-Table" implementiert, in dem für einen Meßwert dessen Zugehörigkeitswerte zu allen Klassen nachgeschlagen werden können. Nach Vergleich aller Meßwerte ergibt sich eine beste Klasse mitsamt ihrer Vertrauenszahl.

Die Referenzprofile für unterschiedliche Klassen können entweder manuell implementiert werden oder sie können durch Messung mit dem System automatisch erfaßt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Auswertung von Verkehrssituationen des Straßenverkehrs oder Schienenverkehrs, mittels kontinuierlicher Aufnahme von Entfernungsbildern der Verkehrsszene, vorzugsweise von oben, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - die Verkehrsszene kontinuierlich zeilenförmig abgetastet wird und
    2. - durch die Bewegung der Fahrzeuge eine 3-dimensionale Darstellung der Verkehrsszene entsteht und
    3. - die Abtastung zweizeilig erfolgt und mit der Korrelation der beiden Zeilen die Geschwindigkeit der Fahrzeuge ermittelt und hiermit die 3. Dimension ihrer Darstellung korrigiert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch kontinuierliche Aufnahme von Entfernungsbildern, vorzugsweise von oben, und Auswertung der Bilddaten die Klassifizierung von Fahrzeugen erfolgt.
  3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung ein aktiver, elektrooptischer, scannender Sensor als Frontend des Systems verwendet wird.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Infrarot-Lasersensor verwendet wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Korrelation der beiden Zeilen die seitliche Bewegung der Fahrzeuge ermittelt wird und dadurch die Fahrzeuge auch bei Spurwechsel verfolgt werden können






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