EP4330113A1 - Verfahren und messsystem zur ermittlung einer position eines schienenfahrzeugs - Google Patents

Verfahren und messsystem zur ermittlung einer position eines schienenfahrzeugs

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EP4330113A1
EP4330113A1 EP22723550.4A EP22723550A EP4330113A1 EP 4330113 A1 EP4330113 A1 EP 4330113A1 EP 22723550 A EP22723550 A EP 22723550A EP 4330113 A1 EP4330113 A1 EP 4330113A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
stereo camera
measuring system
retroreflector
camera system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22723550.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Pröll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH
Original Assignee
Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH filed Critical Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH
Publication of EP4330113A1 publication Critical patent/EP4330113A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • B61L25/025—Absolute localisation, e.g. providing geodetic coordinates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L23/00—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains
    • B61L23/04—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains for monitoring the mechanical state of the route
    • B61L23/041—Obstacle detection
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B35/00—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a position of a rail vehicle moving on a track by means of a measuring system that includes a stereo camera system and an evaluation device, with the stereo camera system recording a pair of images of a reference marking in a lateral area surrounding the track and the position of the rail vehicle in relation to the reference marking is determined by means of photogrammetry.
  • the invention relates to a measuring system for carrying out the method.
  • AT 518579 A1 discloses a generic measuring system for determining position in track construction.
  • a rail vehicle equipped with the measuring system is thus localized.
  • this solution serves to record the current track position with millimeter precision.
  • the measuring system is used to compare measurements from an inertial measuring unit and a displacement transducer in a stationary reference system.
  • reference markings located next to the track are recorded using a stereo camera system and their position is determined. Marking bolts, which are attached to fixed equipment such as electric masts, usually serve as reference marks.
  • the object of the invention is to improve a method of the type mentioned at the outset in such a way that the detection and evaluation of a reference marking can be carried out without interference, independently of external influences.
  • Another object of the invention is to specify a corresponding measuring system. [04] According to the invention, this object is achieved by a method according to
  • At least one light source of the measuring system is used to illuminate a side area surrounding the rail vehicle with polarized light, the polarized light being reflected by a retroreflector located on the reference marking, and the polarized light reflected by the retroreflector being received by the stereo camera system through a polarization filter .
  • the polarization properties of the light emitted by the light source and the light received by the stereo camera system are matched to one another, taking into account the properties of the retroreflector.
  • the light from other artificial light sources and sunlight is blocked out. Only the area illuminated by the system's own light source is retroreflected in a predetermined manner and captured by the stereo camera system. The suppression of disturbing light influences leads to an optimization of the evaluation, because no computing effort is required to eliminate detection errors.
  • the direction of polarization is understood as meaning the orientation of the polarization of a linearly polarized light wave. This ensures that a reflective surface that happens to be on the side of the track is not interpreted as a reference mark.
  • a further improvement of the invention provides that the at least one light source emits polarized light in a specific spectral range and that the polarized light reflected by the retroreflector is received by the stereo camera system through a spectral filter adapted to this spectral range.
  • This additional coordination between the light source and the stereo camera system leads to a further reduction in possible interference. In any case, all sources of interference that emit light outside the selected spectral range are eliminated.
  • this ensures that the two images of a recorded pair of images are recorded exactly synchronously.
  • extremely short exposure times can be achieved thanks to the synchronous triggering of the light sources. This allows the method to be carried out when the rail vehicle is traveling at high speeds, without reducing the sharpness of the image.
  • a stereo camera system and an evaluation device are arranged on a rail vehicle, with at least one reference marking being arranged in a lateral area surrounding a track, with at least one light source of the measuring system being set up to generate polarized light, wherein the reference marking comprises a retroreflector for reflecting the polarized light and wherein the stereo camera system comprises a polarization filter whose polarization axis is aligned parallel to the polarization direction of the retroreflected light.
  • the retroreflector is a prismatic reflector which rotates the direction of polarization of a retroreflected light wave relative to an incident light wave by an angle of 90°.
  • a retroreflector can be distinguished particularly well from other reflecting surfaces in the detection field of the stereo camera system, because the light with rotated polarization can be clearly assigned to the retroreflector.
  • An improvement to the stereo camera system includes two cameras fixed to each other, with each camera having its own light source assigned.
  • This arrangement offers several advantages over a camera body with two lenses or an arrangement with a camera that records the respective image pair during a position change.
  • the fixed distance between the two cameras can be preset so that a particularly precise result is obtained using photogrammetry for the expected distance to the respective reference marking.
  • the respective light source is advantageously arranged as a ring flash around a lens of the associated camera.
  • the illumination of the retroreflector is optimized in relation to the respective camera axis.
  • a respective flash unit with several LEDs combine short exposure times with high light intensity, which means that sharp images are possible even at high relative speeds between the stereo camera system and the reference mark.
  • a spectral filter is arranged in front of each camera, which is tuned to the light from the associated light source.
  • the use of a light source with a narrow spectral range enables interference from sunlight or extraneous light sources to be efficiently blocked.
  • the rail vehicle 1 shown in FIG. 1 is, for example, a measuring car that can be moved along a track 3 on rail chassis 2 with its own drive. Other track-driven vehicles or track-laying machines are also suitable as carrier vehicles.
  • a stereo camera system 5 aligned to the side is arranged on a vehicle frame 4 . It serves as a component of a measuring system 6 for determining the position of the rail vehicle 1 relative to a reference marking 7 attached to the side surrounding the track 3.
  • IMU inertial measurement units
  • a measuring frame 10 optionally arranged on a rail chassis 2 is connected directly to the wheel axles. In this way, only minimal movements relative to the track 3 have to be compensated for so that the trajectory recorded by the inertial measuring unit 8 corresponds to the course of the track. This is done, for example, by means of non-contact motion sensors 11 that detect movements of the measuring frame 10 relative to the rails 12 of the track 3 .
  • Fig. 1 is indicated with dotted lines that the measuring frame 10 is also suitable for attaching the stereo camera system 5.
  • the existing motion sensors 11 are used to determine the current position of the stereo camera system 5 relative to the rails 12.
  • separate movement sensors 11 are provided so that the movements relative to the rails 12 are detected.
  • the absolute position of the rail vehicle 1 determined by means of the measuring system 6 can be directly transferred to the course of the track in order to determine the absolute position of the track.
  • Result are coordinates of running edges 13 of the rails 12 in a stationary coordinate system in which the reference mark 7 serves as a reference point.
  • the respective reference mark 7 is equipped with a retroreflector 15, so that good visibility using the stereo camera system 5 is ensured.
  • each incident light beam is reflected parallel to itself.
  • retroreflective discs with graphic designs are applied to the marker studs.
  • the respective retroreflector 15 comprises, for example, a large number of triple reflectors or triple prisms.
  • a triple reflector can be viewed as a three-dimensional corner of a cube.
  • Other reflectors can also be used, for example pentaprisms or an EDM reflector. Such reflectors combine reflection and refraction processes.
  • An evaluation algorithm for pattern recognition is set up in an evaluation device 16 . This analyzes whether an image of the reference marking 7 appears in the respective pair of images. If the reference marking 7 is found in both images of the recorded image pair, a next step of the evaluation logic begins. The position of a characteristic center of the reference marking 7 is determined in an entrained coordinate system by means of photogrammetry. Subsequently, a processor uses coordinate transformation to calculate the coordinates x p , y p and z p of the reference marking 7 in a track-related coordinate system x, y, z.
  • This coordinate system x, y, z is defined, for example, in the running edge 13 so that the coordinates x p , y p; z p of the reference marking 7 immediately reveals the absolute position of the recorded course of the running edge 13 .
  • FIG. 3 shows the stereo camera system 5 shown in FIG. 2 in a side view. It includes two cameras 17 which are aligned at a fixed distance from one another. For this purpose, a common holder 18 is provided, which advantageously enables the cameras 17 to be adjusted by means of adjusting elements.
  • Each camera 17 comprises a camera housing 19 with an image sensor and a lens 20.
  • the focal length and aperture of the lens 20 are set in such a way that the lateral surroundings of the track 4 are sharply imaged over a large distance range.
  • a ring flash is arranged around each lens 20 as the light source 21 and comprises a plurality of light-emitting diodes in each case.
  • polarized light is generated by the light source 21 .
  • a polarization filter 22 is arranged in front of the respective lens 20 , through which the polarized light reflected by the retroreflector 15 impinges on the image sensor of the camera housing 19 .
  • the light source 21 embodied as a flashlight comprises a first polarization filter (polarizer) 22 with a specific first polarization direction.
  • the light generated by the light source 21 is polarized by means of the polarization filter 22 by absorption.
  • the axis of the polarization filter 22 determines the direction of polarization (orientation) of the transmitted linearly polarized light.
  • the retroreflector 15 is advantageously designed as a prismatic reflector (prism reflector).
  • a prismatic reflector comprises a multiplicity of triple prisms arranged next to one another. Each triple prism is made of optically transparent material. The respective triple prism is flat on the front side. On the back, three triple surfaces are formed perpendicular to one another. A relative phase shift between the s- and p-polarized components of an incident light wave 23 occurs at these reflection surfaces. Therefore, the orientation of the Polarization of a retroreflected light wave 24 compared to the incident light wave 23. Specifically, the three reflections on the three reflection surfaces cause the polarization to be retained, but its orientation is rotated by an angle f of 90°.
  • the second polarization filter 22 arranged in front of the camera 17 has an axis rotated by 90° with respect to the first polarization filter 22 .
  • the second polarization filter 22 is therefore permeable for the retro-reflected light wave 24 because the direction of polarization of the light wave 24 is also rotated by 90°. Light waves with a different polarization direction are blocked.
  • the light source 21 emits light in a specific spectral range, for example with a wavelength of approximately 660 nm.
  • a spectral filter 25 is arranged in front of the respective lens 20, which filter is tuned to this spectral range. Light with a wavelength of 660 nm is still in the range visible to humans and triggers a song closure reflex. This ensures that an accidental look into the light source 21 does not lead to injuries.
  • Fig. 5 shows an exemplary surface of the reference mark 7.
  • This consists of a square with a light-absorbing coating in which several circles with a retroreflective surface are arranged.
  • the center of the inner circle forms the center of the reference mark 7, which is assigned fixed coordinates.
  • the redundant graphic design of the surface and the circular graphic elements result in advantages for the evaluation.
  • the reference marking 7 can still be recognized when individual graphic elements are covered or dirty.
  • the ability to evaluate the circular graphic elements is retained even in the case of fuzzy or overexposed images, because the respective center point of the circle can always be clearly determined.
  • the light source includes 21 stroboscope flashes 26, by means of which the lateral environment of the track 3 with consecutive Light pulses is illuminated. Special devices can generate light pulses lasting a few tens of nanoseconds. A large number of light-emitting elements 27 ensure a high level of luminosity. Such flash lighting is many times (eg by a factor of 25) brighter than permanently lit variants. Due to the high light output, extraneous light and solar radiation are blended. In addition, noise-free image recordings are possible at high movement speeds.
  • the stroboscopic flashes 26 are controlled together with the Karners 17 by means of a trigger pulse generator 28, as shown in FIG. Trigger pulses 29 are thus generated, which ensure synchronous triggering of the stroboscopic flashes 26 and the cameras 17 .
  • the shutter speed of the respective camera 17 is matched to the respective triggering time of the assigned stroboscopic flash 26 .
  • the exposure time is determined by the duration of the light pulses of the stroboscopic flash 26. The extremely short exposure times thus achieved allow the rail vehicle 1 to travel at a high speed of more than 100 km/h without impairing the sharpness of the image pairs recorded.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Schienenfahrzeugs (1), welches sich auf einem Gleis (3) bewegt, mittels eines Messsystems (6), das ein Stereokamerasystem (5) und eine Auswerteeinrichtung (16) umfasst, wobei mittels des Stereokamerasystems (5) ein Bildpaar von einer Referenzmarkierung (7) in einer seitlichen Umgebung des Gleises (3) aufgenommen wird und wobei mittels Photogrammetrie die Position des Schienenfahrzeugs (1) in Bezug auf die Referenzmarkierung (7) ermittelt wird. Dabei wird mittels zumindest einer Lichtquelle (21) des Messsystems (6) eine seitliche Umgebung des Schienenfahrzeugs (1) mit polarisiertem Licht beleuchtet, wobei das polarisierte Licht durch einen auf der Referenzmarkierung (7) befindlichen Retroreflektor (15) reflektiert wird und wobei das vom Retroreflektor (15) reflektierte polarisierte Licht mittels des Stereokamerasystems (5) durch einen Polarisationsfilter (22) empfangen wird. Auf diese Weise werden Sonnenlicht und das Licht von anderen künstlichen Lichtquellen ausgeblendet.

Description

Beschreibung
Verfahren und Messsystem zur Ermittlung einer Position eines Schienenfahrzeugs
Technisches Gebiet
[01] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Schienenfahrzeugs, welches sich auf einem Gleis bewegt, mittels eines Messsystems, das ein Stereokamerasystem und eine Auswerteeinrichtung umfasst, wobei mittels des Stereokamerasystems ein Bildpaar von einer Referenzmarkierung in einer seitlichen Umgebung des Gleises aufgenommen wird und wobei mittels Photogrammetrie die Position des Schienenfahrzeugs in Bezug auf die Referenzmarkierung ermittelt wird. Zudem betrifft die Erfindung ein Messsystem zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
[02] Ein gattungsgemäßes Messsystem zur Positionsbestimmung im Gleisbau offenbart die AT 518579 A1. Einerseits wird damit eine Lokalisierung eines mit dem Messsystem ausgestatteten Schienenfahrzeugs durchgeführt. Andererseits dient diese Lösung zur millimetergenauen Erfassung einer aktuellen Gleislage. Konkret wird das Messsystem genutzt, um in einem ortsfesten Bezugssystem Messungen einer Inertialmesseinheit und eines Wegaufnehmers abzugleichen. Dazu werden neben dem Gleis befindliche Referenzmarkierungen mittels eines Stereokamerasystems aufgenommen und deren Lage bestimmt. Als Referenzmarkierungen dienen gewöhnlich Vermarkungsbolzen, die an fixen Einrichtungen wie Elektromasten angebracht sind.
Darstellung der Erfindung
[03] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Erkennung und Auswertung einer Referenzmarkierung unabhängig von äußeren Einflüssen störungsfrei durchführbar ist. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Messsystem anzugeben. [04] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß
Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 5. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
[05] Dabei wird mittels zumindest einer Lichtquelle des Messsystems eine seitliche Umgebung des Schienenfahrzeugs mit polarisiertem Licht beleuchtet, wobei das polarisierte Licht durch einen auf der Referenzmarkierung befindlichen Retroreflektor reflektiert wird und wobei das vom Retroreflektor reflektierte polarisierte Licht mittels des Stereokamerasystems durch einen Polarisationsfilter empfangen wird. Dabei sind die Polarisationseigenschaften des von der Lichtquelle abgegebenen Lichts und des vom Stereokamerasystem empfangenen Lichts unter Einbeziehung der Eigenschaften des Retroreflektors aufeinander abgestimmt. Das Licht von anderen künstlichen Lichtquellen und Sonnenlicht wird ausgeblendet. Nur der mittels der systemeigenen Lichtquelle angestrahlte Bereich wird in vorgegebener Weise retroreflektiert und vom Stereokamerasystem erfasst. Die Ausblendung von störenden Lichteinflüssen führt zu einer Optimierung der Auswertung, weil kein Rechenaufwand zur Eliminierung von Erfassungsfehlern aufgewendet werden muss.
[06] In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die
Polarisationsrichtung einer retroreflektierten Lichtwelle gegenüber einer einfallenden Lichtwelle mittels des Retroreflektors um einen vorgegebenen Winkel, insbesondere um 90°, gedreht. Unter Polarisationsrichtung wird die Orientierung der Polarisation einer linear polarisierten Lichtwelle verstanden. Damit wird sichergestellt, dass nicht eine zufällig im Seitenbereich des Gleises befindliche Reflexionsfläche als Referenzmarkierung interpretiert wird.
[07] Eine weitere Verbesserung der Erfindung sieht vor, dass mittels der zumindest einen Lichtquelle polarisiertes Licht in einem bestimmten Spektralbereich abgegeben wird und dass das vom Retroreflektor reflektierte polarisierte Licht mittels des Stereokamerasystems durch einen an diesen Spektralbereich angepassten Spektralfilter empfangen wird. Diese zusätzliche Abstimmung zwischen Lichtquelle und Stereokamerasystem führt zu einer weiteren Reduktion möglicher Störungen. Eliminiert werden jedenfalls alle Störquellen, die Licht außerhalb des gewählten Spektralbereichs abgeben. [08] Für eine weitere Optimierung des Verfahrens ist es von Vorteil, wenn zwei Kameras des Stereokamerasystems und zwei Lichtquellen, die jeweils einer Kamera zugeordnet sind, mittels eines gemeinsamen Auslöseimpulsgenerators (Trigger Pulse Generator) angesteuert werden. Aufeinanderfolgende Erfassungsereignisse der seitlichen Umgebung des Gleises werden durch eine Abfolge synchroner Impulse angestoßen. Damit ist einerseits sichergestellt, dass die beiden Bilder eines aufgenommen Bildpaares exakt synchron aufgenommen werden. Andrerseits sind durch die synchrone Auslösung der Lichtquellen extrem kurze Belichtungszeiten erzielbar. Das ermöglicht die Durchführung des Verfahrens bei hohen Fahrgeschwindigkeiten des Schienenfahrzeugs, ohne Reduktion der Bildschärfe.
[09] Beim erfindungsgemäßen Messsystem zur Durchführung eines der beschriebenen Verfahren sind an einem Schienenfahrzeug ein Stereokamerasystem und eine Auswerteeinrichtung angeordnet, wobei in einer seitlichen Umgebung eines Gleises zumindest eine Referenzmarkierung angeordnet ist, wobei zumindest eine Lichtquelle des Messsystems zur Erzeugung von polarisiertem Licht eingerichtet ist, wobei die Referenzmarkierung einen Retroreflektor zur Reflexion des polarisierten Lichts umfasst und wobei das Stereokamerasystem einen Polarisationsfilter umfasst, dessen Polarisationsachse parallel zur Polarisationsrichtung des retroreflektierten Lichts ausgerichtet ist. Auf diese Weise sind die Systemkomponenten aufeinander abgestimmt, damit auch bei ungünstigen Umgebungseinflüssen eine störungsfreie Erfassung der Referenzmarkierung erfolgt.
[10] In einer vorteilhaften Weiterbildung des Systems ist der Retroreflektor ein prismatischer Reflektor, der die Polarisationsrichtung einer retroreflektierten Lichtwelle gegenüber einer einfallenden Lichtwelle um einen Winkel von 90° dreht. Ein solcher Retroreflektor ist besonders gut unterscheidbar von anderen reflektierenden Flächen im Erfassungsfeld des Stereokamerasystems, weil das Licht mit gedrehter Polarisation eindeutige dem Retroreflektor zuordenbar ist.
[11] Eine Verbesserung des Stereokamerasystems umfasst zwei zueinander fix ausgerichtete Kameras, wobei jeder Kamera eine eigene Lichtquelle zugeordnet ist. Diese Anordnung bietet mehrere Vorteile gegenüber einem Kameragehäuse mit zwei Objektiven oder einer Anordnung mit einer Kamera, die das jeweilige Bildpaar während einer Positionsänderung aufnimmt. Insbesondere ist der fixe Abstand der beiden Kameras zueinander voreinstellbar, damit sich für die zu erwartende Distanz zur jeweiligen Referenzmarkierung ein besonders genaues Ergebnis mittels Photogrammetrie ergibt.
[12] Bei dieser Ausprägung ist vorteilhafterweise die jeweilige Lichtquelle als Ringblitz um ein Objektiv der zugeordneten Kamera angeordnet. Mit dieser Anordnung erfolgt eine optimierte Beleuchtung des Retroreflektors in Bezug auf die jeweilige Kameraachse. Eine jeweilige Blitzeinheit mit mehreren LEDs kombinieren kurzen Belichtungszeiten mit einer hohen Lichtstärke, wodurch auch bei hoher Relativgeschwindigkeit zwischen Stereokamerasystem und Referenzmarkierung scharfe Aufnahmen möglich sind.
[13] Für eine gemeinsame Ansteuerung der Kameras und der Lichtquellen ist sinnvollerweise ein gemeinsamer Auslöseimpulsgenerator angeordnet. Beispielsweise ist dieser mit einer Ansteuerungseinheit in der Auswerteeinrichtung integriert.
[14] Bei einer Weiterbildung des Systems ist vor jeder Kamera ein Spektralfilter angeordnet, der auf das Licht der zugeordneten Lichtquelle abgestimmt ist. Der Einsatz einer Lichtquelle mit einem engen Spektralbereich ermöglicht dabei eine effiziente Blockierung von Störeinflüssen durch Sonnenlicht oder Fremdlichtquellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[15] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Schienenfahrzeug mit einem Stereokamerasystem Fig. 2 Messsystem in einer Schnittansicht durch ein Gleis Fig. 3 Stereokamerasystem gemäß Fig. 2 in einer Seitenansicht Fig. 4 Schematische Anordnung einer Lichtquelle, einer Referenzmarkierung und einer Kamera Fig. 5 Referenzmarkierung in einer Vorderansicht Fig. 6 Blockschaltbild
Beschreibung der Ausführungsformen
[16] Das in Fig. 1 dargestellte Schienenfahrzeug 1 ist beispielsweise ein Messwagen, der mit eigenem Antrieb auf Schienenfahrwerken 2 entlang eines Gleises 3 verfahrbar ist. Auch andere gleisfahrbare Fahrzeuge oder Gleisbaumaschinen eigenen sich als Trägerfahrzeug. An einem Fahrzeugrahmen 4 ist ein zur Seite ausgerichtetes Stereokamerasystem 5 angeordnet. Es dient als Komponente eines Messsystems 6 zur Bestimmung der Position des Schienenfahrzeugs 1 gegenüber einer in einer seitlichen Umgebung des Gleises 3 angebrachten Referenzmarkierung 7.
[17] Am Schienenfahrzeug 1 sind weitere Sensoren und Messeinrichtungen angeordnet, um eine relative Gleislage zu erfassen. Beispielsweise erfassen Inertialmesseinheiten (IMU) 8 während des Befahrens eine Trajektorie des Gleises 3. Mittels Laserscanner 9 wird die gesamte Oberfläche des Gleises 3 und der unmittelbaren Umgebung aufgezeichnet.
[18] Ein optional an einem Schienenfahrwerk 2 angeordneter Messrahmen 10 ist direkt mit den Radachsen verbunden. Auf diese Weise müssen nur minimale Relativbewegungen gegenüber dem Gleis 3 kompensiert werden, damit die mittels der Inertialmesseinheit 8 erfasste Trajektorie dem Gleisverlauf entspricht. Das geschieht beispielsweise mittels berührungsloser Bewegungssensoren 11, die Bewegungen des Messrahmens 10 gegenüber Schienen 12 des Gleise 3 erfassen.
[19] In Fig. 1 ist mit gepunkteten Linien angedeutet, dass sich auch der Messrahmen 10 zur Anbringung des Stereokamerasystems 5 eignet. Dabei werden die vorhandenen Bewegungssensoren 11 zur Bestimmung der aktuellen Lage des Stereokamerasystems 5 gegenüber den Schienen 12 genutzt. Bei der alternativen Anordnung am Fahrzeugrahmen 4 sind eigene Bewegungssensoren 11 vorgesehen, damit die Relativbewegungen gegenüber den Schienen 12 erfasst werden. Auf diese Weise ist die mittels des Messsystems 6 ermittelte absolute Position des Schienenfahrzeugs 1 unmittelbar auf den Gleisverlauf übertragbar, um die absolute Gleislage zu bestimmen. Ergebnis sind Koordinaten von Fahrkanten 13 der Schienen 12 in einem ortsfesten Koordinatensystem, in dem die Referenzmarkierung 7 als Bezugspunkt dient.
[20] Die Erfassung der absoluten Position des Schienenfahrzeugs 1 wird anhand der Fig. 2 erläutert. Während einer Fahrt auf dem Gleis 3 nimmt das Stereokamerasystem 5 laufend Bildpaare der seitlichen Umgebung des Gleises 3 auf. Auf vielen Bahnstrecken sind bereits Markierungsbolzen auf Masten 14 oder auf sonstigen fixen Einrichtungen angebracht. Deren Ortskoordinaten sind in einem Verzeichnis abgespeichert. Günstigerweise werden die Koordinaten dieser Markierungsbolzen auch für die Referenzmarkierungen 7 genutzt. Entlang einer Gleisstrecke können jedoch auch neue Referenzmarkierungen 7 gesetzt werden.
[21] Erfindungsgemäß ist die jeweilige Referenzmarkierung 7 mit einem Retroreflektor 15 ausgestattet, damit eine gute Erkennbarkeit mittels des Stereokamerasystems 5 sichergestellt ist. Mittels des Retroreflektors 15 wird jeder einfallende Lichtstrahl parallel zu sich selbst reflektiert. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden retroreflektierende Scheiben mit graphischen Mustern auf den Markierungsbolzen angebracht. Der jeweilige Retroreflektor 15 umfasst beispielsweise eine Vielzahl an Tripelreflektoren oder Tripelprismen. Geometrisch ist ein Tripelreflektor als eine räumliche Ecke eines Würfels anzusehen. Auch andere Reflektoren können zum Einsatz kommen, beispielsweise Pentaprismen oder ein EDM- Reflektor. Solche Reflektoren kombinieren Reflexions- und Brechungsvorgänge.
[22] In einer Auswerteeinrichtung 16 ist ein Auswertealgorithmus zur Mustererkennung eingerichtet. Damit wird analysiert, ob im jeweiligen Bildpaar eine Abbildung der Referenzmarkierung 7 aufscheint. Wenn in beiden Bildern des aufgenommenen Bildpaares die Referenzmarkierung 7 gefunden wird, beginnt ein nächster Schritt der Auswertelogik. Dabei wird mittels Photogrammetrie die Lage eines charakteristischen Zentrums der Referenzmarkierung 7 in einem mitgeführten Koordinatensystem bestimmt. In weiterer Folge berechnet ein Prozessor durch Koordinatentransformation die Koordinaten xp, yp und zp der Referenzmarkierung 7 in einem gleisbezogenen Koordinatensystem x, y, z. Der Ursprung dieses Koordinatensystems x, y, z wird beispielsweise in der Fahrkante 13 festgelegt sodass aus den Koordinaten xp, yp; zp der Referenzmarkierung 7 unmittelbar die absolute Lage des erfassten Verlaufs der Fahrkante 13 hervorgeht.
[23] Fig. 3 zeigt das in Fig. 2 dargestellte Stereokamerasystem 5 in einer Seitenansicht. Es umfasst zwei Kameras 17, die mit einem fixen Abstand zueinander ausgerichtet sind. Dazu ist eine gemeinsame Halterung 18 vorgesehen, die vorteilhafterweise über Stellelemente eine Justierung der Kameras 17 ermöglicht.
[24] Jede Kamera 17 umfasst ein Kameragehäuse 19 mit einem Bildsensor und ein Objektiv 20. Brennweite und Blende des Objektivs 20 sind so eingestellt, dass die seitliche Umgebung des Gleises 4 in einem großen Abstandsbereich scharf abgebildet wird. Als Lichtquelle 21 ist um jedes Objektiv 20 ein Ringblitz angeordnet, der jeweils mehrere Leuchtdioden umfasst. Erfindungsgemäß wird mittels der Lichtquelle 21 polarisiertes Licht erzeugt. Vor dem jeweiligen Objektiv 20 ist ein Polarisationsfilter 22 angeordnet, durch den das vom Retroreflektor 15 reflektierte polarisierte Licht auf den Bildsensor des Kameragehäuses 19 fällt.
[25] In Fig. 4 ist eine vorteilhafte Anordnung einer Kamera 17, der zugeordneten Lichtquelle 21 und des Retroreflektors 15 schematisch dargestellt. Die als Blitzlicht ausgebildete Lichtquelle 21 umfasst einen ersten Polarisationsfilter (Polarisator) 22 mit einer bestimmten ersten Polarisationsrichtung. Mittels des Polarisationsfilters 22 erfolgt eine Polarisation des von der Lichtquelle 21 erzeugten Lichts durch Absorption. Dabei bestimmt die Achse des Polarisationsfilters 22 die Polarisationsrichtung (Orientierung) des durchgelassenen linear polarisierten Lichts.
[26] Der Retroreflektor 15 ist vorteilhafterweise als prismatischer Reflektor (Prismenreflektor) ausgebildet. Ein prismatischer Reflektor umfasst eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Tripelprismas. Jedes Tripelprisma besteht aus optisch transparentem Material. An der Vorderseite ist das jeweilige Tripelprisma plan. Rückseitig sind drei Tripelflächen zueinander senkrecht ausgebildet. An diesen Reflexionsflächen tritt eine relative Phasenverschiebung zwischen den s- und p-polarisierten Anteilen einer einfallenden Lichtwelle 23 auf. Deshalb verändert sich die Orientierung der Polarisation einer retroreflektierten Lichtwelle 24 gegenüber der einfallenden Lichtwelle 23. Konkret bewirken die drei Reflexionen an den drei Reflexionsflächen, dass die Polarisation erhalten bleibt, aber ihre Orientierung um einen Winkel f von 90° gedreht wird.
[27] Der vor der Kamera 17 angeordnete zweite Polarisationsfilter 22 weist gegenüber dem ersten Polarisationsfilter 22 eine um 90° gedrehte Achse auf. Somit ist der zweite Polarisationsfilter 22 für die retroreflektierte Lichtwelle 24 durchlässig, weil die Polarisationsrichtung der Lichtwelle 24 ebenfalls um 90° gedreht ist. Lichtwellen mit anderer Polarisationsrichtung werden blockiert.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass nur das vom Retroreflektor 15 reflektierte Licht der Lichtquelle 21 auf den Sensor der zugeordneten Kamera 17 trifft und in weiterer Folge ausgewertet wird.
[28] Eine zusätzliche Verbesserung sieht vor, dass mittels der Lichtquelle 21 Licht in einem bestimmten Spektralbereich abgegeben wird, beispielsweise mit einer Wellenlänge von ca. 660nm. Vor dem jeweiligen Objektiv 20 ist zudem ein Spektralfilter 25 angeordnet, der auf diesen Spektralbereich abgestimmt ist. Licht mit einer Wellenlänge von 660nm liegt noch im für Menschen sichtbaren Bereich und löst einen Liedschlussreflex aus. Damit ist sichergestellt, dass ein zufälliger Blick in die Lichtquelle 21 zu keinen Verletzungen führt.
[29] Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Oberfläche der Referenzmarkierung 7. Diese besteht aus einem Quadrat mit einer lichtabsorbierenden Beschichtung, in dem mehrere Kreise mit einer retroreflektierenden Oberfläche angeordnet sind. Der Mittelpunkt des inneren Kreises bildet das Zentrum der Referenzmarkierung 7, dem ortsfeste Koordinaten zugeordnet sind. Durch die redundante graphische Gestaltung der Oberfläche und die kreisrunden Graphikelemente ergeben sich Vorteile für die Auswertung. Einerseits ist die Referenzmarkierung 7 auch dann noch erkennbar, wenn einzelne Graphikelemente verdeckt oder verschmutzt sind. Andererseits bleibt die Auswertbarkeit der kreisrunden Graphikelemente auch bei unscharfen oder überstrahlten Aufnahmen erhalten, weil der jeweilig Kreismittelpunkt immer eindeutig bestimmbar ist.
[30] In einer weiteren Verbesserung umfasst die Lichtquelle 21 Stroboskopblitze 26, mittels derer die seitliche Umgebung des Gleises 3 mit aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen beleuchtet wird. Spezielle Geräte können Lichtimpulse mit einer Dauer von wenigen zehn Nanosekunden erzeugen. Dabei sorgt eine Vielzahl von Leuchtelementen 27 für eine hohe Leuchtstärke. Eine derartige Blitzbeleuchtung ist um ein Vielfaches (z.B. um den Faktor 25) heller als permanent leuchtende Varianten. Durch die hohe Lichtleistung wird Fremdlicht und Sonneneinstrahlung überblendet. Zudem sind rauschfreie Bildaufnahmen bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten möglich.
[31] Angesteuert werden die Stroboskopblitze 26 gemeinsam mit den Karners 17 mittels eines Auslöseimpulsgenerators 28, wie in Fig. 6 dargestellt. Damit werden Triggerimpulse 29 erzeugt, die eine synchrone Auslösung der Stroboskopblitze 26 und der Kameras 17 sicherstellen. Die Verschlusszeit der jeweiligen Kamera 17 ist dabei auf den jeweiligen Auslösezeitpunkt des zugeordneten Stroboskopblitzes 26 abgestimmt. Die Belichtungszeit wird durch die Dauer der Lichtimpulse des Stroboskopblitzes 26 bestimmt. Die damit erreichten extrem kurzen Belichtungszeiten erlauben eine hohe Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs 1 von über 100 km/h, ohne die Schärfe der aufgenommenen Bildpaare zu beeinträchtigen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Schienenfahrzeugs (1), welches sich auf einem Gleis (3) bewegt mittels eines Messsystems (6), das ein Stereokamerasystem (5) und eine Auswerteeinrichtung (16) umfasst, wobei mittels des Stereokamerasystems (5) ein Bildpaar von einer Referenzmarkierung (7) in einer seitlichen Umgebung des Gleises (3) aufgenommen wird und wobei mittels Photogrammetrie die Position des Schienenfahrzeugs (1) in Bezug auf die Referenzmarkierung (7) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest einer Lichtquelle (21) des Messsystems (6) eine seitliche Umgebung des Schienenfahrzeugs (1) mit polarisiertem Licht beleuchtet wird, dass das polarisierte Licht durch einen auf der Referenzmarkierung (7) befindlichen Retroreflektor (15) reflektiert wird und dass das vom Retroreflektor (15) reflektierte polarisierte Licht mittels des Stereokamerasystems (5) durch einen Polarisationsfilter (22) empfangen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtung einer retroreflektierten Lichtwelle (24) gegenüber einer einfallenden Lichtwelle (23) mittels des Retroreflektors (15) um einen vorgegebenen Winkel (f), insbesondere um 90°, gedreht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der zumindest einen Lichtquelle (21) polarisiertes Licht in einem bestimmten Spektralbereich abgegeben wird und dass das vom Retroreflektor (15) reflektierte polarisierte Licht mittels des Stereokamerasystems (5) durch einen an diesen Spektralbereich angepassten Spektralfilter (25) empfangen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kameras (17) des Stereokamerasystems (5) und zwei Lichtquellen (21), die jeweils einer Kamera (17) zugeordnet sind, mittels eines gemeinsamen Auslöseimpulsgenerators (28) angesteuert werden.
5. Messsystem (6) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei an einem Schienenfahrzeug (1) ein Stereokamerasystem (5) und eine Auswerteeinrichtung (16) angeordnet sind und wobei in einer seitlichen Umgebung eines Gleises (3) zumindest eine Referenzmarkierung (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lichtquelle (21) des Messsystems (6) zur Erzeugung von polarisiertem Licht eingerichtet ist, dass die Referenzmarkierung (7) einen Retroreflektor (15) zur Reflexion des polarisierten Lichts umfasst und dass das Stereokamerasystem (5) einen Polarisationsfilter (22) umfasst, dessen Polarisationsachse parallel zur Polarisationsrichtung des retroreflektierten Lichts ausgerichtet ist.
6. Messsystem (6) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Retroreflektor (15) ausgebildet ist als prismatischer Reflektor, der die Polarisationsrichtung einer retroreflektierten Lichtwelle (24) gegenüber einer einfallenden Lichtwelle (23) um einen Winkel (f) von 90° dreht.
7. Messsystem (6) Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stereokamerasystem (5) zwei zueinander fix ausgerichtete Kameras (17) umfasst und dass jeder Kamera (17) eine eigene Lichtquelle (21) zugeordnet ist.
8. Messsystem (6) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Lichtquelle (21) als Ringblitz um ein Objektiv (20) der zugeordneten Kamera (17) angeordnet ist.
9. Messsystem (6) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameras (17) und die Lichtquellen (21) mittels eines gemeinsamen Auslöseimpulsgenerators (28) angesteuert sind.
10. Messsystem (6) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass vor jeder Kamera (17) ein Spektralfilter (25) angeordnet ist, der auf das Licht der zugeordneten Lichtquelle (21) abgestimmt ist.
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