EP4105103A1 - Selbstjustierende umfelderfassungseinrichtung für schienenfahrzeuge - Google Patents

Selbstjustierende umfelderfassungseinrichtung für schienenfahrzeuge Download PDF

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EP4105103A1
EP4105103A1 EP22166893.2A EP22166893A EP4105103A1 EP 4105103 A1 EP4105103 A1 EP 4105103A1 EP 22166893 A EP22166893 A EP 22166893A EP 4105103 A1 EP4105103 A1 EP 4105103A1
Authority
EP
European Patent Office
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detection unit
rail
unit
detected
environment
Prior art date
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Granted
Application number
EP22166893.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4105103B1 (de
Inventor
Emanuel Brämer
Dominik MÜLLER
Kristian Weiß
Andreas Ziroff
Dominik Zoeke
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.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility 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 Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of EP4105103A1 publication Critical patent/EP4105103A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4105103B1 publication Critical patent/EP4105103B1/de
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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or train for signalling purposes
    • B61L15/0072—On-board train data handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • B61L25/021—Measuring and recording of train speed

Definitions

  • the invention relates to an environment detection device.
  • the invention also relates to a surroundings detection method.
  • the invention also relates to a rail vehicle.
  • sensor devices Due to the long braking distances in rail traffic, sensor devices are required for assisted driving or even autonomous driving of rail vehicles, with which an area far away from the rail vehicle, particularly in the vicinity of the rail route traveled by the rail vehicle, can be monitored.
  • the sensors used hitherto have generally only had a low resolution, so that it has hitherto not been possible to classify or identify different objects over large distances.
  • Part of the surroundings detection device according to the invention is also a surroundings detection unit, which is arranged or aligned in a fixed orientation relationship to the rail section detection unit and is set up to record the surroundings of the rail vehicle, which are also preferably located in the front area in front of the rail vehicle, and the course of the rails or the rail section, which may be part of the Environment is to capture.
  • a fixed orientation relationship should be understood to mean that the relative orientation of the rail section detection unit and the environment detection unit are always constant.
  • the surroundings detection device comprises a bearing or bearing unit common to the rail section detection unit and the surroundings detection unit.
  • the surroundings detection device includes a control unit.
  • the storage unit is set up to store the rail section detection unit and the environment detection unit in an orientation-stable manner.
  • Orientation-stable mounting should be understood in this context to mean that a preferably common orientation of the rail section detection unit and the environment detection unit set by the control unit is maintained by the mounting, even if the rail vehicle changes its orientation.
  • the bearing must therefore allow a rotary movement or pivoting movement of the rail vehicle relative to the rail section detection unit and the environment detection unit, without this movement of the rail vehicle being transmitted to the rail section detection unit and the environment detection unit.
  • the control unit is designed to align the orientation of the environment detection unit with the detected position and the course of the railway line detected by the railway line detection unit, so that the region of the railway line and the environment of the railway line can be captured by the environment detection unit.
  • self-adjusting monitoring of a rail section preferably located in front of a rail vehicle takes place in that the rail section is detected and localized by the rail section detection unit and this, together with the environment detection unit, is aligned with a section of the rail line to be monitored.
  • the actual monitoring and identification of objects in the observation area is then carried out on the basis of data from the surroundings detection unit. If the course of the rail line changes, this change is detected by the rail line detection unit and the environment detection unit is precisely aligned with the rail line detection unit by the control unit to the observation area around the rail line or tracked accordingly. Due to the automated tracking, the extent of the field of view of the surroundings detection unit can be reduced by one to two orders of magnitude compared to a sensor unit without such tracking. This reduction is associated with an improvement in the sharpness of direction, the resolution and the range of the environment detection unit.
  • a position and a course of a rail section in the vicinity of a rail vehicle are detected by a rail section detection unit.
  • the environment of the rail vehicle is detected by an environment detection unit, which is arranged in a fixed orientation relationship to the track detection unit.
  • the rail section detection unit and the environment detection unit are mounted in a common mounting unit in a stable orientation.
  • the orientation of the environment detection unit is adjusted by a control unit to the detected course of the rail line, so that the area of the rail line and the environment of the rail line can be detected by the environment detection unit.
  • the surroundings detection method according to the invention shares the advantages of the surroundings detection device according to the invention.
  • the rail vehicle according to the invention has the surroundings detection device according to the invention.
  • the rail vehicle according to the invention shares the advantages of the surroundings detection device according to the invention.
  • Some components of the surroundings detection device according to the invention can, if necessary after the addition of hardware systems, such as a sensor unit and mechanical components of a storage unit, for the most part be designed in the form of software components. This applies in particular to parts of the control unit and the storage unit.
  • these components can also be partially implemented in the form of software-supported hardware, for example FPGAs or the like, particularly when particularly fast calculations are involved.
  • the required interfaces for example when it is only a matter of taking over data from other software components, can be designed as software interfaces. However, they can also be in the form of hardware interfaces that are controlled by suitable software.
  • a largely software-based implementation has the advantage that even previously existing in a rail vehicle computer systems after a possible supplement by additional Hardware elements, such as additional sensor units, can be retrofitted in a simple manner by means of a software update in order to work in the manner according to the invention.
  • the object is also achieved by a corresponding computer program product with a computer program, which can be loaded directly into a memory device of such a computer system, with program sections to execute the steps of the method according to the invention that can be implemented by software when the computer program is executed in the computer system.
  • such a computer program product may also include additional components such as documentation and/or additional components, including hardware components such as hardware keys (dongles, etc.) for using the software
  • a computer-readable medium for example a memory stick, a hard disk or another transportable or permanently installed data medium, on which the program sections of the computer program that can be read and executed by a computer unit are stored, can be used for transport to the storage device of the computer system and/or for storage on the computer system.
  • the computer unit can, for example, have one or more microprocessors or the like working together.
  • the storage unit includes a gimbal.
  • a gimbal is to be understood as a motorized storage unit that can make movements of a sensor unit smoother or stabilize an observation or recording area.
  • the rail section detection unit and the surroundings detection unit are then arranged in a fixed orientation relationship on the gimbal.
  • the two sensor units only have to be calibrated once in advance with respect to their orientation, since they both have a fixed orientation relationship to one another, which can no longer change during operation.
  • Such a gimbal can include command data as input variables for controlling an orientation generated or determined or to be set on the basis of the sensor data of the rail section detection unit.
  • input variables can also include movements of the rail vehicle, a so-called sine run, as well as deviations in height as a result of unevenness in the track and a current incline.
  • the sensors of the surroundings detection device can be tracked more precisely and without interference.
  • Such a bearing unit can, in particular, comprise a cardanic suspension, which prevents an unwanted change in direction of the sensor system due to external mechanical influences.
  • the measurement accuracy of both the track section detection unit and the environment detection unit can advantageously be increased.
  • Using a gimbal can reduce field-of-view drift from passive sensors, such as optical sensors or infrared sensors. This allows longer "exposure times" to be implemented, which improves the sensitivity of the passive sensors.
  • inertial measuring units acceleration sensor systems or magnetic field sensor systems can be used to measure orientation and stabilization of the orientation of the sensors of the surroundings detection device.
  • the rail section detection unit comprises a passive detection unit.
  • a passive detection unit for example a passive sensor unit, can advantageously be designed with an extended field of view.
  • the rail section detection unit can use, for example, preferably passive infrared image detection or lidar sensor technology as the recording technology. It can also include an optical detection unit.
  • a passive infrared sensor unit has high accuracy in target acquisition. However, the infrared sensor unit requires temperature differences. Lidar enables three-dimensional scanning of objects, but is less precise than passive sensors, especially infrared sensors, due to the pixel-by-pixel scanning of the environment.
  • Radar is particularly well suited for capturing a high-precision radar map or resolved details in order to classify or identify a detected object.
  • the radar data can be used as a complement to passively recorded data, for example optical data or infrared data, in order to expand the data basis for object recognition.
  • Radar has a very good depth resolution, especially in comparison to passive sensor methods. With radar, the lateral resolution of a passive infrared camera can be improved in a complementary way.
  • Lidar has improved resolution compared to radar.
  • Stereo cameras also have the advantage of good depth resolution and combine this advantage with generally increased resolution compared to active scanning systems.
  • the rail section detection unit and the environment detection unit of the environment detection device are particularly preferably set up to acquire mutually complementary data that allow comprehensive information about objects in the environment of a rail vehicle to be ascertained.
  • the relative speed between a detected object and the rail vehicle can be determined, for example, by an exact measurement of a radial and a lateral Doppler component of the sensor waves, preferably radar waves, reflected by a detected object.
  • a radial and a lateral Doppler component of the sensor waves preferably radar waves
  • slow movements can also be measured.
  • the corresponding speed values can be used for classification and identification of a detected object.
  • the orientation-stable measuring apparatus determine the exact angle of the direction of movement of a detected object to the ego speed of the rail vehicle and thus determine a relevance of an object with regard to a collision event more reliably.
  • Knowledge of highly accurate speed information can also be used to support or improve accuracy when determining the ego position of a rail vehicle.
  • the variables mentioned can be used advantageously for an exact determination of an orientation of the sensor system of the rail vehicle and possibly also for an improvement of digital map material with regard to the rail section traveled or a rail section present in the vicinity of the rail vehicle.
  • This data can be used for a more precise alignment of the overall system made up of environment detection unit and distance detection unit, in order to carry out particularly precise position determinations of detected objects.
  • the invention also allows the generation of high-precision relative route maps by using active sensor technologies such as radar, with the data recorded by these sensors being related to the data from the complementary passive sensors, for example to a track center line recorded by the passive sensors. Based on these relative route maps, absolute map data with geo-coordinates can also be obtained.
  • the control unit of the surroundings detection device is preferably designed to adjust the orientation of the surroundings detection unit in such a way that an active limitation of the detected surroundings is achieved.
  • an active limitation of the detected surroundings is achieved.
  • people or technical equipment present in the periphery can be prevented from being adversely affected by active sensors, such as radar waves, for example.
  • active sensors such as radar waves, for example.
  • a higher radiated power can be achieved, in particular with regard to simplified radio approval or as a basis for arguments with regulatory bodies in order to have higher transmission powers approved.
  • the control unit of the surroundings detection device can be designed to align the orientation of the surroundings detection unit beyond a detection range of the rail section detection unit.
  • the course of the route is extrapolated beyond the recorded track based on the recorded track and map data. Consequently, the surroundings detection unit can be aligned to a track position in the situational visibility range of the surroundings detection unit beyond the situational visibility range of the track for the rail section detection unit.
  • the environment detection unit can advantageously also be aligned to an area that is outside the range of the distance detection unit.
  • the environment detection unit can also have an electronic beam steering function, in particular if it comprises a radar sensor unit.
  • the environment detection unit has a plurality of individual channels.
  • the Beam steering can be done by choosing the phase relationships of the channels.
  • a reception direction can be calculated via the phase relationships of the reception signals.
  • FIG 1 a schematic representation 10 of a rail vehicle 2 with a surroundings detection device 3 according to an exemplary embodiment of the invention is illustrated.
  • the rail vehicle 2 is located on a rail track 1 and uses the environment detection device 3 mentioned to capture an observation area B which is arranged in front of the rail vehicle 2 on the rail track 1 and around the rail track 1 .
  • the environment detection device 3 has a passive infrared sensor unit 6 as a track detection unit.
  • the environment detection device 3 is designed to be pivotable about three axes relative to the rail vehicle 2 so that it can follow the curves of the rail line 1 . So that a set direction of the sensor system can be maintained, the environment detection device 3 has a gimbal 4 on which the sensor system 5, 6 is mounted.
  • a radar sensor unit 5 is also arranged on the gimbal 4 as an environment detection unit. The radar sensor unit 5 is calibrated beforehand in such a way that it targets the same observation area B as the passive infrared sensor unit 6.
  • the passive infrared unit 6 has an extended recording area and is therefore well suited for searching for a desired observation area B.
  • the observation area B been identified and suitably centered for the passive infrared sensor unit 6 as shown in FIG 1 is illustrated, the radar sensor unit 5 embodied as a surroundings detection unit is also automatically directed towards this observation area B. In this way, the limitation of the field of view of the radar sensor unit 5 is compensated for by the wide field of view of the passive infrared unit 6 .
  • the radar sensor unit 5 advantageously has a high lateral resolution and a long range, so that the details of objects O in the observation area B can be detected.
  • the rail vehicle 2 has a control unit 7 .
  • step 2.I infrared sensor data SD from a frontal monitoring area in front of a rail vehicle 2 is detected by an infrared sensor unit 5 used as a track detection unit.
  • the infrared sensor unit 5 is mounted in an orientation-stable manner on a gimbal 4 together with a radar sensor unit 6 embodied as a surroundings detection unit.
  • step 2.II a position P and a course VL of the rail section in front of the rail vehicle 2 are detected on the basis of the infrared sensor data SD.
  • an observation area B in front of the rail vehicle 2 is also determined, which includes the rail section and possibly an edge area around it.
  • step 2.III the gimbal 4 is aligned by a control unit 7 in such a way that the field of view of the infrared sensor unit 5 is centered on the observation area B.
  • the radar sensor unit 6 previously calibrated to the infrared sensor unit 5 is also directed to the observation area B.
  • step 2.IV radar sensor data can then be recorded from the observation area B with increased lateral resolution and depth resolution as well as a large range.
  • FIG. 3 a schematic representation 30 of a detection of complementary data by a radar 5 and a passive infrared camera 6 of a surroundings detection device 3 according to an exemplary embodiment of the invention is illustrated.
  • the left-hand section of the image shows a rail section 1 on which a rail vehicle 2 with the environment detection device 3 mentioned is located.
  • the environment detection device 3 now acquires complementary data d, v, M, h 1 , h 2 via its two different sensor units 5, 6.
  • the radar sensor unit 5 of the rail vehicle 2 in the observation area B for example, acquires an object O and its relative speed v and distance d to the radar sensor unit 5 of the rail vehicle 2.
  • the infrared sensor unit 6, complementary to the radar sensor unit 5, detects the lateral structure and the height of the track body GB.
  • the height h 1 , h 2 of the rails 1a and the dimensions of the sleepers 1b and the course of the track or the course of the center line M of the tracks are recorded.
  • three different views of a track body GB are shown.
  • a cross section of the track body GB is shown in an upper partial representation. Detected dimensions can relate, for example, to the rail heights h 1 , h 2 of the rails 1a, but also to the dimensions and positions of the sleepers 1b.
  • a top view of the track body GB is shown in a central partial representation in the right-hand section of the figure.
  • the center line M of the course of the track is illustrated in particular, which can also be detected by the infrared sensor unit 6 .
  • a side view of a track body GB is shown in 3 .
  • the path-dependent height profile h 1 (s) of a rail 1a can be seen, which can also be detected by the infrared sensor unit 6 .
  • FIG 4 a schematic plan view 40 is shown of a rail section 1, on which a rail vehicle 2 with a surroundings detection device 3 according to an exemplary embodiment of the invention is illustrated.
  • the rail vehicle 2 has a relative speed v with a radial component v r and a lateral component v l relative to a detected object O.
  • the gimbal of the environment detection device 3 is not aligned in the direction of travel, but at an angle ⁇ to it.
  • the angle ⁇ changes due to the lateral and radial movement of the rail vehicle 2.
  • the images of the object O taken from different directions by the radar sensor unit 5 can be combined with one another by using a SAR algorithm in order to achieve improved resolution and an enlarged effective field of view of the radar 5.
  • FIG. 5 shows a top view 50 of a rail vehicle 2 with a surroundings detection device 3 according to an exemplary embodiment of the invention with a radar sensor unit 5a with electronic beam deflection.
  • the radar sensor unit 5a swivels its radar beam in different directions, so that an enlarged field of view with an increased resolution can be achieved.
  • the radar beam can be swiveled both in the elevation direction and in the azimuth direction.
  • a top view is shown which illustrates an extension of the range of a surroundings detection device 3 of a rail vehicle 1 according to an exemplary embodiment of the invention beyond the range of a passive infrared sensor unit 6 used as a rail section detection unit.
  • the range of the infrared sensor unit 6 is not sufficient to capture the desired observation area B around the object O.
  • map data K which is shown in 6 are shown in a right partial representation, added.
  • the position of the observation area B can be determined on the basis of the infrared measurement and the map data K and the gimbal 4 of the environment detection device 3 can now be aligned in such a way that the desired observation area B is in the field of view of the radar beam of the radar sensor unit 5.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

Es wird eine Umfelderfassungseinrichtung (3) für ein Schienenfahrzeug (2) beschrieben. Die Umfelderfassungseinrichtung (3) weist eine Schienenstreckenerfassungseinheit (5) auf, welche dazu eingerichtet ist, eine Position (P) und einen Verlauf (VL) einer Schienenstrecke (1) im Umfeld des Schienenfahrzeugs (2) zu detektieren. Die Umfelderfassungseinrichtung (3) umfasst auch eine Umfelderfassungseinheit (6), welche in einer festen Orientierungsbeziehung zur Schienenstreckenerfassungseinheit (5) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, das Umfeld des Schienenfahrzeugs (2) zu erfassen. Weiterhin umfasst die Umfelderfassungseinrichtung (3) auch eine Lagerungseinheit (4) für eine gemeinsame Lagerung der Schienenstreckenerfassungseinheit (5) und der Umfelderfassungseinheit (6) und zudem eine Steuerungseinheit (7). Die Schienenstreckenerfassungseinheit (5) und die Umfelderfassungseinheit (6) sind durch die Lagerungseinheit (4) orientierungsstabil gelagert. Die Steuerungseinheit (7) ist dazu ausgebildet, die Orientierung (0) der Umfelderfassungseinheit (6) auf die detektierte Position (P) und den detektierten Verlauf (VL) der Schienenstrecke (1) auszurichten, so dass der Bereich der Schienenstrecke (1) und das Umfeld der Schienenstrecke (1) durch die Umfelderfassungseinheit (6) erfassbar sind. Es wird auch ein Umfelderfassungsverfahren beschrieben. Weiterhin wird ein Schienenfahrzeug (2) beschrieben.
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Umfelderfassungseinrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein Umfelderfassungsverfahren. Überdies betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug.
  • Aufgrund der langen Bremswege im Schienenverkehr werden für das assistierte Fahren oder gar autonome Fahren von Schienenfahrzeugen Sensoreinrichtungen benötigt, mit denen ein von dem Schienenfahrzeug weit entfernt liegender Bereich, insbesondere im Umfeld der von dem Schienenfahrzeug befahrenen Schienenstrecke, überwacht werden kann. Die bisher verwendeten Sensoren weisen allerdings in der Regel nur eine geringe Auflösung auf, so dass bisher eine Klassifizierung bzw. Erkennung unterschiedlicher Objekte über große Entfernungen nicht möglich ist.
  • Herkömmlich überblickt ein Zugführer die vorausliegende Strecke und reagiert adäquat auf Hindernisse, Gefahren und Signale, die er visuell erfassen kann. Es wäre wünschenswert, derartige Funktionen zu automatisieren, um die Sicherheit im Schienenverkehr zu erhöhen und gegebenenfalls sogar Personal einzusparen. Für größere Distanzen ist eine Automatisierung dieser Funktionen allerdings bisher noch nicht möglich.
  • Es besteht also die Aufgabe, eine Objekterfassung und eine Objektidentifizierung auch über weite Entfernungen zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Umfelderfassungseinrichtung für ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 1, ein Umfelderfassungsverfahren gemäß Patentanspruch 12 und ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Umfelderfassungseinrichtung für ein Schienenfahrzeug weist eine Schienenstreckenerfassungseinheit auf, welche dazu eingerichtet ist, eine Position und einen Verlauf einer Schienenstrecke im Umfeld des Schienenfahrzeugs, vorzugsweise im Frontbereich vor dem Schienenfahrzeug, zu detektieren. Teil der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung ist auch eine Umfelderfassungseinheit, welche in einer festen Orientierungsbeziehung zur Schienenstreckenerfassungseinheit angeordnet bzw. ausgerichtet ist und dazu eingerichtet ist, das ebenfalls vorzugsweise im Frontbereich vor dem Schienenfahrzeug befindliche Umfeld des Schienenfahrzeugs und den Schienenverlauf bzw. die Schienenstrecke, welche gegebenenfalls Teil des Umfelds ist, zu erfassen. Als feste Orientierungsbeziehung soll verstanden werden, dass die relative Orientierung der Schienenstreckenerfassungseinheit und der Umfelderfassungseinheit stets konstant sind. Sie können beispielsweise gleich bzw. parallel ausgerichtet sein oder derart ausgerichtet sein, dass sich eine Überschneidung ihres Sichtfelds in einem vorbestimmten Bereich in einem vorbestimmten Abstand ergibt. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Umfelderfassungseinrichtung eine für die Schienenstreckenerfassungseinheit und die Umfelderfassungseinheit gemeinsame Lagerung bzw. Lagerungseinheit. Zudem umfasst die erfindungsgemäße Umfelderfassungseinrichtung eine Steuerungseinheit.
  • Die Lagerungseinheit ist dazu eingerichtet, die Schienenstreckenerfassungseinheit und die Umfelderfassungseinheit orientierungsstabil zu lagern. Als orientierungsstabile Lagerung soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass eine durch die Steuerungseinheit eingestellte vorzugsweise gemeinsame Orientierung der Schienenstreckenerfassungseinheit und der Umfelderfassungseinheit durch die Lagerung beibehalten wird, auch wenn das Schienenfahrzeug seine Orientierung ändert. Die Lagerung muss also eine Drehbewegung oder Schwenkbewegung des Schienenfahrzeugs relativ zu der Schienenstreckenerfassungseinheit und der Umfelderfassungseinheit ermöglichen, ohne dass diese Bewegung des Schienenfahrzeugs auf die Schienenstreckenerfassungseinheit und die Umfelderfassungseinheit übertragen wird. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, die Orientierung der Umfelderfassungseinheit auf die detektierte Position und den von der Schienenstreckenerfassungseinheit detektierten Verlauf der Schienenstrecke auszurichten, so dass der Bereich der Schienenstrecke und das Umfeld der Schienenstrecke durch die Umfelderfassungseinheit erfassbar ist. Anders ausgedrückt, findet eine selbstjustierende Überwachung einer vorzugsweise vor einem Schienenfahrzeug liegenden Schienenstrecke statt, indem die Schienenstrecke durch die Schienenstreckenerfassungseinheit detektiert und lokalisiert wird und diese zusammen mit der Umfelderfassungseinheit auf einen zu überwachenden Abschnitt der Schienenstrecke ausgerichtet wird. Die eigentliche Überwachung und Identifizierung von Objekten im Beobachtungsbereich wird dann auf Basis von Daten der Umfelderfassungseinheit durchgeführt. Ändert sich der Verlauf der Schienenstrecke, so wird diese Änderung durch die Schienenstreckenerfassungseinheit detektiert und die Umfelderfassungseinheit wird zusammen mit der Schienenstreckenerfassungseinheit durch die Steuerungseinheit exakt auf den Beobachtungsbereich um die Schienenstrecke ausgerichtet bzw. entsprechend nachgeführt. Durch die automatisierte Nachführung kann die Ausdehnung des Sichtfelds der Umfelderfassungseinheit im Vergleich zu einer Sensoreinheit ohne eine solche Nachführung um ein bis zwei Größenordnungen reduziert werden. Diese Reduktion ist mit einer Verbesserung der Richtschärfe, der Auflösung und der Reichweite der Umfelderfassungseinheit verbunden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Umfelderfassungsverfahren werden eine Position und ein Verlauf einer Schienenstrecke im Umfeld eines Schienenfahrzeugs durch eine Schienenstreckenerfassungseinheit detektiert. Das Umfeld des Schienenfahrzeugs wird durch eine Umfelderfassungseinheit, welche in einer festen Orientierungsbeziehung zur Schienenstreckenerfassungseinheit angeordnet ist, erfasst.
  • Die Schienenstreckenerfassungseinheit und die Umfelderfassungseinheit werden durch eine gemeinsame Lagerungseinheit orientierungsstabil gelagert.
  • Die Orientierung der Umfelderfassungseinheit wird durch eine Steuerungseinheit auf den detektierten Verlauf der Schienenstrecke ausgerichtet, so dass der Bereich der Schienenstrecke und das Umfeld der Schienenstrecke durch die Umfelderfassungseinheit erfassbar ist. Das erfindungsgemäße Umfelderfassungsverfahren teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung.
  • Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist die erfindungsgemäße Umfelderfassungseinrichtung auf. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung.
  • Einige Komponenten der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung können, gegebenenfalls nach Ergänzung um Hardwaresysteme, wie zum Beispiel eine Sensoreinheit und mechanische Komponenten einer Lagerungseinheit, zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere Teile der Steuerungseinheit und der Lagerungseinheit.
  • Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
  • Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher in einem Schienenfahrzeug vorhandene Rechnersysteme nach einer eventuellen Ergänzung durch zusätzliche Hardwareelemente, wie zum Beispiel zusätzliche Sensoreinheiten, auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines solchen Rechnersystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um die durch Software realisierbaren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in dem Rechnersystem ausgeführt wird.
  • Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile, wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen
  • Zum Transport zur Speichereinrichtung des Rechnersystems und/oder zur Speicherung an dem Rechnersystem kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
  • Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibungsteilen weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
  • In einer Variante der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung umfasst die Lagerungseinheit einen Gimbal. Als Gimbal ist eine motorisierte Lagerungseinheit zu verstehen, die Bewegungen einer Sensoreinheit flüssiger machen bzw. eine Stabilisierung eines Beobachtungs- oder Aufnahmebereichs bewirken kann. Auf dem Gimbal sind dann die Schienenstreckenerfassungseinheit und die Umfelderfassungseinheit in einer festen Orientierungsbeziehung angeordnet. Vorteilhaft müssen die beiden Sensoreinheiten nur einmal vorab aufeinander kalibriert werden, was ihre Orientierung angeht, da sie beide eine feste Orientierungsbeziehung zueinander haben, die sich während des Betriebs auch nicht mehr ändern kann.
  • Ein solcher Gimbal kann als Eingangsgrößen Befehlsdaten zur Ansteuerung einer auf Basis der Sensordaten der Schienenstreckenerfassungseinheit erzeugten oder ermittelten oder einzustellenden Orientierung umfassen. Eingangsgrößen können aber auch Bewegungen des Schienenfahrzeugs, ein sogenannter Sinuslauf sowie Abweichungen der Höhe in Folge von Unebenheiten der Strecke als auch eine aktuelle Steigung umfassen. Vorteilhaft kann eine Nachführung der Sensorik der Umfelderfassungseinrichtung präziser und störungsfreier erfolgen.
  • Eine solche Lagerungseinheit kann insbesondere eine kardanische Aufhängung umfassen, durch welche eine ungewollte Richtungsänderung der Sensorik aufgrund äußerer mechanischer Einwirkungen verhindert wird. Vorteilhaft lässt sich die Messgenauigkeit sowohl der Schienenstreckenerfassungseinheit als auch der Umfelderfassungseinheit erhöhen. Durch die Verwendung eines Gimbals lässt sich die Drift des Sichtfelds von passiven Sensoren, beispielsweise optischen Sensoren oder Infrarotsensoren, reduzieren. Damit lassen sich längere "Belichtungszeiten" realisieren, wodurch die Sensitivität der passiven Sensorik verbessert wird.
  • Außerdem können inertiale Messeinheiten, Beschleunigungssensorsysteme oder Magnetfeldsensorsysteme zur Orientierungsmessung und Stabilisierung der Orientierung der Sensorik der Umfelderfassungseinrichtung genutzt werden.
  • In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung umfasst die Schienenstreckenerfassungseinheit eine passive Erfassungseinheit. Eine solche passive Erfassungseinheit, beispielsweise eine passive Sensoreinheit, kann vorteilhaft mit einem ausgedehnten Sichtfeld ausgestaltet werden.
  • Die Schienenstreckenerfassungseinheit kann zum Beispiel als Aufnahmetechnologie eine vorzugsweise passive Infrarotbilderfassung oder eine Lidarsensortechnik verwenden. Sie kann auch eine optische Erfassungseinheit umfassen. Eine passive Infrarotsensoreinheit weist eine hohe Genauigkeit bei der Zielerfassung auf. Allerdings benötigt die Infrarotsensoreinheit Temperaturunterschiede. Lidar ermöglicht eine dreidimensionale Abtastung von Objekten ist allerdings aufgrund der pixelweise Abtastung der Umwelt weniger genau wie passive Sensorik, insbesondere Infrarotsensorik.
  • Die Umfelderfassungseinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, eine der folgenden Erfassungstechniken zu nutzen:
    • Radar,
    • ein Ultraschallsensorsystem,
    • ein laserbasiertes Messsystem, vorzugsweise Lidar,
    • ein kamerabasiertes, vorzugsweise stereokamerabasiertes Messsystem.
  • Radar eignet sich besonders gut für die Erfassung einer hochgenauen Radarkarte oder von aufgelösten Details, um ein detektiertes Objekt zu klassifizieren bzw. zu identifizieren. Außerdem können die Radardaten komplementär zu passiv erfassten, beispielsweise optischen Daten oder Infrarotdaten genutzt werden, um die Datengrundlage für die Objekterkennung zu erweitern. Radar weist eine sehr gute Tiefenauflösung, insbesondere im Vergleich zu passiven Sensorverfahren auf. Mit Radar kann die laterale Auflösung einer passiven Infrarotkamera komplementär verbessert werden.
  • Lidar weist im Vergleich zu Radar eine verbesserte Auflösung auf.
  • Stereokameras weisen ebenfalls den Vorteil einer guten Tiefenauflösung auf und verbinden diesen Vorteil mit einer allgemein erhöhten Auflösung im Vergleich zu aktiven Abtastsystemen.
  • Mithin sind die Schienenstreckenerfassungseinheit und die Umfelderfassungseinheit der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung besonders bevorzugt dazu eingerichtet, zueinander komplementäre Daten zu erfassen, die es erlauben, umfassende Information über Objekte im Umfeld eines Schienenfahrzeugs zu ermitteln.
  • Ebenfalls bevorzugt ist die Umfelderfassungseinheit der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung dazu eingerichtet, Daten von mindestens einem der folgenden Datentypen zu erfassen:
    • die Relativgeschwindigkeit zwischen einem erfassten Objekt und dem Schienenfahrzeug,
    • den Abstand eines erfassten Objekts zu dem Schienenfahrzeug,
    • die Egoposition des Schienenfahrzeugs.
  • Die Relativgeschwindigkeit zwischen einem erfassten Objekt und dem Schienenfahrzeug kann zum Beispiel durch eine exakte Messung einer radialen und einer lateralen Dopplerkomponente der von einem detektierten Objekt reflektierten Sensorwellen, vorzugsweise Radarwellen, ermittelt werden. Durch die Nutzung einer orientierungsstabilen Messapparatur können auch langsame Bewegungen gemessen werden. Die entsprechenden Geschwindigkeitswerte lassen sich für eine Klassifizierung und eine Identifizierung eines detektierten Objekts nutzen. Weiterhin lässt sich mit der orientierungsstabilen Messapparatur ein exakter Winkel der Bewegungsrichtung eines detektierten Objekts zu der Egogeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ermitteln und so eine Relevanz eines Objekts hinsichtlich eines Kollisionsereignisses zuverlässiger ermitteln. Die Kenntnis einer hochgenauen Geschwindigkeitsinformation lässt sich auch zur Stützung bzw. Genauigkeitsverbesserung bei der Ermittlung der Ego-Position eines Schienenfahrzeugs nutzen.
  • Die Schienenstreckenerfassungseinheit der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Daten von mindestens einem der folgenden Datentypen zu erfassen:
    • die laterale Struktur der Gleise der detektierten Schienenstrecke,
    • die relative Gleishöhe der Gleise der detektierten Schienenstrecke,
    • der Gleisverlauf der erwarteten Trajektorie des Schienenfahrzeugs.
  • Vorteilhaft lassen sich die genannten Größen für eine exakte Ermittlung einer Orientierung der Sensorik des Schienenfahrzeugs und gegebenenfalls auch für eine Verbesserung von digitalem Kartenmaterial hinsichtlich der befahrenen Schienenstrecke oder einer im Umfeld des Schienenfahrzeugs vorhandenen Schienenstrecke nutzen.
  • Diese Daten können für eine exaktere Ausrichtung des Gesamtsystems aus Umfelderfassungseinheit und Streckenerfassungseinheit genutzt werden, um so besonders genaue Positionsermittlungen von detektieren Objekten durchzuführen. Die Erfindung erlaubt auch die Generierung hochgenauer relativer Streckenkarten durch Anwendung aktiver Sensortechniken, wie zum Beispiel Radar, wobei die durch diese Sensorik erfassten Daten auf die Daten der komplementären passiven Sensorik, beispielsweise auf eine durch die passive Sensorik erfasste Gleismittenlinie bezogen werden. Auf Basis dieser relativen Streckenkarten können auch absolute Kartendaten mit Geokoordinaten gewonnen werden.
  • Die Steuerungseinheit der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung ist bevorzugt dazu ausgebildet, die Orientierung der Umfelderfassungseinheit so auszurichten, dass eine aktive Beschränkung des erfassten Umfelds erreicht wird. Vorteilhaft kann durch die Einschränkung des erfassten Umfelds eine Beeinträchtigung von in der Peripherie vorhandenen Personen oder technischen Einrichtungen durch aktive Sensorik, wie zum Beispiel Radarwellen verhindert werden. Außerdem lässt sich durch die aktive Beschränkung der Strahlrichtung durch die Steuerung des Erfassungsbereichs der Umfelderfassungseinheit bei aktiver Sensorik eine höhere Abstrahlleistung realisieren, insbesondere im Hinblick auf eine erleichterte Funkzulassung bzw. als Argumentationsgrundlage gegenüber regulierenden Stellen, um höhere Sendeleistungen zugelassen zu bekommen.
  • Die Steuerungseinheit der erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Orientierung der Umfelderfassungseinheit über einen Erfassungsbereich der Schienenstreckenerfassungseinheit hinaus auszurichten. Dabei wird der Streckenverlauf auf Basis der erfassten Schienenstrecke und Kartendaten über die erfasste Schienenstrecke hinaus extrapoliert. Mithin kann eine Ausrichtung der Umfelderfassungseinheit auf eine Gleisposition im situativen Sichtbarkeitsbereich der Umfelderfassungseinheit über den situativen Sichtbarkeitsbereichs des Gleises für die Schienenstreckenerfassungseinheit hinaus erfolgen. Auf diese Weise wird eine Reichweitenerhöhung der Umfelderfassung erreicht, was mit einer erhöhten Sicherheit des Betriebs des Schienenfahrzeugs verbunden ist. Anders ausgedrückt kann die Umfelderfassungseinheit vorteilhaft auch auf einen Bereich ausgerichtet werden, der außerhalb der Reichweite der Streckenerfassungseinheit liegt.
  • Die Umfelderfassungseinheit kann auch eine elektronische Strahlschwenkungsfunktion aufweisen, insbesondere, wenn sie eine Radarsensoreinheit umfasst. Hierzu weist die Umfelderfassungseinheit eine Mehrzahl von Einzelkanälen auf. Die Strahlschwenkung kann über die Wahl der Phasenbeziehungen der Kanäle erfolgen. Insbesondere lässt sich über die Phasenbeziehungen der Empfangssignale eine Empfangsrichtung berechnen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit einer Umfelderfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • FIG 2 ein Flussdiagramm, welches ein Umfelderfassungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
    • FIG 3 eine schematische Darstellung einer Erfassung von komplementären Daten durch ein Radar und eine passive Infrarotkamera einer Umfelderfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • FIG 4 ein Schaubild, welches eine Umfelderfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit SAR-Technologie zur Erweiterung des effektiven Aufnahmefensters veranschaulicht,
    • FIG 5 ein Schaubild, welches eine Umfelderfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Radarsubsystem mit elektronischer Strahlschwenkung veranschaulicht,
    • FIG 6 ein Schaubild, welches eine Erweiterung der Reichweite einer Umfelderfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung über die Reichweite einer als Schienenstreckenerfassungseinheit eingesetzten passiven Infrarotkamera hinaus veranschaulicht.
  • In FIG 1 wird eine schematische Darstellung 10 eines Schienenfahrzeugs 2 mit einer Umfelderfassungseinrichtung 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Das Schienenfahrzeug 2 befindet sich auf einer Schienenstrecke 1 und erfasst durch die genannte Umfelderfassungseinrichtung 3 einen Beobachtungsbereich B, welcher vor dem Schienenfahrzeug 2 auf der Schienenstrecke 1 und um die Schienenstrecke 1 herum angeordnet ist.
  • Zur Anvisierung dieses gewünschten Beobachtungsbereichs B weist die Umfelderfassungseinrichtung 3 eine passive Infrarotsensoreinheit 6 als Schienenstreckenerfassungseinheit auf. Die Umfelderfassungseinrichtung 3 ist relativ zu dem Schienenfahrzeug 2 um drei Achsen schwenkbar ausgebildet, so dass sie den Kurven der Schienenstrecke 1 folgen kann. Damit eine eingestellte Richtung der Sensorik beibehalten werden kann, weist die Umfelderfassungseinrichtung 3 einen Gimbal 4 auf, auf dem die Sensorik 5, 6 montiert ist. Neben der bereits erwähnten Infrarotsensoreinheit 6 ist auf dem Gimbal 4 auch eine Radarsensoreinheit 5 als Umfelderfassungseinheit angeordnet. Die Radarsensoreinheit 5 ist vorab derart kalibriert, dass sie denselben Beobachtungsbereich B anvisiert wie die passive Infrarotsensoreinheit 6. Die passive Infraroteinheit 6 weist einen ausgedehnten Aufnahmebereich auf und ist daher zur Suche nach einem gewünschten Beobachtungsbereich B gut geeignet. Wurde der Beobachtungsbereich B identifiziert und geeignet für die passive Infrarotsensoreinheit 6 zentriert, wie es in FIG 1 veranschaulicht ist, so ist automatisch auch die als Umfelderfassungseinheit ausgebildete Radarsensoreinheit 5 auf diesen Beobachtungsbereich B gerichtet. Auf diese Weise wird durch das weite Sichtfeld der passiven Infraroteinheit 6 die Beschränkung des Sichtfelds der Radarsensoreinheit 5 kompensiert.
  • Vorteilhaft weist die Radarsensoreinheit 5 eine hohe Lateralauflösung und eine hohe Reichweite auf, so dass Objekte O in dem Beobachtungsbereich B in ihren Einzelheiten erfasst werden können. Zur Ansteuerung und Ausrichtung der Umfelderfassungseinrichtung 3 weist das Schienenfahrzeug 2 eine Steuerungseinheit 7 auf.
  • In FIG 2 ist ein Flussdiagramm 200 gezeigt, welches ein Umfelderfassungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem Schritt 2.I werden Infrarotsensordaten SD durch eine als Schienenstreckenerfassungseinheit genutzte Infrarotsensoreinheit 5 von einem frontalen Überwachungsbereich vor einem Schienenfahrzeug 2 erfasst. Die Infrarotsensoreinheit 5 ist gemeinsam mit einer als Umfelderfassungseinheit ausgebildeten Radarsensoreinheit 6 auf einem Gimbal 4 orientierungsstabil gelagert.
  • Bei dem Schritt 2.II werden eine Position P und ein Verlauf VL des vor dem Schienenfahrzeug 2 liegenden Schienenstreckenabschnitts auf Basis der Infrarotsensordaten SD detektiert. Dabei wird auch ein Beobachtungsbereich B vor dem Schienenfahrzeug 2 ermittelt, der den Schienenstreckenabschnitt und gegebenenfalls einen Randbereich darum herum umfasst.
  • Der Gimbal 4 wird bei dem Schritt 2.III durch eine Steuerungseinheit 7 so ausgerichtet, dass das Sichtfeld der Infrarotsensoreinheit 5 auf den Bobachtungsbereich B zentriert ist. Damit ist aber die vorab auf die Infrarotsensoreinheit 5 kalibrierte Radarsensoreinheit 6 ebenfalls auf den Beobachtungsbereich B gerichtet.
  • Somit können dann bei dem Schritt 2.IV Radarsensordaten von dem Beobachtungsbereich B mit erhöhter lateraler Auflösung und Tiefenauflösung sowie großer Reichweite erfasst werden.
  • In FIG 3 ist eine schematische Darstellung 30 einer Erfassung von komplementären Daten durch ein Radar 5 und eine passive Infrarotkamera 6 einer Umfelderfassungseinrichtung 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Im linken Bildabschnitt ist ein Schienenstreckenabschnitt 1 gezeigt, auf dem sich ein Schienenfahrzeug 2 mit der genannten Umfelderfassungseinrichtung 3 befindet. Die Umfelderfassungseinrichtung 3 erfasst nun komplementäre Daten d, v, M, h1, h2 über ihre beiden unterschiedlichen Sensoreinheiten 5, 6. Dabei erfasst die Radarsensoreinheit 5 des Schienenfahrzeugs 2 im Beobachtungsbereich B zum Beispiel ein Objekt O sowie dessen Relativgeschwindigkeit v und Distanz d zur Radarsensoreinheit 5 des Schienenfahrzeugs 2. Die Infrarotsensoreinheit 6 erfasst komplementär zu der Radarsensoreinheit 5 die laterale Struktur und die Höhe des Gleiskörpers GB. Beispielsweise werden die Höhe h1, h2 der Schienen 1a sowie die Abmessungen der Schwellen 1b sowie der Gleisverlauf bzw. der Verlauf der Mittenlinie M der Gleise erfasst. Im rechten Bildabschnitt sind drei unterschiedliche Ansichten eines Gleiskörpers GB gezeigt. In einer oberen Teildarstellung ist ein Querschnitt des Gleiskörpers GB gezeigt. Erfasste Abmessungen können zum Beispiel die Schienenhöhen h1, h2 der Schienen 1a, aber auch Abmessungen und Positionen der Schwellen 1b betreffen. In einer mittleren Teildarstellung im rechten Bildabschnitt ist eine Draufsicht auf den Gleiskörper GB dargestellt. In der Draufsicht ist insbesondere die Mittenlinie M des Gleisverlaufs veranschaulicht, die ebenfalls durch die Infrarotsensoreinheit 6 erfasst werden kann. In einer unteren Teildarstellung im rechten Bildabschnitt ist in FIG 3 eine Seitenansicht auf einen Gleiskörper GB gezeigt. In dieser Darstellung ist der wegabhängige Höhenverlauf h1(s) einer Schiene 1a zu erkennen, der ebenfalls durch die Infrarotsensorreinheit 6 erfasst werden kann.
  • In FIG 4 ist eine schematische Draufsicht 40 auf einen Schienenstreckenabschnitt 1 gezeigt, auf dem ein Schienenfahrzeug 2 mit einer Umfelderfassungseinrichtung 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht ist. Das Schienenfahrzeug 2 weist eine Relativgeschwindigkeit v mit einer Radialkomponente vr und einer Lateralkomponente vl relativ zu einem detektierten Objekt O auf. Anders ausgedrückt, ist der Gimbal der Umfelderfassungseinrichtung 3 nicht in Fahrtrichtung ausgerichtet, sondern in einem Winkel α dazu. Während der Fahrt des Schienenfahrzeugs 2 auf das detektierte Objekt O zu ändert sich der Winkel α aufgrund der lateralen und radialen Bewegung des Schienenfahrzeugs 2. Die aus unterschiedlichen Richtungen durchgeführten Aufnahmen von dem Objekt O durch die Radarsensoreinheit 5 können durch Anwendung eines SAR-Algorithmus miteinander kombiniert werden, um so eine verbesserte Auflösung und ein vergrößertes effektives Sichtfeld des Radars 5 zu erreichen.
  • In FIG 5 ist eine Draufsicht 50 auf ein Schienenfahrzeug 2 mit einer Umfelderfassungseinrichtung 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Radarsensoreinheit 5a mit elektronischer Strahlschwenkung gezeigt. Die Radarsensoreinheit 5a schwenkt ihren Radarstrahl in unterschiedliche Richtungen, so dass ein vergrößertes Sichtfeld mit einer erhöhten Auflösung erreicht werden kann. Die Schwenkung des Radarstrahls kann sowohl in Elevationsrichtung als auch in Azimutrichtung erfolgen.
  • In FIG 6 ist eine Draufsicht gezeigt, welche eine Erweiterung der Reichweite einer Umfelderfassungseinrichtung 3 eines Schienenfahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung über die Reichweite einer als Schienenstreckenerfassungseinheit eingesetzten passiven Infrarotsensoreinheit 6 hinaus veranschaulicht. Wie in FIG 6 zu erkennen ist, reicht die Reichweite der Infrarotsensoreinheit 6 nicht aus, um den gewünschten Beobachtungsbereich B um das Objekt O zu erfassen. Um die Radarsensoreinheit 5 trotzdem auf diesen entfernten Bereich B ausrichten zu können, wird der erfasste Verlauf der Schienenstrecke 1 mit Kartendaten K, welche in FIG 6 in einer rechten Teildarstellung gezeigt sind, ergänzt. Da in den Kartendaten K der Streckenverlauf auch über die Reichweite der Infrarotsensoreinheit 6 hinaus erkennbar ist, kann die Position des Beobachtungsbereichs B auf Basis der Infrarotmessung sowie der Kartendaten K ermittelt werden und es kann nun der Gimbal 4 der Umfelderfassungseinrichtung 3 so ausgerichtet werden, dass der gewünschte Beobachtungsbereich B im Sichtfeld des Radarstrahls der Radarsensoreinheit 5 liegt.
  • Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel "ein" bzw. "eine" nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff "Einheit" nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims (15)

  1. Umfelderfassungseinrichtung (3) für ein Schienenfahrzeug (2), aufweisend:
    - eine Schienenstreckenerfassungseinheit (5), welche dazu eingerichtet ist, eine Position (P) und einen Verlauf (VL) einer Schienenstrecke (1) im Umfeld des Schienenfahrzeugs (2) zu detektieren,
    - eine Umfelderfassungseinheit (6), welche in einer festen Orientierungsbeziehung zur Schienenstreckenerfassungseinheit (5) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, das Umfeld des Schienenfahrzeugs (2) zu erfassen,
    - eine Lagerungseinheit (4) für eine gemeinsame Lagerung der Schienenstreckenerfassungseinheit (5) und der Umfelderfassungseinheit (6),
    - eine Steuerungseinheit (7),
    wobei
    - die Lagerungseinheit (4) dazu eingerichtet ist, die Schienenstreckenerfassungseinheit (5) und die Umfelderfassungseinheit (6) orientierungsstabil zu lagern und
    - die Steuerungseinheit (7) dazu ausgebildet ist, die Orientierung (O) der Umfelderfassungseinheit (6) auf die detektierte Position (P) und den detektierten Verlauf (VL) der Schienenstrecke (1) auszurichten, so dass ein Beobachtungsbereich (B), welcher die Schienenstrecke (1) und das Umfeld der Schienenstrecke (1) umfasst, durch die Umfelderfassungseinheit (6) erfassbar sind.
  2. Umfelderfassungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lagerungseinheit (4) einen Gimbal umfasst.
  3. Umfelderfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lagerungseinheit (4) eine kardanische Aufhängung umfasst.
  4. Umfelderfassungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schienenstreckenerfassungseinheit (5) eine passive Erfassungseinheit umfasst.
  5. Umfelderfassungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schienenstreckenerfassungseinheit (5) dazu ausgebildet ist, eine der folgenden Erfassungstechniken zu nutzen:
    - eine passive Infrarotbilderfassung,
    - eine aktive Sensortechnik, vorzugsweise Lidar.
  6. Umfelderfassungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Umfelderfassungseinheit (6) dazu ausgebildet ist, eine aktive Sensorerfassungstechnik, vorzugsweise eine der folgenden Erfassungstechniken zu nutzen:
    - Radar,
    - Lidar.
  7. Umfelderfassungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schienenstreckenerfassungseinheit (5) und die Umfelderfassungseinheit (6) dazu eingerichtet sind, zueinander komplementäre Daten zu erfassen oder zu ermitteln.
  8. Umfelderfassungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Umfelderfassungseinheit (6) dazu eingerichtet ist, Daten von mindestens einem der folgenden Datentypen zu erfassen oder zu ermitteln:
    - die Relativgeschwindigkeit zwischen einem erfassten Objekt (O) und dem Schienenfahrzeug (2),
    - den Abstand eines erfassten Objekts (O) zu dem Schienenfahrzeug (2),
    - die Egoposition des Schienenfahrzeugs (2).
  9. Umfelderfassungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schienenstreckenerfassungseinheit (5) dazu eingerichtet ist, Daten von mindestens einem der folgenden Datentypen zu erfassen oder zu ermitteln:
    - die laterale Struktur der Gleise der detektierten Schienenstrecke (1),
    - die relative Gleishöhe der Gleise der detektierten Schienenstrecke (1),
    - den Gleisverlauf der erwarteten Trajektorie des Schienenfahrzeugs (2).
  10. Umfelderfassungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (4) dazu ausgebildet ist, die Orientierung der Umfelderfassungseinheit (6) so auszurichten, dass eine aktive Beschränkung des erfassten Umfelds erreicht wird.
  11. Umfelderfassungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (7) dazu ausgebildet ist, die Umfelderfassungseinheit (6) über einen Erfassungsbereich der Schienenstreckenerfassungseinheit (5) hinaus auszurichten, wobei der Streckenverlauf auf Basis der erfassten Schienenstrecke (1) und Kartendaten (KD) über die erfasste Schienenstrecke (1) hinaus extrapoliert wird.
  12. Umfelderfassungsverfahren, wobei
    - eine Position (P) und ein Verlauf (VL) einer Schienenstrecke (1) im Umfeld eines Schienenfahrzeugs (2) durch eine Schienenstreckenerfassungseinheit (5) detektiert werden,
    - das Umfeld des Schienenfahrzeugs (2) durch die Umfelderfassungseinheit (6), welche in einer festen Orientierungsbeziehung zur Schienenstreckenerfassungseinheit (5) angeordnet ist, erfasst wird,
    - die Schienenstreckenerfassungseinheit (5) und die Umfelderfassungseinheit (6) durch eine Lagerungseinheit (4) gemeinsam und orientierungsstabil gelagert werden,
    - die Orientierung der Umfelderfassungseinheit (6) durch eine Steuerungseinheit (7) auf die detektierte Position (P) und den detektierten Verlauf (VL) der Schienenstrecke (1) ausgerichtet wird, so dass ein Beobachtungsbereich (B), welcher die Schienenstrecke (1) und das Umfeld der Schienenstrecke (1) umfasst, durch die Umfelderfassungseinheit (6) erfassbar sind.
  13. Schienenfahrzeug (2), aufweisend
    - eine Umfelderfassungseinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  14. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinheit einer Steuerungseinheit (7) eines Schienenfahrzeugs (2) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach Anspruch 13 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinheit (7) ausgeführt wird.
  15. Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechnereinheit ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach Anspruch 13 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit ausgeführt werden.
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