DE10141037C1

DE10141037C1 - Obstacle detection device

Info

Publication number: DE10141037C1
Application number: DE10141037A
Authority: DE
Inventors: Norbert Ritter; Holger Waschke
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: WO2003019233A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung eines Hindernisses (7) vor einem Schienenfahrzeug (1), wobei frontseitig des Schienenfahrzeugs (1) mindestens ein aktiver optoelektronischer Sensor angeordnet ist. Um die Erfordernisse zur Ergänzung einer Bahnsteiggleisüberwachung im unmittelbaren Nahbereich vor und/oder hinter dem Zug und die Hinderniserkennung auf freier Strecke gleichermaßen zu erfüllen, ist vorgesehen, dass der Sensor statisch mit dem Schienenfahrzeug (1) verbunden ist und eine statische Optik zur Überwachung eines im Wesentlichen scheibenförmigen Winkelsegementes (4; 4.1; 4.2) in im Wesentlichen horizontale Ausrichtung aufweist, wobei die Reichweite (d) des Sensors einige Meter beträgt.The invention relates to a device for detecting an obstacle (7) in front of a rail vehicle (1), at least one active optoelectronic sensor being arranged on the front of the rail vehicle (1). In order to meet the requirements for supplementing a platform track monitoring in the immediate vicinity in front of and / or behind the train and the obstacle detection on the free route, it is provided that the sensor is statically connected to the rail vehicle (1) and a static optics for monitoring an im Has essentially disc-shaped angle segment (4; 4.1; 4.2) in a substantially horizontal orientation, the range (d) of the sensor being a few meters.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung eines Hindernisses vor einem Schienenfahrzeug.The invention relates to a device for detecting a Obstacle in front of a rail vehicle.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE 197 46 970 A1 bekannt. Dabei ist ein Fahrzeugsensor vorgesehen, der insbe sondere eine Laserstrahlung erzeugt, deren Reflexionen an po tentiellen Hindernissen ausgewertet werden. Dieser strah lungserzeugende und Reflexionen auswertende, also aktive, Sensor durchmustert einen in Fahrtrichtung vorausliegenden Raum in Form einer Kugelkalotte. Der Sehwinkel und der Öff nungswinkel des Sensors werden entsprechend der Streckengeo metrie nachgeführt. Problematisch dürften insbesondere die Auswirkungen der weit ausschwingenden Erschütterungen des ge federten Wagenkastens, an dem der Sensor samt Nachführmecha nik befestigt ist, sein. Der erschütterungsbedingte Fehler nimmt mit steigender Reichweite des Fahrzeugsensors sehr stark zu, so dass entweder eine erschütterungsausgleichende Aufhängung des Sensors, eine komplizierte Auswertung des ver wackelten Reflexionssignals oder die Begrenzung der Sensor reichweite auf wenige Meter erforderlich ist. Außerdem ist die Durchmusterung eines kugelkalottenförmigen Raumes einer seits zu umfassend, da üblicherweise nur im Bahnschwellen- und Schienbereich liegende oder stehende Objekte interessie ren und andererseits wegen des toten Winkels seitlich des Be obachtungsraumes, insbesondere bei haltendem Fahrzeug, nicht ausreichend sicher.A generic device is from DE 197 46 970 A1 known. A vehicle sensor is provided, in particular generates a special laser radiation, the reflections of po potential obstacles are evaluated. This beamed generating and evaluating reflections, i.e. active, Sensor scans one ahead in the direction of travel Space in the form of a spherical cap. The viewing angle and the aperture Angle of the sensor are determined according to the route geo tracked. In particular, the Effects of the wide swinging vibrations of the ge springy car body, on which the sensor including tracking mecha nik is attached. The vibration-related mistake decreases with increasing range of the vehicle sensor strongly too, so either a vibration-compensating Suspension of the sensor, a complicated evaluation of the ver wobbled reflection signal or limiting the sensor range to a few meters is required. Besides, is the survey of a spherical-spherical space one on the one hand too extensive, as usually only in the railway sleeper objects lying or standing in the rail area ren and because of the blind spot on the side of the Be care room, especially when the vehicle is stopped sufficiently safe.

Bekannt sind weiterhin streckenseitige Verfahren zur Überwa chung des Gleisbereiches an den Bahnsteigen auf der Basis von Lichtschranken, Laserscannern oder Schaltmatten. Lichtschran ken und Laserscanner überwachen eine horizontale Ebene ober halb der Schienen.Track-side methods for monitoring are also known of the track area on the platforms on the basis of Photoelectric sensors, laser scanners or switch mats. Lichtschran ken and laser scanners monitor a horizontal level above half of the rails.

Um die Anordnung von hunderten einzelner Lichtschranken zu vermeiden, werden vorkonfektionierte Lichtgittersegmente mit mehreren Strahlengängen und einer festen Längsausdehnung ver wendet. Damit der Zug selbst nicht die nachgeschaltete Alarm funktionen auslöst, müssen die Lichtgittersysteme rechtzeitig deaktiviert werden. Dabei entstehen Überwachungslücken ent sprechend der Längsausdehnung der Lichtgittersegmente. Nach teilig ist dabei die Lückenhaftigkeit der Überwachung bzva. der erhebliche Kostenaufwand zur Vermeidung derselben.To the arrangement of hundreds of individual light barriers too pre-assembled light grid segments are avoided ver multiple beam paths and a fixed longitudinal expansion applies. So that the train itself does not have the downstream alarm functions, the light curtain systems must be on time be deactivated. This creates monitoring gaps speaking of the longitudinal extent of the light grid segments. by the incomplete nature of surveillance bzva. the considerable cost to avoid the same.

Bei Laserscannern erfolgt die Ausblendung des Zuges über eine Auswertesoftware, die die besondere Formgebung und Größe des Zuges detektiert. Überwachungslücken treten bei geeigneter Anordnung nicht auf. Allerdings ist der Einsatz dieser op tisch-feinmechanischen Geräte aufgrund der mechanischen Be lastungen im Gleisbereich sehr problematisch.In the case of laser scanners, the train is hidden via a Evaluation software that the special shape and size of the Train detected. Monitoring gaps occur when appropriate Arrangement not on. However, the use of this op table-precision mechanical devices due to the mechanical loading loads in the track area are very problematic.

Schaltmatten sind flächenförmige Schalter, die bei Betreten einen elektrischen Kontakt auslösen. Außer den Schienen selbst gibt es keine Überwachungslücken. Jedoch sind die Kos ten für Material und Montage sehr hoch.Safety mats are flat switches that are used when entering trigger an electrical contact. Except for the rails there are no gaps in the surveillance itself. However, the Kos are very high for material and assembly.

Einrichtungen zur Hinderniserkennung, insbesondere für Kraft fahrzeuge, sind aus der DE 197 36 126 A1 und der DE 43 35 801 A1 bekannt. Bei beiden Einrichtungen ist fron seitig des Fahrzeugs mindestens ein aktiver optoelektroni scher Sensor angeordnet, der statisch mit dem Fahrzeug ver bunden ist und dessen Optik zur Überwachung eines flachen Sektors in horizontaler Ausrichtung ausgebildet ist, wobei die Reichweite des Sensors derart bemessen ist, dass bei Feststellung eines Hindernisses ein sicheres Anhalten des Fahrzeugs möglich ist.Devices for obstacle detection, especially for strength vehicles are from DE 197 36 126 A1 and DE 43 35 801 A1 known. In both institutions fron on the side of the vehicle at least one active optoelectroni arranged shear sensor that ver statically with the vehicle is bound and its optics for monitoring a flat Sector is formed in a horizontal orientation, wherein the range of the sensor is such that at Detection of an obstacle a safe stopping of the Vehicle is possible.

Nach den gesetzlichen Vorgaben genügt auf freier Strecke eine Überwachung des Gleisbereiches vor einem fahrenden Zug der art, dass eine Reaktion bewirkt wird, wenn eine Berührung mit einem Hindernis erfolgt. Im Gegensatz dazu wird im Bahnsteig bereich eine kontinuierliche und möglichst lückenfreie Über wachung des Gleisbereiches vor einem fahrenden Zug ab einer Reichweite von 5 Metern bzw. ab einer Reichweite von 0,5 Me tern bei einem stehenden Zug gemäß VDV 399 gefordert.According to the legal requirements, it is sufficient to monitor the track area in front of a moving train in such a way that a reaction is brought about if there is contact with an obstacle. In contrast, continuous and gap-free monitoring of the track area in front of a moving train is required in the platform area from a range of 5 meters or from a range of 0.5 meters for a stationary train in accordance with VDV 399 .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Hinderniserkennung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die bei verringertem Kostenaufwand sowohl im Bahnsteigbereich als auch auf freier Strecke einsetzbar ist.The invention has for its object a device to identify obstacles of the generic type that with reduced costs both in the platform area and can also be used on the open road.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Durch den aktiven Sensor einer Reichweite im Meterbereich kann die Gleiskrümmung vernachlässigt werden, so dass eine statische Verbindung des Sensors mit dem Schienenfahrzeug möglich ist. Auf diese Weise ergibt sich eine Verringerung der Vibrationsempfindlichkeit. Der Sensor ist für eine Monta ge am gefederten Wagenkasten des Zuges geeignet und problem los wasserfest kapselbar. Wegen der Ausbildung als aktiver Sensor, d. h. der Ausstattung mit einer eigenen Lichtquelle, insbesondere einer Laserlichtquelle, ist eine Beeinträchti gung durch Fremdlicht ausgeschlossen. Auch bei Nacht- und Ne belfahrten ist die Funktionsfähigkeit des aktiven Sensors voll gegeben. Darüber hinaus ist das einfache Messprinzip im Sinne einer Schutzeinrichtung vorteilhaft bezüglich des Nach weises der Sicherheit. The object is achieved with the features of claim 1. Through the active sensor of a range in the meter range can be neglected, so that a static connection of the sensor to the rail vehicle is possible. In this way there is a reduction the sensitivity to vibration. The sensor is for one month suitable and problem on the sprung body of the train Can be encapsulated waterproof. Because of training as an active Sensor, d. H. the equipment with its own light source, a laser light source in particular is an impairment excluded from external light. Even at night and ne is the functionality of the active sensor fully given. In addition, the simple measuring principle is in the In terms of a protective device advantageous with regard to the night wise of security.

Für die Hinderniserkennung bei der Fahrt auf freier Strecke entsteht ein zusätzlicher Sicherheitszuwachs bezüglich der Erkennung vielgestaltiger Hindernisse bereits vor der Berüh rung. Die Vereinigung der Bahnsteiggleisüberwachung für den Nahbereich und der Hinderniserkennung auf freier Strecke führt zu Kosteneinsparungen sowohl auf der Strecken- als auch auf der Fahrzeugseite bei gleichzeitiger Erhöhung des Sicher heitsniveaus. Entsprechend den Betriebsanforderungen seitens der Betreiber müssen weiterhin streckenseitige Überwachungs einrichtungen für den Bahnsteigbereich vorhanden sein. Falls diese Überwachungseinrichtungen segmentweise arbeiten, können Segmente verlängert und Schaltungen eingespart werden.For obstacle detection when driving on a free route there is an additional security increase regarding the Detection of various obstacles before the touch tion. The association of platform track monitoring for the Close range and obstacle detection on the open road leads to cost savings both on the route as well on the vehicle side while increasing safety systems available. According to the operational requirements on the part the operator must continue to trackside monitoring there are facilities for the platform area. If these monitoring devices can work in segments Extend segments and save circuitry.

Gemäß Anspruch 2 ist als optoelektronischer Sensor vorzugs weise ein CMOS-Sensor vorgesehen. Ein CMOS-Sensor ist in der DE 197 57 595 A1, insbesondere für die Airbag-Steuerung, aus führlich beschrieben. Das Prinzip des CMOS-Sensors beruht darauf, dass die Lichtquelle, vorzugsweise ein Laser oder ei ne gepulste Leuchtdiode, und ein elektronischer Verschluss exakt synchronisiert sind. Der Verschluss öffnet exakt mit der Emission des Lichtimpulses. Der extrem kurze Lichtimpuls beleuchtet ein Hindernis - sofern vorhanden - und der reflek tierte Lichtimpuls trifft auf die CMOS-Bildwandler. Der Sen sor registriert bei mehr als 1000 Messpunkten gleichzeitig die Laufzeiten, die als Maß für die Entfernung und die Form des Hindernisses ausgewertet werden. Der CMOS-Sensor ist nicht größer als eine Zigarettenschachtel, beruht vollständig auf Halbleiterbauelementen und ist besonders robust und ex trem schnell. Die Bildaufnahme samt Auswertung benötigt weni ger als 10 ms. Falls ein Hindernis detektiert wurde, wird eine entsprechende Reaktion ausgelöst. Diese besteht üblicherweise darin, eine Zwangsbremsung einzuleiten. According to claim 2 is preferred as an optoelectronic sensor a CMOS sensor is provided. A CMOS sensor is in the DE 197 57 595 A1, in particular for airbag control described in detail. The principle of the CMOS sensor is based insist that the light source, preferably a laser or egg ne pulsed light-emitting diode, and an electronic lock are exactly synchronized. The lock opens exactly with the emission of the light pulse. The extremely short light pulse illuminates an obstacle - if any - and the reflector The light pulse impinges on the CMOS image converter. The sen sor registers at more than 1000 measuring points at the same time the terms that measure the distance and the shape of the obstacle are evaluated. The CMOS sensor is no larger than a pack of cigarettes, based entirely on semiconductor components and is particularly robust and ex extremely fast. The image acquisition including evaluation requires little less than 10 ms. If an obstacle has been detected, a corresponding reaction triggered. This usually exists in initiating emergency braking.

Gemäß Anspruch 3 ist der durchmusterte Sektor um einen Winkel zur Horizontalen abwärts geneigt. Vorzugsweise sollte der Schnitt des Sektors mit dem Boden innerhalb der Reichweite des Sensorsignals liegen. Durch die Abwärtsneigung kann ein Profil des Untergrundes aufgenommen werden, wobei besonders hervorstehende Objekte leicht erkennbar sind. Der Sensor wird zweckmäßigerweise in einem geschützten Bereich des Wagenkas tens, der der regelmäßigen Reinigung unterliegt, unterge bracht.According to claim 3, the screened sector is at an angle inclined downwards to the horizontal. Preferably the Intersection of the sector with the ground within reach of the sensor signal. Due to the downward slope, a Profile of the subsurface are taken, being special protruding objects are easily recognizable. The sensor will expediently in a protected area of the wagon box which is subject to regular cleaning introduced.

Es ist jedoch auch möglich, den Sensor derart anzuordnen, dass der Sektor parallel zur Gleisebene ausgerichtet ist. Da bei ist die Montagehöhe über dem Gleis identisch mit der Min destausdehnung, die ein Hindernis aufweisen muss, um eine Re aktion am Zug auszulösen.However, it is also possible to arrange the sensor in such a way that that the sector is aligned parallel to the track level. because at is the installation height above the track identical to the min expansion that must be an obstacle to a re trigger action on the train.

Zur lückenlosen Abtastung des Bereiches vor dem Zug ist eine Doppelanordnung der Sensoren gemäß Anspruch 4 erforderlich. Die Sensoren sind quasi links und rechts an der Frontseite des Schienenfahrzeuges befestigt. Zwischen den beiden Senso ren verbleibt dabei ein im Wesentlichen dreieckförmiger Be reich als Überwachungslücke. Diese Lücke kann jedoch vernach lässigt werden, wenn der Abtastwinkel, der den ausgeleuchte ten Sektor begrenzt, derart gewählt wird, dass die Lücke un mittelbar vor der Kupplungseinrichtung des Zuges endet.For the complete scanning of the area before the train is one Double arrangement of the sensors according to claim 4 required. The sensors are virtually on the left and right on the front attached to the rail vehicle. Between the two Senso ren remains an essentially triangular Be rich as a surveillance gap. However, this gap can be narrowed be neglected if the scanning angle that the illuminated th sector is selected such that the gap un ends indirectly in front of the coupling device of the train.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellun gen näher beschrieben. Es zeigenThe invention is described below with the aid of figurative representations gene described in more detail. Show it

Fig. 1 eine perspektivisch-schematische Darstellung einer Sensoranordnung an einem Schienenfahrzeug, Fig. 1 is a perspective-diagrammatic representation of a sensor assembly on a railway vehicle,

Fig. 2 das Prinzip der Detektion eines Hindernisses, Fig. 2 shows the principle of the detection of an obstacle,

Fig. 3 eine erste Variante einer Sensoranordnung, Fig. 3 shows a first variant of a sensor arrangement,

Fig. 4 eine zweite Variante einer Sensoranordnung, Fig. 4 shows a second variant of a sensor arrangement,

Fig. 5 die Sensoranordnungen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 in Verbindung mit einer Person im Gleisbereich und Fig. 5, the sensor arrangements shown in FIG. 3 and FIG. 4 in conjunction with a person in the track area and

Fig. 6 eine Darstellung der Wirkungskette bzw. Blockstruk tur zur Realisierung der erfindungsgemäßen Schutz funktion. Fig. 6 is a representation of the chain of effects or block structure to implement the protection function according to the invention.

Fig. 1 zeigt ein Schienenfahrzeug 1, an dessen Fronseite, quasi im Scheinwerferbereich, zwei CMOS-Sensoren 2 und 3 an geordnet sind. Es ist ersichtlich, dass die CMOS-Sensoren 2 und 3 jeweils einen Sektor 4 im Wesentlichen horizontaler Ausrichtung durchmustern. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass mit Ausnahme eines dreieckförmigen toten Winkels 5 ein flächiger Bereich mit einer Breite, die im Wesentlichen der Breite des Schienenfahrzeugs 1 entspricht und einer Längsaus dehnung entsprechend der Reichweite des Sensorsignals durch mustert wird. Der tote Winkel 5 beeinträchtigt die Detekti onssicherheit nur unwesentlich, da in diesem mittleren Ab schnitt der Fronseite des Schienenfahrzeuges 1 üblicherweise eine Kupplungseinrichtung 6 angeordnet ist, die einen Groß teil des toten Winkels 5 ausfüllt. Fig. 1 shows a rail vehicle 1 , on the front side, quasi in the headlight area, two CMOS sensors 2 and 3 are arranged. It can be seen that the CMOS sensors 2 and 3 each scan a sector 4 with a substantially horizontal orientation. In this way it is ensured that, with the exception of a triangular blind spot 5, a flat area with a width that essentially corresponds to the width of the rail vehicle 1 and a longitudinal extension corresponding to the range of the sensor signal is patterned through. The blind spot 5 affects the detection security only insignificantly, since in this middle section from the front of the rail vehicle 1 a coupling device 6 is usually arranged, which fills a large part of the blind spot 5 .

Fig. 2 veranschaulicht die Detektion eines Hindernisses 7. Der CMOS-Sensor 2 bzw. 3 ermittelt in Sekundenbruchteilen die Entfernung a und den ausgefüllten Winkelbereich α des Hin dernisses 7. Der CMOS-Sensor 2 bzw. 3 meldet für jeden über wachten Raumwinkel die gemessene Entfernung a des Hindernis ses 7 an eine Verarbeitungseinheit - 8 in Fig. 6 -, zu rea lisieren durch einen Computer. Überschreitet die Größe des Hindernisses 7 ein bestimmtes Maß, so wird an die nachge schalteten Einrichtungen zur Beeinflussung der automatischen Zugfahrt - ATP; 9 in Fig. 6 - ein Signal abgesetzt, das die unverzügliche Bremsung - 10 in Fig. 6 - des Schienenfahr zeugs 1 einleitet. Fig. 2 illustrates the detection of an obstacle. 7 The CMOS sensor 2 or 3 determines the distance a and the filled angle range α of the obstacle 7 in fractions of a second. The CMOS sensor 2 or 3 reports for each monitored solid angle the measured distance a of the obstacle ses 7 to a processing unit - 8 in FIG. 6 - to be implemented by a computer. If the size of the obstacle 7 exceeds a certain dimension, the downstream devices for influencing the automatic train journey - ATP; 9 in Fig. 6 - a signal issued, the immediate braking - 10 in Fig. 6 - of the rail vehicle 1 initiates.

Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen zwei unterschiedliche Blickrichtungen des CMOS-Sensors 2 bzw. 3. FIGS. 3 and 4 illustrate two different directions of view of the CMOS sensor 2 and 3 respectively.

In Fig. 3 ist der Sektor 4.1 in Fahrtrichtung um einen Win kel β gegenüber der Horizontalen abwärts geneigt. Dabei ist der Schnitt des Sektors 4.1 mit der Schienenebene 11 noch in nerhalb der maximalen Messentfernung α vorgesehen. Auf diese Weise kann ein Profil des Untergrundes aufgenommen werden, wobei aufragende Hindernisse erkennbar sind.In Fig. 3, the sector 4.1 is inclined downwards in the direction of travel by a angle β relative to the horizontal. The intersection of the sector 4.1 with the rail plane 11 is still provided within the maximum measuring distance α. In this way, a profile of the subsurface can be recorded, with towering obstacles being recognizable.

In Fig. 4 ist die Anordnung des CMOS-Sensors 2 bzw. 3 derart getroffen, dass der zu durchmusternde Sektor 4.2 die Schie nenebene 11 nicht oder erst weit außerhalb der maximalen Messentfernung d des CMOS-Sensors 2 bzw. 3 schneidet. Hierzu muss der CMOS-Sensor 2 bzw. 3 unterhalb des Wagenkastens staub- und nässegeschützt montiert werden. Bei dieser hori zontalen Ausrichtung des Sektors 4.2 ist die Höhe h über der Schienenoberkante gleichzeitig das Maß der Mindestausdehnung, die ein Hindernis aufweisen muss, um eine Reaktion am Schie nenfahrzeug 1 auszulösen.In FIG. 4, the arrangement of the CMOS sensor 2 or 3 taken so that the 11 or not until well outside the maximum reading distance d of the CMOS sensor 2 or 3 cuts to durchmusternde sector 4.2, the slider nenebene. To do this, the CMOS sensor 2 or 3 must be installed protected from dust and moisture below the car body. In this horizontal orientation of the sector 4.2 , the height h above the top edge of the rail is at the same time the measure of the minimum extent that an obstacle must have in order to trigger a reaction on the rail vehicle 1 .

Dringt ein Mensch 12 - wie Fig. 5 zeigt - in den Bereich un mittelbar vor dem Schienenfahrzeug 1 ein, so wird er zwangs läufig den zu überwachende Sektor 4.1 gemäß Fig. 3 oder 4.2 gemäß Fig. 4 durchdringen und eine Zwangsbremsung oder bei stehendem Zug eine Anfahrsperre auslösen.If a person 12 - as shown in FIG. 5 - enters the area un directly in front of the rail vehicle 1 , he will inevitably penetrate the sector 4.1 to be monitored according to FIG. 3 or 4.2 according to FIG. 4 and emergency braking or when the train is stopped trigger a start lock.

Claims

1. Device for detecting an obstacle ( 7 ) in front of a rail vehicle ( 1 ), with at least one active optoelectronic sensor being arranged on the front of the rail vehicle ( 1 ), the sensor being connected statically to the rail vehicle ( 1 ) and having static optics for monitoring a flat sector ( 4 ; 4.1 ; 4.2 ) in a horizontal orientation, the range (d) of the sensor being set such that a safe stop is possible when an obstacle is detected.

2. Device according to claim 1, characterized in that the sensor is designed as a CMOS sensor ( 2 ; 3 ).

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sector ( 4.1 ) is inclined downwards by an angle (β) to the horizontal plane.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that two sensors ( 2 and 3 ) are provided, which are spaced apart from each other.