DE102004048637A1 - Roadway surface`s high sections detecting method, involves measuring concurrent surface area of roadway using sensor arrangement that is arranged in driving direction of measuring vehicle - Google Patents

Roadway surface`s high sections detecting method, involves measuring concurrent surface area of roadway using sensor arrangement that is arranged in driving direction of measuring vehicle Download PDF

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Abstract

The method involves measuring a roadway using a sensor arrangement, which is arranged in driving direction (2) of a measuring vehicle. A measuring area (3) of the sensor arrangement extends on a surface of the roadway perpendicular to the driving direction. The sensor arrangement measures a concurrent surface area (5) of the roadway over the course of measure. The arrangement has a laser scanner and a camera sensor. An independent claim is also included for a device for vehicle-based detection of high sections, running transverse to driving direction, of a roadway surface.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignet Vorrichtung zur fahrzeugbasierten Erfassung des quer zur Fahrtrichtung verlaufenden Höhenprofils einer Fahrbahn nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 4.The The invention relates to a method and to carrying out the Method suitable device for vehicle-based detection the transverse to the direction of travel height profile of a road to the preambles of claims 1 and 4.

Durch Unebenheiten der Straße werden im Reifen u.a. Hub- und Längsschwingungen angeregt und über Reifen, Rad, Achse und Karosserieelemente bis zum Passagier geleitet. Die Anregungsfrequenzen hängen direkt vom Straßenprofil und der Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Interessiert man sich zusätzlich für alle Freiheitsgrade der Anregung, benötigt man die 3D-Geometrie der Straßenoberfläche sowohl unter den vier Rädern als auch aufgelöst innerhalb der Reifenaufstandsfläche. Eine vollständige Simulation könnte dann sowohl die Drehmomente und Kräfte für jeden Reifen erzeugen und damit Nick-, Wank-, Giermomente als auch Längs-, Quer- und Hochkräfte auf das Fahrzeug wiedergeben. Vorraussetzung dazu ist eine zuverlässige Messung der Straßengeometrie, wie sie zum Beispiel von Schittenhelm und Ammon (Schittenhelm, H, Ammon, D., „Auf dem Wege zu lebensdauer- und komfortrelevanten 3-dimensionalen Fahrstrecken in der Fahrwerkssimulation", VDI-Bericht 1632, Reifen, Fahrwerk, Fahrbahn, Hannover 2001) beschrieben wird. Die dort gezeigte Messmethode ermöglicht zwar die Vermessung der Straßengeometrie über einen Ausgedehnten Bereich quer zur Straßenführung verlangt allerdings eine Absperrung der zu vermessenden Straßenfläche, was auf öffentlich zugänglichen Straßen nicht unproblematisch ist.By Bumps of the road are in the tire u.a. Lifting and longitudinal vibrations excited and over Tire, wheel, axle and body elements passed to the passenger. The excitation frequencies hang directly from the street profile and the vehicle speed. Are you also interested in all degrees of freedom the stimulus needed one the 3D geometry of the road surface both under the four wheels as well as dissolved within the tire contact patch. A complete simulation could then generate both the torques and forces for each tire and thus pitching, rolling, yawing moments as well as longitudinal, lateral and high forces play the vehicle. Prerequisite for this is a reliable measurement the road geometry, as, for example, Schittenhelm and Ammon (Schittenhelm, H, Ammon, D., "Up the way to life-time and comfort-relevant 3-dimensional routes in the suspension simulation ", VDI report 1632, tires, chassis, roadway, Hannover 2001) described becomes. Although the measuring method shown there allows the measurement the road geometry over one Extensive area across the street requires, however, a Shutting off the road surface to be surveyed, resulting in public accessible streets not unproblematic.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur fahrzeugbasierten Erfassung des quer zur Fahrtrichtung verlaufenden Höhenprofils einer Fahrbahn zu finden, welche es erlaubt bei einer an den Verkehrsfluss angepassten Überfahrt über eine Fahrbahn deren Oberflächenkontur hoch aufgelöst über einen ausgedehnten Bereich quer zur Fahrtrichtung zu vermessen.task The invention is a method and a for carrying out the Method suitable device for vehicle-based detection the transverse to the direction of travel height profile of a roadway find, which allows for a adapted to the traffic flow crossing over a Road surface whose surface contour high resolution over one extended area transverse to the direction of travel to measure.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung mit der Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The Task is performed by a procedure and to carry out the Method suitable device with the features of claims 1 and 4 solved. Advantageous embodiments and further developments of the invention are in the subclaims described.

Bei der fahrzeug-basierten Erfassung des quer zur Fahrtrichtung verlaufenden Höhenprofils einer Fahrbahnoberfläche, wird mittels einer Sensoranordnung ein sich auf der Fahrbahnoberfläche senkrecht zur Fahrtrichtung erstreckender Messbereich erfasst. Hierdurch wird es möglich über den zeitlichen Verlauf der Messung, durch sukzessive Messaufnahmen das das Höhenprofil Fahrbahn parallel an mehreren Stellen entlang der Fahrtrichtung des Messfahrzeugs zu vermessen. In erfinderischer Weise wird die Fahrbahn zusätzlich mittels wenigstens einer weiteren Sensoranordnung vermessen wird. Hierzu ist diese weitere Sensoranordnung in Fahrtrichtung versetzt am Messfahrzeug angeordnet. Der Messbereich dieser Sensoranordnung erstreckt sich auf der Fahrbahnoberfläche ebenfalls senkrecht zur Fahrtrichtung des Messfahrzeuges. Die Ausrichtung der Sensoranordnungen ist ferner so organisiert, dass sie über den zeitlichen Verlauf der Messung hinweg einen überlappenden Oberflächenbereich der Fahrbahn vermessen. Auf diese Weise kann mittels dem Oberflächenmesssystem innerhalb des sich überlappenden Oberflächenbereichs eine redundante Messdatenerfassung erfolgen, ein Umstand welcher wie nachfolgend erläutert im Zusammenhang mit einer späteren Rekonstruk tion des Oberflächenprofils aus den Messdaten vorteilhaft genutzt werden kann.at the vehicle-based detection of the transverse to the direction of travel height profile a road surface, is by means of a sensor arrangement on the road surface perpendicular detected to the direction extending measuring range. This will it is possible over the temporal course of the measurement, by successive measurement recordings the height profile Lane parallel in several places along the direction of travel of the measuring vehicle. In an innovative way, the Roadway in addition is measured by means of at least one further sensor arrangement. For this purpose, this further sensor arrangement is offset in the direction of travel arranged on the measuring vehicle. The measuring range of this sensor arrangement extends on the road surface also perpendicular to Direction of travel of the measuring vehicle. The orientation of the sensor arrangements is also organized so that it is over the course of time The measurement is overlapping surface area measure the roadway. In this way, by means of the surface measuring system within the overlapping surface area a redundant data acquisition take place, a circumstance which as explained below in connection with a later Reconstruction of the surface profile can be used advantageously from the measured data.

Nachfolgend wird mit Hilfe von Ausführungsbeispielen und Figuren die Erfindung im Detail erläutert. Dabei zeigtfollowing is using exemplary embodiments and Figures illustrate the invention in detail. It shows

1 die mittels Einzelmessung erfassten Bereiche (3, 4) auf der Oberfläche einer Fahrbahn (1), 1 the areas covered by individual measurements ( 3 . 4 ) on the surface of a carriageway ( 1 )

2 die Auswirkung von Fahrzeugwankbewegungen auf die Messspur. 2 the impact of vehicle rolling movements on the measuring lane.

In 1 sind die mittels Einzelmessung erfassten Bereiche (3, 4) auf der Oberfläche eine Fahrbahn dargestellt. Beispielhaft wird der Messbereich (3) durch einen mittels des Lichtschnitt-Verfahrens arbeitenden Sensor vermessen. Nach dem Prinzip der Laser-Triangulation registriert eine senkrecht über dem zu vermessenden Objekt angeordnete Flächenkamera den Lateralversatz beziehungsweise die Verformung einer in einem Winkel α auf die Objektoberfläche projizierte Linie, insbesondere eine von einem Laser erzeugte Laserlinie. Durch die geometrische Anordnung nimmt die Kamera die Projektion der Linie als eine, die Kontur der Oberfläche nachbildende Höhenlinie auf. Das gesuchte Höhenprofil wird aus der Abweichung dieser Laserlinie von einer Nulllage, welche eine plane Oberfläche beschreibt, berechnet. Messbereich und Messauflösung werden durch den Triangulationswinkel α zwischen der Ebene der Laserlinie und der optischen Achse der Kameraoptik festgelegt. („Lichtschnittsysteme zur 3D-Oberflächeninspektion", Gesellschaft für Bild- und Signalverarbeitung mbH, http://www.zbs-ilmenau./de/html/prod/lichtss.html, 23.06.2004; oder „Laser-Lichtschnitt – eine Schlüsselfunktion in der 3D-Lasermesstechnik", Schäfter+Kirchhoff GmbH, http://www.siliconsoftware.de/download/archive/Laser Lichtschnitt d.pdf, 2004). Der Messbereich (4) wurde als Messbereich einer linearen Anordnung von mehreren Einzellasern angedeutet; vergleichbar wäre der Messbereich bei der Nutzung eines Laserscanners, wobei dieser im Allgemeinen eine wesentlich höhere Auflösung (mehr Abtastpunkte) aufweist. Bei Fahrt des Messfahrzeuges in Fahrtrichtung über die Fahrbahn (1) wird diese sukzessive von den einzelnen Sensoranordnungen abgetastet, wobei diese gemeinsam einen überlappenden Bereich (5) vermessen. Werden die Messdaten mit Referenz auf ihre Messposition auf der Fahrbahn gespeichert, so lassen sich die von den einzelnen Sensoranordnungen an denselben bzw. den wesentlich selben Stellen der Fahrbahnoberfläche gemessenen Positionen innerhalb des Bereichs (5) miteinander korrelieren. In vorteilhafter Weise kann die Korrelation dieser an im wesentlichen identischer Stelle aufgenommenen Messdaten dazu dienen die Genauigkeit der das Höhenprofil der Fahrbahn beschreibenden Messwerte zu verbessern. Dies kann dadurch erreicht werden, dass durch Mittelung der Messwerte Störeinflüsse oder Sensorrauschen unterdrückt werden kann. Andererseits ist es gewinnbringend möglich aus der Differenz der durch die beiden Höhensensoren zeitlich versetzt, an derselben Messposition erfassten Höheninformation auf den Nickwinkel des Messfahrzeuges zu schließen. Liegt das Fahrzeug eben auf der Fahrbahn (Nickwinkel = 0) sollten die Höhenwerte beider Sensoren (nach Elimination der von aus der bekannten Einbauposition resultierenden Höhendifferenz) an derselben Messposition übereinstimmen. Misst der in Fahrtrichtung vordere Sensor einen größeren Höhenabstand als der versetzt, weiter hinten angeordnete, so kann davon ausgegangen werden, dass sich das Messfahrzeug nach hinten neigt; zum Beispiel bei Beschleunigung. Dementsprechend wird der vor dem anderen Höhensensor angeordnete Höhensensor einen vergleichsweise geringeren Höhenabstand messen, wenn das Fahrzeug auf Grund eines Bremsvorganges nach vorne nickt.In 1 are the areas covered by individual measurements ( 3 . 4 ) on the surface of a roadway. By way of example, the measuring range ( 3 ) are measured by a sensor operating by means of the light-section method. According to the principle of laser triangulation, an area camera arranged vertically above the object to be measured registers the lateral offset or the deformation of a line projected onto the object surface at an angle α, in particular a laser line generated by a laser. Due to the geometric arrangement, the camera takes on the projection of the line as a contour line reproducing the contour of the surface. The searched height profile is calculated from the deviation of this laser line from a zero position, which describes a plane surface. Measuring range and measuring resolution are determined by the triangulation angle α between the plane of the laser line and the optical axis of the camera optics. ("Light-section systems for 3D surface inspection", Gesellschaft für Bild- und Signalverarbeitung mbH, http://www.zbs-ilmenau.uk/en/html/prod/lichtss.html, 23.06.2004; or "Laser light section - a key function in 3D laser measurement technology", Schäfter + Kirchhoff GmbH, http://www.siliconsoftware.de/download/archive/Laser Lichtschnitt d.pdf, 2004). 4 ) was suggested as the measuring range of a linear arrangement of several single lasers; Comparable would be the measuring range when using a laser scanner, which generally has a much higher resolution (more sampling points). When driving the measuring vehicle in the direction of travel over the road ( 1 ) is successively scanned by the individual sensor arrangements, which together form an overlapping area (FIG. 5 ). If the measured data are stored with reference to their measuring position on the roadway, the positions measured within the area by the individual sensor arrangements at the same or substantially the same locations of the road surface ( 5 ) correlate with each other. Advantageously, the correlation of these recorded at substantially identical location measurement data serve to improve the accuracy of the height profile of the road descriptive measurements. This can be achieved by suppressing disturbances or sensor noise by averaging the measured values. On the other hand, it is profitably possible from the difference of the time offset by the two height sensors, at the same measuring position detected height information to close the pitch angle of the measuring vehicle. If the vehicle is lying flat on the road (pitch angle = 0), the height values of both sensors (after elimination of the height difference resulting from the known installation position) should coincide at the same measuring position. Measures the front in the direction of travel sensor a greater height distance than the offset, arranged further back, so it can be assumed that the measuring vehicle tilts backwards; for example when accelerating. Accordingly, the height sensor disposed in front of the other height sensor will measure a comparatively smaller height distance when the vehicle is nodding forward due to a braking operation.

Durch den Vergleich der innerhalb des Überlappungsbereichs (5) auf der Fahrbahnoberfläche gemessenen redundanten Höheninformation wird es möglich die beiden quer zur Fahrt richtung des Messfahrzeuges ausgerichteten Sensoranordnungen gegeneinander zu kalibrieren. Denn für den Fall einer Verkippung einer der Sensoranordnungen werden deren Messdaten bei jeder Einzelmessung bei den quer zu Fahrtrichtung benachbarten Messpunkten einen monoton ansteigenden bzw. abfallenden Offset zu den realen Profilhöhenwerten aufweisen. Dieses monotone Ansteigen bzw. Abfallen wird jedoch in den Messdaten der anderen Sensoranordnung im Überlappungsbereich (5) nicht zu sehen sein. Die Messdatenauswertung kann so eine gegebene Verkippung erkennen, insbesondere wenn der Sensor im überlappenden Messbereich (5) über einen ebenen Kalibrationskörper fährt. Durch die Erkennung und Vermessung dieses Verkippungs- bzw. Dejustagefehlers wird es möglich die Messdaten im Nachhinein von dem Offsetfehler zu befreien.By comparing within the overlap area ( 5 ) measured on the road surface redundant altitude information, it is possible to calibrate the two aligned transversely to the direction of travel of the measuring vehicle sensor assemblies against each other. Because in the event of tilting of one of the sensor arrangements whose measurement data for each individual measurement at the transverse to the direction of travel measuring points have a monotonically increasing or decreasing offset to the real profile height values. However, this monotonous increase or decrease is reflected in the measurement data of the other sensor arrangement in the overlapping area (FIG. 5 ) can not be seen. The measurement data evaluation can thus detect a given tilting, in particular if the sensor is in the overlapping measuring range ( 5 ) travels over a flat calibration body. By detecting and measuring this tilting or misalignment error, it is possible to subsequently exempt the measured data from the offset error.

In 2 wird die Auswirkung von Lageänderungen des Messfahrzeuges während der Messfahrt dargestellt. Entsprechend der vormaligen Annahme, seinen am Messfahrzeug zwei Sensoranordnungen angebracht, deren Messbereiche (23, 24) sich längs in Bezug auf die Fahrtrichtung (22) versetzt auf der Fahrbahn (21) befinden. Im zeitlichen Verlauf der Messfahrt tasten die jeweiligen Messbereiche (23, 24) jeweilige Bereiche auf der Fahrbahnoberfläche ab, welche sich im Messbereich (25) überlappen. Würde sich das Fahrzeug ohne dynamische Lageänderung (Nicken oder Wanken) über die Fahrbahn bewegen, so würde der Messfleck (30) auf einer geraden Messspur (31) über die Fahrbahnoberfläche streichen und mit zeitlichem Versatz die selbe Stelle der Fahrbahnoberfläche vermessen wie zuvor der Messfleck (40) im Messbereich (23). Verursacht durch eine dynamische Lageänderungen des Messfahrzeugs, insbesondere resultierend aus Fahrbahnunregelmäßigkeiten, wird bewirkt, dass der Messfleck (30) innerhalb des Messbereichs (24) sich nicht auf einer Geraden sondern auf einer gekrümmten Messspur (32) über die Fahrbahnoberfläche bewegt. Durch geeignete Ausgestaltung der Korrelationsroutine, welche den Verlauf der Mess daten an den einzelnen Messflecken (30, 40, 41) der Messbereiche (23, 24) über die Zeit verfolgt muss der Verlauf der Messbahnen erkannt werden. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, dass die Messwerte er mit seinen Messungen nachfolgenden Sensoranordnung auch mit den in den Benachbarten Messfleckbereichen der zeitlich vorab messenden Sensoranordnung verglichen werden. Hierbei kann ein Abweichen von einer geraden Messbahn desto leichter detektiert und verfolgt werden, je enger die abgetasteten Messflecken (30, 40, 41) innerhalb eines Messbereichs (23, 24) liegen.In 2 the effect of changes in position of the measuring vehicle during the test drive is shown. In accordance with the previous assumption, it has two sensor arrangements attached to the measuring vehicle whose measuring ranges ( 23 . 24 ) longitudinally with respect to the direction of travel ( 22 ) offset on the road ( 21 ) are located. During the course of the test drive, the respective measuring ranges ( 23 . 24 ) respective areas on the road surface, which in the measuring range ( 25 ) overlap. If the vehicle would move over the carriageway without dynamic change of position (nodding or rolling), the measuring spot ( 30 ) on a straight measuring track ( 31 ) over the road surface and measure with a time offset the same point of the road surface as before the measuring spot ( 40 ) in the measuring range ( 23 ). Caused by a dynamic positional changes of the measuring vehicle, in particular as a result of road irregularities, causes the measuring spot ( 30 ) within the measuring range ( 24 ) not on a straight line but on a curved measuring track ( 32 ) is moved over the road surface. By suitable configuration of the correlation routine, which determines the course of the measurement data at the individual measurement spots (FIG. 30 . 40 . 41 ) of the measuring ranges ( 23 . 24 ) tracked over time, the course of the measuring tracks must be recognized. On the one hand, this can be done by comparing the measured values with the sensor array following his measurements, and also with the sensor arrangement which measures in advance in the adjacent measuring spot areas. In this case, a deviation from a straight measuring track can be detected and tracked more easily the closer the sampled measuring spots ( 30 . 40 . 41 ) within a measuring range ( 23 . 24 ) lie.

Claims (5)

Verfahren zur fahrzeug-basierten Erfassung des quer zur Fahrtrichtung verlaufenden Höhenprofils einer Fahrbahnoberfläche, bei welchem mittels einer Sensoranordnung ein sich auf der Fahrbahnoberfläche senkrecht zur Fahrtrichtung erstreckender Messbereich erfasst wird, um das Höhenprofil der Fahrbahn parallel an mehreren Stellen entlang der Fahrtrichtung des Messfahrzeugs zu vermessen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrbahn zusätzlich mittels wenigstens einer weiteren Sensoranordnung vermessen wird, welche in der Fahrtrichtung versetzt am Messfahrzeug versetzt angeordnet ist, und deren Messbereich sich ebenfalls auf der Fahrbahnoberfläche senkrecht zur Fahrtrichtung des erstreckt, wobei die Sensoranordnungen über den zeitlichen Verlauf der Messung hinweg einen überlappenden Oberflächenbereich der Fahrbahn vermessen.Method for vehicle-based detection of the transverse to the direction of travel height profile of a road surface, wherein by means of a sensor array on the road surface perpendicular to the direction extending measuring range is detected to measure the height profile of the road parallel at several points along the direction of travel of the measuring vehicle characterized in that the roadway additionally by means of at least ei ner further sensor arrangement is measured, which is arranged offset in the direction of travel offset on the measuring vehicle, and the measuring range also extends on the road surface perpendicular to the direction of travel, the sensor arrangements over the time course of the measurement across an overlapping surface region of the roadway. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrelationseinheit vorgesehen ist, welche die Messwerte wenigstens zweier Sensorelemente aus deren sich gegenseitig überlappenden Messbereich mit einander korreliert, um insbesondere die Genauigkeit der das Höhenprofil der Fahrbahn beschreibenden Messwerte zu verbessern.Method according to claim 1, characterized in that a correlation unit is provided, which determines the measured values at least two sensor elements from their mutually overlapping measuring range correlated with each other, in particular the accuracy of the height profile improve the roadway descriptive readings. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrelationseinheit vorgesehen ist, welche die Messwerte wenigstens zweier, längs der zur Fahrtrichtung parallelen Achse des Fahrzeuges versetzt angeordneten Sensorelemente aus deren sich gegenseitig im zeitlichen Verlauf überlappenden Messbereich mit einander korreliert, um insbesondere eine Nickwinkelkorrektur der das Höhenprofil der Fahrbahn beschreibenden Messwerte zu ermöglichen.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a correlation unit is provided, which the measured values of at least two, parallel to the direction of travel Axis of the vehicle offset sensor elements arranged from the Over time overlapping measuring range with each other over time In particular, a pitch angle correction correlates the elevation profile allow the driving lane descriptive readings. Vorrichtung zur fahrzeug-basierten Erfassung des quer zur Fahrtrichtung verlaufenden Höhenprofils einer Fahrbahnoberfläche, welche über Sensoranordnung verfügt, dessen Messbereich auf der Fahrbahnoberfläche sich senkrecht zur Fahrtrichtung erstreckt, um das Höhenprofil der Fahrbahn parallel an mehreren Stellen entlang der Fahrtrichtung des Messfahrzeugs zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine weiter Sensoranordnungen umfasst, deren Messbereich sich auf der Fahrbahnoberfläche ebenfalls senkrecht zur Fahrtrichtung des Messfahrzeuges erstreckt, wobei diese Sensoranordnung des weiteren so ausgerichtet ist, dass sich von den Sensoranordnungen vermessenen Bereiche der Fahrbahnoberfläche sich im zeitlichen Verlauf der Messung sich überlappen.Device for vehicle-based detection of transversely to the direction of travel extending height profile of a road surface, which via sensor arrangement features, its measuring range on the road surface perpendicular to the direction of travel extends to the height profile of the Lane parallel in several places along the direction of travel of the measuring vehicle, characterized, that the device comprises at least one further sensor arrangement, their measuring range is also perpendicular to the direction of travel on the road surface of the measuring vehicle, said sensor arrangement further is aligned so that measured by the sensor assemblies Areas of the road surface overlap in the time course of the measurement. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Sensoranordnungen aus wenigstens einem Laserscanner oder einem auf Basis des Lichtschnitt- Verfahrens arbeitender Kamerasensor oder aus einer Nebeneinanderordnung von mehreren entfernungs-auflösenden Einzellasern bestehen.Device according to claim 4, characterized in that that the individual sensor arrangements of at least one laser scanner or a camera sensor operating on the basis of the light-section method or from a juxtaposition of multiple distance-resolving single lasers consist.
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