WO2001047759A1

WO2001047759A1 - Strassenzustandserkennung mit fremdsystemstrahlung gps, dbs

Info

Publication number: WO2001047759A1
Application number: PCT/EP2000/012845
Authority: WO
Inventors: B. Kannan Balasubramanian; Seshu Bhagavathula; Shanmukh Katragadda
Original assignee: Daimlerchrysler Ag
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 2000-12-16
Publication date: 2001-07-05
Also published as: DE50011085D1; US20030171872A1; DE19962949A1; EP1244582A1; EP1244582B1; US6922636B2

Abstract

Abtaststrahlungsbasierte Erkennung des Oberflächenzustands von Erdoberflächenbereichen durch Auswertung der reflektierten empfangenen Abtaststrahlung. Die Abtaststrahlung ist von der Nutzsignalstrahlung eines Fremdsystems gebildet und/oder wird von einem oder mehreren Satelliten (1) bereitgestellt, GPS L-Band oder DBS C-Band. Zur Erkennung des Oberflächenzustands hinsichtlich Belagstyp und Belagszustand von Verkehrsstrassen. Es werden Polarisationszustände gegen die unreflektierte Referenz zu stationären Baken (5) ausgewertet. Mit Auto-Korrelation und FFT für einen statistischen Klassifizierer. Für Asphalt, Teer, Sand, Schotter, Pflasterstein, trocken, nass, Eis, Schnee.

Description

STRASSEN ZUSTANDSERKENNUNG MIT FREMDSYSTEMSTRAHLUNG GPS, DBS

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur abtaststrah- lungsbasierten Erkennung des Oberflachenzustands von Erdoberflächenbereichen, insbesondere von Verkehrsstraßenbereichen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In den Patentschriften US 4.653.316, US 4.690.553, US 5.446.461 und US 5.497.100 sind Vorrichtungen dieser Art zur Erkennung des Oberflächenzustand von Straßen beschrieben, die sämtlich als "aktive" Systeme ausgelegt sind, worunter zu verstehen ist, daß sie einen eigens zu diesem Zweck vorgesehenen Abtaststrahlungs- sender umfassen, der die benutzte Abtaststrahlung erzeugt, von der wenigstens ein Teil auf den zu überwachenden Straßenbereich gerichtet wird. Als Abtaststrahlung wird beispielsweise sichtbares Licht, z.B. von einem Laser, oder Infrarotstrahlung oder eine andere elektromagnetische Strahlung verwendet. Über geeignete Empfangsmittel wird mindestens ein vom abgetasteten Straßenbereich reflektierter Abtaststrahlungsanteil, der die Oberflächen- zustandsinformation enthält, aufgenommen und Auswertemitteln zugeführt, die diesen Zustandsinformations-Abtaststrahlungsanteil einer geeigneten Auswertung unterziehen, um daraus auf den Oberflächenzustand des abgetasteten Straßenbereichs zu schließen. Diese Auswertung kann je nach Systemauslegung einen Vergleich mehrerer auf den überwachten Straßenbereich gerichteter und von diesem reflektierter Abtaststrahlungsanteile und/oder einen Vergleich eines oder mehrerer solcher reflektierter Abtaststrahlungsanteile mit einem zugehörigen Referenz-Abtaststrahlungs- < σ CΛ fu CΛ vQ a o. φ σ cn n CΛ < CΛ N !-r yQ <! CΛ N > Φ o tr ^Q ?o tu o P- fu tr o H- Φ Ω r+ φ o ri- d d P⁾ φ o rt φ o Φ Φ CΛ Φ Φ φ d l-i Φ d ιQ d Φ t Φ ts l-i tr i-s ts d ⁾ Hl tr ^Q 3 o d 3 yQ d ^Q t-i rt φ CΛ Hi rt t→ a φ a P φ H Φ l-i 0⁾ r ι-( Φ ≤ Φ φ ι-( ιQ φ φ d t_n Φ l-i o ⁾ Φ

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Bei der Vorrichtung nach Anspruch 1 ist die Abtaststrahlung charakteristischerweise von einer Nutzsignalstrahlung eines Fremdsystems gebildet. Unter Nutzsignalstrahlung ist hierbei eine Strahlung zu verstehen, die als Nutzsignal des Fremdsystems fungiert, wobei unter Fremdsystem irgendein beliebiges anderes System außer der Oberflächenzustandserkennungsvorrichtung gemeint ist. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 macht folglich von einer ohnehin durch das Fremdsystem bereitgestellten Nutzsignalstrahlung Gebrauch, um sie als Abtaststrahlung einzusetzen. Mit anderen Worten wird die Nutzsignalstrahlung doppelt genutzt, einerseits als Nutzsignal für das Fremdsystem und andererseits als Abtaststrahlung für die Oberflächenzustandserkennung. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 bildet somit ein passives System im o- ben definierten Sinn mit dem weiteren Vorteil, daß sie als Abtaststrahlung eine Nutzsignalstrahlung eines Fremdsystems verwendet, die durch das Fremdsystem ohnehin bereitgestellt wird. Im Gegensatz zur Verwendung einer Störstrahlung im Rahmen einer solchen passiven Systemauslegung hat die Verwendung einer Nutzsignalstrahlung den Vorteil, daß letztere im allgemeinen sehr zuverlässig vorhanden sein wird, da sie ja vom Fremdsystem für dessen Nutzsignale benötigt wird.

Die Vorrichtung nach Anspruch 2 zeichnet sich dadurch aus, daß die Abtaststrahlung von einem oder mehreren satellitenseitig angeordneten Strahlungssendern bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine entsprechend großflächige Nutzung der Abtaststrahlung auf der Erdoberfläche und damit beispielsweise eine Erkennung des Straßenoberflächenzustands über weiträumige Straßenverkehrsnetze hinweg, ohne daß in jedem der das Verkehrsnetz nutzenden Fahrzeuge ein Abtaststrahlungssender installiert werden muß. Diese erfindungsgemäße Maßnahme kann bei Bedarf mit derjenigen des Anspruchs 1 kombiniert sein, wenn die satellitenseitig emittierte Strahlung gleichzeitig eine Nutzsignalstrahlung eines satellitenbasierten Fremdsystems bildet. d ω CΛ t-¹ d O φ a - tr rt

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Vorteilhafte Ausfuhrungsformen der Erfindung sind m den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung zur Erkennung des Oberflachenzustands von Verkehrsstraßenbereichen,

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Empfangs- und Auswerteteils der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Empfangsteils von Fig. 2 und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Signalverarbeitungsteils zur Merkmalsableitung innerhalb des Auswerteteils von Fig. 2.

Das m den Zeichnungen dargestellte und nachfolgend naher erläuterte Ausfuhrungsbeispiel stellt eine Vorrichtung zur abtast- strahlungsbasierten Erkennung des Oberflachenzustands von Verkehrsstraßenbereichen dar, die speziell die Radar- bzw. Radio- wellenstrahlung eines GPS oder DBS nutzt. Dazu bedient sich das Oberflachenzustandserkennungssystem der Nutzsignalstrahlung, die von entsprechenden GPS- bzw. DBS-Satelliten primär zur Erfüllung der Ortungs- bzw. Rundfunk- oder Fernsehdatenubertragungsfunkti- on des GPS- bzw. DBS-Fremdsystems emittiert wird.

Wie m Fig. 1 beispielhaft anhand eines von mehreren beteiligten Satelliten 1 dargestellt, wird die von den Satelliten 1 emittierte Nutzstrahlung als Abtaststrahlung zur Oberflachenzu- standserkennung m der Form benutzt, daß von einer jeweiligen Antenneneinheit 2 drei unterschiedliche Nutzsignalstrahlungsan- teile als entsprechende Abtaststrahlungsanteile empfangen und ausgewertet werden. Speziell wird hierzu ein erster, vom überwachten Straßenbereich 3 reflektierter Abtaststrahlungsanteil 4a mit einem ersten Polaπsationszustand, ein zweiter, vom überwachten Straßenbereich 3 reflektierter Abtaststrahlungsanteil 4b ≤ CΛ ^ cn d a PJ ϊ^→ tr CΛ CΛ tr N ^ N t→ tu Z < < d cn a CΛ < σ a d ^•z PJ ω 3

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1 1 1

die den Antennenteil und ein Hochfrequenz-Frontend umfaßt, eine Digitalisierungsstufe 8 an, der eine Merkmalsextraktionsstufe 9 nachgeschaltet ist. Die Ausgangsinformationen der Merkmalsex- traktionsstufe 9 werden einer Klassiflkationsstufe 10 zugeführt, in der sie zwecks Klassifikation mit Modellzustandsdaten verglichen werden, die m einem zugehörigen Modellspeicher 11 abgelegt sind, und zwar m Form einer vorgebbaren Anzahl unterschiedlicher Modellzustande 12a, 12b, 12c, 12d, wie Beton, feiner Stein (z.B. m Form von Asphalt, Teer oder Schotter), grober Stein (z.B. m Form von Ziegel- bzw. Pflasterstein) und Sand.

Fig. 3 zeigt detaillierter den Antennen- und HF-Frontend-Teil von Fig. 2, der zum Empfangen sowohl von DBS-Signalen im sogenannten C-Band, d.h. im Bereich von 4000MHz als auch von GPS- Signalen im sogenannten L-Band bei 1575,42MHz ausgelegt ist. Insgesamt beinhaltet die Empfangsstufe drei parallele Empfangs- kanale für die drei unterschiedlichen aufgenommenen Abtaststrah- lungsanteile 4a, 4b, 4c. Die empfangenen Strahlungsanteile 4a, 4b, 4c werden m den drei Kanälen gleichermaßen m mehreren E- tappen herabkonvertiert. Speziell werden die DBS-Signalanteile der drei Abtaststrahlungsanteile 4a, 4b, 4c m drei Etappen auf 4MHz herabgemischt. Die GPS-Signalanteile werden ebenfalls auf eine Frequenz von 4MHz herabgemischt, wobei wegen der niedrigeren Eingangsfrequenz von 1575,42MHz schon eine zweifache Herabkonvertierung genügt.

Dazu wird m einer ersten Stufe 13 das Eingangssignal im jeweiligen Kanal zunächst über einen Bandpaßfilter 14 mit einer Bandbreite von 60MHz gefuhrt, danach m einem Verstarker 15 mit 50dB verstärkt und anschließend m einem lokalen Oszillator 16 mit einem diesem zusatzlich zugefuhrten Radiofrequenzsignal einer Frequenz von 5575,42MHz gemischt, wobei diese Verarbeitungsstufe 13 speziell den DBS-Signalanteil betrifft. In einer nächsten Stufe wird das vom lokalen Oszillator 16 kommende Signal über einen Bandpaßfllter 17 mit einer Bandbreite von 4MHz geleitet, um eine Mittenfrequenz von 1575, 2MHz zu erhalten, wie sie für den GPS-Signalanteil von vornherein vorliegt. Ab dieser Stelle werden die DBS- und die GPS-Signalanteile auf dieselbe Weise weiterbehandelt .

Diese Weiterbehandlung beinhaltet zunächst eine Verstärkung in einem Verstärker 18 mit 75dB, wonach das verstärkte Signal der Frequenz von 1575,42MHz in einem lokalen Oszillator 19 mit einem diesem zusätzlich zugeführten Signal auf einer Frequenz von 1505,42MHz gemischt wird. Das gemischte Signal wird über einen Bandpaßfilter 20 mit einer Bandbreite von 2MHz geführt und anschließend in einem Verstärker 21 mit 35dB wieder verstärkt. Das verstärkte Signal besitzt dann eine Mittenfrequenz von 70MHz und eine Bandbreite von 2MHz. In einem weiteren lokalen Oszillator 22 wird es mit einem diesem zusätzlich zugeführten Signal auf einer Frequenz von 66MHz gemischt, wonach es über einen Bandpaßfilter 23 mit einer Bandbreite von 2MHz geführt und anschließend in einem weiteren Verstärker 24 mit 20dB verstärkt wird.

Die drei parallelen, resultierenden Signale mit der gewünschten Mittenfrequenz von 4MHz werden dann der anschließenden Digitali- sierungsstufe 8 zugeführt, die als wesentliches Element einen A/D-Wandler beinhaltet. In der Digitalisierungsstufe 8 werden die drei parallelen Signale mit Mittenfrequenz 4MHz und Bandbreite 2MHz auf einer Abtastfrequenz von 5MHz digitalisiert. In der anschließenden Merkmalsextraktionsstufe 9, siehe Fig. 2, werden die drei digitalisierten Signale durch einen geeignet ausgelegten Rechner bezüglich Merkmalsextraktion weiterverarbeitet.

Fig. 4 zeigt einen geeigneten Aufbau der Merkmalsextraktionsstufe 9. Wie daraus ersichtlich, werden die digitalisierten Signale 25a, 25b, 25c, die den drei verschiedenen empfangenen Abtast- strahlungsanteilen 4a, 4b, 4c, siehe Fig. 1, entsprechen, aus den drei Kanälen der Digitalisierungsstufe hinsichtlich der Ableitung der für die spätere Klassifikation relevanten Merkmale hin dadurch verarbeitet, daß zunächst in einer Korrelationsstufe 26 jedes der drei Signale 25, 25b, 25c, d.h. das "direkte" Signal D und die beiden "reflektierten" Signale Rl, R2, welche die Zustandsinfor ation über die abgetastete Oberflache enthalten, einer Auto-Korrelation 26a unterzogen und die beiden reflektierten Signale Rl, R2 parallel dazu jeweils mit dem direkten Signal D korreliert werden. An die entsprechenden fünf Ausgangskanale der Korrelationsstufe 26 schließt sich jeweils eine FFT-Stufe 27 an, m der eine 1000-Punkt-FFT (Fast Fouπer Transformation) durchgeführt wird, um ein Leistungsspektrum zu erhalten. In einer anschließenden Glattungsstufe 28 wird jeder der 1000- dimensionalen fünf Einzelvektoren im Spektralbereich m einen 20-dιmensιonalen Vektor geglättet, indem der Durchschnitt für Blocke von jeweils 500 Einheiten gebildet wird. Dabei werden insbesondere die Autokorrelationsspektren der direkten und reflektierten Signale so gerechnet. Daraus ergeben sich drei 20- dimensionale Vektoren. Die Kreuzkorrelationsspektren werden zusammengerechnet und geglättet, woraus sich zwei komplexe, je 20- dimensionale Vektoren ergeben. Aus diesen Spektren entsteht somit ein 140-dιmensιonaler Merkmalsvektor 29, welcher der Klassifikationsstufe 10 zugeführt wird.

In der Klassifikationsstufe 10 erfolgt eine klassifizierende Verarbeitung der im Merkmalsvektor 29 enthaltenen Informationen über den Oberflachenzustand des abgetasteten Straßenbereichs hinsichtlich des Straßenbelagstyps, d.h. eine Entscheidung darüber, zu welchem der mehreren vorgegebenen Straßenbelagstypen, d.h. Modellzustanden 12a bis 12d, wie sie im Modellspeicher 11 abgelegt sind, am besten den aufgenommenen und vorverarbeiteten Oberflachenzustandsdaten entspricht. Dazu kann die Klassifikationsstufe 10 beispielsweise zwei Klassifizierer beinhalten, nämlich einen statistischen Klassiflzierer und einen neuronalen Klassifizierer. Als statistischer Klassifizierer laßt sich insbesondere ein solcher herkömmlicher Art einsetzen, der auf einer Mahalanobis-Abstandsbestimmung beruht. Für weitere Details der Mahalanobis-Abstandsbestimmung kann auf die Literatur verwiesen werden, siehe z.B. R. 0. Duda und P. E. Hardt, Pattern Classifi- cation and Scene Analysis, Wiley-Interscience, John Wiley, 1973. Der neuronale Klassifizierer kann aus einem z.B. dreischichtigen Perceptron bestehen, das mit einem Ruckverarbeitungsalgoπthmus P a Φ CΛ l-i M a ü d o ω d N CΛ CΛ M CΛ Z Hi a tu tr T_J φ -→ rt CΛ S a tr rt tr tr¹ ιX5 d d P rt Φ t→ d tu DJ tr Ό d d P P l-i rt → d Φ tr Φ Hi CΛ tu P 3 Φ Φ Φ t . P tu P Φ ι-( d ι-( d P^→ l-i CΛ d Φ P l-i CΛ Q ^→Q tu Φ H H Q P → ιX5 o d l-i l-i P O t^→ rt Φ φ o φ PJ Φ n P d φ rt d ts PJ d φ DJ CΛ CΛ d w __T a d rt φ P

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eigene Abtaststrahlungserzeugungsmittel . Dadurch wird das zusätzliche Einbringen von Strahlung in die Umwelt ebenso vermieden wie der mit zusätzlich bereitzustellenden Strahlungserzeugern einhergehende Aufwand aktiver Systeme.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur abtaststrahlungsbasierten Erkennung des 0- berflächenzustands von Erdoberflächenbereichen, insbesondere von Verkehrsstraßenbereichen, mit

Empfangsmitteln (7) zum Empfangen wenigstens eines von einem abgetasteten Erdoberflächenbereich (3) reflektierten Zustandsinformations-Abtaststrahlungsanteils (4a, 4b) und

Auswertemitteln (8, 9, 10) zur Bestimmung des Oberflachenzustands des abgetasteten Erdoberflächenbereiches durch Auswertung der empfangenen, wenigstens den Zustandsinformations- Abtaststrahlungsanteil umfassenden Abtaststrahlung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die Abtaststrahlung (4a, 4b, 4c) von Nutzsignalstrahlung eines Fremdsystems gebildet ist.

2. Vorrichtung zur abtaststrahlungsbasierten Erkennung des 0- berflächenzustands von Erdoberflächenbereichen, insbesondere nach Anspruch 1, mit

Auswertemitteln (8, 9, 10) zur Bestimmung des Oberflachenzustands des abgetasteten Erdoberflächenbereiches durch Auswertung der empfangenen, wenigstens den Zustandsinformations- Abtaststrahlungsanteil umfassenden Abtaststrahlung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß sie einen oder mehrere Satelliten (1) zur Bereitstellung der Abtaststrahlung (4a, 4b, 4c) beinhaltet.

3. Vorrichtung nach Anspruchs 1 oder 2, weiter d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die Abtaststrahlung von Nutzsignalstrahlung eines Ortungssystems (GPS) und/oder eines Rundfunk- oder Fernsehübertragungssystems (DBS) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die empfangene und ausgewertete Abtaststrahlung zusätzlich einen nicht vom abgetasteten Erdoberflächenbereich reflektierten Refe- renz-Abtaststrahlungsanteil (4c) umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die Auswertemittel (8, 9, 10) die empfangene Abtaststrahlung hinsichtlich Amplitude, Polarisation und/oder Phase auswerten.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die Auswertemittel eine Klassifikationsstufe (10) enthalten, die den Oberflächenzustand des abgetasteten Erdoberflächenbereiches gemäß mehreren vorgebbaren Modellzuständen (12a bis 12b) klassifiziert .