DE10114412C1

DE10114412C1 - Verfahren zur Erzeugung einer Straßennetzkarte sowie Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Fahrzeugsystemen in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE10114412C1
Application number: DE10114412A
Authority: DE
Inventors: Alejandro Vukotich
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2021-03-24
Also published as: DE10114412C5

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Straßennetzkarte, insbesondere zur Verwendung in einem Navigationssystem (76), wobei zunächst die Stützstellen (14 bis 34) realer Straßenzüge (10, 12) aufgenommen werden, und anschließend für jeweils zwei aufeinanderfolgende Stützstellen (14, 16) eines Straßenzugs, durch die ein Segment eines Straßenzugs definiert ist, die Parameter Anfangskrümmung (k¶a¶) und/oder Endkrümmung (k¶e¶) und Segmentlänge (d) einer zugeordneten Klotoide (36) berechnet werden und schließlich die berechneten Parameter in einer Datenbank abgelegt werden. Sie betrifft weiterhin ein entsprechendes Navigationssystem für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zur Steuerung von Fahrzeugsystemen in einem Fahrzeug, wobei das Fahrzeug ein erfindungsgemäßes Navigationssystem aufweist und zunächst die Istposition des Fahrzeugs innerhalb einer Klotoide bestimmt wird, anschließend ein Informationssignal, das die Klotoidenparameter zumindest für Rest der aktuellen Klotoide enthält, an einer Steuervorrichtung übertragen wird, welche zumindest ein Fahrzeugsystem in Abhängigkeit der übertragenen Klotoidenparameter ansteuert. Sie betrifft ferner eine mit dem letztgenannten Verfahren korrelierte Vorrichtung zur Steuerung mindestens eines Fahrzeugsystems.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Stra ßennetzkarte, insbesondere zur Verwendung in einem Navigationssystem, bei dem in einem ersten Schritt Stützstellen realer Straßenzüge aufgenom men werden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung von Fahrzeugsystemen in einem Fahrzeug, wobei das Fahrzeug ein Navigationssystem aufweist, in dem in elektronischer Form eine Stra ßennetzkarte abgelegt ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der EP 0 730 726 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung einer Straßenkarte bekannt, wobei der Straßenverlauf jeweils im Sinne eines angenäherten Polygonzugs anhand einer Folge von Bestimmungspunkten definiert wird, die durch ihre Koordinaten festgelegt und durch Geraden mit einander verbunden sind. Jede in die Straßennetzkarte aufzunehmende Straße wird dabei in disjunkte Sektionen aufgeteilt, die jeweils das Teilstück der Straße zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Verzweigungen der Straße repräsentieren.

Aus der WO 88/09916 ist bekannt, einen Straßenverlauf zwischen Kreuzun gen so aus Geraden zusammenzusetzen, daß Abweichungen des resultie renden Graphen vom tatsächlichen Straßenverlauf vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten. Die EP 0 394 517 befaßt sich ebenfalls mit einem Fahr zeugnavigationssystem, bei dem die Straßenabschnitte als Koordinaten und deren Radien erfaßt werden. Schließlich ist aus der US-A-4 760 531 be kannt, eine Route in einzelne gerade Abschnitte zu zerlegen, die dann spei cherbar sind.

Aus der DE 196 04 364 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Straßenkrümmung aus digital abgelegten Karteninformationen bekannt, wobei eine Kurve beispielsweise durch Klothoiden beschrieben sein kann.

Aus der nachveröffentlichten DE 199 49 698 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer digitalen Fahrwege-Netzkarte mittels Klothoidendarstellung bekannt, wobei vorgeschlagen wird, die Klothoiden aus Bauzeichnungen der Straßenämter zu übernehmen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Erzeugung einer Straßennetzkarte bereitzustellen, mit dem sehr genaue Ergebnisse bei optimal reduzierter Datenmenge ermöglicht werden. Insbesondere soll durch das Verfahren auch die Weiterverarbeitung der Daten für andere Zwecke erleichtert werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.

Es ist weiterhin die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung mindestens eines Fahrzeugssystems in einem Fahrzeug bereitzustellen, wobei das Fahrzeug ein Navigationssystem aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 4 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 8.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine deutliche Reduktion der Daten bei der Erzeugung einer Straßennetzkarte ermöglicht wird, wenn zur Darstellung von Abschnitten eines Straßenzugs Klothoiden Anwendung finden. Bereits in der Ausgabe 1984 der "Richtlinien für die Anlage von Stra ßen (RAS), Teil: Linienführung (RAS-L), Abschnitt 1, "Elemente der Linienfüh rung (RAS-L-1)", wird vorgegeben, daß bei der Planung von Straßen die Straßen anhand von Klothoiden konstruiert werden sollen, da dies die Steue rung des Fahrzeugs durch Kurven erleichtert. Insbesondere dient dies der Sicherheit und Unterstützung eines Fahrers beim Durchsteuern einer Kurve, da er mit keinen abrupten Wechseln des Kurvenradius konfrontiert wird. Trotz der 17 Jahre, in denen die genannte Richtlinie bereits existiert, wurde die grundsätzliche Idee der Klothoidendarstellung von Straßen bisher nicht für ein Navigationssystem aufgegriffen.

Unter einer Klothoide ist hierbei eine ebene Kurve zu verstehen, deren Krüm mungsradius r in jedem Punkt ihrer Bogenlänge s vom Ursprung aus umge kehrt proportional ist:

r = a²/s (a = constant).

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein maximal zulässiger Fehler für die Krümmungsabweichung der berechneten Klothoide vom zugehörigen, realen Straßenzug vorgegeben und anschließend der tatsächliche Fehler berechnet. Für den Fall, daß der tatsächliche Fehler den maximal zulässigen Fehler überschreitet, werden Untersegmente gebildet und die Klothoidenparameter für diese Untersegmente berechnet. Anschließend wird die Fehlerprüfung wiederholt. Für den Fall, daß der tatsächliche Fehler den maximal zulässigen Fehler noch immer überschreitet, werden die soeben genannten Schritte so oft wiederholt, bis der maximal zulässige Fehler unterschritten wird.

Für den Fall, daß der tatsächliche Fehler den maximal zulässigen Fehler unterschreitet, wird ein übergeordnetes Segment dadurch gebildet, daß ent weder bei drei aufeinanderfolgenden Stützstellen eines Straßenzugs die mittlere Stützstelle übersprungen wird und die Berechnung der neuen Klothoidenparameter für die zwei äußeren Stützstellen vorgenommen wird, oder zwei aufeinanderfolgende Klothoiden zu einer Klothoide zusammengefaßt werden. Für dieses übergeordnete Segment werden anschließend die Klothoidenparameter berechnet und die Fehlerprüfung wiederholt. Falls der tatsächliche Fehler den maximal zulässigen Fehler noch immer unterschreitet, werden die zuvor genannten Schritte solange wiederholt, bis der maximal zulässige Fehler überschritten wird, und anschließend werden die als vorletzte ermittelten Klothoidenparameter in der Datenbank abgelegt.

Bevorzugt werden Stützstellen und damit Segmentenden an signifikanten Punkten eines Straßenzugs eingefügt, insbesondere an Kreuzungen, Über gängen außerorts/innerorts und umgekehrt, Ländergrenzen, Unterführungen und Anfang und Ende eines Tunnels. Insbesondere im Hinblick auf die noch weiter unten zu beschreibende Anwendung einer derart erzeugten Straßen netzkarte ergeben sich durch diese Maßnahme eine Fülle weiterer Anwen dungsmöglichkeiten.

Bevorzugt ist jeder Klothoide eine Anfangskrümmung und/oder eine End krümmung sowie eine Segmentlänge zugeordnet. Für den Fall, daß Unste tigkeiten zugelassen werden, werden Anfangskrümmung, Endkrümmung und Segmentlänge abgelegt, während für den Fall, daß Unstetigkeit nicht zuge lassen werden, die Segmentlänge zusammen mit Anfangskrümmung und/oder Endkrümmung abgelegt wird.

Durch die Darstellung von Straßenzügen durch Klothoiden wird ermöglicht, das Navigationssystem auch für Fahrzeugsysteme sinnvoll einzusetzen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung von Fahrzeugsystemen in einem Fahrzeug, bei dem das Fahrzeug ein Navigationssystem aufweist, in dem in elektronischer Form eine Straßennetzkarte abgelegt ist, wobei die einzelnen Straßenzüge durch Klothoiden repräsentiert sind, wobei jeder Klo thoide eine Anfangskrümmung und/oder eine Endkrümmung sowie eine Seg mentlänge zugeordnet ist, wird zunächst die Istposition des Fahrzeugs in nerhalb einer Klothoide bestimmt, anschließend ein Informationssignal an eine Steuervorrichtung übertragen, wobei das Informationssignal die Klothoidenparameter zumindest für den Rest der aktuellen Klothoide enthält und schließlich durch die Steuervorrichtung zumindest ein Fahrzeugsystem in Abhängigkeit der übertragenen Klothoidenparameter angesteuert.

Fahrzeugsysteme im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen Fahrzeug einrichtungen, für die die Kenntnis der aktuellen Istposition des Fahrzeugs und/oder die Kenntnis der vorausliegenden Strecke von Interesse ist, bei spielsweise eine automatische Lichtsteuerung, eine automatische Getriebe steuerung, eine automatische Motorsteuerung oder eine automatische Dis tanzregelung, d. h. ein intelligenter Tempomat, der das Fahrzeugtempo au tomatisch reduziert, wenn die vorgegebene Distanz zu einem vorausfahren den Fahrzeug unterschritten wird.

In Anbetracht der Fahrzeuggeschwindigkeiten und der Möglichkeiten eines Fahrers, den Verlauf einer Fahrt zu ändern, müssen bei einem derartigen Verfahren zur Steuerung von Fahrzeugsystemen verhältnismäßig häufig ent sprechende Informationssignale übertragen werden, beispielsweise in der Größenordnung von jeweils 150 ms. Verfahren aus dem Stand der Technik, die beispielsweise Polynomdarstellungen zur Beschreibung von Straßenzü gen verwenden, erfordern stets die Berechnung eines neuen Polynoms, aus gehend von der Istposition eines Fahrzeugs innerhalb eines Streckenab schnitts, der durch ein Polynom beschrieben wurde. Insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten kann nicht sicher gestellt werden, daß bei derartigen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der vor dem Fahrzeug liegende Streckenabschnitt rechtzeitig berechnet werden kann, um die Fahrzeugsys teme in entsprechender Weise anzusteuern.

Die Verwendung von Klothoiden hat den Vorteil, daß nach der erwähnten Richtlinie für die Anlage von Straßen der Krümmungsverlauf von Straßen linear geändert werden soll. Bei einer Beschreibung eines Streckenab schnitts durch eine Klothoide ist es nach Bestimmung der Istposition des Fahrzeugs innerhalb der Klothoide daher bei einer linearen Krümmungsänderung in einfachster Weise, insbesondere äußerst schnell, möglich, die Klothoidenparameter für den Rest der Klothoide, der noch vor dem Fahrzeug liegt, zu ermitteln, um die Fahrzeugsysteme in entsprechender Weise anzusteuern. Insofern kann eine kostengünstige Datenverarbeitunganlage zu diesem Zweck Anwendung finden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens wird die Bestim mung der Istposition in vorgebbaren Intervallen wiederholt, wobei die Inter valle definiert sein können als Funktion der Zeit, insbesondere durch kon stante Zeitschritte, als Funktion der Wegstrecke, insbesondere durch kon stante Wegstreckenabschnitte, oder als Funktion der Wegstrecke und der Anfangs- und/oder Endkrümmung der zugehörigen Klothoide, bzw. als Funktion der Zeit und der Anfangs- und/oder Endkrümmung der zugehörigen Klothoide. Bei den beiden letztgenannten Varianten kann die Istposition umso häufiger bestimmt werden, je kleiner ein Krümmungsradius ist oder je größer die Krümmungsänderung im Vergleich zum vorhergehenden Schritt ist.

Bevorzugt umfaßt das Informationssignal, das in dem erfindungsgemäßen Verfahren an eine Steuervorrichtung übertragen wird, weiterhin einen oder mehrere der folgenden Parameter: Statusinformation zur Erfassungsart des soeben vom Fahrzeug befahrenen Untergrunds; Gefahrenstelle; Aufent haltsland; Fahrspuren in Fahrtrichtung; Fahrspuren entgegen der Fahrtrich tung; Kreuzungstyp; Anzahl Abfahrmöglichkeiten; Anzahl Auffahrmöglich keiten; Entfernung zur Kreuzung; Entfernung zu einem ersten Punkt in Fahrt richtung, der einen vorgebbaren Krümmungsradius unterschreitet; absolute oder relative Zeit; wahrscheinlichster Weg, den das Fahrzeug in einem Kreuzungsbereich nehmen wird; innerorts oder außerorts; Unterführung; Straßenklasse.

Für verschiedene Fahrzeugsysteme können verschiedene dieser Parameter von Interesse sein, beispielsweise für die automatische Lichtsteuerung die Frage, ob sich das Fahrzeug vor einer Tunneleinfahrt oder einer Unterfüh rungseinfahrt befindet, für die Getriebesteuerung, ob der Statusinformation zu entnehmen ist, ob der Fahrer offroad fährt, oder auf einer Straße einer bestimmten Straßenklasse (beispielsweise unbefestigte Straße oder Auto bahn) usw.

Da sich einige der Parameter häufiger ändern als andere, ist es besonders bevorzugt, die Parameter in Parameterklassen einzuteilen und im Informati onssignal eine erste Parameterklasse klothoidenweise zuzuordnen und/oder eine zweite Parameterklasse mindestens zwei Klothoiden zuzuordnen und/oder eine dritte Parameterklasse mindestens vier Klothoiden zuzuordnen. Beispielsweise findet eine Änderung des Aufenthaltslands weniger häufig statt als eine Änderung der Straßenklasse und muß daher weniger oft im Informationssignal gesendet werden. Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform werden die Aktualisierungen des Informationssignals ereignisgesteuert. Hierdurch wird die Übertragung noch häufiger aktualisierter Istpositionen bzw. Informationen zur Wegstrecke vor dem Fahrzeug ermöglicht, was eine präzisere Steuerung der Fahrzeugsysteme ermöglicht.

Bevorzugt wird die Anfangs- und/oder die Endkrümmung einer Klothoide mit 8 Bit codiert, wobei der Wertebereich der Krümmungsradien vorzugsweise zwischen 1 m und 10000 m liegt. Durch diese Maßnahme kann sichergestellt werden, daß der Fehler für diese praxisrelevanten Krümmungsradien maxi mal 3,68% beträgt. Die Länge einer Klothoide wird bevorzugt mit 7 Bit codiert, wodurch sich bei einem Wertebereich von Klothoidenlängen vorzugsweise zwischen 0,5 m und 300 m ein maximaler Fehler von 5,17% ergibt.

Durch die Beschreibung der Straßenzüge mittels Klothoiden ist es möglich, das Informationssignal mindestens alle 500 ms, bevorzugt mindestens alle 250 ms, noch bevorzugter mindestens alle 150 ms, zu übertragen. Diese Maßnahme stellt sicher, daß eine genügend große Vorausschau selbst bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten ermöglicht wird und damit die entspre chenden Fahrzeugsysteme rechtzeitig angesteuert werden.

Hinsichtlich des Parameters des wahrscheinlichsten Wegs können logische Auswahlkriterien definiert sein; beispielsweise ein Fahrzeug fährt immer ge radeaus; ein Fahrzeug fährt auf der höherrangigen Straße weiter oder biegt auf die höherrangige Straße ein; ein Fahrzeug befährt die Straße, die laut Routenplanung vorgegeben ist, und/oder ein Fahrzeug, das mit hoher Ge schwindigkeit auf eine Kreuzung zufährt, fährt geradeaus über die Kreu zung.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung von Fahrzeugsystemen in einem Fahrzeug.

Als Fahrzeugsysteme kommen in Betracht, insbesondere die automatische Lichtsteuerung, wobei hier die Änderung des Lichtwinkels der Scheinwerfer relativ zur Fahrzeugnormalen von Bedeutung ist, sowie die automatische Ansteuerung oder Verschwenkung von Zusatzleuchten. Weiterhin kann als Fahrzeugsystem eine automatische Getriebesteuerung in Betracht kommen, beispielsweise wenn erkannt wird, daß demnächst eine enge Kurve kommt, so daß kein Hochschalten in den nächsthöheren Gang mehr vorgenommen wird, sondern der aktuelle Gang beibehalten wird oder auf den nächstniedri geren Gang heruntergeschaltet wird. Bei einer automatischen Distanzrege lung, einem sogenannten intelligenten Tempomaten, kann die Distanz ab hängig gemacht werden von der vor dem Fahrzeug liegenden Strecke. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfin dungsgemäße Vorrichtung für weitere Fahrzeugsysteme - wie für den Fachmann offensichtlich - von Bedeutung sein. Beispielhaft seien genannt die Klimaanlage und die Hifi-Anlage im Hinblick auf Tunnel.

Weitere, vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen definiert.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 in schematischer Darstellung zwei sich kreuzende Straßenzüge mit Stützstellen und Klothoiden;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Straßenverlaufs zur Erklä rung des Begriffs Krümmungsradius;

Fig. 3 in schematischer Darstellung sich kreuzende Straßenzüge zur Definition des Begriffs Kreuzung;

Fig. 4 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer erfindungs gemäßen Vorrichtung zur Steuerung von Fahrzeugsystemen;

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Wertebereichs bei einer Quanti sierung von Krümmungsradien mit 8 Bit;

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Wertebereichs bei einer Quanti sierung von Segmentlängen mit 7 Bit;

Fig. 7 eine beispielhafte Darstellung des Krümmungsverlaufs entlang einer Wegstrecke s;

Fig. 8 eine beispielhafte Darstellung des Aufbaus des Informationssig nals;

Fig. 9a, b, c eine beispielhafte Darstellung des Aufbaus von Geometriebot schaften im Informationssignal;

Fig. 10 einen beispielhaften Streckenverlauf mit sich ändernden Attribu ten;

Fig. 11 eine beispielhafte Darstellung des Aufbaus einer Attributbot schaft im Informationssignal;

Fig. 12 eine Darstellung zur Erklärung des Begriffs Abstand zu einem Punkt, der einen vorgebbaren Krümmungsradius unterschreitet.

Fig. 1 zeigt zwei sich kreuzende Straßenzüge 10, 12 mit beispielhaft darauf angeordneten Stützstellen 14 bis 34. Die Stützstellen 14 bis 34 können bei spielsweise dadurch erzeugt werden, daß mit einem Fahrzeug eine reale Straße abgefahren wird und entsprechende Koordinaten aufgenommen wer den; sie können jedoch auch anhand einer graphisch dargestellten Straßen netzkarte erzeugt werden. Die Stützstellen 14 bis 34 sind bevorzugt in Län gen- und Breitengraden angegeben. Wie mit den durchgezogenen Ellipsen angedeutet, wird aus jeweils zwei aufeinanderfolgenden Stützstellen 14 bis 34 eine Klothoide berechnet. Die allgemeine Form von Klothoiden lautet:

r = a²/s,

wobei r der Krümmungsradius, s die Bogenlänge, das heißt die Länge der Klothoide, und a eine Konstante größer Null ist.

Es ergibt sich für die Krümmung:

wobei k = 1/r, k_a die Krümmung im Segmentanfang und s_o die Verschiebung in s-Achsenrichtung ist. Hierdurch lassen sich alle Segmenttypen beschreiben.

Bei bekannter Anfangs- und Endkrümmung sowie der Länge eines Seg ments ergibt sich folgender Zusammenhang zur Bestimmung des Krüm mungsverlaufs:

wobei k_ai die Krümmung am Segmentanfang i, k_ei die Krümmung am Seg mentende i und n die Segmentnummer ist.

Um eine möglichst kompakte Beschreibung eines Segments, das heißt einer Klothoide, zu erreichen, werden die Anfangskrümmung und die Endkrümmung einer Klothoide gewählt:

und die Länge des entsprechenden Segments d_n.

Fig. 1 zeigt Klothoiden 36 bis 54. Die berechneten Parameter werden in ei ner Datenbank abgelegt, beispielsweise auf einer CD-Rom, die dann von einem Fahrzeug mitgeführt werden kann. Andererseits können die entspre chenden Daten auch, sofern ein entsprechender Anschluß im Fahrzeug vor handen ist, auch der aktuellen Istposition des Fahrzeugs angepaßt, zuge spielt werden, beispielsweise über einen drahtlosen Internetzugang.

Es kann ein maximal zulässiger Fehler für die Abweichung der berechneten Klothoide vom zugehörigen, realen Straßenzug vorgegeben werden. Wenn sich bei der Berechnung des tatsächlichen Fehlers herausstellt, daß der ma ximal zulässige Fehler überschritten ist, können Untersegmente gebildet werden, wobei dann die Klothoidenparameter für diese Untersegmente be rechnet werden und die Fehlerprüfung wiederholt wird. Dies kann sich so lange fortsetzen, bis der maximal zulässige Fehler unterschritten wird. Für den Fall, daß der tatsächliche Fehler den maximal zulässigen Fehler unter schreitet, können übergeordnete Segmente dadurch gebildet werden, daß bei drei aufeinanderfolgenden Stützstellen eines Straßenzuges die mittlere Stützstelle übersprungen wird und die neuen Klothoidenparameter für die zwei äußeren Stützstellen berechnet werden, oder daß beispielsweise, wie in Fig. 1 mit den Klothoiden 44 und 46 geschehen, diese zu einer übergeordneten Klothoide 56 zusammengefaßt werden. Für dieses übergeordnete Segment, das heißt für diese übergeordnete Klothoide 56, werden anschließend die Klothoidenparamter berechnet und die Fehlerprüfung wiederholt. Falls der tatsächliche Fehler den maximal zulässigen Fehler noch immer unterschreitet, kann die Bildung eines übergeordneten Segments wiederholt werden, solange bis der maximal zulässige Fehler überschritten wird, wobei dann die im vorletzten Schritt ermittelten Klothoidenparameter in einer Datenbank angelegt werden.

Beim Definieren von Stützstellen werden bevorzugt Stützstellen und damit Segmentenden an signifikanten Punkten eines Straßenzugs eingefügt, ins besondere an Kreuzungen, Übergängen, außerorts/innerorts und umgekehrt, Ländergrenzen, Unterführungen und Anfang und Ende eines Tunnels. Im vorliegenden Beispiel definiert die Stützstelle 30 die Kreuzung der Straßen züge 10, 12.

Fig. 2 zeigt ein Segment 58 eines Straßenzugs mit Krümmungsradius ∞ sowie ein weiteres Segment 60 eines Straßenzuges mit einem Krümmungs radius von 100 Metern.

Fig. 3 zeigt im herkömmlichen Sinn eine einzige Kreuzung, wobei im Sinn der Erfindung bei den Straßenzügen in Fig. 3 genau 3 Kreuzungen vorlie gen, angegeben durch die Stützstellen 70, 72 und 74.

Auf der Basis einer derart erzeugten Straßennetzkarte kann ein Navigations system realisiert werden. Hierbei können die Daten auf einem Datenträger abgelegt sein, der beispielsweise in einem Fahrzeug mitgeführt werden kann. Sie können jedoch auch über drahtlose Kommunikation zugespielt werden. Die letzte Variante eignet sich vor allem für eine automatische Aktu alisierung zeitlicher oder räumlicher Art.

Auf der Basis eines derartigen Navigationssystems lassen sich Fahrzeug systeme in einem Fahrzeug steuern, wobei zunächst die Istposition des Fahrzeugs innerhalb einer Klothoide zu bestimmen ist. Hierzu kann ein GPS- (Global Positioning System)Empfänger verwendet werden, wobei unter Verwendung weiterer Fahrzeugsignale, beispielsweise Fahrzeuggeschwin digkeit und Gierrate, eine Koppelnavigation durchgeführt werden kann und somit die Istposition des Fahrzeugs auf der digitalen Karte ermittelt werden kann.

Fig. 4 zeigt zu diesem Zweck ein erfindungsgemäßes Navigationssystem 76, das Daten an eine Istpositionsberechnungseinheit 78 zur Verfügung stellt, wobei letztere mit einem GPS-Empfänger 80, einem Geschwindig keitsmesser 82 sowie einem Gierratensensor 80 verbunden ist. Der Istposi tionsberechnungseinheit 78 wird über einem Timer 87 die relative oder ab solute Zeit zur Verfügung gestellt. Als Zeit kann jedoch auch die GPS-Zeit verwendet werden.

Aus den von dem Navigationssystem 76 zur Verfügung gestellten Daten und dem Ergebnis der Istpositionsberechnung bestimmt eine Prädiktionsvorrich tung 86 den Straßenverlauf vor dem Fahrzeug. Das Ergebnis der Prädiktion wird an eine Steuereinheit 88 übertragen, die ein entsprechendes Informati onssignal auf einen Datenbus 90 legt. Mit dem Datenbus 90 verbundene Fahrzeugsysteme, beispielsweise eine automatische Getriebesteuerung 92, eine automatische Distanzregelung 94, eine automatische Lichtsteuerung 96, verwerten den für sie relevanten Teil des Informationssignals und führen ent sprechende Aktionen durch.

Die Bestimmung der Istposition kann in vorgebbaren Intervallen wiederholt werden, beispielsweise als Funktion der Zeit, insbesondere durch konstante Zeitschritte, als Funktion der Wegstrecke, insbesondere durch konstante Wegstreckenabschnitte, als Funktion der Wegstrecke und der Anfangs- und/oder Endkrümmung der zugehörigen Klothoide, bzw. als Funktion der Zeit und Anfangs- und/oder Endkrümmung der zugehörigen Klothoide.

Da der Datenbus 90 auch von anderen Einheiten verwendet wird, ist es wichtig, durch die erfindungsgemäße Steuerung von Fahrzeugsystemen den Datenverkehr auf den Datenbus 90 möglichst wenig zu beeinträchtigen. Dies gelingt dadurch, daß für die Kodierung von Krümmungen 8 Bit (plus ein Vor zeichenbit) zur Verfügung gestellt werden, wodurch sich bei einem Wertebe reich zwischen 1 m und 10000 m ein maximaler Fehler von 3,678% ergibt. Bei der Darstellung in Fig. 5 sind auf der Abszisse die 256 Quantisie rungsstufen angezeigt und auf der Ordinate die zugehörigen Krümmungen in 1/m. Die Klothoidenlängen, das heißt die Segmentlängen, werden für einen Wertebereich zwischen 0,5 und 300 m bevorzugt mit 7 Bit codiert, wobei der Fehler dann maximal 5,17% beträgt. In Fig. 6 sind auf der Abszisse die 128 Quantisierungsstufen angezeigt, auf der Ordinate die Segmentlänge in m.

In Fig. 7 ist der Krümmungsverlauf entlang einer Wegstrecke s dargestellt. Im Segment d₁ beträgt die Krümmung k = 0, das heißt, das Segment d₁ ist eine Gerade. Im Segment d₂ ist die Anfangskrümmung k_a2 = 0; die Endkrümmung beträgt b. Im Klartext bedeutet dies, daß die Gerade durch eine lineare Än derung der Krümmung in einen Kurvenzug mit einer Krümmung b übergeht. Im Segment d₃ ist die Anfangskrümmung k_a3 gleich der Endkrümmung k_e3 gleich konstant gleich b, das bedeutet, daß in diesem Bereich der Strecken zug kreisförmig verläuft. Im Segment d₄ ändert sich die Krümmung von einer Anfangskrümmung k_a4 = b in eine Endkrümmung k_e4 = 0. Das heißt, der Krüm mungsradius wird allmählich wieder größer, bis der Streckenverlauf am Ende des Segments d₄ wieder eine Gerade ist. Im Segment d₅ ist k_a5 = k_e5 = 0, das heißt d₅ ist eine Gerade. Im Segment d₅ ändert sich der Krümmungsverlauf von k_e5 = 0 schlagartig auf k_a6 = c, das bedeutet, daß eine scharfe Kurve vor liegt, beispielsweise eine Kreuzung, auf der abgebogen werden muß, und zwar in entgegengesetzte Richtung als bei der Krümmung b. Die Krümmung c bleibt über das Segment d₆ hin konstant; das bedeutet, daß der Straßenverlauf kreisförmig ist. Das Segment d₇ fängt mit einer Anfangskrümmung k_a7 = c an und endet mit einer Endkrümmung k_e7 = 0, das heißt, der Kurvenradius wird allmählich wieder größer, bis am Ende von d₇ wieder eine gerade Strecke vorliegt.

Fig. 8 zeigt beispielhaft, wie sich das Informationssignal zusammensetzt. Es wird unterschieden in sogenannte Geometriebotschaften und Attributbot schaften. Jeweils drei Geometriebotschaften und eine Attributbotschaft wer den zu einem Block zusammengefaßt. Sowohl Geometrie- als auch Attribut botschaften tragen, wie durch die Pfeile 98 bis 104 angedeutet, Botschafts nummern. In Fig. 8 ist ein erster Botschaftsblock A und ein zweiter Bot schaftsblock B dargestellt. Die Geometriebotschaft 1 betrifft ein erstes und zweites Segment, wobei das erste Segment bevorzugt den Rest der aktuel len Klothoide bezeichnet. Die Geometriebotschaften 2 und 3 betreffen ein drittes und viertes bzw. ein fünftes und sechstes Segment.

Fig. 9a zeigt den Aufbau der Geometriebotschaft 1: Auf die Botschafts nummer folgt eine Statusinformation, die Angaben darüber enthält, ob das Navigationssystem funktioniert, ob sich das Fahrzeug offroad oder offmap befindet, ob sich das Fahrzeug im einem Streckenbereich befindet, der nicht volldigitalisiert erfaßt ist, bzw. ob sich das Fahrzeug im volldigitalisierten Be reich befindet. Anschließend wird eine Information zur Straßenklasse aufge nommen, beispielsweise Stadtstraße, Landstraße, Autobahn, Auf- und Ab fahrt. Als nächstes folgt eine Angabe, ob sich das Fahrzeug innerorts oder außerorts befindet. Diesem folgt eine Angabe, ob eine Unterführung vorliegt. Es schließt sich an der wahrscheinlichste Weg (most likely path). Darauf fol gen die Segmentlänge d, das Vorzeichen der Anfangskrümmung, die An fangskrümmung, das Vorzeichen der Endkrümmung, die Endkrümmung und anschließend die entsprechenden Angaben für das Segment 2. Fig. 9b und Fig. 9c zeigen die entsprechenden Geometriebotschaften für das dritte und vierte bzw. das fünfte und sechste Segment. Beim Zusammenfassen von sechs Segmenten zu einem Block kann ein Vorausschaubereich von 1800 m erzielt werden. Bei einer Up-Date-Zeit von 600 ms für die vier Botschaften eines Blocks müssen diese somit alle 150 ms gesendet werden.

Fig. 10 zeigt beispielhaft einen Streckenverlauf 106, der einen Übergang außerorts/innerorts und einen Übergang innerorts/außerorts umfaßt. Die Fahrzeugposition ist mit einem Pfeil 108 gekennzeichnet. Der dargestellte Streckenverlauf umfaßt ein erstes Segment 110, ein zweites Segment 112, ein drittes Segment 114 und ein viertes Segment 116. Die Ortschaft 118 ist schraffiert dargestellt.

Am Beginn 120 des Segments 110 werden die Attribute zu Segment 110 übertragen, am Beginn des Segments 112 die Attribute zu Segment 112, zum Beispiel Übergang außerorts/innerorts, am Beginn des Segments 114 die Attribute zu Segment 114, beispielsweise innerorts, und am Beginn des Segments 116 die Attribute zu Segment 116, beispielsweise Übergang inner orts/außerorts. Eine beispielhafte Attributbotschaft ist in Fig. 11 dargestellt. Auf die Botschaftsnummer folgt wiederum zunächst eine Statusinformation, wie bereits oben im Zusammenhang mit Geometriebotschaften erwähnt. Es schließt sich an eine Länderkennung, eine Information wieviel Fahrspuren in Fahrtrichtung verlaufen, wieviel Fahrspuren entgegen der Fahrtrichtung ver laufen, Angaben zum Kreuzungstyp, zur Anzahl der Abfahrtsmöglichkeiten, zur Anzahl der Auffahrmöglichkeiten sowie der Abstand zur nächsten Kreu zung. Im Hinblick auf manche Fahrzeugsysteme ist es von Bedeutung, wie weit entfernt man sich von einem Punkt in Fahrtrichtung befindet, der einen vordefinierten Radius unterschreitet. Sofern sich das Fahrzeug bereits in einer Kurve befindet, die diesen Radius unterschreitet, wird der Punkt überge ben, bei dem der Radius dann tatsächlich unterschritten wird. In diesem Zu sammenhang wird auf Fig. 12 verwiesen, in der der Krümmungsverlauf k über einem Streckenverlauf s skizziert ist. Der vordefinierte Radius entspricht einer Krümmung k_Schwelle.. Zwischen Punkt 1 und Punkt 2 ändert sich die Krümmung linear, wobei am Punkt 3 k_Schwelle erreicht wird. Der Abstand von der gegenwärtigen Fahrzeugposition, die durch die Ordinate definiert ist, zum Punkt 3, ist der in Fig. 11 mit d_MinRadius bezeichnete Abstand. Daran schließt sich an das Vorzeichen einer Krümmung k_ind sowie die Krümmung k_ind, die in einer frei wählbaren Entfernung vor einem Fahrzeug vorliegt.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind Bestandteile des Informationssignals, die Relevanz bestimmter Bestandteile des Informationssignals für bestimmte Empfänger sowie die davon betroffene Empfängerfunktion dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung einer Straßennetzkarte, insbesondere zur Ver wendung in einem Navigationssystem (76), folgende Schritte umfassend:

a) Aufnahme von Stützstellen (14 bis 34) realer Straßenzüge (10, 12);
b) für jeweils zwei aufeinanderfolgende Stützstellen (14, 16) eines Stra ßenzugs, durch die ein Segment eines Straßenzugs definiert ist, Be stimmung, insbesondere Berechnen, der Parameter Anfangskrüm mung (k_a) und/oder Endkrümmung (k_e) und Segmentlänge (d) einer zugeordneten Klothoide (36) durch folgende Teilschritte:
- 1. Vorgabe eines maximal zulässigen Fehlers für die Krümmungsabwei chung der berechneten Klothoide vom zugehörigen, realen Straßenzug;
- 2. Berechnung des tatsächlichen Fehlers;
- 3. falls der tatsächliche Fehler den maximal zulässigen Fehler ü berschreitet:
- 4. Bildung zweier Untersegmente;
- 5. Berechnung der Klothoidenparameter für diese Unter segmente und
- 6. Wiederholung der Fehlerprüfung;
- 7. falls der tatsächliche Fehler den maximal zulässigen Fehler noch immer überschreitet:
  Wiederholung der Schritte b31), b32), b33), bis der maxi mal zulässige Fehler unterschritten wird;
c) Ablegen der berechneten Parameter in einer Datenbank.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende, weitere Schritte:

1. falls der in Schritt b2 berechnete, tatsächliche Fehler den maximal zulässigen Fehler unterschreitet:
- 1. Bildung eines übergeordneten Segments (56) durch:
  bei drei aufeinanderfolgenden Stützstellen (22, 24) eines Straßenzugs (10) Überspringen der mittleren Stützstelle (22) und Berechnung der neuen Klothoidenparameter für die zwei äußeren Stützstellen (20, 24), oder
  Zusammenfassen zweier aufeinanderfolgender Klothoi den (44, 46) zu einer Klothoide (56);
- 2. Berechnung der Klothoidenparameter für dieses überge ordnete Segment (56), und
- 3. Wiederholung der Fehlerprüfung;
- 4. falls der tatsächliche Fehler den maximal zulässigen Fehler noch immer unterschreitet:
  Wiederholung der Schritte b41), b42), b43), bis der maxi mal zulässige Fehler überschritten wird, und
  Ablegen der vorletzten Klothoidenparameter in der Datenbank.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende, weitere Schritte:

1. Einfügen von Stützstellen und damit Segmentenden an signifikanten Punkten eines Straßenzugs, insbesondere an Kreuzungen, Übergängen au ßerorts/innerorts und umgekehrt, Ländergrenzen, Unterführungen und Anfang und Ende eines Tunnels.

4. Verfahren zur Steuerung von Fahrzeugsystemen in einem Fahrzeug, wobei das Fahrzeug ein Navigationssystem aufweist, in dem in elektronischer Form eine Straßennetzkarte abgelegt ist, wobei die einzelnen Straßenzüge durch Klothoiden repräsentiert sind, wobei jeder Klothoide eine Anfangskrümmung und/oder eine Endkrümmung sowie eine Segmentlänge zugeordnet ist, folgen de Schritte umfassend:

a) Bestimmung der Istposition des Fahrzeugs innerhalb einer Klothoide;
b) Übertragung eines Informationssignals, das die Klothoidenparameter zumindest für den Rest der aktuellen Klothoide enthält, an eine Steu ervorrichtung (88);
c) Ansteuerung zumindest eines Fahrzeugsystems (92, 94, 96) durch die Steuervorrichtung in Abhängigkeit der übertragenen Klothoidenpara meter.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Istposition in vorgebbaren Intervallen wiederholt wird, wobei die Intervalle definiert sein können:
als Funktion der Zeit, insbesondere durch konstante Zeitschritte;
als Funktion der Wegstrecke, insbesondere durch konstante Weg streckenabschnitte;
als Funktion der Wegstrecke und der Anfangs- und/oder Endkrüm mung der zugehörigen Klothoide;
als Funktion der Zeit und der Anfangs- und/oder Endkrümmung der zugehörigen Klothoide.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Informationssignal mindestens alle 500 ms, bevorzugt mindestens alle 250 ms, noch bevorzugter mindestens alle 150 ms, übertragen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Informationssignal Angaben zum wahrscheinlichsten Weg enthält, den das Fahrzeug in einem Kreuzungsbereich nehmen wird, und der wahr scheinlichste Pfad unter Berücksichtigung nachfolgender Kriterien bestimmt wird:

- Fahrzeug fährt immer geradeaus;
- Fahrzeug fährt auf der höherrangigen Straße weiter oder biegt auf die höherrangige Straße ein;
- Fahrzeug befährt die Straße, die laut Routenplanung vorgegeben ist;
- Fahrzeug, das mit hoher Geschwindigkeit auf Kreuzung zufährt, fährt geradeaus über die Kreuzung.

8. Vorrichtung zur Steuerung mindestens eines Fahrzeugsystems in einem Fahrzeug, umfassend:
ein Navigationssystem (76) mit einer Datenbank, in der in elektroni scher Form eine Straßennetzkarte abgelegt ist, wobei die einzelnen Straßenzüge durch Klothoiden repräsentiert sind;
eine Ist-Positions-Bestimmungsvorrichtung (78) zur Bestimmung der Ist-Position des Fahrzeugs, und
eine Prädiktionsvorrichtung (86), die mit dem Navigationssystem (76) und der Ist-Positions-Bestimmungsvorrichtung (78) verbunden ist, zur Bestimmung des Verlaufs einer vor dem Fahrzeug liegenden Strecke, wobei die Prädiktionsvorrichtung (86) zur Übertragung des Ergebnis ses der Prädiktionsvorrichtung (86) mit mindestens einem Fahrzeug system (92, 94, 96) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Fahrzeugsystem zumindest folgende Fahrzeugeinrichtungen in Be tracht kommen:

- automatische Lichtsteuerung (96);
- automatische Getriebesteuerung (92);
- automatische Distanzregelung (94);
- Klimaanlage;
- Hifi-Anlage.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis der Prädiktionsvorrichtung einen oder mehrere der folgen den Parameter umfaßt:
Statusinformation zur Erfassungsart des soeben vom Fahrzeug befahrenen Untergrunds; Gefahrenstelle; Aufenthaltsland; Fahrspuren in Fahrtrichtung; Fahrspuren entgegen der Fahrtrichtung; Kreuzungstyp; Anzahl Abfahrmög lichkeiten; Anzahl Auffahrmöglichkeiten; Entfernung zur Kreuzung; Entfernung zu einem ersten Punkt in Fahrtrichtung, der einen vorgebbaren Krümmungs radius unterschreitet; absolute oder relative Zeit; wahrscheinlichster Weg, den das Fahrzeug in einem Kreuzungsbereich nehmen wird; innerorts oder au ßerorts; Unterführung; Straßenklasse.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter in Parameterklassen eingeteilt sind und im Ergebnis der Prädiktionsvorrichtung eine erste Parameterklasse klothoidenweise zu geordnet wird und/oder eine zweite Parameterklasse mindestens zwei Klothoiden zugeordnet wird und/oder eine dritte Parameterklasse mindestens vier Klothoiden zugeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangs- und/oder die Endkrümmung einer Klothoide mit 8 Bit codiert ist, wobei der Wertebereich der Krümmungsradien vorzugsweise zwischen 1 m und 10000 m liegt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge einer Klothoide mit 7 Bit codiert ist, wobei der Wertebereich der Klothoidenlängen vorzugsweise zwischen 0,5 m und 300 m liegt.