DE10149206A1

DE10149206A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kartographieren einer Straße sowie Unfallverhütungssystem

Info

Publication number: DE10149206A1
Application number: DE10149206A
Authority: DE
Inventors: Vittorio Castelli; William E Seitz; Wilbur E Duvall; David Scranton Breed; Wendell C Johnson
Original assignee: Intelligent Technologies International Inc
Current assignee: Intelligent Technologies International Inc
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2003-02-06
Also published as: GB2373117B; GB2373117A; GB0123688D0

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Kartographieren einer Straße während der Fahrt eines Fahrzeugs, wobei zwei Datenerfassungsmodule an den Seiten des Fahrzeugs angeordnet sind, von denen jedes über einen GPS-Empfänger und eine Antenne verfügt, so daß die Position des Fahrzeugs bestimmt werden kann, und von denen jedes über eine Linearkamera verfügt, die eindimensionale Bilder einer Fläche auf der jeweiligen Seite in einer vertikalen, senkrecht zur Straße verlaufenden Ebene liefert, so daß aus einer senkrecht zur Straße verlaufenden Perspektive Informationen über die Straße geliefert werden. Eine Prozessoreinheit bildet eine kartographische Datenbank der Straße, in dem es die Fahrzeugposition in Korrelation zu den Informationen über die Straße setzt. Anstelle der Kameras oder zusätzlich zu den Kameras stehen Abtast-Laserradars zur Verfügung, die senkrecht zur Straße nach unten Wellen emittieren und reflektierte Wellen empfangen, woraus Informationen über den Abstand zwischen den Laserradars und dem Boden abzuleiten sind, die bei der Bildung der Datenbank verwendet werden können.

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft die Sicherheit von Kraftfahrzeugen, intelligente Sicherheitssysteme für Schnellstraßen und Autobahnen, das Verhüten von Unfällen, das Erkennen toter Winkel, antizipatorische Sensoren, die automatische Fahrzeugsteuerung, intelligente Tempomatvorrichtungen, die Navigation von Automobilen, die Sicherheit von Lastkraftwagen und Lastzügen sowie damit verwandte Fachgebiete.
Die Erfindung betrifft im allgemeinen Verfahren zum Kartographieren von Straßen, wofür eine im Fahrzeug angebrachte Vorrichtung zum Einsatz kommt, sowie diese im Fahrzeug angebrachte Vorrichtung selbst.

Zusammenfassung und Ziele der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues und verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung für das Kartographieren von Straßen vorzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung für ein (verglichen mit Systemen nach dem aktuellen Stand der Technik) schnelleres und genaueres Kartographieren von Straßen vorzustellen.
Um diese Zielstellungen zu erreichen, umfaßt eine an einem Fahrzeug anzubringende Vorrichtung zum Kartographieren einer Straße während der Fahrt des betreffenden Fahrzeugs ein erstes Datenerfassungsmodul, das so gestaltet ist, daß es auf einer ersten Seite des Fahrzeugs angebracht wird, und ein zweites Datenerfassungsmodul, das so gestaltet ist, daß es auf einer zweiten Seite des Fahrzeugs angebracht wird. Jedes Modul ist mit einem GPS-Empfänger und einer Antenne ausgestattet, so daß die Bestimmung der Position des Fahrzeugs möglich ist. Darüber hinaus umfaßt jedes Modul eine Linearkamera, die so gestaltet ist, daß sie eindimensionale Bilder einer Fläche an einer ersten beziehungsweise an einer zweiten Seite des Fahrzeugs aufnimmt. Die Linearkameras liefern Bilder einer vertikalen Ebene, die senkrecht zur Straße verläuft, so daß aus dieser Perspektive eine Ansicht der Straße in einer senkrecht zur Straße verlaufenden Richtung sowie Informationen über die Straße erfaßt werden. Mit den Modulen ist eine Prozessoreinheit verbunden. Sie bildet die kartographische Datenbank der Straße, indem sie die Position des Fahrzeugs auf der Straße in Korrelation zu den Informationen über die Straße setzt. Diese Prozessoreinheit kann fest im Fahrzeug angebracht sein. Es ist jedoch auch möglich, daß die Daten erfaßt und in einer Speichereinheit im Fahrzeug abgelegt werden und daß die kartographische Datenbank später aus diesen gespeicherten Daten abgeleitet wird.
Bei den linearen Kameras kann es sich um ein lineares CCD- oder CMOS-System oder um eine andere lichtempfindliche Anordnung handeln. Die Lichtkameras können eine Linse umfassen, die ein Sichtfeld von einem annähernden Zentrum des Fahrzeugs zum Horizont schafft, wobei die Linearkameras so gestaltet sind, daß sie eindimensionale Bilder aufnehmen, die die gesamte Straße betreffen, beginnend mit der annähernden Mitte einer Fahrbahn, auf der das Fahrzeug fährt, und von dort aus weiter sich erstreckend bis zum Horizont.
Jedes Modul kann darüber hinaus eine Abtast-Laserradar-Vorrichtung umfassen, die so gestaltet ist, daß Wellen nach unten in eine Ebene übertragen werden, die senkrecht zur Straße verläuft, und daß diese Vorrichtung darüber hinaus reflektierte Radarwellen empfängt, so daß sie Informationen über die Entfernung zwischen dem Laserradar und dem Boden und somit Informationen über die Straße geben kann. Der Laserradar kann über ein Modul an der Linearkamera auf dieselbe abgestimmt oder mit ihr synchronisiert werden, so daß ein gemeinsames Sichtfeld geschaffen wird. Diese Laserradar-Vorrichtungen können impuls- oder tonmoduliert ausgeführt sein. In einer Ausführungsform werden Laserradar-Vorrichtungen verwendet, bei denen die linearen Kameras eine optionale Erweiterung des Systems darstellen.
Jedes Modul kann darüber hinaus eine Videokamera umfassen, die so gestaltet ist, daß sie Bilder einer sich vor dem Fahrzeug erstreckenden Fläche aufnimmt, wobei auch Aufnahmen von der Umgebung der Straße gemacht und beispielsweise Verkehrszeichen und andere Informationsanzeigen erfaßt sowie Angaben über die Straße gemacht werden. Diese Informationen gehen in die kartographische Datenbank ein. Bei den Videokameras kann es sich um Farb-Videokameras, High- Speed-Videokameras, Weitwinkelkameras, Teleskopkameras, Schwarzweiß-Videokameras und Infrarotkameras handeln. Vorrichtungen zur künstlichen Beleuchtung können in die Module integriert oder mit den Modulen verbunden werden, so daß eine künstliche Beleuchtung zumindest dann gegeben ist, wenn die Videokameras erkennen, daß die natürlichen Lichtverhältnisse für die Aufnahme von Bildern nicht ausreichen. Zu diesem Zweck kann ein Laserabtastsystem so gestaltet werden, daß es einen bestimmten Teil der Fläche vor dem Fahrzeug mit einem hellen Fleck ausleuchtet. Ein Entfernungsmesser in Form eines Laserabtastsystems kann mit mindestens einer der Videokameras verbunden werden, wobei der vom Entfernungsmesser ermittelte Abstand Informationen über die Straße vermittelt, die ebenfalls in die kartographische Datenbank eingehen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein computergesteuertes Fahrzeug- und Hindernis- Lokalisierungssystem sowie ein Verfahren, das folgende Schritte beinhaltet: Kontinuierlicher Empfang von GPS-Signalen über ein Netz von Satelliten und eine erste Kommunikationsverbindung an einem einzelnen aus einer Vielzahl von Fahrzeugen, so daß zusammen mit zentimetergenauen Karten eine erste genaue Bestimmung der Position des Hauptfahrzeugs auf einer auf der Erdoberfläche verlaufenden Straße möglich ist; kontinuierlicher Empfang eines DGPS-Hilfs- und Korrektursignals zur Korrektur von Ausbreitungsverzögerungs-Fehlern in den GPS-Signalen über eine zweite Kommunikationsverbindung von einer Station oder einem Satellit zum Hauptfahrzeug; in Auswertung des GPS-, DGPS- und des genauen Signals der kartographischen Datenbank kontinuierliche Bestimmung der Position des Hauptfahrzeugs auf der Erdoberfläche mit Zentimetergenauigkeit; Übermittlung der Position des Hauptfahrzeugs an ein anderes aus einer Vielzahl von Fahrzeugen; Überprüfung des Umstands, ob das andere Fahrzeug für das Hauptfahrzeug eine Kollisionsgefahr darstellt, wobei die Grundlage dieser Überprüfung die Position des anderen Fahrzeugs relativ zum Hauptfahrzeugs und zur Straße ist, sowie Generierung einer Antwort in Form eines Warn- oder Fahrzeugsteuersignals, um die Fahrzeugbewegung in seitlicher oder Längsrichtung so zu beeinflussen, daß eine Kollision mit dem anderen Fahrzeug vermieden wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfaßt der Schritt der Erkennung das Erkennen von Objekten durch Überprüfen mit einer oder mehreren Kameras, Radargeräten oder Laserradar- Geräten, die sich im Hauptfahrzeug befinden. Der Schritt der Analyse umfaßt die Verarbeitung und Analyse digitaler Signale, welche die von einer oder mehreren Kameras, Radargeräten oder Laserradar-Geräten erkannten Videobilder beinhalten, sowie die Verarbeitung und Analyse der digitalen Signale auf der Grundlage von Mustererkennungs- und Bereichsbestimmungs-Algorithmen. Bei den erkannten Objekten kann es sich um feste oder bewegliche, bekannte oder unbekannte Hindernisse, Personen, Fahrräder, Tiere oder ähnliche Objekte handeln.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, daß je nach der Art der vom neuronalen Fuzzy- Logik-Steuersystem festgestellten Reaktion eines oder mehrere der nachfolgend genannten Systeme gesteuert wird bzw. gesteuert werden: ein Bremspedal, ein Gaspedal, ein Lenksystem (beispielsweise das Lenkrad), die Hupe, die Beleuchtungsanlage, ein Spiegel, das Entfrostersystem oder eines der Kommunikationssysteme.
In der ersten Phase der Implementierung dieser Erfindung müssen am Fahrzeug lediglich einige kleinere Nachrüstarbeiten durchgeführt werden. Dazu gehört das Nachrüsten eines differentiellen GPS-Systems und einer genauen kartographischen Datenbank. In dieser ersten Phase wird der Fahrer nur gewarnt, wenn die Gefahr besteht, daß er von der Fahrbahn abkommt. In der zweiten Phase der Implementierung dieser Erfindung wird das System um ein System erweitert, mit dem verhindert wird, daß der Fahrer den ihm zugewiesenen Korridor und insbesondere die Straße mit hoher Geschwindigkeit verläßt. In weiteren Phasen der Implementierung dieser Erfindung erfolgt die Integration weiterer Systeme, die die Straße überstreichen und Unfälle mit Fahrzeugen verhindern, in denen das System nicht installiert ist. Darüber hinaus wird das System um Kommunikationssysteme ergänzt, die es ermöglichen, daß das Hauptfahrzeug seine Position, seine Geschwindigkeit usw. an in der Nähe befindliche Fahrzeuge übermittelt, die ebenfalls mit dem System ausgerüstet sind.
Eine primäre bevorzugte Ausführungsform des Systems beinhaltet folglich das Ausstatten eines Fahrzeugs mit einem DGPS-System, einem Laser-Gyroskop oder einem anderen Inertial- Führungssystem, einer Steuervorrichtung für Lenkung, Gas- und Bremspedal, einem digitalen kartographischen System mit einer Genauigkeit von Meterbruchteilen sowie den entsprechenden Landkarten (bzw. einer Funktion zum Zugreifen auf die benötigten Landkarten), ein Infrarot-Impuls- Laserradar, ein System zum Erkennen oder Empfangen von Signalen von einem auf der Straße basierenden, präzisen Positionserkennungssystem, sowie Kommunikationssysteme, die folgenden Zweckbestimmungen dienen: (1) Austausch von Daten mit ähnlich ausgestatteten Fahrzeugen, (2) Empfang aktualisierter Landkarten und Landkarten-Statusinformationen, und (3) Empfang von Wetter- und Straßenzustandsinformationen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Infrastrukturerweiterungen umfaßt ein DGPS-System, ein präzises Positionserkennungssystem auf der Grundlage eines Micropower-Impulsradar-Systems (MIR-Systems) oder eines Radiofrequenz- Erkennungssystems (RFID-Systems) sowie ein lokales System zur Erkennung und Übertragung von Wetter- und Straßenzustandsinformationen.
Diese Erfindung umfaßt folglich ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verhütung von Unfällen mit Kraftfahrzeugen. Dabei ist ein Kraftfahrzeug mit einem differentiellen GPS- oder DGPS- Navigationssystem sowie einem inertiellen Navigations-Untersystem ausgestattet. Teil des Systems kann eine Anordnung von Infrastrukturstationen sein, die an verschiedenen Stellen entlang der Fahrstrecke dem Fahrzeug ein Erkennen der eigenen Position ermöglichen. Diese Stationen sind in der Regel in Intervallen von etwa 80 Kilometern an der Fahrbahn angebracht, können aber auch seltener oder häufiger installiert sein. Dies hängt letztlich von den weiter unten noch beschriebenen Anforderungen ab. Dank dieser Stationen wird das Fahrzeug selbst zu einer DGPS-Station, kann Fehler des GPS-Systems korrigieren und die Position des Fahrzeugs auf der Grundlage des primären Steuerungssystems feststellen. Darüber hinaus bieten diese Stationen ausreichend Informationen dafür, daß das Fahrzeug die Trägerfrequenz zur Feststellung seiner absoluten Position mit einer Genauigkeit von einigen Zentimetern bestimmen kann, solange eine Sichtverbindung zu einem Satelliten besteht. Darüber hinaus stehen dem Fahrzeug beispielsweise Informationen über die Ränder der Straßen und Fahrbahnen sowie über die Position des Fahrzeugs zur Verfügung, so daß das Fahrzeugsteuersystem ständig die Fahrzeugposition relativ zu den Rändern der Straße und/oder der Fahrbahn feststellen kann. Nach der anfänglichen Implementierung fährt der Fahrer sein Fahrzeug, ohne sich der Präsenz eines Unfallverhütungssystems bewußt zu sein. Falls er jedoch einschläft oder aus anderen Gründen die Gefahr besteht, daß er mit hoher Geschwindigkeit von der Fahrbahn abkommt, erkennt das System, daß sich das Fahrzeug einem der Straßenränder annähert. Daraufhin wird entweder ein akustisches Alarmsignal ausgegeben oder es wird verhindert, daß das Fahrzeug die Fahrbahn verläßt, wenn damit ein Unfall verbunden wäre. In einigen Fällen reduziert das System automatisch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und bringt es auf dem Randstreifen der Straße zum Stehen.
Eine erste Verbesserung der Haupterfindung besteht in der Ausstattung des Fahrzeugs mit einem Instrument, das auf der Grundlage eines Radar-, Laserradar-, optischen oder Infrarotsystems oder einer ähnlichen Technologie die Präsenz, die Position und die Geschwindigkeit anderer, auf der Straße befindlicher Fahrzeuge, die nicht mit dem Unfallverhütungssystem ausgestattet sind, erkennt. Das erfindungsgemäße Unfallverhütungssystem kann aus den oben erörterten Gründen nicht alle Unfälle mit solchen Fahrzeugen vermeiden, bietet aber ein Sicherheitsniveau, das unseres Erachtens über dem aller nach dem aktuellen Stand der Technik bekannten Systeme liegt. Einige Verbesserungen im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik resultieren aus der Tatsache, daß das mit dem System ausgestattete Fahrzeug die Position der Straßenränder und Fahrbahngrenzen kennt, und zwar nicht nur in der eigenen Umgebung, sondern auch in der Umgebung von in der Nähe befindlichen Fahrzeugen. Folglich kann das mit dem System ausgestattete Fahrzeug erkennen, daß ein sich annäherndes Fahrzeug bereits seinen Korridor verlassen hat, und es kann den Fahrer warnen beziehungsweise ein Ausweichmanöver auslösen. Bei Systemen, die auf dem aktuellen Stand der Technik basieren, ist die Position des Fahrzeugs relativ zur Straße nicht bekannt, was mit einer wesentlich geringeren Diskrimierungsmöglichkeit verbunden ist.
Eine zweite Verbesserung der Erfindung besteht in der Schaffung einer Kommunikationsmöglichkeit mit in der Nähe befindlichen, ähnlich ausgestatteten Fahrzeugen, was den ständigen Austausch von Positionsdaten mit diesen Fahrzeugen ermöglicht. Da jedes Fahrzeug die Position und damit die Geschwindigkeit aller potentiell für eine Kollision in Frage kommenden Fahrzeuge kennt, läßt sich die Gefahr von Fahrzeugkollisionen vermindern und schließlich, wenn alle Fahrzeuge mit dem erfindungsgemäßen System ausgestattet sind, sogar völlig beseitigen.
Eine dritte Verbesserung umfaßt die Integration von Software in das System, so daß die Fahrzeuge auf speziellen Fahrzeugkorridoren fahren und der Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug an das fahrzeugbasierte System und unter Umständen ein Straßencomputersystem abgibt. Dadurch wird es dann möglich, daß die Fahrzeuge mit hoher Geschwindigkeit dicht hintereinander fahren und damit der Fahrzeugdurchsatz einer Straße wesentlich erhöht werden kann. Natürlich muß dann ein jedes Fahrzeug, das einen solchen Korridor nutzt, mit dem erfindungsgemäßen System ausgestattet sein. Dies wiederum bedeutet für die Fahrzeugbesitzer einen Anreiz, ihr Fahrzeug ebenfalls mit einem solchen System auszustatten, um die kontrollierten Korridore nutzen zu können und damit die Reisezeit zu verkürzen.
Systeme nach dem aktuellen Stand der Technik erforderten aufwendige Veränderungen an den Straßen, um eine solche kontrollierte hohe Geschwindigkeit von dicht hintereinander fahrenden Fahrzeugen zu ermöglichen. Diese Veränderungen setzen voraus, daß das System von einer starken Infrastruktur unterstützt wird. Die vorliegende Erfindung erfordert in ihrer einfachsten Form keinerlei Veränderungen an der Straße. Statt dessen stützt sie sich primär auf das GPS- oder ein ähnliches Satellitensystem. Die Informationen über Straßenränder und Fahrbahngrenzen sind entweder im fahrzeuginternen Speicher abgelegt oder werden während der Fahrt zum Fahrzeug übertragen. Auch die zulässige Geschwindigkeit wird an die im eingeschränkten Korridor befindlichen Fahrzeuge übertragen. Folglich bewegt sich jedes Fahrzeug mit der gleichen Geschwindigkeit. Da alle Fahrzeuge die Position aller anderen in der Nähe befindlichen Fahrzeuge kennen, können bei der Verlangsamung eines Fahrzeugs, beispielsweise aufgrund eines Motorschadens, geeignete Maßnahmen getroffen werden, um einen Unfall zu verhindern. Es ist nicht erforderlich, daß die Fahrzeuge in Gruppen fahren, wie dies bei einigen Systemen nach dem aktuellen Stand der Technik vorgeschlagen und gefordert wird. Statt dessen kann jedes Fahrzeug unabhängig von einem anderen in den Korridor einfahren und bis zum Verlassen des Korridors mit der vom System festgelegten Geschwindigkeit fahren, wobei das Verlassen des Korridors mit der Notwendigkeit verbunden sein kann, das System entsprechend zu informieren.
Eine weitere Verbesserung beinhaltet die Übertragung zusätzlicher Informationen über Witterungsbedingungen, Unfälle usw. an das mit dem System ausgestattete Fahrzeug, so daß dessen Geschwindigkeit auf ein Niveau begrenzt werden kann, das beispielsweise angesichts der Straßenverhältnisse sicher ist. Bei nasser Fahrbahn und Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt besteht die Gefahr von Glatteisbildungen. Auch in solchen Fällen kann das Fahrzeug vom Straßeninformationssystem entsprechend in Kenntnis gesetzt werden, um ein Fahren mit überhöhter, gefährlicher Geschwindigkeit zu verhindern.
Nachfolgend weitere Ziele und Vorteile der Erfindung:
Vorstellung eines Systems, das teilweise auf dem Global Positioning System (GPS) oder einem äquivalenten System basiert und das es einem im Fahrzeug befindlichen elektronischen System ermöglicht, die Fahrzeugposition mit einer Genauigkeit von einem Meter (oder darunter) zu bestimmen.
Vorstellung eines Systems, das es einem im Fahrzeug befindlichen elektronischen System ermöglicht, die Position der Straßenränder und/oder Fahrbahngrenzen in der Nähe des Fahrzeugs mit einer Genauigkeit von einem Meter (oder darunter) zu bestimmen.
Vorstellung eines Systems, das es einem im Fahrzeug befindlichen elektronischen System ermöglicht, die Position der Straßenränder und/oder Fahrbahngrenzen relativ zum Fahrzeug mit einer Genauigkeit von etwa 10 Zentimeter zu bestimmen.
Vorstellung eines Systems, mit dem die Gefahr eines Unfalls eines einzelnen Fahrzeugs aufgrund eines unrichtigen Verlassens der Fahrbahn bei hoher Geschwindigkeit wesentlich vermindert wird.
Vorstellung eines Systems, dessen Implementierung keine Veränderungen an Straßen erfordert und das ein kontrolliertes Fahren von Fahrzeugen auf einer Straße bei hoher Geschwindigkeit ermöglicht, so daß der Verkehrsdurchsatz auf den überfüllten Straßen erhöht werden kann.
Vorstellung eines Kollisionsverhütungssystems, bestehend aus einem Sensorsystem, das auf die Präsenz von mindestens einem anderen Fahrzeug in der Nähe des mit dem System ausgestatteten Fahrzeugs reagiert, sowie eines Instruments zur Erkennung der Position des anderen Fahrzeugs relativ zu den Fahrbahngrenzen und damit Überprüfung des Umstands, ob das andere Fahrzeug von der richtigen Position auf der Straße abwich und das Unfallrisiko erhöhte, sowie gegebenenfalls Einleitung der erforderlichen Maßnahmen zu einer Verminderung dieses Risikos.
Vorstellung eines Systems, mit dem Fahrzeuge, die sich in der Nähe zueinander befinden, einander ihre Position und/oder ihre Geschwindigkeit melden können, um damit das Risiko einer Kollision zu vermindern.
Vorstellung eines Instruments, mit dem genaue Straßenkarten an ein auf der Straße befindliches Fahrzeug übertragen werden können.
Vorstellung eines Instruments, mit dem Wetter-, Straßenzustands- und ähnliche Informationen an ein auf einer Straße fahrendes Fahrzeug übertragen werden können sowie Vorstellung eines Instruments im Fahrzeuginneren, das diese Informationen nutzen kann, um das Risiko eines Unfalls zu vermindern.
Vorstellung eines Instruments und einer Vorrichtung, die dazu dienen, daß ein Fahrzeug an bestimmten Stellen auf einer Straße exakt seine Position kennt, wenn es durch oder über ein auf einer bestimmten Infrastruktur basierendes Subsystem fährt, wodurch es den Elektroniksystemen des Fahrzeugs möglich wird, selbst Satellitenfehler zu korrigieren, so daß das Fahrzeug selbst für eine kurze Zeit zu einer DGPS-Station wird.
Nutzung staatlicher Navigationshilfesysteme, beispielsweise WAAS und LARS sowie anderer gegenwärtig oder zukünftig verfügbarer Systeme, um eine Genauigkeit der Bestimmung der Fahrzeugposition von weniger als einem Meter zu erreichen.
Nutzung der kartographischen Datenbankstruktur OpenGIS™, um für die Erfindung offene Systeme mit genauen Landkarten nutzbar zu machen.
Ausschließen von Unfällen an Kreuzungen, die darauf zurückzuführen sind, daß ein Fahrer eine rote Ampel oder ein Stoppzeichen mißachtete.
Ausschließen von Unfällen an Kreuzungen, die darauf zurückzuführen sind, daß ein Fahrer trotz Gegenverkehr abbog.
Im Unterschied zu einigen Systemen nach dem aktuellen Stand der Technik sollte bei der Umsetzung dieser Erfindung und insbesondere dann, wenn alle Fahrzeuge mit einem erfindungsgemäßen System ausgestattet sind, ein automatisches Abbremsen des Fahrzeugs nur selten notwendig sein, und Eingriffe in die Lenkung oder die Intensität des Durchtretens des Gaspedals sollten in den meisten Fällen zur Verhütung von Unfällen ausreichend sein. Bremsen bedeutet in den meisten Fällen, daß der Unfall nicht erwartet wurde.
Wichtig ist es zu verstehen, daß es sich hierbei um ein Problem der Prozeßsteuerung handelt. Der Prozeß ist so gestaltet, daß ein Ausfall unmöglich ist und folglich alle Unfälle ausgeschlossen werden sollten. Zu Ereignissen, die das System vor Probleme stellen könnten, gehört beispielsweise ein Reh, das in die Fahrzeugfront läuft, eine von einem Lastkraftwagen herabfallende Kiste, ein auf die Fahrbahn stürzender Gesteinsbrocken sowie ein katastrophaler Systemausfall am Fahrzeug. Ständige Verbesserungen am Verfahren müssen folglich vorgenommen werden, ehe diese Ereignisse im wesentlichen eliminiert werden können. Jeder einzelne Fahrer und jedes einzelne Steuer- und Regelungssystem eines Fahrzeugs sind Teil des Systems. Stellt der Fahrer fest, daß ein solches Ereignis eintrat, muß er die Möglichkeit haben, den Prozeß anzuhalten, um eine Notfallsituation zu verhindern oder ihre Auswirkungen zu mildern. Alle mit dem System ausgestatteten Fahrzeuge können deshalb die Nachricht weitervermitteln, daß der Prozeß gestoppt wurde und daß deshalb beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit wesentlich verringert werden sollte, bis das Fahrzeug den Gefahrenpunkt passiert hat oder das Problem nicht mehr existiert. Anders ausgedrückt: Der Fahrer ist Teil des Prozesses.
Bei dieser Erfindung handelt es sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausschließen von Unfällen durch genaues Bestimmen der Position eines Fahrzeugs, durch genaue Kenntnis der Lage der Straße und durch eine Kommunikation der Fahrzeuge untereinander sowie zwischen den Fahrzeugen und der Infrastruktur, die den Verkehr unterstützt. Zu Unfällen kommt es, wenn mangels Berücksichtigung der Umstände zu schnell gefahren wird oder die Fahrzeuge ihren Korridor verlassen. Mit dieser Erfindung können diese und weitere Unfallursachen beseitigt werden. Auf mehrspurigen Straßen verhindert die Umsetzung der Erfindung das Wechseln in eine andere Fahrspur aufgrund mangelnder Berücksichtigung des toten Winkels im Rückspiegel, so daß damit auch dieses Problem überwunden werden kann. Die Fahrzeuge fahren in jedem Fall entlang eines Korridors, wobei die Breite dieses Korridors einer Fahrspur, der gesamten Straße oder einem dazwischenliegenden Wert entsprechen kann, je nach den Straßenverhältnissen und dem Verkehrsaufkommen.
Die Implementierung der Erfindung erfolgt sowohl durch die Anwendung eines Inertial- Navigationssystems (INS) oder eines DGPS, manchmal auch unter Erweiterung der Trägerfrequenz. Aufgrund der Tatsache, daß die Signale von mindestens vier GPS- oder GLONASS-Satelliten nicht immer vorliegen und es zu Fehlern in Zusammenhang mit dem Empfang mehrerer Streckeninformationen von einem bestimmten Satelliten kommen kann, ist kein einhundertprozentiger Verlaß auf die DGPS-Systeme möglich. Der entscheidende Teil des Systems ist folglich das INS. In dem Maße, wie weitere Satelliten gestartet und zusätzliche Erdstationen eröffnet werden, wird dieses System weiter verbessert. Zu einer wesentlichen Verbesserung kommt es darüber hinaus, wenn WAAS- und LAAS-Systeme implementiert und verbessert werden, so daß sie auch bei Landmaschinen und Flugzeugen zum Einsatz kommen können.
Fachleuten auf diesem Gebiet werden weitere Verbesserungen deutlich. Die oben beschriebenen Merkmale sollen der Illustration und nicht der Definition dienen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein GPS-Satellitensystem mit den 24 Satelliten, die die Erde umkreisen.
Fig. 2 zeigt die Übertragung von Positionsinformationen durch vier GPS-Satelliten an ein Kraftfahrzeug und an eine Basisstation, die wiederum das entsprechende differentielle Korrektursignal an das Fahrzeug überträgt.
Fig. 3 zeigt ein WADGPS-System mit vier GPS-Satelliten, die Positionsinformationen an ein Kraftfahrzeug und eine Basisstation übertragen, die wiederum das entsprechende differentielle Korrektursignal an das Fahrzeug überträgt.
Fig. 4 ist ein logisches Flußdiagramm, das die Kombination des GPS-Systems mit dem Intertial-Navigationssystem zeigt.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens zur Unfallverhütung, Warnung sowie Steuerung und Regelung eines Kraftfahrzeugs und zeigt Systemsensoren, Transceiver, Computer, Anzeigen, Ein- und Ausgabegeräte sowie andere wichtige Elemente.
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines Bildanalysecomputers des Typs, der in einem erfindungsgemäßen System und Verfahren zur Unfallverhütung eingesetzt werden kann.
Fig. 7 zeigt ein Fahrzeug, das auf einer Straße in einem festgelegten Korridor fährt.
Fig. 8 zeigt zwei Fahrzeuge, die auf einer Straße nebeneinander fahren und zwischen denen eine Kommunikationsverbindung besteht.
Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm, das ein neuronales Netzwerks eines Typs zeigt, der nützlich für die Verwendung im Bildanalysecomputer aus Fig. 5 ist.
Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Knotenverarbeitungselements in dem neuronalen Netzwerk aus Fig. 9 zeigt.
Fig. 11 zeigt den Einsatz eines präzisen Positionierungssystems mit drei Micropower- Impulsradar-Sendern oder drei RFID-Anschlüssen in einer Konfiguration, die einem Fahrzeug die genaue Bestimmung seiner Position ermöglicht.
Fig. 12a ist eine Fließdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verhinderung von Unfällen durch Abkommen von der Fahrbahn.
Fig. 12b ist eine Fließdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verhinderung von Unfällen aufgrund des Überfahrens von Begrenzungslinien.
Fig. 12c ist eine Fließdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verhinderung von Unfällen aufgrund des Überfahrens von Haltesignalen.
Fig. 13 zeigt eine Kreuzung mit einem Stoppzeichen an der untergeordneten Straße, wobei die Gefahr eines Frontal-Seiten-Aufpralls sowie eines Heckaufpralls besteht.
Fig. 14 zeigt eine schlecht einsehbare Ampelkreuzung, an der die Gefahr eines Frontal-Frontal- Aufpralls besteht.
Fig. 15 zeigt eine Kreuzung, an der die Gefahr eines Frontal-Frontal-Aufpralls besteht, wenn ein Fahrzeug den Gegenverkehr mißachtet.
Fig. 16a ist eine Seitenansicht eines Fahrzeugs, das mit einer erfindungsgemäßen Kartographievorrichtung ausgestattet ist.
Fig. 16b ist eine Vorderansicht eines Fahrzeugs, das mit einer erfindungsgemäßen Kartographievorrichtung ausgestattet ist.
Fig. 17 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines Datenerfassungsmoduls entsprechend der Erfindung.
Fig. 17a ist eine schematische Darstellung des Datenerfassungsmoduls entsprechend der Erfindung.
Fig. 18 zeigt die Ansicht einer Straße aus der Perspektive der Videokameras, die in beiden Datenerfassungsmodulen untergebracht sind.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung nutzt die GPS-Satellitentechnologie zur Positionserkennung, einschließlich der MIR- und RFID-Sendertriaden, um die kinematischen Fahrzeugpositions- und Bewegungsbahnparameter für ein System und Verfahren zur Verhütung von Fahrzeugkollisionen nutzbar zu machen. Die hierin beschriebenen Erfindungen sind nicht auf die speziellen GPS- und PPS- Vorrichtungen beschränkt, die mit den bevorzugten Ausführungsformen offengelegt werden, sondern sind für den Einsatz in allen und jeglichen solchen satellitengestützten Positionserkennungsgeräten, -systemen und -verfahren gedacht, solange diese Geräte, Systeme und Verfahren Eingabesignale generieren, die von einem Computer analysiert werden können, so daß eine genaue Quantifizierung der Fahrzeugposition und der kinematischen Bewegungsparameter in Echtzeit möglich ist. Folglich ist davon auszugehen, daß die in dieser Schrift gezeigten und allgemein erwähnten GPS-Geräte und -Verfahren, sofern nicht anders angegeben, alle und jegliche Geräte repräsentieren, die geeignet sind, um solche Parameter der Position und der kinematischen Bewegung zu erkennen.
Ebenso generieren beispielsweise die vorliegenden Erfindungen Überwachungsbilddaten, die von einem Abtast- oder Bilderfassungssystem oder -verfahren analysiert werden können. Die hierin beschriebenen Erfindungen können nicht auf die speziellen, in den bevorzugten Ausführungsformen beschriebenen Abtast- und Bilderfassungsvorrichtungen beschränkt bleiben, sondern sind statt dessen für eine Nutzung mit sämtlichen anwendbaren elektronischen Erfassungsvorrichtungen vorgesehen, solange die entsprechende Vorrichtung ein Ausgangssignal generieren kann, das von einem Computer zur Erkennung und Kategorisierung von Objekten zu analysieren ist. Folglich ist davon auszugehen, daß die in dieser Schrift gezeigten und allgemein erwähnten Abtast- und Bilderfassungsvorrichtungen, sofern nicht anders angegeben, alle und jegliche Geräte repräsentieren, die geeignet sind, um einen bestimmten Bereich abzutasten oder von ihm Bilder zu erfassen. Dementsprechend sind die Wörter "Abtasten" und "Bilderfassung" in dieser Schrift breit und allgemein auszulegen.
Außerdem werden verschiedene Computer- sowie Steuer- und Regelvorrichtungen offengelegt, die verschiedene Steuer- und Regeloperationen ausführen. Die spezielle Form des Computers ist für die Erfindung bedeutungslos. In dieser bevorzugten Ausführungsform teilen die Anmelder die Berechnungs- und Analyseoperationen auf verschiedene zusammenwirkende Computer und Mikroprozessoren auf. Bei einer entsprechenden Programmierung können jedoch, wie Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt ist, die Erfindungen auch mit einem einzelnen Hochleistungsrechner implementiert werden. Es ist folglich nicht die Absicht der Anmelder, ihre Erfindung auf eine bestimmte Form eines Computers zu beschränken.
Außerdem werden in dieser Offenlegungsschrift Beispiele genannt. Es ist nicht die Absicht der Anmelder, vom Schutzumfang der Erfindung die Nutzung von Strukturen, Materialien oder Handlungen auszunehmen, die nicht ausdrücklich genannt sind, nichtsdestoweniger jedoch zur Ausführung einer beanspruchten Funktion verwendet werden können.
Die oben genannten und weitere Ziele werden mit der vorliegenden Erfindung erreicht. Sie stellt Systeme und Verfahren zur Vermeidung der Kollision von Kraftfahrzeugen sowie zur Warnung und Kontrolle vor, die auf satellitengestützten GPS-Positionserkennungssystemen basieren und durch präzise Positionierungssysteme erweitert wurden, die eine zentimetergenaue Positionsermittlung gestatten und die Ermittlung des Fahrzeugverhaltens, der Positionskoordinaten und der kinematischen Bewegungsparameter eines Fahrzeugs ermöglichen. Die GPS-Positions- und Computersysteme sind in Videoabtast-, Radar-, Laserradar, Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsmesser sowie Gyroskope integriert und bieten nicht nur genaue Informationen über den Standort eines Fahrzeugs, sondern auch über Objekte, die eine mögliche Kollisionsgefahr darstellen und/oder über andere Gefahren. Mit Hilfe moderner Technologien der Bildbearbeitung werden die Videoinformationssignale quantifiziert. Je nach den erkannten Gefahren werden daraus Warn- sowie Steuer- und Regelungssignale abgeleitet.
Die oben beschriebenen Ausgaben von den Sensoren werden im fahrzeuginternen neuronalen Netz sowie in neuronalen Fuzzy-Berechnungsalgorithmen verwendet, um eine optimale Präzision der Warn-, Steuer- und Regelungssignale zu erreichen und damit Kollisionen mit anderen Fahrzeugen oder mit Objekten oder Gefahrenquellen, die sich auf der Straße befinden, zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden neuronale Fuzzy-Steuerungsalgorithmen zur Entwicklung koordinierter Brems-, Beschleunigungs- und Lenksteuerungssignale genutzt, um jedes einzelne Fahrzeug im Interesse einer Minimierung der Auswirkungen potentieller Kollisionen optimal steuern zu können. An alle Fahrzeuge werden Video-, Radar, Laserradar-, GPS-Positionierungs- und Fahrspurdaten übermittelt, welche die Bewegung des betreffenden Fahrzeugs und aller in seiner Nähe befindlichen Fahrzeuge beschreiben.
Bei den neuronalen Fuzzy-Berechnungsalgorithmen werden außerdem Gefahren und andere Hindernisse berücksichtigt, die für ein bestimmtes Fahrzeug eine potentielle Gefahr darstellen könnten. Sämtliche Objekte, Hindernisse und/oder andere Fahrzeuge, die sich an einer beliebigen Stelle vor oder hinter einem bestimmten Fahrzeug bzw. an dessen Seiten befinden, werden in den Fuzzy-Steuerungsalgorithmen bei der Berechnung der optimalen Steuerungs- und Warnsignale berücksichtigt.

Beschreibung des GPS-Systems

Bezugnehmend auf Fig. 1 stellt das derzeit in Betrieb gehende Global Positioning System mit seinen 24 Satelliten 2 eine echte Revolutionierung der Fahrzeugnavigation in aller Welt dar. Die Satelliten umkreisen die Erde auf sechs Bahnen 4. Um das volle Navigationspotential zu erreichen, muß das GPS jedoch erweitert werden, zum einen, um die Genauigkeit zu verbessern, zum anderen jedoch, um die Zeitspanne bis zur Information eines Fahrers über eine bestehende Funktionsstörung eines GPS-Satelliten (das Eintreten des sogenannten Integritätsproblems) zu verkürzen.
Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitenbasiertes Navigations- und Zeitsignal- Übertragungssystem, das vom US-Verteidigungsministerium entwickelt wurde. Das GPS wird von zivilen und militärischen Nutzern auf See, in der Luft und zu Land genutzt. Bestandteil des GPS ist der Standard Positioning Service (SPS). Dieser Dienst bietet zivilen Nutzern eine Positionierungsgenauigkeit von 100 Meter. Bei dem vom Militär genutzten Precise Positioning Service beträgt die Genauigkeit sogar 20 Meter. Beide Dienste können weltweit ohne besondere Vorrichtungen genutzt werden.
Mit einem differentiellen Betrieb des GPS soll die Genauigkeit und Integrität des Systems verbessert werden. Dabei werden ein oder mehrere qualitativ hochwertige GPS-Receiver an bekannten Überwachungsstandorten positioniert, um die eingehenden GPS-Signale zu prüfen. Diese Referenzstation(en) schätzt (schätzen) die leicht variierenden Komponenten der Satellitenmessungen ab und korrigieren jeden GPS-Satelliten, zu dem eine Sichtverbindung besteht. Das entsprechende Korrektursignal wird an alle DGPS-Benutzer übertragen, die sich in der Reichweite der Funkeinrichtungen befinden.
Das hier beschriebene System erreicht seine hohe Genauigkeit durch die Kombination aus dem Inertial-Führungssystem, das eine genaue Feststellung von Positionsveränderungen ermöglicht, und der Mehrfach-Datenermittlung durch das GPS-System. Anders ausgedruckt: Im Laufe der Zeit nähert sich die berechnete Position immer stärker der wirklichen Position an. Die Einbeziehung des DGPS ist mit einer Genauigkeitssteigerung um mindestens das Zehnfache verbunden, was (eine ausreichende Anzahl von DGPS-Stationen vorausgesetzt) in einigen Fällen ausreichend ist, ohne dass Trägerfrequenzkorrekturen vorgenommen werden müssen. Eine weitere, wesentliche Verbesserung der Systemgenauigkeit auf das erforderliche Niveau wird erreicht, wenn die Fahrzeuge durch die Errichtung einer entsprechenden Infrastruktur von Stationen an den jeweiligen Standorten zu ihrer eigenen DGPS-Station werden.
Bei Mehrwegestörungen werden zu einem bestimmten Receiver mehrere Signale übertragen, wobei eines dieser Signale beispielsweise aus der Reflexion von einem Gebäude oder dem Boden resultieren kann. Da es sich bei Mehrwegestörungen um geometrisch begründete Phänomene handelt, können sie durch entsprechende Vorkehrungen an den Autobahnen und eine geeignete Antennenkonstruktion überwunden werden. Auch die von anderen Fahrzeugen ausgehenden Mehrwegestörungen lassen sich ausschließen, denn die Positionen dieser Fahrzeuge sind jeweils bekannt. Ein wichtiges Merkmal des DGPS-Systems besteht darin, daß sich die Fehler der GPS-Satelliten im Laufe der Zeit nur langsam verändern, so daß es folglich ausreicht, von Zeit zu Zeit entsprechende Korrektursignale an den Benutzer zu übertragen. Durch eine Implementierung von Referenzsignalempfängern, die in einem Abstand von 25 bis 120 km installiert werden, sind mit lokalen DGPS- Systemen Genauigkeiten von 10 cm bis 1 m erreichbar, was bei RtZF-Systemen eine unwesentliche Abweichung bedeutet. Noch bessere Ergebnisse werden erreicht, wenn in die Infrastruktur geeignete Sender integriert werden.
Eine Art des weiträumigen DGPS-(WADGPS-)Systems erstreckt sich über die gesamte USA und erreicht eine RMS-Genauigkeit von unter 50 cm. Dieses System wird von Bertiger et al in "A Prototype Real-Time Wide Area Differential GPS System", Proceedings of the National Technical Meeting, Navigation und Positioning in the Information Age, Institute of Navigation, January 14-16, pp. 645-655 beschrieben. Ein RMS-Fehler von 50 cm ist für das RtZF-System unwesentlich. Bei der Umsetzung dieser Erfindung können mit genaueren Überwachungsvorrichtungen wesentlich bessere Genauigkeiten erreicht werden. Das gilt insbesondere für die Ermittlung der Abstände zum Straßenrand und zu den Fahrbahngrenzen. Als weiteres WADGPS-System sei das System OmniSTAR genannt, dessen Genauigkeit angeblich bei 6 cm (1 σ) liegen soll.
Mit dem DGPS-System werden allgemeine Fehler überwunden. Das gilt insbesondere für jene Fehler, die auf das Referenzsignal und die entfernten Empfänger zurückzuführen sind (nicht auf Mehrwegestörungen und Empfängerrauschen). Am häufigsten kommt es zu diesen Fehlern, wenn die Empfänger dicht beieinander positioniert sind (Abstand weniger als 100 km). Mit DGPS-Systemen, die auf C/A-Code-SPS-Signalen basieren, können differentielle Positionsgenauigkeiten zwischen 1 und 10 Meter erreicht werden.
Unter Verwendung des kommerziellen CNET-Systems sind Genauigkeiten von rund 30 cm möglich, vorausgesetzt, die Basisstationen befinden sich nicht mehr als 50 km vom Fahrzeug entfernt. Zur Abdeckung des CONUS-Systems würden unter diesen Voraussetzungen rund 1000 Basisstationen benötigt. Dieselbe Genauigkeit kann auch bei Anwendung einer anderen Methode erreicht werden: Dann müßte, wie oben beschrieben, das Fahrzeug sein eigenes DGPS-System sein, dessen Koordinaten sich alle 50 km ändern.
Leider kommt es in bezug auf die oben erwähnten Fehlerquellen zu einer rapiden Dekorrelation, wenn die Abstände zwischen der Referenzstation und dem Fahrzeug zunehmen. Von einem "konventionellen DGPS-System" wird gesprochen, wenn die Abstände so gering sind, daß Fehler nicht ins Gewicht fallen. Von Einzel- bzw. Mehrfachreferenz-DGPS-Systemen wird gesprochen, wenn betont werden soll, daß es sich um eine einzelne bzw. um mehrere Referenzstationen handelt. Wenn der Versorgungsbereich vergrößert und gleichzeitig die Anzahl der stationären Referenzempfänger vermindert werden soll, müssen Modelle der räumlichen und zeitlichen Varianz des Restfehlers entwickelt werden. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieser Ziele bietet das Wide Area Differential GPS-System (WADGPS).
Pseudoliten sind künstliche, satellitenähnliche Strukturen, die auf der Erdoberfläche angebracht sind und mit denen die Genauigkeit des DGPS-Systems verbessert werden kann. Solche Strukturen könnten ein Bestandteil des RtZF™-Systems werden.
Das Wide Area Augmentation System (WAAS) soll das Instrument Landing System ersetzen, das derzeit noch landesweit an den Flughäfen zum Einsatz kommt. Das WAAS-System bietet eine Genauigkeit von 1 bis 2 Metern und dient zur Steuerung des Landevorgangs von Flugzeugen. Ist die vertikale Position des Beobachtungssubjekts bekannt (wie dies bei Automobilen auf der Straße der Fall ist), kann diese Genauigkeit noch wesentlich verbessert werden. Folglich kann das WAAS- System für viele Zwecke dieser Erfindung genutzt werden, um genaue Positionsdaten von Kraftfahrzeugen zu liefern. Die Genauigkeit des WAAS-Systems wird außerdem durch die Tatsache verbessert, daß jeder WAAS-Empfänger mit einer Atomuhr ausgestattet ist, der durch die Einbeziehung von Trägerphasendaten eine große Genauigkeit ermöglicht. Bei einigen Standorten werden damit Genauigkeiten von weniger als einem Meter erreicht.
Das WAAS-System basiert auf einem Netz von rund 35 Boden-Referenzstationen. Die Signale von GPS-Satelliten werden sowohl von Flugzeugempfängern, als auch von den Boden-Referenzstationen empfangen. Jede dieser Referenzstationen wird genau überwacht, so daß Fehler in den GPS- Signalen erkannt werden. Diese Informationen werden dann zu einer weiträumig aktiven Hauptstation weitergeleitet. Diese Hauptstation berechnet die Korrekturalgorithmen und schätzt die Systemintegrität ein. Diese Daten werden in ein Nachrichtenformat umgerechnet und an eine Bodenstation übermittelt, von wo aus sie an einen geostationären Kommunikationssatelliten weitergeleitet werden. Von dort aus werden die Korrekturinformationen an den an Bord des Flugzeugs befindlichen Empfänger übertragen, der die erforderlichen Korrekturen vornimmt. Darüber hinaus agieren die Kommunikationssatelliten als zusätzliche Navigationssatelliten des Flugzeugs, die zusätzliche Navigationssignale zur Positionsbestimmung übertragen.
Die FAA plant die Implementierung eines Netzes lokaler, differentieller GPS-Stationen, die ihre Informationen an das Flugzeug übertragen. Dieses System wird als Local Area Augmentation System (LAAS) bezeichnet. Das LAAS-System bietet in Ergänzung des WAAS-Systems einen noch höheren Deckungsgrad für die Bereiche in der Umgebung großer Flughäfen.
Für die Zwecke des RtZF™-Systems wären sowohl das WAAS- als auch das LAAS-System nützlich, sind aber wahrscheinlich unzureichend, sofern nicht die Informationen in anderen mathematischen Systemen verarbeitet werden, beispielsweise in dem vom OmniSTAT™ WADGPS- System genutzten. Neben Flugzeugen gibt es viele Orte, an denen ein Empfang von LAAS- oder WAAS-Informationen unmöglich ist bzw. (was noch stärker ins Gewicht fällt) an denen die GPS- Signale nicht die notwendige Genauigkeit und Zuverlässigkeit bieten. Deshalb ist es durchaus möglich, daß die ersten RtZF™-Systeme auf WAAS- und LAAS-Systemen basieren, doch in dem Maße, in dem sich das System dem Ziel völliger Fehlerfreiheit annähert, werden straßenbasierte Systeme bevorzugt, die einem Fahrzeug die genaue Angabe der eigenen Position gestatten. Auf diesem Gebiet finden jedoch umfangreiche Entwicklungsarbeiten statt, so daß alle Systeme immer noch als potentiell geeignet für eine Implementierung in das RtZF™-System betrachtet werden müssen und sich erst im Laufe der Zeit das kostengünstigste herauskristallisieren wird.
Eine extrem genau arbeitende Variante des GPS-Systems ist das Carrier Based Differential GPS-System. Diese Form des GPS-Systems nutzt die 1,575-GHz-Trägerkomponente des GPS-Signals, auf der der Pseudo Random Number Code (PRN-Code) und die Datenkomponente überlagert werden. Zu den aktuellen Versionen des Carrier Based Differential GPS-Systems gehören Systeme zur Positionsbestimmung für die Trägerkomponente eines GPS-Signals, die auf der an zwei unterschiedlichen Antennen gemessenen Phasenverschiebung, einer Basisstation bzw. einem Pseudoliten und dem Fahrzeug basieren. Diese Technologie setzt voraus, daß zunächst bestimmt wird, wie viele ganzzahlige Wellenlängen der Trägerkomponente zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen den beiden Antennen vorliegen. Dieser Wert wird als ganzzahlige Mehrdeutigkeitsauflösung bezeichnet. Für diese Auflösung gibt es unterschiedliche Herangehensweisen. Einige Beispiele sind im US-Patent Nr. 5.583.513 und 5.619.212 genannt. Mit diesen Systemen können Genauigkeiten von weniger als einem Meter, in einigen Fällen sogar von weniger als einem Zentimeter erreicht werden. Im US-Patent 5.477.458 wird ein DGPS-System offengelegt, dessen Genauigkeit bei rund 5 cm liegt und dessen Basisstationen sich in einem Radius von etwa 3000 km befinden. Arbeitet man mit einem solchen System, werden zur Abdeckung des Festlands der USA nur wenige Basisstationen benötigt. Nachteilig wirkt sich auf dieses System die noch immer mangelnde Verfügbarkeit genauer Signale des Fahrzeugs ungeachtet seiner Position auf der Straße sowie genauer Signale der in der Umgebung befindlichen Fahrzeuge und Objekte aus. Trotzdem kann das Prinzip der Nutzung der Trägerfrequenz zur genauen Bestimmung der Position eines Fahrzeugs auch bei den unten beschriebenen Schnellstraßensystemen zum Einsatz kommen, wobei eine extreme Genauigkeit erzielt wird. Auch mit der Nutzung des unten beschriebenen PPS-Systems, bei dem ein Fahrzeug sein eigenes DGPS-System wird, wird das Problem der Mehrdeutigkeit der Trägerphase eliminiert, denn die Anzahl der Zyklen kann rechnerisch ermittelt werden (vorausgesetzt, die genaue Position ist bekannt). Sofern die Sperrung an einem Satellit nicht für mehr als ein paar Minuten ausfällt, sind Mehrdeutigkeiten in bezug auf das an der PPS-Station befindliche Fahrzeug ausgeschlossen.
Es gibt keine weiteren Informationsquellen, die zur Erhöhung der Genauigkeit der Positionsbestimmung genutzt werden können. Die Nutzung eines GPS-Systems mit vier Satelliten ermöglicht die dreidimensionale, zeitabhängige Bestimmung der Fahrzeugposition. Von diesen Dimensionen ist die vertikale die am wenigsten genau bekannte. "Weiß" das Fahrzeug jedoch selbst, wo es sich auf der Straße befindet, ist die vertikale Dimension nicht nur die unwichtigste, sondern sie ist dann auch bereits aus der Straßenkarte und dem Intertial-Führungssystem bekannt.
Eine weitere Hilfe bieten Marker, die entlang des Straßenrandes angebracht werden und bei denen es sich um visuelle, passive oder aktive Transponder, Reflektoren oder andere technische Lösungen handelt. Sie alle basieren auf dem Prinzip, daß ein am Marker vorbeifahrendes Fahrzeug die Identität des Markers identifizieren und von einer Datenbank aus dessen exakte Position abrufen kann. Befinden sich am Straßenrand drei oder mehr solcher Marker, kann ihre exakte Position durch Triangulierung ermittelt werden. Obwohl eine Plazierung solcher Marker an allen Straßen unter Umständen nicht praktikabel sein kann, so ist doch eine Positionierung an besonders überlasteten Bereichen oder Stellen, an denen bekanntermaßen die Sichtverbindung zu den GPS-Satelliten blockiert ist, sinnvoll. Weiter unten wird noch eine Variante dieses Konzepts erörtert.
Obwohl zunächst die Nutzung der GPS-Navigationssatelliten als Basistechnologie bevorzugt wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Statt dessen wird mit ihr die Nutzung aller Verfahren beabsichtigt, durch die die Position eines Kraftfahrzeugs relativ zur Erdoberfläche genau bestimmt werden kann. Darüber hinaus müssen die Positionen der Straßenränder und der anderen Fahrzeuge relativ zur Erdoberfläche bestimmt und alle entsprechenden Informationen in einem Steuer- und Regelsystem ausgewertet werden, um zunächst die Anzahl der Verkehrsunfälle wesentlich zu vermindern und sie später ganz auszuschließen. Der optimale Mix der Technologien, der die kostengünstigste Lösung darstellt, kann sich erst im Laufe der Zeit und im Zuge der weiteren Systementwicklung herauskristallisieren. Alle Formen der Information und alle Arten der Kommunikation kommen in Betracht, darunter auch die direkte Kommunikation mit stationären und beweglichen Satelliten und die Kommunikation mit festen Bodenstationen unter Verwendung von Infrarot-, Radar-, Funk- und optischen Strahlen sowie anderen Komponenten des elektromagnetischen Spektrums. Nachfolgend einige weitere Beispiele:
Mobilfunkstationen können anstelle von oder zusätzlich zu Satelliten ein Pseudo-GPS-System bilden. Dabei muß die genaue Position eines Mobilfunkturms anfänglich nicht unbedingt bekannt sein. Wenn vom Turm aus die GPS-Satelliten über einen ausreichend langen Zeitraum hinweg überwacht werden, läßt sich ihre Position rechnerisch bestimmen, da sich dieser Rechenwert statistisch immer stärker der exakten Position annähert. Folglich kann jeder Mobilfunkturm mit einem sehr geringen Kostenaufwand zu einer exakt funktionierenden DGPS-Basisstation entwickelt werden. Die Übertragung der DGPS-Korrekturen an die Kraftfahrzeuge ist beispielsweise mittels einer Hilfsträgerfrequenz über ein UKW-Radio möglich. Ein an der Straße angebrachter Infrarot- oder Radiosender kann die Informationen über den Verlauf des Straßenrands übertragen. Auch die Nutzung einer CD- ROM oder eines anderen Massenspeichers, der am Beginn einer kontrollierten Straße zu aktivieren ist, ist möglich, um die Straßenranddaten an das Fahrzeug zu übertragen. Es wird beabsichtigt, daß schließlich über einen Satellit in periodischen Abständen, unter Umständen alle fünf Minuten, eine Übersicht mit Daten übertragen wird, die das gesamte CONUS-System mit den neuesten Updates für alle Landkartensegmente enthält. Wenn ein bestimmtes Fahrzeug nicht über die neuesten Informationen für die Region, in der es sich aktuell befindet, verfügt, kann es mit Hilfe des bordeigenen Mobiltelefons die entsprechenden Karten abrufen, beispielsweise über das Internet. Notfallinformationen werden auf eine ähnliche Art und Weise verarbeitet. Das bedeutet praktisch: Fällt ein Baum auf die Fahrbahn, werden alle in der Nähe befindlichen Fahrzeuge schnellstmöglich darüber in Kenntnis gesetzt.
Insbesondere am Anfang ist damit zu rechnen, daß das DGPS- oder GPS-System und ihre verschiedenen Varianten eine Vielzahl von Löchern aufweisen, so daß dem Fahrzeug kein genaues Hilfsmittel zur Feststellung der eigenen Positionsdaten zur Verfügung steht. Das weiter unten beschriebene Inertial-Navigationssystem trägt dazu bei, diese Löcher auszufüllen. Seine Genauigkeit ist jedoch auf einen Zeitraum von wesentlich weniger als einer Stunde und eine Entfernung von unter 80 km beschränkt, bevor es erneut korrigiert werden muß. Das reicht unter Umständen nicht aus, um die Lücke bis zu erneuten Verfügbarkeit des DGPS-Systems zu schließen. Es wird folglich beabsichtigt, daß auch das RtZF-System kostengünstige Systeme nutzt, die entlang der Straße positioniert sind und es ermöglichen, daß ein Fahrzeug seine Position exakt bestimmen kann. Als Beispiel für ein solches System sei die Nutzung von drei Micropower Impulse Radar-Einheiten (MIR- Einheiten) genannt, die beispielsweise von Lawrence Livermore Laboratory entwickelt wurden.
MIR-Systeme arbeiten mit einer sehr geringen Leistungsaufnahme und senden in periodischen Abständen einen sehr kurz gestreuten Spektrum-Radarimpuls aus. Die Kosten für ein MIR-System liegen selbst bei kleinen Mengen etwa im Bereich von lediglich 10 Dollar. Werden drei solcher MIR- Sender, 151, 152 und 153, wie in Fig. 11 dargestellt, entlang der Straße plaziert und gleichzeitig oder mit einer bekannten Verzögerung ausgelöst, kann beim Vorbeifahren eines mit einem entsprechenden Empfängersystems ausgestatteten Fahrzeugs der Zeitpunkt des Empfangs der Impulse und damit die Position des Fahrzeugs relativ zu den ermittelten Sendern bestimmt werden. Der Punkt, an dem alle drei Impulse gleichzeitig eintreffen, entspricht jenem Punkt, an dem das Fahrzeug von allen drei Transmittern gleich weit entfernt ist. Mit Hilfe einer Landkarte kann dieser Punkt exakt bestimmt werden. Drei Vorrichtungen reichen aus, denn es müssen nur zwei Dimensionen bestimmt werden. Dabei wird davon ausgegangen, daß sich das Fahrzeug auf der Straße befindet und folglich seine vertikale Position bekannt ist. Anderenfalls werden vier MIRs benötigt. Es ist nicht notwendig, daß die Signale Kenninformationen enthalten, denn das Fahrzeug befindet sich nicht so weit von den Sendern entfernt, daß deren Positionen verwechselt werden könnten. Bei diesem Verfahren werden beim jedem Annähern und Vorbeifahren des Fahrzeugs an eine(r) solche(n) Dreifach-MIR-Anlage genaue Daten an das Fahrzeug übermittelt. Das Dreiecks-MIR-PPS-System oder das alternativ genutzte andere System kann auch mit einem GPS-Empfänger ausgestattet sein und damit die exakte Position ermitteln, wie dies weiter oben für Mobilfunktürme beschrieben wurde. Nachdem der Standort bestimmt ist, kann der GPS-Empfänger deaktiviert werden. In diesem Fall kann das Dreiecks-MIR- PPS-System oder das alternativ genutzte andere System an einem beliebigen Ort plaziert werden und die exakten Positionsdaten an die vorbeifahrenden Fahrzeuge übertragen. Ein alternatives Verfahren besteht darin, den GPS-Empfänger mit dem Moment des Eingangs der GPS-Daten von den Satelliten am PPS-System zu verlassen, so daß auch Fahrzeuge, die nicht ausreichend dicht am PPS-System vorbeifahren, exakt ihre Position feststellen können. Ein ähnliches System, das auf der Verwendung von RFID-Anschlüssen basiert, wird unten erörtert.
Natürlich können alle diese Ermittlungen und Positionsbestimmungen bei einem Vorgang der Annäherung an die MIR-Anlage erfolgen; das Fahrzeug muß nicht warten, bis alle Daten eingegangen sind. Darüber hinaus kann das System so konfiguriert werden, daß die Signale zwar niemals gleichzeitig ankommen, trotzdem aber immer die gleiche Genauigkeit bieten. Voraussetzung dafür ist, daß das Fahrzeug über eine ausreichend genaue Uhr verfügt. Betrachtet man Fig. 11, so erkennt man, daß eine Möglichkeit darin besteht, daß die Sender 151 und 152 die seitliche Position des Fahrzeugs erkennen, während die Sender 151 und 153 zur Erkennung der Längsposition des Fahrzeugs dienen. Die drei Sender 151, 152 und 153 müssen nicht an den Rändern einer Fahrspur positioniert sein. Sie können statt dessen an mehreren Fahrspuren verlaufen und müssen auch nicht auf Bodenhöhe angebracht sein, sondern müssen lediglich so positioniert werden, daß vorüberfahrende Lastkraftwagen nicht die Übertragung der von Pkws emittierten Strahlen behindern können. Insbesondere in Bereichen mit einer hohen Verkehrsdichte kann es wünschenswert sein, die Impulse zu codieren und mit mehr als drei Sendern zu arbeiten, um einen weiteren Schutz vor Signalblockierungen oder Mehrwegestörungen zu erreichen.
Die Leistungsaufnahme von MIR-Transmittern ist gering, so daß durch eine einfache Solarzellenkonfiguration eine ausreichende Versorgung der meisten (wenn nicht aller) CONUS- Standorte gewährleistet ist. Anhand dieser exakten Positionsdaten kann das Fahrzeug als seine eigene DGPS-Station fungieren und die für das GPS-System notwendigen Korrekturen ermitteln. Es kann darüber hinaus das Ausmaß des Problems der Ganzzahl-Mehrdeutigkeit feststellen und damit die exakte Anzahl der Wellenlängen zwischen dem Fahrzeug und den Satelliten bzw. zwischen dem Fahrzeug und der MIR-Station feststellen.
MIR ist eine der Technologien, die zur Bestimmung exakter Standortdaten genutzt werden kann. Als weitere Beispiele sei die Verwendung eines RFID-Anschlusses genannt, der im Zusammenwirken mit einem Abfragesender den Abstand zwischen dem Anschluß und dem Radar- oder einem anderen Reflektor feststellt, so daß die Laufzeit gemessen werden kann.
Wenn ein Fahrzeug eine Precise Positioning Station (PPS) passiert, beispielsweise die oben beschriebene MIR-Triade, kann das Fahrzeug diese Information auch an andere Fahrzeuge in der Umgebung übertragen. Wenn die Entfernung zwischen zwei kommunizierenden Fahrzeugen ebenfalls nach der Laufzeitmethode bestimmt werden kann, kann das vorüberfahrende Fahrzeug zu einem Satellitenäquivalent oder einem beweglichen Pseudolit werden. Übermitteln schließlich viele Fahrzeuge ihre Positionen an viele andere Fahrzeuge zusammen mit Angaben über die Genauigkeit dieser Informationen, können diese Informationen in jedem Fahrzeug zur Verbesserung der Exaktheit der eigenen Positionsdaten genutzt werden. Damit steigt mit einer wachsenden Anzahl von Fahrzeugen auch die Genauigkeit des gesamten Systems an, bis sich ein extrem genaues Positionierungssystem für alle Fahrzeuge herausgebildet hat. Da in einem solchen System eine Vielzahl von Quellen für Positionsdaten kombiniert sind, ist es gegenüber Ausfällen einer oder mehrerer solcher Quellen tolerant. Das heißt, das RtZF™-System entspricht dahingehend dem Internet, daß es nicht geschlossen werden kann und eine große Annäherung an das Ziel der Perfektion zu konstatieren ist. Einige der Probleme, die mit diesem Konzept verbunden sind, werden weiter unten noch genauer erörtert.
Insbesondere mit zunehmender Reife der Systemimplementierung und der Inbetriebnahme der kompletten Infrastruktur kann es dazu kommen, daß ein bestimmtes Fahrzeugsystem nicht betriebsfähig ist. Ursache hierfür können beispielsweise Hindernisse sein, die eine klare Sichtverbindung zu einer ausreichenden Anzahl von GPS-Satelliten verhindern, beispielsweise, wenn ein Fahrzeug in einen Tunnel einfährt. Die Außerbetriebsetzung des Systems kann auch auf mangelnde Straßenrandinformationen, beispielsweise aufgrund von Bauarbeiten, oder die Tatsache zurückzuführen sein, daß die Straße nicht überwacht wurde und folglich auch keine Informationen erfaßt und an das Fahrzeug weitergeleitet werden konnten. Eine Vielzahl weiterer Ursachen ist denkbar. Folglich ist in Erwägung zu ziehen, daß jedes mit einem solchen System ausgestattete Fahrzeug auch eine Warnleuchte umfaßt, die den Fahrer warnt, wenn er sich in einer Position befindet, in der das System nicht betriebsfähig ist. Falls es dazu auf einer der mit dem System ausgestatteten Fahrspuren kommt, wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs verringert, bis das System wieder betriebsfähig wird.
Bei einem Systemausfall über eine kurze Distanz kann das Fahrzeug trotzdem noch exakt seine Position ermitteln, wenn es mit mindestens einem Laser-Gyroskop, mikrobearbeiteten Winkelsensoren oder äquivalenten Vorrichtungen sowie einem oder mehreren Beschleunigungsmessern ausgestattet ist, die gemeinsam als Inertial Navigation System (INS) bezeichnet werden. Im allgemeinen verfügen solche INS-Systeme über drei Gyroskope und drei Beschleunigungsmesser.
Je größer die Anzahl der Sensoren an einem Fahrzeug ist, die Informationen zur Fahrzeugposition, zur Geschwindigkeit und zur Beschleunigung übermitteln, desto komplizierter wird das System, so daß der Einsatz eines neuronalen Netzes oder eines neuronalen Fuzzy-Systems notwendig werden kann, um eine optimale Auswertung der ermittelten Informationen zu gewährleisten. Dieser Umstand wird noch wichtiger, wenn von außen neben den GPS-bezogenen Daten weitere Informationen verfügbar werden. Beispielsweise ist es möglich, daß ein Fahrzeug mit anderen Fahrzeugen, in denen ähnliche Systeme installiert sind, kommunizieren und deren Position ermitteln kann. Kann das Fahrzeug selbst die Position des anderen Fahrzeugs bestimmen, beispielsweise durch Laserradarsysteme, die Abtastimpulse emittieren, wie weiter unten beschrieben, und damit die Feststellung der relativen Position von zwei oder mehr Fahrzeugen möglich wird, kann für alle diese Fahrzeuge die Positionierung optimiert werden. Das zusätzliche Eingeben aller dieser Daten in das System würde wahrscheinlich ein neuronales Netzwerk oder eine Kombination aus neuronalem Netzwerk und Fuzzy- Logik-System voraussetzen.
Eine Möglichkeit zur bildhaften Darstellung des Systembetriebs besteht darin, sich das Kraftfahrzeug und den Straßenrand so vorzustellen, als würde rings um das Fahrzeug ein "Kraftfeld" verlaufen, das einen Zusammenprall mit einem anderen Fahrzeug oder einem Hindernis bei der Fahrt entlang der Straße verhindert. Dabei würde es nicht möglich sein, daß ein Fahrer mit seinem Fahrzeug den ihm zugewiesenen Korridor verläßt. Dies wird durch ein Steuer- und Regelungssystem erreicht, das die Lenkung, das Gaspedal und unter Umständen auch die Bremsen auf der Grundlage der Kenntnis der Fahrzeugposition, des Straßenrandverlaufs und der in der Nähe befindlichen anderen Fahrzeuge steuert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Position des Fahrzeugs dadurch bestimmt, daß zunächst das GPS-L1-Signal zur Ermittlung der Position mit einer Genauigkeit von rund 100 Metern genutzt wird. Danach wird durch das DGPS-System und Korrektursignale, die entweder über UKW übertragen oder von erdsynchronen oder Low Earth Orbiting-Satelliten (LEO- Satelliten) bzw. von an der Straße angebrachten Sendern heruntergeladen werden, die Position mit einer Genauigkeit von weniger als 10 Zentimetern bestimmt. Schließlich ermittelt das Fahrzeug durch ein MIR-System oder ein ähnliches System seine genaue Position und damit die GPS-Korrekturen, wird die Trägerzyklus-Mehrdeutigkeit eliminiert und wird das INS-System eingerichtet. Falls dies noch nicht ausreicht, liefert die Phase der Trägerfrequenz die erforderlichen Positionsdaten mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern. Eventuelle Lücken können durch Koppelnavigation unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit, des Lenkwinkels und der Drehzahl der Räder und/oder der Inertialführung ausgefüllt werden. Wenn zu Satelliten keine Sichtverbindung besteht, werden an der Straße Pseudoliten oder ein äquivalentes System installiert. Zum Erkennen von Hindernissen wird ein gepulstes Infrarot-Abtast-Laserradarsystem oder ein äquivalentes System verwendet. Die Kommunikation mit anderen Fahrzeugen erfolgt durch Nahbereichs-Funksysteme oder durch Streuspektrum-Impulsradarsysteme, wie beispielsweise das von der Time Domain Incorporated beschriebene.

Kommunikation mit anderen Fahrzeugen - Kollisionsverhütung

Das MIR-System kann auch für die Kommunikation von Fahrzeug zu Fahrzeug verwendet werden, es sei denn, es besteht direkte Sichtverbindung. Ein Vorteil besteht darin, dass man durch eine Reichweiteneingrenzung genau festlegen kann, wann ein bestimmtes Fahrzeug reagiert. Darüber hinaus ist es bei dieser Konstellation aufgrund der kurzen Übertragungszeit möglich, daß gleichzeitig viele Fahrzeuge miteinander kommunizieren.

Beschreibung des Systems: Anforderungen

Die Kommunikation zwischen Fahrzeugen zum Zwecke der Kollisionsvermeidung kann nicht allein auf Technologien basieren, die eine Sichtverbindung voraussetzen, denn auch Fahrzeuge, zu denen momentan keine Sichtverbindung besteht, können wenige Augenblicke später eine Kollision verursachen. Andererseits ist eine Kommunikation zwischen Fahrzeugen mit Sichtverbindung nicht erforderlich, wenn sie noch über 1 Kilometer voneinander entfernt sind. Deshalb enthält die von jedem Fahrzeug versandte Nachricht entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung Informationen, aus denen eindeutig hervorgeht, wo sich das Fahrzeug befindet und welchen Typs das Fahrzeug ist. Mögliche Typenkategorien sind beispielsweise Nothilfefahrzeug, Baufahrzeug, Lkw (klassifiziert nach Größe und Gewicht), Pkw oder Lkw mit Übergröße. Dadurch kann das Hauptfahrzeug alle Fahrzeuge unberücksichtigt lassen, die keine potentiellen Gefahren darstellen, selbst wenn diese Fahrzeuge sich in unmittelbarer Nähe (wenngleich auf der anderen Seite der Leitplanke) befinden.
Mit der Verwendung eines Ethernet-Protokolls werden die Anforderungen des Netzwerks erfüllt, das alle Fahrzeuge umfaßt, die sich im betreffenden Moment in der Nähe des Hauptfahrzeugs befinden. Alternativ hierzu kann ein Netzwerk verwendet werden, das so konfiguriert ist, daß das Hauptfahrzeug an ein bestimmtes anderes Fahrzeug eine Nachricht übermittelt und die entsprechende Reaktion abwartet. Aus der Reaktionszeit läßt sich dann die relative Position anderer Fahrzeuge ermitteln - eine weitere Möglichkeit der Positionsbestimmung. Das heißt: Je mehr Fahrzeuge sich auf der Straße befinden, die mit dem System ausgestattet sind, desto größer ist die Genauigkeit des gesamten Systems und desto sicherer wird das System, wie oben beschrieben.
Die einzige Voraussetzung zur Verhütung von Unfällen aufgrund des Abkommens eines Fahrzeugs von der Fahrbahn oder des Aufpralls auf ein Hindernis ist eine genaue Kenntnis der Position des Fahrzeugs und der Straßenränder. Um Kollisionen mit anderen Fahrzeugen zu vermeiden, ist es notwendig, daß die Positionen der in der Nähe befindlichen anderen Fahrzeuge ständig aktualisiert werden. Doch die bloße Kenntnis der Position des Fahrzeugs, das eine potentielle Gefahr darstellt, reicht nicht aus. Wichtig für die Entscheidung über die richtige Maßnahme zur Verhinderung eines Unfalls sind außerdem die Geschwindigkeit, die Größe und die Fahrtrichtung. Wenn alle Fahrzeuge mit dem erfindungsgemäßen System ausgestattet sind, erfolgt die Vermittlung aller notwendigen Informationen über eine Kommunikationsverbindung, beispielsweise eine Funkverbindung. Neben der Signalisierung seiner absoluten Positionsdaten versendet jedes Fahrzeug eine Nachricht, aus der seine Masse, die Geschwindigkeit, die Fahrtrichtung und andere relevante Daten hervorgehen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß Nothilfefahrzeuge sich gegenüber anderen, in ihrer Nähe befindlichen Fahrzeugen als solche zu erkennen geben können und daß die Führer dieser anderen Fahrzeuge in die Lage versetzt werden, darauf angemessen zu reagieren. Dasselbe System kann auch dazu genutzt werden, um Informationen über Unfälle und andere Gefahren von Fahrzeug zu Fahrzeug zu übertragen.
Bei einer bevorzugten Methode der Kommunikation zwischen Fahrzeugen wird jener Teil des elektromagnetischen Spektrums genutzt, der ausschließlich eine Kommunikation via Sichtverbindung ermöglicht. In den meisten Fällen kann es nur zur einer Kollision zwischen Fahrzeugen kommen, die auf Sichtweite voneinander entfernt sind. Dieses System hat den Vorteil, daß sein "Kommunikationsnetz" nur Fahrzeuge umfaßt, die sich in der Nähe befinden. Dazu ein Beispiel: Blockiert ein Lkw die Weiterfahrt eines anderen, wird diese Information vom blockierten Lkw aus an das Folgefahrzeug übertragen. Eine Verbesserung dieses Systems wird erreicht, wenn mit einer rotierenden Öffnung gearbeitet wird, die jeweils nur eine Kommunikation über einen eingeschränkten Winkel ermöglicht, wodurch die Gefahr eines Überschneidens von Nachrichten vermindert wird. Bei einem solchen System kann jedes Fahrzeug seine Nachrichten in alle Richtungen versenden, jedoch nur aus einem bestimmten Winkel empfangen. Das bietet außerdem den Vorteil, daß zumindest die relative Richtung, in welcher sich das andere Fahrzeug zum Hauptfahrzeug befindet, "automatisch" bekannt ist. Ein solcher drehender Infrarotempfänger kann in seiner Wirkungsweise mit dem menschlichen Auge verglichen werden. Das heißt: Er reagiert in einem bestimmten Winkel empfindlich auf Strahlen und fokussiert sich dann in eine bestimmte Richtung (immer nur in eine), und zwar jene, aus der die Strahlen kommen. Eine ununterbrochene Erfassung ist dabei nicht notwendig. Selbstverständlich ist bei entsprechender Konfiguration der Software auch möglich, daß ein Sender, der Signale in einem Winkel von 360 Grad emittiert, auch Signale in einem Winkel von 360 Grad empfängt.
Eine andere bevorzugten Ausführungsform basiert auf Funkverbindungen über kurze Entfernungen, so daß ein Fahrzeug Positionsdaten von allen in der Nähe befindlichen Fahrzeugen empfangen kann. Ein Beispiel für ein solches System ist das DS/SS-System. Bei solchen Systemen besteht die Möglichkeit, daß Positionsinformationen, die von anderen Fahrzeugen empfangen werden, zu einem Ausschluß der betreffenden Fahrzeuge von einer weiteren Kommunikation führt, da diese Fahrzeuge beispielsweise eine andere Straße nutzen oder aus anderen Gründen keine Möglichkeit eines direkten Kontakts mit dem Hauptfahrzeug besteht.
Für die Kommunikation zwischen den Fahrzeugen sowie zwischen Fahrzeug und Straße wurden bereits viele Vorschläge entwickelt. Derzeit ist ein DS/SS-Kommunikationssystem im 2,4-GHz-INS- Bandbereich zu empfehlen. Experimente haben gezeigt, daß die entsprechende Kommunikation bei Entfernungen von bis zu 200 Metern eine Genauigkeit von 100 Prozent aufweist. Bei einer Geschwindigkeit von 200 km/h und einem Bremswert von 0,5 g beträgt der Bremsweg eines Fahrzeugs 30 Meter. Das heißt: Die Kommunikationsgenauigkeit von 200 Metern reicht aus, um alle Fahrzeuge zu erfassen, die eine potentielle Gefährdung des Hauptfahrzeugs darstellen.
Ein hiermit verwandtes Verfahren ist die Nutzung eines MIR-Systems in einem Kommunikationsmodus. Da die Breite der von MIR-Systemen typischerweise genutzten Impulse bei weniger als einer Nanosekunde liegt, sind Übertragungen von vielen Fahrzeugen aus möglich, ohne daß die Gefahr einer Interferenz besteht.
Bei jedem anderen als dem MIR-System besteht die Möglichkeit, daß gleichzeitig mehrere Fahrzeuge versuchen, eine Nachricht zu versenden und daß es dadurch zu einer "Datenkollision" kommt. Wenn alle miteinander kommunizierenden Fahrzeuge als Teil eines lokalen Netzes betrachtet werden, kann zur Lösung dieses Problems das Standard-Ethernet-Protokoll dienen. Bei der Nutzung dieses Protokolls wird im Moment einer Datenkollision jedes sendende Fahrzeug über ein solches Kollisionsereignis informiert und darüber in Kenntnis gesetzt, daß es seine Nachrichten zu einem randomisierten späteren Zeitpunkt übertragen soll. Befinden sich in der Nähe mehrere Fahrzeuge und besteht die Gefahr einer Datenkollision, können die Koordinaten, die zuletzt von den in der Umgebung befindlichen Fahrzeugen empfangen wurden, sowie die Geschwindigkeit dieser Fahrzeuge gespeichert und zum Erstellen einer Prognose über ihre nächsten Positionen genutzt werden, selbst wenn es zu gewissen Datenverlusten kam.
Wenn ein auf Sichtverbindung basierendes System genutzt werden soll, sind ein Infrarot- oder MIR-System zu empfehlen. Bei einem Infrarotsystem, das gleichzeitig noch zum Überprüfen der Umgebung auf abgestellte Fahrzeuge, Fußgänger, Tiere usw. verwendet werden kann, wie weiter unten noch erläutert wird, können beide Systeme dieselbe Hardware nutzen.
Wenn zwischen den Fahrzeugen eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation aufgebaut werden kann, wie im US-Patent 5.528.391 beschrieben wird, wird ein Kollisionserkennungssystem auf der Basis eines Ethernet nicht benötigt. Wenn der Empfänger eines Fahrzeugs beispielsweise immer nur für die Nachrichten von jeweils einem Absender empfangsbereit sein muß, ist eine wesentlich höhere Bandbreite möglich, denn es kommt nicht zu Unterbrechungen.
Wenn zwei Fahrzeuge ihre Positionen einander übermitteln, ist es durch eine Bereichseingrenzung oder das Versenden eines "Sendebereitschaftssignals" und die zeitbezogene Erfassung der Antwort möglich, die Entfernung der Fahrzeuge voneinander zu bestimmen. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Eigenschaften der Kommunikationsverbindung zwischen den Fahrzeugen bekannt sind, was der Fall ist, wenn eine Sichtverbindung besteht. Befindet sich hingegen zwischen den beiden Fahrzeugen beispielsweise eine Baumreihe, besteht die Gefahr einer Verfälschung des Meßergebnisses, wenn die Funkwellen sich durch einen Baum ausbreiten. Ist die Kommunikationsfrequenz ausreichend niedrig, so daß das Durchdringen eines Baumes möglich ist, wie im oben beschriebenen Beispiel, kommt es zu einer Verzögerung der Wellen. Ist die Frequenz hingegen wesentlich höher, so daß sie durch den Baum blockiert werden, können sie über einen anderen Pfad trotzdem noch das zweite Fahrzeug erreichen. In beiden Fällen tritt ein nicht zu erkennender Fehler ein. Wird ein Bereich von Frequenzen versandt, wie es beispielsweise bei einem Streuspektrumimpuls der Fall ist, und der erste ankommende Impuls beinhaltet alle versandten Frequenzen, ist es wahrscheinlich, daß zwischen beiden Fahrzeugen eine Sichtverbindung besteht und die richtige Entfernung ermittelt wird. Wird eine der Frequenzen verzögert übertragen, sollte die Bereichsberechnung als ungenau betrachtet und verworfen werden. Wiederum besteht die Möglichkeit, die Ergebnisse vieler Sende- und Empfangsvorgänge zur Verbesserung der Genauigkeit der Entfernungsberechnung zu nutzen. Weitere Methoden zur Ermittlung des Abstands basieren auf Radar- Reflexionen, RFID-Anschlüssen usw.
Bei dem erfindungsgemäßen Unfallverhütungssystem können die Informationen über eine drohende Kollision auch von einem Fahrzeug kommen, das noch recht weit entfernt von jenem Fahrzeug ist, das sich am nächsten zum Hauptfahrzeug befindet. Das ist eine substantielle Verbesserung im Vergleich zu Kollisionsverhütungssystemen nach dem aktuellen Stand der Technik, die nur auf wenige, in unmittelbarer Nähe befindliche Fahrzeuge reagieren können. Darüber hinaus gestattet das hierin beschriebene System eine gleichzeitige Überwachung mehrerer Fahrzeuge. Kommt es beispielsweise auf der Autobahn zu einem Auffahrunfall, kann diese Information an andere Fahrzeuge übertragen werden, auch wenn sich diese noch in einem wesentlichen Abstand zum Unfallort befinden. Bei Systemen, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen, besteht eine solche Möglichkeit nicht. Folglich kann das hier beschriebene System auch einen Teil des Systems bilden, das im US-Patent 5.572.428 beschrieben wird.
Die Netzwerkanalogie kann erweitert werden, wenn alle Fahrzeuge alle empfangenen Daten als einen einzigen Datenblock empfangen und weitervermitteln. Auf diese Art und Weise wird sichergestellt, daß alle Fahrzeuge alle wichtigen Informationen erhalten, wenngleich aus vielen verschiedenen Quellen. Insbesondere bei einer Beteiligung vieler Fahrzeuge am Datenaustausch ist die Menge der übertragenen Daten im Verhältnis zur Bandbreite der Infrarot-, Funk- oder optischen Verfahren der Datenübertragung relativ gering. Natürlich kann in bestimmten Fällen ein Empfänger und Wiederversender Teil der Infrastruktur der Straße sein. Dies ist beispielsweise in einer Haarnadelkurve in den Bergen denkbar, wo der Gegenverkehr nicht zu sehen ist.
In einigen Fällen kann es notwendig sein, daß zwischen zwei Fahrzeugen eine Kommunikation stattfindet, um das bestmögliche Ausweichmanöver zu ermitteln. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn in einer Situation mit mehreren Fahrzeugen eines aufgrund eines geplatzten Reifens außer Kontrolle geriet. In einem solchen Fall kann von einem zweiten Fahrzeug das geplante Ausweichmanöver übermittelt werden. Das zweite Fahrzeug berechnet daraufhin, ob aufgrund des geplanten Ausweichmanövers des ersten Fahrzeugs eine Kollision verhindert werden kann. Falls nicht, wird an das erste Fahrzeug eine entsprechende Information übertragen, so daß es das Ausweichmanöver ändert. Darüber hinaus kann das zweite Fahrzeug das erste über eigene Ausweichmanöver unterrichten. Wenn verschiedene Fahrzeuge auf diese Art und Weise miteinander kommunizieren, kann für alle Fahrzeuge die optimale Fahrlinie ermittelt und damit die Unfallgefahr vermindert werden.
Geriet ein Fahrzeug bei starkem Verkehrsaufkommen in einen Stau und möchte es die Fahrbahn wechseln, kann gleichzeitig mit dem Betätigen des Blinkers eine entsprechende Nachricht an andere Fahrzeuge übertragen werden, die daraufhin ihre Fahrgeschwindigkeit verringern und dem blinkenden Fahrzeug den Wechsel der Fahrspur ermöglichen können. Das ist insbesondere bei Autobahnkreuzen und Abzweigen von großer Bedeutung.

Datenaustausch mit Autobahnkarten

Die Erstausstattung mit Landkarten, auf denen für das KONUS-System die Straßenränder und Fahrbahngrenzen angegeben sind, sollten möglichst bei der Fertigung des Fahrzeugs eingebaut werden. Danach prüft die Fahrzeugelektronik selbst Abschnitt für Abschnitt, ob ihm für den aktuellen Aufenthaltsbereich und die daran anschließende Umgebung die aktuellsten Informationen vorliegen. Eine Möglichkeit der Überprüfung dieser Informationen besteht darin, daß ein Satellit in regelmäßigen Abständen die Fahrzeugsysteme über die neuesten Updates informiert. Die Dauer der Übertragung solcher Informationen ist relativ gering und liegt zwischen einigen Sekunden und einer Minute. Zwischen diesen periodischen Updateinformationen können weitere Informationen zu Notfällen übermittelt werden, beispielsweise über Unfälle, umgestürzte Bäume usw. Falls die periodischen Updateinformationen alle fünf Minuten übertragen werden sollen und die Bewegungsmöglichkeiten des Fahrzeugs während der Downloadvorgänge beschränkt sind, kann die Sicherheit des Systems trotzdem aufrechterhalten werden: In diesem Fall loggt sich das Mobiltelefonsystem des Fahrzeugs beispielsweise in das Internet ein und kann von dort die fehlenden Daten herunterladen. Eine Alternative hierzu bieten LEOs und andere Satelliten, die die Korrekturdaten direkt übertragen.
Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Kartendaten auf der Autobahn von einem Sender direkt übertragen werden. In diesem Fall erhalten die Fahrzeuge immer nur die jeweils benötigten Informationen, die stets dem neuesten Stand entsprechen. Zeitweilige Datenübertragungsstationen sollten zumindest vor Baustellen oder staugefährdeten Abschnitten sowie an allen Positionen installiert werden, an denen die vorhandenen Karten nicht mehr aktuell sind. Mit einem solchen Notdaten-Transfer könnten alle sich annähernden Fahrzeuge auf die Notwendigkeit aufmerksam gemacht werden, die Geschwindigkeit zu verringern und vorsichtig zu fahren. Selbstverständlich könnten auf diese Weise auch Vorgaben für die Mindest- und Höchstgeschwindigkeit übertragen werden.
Es gibt weitere Informationen, die für einen Fahrer bzw. das Steuerungssystem eines Kraftfahrzeugs von besonderem Nutzen sind. Dazu gehören beispielsweise witterungsbezogene Fahrbahninformationen. Diese Angaben können per Fahrbahnsensor ermittelt und über ein permanent installiertes System an alle im betreffenden Bereich befindlichen Fahrzeuge übertragen werden. Alternativ hierzu haben jüngste Studien gezeigt, daß beispielsweise Überfrierungen von Fahrbahnen präzise durch örtliche Wetterstationen zu prognostizieren sind und an alle im betreffenden Bereich befindlichen Fahrzeuge übertragen werden können. Fehlt ein solches System, sollte der Reibungsgrad der Fahrbahn direkt an der Oberfläche der Fahrbahn und nicht am Fahrzeug gemessen werden. Solche Informationen werden im voraus benötigt, damit die Geschwindigkeit entsprechend angepaßt werden kann bzw. Ausweichmaßnahmen eingeleitet werden können. Dasselbe fahrbahnbasierte oder örtliche meteorologische Sendersystem kann auch genutzt werden, um die Fahrer vor besonderen Verkehrssituationen, Verzögerungen aufgrund von Baustellen usw. zu warnen, damit diese ihre Geschwindigkeit entsprechend anpassen können.

Landkarten

Alle zeitweilig und permanent geltenden Informationen zur Straße müssen die Landkarten- Datenbank implementiert sein. Dazu gehören beispielsweise Informationen über Geschwindigkeitsbeschränkungen die Ausstattung der Straße mit Leitplanken, die Breite der einzelnen Fahrspuren, die Breite der gesamten Straße, die Breite des Randstreifens, der Charakter des Geländes außerhalb der Straße, Angaben über Leitpfosten und Bäume sowie andere Objekte am Straßenrand, die genaue Position der Vorrichtungen des Positionserkennungssystems usw. Das Geschwindigkeitslimit für bestimmte, auf den Karten verzeichnete Stellen sollte so codiert werden, daß zeitliche und/oder witterungsbezogene Einschränkungen Berücksichtigung finden. Anders ausgedrückt:
Geschwindigkeitslimits sind variabel und ändern sich je nach den konkreten Bedingungen von Zeit zu Zeit. Es ist beabsichtigt, daß die Fahrzeuge mit einer Vorschaumöglichkeit für die Landkartendaten ausgestattet sind, die der Beifahrer immer und der Fahrer dann einsehen kann, wenn sein Fahrzeug automatisch gesteuert wird. Darüber hinaus können weitere Informationen angezeigt werden, beispielsweise über die Verkehrslage, die Witterungsverhältnisse, Werbung, die Lage von Restaurants und Tankstellen usw.
Das Erstellen einer Landkarte mit den Straßen- und Fahrbahngrenzen kann problemlos durch ein speziell hierfür ausgestattetes Fahrzeug vorgenommen werden, das über ein hochpräzises Positions-Messystem verfügt. In manchen Fällen kann die Installation von einer oder mehreren lokalen DGPS-Basisstationen notwendig sein, damit der Verkehr mit einer Positionsgenauigkeit von einigen Zentimetern überwacht werden kann. In solchen Situationen fährt das Fahrzeug die Straße entlang, während vom Fahrzeug aus Signale an die Straßenränder und Fahrbahngrenzen übertragen werden. Dies erfolgt am besten durch Laserzeiger und Kameras. Mit den Zeigevorrichtungen verbundene Sender messen den Einfallswinkel der jeweiligen Vorrichtung und ermitteln durch Triangulation den Abstand des Meßfahrzeuges zur Straßen- bzw. Fahrbahnrandmarkierung. Da die Fahrzeugposition genau bekannt ist, können die Ränder und Fahrbahnmarkierungen exakt bestimmt werden. Es ist davon auszugehen, daß das Kartographieren ein permanent ablaufender Vorgang ist, so daß alle Straßen in einem bestimmten Gebiet immer wieder neu dargestellt werden. Auf diese Weise werden Änderungen erfaßt, die an andere Überwachungs- und Leitsysteme weiterzugeben sind. Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit der Landkarten verbessert, denn die Wahrscheinlichkeit eines menschlichen Fehlers wird minimiert. Veränderungen lösen eine Untersuchung aus, bei der ermittelt wird, warum sie nicht eher festgestellt wurden. Damit ist gleichzeitig eine Kontrolle der Kartographiearbeiten gegeben.
Das oben beschriebene Verfahren basiert auf menschlichen Fertigkeiten und der Aufmerksamkeit des Durchführenden der Arbeiten. Es ist folglich gegenüber Fehlern anfällig. Eine bevorzugte Methode ist das Fotografieren des Straßenrandes und die Verwendung der Laserzeiger zur Feststellung des Verlaufs der Straßenränder relativ zu den Zeigern sowie zur Feststellung der Neigung einer Straße durch Triangulation. In diesem Fall werden mehrere Laserzeiger verwendet, die oben, unten und an den Seiten der Kamera angebracht sind. Die Verminderung der Datenmenge erfolgt später mit Hilfe von Vorrichtungen, die automatisch die Fahrbahnmarkierungen und die reflektierten Lichtpunkte der Laserzeiger erfassen. Eine weitere Möglichkeit zur Unterstützung der Kartographiearbeiten ist die Verwendung bestimmter Chemikalien in der für die Fahrbahnmarkierungen genutzten Farbe, die beim Digitalisieren der Kameraaufnahmen von der Computersoftware erkannt werden. Dazu kann es notwendig sein, den Bereich, von dem Aufnahmen angefertigt werden, beispielsweise durch Infrarot- oder UV-Licht auszuleuchten.
Verläuft die Fahrt problemlos geradeaus, kann das Kartographiefahrzeug die Fahrbahn- und Straßenranddaten auch bei moderater Fahrgeschwindigkeit erfassen. Bei kurvenreichen Strecken müssen hingegen mehr Daten je Kilometer erfasst werden, und es ist nur eine geringere Geschwindigkeit möglich. In jedem Fall kann die Aufnahme der Straßeninformationen halbautomatisch erfolgen, so daß mit einem erheblichen Zeit- und Ressourcenaufwand nicht zu rechnen ist. Es kann davon ausgegangen werden, daß sich auf diese Weise alle Interstate Highways der USA in weniger als einem Jahr Kartographieren lassen.
Diese Kartographiearbeiten sollten durch exakte, digitale photogrammetrische Systeme ergänzt und überprüft werden, die beispielsweise in der Lage sind, die Höhenlage einer Straße mit einer Genauigkeit von unter 50 cm zu ermitteln. Derzeit laufen Arbeiten, die Erdoberfläche mit einer Genauigkeit von einem Meter zu kartographieren. Mit diesen Karten kann die Genauigkeit der durch Straßenfahrten erstellten Karten überprüft werden.
Eine weitere mögliche Systemverbesserung und Erweiterung des Kartographiesystems kann durch eine Anzeige der Verkehrszeichen im Fahrzeuginneren erreicht werden. Dies kann durch eine bereits im Fahrzeug vorhandene Überkopfanzeige oder ein LCD-Display erfolgen. Diese Anzeige basiert auf den in der Landkarten-Datenbank erfaßten Verkehrszeichen. Eine weitere Verbesserung wäre die Einbeziehung von Verkehrszeichen mit variabler Bedeutung. Diese könnten an das Fahrzeug eine Nachricht mit dem Inhalt der Anzeige übertragen, die dann am fahrzeuginternen Display ausgegeben wird.
Ist die Kartographierung einer Straße abgeschlossen, können auch die Verfügbarkeit einer Sichtverbindung zu GPS-Satelliten sowie das Vorhandensein von Mehrwegereflexionen durch feste Strukturen und Bauwerke ermittelt werden. Auf der Grundlage dieser Informationen läßt sich dann festlegen, ob an bestimmten Stellen der Straße der Aufbau eines präzisen lokalen Positionierungssystems oder einer anderen Infrastruktur zu empfehlen ist. In dieser Phase sollten die Systeme durch Pkws erprobt werden, so daß die Gültigkeit der Landkarten nachgewiesen werden kann, aber auch Fehler gemeldet werden.

Sicherheit

Schätzungen gehen davon aus, daß sich auf den Straßen rund 100 000 Fahrzeuge befinden, deren Fahrer eine Identifizierung nicht wünschen. Viele dieser Fahrzeuge wurden gestohlen. Wird als das beschrieben System um die Stufe einer Fahrzeugidentifikation ergänzt, könnte dies zur Aufklärung von Fahrzeugdiebstählen beitragen. Andererseits besteht dabei auch die Gefahr, daß die Diebe versuchen könnten, das System in dem gestohlenen Fahrzeug außer Betrieb zu setzen. Dadurch wird die volle Umsetzbarkeit des System verhindert, die Gefahr auf den Straßen erhöht und auch das Erreichen des mit dem Aufbau des RtZF-Systems verbundenen Ziels nicht möglich. Folglich muß das System mit einer Selbstdiagnosefunktion ausgestattet werden, und die Einsatzbereitschaft des Systems muß eine Voraussetzung dafür sein, die betreffenden Straßen zu nutzen.

Erkennen von Objekten ohne RtZF-System

Fahrzeuge, die mit einem erfindungsgemäßen RtZF-System ausgestattet sind, müssen Fahrzeuge erkennen können, in denen ein solches System nicht installiert ist. Gleiches gilt für Fußgänger, Radfahrer, Tiere und andere Gefahrenquellen, die den Weg des Fahrzeugs kreuzen könnten.

Beschreibung

Bei radarbasierten Systemen ist es häufig problematisch, eine ausreichende Auflösung der an die Fahrzeuge zurückgesandten Bilder zu erreichen, so daß andere Fahrzeuge, Brücken usw. nicht immer einwandfrei zu erkennen sind. Bei adaptiven Tempomatsystemen wird deshalb häufig alles Unbewegliche ignoriert. Das würde bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung selbstverständlich zu Unfällen führen. Die Ursache dieses Problems liegt darin, daß mit Radarsystemen keine zufriedenstellende Auflösung erreicht werden kann, es sei denn, man verwendet eine sehr große Antenne. Da dies bei Kraftfahrzeugen nicht praktikabel ist, läßt sich mit Radarsystemen nur eine minimale Kollisionsvermeidung erreichen.
Optische Systeme können eine bessere Auflösung bieten. Hier besteht der Nachteil wiederum darin, daß der Aufnahmebereich durch helles Licht oder Laser ausgeleuchtet werden muß. Bei der Arbeit mit Lasersystemen besteht jedoch die Gefahr von Augenschäden bei unbeteiligten Fußgängern oder Autofahrern. Zumindest stellen die Laserstrahlen für andere Fahrer eine Störung oder Belästigung dar. Das Problem einer Gefährdung der Augen und einer Belästigung Dritter kann dadurch vermieden werden, daß man im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitet, vorausgesetzt, die entsprechende Frequenz ist ausreichend weit von der sichtbaren Frequenz entfernt. Auch die Auflösung ist bei der Nutzung von Infrarotsystemen ausreichend, so daß durch Mustererkennungssysteme im reflektierten Bild verschiedene Objekte, beispielsweise Fahrzeuge, erkannt werden können. Ein weiterer Vorteil von Infrarotsystemen liegt im Bereich der Objekterkennung. Alle Objekte geben Strahlen ab und reflektieren infrarotes Licht. Der heiße Motor oder die Reifen eines vorüberfahrenden Fahrzeugs sind folglich erkennbare Signale. Wird also ein Bereich in der Umgebung eines Fahrzeugs mit passiven und aktiven Infrarotvorrichtungen beobachtet, können im Vergleich zu beispielsweise Radarsystemen mehr Informationen eingeholt werden. Auch Nebel beeinträchtigt die Ergebnisse von Infrarotmessungen weniger als die Ergebnisse von Systemen mit anderen Frequenzen; die Leistungsfähigkeit von Radarsystemen wird jedoch in dieser Hinsicht nicht erreicht. Auch durch Schneefall wird das Leistungsvermögen von Infrarotsystemen geschwächt; in den richtigen Frequenzbereichen liegt es jedoch um das Fünffache über dem des menschlichen Auges.
Ein Beispiel für ein solches Instrument, das für die Zwecke dieser Erfindung ausreicht, wird von Sumitomo Electric hergestellt. Das Sumitomo-Produkt erkennt nachweislich das Laub von Bäumen auf eine Entfernung von rund 300 Metern. Das Produkt arbeitet bei einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometern.
Diese Erwägungen münden zwangsläufig in eine philosophische Diskussion über die Vor- und Nachteile von Radarsystemen mit ihrer größeren Sichtweite sowie Infrarot-Laserradarsystemen mit ihrer geringeren Sichtweite, aber größeren Auflösung. Und es stellt sich die Frage: An welchem Punkt sollte das Fahren bei ungünstigen Witterungsbedingungen verboten werden? Wenn das Ziel einer völligen Unfallfreiheit erreicht werden soll, sollte bei gefährlichen Witterungsbedingungen das Fahren mit Kraftfahrzeugen nicht gestattet werden. Dadurch kann es notwendig sein, bereits vor dem Eintreten dieser Bedingungen Straßen und Autobahnen zu sperren. Bei der Umsetzung einer solchen Verkehrspolitik kann die Nutzung eines Systems ratsam sein, das genaue Bilder von auf der Straße befindlichen Hindernissen aufnimmt, die mehr als das Doppelte bis Fünffache der Sichtweite entfernt sind. Dann könnte auf den Einsatz eines Radarsystems verzichtet werden.

Laserradar-Abtastsysteme

Auf der digitalen Landkarte kann auch definiert werden, welches Feld das Laserradarsystem abfragen soll. Solche Systeme erfassen beispielsweise den Abstand zu einem Objekt im abgetasteten Feld. Dabei werden alle Objekte erkannt, die sich auf der Straße oder in dem an die Straße angrenzenden Bereich befinden. Der Bildpunkt des Laserimpulses kann beispielsweise auf 300 m kleiner als 2,5 cm sein. Das Abtastsystem muß so gestaltet sein, daß es die gesamte Straße mit einer solchen Geschwindigkeit untersucht, daß die Eigenbewegung des Fahrzeugs vernachlässigt werden kann. Eine Alternative hierzu bietet ein separates Zielsystem, das mit wesentlich geringeren Geschwindigkeiten arbeitet, die dennoch ausreichend hoch sind, um Veränderungen im Fahrtwinkel kompensieren zu können. Ein solches Zielsystem wird auch bei Fahrbahnen mit Steigungen und Neigungen benötigt. Deshalb muß mit zwei Abtastverfahren gearbeitet werden: einem langsamen für größere Winkelveränderungen und einem schnellen für kleinere Winkel. Das für große Winkel vorgesehene System muß motorbetrieben sein, während die Grundlage des für kleinere Winkel ausgelegten Systems durch ein Schallwellensystem, beispielsweise ein Lithiumniobatsystem (LiNbO₃) gebildet werden kann, das zur Steuerung eines Kristalls mit einem großen Brechungsindex zu nutzen ist, wie ihn beispielsweise Tellurdioxid bietet.
Alternativ hierzu können zwei Systeme genutzt werden: Ein Radarsystem zum Absuchen großer Flächen und ein Laserradar zur bildlichen Darstellung kleiner Flächen. Zumindest eines dieser Systeme muß in seiner Streubreite begrenzt sein.
Das Laserradar-Abtastsystem kann zusammen mit einer Streubreitenbegrenzung eingerichtet werden, das heißt: Sobald das System ein Objekt erkennt, kann der Bereich so eingeengt werden, daß an den Empfänger nur Informationen über dieses Objekt und andere, im selben Bereich von beispielsweise 1,80 bis 2,20 m befindliche Objekte an den Empfänger übertragen werden. Dadurch ist es möglich, mit Hilfe eines Mustererkennungssystems Fahrzeugbilder von anderen Bildern zu trennen. Sobald das Bild eines bestimmten Objekts erfaßt wurde, wird die Streubreite wieder erweitert, beispielsweise um rund 0,60 bis 150 Meter, und der Prozeß wird für ein anderes Objekt wiederholt. Auf diese Art und Weise können alle Objekte, die sich im Beobachtungsfeld des Fahrzeugs befinden, einzeln erkannt und abgebildet werden. Das Beobachtungsfeld muß selbstverständlich den gesamten Bereich umfassen, in dem sich Objekte befinden können, die eine Kollisionsgefahr für das Fahrzeug darstellen. Bekannte und in der Landkarte verzeichnete Spezifika der betreffenden Straße können als Hilfe für das Abtastsystem genutzt werden, so daß der Neigungs- und Rollwinkel eines Fahrzeugs berücksichtigt werden können.
Bevor alle Fahrzeuge mit dem oben beschriebenen RtZF-System ausgestattet sind, lassen sich Unfälle nicht vollständig vermeiden. Eine Verminderung der Unfallgefahr ist jedoch zu erreichen, beispielsweise durch die Verwendung eines Laserradarsystems, das dem bei Shaw beschriebenen ähnelt (US-Patent Nr. 5.529.138), an dem jedoch deutliche Veränderungen vorgenommen werden müssen. Shaw hat richtig erkannt, daß die Abmessungen eines Radarstrahls zu groß sind, um eine Unterscheidung der verschiedenen Objekte, die sich in der Fahrspur eines Hauptfahrzeugs auf einer Straße befinden können, zu ermöglichen. Laserradarsysteme bieten eine Auflösung, die konventionelle Radarsysteme nicht aufweisen können. Die Laserradarsysteme gemäß dieser Erfindung gestatten jedoch die Erfassung von weitaus mehr Daten als von Shaw erwartet. Von einer ausreichenden Datenerfassung könnte man jedoch sprechen, wenn alle dreidimensionalen Objekte im Beobachtungsfeld erkannt werden. Die Abmessungen dieser Objekte in der X- und Y-Ebene lassen sich selbstverständlich in Kenntnis des Winkels, den der Laserstrahl bildet, ermitteln. Die Größe der Längs- bzw. Z-Achse läßt sich durch die Dauer der Übertragung des Laserstrahl bis zu einem bestimmten Punkt auf dem Objekt und die Reflektierung zurück zum Projektor oder durch die Phasenverschiebung feststellen.
Mindestens zwei Methoden stehen für das Messen der Längsabmessungen von jedem der Bildpunkte innerhalb eines Bildes zur Verfügung. Bei der einen Methode kann ein Laserradarimpuls mit einer Impulsbreite von einer Nanosekunde in den Beobachtungsbereich übertragen werden. Nach dem Empfang der Reflexion und nach Bestimmung der Übertragungszeit wird ein neuer Impuls mit einer leicht abweichenden Winkelausrichtung emittiert. In diesem Fall fungiert der Laser folglich als Abtastvorrichtung für das Beobachtungsfeld. In diesem Fall reicht ein einzelner Detektor aus, denn dieser Detektor "wüßte", welcher Bildpunkt erleuchtet wurde. Der Abstand zum Reflexionspunkt ließe sich durch die Übertragungsdauer berechnen, wodurch der Abstand zu allen Punkten in Sichtweite des Objekts zu ermitteln ist.
Alternativ hierzu ist auch möglich, den gesamten Beobachtungsbereich zur beleuchten und ein Bild auf eine CCD- oder CMOS-Anordnung zu fokussieren. Durch Überprüfung der Übertragungsdauer aller Bildpunkte nacheinander läßt sich der Abstand zu dem betreffenden Punkt am Fahrzeug feststellen. Eine Variante bildet die Verwendung eines Granatkristalls als Bildpunkt-Shutter sowie lediglich eines einzelnen Detektors. In diesem Fall ließe der Granatkristall das Licht jeweils durch einen Bildpunkt und einen Detektor passieren.
Fachleute auf diesem Gebiet werden sich selbstverständlich noch weitere Verfahren der Zuordnung eines Abstands zu einem bestimmten Reflexionspunkt vorstellen können. Bei Laserabtastvorrichtungen ist die Leistungsaufnahme des Lasers wesentlich geringer als die der Beleuchtungsvorrichtungen. Verkompliziert werden solche Vorrichtungen jedoch durch die Notwendigkeit, die Richtung des Laserstrahls innerhalb eines ausreichend kurzen Zeitraums ändern zu müssen. Ein solches System würde in etwa wie folgt arbeiten: Die gesamte Fläche vor dem Hauptfahrzeug, unter Umständen ein Winkel von 180 Grad in der Horizontalen, wird mit Hilfe eines Radar- oder Laserradarsystems auf Objekte abgesucht. Sobald ein oder mehrere Objekte erkannt wurden, wird der Abtastbereich deutlich verkleinert, so daß im Grunde nur noch das betreffende Objekt und ein bestimmter Bereich in seiner Umgebung von dem Laserradar erfaßt werden. Durch eine Streubreitenbegrenzung, die sich an den Objektabmessungen orientiert, können der gesamte Hintergrund und unter Umständen sämtliche Störungen, die von anderen Objekten herrühren, eliminiert werden. Auf diese Weise läßt sich ein sehr klares Bild des Beobachtungsobjekts und seiner Position aufnehmen. Durch die Nutzung eines Erkennungssystem auf der Basis eines neuronalen Netzes läßt sich die Identität des Objekts (beispielsweise ein Verkehrszeichen, ein Lastkraftwagen, ein Pkw usw.) sicher feststellen. Ist das Objekt erkannt, kann auch noch seine Masse und damit die Heftigkeit eines möglichen Aufpralls abgeschätzt werden.
Sobald eine mögliche Kollision erkannt ist, können die entsprechenden Informationen an den Fahrer weitergeleitet werden. Wenn dieser der Warnmeldung keine ausreichende Beachtung zukommen läßt, kann ihm die Kontrolle über das Fahrzeug entzogen und auf das System übertragen werden. Daß eine solche Übertragung der Kontrolle jedoch tatsächlich erfolgt, ist eher unwahrscheinlich, da es im Straßenverkehr häufig zu Situationen kommt, in denen das Kollisionspotential nicht mit letzter Sicherheit festgestellt werden kann. Folglich ist dieses System bis zur Ausstattung aller Fahrzeuge mit RtZF-System als eine Übergangslösung zu betrachten.
Die Verwendung eines Laserradarsystems in einem Abtastmodus erfordert bestimmte Instrumente zur Veränderung der Richtung der emittierten Lichtimpulse. Ein Verfahren der Nutzung einer Ultraschallwelle zur Veränderung des Brechungswinkels eines Tellurdioxid-Kristalls wird oben offengelegt. Eine Vielzahl anderer Möglichkeiten ist denkbar, beispielsweise die Nutzung eines Spin- Spiegels, wie er bei Laser-Scannern und Druckern zum Einsatz kommt. Dieser Spiegel kontrolliert beispielsweise das horizontale Abtasten, während das vertikale Abtasten durch einen Schrittmotor vorgenommen wird. Alternativ hierzu können ein oder mehrere piezoelektrische Materialien verwendet werden, die veranlassen, daß sich der Laserradarsender um einen bestimmten Schwenkpunkt dreht. Ein drehendes System, wie es beispielsweise bei Shaw beschrieben wird, ist am wenigsten wünschenswert, da bei solchen Systemen eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Laser und dem Fahrzeug nur sehr schwer zu erhalten ist, wenn sich der Laser mit einer sehr großen Winkelgeschwindigkeit dreht. Eine andere, vielversprechende Variante sind MEMS-Spiegel zur Ablenkung des Laserstrahls.
Obwohl das oben beschriebene System zur Vermeidung von Kollisionen oder zumindest zur Ausgabe von Warnungen aufgrund einer Kollisionsgefahr in Zeiten vorgesehen ist, in denen noch nicht alle Fahrzeuge mit dem RtZF™-System ausgestattet sind, ist sein Einsatz auch danach noch wünschenswert. Darüber hinaus läßt es sich zur Suche nach Tieren und anderen Objekten nutzen, die sich auf der Straße befinden oder sie kreuzen. Das können beispielsweise Tiere sein, eine von einem Lkw herabfallende Kiste oder Personen, die unachtsam die Straße überqueren. Selbstverständlich ist auch die Erfassung von Motorrädern, Fahrrädern und anderen Fahrzeugen möglich.
Ein wesentliches Problem bei allen bisherigen Kollisions-Verhütungssystemen, die auf der Grundlage von Radar- oder Laserradarsystemen arbeiten, besteht darin, daß sich nicht feststellen läßt, ob sich das erfaßte Fahrzeug auf der Straße oder außerhalb der Straße befindet. In dem System entsprechend der vorliegenden Erfindung ist der Verlauf der Straße dank Landkarten mit einer Genauigkeit von weniger als einem Meter genau bekannt, so daß das System beispielsweise alle Fahrzeuge ignorieren kann, die durch eine physische Barriere von der Fahrspur des Beobachtungsfahrzeugs getrennt sind. Dies ist selbstverständlich eine Situation, wie sie auf Autobahnen häufig auftritt. Ein seitlich der Fahrspur des Hauptfahrzeugs abgestelltes Auto kann selbst dann nicht mit einem in der Fahrspur des Hauptfahrzeugs abgestellten Auto verwechselt werden, wenn die Straße eine Kurve beschreibt. Deshalb kann das erfindungsgemäße System auch für die automatische Geschwindigkeitsregelung genutzt werden. Im Unterschied zu Radarsystemen ist es nicht erforderlich, daß sich in der Fahrspur des Hauptfahrzeugs befindliche Fahrzeug bewegen müssen, um erkannt zu werden, so daß Auffahrunfälle durch den Aufprall eines mit hoher Geschwindigkeit sich an ein Stauende annähernden Fahrzeugs vermieden werden können.
Wird ein System mit einem breiteren Strahl genutzt, damit ein größerer Bereich vor dem Hauptfahrzeug ausgeleuchtet werden kann, um nachfolgend das entsprechende Bild auf ein CCD- oder CMOS-System zu fokussieren, läßt sich ein Vergleich zwischen dem passiven Infrarotsignal und der Reflexion des aktiven Infrarotstrahls einer Laserradarvorrichtung anstellen. Metallobjekte werden beispielsweise von einem passiven Infrarotstrahl als kalt wahrgenommen. Dadurch lassen sich metallische von nichtmetallischen Objekten, beispielsweise Laub oder einem Reh unterscheiden. Die Breite des Strahls läßt sich einstellen, und damit kann ein bestimmtes Objekt exakt ausgeleuchtet werden. Bei der Anwendung dieses Systems sind im Vergleich zu anderen Systemen wesentlich langsamere Schwenkungsvorgänge des Abtaststrahls möglich. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, beide Systeme zusammenzufassen und auf diese Weise dem Erkennungssystem eine maximale Menge an Informationen zur Verfügung zu stellen.
Durch die Streubreitenbegrenzung ist es möglich, Objekte von ihrer Umgebung zu isolieren, sofern es sich dabei nicht um einen Straßenabschnitt handelt. In vielen Fällen kann ein entsprechend programmiertes neuronales Netz diese Daten zur Identifikation von Objekten nutzen. Die Vorteile dieser zuletzt beschriebenen Vorgehensweise bestehen darin, daß die Position eines Fahrzeugs für seine Erkennung bedeutungslos ist.
Wenn zukünftig die Steuerung von Fahrzeugen durch das erfindungsgemäße System möglich ist, sind wesentliche höhere Geschwindigkeiten erreichbar. Dann müssen jedoch alle Fahrzeuge, die eine vom System kontrollierte Straße nutzen, mit dem RtZF™-System ausgestattet sein, wie oben beschrieben. Es ist möglich, eine optische Fourier-Transformation der Beobachtungsobjekte unter Verwendung eines Lichtbeugungssystems vorzunehmen. Dann kann des Ergebnis dieser Transformation mit der Transformationsbibliothek aller potentiellen Objekte verglichen werden. Durch ein System, wie es bei der militärischen Zielerkennung verwendet wird, ist es dann möglich, mehrere Objekte zu identifizieren und das System jeweils auf eines zu fokussieren, um festzustellen, welcher Grad an Bedrohung von ihm ausgeht.

ITS und adaptive Geschwindigkeitsregelung

Das Problem: Verkehrsstauungen

Weltweit wird mit einer Zunahme an Verkehrsstauungen gerechnet. Zur Lösung des Problems wird intelligenten Autobahnsystemen eine immer stärkere Bedeutung beigemessen. Es wird geschätzt, daß in den nächsten 20 Jahren in solche Systeme rund 240 Mrd. US$ investiert werden. Alle derzeit auf diesem Gebiet geplanten Systeme basieren auf einer Kombination aus am Fahrzeug montierten Sensoren sowie Sensoren und anderen Vorrichtungen, die an oder in der Straße angebracht sind. Solche Systeme sind in der Installation teuer, in der Wartung aufwendig und ebenfalls teuer, und sie werden folglich (wenn überhaupt) nur auf den wichtigsten Autobahnen zum Einsatz kommen. Obwohl diese Fahrzeuge in bezug auf die Sicherheit einige Vorteile bringen, werden sie selbst bei den Autobahnen, bei denen sie zum Einsatz kommen, unter Umständen auf eine bestimmte Anzahl von Fahrspuren beschränkt bleiben.
Mit dem erfindungsgemäßen RtZF™-System können die nach dem aktuellen Stand der Technik bestehenden Nachteile überwunden werden, denn dieses System macht keine Veränderungen an der Autobahn notwendig. Die Positionsinformationen werden, wie oben bereits beschrieben, durch eine Kartographierung der Straßenränder und Fahrbahngrenzen mit Hilfe eines Verfahrens erfaßt, das eine Kartographierung aller wichtigen Straßen des gesamten Landes zu sehr niedrigen Kosten ermöglicht. Folglich kann das System zu einer Verminderung von Staus beitragen und helfen, Leben auf allen wichtigen Straßen und nicht nur auf speziellen Hochgeschwindigkeitsstrassen zu schützen.

Beschreibung

Laut der US-Patentschrift 5.506.584 werden mit dem US-DOT-IVHS-System folgende Ziele verfolgt:

- Verbesserung der Sicherheit im Binnentransport,
- Erhöhung der Kapazität und Effizienz des Binnentransportsystems,
- Verbesserung der persönlichen Mobilität sowie der Bequemlichkeit und des Komforts des Binnentransportsystems,
- Verminderung der ökologischen und energetischen Auswirkungen des Binnentransportsystems.

Mit dem erfindungsgemäßen RtZF™-System werden alle diese Ziele zu einem Bruchteil der Kosten erreicht, die bei Systemen nach dem aktuellen Stand der Technik entstehen. Die in bezug auf die Sicherheit bestehenden Vorzüge wurden oben bereits erörtert. Die Kapazitätszuwächse werden dadurch erreicht, daß die Fahrzeuge zur Nutzung bestimmter Korridore gezwungen werden, auf denen sie mit höheren Geschwindigkeiten fahren können. Dies ist ab dem Moment möglich, in dem ein DGPS für die Trägerphase zur Verfügung steht oder die Autobahnen mit präzisen Positionierungssystemen, wie in Fig. 11 dargestellt, ausgestattet werden. Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit von der Autobahn aus festgelegt werden kann. Dazu ist es lediglich erforderlich, einige zusätzliche Bytes mit Informationen zu übertragen, was zusammen mit der Übertragung der Straßenranddaten erfolgen kann und nur äußerst geringe Anfangskosten verursacht. Zum Ausgleich der Toleranzen von Geschwindigkeitsregelsystemen kann das Abtast-Laserradarsystem oder das jeweilige andere, zur Überwachung des Fahrzeugverkehrs ohne RtZF™ genutzte System auch als adaptives Geschwindigkeitsregelsystem genutzt werden. Das bedeutet in der Praxis: Wenn sich ein schnelleres Fahrzeug an ein langsameres annähert, wird es automatisch abgebremst und hält somit einen sicheren Abstand zu dem vorausfahrenden, langsameren Fahrzeug ein. Obwohl nicht geplant ist, das System gezielt zur Bildung von Fahrzeugzügen einzusetzen, ist genau dies in einigen Fällen das Ergebnis. Damit wird mit einem außerordentlich simplen System automatisch die maximale Fahrzeugdichte und damit der maximale Fahrzeugdurchsatz erreicht.
Beim Intelligent Highway System (ITS) müssen bestimmte Vorkehrungen getroffen werden, um zu verhindern, daß Fahrzeuge, die nicht mit dem System ausgestattet sind, nutzungsbeschränkte Fahrbahnen nutzen. Zumeist ist der Aufbau einer Schrankenanlage notwendig, denn ein Fahrzeug, welches fälschlicherweise die beschränkte Spur nutzt, kann schwere Unfälle verursachen. Deshalb sollten die Fahrzeuge im Einfahrtsbereich oder an einer Art Mautstation daraufhin überprüft werden, ob das RtZF™-System einwandfrei funktioniert und die neueste Landkarte der betreffenden Region installiert ist. Nur Fahrzeugen wird einem uneingeschränkt funktionstüchtigen RtZF™-System wird schließlich die Zufahrt gestattet. Die Geschwindigkeit auf den nutzungsbeschränkten Fahrbahnen wird entsprechend den Witterungsbedingungen festgelegt und, wie oben beschrieben, automatisch an das Fahrzeug-Informationssystem übertragen.
Wird das ITS-System genutzt, muß der Fahrer die Möglichkeit einer Notfallsignalisierung haben, beispielsweise durch Einschalten der Warnblinkanlage. Dadurch wird es möglich, daß das Fahrzeug bei Absinken der Geschwindigkeit unter eine bestimmte Grenze die Fahrbahn verlassen und auf dem Randstreifen abgestellt werden kann. Sobald der Fahrer eine solche Signalisierungsvorrichtung einschaltet, reduziert das Straßen-Informationssystem (oder das Netzwerk der fahrzeugbasierten Steuerungssysteme) die Geschwindigkeit aller in der Nähe befindlichen Fahrzeuge, bis die Gefahr nicht mehr besteht. Dieses Straßen-Informationssystem muß nicht mit der Straße verbunden sein. Auch der Aufbau einer speziellen Infrastruktur an der Straße ist nicht erforderlich, um ein solches System in Betrieb nehmen zu können. Der Begriff "Straßen-Informationssystem" steht in dieser Schrift für ein System, welches durch das Netzwerk der in der Nähe befindlichen Fahrzeuge und das Kommunikationssystem zwischen den Fahrzeugen betrieben wird. Durch fahrzeugbasierte Fehlerprognosesysteme können Notfallsituationen schließlich völlig ausgeschlossen werden.

Verbesserungen am Fahrzeug

Auch auf "intelligenten" Autobahnen kann es zu Notfallsituationen kommen. Ein Einschätzung der Häufigkeit oder Schwere solcher Situationen ist jedoch schwierig. Die Industrie mußte aus den Erfahrungen mit Airbag-Systemen erkennen, daß ein System sich zwar nachweislich durch die Rettung vieler Leben bewähren kann, daß es aber dennoch nicht toleriert wird, wenn es Todesfälle verursacht. Folglich muß das ITS-System mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit arbeiten, die der Unfallfreiheit nahekommt. Da das "Gehirn" des Systems in jedem einzelnen Fahrzeug liegt, das sich unter der Kontrolle seines jeweiligen Fahrers befindet, sind Funktionsstörungen nicht völlig auszuschließen. Diese müssen dann vom System behoben werden können, ohne daß es zu Unfällen kommt.
Der Abstand der Fahrzeuge ist ein entscheidendes Kriterium. Ebenfalls wichtig ist, daß jedes mit einem RtZF™-System ausgestattete Fahrzeug automatisch mit allen anderen Nachbarfahrzeugen kommunizieren kann und somit in einer Notfallsituation die sofortige Ausgabe einer Warnung möglich ist. Schließlich wird es durch die Installation eines umfassenden Fahrzeug-Diagnosesystems, wie es im US-Patent 5.809.437 offengelegt wird, möglich, potentielle Gefahren zu erkennen und dadurch mit hoher Zuverlässigkeit auszuschließen.
Obwohl das ITS-System für spezielle Fahrspuren und eine hohe Geschwindigkeit vorgesehen ist, bietet die Erfindung die Möglichkeit, ein geringeres Maß an automatischer Kontrolle festzulegen, so daß der Fahrer selbst das RtZF™-System kontrolliert, solange die entsprechende Infrastruktur zur Verfügung steht. In diesem Fall kann das Fahrzeug "normale" Fahrbahnen nutzen. Gleichzeitig kann es jedoch auch auf seiner Position in der nutzungsbeschränkten Fahrbahn verbleiben, so daß Kollisionen vermieden werden, bis eine Entscheidung getroffen werden muß, die das Eingreifen des Fahrers notwendig macht. In diesem Moment wird der Fahrer entsprechend informiert. Übernimmt er dann nicht die Kontrolle über das Fahrzeug, wird das Fahrzeug am Fahrbahnrand ordnungsgemäß zum Anhalten gebracht.
Für alle Fälle, in denen die Lenksteuerung des Fahrzeugs vom RtZF™-System wahrgenommen wird, muß ein Lenksteueralgorithmus unter Verwendung neuronaler Netze oder neuronaler Fuzzy- Systeme entwickelt werden. Dies gilt insbesondere für die oben erörterten Notfälle, wenn bekannt ist, daß der Fahrer häufig falsche Entscheidungen trifft oder zumindest langsam reagiert. Algorithmen, die von anderen, nicht mustergestützten Erkennungstechnologien entwickelt werden, verfügen im allgemeinen nicht über die erforderliche Allgemeingültigkeit und Komplexität und implizieren ebenfalls die Gefahr des Treffens falscher Entscheidungen. (Dennoch wird die Nutzung solcher Systeme durch die Erfindung nicht ausgeschlossen). Wenn auch das Gasgeben und Bremsen vom System übernommen wird, ist der Einsatz eines auf neuronalen Netzen oder neuronalen Fuzzy-Systemen basierenden Algorithmus noch wichtiger.
Beim ITS-System gibt der Fahrer sein Fahrtziel ein, so daß dem System im voraus bekannt ist, wo die Autobahn verlassen werden soll. Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, daß der Fahrer zur Bekanntgabe seines Wunsches, die Autobahn zu verlassen, lediglich den Blinker betätigen muß, um das System und die anderen Fahrzeuge entsprechend zu informieren.

Andere Merkmale und Funktionen

Überwindung des toten Winkels

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen RtZF™-Systems kann auch auf den Einsatz spezieller Vorrichtungen zur Überwindung des toten Winkels verzichtet werden. Alternativ hierzu besteht außerdem die Möglichkeit, daß bei einer Teilinstallation des kompletten RtZF™-Systems, wovon in der Anfangsperiode auszugehen ist, eine Kompatibilität zwischen dem RtZF™-System und dem im Patent '447 beschriebenen System zur Überwindung des toten Winkels herzustellen.

Fahruntauglichkeit des Fahrers

Das erfindungsgemäße RtZF™-System bietet auch eine Lösung für die Problematik der Fahruntauglichkeit des Fahrers. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, mit Schlafsensoren zu arbeiten, die in vielen US-Patenten erwähnt werden. Diese Systeme wurden aufgrund ihrer mangelnden Zuverlässigkeit bisher nicht implementiert. Das RtZF™-System erkennt die Ergebnisse falscher Handlungen des Fahrers, beispielsweise aufgrund hohen Alters, Trunkenheit, Herzattacken, Drogenkonsum oder der Tatsache, daß er eingeschlafen ist.

Notfälle: Car Jacking, Kriminalität

Eine weitere Verbesserung betrifft die Tatsache, daß mit dem System Car Jacking (Raub von Fahrzeugen) verhindert werden kann, denn es funktioniert ähnlich dem Lojack™-System: Wenn es zu einem Fahrzeugraub kommt, kann der Aufenthaltsort des Fahrzeugs überwacht werden. Wird eine Notfalltaste gedrückt, werden die Daten des Aufenthaltsorts des Fahrzeugs und die Fahrzeug-ID übertragen.

Abblenden der Scheinwerfer

Da das mit einem RtZF™-System ausgestattet Fahrzeug die aktuelle Position aller anderen, in der Nähe befindlichen Fahrzeuge mit RtZF™-System kennt, kann das System auch bestimmen, wann die Scheinwerfer abzublenden sind. Da auch die Umgebung vor dem Fahrzeug abgefragt wird, sind außerdem die Existenz und die annähernde Position aller nicht mit dem RtZF™-System ausgestatteten Fahrzeuge bekannt. Das ist ein Beispiel für eine künftige Verbesserung am System. Das RtZF™- System führt zu ständigen Verbesserungen, ohne daß an den am Fahrzeug vorhandenen Systemen Veränderungen vorgenommen werden müssen.

Überschlagen des Fahrzeugs

Unfälle mit Überschlagen des Fahrzeugs sollten durch das RtZF™-System effektiv vermieden werden. In den seltenen Fällen, in denen es zu solchen Unfällen kommt, kann das RtZF™-System diese Ereignisse erkennen, denn Position und Ausrichtung des Fahrzeugs werden ständig überwacht. Da die Geometrie der Straße bekannt ist, können die Trägheitseigenschaften des Fahrzeugs mit Last und folglich auch seine Neigungen zum Überschlagen bestimmt werden. Auch für diese Fälle gilt: Da die Geometrie der Straße bekannt ist, kann die Geschwindigkeit des Lastkraftwagen begrenzt und können Unfälle mit Überschlagen des Fahrzeugs verhindert werden.

Antizipatorische Sensoren: Intelligente Airbags, Entwicklung des Systems

Das RtZF™-System kann darüber hinaus dazu dienen, andere Sicherheitssysteme eines Fahrzeugs zu verbessern. Da Lage und Geschwindigkeit der anderen Fahrzeuge bekannt sind, kann das RtZF™-System in jenen Fällen, in denen ein Unfall unvermeidlich ist, dessen Entstehen allgemein prognostizieren und unter Anwendung von beispielsweise der Technologie des neuronalen Netzwerks die Schwere des Unfalls abschätzen. Selbst bei einer beschränkten Implementierung des RtZF™- Systems kann die intelligente Airbag-Technologie wesentlich verbessert werden, wenn sie zusammen mit einem Kollisionsverhütungssystem wie in den US-Patenten 5.314.037 und 5.529.138 und einem antizipatorischen Sensoralgorithmus auf der Grundlage eines neuronalen Netzes verwendet wird. Eine weitere Verbesserung kann mit der Codierung des Signals von den mit einem RtZF™-System ausgestatteten Fahrzeugen durch Größen- und Gewichtsdaten erreicht werden. Das ermöglicht bei einem unvermeidlichen Unfall eine genaue Prognostizierung von dessen Schwere, und das Auslösen des intelligenten Airbagsystems kann exakt auf das bevorstehende Ereignis abgestimmt werden. Eine solche Vorrichtung kann als RFID-Anschluß implementiert und mit dem Nummernzeichen verbunden werden.
Aus der obenstehenden Erörterung ist zu erkennen, daß sich mit dem RtZF™-System viele Probleme lösen lassen, die mit der Sicherheit des Fahrzeugs, seiner Steuerung und dem ITS-System zusammenhängen. Selbst solche Technologien wie funkgesteuertes Lenken und Fahren werden mit dem erfindungsgemäßen RtZF™-System verbessert, denn es korrigiert automatisch Fehler in diesen Systemen und verhütet Unfälle.

Weitere Vorteile und Verbesserungen

Eines der möglichen Probleme, die am RtZF™-System auftreten können, besteht darin, daß in Großstädten wie zum Beispiel New York die Signale der GPS-Satelliten im wesentlichen blockiert sein können, wenn nicht eine Vielzahl lokaler Pseudoliten oder präziser Positionserkennungssysteme zum Einsatz kommen. Darüber hinaus wird hier das Problem der Mehrwege-Interferenzen deutlich spürbar. Ein Lösung für solche Gebiete bietet des LORAN-System als Backup-System. Die Genauigkeit des LORAN-Systems kann mit der des DGPS-Systems verglichen werden. Natürlich wäre der Einsatz präziser Positionserkennungssysteme an den Straßenrändern eine bessere oder ergänzende Lösung. Gewisse Verbesserungen sind darüber hinaus durch den Einsatz des im US-Patent Nr. 5.874.914 und weiteren Patenten von Krasner (SnapTrak) beschriebenen SnapTrack-Systems zu erreichen.
Der Einsatz geosynchroner Satelliten als Ersatz für Basisstation am Erdboden innerhalb eines DGPS-Systems, bei dem Trägerphasenverbesserungen bis auf eine Genauigkeit von weniger als einem Meter erreicht werden, ist ebenfalls eine wahrscheinliche Verbesserung des RtZF™-Systems, die in Innenstadtbereichen spürbar positive Wirkungen haben kann.
Eine weitere Verbesserung, die mit speziellen Satelliten und/oder am Boden stationierten Pseudoliten zu erreichen ist, läßt sich auf die im Vergleich zum GPS-System bessere Kontrolle der Informationen zurückführen. Wenn man bedenkt, daß dieses System allein in den USA jährlich bis zu 40 000 Leben retten kann, sind die Kosten für die Inbetriebnahme solcher zweckgebundener Stationen leicht zu rechtfertigen. Dazu ein Beispiel: Angenommen, eine modulierte Welle ist 10 000 km lang, eine andere ist 1000 km lang usw., bis 1 cm. Es wäre dann kein Problem, den absoluten Abstand von einem Punkt zu einem anderen zu ermitteln. Auch mit anderen Arten der Modulation kann selbstverständlich das gewünschte Ziel erreicht werden: Die bezüglich der Träger-Ganzzahl bestehende Unsicherheit zu eliminieren, die in vielen US-Patenten und anderen Schriften erörtert wird. Dies ist nicht als Empfehlung gedacht, sondern dient zur Illustration der Tatsache, daß nach dem Treffen der Entscheidung, Informationen an alle Fahrzeuge zu übertragen, die dies zulassen, um ihre Position mit einer Genauigkeit von 10 cm bestimmen zu können, bereits viele technologische Systeme vorhanden sein werden, die dies ermöglichen. Die Kosten, welche durch das Vermeiden tödlicher und schwerer Unfälle eingespart werden, übersteigen die Kosten für die Anschaffung solcher Technologien um ein Vielfaches.

Verbesserungen an den Straßen

Zu den Verbesserungen, die an den Straßen durch den Einsatz des RtZF™-Systems möglich werden, gehört die Verkehrssteuerung. Die Abstimmung der Ampeln kann nunmehr automatisch auf der Grundlage des relativen Verkehrsflusses vorgenommen werden, denn die Position aller Fahrzeuge, die sich in der Nähe der Ampel befinden, ist bekannt. Sind alle Fahrzeuge mit dem RtZF™-System ausgestattet, werden viele Ampeln überflüssig, denn der Fluß des Verkehrs über eine Kreuzung kann exakt gesteuert werden. Kollisionen werden damit vermieden.
Da dem System nunmehr die Verkehrsverhältnisse bekannt sind, können verbesserte RtZF™- Systeme den Fahrer anweisen, nicht zu fahren bzw. können diese Systeme alternative Routen ermitteln, wenn bestimmte Straßen (beispielsweise aufgrund von Unfällen oder wegen Überfrierungen) nicht befahrbar sind. Manche werden sich vielleicht entscheiden, bei schlechtem Wetter oder Verkehrsstaus ganz auf den Fahrtantritt zu verzichten. Wichtig ist hierbei, daß die Sensoren sowohl ungünstige Witterungsverhältnisse als auch Verkehrsstörungen erkennen. Diese Informationen sind automatisch verfügbar und erfordern nicht das gesonderte Abrufen von Wetterberichten, die häufig ungenau sind oder verspätet eintreffen. Auch die Gebühren für die Nutzung bestimmter Straßen können vom Wetter, vom Verkehrsaufkommen, der Tageszeit usw. abhängig sein. Sie lassen sich also dynamisch kontrollieren.
Das System eignet sich für die Zuweisung von Autobahnkapazitäten auf der Grundlage der Zeit und des Verkehrsaufkommens. Da die Fahrzeuge identifiziert werden können, ist es möglich, alle Fahrzeuge automatisch mit variablen Gebühren zu belegen. Das heißt auch: Die automatischen Systeme zur Gebührenerhebung, die zur Zeit eingeführt werden, werden zukünftig ebenso überholt sein wie heute die Mauthäuschen.
Schließlich ist es wichtig, darauf hinzuweisen, daß die RtZF™-Systeme keine "Sensorfusionierungssysteme" sind. Die Sensorfusionierung basiert auf der Idee, daß man die von verschiedenen Sensoren erfaßten Daten so kombinieren kann, dass die kombinierten Informationen aussagekräftiger als die Zusammenfassungen der Einzelergebnisse sind. Die technisch vollkommensten Sensorfusionierungssysteme basieren auf künstlichen neuronalen Netzen, die manchmal mit Fuzzy-Logik-Systemen zu einem neuronalen Fuzzy-System kombiniert werden. Solche Systeme sind probabilistisch. Folglich gibt es immer einen bestimmten Anteil von Fällen, in denen die vom Netz getroffene Entscheidung falsch ist. Solche Sensorfusionierungssysteme sind folglich für das Erreichen des mit "Unfallfreiheit" bezeichneten Ziels der Erfindung nicht geeignet.

Verbesserung der Landkarten

Wenn die Lage der Straßenränder und Fahrbahngrenzen sowie andere Informationen zur Straße an den Fahrer übertragen wurden, ist nur eine sehr kleine zusätzliche Bandbreite noch erforderlich, um weitere Informationen zu übermitteln, beispielsweise die Lage aller Unternehmungen, an denen der Fahrer interessiert ist, vielleicht Tankstellen, Restaurants usw. Die Übertragung solcher Informationen könnte auf Subskriptionsbasis erfolgen. Dieses Konzept wurde teilweise in dem oben erwähnten Patent '482 offengelegt und ist teilweise bereits in die bestehenden Landkarten-Datenbanken implementiert.
Selbstverständlich kann die Vermittlung der Informationen zum Fahrer visuell oder mündlich erfolgen. Der Einsatz von Navigationssystemen wird durch das erfindungsgemäße System noch sinnvoller, denn nun kann auch die exakte Lage eines Ziels bestimmt werden. Das System läßt sich so konfigurieren, daß der Fahrer eines Fahrzeugs lediglich zum Beispiel eine Telefonnummer oder eine Adresse eingeben muß, um zu erreichen, daß das Fahrzeug automatisch und sicher zu der gewünschten Adresse findet. Selbst die Nutzung einer Mobiltelefonnummer ist zu diesem Zweck möglich, sofern das Mobiltelefon mit dem GPS-Positionserkennungssystem SnapTrak ausgestattet ist, das in nächster Zukunft von Qualcomm angeboten werden soll.

Weitere Einsatzmöglichkeiten

Das RtZF™-System ist sogar geeignet, andere Sensoren zu ersetzen, die derzeit in Automobilen eingesetzt werden oder deren Einsatz vorgesehen ist. Dazu gehören beispielsweise Neigungs-, Roll- und Kippsensoren. Diese Informationen sind durch die Verwendung von Trägerphasen-GPS-Systemen und das Installieren zusätzlicher Antennen an einem Fahrzeug zu erlangen. Sind solche Systeme bei Kraftfahrzeugen installiert, sind sie auch in vielen anderen Bereichen einsetzbar, beispielsweise zur Überwachung und Kontrolle von Kraftfahrzeugen sowie für Flugzeug-Landeoperationen, die alle von den Verbesserungen in den Bereichen Technologie und Infrastruktur profitieren. Die Entwicklung der Kraftfahrzeugsicherheits- und ITS-Systeme führt zur Implementierung eines nationalen Systems, in dem sich jeder Benutzer kostengünstig die notwendigen Einrichtungen anschaffen kann, um mit Zentimetergenauigkeit ermitteln zu können, an welcher Position auf der Erdoberfläche er sich befindet. Viele weitere Einsatzgebiete werden zweifellos folgen.

Die Erstinbetriebnahme des Systems

Mit der Erstinbetriebnahme des RtZF™-System werden folgende Funktionen in Betrieb genommen:

1. Ausgabe einer Warnmeldung an den Fahrer, wenn die Gefahr besteht, daß das Fahrzeug von der Fahrbahn abkommt.
2. Ausgabe einer Warnmeldung an den Fahrer, wenn die Gefahr besteht, daß eine Begrenzungslinie oder eine andere Fahrbahnmarkierung überfahren wird.
3. Ausgabe einer Warnmeldung an den Fahrer, wenn dieser eine angesichts der Geometrie der Straße sichere Geschwindigkeit überschreitet.
4. Ausgabe einer Warnmeldung an den Fahrer, wenn die Gefahr besteht, daß dieser ein Stoppzeichen überfährt ohne anzuhalten.
5. Ausgabe einer Warnmeldung an den Fahrer, wenn die Gefahr eines Überschlagens des Fahrzeugs besteht.
6. Ausgabe einer Warnmeldung an den Fahrer, bevor ein anderes Fahrzeug von hinten auf das eigene Fahrzeug auffährt.
7. Die an der Autobahn aufgestellten Verkehrszeichen werden auch im Fahrzeug angezeigt.
8. Die Ausgabe einer Warnmeldung wird protokolliert.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt das aktuelle GPS-Satellitensystem mit den 24 Satelliten 2, die die Erde umkreisen. Jeder dieser Satelliten bewegt sich auf einer speziellen Umlaufbahn 4 um die Erde. Durch ein solches GPS-Satellitensystem kann die Position eines jeden Objekts mit unterschiedlicher Genauigkeit erkannt werden, wie weiter oben erläutert.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung der vier Satelliten 2 (bezeichnet mit SV₁, SV₂, SV₃ und SV₄) des in Fig. 1 dargestellten GPS-Satellitensystems, die Positionsdaten an Empfänger einer Basisstation 20 übertragen, beispielsweise an eine Antenne 22. Die Basisstation wiederum überträgt ein differentielles Korrektursignal über mit ihr verbundene Sender, beispielsweise eine zweite Antenne 16, an ein Fahrzeug 18.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung der vier Satelliten 2 (bezeichnet mit SV₁, SV₂, SV₃ und SV₄) des in Fig. 2 dargestellten GPS-Satellitensystems, die Positionsinformationen an die Empfänger der Basisstationen 20 und 21 übertragen, beispielsweise eine Antenne 22. Die Basisstation wiederum überträgt ein differentielles Korrektursignal über mit ihr verbundene Sender, beispielsweise eine zweite Antenne 16, an einen geozentrischen oder Low Earth Orbiting-Satelliten (LEO-Satelliten) 30, der wiederum die differentiellen Korrektursignale an das Fahrzeug 18 überträgt. In diesem Fall führt mindestens eine der Basisstationen 20, 21 eine mathematische Analyse aller Signale durch, die sie von einer bestimmten Anzahl von Basisstationen erhielt, die den betreffenden Bereich abdecken, und entwickelt für den gesamten Bereich ein mathematisches Modell der in den GPS-Signalen enthaltenen Fehler. Über das Festland der USA ist beispielsweise eine Gruppe von 30 Basisstationen verteilt, die von OmniStar betrieben werden. Unter Berücksichtigung der Daten von allen diesen Stationen können die Fehler in der GPS-Signalgebung für den gesamten Bereich abgeschätzt werden. Daraus ergibt sich im gesamten Bereich eine Genauigkeit der Positionsbestimmung von 6 bis 10 cm. Diese Korrekturen werden an geozentrische oder LEO-Satelliten 30 übertragen, von wo aus sie an die auf den Straßen befindlichen Kraftfahrzeuge weitergeleitet werden. Dieses System ist unter der Bezeichnung Wide Area Differential GPS oder WADGPS bekannt.
Fig. 4 ist ein logisches Diagramm des erfindungsgemäßen Systems 50, das die Kombination 40 des GPS- und DGPS-Verarbeitungssystems 42 mit einer Intertial-Referenzeinheit (IRU) oder einem Inertial-Navigationssystem 44 zeigt. Das GPS-System umfaßt eine Einheit zur Verarbeitung der von den Satelliten 2 des GPS-Satellitensystems eingegangenen Informationen, der Informationen von den Satelliten 30 des DGPS-Systems und der Daten von der Inertial-Referenzeinheit (IRU) 44. Die Inertial-Referenzeinheit 44 enthält Beschleunigungsmesser sowie Laser- oder MEMS-Gyroskope.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten System handelt es sich um ein minimales RtZF™-System, mit dem Unfälle verhindert werden können, die auf ein Abkommen von der Straße, das Queren einer anderen Fahrspur oder falsches Verhalten an Kreuzungen zurückzuführen sind. Diese Unfälle bilden insgesamt mehr als 50 Prozent der tödlichen Unfälle in den USA.
Die Landkarten-Datenbank 48 wirkt mit dem Navigationssystem 46 zusammen und gibt an den Fahrer eine Warnung aus, wenn die Gefahr besteht, daß er von der Straße abkommt, eine Begrenzungslinie quert, ein Stoppzeichen oder eine rote Ampel überfährt. Die Landkarten der Datenbank 48 haben eine Genauigkeit von 2 cm (1 Sigma), das heißt, sie enthalten Daten zu den Straßenrändern und Fahrbahngrenzen der betreffenden Straße, zur Lage der Stoppzeichen und Ampeln, zu anderen Verkehrsregeleinrichtungen sowie zu anderen Verkehrszeichen. Über einen weiteren, nicht abgebildeten Sensor wird das Fahrzeug darüber informiert, ob die Ampel, an die es sich annähert, auf Rot, Gelb oder Grün geschaltet ist. Das Navigationssystem 46 ist mit dem GPS- und DGPS- Verarbeitungssystem 42 verbunden. Durch dieses einfache System kann der Fahrer gewarnt werden, wenn durch ein mit dem Navigationssystem 46 verbundenes Warnsystem 45 eines der oben genannten Ereignisse erkannt wird. Das Fahrer-Warnsystem 45 kann einen Alarm, ein Lichtsignal, einen Summton oder ein anderes hörbares Geräusch ausgeben. Bevorzugterweise ist es jedoch als eine simulierte Schwelle ("schlafender Polizist") zur Vermeidung des Überfahrens der Begrenzungslinie und das drohende Abkommen von der Fahrbahn sowie eine Kombination aus optischem und akustischem Alarm für das Überfahren von Stoppzeichen und Ampeln ausgeführt.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm des fortgeschritteneren erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens zur Unfallverhütung. Abgebildet sind Systemsensoren, Transceiver, Computer, Anzeigen, Ein- und Ausgabegeräte sowie andere wichtige Elemente.
Wie in Fig. 5 dargestellt, wird das Unfallverhütungssystem durch eine Vielzahl von Mikroprozessoren und elektronischen Schaltkreisen 100 umgesetzt, die die verschiedenen Untersysteme miteinander verbinden und zwischen ihnen Signale übertragen. Der GPS-Empfänger 52 dient zum Empfang von GPS-Funksignalen, wie in Fig. 1 dargestellt. Der DGPS-Empfänger 54 empfängt die differentiellen Korrektursignale von einer oder mehreren Basisstationen entweder direkt oder über einen geozentrisch stationären bzw. LEO-Satelliten. Das zur Kommunikation zwischen den Fahrzeugen dienende Untersystem 56 überträgt und empfängt Informationen zwischen den in der Nähe befindlichen Fahrzeugen. Diese Kommunikation erfolgt im allgemeinen über Breitband- oder Ultra-Breitbandsysteme oder über Funkkanäle mit bestimmten Frequenzen. Die Realisierung dieser Kommunikation kann durch unterschiedliche Verfahren erfolgen, beispielsweise Frequenzvielfachzugriff (FDMA), Zeitvielfachzugriff (TDMA) oder Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA), so daß eine gleichzeitige Kommunikation zwischen einer Vielzahl von Fahrzeugen möglich wird. Selbstverständlich sind auch andere Formen der Kommunikation zwischen den Fahrzeugen denkbar, beispielsweise über das Internet. Diese Kommunikation umfaßt solche Informationen wie die genaue Position eines Fahrzeugs, die zuletzt von den GPS-Satelliten, zu denen Sichtverbindung besteht, empfangenen Signale, weitere Informationen zum Straßenzustand, Notsignale, Gefahrenwarnungen, die Fahrzeuggeschwindigkeit und der vorgeschlagene Fahrweg sowie viele andere Informationen, die zur Verbesserung der Sicherheit des Fahrzeug-Straße-Systems nützlich sein könnten.
Die Kameras 60 werden im allgemeinen zum Abfragen der Umgebung in der Nähe des Hauptfahrzeugs für solche Funktionen verwendet wie die Kontrolle toter Winkel, Sicherheitswarnungen, antizipatorisches Erkennen von Aufprallsituationen, Ermittlung der Sichtverhältnisse, Fahrbahnverfolgung und das Ermitteln weiterer optischer Informationen, die die Sicherheit des Fahrzeug- Straße-Systems verbessern. Im allgemeinen reagieren die Kameras empfindlich auf Infrarot- und sichtbares Licht. Manchmal kommen jedoch auch passive Infrarotkameras zum Einsatz, beispielsweise zum Erkennen von auf der Fahrbahn in Fahrtrichtung befindlichen Personen oder Tieren. Häufig sind die Anlagen für das Infrarot- bzw. sichtbare Licht am Hauptfahrzeug angebracht.
Der Radar 62 wird primär zum Abfragen der weiter vom Fahrzeug entfernten Umgebung genutzt, die sich außerhalb der Sichtweite der Kameras befindet. Er gibt die erste Warnung vor potentiellen Hindernissen, die sich in Fahrtrichtung auf der Fahrbahn befinden, aus. Darüber hinaus wird der Radar 62 bei schlechter Sicht genutzt, um vor Hindernissen zu warnen, die wegen Regen, Nebel, Schnee usw. nicht zu erkennen sind. Genutzt werden können darüber hinaus Systeme auf der Basis gepulster, kontinuierlicher Wellen sowie Micropower-Impulsradarsysteme. Zum Erkennen der relativen Geschwindigkeit zwischen einem erkannten Objekt und dem Hauptfahrzeug kann außerdem ein Doppler-Radar verwendet werden.
Der Laser-Radar 64 wird primär zum Ausleuchten potentiell gefährlicher Objekte im Fahrtweg des Fahrzeugs verwendet. Da das Fahrzeug auf exakt kartographierten Straßen verkehrt, kann die exakte Lage der von den Radar- und Kamerasystemen erkannten Objekte durch Streubreitenbegrenzung und Abtast-Laserradarsysteme, wie oben beschrieben, oder durch Phasentechnologien ermittelt werden. Das Fahrerwarnsystem 66 warnt durch optische und akustische Meldungen den Fahrer und andere Personen vor möglichen Gefahren. Neben der Aktivierung eines Warnsystems im Inneren des Fahrzeugs können mit diesem System auch optische und akustische Systeme aktiviert werden, die Personen, Tiere und andere Fahrzeuge vor einer bevorstehenden Gefahrensituation warnen. In solchen Fällen kann das Warnsystem die Scheinwerfer und Heckleuchten, die Hupe und/oder ein zwischen den Fahrzeugen bestehendes bzw. über die vorhandene Infrastruktur betriebenes oder auf dem Internet basierendes Kommunikationssystem aufrufen, um andere Fahrzeuge, eine Verkehrskontrollstation oder eine andere Basisstation zu informieren. Dieses System ist insbesondere in den frühen Phasen der Implementierung des RtZF-Systems wichtig. Wenn später einmal immer mehr Fahrzeuge mit dem System ausgestattet sind, treten seltener Probleme auf, so daß dann auch seltener ein Anlaß zum Ausgeben von Warnungen besteht.
Das Karten-Datenbanksystem 68, das auf einem externen Speichermodul installiert sein kann, enthält alle kartographischen Informationen (beispielsweise zu den Straßenrändern) mit einer Genauigkeit von 2 cm, außerdem die Lage von Stoppzeichen, Ampeln, Leitmarkierungen usw., wie oben bereits ausführlich beschrieben wurde. Die grundlegenden Kartendaten können in einem magnetischen oder optischen Nur-Lesen-Speicher mit einem daran angeschlossenen Lesen-Schreiben- Speicher abgelegt sein, in dem die Kartenaktualisierungen erfaßt werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Karteninformationen auf einem wiederbeschreibbaren Medium zu speichern, das durch Informationen aus dem Infrastruktur-Kommunikationssystem 58 aktualisiert werden kann. Diese Aktualisierung kann während des Betriebs des Fahrzeugs oder zu einem Zeitpunkt erfolgen, in dem das Fahrzeug am Straßenrand oder in einer Garage abgestellt ist.
Drei Servoeinrichtungen dienen zur Steuerung des Fahrzeug in späteren Phasen der Implementierung des RtZF™-Systems. Dazu gehören der Bremskraftverstärker 70, der Lenkungsverstärker 72 und der Gaszugverstärker 74. Zur Steuerung des Fahrzeugs können deterministische Algorithmen oder Algorithmen, die auf Fuzzy-Logik-Systemen, neuronalen Netzen oder (bevorzugterweise) neuronalen Fuzzy-Systemen basieren, verwendet werden.
Als Kontrollorgan für das Inertialsystem kann beispielsweise ein Geschwindigkeitssensor 76 verwendet werden, der auf einem am Rad angebrachten Sensor basiert. Auch andere Systeme werden bevorzugterweise zu diesem Zweck genutzt, beispielsweise das GPS-/DGPS-System und genaue Positionserkennungssysteme.
Die inertielle Navigationseinheit, manchmal auch als inertielle Referenzeinheit oder IRU bezeichnet, umfaßt einen oder mehrere Beschleunigungsmesser 78 sowie einen oder mehrere Gyroskopvorrichtungen 80. In der Regel werden drei Beschleunigungsmesser zur Ermittlung der Beschleunigung in der Breite, in der Länge und in vertikaler Richtung benötigt. Drei Gyroskope sind erforderlich, um den Neigungs-, Roll- und Kippwinkel zu ermitteln.
Das digitale Subsystem 82 umfaßt einen geeigneten Anzeigetreiber und ein Überkopf- oder anderes Anzeigesystem, das die Systeminformationen an den Fahrer weiterleitet. Diese Information sind entweder nicht-kritischer Natur (beispielsweise die Darstellung der Position eines Fahrzeugs auf einer Landkarte) und werden vom Fahrer zur Anzeige ausgewählt, und/oder sie umfassen Warn- und andere Notfallmeldungen, die von den Untersystemen des Fahrzeugs oder von anderen Fahrzeugen bzw. Einrichtungen der Infrastruktur weitergegeben werden. Als Beispiel für den letzteren Meldungstyp sei die Unterspülung einer Straße in Fahrtrichtung genannt.
Im allgemeinen basiert die Anzeige auf der Verwendung von Symbolen, die die Position des Hauptfahrzeugs im Verhältnis zu Hindernissen oder zu anderen Fahrzeugen anzeigen. Manchmal kann anstelle des Bildes eine andere Anzeige eingeblendet angezeigt werden. Das ist insbesondere der Fall, wenn das Objekt nicht identifiziert werden kann.
Eine allgemeine Speichereinheit 84, die einen Nur-Lesen-Speicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) oder eine Kombination beider Systeme umfassen kann, ist dargestellt. Dieses Speichermodul, das entweder konzentriert an einem Ort oder verteilt über das gesamte System angebracht sein kann, liefert die Informationsspeicherressourcen für das System.
In fortgeschrittenen RtZF™-Systemen mit präzisen Positionierungsvorrichtungen liefert das Untersystem 86 die Kapazitäten zum Austauschen von Informationen mit den Positionierungseinrichtungen der Infrastruktur, die auf der Micropower-Impulsradartechnologie, der RFIR- Technologie oder äquivalenten Systemen basieren können.
Bei einigen Standorten, an denen aufgrund ungünstiger Witterung eine Verschlechterung der Straßenverhältnisse droht, können mit der Infrastruktur verbundene Sensoren in die Straße integriert oder am Straßenrand angebracht werden. Das Untersystem 88 ist für den Informationsaustausch mit solchen straßenbasierten Systemen konzipiert. Ein Beispiel für ein solches Untersystem ist ein RFID- Anschluß mit einem Temperatursensor. Diese Vorrichtung kann batteriebetrieben sein oder bezieht (und das ist die bevorzugte Variante) ihre Energie aus der am Fahrzeug angebrachten Abfragevorrichtung bzw. der am Hauptfahrzeug installierten Quelle, wenn das Fahrzeug an der Vorrichtung vorbeifährt. Auf diese Weise kann das Fahrzeug die Temperatur der Straßenoberfläche messen und vorab eine Warnmeldung entgegennehmen, wenn sich die Temperatur Bereichen annähert, in denen beispielsweise ein Vereisen der Straße möglich ist. Darüber hinaus kann ein am Fahrzeug angebrachter Infrarotsensor verwendet werden, um die Temperatur der Fahrbahn und das Vorhandensein von Eis oder Schnee festzustellen.
Zur vollständigen Vermeidung von Unfällen mit Automobilen muß am Fahrzeug ein Diagnosesystem angebracht werden, das bei möglichen Ausfällen von Systemkomponenten eine Warnmeldung ausgibt. Ein solches System wird beispielsweise im US-Patent Nr. 5.809.437 beschrieben.
Bei einigen Implementierungen des RtZF™-Systems sind die Ampelanlagen mit Sendern versehen, die bei "Rot" ein Signal emittieren. Dieses Signal kann dann von jedem Fahrzeug empfangen werden, das sich der Ampel annähert. Voraussetzung: Das Fahrzeug ist mit dem richtigen Sensor ausgestattet, wie als Nummer 92 dargestellt. Alternativ hierzu ist es auch möglich, eine Kamera auf die Ampeln auszurichten, denn diese sind in der kartographischen Datenbank erfaßt, so daß das System zum gegebenen Zeitpunkt aktiviert wird und die Farbe der Ampelanzeige feststellen kann.
Die Verwendung von Atomuhren in Automobilen ist wahrscheinlich zu teuer. Aber auch die Genauigkeit anderer Uhrensysteme konnte in letzter Zeit deutlich verbessert werden, so daß es nun möglich ist, dieses System um eine ausreichend genaue Uhr als Untersystem 94 zu ergänzen. Da die Uhr von jedem GPS-Sender gestellt werden kann, ist der Grad ihrer Ungenauigkeit exakt zu messen, so daß auch dann die genaue Feststellung der Uhrzeit möglich ist, wenn die Uhr selbst nicht genau läuft. In dem Maße, wie das Fahrzeug über eine genaue Funktion zur Zeitmessung verfügt, kann die Anzahl der Satelliten, zu denen Sichtverbindung bestehen muß, von vier auf drei reduziert werden.
Die Stromversorgung des Systems erfolgt über das Untersystem 96. Verschiedene Kontrolleinheiten sind ebenfalls zulässig, wie im Untersystem 98 illustriert.
Der Steuerprozessor bzw. die Zentraleinheit und das Leiterplatten-Untersystem 100, mit dem alle Komponenten 52-98 verbunden sind, führt solche Funktionen aus wie die GPS-Bereichsermittlung, DGPS-Korrekturen, Bildanalysen, Radaranalysen, Laserradar-Abtastkontrolle, die Analyse der empfangenen Informationen, das Generieren von Warnmeldungen, die Kommunikation der kartographischen Daten, die Fahrzeugsteuerung, die Kalibrierung und Kontrolle des Inertial- Navigationssystems, die Anzeigenkontrolle, die genaue Positionsberechnung, Straßenzustandsprognosen und alle anderen Funktionen, die notwendig sind, um ein einwandfreies Funktionieren des Fahrzeugs entsprechend dem Gestaltungsentwurf zu gewährleisten.
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des Außenüberwachungssystems des Hauptfahrzeugs. Die Kameras 60 sind primär für die Beobachtung der unmittelbaren Fahrzeugumgebung vorgesehen. Sie werden zum Erkennen von Objekten verwendet, von denen die meiste Gefahr für das Fahrzeug ausgeht, das heißt, die sich am nächsten zum Fahrzeug befinden. Zu diesen Objekten gehören im toten Winkel befindliche Fahrzeuge und andere Objekte, Objekte und Fahrzeuge, die sich aus beliebiger Richtung annähern und bei denen die Gefahr besteht, daß sie auf das Hauptfahrzeug aufprallen, sowie Objekte vor oder hinter dem Hauptfahrzeug, bei denen die Gefahr besteht, daß das Hauptfahrzeug auf sie aufprallt. Diese Funktionen werden in der Regel als Funktionen zur Überwachung des toten Winkels oder antizipatorische Aufprallsensoren bezeichnet.
Wie oben bereits erörtert wurde, können die Kameras 60 natürlich auftretende sichtbare oder infrarote Strahlungen nutzen oder durch Quellen sichtbaren oder infraroten Lichts, die am Hauptfahrzeug angebracht sind, ergänzt werden. Die Kameras 60 arbeiten bevorzugterweise in einem hohen dynamischen Bereich von über 60 db, bevorzugterweise über 100 db. Beispiele für solche kommerziell vertriebenen Kameras sind jene von der Photobit Corporation in Kalifornien und der IMS Chips Company in Stuttgart hergestellten.
Diese Kameras basieren auf der CMOS-Technologie. Sie zeichnen sich durch die wichtige Eigenschaft aus, daß die Bildpunkte unabhängig adressiert werden können. Folglich kann der Steuerprozessor entscheiden, welche Bildpunkte zu einer bestimmten Zeit gelesen werden sollen. Damit kann sich das System auf bestimmte Objekte konzentrieren und die verfügbare Bandbreite optimal nutzen.
Die Videoprozessor-Schaltkreise 61 können in der Nähe von und in Verbindung mit den Kameras 60 genutzt werden, so daß die Anzahl der an den Steuerprozessor übertragenen Informationen minimiert werden kann. Die Videoprozessor-Schaltkreise 61 können darüber hinaus die Funktion einer Merkmalsdatenextrahierung vornehmen, so daß nicht alle Werte aller Bildpunkte zur Identifikation an das neuronale Netz übertragen werden müssen. Die Merkmalsdatenextrahierung umfaßt solche Aufgaben wie die Bestimmung der Kanten eines Objekts im Beobachtungsbereich sowie insbesondere das Vergleichen und Subtrahieren eines Bereichs von einem anderen, um auf diese Weise unwichtige Hintergrundbilder auszuschließen und eine Konzentration auf jene Objekte zu ermöglichen, die von den Infrarotstrahlen beleuchtet wurden, beispielsweise vom Hauptfahrzeug aus. Durch diese und andere Technologien läßt sich die Menge der an das neuronale Netz zu übertragenden Informationen wesentlich vermindern.
Das neuronale Netz 63 empfängt die Merkmalsdaten, welche von der Videoprozessor- Extraktionseinheit 61 aus den Kamerabildern extrahiert wurden und verwendet diese Daten zur Identifikation des Objekts im Bild. Das neuronale Netz 63 wurde vor seinem Einsatz an einer Bildbibliothek trainiert, die eine Million Bilder umfassen kann. Glücklicherweise sind die von den Fahrzeugen aus zu sehenden Bilder unabhängig vom Fahrzeugtyp im wesentlichen gleich, so daß das neuronale Netz 63 im allgemeinen nicht für jeden Typ eines Hauptfahrzeugs trainiert werden muß.
Obwohl das neuronale Netz 63 oben ausführlich beschrieben wurde und weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird, können auch andere Technologien der Mustererkennung zum Einsatz kommen. Eine solche Technologie basiert auf der Ausnutzung der Fourier-Transformation des Bildes. Dabei werden entweder optische Korrelationstechniken oder ein an den Fourier-Transformationen der Bilder trainiertes neuronales Netz und nicht die Bilder selbst genutzt. In einem Fall wird die optische Korrelation auf rein optischer Grundlage erreicht, wobei die Fourier-Transformation des Bildes durch Brechungstechnologien vorgenommen wird. Das dabei entstehende Bild wird auf eine Anzeige projiziert, beispielsweise eine Granat-Kristallanzeige, während auf dieser Anzeige gleichzeitig eine Bibliothek der Fourier-Transformationen ausgegeben wird. Durch einen Vergleich der Gesamt- Lichtmenge, die die Anzeige passiert, kann sehr schnell eine optische Korrelation ermittelt werden.
Das Laserradarsystem 64 wird in der Regel zusammen mit einer Abtasteinheit 65 verwendet. Die Abtasteinheit 65 besteht typischerweise aus zwei oszillierenden Spiegeln, durch die der Laserstrahl zum Abtasten des zweidimensionalen Winkelfeldes gebracht wird. Alternativ hierzu kann die Abtastvorrichtung als Festkörpereinheit ausgeführt sein, die mit einem Kristall arbeitet, der über einen hohen Brechungsindex verfügt und der von einem Ultraschallvibrator angetrieben wird, wie oben erläutert, bzw. von drehenden Spiegeln. Durch den Ultraschallvibrator werden im Kristall elastische Wellen aufgebaut, die den Laser brechen und seine Richtung verändern.
Der Laserstrahl kann moduliert werden, so daß der Abstand zu dem Objekt, welches das Licht reflektiert, bestimmt werden kann. Das Laserlicht trifft auf ein Objekt auf und wird zum selben Abtastsystem zurück reflektiert, wo es durch eine PIN-Photodiode oder durch einen anderen High- Speed-Photodetektor geleitet wird. Da die Richtung des Laserlichts bekannt ist, ist auch die Winkelausrichtung des reflektierten Objekts bekannt, und da das Laserlicht moduliert wird, kann der Abstand zum reflektierten Punkt festgestellt werden. Durch eine Variierung der Modulationsfrequenz des Laserlichts kann der Abstand mit hoher Präzision ermittelt werden.
Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, die Flugzeit eines kurzen Laserlicht-Bursts zu ermitteln und damit den Abstand des Objekts, das das Licht reflektierte, direkt zu bestimmen. Durch jede der Technologien kann eine dreidimensionale Karte von der Oberfläche des reflektierten Objekts angefertigt werden. Objekte, die sich innerhalb eines bestimmten Abstands zum Hauptfahrzeug befinden, können leicht herausgefiltert werden. Dies kann auf elektronischem Wege durch die sogenannte Streubreitenbegrenzung oder mathematisch auf der Grundlage der Abmessungen des Bereichs erfolgen. Durch diese Technologie ist es problemlos möglich, auf der Grundlage des Abstands vom Hauptfahrzeug das Bild eines bestimmten Einzelobjekts von anderen Objekten zu trennen.
Da das Fahrzeug seine eigene Position genau kennt und insbesondere registriert, auf welcher Fahrspur es fährt, kann auch die Lage eines reflektiven Objekts festgestellt und insbesondere ermittelt werden, ob sich dieses reflektive Objekt in derselben Spur wie das Hauptfahrzeug befindet. Die Bestimmung dieses Sachverhalts ist möglich, da das Hauptfahrzeug auf eine Straßenkarte zugreifen kann und das reflektive Objekt praktisch an jeder Stelle dieser Karte zu plazieren ist, um beispielsweise seine Position auf der Straße festzustellen.
Das Laserradarsystem operiert generell in der Nähe des infraroten Bereichs des elektromagnetischen Spektrums. Die Intensität des Laserstrahls ist relativ hoch, verglichen mit der Strahlung in der Umgebung. Das bedeutet: Selbst bei ungünstigen Sichtverhältnissen, wie sie bei Nebel, Schnee oder starkem Regen herrschen, gestatten die Penetrationskraft des Laserstrahls und seine Reflexion im Vergleich zum menschlichen Auge Beobachtungen über eine größere Entfernung. Gemäß dem Entwurf des RtZF™-Systems ist es zu empfehlen, daß die Geschwindigkeit des Hauptfahrzeugs so beschränkt wird, daß das Fahrzeug nach einem Bremsweg zum Stehen kommt, der maximal der Hälfte der Sichtweite entspricht. Dadurch wird es möglich, daß das Lasersystem gefährliche Objekte, die sich außerhalb der menschlichen Sichtweite befinden, beobachten und erkennen kann und folglich ein adäquates Maß an Sicherheit zu gewährleisten ist.
Das Radarsystem 62 dient in erster Linie als Ergänzung des Laserradarsystems. Es erweist sich insbesondere bei schlechten Sichtverhältnissen und einer beschränkten Penetrationskraft des Laserradars als nützlich. Das Radarsystem kann auch zum Anlegen einer groben kartographischen Übersicht über die in der Umgebung des Fahrzeugs befindlichen Objekte verwendet werden. Radarsysteme in Kraftfahrzeugen werden zumeist zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung eingesetzt, wobei der Radar den Abstand sowie (in einigen Fällen) die Geschwindigkeit des unmittelbar vorausfahrenden Fahrzeugs bestimmt. Die Steuerung des Radarsystems 62 erfolgt über den Steuerprozessor 100.
Das Anzeigesystem 82 wurde bereits erörtert. Es kann entweder als Überkopfanzeige oder in einer anderen geeigneten Form ausgeführt sein.
Der Steuerprozessor 100 kann an einem speziellen Fahrzeugbus oder einer allgemeinen Buskonstruktion 110 angebracht sein, so daß der Informationsaustausch zwischen dem Steuerprozessor und anderen Fahrzeugsystemen gewährleistet ist.
Fig. 7 zeigt die Implementierung der Erfindung, bei der ein Fahrzeug 18 auf einer Straße in einem festgelegten Korridor in der Fahrtrichtung X fährt. Jeder Korridor ist durch Linien 14 begrenzt. Wenn das Fahrzeug in einem Korridor fährt und in Richtung Y ausbricht, so daß es sich entlang einer Linie 22 bewegt (beispielsweise, weil der Fahrer eingeschlafen ist), aktiviert das an Bord des Fahrzeugs befindliche System gemäß der Erfindung eine Warnung. Um es genauer auszudrücken: Das System erkennt fortlaufend die Position des Fahrzeugs, beispielsweise durch das GPS-, DGPS- und PPS-System. Außerdem ist im System der Verlauf der Linien 14, die den Korridor definieren, gespeichert. Wenn ein Prozessor erkennt, daß das Fahrzeug eine der Linien 14 quert, kann das System (je nach Konfiguration) einen Alarm ausgeben, um den Fahrer vor der Abweichung zu warnen oder gegebenenfalls sogar die Lenkung des Fahrzeugs korrigieren, um dasselbe wieder in den durch die Linien 14 definierten Korridor zurückzubringen.
Fig. 8 zeigt die Implementierung der Erfindung, bei der zwei Fahrzeuge 18 und 26 auf einer Straße jeweils in einem von den Linien 14 definierten Korridor fahren und jedes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System ausgestattet ist. Das System im Fahrzeug 18 bzw. 26 empfängt Daten, die es über die Position des jeweils anderen Fahrzeugs informieren. Dadurch werden Unfälle vermieden, die beispielsweise darauf zurückzuführen sein können, daß das Fahrzeug 18 sich in Pfeilrichtung 20 bewegt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine direkte drahtlose Breitbandkommunikation oder eine andere Verbindung (beispielsweise über das Internet oder durch eine Basisstation) aufgebaut werden, wobei jedes Fahrzeug den bestmöglichen Schätzwert seiner absoluten Position sowie eine Schätzung des Genauigkeitsgrades dieser Bestimmung überträgt. Hat eines der Fahrzeuge beispielsweise kurz vorher die Station eines präzisen Positionserkennungssystems passiert, kennt es seine Position mit einer Genauigkeit von 2 cm. Darüber hinaus versendet jedes Fahrzeug die zuletzt von ihm empfangenen Satellitennachrichten. Dadurch wird es möglich, daß jedes Fahrzeug präzise seine Position im Verhältnis zu dem jeweils anderen Fahrzeug bestimmen kann, denn das Fehlerniveau in den Signalen ist bei beiden Fahrzeugen dasselbe. In dem Maße, wie die Fahrzeuge sich in der Nähe zueinander befinden, kann auch der Trägerphasenfehler bestimmt werden, so daß jedes Fahrzeug die Position gegenüber dem jeweils anderen mit einer Genauigkeit von unter 2 cm kennt. Wenn das System bei immer mehr Fahrzeugen installiert ist und zwischen diesen Fahrzeugen der Informationsaustausch stattfindet, kann jedes Fahrzeug mit einer immer größeren Genauigkeit seine absolute Position bestimmen. Das gilt insbesondere dann, wenn einem der Fahrzeuge die eigene Position mit hoher Exaktheit bekannt ist (das ist beispielsweise kurz nach dem Passieren einer PPS-Station der Fall), denn dann kennen alle anderen Fahrzeuge ihre eigene Position mit annähernd derselben Genauigkeit. Dieser Genauigkeitsgrad kann bei jedem Fahrzeug beibehalten werden, solange seine Sichtverbindung zu den Satelliten nicht unterbrochen ist. Kommt es hingegen zu einer zeitweiligen Unterbrechung dieser Verbindung, füllt das INS-System die entstandene Lücke aus und je nach der Präzision des Systems bleibt die Genauigkeit von rund 2 cm aufrechterhalten. Das gilt selbst dann, wenn die Satellitenverbindung für bis zu etwa fünf Minuten unterbrochen bleibt.
Eine fünfminütige Unterbrechung der Satellitenverbindung ist in Gegenden, in denen die Signale durch Gebäude oder den geologischen Charakter des Geländes gestört werden, nicht zu erwarten. Bei Gebäuden kann dieses Problem durch das Anbringen von PPS-Stationen überwunden werden. Gleiches gilt für geologische Hindernisse mit Ausnahme abgelegener Gebiete, in denen eine extrem hohe Genauigkeit der Positionsbestimmung wahrscheinlich nicht erforderlich ist. Bei Tunneln sind die Kosten für zusätzliche PPS-Stationen im Vergleich zu den Kosten für die Errichtung und Unterhaltung des Tunnels sehr gering.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines neuronalen Netzwerks eines Typs, wie er nützlich für die Bildanalyse ist. Die bestimmte Merkmale repräsentierenden Daten aus den von den CMOS-Kameras 60 aufgenommenen Bildern werden an den Schaltkreis 63 des neuronalen Netzes weitergeleitet, und dieser Schaltkreis wird anhand dieser Daten trainiert. Um es genauer zu beschreiben: Der Schaltkreis 63 des neuronalen Netzes ermittelt die Korrelationsfunktion dadurch, daß er die an den einzelnen Datenpunkten von den CMOS-Kameras 60 ermittelten Merkmalsdaten mit einem entsprechenden Wichtungskoeffizienten entsprechend dem üblichen Verfahren im neuronalen Netz multipliziert.
In dieser Ausführungsform sind 141 Datenpunkte mit 25 Verknüpfungspunkten der Ebene 1 verbunden. Die Beziehung zwischen den einzelnen Datenpunkten wird durch ein entsprechendes Training des neuronalen Netzes und den Prozeß der Ermittlung des Wichtungskoeffizienten bestimmt. Bei einigen Implementierungen ist jedem der Verbindungspunkte der Ebene 1 ein entsprechender Schwellenwert zugeordnet. Überschreitet die Summe der gemessenen Daten diesen Schwellenwert, geben alle Verknüpfungspunkte der Ebene 1 ein Signal an die Verknüpfungspunkte der Ebene 2 aus. In anderen Fällen erfolgt die Ausgabe eines Wertes oder Signals an die Ebene 2 immer ohne einen Schwellenwert.
Die Ebene 2 umfaßt insgesamt 20 Verknüpfungspunkte, die mit den 25 Verknüpfungspunkten der Ebene 1 verbunden sind. Wiederum wird durch einen Trainingsprozeß und den Wichtungsvorgang eine gegenseitige Korrelation zwischen den Datenwerten hergestellt, wie weiter oben und in den oben genannten Ausführungen zum neuronalen Netz beschrieben wird. Jedem der 20 Verknüpfungspunkte der Ebene 2 kann wiederum ein Schwellenwert zugeordnet sein (sofern mit Schwellenwerten gearbeitet wird). Auch hier gilt: Überschreitet die Summe der gemessenen Daten diesen Schwellenwert, geben alle Verknüpfungspunkte der Ebene 2 ein Signal an die Verknüpfungspunkte der Ebene 3 aus.
Die Ebene 3 umfaßt in diesem Beispiel drei Verknüpfungspunkte, und die Verknüpfungspunkte der Ebene 2 werden über jene der Ebene 3 miteinander verbunden, so daß zwischen allen Daten eine gegenseitige Korrelation besteht, wie weiter oben beschrieben.
Der Wert der einzelnen Verknüpfungspunkte wird durch Multiplikation der Wichtungskoeffizienten und Summierung der Ergebnisse nacheinander ermittelt. Der oben erwähnte Trainingsprozeß besteht also darin, einen Wichtungskoeffizienten Wj so zu bestimmen, daß der Wert (ai) einem vorher festgelegten Ausgangswert entspricht.
ai = Σ Wj.Xj (j = 1 bis N) + W₀,
wobei Wj der Wichtungskoeffizient,
Xj die Daten,
N die Anzahl der Muster und
W₀ die jedem einzelnen Knoten zuzuordnende Biaswichtung sind.
Auf der Grundlage der Ergebnisse des Trainingsprozesses generiert der Schaltkreis des neuronalen Netzes 63 die Wichtungen und Biaswichtungen für die Koeffizienten der Korrelationsfunktion oder des Algorithmus.
Nachdem das neuronale Netz 63 anhand einer geeigneten Anzahl von Mustern der Trainingsdaten trainiert wurde, wird das Trainingsergebnis anhand der Testdaten gemessen. Ist die Anzahl der richtigen Antworten, welche von der Objektidentifikationseinheit auf der Grundlage dieser Testdaten gegeben werden, unbefriedigend, wird der Schaltkreis des neuronalen Netzes 63 weiter trainiert, und der Test wird wiederholt. Zum Trainieren des neuronalen Netzes 63 werden in der Regel rund 200 000 Merkmalsmuster verarbeitet und sämtliche Wichtungen bestimmt. Eine ähnliche Anzahl wird danach zur Überprüfung des entwickelten Netzwerkes genutzt. In diesem einfachen Beispiel sind nur drei Ergebnisausgaben dargestellt. Sie können beispielsweise einen Pkw, einen Lkw und einen Leitpfosten oder Baum repräsentieren. Für einen Detektor zur rechtzeitigen Erkennung der Gegebenheiten in einem toten Winkel kann das ausreichend sein. Die Anzahl der Ergebnisausgaben hängt von der gewünschten Anzahl der Objektklassen ab. Zu viele Ausgaben können jedoch zu einer übermäßig komplexen Gestaltung des neuronalen Netzes führen. In solchen Situationen können andere Technologien, beispielsweise modulare neuronale Netze, den Prozeß vereinfachen. Dazu ein Beispiel: Betrachtet eine Person einen Baum, stellt sie sich unter Umständen zwar die Frage "Welche Baumart ist das?", niemals aber "Welche Art eines Tigers ist das?". Der Grund: Der menschliche Verstand arbeitet mit modularen neuronalen Netzen, in denen das zu erkennende Objekt zunächst einer allgemeinen Kategorie zugeordnet wird, ehe eine immer engere Unterkategorisierung erfolgt. Bei der Objekterkennung durch neuronale Netze kommt dieses Prinzip häufig zur Anwendung und trägt zu erheblichen Vereinfachungen bei.
In dem oben genannten Beispiel wurde das Bild zunächst einer Merkmalsdatenextrahierung unterzogen, ehe die Merkmalsdaten in das neuronale Netz eingegeben wurden. In einigen Fällen, insbesondere, wenn die Verarbeitung fortgesetzt wird, wird das gesamte Bild zur weiteren Verarbeitung an das neuronale Netz übertragen. Dazu wird im allgemeinen ein größeres neuronales Netz benötigt. Bei alternativen Verfahren werden Daten genutzt, die den Unterschied zwischen zwei Rahmen und den Eingabedaten an das neuronale Netz repräsentieren. Das ist insbesondere nützlich, wenn der Gegenstand des Interesses beweglich ist und sich in einem Bild befindet, das eine unbewegliche Szenerie enthält, die nicht Gegenstand eines Interesses ist. Diese Technologie kann auch dann genutzt werden, wenn sich die gesamte Szenerie bewegt: Dann wird die relative Geschwindigkeit als Filter zum Entfernen unerwünschter Bildpunktdaten genutzt. Natürlich sind auch Abweichungen von dieser Beschreibung denkbar und werden aus dem oben Erläuterten Fachleuten auf diesem Gebiet offensichtlich. Alternativ hierzu kann das Bild auch auf der Grundlage der Festlegung eines Bereichs ausgefiltert werden, wodurch die Anzahl der zu analysierenden Bildpunkte ebenfalls deutlich reduziert werden kann.
In einer anderen Implementierung erfolgt eine Differenzierung der Szenen auf der Grundlage der Beleuchtung. Wird beispielsweise mit Infrarotlicht gearbeitet, kann während der Aufnahmen die Beleuchtung ein- und ausgeschaltet werden, und danach werden die aufgenommenen Bilder differenziert. Dient die Beleuchtung lediglich zur Beleuchtung eines Gegenstands des Interesses, kann das betreffende Objekt durch die Anwendung dieser Technologie aus dem Hintergrund extrahiert werden. Ein besonders nützliches Verfahren besteht darin, zum Wechsel der Abtastlinien in einem Bild die Beleuchtung ein- und auszuschalten. Danach ist es möglich, aneinander angrenzende Linien zu differenzieren und das entstehende Bild zur Identifikation an das neuronale Netz zu senden.
Das neuronale Netz kann als ein Algorithmus auf einem Mehrzweck-Mikroprozessor oder einer speziellen DSP-Einheit mit Parallelverarbeitung, der ASIC-Schaltung eines neuronalen Netzes oder einem speziellen Mehrprogrammprozessor implementiert sein. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist beim Einsatz von Mehrprogrammprozessoren wesentlich höher. Dadurch wird es auch möglich, das gesamte Bild und nicht nur einige Merkmalsdaten zur Analyse einzugeben. Natürlich ist auch eine Kombination aus Merkmals- und Bildpunktdaten zu verwenden.
Neuronale Netze verfügen über bestimmte bekannte Defekte, deren Beseitigung schon von vielen Wissenschaftler versucht wurde. Wenn beispielsweise Daten, die ein bestimmtes Objekt repräsentieren, übertragen werden und sich diese Daten grundlegend von jenen Objekten unterscheiden, mit denen das neuronale Netz trainiert wurde, kann es zur Ausgabe eines unerwarteten Ergebnisses kommen, was in bestimmten Fällen zu einem Systemausfall führt. Um dieses und andere, mit neuronalen Netzen verbundene Probleme zu lösen, sind Wissenschaftler den Ausweg gegangen, das System um bestimmte andere Formen der Computerintelligenz zu erweitern, beispielsweise eine Fuzzy-Logik, die zum Aufbau eines neuronalen Fuzzy-Systems führt. Mit der weiteren Entwicklung des RtZF™-Systems werden solche Verfeinerungen zur Erhöhung der Systemgenauigkeit ebenfalls implementiert. Daraus folgt: Zwar werden zur Zeit zur Lösung des Problems reine neuronale Netze genutzt, es steht jedoch außer Zweifel, daß sich hybride neuronale Netze, beispielsweise modulare, Ensemble- und Fuzzy-Netze, entwickeln werden.
Ein typisches, Fachleuten auf diesem Gebiet bekanntes Verarbeitungselement für ein neuronales Netz ist in Fig. 10 dargestellt, wobei die Eingangsvektoren (X1, X2, . . ., Xn) über Wichtungselemente 120 (W1, W2, . . ., Wn) zu einem Summenknoten 130 verknüpft werden. Die Ergebnisausgabe des Knotens 130 wird durch ein nichtlineares Verarbeitungselement 140 geleitet (in der Regel eine Sigmoidfunktion), und generiert ein Ausgabesignal Y. Die Versatz- oder Biaseingaben 125 können über einen Wichtungskreis 128 zu den Eingaben hinzugefügt werden. Das vom Summierungsknoten 130 abgegebene Ausgabesignal wird durch das nichtlineare Element 140 geleitet, wodurch der Betrag der Ergebnisausgabe Y komprimiert bzw. begrenzt wird.
Neuronale Netze, die in Unfallverhütungssystemen wie dem erfindungsgemäßen verwendet werden, sind so trainiert, daß sie Gefahren im Straßenverkehr, beispielsweise Personen- und Lastkraftwagen sowie Fußgänger, erkennen. Die entsprechenden Wichtungen werden automatisch aufgrund der Fehlersignalmessungen korrigiert, bis die gewünschten Ausgabewerte generiert sind. Dabei können verschiedene Lernalgorithmen angewandt werden. Der Rückpropagierungsalgorithmus erwies sich zusammen mit der Delta-Bar-Regel als besonders erfolgreiches Verfahren.
Fig. 11 illustriert die Implementierung der Erfindung unter Einsatz eines präzisen Positionierungssystems (PPS) 151, 152, 153, bei dem ein Fahrzeugpaar 18, 26 entlang einer Straße fährt, und zwar jedes in einem festgelegten, durch die Linien 14 angegebenen Korridor. Darüber hinaus ist jedes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System sowie insbesondere PPS-Empfängern ausgestattet. Nachfolgend sollen zwei Versionen des PPS-Systems beschrieben werden. Diese Erfindung ist nicht auf diese beiden Beispiele beschränkt, doch beide Beispiele dienen zur Illustration der zugrundeliegenden Prinzipien. Das Fahrzeug 18 verfügt über zwei Empfänger 160, 161, die Bestandteil der erfindungsgemäßen Implementierung des Micropower-Impulsradarsystems (MIR) sind. Die MIR-Sender sind an den Punkten 151, 152 bzw. 153 angebracht. Sie sind miteinander über ein Steuerkabel (nicht abgebildet) verbunden (möglicherweise besteht zwischen ihnen auch eine drahtlose Verbindung), so daß jede Vorrichtung in einem präzisen Takt relativ zu den jeweils anderen einen kurzen Radarimpuls überträgt. Diese Impulse können gleichzeitig oder mit einer genau bekannten Verzögerung versandt werden. Der Steuerelektronik des Fahrzeugs 18 sind die Existenz und die Lage der drei MIR-Sender aus der kartographischen Datenbank bekannt. Die Sender 151, 152 und 153 können einen codierten oder einen uncodierten Impuls übertragen. Im Falle eines codierten Impulses kann das PPS-System des Fahrzeugs überprüfen, ob es sich bei den drei Sendern tatsächlich um jene handelt, die aus der kartographischen Datenbank angegeben sind. Da das Fahrzeug mit angemessener Genauigkeit den Ort der Sender kennt und es unwahrscheinlich ist, daß sie sich in unmittelbarer Nachbarschaft oder Nähe zueinander befinden, wird der codierte Impuls nicht unbedingt benötigt. Am Fahrzeug 18 sind zwei Empfänger 160 und 161 dargestellt. Für die Implementierung des MIR-Systems wird nur ein einzelner Empfänger benötigt, denn die Bestimmung der Position des Fahrzeugs erfolgt eindeutig anhand dem Zeitpunkt des Eintreffens der drei MIR-Impulse. Ein zweiter Empfänger kann als Redundanz genutzt werden und es darüber hinaus ermöglichen, daß das Fahrzeug die Winkelposition der MIR-Sender als eine weitere Überprüfung der Systemgenauigkeit bestimmt. Dies kann erfolgen, da der relative Zeitpunkt des Eintreffens eines Impulses von einem der Sender 151, 152, 153 zur Bestimmung des Abstand zu jedem der Sender sowie (durch geometrische Verfahren) zur Bestimmung der Winkelposition relativ zum Fahrzeug 18 verwendet werden kann. Wenn die Impulse codiert sind, läßt sich auch die Ausrichtung der MIR-Einheiten 151, 152, 153 bestimmen.
Voraussetzung für den Betrieb der Micropower-Impulseinheiten ist eine Batterie oder eine andere Stromquelle. Da die Einheiten miteinander verdrahtet werden können, um die Taktung der drei Impulse positiv steuern zu können, reicht eine einzelne Batterie zur Stromversorgung aller drei Einheiten aus. Diese Batterie kann darüber hinaus mit einem Sonnenkollektor verbunden werden, so daß ein wartungsfreier Systembetrieb gewährleistet ist. Da die MIR-Einheiten nur eine sehr geringe Leistungsaufnahme haben, können sie über viele Jahre hinweg mit einer einzigen Batterie betrieben werden.
Obwohl die MIR-Systeme relativ preiswert sind (Preis pro Stück etwa 10 Dollar), sind die Installationskosten im Vergleich zu der nachfolgend diskutierten RFID-Lösung wesentlich höher. Darüber hinaus ist das MIR-System wesentlich komplexer als das RFID-System; seine Genauigkeit kann jedoch durch jedes Fahrzeug, das es nutzt, überprüft werden. Noch ausgereifter und komplexer kann das System werden, wenn es mit einem GPS-Empfänger verbunden wird und die exakten Uhren der GPS-Satelliten als Maßstab für das Versenden der Radarimpulse genutzt werden. Dadurch können an den vorbeifahrenden Fahrzeugen die Uhren so gestellt werden, daß sie mit den GPS-Uhren synchron sind. Da das MIR-System den exakten Ort der GPS-Satelliten kennt, können alle Fehler in den GPS-Signalen automatisch korrigiert werden. In diesem Fall wird aus dem MIR-System eine differentielle GPS-Basisstation. Bei den meisten Implementierungen ist diese zusätzliche Komplexität nicht erforderlich, da das Fahrzeug selbst die GPS-Signale empfängt und den eigenen Aufenthaltsort auch präzise von der Sendertriade 151, 152, 153 übermittelt bekommt.
Eine im Vergleich zum MIR-System wesentlich einfachere Alternative stellen reflektive RFID-Anschlüsse dar. Diese Anschlüsse reflektieren bei der Abfrage durch einen Abfrage-Empfänger 160, 161 ein modifiziertes RF-Signal, wobei die Modifizierung als Abschlußkennung dient. Solche Anschlüsse werden in vielen Patenten zur RFID-Technologie beschrieben. Die Kosten für ihre Herstellung liegen bei weniger als einem Dollar pro Stück. Die Implementierung des RFID-Systems erfordert ein exaktes Plazieren dieser Anschlüsse an bekannten Objekten der Infrastruktur. Diese Objekte können bestimmte Punkte auf der Autobahn, Pfosten, Zeichen, Gebäudewände, Masten oder Strukturen sein, die speziell zu diesem Zweck errichtet wurden. Grundsätzlich kann jede starre und in ihrer Position voraussichtlich unveränderliche Struktur zur Anbringung von RFID-Anschlüssen genutzt werden. In Manhattan bilden die Gebäudewände, Straßenlaternen, Ampeln und andere vorhandene Strukturen ideale Orte zum Anbringen solcher Anschlüsse. Ein Fahrzeug 18, das sich an eine durch die Kästen 151, 152, 153 repräsentierte Triade solcher RFID-Anschlüsse annähert, überträgt einen Abfrageimpuls von den Abfrageeinheiten 160 oder 161. Dieser Impuls wird von jedem Anschluß innerhalb des Bereichs reflektiert, und das reflektierte Signal wird von derselben Abfragevorrichtung bzw. denselben Abfragevorrichtungen 160, 161 oder anderen Vorrichtungen am Fahrzeug empfangen. Wieder reicht eine einzelne Abfragevorrichtung aus.
Ein elektronischer Schaltkreis (nicht abgebildet), der mit der Abfragevorrichtung 160 oder 161 verbunden ist, bestimmt die exakte Entfernung zwischen Fahrzeug und RFID-Anschluß 151, 152 bzw. 153 auf der Grundlage der Übertragungszeit der Signale. Wiederum könnte eine zweite Abfragevorrichtung 161 verwendet werden, bei der es sich lediglich um einen Empfänger handeln könnte und die Redundanzdaten an die Haupt-Abfragevorrichtung 160 überträgt sowie eine zweite Messung des Abstands zu den einzelnen RFID-Anschlüssen vornimmt. Auf der Grundlage des Versatzes der zwei Empfänger 160, 161 kann die relative Winkelposition zwischen den einzelnen RFID-Anschlüssen und dem Fahrzeuginneren durch weitere redundante Daten, beispielsweise zur Position des Fahrzeugs relativ zu den Anschlüssen, bestimmt werden.
Unter Verwendung des PPS-Systems kann ein Fahrzeug mit einer Genauigkeit von 2 cm oder darunter seine relative Position zu den MIR- oder RFID-Anschlüssen bestimmen. Da die exakte Lage dieser Vorrichtungen in der kartographischen Datenbank erfaßt ist, kann das Fahrzeug genau seine Position auf der Erdoberfläche feststellen. Mit diesen Informationen kann das Fahrzeug danach seine Trägerwellenphase zur Aufrechterhaltung einer exakten Kenntnis über den aktuellen Aufenthaltsort nutzen, bis die Verbindung zu den Satelliten verlorengeht. Auf ähnliche Art und Weise ist eine Übertragung dieser Informationen vom Fahrzeug 18 zum Fahrzeug 26 möglich. Das bedeutet: Auch ein Fahrzeug, welches die PPS-Triade noch nicht passierte, kann die Genauigkeit der Kenntnis der eigenen Position deutlich verbessern.
Jedes Fahrzeug wird kurz nach dem Passieren einer PPS-Triade für die Dauer des Fortbestehens der Satellitenverbindung selbst zu einer differentiellen GPS-Station. Da zwischen den Fahrzeugen eine Kommunikation stattfindet, können alle in der Nähe befindlichen Fahrzeuge ebenfalls die Genauigkeit der Kenntnis der eigenen Position wesentlich verbessern. Das Ergebnis: Ein extrem redundantes und folglich hochzuverlässiges System, das den Anforderungen eines "Road to Zero Fatalities™"-Systems entspricht. Es wird erwartet, daß die USA und weitere Staaten nach der Inbetriebnahme dieses Systems weitere GPS-Satelliten oder andere Satelliten starten werden. Dadurch kommt es zu einer weiteren Stärkung des Systems sowie zur Hinzufügung einer weiteren Redundanz, was schließlich zur Entwicklung eines hochintegrierten Verbundsystems führt, dessen Zuverlässigkeit sich einem Wert von 100 Prozent annähert und das (wie auch das Internet) nicht stillgelegt werden kann.
Mit der Entwicklung des Systems werden die Probleme aufgrund von Straßenschluchten, Tunneln und anderen Objekten, die die Sichtverbindung zu den Satelliten behindern, durch die Installation einer Vielzahl von MIR-Systemen, RFID-Anschlüssen und anderen Einrichtungen gelöst, die ähnliche Positionsdaten übertragen.
Obwohl das System anhand der Nutzung durch Pkws beschrieben wurde, kann es selbstverständlich in allen Fahrzeugen, einschließlich Lastkraftwagen, Zügen und selbst Flugzeugen zur Bestimmung ihrer Position auf der Start- bzw. Landebahn verwendet werden. Nützlich wäre darüber hinaus eine kombinierte Anwendung mit Mobiltelefonen und anderen technischen Geräten, die von Menschen getragen werden. Die Kombination aus PPS-System und Mobiltelefon gestattet es, den Aufenthaltsort des Mobiltelefonträgers mit Zentimetergenauigkeit zu bestimmen, was beispielsweise bei Aufgabe eines Notrufs über das betreffende Mobiltelefon von großer Bedeutung ist. Die Anbringung der entsprechenden RFID-Anschlüsse ist ohne größeren Aufwand möglich, beispielsweise an der Innen- und Außenseite von Gebäuden.
Die Reichweite der RFID-Anschlüsse ist unter Anwendung der aktuell verfügbaren Technologien auf etwa 10 Meter begrenzt. Objekte, die eine einwandfreie Sichtverbindung zwischen dem RFID-Anschluß und dem Abfragenden behindern, führen zu einer Verkürzung dieser Distanz. Bei einigen Anwendungen, bei denen eine Nutzung längerer Distanzen wünschenswert ist, kann die Leistung der RFID-Anschlüsse durch Batterien verstärkt werden. In diesem Fall sendet der Abfragende an den Anschluß einen Impuls, mit dem der Anschluß aktiviert wird, und exakt zu einem voreingestellten späteren Zeitpunkt danach überträgt der Anschluß eine Identifikationsnachricht. In manchen Fällen kann auch der Abfragende selbst die Energie zur Aktivierung des RFID-Regelkreises anlegen. Dann würde der Anschluß wieder im Transpondermodus (im Gegensatz zum Reflexionsmodus) arbeiten.
Aufgrund der obenstehenden Erläuterung werden Fachleute auf diesem Gebiet auch an andere Vorrichtungen denken, die von einem Fahrzeug, das eine Straße entlangfährt, abgefragt werden können. Beispiele für solche Vorrichtungen sind Radarreflektoren, Spiegel, weitere Arten von Transpondern und weitere Arten energetischer Reflektoren. Alle diese Vorrichtungen werden mit dieser Erfindung in Betracht gezogen; die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt.
Jede Kommunikationsvorrichtung kann mit einer Abfrageeinheit gekoppelt werden, bei der ein MIR- oder RFID-PPS-System entsprechend der obigen Beschreibung zum Einsatz kommt. Derzeit werden verschiedene Geräte entwickelt, die auf dem Bluetooth-Kommunikationsprotokoll basieren. Alle diese Bluetooth-fähigen Geräte können zusätzlich mit einem PPS-System ausgestattet werden, das eine positive Bestimmung der Position des Bluetooth-Geräts gestattet. Diese Aktivierungstechnologie macht es möglich, daß eine Basisstation mit einem Bluetooth-Gerät kommuniziert, dessen Position unbekannt ist und das nach dem Ansprechen seine genauen Positionsdaten zurück zur Erde senden kann. Solange sich das Bluetooth-Gerät innerhalb des Bereichs der Basisstation befindet, kann seine Position exakt bestimmt werden. Das bedeutet: Der aktuelle Aufenthaltsort eines jeden mobilen Gegenstands in einer Fabrik, von Luftfrachtgut, das zur Verladung bestimmt ist, von Laptops, Mobiltelefonen, PDAs und sogar Brillen oder Autoschlüsseln kann exakt bestimmt werden, wenn an ihnen ein Bluetooth-Gerät angebracht ist. Diese Erfindung ist jedoch nicht auf Bluetooth-Geräte beschränkt, sondern schließt alle Geräte ein, die mit anderen Geräten kommunizieren können.
Aus der Möglichkeit der Bestimmung der Position eines Objekts ergeben sich viele weitere Möglichkeiten. Dazu gehört das Auffinden des betreffenden Geräts, die Möglichkeit der Übermittlung von Informationen an das Gerät und damit seinen Besitzer, beispielsweise über das nächstgelegene Restaurant, oder das Veranstalten von Führungen sowie die Übermittlung von anderen Hinweisen an Touristen.
Fig. 12a ist eine Fließdarstellung eines Verfahrens entsprechend der Erfindung. Die absolute Position des Fahrzeugs am Punkt 130 wird beispielsweise durch ein GPS-, DGPS- oder PPS-System bestimmt und im Punkt 134 mit den Straßenrändern verglichen, deren Lage aus einem Speicher 132 abgerufen wird. Auf der Grundlage des Vergleichs im Punkt 134 wird im Schritt 136 ermittelt, ob sich die absolute Position des Fahrzeugs einer Randlinie annähert oder ob das Fahrzeug sie quert. Falls nicht, wird erneut die Position des Fahrzeugs ermittelt, beispielsweise zu einem voreingestellten späteren Zeitpunkt, und der Prozeß wird fortgesetzt. Wird eine solche Annäherung oder ein Queren festgestellt, wird ein Alarm- oder Warnsystem aktiviert, oder das System übernimmt die Kontrolle über das Fahrzeug (Schritt 140), um es an den Straßenrand oder einen anderen sicheren Ort zu navigieren.
Fig. 12b ist eine der Fig. 12a ähnelnde weitere Fließdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wiederum wird im Schritt 130 die absolute Position des Fahrzeugs bestimmt (beispielsweise unter Verwendung eines GPS-, DGPS- oder PPS-Systems) und im Schritt 142 mit dem Verlauf der Begrenzungslinie (oder einer möglichen anderen Linie, die den Fahrbahnrand kennzeichnet) verglichen. Diese Daten werden aus der Speichereinheit 132 abgerufen. Auf der Grundlage des Vergleichs im Schritt 144 wird festgestellt, ob sich die absolute Position des Fahrzeugs einer Randlinie annähert oder ob das Fahrzeug sie quert. Falls nicht, wird erneut die Position des Fahrzeugs ermittelt, beispielsweise zu einem voreingestellten späteren Zeitpunkt, und der Prozeß wird fortgesetzt. Wird eine solche Annäherung oder ein Queren festgestellt, wird ein Alarmton ausgegeben, oder das System übernimmt die Kontrolle über das Fahrzeug (Schritt 146) bzw. dessen Lenkung, um es an den Straßenrand oder einen anderen sicheren Ort zu navigieren.
Fig. 12c ist eine weitere der Fig. 12a ähnelnde weitere Fließdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wiederum wird im Schritt 130 die absolute Position des Fahrzeugs bestimmt (beispielsweise unter Verwendung eines GPS-, DGPS- oder PPS-Systems) und im Schritt 150 mit der Position einer Ampel verglichen. Diese Daten werden aus der Speichereinheit 132 abgerufen. Auf der Grundlage des Vergleichs im Schritt 150 wird festgestellt, ob sich die absolute Position des Fahrzeugs der Ampel annähert. Falls nicht, wird erneut die Position des Fahrzeugs ermittelt, beispielsweise zu einem voreingestellten späteren Zeitpunkt, und der Prozeß wird fortgesetzt. Wird eine Annäherung an eine Ampel festgestellt, ermittelt der Sensor, ob sie auf "Rot" geschaltet ist (beispielsweise unter Zuhilfenahme einer Kamera). Ist die Ampel auf "Rot" geschaltet, wird ein Alarmton ausgegeben, oder das System übernimmt die Kontrolle über das Fahrzeug (Schritt 154) bzw. dessen Bremsung, um es an den Straßenrand oder einen anderen sicheren Ort zu navigieren. Auf der Grundlage dieser Ausführungen können Fachleute auf diesem Gebiet ein ähnliches Flowchart entwickeln, in denen auf andere Situationen (beispielsweise Stoppzeichen, die Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit, die Verhütung von Kollisionen usw.) Bezug genommen wird.
Fig. 13 zeigt eine Kreuzung zwischen einer Hauptstraße 170 und einer Nebenstraße 172. Der Benutzer der Straße 170 hat das Vorfahrtsrecht. Zur Steuerung des Verkehrs auf der Nebenstraße 172 wurde dort ein Stoppzeichen angebracht. Die Fahrzeuge 18 und 26 fahren entlang der Straße 172, und das Fahrzeug 25 fährt entlang der Straße 170. In solchen Situationen kommt es sehr häufig zu einem Unfall, wenn der Fahrer des Fahrzeugs 18 das Stoppzeichen 174 übersieht, auf die Kreuzung fährt und dabei seitlich in das Fahrzeug 25 fährt bzw. dieses Fahrzeug seitlich streift.
Bei Anwendung der Erkenntnisse gemäß dieser Erfindung ist dem Fahrzeug 18 die Existenz dieses Stoppzeichens bekannt. Versucht der Fahrer, die Kreuzung zu überfahren, ohne das Fahrzeug anzuhalten, gibt das System einen Warnton aus. Bleibt diese Warnung unbeachtet, bringt das System das Fahrzeug 18 automatisch zum Stehen und verhindert, daß es den Kreuzungsbereich befahren kann.
Zu einer weiteren, häufigen Unfallsituation kommt es, wenn das Fahrzeug 18 zwar anhält, dann aber weiterfährt, ohne das Fahrzeug 25 zu beachten und auf diese Weise einen Unfall verursacht. Da in einem vollentwickelten RtZF™-System das Fahrzeug 18 aufgrund der Kommunikation zwischen den Fahrzeugen Kenntnis von der Existenz und Position des Fahrzeugs 25 hat und seine Geschwindigkeit berechnen kann, kann das System erneut die Kontrolle über das Fahrzeug 18 übernehmen, wenn die Warnung unbeachtet bleibt. Dadurch wird erneut verhindert, daß das Fahrzeug 18 die Kreuzung befahren und einen Unfall verursachen kann.
Falls das Fahrzeug 25 nicht mit dem RtZF™-System ausgestattet ist, erkennt das Fahrzeug 18 dennoch über das Laserradar-, Radar- oder Kamerasystem die Präsenz des Fahrzeugs 25. Wiederum werden nach Erkennen der Position und Geschwindigkeit des Fahrzeugs 25 im Fahrzeug 18 die entsprechenden Maßnahmen unternommen, um einen Unfall zu verhindern.
In einem anderen Szenario hält das Fahrzeug 18 an dem Stoppzeichen ordnungsgemäß an, jedoch setzt das Fahrzeug 26 seine Fahrt ohne Beachtung des stehenden Fahrzeugs 18 fort. Das Laserradar-, Radar- und Kamerasystem werden daraufhin aktiviert, um den Fahrer des Fahrzeugs 26 zu warnen. Bleibt diese Warnung unbeachtet, hält das im Fahrzeug 26 installierte System das Fahrzeug automatisch an, bevor es auf das Fahrzeug 18 auffahren kann. Daraus folgt: In den oben beschriebenen Szenarios verhindern das "Road to Zero Fatalities™"-System und das erfindungsgemäße Verfahren das Entstehen häufiger Unfälle an Kreuzungen.
Fig. 14 zeigt eine Kreuzung, an der der Verkehr durch Ampeln 180 geregelt wird. Reagiert das Fahrzeug 18 nicht rechtzeitig auf eine auf "Rot" geschaltete Ampel, gibt das oben beschriebene System eine Warnmeldung aus. Bleibt diese unbeachtet, übernimmt das System die Kontrolle über das Fahrzeug 18 und verhindert auf diese Weise, daß es die Kreuzung befährt und mit dem Fahrzeug 25 kollidiert. In diesem Fall emittiert entweder die Ampel 180 ein Signal, aus dem die aktuelle Anzeige hervorgeht, oder am Fahrzeug 18 ist eine Kamera montiert, so daß die Ampelstellung vom Fahrzeug aus überwacht werden kann. In dem dargestellten Fall behindern die Gebäude 182 die Sicht zwischen dem Fahrzeug 18 und dem Fahrzeug 25. Das bedeutet: Ein Unfall kann verhindert werden, ehe die Fahrer aufgrund der Sichtverhältnisse die Gefahr erkennen können.
Fig. 15 zeigt eine Kreuzung, an der der Fahrer eines Fahrzeugs 18 im Begriff ist, nach links in den Fahrtweg des Fahrzeugs 25 abzubiegen. Dieser Unfall kann verhindert werden, wenn beide Fahrzeuge mit dem RtZF™-System ausgestattet sind, da dann beide Fahrzeuge (18 und 25) Kenntnis von der Position und Geschwindigkeit des jeweils anderen haben. Ist das Fahrzeug 25 im Unterschied zum Fahrzeug 18 nicht mit dem System ausgestattet, wird über das Laserradar-, Radar- bzw. Kameragestützte Untersystem verhindert, daß das Fahrzeug 18 in den Fahrtweg des Fahrzeugs 25 fahren kann. Das ist ein weiteres Beispiel für die Verhütung häufiger Kreuzungsunfälle durch diese Erfindung.
Die oben beschriebenen Systeme können durch eine Infrastruktur auf der Grundlage von Sensor- und Warnsystemen erweitert werden. Kamera-, Laser- und Laserradarsysteme, wie sie an den Fahrzeugen angebracht sind, lassen sich auch an Kreuzungen installieren, um den ankommenden Verkehr vor der Wahrscheinlichkeit einer Kollision zu warnen. Darüber hinaus können einfache Sensoren eingesetzt werden, welche die Signale erkennen, die von ankommenden Fahrzeugen abgegeben werden, darunter Radarsignale, thermische Strahlen usw. Auf dieser Grundlage lassen sich Warnsysteme betreiben, die den entgegenkommenden Verkehr über mögliche gefährliche Situationen informieren. Folglich können viele der Lehren dieser Erfindung neben Fahrzeugsystemen auch auf infrastrukturbasierte Anlagen angewandt werden.
Einen wichtigen Teil dieser Erfindung bildet die digitale Landkarte. Sie enthält wichtige Informationen zu der Straße, auf welcher das Fahrzeug fährt. Die digitale Landkarte umfaßt in der Regel Angaben zur Position der Straßenränder und der Randstreifengrenzen, zur Neigung und zur Oberflächenbeschaffenheit der Straße, zum Charakter des Landes in der Umgebung der Straße, zu Bäumen, Leitpfosten, Leitplanken, Zeichen, Fahrbahnmarkierungen usw., wie in dieser Schrift an anderen Stellen bereits detaillierter erörtert wurde. Diese Daten und Informationen werden auf eine einheitliche Art und Weise erfaßt und entsprechend der Erfindung verwendet. Das Verfahren zur Erfassung dieser Informationen und ihre Umwandlung in eine kartographische Datenbank ist Teil der Erfindung. Im folgenden wird die Erfassung der Daten für die Landkarten erörtert. Es muß betont werden, daß das Verfahren zur Erfassung der Daten und zur Bildung einer digitalen Landkarte auch in anderen Erfindungen angewandt werden kann.
Zum Erstellen von Landkarten mit einer Genauigkeit von 2 cm (einem Sigma) können lokale differentielle GPS-System verwendet werden. Zeitweilig aktive lokale differentielle Stationen sind von solchen Unternehmen wie beispielsweise Trimble Navigation zu beziehen. Diese lokalen differentiellen Stationen können in einem angemessenen Abstand zueinander entlang der kartographisch darzustellenden Straße angebracht werden, in der Regel alle 30 Kilometer. Eine lokale differentielle GPS-Station hat erst einige Stunden nach ihrer Installation ihre Position genau bestimmt. Folglich werden Stationen in ausreichender Zahl benötigt, die den kartographisch darzustellenden Bereich für beispielsweise vier Stunden abdecken. Dadurch können im Interesse einer effizienten Kartographierung 10 oder mehr solcher differentiellen Stationen benötigt werden.
Bei diesen Arbeiten kommt ein Kartographiefahrzeug 200, wie in den Fig. 16A, 16B und 17 dargestellt, zum Einsatz. Dieses Fahrzeug ruft seine Positionsdaten von GPS-Satelliten und die entsprechenden Korrekturen von lokalen differentiellen Stationen ab. Mit einem solchen System kann die für die Kartographiedatenbank gewünschte Genauigkeit von 2 cm erreicht werden. In der Regel sind an dem Kartographiefahrzeug 200 mindestens zwei GPS-Empfänger 226 angebracht. Jeder GPS- Empfänger 226 ist Bestandteil eines Datenerfassungsmoduls 202 bzw. mit diesem Modul 202 verbunden. Diese Module 202 enthalten außerdem eine GPS-Antenne 204, eine inertielle Präzisions- Meßeinheit (IMU) 206, eine nach vorn gerichtete Videokamera 208, eine nach unten und nach außen gerichtete Lineargruppenkamera 210 und einen Abtast-Laserradar 212. Die in Fig. 17 dargestellte relative Position dieser Komponenten soll den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.
Ein Prozessor mit einer Leiterplatte 224 ist mit den GPS-Empfängern 226, den IMUs 206, den Videokameras 208, den Linearkameras 210 und den Abtast-Laserradareinheiten 212 gekoppelt. Der Prozessor empfängt seine Informationen zur Fahrzeugposition von den GPS-Empfängern 226 und optional von den IMUs 206. Die Straßeninformationen erhält der Prozessor von den beiden Linearkameras 210 oder von den beiden Laserradareinheiten 212. Aus diesen Informationen bildet der Prozessor eine Datenbank. Informationen zur Straße können außerdem von einer oder von beiden Videokameras 208 übertragen und in die Datenbank einbezogen werden.
Die kartographische Datenbank kann von jeder gewünschten Struktur oder Architektur sein. Bevorzugte Beispiele zur Datenbankstruktur sind jenem Typ zuzurechnen, der in den US-Patentschriften mit den Nummern 6.144.338 und 6.247.019 beschrieben wird.
Die Datenerfassungsmodule 202 sind im wesentlichen miteinander identisch. Jedes ist am Dach des Fahrzeugs oder an einer Verlängerungsbaugruppe 214 angebracht, die bis über den vorderen Stoßfänger hinaus verläuft. Zur Verlängerungsbaugruppe 214 gehören eine Halterung 216, die vom Dach des Fahrzeugs nach vorn zu den einzelnen Datenerfassungsmodulen 210 verläuft, eine Halterung 218, die vom vorderen Stoßfänger nach oben zu den Datenerfassungsmodulen 202 verläuft, sowie eine Querstrebe 220, die zwischen den Datenerfassungsmodulen 202 verläuft und für zusätzlichen Halt sorgt. Da alle Elemente des Datenerfassungssystems nebeneinander plaziert sind, kann ihre genaue Lage durch die IMU und das differentielle GPS-System genau bestimmt werden.
Die nach vorn gerichteten Videokameras 208 sind, wie in Fig. 18 dargestellt, auf die Straße gerichtet. Dank dieser Kameras 208 ist es dem mit der Erstellung der Datenbank befaßten Team möglich, die allgemeine Umgebung der Straße zu untersuchen und jegliche Abweichungen vom Normalzustand hervorzuheben. Darüber hinaus ist mit diesen Kameras das Lesen von Verkehrszeichen und anderen Informationen möglich, die alle in die Datenbank einfließen. Bei den Kameras 208 kann es sich um übliche Farb-Videokameras, Highspeed-Videokameras, Kameras mit Weitwinkel- oder Teleobjektiv, Infrarotkameras oder um Kombinationen solcher Systeme handeln. In bestimmten Fällen können mit speziellen Filtern bestimmte Merkmale besonders erfaßt werden. Beispielsweise wurde festgestellt, daß Straßenrandmarkierungen häufig bei bestimmten Frequenzen (insbesondere im Infrarotbereich) besser erkennbar sind. In diesen Fällen können vor dem Objektiv oder an einer anderen Stelle entlang des optischen Übertragungsweges Filter angebracht werden, die unerwünschte Frequenzen blockieren und allein erwünschte Frequenzen passieren lassen. In vielen Fällen erwies sich auch die Nutzung polarisierender Linsen als nützlich. In der Regel wird für den Prozeß der Kartographierung das natürliche Licht genutzt. In bestimmten Anwendungsbereichen, insbesondere in Tunneln, kann jedoch auch künstliche Beleuchtung in der Form von Flut- oder Spotlichtanlagen genutzt werden, wobei die entsprechenden Lichtstrahlen in dem gewünschten ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen oder mehrere Frequenzen abdecken. Für bestimmte Fälle, in denen die Ausleuchtung eines bestimmten Teils der Szene mit einem hellen Spot gewünscht ist, können auch Laser-Abtastsysteme zum Einsatz kommen. Aus bestimmten Gründen kann ein Laser-Entfernungsmesser zusammen mit den nach vorn gerichteten Kameras 204 verwendet werden, um die Entfernung zu bestimmten Objekten im Sichtfeld der Kamera zu ermitteln.
Das Videokamerasystem selbst kann mit einer geeigneten Software verwendet werden, wie sie beispielsweise derzeit von der Lamda Tech International Inc., Waukesha, US-Bundesstaat Wisconsin, angeboten wird, um die Ausbuchtungen der Straße zu ermitteln. Die Kameras und die dazugehörigen Vorrichtungen entsprechend dieser Erfindung stellen folglich primär eine Ergänzung der Linearkamera- und Laserradar-Datenerfassungssysteme dar, die im folgenden näher beschrieben werden.
Die zur Kartographierung dienenden Datenerfassungsmodule umfassen in der Regel eine Linearkamera und einen Abtast-Laserradar. In einigen Anwendungsbereichen kann jedoch auch auf die eine oder andere Einheit verzichtet werden.
Die Linearkamera 210 ist ein Gerät, das in der Regel eine lineare CCD-, CMOS- oder andere lichtempfindliche Vorrichtung mit beispielsweise 4000 Bildpunkten enthält. Eine geeignete Linse schafft für diese Kamera ein Sichtfeld, das in der Regel von der Mitte des Fahrzeugs bis zum Horizont verläuft. Diese Kamera nimmt ein eindimensionales Bild auf, das die gesamte Straße erfaßt, beginnend in etwa bei der Mitte der Fahrbahn und weiter verlaufend bis zum Horizont. Diese Lineargruppenkamera 210 deckt folglich einen Winkel von etwas mehr als 90 Grad ab. In der Regel arbeitet diese Kamera unter Ausnutzung der natürlichen Beleuchtung und produziert effektiv ein fortlaufendes Bild der Straße, denn es erfaßt in der Regel für jeden Zoll (2,54 cm) der Bewegung des Fahrzeugs ein lineares Bild bzw. eine Reihe von Bildpunkten. Folglich wird durch das Kartographiefahrzeug eine komplette zweidimensionale Darstellung der Straße erstellt. Da mit zwei Meßeinheiten gearbeitet wird, ergibt sich ein Sichtwinkel von 180 Grad. Die Kamera erfaßt dabei in der Regel Vollfarbenaufnahmen, so daß sich dem Kartographierungsteam eine vollständige Sicht auf die Straße, senkrecht vom Fahrzeug aus gesehen, bietet. Diese Sicht wird in einer im wesentliche vertikalen Ebene erfaßt. Diese Kamera ist nicht in der Lage, den Text auf Verkehrszeichen zu lesen, so daß der Einsatz der nach vorn gerichteten Kameras 208 erforderlich wird. Die von diesen Kameras erstellten Aufnahmen können mit einer automatisierten Software weiterverarbeitet werden, um den Straßenrand, Fahrbahnmarkierungen, die Umgebung der Straße sowie die Straßen und alle Bereiche zu lokalisieren, auf denen ein fehlgeleitetes Fahrzeug fahren kann. Die Vollfarbendarstellung ermöglicht es, daß die Charakterisierung des Landes automatisch bei minimalem Eingreifen des Menschen zu erstellen ist.
Der Abtast-Laserradar 212 ist in der Regel so gestaltet, daß er einen Abtastwinkel von 90 Grad oder kleiner abdeckt, so daß ein sich drehender Spiegel mindestens vier Abtastvorgänge pro Minute durchführen kann. Der Abtast-Laserradar 212 kann mit der Linearkamera koordiniert oder synchronisiert werden, so daß jede Vorrichtung im Prinzip dasselbe Sichtfeld abdeckt, wobei eine Einschränkung besteht: Die Kamera deckt in der Regel mehr als 90 Grad ab. Natürlich kann der Abtast- Laserradar so gestaltet sein, daß er je nach den konkreten Anforderungen einen Winkel abdeckt, der größer oder kleiner als 90 Grad ist. Der Radar kann in jedem Frequenzbereich arbeiten, von Ultraviolett bis zum fernen Infrarot. In der Regel wird er aus Sicherheitsgründen in dem für die Augen unschädlichen Bereich des infraroten Spektrums betrieben. Der Abtast-Laserradar 212 kann entweder als impulsmodulierter oder als tonmodulierter Laser ausgeführt sein, wie nach dem aktuellen Stand der Technik bekannt ist. Im tonmodulierten Regime wird das Laserlicht im allgemeinen mit mindestens drei Frequenzen moduliert, um Distanzmehrdeutigkeiten auszuschließen.
Bei jedem Abtastvorgang ermittelt der Laserradar 212 für bis zu mehrere tausend Punkte in einer vertikalen Ebene, die von der Fahrbahnmitte bis zum Horizont verläuft, den Abstand von der Abtastvorrichtung zum Boden. Auf diese Weise werden mit dieser Vorrichtung alle Entfernungen und Erhebungen aller Teile der Straße und ihrer Umgebung gemessen. Die genaue Lage der Zeichen, die mit den nach vorn gerichteten Kameras 204 erkannt wurden, kann nun beispielsweise automatisch und problemlos ermittelt werden. Damit bietet der Abtast-Laserradar das höchste Maß an Genauigkeit bei der Kartographierung.
Abtast-Laserradarsysteme werden häufig bei der Kartographierung von Flugzeugen und insbesondere Hubschraubern aus eingesetzt, beispielsweise wurden sie zum Kartographieren von Teilen der Eisenbahnlinien in den USA verwendet. Dies ist die erste bekannte Anwendung des Abtast- Laserradarsystems zum Kartographieren von Straßen, wobei der Radar an einem Fahrzeug angebracht ist, das auf einer Straße fährt.
Idealerweise sind alle oben beschriebenen Systeme an dem Kartographiefahrzeug angebracht. Obwohl eine erhebliche Redundanz zwischen der Linearkamera und dem Abtast-Laserradar besteht, arbeitet letzterer in einem optischen Frequenzbereich und gestattet folglich keine automatische Charakterisierung der Straße und ihrer Umgebung.
Wie bei den nach vorn gerichteten Kameras ist es häufig wünschenswert, sowohl für den Abtast-Laserradar als auch für die Linearkamera Filter und Polarisierungslinsen zu nutzen. Insbesondere von der Sonne ausgehende Reflektierungen beeinträchtigen das Laserradarsystem, sofern nicht mit geeigneten Filtern gearbeitet wird, die mit Ausnahme der jeweiligen Betriebsfrequenz alle Frequenzen ausfiltern.
Laserradars werden häufig auch als Colidare bzw. Lidare bezeichnet. Alle diese Systeme, die eine Bereichswahl von einem Abtastsystem aus ermöglichen, einschließlich Radarsystemen, werden für die Zwecke dieser Erfindung als äquivalent betrachtet.
Eine besonders wichtige Ergänzung des oben beschriebenen Systems wird durch den Einsatz präziser Positionserkennungstechnologien erreicht, die unabhängig von GPS funktionieren. Ein solches präzises Positionserkennungssystem, auch bekannt als Kalibrierungssystem, gestattet es im allgemeinen, daß ein Fahrzeug seine eigene Position unabhängig von IMU- oder DGPS-Systemen genau erkennt.
Ein Beispiel für die Anwendung dieser Technologie ist der Einsatz eines Radar- und Reflektorsystems, bei dem die Radar-Transceiver am Fahrzeug angebracht sind und Radarwellen an Reflektoren senden, die am Straßenrand installiert wurden. Die Position der Reflektoren ist entweder genau bekannt oder wird während des Prozesses der Datenerfassung vom Kartographierungssystem bestimmt. Die Radar-Transceiver übertragen ein impuls- oder frequenzmoduliertes Radarsignal zu den an der Straße installierten Reflektoren, in der Regel handelt es sich dabei um Eckreflektoren, die ein Signal an den Radar-Transceiver zurückgeben. Dies ermöglicht dem Radarsystem die präzise Bestimmung des Abstands zwischen Transceiver und Reflektor nach der Flugzeit- oder Phasenmethode.
In einer möglichen Implementierung ist jedes Fahrzeug mit zwei Radarvorrichtungen ausgestattet, die in einem Spektrum zwischen 24 und 77 GHz operieren. Jede Radareinheit wird am Fahrzeug angebracht und nach außen, leicht nach vorn und nach oben in Richtung der Straßenränder positioniert. Entlang der Straße werden in angemessenem Abstand Stangen aufgestellt, an denen jeweils eine Vielzahl von Eck-Würfel-Radarreflektoren befestigt ist, die unter Umständen vertikal ausgerichtet sind. Der am tiefsten an einer Stange angebrachte Reflektor wird so positioniert, daß der Fahrzeugradar den Reflektor beleuchtet, wenn sich das Fahrzeug in der der Stange am nächsten gelegenen Spur befindet. Der am höchsten an einer Stange angebrachte Reflektor wird so positioniert, daß der Fahrzeugradar den Reflektor beleuchtet, wenn sich das Fahrzeug in der der Stange am weitesten entfernt gelegenen Spur befindet. Die Häufigkeit der Aufstellung von Stangen wird durch solche Erwägungen wie die Verfügbarkeit von Lichtmasten und anderen bereits vorhandenen Strukturen, die Wahrscheinlichkeit eines Verlusts der Verbindung zu GPS-Satelliten, die Verkehrsdichte, die Genauigkeit des IMU-Systems und ähnliche Kriterien bestimmt. Erste Grobberechnungen haben gezeigt, daß ein Abstand von rund 400 m akzeptabel erscheint.
Wurde die genaue Positionierung der Reflektoren vorher festgelegt und liegt sie bereits in einer Straßenkarten-Datenbank vor, kann das Fahrzeug aufgrund dieser Informationen seine exakte Position auf der Straße bestimmen. Im typischeren Fall werden die Radarreflektoren installiert, und dem Kartographiefahrzeug wird ihre exakte Position über die differentiellen GPS-Signale und die IMU-Einheit übermittelt. Auf diese Weise wird für das Kartographiefahrzeug eine wesentlich höhere Genauigkeit als für andere Fahrzeuge erreicht, die das System danach nutzen. Dadurch wird es möglich, daß das Kartographiefahrzeug auch die Situation in Tunneln kartographisch erfassen und die Lage von Radarreflektoren feststellen kann, die später von anderen Fahrzeugen zur Bestimmung ihrer exakten Position zu nutzen sind, wenn keine GPS-Signale und keine differentiellen GPS-Signale verfügbar sind. Auf ähnliche Weise können solche Radarreflektoren in einem angemessenen Abstand außerhalb des Tunnels angebracht werden und auf diese Weise eine exakte Positionsbestimmung durch das im Tunnel befindliche Fahrzeug ermöglichen, bis wieder GPS-Signale und differentielle GPS-Signale vorliegen. Ein solches System kann auch in dicht bebauten Straßen von Städten und an allen anderen Orten eingesetzt werden, an denen die GPS-Signale blockiert werden können oder aus anderen Gründen nicht verfügbar sind. Da die Kosten für Radarreflektoren sehr gering sind, ist davon auszugehen, daß sie zukünftig auf den 6,5 Millionen Straßenkilometern der USA häufig zum Einsatz kommen.
Der Einsatz von Radarsystemen und Reflektoren zur genauen Positionierung ist nur eine von vielen Konfigurationen, die zu diesem Zweck zu erwägen sind. Als weitere Beispiele seien Straßenmarkierungen, RFID-Anschlüsse, Lasersysteme, Laserradaranlagen und Reflektoren, in die Straße eingebettete Magnetkontakte, magnetische Bänder usw. genannt. Die Radar- und Reflektortechnologie zeichnet sich gegenüber einigen anderen Systemen vor allem dadurch aus, daß ihre Wirkung auch bei ungünstigen Witterungsbedingungen nicht ernsthaft beeinträchtigt wird, daß sie auch funktioniert, wenn die Reflektoren von Schnee bedeckt sind, daß keine aufwendigen Wartungsarbeiten notwendig sind und daß auch Kosten- und Haltbarkeitsaspekte für solche Systeme sprechen.
Die verwendeten Radar-Transceiver werden typischerweise an jeder Seite des Fahrzeugs angebracht und sind in einem Winkel zwischen 30 und 60 Grad nach oben gerichtet. Ihre Ausrichtung erfolgt typischerweise so, daß sie über das Fahrzeugdach hinausreichen, so daß eine ausreichende vertikale Höhe erreicht werden kann, wenn beispielsweise ein Lastkraftwagen passiert wird. Selbstverständlich können auch andere Montage- und Ausrichtungssysteme zum Einsatz kommen.
Die Radarreflektoren sind in der Regel an einer Stange, einem Gebäude, einer Überführung oder einer anderen geeigneten Struktur angebracht. Sie können so gestaltet sein, daß sie einen Code zurücksenden. Dann müssen in einigen dieser Reflektoren Informationen abgelegt sein, die eine genaue Zuordnung des betreffenden Reflektors zu einem in der Datenbank abgelegten Reflektor ermöglichen. Das kann auf vielfältige Art und Weise erreicht werden, beispielsweise durch die Verwendung mehrerer voneinander entfernter Radarreflektoren, die in einer bestimmten geometrischen Konfiguration in einem vom Fahrzeug entfernten Radius angebracht sind. Die Präsenz oder Abwesenheit eines Reflektors kann beispielsweise durch die Rückgabe eines Binärcodes angegeben werden.
Das System funktioniert wie folgt: Ein Fahrzeug, das entlang einer Straße fährt, emittiert in der Nähe der Reflektorstangen Radarimpulse mit einer Frequenz von beispielsweise einem Impuls pro Millisekunde. Diese Radarimpulse werden codiert, so daß jedes Fahrzeug exakt erkennt, welche der reflektierten Informationen auf die eigenen Impulse zurückzuführen sind. Nähert sich das Fahrzeug einer Reflektorstange an, beginnt es mit dem Empfang von Reflexionen. Dieser Vorgang ist von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängig. Durch die Beobachtung einer Reihe von Reflexionen kann die Software des Fahrzeugs entweder die Reflexion mit der maximalen Amplitude, den Durchschnitt aller Reflexionen oder einen anderen Wert als den zu berücksichtigenden auswählen. Darüber hinaus wird der Radarimpuls moduliert, so daß aufgrund der Phase des zurückgegebenen Signals eine Berechnung des Abstands zum Reflektor vorgenommen werden kann. Folglich kann ein Fahrzeug, das entlang einer Straße fährt und ein Paar Reflektorstangen passiert, seine Position in Längsrichtung bestimmen. Grundlage hierfür ist der Winkel der Radarvorrichtungen und das maximale Echo, wie oben beschrieben. Darüber hinaus kann das Fahrzeug mit diesen Informationen auf der Grundlage des gemessenen Abstands von Radar und Reflektor seine seitliche Position auf der Straße bestimmen.
An jeder Reflektorstange ist eine Vielzahl von Reflektoren angebracht, deren Montageort durch die Schnittpunkte des Radarstrahls zweier Fahrzeuge gebildet wird, die in der dem Reflektor am nächsten gelegenen bzw. in der vorn Reflektor am weitesten entfernten Spur fahren. Der Abstand der Reflektoren an der Stange wird durch den Durchmesser des Radarstrahls (in Bildpunkten) bestimmt. In einer typischen Situation kann es beispielsweise erforderlich sein, daß die Anbringung der Radarreflektoren 4 m über der Erdoberfläche beginnt und bei 12 m endet, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Reflektoren jeweils einen Meter beträgt. Für die ersten Demonstrationen ist davon auszugehen, daß die vorhandenen Strukturen genutzt werden. Die Eck-Würfel-Radarreflektoren sind sehr preiswert, so daß der Investitionsaufwand für die Infrastruktur gering ist, solange vorhandene Strukturen genutzt werden können. In den Innenstädten ist es darüber hinaus möglich, Gebäude usw. zur Anbringung von Reflektoren zu nutzen.
Um diesen Aspekt der Erfindung zusammenzufassen: Es wird ein preisgünstiges Konzept der Installation einer Infrastruktur vorgestellt, die es ermöglicht, daß ein Fahrzeug einen Radarimpuls versendet und eine Reflexion empfängt, wobei diese Reflexion als Reflexion des vom fahrzeugeigenen Radar emittierten Impulses zu identifizieren ist und Informationen enthält, die eine genaue Abstandsmessung ermöglichen. Folglich kann das Fahrzeug bestimmen, welche Position es seitlich und in Längsrichtung auf der Straße einnimmt.
Zwar kann die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung illustriert und erläutert werden, doch sind sowohl die Zeichnungen, als auch die Beschreibung als Illustration (nicht jedoch als Einschränkung) zu betrachten. Es ist davon auszugehen, daß nur die bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden und daß alle Veränderungen und Modifikationen, die unter den Umfang und die Wesensart der Erfindung fallen, als geschützt zu betrachten sind.

Claims

1. Vorrichtung, die an einem Fahrzeug montiert werden kann, während der Fahrt des Fahrzeugs die kartographische Darstellung einer Straße ermöglicht und folgendes umfaßt:
ein erstes Datenerfassungsmodul, das an einer ersten Seite des Fahrzeugs angebracht ist;
ein zweites Datenerfassungsmodul, das an einer zweiten Seite des Fahrzeugs angebracht ist;
wobei jedes dieser Module mit einem GPS-Empfänger und einer Antenne ausgestattet ist, die die Ermittlung der Position des Fahrzeugs ermöglichen, und wobei jedes dieser Module über eine Linearkamera verfügt, die so angebracht ist, daß sie eindimensionale Bilder einer Fläche an einer ersten oder zweiten Seite des Fahrzeugs liefern, wobei die besagten Linearkameras Bilder einer vertikalen Ebene liefern, die senkrecht zur Straße verläuft, so daß sich eine Ansicht der Straße in einer zu ihr senkrechten Richtung ergibt und sich aus dieser Ansicht Informationen über die Straße ableiten lassen; und
ein mit den besagten Modulen verbundener Prozessor, der eine kartographische Datenbank der Straße bildet, indem er die Position des auf der Straße befindlichen Fahrzeugs in Korrelation zu den Informationen über die Straße setzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die besagte Kamera in jedem der besagten Module zumindest eine lineare CCD-, CMOS- oder andere lichtempfindliche Anordnung enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die besagte Linearkamera in jedem der besagten Module eine Linse enthält, die ein Sichtfeld von einer annähernden Mitte des Fahrzeugs bis zum Horizont ermöglicht, wobei die besagten Linearkameras so angeordnet sind, daß sie eindimensionale Bilder von der gesamten Straße aufnehmen, beginnend mit etwa der Mitte der Fahrspur, in der das Fahrzeug fährt, und sich weiter erstreckend bis zum Horizont.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß jedes der besagten Module darüber hinaus einen Abtast-Laserradar umfaßt, der Wellen nach unten in einer senkrecht zur Straße verlaufenden Ebene emittiert und reflektierte Radarwellen empfängt, woraus sich Informationen über den Abstand zwischen dem besagten Laserradar und dem Boden und damit Informationen über die Straße ergeben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß jedes der besagten Module und der besagte Laserradarvorrichtungen mit der besagten Linearkamera koordiniert oder synchronisiert sind und ein gemeinsames Sichtfeld abdecken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß jedes der besagten Module außerdem eine Videokamera umfaßt, die Bilder einer Fläche vor dem Fahrzeug liefert, wobei auch Bilder von der Umgebung der Straße, einschließlich der Verkehrszeichen und anderer Informationsanzeigen erfaßt und Informationen über die Straße geliefert werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß sie darüber hinaus ein Instrument zur künstlichen Beleuchtung umfaßt, das zumindest dann aktiviert wird, wenn festgestellt wird, daß die natürliche Beleuchtung zum Aufnehmen von Bildern durch die besagte Videokamera nicht ausreicht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß sie darüber hinaus einen Abtastlaser-Entfernungsmesser umfaßt, der mit mindestens einer der besagten Videokameras verbunden ist und zur Feststellung des Abstands zwischen der Kamera und bestimmten Objekten in den von der besagten, mindestens einen Videokamera aufgenommenen Bildern dient, wobei dieser Abstand Informationen über die Straße vermittelt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, die darüber hinaus eine Vorrichtung zum Befestigen der besagten Module am Fahrzeug umfaßt, wobei die besagte Befestigungsvorrichtung eine Halterung zum Anbringen aller besagten Module an einem Dach des Fahrzeugs, eine Halterung zum Anbringen aller besagten Module an einer Front des Fahrzeugs und eine Halterung zum Verbinden der besagten Module untereinander umfaßt.

10. Vorrichtung, die an einem Fahrzeug montiert werden kann, während der Fahrt des Fahrzeugs die kartographische Darstellung einer Straße ermöglicht und folgendes umfaßt:
ein erstes Datenerfassungsmodul, das an einer ersten Seite des Fahrzeugs angebracht ist;
ein zweites Datenerfassungsmodul, das an einer zweiten Seite des Fahrzeugs angebracht ist;
wobei jedes dieser Module mit einem GPS-Empfänger und einer Antenne ausgestattet ist, die die Ermittlung der Position des Fahrzeugs ermöglichen, und wobei jedes dieser Module über einen Abtast-Laserradar verfügt, der so angebracht ist, daß er Wellen nach unten in einer senkrecht zur Straße verlaufenden Ebene emittiert und reflektierte Radarwellen empfängt, woraus sich Informationen über den Abstand zwischen dem besagten Laserradar und dem Boden und damit Informationen über die Straße ergeben; und
ein mit den besagten Modulen verbundener Prozessor, der eine kartographische Datenbank der Straße bildet, indem er die Position des auf der Straße befindlichen Fahrzeugs in Korrelation zu den Informationen über die Straße setzt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß jedes der besagten Module außerdem eine Linearkamera umfaßt, die so angebracht ist, daß sie eindimensionale Bilder einer Fläche auf einer ersten bzw. zweiten Seite des Fahrzeugs liefert, wobei die besagte Kamera Bilder einer vertikalen Ebene liefert, die senkrecht zur Straße verläuft, so daß sich eine Ansicht der Straße in einer senkrecht zur Straße verlaufenden Richtung ergibt, aus der wiederum Informationen über die Straße abzuleiten sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß die besagte Linearkamera in jedem der besagten Module zumindest eine lineare CCD-, CMOS- oder andere lichtempfindliche Anordnung enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß die besagte Linearkamera in jedem der besagten Module eine Linse enthält, die ein Sichtfeld von einer annähernden Mitte des Fahrzeugs bis zum Horizont ermöglicht, wobei die besagten Linearkameras so angeordnet sind, daß sie eindimensionale Bilder von der gesamten Straße aufnehmen, beginnend mit etwa der Mitte der Fahrspur, in der das Fahrzeug fährt, und sich weiter erstreckend bis zum Horizont.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß jedes der besagten Module und der besagte Laserradar mit der besagten Linearkamera koordiniert oder synchronisiert sind und ein gemeinsames Sichtfeld abdecken.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß jedes der besagten Module außerdem eine Videokamera umfaßt, die Bilder einer Fläche vor dem Fahrzeug liefert, wobei auch Bilder von der Umgebung der Straße, einschließlich der Verkehrszeichen und anderer Informationsanzeigen erfaßt und Informationen über die Straße geliefert werden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet dadurch, daß sie darüber hinaus ein Instrument zur künstlichen Beleuchtung umfaßt, das zumindest dann aktiviert wird, wenn festgestellt wird, daß die natürliche Beleuchtung zum Aufnehmen von Bildern durch die besagte Videokamera nicht ausreicht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet dadurch, daß sie darüber hinaus einen Abtastlaser-Entfernungsmesser umfaßt, der mit mindestens einer der besagten Videokameras verbunden ist und zur Feststellung des Abstands zwischen der Kamera und bestimmten Objekten in den von der besagten, mindestens einen Videokamera aufgenommenen Bildern dient, wobei dieser Abstand Informationen über die Straße vermittelt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10, die darüber hinaus eine Vorrichtung zum Befestigen der besagten Module am Fahrzeug umfaßt, wobei die besagte Befestigungsvorrichtung eine Halterung zum Anbringen aller besagten Module an einem Dach des Fahrzeugs, eine Halterung zum Anbringen aller besagten Module an einer Front des Fahrzeugs und eine Halterung zum Verbinden der besagten Module untereinander umfaßt.

19. Verfahren zum Kartographieren einer Straße, das folgende Schritte umfaßt:
Anordnen eines ersten Datenerfassungsmoduls an einer ersten Seite des Fahrzeugs;
Anordnen eines zweiten Datenerfassungsmoduls an einer zweiten Seite des Fahrzeugs, wobei jedes der Module einen GPS-Empfänger, eine Antenne und eine Linearkamera umfaßt, die so ausgerichtet ist, daß sie in einer vertikalen eindimensionalen Ebene Bilder einer Fläche von einer ersten bzw. einer zweiten Seite des Fahrzeugs liefert;
Fahren des Fahrzeugs auf der Straße, während unter Verwendung des GPS-Empfängers und der Antenne kontinuierlich die Position des Fahrzeugs registriert wird und von den Linearkameras Bilder der senkrecht zur Straße verlaufenden vertikalen Ebenen erfaßt werden; und
Bildung einer kartographischen Datenbank der Straße durch Korrelation der Position des Fahrzeugs auf der Straße mit den Informationen über die Straße, die aus den Bildern der Linearkameras hervorgehen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, das darüber hinaus den Schritt der Anordnung einer Linse in Verbindung mit jeder der Linearkameras umfaßt, so daß sich ein Sichtfeld ergibt, das in etwa von einer Mitte des Fahrzeugs zum Horizont verläuft, wobei die Videokameras eindimensionale Bilder aufnehmen, die die gesamte Straße abdecken, beginnend mit etwa der Mitte der Straße, auf der das Fahrzeug fährt, und sich weiter erstreckend bis zum Horizont.

21. Verfahren nach Anspruch 19, das darüber hinaus folgende Schritte umfaßt:
Anordnung eines Abtast-Laserradars in jedem der Module; und
während des Betriebs des Fahrzeugs Emittierung von Wellen nach unten in einer senkrecht zur Straße verlaufenden Ebene und Empfang der reflektierten Radarwellen, woraus sich Informationen über den Abstand zwischen dem Laserradar und dem Boden und damit Informationen über die Straße ergeben, die zur Bildung der kartographischen Datenbank genutzt werden können.

22. Verfahren nach Anspruch 21, das darüber hinaus den Schritt der Koordinierung und Synchronisation der Laserradarvorrichtungen und der Linearkameras in den einzelnen Modulen umfaßt, so daß diese ein gemeinsames Sichtfeld bilden.

23. Verfahren nach Anspruch 19, das darüber hinaus folgende Schritte umfaßt:
Anordnung einer Videokamera in jedem der Module, so daß Bilder einer Fläche vor dem Fahrzeug, einschließlich von Verkehrszeichen und anderen Informationsanzeigen aufgenommen werden können; und
während der Fahrt mit dem Fahrzeug Aufnehmen von Bildern durch die Videokameras, die damit Informationen über die Straße liefern, die zur Bildung der kartographischen Datenbank genutzt werden können.

24. Verfahren nach Anspruch 23, das darüber hinaus den Schritt der Anordnung eines Abtast- Laserradar-Entfernungsmessers in Verbindung mit mindestens einer der Videokameras umfaßt, so daß der Abstand zu bestimmten Objekten in den von mindestens einer Videokamera aufgenommenen Bildern bestimmt werden kann.

25. Verfahren zum Kartographieren einer Straße, das folgende Schritte umfaßt:
Anordnung eines ersten Datenerfassungsmoduls an einer ersten Seite des Fahrzeugs;
Anordnung eines zweiten Datenerfassungsmoduls an einer zweiten Seite des Fahrzeugs, wobei jedes dieser Module einen GPS-Empfänger, eine Antenne und einen Abtast-Laserradar umfaßt, der so ausgerichtet ist, daß er Wellen senkrecht zur Straße nach unten emittiert und reflektierte Radarwellen empfängt;
Fahren des Fahrzeugs auf der Straße, während unter Verwendung des GPS-Empfängers und der Antenne kontinuierlich die Position des Fahrzeugs registriert wird und Informationen über den Abstand zwischen den Laserradars und dem Boden durch das Emittieren und Empfangen von Radarwellen erfaßt werden; und
Bildung einer kartographischen Datenbank der Straße durch Korrelation der Position des Fahrzeugs auf der Straße mit den Informationen über den Abstand zwischen den Laserradars und dem Boden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, das darüber hinaus folgende Schritte umfaßt:
Anordnung einer Linearkamera in jedem der Module Positionierung der Linearkameras, so daß sie eindimensionale Bilder einer vertikalen Ebene einer Fläche an einer ersten bzw. zweiten Seite des Fahrzeugs liefern; und
Fahren des Fahrzeugs und Aufnehmen eindimensionaler Bilder durch die Linearkameras, wobei die sich aus den Bildern ergebenden Informationen zur Bildung der kartographischen Datenbank genutzt werden können.

27. Verfahren nach Anspruch 26, das darüber hinaus den Schritt der Anordnung einer Linse in Verbindung mit jeder der Linearkameras umfaßt, so daß sich ein Sichtfeld von etwa der Mitte des Fahrzeugs bis zum Horizont ergibt, wobei die Videokameras eindimensionale Bilder von der gesamten Straße erfassen, beginnend mit etwa der Mitte der Straße, auf der das Fahrzeug fährt, und sich weiter erstreckend bis zum Horizont.

28. Verfahren nach Anspruch 26, das darüber hinaus den Schritt der Koordinierung oder Synchronisierung der Laserradars und der Linearkameras in jedem der Module umfaßt, so daß diese ein gemeinsames Sichtfeld abdecken.

29. Verfahren nach Anspruch 25, das darüber hinaus folgende Schritt umfaßt:
Anordnung einer Videokamera in jedem der Module, so daß Bilder einer Fläche vor dem Fahrzeug aufgenommen werden können, einschließlich von Verkehrszeichen und anderen Informationsanzeigen; und
während des Fahrens des Fahrzeugs Erfassung von Bildern durch die Videokameras und damit Liefern von Informationen über die Straße, die zur Bildung der kartographischen Datenbank genutzt werden können.

30. Verfahren nach Anspruch 29, das darüber hinaus den Schritt der Anordnung des Laserradar- Entfernungsmessers in Verbindung mit mindestens einer der Videokameras umfaßt, so daß der Abstand zu bestimmten Objekten in den Bildern, die von mindestens einer Videokamera aufgenommen wurden, ermittelt werden kann.