DE102011119762A1

DE102011119762A1 - System und Verfahren zur Positionsbestimmung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011119762A1
Application number: DE102011119762A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Kincses; Hans-Peter Schöner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-06-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein für ein Kraftfahrzeug geeignetes Positionsbestimmungs-System und ein entsprechendes Verfahren bereit. Das System umfasst eine digitale Karte (DLK), in der Daten über ortsspezifische Merkmale lokalisiert verzeichnet sind, zumindest eine Umfelderkennungsvorrichtung (KAM) zur Erfassung der ortsspezifischen Merkmale in der Umgebung des Fahrzeugs und ein mit der digitalen Karte (DLK) und der Umfelderkennungsvorrichtung (KAM) gekoppeltes Lokalisierungsmodul (F). Das Lokalisierungsmodul (F) weist eine Verarbeitungseinheit zum Abgleich der erfassten Daten und der in der digitalen Karte (DLK) verzeichneten Daten über die ortsspezifischen Merkmale und zur Lokalisierung der Fahrzeugposition anhand der in der digitalen Karte (DLK) lokalisiert verzeichneten ortsspezifischen Merkmale auf. Ferner umfasst das System eine inertiale Messeinheit (IMU) des Fahrzeugs für Fahrzeugbewegungsdaten, die mit dem Lokalisierungsmodul (F) gekoppelt ist, dessen Verarbeitungseinheit konfiguriert ist, die Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf der anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisierten Position zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur hochpräzisen Positionsbestimmung eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise zu dessen autonomem oder automatisierten Fahrbetrieb. Das System und das Verfahren sind auch in Gebieten zum Einsatz geeignet, in denen satellitengestützte Systeme nicht oder nur eingeschränkt funktionieren.
Satellitengestützte globale Navigationssysteme (GNSS), allen voran das US-amerikanische Global Positioning System (GPS), haben, getrieben durch eine Vielzahl von militärischen und zivilen Ortungs- und Navigationsanwendungen sowie von kartenbasierten Diensten und durch den stetigen technischen Fortschritt sowie durch kostengünstige Bauteile, in vielen Bereichen des Alltags Einzug gehalten.
Im Falle von Fahrzeugnavigationssystemen wird in regelmäßigen Abständen eine GPS-Messung der Position herangezogen, die häufig eine auf wenige Meter genaue Lokalisierung des Fahrzeugs ermöglicht und die Grundlage für Routenberechnung, Navigation und kartenbasierte Dienste liefert. Für die Lokalisierung des Fahrzeugs wird eine freie Strecke zu den Satelliten vorausgesetzt.
Die Positionsbestimmung eines Fahrzeugs kann durch eine Kombination von absoluter Positionsbestimmung mit Hilfe von GNSS, GPS, Glonass oder Galileo unterstützt durch eine interpolierende Koppelmessung mit Hilfe von Odometern und/oder der Inertialsensorik erfolgen; in Summe ist damit unter freiem Himmel häufig eine Positionsbestimmung auf wenige Meter genau möglich. Ein Odometer zur mechanischen Messung einer zurückgelegten Wegstrecke ist ein inkrementelles Messgerät, das folglich mit einem systematischen Messfehler, also einer kumulativen Drift, behaftet und somit für länger andauernde Anwendungen ungeeignet ist, wenn seine Daten nicht durch Drittsensoren und eine gute Kurswinkelinformation gestützt werden.
Auch die Verwendung der Inertialsensoren, die durch zweifache Integration der Beschleunigungen die Positionsveränderungen ermitteln, führt ohne eine regelmäßige unterstützende GPS-Stützung nach mehreren Sekunden oder Minuten zu erheblichen Ungenauigkeiten auf Grund von Integrationsfehlern.
Ist eine hochpräzise Positionsbestimmung oder eine Navigation im Bereich von wenigen Zentimetern erforderlich, wie etwa im Falle von Regelungsaufgaben für autonome oder automatisierte Fahrzeuge mit einer hohen Trajektoriengenauigkeitsanforderung, wird derzeit eine hochpräzise Differential-GPS-Vermessung eingesetzt (sog. RTK-GPS). Mit einer RTK-Vermessung (Real Time Kinematic) werden Punkte mittels satellitengestützter Navigationssysteme wie GPS oder auch GLONASS oder GALILEO bis etwa 1 bis 2 cm genau ausgemessen bzw. abgesteckt. Voraussetzung ist wiederum ein ungestörter Empfang der Signale von mindestens fünf Satelliten, vorzugsweise mindestens sechs Satelliten. Das Differential-GPS, das eine Update-Rate im Sekundenbereich besitzt, wird mit Hilfe einer driftarmen Inertialsensorik interpoliert, deren Update-Rate bei 10-Millisekunden liegt.
Allerdings existieren Bereiche, in denen beispielsweise GPS/GNSS-Signale durch Abschattungen, Reflexionen, Mehrfachausbreitungen, etc. nicht in ausreichender Güte zur Verfügung stehen und unpräzise Ergebnisse liefern. Hier muss mit Positionsungenauigkeiten im Bereich von mehreren zehn Metern gerechnet werden. Deshalb ist diese Technologie für eine Vielzahl von Lokalitäten (Tunnel, Parkhäuser, zwischen hohen Gebäuden, in Taleinschnitten im Bergland und Gebirge) nur eingeschränkt verfügbar.
Ferner ist eine Störung der GPS-Signale oder deren Empfang nicht ausgeschlossen, so dass der sichere Betrieb von sensiblen Systemen, z. B. autonome oder automatisierte Fahrzeuge, nicht allein auf dieser Basis gewährleistet werden kann. Für sicherheitsrelevante Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen wird also neben der GPS-Navigation eine zweite unabhängige Informationsquelle benötigt; dazu ist bevorzugt ein System einzusetzen, welches sich (diversitär zur GPS-Orientierung an weit entfernten Satelliten) vorzugsweise an lokalen erdbezogenen Merkmalen orientiert.
So können Fahrzeuge, wie beispielsweise die von der Firma Google^TM entwickelten, die in den USA mehrere Tausend Kilometer unter realen Verkehrsbedingungen autonom fuhren, für ihre Lokalisierung, Orientierung und Trajektorienplanung nicht nur (Differential-)GPS-Signale, sondern Umgebunsgansichten und Landmarken verwenden, die mit Hilfe eines Lidar-Systems erstellt und in digitalen Karten hinterlegt sind und während der Fahrt mit dem gleichen Lidar-System in Kombination mit diversen Fahrzeugsensoren zur Umgebungserfassung in Echtzeit in der Umwelt erkannt werden. Die Lokalisierung des Fahrzeugs erfolgt dann durch einen Abgleich der Landmarken. Allerdings schließt die Verwendung der hcchwertigen, damit kostenintensiven und somit für eine breite Anwendung unwirtschaftlichen Lidar-Sensoren den Einsatz für den automobilen Massenmarkt aus.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges, zur großseriellen Verwendung geeignetes System und ein ökonomisches sowie robustes Verfahren zur genauen absoluten und/oder relativen Lokalisierung bzw. Eigenpositionsbestimmung in Bereichen und Gebieten ohne bzw. mit nur unzureichend genauem GPS Empfang bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Weiterbildungen des Systems und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positionsbestimmungs-Systems eines Kraftfahrzeugs umfasst eine digitale Karte, in der Daten über ortsspezifische Merkmale, auch Landmarken genannt, lokalisiert, d. h., einer geographischen Position zugeordnet, verzeichnet sind. Des Weiteren weist das Positionsbestimmungs-System eine oder mehrere Umfelderkennungsvorrichtungen auf, mit der die ortsspezifischen Merkmale bzw. Landmarken in der Umgebung des Fahrzeugs erfasst werden können. Ein Lokalisierungsmodul, das sowohl Zugriff auf die digitale Karte hat, als auch mit den Umfelderkennungsvorrichtungen gekoppelt ist, umfasst eine Verarbeitungseinheit, die konfiguriert ist, Daten über die erfassten ortsspezifischen Merkmale mit den Daten der in der digitalen Karte verzeichneten Landmarken abzugleichen und die Fahrzeugposition anhand der in der digitalen Karte lokalisiert verzeichneten ortsspezifischen Merkmale zu lokalisieren. Ferner umfasst das System eine ebenfalls mit dem Lokalisierungsmodul gekoppelte inertiale Messeinheit des Fahrzeugs, die die translatorischen Bewegungen und die Rotationsbewegungen des Fahrzeugs in Form von Bewegungsdaten erfasst, wobei das Lokalisierungsmodul konfiguriert ist, die Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf die Position zu bestimmen, die anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisiert wurde.
Die Fahrzeugpositionen, die mittels Landmarken bestimmt werden, dienen also als Stützpunkte zur Bestimmung der Fahrzeugposition mittels der Inertialsensorik, bzw. der inertialen Messeinheit. Die Ungenauigkeiten, die bei der Verwendung der inertialen Messeinheit aufgrund von Integrationsfehlern entstehen, werden durch die als Stützpunkte verwendeten Landmarkenpositionen korrigiert. So ist durch die kombinierte Nutzung von Landmarken zur Positionsbestimmung und der Inertialsensorik eine hochexakte Positionsbestimmung des Fahrzeugs ohne satellitengestützte Navigation möglich.
Generell ist die hierfür verwendbare Umfelderkennungsvorrichtung nicht auf teure Lidarsysteme beschränkt, es kann kostengünstig auch einfach eine oder mehrere Kameras, beispielsweise eine Stereo-Kamera oder eine Multi-Kamera, verwendet werden. Letztlich sind aber auch Lidarsysteme oder Radarsysteme einsetzbar. Auch ist die Kombination von mehreren Umfelderkennungsvorrichtungen denkbar. Gemeinsame Voraussetzung ist eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung der Umfelderkennungsvorrichtung. Zur Aufbereitung der mit der Umfelderkennungsvorrichtung aufgenommenen Umgebungsinformation kann die Umfelderkennungsvorrichtung selbst oder auch das damit gekoppelte Lokalisierungsmodul eine Datenaufbereitungseinheit umfassen. Im Falle einer Kamera als Umfelderkennungsvorrichtung beispielsweise kann es sich dabei um eine Bildverarbeitungseinheit handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls mit einem Kalman-Filter konfiguriert, bei dem es sich um einen Satz von mathematischen Gleichungen handelt, welche die Messunsicherheiten der verschiedenen eingehenden Messgrößen bei der Ermittlung der Fahrzeugposition berücksichtigen.
Das Positionsbestimmungs-System kann zumindest eine weitere Sensorvorrichtung aufweisen, bei der es sich um ein Odometer, ein Radarsystem, einen Laserscanner, einen Ultraschall-Sensor, ein Lidar-System handeln kann; alternativ oder zusätzlich kann das System ein Satellitenempfängermodul des Kraftfahrzeugs umfassen. Sowohl die weitere(n) Sensorvorrichtung(en) als auch das Satellitenempfängermodul sind dann jeweils mit dem Lokalisierungsmodul gekoppelt.
Die verwendete digitale Karte ist vorzugsweise eine hochaufgelöste digitale Karte, dabei kommen beispielsweise Google-Maps mit Street View in Frage, sowie hochaufgelöste Satellitenbilder und exakte Karten bestimmter Infrastrukturen und Gebiete, beispielsweise von Tunneln oder von Flughäfen oder Parkhäusern etc. Auch ist der Einsatz von Bebauungsinformationen von Katasterämtern für die digitale Karte mit verzeichneten Landmarken denkbar.
Ein entsprechendes Verfahren zur Positionsbestimmung eines Kraftfahrzeugs, das das Positionsbestimmungs-System der Erfindung verwendet, umfasst somit zunächst das Bereitstellen der digitalen Karte, in der die Daten über die ortsspezifischen Merkmale bzw. der Landmarken lokalisiert verzeichnet sind. Mit der Umfelderkennungsvorrichtung wird die Umgebung des Fahrzeugs aufgenommen und mit einer Datenaufbereitungseinheit, die zur Umfelderkennungsvorrichtung oder der Lokalisierungseinheit gehört, werden aus den Umgebungsdaten Daten über die ortsspezifischen Merkmale erfasst. Mit der Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls wird das Abgleichen der erfassten Daten und der in der digitalen Karte verzeichneten Daten über die ortsspezifischen Merkmale und das Lokalisieren der Fahrzeugsposition anhand der in der digitalen Karte verzeichneten ortsspezifischen Merkmale durchgeführt. Nach dem Erfassen der translatorischen Bewegung und der Rotationsbewegung des Fahrzeugs als Fahrzeugsbewegungsdaten mittels der inertialen Messeinheit wird die Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf der anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisierten Position durch das Lokalisierungsmodul bestimmt. Damit können eine hochpräzise Positionsbestimmung und hohe Trajektoriengenauigkeitsanforderungen gewährleistet werden, indem die Landmarken-basierte Lokalisierung die Stützpunkte für die Inertialsensorik liefert.
Mit dem Verfahren können der Datenstrom, aus dem die Landmarken extrahiert werden, und die daraus extrahierten Merkmale so ökonomisch verarbeitet werden, dass sie während der Fahrt robust und in Echtzeit mit den digitalen Karten abgeglichen werden können.
Dabei erfolgt das Bestimmen der Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf der anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisierten Position unter Verwendung des in der Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls konfigurierten Kalman-Filters. Das Kalmanfilter berücksichtigt die Messunsicherheiten der verschiedenen eingehenden Messgrößen bei der Ermittlung der Fahrzeugposition. Es ist anwendbar, wenn die mathematische Struktur des zugrunde liegenden dynamischen Systems und die Messverfälschungen bekannnt sind.
Das mittels der Datenaufbereitungseinheit durchgeführte Erfassen der Daten über die ortsspezifischen Merkmale aus den Umgebungsdaten erfolgt durch direktes Erkennen der ortsspezifischen Merkmale aus den Umgebungsdaten oder durch Transformieren von Umgebungsmerkmalsdaten in einen Merkmalsraum der in der digitalen Karte verzeichneten ortsspezifischen Merkmale.
Ferner kann das Verfahren Schritte wie das Präzisieren der Bestimmung der Fahrzeugposition durch Berücksichtigen weiterer Erfassungsgrößen umfassen, die das Lokalisierungsmodul bzw. dessen Verarbeitungseinheit von weiteren Sensorvorrichtungen erhält, oder das Vorbestimmen einer ungefähren Fahrzeugposition mittels eines von dem Satellitenempfängermodul empfangenen, wenn auch nur eingeschränkt verfügbaren GPS-Signals zur Einschränkung des Suchraums. So kann sich die Verarbeitungseinheit auf wenige Landmarken zum Abgleich beschränken. Ferner kann ein solches GPS-Signal genutzt werden, um eine Konsistenz der Lokalisierung der Fahrzeugposition mittels der ortsspezifischen Landmarken zu verifizieren.
Die digitale Karte, in der die Daten über die ortsspezifischen Merkmale lokalisiert verzeichnet sind, kann schließlich bereitgestellt werden, indem die Umgebungsdaten mittels zumindest einer Umfelderkennungsvorrichtung sowie Erfassungspositionen der Umgebungsdaten erfasst werden, aus denen Daten über ortsspezifische Merkmale extrahiert und mit den Erfassungspositionen lokalisiert in der digitalen Karte verzeichnet werden. Eine solche im System vorliegende Karte kann beispielsweise automatisch oder nach Benutzeranforderung gegebenenfalls regelmäßig aktualisiert werden. Möglich ist dabei auch die Nutzung einer im Internet bereitgestellten digitalen Karte, die bedarfsgerecht vor einem Befahren eines entsprechenden Bereichs über einen Datenübertragungskanal, beispielsweise über Mobilfunk, in ein Fahrzeug übermittelt wird.
Als Landmarken kommen vorzugweise Objekt in Frage, welche von der zu erwartenden Fahrposition des Fahrzeuges aus von der Umfelderkennungsvorrichtung gut erfasst werden können. Dies sind insbesondere solche Objekte, die auch für die menschliche Orientierung und Information am Straßenrand aufgestellt wurden und im wesentlichen unbeweglich sind. Dies sind insbesondere Verkehrsschilder, Ortsschilder, Verkehrsampeln, Straßenbaken, aber auch Laternenpfähle, sonstige Pfähle oder Masten und Baumstämme. Weiterhin sind auf der Straße angebrachte Markierungen als Landmarken gut geeignet, wie z. B. Spurmarkierungen, Sperrflächen, Haltelinien und sonstige dauerhafte Markierungen und Objekte. Letztere können auch Änderungen im Straßenbelag, Kanaldeckel, Wassereinläufe sein. Weiterhin kommen von der Fahrbahn aus gut identifizierbare Merkmale von Bauten als Landmarken in Frage, wie z. B. Bordsteine, Kanten von Verkehrsinseln, Flächen und Kanten von Fassaden (inkl. Fenstern und Türen) sowie Flächen und Kanten von Mauern.
Neben diesen in der Umgebung sowieso schon vorhandenen „natürlichen” Landmarken können speziell zu diesem Zwecke angebrachte künstliche Markierungen die Lokalisierung in besonders schwierigen Fällen (z. B. in Parkhäusern) erleichtern, wie z. B.

– Marken mit sich vom Hintergund abhebenden Farben und/oder Formen,
– Marken mit speziellen Mustern,
– reflektierende Marken,
– leuchtende Markierungen.

Um bei ständig wiederkehrenden Mustern (z. B. in Tunnels) eine eindeutige Lokalisierung zu ermöglichen, können die künstlichen Markierungen mit einem eindeutig identifizierbaren Muster ausgestattet werden, so dass die Markierung unverwechselbar einer Position zugeordnet werden kann. Dies kann beispielsweise über einen Barcode oder sonstige im Prinzip bekannte Signaturen erfolgen. Die Orientierung auf der Basis der Landmarken in einer digitalen Karte erfordert, dass die Landmarken von der Lokalisierungseinheit mit Hilfe der Daten der Umfelderkennungvorrichtung wiedererkannt werden. Wenn als Landmarke z. B. eine Straßenbake in der Karte vorhanden ist, welche aber in der Realität nicht mehr vorhanden ist, würde das Qualitätsmaß für die Lokalisierung an dieser Stelle degradieren. Das Verfahren sieht deshalb vor, dass die Wiedererkennungshäufigkeit einer Landmarke in der digitalen Karte mit aufgezeichnet wird, und diese Information bei der Bewertung der Lokalisierungsgüte mit berücksichtigt wird. Auf diese Weise können Veränderungen in der Realität gegenüber dem Aktualisierungsstand der Karte angemessen berücksichtigt werden.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt.
Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
Bislang wird für eine hochpräzise Positionsbestimmung oder eine Navigation im Bereich von wenigen Zentimetern, wie im Falle von Regelungsaufgaben für autonome oder automatisierte Fahrzeuge mit einer hohen Trajektoriengenauigkeitsanforderung, auf eine hochpräzise Differential-GPS-Vermessung zurückgegriffen (sog. RTK-GPS). Mit einer RTK-Vermessung (Real Time Kinematic) werden Punkte mittels satellitengestützter Navigationssysteme wie GPS oder auch GLONASS oder GALILEO bis etwa 1 bis 2 cm genau aufgemessen bzw. abgesteckt. Voraussetzung dafür ist allerdings ein ungestörter Empfang der Signale von mindestens fünf Satelliten, vorzugsweise mindestens sechs Satelliten.
Das erfindungsgemäße System zur exakten Positionsbestimmung eines Fahrzeugs ohne präzise Satellitenstützung ist in der Figur dargestellt, in der kostengünstig als Umgebungserkennungsvorrichtung eine Kamera KAM zur Erfassung von Daten über die ortsspezifischen Merkmale in der Umgebung des Fahrzeugs vorgesehen ist. Das Positionsbestimmungs-System stützt sich auf eine digitale Karte DLK, in der Daten über die ortsspezifischen Merkmale bzw. Landmarken lokalisiert verzeichnet sind. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Datenbank der Landmarken mit Positionsbezug in einer digitalen Karte handeln. Das mit der digitalen Karte DLK und der Kamera KAM gekoppelte Lokalisierungsmodul F umfasst eine Verarbeitungseinheit zum Abgleich der erfassten Daten und der in der digitalen Karte DLK verzeichneten Daten über die ortsspezifischen Merkmale. Die Lokalisierung der Fahrzeugposition erfolgt anhand der in der digitalen Karte DLK lokalisiert verzeichneten ortsspezifischen Merkmale. Eine inertiale Messeinheit IMU des Fahrzeugs, die die Fahrzeugbewegungsdaten erfasst, bildet einen Teil des Systems und ist mit dem Lokalisierungsmodul F gekoppelt, dessen Verarbeitungseinheit konfiguriert ist, die Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf der anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisierten Position zu bestimmen.
Weitere Größen, erfasst durch weitere Sensorvorrichtungen α wie Odometer, Radarsystem, Laserscanner, Ultraschall-Sensor, Lidar-System, und/oder ein Satelliten-Signal, empfangen durch ein Satellitenempfängermodul GPS des Kraftfahrzeugs, können zur Stützung des Systems durch Kopplung mit dem Lokalisierungsmodul F herangezogen werden.
Das Verarbeitungsergebnis des Lokalisierungsmoduls F liefert eine präzise und robuste Positionsbestimmung des Fahrzeugs, d. h. Angaben über Ort x, y, z und Lage φ, ψ, Ω im Raum mit Genauigkeitsangabe σ_xyz.
Dadurch, dass zur exakten Positionsbestimmung des Fahrzeugs in erster Linie keine GPS/GNSS-Signale erforderlich sind, kann das System auch in Bereichen eingesetzt werden, in denen die GPS/GNSS-Signale durch Abschattungen, Reflexionen, Mehrfachausbreitungen, etc. nur eingeschränkt verfügbar oder sehr unpräzise sind. So liefert das System auch in Tunneln, Parkhäusern, zwischen hohen Gebäuden, in Taleinschnitten im Bergland und Gebirge präzis bestimmte Fahrzeugpositionen und kann damit auch für autonom oder automatisiert betriebene Fahrzeuge eingesetzt werden.
Die Positionsbestimmung im Fahrzeug erfolgt durch eine Kombination von absoluter Positionsbestimmung mit Hilfe der Landmarken, unterstützt durch eine interpolierende Koppelmessung mit Hilfe der Inertialsensorik IMU, gegebenenfalls unterstützt durch Odometer α. Ein Odometer zur mechanischen Messung einer zurückgelegten Wegstrecke ist ein inkrementelles Messgerät, das folglich mit einem systematischen Messfehler in Form einer kumulativen Drift behaftet und somit allein für länger andauernde Anwendungen ungeeignet ist, wenn seine Daten nicht durch Drittsensoren und eine gute Kurswinkelinformation gestützt werden. Auch die Verwendung der Inertialsensoren, die durch zweifache Integration der Beschleunigungen die Positionsveränderungen ermitteln, führt ohne die regelmäßige unterstützende Landmarkenpositionsbestimmung nach mehreren Sekunden oder Minuten zu erheblichen Ungenauigkeiten aufgrund von Integrationsfehlern.
Mit Inertialsensoren werden translatorische und rotatorische Beschleunigungen gemessen. Mittels dreier orthogonal angeordneter Beschleunigungssensoren (Translationssensoren) zur Detektion der linearen Beschleunigung kann die translatorische Bewegung berechnet werden. Weitere drei, ebenfalls orthogonal angeordnete Drehratensensoren (gyroskopische Sensoren) gestatten durch die Messung der Winkelgeschwindigkeiten die Berechnung der Rotationsbewegung. Die inertiale Messeinheit IMU umfasst diese sechs Sensoren. Zur Verbesserung der Genauigkeit bzw. zur Korrektur der Drift der Sensoren können beispielsweise Magnetfeldsensoren (Kompasssensoren) eingesetzt werden.
Um die Systemfunktionalität sicherzustellen und auch bei nicht vorhandenem bzw. eingeschränktem GPS-Empfang durchgehend zu gewährleisten, basiert das erfindungsgemäße Positionsbestimmungsverfahren auf einer dezentralen, lokal verfügbaren, robusten, wirtschaftlichen und von der GPS-Verfügbarkeit unabhängigen Methode.
Zum einen führt die stetige Entwicklung neuer Fahrerassistenzsysteme dazu, dass immer mehr Umfelderkennungsvorrichtungen wie Kameras, Lidar- oder Radarsysteme, etc. in die Fahrzeuge verbaut werden. Heute verfügbare Systeme ermöglichen eine genaue Abbildung der Fahrzeugumgebung, welche zudem mit einer hohen zeitlichen Auflösung erfolgt.
Zum anderen stehen hochaufgelöste und mit einer Vielzahl an Informationen angereicherte digitale Karten bereit. Beispiele hierfür sind Google Maps mit Street View sowie die exakten, in digitaler Form vorliegenden Karten bestimmter Infrastrukturen und Gebiete (z. B. Tunnels, Flughäfen, Parkhäuser, etc.), die Bebauungsinformationen der Katasterämter, hoch aufgelöste Satellitenbilder, etc. Denkbar ist dabei auch die Nutzung einer im Internet bereitgestellten digitalen Karte, das System muss dazu über einen Internetzugang verfügen, dies kann etwa mittels des Infotainmentsystems des Fahrzeugs realisiert werden.
Mit Hilfe maschineller Verfahren zur Merkmalsextraktion aus verschiedensten Sensorenquellen wie einer (Stereo-)Kamera, Radar-, Lidarsystemen oder sonstigen Sensoren zur Umgebungserfassung ist es möglich, ortspezifische Merkmale – die so genannten Landmarken – aus den Umgebungsdaten zu extrahieren und deren (auf wenige Zentimeter genaue) Position in einer digitalen Karte zu hinterlegen. Diese Landmarken werden dann als Stützpunkte für eine genaue Navigation, z. B. in einem Fahrzeug, herangezogen.
Dabei werden entweder die gleichen Merkmale mit Hilfe der Umfelderkennungsvorrichtungen des Fahrzeugs erkannt und mit dem digitalen Kartenmaterial abgeglichen, oder es findet eine Transformation der mit den Umfelderkennungsvorrichtungen detektierten Umgebungsmerkmale in den Merkmalsraum der in den digitalen Karten hinterlegten Landmarken statt, sowie ein entsprechender Abgleich mit diesen.
Eine hochpräzise Positionsbestimmung und hohe Trajektoriengenauigkeitsanforderungen werden gewährleistet, indem die Landmarken-basierte Lokalisierung die Stützpunkte für die Inertialsensorik liefert, welche in hoher zeitlicher Auflösung die erforderlichen Positions-, Geschwindigkeits- und Orientierungsdaten liefert.
Die Kombination dieser beiden Systeme kann auf Basis eines Kalman-Filters erfolgen. Des Weiteren kann dieses System durch das Hinzunehmen weiterer Eingangsgrößen erweitert werden aus Sensorvorrichtungen α wie z. B. Odometer, Radar-Systemen, Laser-Scanner, Ultraschall-Sensoren, Lidar-Systemen, etc.
Das Kalman-Filter ist ein Satz von mathematischen Gleichungen, mithilfe dessen bei Vorliegen lediglich fehlerbehafteter Beobachtungen Rückschlüsse auf den Zustand eines dynamischen Systems möglich sind, und dessen spezielle mathematische Struktur den Einsatz in Echtzeitsystemen erlaubt. So dient das Kalman-Filter quasi zum Entfernen der von den Messgeräten verursachten Störungen. Das Kalman-Filter ist anwendbar, wenn die mathematische Struktur des zugrunde liegenden dynamischen Systems und die der Messverfälschungen bekannt sind.
Ein gegebenenfalls – auch eingeschränkt – verfügbares GPS-Signal kann dazu dienen, für einen Start des Systems den Suchraum einzuschränken, in dem die von der Kamera-Sensorik erfassten Landmarken mit solchen in der Datenbank, deren Lokalisierung mit der ungefähren auf dem GPS-Signal basierenden Position korrespondiert, verglichen werden und damit schneller zu einem eindeutigen Ergebnis kommen. Weiterhin kann ein GPS-Signal als eine unabhängige weitere Informationsquelle benutzt werden, mit welcher die Konsistenz der Lokalisierung verifiziert werden kann.
Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße System und Verfahren eine passive, exakte, dezentrale Georeferenzierung, die als Basis für die notwendige Driftkompensation der Inertialmesseinheit dient.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht in der Tatsache, dass das mit den aus den Fahrerassistenzsystemen bereits im Fahrzeug vorhandenen Umfelderkennungssensoren ausgeführte System den Einsatz im automobilen Massenmarkt erlaubt, was einen wesentlichen Unterschied zu den bisher verwendeten Ansätzen darstellt, die eine Vielzahl von nicht-automotivtauglichen Sensoren und Spezialsystemen verwenden.
Das System bietet insbesondere die Chance, im Vergleich zu D-GPS-Systemen mit Inertialsensorik einerseits oder laserscannerbasierten Systemen andererseits deutlich kostengünstigere Sensorik sowohl auf Seiten der Kameras als auch seitens der Inertialsensorik zu verwenden, als es bisher möglich ist.
Als Landmarken werden insbesondere von der Fahrbahn aus gut sichtbare, unbewegliche Objekte oder auf der Straße angebrachte Markierungen oder Objekte oder von der Fahrbahn aus gut identifizierbare Merkmale von Bauten oder spezielle zu diesem Zwecke angebrachte künstliche Markierungen gewählt werden, wie z. B.

– Verkehrsschilder,
– Ortsschilder,
– Verkehrsampeln,
– Straßenbaken,
– Laternenpfähle,
– sonstige Pfähle oder Masten,
– Baumstämme
– Spurmarkierungen,
– Sperrflächen,
– Haltelinien,
– sonstige dauerhafte Markierungen,
– Änderungen im Straßenbelag,
– Kanaldeckel,
– Wassereinläufe
– Bordsteine,
– Kanten von Verkehrsinseln,
– Flächen, Kanten von Fassaden (inkl. Fenstern und Türen),
– Flächen und Kanten von Mauern
– Marken mit sich vom Hintergund abhebenden Farben und/oder Formen,
– Marken mit speziellen Mustern,
– reflektierende Marken,
– leuchtende Markierungen

Die künstlichen Markierungen sind bevorzugt mit einem eindeutig identifizierbaren Muster ausgestattet, so dass eine Markierung unverwechselbar einer Position zugeordnet werden kann. In der digitalen Karte wird eine Maßzahl für die Wiedererkennungshäufigkeit und Erkennungsgüte der Landmarken mitgeführt, um die Verfügbarkeit der Landmarke für zukünftige Lokalisierungen zu bewerten.

Claims

Positionsbestimmungs-System, geeignet für ein Kraftfahrzeug, das – eine digitale Karte (DLK), in der Daten über ortsspezifische Merkmale lokalisiert verzeichnet sind, – zumindest eine Umfelderkennungsvorrichtung (KAM) zur Erfassung der ortsspezifischen Merkmale in der Umgebung des Fahrzeugs, und – ein mit der digitalen Karte (DLK) und der Umfelderkennungsvorrichtung (KAM) gekoppeltes Lokalisierungsmodul (F), das eine Verarbeitungseinheit zum Abgleich der erfassten Daten und der in der digitalen Karte (DLK) verzeichneten Daten über die ortsspezifischen Merkmale und zur Lokalisierung der Fahrzeugposition anhand der in der digitalen Karte (DLK) lokalisiert verzeichneten ortsspezifischen Merkmale aufweist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine inertiale Messeinheit (IMU) des Fahrzeugs für Fahrzeugbewegungsdaten umfasst, die mit dem Lokalisierungsmodul (F) gekoppelt ist, dessen Verarbeitungseinheit konfiguriert ist, die Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf der anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisierten Position zu bestimmen.
Positionsbestimmungs-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Konfiguration der Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls (F) ein Kalman-Filter umfasst ist.
Positionsbestimmungs-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass des System zumindest eine weitere Sensorvorrichtung (α), insbesondere ein Odometer, ein Radarsystem, einen Laserscanner, einen Ultraschall-Sensor, ein Lidar-System, und/oder ein Satellitenempfängermodul (GPS) des Kraftfahrzeugs umfasst, die/das mit dem Lokalisierungsmodul (F) gekoppelt ist.
Positionsbestimmungs-System nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfelderkennungsvorrichtung (KAM) eine Kamera, eine Stereo-Kamera, eine Multi-Kamera, ein Lidarsystem, und/oder ein Radarsystem ist, und/oder die Umfelderkennungsvorrichtung (KAM) oder das Lokalisierungsmodul (F) eine Datenaufbereitungseinheit umfasst.
Positionsbestimmungs-System nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Karte (DLK) eine hochaufgelöste digitale Karte (DLK) ist, umfassend hochaufgelöste, kalibrierte Satellitenbilder, exakte Karten bestimmter Infrastrukturen und Gebiete, Bebauungsinformationen von Katasterämtern, Umgebungsbilder mit lokalisierten Merkmalen.
Verfahren zur Positionsbestimmung eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung eines Systems nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte: – Bereitstellen der digitalen Karte (DLK), in der die Daten über die ortsspezifischen Merkmale lokalisiert verzeichnet sind, – Aufnehmen von Umgebungsdaten des Fahrzeugs mit zumindest einer Umfelderkennungsvorrichtung (KAM) und Erfassen von Daten über die ortsspezifischen Merkmale aus den Umgebungsdaten mittels einer Datenaufbereitungseinheit, die von der Umfelderkennungsvorrichtung oder der Lokalisierungseinheit umfasst ist, – Abgleichen der erfassten Daten und der in der digitalen Karte (DLK) verzeichneten Daten über die ortsspezifischen Merkmale und Lokalisieren der Fahrzeugposition anhand der in der digitalen Karte (DLK) lokalisiert verzeichneten ortsspezifischen Merkmale durch die Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls (F), – Erfassen einer translatorischen Bewegung und einer Rotationsbewegung des Fahrzeugs als Fahrzeugsbewegungsdaten mittels der inertialen Messeinheit (IMU), – Bestimmen der Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf der anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisierten Position durch die Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls (F).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestimmen der Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf der anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisierten Position durch die Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls (F) unter Verwendung eines Kalman-Filters erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Erfassen der Daten über die ortsspezifischen Merkmale aus den Umgebungsdaten mittels der Datenaufbereitungseinheit durch – Erkennen der ortsspezifischen Merkmale direkt aus den Umgebungsdaten oder durch – Transformieren von Umgebungsmerkmalsdaten in einen Merkmalsraum der in der digitalen Karte (DLK) verzeichneten ortsspezifischen Merkmale erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, umfassend zumindest einen der Schritte: – Präzisieren der Bestimmung der Fahrzeugposition durch Berücksichtigen weiterer Erfassungsgrößen, die die Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls (F) von der zumindest einen weiteren Sensorvorrichtung (α) erhält, und/oder – Vorbestimmen einer ungefähren Fahrzeugposition mittels eines von dem Satellitenempfängermodul (GPS) empfangenen GPS-Signals, und/oder – anhand eines GPS-Signals Verifizieren einer Konsistenz der Lokalisierung des Fahrzeugs mittels der ortsspezifischen Landmarken.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Bereitstellen der digitalen Karte (DLK), in der die Daten der ortsspezifischen Merkmale lokalisiert verzeichnet sind, die Schritte umfasst: – Erfassen von Umgebungsdaten mittels zumindest einer Umfelderkennungsvorrichtung (KAM) und von Erfassungspositionen, – Extrahieren von ortsspezifischen Merkmalen aus den Umgebungsdaten, – Verzeichnen der ortsspezifischen Merkmale lokalisiert entsprechend der Erfassungspositionen in der digitalen Karte (DLK).