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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Korrektur von Abweichungen in Lokalisierungsinformationen einer Planungsebene und einer Ausführungsebene, ein System mit getrennter Planung und Ausführung einer Steuerung, ein Objekt gesteuert über ein solchen System, ein Verfahren zur Korrektur von Abweichungen in Lokalisierungsinformationen einer Planungsebene und einer Ausführungsebene, und insbesondere auf ein Verfahren zur Korrektur von unterschiedlichen Lokalisierungsdaten in maschinell gesteuerten Systemen.
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HINTERGRUND
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Systeme, die maschinell gesteuert eine Soll-Trajektorie planen und dann eine entsprechende Bewegung dazu ausführen - wie beispielsweise bewegte Roboter, autonome Kraftfahrzeuge oder robotorisierte Luftfahrzeuge (z.B. Drohnen) - können unterschiedliche Organisationsarchitekturen besitzen. Zu einer groben Einteilung lässt sich eine erste Klasse solcher Systeme finden, in denen Planung und Ausführung miteinander gekoppelt bzw. ineinander integriert sind, beispielsweise so, dass ausführungsbedingte Abweichungen der Bewegung von der Soll-Trajektorie bei einer Planung für eine nächste Soll-Trajektorie berücksichtigt werden. In einer zweiten Klasse solcher Systeme sind Planung und Ausführung hingegen auf unterschiedliche Ebenen bzw. auf unterschiedliche Vorrichtungen verteilt. Die Ebenen sind dabei über eine Schnittstelle verbunden, über welche die Planung lediglich eine Beschreibung des geplanten Verhaltens (beispielsweise die Soll-Trajektorie in Form der umzusetzenden zeitlichen Abfolge von Positionen und Ausrichtungen) an die ausführende Ebene überträgt.
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Die Organisationsarchitektur der zweiten Klasse von Systemen bietet insbesondere in der Phase des Entwurfs Vorteile bzw. Freiheiten, die andernfalls nicht erzielt werden können. Dazu zählt beispielsweise die Möglichkeit, Veränderungen innerhalb der Planung oder der Ausführung vorzunehmen, ohne danach eine damit oft notwendigerweise verbundene Überprüfung aller Funktionen des Systems durchführen zu müssen. Vielmehr kann eine solche Prüfung auf die jeweilige Ebene der Veränderungen beschränkt und dadurch Aufgaben bei Herstellung und Wartung des Systems besser verteilt werden.
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Gleichzeitig entstehen durch die Trennung jedoch neue Problemstellungen, die es für einen erfolgreichen Einsatz der Architektur zu lösen gilt. Ein solches Problem tritt insbesondere auf, wenn mehr als ein Dienst zur Lokalisierung, also zur Bestimmung von Ist-Werten von Positionen und Ausrichtungen, existiert. Dies kann beispielsweise aus Redundanzgründen erwünscht bzw. sinnvoll sein. Durch die doppelte Lokalisierung können Inkonsistenzen oder auch systematische Fehler zwischen den beiden erhaltenen Positionen und Ausrichtungen auftreten, da beide Dienste in Abhängigkeit der jeweils verwendeten Sensorik - beispielsweise durch unterschiedliche Messgeräte, aber auch aufgrund unterschiedlicher Umweltbedingungen - auf unterschiedliche Abweichungen von wahren Werten führen. Je nach Weiterverwendung der erhaltenen Lokalisierungsinformationen kann eine solche Inkonsistenz schwerwiegende Problemen zur Folge haben. Unterscheiden sich die Lokalisierungsinformationen aus den beiden Diensten, wovon im Betrieb allgemein auszugehen ist, führt dies beispielsweise zu einer Regelabweichung, die wiederum zur Vorgabe unerwünschter Stellbefehle für die Aktorik führt. Ein solches Verhalten ist ungewünscht und muss im Betrieb verhindert werden. Regelabweichungen dürfen nur durch eine tatsächliche Differenz von geplanten Soll-Lokalisierungen und realen Ist-Lokalisierungen entstehen.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einem Ausgleich von abweichenden Lokalisierungen im Rahmen einer modularen Implementation von Planung und Ausführung, durch welchen fehlerhafte Ausführungsvorgaben vermieden werden können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein solches Ziel wird zumindest teilweise durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ein System nach Anspruch 6, ein Objekt nach Anspruch 9 und ein Verfahren nach Anspruch 12 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Korrektur von Abweichungen in Lokalisierungsinformationen einer Planungsebene und einer Ausführungsebene. Die Planungsebene ist dabei ausgebildet, um wiederholt erste Lokalisierungsinformationen zu bestimmen und basierend darauf Planungsdaten für eine Steuerung eines Objektes zu erstellen. Die Ausführungsebene ist ausgebildet, um wiederholt zweite Lokalisierungsinformationen zu bestimmen. Die Vorrichtung umfasst ein Empfangsmodul, welches ausgebildet ist, um fortlaufend die ersten und die zweiten Lokalisierungsinformationen zu empfangen, und um fortlaufend die Planungsdaten zu empfangen. Weiter umfasst die Vorrichtung ein Auswertemodul, welches ausgebildet ist, um für zeitgleiche erste und zweite Lokalisierungsinformationen eine Abweichung festzustellen. Die Vorrichtung erfasst zudem ein Korrekturmodul, welches ausgebildet ist, um unter Verwendung von mindestens einer festgestellten Abweichung eine Korrektur für die Planungsdaten oder für mindestens eine der zweiten Lokalisierungsinformationen durchzuführen. Dabei kann das Korrekturmodul auch sowohl die Planungsdaten als auch die Lokalisierungsinformationen korrigieren, beispielsweise durch eine Überführung aller Lokalisierungen in Planungsdaten und zweiten Lokalisierungsinformationen in ein weiteres Bezugssystem.
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Der Begriff Lokalisierungsinformation soll dabei für eine Information über einen Zustand, insbesondere eine Position und/oder Ausrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt, eines zu steuernden Gegenstands oder Objekts stehen, so dass eine Abfolge zeitlich aufeinanderfolgender Lokalisierungsinformationen eine Steuerung des Gegenstands ermöglicht. Die vorangehend angesprochenen Abweichungen insbesondere zwischen zeitgleichen Lokalisierungsinformationen aus Planungs- und Ausführungsebene kommen zum Beispiel aus einer Verwendung von unterschiedlichen Sensoreinrichtungen oder auch aus unterschiedlichen Verarbeitungsfehlern im Rahmen der Erstellung von Lokalisierungsinformationen in Planungs- und Ausführungsebene zustande.
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Unter den Begriffen Planungsebene bzw. Ausführungsebene können hierbei jeweils Vorrichtungen aus einem oder mehreren Geräten und deren Verbindungen verstanden werden, deren Einsatz mehrheitlich einer Planung einer Steuerung bzw. einer Ausführung einer Steuerung zugerechnet werden kann.
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In Ausführungsbeispielen umfassen die Lokalisierungsinformationen insbesondere Posen aus einer Position und einer Ausrichtung des zu steuernden Gegenstandes sowie einen Zeitstempel, welcher den Zeitpunkt, an dem die Pose ermittelt wurde, bestimmt. Solche Lokalisierungsinformationen werden wiederholt, zum Beispiel in einer bestimmten zeitlichen Frequenz oder auch nach sich aus Bewegungen des Gegenstands oder Objekts ergebenden Bedingungen, in oder für die Planungsebene und in oder für die Ausführungsebene erstellt.
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In Ausführungsbeispielen ist die Planungsebene insbesondere zuständig zur Erstellung erwünschter Trajektorien, welche sie beispielsweise in Form einer Abfolge erwünschter zukünftiger Lokalisierungsinformationen als Planungsdaten ausgibt. Die Ausführungseinrichtung verarbeitet Planungsdaten sowie eigene Lokalisierungsinformationen zu Steuerungsbefehlen für eine Aktorik, welche die Bewegung des Gegenstands oder Objekts bewirkt.
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Die vorliegende Vorrichtung bestimmt nun für Planungsdaten oder zumindest für Lokalisierungen der Ausführungsebene eine Korrektur, welche Abweichungen zwischen den Lokalisierungen aus Planungs- und Ausführungebene ausgleicht. Das Empfangsmodul der Vorrichtung kann dabei insbesondere einen Speicher aufweisen, in dem Lokalisierungsinformationen und/oder Planungsdaten beispielsweise für eine bestimmte Zeitspanne vorgehalten werden. Das Auswertemodul kann aus den ersten und zweiten Lokalisierungsinformationen zeitgleiche Paare bestimmen, und zwischen zwei Lokalisierungsinformationen Abweichungen feststellen. Zeitgleichheit ist dabei im Rahmen einer gewissen Toleranz zu verstehen, die insbesondere durch Messgenauigkeit und Frequenzen der Erstellung von Lokalisierungsinformationen bedingt sein kann. Die Korrektur wird im Korrekturmodul der Vorrichtung bestimmt und angewendet, wobei eine einmal bestimmte Korrektur mehrfach - beispielsweise bis zu einer erneuten Bestimmung - angewendet werden kann. Die Module der Vorrichtung - insbesondere das Empfangsmodul, das Auswertemodul und das Korrekturmodul - müssen dabei baulich nicht als getrennte Einheiten vorliegen, sondern können zusammengefasst, als nicht eigenständige Bestandteile anderer Teile der Vorrichtung bzw. funktional untrennbar ausgebildet sein.
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Optional ist das Korrekturmodul ausgebildet, um die Korrektur in regelmäßigen Zeitabständen und/oder auf Veranlassung durch das Empfangsmodul nach vorbestimmten Kriterien, beispielsweise nach einem Empfang von Planungsdaten oder von Lokalisierungsinformationen, neu zu bestimmen.
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In Ausführungsbeispielen werden Planungsdaten insbesondere mit einer niedrigeren Frequenz erstellt als Lokalisierungsinformationen in der Ausführungsebene. Wie bereits erwähnt kann das Korrekturmodul dann insbesondere bei einer Korrektur von zweiten Lokalisierungsinformationen eine Korrektur jeweils bei Eingang von Planungsdaten neu bestimmen, und zweite Lokalisierungsinformationen anschließend fortlaufend mit derselben Korrektur verändern.
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Optional ist das Korrekturmodul außerdem ausgebildet, um nach einer vordefinierten Bedingung an zwei zeitlich versetzte zweite Lokalisierungsinformationen die Korrektur neu zu bestimmen.
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Eine solche Bedingung kann beispielsweise die Bedingung umfassen, dass zwei zeitlich aufeinanderfolgende Lokalisierungsfunktionen eine Abweichung aufweisen, welche jenseits einer Schwellwertsbedingung liegt und etwa in einer plötzlichen Berichtigung eines Messfehlers oder einer Reinitialisierung von Sensoren zur Bestimmung der Lokalisierungsinformation begründet sein kann.
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Optional ist das Auswertemodul zudem weiter ausgebildet, um aus Lokalisierungsinformationen ein Streuungsmaß wie z.B. eine Standardabweichung oder eine Varianz zu bestimmen und zu speichern, wobei die gerade erwähnte Bedingung an die zwei zeitlich versetzten zweiten Lokalisierungsinformationen dieses Streuungsmaß berücksichtigt. Beispielsweise kann die Bedingung umfassen, dass eine Lokalisierungsinformation ganz oder teilweise außerhalb eines Bereiches des Streuungsmaßes liegt, der für uneingeschränkte Funktionalität gilt.
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Optional umfasst die Vorrichtung weiter ein Warnmodul, das ausgebildet ist, um bei einer Erfüllung einer vordefinierten Bedingung an die Abweichung oder an die Korrektur eine elektronische Warnmeldung auszugeben.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein System für eine Planung und Steuerung einer Bewegung eines Objektes. Dabei umfasst das System eine Planungsebene, die ausgebildet ist, um wiederholt erste Lokalisierungsinformationen zu bestimmen und Planungsdaten für eine Steuerung zu erstellen, eine Ausführungsebene, welche ausgebildet ist, um wiederholt zweite Lokalisierungsinformationen zu bestimmen und basierend auf den Planungsdaten eine Steuerung auszuführen, und eine Vorrichtung zur Korrektur von Abweichungen zwischen den Lokalisierungsinformationen der vorangehend beschriebenen Art.
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Optional sind dabei die Planungsebene und/oder die Ausführungsebene ausgebildet, um nach einer vordefinierten Bedingung an Lokalisierungsinformationen das Korrekturmodul zu veranlassen, eine Korrektur neu zu bestimmen.
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In Ausführungsbeispielen können Lokalisierungsinformationen bereits bei ihrer Erstellung Angaben zu einem Streuungsmaß oder einem aus einer Messungenauigkeit entstehenden Fehler enthalten, oder die Planungsebene und/oder die Korrekturvorrichtung bestimmen bereits selbst Abweichungen oder Unstetigkeiten in zeitlich aufeinanderfolgenden Lokalisierungsinformationen. Nach festgelegten Kriterien kann das Korrekturmodul daher veranlasst werden, zusätzliche Korrekturbestimmungen vornehmen.
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Durch die verschiedenen genannten Ausbildungen von Teilen des Systems, das Korrekturmodul zu einer Bestimmung einer Korrektur zu bewegen, können insbesondere sprunghaft auftretende Veränderungen in Lokalisierungsinformationen, wie sie etwa durch eine beispielsweise umwelt- oder auch systembedingte Korrektur von akkumulierten Sensorfehlern oder durch Neukalibrierung oder Reinitialisierung von Sensoren entstehen, in ihren Auswirkungen auf die Steuerungsbefehle aufgefangen werden.
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Optional ist die Planungsebene ausgebildet, um die ersten Lokalisierungsinformationen mit einer ersten Rate zu erzeugen, und die Ausführungsebene ausgebildet ist, um die zweiten Lokalisierungsinformationen mit einer zweiten Rate zu erzeugen, wobei die erste Rate verschieden von der zweiten Rate ist.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Objekt, welches ein System der vorhergehend beschriebenen Art umfasst, um automatisiert Bewegungen zu planen und auszuführen.
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Optional ist dieses Objekt ein Fahrzeug, und die Bewegungen dienen zumindest teilweise einer Automatisierung eines bestimmungsgemäßen Betriebs des Fahrzeugs. Insbesondere können die Bewegungen einen oder mehrere Vorgänge aus der folgenden Liste bewirken:
- - Regelung einer Pose des Fahrzeugs,
- - Regelung einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs,
- - Regelung einer Beschleunigung des Fahrzeugs,
- - Regelung einer Fahrdynamik,
- - Regelung einer Fahrtrajektorie,
- - Übergangsregelung in ein sicheres Anhalten,
- - einen Leitwartenbetrieb.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein automatisiertes Kraftfahrzeug wie Personen- oder Lastkraftwagen, einen Bus oder ein Flurförderfahrzeug, aber auch um ein Schienenfahrzeug handeln.
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Optional kann das Objekt auch ein Gerät aus der folgenden Liste sein:
- - ein mobiler Roboter,
- - ein Fluggerät wie beispielsweise ein Flugzeug, eine Drohne oder eine Rakete,
- - ein Wasserfahrzeug,
- - ein Haushaltsgerät, wie beispielsweise ein automatisierter Staubsauger oder Rasenmäher.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Korrektur von Abweichungen in Lokalisierungsinformationen einer Planungsebene und einer Ausführungsebene, wobei die Planungsebene ausgebildet ist, um wiederholt erste Lokalisierungsinformationen zu bestimmen und basierend darauf Planungsdaten für eine Steuerung eines Objektes zu ermitteln, und wobei die Ausführungsebene ausgebildet ist, um wiederholt zweite Lokalisierungsinformationen zu bestimmen. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- - Bestimmung von ersten Lokalisierungsinformationen, zweiten Lokalisierungsinformationen und Planungsdaten;
- - Auffinden einer ersten und einer zeitgleichen zweiten Lokalisierungsinformation;
- - Feststellen einer Abweichung zwischen den zwei Lokalisierungsinformationen;
- - Durchführen einer Korrektur der Planungsdaten oder mindestens einer Lokalisierungsfunktion unter Verwendung der Abweichung zwischen den zwei Lokalisierungsinformationen.
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Ausführungsbeispiele des Verfahrens umfassen insbesondere auch ein Verfahren für ein Bewegungssystem, das maschinell gesteuert eine Trajektorie plant und die Bewegung dazu ausführt, und die Funktionen Planung und Ausführung in unterschiedliche Module aufteilt. Für die Planung und die Ausführung werden eigenständige, unabhängige Lokalisierungsfunktionen genutzt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Planung konsistente Ausführung durch einen permanenten Abgleich möglicher Abweichungen zwischen den Lokalisierungsfunktionen gewährleistet wird.
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In Ausführungsbeispielen treten Regelabweichungen zwischen Planungsdaten in Form einer Solltrajektorie einerseits und Lokalisierungsinformationen in Form von Ist-Posen andererseits auf, und das Verfahren berücksichtigt bei der Korrektur den Posen-Unterschied mit Bezug zum Zeitpunkt der letzten Trajektorienplanung. Der Abgleich kann insbesondere die vom Planungsmodul übergebene Soll-Trajektorie modifizieren, jedoch davon unabhängig auch die zweiten Lokalisierungsinformationen, also die von der Lokalisierungsfunktion der Ausführung bestimmten Ist-Werte. Insbesondere können in dem Verfahren auch sowohl Planungsdaten als auch die zweiten Lokalisierungsinformationen verändert werden, beispielsweise, indem der Abgleich die vom Planungsmodul übergebene Soll-Trajektorie und die von der Lokalisierungsfunktion der Ausführung bestimmten Ist-Werte in ein drittes Bezugssystem überführt. In Ausführungsbeispielen des Verfahrens werden zudem Abgleich bzw. Korrektur und Messupdates für die Lokalisierungsfunktion der Ausführung synchronisiert durchgeführt.
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Bei einer Durchführung des Verfahrens in Ausführungsbeispielen umfasst das System zudem ein Modul zur Selbstbeobachtung mit der Aufgabe einer Funktionskontrolle. Das Selbstbeobachtungsmodul wird bei Überschreitung von vordefinierten Kriterien an die Korrektur oder an eine Abweichung zwischen Lokalisierungsinformationen benachrichtigt oder alarmiert.
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In Ausbildungsbeispielen bietet die vorliegende Vorrichtung unter anderem die folgenden Vorteile:
- In einem technischen System, insbesondere in einem automatisierten Fahrzeug, das maschinell gesteuert eine Trajektorie plant und die Bewegung dafür ausführt, und bei dem Planung und Ausführung dieser Steuerung auf unterschiedlichen Ebenen verteilt und lediglich über eine oder mehrere Schnittstellen verbunden sind, werden in beiden Ebenen jeweils Sensoren (beispielsweise GPS und Kamera) zur Schätzung der eigentlichen Position bzw. Pose verwendet, die aufgrund ihrer Eigenschaften auf unterschiedliche Ergebnisse führen können. Eine Vorrichtung der hier vorgestellten Art verhindert Regelabweichungen durch Herausrechnen der Fehler. Außerdem können unerwünschte Effekte der Sensordatenfusion der Lokalisierungsfunktion auf die ausführende Ebene verhindert werden.
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Weiter lassen sich durch den modularen Aufbau des Systems Änderungen in einem Modul der Vorrichtung bzw. einer Ebene leicht in das Gesamtsystem integrieren. Insbesondere müssen bei kleinsten Änderungen alle Komponenten und Funktionen des Systems mit entsprechendem Aufwand an Kosten und Personal auf Sicherheit geprüft werden. Durch den modularen Aufbau kann diese Prüfung auf ein Modul konzentriert bzw. bei nicht von den Änderungen betroffenen Modulen zumindest erheblich beschränkt werden.
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Durch die Trennung unterschiedlicher Lokalisierungsfunktionen, welche unterschiedliche Sensorik benutzen, kann zudem die Ausfallsicherheit und Redundanz innerhalb des Gesamtsystems erhöht werden.
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In Ausführungsbeispielen rechnet die Vorrichtung dabei alle Posen in ein einheitliches Bezugssystem um. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine Lokalisierungsfunktion mit niedrigerer Datenrate für die planerische Ebene und eine Lokalisierungsfunktion mit höherer Datenrate für die ausführende Ebene zu verwenden. Außerdem kann der Posen-Offset zwischen den Lokalisierungsfunktionen überwacht und an die Selbstbeobachtung des Gesamtsystems zur Funktionsüberwachung übermittelt werden.
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Der synchronisierte Abgleich der Abweichungen der Lokalisierungsfunktionen kann auch bei der Trennung von Planung und Ausführung eine konsistente und sprungfreie Trajektorienregelung ermöglichen. Messupdates, die zu einer Änderung des Unterschieds zwischen den Lokalisierungsfunktionen führen, werden so synchronisiert, dass sie erst mit einem Update der Solltrajektorie wirksam werden.
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Figurenliste
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt ein Schema für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt zusätzliche Details für eine Korrekturvorrichtung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels in einem automatisierten Fahrzeug.
- 3 zeigt ein Verfahren für eine Korrektur von Lokalisierungsinformationen aus einer Planungs- und solchen aus einer Ausführungsebene.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt ein Schema für eine Vorrichtung 300 zur Korrektur von Abweichungen zwischen Lokalisierungsinformationen 115 einer Planungsebene 100 einerseits und Lokalisierungsinformationen 215 einer Ausführungsebene 200 andererseits. Innerhalb der Planungsebene 100 bestimmt eine erste Lokalisierungsfunktion 110 - beispielsweise aus Daten von der Planungsebene 100 zugeordneten Sensoren - wiederholt erste Lokalisierungsinformationen 115. Analog erzeugt eine weitere, der Ausführungsebene 200 zugerechnete zweite Lokalisierungsfunktion 210 ebenfalls aus ihr zugeordneten Sensoren wiederholt zweite Lokalisierungsinformationen 215. Innerhalb der Planungsebene 100 werden die ersten Lokalisierungsinformationen 115 in einer Planungseinheit 120 verwendet, um Planungsdaten 125 bzw. eine Solltrajektorie für eine Steuerung zu erstellen. Die Planungsdaten 125 sowie beide Lokalisierungsinformationen 115, 215 werden an ein Empfangsmodul 310 in der Vorrichtung 300 übertragen. Das Empfangsmodul 310 speichert die Lokalisierungsinformationen 115, 215 fortlaufend, beispielsweise in einem Ringspeicher. Die Vorrichtung 300 umfasst sodann ein Auswertemodul 320, das ausgebildet ist, um zeitgleiche Lokalisierungsinformationen 115, 215 aufzufinden und Abweichungen zwischen zwei Lokalisierungsinformationen 115, 215 festzustellen. Dabei kann eine Abweichung auch zwischen zwei ersten Lokalisierungsinformationen 115 oder zwischen zwei zweiten Lokalisierungsinformationen 215 bestimmt werden. Die Vorrichtung 300 umfasst zudem ein Korrekturmodul 330, das ausgebildet ist, um unter Verwendung von mindestens einer festgestellten Abweichung zwischen einer ersten Lokalisierungsinformation 115 und einer zeitgleichen zweiten Lokalisierungsinformation 215 eine Korrektur für die Planungsdaten 125 und/oder für mindestens eine der zweiten Lokalisierungsinformationen 215 zu bestimmen. Zudem ist das Korrekturmodul 330 ausgebildet, um die Korrektur auf Planungsdaten 125 oder auf zweite Lokalisierungsinformationen 215 anzuwenden. Die Planungsdaten 125 bzw. die zweiten Lokalisierungsinformationen 215 werden als korrigierte Daten 335 einer der Ausführungsebene 200 zugeordneten Ausführungseinheit 220 weitergegeben. Die Ausführungseinheit 220 bestimmt aus den Lokalisierungsinformationen 215 und den korrigierten Daten 335 Steuerungsbefehle für eine Aktorik (hier nicht dargestellt), welche die Bewegung bewirkt.
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Ein Ausführungsbeispiel für ein Objekt mit einem System der in der Figur dargestellten Art umfasst ein automatisiertes bzw. autonomes Kraftfahrzeug mit serviceorientierter Architektur (SOA). In serviceorientierten Architekturen werden bestimmte Funktionen durch einzelne Dienste (Services) bereitgestellt. Diese Dienste sind klar abgegrenzt (modularisiert) und verfügen über definierte Schnittstellen mit anderen Diensten. Insbesondere umfassen diese Dienste solche, welche einer Planungsebene 100 sowie einer Ausführungsebene 200 entsprechen.
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Für eine maschinelle Fahrzeugführung ist eine hochverfügbare und genaue Lokalisierung des Fahrzeugs unerlässlich. Unter einer Lokalisierung wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Schätzung einer aktuellen Pose, also einer aktuellen Position und Ausrichtung des Fahrzeugs, verstanden. Für eine Lokalisierung können verschiedene Sensortypen, wie beispielsweise inertiale Messeinheiten, Sensoren eines Globalen Navigationssatellitensystems (GNSS), Sensoren zu einer Lageschätzung anhand von Daten aus dem Vortriebssystem des Fahrzeugs (Odometrie) oder Kamerasensoren genutzt werden. Jeder Sensortyp verfügt über spezifische Vor- und Nachteile, welche in unterschiedlichen Umgebungen (z.B. Häuserschlucht, Autobahn, Landstraße) unterschiedliche Genauigkeiten der Posenschätzung ermöglichen. Die einzelnen Sensoren können im Rahmen einer Sensordatenfusion (z.B. in einem Kalman-Filter) miteinander fusioniert werden, so dass die Vorteile mehrerer Sensoren kombiniert werden können und eine größere Anzahl an verschiedenen möglichen Architekturen für die Lokalisierungsfunktionen 110, 210 entsteht.
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Das Verhalten des Fahrzeugs wird maßgeblich von den zwei verschiedenen Ebenen der Planungsebene 100 und der Ausführungsebene 200 beeinflusst: Die Planungsebene 100 plant das gewünschte Verhalten, während die Ausführungsebene 200 dieses Soll-Verhalten umsetzt, indem Stellbefehle für die im Fahrzeug vorhandene Aktorik generiert werden. Zwischen den beiden Ebenen wird die Vorrichtung 300 als Abweichungs- bzw. Offset-Korrektur verortet, mit deren Hilfe eine Differenz zwischen den beiden Posen 115, 215 ermittelt und das Soll-Verhalten 125 oder für das Soll-Verhalten verwendete Posen 215 entsprechend korrigiert werden.
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An diesem Ausführungsbeispiel eines automatisierten Kraftfahrzeugs soll nun der Mehrwehrt dieser Architektur verdeutlicht werden. Zur Verhaltens- und Trajektorienplanung erzeugt die Planungsebene 100 des Fahrzeugs Planungsdaten 125, welche insbesondere eine Soll-Trajektorie umfassen, die das Fahrzeug abzufahren hat. Diese Soll-Trajektorie umfasst eine Abfolge von Posen, also von translatorischen Positionen im Raum sowie der Ausrichtung des Fahrzeugs, mitsamt Zeitstempeln, die beschreiben, wann die jeweilige Pose vorliegen soll. Der Soll-Trajektorie liegt eine aktuelle erste Lokalisierungsinformation 115 in Form einer Ist-Pose des Fahrzeugs zugrunde, zumeist synchronisiert zum Zeitpunkt der letzten Umgebungsvermessung durch Umfeldsensoren. Die Lokalisierungsinformation 115 zur Planung der Trajektorie wird dabei von der ersten Lokalisierungsfunktion 110 (beispielsweise mit GNSS- oder Kamerasensorik) ermittelt.
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Ohne die Vorrichtung 300 erhielte die Ausführungsebene 200 die zu fahrende Soll-Trajektorie durch einen direkten Transfer der Planungsdaten 125. Die Ausführungseinheit 220 in der Ausführungsebene 200 berechnet Stellbefehle für die Aktorik, um das gewünschte Soll-Verhalten zu erzielen. Dabei werden häufig Regler eingesetzt, die die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Pose bestimmen und auf Basis dieser Regelabweichung Stellbefehle generieren. Da die Ausführungsebene 200 insbesondere über eine eigene Lokalisierungsfunktion 210 verfügt, werden Posen aus unterschiedlichen Quellen miteinander verglichen. Die beiden ermittelten Posen - eine Lokalisierungsinformation aus den direkt übermittelten Planungsdaten 125 und eine durch die zweite Lokalisierungsfunktion 210 ermittelte zweite Lokalisierungsinformation 215 - können dabei aufgrund unterschiedlicher verwendeter Sensorik abweichen.
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Die Problematik dabei kann am Beispiel des Fahrzeugstillstands verdeutlicht werden. Wird von Seiten der Planung die aktuelle Ist-Pose (eine Lokalisierungsinformation 115) als Ziel-Pose definiert, sollte das Fahrzeug stillstehen. Ermittelt jedoch die zweite Lokalisierungsfunktion 210 aufgrund von systematischen Sensorfehlern eine abweichende Ist-Pose für eine der zweiten Lokalisierungsinformationen 215, so entsteht im Regler eine Regelabweichung allein aufgrund dieser Sensorfehler. Ohne entsprechende Korrektur wäre die Folge, dass Stellbefehle für die Aktorik bestimmt werden, die diese Abweichung beheben. Das Fahrzeug würde daher nach den Regeleingriffen bestenfalls um eine mit den Sensorfehlern zusammenhängende Distanz versetzt zur eigentlich gewünschten Pose stehen.
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Die Vorrichtung 300 bietet nun eine Lösung von Problemen dieser Art. Diese erhält einerseits die Planungsdaten 125, also insbesondere die geplante Soll-Trajektorie in jedem Zeitschritt, und andererseits Lokalisierungsinformationen 115, 215 aus den beiden Lokalisierungsfunktionen 110, 210. Relevant ist dabei die Pose aus der ersten Lokalisierungsfunktion 110, auf deren Basis die aktuellen Planungsdaten 125 erstellt wurden, und eine korrespondierende Pose in einer zu ermittelnden zweiten Lokalisierungsfunktion 210 eines gleichen Zeitpunkts. In Ausführungsbeispielen umfassen die Planungsdaten 125 neben der Soll-Trajektorie die zur Planung verwendete Lokalisierungsinformation 115, beispielsweise in Form einer Pose mit zugehörigem Zeitstempel. Die zweiten Lokalisierungsinformationen 215 (welche ebenfalls Posen und Zeitstempel umfassen) können in einem Ringspeicher im Empfangsmodul 310 vorgehalten werden. Durch die Zeitstempel ist es möglich, ein korrespondierendes Posen-Pärchen zu ermitteln. Aus den beiden Posen kann anschließend eine systematische Abweichung bzw. Offset berechnet werden. Alle in der mit Soll-Trajektorie enthaltenen Posen werden um diesen Offset korrigiert, so dass Abweichungen der beiden Lokalisierungsfunktionen 110, 210 nicht zu einer Regelabweichung und damit zu Stellbefehlen für die Aktorik führen. Alternativ können auch die Ist-Werte bzw. Lokalisierungsinformationen 215 der zweiten Lokalisierungsfunktion 210 um den Offset korrigiert oder beide Werte in ein drittes Bezugssystem überführt werden, was zu einem identischen Ergebnis führen kann.
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Die Abweichungen der Lokalisierungsinformationen 115, 215 vom wahren Wert können sich bei jeder Neuberechnung durch die beiden Lokalisierungsfunktionen 110, 210 ändern, weshalb die Notwendigkeit einer Synchronisierung besteht, um Sprünge in der Regelung zu vermeiden. Durch Änderungen in den Abweichungen vom wahren Wert können insbesondere in Fällen, in denen zumindest eine der Lokalisierungsfunktionen 110, 210 Lokalisierungsinformationen 115, 215 mit einer höheren Datenrate als die Korrektur durch die Vorrichtung 300 ausgibt, Sprünge in der ausgegebenen Ist-Pose dieser Lokalisierungsfunktion bis zu einer erneuten Bestimmung der Korrektur entstehen. Tritt ein solcher Sprung insbesondere bei zwei zeitlich aufeinanderfolgenden zweiten Lokalisierungsinformationen 215 auf, kann dies in der Folge zu großen Fehlern sowie unerwünschtem Verhalten der Ausführungsebene 200 führen. Dies wird mithilfe einer Synchronisierung zwischen erneuten Korrekturbestimmungen durch das Korrekturmodul 330 und den Lokalisierungsfunktionen 115, 215 verhindert. Wenn zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden ersten Lokalisierungsinformationen 115 oder zweiten Lokalisierungsinformationen 215 ein Sprung bzw. ein als diskontinuierlich zu wertender Unterschied besteht, so ist dies zum einen anhand des Verlaufs der Ist-Pose und gegebenenfalls weiterer Informationen wie insbesondere beispielsweise der zugehörigen Standardabweichung, welche ebenfalls in den Lokalisierungsinformationen 115, 215 enthalten oder in der Vorrichtung 300 anhand ihres Verlaufs berechnet und vorgehalten werden kann, erkennbar. Zum anderen treten Sprünge am Ausgang einer der Lokalisierungsfunktionen 110, 210 bei bestimmten Schritten im Verarbeitungsablauf wie beispielsweise beim Messupdate im Kalman-Filter oder bei einer Re-Initialisierung des Filters mit erhöhter Wahrscheinlichkeit auf, und können daher - beispielsweise nach Bestimmung einer tatsächlich eingetretenen Abweichung oder als generelle Regel - durch die betreffende Lokalisierungsfunktion markiert und der Vorrichtung 300 angezeigt werden. Somit liegt der Vorrichtung 300 die Information über einen Sprung am Ausgang einer der Lokalisierungsfunktionen 110, 210 vor. Durch eine (vorgezogene) erneute Bestimmung einer Korrektur vor der Verarbeitung der Pose in der Ausführungsebene 200 kann ein unerwünschtes Verhalten der Aktorik verhindert werden. Im entsprechenden Schritt kann beispielsweise der Sprung in der Ist-Pose durch eine Korrektur der Soll-Pose in den Planungsdaten 125 kompensiert werden, sodass der Soll-Ist-Vergleich in der Ausführungsebene 200 vom Sprung in der Ist-Pose unbeeinflusst bleibt.
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Ein Beispiel für einen solchen Sprung in der Ist-Pose kann in der zweiten Lokalisierungsfunktion 210 in einem Kraftfahrzeug bei Ausfahrt aus einem Tunnel entstehen. Wenn die zweite Lokalisierungsfunktion 210 beispielsweise Daten aus einem GNSS-Empfänger und einer inertialen Messeinheit (Inertial Measurement Unit, IMU) in einem Kalman Filter verarbeitet und dabei die Navigationsrechnung der IMU-Daten als Basissystem verwendet, finden im Tunnel durch die Beschränkung des GNSS-Empfangs keine Messupdates statt. Während der Fahrt im Tunnel werden daher die Fehler der IMU in der Navigationsrechnung aufsummiert bzw. integriert. Bei der Ausfahrt des Tunnels wird dieser Fehler bei einer erneuten Erzeugung einer Lokalisierungsinformation 215 korrigiert, und die Ist-Pose am Ausgang der Lokalisierungsfunktion 210 ändert sich sprungförmig. Wenn dies auftritt, bevor die noch zu erreichenden Soll-Positionen in den korrigierten Daten 135 selbst um die Folgen dieses Sprunges korrigiert wurden, führt es zu einem unerwünschten Verhalten der Ausführungsebene 200. Mithilfe der Vorrichtung 300 kann dieses unerwünschte Verhalten der Ausführungsebene 200 aufgrund unterschiedlicher Bezugssysteme der Soll- und ist-Größen verhindert werden. Die Offset-Korrektur kann dazu in zwei Schritten geschehen und läuft mit der gleichen Datenrate wie Lokalisierungsinformationen 215 in der Ausführungsebene 200 ab. Im ersten Schritt wird überprüft, ob neue Planungsdaten 125 oder ein Sprung in der zweiten Lokalisierungsinformation 215 vorliegen und somit ein Handlungsbedarf für die Offset-Korrektur vorhanden ist. Ein Sprung in der zweiten Lokalisierungsinformation 215 kann beispielsweise erkannt werden, indem die geschätzte Unsicherheit überwacht wird. Bei einem Messupdate, welches einen Sprung in der Lokalisierungsinformation 215 zur Folge hat, wird die geschätzte Unsicherheit sich schlagartig verringern, was im Gegensatz zum konstanten oder langsam anwachsenden regulären Verhalten (z.B. wie es häufig oder üblicherweise in gewissen Grenzen auftreten kann) der geschätzten Unsicherheit steht. Tritt ein Fall neuer Planungsdaten 125 oder eines Sprunges in den zweiten Lokalisierungsinformationen 215 ein, wird im Korrekturmodul 330 ein neuer Posen-Offset bzw. eine neue Korrektur berechnet. Die Posen der Soll-Trajektorie in den Planungsdaten 125 und der zweiten Lokalisierungsfunktion 215 können dabei in ein gemeinsames bzw. einheitliches Bezugssystem überführt werden.
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Bei der Gestaltung der Lokalisierungs- und Regelungsarchitektur ergeben sich im dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere Möglichkeiten aus der Trennung von planerischer und ausführender Ebene. Es können unterschiedliche Lokalisierungsfunktionen 115, 215 für die Planungsebene 100 und die Ausführungsebene 200 verwendet werden, welche auf unterschiedlicher Sensorik basieren. Dadurch kann die Ausfallsicherheit und Redundanz innerhalb des Gesamtsystems erhöht werden. Zudem ist es dadurch möglich, eine Lokalisierungsfunktion 110 mit niedrigerer Datenrate für die Planungsebene 100 und eine Lokalisierungsfunktion 210 mit höherer Datenrate für die Ausführungsebene 200 zu verwenden. Außerdem kann der Posen-Offset zwischen den Lokalisierungsinformationen 115, 215 überwacht und an eine Selbstbeobachtung des Gesamtsystems zur Funktionsüberwachung übermittelt werden. Des Weiteren können unerwünschte Effekte der Sensordatenfusion der Lokalisierungsfunktionen 110, 210 auf die Ausführungsebene 200 verhindert werden.
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2 zeigt weitere Details für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Vorrichtung in einem automatisierten Fahrzeug. In dem Schema zu sehen sind zunächst die bereits in 1 gezeigten Elemente einer Planungsebene 100, einer Ausführungsebene 200 und einer Vorrichtung 300 zur Korrektur von Abweichungen zwischen zwei der Lokalisierungsinformationen 115, 215.
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Konkret entstehen dabei erste Lokalisierungsinformationen 115 als Ist-Posen aus einer z.B. kartenbasierten Umfeld-Lokalisierungsfunktion 110 mit einer Datenrate von z.B. 20 Hertz (Hz). Die Planungseinheit 120 übernimmt insbesondere die Trajektorienplanung, welche eine Solltrajektorie umfassende Planungsdaten 125 mit einer Datenrate von z.B. 10 Hz ausgibt. In der Vorrichtung 300 übernimmt ein Empfangsmodul 310 den Empfang und die Speicherung der ersten Lokalisierungsinformationen 115 und der Planungsdaten 125 sowie von insbesondere weitere Ist-Posen umfassenden zweiten Lokalisierungsinformationen 215, welche in einer Lokalisierungsfunktion 210 zur Fahrdynamikzustandsschätzung mit hoher Datenrate (beispielsweise 100 Hz) erzeugt werden. Innerhalb der Vorrichtung 300 ist ein Auswertemodul 320 dargestellt, welches ausgebildet ist, um Posen des Fahrzeugs aus den Lokalisierungsinformationen 115, 215 zeitlich zuzuordnen und zu vergleichen. Außerdem ist ein Korrekturmodul 330 dargestellt, welches die beispielsweise Soll-Posen, Soll-Geschwindigkeiten und Soll-Beschleunigungen umfassenden Planungsdaten 125 und/oder die zweiten Lokalisierungsinformationen 215 korrigiert und als korrigierte Daten 335 an eine Ausführungseinheit 220 der Ausführungsebene 200 zur Fahrdynamik- und Trajektorienregelung übermittelt. Die Module 310, 320, 330 der Vorrichtung 300 sind dabei nicht notwendigerweise voneinander getrennt oder voneinander trennbar ausgebildet.
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Die Lokalisierungsfunktion 210 ist der Ausführungsebene 200 zugeordnet. Innerhalb der Ausführungsebene 200 übermittelt sie die zweiten Lokalisierungsinformationen 215, zusammen mit weiteren Informationen wie beispielsweise Geschwindigkeit und Beschleunigung des Fahrzeugs oder etwa von Drehraten beispielsweise von Fahrzeugrädern, ebenfalls an die Ausführungseinheit 220 der Ausführungsebene 200. Diese Ausführungseinheit 220 arbeitet beispielsweise mit einer Datenrate von 50 Hz. Sie empfängt und generiert Stellgrößen 225 zunächst für Dynamikmodule 410 des Fahrzeugs. Die Dynamikmodule besitzen Sensoren, über welche beispielsweise Odometrie-Daten 415 an die zweite Lokalisierungsfunktion 210 gesendet und dort zur Bestimmung der zweiten Lokalisierungsinformationen 215 verwendet werden. Die Dynamikmodule bewirken die Vorgänge zur Steuerung 420 des Fahrzeugs, welches Sensordaten 425 generiert, die zur Bestimmung der ersten Lokalisierungsinformation 115 an die Umfeld-Lokalisierung bzw. die erste Lokalisierungsfunktion 115 gesendet werden.
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Die Offset-Korrektur durch die Vorrichtung 300 ermöglicht Bewegungsregelungen des Fahrzeugs in allen Betriebsmoden, insbesondere in den Bereichen Automation, sicherem Anhalten und Leitwartenbetrieb. Durch den modularen Aufbau entstehen die bereits an anderer Stelle genannten Vorteile, darunter insbesondere die Möglichkeit, Entwicklung und Produktion der hier dargestellten Teile des Systems auf verschiedene voneinander grundsätzlich getrennt arbeitende Partner (wie etwa unterschiedliche Unternehmen oder Forschungseinrichtungen) aufzuteilen.
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3 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Korrektur von Abweichungen in Lokalisierungsinformationen 115, 215 einer Planungsebene 100 und einer Ausführungsebene 200. Dabei ist die Planungsebene 100 ausgebildet, um wiederholt erste Lokalisierungsinformationen 115 zu bestimmen und basierend darauf Planungsdaten 125 für eine Steuerung eines Objektes zu ermitteln, und die Ausführungsebene 200 ist ausgebildet, um wiederholt zweite Lokalisierungsinformationen 215 zu bestimmen. Ein erster kennzeichnender Schritt des Verfahrens umfasst ein Empfangen S100 von ersten Lokalisierungsinformationen 115, zweiten Lokalisierungsinformationen 215 und Planungsdaten 125. Dies kann mit jeweils unterschiedlichen Raten erfolgen. Die ersten Lokalisierungsinformationen 115 weisen dabei Abweichungen von jeweils zeitnah erstellten zweiten Lokalisierungsinformationen 215 auf, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher verwendeter Sensorik, unterschiedlicher Sensorfehler oder Ungenauigkeiten bei der Erstellung der Lokalisierungsinformationen 115, 215. Die Planungsdaten 125 geben Informationen für eine Steuerung vor, welche in der Ausführungsebene 200 in Steuerungsbefehle für eine Aktorik des Objekts umgesetzt werden. Dabei werden weitere zweite Lokalisierungsinformationen 215 mit Elementen der Planungsdaten 125 verglichen, so dass die Abweichungen zu Fehlern in der Steuerung führen.
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Ein weiterer Schritt des Verfahrens umfasst ein Auffinden S200 von ersten Lokalisierungsinformationen 115 und zeitgleichen zweiten Lokalisierungsinformationen 215. Zeitgleichheit ist hierbei mit einer Toleranz zu verstehen, welche insbesondere durch unterschiedliche Erzeugungsraten von Lokalisierungsinformationen 115, 215 bestimmt ist.
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Ein weiterer Schritt des Verfahrens umfasst ein Feststellen S300 einer Abweichung zwischen ersten Lokalisierungsinformationen 115 und zeitgleichen zweiten Lokalisierungsinformationen 215. Ein darauffolgender Schritt umfasst ein Durchführen S400 einer Korrektur der Planungsdaten 125 oder mindestens einer der zweiten Lokalisierungsinformationen 215 unter Verwendung mindestens einer Abweichung. Die Korrektur kann dabei insbesondere zunächst aus mindestens einer Abweichung zu einer bestimmten Zeit bestimmt und dann wiederholt verwendet werden, bis eine nächste Korrektur bestimmt wird. Durch die Korrektur lassen sich Fehler und Sprünge in der Steuerung des Objekts vermeiden.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Planungsebene
- 110
- erste Lokalisierungsfunktion
- 115
- erste Lokalisierungsinformationen
- 120
- Planungseinheit
- 125
- Planungsdaten
- 200
- Ausführungsebene
- 210
- zweite Lokalisierungsfunktion
- 215
- zweite Lokalisierungsinformationen
- 220
- Ausführungseinheit
- 225
- Stellgrößen
- 300
- Vorrichtung
- 310
- Empfangsmodul
- 320
- Auswertemodul
- 330
- Korrekturmodul
- 335
- korrigierte Daten
- 410
- Dynamikmodule
- 415
- Odometrie-Daten
- 420
- Vorgänge zur Steuerung
- 425
- Sensordaten
- S100, ..., S400
- Verfahrensschritte
