DE19501950A1 - Automatically guiding road vehicles using central guidance system - Google Patents

Abstract

A fully automatic system is used for guidance of road vehicles on roads. The system employs sensors, such as radar sensors, as a means of detecting all stationary and moving objects within a defined vicinity. Sensor systems on the vehicles also determine the traffic conditions and the state of the road surface to control traction and braking forces. A central hierarchical computer-based guidance system accepts the destination details, type of travel and priority requirements of the user as well as the output data of the sensors to produce guide commands for the vehicles, taking into consideration the area traffic conditions.

Description

1. Einführung1. Introduction

Eine der wesentlichen Grundlagen für die Effektivität einer Volkswirtschaft ist der Indivi­ dualverkehr mit dem Auto als Transportmöglichkeit für Personen und Güter. Seit seiner Erfindung vor ca. 100 Jahren hat sich das Auto nicht prinzipiell verändert. Seine große Verbreitung führt heute oft zu Verkehrsstaus und belastet die Umwelt. Sein größter Nach­ teil ist aber nach wie vor die mit seiner Benutzung verbundene Unfallhäufigkeit. Die an der Schwelle des 21. Jahrhunderts zur Verfügung stehenden technischen Einrichtungen ermög­ lichen jedoch die Konzipierung eines vollautomatisch gesteuerten praktisch unfallfreien In­ dividualverkehrs, der darüber hinaus durch die Vermeidung von Staus und einen optimierten Verkehrsfluß die Umweltbelastung minimiert.One of the essential foundations for the effectiveness of an economy is the individual dual traffic by car as a means of transport for people and goods. Since its Invention about 100 years ago, the car has not changed in principle. His size Spreading today often leads to traffic jams and pollutes the environment. His greatest after however, part is still the frequency of accidents associated with its use. The on the Threshold of the 21st century available technical facilities However, the concept of a fully automatically controlled practically accident-free vehicle dividual traffic, which is moreover by avoiding traffic jams and an optimized Traffic flow minimizes environmental pollution.

2. Stand der Technik2. State of the art

Zur Erhöhung der Sicherheit des Autoverkehrs wurden Abstandswarnradare entwickelt, mit deren Hilfe auch automatisch Bremsvorgänge zur Vermeidung eines Auffahrens eingeleitet werden können. Es wurden Fernsehkameras und Bildauswerteverfahren eingesetzt, mit de­ ren Hilfe unbemannte Fahrzeuge automatisch um Hindernisse herum fahren können. Dar­ über hinaus wurden verschiedene Navigationssysteme entwickelt, auch unter Benutzung von satellitengestützten Navigationsgeräten (GPS), die dem Fahrer seinen augenblicklichen Standort anzeigen und den weiteren Fahrtweg empfehlen.Distance warning radars have been developed to increase the safety of car traffic whose help also automatically initiated braking procedures to avoid a rearward collision can be. Television cameras and image evaluation methods were used, with de unmanned vehicles can automatically drive around obstacles. Dar In addition, various navigation systems have been developed, including using them of satellite-based navigation devices (GPS), which give the driver his current Show location and recommend the further route.

3. Bestandteile des zu beschreibenden Verfahrens3. Components of the procedure to be described

Zur Automatisierung des Individualverkehrs genügt nicht die automatische Steuerung von Fahrzeugen auf vorgegebenen Fahrwegen, vielmehr müssen auch nichtkooperative Ver­ kehrsteilnehmer und zufällig auftretende Hindernisse mit einbezogen werden. In dem zu be­ schreibenden Verfahren wird dies durch drei Systemkomponenten erreicht:Automatic control of is not sufficient to automate private transport Vehicles on predetermined routes, rather non-cooperative ver sweeping participants and random obstacles. In the be In writing procedures, this is achieved by three system components:

• - Ein Sensorsystem zur Erfassung aller ruhenden und bewegten Objekte innerhalb des Verkehrsraums- A sensor system for the detection of all stationary and moving objects within the Traffic area
• - Sensoren zur Erfassung des Verkehrswegezustandes, z. B. Straßenglätte- Sensors for detecting the traffic condition, e.g. B. Slickness
• - Ein Leitsystem zur Einweisung der Fahrzeuge- A guidance system for the instruction of the vehicles

Das Sensorsystem zur Verkehrsraumüberwachung sowie das zentrale Leitsystem sind voll­ ständig außerhalb der Fahrzeuge realisiert, beide Systeme sind Bestandteil des Verkehrs­ wegenetzes. Das Sensorsystem zur Erfassung des Verkehrswegezustandes kann zumindest teilweise innerhalb der Fahrzeuge realisiert sein.The sensor system for traffic area monitoring and the central control system are full Always implemented outside the vehicles, both systems are part of the traffic because of network. The sensor system for recording the traffic route status can at least partially implemented within the vehicles.

3.1 Sensorsystem zur Verkehrsraumüberwachung3.1 Sensor system for traffic area monitoring

Das Sensorsystem zur Überwachung des Verkehrsraums erfaßt alle ruhenden und bewegten Gegenstände auf der Verkehrsfläche und in einer Umgebung derselben. Es kann realisiert sein durch hochauflösende Kurzbereichsradare, die an Masten oder Traversen so angebracht sind, daß ihre Strahlung in die Richtungen des abfließenden und des ankommenden Ver­ kehrs gerichtet ist. Die Auflösung quer zur Verkehrsrichtung wird hierbei erreicht durch phasengesteuerte Gruppenantennen entsprechender Ausdehnung, die Auflösung in Entfer­ nungsrichtung erfolgt durch die Wahl einer geeigneten Signalform. Die Höhenauflösung ergibt sich durch eine interferometrische Anordnung jeweils zweier Gruppenantennen über­ einander. Die Sensoren erfassen Gegenstände auf der Verkehrsfläche und in deren Um­ gebung dreidimensional, d. h. durch zwei Koordinaten in der Ebene und eine Höhenkoordi­ nate. (Dies wäre beispielsweise durch Auswertung eines optischen Bildes von nur einer Ka­ mera nicht möglich). Darüber hinaus wird die Geschwindigkeit der erfaßten Objekte durch Dopplermessung ermittelt.The sensor system for monitoring the traffic area detects all stationary and moving Objects in and around the traffic area. It can be realized be through high-resolution short-range radars attached to masts or trusses are that their radiation in the directions of the outflowing and the incoming Ver is directed. The resolution across the direction of traffic is achieved by phase-controlled group antennas of appropriate size, the resolution at a distance direction is selected by choosing a suitable signal form. The height resolution results from an interferometric arrangement of two group antennas each each other. The sensors detect objects on and around the traffic area three-dimensional, d. H. by two coordinates in the plane and a height coordinate nate. (This would be, for example, by evaluating an optical image of only one Ka mera not possible). In addition, the speed of the detected objects is determined by Doppler measurement determined.

Wellenlänge und Auflösungsparameter der Radare erlauben auch die Erfassung von Per­ sonen und Tieren innerhalb des Überwachungsbereiches. Durch den Einsatz eines Radar­ systems zur Verkehrsraumüberwachung ist die Allwetterfähigkeit für dieses Sensorsystem sowie seine Benutzbarkeit bei Tag und bei Nacht sichergestellt.Wavelength and resolution parameters of the radars also allow the detection of Per people and animals within the surveillance area. By using a radar systems for traffic area monitoring is the all-weather capability for this sensor system as well as its usability during the day and at night.

3.2 Sensoren zur Erfassung des Verkehrswegezustandes3.2 Sensors for the detection of traffic conditions

Die möglichen Beschleunigungen im straßengebundenen Verkehr und damit der zulässige Kommandobereich für das Leitsystem hängen vom Traktionszustand der Fahrzeuge ab, bis herunter zum völligen Erliegen des Verkehrs bei Glatteis. Der augenblickliche Straßen­ zustand muß also ebenfalls durch ein Sensorsystem erfaßt und an das Leitsystem weiter­ gegeben werden. Hierzu dienen einerseits fest installierte Sensoren, welche die Bedeckung der Straßenoberfläche mit Wasser, Schnee und Eis erfassen, und andererseits in den Fahr­ zeugen installierte Sensoren, die den Traktionszustand durch Messung des Kraftbedarfs zur Fahrzeuglenkung, Schlupfzustände bei den Antriebsrädern usw. messen und an das Leit­ system melden. The possible accelerations in road traffic and thus the permissible Command area for the control system depend on the traction condition of the vehicles, until down to the complete stoppage of traffic on black ice. The current streets State must also be detected by a sensor system and forwarded to the control system are given. On the one hand, there are permanently installed sensors that cover the area capture the road surface with water, snow and ice, and on the other hand in driving Installed sensors test the traction condition by measuring the power requirement Measure the vehicle steering, slip conditions on the drive wheels etc. and send it to the guide report system.  

3.3 Zentrales Leitsystem3.3 Central control system

Das zentrale Leitsystem ist realisiert durch einen Verbund von Rechnern, deren Funktionen im Gesamtsystem hierarchisch gegliedert sind. Die Aufgabe der untersten Ebene ist die Kommunikation mit den kooperativen Verkehrsteilnehmern. Hierbei ist der gesamte Ver­ kehrsraum in geeignete Bezirke unterteilt, in denen der Verkehrsfluß durch jeweils einen Rechner gesteuert wird. Der in einen Bezirk eintreffende Verkehr wird zusammen mit den jedem Verkehrsteilnehmer zugeordneten Kenndaten wie Fahrziel, Priorität, Fahrzeug­ parameter (Gewicht, Beschleunigungsvermögen usw.), Fahrtmodus usw. dem Rechner ge­ meldet und nach Vorgaben aus den übergeordneten Ebenen durchgeschleust. Diesem Rech­ ner obliegt außerdem die Entgegennahme der Fahrtwünsche neu hinzukommender Ver­ kehrsteilnehmer in seinem Bezirk. Die übergeordneten Ebenen optimieren und steuern den Gesamtverkehrsfluß.The central control system is implemented by a network of computers and their functions are hierarchically structured in the overall system. The task of the lowest level is that Communication with the cooperative road users. Here is the entire ver Traffic area divided into suitable districts, in which the flow of traffic through one Computer is controlled. The traffic arriving in a district is together with the characteristic data such as destination, priority, vehicle assigned to each road user parameters (weight, acceleration, etc.), driving mode, etc. the computer reports and passed through according to specifications from the higher levels. That right ner is also responsible for accepting the travel requests of new additions sweepers in his district. The higher levels optimize and control the Total traffic flow.

Im vollautomatischen Verkehrssystem müssen drei Kategorien von Verkehrswegen unter­ schieden werden:In the fully automatic traffic system, three categories of traffic routes must be under be divorced:

• - Außerstädtische Hochgeschwindigkeitswege:
  Hier muß der Verkehrsfluß in Abhängigkeit vom Zustand innerhalb des Verkehrs­ weges und in Sicherheitszonen auf jeder Seite gesteuert werden. Das Leitsystem muß auch auf das Eindringen von Hindernissen in die Sicherheitszonen reagieren.- High-speed extra-urban routes:
  Here the flow of traffic must be controlled depending on the state within the traffic route and in security zones on each side. The control system must also respond to obstacles entering the security zones.
• - Innerstädtische Hochgeschwindigkeitswege:
  Hier muß eine Barriere zwischen den unmittelbar benachbarten Zonen für die Fahr­ zeuge und für Fußgänger errichtet werden, weil das System ein plötzliches Eindringen von Fußgängern in den Fahrweg nicht voraussehen kann und in diesem Fall nicht schnell genug reagieren könnte.- Inner-city high-speed routes:
  Here, a barrier must be established between the immediately adjacent zones for the vehicles and for pedestrians, because the system cannot predict a sudden intrusion of pedestrians into the route and in this case could not react quickly enough.
• - Wohnbereiche, Parkplätze usw.:
  Hier darf das Leitsystem die Fahrzeuge nur mit sehr niedriger Geschwindigkeit führen, um in jedem Fall den Zusammenstoß mit nicht kooperativen Verkehrsteilnehmern vermeiden zu können. Die Einbeziehung einer optischen oder akustischen Kommuni­ kation des Systems mit diesen Verkehrsteilnehmern ist möglich.- Living areas, parking lots, etc.:
  Here, the control system may only drive the vehicles at a very low speed in order to avoid collisions with non-cooperative road users. The inclusion of an optical or acoustic communication of the system with these road users is possible.

4. Vorteile bei der Anwendung des Verfahrens4. Advantages in using the procedure

Durch die Vollautomatisierung des Individualverkehrs lassen sich Unfälle vermeiden und der Verkehrsfluß optimieren. Die Fahrtwünsche der einzelnen Verkehrsteilnehmer können in verschiedene Prioritätsklassen fallen, von höchster Priorität (für höchste Benutzungsgebühr) für schnellstmögliche Durchschleusung bis hin zu niedrigster Priorität (für niedrigste Benut­ zungsgebühr), beispielsweise für unbemannte Fahrzeugrückführungen, Auslieferungsfahrten in verkehrsarmen Zeiten usw. Nach vollständiger Einführung des Verfahrens benötigen Fahrzeuge wegen des Entfallens einer Unfallgefahr keine besonders stabilen Fahrgastzellen mehr, Leitplanken und Markierungen an Verkehrswegen werden überflüssig usw. Die überwiegende Zahl aller Gütertransporte könnte unbemannt durchgeführt werden. Weil alle Fahrten durch das zentrale Leitsystem überwacht werden, ist die mißbräuchliche Verwen­ dung eines Fahrzeuges leicht zu verhindern.Fully automated private transport can prevent accidents and optimize the flow of traffic. The travel requests of the individual road users can in different priority classes fall, of highest priority (for highest user fee) for the fastest possible passage through to the lowest priority (for lowest user fee), for example for unmanned vehicle returns, delivery trips in low-traffic times, etc. After complete implementation of the procedure Vehicles do not have particularly stable passenger cells due to the absence of an accident risk more, guard rails and markings on traffic routes become superfluous, etc. The the majority of all freight transports could be carried out unmanned. Because everyone Journeys monitored by the central control system is the misuse prevent a vehicle from becoming damaged.

Die Innenstädte können von parkenden Fahrzeugen frei gehalten werden, da die automa­ tisch gesteuerten Fahrzeuge ihre Fahrgäste absetzen, alleine auf außerhalb gelegene Park­ plätze fahren und später auf Abruf ihre Fahrgäste wieder abholen können. Der jederzeitige Einsatz von automatischen Fahrzeugen zur Verkehrswegspflege (Schmutz-, Schnee- und Eisbeseitigung) ist möglich.The inner cities can be kept free of parked vehicles as the automa table-controlled vehicles drop their passengers off on the park outside  drive places and later pick up their passengers again on demand. The one at any time Use of automatic vehicles for traffic route maintenance (dirt, snow and Ice removal) is possible.

Aufbau und Betrieb des Systems ist in Stufen mit verschiedenem Komfort möglich. Das System kann in mehr oder weniger großem Maß Informationen, beispielsweise über das durchfahrene Gebiet, den voraussichtlichen weiteren Verlauf der Fahrt usw. an die Benutzer übermitteln. Das System ist somit im Laufe seiner Betriebszeit ausbaufähig. Die zusätzliche Bereitstellung von Verkehrsspuren für eine dominierende Verkehrsrichtung auf Kosten der Gegenrichtung ist einfach und ungefährlich.The system can be set up and operated in stages with different levels of comfort. The System can to a greater or lesser extent information, for example about the passed through area, the likely further course of the journey, etc. to the user to transfer. The system can therefore be expanded during its operating time. The additional Provision of traffic lanes for a dominant traffic direction at the expense of the The opposite direction is simple and harmless.

5. Übergangsphase bis zur vollständigen Einführung des Verfahrens5. Transitional phase until the procedure is fully implemented

In einer Übergangsphase befinden sich neben den vollständig durch das Leitsystem gesteuerten Fahrzeugen noch manuell gesteuerte Fahrzeuge auf den Straßen. Während dieser Phase können in den manuell gesteuerten Fahrzeugen Sender und Empfänger mitge­ führt werden, die eine Kommunikation mit dem zentralen Leitsystem erlauben. Auch diese Fahrzeuge erhalten dann Leitinformationen, für deren Umsetzung jedoch der Fahrer ver­ antwortlich ist.In a transition phase there are completely through the control system controlled vehicles still manually controlled vehicles on the roads. While During this phase, transmitters and receivers can be added to the manually controlled vehicles that allow communication with the central control system. This too Vehicles then receive guidance information, but the driver ver is answerable.

Claims (1)

Verfahren zur vollautomatischen Führung von Fahrzeugen auf Straßen und Plätzen, gekennzeichnet durch

• - ein Sensorsystem zur Erfassung aller ruhenden und bewegten Objekte innerhalb des Verkehrsraums und seiner unmittelbaren Umgebung nach ihrer Lage und ihrem Bewegungszustand, beispielsweise realisiert durch eine Kette von Radarsensoren
• - ein Sensorsystem zur Erfassung des Verkehrswegezustandes und der Ermittlung der hiervon abhängigen maximalen Führungs-, Traktions- und Bremskräfte, auch realisiert durch Sensoren innerhalb der ge­ führten Fahrzeuge
• - ein zentrales hierarchisch gegliedertes Leitsystem, das die Fahrtziel-, Fahrtmodus- und Prioritätswünsche der zu führenden Fahrzeuge sowie die Ausgangsdaten der beiden Sensorsysteme entgegennimmt und hier­ aus, auch unter Berücksichtigung der großräumigen Verkehrslage, Leit­ kommandos für die Fahrzeuge produziert.

Process for the fully automatic guidance of vehicles on streets and squares, characterized by

• - A sensor system for detecting all stationary and moving objects within the traffic area and its immediate surroundings according to their position and their state of motion, for example implemented by a chain of radar sensors
• - A sensor system for detecting the traffic condition and the determination of the dependent maximum management, traction and braking forces, also realized by sensors within the vehicles led ge
• - A central hierarchical control system that receives the destination, drive mode and priority requests of the vehicles to be guided as well as the output data of the two sensor systems and produces control commands for the vehicles here, also taking into account the spacious traffic situation.