CN108351218B - 用于生成数字地图的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生成数字地图(60)的方法，包括以下步骤，在至少一个移动装置(2)中：通过至少一个摄像头(4)检测环境(12)的图像序列，通过分析单元(5)对所检测的图像序列中的对象(28)进行识别和分类，通过分析单元(5)确定对象(28)相对于移动装置(2)的对象位置，确定环境(12)中的路段(13、20)，其中，所述路段(13、20)具有预设的尺寸以及预设的边界(14、15、16、17、21)，将被识别和分类的对象(28)配置给所确定的路段(13、20)中的确定的对象位置，通过分析单元(5)确定存在于路段(13、20)中的行车道(22)，通过发送装置(6)将被识别和分类的对象(28)的对象信息和对象位置、所确定的路段(13、20)的路段信息、行车道信息和时间信息传输至地图生成装置(3)。重复所述步骤。在地图生成装置(3)中接收数据、进行比较并且合并路段并融合为数字地图(60)。本发明还涉及一种对应的系统(1)。

Description

用于生成数字地图的方法和系统
本发明涉及一种用于生成尤其用于机动车的数字地图的方法和系统。
现代的机动车具有大量的辅助系统，其中也包括能够在环境中定位机动车的导航系统。这种导航系统例如基于全球定位系统(GPS)，其中通过分析多个卫星支持的信号确定机动车的位置。此外也已知由机动车的环境生成地图的系统。在之后行驶过已经生成地图的区域时，可以在已生成的地图中定位机动车。
由DE 10 2014 002 821 A1已知一种用于定位周围环境中的移动装置的方法，其中，装置具有多个传感器，用于通过使用不同的定位方法检测装置的周围环境，其中，对于周围环境存在参考地图，其包括周围环境中的多个位置，其中，针对周围环境中的至少一个位置推荐至少一个定位方法，其可以通过用于检测周围环境的至少一个传感器执行，其中，针对移动装置的当前位置，为了定位所述装置，使用至少一个由参考地图推荐的、可以通过至少一个传感器执行的定位方法。
由DE 10 2011 119 762 A1已知一种适用于机动车的定位系统和相应的方法。所述系统包括：数字地图，在所述数字地图中局部地记录了关于位置特定的特征的数据；至少一个环境识别设备，用于检测机动车的周围环境中的位置特定的特征；以及与数字地图和环境识别设备耦连的定位模块。定位模块具有处理单元，所述处理单元用于根据局部地记录在数字地图中的位置特定的特征，将所检测的数据与记录在数字地图中的、关于位置特定的特征和用于定位机动车位置的数据进行比较。系统还包括用于机动车运动数据的机动车惯性测量单元，其与定位模块耦连，定位模块的处理单元配置用于借助机动车运动数据基于根据位置特定的特征定位的位置确定机动车位置。
本发明所要解决的技术问题在于，实现一种用于生成数字地图的方法和系统，其中尤其在不借助GPS进行事先定位的情况下改善定位。
该技术问题按本发明通过具有权利要求1所述特征的方法和具有权利要求9所述特征的系统解决。本发明的有利的设计方案由从属权利要求得出。
尤其提供一种用于生成数字地图的方法，包括以下步骤，在至少一个移动装置中：通过至少一个摄像头检测至少一个移动装置的环境的图像序列，通过分析单元对所检测的图像序列中的对象进行识别和分类，通过分析单元确定对象相对于移动装置的对象位置，确定环境中的路段，其中，所述路段具有预设的尺寸以及预设的边界，将被识别和分类的对象配置给所确定的路段中的确定的对象位置，通过分析单元确定存在于路段中的行车道，通过发送装置将被识别和分类的对象的对象信息和对象位置、所确定的路段的路段信息、行车道信息和时间信息传输至地图生成装置，重复之前的步骤以确定环境的其它路段；还包括以下步骤，在地图生成装置中：接收来自至少一个移动装置的针对每个路段的对象信息和对象位置、路段信息、行车道信息和时间信息，基于对象信息和对象位置、路段信息、行车道信息和时间信息将各个单独的路段相互比较，将至少一个移动装置的路段在其分别相邻的边界处合并，将被合并的至少一个移动装置的路段融合为数字地图。
此外，实现了一种用于生成数字地图的系统，所述系统包括至少一个移动装置，其具有：至少一个用于检测至少一个移动装置的环境的图像序列的摄像头、分析单元和用于与地图生成装置通信的发送装置，其中，分析单元设计用于对所检测的图像序列中的对象进行识别和分类，确定对象相对于移动装置的对象位置，确定环境中的路段，其中，所述路段具有预设的尺寸以及预设的边界，将被识别和分类的对象配置给所确定的路段中的确定的对象位置，确定存在于机动车的路段中的行车道，借助发送装置将被识别和分类的对象的对象信息和对象位置、所确定的路段的路段信息、行车道信息和时间信息发送至地图生成装置，并且重复之前的步骤以确定环境的其它路段；和地图生成装置，所述地图生成装置设计用于从至少一个移动装置接收针对每个路段的对象信息和对象位置、路段信息、行车道信息和时间信息，基于对象信息和对象位置、路段信息、行车道信息和时间信息将各个单独的路段相互比较，将至少一个移动装置的路段在其分别相邻的边界处合并，并且将被合并的至少一个移动装置的路段融合为数字地图。
尤其规定，移动装置是机动车并且地图生成装置是中央服务器，机动车通过无线通信连接与所述中央服务器通信。其它的移动装置则例如是其它机动车，它们同样与中央服务器通信。然而也可以规定，地图生成装置集成在移动装置中。
在一种实施形式中规定，所确定的路段中的行车道通过由左侧行车道边界和右侧行车道边界形成的通道来描述，其中，左侧行车道边界和右侧行车道边界分别被描述为行车道函数。这具有的优点是：可以减小描述行车道所需的数据量。由此节省了通过通信连接在至少一个移动装置与地图生成装置之间通信时的带宽。
尤其在一种实施形式中规定，所述行车道函数设计为三次多项式函数。这在具有灵活性的同时使得数据特别强烈地减少。每个坐标只需要传递四个系数，因此在三维中每个路段总共需要传递十二个系数。在此尤其可以规定，多项式函数具有时间作为独立变量。但同样可行的是，使用位置坐标、例如行驶路程等作为独立变量。
在另一实施形式中规定，至少一个移动装置的路段在其分别相邻的边界处的合并通过相似性比较进行，其中，必须超过相似性的预设值，以使所述路段被识别为相邻。这例如可以针对边界周围的区域进行。在所述区域中进行相似性分析，例如通过普遍的对象和模式识别方法进行。在模式和对象中显示较大相似性的区域被识别为相邻并且接着被合并，从而以此方式可以逐步地由路段构建数字地图。
在一种实施形式中规定，被合并的至少一个移动装置的路段的融合在考虑加权的情况下进行，其中，加权通过时间信息和/或至少另一个标准确定。由此确保了例如总是将环境的尽可能最新的图像保持在数字地图中。这尤其可能在以下情况下是重要的，即行车道上的障碍物、例如对象或者工地被首次识别或者在其消失之后首次不再被识别。环境中的其它对象同样可能改变。所传输的对象信息和对象位置、路段信息和行车道信息越接近当前的时间点，针对所传输的数据的加权例如可以越高。但也可以将其它的加权标准规定为其它标准，例如针对确定类型的移动装置或者确定的路段的预设加权。
在另一实施形式中尤其规定，被合并的至少一个移动装置的路段的融合包括对多个针对对象确定的对象位置求平均。这具有的优点在于，针对对象确定的对象位置配置有更好的估计值，因为测量误差通过多次测量减小。
在另一实施形式中规定，至少一个移动装置的路段在其分别相邻的边界处、至少在所述边界或者围绕边界周围的区域中的合并，包括比较行车道或者路段的行车道函数。所述合并由此可以特别有效并且节省时间地进行，因为只需要将行车道或者行车道函数的端部区域相互比较，因此降低了所需的计算开销。
在一种实施形式中规定，由分析单元针对路段附加地检测附加信息，所述附加信息由发送装置传输至地图生成装置和/或所述附加信息或者其它附加信息由地图生成装置针对所述路段储存在数字地图中。这种附加信息例如可以包含关于行车道状态的附加信息。由此可以在数字地图中存储行车道例如是否由于天气状况而是湿的或者滑的，或者整体状态是好还是坏。所述附加信息储存在数字地图中并且可以提供给其它移动装置。在此，附加信息既可以由至少一个移动装置提供，也可以另外例如由中央交通引导或信息系统提供附加信息。
移动装置、地图生成装置和所述系统的部件可以单独地或者整合地设计为硬件和软件的组合，例如设计为在微控制器或者微处理器上实施的程序编码。
以下参照附图根据优选的实施例详细阐述本发明。在附图中：
图1示出用于生成数字地图的系统的一种实施形式的示意图；
图2示出机动车的典型环境的示意图，以说明所述方法；
图3示出通过行车道函数确定的路段的示意图。
在图1中示出用于生成数字地图60的系统1的示意图。系统1包括至少一个移动装置2和地图生成装置3，所述至少一个移动装置2在本实施例中设计在机动车50中，所述地图生成装置3例如设计为中央服务器。移动装置2包括摄像头4、分析单元5、发送装置6、高度传感器30和接收装置33。地图生成装置3例如包括接收装置7、合并装置8、融合装置9和存储器10，在所述存储器中保存数字地图60。
图2示出机动车50的典型环境12的示意图，以说明所述方法。摄像头4(参见图1)例如指向机动车50的行驶方向11。摄像头4检测机动车50的环境12的图像序列。所检测的图像序列由摄像头4传输到分析单元5。分析单元5由图像序列确定路段13。所述路段13具有预设的尺寸。该路段13还具有前部边界14、后部边界15、右侧边界16和左侧边界17。在所确定的路段13中具有机动车50正好所在的道路18的区段以及道路18的周围环境19的局部。在之后的时间点由另一图像序列确定另一路段20，使得该另一路段20的后部边界21等于之前确定的路段13的前部边界14。以此方式在不同时间点逐步地检测机动车50的环境12并且依次地以路段13、20的形式相互排列。
在每个路段13、20中，分析单元5确定机动车50的行车道22。在本实施例中，行车道22在右侧受道路18的行车道边界23限制，其中，右侧行车道边界23例如可以通过右侧的行车道标线给定。行车道22的左侧行车道边界24例如通过道路18的中线25给定。
行车道22的相应行车道边界23、24借助图像识别方法在分析单元5中识别并且例如针对每个坐标数学地以三次多项式函数的形式显示：
X(t)＝a3t3+a2t2+a1t+a0,
Y(t)＝b3t3+b2t2+b1t+b0，
Z(t)＝c3t3+c2t2+c1t+c0.
坐标X、Y和Z涉及例如与路段22的前部边界14的中点或者摄像头位置相关的坐标系。坐标X沿行驶方向11描述坐标系，坐标Y沿侧向描述坐标系并且坐标Z沿竖直方向描述坐标系。因此，函数X(t)描述了与时间t相关的沿X方向的函数，其与确定路段13的时间相关。由此在空间上定义所识别的行车道22的每个点。行车道函数的系数可以数学地通过适当的匹配方法确定，因此各个单独的行车道函数通过所确定的系数a1、a2、a3、a0和b1、b2、b3、b0和c1、c2、c3、c0确定并且作为时间的函数描绘行车道边界23、24。具有行车道函数的路段13的示意图在图3中示出。
所述系数形成行车道信息，它们与时间信息和路段信息共同借助移动装置2的发送装置6传输至地图生成装置3或者服务器。所述传输例如借助无线通信连接32进行。通过借助多项式函数描述行车道22，可以明显地减小要传输的数据量，因此对于每个路段13、20只需要传输较少的数据量。
此外规定，还检测环境12中的其它对象28。由此例如在环境12中和在行车道22的周围环境19中存在地标26、27。地标26例如可以是树或者道路照明装置，地标27也可以是行车道22上的障碍物。在此其例如可以是另一机动车，所述另一机动车标记拥堵的终点或者提示在所述行车道22上施工并且必须更换行车道22。
此外规定，对象28例如也可以描述行车道22上的雪或者滑水现象，其中，这种状态借助通常的图像分析方法识别。
此外可以规定，借助函数X(t)、Y(t)和Z(t)或者以通过图像分析提供的附加信息的形式，将例如停车楼信息、尤其是关于空闲停车位的信息传输至地图生成装置3。尤其规定，将由机动车50的高度传感器30(参见图1)检测的高度信息与关于路段13、20的信息共同地传输至服务器，因为以此方式可以识别属于停车位的停车楼层或者地下停车场层。用于确定相对于标准零点、即海平面的地理高度的传感器由现有技术已知。
摄像头4检测图像内容并且借助用于对象识别的适当方法能够确定其涉及哪个对象28。同样可行的是，确定对象28例如相对于摄像头4的位置。这例如通过将所识别的对象28与保存在表格中的对象相比较而实现。由此确定对象28的尺寸并且随即可以推断出与机动车50或者摄像头4的距离。通过在多个依次确定的路段13、20中确定对象28相对于摄像头4的角，知道对象28的位置。所述位置例如可以以向量的形式定义或者定义为具有相应的对象类型的坐标。同样作为针对每个路段13、20的时间的函数确定这些对象信息并且借助发送装置6传输至地图生成装置3或者服务器。
地图生成装置3接收针对每个路段的对象信息和对应的对象位置、路段信息、行车道信息和时间信息。借助适当的方法将它们整合，从而形成具有行车道22的数字地图60。根据本发明，这在没有全球定位系统(GPS)的数据的情况下实现。在此例如可以使用已知的模式识别方法。这种方法通过在此的信息能够配置路段信息并且在相应一致的情况下将路段13、20彼此接合。
不同路段13、20之间的相似性例如通过比较行车道函数的系数确定。如果所述系数一致，则可以认为其涉及相同的行车道22。为了进行验证，还将其它信息相互比较，例如关于处于行车道22之外的对象28的位置和类型的对象信息。
行车道22的数字地图60通过以下方式改进，即，大量的移动装置2、例如大量的机动车50分别将针对每个路段13、20的对象信息和对应的对象位置、路段信息、行车道信息和时间信息发送至地图生成装置3，并且地图生成装置3使用这些信息，以便由这些信息例如借助加权和求平均或者叠加而生成具有特别高精度的数字地图60。
如果例如路段13、20的对象28已经改变，则所述方法在地图生成装置3中确保在第一步骤中有确定数量的信息一致。这例如可以是行车道22的系数。如果其它参数、例如对象28(例如在树的情况下)的对象尺寸和对象类型在比较中也一致，则认为涉及在之前的时间点已经检测到并且保存在数字地图60中的路段13、20。
例如，在路段13、20中，处于左侧行车道左侧的对象28、例如交通标志31的对象类型和对象尺寸同样与之前生成的路段13、20的信息一致。然而，交通标志31的内容可能已经在其间改变(例如因为速度预设改变)。基于以下事实，即确定数量的信息一致，也就是在时间上更近的路段13、20已经被配置给数字地图中的位置，并且小的区域(交通标志31的内容)是新的，则认为路段必须被更新并且通过地图生成装置3更换路段13、20。因此在本实施例中，速度预设被更新。
借助对静态地标26、27的识别和对应的对象位置的求平均，可以在世界坐标系中计算高精确度的定位。这用于将路段13、20固定在数字地图60中。
因此在地图生成装置3或者在服务器中，环境12的图像在本地(数字地图60)和全局的坐标系中被组合在一起，其由来自路段13、20的大量信息组成。因此，尤其可以将多个移动装置的大量所检测的图像序列融合为唯一的非常准确的数字地图60。
地图生成装置能够将组合在一起的环境的图像作为数字地图再次发送至移动装置2，尤其是发送至机动车50。如果移动装置2借助接收装置33接收到这些信息，则在分析单元5中将所接收的环境12的路段与刚拍摄的路段13进行比较并且通过对偏差的分析确定移动装置2或者机动车50的准确位置。如果确定了所述位置，则由地图生成装置3或者由服务器向移动装置2或者机动车50提供其它信息，例如拥堵信息和/或行车道表面的状态。在此，这些信息不是全局的，而是针对机动车50的相应行车道22是行车道精确的。因此，通过所述方法可以向多车道的道路18上的驾驶员显示哪条行车道22的车道表面上的雪已经由冬季服务人员清除并且在哪条行车道22上还有雪。此外例如可以显示在哪条行车道22上存在拥堵并且在哪条行车道22上交通畅通。在停车楼或者地下停车场中例如可以显示相应层中的空闲停车位。
借助地图生成装置3或者服务器向交通参与者发送的数字地图60，能够得到环境12的准确图像。
此外也可以规定，地图生成装置3或者服务器能够通过额外存在的GPS信息确定交通参与者的视角(Standpunkt)并且将环境12的图像以数字地图60的形式提供给交通参与者。
如果移动装置2或者机动车50不能接收GPS(例如在停车场中)，则可以通过最后确定的位置(针对所述位置将路段13、20传输至地图生成装置3或者服务器)确定移动装置2的位置。地图生成装置3或者服务器借助路段13、20组合成数字地图60并且由此报告移动装置2或者机动车50的位置。如果驾驶员启动机动车50并且处于机动车50上的摄像头4检测图像，则地图生成装置3或者服务器与所述摄像头4的最后接收的图像的区域对应地发送信息。随即机动车50中的方法将当前的图像内容与由地图生成装置3或者服务器接收的图像内容相比较，并且由此能够在路段13、20的图像信息一致的情况下定位在数字地图60中。为此可以附加地基于里程测量进行本身运动的估计，以便借助数字地图60在没有GPS信息的情况下在环境12中定位移动装置2或者机动车50。
移动装置2例如也可以是智能手机、手提电脑或者笔记本电脑。它们也可以借助所述方法检测、发送和接收环境的信息，由此为接收者提供其环境的精确图像。这尤其对于徒步旅行者、自行车骑行者和类似的人在他们携带了具有摄像头4的相应移动装置2并且需要关于环境12的信息的情况下是有利的。
在一种扩展设计中也可行的是，人借助具有摄像头4、发射装置6、接收装置33和适当方法的移动装置2确定路段13、20和对象信息、对象位置和附加信息，以使它们能够用于改进数字地图60。因此，所述方法不只限于机动车50的行车道22，而是可以扩展到能够借助移动装置2在环境12中检测的所有区域。
各个单独的路段13、20的合并在地图生成装置3中例如由合并装置8进行。多个移动装置2的多个路段13、20的求平均在地图生成装置3中例如由融合装置9进行。数字地图60保存在储存在10中并且可以在该处被随时改变和再次调取。
移动装置2、地图生成装置和系统1的部件可以单独或者整合地设计为硬件和软件的组合，例如设计为在微控制器或者微处理器上实施的程序编码。
附图标记清单
1 系统
2 移动装置
3 地图生成装置
4 摄像头
5 分析单元
6 发送装置
7 接收装置
8 合并装置
9 融合装置
10 存储器
11 行驶方向
12 环境
13 路段
14 前部边界
15 后部边界
16 右侧边界
17 左侧边界
18 道路
19 周围环境
20 另一路段
21 另一路段的后部边界
22 行车道
23 右侧行车道边界
24 左侧行车道边界
25 中线
26 地标
27 地标
28 对象
30 高度传感器
31 交通标志
32 通信连接
33 接收装置
50 机动车
60 数字地图

Claims (9)

1.一种用于生成数字地图(60)的方法，包括以下步骤：
-在至少一个移动装置(2)中：
通过至少一个摄像头(4)检测至少一个移动装置(2)的环境(12)的图像序列，
通过分析单元(5)对所检测的图像序列中的对象(28)进行识别和分类，
通过分析单元(5)确定对象(28)相对于移动装置(2)的对象位置，
确定环境(12)中的路段(13、20)，其中，所述路段(13、20)具有预设的尺寸以及预设的边界(14、15、16、17、21)，
将被识别和分类的对象(28)配置给所确定的路段(13、20)中的确定的对象位置，
通过分析单元(5)确定存在于路段(13、20)中的行车道(22)，
通过发送装置(6)将被识别和分类的对象(28)的对象信息和对象位置、所确定的路段(13、20)的路段信息、行车道信息和时间信息传输至地图生成装置(3)，
重复之前的步骤以确定环境(12)的其它路段(13、20)；
-在地图生成装置(3)中：
从至少一个移动装置(2)接收针对每个路段(13、20)的对象信息和对象位置、路段信息、行车道信息和时间信息，
基于对象信息和对象位置、路段信息、行车道信息和时间信息将各个单独的路段(13、20)相互比较，
将至少一个移动装置(2)的路段(13、20)在其分别相邻的边界(14、21)处合并，
将被合并的至少一个移动装置(2)的路段(13、20)融合为数字地图(60)，
其中，在路段(13、20)中所确定的行车道(22)通过由左侧行车道边界(24)和右侧行车道边界(23)形成的通道描述，其中，左侧行车道边界(24)和右侧行车道边界(23)分别作为行车道函数来描述。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述行车道函数设计为三次多项式函数。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个移动装置(2)的路段(13、20)在其分别相邻的边界(14、21)处的合并通过相似性比较进行，并且，必须超过相似性的预设值，以使所述路段被识别为相邻。
4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，被合并的至少一个移动装置(2)的路段(13、20)的融合在考虑加权的情况下进行，其中，加权通过时间信息和/或确定类型的移动装置和/或确定的路段来确定。
5.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，被合并的至少一个移动装置(2)的路段(13、20)的融合包括对多个针对对象(28)确定的对象位置求平均。
6.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个移动装置(2)的路段(13、20)在其分别相邻的边界(14、21)处的合并，至少在所述边界(14、21)中或者在围绕边界(14、21)周围的区域中包括比较行车道(22)或者路段(13、20)的行车道函数。
7.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由分析单元(5)针对路段(13、20)附加地检测附加信息，所述附加信息由发送装置(6)传输至地图生成装置(3)和/或所述附加信息或者其它附加信息由地图生成装置(3)针对所述路段(13、20)储存在数字地图(60)中。
8.一种用于生成数字地图(60)的系统(1)，包括：
-至少一个移动装置(2)，所述至少一个移动装置具有：
至少一个摄像头(4)，用于检测至少一个移动装置(2)的环境(12)的图像序列，
分析单元(5)，和
用于与地图生成装置(3)通信的发送装置(6)，
其中，分析单元(5)设计用于对所检测的图像序列中的对象(28)进行识别和分类，确定对象(28)相对于移动装置(2)的对象位置，确定环境(12)中的路段(13、20)，其中，所述路段(13、20)具有预设的尺寸以及预设的边界(14、15、16、17、21)，
将被识别和分类的对象(28)配置给所确定的路段(13、20)中的确定的对象位置，
确定存在于路段(13、20)中的机动车50的行车道(22)，
借助发送装置(6)将被识别和分类的对象(28)的对象信息和对象位置、所确定的路段(13、20)的路段信息、行车道信息和时间信息发送至地图生成装置(3)，并且
重复之前的步骤以确定环境(12)的其它路段(13、20)；和
-地图生成装置(3)，所述地图生成装置设计用于
从至少一个移动装置(2)接收针对每个路段(13、20)的对象信息和对象位置、路段信息、行车道信息和时间信息，基于对象信息和对象位置、路段信息、行车道信息和时间信息将各个单独的路段(13、20)相互比较，将至少一个移动装置(2)的路段(13、20)在其分别相邻的边界(14、21)处合并，并且将被合并的至少一个移动装置(2)的路段(13、20)融合为数字地图(60)，
其中，在路段(13、20)中所确定的行车道(22)通过由左侧行车道边界(24)和右侧行车道边界(23)形成的通道描述，其中，左侧行车道边界(24)和右侧行车道边界(23)分别作为行车道函数来描述。
9.按权利要求8所述的系统(1)，其特征在于，分析单元(5)设计用于通过由左侧行车道边界(24)和右侧行车道边界(23)形成的通道描述在路段(13、20)中所确定的行车道(22)，其中，左侧行车道边界(24)和右侧行车道边界(23)分别作为行车道函数来描述。
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