DE10036042B4

DE10036042B4 - Multisensorielle Fahrspurzuordnung

Info

Publication number: DE10036042B4
Application number: DE10036042A
Authority: DE
Inventors: Nils Dipl.-Ing. Appenrodt; Jörg Dipl.-Ing. Berner; Klaus Dr. Mezger; Gerd Dr.-Ing. Wanielik
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: JP2002098758A; JP5622993B2; FR2812438A1; FR2812438B1; GB2370706B; GB2370706A; US6597984B2; GB0117758D0; DE10036042A1; US20020067292A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Lage eines Kraftfahrzeuges in Bezug auf eine Fahrspur,
wobei mittels einer mit einem Navigationssystem gekoppelten, digitalen Straßenkarte eine erste Zuordnung des Kraftfahrzeugs zu einer Straße vorgenommen wird,
und wobei diese erste Zuordnung durch eine nachfolgende Bestimmung der Entfernung des Kraftfahrzeugs zum Straßenrandes mittels eines entfernungsauflösenden Sensors präzisiert wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Entfernung zum Straßenrand die Signatur des Empfangssignals des entfernungsauflösenden Sensors ausgewertet wird,
wobei im Rahmen der Signaturanalyse die Polarisation des Empfangssignals betrachtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die Verwendung eines solchen nach den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 13, sowie eine zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 16.
Zur Steigerung von Komfort und Sicherheit in Fahrzeugen spielen Sensorsysteme zur Umgebungserfassung mit einer intelligenten Szeneninterpretation eine immer größere Rolle.

Die Schrift DE 19749086 C1 beschreibt ein System zur Ermittlung von für den Verlauf einer Fahrspur indikativen Daten, welche eine Fahrspurerkennungssensorik in Form einer Videokamera und eine Objektpositionssensorik enthält. Dabei besteht die Fahrspurerkennungssensorik aus einer Videokamera und die Objektpositionssensorik aus einem Radarsensor, welcher zumindest die den Abstand eines vor dem Fahrzeug befindlichen Objektes und dessen Richtungswinkel bezüglich der Fahrzeugbewegungsrichtung erfasst. Innerhalb eines Fahrzeugbewegungsmodells werden diese Sensorinformationen fusioniert, um hieraus eine Lageschätzung des Fahrzeugs abzuleiten.

Ein System zur Bestimmung des Straßenzustandes und der geometrischen und entfernungsmäßigen Zuordnung von Fahrbahnunregelmäßigkeiten wird in der Patentschrift DE 37 38 221 C2 beschrieben. Hierbei werden von einem Fahrzeug aus mehrere Sender und Empfangseinrichtungen auf die Fahrbahn ausgerichtet, dass durch Auswerten der Unterschiede der Rückstreusignale eine geometrische Zuordnung von Fahrbahnunregelmäßigkeiten zu den Änderungen der Signale erfolgt, wobei auf diese Weise auch eine Schätzung der Position des Fahrbahnrandes erfolgt. Da einzig der Verlauf der Intensität des rückgestreuten Signals beobachtet wird, können Mehrdeutigkeiten in der Intensitätssignatur (Schneeanhäufung entlang des Fahrbahnrandes oder Bordsteinkante) nicht eindeutig aufgelöst werden.

Wichtige Zusatzinformationen über das Fahrzeugumfeld lassen sich mit Hilfe von Navigationssystemen gewinnen. Hierbei ist die Ortsauflösung im allgemeinen genau genug um eine Zuordnung des Fahrzeuges zu der vorhandenen digitalen Straßenkarte vorzunehmen. Tritt das Fahrzeug aber in einen Übergangs- oder Verzweigungsbereich ein, in welchem beispielsweise eine Nebenstraße von einer Hauptstraße abzweigt, dann ist es schwierig festzustellen, ob das Fahrzeug sich weiterhin auf der Hauptstraße vorwärts bewegt, oder sich zur abzweigenden oder Nebenstraße hin bewegt. Für eine verbesserte Szeneninterpretation ist es deshalb notwendig die Navigationsinformation um zusätzliche Sensorinformation sinnvoll zu ergänzen.

Das in der Schrift DE 19906614 A1 beschriebene Verfahren vergleicht deshalb die Daten einer videobasierten Fahrspurerkennungssensorik, mittels welcher die Markierungslinien am Fahrbahnrand erkannt werden, mit der Information einer digitalen Straßenkarte, welche mit einem Navigationsgerät in Verbindung steht. Hierdurch wird es möglich die Position des Fahrzeugs in Bezug auf die Markierungslinien zu bestimmen.

Die Offenlegungsschrift DE 199 06 614 A1 beschreibt ein weiteres kamerabasiertes Verfahren zur Ermittlung der Lage eines Kraftfahrzeuges in Bezug auf eine Fahrspur. Hierbei wird mittels einer mit einem Navigationssystem gekoppelte, digitale Straßenkarte eine erst Zuordnung des Kraftfahrzeuges zu einer Straße vorgenommen und diese erste Zuordnung durch eine nachfolgende Bestimmung der Entfernung des Kraftfahrzeuges zum Straßenrand mittels eines entfernungsauflösenden Kamerabildverarbeitung präzisiert. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass das Kamerabild bei schwierigen Sichtverhältnissen nur ungenaue, für eine Fahrspurerkennung nicht ausreichend gute Daten liefert.

Dahingegen stellt die Veröffentlichung JP 10325869 ein System vor, bei welchen die mit einer digitalen Straßenkarte verbundenen Fahrspurerkennungssensorik aus einem Radarsensor besteht. Dies macht das System zum einen allwetter-tauglich (keine signifikante Behinderung durch Nebel) und zum anderen unabhängig von der Existenz von Begrenzungslinien am Fahrbahnrand. Nachteilig wirkt sich bei diesem Verfahren jedoch aus, daß am Fahrbahnrand gleichabständig Radar-Reflexionskörper angebracht sein müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Lage eines Kraftfahrzeuges in Bezug auf eine Fahrspur zu finden, welche die Informationen einer mit einem Navigationssystem gekoppelten Straßenkarte verbessert, jedoch auf keine gesonderte Infrastruktur angewiesen ist und auch bei schlechten Sichtverhältnissen eindeutig zuordenbare Messdaten liefert.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 16 gelöst. Dabei wird zur Bestimmung der Entfernung zum Straßenrand die polarimetrische Signatur eines entfernungsaufgelösten Sensors ausgewertet.

Der Vorteil der Erfindung ergibt sich durch die Möglichkeit, dass ein Fahrzeug autonom auch bei schwierigen Sichtverhältnissen und ohne Rückgriff auf eine stationäre Verkehrsinfrastruktur (Markierungslinien, Reflektoren), sein aktuelle Lage in Bezug auf die Fahrspur bestimmen kann. Hierbei ist in besonderer Weise der Sensor polarisationssensitiv ausgestaltet, so dass im Rahmen der Signaturanalyse die Polarisation des Empfangssignals untersucht werden kann. Auf diese Weise kann die Position des Straßenrandes eindeutig erkannt werden, da sich die Polarisationssignaturen von Straßenoberflächen von sich typischerweise am Straßenrand befindlichen Signaturen (Graß, Schotter) unterscheiden.

Der Vorteil der Erfindung ergibt sich durch die Möglichkeit, dass ein Fahrzeug autonom, ohne Rückgriff auf eine stationäre Verkehrsinfrastruktur (Markierungslinien, Reflektoren), seine aktuelle Lage in Bezug auf die Fahrspur bestimmen kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein entfernungsauflösender Sensor, vorzugsweise ein Radarsensor (denkbar ist aber auch ein Lidar), zur Ermittlung des Fahrzeugabstandes zum Straßenrand mit einer mit einem Navigationssystem gekoppelten digitalen Straßenkarte zur Ortsbestimmung kombiniert. Als Navigationssystem eignet sich insbesondere ein DGPS-System, wie es in modernen Kraftfahrzeugen bereits häufig Verwendung findet. In vorteilhafterweise beseitigt das erfindungsgemäße Verfahren diese Unklarheit, indem es die Karteninformation mit der Entfernungsschätzung eines entfernungsauflösenden Sensors korreliert. Auf diese Weise sind die lateralen Fahrzeugkoordinaten und die Fahrzeugausrichtung eindeutig zu ermittelbar. Dies ist insbesondere auch dann wichtig, wenn erkannt werden soll, ob ein voranfahrendes Fahrzeug auf der eigenen oder der benachbarten Spur fährt oder sich ob stehende Hindernisse auf der eigenen Fahrspur befinden.

In Vorteilhafterweise nutzt das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich auch die Information eines im Fahrzeug integrierten Kreiselsystems aus, um die Ausrichtung des Fahrzeugs auf der Straße besser bestimmen zu können.

In erfinderischer Weise dient als Schätzwert für die Entfernung des Kraftfahrzeuges vom Straßenrand, die Entfernung desjenigen Entfernungstores innerhalb des Empfangssignals des entfernungsauflösenden Sensors, bei welchem sich die Signatur des Empfangssignals signifikant zu ändern beginnt. Dabei ist es denkbar, dass hierbei auf eine signifikante Änderung dann entschieden wird, wenn die Intensität des Empfangssignals monoton ansteigt. Dies ist ein zulässiges Vorgehen, da eine Straßenoberfläche für die vom Radarsensor ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen glatt erscheint und deshalb relativ wenig Energie zum Sensor zurückreflektiert, während die Reflexionen am im allgemeinen inhomogenen Straßenrand (Kies, Gras, Übergang Straßenbelag/Bordsteinkante) signifikant stärker sind. Um Fehler bei der Interpretation der Empfangssignale, welche beispielsweise von Signalstörungen herrühren, zu verhindern, ist es auch denkbar, einen monotonen Signalanstieg nur dann als signifikant zu bewerten, wenn der Anstieg der Signalenergie über mindestens zwei Entfernungstore erfolgt. Eine sinnvolle Auswahl der Anzahl der Entfernungstore ergibt sich in Zusammenhang mit der aktuellen Entfernungsauflösung des Sensorsystems. Entsprechend ist es in vorteilhafter Weise aber auch denkbar, durch geeignete, aus der Bildverarbeitung bekannte Schätzverfahren bezüglich des monotonen Übergangs des Straßenbelags auf den Straßenrand eine Entfernungsschätzung zu errechnen, welche sodann in ihrer Entfernungsauflösung wesentlich genauer als die Auflösung des entfernungsauflösenden Sensors ist. Mittels einer solchen Kantenschätzung, deren Auflösung im Subpixel-Bereich liegt, kann eine Steigerung der Auflösung um einen Faktor 5 bis 10 erreicht werden.

In besonderer Weise läßt sich das Empfangssignal des entfernungsauflösenden Sensors aber auch bezüglich des Vorkommens von für einen Fahrbahnrand typischen Signaturen hin untersuchen. Dabei ist es besonders vorteilhaft den Sensor polarisations-sensitiv auszugestalten, so daß im Rahmen der Signaturanalyse die Polarisation des Empfangssignals untersucht werden kann. Untersuchungen haben gezeigt, daß sich die Polarisationssignaturen von Straßenoberflächen und sich typischerweise am Straßenrand befindliche Texturen (Gras, Schotter) signifikant unterscheiden.

In vorteilhafter Weise kann aus der zeitlichen Abfolge der Entfernungsinformation der Straßenverlauf ermittelt werden. Dabei ist es denkbar den Straßenverlauf mit Hilfe der Methode der Kleinsten Fehlerquadrate zu ermittelt oder aber ein für diese Aufgabe optimiertes Kalman-Filter zu benutzen. Dabei ist es besonders gewinnbringend, wenn das Kalman-Filter auf aus der digitalen Straßenkarte gewonnene Informationen, wie beispielsweise Kurvenparametern, adaptiert wird. Für den Fall, daß der zeitweise nicht in der Lage ist einen Fahrbahnrand zu erkennen, beispielsweise im Bereich von Straßeneinmündungen, ist es in vorteilhafter Weise auch denkbar, den Straßenverlauf mittels der vorhergegangenen Entfernungsmessungen vorübergehend zu extrapolieren.

Besonders gewinnbringend läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, indem die Kenntnis der Lage des Fahrzeugs in Bezug auf die Fahrspur technischen Systemen als Steuerparameter zur Verfügung gestellt werden. Denkbar wären hierbei Systeme, welche den Erfassungsraum von strahlgebundenen Sensoren (z.B.: Radar, Lidar oder aktive Infrarot-Sensorik) maskieren. Auf diese Weise wird es möglich, alle relevanten Objekte auf der Straße von solchen außerhalb der Straße zu selektieren, was zu einer wesentlich sichereren Erkennungsleistung eines Gesamtsystems führt. Ein solches Vorgehen erlaubt es eine Strahlausrichtung bezüglich des Fahrbahnverlaufes genau zu bestimmen und die daraus resultierenden Vorteile, z.B. bei der Objektzuordnung genau durchzuführen. Neben diesem Vorteil ist ein solches kartengestütztes Sensorsystem in gewinnbringender Weise in der Lage die Fähigkeiten einer sensoriellen Szeneninterpretation zu steigern. Beispielsweise kann ein System eine Falscherkennung, beispielsweise ein irrtümlicher Weise als ,stehendes Hindernis' klassifiziertes Objekt verhindern, wenn aus der Karteninformation beispielsweise ein Objekt ,Brücke' mit der Lage der Sensorerkennung übereinstimmt. In entspechend vorteilhafter Weise, lassen sich durch auf Karteninformation basierende Kenntnisse von Kurvenradien des Fahrweges oder besondere, infrastrukturelle Gegebenheiten des Fahrzeugumfeldes die Signale des entfernungsauflösenden Sensors besser interpretieren, so daß die Wahrscheinlichkeit der Fehlinterpretation minimiert werden kann.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in seiner Fähigkeit der gewinnbringenden Kombination von Teilinformationen einzelner Sensoren begründet. Hierdurch wird es möglich bereits im Fahrzeug vorhandene Sensorik (beispielsweise ART, Distronic, Navigationssystem) mittels nur geringer Modifikationen zu verwenden. So ist es beispielsweise denkbar die Strahlungscharakteristik eines Radars zur Abstandsregelung so zu erweitern, daß eine zusätzliche, individuell auswertbare Strahlungskeule in Richtung des Straßenrandes ausgerichtet wird.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Lage eines Kraftfahrzeuges in Bezug auf eine Fahrspur, wobei mittels einer mit einem Navigationssystem gekoppelten, digitalen Straßenkarte eine erste Zuordnung des Kraftfahrzeugs zu einer Straße vorgenommen wird, und wobei diese erste Zuordnung durch eine nachfolgende Bestimmung der Entfernung des Kraftfahrzeugs zum Straßenrandes mittels eines entfernungsauflösenden Sensors präzisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Entfernung zum Straßenrand die Signatur des Empfangssignals des entfernungsauflösenden Sensors ausgewertet wird, wobei im Rahmen der Signaturanalyse die Polarisation des Empfangssignals betrachtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Signatur des Empfangssignals auch noch dessen auf die Entfernung bezogener Intensitätsverlauf ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Lage des Kraftfahrzeugs zusätzlich die Information eines Kreiselsystems ausgenutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Schätzwert für die Entfernung des Kraftfahrzeuges vom Straßenrand, die Entfernung desjenigen Entfernungstores innerhalb des Empfangssignals des entfernungsauflösenden Sensors dient, bei welchem sich die Signatur des Empfangssignals signifikant zu ändern beginnt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine signifikante Änderung dann entschieden wird, wenn die Intensität des Empfangssignals monoton ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der monotone Anstieg über mindestens 2 Entfernungstore erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete, aus der Bildverarbeitung bekannte Schätzverfahren, bezüglich des monotonen Übergangs des Straßenbelags auf den Straßenrand eine Entfernungsschätzung errechnet wird, welche in ihrer Entfernungsauflösung wesentlich genauer als die Auflösung des entfernungsauflösenden Sensors ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine signifikante Änderung dann entschieden wird, wenn das Empfangssignal eine für einen Fahrbahnrand typische Signatur aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zeitlichen Abfolge der Entfernungsinformation der Straßenverlauf ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Straßenverlauf mittels der Methode der Kleinsten Fehlerquadrate ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Straßenverlauf mittels eines Kalman-Filters ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalman-Filter auf aus der digitalen Straßenkarte gewonnene Informationen, wie beispielsweise Kurvenparametern, adaptiert wird.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenntnis der Lage des Fahrzeugs in Bezug auf die Fahrspur technischen Systemen als Steuerparameter zur Verfügung gestellt wird.
Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein System angesteuert wird, welches den Erfassungsraum von strahlgebundenen Sensoren maskiert.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein System angesteuert wird, welches die Verkehrsszene interpretiert.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei bereits im Fahrzeug vorhandene Sensoren, welche dort beispielsweise für Aufgaben der Navigation und Abstandsregelung vorhanden sind, zusammengeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Sensoren geeignet ist, die polarimetrische Signatur die den Übergang zwischen Straßenoberfläche und Straßenrand repräsentiert zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Signalverarbeitungseinheit umfasst, welche die Signatur, die der Sensor vom Übergang zwischen Straßenoberfläche und Straßenrand erfasst, individuell auswerten kann.