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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer von einem Fahrzeug
zu befahrenden Wegstrecke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Es
ist bereits ein derartiges Verfahren bekannt (US-PS 6,182,007 B1)
wonach die Umgebung durch ein Gitter unterteilt wird, wobei den
einzelnen Gitterelementen sogenannte Kostenwerte zugewiesen werden,
die eine gewichtete Bewertung zulassen, ob eine Wegstrecke durch
ein Gitterelement überhaupt
möglich
und – sofern
möglich – auch sinnvoll
ist. Durch diese gewichtete Bewertung der einzelnen Gitterelemente
wird ein optimierter Weg ermittelt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Bestimmung
eines zu befahrenden Weges zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß Anspruch
1 gelöst,
indem zumindest zu einzelnen Gitterelementen Vorzugstrajektorien
definiert sind, die einen bevorzugten Weg von diesen einzelnen Gitterelementen zu
weiteren Gitterelementen definieren, wobei die zu befahrende Wegstrecke
durch eine Kombination von sich aus der Zusammenfügung von
Gitterpunkten ergebenden Streckenelementen mit einer oder mehreren
Vorzugstrajektorien definierbar ist.
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Dadurch
lässt sich
insbesondere bei größeren Entfernungen
schneller ein Weg ermitteln, weil optimierte Wegstrecken in Form
der Vorzugstrajektorien bereits bekannt sind. Es ist beispielsweise
möglich,
größere Wegstrecken
zu überbrücken, indem durch
das Zusammensetzen einer kürzeren
Wegstrecke aus freien Gitterelementen eine als günstig bewertete Vorzugstrajektorie
erreicht wird, auf der sich ein Zielpunkt in der Nähe der Zielposition
günstig
erreichen lässt.
Von dieser Zielposition aus kann wieder durch Zusammensetzen einer
Wegstrecke aus Gitterelementen die Zielposition erreicht werden.
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Gerade
bei größeren Entfernungen
kann das Berücksichtigen
von Wegpunkten des Gitters zu einem entsprechenden Rechenaufwand
und auch Zeitaufwand führen,
der durch die Einbeziehung der Vorzugstrajektorien vorteilhaft verringert
werden kann.
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Insgesamt
wird das Verfahren also dadurch verbessert, dass die Vorgehensweise,
aus allen Gitterelementen, denen kein Hindernis zugeordnet ist, durch
aneinander Reihen benachbarter Gitterelemente eine Wegstrecke zu
definieren, erweitert wird durch einen Rückgriff auf bereits vorab definierte
Vorzugstrajektorien. Es ergibt sich also eine Kombination bereits
vorab definierter Wegstrecken und solcher Wegstrecken, die erst
zum Zeitpunkt der Definition eines Weges von einer Startposition
zu einer Zielposition durch das aneinander Reihen als frei erkannter Gitterelemente
definiert werden.
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Die
Definition der Wegstrecken kann erfolgen, indem diese Wegstrecken
von vorne herein definiert angelegt sind. Es ist auch möglich, definierte Wegstrecken
zu erhalten, indem diese im laufenden Betrieb gelernt werden.
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Die
Vorzugstrajektorien sind in der Regel segmentierte Vorzugstrajektorien
mit mindestens zwei, in der Regel viel mehr Stützpunkten im Gitter, wobei
den einzelnen Abschnitten separat Kosten zugewiesen sind. Bei der
Planung wird entschieden, welche Abschnitte genutzt werden. Anfangs-
und Endpunkt einer Vorzugstrajektorie sind insbesondere bei der
Ausführung
relativ exakte numerische Werte (x, y, Winkel), die durch Anpassungsfunktion
mit den in der Regel gröberen
Werten der Gitterplanung (Raster) in Einklang gebracht werden müssen (Adaption).
Dies gilt insbesondere bei einer Änderung der Gitterauflösung.
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Vorzugstrajektorien
können
beliebige, auch kurvenreiche Wege sein (Kurvenfahrt und Geradeausfahrt
sind in der Regel getrennt segmentiert). Es kann beispielsweise
abhängig
von der Gewichtung bei der Zusammensetzung der Strecke erreicht
werden, dass die Geradeausfahrt bevorzugt wird. Insbesondere in
der Autonomiefahrt kann eine Geradeausfahrt mit größerer Geschwindigkeit
durchgeführt
werden als eine Kurvenfahrt. Ein weiterer Vorteil der Geradeausfahrt
ergibt sich daraus, dass dieses Verhalten für andere beteiligte Fahrzeuge
und Personen transparenter und leichter vorhersehbar ist. Dies kann
vorteilhaft als Ordnungsprinzip in Parkhäusern, Betriebshöfen und
Werken verwendet werden.
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Bei
der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird die Wegstrecke
durch eine gewichtete Bewertung der Vorzugstrajektorien unter Berücksichtigung
alternativer Wegstrecken entlang von Gitterelementen, die nicht
auf einer Vorzugstrajektorie liegen, ermittelt.
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Dabei
wird auch entlang von Vorzugstrajektorien eine Wegstrecke zugelassen,
die aus einzelnen Gitterelementen zusammengesetzt ist. Allerdings
ergibt sich aus einer entsprechenden Gewichtung der Vorzugstrajektorien
in solchen Fällen
durchweg, dass die Verwendung der Vorzugstrajektorie den Vorzug
erhält.
Gegebenenfalls erhalten auch nur Teile der Vorzugstrajektorie den
Vorzug. Eine Vorzugstrajektorie kann insgesamt auch entstehen, indem
diese aus mehreren einzelnen Vorzugstrajektorien durch eine Aneinanderreihung
zusammengesetzt wird.
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Bei
der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 wird bei einem
auf der ermittelten, zu befahrenden Wegstrecke erkannten Hindernis
ein Gitterelement, das sich in Fahrtrichtung vor dem erkannten Hindernis
auf der ermittelten zu befahrenden Wegstrecke befindet, als Startposition
definiert, wobei von dieser definierten Startposition zu einer Zielposition
eine neue zu befahrende Wegstrecke ermittelt wird, wobei die Zielposition
durch ein Gitterelement gebildet wird, das sich in Fahrtrichtung
auf der bisher ermittelten zu befahrenden Wegstrecke hinter dem
erkannten Hindernis befindet.
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Bei
dieser Vorgehensweise wird bei der neuen zu befahrenden Wegstrecke
beachtet, dass auf dieser Wegstrecke keine Hindernisse sind. Die
Zielposition kann wiederum auch das Endziel sein.
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Dadurch
kann vorteilhaft die ermittelte Wegstrecke adaptiert werden, wenn
seit dem Ermitteln der Wegstrecke und dem Befahren der Wegstrecke zu
der aktuellen Position ein Hindernis in seiner Position verändert wurde
oder völlig
neu aufgetaucht ist. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein,
wenn ein Hindernis nicht erkannt werden konnte, weil es für die Sensorik
verdeckt war. Grundsätzlich
wird dann die ermittelte Wegstrecke beibehalten, wobei mittels dem
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wiederum ein Teil dieser
Wegstrecke neu definiert wird, indem durch die Anwendung des Verfahrens
ein Punkt der Wegstrecke als Startpunkt definiert wird und ein hinter
dem Hindernis auf der Wegstrecke liegender Punkt als Zielpunkt definiert
wird. Dieser hinter dem Hindernis liegende Punkt kann auch das Endziel
sein, so dass also eine neue Planung bis zum Endziel vorgenommen
wird.
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Die
ermittelte Wegstrecke kann vorteilhaft auf diese Weise während der
Fahrt adaptiert werden.
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Bei
der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 wird die Gitterauflösung erhöht, wenn sich
keine zu befahrende Wegstrecke ermitteln lässt.
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Auch
wenn ein erkanntes Hindernis auf Grund seiner Größe ein Gitterelement nur teilweise „blockiert" wird dieses Gitterelement
dennoch insgesamt als „blockiert" definiert. Indem
also die Gitterauflösung
vergrößert wird
durch eine Verkleinerung der einzelnen Gitterelemente kann dem Rechnung getragen
werden, weil einzelne Gitterelemente bei der höheren Gitterauflösung als „frei" definiert werden
können,
die bei der Betrachtung größerer Gitterelemente
durch die gemeinsame Betrachtung mit einem eventuell belegten benachbarten
Gitterelement dann auch als „blockiert" definiert wurden.
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In
Kenntnis der Erfindung sei weiterhin auf bekannte Verfahren hingewiesen,
nach denen im Zusammenhang mit Navigationsgeräten für Kraftfahrzeuge in digitalisierten
Karten sogenannte Kanten eingetragen sind, die befahrbare Wege definieren.
Im Zusammenhang mit diesen Navigationsgeräten ist auch eine Hinderniserkennung
bekannt in Form von Verkehrsmeldungen, die beispielsweise auch über Radio
bekannt gegeben werden. Abhängig
von diesen Staumeldungen wird eine Route während der Fahrt angepasst und
geändert,
wenn für
einen Teil der Route ein Stau gemeldet wird. Die Anpassung erfolgt
dabei, indem wieder auf entsprechende andere Kanten in den digitalisierten
Karten ausgewichen wird. Auch die Anpassung bezieht sich also auf
bereits vorab definierte befahrbare Wegstrecken.
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Dabei
zeigen:
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1 Ein
erstes Beispiel mit zwei Gitterbereichen
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2 Ein
weiteres Beispiel mit drei Gitterbereichen
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3 Ein
Beispiel zur Bestimmung einer zu befahrenden Wegstrecke an Hand
von einem Gitterelement
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Verfahrens zur Bestimmung einer zu befahrenden Wegstrecke, wonach
um eine Startposition A ein Gitter 101 definiert ist und
um eine Zielposition B ein Gitter 102. Zu einem Element 103 des
Gitters 101 um die Startposition A ist eine Vorzugstrajektorie 105 zu einem
Gitterelement 104 des Gitters 102 um die Zielposition
B definiert. Dadurch kann unter Ausnutzung der Vorzugstrajektorie 105 und
der Definition der verbleibenden Wegstrecke 106 von der
Startposition A zu dem Gitterelement 103 des Gitters 101,
in dem die Vorzugstrajektorie 105 beginnt, sowie der verbleibenden
Wegstrecke 107 ausgehend von dem Gitterelement 104 des
Gitters 102, in dem die Vorzugstrajektorie 105 endet,
zu der Zielposition B die insgesamt zu befahrende Wegstrecke definiert
werden.
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Durch
diese Definition von Vorzugstrajektorien können beispielsweise bei einer
Verwendung des Verfahrens in einer Produktionshalle verschiedene Arbeitsbereiche
beispielsweise von Förderfahrzeugen
wie Gabelstaplern (auch selbstfahrende Gabelstapler) miteinander
verbunden werden durch Ausnutzung von bevorzugten „Hauptwegen" in der Produktionshalle.
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Weiterhin
ist es im Zusammenhang mit dem Einsatz des Verfahrens bei Kraftfahrzeugen
möglich, bei
der Parkplatzsuche in mehrstöckigen
Parkhäusern
die einzelnen Ebenen jeweils mittels eines Gitters zu definieren,
wobei die Verbindungsstrecken der einzelnen Ebenen mittels Vorzugstrajektorien vorgegeben
sein können.
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Vorteilhaft
kann durch eine solche Definition von Vorzugstrajektorien die Gesamtdatenmenge
sowie auch der daraus resultierende Rechenaufwand reduziert werden.
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Es
ist weiterhin ein Gitter 108 zu sehen, das den Bereich
zwischen den beiden Gittern 101 und 102 beschreibt.
Sofern eine Vorzugstrajektorie vorhanden ist, kann gegebenenfalls
auch auf die Betrachtung einzelner Gitterpunkte verzichtet werden, wenn
unterstellt wird, dass die Vorzugstrajektorie die günstigste
Verbindung zwischen den entsprechenden Punkten darstellt.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem beispielsweise in Erweiterung des in 1 beschriebenen
Falles ein drittes Gitter 201 benutzt wird. Dies erweist
sich dann als vorteilhaft, wenn sich auf der ermittelten, zu befahrenden
Wegstrecke zwischenzeitlich ein Hindernis 202 befindet.
Dies kann daraus resultieren, dass die zu befahrende Wegstrecke
vor Beginn der Fahrt ermittelt wurde und zwischenzeitlich während des
Befahrens dieser Wegstrecke ein Hindernis 202 aufgestellt
wurde.
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In
diesem Fall kann das dritte Gitter 201 verwendet werden.
Dieses Gitter stellt eine Umgebung um das Hindernis 202 dar.
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Ausgehend
von einem Gitterelement 204, das auf der zu befahrenden
Wegstrecke vor dem Hindernis 202 liegt, wird eine Ersatzwegstrecke 205 derart
zusammengesetzt, das aus freien Gitterelementen des Gitters 201 die
Ersatzwegstrecke 205 zusammen gesetzt wird, auf der das
Hindernis 202 umfahren werden kann. Der Endpunkt 206 dieser
Ersatzwegstrecke 205 liegt wieder auf der ursprünglich ermittelten
Wegstrecke. Dieser Endpunkt 206 liegt auf der Wegstrecke
hinter dem Hindernis 202.
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Es
ist auch möglich,
an Stelle des Zusammenfügens
der Ersatzwegstrecke 205 aus freien Gitterelementen des
Gitters 201 eine weitere Vorzugstrajektorie zu verwenden,
um das Hindernis 202 zu umfahren.
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Dazu
kann beispielsweise mittels einer Kostenfunktion ermittelt werden,
ob es insgesamt günstiger
ist, die Vorzugstrajektorie zu verwenden oder den aus den einzelnen
Gitterelementen zusammen gesetzten Weg. Dazu kann beispielsweise
eine Vorzugstrajektorie mit einem Zehntel der Kosten bewertet werden,
die einer Geradeausfahrt aus zusammen gesetzten Gitterelementen
entsprechen. Entsprechend können
verschiedene Wege, die aus Gitterelementen zusammengesetzt werden,
bewertet werden, indem Kurven auf diesen Wegen mit einem höheren Kostenwert
belegt werden als eine Geradeausfahrt. Es ist auch möglich, Kosten
der Planung sowie Kosten der Ausführung (des Befahrens) getrennt
zu bewerten.
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Um
von den Gitterelementen ausgehend Wegstrecken ermitteln zu können, kann
zu jedem der Gitterelemente gespeichert werden, welche weiteren Gitterelemente
von diesem Gitterelement aus erreichbar sind. Dies sind zum einen
die benachbarten Gitterelemente wie auch die Gitterelemente, die
auf den Vorzugs trajektorien erreichbar sind, deren Anfangspunkt
gerade in diesem Gitterelement liegt. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
ist in 3 dargestellt.
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Es
kann iterativ weiter ermittelt werden, welche folgenden Gitterelemente
erreichbar sind ausgehend von den Gitterelementen, die von dem ersten Gitterelement
aus erreichbar sind. Diese Erreichbarkeit kann durch befahrbare
Wegstrecken definiert sein oder auch durch Fahrzeugparameter wir
den maximalen Lenkwinkel abhängig
von der Fahrzeugkonfiguration.
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Es
ist ersichtlich, dass mit zunehmender Zahl der Gitterelemente der
Rechenaufwand entsprechend deutlich ansteigt. Dieser kann zum einen durch
die Verwendung der vordefinierten Trajektorien gemäß der Erfindung
verringert werden.
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Weiterhin
kann der Rechenaufwand begrenzt werden, indem die Größe der einzelnen
Gitterelemente nicht zu gering gewählt wird. Dabei kann es vorkommen,
dass kein Weg ermittelbar ist. Dies liegt daran, dass ein Gitterelement
auch dann blockiert ist, wenn lediglich in einem Teil des Gitterelementes
ein Hindernis ist. Durch eine Erhöhung der Auflösung des
Gitters kann es also vorkommen, dass ein Teil der nach der Erhöhung der
Auflösung
entstandenen Gitterelemente, die vorher zusammen gefasst waren, als
frei bewertet wird, so dass dann ein Weg ermittelbar wird.
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Die
Zahl der zu berechnenden nachfolgenden Gitterelemente kann noch
weiter reduziert werden, indem bei der Bestimmung eines Weges die Fahrtrichtung
des Fahrzeugs mit berücksichtigt
wird. Die Fahrtrichtung des Fahrzeugs ist bekannt, so dass einzelne
der benachbarten Gitterelemente für die zu definierende Wegstrecke
nicht in Frage kommen, weil diese unter Beachtung der Fahrtrichtung
und des auf Grund des Fahrzeuggeometrie erreichbaren minimalen Kurvenradius
nicht erreichbar sind. Insbesondere müssen also für diese nicht erreichbaren Nachbarelemente
keine weiteren nachfolgenden Elemente ermittelt werden. Dadurch
kann der Rechenaufwand vereinfacht werden.
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Um
ein geeignetes Gitter zu generieren, werden also die Startposition
sowie die Zielposition einem Gitterelement zugeordnet. Weiterhin
werden die bekannten Hindernisse bestimmten Gitterelementen zugeordnet,
so dass diese als nicht befahrbar bekannt sind. Weiterhin werden
in dem Gitter die Vorzugstrajektorien definiert. Daraus lässt sich
dann mit den angegebenen Kriterien eine optimierte Wegstrecke ermitteln.
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Es
ist ersichtlich, dass für
landgebundene Fahrzeuge mindestens ein zweidimensionales Gitter verwendet
wird, wogegen für
Luftfahrzeuge mindestens dreidimensionale Gitter Verwendung finden.
In der Regel wird auch für
Landfahrzeuge ein dreidimensionales Gitter verwendet, in dem die
Position in x-Richtung
und in y-Richtung sowie die Ausrichtung des Fahrzeugs (Winkel der
Fahrzeuglängsachse)
bewertet werden. Für
Luftfahrzeuge werden bevorzugt sechsdimensionale Gitter verwendet,
bei denen neben den Positionen in x-, y- und z-Richtung auch die entsprechenden
Winkel der Längsrichtung
des Fahrzeugs zu den jeweiligen Achsen bewertet werden.