DE102009027919B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Navigieren eines Fahrzeuges - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Navigieren eines Fahrzeuges, bei dem mittels Daten von Sensoren eine geografische Position und Richtung ermittelt wird und diese Position und Richtung des Fahrzeuges auf einer digitalen Straßenkarte abgebildet wird, wobei eine Korrektur der von den Sensoren ermittelten Position und Richtung durch Abbildung der Position auf anhand der Karte ermittelten möglichen Straßen vorgenommen wird, und wobei nach Überschreiten einer Winkeldifferenz a, die der Differenz des Winkels einer Richtung der Straße und der gemessenen Richtung des Fahrzeuges entspricht, keine Abbildung auf einer Straße der digitalen Karte mehr erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert der Winkeldifferenz α in Abhängigkeit von einer aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Navigieren eines Fahrzeuges, bei dem mittels Daten von Sensoren eine geografische Position und Richtung ermittelt wird und diese Position und Richtung des Fahrzeuges auf einer digitalen Straßenkarte abgebildet wird, wobei unter vorgegebenen Bedingungen eine Korrektur der von den Sensoren ermittelten Position und Richtung durch Abbildung auf anhand der Karte ermittelten möglichen Straßen vorgenommen wird, wobei nach Überschreiten einer Winkeldifferenz a, die der Differenz des Winkels einer Richtung der Straße und einer gemessenen Richtung des Fahrzeugs, der sogenannten Headingdifferenz, entspricht, keine Abbildung auf einer Straße der digitalen Karte mehr erfolgt.
• Stand der Technik
• Das sogenannte MapMatching ist ein bekanntes Verfahren, bei dem eine geografische Position, die mittels Sensordaten ermittelt wurde, in ein digitales Straßennetz projiziert wird. Diese projizierte Position wird dann als Basis für weitere Services, wie beispielsweise für eine Routensuche oder Zielführung, verwendet.
• Wenn die mit einem Ortungsverfahren gemessene geografische Position direkt in das Koordinatensystem einer digitalen Karte abgebildet wird, so kann die wahre Position des Objektes in der Karte von der abgebildeten Position des Objektes in der Karte abweichen. Der Grund liegt zum einen in Messfehlern beim Ortungsverfahren, zum anderen in Ungenauigkeiten der Karte. Da für viele Anwendungen, wie beispielsweise auch dem Navigationssystem, die wahre Position in der Karte bekannt sein muss, gleicht das Map Matching Verfahren die gemessene Position mit den Karteninformationen bezüglich der Lage und Geometrie von Objekten in der Karte ab, und so die wahrscheinlichste Position des Objektes in der Karte ermittelt wird.
• Bei Fahrzeugnavigationssystemen wird die Position des Fahrzeuges meist mit Unterstützung des amerikanischen Satellitenortungssystems GPS gemessen. Insbesondere in Innenstädten, im Gebirge, in dicht bewachsenen Alleen usw. kann das GPS sehr schlecht messen und daher die Messung sehr fehlerhaft sein. Durch den sogenannten Multipatheffekt kommt es in Innenstädten zu Positionsfehlern von einigen 100 Metern. Ebenso kann die digitale Karte Toleranzen im Meterbereich aufweisen. Kartenfehler von 30 und mehr Metern sind keine Seltenheit. Für das Navigationsgerät muss die Position des Fahrzeugs in der digitalen Karte ermittelt werden, damit zum Beispiel eine sinnvolle Routenberechnung vom aktuellen Standort zum Fahrziel bestimmt werden kann. Ohne den Abgleich der gemessenen Position mit den Karteninformationen könnte sich das Fahrzeug außerhalb der digitalisierten Straßen oder auf der falschen Straße in der Karte befinden. Da für das Navigationsgerät die Lage des Fahrzeuges in der digitalen Karte entscheidend ist, wird die gemessene Position mit den Karteninformationen so abgeglichen, dass der wahrscheinlichste Standort des Fahrzeuges in der Karte für die Navigation ermittelt wird. Hierzu werden beim Map Matching die Kenntnisse über die Bewegungen des Fahrzeuges ausgenutzt (s.z.B. EP 935760 B1 ).
• Darüberhinaus ist das digitale Straßennetz häufig nicht vollständig. Es fehlen neu gebaute Straßen, kleine Feldwege sind nicht digitalisiert, usw.. Trotzdem kann man natürlich auf solchen Straßen fahren. In diesem Fall muss daher das Navigationssystem den Zustand Off Road annehmen, da es an dieser Stelle keine digitalisierte Straße gibt.
• Sind allerdings die Kartendaten und/oder die Positionsmessungen fehlerhaft, möchte man nicht einen Off Road Zustand annehmen.
• Diese beiden Szenarien beschreiben zwei gegensätzliche Situationen. Das Map Matching soll einerseits an der Straße „kleben“, um Sensor- und Kartenfehler auszugleichen, es soll aber andererseits nicht an der Straße „kleben“, wenn das Fahrzeug tatsächlich das digitalisierte Straßennetz verlässt.
• Es sind aus dem Stand der Technik wie etwa EP 935760 B1 verschiedene Methoden bekannt, um zu bestimmen, wie lange beim Map Matching die Position auf der Straße beibehalten wird. So ist es bekannt, dass ein maximaler Abstand zu einer Straße oder auch eine maximale Winkelabweichung toleriert wird. Diese Abstände können auch von der jeweiligen Art der Straße abhängen, nämlich Autobahn oder Straße in einer Ortschaft, usw.. Mit Hilfe dieser Parameter kann also bestimmt werden, ob die Ortung sehr an der Straße „klebt“ oder eher schneller in einen Off Road Zustand gewechselt wird.
• Aus der DE 69824789 T2 ist ein Navigationssystem bekannt zum Erhalten einer momentanen Position eines sich bewegenden Fahrzeugs durch eine Kartenanpassungskorrektur einer im Voraus angenommenen momentanen Position des sich bewegenden Fahrzeugs, die auf der Grundlage einer Besteckrechnungsnavigation erhalten wird, wobei das System umfasst: eine Weitbereichskarten-Anpassungsverarbeitungseinrichtung, die eine erste Position als eine momentane Position erhält, wobei sich die erste Position auf einer Fahrbahn befindet, die sich an einer Position befindet, die unter den Fahrbahnen, die in einem die im Voraus angenommene momentane Position enthaltenden ersten Bereich vorhanden sind, der im Voraus angenommenen momentanen Position am nächsten kommt; eine Kleinbereichskarten-Anpassungsverarbeitungseinrichtung, die eine zweite Position als eine momentane Position erhält, wobei sich die zweite Position auf einer Fahrbahn befindet, die sich an einer Position befindet, die unter den Fahrbahnen, die in einem zweiten Bereich, der kleiner als der erste Bereich ist, vorhanden sind, der im Voraus angenommenen Position am nächsten kommt; und eine Steuereinrichtung, die abwechselnd entweder die Weitbereichskartenanpassung-Verarbeitungseinrichtung oder die Kleinbereichskartenanpassung-Verarbeitungseinrichtung dazu veranlasst, auf der Grundlage von Kartendaten um die im Voraus angenommene momentane Position zu arbeiten.
• Die DE 19932200 A1 offenbart eine Fahrzeug-Fahrsteuerungs-/Regelungseinrichtung. Bei dieser wird durch Straßenkartendaten ein Profil einer bestimmten Straße, durch welche ein Fahrzeug zu einem Ziel geführt wird, vorhergesagt. In dem Fall, dass es für das zugeordnete (ggf. eigene) Fahrzeug schwierig ist, eine Kurve der bestimmten Straße vor seiner momentanen Position zu durchfahren, wird dem Fahrer eine Warnung ausgegeben und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit automatisch reduziert. Ob das Kraftfahrzeug korrekt auf der bestimmten Straße fährt oder nicht, wird über eine Abweichung Δθ (= θ_V - θ_M) zwischen einem Seitenwinkel θ_V der tatsächlichen Fortbewegungsrichtung des zugeordneten Fahrzeugs und einem Seitenwinkel θ_M der bestimmten Straße entschieden. Wenn entschieden wird, dass eine Möglichkeit besteht, dass das zugeordnete Fahrzeug von der bestimmten Straße abfährt bzw. nicht auf dieser fährt, wird eine Warnung ausgegeben oder/und die automatische Geschwindigkeitsreduktion beendet oder unterdrückt. Aufgrund des Vorangehenden kann verhindert werden, dass das zugeordnete Fahrzeug nicht richtig oder unangemessen gesteuert/geregelt wird, was zur Folge hätte, dass der Fahrer ein Gefühl von Inkongruenz haben könnte.
• Offenbarung der Erfindung
• Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zum Navigieren eines Fahrzeuges der eingangs genannten Art Kriterien bereitzustellen, mit denen noch genauer feststellbar ist, ob eine Off Road Situation vorliegt oder nicht.
• Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Merkmalskombination sowie mit einer Positionsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 6 gelöst.
• Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Navigieren eines Fahrzeuges wird nun gemäß dem aus dem Stand der Technik bekannten Map Matching mittels Daten von Sensoren des Fahrzeuges eine geografische Position und Richtung ermittelt und diese Position und Richtung des Fahrzeuges gegebenenfalls nach einer Korrektur auf einer digitalen Straßenkarte abgebildet. Wird allerdings eine Winkeldifferenz a, die der Differenz des Winkels einer Richtung der Straße und einer am Fahrzeug gemessenen Richtung entspricht, auch Headingdifferenz genannt, überschritten, so findet keine Abbildung auf einer Straße der digitalen Karte mehr statt. Dieser Grenzwert der Winkeldifferenz α hängt dabei von einer aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs ab.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei dem beschriebenen Verfahren berücksichtigt, dass ein Fahrzeug, das sich mit kleinen Geschwindigkeiten auf einer Straße bewegt, eher große Winkeldifferenzen aufweisen kann, ohne die Straße zu verlassen, als ein Fahrzeug, das sich mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt. Als Beispiel soll hier das Einparken, Vorbeifahren an Hindernissen oder ähnliches erwähnt werden. Bei diesen Manövern bildet die Fahrzeugausrichtung häufig einen großen Winkel zur Straße, dennoch bleibt das Fahrzeug auf der Straße. Die Geschwindigkeit ist dabei jedoch zwingendermaßen relativ klein.
• Bei hohen Geschwindigkeiten ist es nicht mehr möglich Lenkmanöver mit starken Richtungswechseln zu vollziehen. Somit ist bei großen Differenzen zwischen Fahrzeugausrichtung und Straßenrichtung bei hohen Geschwindigkeiten ein Verlassen der Straße viel wahrscheinlicher. Hieraus folgt nun, dass bei kleinen Geschwindigkeiten große Winkeldifferenzen toleriert werden können, während bei höheren Geschwindigkeiten nur kleine Headingdifferenzen beziehungsweise Winkeldifferenzen akzeptiert werden können.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Grenzwert von α auch abhängig von einer Straßenbreite bestimmt.
• Darüberhinaus wird bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Grenzwert von α in Abhängigkeit von einer maximalen Querbeschleunigung bestimmt.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Grenzwert von α gemäß der Formel $$\mathrm{\alpha }=\text{arccos}\left(1-\text{b}·{\text{a}}_{\text{max}}{\text{/v}}^2\right)$$

  

  bestimmt. Dabei stellt b die Straßenbreite abzüglich der Fahrzeugbreite, v die aktuelle Geschwindigkeit, und a_max die maximale Querbeschleunigung dar.
• Bei einer solchen Grenzwertbestimmung für die Winkeldifferenz α wird nun berücksichtigt, wie groß eine Querbeschleunigung wäre, wenn der Fahrer bei der aktuellen Geschwindigkeit und der aktuellen Straßenbreite versucht, das Fahrzeug auf der Straße zu halten. Dazu müsste das Fahrzeug auf einer Kreisbahn fahren. Durch die Vorgabe eines Maximalwertes für diese Querbeschleunigung ergibt sich dann ein Wert für die maximale Headingdifferenz.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Grenzwert nur bestimmt, solange b•a_max < v². Ist die aktuelle Geschwindigkeit jedoch kleiner, so gibt es keine Beschränkung bezüglich des Winkels, das heißt, dass das Fahrzeug für beliebige Ausgangswinkel auf die Straße der digitalen Karte abgebildet wird.
• Ist die Headingdifferenz größer als die so berechnete Maximaldifferenz, so ist ein Wechsel in einen Off Road Zustand sehr wahrscheinlich und es erfolgt daher keine Abbildung mehr auf einer Straße der digitalen Karte.
• Mit den beschriebenen Kriterien wird nun die Wahrscheinlichkeit berechnet, ob sich ein Fahrzeug Off Road, das heißt also nicht auf einer in der digitalen Karte angegebenen Straße, befindet.
• Weiterhin stellt die Erfindung auch eine Positionsbestimmungsvorrichtung, insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeugnavigationssystem unter Schutz, bei der Sensoren zur Ermittlung einer geografischen Position und Richtung und Mittel zur Abbildung dieser Position und Richtung des Fahrzeuges auf einer digitalen Straßenkarte vorgesehen sind. Ferner sind in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Mittel zur Korrektur der von den Sensoren ermittelten Position und Richtung durch Abbildung der Position auf anhand der Karte ermittelten möglichen Straßen vorgesehen, wobei nach Überschreiten einer Winkeldifferenz a, der Differenz des Winkels einer Richtung der Straße und der gemessenen Richtung des Fahrzeuges, keine Abbildung auf einer Straße der digitalen Karte mehr erfolgt. Darüberhinaus sind Mittel zur Bestimmung des Grenzwerts von α in Abhängigkeit von einer aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs vorgesehen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei
• 1 die geometrische Herleitung eines Maximalwertes der Winkeldifferenz α gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform; und
• 2 einen beispielhaften Graphen für die Abhängigkeit des Winkels α von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung gilt, dass ein Grenzwert für α in Abhängigkeit von einer aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird. Es wurde gefunden, dass bei kleineren Geschwindigkeiten große Headingdifferenzen oder Winkeldifferenzen toleriert werden, während bei höheren Geschwindigkeiten nur recht kleine Headingdifferenzen akzeptiert werden, da bei hohen Geschwindigkeiten es nicht mehr möglich ist Lenkmanöver mit starken Richtungswechseln zu vollziehen. Somit ist bei großen Differenzen zwischen Fahrzeugausrichtung und Straßenrichtung bei hohen Geschwindigkeiten ein Verlassen der Straße viel wahrscheinlicher als bei niedrigeren Geschwindigkeiten.
• Als Ansatz für eine Berechnung der erlaubten Winkeldifferenz, beziehungsweise des Grenzwertes dient gemäß der beschrieben bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Frage, wie groß wäre die Querbeschleunigung, wenn der Fahrer bei der aktuellen Geschwindigkeit und bei der aktuellen Straßenbreite versucht, das Fahrzeug auf der Straße zu halten. Dazu muss das Fahrzeug auf einer Kreisbahn fahren. Dies ist auch in 1 dargestellt. Durch Vorgabe eines Maximalwertes für diese Querbeschleunigung ergibt sich eine Abschätzung der maximalen Headingdifferenz.
• In 1 ist eine Straße dargestellt, die eine Breite b aufweist. Hierbei ist zu beachten, dass bei der tatsächlichen Berechnung von der Breite b noch die Breite des Fahrzeuges abgezogen werden muss, da dem Fahrzeug jeweils die Breite des befahrbaren Straßenteils in der jeweiligen Fahrtrichtung abzüglich der eigenen Breite zur Verfügung steht. Sind mehrere Spuren in einer Fahrtrichtung da, so zählen sie zusammen. Hier in der 1 ist zur leichteren Darstellung das Fahrzeug als der Fußpunkt des Pfeiles anzusehen und hat daher hier keine Breite, so dass hier die Breite b der gesamten Straßenbreite entspricht.
• Die Zentripetalbeschleunigung ergibt sich bei einem Radius R und einer Geschwindigkeit v zu a = v²/R. Da der Maximalwert der Beschleunigung bekannt ist, ergibt sich ein minimaler Radius. Es wird nun angenommen, dass das Fahrzeug, wie auf der Skizze der 1 dargestellt, sich an einem Fahrbahnrand befindet und mit diesem Radius auf den anderen Fahrbahnrand fährt.
• Dieser Skizze lässt sich entnehmen, dass dann gilt: $$\text{cos}\mathrm{\alpha }=\left(\text{R}-\text{b}\right)\text{/R}=1-\text{b/R}$$

  
• Wie oben ausgeführt ist R = v²/a.
• Somit ergibt sich α = arccos (1 - b•a_max/v²), falls b•a_max<v².
• Ist nun die Headingdifferenz größer als die so berechnete Maximaldifferenz, dann ist es sehr wahrscheinlich, dass sich das Fahrzeug nicht (mehr) auf einer in der digitalen Karte vermerkten Straße befindet.
• In der 2 ist noch beispielhaft ein X-Y-Diagramm gezeigt, wobei hier der Winkel α auf dem Y-Graphen über der Geschwindigkeit v auf dem X-Graphen in km/h aufgetragen ist.
• Beispielhaft wurden folgende Werte angenommen: die Breite des Fahrstreifen beträgt 3,50 m; eine Querbeschleunigung 4 m/s² und eine Fahrzeugbreite wurde mit 2 m angenommen. Mit diesen Werten ergibt sich das in 2 dargestellte Diagramm.

Claims (6)

1. Verfahren zum Navigieren eines Fahrzeuges, bei dem mittels Daten von Sensoren eine geografische Position und Richtung ermittelt wird und diese Position und Richtung des Fahrzeuges auf einer digitalen Straßenkarte abgebildet wird, wobei eine Korrektur der von den Sensoren ermittelten Position und Richtung durch Abbildung der Position auf anhand der Karte ermittelten möglichen Straßen vorgenommen wird, und wobei nach Überschreiten einer Winkeldifferenz a, die der Differenz des Winkels einer Richtung der Straße und der gemessenen Richtung des Fahrzeuges entspricht, keine Abbildung auf einer Straße der digitalen Karte mehr erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert der Winkeldifferenz α in Abhängigkeit von einer aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert von α in Abhängigkeit von einer Straßenbreite bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert von α in Abhängigkeit von einer maximalen Querbeschleunigung bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert von α gemäß der Formel $$\mathrm{\alpha }=\text{arccos}\left(1-\text{b}·{\text{a}}_{\text{max}}{\text{/v}}^2\right)$$

   

   bestimmt wird, wobei b ... Straßenbreite abzüglich Fahrzeugbreite, v ... aktuelle Geschwindigkeit, und a_max ... maximale Querbeschleunigung sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert nur bestimmt wird, solange b•a_max < v².
6. Positionsbestimmungsvorrichtung, insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeugnavigationssystem, umfassend Sensoren, eingerichtet zur Ermittlung einer geografischen Position und Richtung und Mittel eingerichtet zur Abbildung dieser Position und Richtung des Fahrzeuges auf einer digitalen Straßenkarte, wobei Mittel, eingerichtet zur Korrektur der von den Sensoren ermittelten Position und Richtung durch Abbildung der Position auf anhand der Karte ermittelten möglichen Straßen, vorgesehen sind, wobei nach Überschreiten einer Winkeldifferenz a, die der Differenz des Winkels einer Richtung der Straße und der gemessenen Richtung des Fahrzeuges entspricht, keine Abbildung auf einer Straße der digitalen Karte mehr erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel, eingerichtet zur Bestimmung des Grenzwerts der Winkeldifferenz α in Abhängigkeit von einer aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs, vorgesehen sind.

Images