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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Objekts in einem Bezugssystem.
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Es ist bekannt, in größeren Produktions- oder Lagerhallen, Fahrzeuge selbstständig fahren zu lassen. Dabei orientieren sich die Fahrzeuge an Landmarken, wobei eine Karte der Landmarken in den Fahrzeugen und/oder in einem zentralen Rechner abgelegt ist. Dabei ist auf den Objekten, insbesondere den Fahrzeugen, ein Sensor montiert, der die Umgebung nach Landmarken abtastet. Beispielsweise kann auf einem Fahrzeug ein Lasersensor angebracht sein, der rotiert. Der rotierende Lasersensor liefert die Winkel zu einer Bezugsachse im Fahrzeug, unter denen Landmarken detektiert werden. Außerdem kann der Typ der Landmarken, wenn unterschiedliche Landmarkentypen vorhanden sind, erfasst werden. Bei unbekannter Fahrzeugposition kann keine Zuordnung der gesichteten Landmarken zu den Landmarken der Landmarkenkarte hergestellt werden. Mit identifizierten Landmarken kann über bekannte Verfahren, zum Beispiel Triangulation, die Position des Fahrzeugs ermittelt werden. Bei drei Freiheitsgraden des Fahrzeugs werden mindestens drei Landmarken für eine Positionsbestimmung benötigt.
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Ist die Position eines Fahrzeugs beziehungsweise Objekts bekannt, so können weitere erfasste Landmarken mit Landmarken der Landmarkenkarte in Deckung gebracht werden und bei einem Positionswechsel kann erneut die Position bestimmt werden.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, während der Fahrzeugbewegung die Landmarken zu verfolgen. Aus den Winkeländerungen kann auf die Entfernung der Landmarken geschlossen werden. Aus diesen Entfernungen können die Abstände zwischen den Landmarken in einer Abstandsmatrix ermittelt werden. Diese Abstandsmatrix kann gegen eine Abstandsmatrix aller Landmarken verglichen werden, um die Landmarken zu identifizieren.
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Aus der
US 5,911,767 A ist ein Verfahren zur Lokalisierung eines Roboters bekannt. Der Roboter weist eine Kamera auf, über den eine eindeutig identifizierbare Landmarke erfasst wird. Wenn die Landmarke erfasst wurde, wird die Position und Orientierung des Roboters relativ zur Landmarke geschätzt. Basierend auf dieser Information wird die Position des Roboters in einem Bezugssystem bestimmt.
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Problematisch für alle diese Verfahren ist es, eine Startposition des Objekts, beziehungsweise Fahrzeugs, zu bestimmen. Bekannt ist es dabei, eine Markierung auf dem Boden einer Halle anzubringen. Dabei muss sowohl dem Objekt mitgeteilt werden, wo die Startposition im Bezugssystem liegt und zum anderen muss einem Benutzer mitgeteilt werden, wo die Startposition markiert werden muss. Diese Vorgehensweise ist relativ umständlich.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, aufgrund der von einer Position aus erfassten Landmarken, sämtliche Kombinationen zu berechnen und zu prüfen, bis eine passende Kombination gefunden ist. Hierbei ist der Rechenaufwand sehr groß, sodass es mitunter sehr lange dauern kann, bis eine Startposition gefunden ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein alternatives Verfahren bereitzustellen, mit dem unter Einsatz von wenig Rechenleistung eine Startposition bestimmt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Objekts in einem Bezugssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Durch das Erfassen einer Eigenschaft einer Markierung einer Landmarke ist es möglich, die möglichen Positionen des Objekts im Bereich einer Landmarke zu reduzieren. Dies führt dazu, dass mit geringerem Rechenaufwand als mit dem Verfahren des Standes der Technik eine Startpositionsbestimmung erfolgen kann.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Objekt, dessen Startposition bestimmt werden soll, um ein Fahrzeug, insbesondere ein Flurförderfahrzeug. Die Landmarken sind vorzugsweise an Wänden oder Säulen eines Arbeitsraums angebracht. Dabei besteht vorzugsweise eine Karte von Landmarken, die Informationen über die Koordinaten der Landmarken in einem Bezugssystem, deren Montagerichtung und deren Landmarkennummer im Bezugssystem enthalten.
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Die Landmarken bestehen vorzugsweise aus einem oder mehreren Streifen retroreflektierenden Materials. Derartige Reflektortypen sind grundsätzlich bekannt.
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Als Sensor des Objekts wird vorzugsweise ein rotierender Sensor verwendet, der den Winkel zu einer Bezugsachse als Objektreferenz erfasst, unter dem eine Landmarke detektiert wird. Vorzugsweise weist der Sensor einen Inkrementalgeber mit 40.000 Strichen auf.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn zusätzlich zu der Position des Objekts auch die Orientierung des Objekts im Bezugssystem bestimmt wird. Wenn sowohl die Position als auch die Orientierung des Objekts im Bezugssystem bekannt sind, können die bekannten Algorithmen für die Korrektur dieser Position verwendet werden. Wenn dem Objekt demnach seine Position und Orientierung bekannt sind, kann es seinen Weg im Bezugssystem anhand der Landmarken finden.
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Eine Breiteninformation einer Markierung jeder erfassten Landmarke wird erfasst und unter Berücksichtigung der erfassten Breiteninformation werden Position und/oder Orientierung des Objekts ermittelt. Beispielsweise kann die Breite eines Reflektors einer Landmarke erfasst werden. Wenn demnach der rotierende Lasersensor einmal um 360° umläuft, so erfasst er zum einen, unter welchem Winkel bezogen auf die Objektreferenz eine Landmarke erfasst wird. Weiterhin wird für jede erfasste Landmarke eine Breiteninformation erfasst, insbesondere ein Winkelbereich vom erfassten Anfang bis zum erfassten Ende einer Markierung der Landmarke, insbesondere eines Reflektors. Je nachdem, wie der Reflektor orientiert ist und wo sich das Objekt befindet, wird eine Markierung unterschiedlich breit wahrgenommen.
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Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass unter Berücksichtigung einer Landmarkenkarte, die Informationen über die Position einer Landmarke und deren Orientierung im Bezugssystem enthält, alle aufgrund der erfassten Eigenschaft einer Markierung möglichen Positionen des Objekts ermittelt werden. Die Landmarken und die Orientierung der Landmarken im Bezugssystem sind bekannt. Wenn demnach durch den Sensor ein Winkel erfasst wird, unter dem der Sensor eine Landmarke erfasst und weiterhin ein Winkel erfasst wird, der die Breite einer Markierung der Landmarke beschreibt, so kann für jede Landmarke der Landmarkenkarte ein insbesondere sichelförmiger Abschnitt um die Landmarke ermittelt werden, auf dem sich das Objekt befinden könnte. Dies wird für jede in Frage kommende Landmarke ermittelt. Dabei repräsentiert die Dicke des sichelförmigen Abschnitts die Messungenauigkeit der Winkelmessung, die „Öffnung” der Sichel resultiert aus den Reflexionseigenschaften der Reflektoren der Landmarken.
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Eine genauere Information erhält man, wenn die Landmarken unterschiedliche Landmarkentypen aufweisen, die vom Sensor erfasst werden. Dann können nämlich für jede Landmarke eines Typs alle aufgrund der erfassten Eigenschaften einer Markierung möglichen Positionen des Objekts im Umfeld der entsprechenden Landmarke ermittelt werden. Beispielsweise können drei unterschiedliche Landmarkentypen vorgesehen sein. Wenn demnach ein Sensor beispielsweise eine Landmarke des Typs 2 erfasst, so können die möglichen Positionen im Verhältnis zu sämtlichen Landmarken des Typs 2 ermittelt werden. Für die anderen Landmarken eines anderen Typs müssen die Positionen in diesem Fall nicht ermittelt werden. Die Verwendung von Landmarken unterschiedlichen Typs kann zur Beschleunigung der Bestimmung der Position eines Objekts beitragen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Bezugssystem beziehungsweise der Arbeitsraum, in dem die Position des Objekts zu bestimmen ist, in ein Belegungsfeld mit Feldelementen unterteilt wird und ein Feldelement als „belegt” erfasst oder markiert wird, wenn eine mögliche Position des Objekts in das Feldelement fällt. Feldelemente, die nicht als belegt erfasst oder markiert werden, scheiden demnach bereits für die Position des Objekts aus.
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Auch in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn Landmarken unterschiedlichen Typs vorgesehen sind und der Landmarkentyp durch den Sensor erfasst wird. Dann ist es möglich, dass für jeden Landmarkentyp in einem Belegungsfeld ein Feldelement als „belegt” erfasst oder markiert wird, wenn eine mögliche Position des Objekts in das Feldelement fällt. Vorzugsweise wird für jede erfasste Landmarke, d. h. für jedes Wertepaar, bestehend aus erfasster Relativposition und Breiteninformation, getrennt analysiert, ob ein Feldelement des Bewegungsfelds belegt ist oder nicht.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Belegungsfeld durch ein Gitter in Feldelemente unterteilt wird, wobei die Gitterkonstante eingestellt wird. Durch das Einstellen der Gitterkonstante kann die Größe der Feldelemente eingestellt werden. Durch Wählen einer kleinen Gitterkonstante kann die Genauigkeit erhöht werden, andererseits erhöht sich dann die erforderliche Rechenleistung.
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Für die Positionsbestimmung ist es vorteilhaft, wenn für jedes Feldelement erfasst wird, welche Landmarke beziehungsweise welches Wertepaar, zu einer Erfassung oder Markierung des Feldelements als „belegt” geführt hat.
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Wie oben bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn für jede erfasste Landmarke ein Belegungsfeld ausgefüllt wird, d. h. in ein Belegungsfeld eingetragen wird, ob ein Feldelement belegt ist oder nicht. Liegen für n Landmarken Messungen vor, können n Belegungsfelder gebildet werden.
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Weiterhin kann ermittelt werden, wie oft ein Feldelement als „belegt” markiert oder erfasst wurde. Wird jedoch ein Feldelement bei der Bewertung für dieselbe Landmarke mehrmals als „belegt” gekennzeichnet, so wird dieses Feldelement beziehungsweise die Belegung dieses Feldelements vorteilhafterweise nur einmal gezählt.
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Um die möglichen Lösungen für die Position des Objekts einzuschränken, kann vorgesehen sein, dass Feldelemente mit einer vorgegebenen Belegungszahl ausgewählt werden und für jedes ausgewählte Feldelement und jede Landmarke, die zu einer Erfassung oder Markierung des Feldelements als „belegt” geführt hat, die Objektorientierung ermittelt wird und durch Vergleich mit der Landmarkenkarte überprüft wird, ob die ermittelte Objektorientierung plausibel ist. Die maximale Belegungszahl eines Feldelements entspricht dabei der Anzahl der erfassten Landmarken. Es kann nun vorgegeben werden, dass nur die Feldelemente berücksichtigt werden, die die maximale Belegungszahl aufweisen oder diejenigen Feldelemente ausgewählt werden, die die maximale Belegungszahl minus einen vorgegebenen Wert aufweisen. Wenn beispielsweise 10 Landmarken detektiert werden, und vorgegeben wird, dass nur Feldelemente mit einer Belegungszahl ≥ die maximale Belegungszahl minus zwei für die weitere Verarbeitung verwendet werden sollen, so werden nur diejenigen Feldelemente für die weitere Verarbeitung ausgewählt, deren Belegungszahl 8, 9 oder 10 ist. Alternativ kann eine minimale Belegungszahl vorgegeben werden. Für diese so identifizierten Feldelemente wird überprüft, ob die ermittelte Objektorientierung plausibel ist. Insbesondere wird überprüft, ob in diesem Feldelement die zugehörigen Landmarken (Reflektoren) aufsteigende Sichtwinkel aufweisen. Dadurch werden fast alle „falschen” Positionen erkannt.
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Wenn eine vorgegebene Anzahl von Landmarken als passend identifiziert wurde, so wird davon ausgegangen, dass die richtige Startposition des Objekts gefunden wurde und werden diese Positionsdaten an einen bekannten Algorithmus zur Positionsbestimmung übergeben, um ausgehend von dieser Startposition das Objekt zu steuern. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in einem Computersystem implementiert. Dabei hat sich gezeigt, dass die Positionsermittlung unter Verwendung eines PowerPCs in etwa 50 Millisekunden erfolgen kann. Der Rechenaufwand des erfindungsgemäßen Verfahrens steigt lediglich quadratisch mit der Fläche des Arbeitsraums. Der Rechenaufwand bei herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung der Startposition liegt deutlich darüber.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Erfassung von Landmarken;
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2a eine schematische Darstellung einer Landmarke eines ersten Typs;
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2b eine schematische Darstellung einer Landmarke eines zweiten Typs;
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3 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Bestimmung eines möglichen Abstands des Objekts von einer Landmarke für eine erste erfasste Landmarke;
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4 eine Darstellung zur Verdeutlichung des Einzeichnens der möglichen Abstände um Landmarken eines ersten Typs;
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5 eine der 4 entsprechende Darstellung für eine Landmarke eines zweiten Typs;
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6 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Belegung von Feldelementen mit dem Zustand „belegt”; und
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7 eine graphische Darstellung der Anzahl der Belegung eines Feldelements.
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Die 1 zeigt stark schematisiert ein Objekt 1, dessen Position in einem Arbeitsraum, über den ein Bezugssystem gelegt ist, zu bestimmen ist. Das Objekt 1 weist einen Sensor 2 auf, im Ausführungsbeispiel einen rotierenden Lasersensor. Dem Sensor 2 ist eine Objektreferenz 3 zugeordnet. In einem Arbeitsraum sind mehrere Landmarken 4, 5 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel tragen die Landmarken 4, 5 Reflektorstreifen 6–9. Die Reflektorstreifen 6–9 sind als retroreflektierende Reflektoren ausgebildet. Die reflektierenden Streifen 6, 7 bilden eine Markierung 10 und die Reflektoren 8, 9 bilden eine Markierung 11. Die Breite der Markierung 10 entspricht b1 und die Breite der Markierung 11 entspricht b2. Der Sensor 2 erkennt bei seinem Umlauf den Beginn einer Markierung 10 und das Ende einer Markierung 10. Zum Mittelpunkt zwischen dem Beginn und dem Ende der Markierung 10 wird der Winkel α1 bestimmt. Der Winkel α1 entspricht der Relativposition der Landmarke 4 zum Objekt 1. Außerdem wird eine Breiteninformation ermittelt. Hierfür wird der Winkel β1 bestimmt, der ein Maß für die Breite der Markierung 10 ist. Die Landmarke 5 ist zum Objekt 1 anders orientiert als die Landmarke 4. Auch für die Landmarke 5 wird eine Relativposition, nämlich der Winkel α2 und eine Breiteninformation, nämlich der Winkel β2 bestimmt. Wie sich aus dem vorliegenden Beispiel ohne Weiteres erkennen lässt, hängt die Breiteninformation davon ab, in welcher Orientierung sich die Landmarke 4, 5 zum Objekt 1 befindet. Ändert sich die Orientierung der Landmarke 4, 5 zum Objekt 1, ändert sich auch die Breiteninformation. Die Winkel α1, β1 beziehungsweise α2, β2 liefern daher keine eindeutige Information bezüglich der Position des Objekts 1 relativ zu den Landmarken 4, 5. Diese Daten sind jedoch hilfreich für die Bestimmung der Position des Objekts 1, wie später noch deutlich werden wird.
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In der 2a ist eine Landmarke 4 eines ersten Typs dargestellt. Die Landmarke weist die zwei Reflektorstreifen 6, 7 auf, wobei jeder Reflektorstreifen 6, 7 die Breite d1 aufweist. Der Abstand zwischen den Reflektorstreifen 6, 7 beträgt d2.
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In der 2b ist eine Landmarke 15 eines zweiten Typs exemplarisch dargestellt. Diese weist Reflektorstreifen 16, 17 auf, die wiederum den Abstand d2 zueinander aufweisen. Allerdings weisen die Streifen 16, 17 jeweils die Breite d3 auf, die von d1 verschieden ist. Somit ist auch die Breite b3 der Markierung anders als die Breite b1 der Markierung der Landmarke 4 der 2a. Der Sensor 2 kann aufgrund dieser unterschiedlichen Gestaltung der Landmarken 4, 15 erkennen, ob es sich um eine Landmarke des Typs 1 oder eine Landmarke des Typs 2 handelt. Auch weitere Landmarkentypen sind denkbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sei anhand des folgenden Beispiels erläutert:
Der Sensor
2 erfasst bei einem Umlauf von 360° bei der gegebenen Position des Objekts
1 neun Landmarken
4,
5. Für jede Landmarke
4,
5 wird der Sichtwinkel α, also die Relativposition zur Objektreferenz
3, bestimmt und die Breiteninformation β, ebenfalls in Grad. Dabei ergibt sich beispielsweise folgendes Ergebnis:
| Landmarkentyp | Sichtwinkel in Grad | Breiteninformation in Grad |
| 1 | 9,202 | 0,37 |
| 1 | 64,31 | 0,23 |
| 2 | 75,27 | 0,21 |
| 1 | 158,897 | 0,9 |
| 1 | 184,939 | 0,33 |
| 2 | 197,227 | 1,05 |
| 2 | 292,843 | 0,16 |
| 2 | 349,137 | 0,64 |
| 3 | 355,957 | 0,28 |
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Bei einem Umlauf beziehungsweise Scan hat der Sensor 2 demnach vier Landmarken des Typs 1, vier Landmarken des Typs 2 und eine Landmarke des Typs 3 erfasst. Als erste Landmarke wurde eine Landmarke des Typs 1 unter einem Winkel α von 9,202° und mit einer Breite von 0,37° erfasst.
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Für alle in einer Landmarkenkarten vermerkten Landmarken des Typs 1 werden daher die potenziellen Positionen des Objekts 1 ermittelt, von denen aus die entsprechende Landmarke durch den Sensor 2 mit der Breiteninformation von 0,37° erfasst werden könnte. In der 3 ist ein Ausschnitt des Arbeitsraums gezeigt und sind die entsprechenden möglichen Positionen des Sensors 2 beziehungsweise des Objekts 1 für zwei Landmarken 20, 21 eingezeichnet. Wie sich unschwer erkennen lässt, liegen die möglichen Positionen auf Positionskurven 22, 23, die sichel- bzw. kreisbogenförmig sind.
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In der 4 ist der gesamte Arbeitsraum dargestellt, wobei für jede Landmarke des Typs 1 die möglichen Positionen des Objekts eingezeichnet sind, unter denen die entsprechende Landmarke mit der Breiteninformation von 0,37° erfasst werden könnte. Entsprechend sind mehrere Positionskurven 22, 23 eingezeichnet.
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In der 5 sind die entsprechenden möglichen Positionen des Objekts im Umfeld von Landmarken des Typs 2 eingezeichnet, von denen aus die entsprechende Landmarke mit der Breiteninformation 0,21° (entsprechend der dritten erfassten Landmarke, Zeile 4 der Tabelle) erfasst werden kann. Exemplarisch sind die Positionskurven 26, 27 eingezeichnet. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass für jede erfasste Landmarke gemäß der Tabelle entsprechende mögliche Positionen um die Landmarke eines entsprechenden Typs ermittelt werden. Eine graphische Darstellung wie in den 4, 5 ist nicht zwingend notwendig.
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Weiterhin wird der Arbeitsraum in Feldelemente 30, 31 eines Belegungsfelds 32 unterteilt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Belegungsfeld 32 eine Gitterstruktur auf. Die Gitterkonstante α ist dabei einstellbar.
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Es wird für jede erfasste Landmarke überprüft, ob eine ermittelte mögliche Position – anschaulich Positionskurve 22, 23, 26, 27 – in ein entsprechendes Feldelement 30, 31 fällt. In der 6 ist dies anhand der Positionskurve 22 veranschaulicht. Beispielsweise fällt die Positionskurve 22 in das Feldelement 31. Das Feldelement 31 wird daher mit „belegt” markiert beziehungsweise erfasst. Dies wird für alle möglichen Positionen beziehungsweise Positionskurven 22, 23, 26, 27 durchgeführt und zwar getrennt für jede erfasste Landmarke der obigen Tabelle. Anschließend wird gezählt, wie oft ein Feldelement 30, 31 mit „belegt” markiert wurde, wobei für jede erfasste Landmarke ein Belegungsfeld nur einmal gezählt wird, auch wenn mehrere Landmarken desselben Typs eine Positionskurve aufweisen, die durch dasselbe Feldelement verläuft. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass ein Feldelement maximal neunmal mit „belegt” markiert werden kann, da bei einem Umlauf neun Landmarken erfasst wurden. Dies kann graphisch in einem „Belegungsgebirge”, wie in der 7 dargestellt, visualisiert werden. Die Spitzen 41, des Gebirges 40 verdeutlichen, dass in den zugeordneten Feldelementen 30, 31 eine hohe Anzahl von Belegungen festgestellt wurde. Anschließend können Feldelemente ausgewählt werden, die eine bestimmte Mindestanzahl von Belegungen aufweisen. Beispielsweise kann festgelegt werden, dass nur diejenigen Feldelemente 30, 31 ausgewählt werden, die sechsmal oder öfters mit „belegt” markiert wurden. Da sich normalerweise kein eindeutiger Gipfel/Spitze 41 ergibt, wird für die Feldelemente 30, 31, die eine bestimmte Mindestbelegung aufweisen, versucht, Mehrdeutigkeiten auszuschließen. Dies geschieht durch Verwendung der Relativposition beziehungsweise des Sichtwinkels. Für jede Landmarke, die zu einer Belegung eines ausgewählten Feldelements geführt hat, wird die sich ergebende Objektorientierung errechnet. Dieser die Objektorientierung des Fahrzeugs im Bezugssystem angebende Winkel erhöht in einem Winkelverteilungsfeld einen Winkelwahrscheinlichkeitszähler. Der Winkel mit dem höchsten Winkelwahrscheinlichkeitszähler wird ausgewählt. Alle Landmarken, die zur wahrscheinlichsten Objektorientierung beitragen, werden verwendet.
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Jede Messung bildet eine Ebene des Belegungsgebirges (= Belegungsvolumen). Eine Landmarke kann darin nicht mehrfach erscheinen.
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Eine Landmarke, die in mehreren Ebenen gewählt wurde, wird entfernt. Dieser Verarbeitungsschritt reduziert die Anzahl der Lösungen drastisch. Bleiben mindestens drei eindeutige Landmarken übrig, wird damit der normale Ortungsalgorithmus gestartet. Aus der Liste möglicher Lösungen wird die beste selektiert. Dabei wird nach der Güte der ermittelten Position und der Anzahl der beteiligten Landmarken selektiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr schnell (50 Millisekunden Rechenzeit auf PowerPC mit 300 Landmarken), da die Rechenzeit nur linear mit der Anzahl der vorhandenen Landmarken anwächst. Dadurch ergeben sich Möglichkeiten zum selbsttätigen Vermessen der Landmarkenumgebung, aufbauend auf vorher schon bekannten Landmarken, da das Verfahren keine odometrischen Informationen benötigt.
