DE102015111535A9

DE102015111535A9 - Algorithmus zur genauen Krümmungsschätzung für die Bahnplanung von autonom fahrenden Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102015111535A9
Application number: DE102015111535.2A
Authority: DE
Inventors: Jin-woo Lee
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2035-07-17
Also published as: CN105270410B; US20160018229A1; DE102015111535A1; DE102015111535B4; CN105270410A; US9283967B2

Abstract

Verfahren zur Identifizierung der Fahrbahnkrümmung, das ein Bestimmen eines Bereichs von Interesse und Sammeln von Formpunkten aus einer Kartendatenbank von einer aktuellen Position des Fahrzeugs bis zu einem Ende des Bereichs von Interesse umfasst, welche die Position der Fahrbahn definieren. Das Verfahren wandelt die Formpunkte aus Koordinaten des Geodätischen Weltsystems 84 (WGS84 für engl. World Geodetic System) in UTM-Koordinaten um und passt dann einen einzigen Satz von polynomialen Gleichungen zum Definieren einer Kurve unter Verwendung der umgewandelten Formpunkte an. Das Verfahren bestimmt, ob der einzige Satz von polynomialen Gleichungen eine vorbestimmte Krümmungsgenauigkeitsschwelle überschreitet, und passt, falls ja, mehrere Sätze von polynomialen Gleichungen an mehrere Fahrbahnsegmente über den Bereich von Interesse unter Verwendung der umgewandelten Formpunkte an. Das Verfahren bestimmt dann die Fahrbahnkrümmung an einer beliebigen Fahrbahnstelle unter Verwendung von Lösungen für die mehreren Sätze von polynomialen Gleichungen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen ein System und ein Verfahren zur Identifizierung der Krümmung einer Fahrbahn unter Verwendung von Formpunkten aus einer Kartendatenbank und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Identifizierung der Fahrbahnkrümmung in einem halbautonom oder autonom betriebenen Fahrzeug unter Verwendung von Formpunkten aus einer Kartendatenbank und einem polynomialen Mehrpunkt-Kurvenanpassungsalgorithmus.
Erörterung der verwandten Technik
Der Betrieb von modernen Fahrzeugen wird immer autonomer, d. h. Fahrzeuge sind imstande, Antriebsregelung zunehmend ohne Eingriff durch den Fahrer bereitzustellen. Seit etlichen Jahren gibt es Geschwindigkeitsregelungssysteme in Fahrzeugen, wobei der Fahrzeugbetreiber eine bestimmte Geschwindigkeit des Fahrzeugs festlegen kann, und das Fahrzeug bei dieser Geschwindigkeit bleibt, ohne dass der Fahrer die Drosselklappe betätigt. In letzter Zeit wurden auf dem Fachgebiet adaptive Geschwindigkeitsregelungssysteme entwickelt, wobei das System nicht nur die festgelegte Geschwindigkeit aufrechterhält, sondern außerdem das Fahrzeug automatisch verlangsamt, falls unter Verwendung verschiedener Sensoren, wie beispielsweise Radar und Kameras, ein vorderes Fahrzeug erkannt wird, das sich langsamer bewegt. Bestimmte modere Fahrzeuge stellen außerdem autonomes Parken bereit, wobei das Fahrzeug die Lenkungsbetätigung zum Einparken des Fahrzeugs automatisch bereitstellt. Einige Fahrzeugsysteme greifen ein, wenn der Fahrer ruppige Lenkungsänderungen durchführt, welche die Fahrzeugstabilität beeinträchtigen können. Einige Fahrzeugsysteme versuchen, das Fahrzeug in der Nähe der Mitte einer Fahrspur auf der Straße zu halten. Ferner wurden voll autonome Fahrzeuge vorgeführt, die in simuliertem Stadtverkehr unter Einhaltung aller Straßenverkehrsvorschriften mit bis zu 48 km/h (30 mph) fahren können.
Mit zunehmender Verbesserung der Fahrzeugsysteme werden sie immer autonomer, wobei das Ziel ein vollständig autonom betriebenes Fahrzeug ist. Zum Beispiel werden zukünftige Fahrzeuge wahrscheinlich autonome Systeme zum Spurwechseln, Überholen, Herauslenken aus dem Verkehr, Einlenken in den Verkehr usw. einsetzen. Sanftes Manövrieren und automatisierte Spurzentrierungs- und Spurwechselsteuerung sind für den Fahrer- und Fahrgastkomfort in autonom betriebenen Fahrzeugen wichtig. Infolge der Latenz von Sensoren und Stellantrieben können sich jedoch gemessene Fahrzeugzustände von tatsächlichen Fahrzeugzuständen unterscheiden. Dieser Unterschied kann die Erzeugung einer ungeeigneten Bahn verursachen, welche die Sanftheit des Spurwechsels beeinträchtigt.
Das am 1. Mai 2012 erteilte und an den Abtretungsempfänger dieser Anmeldung abgetretene US-Patent Nr. 8,170,739 mit dem Titel „Path Generation Algorithm for Automated Lane Centering and Lane Changing Control System”, das durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird, offenbart ein System zum Bereitstellen von Bahnerzeugung zum Zwecke automatisierter Spurzentrierung und/oder automatisierten Spurwechsels. Das System setzt eine oder mehrere Voraussichtskameras ein, welche Fahrspurmarkierungen vor dem Fahrzeug erkennen, um eine Fahrspur zu identifizieren, auf welcher das Fahrzeug fährt. Die von den Kameras erkannten Straßenmarkierungsinformationen werden zum Bestimmen einer Mittelspur des Fahrzeugs, die zum Identifizieren der Krümmung der Straße, des Kurswinkels des Fahrzeugs, der Position des Fahrzeugs usw. verwendet werden kann. Ein Prozessor zum Erzeugen einer gewünschten Bahn empfängt die Signale von der Kamera, Fahrzeugzustandsinformationen und einen Lenkwinkel des Fahrzeugs sowie eine Anforderung für einen Spurwechsel des Fahrzeugs. Das System umfasst außerdem einen Bahnvorhersageprozessor, der die Fahrzeugbahn basierend auf den Fahrzeugzustandsinformationen, welche Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs, Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs, Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs und Lenkwinkel des Fahrzeugs umfassen, vorhersagt. Die gewünschten Bahninformationen und die vorhergesagten Bahninformationen werden verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das an eine Spurwechselsteuerung gesendet werden, die eine Lenkwinkelsignal bereitstellt, um das Fahrzeug zu lenken und das Fehlersignal zu reduzieren, wobei der Bahnerzeugungsprozessor eine polynomiale Gleichung fünfter Ordnung einsetzt, um die gewünschte Bahn des Fahrzeugs basierend auf den Eingabesignalen zu bestimmen.
Die zuvor erörterten Systeme erfordern typischerweise die Kenntnis der Fahrbahnkrümmung, um sanfte Bahnplanung für ein Fahrzeug bereitzustellen. Auf dem Fachgebiet ist die Verwendung eines GPS-Empfängers und einer assoziierten Kartendatenbank im Fahrzeug zum Identifizieren der Krümmung der Fahrbahn, auf welche das Fahrzeug fährt, bekannt. Der GPS-Empfänger identifiziert die Position des Fahrzeugs durch Längen- und Breitengrade auf der Erde, und die Kartendatenbank verwendet diese Position, um abzustimmen, auf welcher Fahrbahn sich das Fahrzeug befindet, und stellt eine Anzahl von Formpunkten bereit, welche die Position der Fahrbahn ebenfalls in Längen- und Breitengraden um das Fahrzeug identifizieren. Die verfügbaren Formpunkte in der Kartendatenbank sind typischerweise in Abhängigkeit von der Krümmung der Fahrbahn beabstandet, wobei die Formpunkte für stärker gekrümmte Straßen enger beabstandet sind. Die Formpunkte können durch eine Linie verbunden werden, und durch Anpassen der Linie an eine Kurvengleichung kann die Krümmung der Fahrbahn bestimmt werden, wobei die Krümmung der Linie durch jeden der durch die Datenbank identifizierten Formpunkte verläuft. Da es jedoch Fehler bei der Vermessung der Fahrbahn gibt, sind die Formpunkte der Kartendatenbank möglicherweise nicht genau in der Mitte der Fahrbahn und können etwas außerhalb der Fahrbahn liegen, was Fehler in der Kurve erzeugt, die durch die Formpunkte erzeugt wird.
Da die Formpunktpositionen Fehler aufweisen, identifiziert die Krümmung der Linie zwischen den Formpunkten möglicherweise den geeigneten Krümmungsradius der Straße an einer bestimmten Stelle nicht genau. Da die Ausreißer der Formpunkte in der Kartendatenbank bedeutend genug sind, um zu bewirken, dass der Krümmungsradius der Straße eine erhebliche Ungenauigkeit aufweist, können bekannte Techniken zum Identifizieren der Fahrbahnkrümmung unter Verwendung von Formpunkten aus einer Kartendatenbank nicht zuverlässig eingesetzt werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein System und ein Verfahren zur Identifizierung der Fahrbahnkrümmung in einem Fahrzeugsystem, das Formpunkte aus einer Kartendatenbank verwendet. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen eines Bereichs von Interesse zum Bestimmen der Fahrbahnkrümmung und Sammeln der Formpunkte aus der Kartendatenbank von einer aktuellen Position des Fahrzeugs bis zu einem Ende des Bereichs von Interesse, welche die Position der Fahrbahn definieren. Das Verfahren wandelt die Formpunkte aus Koordinaten des Geodätischen Weltsystems 84 (WGS84 für engl. World Geodetic System) in UTM-Koordinaten um und passt dann einen Satz von einzelnen polynomialen Gleichungen zum Definieren einer Kurve unter Verwendung der umgewandelten Formpunkte an. Das Verfahren bestimmt, ob die einzelnen polynomialen Gleichungen eine vorbestimmte Krümmungsgenauigkeitsschwelle überschreiten, und passt, falls ja, mehrere Sätze von polynomialen Gleichungen unter Verwendung der umgewandelten Formpunkte an mehrere benachbarte Fahrbahnsegmente über den Bereich von Interesse an. Das Verfahren bestimmt dann die Fahrbahnkrümmung an einer beliebigen Fahrbahnstelle unter Verwendung von Lösungen für die mehreren polynomialen Gleichungen.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Veranschaulichung eines Fahrzeugs, das Komponenten umfasst, die zum Berechnen der Fahrbahnkrümmung notwendig sind;
2 ist eine Veranschaulichung eines Fahrzeugs, das entlang einer Fahrbahn fährt, und stellt Formpunkte aus einer Kartendatenbank entlang der Fahrbahn dar:
3 ist ein Übersichtsflussdiagramm, das einen Prozess zum Bestimmen der Fahrbahnkrümmung unter Verwendung von Formpunkten aus einer Kartendatenbank darstellt;
4 ist eine Veranschaulichung eines Fahrzeugs, das auf einer Fahrbahn fährt, und stellt mehrere Krümmungssegmente dar; und
5 ist ein detaillierteres Flussdiagramm, das einen Prozess zum Identifizieren der Fahrbahnkrümmung unter Verwendung von Formpunkten aus einer Kartendatenbank darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die ein System und ein Verfahren zur Bestimmung der Fahrbahnkrümmung unter Verwendung von Formpunkten aus einer Kartendatenbank betrifft, ist rein beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungsmöglichkeiten in keiner Weise beschränken. Wie zum Beispiel hierin erörtert, können das System und das Verfahren der Erfindung insbesondere Anwendung für ein halbautonom oder autonom betriebenes Fahrzeug finden. Für Fachleute ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung auch Nicht-KFZ-Anwendungen haben kann.
1 ist eine Veranschaulichung eines Fahrzeugs 10, das eine Steuerung 12 umfasst, die alle notwendigen Prozesse, Berechnungen, Algorithmen usw. ausführt, die hierin erörtert werden, um Vorhersage, Erzeugung und Steuerung der Bahn des Fahrzeugs 10 bereitzustellen, das in einer halbautonomen oder autonomen Weise betrieben wird, wobei es sich bei der Steuerung 12 um eine beliebige Anzahl von unabhängigen oder kombinierten Prozessoren, elektronischen Steuereinheiten (ECUs für engl. electronic control units), Bauelementen usw. handeln kann. Die Steuerung 12 empfängt Signale von einer oder mehreren Voraussichtskameras 14, welche Fahrspurmarkierungen und Objekte auf oder in der Fahrbahn oder anderweitig vor dem Fahrzeug 10 erkennt, wobei es sich bei der Kamera 14 um jede geeignete Erkennungsvorrichtung für diesen Zweck, wie beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD für engl. charge-coupled device), Videobildsensoren auf der Basis von komplementären Metalloxidhalbleitern (CMOS für engl. complementary metal-oxide-semiconductor) usw., handeln kann. Das Fahrzeug 10 umfasst außerdem eine Anzahl von Sensoren, die im Allgemeinen als Sensor 16 dargestellt sind, der Fahrzeugbewegungsinformationen bereitstellt, die, ohne darauf beschränkt zu sein, Fahrzeuggeschwindigkeit, Giergeschwindigkeit, Lenkwinkel, Quer- und Längsbeschleunigung, Quer- und Längsgeschwindigkeit usw. umfassen. Das Fahrzeug 10 umfasst ferner einen GPS-Empfänger 18, der GPS-Signale empfängt, welche die Position des Fahrzeugs 10 identifizieren und die an eine Kartendatenbank 20 übermittelt werden, welche eine Anzeige der Position des Fahrzeugs 10 auf der Fahrbahn zum Beispiel als beabstandete Fahrbahn-Formpunkte für die Steuerung 12 bereitstellt. Basierend auf der gewünschten Bahn des Fahrzeugs 10 und darauf, ob das Fahrzeug 10 halbautonom oder autonom betrieben wird, kann die Steuerung 12 Ausgangssignale für ein Fahrzeugbremssystem 22, eine Fahrzeugdrosselklappe 24 und/oder ein Fahrzeuglenksystem 26 bereitstellen.
2 ist eine Abbildung 40, die ein Fahrzeug 42 darstellt, das auf einer Fahrspur 46 einer Fahrbahn 44 entlang einer Mittellinie der Fahrspur 46 autonom betrieben wird. Die Abbildung 40 zeigt eine Anzahl von Formpunkten 50, dargestellt durch (P₁, P₂, ..., P_N), entlang der Fahrbahn 44, wobei die Formpunkte 5 von der Kartendatenbank 20 bereitgestellt werden, um die Fahrbahn 44 darzustellen, und wobei die Formpunkte 50 im Allgemeinen der Mittellinie der Fahrspur 46 folgen. Wie jedoch bereits erwähnt, sind infolge von Fehlern beim Fahrbahnvermessungsprozess einige der Formpunkte 50 möglicherweise nicht genau in der Mitte der Fahrspur 46 und möglicherweise nicht einmal in der Fahrspur 46, die hierin als Ausreißer-Formpunkte bezeichnet werden.
Wie im Folgenden ausführlich erörtert, verwendet die vorliegende Erfindung die Formpunkte 50 zum Bestimmen oder Schätzen der Fahrbahnkrümmung, die im Allgemeinen durch die Linie 52 dargestellt ist, wobei die Anzahl N der Formpunkte 50, die verwendet werden, von vielen Faktoren abhängt, wie beispielsweise der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 42, der Krümmung der Fahrbahn 44 usw. Die Fahrbahnkrümmung wird für einen bestimmten Bereich von Interesse bestimmt, der in Abhängigkeit davon, wofür die Krümmung verwendet wird, variieren kann. Zum Beispiel können Spurzentrierung, Spurwechsel, Ausweichmanöver usw. einen langen Krümmungsvorschaubereich erfordern, wobei der Bereich von Interesse einige Kilometer sein kann, und wobei je länger der Bereich ist, umso mehr Verarbeitungszeit benötigt wird. Ferner umfasst der Bereich von Interesse die Fahrbahnkrümmung hinter dem Fahrzeug 42 sowie vor dem Fahrzeug 52, wobei ein typischer Bereich 150 m hinter dem Fahrzeug 42 und 300 m vor dem Fahrzeug 42 sein kann.
3 ist ein Flussdiagramm 60, das eine allgemeine Übersicht über einen Prozess zum Bestimmen der Fahrbahnkrümmung unter Verwendung der Kartendatenbank-Formpunkte 50 darstellt. Bei Feld 62 sammelt der Algorithmus die Kartendatenbank-Formpunkte 50, wobei jeder Formpunkt 50 als ein Längengrad (Lon) und ein Breitengrad (Lat) im Geodätischen Weltsystem 84 (WGS84) dargestellt ist:
Die Längen- und Breitenidentifizierung eines jeden der Formpunkte 50 ist in drei Dimensionen, d. h. sie weist eine x-, y- und z-Bezeichnung auf, wobei das (Lat, Lon)-Koordinatensystem Positionen auf der Oberfläche der Erde angibt. Der Algorithmus ist nur an der Krümmung der Fahrbahn 44 in den x- und y-Koordinaten interessiert, und entsprechend wandelt der Algorithmus bei Feld 64 den Längen- und Breitengrad jedes Punktes 50 in Koordinaten (x, y) der Universalen Transversalen Mercator-Projektion (UTM) um. Wie den Fachleuten allgemein bekannt ist, ist die UTM ein projiziertes Koordinatensystem, das ein zweidimensionales kartesisches Koordinatensystem verwendet. Die x, y-Koordinaten in der UTM sind die globalen Koordinaten, wobei x die Ostrichtung darstellt, und y die Nordrichtung darstellt.
Der Algorithmus versucht dann bei Feld 66, diese Formpunkte 50 innerhalb des Bereichs von Interesse für jeden x- und y-Formpunkt 50 als eine Funktion der Bogenlänge s an eine einzige Kurve anzupassen, die durch die Linie 52 dargestellt wird, wobei die Formpunkte (P₁, P₂, ..., P_N) innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Interesse in UTM-Koordinaten sind, und wobei jeder Formpunkt P_i einen (x, y)-Koordinatenwert aufweist, d. h. P_i = (x_i, y_i). In einer Ausführungsform versucht der Algorithmus, eine einzige polynomiale Kurve dritter Ordnung, die allen der N gesammelten Formpunkte 50 am besten entspricht, zu finden als: x ^(s) = p₁₃·s³ + p₁₂·s² + p₁₁·s + p₁₀, (2) y ^(s) = q₁₃·s³ + q₁₂·s² + q₁₁·s + q₁₀, (3) wobei s die Bogenlänge, d. h. der Abstand zwischen beliebigen zweien der Formpunkte 50, ist und definiert wird durch:
und wobei s₁ = 0, und die Koeffizienten Unbekannte in Gleichung (2) und (3) sind und durch Minimieren der Kostenfunktion J bestimmt werden als: J = 1 / 2Σ N / i[(x_i – x₁ – x ^_i)² + (y_i – y₁ – y ^_i)²]. (5)
Basierend auf dieser Analyse gibt es N – 1 Gleichungen und acht Unbekannte. Durch Minimieren der Kostenfunktion J in Gleichung (5) kann die Lösung der Gleichungen gefunden werden als:
Sobald die Koeffizienten p₁₃, p₁₂, p₁₁, p₁₀, q₁₃, q₁₂, q₁₁ und q₁₀ bestimmt sind, kann anschließend die Kurvenlinie daraus bestimmt werden.
Der zuvor erörterte Einkurvenanpassungsprozess weist insofern Beschränkungen auf, als ein einziges Polynom eine schlechte Leistung aufweist, wenn die Straßenkrümmung sich häufig oder schnell ändert, oder der Bereich von Interesse zu lang ist, wobei der Kurvenanpassungsprozess die Formpunkte 50 nicht genau genug anpasst. Um diese Beschränkung zu überwinden, stellt die vorliegende Erfindung bei Feld 68 einen Mehrsegment-Kurvenanpassungsprozess bereit, wobei der Bereich von Interesse in mehrere Segmente geteilt wird, um die Krümmungsleistung zu verbessern. Der Algorithmus muss bestimmen, wo das erste Segment endet, das durch den polynomialen Einzelkurvenanpassungsprozess bestimmt wird, und wo das nächste Segment bei einem sanften Übergang beginnt.
4 ist eine ähnliche Abbildung 80 wie Abbildung 40, wobei gleiche Elemente durch die gleichen Bezugszeichen identifiziert sind, und die ein erstes Straßenkrümmungssegment darstellt, das durch die Linie 52 identifiziert wird und am Formpunkt P_N1 endet, wobei dass erste Segment endet, wenn die Kostenfunktion J eine vorbestimmte Schwelle J > J_thre überschreitet. Ein zweites Segment, das durch die Linie 82 dargestellt ist, beginnt am Endpunkt 82 P_N1 am Ende der ersten Segmentlinie 52. Um einen sanften Übergang zwischen dem ersten Segment und dem zweiten Segment bereitzustellen, wird ein Überlappungsabschnitt 84 am Ende der ersten Segmentlinie 52 definiert und umfasst eine Anzahl von virtuellen Formpunkten 86. Insbesondere beim Bestimmen des zweiten Segments kann der Algorithmus die virtuellen Formpunkte 86 definieren, die nicht von der Kartendatenbank 20 bereitgestellt, sondern aus dem ersten Segment bestimmt werden, das durch Gleichung (2) und (3) berechnet wird, da der Überlappungsabschnitt 84 zwischen den ersten und zweiten Segmenten möglicherweise nicht lang genug, d. h. 50 m oder so, ist, um Formpunkte aus der Kartendatenbank zu umfassen; weshalb die virtuellen Formpunkte 86 erforderlich sind. Da das erste Segment bereits bestimmt ist, werden die virtuellen Formpunkte 86 am Ende des ersten Segments berechnet und für das zweite Segment verwendet. Die Länge des Überlappungsabschnitts 84 und die Anzahl der virtuellen Punkte 86 sind kalibrierte Parameter, die von der jeweiligen Anwendung abhängen.
Wie zuvor wählt der Algorithmus für den Kurvenanpassungsprozess des zweiten Segments einen neuen Satz von Formpunkten 50 ausgehend von P_N1 mit einer vorbestimmten Anzahl N2 der Formpunkte 50 aus der Kartendatenbank 20 aus, und die zweite Segmentkurve wird durch die polynomialen Gleichungen dritter Ordnung bestimmt: x ^(s) = p₂₃·s³ + p₂₂·s² + p₂₁·s + p₂₀, (7) y ^(s) = q₂₃·s³ + q₂₂·s² + q₂₁·s + q₂₀, (8) wobei die Koeffizienten p₂₃, p₂₂, p₂₁, p₂₀, q₂₃, q₂₂, q₂₁ und q₂₀ unbekannt sind und auf die gleiche Art und Weise, wie zuvor für das erste Segment erörtert, unter Verwendung der Kostenfunktion bestimmt werden: J = 1 / 2Σ N2 / i[(x_i – x₁ – x ^_i)² + (y_i – y₁ – y ^_i)²]. (9)
Wie bereits erwähnt, umfasst der Algorithmus zum Bereitstellen eines sanften Übergangs von der ersten Segmentlinie 52 zur zweiten Segmentlinie 82, dass eine Anzahl der Formpunkte 50 am Ende der ersten Segmentlinie 52 und die virtuellen Formpunkte 86 als Teil der zweiten Segmentlinie 82 einbezogen werden, so dass es eine Überlappung zwischen dem ersten Segment und dem zweiten Segment für einen sanften Übergang dazwischen gibt. Daher wird eine polynomiale Gleichung, welche die Krümmung der Straße definiert, in mehreren Segmenten bis zum Ende des gewünschten Bereichs zu einem bestimmten Zeitpunkt bereitgestellt. In Abhängigkeit von der Krümmung der Fahrbahn 44, dem Bereich von Interesse usw. können mehr als zwei Segmente erforderlich sein, wobei das Ende jedes Segments bestimmt wird, wenn die Kostenfunktion J eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Demnach wird die Anzahl von Sätzen von polynomialen Gleichungen, die für die Anzahl von Segmenten erforderlich sind, die zum genauen Bestimmen der Fahrbahnkrümmung notwendig sind, automatisch bestimmt, was es ermöglicht, Straßen mit komplexen Kurven, wie beispielsweise S-Kurven, durch einen einzigen Satz von polynomialen Gleichungen genau darzustellen. Die virtuellen Formpunkte 86 werden am Beginn jedes Segments unter Verwendung der Berechnungen für das vorherige Segment bestimmt.
Sobald die polynomiale Kurvenanpassungsgleichung für jedes Segment berechnet wurde, wie zuvor erörtert, bestimmt der Algorithmus die Krümmung κ der Fahrbahn 44 an einem bestimmten Formpunkt P_i bei Feld 70 als:
Der Kurswinkel θ_i des Fahrzeugs 42 bei Punkt P_i wird bestimmt als: θ_i = αtan(y ^ ' / i/x ^ ' / i), (11) wobei: x ^ ' / i = 3p₁₃·s 2 / i + p₁₂·s_i + p₁₁, (12) y ^ ' / i = 3q₁₃·s 2 / i + q₁₂·s_i + q₁₁, (13) x ^ '' / i = 6p₁₃·s_i + p₁₂·s_i, (14) y ^ '' / i = 6q₁₃·s_i + q₁₂·s_i, (15) und wobei s_i die Bogenlänge vom Ausgangspunkt P₁ zu Punkt P_i ist.
Die Gleichungen (12) bis (15) werden zum Berechnen der Krümmung κ und des Kurswinkels θ_i innerhalb des ersten Segments verwendet. Wenn die Krümmung κ und der Kurswinkel θ_i in in den zweiten Segmenten benötigt werden, sind diese Gleichungen wie folgt: x ^ ' / i = 3p₂₃·s 2 / i + p₂₂·s_i + p₂₁, (16) y ^ ' / i = 3q₂₃·s 2 / i + q₂₂·s_i + q₂₁, (17) x ^ '' / i = 6p₂₃·s_i + p₂₂·s_i, (18) y ^ '' / i = 6q₂₃·s_i + q₂₂·s_i. (19)
Jeder der Koeffizienten p und q wurde durch die vorstehenden Gleichungen für das jeweilige Segment bestimmt, wobei die erste und zweite Ableitung der Werte x und y wie oben bestimmt wird. Daher kann der Algorithmus die Krümmung κ bei jedem Abstand bestimmen, der durch die Bogenlänge s_i von der Position des Fahrzeugs 42 bei P₁ zum Punkt P_i definiert wird. Mit anderen Worten wird die Fahrbahn 44 durch parametrische Gleichungen dargestellt, und die Krümmung κ kann an jedem Punkt ungeachtet des Vorhandenseins von Formpunkten berechnet werden. Wenn zum Beispiel die Krümmung κ alle 10 m benötigt wird, können die Krümmung κ und der Kurswinkel θ_i für s_i = 10, 20, 30, 40, berechnet werden usw.
5 ist ein Flussdiagramm 90, das eine detailliertere Erörterung des zuvor erörterten Kurvendefinitionsprozesses bereitstellt. Der Algorithmus startet bei Feld 92 und liest bei Feld 94 die Kurvenanpassungskalibrierparameter aus, die den gewünschten Bereich umfassen, um die Straßenkrümmung κ und die akzeptablen Kurvenanpassungsfehlerschwellen zu bestimmen. Dann liest der Algorithmus bei Feld 96 die Formpunkte 50 aus der Kartendatenbank 20 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs aus. Der Algorithmus führt dann bei Feld 98 die Koordinatenumwandlung in UTM-Koordinaten durch. Der Einkurvenanpassungsprozess für das erste Segment wird bei Feld 100 durchgeführt, und die Parameterkoeffizienten p und q für dieses Segment werden bei Feld 102 bestimmt. Der Algorithmus führt dann bei der Entscheidungsraute 94 eine Bereichsprüfung durch, um zu bestimmen, ob ein Kurvenanpassungsprozess eines einzigen Segments den gesamten gewünschten Bereich mit ausreichender Genauigkeit abdeckt, und kehrt, falls ja, zu Feld 96 zurück, um die Formpunkte 50 aus der Kartendatenbank 20 auszulesen, um die Kurve zu aktualisieren, während sich das Fahrzeug 42 entlang der Fahrbahn 44 bewegt. Wenn das erste Segment den gewünschten Bereich innerhalb der Kostenfunktionsschwelle nicht genau abdecken kann, dann beendet der Algorithmus bei Feld 106 den vorherigen Kurvenanpassungsalgorithmus und fügt bei Feld 108 die virtuellen Punkte 86 im Überlappungsanschnitt 84 hinzu, um das nächste Segment im Mehrkurvenanpassungsprozess zu bestimmen und einen sanften Übergang zwischen Segmenten bereitzustellen. Der Algorithmus bestimmt dann bei Feld 110 den Kurvenanpassungsalgorithmus für das nächste Segment und berechnet bei Feld 112 die Parameterkoeffizienten p und q für dieses Segment für diese Kartendatenbank-Formpunkte 50. Dann kehrt der Algorithmus zur Entscheidungsraute 102 zurück, um zu bestimmen, ob die durch dieses Segment berechnete Krümmung κ das Ende des gewünschten Bereichs erreicht, und geht, falls nicht, bei Feld 104 zum Berechnen einer nächsten Segmentkrümmung über.
Wie für Fachleute leicht zu verstehen ist, können sich die mehreren und verschiedenen Schritte und Prozesse, die hierin erörtert werden, um die Erfindung zu beschreiben, auf Vorgänge beziehen, die von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Rechenvorrichtung durchgeführt werden, welche Daten unter Verwendung des elektrischen Phänomens handhaben und/oder umwandeln. Diese Computer und elektronischen Vorrichtungen können verschiedene flüchtige und/oder nichtflüchtige Speicher einsetzen, die ein nichttransitorisches, computerlesbares Medium mit einem darauf gespeicherten ausführbaren Programm umfassen, das diversen Code oder ausführbare Anweisungen umfasst, die vom Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Typen von Speicher und anderen computerlesbaren Medien umfassen können.
Die vorstehende Erörterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Für einen Fachmann ist aus dieser Erörterung und den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht zu erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüche definiert, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8170739 [0004]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Fahrbahnkrümmung in einem Fahrzeugsystem in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren umfasst: – Bestimmen eines Bereichs von Interesse zum Bestimmen der Fahrbahnkrümmung; – Sammeln von Formpunkten aus einer Kartendatenbank im Fahrzeug von einer aktuellen Position des Fahrzeugs bis zu einem Ende des Bereichs von Interesse, welche die Position der Fahrbahn definieren, wobei die Formpunkte durch Koordinaten des Geodätischen Weltsystems 84 (WGS84) definiert sind; – Umwandeln der Formpunkte aus den WGS84-Koordinaten in Koordinaten der Universalen Transversalen Mercator-Projektion (UTM); – Anpassen eines einzigen Satzes von polynomialen Gleichungen zum Definieren einer Fahrbahnkurve unter Verwendung der umgewandelten Formpunkte; – Bestimmen, dass der einzige Satz von polynomialen Gleichungen eine vorbestimmte Krümmungsgenauigkeitsschwelle überschreitet; – Anpassen von mehreren Sätzen von polynomialen Gleichungen an mehrere Fahrbahnsegmente über den Bereich von Interesse unter Verwendung der umgewandelten Formpunkte; und – Bestimmen der Fahrbahnkrümmung an einer Fahrbahnstelle unter Verwendung von Lösungen für die mehreren Sätze von polynomialen Gleichungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen eines einzigen Satzes von polynomialen Gleichungen ein Anpassen von zwei polynomialen Gleichungen dritter Ordnung umfasst, um die Fahrbahnkurve zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Anpassen eines einzigen Satzes von polynomialen Gleichungen ein Anpassen von zwei polynomialen Gleichungen basierend auf einer Bogenlänge umfasst, wobei die Bogenlänge als ein Abstand zwischen beliebigen zwei Formpunkten definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Anpassen eines einzigen Satzes von polynomialen Gleichungen ein Definieren jedes Formpunkts umfasst als: x ^(s) = p₁₃·s³ + p₁₂·s² + p₁₁·s + p₁₀, y ^(s) = q₁₃·s³ + q₁₂·s² + q₁₁·s + q₁₀, wobei s die Bogenlänge ist, und p und q unbekannte Koeffizienten sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Anpassen von mehreren Sätzen von polynomialen Gleichungen an mehrere Fahrbahnsegmente ein separates Anpassen eines einzigen Satzes von polynomialen Gleichungen an mehrere benachbarte Segmente umfasst, wobei ein Überlappungsabschnitt zwischen zwei Segmenten definiert wird, und wobei virtuelle Formpunkte von einem vorherigen Segment im Überlappungsabschnitt definiert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei es sich bei jedem Satz von polynomialen Gleichungen für jedes Fahrbahnsegment um zwei polynomiale Gleichungen dritter Ordnung handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Sammeln von Formpunkten aus einer Kartendatenbank ein Sammeln von Formpunkten umfasst, welche die Fahrbahn hinter dem Fahrzeug definieren.
System zum Bestimmen der Fahrbahnkrümmung in einem Fahrzeug, wobei das System umfasst: – Mittel zum Sammeln von Formpunkten aus einer Kartendatenbank im Fahrzeug von einer aktuellen Position des Fahrzeugs bis zu einem Ende eines Bereichs von Interesse, welche Positionen der Fahrbahn definieren; – Mittel zum Anpassen von polynomialen Gleichungen dritter Ordnung zum Definieren einer Fahrbahnkurve unter Verwendung der Formpunkte; und – Mittel zum Bestimmen der Fahrbahnkrümmung an einer Fahrbahnstelle unter Verwendung von Lösungen von der polynomialen Gleichung.
System nach Anspruch 8, wobei das Mittel zum Anpassen der polynomialen Gleichungen dritter Ordnung die polynomialen Gleichungen dritter Ordnung basierend auf einer Bogenlänge anpasst, wobei die Bogenlänge als ein Abstand zwischen beliebigen zwei Formpunkten definiert ist.
System nach Anspruch 8 oder 9, ferner umfassend Mittel zum Umwandeln der Formpunkte aus Koordinaten des Geodätischen Weltsystems 84 (WGS84) in Koordinaten der Universalen Transversalen Mercator-Projektion (UTM) vor dem Anpassen der polynomialen Gleichungen dritter Ordnung.