DE102015202230A1

DE102015202230A1 - Fusionierte Eigenbewegungsberechnung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015202230A1
Application number: DE102015202230.7A
Authority: DE
Inventors: Amar Abdul-Rahman; Achint Aggarwal; Thomas Bopp; Tim Kreutzmann; Andreas Löffler; Martin Pfitzner; Simon Tejero; Niklas Zimmermann
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Eigenbewegung eines Fahrzeugs, die Vorrichtung aufweisend eine erste Sensoreinheit zum Bestimmen von kinematischen Daten des Fahrzeugs jeweils zu einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt und eine zweite Sensoreinheit, welche ausgeführt ist, eine Umgebung des Fahrzeugs zu erfassen und eine Relativbewegung des Fahrzeugs zu der Umgebung zu ermitteln, weiterhin aufweisend eine Recheneinheit, die ausgeführt ist, eine Positionsänderung des Fahrzeugs zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt basierend auf den kinematischen Daten der ersten Sensoreinheit und der von der zweiten Sensoreinheit ermittelten Relativbewegung zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenbewegung eines Fahrzeugs.
Hintergrund der Erfindung
Manche Fahrerassistenzsysteme von Fahrzeugen erfordern eine sehr genaue Bestimmung der Eigenbewegung des Fahrzeugs. Beispielsweise für Systeme zur Umgebungskartierung kann die zurückgelegte Eigenbewegung als Zusatzinformation notwendig sein. Bei solchen Systemen, die in diskreten Zeitschritten elektromagnetische Wellen aussenden und deren Reflektionen empfangen, kann die relative Positionsänderung im Zeitraum zwischen zwei Zeitschritten von Interesse sein.
DE 10 2010 048 896 A1 und US 2012/0169532 A1 betreffen Radarsysteme in Fahrzeugen zur Umgebungserfassung mit Hilfe der bestimmten Eigenbewegung des Fahrzeugs, wobei die Eigenbewegung beispielsweise aus Beschleunigungs-, Drehraten-, Lenkwinkel-, und Raddrehzahlsensoren bestimmt wird.
DE 10 2010 063 133 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenbewegung eines Fahrzeugs mit Hilfe einer Fahrzeugkamera und basierend auf dem erfassten Bewegungsfluss.
DE 10 2005 000 651 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenbewegung eines Fahrzeugs mit Hilfe einer Bildgebungsvorrichtung und basierend auf den optischen Flüssen.
DE 10 2010 015 723 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenbewegung eines Fahrzeugs mit Hilfe einer Empfangseinheit, insbesondere einer Radareinheit und basierend auf der Ermittlung einer Winkelfunktion.
Zusammenfassung der Erfindung
Es kann als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, die Genauigkeit der Bestimmung der relativen Positionsänderung eines Fahrzeugs zwischen zwei Zeitpunkten zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der Eigenbewegung eines Fahrzeugs gegeben, die Vorrichtung aufweisend eine erste Sensoreinheit zum Bestimmen von kinematischen Daten des Fahrzeugs jeweils zu einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt und eine zweite Sensoreinheit, welche ausgeführt ist, eine Umgebung des Fahrzeugs zu erfassen und eine Relativbewegung des Fahrzeugs zu der Umgebung zu ermitteln, weiterhin aufweisend eine Recheneinheit, die ausgeführt ist, eine Positionsänderung des Fahrzeugs zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt basierend auf den kinematischen Daten der ersten Sensoreinheit und der von der zweiten Sensoreinheit ermittelten Relativbewegung zu ermitteln.
In anderen Worten finden zur Bestimmung der relativen Positionsänderung zwischen zwei Zeitschritten eine Vielzahl von Sensoren Anwendung. Diese Sensoren setzen sich zusammen aus einer ersten Sensoreinheit zum Bestimmen kinematischer Daten und einer zweiten, umgebungsbeobachtenden Sensoreinheit.
Messungen können auch nach weiteren Zeitschritten vorgenommen werden. Üblicherweise werden Messungen an einer Vielzahl von Zeitpunkten durchgeführt, sodass der beschriebene erste Zeitpunkt und zweite Zeitpunkt repräsentativ für eine Vielzahl von Zeitschritten zu verstehen sind.
Kinematische Daten sind Informationen über die Bewegung, insbesondere Informationen über die Bewegung des Fahrzeugs.
Informationen zur Bewegung können die Position des Fahrzeugs selbst betreffen, aber auch die Positionsänderung, insbesondere die Positionsänderung mit Zeitbezug, sprich Geschwindigkeit, oder die Beschleunigung des Fahrzeugs.
Die zweite Sensoreinheit beobachtet bzw. erfasst die aus Sicht des Fahrzeugs sich bewegende nähere Umgebung, um äquivalent auf die Eigenbewegung des Fahrzeugs gegenüber der Umgebung zu schließen. Diese Daten zur Eigenbewegung werden mit denen der anderen Sensoren, d.h. der ersten Sensoreinheit, fusioniert.
Nicht immer liefern alle Sensoren zuverlässig richtige Werte. Eine mögliche Fehlerquelle ist beispielsweise Schlupf, der die Raddrehzahlsensoren selbst bei korrekter Messung unbrauchbare Werte liefern lässt. Auch seitliches Rutschen der Räder kann im Falle der Radwinkelsensoren die Messung unbrauchbarer Werte nach sich ziehen. Die Drehzahldifferenz in Kurvenfahrten kann das Ergebnis weiterhin verfälschen. Im Zuge der Sensordatenfusion kann daher ein Verifikationsalgorithmus zum Einsatz kommen, der die gemessenen Eigenbewegungsdaten auf Konsistenz, Plausibilität und statistischen Kennzahlen wie der Standardabweichung zum Ermitteln von Messrauschen überprüft.
Die Datenfusion selbst kann beispielsweise über gewichtete Mittelwertbildung erfolgen. Auch ein Kalman Filter kann verwendet werden.
Die Recheneinheit ist insbesondere ausgeführt, eine Positionsänderung des Fahrzeugs basierend auf den kinematischen Daten der ersten Sensoreinheit und auf den Daten der zweiten Sensoreinheit zu ermitteln.
Ab einer gewissen Zahl von Messdaten von verschiedenen Zeitpunkten können die Messdaten dynamisch gefiltert werden. So kann beispielsweise abhängig von dem Signal-zu-Rauschen Verhältnis einzelner Sensoren eine komplementäre Filterung verwendet werden. In der komplementären Filterung werden die Signale des einen Sensors durch einen Tiefpassfilter gefiltert, und die Signale eines anderen Sensors, der aber die prinzipiell gleiche Information wie der erste Sensor liefert, durch einen Hochpassfilter gefiltert. Anschließend werden die gefilterten Signale kombiniert.
Zwei, prinzipiell gleiche Informationen liefernde, Sensoren sind beispielsweise ein Dopplerradar und ein Raddrehzahlsensor, wenn beide zur Geschwindigkeitsmessung genutzt werden.
Beispielsweise können von den üblicherweise stark verrauschten Beschleunigungsmessungen nur die von einem Tiefpassfilter durchgelassenen Frequenzen genutzt werden. Beispielsweise eignen sich die Signale eines Dopplerradars in der Nutzung ihrer hohen Frequenzen.
Die Ausdrücke „hohe Frequenzen“ und „niedrige Frequenzen“ können dabei frei bestimmt werden. Üblicherweise bestimmt man eine Bandbreite für die Tiefpassfilter und richtet demnach die Bandbreite des Hochpassfilters aus, sodass beide in Kombination ein im interessierenden Frequenzbereich vollständiges Spektrum liefern.
Eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung mag darin begründet sein, dass die Datenfusion der Daten aus den Sensoren der ersten Sensoreinheit mit denen der zweiten, umgebungsbeobachtenden Sensoreinheit eine deutlich zuverlässigere und genauere Erfassung der Eigenbewegung des Fahrzeugs ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Sensoreinheit eine optische Sensoreinheit. Eine optische Sensoreinheit empfängt insbesondere die in der Umgebung des Fahrzeugs reflektierten elektromagnetischen Wellen, zum Beispiel sichtbares Licht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Sensoreinheit ein Dopplerradar. Ein Dopplerradar ermittelt aus der Frequenzverschiebung der Wellen eine Geschwindigkeit, wenn diese Wellen von einem sich relativ zum Reflektor bewegenden Sender abgestrahlt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die kinematischen Daten der ersten Sensoreinheit und die von der zweiten Sensoreinheit ermittelte Relativbewegung über eine gewichtete Mittelwertbildung miteinander verrechnet, um die Positionsänderung des Fahrzeugs zu ermitteln. Beispielsweise können die kinematischen Daten der ersten Sensoreinheit in die Mittelwertbildung mit der von der zweiten Sensoreinheit berechneten Relativbewegung unterschiedlich gewichtet einfließen, um so beispielsweise der Genauigkeit bzw. Ungenauigkeit einer Sensoreinheit Rechnung zu tragen. Die Gewichtung kann über die Zeit variieren, z.B. wenn die Genauigkeit einer Sensoreinheit schwankt. Je nach Datentyp der kinematischen Daten der ersten Sensoreinheit ist aus diesen dazu erst eine Relativbewegung zu berechnen. Liefert die erste Sensoreinheit beispielsweise die Geschwindigkeit und den Lenkwinkel, so wird die daraus berechnete Relativbewegung mit der von der zweiten Sensoreinheit berechneten Relativbewegung fusioniert. Daher kann die Recheneinheit entweder die Rohdaten der ersten Sensoreinheit, oder aber die von der ersten Sensoreinheit ermittelte Relativbewegung zur Bestimmung der relativen Positionsänderung des Fahrzeugs zwischen einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt verwenden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die kinematischen Daten der ersten Sensoreinheit und die von der zweiten Sensoreinheit ermittelte Relativbewegung einem Kalman Filter zugeführt, um die Positionsänderung des Fahrzeugs zu ermitteln.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Eigenbewegungsbestimmung mit Inertialsensoren, Geschwindigkeits- und Lenkwinkelsensoren durch die Umgebungserfassung ergänzt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Sensoreinheit mindestens eines aus der Gruppe Radwinkelsensor, Raddrehzahlsensor, Richtungssensoreinheit, satellitenbasiertes Positionsbestimmungssystem, Sensor für translatorische Beschleunigungen, Sensor für rotatorische Beschleunigungen, Gierratenmesseinrichtung oder Lagekreiselsensor auf. Dadurch unterscheidet sich die erste Sensoreinheit von der zweiten Sensoreinheit dadurch, dass diese erste nicht die Umgebung des Fahrzeugs erfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die zweite, optische Sensoreinheit eine Kameraeinheit. Diese kann beispielsweise eine spezielle Kamera sein, die in möglichst deterministischen, äquidistanten Zeitschritten Bilder der Umgebung erfasst, so dass der Zeitpunkt der Aufnahme mit der Recheneinheit genau synchronisiert werden kann.
Die Arbeitsweise von einer Kameraeinheit gestaltet sich wie folgt: Zu einem ersten Zeitpunkt wird eine Aufnahme der Umgebung erstellt. Zu einem zweiten Zeitpunkt wird wieder eine Aufnahme der Umgebung erstellt. Mittels Bildverarbeitungsalgorithmen und der bekannten Zeitdauer zwischen den Aufnahmen wird die relative Positionsänderung bestimmt. Eine relative Positionsänderung kann beispielsweise als Translation und Rotation in einem lokalen kartesischen Koordinatensystem ausgedrückt werden. Diese Transformationen können für den Fall der zweidimensionalen Bewegung beispielsweise durch einen zweidimensionalen Verschiebungsvektor und einen Rotationswinkel ausgedrückt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die zweite, optische Sensoreinheit zwei Kameras auf. Diese können beispielsweise Stereokameras sein. Mehrere Kameras haben den Vorteil, die Umgebung aus mehreren Blickwinkeln zu betrachten, und dadurch die Umgebung in ihrer räumlichen Struktur aufnehmen zu können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Recheneinheit ausgeführt, die Eigenbewegungsdaten zusammen mit Daten aus einem Radarsystem für die Umgebungskartierung des Fahrzeugs zu verwenden. In anderen Worten stellt die Eigenbewegungserfassung mit Datenfusion aus Inertialsensoren, Raddrehzahlsensoren, Lenkwinkelsensoren oder anderen auf das Fahrzeug selbst bezogenen Sensoren mit den umgebungsbetrachtenden Sensoren eine Schnittstelle zur Verfügung, die es erlaubt, die gewonnen Daten zur Eigenbewegung des Fahrzeugs zusammen mit einem Radarsystem zur Umgebungskartierung zu verwenden. Umgebungskartierung beschreibt insbesondere das Erstellen eines Abbilds der Umgebung, so dass Daten zur Lagebeziehung von Objekten zueinander und zum Fahrzeug vorliegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung wie beschrieben gegeben, die ausgeführt ist, ein Verfahren auszuführen, aufweisend die Schritte: Erfassen von Fahrzeugbewegungsinformation in einer ersten Sensoreinheit, Erfassen von Umgebungsinformationen und Ermitteln von einer Relativbewegung des Fahrzeugs zu der Umgebung in einer zweiten Sensoreinheit, Fusionieren der Daten aus der ersten und der zweiten Sensoreinrichtung und Ermitteln einer Positionsänderung, die das Fahrzeug näherungsweise erfahren hat.
Außerdem ist ein Fahrzeug gegeben, aufweisend die Vorrichtung wie oben beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenbewegung eines Fahrzeugs.
2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenbewegung eines Fahrzeugs.
3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer möglichen Datenfusion.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt ein Verfahren, aufweisend die Schritte:

– Erfassen S1 von Fahrzeugbewegungsinformation in einer ersten Sensoreinheit,
– Erfassen S2 von Umgebungsinformationen und Ermitteln von einer Relativbewegung des Fahrzeugs zu der Umgebung in einer zweiten Sensoreinheit,
– Fusionieren S3 der Daten aus der ersten und der zweiten Sensoreinheit,
– Ermitteln S4 einer Positionsänderung, die das Fahrzeug näherungsweise erfahren hat.

2 zeigt die Vorrichtung 8 zur Bestimmung der Eigenbewegung eines Fahrzeugs 9. Diese Vorrichtung 8 weist dabei auf: Eine erste Sensoreinheit 21, eine zweite Sensoreinheit 22, wobei die zweite Sensoreinheit 22 eine umgebungsbeobachtende, beispielsweise optische Sensoreinheit ist, die ausgeführt ist, die Umgebung zu erfassen und beispielsweise über den optischen Fluss der Umgebung die Relativbewegung des Fahrzeugs gegenüber der Umgebung zu ermitteln. Weiterhin weist diese Vorrichtung 8 eine Recheneinheit 30 auf, die ausgeführt ist, die Daten der ersten Sensoreinheit 21 und der zweiten Sensoreinheit 22 in Datenfusion zu kombinieren und mit den fusionierten Daten eine relative Positionsänderung des Fahrzeugs 9 zu ermitteln.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer möglichen Datenfusion von Lenkwinkelsensor 211 mit einem Raddrehzahlsensor 212 aus der ersten Sensoreinheit 21 mit den Daten einer zweiten Sensoreinheit 22, beispielsweise einer Kameraeinheit. Die Datenfusion wird von einer Recheneinheit 30 durchgeführt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel liefern sowohl die erste 21 als auch die zweite 22 Sensoreinheit Daten zur Geschwindigkeit und zur Fahrtrichtung oder Fahrtrichtungsänderung des Fahrzeugs 9. Es liegen in diesem Beispiel also zunächst redundante Informationen über die relative Positionsänderung des Fahrzeugs 9 in einer bestimmten Zeit vor. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Datenfusion beispielsweise mittels gewichteter Mittelwertbildung erfolgen. Auch können die Daten des Raddrehzahlsensors 212 und des Lenkwinkelsensors 211 verworfen werden, wenn eine andere Einrichtung eines Fahrerassistenzsystems Schlupf detektiert.
Bezugszeichenliste

8: Vorrichtung
9: Fahrzeug
21: Erste Sensoreinheit
22: Zweite Sensoreinheit
211: Lenkwinkelsensor
212: Raddrehzahlsensor
30: Recheneinheit
S1: Erfassen
S2: Erfassen
S3: Fusionieren
S4: Ermitteln

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010048896 A1 [0003]
US 2012/0169532 A1 [0003]
DE 102010063133 A1 [0004]
DE 102005000651 A1 [0005]
DE 102010015723 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung (8) zum Bestimmen der Eigenbewegung eines Fahrzeugs (9), die Vorrichtung (8) aufweisend: eine erste Sensoreinheit (21) zum Bestimmen von kinematischen Daten des Fahrzeugs (9) jeweils zu einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt und eine zweite Sensoreinheit (22), welche ausgeführt ist, eine Umgebung des Fahrzeugs (9) zu erfassen und eine Relativbewegung des Fahrzeugs (9) zu der Umgebung zu ermitteln, weiterhin aufweisend: eine Recheneinheit (30), die ausgeführt ist, eine Positionsänderung des Fahrzeugs (9) zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt basierend auf den kinematischen Daten der ersten Sensoreinheit (21) und der von der zweiten Sensoreinheit (22) ermittelten Relativbewegung zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Sensoreinheit (22) eine optische Sensoreinheit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Sensoreinheit (22) ein Dopplerradar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kinematischen Daten der ersten Sensoreinheit (21) und die von der zweiten Sensoreinheit (22) ermittelte Relativbewegung über eine gewichtete Mittelwertbildung miteinander verrechnet werden, um die Positionsänderung des Fahrzeugs (9) zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kinematischen Daten der ersten Sensoreinheit (21) und die von der zweiten Sensoreinheit (22) ermittelte Relativbewegung einem Kalman Filter zugeführt werden, um die Positionsänderung des Fahrzeugs (9) zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Sensoreinheit (21) mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Lenkwinkelsensor (211), Raddrehzahlsensor (212), Richtungssensoreinheit, satellitenbasiertes Positionsbestimmungssystem, Sensor für translatorische Beschleunigungen, Sensor für rotatorische Beschleunigungen, Gierratenmesseinrichtung, Lagekreiselsensor aufweist.
Vorrichtung (8) nach Anspruch 2, wobei die zweite Sensoreinheit (22) eine Kameraeinheit ist.
Vorrichtung (8) nach Anspruch 7, wobei die Kameraeinheit zwei Kameras aufweist.
Vorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (30) ausgeführt ist, die Eigenbewegungsdaten zusammen mit Daten aus einem Radarsystem für die Umgebungskartierung zu verwenden.
Fahrzeug (9), aufweisend die Vorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.