DE102017008830A1 - Sekundarradar zur Positionsbestimmung und Fahrwegsteuerung - Google Patents

Abstract

System und Verfahren zur Positionsbestimmung und Fahrwegsteuerung insbesondere für Fahrzeuge in begrenzten und/oder geschlossenen Territorien wobei zwischen den Fahrzeugen und ortsfesten Punkten eine Funkstrecke aufgebaut wird und aus Laufzeiten der Übertragung Position, Geschwindigkeit ermittelt und die Fahrstrecke geführt wird. Die Kommunikation erfolgt dabei nicht über Reflexion gerichteter Strahlung sondern über bidirektionale Funksignale.

Description

• Die Erfindung betrifft ein System zur genauen Positionsbestimmung insbesondere von Fahrzeugen, die in einem vorgegebenen Raum autonom operieren, wie z.B. Fahrzeuge für den Personentransport oder Warenlieferung in einem Stadtgebiet oder auf einem Werksgelände.
• Autonomes Fahren beruht in den bekannten Einsatzbereichen entweder auf infrastrukturellen Hilfen wie Fahrdrähten, Magneten, Induktionsschleifen, Transpondern o.ä. oder auf GPS Systemen, deren Genauigkeit ggfls. durch zusätzliche Bodenstationen in der Nähe des Einsatzortes, sog. DGPS oder RTK erhöht wird.
• Für die Steuerung von Fahrzeugen im Innenstadtbereich sind diese Systeme nur bedingt geeignet, da Installationen im Asphalt aufwendig, stör- (Schnee und Eis) und zerstörungsanfällig (Kehrmaschinen und Räumer) und teuer sind und GPS Signale in engen Straßenschluchten oft abgeschirmt sind.
• In Stadtgebieten gibt es aber i.d.R. eine sichere Stromversorgung durch Straßenlaternen, Werbetafeln und illuminierte Schilder, mit der fast jede Position auf dem Straßennetz in quasioptischer Linie verbunden ist.
• Die Erfindung nutzt diese größtenteils bestehende Infrastruktur um dort aktive Transponder zu platzieren und mit Strom zu versorgen. Solche Transponder sind bekannt und arbeiten als Erkennungssysteme bei Radarerfassung, wo sie ein Funksignal zur Identifikation oder anderen Zwecken aussenden sobald sie vom Radar getroffen werden, so dass die Reflexmarkierung auf dem Schirm eindeutig zugeordnet werden kann. Bei Flugzeugen wird zusätzlich eine Information zurückgefunkt über die im Flugzeug selbst barometrisch ermittelte Flughöhe.
• Erfindungsgemäß werden für die Nutzung hochpräziser Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung sowie zur Fahrwegsteuerung vom Fahrzeug in bestimmten Zeitintervallen ein im Wesentlichen ungerichtetes Signal ausgesendet, anders als bei den bekannten Radar- oder Lidarsystemen, bei denen gerichtete Signale gesendet werden. Diese ungerichteten Signale enthalten einen Code zur Identifikation des Fahrzeuges und erreichen nur relativ geringe Reichweiten, so dass die benötigte Sendeleistung gering ist. Das Signal wird im Transponder aufgenommen und nach einem präzise festgelegten Zeitintervall zusammen mit der Kennung der Transponderstation zurückgefunkt.
• Das Funkgerät im Fahrzeug bekommt damit das Rücksignal innerhalb eines sehr genau definierten Zeitfensters, das sich zusammensetzt aus der Laufzeit T1 des Signals zur Station, dem immer gleichen Rücksendeintervall T0 und der Laufzeit von der Station zum Fahrzeug zurück - damit kann aus der Laufzeit die Entfernung präzise bestimmt werden. Das Fahrzeug befindet sich damit auf einer genau definierten Kugelfläche im Abstand von der Station. Da das Fahrzeug sich auf dem Boden befinden muss reduziert sich die Zahl der Möglichkeiten der Position von einer Kugelfläche auf die Schnittmenge der Strassenfläche mit der Kugeloberfläche - also auf eine Linie. Mit einer Peilung zu einer weiteren Station, die in gleicher Weise eine Linie definiert ergibt sich dann ein Schnittpunkt, der die Position markiert.
• Für den möglichen Fall, dass beide ermittelten, gekrümmten Linien zwei Schnittpunkte ergeben wird entweder eine dritte Peilung vorgenommen, eine Plausibilitätsprüfung mit einer der vorhergehenden Peilungen vorgenommen oder die Peilung wird nicht verwertet. In jedem Fall wird bei 3 Peilungen eine exakte eineindeutige Position bestimmt. Wenn die Stationen genau kartographiert sind kann so ein Vektorraum als Fahrstrecke definiert werden, der nur noch ein sehr geringes Datenvolumen im Vergleich zu einer Straßenkarte oder Videobildmaterial benötigt.
• Die „Bearbeitungszeit“ T0 kann ein fester Wert sein, oder auch variabel sein, wobei im letzteren Fall die real zu jeder Peilung genutzte Zeit T0 mit zurückgefunkt wird, so dass die Positionsbestimmung eindeutig bleibt. Eine solche Variation ist dann sinnvoll oder sogar erforderlich, wenn mehrere Fahrzeuge mit den gleichen Stationen in Verbindung stehen und die Bearbeitung der Daten nicht synchron möglich ist.
• Im Gegensatz zu herkömmlichen Radar- oder Lidarsystemen wird eine gerichtete Peilung nicht benötigt, Identifikationsfehler werden vermieden und eine aufwendige Synchronisation der Uhren wie bei unilateralen Systemen wie GPS kann entfallen. Gemessen werden ja keine Uhrzeiten sondern nur Zeitintervalle und die jeweilige Position der Stationen ist ortsfest.
• Der Auswertungsalgorithmus aus den Laufzeiten und der Position der Stationen kann in Echtzeit analytisch erfolgen oder mit hinterlegten Korrekturfaktoren für die vorgesehen Fahrstrecke (Trajektorie) in einer Bibliothek gespeichert sein.
• In einer besonderen Ausführung wird ein direkter Korrekturalgorithmus gespeichert, der statt einer Positionsbestimmung aus den ermittelten Daten und der Soll- / Ist-Abweichung die Korrekturdaten für die Steuerung des Fahrzeuges ermittelt und umsetzt.
• In einer weiteren Ausführung startet die Peilung von der festen Station und der Transponder befindet sich im Fahrzeug. In diesem Fall sendet die Station zusätzlich zur Peilung Korrekturdaten zur Trajektorie. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass die Bibliothek der Trajektorien in jeder Station viel weniger Datenvolumen benötigt, da ja nur das Sendegebiet der Station gespeichert ist und nicht das gesamte Territorium, das mit den Fahrzeugen befahren werden kann.
• Um Laufzeitfehler zu vermeiden z.B. von Reflexstrahlungen wird eine Funkfrequenz gewählt die wenig Reflexionen auf den umgebenden Flächen auslöst.
• Die übermittelten Daten sind vorzugsweise digitalisiert. Die Datenübermittlung erfolgt in einer bevorzugten Ausführung gepulst in Paketen, so dass keine stehenden Dauersignale benötigt werden.
• In einer weiteren Varianten werden die Daten der Transponderüberragung und/oder die Fahrstreckenkorrekturdaten an eine Kontrollzentrale übertragen. Diese Daten werden dann durch Artificial Intelligence Systeme oder andere Lernroutinen optimiert und die Ergebnisse werden in den Bibliotheken und/oder in den Algorithmen zur laufenden Verbesserung und Anpassung eingesetzt.
• Zusätzlich werden die Stationen auch als WLAN Stationen und Ladesteuerungen und zur Abrechnung eingesetzt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung und zur Fahrwegsteuerung durch ein Transpondersystem, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sende-/Empfangsstation im Fahrzeuge und eine oder mehrere ortsfeste Stationen über eine Funkstrecke so kommunizieren, dass die Laufzeit T1 des Funksignale vom Sender 1 zum Empfänger 2, die Datenbearbeitungszeit T0 und die Laufzeit T2 vom Sender 2 zum Empfänger 1 erfasst und zur Entfernungsbestimmung genutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale ungerichtet gesendet werden.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Sender einen Code zur Identifikation sendet, der vom sekundären Sender zurückgefunkt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Sender auch seine Identität zurückfunkt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Sender auch die Datenbearbeitungszeit T0 zurückfunkt und damit T0 eine variable Größe sein kann.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Sender sich auf dem Fahrzeug befindet.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Sender ortsfest ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswertealgorithmus aus mehreren Peilungen die exakte Position, Geschwindigkeit und Fahrstrecke des Fahrzeuges bestimmt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebiet, in dem die mit der Erfindung ausgerüsteten Fahrzeuge zusätzlich oder auch ausschließlich durch die Sendestationen kartographiert ist.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartographierung vektoriell erfolgt.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturdaten zur Fahrstreckensteuerung in einer Bibliothek hinterlegt sind so dass die Auswertung der Laufzeiten direkt in Korrekturwerte der Fahrzeugsteuerung umgerechnet werden können bzw. die jeweiligen Korrekturwerte dazu hinterlegt sind.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht eindeutiger Positionsbestimmung eine Plausibilitätsprüfung die Position ermittelt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf geraden Strecken die Pulsfrequenz der Datenübertragung reduziert wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Feststationen und/oder der Mobilstationen an eine Steuer- und/oder Kontrollzentrale übertragen werden.