DE102017216237A1

DE102017216237A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Verlaufs von Fahrspuren eines Straßennetzes sowie Servervorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102017216237A1
Application number: DE102017216237.6A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Schweizer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2019-03-14
Also published as: CN111033591B; CN111033591A; WO2019052867A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Verlaufs von Fahrspuren (16) eines Straßennetzes (13) auf der Grundlage von Fahrtrajektorien (19) einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen (17), wobei durch eine Servervorrichtung (10) zunächst anhand der Fahrtrajektorien (19) ein jeweiliger Verlauf von unverbundenen Fahrspursegmenten (31) der Fahrspuren (16) erkannt wird. Die Erfindung sieht vor, dass dann eine topologische Beziehung zwischen den Fahrspursegmenten (31) ermittelt wird, indem anhand der einzelnen Fahrtrajektorien (19) in einer jeweiligen Einzelfallbetrachtung ermittelt wird, zwischen welchen der Fahrspursegmente (31) zumindest einige der Kraftfahrzeuge (17) tatsächlich übergewechselt sind, wobei diejenigen Fahrspursegmente (31), die auf der Grundlage eines vorbestimmten Verknüpfungskriteriums (33) anhand der überwechselnden Fahrtrajektorien (19) als zusammengehörig erkannt werden, zu einer jeweiligen Fahrspur (16) verbunden und Fahrspurdaten (38), welche die Verläufe der ermittelten Fahrspuren (16) beschreiben, bereitgestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Verlaufs von Fahrstreifen oder Fahrspuren der Straßen eines Straßennetzes auf der Grundlage von Fahrtrajektorien einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen. Das Verfahren kann durch eine Servervorrichtung durchgeführt werden, die ebenfalls Bestandteil der Erfindung ist.
Um Straßen eines Straßennetzes fahrspurgenau zu kartographieren, kann eine Vermessung mittels dedizierter Messfahrzeuge vorgenommen werden. Dies ist allerdings zeitintensiv und kostspielig.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, Trajektoriendaten der gefahrenen Fahrtrajektorien einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen zentral zu sammeln und anhand dieser Fahrtrajektorien einen jeweiligen Verlauf der Fahrspuren zu ermitteln. Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der DE 10 2015 000 399 A1 bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird auf der Grundlage der Fahrtrajektorien eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Kraftfahrzeugen ermittelt. Durch Verbinden von mathematischen Maximalstellen in der Funktion der Wahrscheinlichkeitsverteilung kann ein Fahrspurverlauf rekonstruiert werden. Allerdings geht dies in einigen Fällen nur für kurze Fahrspursegmente, wenn der Fahrspurverlauf beispielsweise eindeutig entlang eines geraden Straßenabschnitts bestimmt werden kann. Kreuzen sich dagegen Fahrtrajektorien, so ist anhand der Wahrscheinlichkeitsverteilung nicht erkennbar, ob dies ein Hinweis darauf ist, dass zwei Straßen eine Kreuzung bilden oder dass die eine Straße über eine Brücke über die andere Straße geführt ist. Denn in der Regel fehlen in Trajektoriendaten Höhenangaben, an welchen man erkennen könnte, ob die sich kreuzenden Fahrtrajektorien auf derselben Höhe verlaufen, wie im Falle einer Kreuzung, oder ob die Fahrtrajektorien einer Richtung auf einem anderen Höhenniveau verlaufen als die Fahrtrajektorien der kreuzenden Richtung, wie im Falle einer Brücke. Die Information über die Verbindung zwischen Straßen ist aber entscheidend, um in einer Straßenkarte angeben zu können, ob zum Beispiel eine Abbiegemöglichkeit besteht, was nur bei einer Kreuzung der Fall wäre und nicht bei einer Brücke. Nur so kann die Straßenkarte für eine Navigationsassistenz genutzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Grundlage einer Vielzahl von Fahrtrajektorien von Kraftfahrzeugen den Verlauf von Fahrspuren eines Straßennetzes zu ermitteln oder zu rekonstruieren.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Erfindung umfasst auch Weiterbildungen, wie sie sich aus den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung und der den Figuren ergeben.
Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Verlaufs von Fahrstreifen oder Fahrspuren eines Straßennetzes bereitgestellt. Der Verlauf wird auf der Grundlage von Fahrtrajektorien einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen ermittelt. Eine jeweilige Beschreibung der Fahrtrajektorien kann aus dem jeweiligen Kraftfahrzeug in Form von Trajektoriendaten empfangen werden. Die Fahrtrajektorien können eine Folge von Positionsangaben zu einer jeweiligen Position des Kraftfahrzeugs entlang der Fahrtrajektorie angeben. Die Fahrtrajektorien können beispielsweise durch ein jeweiliges Navigationssystem des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
Die Trajektoriendaten können durch eine Servervorrichtung gesammelt werden. Durch die Servervorrichtung wird anhand der Fahrtrajektorien ein jeweiliger Verlauf von unverbundenen Fahrspursegmenten der Fahrspuren erkannt. Solche unverbundenen Fahrspursegmente resultieren aus dem eingangs beschriebenen Problem, dass beispielsweise auf der Grundlage einer Wahrscheinlichkeitsverteilung zwar für begrenzte Streckenabschnitte, also einzelne Fahrspursegmente, eindeutig der Verlauf der jeweiligen Fahrspur ermittelt werden kann. Die Länge eines solchen Fahrspursegments kann in einem Bereich von beispielsweise 2 m bis 500 m liegen. Bei Zweifelsfällen aber, wie zum Beispiel einer Kreuzung oder einer Brücke, kann aber zunächst nicht entschieden werden, welche der dort zusammenlaufenden Fahrspursegmente derart verbunden sind, dass ein Kraftfahrzeug von einem der Fahrspursegmente auf das andere Fahrspursegment überwechseln könnte.
Um also die topologische Beziehung zwischen den Fahrspursegmenten zu ermitteln, also die vorhandenen Verbindungen zu erkennen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einer jeweiligen Einzelfallbetrachtung anhand der einzelnen Fahrtrajektorien der Kraftfahrzeuge ermittelt wird, zwischen welchen der Fahrspursegmente zumindest einige der Kraftfahrzeuge tatsächlich übergewechselt sind. Zusammengehörige Fahrspursegmente werden also z.B. daran erkannt, dass z.B. eine vorbestimmte Mindestanzahl der Kraftfahrzeuge zwischen jeweils zwei der Fahrspursegmente überwechseln konnte. Die Mindestanzahl und/oder eine andere Bedingung wird durch ein Verknüpfungskriterium festgelegt, das angibt, welche Fahrspursegmente zu verknüpfen sind. Diejenigen Fahrspursegmente, die auf der Grundlage des vorbestimmten Verknüpfungskriteriums anhand der überwechselnden Fahrtrajektorien als zusammengehörig erkannt werden, werden dann zu einer jeweiligen Fahrspur verknüpft oder verbunden. Das Verknüpfungskriterium kann vorgeben, wie viele Fahrzeuge mindestens zwischen zwei Fahrspursegmenten übergewechselt haben müssen, damit diese beiden Fahrspursegmente als verbunden erkannt werden. Bei erfülltem Verknüpfungskriterium werden also die jeweiligen Fahrspursegmente verknüpft oder verbunden. Zu den Verläufen der so ermittelten Fahrspuren werden dann Fahrspurdaten bereitgestellt, die die Fahrspuren beschreibenden.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass ohne zusätzliche Messdaten allein anhand der Fahrtrajektorien festgestellt werden kann, welchen Verlauf Fahrspuren Straßen eines Straßennetzes aufweisen, wobei in Zweifelsfällen, wie beispielsweise bei sich kreuzenden Fahrtrajektorien, durch die Einzelfallbetrachtung die topologische Beziehung zwischen den zuvor rekonstruierten, unverbundenen Fahrspursegmenten ermittelt wird. Somit kann mittels des Verfahrens ein Verlauf von Fahrspuren eines Straßennetzes kartographiert werden, in welchem auch die Wechselmöglichkeiten zwischen Fahrspuren angegeben sind. Damit eignet sich der ermittelte Verlauf der Fahrspuren zum Beispiel für eine Navigationsassistenz.
Weitere Vorteile ergeben sich durch weitere Ausführungsformen der Erfindung.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Verknüpfungskriterium in Bezug auf jeweils zwei Fahrspursegmente vorgibt, dass diese Fahrspursegmente Fahrtrajektorien gemeinsam haben müssen, damit sie verknüpft werden. Es handelt sich dabei insbesondere um zwei benachbarte oder aufeinander folgende Fahrspursegmente. Ein vorbestimmter Mindestanteil der Fahrtrajektorien, die entlang eines der beiden Fahrspursegmente verlaufen, muss also auch entlang des anderen der beiden Fahrspursegmente verlaufen. Es ist also ein vorbestimmter Mindestanteil vorgesehen, der beispielsweise durch eine Prozentangabe festgelegt werden kann. Der Mindestanteil kann beispielsweise in einem Bereich von 20 % bis 100 % liegen. So müssen also z.B. mindestens 50 % der Fahrtrajektorien, die über das eine Fahrspursegment verlaufen, auch über das andere Fahrspursegment verlaufen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Verbindung zwischen zwei Fahrspursegmenten anhand der relativen Nutzung der Verbindung erkannt wird. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Verknüpfungskriterium in Bezug auf die jeweils zwei Fahrspursegmente vorgeben, dass eine vorbestimmte absolute Mindestanzahl derjenigen Fahrtrajektorien, die entlang eines der beiden Fahrspursegmente verlaufen, auch entlang des anderen der beiden Fahrspursegmente verlaufen muss. Es ist also die absolute Anzahl entscheidend. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Einzelfälle ausgeschlossen werden können, indem die absolute Mindestanzahl entsprechend Vorgegeben wird. Die Mindestanzahl kann zum Beispiel in einem Bereich größer als 5 liegen.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Verknüpfungskriterium in Bezug auf jeweils drei Fahrspursegmente vorgibt, dass eines dieser drei Fahrspursegmente mit den übrigen beiden dieser Fahrspursegmente verknüpft oder verbunden wird, falls sich die Fahrtrajektorien, die über dieses eine Fahrspursegment verlaufen, auf die übrigen beiden Fahrspursegmente in einem Zahlenverhältnis aufteilen, das in einem vorbestimmten Wertebereich liegt. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise zwischen einer reinen Abbiegespur und einer sogenannten gemischten Abbiegespur (mit einer zusätzlichen Möglichkeit, weiter geradeaus zu fahren) unterschieden werden. Auch eine Verzweigung einer Fahrspur kann hierdurch erkannt werden. Der Wertebereich kann beispielsweise von 1/5 - 4/5 liegen, um nur Beispiele für Zahlenwerte zu nennen. Die Verzweigung wird also z.B. erkannt, falls sich die Fahrtrajektorien in einem Verhältnis 1/3 zu 2/3 aufteilen. Diese Ausführungsform kann natürlich auch auf mehr als drei Fahrspursegmente entsprechend angewendet werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass anhand der einzelnen Fahrtrajektorien ermittelt und signalisiert wird, ob zwischen jeweils zwei Fahrspuren ein Fahrspurwechsel möglich ist. Schafft es wenigstens ein Kraftfahrzeug oder eine vorbestimmte Mindestanzahl an Kraftfahrzeugen, zwischen zwei Fahrspuren zu wechseln (erkennbar an ihren Fahrtrajektorien in der Einzelfallbetrachtung) so kann hierdurch der Fahrspurwechsel erkannt werden. Die Mindestanzahl kann durch ein vorbestimmtes Fahrspurwechselkriterium vorgegeben werden, das erfüllt sein muss, damit ein Fahrspurwechsel identifiziert wird. Das Fahrspurwechselkriterium kann eine absolute Mindestanzahl und/oder eine relative Mindestanzahl (zahlenmäßiger Anteil derjenigen Kraftfahrzeugen, die entlang der Fahrspuren gefahren sind) vorgeben. Durch die Ausführungsform kann in vorteilhafter Weise eine bauliche Trennung erkannt werden (kein Fahrspurwechsel erkennbar) und/oder es kann eine Möglichkeit zum Fahrspurwechsel erkannt werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass anhand einer jeweiligen Verlaufsrichtung der einzelnen Fahrtrajektorien, d.h. anhand der jeweils gefahrenen Fahrtrichtung, eine vorgeschriebene Fahrtrichtung der Fahrspuren und/oder eine Einbahnstraße erkannt wird. Eine Einbahnstraße ist hierbei eine einzelne Fahrspur oder mehrere benachbarte Fahrspuren, die alle in dieselbe Fahrtrichtung führen, während keine andere benachbarte Fahrspur in die Gegenrichtung weist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch die vorgeschriebene Fahrtrichtung auf Grundlage der Fahrtrajektorien kartographiert werden kann.
Bisher wurde davon ausgegangen, dass die einzelnen Fahrspursegmente bereits bekannt sind. Wie bereits ausgeführt, können solche Fahrspursegmente immer dort festgelegt oder identifiziert werden, wo der Fahrspurverlauf eindeutig ist, weil beispielsweise keine Abzweigung oder Kreuzung vorhanden ist. Eine Ausführungsform des Verfahrens betrifft das Erkennen des jeweiligen Verlaufs dieser Fahrspursegmente, also das Bilden der Fahrspursegmente. Hierzu werden die Fahrtrajektorien mittels der besagten statistischen Methode zu einer Wahrscheinlichkeitsverteilung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Kraftfahrzeuge zusammengefasst. Ein Beispiel für eine solche statistische Methode ist das Bilden eines Histogramms (Histogrammbildung). In der Wahrscheinlichkeitsverteilung werden dann charakteristische Punkte gemäß einem vorbestimmten Suchkriterium ermittelt. Dann werden anhand einer vorbestimmten Verbindungsmethode jeweils einige der charakteristischen Punkte durch eine Verbindung zu einem jeweiligen Verlauf eines der Fahrspursegmente verbunden. Diese Verbindungsmethode verbindet also die charakteristischen Punkte oder beschreibt zumindest einen Verlauf eines Fahrspursegments, der in Bezug auf die charakteristischen Punkte ein vorbestimmtes Optimierungskriterium erfüllt, beispielsweise eine Minimierung der Summe der quadrierten Abstände des Verlaufs zu den charakteristischen Punkten. Jedes Fahrspursegment kann eine vorbestimmte Grundform aufweisen, beispielsweise kann es ein Geradenstück oder ein Bogensegment sein. Durch Verwenden einer Wahrscheinlichkeitsverteilung und deren charakteristischer Punkte kann trotz Abweichungen der einzelnen Fahrtrajektorien von der Fahrspurmitte dennoch deren Verlauf rekonstruiert werden.
Wie bereits ausgeführt, kann die statistische Methode zum Zusammenfassen der Fahrtrajektorien eine Histogrammbildung umfassen. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die statistische Methode eine Kerndichteschätzung umfasst. Bei einer solchen Kerndichteschätzung kann für jede Positionsangabe, die in den Fahrtrajektorien enthalten ist, jeweils eine zweidimensionale Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit in die X-Richtung und in die Y-Richtung) mit ihrem Mittelwert oder Maximum in einer digitalen Karte an die Position gemäß der Positionsangabe positioniert werden. Eine solche Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion wird auch als Kern (Kernel) bezeichnet. Kombiniert oder überlagert man dann alle an die jeweilige Position positionierten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen, z.B. durch Summieren, so erhält man die beschriebene Wahrscheinlichkeitsverteilung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Kraftfahrzeuge als zweidimensionale, also ortsbezogene Wahrscheinlichkeitsfunktion (für die X-Richtung und Y-Richtung). Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass diese Wahrscheinlichkeitsverteilung als eine stetige, d.h. durchgängige, Funktion ermittelt wird und somit Erfassungslücken ausgeglichen werden können.
Eine Ausführungsform sieht dann vor, dass das besagte Suchkriterium zum Auffinden der charakteristischen Punkte vorgibt, dass ein lokales Maximum und/oder ein Sattelpunkt der Wahrscheinlichkeitsverteilung jeweils ein charakteristischer Punkt ist. Jeder charakteristische Punkt bezeichnet somit einen Ort, an welchem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit in Bezug auf einen angrenzenden Umgebungsbereich und/oder eine vorbestimmte Raumrichtung maximal ist. Hierdurch kann beispielsweise eine Fahrspurmitte als statistischer Mittelwert der zu der Fahrspur gehörenden Fahrtrajektorien erkannt werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die besagte Verbindungsmethode zum Verbinden der einzelnen charakteristischen Punkte jeweils solche charakteristischen Punkte zu einem Fahrspursegment verbindet, die entlang einer vorbestimmten geometrischen Grundform angeordnet sind. Eine solche Grundform kann beispielsweise ein Geradenstück oder ein Kreissegment oder ein Ellipsensegment oder ein Klotoidensegment sein. Es können mehrere vorbestimmte geometrische Grundformen vorgesehen sein und es kann für jede Grundform geprüft werden, ob sich charakteristische Punkte daran entlang aufreihen lassen. Diese ergeben dann ein Fahrspursegment. Durch die Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass jedes Fahrspursegment eine plausible Form aufweist, wie sie für eine reale Fahrspur eine öffentliche Straße bautechnisch überhaupt nur vorkommen kann.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Verbindungsmethode vorsieht, dass zusammengehörige charakteristische Punkte mittels einer Hough-Transformation identifiziert werden. Hierzu können die Koordinaten der charakteristischen Punkte mittels der Hough-Transformation in den Hough-Parameterraum (Houghraum) transformiert werden, wie es an sich aus dem Stand der Technik z.B. aus der US3069654 A bekannt ist. Im Hough-Parameterraum kann dann zumindest ein Häufungspunkt ermittelt werden, der ein vorbestimmtes Häufungskriterium erfüllt. Ein solcher Häufungspunkt kann gemäß einem möglichen Häufungskriterium beispielsweise der Mittelpunkt eines Bereichs vorbestimmter Größe sein, in welchem sich eine vorbestimmte Mindestanzahl von transformierten Punkten befindet. Ein solcher Häufungspunkt beschreibt dann ein Fahrspursegment, dessen Form durch rück-transformieren des Häufungspunkts ermittelt werden kann. Durch die Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass die Verläufe der einzelnen Fahrspursegmente automatisiert ermittelt werden können.
Nutzt man zum Ermitteln der Trajektoriendaten der Fahrtrajektorien GPS-Daten (GPS - Global Positioning System), so ist die fahrspurgenaue Kartographierung problematisch, da GPS-Daten eine derart große Streuung aufweisen, dass die beschriebenen Fahrtrajektorien gebietsweise zu ungenau sein können, um zwischen zwei benachbarten Fahrspuren unterscheiden zu können. Eine Ausführungsform sieht daher vor, dass die Fahrtrajektorien über ein vorbestimmtes sogenanntes Dead-Reckoning-Verfahren (Koppelnavigation) gebildet oder ermittelt sind. Ein solches Verfahren wertet eine Beschleunigung und/oder Geschwindigkeit und/oder Gierrate und/oder ein sogenanntes Heading (Fahrtrichtungsangabe zum Beispiel als Himmelsrichtung) in Bezug auf das jeweilige Kraftfahrzeug aus, um eine relative Positionsänderung zu ermitteln. Mit anderen Worten basiert die Erzeugung der Trajektoriendaten der jeweiligen Fahrtrajektorie auf einer Odometrie des Kraftfahrzeugs, die Fahrzeugsensoren zum Ermitteln der relativen Positionsänderung und/oder einer Bewegungsdynamik verwendet. Hierdurch können die Fahrtrajektorien abschnittsweise genauer als mit einem GPS-Empfänger ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass Trajektoriendaten der Fahrtrajektorien einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen empfangen werden. Um dies zentral durchführen zu können, ist durch die Erfindung auch eine Servervorrichtung bereitgestellt. Eine solche Servervorrichtung kann als ein Server des Internets ausgestaltet sein. Die Servervorrichtung weist eine Recheneinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Verfahrensschritte des Verfahrens können beispielsweise auf der Grundlage eines Programmcodes für die Recheneinrichtung realisiert sein. Die Servervorrichtung kann mittels eines Computers oder eines Computerverbundes realisiert werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Servervorrichtung;
2 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung einer Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Kraftfahrzeugen;
3 ein weiteres Diagramm zur Veranschaulichung der Wahrscheinlichkeitsverteilung;
4 eine Skizze zur Veranschaulichung eines Verfahrensschritt, bei welchem Fahrspursegmente verbunden werden;
5 eine Skizze zur Veranschaulichung eines Verfahrensschritts, bei welchem eine Möglichkeit zum Fahrspurwechsel geprüft wird;
6 eine Straßenkarte, wie sie durch die Servervorrichtung mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildet sein kann und in welcher Verläufe von Fahrspuren durch verknüpfte Fahrspursegmente kartographiert sind; und
7 eine Skizze zur Veranschaulichung eines Verfahrensschritts, um Trajektoriendaten aus einem Dead-Reckoning-Verfahren verwenden zu können.

In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine Servervorrichtung 10, bei der es sich beispielsweise um einen Computer oder einen Computerverbund handeln kann, der als Server an das Internet 11 angeschlossen sein kann. Die Servervorrichtung 10 kann eine Recheneinrichtung 12 aufweisen, die dazu eingerichtet sein kann, zu einem Straßennetz 13 mit Straßen 14 eine Straßenkarte 15 zu erzeugen, welcher das Straßennetz 13 derart genau beschreibt, dass einzelne Fahrspuren 16 insbesondere zusammen mit Informationen über beispielsweise die zugelassene Fahrtrichtung und/oder Fahrspur-Wechselmöglichkeiten und/oder bauliche Trennungen in der Karte 15 verzeichnet sind. Die Straßenkarte 15 ist also fahrspurgenau.
Die Servervorrichtung 10 kann hierzu aus mehreren Kraftfahrzeugen 17, die entlang der Fahrspuren 16 fahren, Trajektoriendaten 18 empfangen, welche eine jeweilige von dem Kraftfahrzeug 17 zurückgelegte oder gefahrene Fahrtrajektorie 19 beschreiben. Die Trajektoriendaten 18 können beispielsweise über eine jeweilige Funkverbindung 20, beispielsweise eine Mobilfunkverbindung, über beispielsweise ein Mobilfunknetz 21 und/oder das Internet 11 zur Servervorrichtung 10 übertragen werden.
Die Servervorrichtung 10 kann anhand der Trajektoriendaten 18 die Fahrtrajektorien 19 beispielsweise in der Straßenkarte 15 eintragen oder nachvollziehen oder rekonstruieren. In 1 sind der Übersichtlichkeit halber nur einige der rekonstruierten Fahrtrajektorien 19 mit einem Bezugszeichen versehen. Zudem kann zu jeder Fahrtrajektorie 19 eine Fahrtrichtung 22 des jeweiligen Kraftfahrzeugs angegeben sein. Jede Fahrtrajektorie 19 kann jeweils Positionsangaben 23 aufweisen, welche einen Aufenthaltsort des jeweiligen Kraftfahrzeugs 17 zu einem jeweiligen Zeitpunkt angeben. Durch die Verbindung der Positionsangaben 23 ergibt sich der Verlauf der jeweiligen Fahrtrajektorie 19. Die Koordinaten aus der jeweiligen Positionsangabe 23 können hierzu in einem Koordinatensystem 24 eingetragen sein, das in 1 veranschaulicht ist.
Die Servervorrichtung 10 kann nun aus den Verläufen der Fahrtrajektorien 19 die Verläufe der Fahrspuren 16 rekonstruieren. Zur Veranschaulichung eines hierbei möglicherweise zugrunde liegenden Problems ist von dem Straßennetz 13 eine Kreuzung 25 dargestellt, die anhand der Fahrtrajektorien 19 lediglich als eine Überschneidung 26 einiger der Fahrtrajektorien 19 erkennbar ist. Denn es könnte auch sein, dass anstelle der Kreuzung 25 sich die Überschneidung 26 der Fahrtrajektorien 19 ergibt, weil einige der Kraftfahrzeuge 17 über eine Brücke eine andere Straße überfahren haben.
Die Servervorrichtung 10 kann nun dennoch die Verläufe der Fahrspuren 16 rekonstruieren und hierbei auch die Wechselmöglichkeiten zwischen den Fahrspuren 16 rekonstruieren oder erkennen und damit in der Karte 15 eintragen oder kartographieren.
2 veranschaulicht hierzu, wie die Servervorrichtung 10 zunächst auf Grundlage der Fahrtrajektorien 19 eine statistische Beschreibung der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der einzelnen Kraftfahrzeuge 17 ermitteln kann. 2 zeigt für die Koordinaten X, Y eine Wahrscheinlichkeitsverteilung 27, die eine jeweilige Aufenthaltswahrscheinlichkeit H (in Z-Richtung senkrecht aus der Zeichenebene heraus) dafür angibt, dass sich an der jeweiligen Koordinate oder an dem jeweiligen Ort ein Kraftfahrzeug aufgehalten hat. Zur Veranschaulichung ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung 27 durch Isolinien und am Rand durch 2-D-Querschnitte veranschaulicht.
3 veranschaulicht nochmals einen Querschnitt 29 der Wahrscheinlichkeitsverteilung 27 aus 2. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit H kann auf der Grundlage einer Kerndichteschätzung in der beschriebenen Weise ermittelt oder gebildet sein. In der Wahrscheinlichkeitsverteilung 27 können charakteristische Punkte 28 ermittelt werden, von denen in 2 nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, um die Übersichtlichkeit zu wahren. Bei einem charakteristischen Punkt 28 kann es sich jeweils beispielsweise um ein lokales Maximum an Maximalstellen X₁ , X₂ oder einen Sattelpunkt der Funktion der Wahrscheinlichkeitsverteilung 27 handeln.
3 veranschaulicht, dass entlang einer Richtung (hier die X-Richtung) quer zu einem Verlauf einer der Straßen 14 sich zwei Maxima und damit zwei charakteristische Punkte ergeben können, was ein Hinweis auf zwei Fahrspuren ist. Es können hierbei auch vorbestimmte Spurbreitemaße zur Plausibilisierung zugrundegelegt werden.
In 2 ist des Weiteren veranschaulicht, dass sich zumindest einige der charakteristischen Punkte 28 durch eine jeweilige Verbindung 30 verbinden lassen, da erkannt werden kann, dass diese charakteristischen Punkte 28 mit einer vorbestimmten Mindestzuverlässigkeit den Verlauf eines Fahrspursegments 31 bezeichnen. Im Folgenden wird die Kombination aus charakteristischen Punkten 28 mit zugehöriger Verbindung 30 jeweils Synonym mit einem Fahrspursegment 31 angesehen. Um zusammengehörige charakteristische Punkte 28 zu erkennen, können alle charakteristische Punkte 31 aus einer vorbestimmten Region beispielsweise mittels einer Hough-Transformation transformiert werden und im Hough-Parameterraum Häufungspunkte mittels eines vorbestimmten Häufungskriteriums wie beschrieben ermittelt werden. Jeder Häufungspunkt kann dann ein Fahrspursegment 31 beschreiben, dessen Verlauf durch Rück-Transformation ermittelt werden kann.
4 veranschaulicht, wie nun ausgehend von den einzelnen, unverbundenen Fahrspursegmenten 31 der Verlauf der Fahrspuren 16 im Straßennetz 13 rekonstruiert werden kann, d.h. die Topologie der Fahrspursegmente 31. Hierzu wird jeweils zwischen zwei oder mehr als zwei Fahrspursegmenten 31 jeweils eine Verknüpfung 32 ermittelt. Dies wird nun nicht mehr anhand der statistischen Beschreibung, also anhand der Aufenthaltswahrscheinlichkeit 27 durchgeführt, sondern es erfolgt eine Einzelfallbetrachtung einzelner der Fahrtrajektorien 19. Anhand des jeweiligen individuellen Verlaufs der Fahrtrajektorien 19 kann ermittelt werden, ob es einen Wechsel oder ein Überwechseln eines der Kraftfahrzeuge 17 von einem der Fahrspursegmente 31 zu einem anderen der Fahrspursegmente 31 gab oder vorkam. Hierbei kann ein Verknüpfungskriterium 33 zu Grunde gelegt werden, welches zum Beispiel eine absolute Mindestanzahl an Fahrtrajektorien 19 vorgeben kann, die zwischen jeweils zwei Fahrspursegmenten 31 verlaufen müssen, damit diese durch eine Verknüpfung 32 verknüpft werden. Es kann auch von denjenigen Fahrtrajektorien 19, die entlang eines Fahrspursegments 31 führen, ein vorbestimmter relativer Mindestanteil (zum Beispiel ein Mindestprozentsatz)vorgeschrieben sein, der auch über das andere Fahrspursegment 31 führen muss, damit die Verknüpfung 32 gebildet oder eingestellt wird.
5 veranschaulicht, wie anhand einzelner Fahrtrajektorien 19 auch eine Möglichkeit für einen Fahrspurwechsel 35 erkannt werden kann. Eine Möglichkeit für einen Fahrspurwechsel 35 kann von der eigentlichen Verknüpfung 32 zweier Fahrspursegmente 31, wie sie sich aufgrund des Verlaufs der Fahrspuren 16 selbst ergibt, beispielsweise anhand der Anzahl oder relativen Häufigkeit der jeweils zugrunde liegenden Fahrtrajektorien 19 unterschieden werden, denn Fahrtrajektorien eines Fahrspurwechsels sind seltener als Fahrtrajektorien, die innerhalb einer Fahrspur verlaufen. Es kann auch eine bauliche Trennung 36 oder eine Fahrspurtrennung allgemein erkannt werden, indem für einen theoretisch mögliche Verknüpfung 37 erkannt wird, dass dort dennoch keine Fahrtrajektorien 19 entlangführt oder die Anzahl der Fahrtrajektorien 19 kleiner als ein Schwellenwert ist.
6 veranschaulicht die fertige Straßenkarte 15, bei welcher durch einzelne Fahrspursegmente 32 und deren jeweilige Verknüpfung 32 die Verläufe der Fahrspuren 16 nachgebildet sind. Die erkannten Möglichkeiten zum Fahrspurwechsel sind nicht dargestellt. An der Kreuzung 25 kann anhand von Verknüpfungen 32 in der Straßenkarte 15 durch die Servervorrichtung 10 oder durch eine Navigationsvorrichtung, welche die Straßenkarte 15 nutzen kann, ermittelt werden, welche Fahrmöglichkeiten oder Navigationsmöglichkeiten in dem Straßennetz 13 vorhanden sind.
Die so ermittelten Verläufe der Fahrspuren 16 können durch Fahrspurdaten 38 geschrieben sein, die beispielsweise in die eine jeweilige Navigationsvorrichtung von Kraftfahrzeugen, z.B. den Kraftfahrzeugen 17, übertragen werden können, damit sie beispielsweise eine Navigationsassistenz auf der Grundlage der Fahrspurdaten 38 bereitstellen kann. Es ist anhand der Fahrspurdaten 38 dann möglich, eine Fahrroute zu planen und hierbei die Verläufe der Fahrspuren 16 sowie der Wechselmöglichkeiten gemäß den Verknüpfungen 32 beispielsweise an der Kreuzung 25 zu berücksichtigen.
Zusammenfasend wird also zur Erstellung einer fahrspurgenauen Straßenkarte 15 eine Vielzahl von Fahrtrajektorien 19 von Kraftfahrzeugen 17 betrachtet. Diese Fahrtrajektorien 19 brauchen nicht über GPS-Punkte erzeugt sein, sondern können über ein Dead-Reckoning-Verfahren erzeugt werden. Hierbei wird die Position des jeweiligen Kraftrfahrzeugs zu einem jeweils aktuellen Erfassungszeitpunkt relativ zum letzten Erfassungszeitpunkt bestimmt, indem Informationen über Beschleunigung, Geschwindigkeit, Gierrate und/oder Heading verwendet werden. Diese Informationen können in vorteilhafter Weise aus vorhandenen Seriensensoren des jeweiligen Kraftfahrzeugs erzeugt werden. Dieses Verfahren ist bei der Betrachtung von kleinen Strecken (Fahrspursegmenten) genauer als das GPS und kann zur Plausibilisierung einem Bewegungsmodell des Fahrzeugs unterliegen. Jedoch kann es bei der Betrachtung längerer Strecken zu einer Abdrift kommen. Um dieser Abdrift entgegenzuwirken, können Landmarken als Fixpunkte verwendet, zwischen denen die errechnete Fahrtrajektorie 19 abschnittsweise aufgehängt oder verankert wird. Somit kann eine Drift oder ein Offset korrigiert werden.
Um dann Rückschlüsse auf die Topologie der einzelnen Fahrspursegmente ziehen zu können, wird zunächst ein loses Fahrspurnetz erzeugt. Dieses lose Fahrspurnetzt zeigt lediglich Aufenthaltsorte von Fahrzeugen an und beinhaltet noch keine Information, ob es sich beispielsweise um eine Einbahnstraße handelt oder um eine reine bzw. gemischte Rechtsabbiegerspur.
Zur Erzeugung des losen Fahrspurnetzes könnten hochgenaue GPS-Daten verwendet werden. Diese sind jedoch nur mit sehr hohem Aufwand zu erzeugen und eignen sich deswegen nicht. Stattdessen können mittels eines Kerndichteschätzers eine Vielzahl an Fahrtrajektorien 19 ausgewertet werden, die durch das Dead-Reckoning-Verfahren erzeugt wurden.
7 veranschaulicht, wie hierzu eine Drift während des Dead-Reckoning-Verfahrens korrigiert werden kann. Eine Straße 14 kann durch bekannte Landmarken 38, z.B. Kurven 39, die z.B. beim Fahren erkannt werden, eindeutig identifiziert werden. Die genaue Kenntnis der Position der Landmarken 38 wird nun verwendet, um die eigentlich gefahrene Fahrtrajektorie 19 wieder auf die Straße zu matchen oder abzubilden und somit die Drift, die durch das Dead-Reckoning-Verfahren in einer geschätzten Fahrtrajektorie 40 entstanden ist, durch eine Verschiebung 41 zu korrigieren.
In einem weiteren Schritt können durch die Auswertung einer hohen Anzahl von Fahrtrajektorien 19 Rückschlüsse auf die Anzahl der Fahrspuren 16 gezogen werden. Die hierdurch ermittelte Fahrspurbeschreibung ist jedoch nicht deckungsgleich mit der Fahrspurmitte sondern normalverteilt (siehe 3). Mittels z.B. eines Kerndichteschätzers kann eine Aussage über die Fahrspurmitte und die Anzahl der Fahrspuren 16 getroffen werden. Mit dem gleichen Ansatz kann auch die Position in Längsrrichtung erzeugt werden. Das Ergebnis ist das lose Fahrspurnetz, welches alle möglichen Position der Fahrzeuge auf den verschiedenen Fahrspuren beinhaltet. Es kann als Wahrscheinlichkeitsverteilung 27 beschrieben sein.
Um die dann noch fehlende Topologie bestimmen zu können, werden die Fahrtrajektorien 19 in einer Einzelauswertung wieder einzeln betrachtet (siehe 4 und 5). Durch eine sequenzielle Betrachtung der Positionsangaben 23 der gefahrenen Fahrtrajektorien 19 auf dem losen Fahrspurnetz kann bestimmt werden, ob die Fahrspuren 16 baulich getrennt sind oder Fahrspurwechsel möglich sind, ob es sich um Einbahnstraßen handelt oder ob es sich beispielsweise um eine gemischte oder reine Rechtsabbiegespur handelt. Dementsprechend verbessert sich das Fahrspurnetz kontinuierlich mit mehr Trajektoriendaten 28.
In vorteilhafter Weise ist somit keine aufwendige Sensorik notwendig, denn die Erzeugung einer fahrspurgenauen Karte kann durch vorhandene Flotten-Daten einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen erfolgen.
Bezugszeichenliste

10: Servervorrichtung
11: Internet
12: Recheneinrichtung
13: Straßennetz
14: Straße
15: Straßenkarte
16: Fahrspur
17: Kraftfahrzeug
18: Trajektoriendaten
19: Fahrtrajektorie
20: Funkverbindung
21: Mobilfunknetz
22: Fahrtrichtung
23: Positionsangabe
24: Koordinatensystem
25: Kreuzung
26: Überschneidung
27: Wahrscheinlichkeitsverteilung
28: Charakteristischer Punkt
29: Querschnitt
30: Verbindung
31: Fahrspursegment
32: Verknüpfung
33: Verknüpfungskriterium
35: Fahrspurwechsel
36: Bauliche Trennung
37: Mögliche Verknüpfung
38: Landmarke
39: Kurve
40: Geschätzte Fahrtrajektorie
41: Verschiebung
H: Häufigkeit
X: X-Richtung
Y: Y-Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015000399 A1 [0003]
US 3069654 A [0019]

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Verlaufs von Fahrspuren (16) eines Straßennetzes (13) auf der Grundlage von Fahrtrajektorien (19) einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen (17), wobei durch eine Servervorrichtung (10) anhand der Fahrtrajektorien (19) ein jeweiliger Verlauf von unverbundenen Fahrspursegmenten (31) der Fahrspuren (16) erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine topologische Beziehung zwischen den Fahrspursegmenten (31) ermittelt wird, indem anhand der einzelnen Fahrtrajektorien (19) in einer jeweiligen Einzelfallbetrachtung ermittelt wird, zwischen welchen der Fahrspursegmente (31) zumindest einige der Kraftfahrzeuge (17) tatsächlich übergewechselt sind, wobei diejenigen Fahrspursegmente (31), die auf der Grundlage eines vorbestimmten Verknüpfungskriteriums (33) anhand der überwechselnden Fahrtrajektorien (19) als zusammengehörig erkannt werden, zu einer jeweiligen Fahrspur (16) verbunden werden und Fahrspurdaten (38), welche die Verläufe der ermittelten Fahrspuren (16) beschreiben, bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verknüpfungskriterium (33) in Bezug auf jeweils zwei Fahrspursegmente (31) vorgibt, dass ein vorbestimmter relativer Mindestanteil der Fahrtrajektorien (19), die entlang eines der beiden Fahrspursegmente (31) verläuft, und/oder eine vorbestimmte absolute Mindestanzahl dieser Fahrtrajektorien (19) auch entlang des anderen der beiden Fahrspursegmente (31) verlaufen muss.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verknüpfungskriterium (33) in Bezug auf jeweils drei oder mehr Fahrspursegmente (31) vorgibt, dass eines dieser Fahrspursegmente (31) mit den übrigen dieser Fahrspursegmente (31) verbunden wird, wenn sich die Fahrtrajektorien (19), die über dieses Fahrspursegment (31) verlaufen, auf die übrigen Fahrspursegmente (31) in einem Zahlenverhältnis, das in einem vorbestimmten Wertebereich liegt, aufteilen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand der einzelnen Fahrtrajektorien (31) ermittelt und signalisiert wird, ob zwischen jeweils zwei Fahrspuren (16) ein Fahrspurwechsel (35) möglich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand einer jeweiligen Verlaufsrichtung (22) der einzelnen Fahrtrajektorien (19) eine vorgeschrieben Fahrtrichtung der Fahrspuren (16) und/oder eine Einbahnstraße erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Erkennen des jeweiligen Verlaufs der Fahrspursegmente (31) die Fahrtrajektorien (19) mittels einer vorbestimmten statistischen Methode zu einer Wahrscheinlichkeitsverteilung (27) der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Kraftfahrzeuge (17) zusammengefasst werden und in der Wahrscheinlichkeitsverteilung (27) charakteristische Punkte (28) nach einem vorbestimmten Suchkriterium ermittelt werden und anhand einer vorbestimmten Verbindungsmethode jeweils einige der charakteristischen Punkte (28) durch eine Verbindung (30) zu einem jeweiligen Verlauf eines der Fahrspursegmente (31) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die statistische Methode eine Histogrammbildung oder eine Kerndichteschätzung auf der Grundlage von in den Fahrtrajektorien (19) enthaltenen Positionsangaben (23) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Suchkriterium vorgibt, dass ein lokales Maximum und/oder ein Sattelpunkt der Wahrscheinlichkeitsverteilung (27) jeweils ein charakteristischer Punkt (28) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Verbindungsmethode jeweils solche charakteristischen Punkte (28) zu einem Fahrspursegment (31) verbindet, die entlang einer geometrischen Grundform aus zumindest einer vorbestimmten geometrischen Grundform angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Verbindungsmethode vorsieht, dass zusammengehörige charakteristische Punkte (28) mittels einer Hough-Transformation identifiziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fahrtrajektorien (19) über ein vorbestimmtes Dead-Reckoning-Verfahren, das eine Beschleunigung, Geschwindigkeit, Gierrate und/oder Heading des jeweiligen Kraftfahrzeugs (17) für eine Beschreibung einer relativen Positionsänderung auswertet, gebildet sind.
Servervorrichtung (10) mit einer Recheneinrichtung (12), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.