DE102017216520A1

DE102017216520A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Position eines Fahrzeuges zu einer Station

Info

Publication number: DE102017216520A1
Application number: DE102017216520.0A
Authority: DE
Inventors: Simon Weissenmayer; Nils Tietze
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Fahrzeuges (10) relativ zu einer Position einer Station (12), wobei das Fahrzeug (10) mehrere Empfangseinheiten (113,114,115) und mindestens eine Sendeeinheit (116) umfasst und die Empfangseinheiten (113,114,115) und die Sendeeinheit (116) zumindest Teile von Ultraschallsensoren sind, wobei die Station (12) zumindest eine Empfangseinheit und zumindest eine Sendeeinheit umfasst, wobei die Sendeeinheit des Fahrzeuges (10) eine Nachricht aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachrichtenlaufzeit der ausgesendeten Nachricht von der Sendeeinheit (116) des Fahrzeuges (10) bis zum Empfangen einer Antwortnachricht der Station (12) an einer der Empfangseinheiten (113,114,115) des Fahrzeuges (10) und mindestens ein Nachrichtenlaufzeitunterschied zwischen zumindest zwei Empfangseinheiten (113,114), welche die Antwortnachricht der Sendeeinheit der Station (12) empfangen haben, erfasst werden, wobei die Antwortnachricht der Station (12) ausgesendet wird, nachdem die Station (12) die ausgesendete Nachricht des Fahrzeuges (10) empfangen hat und die Position des Fahrzeugs (10) relativ zu der Position der Station (12), mittels der erfassten Nachrichtenlaufzeit und dem erfassten Nachrichtenlaufzeitunterschied ermittelt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens und ein maschinenlesbares Speicherelement, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Fahrzeuges relativ zu einer Position einer Station. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung der Position des Fahrzeuges relativ zu der Position der Station.
Stand der Technik
DE 10 2015 2098 78 B3 offenbart ein Verfahren zur Erfassung von Objekten im Umfeld eines Fahrzeugs mit mindestens einem Ultraschallsensor. Der mindestens eine Ultraschallsensor sendet Ultraschallpulse aus und das reflektierte Ultraschallecho wird in mindestens einem Sichtbereich eines Ultraschallsensors empfangen, wodurch mittels des Ultraschallechos ein Objekt detektiert werden kann. Ein Schwellenwert ist zur Ausblendung von Bodenechos vorgesehen. Ultraschallechos mit einer Amplitude oberhalb des Schwellenwerts werden als ein Echo eines Objekts eingestuft. Es kann eine adaptive Anpassung des Schwellenwerts vorgenommen werden, wobei der Schwellenwert so gewählt wird, dass eine Unterscheidung der Ultraschallechos in Objekt- und Bodenechos durchgeführt werden kann. Zusätzlich können die Echos gefiltert werden, um die Genauigkeit der Unterscheidung zu erhöhen. Ebenso kann eine Trilateration mit den empfangenen Echos durchgeführt werden, um präziser zwischen einem Bodenecho und Objektecho unterscheiden zu können. Wenn keine eindeutige Trilateration durchgeführt werden kann, kann daraufhin gefolgert werden, dass ein Bodenecho vorliegen muss.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat demgegenüber den Vorzug, dass, über eine ausgesendete Nachricht mittels eines Ultraschallsensors, die Detektion des Objektes eine geringere Abhängigkeit von den Sichtbereichen der Empfangsultraschallsensoren hat. Ebenso stellt das erfindungsgemäße Verfahren ein schnelleres und genaueres Verfahren für eine exakte Positionsermittlung relativ zu dem Objekt bereit. Ebenfalls hat das erfindungsgemäße Verfahren demgegenüber den Vorteil, dass keine überlappenden Sichtbereiche von zumindest zwei Ultraschallsensoren Voraussetzung sind, um eine Trilateration durchführen zu können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln einer Position eines Fahrzeuges relativ zu einer Position einer Station zu schaffen.
Offenbarung der Erfindung
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Fahrzeuges relativ zu einer Position einer Station. Das Fahrzeug umfasst mehrere Empfangseinheiten und mindestens eine Sendeeinheit. Die Empfangseinheiten und die Sendeeinheit sind zumindest Teile von Ultraschallsensoren. Dabei umfasst die Station eine Empfangseinheit und zumindest eine Sendeeinheit. Zuerst sendet die Sendeeinheit des Fahrzeuges eine Nachricht aus. Anschließend wird eine Nachrichtenlaufzeit, welche definiert ist als eine erfasste Zeit vom Aussenden der Nachricht von der Sendeeinheit des Fahrzeuges bis zum Empfangen einer Antwortnachricht der Station durch eine der Empfangseinheiten des Fahrzeuges und mindestens ein Nachrichtenlaufzeitunterschied zwischen zumindest zwei Empfangseinheiten, welche die Antwortnachricht der Sendeeinheit der Station empfangen haben, erfasst. Dabei wird die Antwortnachricht der Station ausgesendet, insbesondere unmittelbar, nachdem die Station die ausgesendete Nachricht des Fahrzeuges empfangen hat. Die Position des Fahrzeuges relativ zu der Position der Station wird abhängig von der erfassten Nachrichtenlaufzeit und dem erfassten Nachrichtenlaufzeitunterschied ermittelt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass ein kostengünstiges und sehr genaues Positionierungssystem basierend auf bevorzugt den bereits vorhandenen Ultraschallsensoren eines Fahrerassistenzsystems des Fahrzeuges eingerichtet werden kann. Damit muss keine Veränderung am Aufbau des Fahrzeuges durchgeführt werden, außer einer kostengünstigen Softwareanpassung, welche das Verfahren ausführt. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine aufwändige Kalibrierung durchgeführt werden muss. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht beeinträchtigt von schwachen Empfangssignalen eines GPS-Systems für die Positionsermittlung und dadurch selbst in Häuserschluchten oder in geschlossenen Räumen, zum Beispiel in Parkhäusern, einsetzbar. Ein besonders großer Vorteil des Verfahrens ist, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren, es ausreichend ist, wenn die Station nur eine Sendeeinheit umfasst, wodurch die Position des Fahrzeuges relativ zu der Station trotzdem mit einer hohen Genauigkeit ermittelt werden kann. Dadurch kann eine einfache und schnelle Positionsermittlung erfolgen. Der Vorteil der Ermittlung der Nachrichtenlaufzeitunterschiede ist, dass nur einmal eine einzelne Nachrichtenlaufzeit zwischen dem Fahrzeug und der Station gemessen werden muss. Aus der einzelnen Nachrichtenlaufzeit und dem Nachrichtenlaufzeitunterschied kann die Position des Fahrzeuges relativ zu der Station berechnet werden, wofür nur eine Nachrichtenlaufzeitmessung durchgeführt werden muss und daher das Verfahren zur Ermittlung der Position sehr zeiteffizient ist.
In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung, wird bei der Ermittlung der Position des Fahrzeugs relativ zu der Position der Station, eine bekannte verzögerte Aussendung der Antwortnachricht der Station von der erfassten Nachrichtenlaufzeit abgezogen. Dies weist den Vorteil auf, dass durch die bekannte verzögerte Aussendung der Antwortnachricht der Station, Echos von Antwortnachrichten der Station, die auf verfälschten oder indirekten Weg empfangen wurden, schnell und einfach detektiert werden können. Dadurch wird das Verfahren robuster gegenüber Echos, ohne zusätzliche Hardware oder Software einsetzen zu müssen.
Vorteilhaft ist, wenn bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges relativ zu der Position der Station des Weiteren eine Winkelinformation verwendet wird. Durch die Winkelinformation kann die Position exakter ermittelt werden. Die Winkelinformation kann aber auch dafür verwendet werden, die Position des Fahrzeuges mit weniger Messungen der Nachrichtenlaufzeit und Nachrichtenlaufzeitunterschiede eindeutig zu berechnen. Zusätzlich kann über die Winkelinformation herausgefunden werden, ob das Signal direkt oder indirekt und damit über einen verfälschten Weg zum Fahrzeug übertragen wurde, wodurch die Bestimmung der Position genauer durchgeführt werden kann.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird die Winkelinformation aus einer Richtcharakteristik einer der Empfangseinheiten des Fahrzeuges und/oder aus einer Verteilung der empfangenen Antwortnachricht der Station entlang der Empfangseinheiten des Fahrzeuges und/oder aus der Dopplerfrequenzverschiebung der empfangenen Antwortnachricht der Station bei bekannter Geschwindigkeit des Fahrzeuges ermittelt. Unter einer Richtcharakteristik wird eine winkelabhängige Empfindlichkeit einer Empfangseinheit vom Einfallswinkel der empfangenen Nachricht bezüglich dem senkrechen Einfallswinkel verstanden. Üblicherweise hat die Richtcharakteristik der Empfangseinheit eine 1- oder 2- oder 3-dimensionale Keulenform, wobei die höchste Empfindlichkeit der Empfangseinheit bei einem senkrechten Einfallswinkel der Nachricht auf die Empfangseinheit vorliegt. Weicht der Einfallswinkel der Nachricht zu dem senkrechten Einfallswinkel zu einem spitzer oder stumpfer werdenden Einfallswinkel auf die Empfangseinheit ab, nimmt die Empfindlichkeit der Empfangseinheit stark ab. Da die Signalstärke einer empfangenen Nachricht abhängig von der Empfindlichkeit der Empfangseinheit und der zurückgelegten Strecke ist, kann bei bekannter zurückgelegten Strecke bestimmt werden, unter welchem Winkel die Nachricht empfangen wurde.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die ausgesendete Nachricht des Fahrzeuges einen Namen der Sendeeinheit des Fahrzeuges umfasst und die empfangene Antwortnachricht der Station den Namen der verwendeten Sendeeinheit des Fahrzeuges und den Namen der Sendeeinheit der Station umfasst. Durch die Kommunikation mit den jeweiligen Namen in den Nachrichten ist keine aufwändige Kalibrierung der Sende- und Empfangseinheiten zueinander oder keine manuelle Initialisierung der Abstände der Sende- und Empfangseinheiten zueinander notwendig. Denn durch die Kommunikation zwischen den Sende-/Empfangseinheiten können automatisiert die Positionen der Sende-/Empfangseinheiten am Fahrzeug einfach und schnell ermittelt werden, wodurch eine höhere Genauigkeit der ermittelten Position während des Betriebes ohne Wartung garantiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform werden bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges relativ zu der Position der Station schrittweise weitere Nachrichtenlaufzeitunterschiede berücksichtigt, wenn mehr als drei Empfangseinheiten des Fahrzeuges die Antwortnachricht der Station empfangen haben und/oder weitere Nachrichtenlaufzeiten berücksichtig, wenn die Empfangseinheiten des Fahrzeugs mehrere Antwortnachrichten der Station empfangen, wobei die Station mehrere Nachrichten von mehreren Sendeeinheiten des Fahrzeugs empfängt und auf jede Nachricht der jeweiligen Sendeeinheit eine Antwortnachricht aussendet, und/oder mehrere Antwortnachrichten von einer Mehrzahl von Stationen empfängt. Dies weist den Vorteil auf, dass durch die Verwendung von weiteren Nachrichtenlaufzeitmessungen eine genauere Positionsermittlung, aber auch eine Robustheit gegenüber ungenauen vorherigen Messungen erreicht werden kann. Ebenso erlaubt dies eine dynamische Berechnung, wenn die Nachrichtenlaufzeitmessungen erst nacheinander für die Positionsermittlung zur Verfügung stehen. Die nachträglich ermittelten Nachrichtenlaufzeiten und/oder Nachrichtenlaufzeitunterschiede werden zu der bisherigen Berechnung der Position hinzugezogen, um beispielsweise das Ergebnis der bisherigen Berechnung zu verfeinern. Dabei können die Sendeeinheiten der Station an unterschiedlichen Positionen platziert sein, um eine räumliche Ausdehnung der Station oder eine aufgespannte Fläche der Sendeeinheiten zu ermitteln.
Vorteilhaft ist, wenn bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges relativ zu der Position der Station des Weiteren eine vorgebbare Vermessungsmethode verwendet wird, wobei mittels der vorgebbaren Vermessungsmethode eine Referenzkarte erstellt wird. Durch die Referenzkarte kann die Genauigkeit der Positionsermittlung und Ausrichtung des Fahrzeuges zur Station verbessert werden. Dabei umfasst die Referenzkarte zumindest eine der ermittelten Positionen der Stationen, welche zumindest eine Antwortnachricht an das Fahrzeug ausgesendet haben. Die Position des Fahrzeuges bildet den Ursprung der Referenzkarte und die erfassten Positionen der Stationen spannen die Referenzkarte auf. Durch die Kombination der Positionsermittlungsverfahren mit einer vorgebbaren Vermessungsmethoden kann auch das Problem gelöst werden, dass bereits vermessene Bereiche durch die vorgebbare Vermessungsmethode nicht noch einmal vermessen werden (kein Loop-Closing-Problem). Denn durch die vorgebbare Vermessungsmethode kann die ermittelte Position der Station kartiert werden, wodurch diese eindeutig identifiziert und ein doppeltes Vermessen eines Bereiches verhindert werden kann.
Vorteilhafterweise wird für die Ermittlung der Position des Fahrzeuges zur Station ein Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)-Verfahren verwendet.
Vorteilhafterweise wird bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges relativ zu der Position der Station eine ein-, zwei- und/oder dreidimensionale Ausrichtung des Fahrzeuges zu der Station ermittelt.
Vorteilhafterweise wird bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges relativ zu der Position der Station eine Veränderung und/oder Schwankung der Nachrichtenlaufzeiten durch eine Veränderung einer Eigenschaft eines Mediums zwischen dem Fahrzeug und der Station, über welches die Nachricht des Fahrzeuges oder die Antwortnachricht der Station übertragen wird, berücksichtigt.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren dafür verwendet, um die Position eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges relativ zu einer Ladestation zu ermitteln. Unter einem Fahrzeug kann auch ein Roboter oder zumindest eine teilautonomen Maschine verstanden werden. Insbesondere kann das Verfahren für Elektrofahrzeuge verwendet werden, sodass diese zum Beispiel autonom an einer Batterieladestation zum Laden parken. Ebenso kann dieses Verfahren dazu verwendet werden, dass das Fahrzeug einen Parkplatz lokalisiert, sodass dieses automatisiert auf dem Parkplatz einparken kann. Eine Station kann beispielhaft auch eine Mautstation oder eine Personen-oder Güterbeladestation für das Fahrzeug sein. Denkbar ist auch, dass das Verfahren auf einem mobilen Gerät abläuft, welches dazu verwendet wird um in einem Flughafen, Einkaufsladen oder auch in einer Messehalle zu navigieren.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das dazu ausgebildet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen, sowie ein maschinenlesbares Speicherelement, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist und eine Vorrichtung, die jeden Schritt des Verfahrens ausführt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figurenliste

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit Sende- und Empfangseinheiten sowie eine Station mit einer Sende- und Empfangseinheit;
2 eine schematische Darstellung des Fahrzeuges mit Abstandskreisen zur Ermittlung der Position des Fahrzeuges zu der Station;
3 eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer Ausführungsform des erfingungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges (10), welches mehrere Empfangseinheiten (113,114,115) und eine Sendeeinheit (116) umfasst. Die Sende- und Empfangseinheiten (113,114,115,116) sind mit einer Recheneinheit (16) verbunden. Die Recheneinheit (16) umfasst dabei ein Speicherelement (17). Zusätzlich ist eine Geschwindigkeitsermittlungseinheit (11) mit der Recheneinheit (16) verbunden. Die Geschwindigkeitsermittlungseinheit (11) ist dafür eingerichtet, die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (10) zu ermitteln, wie zum Beispiel über eine Messung der Rotationsgeschwindigkeit der Reifen bei bekanntem Reifenumfang oder mittels eines Beschleun igu ngssensor.
Das Fahrzeug (10) weist dabei eine bestimmte Ausrichtung, bzw. eine bestimmte Position relativ zu einer Station (12) auf. Die Station (12) umfasst ebenfalls eine Sende- und eine Empfangseinheit. Die Sende- und Empfangseinheit der Station (12) sind dazu eingerichtet, ausgesendete Nachrichten des Fahrzeugs (10) mittels der Sendeeinheit (116) des Fahrzeuges (10) zu empfangen und eine Antwortnachricht der Station (12) auf die Nachricht des Fahrzeuges (10) auszusenden. Alternativ kann die Antwortnachricht der Station (12) auf die Nachricht des Fahrzeuges (10) mit einer bekannten Verzögerung ausgesendet werden. Durch die bekannte Verzögerung können zum Beispiel Echos der Antwortnachricht der Station (12) erkannt werden, die über einen indirekten Weg zum Fahrzeug (10) übermittelt wurden. Dies weist den vorteilhaften Effekt auf, dass das Verfahren dadurch eine höhere Robustheit gegenüber Echos der Antwortnachricht erhält, welche die Positionsermittlung des Fahrzeuges (10) relativ zu der Position der Station (12) beeinträchtigen können.
Bevorzugt sind die Sende- und Empfangseinheiten (113,114,115,116) des Fahrzeuges (10) und die der Station (12) Teile von Ultraschallsensoren und dazu ausgebildet, Signale, insbesondere Nachrichten, auszusenden und miteinander über die Nachrichten zu kommunizieren. Denkbar ist auch, dass die Sendeeinheit und die Empfangseinheit zusammen eine Einheit bilden und nicht getrennt voneinander am Fahrzeug (10) positioniert sind.
Die ausgesendete Nachricht der Sendeeinheit (116) des Fahrzeuges (10) enthält bevorzugt eine Information, von welcher Sendeeinheit (116) die Nachricht ausgesendet wurde und optional eine Information, von welchem Fahrzeug die Nachricht stammt, falls mehrere Fahrzeuge mit der Station kommunizieren. Die Antwortnachricht der Station (12) umfasst vorzugsweise die Information, von welcher Sendeeinheit (116) des Fahrzeuges (10) die empfangene Nachricht ausgesendet wurde und zusätzlich eine Information, welche Station die Antwortnachricht ausgesendet hat. Optional kann die Antwortnachricht der Station (12) auch die Information enthalten von welchem Fahrzeug die Nachricht empfangen wurde.
Das Fahrzeug (10) kann beispielhaft stehen, wodurch die relative Position des Fahrzeuges (10) zu der Station (12) statisch ist und sich nicht ändert. Alternativ können das Fahrzeug (10) und die Station (12) relativ zueinander in Bewegung sein. Sobald sich das Fahrzeug (10) und die Station (12) relativ zueinander bewegen, erfährt eine ausgesendete Nachricht der Sendeeinheit (116) des Fahrzeuges (10), aber auch eine ausgesendete Nachricht, der Station (12) eine Frequenzverschiebung durch den Dopplereffekt. Der Dopplereffekt beschreibt die Frequenzverschiebung eines Signales, insbesondere einer Nachricht, in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Sender und Empfänger, unter der Bedingung, dass die Signalausbreitungsgeschwindigkeit des Mediums konstant ist.
Sobald sich das Fahrzeug (10) an der Station (12) vorbei bewegt, kann die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (10) in zumindest zwei Geschwindigkeitskomponenten zerlegt werden, die beispielsweise ein Geschwindigkeitskomponentendreieck aufspannen. Die erste Geschwindigkeitskomponente kann dabei die Geschwindigkeit des Fahrzeuges in die Bewegungsrichtung des Fahrzeuges (10) sein, welches insbesondere die Eigengeschwindigkeit (18) des Fahrzeuges ist, aber auch eine senkrechte Geschwindigkeit des Fahrzeuges (10) zu der Station (12) sein. Eine zweite Geschwindigkeitskomponente kann dabei die relative Geschwindigkeit zwischen der Station (12) und dem Fahrzeug (10) sein, insbesondere die relative Eigengeschwindigkeit (19) des Fahrzeuges. Bei bekannten Größen der beiden Geschwindigkeitskomponenten, kann über eine trigonometrische Funktion, bevorzugt die Kosinus Funktion, der Winkel zwischen den zwei Geschwindigkeitskomponenten berechnet werden. Dabei entspricht die Eigengeschwindigkeit (18) der Hypotenuse des Geschwindigkeitskomponentendreiecks und die relative Eigengeschwindigkeit (19) der Ankathete des Geschwindigkeitskomponentendreiecks, womit mittels der Kosinus Funktion den durch die Hypotenuse und die Ankathete eingeschlossenen Winkel α berechnet werden kann. Der Winkel α charakterisiert den Winkel, unter welchem sich die Station (12) relativ zur Bewegungsrichtung des Fahrzeuges (10) befindet.
Aus der gemessenen Frequenzverschiebung des empfangenen Signals, welches zwischen der Station (12) und dem Fahrzeug (10) eine Frequenzverschiebung proportional zu der relativen Eigengeschwindigkeit (19) des Fahrzeuges (10) erfährt, für den Fall, dass das Fahrzeug (10) an der Station (12) vorbeifährt, kann aus der gemessenen Frequenzverschiebung über den Dopplereffekt die relative Eigengeschwindigkeit (19) berechnet werden. Die Eigengeschwindigkeit (18) wird dabei über die Geschwindigkeitserfassungseinheit (11) ermittelt. Aus der berechneten relativen Eigengeschwindigkeit (19) und der erfassten Eigengeschwindigkeit (18) des Fahrzeuges (10) kann daher der Winkel α ermittelt werden, unter welchem sich die Station (12) zu der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges (10) befindet.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Position des Fahrzeuges (10) zu der Station (12) mittels Abstandskreisen, wobei Abstandskreise um die Empfangseinheiten (113,114) eingezeichnet sind. Die Abstandskreise haben den Radius, welcher der Distanz (21,22) zwischen der jeweiligen Empfangseinheit (113,114) und der Station (12) entspricht. Nachdem die Sendeeinheit (116) des Fahrzeuges (10) eine Nachricht ausgesendet hat, empfängt die Station (12) diese Nachricht. Die Station (12) kann dabei entweder unmittelbar eine Antwortnachricht an das Fahrzeug (10) zurücksenden oder verzögert die Antwortnachricht zurücksenden. Die Antwortnachricht wird am Fahrzeug (10) durch mindestens eine Empfangseinheit (113,114) empfangen.
Dabei wird die Nachrichtenlaufzeit vom Aussenden der Nachricht über die Sendeeinheit (116) des Fahrzeuges (10) bis zum Empfangen der Antwortnachricht der Station (12) an einer der Empfangseinheiten (113,114) gemessen. Aus der gemessenen Nachrichtenlaufzeit berechnet die Recheneinheit (16) eine Distanz (21,22), in welcher die Station (12) von der Empfangseinheit (113,114) entfernt liegen muss. Da nicht bekannt ist, aus welcher Richtung die Antwortnachricht eingetroffen ist, liegt die Station entlang eines Abstandskreise mit Radius der berechneten Distanz (21,22) um die Empfangseinheit (113,114).
Sobald die Antwortnachricht von mehr als einer Empfangseinheit (113,114) empfangen wurde und die Recheneinheit (16) die jeweiligen Distanzen (21,22) zwischen den Empfangseinheiten (113,114) und der Station (12) berechnet hat, können mehrere Abstandskreise mit Radien der jeweiligen Distanzen (21,22) um die jeweiligen Empfangseinheiten (113,114) gelegt werden. Der Schnittpunkt (23) der Abstandkreise stellt die Position der Station (12) relativ zur Position des Fahrzeuges (10) dar. Um die Position eindeutig bestimmen zu können, müssen daher mindestens zwei Distanzen (21,22) ermittelt werden, sodass ein Schnittpunkt (23) der Abstandskreise ermittelt werden kann. Es sei angemerkt, dass es aber auch ausreichend sein kann, wenn nur eine Distanz (21,22) ermittelt wird und zusätzlich ein Winkel bestimmt wird, unter dem die empfangene Antwortnachricht der Station (12) stammt. Dadurch kann eindeutig bestimmt werden, auf welchem Punkt des Abstandkreises die Station (12) liegt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Position des Fahrzeuges (10) relativ zu der Position der Station (12).
Das Verfahren beginnt mit Schritt 30. In Schritt 30 nähert sich das Fahrzeug (10) der Station (12). Denkbar ist auch, dass in Schritt 30 das Fahrzeug zum Stillstand gelangt, weil beispielsweise der Fahrer ausgestiegen ist und der Fahrer beispielhaft ein Schalter betätigt hat, der Schritt 31 einleitet. Die Betätigung des Schalters kann vorzugsweise dazu führen, dass das Fahrzeug (10) nach Abschluss des Verfahrens automatisiert eingeparkt wird, abhängig von der Position des Fahrzeuges (10) zur der Station (12).
In Schritt 31 sendet die Sendeeinheit (116) des Fahrzeuges (10) eine Nachricht an die Station (12). Alle Empfangseinheiten (113,114,115) hören die Kommunikation der Sendeeinheit (116) mit. Optional kann während des Mithörens der Kommunikation der Sendeeinheit (116) eine Kalibrierung der Abstände zwischen den einzelnen Sende- und Empfangseinheiten (113,114,115,116) durchgeführt werden. Die Kalibrierung der Abstände kann beispielhaft durch die Nachrichtenlaufzeiten vom Aussenden der Nachricht durch die Sendeeinheit (116) bis zum Empfangen der Nachricht an den jeweiligen Empfangseinheit (113,114,115) durchgeführt werden.
Die ausgesendete Nachricht der Sendeeinheit (116) beinhaltet beispielsweise die Information: „Hier ist Sendeeinheit 116“. Dadurch ist die Nachricht gekennzeichnet, von welcher Sendeeinheit diese ausgesendet wurde.
In dem nachfolgenden Schritt 32 empfängt die Station (12) die ausgesendete Nachricht des Fahrzeuges (10). Bevorzugt verarbeitet die Station (12) die empfangene Nachricht des Fahrzeuges (10). Dabei kann die Verarbeitung der empfangenen Nachricht zum Beispiel eine Verzögerungsoperation umfassen, wodurch die Antwortnachricht der Station (12) auf die empfangene Nachricht des Fahrzeuges (10) mit einer bekannten Verzögerung ausgesendet wird. Mittels der bekannten Verzögerung kann ermittelt werden, ob die empfangene Antwortnachricht der Station (12) auf einem direkten oder indirekten Weg empfangen wurde. Die Antwortnachricht der Station (12) ist beispielsweise folgendermaßen aufgebaut: „Hallo Sendeeinheit 116, hier ist Station 12“. Durch diesen Inhalt der Antwortnachricht der Station (12) ist eindeutig zugeordnet, auf welche Nachricht der jeweiligen Sendeeinheit des Fahrzeuges (10) die Station (12) antwortet.
Nachdem Schritt 32 abgeschlossen wurde, folgt Schritt 33. In Schritt 33 empfängt das Fahrzeug (10) mittels der Empfangseinheiten (113,114) die Antwortnachricht der Station (12). Da alle Empfangseinheiten (113,114,115) die Kommunikation zwischen dem Fahrzeug (10) und der Station (12) mithören, kann theoretisch jede Empfangseinheit (113,114,115) die Antwortnachricht der Station (12) empfangen. Weil die Station (12) beispielweise frontseitig zum Fahrzeug angeordnet ist und eine der Empfangseinheiten (115) in entgegengesetzter Richtung zur Station (12) ausgerichtet ist, empfängt eine der Empfangseinheiten (115) nicht die Antwortnachricht der Station (12). Des Weitern ist es auch denkbar, dass die Empfangseinheiten (113,114,115) eine bestimmte Richtcharakteristik aufweisen und daher eine Antwortnachricht nur aus einer bestimmten Richtung zu der jeweiligen Empfangseinheit empfangen können, wodurch nicht alle Empfangseinheiten die Antwortnachricht erhalten.
In dem nachfolgenden Schritt 34 wird eine Nachrichtenlaufzeit vom Aussenden der Nachricht bis zum Empfangen der Antwortnachricht gemessen und zusätzlich noch zumindest ein Nachrichtenlaufzeitunterschied der Antwortnachricht zwischen zumindest zwei Empfangseinheiten (113,114) gemessen.
Nachdem in Schritt 34 die Nachrichtenlaufzeit und der Nachrichtenlaufzeitunterschied erfasst wurden, wird Schritt 35 eingeleitet. In Schritt 35 wird mittels der Recheneinheit (16) aus der erfassten Nachrichtenlaufzeit und dem Nachrichtenlaufzeitunterschied die Distanzen (21,22) zwischen der Station (12) und den jeweiligen Empfangseinheiten (113,114) berechnet.
Unter der Annahme, dass die Nachrichtenlaufzeit zwischen dem Fahrzeug (10) und der Station (12) genauso groß ist wie die Nachrichtenlaufzeit zwischen der Station (12) und dem Fahrzeug (10), kann mit bekannter Nachrichtenausbreitungsgeschwindigkeit des Mediums zwischen dem Fahrzeug (10) und der Station (12) die Distanz (21,22) zwischen der Station (12) und dem Fahrzeug (10) durch die Recheneinheit (16) ermittelt werden. Zusätzlich wird eine weitere Distanz zwischen der Station (12) und den Empfangseinheiten (113,114) über den Nachrichtenlaufzeitunterschied zwischen den jeweiligen Empfangseinheiten (113,114) berechnet.
Um aus dem Nachrichtenlaufzeitunterschied die Position des Fahrzeuges (10) zur Station (12) zu ermitteln, müssen zumindest zwei unterschiedliche Empfangseinheiten jeweils dieselbe Antwortnachricht der Station (12) erhalten haben. Eine weitere Distanz kann aus einem Nachrichtenlaufzeitunterschied zwischen diesen zwei Empfangseinheiten (113,114) und der Nachrichtenlaufzeit berechnet werden. Die Distanz (21) zwischen der Empfangseinheit (114) und der Station (12) kann über ein Nachrichtenlaufzeitunterschied mit folgender Formel berechnet werden: $d_{114}_{S} = v_{L} (T_{114} - T_{T} - \frac{T_{113} - T_{T}}{2}) {mit T}_{114} + Δ T_{113,114}$
Dabei ist d_114S die Distanz zwischen Empfangseinheit (114) und der Station (12), v_L ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Nachricht in Luft, T₁₁₃, T₁₁₄ sind die Nachrichtenlaufzeiten vom Aussenden der Nachricht bis zum Empfangen der Antwortnachricht an den Empfangseinheiten (113,114) am Fahrzeug (10), T_T die Verzögerungszeit der Station (12) und ΔT_113,114 ist der Nachrichtenlaufzeitunterschied zwischen den Empfangseinheiten (113,114). Der vorteilhafte Effekt hieran ist, dass über eine einzige Messung der Nachrichtenlaufzeit (T₁₁₃) der ausgesendeten Nachricht bis zur empfangenen Antwortnachricht der Station am Fahrzeug (10) und mit einer Messung des Nachrichtenlaufzeitunterschieds (ΔT_113,114) der Antwortnachricht zwischen den Empfangseinheiten (113,114) am Fahrzeug (10) eine zusätzliche Distanz mit der oben gegebenen Formel berechnet werden kann. Dies führt zu einer schnelleren Messung und Positionsberechung, da nur eine Nachricht übertragen werden muss.
Optional kann bei einer verzögerten Aussendung der Antwortnachricht der Station (12), die bekannte Verzögerungszeit bei der Messung der Nachrichtenlaufzeit durch die Recheneinheit (16) berücksichtigt werden.
Danach werden in Schritt 35 jeweils Abstandskreise, deren Kreispunkte eine mögliche Position der Station (12) darstellt, mit den jeweiligen Distanzen (21,22) um die jeweiligen Empfangseinheiten (113,114) konstruiert. Nachdem die Abstandskreise konstruiert wurden, wird mittels der Recheneinheit (16) der gemeinsame Schnittpunkt (23) der Abstandskreise ermittelt. Der gemeinsame Schnittpunkt (23) ist dabei die relative Position der Station (12) zum Fahrzeug (10). Falls ein weiterer Schnittpunkt (24) der Abstandskreise auftritt, ist zu ermitteln, welcher der Schnittpunkte (23,24) die echte Position der Station (12) darstellt. Beispielsweise kann der Schnittpunkt (24) vernachlässigt werden, da die Position der Station (12) nicht innerhalb des Fahrzeuges (10) liegen kann.
Bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges (10) relativ zu der Position der Station (12) kann beispielsweise eine Veränderung oder Schwankung der Nachrichtenlaufzeit durch eine Veränderung der Eigenschaft des Mediums zwischen dem Fahrzeug (10) und der Station (12) in der Berechnung der Distanz (21,22) berücksichtigt werden.
Optional kann in Schritt 35 eine Winkelinformation durch die Recheneinheit (16) ermittelt werden. Zusätzlich kann über die Winkelinformation ein Winkel der Station zum Fahrzeug (10) verwendet werden, um mit einer höheren Genauigkeit die Position des Fahrzeuges (10) relativ zu der Position der Station (12) zu berechnen. Eine Winkelinformation wird bevorzugt über die Frequenzverschiebung der empfangenen Antwortnachricht der Station (12) ermittelt, wenn das Fahrzeug (10) und die Station (12) sich relativ zueinander bewegen, wie zu 1 erläutert zum Bestimmen des Winkels α. Über die Geschwindigkeit, welche sich aus der Frequenzverschiebung der Antwortnachricht berechnen lässt und mit der bekannten Eigengeschwindigkeit (18) des Fahrzeuges (10), kann dabei ermittelt werden, unter welchem Winkel sich das Fahrzeug relativ zur Bewegungsrichtung des Fahrzeuges (10) zu der Station (12) bewegt. Alternativ kann als Winkelinformation auch die Verteilung der empfangenen Antwortnachrichten der Station (12) entlang der Empfangseinheiten (113,114,115) des Fahrzeuges (10) verwendet werden. Wie in 2 dargestellt, empfangen nur zwei der drei Empfangseinheiten (113,114,115) die Antwortnachricht der Station (12), da die Empfangseinheit (115) nicht in die Richtung der Station (12) ausgerichtet ist. Daraus kann geschlossen werden, dass die Station sich in der Richtung der Ausrichtung der zwei Empfangseinheiten (113,114) befinden muss. Dadurch lässt sich ebenfalls eine Winkelinformation ableiten. Beispielsweise kann aber die Winkelinformation auch aus der Richtcharakteristik der Empfangseinheiten (113,114,115) ermittelt werden. Da die Empfangseinheiten (113,114,115) eine Abhängigkeit der Empfindlichkeit zur Richtung aus welcher die Antwortnachricht empfangen wird, aufweisen können, kann die Information der Signalstärke der empfangenen Nachricht, insbesondere verglichen mit den anderen Empfangseinheiten (113,114), verwendet werden, um abzuschätzen aus welcher Richtung zur Hauptempfangsrichtung der jeweiligen Empfangseinheiten (113,114,115) die Nachricht stammt.
Mit der gemessenen Nachrichtenlaufzeit, dem gemessenen Nachrichtenlaufzeitunterschied und optional mit der ermittelten Winkelinformation, kann die Recheneinheit (16), wie in 2 dargestellt, durch Ermitteln eines Schnittpunktes (23) der Abstandskreise mit den Radien gleich den berechneten Distanzen (21,22) der jeweiligen Empfangseinheit zur Station (12), die Position des Fahrzeuges (10) relativ zur Position der Station (12) berechnet werden. Dabei kann die Winkelinformation beispielhaft dazu verwendet werden, falls mehrere Schnittpunkte (23,24) der Abstandskreise auftreten, eindeutig zu entscheiden welcher der Schnittpunkte (23,24) der Abstandskreise die reale Position der Station (12) darstellt. Alternativ kann die Winkelinformation auch verwendet werden, um den Schnittpunkt (23) genauer zu ermitteln.
Alternativ ist denkbar, dass mehr Stationen und/oder mehrere Sendeeinheiten am Fahrzeug (10) verwendet werden. Dadurch kann das Messen der Nachrichtenlaufzeiten und/oder Nachrichtenlaufzeitunterschiede in Schritt 34 für jede unterschiedliche empfangene Nachricht der jeweiligen Stationen/Sendeeinheiten durchgeführt werden.
Weil unterschiedliche Entfernungen der Stationen zum Fahrzeug (10) vorhanden sein können, empfängt das Fahrzeug die jeweiligen Antwortnachrichten der Stationen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Deshalb ist es auch denkbar, dass der Schritt 35 jedes Mal neu ausgeführt oder jedes Mal ein neuer Abstandskreis in Schritt 35 hinzugefügt wird, wenn eine neue Antwortnachricht von einer anderen Station und/oder eine neu Antwortnachrichten auf eine Nachricht einer weiteren Sendeeinheit des Fahrzeuges (10) empfangen wurde. Dadurch kann schrittweise eine neue Nachrichtenlaufzeit und/oder ein neuer Nachrichtenlaufzeitunterschied berücksichtigt werden, wodurch iterativ die Position des Fahrzeuges (10) relativ zu der Position der Station (12) genauer berechnet werden kann. Dasselbe Vorgehen durch Hinzufügen weiterer Nachrichtenlaufzeitunterschiede in Schritt 35 kann auch durchgeführt werden, sobald mehr als drei Empfangseinheiten des Fahrzeuges die Antwortnachricht der Station (12) empfangen.
Optional ist denkbar, dass nachdem Schritt 35 abgeschlossen wurde, Schritt 36 ausgeführt wird. In Schritt 36 kann beispielsweise eine vorgebbare Vermessungsmethode verwendet werden, die vorzugsweise eine Referenzkarte erstellt. Auf der Referenzkarte wird dabei die Station (12) eingezeichnet, bevorzugt auch die Positionen aller Empfangs- und Sendeeinheiten des Fahrzeuges (10). Beispielweise dient das Fahrzeug (10) als Ursprung des Koordinatensystems der Referenzkarte und die Station (12) spannt das Koordinatensystem auf. Die Kartierung der Position der Station (12) in Schritt 36 wird beispielsweise per SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) berechnet. Optional kann auch mittels des Schrittes 35 und des Schrittes 36 eine ein-, zwei-, und/oder 3-dimensionale Ausrichtung des Fahrzeuges (10) zu der Station (12) berechnet werden.
Das Verfahren kann beispielsweise abgeschlossen sein mit Beendigung des Schrittes 36, wenn die Position des Fahrzeuges (10) relativ zu der Position der Station (12) ermittelt wurde. Denkbar ist aber auch, dass das Verfahren zyklisch neu gestartet wird zu bestimmten Zeitpunkten oder wenn sich das Fahrzeug während des Verfahrens fortbewegt hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015209878 B3 [0002]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Fahrzeuges (10) relativ zu einer Position einer Station (12), wobei das Fahrzeug (10) mehrere Empfangseinheiten (113,114,115) und mindestens eine Sendeeinheit (116) umfasst und die Empfangseinheiten (113,114,115) und die Sendeeinheit (116) zumindest Teile von Ultraschallsensoren sind, wobei die Station (12) zumindest eine Empfangseinheit und zumindest eine Sendeeinheit umfasst, wobei - die Sendeeinheit des Fahrzeuges (10) eine Nachricht aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Nachrichtenlaufzeit erfasst wird, welche definiert ist als eine erfasste Zeit vom Aussenden der Nachricht von der Sendeeinheit (116) des Fahrzeuges (10) bis zum Empfangen einer Antwortnachricht der Station (12) durch eine der Empfangseinheiten (113,114,115) des Fahrzeuges (10) und - mindestens ein Nachrichtenlaufzeitunterschied zwischen zumindest zwei Empfangseinheiten (113,114), welche die Antwortnachricht der Sendeeinheit der Station (12) empfangen haben, erfasst wird, wobei die Antwortnachricht der Station (12) ausgesendet wird, nachdem die Station (12) die ausgesendete Nachricht des Fahrzeuges (10) empfangen hat und - die Position des Fahrzeugs (10) relativ zu der Position der Station (12) abhängig von der erfassten Nachrichtenlaufzeit und dem erfassten Nachrichtenlaufzeitunterschied ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges (10) relativ zu der Position der Station (12) des Weiteren eine Winkelinformation verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelinformation aus einer Richtcharakteristik einer der Empfangseinheiten (113,114,115) des Fahrzeuges (10) und/oder aus einer Verteilung der empfangenen Antwortnachricht der Station (12) entlang der Empfangseinheiten des Fahrzeuges (10) und/oder aus der Dopplerfrequenzverschiebung der empfangenen Antwortnachricht der Station (12) bei bekannter Geschwindigkeit des Fahrzeuges (10) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesendete Nachricht des Fahrzeuges (10) einen Namen der Sendeeinheit (116) des Fahrzeuges (10) umfasst und die empfangene Antwortnachricht der Station (12) den Namen der verwendeten Sendeeinheit des Fahrzeuges (10) und den Namen der Sendeeinheit der Station (12) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges (10) relativ zu der Position der Station (12) schrittweise weitere Nachrichtenlaufzeitunterschiede berücksichtigt werden, wenn mehr als drei Empfangseinheiten (113,114,115) des Fahrzeuges (10) die Antwortnachricht der Station (12) empfangen haben und/oder weitere Nachrichtenlaufzeiten berücksichtig werden, wenn die Empfangseinheiten (113,114,115) des Fahrzeugs (10) mehrere Antwortnachrichten der Station (12) empfangen, wobei die Station (12) mehrere Nachrichten von mehreren Sendeeinheiten des Fahrzeugs (10) empfängt und auf jede Nachricht der jeweiligen Sendeeinheit eine Antwortnachricht aussendet, und/oder mehrere Antwortnachrichten von einer Mehrzahl von Stationen empfängt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges (10) relativ zu der Position der Station (12) des Weiteren eine vorgebbare Vermessungsmethode verwendet wird, wobei mittels der vorgebbaren Vermessungsmethode eine Referenzkarte erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges zur Station (12) ein Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)-Verfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Position des Fahrzeuges (10) relativ zu der Position der Station (12) eine Veränderung und/oder Schwankung der Nachrichtenlaufzeiten durch eine Veränderung einer Eigenschaft eines Mediums zwischen dem Fahrzeug (10) und der Station (12), über welches die Nachricht des Fahrzeuges (10) oder die Antwortnachricht der Station (12) übertragen wird, berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren dazu verwendet wird, um die Position eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges (10) relativ zu einer Ladestation (12) zu ermitteln.
Computerprogramm, welches dazu ausgebildet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Maschinenlesbares Speicherelement (17), auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.
Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, jeden Schritt eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.