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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System und ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Lokalisierung von automatisiert, und insbesondere autonom fahrenden Kraftfahrzeugen.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge weisen heutzutage eine Vielzahl von Fahrassistenzsystemen auf, die eine Fahrsicherheit und einen Fahrkomfort verbessern. Insbesondere gewinnen Fahrassistenzsysteme zum automatisierten Fahren stetig an Bedeutung. Für eine Lokalisierung eines automatisiert fahrenden Kraftfahrzeugs in einem Umfeld kann das Kraftfahrzeug eine Umgebungssensorik aufweisen, wie zum Beispiel Radare, Laserscanner und Kameras. Die erfassten Umgebungsdaten können in einem Umfeldmodell unter Berücksichtigung von Straßenkarten zusammengefasst und bewertet werden, um das Kraftfahrzeug zu lokalisieren.
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Die Umgebungssensorik zum Verorten des Kraftfahrzeugs in seiner Umgebung erhöht eine Komplexität des Kraftfahrzeugs, und insbesondere der zu verbauenden Elektronik. Zudem sind Sensoren wie Radare, Laserscanner und Kameras teuer, wodurch sich die Herstellungskosten des Kraftfahrzeugs erhöhen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein System und ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr anzugeben, die eine Verortung des Kraftfahrzeugs ermöglichen oder unterstützen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Verortung des Kraftfahrzeugs durch eine vereinfachte Elektronik und/oder mit reduzierten Kosten zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einem unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein System zum Bestimmen einer Position eines Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr angegeben. Das System umfasst wenigstens einen Sensor, der eingerichtet ist, um ein Magnetfeld zu detektieren, das durch eine (externe) Magnetfeldquelle in einem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Das System umfasst weiter eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, um basierend auf dem durch den wenigstens einen Sensor detektierten Magnetfeld eine Position des Kraftfahrzeugs zu erfassen, und insbesondere zu bestimmen und/oder verifizieren.
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Erfindungsgemäß vermisst das Kraftfahrzeug lokale Magnetfelder, wie zum Beispiel statische Magnetfelder und/oder Magnetfeldänderungen. Die Magnetfelder können individuell bzw. charakteristisch für eine bestimmte Umgebung sein, in der sich das Kraftfahrzeug befindet. Basierend auf den individuellen bzw. charakteristischen Magnetfeldern der Fahrzeugumgebung kann das Kraftfahrzeug zum Beispiel durch einen Abgleich mit Kartendaten eines Navigationssystems, in denen die Magnetfeldcharakteristika hinterlegt sind, einen Rückschluss auf seine Position ziehen. Damit kann die Verortung des Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr mittles des Magnetfeldsensors erfolgen, der eine einfache Struktur aufweist und Kosten reduziert. Zudem kann eine Redundanz beispielsweise zur bestehenden Umgebungssensorik geschaffen werden.
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Der Begriff „freier Straßenverkehr“ bezieht sich auf öffentliche Straßen und Wege, im Gegensatz zu privaten und/oder gewerblichen Bereichen, wie zum Beispiel Privatgelände bzw. Fabrikgelände.
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Der Begriff „Umgebungsbereich“ bezieht sich auf einen Bereich um das Kraftfahrzeug herum, in dem die Magnetfeldquellen derart vorhanden sind, dass ihre Magnetfelder vom Magnetfeldsensor des Kraftfahrzeugs erfasst werden können. Insbesondere kann der Umgebungsbereich vor, hinter, seitlich neben, über und/oder unterhalb (z.B. unterhalb der Fahrbahnoberfläche) des Kraftfahrzeugs sein.
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Vorzugsweise ist die Recheneinheit eingerichtet, um das durch den wenigstens einen Sensor detektierte Magnetfeld mit lokalen Magnetfeldcharakteristika, die in Kartendaten eines Navigationssystems des Kraftfahrzeugs hinterlegt sind, für die Verortung des Kraftfahrzeugs abzugleichen. Zum Beispiel können Kartendaten des Navigationssystems, wie beispielsweise hochaufgelöste (HD) Kartendaten, um einen (lokalen) Magnetfeldparameter ergänzt werden.
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Insbesondere können in den Kartendaten markante Magnetfeldquellen und/oder Elemente mit magnetischen Eigenschaften, die durch den Magnetfeldsensor erfasst werden können, vermerkt sein. Durch einen Abgleich der gemessenen Magnetfeldcharakteristika mit den hinterlegten Magnetfeldcharakteristika kann eine Verortung oder Verifizierung einer Verortung erfolgen. Dies ist insbesondere für (teil-)autonom fahrende Fahrzeuge von Bedeutung, da die aktuelle Position des Fahrzeugs zur korrekten Fahrzeugführung zweifelsfrei bestimmt werden muss.
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Zum Beispiel können für die Positionsermittlung des Kraftfahrzeugs mehrere Eingangsgrößen verwendet werden, wie zum Beispiel GPS-Daten und/oder Daten einer Umgebungssensorik (z.B. Radare und/oder Laserscanner und/oder Kameras). Gemäß der vorliegenden Offenbarung können diese Eingangsgrößen um eine Magnetfeldgröße ergänzt oder zumindest teilweise damit ersetzt werden. Das lokale Magnetfeld kann somit als Marker dienen. Die Eingangsgrößen können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um das Kraftfahrzeug zusammen mit HD-Navigationskartendaten zu lokalisieren.
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Vorzugsweise ist der wenigstens eine Sensor eingerichtet, um Induktionsschleifen einer Fahrbahn zu erfassen. Induktionsschleifen können zum Beispiel vor Ampeln, Schranken etc. im Boden eingebettet sein, um eine Anwesenheit des Kraftfahrzeugs zu detektieren. Der wenigstens eine Sensor kann mit der Induktionsschleife bzw. einem durch die Induktionsschleife erzeugten Magnetfeld in Wechselwirkung treten, um die Induktionsschleife zu erfassen. Eine Magnetfeldcharakteristik und eine zugehörige Position der Induktionsschleife können in den Kartendaten des Navigationssystems hinterlegt sein, wodurch auf die Anwesenheit des Fahrzeugs an der Induktionsschleife (bzw. der zugehörigen Ampel, Schranke etc.) geschlossen werden kann.
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Vorzugsweise ist der wenigstens eine Sensor eingerichtet, um ein Magnetfeld wenigstens einer elektronischen Komponente im Umgebungsbereich des Fahrzeugs zu erfassen. Anders gesagt stellt die wenigstens eine elektronische Komponente die externe Magnetfeldquelle dar. Die wenigstens eine elektronische Komponente kann derart sein, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, das der wenigstens eine Sensor detektieren kann. Die wenigstens eine elektronische Komponente kann zum Beispiel aus der Gruppe ausgewählt sein, die eine Transformatorstation, eine Beleuchtungsvorrichtung, eine Anzeigevorrichtung, eine Kommunikationsvorrichtung, eine Energiestation und eine dedizierte Magnetfeldquelle zur Positionsermittlung umfassen kann, oder die daraus besteht.
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Die Beleuchtungsvorrichtung kann zum Beispiel eine Straßenbeleuchtung, und insbesondere eine Straßenlaterne sein. Die Anzeigevorrichtung kann zum Beispiel eine Ampel oder ein elektronisches Verkehrsschild sein. Die Kommunikationsvorrichtung kann zum Beispiel ein Mobilfunkmast oder ein Verteilerkasten für Telefon und/oder Internet sein. Die Energiestation kann zum Beispiel ein Stromverteilerkasten sein. Die dedizierte Magnetfeldquelle zur Positionsermittlung kann eine eigens für den Zweck der Erfassung durch das Kraftfahrzeug bereitgestellte Magnetfeldquelle sein. Insbesondere können entsprechende „Leitfäden“ oder unsichtbare Signalgeber für die Kraftfahrzeuge in die (Verkehrs-)Infrastruktur integriert sein.
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Vorzugsweise ist der wenigstens eine Sensor eingerichtet, um ein Erdmagnetfeld zu erfassen. Die Recheneinheit kann zum Beispiel eingerichtet sein, um basierend auf einem lokalen Erdmagnetfeld und/oder einer Änderung des Erdmagnetfelds (z.B. über eine gewisse Strecke, die sich das Auto bewegt hat) Rückschlüsse auf eine Position des Kraftfahrzeugs zu ziehen. Zum Beispiel kann das Erdmagnetfeld von Bodeneigenschaften abhängen bzw. durch Bodeneigenschaften beeinflusst werden. Zum Beispiel kann ein gemessener Wert des Erdmagnetfels von einem Eisengehalt im Boden abhängen. Hieraus kann zumindest eine grobe Verortung des Kraftfahrzeugs erfolgen.
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Vorzugsweise ist der wenigstens eine Sensor aus der Gruppe ausgewählt, die einen magnetoresistiven Sensor, einen induktiven Sensor und Kombinationen davon umfasst. Der wenigstens eine Sensor kann eine Sensitivität aufweisen, die ausreichend ist, um die im Navigationssystem hinterlegten Magnetfeldcharakteristika zu messen. In einigen Ausführungsformen ist der wenigstens eine Sensor eingerichtet, um Magnetfelder mit einer Stärke von 10 Mikrotesla oder mehr zu messen. Das Erdmagnetfeld weist beispielsweise in Deutschland eine horizontale Komponente von etwa 20 Mikrotesla und eine vertikale Komponente von etwa 44 Mikrotesla auf. Der wenigstens eine Sensor kann empfindlich genug sein, um derartige Magnetfeldstärken aufzulösen.
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Vorzugsweise sind der wenigstens eine Sensor und die Recheneinheit im Kraftfahrzeug enthalten. Alternativ ist der wenigstens eine Sensor im Kraftfahrzeug und die Recheneinheit in einer zentralen Einheit, wie zum Beispiel einem Backend, enthalten. Das Kraftfahrzeug kann zum Beispiel eine Kommunikationsvorrichtung umfassen, die für eine bidirektionale Kommunikation mit der zentralen Einheit eingerichtet ist. Insbesondere kann der wenigstens eine Sensor Messdaten an die Recheneinheit in der zentralen Einheit übertragen. Ergänzend oder alternativ kann die zentrale Einheit die bestimmte Position an das Kraftfahrzeug übermitteln. In einem noch weiteren Beispiel können die Funktionalitäten der Recheneinheit auf das Fahrzeug und die zentrale Einheit aufgeteilt sein.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Kraftfahrzeug angegeben, umfassend das in diesem Dokument beschriebene System zum Bestimmen einer Position eines Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr. Der Begriff Kraftfahrzeug umfasst PKW, LKW, Busse, Wohnmobile, Krafträder, etc., die der Beförderung von Personen, Gütern, etc. dienen.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Speichermedium angegeben, auf dem Kartendaten für ein Navigationssystem eines Kraftfahrzeugs gespeichert sind, wobei die Kartendaten lokale Magnetfeldcharakteristika umfassen. Das Speichermedium kann im in diesem Dokument beschriebenen System zum Bestimmen einer Position eines Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr enthalten sein. Insbesondere kann das Speichermedium im Navigationssystem des Kraftfahrzeugs enthalten sein.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr angegeben. Das Verfahren umfasst ein Messen eines Magnetfelds, das durch eine Magnetfeldquelle in einem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs erzeugt wird, und ein Erfassen (z.B. Bestimmen und/oder Verifizieren) einer Position des Kraftfahrzeugs basierend auf dem gemessenen Magnetfeld. Das Verfahren kann durch das in diesem Dokument beschriebene System implementiert werden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem System zum Bestimmen einer Position eines Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
- 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Position eines Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
- 3 die Detektion von Induktionsschleifen durch den Magnetfeldsensor des Kraftfahrzeugs.
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Ausführungsformen der Offenbarung
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Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 100 mit einem System zum Bestimmen einer Position eines Kraftfahrzeugs 100 im freien Straßenverkehr gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Das System umfasst wenigstens einen Sensor 110, der eingerichtet ist, um ein Magnetfeld zu detektieren, das durch eine externe Magnetfeldquelle in einem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs 100 erzeugt wird, und eine Recheneinheit 120, die eingerichtet ist, um basierend auf dem durch den wenigstens einen Sensor 110 detektierten Magnetfeld eine Position des Kraftfahrzeugs 100 zu bestimmen. Die gemessenen Magnetfelder können individuell bzw. charakteristisch für den Umgebungsbereich sein, so dass aus den individuellen bzw. charakteristischen lokalen Magnetfeldern Rückschlüsse auf die Position des Kraftfahrzeugs 100 gezogen werden können.
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Typischerweise ist der wenigstens eine Sensor 110 aus der Gruppe ausgewählt, die einen magnetoresistiven Sensor, einen induktiven Sensor und Kombinationen davon umfasst. Zum Beispiel kann der magnetoresistive Sensor ein Hall-Sensor sein, der ein Magnetfeld basierend auf dem Hall-Effekt detektiert.
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Obwohl der wenigstens eine Sensor 110 in der 1 an einer bestimmten Position am Kraftfahrzeug 100 gezeigt ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht hierauf begrenzt und der wenigstens eine Sensor 110 kann an jeder geeigneten Position am Kraftfahrzeug 100 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können mehrere Sensoren an verschiedenen Stellen am Kraftfahrzeug 100 vorhanden sein, und können insbesondere eine Sensor-Matrix bilden.
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In einigen Ausführungsformen können für die Positionsermittlung des Kraftfahrzeugs mehrere Eingangsgrößen verwendet werden, wie zum Beispiel GPS-Daten und/oder Daten einer Umgebungssensorik (z.B. Radare und/oder Laserscanner und/oder Kameras). Diese Eingangsgrößen können um eine Magnetfeldgröße ergänzt oder zumindest teilweise ersetzt werden, um das Kraftfahrzeug 100 zusammen mit HD-Navigationskartendaten zu lokalisieren.
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Im Beispiel der 1 sind der wenigstens eine Sensor 110 und die Recheneinheit 120 im Kraftfahrzeug 100 integriert. Alternativ ist der wenigstens eine Sensor 110 im Kraftfahrzeug und die Recheneinheit in einer zentralen Einheit 10, wie zum Beispiel einem Backend, enthalten. Das Kraftfahrzeug 100 kann zum Beispiel eine Kommunikationsvorrichtung umfassen, die für eine bidirektionale Kommunikation mit der zentralen Einheit 10 eingerichtet ist. Insbesondere kann der wenigstens eine Sensor Messdaten an die zentrale Einheit 10 übertragen. Ergänzend oder alternativ kann die zentrale Einheit 10 die bestimmte Position an das Kraftfahrzeug 100 übermitteln. In einem noch weiteren Beispiel können die Funktionalitäten der Recheneinheit auf das Fahrzeug 100 und die zentrale Einheit 10 aufgeteilt sein.
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Typischerweise umfasst das Kraftfahrzeug 100 eine Funktion zum automatisierten Fahren. Beispielsweise ist das Kraftfahrzeug 100 für ein hochautomatisiertes Fahren (HAF) eingerichtet.
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Unter dem Begriff „automatisiertes Fahren“ kann im Rahmen des Dokuments ein Fahren mit automatisierter Längs- oder Querführung oder ein autonomes Fahren mit automatisierter Längs- und Querführung verstanden werden. Bei dem automatisierten Fahren kann es sich beispielsweise um ein zeitlich längeres Fahren auf der Autobahn oder um ein zeitlich begrenztes Fahren im Rahmen des Einparkens oder Rangierens handeln. Der Begriff „automatisiertes Fahren“ umfasst ein automatisiertes Fahren mit einem beliebigen Automatisierungsgrad. Beispielhafte Automatisierungsgrade sind ein assistiertes, teilautomatisiertes, hochautomatisiertes oder vollautomatisiertes (autonomes) Fahren.
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Diese Automatisierungsgrade wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) definiert (siehe BASt-Publikation „Forschung kompakt“, Ausgabe 11/2012). Beim assistierten Fahren führt der Fahrer dauerhaft die Längs- oder Querführung aus, während das System die jeweils andere Funktion in gewissen Grenzen übernimmt. Beim teilautomatisierten Fahren (TAF) übernimmt das System die Längs- und Querführung für einen gewissen Zeitraum und/oder in spezifischen Situationen, wobei der Fahrer das System wie beim assistierten Fahren dauerhaft überwachen muss. Beim hochautomatisierten Fahren (HAF) übernimmt das System die Längs- und Querführung für einen gewissen Zeitraum, ohne dass der Fahrer das System dauerhaft überwachen muss; der Fahrer muss aber in einer gewissen Zeit in der Lage sein, die Fahrzeugführung zu übernehmen. Beim vollautomatisierten Fahren (VAF) kann das System für einen spezifischen Anwendungsfall das Fahren in allen Situationen automatisch bewältigen; für diesen Anwendungsfall ist kein Fahrer mehr erforderlich.
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Die vorstehend genannten vier Automatisierungsgrade entsprechen den SAE-Level 1 bis 4 der Norm SAE J3016 (SAE - Society of Automotive Engineering). Beispielsweise entspricht das hochautomatisierte Fahren (HAF) Level 3 der Norm SAE J3016. Ferner ist in der SAE J3016 noch der SAE-Level 5 als höchster Automatisierungsgrad vorgesehen, der in der Definition der BASt nicht enthalten ist. Der SAE-Level 5 entspricht einem fahrerlosen Fahren, bei dem das System während der ganzen Fahrt alle Situationen wie ein menschlicher Fahrer automatisch bewältigen kann; ein Fahrer ist generell nicht mehr erforderlich.
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2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen einer Position eines Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Das Verfahren 200 umfasst im Block 201 ein Messen eines Magnetfelds in einem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs, und im Block 220 ein Bestimmen einer Position des Kraftfahrzeugs basierend auf dem gemessenen Magnetfeld. Das Verfahren 200 kann durch das unter Bezugnahme auf die 1 erläuterte System implementiert werden.
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3 zeigt die Detektion von Induktionsschleifen 310 durch den Magnetfeldsensor des Kraftfahrzeugs 100.
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In einigen Ausführungsformen ist der wenigstens eine Sensor des Kraftfahrzeugs 100 eingerichtet, um Induktionsschleifen 310 einer Fahrbahn zu erfassen. Induktionsschleifen 310 können zum Beispiel vor Ampeln 320, Schranken etc. im Boden eingebettet sein, um eine Anwesenheit des Kraftfahrzeugs 100 zu detektieren.
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Zum Beispiel kann die Induktionsschleife 310 von einem konstanten Gleichstrom durchflossen werden, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird. Tritt ein (ferro)magnetischer Körper in das Magnetfeld, ändert sich dieses, wodurch sich die Spulenspannung ändert und die Anwesenheit des Kraftfahrzeugs 100 detektiert werden kann. Das von der Induktionsschleife 310 erzeugte Magnetfeld kann zudem vom wenigstens einen Sensor des Kraftfahrzeugs 100 zur Verortung des Kraftfahrzeugs 100 detektiert werden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf Induktionsschleifen 310, die von einem konstanten Gleichstrom durchflossen werden, begrenzt. Zum Beispiel können andere geeignete magnetische Rückkopplungen zwischen Magnetsensor und Induktionsschleife verwendet werden, um die Verortung des Kraftfahrzeugs 100 durchzuführen.
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In weiteren Ausführungsformen ist der wenigstens eine Sensor eingerichtet, um ein Magnetfeld wenigstens einer elektronischen Komponente im Umgebungsbereich des Fahrzeugs zu erfassen, wie zum Beispiel einer Transformatorstation, einer Beleuchtungsvorrichtung, einer Anzeigevorrichtung, einer Kommunikationsvorrichtung, einer Energiestation und/oder einer dedizierten Magnetfeldquelle zur Positionsermittlung. Die Beleuchtungsvorrichtung kann zum Beispiel eine Straßenbeleuchtung, und insbesondere eine Straßenlaterne sein. Die Anzeigevorrichtung kann zum Beispiel eine Ampel oder ein elektronisches Verkehrsschild sein. Die Kommunikationsvorrichtung kann zum Beispiel ein Mobilfunkmast oder ein Verteilerkasten für Telefon und Internet sein. Die Energiestation kann zum Beispiel ein Stromverteilerkasten sein. Die dedizierte Magnetfeldquelle zur Positionsermittlung kann eine eigens für den Zweck der Erfassung durch das Kraftfahrzeug bereitgestellte Magnetfeldquelle sein.
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Ergänzend oder alternativ kann der wenigstens eine Sensor eingerichtet sein, um ein Erdmagnetfeld zu erfassen. Die Recheneinheit kann zum Beispiel eingerichtet sein, um basierend auf einem lokalen Erdmagnetfeld und/oder einer Änderung des Erdmagnetfelds Rückschlüsse auf eine Position des Kraftfahrzeugs zu ziehen.
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Erfindungsgemäß vermisst das Kraftfahrzeug lokale Magnetfelder, wie zum Beispiel statische Magnetfelder und/oder Magnetfeldänderungen. Die Magnetfelder können individuell bzw. charakteristisch für eine bestimmte Umgebung sein, in der sich das Kraftfahrzeug befindet.
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Basierend auf den individuellen bzw. charakteristischen Magnetfeldern der Fahrzeugumgebung kann das Kraftfahrzeug zum Beispiel durch einen Abgleich mit Kartendaten eines Navigationssystems, in denen die Magnetfeldcharakteristika hinterlegt sind, einen Rückschluss auf seine Position ziehen. Damit kann die Verortung des Kraftfahrzeugs im freien Straßenverkehr mittles des Magnetfeldsensors erfolgen, der eine einfache Struktur aufweist und Kosten reduziert. Zudem kann eine Redundanz beispielsweise zur bestehenden Umgebungssensorik geschaffen werden.
