DE102018132590A1

DE102018132590A1 - Determination of an attitude of a vehicle based on sky polarization by acelestial light source

Info

Publication number: DE102018132590A1
Application number: DE102018132590.8A
Authority: DE
Inventors: Emmanuel Doucet
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs (10) auf Basis einer Himmelspolarisation durch eine Himmelslichtquelle, das die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen einer geographischen Position des Fahrzeugs (10), Bestimmen einer Ortszeit, die der geographischen Position des Fahrzeugs (10) entspricht, Bestimmen einer Bezugsposition der Himmelslichtquelle auf Basis der geographischen Position des Fahrzeugs (10) in Verbindung mit der Ortszeit, Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays (28) von Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, über einem Bereich des Himmels an der Position des Fahrzeugs (10), wobei die Polarisationsinformationen mit einer bekannten Ausrichtung in Bezug auf das Fahrzeug (10) versehen werden, Bestimmen einer Position (34) der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug (10) auf Basis der Polarisationsinformationen von Licht, das aus der Himmelslichtquelle empfangenen wird, und Bestimmen der Lage des Fahrzeugs (10) auf Basis eines Vergleichs der bestimmten Position (34) der Himmelslichtquelle mit der Bezugsposition (34) der Himmelslichtquelle und der Ausrichtung der Polarisationsinformationen in Bezug auf das Fahrzeug (10). Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Fahrunterstützungssystem zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs im Raum auf Basis einer Himmelspolarisation durch eine Himmelslichtquelle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs auf Basis einer Himmelspolarisation durch eine Himmelslichtquelle.
Auch betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrunterstützungssystem zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs auf Basis einer Himmelspolarisation durch eine Himmelslichtquelle.
Gängige Lösungen für eine Schätzung einer Winkelausrichtung eines Fahrzeugs, die auch als Lage bezeichnet wird, in einem gegebenen Bezugsrahmen basieren auf der Verwendung von Gyroskopen, Magnetometern oder einer Kombination von beiden.
Im Falle von Gyroskopen ist es nur möglich, eine Lage in Bezug auf eine Ausgangslage zu schätzen, so dass eine erste Bestimmung der Lage für die Bestimmung der Lage während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs oder des Fahrunterstützungssystems von entscheidender Bedeutung ist. Ferner basiert die Schätzung der Lage sehr häufig auf einer Zeitintegration von Winkelgeschwindigkeiten, die vom Gyroskop gemessen werden, was im Lauf der Zeit zu einer Abweichung des Schätzfehlers führt.
Im Falle von Magnetometern ist es möglich, die Lage des Fahrzeugs in Bezug auf das Erdmagnetfeld zu schätzen. Jedoch kann das Erdmagnetfeld durch magnetische oder ferromagnetische Objekte in der Nähe, wie etwa andere Fahrzeuge, gestört werden. Somit kann das lokale Magnetfeld, das vom Magnetometer gemessen wird, vom ungestörten Erdmagnetfeld verschieden sein, was zu einer fehlerhaften Schätzung der Lage führt.
Um diese Mängel zu überwinden, gibt das Dokument US 2011/0018990 A1 eine Polarisationskamera an, die Polarisationsbilder und ein Farbbild zur gleichen Zeit aufnehmen kann. Genauer wird ein Polarisationsbild eines wolkenlosen Himmels, das Informationen über die Polarisation eines Teils des Himmels liefert, von einem Abschnitt zum Aufnehmen von Polarisationsbildern eines wolkenlosen Himmels aufgenommen. Und unter Bezugnahme auf die Informationen, die von einem Sonnenstandbestimmungsabschnitt geliefert werden, der den Sonnenstand während des Fotografierens bestimmt, schätzt ein Kamerarichtungsschätzabschnitt, in welcher Richtung und in welchem Bereich des gesamten Himmels das Polarisationsbild des wolkenlosen Himmels als Polarisationsmuster liegt. Schließlich werden Informationen darüber ausgegeben, in welche Richtung oder Ausrichtung auf dem Globus die Kamera momentan weist. Auf diese Weise können die Richtung der Kamera und die relative Position der Kamera in Bezug auf die Sonne in Erfahrung gebracht werden, ohne einen separaten Sensor bereitstellen zu müssen und ohne den ganzen Himmel oder die Sonne aufnehmen zu müssen.
Eine Himmelspolarisation wird auch im Dokument US 2014/0022539 A1 verwendet, das ein Verfahren zum Bestimmen einer absoluten Ausrichtung einer Plattform betrifft. Ein erster Himmelspolarisationsdatensatz für eine erste Zeit Ti wird unter Verwendung eines Himmelspolarisationssensors, der auf einer Plattform angeordnet ist, gemessen. Ein zweiter Himmelspolarisationsdatensatz wird zu einer zweiten Zeit Tj erhalten. Ein Unterschied in der Ausrichtung zwischen dem ersten Himmelspolarisationsdatensatz und dem zweiten Himmelspolarisationsdatensatz wird unter Verwendung einer Ausrichtungsbestimmungseinrichtung bestimmt. Der Unterschied in der Ausrichtung wird als mindestens ein Ausrichtungsparameter für die Plattform zur Zeit Tj bereitgestellt. Der mindestens eine Ausrichtungsparameter wird verwendet, um eine Richtung in Bezug auf einen Bezugspunkt auf der Plattform bereitzustellen.
Gemäß WO 2013/103725 A1 weist ein kodiertes Lokalisierungssystem mehrere optische Kanäle auf, die so angeordnet sind, dass sie gemeinsam mindestens ein Objekt auf mehreren Detektoren abbilden. Jeder von den Kanälen weist einen Lokalisierungscode auf, der von jedem anderen Lokalisierungscode in anderen Kanälen verschieden ist, um elektromagnetische Energie zu modifizieren, die durch ihn hindurchgeht. Von den Detektoren ausgegebene digitale Bilder sind verarbeitbar, um eine Sub-Pixel-Lokalisierung des Objekts auf den Detektoren zu bestimmen, so dass ein Ort des Objekts genauer bestimmt werden kann als durch eine Detektorgeometrie allein. Ein anderes kodiertes Lokalisierungssystem weist mehrere optische Kanäle auf, die so angeordnet sind, dass sie gemeinsam polarisierte Daten auf mehrere Pixel abbilden. Jeder von den Kanälen weist einen Polarisationscode auf, der von jedem anderen Polarisationscode in anderen Kanälen verschieden ist, um elektromagnetische Energie, die durch ihn hindurchgeht, eindeutig zu polarisieren. Digitale Daten, die von den Detektoren ausgegeben werden, können verarbeitet werden, um ein Polarisationsmuster für einen Anwender des Systems zu bestimmen.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahrens zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs auf Basis einer Himmelspolarisation und ein Fahrunterstützungssystem zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs auf Basis einer Himmelspolarisation der oben genannten Art anzugeben, die eine zuverlässige und effiziente Bestimmung der Lage des Fahrzeugs auf Basis von Himmelspolarisation ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs auf Basis einer Himmelspolarisation durch eine Himmelslichtquelle angegeben, das die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen einer geographischen Position des Fahrzeugs, Bestimmen einer Ortszeit, die der geographischen Position des Fahrzeugs entspricht, Bestimmen einer Bezugsposition der Himmelslichtquelle auf Basis der geographischen Position des Fahrzeugs in Verbindung mit der Ortszeit, Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, über einen Bereich des Himmels an der Position des Fahrzeugs, wobei die Polarisationsinformationen mit einer bekannten Ausrichtung in Bezug auf das Fahrzeug versehen werden, Bestimmen einer Position der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug auf Basis der Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, und Bestimmen der Lage des Fahrzeugs auf Basis eines Vergleichs der bestimmten Position der Himmelslichtquelle mit der Bezugsposition der Himmelslichtquelle und der Ausrichtung der Polarisationsinformationen in Bezug auf das Fahrzeug.
Weiter ist erfindungsgemäß ein Fahrunterstützungssystem zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs auf Basis einer Himmelspolarisation durch eine Himmelslichtquelle angegeben, das umfasst: eine Lokalisierungseinrichtung zum Bestimmen einer geographischen Position des Fahrzeugs, eine Ortszeitermittlungseinrichtung zum Bestimmen einer Ortszeit, die der geographischen Position des Fahrzeugs entspricht, eine Bezugspositionsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Bezugsposition der Himmelslichtquelle auf Basis der geographischen Position des Fahrzeugs in Verbindung mit der Ortszeit, eine Sensoreinrichtung zum Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, über einen Bereich des Himmels an der Position des Fahrzeugs, wobei die Sensoreinrichtung mit einer bekannten Ausrichtung in Bezug auf das Fahrzeug versehen wird, und eine Verarbeitungseinrichtung zum Bestimmen einer Position der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug auf Basis der Polarisationsinformationen des von der Himmelslichtquelle her empfangenen Lichts, wobei die Verarbeitungseinrichtung ferner dafür ausgelegt ist, die Lage des Fahrzeugs auf Basis eines Vergleichs der bestimmten Position der Himmelslichtquelle mit der Bezugsposition der Himmelslichtquelle und der Ausrichtung der Polarisationsinformationen in Bezug auf das Fahrzeug zu bestimmen.
Das Vorhandensein von Teilchen in der oberen Atmosphäre und ihre Wechselwirkungen mit dem Licht, das von Lichtquellen, die sich außerhalb der Atmosphäre befinden, emittiert oder reflektiert wird, sind für verschiedene Phänomene verantwortlich, von denen die augenfälligste die markante blaue Farbe des Himmels ist, vorausgesetzt, das Wetter ist klar. Licht, das durch die Atmosphäre gelangt, unterliegt einer Polarisation, d.h. das Licht wird von der Atmosphäre gestreut. Dies lässt charakteristische Polarisationsmuster mit einer bestimmten Polarisationsausrichtung und Polarisationsintensität der Lichtpolarisation entstehen. Diese Muster sind räumlich mit der Position der Himmelslichtquelle korreliert. Wenn die Lichtquelle in Bezug auf den Betrachter gedreht wird, werden somit die Polarisationsmuster im Einklang mit dieser Drehung gedreht. Die Polarisation kann auch ohne direkte Sichtbarkeit der Himmelslichtquelle beobachtet werden. Somit ist ein Betrachter in der Lage, nur durch Beobachten der Polarisationsmuster die Position der Himmelslichtquelle zu erkennen, was für Orientierungszwecke genutzt werden kann. Diese Informationen können verwendet werden, um die Lage des Fahrzeugs oder allgemein des Beobachters in Bezug auf einen Erdbezugsrahmen zu bestimmen, vorausgesetzt, dass der Beobachter Kenntnisse hinsichtlich der Bezugsposition der Himmelslichtquelle, d.h. der „wirklichen“ Position der Himmelslichtquelle, in Bezug auf seine Position hat. Das Verfahren ermöglicht eine Schätzung einer absoluten Lage, die z.B. robust ist gegenüber variierenden Wetterbedingungen und unabhängig ist von einer Sichtbarkeit der Himmelslichtquelle. Ferner kann es in Situationen angewendet werden, wo nur Teile des Himmels sichtbar sind. Es ist nicht einmal nötig, dass das 2-dimensionale Array von Polarisationsinformationen von Licht, das von einer Himmelslichtquelle her empfangen wird, den gesamten Himmel abdeckt. Es muss nur ein Teil des Himmels abgedeckt sein.
Die Lage des Fahrzeugs bezeichnet eine Winkelausrichtung des Fahrzeugs. Die Lage umfasst insbesondere eine Winkelausrichtung auf einer Bodenoberfläche, die auch als Azimut bezeichnet wird. Jedoch kann auch eine Neigung oder Elevation in Bezug auf die Bodenoberfläche bestimmt werden. Die Bodenoberfläche wird als ideale Fläche der Erde als kugelförmiger Körper betrachtet, d.h. als lokal flache Fläche, lokal flache Erdebene (LFEP).
Die geografische Position des Fahrzeugs bezeichnet eine Position des Fahrzeugs auf der Erde, angegeben in Polarkoordinaten oder auf andere Weise. Es ist nur eine grobe Schätzung der Position erforderlich. Die geografische Position des Fahrzeugs kann z.B. unter Verwendung von Satelliten-Positionsschätzsystemen wie etwa GPS, Galileo, Glonass oder anderen erhalten werden.
Die Ortszeit, die der geographischen Position des Fahrzeugs entspricht, bezeichnet eine Zeit an dem Ort, wo sich das Fahrzeug befindet. Die Ortszeit kann eine Zeit sein, die von Zeitzonen abhängt, die willkürlich oder als „natürliche“ Ortszeit in Abhängigkeit von einer Position der Sonne definiert werden können. Die Ortszeit liefert einen zusätzlichen Bezug hinsichtlich der Bezugsposition der Himmelslichtquelle.
Die Himmelslichtquelle kann z.B. die Sonne oder der Mond sein. Somit kann das Verfahren auch nachts durchgeführt werden. Insbesondere in ländlichen Gegenden, wo Polarisationseigenschaften des Nachthimmels nicht zu sehr beeinflusst werden, z.B. durch städtische Lichtverschmutzung, kann die Position des Mondes als Himmelslichtquelle zuverlässig als bestimmte Position der Himmelslichtquelle erfasst werden. Theoretisch können auch Sterne als Himmelslichtquellen betrachtet werden. Aufgrund ihrer relativ geringen Helligkeit ist ihre Verwendung als Himmelslichtquellen jedoch schwierig, selbst im Falle eines Neumonds.
Die Bezugsposition der Himmelslichtquelle liefert eine Basis für einen Vergleich mit der Position der Himmelslichtquelle, die später auf Basis der Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, bestimmt wird. Die Bezugsposition hängt von der geographischen Position des Fahrzeugs in Verbindung mit der Ortszeit ab. Die Ortszeit kann eine Tageszeitinformation beinhalten. Außerdem kann die Ortszeit kalendarische Informationen beinhalten, die hilfreich sein können, z.B. im Falle des Mondes als Himmelslichtquelle und/oder um Winkelvariationen der Sonne in Bezug auf die Erde, z.B. zwischen Winter und Sommer, zu berücksichtigen.
Das 2-dimensionale Array von Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, bezeichnet Polarisationsinformationen, die mit einem Array-artigen optischen Sensor zur Ermittlung der Polarisationsinformationen gewonnen werden. Einzelheiten in Bezug auf Ausführungsformen der Sensoreinrichtung zur Ermittlung dieser Polarisationsinformationen werden weiter unten angegeben.
Die Polarisationsinformationen werden unter Verwendung der Sensoreinrichtung ermittelt, die am Fahrzeug montiert ist. Somit wird die Ausrichtung des 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen auf Basis der Montage der Sensoreinrichtung am Fahrzeug in Bezug auf das Fahrzeug definiert.
Auf Basis des 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, wird die Position der Himmelslichtquelle bestimmt. Die Bestimmung basiert auf einer Analyse einer Struktur des Polarisationszustands des Lichts, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird.
Auf Basis der so bestimmten Position der Himmelslichtquelle im Vergleich zur Bezugsposition der Himmelslichtquelle kann die Lage des Fahrzeugs angesichts der bekannten Ausrichtung der Polarisationsinformationen in Bezug auf das Fahrzeug bestimmt werden.
In einer modifizierten Ausführungsform kann in einem Fall, wo die Himmelslichtquelle direkt beobachtet werden kann, d.h. die Himmelslichtquelle nicht durch Wolken verdeckt ist, ihre Position direkt bestimmt werden, z.B. mittels Ellipsen-Fitting-Verfahren, die eine Sub-Pixel-Genauigkeit liefern können. In diesem Fall müssen die Polarisationsinformationen nicht ermittelt und evaluiert werden, um die Position der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug zu bestimmen.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen von Licht, das von einer Himmelslichtquelle her empfangen wird, das Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen von ultraviolettem Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird. Ultraviolettes Licht, das typischerweise Teil eines Lichtspektrums ist, das von der Sonne emittiert wird, hat sich als sehr gut geeignet für die Bestimmung der Polarisationsinformationen und somit für die Bestimmung der Lage des Fahrzeugs erwiesen. Somit ist die Verwendung von ultraviolettem Licht bevorzugt.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen von Licht, das von einer Himmelslichtquelle her empfangen wird, das Ermitteln des 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen in einem weiten Winkel, insbesondere unter Verwendung einer fischaugenartigen optischen Vorrichtung. Je besser die Abdeckung des Himmels ist, desto mehr Polarisationsinformationen können gewonnen werden und desto besser kann die Position der Himmelslichtquelle bestimmt werden. Im Allgemeinen ist das Ergebnis der Bestimmung der Lage des Fahrzeugs umso besser, je mehr Informationen in Bezug auf die Polarisation erhalten werden.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bestimmen einer Position der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug das Bestimmen der Position der Himmelslichtquelle unter Verwendung vorgegebener Informationen, z.B. eines Almanachs oder einer Tabelle.
Die vorgegebenen Informationen können auf Basis einer bekannten Bewegung der Sonne und/oder des Mondes in Bezug auf die Erde bereitgestellt werden. Insbesondere werden die Informationen in Bezug auf die geografischen Informationen und die Zeit bereitgestellt.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bestimmen einer Position der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug das Bestimmen der Position der Himmelslichtquelle anhand eines analytischen Ansatzes. Der analytische Ansatz kann verwendet werden, um die Position der Sonne ebenso wie die des Mondes als Himmelslichtquelle zu bestimmen. Theoretisch können auch andere Himmelslichtquellen statt der Sonne oder der Mondes verwendet werden. Jedoch haben diese weiteren Himmelslichtquellen eine geringe Helligkeit, so dass sie nur schwer als Himmelslichtquellen verwendet werden können.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bestimmen einer Position der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug die Anwendung eines Rayleigh-Einzelstreuungsmodells. Das Rayleigh-Einzelstreuungsmodell ist das einfachste existierende Modell, das Himmelslichtpolarisationsmuster beschreibt. Dieses Modell gibt an, dass für jeden gegebenen Beobachtungspunkt n_o für den Polarisationszustand des Lichts, das von n_o emittiert wird, (bis auf einen konstanten Faktor) gilt: p = n_o Λ n_s. Eine Singularitätstrennung kann bei Betrachtung des resultierenden Polarisationsfelds als die Überlagerung von zwei Einzelstreuungspolarisationsfeldern, die auf jedem Neutralpunkt zentriert sind, ziemlich gut approximiert werden. Das Einzelstreuungsmodell kann auf verschiedene Weise angewendet werden, wie nachstehend näher erörtert wird.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bestimmen einer Position der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug das Bestimmen der Position der Himmelslichtquelle anhand eines Merkmalserfassungsverfahrens. Das Merkmalserfassungsverfahren kann beispielsweise das Anwenden einer erforderlichen Transformation auf den lokal bestimmten Polarisationswinkel umfassen, so dass die Polarisationswerte im Bereich von [0°, 360°] liegen. Eine Transformation wird angewendet, um ein normalisiertes Bild innerhalb des Bereichs von (45 - 145 - mod(a, 90)|)^k zu erhalten. Je höher der Wert von k ist, desto größer ist der Kontrast im transformierten 2-dimensionalen Array von Polarisationsinformationen. Wenn ein Paar aus den zwei am höchsten gewichteten senkrechten Linien im transformierten 2-dimensionalen Array von Polarisationsinformationen identifiziert wird, kann die Himmelslichtquelle durch Identifizieren einer Kreuzung der zwei Linien bestimmt werden. Es sind jedoch auch andere Implementierungen der Merkmalserfassungsmethode möglich.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bestimmen einer Position der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug das Bestimmen der Position der Himmelslichtquelle anhand eines Monte-Carlo-Ansatzes. Der Monte-Carlo-Ansatz bezeichnet im Allgemeinen eine Klasse von Rechenalgorithmen, die auf einer wiederholten Stichprobennahme basieren, um numerische Ergebnisse zu erhalten. Eine Idee des Monte-Carlo-Ansatzes ist die Verwendung der Zufälligkeit, um Probleme zu lösen, die grundsätzlich deterministisch sein könnten. Der Monte-Carlo-Ansatz kann universell bei verschiedenen physikalischen und mathematischen Problemen verwendet werden. Zum Beispiel ist der Monte-Carlo-Ansatz nützlich für die Simulierung von Systemen mit vielen gekoppelten Freiheitsgraden, wie etwa Fluiden oder zelluläre Strukturen. Im Prinzip kann der Monte-Carlo-Ansatz verwendet werden, um jedes Problem zu lösen, das eine Wahrscheinlichkeitsinterpretation beinhaltet. Gemäß dem Gesetz der großen Zahlen können Integrale, die vom erwarteten Wert irgendeiner Zufallsvariablen beschrieben werden, dadurch approximiert werden, dass der empirische Mittelwert unabhängiger Proben der Variablen gebildet wird. Wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Variablen parametrisiert wird, kann z.B. ein Markov-Chain-Monte-Carlo-Sampler verwendet werden. In diesem Fall muss ein sinnvolles Markov-Chain-Modell mit einer vorgeschriebenen stationären Wahrscheinlichkeitsverteilung entworfen werden. Das Ziel ist die Erzeugung von Ziehungen aus einer Folge von Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die eine nichtlineare Entwicklungsgleichung aufgehen lassen. Diese Ströme von Wahrscheinlichkeitsverteilungen können als die Verteilungen von Zufallszuständen eines Markov-Prozesses interpretiert werden, deren Übergangswahrscheinlichkeiten von den Verteilungen der aktuellen Zufallszustände abhängen.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Bestimmung der Position der Himmelslichtquelle unter Verwendung eines Monte-Carlo-Ansatzes die Bestimmung eines Polarisationswinkels, der an jedem Informationselement des 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen erfasst wird, das Rekonstruieren des lokalen E-Vektors an jedem Informationselement, das Rückprojizieren des lokalen E-Vektors auf ein lokales Himmelsgewölbe und das Berechnen einer Schnittstelle zweier Ebenen, die senkrecht zu den E-Vektoren und dem Himmelsgewölbe sind. Die Schnittstelle bezeichnet die Position der Himmelslichtquelle.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Bestimmung der Position der Himmelslichtquelle unter Verwendung des Monte-Carlo-Ansatzes das Anwenden einer statistischen Behandlung auf den so erhaltenen Satz potenzieller Positionen, um die Position der Himmelslichtquelle unter Verwendung eines Linsenmodells zu bestimmen. Das Linsenmodell bezeichnet eine Transformation des 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen von Licht, das von einer Himmelslichtquelle her empfangen wird, in eine Halbkugel, wobei das Fahrzeug im Zentrum der Halbkugel angeordnet ist. Die Halbkugel wird auch als Himmelskugel bezeichnet. Die Himmelskugel weist einen Radius von 1 auf und hat ihr Zentrum bei 0, was dem Ort des Fahrzeugs entspricht. Gemäß dem Maßstab des Beobachters wird die Erde als lokal flach betrachtet, und die Himmelskugel ist daher auf ihre Hälfte oberhalb der lokal flachen Erdebene (LFEP) beschränkt.
Auf Basis des Monte-Carlo-Ansatzes wird eine statistische Behandlung angewendet, um die Schnittstelle der beiden Ebenen, die senkrecht zu zwei Polarisationsvektoren der Halbkugel sind, als Position der Himmelslichtquelle zu berechnen. Die Gesamtheit dieser Schnittstellen beschreibt einen Winkelbogen, der Polarisationsanomalien oberhalb und unterhalb der Himmelslichtquelle verbindet. Die Position der Himmelslichtquelle ist die Mitte zwischen den äußersten Enden des Bogens entlang dieses Bogens. In diesem Modell zeigen die Polarisationsmuster eine an der Himmelslichtquelle liegende und eine an der Anti-Himmelslichtquelle liegende Singularität. In der Realität gibt es zwei Singularitäten, die „oberhalb“ und „unterhalb“ der Himmelslichtquelle entlang des Meridians der Himmelslichtquelle angeordnet sind und die als der Brewster- und der Babinet-Neutralpunkt bezeichnet werden. Für die Anti-Himmelslichtquelle werden die beiden Singularitäten als der Arago- und der zweite Brewster-Neutralpunkt bezeichnet.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ermittlung eines 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen die Ermittlung des 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen nivelliert in Bezug auf den Boden, und das Bestimmen der Lage des Fahrzeugs umfasst die Bestimmung eines Gierens des Fahrzeugs. Somit kann die Sensoreinrichtung z.B. auf einer sich selbst nivellierenden Plattform montiert werden. Aufgrund der Selbstnivellierung der Sensoreinrichtung ist das Rollen und Nicken der Sensoreinrichtung gleich null. Demgemäß werden die polarimetrischen Informationen, die von der Sensoreinrichtung erhalten werden, nur verwendet, um ein Gieren, d.h. einen Kurs oder den Azimut des Fahrzeugs zu schätzen. Dies erleichtert die Bestimmung der Position der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug auf Basis der Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird.
Andere Arten von Sensoreinrichtungen, die in der Lage sind, Lichtinformationen, z.B. einen Polarisationszustand oder eine Polarisationsintensität zu ermitteln, können verwendet werden, um den Bereich des Himmels abzudecken. Die Sensoreinrichtung kann jeden geeigneten Wellenlängenbereich abdecken. Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Sensoreinrichtung einen einzelnen Bildsensor zusammen mit einem Array von Polarimetern, die vor Photosites des Bildsensors angeordnet sind. Das Array von Polarimetern für alle Photosites wird auch als Polarisationsfilter bezeichnet. Alternativ dazu kann die Sensoreinrichtung zwei Bilderzeugungssensoren umfassen, einen polarimetrischen Sensor, der einen Bildsensor zusammen mit einem Polarisationsfilter umfasst, und einen herkömmlichen Bildsensor, d.h. den Bildsensor ohne Polarisationsfilter. Diese alternative Ausführungsform hat den Vorteil, dass der herkömmliche Sensor verwendet werden kann, um die Himmelslichtquelle im Falle einer direkten Sichtlinie präzise zu erfassen. Somit kann die Position der Himmelslichtquelle in diesem Fall direkt bestimmt werden. Noch weiter bevorzugt kann der herkömmliche Bildsensor ein adaptives Verstärkungsschema aufweisen, um sicherzustellen, dass Umrisse der Himmelslichtquelle klar sind und keinem Flackern unterworfen sind.
Außerdem kann die Sensoreinrichtung mehrere von den oben genannten Bildsensoren und Polarisationsfiltern aufweisen, d.h. mehrere Bildsensoren und Polarisationsfilter können in verschiedenen Ausrichtungen bereitgestellt werden, um einen größeren Bereich des Himmels abzudecken. Zum Beispiel kann die Sensoreinrichtung auf Basis eines lichtempfindlichen CCD-Sensors implementiert werden, wobei ein Array von vier Polarimetern in unterschiedlichen Ausrichtungen vor jedem Cluster aus vier Photosites platziert wird. Eine solche Sensoreinrichtung ermöglicht eine exakte Bestimmung des Polarisationswinkels und der Polarisationsintensität jedes Pixels. Ferner kann die Sensoreinrichtung mit oder ohne einen Strahlteiler bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann die Sensoreinrichtung mit einem Wellenlängenfilter ausgestattet werden, d.h. um Wellenlängen von sichtbarem oder nicht-sichtbarem Licht zu entfernen. Gute Ergebnisse beim Ermitteln von Polarisationsinformationen sind bisher durch das Arbeiten im UV-Bereich des Lichts erzielt worden.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Fahrunterstützungssystem eine Hilfsquelle für Daten, um Ausrichtungsinformationen bereitzustellen, beispielsweise ein Gravimeter oder ein Akzelerometer, um eine vertikale Achse zu bestimmen, die von einem lokalen Schwerefeld gegeben wird.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
Es zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Fahrunterstützungssystem zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs auf Basis einer Himmelspolarisation durch eine Himmelslichtquelle gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform,
2 eine schematische Ansicht einer Transformation eines 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, in ein Himmelsgewölbe gemäß der ersten Ausführungsform,
3 das Himmelsgewölbe als Halbkugel, in deren Zentrum sich das Fahrzeug befindet und die einen Radius 1 hat und bei 0 zentriert ist, mit ihrem Zenit, dem Ort der Himmelslichtquelle, Polarisationsanomalien 48, 50 ober- und unterhalb der Himmelslichtquelle und einem Informationselement, das auf dem Himmelsgewölbe positioniert ist, gemäß der ersten Ausführungsform,
4 eine resultierende Struktur des Polarisationsfelds unter dem Rayleigh-Einzelstreuungsmodell mit mehreren Polarisationsvektoren, die am Himmelsgewölbe 30 angeordnet sind, das einen Radius 1 aufweist, gemäß der ersten Ausführungsform,
5 Simulationen des Polarisationswinkels von Licht, das vom Himmel abgestrahlt wird, wahrgenommen durch ein 180°-Fischauge, als theoretische Ergebnisse und mit simulierter Wolkenbedeckung gemäß der ersten Ausführungsform, und gibt a) eine Struktur des Polarisationszustands des Lichtes, wenn es auf die Sensoreinrichtung trifft, einen Polarisationswinkel auf der Ebene der Sensoreinrichtung, mit Werten im Bereich [0°, 360°], und c) das Ergebnis der Transformation an, und
6 ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs auf Basis einer Himmelspolarisation, das mit dem Fahrzeug und dem Fahrunterstützungssystem von 1 gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.

1 zeigt ein Fahrzeug 10 mit einem Fahrunterstützungssystem 12 gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform. Das Fahrunterstützungssystem 12 ist für eine Bestimmung einer Lage des Fahrzeugs 10 auf Basis einer Himmelspolarisation durch eine Himmelslichtquelle vorgesehen.
Die Lage des Fahrzeugs 10 bezeichnet eine Winkelausrichtung des Fahrzeugs 10. Die Lage umfasst insbesondere eine Winkelausrichtung auf einer Bodenoberfläche, die auch als Azimut bezeichnet wird. Jedoch kann auch eine Neigung oder Elevation in Bezug auf die Bodenoberfläche bestimmt werden. Die Bodenoberfläche wird als ideale Fläche der Erde als kugelförmiger Körper betrachtet, d.h. als lokal flache Fläche, lokal flache Erdebene (LFEP). Die Himmelslichtquelle kann z.B. die Sonne oder der Mond sein.
Das Fahrunterstützungssystem 12 umfasst eine Lokalisierungseinrichtung 14 zum Bestimmen einer geografischen Position des Fahrzeugs 10. Die Lokalisierungseinrichtung 14 gemäß der ersten Ausführungsform ist als Empfänger zum Empfangen von Informationen aus einem Satelliten-Positionsbestimmungssystem wie etwa GPS, Galileo, Glonass oder anderen bereitgestellt.
Das Fahrunterstützungssystem 12 umfasst ferner eine Ortszeitermittlungseinrichtung 16 zum Bestimmen einer Ortszeit, die der geografischen Position des Fahrzeugs 10 entspricht. Die Ortszeit beinhaltet Tageszeitinformationen in Verbindung mit kalendarischen Informationen. Die Ortszeitermittlungseinrichtung 16 ruft die Ortszeit z.B. von einem fernen Netz oder lokal von einer Uhr des Fahrunterstützungssystems 12 ab.
Das Fahrunterstützungssystem 12 umfasst darüber hinaus eine Bezugspositionsbestimmungseinrichtung 18 zum Bestimmen einer Bezugsposition der Himmelslichtquelle auf Basis der geografischen Position des Fahrzeugs 10 in Verbindung mit der Ortszeit. Somit empfängt die Bezugspositionsbestimmungseinrichtung 18 die geografische Position des Fahrzeugs 10 und die Ortszeit in Verbindung mit den kalendarischen Informationen von der Ortszeitermittlungseinrichtung 16 bzw. der Bezugspositionsbestimmungseinrichtung 18. Die Bezugspositionsbestimmungseinrichtung 18 ist als allgemeine Verarbeitungsvorrichtung vorgesehen, die z.B. eine zentrale Verarbeitungseinheit und einen Speicher aufweist.
Das Fahrunterstützungssystem 12 umfasst auch eine Sensoreinrichtung 20 zum Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, über einem Bereich des Himmels an der Position des Fahrzeugs 10. Die Sensoreinrichtung 20 ist am Fahrzeug 10 mit einer bekannten Ausrichtung montiert. Die Sensoreinrichtung 20 ist in der Lage, Ultraviolettlichtinformationen, z.B. einen Polarisationszustand oder eine Polarisationsintensität, zu ermitteln. Die Sensoreinrichtung 20 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst einen einzelnen Bildsensor zusammen mit einem Array von Polarimetern, die vor Photosites des Bildsensors angeordnet sind. Das Array von Polarimetern für alle Photosites wird auch als Polarisationsfilter bezeichnet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst die Sensoreinrichtung 20 zwei Bildsensoren, einen polarimetrischen Sensor, der einen Bildsensor zusammen mit einem Polarisationsfilter umfasst, und einen herkömmlichen Bildsensor, d.h. den Bildsensor ohne Polarisationsfilter. Der herkömmliche Bildsensor weist ein adaptives Verstärkungsschema auf, um sicherzustellen, dass Umrisse der Himmelslichtquelle klar sind und keinem Flackern unterworfen sind. Die Sensoreinrichtung 20 ist mit einer Weitwinkeloptik, genauer einer fischaugenartigen optischen Vorrichtung versehen.
Das Fahrunterstützungssystem 12 umfasst ferner eine Verarbeitungseinrichtung 22 zum Bestimmen einer Position 34 der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug 10 auf Basis der Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird. Die Verarbeitungseinrichtung 20 ist dafür ausgelegt, die Lage des Fahrzeugs 10 auf Basis eines Vergleichs der so bestimmten Position 34 der Himmelslichtquelle mit der Bezugsposition 34 der Himmelslichtquelle und der Ausrichtung der Polarisationsinformationen in Bezug auf das Fahrzeug 10 zu bestimmen.
Die Verarbeitungseinrichtung 22 ist als allgemeine Verarbeitungsvorrichtung vorgesehen, die z.B. eine zentrale Verarbeitungseinheit und einen Speicher aufweist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind die Bezugspositionsbestimmungseinrichtung 18 und die Verarbeitungseinrichtung 22 einstückig als einzelne Hardware-Vorrichtung vorgesehen, wobei die Funktion der Bezugspositionsbestimmungseinrichtung 18 und der Verarbeitungseinrichtung 22 als Software implementiert ist, die auf dieser einzelnen Hardware-Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Lokalisierungseinrichtung 14, die Ortszeitermittlungseinrichtung 16, die Bezugspositionsbestimmungseinrichtung 18, die Sensoreinrichtung 20 und die Verarbeitungseinrichtung 22 kommunizieren über einen Kommunikationsbus 24. Der Kommunikationsbus 24 kann jeder geeignete Kommunikationsbus sein, z.B. ein CAN oder andere.
6 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Bestimmen einer Lage des Fahrzeugs 10 auf Basis einer Himmelspolarisation, die mit dem Fahrunterstützungssystem 12 des Fahrzeugs 10 der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
Das Verfahren beginnt mit Schritt S100, der eine Bestimmung einer geografischen Position des Fahrzeugs 10 betrifft. Schritt S100 wird unter Verwendung der Lokalisierungseinrichtung 14 durchgeführt wie oben beschrieben.
Der folgende Schritt S110 betrifft eine Bestimmung einer Ortszeit, die der geografischen Position des Fahrzeugs 10 entspricht. Die Ortszeit, die der geographischen Position des Fahrzeugs 10 entspricht, bezeichnet eine Zeit an dem Ort, wo sich das Fahrzeug 10 befindet. Die Ortszeit kann eine Zeit sein, die von Zeitzonen abhängt, die willkürlich oder als „natürliche“ Ortszeit in Abhängigkeit von einer Position der Sonne definiert werden können.
Die Schritte S100 und S110 können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Es ist nur notwendig, dass die geografische Position des Fahrzeugs 10 und die Ortszeit an dieser geografischen Position vor Schritt S120 bekannt sind.
Schritt S120 betrifft das Bestimmen einer Bezugsposition 34 der Himmelslichtquelle auf Basis der geografischen Position des Fahrzeugs 10 in Verbindung mit der Ortszeit.
Schritt S130 betrifft eine Verifizierung, ob die Himmelslichtquelle direkt sichtbar ist. Falls dies zutrifft, d.h. wenn die Himmelslichtquelle nicht von Wolken bedeckt ist, wird ihre Position in Schritt S150 direkt unter Verwendung von Ellipsen-Fitting-Verfahren bestimmt, die eine Sub-Pixel-Genauigkeit liefern können. In diesem Fall geht das Verfahren direkt mit Schritt S150 weiter. Somit wird Schritt S140 in diesem Fall übersprungen.
Schritt S140 betrifft das Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays 28 von Polarisationsinformationen von Licht, das von einer Himmelslichtquelle her empfangen wird, über einem Bereich des Himmels an der Position des Fahrzeugs 10. Das 2-dimensionale Array 28 von Polarisationsinformationen umfasst ein Array aus einzelnen Informationselementen 29. Auf Basis der Montage der Sensoreinrichtung 20 am Fahrzeug 10 mit einer bekannten Ausrichtung werden die Polarisationsinformationen mit einer bekannten Ausrichtung in Bezug auf das Fahrzeug 10 versehen.
Schritt S150 betrifft das Bestimmen einer Position 34 der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug 10 auf Basis der Polarisationsinformationen von empfangenem Licht aus der Himmelslichtquelle. Die Position 34 der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug 10 wird unter Verwendung eines Monte-Carlo-Ansatzes bestimmt. Somit werden Ziehungen aus einer Folge von Wahrscheinlichkeitsverteilungen erzeugt, die eine nichtlineare Entwicklungsgleichung aufgehen lassen.
Die Position 34 der Himmelslichtquelle wird unter Verwendung eines analytischen Ansatzes bestimmt. Dieser umfasst das Anwenden eines Rayleigh-Einzelstreuungsmodells, das Himmelslichtpolarisationsmuster beschreibt. Dieses Modell gibt an, dass für jeden gegebenen Beobachtungspunkt n_o für einen Polarisationszustand des Lichts, das von n_o emittiert wird, (bis auf einen konstanten Faktor) gilt: p = n_o Λ n_s.
Schritt S150 kann in eine Folge von vier Teilschritten unterteilt werden.
Erstens werden Polarisationsinformationen bestimmt, die an jedem Informationselement 29 des 2-dimensionalen Arrays 28 von Polarisationsinformationen erfasst werden.
Zweitens wird ein lokaler E-Vektor an jedem Informationselement 29 rekonstruiert.
Drittens wird der lokale E-Vektor durch Anwenden eines Linsenmodells 26 rückprojiziert, wie z.B. in 2 angegeben ist. Das Linsenmodell 26 bezeichnet eine Transformation des 2-dimensionalen Arrays 28 von Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, in ein Himmelsgewölbe 30, wie in 3 gezeigt. Unter der Annahme, dass das Linsenmodell 26 des optischen Systems, das mit der Sensoreinrichtung 20 verwendet wird, bekannt ist, wird eine 3D-Struktur des Polarisationszustands des Lichts, das an der Sensoreinrichtung 20 ankommt, rekonstruiert. Das Linsenmodell 26 des optischen Systems beschreibt ein Mapping zwischen einem Paar von Pixelkoordinaten (u; v) der Informationselemente 29 und der Richtung des einfallenden Lichtstrahls, der in das optische System eintritt und schließlich an Pixelkoordinaten (u; v) das Informationselement 29 erreicht.
Das Himmelsgewölbe 30 ist eine Halbkugel, in deren Zentrum das Fahrzeug 10 liegt. Das Himmelsgewölbe 30 weist einen Radius von 1 auf und hat ihr Zentrum bei 0, was dem Ort des Fahrzeugs entspricht. Gemäß dem Maßstab des Beobachters wird die Erde als lokal flach betrachtet, und das Himmelsgewölbe 30 ist daher auf seine Hälfte oberhalb der lokal flachen Erdebene (LFEP) beschränkt.
Der oberste Punkt des Himmelsgewölbes 30 gibt einen Zenit 32 an. Die Himmelslichtquelle wird durch einen Einheitsvektor beschrieben, der auf ihre Position am Himmelsgewölbe 30 deutet. Somit wird die Position 34 der Himmelslichtquelle von einem Himmelslichtquellenvektor 36 angegeben, der in 3 auch als n_s bezeichnet wird.
Ebenso wird jedes Informationselement 29 des 2-dimensionalen Arrays 28 von Polarisationsinformationen, das in das Himmelsgewölbe 30 übertragen wird und das der Beobachtung eines Punktes am Himmel entspricht, von einem Einheitsvektor dargestellt. Somit wird eine Position 40 des Informationselements 29 von einem Beobachtungsvektor 42 angegeben, der in 3 auch als n_o bezeichnet wird. Die Polarisation p an jeder Position 40 des Informationselements 38 ist eine Funktion der Position 40 des Informationselements 29 in Bezug auf die Position 34 der Himmelslichtquelle und kann als p = n_o Λ n_s berechnet werden.
Eine Singularitätstrennung kann ziemlich gut bei Betrachtung des Polarisationsfelds als die Überlagerung von zwei Einzelstreuungspolarisationsfeldern, die auf jeder Polarisationsanomalie 48, 50 zentriert sind, approximiert werden. Somit kann die Polarisation p als p = n_o Λ n_Ba + n_o Λ n_Br berechnet werden. 4 zeigt die resultierende Struktur des Polarisationsfelds nach dem Rayleigh-Einzelstreuungsmodell mit mehreren Polarisationsvektoren 44, die am Himmelsgewölbe 30 angeordnet sind. Aufgrund der verwendeten Einheitsvektoren weist das Himmelsgewölbe 30 einen Radius 1 auf, wie oben bereits erörtert wurde.
Viertens wird eine Schnittstelle zweier Ebenen berechnet, die senkrecht sind zu den E-Vektoren und dem Himmelsgewölbe 30. Auf Basis des Monte-Carlo-Ansatzes wird eine statistische Behandlung angewendet, um die Schnittstelle der beiden Ebenen, die senkrecht zu zwei Polarisationsvektoren 44 des Himmelsgewölbes 30 sind, als Position 34 der Himmelslichtquelle zu berechnen. Die Gesamtheit dieser Schnittstellen beschreibt einen Winkelbogen 46, der Polarisationsanomalien 48, 50 oberhalb und unterhalb der Position 34 der Himmelslichtquelle verbindet. Die Polarisationsanomalien 48, 50 bezeichnet den Brewster- und den Babinet-Neutralpunkt. Die Position 34 der Himmelslichtquelle ist die Mitte zwischen den Polarisationsanomalien 48, 50 entlang des Bogens 46.
In diesem Zusammenhang zeigt 5 Simulationen des Polarisationswinkels von Licht, das vom Himmel abgestrahlt wird, wie durch ein 180°-Fischauge wahrgenommen. Die oberen drei Figuren zeigen theoretische Ergebnisse und die unteren simulierte Bewölkungen. Die Figuren a) ganz links zeigen eine Struktur des Polarisationszustands, d.h. E-Feld-Amplitude und Ausrichtung des Lichtes, wenn es auf die Sensoreinrichtung trifft. Die mittleren Figuren b) zeigen den Polarisationswinkel auf dem Niveau der Sensoreinrichtung, mit Werten im Bereich von [0°, 360°]. Die c) ganz rechts zeigen das Ergebnis der Transformation, die für eine Polarisationsmusteranalyse vorgeschlagen wird.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Bestimmen einer Position 34 der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug 10 das Bestimmen der Position 34 der Himmelslichtquelle anhand eines Merkmalserfassungsverfahrens. Das Merkmalserfassungsverfahren kann beispielsweise das Anwenden einer erforderlichen Transformation auf den lokal bestimmten Polarisationswinkel umfassen, so dass die Polarisationswerte im Bereich von [0°, 360°] liegen. Eine Transformation wird angewendet, um ein normalisiertes Bild innerhalb des Bereichs von (45 - 145 - mod(a, 90)|)^k zu erhalten. Je höher der Wert von k ist, desto größer ist der Kontrast im transformierten 2-dimensionalen Array von Polarisationsinformationen. Wenn ein Paar aus den zwei am höchsten gewichteten senkrechten Linien im transformierten 2-dimensionalen Array von Polarisationsinformationen identifiziert wird, kann die Position 34 der Himmelslichtquelle durch Identifizieren einer Kreuzung der zwei Linien bestimmt werden.
Falls die Himmelslichtquelle direkt sichtbar ist, wie in Schritt S130 verifiziert wird, wird die Position der Himmelslichtquelle direkt anhand von Ellipsen-Fitting-Verfahren bestimmt, die eine Sub-Pixel-Genauigkeit liefern können, wie bereits oben unter Bezugnahme auf Schritt S130 erörtert wurde.
Schritt S160 betrifft das Bestimmen der Lage des Fahrzeugs 10 auf Basis eines Vergleichs der so bestimmten Position 34 der Himmelslichtquelle mit der Bezugsposition 34 der Himmelslichtquelle und der Ausrichtung der Polarisationsinformationen in Bezug auf das Fahrzeug 10. Somit kann die Lage auf Basis von Winkeldifferenzen zwischen der Bezugsposition 34 und der bestimmten Position 34 der Himmelslichtquelle bestimmt werden. Ferner wird die Winkelausrichtung der Sensoreinrichtung 20 in Bezug auf das Fahrzeug 10 betrachtet, um eine Winkeldifferenz zwischen ihnen zu identifizieren. Somit stellt das Verfahren eine Schätzung einer absoluten Lage bereit.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen das Ermitteln des 2-dimensionalen Arrays von Polarisationsinformationen nivelliert in Bezug auf den Boden. Demgemäß ist die Sensoreinrichtung 20 in dieser alternativen Ausführungsform auf einer selbstnivellierenden Plattform montiert, so dass ein Rollen und Nicken der Sensoreinrichtung 20 gleich null ist. Somit umfasst das Bestimmen der Lage des Fahrzeugs 10 lediglich das Bestimmen eines Gierens des Fahrzeugs 10.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Fahrunterstützungssystem
14: Lokalisierungseinrichtung
16: Ortszeitermittlungseinrichtung
18: Bezugspositionsbestimmungseinrichtung
20: Sensoreinrichtung
22: Verarbeitungseinrichtung
24: Kommunikationsbus
26: Linsenmodell
28: 2-dimensionales Array von Polarisationsinformationen
29: Informationselement
30: Himmelsgewölbe
32: Zenit
34: Position der Himmelslichtquelle
36: Himmelslichtquellenvektor
40: Position des Informationselements
42: Beobachtungsvektor
44: Polarisationsvektor
46: Winkelbogen
48, 50: Polarisationsanomalie

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

US 2011/0018990 A1 [0006]
US 2014/0022539 A1 [0007]
WO 2013/103725 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs (10) auf Basis einer Himmelspolarisation durch eine Himmelslichtquelle, aufweisend folgende Schritte: Bestimmen einer geografischen Position des Fahrzeugs (10), Bestimmen einer Ortszeit, die der geografischen Position des Fahrzeugs (10) entspricht, Bestimmen einer Bezugsposition der Himmelslichtquelle auf Basis der geografischen Position des Fahrzeugs (10) in Verbindung mit der Ortszeit, Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays (28) von Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, über einen Bereich des Himmels an der Position des Fahrzeugs (10), wobei die Polarisationsinformationen mit einer bekannten Ausrichtung in Bezug auf das Fahrzeug (10) versehen werden, Bestimmen einer Position (34) der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug (10) auf Basis der Polarisationsinformationen von empfangenem Licht aus der Himmelslichtquelle, und Bestimmen der Lage des Fahrzeugs (10) auf Basis eines Vergleichs der bestimmten Position (34) der Himmelslichtquelle mit der Bezugsposition (34) der Himmelslichtquelle und der Ausrichtung der Polarisationsinformationen in Bezug auf das Fahrzeug (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays (28) von Polarisationsinformationen von Licht, das von einer Himmelslichtquelle her empfangen wird, das Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays (28) von Polarisationsinformationen von ultraviolettem Licht, das von einer Himmelslichtquelle her empfangen wird, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays (28) von Polarisationsinformationen von Licht, das von einer Himmelslichtquelle her empfangen wird, das Ermitteln des 2-dimensionalen Arrays (28) von Polarisationsinformationen in einem weiten Winkel, insbesondere unter Verwendung einer fischaugenartigen optischen Vorrichtung, umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen einer Position (34) der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug (10) das Bestimmen der Position (34) der Himmelslichtquelle unter Verwendung vorgegebener Informationen, z.B. eines Almanachs oder einer Tabelle, umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen einer Position (34) der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug (10) das Bestimmen der Position (34) der Himmelslichtquelle anhand eines Merkmalserfassungsverfahrens umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen einer Position (34) der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug (10) das Anwenden eines Rayleigh-Einzelstreuungsmodells umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen einer Position (34) der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug (10) das Bestimmen der Position (34) der Himmelslichtquelle anhand eines Merkmalserfassungsverfahrens umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen einer Position (34) der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug (10) das Bestimmen der Position (34) der Himmelslichtquelle anhand eines Monte-Carlo-Ansatzes umfasst.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Position (34) der Himmelslichtquelle unter Verwendung eines Monte-Carlo-Ansatzes umfasst: Bestimmen eines Polarisationswinkels an jedem Informationselement (29) des 2-dimensionalen Arrays (28) von Polarisationsinformationen, (29), Rekonstruieren des lokalen E-Vektors an jedem Informationselement Rückprojizieren des lokalen E-Vektors auf ein lokales Himmelsgewölbe (30), und Berechnen einer Schnittstelle zweier Ebenen, die senkrecht sind zu den E-Vektoren und dem Himmelsgewölbe (30).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Position (34) der Himmelslichtquelle unter Verwendung eines Monte-Carlo-Ansatzes umfasst: Anwenden einer statistischen Behandlung auf den so erhaltenen Satz von potenziellen Positionen, um die Position (34) der Himmelslichtquelle unter Verwendung eines Linsenmodells (26) zu bestimmen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays (28) von Polarisationsinformationen das Ermitteln des 2-dimensionalen Arrays (28) von Polarisationsinformationen nivelliert in Bezug auf den Boden umfasst, und das Bestimmen der Lage des Fahrzeugs (10) das Bestimmen eines Gierens des Fahrzeugs (10) umfasst.
Fahrunterstützungssystem (12) zum Bestimmen einer Lage eines Fahrzeugs (10) auf Basis einer Himmelspolarisation durch eine Himmelslichtquelle, aufweisend: eine Lokalisierungseinrichtung (14) zum Bestimmen einer geografischen Position des Fahrzeugs (10), eine Ortszeitermittlungseinrichtung (16) zum Bestimmen einer Ortszeit, die der geografischen Position des Fahrzeugs (10) entspricht, eine Bezugspositionsbestimmungseinrichtung (18) zum Bestimmen einer Bezugsposition (34) der Himmelslichtquelle auf Basis der geografischen Position des Fahrzeugs (10) in Verbindung mit der Ortszeit, eine Sensoreinrichtung (20) zum Ermitteln eines 2-dimensionalen Arrays (28) von Polarisationsinformationen von Licht, das von der Himmelslichtquelle her empfangen wird, über einem Bereich des Himmels an der Position des Fahrzeugs (10), wobei die Sensoreinrichtung (20) mit einer bekannten Ausrichtung in Bezug auf das Fahrzeug (10) versehen wird, eine Verarbeitungseinrichtung (22) zum Bestimmen einer Position (34) der Himmelslichtquelle in Bezug auf das Fahrzeug (10) auf Basis der Polarisationsinformationen von empfangenem Licht aus der Himmelslichtquelle, wobei die Verarbeitungseinrichtung (22) ferner dafür ausgelegt ist, die Lage des Fahrzeugs (10) auf Basis eines Vergleichs der bestimmten Position (34) der Himmelslichtquelle mit der Bezugsposition (34) der Himmelslichtquelle und der Ausrichtung der Polarisationsinformationen in Bezug auf das Fahrzeug (10) zu bestimmen.