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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur satellitengestützten Ermittlung einer Fahrzeugposition mittels eines Bewegungs- und Positionssensors, ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium und einen Bewegungs- und Positionssensor. Die Erfindung ist insbesondere geeignet beim autonomen Fahren zur Anwendung zu kommen.
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Stand der Technik
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Ein autonomes Fahrzeug ist ein Fahrzeug, das ohne Fahrer auskommt. Das Fahrzeug fährt dabei autonom, indem es beispielsweise den Straßenverlauf, andere Verkehrsteilnehmer oder Hindernisse selbständig erkennt und die entsprechenden Steuerbefehle im Fahrzeug berechnet sowie diese an die Aktuatoren im Fahrzeug weiterleitet, wodurch der Fahrverlauf des Fahrzeugs korrekt beeinflusst wird. Der Fahrer ist bei einem vollautonomen Fahrzeug nicht am Fahrgeschehen beteiligt.
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Gegenwärtig verfügbare Fahrzeuge sind noch nicht in der Lage autonom zu agieren. Zum einen, weil die entsprechende Technik noch nicht voll ausgereift ist. Zum anderen, weil es heutzutage noch gesetzlich vorgeschrieben ist, dass der Fahrzeugführer jederzeit selbst in das Fahrgeschehen eingreifen können muss. Dies erschwert die Umsetzung von autonomen Fahrzeugen. Jedoch gibt es bereits Systeme verschiedener Hersteller, die ein autonomes oder teilautonomes Fahren darstellen. Diese Systeme befinden sich in der intensiven Testphase. Bereits heute ist absehbar, dass in einigen Jahren vollautonome Fahrzeugsysteme auf den Markt kommen werden, sobald die oben genannten Hürden aus dem Weg geräumt wurden.
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Unter anderem benötigt ein Fahrzeug für einen autonomen Betrieb eine Sensorik, die in der Lage ist eine hochgenaue Fahrzeugposition, insbesondere mit Hilfe von Navigationssatellitendaten (GPS, GLONASS, Beidou, Galileo), zu ermitteln. Hierzu werden gegenwärtig GNSS(Globales Navigationssatellitensystem)-Signale über eine GNSS-Antenne auf dem Fahrzeugdach empfangen und mittels eines GNSS-Sensors verarbeitet. Hierbei können zusätzlich GNSS-Korrekturdaten zur Steigerung des Ortungsergebnisses berücksichtigt werden. Besonders vorteilhafte GNSS-Sensoren sind sog. Bewegungs- und Positionssensoren, die unter Verwendung von GNSS-Daten zumindest eine Fahrzeugposition oder einer Fahrzeugausrichtung bzw. Fahrzeugbewegung ermitteln können.
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Bereits heute werden in einem Bewegungs- und Positionssensor die Raddrehzahlen sowie der Lenkwinkel des Fahrzeugs zusammen mit GNSS-Daten und Inertialsensordaten verwendet, um die Position des Fahrzeugs im Raum möglichst genau zu bestimmen. Diese Daten müssen dem Bewegungs- und Positionssensor mit einer hohen Güte und Genauigkeit zugeführt werden, da sich schon kleinste Fehler massiv auf die Positionsbestimmung im Sensor auswirken können.
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Offenbarung der Erfindung
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Hier vorgeschlagen wird gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zur satellitengestützten Ermittlung einer Fahrzeugposition mittels eines Bewegungs- und Positionssensors, umfassend folgende Schritte:
- a) Empfangen von GNSS-Satellitendaten,
- b) Empfangen von zumindest einer Raddrehzahl, eines Lenkwinkels, GNSS-Korrekturdaten oder Inertialsensordaten,
- c) Empfangen von weiteren, sich von den vorstehend genannten unterscheidenden Daten, die einen Rückschluss auf zumindest die Güte oder die Genauigkeit der Positionsbestimmung zulassen,
- d) Ermitteln der Fahrzeugposition unter Verwendung der in Schritt a), b) und c) empfangenen Daten.
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Das Verfahren dient insbesondere zur Verbesserung der satellitengestützten Ermittlung einer Fahrzeugposition eines autonomen Fahrzeugs, insbesondere Automobils. Raddrehzahlen, Lenkwinkel, GNSS-Korrekturdaten und Inertialsensordaten sind Daten, die einen Rückschluss auf zumindest die Güte oder die Genauigkeit der (satellitengestützten) Positionsbestimmung zulassen. Diese Daten werden bereits in Bewegungs- und Positionssensoren verwendet. Die hier vorgestellte Lösung beschreibt nun mit anderen Worten insbesondere die Verwendung von weiteren Eingangsgrößen in einem Bewegungs- und Positionssensor zur Verbesserung der Positionsbestimmung eines Fahrzeugs. Es wurde erkannt, dass die Raddrehzahlen auch vom Reifendruck abhängen. In bestimmten Fahrmanövern kann außerdem ein Schlupf an den Rädern auftreten, der zu einer verfälschten Positionsbestimmung des Fahrzeugs führen kann. Die hier vorgeschlagene Lösung trägt insbesondere dazu bei, diesen Nachteilen zu begegnen.
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Bei dem Bewegungs- und Positionssensoren handelt es sich bevorzugt um einen GNSS-Sensor. Der Bewegungs- und Positionssensor kann ein Positions- und Ausrichtungssensor sein. Darüber hinaus kann der GNSS-Sensor als GNSS basierter Positions- und Ausrichtungssensor ausgestaltet sein. GNSS- bzw. (Fahrzeug-)Bewegungs- und Positionssensoren werden für das automatisierte bzw. autonome Fahren benötigt und berechnen eine Hochgenaue Fahrzeugposition mit Hilfe von Navigationssatellitendaten (GPS, GLONASS, Beidou, Galileo), die auch als Navigationssatellitensystem)-Daten bezeichnet werden. Die Berechnung basiert hierbei im Grunde auf einer Laufzeitmessung der (elektromagnetischen) GNSS-Signale von mindestens vier Satelliten. Darüber hinaus können Korrekturdaten von so genannten Korrekturdiensten im Sensor mitverwendet werden, um die Position des Fahrzeugs noch genauer zu berechnen. Zusammen mit den empfangenen GNSS-Daten wird im Sensor regelmäßig auch eine hochgenaue Zeit (wie Universal Time) eingelesen und für die genaue Positionsbestimmung verwendet. Weitere Eingangsdaten in den Positionssensor können Raddrehzahlen, Lenkwinkel, sowie Beschleunigungs- und Drehratendaten sein. Bevorzugt ist der Bewegungs- und Positionssensor dazu eingerichtet, eine Eigenposition, Eigenorientierung und Eigengeschwindigkeit auf Basis von GNSS-Daten zu ermitteln.
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In Schritt a) erfolgt ein Empfangen von GNSS-Satellitendaten. Hierbei können Laufzeitmessungen von Navigationssatellitensignalen erfolgen. Bevorzugt empfängt der Bewegungs- und Positionssensor die GNSS-Satellitendaten von mindestens einer GNSS-Empfangseinheit (des Fahrzeugs), etwa einer GNSS-Antenne, die ihrerseits (direkt) mit den Navigationssatelliten kommuniziert bzw. die Satellitensignale (direkt) empfängt. GNSS steht für globales Navigationssatellitensystem. GNSS ist ein System zur Positionsbestimmung und/oder Navigation auf der Erde und/oder in der Luft durch den Empfang der Signale von Navigationssatelliten, hier als Satellitendaten bezeichnet. GNSS ist dabei ein Sammelbegriff für die Verwendung bestehender und künftiger globaler Satellitensysteme, wie GPS (NAVSTRAR GPS), GLONASS, Beidou und Galileo. Damit handelt es sich bei einem GNSS-Sensor um eine Sensorik, die geeignet ist Navigationssatellitendaten zu empfangen und zu verarbeiten, etwa auszuwerten. Vorzugsweise ist der GNSS-Sensor in der Lage, eine hochgenaue Fahrzeugposition mit Hilfe von Navigationssatellitendaten (GPS, GLONASS, Beidou, Galileo) zu ermitteln. GNSS-Daten sind insbesondere Daten, die von einem Navigationssatelliten empfangen werden, GNSS-Daten können auch als „Navigationssatellitendaten“ bezeichnet werden.
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In Schritt b) erfolgt ein Empfangen von einer Raddrehzahl und/oder einem Lenkwinkel und/oder GNSS-Korrekturdaten und/oder Inertialsensordaten. Es können auch mehrere dieser Daten empfangen werden. Zumindest die Raddrehzahlen und Lenkwinkel können von fahrzeugseitigen Sensoren an den Bewegungs- und Positionssensor gesendet werden. Die GNSS-Korrekturdaten können unmittelbar von dem Bewegungs- und Positionssensor empfangen werden. Weiterhin bevorzugt können diese Daten auch von Empfangseinheiten (des Fahrzeugs) empfangen und ggf. nach einer Verarbeitung an den Bewegungs- und Positionssensor weitergeleitet werden.
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In Schritt c) werden weitere Daten empfangen, die sich von den (allen) in Schritt a) und b) genannten Daten unterscheiden und einen Rückschluss auf die Güte und/oder die Genauigkeit der (satellitengestützten) Positionsbestimmung zulassen. Bevorzugt werden diese Daten unmittelbar von dem Bewegungs- und Positionssensor empfangen. Weiterhin bevorzugt können die Daten auch von Empfangseinheiten (des Fahrzeugs) empfangen und ggf. nach einer Verarbeitung an den Bewegungs- und Positionssensor weitergeleitet werden. Bei den Daten aus Schritt c) kann es sich beispielsweise um Wetterdaten, Daten einer Antischlupfregelung, Reifendruckdaten und/oder Mobilfunkqualitätsdaten handeln.
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In Schritt d) wird die Fahrzeugposition unter Verwendung der in Schritt a), b) und c) empfangenen Daten ermittelt. Dies kann unter Verwendung eines Kalman-Filters erfolgen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c) Wetterdaten empfangen werden. Bevorzugt werden Wetterdaten über eine Fahrzeug-zu-X Kommunikationsverbindung in das Fahrzeug übertragen. Diese Wetterdaten können anschließend über eine vorhandene Kommunikationsschnittschelle (z.B. Ethernet oder CAN) in den Bewegungs- und Positionssensor übertragen werden. Innerhalb des Bewegungs- und Positionssensors kann eine Weiterverarbeitung der empfangenen Wetterdaten mit dem Ziel einer Positionsverbesserung erfolgen. Bei Schlechtwetter und/oder bei Schnee werden die empfangenen Wetterdaten beispielsweise verwendet, um den Bewegungs- und Positionssensor bezüglich der verwendeten Raddrehzahlen und/oder Lenkwinkel anders zu betreiben. Beispielsweise werden bei Schneefall die Raddrehzahlen des Fahrzeugs sowie die Lenkwinkel nicht mehr für die Berechnung einer fusionierten Position herangezogen. Oder aber der Bewegungs- und Positionssensor wird bei Schneefall insbesondere komplett deaktiviert oder in einem eingeschränkten Modus betrieben. Umgekehrt wird der Bewegungs- und Positionssensor beim Empfang von Gutwetter vorzugsweise mit allen vorhandenen Eingangsgrößen betrieben.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c) Daten einer Antischlupfregelung empfangen werden. Bevorzugt werden Daten einer Antischlupfregelung (ASR) über eine vorhandene Kommunikationsschnittschelle (z.B. Ethernet oder CAN) in den Bewegungs- und Positionssensor übertragen. Innerhalb des Bewegungs- und Positionssensors erfolgt in der Regel eine Auswertung dieser Daten. Bei den Daten der Antischlupfregelung handelt es sich hier regelmäßig nicht um Raddrehzahlen und/oder Lenkwinkel als solche. Vielmehr werden in der Regel (ggf. raddrehzahlabhängige) Daten, wie etwa Parameter, Kennzahlen und/oder Binärcode übertragen, die das Vorhandensein und/oder die Intensität eines Schlupfes beschreiben. Tritt beispielsweise Radschlupf auf, so wird dies innerhalb des Bewegungs- und Positionssensors erkannt und die Positionsbestimmung erfolgt in diesem Zeitraum des Schlupfs vorzugsweise (nur) eingeschränkt, insbesondere ohne die Raddrehzahlen und/oder Lenkwinkel in den Berechnungen zu berücksichtigen. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Kalman-Filter im Bewegungs- und Positionssensor in diesem Zeitraum des Radschlupfs mit künstlichen (nicht gemessenen) und/oder hinterlegten Daten von Raddrehzahlen und Lenkwinkel und/oder mit vorgefilterten Daten von Raddrehzahlen und Lenkwinkel gespeist wird, sodass sich der Radschlupf in vorteilhafter Weise auch nach dem Zeitpunkt des Radschlupfs nicht negativ auf die Positionsbestimmung des Bewegungs- und Positionssensors auswirkt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c) Reifendruckdaten empfangen werden. Bevorzugt werden Daten des Reifendrucks der einzelnen Fahrzeugreifen über eine Funkschnittstelle in eine Fahrzeugelektronik übertragen und besonders bevorzugt von dort über eine vorhandene Kommunikationsschnittschelle (z.B. Ethernet oder CAN) in den Bewegungs- und Positionssensor übertragen. Wird ein zu hoher oder zu geringer Reifendruck erkannt, so wird der Bewegungs- und Positionssensor vorzugsweise (nur) eingeschränkt betrieben, indem beispielsweise keine Lenkwinkel und/oder Raddrehzahlen in die Positionsberechnungen einfließen. Zusätzlich oder alternativ kann die Ausgabe eines Fehlers aus dem Bewegungs- und Positionssensor erfolgen, des Inhalts, dass eine Positionsbestimmung nicht möglich oder nur eingeschränkt möglich ist und/oder eine Aufforderung an den Fahrer des Fahrzeugs, den Reifendruck der Fahrzeugreifen zu verändern.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c) Mobilfunkdaten empfangen werden. Bevorzugt werden in Schritt c) Mobilfunkqualitätsdaten empfangen. Bei den Mobilfunkqualitätsdaten handelt es sich insbesondere um solche, die einen (unmittelbaren) Rückschluss auf die (momentane) Güte und/oder Stärke des Mobilfunkempfangs erlauben. Die Mobilfunkqualitätsdaten können dem Bewegungs- und Positionssensor z. B. von einer Mobilfunkempfangseinheit (des Fahrzeugs) bereitgestellt werden, die Mobilfunkdaten empfängt und hieraus die Mobilfunkqualitätsdaten, insbesondere eine (momentane) Güte und/oder Stärke des Mobilfunkempfangs ermittelt. Alternativ oder kumulativ kann der Bewegungs- und Positionssensor Mobilfunkdaten empfangen und hieraus die Mobilfunkqualitätsdaten selbst ermitteln. Bevorzugt wird mittels der Mobilfunk-(qualitäts-)daten der Empfang von GNSS-Korrekturdaten im Bewegungs- und Positionssensor kontinuierlich überprüft. Beispielsweise wird im Bewegungs- und Positionssensor eingelesen, wie gut der Mobilfunkempfang momentan ist. Bei einem schlechten Mobilfunkempfang bzw. bei keinem Mobilfunkempfang wird der Bewegungs- und Positionssensor vorzugsweise (nur) eingeschränkt betrieben, insbesondere da in diesem Fall keine GNSS-Korrekturdaten aus dem Mobilfunknetz empfangen werden können, wenn beispielsweise die Korrekturdaten gleichzeitig nicht auf dem L-Band Signal geostationärer Satelliten empfangen werden können.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c) Daten über eine Fahrzeug-zu-X Kommunikationsverbindung empfangen werden. Bevorzugt empfängt der Bewegungs- und Positionssensor die Daten über die Fahrzeug-zu-X-Kommunikationsverbindung (engl.: Car-to-X Communication), bzw. nach diesem Standard von einer oder mehrerer Empfangseinheit(en), insbesondere Antenne(n) des Fahrzeugs und/oder von anderen Verkehrsteilnehmern und/oder von Infrastruktureinrichtungen. Unter Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation (engl.: Car-to-Car Communication, oder kurz: Car2Car oder C2C) wird der Austausch von Informationen und Daten zwischen (Kraft-) Fahrzeugen verstanden. Ziel dieses Datenaustausches ist es, dem Fahrer frühzeitig kritische und gefährliche Situationen zu melden. Die betreffenden Fahrzeuge sammeln Daten, wie ABS-Eingriffe, Lenkwinkel, Position, Richtung und Geschwindigkeit, und senden diese Daten über Funk (WLAN, UMTS, etc.) an die anderen Verkehrsteilnehmer. Dabei soll die „Sichtweite“ des Fahrers mit elektronischen Mitteln verlängert werden. Unter Fahrzeug-zu-Infrastruktur Kommunikation (engl.: Car-to-Infrastructure, oder kurz: C2I) wird der Austausch von Daten zwischen einem Fahrzeug und der umliegenden Infrastruktur (z.B. Lichtzeichenanlagen) verstanden. Die genannten Technologien basieren auf dem Zusammenwirken von Sensoren der verschiedenen Verkehrspartner und verwenden neueste Verfahren der Kommunikationstechnologie zum Austausch dieser Informationen. Fahrzeug-zu-X ist hierbei ein Oberbegriff für die verschiedenen Kommunikationsverbindungen, wie Fahrzeug-zu-Fahrzeug und Fahrzeug-zu- Infrastruktur.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein Integritätslevel des Bewegungs- und Positionssensors geändert wird. Bevorzugt wird in Abhängigkeit der obigen Ausführungsformen auch die Ausgabe des sog. Integrity Levels aus dem Bewegungs- und Positionssensor verändert. Vorzugsweise wird aus den in Schritt a) und/oder b) und/oder c) gewonnenen Daten eine Güte und/oder Genauigkeit der Positionsbestimmung ermittelt. Besonders bevorzugt wird in Abhängigkeit der so ermittelten Güte und/oder Genauigkeit das Integritätslevel bzw. die Ausgabe des Integrity Levels aus dem Bewegungs- und Positionssensor verändert. Das Integrity Level gibt an, wie Vertrauenswürdig die Positionsdaten des Bewegungs- und Positionssensors momentan sind. Beim Auftreten von beispielsweise Schnee und/oder Radschlupf und/oder falschem Reifendruck und/oder bei einem Mobilfunkausfall oder schlechtem Mobilfunkempfang wird das Integrity Level im Bewegungs- und Positionssensor nach oben hin angepasst. Der Position des Bewegungs- und Positionssensors kann also in diesem Moment weniger vertraut werden, als beispielsweise bei Gutwetter und/oder guter Reifenhaftung und/oder richtigem Reifendruck und/oder gutem Mobilfunkempfang.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm zur Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens vorgeschlagen. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm(-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein hier beschriebenes Verfahren auszuführen.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das hier vorgeschlagene Computerprogramm gespeichert ist. Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Bewegungs- und Positionssensor vorgeschlagen, eingerichtet zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Beispielsweise kann das zuvor beschriebene Speichermedium Bestandteil des Bewegungs- und Positionssensors oder mit diesem verbunden sein. Vorzugsweise ist der Bewegungs- und Positionssensor in oder an dem Fahrzeug angeordnet oder zur Montage in oder an einem solchen vorgesehen und eingerichtet. Der Bewegungs- und Positionssensor ist weiterhin bevorzugt für einen autonomen Betrieb des Fahrzeugs, insbesondere eines Automobils vorgesehen und eingerichtet. Der Bewegungs- und Positionssensor beziehungsweise eine Recheneinheit (Prozessor) des Bewegungs- und Positionssensors kann beispielsweise auf das hier beschriebene Computerprogramm zugreifen, um ein hier beschriebenes Verfahren auszuführen.
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Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Bewegungs- und Positionssensor, dem Computerprogram und/oder dem Speichermedium auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigt schematisch:
- 1: einen Ablauf eines hier vorgestellten Verfahrens bei einem regulären Betriebsablauf.
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1 zeigt schematisch einen Ablauf eines hier vorgestellten Verfahrens bei einem regulären Betriebsablauf. Die dargestellte Reihenfolge der Verfahrensschritte a), b), c) und d) mit den Blöcken 110, 120, 130 und 140 ist lediglich beispielhaft. In Block 110 erfolgt ein Empfangen von GNSS-Satellitendaten. In Block 120 erfolgt ein Empfangen von zumindest einer Raddrehzahl, eines Lenkwinkels, GNSS-Korrekturdaten oder Inertialsensordaten. In Block 130 erfolgt ein Empfangen von weiteren, sich von den vorstehend genannten unterscheidenden Daten, die einen Rückschluss auf zumindest die Güte oder die Genauigkeit der Positionsbestimmung zulassen, In Block 140 erfolgt ein Ermitteln der Fahrzeugposition unter Verwendung der in Schritt a), b) und c) (Blöcke 110, 120 und 130) empfangenen Daten.
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Insbesondere die Verfahrensschritte a), b), und c) können auch zumindest teilweise parallel oder zeitgleich ablaufen.
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Die hier vorgestellte Lösung ermöglich insbesondere einen oder mehrere der nachfolgenden Vorteile:
- • Die Positionsgenauigkeit des Bewegungs- und Positionssensors wird durch die Verwendung von Zusatzeingangsgrößen verbessert, wobei der Positionsfehler minimiert wird.
- • Das Verfahren lässt sich mit vertretbarem Aufwand in einen vorhandenen Bewegungs- und Positionssensor integrieren.