DE102019203274B3 - Computerimplementiertes Verfahren zum Erstellen eines Umfeldmodells für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug, Steuergerät und Computerprogrammprodukt zur automatisierten Steuerung eines Fahrzeuges und Steuerungssystem für ein Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Computerimplementiertes Verfahren zum Erstellen eines Umfeldmodells für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug (1), wobei ein Umfeld des Fahrzeuges (1) in Zellen (cij) unterteilt wird und mit Strahlen wenigstens eines Umfelderfassungssensors (2) abgetastet wird und die Abtastungen von Objekten in den zugeordneten Zellen (cij) gespeichert werden, wobei für jede Zelle eine Maximalanzahl (Nt) an speicherbaren Zielpunkten und eine Maximalanzahl (Nf) an speicherbaren Freiraumpunkten vorgegeben ist, für jede der Abtastungen in den Zielpunkten und Freiraumpunkten jeweils eine Durchschnittshöhe (z1,..., zNt, zf1,..., zfNf), ein Höhenbereich (std1,..., stdNt, stdf1,..., stdfNf) und ein Logitwert (P,..., PNt, Pf1,..., PfNf) für die Durchschnittshöhe (z1,..., zNt, zf1,..., zfNf) gespeichert werden.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein computerimplementiertes Verfahren zum Erstellen eines Umfeldmodells für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Steuergerät und ein Computerprogrammprodukt zur automatisierten Steuerung eines Fahrzeuges. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Steuerungssystem für ein Fahrzeug.
• Aus dem Stand der Technik sind gitterbasierte zweidimensionale und dreidimensionale Umfeldmodelle, auch occupancy grids genannt, bekannt.
• Beispielsweise offenbart die US 2017 / 0 203 692 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum verzerrungsfreien Anzeigen einer Fahrzeugumgebung. In einem gitterbasierten Umfeldmodell wird das Umfeld eines Fahrzeuges in Zellen unterteilt. In jeder Zelle wird ein das Umfeld beschreibendes Merkmal gespeichert und in „befahrbar“ und „belegt“ klassifiziert. Zusätzlich kann für jede Gitterzelle ein Höhenwert gespeichert werden, wodurch eine dreidimensionale Belegungskarte entsteht. Diese ist dynamisch und adaptiv anpassbar an die momentanen Sensordaten des Fahrzeugs.
• Die EP 2 771 873 B1 beschreibt ein gitterbasiertes Umfeldmodell für ein Fahrzeug. Das Fahrzeugumfeld wird in Zellen unterteilt und in jeder Zelle ein das Umfeld beschreibendes Merkmal gespeichert. Anhand eines Schwellwerts für die Wahrscheinlichkeit, dass beispielsweise eine Zelle belegt oder nicht belegt ist, werden die Werte der Gitterzellen diskretisiert und somit der Speicherbedarf reduziert. Eine vorgegebene zeitliche Aktualisierung der Werte ändert die Zuordnung zu einer diskreten Klasse anhand des Schwellwertes in vielen Fällen nicht. Ein ähnliches Umfeldmodell wird in der DE 10 2015 207 978 B3 beschrieben.
• Die DE 10 2015 201 867 A1 thematisiert eine optimierte Speicherung einer Umfeldkarte. Die Teilbereiche des Umfelds können in einer regelmäßigen Gitterstruktur aufgeteilt sein, die wiederum in einzelne Gitterzellen unterteilt ist. Jede Gitterzelle ist ein Speicherbereich und beinhaltet die Belegungswahrscheinlichkeit, bspw. dass die Zelle von einem Hindernis belegt ist, und/ oder die Höhe des Hindernisses. Der Speicherbereich weist zwei Zeiger auf, die zum Verweis auf einen vorhergehenden und auf einen nachfolgenden Speicherbereich dienen. Ein ähnliches Verfahren wird in der DE 10 2015 201 868 A1 beschrieben.
• In I. Dryanovski et al., Multi-volume occupancy grids: An efficient probabilistic 3D mapping model for micro aerial vehicles", in 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2010, S. 1553-1559“ wird ein sogenanntes multi-volume occupancy grid diskutiert. Jede Zelle umfasst eine erste Liste umfassend Volumina, die bei einer Sensorabtastung positive Messungen, das heißt Hindernisse, enthalten. Jede Zelle umfasst ferner eine zweite Liste umfassend Volumina, die bei einer Sensorabtastung negative Messungen, das heißt Freiräume enthalten. Bei jeder Sensorabtastung wird ein Volumen einer der beiden Listen zugeordnet. Die vollständigen ersten und zweiten Listen werden abgespeichert. Anschließend werden die so erstellen ersten und zweiten Listen prozessiert.
• Weiterer Stand der Technik ist beispielsweise offenbart in DE 10 2016 122 296 A1 , DE 10 2013 008 828 A1 und DE 10 2014 208 967 A1 .
• Die bekannten Techniken zum Erstellen von gitterbasierten Umfeldmodellen benötigen einen höhen Speicherbedarf.
• Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung hat die Aufgabe zu Grunde gelegen, ein Verfahren zur Erzeugung von gitterbasierten Umfeldmodellen bereitzustellen, das den Speicherbedarf reduziert.
• Durch das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren wird ein Umfeldmodell für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug erstellt. Ein Umfeld des Fahrzeuges wird in Zellen unterteilt. Das Umfeld wird mit Strahlen wenigstens eines Umfelderfassungssensors abgetastet wird. Die Abtastungen von Objekten werden in den zugeordneten Zellen gespeichert. Das Verfahren löst die Aufgabe dadurch, dass für jede Zelle eine Maximalanzahl an speicherbaren Zielpunkten und Freiraumpunkten vorgegeben ist. Für jede der Abtastungen werden in den Zielpunkten und Freiraumpunkten jeweils eine Durchschnittshöhe, ein Höhenbereich und ein Logitwert für diese Durchschnittshöhe gespeichert. Die Zielpunkte besitzen einen Logitwert größer oder gleich Null. Die Freiraumpunkte besitzen einen Logitwert kleiner als Null. Erfindungsgemäß wird ein Zielpunkt oder ein Freiraumpunkt einer neuen Abtastung mit einem entsprechenden Zielpunkt oder Freiraumpunkt einer vorherigen Abtastung zusammengeführt, falls die jeweiligen Höhenbereiche überlappen, oder als neuer Zielpunkt oder Freiraumpunkt gespeichert. Falls bei einer neuen Abtastung die Maximalanzahl erreicht ist, werden zwei Zielpunkte oder zwei Freiraumpunkte von vorherigen Abtastungen zusammengeführt. Der neue Zielpunkt oder Freiraumpunkt wird in der jeweiligen Zelle gespeichert wird.
• Computerimplementiert bedeutet, dass das Fahren von einem oder mehreren Computern ausgeführt wird.
• Erfindungsgemäß ist es damit nicht erforderlich, bei der Bestimmung einer Höhenverteilung der Objekte auf abgespeicherte Listen zuzugreifen. Vielmehr werden die Zielpunkte und/oder Freiraumpunkte Abtastung für Abtastung direkt in den zugeordneten Zellen gespeichert. Damit wird der Speicherbedarf reduziert. Der Speicherbedarf wird ferner dadurch reduziert, dass die maximale Anzahl an Daten zur Speicherung des Umfeldmodells vorgegeben ist. Sobald die Maximalanzahl erreicht ist, wird erfindungsgemäß Speicherplatz zusammengeführt, um die neue Abtastung zu speichern. Aufgrund der effizienten Speichernutzung können vorteilhafterweise große, hochaufgelöste Gitterkarten erzeugt, gespeichert und verfügbar gemacht werden, bevorzugt in Echtzeit-Nutzung. Die Erfindung stellt damit ein optimiertes komprimiertes dreidimensionales Belegungsgitter, im Englischen compressed 3D occupancy grid genannt, bereit. Bevorzugt wird das Verfahren in automotive-Bereichen angewendet. Nach einem Aspekt der Erfindung wird das Verfahren auch in nicht-automotive-Bereichen angewendet zur aus dem automotive-Bereich bekannten automatischen Erzeugung von dreidimensionalen Umfeldmodellen, Objekterkennung, Objektklassifizierung, Lokalisation und/oder Zielverfolgung.
• Bei dem Umfeldmodell handelt es sich um ein gitterbasiertes, diskretes Umfeldmodell. Nach einem Aspekt der Erfindung ist das Umfeldmodell eine Gitterkarte, die ein Höhenprofil eines Umfeldes, insbesondere eine Höhenverteilung von Objekten des Umfeldes, darstellt. Mit Hilfe einer derartigen Gitterkarte kann ein automatisiert betreibbares Fahrzeug in einem Umfeld mit nicht-ebenen Oberflächen operieren. Insbesondere unterstützt eine derartige Gitterkarte das automatisiert betreibbare Fahrzeug bei der Trajektorienplanung und Lokalisierung. Teilbereiche des Umfeldes sind dabei in einer regelmäßigen Gitterstruktur aufgeteilt. Die Gitterstruktur ist in einzelne Gitterzellen, kurz Zellen, unterteilt, das heißt diskretisiert. Jede Zelle ist ein Speicherbereich. Jede Zelle entspricht einem Abschnitt des Umfeldes. Die Zellen sind damit eine Datenstruktur mit Diskretisierung. Eine weitere Datenstruktur zum Speichern von Messungen von Sensorabtastungen sind Punktwolken, auch point clouds genannt, die keine Diskretisierung aufweisen. Punktwolken speichern alle Zielpunkte in einer Liste umfassend die jeweiligen Koordinaten der Zielpunkte und weitere Eigenschaften, beispielsweise Intensität. Speicherbedarf ist bei Punktwolken nachteilig unbegrenzt.
• Die Zellen können dreidimensionale Zellen sein, auch 3D voxel grids genannt. Mehrere dreidimensionale Zellen erhöhen aber den Speicherbedarf. Erfindungsgemäß sind die Zellen zweidimensionale Zellen, wobei in jeder Zelle mehrere Informationen und mehrere Durchschnittshöhen gespeichert werden. Die zweidimensionalen Zellen werden durch Projektion der von dem Umfelderfassungssensor ausgesandten Strahlen in die x-y-Ebene erhalten. Gitterkarten, in deren Zellen jeweils mehrere Informationen gespeichert werden, sind als extended stixel maps bekannt. Erfindungsgemäß werden in jeder Zelle Durchschnittshöhe, Höhenbereich und Belegungswahrscheinlichkeit dieser Zelle gespeichert. Würde nur die Durchschnittshöhe gespeichert werden, könnten Unterfahrbarkeit oder Überfahrbarkeit von Objekten nicht modelliert werden. Durch die zusätzliche Information des Höhenbereichs des Objekts können Unterfahrbarkeit und Überfahrbarkeit von Objekten vorteilhafterweise modelliert werden. Durch die zusätzliche Information der Belegungswahrscheinlichkeit kann vorteilhafterweise zwischen mit Objekten belegten Raum und freien Raum unterschieden werden. Gitterkarten, in deren Zellen jeweils mehrere Höhenebenen, im Englischen multiple levels, multiple surfaces oder multiple surface patches genannt, gespeichert werden, sind als multi-level surface maps bekannt, siehe zum Beispiel R. Triebel et al., „Multi-Level Surface Maps for Outdoor Terrain Mapping and Loop Closing", in 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2006, S. 2276-2282, 2, cell A. Durch die Speicherung von mehreren Durchschnittshöhen pro Zelle werden vorteilhafterweise mehrere Höhenebenen von Objekten modelliert. Damit wird ein Höhenprofil erhalten. Damit können vorteilhafterweise Objekte mit unterschiedlichen Höhenstrukturen modelliert werden. Beispielsweise können Straßenunterführungen, Brücke, Tunnel, Minen oder Gebäude mit vertikaler Struktur vorteilhafterweise modelliert werden. Damit Umfeldmodelle, die auf derartigen Zellen basieren, stellen eine spezielle Art von Gitterkaten dar und werden multi-level surface maps, genannt. Damit können vorteilhafterweise dreidimensionale Daten in hoher Auflösung gespeichert werden. Mittels diesen Daten kann ein automatisiert betreibbares Fahrzeug damit unterfahrbare, überfahrbare und blockierte Regionen unterscheiden.
• Automatisiert betreibbare Fahrzeug sind Straßen-, Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuge, die eine technische Ausrüstung umfassen, um einen Fahrer wenigstens bei der Längs- oder Querführung des Fahrzeuges zu assistieren bis hin zur Durchführung der Längs- und Querführung unter jeder Fahrbahn und jeder Umgebungsbedingung ohne einen menschlichen Fahrer, auch vollautomatisiertes, fahrerloses oder autonomes Fahren genannt. Beispielsweise sind ein Peoplemover der SAE J3016 Stufe 4, ein Taxiroboter der SAE J3016 Stufe 5, ein selbstfahrender LKW, ein PKW mit Ein-und/oder Ausparkassistent oder Autobahnpilot oder ein selbstfahrender PKW automatisiert betreibbare Fahrzeuge. Assistiert geführte oder vollständig automatisiert betriebene Baumaschinen, zum Beispiel Bagger, Baustellenkipper, Schwerkraftwagen, Tieflader, Fahrmischer, Kräne, Walzen, Raupen sind ebenfalls Beispiele für automatisiert betreibbare Fahrzeuge. Außerdem sind Yachten oder Frachtschiffe mit Fahrerassistenzsystemen Beispiele für automatisiert betreibbare Fahrzeuge. Drohnen sind auch Beispiele für automatisiert betreibbare Fahrzeuge.
• Abtasten mit Strahlen bedeutet ein Umfeld mit Strahlen zu durchleuchten und an Objekten reflektierte Strahlen zu messen. Insbesondere werden Objekte durch Abtasten punktweise vermessen, es werden Punktmessungen erhalten.
• Umfelderfassungssensoren, die ein Umfeld mit Strahlen abtasten oder scannen, werden Strahlsensoren genannt. Beispielsweise ist ein Radar oder ein Lidar ein Strahlsensor. Ein Punkt eines Objekts, der einen Strahl reflektiert, ist ein Zielpunkt. Stellen in der Abtastung, von denen keine Reflexion erhalten wird, beispielsweise Objekte, die sich außerhalb der Reichweite des Umfelderfassungssensors befinden, werden Freiraumpunkte genannt.
• In jeder Zelle sind mehrere Höhenwerte gespeichert. Wenn ein Abstand zwischenzwei aufeinanderfolgenden Höhenwerten kleiner als ein vorgegebener Abstand ist, werden diese zwei Höhenwerte einem Höhenintervall zugeordnet. Damit werden in jeder Zelle Höhenintervalle erhalten. In jedem Höhenintervall werden die Durchschnittshöhe und die Intervallbreite bestimmt. Durchschnittshöhe und Intervallbreite werden jeweils gespeichert. Der Höhenbereich ist definiert als die halbe Intervallbreite.
• Logitwert für eine Durchschnittshöhe bedeutet der Logitwert für die Belegungswahrscheinlichkeit der jeweiligen Zelle mit einem Objekt dieser Durchschnittshöhe. Der Logitwert oder logodds-Wert für eine Durchschnittshöhe ist der Logarithmus des Quotienten der Belegungswahrscheinlichkeit p der zugeordneten Zelle und der Gegenwahrscheinlichkeit 1-p. Wenn p eine Wahrscheinlichkeit ist, dann ist der Quotient p/(1-p) der odd-Wert. Der Logitwert der Wahrscheinlichkeit p ist damit der Logarithmus des odd-Wertes.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden zwei Zielpunkte zusammengeführt oder gemergt, deren Höhenbereiche überlappen. Existieren keine Zielpunkte mit überlappenden Höhenbereichen, werden die zwei Zielpunkte gemergt mit nächstzusammenliegenden Höhenbereichen.
• Bevorzugt sind beim Zusammenführen zweier Zielpunkte die Durchschnittshöhe z_n und der Höhenbereich stdn des neuen Zielpunktes die Summe der mit den jeweiligen Logitwerten P₁ , P₂ gewichteten Durchschnittshöhen z₁ , z₂ und Höhenbereiche std₁ , std₂ der zwei Zielpunkte. Die Durchschnittshöhe z_n und der Höhenbereich stdn sind definiert durch: $$\begin{array}{l}{z}_n=\frac{P_1\ast z_1+P_2\ast z_2}{P_1+P_2}\text{und }st{d}_n\text{=}\frac{P_1\ast \left(z_1-l_1\right)+P_2\ast \left(r_2-z_2\right)}{P_1+P_2}\text{ mit}\\ {\text{l}}_1=z_1-st{d}_1,r_2=z_2+st{d}_2.\end{array}$$

  

  I_i ist der linke Rand des Höhenintervalls, in dem die Durchschnittshöhe z_i liegt. r_i ist der rechte Rand des Höhenintervalls, in dem die Durchschnittshöhe z_i liegt.
• Beim Zusammenführen zweier Freiraumpunkte sind die Durchschnittshöhe zf_n und der Höhenbereich stdf_n des neuen Freiraumpunktes definiert durch: $$\begin{array}{l}z{f}_n=\frac{r_n+l_n}{2}\text{und }std{f}_n=\frac{r_n-l_n}{2}\text{mit}\\ l_n=\text{min}\left(z{f}_i-std{f}_i\right),r_n=\text{max}\left(z{f}_i+std{f}_i\right),i\in \left\{\mathrm{1,2}\right\}.\end{array}$$

  
• Der Logitwert P_n des neuen Zielpunktes ist die Summe der jeweiligen Logitwerte P₁ , P₂ . Der Logitwert Pf_n des neuen Freiraumpunktes ist die Summe der jeweiligen Logitwerte Pf₁ , Pf₂ .
• Erfindungsgemäß werden damit Zielpunkte und Freiraumpunkte unterschiedlich behandelt. Zwei Zielpunkte werden gewichtet zusammengeführt. Damit können vorhandene Zielpunkte in dem Gitter in der Höhendimension zu- oder abnehmen. Zwei Freiraumpunkte werden ohne Gewichtung zusammengeführt. Der resultierende Freiraumpunkt deckt den gesamten Höhenbereich beider zusammengeführter Freiraumpunkte ab. Vorhandene Freiraumpunkte in dem Gitter können damit in der Höhendimension nicht abnehmen.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird in jeder Zelle der summierte Logitwert Psum als Summe basierend auf den jeweiligen Logitwerte gespeichert. Psum ist definiert durch: $$P_{sum}={\displaystyle {\sum }_{i-1}^{Nt}{P}_i+}{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{Nf}P{f}_i}.$$

  

  Nt ist die Anzahl an Zielpunkten. Nf ist die Anzahl an Freiraumpunkten.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der summierte Logitwert Psum anstelle des Logitwertes des ersten Zielpunktes in dieser Zelle gespeichert wird. In jeder Zelle wird damit folgendes Tupel an Logitwerten gespeichert: $$\left\{P_{sum},P_2,\dots ,P_{Nt},P{f}_1\dots ,P{f}_{Nf}\right\}.$$

  
• Damit kann vorteilhafterweise in jeder Zelle direkt auf den summierten Logitwert Psum zugegriffen werden, ohne Berechnungsaufwand zum Zeitpunkt des Speicherzugriffs. Der Logitwert des ersten Zielpunktes berechnet sich folgendermaßen: $$P_1=P_{sum}-{\displaystyle {\sum }_{i-2}^{Nt}{P}_i+}{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{Nf}P{f}_i}.$$

  
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei der Berechnung des summierten Logitwertes Psum ein limitierter Höhenbereich berücksichtigt. Zum Beispiel wird der Höhenbereich im Fahrweg des automatisiert betreibbaren Fahrzeuges berücksichtigt, der durch Objekte versperrt sein kann.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Infrastruktur, insbesondere umfassend Fremdfahrzeuge, Personen, Straßen, Straßenbegrenzungen, Schachtabdeckungen, Vegetation, Gebäude und/oder Verkehrsschilder, abgetastet.
• Das erfindungsgemäße Steuergerät zur automatisierten Steuerung eines Fahrzeuges umfasst eine erste Schnittstelle zu einem Umfelderfassungssensor. Über die erste Schnittstelle werden Abtastungen eines Umfeldes eines Fahrzeuges zu erhalten. Ferner umfasst das Steuergerät eine Recheneinheit. Die Recheneinheit umfasst einen Speicher. Die Recheneinheit ist ausgeführt, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, um ein Umfeldmodell zu erhalten. In Abhängigkeit des Umfeldmodells berechnet die Recheneinheit Signale für Fahrzeugaktuatoren. Das Steuergerät umfasst außerdem eine zweite Schnittstelle zu den Fahrzeugaktuatoren. Über die zweite Schnittstelle werden die Signale den Fahrzeugaktuatoren bereitgestellt.
• Damit kann in Abhängigkeit des Umfeldmodells das Fahrzeug in Echtzeit automatisiert gesteuert werden. Da das Umfeldmodell aufgrund der erfindungsgemäßen Optimierung des Speicherbedarfs das Umfeld detailliert modelliert, wird die Sicherheit beim Betreiben von automatisierten Fahrzeugen erhöht.
• Ein Steuergerät verarbeitet Eingangssignale mittels einer Recheneinheit und stellt Logik- und/oder Leistungspegel als Regel- oder Steuersignale bereit. Das Steuergerät kann Rohdaten von Sensoren aufbereiten um Eingangssignale zu erhalten. Mittels der Regel- oder Steuersignale werden Aktuatoren, beispielsweise Fahrzeugaktuatoren, geregelt und gesteuert. Das Steuergerät ist signaltechnisch mit dem Umfelderfassungssensor. Der Datenaustausch erfolgt kabelgebunden oder kabellos, zum Beispiel über Funktechnologie. Das Steuergerät ist bevorzugt in ein Bordnetz des Fahrzeuges integriert. Beispielsweise ist das Steuergerät signaltechnisch mit einem CAN-Bus verbunden. Das Steuergerät ist insbesondere ein elektronisches Steuergerät, das mehrere Geräte eines Fahrzeugsystems, das heißt eine Fahrzeugdomäne, steuert. In diesem Zusammenhang ist das Steuergerät ein Domain elektronisches Steuergerät, im Englischen domain electronic control unit, abgekürzt domain ECU, genannt. Bevorzugt ist das Steuergerät eine ADAS/AD Domain ECU, das heißt ein Steuergerät für assistiertes, das heißt advanced driver assistance system, oder autonomes, das heißt autonomous driving, Fahren.
• Eine Schnittstelle ist ein Bauteil zwischen wenigstens zwei Funktionseinheiten, an der ein Austausch von logischen Größen, zum Beispiel Daten, oder physikalischen Größen, zum Beispiel elektrischen Signalen, erfolgt, entweder nur unidirektional oder bidirektional. Der Austausch kann analog oder digital erfolgen. Der Austausch kann ferner drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Beispielsweise ist die Schnittstelle eine kabelgebundene Schnittstelle oder eine WLAN Schnittstelle.
• Die Recheneinheit ist insbesondere eine programmierbare elektronische Schaltung, zum Beispiel ein Logikbaustein, beispielsweise ein FPGA-Baustein, oder ein ASIC-Baustein, oder eine CPU oder eine GPU. Bevorzugt ist die Recheneinheit als ein System-on-a-Chip realisiert mit modularem Hardwarekonzept, das heißt alle oder zumindest ein großer Teil der Funktionen sind auf einem Chip integriert und können modular erweitert werden, beispielsweise mit mehreren CPUs oder GPUs. Der Chip ist in ein Steuergerät integrierbar.
• Der Speicher ist beispielsweise über ein Bussystem mit der Recheneinheit für einen Signal-/Datenaustausch verbunden. Um eine hohe Datenübertragungsrate erreichen zu können, überträgt der Speicher beispielsweise Daten nach einem double data rate, quadruple data rate oder octal data rate Verfahren. Beispielsweise ist der Speicher ein double data rate synchronous dynamic RAM, abgekürzt DDR SDRAM, Speicher. Bevorzugt ist der Speicher ein low power DDR SDRAM Speicher.
• Fahrzeugaktuatoren sind beispielsweise Aktuatoren für Motorsteuerung, zum Beispiel Ventile, eines Bremssystems, zum Beispiel Bremsscheiben, oder eines Lenkungssystems, beispielsweise Lenkstange.
• Bevorzugt umfasst das Steuergerät eine dritte Schnittstelle zu einer Anzeigeeinheit. Die Anzeigeeinheit zeigt das Umfeldmodell an. Damit wird das Umfeldmodell, insbesondere die Gitterkarte, einem menschlichen Fahrer graphisch dargestellt, um den Fahrer bei Fahraufgaben zu unterstützen. Die Anzeigeeinheit ist beispielsweise eine Anzeige eines Infotainment-Systems des Fahrzeuges.
• Das erfindungsgemäße Steuerungssystem für ein Fahrzeug umfasst wenigstens einen Umfelderfassungssensor. Der Umfelderfassungssensor ist ausgeführt, ein Umfeld des Fahrzeuges mit Strahlen abzutasten, um Punktmessungen zu erhalten. Das Steuerungssystem umfasst ferner ein erfindungsgemäßes Steuergerät. Außerdem umfasst das Steuerungssystem Fahrzeugaktuatoren und/oder eine Anzeigeeinheit, um das Fahrzeug in Abhängigkeit eines Umfeldmodells automatisiert zu steuern und/oder das Umfeldmodell anzuzeigen.
• Der Umfelderfassungssensor ist beispielsweise ein für automotive Anwendungen geeigneter Radarsensor, Lidarsensor oder ein Photomischdetektor, auch photonic mixing device, abgekürzt PMD, genannt. Ein PMD Sensor, auch time-of-flight, abgekürzt TOF, Sensor genannt, stellt Signale basierend auf dem Lichtlaufzeitverfahren bereit. Eine TOF-Kamera, die als Bildgebungssensor einen TOF-Sensor umfasst, ist ebenfalls ein Umfelderfassungssensor.
• Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst das Steuerungssystem mehrere Umfelderfassungssensoren. Die Recheneinheit des Steuergeräts fusioniert die Daten der Umfelderfassungssensoren. Damit ist das Steuerungssystem redundant gegen einen Ausfall eines Umfelderfassungssensors. Außerdem wird durch Datenfusion das Umfeld verbessert wahrgenommen.
• Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt dient zur automatisierten Steuerung eines Fahrzeuges. Das Computerprogrammprodukt umfasst Befehle. Die Befehle bewirken, dass ein erfindungsgemäßes Steuergerät oder ein erfindungsgemäßes Steuerungssystem ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt, wenn das Computerprogramm auf dem Steuergerät läuft.
• Die Befehle sind beispielsweise als Softwarecodeabschnitte des Computerprogrammprodukts realisiert. Die Befehle des Computerprogrammproduktes stellen eine Abfolge von Befehlen dar, durch die das Steuergerät bei geladenem Computerprogramm veranlasst wird, ein gitterbasiertes Umfeldmodell zu erstellen und in Abhängigkeit des Umfeldmodells ein Signal auszugeben zur Steuerung von Fahrzeugfunktionen. Das Computerprogrammprodukt ruft damit einen technischen Effekt hervor.
• Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Ausführungsbeispiel einer Gitterkarte,
• 2 ein Ausführungsbeispiel einer Höhenverteilung in der Zelle c₁₂ der Gitterkarte der 1,
• 3 ein Ausführungsbeispiel einer Höhenverteilung in einer Zelle cij mit einer Maximalanzahl von 3 Zielpunkten und einer Maximalanzahl von 2 Freiraumpunkten,
• 4 ein Ausführungsbeispiel einer kombinierten Höhenverteilung der Zielpunkte und Freiraumpunkte aus 3,
• 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
• 6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuerungsgeräts und eines Steuerungssystems.
• In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. Übersichtshalber werden in den Figuren nur die jeweils relevanten Bezugsteile angegeben.
• 1 zeigt eine multi-level surface Karte mit einem zweidimensionalen Gitter in der x-y-Ebene. Von dem Gitter sind vier Zellen c₁₁ , c₁₂ , c₂₁ und c₂₂ dargestellt. Wird beispielsweise eine Fläche von 100m x 100m gescannt und erfasst eine Zelle einen Abschnitt des Umfeldes von 10cm x 10cm, sind 10⁶ Zellen erforderlich, um mit dem Gitter das die Fläche vollständig abzudecken.
• Beispielsweise wird in der Zelle c₁₂ ein Objekt erfasst. Die Zelle c₁₂ kann eine Maximalanzahl Nt von Nt=3 Zielpunkten T abspeichern. Das Objekt hat drei Höhenniveaus oder surface patches mit Durchschnittshöhen z₁ , z₂ und z₃, Höhenbereichen std₁ , std₂ und std₃ und Logitwerten P₁ , P₂ und P₃ . Diese Größen werden als drei Zielpunkte T in der Zelle c₁₂ gespeichert. Damit ist der Speicher der Zelle c₁₂ zunächst gefüllt. Würde noch ein weiteres Höhenniveau bei einer Abtastung hinzukommen, müssten zwei der vorhandenen Höhenniveaus, beispielsweise z₁ und z₂ , zusammengeführt werden, beispielsweise gemäß 5. Zusammen mit den Höhenniveaus wird ein dreidimensionales Belegungsgitter erhalten. 2 zeigt die Höhenverteilung der Zelle c₁₂ mit den zugehörigen Logitwerten P₁ , P₂ und P₃ . Analog werden für die übrigen Zellen surface patches erhalten, wobei Nt und analog die Maximalanzahl Nf von Freiraumpunkten F von Zelle zu Zelle unterschiedlich sein kann.
• 3 zeigt eine Höhenverteilung von drei Zielpunkten T und zwei Freiraumpunkten F in einer Zelle c_ij des Gitters anhand der zugehörigen Logitwerten. 4 zeigt eine Kombination der Höhenverteilung der Zielpunkte T und der Höhenverteilung der Freiraumpunkte aus 3. Anhand dieser Kombination wird vorzugsweise ein Höhenprofil des Umfeldes erstellt, das es erlaubt, ein Fahrzeug 1 automatisiert durch das Umfeld zu fahren.
• 5 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zum Erstellen eines Umfeldmodells, insbesondere einer Gitterkarte. Das Verfahren ist computerimplementiert und wird bevorzugt von einer Recheneinheit 12 eines erfindungsgemäßen Steuergeräts 10 ausgeführt, siehe auch 6.
• Ein Umfeld des Fahrzeuges 1 wird mit einem Umfelderfassungssensor 2 abgetastet. Der Umfelderfassungssensor 2 ist ein Strahlensensor, beispielsweise ein Radarsensor. Das Umfeld wird in Zellen c_ij unterteilt. Abgetastete Objekte werden in den zugeordneten Zellen c_ij gespeichert werden.
• Für jede Zelle wird oder ist eine Maximalanzahl Nt an speicherbaren Zielpunkten T und eine Maximalanzahl Nf an speicherbaren Freiraumpunkten F vorgegeben. Nt und Nf können unterschiedlich sein für unterschiedliche Zellen c_ij .
• In einem weiteren Schritt werden für jede der Abtastungen in den Zielpunkten T und Freiraumpunkten F jeweils eine Durchschnittshöhe z₁ ,..., z_Nt , zf₁ ,..., zf_Nf , ein Höhenbereich std 1,..., stdNt, stdf₁,..., stdf_Nf und ein Logitwert P₁ ,..., P_Nt, Pf₁ ,..., Pf_Nf gespeichert. Alternativ wird anstelle des Logitwerts P₁ ein über alle Zielpunkte T und Freiraumpunkte F summierter Logitwert Psum direkt in der jeweiligen Zelle c_ij gespeichert. Die Zielpunkte T sind definiert durch einen Logitwert P₁ ,..., P_Nt größer oder gleich Null. Die Freiraumpunkte F sind definiert durch einen Logitwert Pf₁ ,..., Pf_Nf kleiner als Null.
• Wenn bei einem Zielpunkt T und/oder einem Freiraumpunkt F einer neuen Abtastung die jeweiligen Höhenbereiche überlappen, werden der neue Zielpunkt T und/oder der neue Freiraumpunkt F mit einem entsprechenden Zielpunkt T oder Freiraumpunkt F einer vorherigen Abtastung zusammengeführt, oder als neuer Zielpunkt T und/oder Freiraumpunkt F gespeichert.
• Falls bei einer neuen Abtastung die Maximalanzahl Nt und/oder Nf erreicht ist, werden zwei Zielpunkte T oder zwei Freiraumpunkte F von vorherigen Abtastungen zusammengeführt. Der so entstandene neue Zielpunkt T oder Freiraumpunkt F wird in der jeweiligen Zelle c_ij gespeichert.
• Bei der Zusammenführung zweier Zielpunkte T werden die Durchschnittshöhe z_n , der Höhenbereich stdn und der Logitwert P_n des gemergten Zielpunktes T wie folgt berechnet: $$z_n=\frac{P_1\ast z_1+P_2\ast z_2}{P_1+P_2},$$

  

  $$st{d}_n=\frac{P_1\ast \left(z_1-l_1\right)+P_2\ast \left(r_2-z_2\right)}{P_1+P_2}$$

  

  und $$P_n=P_1+P_2.$$

  
• Bei der Zusammenführung zweier Freiraumpunkte F werden die Durchschnittshöhe zf_n , der Höhenbereich stdf_n und der Logitwert Pf_n des gemergten Freiraumpunktes F wie folgt berechnet: $$z{f}_n=\frac{r_n+l_n}{2},$$

  

  $$std{f}_n=\frac{r_n+l_n}{2},$$

  

  und $$P{f}_n=P{f}_1+P{f}_2$$

  

  mit $$l_n=min\left(z{f}_i-std{f}_i\right),r_n=\text{max}\left(z{f}_i+std{f}_i\right),i\in \left\{\mathrm{1,2}\right\}.$$

  
• In Abhängigkeit der so erhaltenen Gitterkarte bestimmt die Recheneinheit 12 ein Signal S. Das Signal S ist bevorzugt ein Steuerungssignal für Fahrzeugaktuatoren 3 des Fahrzeuges 1, zum Beispiel Bremsscheiben. Alternativ oder zusätzlich dient das Signal S dazu, die Gitterkarte mittels einer Anzeigeeinheit 4 des Fahrzeuges 1 einem Fahrer anzuzeigen. Die Fahrzeugaktuatoren 3 werden mit dem Signal S angesteuert. Damit wird das Fahrzeug 1 automatisiert durch das Umfeld manövriert.
• 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Steuerungssystem 20. Das Steuerungssystem 20 umfasst den Umfelderfassungssensor 2. Ferner umfasst das Steuerungssystem 20 das erfindungsgemäße Steuergerät 10. Das Steuerungssystem 20 umfasst außerdem Fahrzeugaktuatoren 3 und eine Anzeigeeinheit 4.
• Der Umfelderfassungssensor 2 ist mittels einer ersten Schnittstelle 11 mit dem Steuergerät 10 signaltechnisch verbunden. Daten des Umfelderfassungssensors 2 werden mittels der ersten Schnittstelle 11 einer Recheneinheit 12 des Steuergeräts 12 bereitgestellt. Die Recheneinheit 12 erzeugt in Abhängigkeit der Daten ein Umfeldmodell in Form einer Gitterkarte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
• In Abhängigkeit des Umfeldmodells berechnet die Recheneinheit 12 Signale S für die Fahrzeugaktuatoren 3 und für die Anzeigeeinheit 4. Die Fahrzeugaktuatoren 3 steuern das Fahrzeug 1 in Abhängigkeit der Signale S. Die Anzeigeeinheit 4 stellt das Umfeldmodell graphisch dar.
• Die Signale S werden mittels der zweiten Schnittstelle 13 des Steuergeräts 10 den Fahrzeugaktuatoren bereitgestellt. Mittels der dritten Schnittstelle 14 des Steuergeräts werden die Signale S der Anzeigeeinheit bereitgestellt.
• Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bewirken, dass das Steuergerät 10 das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, wenn das Computerprogramm auf der Recheneinheit 12 des Steuergeräts 10 läuft.

Claims (10)

1. Computerimplementiertes Verfahren zum Erstellen eines Umfeldmodells für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug (1), wobei ein Umfeld des Fahrzeuges (1) in Zellen (c_ij) unterteilt wird und mit Strahlen wenigstens eines Umfelderfassungssensors (2) abgetastet wird und die Abtastungen von Objekten in den zugeordneten Zellen (c_ij) gespeichert werden, • wobei für jede Zelle eine Maximalanzahl (Nt) an speicherbaren Zielpunkten und eine Maximalanzahl (Nf) an speicherbaren Freiraumpunkten vorgegeben ist, • für jede der Abtastungen in den Zielpunkten und Freiraumpunkten jeweils eine Durchschnittshöhe (z₁,..., z_Nt, zf₁, ... , zf_Nf), ein Höhenbereich (std1,..., stdNt, stdf₁,..., stdf_Nf) und ein Logitwert (P₁,..., P_Nt, Pf₁,..., Pf_Nf) für die Durchschnittshöhe (z₁,..., Z_Nt, zf₁, ... , zf_Nf) gespeichert werden, ◯ wobei die Zielpunkte einen Logitwert (P₁,..., P_Nt) größer oder gleich Null und die Freiraumpunkte einen Logitwert (Pf₁,..., Pf_Nf) kleiner als Null besitzen, und ◯ wobei ein Zielpunkt oder ein Freiraumpunkt einer neuen Abtastung mit einem entsprechenden Zielpunkt oder Freiraumpunkt einer vorherigen Abtastung zusammengeführt wird, falls die jeweiligen Höhenbereiche überlappen, oder als neuer Zielpunkt oder Freiraumpunkt gespeichert wird, • falls bei einer neuen Abtastung die Maximalanzahl (Nt, Nf) erreicht ist, zwei Zielpunkte oder zwei Freiraumpunkte von vorherigen Abtastungen zusammengeführt werden, und der neue Zielpunkt oder Freiraumpunkt in der jeweiligen Zelle (c_ij) gespeichert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei • beim Zusammenführen zweier Zielpunkte die Durchschnittshöhe (z_n) und der Höhenbereich (stdn) des neuen Zielpunktes die Summe der mit den jeweiligen Logitwerten (P₁, P₂) gewichteten Durchschnittshöhen (z₁, z₂) und Höhenbereiche (std₁, std₂) der zwei Zielpunkte sind definiert durch: $$z_n\frac{P_1\ast z_1+P_2\ast z_2}{P_1+P_2}{\text{und std}}_n=\frac{P_1\ast \left(z_1-l_1\right)+P_2\ast \left(r_2-z_2\right)}{P_1+P_2}\text{mit}$$

   

   $$l_1=z_1-st{d}_1,r_2=z_2+st{d}_2,$$

   

   • beim Zusammenführen zweier Freiraumpunkte die Durchschnittshöhe (zf_n) und der Höhenbereich (stdf_n) des neuen Freiraumpunktes definiert sind durch: $$\begin{array}{l}z{f}_n=\frac{r_n+l_n}{2}{\text{und stdf}}_n\text{=}\frac{r_n-l_n}{2}\text{ mit}\\ {\text{l}}_n=\text{min}\left(z{f}_i-std{f}_i\right),{\text{ r}}_n=\text{max}\left(z{f}_i+std{f}_i\right),i\in \left\{\mathrm{1,2}\right\},\end{array}$$

   

   und der Logitwert (P_n) des neuen Zielpunktes die Summe der jeweiligen Logitwerte (P₁, P₂) und der Logitwert (Pf_n) des neuen Freiraumpunktes die Summe der jeweiligen Logitwerte (Pf₁, Pf₂) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in jeder Zelle (c_ij) der summierte Logitwert (P_sum) als Summe basierend auf den jeweiligen Logitwerte (P₁,..., P_Nt, Pf₁,..., Pf_Nf) gespeichert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der summierte Logitwert (P_sum) anstelle des Logitwertes (P₁) des ersten Zielpunktes in dieser Zelle (c_ij) gespeichert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei bei der Berechnung des summierten Logitwertes (P_sum) ein limitierter Höhenbereich berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Infrastruktur, insbesondere umfassend Fremdfahrzeuge, Personen, Straßen, Straßenbegrenzungen, Vegetation, Gebäude und/oder Verkehrsschilder, abgetastet wird.
7. Steuergerät (10) zur automatisierten Steuerung eines Fahrzeuges (1) umfassend • eine erste Schnittstelle (11) zu einem Umfelderfassungssensor (2), um Abtastungen eines Umfeldes eines Fahrzeuges (1) zu erhalten, • eine Recheneinheit (12) umfassend einen Speicher, ausgeführt, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen, um ein Umfeldmodell zu erhalten und in Abhängigkeit des Umfeldmodells Signale (S) für Fahrzeugaktuatoren (3) zu berechnen, und • eine zweite Schnittstelle (13) zu den Fahrzeugaktuatoren (3), um die Signale (S) den Fahrzeugaktuatoren (3) bereitzustellen.
8. Steuergerät (10) nach Anspruch 7, umfassend eine dritte Schnittstelle (14) zu einer Anzeigeeinheit (4), um das Umfeldmodell anzuzeigen.
9. Steuerungssystem (20) für ein Fahrzeug (1), umfassend wenigstens einen Umfelderfassungssensor (2), ausgeführt, ein Umfeld des Fahrzeuges (1) mit Strahlen abzutasten, ein Steuergerät (10) nach Anspruch 7 oder 8 und Fahrzeugaktuatoren (3) und/oder eine Anzeigeeinheit (4), um das Fahrzeug (1) in Abhängigkeit eines Umfeldmodells automatisiert zu steuern und/oder das Umfeldmodell anzuzeigen.
10. Computerprogrammprodukt zur automatisierten Steuerung eines Fahrzeuges (1), umfassend Befehle, die bewirken, dass ein Steuergerät (10) nach Anspruch 7 oder ein Steuerungssystem (20) nach Anspruch 9 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt, wenn das Computerprogramm auf dem Steuergerät (10) läuft.

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