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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausrichten von digitalen Karten, ein Steuergerät, ein Computerprogramm sowie ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Zum automatisierten Betreiben von Fahrzeugen, beispielsweise in einem vollautomatisierten Betriebsmodus, werden hochgenaue Planungskarten eingesetzt. Derartige Planungskarten können beispielsweise Geometrien von Fahrstreifen der befahrbaren Straßen beinhalten und die fahrzeugseitige Wahrnehmung der Fahrstreifen vereinfachen. Insbesondere kann durch den Einsatz von Planungskarten eine vorausschauende Fahrweise umgesetzt werden.
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Um im automatisierten Betrieb des Fahrzeugs die vorhandenen Karteninformationen zu nutzen, ist eine Lokalisierung des Fahrzeugs innerhalb der Planungskarte erforderlich. Darüber hinaus werden zum Erhöhen einer Genauigkeit und Verfügbarkeit einer GPS-basierten Lokalisierung Lokalisierungskarten verwendet, die mit einer Fahrzeugsensorik erfassbare Merkmale enthalten und somit die Lokalisierung des Fahrzeugs mithilfe der Fahrzeugsensorik ermöglichen.
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Die kartenbasierte Lokalisierung kann effektiv eingesetzt werden, wenn die Koordinatensysteme aller Karten bzw. Kartenebenen korrekt aufeinander abgestimmt sind. Problematisch ist jedoch die oftmals von der Lokalisierungskarte unabhängige Erstellung von Planungskarten, wodurch Abweichungen in den Koordinatensystemen der Karten vorliegen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren zum Ausrichten von Karten mit voneinander abweichenden Koordinatensystemen vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ausrichten von digitalen Karten bereitgestellt. Das Verfahren kann vorzugsweise durch ein Steuergerät ausgeführt werden.
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In einem Schritt werden in einem ersten Koordinatensystem angeordnete Daten der ersten Karte und in einem zweiten Koordinatensystem angeordnete Daten der zweiten Karte empfangen.
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Anhand der empfangenen Daten werden mindestens eine Trajektorie innerhalb der ersten Karte und mindestens eine Trajektorie innerhalb der zweiten Karte ermittelt.
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Anschließend werden die Daten des ersten Koordinatensystems und die Daten des zweiten Koordinatensystems basierend auf den jeweiligen Trajektorien aneinander ausgerichtet.
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Durch das Verfahren können bereits gefahrene und/oder mögliche Trajektorien entlang der Karten als Kriterien für eine Angleichung der Koordinatensysteme der jeweiligen Karten herangezogen werden. Die aneinander angeglichenen Karten können anschließend durch ein Fahrzeug verwendet oder für einen Einsatz in Fahrzeugen bereitgestellt werden. Das Bereitstellen der angeglichenen Karten kann beispielsweise über eine fahrzeugexterne Servereinheit erfolgen.
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Das Fahrzeug kann hierbei gemäß der BASt Norm assistiert, teilautomatisiert, hochautomatisiert und/oder vollautomatisiert bzw. fahrerlos betreibbar sein.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Das Steuergerät kann beispielsweise ein fahrzeugexternes Steuergerät oder eine fahrzeugexterne Servereinheit, wie beispielsweise ein Cloud-System, sein. Das Steuergerät kann vorzugsweise Messdaten von Fahrzeugsensoren oder Daten von Datenbanken empfangen können.
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Darüber hinaus wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Computerprogramm bereitgestellt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer oder ein Steuergerät diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein maschinenlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann eingesetzt werden, wenn beispielweise Planungskarten vorhanden sind, jedoch keine direkten Sensormessungen für in der Planungskarte enthaltene Elemente vorliegen. Des Weiteren können durch das Verfahren mindestens zwei Karten im Hinblick auf ihre Koordinatensysteme angeglichen werden, wenn die Karten durch unterschiedliche Messfahrten, beispielsweise von unterschiedlichen Herstellern, generiert wurden.
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Die Genauigkeit der Angleichung der Karten kann vorzugsweise mit einer steigenden Anzahl an ermittelten bzw. bereitgestellten Trajektorien erhöht werden. Hierzu können die ermittelten Trajektorien mögliche Trajektorien entlang der Karten sein oder als bereits durchgeführte Fahrten ausgestaltet sein.
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Die Ausrichtung der ersten Karte und der zweiten Karte erfolgt vorzugsweise anhand der Trajektorien in der ersten Karte und der zweiten Karte. Die Karten werden hierbei derart gedreht und verschoben, dass die Trajektorien näherungsweise deckungsgleich sind und somit sich im Wesentlichen überlappen. Bei einer Vielzahl an Trajektorien können Verteilungen der Trajektorien sowie Mittelwerte für eine Angleichung der Karten herangezogen werden.
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Durch die Verwendung der Trajektorien als Kriterien für die Ausrichtung der Karten, können auch Karten aneinander ausgerichtet werden, welche keine gemeinsamen Merkmale aufweisen. Beispielsweise kann eine Kartenfusion auch dann noch erfolgen, wenn die in den Karten gespeicherten Merkmale keine direkte Ausrichtung ermöglichen. Da über die Trajektorien nur eine indirekte Ausrichtung der Karten bzw. ihrer Koordinatensysteme über die Statistik der gefahrenen Trajektorien erfolgt, ist es für die Genauigkeit vorteilhaft eine ausreichend große Anzahl an Trajektorien zu verwenden.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die ermittelten Trajektorien in den jeweiligen Karten bei einer translatorischen und/oder rotatorischen Ausrichtung der Karten in eine zumindest näherungsweise Überlappung gebracht. Hierdurch können die Daten der Karten relativ zueinander verschoben und gedreht werden, um eine optimale Überlappung der ermittelten Trajektorien in den Karten zu erreichen. Es kann somit eine besonders präzise Angleichung der Koordinatensysteme der Karten realisiert werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Ausrichtung der Karten ortsabhängig entlang der mindestens einen ermittelten Trajektorie und/oder entlang eines Kartengitters durchgeführt. Die Verschiebung bzw. die relative Abweichung der beiden Karten voneinander ist üblicherweise nicht für alle Bereiche der jeweiligen Karte identisch. Insbesondere kann die Abweichung zwischen den Karten örtlich variabel sein. Hierdurch ist nicht eine einzelne Schätzung einer Verschiebung und/oder einer Rotation notwendig, sondern ein Transformations-Feld, bei dem die Verschiebung und/oder die Rotation der Karten von einem Ort abhängen. Eine derartige ortsabhängige Angleichung der Karten kann beispielsweise durch eine geeignete Ausgleichsrechnung und/oder ein Optimierungsproblem umgesetzt werden, welche darauf abzielt, die vorhandenen Messungen optimal an einer statistischen Modell-Trajektorie oder einer anderen Menge gemessener Trajektorien auszurichten.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die mindestens eine Trajektorie der ersten Karte und/oder die mindestens eine Trajektorie der zweiten Karte gemessen, simuliert oder berechnet. Neben einer Aufzeichnung von Trajektorien entlang der Karten kann auch mindestens eine mögliche Trajektorie berechnet oder simuliert werden. Eine derartige statische Model-Trajektorie kann nun zum Ausführen von Transformation zwischen den Karten eingesetzt werden. Insbesondere können derartige Trajektorien eingesetzt werden, für die die Wahrscheinlichkeit der gemessenen Trajektorien für die gegebenen Fahrstreifen maximiert wird. Die Genauigkeit der Schätzung der Transformation hierbei von der Genauigkeit des statistischen Modells bzw. der Berechnung der Model-Trajektorie, sowie von der Anzahl der zur Verfügung stehenden gemessenen Trajektorien abhängen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird die mindestens eine Trajektorie durch maschinelles Lernen in der ersten und/oder der zweiten Karte ermittelt. Hierdurch kann ein neuronales Netzwerk dazu eingesetzt werden, einen oder mehrere mögliche Trajektorien innerhalb der mindestens einen Karte zu generieren. Die generierten Trajektorien dienen anschließend als Anhaltspunkte bzw. Kriterien für eine Angleichung der Koordinatensysteme der Karten.
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Derartige Model-Trajektorien können mithilfe von maschinellen Lernverfahren aus Messreihen von Trajektorien mit bekannter Lage innerhalb des Fahrstreifens ermittelt werden. Hierzu können als Einflussfaktoren ein Fahrer, eine Fahrzeuggröße, Links- oder Rechtslenker, Links- oder Rechtsverkehr, Nachbarfahrstreifen, Gegenverkehr, Kurvenkrümmung, aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit und dergleichen berücksichtigt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Daten des ersten Koordinatensystems an den Daten des zweiten Koordinatensystems oder die Daten des zweiten Koordinatensystems an den Daten des ersten Koordinatensystems ausgerichtet. Hierdurch kann der Berechnungsaufwand verringert werden, da nur eine Karte an eine weitere Karte transformiert bzw. angepasst wird. Ein Anpassen von beiden Karten kann hierdurch entfallen.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zum Ausrichten der Karten Kurven und Richtungsänderungen der mindestens einen Trajektorie der ersten Karte und der mindestens einen Trajektorie der zweiten Karte ermittelt, miteinander verglichen und aneinander angeglichen. Oftmals ist nur die Ausrichtung quer zur Fahrtrichtung möglich, da eine Verschiebung in Fahrtrichtung regelmäßig keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit der gemessenen Trajektorien hat. Lediglich an Kreuzungen oder in Bereichen mit kurviger Straßenführung kann durch die verschiedenen beobachtbaren Richtungen eine vollständige Bestimmbarkeit der Verschiebung ermittelt werden.
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Unter Annahme von Glattheit der Transformation zwischen beiden Karten-Koordinatensystemen kann somit die in verschiedenen globalen Richtungen bestimmbare laterale, sowie an Kreuzungen vollständig bestimmbare Ausrichtung verwendet werden, um die Transformation der mindestens einen Karte zu schätzen.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die erste Karte als eine Lokalisierungskarte ausgestaltet ist, wobei die mindestens eine Trajektorie der ersten Karte durch Messungen ermittelt wird. Insbesondere kann die mindestens eine Trajektorie als eine bereits von einem Fahrzeug durchgeführte Fahrt in einem Speicher hinterlegt oder vom Steuergerät empfangbar sein. Darüber hinaus können Messfahrten zur Erstellung der Lokalisierungskarte ebenfalls als Trajektorien berücksichtigt werden. Des Weiteren kann die Lokalisierungskarte Landmarken enthalten, welche durch eine Fahrzeugsensorik ermittelbar sind, um einen Lokalisierungsprozess des Fahrzeugs zu ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Karte als eine Planungskarte ausgestaltet, wobei die mindestens eine Trajektorie der zweiten Karte innerhalb der Planungskarte berechnet oder simuliert wird. Die Planungskarte kann beispielsweise Geometrien und Verläufe von Fahrstreifen als Lokalisierungselemente aufweisen. Darüber hinaus können die Lokalisierungselemente als Straßenkreuzungen, markante Landschaftsmerkmale und dergleichen ausgestaltet sein. Die Lokalisierungskarte kann beispielsweise als eine Radarkarte und/oder als eine sogenannte Video Road Signatur ausgeführt sein.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die mindestens eine ermittelte Trajektorie basierend auf einer bereits gefahrenen Strecke eines Fahrzeugs und/oder einer Vielzahl an Fahrzeugen erfasst. Hierdurch können die ermittelten Trajektorien von unterschiedlichen Quellen, wie beispielsweise benachbarten Fahrzeugen, externen Servereinheiten und dergleichen bezogen und für eine Angleichung der Koordinatensysteme der Karten eingesetzt werden. Mit einer zunehmenden Anzahl an verwendeten Trajektorien kann eine Angleichung der Koordinatensysteme der Karten mit einer höheren Genauigkeit durchgeführt werden.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine Draufsicht auf ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät gemäß einer Ausführungsform,
- 2 eine schematische Draufsicht auf einen Straßenabschnitt zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform und
- 3 eine schematische Darstellung von Trajektorien zum Veranschaulichen des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
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Die 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Fahrzeug 1 mit einem Steuergerät 2 gemäß einer Ausführungsform. Das Steuergerät 2 ist dazu eingerichtet ein Verfahren zum Ausrichten von, in 2 beispielhaft dargestellten, digitalen Karten 4, 6 auszuführen. Hierzu ist das Steuergerät 2 mit einem maschinenlesbaren Speichermedium 8 verbunden, auf welchem ein Computerprogramm hinterlegt ist.
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Das Steuergerät 2 kann auf Daten und das Computerprogramm des maschinenlesbaren Speichermediums 8 zugreifen und diese ausführen bzw. nutzen.
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Des Weiteren ist das Steuergerät 2 datenleitend mit einer Fahrzeugsensorik 10 verbunden. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Fahrzeugsensorik 10 aus einem Radarsensor.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Fahrzeugsensorik 10 Kamerasensoren, GNSS-Sensoren, LIDAR-Sensoren, Ultraschallsensoren und dergleichen aufweisen.
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Durch Auswerten von Messdaten der Fahrzeugsensorik 10 kann das Steuergerät 2 beispielsweise Trajektorien des Fahrzeugs 1 ermitteln und im maschinenlesbaren Speichermedium 8 speichern. Somit kann das Steuergerät 2 eine erste Karte 4 erstellen, welche die Messdaten der Fahrzeugsensorik 10 beinhaltet.
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In der 2 ist eine schematische Draufsicht auf einen Straßenabschnitt 12 zum Veranschaulichen des Verfahrens dargestellt. Es sind zwei Karten 4, 6 gezeigt, welche einander überlagern.
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Die erste Karte 4 ist als eine Lokalisierungskarte ausgestaltet und weist eine Vielzahl an Trajektorien 14 auf, welche während der Fahrten des Fahrzeugs 1 durch das Steuergerät 2 aufgezeichnet wurden.
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Des Weiteren wurden Lokalisierungselemente 16 am Straßenrand ermittelt. Die Lokalisierungselemente 16 sind beispielsweise durch die Fahrzeugsensorik 10 detektierte Leitpfosten.
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Die zweite Karte 6 ist eine Planungskarte und weist Fahrspurmarkierungen 18 und den Verlauf der jeweiligen Fahrspuren 20.
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Die übereinander gelegten Karten 4, 6 passen geringfügig nicht überein, sodass die Koordinatensysteme der Karten 4, 6 erst aneinander angepasst werden müssen, bevor beispielsweise die zweite Karte 6 durch das Steuergerät 2 zur Lokalisierung des Fahrzeugs 1 einsetzbar ist.
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Hierzu wird in einem Schritt eine oder mehrere Model-Trajektorien 22, beispielsweise durch das Steuergerät 2, berechnet. Die Berechnung der Model-Trajektorien 22 kann beispielsweise anhand der Abmessungen des Fahrzeugs 1 und der Dimension und einem Verlauf der Fahrspuren 20 erfolgen. Hierbei kann eine theoretische Fahrt des Fahrzeugs 1 durch die zweite Karte 6 simuliert werden.
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Anschließend werden die gemessenen Trajektorien 14 und die berechneten Trajektorien 22 als Kriterien für eine Angleichung der Koordinatensysteme der beiden Karten 4, 6 verwendet. Dabei können die Karten 4, 6 beispielsweise derart relativ zueinander verschoben oder gedreht werden, bis die Trajektorien 14, 22 optimal übereinander liegen.
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Abhängig von dem Verlauf der Trajektorien 14, 22 kann hierzu eine durchschnittliche Abweichung der Trajektorien 14, 22 voneinander minimiert werden. Die Pfeile 23, 25, 27 veranschaulichen mögliche Transformationsrichtungen der Karten 4, 6.
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In der 3 ist eine schematische Darstellung von weiteren Trajektorien 14, 22 zum Veranschaulichen des Verfahrens dargestellt. Die beiden Trajektorien 14, 22 veranschaulichen die Differenzen der Koordinatensystem zwischen der ersten Karte 4 und der zweiten Karte 6 an einer Kurve 24.
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Es werden insbesondere Mehrdeutigkeiten bei der Angleichung der Trajektorien 14, 22 entlang der geraden Streckenabschnitte veranschaulicht. Die Pfeile 27 veranschaulichen die nicht eindeutig bestimmbaren Transformationsrichtungen. Im Kurvenbereich können diese Mehrdeutigkeiten eindeutig aufgelöst werden. Die entsprechenden Transformationsrichtungen zum Angleichen der Trajektorien 14, 22 werden durch die Pfeile 29 dargestellt. Somit können durch Angleichungen in Kurvenbereichen sogenannte Apertur-Probleme im Bereich von geraden Streckenabschnitten aufgelöst werden.
