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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Ausgangsposition eines Fahrzeugs für eine Lokalisierung des Fahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Durchführen einer Lokalisierung, ein Steuergerät, ein Computerprogramm sowie ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Für die Nutzung von spurgenauen digitalen Karten muss das Fahrzeug seine eigene Position spurgenau bestimmen können. Die Position des Fahrzeugs kann durch eine Lokalisierung ermittelt werden. Die Lokalisierung der Fahrzeugposition benötigt eine präzise Initialposition bzw. Ausgangsposition, da die Lokalisierung üblicherweise auf iterativen Verfahren basiert. Dabei werden beispielsweise Messdaten einer Odometriesensorik eingesetzt, um ausgehend von der Initialposition die Fahrzeugposition zu bestimmen.
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Es sind bereits Verfahren zum Bestimmen einer Initialposition für die Fahrzeuglokalisierung bekannt, welche auf dem Empfang von GNSS-Daten basieren. Dabei können mehrere GNSS-Positionen zum Bestimmen einer Initialposition herangezogen werden. Die für diese Verfahren notwendigen GNSS-Signale von entsprechenden Satelliten sind jedoch in vielen Straßenabschnitten, wie beispielsweise Wäldern oder Tunneln, nicht verfügbar. Problematisch ist weiterhin die unzureichende Genauigkeit der ermittelten GNSS-Positionen.
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Zum Verbessern der Genauigkeit der ermittelten GNSS-Positionen können differentielle Verfahren eingesetzt werden, welche aufgrund zusätzlicher Hardware kostenintensiv und nicht flächendeckend verfügbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein präzises Verfahren zum Ermitteln einer Initialposition bzw. Ausgangsposition für eine iterative Fahrzeuglokalisierung vorzuschlagen, welches mit preiswerter Sensorik umsetzbar ist.
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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 Ermitteln einer Ausgangsposition eines Fahrzeugs für eine Lokalisierung des Fahrzeugs durch ein Steuergerät bereitgestellt. Insbesondere kann das Verfahren durch ein Initialisierungsmodul des Steuergeräts in Form einer Hardware und/oder einer Software ausgeführt werden.
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In einem Schritt werden Messdaten von einer Odometriesensorik und/oder einer GNSS-Sensorik des Fahrzeugs empfangen. Die Odometriesensorik und/oder GNSS-Sensorik ist hierfür mit dem Steuergerät datenleitend verbindbar.
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Basierend auf den empfangenen Messdaten werden eine erste Position und ein Unsicherheitsbereich der ersten Position bestimmt. In einem weiteren Schritt wird mindestens ein Kartenabschnitt einer Merkmalskarte mit einer Vielzahl an hinterlegten Merkmalen empfangen. Bevorzugterweise weist der Kartenabschnitt eine Position und Ausdehnung auf, welche die erste Position und den Unsicherheitsbereich der ersten Position überlagert. Der Unsicherheitsbereich kann in Form einer Ellipse, eines Kreises oder in Form eines Vielecks ausgestaltet sein. Die Position kann dabei mittig oder außermittig im Unsicherheitsbereich liegen.
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In einem weiteren Schritt werden Messdaten von einer LIDAR-Sensorik, einer Radarsensorik und/oder einer Kamerasensorik empfangen und statische Merkmale aus den empfangenen Messdaten extrahiert. Derartige statische Merkmale können statische Objekte, wie beispielsweise Gebäude, Fahrbahnbegrenzungen, Fahrbahnmarkierungen, Bäume, Straßenbeschilderungen, Fahrbahnverläufe und dergleichen, abbilden. Dabei können die statischen Merkmale in Form einer Signatur oder eines charakteristischen Messdatenrasters vorliegen.
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Anschließend wird eine Ausgangsposition des Fahrzeugs durch einen Abgleich der aus Messdaten extrahierten statischen Merkmale mit in dem Kartenabschnitt hinterlegten Merkmalen ermittelt.
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Durch das Verfahren kann eine spurgenaue Initialposition bzw. Ausgangsposition des Fahrzeugs ermittelt werden, welche als Grundlage für ein iteratives Lokalisierungsverfahren dient. Die Ausgangsposition kann auch als eine Ausgangspose mit einer Position und Ausrichtung des Fahrzeugs ausgestaltet sein.
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Durch die Eingrenzung des Kartenabschnitts auf eine kleine Region um die erste Position und deren Unsicherheitsbereich kann mit einem geringen technischen Aufwand ein Merkmalsabgleich durchgeführt werden. Dabei sind die Anforderungen an die Sensorgenauigkeit gering, wodurch auch preiswerte Sensoren für das Verfahren nutzbar sind.
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Die Möglichkeit eine Radarsensorik einzusetzen ermöglicht die Bestimmung der Ausgangsposition auch bei unzureichenden Witterungsverhältnissen, wie Regen oder Nebel. Des Weiteren kann die Ausgangsposition auch in Gebieten ohne GNSS-Signal präzise ermittelt werden.
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Die Ausgangsposition kann insbesondere zum Umsetzen von automatisierten oder teilautomatisierten Fahrfunktionen verwendet werden. Derartige Fahrfunktionen können beispielsweise auf eine spurgenaue Navigation zugreifen und eine Trajektorienplanung aufweisen.
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Das Verfahren zum Ermitteln der Ausgangsposition wird im Wesentlichen durch drei Hauptschritte bestimmt. In einem Schritt werden Messdaten der Odometriesensorik und/oder der GNSS-Sensorik des Fahrzeugs separat oder als Sensordatenfusion herangezogen, um die erste Position zu bestimmen. Basierend auf der ersten Position kann ein entsprechender Kartenabschnitt geladen werden, welcher die erste Position und ihren Unsicherheitsbereich abdeckt. In einem dritten Hauptschritt kann der geladene Kartenabschnitt für eine merkmalbasierte Lokalisierung anhand von Messdaten einer LIDAR-Sensorik, einer Radarsensorik und/oder einer Kamerasensorik genutzt werden.
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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 fahrzeugseitiges Steuergerät, ein fahrzeugexternes Steuergerät oder eine fahrzeugexterne Servereinheit, wie beispielsweise ein Cloud-System, sein.
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Insbesondere kann das Steuergerät ein Loklaisierungsmodul und/oder ein Initialisierungsmodul aufweisen. Hierdurch kann das Steuergerät das Verfahren zum Ermitteln der Ausgangsposition eines Fahrzeugs und/oder das Verfahren zum Durchführen einer Lokalisierung ausführen.
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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 Fahrzeug kann gemäß der BASt Norm assistiert, teilautomatisiert, hochautomatisiert und/oder vollautomatisiert bzw. fahrerlos betreibbar sein.
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Das Fahrzeug kann beispielsweise als ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Robotaxi und dergleichen sein. Das Fahrzeug ist nicht auf einen Betrieb auf Straßen beschränkt. Vielmehr kann das Fahrzeug auch als ein Wasserfahrzeug, Luftfahrzeug, wie beispielsweise eine Transportdrohne, und dergleichen ausgestaltet sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird zeitlich von der ersten Ausgangsposition beabstandet mindestens eine zweite Ausgangsposition ermittelt, wobei die erste Ausgangsposition und die mindestens eine zweite Ausgangsposition mit aus Messdaten der Odometriesensorik ermittelten Positionen verglichen werden. Bevorzugterweise wird eine Abweichung zwischen der mindestens einen zweiten Ausgangsposition und einer durch Messdaten der Odometriesensorik ermittelten Position des Fahrzeugs berechnet und eine Konsistenzprüfung durchgeführt. Diese Konsistenzprüfung kann als ein abschließender Schritt des Verfahrens realisiert werden, welcher verlässliche Ergebnisse der Initialisierung sicherstellt. Insbesondere kann diese Konsistenzprüfung in periodischen Umgebungen, wie beispielsweise einem Waldabschnitt oder einer Autobahn, mit einer Vielzahl identischer Fahrbahnbegrenzungen bzw. statischer Merkmale die Korrektheit der Ausgangsposition gewährleisten.
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Die Konsistenzprüfung kann technisch besonders einfach umgesetzt werden, wenn die erste der zwei aufeinander folgenden Ausrichtungsergebnisse bzw. Ausgangspositionen mittels Messdaten der Odometriesensorik bis zu dem Zeitpunkt des zweiten Ausrichtungsergebnisses propagiert wird und anschließend die Differenz mit dem tatsächlichen zweiten Ausrichtungsergebnis berechnet wird. Wenn die Differenz unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, können die Ausgangspositionen als konsistent betrachtet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung können mehrere konsistente Ausgangspositionen nacheinander ermittelt werden, bevor die Ausgangsposition an die Fahrzeuglokalisierung übergeben wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird zeitlich von der ersten Ausgangsposition beabstandet mindestens eine zweite Ausgangsposition ermittelt, wobei die erste Ausgangsposition und die mindestens eine zweite Ausgangsposition mit Messdaten der Odometriesensorik zu Trajektorien verknüpft werden. Für jede Trajektorie wird eine Anpassungsgüte ermittelt, wobei eine Trajektorie mit einer höchsten Anpassungsgüte verwendet wird oder alle Trajektorien verworfen werden. Werden die Ausgangspositionen verworfen, dann wird das Verfahren erneut durchgeführt, um eine Ausgangsposition zu ermitteln, welche die Konsistenzprüfung besteht. Hierdurch kann ein Multi-Hypothesen-Tracking verwendet werden. Durch diese Maßnahme kann die Präzision der Ausgangsposition insbesondere in periodischen Umgebungen weiter erhöht werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform werden extrahierte statische Merkmale aus älteren Messungen der LIDAR-Sensorik, der Radarsensorik und/oder der Kamerasensorik zum Durchführen eines Abgleichs der extrahierten Merkmale mit in dem Kartenabschnitt hinterlegten Merkmalen verwendet. Der Kartenabschnitt kann hierbei entsprechend des Abstands zwischen einer aktuellen Messung und der älteren Messung vergrößert werden. Dies kann durch Heranziehen von Messdaten der Odometriesensorik realisiert werden. Die älteren Messdaten und die aktuellen Messdaten können vorzugsweise räumlich voneinander beabstandete statische Merkmale aufweisen, welche kombiniert mit den in dem Kartenabschnitt hinterlegten Merkmalen abgleichbar sind, um die erste Ausgangsposition zu ermitteln. Hierdurch kann eine größere Datenwolke zum Ermitteln der ersten Ausgangsposition herangezogen werden. Diese Maßnahme kann beispielsweise statt der Konsistenzprüfung erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die extrahierten Merkmale aus den älteren Messungen durch Messdaten der Odometriesensorik mit den extrahierten Merkmalen aus aktuellen Messungen gekoppelt. Hierdurch können die älteren statischen Merkmale, welche beispielsweise wenige Sekunden früher ermittelt wurden, über die zurückgelegte Strecke des Fahrzeugs mit aktuell ermittelten statischen Merkmalen verknüpft werden. Die zurückgelegte Strecke kann über die Odometriesensorik nachvollzogen werden. Hierdurch kann eine vergrößerte Straßengeometrie mit entsprechenden Merkmalen zur Lösung von Unklarheiten oder Mehrdeutigkeiten in periodischen Umgebungen, wie beispielsweise Autobahnen oder Waldabschnitten, eingesetzt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird zum Bestimmen der ersten Position ein Optimierungsverfahren eingesetzt. Beispielsweise kann eine Datenstruktur basierend auf einem gleitenden Graph mit über eine Zeitdauer empfangenen Messdaten der Odometriesensorik und der GNSS-Sensorik des Fahrzeugs erstellt und daraus die erste Position ermittelt werden. Durch diese Maßnahme können Messunsicherheiten, Schwankungen und Jitter bei der Bestimmung der ersten Position beseitigt oder reduziert werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Messdaten der Odometriesensorik und/oder der GNSS-Sensorik des Fahrzeugs kontinuierlich empfangen. Des Weiteren wird basierend auf den empfangenen Messdaten kontinuierlich die erste Position bestimmt. Durch diese Maßnahme kann die Verfügbarkeit der ersten Position für die Ermittlung der ersten Ausgangsposition sichergestellt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird die ermittelte Ausgangsposition zum Durchführen eines Straßenfreigabedienstes eingesetzt. Hierdurch kann das Verfahren dazu eingesetzt werden, um eine Straße oder einen Straßenabschnitt für bestimmte automatisierte oder teilautomatisierte Fahrassistenzfunktionen freizugeben. Dabei kann durch den redundanten Einsatz der Messdaten der Odometriesensorik und der statischen Merkmale eine Manipulation der Ausgangsposition, beispielsweise durch sogenanntes GNSS-Spoofing, verhindert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Durchführen einer Lokalisierung bereitgestellt, wobei eine durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln einer Ausgangsposition eines Fahrzeugs ermittelte erste Ausgangsposition als Eingangsgröße und/oder als Validierungsgröße empfangen wird.
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Durch die ermittelte Ausgangsposition kann die Lokalisierung eines Fahrzeugs auch mit preiswerten Fahrzeugsensoren gegenüber einer digitalen Karte spurgenau erfolgen. Das Verfahren zum Durchführen der Lokalisierung kann einen kontinuierlichen Abgleich von statischen Merkmalen aus Messdaten einer LIDAR-Sensorik, einer Radarsensorik und/oder einer Kamerasensorik des Fahrzeugs mit in der digitalen Karte hinterlegten Merkmalen realisieren. Dies kann beispielsweise durch ein Lokalisierungsmodul des Steuergeräts erfolgen.
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Da das Verfahren zum Durchführen der Lokalisierung iterativ ausgestaltet ist, kann durch die Bereitstellung der präzisen Ausgangsposition das Fahrzeug besonders genau Lokalisiert werden.
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Insbesondere kann durch die erste Position der Suchbereich für die merkmalsbasierte Lokalisierung auf den mindestens einen Kartenabschnitt beschränkt und der Rechenbedarf gesenkt werden.
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Nach einer Ausführungsform wird das Verfahren zum Ermitteln der Ausgangsposition bzw. Initialposition parallel zum Verfahren zum Durchführen der Lokalisierung durchgeführt. Durch diese Maßnahme kann das Initialisierungsmodul des Steuergeräts während der Lokalisierung auch im Hintergrund laufen. Dabei kann die Ausgabe des Initialisierungsmoduls als zusätzliche Zustandsprüfung der Lokalisiererausgabe verwendet werden. Wird ein Unterschied zwischen der Ausgangsposition und der durch die Lokalisierung ermittelten Fahrzeugposition festgestellt, welcher einen Grenzwert überschreitet, kann eine neue Ausgangsposition für das Lokalisierungsmodul ausgegeben werden und die Lokalisierung des Fahrzeugs erneut eingeleitet.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Fahrbahn zum Veranschaulichen einer Bestimmung einer ersten Position eines Fahrzeugs,
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine Fahrbahn aus 1 und einen Kartenabschnitt,
- 3,4 schematische Diagramme zum Veranschaulichen einer Konsistenzprüfung,
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Die 1 bis 4 zeigen schematische Darstellungen zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Ermitteln einer ersten Ausgangsposition A eines Fahrzeugs 2 für eine Lokalisierung des Fahrzeugs 2 durch ein Steuergerät 4.
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Das Fahrzeug 2 weist eine Odometriesensorik und/oder einer GNSS-Sensorik 6 sowie eine zusätzliche Sensorik 8 für eine merkmalsbasierte Lokalisierung. Die zusätzliche Sensorik 8 kann beispielsweise als eine LIDAR-Sensorik, eine Radarsensorik und/oder eine Kamerasensorik ausgestaltet sein.
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Die 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Fahrbahn 10 zum Veranschaulichen einer Bestimmung einer ersten Position P des Fahrzeugs 2. Das Fahrzeug 2 befährt die Fahrbahn 10 in Fahrtrichtung F. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden während der Fahrt Messdaten durch die Odometriesensorik und die GNSS-Sensorik 6 gesammelt. Dabei werden mehrere zeitlich nacheinander gesammelte Messdaten 12 der Odometriesensorik und der GNSS-Sensorik 6 gespeichert, um die erste Position P zu bestimmen. Die Messdaten 12 der Odometriesensorik und der GNSS-Sensorik 6 können optional geglättet werden, sodass aus den ermittelten Messdaten 12 optimierte Messdaten 14 resultieren. Die ermittelten Messdaten 12 können beispielsweise mittels gleitender Durchschnitte optimiert werden.
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Die ermittelten Messdaten 12 können eine maximale Anzahl aufweisen, sodass alte Messdaten automatisch gelöscht bzw. durch aktuellere Messdaten überschrieben werden. Die erste Position P kann hierbei als letzte bzw. aktuellste Messung der Odometriesensorik und der GNSS-Sensorik 6 nach der Optimierung bzw. Glättung ausgestaltet sein.
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In der 2 ist eine schematische Draufsicht auf eine Fahrbahn 10 aus 1 und auf einen Kartenabschnitt 16 dargestellt. Der Kartenabschnitt 16 ist ein Teil einer Merkmalskarte und weist eine Vielzahl von Merkmalen18 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Merkmalskarte eine radarspezifische Merkmalskarte. Der Kartenabschnitt 16 weist eine Position und eine Ausdehnung auf, welche die erste Position P und einen optionalen Unsicherheitsbereich der ersten Position P überlagert bzw. abdeckt.
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Des Weiteren werden extrahierte statische Merkmale 20 aus aktuellen Messungen und statische Merkmale 22 aus älteren Messungen der LIDAR-Sensorik, der Radarsensorik und/oder der Kamerasensorik 8 berücksichtigt, sodass ein vergrößerter Kartenabschnitt 16 zum Durchführen eines Abgleichs von extrahierten statischen Merkmalen 20, 22 mit in dem Kartenabschnitt 16 hinterlegten Merkmalen 18 verwendet wird.
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Die radarspezifische Merkmalskarte und der Kartenabschnitt 16 sind in Form von Kartenabschnitten 16 hinterlegt, die die Topologie des Straßennetzes bzw. der Fahrbahn 10 abbilden. Der mindestens eine Kartenabschnitt 16 kann in ein Koordinatensystem des Fahrzeugs 2 transformiert werden, welches der Übersicht halber nicht in 2 dargestellt ist. Des Weiteren können die Merkmale 18 des Kartenabschnitts 16 mit den extrahierten statischen Merkmalen 20, 22 verglichen und für eine merkmalsbasierte Lokalisierung zueinander ausgerichtet werden. Eine derartige Ausrichtung kann mit einer Kostenfunktion und einem Optimierungsalgorithmus für die Kostenfunktion realisiert werden.
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Die 3 und die 4 zeigen schematische Diagramme zum Veranschaulichen einer Konsistenzprüfung. Die 3 zeigt eine technisch vereinfachte Konsistenzprüfung. Es werden mehrere zeitlich von der ersten Ausgangsposition A beabstandete zweite Ausgangspositionen A2, A3 ermittelt.
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Parallel zu den Ausgangspositionen A, A2, A3 werden Positionen P, P2, P3 mittels der Odometriesensorik 6 ermittelt und mit den Ausgangspositionen A, A2, A3 verglichen. Hierzu kann eine Differenz D bzw. ein Abstand zwischen den Positionen P, P2, P3 und den Ausgangspositionen A, A2 berechnet werden. Die Konsistenzprüfung ist erfolgreich, wenn die Differenz D unterhalb eines vordefinierten Schwellwerts bzw. Grenzwerts liegt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ersten beiden Ausgangspositionen A, A2 konsistent bzw. korrekt. Die letzte Ausgangsposition A3 weist eine zu große Abweichung D von der Position P3 auf und ist nicht konsistent. Hierbei kann das Verfahren zum Ermitteln der Ausgangsposition A des Fahrzeugs 2 erneut durchgeführt und einer Konsistenzprüfung unterzogen werden. Vorzugsweise kann die Konsistenzprüfung mehrere erfolgreich geprüfte Ausgangspositionen A, A2, A3 aufweisen, bevor die zuletzt geprüfte Ausgangsposition A3 für eine Lokalisierung des Fahrzeugs 2 freigegeben wird.
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In der 4 ist eine technisch aufwändigere Konsistenzprüfung illustriert, welche auf einem Muli-Hypothesen Tracking basiert. Es werden mehrere Ausgangspositionen A, A2, A3 mit einer besten Übereinstimmung innerhalb des Kartenabschnitts 16 berücksichtigt. Diese Ausgangspositionen A, A2, A3 werden mit Übereinstimmungen aus der jeweils letzten Ausrichtung der Merkmale 18, 20, 22 gekoppelt. Die Messdaten 12 der Odometriesensorik 6 werden zum Verbinden der Ausgangspositionen A, A2, A3 eingesetzt. Jede der Ausgangspositionen A, A2, A3 kann innerhalb des Kartenabschnitts 16 parallele Ausgangspositionen AP aufweisen, bei welchen die extrahierten Merkmale 20, 22 mit den in dem Kartenabschnitt 16 hinterlegten Merkmalen 18 übereinstimmen. Derartige Ergebnisse der merkmalsbasierten Lokalisierung können bei periodischen Umgebungen, wie beispielsweise Autobahnabschnitten, vorkommen. Die Messdaten 12 der Odometriesensorik 6 werden in Form von Trajektorien mit den jeweiligen Ausgangspositionen A, A2, A3, AP verglichen, wobei die Ausgangspositionen A, A2, A3, AP mit der höchsten Anpassungsgüte für die weitere Lokalisierung des Fahrzeugs 2 verwendet werden.
