DE102021104935A1

DE102021104935A1 - Vertrauenswürdige Bewegungseinheit

Info

Publication number: DE102021104935A1
Application number: DE102021104935.0A
Authority: DE
Inventors: Igor P. Prikhodko; Joseph Bergeron; Alan Christopher O'Connor
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2021-09-09
Also published as: TW202202961A; TWI804821B; CN113358123A

Abstract

Navigationssysteme und Verfahren für autonome Fahrzeuge sind bereitgestellt. Das Navigationssystem kann mehrere Navigationssysteme aufweisen, einschließlich eines mit einer Inertialmesseinheit (IMU). Die Einheit kann als die Primäreinheit für Navigationszwecke dienen, wobei andere Subsysteme als sekundär behandelt werden. Die anderen Navigationssysteme können Globales-Positionierungssystem(GPS)-Sensoren und Wahrnehmungssensoren aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann das Navigationssystem ein erstes Filter für den IMU-Sensor und separate Filter für die andere Navigationssysteme aufweisen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil unter 35 U.S.C. § 119(e) der vorläufigen U.S. Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/985,765, eingereicht am 5. März 2020 unter dem Anwaltsaktenzeichen G0766.70309US00 und mit dem Titel „TRUSTED MOTION UNIT“, welche hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft Navigationssysteme und Verfahren für Fahrzeuge.
HINTERGRUND
Navigationssysteme für autonome Fahrzeuge weisen manchmal mehrere Sensortypen auf. Lidar-, Radar-, Globales-Positionierungssystem(GPS)-, Inertialmesseinheit(Inertial Measurement Unit(IMU)- und Raddrehzahlsensoren werden manchmal als Teil eines Navigationssystems für autonome Fahrzeuge verwendet. Typischerweise behandeln die Navigationssysteme den GPS-Sensor als den Primärsensor, wobei seine Daten durch die Sensoren verfeinert werden, die Lokalinformationen, wie etwa IMU-Daten, oder Daten von Lidar-, Radar- oder Kamerasystemen bereitstellen.
KURZDARSTELLUNG
Navigationssysteme und Verfahren für autonome Fahrzeuge sind bereitgestellt. Das Navigationssystem kann mehrere Navigationssysteme aufweisen, einschließlich eines mit einer Inertialmesseinheit (IMU). Die Einheit kann als die Primäreinheit für Navigationszwecke dienen, wobei andere Subsysteme als sekundär behandelt werden. Die anderen Navigationssysteme können Globales-Positionierungssystem(GPS)-Sensoren und Wahrnehmungssensoren aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann das Navigationssystem ein erstes Filter für das IMU-Subsystem und separate Filter für die andere Navigationssysteme aufweisen. Die IMU kann bei wenigstens manchen Ausführungsformen mit niedrigerer Latenz als die anderen Sensoren des Navigationssystems arbeiten.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist eine vertrauenswürdige Bewegungseinheit für ein autonomes Fahrzeug bereitgestellt, die Folgendes aufweist: eine Inertialmesseinheit (IMU), einen Integrationsschaltkreis, der zum Empfangen eines Ausgabesignals der Inertialmesseinheit ausgebildet ist, und ein erstes Filter, das zum Empfangen eines Ausgabesignals des Integrationsschaltkreises und eines Ausgabesignals von einem zweiten Filter ausgebildet ist.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist ein Navigationssystem für ein autonomes Fahrzeug bereitgestellt, das Folgendes aufweist: mehrere Navigationssubsysteme, die Folgendes aufweisen: ein erstes Navigationssubsystem, das eine Inertialmesseinheit (IMU) und ein erstes Filter aufweist, und ein zweites Navigationssubsystem, das ein zweites Filter aufweist, wobei das erste Filter mit dem zweiten Filter gekoppelt ist, zum Empfangen eines Eingabesignals von dem zweiten Filter ausgebildet ist und zum Liefern eines Rückkopplungssignals an die IMU ausgebildet ist.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist ein Navigationssystem für ein autonomes Fahrzeug bereitgestellt, das Folgendes aufweist: ein erstes Navigationssubsystem, das eine Inertialmesseinheit (IMU) aufweist, und ein erstes Filter, das mit der IMU in einer Rückkopplungsschleife gekoppelt ist. Das Navigationssystem weist ferner ein zweites Navigationssubsystem auf, das Folgendes aufweist: einen Sensor, und ein zweites Filter, das zum Empfangen eines Ausgabesignals des Sensors gekoppelt ist und mit einem Eingangsanschluss des ersten Filters gekoppelt ist.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist ein Lokalisierungsverfahren für ein autonom fahrendes Fahrzeug mit einem ersten Navigationssubsystem, das eine Inertialmesseinheit und ein erstes Filter aufweist, und einem zweiten Navigationssubsystem, das einen Sensor und ein zweites Filter aufweist, bereitgestellt. Das Verfahren weist Anlegen eines Ausgabesignals der IMU an das erste Filter, Anlegen eines Ausgabesignals des Sensors an das zweite Filter und Anlegen eines Ausgabesignals des zweiten Filters an das erste Filter auf.
Figurenliste
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben. Es versteht sich, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind. In mehreren Figuren auftretende Elemente sind in allen Figuren, in welchen sie auftreten, durch die gleiche Bezugsziffer gekennzeichnet.

1 ist ein Blockdiagramm eines Navigationssystems gemäß einer nichtbeschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung, wobei eine Inertialmesseinheit als der Primärnavigationssensor dient.
2A ist ein nichtbeschränkendes Beispiel für eine ausführlichere Implementierung des Navigationssystems aus 1.
2B ist eine Alternative zu 2A, die ein anderes nichtbeschränkendes Beispiel für eine ausführlichere Implementierung des Navigationssystems aus 1 veranschaulicht.
3A ist ein nichtbeschränkendes Beispiel einer weiteren ausführlichen Implementierung des Navigationssystems aus 1, welche ein globales Positionierungsnavigationssubsystem und ein Wahrnehmungsnavigationssubsystem aufweist.
3B ist eine Alternative zu 3A, die ein anderes nichtbeschränkendes Beispiel für eine ausführliche Implementierung des Navigationssystems aus 1 veranschaulicht.
4A ist ein nichtbeschränkendes Beispiel einer weiteren ausführlichen Implementierung des Navigationssystems aus 3A, welche ein globales Positionierungsnavigationssubsystem und ein Wahrnehmungsnavigationssubsystem aufweist.
4B ist eine Alternative zu 4A, die ein anderes nichtbeschränkendes Beispiel für eine ausführliche Implementierung des Navigationssystems aus 3A veranschaulicht.
5 veranschaulicht eine Konfiguration eines Navigationssystems, das eine Latenzkompensation zum Kompensieren verschiedener Latenzen verschiedener Subsysteme des Navigationssystems aufweist.
6 veranschaulicht ein Auto als ein Beispiel für ein autonomes Fahrzeug, das ein Navigationssystem eines hier beschriebenen Typs einbindet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung werden ein System und ein Verfahren für eine Fahrzeuglokalisierung bereitgestellt, wobei Daten von mehreren Arten von Sensoren in Kombination verwendet werden, wobei eine Inertialmesseinheit (IMU) als der Primärsensor behandelt wird und Daten von dieser Einheit als vertrauenswürdige Daten behandelt werden, die durch Daten von den anderen Sensoren zu korrigieren sind. Lokalisierung verweist auf die Kenntnis des Standorts des Fahrzeugs. Die verschiedenen Typen von Sensoren können verwendet werden, um die Stellung des Fahrzeugs in einem lokalen Bezugsrahmen und bei manchen Ausführungsformen in einem globalen Bezugsrahmen bereitzustellen. Das Bereitstellen einer Stellung in einem lokalen Bezugsrahmen kann das Bereitstellen einer Position in zum Beispiel Metern in einem X,Y,Z-Rahmen mit Bezug auf eine lokale Position, wie etwa eine Stadt, bedeuten. Eine lokale Position kann in Bezug auf Nord-, Ost- und Aufwärtskoordinaten angegeben werden. Das Bereitstellen einer Position in einem globalen Bezugsrahmen kann bedeuten, dass die Position in Bezug auf Breitengrad und Längengrad auf der Erdkugel angegeben wird. Die IMU kann Daten angegeben, die die Lage des Fahrzeugs in dem lokalen Bezugsrahmen angeben. Die Daten können durch Daten von einem Wahrnehmungsnavigationssubsystem und/oder ein globales Positionierungsnavigationssubsystem mitgeteilt werden. Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen eine verbesserte Lokalisierung bereitstellen, bei der der Standort des Fahrzeugs mit einer Genauigkeit von 10 cm und/oder mit einer Latenz von 10 Millisekunden oder weniger bestimmt werden können. Eine solche präzise Lokalisierung kann bei autonomen Fahrzeugen vorteilhaft sein, bei denen eine präzise Kenntnis des Fahrzeugstandorts eine signifikante Auswirkung auf die Sicherheit haben kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung kombiniert ein Lokalisierungssystem für ein autonomes Fahrzeug Daten von einer IMU, einem oder mehreren Wahrnehmungssensoren und GPS, wobei die IMU als der Primärsensor behandelt wird. Die IMU kann eine IMU mit 6 Freiheitsgraden (6DOF) sein. Die Wahrnehmungssensoren können Lidar, Radar, eine Kamera, einen Ultraschallsensor, einen Radodometriesensor, einen Lenkrichtung(oder Steuerkursziel)-sensor und einen Lenkradrotationssensor (oder Lenkaktoreingabe). Im Gegensatz zu einem Ansatz, bei dem der GPS-Sensor oder die Wahrnehmungssensoren als der Primärsensor behandelt werden, wobei die IMU eine Korrektur bereitstellt, stellen Aspekte der vorliegenden Anmeldung eine verbesserte Lokalisierung bereit, indem die IMU als der Primärsensor behandelt wird, der durch eine Korrektur von dem (den) Empfangssensor(en) und/oder GPS unterstützt wird. Die Erfinder haben verstanden, dass das Bestimmen einer Lokalisierung aus einer globalen Ebene auf eine lokale Ebene, wie etwa durch Stützung auf GPS als der Primärsensor, unterstützt durch Wahrnehmungssysteme und eine IMU, problematisch und inkonsistent mit der Realität davon ist, wie menschliche Bediener ein Fahrzeug bedienen, um Entscheidungen in Bezug auf Lenken, Bremsen oder Vornehmen von Handlungen bedient. Stattdessen liefert das Beurteilen eines Standortes primär von Lokaldetektoren und dann Korrigieren basierend auf globalen Indikatoren eines Standortes eine bessere Genauigkeit. Weil IMUs immun gegenüber externen Einflüssen, wie etwa Wetterbedingungen oder einer Blockierung, sind, stellt ihre Verwendung als der Primärsensor auch einen höheren Genauigkeitsgrad im Vergleich zu einem System bereit, das einen GPS oder Wahrnehmungssensor als den Primärnavigationssystemsensor verwendet, da jene anderen Typen von Sensoren empfänglich für Datenausfälle und/oder durch die Umgebung verursachte Ausfälle sind. Das IMU-basierte Navigationssubsystem kann einen Breitengrad, Längengrad, Nicken und Rollen in allen Umgebungsbedingungen bereitstellen. Dieser Ansatz, dass die gegenüber der Umgebung unempfindliche IMU zu dem Primärsensor gemacht wird, bedeutet, dass ein Fahrzeug viel weiter sicher (z. B. einige Sekunden) fahren kann, als wenn die Wahrnehmungs- oder GPS-Sensoren der Primärsensor wären. Des Weiteren können IMUs niedrigere Latenzen als Wahrnehmungssensoren, andere Lokalsensoren und/oder GPS-Technologie aufweisen, was bedeutet, dass die Verwendung einer IMU als der Primärsensor zu einer Lokalisierung mit niedrigerer Latenz (schnelleren Lokalisierung) führen kann. Im Allgemeinen kann die IMU mit niedrigerer Latenz als die anderen Sensoren des Navigationssystems arbeiten. Die IMU kann die niedrigste Latenz von allen Sensoren des Navigationssystems aufweisen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist eine sogenannte vertrauenswürdige Bewegungseinheit (TMU: Trusted Motion Unit) bereitgestellt. Eine vertrauenswürdige Bewegungseinheit ist ein Navigationssystem, das eine Inertialmesseinheit aufweist und zum Ausgeben von Lokalisierungsinformationen basierend auf Daten von der IMU und von einem Navigationssubsystem ausgebildet ist, das einen anderen Sensortyp aufweist, wobei die Daten von der IMU als Primärdaten behandelt werden, die durch die Daten von dem anderen Sensortyp zu korrigieren sind. Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit kann einen Integrationseinheit und ein erweitertes Kalman-Filter aufweisen, das ein Fehlerzustand-Kalman-Filter sein kann. Der Integrationsschaltkreis kann ein Ausgabesignal von der IMU empfangen und integrieren und ein Ausgabesignal an das erweiterte Kalman-Filter liefern. Das erweiterte Kalman-Filter kann auch Eingabesignale von Kalman-Filtern anderer Navigationssubsysteme des autonomen Fahrzeugs empfangen. Zum Beispiel kann das autonome Fahrzeug ein Wahrnehmungsnavigationssubsystem und/oder ein Globales-Positionierungssystem(GPS)-Navigationssubsystem aufweisen, die jeweils ihren eigenen Kalman-Filter aufweisen können. Das erweiterte Kalman-Filter der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit kann Ausgabesignale von beiden der Kalman-Filter empfangen. Das erweiterte Kalman-Filter der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit kann auch ein Rückkopplungssignal an die IMU liefern. Schließlich kann der Integrationsschaltkreis der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit ein Signal ausgeben, das eine Lokalisierung des autonomen Fahrzeugs angibt.
1 ist ein Blockdiagramm eines Navigationssystems gemäß einer nichtbeschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung, wobei eine Inertialmesseinheit als der Primärnavigationssensor dient. Das Navigationssystem 100 weist eine vertrauenswürdige Bewegungseinheit (TMU) 102 und ein Sekundärnavigationssubsystem 104 auf. Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 102, die als ein Navigationssubsystem des größeren Navigationssystems 100 betrachtet werden kann, weist eine IMU 112 auf. Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 102 ist mit dem Sekundärnavigationssubsystem 104 gekoppelt, um sowohl ein Eingabesignal 106 an das Sekundärnavigationssubsystem 104 zu liefern als auch ein Ausgabesignal 108 von dem Sekundärnavigationssubsystem 104 zu empfangen. Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 102 stellt auch ein Ausgabesignal 110 bereit, das eine Lokalisierung des Fahrzeugs repräsentiert, in oder auf dem das Navigationssystem 100 angeordnet ist. Zum Beispiel kann das Ausgabesignal 110 eine Stellung des Fahrzeugs in einem lokalen Bezugsrahmen repräsentieren.
Die IMU 112 kann eine beliebige geeignete IMU sein. Bei manchen Ausführungsformen ist die IMU eine IMU mit sechs Freiheitsgraden „6DOF“). Bei solchen Ausführungsformen kann die IMU Daten produzieren, die Gieren, Nicken, Rollen und eine Geschwindigkeit entlang der x-, y- und z-Richtung repräsentieren. Alternativen dazu sind möglich, jedoch sind nicht alle Ausführungsformen einer TMU darauf beschränkt, dass die IMU eine 6DOF-IMU ist. Zum Beispiel kann die IMU Daten bezüglich einer Bewegung entlang einer oder mehrerer Achsen oder um diese herum bereitstellen.
Das Sekundärnavigationssystem 104 kann einen Sensoreines Typs außer einer IMU aufweisen. Zum Beispiel kann das Sekundärnavigationssubsystem 104 einen Wahrnehmungssensor, wie etwa eine Kamera, Lidar, Radar, einen Ultraschallsensor und/oder Raddrehzahlsensor, aufweisen. Das Sekundärnavigationssubsystem 104 kann einen Globales-Positionierungssystem-Sensor aufweisen. Beispiele für Sekundärnavigationssubsysteme sind weiter unten in Verbindung mit nachfolgenden Figuren beschrieben.
Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 102 kann als das Primärnavigationssubsystem des Navigationssystems 100 behandelt werden. Bei manchen Ausführungsformen kann gesagt werden, dass die hier beschriebenen Navigationssysteme eine Sensorfusion durchführen. Daten von dem Primärnavigationssubsystem werden mit Daten von den Sekundärnavigationssubsystemen vereinigt. Die IMU 102 kann eine niedrigere Latenz als der (die) Sensor(en) des Sekundärnavigationssubsystems 104 aufweisen. Zum Beispiel kann die IMU Inertialdaten mit einer Latenz von einigen Millisekunden oder weniger bereitstellen. Bei manchen Ausführungsformen kann die IMU Inertialdaten mit einer Latenz von weniger als 1 ms bereitstellen. Im Gegensatz dazu kann das Sekundärnavigationssubsystem Lokalisierungsdaten mit einer Latenz zwischen 10 ms und mehr als 100 ms bereitstellen. Beispielsweise kann ein GPS-System eine Latenz in der Größenordnung von 100 ms aufweisen, kann ein Wahrnehmungssystem eine Latenz in der Größenordnung von 50 ms aufweisen und kann ein Controller-Area-Network(CAN)-Sensor eine Latenz von 10 ms oder mehr aufweisen. Dementsprechend kann das Verwenden der IMU als der Primärsensor ein Gesamtsystem mit niedrigerer Latenz bereitstellen, als durch Verwenden eines der anderen Subsysteme als das Primärsystem erreicht würde. Die niedrigere Latenz kann in eine größere Präzision der Lokalisierung übersetzt werden. Zum Beispiel können hier beschriebene Navigationssysteme genau innerhalb 10 cm oder weniger sein. Bei wenigstens manchen Ausführungsformen kann die IMU die niedrigste Latenz aller Sensoren des Navigationssystems aufweisen. Außerdem sind IMUs nicht gegenüber Umgebungsbedingungen, wie etwa Satellitenausfällen oder verschiedenen Wetterbedingungen, anfällig. Obwohl die IMU 102 anfällig für mit der Zeit wachsende Fehler ist, können die Daten von dem Sekundärnavigationssubsystem dem Aktualisieren oder Korrigieren der IMU-Daten dienen. Auf diese Weise können sehr präzise Lokalisierungsdaten durch das Navigationssystem 100 unabhängig von einer Satellitenerreichbarkeit oder Wetterbedingungen bereitgestellt werden. Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit kann als die Wurzel des Vertrauens des Navigationssystems 100 behandelt werden.
2A ist ein nichtbeschränkendes Beispiel für eine ausführlichere Implementierung des Navigationssystems aus 1. 2A veranschaulicht ein Navigationssystem 200. Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit (TMU) 202 repräsentiert ein Implementierungsbeispiel der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit 102. Das Sekundärnavigationssubsystem 204 repräsentiert ein Implementierungsbeispiel des Sekundärnavigationssubsystems 104.
Wie gezeigt, weist die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 202 eine IMU 212, eine Integrationsschaltungsanordnung 214 und ein Filter 216 auf. Optional ist ein Rückkopplungspfad 222 von dem Filter 216 zu der IMU 212 bereitgestellt, um ein Rückkopplungssignal bereitzustellen. Die IMU 212 kann eine beliebige geeignete IMU sein, wie etwa die oben in Verbindung mit der IMU 112 beschriebenen Typen. Die Integrationsschaltungsanordnung 214 kann ein geeigneter Schaltkreis zum Integrieren von Daten sein, die durch die IMU 212 bereitgestellt werden. Bei manchen Ausführungsformen können die IMU 212 und die Integrationsschaltungsanordnung 214 innerhalb desselben Gehäuses gebildet sein und bei manchen Ausführungsformen sind sie auf demselben Halbleiter-Die gebildet. Das Filter 216, das unten ausführlicher beschrieben ist, kann ein erweitertes Kalman-Filter (EKF), ein Bayes-Filter oder ein Partikelfilter sein. Bei manchen Ausführungsformen ist das Filter 216 ein Fehlerzustand-Kalman-Filter. Bei manchen Ausführungsformen, wie etwa jene in 2B gezeigte, die unten beschrieben ist, kann das Filter 216 weggelassen werden.
Das Sekundärnavigationssubsystem 204 weist einen Sekundärsensor 218 und ein Filter 220 auf. Der Sekundärsensor 218 kann ein GPS-Sensor oder ein Wahrnehmungssensor sein. Beispiele für Wahrnehmungssensoren schließen Kameras, Lidar, Radar, Ultraschallsensoren, Raddrehzahlsensoren, Radodometriesensoren, Lenkrichtung(oder Steuerkursziel)-sensoren und Lenkradrotation(oder Lenkaktoreingabe)-Sensoren ein. Radodometrie kann durch irgendeine Kombination aus Raddrehzahl- und Lenkdaten erfasst werden. Raddrehzahlsensoren, Radodometriesensoren, Lenkrichtungssensoren und Lenkradrotationssensoren können über einen Controller-Area(CAN)-Bus kommunizieren und können dementsprechend als nichtbeschränkende Beispiele für „CAN-Sensoren“ betrachtet werden. Der Sekundärsensor 218 ist insofern sekundär, dass seine Daten zum Verfeinern der Daten verwendet werden können, die durch die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 202 bereitgestellt werden, wobei die Daten von der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit 202 als die vertrauenswürdigen Daten behandelt werden, die durch das Navigationssystem 200 ausgegeben werden. Das Sekundärnavigationssubsystem 204 kann mehrere Sekundärsensoren 218 aufweisen. Zum Beispiel kann das Sekundärnavigationssubsystem 204 ein Wahrnehmungsnavigationssubsystem sein, das zwei oder mehr von einer Kamera, Lidar, Radar, einem Ultraschallsensor, Radodometriesensor, Lenkrichtung(oder Steuerkursziel)-Sensor und Lenkradrotation(oder Lenkaktoreingabe)-Sensor aufweist. Die Ausgabesignale von diesen können wenigstens bei manchen Ausführungsformen alle an das Filter 220 geliefert werden.
Im Betriebs erzeugen die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 202 und das Sekundärnavigationssubsystem 204 beide Daten, die ausgetauscht werden. Die IMU 212 kann Bewegungsdaten erzeugen, die als ein Signal 207 an die Integrationsschaltungsanordnung 214 geliefert werden. Die Integrationsschaltungsanordnung 214 integriert die Bewegungsdaten und liefert ein integriertes Signal 209 an das Filter 216.
Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 202 liefert auch ein Eingabesignal 206 an das Sekundärnavigationssubsystem 204. Das Eingabesignal 206 kann die Bewegungsdaten repräsentieren, die auch an die Integrationsschaltungsanordnung 214 geliefert werden, und kann dementsprechend direkt von der IMU 212 bereitgestellt werden oder kann andere Daten sein, die durch die IMU 212 erzeugt werden. Diese Daten können geeignet mit den Daten kombiniert werden, die durch den Sekundärsensor 218 erzeugt werden, und als ein Signal 211 in das Filter 220 eingegeben werden. Das Filter 220 kann das Signal 211 verarbeiten, um Lokalpositionierungsinformationen zu erzeugen. Diese Lokalpositionierungsinformationen können als ein Ausgabesignal 208 des Sekundärnavigationssubsystems 204 an das Filter 216 der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit geliefert werden. Das Filter 216 kann das Ausgabesignal 208 in Kombination mit dem integrierten Signal 209 verarbeiten und ein Rückkopplungssignal auf dem Rückkopplungspfad 222 zurück an die IMU 212 liefern. Das Rückkopplungssignal kann von der IMU zum Korrigieren ihrer Bewegungsdaten verwendet werden. Zum Beispiel gibt die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 202 ein Signal 210 aus, das die Stellung des Fahrzeugs in einem lokalen Bezugsrahmen repräsentiert. Bei wenigstens manchen Ausführungsformen kann das Signal 210 durch die Integrationsschaltungsanordnung 214 ausgegeben werden, obwohl Alternativen möglich sind.
Wie oben beschrieben, weiset das Navigationssystem 200 zwei Filter, Filter 216 und 220, auf, wobei die Ausgabe eines Filters (220) in das andere Filter (Filter 216) eingegeben wird. Diese Konfiguration kann als gestufte Filter beschrieben werden. Außerdem kann das Filter 220, wie beschrieben, ein Kalman-Filter (z. B. ein Fehlerzustand-Kalman-Filter) sein und das Filter 216 kann ein erweitertes Kalman-Filter sein. Die Verwendung separater Filter für separate Subnavigationssysteme kann verschiedene Vorteile bereitstellen. Zum Beispiel erlaubt die Verwendung separater Filter, dass sie unterschiedlich gewichtet werden. Das Steuern der Gewichte der Filter kann eine schwerere Gewichtung des Filters als Teil der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit als die Filter der Sekundärnavigationssubsysteme ermöglichen, was bei wenigstens manchen Ausführungsformen erfolgt. Als ein Beispiel kann ein Wahrnehmungsnavigationssubsystem Rauschen erfahren, wobei das Navigationssystem als Folge davon Daten von der IMU schwerer gewichten kann. Zudem stellt die Verwendung separater Filter eine reduzierte Verarbeitungslatenz und einen reduzierten Leistungsverbrauch im Vergleich zum Verwenden eines einzigen Filters bereit.
2B zeigt ein alternatives nichtbeschränkendes Beispiel für eine ausführlichere Implementierung des Navigationssystems aus 1. Das Navigationssystem 250 aus 2B ist das gleiche wie das Navigationssystem 200 aus 2A, außer dass sich die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 203 von der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit 202 darin unterscheidet, dass das Filter 216 weggelassen ist und das Ausgabesignal 208 des Filters 220 an die Integrationsschaltungsanordnung 214 geliefert wird. Der Rückkopplungspfad 222 geht von der Integrationsschaltungsanordnung 214 zu der IMU 212. Die Konfiguration aus 2B ist einfacher als jene aus 2A.
3A ist ein nichtbeschränkendes Beispiel einer weiteren ausführlichen Implementierung des Navigationssystems aus 1, welche ein globales Positionierungsnavigationssubsystem und ein Wahrnehmungsnavigationssubsystem aufweist. Das Navigationssystem 300 weist die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 202, ein Wahrnehmungssubsystem 304 und ein globales Positionierungsnavigationssubsystem 322 auf. Das Wahrnehmungsnavigationssubsystem 304 und das globale Positionierungsnavigationssubsystem 322 können jeweils ein Implementierungsbeispiel des Sekundärnavigationssubsystems 204 aus 2A und 2B repräsentieren.
Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 202 wurde zuvor in Verbindung mit 2A beschrieben und ist hier dementsprechend nicht ausführlich beschrieben.
Das Wahrnehmungsnavigationssubsystem 304 weist (einen) Wahrnehmungssensor(en) 318 und ein Filter 320 auf. Der Wahrnehmungssensor 318 kann von einem beliebigen der Typen von hier zuvor beschriebenen Empfangssensoren sein. Der Empfangssensor 318 kann Daten erzeugen, die mit einem Eingabesignal 206 von der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit 202 kombiniert werden und als Signal 311 in das Filter 320 eingegeben werden. Das Filter 320 kann das Signal 311 verarbeiten, um Lokalpositionierungsinformationen zu erzeugen. Diese Lokalpositionierungsinformationen können als das Ausgabesignal 208 des Wahrnehmungsnavigationssubsystems 304 an das Filter 216 der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit oder alternativ dazu direkt an die Integrationsschaltungsanordnung 214 geliefert werden.
Das globale Positionierungsnavigationssubsystem 322 weist einen Globales-Positionierungssystem(GPS)-Sensor 324 und ein Filter 326 auf. Der GPS-Sensor 324 erzeugt GPS-Daten, die als Signal 323 an das Filter 326 geliefert werden. Das Filter 326 kann ein Kalman-Filter sein, das ein Signal 325 ausgibt, das eine Stellung des Fahrzeugs in einem globalen Bezugsrahmen repräsentiert.
Im Betrieb interagiert die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 202 mit dem Wahrnehmungsnavigationssubsystem 304 und dem globalen Positionierungsnavigationssubsystem 322 auf die Weise, die zuvor in Verbindung mit dem Sekundärsubsystem 204 aus 2A und 2B beschrieben wurde. Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 202 liefert das Eingabesignal 206 an das Wahrnehmungsnavigationssubsystem 304. Das Wahrnehmungsnavigationssubsystem erzeugt das Ausgabesignal 208 unter Verwendung des Filters 320. Dieses Ausgabesignal 208 wird als eine Eingabe an das Filter 216 der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit geliefert oder kann alternativ dazu direkt an die Integrationsschaltungsanordnung 214 geliefert werden. Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 202 liefert auch ein Eingabesignal 328 an das globalen Positionierungsnavigationssubsystem 322. Das Eingabesignal 328 kann bei manchen Ausführungsformen das gleiche wie das Eingabesignal 206 sein. Bei manchen Ausführungsformen wird das Eingabesignal 328 direkt an das Filter 326 geliefert und ist dementsprechend ein Eingabesignal für das Filter 326. Das Filter 326 liefert auch ein Ausgabesignal 330 an das Filter 216 oder direkt an die Integrationsschaltungsanordnung 214. Dementsprechend empfängt das Filter 216 bei dieser nichtbeschränkenden Ausführungsform ein Eingabesignal von der Integrationsschaltungsanordnung 214, ein Ausgabesignal des Filters 320 und ein Ausgabesignal des Filters 326. Das Filter 216 liefert optional das zuvor beschriebene Rückkopplungssignal an die IMU auf dem Rückkopplungspfad 222, wobei das Rückkopplungssignal das Ergebnis der Verarbeitung der Eingabesignale von der IMU zu dem Filter 216, des Empfangsnavigationssubsystems 304 und des globalen Positionierungsnavigationssubsystems 322 ist. Wie bei dem Navigationssystem 200 aus 2A weist das Navigationssystem 300 gestufte Filter auf, wobei die Filter 320 und 326 Eingabesignale an das Filter 216 liefern. Die Vorteile des Verwendens mehrerer Filter wurden hier zuvor in Verbindung mit 2A und 2B beschrieben und können gleicherweise auf die nichtbeschränkende Ausführungsform aus 3A zutreffen.
3B ist eine Alternative zu 3A, die ein anderes nichtbeschränkendes Beispiel für eine ausführliche Implementierung des Navigationssystems aus 1 veranschaulicht. Das Navigationssystem 350 aus 3B unterscheidet sich von dem Navigationssystem 300 aus 3A darin, dass die Filter 320 und 326 zu einem einzigen Filter 332 kombiniert sind, das ein Signal 334 an das Filter 216 ausgibt. Das Verwenden eines kombinierten Filters kann sicherstellen, dass das Signal 334 auf in einem sinnvollen kombinierten Bezugsrahmen bereitgestellt wird. Das globale Positionierungsnavigationssubsystem 335 unterscheidet sich von dem globalen Positionierungsnavigationssubsystem 322 darin, dass das Filter 326 fehlt. Das Wahrnehmungsnavigationssubsystem 305 unterscheidet sich von dem Wahrnehmungsnavigationssubsystem 304 darin, dass das Filter 320 fehlt.
4A ist ein nichtbeschränkendes Beispiel einer ausführlichen Implementierung des Navigationssystems aus 3A, welche ein globales Positionierungsnavigationssubsystem und ein Wahrnehmungsnavigationssubsystem aufweist. Das Navigationssystem 400 weist eine vertrauenswürdige Bewegungseinheit 402, als ein Navigationssubsystem, ein Wahrnehmungssubsystem 404 und ein globales Positionierungsnavigationssubsystem 422 auf.
Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit 402 weist eine IMU 412, eine Integrationsschaltungsanordnung 414 und ein Filter 416 auf. Die IMU kann eine beliebige geeignete IMU sein, einschließlich beliebiger der hier zuvor beschriebenen Typen. Die Integrationsschaltungsanordnung 414 kann eine beliebige geeignete Integrationsschaltungsanordnung zum Integrieren der Inertialdaten sein, die durch die IMU bereitgestellt werden, wie etwa jene hier zuvor beschriebenen Typen. Das Filter 416 kann als ein Integrationsfilter mit einer Referenzkorrektur der Signale arbeiten, die es empfängt. Das Filter 416 kann zum Ausgeben von Änderungen von Winkel und Geschwindigkeit ausgebildet sind, die durch dφ bzw. dv repräsentiert werden. Das Filter 416 ist bei manchen Ausführungsformen ein erweitertes Kalman-Filter. Das Filter 416 kann ein Rückkopplungssignal 417 an die IMU 412 liefern, um eine Bias- und Skalierungsfaktorkorrektur bereitzustellen.
Das Wahrnehmungsnavigationssubsystem 404 weist eine Kamera 418a, ein Lidar 418b und ein Radar 418c auf. Das Wahrnehmungsnavigationssubsystem kann optional ein Radgeschwindigkeitshodometer, einen Lenkrichtung(oder Steuerkursziel)-Sensor und einen Lenkradrotation(oder Lenkaktoreingabe)-Sensor aufweisen. Das Wahrnehmungsnavigationssubsystem 404 weist ferner Positionsschätzungsblöcke 419a, 419b und 419c auf, die mit der Kamera 418a, dem Lidar 418b bzw. dem Radar 418c gekoppelt sind. Die Positionsschätzungsblöcke 419a-419c, die beliebige geeignete Schaltkreise sein können, stellen eine Schätzung der Fahrzeugposition in einem lokalen Bezugsrahmen basierend auf den jeweiligen Sensordaten von dem jeweiligen Sensor (Kamera 418a, Lidar 418b und Radar 418c) bereit, bevor die Daten mit den Daten von den anderen Wahrnehmungssensoren vereint werden. Das Empfangsnavigationssubsystem 404 weist ferner Validierungsstufen 421a, 421b und 421c und ein Filter 420 auf. Das Filter 420 kann ein Lokalpositionsintegrationsfilter sein, das zum Beispiel als ein Kalman-Filter, Bayes-Filter, Partikelfilter oder ein anderer geeigneter Typ von Filter implementiert ist. Das Filter 420 ist gekoppelt, um ein Signal 408 an das Filter 416 zu liefern.
Das globale Positionierungsnavigationssubsystem 422 weist einen GPS-Sensor 424, ein Filter 426 und einen Kartenblock 427 auf. Das Filter 426 kann dazu ausgebildet sein, als ein Globalpositionsintegrationsfilter zu arbeiten. Das Filter 426 kann ein Kalman-Filter, ein Bayes-Filter, ein Partikelfilter oder ein anderer geeigneter Typ eines Filters sein. Das globale Positionierungsnavigationssubsystem 422 kann zum Ausgeben eines Signals 425 ausgebildet sein, das die Stellung des Fahrzeugs in einem globalen Bezugsrahmen repräsentiert. Die durch das Signal 425 repräsentierten Stellungsinformationen können bei manchen Ausführungsformen eine Genauigkeit zwischen 10 cm und 1 m und eine Latenz zwischen 0,1 Sekunden bis 1 Sekunde haben. Das durch das Filter 426 bereitgestellte Signal 425 kann auch an den Kartenblock 427 geliefert werden, der es verarbeitet und Karteninformationen 429 an das Filter 426 liefert. Dementsprechend können das Filter 426 und der Kartenblock 427 in einer Rückkopplungsschleife arbeiten.
Im Betrieb gibt die IMU 412 Lokalisierungsinformationen als Signal 406 aus. Das Signal 406 wird an die Integrationsschaltungsanordnung 414 geliefert und wird auch als ein Vorkopplungssignal an Positionsschätzungsblöcke 419a-419c geliefert, die weiter unten beschrieben sind. Die Integrationsschaltungsanordnung 414 integriert das Ausgabesignal 406 von der IMU 412 und produziert ein Ausgabesignal 410. Das Ausgabesignal 410 repräsentiert die Stellung des Fahrzeugs in einem lokalen Bezugsrahmen und kann bei manchen Ausführungsformen eine Genauigkeit zwischen 1 cm und 10 cm mit einer Latenz zwischen 1 ms bis 10 ms haben. Das Ausgabesignal 410 wird an die Validierungsstufen 421 a-421c, um eine Abtastwertvalidierung zu ermöglichen, das Filter 416 und das Filter 426 geliefert.
Die Kamera 418a gibt ein Kamerasignal 452 an den Positionsschätzungsblock 419a aus und empfängt ein Rückkopplungssignal 454 von dem Positionsschätzungsblock 419a. Das Lidar 418b gibt ein Lidarsignal 456, das eine Punktwolke sein kann, an den Positionsschätzungsblock 419b aus und empfängt ein Rückkopplungssignal 458 von dem Positionsschätzungsblock 419b. Das Radar 418c gibt ein Radarsignal 460 an den Positionsschätzungsblock 419c aus und empfängt ein Rückkopplungssignal 462 von dem Positionsschätzungsblock 419c. Die Rückkopplungssignale 454, 458 und 462 können verwenden werden, um elektronische oder mechanische Anpassungen vorzunehmen oder systematische Änderungen der Typen zu berücksichtigen, die am besten bei den verschiedenen Sensoren aufgenommen werden. Zum Beispiel können systematische Änderungen an Höhenlage, Steuerkurs, Leistung, Apertur und Sweep-Raten bei den Sensoren selbst berücksichtigt werden. Als ein Beispiel können Kameras mechanische Antriebe verwenden, um Bildschwankungen unter Stützung auf Positionsrückkopplung zu reduzieren.
Die Positionsschätzungsblöcke 419a-419c reproduzieren Signale, die eine Position des Fahrzeugs in einem lokalen Rahmen repräsentieren. Zusätzlich zu dem Empfangen der Signale von den jeweiligen Sensoren empfangen sind das Ausgabesignal 406 der IMU 412 als ein Vorwärtskopplungssignal. Die Positionsschätzungsblöcke verarbeiten das Ausgabesignal 406 in Kombination mit dem Signal, das von dem jeweiligen Sensor ausgegeben wird, beim Entwickeln des jeweiligen Positionssignals, das an die jeweiligen Validierungsstufen 421a, 421 b und 421c ausgegeben wird.
Die Validierungsstufen 421a, 421b und 421c sind für die Kamera 418a, das Lidar 418b bzw. das Radar 418c bereitgestellt. Die Validierungsstufe 421a validiert die Stellungsschätzung, die durch die Kamera bereitgestellt wird, durch Vergleichen der Stellungsschätzung, wie durch die Kamera 418a bereitgestellt, mit der Stellungsschätzung, die durch die IMU 412 in Form des Signals 410 bereitgestellt wird, das durch die Integrationsschaltungsanordnung 414 ausgegeben wird. Falls die Fehler in der Stellungsschätzung, die durch die Kamera bereitgestellt wird, außerhalb eines Akzeptanzbereichs im Vergleich zu der Stellungsschätzung von der IMU liegen, dann kann bestimmt werden, die Kamerastellungsschätzung ungültig ist und das Filter 420 nicht passiert. Falls jedoch die Stellungsschätzung, die durch die Kamera 418a bereitgestellt wird, als gültig befunden wird, dann kann die Stellungsschätzung in Bezug auf die Kameradaten an das Filter 420 geliefert werden. Die Abtastwertvalidierungsstufe 421b kann auf die gleiche Weise mit Bezug auf die Stellungsschätzung von dem Lidar 418b handeln. Die Abtastwertvalidierungsstufe 421c kann auf die gleiche Weise mit Bezug auf die Stellungsschätzung handeln, die durch das Radar 418c bereitgestellt wird. Das Filter 420 empfängt gültige Stellungsschätzungen von den Validierungsstufen 421a-421c und gibt ein Lokalisierungssignal 408 an das Filter 416 aus.
Der GPS-Sensor 424 produziert ein GPS-Signal 428, das an das Filter 426 geliefert wird. Das Filter 426 empfängt auch das Signal 429 von dem Kartenblock 427 und das Ausgabesignal 410 von der Integrationsschaltungsanordnung 414. Das Filter 426 produziert das zuvor beschriebene Signal 425.
Dementsprechend kann das Navigationssystem 400 sowohl ein Signal 410, das die Stellung des Fahrzeugs in einem lokalen Bezugsrahmen darstellt, als auch ein Signal 425, das eine Stellung des Fahrzeugs in einem globalen Bezugsrahmen darstellt, bereitstellen.
Variationen der Konfiguration und des Betriebs aus 4A sind möglich. Zum Beispiel können bei manchen Ausführungsformen die Integrationsschaltungsanordnung 414 und die Filter 416 und 420 und die Positionsschätzungsblöcke 419a-419c in einem lokalen Bezugsrahmen arbeiten, während das Filter 426 in einem globalen Bezugsrahmen arbeitet, aber bei anderen Ausführungsformen arbeiten die Integrationsschaltungsanordnung 414 und das Filter 416 in einem globalen Bezugsrahmen. Bei manchen Ausführungsformen wird das Signal 410 in Lokalkoordinaten bereitgestellt, aber bei anderen Ausführungsformen wird es in Globalkoordinaten bereitgestellt.
4B ist eine Alternative zu 4A, die ein anderes nichtbeschränkendes Beispiel für eine ausführliche Implementierung des Navigationssystems aus 3A veranschaulicht. Das Navigationssystem 450 aus 4B unterscheidet sich von dem Navigationssystem 400 aus 4A darin, dass es ein Empfangsnavigationssubsystem 405 ohne das Filter 420 aufweist, und darin, dass das Filter 426 des globalen Positionierungsnavigationssubsystems 423 das Signal 425 nicht ausgibt. Durch das Weglassen des Filters 420 können die Signale von den Validierungsstufen 421a-421c direkt an das Filter 416 geliefert werden. Eine Verkettung der Filter 420 und 416, wie in 4A vorgenommen, kann in manchen Situationen dazu führen, dass in das Filter 416 eingegebene Fehler korreliert sind, was eine negative Auswirkung auf den Betrieb des Filters 416 in Abhängigkeit von seinem Typ haben kann. Das Weglassen des Filters 420 kann eine solche Möglichkeit vermeiden. Außerdem weist das Navigationssystem 450 eine Validierungsstufe 421d in dem globalen Positionierungsnavigationssubsystem 423 auf. Die Validierungsstufe 421d arbeitet auf die gleiche Weise wie zuvor mit Bezug auf die Validierungsstufen 421a-421c beschrieben, mit der Ausnahme, dass sie an Daten von dem GPS-Sensor 424 arbeitet. Das Navigationssystem 400 aus 4A kann optional die Validierungsstufe 421d aufweisen.
Bei den Ausführungsformen aus 4A und 4B können den verschiedenen Sensoren der Navigationssubsysteme verschiedene Gewichte gegeben werden. Zum Beispiel kann der IMU bei einer Ausführungsform die größte Gewichtung gegeben werden, gefolgt von Daten von der Kamera 418a. Den anderen Sensoren, einschließlich des GPS-Sensors 424, kann bei Berechnungen einer Stellung basierend auf dem Vereinen der Daten von verschiedenen Sensoren ein geringeres Gewicht gegeben werden. Dementsprechend weist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung ein Navigationssystem eine vertrauenswürdige Bewegungseinheit als ein erstes Navigationssubsystem auf, wobei Daten von der IMU der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit als die Primärnavigationsdaten behandelt werden, und das Navigationssystem weist ferner eine Kamera auf, die visuelle Daten bereitstellt, die als die nächst vertrauenswürdigste Quelle von Daten behandelt werden. Jegliche zusätzliche Sensoren des Navigationssystems können Daten produzieren, die als weniger signifikant als die Daten der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit und der Kamera behandelt werden. Andere Konfigurationen sind jedoch möglich.
Ein beachtenswertes Merkmal bei den Konfigurationen aus 4A und 4B ist das relative Timing der Signale, die durch die Integrationsschaltungsanordnung 414 und das Filter 416 verarbeitet werden. Wie hier zuvor beschrieben, können IMUs eine niedrigere Latenz als andere Typen von Sensoren, wie etwa Wahrnehmungssensoren und GPS-Sensoren, aufweisen. Das Filter 416 empfängt Signale von den drei Navigationssubsystemen aus 4A und 4B, einschließlich der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit 402, des Wahrnehmungsnavigationssubsystems 404 und des globalen Positionierungsnavigationssubsystems 422, und arbeitet an diesen. Weil diese Subsysteme mit verschiedenen Latenzen arbeiten können (wobei die vertrauenswürdige Bewegungseinheit mit einer niedrigeren Latenz als andere arbeitet), kann ein Latenzkompensationsblock in den Navigationssystemen aus 4A und 4B aufgenommen werden, um die Latenzunterscheide zu kompensieren und sicherzustellen, dass da Filter 416 an Signalen von derselben Zeit arbeitet. Beispielsweise kann eine Verzögerung zu den Signalen von den Navigationssubsystemen mit niedrigerer Latenz hinzugefügt werden, so dass eine Gesamtlatenz gleich ist. Die Latenz der TMU kann jedoch weiterhin durch die Latenz der IMU gesteuert werden und kann dementsprechend niedriger als die Latenzen der anderen Subsysteme sein, selbst wenn die Latenzen innerhalb jener Subsysteme ausgeglichen werden. 5 veranschaulicht ein nichtbeschränkendes Beispiel.
5 veranschaulicht eine Konfiguration eines Navigationssystems 500, das eine Latenzkompensation zum Kompensieren verschiedener Latenzen verschiedener Subsysteme des Navigationssystems aufweist. Das Navigationssystem 500 weist eine IMU 502, einen Globales-Navigationssatellitensystem(GNSS)-Sensor 504, einen Bildwandler 506 (zum Beispiel eine RGB-Kamera) und einen CAN-Sensor 508 auf. Zu Veranschaulichungszwecken produzieren diese Komponenten Ausgabesignalen mit Latenzen von 1 ms, 100 ms, 50 ms bzw. 10 ms, obwohl es sich versteht, das die aufgelisteten Latenzen nichtbeschränkende Beispiele sind. Das Ausgabesignal von jedem von 502, 504, 506 und 508 wird an einen Latenzkompensator 510 geliefert, der geeignete Verzögerungen für ein oder mehrere Signale anwendet und entsprechende Signale mit im Wesentlichen gleicher Latenz ausgibt. Bei diesem Beispiel weist der GNSS-Sensor die größte Latenz von 100 ms auf und daher werden Verzögerungen durch den Latenzkompensator 510 für die Signale von der IMU 502, dem Bildwandler 506 und dem CAN-Sensor 508 angewandt, so dass sie eine Latenz von 100 ms aufweisen. Die vier Signale werden dann an ein Filter 520 geliefert, das ein erweitertes Kalman-Filter sein kann. Insbesondere wird das Signal von der IMU 502 an einen Integrator (der hier auch als ein „Prädiktor“ bezeichnet wird) 524 geliefert und die Signale von dem GNSS-Sensor 504, dem Bildwandler 506 und dem CAN-Sensor 508 werden an einen Korrektor 522 geliefert. Der Prädiktor 524 und der Korrektor 522 tauschen Informationen aus, um die Daten von der IMU 502 basierend auf den Daten von den anderen Sensoren zu verfeinern. Das Filter 520 gibt ein Signal an den Prädiktor 526 aus, der auch das IMU-Ausgabesignal von der IMU 502 empfängt, und gibt die Stellung des Fahrzeugs als Signal 511 aus. Die Konfiguration aus 5 sieht daher vor, dass die IMU-Daten als die Primärdaten des Navigationssystems dienen, die durch Daten von den anderen Sensoren des Navigationssystems zu korrigieren sind, während ermöglicht wird, dass die Filter an Daten derselben Zeit arbeiten. Die Latenz der IMU steuert die Latenz des Ausgabesignals des Navigationssystems (z. B. des Signals 511 in 5), so dass die Latenz der Ausgabe des Prädiktors 526 durch die Latenz der IMU 502 gesteuert wird.
Gemäß einem Aspekt der Anwendung ist ein Verfahren zum Lokalisieren für ein autonom fahrendes Fahrzeug mit einem ersten Navigationssubsystem, das eine Inertialmesseinheit und ein erstes Filter aufweist, und einem zweiten Navigationssubsystem, das einen Sensor und ein zweites Filter aufweist, bereitgestellt. Das Verfahren weist Anlegen eines Ausgabesignals der IMU an das erste Filter, Anlegen eines Ausgabesignals des Sensors an das zweite Filter und Anlegen eines Ausgabesignals des zweiten Filters an das erste Filter auf. Bei manchen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner Liefern eines Rückkopplungssignals von dem ersten Filter an die IMU auf. Bei manchen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner Ausgaben eines Ausgabesignals, das eine Stellung des autonomen Fahrzeugs in einem lokalen Bezugsrahmen angibt, von dem ersten Navigationssubsystem auf. Bei manchen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner Ausgaben eines Ausgabesignals, das eine Stellung des autonomen Fahrzeugs in einem globalen Bezugsrahmen angibt, von dem zweiten Navigationssubsystem auf. Bei manchen Ausführungsformen weist das autonome Fahrzeug ferner ein drittes Navigationssubsystem auf, das einen Sensor und ein drittes Filter aufweist, und das Verfahren weist ferner Anlegen eines Ausgabesignals des Sensors des dritten Navigationssubsystems an das dritte Filter und Anlegen eines Ausgabesignals des dritten Filters an das erste Filter auf. Die Daten von dem ersten, zweiten und dritten Navigationssubsystem können in Kombination durch stärkeres Gewichten von Daten von dem ersten Navigationssubsystem als Daten von dem ersten und zweiten Navigationssubsystem verarbeitet werden.
6 veranschaulicht ein Auto als ein Beispiel für ein autonomes Fahrzeug, das ein Navigationssystem eines hier beschriebenen Typs einbindet. Das Auto 600 weist das Navigationssystem 602 auf. Das Navigationssystem 602 kann von einem beliebigen der hier zuvor beschriebenen Typen sein. Das Navigationssystem 602 weist eine vertrauenswürdige Bewegungseinheit auf, die eine IMU aufweist. Das Navigationssystem 602 weist ein oder mehrere Sekundärnavigationssubsysteme auf, wie etwa ein Wahrnehmungsnavigationssubsystem und/oder ein globales Positionierungsnavigationssubsystem. Die vertrauenswürdige Bewegungseinheit weist ein Filter auf und das (die) Navigationssubsystem(e) weist (weisen) ein Filter auf. Das Filter der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit kann zum Empfangen eines Eingabesignals von dem (den) Filter(n) des Sekundärnavigationssubsystems ausgebildet sein.
Aspekte der vorliegenden Anmeldung können verschiedene Vorteile bereitstellen. Manche nichtbeschränkenden Beispiele werden und beschrieben. Es versteht sich, dass diese Liste nicht erschöpfend ist und dass nicht alle Ausführungsformen notwendigerweise alle aufgelisteten Vorteile bereitstellen.
Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen ein Navigationssystem für ein autonomes Fahrzeug bereit, das eine niedrige Latenz bereitstellt. Die Latenz einer IMU kann geringer, und bei manchen Ausführungsformen erheblich geringer, als jene des Wahrnehmungssystems und globaler Positionierungsnavigationssysteme sein. Weil Aspekte der vorliegenden Anmeldung das IMU-basierte Navigationssubsystem als das Primärnavigationssubsystem aufstellen, kann dementsprechend die Latenz des Navigationssystems der Latenz der IMU entsprechen, und dementsprechend niedriger sein als sie aus der Situation resultieren würde, in der ein Wahrnehmungssystem oder ein globales Positionierungsnavigationssystem das Primärnavigationssubsystem wäre. Zum Beispiel kann eine IMU in der Größenordnung von 4 kHz arbeiten, was bedeutet, dass ein Navigationssubsystem basierend auf einer IMU eine Latenz in der Größenordnung von 1 Millisekunde bereitstellen kann. Bei typischen Fahrtgeschwindigkeiten, wie etwa Fernstraßengeschwindigkeiten, kann eine Latenz in der Größenordnung von 1 Millisekunde in eine Fahrtentfernung von nur einigen wenigen Zentimetern übersetzt werden. Dementsprechend stellen Aspekte der vorliegenden Anmeldung Navigationssysteme für autonome Fahrzeuge bereit, die eine genaue Lokalisierung des Fahrzeugs innerhalb einiger weniger Zentimeter, wie etwa weniger als 10 cm, bereitstellen können. Im Gegensatz dazu kann das Nutzen eines wahrnehmungssensorbasierten Navigationssystems mit einer Latenz in der Größenordnung von mehreren zehn Hertz zu einer Lokalisierungsgenauigkeit innerhalb einiger Meter führen, was für einen sicheren Betrieb eines Fahrzeugs zu groß ist. Zudem können IMU-Sensoren eine ausreichend genaue Ausgabe für näherungsweise zehn Sekunden oder mehr ohne Korrektur bereitstellen. Diese Zeit reicht aus, um Daten von einem Wahrnehmungs- oder Globales-Positionierungssystem-Sensor zu erhalten, welche dann zum Korrigieren von Fehlern in dem IMU-Signal verwendet werden können. Entsprechend kann das Strukturieren des IMU-basierten Navigationssystems als das Primärnavigationssubsystem das Zusammenspiel zwischen einem IMU-basierten Navigationssubsystem und anderen Arten von Navigationssubsystemen optimieren.
Die Ausdrücke „näherungsweise“ und „etwa“ können verwendet werden, um bei manchen Ausführungsformen innerhalb von ±20% eines Zielwerts, bei manchen Ausführungsformen innerhalb von ±10% eines Zielwerts, bei manchen Ausführungsformen innerhalb von ±5% eines Zielwerts und bei manchen Ausführungsformen noch innerhalb von ±2% eines Zielwerts zu bedeuten. Die Ausdrücke „näherungsweise“ und „etwa“ können den Zielwert einschließen.
Gemäß einem Aspekt sind Navigationssysteme und Verfahren für autonome Fahrzeuge bereitgestellt. Das Navigationssystem kann mehrere Navigationssysteme aufweisen, einschließlich eines mit einer Inertialmesseinheit (IMU). Die Einheit kann als die Primäreinheit für Navigationszwecke dienen, wobei andere Subsysteme als sekundär behandelt werden. Die anderen Navigationssysteme können Globales-Positionierungssystem(GPS)-Sensoren und Wahrnehmungssensoren aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann das Navigationssystem ein erstes Filter für den IMU-Sensor und separate Filter für die andere Navigationssysteme aufweisen.

Claims

Vertrauenswürdige Bewegungseinheit für ein autonomes Fahrzeug, die Folgendes aufweist: eine Inertialmesseinheit (IMU); einen Integrationsschaltkreis, der zum Empfangen eines Ausgabesignals der Inertialmesseinheit ausgebildet ist; und ein erstes Filter, das zum Empfangen eines Ausgabesignals des Integrationsschaltkreises und eines Ausgabesignals von einem zweiten Filter ausgebildet ist.
Vertrauenswürdige Bewegungseinheit nach Anspruch 1, wobei das zweite Filter einen Teil eines Navigationssubsystems bildet und wobei das Ausgabesignal von dem zweiten Filter Lokalpositionierungsdaten repräsentiert.
Vertrauenswürdige Bewegungseinheit nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das zweite Filter einen Teil eines Navigationssubsystems bildet und wobei das Ausgabesignal von dem zweiten Filter Globalpositionierungsdaten repräsentiert.
Vertrauenswürdige Bewegungseinheit nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste Filter ferner zum Empfangen eines Ausgabesignals von einem dritten Filter ausgebildet ist, wobei das dritte Filter einen Teil eines Navigationssubsystems bildet und wobei das Ausgabesignal von dem dritten Filter Lokalpositionierungsdaten repräsentiert.
Vertrauenswürdige Bewegungseinheit nach einem vorhergehenden Anspruch, die ferner eine Rückkopplungsschleife von dem ersten Filter zu der IMU aufweist.
Vertrauenswürdige Bewegungseinheit nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Ausgabesignal der IMU eine niedrigere Latenz als das Ausgabesignal von dem zweiten Filter aufweist.
Vertrauenswürdige Bewegungseinheit nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Integrationsschaltkreis zum Bereitstellen eines Ausgabesignals der vertrauenswürdigen Bewegungseinheit ausgebildet ist, das eine Stellung in einem lokalen Bezugsrahmen repräsentiert.
Navigationssystem für ein autonomes Fahrzeug, das Folgendes aufweist: mehrere Navigationssubsysteme, die Folgendes aufweisen: ein erstes Navigationssubsystem, das eine Inertialmesseinheit (IMU) und ein erstes Filter aufweist; und ein zweites Navigationssubsystem, das ein zweites Filter aufweist, wobei das erste Filter mit dem zweiten Filter gekoppelt ist, zum Empfangen eines Eingabesignals von dem zweiten Filter ausgebildet ist und zum Liefern eines Rückkopplungssignals an die IMU ausgebildet ist.
Navigationssystem nach Anspruch 8, wobei das zweite Navigationssubsystem einen Wahrnehmungssensor aufweist.
Navigationssystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei das zweite Navigationssubsystem einen Globales-Positionierungssystem-Sensor aufweist.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die IMU des ersten Navigationssubsystem zum Arbeiten mit einer niedrigeren Latenz als ein Sensor des zweiten Navigationssubsystems ausgebildet ist.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, das ferner ein drittes Navigationssubsystem aufweist, das ein drittes Filter aufweist, wobei das zweite Navigationssubsystem einen Wahrnehmungssensor aufweist, das dritte Navigationssubsystem einen Globales-Positionierungssystem-Sensor aufweist, und wobei das erste Filter ferner zum Empfangen eines Eingabesignals von dem dritten Filter ausgebildet ist.
Navigationssystem nach Anspruch 12, wobei die IMU zum Ausgeben einer Stellung des autonomen Fahrzeugs in einem lokalen Bezugsrahmen ausgebildet ist und das dritte Filter zum Ausgeben einer Stellung des autonomen Fahrzeugs in einem globalen Bezugsrahmen ausgebildet ist.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das erste Filter zum stärkeren Gewichten von Daten von der IMU als Daten von dem zweiten Navigationssubsystem ausgebildet ist.
Navigationssystem für ein autonomes Fahrzeug, das Folgendes aufweist: ein erstes Navigationssubsystem, das Folgendes aufweist: eine Inertialmesseinheit (IMU); und ein erstes Filter, das mit der IMU in einer Rückkopplungsschleife gekoppelt ist; und ein zweites Navigationssubsystem, das Folgendes aufweist: einen Sensor; und ein zweites Filter, das zum Empfangen eines Ausgabesignals des Sensors gekoppelt ist und ferner mit einem Eingangsanschluss des ersten Filters gekoppelt ist.
Navigationssystem nach Anspruch 15, wobei der Sensor ein Wahrnehmungssensor ist und das Ausgabesignal des Sensors Wahrnehmungsdaten aufweist.
Navigationssystem nach Anspruch 15 oder 16, wobei das zweite Navigationssubsystem einen Globales-Positionierungssystem-Sensor aufweist und das Ausgabesignal des Sensors Globalpositionierungsdaten aufweist.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das zweite Filter ein Kalman-Filter ist und das erste Filter ein erweitertes Kalman-Filter ist.
Navigationssystem nach einem der Ansprüche 15 bis 18, das ferner ein drittes Navigationssubsystem aufweist, das einen Sensor und ein drittes Filter aufweist, wobei der Sensor des zweiten Navigationssubsystems ein Wahrnehmungssensor ist und der Sensor des dritten Navigationssubsystems ein Globales-Positionierungssystem-Sensor ist, und wobei das dritte Filter mit einem Eingangsanschluss des ersten Filters gekoppelt ist.
Navigationssystem nach Anspruch 19, wobei die IMU zum Ausgeben einer Stellung des autonomen Fahrzeugs in einem lokalen Bezugsrahmen ausgebildet ist und das dritte Filter zum Ausgeben einer Stellung des autonomen Fahrzeugs in einem globalen Bezugsrahmen ausgebildet ist.