DE102021111230A1

DE102021111230A1 - Effiziente Straßenkoordinaten-Transformationsbibliothek

Info

Publication number: DE102021111230A1
Application number: DE102021111230.3A
Authority: DE
Inventors: Roi Reshef; Vlad Goldner; Yevgeni Shaphirov
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-03-31
Also published as: US11577733B2; CN114312823A; US20220097714A1

Abstract

Ein System und Verfahren betreiben ein autonomes Fahrzeug. Ein Sensor tastet eine Straße und ein Objekt ab. Ein Prozessor bestimmt in einem kartesischen Bezugssystem eine Darstellung der Straße und einen für das Objekt repräsentativen Quellpunkt, tastet einen ersten Wegpunkt und einen zweiten Wegpunkt aus der Darstellung der Straße ab, bestimmt eine lineare Projektion des Quellpunkts auf eine Linie, die den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet, bestimmt eine erste Schätzung einer Längskomponente des Quellpunkts in einem straßenbasierten Bezugssystem basierend auf der linearen Projektion, wobei sich die erste Schätzung auf einer Kurve befindet, die die Straße zwischen dem ersten Wegpunkt und dem zweiten Wegpunkt darstellt, bestimmt eine zweite Schätzung der Längskomponente aus der ersten Schätzung, bestimmt eine Koordinate des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem aus der zweiten Schätzung und betreibt das Fahrzeug bezüglich des Objekts unter Verwendung der Koordinate.

Description

EINLEITUNG
Der Gegenstand der Offenbarung bezieht sich auf autonome Fahrzeuge und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zur effizienten Projektion von Objekten auf ein straßenbasiertes Bezugssystem.
Ein teil- oder vollautonomes Fahrzeug verfolgt Objekte in seiner Umgebung und führt Navigationsmanöver bezüglich dieser Objekte aus. Die Objekte werden unter Verwendung eines Sensors am Fahrzeug abgetastet und in einem kartesischen Koordinatensystem abgebildet. Für die Recheneffizienz ist es jedoch wünschenswert, die Berechnungen in einem straßenzentrierten Koordinatensystem (das außerdem als ein Frenet-Raum bekannt ist) auszuführen, das sich entlang einer Straße, eines Geländeweges, einer Kurve oder einer wegähnlichen Konstruktion bewegt. Die Transformation vom kartesischen Koordinatensystem in den Frenet-Raum kann rechenintensiv werden, wenn sie in großem Umfang angewendet wird. Entsprechend ist es erwünscht, ein recheneffizientes System und Verfahren zum Transformieren der Koordinaten eines Objekts von einem kartesischen Koordinatensystem in ein straßenzentriertes Koordinatensystem bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs offenbart. Eine Darstellung einer Straße und eines für ein Objekt repräsentativen Quellpunktes wird in einem kartesischen Bezugssystem bestimmt. Ein erster Wegpunkt und ein zweiter Wegpunkt werden aus der Darstellung der Straße abgetastet. Es wird eine lineare Projektion des Quellpunktes auf ein lineares Segment bestimmt, das den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet. Eine erste Schätzung einer Längskomponente des Quellpunktes wird in einem straßenbasierten Bezugssystem basierend auf der linearen Projektion bestimmt, wobei sich die erste Schätzung auf einer Kurve befindet, die die Straße darstellt und den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet. Eine zweite Schätzung der Längskomponente des Quellpunkts wird in dem straßenbasierten Bezugssystem aus der ersten Schätzung bestimmt. Aus der zweiten Schätzung der Längskomponente wird eine Koordinate des Quellpunktes im straßenbasierten Bezugssystem bestimmt. Das Fahrzeug wird unter Verwendung der Koordinate des Quellpunkts im straßenbasierten Bezugssystem bezüglich des Objekts betrieben.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale wird die zweite Schätzung der Längskomponente unter Verwendung einer Kreisbogenapproximation an die Kurve bestimmt. Die zweite Schätzung wird im kartesischen Bezugssystem durch das Interpolieren eines nächstgelegenen Wegpunkts bei der zweiten Schätzung unter Verwendung einer Taylor-Reihen-Approximation und der Frenet-Serret-Formeln verwirklicht. Wenigstens der erste Wegpunkt und der zweite Wegpunkt werden in mehrere Wegpunkt-Cluster gruppiert, wobei ein Wegpunkt-Cluster aus den mehreren Wegpunkt-Clustern basierend auf einem Abstand von dem Wegpunkt-Cluster zu dem Quellpunkt ausgewählt wird. Es wird ein Quell-Cluster gebildet, der den Quellpunkt enthält, wobei der Wegpunkt-Cluster basierend auf dem Abstand zwischen dem Quell-Cluster und dem Wegpunkt-Cluster ausgewählt wird. Das Verfahren enthält ferner das Bestimmen einer Querkomponente des Quellpunkts unter Verwendung der zweiten Schätzung der Längskomponente. In einer Ausführungsform ist die Darstellung der Straße ein Spline aus Polynomen.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein System zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs offenbart. Das System enthält einen Sensor und einen Prozessor. Der Sensor tastet eine Straße und ein Objekt ab. Der Prozessor ist konfiguriert, in einem kartesischen Bezugssystem eine Darstellung der Straße und einen für das Objekt repräsentativen Quellpunkt zu bestimmen, einen ersten Wegpunkt und einen zweiten Wegpunkt aus der Darstellung der Straße abzutasten, eine lineare Projektion des Quellpunkts auf eine Linie zu bestimmen, die den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet, eine erste Schätzung einer Längskomponente des Quellpunkts in einem straßenbasierten Bezugssystem basierend auf der linearen Projektion zu bestimmen, wobei sich die erste Schätzung auf einer Kurve befindet, die die Straße repräsentiert und den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet, eine zweite Schätzung der Längskomponente des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem aus der ersten Schätzung zu bestimmen, eine Koordinate des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem aus der zweiten Schätzung der Längskomponente zu bestimmen und das Fahrzeug bezüglich des Objekts unter Verwendung der Koordinate des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem zu betreiben.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der Prozessor ferner konfiguriert, die zweite Schätzung unter Verwendung einer Kreisbogenapproximation an die Kurve zu bestimmen. Der Prozessor ist ferner konfiguriert, die zweite Schätzung im kartesischen Bezugssystem durch Interpolieren eines nächstgelegenen Wegpunkts bei der zweiten Schätzung unter Verwendung einer Taylor-Reihen-Approximation und der Frenet-Serret-Formeln zu verwirklichen. Der Prozessor ist ferner konfiguriert, wenigstens den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt in mehrere Wegpunkt-Cluster zu gruppieren und einen Wegpunkt-Cluster aus den mehreren Wegpunkt-Clustern basierend auf einem Abstand von dem Wegpunkt-Cluster zu dem Quellpunkt auszuwählen. Der Prozessor ist ferner konfiguriert, einen Quell-Cluster zu bilden, der den Quellpunkt enthält, und den Wegpunkt-Cluster basierend auf dem Abstand zwischen dem Quell-Cluster und dem Wegpunkt-Cluster auszuwählen. Der Prozessor ist ferner konfiguriert, eine Querkomponente des Quellpunkts unter Verwendung der zweiten Schätzung der Längskomponente zu bestimmen. In einer Ausführungsform ist die Darstellung der Straße ein Spline aus Polynomen.
In einer nochmals weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein autonomes Fahrzeug offenbart. Das autonome Fahrzeug enthält einen Sensor und einen Prozessor. Der Sensor tastet eine Straße und ein Objekt ab. Der Prozessor ist konfiguriert, in einem kartesischen Bezugssystem eine Darstellung der Straße und einen für das Objekt repräsentativen Quellpunkt zu bestimmen, einen ersten Wegpunkt und einen zweiten Wegpunkt aus der Darstellung der Straße abzutasten, eine lineare Projektion des Quellpunkts auf eine Linie zu bestimmen, die den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet, eine erste Schätzung einer Längskomponente des Quellpunkts in einem straßenbasierten Bezugssystem basierend auf der linearen Projektion zu bestimmen, wobei sich die erste Schätzung auf einer Kurve befindet, die die Straße repräsentiert und den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet, eine zweite Schätzung der Längskomponente des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem aus der ersten Schätzung zu bestimmen, eine Koordinate des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem aus der zweiten Schätzung der Längskomponente zu bestimmen, und das Fahrzeug bezüglich des Objekts unter Verwendung der Koordinate des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem zu betreiben.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der Prozessor ferner konfiguriert, die zweite Schätzung unter Verwendung einer Kreisbogenapproximation an die Kurve zu bestimmen und die zweite Schätzung im kartesischen Rahmen durch Interpolieren des nächstgelegenen Wegpunkts bei der zweiten Schätzung unter Verwendung einer Taylor-Reihen-Approximation und der Frenet-Serret-Formeln zu verwirklichen. Der Prozessor ist ferner konfiguriert, wenigstens den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt von einem Quell-Cluster, der den Quellpunkt enthält, in mehrere Wegpunkt-Cluster zu gruppieren, und einen Wegpunkt-Cluster aus den mehreren Wegpunkt-Clustern basierend auf einem Abstand zwischen dem Quell-Cluster und dem Wegpunkt-Cluster auszuwählen. Der Prozessor ist ferner konfiguriert, eine Querkomponente des Quellpunkts unter Verwendung der zweiten Schätzung der Längskomponente zu bestimmen. In einer Ausführungsform ist die Darstellung der Straße ein Spline von Polynomen. In einer Ausführungsform ist die Darstellung der Straße eine Fahrspurmitte der Straße.
Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung leicht offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten gehen lediglich beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung hervor, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht; es zeigen:

1 ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2 einen Transformationsprozess zwischen einem kartesischen Bezugssystem und einem straßenzentrierten Bezugssystem;
3 eine mathematische Darstellung einer Straße;
4 ein Clusterbildungs-Verfahren zum Zuordnen eines Quellpunktes zu nächstgelegenen Wegpunkten;
5 ein Verfahren zum Erhalten einer Schätzung einer Längskomponente eines Quellpunkts in einem straßenzentrierten Bezugssystem;
6 einen Ablaufplan, der ein Verfahren zum Bestimmen einer Längskomponente für einen Quellpunkt in einem straßenzentrierten Bezugssystem veranschaulicht; und
7 einen Ablaufplan zum Transformieren von dem straßenzentrierten Bezugssystem zurück zu dem kartesischen Bezugssystem.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Art und ist nicht vorgesehen, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen einzuschränken. Es sollte erkannt werden, dass überall in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform zeigt 1 ein Fahrzeug 10. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Fahrzeug 10 ein halbautonomes oder autonomes Fahrzeug. In verschiedenen Ausführungsformen enthält das Fahrzeug 10 wenigstens ein Fahrerassistenzsystem sowohl für die Lenkung als auch für die Beschleunigung/Verzögerung unter Verwendung von Informationen über die Fahrumgebung, wie z. B. eine Geschwindigkeitsregelung und eine Fahrspurzentrierung. Während der Fahrer oder die Fahrerin vom physischen Bedienen des Fahrzeugs 10 getrennt werden kann, indem er bzw. sie gleichzeitig seine bzw. ihre Hände vom Lenkrad und den Fuß vom Pedal nimmt, muss der Fahrer oder die Fahrerin bereit sein, die Steuerung des Fahrzeugs zu übernehmen.
Im Allgemeinen bestimmt ein Trajektorienplanungssystem 100 einen Trajektorienplan für das automatisierte Fahren des Fahrzeugs 10. Das Fahrzeug 10 enthält im Allgemeinen ein Chassis 12, eine Karosserie 14, die Vorderräder 16 und die Hinterräder 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Chassis 12 angeordnet und umschließt im Wesentlichen die Komponenten des Fahrzeugs 10. Die Karosserie 14 und das Chassis 12 können gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Vorderräder 16 und die Hinterräder 18 sind jeweils in der Nähe der jeweiligen Ecken der Karosserie 14 drehbar an das Chassis 12 gekoppelt.
Wie gezeigt ist, enthält das Fahrzeug 10 im Allgemeinen ein Antriebssystem 20, ein Getriebesystem 22, ein Lenksystem 24, ein Bremssystem 26, ein Sensorsystem 28, ein Aktuatorsystem 30, wenigstens eine Datenspeichervorrichtung 32, wenigstens einen Controller 34 und ein Kommunikationssystem 36. Das Antriebssystem 20 kann in verschiedenen Ausführungsformen eine Brennkraftmaschine, eine elektrische Maschine, wie z. B. einen Fahrmotor, und/oder ein Brennstoffzellenantriebssystem enthalten. Das Getriebesystem 22 ist konfiguriert, die Leistung des Antriebssystems 20 auf die Vorderräder 16 und die Hinterräder 18 gemäß wählbaren Übersetzungsverhältnissen zu übertragen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Getriebesystem 22 ein Stufenübersetzungs-Automatikgetriebe, ein stufenloses Getriebe oder ein anderes geeignetes Getriebe enthalten. Das Bremssystem 26 ist konfiguriert, ein Bremsdrehmoment den Vorderrädern 16 und den Hinterrädern 18 bereitzustellen. Das Bremssystem 26 kann in verschiedenen Ausführungsformen Reibungsbremsen, eine elektronische Bremse, ein Rückgewinnungsbremssystem, wie z. B. eine elektrische Maschine, und/oder andere geeignete Bremssysteme enthalten. Das Lenksystem 24 beeinflusst eine Position der Vorderräder 16 und der Hinterräder 18. Während für Veranschaulichungszwecke dargestellt ist, dass das Lenksystem 24 ein Lenkrad enthält, kann es in einigen Ausführungsformen, die als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung betrachtet werden, kein Lenkrad enthalten.
Das Sensorsystem 28 enthält eine oder mehrere Abtastvorrichtungen 40a-40n, die beobachtbare Bedingungen der äußeren Umgebung und/oder der inneren Umgebung des Fahrzeugs 10 einschließlich eines Objekts 50 abtasten. Das Objekt 50 können andere Verkehrsteilnehmer, Straßenelemente, wie z. B. eine Fahrspurmitte oder ein Fahrspurrand, oder andere Objekte sein. Die Abtastvorrichtungen 40a-40n können Radare, Lidare, globale Positionierungssysteme, optische Kameras, Wärmekameras, Ultraschallsensoren und/oder andere Sensoren zum Beobachten und Messen von Parametern der äußeren Umgebung enthalten, sind aber nicht auf diese eingeschränkt. Die Abtastvorrichtungen 40a-40n können ferner Bremssensoren, Lenkwinkelsensoren, Raddrehzahlsensoren usw. zum Beobachten und Messen von fahrzeuginternen Parametern des Fahrzeugs enthalten. Die Kameras können zwei oder mehr Digitalkameras enthalten, die in einem ausgewählten Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die zwei oder mehr Digitalkameras verwendet werden, um Stereobilder der umgebenden Umwelt zu erhalten, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten. Das Aktuatorsystem 30 enthält eine oder mehrere Aktuatorvorrichtungen 42a-42n, die ein oder mehrere Fahrzeugmerkmale steuern, wie z. B. das Antriebssystem 20, das Getriebesystem 22, das Lenksystem 24 und das Bremssystem 26, sind aber nicht auf diese eingeschränkt. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 10 ferner innere und/oder äußere Merkmale enthalten, wie z. B. Türen, einen Kofferraum, und Kabinenmerkmale, wie z. B. Luft, Musik, Beleuchtung usw., ist aber nicht auf diese eingeschränkt, (die nicht nummeriert sind).
Der wenigstens eine Controller 34 enthält einen Prozessor 44 und eine computerlesbare Speichervorrichtung oder computerlesbare Medien 46. Der Prozessor 44 kann irgendein nach Kundenwünschen gefertigter oder handelsüblicher Prozessor, eine Zentraleinheit (CPU), eine Graphikverarbeitungseinheit (GPU), ein Hilfsprozessor unter mehreren Prozessoren, die dem wenigstens einen Controller 34 zugeordnet sind, ein halbleiterbasierter Mikroprozessor (in der Form eines Mikrochips oder Chipsatzes), ein Makroprozessor, irgendeine Kombination aus diesen oder im Allgemeinen irgendeine Vorrichtung zum Ausführen von Anweisungen sein. Die computerlesbare Speichervorrichtung oder die computerlesbaren Medien 46 können flüchtigen und nichtflüchtigen Speicher z. B. in Festwertspeicher (ROM), Schreib-Lese-Speicher (RAM) und Keep-Alive-Speicher (KAM) enthalten. KAM ist ein beständiger oder nichtflüchtiger Speicher, der verwendet werden kann, um verschiedene Betriebsvariable zu speichern, während der Prozessor 44 ausgeschaltet ist. Die computerlesbare Speichervorrichtung oder die computerlesbaren Medien 46 können unter Verwendung irgendeiner Anzahl bekannter Speichervorrichtungen, wie z. B. PROMs (programmierbaren Festwertspeichers), EPROMs (elektrisch PROM), EEPROMs (elektrisch löschbaren PROM), Flash-Speichers oder irgendwelcher anderer elektrischer, magnetischer, optischer oder Kombinations-Speichervorrichtungen, die Daten speichern können, von denen einige ausführbare Anweisungen repräsentieren, die durch den wenigstens einen Controller 34 beim Steuern des Fahrzeugs 10 verwendet werden, implementiert sein.
Die Anweisungen können ein oder mehrere separate Programme enthalten, von denen jedes eine geordnete Auflistung von ausführbaren Anweisungen zum Implementieren logischer Funktionen umfasst. Die Anweisungen, wenn sie durch den Controller 44 ausgeführt werden, empfangen und verarbeiten Signale von dem Sensorsystem 28, führen Logik, Berechnungen, Verfahren und/oder Algorithmen zum automatischen Steuern der Komponenten des Fahrzeugs 10 aus und erzeugen Steuersignale für das Aktuatorsystem 30, um die Komponenten des Fahrzeugs 10 basierend auf der Logik, den Berechnungen, den Verfahren und/oder den Algorithmen automatisch zu steuern. Obwohl in 1 nur ein Controller gezeigt ist, können die Ausführungsformen des Fahrzeugs 10 irgendeine Anzahl von Controllern enthalten, die über irgendein geeignetes Kommunikationsmedium oder eine Kombination aus Kommunikationsmedien kommunizieren und die zusammenarbeiten, um die Sensorsignale zu verarbeiten, Logik, Berechnungen, Verfahren und/oder Algorithmen auszuführen und Steuersignale zu erzeugen, um die Merkmale des Fahrzeugs 10 automatisch zu steuern.
Das Kommunikationssystem 36 ist konfiguriert, Informationen zu und von anderen Einheiten 48, wie z. B. anderen Fahrzeugen („V2V“-Kommunikation), Infrastruktur („V2I“-Kommunikation), entfernten Systemen und/oder persönlichen Vorrichtungen, aber nicht auf diese eingeschränkt, drahtlos zu übertragen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Kommunikationssystem 36 ein drahtloses Kommunikationssystem, das konfiguriert ist, über ein drahtloses lokales Netz (WLAN) unter Verwendung von IEEE 802.11-Standards oder unter Verwendung von Zellen-Datenkommunikation zu kommunizieren. Zusätzliche oder alternative Kommunikationsverfahren, wie z. B. ein dedizierter Nahbereichs-Kommunikationskanal (DSRC-Kanal), werden jedoch außerdem als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung betrachtet. DSRC-Kanäle beziehen sich auf drahtlose Einweg- oder Zweiwege-Kommunikationskanäle mit kurzer bis mittlerer Reichweite, die spezifisch für die Verwendung in Kraftfahrzeugen entworfen worden sind, und auf einen entsprechenden Satz von Protokollen und Standards.
Während das Fahrzeug hier als ein vollautonomes oder teilautonomes Fahrzeug offenbart ist, ist dies nicht als Einschränkung der Erfindung gemeint. In anderen Ausführungsformen kann das Fahrzeug z. B. irgendein Typ eines teilautonomen oder vollautonomen Fahrzeugs sein, wie z. B. ein Motorrad, ein Roller oder ein mobiler Roboter.
2 veranschaulicht einen Transformationsprozess 200 zwischen einem kartesischen Bezugssystem 202 und einem straßenzentrierten Bezugssystem 204. Das kartesische Bezugssystem 202 ist bezüglich einer Straße 205 stationär, während sich das straßenzentrierte Bezugssystem 204 entlang der Straße bewegt. In einer Ausführungsform bewegt sich das straßenzentrierte Bezugssystem 204 entlang einer Fahrspurmitte 210 der Straße 205. Im straßenzentrierten Bezugssystem 204 kann die Straße 205 als eine Gerade erscheinen. Die Straße 205 kann einen gekrümmten Abschnitt enthalten, wie er im kartesischen Bezugssystem 202 gezeigt ist. Das Fahrzeug 10 tastet verschiedene Quellpunkte ab, die den Objekten im kartesischen Bezugssystem 202 zugeordnet sind. Die verschiedenen Quellpunkte können die Positionen oder die Koordinaten des Fahrzeugs 10 selbst, anderer Verkehrsteilnehmer, der Fahrspurmitte 210 der Straße 205, anderer Objekte usw. enthalten. Jeder Quellpunkt kann innerhalb des kartesischen Bezugssystems 202 unter Verwendung von 6 Freiheitsgraden, die x, y, Gieren, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Krümmung (κ) für den Quellpunkt enthalten, parametrisiert werden. Derselbe Quellpunkt kann innerhalb des straßenzentrierten Bezugssystems 204 sowohl durch eine Längsposition (s) des Quellpunktes, eine Querposition (d) des Quellpunktes als auch deren relative Zeitableitungen (z. B. Geschwindigkeiten und Beschleunigungen) entlang dieser beiden Achsen parametrisiert werden. Folglich kann der Quellpunkt im straßenzentrierten Bezugssystem durch (s, ṡ, s̈, d, ḋ, d̈) parametrisiert werden. Um das Fahrzeug 10 zu navigieren, werden die kartesischen Koordinaten der Quellpunkte in das straßenzentrierte Bezugssystem 204 transformiert. In dem straßenzentrierten Bezugssystem 204 werden dann die Berechnungen zum Bestimmen einer Trajektorie für das Fahrzeug 10 ausgeführt. Die Trajektorie wird aus dem straßenzentrierten Bezugssystem 204 zurück in das kartesische Bezugssystem 202 transformiert, um durch das Fahrzeug 10 verfolgt zu werden.
3 zeigt eine mathematische Darstellung der Straße 205 (d. h., einer Fahrspurmitte 210 der Straße 205). In verschiedenen Ausführungsformen tasten die Abtastvorrichtungen 40a-40n die Fahrspurmitte 210 ab und stellt der Prozessor 44 die Fahrspurmitte 210 als eine Polynomfunktion dar. In anderen Ausführungsformen kann die Darstellung der Straße 205 eine im Voraus berechnete Größe sein, die in einer Kartendatenbank gespeichert ist. Die im Voraus berechnete Darstellung kann z. B. von einem Satelliten, einer Straßenkamera oder einer anderen externen Vorrichtung zu dem Fahrzeug übertragen werden. Insbesondere die Fahrspurmitte 210 ist als ein Spline von Polynomfunktionen dargestellt. Für den in 3 gezeigten veranschaulichenden Spline repräsentiert eine erste Polynomfunktion einen Abschnitt 302 zwischen dem hinteren Wegpunkt 310a und dem mittleren Wegpunkt 310d. Eine zweite Polynomfunktion repräsentiert einen Abschnitt 304 zwischen dem mittleren Wegpunkt 310d und dem vorderen Wegpunkt 310f. Die erste Polynomfunktion und die zweite Polynomfunktion sind am mittleren Wegpunkt 310d stetig und stetig differenzierbar.
Der Prozessor 44 tastet jede Polynomfunktion ab, um einen Satz von Wegpunkten zu erzeugen. Das Abtasten der ersten Polynomfunktion erzeugt die Wegpunkte 310b und 310c. Das Abtasten der zweiten Polynomfunktion erzeugt den Wegpunkt 301 e. Der Prozessor 44 tastet die Polynomfunktionen gleichmäßig ab, so dass der Abstand zwischen den Wegpunkten entlang einer Polynomfunktion der gleiche ist. Jedem Wegpunkt 310a-310f ist ein Satz von Wegpunktstatistiken zugeordnet, der eine Position (x, y) des Wegpunkts, die zweidimensionalen Tangenten- und Normalenvektoren $(\vec{T}, \vec{N})$
des Wegpunkts, die lokale Krümmung und die erste Ableitung der lokalen Krümmung (κ, κ') am Wegpunkt enthält. Die Wegpunkte ergeben eine Approximation des straßenzentrierten Bezugssystems.
Das Abtasten der Wegpunkte aus dem Polynom kann entweder online (am Fahrzeug) oder offline (entfernt vom Fahrzeug) ausgeführt werden. Bei der Online-Abtastung sind die Polynomfunktionen, die die Straße repräsentieren, in einer Speicherdatenbank gespeichert. Der Online-Prozessor fragt die Datenbank nach einer ausgewählten Polynomfunktion ab und tastet das Polynom ab, um die Wegpunkte und ihre Wegpunktstatistiken zu erhalten. Bei der Offline-Abtastung wird das Abtasten der Wegpunkte aus dem Polynom offline ausgeführt. Der Online-Prozessor fragt dann direkt die Datenbank nach den Wegpunkten ab. Das Online-Abtasten ist im Allgemeinen speichereffektiver, erfordert aber mehr Online-Berechnungen. Das Offline-Abtasten ist im Allgemeinen speicherineffizienter, erfordert aber weniger Online-Berechnung.
4 zeigt ein Clusterbildungs-Verfahren zum Zuordnen eines Quellpunkts zu den nächstgelegenen benachbarten Wegpunkten auf dem veranschaulichenden Spline nach 3. Die Quellpunkte können das Fahrzeug 10, andere Verkehrsteilnehmer, statische Objekte, Zielpunkte oder irgendein anderes Objekt enthalten, das für die Trajektorienplanung des Fahrzeugs relevant ist. Das Clusterbildungs-Verfahren gruppiert Quellpunkte in einen oder mehrere Quell-Cluster und gruppiert Wegpunkte in einen oder mehrere Wegpunkt-Cluster. Die Abstände zwischen einem ausgewählten Quell-Cluster und dem einen oder den mehreren Wegpunkt-Clustern können bestimmt werden. Für den ausgewählten Quell-Cluster wählt der Prozessor 44 einen oder mehrere Wegpunkt-Cluster, die einen kürzesten oder minimalen Abstand zum ausgewählten Quell-Cluster aufweisen, als relevant für den ausgewählten Quell-Cluster aus. Durch das Bestimmen des Ortes der relevanten Wegpunkte in der in 4 veranschaulichten Weise wird die Notwendigkeit eliminiert, die Quellpunkte mit allen Wegpunkten abzugleichen, um die nächstgelegenen Nachbar-Wegpunkte zu finden.
Wie in 4 für den veranschaulichenden Spline gezeigt ist, sind die Wegpunkte 310a und 310b in einem ersten Wegpunkt-Cluster 402a gruppiert worden, sind die Wegpunkte 310c und 310d in einem zweiten Wegpunkt-Cluster 402b gruppiert worden und sind die Wegpunkte 310e und 310f in einem dritten Wegpunkt-Cluster 402c gruppiert worden. Die Quellpunkte 404 sind in einem ersten Quell-Cluster 408a gruppiert worden und die Quellen 406 sind in einem zweiten Quell-Cluster 408b gruppiert worden. Es werden die Abstände zwischen dem ersten Quell-Cluster 408a und den Wegpunkt-Clustern 402a, 402b und 402c bestimmt. Die kleinsten Zwischen-Cluster-Abstände befinden sich zwischen dem ersten Quell-Cluster 408a und dem ersten Wegpunkt-Cluster 402a und zwischen dem ersten Quell-Cluster 408a und dem zweiten Wegpunkt-Cluster 402b. Deshalb werden der erste Wegpunkt-Cluster 402a und der zweite Wegpunkt-Cluster 402b als für die Quellpunkte 404 des ersten Quell-Clusters 408a relevant ausgewählt. Ähnlich ordnet der Vergleich der Abstände den zweiten Quell-Cluster 408b dem zweiten Wegpunkt-Cluster 402b und dem dritten Wegpunkt-Cluster 402c zu. Als ein Beispiel kann ein KD-Baum verwendet werden, um die Wegpunkte in Clustern zu gruppieren, so dass das Abfragen nach dem nächstgelegenen benachbarten Wegpunkt zu einem ausgewählten Quellpunkt im Raum (z. B. Quellpunkt oder Cluster-Schwerpunkt) effizient ausgeführt wird und Berechnung einspart.
5 veranschaulicht ein Verfahren zum Erhalten einer Schätzung einer Längskomponente eines Quellpunktes in einem straßenzentrierten Bezugssystem. Es ist ein Quellpunkt 502 gezeigt, der den Wegpunkten 310d und 310e zugeordnet ist. Ein Bereich 506, der die Wegpunkte 310d, 310e und den Quellpunkt 502 enthält, ist in Großaufnahme gezeigt, um den Prozess des Projizierens des Quellpunktes aus einem kartesischen Bezugssystem in ein straßenzentriertes Bezugssystem zu veranschaulichen.
In der Großaufnahme des Bereichs 506 verbindet ein lineares Segment 512 einen ersten Wegpunkt (d. h., den Wegpunkt 310d) und einen zweiten Wegpunkt (d. h., den Wegpunkt 310e) des Splines. Die Kurve 514 stellt die kontinuierliche Verwirklichung der Kurve der Straße (d. h., das relevante Segment des Polynom-Splines) dar, mit der die Wegpunkte 310d und 310e zusammenfallen.
In einem ersten Schritt wird eine Projektionslinie 518 gezeichnet, die senkrecht zum linearen Segment 512 ist und durch den Quellpunkt 502 verläuft. Ein Schnittpunkt zwischen der Projektionslinie 518 und dem Liniensegment 512 erzeugt eine lineare Projektion 516 des Quellpunkts 502 auf das Liniensegment 512. In einem zweiten Schritt wird die lineare Projektion 516 verwendet, um eine erste Schätzung 520 einer Längskomponente des Quellpunktes 502 im straßenbasierten Bezugssystem zu bestimmen. Die erste Schätzung 520 wird hier außerdem als S-Wert-Schätzung (s^[0]) bezeichnet. Die erste Schätzung 520 befindet sich auf der Kurve 514.
In einer Ausführungsform wird ein Abstand entlang dem linearen Segment 512 zwischen der linearen Projektion 516 und dem Wegpunkt 310d bestimmt und wird ein äquivalenter Abstand vom Wegpunkt 310d entlang der Kurve 514 bestimmt, um den Ort der ersten Schätzung 520 zu finden. Dann wird unter Verwendung der ersten Schätzung 520 eine Interpolation ausgeführt, um eine zweite Schätzung 522 der Längskomponente des Quellpunkts 502 im straßenbasierten Bezugssystem zu bestimmen. Die zweite Schätzung 522 wird hier außerdem als feinkörnige Schätzung s* bezeichnet, wobei sie sich auf der Kurve 514 befindet.
Die Interpolation beinhaltet eine Taylor-Entwicklung der Frenet-Serret-Formeln für ein Teilchen, das sich entlang einer Kurve bewegt. Durch die Annahme eines konstanten Radius für die Kurve 514 am Ort der ersten Schätzung 520 wird ein Einheits-Normalenvektor 526 (d. h., der Einheitsvektor $\vec{N^{[0]}}$
am Ort der ersten Schätzung 520 bestimmt. Die Verwirklichung der ersten Schätzung 520 auf der Kurve 514 wird durch ein Polynom stetig dargestellt. Weil die Lokalisierung der ersten Schätzung 520 online ausgeführt wird, hat der Prozessor Zugriff nur auf Wegpunkte. Die Kurve 514 ist deshalb eine Rekonstruktion des Polynoms aus dem Wegpunkt 310d und dem Wegpunkt 310e. Die Verwirklichung der ersten Schätzung 520 auf der Kurve 514 ergibt den Radius 524 eines Tangentialkreises an die Kurve 514 am Ort der ersten Schätzung 520. Dieser Tangentialkreis wird durch seinen Ursprung O (den Punkt 510) repräsentiert und weist einen Radius rauf. Eine in Gl. (1) gezeigte Vektorrelation bringt den Quellpunkt 502, den Ursprung 510 und die erste Schätzung 520 in Beziehung: $\vec{O p} = \vec{N^{[0]}} + \vec{p a (s^{[0]})}$
wobei s^[0] eine entlang der Kurve 514 vom Wegpunkt 310d zurückgelegte Strecke ist und α(s^[0]) die Koordinaten von s^[0] im kartesischen Bezugssystem (d. h., x, y,

κ, κ') am Ort von s^[0] entlang der Kurve 514th sind. Ein Winkel β zwischen dem Einheits-Normalenvektor 526 und dem Ursprungs-Quellvektor 528 wird unter Verwendung des Kosinussatzes bestimmt, wie in Gl. (2) gezeigt ist: $cos (β) = d o t (\vec{N^{[0]}} \cdot \vec{O p}) / | \vec{O p} |$
Sobald der Winkel β aus Gl. (2) bestimmt worden ist, wird die zweite Schätzung 522 unter Verwendung von Gl. (3) bestimmt: $s * = s^{[0]} + β \cdot r$
Sobald die zweite Schätzung 522 (d. h., s*) bestimmt worden ist, kann eine Verwirklichung α(s^[0]) bestimmt werden, indem die dem Winkel β gegenüberliegende Strecke entlang der Kurve 514 zur Länge s* durchlaufen wird. Unter Verwendung der Verwirklichung der zweiten Schätzung α(s*) kann eine Querkomponente des Quellpunktes 502 im straßenzentrierten Bezugssystem bestimmt werden, wobei $\vec{a (s *) p} = \vec{O p} - \vec{O a (s *)}$
Aus diesen Komponenten können die Geschwindigkeiten und die Beschleunigungen des Quellpunktes 502 im straßenzentrierten Bezugssystem bestimmt werden, wobei eine Trajektorie für das autonome Fahrzeug berechnet werden kann, folglich ergeben sich die Koordinaten (s, ṡ, s̈, d, ḋ, d̈) im straßenzentrierten Bezugssystem.
6 zeigt einen Ablaufplan 600, der ein Verfahren zum Bestimmen einer Längskomponente für einen Quellpunkt in einem straßenzentrierten Bezugssystem veranschaulicht. Im Kasten 602 werden sowohl die kartesischen Koordinaten für den Quellpunkt in einem kartesischen Bezugssystem als auch mehrere Wegpunkte des straßenbasierten Bezugssystems erhalten. Im Kasten 604 wird ein Satz relevanter Wegpunkte für den Quellpunkt bestimmt. In verschiedenen Ausführungsformen wird der Satz relevanter Wegpunkte durch das Bilden von Wegpunkt-Clustern und eines Quell-Clusters, der den Quellpunkt enthält, und das Bestimmen, welche Wegpunkt-Cluster dem Quell-Cluster nächstgelegen sind, bestimmt. Im Kasten 606 wird der Quellpunkt auf eine Linie projiziert, die einen ersten Wegpunkt und einen zweiten Wegpunkt verbindet, der dem ersten Wegpunkt benachbart ist und aus demselben Wegpunkt-Cluster stammt. Die Projektion des Quellpunktes auf die Linie erzeugt eine lineare Projektion des Quellpunktes.
Im Kasten 608 wird eine erste Schätzung einer Längskomponente des Quellpunkts im straßenzentrierten Bezugssystem auf dem Polynom-Spline-Segment, das den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet, unter Verwendung der linearen Projektion bestimmt. Im Kasten 610 wird eine zweite Schätzung der Längskomponente des Quellpunkts im straßenzentrierten Bezugssystem aus einer Interpolation der ersten Schätzung entlang einer Approximation eines Bogens mit konstantem Radius am Ort der ersten Schätzung bestimmt. Sobald die zweite Schätzung bestimmt ist, wird eine Querposition des Quellpunkts basierend auf der zweiten Schätzung bestimmt, wobei eine Trajektorie für das autonome Fahrzeug in dem straßenzentrierten Bezugssystem basierend auf dem Quellpunkt berechnet werden kann.
7 zeigt einen Ablaufplan 700 zum Transformieren vom straßenzentrierten Bezugssystem zurück zum kartesischen Bezugssystem. Im Kasten 702 werden die straßenzentrierten Koordinaten für einen ausgewählten Punkt bestimmt. Im Kasten 704 wird eine Projektion des ausgewählten Punktes, der auf dem Spline der Referenz liegt, bestimmt. Die Projektion weist die gleiche Längskoordinate wie der gewählte Punkt auf, wobei die Querkoordinate gleich null ist). Die kartesische Verwirklichung der Projektion wird entweder durch Abtasten der kontinuierlichen Spline-Darstellung an der Längenkoordinate oder durch Finden des der Projektion nächstgelegenen Wegpunkts und Interpolieren unter Verwendung einer Taylor-Reihen-Approximation und der Frenet-Serret-Formeln bestimmt. Der nächstgelegene Wegpunkt kann durch das Runden der Längenkoordinate der Projektion auf den nächstgelegenen Wert gemäß der gleichmäßigen Abtastfrequenz der Polynomfunktionen, die hier bezüglich 3 erörtert worden ist, bestimmt werden. Im Kasten 706 werden die Koordinaten des ausgewählten Punktes unter Verwendung der Statistik (Ort, Gieren, Krümmung und ihrer ersten Ableitung) des Referenz-Splines am ausgewählten Punkt in das kartesische Bezugssystem transformiert.
Während die obige Offenbarung bezüglich beispielhafter Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird durch die Fachleute auf dem Gebiet erkannt, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und deren Elemente durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne von ihrem Schutzumfang abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Schutzumfang abzuweichen. Deshalb ist vorgesehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen eingeschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen enthält, die in ihren Schutzumfang fallen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestimmen, in einem kartesischen Bezugssystem, einer Darstellung einer Straße und eines für ein Objekt repräsentativen Quellpunktes; Abtasten eines ersten Wegpunkts und eines zweiten Wegpunkts aus der Darstellung der Straße; Bestimmen einer linearen Projektion des Quellpunktes auf ein lineares Segment, das den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet; Bestimmen einer ersten Schätzung einer Längskomponente des Quellpunkts in einem straßenbasierten Bezugssystem basierend auf der linearen Projektion, wobei sich die erste Schätzung auf einer Kurve befindet, die die Straße darstellt und den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet; Bestimmen einer zweiten Schätzung der Längskomponente des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem aus der ersten Schätzung; Bestimmen einer Koordinate des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem aus der zweiten Schätzung der Längskomponente; und Betreiben des Fahrzeugs bezüglich des Objekts unter Verwendung der Koordinate des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bestimmen der zweiten Schätzung der Längskomponente unter Verwendung einer Kreisbogenapproximation an die Kurve umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Verwirklichen der zweiten Schätzung im kartesischen Bezugssystem durch Interpolieren eines nächstgelegenen Wegpunkts bei der zweiten Schätzung unter Verwendung einer Taylor-Reihen-Approximation und der Frenet-Serret-Formeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Gruppieren wenigstens des ersten Wegpunkts und des zweiten Wegpunkts in mehrere Wegpunkt-Cluster und das Auswählen eines Wegpunkt-Clusters aus den mehreren Wegpunkt-Clustern basierend auf einem Abstand des Wegpunkt-Clusters von dem Quellpunkt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner das Bilden eines Quell-Clusters, der den Quellpunkt enthält, und das Auswählen des Wegpunkt-Clusters basierend auf dem Abstand zwischen dem Quell-Cluster und dem Wegpunkt-Cluster umfasst.
System zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs, wobei das System umfasst: einen Sensor zum Abtasten einer Straße und eines Objekts; und einen Prozessor, der konfiguriert ist: in einem kartesischen Bezugssystem eine Darstellung der Straße und eines für das Objekt repräsentativen Quellpunktes zu bestimmen; einen ersten Wegpunkt und einen zweiten Wegpunkt aus der Darstellung der Straße abzutasten; eine lineare Projektion des Quellpunkts auf eine Linie, die den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet, zu bestimmen; eine erste Schätzung einer Längskomponente des Quellpunkts in einem straßenbasierten Bezugssystem basierend auf der linearen Projektion zu bestimmen, wobei sich die erste Schätzung auf einer Kurve befindet, die die Straße darstellt und den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt verbindet; eine zweite Schätzung der Längskomponente des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem aus der ersten Schätzung zu bestimmen; eine Koordinate des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem aus der zweiten Schätzung der Längskomponente zu bestimmen; und das Fahrzeug bezüglich des Objekts unter Verwendung der Koordinate des Quellpunkts in dem straßenbasierten Bezugssystem zu betreiben
System nach Anspruch 6, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, die zweite Schätzung unter Verwendung einer Kreisbogenapproximation an die Kurve zu bestimmen.
System nach Anspruch 6, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, die zweite Schätzung in dem kartesischen Bezugssystem durch Interpolieren eines nächstgelegenen Wegpunkts bei der zweiten Schätzung unter Verwendung einer Taylor-Reihen-Approximation und der Frenet-Serret-Formeln zu verwirklichen.
System nach Anspruch 6, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, wenigstens den ersten Wegpunkt und den zweiten Wegpunkt in mehrere Wegpunkt-Cluster zu gruppieren und einen Wegpunkt-Cluster aus den mehreren Wegpunkt-Clustern basierend auf einem Abstand von dem Wegpunkt-Cluster zu dem Quellpunkt auszuwählen.
System nach Anspruch 9, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, einen Quell-Cluster zu bilden, der den Quellpunkt enthält, und den Wegpunkt-Cluster basierend auf dem Abstand zwischen dem Quell-Cluster und dem Wegpunkt-Cluster auszuwählen.