-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der geografischen Position eines Fahrzeugs auf einer Straße mit einer Schutzplanke, an der das Fahrzeug entlangfährt.
-
Für automatisiertes oder gar autonomes Fahren ist eine sehr genaue Bestimmung der aktuellen Position eines Fahrzeugs von entscheidender Bedeutung. Die Positionsbestimmung mittels des Globalen Navigations-Satelliten-Systems (GNSS) ist dafür nicht genau genug. Die Ungenauigkeiten müssen mit anderen Verfahren korrigiert werden.
-
Zur genauen Positionsbestimmung bzw. der Korrektur von Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung mittels GNSS kann beispielsweise ein Netzwerk von exakt vermessenen Referenzstationen im Gelände herangezogen werden. Dabei erfassen Kameras, Video- oder Radarsensoren des Autos während der Fahrt stationäre Merkmale auf und/oder neben der Straße, z.B. Spurmarkierungen, Verkehrsschilder, Straßenkreuzungen, Ampeln oder auch Leitplanken. Über eine Funkverbindung gelangen die erfassten Sensordaten in die Cloud. Die sogenannte Straßensignatur ist dort in einer eigenständigen Kartenebene hinterlegt und dient als absolute Referenz zur Positionsbestimmung. Das Auto vergleicht laufend, ob die von ihm erfassten Straßenmerkmale mit den in der Karte hinterlegten übereinstimmen. Auf diese Weise kann die geografische Position eines Fahrzeugs auf einer Straße wesentlich genauer erfasst werden. Auch die Fahrspur, auf der das Auto gerade fährt (Ego-Lane), kann festgestellt werden.
-
Wird die Datenverbindung zwischen Fahrzeug und Cloud-Server unterbrochen, kann eine Inertialsensorik zum Einsatz kommen, beispielsweise wenn das Auto in einen Tunnel fährt. In dieser Situation können weitere Sensoren, wie z.B. Drehratensensor, Beschleunigungssensor, Raddrehzahlfühler oder Lenkwinkelsensor, eine bestimmte kurze Zeit - einige Sekunden - die Bewegungsrichtung weiterverfolgen und eine Interpolation der Daten zur Positionsbestimmung durchführen.
-
DE 10 2014 201 824 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Fahrzeugs umfassend die Schritte: Erfassen von mehreren Objekten im Umfeld des Fahrzeugs, Detektieren einer Abfolge der erfassten Objekte in einer digitalen Karte und Bestimmen der aktuellen Fahrzeugposition in der digitalen Karte basierend auf der detektierten Abfolge von Objekten. Die Abfolge von erfassten Objekten kann beispielsweise aus unterbrochenen Fahrbahnmarkierungen bestehen, deren Anzahl gezählt wird. Auf diese Weise kann eine recht genaue Lokalisierung des Fahrzeugs auf einer zuvor identifizierten Straße erfolgen, bis hin zu einer Genauigkeit von 5 cm. Wichtig ist, dass die Referenzpunkte auch von der digitalen Karte umfasst sind.
-
In dem Aufsatz von Choi et al. „In-Lane Localization and Ego-Lane Identification Method Based on Highway Lane Endpoints“ in Journal of Advanced Transportation, Volume 2020, Article ID 8684912, wird die Erfassung von Fahrspur-Endpunkten (Lane Endpoints) vorgeschlagen, um eine präzise Lokalisierung des Fahrzeugs auf einer Fahrspur durchzuführen.
-
Die Identifizierung von stationalen Merkmalen auf und neben der Straße mittels Vergleich von Eintragungen in einer digitalen Karte kann immer nur zu einer relativ groben Lokalisierung führen. Auf der Fahrbahn aufgebrachte Markierungen können nur durch optische Sensoren, insbesondere Kameras, erfasst werden. Selbst bei Fahrzeugen, die über mehrere Kameras an allen Seiten verfügen, sind diese Kameras in der Regel nicht nach unten auf die Straße gerichtet; die Bildebene steht vielmehr in einem steilen Winkel oder nahezu senkrecht zur Fahrbahnebene. Wenn es auf Genauigkeit im Zentimeterbereich ankommt, sind Markierungen auf der Straße deshalb nicht optimal.
-
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die geografische Position eines Fahrzeugs besonders exakt zu ermitteln, ohne zusätzliche, über die Ausrüstung für automatisiertes, teil- oder vollständig autonomes Fahren hinausgehende Messtechnik verbauen zu müssen.
-
Die Erfindung basiert auf der Idee, die sehr häufig an Autobahnen, Schnellstraßen und in Tunneln vorhandenen Schutzplanken (auch Leitplanken genannt) heranzuziehen, um die genaue Längs-Position eines Fahrzeugs, das auf einer solchen, mit Schutzplanke geschützten Straße entlangfährt, zu bestimmen.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß dem ersten Patentanspruch.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen von Sensordaten eines Umgebungssensors des Fahrzeugs, welcher die parallel zur Straße angeordnete Schutzplanke abtastet, sodass die Sensordaten ein Längenmuster der Schutzplanke enthalten. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Dekodiereinheit zum Erkennen des Längenmusters der Schutzplanke sowie eine Lokalisiereinheit zum Ableiten der geografischen Position des Fahrzeugs aus dem erkannten Längenmuster.
-
Der Vorteil, die parallel zur Straße führende Schutzplanke abzutasten, um Längenmuster zu erkennen und auszuwerten, besteht darin, dass Schutzplanken in einer gewissen Höhe über der Fahrbahn verlaufen und sich somit besser im Sichtfeld der Umgebungssensoren, insbesondere von seitlich am Fahrzeug angebrachten Kameras befinden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Schutzplanke entweder selbst bereits ein Längenmuster aufweist, beispielsweise in Form der vertikalen Pfosten, von Stoßstellen zwischen zwei benachbarten Holmen oder Befestigungselementen, oder das geeignete Längenmuster sehr einfach nachträglich auf eine Schutzplanke aufgebracht werden kann, beispielsweise durch Aufbringen von Farbe oder Folien. Im Gegensatz zu den üblichen Fahrbahnmarkierungen (Butt's dots), die ein recht grobes Raster haben, können insbesondere nachträglich auf die Schutzplanke aufgebrachte Längenmuster um ein Vielfaches feiner sein, sodass die daraus gewonnenen Längeninformationen entsprechend höhere Auflösung haben.
-
Bevorzugt ist die Dekodiereinheit dazu ausgebildet, verschiedene Längenmuster einer Anzahl von Längsabschnitten der Schutzplanke zu erkennen. Zu diesem Zweck kann die Schutzplanke in Längsabschnitte unterteilt werden, welche unterschiedliche Längenmuster zeigen. Die Längenmuster bilden dadurch einen Code für den jeweiligen Längsabschnitt. Ein erkanntes Längenmuster kann von der Dekodiereinheit mit abgespeicherten spezifischen Längenmustern verglichen werden, um festzustellen, in welchem Längsabschnitt der Schutzplanke sich das Fahrzeug gerade befindet.
-
Bei einer bevorzugten und zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Dekodiereinheit zum maschinellen Lernen ausgebildet. Auf diese Weise lernt die Vorrichtung mit der Zeit immer besser, aus den abgetasteten und erkannten Längenmustern der Schutzplanke die geografische Position des Fahrzeugs zu berechnen.
-
Besondere Vorteile bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung im Zusammenwirken mit den üblichen Techniken zur Positionsbestimmung wie Ortung mittels GNSS oder Erkennen von Straßensignaturen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt vor allem zur Korrektur bzw. zur Erhöhung der Genauigkeit der Positionsbestimmung mittels Inertialsensorik zum Einsatz oder zum Erhalt eines weiteren redundanten Korrektursignals.
-
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein System gemäß Anspruch 5, welches einen Umgebungssensor zum Abtasten der Schutzplanke zwecks Gewinnung von Sensordaten, die ein Längenmuster der Schutzplanke enthalten, sowie eine Vorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen umfasst. Bevorzugt umfasst das System zudem eine Schutzplanke, die ein geeignetes Längenmuster trägt.
-
Das Längenmuster kann beispielsweise durch die Struktur der Schutzplanke gebildet sein, also beispielsweise durch die in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen angeordneten Pfosten. Alternativ kann das Längenmuster auch durch Markierungen, die auf die Schutzplanke aufgebracht sind, gebildet werden. Solche Markierungen lassen sich auch leicht nachträglich aufbringen. Beispielsweise können die Markierungen einen Code darstellen, anhand dessen sich entweder die Länge einzelner Abschnitte der Schutzplanke erkennen lässt oder einzelne, ausgewählte oder alle Längsabschnitte der Schutzplanke mittels eines binären Codes identifizierbar sind. Durch Dekodieren der in den Markierungen enthaltenen Codes kann insbesondere die relative Längsposition des Fahrzeugs in Bezug auf die Schutzplanke festgestellt werden, beispielsweise durch direkte Identifizierung des Längsabschnitts, in dem sich das Fahrzeug gerade befindet, alternativ durch Zählen der passierten Längsabschnitte und Aufsummieren von deren Längen.
-
Die Aufgabe wird überdies gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 9 angegebenen Verfahrensschritten: Empfangen von Sensordaten eines Umgebungssensors, der die Schutzplanke, an der das Fahrzeug entlangfährt, abtastet, wobei die Sensordaten ein Längenmuster der Schutzplanke enthalten; Erkennen eines Längenmusters der Schutzplanke; Ableiten der geografischen Position des Fahrzeugs aus dem erkannten Längenmuster. Bevorzugt werden verschiedene Längenmuster einer Anzahl von Längsabschnitten der Schutzplanke erkannt, wobei das oder die erkannten Längenmuster vorteilhaft mit abgespeicherten Längenmustern bekannter Schutzplanken verglichen werden. Die abgespeicherten Längenmuster können dabei in einer eigenständigen Kartenebene einer in der Cloud gespeicherten Straßensignatur-Karte gespeichert sein oder ganz oder teilweise, gegebenenfalls temporär, auch im Fahrzeug selbst.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird, sowie ein Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, eine Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens bewirkt.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können das Verfahren und das Computerprogrammprodukt entsprechend der für die Vorrichtung und das System in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Fahrzeug, das auf einer Straße mit Schutzplanken fährt, schematisch;
- 2 eine Anzahl von Längsabschnitten einer der Schutzplanken von 1, schematisch;
- 3 eine Schutzplanke mit Längsabschnitten, die verschiedene Längenmuster haben, schematisch,
- 4 ein System mit Vorrichtung zum Bestimmen der geografischen Position eines Fahrzeugs auf einer Straße mit Schutzplanke, in einem Prinzipbild.
-
In 1 ist zu sehen, wie ein Fahrzeug 10 eine Straße 20 entlangfährt. Die Straße 20 hat drei parallele Fahrspuren, nämlich eine rechte Fahrspur 21, die von dem Fahrzeug 10 hier benutzt wird und in diesem Beispiel die Ego-Lane ist, eine linke Fahrspur 22, die auch als Überholspur bezeichnet werden kann, sowie ganz rechts eine Standspur 23. Die Straße 20 hat also die typische Form einer Autobahn oder Schnellstraße.
-
Zwei Schutzplanken 30, auch Leitplanken genannt, erstrecken sich entlang der Standspur 23 bzw. auf der gegenüberliegenden Seite entlang der linken Fahrspur 22. Diese Schutzplanken 30 haben ein Längenmuster, das sich in Längsrichtung erstreckt und im Prinzip den Strichen auf einem Lineal entspricht. Das Längenmuster 31 muss aber kein regelmäßiges Muster sein, sondern einzelne Längsabschnitte der Schutzplanke können verschiedene Längenmuster haben, sodass die einzelnen Längsabschnitte unterscheidbar werden. Das Längenmuster 31 kann durch die Struktur der Schutzplanke 30 gebildet sein oder alternativ durch auf die Schutzplanke 30 aufgebrachte Markierungen gebildet sein. Falls die Straße durch einen Tunnel oder entlang einer Lärmschutzmauer führt, können die Längenmuster 31 auch auf einer Wand bzw. Mauer aufgebracht sein, beispielsweise aufgeklebt oder aufgemalt.
-
Das Fahrzeug 10 hat auf beiden Seiten jeweils einen Umgebungssensor 11, beispielsweise eine Kamera. Der Erfassungsbereich 12 der Umgebungssensoren 11 muss so groß sein, dass die Längenmuster 31 der Schutzplanken 30 zuverlässig abgetastet werden können.
-
In 1 erfassen die Umgebungssensoren 11 des Fahrzeugs 10 die Längenmuster 31 beider Schutzplanken 30. Wichtig ist, dass zumindest eine Schutzplanke 30 im Erfassungsbereich 12 liegt. Fährt das Fahrzeug 10, wie hier, auf der rechten Fahrspur 21, kann davon ausgegangen werden, dass die an die Standspur 23 angrenzende Schutzplanke 30 über eine längere Fahrstrecke ohne Störung abgetastet werden kann. Ob auch die an die linke Fahrspur 22 angrenzende Schutzplanke 30 auf der linken Seite der Straße 20 im Erfassungsbereich 12 des Umgebungssensors 11 liegt, hängt davon ab, ob auf der linken Fahrspur 22 andere Fahrzeuge fahren. Wichtig ist, dass zumindest eine Schutzplanke 30 über eine hinreichende Fahrstrecke im Erfassungsbereich 12 eines Umgebungssensors 11 liegt.
-
Gemäß 2 lässt sich die Schutzplanke 30 in eine Anzahl von Längsabschnitten 32a, 32b einteilen. Dabei sind die einen Längsabschnitte 32a erheblich länger als die anderen, vergleichsweise kurzen Längsabschnitte 32b. Auf einen langen Längsabschnitt 32a folgt jeweils ein kurzer Längsabschnitt 32b und dann wieder ein langer Längsabschnitt 32a. Unterscheidbar werden die langen Längsabschnitte 32a von den kurzen Längsabschnitten 32b dadurch, dass sie unterschiedliche Längenmuster 31 haben. Die Längenmuster 31 können sich sowohl hinsichtlich der Anzahl von Elementen, hier beispielhaft Punkte, unterscheiden als auch hinsichtlich der Abstände der einzelnen Elemente. Auf diese Weise tragen die einzelnen Längsabschnitte 32a, 32b einen Code, der von dem Umgebungssensor 11 des Fahrzeugs 10 empfangen wird und anschließend dekodiert werden kann.
-
Die Längenmuster 31 der Schutzplanke bzw. Schutzplanken können zum einen dafür verwendet werden, um die Schutzplanke 30 bzw. die zugehörige Straße 20 zu identifizieren, sodass eine Grobabschätzung der geografischen Position des Fahrzeugs 10 erfolgen kann. Alternativ und/oder zusätzlich können die Längenmuster 31 der Längsabschnitte 32a, 32b der Schutzplanke bzw. Schutzplanken 30 dazu verwendet werden, die relative Längsposition des Fahrzeugs 10 in Bezug auf die Schutzplanke bzw. Schutzplanken 30 festzustellen. Letzteres erlaubt eine sehr genaue Lokalisierung des Fahrzeugs 10, je nach Feinheit des Rasters der Längenmuster 31 bis in den Zentimeterbereich. Dabei können die einzelnen Längsabschnitte 32a, 32b entweder durch Dekodieren eines spezifischen Längenmusters 31 identifiziert werden oder es kann alternativ die Anzahl der Längsabschnitte 32a, 32b, an denen das Fahrzeug 10 vorbeigefahren ist, gezählt werden und die Einzellängen, die anhand der unterschiedlichen Längenmuster 31 festgestellt wurden, zusammengezählt werden.
-
In 3 ist der schematische Aufbau einer Schutzplanke 30 zu sehen. Die Schutzplanke 30 hat ein Fundament 33, von dem vertikale Pfosten 34 senkrecht nach oben ragen. Die Pfosten 34 tragen horizontale Holme 35, die sich in Fahrtrichtung erstrecken.
-
Die Abstände zwischen zwei Pfosten 34 sind hier nicht regelmäßig, sondern unterschiedlich. Die Abstände zwischen zwei benachbarten Pfosten 34 haben drei verschiedene Werte, welche mit 0 (kurz), 1 (mittel) und 2 (lang) gekennzeichnet sind. Dadurch ergibt sich ein spezifisches Längenmuster für diese Schutzplanke 30. Die Schutzplanke 30 hat also einen eingebetteten Code 2-1-0-0-0-1-2. Durch diesen Code ist die Schutzplanke 30 identifizierbar.
-
Auf einen großen Längsabschnitt 32a folgt jeweils ein kurzer Längsabschnitt 32b. Während die kurzen Längsabschnitte 32b immer das gleiche Längenmuster 31 haben, sind die Längenmuster 31 der langen Längsabschnitte 32a unterschiedlich. Die kurzen Längsabschnitte 32b dienen als Barriere, um sicherzustellen, dass die Längenmuster 31 der langen Längsabschnitte 32a fehlerfrei erkennbar sind. Um einen langen Längsabschnitt 32a eindeutig identifizieren zu können, muss der Erfassungsbereich 12 des Umgebungssensors 11 mindestens einen langen Längsabschnitt 32a und zwei kurze Längsabschnitte 32b, die zur Begrenzung dienen, umfassen.
-
Aus 4 ergibt sich der prinzipielle Aufbau eines Systems zum Bestimmen der geografischen Position eines Fahrzeugs 10 auf einer Straße 20 mit mindestens einer Schutzplanke 30, an der ein Fahrzeug 10 entlangfährt (vgl. 1).
-
Die Schutzplanke 30 hat vertikale Pfosten 34 und horizontale Holme 35. Die Pfosten 34 bilden eine Längenmuster 31, das spezifisch für diese Schutzplanke 30 ist.
-
Das Fahrzeug 10 (hier nicht dargestellt), vgl. 1, 2, hat einen Umgebungssensor 11, dessen Erfassungsbereich 12 mindestens bis zu der Schutzplanke 30 reicht.
-
Das System umfasst eine Vorrichtung 40 mit einer Eingangsschnittstelle 41, einer Dekodiereinheit 42, einer Lokalisiereinheit 43 und einer Ausgangsschnittstelle 44.
-
Die Eingangsschnittstelle 41 empfängt die Sensordaten des Umgebungssensors 11. Die Sensordaten enthalten die in dem Längenmuster 31 enthaltenen Informationen, vorzugsweise in kodierter Form.
-
Die Dekodiereinheit 42 wertet die empfangenen Sensordaten aus und erkennt daraus das Längenmuster 31 der Schutzplanke 30. Dabei vergleicht die Dekodiereinheit 42 das erkannte Längenmuster 31 mit abgespeicherten spezifischen Längenmustern bekannter Schutzplanken, um auf diese Weise die Schutzplanke 30 zu identifizieren.
-
Die Lokalisiereinheit 43 berechnet die geografische Position des Fahrzeugs aus dem erkannten Längenmuster 31. Zum Beispiel schätzt die Lokalisiereinheit 43 zunächst die grobe Position des Fahrzeugs, indem die Lage der identifizierten Schutzplanke 30 in der Landschaft festgestellt wird, und ermittelt dann in einem zweiten Schritt die exakte Position des Fahrzeugs, indem die Anzahl der von dem Fahrzeug passierten Pfosten 34 gezählt wird.
-
Die von der Lokalisiereinheit 43 ermittelte Position wird verknüpft mit den Positionsdaten eines GNSS-Systems 50. Dies erhöht zum einen die Sicherheit durch redundante Informationen über die Lage der Schutzplanke 30 in der Landschaft und verbessert zum anderen die Genauigkeit der Positionsbestimmung durch Überlagerung und Interpolation redundanter Positionsdaten.
-
Die Ausgangsschnittstelle 44 stellt die von der Lokalisiereinheit 43 ermittelten Positionsangaben dem Fahrerassistenzsystem bzw. dem System zum automatischen Fahren des Fahrzeugs (10 in 1) zur Verfügung.
-
Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
-
In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Ein Computerprogramm kann auf einem nichtflüchtigen Datenträger gespeichert/vertrieben werden, beispielsweise auf einem optischen Speicher oder auf einem Halbleiterlaufwerk (SSD). Ein Computerprogramm kann zusammen mit Hardware und/oder als Teil einer Hardware vertrieben werden, beispielsweise mittels des Internets oder mittels drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationssysteme. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Fahrzeug
- 11
- Umgebungssensor
- 12
- Erfassungsbereich
- 20
- Straße
- 21
- Fahrspur (Ego-Lane)
- 22
- linke Fahrspur
- 23
- Standspur
- 30
- Schutzplanke
- 31
- Längenmuster
- 32a
- Längsabschnitt (lang)
- 32b
- Längsabschnitt (kurz)
- 33
- Fundament
- 34
- Pfosten
- 35
- Holm
- 40
- Vorrichtung
- 41
- Eingangsschnittstelle
- 42
- Dekodiereinheit
- 43
- Lokalisiereinheit
- 44
- Ausgangsschnittstelle
- 50
- GNSS-System
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014201824 A1 [0005]
