DE102022200921A1 - Verfahren zur Bestimmung eines dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs, Fahrsystem und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Ingrid Tigges
Roman Streubel
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs (14) für ein bewegtes Kraftfahrzeug (1) mit einem Fahrsystem (2). Das Fahrsystem (2) umfasst zumindest ein Umgebungssensorsystem (3), zumindest einen Hypothesengenerator (4) und ein Filtersystem (5). Das Umgebungssensorsystem (3) stellt sensorgenerierte Daten bereit, aus denen vom Hypothesengenerator (4) Fahrbahnhypothesen generiert werden. Das Filtersystem (5) aktualisiert dann einen vorhergesagten dreidimensionalen Fahrbahnverlauf (14) mit den Fahrbahnhypothesen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrsystem (2), das dazu ausgebildet ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen, sowie ein Kraftfahrzeug (1) mit einem derartigen Fahrsystem (2).

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs für ein bewegtes Kraftfahrzeug, ein Fahrsystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrsystem.
  • Hintergrund
  • Bekannte Straßenmodelle, die in Fahrsystemen wie Fahrerassistenzsystemen oder autonomen Fahrsystemen verwendet werden, sind zweidimensional in der Fahrbahnebene und werden, falls nötig, in die dreidimensionale Welt projiziert. Als Beispiel für Bestimmen des Fahrbahnverlaufs mit solchen Straßenmodellen sei die Europäische Patentanmeldung EP 2 561 419 A1 genannt.
  • Bei solchen zwei-dimensionalen Straßenmodellen kann im Fall von Kuppen oder Wannen im Straßenverlauf das Modell, wenn zur Bestimmung eine monokulare Kamera verwendet wird, in einen Nickwinkel oder in starke seitliche Krümmungen der Fahrspur abgelenkt werden. Des Weiteren können bei der Assoziation von Fahrzeugen zu Fahrspuren signifikante Spurablagefehler entstehen, insbesondere in großen Entfernungen. Ferner können bei der Verwendung eines zweidimensionalen Straßenmodells auch Nick- und/oder Rollbewegungen des Fahrzeugs falsch geschätzt werden.
  • Zusammenfassung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung eines dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs, ein Fahrsystem sowie ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile überwinden. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs für ein bewegtes Kraftfahrzeug. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich dabei insbesondere um ein Straßenfahrzeug, beispielsweise um ein Auto, ein Motorrad, einen Bus oder einen LKW.
  • Das Kraftfahrzeug umfasst dabei ein Fahrsystem mit zumindest einem Umgebungssensorsystem, zumindest einem Hypothesengenerator und einem Filtersystem. Der zumindest eine Hypothesengenerator und das Filtersystem sind dabei insbesondere Teil einer Recheneinrichtung des Kraftfahrzeugs und das Umgebungssensorsystem ist mit der Recheneinrichtung elektrisch und/oder elektronisch verbunden.
  • Das Umgebungssensorsystem stellt sensorgenerierte Daten bereit. Die Bereitstellung dieser sensorgenerierten Daten erfolgt dabei insbesondere in Echtzeit, das heißt, mit einer Verzögerung von nicht mehr als 100 ms, ganz insbesondere mit einer Verzögerung von nicht mehr als 10 ms.
  • Aus den sensorgenerierten Daten werden dann vom Hypothesengenerator Fahrbahnhypothesen generiert. Insbesondere werden aus den sensorgenerierten Daten fahrspurrelevante Merkmale extrahiert, ganz insbesondere Strukturen, die tangential zum Fahrbahnverlauf verlaufen, wie beispielsweise Straßenmarkierungen oder Bordsteine. Die Generierung dieser Fahrbahnhypothesen erfolgt dann auf Basis der extrahierten fahrspurrelevanten Merkmale.
  • Mittels des Filtersystems wird sodann ein vorhergesagter dreidimensionaler Fahrbahnverlauf mit den Fahrbahnhypothesen aktualisiert. So wird also ein dreidimensionaler Fahrbahnverlauf erhalten, der auch Wannen und Kuppen im Straßenverlauf korrekt abbildet und berücksichtigt. Des Weiteren werden vom dreidimensionalen Fahrbahnverlauf auch Autobahnausfahrten mit engen Kurven und Höhenunterschieden, Autobahnkreuze und Serpentinen besser modelliert. Ferner werden in diesem dreidimensionalen Fahrverlauf auch Fahrzeuge korrekt zu den Fahrspuren assoziiert und Nick- und/oder Rollbewegungen des Fahrzeugs können besser geschätzt werden. Des Weiteren kann durch eine bekannte Steigung des Fahrbahnverlaufs auch ein Erkennen eines Rückwärts- und/oder Vorwärtsrollens des Kraftfahrzeugs unterstützt werden.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Fahrsystem ein Fahrerassistenzsystem. Mittels des dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs können hier sowohl Sicherheitsfunktionen als auch Komfortfunktionen verbessert werden. Beispielsweise kann durch eine präzisere Spurzuordnung von Verkehrsteilnehmern eine adaptive Geschwindigkeitsregelung besser funktionieren und/oder Falschbremsungen vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich ist das Fahrsystem ein autonomes Fahrsystem. Auch das autonome Fahrsystem wir durch den dreidimensionalen Fahrbahnverlauf verbessert und, beispielsweise auf hügeligen Landstraßen, wird das autonome Fahren mittels des dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs erst ermöglicht.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Umgebungssensorsystem zumindest eine Kamera, eine Stereokamera, ein Radar und/oder ein Lidar. Mittels der Kamera und computerunterstütztem Sehen können verschiedene Objekte erkannt werden. Insbesondere können Straßenränder, Straßenmarkierungen, Bordsteine, Leitpfosten, Leitplanken sowie andere Verkehrsteilnehmer erkannt werden. Mittels einer Stereokamera kann zu diesen erkannten Objekten auch noch direkt die Entfernung ermittelt werden. Mittels Radar und/oder Lidar werden Entfernungen zu Objekten besonders genau bestimmt, wobei hier insbesondere Bordsteine, Leitpfosten, Leitplanken und andere Verkehrsteilnehmer erkannt und für die Erstellung der Fahrbahnhypothese verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen umfassen die sensorgenerierten Daten Sensorrohdaten, verarbeitete Sensorrohdaten und/oder ein aus Sensorrohdaten erzeugtes dreidimensionales Modell. Dabei sind die Sensorrohdaten Daten, die direkt von den Sensoren des Umgebungssensorsystems kommen. Verarbeitete Sensorrohdaten können verschiedene Stufen der Verarbeitung umfassen. Beispielsweise kann lediglich eine Bildbearbeitung durchgeführt worden sein, oder es kann eine Kantendetektion durchgeführt worden sein, die Kanten im Bild ermittelt, wobei diese Kanten für eine anschließende Segmentierung verwendet werden können. Für das aus den Sensorrohdaten erzeugte dreidimensionale Modell können die Sensorrohdaten von einem, insbesondere aber von mehreren der Sensoren des Umgebungssensorsystems verwendet werden. Das dreidimensionale Modell umfasst dann verschiedene Objekte wie insbesondere Straßenränder, Straßenmarkierungen, Bordsteine, Leitpfosten, Leitplanken und andere Verkehrsteilnehmer sowie deren Lage im dreidimensionalen Raum. Für die Generierung der Fahrbahnhypothesen kann dann entweder das gesamte dreidimensionale Modell verwendet werden, es können aber auch Substrukturen aus dem dreidimensionalen Modell extrahiert werden und die Fahrbahnhypothesen mittels dieser Substrukturen generiert werden.
  • In einigen Ausführungsformen generiert der Hypothesengenerator zusätzlich aus einer hochauflösenden Karte mit Höheninformationen Fahrbahnhypothesen. Unter hochauflösend wird hier insbesondere eine Auflösung genauer als 50 m und ganz insbesondere eine Auflösung genauer als 20 m verstanden. Die Höheninformationen können dabei beispielsweise für jeden Punkt der Karte hinterlegt sein oder als Oberflächenmodell gegeben sein. Dabei kann es sein, dass die aus der hochauflösenden Karte gewonnenen Fahrbahnhypothesen auf Grund von Bestimmungen, beispielsweise des Automotive Safety Integrity Levels, durch die Messungen des Umgebungssensorsystems bestätigt werden müssen. Alternativ oder zusätzlich kann der Hypothesengenerator aus Verkehrszeichen Fahrbahnhypothesen generieren. Verkehrszeichen, die sich zur Generierung von Fahrbahnhypothesen eignen sind dabei insbesondere Verkehrszeichen, die eine Neigung der Fahrbahn oder eine Kurve kennzeichnen, beispielsweise die Verkehrszeichen für eine Kurve, eine Doppelkurve, Kurvenmarkierungen, beispielsweise an der Leitplanke, sowie die Verkehrszeichen für eine Verengung der Fahrbahn, ein Gefälle, eine Steigung und/oder eine unebene Fahrbahn. Alternativ oder zusätzlich kann der Hypothesengenerator aus dreidimensionalen Spuren von anderen Verkehrsteilnehmern Fahrbahnhypothesen generieren. Diese dreidimensionalen Spuren von anderen Verkehrsteilnehmern werden insbesondere durch die Erfassung der anderen Verkehrsteilnehmer mittels des Umgebungssensorsystems erhalten, wobei die erfassten Positionen der anderen Verkehrsteilnehmer in einem flüchtigen Speicher gespeichert werden um so die dreidimensionalen Spuren zu erhalten.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Filtersystem ein Kalmanfilter und/oder ein Partikelfilter. Diese Filtersysteme sind schnell genug, so dass die Daten mit vertretbarem Rechenaufwand in Echtzeit bearbeitet werden können und liefern verlässliche Ergebnisse sowie die dazugehörigen Unsicherheiten.
  • In einigen Ausführungsformen wird der Fahrbahnverlauf in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem bestimmt. Das heißt, bei Translationen des Fahrzeugs und bei Rotationen, insbesondere um eine vertikale Achse des Fahrzeugs, aber auch um eine Querachse des Fahrzeugs, wird der Fahrbahnverlauf angepasst. Alternativ hierzu wird der Fahrbahnverlauf in einem Koordinatensystem bestimmt, das dem fahrzeugfesten Koordinatensystem entspricht und derart um die Querachse des Fahrzeugs gedreht ist, dass eine Horizontale des Koordinatensystems mit einer Erdniveaufläche übereinstimmt. Dabei entspricht die Erdniveaufläche der geglätteten Erdoberfläche, also insbesondere ohne Hügel, Berge oder sonstige Höhenunterschiede. In diesem Fall wird der Fahrbahnverlauf bei Translationen des Fahrzeugs und bei Rotationen um die vertikale Achse, also beispielsweise bei Kurven, angepasst, nicht jedoch bei Rotationen um die Querachse des Fahrzeugs. Ein Nickwinkel des Fahrzeugs, also die Drehung des Fahrzeugs um seine Querachse im Vergleich zur Erdniveaufläche, wird in diesem Fall gesondert festgehalten und berücksichtigt.
  • In einigen Ausführungsformen ist der Fahrbahnverlauf eine stetig differenzierbare Funktion. Dies ermöglicht eine schnelle Bestimmung des Fahrbahnverlaufs aus den Fahrbahnhypothesen. Beispiele für stetig differenzierbare Funktionen sind in dem Artikel „Recursive 3-d road and relative ego-state recognition“ von E. D. Dickmanns und B. D. Mysliwetz in IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 14, no. 2, pp. 199 - 213 (Feb. 1992) gegeben.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrsystem. Das Fahrsystem umfasst zumindest ein Umgebungssensorsystem, zumindest einen Hypothesengenerator und ein Filtersystem. Das Fahrsystem ist dabei dazu ausgebildet, das Verfahren gemäß der vorangegangenen Beschreibung auszuführen. Insbesondere ist also das Fahrsystem dazu ausgebildet, einen dreidimensionalen Fahrbahnverlauf zu bestimmen, wodurch das Fahrsystem im Vergleich zu Fahrsystemen mit zweidimensionalen Fahrbahnverläufen insbesondere bei Fahrbahnverläufen mit Höhenunterschieden, also beispielsweise Kuppen, Wannen, Auf- und Abfahrten sowie Serpentinen, verbessert ist und genauer funktioniert. Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorangegangenen Beschreibung.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Fahrsystem ein Fahrerassistenzsystem. Mittels des dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs können hier sowohl Sicherheitsfunktionen als auch Komfortfunktionen verbessert werden. Beispielsweise kann durch eine präzisere Spurzuordnung von Verkehrsteilnehmern eine adaptive Geschwindigkeitsregelung besser funktionieren und/oder Falschbremsungen vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich ist das Fahrsystem ein autonomes Fahrsystem. Auch das autonome Fahrsystem wir durch den dreidimensionalen Fahrbahnverlauf verbessert und, beispielsweise auf hügeligen Landstraßen, wird das autonome Fahren mittels des dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs erst ermöglicht.
  • Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrsystem gemäß der vorangegangenen Beschreibung. Dabei ist das Kraftfahrzeug insbesondere ein Straßenfahrzeug, beispielsweise ein Auto, ein Motorrad, ein Bus oder ein LKW. Das Fahrsystem des Kraftfahrzeugs bestimmt einen dreidimensionalen Fahrbahnverlauf und nutzt diesen für die Funktionen des Fahrsystem, die dadurch im Vergleich zu einem Fahrsystem mit einem zweidimensionalen Fahrbahnverlauf verbessert sind. Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorangegangenen Beschreibung.
  • Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.
  • Figurenliste
  • Dabei zeigt:
    • 1 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs,
    • 2 eine beispielhafte Ansicht einer Straße und
    • 3 einen beispielhaften dreidimensionalen Fahrbahnverlauf.
  • Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs 1. Das Kraftfahrzeug 1 ist dabei als Auto dargestellt, kann aber auch ein anderes Kraftfahrzeug 1 sein, insbesondere ein Straßenfahrzeug wie ein Motorrad, ein Bus oder ein LKW.
  • Das Kraftfahrzeug umfasst ein Fahrsystem 2. Das Fahrsystem 2 ist dabei insbesondere ein Fahrerassistenzsystem und/oder ein autonomes Fahrsystem und umfasst ein Umgebungssensorsystem 3, einen Hypothesengenerator 4 sowie ein Filtersystem 5.
  • Das Umgebungssensorsystem 3 umfasst zumindest einen Sensor. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das Umgebungssensorsystem 3 eine Kamera 3.1 und ein Radar 3.2. Es kann aber auch weitere Sensoren wie beispielsweise eine Stereokamera oder ein Lidar umfassen.
  • Das Umgebungssensorsystem 3 stellt sensorgenerierte Daten bereit. Diese sensorgenerierten Daten können Sensorrohdaten, verarbeitete Sensorrohdaten und/oder ein aus Sensorrohdaten erzeugtes dreidimensionales Modell umfassen und werden an den Hypothesengenerator 4 weitergeleitet.
  • Der Hypothesengenerator 4 generiert dann aus den sensorgenerierten Daten Fahrbahnhypothesen, mit denen sodann vom Filtersystem 5 ein vorhergesagter dreidimensionaler Fahrbahnverlauf aktualisiert wird. Das Filtersystem 5 ist dabei insbesondere ein Kalmanfilter oder ein Partikelfilter.
  • 2 zeigt eine Ansicht 6 einer Straße 7, wie sie beispielsweise von der Kamera 3.1 erfasst wird. Zur Generierung der Fahrbahnhypothesen werden dabei insbesondere fahrspurrelevante Merkmale verwendet, wie beispielsweise der Fahrbahnrand 8, Straßenmarkierungen 9 oder Leitpfosten 10. Des Weiteren können zur Generierung der Fahrbahnhypothesen auch die Positionen von anderen Verkehrsteilnehmern 11 verwendet werden und insbesondere dreidimensionale Spuren 12 von anderen Verkehrsteilnehmern 11, die aus den bestimmten Positionen der anderen Verkehrsteilnehmern 11 zu früheren Zeitpunkten ermittelt werden. Außerdem können zur Generierung der Fahrbahnhypothesen auch Verkehrszeichen 13 verwendet werden, so wie das hier dargestellte Verkehrszeichen für eine Steigung. Dieses zeigt an, dass eine Steigung folgt und gibt darüber hinaus Auskunft über die maximale Steigung.
  • 3 zeigt den dreidimensionalen Fahrbahnverlauf 14, der mit den oben beschriebenen Fahrbahnhypothesen aktualisiert wird. Des Weiteren zeigt 3 zur Veranschaulichung der Dreidimensionalität eine zweidimensionale Projektion 15 des dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs 14 auf eine Erdniveaufläche 16 sowie Stützlinien 17 zwischen dem dreidimensionalen Fahrbahnverlauf 14 und der zweidimensionalen Projektion 15. Mittels des dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs 14 können beispielsweise Wannen und Kuppen im Straßenverlauf korrekt abgebildet werden, andere Verkehrsteilnehmer 11 korrekt zu Fahrspuren assoziiert werden, sowie Nick- und/oder Rollbewegungen des Fahrzeugs 1 besser geschätzt werden. Das Fahrsystem 2 wird also durch die Verwendung des dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs 14 deutlich verbessert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftfahrzeug
    2
    Fahrsystem
    3
    Umgebungssensorsystem
    3.1
    Kamera
    3.2
    Radar
    4
    Hypothesengenerator
    5
    Filtersystem
    6
    Ansicht
    7
    Straße
    8
    Fahrbahnrand
    9
    Straßenmarkierung
    10
    Leitpfosten
    11
    anderer Verkehrsteilnehmer
    12
    dreidimensionale Spur
    13
    Verkehrszeichen
    14
    dreidimensionaler Fahrbahnverlauf
    15
    zweidimensionale Projektion
    16
    Erdniveaufläche
    17
    Stützlinie
  • 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
    • EP 2561419 A1 [0002]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Bestimmung eines dreidimensionalen Fahrbahnverlaufs (14) für ein bewegtes Kraftfahrzeug (1) mit einem Fahrsystem (2) umfassend zumindest ein Umgebungssensorsystem (3), zumindest einen Hypothesengenerator (4) und ein Filtersystem (5), wobei das Umgebungssensorsystem (3) sensorgenerierte Daten bereitstellt; der Hypothesengenerator (4) aus den sensorgenerierten Daten Fahrbahnhypothesen generiert; das Filtersystem (5) einen vorhergesagten dreidimensionalen Fahrbahnverlauf (14) mit den Fahrbahnhypothesen aktualisiert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fahrsystem (2) ein Fahrerassistenzsystem und/oder ein autonomes Fahrsystem ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Umgebungssensorsystem (3) zumindest eine Kamera (3.1), eine Stereokamera, ein Radar (3.2) und/oder ein Lidar umfasst.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die sensorgenerierten Daten Sensorrohdaten, verarbeitete Sensorrohdaten und/oder ein aus Sensorrohdaten erzeugtes dreidimensionales Modell umfassen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Hypothesengenerator (4) zusätzlich aus zumindest einer der folgenden Fahrbahninformationen Fahrbahnhypothesen generiert: einer hochauflösenden Karte mit Höheninformationen; Verkehrszeichen (13), insbesondere Verkehrszeichen, die eine Neigung der Fahrbahn oder eine Kurve kennzeichnen; und dreidimensionale Spuren (12) von anderen Verkehrsteilnehmern (11).
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Filtersystem (5) ein Kalmanfilter und/oder ein Partikelfilter umfasst.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Fahrbahnverlauf (14) in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem oder in einem Koordinatensystem, das dem fahrzeugfesten Koordinatensystem entspricht und derart um eine Querachse des Fahrzeugs (1) gedreht ist, dass eine Horizontale des Koordinatensystems mit einer Erdniveaufläche (16) übereinstimmt, bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Fahrbahnverlauf (14) eine stetig differenzierbare Funktion ist.
  9. Fahrsystem, umfassend zumindest ein Umgebungssensorsystem (3), zumindest einen Hypothesengenerator (4) und ein Filtersystem (5), wobei das Fahrsystem (2) dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
  10. Fahrsystem nach Anspruch 9, wobei das Fahrsystem (2) ein Fahrerassistenzsystem und/oder autonomes Fahrsystem ist.
  11. Kraftfahrzeug mit einem Fahrsystem (2) nach Anspruch 9 oder 10.
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