DE19604364A1

DE19604364A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Straßenkrümmung aus digital abgelegten Karteninformationen

Info

Publication number: DE19604364A1
Application number: DE19604364A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Hamberger; Guenter Dipl Ing Struck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Volkswagen AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Volkswagen AG
Priority date: 1996-02-07
Filing date: 1996-02-07
Publication date: 1997-08-14
Also published as: EP0789225A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Straßenkrümmung aus digital abge legten Karteninformationen wobei die digitalen Karteninformationen zumindest aus Koordi natenpunkten bestehen, die den Verlauf der Straße kennzeichnen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 06 364 A1 ist ein Fahrzeugsteuersystem zum Steuern eines Fahrzeuges bezüglich einer Form einer Straße bekannt, auf der das Fahrzeug fährt, und das die Form der Straße auf Basis einer Karteninformation eines Navi gationsgerätes, die aus einer Mehrzahl die Straße bildenden Koordinatenpunkten gebildet ist, erfaßt.

Dabei werden verschiedene Möglichkeiten der Erfassung der Form einer Straße in Abhän gigkeit des jeweiligen Fahrzeugsteuersystems beschrieben. In einer Variante werden vier Bezugspunkte zum Erfassen der Straßenform aus den digital abgelegten Karteninformation extrahiert. Der zweite Bezugspunkt wird auf die Position des Kraftfahrzeuges gesetzt. Der dritte Bezugspunkt ist auf eine Position um die gleiche Distanz vor dem zweiten Bezugs punkt gelegt und der vierte Bezugspunkt liegt im gleichen Abstand vor dem dritten Bezugs punkt auf der Straße. Die Distanz zwischen zwei Bezugspunkten entspricht jeweils einem Produkt aus der Fahrgeschwindigkeit und einer vorbestimmten Zeit. Wenn kein Bezugspunkt an einer Position vorhanden ist, die durch ein Mehrfaches der aus der Fahrgeschwindigkeit bestimmten Distanz auf Basis einer virtuellen Position des Kraftfahrzeuges eingerichtet ist, d. h. an der Position keine Straße vorhanden ist, werden die dieser Position nächsten Punkte als Bezugspunkte extrahiert. Zusätzlich, wenn die Daten der vorhandenen Bezugs punkte grob sind und kein Bezugspunkt im Bereich der aus der Fahrgeschwindigkeit be stimmten Distanz vorhanden ist, werden ebenfalls die darauffolgenden vier Bezugspunkte ausgewählt.

Ist die Form der Straße gekrümmt und liegen die vier Bezugspunkte im wesentlichen auf ei nem Kreisbogen, dann wird ein Winkel der Drehung des Kraftfahrzeuges von dem zweiten Bezugsknoten zum dritten Bezugsknoten durch Ermittlung von Vektoren, die die Bezugs punkte miteinander verbinden, bestimmt. In einem nachfolgenden Schritt wird aus den durch die einzelnen Vektoren gebildeten Winkel der Krümmungsradius der Straße ermittelt.

Bei einer weiteren beschriebenen Variante zur Bestimmung der Form der Straße wird eine virtuelle Position des Kraftfahrzeuges auf eine Position gesetzt, die um eine vorher gelese nen Distanz vor der Position des Kraftfahrzeuges liegt und der zweite Bezugspunkt wird auf die virtuelle Position des Fahrzeuges gesetzt. Die vorher gelesene Distanz ist dabei eine Distanz, mit der das Fahrzeug innerhalb einer vorbestimmten Zeit bei Geschwindigkeitsmin derung mit einer vorbestimmten Verzögerung aus der Fahrgeschwindigkeit heraus angehal ten werden kann. In einer weiteren Variante der Erfassung der Form der Straße werden statt der vier Bezugspunkte jeweils drei Bezugspunkte verwendet.

Bei dem beschriebenen Fahrzeugsteuersystem wird die Form der Straße bezüglich der je weiligen Steuerung (Lenkwinkelsteuerung, Geschwindigkeitssteuerung) auf einer anderen Art und Weise erfaßt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein allgemeines Verfahren zur Ermittlung einer Straßen krümmung aus digital abgelegten Karteninformationen zu schaffen, wobei die Ermittlung des Krümmungsradiuses für alle späteren Anwendungsfälle gleich sein soll.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäß der Erfindung wird die Straße in Segmente zerlegt, wobei jeder digital abgelegte Koordinatenpunkt sowohl Endpunkt eines Segments als auch Anfangspunkt des nachfol genden Segmentes ist. In dem darauffolgenden Verfahrensschritt wird ermittelt, welche Segmente einem Bereich einer elementaren Kurve angehören, wobei die Bereiche einer elementaren Kurve gemäß einer bevorzugten Ausbildung über die Winkel zwischen aufein anderfolgenden Segmenten und die Länge der Segmente ermittelt wird.

Ausgehend von dem Anfangspunkt des ersten zu einer elementaren Kurve gehörenden Segmentes wird mindestens eine geometrische Form unter Einbeziehung mindestens eines folgenden Stützpunktes erzeugt, deren Krümmung als Krümmung der jeweiligen elementa ren Kurve gesetzt wird. Aus der Krümmung der elementaren Kurve bzw. den Krümmungen, wenn sich die elementare Kurve aus mehreren geometrischen Formen zusammensetzt, wird die jeweilige Krümmung als Inverse des Kurvenradiuses bzw. der Kurvenradien berechnet.

Eine solche geometrische Form kann beispielsweise ein Kreisbogen, eine Parabel, eine Hyperbel oder ein Klothoide sein.

Für den Einsatz der ermittelten Straßenkrümmung in den unterschiedlichsten Fahrzeug steuerungen, wie sie beispielsweise in den Patentanmeldungen DE 195 45 826 und DE 195 36 012 beschrieben sind, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die aktuelle Fahrzeugposition auf der momentan befahrenen Straße ermittelt. Ausgehend von der ak tuellen Fahrzeugposition werden zukünftig befahrene Straßenabschnitte unter Berücksich tigung zusätzlicher Informationsdaten der digitalen Karte und Parametern des Fahrzeugs ermittelt. Solche Informationen können beispielsweise der Zielpunkt des Fahrzeuges, die Richtung einer Einbahnstraße, die Fahrtrichtungsvorgabe des Fahrers, die Kategorie oder der Abbiegewinkel des nächsten Straßenabschnittes sein.

Aufgrund der Fahrzeugposition und eventuell des zukünftig befahrenen Straßenabschnittes wird der Abstand von der aktuellen Fahrzeugposition zu dem Anfangspunkt des ersten zu der nächsten elementaren Kurve gehörenden Segmentes ermittelt.

Bei einer ausschließlich auf GPS basierenden Erfassung der Fahrzeugposition, erfolgt diese in einem ersten Schritt in einem geographischen Koordinatensystem. Ausgehend von der Fahrzeugposition im geographischen Koordinatensystem werden Straßenabschnitte im Be reich dieser Fahrzeugposition mittels der digital abgelegten Karteninformationen gesucht, die eine Fahrzeugspur enthalten, deren Richtung innerhalb eines Toleranzbereichs mit der ak tuellen Fahrtrichtung übereinstimmt, und über eine senkrechte Projektion der Fahrzeugpo sition im geographischen Koordinatensystem die aktuelle Fahrzeugposition auf der befah renen Straße ermittelt.

Für eine vorausschauende Fahrzeugsteuerung ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die Krümmung bzw. den Kurvenradius gleichzeitig mehrerer aufein anderfolgender elementaren Kurven zu ermitteln.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der Positionsermittlung,

Fig. 2 eine Darstellung über die Vorhersage zukünftig befahrener Straßen abschnitte und

Fig. 3 eine Darstellung der Ermittlung von Straßenkrümmungen.

Voraussetzung für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Fahrzeug, das mit einem Navigationssystem ausgerüstet ist, welches laufend die aktuelle Fahrzeugposition S1 in einem geographischen Koordinatensystem ermittelt. Außerdem werden digital abge legte Karteninformationen des Straßennetzes n zumindest in Form von Koordinatenpunkten N1 bis N4, die den Verlauf der Straßen kennzeichnen, benötigt. In einem ersten Schritt wird die aktuelle Fahrzeugposition S2 im Verlauf der Straßen aus der durch das Navigationssy stem erfaßten Fahrzeugposition S1 im geographischen Koordinatensystem ermittelt. Diese Ermittlung ist in Fig. 1 näher dargestellt. Ausgehend von der Fahrzeugposition S1 im geo graphischen Koordinatensystem und der Ausrichtung gegenüber Norden wird derjenige Stra ßenabschnitt n1 in der Nähe der geographischen Fahrzeugposition S1 gesucht, der eine befahrbare Fahrspur (z. B. nicht gegen eine Einbahnstraße) aufweist, dessen Richtung in nerhalb eines Toleranzbereiches mit der aktuellen Fahrzeugrichtung r übereinstimmt. Auf diesem Straßenabschnitt n1 wird durch eine senkrechte Projektion die aktuelle Fahrzeug position S2 auf der befahrenen Straße ermittelt.

Ausgehend von diesem Straßenabschnitt n1 werden während der anschließenden Fahrt die Nachbarabschnitte n2, n3 zur Verfolgung der Fahrzeugposition S2 innerhalb des Straßen netzes beobachtet. Sollte sich durch diese Verfolgung die geographische Fahrzeugposition S1 von der Fahrzeugposition S2 über einen vorgegebenen Toleranzbereich hinaus entfer nen, so wird automatisch eine erneute Initialisierung der aktuellen Fahrzeugposition S2 vor genommen.

In Abhängigkeit von der ermittelten Fahrzeugposition S2 werden über die Koordinatenpunkte N2 bis N6 zukünftig befahrene Straßenabschnitte n3, n4 bestimmt, dabei werden im vorlie genden Ausführungsbeispiel zu jedem Koordinatenpunkt N2 bis N6 die benachbarten Koor dinatenpunkte mit Abständen a3, a4 und Abbiegewinkeln α3, α4 bestimmt. Die Fig. 2 gibt dazu einen Abschnitt einer Straßenkarte an. Abgesehen von dem trivialen Fall, daß ein Ko ordinatenpunkt N1 in Fahrtrichtung r nur einen Nachbarn N2 hat, können an einer Kreuzung (Koordinatenpunkt N2) mit mehreren benachbarten Koordinatenpunkten N4 und N3 zusätzlich Informationsdaten der digital abgelegten Karte zur Ermittlung des wahrschein lichsten Nachbarn N4 oder N3 verwendet werden. Eine einfache Unterscheidung ist möglich, wenn beispielsweise der Straßenabschnitt n4 eine Einbahnstraße entgegen der Fahrt richtung r ist. Als weiteres Unterscheidungskriterium läßt sich die Kategorie des nächsten Straßenabschnittes n3, n4 verwenden. Des weiteren können bestimmte Parameter des Fahrzeuges bzw. Einstellungen am Fahrzeug für die Ermittlung des zukünftig befahrenen Straßenabschnittes verwendet werden. Hat der Fahrer seine gewünschte Fahrtrichtung an gezeigt (im Ausführungsbeispiel nach rechts), dann wird an dem Koordinatenpunkt N2 mit den benachbarten Koordinatenpunkten N3 und N4, der entsprechende Koordinatenpunkt N3 für die weiteren Ermittlungen verwendet. Wenn alle bisherigen Regeln noch zu keinem Ergebnis geführt haben, dann wird der Straßenabschnitt mit dem absolut kleinsten Abbie gewinkel zum jeweiligen Straßenabschnitt verwendet. Als Ergebnis steht eine unidirektionale Liste von beispielsweise Koordinatenpunkten N2, N3, N5 mit den jeweiligen Abständen a₃ und a₅ vom Vorgänger und den entsprechenden Abbiegewinkeln α3 und α5 für die weitere Verarbeitung zur Verfügung. Die Liste aus Koordinatenpunkten N1, N2, N3, N5, die die künftig befahrene Strecke beschreiben, wird in Segmente Z1, Z2, Z3, Z5 zerlegt (Fig. 3), dabei ist jeder Koordinatenpunkt sowohl Abschluß eines Segmentes Z als auch Beginn des nachfolgenden Segmentes. Zur Trennung von Bereichen einer elementaren Kurve, z. B. gerader Straßenabschnitte oder in einer Richtung gekrümmter Straßenabschnitte, werden die folgenden Kennzeichen:

- Vorzeichenwechsel des Winkels zwischen den einzelnen Segmenten,
- abrupte Änderung der Länge aufeinanderfolgender Segmente und
- große Länge einzelner Segmente

verwendet. Zur stabilen Erkennung eines Vorzeichenwechsels und damit des Beginns einer neuen elementaren Kurve werden die Segmente entlang der Liste der Koordinatenpunkte N1, N2, N3, N5 nach links, geradeaus und nach rechts eingestuft. Ein gerader Bereich umfaßt alle Segmente Z mit einem Winkel zum vorangegangenen Segment unterhalb eines definierten Schwellwertes. Zu einem solchen geraden Bereich gehören im Ausführungsbei spiel die Koordinatenpunkte N1 und N2. Segmente Z5 mit einem negativen Winkel α5 wer den in einen nach links gekrümmten Bereich einer elementaren Kurve, Segmente Z2, Z3 mit einem positiven Winkel α2, α3 werden in einen nach rechts gekrümmten Bereich eingestuft. Um das Ende eines gekrümmten Bereichs zu erkennen, wird das Längenverhältnis der Segmente Z nach und vor einem Koordinatenpunkt N1, N2, N3, N5 ausgewertet. Weiterhin wird die absolute Länge a1, a2, a3, a5 einzelner Segmente zur Klassifizierung verwendet, beispielsweise werden ab einer vorgebbaren Länge diese Segmente als gerader Bereich eingestuft. Die einzelnen Klassifizierungsergebnisse führen dazu, daß die vorhergesagte Fahrroute in bestimmte Bereiche einer elementaren Kurve eingeteilt wird, wobei für die weitere Verarbeitung, insbesondere die korrekte Erkennung des den Anfang der Bereiche kennzeichnenden Koordinatenpunkts N2 von Bedeutung ist. Ausgehend von diesem Koordinatenpunkt wird unter Einbeziehung mindestens zweier folgender Koordinatenpunkte N3, N5 als Stützpunkte mindestens eine geometrische Form erzeugt. Im Ausfüh rungsbeispiel wird als einzige geometrische Form ein Kreisbogen d verwendet, dessen Radius R als Kurvenradius der entsprechenden Fahrzeugsteuerung übergeben wird.

Bezugszeichenliste

N1 bis N6 Koordinatenpunkte
n Straßennetz
S1 Fahrzeugposition im geographischen Koordinatensystem
S2 Fahrzeugposition im Verlauf der Straße
n1 bis n5 Straßenabschnitte
r Fahrzeugrichtung
a1 bis a5 Abstände
α2 bis α5 Abbiegewinkel, Winkel zwischen zwei Segmenten
Z1, Z2, Z3, Z5 Segment
R Radius
d Kreisbogen

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung einer Straßenkrümmung aus digital abgelegten Karteninforma tionen, wobei die digitalen Karteninformationen zumindest aus Koordinatenpunkten (N1 bis N6) besteht, die den Verlauf der Straße (n) kennzeichnen, mit folgenden Verfahrensschritten:

- Zerlegung der Straße in Segmente (Z1, Z2, Z3, Z5), wobei jeder Koordinatenpunkt (N1, N2, N3, N5) sowohl Endpunkt eines Segmentes als auch Anfangspunkt des nach folgenden Segmentes ist,
- Ermittlung, welche Segmente (Z2, Z3) einem Bereich einer elementaren Kurve ange hören,
- ausgehend von dem Anfangspunkt (N2) des ersten zu einer elementaren Kurve gehö renden Segmentes (Z2) Erzeugung mindestens einer geometrischen Form (d) unter Einbeziehung mindestens eines folgenden Koordinatenpunktes (N3, N5), deren Krümmung als Krümmung der jeweiligen elementaren Kurve gesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten Krümmung der Kurvenradius (R) der elementaren Kurve ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche einer elementaren Kurve gerade Straßenabschnitte oder in eine Richtung gekrümmte Straßen abschnitte sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche einer elementa ren Kurve über die Winkel (α2, α3, α4, α5) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Segmenten und die Länge (a1, a2, a3, a4, a5) der Segmente ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die geome trische Form (d) ein Kreisbogen, eine Parabel, eine Hyperbel oder ein Klothoide ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Fahrzeugposition (S2) auf der befahrenen Straße ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von der aktuellen Fahrzeugposition (S2) zukünftig befahrene Straßenabschnitte unter Berücksichtigung zusätzlicher Informationsdaten der digital abgelegten Karte und Parametern des Fahr zeuges ermittelt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von der aktuellen Fahrzeugposition (S2) auf der befahrenen Straße zu dem Anfangspunkt (N2) des ersten zu einer elementaren Kurve gehörenden Segments (Z2) ermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahr zeugposition (S1) in einem geographischen Koordinatensystem ermittelt wird, ausgehend von der Fahrzeugposition (S1) im geographische Koordinatensystem Straßenabschnitte (n1) im Bereich dieser Fahrzeugposition gesucht werden, die eine Fahrzeugspur enthal ten, deren Richtung innerhalb eines Toleranzbereichs mit der aktuellen Fahrtrichtung übereinstimmt, und über eine senkrechte Projektion der Fahrzeugposition im geographi schen Koordinatensystem die aktuelle Fahrzeugposition (S2) auf der befahrenen Straße (n) ermittelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Krüm mung mehrerer aufeinanderfolgender elementarer Kurven gleichzeitig ermittelt wird.