DE3802337C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Orientierung für den Führer eines Fahrzeuges, insbesondere Geländefahrzeuges.

Fahrzeugleitverfahren (EVA) und Fahrzeugleiteinrichtungen, wie "City- Pilot" u. a., sind bekannt. Dies sind neben Leiteinrichtungen, die einem Rechner Werte aus einer Funkpeilung zuführen oder Fahrstreckeninforma­ tionen mittels fahrbahnseitiger Antennen erhalten auch Routenrechner, bei denen fahrzeugintern das gesamte Bundes- und Autobahnstraßennetz ab­ gespeichert ist. Der Fahrer muß Standort und Fahrziel in den Routenrech­ ner eingeben, worauf dieser die kürzeste oder schnellste Fahrstrecke er­ mittelt. Abseits von Bundesstraßen oder Autobahnen versagt dieses Ver­ fahren. Bei dem System "EVA" werden innerstädtisch vor jeder Kreuzung optische Hinweise zum Abbiegen gegeben. Verläßt der Fahrer jedoch die Stadt, deren Stadtplan abgespeichert ist, ist er wieder auf sich selbst gestellt.

Beim System "City-Pilot" wird einem Rechner die Position des Standorts und des Zielorts eingegeben. Aus diesen Daten berechnet er den Abstand des Fahrzeuges vom Zielort in Luftlinienentfernung und die dazugehörige Richtung. Während der Fahrt wird der zurückgelegte Weg gemessen und dem Rechner zugeführt. Die Fahrtrichtungsinformation wird über das Erdma­ gnetfeld erhalten und von einem um 90° versetzten Magnetspulenpaar erhal­ ten. Aus diesen Daten kann der Rechner dann ständig die Richtung des Ziels und dessen Luftlinienentfernung berechnen. Wie der Name sagt, soll dieses Leitverfahren innerstädtisch eingesetzt werden.

In den EP-PS 1 26 456 und 1 97 321 sind auf den bekannten Prinzipien be­ ruhende Fahrzeugleiteinrichtungen mit Landkarte beschrieben, wobei letztgenannte Schrift eine Eingabevorrichtung mit einer Landkarte und Schablone aufweist, die mit einem Lesestift abgetastet werden, der über Lichtleitfaser mit einer optischen Erfassungsvorrichtung und photoelek­ trischen Signalwandlern verbunden ist.

Das System nach der EP-PS 1 97 321 mag zwar im innerstädtischen Bereich durch den getriebenen Aufwand gewisse Vorzüge aufweisen, jedoch schwin­ den diese im außerstädtischen Bereich wieder dahin.

Die beim "City-Pilot" bemängelte geringe Genauigkeit des Systems wird bei der letztgenannten Schrift infolge anderer möglicher Fehlerquellen nicht nennenswert erhöht.

Andere z. B. bei der Flugnavigation angewandte Verfahren lassen sich in die Fläche nicht ohne weiteres übertragen, insbesondere wenn ein Aus­ weichen mit grundsätzlicher Richtungsänderung erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein redundantes System für die Orientie­ rung von Fahrzeugführern, in ihm unbekanntem Gebiet, insbesondere für Geländefahrzeugen zu schaffen, das eine hohe Genauigkeit und damit Sicherheit für die jeweilige Ortsbestimmung (auch außerstädtisch) auf­ weist.

Äußere Störeinflüsse und damit Fehlerquellen sind weitestgehend ausge­ schaltet durch die Lösung gemäß Anspruch 1. Aus- und Weiterbildungen so­ wie Anwendungen der Erfindung sind im folgenden beschrieben und darge­ stellt.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird allein mit Mitteln an Bord des Fahrzeuges eine genaue und sichere Bestimmung eines Ortes insbesondere auch in freiem Gelände möglich.

Gegenüber Systemen, die nur flächenhafte (zweidimensionale) Karten ver­ wenden, kann bei der Erfindung auf Karten/Daten in drei Dimensionen zu­ rückgegriffen werden, wodurch die Erhöhung der Präzision der erfindungs­ gemäßen Einrichtung gegenüber dem Stand der Technik deutlich wird. Die Karten/Daten über das Gelände dienen dabei als Referenz und werden einem Rechner zugeführt, der Abweichungen gegenüber einer Referenz sowohl hin­ sichtlich Elevation (Höhendifferenz) als auch bezüglich Azimut (Fahrt­ richtung bzw. Winkel in der Horizontalen) feststellt. Dabei kann ein passiver oder aktiver Sensor verwendet werden.

Bei einer Ausführung der Erfindung, die einen passiven Sensor zur Mes­ sung radiometrischer Strahlung aufweist, ist man gegen Einflüsse durch die Witterung, wie Nebel, Sonneneinstrahlung weitgehend gefeit. Tempera­ turdaten enthaltende Karten sind bekannt.

Bei einem System der Erfindung, das einen aktiven Sensor zur Messung elektromagnetischer Strahlung, wie Licht, enthält, wird durch die erfin­ dungsgemäße Maßnahme einer Signalaufteilung entsprechend Strahlenkeulen (Teilflächen) ein Höhenprofil gemessen und zugleich eine Abstandsinfor­ mation (Entfernung relativ zum Fahrzeug/Fahrer) gewonnen, die der gemes­ senen Höhe/Tiefe zugeordnet ist.

Beide Arten von Sensoren (aktiv und passiv) können zur Erhöhung der Re­ dundanz gemeinsam angewandt werden.

Der Rechner/Prozessor kann inkremental und adaptiv arbeiten. Ihm werden laufend Daten über Fahrzeugbewegungen zugeführt.

Ortskenndaten bzw. von einem Ausgangsort zurückgelegte Wege- oder Fahr­ zeugbewegungsdaten im jeweils gewünschten Gebiet können bei der Erfin­ dung auf verschiedenste Weise gewonnen und dem Rechner zugeführt werden, z. B. mit Hilfe von Drehzahlmessern durch Aufintegrieren, Beschleuni­ gungs-, Weg- und/oder Geschwindigkeitsmessern.

Abweichungen von einer vorgesehenen Richtung bzw. Winkel im Azimut - z. B. von der Nord-Süd-Richtung als Referenz oder gegenüber einer "Luftlinie" Start/Ziel aus einer Gebietskarte - lassen sich einfach und genau durch Kompaß oder Faserkreisel (Ringlaser) und/oder Lenkwinkel­ änderungen aufintegriert gegenüber dem höheren Ausgangswert feststellen.

Die Eingabe eines Ziels ist nicht unbedingt erforderlich. Wichtiger ist es, nach einem zurückgelegten Weg/Ortswechsel eine genaue, neue Position bestimmen und anzeigen zu können. Vorher unbekannte Hinderungsgründe können nämlich zu ungewollten Kurskorrekturen zwingen. Der Fahrer kann dann, wenn ihm gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung sein neuer Standort und die ideale Richtung für eine Weiterfahrt im Gelände, als vom neuen Standort ausgehender Pfeil, auf einem Display mit kartogra­ phischem Ausschnitt eines gewünschten Gebiets angezeigt werden, unab­ hängig jedoch sicher über weitere Maßnahmen, wie z. B. gewünschte Art einer Umgehung eines Hindernisses entscheiden.

Mit Vorteil kann die Erfindung sowohl als Orientierungshilfe, Leitein­ richtung, Servo-Lenkhilfe bzw. Autopilot Anwendung finden.

Ausführungsbeispiele und Einzelheiten der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und nachfolgend be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführung mit passivem Sensor;

Fig. 1a eine Einzelheit unter Verwendung einer Karte;

Fig. 2 eine Ausführung mit Mikroprozessor;

Fig. 3 ein Blockschaltbild von Funktionsblöcken mit Datenbus für den Prozessor.

In Fig. 1 ist das Fahrzeug, insbesondere ein Geländefahrzeug = Off-Road Fahrzeug nur in Teilbereichen seines Umrisses dargestellt. Dabei wird unter "Gelände" nicht nur ein mit Straßen oder Wegen versehenes Gebiet, sondern auch unwegsames, mit normalen Straßenfahrzeugen nicht befahr­ bares, z. B. hügeliges, sumpfiges, steiniges Ödland/Wüste o. a. verstan­ den. Die Größe eines Gebietes in dem Orientierungshilfe erfolgt, richtet sich nach den vorhandenen Karten und Fahrtabsichten. Normalerweise reicht ein Radius von 25 km um den Startpunkt, oft noch weniger. Als Ge­ ländefahrzeuge werden von der Industrie hauptsächlich Kraftfahrzeuge mit Allradantrieb angeboten. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf be­ schränkt, sondern auch für andere Landfahrzeuge (nicht spurgebunden, ge­ ländetauglich) geeignet, wie Mehrachsfahrzeuge, Kettenfahrzeuge, mobile Trägerfahrzeuge, auch Luftkissenfahrzeuge.

In einem Fahrzeug ist im Frontbereich ein Sensor 102 zur Erkennung von Geländeeigenheiten eingebaut. Diese werden z. B. von einem aktiven Sensor 102 abgetastet beim Überfahren, einschließlich eines in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug liegenden Bereiches bevorzugt bis etwa 50 m Entfernung. Je nach gewünschtem Einsatzzweck kann der Einbauort des Sensors variiert werden. Gleiches gilt für den Neigungswinkel (Elevation) und den Winkel zur Fahrtrichtung (im Azimut).

Ein oder mehrere Sender und Empfänger für elektromagnetische Wellen, wie Licht, sind bevorzugt in einem gemeinsamen Sensorgehäuse untergebracht. Bevorzugt wird durch zeitliche Tastung und/oder entsprechende Abbildung, z. B. mittels Strahlenkeulen, die von dem Gelände rückgestreute Strahlung in mindestens zwei Teilflächen aufgespalten. Dann werden diese Teil­ flächen über die Differenz ihrer jeweiligen Laufzeiten in einer oder mehreren Signalverarbeitungseinheiten separiert und ausgewertet werden. Die Strahlenkeulen können sich auch ganz oder teilweise überlappen, ein überlappender Bereich, z. B. Flecken zwischen zwei Teilkreisen, kann dann z. B. zur Justierung der optischen Einrichtung dienen, wenn diese z. B. mit gepulstem Licht, wie Laserstrahlen arbeitet. Auch Infrarotstrahlung ist selbstverständlich anwendbar.

Wesentlich ist die Auswertbarkeit der empfangenen Signale der rückge­ streuten Energie und ihre Auswertung nach dem Prinzip der Laufzeitmes­ sung. Die Feststellung der Laufzeitdifferenzen bei getrennten Strahlen­ keulen (Teilflächen) erleichtert zugleich die Entfernungsmessung bzw. geometrische Zuordnung von Geländeeigenheiten.

Für die Auswertung kann auch das Empfangssignal vor oder nach der Dif­ ferenzierung in zeitlich lückenlos aneinander anschließende Zeitab­ schnitte aufgeteilt werden. Zur Differenzierung können zwei oder mehrere zeitlich getastete Empfangstore vorgesehen sein mit Integratoren und Differenzierschaltung.

Die Amplituden der Lichtimpulse sind über der Entfernung entsprechend ihrer Laufzeit graphisch aufzutragen oder rechnerisch auswertbar. Dabei entsprechen fast glatte Signale dem im wesentlichen ebenen Bereich des Geländes. Eine Vertiefung und eine Erhöhung ist an den zugehörigen peakes erkennbar. Ein Bewuchs (Busch) generiert Signale mit entsprechen­ der Amplitudenform.

Bei der Auswertung der vom Empfänger generierten Signale/Impulse können solche peakes und ihre Abstände, Pulsbreite, Amplituden- und allgemein die Signalform und/oder das Amplituden/Zeit-Integral herangezogen wer­ den. Bevorzugt werden mehrere Sensoren zur Geländeerfassung vor, unter und neben dem Fahrzeug.

Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zum Erkennen von Geländeeigenheiten in einer Ausführung mit einem passiven Sensor 202. Selbstverständlich kann eine Einrichtung gemäß der Erfindung durch einen aktiven Sensor und einen passiven enthalten, was die Präzision und die Sicherheit der Erkennung erhöht.

Der Sensor 202 ist z. B. in einem Kettenfahrzeug 203 so eingebaut, daß er beim Überfahren des hügeligen, z. T. bewachsenen Geländes 204 in seiner Fahrbahn 205 mit der Fahrtrichtung 206 Strahlung 207 vom Gelände emp­ fängt, die radiometrisch (z. B. in Grad Kelvin) gemessen und ausgewertet wird. Dabei ergibt sich ein Signalverlauf ähnlich wie in Fig. 1a, glei­ ches Gelände vorausgesetzt. Die (Temperatur-)Verteilung hängt dabei vor allem von der hydrographischen und geologischen Beschaffenheit des Ge­ ländes und dessen Bewuchs ab.

Die gemessenen (Temperatur-)Werte 208 werden - siehe Fig. 1a - mit einem der Abtastung in der Fahrbahn(-mitte) entsprechenden Streifen in der Karte 209 im Koordinatensystem x-y (Polkoordinaten) verglichen in einem Korrelator 210 als Teil des Prozessors 308. Die Werte aus der Karte z. B. Temperatur- oder Ortshöhen sind digital bordseitig abgespeichert. Es wird mit Vorteil ein Chip hoher Integrationsdichte und Speicherkapazität angewandt und eine Rechnerstruktur mit schnellen Zugriffszeiten, schnel­ lem µP mit sogenannten Pipeline-Korrelator-Verbindungen, so daß eine hohe Zahl Punkt-um-Punkt-Operationen z. B. bei der Abrasterung einer Kar­ te möglich sind, wie Infrarotsensor-Scene-Matching oder kombiniert mit anderen Sensoren, wie vorbeschrieben, oder anderen die bei der Flächen-, Bild- und Signaturerkennung, insbesondere Mustererkennung verwendet wer­ den.

Mit Vorteil erfolgt der Vergleich der gemessenen Daten mit den gespei­ cherten Daten in einer Einheit mit Mikroprozessor, wie sie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei können - je nach den verwendeten Senso­ ren - eine oder mehrere Arten von Karten 301 und 302 gespeichert sein, von der einfachen Flächenkarte (in Azimut x-y) über eine topographische Karte mit Erhebungen (Elevation, z-Achse) zu thermographischen u. a. Kar­ ten in geeigneter Anzahl für das Gebiet.

Bei dieser Einrichtung, z. B. Fig. 2, kommt zur Anwendung ein Entfer­ nungs- bzw. Weg-, Zeit-, Drehzahl- und/oder Geschwindigkeitsmesser und/oder Integrator, dessen Werte einem Rechner zugeführt werden, dem auch die Werte aus einer üblichen Navigationsvorrichtung, wie Vorrich­ tung zur Messung des Erdmagnetfeldes und/oder eines Faserkreisels (Ring­ laser) zugeführt werden und/oder von einem Lenkwinkelsenor - den Rädern des Fahrzeugs bzw. dem Lenkgetriebe zugeordnet - wobei insbesondere die Auswertung letztgenannter Richtungs-Meßdaten adaptiv erfolgt, Korrela­ tion mit digital gespeicherten Geländedaten (Ortskennungen, ggf. ein­ schließlich Breiten-/Längengrad, Koordinateninformation) und Feststel­ lung der Abweichungen (Entfernung und Richtung).

Mit 303 ist ein Geländesensor oder mehrere der o. a. Art bezeichnet, mit 304 ein Sensor für die Fahrtbewegung, Weg-, Beschleunigung, Verzögerung und/oder Geschwindigkeit, mit 305 ein Sensor für die Fahrtrichtung, z. B. von Winkelabweichungen.

Die Signalverwertung und Auswertung erfolgt in dem Mikroprozessor 308, wobei zur Funktionserläuterung auf das Blockdiagramm nach Fig. 3 verwie­ sen sei.

Der Prozessor weist vorteilhafterweise eine Eingabe 306 für Start und/oder Ziel und eine Ausgabe 307 z. B. auf einer (Teil-)Gebietskarte graphisch dargestellt - mit Symbolen - auf.

Wie Fig. 3 zeigt, läuft die prozessorgesteuerte Funktion wie folgt ab:

Von der Peripherie des Prozessors, insbesondere des Mikroprozessors wer­ den über eine Schnittstelle 401 dem Fahrzeug Vorgabeinformationen über dessen Trajektorie, neben Ortsdaten, Beschleunigung u. a. Daten zuge­ führt, - ggfs. in vektorieller Form.

Über Datenbus hiermit verbunden sind ein Kurzzeitspeicher 402 für Meß­ wertabweichungen, insbesondere von der Vorgabeinformation, um eine Adap­ tion zu ermöglichen.

Nach erfolgter Auswertung im Baustein 403, mit Kontrolle der Plausibili­ tät der erfaßten Fahrbahn-Winkelabweichung kann ermittelt werden, z. B.:
die Abweichung zur ursprünglichen Luftlinie für die Fahrtrichtung, Ab­ weichung von der Nord-Süd- bzw. Ost-West-Richtung oder Breiten/Längen­ grad, die Differenz von Ortskennzahlen, Ortshöhen und sonstigen Charak­ teristiken. Die Anzeige erfolgt im Baustein 404.

Mit 405 ist ein Festwertspeicher für Signaturen - Fahrbahnumfeldprofile bzw. deren Abweichungen, wie Erhebungen, Vertiefungen, Bewuchs usw. - bezeichnet. Dessen Werte werden in dem Baustein 406, der als mit dem Ge­ ländeerfassungssenor verbundene Signalverarbeitungs- und Auswerteein­ heit dient, korreliert.

Sämtliche Bausteine sind bevorzugt Teil einer integrierten Schaltung.

Mit Baustein 406 ist je ein Empfänger A und B als Sensor für die rückge­ streute Energie und je ein Sender A und B für insbesondere Lichtimpulse in an sich bekannter Weise verbunden. Dabei kann sowohl mit Laser-Licht­ impulsen als auch mit IR-Strahlung gearbeitet werden, letzteres wenn ge­ ringes Rauschen wichtig ist.

Der Prozessor gemäß Fig. 3 ist lernfähig zur Festlegung verwertbarer Nutzsignale ausgebildet und nimmt mit Hilfe seines Festwertspeichers eine Adaption an bestimmte Geländeverhältnisse, abhängig von der Be­ schaffenheit eines Gebiets vor. Das betreffende Gebiet sollte allerdings nicht ausschließlich eine Wasserfläche betreffen.

Der Prozessor kann auch Co-Prozessor einer CPU oder ähnlicher computer­ gesteuerten Einrichtung sein. Zur Erleichterung der Orientierung (Posi­ tionsbestimmung) sollte die Information sowohl gespeichert als auch an­ gezeigt werden in Form einer digitalen Koordinateninformation oder ähn­ lichen Kennziffern, die eine Karte in linear interpolierbare und inkre­ mental vom Rechner verarbeitbare Abschnitte bzw. Punkteteilung einteilen.

Die Erfindung ermöglicht somit eine genaue und sichere Positionsanzeige in unbekanntem Gelände, wenn am Startpunkt die o. a. Kennziffern und/oder Symbole, z. B. aus einer Karte eingegeben wurden an der Eingabe 306.

Auf dem Display kann außer der neuen Position und den o. a. Entfernungen, bei eventueller Zielvorgabe mit Kennung bei 306, jede Abweichung vom idealen Kurs (sowohl im Azimut als auch Elevation) festgestellt werden, indem dieser Idealkurs durch (Leucht-)Pfeil auf der kartopraphischen Ausgabe 307 angezeigt wird. Der Fahrer kann auf sicherer Basis eine neue Routenwahl trotz unvorhergesehener Ereignisse, wie Hindernisse, treffen.

Die Erfindung ist nicht nur zur autarken Orientierung in meist unbe­ kanntem, schwierigem Gelände geeignet; sie kann allgemein als Leit- und Lenkhilfe bzw. -einrichtung, selbst als Autopilot und für ferngesteuerte Fahrzeuge bzw. mobile Träger angewandt werden.

Teile von Datenerfassungseinheiten, Servo- und Steuereinrichtungen kön­ nen gewünschtenfalls - jedenfalls zeitweise - auch außerhalb des Fahr­ zeugs angeordnet werden.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Orientierung oder Orientierungshilfe für den Führer eines - nicht spurgebundenen - Landfahrzeuges im Gelände (Off-Road), enthaltend

• a) eine an sich bekannte Vorrichtung zur Fahrzeugnavigation,
• b) einen Rechner mit einer Referenzkarte bezüglich des Geländes des zu durchfahrenden Gebiets, dadurch gekennzeichnet, daß
• c) Sensoren vorhanden sind, die Geländeeigenheiten beim Durchfahren aufnehmen und in Rechnerdaten umsetzen,
• d) die erfaßten Daten mit gespeicherten Daten aus der Referenzkarte korreliert werden und
• e) ein möglicher Fahrweg aufgezeigt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen passiven Sender zur Messung radiometrischer Strahlung infolge von Geländeeigenheiten, wie Bewuchs, geologische oder hydrographische Be­ schaffenheit enthält, zur Erfassung der Meßdaten beim Überfahren, Kor­ relation mit digital gespeicherten Geländedaten (in K) und Feststellung der Abweichungen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktiver Sensor die rückgestreute (reflektierte) Energie von einem Sender ausgesandter Impulse elektromagnetischer Wellen, wie Licht, empfängt und elektrische Signale generiert, die mit Hilfe des Rechners verarbeitet und ausgewertet werden mittels Differenzbildung der jeweiligen Laufzei­ ten von in Teilflächen aufgespaltener Impulse der Rückstreuung von der Fahrbahn zum Empfänger, Korrelation mit digital gespeicherten Geländeda­ ten (Ortshöhen und/oder anderen Ortskennungen) und Feststellung der Ab­ weichungen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombina­ tion der Sensoren des Anspruchs 2 und 3 einzeln oder gemeinsam mit Mit­ teln zur Erfassung von Daten über die Fahrzeugbewegung(en) in einem be­ stimmten Gebiet von einem bestimmten Ausgangsort aus und Auswertung mit Hilfe des Rechners.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 mit Mitteln zur Feststellung von Win­ kel-Abweichungen gegenüber dem bestimmten Ausgangsort und Anzeige einer Geraden (Luftlinie) zu einem bestimmten Ziel, insbesondere auf einem Display mit kartographischer Ausgabe eines bestimmten Gebiets.