DE3938174C2 - Vorrichtung zur Feststellung, ob die von einem Fahrzeug befahrene Straße eine Hochstraße ist - Google Patents

Description

Die Erfindung findet Anwendung bei Fahrzeug-Navigationssystemen und betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung ob sich ein Fahrzeug auf einer Hochstraße oder auf einer normalen (ebenerdigen) Schnellstraße oder Land- oder Stadtstraße befindet.

Es sind verschiedenartige Systeme vorgeschlagen worden, die den Führer eines Kraftfahrzeugs Informationen über die Umgebung vermitteln, in der sich das Fahrzeug bewegt. Zu dieser Kategorie von Systemen gehören auch Navigationssysteme. In der japanischen Patentanmeldung (erste Veröffentlichung) Nr. 63-1 09 319 wird ein derartiges Navigationssystem beschrieben. Immer dann, wenn das Fahrzeug eine Kreuzung oder eine Abzweigung durchfahren hat, bestimmt dieses System die Position des Fahrzeugs anhand von Daten über die Umgebung, in der sich das Fahrzeug bewegt, d. h., anhand kartierter Daten über Straßen, Kreuzungen, Abstände zwischen den Kreuzungen und Fahrtrichtungen, und anhand von Richtungsdaten, die mit Hilfe eines auf das Erdmagnetfeld ansprechenden Sensors ermittelt werden, und stellt diese Daten auf einer Karte auf einem Bildschirm einer Anzeigeeinheit dar. Weiterhin legt dieses System anhand dieser Daten eine Fahrtroute zu einem vorbestimmten Zielort fest.

Zur Anzeige der kartierten Daten und zur Bereitstellung der Informationen über das zumeist recht komplizierte Straßennetz, wie man es hauptsächlich in städtischen Gebieten findet, arbeitet dieses System in der Praxis mit einer ebenen Fläche (also einem zweidimensionalen Bezugssystem).

Bei heutigen Straßennetzen wird die genaue Kartierung jedoch sehr kompliziert, da zu dem Straßennetz oftmals auch Hochstraßen gehören, die über den ebenerdigen Stadtstraßen verlaufen und diese gelegentlich parallel überlagern. Um das Navigationssystem zu optimieren, ist es wünschenswert, die ebenerdigen Straßen und die Hochstraßen gleichzeitig darzustellen, damit der Fahrer präzise Informationen über das durchfahrene Areal erhält und eine genaue Identifizierung der Straßen ermöglicht wird.

Aus diesem Grund und aus anderen Gründen ist erwogen worden, zusätzlich zu den Daten über die Ebene eine dreidimensionale Datenaufbereitung vorzusehen.

Wenn jedoch dreidimensionale Daten mit dem oben erwähnten Navigationssystem modelliert werden, so ergibt sich das folgende Problem.

Da die Verarbeitung der Daten über ebenerdige Straßen und der Daten über Hochstraßen (z. B. Stadtautobahnen) auf derselben Ebene erfolgt, werden auch die dreidimensionalen Daten als zweidimensionale Daten behandelt. Auf der Basis des Maßstabs der Karte werden deshalb diese Straßen auf denselben Linien dargestellt. In dem Fall, daß die ebenerdige Straße und die Hochstraße parallel zueinander verlaufen, können beide Straßen nicht korrekt identifiziert werden. Wenn eine oder beide Straßen von dem parallelen Verlauf abzweigen, erscheint an der Stelle des Abzweigungspunktes eine irreführende Schein-Kreuzung oder -einmündung. Dies führt zu einer erhöhten Rechenzeit infolge unnötiger Verarbeitungsvorgänge zur Bestimmung der Fahrtroute, und es besteht eine erhöhte Gefahr, daß fehlerhafte Fahrtrouten und/oder Positionsdaten erzeugt werden.

Dieses Problem läßt sich jedoch lösen, indem die oben genannten Daten nicht gleichzeitig verarbeitet werden, sondern jeder Datentyp je nach Erfordernis getrennt verwendet wird. Dies setzt jedoch eine äußerst präzise Unterscheidung zwischen ebenerdigen Straßen und Hochstraßen voraus, und es ergibt sich insofern ein äußerst gravierendes Problem, als in den Fällen, in denen das System irreführende Informationen liefert, im Anschluß an eine fehlerhafte Erkennung keine Positions- und Fahrtroutenbestimmung mehr möglich ist.

In US-4 757 455 A wird ein Navigationssystem für Kraftfahrzeuge beschrieben, bei welchem dem Fahrer eine empfohlene Fahrtroute zu einem zuvor eingegebenen Ziel vorgegeben wird. Auf dem Bildschirm der Anzeigeeinrichtung wird normalerweise ein Stadtplan-Ausschnitt dargestellt, in dem die augenblickliche Position des Fahrzeugs und die vorgeschlagene Fahrtroute gekennzeichnet sind. Wenn die vorgeschlagene Fahrtroute über eine oberhalb des Erdniveaus verlaufende Hochstraße führt, so wird die Darstellung des Stadtplan-Ausschnitts abgeschaltet und statt dessen lediglich der Name der betreffenden Hochstraße angezeigt. Dieses System ist jedoch nicht in der Lage, positiv zu erkennen, ob das Fahrzeug tatsächlich eine Hochstraße befährt oder sich auf einer darunterliegenden ebenerdigen Straße befindet. Wenn der Fahrer die Hochstraße verläßt, muß deshalb manuell wieder auf die Stadtplan- Darstellung zurückgeschaltet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der sich erkennen läßt, ob das Fahrzeug auf einer Hochstraße, die eine Vielzahl langgestreckter Kurven aufweist, oder auf einer ebenerdigen Straße fährt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei der vorgeschlagenen Lösung wird überprüft, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit während einer bestimmten Zeitdauer ständig oberhalb eines bestimmten Geschwindigkeitswertes liegt, und wenn festgestellt wird, daß diese Bedingung erfüllt ist, so wird der Einschlagwinkel des Lenkrads des Fahrzeugs wiederholt gemessen, und die Beträge der gemessenen Einschlagwinkel werden über eine bestimmte Anzahl von Messungen summiert. Wenn die Summe der Einschlagwinkel über einem bestimmten Wert liegt, so wird entschieden, daß das Fahrzeug auf einer Hochstraße fährt. Diese Lösung beruht auf der Überlegung, daß auf Hochstraßen normalerweise mit einer höheren Geschwindigkeit gefahren wird als auf ebenerdigen Stadtstraßen und daß Hochstraßen in Gebieten mit städtischer Bebauung typischerweise einen geschwungenen Verlauf haben, während ebenerdige Ausfallstraßen oder Fernstraßen zumeist einen geradlinigen Verlauf haben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Steuereinheit der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

In dem Blockdiagramm gemäß Fig. 1 sind die linken und rechten Vorderräder 11L bzw. 11R und die linken und rechten Hinterräder 12L bzw. 12R eines Fahrzeugs 10 dargestellt.

Die Vorderräder 11L, 11R sind über ein Lenkgetriebe 13 mit einem Lenkrad 14 verbunden. Die Räder werden mit Hilfe einer von der nicht gezeigten Antriebsmaschine des Fahrzeugs abgeleiteten Antriebskraft eingeschlagen, so daß die Vorderräder 11L, 11R entsprechend dem Einschlagwinkel des Lenkrads 14 gelenkt werden.

Die Fahrzeuggeschwindigkeit V wird durch einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 15 gemessen und als Eingangssignal in eine Steuereinheit 16 eingegeben.

Der Einschlagwinkel R₁ des Lenkrads 14 wird durch einen Lenkwinkelsensor 17 gemessen und ebenfalls in die Steuereinheit 16 eingegeben.

Ein Navigationssystem 20 weist eine Navigations-Steuereinheit 21, eine Anzeigeeinheit 22, einen Speicher 23 und einen geomagnetischen Sensor 24 auf. Beispiele derartiger Navigationssysteme werden beschrieben in den US-Patenten Nr. 47 57 455, veröffentlicht am 12. Juli 1988, und Nr. 47 43 913, veröffentlicht am 10. Mai 1988.

Der geomagnetische Sensor 24 wird beispielsweise in dem US-Patent Nr. 44 42 609 beschrieben.

Die Navigations-Steuereinheit 21 liest die in dem Speicher 23 gespeicherten Kartierungsdaten über die Umgebung, in der sich das Fahrzeug bewegt, also beispielsweise die Straßen, Kreuzungen, Abstände zwischen den Kreuzungen und die Richtung des Fahrzeugs (in Bezug auf die Nordrichtung), auf der Grundlage der über die Steuereinheit 16 und den geomagnetischen Sensor 24 eingegebenen Informationen und stellt die ermittelte (bzw. als zutreffend angesehene) Fahrtroute des Fahrzeugs auf der Anzeigeeinheit 22 dar, so daß der Fahrer mit Hilfsinformationen über die Örtlichkeiten in der Umgebung versorgt wird. Die in dem Speicher gespeicherten Kartierungsdaten enthalten sowohl ebenerdige Straßen als auch Hochstraßen (einschließlich Stadtautobahnen (freeways), Fernstraßen (expressways), Auffahrtrampen, Brücken und dergleichen). Anstelle des geomagnetischen Sensors 24 kann auch ein anderer Sensor verwendet werden, der in der Lage ist, Daten über die augenblickliche Position des Fahrzeugs zu liefern. Beispielsweise kann eine Einrichtung verwendet werden, die elektromagnetische Wellen von Peilstationen, beispielsweise von Satelliten, empfängt (ein sogenanntes GPS-System).

Die Steuereinheit 16 führt anhand der von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 15 und dem Lenkwinkelsensor 17 erhaltenen Informationen das in Fig. 2 veranschaulichte Programm aus und steuert das Navigationssystem auf der Grundlage der erkannten Fahrzeugumgebung.

Gemäß Fig. 2 wird in einem Schritt 101 ein Zeitgeber TM zurückgesetzt. In einem Schritt 102 wird anschließend von einer zentralen Prozessoreinheit (CPU), die zugleich den Zeitgeber TM bildet, die von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 15 ermittelte Fahrzeuggeschwindigkeit V gelesen.

Im nachfolgenden Schritt 103 entscheidet die CPU, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit über einem vorgegebenen Geschwindigkeitswert V₀ liegt. Die vorgegebene Geschwindigkeit V₀ beträgt beispielsweise 80 km/h und liegt somit etwas unter der gesetzlich vorgeschriebenen Höchstgeschwindigkeit, die für Hochstraßen wie Stadtautobahnen und dergleichen typischerweise etwa 100 km/h beträgt.

Wenn die Steuereinheit 16 in Schritt 103 feststellt, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit V über der vorgegebenen Geschwindigkeit V₀ liegt, so wird in einem Schritt 104 der Inhalt des Zeitgebers TM um 1 erhöht. Das Aufzählen des Zeitgebers TM wird in einer aus den Schritten 102, 103, 104, 105 bestehenden Schleife wiederholt, bis in Schritt 105 festgestellt wird, daß die in dem Zeitgeber TM aufgelaufene Zeit eine vorgegebene Zeitdauer TM₀ überschreitet. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V kleiner ist als die vorgegebene Geschwindigkeit V₀, so ist die Geschwindigkeitsbedingung, die bei diesem Ausführungsbeispiel einen entscheidungserheblichen Faktor darstellt, nicht erfüllt. In diesem Fall erfolgt ein Rücksprung zu dem Schritt 101, und der Zeitgeber TM wird erneut zurückgesetzt. Die vorgegebene Zeitdauer TM₀ ist beispielsweise größer gewählt als die maximale Zeitdauer, während derer man auf einer ebenerdigen Straße (insbesondere einer nicht kreuzungsfreien Stadtstraße) ständig mit einer Geschwindigkeit oberhalb der vorgegebenen Geschwindigkeit fahren kann.

Wenn in Schritt 105 festgestellt wird, daß die aufgelaufene Zeit größer ist als die vorgegebene Zeitdauer TM₀, d. h., wenn länger als die Zeitdauer TM₀ mit einer höheren Geschwindigkeit als V₀ gefahren wurde, so wird ein Zähler i auf 1 gesetzt, und der von dem Lenkwinkelsensor 17 gemessene augenblickliche Einschlagwinkel R₁ des Lenkrads wird gemessen. Das Lesen der Einschlagwinkel R_i (i = 1, 2, . . ., n) wird in einer aus den Schritten 107, 108 und 109 bestehenden Schleife wiederholt, bis der Zählerstand i, der in Schritt 109 jeweils um 1 erhöht wird, den Wert n erreicht. Anschließend verzweigt das Programm nach Schritt 110, in welchem ein akkumulierter Wert R_A der Einschlagwinkel in folgender Weise berechnet wird:

In Schritt 111 entscheidet die Steuereinheit 16, ob der akkumulierte Wert R_A über einem vorgegebenen Schwellenwert R₀ liegt.

Der Schwellenwert R₀ (und der zeitliche Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Messungen des Einschlagwinkels) ist so gewählt, daß der akkumulierte Wert R_A diesen Schwellenwert nicht erreicht, wenn das Fahrzeug auf einer relativ geradlinig verlaufenden ebenerdigen Ausfallstraße, beispielsweise einer ebenerdigen Fernstraße (Interstate Highway) fährt. Somit kann das System anhand des Vorhandenseins von Kurven mit großem Krümmungsradius erkennen, daß es sich bei der Umgebung, in der das Fahrzeug augenblicklich fährt, um eine Hochstraße handelt; denn aufgrund des Vorhandenseins von geschwungenen Auffahrrampen und Überführungen und aufgrund der geographischen und stadtplanerischen Überlegungen, die den Verlauf von Hochstraßen in Gebieten mit städtischer Bebauung bestimmen, bilden Kurven mit großem Krümmungsradius ein kennzeichnendes gemeinsames Merkmal vieler Hochstraßen. Wenn der akkumulierte Wert R_A über dem vorgegebenen Schwellenwert R₀ liegt, so erkennt deshalb die Steuereinheit 16 in Schritt 112, daß das Fahrzeug auf einer Hochstraße fährt. Im anschließenden Schritt 113 führt die Steuereinheit 16 Steueroperationen aus, durch die das Navigationssystem 20 entsprechend einer Fahrt auf einer Hochstraße betrieben wird.

Wenn sich in Schritt 111 ergibt, daß R_A kleiner ist als R₀, so wird der Überwachungszyklus beendet, da die Lenkwinkel-Bedingung für die Erkennung einer Hochstraße nicht erfüllt ist.

Nachfolgend sollen die oben beschriebenen Steuervorgänge anhand eines Beispiels erläutert werden.

Da die zu modellierende Umgebung des Fahrzeugs eine ebenerdige Straße enthalten kann, die beispielsweise parallel oder in unmittelbarer Nähe zu bzw. direkt unter einer Hochstraße verläuft, wie sie in der im Speicher des Navigationssystems gespeicherten Karte verzeichnet ist, wobei diese Straße an einem bestimmten Punkt von dem Verlauf parallel zu der Hochstraße abzweigen kann, wird bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Entscheidung hinsichtlich der Umgebung, in der sich das Fahrzeug bewegt, auf der Grundlage der folgenden Faktoren getroffen.

Die Straßentypen können zum einen anhand der Geschwindigkeitsbedingung in Schritt 103 unterschieden werden. Darüber hinaus kann selbst dann, wenn die Bedingung in Schritt 103 erfüllt ist, anhand der Bestimmung der Dauer während derer diese Geschwindigkeitsbedingung ständig erfüllt ist, in Schritt 105 schärfer zwischen einer Hochstraße und einer anderen Straße unterschieden werden. Doch auch wenn die für eine Hochstraße charakteristischen Fahrbedingungen während des Betriebs auf Erdniveau an einem Punkt erfüllt sind, wo die in dem Speicher des Navigationssystems gespeicherten Karten keinen Zugang zu einer Hochstraße und keine in der Nähe verlaufende Hochstraße ausweisen, hält die Steuereinheit 16 das Navigationssystem 20 in der Erdniveau-Betriebsart. Auf diese Weise wird eine irrtümliche Erkennung einer Hochstraße ausgeschlossen.

Da im Hinblick auf typische städtische Fahrsituationen die Zeit, die ein Fahrzeug auf Erdniveau fährt, wesentlich größer ist als die Zeit, die das Fahrzeug auf Hochstraßen verbringt, schaltet das System in Zweifelsfällen, in denen die aktuelle Umgebung des Fahrzeugs nicht klar als eine Hochstraße erkannt werden kann, auf die Erdniveau-Betriebsart. Dies ist ein vernünftiger Steuerparameter für interurbane Navigationssysteme.

Da außerdem während einer Fahrt auf einer Hochstraße, beispielsweise auf einem "Expressway" in Los Angeles, viele langgestreckte Kurven mit wenigen geraden Abschnitten, angetroffen werden, wobei der Radius jeder Kurve im Vergleich zu ebenerdigen Straßen beträchtlich groß ist , wird der akkumulierte Wert der Einschlagwinkel vergrößert. Folglich wird in Schritt 107 der akkumulierte Wert R_A der in Intervallen n-mal ermittelten Einschlagwinkel R_i gelesen, wobei die Intervalle und die Anzahl n so gewählt sind, daß eine Unterscheidung zwischen Hochstraßen und ebenerdigen Straßen ermöglicht wird.

Während einer Fahrt auf einer Hochstraße wird deshalb der akkumulierte Wert R_A den Schwellenwert R₀ überschreiten (wobei der Wert R₀ so gewählt ist, daß die Wahrscheinlichkeit, diesen Wert auf ebenerdigen Straßen zu erreichen, äußerst gering ist). Die Steuereinheit kann somit in Schritt 112 erkennen, daß sich das Fahrzeug in einer Umgehung auf erhöhtem Niveau befindet. Dieser Erkennungsschritt wird allerdings nur ausgeführt, nachdem eine Fahrt mit hoher Geschwindigkeit möglich geworden ist. Andernfalls bleibt das System in dem voreingestellten Zustand (entsprechend ebenerdigem Betrieb).

Wenn das System einmal eine Fahrbahn über Erdniveau erkannt hat, so wird anschließend der Betrieb in der Hochstraßen-Betriebsart fortgesetzt. Während der Fahrt auf einer Hochstraße wird somit das Navigationssystem 20 entsprechend den Anforderungen bei Fahrten auf einer Hochstraße betrieben. Beispielsweise werden in diesem Fall auf der Anzeigeeinheit 22 mit Hilfe von Kennzeichnungsmitteln wie Beleuchtung, Blinkanzeigen etc. Karten-Informationen dargestellt, die nur für Fahrten auf erhöhtem Niveau zutreffend sind, obgleich in dem Speicher 23 des Systems sowohl Daten für das Erdniveau als auch Daten für das erhöhte Niveau verfügbar sind. Wenn das Fahrzeug eine Hochstraße verläßt, kann ein (nicht gezeigtes) Ausgangs-Steuerprogramm verwendet werden, um das System im Hinblick auf den Punkt des Verlassens der Hochstraße zurückzusetzen.

Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit der Umgebungserkennung sowohl auf Erdniveau als auch auf erhöhtem Niveau bedeutend verbessert.

Wenn das Fahrzeug auf einer ebenerdigen Autobahn (oder einer ebenerdigen kreuzungsfreien Straße (Freeway) fährt, so behandelt das Navigationssystem die Fahrt in der gleichen Weise wie bei einer Fahrt auf Erdniveau. Es ist deshalb möglich, mit Hilfe des Systems präzise zwischen Fahrten auf erhöhten Fahrbahnen oberhalb des Erdniveaus und allen anderen Fahrbedingungen zu unterscheiden.

Da auf Hochstraßen keine Verkehrsampeln vorhanden sind, wird eine Bestimmung der Fahrtroute des Fahrzeugs Kreuzung für Kreuzung kaum benötigt (allerdings können auf kreuzungsfreien Straßen solche Elemente wie Abzweigungen, Ausfahrten, Ab-/Auffahrrampen, Überführungen und Haltestreifen zur Darstellung der Fahrtrouten-Daten verwendet werden). Aufgrund der verringerten Menge an Ortsdaten, die bei Fahrten auf Hochstraßen zu berücksichtigen sind, wird somit eine schnelle Verarbeitung der Daten ermöglicht. Die Wahrscheinlichkeit von fehlerhaften oder zweideutigen Bestimmungen der Position des Fahrzeugs wird wesentlich verringert.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Erkennung eines erhöhten Niveaus der Fahrbahn oder der Fahrumgebung das Hauptkriterium für den Betrieb des Navigationssystems. Das oben beschriebene Erkennungssystem kann jedoch auch für die Motorsteuerung, für Instrumenteneinstellungen und dergleichen verwendet werden.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, werden die Anforderungen an ein vollständiges System und Verfahren zur Erkennung von Fahrumgebungen über Erdniveau erfüllt. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Umgebungserkennung erreicht. Dem Fahrer kann somit über ein Navigationssystem ein Informationsdienst für Hochstraßen oder Fahrumgebungen oberhalb des Erdniveaus zur Verfügung gestellt werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Feststellung, ob die von einem Fahrzeug befahrene Straße eine Vielzahl langgestreckter Kurven aufweisende Hochstraße ist, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (15) zur Messung einer Fahrzeuggeschwindigkeit (V), eine zweite Einrichtung (17) zur Messung von Einschlagwinkeln (R_i) der Fahrzeuglenkung und eine Steuereinrichtung (16) zur Erkennung eines Fahrzustands, bei dem die Fahrzeuggeschwindigkeit (V) während einer vorgegebenen Zeitdauer (TM₀) ständig oberhalb einer vorgegebenen Geschwindigkeit (V₀) liegt, zum Lesen und Aufaddieren der Einschlagwinkel (R_i) nach Feststellung dieses Fahrzeugzustands und zur Entscheidung, daß die von dem Fahrzeug befahrene Straße eine Hochstraße ist, wenn die Summe (R_A) der Einschlagwinkel (R_i) größer als ein vorgegebener Schwellenwert (R₀) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (16) ein in dem Fahrzeug installiertes Navigationssystem (20) ansteuert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (16) entscheidet, daß die von dem Fahrzeug befahrene Straße eine ebenerdige Straße ist, wenn die Summe (R_A) der Einschlagwinkel (R_i) den vorgegebenen Schwellenwert (R₀) nicht übersteigt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Geschwindigkeit (V₀) auf einen Wert eingestellt ist, der etwas unterhalb einer üblicherweise für Hochstraßen vorgeschriebenen Höchstgeschwindigkeit liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Geschwindigkeit (V₀) gleich 80 km/h ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitdauer (TM₀) größer ist als die Zeit, mit der unter Normalbedingungen auf einer ebenerdigen Straße ununterbrochen mit einer über der vorgegebenen Geschwindigkeit (V₀) liegenden Geschwindigkeit gefahren werden kann.