DE602004001143T2

DE602004001143T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Position eines Mobilkörpers in einem Navigationssystem

Info

Publication number: DE602004001143T2
Application number: DE602004001143T
Authority: DE
Inventors: Jin-Won Kim; Hyun-Suk Min
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2024-03-13
Also published as: IL157663A0; KR20040081575A; CN100344938C; US6915205B2; EP1457946B1; KR100520166B1; IL157663A; CN1530635A; US20040181335A1; EP1457946A1; DE602004001143D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Navigationssystem und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Orts eines beweglichen Körpers, wie beispielsweise eines Fahrzeugs, in einem Navigationssystem.
Typischerweise versorgt ein Fahrzeugnavigationssystem einen Fahrer mit laufender Ortsinformation des Fahrzeugs und mit einem optimalen Weg zum Bestimmungsort und führt den Fahrer entsprechend einer Fahrtroute. Die wichtigste Funktion des Fahrzeugnavigationssystems besteht darin, den laufenden Ort des Fahrzeugs genau zu ermitteln.
1 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus eines konventionellen Navigationssystems, die hauptsächlich einen Aufbau zeigt, der zum Messen eines augenblicklichen Orts eines Fahrzeugs in einem Fahrzeugnavigationssystem notwendig ist. Gemäß 1 enthält ein typisches Fahrzeugnavigationssystem einen GPS-Sensor 10, einen Koppelnavigations- (DR-)Sensor 20, einen Kartendatenspeicher 30, einen Augenblicksortsdetektor 40 und eine Anzeigevorrichtung 50.
Der Kartendatenspeicher 30 speichert eine digitale Karte. Die 2a und 2b zeigen ein konventionelles Verfahren zum Speichern von Kartendaten. Typischerweise wird zum schnellen Suchen in Kartendaten eine Gesamtkarte in mehrere Teile einer vorbestimmten Einheitsgröße, bekannt als "Kartensektionen", unterteilt, und Straßeninformation wird mittels Knoten und Verbindungen in jeder der Kartensektionen angezeigt. 2a zeigt eine Karte von Südkorea, die in 12 Kartensektionen unterteilt ist, und 2b zeigt eine der 12 Kartensektionen, in der Straßeninformation mit Knoten und Verbindungen dargestellt ist.
Der GPS-Sensor 10 ist ein Sensor zum Empfangen eines GPS-Signals (GPS = Global Positioning System). Im vorliegenden Beispiel enthält GPS ein System zum Ermitteln eines Orts auf dem Globus mittels 24 künstlicher Satelliten, die in einer Höhe von etwa 20.183 km umlaufen. D.h., GPS ist ein Satellitennavigationssystem, in dem ein GPS-Empfänger, der an einer Beobachtungsstation installiert ist, die Funkwelle empfängt, die von einem Satelliten gesendet wird, dessen genauer Ort bekannt ist, so dass die Zeit, die zum Empfang einer Funkwelle notwendig ist, berechnet wird, wodurch ein Ort der Beobachtungsstation erhalten wird. Der GPS-Sensor 10 empfängt das GPS-Signal und sendet Ortsinformation unter Verwendung geometrischer Koordinaten x, y, z und Augenblickszeitinformation t eines Fahrzeugs zum Augenblicksortsdetektor 40.
Der DR-Sensor 20 ist ein Sensor, der seinen eigenen Relativort und die Bewegungsrichtung mittels frührer Ortsinformation ermittelt. Typischerweise kann der DR-Sensor in einen Sensor zum Messen einer zurückgelegten Distanz, beispielsweise ein Tachometer, Kilometerzähler, Beschleunigungsmesser usw., und einen Sensor zum Messen eines Drehwinkels, beispielsweise ein geomagnetischer Sensor, ein Kreisel usw., unterteilt sein. Dementsprechend erfasst der DR-Sensor 20 eine Geschwindigkeit v und eine Bewegungsrichtung θ eines Fahrzeugs und übermittelt dieses an den Augenblicksortsdetektor 40.
Der Augenblicksortsdetektor 40 extrahiert Kartendaten einer entsprechenden Region auf der Grundlage von Ortsinformation des Fahrzeugs, die vom GPS-Sensor 10 und dem DR-Sensor 20 gesendet wird, und führt einen Kartenabgleich zur Ortinformation des Fahrzeugs unter Verwendung von Kartendaten aus. D.h., der Augenblicksortsdetektor 40 gibt einen Ort eines Benutzers auf zuvor aufgebauten Kartendaten, bekannt als eine "digitale Karte", an und bestätigt den Ort des Fahrzeugs mit einem Punkt auf der Karte. Weiterhin berechnet als Ergebnis der Bestätigung der Augenblicksortsdetektor 40 Ortsinformation des Fahrzeugs und zeigt die Ortsinformation durch eine Anzeigevorrichtung 50 an.
Da der GPS-Sensor und der DR-Sensor 20 einen Fehler im Messwert enthalten, führt im vorliegenden Beispiel der Augenblicksortsdetektor 40 typischerweise einen Kartenabgleich zur Korrektur des Fehlers durch. Beispielsweise kann der GPS-Sensor 10 Fehler, wie beispielsweise einen Ionisationsschicht-Verzögerungsfehler, einen Satellitentaktfehler und Mehrwegefehler enthalten, und der DR-Sensor 20 kann einen Anfangsausrichtungsfehler und einen Umwandlungsfaktorfehler enthalten. Insbesondere wenn das Fahrzeug hohe Gebäude, Bäume, Tunnel usw. passiert, kann das Fahrzeug das GPS-Signal möglicherweise nicht ausreichend empfangen, und somit wird der Fehler größer. Auch wenn der Fehler anwächst, ist es für den Augenblicksortsdetektor 40 schwierig, den Ort des Fahrzeugs genau zu bestimmen. Wenn unter Verwendung von Sensoren gemessene Ortsinformation des Fahrzeugs bei Fehlern der oben beschriebenen Art auf einer Karte angezeigt wird, stimmt die Ortsinformation mit dem wirklichen Ort des Fahrzeugs nicht überein. Um Fehler zu korrigieren, führt daher ein typischer Augenblicksortsdetektor 40 einen Kartenabgleich unter Verwendung einer digitalen Karte durch.
3 zeigt den Augenblicksortsdetektor 40. Typischerweise enthält der Augenblicksortsdetektor 40 einen Sensor 41, einen Kartendatendetektor 42, einen Speicher 43, ein Filter 44 und eine Kartenabgleicheinheit 45. Der Sensor 41 empfängt Sensordaten, beispielsweise x, y, z, t, v und θ, vom GPS-Sensor 10 und vom DR-Sensor 20 und sendet die Fahrzeugortskoordinateninformation x, y, zum Ermitteln von Kartendaten unter den Sensordaten x, y, z, t, v und θ zum Kartendatendetektor 42. Der Kartendatendetektor 42 extrahiert Kartendaten einer entsprechenden Region aus dem Kartendatenspeicher 30 auf der Grundlage der Ortsinformation x, y und speichert sie im Speicher 43.
Das Filter 44 empfängt Ortskoordinaten x, y, die Zeit t, Geschwindigkeit v und Winkel θ des Fahrzeugs und berechnet einen optimalen Ort x', y' und Winkel θ' unter Verwendung der Werte als gemessene Werte des Filters. Das Filter 44 verwendet typischerweise ein GPS/DR-integriertes Kalman-Filter, das GPS und DR kombiniert. Da das Kalman-Filter einen Messfehler einer Variablen mathematisch minimiert und eine Charakteristik hat, die für Berechnung und Vorhersage der Variablen geeignet ist, ist es als Vorhersagefilter bekannt. Weiterhin kann das Kalman-Filter den optimalen Zustand selbst unter Fehlerbedingungen vorhersagen. Dementsprechend wird typischerweise das Kalman-Filter verwendet, einen Messfehler eines Sensors im Fahrzeugnavigationssystem zu minimieren.
Die Charakteristik des Kalman-Filters ist, dass die Werte x', y' und θ', die vom Filter 44 berechnet werden, mit einer wirklichen Kartenlinie aufgrund des Fehlers des GPS-Sensors 10 und des DR-Sensors 20 nicht übereinstimmen. Die Kartenabgleicheinheit 45 führt einen Kartenabgleich unter Verwendung der vom Filter 44 berechneten Werte x', y' und θ' und der im Speicher 43 gespeicherten digitalen Karte durch, um den Fehler zu korrigieren. D.h., die Kartenabgleicheinheit 45 korrigiert den berechneten Ort auf der digitalen Karte durch Abgleichen der vom Filter 44 berechneten Werte x', y' und θ'.
Das Filter 44 und die Rückkopplungsortskoordinaten δ_x, δ_y, Geschwindigkeit δv und eine Winkelinformation δθ des Fahrzeugs, wie vom Filter 44, werden zur Korrektur des Fahlers des DR-Sensors 20 auf der Grundlage von GPS-Daten verarbeitet, was eine relativ genaue Ortsinformation im Vergleich zum DR-Sensor 20 ergibt. Weiterhin empfängt das Filter 44 den Ort/Winkel eines Fahrzeugs, wie von der Kartenabgleicheinheit 45 abgeglichen, und eine Differenz in Ort und Winkel, d.h. Δx, Δx Δθ, vom Filter 44 berechnet, und korrigiert das GPS/DR-integrierte Kalman-Filter im Filter 44.
Ein konventionelles Verfahren zum Ermitteln eines Augenblicksorts eines Fahrzeugs in einem Fahrzeugnavigationssystems wird unter Bezugnahme auf 4a beschrieben. Wenn die Ortskoordinateninformation x, y, z und die Zeit t des Fahrzeugs, empfangen vom GPS-Sensor, und die Geschwindigkeit v und Richtungsinformation θ des Fahrzeugs, gemessen vom DR-Sensor 20 (1), im Schritt S10 eingegeben werden, ermittelt das Fahrzeugnavigationssystem eine Region entsprechend den Sensordaten x, y, z, t, v und θ aus der zuvor gespeicherten digitalen Karte, wie unter Bezugnahme auf die 2a und 2b erläutert, und speichert sie separat im Speicher 43 (3 im Schritt S20). Im Schritt S30 initialisiert das Fahrzeugnavigationssystem das GPS/DR-integrierte Kalman-Filtermodell zum Berechnen der Ortsinformation des Fahrzeugs unter Verwendung der Sensordaten, dann berechnet das Fahrzeugnavigationssystem die Ortsinformation des Fahrzeugs unter Verwendung der Sensordaten, wie vom GPS/DR-integrierten Kalman-Filter gemessen, im Schritt S40.
Typischerweise enthalten der GPS-Sensor 10 (1) und der DR-Sensor 20 (1) einen Fehler im Messwert, der vom GPS-/DR-integrierten Kalman-Filtermodell berechnet Ort ist aufgrund des im GPS-Sensor 10 (1) und im DR-Sensor 20 (1) enthaltenen Fehlers nicht genau. Um dieses Problem zu lösen, korrigieren der GPS-Sensor und der DR-Sensor den Fehler des GPS-Sensors und des DR-Sensors durch Rückkopplungsdaten der gemessenen Daten im Schritt S50. In diesem Falle sind die Daten, die zum GPS/DR-integrierten Kalman-Filter 44 (3) rückgekoppelt werden, die Ortskoordinaten δx, δy, Geschwindigkeit δv und Winkel δθ, d.h. Information des Fahrzeugs, die vom GPS/DR-integrierten Kalman-Filter ausgegeben wird.
Weiterhin wird im Schritt S60 die im Schritt S40 berechnete Ortsinformation unter Verwendung der digitalen Karte der Region entsprechend den im Schritt S20 gespeicherten Sensordaten mit der Karte abgeglichen. Im Schritt S70 wird das GPS/DR-integrierte Kalman-Filter unter Verwendung des Kartenabgleichsergebnisses korrigiert. D.h., Das GPS/DR-integrierte Kalman-Filter wird unter Verwendung von Filterkorrekturdaten Δx, Δy und Δθ, die durch das Kartenabgleichsergebnis erzeugt werden, korrigiert.
4b zeigt einen Prozessablauf des Kartenabgleichsschritts S60 (4a). Im Schritt S61 werden Verbindungsinformation und Knoteninformation aus der Karte erfasst, die ein Objekt des Kartenabgleichs ist, d.h. eine im Schritt S20 gespeicherte digitale Karte (4A). Im Schritt S62 wird beurteilt, ob der im Schritt S40 (4a) auf der Basis der Verbindungsinformation und der Knoteninformation berechnete Ort eine Kreuzung ist. Bei der Beurteilung, ob der berechnete Ort eine Kreuzung ist, kann eine Existenz einer Kreuzung innerhalb einer vorbestimmten Distanz unter Verwendung einer Vorwärtsknoteninformation und -verbindungsinformation entdeckt werden. Es kann ermittelt werden, dass der berechnete Ort eine Kreuzung ist, und wenn ein Weg des Fahrzeugs, der vom GPS/DR-integrierten Filter berechnet wird, einen Knoten der Kreuzung passiert, oder wenn ein gemessener Richtungswinkel eine große Differenz zu einem Richtungswinkel der augenblicklich berechneten Straße hat, ohne Rücksicht darauf, dass der Weg die Kreuzung noch nicht oder bereits passiert hat.
Wenn aus der Beurteilung im Schritt S62 der im Schritt S40 (4a) berechnete Ort eine Kreuzung ist, wird im Schritt S63 eine Verbindung zu einer benachbarten Kreuzung gewählt. Wenn nicht, wird im Schritt S64 eine Verbindung kürzester Distanz vom berechneten Ort gewählt. In diesem Falle wird die gewählte Verbindung abgeglichene Karteninformation für die berechnete Ortsinformation.
Wie oben beschrieben, wenn der Kartenabgleich über die berechnete Ortsinformation ausgeführt worden ist, werden im schritt S65 x- und y-Koordinaten entsprechend der abgeglichenen Verbindung berechnet. Im Schritt S66 werden eine Differenz zwischen den x- und y-Koordinaten, die in der berechneten Ortsinformation enthalten sind, und den im Schritt S65 berechneten x- und y-Koordinaten als Filterkorrekturdaten ausgegeben. Die Filterkorrekturdaten sind eine Differenz Δx, Δy und Δθ zwischen einem Ort/Winkel des Fahrzeugs, wie im Schritt S53, S64 abgeglichen, und einem im Filter 44 berechneten Ort/Winkel. Der Fehler des GPS/DR-integrierten Kalman-Filters wird unter Verwendung der ausgegebenen Filterkorrekturdaten im Schritt S70 korrigiert (4a).
5 zeigt ein Beispiel eines Verfahrens zum Korrigieren eines Orts eines Fahrzeugs durch ein konventionelles Verfahren in einem Fahrzeugnavigationssystem, oder in anderen Worten, zum Korrigieren der durch das GPS/DR-integrierte Filter berechneten Ortsinformation mittels Kartenabgleich. Kreise stellen Ortsinformation dar, die vom GPS/DR-integrierten Filter berechnet wurde, und gerade Linien stellen die abgeglichene Ortsinformation dar.
Zunächst wird eine Zwangskorrektur des Richtungswinkels und des Orts des Fahrzeugs für allgemeine Fahrt ausgeführt. Wenn beispielsweise beurteilt wird, dass ein Fahrzeug über eine Brücke, durch einen Tunnel, oder über eine lange, gerade Straße fährt, wird der Richtungswinkel Δθ des Fahrzeugs eingestellt, da man sagen kann, dass der Richtungswinkel des kartenabgeglichenen Fahrzeugs korrigiert ist. Wie in 5a gezeigt, da ein Fehler von 'Δy' erzeugt wird, wenn das Fahrzeug auf einer horizontalen Straße fährt, wird der Wert 'y', der im GPS-DR-integrierten Filter berechnet wird, durch die Differenz 'Δy' korrigiert. Weiterhin, wie in 5 gezeigt, da ein Fehler 'Δx' erzeugt wird, wenn das Fahrzeug auf einer vertikalen Straße fährt, wird der Wert 'x', der im GPS/DR-integrierten Filter berechnet wurde, durch die Differenz 'Δx' korrigiert. Auch wie in 5c gezeigt, wenn das Fahrzeug eine Kreuzung passiert, wird der Ort des Fahrzeugs auf die Kreuzung durch die Differenz 'Δx und Δy' korrigiert.
Ein konventionelles Augenblicksorterfassungsgerät und -verfahren, die das vorgenannte Korrekturverfahren für Richtungswinkel verwenden, können einen Absolutort eines Fahrzeugs nicht einstellen, und ein Zwangskorrekturverfahren in den vertikalen und horizontalen Richtungen enthält Fehler und Unsicherheiten. Weiterhin können das konventionelle Augenblicksorterfassungsgerät und -verfahren eine Ortskorrektur nur in begrenzten Fällen ausführen, beispielswei se wenn das Fahrzeug fortlaufend in geradliniger Richtung während einer vorbestimmten Zeit fährt oder eine Kreuzung passiert. D.h., da das konventionelle Verfahren eine Sensorkorrektur nur in begrenztem Umfang ausführen kann, war eine Echtzeitortskorrektur in einem Fahrzeugnavigationssystem, das ständig einen genauen Ort verlangt, unmöglich gewesen. Dementsprechend kann das Augenblicksorterfassungsgerät und -verfahren einen Ort des Fahrzeugs nicht genau ermitteln.
Weiterhin ist im Stand der Technik für die Korrektur des Fehlers des GPS-Sensors/DR-Sensors und zur Berechnung der Ortsinformation eines Fahrzeugs ein typisches zentralisiertes Kalman-Filter verwendet worden. Im vorliegenden Beispiel kann das zentralisierte Kalman-Filter höchst einfach ein optimales Filter bilden, wenn die Ordnung der Gleichung, die zur Ausführung des Systems verwendet wird, niedrig ist. Wenn jedoch die Ordnung der für die Ausführung des Systems verwendeten Gleichung hoch ist, dann ist es für das zentralisierte Kalman-Filter schwierig, in Echtzeit zu rechnen, weil die Rechenbelastung einer inversen Matrix und einer Kovarianzmatrix zunimmt. Wenn weiterhin ein Sensor nicht in Ordnung ist, kann das zentralisierte Kalman-Filter ihn als nicht in Ordnung nur dann beurteilen, nachdem Messwerte, die von mehreren Sensoren geliefert wurden, verarbeitet sind. Dementsprechend ist es im üblichen Stand der Technik schwierig zu verhindern, dass ein fehlerhaft gemessener Wert einen berechneten Wert für die Ortsinformation des Fahrzeugs beeinträchtigt.
US 2002/128775 A1 bezieht sich auf ein Navigationssystem, das in einem beweglichen Objekt, wie beispielsweise einem Fahrzeug, verwendet wird. Das System enthält eine Navigationsaktualisierungseinheit, eine Sensoraktualisierungseinheit und eine Navigationsfortschreibeeinheit. U.a. enthält die Navigationsaktualisierungseinheit ein Primärfilter, das als Eingabe GPS-Messungen von einem GPS-Empfänger, Koppelnavigationspositionsmessungen, Geschwindigkeitsmessungen und eine Prozessrauschmatrix, die von einem Prozessrauschmodell zur Verfügung gestellt wird, erhält. Aus diesen zahlreichen Eingaben berechnet das primäre Navigationsfilter eine geschätzte GPS-Geschwindigkeitsmessung V_E. Das Primärfilter ist mit einer Koppelnavigationspositionseinheit verbunden. Die Navigationsaktualisierungseinheit liefert Kartenabgleichpositionsaktualisierungen an einen Koppelnavigationszustandsvektor. Dieses wird durch Verwendung der geschätzten Geschwindigkeit V_E ausgeführt, die von dem Primärfilter als Eingabe in die Koppelnavigationspositionseinstelleinheit geliefert wird. Die Einstelleinheit kombiniert eine kartenabgeglichene Positionsmessung mit einer Positionsmessung, die vom V_E berechnet wurde, und erzeugt als Ausgabe eine Koppelnavigationspositionsmessung, die durch die kartenabgeglichene Positionsmessung aktualisiert ist.
In EP-A-1 136 838 ist ein Navigationssystem beschrieben, das einen GPS-Empfänger enthält. Der GPS-Empfänger liefert Daten, die für eine Position und eine Geschwindigkeit kennzeichnend sind, auch als GPS-Lösung bezeichnet. Die GPS-Position wird unter Verwendung eines Bereichs zwischen dem GPS-Empfänger und dem GPS-Satelliten berechnet, der einen Fehler enthält. Weiterhin berechnet der GPS-Empfänger 2DRMS als einen Bewertungswert für die Bewertung der Genauigkeit der GPS-Position. Im GPS-Empfänger oder dem Navigationssystem wird ein Kalman-Filter verwendet, das einen Schätzwert der GPS-Lösung und eine Fehlerkovarianzmatrix des Schätzwerts berechnet. Eine GPS-Mitteilung, die die GPS-Lösung enthält, wird vom Navigationssystem empfangen und verwendet. Im Navigationssystem führt eine CPU die Schätzung eines Orts eines Fahrzeugs durch Verwendung sowohl der GPS-Lösung und eines Ergebnisses einer Koppelnavigation (eine DR-Lösung) aus auf der Grundlage von Signalen, die von Koppelnavigationssensoren ausgegeben werden. Durch die DR-Positionsbestimmung kann man eine Geschwindigkeit und eine Winkelgeschwindigkeit erhalten und in das Kalman-Filter eingeben. Durch Ausführung eines Vergleichs zwischen dem Bewertungswert der DR-Lösung und dem 2DRMS wählt die CPU die GPS-Lösung oder die DR-Lösung als einen Ort des Fahrzeugs. Schließlich wird der gewählte Ort unter Verwendung eines Kartenabgleichs kompensiert.
DE 44 32 208 A bezieht sich auf das Navigieren eines Fahrzeugs in einem Straßensystem. Das Fahrzeug enthält einen Entfernungssensor, einen Richtungssensor und einen Ortssensor (z.B. einen Sensor für einen GPS-System). Die von den Sensoren gelieferten Signale werden einem Kalman-Filter zugeführt, das zyklisch Daten berechnet, die einen neuen berechneten Ort des Fahrzeugs bestimmen, indem ein Bewegungssektor von einem Zyklus zum nächsten Zyklus berechnet wird, der der Summe aus Einzelbewegungen entspricht. Das Kalman-Filter berechnet signifikante Daten eines Unbestimmtheitsbereichs. Dieser Bereich entspricht Orten, die im Hinblick auf die zuvor bestimmten Ortsfehler möglich sind, aber eine Wahrscheinlichkeit haben, die geringer als die des neu berechneten Orts ist, dabei aber höher als ein spezieller Wahrscheinlichkeitsschwellenwert ist. Daten, die den neu berechneten Ort und den Unbestimmtheitsbereich angeben, werden einer Vergleichseinrichtung einer vektorisierten elektronischen Karte zugeführt. Die Vergleichseinrichtung der Karte bestimmt den Ort von Wegsektionen innerhalb des Unbestimmtheitsbereichs, der möglicherweise den wahren Ort des Fahrzeugs enthalten kann. Ein Signal, das den abgeleiteten Ort darstellt, wird zum Kalman-Filter zurückgesandt. Das Kalman-Filter grenzt dann im Unbestimmtheitsbereich in einem Einstellschritt. Weiterhin führt das Kalman-Filter eine Berechnung zum Abschätzen eines Fehlermodells und somit des Fehlers der Sensoren durch, indem in Kenntnis des Wertes der durchgeführten Ortseinstellung eine Korrekturregel für jeden Sensor abgeleitet wird, der Bewegungs- und Richtungswerte liefert, was zu dem Ort der höchsten Wahrscheinlichkeit führt.
WO 01/01370 A bezieht sich auf ein Verfahren, das es bei einem drahtlosen Übertragungssystem möglich macht, dass Karteninformation in einem Dienstanbieter erzeugt und zur Anzeigeeinheit eines mobilen Kunden- oder Benutzerendgeräts gesendet wird, wo die Karte allmählich in Abhängigkeit von der geographischen Position und der Bewegung des Kunden aufgebaut wird.
US 5 995 023 bezieht sich auf eine Orientierungs- und Navigationsvorrichtung für ein Motorfahrzeug. Eine Steuerung ist mit einer Anzeige und Betriebssteuerelementen verbunden. Auf der Eingabeseite ist die Steuerung mit zahlreichen Koppelnavigationssensoren sowie einer Satellitennavigationsvorrichtung verbunden. Weiterhin ist die Steuerung mit einem Kartenspeicher verbunden, in dem die Karten hauptsächlich digital gespeichert sind. Aus dem Kartenspeicherempfängt der Koppelnavigationsprozess Straßendaten, die auf einer CD gespeichert sind und die durch eine Kartenvorverarbeitungseinheit für die Steuerung vorverarbeitet worden sind. Der Koppelnavigationsprozess prüft die Plausibilität der ermittelten Fahrzeugposition und sendet die Fahrzeugposition zur Kartenvorverarbeitungseinheit. Parallel hierzu empfängt ein Satellitenempfänger die Satellitensignale und bestimmt aus diesen Signalen zunächst eine Position für das Fahrzeug unabhängig vom Koppelnavigationsprozess. Die Satelliten-basierte Positionsermittlung wird mit dem Koppelnavigationsprozess synchronisiert. Nachdem die Werte in das Koordinatensystem des Koppelnavigationsprozesses transformiert sind, wird ein Differenzvektor aus diesen Werten berechnet, der die Differenz zwischen der Koppelnavigation und dem Satellitenbasierten Positionsermittlungsprozess angibt. Die Genauigkeit der durch den Satelliten bestimmten Position hat einen Variationsbereich. Diese Toleranz kann mit Hilfe eines Tiefpassfilters verbessert werden. Der durch das Tiefpassfilter gefilterte Wert wird zur Berechnung einer optimierten Satellitenorientierungsposition berechnet. Die hierdurch bestimmten Werte werden zur Kartenvorverarbeitungseinheit gesendet, und die Fahrzeugposition und/oder die durch den Satelliten bestimmte Position kann nun auf der Anzeige gezeigt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit der Ortsbestimmung eines beweglichen Körpers zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zum Ermitteln eines Orts eines beweglichen Körpers anzugeben, das eine Genauigkeit der Ortsbestimmung eines beweglichen Körpers mittels Vorhersage und Echtzeitkorrektur von Sensorinformation unter Verwendung von Begrenzungsfilter verbessern kann, wenn immer die einen Fehler enthaltende Sensorinformation eingegeben wird, nach Zusammensetzung eines linearen Modells unter Verwendung einer Karteninformation mit dem Begrenzungsfilter.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zum Ermitteln eines Orts eines beweglichen Körpers anzugeben, das einen Ort eines beweglichen Körpers unter Einschluss eines Straßenfehlers auf der Basis einer digitalen Karte ermitteln kann.
Es ist ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zum Ermitteln eines Orts eines beweglichen Körpers anzugeben, das eine Genauigkeit einer Ortsbestimmung eines beweglichen Körpers mittels verteilter Verarbeitung eines Fehlerkorrekturvorgangs des Sensors zum Erfassen eines Orts des beweglichen Körpers verbessern kann.
Um das Ziel zu erreichen, wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Ermitteln des Orts eines beweglichen Körpers angegeben, umfassend: einen Kartendatendetektor zum Erfassen von Karteninformation eines Bereichs entsprechend einer Ortsinformation von einem äußeren digitalen Kartenspeicher auf der Grundlage de Ortsinformation des beweglichen Körpers, die von Sensoren gesendet werden, die den Ort und die Fahrinformation des beweglichen Körpers erfassen, einen Speicher zum Speichern der Karteninformation, die vom Kartendatendetektor erfasst wird, ein Filter zum Berechnen eines optimalen Orts des beweglichen Körpers mit einem Straßenfehler, der in der Karteninformation enthalten ist, auf der Grundlage des Orts und der Fahrinformation des beweglichen Körpers, die von den Sensoren gesendet wird; und eine Kartenabgleicheinheit zum Empfangen der optimalen Ortsinformation des beweglichen Körpers vom Filter und zum Korrigieren der optimalen Ortsinformation durch Abgleich der optimalen Ortsinformation und der im Speicher gespeicherten Karteninformation.
Um das Ziel zu erreichen, wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines Orts eines beweglichen Körpers angegeben, umfassend die Schritte: 1) Erfassen und Speichern von Karteninformation, die Ortsinformation entspricht, in Reaktion auf Orts- und Bewegungsinformation eines beweglichen Körpers, die von Sensoren empfangen wird, die eine Orts- und Bewegungsinformation des beweglichen Körpers erfassen, und Initialisieren eines GPS/DR-Filtermodells; 2) Berechnen einer ersten Ortsinformation des beweglichen Körpers auf der Grundlage des GPS/DR-Filtermodells; 3) Abgleichen der ersten Ortsinformation mit der gespeicherten Karteninformation und Extrahieren einer Straßenlinearinformation, an der der bewegliche Körper sich befindet, auf der Grundlage der ersten Ortsinformation und der abgeglichenen Karteninformation; 4) Initialisieren eines Kartenbegren zungs-Filtermodells auf der Grundlage der durch die Sensoren erfassten Bewegungsinformation des beweglichen Körpers und der im Schritt (3) extrahierten Straßen-Linearinformation; 5) Berechnen einer zweiten Ortsinformation eines beweglichen Körpers einschließlich eines Straßenfehlers auf der Grundlage des Kartenbegrenzungsfilters; 6) Berechnen einer optimalen Ortsinformation des beweglichen Körpers auf der Grundlage der im Schritt (2) berechneten ersten Ortsinformation des beweglichen Körpers und der im Schritt (5) berechneten zweiten Ortsinformation des beweglichen Körpers; 7) Erzeugen von Filterkorrekturdaten zum Korrigieren eines Zustandes und eines Fehlers, des GPS/DR-Filtermodells und des Kartenbegrenzungsfiltermodells auf der Grundlage des im Schritt (6) berechneten Ergebnisses; und 8) Korrigieren des Zustandes und des Fehlers des GPS/DR-Filtermodells und des Kartenbegrenzungsfiltermodells mittels der Filterkorrekturdaten.
Die obigen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen gegeben wird, klarer hervor.
1 ist ein Blockschaltbild, das einen ungefähren Aufbau eines konventionellen Fahrzeugnavigationssystems zeigt;
2 ist ein Blockdiagramm, das ein konventionelles Speicherverfahren von Kartendaten zeigt;
3 ist ein schematisches Diagramm eines konventionellen Detektors für den laufenden Ort in einem Fahrzeugnavigationssystem;
4a ist ein Flussdiagramm eines konventionellen Verfahrens zum Ermitteln eines laufenden Orts eines Fahrzeugs in einem Fahrzeugnavigationssystem;
4b ist ein Flussdiagramm eines konventionellen Verfahrens zum Kartenabgleich, das in einem Fahrzeugnavigationssystem verwendet wird;
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Korrigieren eines Orts eines Fahrzeugs durch das konventionelle Verfahren in einem Fahrzeugnavigationssystem zeigt;
6 ist ein schematisches Diagramm eines Ortsdetektors in einem Fahrzeugnavigationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb eines ersten Filters in einem Detektor für den laufenden Ort in einem Fahrzeugnavigationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8a ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb eines zweiten Filters, das in einem Detektor für den laufenden Ort in einem Fahrzeugnavigationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8b ist ein Graph, der einen Zusammenhang zwischen einem Fehler (v_m) von Karteninformation und einer Breite einer Straße zeigt;
9 ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb eines dritten Filters in einem Detektor für den laufenden Ort in einem Fahrzeugnavigationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein Flussdiagramm eines Betriebs einer Kartenabgleicheinheit in einem Detektor für den laufenden Ort in einem Fahrzeugnavigationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen des Orts eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Fahrzeugnavigationssystem.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird eine detaillierte Beschreibung bekannter Funktionen und darin eingeschlossener Konfigurationen weggelassen, wenn sie den Gegenstand der vorliegenden Erfindung eher unklar machen.
6 ist ein Blockschaltbild eines Ortsdetektors 400 in einem Fahrzeugnavigationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Ortsdetektor 400 enthält einen Sensor 410, einen Kartendatendetektor 420, einen Speicher 430, einen Filter 440 und eine Kartenabgleicheinheit 450. Der Sensor 410 empfängt Sensordaten, beispielsweise Koordinaten x, y, z, Zeit t, Geschwindigkeit v und Winkel θ vom GPS-Sensor 10 und vom DR-Sensor 20 und sendet die Ortskoordinateninformation x, y zur Ermittlung von Kartendaten unter den Sensordaten x, y, z, t, v und θ an den Kartendatendetektor 420. Der Kartendatendetektor 420 extrahiert Kartendaten der entsprechenden Region aus dem Kartendatenspeicher 30 auf der Grundlage der Ortskoordinateninformation x, y und speichert sie im Speicher 430.
Das Filter 440 empfängt Ortskoordinaten x, y, Zeit t, Geschwindigkeit v und Winkel θ des Fahrzeugs und berechnet optimale Ortskoordinaten x'', y'' und Winkel θ'' unter Verwendung der Werte als Messwert. Das Filter 440 besteht aus mehreren Filtern 441, 442, 443. Das Filter 440 besteht aus einem in verteilten Schichten aufgebauten Kalman-Filter, d.h. einem kombinierten Kalman-Filter. Das Filter 440 besteht aus einem ersten Filter 441, beispielsweise GPS/DR-Filter, zum Berechnen erster Ortsinformation des Fahrzeugs aus den Sensordaten, einem zweiten Filter 442, beispielsweise einem Kartenbegrenzungsfilter, das zweite Ortsinformation des Fahrzeugs aus Linearinformation der Straße berechnet, die von der Kartenabgleicheinheit 450 zugeführt wird, und einem dritten Filter 443, beispielsweise einem Hauptfilter, das das erste Filter 441 und das zweite Filter 442 miteinander integriert enthält.
Die Kartenabgleicheinheit 450 gleicht die Warte x'', y'' und θ'', die im Filter 440 berechnet wurden mit der digitalen Karte ab, um den berechneten Ort zu korrigieren. Weiterhin extrahiert die Kartenabgleicheinheit 450 einen Straßenfehler enthaltende Straßenlinearinformation aus der ersten Ortsinformation des Fahrzeugs, wie durch das erste Filter 441, und sendet sie an das zweite Filter 442. Hier bedeutet die den Straßenfehler enthaltende Straßenlinearinformation eine Breite der Straße, auf der sich das Fahrzeug augenblicklich bewegt.
7 bis 10 sind Flussdiagramme, die den Betrieb des ersten Filter 441, des zweiten Filters 442, des dritten Filters 443 und der Kartenabgleicheinheit 450 zeigen. Unter Bezugnahme auf 6 und 7 wird der Betrieb des ersten Filters 441 beschrieben.
Zunächst empfängt das erste Filter 441 Sensordaten, beispielsweise Ortskoordinaten x, y, Zeit t, Geschwindigkeit v und Richtungswinkel θ des Fahrzeugs vom Sensor 410 im Schritt S110 und initialisiert das GPS/DR-Filtermodell zum Berechnen der ersten Ortsinformation des Fahrzeugs unter Verwendung der Sensordaten als Messwert im Schritt S120. Das im Schritt S 120 initialisierte GPS/DR-Filtermodell ist in Gleichung 1 gezeigt.
(Gleichung 1)

xk = Φk-1xk-1 + Wk-1,Wk ≈ N(= 0,Qk) Zk = Hkxk + -vk,vk ≈ N(0,Gk)

In Gleichung 1 ist x eine Gleichung des Zustands des Systems (GPS/DR-Modell) zum Zeitpunkt t, Φ ist das GPS/DR-Modell, bekannt als System, zum Berechnen des Orts, W ist ein Fehler des Systemmodells und N(0, Q_k) ist eine Verteilung Q_k und ein Mittelwert 0 des Systemfehlers. Z stellt eine Gleichung eines gemessenen Modells dar, H stellt das gemessene Modell dar, v ist ein Fehler des gemessenen Modells und N(0, G_k) stellt eine Verteilung Q_k und einen Mittelwert 0 des gemessenen Modellfehlers dar.
Wie oben beschrieben, führt, wenn das GPS/DR-Filtermodell initialisiert wird, das erste Filter 441 die Sensordaten dem GPS/DR-Filtermodell von Gleichung 1 zu, um die erste Ortsinformation x1', y1' und θ1' des Fahrzeugs im Schritt S130 berechnen. Im Schritt S130 ist ein Verfahren zum Berechnen der ersten Ortskoordinateninformation x1', y1' und θ1' in Gleichung 2 gezeigt.
(Gleichung 2)

Xk = Φk-1Xk-1

Bezug nehmend auf Gleichung 2 wird der augenblickliche Zustand x_k von t durch Multiplizieren des vorangehenden Zustandmodells Φ_k-1 mit dem vorangehenden Zustand x_k-1 berechnet.
Weiterhin gibt im Schritt S140 das erste Filter 441 die erste Ortsinformation x1', y1' und θ1' an die Kartenabgleicheinheit 450 aus und gibt die erste Ortsinformation x1', y1' und θ1', die Geschwindigkeitsinformation v1' und P1 an das dritte Filter 443 aus. Hier ist P1 ein Fehler der ersten Ortsinformation x1', y1' und θ1', wie vom ersten Filter 441 ausgegeben.
Die Kartenabgleicheinheit 450 extrahiert die Straßenlinearinformation unter Verwendung der ersten Ortskoordinateninformation x1', y1' und θ1'. Das Verfahren zum Extrahieren der Straßenlinearinformation in der Kartenabgleicheinheit 450 und eine detaillierte Beschreibung der Straßenlinearinformation werden unter Bezugnahme auf 10 gegeben. Weiterhin erzeugt das dritte Filter 443 nachher Filterkorrekturdaten, d.h. optimale Zustandsberechnungsinformation x_m, Fehlerinformation P_m unter Verwendung der Information x1', y1', v1', θ1' und P1, die vom ersten Filter 441 eingegeben werden, und zweite Ortsinformation x2', y2' und θ2', Geschwindigkeitsinformation v2', P2, die vom zweiten Filter 442 eingegeben werden. Das dritte Filter 443 sendet sie an das erste Filter 441. Das Verfahren zum Erzeugen der Filterkorrekturdaten, d.h. der optimalen Zustandsberechnungsinformation x_m, Fehlerinformation P_m, wird unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
Wenn das erste Filter 441 die Filterkorrekturdaten empfängt, einschließlich optimaler Zustandsberechnungsinformation x_m, Fehlerinformation P_m, vom dritten Filter 443, das das Hauptfilter ist, im Schritt S150, dann korrigiert das erste Filter 441 den Fehler des GPS/DR-Filtermodells auf der Grundlage der Fehlerkorrektur, d.h. der optimalen Zustandsberechnungsinformation x_m, Fehlerinformation P_m, im Schritt S160. Der Fehler des GPS/DR-Filtermodells wird durch das dritte Filter 443 des Hauptfilters korrigiert, die für die Korrektur verwendete Korrekturgleichung ist in Gleichung 3 dargestellt.
(Gleichung 3)
Unter Bezugnahme auf Gleichung 3 wird eine Verstärkung K unter Verwendung der Differenz zwischen dem berechneten Wert x(–), berechnet im ersten Filter 441, und dem augenblicklichen Messwert Z_k erhalten. Weiterhin wird der Endfehler P(+) durch Verwendung des ersten Fehlers P(–) und der Verstärkung K erhalten.
Die Gleichungen 1 bis 3 sind typische Gleichungen, wie sie zur Vorhersage eines optimalen Orts und der Korrektur eines Fehlers unter Verwendung eines Kalman-Filters verwendet werden; weil die Gleichungen dem Fachmann bekannt sind, wird eine detaillierte Beschreibung weggelassen.
Unter Bezugnahme auf 6 und 8a wird ein Betrieb des zweiten Filters 442 beschreiben.
Zunächst empfängt das zweite Filter 442 DR-Sensordaten, Geschwindigkeit v und Richtungswinkel θ des Fahrzeugs vom Sensor 410 und empfängt Straßenlinearinformation von der Kartenabgleicheinheit 450 im Schritt S210. Im Schritt S220 initialisiert das zweite Filter ein Kartenbegrenzungsfilter zum Berechnen der zweiten Ortsinformation unter Verwendung der DR-Sensordaten und der Straßenlinearinformation als Messwert.
Wenn beurteilt wird, dass sich das Fahrzeug auf irgendeiner Straße befindet, kann Information über diese Straße erhalten werden, wie in der folgenden Gleichung 4 gezeigt.
(Gleichung 4)

aX + bY = c

Wenn man in Gleichung 4 einen Straßenabschnitt als eine gerade Linie auf einem Transversal-Merkator-(TM-)Koordinatensystem betrachtet, entsprechen a, b und c jeweils linearen Koeffizienten. Da die Oberfläche der Erde gekrümmt ist, ist eine Projektion notwendig, um die Erde auf einer flachen Oberfläche, wie einer Karte oder einem Schirm anzuzeigen. Hier wird ein Koordinatensystem, das man durch TM-Projektion einer Art Projektionsverfahren erhält, TM-Koordinatensystem bezeichnet. In der TM-Projektion werden dreidimensionale Koordinaten in zweidimensionale Koordinaten durch Projektion der dreidimensionalen Koordinaten eines Erdellipsoids auf einen Zylinder umgewandelt, der das Erdellipsoid so umgibt, dass sich der Zylinder in einer Querrichtung erstreckt und tangential zu einem Bezugspunkt des Erdellipsoids ist. Die TM-Projektion kann die Größe eines Winkels beibehalten, was eine der wichtigsten Bedingungen unter den allgemeinen Bedingungen einer Kartenprojektion ist, und ihre Theorie ist allgemein. Dementsprechend wenden Straßenkartendaten, die in einem Fahrzeugnavigationskoordinatensystem verwendet werden, typischerweise das TM-Koordinatensystem an, das man durch TM-Projektion erhält.
Die Kartenabgleicheinheit 450 extrahiert einen solchen Koeffizienten linearen Ausdrucks, beispielsweise a, b, c, und gibt sie an das zweite Filter 442. Hier kommt der Koeffizient linearen Ausdrucks unter die Straßenlinearinformation. Das zweite Filter 442 initialisiert das Kartenbegrenzungsfiltermodell unter Verwendung von a, b, c. Hier ist das initialisierte Kartenbegrenzungsfiltermodell in der folgenden Gleichung 5 gezeigt.
(Gleichung 5)

Zm = c – (aXDR + bYDR)vm = (aX + bY) – (aXDR + bYDR) + vm = aδX + bδY + vm = [ab0000]x + ym = Hmx + vm

Die Gleichung 5 ist eine Gleichung, die ein gemessenes Modell unter Verwendung einer Differenz zwischen der linearen Information C, die in einem Straßenmodell berechnet wurde, und einer augenblicklichen Sensoreingabe X_DR mal Y_DR berechnet, und Gleichung 5 berechnet so viel wie die Differenz zwischen dem Straßenmodell und dem Eingabewert des DR-Sensors-
In Gleichung 5 v_m ein Fehler der Straßeninformation und stellt physikalisch dar, dass sich ein Fahrzeug in irgendeiner Position innerhalb eines Bereichs der Breite der Straße von der Mittenlinie der Straße befindet. Weiterhin sollte v_m als weißes Rauschen berechnet werden, und die Größe v_m sollte in Wert sein, der sich auf die Breite der Straße bezieht, für die Verwendung im Kalman-Filter. Wie oben beschrieben, berechnet die vorliegende Erfindung den Ort des Fahr zeugs durch Verwendung des Kartenbegrenzungsfilters mit Fehler der Straßeninformation genauer.
8b ist ein zweidimensionales Liniendiagramm, das einen Zusammenhang zwischen dem Fehler v_m der Karteninformation und der Breite der Straße zeigt, das Schwankungsband des Wertes c zum Bestimmen der Breite der Straße, wie in Gleichung 4 gezeigt, ist in der folgenden Gleichung 6 gezeigt.
(Gleichung 6)
Weiterhin, wenn Δc einen Zusammenhang zwischen a, b eines Koeffizienten einer geraden Linie und dem Winkel θ und einen singulären Wert der Sinusfunktion und der Cosinusfunktion enthält, ist Δc in Gleichung 7 gezeigt.
(Gleichung 7)
Das v_m, das den Fehler der Karteninformation angibt, wird als das weiße Rausche mit einer Gaussverteilung berechnet, wie in Gleichung 8 angegeben.
(Gleichung 8)

vm ≈ N(0, Rm)

In Gleichung 8 ist das R_m in der folgenden Gleichung 9 gezeigt.
(Gleichung 9)

Rm = W2(a2 + b2)

Wenn die Straßeninformation in einem wirklichen Navigationssystem verwendet wird, können dementsprechend die Koeffizienten a und b als Komponenten des Richtungscosinus eines Vektors dargestellt werden, da eine Gleichung einer geraden Linie als ein Verhältnisausdruck zwischen zwei Punkten auf einer Straße berechnet wird. In diesem Falle kann die Gleichung 9 als die folgende Gleichung 10 modifiziert werden.
(Gleichung 10)

Rm = W2

Die Breite der Straße W², die man durch Verwendung der Gleichungen 6 bis 10 erhält, wird an einem Fehler in dem gemessenen Modell angewendet, das durch Verwendung des Straßenlinearmodells und des DR-Sensoreingangs erhalten wird. D.h., das zweite Filter 442 des Kartenbegrenzungsfilters berechnet die Ortsinformation des Fahrzeugs durch Berücksichtigung der Breite der Straße W² als Fehler.
Wenn das Kartenbegrenzungsfilter initialisiert wird, wendet, wie oben beschrieben, das zweite Filter 442 die DR-Sensordaten und die Straßenlinearinformation am Kartenbegrenzungsfilter der Gleichung 4 an, um die zweite Ortskoordinateninformation x2', y2', θ2' und die Geschwindigkeit v2' im Schritt 230 von 8a zu berechnen. Gleichung 2 zeigt ein Beispiel des Verfahrens zum Berechnen der zweiten Ortsinformation x2', y2', θ2' im Schritt 230.
Im Schritt 240 gibt das zweite Filter 442 die zweiten Ortskoordinateninformation x2', y2', θ2', Geschwindigkeit v2' und P2 an das dritte Filter 443 aus (8a). In diesem Falle ist das P2 ein Fehler im Hinblick auf die zweite Ortskoordinateninformation x2', y2' und θ2', die vom zweiten Filter 442 ausgegeben wird.
Das dritte Filter 443 erzeugt die Filterkorrekturdaten, d.h. die Optimumszustandsberechnungsinformation von x_m, Fehlerinformation P_m unter Verwendung der ersten Ortskoordinateninformation x1', y1' und θ1', Geschwindigkeitsinformation v1' und P1 zuvor vom ersten Filter 441 eingegeben, und die Koordinateninformation x2', y2', v2', θ2' und P2, vom zweiten Filter 442 eingegeben. Das dritte Filter 443 sendet dann die Filterkorrekturdaten zum zweiten Filter 442. Ein Verfahren zum Erzeugen der Filterkorrekturdaten, d.h. der Optimumszustandsberechnungsinformation x_m, Fehlerinformation P_m wird unten unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
Wenn die Filterkorrekturdaten, die beispielsweise die Optimumszustandsberechnungsinformation x_m, Fehlerinformation P_m im Schritt S250 empfangen wird (8a), korrigiert das zweite Filter 442 den Fehler des Kartenbegrenzungsfilters auf der Basis der Filterkorrekturdaten im Schritt S260 (8a). Eine Korrekturgleichung zum Korrigieren des Fehlers des Kartenbegrenzungsfilters im Schritt S260 (8a) ist in Gleichung 2 gezeigt.
Gemäß den 6 bis 9 wird der Betrieb des dritten Filters 443 wie folgt ausgeführt. Das dritte Filter 443 empfängt die erste Ortskoordinateninformation des Fahrzeugs vom ersten Filter 441 und die zweite Ortsinformation des Fahrzeugs vom zweiten Filter 442 im Schritt S310. Im Schritt S320 berechnet das dritte Filter 443 endgültige Optimumortskoordinateninformation x2', y2' und θ2' unter Verwendung der ersten Ortsinformation und der zweiten Ortskoordinateninformation und erzeugt die Filterkorrekturdaten, d.h. die Optimumszustandberechnungsinformation x_m = x'', y'' und θ'', Fehlerinformation P_m.
Ein Verfahren zum Erzeugen der Fehlerkorrekturdaten, wie beispielsweise Optimumszustandsberechnungsinformation x_m, Fehlerinformation P_m im Schritt S320 ist in der folgenden Gleichung 11 gezeigt.
(Gleichung 11)
Weil zwei Unterfilter, das erste Filter 441 und das zweite Filter 442, anstelle des Masterfilters, d.h. des dritten Filters 443, verwendet worden sind, ist der Wert 'N' gleich zwei in Gleichung 11. Gemäß Gleichung 11 werden die Fehlerkorrekturdaten, wie beispielsweise Optimumszustandsberechnungsinformation x_m, Fehlerinformation P_m unter Verwendung der berechneten Ortskoordinaten x₁, x₂ und der vom ersten Filter 441 und vom zweiten Filter 442 eingegeben Fehler P1, P2 erzeugt.
Das dritte Filter 443 gibt die Optimumortskoordinateninformation x'', y'' und θ'' an die Kartenabgleicheinheit 450 im Schritt S330 aus. Weiterhin gibt das dritte Filter 443 die Filterkorrekturdaten, wie beispielsweise Optimumszustandsberechnungsinformation x_m, Fehlerinformation P_m, an das erste Filter 441 und das zweite Filter 422 im Schritt S340 aus. Das erste Filter 441 und das zweite Filter 442 korrigieren dann den Fehler eines jeden Filters unter Verwendung der Filterkorrekturdaten, wie beispielsweise Optimumszustandsberechnungsinformation x_m, Fehlerinformation P_m.
Die Kartenabgleicheinheit 450 hat zwei Funktionen. Zunächst extrahiert die Kartenabgleicheinheit 450 die Straßenlinearinformation mit dem Straßenfehler im Ansprechen auf die erste Ortsinformation x1', y1' und θ1' des Fahrzeugs, übertragen vom ersten Filter 441, und sendet die Straßenlinearinformation zum zweiten Filter 442. Zweitens führt die Kartenabgleicheinheit 450 den Kartenabgleich im Ansprechen auf die Optimumortsinformation x'', y'' und θ'' des Fahzeugs, übertragen vom dritten Filter 443, durch. Letzteres ist vergleichbar der Funktion einer konventionellen Kartenabgleicheinheit.
In den 6 bis 10 ist der Betrieb der Kartenabgleicheinheit 450 wie folgt. Zunächst wird die erste Ortsinformation x1', y1' und θ1' vom ersten Filter 441 im Schritt S410 übertragen. Dann erfasst die Kartenabgleicheinheit 450 Verbindungsinformation und Knoteninformation der zuvor im Speicher 430 gespeicherten digitalen Karte im Schritt S420 und extrahiert die Straßenlinearinformation auf der Basis von Verbindungsinformation und Knoteninformation im Schritt S430.
Wenn beispielsweise beurteilt wird, dass sich das Fahrzeug auf einer gewissen Straße befindet, ist Information, die man von der Straße erhalten kann, in der folgenden Gleichung 12 gezeigt.
(Gleichung 12)

aX bY = c

In Gleichung 12 entsprechen die Parameter a, b und c dem Koeffizienten linearen Ausdrucks entsprechend wenn ein Straßenabschnitt, der als gerade Linie betrachtet wird, im TM-Koordinatensystem angegeben wird. Die Kartenabgleicheinheit 450 extrahiert die Koeffizienten des linearen Ausdrucks, wie a, b und c und gibt sie im Schritt S440 das zweite Filter 442 aus.
Außerdem wird die Optimumortskoordinateninformation x'', y'' und θ'' vom zweiten Filter 430 im Schritt S450 übertragen. Die Kartenabgleicheinheit 450 ermittelt die Ortsinformation und die Knoteninformation der bereits im Speicher 430 gespeicherten digitalen Karte im schritt S460. Im Schritt S470 wird beurteilt, ob der im Schritt 450 auf der Basis der Verbindungsinformation und der Knoteninformation eingegebene Ort eine Straßenkreuzung ist, oder nicht. Bei der Beurteilung, ob der berechnet Ort eine Straßenkreuzung ist, oder nicht, kann eine Existenz einer Straßenkreuzung innerhalb einer vorbestimmten Distanz unter Verwendung einer Vorwärtsknoteninformation und Verbindungsinformation erfasst werden. Es kann auch bestimmt werden, dass der berechnet Ort eine Straßenkreuzung ist, wenn ein Weg des Fahrzeugs, vom GPS/DR-integrierten Filter berechnet, über einen Knoten der Straßenkreuzung verläuft oder wenn ein gemessener Stellungswinkel eine große Abweichung von einem Richtungswinkel der augen blicklich berechneten Straße hat, ohne Rücksicht auf die Tatsache, dass der Fahrweg noch nicht oder bereits vorbeigelaufen ist.
Aus der Beurteilung im Schritt S470 wird, wenn der im Schritt S450 berechnete Ort eine Straßenkreuzung ist, im Schritt S480 eine Verbindung einer benachbarten Kreuzung gewählt. Falls nicht, wird im Schritt S490 eine Verbindung der kürzesten Distanz vom berechneten Ort gewählt. In diesem Falle wird die gewählte Verbindung eine abgeglichene Karteninformation um die berechnete Ortskoordinateninformation.
Wie oben beschrieben, wenn der Kartenabgleich um die berechnete Ortskoordinateninformation ausgeführt worden ist, werden x- und y-Koordinaten entsprechend der abgeglichenen Verbindung im Schritt S500 berechnet. Dann gibt die Kartenabgleicheinheit 450 die Ortsinformation aus, so dass die Ortsinformation des Fahrzeugs an einem entsprechenden Ort im Schritt S510 angezeigt werden kann.
Das Verfahren zum Ermitteln eines Orts eines Fahrzeugs, wie in den 6 bis 10 dargestellt, ist in 11 enthaltne. 11 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Ermitteln eines Orts des Fahrzeugs in einem Fahrzeugnavigationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß 11 werden die Sensordaten, die Ortskoordinateninformation und Richtungsinformation des Fahrzeugs enthalten, von Sensoren eingegeben, die am Fahrzeugnavigationssystem installiert sind, im Schritt S610. Das Fahrzeugnavigationssystem initialisiert dann das GPS/DR-Filtermodell, um die erste Ortsinformation aus den Sensordaten im Schritt S620 zu berechnen, und berechnet die erste Ortsinformation mittels des GPS/DR-Filtermodells im Schritt S630. Das im Schritt S620 initialisierte GPS/DR-Filtermodell ist in Gleichung 1 gezeigt. Weiterhin ist ein Verfahren zum Berechnen der ersten Ortsinformation des Fahrzeugs mittels des GPS/DR-Filtermodells wie in Gleichung 2 gezeigt.
Wie oben beschrieben, wenn die erste Ortsinformation des Fahrzeugs berechnet wird, extrahiert das Fahrzeugnavigationssystem die Straßenlinearinformation mittels der ersten Ortsinformation im Schritt S640. Hier stellt die extrahierte Straßenlinearinformation Koeffizienten linearen Ausdrucks, in Gleichung 4 gezeigt, dar.
Das Fahrzeugnavigationssystem initialisiert das Kartenbegrenzungsfiltermodell auf der Grundlage der extrahierten Straßenlinearinformation im Schritt S650 und berechnet die zweite Ortsinformation mittels des Kartenbegrenzungsfiltermodells im Schritt S660. In diesem Falle ist das im Schritt S650 initialisierte Kartenbegrenzungsfiltermodell in Gleichung 5 gezeigt. Weiterhin ist in Gleichung 2 ein Verfahren zum Berechnen der zweiten Ortsinformation des Fahrzeugs mittels eines solchen Kartenbegrenzungsfiltermodells gezeigt.
Wie oben beschrieben, wenn die erste und die zweite Ortsinformation des Fahrzeugs berechnet werden, berechnet das Fahrzeugnavigationssystem die optimale Ortsinformation des Fahrzeugs mittels der ersten und der zweiten Ortsinformation im Schritt S670. Weiterhin erzeugt das Fahrzeugnavigationssystem die Filterkorrekturdaten zum Korrigieren GPS/DR-Filtermodells und des Kartenbegrenzungsfiltermodells im Schritt S680. In diesem Falle ist ein Verfahren zum Erzeugen der Filterdaten so wie in Gleichung 11 gezeigt.
Um weiterhin die endgültige Ortsinformation des Fahrzeugs zu bestimmen, wird die optimale Ortsinformation des Fahrzeugs, berechnet im Schritt S670, im Schritt S690 zur Kartenabgleicheinheit übertragen. Und im Schritt S700 werden das GPS/DR-Filtermodell und das Kartenbegrenzungsfiltermodell unter Verwendung der im Schritt S680 erzeugten Filterkorrekturdaten korrigiert.
Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Erfindung eine Begrenzung am Ort des Fahrzeugs durch Berechnen des Orts des Fahrzeugs unter Einschluss einer Straßenbreite anwenden nach Anwendung des Kartenbegrenzungsfilters am zweiten Filter im Vergleich zum Fall, wo nur die Straßenrichtung als ein gemessener Wert verwendet wird. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung die Genauigkeit der Ortsbestimmung für das Fahrzeug durch Ausführung einer Echtzeitkorrektur der Sensorinformation einschließlich eines Fehlers steigern, wenn immer die Sensorinformation eingegeben wird, unter Verwendung des Begrenzungsmodells mit der Karteninformation. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung eine aktuellere Ortsinformation liefern, da die im Messwert enthaltene Fehlerkomponente eine physikalische Bedeutung hat, die auf die aktuelle Breite der Straße bezogen ist. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung eine genauer Information einen Fahrer im Fahrzeugnavigationssystem liefern, die dem Fahrer eine Führungsmitteilung auf der Grundlage der laufenden Ortsinformation des Fahrzeugs bietet.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben worden ist, versteht der Fachmann doch, dass zahlreiche Änderungen in Form und Details daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen der Position eines beweglichen Körpers in einem Navigationssystem, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Kartendaten-Detektor (420), der auf Basis von Positionsinformationen des beweglichen Körpers Karteninformationen eines Bereiches erfasst, der Positionsinformationen in einem externen digitalen Kartenspeicher (30) entspricht, wobei die Positionsinformationen von Sensoren (10, 20) gesendet werden, die Positionskoordinaten und Bewegungsrichtungsinformationen des beweglichen Körpers erfassen; einen Speicher (430), der die von dem Kartendaten-Detektor erfassten Karteninformationen speichert; ein Filter (440), das auf Basis der Positionskoordinaten und der Bewegungsrichtungsinformation des beweglichen Körpers, die von den Sensoren gesendet werden, eine optimale Positionsinformation des beweglichen Körpers unter Berücksichtigung eines Straßenfehlers bezüglich der Breite der Straße, der in den Karteninformationen enthalten ist, berechnet; und eine Kartenabgleicheinheit (450), die die optimalen Positionsinformationen des beweglichen Körpers von dem Filter empfängt und die optimalen Positionsinformationen korrigiert, indem sie die optimalen Positionsinformationen und die in dem Speicher gespeicherten Karteninformationen abgleicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kartendaten-Detektor die Positionsinformationen des beweglichen Körpers von einem GPS-Sensor (10) empfängt, der ein GPS-Signalempfängt, und die Karteninformationen des Bereiches erfasst, der den Positionsinformationen entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Filter umfasst: ein erstes Filter (441), das die Positionsinformationen des beweglichen Körpers von einem GPS-Sensor (10) empfängt, der ein GPS-Signal empfängt, erste Positionsinformationen des beweglichen Körpers nach Empfangen der Bewegungsrichtungsinformationen einschließlich einer Geschwindigkeit und einer Bewegungsrichtung des beweglichen Körpers von einem Trägheitssensor (20) berechnet (S130, S630) und die berechneten ersten Positionsinformationen zu der Kartenabgleicheinheit sendet (S140); ein zweites Filter (442), das Straßen-Linearinformationen über die mit den ersten Positionsinformationen abgeglichenen Karteninformationen empfängt, zweite Positionsinformationen des beweglichen Körpers einschließlich eines Straßenfehlers nach Empfangen der Bewegungsrichtungsinformationen einschließlich der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung des beweglichen Körpers von dem Trägheitssensor berechnet (S230, S660); und ein drittes Filter (443), das die ersten Positionsinformationen des beweglichen Körpers von dem ersten Filter und die zweiten Positionsinformationen des beweglichen Körpers von dem zweiten Filter empfängt, die optimalen Positionsinformationen des beweglichen Körpers berechnet und die optimalen Positionsinformationen zu der Kartenabgleicheinheit sendet (S330).
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das erste Filter ein GPS/DR-Integrations-Kalman-Filter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei das zweite Filter ein Kartenbegrenzungsfilter (map constraint filter) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das dritte Filter Filterkorrekturdaten des ersten und des zweiten Filters auf Basis eines Berechnungsergebnisses der optimalen Positionsinformationen erzeugt (S323, S680) und die Filterkorrekturdaten an das erste sowie das zweite Filter ausgibt (S340).
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Filterkorrekturdaten Optimalzustands-Berechnungsinformationen und Fehlerinformationen eines Filters einschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kartenabgleicheinheit Einrichtungen umfasst, die erste Positionsinformationen mit Straßeninformationen, die in dem Speicher gespeichert sind, nach Empfangen der ersten Positionsinformationen des beweglichen Körpers von einem ersten Filter abgleichen; Straßen-Linearinformationen für den Standort des beweglichen Körpers auf Basis der ersten Positionsinformationen und der abgeglichenen Karteninformationen extrahieren (S430, S640); die Linearinformationen zu einem zweiten Filter senden (S440); die optimalen Positionsinformationen mit den in dem Speicher gespeicherten Straßeninformationen nach Empfangen der optimalen Positionsinformationen des beweglichen Körpers von einem dritten Filter abgleichen; und die optimalen Positionsinformationen korrigieren.
Verfahren zum Erfassen einer Position eines beweglichen Körpers in einem Navigationssystem, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: 1) Erfassen und Speichern von Karteninformationen, die Positionsinformationen entsprechen, in Reaktion auf Positionskoordinaten und Bewegungsrichtungsinformationen des beweglichen Körpers, die von Sensoren (10, 20) gesendet werden, die Positionskoordinaten und Bewegungsrichtungsinformationen des beweglichen Körpers erfassen, und Initialisieren (S120, S620) eines GPS-DR-Filtermodells; 2) Berechnen (S130, S630) erster Positionsinformationen des beweglichen Körpers auf Basis des GPS/DR-Filtermodells; 3) Abgleichen der ersten Positionsinformationen mit gespeicherten Karteninformationen und Extrahieren (S640) von Straßen-Linearinformationen für den Standort des beweglichen Körpers auf Basis der ersten Positionsinformationen und der abgeglichenen Karteninformationen; 4) Initialisieren (S220, S650) eines Kartenbegrenzungs-Filtermodells auf Basis der durch die Sensoren erfassten Bewegungsrichtungsinformationen des beweglichen Körpers und der in Schritt 3) extrahierten Straßen-Linearinformationen; 5) Berechnen (S230, S660) zweiter Positionsinformationen des beweglichen Körpers einschließlich eines Straßenfehlers bezüglich der Breite der Straße auf Basis eines Kartenbegrenzungsfilters; 6) Berechnen (S330, S670) optimaler Positionsinformationen des beweglichen Körpers auf Basis der in Schritt (2) berechneten ersten Positionsinformationen des beweglichen Körpers, und der in Schritt (5) berechneten zweiten Positionsinformationen des beweglichen Körpers; 7) Erzeugen (S680) von Filterkorrekturdaten zum Korrigieren eines Zustands und eines Fehlers des GPS/DR-Filtermodells und des Kartenbegrenzungs-Filtermodells auf Basis der berechneten optimalen Positionsinformationen; und 8) Korrigieren (S700) des Zustands und des Fehlers des GPS/DR-Filtermodells sowie des Kartenbegrenzungs-Filtermodells mittels der Filterkorrekturdaten.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die in Schritt (7) erzeugten Filterkorrekturdaten Optimalzustands-Berechnungsinformationen und Fehlerinformationen des GPS/DR-Filtermodells sowie des Kartenbegrenzungs-Filtermodells einschließen.