DE68919956T2 - Navigationssystem und -methode unter Benutzung von Landkartendaten. - Google Patents
Navigationssystem und -methode unter Benutzung von Landkartendaten.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Navigationssystem für Fahrzeuge wie Automobile und insbesondere ein Informationsverarbeitungssystem und -verfahren, das dafür geeignet ist, die Position eines Fahrzeugs anhand von Landkartendaten mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
- Wie es zum Beispiel in "Nikkei Electronics" vom 16. November 1987 auf den Seiten 119 - 130 beschrieben ist, wird bei einem bekannten Bord-Navigationssystem für ein Landfahrzeug wie einem Automobil ein Verfahren angewendet, bei dem sowohl die Position des Fahrzeugs selbst, die anhand der zurückgelegten Wegstrecke ermittelt wird, die von einem am Fahrzeug angebrachten Fahrzeug-Geschwindigkeitssensor erfaßt wird, als auch ein momentaner Azimutwinkel, der aus dem von einem Steuerwinkelsensor erfaßten Steuerwinkel oder dem von einem entsprechend angebrachten Magnetsensor erfaßten Stellungswinkel erhalten wird, auf Landkartendaten überlagert angezeigt wird.
- Es gibt auch ein Verfahren, bei dem, um die Genauigkeit der Abschätzung der Position des Fahrzeugs zu erhöhen, ein Empfänger für ein GPS (globales Positioniersystem) oder ein Empfänger für ein Lokalisserungs-Funkfeuer (Wegweiser), die Funkfeuer sind, die zum Aussenden von Informationen über die eigene absolute Position an Straßen angebracht sind, vorgesehen ist, und bei dem die vom System oder Funkfeuer erhaltenen Informationen zusammen mit den Daten für die erwähnte Wegstrecke oder den momentaren Azimutwinkel verwendet werden.
- Es ist des weiteren ein Verfahren bekannt, bei dem, um zu verhindern, daß die bestimmte momentane Position wegen eines Fehlers nicht auf einer Straße in der Landkarte liegt, die anzuzeigende momentane bestimmte Position anhand von Positionsinformationen für die Straßen in den Landkartendaten auf die Straße zu korrigiert wird. Ein Beispiel für dieses Verfahren ist in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 56 910/1986 beschrieben.
- Bei der ersten der erwähnten bekannten Techniken wird auf der Grundlage der Anfangsposition des Fahrzeugs zu Beginn der Reise oder zu Beginn der Anzeige der Position des Fahrzeugs die für jeden Moment erfaßte Wegstrecke und der momentane Azimutwinkel integriert, um für jeden späteren Zeitpunkt die momentane Position zu bestimmen. Sie hat daher den Nachteil, daß sich die Fehler in der Anfangsposition, der Wegstrecke und dem momentanen Azimutwinkel als Abweichung akkumulieren.
- Da sich bei der zweiten bekannten Technik die Position des Fahrzeugs direkt anhand des GPS oder der Lokalisierungs- Funkfeuer bestimmen läßt, nimmt der Positionsfehler nicht mit der Zeit zu. Nichtsdestoweniger verbleibt ein Fehler von mehreren zehn Metern bis zu mehreren hundert Metern.
- Diese beiden bekannten Techniken weisen daher das Problem auf, daß, wenn die bestimmte momentane Position in Überlagerung auf der Landkarte dargestellt wird, die dargestellte Position nicht auf einer Straße liegt, obwohl sich das Fahrzeug auf einer Straße bewegt.
- Bei der dritten bekannten Technik wird für jeden Zeitpunkt die Wahrscheinlichkeitsdichte für die momentane Position berechnet und mit der Position der Straße in den Landkartendaten verglichen. Wenn eine Stelle auf der Straße erfaßt wird, deren Wahrscheinlichkeit einen gewissen festen Schwellenwert übersteigt, wird sie als die momentane Position angezeigt. Die Wahrscheinlichkeitsdichte wird dabei als Gauß-Verteilung angenommen und durch eine kleine Anzahl von Parametern angenähert. Dabei tritt das Problem auf, daß aufgrund von Geschwindigkeitsvorschriften, Umleitungen usw. die Wahrscheinlichkeitsdichte in Wirklichkeit eine Gestalt haben kann, die von einer Gauß-Verteilung abweicht, so daß die Bestimmung nicht optimal ist. Ein weiteres Problem liegt darin, daß bei der Auswahl des Schwellenwertes die momentane Position in dem Fall zwangsweise auf einer Straße dargestellt wird, bei dem sich das Fahrzeug in Wirklichkeit nicht auf dieser Straße befindet, auf der die momentane Position angezeigt wird, sondern sich an einer Position wie einer Nebenstraße befindet, die in den Straßeninformationen der Landkartendaten nicht enthalten ist.
- In der EP 0 166 547 ist ein Fahrzeug-Navigationssystem beschrieben, das auf einer übertragenen Standortbestimmung beruht, die eine zugehörige Positions-Wahrscheinlichkeitsdichte angibt. Es wird dabei die Tatsache nicht berücksichtigt, daß bestimmte Gebiete auf der Karte eine verringerte Wahrscheinlichkeitsdichte oder eine solche von Null haben, z.B. die von einem Gebäude bedeckte Fläche, auf der ein Fahrzeug weniger wahrscheinlich ist oder sich nicht befinden kann.
- Die Positioniergenauigkeit für ein Fahrzeug wurde mittlerweile durch folgendes Verfahren verbessert: Auf einem CD- ROM aufgezeichnete Landkartendaten werden auf dem Bildschirm des Armaturenbrettes angezeigt, und der Startpunkt des Fahrzeugs wird auf der Karte des Bildschirms mit einem Cursor eingegeben, wenn das Fahrzeug die Reise beginnt. Die momentane Position wird dann auf der Karte des Bildschirms auf der Basis der Fahrzeuggeschwindigkeit und von Informationen über die Reiserichtung von einem terrestrischen Magnetsensor angezeigt. Insbesondere wird die ermittelte Trajektorie mit dem Routenmuster auf der Karte verglichen, und die Positionsinformation und das Kartenmuster werden am Kreuzungspunkt von Straßen oder bei den Kurven einer Straße nachgeprüft, um festzustellen, ob die Position des Fahrzeugs korrekt sein kann.
- In diesem Fall werden jedoch die Fehler des Azimutwinkels und der Fahrzeuggeschwindigkeit nur bei der Bewegung des Fahrzeugs durch einen besonderen Punkt und bei Gelegenheit korrigiert. Es wird entsprechend nicht das Problem berücksichtigt, daß keine Korrektur mehr möglich ist, wenn das Fahrzeug auf eine falsche Route gelangt ist.
- Bei diesem Verfahren erfolgt außerdem nur eine lokale Korrektur des Fehlers in der momentanen Position, der auf der Akkumulation der Fehler in den vorhergehenden Azimutwinkeln und Fahrzeuggeschwindigkeiten beruht. Ein weiteres Problem ist es daher, daß die Möglichkeit besteht, daß die ermittelte mnomentane Position auf dem Bildschirm nicht auf einer Straße liegt, oder daß das Fahrzeug auf eine Straße gelangt, die nicht zum Bestimmungsort führt, wenn auf die ermittelte Positionsinformation zurückgegriffen wird, die von der tatsächlichen momentanen Position abweicht.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System und ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Bestimmungsgenauigkeit der momentanen Position eines Fahrzeugs erhöht ist, um eine Anzeige zu ergeben, die mit einer Straßenkarte übereinstimmt.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein in einem Fahrzeug angeordnetes Navigationssystem zu schaffen, bei dem die auf der Basis von Informationsgrößen von mehreren Sensoren ermittelte Trajektorie mit dem Verlauf einer Straße in einer Speichervorrichtung wie einem CD-ROM verglichen wird, um es dadurch zu ermöglichen, die ermittelte momentane Position fortlaufend zu korrigieren und gleichzeitig die Sicherheit der Bestimmung zu bewerten.
- Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß mit dem Navigationssystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Das heißt, daß ein Navigationssystem, bei dem Kartendaten verwendet werden und das einen Geschwindigkeitssensor, einen Sensor für den momentanen Azimutwinkel, einen Speicher zum Speicher von Straßenkartendaten und einen Prozessor aufweist, dadurch gekennzeichnet ist, daß die Geschwindigkeit und der Azimutwinkel des Fahrzeugs vom Geschwindigkeitssensor bzw. dem Sensor für den momentanen Azimutwinkel erfaßt werden, daß laufend Schätzwerte für die Position des Fahrzeugs durch DP-Anpassungsberechnungen auf der Basis der erfaßten Geschwindigkeit und des erfaßten Azimutwinkels und der Kartendaten ermittelt werden, daß die Koordinaten einer Anzahl von Stellen einer Straße als die ermittelten momentanen Positionen zusammen mit Ungewißheiten (Aufwand) gespeichert werden, die der jeweiligen ermittelten momentanen Position entsprechen, und daß die ermittelten momentanen Positionen zum nächsten Zeitpunkt und die diesen entsprechenden Ungewißheiten anhand der erfaßten Geschwindigkeit und dem erfaßten Azimutwinkel und der Straßenkartendaten auf der Basis der ermittelten momentanen Positionen und der Ungewißheiten davon bewertet werden, wodurch die ermittelten momentanen Positionen iterativ erneuert werden.
- Vor der Beschreibung der Ausführungsformen wird das Prinzip und die Funktion der vorliegenden Erfindung erläutert.
- Wenn bezüglich der Berechnungseinheiten der Kartendaten in den jeweiligen Einheiten, die sich durch Quantisieren der Berechnungseinheiten ergeben, Wahrscheinlichkeitsdichten für die momentane Position bestimmt werden, können folgende Funktionen erhalten werden:
- Der Datenprozessor bestimmt die Lokalisierungswahrscheinlichkeit für das Fahrzeug an jeder Stelle, das heißt in jedem Moment die Wahrscheinlichkeitsdichte für die momentane Position auf der Basis der erfaßten Werte für den zurückgelegten Weg und die Reiserichtung und die Kartendaten. Der Punkt, an dem die Wahrscheinlichkeit einen Maximalwert annimmt, wird als der ermittelte Wert für die momentane Position genommen. Es wird dabei unter Verwendung einer vorherigen Wahrscheinlichkeit für die momentane Position, die auf einer durch die Kartendaten gegebenen Straße einen großen Wert hat und die an anderen Stellen kleine Werte aufweist, eine spätere Wahrscheinlichkeit berechnet, so daß der ermittelte Wert für die momentane Position nicht weit von der Straße abweicht. Wenn darüberhinaus die jeweiligen Positionen in Überlagerung auf den Kartendaten in, zum Beispiel, verschiedenen Farben entsprechend den Wahrscheinlichkeitsdichten angezeigt werden, kennt der Benutzer des Navigationssystems die ermittelte Situation für die momentane Positionen in jedem Moment sehr genau, und es kann gegenüber einem Verfahren, bei dem nur eine momentane Position angezeigt wird, das Risiko verringert werden, daß der Benutzer durch einen Ermittlungsfehler verwirrt wird.
- Das erfindungsgemäße Berechnungssystem wird nun erläutert.
- Es werde ein stochastischer Prozeß betrachtet, der durch die folgende Zustandsgleichung ausgedrückt wird, die durch Abtasten in geeigneten Zeitintervallen erhalten wird:
- wobei einen Zustandsvektor der Ordnung n, eine Vektorfunktion der Ordnung n und i einen externen Kraftvektor der Ordnung n bezeichnet. Der Buchstabe "i" ist ein Index für die Zeit. Es wird angenommen, daß die Wahrscheinlichkeitsdichte p( &sub0;) für &sub0; als Vorab-Information gegeben ist. Es wird auch angenommen, daß die Beobachtungsdaten für die externe Kraft jedesmal so erhalten werden, wie es durch die folgende Beobachtungsgleichung ausgedrückt ist:
- wobei einen Beobachtungsvektor der Ordnung n und einen Vektor der Ordnung n für das weiße Rauschen bezeichnet und angenommen wird, daß die Wahrscheinlichkeitsdichte p( ) davon gegeben ist.
- Es wird des weiteren angenommen, daß als einschränkende Bedingung eine konditionierte Wahrscheinlichkeitsdichte p( i+1 i) (i = 0, 1, ...) gegeben ist.
- Als erstes System wird das Bestimmungsproblem für das Finden des Zustandes N betrachtet, bei dem die spätere Wahrscheinlichkeit maximal wird,
- wenn die Beobachtungsdaten i (i = 0, ... N - 1) gegeben sind.
- Die Lösung dieses Problems ist unten angegeben. Auf der Basis der Modelle der Gleichungen (1) und (2) läßt sich die Gleichung (3) gemäß der Bayesschen Regel wie folgt ausdrücken:
- Für N = 1 gilt dabei
- Entsprechend kann gemäß Gleichung (5) auf der Basis der Modelle der Gleichungen (1) und (2) p( &sub1; &sub0;) erhalten werden, und gemäß Gleichung (4) kann für N ≥ 2 in den aufsteigenden Reihen von N p( N &sub0;, ... N-1) erhalten werden. Die Bestimmungswerte für die gewünschten Zustandsvektoren werden daher als die Zustände N erhalten, für die die erwähnte Wahrscheinlichkeit bei den jeweiligen Werten von N maximal ist. Dies ist die Lösung des Bestimmungsproblems auf der Basis des ersten Systems.
- Als zweites System wird das Bestimmungsproblem zum Finden der Zustandsreihe i (i = 0, 1, ... N) betrachtet, bei der die spätere Wahrscheinlichkeit maximal wird,
- wenn die Beobachtungsdaten i (i = 0, ..., N - 1) wieder gegeben sind.
- Die Lösung dieses Problem ist wie folgt. Auf der Basis der Modelle der Gleichungen (1) und (2) läßt sich die Gleichung (6) gemäß der Bayesschen Regel wie folgt ausdrücken:
- Beide Seiten der Gleichung (7) werden umgewandelt in
- Dabei ist
- Obwohl das Problem darin besteht, die Zustände &sub0;, &sub1;, ... und N zu finden, bei denen IN maximal wird, soll der folgende Maximalwert JN( N) mit dem angenommenerweise gegebenen Zustand N betrachtet werden:
- Aus der Gleichung (8) wird erhalten:
- wobei
- gilt. Mit der Gleichung (11) kann auf der Basis der Modelle der Gleichungen (1) und (2) J&sub1;( &sub1;) und anhand der Gleichung (8) C( N, N-1) berechnet werden, so daß sich durch die von N = 2 aufsteigenden Reihen von N mit der Gleichung (10) JN( N) bestimmen läßt.
- Wenn angenommen wird, daß auf diese Weise der Maximalwert JN( N) erhalten wurde, wird das maximalisierende N unter den gewünschten Zuständen &sub0;, &sub1;, ... N zu dem Zustand N, der die Wahrscheinlichkeit IN maximal werden läßt, da sich die Gleichung (9) wie folgt umformen läßt:
- Die Zustände &sub1;, ... bis N-1 werden durch Lösen der Gleichung (10) in den absteigenden Reihen von N auf der Basis dieses Zustands N erhalten und der letzte Zustand &sub0; aus der Gleichung (11). Dies ist die Lösung des Bestimmungsproblems auf der Basis der zweiten Systems. Die spätere Wahrscheinlichkeit (6) ist dabei übrigens wegen Gleichung (8) gegeben durch
- Gemäß der obigen Prozedur kann die Wahrscheinlichkeitsdichte auch dann genau berechnet werden, wenn sie nicht die Form einer Gauß-Verteilung hat.
- Es wird nun das Prinzip und die Funktionen erläutert, wenn aus der Anzahl von ermittelten momentanen Positionen eine ermittelte momentane Position mit geringer Ungewißheit (Aufwand) herausgefunden wird.
- Es werde eine momentane Trajektorie nur aus Straßendaten und Daten von im Fahrzeug befindlichen Sensoren ermittelt und wie in der Fig. 23 gezeigt als die gesamte Trajektorie von einem Startpunkt A zu dem Punkt für die momentane Zeit B angepaßt. Die momentane Trajektorie und die Straßendaten für die in Frage kommenden Routen, die anzupassen sind, werden durch die Werte θv(j) und θr(j) für die momentanen Azimutwinkel von Einheitsdistanzen ΔS längs den jeweiligen Routen vom Startpunkt A ausgedrückt. Es wird angenommen, daß am Punkt B j = N ist.
- Die Anpassung der momentanen Trajektorie AB an die in Frage kommende Route erfolgt durch Minimieren der folgenden Anpassungs-Aufwandsformel:
- Der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (14) bezeichnet den Aufwand, der die Umwandlung der momentanen Trajektorie AB betrifft, und der erste Term den Grad der Nichtübereinstimmung der umgewandelten Route. Der Buchstabe W gibt die Gewichtung der beiden Aufwände an, und der Grad, bei dem die Umwandlung erlaubt ist, erhöht sich mit Kleinerwerden des Wertes W. Bei der Gleichung (14) wird der Fall angenommen, daß sich auf den Geschwindigkeitsdaten und den Daten für den laufenden Azimutwinkel, die zum Berechnen der laufenden Trajektorie verwendet werden, zufällige Fehler überlagern, und daß der Fehler des zurückgelegten oder laufenden Weges die Akkumulation des Geschwindigkeitsfehlers ist. Eine die Gleichung (14) minimierende Trajektorien-Umwandlungsdatenfolge {εj*} gibt an, wie die laufende Trajektorie AB für die Anpassung umzuwandeln ist, und der Minimalwert J* gibt den Anpassungsfehler an, der auch bei einer optimalen Anpassung bleibt. Wenn aus der Trajektorien-Umwandlungsdatenfolge {εj*} für die optimale Umwandlung bekannt ist, daß die ermittelte Position B für den momentanen Zeitpunkt auf einer Straße liegen soll, kann die ermittelte momentane Position B, die neben der Straße liegt, unter Berücksichtigung der gesamten Route auf die Straße B' zu korrigiert werden.
- Wenn der Minimalwert J* für den Anpassungsaufwand gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist, läßt sich feststellen, daß die Anpassung unvernünftig ist. Wenn darüberhinaus der Anpassungsaufwand, der nicht das Minimum darstellt, aber nahe am Minimum liegt, in der Reihenfolge kleiner werdender Werte in J¹, J², ... umgestellt werden und die entsprechenden Trajektorien-Umwandlungsdatenfolgen als {εj1}, {εj2}, ... eingestellt werden, können zusammen mit dem Übereinstimmungsgrad quasi-optimale Übereinstimmungsoperationen erhalten werden.
- Es wurde der Fall betrachtet, daß die laufende Trajektorie an eine einzige Straße angepaßt wird, die keine Abzweigung hat. Wenn in den Straßendaten Abzweigungen wie Kreuzungen von Straßen enthalten sind, werden alle Routen aufgenommen, die das Fahrzeug nehmen kann, woraufhin das Ergebnis der einzigen optimalen Anpassung, die für alle in Frage kommenden Routen bestimmt wird, und die Ergebnisse einer Anzahl von quasi-optimalen Anpassungoperationen erhalten werden.
- Der Endpunkt B der laufenden Trajektorie erstreckt sich mit der Bewegung des Fahrzeuges immer weiter, und der Weg entlang der Trajektorie steigt von N auf N + 1 ... an. Es wird auch für jeden Moment bei der Bewegung des Fahrzeugs die optimale Trajektorienumwandlung {εj*} berechnet, die den Anpassungsaufwand der Gleichung (14) minimiert, und die korrigierte (angezeigte) momentane Position B' ändert sich jeden Moment. Die Trajektorienumwandlung {εj*} : j = 1 - N bis zur momentanen Position j = N gibt jedoch nicht immer die vorhergehenden N Terme der optimalen Umwandlung {εj*}: j = 1 - M bezüglich der letzten Position von j = M (M > N) wieder. Das heißt, auch wenn die Kompensation der Position bis hinauf zu einem gewissen Zeitpunkt fehlerhaft ist, wird die optimale Anpassung der gesamten Route einschließlich der folgenden Trajektorie herausgefunden, wodurch ein Fehler beseitigt werden kann. Insbesondere wenn der Anpassungsaufwand der Gleichung (14) in Abhängigkeit von der Position j längs jeder Route wie folgt zerlegt wird
- und der Anpassungsaufwand Jj* einer jeden Position festgestellt wird, ist es möglich, das Auftreten der folgenden Fälle auf der momentanen Route zu beurteilen:
- (i) Momentane Abweichung von den Straßendaten
- (ii) Fehler in den Daten der Bordsensoren.
- Die optimale Anpassung, mit der Gleichung (14) minimal wird, kann durch DP (dynamische Programmierung) erhalten werden. Wie in der Fig. 24(a) gezeigt, werden die Positionen längs der Trajektorie und die Positionen längs der Straßendaten jeweils auf der Achse der Abszisse bzw. Ordinate angeordnet, wodurch Gitterpunkte betrachtet werden. Wie in der Zeichnung gezeigt, werden von jedem Gitterpunkt die möglichen Wege in drei Richtungen genommen, denen jeweils ein Aufwand W, O und W zugeordnet wird, und auf dem Gitterpunkt wird der Aufwand zu {θv(i) - θr(j)}². Wenn mit J*(i, j) die eine der Anpassungsoperationen für die Position auf der Trajektorie an die Position der Straßendaten bezeichnet wird, die den Aufwand der Gleichung (14) minimal macht, ist es der Minimalwert der Summe der Aufwände auf den Wegen in den möglichen Routen vom Ursprung zum Gitterpunkt (i, j) in der Fig. 24(a) und der Aufwand auf dem Gitterpunkt. εj bezeichnet -1, 0 oder 1. Die Gleichung für die DP wird zu:
- Der optimale Anpassungsaufwand J* am Punkt j ist J*(i, j). Bei den DP-Berechnungen werden die Minimalwerte J*(i, j) aufeinanderfolgend vom Ursprung J*(0, 0) = 0 gemäß Gleichung (16) erhalten.
- Es sei nun der laufende Weg des Fahrzeugs j = N und j*(i, N) bereits berechnet, dann wird j*(i, N+1) für die nächste Fahrzeugposition j = N + 1 durch Ausführen nur der Berechnung der letzten Stufe bezüglich j = N + 1 in den DP-Kalkulationen erhalten. Die DP-Berechnungen können daher durch eine iterative Verarbeitung entsprechend der Bewegung des Fahrzeugs ausgeführt werden. Es wird wiederholt festgestellt, daß die bestimmte (kompensierte) Fahrzeugposition bei j = N die Position i*(N) auf der Straße ist, bei der J*(i, N) minimal ist.
- Die obigen Berechnungen breiten sich mit der Bewegung des Fahrzeugs schnell auf dem Gitter der Fig. 24(b) aus, und die Anzahl von Punkten, an denen J*(i, j) zu berechnen ist, steigt proportional zum Anstieg der Positionen j (der Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs) an. Wenn der Aufwand J*(i, j) einen Schwellenwert erreicht hat, wird daher die Berechnung der Route beendet, wenn der entsprechende Gitterpunkt passiert ist, um unnötige Berechnungen zu vermeiden und um das Ausmaß an Berechnungen für jede Zeit im wesentlichen konstant zu halten. Der Startpunkt für die Aufwandsberechnung, das heißt der Startpunkt der Trajektorie, die anzupassen ist, wird ebenfalls entsprechend der Bewegung des Fahrzeugs verschoben, um die Länge der Trajektorie konstant zu halten, und der Schwellenwert zur Feststellung des Aufwandes J*(i, j) wird auch auf einem konstanten Wert gehalten.
- Auf die obige Weise kann die Fahrzeugposition durch das optimale Anpassen der gesamten Trajektorie an die Straßendaten korrigiert werden, und die Berechnungen zum Herausfinden der optimalen Anpassung können durch iteratives Verarbeiten der DP entsprechend der Bewegung des Fahrzeugs ausgeführt werden. Obwohl Gleichung (14) als ein Beispiel für die Anpassungsaufwandsformel angegeben wurde, auf der die DP-Berechnungen beruhen, ist die vorliegenden Erfindung nicht auf diese Gleichung beschränkt.
- Bei jedem der Berechnungssysteme werden die Quantisierungseinheiten für die Positionen, mit denen die Wahrscheinlichkeit oder der Aufwand für die ermittelte Fahrzeugposition berechnet werden, anhand der Erfassungsgenauigkeit der Erfassungseinrichtungen und der Quantisierung der Kartendaten (und der Verarbeitungsgeschwindigkeit der Berechnung) bestimmt. Die Punkte im zweidimensionalen Raum der Landoberfläche werden im "Wahrscheinlichkeits"-System quantisiert, während die Punkte auf den Straßensegmenten im "DP"-System quantisiert werden. Die Quantisierungseinheiten für die Positionen brauchen im Fall der Darstellens des ermittelten Ergebnisses für die Fahrzeugposition für den Benutzer durch eine Bildanzeige oder eine andere Einrichtung nicht immer mit den Quantisierungseinheiten für die Berechnung übereinzustimmen.
- Die vorstehenden und andere Aufgaben, Vorteile, Betriebsarten und neuen Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen ersichtlich.
- Die Fig. 1 ist ein allgemeines Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Bord-Navigationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
- die Fig. 2 zeigt ein Anzeigebeispiel für eine Karte und eine Fahrzeugposition;
- die Fig. 3 eine Darstellung der Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition;
- die Fig. 4 die geometrischen Beziehungen für eine laufende Route;
- die Fig. 5 die Anfangswerte für die Wahrscheinlichkeitsdichte auf einer Zufahrtsstraße;
- die Fig. 6 die Anfangswerte für die Wahrscheinlichkeitsdichte auf einer anderen Straße;
- die Fig. 7 die konditionierte Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition in der Zufahrtsstraße;
- die Fig. 8 die konditionierte Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition, wenn die Möglichkeit der Bewegung neben einer Straße besteht;
- die Fig. 9 die konditionierte Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition, die außerhalb einer Straße liegt;
- die Fig. 10 eine Prozedur zur Bestimmung der Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition;
- die Fig. 11 eine ermittelte laufende Route;
- die Fig. 12 eine Prozedur zur Bestimmung der Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition bei einer anderen Ausführungsform;
- die Fig. 13 das Format von Knotendaten in den Kartendaten;
- die Fig. 14 das Format von Verbindungsdaten in den Kartendaten;
- die Fig. 15 ein allgemeines Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Bord-Navigationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
- die Fig. 16 ein Blockschaltbild von Bordeinrichtungen;
- die Fig. 17 ein Blockschaltbild einer Zentraleinrichtung;
- die Fig. 18 ein Blockschaltbild von Bordeinrichtungen bei einer anderen Ausführungsform des Fahrzeug-Lokalisierungssystems;
- die Fig. 19 ein Blockschaltbild einer Zentraleinrichtung bei der zweiten Ausführungsform;
- die Fig. 20 die Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition in einer Zufahrtsstraße;
- die Fig. 21 die Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition in einem städtischen Gebiet;
- die Fig. 22 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bord-Navigationssystems;
- die Fig. 23 ein Diagramm zur Erläuterung von Kartendaten und einer Trajektorie;
- die Fig. 24(a) ein Diagramm zur Erläuterung der DP-Anpassung und die Fig. 24(b) ein Diagramm zur Erläuterung der Beendigung der DP-Berechnungen auf der Basis der Überprüfung des Anpassungsaufwandes; und
- die Fig. 25(a) und 25(b) Kartendaten bzw. das Tabellenformat dafür.
- Anhand der Zeichnung werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
- Die Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bord-Navigationssystems für ein Fahrzeug. Ein Datenprozessor 4 berechnet für jeden Moment die Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition gemäß einem später noch zu beschreibenden Verfahren auf der Basis von laufenden Daten für den Weg, die das Ausgangssignal einer Erfassungseinrichtung 1 für den laufenden Weg zum Messen der Anzahl von Umdrehungen eines Rades oder dergleichen sind, von Daten für den Fahrzeug-Azimutwinkel, die das Ausgangssignal einer Erfassungseinrichtung 2 für den Fahrzeug-Azimutwinkel zum Messen eines Steuerwinkels, des terrestrischen Magnetismusses oder dergleichen sind, und von Kartendaten, die in einem Speicher 5 gespeichert sind. Das Ergebnis der Berechnung wird in einen Bildspeicher 6 eingeschrieben und auf einer Bildanzeigevorrichtung 7 zusammen mit den Kartendaten dargestellt. Der Fahrer des Fahrzeugs kann daher aus der Anzeige seine Position in der Karte erkennen.
- Die Fig. 2 zeigt ein Anzeigebeispiel auf der Anzeigevorrichtung 7. Die Kartendaten wie Straßen 21 und die Informationen 22 über die Fahrzeugposition werden auf einem Bildschirm 20 dargestellt. Die Informationen werden wie in der Fig. 3 gezeigt aus der Wahrscheinlichkeitsdichte 30 für die Fahrzeugposition erzeugt. Das heißt es wird eine Anzeige dargestellt, in der die Werte für die Wahrscheinlichkeitsdichten von einzelnen Punkten (x, y) abgelesen werden können. Zum Beispiel werden die Punkte mit Helligkeiten oder Farben dargestellt, die sich mit den Werten ändern.
- Es wird nun der Vorgang der Bestimmung der Fahrzeugposition im Datenprozessor 4 beschrieben. Es werde ein geometrisches Modell wie in der Fig. 4 gezeigt betrachtet. Im Kartenkoordinatensystem 40 ist der Zustand des Fahrzeugs zu = (xy)T definiert. Der laufende Weg Vi und Azimutwinkel θi des Fahrzeugs in jeder der Zeitzonen, in der eine zeitliche Periode in regelmäßige Intervalle unterteilt ist, werden durch die Erfassungseinrichtungen 1 und 2 bereitgestellt. Eine Route 41 kann durch die folgende Wahrscheinlichkeitsgleichung ausgedrückt werden:
- Zusätzlich wird eine Beobachtungsgleichung zu
- wobei
- i bezeichnet dabei die Erfassungsfehler der Größen Vi und θi, die als weißes Rauschen betrachtet werden können. Wenn die Wahrscheinlichkeitsdichte p( &sub0;) für den Anfangswert &sub0; der Position des Fahrzeugs zu Beginn der Bewegung des Fahrzeugs oder zu Beginn der Anzeige der Fahrzeugposition nun gegeben tst, können die Wahrscheinlichkeitsdichten p( i) für die folgenden Zustände i auf der Gleichung (17) berechnet werden. Die Grenzlinie von 1 für (i = 1, ...) p(xi) wird durch die geschlossene Kurve 42 dargestellt. Die in die geschlossene Kurve 42 eingeschlossenen Bereiche steigen aufgrund der Störungen i mit 'i' an. Das heißt, die Fahrzeugposition wird allmählich undefiniert. Die Wahrscheinlichkeitsdichte p( &sub0;) kann zum Beispiel wie unten angegeben sein. Mittels einer Tastatur 8 gibt der Benutzer die momentane Position des Fahrzeugs nach seiner Beurteilung in der Kartenabbildung an, die auf der Anzeigevorrichtung 7 angezeigt wird. Der Prozessor 4 berechnet aus den Positionsinformationen p( &sub0;). Wenn die eingegebene Position in der Kartendarstellung auf einer Straße liegt, ist p( &sub0;) eine Dichtverteilung 51, die um die angegebene Position auf der Straße 50 zentriert ist, wie es in der Fig. 5 gezeigt ist. Wenn demgegenüber die eingegebene Position in der Kartendarstellung nicht auf einer Straße liegt, ist p( &sub0;) eine Dichtefunktion 60, die sich auf der (x, y)-Ebene um die angegebene Position erstreckt, wie es in der Fig. 6 gezeigt ist. Die Dichtefunktion hat zum Beispiel die Form einer Gauß-Verteilung. Wenn die Form der Dichtefunktion für &sub0;, die von der Position in der Karte abhängt, aus der Verteilung von schmalen Straßen, leeren Grundstücken usw. bekannt ist, kann sie als p( &sub0;) angegeben werden. Eine solche funktionelle Form kann durch Feststellen der Position, der Art der Straße usw. im Prozessor 4 leicht herausgefunden werden.
- Die Bestimmung der Fahrzeugposition anhand der Kartendaten stimmt mit dem vorstehenden System überein, in dem die spätere Wahrscheinlichkeit der Gleichung (3) maximal gemacht wird. Entsprechend den Kartendaten werden einschränkende Bedingungen p( i+1 i) (i = 0, 1, ...) vorgegeben, wie es unten angegeben ist.
- Wenn die momentane Stelle i in einem Abschnitt wie einer Zufahrt liegt, in der das Fahrzeug die Straße nicht verlassen kann, wird die Bedingung p( i+1 i) zu einer eindimensionalen Wahrscheinlichkeitsdichte 71, die über die Straße 70 verteilt ist, wie es in der Fig. 7 gezeigt ist. In diesem Fall kann die Wahrscheinlichkeitsdichte 271 eine Bedingung P( i+1 i) sein, die gleichmäßig über eine Straße 270 verteilt ist, wie es in der Fig. 20 gezeigt ist. Andererseits wird, wenn die momentane Stelle i auf einer Zufahrt liegt, sich jedoch in der Nähe des unteren Stromes der Fahrzeugbewegung ein Servicebereich oder dergleichen befindet, der in den Straßendaten der Karte nicht vorhanden ist, oder wenn die Stelle i in einer städtischen Straße oder dergleichen liegt und ein Punkt ist, an dem das Fahrzeug die Straßen in der Karte verlassen kann, die Bedingung p( i+1 i) zu der Wahrscheinlichkeitsdichte 81, die in zwei Dimensionen um die Straße 80 in der Karte verteilt ist, wie es in der Fig. 8 gezeigt ist. Wenn die momentane Stelle i außerhalb einer Straße 90 in der Karte liegt, das heißt wenn sie im Servicebereich der Zufahrt, einer schmalen Straße in einem städtischen Gebiet, einem Parkplatz oder dergleichen liegt, wird die Bedingung p( i+1 i) zu einer zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsdichte 92, die in zwei Dimensionen um die momentane Stelle i 91 verteilt ist, wie es in der Fig. 9 gezeigt ist. Die Bedingung p( i+1 i) gibt die Wahrscheintichkeitsdichte für die Fahrzeugposition i+1 an, die zum nächsten Zeitpunkt mit der Position i als Startpunkt angenommen werden kann, und sie kann aus den möglichen niedrigsten und höchsten Geschwindigkeiten, einer Abzweigungswahrscheinlichkeit an einem Verzweigungspunkt usw. für jeden der Fälle in der Beziehung zwischen der Straße und der Stelle i bestimmt werden. Auch in diesem Fall wird die Bedingung P( i+1 i) zu der Wahrscheinlichkeitsdichte 281, die um eine Straße 280 verteilt ist, wie es in der Fig. 21 gezeigt ist.
- Auch kann die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit aus dem Ausgangssignal eines Wegmessers oder eines Geschwindigkeitsmessers ermittelt werden, der sich im Fahrzeug befindet.
- Damit sind die zeitlichen Reihen &sub1; ... bis N der Zustände bestimmt, bei denen die spätere Wahrscheinlichkeit der Gleichung (3) für die gegebene Zustandsgleichung (17), die Beobachtungsgleichung (18), die Anfangswahrscheinlichkeitsdichte p( &sub0;) und die Beobachtungsdaten i (i = 0, ... N -1) maximal wird. Zuerst wird für N = 1 die Wahrscheinlichkeitsdichte p( &sub1; &sub0;) für alle Werte bestimmt, die für &sub1; genommen werden können, in Übereinstimmung mit Gleichung (5). Der Zustand &sub1;, der den Maximalwert für die Wahrscheinlichkeitsdichte ergibt, entspricht der zu diesem Zeitpunkt wahrscheinlichsten Stelle des Fahrzeugs. Die Wahrscheinlichkeitsdichte p( &sub1; &sub0;) wird im Speicher 9 der Fig. 1 gespeichert, so daß sie zum nächsten Zeitpunkt verwendet werden kann, und sie wird auch zum Speicher 6 gegeben, um dargestellt zu werden. Zum Zeitpunkt von oder nach N = 2, werden, wie in der Fig. 10 gezeigt, die spätere Wahrscheinlichkeit p( N-1 &sub0;, ... N-2) 100, die zum vorhergehenden Zeitpunkt bestimmt wurden, aus dem Speicher 9 ausgelesen, und es werden die Wahrscheinlichkeitsdichten p( N-1 &sub0;, ... N-1) für alle Werte erhalten, die N annehmen kann, in Übereinstimmung mit Gleichung (4) und durch die Verwendung der Beobachtung N-1 101, wobei das erhaltene Ergebnis in den Speicher 9 (103) eingeschrieben und zum Speicher 6 gegeben wird, um dargestellt zu werden.
- Die Grenzlinie 1 für die erhaltenen späteren Wahrscheinlichkeiten nimmt die beim Bezugszeichen 110 in der Fig. 11 gezeigte Gestalt an, und die von der Kurve 110 umschlossene Fläche ist kleiner als im Falle der Kurve 42 der Fig. 4. Dies zeigt eine Abnahme des Fehlers in der Bestimmung an.
- Die Fahrzeugposition kann daher zum momentanen Zeitpunkt zusammen mit der Zuverlässigkeit dafür abgelesen werden. Der Punkt, bei dem die Wahrscheinlichkeit maximal wird, ist der erwartete Wert für die momentane Position. Wenn die Straße wie in der Fig. 2 verzweigt und wenn in zwei oder mehr Straßen bedeutende Werte für die spätere Wahrscheinlichkeit vorliegen, können alle Werte dargestellt werden, wie es beim Bezugszeichen 23 gezeigt ist.
- Die Berechnungen müssen dabei für alle die fortlaufenden Werte N ausgeführt werden, die die spätere Wahrscheinlichkeit p( N &sub0;, ... N-1) annehmen kann. Bei der tatsächlichen Verarbeitung können sie jedoch auch für Punkte ausgeführt werden, die durch Abtasten der Kartenkoordinaten in geeigneten Intervallen erhalten werden.
- Dabei werden die Integralberechnungen der Gleichungen (4) und (5) zu der Summe von Produkten.
- Der Wert von p( i) (i = 0, ... N - 1) kann übrigens so bestimmt werden, daß die Integration von p( N &sub0;, ... N-1) bezüglich N zu Eins wird.
- Die zweite Ausführungsform besteht im Ersetzen der Verarbeitungsinhalte des Prozessors 4 der ersten Ausführungsform des Navigationssystems, das sich im Fahrzeug befindet. Ähnlich wie vorstehend sind die Anfangs-Wahrscheinlichkeitsdichte p( &sub0;) und die konditionierte Wahrscheinlichkeitsdichte p( i+1 i) (i = 0, ... N - 1) vorher gegeben. Der Prozessor 4 führt, wie in der Fig. 12 gezeigt, die folgenden Verarbeitungsschritte aus:
- Es werden die Reihen &sub0;, &sub1;, ... N der Zustände bestimmt, bei denen die spätere Wahrscheinlichkeit der Gleichung (6) für die gegebene Zustandsgleichung (17), die Beobachtungsgleichung (18), die Anfangs-Wahrscheinlichkeitsdichte p( &sub0;) und die Beobachtungsdaten i (i = 0, ... N - 1) maximal wird. Zuerst wird für N = 1 für alle Werte von &sub1; J&sub1;( &sub1;) bestimmt, gemäß Gleichung (11). J&sub1;( &sub1;), das dem Maximalwert für die spätere Wahrscheinlichkeitsdichte p( &sub0;, &sub1; y&sub0;) entspricht, die für ein gegebenes &sub1; erhalten wird, wird im Speicher 9 gespeichert, um zum nächsten Zeitpunkt verwendet zu werden. Die Dichte p( &sub0;, &sub1; &sub0;) wird zum Speicher 6 gegeben, um dargestellt zu werden. Zum Zeitpunkt von oder nach N = 2 wird, wie in der Fig. 12 gezeigt, der Aufwand JN-1( N-1) 120 aus dem Speicher 9 ausgelesen, der dem Maximalwert der folgenden späteren Wahrscheinlichkeit entspricht, der bei der Bestimmung von N-1 erhalten wird:
- C( N, N-1) wird für alle Werte erhalten, die N annehmen kann, in Übereinstimmung mit Gleichung (8) und durch die Verwendung der Beobachtung N-1 121, und aus den beiden wird in Übereinstimmung mit Gleichung (10) JN( N) 123 berechnet und in den Speicher 9 eingeschrieben (122). JN( N) ist der Maximalwert der folgenden späteren Wahrscheinlichkeit, der bei gegebenem N erhalten wird:
- Er wird zum Speicher 6 gegeben, um dargestellt zu werden. Die Anzeige kann auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform erfolgen.
- Die zu jedem Zeitpunkt dargestellte spätere Wahrscheinlichkeit
- gibt die spätere Wahrscheinlichkeit für den Fall an, daß im Sinne der maximalen späteren Wahrscheinlichkeit mit dem bekannten Zustand N als Endpunkt die optimale Route genommen wird. Wenn die Fahrzeugroute 11 in der Vergangenheit bekannt ist, kann die im folgenden beschriebene Verarbeitung im Prozessor 4 ausgeführt werden. Die Gleichung (10) wird in absteigenden Reihen von N auf der Basis der Zustandes N am gegebenen Endpunkt gelöst, wodurch die Zustände N der optimalen Routen in den absteigenden Reihen von N erhalten werden. Dabei sind die Werte dN und θN aus der Vergangenheit erforderlich. Zu diesem Zweck können die Ausgangssignale der Erfassungseinrichtungen 1 und 2 im Speicher vorher abgespeichert werden, um sie bei Bedarf auszulesen.
- JN( N) kann für die jeweiligen Punkte berechnet werden, die durch Abtasten aller für N möglichen Werte erhalten werden. Zusätzlich kann ein geeigneter fester Wert als p( i) (i = 0, ... N - 1) vorgegeben werden. Die damit erhaltene spätere Wahrscheinlichkeit hat einen Wert, der somit einer Skalierung unterworfen ist.
- Es wird nun eine Ausführungsform beschrieben, bei der jeweils für die Erfassungseinrichtung 1 für den laufenden Weg oder/und für die Erfassungseinrichtung 2 für den Azimutwinkel des Fahrzeugs eine Mehrzahl von Einrichtungen vorgesehen ist, um den Einfluß der Fehler in den Erfassungsdaten, die das Ausgangssignal der Erfassungseinrichtungen darstellen, zu verringern und die Bestimmungsgenauigkeit für die momentane Position des Fahrzeugs zu erhöhen. Die hinzugefügte Erfassungseinrichtung für den laufenden Weg ist zum Beispiel ein Trägheits-Navigationssystem. Die Erfassungseinrichtung für den Azimutwinkel des Fahrzeugs ist eine Einrichtung zum Messen des Unterschiedes in den Drehwinkeln der rechten und linken Räder, des Azimutwinkels der Sonne oder eines bestimmten Himmelskörpers oder dergleichen. Die Verarbeitung im Prozessor 4 kann dabei wie folgt geändert werden: Wenn Vi' den laufenden Weg des Fahrzeugs, wie er in der i-ten Zeitzone von der zusätzlichen Erfassungseinrichtung gemessen wird, und θi' den Azimutwinkel des Fahrzeugs bezeichnet, dann wird zusätzlich zur Gleichung (18) folgende Gleichung als Beobachtungsgleichung erhalten:
- wobei
- Der auf der Gleichung (18) basierende Beobachtungsvektor i und der obige Beobachtungsvektor i' werden kobiniert, um einen neuen vierdimensionalen Beobachtungsvektor zu erzeugen
- woraufhin der ermittelte Wert für die momentane Position i, bei der die spätere Wahrscheinlichkeit der Gleichung (3) oder (6) maximal ist, durch Ersetzen des Beobachtungsvektors i der Gleichung (2) durch den neuen Beobachtungsvektor gefunden wird. Die Verarbeitungsprozedur ist dabei ähnlich wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform. Die Anzahl Dimensionen des Beobachtungsvektors nimmt jedoch zu. Wenn auf der Basis der dritten Erfassungseinrichtung ein Beobachtungsvektor i'' erhalten wird, kann der folgende sechsdimensionale Beobachtungsvektor verwendet werden:
- Dasselbe gilt für Beobachtungsvektoren von noch mehr Dimensionen. Falls eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen vorgesehen ist, kann wie folgt eine Abnormalität der Erfassungsdaten festgestellt werden: Bei einer Erfassungseinrichtung wie einem Azimutsensor für den terrestrischen Magnetismus, der von Störungen stark beeinflußt wird, wird das Ausgangssignal davon mit dem eines Sensors hoher Zuverlässigkeit wie einem Kreisel verglichen, und wenn der Unterschied zwischen den Ausgangssignalen größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, wird das Ausgangssignal des Azimutsensors für das terrestrische Magnetfeld als abnormal betrachtet. Wenn wenigstens drei Sensoren vorgesehen sind, können die Ausgangssignale der Sensoren verglichen werden, und wenn ein Ausgangssignal sich von den beiden anderen um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert unterscheidet, wird es als abnormal betrachtet.
- Es wird nun die vierte Ausführungsform beschrieben, bei der zusätzlich zu den Erfassungseinrichtungen 1 und 2 eine Einrichtung 3 zum Erfassen von Informationen über die momentane Position des Fahrzeugs vorgesehen ist. Diese Einrichtung schließt das GPS und Funkfeuer von Wegweisern, das Loransystem usw. ein. Auch entspricht dieser Einrichtung das Halten von Fluggeräten in großen Höhen, um als Funkfeuer verwendet zu werden, und das Erfassen der Neigung des Fahrzeugkörpers auf der Basis der Radaufhängung oder der Last des Fahrzeugmotors, wie es später angegeben wird. Die Verarbeitung im Prozessor 4 kann dabei wie folgt geändert werden: Entsprechend dem Detektor 3 wird eine Beobachtungsgleichung (21) aufgestellt:
- bezeichnet dabei einen Beobachtungsvektor der Ordnung m, eine Vektorfunktion der Ordnung m und einen Vektor für das weiße Rauschen der Ordnung m, wobei angenommen wird, daß die Wahrscheinlichkeitsdichte p( ) davon gegeben ist.
- Hinsichtlich der ersten Ausführungsform wird anstelle der Gleichung (3) die Beobachtung der Gleichung (21) hinzugefügt, und die folgende spätere Wahrscheinlichkeit wird maximal gemacht:
- Die für die Lösung dieses Problems erforderliche Verarbeitung ist die gleiche wie oben, wenn die Gleichung (4) wie folgt genommen wird
- oder wenn die Gleichung (5) wie folgt genommen wird:
- Hinsichtlich der zweiten Ausführungsform wird anstelle der Gleichung (8) die Beobachtung der Gleichung (21) hinzugefügt, und die folgende spätere Wahrscheinlichkeit wird maximal gemacht:
- Die für die Lösung dieses Problems erforderliche Verarbeitung ist die gleiche wie oben, wenn die Gleichung (8) wie folgt genommen wird:
- Wenn die Erfassungseinrichtung 3 die Neigung des Fahrzeugkörpers feststellt, ist in der Gleichung (21) das Ausgangssignal des Detektors i. Zusätzlich bezeichnet i( i) die Neigung der Straßenoberfläche im Punkt i, die in den Kartendaten enthalten und im Speicher 5 gespeichert sein kann. Wenn eine Mehrzahl von Positionserfassungseinrichtungen vorgesehen ist, wird i durch den Beobachtungsvektor i großer Dimension ersetzt, in dem die Ausgangssignale der Einrichtungen enthalten sind, und die darauffolgende Behandlung ändert sich nicht. Wenn die obige Erfassungseinrichtung 3 für die Fahrzeugposition verwendet wird, kann das Ausgangssignal davon zum Erhalten der Wahrscheinlichkeitsdichte p( &sub0;) für die Anfangs-Fahrzeugposition dienen, in Übereinstimmung mit Gleichung (21).
- Es wird nun die Ausführung der Verarbeitung beschrieben, die im Prozessor 4 bei abnormalen Erfassungsdaten oder Kartendaten ausgeführt wird. Bei der ersten Ausführungsform wird
- berechnet. Gleichung (4) wird umgewandelt in:
- Wenn der Wert von Gleichung (24) kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert, kann folglich festgestellt werden, daß die Detektordaten N-1 oder Kartendaten p( N N-1) abnormal sind. Wenn die Abnormalität festgestellt wird, wird sie zum Beispiel auf der Anzeigevorrichtung 7 angezeigt, um den Benutzer darüber zu informieren und um ihn dazu zu bringen, über die Tastatur 8 die momentane Positionsinformation p( &sub0;) einzugeben. Die Bestimmung der Fahrzeugposition wird dann wieder aufgenommen, sie erfolgt vom Punkt &sub0; an. Beim Vorhandensein einer Anzahl von Erfassungseinrichtungen kann die Bestimmung mit den Ausgangsdaten der Erfassungseinrichtungen, die nicht als abnormal festgestellt wurden, erneut versucht werden.
- Bezüglich des Bestimmungsergebnisses p( N &sub0;, ... N-1) wird der maximale Wert für den Punkt N erfaßt. Wenn der erfaßte Wert kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert, kann daher festgestellt werden, ob die Sensor-Erfassungsdaten N-1 oder die Kartendaten p( N N-1) abnormal waren, oder ob trotz normaler Daten die Fahrzeugposition verlorenging, da das laufende Routenmuster des Fahrzeugs keine Merkmale aufweist. Auch in diesem Fall kann der Benutzer darüber informiert werden, um die Fahrzeug-Positionsbestimmung erneut zu beginnen.
- Wenn die Erfassungseinrichtung 3 für die Fahrzeugposition vorgesehen ist, kann eine Abnormalität auf die folgende Weise festgestellt werden: Die Wahrscheinlichkeitsdichte p( i i) der Position i wird aus dem Ausgangssignal i des Detektors 3 gemäß Gleichung (21) bestimmt. Andererseits wird die Wahrscheinlichkeitsdichte p( i &sub0;, ... i-1) für die Position i ohne Verwendung des Ausgangssignales des Detektors 3 mit dem Verfahren der ersten Ausführungsform bestimmt. Bei Abwesenehit eines Bereiches für i, in denen beide Wahrscheinlichkeitsdichten gleichzeitig bedeutende Werte annehmen, die größer sind als ein vorgegebener Schwellenwert, wird die letztere der Dichten als abnormal betrachtet, und die Positionsbestimmung wird zum gegenwärtigen Zeitpunkt neu mit der früheren Dichte gestartet, die gleich p( &sub0;) ist.
- Es wird nun eine Ausführungsform für den Fall beschrieben, daß die Bewegung des Fahrzeugs auf Straßen in den Kartendaten beschränkt ist. Es wird dies auf Navigationssystem angewendet, das nur Zufahrtsstraßen behandelt, oder auf ein Navigationssystem, mit dem der Benutzer mit der Zustimmung zu der Bewegung auf den Straßen Dienste erhält. Die konditionierte Wahrscheinlichkeit p( i+1 i) für die Fahrzeugposition zur Verwendung bei der Verarbeitung der Daten im Prozessor 4 kann so eingestellt werden, daß sie zu Null wird, wenn entweder i oder i+1 nicht auf der Straße in der Karte liegt. Das heißt, sie ergibt sich wie beim Bezugszeichen 71 in der Fig. 7 gezeigt. Allgemein ergeben die Ausführungsformen 1 und 2 die konditionierte Wahrscheinlichkeit p( i+1 i) als zweidimensionale Verteilung. Wenn im Gegensatz dazu der Benutzer über die Tastatur 8 vorgegeben hat, daß die Fahrt auf die Straßen beschränkt ist, wie es oben angegeben wird, kann bei der konditionierten Wahrscheinlichkeit p( i+1 i) auf die eindimensionale Verteilung übergegangen werden.
- Es werden nun die Formate der Kartendaten zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßer Navigationssystem und Verfahren zur Anwendung der Kartendaten beschrieben. Die in den Kartendaten enthaltenen Straßen werden durch Knotenpunkte wie Kreuzungen, Abzweigungspunkte und Biegungspunkte ausgedrückt, und die Verbindungen zwischen den Knoten werden durch gerade Linien oder Kreisbögen angenähert. Wie in der Fig. 13 gezeigt, besteht das Datenformat eines Knotens aus einem Identifikator 131, einer x-Koordinate 132, einer y-Koordinate 133 und einer z-Koordinate 134 im Kartenkoordinatensystem, einem Attribut 135, der Anzahl von verbundenen Verbindungsstücken 136, Verbindungsidentifikatoren 137 in der Anzahl der Verbindungsstücke und anderen Hilfsinformationen 138. Als Attribut 135 kann der Benutzer neben dem Identifikator für die Kreuzung, den Abzweigungspunkt oder Biegungspunkt zusätzlich einen Servicebereich, einen Parkbereich, eine Tankstelle oder dergleichen angeben, der bzw. die für den Benutzer brauchbar ist, um die Fahrzeugposition oder Route zu erkennen. Wie in der Fig. 14 gezeigt, besteht das Datenformat eines Verbindungsstückes aus einem Identifikator 140, einem Startknotenidentifikator 141, einem Endknotenidentifikator 142, einem Attribut 143, der Anzahl von Spuren 144, der maximalen Geschwindigkeit 145, der minimalen Geschwindigkeit 146, der Abzweigungswahrscheinlichkeit 147 für den Verkehrsfluß am Startknoten, der Abzweigungswahrscheinlichkeit 148 für den Verkehrsfluß am Endknoten und anderen Hilfsinformationen 149. Als Attribut 143 kann der Benutzer zusätzlich Identifikatoren für eine Zufahrt, eine Stadtstraße, eine Vorstadtstraße oder dergleichen einschreiben und als Hilfsinformationen 149 andere, dem Benutzer dienliche Hinweise wie Informationen über Verkehrsvorschriften. Wenn die beiden Richtungen einer Straße nicht unterschieden zu werden brauchen, werden der Startpunkt und der Endpunkt geändert, um als Endpunkte zu erscheinen. Zusätzlich können die Vorab-Informationsgrößen für Meßfehler, die vom Ort abhängen, wie Störungen eines terrestrischen Magnetsensors aufgrund einer Eisenbahn, einer Hochstraße usw. in die Hilfsinformationen 138 und 149 in Form von zum Beispiel Grundwerten oder Fehlerkovarianzen eingeschrieben werden. Auch können die Fehlerkovarianzen von Wegweisern in der Hilfsinformation 138 gespeichert werden. Diese Kartendatengrößen werden im Speicher 5 gespeichert. Die festen Informationsgrößen in den Kartendaten werden in einem Festwertspeicher wie einem CD-ROM gespeichert, während zusätzliche oder variable Informationsgrößen in einem erneuerbaren Speicher wie einem RAM gespeichert werden. Alternativ können sowohl die festen als auch die variablen Informationsgrößen auf einer optomagnetischen Platte, in einem Blasenspeicher oder dergleichen gespeichert werden, die erneuerbar sind. Die Kartendaten werden wie folgt durch den Prozessor 4 verwendet:
- (1) Unter Verwendung der Daten für die Koordinaten und die Verbindungsbeziehungen der Knoten und Verbindungsstücke wird auf der Anzeigevorrichtung 7 eine Straßenkarte für die Umgebung der gegenwärtigen Fahrzeugposition dargestellt. Die Verbindungsstücke können durch Farben entsprechend ihrer Attribute ausgewählt oder unterschieden werden. Auch können die Attribute von Knoten dargestellt werden, die als Markierung dienen.
- (2) Es wird die Wahrscheinlichkeitsdichte p( i+1 i) für die Position i+1 des Fahrzeugs zum nächsten Zeitpunkt berechnet, wenn die gegenwärtige Fahrzeugposition i gegeben ist. Wie bei der Beschreibung der ersten Ausführungsform erläutert, wird, wenn auf oder nahe einem Verbindungsstück liegt, p( i+1 i) anhand der Attribute des Verbindungsstückes und der maximalen und minimalen Geschwindigkeit dafür bestimmt. Wenn i auf oder nahe an einem Knotenpunkt liegt, wird p( i+1 i) anhand der Attribute, der Abweigungswahrscheinlichkeit usw. des Knotenpunktes bestimmt. Die Werte 147 und 148 im Speicher 5 können für die Abzweigungswahrscheinlichkeit verwendet werden. Wenn sich das Fahrzeug auf einer Route bewegt, die zu einem vorgegebenen Bestimmungsort führt, können auch andere Werte verwendet werden, wie es im folgenden noch beschrieben wird.
- (3) Die optimale Route von einem gegebenen Startpunkt oder einer gegenwärtigen Position zum Bestimmungsort wird entsprechend der Verbindungsbeziehungen für die Knoten und Verbindungsstücke, die Strecken auf den Verbindungsstücken, Geschwindigkeitsbeschränkungen usw. berechnet. Die berechnete Route wird durch die Anzeigevorrichtung 7 auf der Karte in Überlagerung dargestellt, und es wird die Auswahl der Richtungen an den jeweiligen Knoten gezeigt. Die Wahrscheinlichkeit für eine Abzweigung zu den Richtungen werden dabei größer gemacht als die in den Kartendaten gespeicherten Werte, woraufhin p( i+1 i) in Übereinstimmung mit Prozedur (2) berechnet wird.
- (4) Wenn als Sensor 3 ein Sensor für die Erfassung der Neigung des Fahrzeugkörpers vorgesehen ist, wird aus den Werten für die z-Koordinate für die beiden Endknoten des Verbindungsstückes und der Länge des Verbindungsstückes die Neigung des jeweiligen Verbindungsstückes bestimmt und durch das vorstehende Verfahren mit dem Sensor-Ausgangssignal verglichen, um bei der Bestimmung der Fahrzeugposition verwendet zu werden.
- (5) Wenn als Sensor 3 ein Wegweiser verwendet wird, kann aus dem Speicher für die Kartendaten die Anbringungsstelle und der Fehlerkovarianzwert dafür ausgelesen werden, um bei der Bestimmung der Fahrzeugposition verwendet zu werden.
- (6) Wenn die Erfassungseinrichtung 2 für den Azitmutwinkel des Fahrzeugs verschiedenen Störungen in Abhängigkeit vom Ort unterliegt, wie ein terrestrischer Magnetsensor, können Vorab- Informationsgrößen für den Fehler, das heißt Grundwerte, Kovarianzen usw. aus dem Kartendatenspeicher ausgelesen werden, um bei der Bestimmung der Fahrzeugposition verwendet zu werden.
- (7) Die Daten für die Knoten und Verbindungsstücke werden anhand der bestimmten Fahrzeugposition als Index ausgelesen, und die Identifikatoren, Attribute, Hilfsinformationen usw. der benachbarten Knoten und Verbindungsstücke werden angezeigt und dem Benutzer mitgeteilt.
- Anband der Fig. 15 - 17 wird nun eine erste Ausführungsform für ein Lokalisierungssystem beschrieben, bei dem das erfindungsgemäße Bestimmungssystem für die Fahrzeugposition angewendet wird. Die Fig. 15 ist ein allgemeines Blockschaltbild des Lokalisierungssystems. Das System besteht aus wenigstens einer Bordvorrichtung 150, die sich in einem Fahrzeug befindet, und einer einzigen Zentralvorrichtung 151. Durch Funkübertragung werden Daten zwischen den beiden Vorrichtungen ausgetauscht. Die Fig. 16 ist ein Blockschaltbild der Vorrichtung 150. Das Bord-Navigationssystem 161 entspricht dem in der Fig. 1 gezeigten System. Das ermittelte Ergebnis für die Fahrzeugposition, das vom Prozessor 4 des Systems 161 erzeugt wird, wird über einen Transponder 162 und eine Antenne 163 zusammen mit dem Identifikator für das Fahrzeug zur Zentralvorrichtung 151 gesendet. Über die Antenne 163 und den Transponder 162 werden andererseits vom Prozessor 4 Anweisungen usw. von der Zentralvorrichtung 151 angenommen und zur Anezige usw. verwendet. Die Fig. 17 ist ein Blockschaltbild der Vorrichtung 151. Der Identifikator für jedes Fahrzeug und das ermittelte Ergebnis für dessen Position, wie sie von der Bordvorrichtung 150 ausgesendet werden, werden über eine Antenne 170 und einen Transponder 171 zu einem Prozessor 172 gegeben und auf einer Anzeigevorrichtung 173 angezeigt oder zur Verwaltung der Dienstleistungen für das Fahrzeug verwendet. Eine Anweisung usw. für das Fahrzeug, das über eine Eingabevorrichtung 174 durch einen Servicemanager eingegeben wird oder die von einem Prozessor 172 vorgegeben wird, wird zusammen mit dem Identifikator für das Fahrzeug über den Transponder 171 und die Antenne 170 zum Fahrzeug gesendet.
- Anhand der Fig. 18 und 19 wird eine zweite Ausführungsform des Lokalisierungssystems beschrieben. Die generelle Anordnung dieses Systems ist die gleiche wie bei der Fig. 15. Die Fig. 18 ist ein Blockschaltbild der Bordvorrichtung 150. Die Ausgangssignale der Erfassungseinrichtungen 1 bis 3 werden über den Prozessor 4, einen Transponder 181 und eine Antenne 182 zu jedem festen Zeitpunkt zusammen mit dem Identifikator des Fahrzeugs zur Zentralvorrichtung 151 übertragen. Auf der Basis der erhaltenen Sensor-Ausgangssignale und der Kartendaten führt die Zentralvorrichtung 151 die unten beschriebene Verarbeitung aus und bestimmt die Position des Fahrzeugs. Das Ergebnis wird über die Antenne 182, den Transponder 181, den Prozessor 4 und den Speicher 6 zusammen mit einer Anweisung an das Fahrzeug übertragen und an der Vorrichtung 7 angezeigt, um dem Benutzer des Systems mitgeteilt zu werden. Dabei können in Überlagerung auch Kartendaten angezeigt werden, die im Speicher 5 gespeichert sind. Die Fig. 19 ist ein Blockschaltbild der Zentralvorrichtung 151. Die Identifikator- und Sensorausgangssignale jedes Fahrzeugs, die von der Bordvorrichtung 150 ausgegeben werden, werden über eine Antenne 190 und einen Transponder 191 zu einem Prozessor 192 geliefert. Der Prozessor 192 führt die gleiche Verarbeitung aus wie der Prozessor 4 der Ausführungsformen 1 und 2 und bestimmt die Position des Fahrzeugs. Dabei wird ein Speicher 193 verwendet, der die Kartendaten und das ermittelte Ergebnis für den letzten zeitlichen Abtastpunkt speichert und der den Speichern 5 und 9 entspricht. Das ermittelte Ergebnis wird an einer Anzeigevorrichtung 194 angezeigt oder zur Verwaltung der Dienstleistungen für das Fahrzeug verwendet. Eine über eine Eingabevorrichtung 195 durch einen Servicemanager eingegebene oder durch den Prozessor 192 erzeugte Anweisung wird zusammen mit dem ermittelten Ergebnis für die Position und dem Identifikator für das Fahrzeug über den Transponder 191 und die Antenne 190 zum Fahrzeug übertragen. Im Vergleich zu den vorstehenden Ausführungsformen hat diese Ausführungsform die folgenden Eigenschaften:
- (1) Die Belastung des Bordprozessors 4 ist kleiner, seine Größe kann verringert werden.
- (2) Der Bordspeicher 9 ist entbehrlich, und die Kartendaten im Speicher 5 brauchen nur die Attribute, Verbindungsbeziehungen usw. der Knoten und Verbindungsstücke enthalten, so daß dessen Größe auch verringert werden kann.
- (3) Der Speicher 5 ist ebenfalls entbehrlich, wenn ein System angewendet wird, bei dem die Zentralvorrichtung 151 die Kartenbilddaten zur Anzeige erzeugt und sie zur Bordvorrichtung 150 überträgt.
- (4) Wenn als Erfassungsvorrichtung 3 eine Positionsmeßvorrichtung verwendet wird, die auf dem GPS beruht, kann diese Einrichtung 3 durch die Übernahme eines Systems miniaturisiert werden, bei dem das von einem Satelliten empfangene Signal zur Zentralvorrichtung 151 gesendet wird, um dort die Positionsberechnungen auszuführen, anstelle die Berechnung der Position aus dem empfangenen Signal an Bord durchzuführen. Folglich können bei dieser Ausführungsform die Bordvorrichtungen vereinfacht und miniaturisiert werden. Sie stellt ebenfalls eine Modifikation des Navigationssystems dar.
- Bei dem erfindungemäßen Navigationssystem kann die für jeden Moment ermittelte Fahrzeugposition zusammen mit den Codes für den Startpunkt und den Bestimmungsort, die am Terminal 8 eingegeben werden, im Speicher 9 gespeichert werden. Wenn sich danach das Fahrzeug wieder zwischen dem gleichen Startpunkt und Bestimmungsort bewegt, kann die entsprechende Route derart an den Fahrer vorgegeben werden, daß in Übereinstimmung mit den Codes für den Startpunkt und den Bestimmungsort, die über das Terminal 8 eingegeben werden, vom Speicher 9 laufend Punkte auf der Route ausgegeben und an der Anzeigevorrichtung 7 angezeigt werden. Dabei kann das N (N = 0, 1, ...), bei denen die Gleichung (4), (12) oder (13) maximal wird, für die Fahrzeugpositionen verwendet werden, die im Speicher 9 zu speichern sind.
- Obwohl bei jeder der vorstehenden Ausführungsformen die Anzeigevorrichtung 7 als Einrichtung zur Übermittlung des errechneten Ergebnisses für die momentane Position des Fahrzeugs an den Benutzer verwendet wurde, kann diese auch durch einen Sprachsynthesizer 10 (Fig. 1) ersetzt werden. Zum Beispiel werden die Sätze "Sie nähern sich der Kreuzung --" und "Sie befinden sich in der Nähe --" gemäß den Wahrscheinlichkeitsdichten für die ermittelten Ergebnisse und den Koordinaten der Knoten und Verbindungsstücke in den Kartendaten synthetisiert und sprachlich mitgeteilt. Dies hat den Vorteil, daß, wenn der Benutzer der Fahrer ist, vermieden wird, daß während des Fahrens auf die Anzeige geschaut werden muß.
- Gemäß den vorstehenden Ausführungsformen wird die momentane Position eines Fahrzeugs anhand von Kartendaten bestimmt, und es wird daher die Divergenz durch Bestimmungsfehler unterdrückt, die den Fehlern in anderen Detektordaten zuzuordnen sind.
- Da die Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition auf einer Karte angezeigt wird, kennt der Benutzer außerdem die Zuverlässigkeit des ermittelten Ergebnisses, und es wird vermieden, daß eine falsche Anzeige eine Verwirrung hervorruft.
- Da das erfindungsgemäße Bestimmungssystem auch verschiedene Arten von Detektordaten kollektiv behandeln kann, kann durch Kombinieren des Systems mit einem GPS-Detektor oder dergleichen eine hohe Genauigkeit erreicht werden.
- Die Fig. 22 zeigt ein Bord-Navigationssystem, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird. Zu Beginn der Verwendung des Navigationssystems bezeichnet ein Fahrer (oder ein anderer Beleger) 301 an einer Vorrichtung 302 zum Eingeben der Bezeichnung für eine Startkarte eine Straßenkarte und die gegenwärtige Position. Dann werden durch eine Eingabevorrichtung 305 aus einem CD-ROM 304 Straßendaten ausgelesen und an einer Bildanzeigevorrichtung 303 angezeigt. Die Straßendaten wurden einmal in einer Straßenknotentabelle 306 gespeichert und werden durch eine Abbildungsvorrichtung 307 in Bitkartendaten umgewandelt, die zu der Anzeigevorrichtung 303 gegeben werden. Die Straßendaten werden durch die Knotentabelle ausgedrückt, die in den Fig. 25(a) und 25(b) beispielhaft dargestellt ist. Die Abbildungsvorrichtung 307 berechnet für alle Knotenpunkte die Formel für gerade Linien zwischen den Knotenpunkten und ändert in einem Schreibbildpuffer die Pixelwerte für die geraden Linien von den Hintergrunddichtewerten (Farbwerten) zu Straßendichtewerten (Farbwerten). Wenn auf der Bildanzeigevorrichtung 303 das in der Fig. 25(a) gezeigte Straßenbild dargestellt wird, gibt der Fahrer 301 die gegenwärtige Position des Fahrzeugs über eine Vorrichtung 308 zur Eingabe der Anzeige für den Startpunkt ein, die aus einer Vorrrichtung zur Bewegung eines Cursors besteht, während er die Darstellung des Cursors auf der Bildanzeigevorrichtung 303 betrachtet. In Konformität damit beginnt ein Azimutrechner 3011 für ΔS-Intervalle, den laufenden Weg S(t) und den Azimutwinkel θv(t) für das Fahrzeug von einem Wegsensor 309 und einem Azimutsensor 310 aufzunehmen, der aus einem terrestrischen Magnetsensor besteht, und gibt die laufenden Richtungen θv(j) (j = 0, 1, ...) der jeweiligen festen Distanzen ΔS in Folge aus. Mit der Eingabe der Anzeige des Startpunktes werden gleichzeitig die Koordinaten des Startpunktes auf der Abbildung für die ΔS-Intervalle an einen Straßenrichtungsrechner 3012 angelegt. Der Straßenrichtungsrechner 3012 stellt zuerst den Punkt in den Straßendaten fest, der den Startpunktkkoordinaten am nächsten liegt, wie sie durch Laden der Straßenknotentabetle 306 erhalten wurden, und setzt sie für die Koordinaten A des neuen Startpunktes ein. Daraufhin berechnet der Rechner 3012 die Straßenrichtungsdaten θr(i) für die Punkte in den festen Abständen ΔS für alle Straßenrouten, die vom Punkt A aus erreichbar sind, und sendet die berechneten Daten zu einem Straßenrichtungsdatenspeicher 3013. Die Anzahl der Straßenrichtungsdatengrößen, das heißt die Größe des Speichers beträgt das Doppelte der maximalen Trajektorienlänge M der DP- Anpassung. Gleichzeitig versorgt der Straßenrichtungsrechner 3012 einen Straßenkoordinatendatenspeicher 3014 mit den Koordinaten {xr(i), yr(i)} der Punkte an den Intervallen ΔS. Wenn ein DP-Rechner 3015 mit den Fahrzeugrichtungsdaten θv(0) und θv(1) vom Azimutrechner 3011 für die ΔS-Intervalle mit der Bewegung des Fahrzeugs versorgt wird, wird der minimale Aufwand für die drei Gitterpunkte (0, 1), (1, 1) und (2, 1) der Fig. 24(a) gemäß Gleichung (16) berechnet und an einen Minimalaufwandspeicher 3016 gegeben. Wenn sich das Fahrzeug fortbewegt und den Punkt j = 2 passiert, wird θv(2) vom Azimutrechner 3011 geliefert. Der DP-Rechner liest dann aus dem Minimalaufwandspeicher 3016 die Minimalaufwandwerte J*(0, 1), J*(1, 1) und J*(2, 1) aus, die zuletzt gespeichert wurden, und berechnet die Minimalaufwandwerte J*(i, 2), (i = 1, ... und 4) bei j = 2 gemäß Gleichung (16) anhand der Straßenrichtungswinkel θr(i) (i = 0, 1, 2, 3 und 4), die aus dem Straßenrichtungsdatenspeicher 3013 erhalten wurden, wobei die berechneten Ergebnisse im Minimalaufwandspeicher 3016 gespeichert werden. Wie erwähnt führt der DP-Rechner 3015 die letzte Stufe der DP-Anpassungsrechnung zwischen der Trajektorie und der Route der Straßendaten in Übereinstimmung mit der Bewegung des Fahrzeugs aus. Ein Minimalaufwanddetektor 3017 stellt für jede laufende Distanz 'j' das imin fest, das bezüglich 'i' von J*(i, j) im Minimalaufwandspeicher 3016 den Minimalwert annimmt. Ein Positionskompensationsrechner 3018 lädt die Koordinaten der Position auf der Karte, die imin entsprechen, das heißt den optimalen Anpassungspunkt für den Fahrzeugweg 'j' vom Straßendatenkoordinatenspeicher 3014 und gibt sie zur Abbildungseinrichtung 307, um die Fahrzeugposition als kompensierte Position in Überlagerung an den Kartenkoordianten anzuzeigen, die auf der Bildanzeigvorrichtung 303 dargestellt werden, und er gibt sie auch zur Eingabevorrichutng 305, um die Straßendaten auszulesen, die um die Fahrzeugposition zentriert sind. Jedesmal, wenn imin mit der Fortbewegung des Fahrzeugs ansteigt, berechnet der Straßenrichtungsrechner 3012 für die ΔS-Intervalle die Straßenrichtung und Koordinatendaten entsprechend dem Inkrement und führt sie dem Straßenrichtungsdatenspeicher 3013 und dem Straßenkoordinatendatenspeicher 3014 zu. Der DP-Rechner 3015 prüft übrigens den berechneten Aufwand J*(i, j) und stoppt die DP-Berechnungen, wie es in der Fig. 24(b) gezeigt ist, wenn der Aufwand einen Schwellenwert α übersteigt. Wenn, wie in der Fig. 23 gezeigt, alle Aufwände J*(i, j) für die laufende Distanz 'j' den Schwellenwert α nach dem Abzweigen an einer Kreuzung übersteigen, wird die Berechnung der Straßenrichtungsdaten für die Abzweigung nicht weitergeführt.
- Durch Wiederholen dieser Vorgänge wird die Fahrzeugposition mit der Bewegung des Fahrzeugs für jeden Moment durch die optimale Anpassung für die Darstellung der Route auf der Bildanzeigevorrichtung 303 kompensiert.
- Bei der Ausführungsform 9 erfolgt die globale Anpassung zwischen der Bordsensordatenfolge und den Kartenstraßendaten und die Korrektur der ermittelten Fahrzeugposition durch eine DP-Anpassungstechnik, wenn die Fahrzeugposition aus Bordsensordaten in einem Bordnavigationssystem ermittelt wird. Dadurch wird die Möglichkeit des Versagens der Fahrzeugspositionsbestimmung aufgrund von Unzulänglichkeiten in den Kartendaten und von Sensorfehlern bei dem Bordnavigationssystem verringert, und eine vorübergehende Nichtanpassung kann durch eine spätere globale Beurteilung korrigiert werden.
Claims (31)
1. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeug-Navigationssystems
mit einer ersten Detektoreinrichtung (1) zum Feststellen der
von dem Fahrzeug zurückgelegten Wegstrecke und/oder einer
zweiten Detektoreinrichtung (2) zum feststellen eines
Azimutwinkels des Fahrzeugs und mit einem ersten Speicher (5) zur
Speicherung von Karten-Daten,
mit folgenden Schritten:
Feststellen der zurückgelegten Wegstrecke und/oder des
Azimutwinkels mittels der ersten und/oder zweiten
Detektoreinrichtung (1, 2),
Berechnen einer ersten Wahrscheinlichkeitsdichte für die
Fahrzeugposition auf der Grundlage der zurückgelegten
Wegstrecke und/oder des Azimutwinkels und der Genauigkeit der
genannten Feststellung, und
Bestimmen der momentanen Position des Fahrzeugs auf der
Grundlage der berechneten ersten Wahrscheinlichkeitsdichte,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Karte a priori
Positions-Wahrscheinlichkeitsdichten, die diskreten Orten einschließlich Orten auf und
abseits der Straße zugeordnet sind, beinhaltet und
daß eine zusammengesetzte Wahrscheinlichkeitsdichte
berechnet wird, indem die a priori
Positions-Wahrscheinlichkeitsdichte an jedem diskreten Ort mit der genannten ersten
Wahrscheinlichkeitsdichte kombiniert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die zusammengesetzte Wahrscheinlichkeitsdichte zu einem
momentanen Zeitpunkt auf der Grundlage der seit dem Beginn
der Berechnung der Fahrzeugposition bis zum momentanen
Zeitpunkt erhaltenen Detektordaten berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die zusammengesetzte Wahrscheinlichkeit nach gleichen
Zeitintervallen
wiederholt berechnet wird, um eine Serie von
Fahrzeugpositionen zu erhalten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der
Schritt des Berechnens der Wahrscheinlichkeitsdichte der
Fahrzeugposition einen Schritt zur weiteren Berechnung einer
zusammengesetzten Wahrscheinlichkeitsdichte der Position zu
einen nächsten Zeitpunkt auf der Grundlage der für einen
momentanen Zeitpunkt berechneten Wahrscheinlichkeitsdichte
aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem
Schritt zum Anzeigen eines Bildes, das aus den Karten-Daten
und der berechneten Wahrscheinlichkeitsdichte der
Fahrzeugposition erzeugt wird, auf einer Bildanzeigeeinrichtung (7,
173, 194, 303).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem
Schritt zum Erzeugen von Sprache, die aus den Karten-Daten
und der berechneten Wahrscheinlichkeitsdichte der
Fahrzeugposition synthetisiert wird.
. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem
Schritt zum Entgegennehmen der ursprünglichen Position zu
einem Start-Zeitpunkt der Berechnung der Fahrzeugposition und
einem Schritt zum Berechnen der ursprünglichen
Wahrscheinlichkeitsdichte auf der Grundlage der ursprünglichen Position
in einem Datenprozessor.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein
astronomischer Sensor als
Fahrzeug-Azimutwinkel-Detektoreinrichtung eingesetzt ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei für
beide oder eine der Detektoreinrichtungen für die
zurückgelegte
Wegstrecke und für den Fahrzeug-Azimutwinkel eine
Vielzahl von Arten von Einrichtungen vorgesehen ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, mit einem Schritt zum
Erkennen abnormaler Detektordaten durch Vergleich der
Ausgangsdatenwerte der Vielzahl von Arten von Detektoreinrichtungen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei neben
den genannten Detektoreinrichtungen (1, 2) mindestens eine
dritte Detektoreinrichtung (3) zum Feststellen von Daten der
Fahrzeugposition zur Verwendung in dem genannten Schritt des
Berechnens der Wahrscheinlichkeitsdichte vorgesehen ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei als die genannte
dritte Detektoreinrichtung (3) ein Sensor für einen
Neigungswinkel der Fahrzeugkarosserie vorgesehen ist.
13. Navigationsverfahren unter Verwendung von Karten-Daten
nach Anspruch 11, mit einem Schritt zum Bestimmen einer
Abnormalität durch Vergleich der mittels der ersten und zweiten
Detektoreinrichtung (1, 2) berechneten
Wahrscheinlichkeitsdichte der Fahrzeugposition mit der mittels der dritten
Detektoreinrichtung (3) berechneten
Wahrscheinlichkeitsdichte.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die
Karten-Daten Orte, Verbindungsbeziehungen und Attribute auf
Knoten und Verbindungen aufweisen, die Straßen (140 bis 144),
Geschwindigkeitsbeschränkungen (145, 146) und Abzweigungs-
Wahrscheinlichkeiten (147, 148) des Verkehrsflusses
darstellen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Karten-Daten
weiterhin von außen eingeschriebene Hilfs-Informationswerte
(149) beinhalten.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die
Hilfs-Informationswerte in einem wiederbeschreibbaren Speicher gespeichert
sind.
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die
Hilfs-Informationswerte die Genauigkeitsinformation der ersten und/oder
zweiten Detektoreinrichtung (1, 2) beinhalten.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die
zusammengesetzte Wahrscheinlichkeitsdichte so berechnet wird,
daß sie Werte ungleich Null lediglich auf Straßen in den
Karten-Daten annimmt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der
Betriebsmodus geändert werden kann, so daß die
zusammengesetzte Wahrscheinlichkeitsdichte entweder so berechnet wird,
daß sie Werte ungleich Null lediglich auf Straßen in den
Karten-Daten annimmt oder so daß sie Werte ungleich Null auch an
anderen Orten annimmt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite
Detektoreinrichtung (1, 2) von dem Fahrzeug getragen und ihre Ausgabe an
eine nicht von dem Fahrzeug getragene Zentraleinrichtung
(151) übertragen wird, wobei die Fahrzeugposition in der
Zentraleinrichtung (151) berechnet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die von der
Zentraleinrichtung (151) berechnete Fahrzeugposition an das Fahrzeug
zurückübertragen wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei die
Zentraleinrichtung (151) Verarbeitungsfunktionen der
Detektoreinrichtungen (1, 2) ausführt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die
erste Detektoreinrichtung ein Geschwindigkeitssensor (309)
und die zweite Detektoreinrichtung ein
Fahrzeug-Azimutwinkelsensor darstellt, wobei ein zweiter Speicher vorgesehen ist,
und wobei die Berechnungsschritte weiterhin folgende
Unterschritte umfassen:
Speichern der Koordinaten einer Vielzahl von Orten auf
einer Straße als geschätzte momentane Positionen des
Fahrzeugs zusammen mit ihren berechneten
Wahrscheinlichkeitsdichten in dem genannten zweiten Speicher, und
wiederholtes Erneuern der geschätzten Fahrzeugpositionen
und ihrer entsprechenden berechneten
Wahrscheinlichkeitsdichten auf der Grundlage der festgestellten Geschwindigkeit, des
festgestellten Azimutwinkels, der entsprechenden
Straßenkarten-Daten und der zuvor gespeicherten geschätzten momentanen
Position zusammen mit der entsprechenden berechneten
Wahrscheinlichkeitsdichte.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die geschätzten
Fahrzeugpositionen auf der Grundlage der festgestellten
Geschwindigkeit, des Azimutwinkels und der Karten-Daten in einem
Berechnungsschritt (3015) mit dynamischer
Programmierungsanpassung geschätzt werden.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, mit einem Schritt
zum Auswählen derjenigen geschätzten Fahrzeugposition, deren
berechnete Wahrscheinlichkeitsdichte höher als die anderer
möglicher Fahrzeugpositionen ist, und Anzeigen der
geschätzten Fahrzeugposition auf einer Bild-Anzeigeeinrichtung (17,
303).
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei der
Wiederholungsschritt einen Schritt zur dynamischen
Programmierungsanpassung zwischen Wegedaten, die von der ersten
und/oder zweiten Detektoreinrichtung (1, 2) von dem Start-
Zeitpunkt der Fahrt des Fahrzeugs bis zu dem momentanen
Zeitpunkt
gewonnen wurden, und mindestens einem in Frage
kommenden Weg der Straßenkarten-Daten beinhaltet.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei der
Speicherschritt die folgenden Unterschritte umfaßt:
Speichern der berechneten Wahrscheinlichkeitsdichte bei
Stufen vorbestimmter Nummer einer dynamischen
Programmierungs-Anpassungs-Berechnung auf einem Weg (3016) maximaler
Wahrscheinlichkeit, der jeweils zu den geschätzten
Fahrzeugpositionen (3018) führt, und
Erhöhen einer berechneten Wahrscheinlichkeitsdichte
betreffend die geschätzte Fahrzeugposition (3018) zu einem
nächsten Zeitpunkt unter Inbetrachtziehen der
Wahrscheinlichkeitsdichte betreffend die anfänglichen Stufen vorbestimmter
Nummer.
28. Fahrzeug-Navigationsvorrichtung mit
einer ersten Detektoreinrichtung (1, 309) zum
Feststellen der von dem Fahrzeug zurückgelegten Wegstrecke und/oder
einer zweiten Detektoreinrichtung (2, 310) zum Feststellen
des Azimutwinkels des Fahrzeugs,
einem ersten Speicher (5, 193, 304) zum Speichern von
Karten-Daten, und
einer Einrichtung (4, 192) zum Berechnen einer ersten
Wahrscheinlichkeitsdichte für die Fahrzeugposition auf der
Grundlage der festgestellten zurückgelegten Wegstrecke
und/oder des Azimutwinkels und der Feststellungsgenauigkeit,
und zum Bestimmen der momentanen Position des Fahrzeugs auf
der Grundlage der berechneten ersten
Wahrscheinlichkeitsdichte,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Speichereinrichtung (5, 193, 304) zum Speichern
von a priori Positions-Wahrscheinlichkeitsdichten, die
diskreten Orten einschließlich Orten auf und abseits der Straße
zugeordnet sind, vorgesehen ist, und
daß die genannte Berechnungseinrichtung (4, 192) eine
Einrichtung zum Berechnen einer zusammengesetzten
Wahrscheinlichkeitsdichte durch Verbinden der a priori
Positions-Wahrscheinlichkeitsdichte an jedem der diskreten Orte mit der
genannten ersten Wahrscheinlichkeitsdichte aufweist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die genannte Berechnungseinrichtung (4) von dem Fahrzeug
getragen wird.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Detektoreinrichtung ein
Geschwindigkeitssensor (309) und die zweite Detektoreinrichtung ein
Fahrzeug-Azimutwinkel-Sensor (310) darstellt, daß ein zweiter
Speicher vorgesehen ist, und daß die genannte
Berechnungseinrichtung (311 bis 318) folgendes aufweist:
eine Einrichtung zum Speichern von Koordinaten einer
Vielzahl von Orten auf einer Straße als geschätzte momentane
Positionen des Fahrzeugs zusammen mit ihren berechneten
Wahrscheinlichkeitsdichten in dem genannten zweiten Speicher, und
eine Einrichtung zum wiederholten Erneuern der
geschätzten Fahrzeugpositionen und ihrer entsprechenden berechneten
Wahrscheinlichkeitsdichten auf der Grundlage der
festgestellten Geschwindigkeit, des festgestellten Azimutwinkels, der
entsprechenden Straßenkarten-Daten und der zuvor
gespeicherten geschätzten momentanen Position zusammen mit der
entsprechenden berechneten Wahrscheinlichkeitsdichte.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch eine
Einrichtung (315) zum Schätzen der Fahrzeugposition mittels
dynamischer Programmierungs-Anpassungs-Berechnung auf der
Grundlage der festgestellten Geschwindigkeit, des
Azimutwinkels und der Karten-Daten.
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