Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Navigationssystem für ein
Kraftfahrzeug.
Hintergrund der Erfindung
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Es sind verschiedene Systeme zur Fahrzeugnavigation bekannt, welche
Besteckrechnen und/oder satellitengestützte Navigationsausrüstung dazu benutzen,
um die Position eines Fahrzeugs auf einer Landkarte zu bestimmen. Damit die
gespeicherten Landkarten brauchbar sindv müssen sie detailliert sein, was den
Nachteil hat, daß das System große Mengen Speicher benötigt.
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Es sind RDS-TMC-Systeme bekannt, die dem Fahrer helfenv Staus zu umgehen,
indem sie dem Fahrer über einen Radiokanal eine digitale Nachricht übermitteln, in
der sie vor Verkehrsstauungen warnen.
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Die am weitesten fortgeschrittene bisherige Techniku die den Antragstellern bekannt
ist, stellt EP 0 478 438 dar. Dieses Patent beschreibt die Verwendung von RDS-TMC
in Verbindung mit einem Signal aus einem satellitengestützten globalen
Positionierungssystem (GPS)V mit Messungen mittels Wegstreckenzähler und
Kompaß und einer Landkarten-Datenbank und ähnelt unter diesen Gesichtspunkten
der vorliegenden Patentschrift. Jedoch stützt sich diese Literaturstelle auf den
Gebrauch einer Rasterkartev und sie benutzt farbige Auflegemasken für diese
Landkarte, um vom RDS-TMC gemeldete Probleme hervorzuheben. Eine Rasterkarte
wird im Speicher als eine Folge von Farbpixeln abgelegtv deren Darstellung auf einem
Bildschirm ein Farbbild bereitstellt, das einer gedruckten Landkarte ähnelt. Es gibt
keine Möglichkeit, eine Beziehung zwischen der Position eines Fahrzeugs und den in
der Karte verzeichneten Straßen herzustellenv und der Speicherplatzbedarf ist hoch.
Um sicherzustellen, daß die Position des Fahrzeugs auf der Karte genau genug
angezeigt wird, um sich mit den abgebildeten Straßen zu deckenu wird im Patent eine
genaue Version von GPS verwendet, die differentielles GPS genannt wird und bei der
dem Fahrzeug von einem festen Standort aus Korrekturen per Funk übermittelt
werden. Zwischen den GPS-Ablesungen dienen Kompaß und Wegstreckenzähler
dazu, das Vorankommen des Fahrzeugs auf dem Kartenbild zu verfolgen.
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EP-A-0 323 229 beschreibt ein Routensuchsystem einer Navigationsausrüstung, das
auf der Verwendung einer Landkarte mit Vektorgraphik basiert und dem Fahrer eine
Leitung bei der Navigation liefert. In diesem Fall verzeichnet die Vektorkarte, die es
ermöglicht, dem Fahrer eine exakte Routenführung zu liefern, die Position der
Mittellinie jeder Straße über ihre gesamte Länge hinwegv so daß das
Vorwärtskommen des Fahrzeugs verfolgt werden kann. Bei jedem Knoten oder jeder
Straßenkreuzung wird jede Kombination von Ein- und Ausfahrtspunkt als
eigenständiger Vektor aufgezeichnet, und auch hier ist die Komplexität des Systems
so hoch, daß es große Mengen Speicher benötigt.
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Es sind auch Routenplanungssysteme entwickelt worden, die einen geringeren Bedarf
an Datenspeicher aufweisen. Bei solchen Routensuchsystemen bilden die
Kreuzungen zwischen Straßen Knotenu und die gespeicherten Daten setzen sich aus
den Knoten mit bekannten Koordinaten und Verbindungen zwischen den Knoten
zusammen. Für jede Verbindung werden Daten gespeichert, die es ermöglichen,
Routen so auszuwählen, daß Länge, Durchschnittsgeschwindigkeit, Straßentyp (z.B.
Autobahn, Schnellstraße etc.), Gewichtsbeschränkung/Höhenbeschränkung oder
Breitenbeschränkung zusätzlich zu den durch die Verbindung verknüpften Knoten
gespeichert werden könnenu aber es wird kein Versuch unternommen, für jeden Punkt
auf einer Verbindung Kartenkoordinaten zu definieren.
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Obwohl solche Systeme weniger zu speichernde Daten benötigen, sind sie bisher
nicht bei der Navigation von Fahrzeugen eingesetzt worden, und ihre Verwendung
beschränkte sich auffeste Computerinstallationenv die vor Reisebeginn eine
empfohlene Route liefern.
Gegenstand der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung trachtet danach, ein verbessertes Navigationssystem zu
liefern, das die Vorteile der einzelnen oben genannten Systeme miteinander
kombiniert und gleichzeitig die Anforderungen an die Hardware zur Datenspeicherung
und -verarbeitung minimiert.
Zusammenfassung der Erfindung
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Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Navigationssystem für Fahrzeuge nach
Anspruch 1 bereitgestellt. Die vorliegende Erfindung basiert auf einer sehr einfachen
Kartendatenbank, die im Fahrzeug mitgeführt wird. Dies ist eine Vektorkarte, die so
genannt wird, weil sie aus Knoten bei Kreuzungen besteht, deren Koordinaten
bekannt sind und die durch Vektoren unspezifizierter Form verbunden werden, die die
Knoten verbinden und Attribute festlegenv wie etwa die tatsächliche Straßendistanz
und typische Fahrzeiten zusammen mit Randbedingungen wie Abbiegeverbote und
Breiten- und Gewichtsbeschränkungen.
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Man kann aus dieser Information kein Rasterbild zeichnenv aber die Position jeder
Kreuzung ist exakt bekannt. Eine solche Vektorgraphik-Karte benötigt typisch ein
Achtzigstel des Speicherbedarfs der äquivalenten Rasterkarte. Während daher
EP 0 475 438 erwähnt, daß zum Speichern von Daten für ein ganzes Land eine CD-
ROM (die über 600 Megabyte Kapazität besitzt) und für eine einzige Region eines
Landes eine Festplatte (typische Kapazität: 40-100 Megabyte) benötigt werden,
können in der vorliegenden Erfindung die Vektordaten eines ganzen Landes in
Halbleiter-Speicherchips abgelegt werdenv wobei typisch nur 16 Megabyte Speicher
benötigt werden.
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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich daher von EP 0 478 438 durch die
Tatsache, daß sie hinreichend preisgünstig und robust ist, um praktische Anwendung
in der Umgebung eines Fahrzeugs zu finden, die sich nicht gut für plattenbasierte
Speicher, ob CD-ROM oder Festplattenu eignet. Die Erfindung zielt nicht darauf ab,
dem Fahrer seine Position auf einer Landkarte anzuzeigen. Abgesehen davon, daß
dies eine komplexe Aufgabe ist, liefert es dem Fahrer keine Anweisungen in der
verständlichsten Form. Was die Erfindung liefert, sind klare, vorzugsweise eher in
Text als in Bildern gefaßte Anweisungen bei jeder Kreuzung bezüglich der Richtung,
in die der Fahrer die Kreuzung verlassen solltev um in kürzester Zeit an seinem
gewünschten Ziel anzukommenv sogar unter Einbeziehung von veränderlichen Daten,
wie etwa Verkehrsinformationen.
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Man kann nicht immer voraussetzen, daß der Fahrer die Anweisungen des
Navigationssystems befolgt hat und das Fahrzeug dem vorgegebenen Weg folgt. Als
ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung umfaßt das Navigationssystem eine
Vorrichtung zum Entdecken von Abweichungen von der vorgegebenen Route,
während es innerhalb der durch die Verwendung einer begrenzten Vektorkarte
auferlegten Einschränkungen arbeitet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Länge der Verbindung
gespeichert, und die nach jedem Knoten zurückgelegte Entfernung wird von der
Länge der Verbindung abgezogen. Die verbleibende Länge der Verbindung wird dann
mit der Entfernung in gerader Linie zwischen der aktuellen Position des Fahrzeugs
und der Position des nächsten Knotens verglichen. Wenn die Entfernung in einer
geraden Linie zum nächsten Knoten die verbleibende Länge der Verbindung
überschreitet&sub1; dann wird angenommenu daß die falsche Route eingeschlagen worden
ist, und es wird eine neue Route bestimmt, die die aktuelle Fahrzeugposition mit dem
gewünschten Ziel verbindet.
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Die Datenbank enthält in diesem Fall die Länge einer Straße, die zwei Kreuzungen
verbindet, wobei deren Form jedoch unbekannt ist. Das GPS im Fahrzeug kann
berechnen, wo sich das Fahrzeug zu jedem Zeitpunkt befindetv und die Datenbank
enthält die Position der nächsten Kreuzung. Der Computer im Fahrzeug kann daher
die geradlinige Entfernung zwischen der GPS-Position und der Position der nächsten
Kreuzung berechnen und mit der Länge der Straßenverbindung minus dem Stand des
Wegstreckenzählers ab der letzten Kreuzung vergleichen. Wenn diese Entfernung
unter Berücksichtigung von Toleranzen zu irgendeinem Zeitpunkt kleiner ist als die
geradlinige Entfernung, muß das Fahrzeug vom Kurs abgekommen sein. Ein Kompaß
wird nicht verwendet, ebensowenig wie die differentielle Korrektur vom GPS, da das
System so ausgelegt ist, daß es die schlechteren Toleranzen des unkorrigierten GPS
akzeptiert.
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Die Ausgabevorrichtung kann ein Sprachsynthesizer oder eine optische Anzeige sein.
Vorteilhaft umfaßt das System ferner eine Vorrichtung zur Eingabe von Daten an das
System durch den Fahrer, um beispielsweise das gewünschte Ziel&sub1; die aktuelle
Position, Höhenbeschränkungen etc. anzugeben. Eine solche Eingabevorrichtung
kann eine Tastaturv ein Lichtstiftv eine Mausu ein Trackball oder ein ähnliches
Eingabegerät sein.
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Die bezüglich der Verbindungen gespeicherte Information kann vorzugsweise die zu
erwartenden Zeiten zum Durchfahren der gesamten Länge der Verbindung unter
verschiedenen Verkehrsbedingungen umfassenv wie etwa bei normalem Verkehr, zu
den Hauptverkehrszeiten etc. Auf diese Weise kann der Fahrer zum Beispieiu wenn er
nachts fährt, durch das Stadtzentrum geleitet werdenv aber während der
Hauptverkehrszeiten wird er über eine Ringstraße geleitet.
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Die Erfindung wird nun weiter auf dem Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf
die beiliegende Zeichnung beschrieben werdenv die eine schematische Darstellung
des Systems dieser Erfindung ist.
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Die Zeichnung zeigt einen zentralen Prozessor 10, einen programmierten Rechner,
der auf einem Mikrocomputer nach Industriestandard basieren kann, zum Beispiel auf
einem Intel 80386 Prozessorchip.
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Das RDS-TMC-System 20 kann von bekannter Bauart seinu und seine Funktion
besteht darinu aus einem Radiosignal eine verschlüsselte Verkehrsmeldungs-
Information herauszulesen. Diese Information wird aktuell in digitaler Form übermittelt
und enthält Informationenu die die von der Verkehrsmeldung betroffenen
Verbindungen ebenso identifizieren wie Datenu die das Ausmaß der Verzögerung
angeben.
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Das GPS Satelliten-Navigationssystem 14 ist als solches auch bekanntv aber man
kann andere Positionierungssysteme verwendenv um die Absolutkoordinaten des
Fahrzeugs zu bestimmen, beispielsweise ein System, das auf Funkfeuern am Boden
basiert.
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Im Fall von Satelliten-Navigationssystemen sind die Daten nicht kontinuierlich
verfügbar, und der Zweck des Wegstreckenzählers 16 und des Kompasses 18, die
mit dem zentralen Prozessor 10 verbunden sindu besteht darinv daß man die Position
des Fahrzeugs durch Besteckrechnen zwischen Ablesungen des GPS-Systems
abschätzen kann.
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Der zentrale Prozessor 10 ist mit einem Speicher 22 verbundenv der sowohl
Programminformation als auch Navigationsdaten enthältv mit einem Ausgabegerät,
das dem Fahrer entweder durch Anzeige von Text auf einem Bildschirm oder durch
einen Sprachsynthesizer Anweisungen geben kannv und mit einem Eingabegerät 12,
damit der Fahrer mit dem zentralen Prozessor kommunizieren kann, um
beispielsweise das gewünschte Ziel anzugeben. Dies kann eine Tastatur oder
bequemer ein Zeigegerät wie etwa ein Lichtstift oder ein Trackball sein.
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Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung unter Verwendung von
derzeit verfügbarer, herkömmlicher Hardware umgesetzt werden kann, und es wird
angenommen, daß der Aufbau der Hardware vom Fachmann ohne den Bedarf an
weiteren detaillierten Erklärungen verstanden werden kann.
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Die Funktionsweise des Systems ist wie folgt:
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Der Speicher 22 speichert Daten über die Knoten ab, die den Straßenkreuzungen
entsprechen, und Vektoren, die diese Knoten verbinden. Der Begriff "Vektor" dient
dazu, jede Verbindung, die zwei Knoten verbindet, darzustellen, aber die
gespeicherte Information über diese Verbindungen liefert keine Kartenkoordinaten
und keinen Bezug zu beliebigen Punkten auf der Verbindung, sondern Daten, die die
Länge der Straße und andere skalare Daten angeben, wie etwa die mittlere
Fahrgeschwindigkeit zu verschiedenen Tageszeiten, Gewichts- und
Breitenbeschränkungen im Verlauf der Straße und so weiter. Aus dieser Information
kann der Prozessor die Kombination von Verbindungen bestimmen, die zur kürzesten
Fahrzeit zwischen dem Ausgangspunkt und dem gewünschten Ziel führt.
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Diese Daten und das Programm zur Verarbeitung der Daten können denjenigen
ähneln, die zur Zeit bei Routenplanungsprogrammen, die auf einem Arbeitsplatz-PC
laufen, in Gebrauch sind.
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RDS-TMC-Meldungen werden aus ihren RDS-Gruppen durch den im Fahrzeug
befindlichen Radioempfänger 20 entschlüsselt, wobei die verschlüsselten Meldungen
in einem Puffer gespeichert werden, bis sie vom Navigationssystem des Fahrzeugs
abgerufen werden. Immer dann, wenn der Prozessor 10 keine anderen Interrupts
bedient, transferiert er diese verschlüsselten Meldungen in eine Datei, wobei alte
Kopien derselben Meldung überschrieben werden, und er benutzt im Speicher
befindliche Datenbanken, um Meldungen und Standorte zu übersetzen, und Tabellen
aus Querverweisen, um die Meldungen in veränderte Reisezeiten für die
entsprechenden Verbindungen im Netzwerk des Routenplaners umzuwandeln, die
dann neu definiert werden. Die TMC-Datei wird regelmäßig aktualisiert, um
sicherzustellen, daß die Meldung gemäß ihrer Dauer noch gültig ist.
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Wenn eine neue Route geplant wird, wird die optimale Route unter Verwendung des
durch die TMC-Meldungen modifizierten Netzwerks ausgewählt, wobei die
Überprüfung sicherstellt, daß die Meldung noch gültig sein wird, wenn das Fahrzeug
voraussichtlich den betreffenden Teil der Route erreicht. Jede Verbindung wird auch
durch die Information über die Tageszeit gemäß einem Attribut des Straßentyps
weiter modifiziert. Um die Verbindungszeiten der aktuellen Uhrzeit entsprechend
anzupassen, enthält das Attribut jedes Straßentyps einen Satz von Uhrzeiten und
zugehörigen Prozentzahlen der Verbindungsgeschwindigkeit für freie Fahrt. Sobald
der Planer festgelegt hatu wann die Verbindung erreicht werden wirdu wird die für
diese Verbindung benötigte Fahrzeit aus dieser Information extrapoliert.
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Wenn das Fahrzeug einer geplanten Route folgt und eine neue TMC-Meldung
empfangen wird, werden die betroffenen Standorte in Bezug auf die Verbindungen
und Knoten der vorhandenen geplanten Route überprüft. Wenn irgendein Standort
übereinstimmt, wird die umgewandelte Meldung auf dem Bildschirm und/oder durch
den Sprachsynthesizer 24 wiedergegeben. Die Auswirkung auf die Verbindungszeit
wird ebenfalls berechnet.
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Zu diesem Zeitpunkt wird die relative Leistung des Fahrzeugs auf den
Verbindungsstrecken, die es gerade zurückgelegt hat, auch dazu benutzt, um
vorausgesagte Zeiten für künftige Verbindungen anzupassen, und die Route wird neu
geplant. Um dies zu bewerkstelligen, verarbeitet der Prozessor 10 die gespeicherten
Daten, um die vorhergesagte Geschwindigkeit entlang der noch verbleibenden
Verbindungsstrecken in Abhängigkeit von der Abweichung der tatsächlichen
Fahrzeuggeschwindigkeit gegenüber der vorhergesagten Fahrzeuggeschwindigkeit
entlang der während der Fahrt bereits zurückgelegten Verbindungsstrecken zu
verändern. Wenn eine alternative Route gefunden wird, die um eine vorher
festgelegte Anzahl Minuten besser ist als die vorhandenev modifizierte Route, wird sie
dem Fahrer vorgeschlagen. Die Route wird auch jedesmal neu berechnet, wenn das
Fahrzeug einen Knoten passiert. Eine geschätzte Ankunftszeit und die
Restentfernung vom Ziel werden ständig aktualisiert.
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Anweisungen zur Routenleitung werden als Text gespeichert und angezeigt und
gemeldet, wenn sich das Fahrzeug erstmals innerhalb einer radialen Entfernung vom
Knoten befindet, die durch Straßentyp und Geschwindigkeit des Fahrzeugs festgelegt
wird. Wo Textzeilen Entfernungsinformation enthalten, wird diese berechnet, und die
Eingabe des Wegstreckenzählers wird dazu verwendet, um diese Anweisungen an
geeigneter Stelle anzuzeigen.
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Es kann nicht immer davon ausgegangen werdenv daß der Fahrer die gegebenen
Anweisungen korrekt befolgt hat, und das System umfaßt auch eine Kontrolle, die es
ermöglicht, Abweichungen von der Route zu entdecken.
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Wenn der Ablesewert des Wegstreckenzählers nach dem Durchfahren eines Knotens
den Unterschied zwischen der Länge der Verbindung und der Entfernung in gerader
Linie von der aktuellen Posiuon des Fahrzeugs (wie vom GPS-System 14 bestimmt)
zum nächsten Knoten überschreitet, wobei Toleranzen berücksichtigt werden, oder
wenn ein Knoten erreicht wirdu der nicht auf der geplanten Route liegt, wird erklärt,
daß das Fahrzeug von der Route abgewichen ist. Nach Bestätigung durch den Fahrer
wird dieser zum nächsten Knoten im gespeicherten Netzwerk geleitet, und es wird
eine neue Route zum gewünschten Ziel von diesem Knoten aus geplant.