WO2007020045A1

WO2007020045A1 - Verfahren zur generierung einer kartendarstellung zur optimalen erkennbarkeit von befahrenen strassen

Info

Publication number: WO2007020045A1
Application number: PCT/EP2006/008035
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Beier
Original assignee: Daimler Ag
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2006-08-15
Publication date: 2007-02-22
Also published as: EP1915587A1; US20080170074A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung einer Kartendarstellung mit Verläufen von Straßen zur Anwendung z.B. in der Navigation, Straßengebührenerf assung oder auch Präzisionsanwendungen wie automatisches Fahren. Hierbei wird ein Straßenverlauf aus einer Aneinanderreihung von geometrischen Elementen gebildet, z.B. einem oder mehreren Kreisbögen oder einer oder mehrerer Geraden und Klothoiden, wobei die Klothoiden die Kreisbögen und/oder Geraden knickfrei verbinden. Je nach geforderter Auflösung werden dabei die Klothoiden aus den Kreisbogenelementen berechnet, durch Näherungswerte approximiert oder auch einfach weggelassen Damit wird eine besonders verlässliche und Speicherplatzoptimierte Kartendarstellung erreicht.

Description

Verfahren zur Generierung einer Kartendarstellung zur optimalen Erkennbarkeit von befahrenen Straßen

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Erzeugung von Straßenkarten, die dann als Datensatz beispielsweise für Navigationszwecke oder bei automatischen Straßenbenutzungsgebührensystemen zum Einsatz kommen.

Die Bestimmung, ob eine im Datensatz enthaltene Straße von einem Fahrzeug befahren wird, erfolgt zunächst durch Messung von Fahrzeugposition bzw. -bewegung und anschließendem Vergleich der erhaltenen Sensor-Werte mit den Daten der Karte. Dabei ist es für eine schnelle Antwort des Systems erforderlich, dass mit möglichst wenigen Sensoren und geringer Datenmenge der Kartendarstellung eine möglichst fehlerfreie Entscheidung getroffen werden kann, ob eine bestimmte Straße aktuell befahren wird oder nicht.

In heute existierenden digitalen Straßenkartendarstellungen ist der Verlauf von Straßen als Polygonzug dargestellt. Bei dieser Darstellungsart wird die Übereinstimmung mit dem realen Straßenverlauf umso besser, je dichter die Stutzpunkte gewählt sind, die dann mit Geraden verbunden werden. Der Nachteil dieser Darstellung ist offensichtlich, dass für eine möglichst genaue Wiedergabe von geschwungenen Straßen die Zahl der Stützpunkte und damit die Datenmenge in gleichem Maße ansteigt. Ein weiterer Nachteil dieser Straßendarstellung ist, dass in einer Anwendung, bei der durch Messungen festgestellt werden soll, ob ein Fahrzeug diese Straße befährt, ein Vergleich der aktuellen Sensor-Werte mit den gespeicherten Polygonzügen stattfinden muss. Die Messergebnisse, die in Fahrzeugen vorliegen, bezeichnen aber Positionen, gefahrene Richtungen, Entfernungen und ggf. Richtungsänderungen des Fahrzeugs in Kurven. Nur die Position der Stützpunkte in der Kartendarstellung der Straße ist mit den erhaltenen Sensorwerten direkt vergleichbar - die im Polygonzug dazwischen liegenden Geraden stellen weder die gefahrene und gemessene Richtung, noch die reale Krümmung der Straße dar. Da die ausschließliche Verwendung der Stützpunkte keine hinreichende Lösung liefert, muss also bei dieser Straßendarstellung eine Transformation der Elemente des Datensatzes in die Elemente der Messsensoren stattfinden, was für eine schnelle und präzise Auswertung unvorteilhaft ist.

Andere Verfahren, die Datenmenge zu reduzieren und dabei gute Erkennungsqualitäten zu behalten, sind bei Straßengebührenerfassungssystemen bekannt. Hier werden beispielsweise die Merkmale eines Straßenverlaufs auf besonders markante und messbare Eigenschaften reduziert. So werden z.B. Fahrtrichtungen und deren Toleranzen zu Referenzpunkten in bestimmten Abständen erfasst, oder Richtungsänderungen innerhalb eines Toleranzkreises (wieder als Polygonzug) bewertet. Die so erhaltenen Daten werden z.B. zu einer Booleschen Entscheidungskette zusammengefasst, die ggf. auch noch mit vorher erkannten anderen Merkmalen dieser Art verknüpft werden. Auch solche Verfahren lösen im Prinzip das Problem, das Befahren einer Straße zu erkennen, sind aber in der Ausnutzung der durch die Sensor-Werte zur Verfügung stehenden Information nicht optimal . Die vorliegende Erfindung geht aus von dem dargestellten Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Generierung von Straßenkarten zu entwickeln, bei dem mit einer vergleichbar geringen Datenmenge die gespeicherte Darstellungsform einer Straße deren wirklichen Verlauf sehr genau wiedergibt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Weitere Vorzüge und vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt Kartendaten, indem ein Straßenverlauf durch eine Abfolge aneinander gereihter geometrischer Elemente abgebildet wird, wobei als geometrische Elemente auflösungsabhängig Kreisbögen, Geraden und Klothoiden verwendet werden. Dabei genügen wenige Parameter, um den tatsächlichen Straßenverlauf mit hoher Präzision wiederzugeben. Hierzu können die gleichen Angaben verwendet werden, wie sie auch durch übliche Sensoren als Messwerte geliefert werden, so dass Transformationsfehler vermieden werden können. Durch eine kontinuierliche Darstellung benötigt der Verarbeitungsalgorithmus eine geringe und zeitlich gleichmäßige Rechenleistung des Fahrzeuggerätes erfordert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezug auf die Figuren und die darin wiedergegebenen Bezugszeichen erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 abzubildender Straßenverlauf mit Kurven Fig. 2 Aufteilung des Straßenverlaufs in Kreisbögen,

Geraden und Klothoiden Fig. 3 Elemente zur Wiedergabe des Straßenverlaufs über

Kreisbögen Fig. 4 Aufteilung des Straßenverlaufs in Daten über

Richtungsänderungen Fig. 5 Elemente zur Wiedergabe des Straßenverlaufs über

Richtungsänderungen Fig. β Übergangsbereich zwischen zwei Kreisbögen

Die Erfindung berücksichtigt, dass Straßen heute nach bestimmten Vorgaben so gebaut werden, dass ein Befahren möglichst einfach und damit sicher wird. Als Kriterium ist dabei von Bedeutung, dass die einfachste Fahrweise, einem Straßenverlauf zu folgen, das abwechselnde Stillhalten und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit Drehen des Lenkrades darstellt. Das heißt, ein Fahrer hält entweder das Lenkrad still - fährt also einen Kreisbogen (eine Gerade ist in dieser Betrachtung nur eine Sonderform des Kreisbogens) - oder er bewegt das Lenkrad gleichmäßig und fährt somit eine Klothoide (Spirale) . Der zeitliche Wechsel sollte dabei so sein, dass die Fahrdauer durch eine Klothoide etwa 2 bis 3 Sekunden betragen soll. Wenn die Richtungsänderung z.B. eine Rechtkurve mit direktem Übergang in eine Linkskurve umfasst, sollte diese Zeit eher 4 Sekunden sein.

Nach diesen Vorgaben bestehen Straßenverläufe also abwechselnd aus Kreisbögen und Klothoiden, wobei die Klothoidenlängen so gestaltet sind, dass sie bei Normalgeschwindigkeit in 2 bis 4 Sekunden durchfahren werden Die Klothoiden sind dabei meistens durch einfachere mathematische Näherungsformen approximiert, wie z.B. durch kubische Parabeln. Berücksichtigt man diese Konstruktionsvorgaben für Straßenverläufe zur Generierung einer Straßenkarte, so ist die beste Beschreibungsform auch die Verwendung genau dieser Elemente, also die Verwendung von Kreissegmenten und den Übergängen dazwischen. Wie oben dargestellt sind die Parameter eines Übergang aber in sehr engen Toleranzen vorgegeben, so dass in der Beschreibung des Straßenverlaufs diese sogar für viele Anwendungen als konstant angenommen werden können und dann nicht ausdrücklich quantifiziert werden müssen, was den erforderlichen Datensatz und Rechenaufwand weiter reduziert.

Wenn man in praktischen Beispielen vergleicht, wie weit sich Spuren unter Nutzung der Klothoiden und Spuren, die die Kreisbögen einfach verlängern bis sie richtungsgleich sind, voneinander unterscheiden, dann stellt man fest, dass es nur wenige Meter Abweichung ergibt. Daraus kann man schließen, dass z.B. für Anwendungen in der Navigation oder in autonomen Straßengebührenerfassungssystemen die Form der Übergänge sogar vernachlässigt werden kann. In anderen Anwendungen, z.B. des automatischen Fahrens, automatische Schneeräumfahrzeuge o.a., sind - je nach

Präzisionsanforderung - entweder geschätzte Übergangsverläufe ausreichend, bzw. tatsächlich individuell ermittelte Übergangsverläufe erforderlich. Man kann, wie später beschrieben, aus den Parametern, die die aufeinander folgenden Kreisbögen beschreiben, Annahmen ableiten, mit Hilfe dessen die dazwischen liegende Klothoide genau bestimmbar ist.

In der Praxis hängt es also von der Anwendung ab, ob ein Fahrzeuggerät die Übergänge zwischen Kreisbögen entweder genau bestimmt, durch fest vorgegebene Formen annähert oder ganz vernachlässigt (Kreisbögen werden einfach verlängert und aneinandergesetzt ) . Ein wesentlicher Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass die Datenmengen, die notwendig sind, die Straßenverläufe möglichst genau zu beschreiben, klein gehalten werden können. Durch die vorgeschlagene Beschreibung des Straßenverlaufs über Kreisbögen, Geraden (als spezieller Kreisbogen) und Klothoiden ist die Datenmenge nicht (oder kaum) von der Genauigkeit der Verlaufsbeschreibung abhängig - auch nicht von der Länge der Straße oder der Größe der Richtungsänderungen. Die notwendige Datenmenge wird aber von der Anzahl der Krümmungsänderungen, also der Anzahl der Kreisbogensegmente bestimmt, und damit letztlich durch die zur Beschreibung eines Kreisbogens erforderlichen Parameter.

Im Prinzip hat ein Kreisbogen zwei translatorische Freiheitsgrade, einen rotatorischen und je einen Freiheitsgrad in der Größe und der Richtungsänderung. Das wären für einen einzelnen Kreisbogen fünf Parameter, um ihn zu beschreiben. Die Anzahl der Freiheitsgrade reduziert sich aber, weil die Kreisbögen nicht unabhängig voneinander angeordnet sein dürfen. Ein Freiheitsgrad - die Anfangsrichtung - ergibt sich aus der Endrichtung des vorherigen Bogens, da die Bögen richtungsgleich ineinander übergehen sollen. Damit braucht auch ein translatorischer Freiheitsgrad nicht explizit angegeben zu werden, da er sich ebenfalls aus dem Ende des vorherigen Bogens ergibt. Wenn Klothoiden-Übergänge bereits in der Darstellung vernachlässigt werden, was dann im Bedarfsfall auch keine Schätzung mehr zulässt, ergibt sich sogar der zweite translatorische Freiheitsgrad aus dem vorherigen Bogen.

Wird für Anwendungen mit besonderen Genauigkeitsanforderungen der 2. translatorische Freiheitsgrad mit beschrieben, und damit auch die Rekonstruktion der Klothoide ermöglicht, so bleiben 3 Werte für jeden der Kreisbögen in einer Folge. In welcher Darstellung diese 3 Freiheitsgrade optimal bestimmt werden hängt von der daraus abgeleiteten Anforderung an die Rechenleistung in der Auswertung ab. Im Prinzip sollen die Darstellung der Freiheitsgrade und die Sensoren in einem Fahrzeug möglicht übereinstimmen. So z.B. sollten bei Verwendung von Richtungssensoren bzw.

Richtungsänderungssensoren (Kreisel) eher Richtungen, bei Verwendung von absoluten Positionsbestimmungen sollten eher Punktkoordinaten und Verbindungslinien verwendet werden. Die Berechnung einer Krümmung erfordert einigen Rechenaufwand während der Auswertung, der eingespart werden kann, wenn diese Krümmung gleich als Darstellungsform eines Kreisbogens verwendet wird. Dann hätte man als Darstellung der drei Freiheitsgrade eines Kreisbogens in einer Kette ohne Knicke dessen Anfangskoordinaten (z.B. Länge und Breitengrad) und dessen Krümmung.

In Figur 1 ist als Beispiel ein allgemeiner Straßenverlauf angenommen, der aus unterschiedlichen Kurvenstücken besteht. Dieser soll als Referenz für verschiedene Vorschläge der Notation der 3 Variablen pro Beschreibungselement dienen.

In Figur 2 ist dieser Straßenverlauf in einer Darstellung analysiert, die bei Verwendung nur von Positionskoordinaten als Ergebnis der Sensormessung optimal ist. Hier werden die Kreisbogenstücke (a, c, d, e) über die jeweiligen Kreismittelpunkte (A, C, D, E) und die Radien (r_a, r_c, r_d, r_e) abgebildet, was einen einfachen Vergleich mit Positionskoordinaten erlaubt. Die aktuelle seitliche Ablage, die ein Fahrzeug relativ zum Straßenverlauf hat, ergibt sich bei dieser Darstellung zu jedem Zeitpunkt aus dem Vergleich zwischen der Summe der Quadrate der Koordinatendifferenzen (Nord- und Ostdifferenzen) und dem Quadrat des aktuellen Kreisbogen-Radius r (Pythagoras) . Ein Übergang von einem Kreisbogen in den nächsten erfolgt immer dann, wenn das Verhältnis der Nord- und Ostdifferenzen der Kreisbogenmittelpunkte dem Verhältnis der Nord- und Ostdifferenzen aus eigener Position und einem der Mittelpunkte entspricht.

Ein besonderer Fall ist das gerade Stuck (b) zwischen den Kreisbogen a und c. Dieses Stuck kann einfach als Kreisbogen mit dem Radius „Null" und dem Mittelpunkt B an den Kreisbogen a angesetzt werden. Damit verbleibt die Fahrtrichtung unverändert bis zum Erreichen des nächsten Kreisbogenstucks c. Die daraus resultierenden Parameter, die über den Straßenverlauf nach Figur 1 insgesamt abgelegt sein müssen, sind in Figur 3 (ohne den Straßenverlauf selbst) dargestellt.

Verwendet man Fahrtrichtungsmessungen bzw. Kreisel oder Radsensoren, die die Änderung der Richtung bestimmen, dann ist eine andere Analyseform des Straßenverlaufs und dessen Freiheitsgrade vorteilhafter. In Figur 4 ist die Beschreibung des Straßenverlaufs über Parameter wiedergegeben, die für die Verwendung von Positionen und Richtungen als Sensorinformation geeignet sind. Em Vergleich mit den Messungen im Fahrzeug ergibt sich hier, indem (beginnend mit der Anfangsausrichtung „Nord") von einer Anfangsposition (B', C, D', E') ausgehend die Änderung (ß, χ, δ, ε) der Richtung der Straße hochgerechnet wird. Die Richtungsanderung pro Wegstrecke ergibt sich dabei aus dem Abstand zum nächsten Bogenanfang und aus der Differenz der jeweiligen Anfangsrichtungen. Wenn die Klothoide als Übergang zwischen den Kreisbogen vernachlässigt wird, ergibt sich ein geringer Knick am Übergang von einem Kreisbogen in den nächsten (vergl. Fig. 6). Diese Form der Darstellung der Straße und der Messung ermöglicht einen deutlich genaueren Vergleich als mit reinen Positionswerten, da die Präzision eines Kurskreisels erheblich höher ist, als bei einer Positionsmessung. Figur 5 zeigt herausgelöst die Parameter zur Beschreibung des Straßenverlaufs in dieser Form.

Die Klothoide als Übergang wird wie oben erwähnt entweder vernachlässigt oder kann aus der Abfolge der mit je 3 Parametern bestimmten Kreisbögen errechnet werden. In Figur 6 wird deutlich, wie bei der Darstellung der Kreisbögen (c, d) durch deren Mittelpunkte (C, D) und deren Radien (r_c, r_d) die Klothoide dazwischen genau bestimmt werden kann. Aus dem Abstand der Mittelpunkte und der Summe der beiden Radien kann leicht der seitliche Versatz der Kreisbögen berechnet werden. Damit sind von der zu bestimmenden Klothoide der Anfangsradius, der Endradius und der seitliche Versatz der Bögen bekannt, wenn man diese bis zur knickfreien Übereinstimmung extrapoliert. Eine Klothoide wird aber nur durch drei Parameter bestimmt - den Anfangs- und Endradius sowie die Änderung des Mittelpunktswinkels pro Wegstrecke. Dabei ergibt eine schnelle Änderung des Mittelpunktswinkels eines Wegabschnittes (schnelle Drehung des Lenkrades) einen kleinen Versatz der Bogen-Enden bzw. eine langsame Änderung des Mittelpunktswinkels pro Wegabschnitt einen großen Versatz. Daraus kann man schließen, dass ein vorgegebener Versatz nur durch eine einzige Klothoide abgebildet werden kann. Sind für verschiedene Versatz-Werte passende Klothoiden gespeichert, so vereinfacht sich die Verlaufswiedergabe zwischen den Kreisbögen, indem nicht jeweils individuell eine exakte Berechnung durchgeführt wird, sondern einfach zugeordnete (Standard) -Klothoiden eingefügt werden. Je nach der Art und des Umfanges der verwendeten Messsensoren ergibt sich, wie oben dargestellt, eine andere optimale Notation der 3 Freiheitsgrade jeden Kreisbogens, die alle genau den Straßenverlauf darstellen, die aber unterschiedliche Rechenleistung während der Anwendung erfordern. Da aber eine ideale Kartendarstellung alle Arten der Verwendung von Sensoren optimal unterstützen sollte, muss aus den oben dargestellten Möglichkeiten diejenige ausgewählt werden, die sowohl die einfachste Sensorauswertung mit besonders wenig Rechenleistung ermöglicht, als auch die Auswertung bei einer umfangreicheren Kombination von Sensoren mit mehr Rechenleistung. Aus diesen Überlegungen ergibt sich der Parametersatz aus Figur 3, also die

Mittelpunktkoordinaten der Kreissegmente und deren Radien, als besonders günstige Darstellungsform. Daraus kann man relativ einfach die Koordinaten der Kreisbogenanfänge, deren Anfangsrichtung, deren Krümmung und deren Endpunkte berechnen, aus denen sich dann auch noch zusammen mit den Parametern des nächsten Bogens die Klothoide bestimmen lässt (falls das für besondere Anwendungen notwendig ist) . Für die hierzu erforderlichen mathematischen Ableitungen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet also die Möglichkeit, eines breiten Einsatzfeldes: Abhängig von den verwendeten Sensoren können alle erforderlichen Referenzwerte für die jeweiligen Messwerte sehr genau bestimmt werden - und das dergestalt, dass für einfachste Anwendungen die Rechnung besonders einfach ist, aber auch für komplexere Anforderungen und Sensorkombinationen mit mehr Rechenaufwand alle gewünschten Daten bereitgestellt werden können. Alle Arten der Anwendung ergeben dabei eine bessere

Vergleichsmöglichkeit zwischen Straßenverlaufsdarstellung und allen zur Verfügung stehenden Messwerten als bei Straßenkarten in herkömmlicher Darstellung, wobei der Bedarf an Speicherkapazität gering bleibt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Generierung einer Kartendarstellung mit Verläufen von Straßen zur Anwendung z.B. in der Navigation, Straßengebührenerfassung oder auch Präzisionsanwendungen wie automatisches Fahren, dadurch gekennzeichnet, dass ein Straßenverlauf durch eine Abfolge aneinander gereihter geometrischer Elemente abgebildet wird, wobei als geometrische Elemente Kreisbögen (a, c, d, e) , gerade Strecken (b) und für Anwendungen mit hoher Ortsauflösung Klothoiden verwendet werden.

2. Verfahren zur Generierung einer Kartendarstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisbögen mit mindestens 3 Parametern beschrieben werden, wie z.B. Koordinaten des Mittelpunkts (A, B, C, D) , Radius (r_a, r_c, r_d, r_e) , Anfangs- u. Endpunkt des Kreisbogens, Bogenlänge (a, c, d, e) , Anfangsrichtung, Betrag der Richtungsänderung (ß, χ, δ, ε) .

3. Verfahren zur Generierung einer Kartendarstellung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Strecke (b) durch eine besondere Darstellung beschrieben wird, z.B. als Kreisbogen mit einer Radiusangabe von Null, dessen Kreisbogenmittelpunkt (B) als Anfang der geraden Strecke festgelegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Klothoiden über Näherungsformen, z.B. kubische Parabeln, approximiert wiedergegeben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Darstellung des Straßenverlaufs Klothoiden als Übergänge zwischen aufeinander folgenden Kreisbögen abgebildet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klothoiden aus den Parametern der zu verbindenden Kreisbögen berechnet werden .

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klothoiden aus dem Versatz aufeinander folgender Kreisbögen berechnet werden .

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Versatzbereiche vorgegebene Klothoiden als Datensatz gespeichert werden und zur Darstellung des Straßenverlaufs abgerufen werden.