DE102014112351B4 - Sensorgestütztes fahrzeugpositionsbestimmungssystem - Google Patents

Abstract

Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem, umfassend:eine GPS-basierte Vorrichtung, die GPS-Koordinaten eines Fahrzeugs auf einer gefahrenen Straße erzeugt;eine Datenbank (20), die digitale Landkartendaten enthält, die verwendet werden, um beruhend auf dem Ort der GPS-Koordinaten eine digitale Landkarte einer Region zu erzeugen, die von dem Fahrzeug befahren wird, wobei die digitale Landkarte eine geographische Abbildung einer befahrenen Straße und von registrierten Objekten am Straßenrand umfasst, wobei die registrierten Objekte am Straßenrand in der digitalen Landkarte durch Längengrad- und Breitengradkoordinaten positionstechnisch identifiziert sind;eine Objektdetektionsvorrichtung, die Objekte am Straßenrand in der Region erfasst, die von dem Fahrzeug befahren wird, wobei die erfassten Objekte am Straßenrand auf der digitalen Landkarte identifiziert werden; undeine Verarbeitungseinheit (10), die eine Fahrzeugposition auf der gefahrenen Straße unter Verwendung von Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand, die in der digitalen Landkarte identifiziert wurden, bestimmt, wobei die Verarbeitungseinheit (10) die Position des Fahrzeugs auf der Fahrstraße als Funktion der GPS-Koordinaten und der bestimmten Fahrzeugposition unter Verwendung der Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand lokalisiert,dadurch gekennzeichnet, dass das Lokalisieren der Position des Fahrzeugs auf der Fahrstraße ferner eine Funktion des Identifizierens einer Stra-ßenkrümmung und des Bestimmens einer Fahrzeugposition auf der Grundlage eines Orts des Fahrzeugs in der Krümmung ist, wobei die Krümmungsformel repräsentiert wird als:K=f(s)wobei s die Position des Fahrzeugs ist und K die Krümmung der Straße ist.

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Eine Ausführungsform betrifft allgemein Fahrzeugpositionsbestimmungssysteme.
• Empfänger eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) oder eines anderen globalen Satellitennavigationssystems (GNSS) arbeiten, indem sie Sichtverbindungssignale verfolgen. Diese Empfänger erfordern typischerweise, dass mindestens vier oder mehr Satelliten in einer nicht beeinträchtigten Sichtverbindung zu einem Satellitenempfänger in einem Fahrzeug kontinuierlich zur Verfügung stehen. Aufgrund von natürlichen und menschengemachten Hindernissen (z.B. Gebäuden) oder natürlichen Hindernissen (d.h. eine dichte Abdeckung durch Bäume) kann es sein, dass unter bestimmten Bedingungen die theoretische Minimalzahl der Satelliten, die zur genauen Bestimmung einer Position des Satellitenempfängers benötigt werden, nicht verfügbar ist. Es ist gut bekannt, dass GPS-Positionsfehler bis zu 30 Meter betragen können. Während derartige Fehler zu kleineren Unannehmlichkeiten bei der Navigation dahingehend führen können, ob sich das Fahrzeug exakt an einer Stelle befindet (z.B. einer Kreuzung), gibt es größere Probleme, wenn Systeme etwa zur Fahrspurzentrierung oder Geschwindigkeitsregelung verwendet werden, wenn das Fahrzeug gerade einen kurvigen Abschnitt der Straße durchfährt. Wenn ein automatisiertes Fahrzeugsystem die Geschwindigkeit oder die Spurzentrierung des Fahrzeugs steuert und sich das System auf die Position von der GPS-Position des Fahrzeugs verlässt, dann kann die Einschätzung, dass sich das Fahrzeug auf einem linearen Abschnitt der Straße befindet, statt auf einem kurvigen Abschnitt der Straße, negative Konsequenzen haben.
• Die Druckschrift US 2008 / 0 243 378 A1 offenbart ein Fahrzeugpositionsbestimmungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht in der Detektion von Objekten in einer Umgebung einer Fahrstraße durch Objektdetektionsvorrichtungen des Fahrzeugs zum Vergleichen mit einer digitalen Landkarte, um alle Positionsfehler in der ermittelten GPS-Position zu korrigieren. Zudem können andere Signale von anderen Vorrichtungen wie etwa WiFi, RFID-Markern und Pseudoliten bzw. Pseudo-Satelliten einzeln oder in Zusammenarbeit miteinander verwendet werden, um eine Fahrzeugposition auf der Straße zu identifizieren, die verwendet wird, um alle GPS-Positionsfehler zu korrigieren.
• Ein Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs in einer digitalen Landkarte umfasst, dass GPS-Koordinaten des Fahrzeugs auf der gefahrenen Straße erzeugt werden. Aus einer Datenbank wird eine digitale Landkarte einer Region geholt, die von dem Fahrzeug befahren wird, beruhend auf dem Ort der GPS-Koordinaten. Die digitale Landkarte enthält eine geographische Abbildung einer gefahrenen Straße und von registrierten Objekten am Straßenrand. Die registrierten Objekte am Straßenrand sind in der digitalen Landkarte durch Längengrad- und Breitengrad-Koordinaten positionstechnisch identifiziert. Objekte am Straßenrand in der Region, die von dem Fahrzeug befahren wird, werden erfasst. Die erfassten Objekte am Rand auf der digitalen Landkarte werden identifiziert. Eine Fahrzeugposition auf der gefahrenen Straße wird unter Verwendung von Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand, die in der digitalen Landkarte identifiziert wurden, bestimmt. Die Position des Fahrzeugs auf der Fahrstraße wird als Funktion der GPS-Koordinaten und der unter Verwendung der Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand bestimmten Fahrzeugposition lokalisiert.
• Ein sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem umfasst eine GPS-basierte Vorrichtung, die GPS-Koordinaten eines Fahrzeugs auf einer gefahrenen Straße erzeugt. Eine Datenbank enthält digitale Landkartendaten, die verwendet werden, um eine digitale Landkarte einer Region, die von dem Fahrzeug befahren wird, beruhend auf dem Ort der GPS-Koordinaten zu erzeugen. Die digitale Landkarte umfasst eine geographische Abbildung einer gefahrenen Straße und registrierte Objekte am Straßenrand. Die registrierten Objekte am Straßenrand sind in der digitalen Landkarte durch Längengrad- und Breitengrad-Koordinaten positionstechnisch identifiziert. Eine Objektdetektionsvorrichtung erfasst Objekte am Straßenrand in der Region, die von dem Fahrzeug befahren wird. Die erfassten Objekte am Straßenrand werden auf der digitalen Landkarte identifiziert. Eine Verarbeitungseinheit bestimmt eine Fahrzeugposition auf der gefahrenen Straße unter Verwendung von Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand, die in der digitalen Landkarte identifiziert wurden. Die Verarbeitungseinheit lokalisiert die Position des Fahrzeugs auf der Fahrstraße als Funktion der GPS-Koordinaten und der unter Verwendung der Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand bestimmten Fahrzeugposition.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 ist ein sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem.
• 2 ist eine bildliche Darstellung eines Positionsfehlers, der bei einer GPS-Position auftritt.
• 3 ist eine bildliche Darstellung von externen Objekten, die von dem Fahrzeug zur Fahrzeugpositionsbestimmung erfasst werden.
• 4a veranschaulicht eine Straßenkurve, die durch einen Kreisbogen dargestellt ist.
• 4b veranschaulicht eine graphische Darstellung zum Identifizieren einer Position beruhend auf einer Funktion zur Fahrtrichtungsmessung.
• 5a veranschaulicht ein Fahrzeug, das einen kurvigen Abschnitt einer Straße durchquert.
• 5b veranschaulicht eine graphische Darstellung zur Bestimmung einer Fahrzeugposition beruhend auf einer bekannten Biegung einer Straße.
• 6 ist eine bildliche Darstellung eines Fahrzeugs mit einer GPS-Signalblockade.
• 7 veranschaulicht ein Flussdiagramm zur Korrektur von GPS-Fehlern und Verwendung von erfassten Objekten am Stra-ßenrand.
• GENAUE BESCHREIBUNG
• In 1 ist ein sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem gezeigt. Das System umfasst eine Verarbeitungseinheit 10 zur Bestimmung einer Fahrzeugposition auf einer gefahrenen Straße. Die Verarbeitungseinheit 10 kann eine eigenständige Verarbeitungseinheit sein oder sie kann als Teil eines existierenden Systems, etwa eines Navigationsanzeigesystems, integriert sein. Die Verarbeitungseinheit 10 erhält Eingabedaten aus verschiedenen Quellen zum Lokalisieren einer Position des Fahrzeugs auf einer digitalen Landkarte.
• Das Fahrzeug erhält eine globale Position unter Verwendung eines Fahrzeugpositionsbestimmungssystems. Das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem umfasst einen Empfänger für ein fahrzeugeigenes globales Satellitennavigationssystem (GNSS) oder einen Empfänger 18 für ein anderes globales Positionsbestimmungssystem (GPS). Es versteht sich, dass die Begriffe GNSS und GPS hier austauschbar verwendet werden. Ein GNSS-System umfasst eine Konstellation aus Satelliten zur globalen Positionsbestimmung, die mindestens 24 oder mehr Satelliten enthält, welche die Erde in einer vorbestimmten Fahrstrecke umkreisen, wobei sie kontinuierlich Datensignale mit Zeitmarkierungen senden. Ein GNSS-Empfänger arbeitet, indem er Sichtverbindungssignale verfolgt. Diese Empfänger benötigen typischerweise mindestens vier oder mehr Satelliten, die in einer unbehinderten Sichtverbindung mit einem Satellitenempfänger in einem Fahrzeug kontinuierlich verfügbar sind. Der GNSS-Empfänger empfängt die gesendeten Daten und verwendet diese Informationen, um seine Absolutposition zu bestimmen. Bei der Betrachtung der Erde in einer zweidimensionalen Ebene wird jeder Punkt auf der Erde durch zwei Koordinaten identifiziert. Die erste Koordinate repräsentiert einen Breitengrad und die zweite Koordinate repräsentiert einen Längengrad in der zweidimensionalen Ebene, wobei mindestens drei Satelliten benötigt werden, da es drei Unbekannte gibt, zwei Unbekannte der Position und den Empfänger-Taktzeitfehler, der auch wie eine Unbekannte behandelt wird. Einige Empfänger können annehmen, dass die Höhe eine kurze Zeitspanne lang gleich bleibt, sodass die Position mit nur drei Satelliten bestimmt werden kann; wenn jedoch die Höhe in Betracht gezogen wird, was bei den meisten Anwendungen der Fall ist, dann werden mindestens vier Satelliten benötigt, um eine Absolutposition mit einem bestimmten Fehlerbetrag zu schätzen.
• Satellitenempfänger arbeiten, indem sie Sichtverbindungssignale verfolgen, was erfordert, dass sich jeder der Satelliten in Sicht des Empfängers befindet. Entwurfsbedingt stellen GNSS oder andere GPS-Systeme sicher, dass sich im Mittel vier oder mehr Satelliten kontinuierlich in der Sichtverbindung eines jeweiligen Empfängers auf der Erde befinden; aufgrund von städtischen Schluchten (d.h. Hindernisse wie etwa Gebäude) oder dem Fahren neben einem Lastwagen jedoch, kann sich eine geringere Anzahl von Satelliten in Sichtverbindung befinden und umso mehr können Hindernisse zu einer geringeren Anzahl von Satelliten führen, als derjenigen, die benötigt wird, um die Position des Satellitenempfängers genau zu bestimmen.
• Globale Positionsbestimmungssysteme, die der Öffentlichkeit zur öffentlichen Verwendung zur Verfügung gestellt wurden, können in einer städtischen Umgebung eine GPS-Auflösung/Genauigkeit von 30 m aufweisen. Daher kann der Fahrzeugaufenthaltsort in der Navigationslandkarte einen Fehler von 30 m aufweisen. Obwohl der Fahrzeugpositionsfehler möglicherweise keine so große Auswirkung aufweist, wenn das Fahrzeug gerade auf einer geraden Linie fährt, werden diese Positionsfehler wichtiger, wenn das Fahrzeug gerade entlang einer kurvigen Straße fährt. Diese Positionsfehler beim Fahren entlang einer kurvigen Straße werden Fehler bei der Kurvengeschwindigkeitssteuerung sowie der Spurzentrierungssteuerung verursachen.
• 2 veranschaulicht einen Fehler bei der GPS-Positionsbestimmung des Fahrzeugs. Eine geschätzte Position des Fahrzeugs ist allgemein bei 14 gezeigt. Eine tatsächliche Position des Fahrzeugs ist allgemein bei 16 gezeigt. Ein Fehler in Längsrichtung zwischen der geschätzten Fahrzeugposition 14 und der tatsächlichen Fahrzeugposition 16 beträgt etwa 30 m. Wenn die Länge der Kurve 200 m beträgt, dann wird bestimmt, dass der Kurvenfehler etwa 1/200 m beträgt. Der Biegungsschätzfehler ist einer der Hauptgründe für ein ungewolltes seitliches Manöver. Das heißt, dass, wie in 2 gezeigt ist, beruhend auf der geschätzten Position als Ergebnis der GPS-Auflösung/Latenz festgestellt wird, dass das Fahrzeug gerade nicht auf dem kurvigen Abschnitt der Straße fährt; wie gezeigt jedoch befindet sich die tatsächliche Position des Fahrzeugs auf dem kurvigen Abschnitt der Straße. Als Folge sind die Spurzentrierung sowie die Geschwindigkeitsregelung innerhalb des kurvigen Abschnitts der Straße falsch.
• Wieder mit Bezug auf 1 umfasst das sensorgestützte Fahrzeugpositionsbestimmungssystem zusätzliche Erfassungsvorrichtungen, die verwendet werden, um beim Bereinigen eines Fehlers aus der GPS-basierten Position zu helfen. Das System umfasst Objektdetektionsvorrichtungen zum Identifizieren von Objekten am Straßenrand in der Region der Straße, die von dem Fahrzeug befahren wird. Sobald die Objekte detektiert sind, können sie mit einer digitalen Landkarte abgeglichen werden, welche die verschiedenen Objekte enthält, sodass aus dem sensorgestützten Fahrzeugpositionsbestimmungssystem eine genauere Position bestimmt werden kann. Eine Datenbank 20 speichert digitale Landkarten des Bereichs, der von dem Fahrzeug befahren wird, und umfasst verschiedene Objekte in der Nähe der befahrenen Straße. Durch die Kenntnis dessen, wo sich ein Fahrzeug mit Bezug auf ein Objekt am Straßenrand befindet, können daher die Positionsfehler für die GPS-Position des Fahrzeugs korrigiert werden. Die Objektdetektionsvorrichtungen umfassen Radarvorrichtungen 22, Lidar-Vorrichtungen 24 und Bilderfassungsvorrichtungen 26, sind aber nicht darauf beschränkt. Jede der Vorrichtungen kann von den Objektdetektionsvorrichtungen detektiert werden. Sobald sie von den Objektdetektionsvorrichtungen detektiert sind, können Lage- und Distanzmessungen erhalten werden. Beispielsweise sind Baumstämme, Lichtmasten, Verkehrszeichen, Leitplanken und Spurmarkierungen nur ein paar der detektierten Objekte, die von den Objektdetektionsvorrichtungen erfasst werden können. Es versteht sich, dass andere Objekte ebenfalls detektiert werden können. Die detektierten Objekte werden dann mit registrierten Objekten in den digitalen Landkartendaten verglichen. Beruhend auf den Mess- und Lagedaten, die von den Objektdetektionsvorrichtungen gemessen wurden, kann festgestellt werden, dass die Objekte die in den digitalen Landkartendaten registrierten Objekte sind, und eine tatsächliche Position des Fahrzeugs kann beruhend auf der Positionsbeziehung des Fahrzeugs relativ zu den detektierten Objekten identifiziert werden. Dann können Justierungen an den GPS-Positionsdaten durchgeführt werden, um den GPS-Fehler zu kompensieren.
• Andere Arten von Signalen, die verwendet werden können, umfassen Pseudolit-Signale 28. Pseudolit-Signale 28 bezeichnen Signale, die nicht von einem Satelliten stammen, aber eine Funktion im Bereich von Satelliten ausführen. Pseudoliten sind typischerweise kleine Sender/Empfänger, die verwendet werden, um eine bodenbasierte GPS-Alternative zur GPS-Positionsbestimmung zu schaffen. Die Reichweite des Signals jedes Senders/Empfängers hängt von der verfügbaren Leistung ab. Wenn Satellitensignale daher blockiert sind, dann können Pseudolit-Signale als Alternative zur Bestimmung der Fahrzeugposition und zum Verringern des GPS-Positionsfehlers verwendet werden.
• Analog kann eine Fahrzeugpositionsbestimmung mithilfe von WiFi-Routern 30 oder RFED-Markern 32 bestimmt werden. Die WiFi-Router 30 und die RFID-Marker 32 weisen eine festgelegte Position auf. Daher können gemessene Lage- und Distanzdaten von dem Fahrzeug zu dem WiFi-Router 30 oder den RFID-Markern 32 verwendet werden, um die Fahrzeugposition zu bestimmen, um den GPS-Positionsfehler zu verringern.
• Das System umfasst ferner eine Biegungsschätzvorrichtung 34 zum Bestimmen einer Biegung der Straße beruhend auf den Eingabedaten, die an den Prozessor 10 geliefert werden. Die Qualität der Biegung der Straße, die von der Biegungsschätzvorrichtung 34 bestimmt wurde, beeinflusst direkt das Verhalten von Ausgabevorrichtungen wie etwa Kurvengeschwindigkeitssteuerungssystemen und Spurzentrierungssteuerungssystemen. Daher kann die Biegung berechnet werden, indem das Straßenprofil in der digitalen Landkarte mit dem GPS-Aufenthaltsort des Fahrzeugs zusammen mit beliebigen Signaleingabedaten von den Objektdetektionsvorrichtungen oder anderen Vorrichtungen, die bei der Bestimmung der Fahrzeugposition helfen, abgeglichen wird.
• Ausgabevorrichtungen 36, etwa eine Spurzentrierungssteuerungsvorrichtung zum Zentrieren des Fahrzeugs in einer Fahrspur der Straße oder Kurvengeschwindigkeitssteuerungsvorrichtungen zum Steuern der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs in eine Kurve hinein, durch eine Kurve hindurch und aus einer Kurve heraus verwenden die justierten Positionsdaten, die von dem Prozessor 10 bestimmt wurden. Die hier beschriebenen Ausgabevorrichtungen 36 sind nur Beispiele für die verschiedenen Vorrichtungen, die die korrigierten GPS-Positionsdaten verwenden können, die von dem Prozessor ausgegeben werden.
• 3 zeigt eine bildliche Darstellung des Fahrzeugs und der verschiedenen Signale, die von peripheren Vorrichtungen empfangen werden, welche zum Korrigieren des Positionsbestimmungsfehlers des GPS-Systems verwendet werden können. Wie in 3 veranschaulicht ist, werden von mindestens drei Satelliten S₁, S₂, S₃ GPS-Signale gesendet, um GPS-Daten zu erhalten, die zur Bestimmung einer globalen Position verwendet werden. Verschiedene Objekte werden von fahrzeugbasierten Objektdetektionsvorrichtungen erfasst und für jedes Objekt werden Koordinaten bestimmt. Beispielsweise können Objektdetektionsvorrichtungen einen Baumstamm (x₁, y₁), einen Lichtmast (x₂, y₂) ein Verkehrszeichen (x₃, y₃) und eine Leitplanke (x₄, y₄) detektieren. Abstände zu jeder Seite der Straße (d_L, d_R) können bestimmt werden, wenn Spurmarkierungen oder andere Markierungen, welche die Ränder der Straße identifizieren (z.B. Straßenranddetektionsvorrichtungen) verwendet werden. Jedes der Objekte kann, sobald es identifiziert wurde, mit registrierten digitalen Landkartendaten verglichen werden, um die Position dieser Objekte und die Position des Fahrzeugs (x, y, z) zu bestimmen. Zudem kann auch die Biegung der Straße berechnet werden und die Lage des Fahrzeugs mit Bezug auf die Biegung kann ebenfalls bestimmt werden. Zudem können feststehende Vorrichtungen wie etwa WiFi-Router und RFID-Marker, an denen das Fahrzeug Signale empfängt, in Zusammenarbeit mit anderen Eingabesignalen verwendet werden, um eine Position des Fahrzeugs in der digitalen Landkarte zu bestimmen.
• Für diejenigen Objekte, die stationäre Objekte sind, wird angenommen, dass diese punktstationären Objekte (z.B. Baumstamm, Lichtmasten, Verkehrszeichen, WiFi-Zugangspunkte, aktive Marker wie etwa RFIDs und Überkopf-GNSS-Satelliten) und linienstationäre Objekte (z.B. Spurmarkierungen und Leitplanken) in einem feststehenden bekannten lokalen Koordinatensystem (O-xyz) repräsentiert sind. Eines der Beispiele für das lokale Koordinatensystem ist ein Ost-Nord-Nach-Oben-System, bei dem der Ursprung als eine bekannte Koordinate im World Geodetic System (WGS84) ausgedrückt ist. Zur Vereinfachung der Formulierung wird angenommen, dass das Fahrzeug auf einer Bodenebene gefahren wird, die ausgedrückt wird als (z = 0). Die Aufgabe besteht darin, die Fahrzeugposition (x, y), Orientierung (φ) und Längsgeschwindigkeit (v_h) auf der Bodenebene herauszufinden. Die Schritte sind wie folgt:
• Zunächst sei die Position der Satelliten S₁, S₂ und S₃ ausgedrückt durch P₁, P₂ bzw. P₃, und die Geschwindigkeit der Satelliten sei ausgedrückt durch V₁, V₂ bzw. V₃. Es sei P_H = (x, y, 0)^T die Position des Trägerfahrzeugs und V_H = (_Vhcosφ, V_hsinφ, 0), wobei x, y und φ die Position bzw. die Fahrtrichtung des Fahrzeugs sind und V_h die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs bezeichnet.
• Die Entfernungsmesswerte zu den Satelliten S₁, S₂ und S₃ sind wie folgt: $$\Vert P_1-P_H\Vert =R_1$$

  

  $$\Vert P_2-P_H\Vert =R_2$$

  

  $$\Vert P_3-P_H\Vert =R_3.$$

  
• Die Doppler-Messwerte von den Satelliten S₁, S₂ und S₃ sind wie folgt: $$\left(V_1-V_H\right)\cdot \frac{P_1-P_H}{\Vert P_1-P_H\Vert }=D_1$$

  

  $$\left(V_2-V_H\right)\cdot \frac{P_2-P_H}{\Vert P_2-P_H\Vert }=D_2$$

  

  $$\left(V_3-V_H\right)\cdot \frac{P_3-P_H}{\Vert P_3-P_H\Vert }=D_3$$

  

  wobei R₁, R₂ und R₃ die Entfernungsmesswerte zu den Satelliten S₁, S₂ bzw. S₃ sind und D₁, D₂ und D₃ die Doppler-Messwerte zu den Satelliten S₁, S₂ bzw. S₃ sind. Durch Linearisieren der vorstehend erwähnten Messgleichungen wird das Positionsbestimmungsproblem in die folgende Minimierungsdarstellung transformiert: $${\text{min}}_{\text{x}}{\Vert H_{\text{GSNN}}\text{x}-{\text{o}}_{\text{GSNN}}\Vert }^2$$

  

  wobei x = (x, y, V_h, φ)^T, H_GSNN die abgeleitete Jacobimatrix ist und _OGNSS der normierte Messwert ist, der aus den Satellitenmessungen abgeleitet wurde.
• Als Nächstes wird angenommen, dass die Position des WiFi-Zugangspunkts (AP) als P_WIFI bekannt ist und die Position eines Radiofrequenzidentifikationsmarkers (RFID-Markers) als P_RFID bekannt ist. Die Distanz zwischen dem Fahrzeug und dem WiFi-AP kann aus der empfangenen Signalstärke hergeleitet werden, die als R_WIFI bezeichnet wird. Analog wird die Distanz zwischen dem Fahrzeug und dem RFID als R_RFID gemessen. Das Ergebnis sind zwei zusätzliche Messgleichungen: $$\Vert P_{\text{WIFI}}-P_H\Vert =R_{\text{WIFI}}$$

  

  $$\Vert P_{\text{RFID}}-P_H\Vert =R_{\text{RFID}}$$

  
• Nach dem Linearisieren der zwei zusätzlichen Messgleichungen ist die Minimierungsdarstellung wie folgt: $${\text{min}}_{\text{x}}{\Vert H_{\text{WR}}\text{x}-{\text{o}}_{\text{WR}}\Vert }^2$$

  

  wobei H_WR die abgeleitete Jacobimatrix ist und _OWR die normierte Messung ist, die aus R_WIFI und R_RFID abgeleitet wurde.
• Als Nächstes sei die Position des Baumstamms, des Lichtmasts und des Verkehrszeichens beschrieben durch P_T = (x₁, y₁), P_L = (x₂, y₂) und Ps = (x₃, y₃). Die Sensormessung (Radar oder Lidar) kann wie folgt ausgedrückt werden: $$P_{\text{T}}-P_{\text{H}}={\mathbf{p}}_{\text{T}}$$

  

  $$P_{\text{L}}-P_{\text{H}}={\mathbf{p}}_{\text{L}}$$

  

  $$P_{\text{S}}-P_{\text{H}}={\mathbf{p}}_{\text{S}}$$

  

  wobei p_T, p_L und ps die Positionsmessungen dieser punktstationären Objekte sind (Baumstamm, Lichtmast und Verkehrszeichen). Der Dopplermesswert (Bogenmaßgeschwindigkeit) dieser Objekte kann die folgt dargestellt werden: $$-V_H\cdot \frac{P_T-P_H}{\Vert P_T-P_H\Vert }=V_T$$

  

  $$-V_H\cdot \frac{P_L-P_H}{\Vert P_L-P_H\Vert }=V_T$$

  

  $$-V_H\cdot \frac{P_S-P_H}{\Vert P_S-P_H\Vert }=V_S$$

  

  wobei V_T, V_L und Vs direkte Geschwindigkeitsmessungen für den Baumstamm, den Lichtmast bzw. das Verkehrszeichen sind. Indem die sensorbasierten Messgleichungen linearisiert werden, wird die Minimierung wie folgt dargestellt: $${\text{min}}_{\text{x}}{\Vert H_{\text{SRN}}\text{x}-{\text{o}}_{\text{SEN}}\Vert }^2$$

  

  wobei H_SEN die abgeleitete Jacobimatrix ist, und O_SEN der normierte Messwert ist, der aus den Sensormesswerten abgeleitet wurde.
• Schließlich wird angenommen, dass eine Spurmarkierung in einer Linie mit dem Orientierungswinkel η und der Distanz d ausgedrückt wird. Das Ergebnis ist (η_L, D_L) für die linke Spurmarkierung, (η_R, D_R) für die rechte Spurmarkierung und (η_G, D_G) für die Leitplanke. Daher sind die Winkelmessungsgleichungen wie folgt: $${\eta }_L-\phi ={\theta }_L$$

  

  $${\eta }_R-\phi ={\theta }_R$$

  

  $${\eta }_G-\phi ={\theta }_G$$

  

  und die Querversatzmessgleichungen sind wie folgt: $$x\text{cos}{\mathrm{\eta }}_{\text{L}}-y\text{sin}{\eta }_L+D_L=d_L$$

  

  $$x\text{cos}{\mathrm{\eta }}_{\text{R}}-y\text{sin}{\eta }_R+D_R=d_R$$

  

  $$x\text{cos}{\mathrm{\eta }}_{\text{G}}-y\text{sin}{\eta }_G+D_G=d_G$$

  

  wobei θ_L, θ_R und θ_G die gemessene relative Orientierung der linken Spurmarkierung, der rechten Spurmarkierung bzw. der Leitplanke sind und d_L, d_R und d_G der Querversatz zu der linken Spurmarkierung, der rechten Spurmarkierung bzw. der Leitplanke sind.
• Daher wird die Minimierungsformel wie folgt dargestellt: $${\text{min}}_{\text{x}}{\Vert H_{\text{LIN}}\text{x}-{\text{o}}_{\text{LIN}}\Vert }^2$$

  

  wobei H_LIN die abgeleitete Jacobimatrix ist und O_LIN der normierte Messwert ist, der aus den Linienmessungen abgeleitet wurde.
• Zusammengefasst kann die Fahrzeugposition und -orientierung gelöst werden, indem die folgende Gleichung minimiert wird: $$\begin{array}{l}{\text{min}}_{\text{x}}{\Vert H_{\text{GSNN}}\text{x}-{\text{o}}_{\text{GSNN}}\Vert }^2+{\Vert H_{\text{WR}}\text{x}-{\text{o}}_{\text{WR}}\Vert }^2+{\Vert H_{\text{SEN}}\text{x}-{\text{o}}_{\text{SEN}}\Vert }^2+\\ {\Vert H_{\text{LIN}}\text{x}-{\text{o}}_{\text{LiN}}\Vert }^2\end{array}$$

  

  was in die folgende Gleichung umgeschrieben werden kann: $${\text{min}}_{\text{x}}{\Vert \left(\begin{array}{c}{H}_{\text{GSNN}}\\ H_{\text{WR}}\\ H_{\text{SEN}}\\ H_{\text{LIN}}\end{array}\right)\text{x}-\left(\begin{array}{c}{\text{o}}_{\text{GSNN}}\\ {\text{o}}_{\text{WR}}\\ {\text{o}}_{\text{SEN}}\\ {\text{o}}_{\text{LIN}}\end{array}\right)\Vert }^2$$

  

  oder $${\text{min}}_{\text{x}}{\Vert A\text{x}-\text{o}\Vert }^2.$$

  
• Das vorstehende Problem der kleinsten Quadrate kann durch eine QR-Zerlegung unter Verwendung der folgenden Schritte gelöst werden:
1. 1) Berechne die QR-Zerlegung der vergrößerten Matrix [A o] = QR
2. 2) $\text{Finde die Untermatrizen von}=\left(\begin{array}{ccccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& r_{14}& z_1\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& r_{24}& z_2\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& r_{34}& z_3\\ r_{41}& r_{42}& r_{43}& r_{44}& z_4\\ ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& ⋮\end{array}\right).$
   
   Wir definieren $R_4=\left(\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& r_{14}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& r_{24}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& r_{34}\\ r_{41}& r_{42}& r_{43}& r_{44}\end{array}\right)$
   
   und $z=\left(\begin{array}{l}{z}_1\\ z_2\\ z_3\\ z_4\end{array}\right).$
   
• Dabei ist die Fahrzeugposition x = R₄ ^-1z und die entsprechende Kovarianzmatrix Σ = R₄ ^-1R₄ ^-T.
• 4A und 4B veranschaulichen eine Technik zum Bestimmen einer Fahrzeugposition auf der kurvigen Straße unter Verwendung von GPS-Fahrtrichtungsdaten und Landkartenbiegungsdaten. 4A veranschaulicht eine Straßenkurve und ist durch die Fahrtrichtung als Funktion einer Bogenlänge θ = θ(s) dargestellt. Wie in 4A gezeigt ist, kann die Richtung der Kurve θ(s) an jeden Punkt entlang der Kurve beruhend auf der Lage des Fahrzeugs relativ zu einer festgelegten Richtung (z.B. gen Norden) bestimmt werden. Wenn daher der GPS-Messwert und die Fahrtrichtung y gegeben sind, wird ein Aufenthaltsort des Fahrzeugs (s) hergeleitet, indem eine Umkehrfunktion angewendet wird, wie in der graphischen Darstellung in 4B gezeigt ist und durch die Formel s_γ= θ^-1(y) dargestellt ist.
• Eine andere Technik zur Bestimmung der Position des Fahrzeugs unter Verwendung der GPS-Fahrtrichtung und der Landkartenbiegung ist in 5A und 5B gezeigt. Es wird angenommen, dass die Fahrspurbiegung bekannt ist und eine Funktion der Fahrzeugposition von der digitalen Landkarte ist. 5A veranschaulicht ein Fahrzeug, das eine Kurve an verschiedenen Punkten durchquert. Punkt A stellt das Fahrzeug dar, das entlang eines linearen Abschnitts der Straße fährt. Punkt B stellt die Position dar, an der es von dem linearen Abschnitt der Straße auf den kurvigen Abschnitt der Straße wechselt. Punkt C stellt die Position des Fahrzeugs dar, wenn das Fahrzeug vollständig in dem kurvigen Abschnitt der Straße fährt. 5B ist eine graphische Darstellung der Straßenbiegung (K) über einer Position des Fahrzeugs (s). Durch die Kenntnis, wo sich das Fahrzeug auf der Biegung der Straße befindet, wenn es von einer linearen Straße in einen kurvigen Abschnitt wechselt, kann eine Position des Fahrzeugs bestimmt werden. Die Biegung der Straße wird durch die folgende Formel dargestellt: $$K=f\left(s\right)$$

  

  wobei K die Biegung ist und s eine Position des Fahrzeugs ist. Es wird außerdem angenommen, dass die Fahrspurbiegung von der Bildgebungsvorrichtung gemessen wird, etwa einer Kamera, oder von einer anderen Spurmarkierungserfassungsvorrichtung. Eine Fahrzeugposition kann aus der Umkehrfunktion der Biegungsformel bestimmt werden: $$s=f^{-1}\left(K\right)$$

  

  wobei s die Position des Fahrzeugs ist und K die Biegung ist. Unter Verwendung der graphischen Darstellung in 5B kann die Position des Fahrzeugs speziell in Regionen des Übergangs in die Biegung hinein und aus der Biegung heraus bestimmt werden (z.B. bei Punkt B).
• 6 stellt eine Veranschaulichung dar, bei der die GPS-Signale von den Satelliten aufgrund eines Hindernisses blockiert sind. Im Fall einer GPS-Blockade durch Hindernisse wie etwa Brücken können Annahmen getroffen werden, ohne in der Lage zu sein, dass Fahrzeug zu überwachen, während das Hindernis auftritt. In 6 ist ein Fahrzeug gezeigt, das gerade unter einer Brücke 40 fährt. Eine Position 42 stellt einen Punkt dar, an dem alle Satellitensignale verloren gehen. Es wird angenommen, dass sich das Fahrzeug bei Position 42 befindet, wenn die Signale von allen Satelliten verloren gehen. Eine Position 44 ist der Punkt, bei dem das Fahrzeug für mindestens einen Satelliten sichtbar ist. Typischerweise braucht man drei sichtbare Satelliten, die ein Fahrzeug sehen muss, um eine genaue GPS-Position zu bestimmen; wenn jedoch nur ein Satellitensignal empfangen wird, dann wird angenommen, dass sich das Fahrzeug bei Punkt 44 befindet. Dieser stellt die Position dar, bei der ein erstes Satellitensignal von dem Fahrzeug empfangen werden kann, wenn es das Hindernis verlässt. Daher erfordert das System nicht, dass gewartet wird, bis drei oder mehr Satellitensignale vom Fahrzeug empfangen werden. Stattdessen können die Koordinaten von Punkt 44 angenommen werden, sobald ein Satellitensignal sichtbar ist.
• 7 veranschaulicht ein Flussdiagramm zum Korrigieren von GPS-Fehlern unter Verwendung erfasster Objekte am Straßenrand. Bei Schritt 50 werden GPS-Koordinaten unter Verwendung der Konstellation von Satellitensignalen erhalten. Als Faktor zur Bestimmung der Position des Fahrzeugs kann auch ein Pseudo-Reichweiten-Signal/Rausch-Verhältnis bzw. Signal/Rausch-Abstand verwendet werden. Die auf GPS bezogenen Daten werden als Eingaben für die Verarbeitungseinheit zum Beseitigen von Fehlern aus der identifizierten GPS-Position unter Verwendung anderer sensorgestützter Daten verwendet.
• Bei Schritt 52 wird eine Relativposition von Objekten am Straßenrand (z.B. von Lichtmasten, Brücken, Leitplanken) unter Verwendung von Objektdetektionsvorrichtungen beschafft.
• Bei Schritt 54 werden Straßenbiegungsinformationen relativ zu einer Position von Objekten am Straßenrand (z.B. einem Verkehrszeichen) von Objektdetektionsvorrichtungen erhalten, etwa einer nach vorne blickenden Fahrzeugbildgebungsvorrichtung.
• Bei Schritt 56 werden registrierte Objektdaten in digitalen Landkarten aus einer Datenbank erhalten. Diese umfassen Informationen, welche Koordinaten für jedes der registrierten Objekte innerhalb der digitalen Landkarte der Umgebung der befahrenen Straße umfassen.
• Bei Schritt 58 wird ein Verarbeitungsmodul bereitgestellt, um Eingabedaten von jeder der Vorrichtungen zu empfangen, die in den Blöcken 50-56 beschrieben wurden. Die Verarbeitungseinheit verwendet die verschiedenen Daten, um Positionsfehler in den GPS-Daten zu bestimmen.
• Bei Schritt 60 werden GPS/Trägheits-/Tachometer-Positionsbestimmungsinformationen in ein GPS-basiertes Landkartenabgleichsmodul bei Schritt 62 eingegeben. Zudem werden die Daten, die von dem Verarbeitungsmodul bei Schritt 56 gesammelt wurden, für das GPS-basierte Landkartenabgleichsmodul bereitgestellt. Die Daten von den Schritten 60 und 62 werden abgeglichen, um festzustellen, ob die Eingabedaten übereinstimmen.
• Bei Schritt 64 werden die Ergebnisse von dem GPS-basierten Landkartenabgleichsmodul auf das ADASIS-Horizontprotokoll angewendet. ADASIS ist ein Protokoll, das ein standardisiertes Datenmodell und eine Struktur definiert, um Landkartendaten in der Umgebung der Fahrzeugposition darzustellen. Die ADASIS-Horizontdaten werden dann in Schritt 58 zurück in das Verarbeitungsmodul eingegeben, wobei die hier beschriebenen Positionsbestimmungstechniken auf die Landkartendaten angewendet werden, um Fehler aus den Daten zu entfernen.
• Bei Schritt 66 werden Fahrtrichtungs-, Biegungs- und Positionsinformationen an mindestens eine Ausgabevorrichtung ausgegeben. Die Ausgabevorrichtung kann eine Biegungsgeschwindigkeitssteuerung zum Steuern der Geschwindigkeit durch einen kurvigen Abschnitt der Straße, eine Spurzentrierungssteuerung zum Halten der Position des Fahrzeugs in der Mitte der Spur, speziell wenn in dem kurvigen Abschnitt der Straße gefahren wird, umfassen.

Claims (10)

1. Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem, umfassend: eine GPS-basierte Vorrichtung, die GPS-Koordinaten eines Fahrzeugs auf einer gefahrenen Straße erzeugt; eine Datenbank (20), die digitale Landkartendaten enthält, die verwendet werden, um beruhend auf dem Ort der GPS-Koordinaten eine digitale Landkarte einer Region zu erzeugen, die von dem Fahrzeug befahren wird, wobei die digitale Landkarte eine geographische Abbildung einer befahrenen Straße und von registrierten Objekten am Straßenrand umfasst, wobei die registrierten Objekte am Straßenrand in der digitalen Landkarte durch Längengrad- und Breitengradkoordinaten positionstechnisch identifiziert sind; eine Objektdetektionsvorrichtung, die Objekte am Straßenrand in der Region erfasst, die von dem Fahrzeug befahren wird, wobei die erfassten Objekte am Straßenrand auf der digitalen Landkarte identifiziert werden; und eine Verarbeitungseinheit (10), die eine Fahrzeugposition auf der gefahrenen Straße unter Verwendung von Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand, die in der digitalen Landkarte identifiziert wurden, bestimmt, wobei die Verarbeitungseinheit (10) die Position des Fahrzeugs auf der Fahrstraße als Funktion der GPS-Koordinaten und der bestimmten Fahrzeugposition unter Verwendung der Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand lokalisiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Lokalisieren der Position des Fahrzeugs auf der Fahrstraße ferner eine Funktion des Identifizierens einer Stra-ßenkrümmung und des Bestimmens einer Fahrzeugposition auf der Grundlage eines Orts des Fahrzeugs in der Krümmung ist, wobei die Krümmungsformel repräsentiert wird als: $$\text{K}=\text{f}\left(\text{s}\right)$$

   

   wobei s die Position des Fahrzeugs ist und K die Krümmung der Straße ist.
2. Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinheit (10) eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs und eine Biegung der gefahrenen Straße als Funktion der GPS-Koordinaten und der unter Verwendung der Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand bestimmten Fahrzeugposition bestimmt.
3. Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem nach Anspruch 2, das ferner eine Biegungsschätzvorrichtung umfasst, wobei die Fahrtrichtung des Fahrzeugs und die Biegung der gefahrenen Straße an die Biegungsschätzvorrichtung geliefert werden, wobei die Biegungsschätzvorrichtung eine Geschwindigkeitssteuerung des Fahrzeugs in der Kurve ermöglicht.
4. Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem nach Anspruch 2, das ferner eine Biegungsschätzvorrichtung umfasst, wobei die Fahrtrichtung des Fahrzeugs und die Biegung der gefahrenen Straße an die Biegungsschätzvorrichtung geliefert werden, wobei die Biegungsschätzvorrichtung eine Spurzentrierungssteuerung des Fahrzeugs ermöglicht.
5. Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem nach Anspruch 2, wobei die Position des Fahrzeugs in einer kurvigen Straße als Funktion der Fahrtrichtung des Fahrzeugs und der Biegung der gefahrenen Straße lokalisiert wird.
6. Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, ferner ein nach vorne gerichtetes Bildgebungssystem umfassend, das Objekte am Straßenrand detektiert.
7. Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, ferner eine radarbasierte Vorrichtung (22) umfassend, die Objekte am Straßenrand detektiert.
8. Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, ferner einen WiFi-Router (30) außerhalb des Fahrzeugs umfassend, wobei die Position des Fahrzeugs auf der Fahrstraße eine Funktion der GPS-Koordinaten, der unter Verwendung der Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand bestimmen Fahrzeugposition und einer Relativposition des Fahrzeugs unter Verwendung eines Signals von dem WiFi-Router (30) ist.
9. Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, das ferner einen RFID-Marker (32) außerhalb des Fahrzeugs umfasst, wobei die Position des Fahrzeugs auf der Fahrstraße eine Funktion der GPS-Koordinaten, der unter Verwendung der Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand bestimmten Fahrzeugposition und einer Relativposition des Fahrzeugs unter Verwendung eines Signals von den RFID-Markern (32) ist.
10. Sensorgestütztes Fahrzeugpositionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, das ferner Vorrichtungen zum Erzeugen von Pseudolit-Signalen (28) umfasst, wobei das Lokalisieren der Position des Fahrzeugs auf der Fahrstraße als Funktion der GPS-Koordinaten und der unter Verwendung der Koordinaten der erfassten Objekte am Straßenrand bestimmten Fahrzeugposition ferner umfasst, dass eine Relativposition des Fahrzeugs unter Verwendung der Pseudolit-Signale (28) bestimmt wird.

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