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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Attributs auf einer digitalen Karte für ein Fahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Attributs auf einer digitalen Karte für ein Fahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Der elektronische Horizont eines Straßenfahrzeuges ausgehend vom aktuellen Aufenthaltsort dient schon lange als Basis für verschiedene Assistenz- oder Informationsfunktionen in einem Fahrzeug und wird in aktuellen Projekten zum automatisierten Fahren dafür verwendet, um Informationen aus einer digitalen Straßenkarte weiteren Steuergeräten z.B. zentimetergenau bereitzustellen. Zur Auslieferung des Horizonts kommt das standardisierte ADASISv3-Protokoll zum Einsatz, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Position eines Kartenattributs als zentimeter-genauer Offset entlang eines Pfads des Horizonts angegeben wird.
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EP 2 459 968 A1 offenbart einen elektronischen Horizont für ein Fahrerassistenzsystem.
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DE 10 2016 214 028 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Position einer mobilen Einheit, bei dem eine Schätzposition der mobilen Einheit erfasst wird und anhand der erfassten Schätzposition Referenzkartendaten abgerufen werden, wobei die Referenzkartendaten Referenzpositionen von Landmarken umfassen.
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EP 3 112 802 B1 offenbart eine Straßenmerkmalmessvorrichtung und Straßenmerkmalmessverfahren zur verbesserten Steuerung von Kraftfahrzeugen.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln eines Attributs einer hochauflösenden digitalen Karte bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Zuordnen eines Kartenattributs in einer digitalen Karte für ein Fahrzeug, aufweisend die Schritte:
- - Ermitteln eines Gültigkeitsbereiches des in absoluten Koordinaten hinterlegten Kartenattributs bezogen auf eine Referenzlinie der digitalen Karte; wobei
- - wenigstens ein Fußpunkt einer definierten Geometrie ausgehend vom Kartenattribut mit einem definierten Segment der Referenzlinie des Fahrzeugs ermittelt wird; und
- - wobei das Kartenattribut dem am Fußpunkt geschnittenen definierten Segment zugeordnet wird.
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Auf diese Weise werden Kartenattribute auf eine Referenzlinie gemappt. Vorteilhaft kann dadurch die hochauflösende digitale Karte z.B. für hochgenaue Anwendungen z.B. im Rahmen von automatisiertem Fahren verwendet werden, z.B. auf Autobahnen, Bundesstraßen, im urbanen Bereich, usw. Beispielsweise kann das Verfahren an zentraler Stelle (z.B. in der Cloud) durchgeführt werden, wobei jeweils Abschnitte aus der digitalen Karte an das Fahrzeug übermittelt werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren kann auf einem Steuergerät im Fahrzeug durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das vorgeschlagene Verfahren schon bei der Erstellung der digitalen Karte durchgeführt werden. Ein anderes denkbares Anwendungsbeispiel ist auch eine digitale Karte mit Kartenattributen, die eine Infrastruktur für Elektrofahrzeuge spezifizieren (z.B. Ladestationen, Einrichtungen zur Berechnung der Reichweite mit aktueller Batterieladung anhand der Straßenbeschaffenheit, usw.) Vorteilhaft liefert das vorgeschlagene Verfahren ein korrektes Mapping-Ergebnis, anders als beim herkömmlichen Nearest-Neighbour-Ansatz, der weiter unten näher erläutert wird. Damit wird mittels des vorgeschlagenen Verfahrens die Offset-basierte Position der Kartenattribute korrekt und effizienter berechnet, womit z.B. ein elektronischer Horizont generiert werden kann, mit dessen Hilfe automatisiertes Fahren abseits der Autobahn und insbesondere im urbanen Umfeld besser realisiert werden kann.
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Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einer Vorrichtung zum Zuordnen eines Kartenattributs in einer digitalen Karte für ein Fahrzeug, die das vorgeschlagene Verfahren durchführt. Dies kann beispielsweise auf einem elektronischen Steuergerät erfolgen, auf dem innerhalb verschiedener Software-Applikationen das vorgeschlagene Verfahren durchgeführt wird.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens, wenn es auf einer vorgeschlagenen elektronischen Vorrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens sind Gegenstand von jeweils abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass eine Position des Kartenattributs auf einem Segment der Referenzlinie ermittelt wird. Dadurch kann die hochauflösende digitale Karte gemappte Kartenattribute sehr genau verwenden, wodurch zum Beispiel ein hochgenaues automatisiertes Fahren des Fahrzeugs gut unterstützt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein Offset des Kartenattributs auf der Referenzlinie aus der ermittelten Position des Kartenattributs ermittelt wird. Auf diese Weise wird die Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens in einem elektronischen Horizont realisiert, der insbesondere bei Fahrten von automatisierten Fahrzeugen auf Autobahnen, stark frequentierten Bundesstraßen und anderen Straßen nützlich ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Schnittpunkt mittels sich definiert vergrößernder konzentrischer Kreise oder mittels definierter vom Kartenattribut ausgehender Strahlen ermittelt wird. Auf diese Weise werden einfach durchzuführende geometrische Prinzipien zum genauen Ermitteln der Zuordnung des Kartenattributs zur Referenzlinie verwendet.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass als Referenzlinie eine Spurmitte einer Fahrbahn verwendet wird. Dies ist insbesondere bei mehrspurigen Fahrbahnen nützlich, um dadurch eine genaue Zuordnung des Kartenattributs zur befahrenen Fahrspur zu ermöglichen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass für den Fall, dass zwei Segmente geschnitten werden, Längen der geschnittenen Segmente ermittelt werden, wobei das Kartenattribut dem Segment mit der größten Distanz zugeordnet wird. Eine eindeutige Zuordnung des Kartenattributs zur Referenzlinie ist auf diese Weise vorteilhaft unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass im Falle, dass zwei Segmente der Referenzlinie denselben Abstand zum Kartenattribut aufweisen, das Kartenattribut dem Segment in Fahrtrichtung des Fahrzeugs zugeordnet wird. Vorteilhaft kann auf diese Weise auch eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Verfahren bei der Erstellung der digitalen Karte, auf einem Steuergerät oder in der Cloud durchgeführt wird. Vorteilhaft ist dadurch eine vielfältige Einsatzmöglichkeit des vorgeschlagenen Verfahrens unterstützt.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren.
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Offenbarte Merkmale und Vorteile des Verfahrens ergeben sich in analoger Weise aus offenbaren Merkmalen und Vorteilen der Vorrichtung und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine Darstellung grundlegender Begrifflichkeiten des vorgeschlagenen Verfahrens;
- 2 eine Erläuterung des herkömmlichen Nearest-Neighbour-Verfahrens;
- 3 eine prinzipielle Darstellung einer Wirkungsweise des vorgeschlagenen Verfahrens;
- 4 eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens;
- 5 eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens;
- 6 eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens; und
- 7 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Nachfolgend wird der Begriff „automatisiertes Fahrzeug“ synonym mit den Begriffen „vollautomatisiertes Fahrzeug“, „autonomes Fahrzeug“, „teilautonomes Fahrzeug“, „E-Fahrzeug“ sowie anderen Fahrerassistenzfunktionen verwendet.
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1 erläutert grundlegende Begrifflichkeiten des vorgeschlagenen Verfahrens dar.
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Ein Offset O (z.B. ein Abstand von einer definierten Position eines Fahrzeugs auf einer Referenzlinie mit mehreren aneinandergereihten Segmenten S1...Sn) eines Kartenattributs A kann nicht direkt aus einer hochauflösenden digitalen Karte ausgelesen werden, sondern muss basierend auf einer die Straßengeometrie repräsentierenden Referenzlinie (z.B. in Form einer Fahrspur-Referenzlinie) und der in absoluten Koordinaten in der Karte hinterlegten Position des Kartenattributs A rechnerisch ermittelt werden. Vorteilhaft muss der Offset O somit nicht zwangsläufig beginnend von der Fahrzeug-Position, sondern kann von einem beliebig definierten Punkt beginnend ermittelt werden. Erkennbar ist eine Geometrie der Referenzlinie mit Formpunkten P1... Pn, deren Verbindungen als Segmente S1...Sn bezeichnet werden, sowie ein Kartenattribut A, welches z.B. zur Erstellung eines elektronischen Horizonts für ein Fahrzeug (nicht dargestellt) orthogonal auf die Referenzlinie gemappt wird, um dadurch einen Fußpunkt fp und daraus den Offset O (Abstand Formpunkt P1 zum Fußpunkt fp) zu ermitteln.
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Ein bekannter Algorithmus zur Bestimmung des Offsets O lässt sich in Pseudo-Code folgendermaßen ausdrücken:
- 1. Iteriere über alle Segmente Si
- 2. Berechne den Fußpunkt fp zwischen dem Kartenattribut A und dem Segment Si und berechne die Distanz d zwischen beiden Punkten
- 3. Ist die Distanz d kleiner als die in der vorherigen Iteration ermittelte Distanz d, überschreibe die Distanz d und speichere auch den Fußpunkt fp
- 4. Nach Ende der Schleife über alle Segmente Si ist der nächstgelegene Fußpunkt fp bekannt
- 5. Berechne den Offset O als Distanz d zwischen dem Formpunkt P1 und dem Fußpunkt fp entlang der Segmente
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Dieser an sich bekannte Algorithmus kann allerdings ineffizient sein, da über sämtliche Segmente S1...Sn der Geometrie iteriert werden muss. Daher wird häufig ein sogenanntes, an sich bekanntes „Nearest Neighbour Verfahren“ verwendet, welches die in Frage kommenden Segmente, mit denen ein Fußpunkt fp berechnet werden muss, bedeutend reduzieren kann.
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2 skizziert in fünf Abbildungen a) bis e) ein Mapping nach dem herkömmlichen Nearest-Neighbour-Ansatz, welches sich in Pseudo-Code folgendermaßen ausdrücken lässt:
- 1. Berechne die Abstände ai zwischen dem Kartenattribut A und den Formpunkten Pi (2a, 2b)
- 2. Wähle aus diesen Abständen ai den Formpunkt Pi der Referenzlinie mit dem geringsten Abstand aus und verwende zur Berechnung des Fußpunkts fp ausschließlich die mit diesem Formpunkt assoziierten Segmente Si-1 und Si (2c)
- 3. Berechne den Fußpunkt fp in welchem das Kartenattribut A orthogonal auf das Segment gemappt wird (2d)
- 4. Berechne den Offset O (2e)
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Das erläuterte herkömmliche Nearest-Neighbour-Verfahren ist allerdings in gewissen Situationen, wie z.B. bei stark gekrümmten Straßen, wie sie innerorts vorkommen, oder bei Serpentinen in den Bergen, unter Umständen nicht in der Lage, das korrekte Mapping des Kartenattributs A zu berechnen, weil ein Mapping auf falsche Segmente durchgeführt wird.
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Vorgeschlagen wird daher ein Verfahren zur verbesserten Berechnung von Offsets O zu Kartenattributen A bei der Auslieferung eines elektronischen Horizonts für Steuergeräte (z.B. in autonomen oder teilautonomen Kraftfahrzeugen, E-Fahrzeugen, usw.).
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Hintergrund des vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass der Offset O nicht direkt aus der digitalen Karte ausgelesen werden kann, sondern basierend auf einer die Straßengeometrie repräsentierenden Referenzlinie und der Position des Kartenattributs A (z.B. Tunnel, Geschwindigkeitsbegrenzungen, usw.) rechnerisch ermittelt werden muss. Die Geometrie der Referenzlinie besteht aus Formpunkten P1...Pn (engl. shape points), deren Verbindungen Segmente S0... Sn genannt werden.
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Das Kartenattribut A wird zur Erstellung des elektronischen Horizonts orthogonal auf diese Geometrie gemappt. Verschiedene Vorgehensweisen bzw. Algorithmen sind zur Berechnung des Offsets O möglich, wobei die oben erläuterten herkömmlichen Verfahren ineffizient sind oder bei bestimmten Situationen falsche Ergebnisse liefern können.
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Insbesondere das herkömmliche Nearest-Neighbour-Verfahren kann bei stark gekrümmten Straßen oder Serpentinen falsche Offsets O berechnen. Bei dem Nearest-Neigbour-Verfahren werden zuerst die Abstände zwischen dem Kartenattribut A und den Formpunkten berechnet, wobei nur der Formpunkt mit der geringsten Entfernung zur Berechnung des Fußpunktes fp orthogonal auf das entsprechende Segment herangezogen wird. In 3a) ist erkennbar, dass der Abstand a1 kleiner ist als die Abstände a2 und a3, wobei in diesem Fall das Kartenattribut A auf ein „falsches“ Segment der Referenzlinie gemappt würde.
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Das vorgeschlagene Verfahren umgeht die Nachteile des Nearest-Neighbour-Verfahrens, indem z.B. ein konzentrischer Kreis um das Kartenattribut A solange vergrößert wird, bis dieser ein Segment schneidet, wie in einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens in 3 mit vier Abbildungen a) bis d) prinzipiell angedeutet.
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Das vom konzentrischen Kreis geschnittene Segment dient anschließend als Basis für die Berechnung des Fußpunktes fp und des Offsets O. Sollte der konzentrische Kreis mehrere Segmente S1...Sn schneiden, kann trotzdem das nächstgelegene Segment bestimmt werden. Dafür muss für jedes der geschnittenen Segmente der Abstand der beiden Schnittpunkte mit dem Kreis bestimmt werden. Dasjenige Segment, bei dem der Abstand am größten ist, liegt dem Kartenattribut A am nächsten und wird ausgewählt. In 5a ist angedeutet, dass das Segment S3 jenes ist, bei dem der Abstand a1 größer als der Abstand a2 ist. Daher wird das Segment S3, das vom Kreis geschnitten wird, ausgewählt und dem Kartenattribut A am Fusspunkt fp zugeordnet, wie in 5b angedeutet.
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Alternativ zur Verwendung von konzentrischen Kreisen ist auch die Verwendung eines zweidimensionalen Raycasting möglich. Bei diesem Raycasting-Ansatz werden ausgehend vom Kartenattribut A Strahlen gezeichnet und mit Segmenten geschnitten, wobei aus deren Distanz zu den Segmenten das nächstgelegene Segment samt Fußpunkt fp und Offset O bestimmt werden können.
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Nachfolgend sind lediglich exemplarisch einige Kartenattribute A aufgelistet, welche auf die Referenzlinie gemappt werden können:
- - Fixe Kartenattribute, z.B. Tunnel auf Straßen
- - Flexible Kartenattribute, z.B. Geschwindigkeitsbegrenzung auf Straßen
- - Fahrspur-Gruppen mit ihren Fahrspuren und ihren Fahrspur-Markierungen
- - Landmarken bzw. Ortungsobjekte
- - Referenzierungsobjekte für das Aktualisieren von Attributen
- - Ladestationen (für E-Fahrzeuge)
- - Einrichtungen zur Berechnung der Reichweite mit aktueller Batterieladung anhand der Straßenbeschaffenheit (für E-Fahrzeuge)
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Die genannten und andere, nicht erwähnte Kartenattribute A kommen in der digitalen Karte zahlreich vor, sodass die Mapping-Operation mit der nachfolgenden Verbesserung vielfach zum Einsatz kommt. Für einen 1 km langen Horizont kann es beispielsweise ca. 1.000 bis 2.000 Kartenattribute geben, für die entsprechende Mapping-Berechnungen durchgeführt werden müssen.
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Das Vorgehen beim vorgeschlagenen Verfahren ist in den 3 und 4 angedeutet und zeigt, wie es die Problemfälle des Nearest-Neighbour-Verfahrens lösen kann. Insbesondere im Szenario von 4 würde das herkömmliche Nearest-Neighbour-Verfahren wahrscheinlich falsche Ergebnisse liefern.
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Der Algorithmus arbeitet prinzipiell wie folgt:
- 1. Zeichne um das Kartenattribut A größer werdende konzentrische Kreise, solange, bis diese ein Segment der Referenzlinie schneiden
- 2. Verwende das identifizierte Segment für das orthogonale Mapping und berechne den Fußpunkt fp
- 3. Berechne den Offset O auf der Referenzlinie
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Die letzten beiden Schritte unterscheiden sich nicht von denen des bekannten Nearest Neigbour-Verfahrens. Der Vorteil gegenüber dem Nearest-Neighbour-Verfahren ergibt sich aus dem ersten Schritt, da sich die Prüfung durch den Schnitt mit den konzentrischen Kreisen direkt auf die Segmente bezieht und nicht zunächst nur auf die Formpunkte.
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Fig. 5 erläutert eine Variante des vorgeschlagenen Verfahrens:
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Sollte der vom Kartenattribut A ausgehende konzentrische Kreis in Schritt 1 gleich mehrere Segmente schneiden, kann trotzdem das nächstgelegene Segment bestimmt werden, wie in 5b angedeutet. Dafür muss für jedes der geschnittenen Segmente der Abstand der beiden Schnittpunkte mit dem Kreis bestimmt werden. Dasjenige Segment, bei dem der Abstand am größten ist, liegt dem Kartenattribut A am nächsten und wird für den Fußpunkt fp ausgewählt. Im Falle von 5a) ist das Segment a1 > a2, weshalb in 5b) das Kartenattribut A auf das Segment S1 gemappt wird.
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Ein alternativer, nicht in Figuren gezeigter Ansatz, um in Schritt 1 das nächstgelegene Segment zu finden, ist die Verwendung eines zweidimensionalen Raycasting anstatt der oben geschriebenen konzentrischen Kreise. Bei diesem Raycasting-Ansatz (analog zu entsprechenden Ansätzen in der Computergrafik) würden ausgehend von dem Kartenattribut A Strahlen ausgehen, durch deren Distanz zu den Segmenten das nächstgelegene, von einem Strahl geschnittene Segment der Referenzlinie bestimmt werden kann.
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Vorteilhaft kann im Falle einer Äquidistanz von tangierten Segmenten zum Kartenattribut A auch eine Fahrtrichtung R berücksichtigt werden. In diesem Falle wird jenes Segment ausgewählt, auf dem sich das Fahrzeug demnächst befinden bzw. auf dem das Fahrzeug demnächst fahren wird.
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Dieses Szenario ist in 6a angedeutet, wo eine Fahrtrichtung R des Fahrzeugs angedeutet ist. In 6b ist erkennbar, dass aufgrund der Äquidistanz des Kartenattributs A zu den geschnittenen Segmenten S1, S3 das Kartenattribut A aufgrund der Fahrtrichtung R des Fahrzeugs dem Segment S1 zugeordnet wird, weil das Fahrzeug das Segment S1 früher befährt als das Segment S3. Als Äquidistanz wird auch ein Unsicherheitswert ε berücksichtigt, d.h. es gilt a = b + ε.
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7 zeigt stark schematisch einen prinzipiellen Ablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens.
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In einem Schritt 100 erfolgt ein Ermitteln eines Gültigkeitsbereiches des in absoluten Koordinaten hinterlegten Kartenattributs A bezogen auf eine Referenzlinie der digitalen Karte.
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Dabei wird in einem Schritt 110 wenigstens ein Schnittpunkt einer definierten Geometrie ausgehend vom Kartenattribut A mit einem definierten Segment S1...Sn der Referenzlinie des Fahrzeugs ermittelt wird.
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In einem Schritt 120 wird das Kartenattribut A dem geschnittenen definierten Segment S1... Sn zugeordnet.
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Vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren in einem Steuergerät lokal im Fahrzeug oder zentral in der Cloud durchgeführt werden. Bei der Durchführung des Verfahrens kann z.B. auch noch eine Fahrtrichtung berücksichtigt werden, sodass an das Fahrzeug Segmente der digitalen Karte inklusive des bereits vorher ermittelten Fußpunkts fp übermittelt werden.
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Vorteilhaft lässt sich das vorgeschlagene Verfahren als eine Software realisieren, die beispielsweise dezentral auf einem Steuergerät im Fahrzeug oder zentral in der Cloud abläuft. Eine einfache Adaptierbarkeit des Verfahrens ist auf diese Weise unterstützt.
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Vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren in der Cloud durchgeführt werden, wobei die Berechnungen in der Cloud vorteilhaft nur ein einziges Mal durchgeführt werden (z.B. bis zum nächsten Karten-Update). Im Fahrzeug wird das Verfahren bei jeder Fahrt durchgeführt, weil in der Regel hochaktuell neueste Kartenattribute angefragt werden.
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Der Fachmann wird die Merkmale der Erfindung in geeigneter Weise abändern und/oder miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2459968 A1 [0003]
- DE 102016214028 A1 [0004]
- EP 3112802 B1 [0005]