DE102011119762A1 - Positioning system for motor vehicle, has processing unit that determines localized position of vehicle using vehicle movement data measured based on specific location data stored in digital card - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur hochpräzisen Positionsbestimmung eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise zu dessen autonomem oder automatisierten Fahrbetrieb. Das System und das Verfahren sind auch in Gebieten zum Einsatz geeignet, in denen satellitengestützte Systeme nicht oder nur eingeschränkt funktionieren.The invention relates to a system and a method for the high-precision position determination of a motor vehicle, preferably to its autonomous or automated driving operation. The system and method are also suitable for use in areas where satellite-based systems are not or only partially functional.
Satellitengestützte globale Navigationssysteme (GNSS), allen voran das US-amerikanische Global Positioning System (GPS), haben, getrieben durch eine Vielzahl von militärischen und zivilen Ortungs- und Navigationsanwendungen sowie von kartenbasierten Diensten und durch den stetigen technischen Fortschritt sowie durch kostengünstige Bauteile, in vielen Bereichen des Alltags Einzug gehalten.Satellite-based global navigation systems (GNSS), most notably the US Global Positioning System (GPS), have been driven by a variety of military and civil positioning and navigation applications as well as card-based services and constant technological advances, as well as cost-effective components many areas of everyday life.
Im Falle von Fahrzeugnavigationssystemen wird in regelmäßigen Abständen eine GPS-Messung der Position herangezogen, die häufig eine auf wenige Meter genaue Lokalisierung des Fahrzeugs ermöglicht und die Grundlage für Routenberechnung, Navigation und kartenbasierte Dienste liefert. Für die Lokalisierung des Fahrzeugs wird eine freie Strecke zu den Satelliten vorausgesetzt.In the case of car navigation systems, a GPS measurement of the position is used at regular intervals, which often allows a location of a few meters to locate the vehicle and provides the basis for route calculation, navigation and map-based services. For the localization of the vehicle, a free route to the satellites is required.
Die Positionsbestimmung eines Fahrzeugs kann durch eine Kombination von absoluter Positionsbestimmung mit Hilfe von GNSS, GPS, Glonass oder Galileo unterstützt durch eine interpolierende Koppelmessung mit Hilfe von Odometern und/oder der Inertialsensorik erfolgen; in Summe ist damit unter freiem Himmel häufig eine Positionsbestimmung auf wenige Meter genau möglich. Ein Odometer zur mechanischen Messung einer zurückgelegten Wegstrecke ist ein inkrementelles Messgerät, das folglich mit einem systematischen Messfehler, also einer kumulativen Drift, behaftet und somit für länger andauernde Anwendungen ungeeignet ist, wenn seine Daten nicht durch Drittsensoren und eine gute Kurswinkelinformation gestützt werden.The position determination of a vehicle can take place by a combination of absolute position determination with the aid of GNSS, GPS, Glonass or Galileo supported by an interpolating coupling measurement with the aid of odometers and / or the inertial sensor system; In sum, it is often possible to determine the position to a few meters under the open sky. An odometer for the mechanical measurement of a traveled distance is an incremental measuring device, which consequently has a systematic measurement error, ie a cumulative drift, and is therefore unsuitable for longer-lasting applications if its data are not supported by third-party sensors and good heading information.
Auch die Verwendung der Inertialsensoren, die durch zweifache Integration der Beschleunigungen die Positionsveränderungen ermitteln, führt ohne eine regelmäßige unterstützende GPS-Stützung nach mehreren Sekunden oder Minuten zu erheblichen Ungenauigkeiten auf Grund von Integrationsfehlern.The use of inertial sensors, which detect the positional changes by integrating the accelerations twice, leads to significant inaccuracies due to integration errors without regular supportive GPS support after several seconds or minutes.
Ist eine hochpräzise Positionsbestimmung oder eine Navigation im Bereich von wenigen Zentimetern erforderlich, wie etwa im Falle von Regelungsaufgaben für autonome oder automatisierte Fahrzeuge mit einer hohen Trajektoriengenauigkeitsanforderung, wird derzeit eine hochpräzise Differential-GPS-Vermessung eingesetzt (sog. RTK-GPS). Mit einer RTK-Vermessung (Real Time Kinematic) werden Punkte mittels satellitengestützter Navigationssysteme wie GPS oder auch GLONASS oder GALILEO bis etwa 1 bis 2 cm genau ausgemessen bzw. abgesteckt. Voraussetzung ist wiederum ein ungestörter Empfang der Signale von mindestens fünf Satelliten, vorzugsweise mindestens sechs Satelliten. Das Differential-GPS, das eine Update-Rate im Sekundenbereich besitzt, wird mit Hilfe einer driftarmen Inertialsensorik interpoliert, deren Update-Rate bei 10-Millisekunden liegt.If high-precision positioning or navigation in the range of a few centimeters is required, such as in the case of control tasks for autonomous or automated vehicles with a high trajectory accuracy requirement, a high-precision differential GPS survey is currently used (so-called RTK-GPS). With RTK (Real Time Kinematic) surveying, points are measured or staked to approximately 1 to 2 cm using satellite-based navigation systems such as GPS or GLONASS or GALILEO. Prerequisite is again an undisturbed reception of the signals from at least five satellites, preferably at least six satellites. The differential GPS, which has an update rate in the second range, is interpolated with the help of low-drift inertial sensors with an update rate of 10 milliseconds.
Allerdings existieren Bereiche, in denen beispielsweise GPS/GNSS-Signale durch Abschattungen, Reflexionen, Mehrfachausbreitungen, etc. nicht in ausreichender Güte zur Verfügung stehen und unpräzise Ergebnisse liefern. Hier muss mit Positionsungenauigkeiten im Bereich von mehreren zehn Metern gerechnet werden. Deshalb ist diese Technologie für eine Vielzahl von Lokalitäten (Tunnel, Parkhäuser, zwischen hohen Gebäuden, in Taleinschnitten im Bergland und Gebirge) nur eingeschränkt verfügbar.However, there are areas in which, for example, GPS / GNSS signals due to shadowing, reflections, multiple propagations, etc. are not available in sufficient quality and provide inaccurate results. This must be expected with position inaccuracies in the range of several tens of meters. Therefore, this technology is limited for a variety of locations (tunnels, parking garages, between tall buildings, in valley cuts in mountainous areas and mountains).
Ferner ist eine Störung der GPS-Signale oder deren Empfang nicht ausgeschlossen, so dass der sichere Betrieb von sensiblen Systemen, z. B. autonome oder automatisierte Fahrzeuge, nicht allein auf dieser Basis gewährleistet werden kann. Für sicherheitsrelevante Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen wird also neben der GPS-Navigation eine zweite unabhängige Informationsquelle benötigt; dazu ist bevorzugt ein System einzusetzen, welches sich (diversitär zur GPS-Orientierung an weit entfernten Satelliten) vorzugsweise an lokalen erdbezogenen Merkmalen orientiert.Furthermore, a disturbance of the GPS signals or their reception is not excluded, so that the safe operation of sensitive systems, eg. B. autonomous or automated vehicles, not alone on this basis can be guaranteed. For safety-relevant applications with high reliability requirements, in addition to the GPS navigation, a second independent source of information is needed; For this purpose, it is preferable to use a system which (diversified for GPS orientation to distant satellites) is preferably oriented to local earth-related features.
So können Fahrzeuge, wie beispielsweise die von der Firma GoogleTM entwickelten, die in den USA mehrere Tausend Kilometer unter realen Verkehrsbedingungen autonom fuhren, für ihre Lokalisierung, Orientierung und Trajektorienplanung nicht nur (Differential-)GPS-Signale, sondern Umgebunsgansichten und Landmarken verwenden, die mit Hilfe eines Lidar-Systems erstellt und in digitalen Karten hinterlegt sind und während der Fahrt mit dem gleichen Lidar-System in Kombination mit diversen Fahrzeugsensoren zur Umgebungserfassung in Echtzeit in der Umwelt erkannt werden. Die Lokalisierung des Fahrzeugs erfolgt dann durch einen Abgleich der Landmarken. Allerdings schließt die Verwendung der hcchwertigen, damit kostenintensiven und somit für eine breite Anwendung unwirtschaftlichen Lidar-Sensoren den Einsatz für den automobilen Massenmarkt aus.For example, vehicles such as those developed by Google ™ , which operate autonomously in the United States for several thousand kilometers under real traffic conditions, can use not only (differential) GPS signals but also environmental plans and landmarks for their localization, orientation and trajectory planning. created with the help of a Lidar system and stored in digital maps and recognized while driving with the same Lidar system in combination with various vehicle sensors for environmental detection in real time in the environment. The localization of the vehicle is then carried out by a comparison of the landmarks. However, the use of the high-value, therefore cost-intensive and thus for a wide application unprofitable lidar sensors excludes the use for the automotive mass market.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges, zur großseriellen Verwendung geeignetes System und ein ökonomisches sowie robustes Verfahren zur genauen absoluten und/oder relativen Lokalisierung bzw. Eigenpositionsbestimmung in Bereichen und Gebieten ohne bzw. mit nur unzureichend genauem GPS Empfang bereitzustellen.Starting from this prior art, it is an object of the present invention, a cost-effective, suitable for large-scale use system and an economical and robust method for accurate absolute and / or relative Provide localization or self-positioning in areas and areas without or with insufficiently accurate GPS reception.
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Weiterbildungen des Systems und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.This object is achieved by a system having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 6. Further developments of the system and the method are set forth in the subclaims.
Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positionsbestimmungs-Systems eines Kraftfahrzeugs umfasst eine digitale Karte, in der Daten über ortsspezifische Merkmale, auch Landmarken genannt, lokalisiert, d. h., einer geographischen Position zugeordnet, verzeichnet sind. Des Weiteren weist das Positionsbestimmungs-System eine oder mehrere Umfelderkennungsvorrichtungen auf, mit der die ortsspezifischen Merkmale bzw. Landmarken in der Umgebung des Fahrzeugs erfasst werden können. Ein Lokalisierungsmodul, das sowohl Zugriff auf die digitale Karte hat, als auch mit den Umfelderkennungsvorrichtungen gekoppelt ist, umfasst eine Verarbeitungseinheit, die konfiguriert ist, Daten über die erfassten ortsspezifischen Merkmale mit den Daten der in der digitalen Karte verzeichneten Landmarken abzugleichen und die Fahrzeugposition anhand der in der digitalen Karte lokalisiert verzeichneten ortsspezifischen Merkmale zu lokalisieren. Ferner umfasst das System eine ebenfalls mit dem Lokalisierungsmodul gekoppelte inertiale Messeinheit des Fahrzeugs, die die translatorischen Bewegungen und die Rotationsbewegungen des Fahrzeugs in Form von Bewegungsdaten erfasst, wobei das Lokalisierungsmodul konfiguriert ist, die Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf die Position zu bestimmen, die anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisiert wurde.A first embodiment of a positioning system according to the invention of a motor vehicle comprises a digital map in which data about site-specific features, also called landmarks, are located, ie. h., assigned to a geographical position, are recorded. Furthermore, the position determination system has one or more environment recognition devices, with which the location-specific features or landmarks in the vicinity of the vehicle can be detected. A location module having access to the digital map as well as being coupled to the environment detection devices includes a processing unit configured to match data about the detected location-specific features with the data of landmarks recorded in the digital map, and the vehicle location based on localized in the digital map localized location-specific characteristics to locate. The system further comprises an inertial measurement unit, also coupled to the location module, of the vehicle, which detects the translational movements and the rotational movements of the vehicle in the form of movement data, wherein the location module is configured to determine the vehicle position by means of the vehicle movement data based on the position based on the site-specific features was located.
Die Fahrzeugpositionen, die mittels Landmarken bestimmt werden, dienen also als Stützpunkte zur Bestimmung der Fahrzeugposition mittels der Inertialsensorik, bzw. der inertialen Messeinheit. Die Ungenauigkeiten, die bei der Verwendung der inertialen Messeinheit aufgrund von Integrationsfehlern entstehen, werden durch die als Stützpunkte verwendeten Landmarkenpositionen korrigiert. So ist durch die kombinierte Nutzung von Landmarken zur Positionsbestimmung und der Inertialsensorik eine hochexakte Positionsbestimmung des Fahrzeugs ohne satellitengestützte Navigation möglich.The vehicle positions, which are determined by landmarks, thus serve as bases for determining the vehicle position by means of the inertial sensor, or the inertial measuring unit. The inaccuracies that arise when using the inertial measurement unit due to integration errors are corrected by the landmark positions used as landmarks. Thus, by the combined use of landmarks for position determination and inertial sensors, a highly accurate position determination of the vehicle without satellite-based navigation is possible.
Generell ist die hierfür verwendbare Umfelderkennungsvorrichtung nicht auf teure Lidarsysteme beschränkt, es kann kostengünstig auch einfach eine oder mehrere Kameras, beispielsweise eine Stereo-Kamera oder eine Multi-Kamera, verwendet werden. Letztlich sind aber auch Lidarsysteme oder Radarsysteme einsetzbar. Auch ist die Kombination von mehreren Umfelderkennungsvorrichtungen denkbar. Gemeinsame Voraussetzung ist eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung der Umfelderkennungsvorrichtung. Zur Aufbereitung der mit der Umfelderkennungsvorrichtung aufgenommenen Umgebungsinformation kann die Umfelderkennungsvorrichtung selbst oder auch das damit gekoppelte Lokalisierungsmodul eine Datenaufbereitungseinheit umfassen. Im Falle einer Kamera als Umfelderkennungsvorrichtung beispielsweise kann es sich dabei um eine Bildverarbeitungseinheit handeln.In general, the environment detection device which can be used for this purpose is not limited to expensive lidar systems; it is also cost-effective to simply use one or more cameras, for example a stereo camera or a multi-camera. Ultimately, however, lidar systems or radar systems can also be used. Also, the combination of several environment recognition devices is conceivable. Common prerequisite is a high spatial and temporal resolution of the environment detection device. For processing the environmental information recorded using the environment recognition device, the environment recognition device itself or else the localization module coupled thereto can comprise a data processing unit. In the case of a camera as environment detection device, for example, this may be an image processing unit.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls mit einem Kalman-Filter konfiguriert, bei dem es sich um einen Satz von mathematischen Gleichungen handelt, welche die Messunsicherheiten der verschiedenen eingehenden Messgrößen bei der Ermittlung der Fahrzeugposition berücksichtigen.In a preferred embodiment, the localization module processing unit is configured with a Kalman filter, which is a set of mathematical equations which takes into account the measurement uncertainties of the various incoming measurements in determining vehicle position.
Das Positionsbestimmungs-System kann zumindest eine weitere Sensorvorrichtung aufweisen, bei der es sich um ein Odometer, ein Radarsystem, einen Laserscanner, einen Ultraschall-Sensor, ein Lidar-System handeln kann; alternativ oder zusätzlich kann das System ein Satellitenempfängermodul des Kraftfahrzeugs umfassen. Sowohl die weitere(n) Sensorvorrichtung(en) als auch das Satellitenempfängermodul sind dann jeweils mit dem Lokalisierungsmodul gekoppelt.The position determination system may comprise at least one further sensor device, which may be an odometer, a radar system, a laser scanner, an ultrasonic sensor, a lidar system; alternatively or additionally, the system may include a satellite receiver module of the motor vehicle. Both the further sensor device (s) and the satellite receiver module are then coupled to the localization module, respectively.
Die verwendete digitale Karte ist vorzugsweise eine hochaufgelöste digitale Karte, dabei kommen beispielsweise Google-Maps mit Street View in Frage, sowie hochaufgelöste Satellitenbilder und exakte Karten bestimmter Infrastrukturen und Gebiete, beispielsweise von Tunneln oder von Flughäfen oder Parkhäusern etc. Auch ist der Einsatz von Bebauungsinformationen von Katasterämtern für die digitale Karte mit verzeichneten Landmarken denkbar.The digital map used is preferably a high-resolution digital map, such as Google Maps with Street View in question, as well as high-resolution satellite images and exact maps of specific infrastructures and areas, such as tunnels or airports or parking garages, etc. Also, the use of building information of land registries for the digital map with registered landmarks conceivable.
Ein entsprechendes Verfahren zur Positionsbestimmung eines Kraftfahrzeugs, das das Positionsbestimmungs-System der Erfindung verwendet, umfasst somit zunächst das Bereitstellen der digitalen Karte, in der die Daten über die ortsspezifischen Merkmale bzw. der Landmarken lokalisiert verzeichnet sind. Mit der Umfelderkennungsvorrichtung wird die Umgebung des Fahrzeugs aufgenommen und mit einer Datenaufbereitungseinheit, die zur Umfelderkennungsvorrichtung oder der Lokalisierungseinheit gehört, werden aus den Umgebungsdaten Daten über die ortsspezifischen Merkmale erfasst. Mit der Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls wird das Abgleichen der erfassten Daten und der in der digitalen Karte verzeichneten Daten über die ortsspezifischen Merkmale und das Lokalisieren der Fahrzeugsposition anhand der in der digitalen Karte verzeichneten ortsspezifischen Merkmale durchgeführt. Nach dem Erfassen der translatorischen Bewegung und der Rotationsbewegung des Fahrzeugs als Fahrzeugsbewegungsdaten mittels der inertialen Messeinheit wird die Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf der anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisierten Position durch das Lokalisierungsmodul bestimmt. Damit können eine hochpräzise Positionsbestimmung und hohe Trajektoriengenauigkeitsanforderungen gewährleistet werden, indem die Landmarken-basierte Lokalisierung die Stützpunkte für die Inertialsensorik liefert.A corresponding method for determining the position of a motor vehicle which uses the position determination system of the invention therefore comprises firstly providing the digital map in which the data about the site-specific features or landmarks are recorded in a localized manner. With the environment recognition device the environment of the vehicle is recorded and with a data processing unit belonging to the environment recognition device or the localization unit, data about the location-specific features are acquired from the environment data. The processing unit of the localization module performs the matching of the acquired data and the data recorded in the digital map via the location-specific features and locating the vehicle position on the basis of the location-specific features recorded in the digital map. After detecting the translational movement and the rotational movement of the vehicle As vehicle movement data by means of the inertial measurement unit, the vehicle position is determined by means of the vehicle movement data based on the position localized on the basis of the location-specific features by the localization module. Thus, a high-precision position determination and high Trajektoriengenauigkeitsanforderungen be ensured by the landmark-based localization provides the bases for the inertial sensor.
Mit dem Verfahren können der Datenstrom, aus dem die Landmarken extrahiert werden, und die daraus extrahierten Merkmale so ökonomisch verarbeitet werden, dass sie während der Fahrt robust und in Echtzeit mit den digitalen Karten abgeglichen werden können.With the method, the data stream from which the landmarks are extracted, and the features extracted therefrom, can be processed so economically that they can be robustly tuned while driving and in real time with the digital maps.
Dabei erfolgt das Bestimmen der Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf der anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisierten Position unter Verwendung des in der Verarbeitungseinheit des Lokalisierungsmoduls konfigurierten Kalman-Filters. Das Kalmanfilter berücksichtigt die Messunsicherheiten der verschiedenen eingehenden Messgrößen bei der Ermittlung der Fahrzeugposition. Es ist anwendbar, wenn die mathematische Struktur des zugrunde liegenden dynamischen Systems und die Messverfälschungen bekannnt sind.In this case, the vehicle position is determined by means of the vehicle movement data based on the position localized on the basis of the location-specific features using the Kalman filter configured in the processing unit of the localization module. The Kalman filter takes into account the measurement uncertainties of the various incoming measured variables when determining the vehicle position. It is applicable when the mathematical structure of the underlying dynamic system and the measurement distortions are known.
Das mittels der Datenaufbereitungseinheit durchgeführte Erfassen der Daten über die ortsspezifischen Merkmale aus den Umgebungsdaten erfolgt durch direktes Erkennen der ortsspezifischen Merkmale aus den Umgebungsdaten oder durch Transformieren von Umgebungsmerkmalsdaten in einen Merkmalsraum der in der digitalen Karte verzeichneten ortsspezifischen Merkmale.The data processing unit performing the data on the location-specific features from the environment data is carried out by directly recognizing the location-specific features from the environment data or by transforming environment feature data into a feature space of the site-specific features recorded in the digital map.
Ferner kann das Verfahren Schritte wie das Präzisieren der Bestimmung der Fahrzeugposition durch Berücksichtigen weiterer Erfassungsgrößen umfassen, die das Lokalisierungsmodul bzw. dessen Verarbeitungseinheit von weiteren Sensorvorrichtungen erhält, oder das Vorbestimmen einer ungefähren Fahrzeugposition mittels eines von dem Satellitenempfängermodul empfangenen, wenn auch nur eingeschränkt verfügbaren GPS-Signals zur Einschränkung des Suchraums. So kann sich die Verarbeitungseinheit auf wenige Landmarken zum Abgleich beschränken. Ferner kann ein solches GPS-Signal genutzt werden, um eine Konsistenz der Lokalisierung der Fahrzeugposition mittels der ortsspezifischen Landmarken zu verifizieren.Furthermore, the method may comprise steps such as specifying the determination of the vehicle position by taking into account further detection variables which the localization module or its processing unit receives from further sensor devices, or predicting an approximate vehicle position by means of a GPS receiver, although only partially available, receiving it from the satellite receiver module. Signal to restrict the search space. Thus, the processing unit can be limited to a few landmarks for comparison. Furthermore, such a GPS signal can be used to verify consistency of location of the vehicle position by means of the location-specific landmarks.
Die digitale Karte, in der die Daten über die ortsspezifischen Merkmale lokalisiert verzeichnet sind, kann schließlich bereitgestellt werden, indem die Umgebungsdaten mittels zumindest einer Umfelderkennungsvorrichtung sowie Erfassungspositionen der Umgebungsdaten erfasst werden, aus denen Daten über ortsspezifische Merkmale extrahiert und mit den Erfassungspositionen lokalisiert in der digitalen Karte verzeichnet werden. Eine solche im System vorliegende Karte kann beispielsweise automatisch oder nach Benutzeranforderung gegebenenfalls regelmäßig aktualisiert werden. Möglich ist dabei auch die Nutzung einer im Internet bereitgestellten digitalen Karte, die bedarfsgerecht vor einem Befahren eines entsprechenden Bereichs über einen Datenübertragungskanal, beispielsweise über Mobilfunk, in ein Fahrzeug übermittelt wird.The digital map, in which the data on the site-specific features are located localized, can finally be provided by the environment data is detected by means of at least one environment detection device and detection positions of the environment data, extracted from the data on site-specific features and localized with the detection positions in the digital Map to be recorded. Such a card present in the system can be updated, for example automatically or according to user request, if necessary regularly. It is also possible to use a digital map provided on the Internet, which is transmitted to a vehicle as required before driving through a corresponding area via a data transmission channel, for example via mobile radio.
Als Landmarken kommen vorzugweise Objekt in Frage, welche von der zu erwartenden Fahrposition des Fahrzeuges aus von der Umfelderkennungsvorrichtung gut erfasst werden können. Dies sind insbesondere solche Objekte, die auch für die menschliche Orientierung und Information am Straßenrand aufgestellt wurden und im wesentlichen unbeweglich sind. Dies sind insbesondere Verkehrsschilder, Ortsschilder, Verkehrsampeln, Straßenbaken, aber auch Laternenpfähle, sonstige Pfähle oder Masten und Baumstämme. Weiterhin sind auf der Straße angebrachte Markierungen als Landmarken gut geeignet, wie z. B. Spurmarkierungen, Sperrflächen, Haltelinien und sonstige dauerhafte Markierungen und Objekte. Letztere können auch Änderungen im Straßenbelag, Kanaldeckel, Wassereinläufe sein. Weiterhin kommen von der Fahrbahn aus gut identifizierbare Merkmale von Bauten als Landmarken in Frage, wie z. B. Bordsteine, Kanten von Verkehrsinseln, Flächen und Kanten von Fassaden (inkl. Fenstern und Türen) sowie Flächen und Kanten von Mauern.As landmarks are preferably object in question, which can be well detected by the expected driving position of the vehicle from the environment detection device. These are in particular those objects which have also been set up for human orientation and information on the roadside and are essentially immobile. These are in particular traffic signs, city signs, traffic lights, street beacons, but also lampposts, other piles or poles and tree trunks. Furthermore, attached to the road markings are well suited as landmarks, such as. B. lane markings, restricted areas, stop lines and other permanent markings and objects. The latter can also be changes in the road surface, manhole covers, water inlets. Furthermore, come from the road from well identifiable characteristics of buildings as landmarks in question, such. As curbs, edges of traffic islands, surfaces and edges of facades (including windows and doors) and surfaces and edges of walls.
Neben diesen in der Umgebung sowieso schon vorhandenen „natürlichen” Landmarken können speziell zu diesem Zwecke angebrachte künstliche Markierungen die Lokalisierung in besonders schwierigen Fällen (z. B. in Parkhäusern) erleichtern, wie z. B.
- – Marken mit sich vom Hintergund abhebenden Farben und/oder Formen,
- – Marken mit speziellen Mustern,
- – reflektierende Marken,
- – leuchtende Markierungen.
- - trademarks with colors and / or shapes that contrast with the background,
- - brands with special patterns,
- - reflective marks,
- - luminous markings.
Um bei ständig wiederkehrenden Mustern (z. B. in Tunnels) eine eindeutige Lokalisierung zu ermöglichen, können die künstlichen Markierungen mit einem eindeutig identifizierbaren Muster ausgestattet werden, so dass die Markierung unverwechselbar einer Position zugeordnet werden kann. Dies kann beispielsweise über einen Barcode oder sonstige im Prinzip bekannte Signaturen erfolgen. Die Orientierung auf der Basis der Landmarken in einer digitalen Karte erfordert, dass die Landmarken von der Lokalisierungseinheit mit Hilfe der Daten der Umfelderkennungvorrichtung wiedererkannt werden. Wenn als Landmarke z. B. eine Straßenbake in der Karte vorhanden ist, welche aber in der Realität nicht mehr vorhanden ist, würde das Qualitätsmaß für die Lokalisierung an dieser Stelle degradieren. Das Verfahren sieht deshalb vor, dass die Wiedererkennungshäufigkeit einer Landmarke in der digitalen Karte mit aufgezeichnet wird, und diese Information bei der Bewertung der Lokalisierungsgüte mit berücksichtigt wird. Auf diese Weise können Veränderungen in der Realität gegenüber dem Aktualisierungsstand der Karte angemessen berücksichtigt werden.In order to enable a clear localization of constantly recurring patterns (eg in tunnels), the artificial markings can be provided with a clearly identifiable pattern, so that the mark can be unmistakably assigned to a position. This can be done for example via a barcode or other known signatures in principle. Orientation based on the landmarks in a digital map requires the landmarks to be retrieved from the localization unit using the data of the Recognized environment detection device. If as a landmark z. B. a street beacon is present in the map, but which is no longer available in reality, would degrade the quality measure for the localization at this point. The method therefore provides that the recognition frequency of a landmark be recorded in the digital map, and this information is taken into account in the assessment of the localization quality. In this way, changes in reality against the update status of the card can be adequately taken into account.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt.These and other advantages will be set forth by the following description with reference to the accompanying figure.
Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.The reference to the figure in the description is to aid in the description and understanding of the subject matter. The figure is merely a schematic representation of an embodiment of the invention.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.The single figure shows a schematic representation of an embodiment of the system according to the invention.
Bislang wird für eine hochpräzise Positionsbestimmung oder eine Navigation im Bereich von wenigen Zentimetern, wie im Falle von Regelungsaufgaben für autonome oder automatisierte Fahrzeuge mit einer hohen Trajektoriengenauigkeitsanforderung, auf eine hochpräzise Differential-GPS-Vermessung zurückgegriffen (sog. RTK-GPS). Mit einer RTK-Vermessung (Real Time Kinematic) werden Punkte mittels satellitengestützter Navigationssysteme wie GPS oder auch GLONASS oder GALILEO bis etwa 1 bis 2 cm genau aufgemessen bzw. abgesteckt. Voraussetzung dafür ist allerdings ein ungestörter Empfang der Signale von mindestens fünf Satelliten, vorzugsweise mindestens sechs Satelliten.So far, for a high-precision positioning or navigation in the range of a few centimeters, as in the case of control tasks for autonomous or automated vehicles with a high Trajektoriengenauigkeitsanforderung, resorted to a high-precision differential GPS survey (so-called RTK-GPS). With RTK (Real Time Kinematic) surveying, points are measured or staked to approximately 1 to 2 cm using satellite-based navigation systems such as GPS or GLONASS or GALILEO. However, this requires an undisturbed reception of the signals from at least five satellites, preferably at least six satellites.
Das erfindungsgemäße System zur exakten Positionsbestimmung eines Fahrzeugs ohne präzise Satellitenstützung ist in der Figur dargestellt, in der kostengünstig als Umgebungserkennungsvorrichtung eine Kamera KAM zur Erfassung von Daten über die ortsspezifischen Merkmale in der Umgebung des Fahrzeugs vorgesehen ist. Das Positionsbestimmungs-System stützt sich auf eine digitale Karte DLK, in der Daten über die ortsspezifischen Merkmale bzw. Landmarken lokalisiert verzeichnet sind. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Datenbank der Landmarken mit Positionsbezug in einer digitalen Karte handeln. Das mit der digitalen Karte DLK und der Kamera KAM gekoppelte Lokalisierungsmodul F umfasst eine Verarbeitungseinheit zum Abgleich der erfassten Daten und der in der digitalen Karte DLK verzeichneten Daten über die ortsspezifischen Merkmale. Die Lokalisierung der Fahrzeugposition erfolgt anhand der in der digitalen Karte DLK lokalisiert verzeichneten ortsspezifischen Merkmale. Eine inertiale Messeinheit IMU des Fahrzeugs, die die Fahrzeugbewegungsdaten erfasst, bildet einen Teil des Systems und ist mit dem Lokalisierungsmodul F gekoppelt, dessen Verarbeitungseinheit konfiguriert ist, die Fahrzeugposition mittels der Fahrzeugbewegungsdaten basierend auf der anhand der ortsspezifischen Merkmale lokalisierten Position zu bestimmen.The system according to the invention for the exact position determination of a vehicle without precise satellite support is shown in the figure, in which a camera KAM for collecting data about the location-specific features in the surroundings of the vehicle is inexpensively provided as environment recognition device. The positioning system relies on a digital map DLK in which data on the site-specific features or landmarks are recorded localized. This may be, for example, a database of landmarks with position reference in a digital map. The localization module F coupled to the digital map DLK and the camera KAM comprises a processing unit for matching the acquired data and the data recorded in the digital map DLK via the site-specific features. The location of the vehicle position is based on the location-specific features recorded in the digital map DLK. An inertial measurement unit IMU of the vehicle that detects the vehicle movement data forms part of the system and is coupled to the location module F whose processing unit is configured to determine the vehicle position using the vehicle movement data based on the location-localized location.
Weitere Größen, erfasst durch weitere Sensorvorrichtungen α wie Odometer, Radarsystem, Laserscanner, Ultraschall-Sensor, Lidar-System, und/oder ein Satelliten-Signal, empfangen durch ein Satellitenempfängermodul GPS des Kraftfahrzeugs, können zur Stützung des Systems durch Kopplung mit dem Lokalisierungsmodul F herangezogen werden.Further variables, detected by further sensor devices α such as odometer, radar system, laser scanner, ultrasonic sensor, lidar system, and / or a satellite signal received by a satellite receiver module GPS of the motor vehicle, can be used to support the system by coupling with the localization module F be used.
Das Verarbeitungsergebnis des Lokalisierungsmoduls F liefert eine präzise und robuste Positionsbestimmung des Fahrzeugs, d. h. Angaben über Ort x, y, z und Lage φ, ψ, Ω im Raum mit Genauigkeitsangabe σxyz.The processing result of the localization module F provides a precise and robust position determination of the vehicle, ie information about location x, y, z and position φ, ψ, Ω in the space with accuracy indication σ xyz .
Dadurch, dass zur exakten Positionsbestimmung des Fahrzeugs in erster Linie keine GPS/GNSS-Signale erforderlich sind, kann das System auch in Bereichen eingesetzt werden, in denen die GPS/GNSS-Signale durch Abschattungen, Reflexionen, Mehrfachausbreitungen, etc. nur eingeschränkt verfügbar oder sehr unpräzise sind. So liefert das System auch in Tunneln, Parkhäusern, zwischen hohen Gebäuden, in Taleinschnitten im Bergland und Gebirge präzis bestimmte Fahrzeugpositionen und kann damit auch für autonom oder automatisiert betriebene Fahrzeuge eingesetzt werden.The fact that GPS / GNSS signals are not required for the exact positioning of the vehicle in the first place, the system can also be used in areas where the GPS / GNSS signals through shadows, reflections, multiple propagations, etc. only limited available or are very imprecise. In tunnels, multi-storey car parks, between tall buildings, in valley cuts in mountainous areas and mountains, the system also precisely determines specific vehicle positions and can therefore also be used for autonomous or automated vehicles.
Die Positionsbestimmung im Fahrzeug erfolgt durch eine Kombination von absoluter Positionsbestimmung mit Hilfe der Landmarken, unterstützt durch eine interpolierende Koppelmessung mit Hilfe der Inertialsensorik IMU, gegebenenfalls unterstützt durch Odometer α. Ein Odometer zur mechanischen Messung einer zurückgelegten Wegstrecke ist ein inkrementelles Messgerät, das folglich mit einem systematischen Messfehler in Form einer kumulativen Drift behaftet und somit allein für länger andauernde Anwendungen ungeeignet ist, wenn seine Daten nicht durch Drittsensoren und eine gute Kurswinkelinformation gestützt werden. Auch die Verwendung der Inertialsensoren, die durch zweifache Integration der Beschleunigungen die Positionsveränderungen ermitteln, führt ohne die regelmäßige unterstützende Landmarkenpositionsbestimmung nach mehreren Sekunden oder Minuten zu erheblichen Ungenauigkeiten aufgrund von Integrationsfehlern.The position determination in the vehicle takes place by a combination of absolute position determination with the help of the landmarks, supported by an interpolating coupling measurement with the aid of inertial sensors IMU, possibly supported by odometer α. An odometer for mechanically measuring a traveled distance is an incremental measuring device which consequently suffers from a systematic measurement error in the form of a cumulative drift and thus unsuitable for longer-term applications only if its data are not supported by third-party sensors and good heading information. The use of inertial sensors, which detect the position changes by integrating the accelerations twice, leads to significant inaccuracies due to integration errors without the regular supportive landmark determination after several seconds or minutes.
Mit Inertialsensoren werden translatorische und rotatorische Beschleunigungen gemessen. Mittels dreier orthogonal angeordneter Beschleunigungssensoren (Translationssensoren) zur Detektion der linearen Beschleunigung kann die translatorische Bewegung berechnet werden. Weitere drei, ebenfalls orthogonal angeordnete Drehratensensoren (gyroskopische Sensoren) gestatten durch die Messung der Winkelgeschwindigkeiten die Berechnung der Rotationsbewegung. Die inertiale Messeinheit IMU umfasst diese sechs Sensoren. Zur Verbesserung der Genauigkeit bzw. zur Korrektur der Drift der Sensoren können beispielsweise Magnetfeldsensoren (Kompasssensoren) eingesetzt werden.Inertial sensors measure translational and rotational accelerations. By means of three orthogonally arranged acceleration sensors (translation sensors) for detecting the linear acceleration, the translational movement can be calculated. Another three, also orthogonally arranged rotation rate sensors (gyroscopic sensors) permit the calculation of the rotational movement by measuring the angular velocities. The inertial measuring unit IMU comprises these six sensors. To improve the accuracy or to correct the drift of the sensors, for example, magnetic field sensors (compass sensors) can be used.
Um die Systemfunktionalität sicherzustellen und auch bei nicht vorhandenem bzw. eingeschränktem GPS-Empfang durchgehend zu gewährleisten, basiert das erfindungsgemäße Positionsbestimmungsverfahren auf einer dezentralen, lokal verfügbaren, robusten, wirtschaftlichen und von der GPS-Verfügbarkeit unabhängigen Methode.In order to ensure the system functionality and to ensure continuous even in the absence or limited GPS reception, the positioning method according to the invention is based on a decentralized, locally available, robust, economical and independent of the GPS availability method.
Zum einen führt die stetige Entwicklung neuer Fahrerassistenzsysteme dazu, dass immer mehr Umfelderkennungsvorrichtungen wie Kameras, Lidar- oder Radarsysteme, etc. in die Fahrzeuge verbaut werden. Heute verfügbare Systeme ermöglichen eine genaue Abbildung der Fahrzeugumgebung, welche zudem mit einer hohen zeitlichen Auflösung erfolgt.On the one hand, the constant development of new driver assistance systems means that more and more environment recognition devices such as cameras, lidar or radar systems, etc. are being installed in the vehicles. Today available systems allow an accurate mapping of the vehicle environment, which also takes place with a high temporal resolution.
Zum anderen stehen hochaufgelöste und mit einer Vielzahl an Informationen angereicherte digitale Karten bereit. Beispiele hierfür sind Google Maps mit Street View sowie die exakten, in digitaler Form vorliegenden Karten bestimmter Infrastrukturen und Gebiete (z. B. Tunnels, Flughäfen, Parkhäuser, etc.), die Bebauungsinformationen der Katasterämter, hoch aufgelöste Satellitenbilder, etc. Denkbar ist dabei auch die Nutzung einer im Internet bereitgestellten digitalen Karte, das System muss dazu über einen Internetzugang verfügen, dies kann etwa mittels des Infotainmentsystems des Fahrzeugs realisiert werden.On the other hand, there are high-resolution digital maps enriched with a wealth of information. Examples include Google Maps with Street View and the exact, in digital form available maps of specific infrastructures and areas (eg tunnels, airports, parking garages, etc.), the land use of cadastral offices, high-resolution satellite imagery, etc. It is conceivable the use of a digital map provided on the Internet, the system must have access to the Internet, this can be realized for example by means of the infotainment system of the vehicle.
Mit Hilfe maschineller Verfahren zur Merkmalsextraktion aus verschiedensten Sensorenquellen wie einer (Stereo-)Kamera, Radar-, Lidarsystemen oder sonstigen Sensoren zur Umgebungserfassung ist es möglich, ortspezifische Merkmale – die so genannten Landmarken – aus den Umgebungsdaten zu extrahieren und deren (auf wenige Zentimeter genaue) Position in einer digitalen Karte zu hinterlegen. Diese Landmarken werden dann als Stützpunkte für eine genaue Navigation, z. B. in einem Fahrzeug, herangezogen.With the help of mechanical methods for extracting features from a variety of sensor sources such as a (stereo) camera, radar, Lidarsystemen or other sensors for environmental detection, it is possible to site specific features - the so-called landmarks - to extract from the environment data and their (to a few centimeters accurate ) Position in a digital map. These landmarks are then used as bases for accurate navigation, eg. B. in a vehicle used.
Dabei werden entweder die gleichen Merkmale mit Hilfe der Umfelderkennungsvorrichtungen des Fahrzeugs erkannt und mit dem digitalen Kartenmaterial abgeglichen, oder es findet eine Transformation der mit den Umfelderkennungsvorrichtungen detektierten Umgebungsmerkmale in den Merkmalsraum der in den digitalen Karten hinterlegten Landmarken statt, sowie ein entsprechender Abgleich mit diesen.Either the same features are recognized with the aid of the environment recognition devices of the vehicle and compared with the digital map material, or there is a transformation of detected with the environment detection devices environment features in the feature space of the deposited in the digital maps landmarks, as well as a corresponding comparison with these.
Eine hochpräzise Positionsbestimmung und hohe Trajektoriengenauigkeitsanforderungen werden gewährleistet, indem die Landmarken-basierte Lokalisierung die Stützpunkte für die Inertialsensorik liefert, welche in hoher zeitlicher Auflösung die erforderlichen Positions-, Geschwindigkeits- und Orientierungsdaten liefert.High precision positioning and high trajectory accuracy requirements are achieved by providing landmark-based localization with inertial sensor bases that provide the required position, velocity and orientation data in high temporal resolution.
Die Kombination dieser beiden Systeme kann auf Basis eines Kalman-Filters erfolgen. Des Weiteren kann dieses System durch das Hinzunehmen weiterer Eingangsgrößen erweitert werden aus Sensorvorrichtungen α wie z. B. Odometer, Radar-Systemen, Laser-Scanner, Ultraschall-Sensoren, Lidar-Systemen, etc.The combination of these two systems can be based on a Kalman filter. Furthermore, this system can be extended by adding further input variables from sensor devices α such. As odometer, radar systems, laser scanners, ultrasonic sensors, lidar systems, etc.
Das Kalman-Filter ist ein Satz von mathematischen Gleichungen, mithilfe dessen bei Vorliegen lediglich fehlerbehafteter Beobachtungen Rückschlüsse auf den Zustand eines dynamischen Systems möglich sind, und dessen spezielle mathematische Struktur den Einsatz in Echtzeitsystemen erlaubt. So dient das Kalman-Filter quasi zum Entfernen der von den Messgeräten verursachten Störungen. Das Kalman-Filter ist anwendbar, wenn die mathematische Struktur des zugrunde liegenden dynamischen Systems und die der Messverfälschungen bekannt sind.The Kalman filter is a set of mathematical equations that allow conclusions to be drawn on the state of a dynamic system in the presence of only erroneous observations, and whose special mathematical structure allows use in real-time systems. Thus, the Kalman filter virtually serves to remove the interference caused by the measuring devices. The Kalman filter is applicable if the mathematical structure of the underlying dynamic system and that of the measurement distortions are known.
Ein gegebenenfalls – auch eingeschränkt – verfügbares GPS-Signal kann dazu dienen, für einen Start des Systems den Suchraum einzuschränken, in dem die von der Kamera-Sensorik erfassten Landmarken mit solchen in der Datenbank, deren Lokalisierung mit der ungefähren auf dem GPS-Signal basierenden Position korrespondiert, verglichen werden und damit schneller zu einem eindeutigen Ergebnis kommen. Weiterhin kann ein GPS-Signal als eine unabhängige weitere Informationsquelle benutzt werden, mit welcher die Konsistenz der Lokalisierung verifiziert werden kann.An optionally - also limited - available GPS signal can be used to limit the search space for a start of the system, in which the detected by the camera sensors landmarks with those in the database, their localization with the approximate based on the GPS signal Position corresponds, be compared and thus come to a clear result faster. Furthermore, a GPS signal can be used as an independent further source of information with which the consistency of the location can be verified.
Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße System und Verfahren eine passive, exakte, dezentrale Georeferenzierung, die als Basis für die notwendige Driftkompensation der Inertialmesseinheit dient.Advantageously, the system and method according to the invention enables passive, exact, decentralized georeferencing, which serves as the basis for the necessary drift compensation of the inertial measuring unit.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht in der Tatsache, dass das mit den aus den Fahrerassistenzsystemen bereits im Fahrzeug vorhandenen Umfelderkennungssensoren ausgeführte System den Einsatz im automobilen Massenmarkt erlaubt, was einen wesentlichen Unterschied zu den bisher verwendeten Ansätzen darstellt, die eine Vielzahl von nicht-automotivtauglichen Sensoren und Spezialsystemen verwenden.Another significant advantage consists in the fact that the executed with the existing from the driver assistance systems in the vehicle environment detection sensors system allows use in the automotive mass market, which is a significant difference to the previously used approaches that a variety of non-automotive sensors and Use special systems.
Das System bietet insbesondere die Chance, im Vergleich zu D-GPS-Systemen mit Inertialsensorik einerseits oder laserscannerbasierten Systemen andererseits deutlich kostengünstigere Sensorik sowohl auf Seiten der Kameras als auch seitens der Inertialsensorik zu verwenden, als es bisher möglich ist.In particular, the system offers the opportunity to use significantly lower cost sensors than both cameras and inertial sensors in comparison to D-GPS systems with inertial sensors on the one hand or laser scanner-based systems on the other hand.
Als Landmarken werden insbesondere von der Fahrbahn aus gut sichtbare, unbewegliche Objekte oder auf der Straße angebrachte Markierungen oder Objekte oder von der Fahrbahn aus gut identifizierbare Merkmale von Bauten oder spezielle zu diesem Zwecke angebrachte künstliche Markierungen gewählt werden, wie z. B.
- – Verkehrsschilder,
- – Ortsschilder,
- – Verkehrsampeln,
- – Straßenbaken,
- – Laternenpfähle,
- – sonstige Pfähle oder Masten,
- – Baumstämme
- – Spurmarkierungen,
- – Sperrflächen,
- – Haltelinien,
- – sonstige dauerhafte Markierungen,
- – Änderungen im Straßenbelag,
- – Kanaldeckel,
- – Wassereinläufe
- – Bordsteine,
- – Kanten von Verkehrsinseln,
- – Flächen, Kanten von Fassaden (inkl. Fenstern und Türen),
- – Flächen und Kanten von Mauern
- – Marken mit sich vom Hintergund abhebenden Farben und/oder Formen,
- – Marken mit speziellen Mustern,
- – reflektierende Marken,
- – leuchtende Markierungen
- - Road Signs,
- - place signs,
- - traffic lights,
- - street beacons,
- - lamp posts,
- - other piles or masts,
- - tree trunks
- - lane markings,
- - restricted areas,
- - stop lines,
- - other permanent markings,
- - changes in the road surface,
- - Manhole cover,
- - water inlets
- - curbs,
- - edges of traffic islands,
- - surfaces, edges of facades (including windows and doors),
- - Surfaces and edges of walls
- - trademarks with colors and / or shapes that contrast with the background,
- - brands with special patterns,
- - reflective marks,
- - luminous markings
Die künstlichen Markierungen sind bevorzugt mit einem eindeutig identifizierbaren Muster ausgestattet, so dass eine Markierung unverwechselbar einer Position zugeordnet werden kann. In der digitalen Karte wird eine Maßzahl für die Wiedererkennungshäufigkeit und Erkennungsgüte der Landmarken mitgeführt, um die Verfügbarkeit der Landmarke für zukünftige Lokalisierungen zu bewerten.The artificial markings are preferably equipped with a clearly identifiable pattern, so that a mark can be unmistakably assigned to a position. In the digital map, a measure of the recognition frequency and recognition quality of the landmarks is included in order to assess the availability of the landmark for future localizations.
Claims (10)
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|---|---|---|---|
| DE102011119762A DE102011119762A1 (en) | 2011-11-30 | 2011-11-30 | Positioning system for motor vehicle, has processing unit that determines localized position of vehicle using vehicle movement data measured based on specific location data stored in digital card |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE102011119762A DE102011119762A1 (en) | 2011-11-30 | 2011-11-30 | Positioning system for motor vehicle, has processing unit that determines localized position of vehicle using vehicle movement data measured based on specific location data stored in digital card |
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| DE102011119762A1 true DE102011119762A1 (en) | 2012-06-06 |
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Country Status (1)
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| DE (1) | DE102011119762A1 (en) |
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