DE102012014397B4

DE102012014397B4 - Verfahren zum Ermitteln einer Position eines Fahrzeugs und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102012014397B4
Application number: DE102012014397.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Engel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2032-07-14
Also published as: CN104428686A; WO2014008968A1; EP2872915A1; CN104428686B; DE102012014397A1; US20150192657A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer Position eines Fahrzeugs (10, 10'), bei welchem mittels eines Sensors (14) ein Objekt (16) in einer Umgebung des Fahrzeugs (10, 10') erfasst wird, und bei welchem eine Relativposition des Fahrzeugs (10, 10') zu dem Objekt (16) ermittelt wird, wobei die Position des Objekts (16) angebende Datenwerte berücksichtigt werden, wobei zum Ermitteln der Relativposition des Fahrzeugs (10, 10') in zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ein jeweiliger Winkel (α, β) zwischen einer Geraden, auf welcher der Sensor (14) und das Objekt (16) zu liegen kommen, und einer Bezugsrichtung (L) sowie eine Länge (c) einer von dem Fahrzeug (10, 10') zwischen den beiden Zeitpunkten zurückgelegten Wegstrecke bestimmt werden, wobei in einem ersten Zeitpunkt (t1) ein erster Winkel (α) bestimmt wird, welchen die Bezugsrichtung (L) und eine Gerade einschließen, auf welcher der Sensor (14) und das Objekt (16) zu liegen kommen, und in einem zweiten Zeitpunkt (t2) ein zweiter Winkel (β) bestimmt wird, welchen eine Gerade, auf welcher sich der Sensor (14) und das Objekt (16) befinden, und die Bezugsrichtung (L) einschließen, wobei die in den beiden unterschiedlichen Zeitpunkten (t1, t2) bestimmten Winkel (α, β) durch die Auswertung von Bildern ermittelt werden, welche von dem als Kamera ausgebildeten Sensor (14) in den beiden Zeitpunkten (t1, t2) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs (10, 10') ein anderes als ein unmittelbar auf die Aufnahme eines ersten Bildes im ersten Zeitpunkt folgendes, im zweiten Zeitpunkt aufgenommenes Bild zur Auswertung herangezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Position eines Fahrzeugs, bei welchem mittels eines Sensors ein Objekt in einer Umgebung des Fahrzeugs erfasst wird. Es wird eine Relativposition des Fahrzeugs zu dem Objekt ermittelt, wobei die Position des Objekts angegebene Datenwerte berücksichtigt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Positionsermittlungseinrichtung.
Die US 2006/0139619 A1 beschreibt eine Distanzberechnungseinrichtung, mittels welcher eine Distanz zwischen einem bewegbaren Körper (z. B. einem Fahrzeug) und einem stehenden Gegenstand (z. B. einem Verkehrsschild) berechnet werden kann. Die Distanzberechnungseinrichtung umfasst eine Recheneinrichtung, welche anhand von Messwerten jeweiliger Fahrzeuggeschwindigkeitssensoren in einem konstanten Prozessintervall von 100 Millisekunden den zurückgelegten Weg des Fahrzeugs errechnet. Der zurückgelegte Weg wird näherungsweise als lineare Wegstrecke zwischen zwei Wegpunkten angenommen, welche innerhalb des Prozessintervalls von 100 ms von dem Fahrzeug erreicht werden. Die Distanzberechnungseinrichtung umfasst des Weiteren eine Gegenstandserkennungseinrichtung, welche basierend auf den Aufzeichnungen einer Kamera erkennt, inwiefern sich ein Richtungswinkel zwischen dem fahrenden Fahrzeug und dem Verkehrsschild innerhalb des Prozessintervalls von 100 ms ändert. Tritt ein abnormaler Zustand auf, bei welchem etwa ein nach Ablauf des Prozessintervalls erfasstes Bild im Vergleich zu einem vor dem Prozessintervall erfassten Bild verschoben ist, so kann mittels linearer Abschätzung und Verwendung eines Calman-Filters auf Basis des vor dem Prozessintervall erfassten Bilds die Winkeländerung während der Fahrt abgeschätzt werden.
Die JP H11 183174 A beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln einer Position eines Fahrzeugs, bei welchem mittels eines Sensors in Form eines Laserentfernungsmessers Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs erfasst werden. Eine Relativposition des Fahrzeugs zu den Objekten wird ermittelt, wobei die Position der Objekte angebende Datenwerte berücksichtigt werden. Der Laserentfernungsmesser tastet die Umgebung in Umfangsrichtung ab und trifft so nacheinander auf die beiden in der Umgebung angeordneten Objekte. Anhand des von den Objekten reflektierten Laserstrahls wird der jeweilige Abstand zu den Objekten bestimmt. Des Weiteren werden die jeweiligen Winkel der Objekte bezogen auf eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs bestimmt. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn sich das Fahrzeug zwischen dem jeweiligen Erfassen der Abstände und Winkel möglichst wenig bewegt.
Die US 2008/0228437 A1 beschreibt ein Verfahren zur Lokalisierung eines Sensorknotens. Hierbei umfasst eine Vorrichtung eine Verarbeitungseinheit, welche Sensorknoten-Daten und eine Objekttrajektorie betreffende Informationsdaten für ein Objekt empfängt. Der Sensorknoten-Daten werden auf die Trajektorie des Objekts bezogen. Ein Datenpunkt in den Informationsdaten der Objekttrajektorie umfasst einen Zeitstempel und die Koordinaten einer Position. Die Position entspricht der Position des Objekts zu dem gegebenen Zeitpunkt. Die Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, zumindest einen Teil der Sensorknoten-Daten mit zumindest einem Teil der Informationsdaten zu korrelieren, welche die Objekttrajektorie betreffen, um eine absolute Position des Sensorknotens zu bestimmen.
In der Fahrzeugtechnik gibt es mittlerweile viele Systeme, welche die Fahrzeug-Positionsbestimmung anhand von GPS nutzen (GPS = Global Positioning System, globales Positionsermittlungssystems). Solche Systeme sind beispielsweise Navigationssysteme oder Systeme zur Lichtsteuerung. Bei letzteren kann in Abhängigkeit von der Position des Fahrzeugs auf einer Straße beispielsweise die Stellung von Scheinwerfern des Fahrzeugs verändert werden, etwa bei einer Kurvenfahrt. Ebenfalls wird die GPS-Positionierung im Bereich der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation genutzt, indem die an der Kommunikation teilnehmenden Fahrzeuge sich die jeweiligen Positionen übermitteln. Dies hilft, Unfälle zu vermeiden.
Aufgrund von Störeinflüssen in der Positionsermittlung kann jedoch die horizontale Abweichung zwischen der tatsächlichen Position und der mittels GPS bestimmten Position 10 m oder mehr betragen. Dies hat negative Auswirkungen auf Funktionen, welche eine besonders genaue Positionsermittlung benötigen. Aus dem Stand der Technik ist es in diesem Zusammenhang bekannt, Objekte bzw. markante Punkte in der Umgebung des Fahrzeugs zu nutzen, deren exakte GPS Position bekannt ist.
So beschreibt die DE 10 2008 020 446 A1 die Korrektur einer Fahrzeugposition mittels markanter Punkte, bei welcher die gemessene Fahrzeugposition nach erfolgter Identifikation eines solchen markanten Punkts korrigiert wird. Die markanten Punkte sind in einer Datenbank im Fahrzeug mit ihrer zugehörigen exakten GPS-Position hinterlegt. Mittels einer Kamera wird der markante Punkt erfasst, und bei Erreichen des markanten Punkts wird die zugehörige exakte GPS-Position mit der im Fahrzeug gemessenen Position verglichen. Daraufhin wird eine Korrektur der gemessenen Position durchgeführt.
Des Weiteren beschreibt die JP 2006 242 731 A eine Positionsermittlungseinrichtung, welche GPS-Signale und ein Objekt in der Umgebung der Positionsermittlungseinrichtung nutzt. Auch hierbei wird anhand einer Bildauswertung die Genauigkeit der Positionsermittlung verbessert.
In Boley, Daniel L.; Sutherland, Karen T.: A Rapidly Converging Recursive Method for Mobile Robot Localization; In: The International Journal of Robotics Research, Oktober 1998, S. 1027–1039, doi: 10.1177/027836499801701001 ist ein Verfahren zum Abschätzen der Position eines Roboters beschrieben. Hierbei erfasst eine auf einer Roboterplattform angeordnete Kamera ein Objekt („Landmark”), und aus den von der Kamera erfassten Bildern wird die Position des Roboters abgeschätzt. Hierbei bewegt sich der Roboter von einem unbekannten Startpunkt mit den Koordinaten x₀ und y₀ aus in eine Bewegungsrichtung, welche in einem virtuellen Koordinatensystem durch die X-Koordinate angegeben ist. Ein Winkel α, unter welchem die Kamera das Objekt erfasst, wird zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgezeichnet. Die vom Roboter seit dem Start am Startpunkt mit den Koordinaten x₀, y₀ zurückgelegte Entfernung wird mit d_i bezeichnet und kann durch Entfernungsmessung oder die Integration der Geschwindigkeit über die Zeit erhalten werden. Um die Koordinaten des Startpunkts x₀, y₀ zu erhalten, werden für die Gleichung: sin(α_i)·x₀ – cos(α_i)·y₀ = –sin(α_i)·d_i zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Koeffizienten bestimmt. Die Gleichungen werden dann mit einer Methode der kleinsten Quadrate gelöst. Der Roboter, welcher die Position des Objekts kennt, bewegt sich auf einer geraden Linie und nimmt eine Reihe von Bildern auf, wobei anhand der Winkel, unter denen die Kamera das Objekt erfasst, und anhand des jeweiligen Abstands vom Startpunkt die Koordinaten des Startpunkts relativ zu dem Objekt bestimmt werden. Hierbei bewegt sich der Roboter mit einer möglichst konstanten Geschwindigkeit, beispielsweise mit 20 mm pro Sekunde.
In Shen, J.; Hu, H.: Mobile Robot Navigation through Digital Landmarks, Proceedings of the 10th Chinese Automation and Computing Society Conference in the UK, Liverpool, England, 18. September 2004, S. 117–124 ist ein Verfahren zum Lokalisieren eines Roboters beschrieben, bei welchem der Roboter mittels einer On-Board-Kamera Daten erfasst. Auch hier werden die Abstände zwischen jeder Position, bei welcher Winkel erfasst werden, und einem Ausgangspunkt z₀ mit den Koordinaten x₀, y₀ erfasst, Gleichungen der Form: x₀cos(α_i) – y₀sin(α_i) = –d_icos(α_i) aufgestellt und mittels einer Methode der kleinsten Quadrate gelöst. Auch dies dient dem Erfassen der Position des Ausgangspunkts z₀. Die Kamera bewegt sich hierbei auf einer geraden Linie in einem gewissen Abstand zu dem Objekt („Landmark”), dessen Position bekannt ist.
Schließlich ist aus dem Online-Nachschlagewerk Wikipedia ein Eintrag vom 01.06.2012 zur „Terrestrischen Navigation” bekannt. Demgemäß lässt sich mit nur einem Geländepunkt bekannter Position der Standort eines Bootes mittels Peilung bestimmen, wenn man den Geländepunkt zeitversetzt zweimal anpeilt und dabei unter verschiedenen Richtungen „sieht”. Allerdings muss für diese Versegelungspeilung die Fahrt über Grund und der Kurs über Grund bekannt sein. Zunächst wird die Richtung zu dem markanten Geländepunkt bestimmt. Die Position des Bootes befindet sich auf einer vom Geländepunkt zum Boot führenden Standlinie mit einem bestimmten Richtungswinkel. Das Boot fährt nun einige Zeit mit bekanntem Kurs auf einer geraden Kurslinie mit bekannter Geschwindigkeit weiter, beispielsweise 10 km weit. Das Boot befindet sich also zum Zeitpunkt der zweiten Peilung auf einer um 10 km in Richtung des Kurses verschobenen Standlinie. Für die Standortbestimmung wird nun erneut der Geländepunkt angepeilt. Der Standort des Bootes ist der Schnittpunkt dieser durch die erneute Peilung bestimmten Standlinie und der verschobenen Standlinie. Bei der geometrischen Konstruktion kann das Parallelverschieben des (ersten) Peilstrahls entfallen, wenn der Abstand des Bootes vom angepeilten Geländepunkt mittels des Sinussatzes errechnet wird. In dem Dreieck sind nämlich alle Winkel und die versegelte Strecke bekannt.
Hochgenau vermessene Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs, welche zur Verbesserung der GPS-Positionsermittlung herangezogen werden können, werden auch als Landmarken bezeichnet. Indem die Relativposition zu einer solchen Landmarke bestimmt wird, kann die mittels GPS bestimmte Position des Fahrzeugs korrigiert und somit die Genauigkeit der Positionsermittlung verbessert werden. Als solche Landmarken können beispielsweise Verkehrsschilder oder Ampeln zum Einsatz kommen. Die Positionen solcher Landmarken können z. B. über ein globales Positionierungssystem mit Differentialsignal (Differential Global Positioning System, DGPS) gemessen und in einer Datenbank abgelegt werden. Fährt zu einem späteren Zeitpunkt ein Fahrzeug an dieser Landmarke vorbei, so kann es aus der hochgenau vermessenen GPS-Position der Landmarke und anhand seines Relativabstands von der Landmarke selbst seine GPS-Position genauer bestimmen und somit verbessern.
Es bereitet jedoch Schwierigkeiten die Relativposition der Landmarke mit einer ausreichend großen Genauigkeit zu bestimmen. Wird die Relativposition der Landmarke mit derzeit in der Fahrzeugtechnik verfügbaren Sensoren wie beispielsweise einer Kamera oder einem Radar bestimmt, so ist dies mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet. Für die Kamera liegt dies darin begründet, dass aus dem zweidimensionalen Kamerabild die dreidimensionalen, räumlichen Verhältnisse, also der Abstand der Landmarke von dem Fahrzeug, nur ungenau rekonstruiert werden können. Kommt ein Radar-Sensor zum Einsatz, so wird aufgrund der Rückstrahlcharakteristik die laterale Position von Landmarken nur ungenau gemessen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie ein Fahrzeug zu schaffen, mittels welchem sich die Relativposition des Fahrzeugs zu dem Objekt in der Umgebung mit besonders großer Genauigkeit bestimmen lässt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Ermitteln der Position des Fahrzeugs relativ zu dem Objekt in seiner Umgebung in zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ein jeweiliger Winkel bestimmt, welcher zwischen einer Geraden, auf welcher der Sensor und das Objekt zu liegen kommen, und einer Bezugsrichtung vorliegt. Des Weiteren wird eine Länge einer von dem Fahrzeug zwischen den beiden Zeitpunkten zurückgelegten Wegstrecke bestimmt. Es wird also um die Relativposition zu bestimmen die Fahrzeugbewegung berücksichtigt, welche zwischen den beiden Zeitpunkten erfolgte, in welchen die beiden Winkel erfasst werden. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Winkel und die von dem Fahrzeug zurückgelegte Wegstrecke hochgenau bestimmen lassen, wobei zum Ermitteln der Relativposition dann einfache, beispielsweise trigonometrische Rechenoperationen zum Einsatz kommen können.
Der Winkel zur Bezugsrichtung, welche bevorzugt mit der Fahrzeuglängsachse zusammenfällt, lässt sich deswegen besonders genau bestimmen, da der Einbauort des Sensors im Fahrzeug sowie Kalibrierparameter des Sensors bekannt sind. Demgegenüber gelingt die für die Ermittlung der Relativposition notwendige Projektion eines zweidimensionalen Bildes, welches ein als Kamera ausgebildeter Sensor erfasst, in eine dreidimensionale Umgebung nur ungenau. Der Winkel ist jedoch aus dem zweidimensionalen Bild der Kamera sehr genau bestimmbar.
Die Länge der von dem Fahrzeug zwischen den beiden Zeitpunkten zurückgelegten Wegstrecke kann ebenfalls mit besonders hoher Genauigkeit bestimmt werden, etwa durch Integration der Umdrehungen von Rädern des Fahrzeugs. So lässt sich unter Berücksichtigung der geometrischen Parameter, welche die Relativposition des Fahrzeugs zu dem Objekt angeben, auch die große Genauigkeit nutzen, mit welcher die Position des Objekts bekannt ist, um die Positionsermittlung des Fahrzeugs zu verbessern.
Bei dem Verfahren wird in einem ersten Zeitpunkt ein erster Winkel bestimmt, welchen die Bezugsrichtung und eine Gerade einschließen, auf welcher der Sensor und das Objekt zu liegen kommen. In einem zweiten Zeitpunkt wird ein zweiter Winkel bestimmt, welchen eine Gerade, auf welcher sich der Sensor und das Objekt befinden, und die Bezugsrichtung einschließen.
Die in den beiden unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmten Winkel werden durch die Auswertung von Bildern ermittelt, welche von dem als Kamera ausgebildeten Sensor in den beiden Zeitpunkten erfasst werden. Anhand eines Kamerabilds lässt sich nämlich der Winkel in dem jeweiligen Zeitpunkt besonders einfach und genau bestimmen.
Um sicherzugehen, dass die zwischen den beiden Zeitpunkten zurückgelegte Wegstrecke gerade ist, ist es sinnvoll, die Winkel in vergleichsweise kurz aufeinander folgenden Zeitpunkten zu bestimmen. Auch hierfür ist die Auswertung von Bildern mittels einer Kamera günstig, da eine Bewegungen erfassende Kamera üblicherweise alle 40 ms ein Bild aufnimmt. Bei fahrendem Fahrzeug ist somit die zwischen zwei Aufnahmezeitpunkten aufeinanderfolgender Bilder aufgenommene Fahrstrecke im Wesentlichen gerade.
Gemäß der Erfindung wird je nach Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges ein anderes als das unmittelbar auf die Aufnahme eines Bildes im ersten Zeitpunkt folgende, im zweiten Zeitpunkt aufgenommene Bild zur Auswertung herangezogen, um sicherzustellen, dass sich die beiden Winkel ausreichend deutlich voneinander unterscheiden. Bei hoher Fahrgeschwindigkeit können so unmittelbar aufeinander folgend aufgenommene Bilder zur Bestimmung der Winkel herangezogen werden, während bei niedrigerer Fahrgeschwindigkeit auch ein einige Zeitschritte später aufgenommenes Bild herangezogen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird anhand der in den beiden Zeitpunkten vorliegenden Winkel zwischen der Geraden und der Bezugsrichtung und anhand der Länge der Wegstrecke ein im zweiten der beiden Zeitpunkte vorliegender Abstand des Sensors von dem Objekt ermittelt. Ist nämlich dieser Abstand bekannt, so lässt sich die Position des Sensors und damit die Position des Fahrzeugs besonders genau bestimmen, da die Position des Objekts einen hochgenau vermessenen Bezugspunkt bereitstellt.
Beispielsweise kann der Abstand anhand der Beziehung a = sin(α) / sin(β – α)·c berechnet werden. Hierbei gibt a den Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt im zweiten Zeitpunkt an, α den Winkel zwischen der Geraden und der Bezugsrichtung im ersten Zeitpunkt, β den Winkel zwischen der Geraden und der Bezugsrichtung im zweiten Zeitpunkt und c die Länge der Wegstrecke. Durch die Anwendung des Sinussatzes lässt sich nämlich der Abstand besonders rasch, genau und aufwandsarm berechnen. Hierbei gilt: a / c = sin(α) / sin(γ) = sin(α) / sin(180° – α – (180° – β)) = sin(α) / sin(β – α), wobei γ den Winkel zwischen den beiden in den jeweiligen Zeitpunkten vorliegenden Geraden angibt.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn anhand des Abstands zwischen dem Sensor und dem Objekt Koordinaten des Sensors relativ zu dem Objekt ermittelt werden. Koordinaten können nämlich besonders gut für die Korrektur der Position des Sensors und somit des Fahrzeugs herangezogen werden.
Die Koordinaten werden bevorzugt anhand der Beziehungen y_rel = a·sin(90° – β) und x_rel = a·cos(90° – β) berechnet.
Hierbei gibt y_rel den Betrag der Koordinate des Sensors in die Bezugsrichtung an und x_rel den Betrag der Koordinate des Sensors senkrecht zu der Bezugsrichtung; a ist der Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt im zweiten Zeitpunkt, α der Winkel zwischen der Geraden und der Bezugsrichtung im ersten Zeitpunkt und β der Winkel zwischen der Geraden und der Bezugsrichtung im zweiten Zeitpunkt.
Auch diese trigonometrischen Beziehungen lassen sich nämlich sehr einfach und aufwandsarm für die Berechnung der Koordinaten des Sensor relativ zu dem Objekt nutzen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Position des Objekts angebende geografische Datenwerte und die Position des Fahrzeugs angebende geografische Datenwerte in Datenwerte eines planaren Koordinatensystems transformiert werden. Dann lassen sich nämlich die Koordinaten des Sensors relativ zu dem Objekt besonders einfach mit den die Position des Objekts und die Position des Fahrzeugs angebenden Datenwerten des planaren Koordinatensystems verrechnen. Als planares Koordinatensystem kann beispielsweise das UTM-Koordinatensystem (UTM = Universal Transverse Mercator) zum Einsatz kommen.
Bevorzugt werden anhand der Koordinaten des Sensors und anhand der Datenwerte des planaren Koordinatensystems, welche die Position des Objekts angeben, diejenigen Datenwerte des planaren Koordinatensystems korrigiert, welche die Position des Fahrzeugs angeben. So werden die hochgenauen planaren Koordinaten des Objekts genutzt, um korrigierte Koordinaten des Fahrzeugs zu erhalten. Dies lässt sich rechnerisch besonders leicht bewerkstelligen.
Bevorzugt werden die Datenwerte des planaren Datensystems, welche die Position des Fahrzeugs angeben, anhand der Beziehung (y_korr, x_korr) = (y₃, x₃) – (y_rel, x_rel) korrigiert,
wobei y_korr den korrigierten Betrag der Koordinate des Fahrzeugs in die Bezugsrichtung angibt, x_korr den korrigierten Betrag der Koordinate des Fahrzeugs senkrecht zu der Bezugsrichtung, y₃ den Betrag der Koordinate des Objekts in die Bezugsrichtung und x₃ den Betrag der Koordinate des Objekts senkrecht zu der Bezugsrichtung. Aus den korrigierten planaren Koordinaten des Fahrzeugs können besonders einfach korrigierte GPS-Koordinaten erhalten werden. Damit ist die GPS-Position hochgenau bestimmt und korrigiert.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst eine Positionsermittlungseinrichtung zum Ermitteln einer Position des Fahrzeugs. Die Positionsermittlungseinrichtung umfasst einen Sensor, mittels welchem ein Objekt in einer Umgebung des Fahrzeugs erfassbar ist. Des Weiteren weist die Positionsermittlungseinrichtung eine Speichereinrichtung auf, in welcher die Position des Objekts angebende Datenwerte abgelegt sind. Mittels einer Auswerteeinrichtung der Positionsermittlungseinrichtung ist eine Relativposition des Fahrzeugs zu dem Objekt unter Berücksichtigung der die Position des Objekts angebenden Datenwerte ermittelbar. Hierfür ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, in zwei unterschiedlichen Zeitpunkten einen jeweiligen Winkel zwischen einer Geraden, auf welcher der Sensor und das Objekt zu liegen kommen, und einer Bezugsrichtung zu bestimmen. Mittels der Auswerteeinrichtung ist in zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ein jeweiliger Winkel zwischen einer Geraden, auf welcher der Sensor und das Objekt zu liegen kommen, und einer Bezugsrichtung bestimmbar. Des Weiteren ist mittels der Auswerteeinrichtung auch eine Länge einer von dem Fahrzeug zwischen den beiden Zeitpunkten zurückgelegten Wegstrecke bestimmbar. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgelegt, in einem ersten Zeitpunkt einen ersten Winkel zu bestimmen, welchen die Bezugsrichtung und eine Gerade einschließen, auf welcher der Sensor und das Objekt zu liegen kommen, und in einem zweiten Zeitpunkt einen zweiten Winkel zu bestimmen, welchen eine Gerade, auf welcher sich der Sensor und das Objekt befinden, und die Bezugsrichtung einschließen. Hierbei werden die in den beiden unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmten Winkel durch die Auswertung von Bildern ermittelt, welche von dem als Kamera ausgebildeten Sensor in den beiden Zeitpunkten erfasst werden. Je nach Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs wird hierbei ein anderes als ein unmittelbar auf die Aufnahme eines ersten Bildes im ersten Zeitpunkt folgendes, im zweiten Zeitpunkt aufgenommenes Bild zur Auswertung herangezogen. Mit einer solchen Positionsermittlungseinrichtung lässt sich, etwa anhand einfacher trigonometrischer Berechnungen, die Position des Fahrzeugs mit einer sehr hohen Genauigkeit bestimmen. Das Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs ist nämlich hochgenau vermessen, und entsprechende, seine genaue Position angebende Datenwerte sind in der Speichereinrichtung abgelegt.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Fahrzeug und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt schematisch ein Fahrzeug, welches sich relativ zu einem in der Umgebung des Fahrzeugs angeordneten Objekt bewegt, wobei anhand der Bewegung des Fahrzeugs und anhand von in zwei unterschiedlichen Zeitpunkten vorliegenden Winkeln, unter welchen sich das Objekt jeweils bezogen auf die Fahrzeuglängsachse befindet, die GPS-Position des Fahrzeugs korrigiert wird.
Ein in der Figur schematisch gezeigtes Fahrzeug 10 umfasst eine Positionsermittlungseinrichtung 12. Ein Sensor der Positionsermittlungseinrichtung 12 ist vorliegend als Kamera 14 ausgebildet, welche Bilder von der Umgebung des Fahrzeugs 10 aufnimmt.
In der Umgebung des Fahrzeugs 10 befindet sich ein Objekt in Form einer so genannten Landmarke 16. Die Landmarke 16, bei welcher es sich beispielsweise um ein Verkehrsschild oder eine Ampel handeln kann, ist mit besonders hoher Genauigkeit vermessen. Von dieser Landmarke 16 sind also Datenwerte bekannt, welche seine Position hochgenau angeben. Diese Datenwerte sind vorliegend in einem Speicher 15 der Positionsermittlungseinrichtung 12 abgelegt. In alternativen Ausführungsformen ist es möglich, dass die Landmarke 16 diese Datenwerte der Positionsermittlungseinrichtung 12 übermittelt, etwa über Funk, WLAN oder dergleichen.
Die Positionsermittlungseinrichtung 12 umfasst des Weiteren eine Auswerteeinrichtung 18, welche es erlaubt, einen Winkel der Landmarke 16 zu einer Fahrzeuglängsachse L zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung 18 kann hierfür beispielsweise in die Kamera 14 integriert sein.
Mittels der Kamera 14 kann dann in einem ersten Zeitpunkt t₁ ein Winkel α bestimmt werden, welchen die Fahrzeuglängsachse L und eine Gerade einschließen, auf welcher die Kamera 14 und die Landmarke 16 zu liegen kommen. Von dieser Geraden ist in der Figur eine Strecke gezeigt, welche einen Abstand b zwischen der Kamera 14 und der Landmarke 16 im Zeitpunkt t₁ angibt. Die Fahrzeuglängsachse L gibt eine Bezugsrichtung an, welche bevorzugt mit der Fahrtrichtung zusammenfällt, in welche sich das Fahrzeug 10 bewegt.
Aufgrund des bekannten Einbauorts der Kamera 14 im Fahrzeug 10 und aufgrund der bekannten Kalibrierparameter der Kamera 14 kann zwar der Winkel α mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Aus dem Bild, welches die Kamera 14 zum Zeitpunkt des Vorliegens des Winkels α aufnimmt, lässt sich jedoch nicht mit ausreichend hoher Genauigkeit die Relativposition des Fahrzeugs 10 zu der Landmarke 16 bestimmen. Dies liegt daran, dass die hierfür notwendige Projektion des zweidimensionalen Bildes, welches die Kamera 14 erfasst, in eine dreidimensionale Umgebung nur ungenau gelingt.
Vorliegend werden daher Winkel zwischen der durch die Fahrzeuglängsachse L angegebenen Bezugsrichtung und Geraden, auf welchen die Kamera 14 und die Landmarke 16 zu liegen kommen, zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten t₁, t₂ bestimmt. Zum Zeitpunkt t₁ befindet sich das Fahrzeug 10 an einer Position mit dem Koordinaten y₁, x₁. Diese Position kann beispielsweise die GPS-Position des Fahrzeugs 10 sein, welche mittels Koordinatentransformation in ein planares Koordinatensystem transformiert wurde, beispielsweise in das UTM-Koordinatensystem. In einem Zeitpunkt t₂ hat das Fahrzeug 10' eine gewisse Fahrstrecke in die Bezugsrichtung zurückgelegt, wobei eine Länge c dieser zurückgelegten Wegstrecke in der Figur kenntlich gemacht ist.
Zum Zeitpunkt t₂ befindet sich das Fahrzeug 10' also an einer Position mit den Koordinaten y₂, x₂. In diesem Zeitpunkt t₂ wird erneut ein Winkel β bestimmt, welchen eine Gerade, auf welcher sich die Kamera 14 und die Landmarke 16 befinden, und die Fahrzeuglängsachse L einschließen. Zusätzlich ist im Fahrzeug 10' die Länge c der zurückgelegten Wegstrecke bekannt, also die Wegstrecke, welche das Fahrzeug 10 zwischen dem Zeitpunkt t₁ und dem Zeitpunkt t₂ zurückgelegt hat. Die Länge c kann beispielsweise durch Integration der Umdrehungen eines Rads des Fahrzeugs 10 bestimmt werden.
In der Figur ist eine Strecke mit a bezeichnet, welche den Abstand zwischen dem Fahrzeug 10' und der Landmarke 16 zum Zeitpunkt t₂ angibt. Dieser Abstand a im Zeitpunkt t₂ kann durch Anwendung des Sinussatzes anhand folgender Zusammenhänge bestimmt werden: a / c = sin(α) / sin(γ) = sin(α) / sin(180° – α – (180° – β)) = sin(α) / sin(β – α), wobei γ den Winkel zwischen dem Abstand a des Fahrzeugs 10' im Zeitpunkt t₂ zu der Landmarke 16 und dem Abstand b des Fahrzeugs 10 im Zeitpunkt t₁ zu der Landmarke 16 angibt. Der Winkel mit dem Wert 180° – β ist entsprechend ein Winkel in einem Dreieck mit den Seiten a, b und c und den weiteren Winkeln α und γ.
Die Relativposition des Fahrzeugs 10' zur Landmarke 16 im Zeitpunkt t₂ kann nun über Sinus- und Kosinuszusammenhänge ermittelt werden, etwa über die Beziehungen: y_rel = a·sin(90° – β) und x_rel = a·cos(90° – β).
In einem weiteren Schritt wird nun aus der bekannten und hochgenauen GPS-Position der Landmarke 16 und den die Relativposition des Fahrzeugs 10' zu der Landmarke angebenden Koordinaten y_rel und x_rel die korrigierte GPS-Position des Fahrzeugs 10' berechnet. Dies geschieht beispielsweise folgendermaßen:
Zunächst wird die hochgenaue GPS-Position der Landmarke 16 in planare Koordinaten, beispielsweise die UTM-Koordinaten umgewandelt. Danach werden von den planaren UTM-Koordinaten der Landmarke 16, also den Koordinaten y₃, x₃ die Abstände die y_rel und x_rel abgezogen. Somit ergeben sich als korrigierte UTM-Koordinaten des Fahrzeugs 10' im Zeitpunkt t₂: (y_korr, x_korr) = (y₃, x₃) – (y_rel, x_rel).
Anschließend werden die korrigierten planaren UTM-Koordinaten y_korr und x_korr des Fahrzeugs 10' in GPS-Koordinaten umgewandelt. Die GPS-Position des Fahrzeugs 10' im Zeitpunkt t₂ ist somit hochgenau bestimmt und korrigiert.
Die oben beschriebenen trigonometrischen Berechnungen sowie die Transformation der GPS-Position in planare Koordinaten und umgekehrt können von der Auswerteeinrichtung 18 der Positionsermittlungseinrichtung 12 durchgeführt werden. Insbesondere sofern zum Bestimmen der Winkel α, β eine Auswerteeinrichtung der Kamera 14 benutzt wird, kann zusätzlich zu der Auswerteeinrichtung der Kamera 14 eine separate Auswerteeinrichtung 18 zum Einsatz kommen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Position eines Fahrzeugs (10, 10'), bei welchem mittels eines Sensors (14) ein Objekt (16) in einer Umgebung des Fahrzeugs (10, 10') erfasst wird, und bei welchem eine Relativposition des Fahrzeugs (10, 10') zu dem Objekt (16) ermittelt wird, wobei die Position des Objekts (16) angebende Datenwerte berücksichtigt werden, wobei zum Ermitteln der Relativposition des Fahrzeugs (10, 10') in zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ein jeweiliger Winkel (α, β) zwischen einer Geraden, auf welcher der Sensor (14) und das Objekt (16) zu liegen kommen, und einer Bezugsrichtung (L) sowie eine Länge (c) einer von dem Fahrzeug (10, 10') zwischen den beiden Zeitpunkten zurückgelegten Wegstrecke bestimmt werden, wobei in einem ersten Zeitpunkt (t₁) ein erster Winkel (α) bestimmt wird, welchen die Bezugsrichtung (L) und eine Gerade einschließen, auf welcher der Sensor (14) und das Objekt (16) zu liegen kommen, und in einem zweiten Zeitpunkt (t₂) ein zweiter Winkel (β) bestimmt wird, welchen eine Gerade, auf welcher sich der Sensor (14) und das Objekt (16) befinden, und die Bezugsrichtung (L) einschließen, wobei die in den beiden unterschiedlichen Zeitpunkten (t₁, t₂) bestimmten Winkel (α, β) durch die Auswertung von Bildern ermittelt werden, welche von dem als Kamera ausgebildeten Sensor (14) in den beiden Zeitpunkten (t₁, t₂) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs (10, 10') ein anderes als ein unmittelbar auf die Aufnahme eines ersten Bildes im ersten Zeitpunkt folgendes, im zweiten Zeitpunkt aufgenommenes Bild zur Auswertung herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der in den beiden Zeitpunkten vorliegenden Winkel (α, β) zwischen der Geraden und der Bezugsrichtung (L) und anhand der Länge (c) der Wegstrecke ein im zweiten der beiden Zeitpunkte vorliegender Abstand (a) des Sensors (14) von dem Objekt (16) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) anhand der Beziehung a = sin(α) / sin(β – α)·c, mit a = Abstand zwischen dem Sensor (14) und dem Objekt (16) im zweiten Zeitpunkt, α = Winkel zwischen der Geraden und der Bezugsrichtung (L) im ersten Zeitpunkt, β = Winkel zwischen der Geraden und der Bezugsrichtung (L) im zweiten Zeitpunkt, c = Länge der Wegstrecke berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Abstands (a) zwischen dem Sensor (14) und dem Objekt (16) Koordinaten (y_rel, x_rel) des Sensors (14) relativ zu dem Objekt (16) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinaten (y_rel, x_rel) anhand der Beziehungen y_rel = a·sin(90° – β) und x_rel = a·cos(90° – β) mit y_rel = Betrag der Koordinate des Sensors (14) in die Bezugsrichtung (L), x_rel = Betrag der Koordinate des Sensors (14) senkrecht zu der Bezugsrichtung (L), a = Abstand zwischen dem Sensor (14) und dem Objekt (16) im zweiten Zeitpunkt, α = Winkel zwischen der Geraden und der Bezugsrichtung (L) im ersten Zeitpunkt, β = Winkel zwischen der Geraden und der Bezugsrichtung (L) im zweiten Zeitpunkt, berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Objekts (16) angebende geographische Datenwerte und die Position des Fahrzeugs (10, 10') angebende geographische Datenwerte in Datenwerte eines planaren Koordinatensystems transformiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Koordinaten (y_rel, x_rel) des Sensors (14) und anhand der Datenwerte des planaren Koordinatensystems, welche die Position des Objekts (16) angeben, diejenigen Datenwerte des planaren Koordinatensystems korrigiert werden, welche die Position des Fahrzeugs (10, 10') angeben.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenwerte des planaren Koordinatensystems, welche die Position des Fahrzeugs (10, 10') angeben, anhand der Beziehung (y_korr, x_korr) = (y₃, x₃) – (y_rel, x_rel), mit y_korr = korrigierter Betrag der Koordinate des Fahrzeugs (10, 10') in die Bezugsrichtung (L), X_korr = korrigierter Betrag der Koordinate des Fahrzeugs (10, 10') senkrecht zu der Bezugsrichtung (L), y₃ = Betrag der Koordinate des Objekts (16) in die Bezugsrichtung (L), X₃ = Betrag der Koordinate des Objekts (16) senkrecht zu der Bezugsrichtung (L), korrigiert werden.
Fahrzeug mit einer Positionsermittlungseinrichtung (12) zum Ermitteln einer Position des Fahrzeugs (10, 10'), welche einen Sensor (14), mittels welchem ein Objekt (16) in einer Umgebung des Fahrzeugs (10, 10') erfassbar ist, und eine Speichereinrichtung (15) umfasst, in welcher die Position des Objekts (16) angebende Datenwerte abgelegt sind, wobei die Positionsermittlungseinrichtung (12) eine Auswerteeinrichtung (18) umfasst, welche zum Ermitteln einer Relativposition des Fahrzeugs (10, 10') zu dem Objekt (16) unter Berücksichtigung der die Position des Objekts (16) angebenden Datenwerte ausgelegt ist, wobei mittels der Auswerteeinrichtung (18) in zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ein jeweiliger Winkel (α, β) zwischen einer Geraden, auf welcher der Sensor (14) und das Objekt (16) zu liegen kommen, und einer Bezugsrichtung (L) bestimmbar ist, wobei mittels der Auswerteeinrichtung (18) auch eine Länge (c) einer von dem Fahrzeug (10, 10') zwischen den beiden Zeitpunkten zurückgelegten Wegstrecke bestimmbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung (18) dazu ausgelegt ist, in einem ersten Zeitpunkt (t₁) einen ersten Winkel (α) zu bestimmen, welchen die Bezugsrichtung (L) und eine Gerade einschließen, auf welcher der Sensor (14) und das Objekt (16) zu liegen kommen, und in einem zweiten Zeitpunkt (t₂) einen zweiten Winkel (β) zu bestimmen, welchen eine Gerade, auf welcher sich der Sensor (14) und das Objekt (16) befinden, und die Bezugsrichtung (L) einschließen, wobei die in den beiden unterschiedlichen Zeitpunkten (t₁, t₂) bestimmten Winkel (α, β) durch die Auswertung von Bildern ermittelt werden, welche von dem als Kamera ausgebildeten Sensor (14) in den beiden Zeitpunkten (t₁, t₂) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs (10, 10') ein anderes als ein unmittelbar auf die Aufnahme eines ersten Bildes im ersten Zeitpunkt folgendes, im zweiten Zeitpunkt aufgenommenes Bild zur Auswertung herangezogen wird.