Autonomes Manövrieren und Navigieren mit einem sehenden Straßenfahrzeug:
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| Published: |
Düsseldorf
VDI Verl.
1996
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| Edition: | Als Ms. gedr. |
| Series: | Fortschrittberichte VDI
Reihe 12, Verkehrstechnik, Fahrzeugtechnik ; 281 |
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| adam_text | Titel: Autonomes Manövrieren und Navigieren mit einem sehenden Straßenfahrzeug
Autor: Müller, Nikolaus
Jahr: 1996
SCHRITT- m BERICHTE MM Dipl.-Ing. Nikolaus Müller, München Autonomes Manövrieren und Navigieren mit einem sehenden Straßenfahrzeug Reihe 12 : Verkehrstechnik/ Fahrzeugtechnik Nr. 281 VW VERLAS
V Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Umwelterfassung und Fortbewegung...................... 1 1.1.1 Ein Beispiel aus dem Bereich der wirbellosen Tiere ......... 1 1.1.2 Beispiele aus dem Bereich der Wirbeltiere.............. 3 1.1.3 Beispiel Mensch............................. 4 1.2 Beitrag der vorliegenden Arbeit........................ 6 1.3 Aufbau dieser Arbeit.............................. 7 2 Stand der Technik 9 2.1 Autonome Fahrzeuge mit der Fähigkeit zu komplexen Manövern...... 10 2.2 Autonome Fahrzeuge zum Einsatz in gut strukturierter Umgebung..... 13 2.2.1 Aktivitäten in Europa......................... 13 2.2.2 Aktivitäten in den USA ........................ 17 2.2.3 Aktivitäten in Fernost......................... 19 2.3 Bildvorverarbeitungstechniken zum Erkennen von Straßen......... 20 3 Versuchsumgebung und Sensorik 24 3.1 Das Fahrzeug VaMoRs............................. 24 3.2 Der Hardware-in-the-loop Simulationskreis.................. 25 3.3 Erfassung der Umwelt ............................. 27 3.3.1 Das Sichtsystem............................. 27 3.3.2 Inertialsensoren............................. 30 3.3.3 Odometrie und Propriozeption..................... 31 3.3.4 GPS................................... 31 3.4 Die Aktuatorik................................. 34
VI 4 Voraussetzungen zur Navigation in Echtzeit 36 4.1 Erkennen von Form und Bewegung...................... 36 4.1.1 Der 4-D-Ansatz............................. 36 4.1.2 Zustandsschätzung mittels Kalman-Filter............... 38 4.1.3 Modellbasierte Bildfolgenverarbeitung................. 41 4.1.4 Aktive Blickrichtungssteuerung.................... 42 4.2 Wissenshintergrund............................... 42 4.2.1 Zeitveränderliches Wissen....................... 42 4.2.2 Digitale Landkarten........................... 43 4.2.3 Form- und Bewegungsmodelle..................... 44 4.3 Spezifische Fähigkeiten............................. 44 4.3.1 Spurfahren................................ 45 4.3.2 Navigation................................ 46 4.4 Systemstruktur................................. 49 5 Manövrieren auf engem Raum 52 5.1 Modellierung der Kurvenfahrt......................... 52 5.1.1 Kinematische Begrenzung: Der Wendekreis.............. 57 5.2 Fahrzeugvorsteuerung und Regelung ..................... 58 5.2.1 Festlegen der Bahnkurve........................ 58 5.2.2 Fahrzeugführung zur Laufzeit..................... 60 5.3 Modellbasierte Bildverarbeitung........................ 67 5.3.1 Das Abbildungsmodell......................... 67 5.3.2 Entdecken einer Querstraße...................... 70 5.3.3 Vermessen der Formparameter des Abzweigs............. 73 5.3.4 Schätzen der Fahrzeugposition relativ zur Querstraße........ 87 5.3.5 Bestimmen des Horizonts im Stillstand................ 91 5.4 Blickrichtungsvorsteuerung und Regelung................... 94 5.4.1 Vorsteuerung der Gierachse...................... 95 5.4.2 Vorsteuerung der Nickachse...................... 97
VII 5.4.3 Realisierungsaspekte......................... 5.5 Implementierungsdetails........................... 5.5.1 Die Programmstruktur........................ 5.5.2 Betriebsarten des CS Moduls .................... 5.5.3 Die Schnittstelle zwischen Bildverarbeitungprozeß CS und Fahrzeugführung VC............................ 6 Positionsbestimmung durch Sensordatenfusion 6.1 Konzeption .................................. 6.1.1 Das Systemmodell .......................... 6.1.2 Das Meßmodell............................ 6.2 Realisierung................................... 6.2.1 Positionsschätzung.......................... 6.2.2 Einbindung in das Navigationsprogramm.............. 6.2.3 Implementierung........................... 7 Ergebnisse 7.1 Fahrmanöver ................................. 7.2 Positionsbestimmung............................. 8 Zusammenfassung und Diskussion A Nomenklatur A. l Liste der verwendeten Abkürzungen..................... B Herleitungen B. l Vorsteuerung der Kurvenfahrt........................ B.l.l Näherungsfehler durch polynomiale Beschreibung......... B.l.2 Das Streckenverhältnis s ....................... B.2 Die Fahrzeugdynamik............................. B.2.1 Fehler durch Linearisierung..................... B.2.2 Die Querdynamik des Fahrzeugs................... 98 101 101 103 105 106 107 107 110 114 114 117 119 120 121 129 132 134 134 137 137 137 137 140 140 141
VIII B.2.3 Die Translationsdynamik des Fahrzeugs................141 B.2.4 Die Rotationsdynamik um die Hochachse...............142 B.2.5 Die Rotationsdynamik um die Längs- und Querachse........143 B.3 Bildverarbeitungsaspekte............................144 B.3.1 Lage der Querstraße im Bild......................144 B.3.2 Richtungsempfindlichkeit der ternären Masken............ 145 B.3.3 Berechnung der Tiefenauflösung....................145 B.4 Vorsteuerung der Blickrichtung........................147 B.4.1 Bewegungsmischärfe durch Gieren...................147 B.4.2 Anfangsentfernung der Vorausschau..................147 B.4.3 Gierrate in Phase 2...........................148 B.4.4 Gierrate in Phase 3 bei konstanter Vorausschau...........149 B.4.5 Gierrate in Phase 3 bei variabler Vorausschau............150 B.4.6 Geschwindigkeitsmaximum des Vorausschaupunkts P v ........151 B.4.7 Berechnung der Winkel.........................151 B.4.8 Berechnung der Mindestentfernung..................152
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