05.06.2003Matthias Wiertz1 Gis IV Seminar Thema des Vortrags ist Positionsverbesserung mit Geodaten-Mapmatching

05.06.2003 Matthias Wiertz 1

Gis IV SeminarGis IV Seminar

Thema des Vortrags ist

Positionsverbesserung mit Geodaten-Mapmatching


InhaltsübersichtInhaltsübersicht

Was ist Mapmatching? Strategien zur Karteneinpassung Die reine Translation Ähnlichkeitstransformation Affintransformation Zuordnungsverfahren im Winkel und Krümmungsbild. GPS Messungen DGPS Messungen Allgemeine Zusammenfassung


Was ist Mapmatching?Was ist Mapmatching?

Navigationssystem benötigt gewisse Dinge für optimale Routenfindung

gesamte Ortungssensorig und Information über das Verkehrsnetz (digitale Karte) im Fahrzeug

Ermittlung optimaler Route zu Beginn der Fahrt ständigerVergleich die Fahrzeugposition mit der digitalen Karte für Fahrempfehlungen

Nutzung der Karteninformationen durch logischen Bezug zwischen der aktuell gemessenen Fahrzeugposition und dem gespeicherten Straßennetz

Alle Ortungsverfahren liefern gemessene Koordinate durch Karteneinpassung Relation zum Straßennetz


Was ist Mapmatching?Was ist Mapmatching?


Strategien zur KarteneinpassungStrategien zur Karteneinpassung

Logischer Bezug zwischen gemessener Fahrzeugposition und gespeicherten Straßenelementen zur Bestimmung des Straßenelement und wo das Fahrzeug auf dem Straßenelement ist

Karteneinpassung identifiziert vom Fahrzeug zurückgelegten Weg in der digitalen Karte und stellt Zuordnung zwischen Messung und Karte her

Kombination von Karte mit Zuordnungsprozeß

Map-Matching-Algorithmen


Strategien zur KarteneinpassungStrategien zur Karteneinpassung

Suchgebietfestlegung durch Suche von allen möglichen Trassenverläufen in der digitalen Karte

Auf jede dieser Trassen wird der gemessene Fahrweg zugeordnet und die Zuordnungsgenauigkeit bestimmt

Mit Hypothesentests wird die wahrscheinlichste Trasse festgelegt bzw. bestimmt

Außschluss der Trassen die nicht mehr berücksichtigt werden müssen


Strategien zur KarteneinpassungStrategien zur Karteneinpassung der Karte zugeordneten Positionen dienen: zur Verbesserung der Fahrzeugpositionen Positionsfehler einzugrenzen digitale Karte soll relativ genau sein sonst generiert das System eine falsche Positionsausgabe dadurch gravierende Reduzierung der Systemleistung digitale Karte akzeptiert bei Genauigkeit unter 15m guter Map-Matching-Algorithmus verbessert Ortungsgenauigkeit

und die Zuverlässigkeit der Fahrzeugposition Map-Matching-Modul hat wichtige Rolle in

Fahrzeugnavigationssystemen Zuverlässigkeit und Genauigkeitsteigerung des Ortungssystems Map-Matching-Algorithmus soll die systematischen Fehler des

Ortungssystems reduzieren


Reine TranslationReine Translation Bei Zuordnungsverfahren mit Koordinatenbeobachtungen Einteilung der

Meßstrecke durch Interpolation in Linienelemente konstanter Länge Gleiche Einteilung der Vergleichstrasse Den Meßpunkten werden die ersten Punkte der Vergleichstrasse als identische

Punkte bei der Transformation zugeordnet, und Transformationsparameter und deren Genauigkeiten in einer Ausgleichung bestimmt

Im nächsten Schritt korrespondieren die Meßpunkte mit den um ein Linienelement verschobenen Punkten der Vergleichstrasse

In einer erneuten Ausgleichung werden wiederum die Transformationsparameter mit Genauigkeit bestimmt

Verschieben wird wiederholt, bis der letzte Meßpunkt mit dem letzten Punkt der Vergleichstrasse übereinstimmt

beste Kurveneinpassung zwischen Meßstrecke und der verwendeten Trasse anhand kleinster Varianz


Reine TranslationReine Translation

Darstellung zwischen der gemessenen Route und eine Vergleichstrasse aus der digitalen Karte durch Verschiebungsvektor

Vektoren zwischen den Meßpunkten und Punkten aus der Karte werden berechnet und über alle Meßpunkte gemittelt

Durch Verschieben der korrespondierenden Punkte erhält man Translationsvektoren mit ihrer Standardabweichung

Der mit kleinster Standardabweichung wird als beste Zuordnung der gemessenen Route auf die Vergleichstrasse betrachtet

Das Verfahren mit Translationsvektoren läßt keine systematischen Fehler des Ortungssystems zu

Einsatz nur für hochgenaue Navigationsverfahren (z.B. DGPS)


ÄhnlichkeitstransformationÄhnlichkeitstransformation

4 Freiheitsgrade (Maßstab, Drehwinkel, und beide Verschiebungen) werden durch Ausgleichung bestimmt Methode genauer als mit Translationsvektoren durch Freiheitsgrade Funktioniert so: Punkte in beiden Systemen auf ein Schwerpunkt-

koordinatensystem umrechnen diagonale Normalgleichungsmatrix aus 4 einzelnen Gleichungen je ein Transformationsparameter direkt

berechnet Durchführung Ähnlichkeitstransformation bei Mapmatching-

Anwendungen für jede Alternativtrasse (ni-m+1) mal


AffintransformationAffintransformation Zwischen Koordinatensystemen werden 6 Parameter in Ausgleichung geschätzt Normalgleichungsmatrix enthält Summen aus Koordinaten der Meßpunkte Muß nur einmal bestimmt werden (weniger Rechenaufwand) h-Vektor muß jedesmal neu berechnet werden Probleme bei langgestreckten Trassen Viele Freiheitsgrade

Genauigkeit der Transformation hängt vom Abstand zwischen den digitalisierten

Meßpunkten und den Kartenpunkten ab

falsche Zuordnung


GenauigkeitsvergleichGenauigkeitsvergleich


AllgemeinAllgemein

Alle bisher vorgestellten Zuordnungsverfahren berechnen Transformationsparameter zur Einpassung einer gemessenen Funktion auf eine einzelne Sollfunktion. Bevor diese Verfahren angewendet werden können, müssen aus der digitalen Karte geeignete Sollfunktionen abgeleitet werden

Anhand der Straßennamen werden aus dem Austauschformat des GDF 3.0 alle digitalisierten Punkte herausgesucht, die zu diesen Straßennamen gehören

Indem diese Punkte in der richtigen Reihenfolge zusammengesetzt werden, ergibt sich die Trasse zu einem Polygonzug, der für die Karteneinpassung auf Koordinatenebene direkt verwendet wird


Zuordnungsverfahren im Winkel- und Zuordnungsverfahren im Winkel- und KrümmungsbildKrümmungsbild

Beide Zuordnungsverfahren genauer mit wachsender Meßstrecke

können sehr gut die systematischen Sensorfehler kompensieren

In einer Ausgleichung werden für die Bogenlängen und auch für die Funktionswerte jeweils ein Maßstab und eine Verschiebung zwischen den gemessenen und den aus der Karte abgeleiteten Werten geschätzt

Die Verschiebung zwischen der gemessenen Bogenlänge und der aus der Karte bestimmten Bogenlänge, die aus der Summe der Polygonseiten ermittelt wird, ist die für die Fahrzeugnavigation wichtigste Größe

Bezug zwischen den Fahrzeugpositionen und dem Straßennetz


WinkelbildWinkelbild

Bei der Karteneinpassung im Winkelbild muß die Anfangsausrichtung nicht einmal näherungsweise bekannt sein, da diese Unbekannte der Ausgleichung in den Fehlergleichungen nur linear auftritt

Lediglich für die Auswahl der Alternativtrassen

Diese erfolgt in der Koordinatenebene und benötigt deshalb die gemessenen Fahrzeugpositionen

Sie ist erforderlich, wenn die Positionen nur über Koppelortung bestimmt werden können


KrümmungsbildKrümmungsbild Die Karteneinpassung im Krümmungsbild benötigt weder

Anfangskoordinaten noch eine Anfangsausrichtung

Auswertung im Krümmungsbild benötigt mehrere Kurven in den Meßdaten

digitale Straßendatenbank wurde nicht zur Krümmungsbestimmung digitalisiert

daraus bestimmten Vergleichskrümmungen können in ihrem Betrag unzuverlässig sein

gemessene Krümmung kann durch Überholmanöver oder durch Kurvenschneiden von der tatsächlichen Krümmung der Straßenmitte abweichen

Abweichungen können durch mehrere Kurven besser kompensiert werden


Beurteilung der ZuordnungsverfahrenBeurteilung der Zuordnungsverfahren

>3 Kurven

3 Kurven

2 Kurven

schwach gekrümmt

geradlinig

sehr gut

gut

noch geeignet

unbrauchbar


Prozedur für jede StraßenstartpositionProzedur für jede Straßenstartposition 1. Berechnung des Verschiebungsvektors zwischen der ersten

Fahrzeugposition und der so bestimmten Straßenstartposition 2. Berechnung des zurückgelegten Weges bis zur nächsten

Fahrzeugposition 3. Ausgehend von der aktuellen Straßenstartposition werden die

Staßenelemente entsprechend der Topologie zu Routen zusammengesetzt. Nur die Routen, die länger als der vom Fahrzeug zurückgelegte Weg sind, werden im weiteren berücksichtigt.

4. Der Verschiebungsvektor zwischen aufeinanderfolgenden Fahrzeugposition wird addiert und der Abstand zur aktuellen Route bestimmt.

5. Der Richtungswinkel zwischen den Fahrzeugpositionen wird mit dem der aktuellen Route verglichen

6. Liegen Abstand und Richtungswinkeldifferenz unterhalb vorgegebener Grenzen, wird die Prozedur mit der nächsten Fahrzeugposition in Punkt 4 fortgeführt. Wird keine Übereinstimmung gefunden, werden die nächsten der in Punkt 3 bestimmten Routen bearbeitet


Prozedur für jede StraßenstartpositionProzedur für jede Straßenstartposition

Ergebnis: alle Routen, mit denen alle gemessenen Fahrzeugpositionen abgearbeitet werden konnten, werden als mögliche Fahrwege für die Karteneinpassung bereitgestellt

Die vorgegebenen Grenzen für den Abstand vom Straßenelement und die Richtungswinkeldifferenz wird groß genug gewählt, damit der richtige Fahrweg mit Sicherheit nicht ausgeschlossen wird

Suchalgorithmus wird bewußt nicht so stark verfeinert zur Findung einer eindeutigen Lösung

Er soll verschiedene (plausible) Vergleichsrouten für die Karteneinpassungen zur Verfügung stellen


Prozedur für jede StraßenstartpositionProzedur für jede Straßenstartposition

Bei der autonomen Fahrzeugnavigation Karteneinpassung in Echtzeit

Wenn Anfangsposition unbekannt muß so lange gemessen werden, bis der Suchalgorithmus für die Off-line-Auswertung und anschließende Karteneinpassung das aktuelle Straßenelement, auf dem sich das Fahrzeug befindet, zuverlässig bestimmt werden kann.

Mit diesem Straßenelement wird innerhalb eines Fangkreises die Topologie des Straßennetzes aufgebaut

Alle vom Straßenelement abzweigenden Verbindungen im weiteren Streckenverlauf können als mögliche Alternativrouten betrachtet werden


GPS-MessungenGPS-Messungen GPS-Messungen allein eignen sich in urbaner Umgebung nicht zur

Karteneinpassung.

Zu große Sprünge von bis zu 100m in den gemessenen Positionen

Verursacht durch:

Abschattungen

ständig wechselnde Satelittenkonstellationen

Mehrwegeeffekte

Man kann dies nur in Verbindung mit einem Differentialodometer einsetzen


DGPSDGPS

DGPS erreicht im Gegensatz zu GPS häufig die in der Fachliteratur geforderte Genauigkeit von 3-5m.

Für kurze Strecken sollten die DGPS-Messungen auf Koordinatenebene mit der Ähnlichkeitstransformation eingepasst werden, bei der kein Umklappen der Orientierung zu befürchten ist.

Am genauesten kann im Winkelbild auf die Karte eingepasst werden.

Bei totaler Abschattung braucht DGPS ein Ersatzsystem.

Hierfür reicht ein Differentialodometer aus.


AllgemeinAllgemein

Brauchbarkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Zuordnungsverfahren hängen stärker von der Länge und der Form der befahrenen Trasse als von der Ortungssensorik ab

Aus Kostengründen kann man deshalb statt teuren Sensoren einfache verwenden und dessen Fehler durch ein geeignetes Verfahren mit einbeziehen

Dies muss dann nicht zu schlechteren Ergebnissen führen

Da ein Navigationssystem für die Allgemeinheit nutzbar sein soll, ist der Punkt der Kosteneinsparung ein sehr entscheidender


Vielen Dank für Ihre Vielen Dank für Ihre AufmerksamkeitAufmerksamkeit

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