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Moderne Moderne

NavigationssystemeNavigationssysteme

Sebastian KlugeSebastian Kluge

12./13. 4. 201012./13. 4. 2010

BA Friedrichshafen BA Friedrichshafen

Gliederung Gliederung –– Erster TeilErster Teil

1)1) Geschichte und EinfGeschichte und Einfüührunghrung

2)2) Komponenten moderner NavigationssystemeKomponenten moderner Navigationssysteme

a)a) HardwareHardware

b)b) SoftwareSoftware

3)3) Benutzerschnittstelle (HMI)Benutzerschnittstelle (HMI)

4)4) Erstellung von KartenmaterialErstellung von Kartenmaterial

5)5) DatenbankenDatenbanken

6)6) Positionierung (GPS)Positionierung (GPS)

Gliederung Gliederung –– Zweiter TeilZweiter Teil

7)7) Koppelnavigation (Koppelnavigation (Dead ReckoningDead Reckoning))

8)8) SensorfusionSensorfusion

9)9) MapMap--MatchingMatching

10)10) RoutenberechnungRoutenberechnung

a)a) Algorithmus vonAlgorithmus von DijkstraDijkstra

b)b) A* und mehrA* und mehr

11)11) ZielfZielfüührunghrung

12)12) Aktuelle Entwicklung und ZukunftAktuelle Entwicklung und Zukunft moderner moderner NavigationssystemeNavigationssysteme

Geschichte und EinfGeschichte und Einfüührunghrung

�� Navigation (Navigation (latlat. . „„navisnavis““ –– „„SchiffSchiff““))

�� Einhaltung des KursesEinhaltung des Kurses

�� StandortbestimmungStandortbestimmung

�� Orientierung anhand von LandmarkenOrientierung anhand von Landmarken

�� NatNatüürliche Landmarken (Flrliche Landmarken (Flüüsse, Berge)sse, Berge)

�� KKüünstliche Landmarken (Leuchttnstliche Landmarken (Leuchttüürme)rme)

Geschichte und EinfGeschichte und Einfüührunghrung

�� Astronomische NavigationAstronomische Navigation

�� Messung des HMessung des Hööhenwinkels von henwinkels von GestirnenGestirnen

�� Sextant (1730, JohnSextant (1730, John HadleyHadley, Thomas Godfrey), Thomas Godfrey)

�� RichtungsbestimmungRichtungsbestimmung

�� PositionsbestimmungPositionsbestimmung

Geschichte der NavigationGeschichte der Navigation

�� KompassKompass

�� Nasser KompassNasser Kompass�� China 11. JahrhundertChina 11. Jahrhundert

�� England 1187, AlexanderEngland 1187, Alexander NeckamNeckam

�� Trockener KompassTrockener Kompass�� 1269, Petrus Peregrinus de1269, Petrus Peregrinus deMaricourtMaricourt

�� Messung der Richtung des Messung der Richtung des ErdmagnetfeldsErdmagnetfelds

�� RichtungsbestimmungRichtungsbestimmung

�� PositionsbestimmungPositionsbestimmung


�� Radar (Radar (RaRadiodio DDetectionetection aand nd RRanging)anging)

�� Reflexion elektromagnetischer WellenReflexion elektromagnetischer Wellen�� WinkelWinkel

�� EntfernungEntfernung

�� Relativbewegung (DopplerRelativbewegung (Doppler--Effekt)Effekt)

�� KonturenKonturen

�� Ortung mit Hilfe von Radiowellen (1904, ChristianOrtung mit Hilfe von Radiowellen (1904, Christian HHüülsmeyerlsmeyer))

�� KoppelnavigationKoppelnavigation


�� Anforderungen in der LuftfahrtAnforderungen in der Luftfahrt

�� PrPrääzisionzision

�� EffizienzEffizienz

�� Entwicklung neuer SensorsystemeEntwicklung neuer Sensorsysteme

�� GeschwindigkeitsGeschwindigkeitsäänderungennderungen

�� RichtungsRichtungsäänderungennderungen

�� Koppelnavigation (Koppelnavigation (Dead ReckoningDead Reckoning))

�� Aufbau eines Netzes von Funkbaken (GPS)Aufbau eines Netzes von Funkbaken (GPS)


�� Erstellung von KartenErstellung von Karten

�� MercatorMercator--ProjektionProjektion�� winkeltreuwinkeltreu

�� weder lweder läängenngen-- noch flnoch fläächentreuchentreu

�� Lambertsche AzimutalpojektionLambertsche Azimutalpojektion�� FlFläächentreuchentreu

�� Weder lWeder läängenngen-- noch winkeltreunoch winkeltreu

�� Standardisierung Standardisierung

EinfEinfüührung in moderne hrung in moderne


�� Navigation im StraNavigation im Straßßenverkehrenverkehr

�� StraStraßßenkartenenkarten

�� VerkehrsschilderVerkehrsschilder

�� WegweiserWegweiser

�� Wachsender Bedarf an Systemen zur automatischen Wachsender Bedarf an Systemen zur automatischen NavigationNavigation

�� HHööhere Komplexithere Komplexitäät als Navigation im Schiffst als Navigation im Schiffs-- und und LuftverkehrLuftverkehr


NavigationssystemeNavigationssysteme�� IIntelligent ntelligent TTransportation ransportation SSystems (ITS)ystems (ITS)

�� MobilitMobilitäätt�� VerkehrssicherheitVerkehrssicherheit�� StauforschungStauforschung�� UmweltbelastungUmweltbelastung�� 90er Jahre (USA)90er Jahre (USA)

�� JJäährliche Kosten von Verkehrssthrliche Kosten von Verkehrsstöörungen: 47,4 Mrd. $rungen: 47,4 Mrd. $�� JJäährlicher zushrlicher zusäätzlicher Kraftstoffverbrauch durch Verkehrssttzlicher Kraftstoffverbrauch durch Verkehrsstöörungen: rungen:

14,35 Mrd. l14,35 Mrd. l�� JJäährlicher zushrlicher zusäätzlicher Zeitaufwand in Verkehrssttzlicher Zeitaufwand in Verkehrsstöörungen: 2.4 Mrd. hrungen: 2.4 Mrd. h

�� Organisationen:Organisationen:�� Intelligent Transportation Society of America (ITS America)Intelligent Transportation Society of America (ITS America)�� European Road Transport Telematics Implementation Coordination European Road Transport Telematics Implementation Coordination

Association (ERTICO)Association (ERTICO)�� Vehicle, Road and Traffic Intelligence Society, Japan (VERTIS)Vehicle, Road and Traffic Intelligence Society, Japan (VERTIS)



�� Anforderungen an moderne NavigationsgerAnforderungen an moderne Navigationsgeräätete�� Benutzerfreundliche EinBenutzerfreundliche Ein-- und Ausgabeund Ausgabe�� Karteninformation in digitalisierter FormKarteninformation in digitalisierter Form

�� StraStraßßen als Vektoren mit Attributenen als Vektoren mit Attributen�� GeschwindigkeitsbegrenzungGeschwindigkeitsbegrenzung�� StraStraßßenklasseenklasse�� GeometrieGeometrie

�� Speicherung in Form verketteter DatenstrukturenSpeicherung in Form verketteter Datenstrukturen

�� PositionsbestimmungPositionsbestimmung�� StandortbestimmungStandortbestimmung�� RoutenberechnungRoutenberechnung�� ZielfZielfüührunghrung�� Drahtlose KommunikationDrahtlose Kommunikation



�� Entwicklung automatischer Navigationssysteme seit ca. 1970Entwicklung automatischer Navigationssysteme seit ca. 1970

�� ProblemeProbleme�� RechenzeitRechenzeit

�� GenauigkeitGenauigkeit

�� MonitorMonitor

�� FrFrüühe Variantenhe Varianten�� Eingabe von StartEingabe von Start-- und Zielkoordinaten mit Tastaturund Zielkoordinaten mit Tastatur

�� Ausgabe von Distanz und richtungsweisendem PfeilAusgabe von Distanz und richtungsweisendem Pfeil

�� Einspannen einer transparenten Karte, Positionsanzeige durch LicEinspannen einer transparenten Karte, Positionsanzeige durch Lichtpunkthtpunkt

�� Projektion des gespeicherten Kartenmaterials auf BildschirmProjektion des gespeicherten Kartenmaterials auf Bildschirm

�� Eingabe aus Spezialatlanten mit Hilfe eines BarcodeEingabe aus Spezialatlanten mit Hilfe eines Barcode--LesegerLesegeräätsts



�� Entwicklung von LCDEntwicklung von LCD--Bildschirmen (Bildschirmen (LLiquid iquid CCrystal rystal DDisplay)isplay)

�� LLöösung der Bildschirmproblematik (Platzmangel)sung der Bildschirmproblematik (Platzmangel)

�� Fortschritte in der MikroelektronikFortschritte in der Mikroelektronik

�� Prozessoren, SpeicherProzessoren, Speicher

�� Entwicklung modernen NavigationssystemeEntwicklung modernen Navigationssysteme

�� KartenspeicherungKartenspeicherung

�� RoutenberechnungRoutenberechnung



�� Klassifikation modernen NavigationsgerKlassifikation modernen Navigationsgeräätete

�� Grad der Integration Grad der Integration �� Fest installierte Systeme (enge Vernetzung mit der FahrzeugelektFest installierte Systeme (enge Vernetzung mit der Fahrzeugelektronik)ronik)

�� NachrNachrüüstsysteme (schwache Vernetzung mit der Fahrzeugelektronik)stsysteme (schwache Vernetzung mit der Fahrzeugelektronik)

�� FunktionalitFunktionalitäätt�� GrundfunktionalitGrundfunktionalitäätt

�� Fortgeschrittene SystemeFortgeschrittene Systeme

�� 3D3D--GrafikGrafik

�� SpracheingabeSpracheingabe

�� TMC (TMC (TTraffic raffic MMessage essage CChannelhannel))

�� POI (POI (PPointsoints ooff IInterestnterest))



�� Klassifikation modernen NavigationsgerKlassifikation modernen Navigationsgeräätete

�� SystemstrukturSystemstruktur

�� Autonome Systeme Autonome Systeme �� nahezu alle Komponenten sind im Fahrzeug enthaltennahezu alle Komponenten sind im Fahrzeug enthalten

�� Verteilte Systeme Verteilte Systeme �� sowohl im Fahrzeug als auch durch die Infrastruktur wird ein sowohl im Fahrzeug als auch durch die Infrastruktur wird ein wesentlicher Anteil der Komponenten bereitgestelltwesentlicher Anteil der Komponenten bereitgestellt

�� Zentralisierte Systeme Zentralisierte Systeme �� nahezu alle Komponenten werden durch die Infrastruktur nahezu alle Komponenten werden durch die Infrastruktur bereitgestelltbereitgestellt



�� MMöögliche gliche SystemstrukturenSystemstrukturen

Autonomes System – Alle Komponenten im Fahrzeug

Verteiltes System – Routenplanung am Server,Positionierung im Fahrzeug

Zentralisiertes System – Nur Positionierung und HMI im Fahrzeug



�� Entwicklung gemEntwicklung gemäßäß „„toptop downdown approachapproach““

�� AnforderungenAnforderungen

�� FunktionenFunktionen

�� SystemarchitekturSystemarchitektur

�� Spezifikation der ModuleSpezifikation der Module

�� Auswahl der HardwareAuswahl der Hardware-- / Software/ Software--KomponentenKomponenten

�� DesignDesign

�� ImplementierungImplementierung

�� IntegrationIntegration

�� TestTest



�� Dreistufige EntwicklungsumgebungDreistufige Entwicklungsumgebung

GenerischesNavigationssystem

High-End Platform High-Volume Platform

Kundenprojekt Kundenprojekt Kundenprojekt Kundenprojekt


NavigationssystemeNavigationssysteme�� AnbieterAnbieter

�� TomTomTomTom�� NavigonNavigon�� GarminGarmin�� FalkFalk�� Harman/BeckerHarman/Becker�� ......

�� PreisePreise�� Portable NavigationsgerPortable Navigationsgerääte: 100te: 100€€ -- 600600€€�� Integrierte NavigationsgerIntegrierte Navigationsgerääte: 1000te: 1000€€ -- 50005000€€

�� Umsatz in Westeuropa 2006 (portable NavigationsgerUmsatz in Westeuropa 2006 (portable Navigationsgerääte)te)�� 7,4 Mio. Ger7,4 Mio. Geräätete�� 2,7 Mrd. 2,7 Mrd. €€

Komponenten moderner Komponenten moderner

Navigationssysteme Navigationssysteme -- HardwareHardware�� SensorenSensoren

�� Geschwindigkeitssensor Geschwindigkeitssensor �� Messung der Messung der GetriebedrehzahlGetriebedrehzahl

�� Messung des schwankenden magnetischen Widerstands an ZahnrMessung des schwankenden magnetischen Widerstands an Zahnrääderndern�� Magnetischer Fluss ist proportional zum magnetischen WiderstandMagnetischer Fluss ist proportional zum magnetischen Widerstand�� Schwankungen im magnetischen Fluss verursachen eine SpannungSchwankungen im magnetischen Fluss verursachen eine Spannung�� Keine Messung von Geschwindigkeiten nahe Null mKeine Messung von Geschwindigkeiten nahe Null mööglichglich

�� Messung der HallMessung der Hall--Spannung bei der Bewegung eines Leiters (Zahnrad) im Spannung bei der Bewegung eines Leiters (Zahnrad) im magnetischen Feldmagnetischen Feld

�� Temperaturbereich Temperaturbereich --4040°°C...65C...65°°CC

�� Messung des Radlaufs (differentielles Odometer)Messung des Radlaufs (differentielles Odometer)�� Redundanz (4 RRedundanz (4 Rääder)der)�� Laufstreckenunterschiede bei KurvenfahrtLaufstreckenunterschiede bei Kurvenfahrt�� RichtungsinformationRichtungsinformation�� Fahrzeugbeschleunigung Fahrzeugbeschleunigung

�� Sensor zur Erkennung von VorwSensor zur Erkennung von Vorwäärtsrts-- bzw. Rbzw. Rüückwckwäärtsfahrt (rtsfahrt (Getriebe)Getriebe)



�� RichtungssensorenRichtungssensoren�� MagnetischerMagnetischer Feld Feld SensorSensor

�� SenkrechteSenkrechte EisenkerneEisenkerne�� Messung der elektrischen FeldstMessung der elektrischen Feldstäärken rken

(Erdmagnetfeld) (Erdmagnetfeld) SensorenSensoren�� StStööranfranfäälligllig

�� Kalibrierung Kalibrierung �� EntrauschenEntrauschen

�� MagnetspulensensorMagnetspulensensor�� SenkrechteSenkrechte EisenkerneEisenkerne�� Messung des durch RichtungsMessung des durch Richtungsäänderung nderung

induzierten Induktionsstromsinduzierten Induktionsstroms

�� GasflusssensorGasflusssensor�� Drehmoment verursacht Fluss Drehmoment verursacht Fluss �� KKüühlung des Gases im Transportkanalhlung des Gases im Transportkanal�� Messung des TemperaturunterschiedsMessung des Temperaturunterschieds


Navigationssysteme Navigationssysteme -- HardwareHardware

�� SensorenSensoren�� RichtungssensorenRichtungssensoren

�� DrehmassenDrehmassen--GyroskopGyroskop�� Gierbewegung verursachtGierbewegung verursacht

PrPrääzessionsbewegungzessionsbewegung

�� Aufnahme der Kraft in PiezoAufnahme der Kraft in Piezo--ElementenElementen

�� Messung der HallMessung der Hall--SpannungSpannung

�� VibrationskreiselVibrationskreisel�� Gute PerformanzGute Performanz

�� KleinKlein

�� BilligBillig



�� TemperatursensorTemperatursensor�� Kalibrierung des Kalibrierung des

GyroskopsGyroskops�� SicherheitsSicherheits--

funktionenfunktionen

�� NeigungssensorenNeigungssensoren�� KalibrierungKalibrierung�� ErmErmööglicht 3Dglicht 3D--

PositionsbestimmungPositionsbestimmung

�� BeschleunigungssensorenBeschleunigungssensoren�� Messung der TrMessung der Träägheit gheit

einer Testmasse (z.B. einer Testmasse (z.B. mit piezoelektrischen mit piezoelektrischen Elementen)Elementen)

�� Auch in portablen Auch in portablen GerGerääten mten mööglichglich

Characteristics different for every Gyro

-40°C 80°C

VOLTAGERANGE

Gyro Zero/Gyro Scaling Factor

Temperature


Navigationssysteme Navigationssysteme -- HardwareHardware�� GPSGPS--EmpfEmpfäängernger

�� MonitorMonitor

�� NavigationscomputerNavigationscomputer�� ProzessorProzessor

�� Harddisk (nichtflHarddisk (nichtflüüchtig, langsam)chtig, langsam)

�� RAM (flRAM (flüüchtig, schnell)chtig, schnell)

�� Internal Internal flash memory (nichtflflash memory (nichtflüüchtig, schnell)chtig, schnell)

�� Cache (schneller Pufferspeicher)Cache (schneller Pufferspeicher)

�� CDCD--ROM / DVD ROM / DVD –– LaufwerkLaufwerk

�� Schnittstelle zur FahrzeugelektronikSchnittstelle zur Fahrzeugelektronik

�� Schnittstellen fSchnittstellen füür externe r externe GerGeräätete

�� Schnittstelle fSchnittstelle füür drahtlose Kommunikationr drahtlose Kommunikation

�� MultifunktionsradMultifunktionsrad

�� Spracheingabe und Sprachausgabe (Audiosystem)Spracheingabe und Sprachausgabe (Audiosystem)



�� MonitoreMonitore�� KathodenstrahlrKathodenstrahlrööhrehre

�� Bildgenerierung unter Verwendung Bildgenerierung unter Verwendung brownscher Rbrownscher Rööhrenhren

�� 3 Elektronenstrahlen (rot, gelb, gr3 Elektronenstrahlen (rot, gelb, grüün)n)

�� GroGroßß!!

�� LCD LCD –– LLiquid iquid CCrystal rystal DDisplayisplay�� Aufbau aus Panels mit separat einstellbarer Aufbau aus Panels mit separat einstellbarer HelligkeitHelligkeit

�� Ansteuerung des AktivAnsteuerung des Aktiv--MatrixMatrix--Displays Displays üüber TFT (ber TFT (tthin hin ffilm ilm ttransistor)ransistor)



�� MonitoreMonitore�� LCDLCD

�� FlFlüüssigkristallessigkristalle�� Organische VerbindungenOrganische Verbindungen

�� Eigenschaften von FlEigenschaften von Flüüssigkeiten und ssigkeiten und FestkFestköörpernrpern

�� DoppelbrechungDoppelbrechung

�� Verdrillung der MolekVerdrillung der Moleküüle des le des FlFlüüssigkristalls erzeugt Drehung in ssigkristalls erzeugt Drehung in der Polarisationsrichtung des Lichtsder Polarisationsrichtung des Lichts

�� WinkelWinkeläänderung proportional zur nderung proportional zur am Panel angelegten Spannungam Panel angelegten Spannung

1 austretendes (farbiges) Licht2 Polarisator3 Filterfolie4 Glasscheibe5 Flüssigkristall6 Beleuchtung



�� MonitoreMonitore

�� LCDLCD

�� Farbanzeige durch Aufteilung eines Pixels in 3 Subpixel Farbanzeige durch Aufteilung eines Pixels in 3 Subpixel (Rot, Gr(Rot, Grüün, Blau)n, Blau)

�� KenngrKenngrößößenen�� AuflAuflöösungsung

�� BlickwinkelabhBlickwinkelabhäängigkeitngigkeit

�� HelligkeitHelligkeit

�� KontrastKontrast

�� BildwiederholfrequenzBildwiederholfrequenz

�� ReaktionszeitReaktionszeit



�� MonitoreMonitore�� TouchscreenTouchscreen--MonitoreMonitore

�� Resistive OberflResistive Oberfläächenchen�� Zwei gegenZwei gegenüüberliegende berliegende

Indiumzinnoxidschichten (transparent, Indiumzinnoxidschichten (transparent, halbleitend)halbleitend)

�� Abwechselnde Ansteuerung mit Abwechselnde Ansteuerung mit Gleichspannung (Leiter & Sensor)Gleichspannung (Leiter & Sensor)

�� Kontakt der Schichten bei BerKontakt der Schichten bei Berüührunghrung

�� Koordinaten (x,y) aus Koordinaten (x,y) aus

SpannungsSpannungsäänderung berechenbarnderung berechenbar

(Spannungsteiler)(Spannungsteiler)

�� MatrixMatrix--Format (niedrigere AuflFormat (niedrigere Auflöösung)sung)

�� Kapazitive OberflKapazitive Oberfläächenchen



�� LCDLCD--Monitor mit Touch PanelMonitor mit Touch Panel



�� Anbindung externer GerAnbindung externer Geräätete

�� DVD, DVD, FernsehenFernsehen

�� CD, RadioCD, Radio

�� MobiltelefoneMobiltelefone

�� Freisprechanlage, SMSFreisprechanlage, SMS

�� BluetoothBluetooth,, WiWi--FiFi

�� LaptopLaptop

�� InternetdiensteInternetdienste

�� TerminorganisationTerminorganisation


Navigationssysteme Navigationssysteme -- SoftwareSoftware

�� Modulare Organisation des NavigationssystemsModulare Organisation des Navigationssystems�� Einzelne Komponenten getrennt entwickelbar und austauschbarEinzelne Komponenten getrennt entwickelbar und austauschbar

�� Integration der Komponenten in das Gesamtsystem notwendigIntegration der Komponenten in das Gesamtsystem notwendig

�� BetriebssystemBetriebssystem�� LinuxLinux / Windows/ Windows

�� EchtzeitbetriebssystemEchtzeitbetriebssystem�� Deterministisches LaufzeitverhaltenDeterministisches Laufzeitverhalten

�� Korrektes Ergebnis zuKorrektes Ergebnis zu vorgegebenemvorgegebenem ZeitpunktZeitpunkt

�� Verwaltung der Betriebsmittel (Speicher)Verwaltung der Betriebsmittel (Speicher)

�� ÜÜberwachung und Steuerung der berwachung und Steuerung der AnwendungsprogrammeAnwendungsprogramme

�� TTemporal emporal LLogic of ogic of AActions (TLA)ctions (TLA)�� AussagenlogikAussagenlogik

�� Spezifikation, Argumentation und Verfikation von Systemen Spezifikation, Argumentation und Verfikation von Systemen



�� DatenbankenDatenbanken�� Systemzugriff Systemzugriff üüber Abstraktionsschicht (DBAL ber Abstraktionsschicht (DBAL –– ddata ata bbase ase aabstraction bstraction llayer)ayer)�� Vereinheitlichung des Zugriffs auf verschiedene DatenbankenVereinheitlichung des Zugriffs auf verschiedene Datenbanken

�� KartenmaterialKartenmaterial�� StraStraßßennetzwerkennetzwerk

�� VerkehrsfVerkehrsfüührunghrung

�� KartenanzeigeKartenanzeige

�� POIPOI

�� AdressenAdressen

�� SprachdatenSprachdaten

�� TMCTMC LocationLocation TableTable



�� NavigationskernNavigationskern�� PositionierungsmodulPositionierungsmodul

�� MapMap--Matching ModulMatching Modul

�� RoutenberechnungsmodulRoutenberechnungsmodul

�� ZielfZielfüührungsmodul hrungsmodul

�� Interprozesskommunikation (IPC Interprozesskommunikation (IPC –– IInternter--pprocess rocess ccommunication)ommunication)�� Synchronisation der einzelnen Prozesse Synchronisation der einzelnen Prozesse

�� Programmierschnittstelle (API Programmierschnittstelle (API –– AApplication pplication pprogramming rogramming iinterface)nterface)�� Anbindung weiterer Programme an ein Softwaresystem (hier: Anbindung weiterer Programme an ein Softwaresystem (hier:

Navigationskern)Navigationskern)

�� NavigationsNavigations--AnsteuerungAnsteuerung / / NavigationsNavigations--ServicesServices�� Kommunikation zwischen Anwendungen und APIKommunikation zwischen Anwendungen und API


Navigationssysteme Navigationssysteme -- SoftwareSoftware�� NavigationsanwendungenNavigationsanwendungen

�� KartenanzeigeKartenanzeige�� Adressbuch / AdresseingabeAdressbuch / Adresseingabe�� Reiseplaner /RoutenberechnungsschnittstelleReiseplaner /Routenberechnungsschnittstelle�� ManManööveranzeigeveranzeige

�� Piktogramm, StraPiktogramm, Straßßennameenname�� Akustische HinweiseAkustische Hinweise

�� POI POI �� TPD (TPD (TThird hird pparty arty ddataata))�� HeadHead--UpUp--DisplayDisplay

�� Weitere AnwendungenWeitere Anwendungen�� Modul fModul füür kabellose Kommunikationr kabellose Kommunikation�� TMCTMC�� NotrufNotruf�� MultimediaMultimedia



OS Abstraction Layer

RTOS: Real Time Operating System

HW

HumanHuman MachineMachine InterfaceInterface

�� KomponentenKomponenten�� MonitorMonitor

�� Grafische AusgabeGrafische Ausgabe�� HaptischeHaptische Eingabe (Touchscreen)Eingabe (Touchscreen)

�� HUD (HUD (HHeadead--UUpp--DDisplay) isplay) �� Grafische AusgabeGrafische Ausgabe

�� AudiosystemAudiosystem�� Akustische AusgabeAkustische Ausgabe

�� MikrophonMikrophon�� Akustische EingabeAkustische Eingabe

�� MultifunktionsradMultifunktionsrad�� HaptischeHaptische EingabeEingabe�� HaptischesHaptisches FeedbackFeedback


�� Integrierte NavigationssystemeIntegrierte Navigationssysteme�� Erweiterte Erweiterte FunktionalitFunktionalitäätt

�� Viele, ergonomisch sinnvoll im Fahrzeug plazierte EingabemViele, ergonomisch sinnvoll im Fahrzeug plazierte Eingabemööglichkeitenglichkeiten

�� MMööglichkeit von komplexen, visuellen Darstellungen durch hochwertiglichkeit von komplexen, visuellen Darstellungen durch hochwertige, ge, grogroßße Monitoree Monitore

�� SpracheingabeSpracheingabe

�� HMI eingebettet inHMI eingebettet in�� FahrzeugbedienkonsoleFahrzeugbedienkonsole

�� Bedienelemente des Bedienelemente des LenkradsLenkrads

�� Multimediasystem des FahrzeugsMultimediasystem des Fahrzeugs

�� Portable NavigationssystemePortable Navigationssysteme�� BasisfunktionalitBasisfunktionalitäätenten

�� HMI eingebettet in portables NavigationsgerHMI eingebettet in portables Navigationsgeräät t


�� MonitorMonitor�� Datestellung einer Vielzahl quantitativer und Datestellung einer Vielzahl quantitativer und

qualitativer Informationen mit den Zielen:qualitativer Informationen mit den Zielen:�� Minimierung der Anzahl der BlickkontakteMinimierung der Anzahl der Blickkontakte

�� Minimierung der Dauer der BlickkontakteMinimierung der Dauer der Blickkontakte

�� Visuelle Darstellung der Karten / RoutenVisuelle Darstellung der Karten / Routen

�� Visuelle Ausgabe von FahrhinweisenVisuelle Ausgabe von Fahrhinweisen�� PiktogrammdarstellungPiktogrammdarstellung

�� VisuelleVisuelle Ausgabe von ReiseinformationenAusgabe von Reiseinformationen�� Uhrzeit / verbleibende FahrzeitUhrzeit / verbleibende Fahrzeit

�� Verbleibende WegstreckeVerbleibende Wegstrecke

�� Tankhinweise (integrierte Tankhinweise (integrierte Navigationssysteme)Navigationssysteme)

�� TMCTMC--MeldungenMeldungen


�� MonitorMonitor�� Visuelle MenVisuelle Menüüffüührunghrung

�� RoutenberechnungRoutenberechnung

�� RoutenoptionenRoutenoptionen

�� KartendarstellungKartendarstellung

�� MultimediaMultimedia

�� TVTV--FunktionalitFunktionalitäätt�� Nur im StandNur im Stand

�� TouchscreenTouchscreen�� MenMenüüauswahlauswahl

�� Kartenzoom /Kartenzoom / KartenscrollKartenscroll

�� ZieleingabeZieleingabe

�� HUDHUD�� Visuelle Ausgabe von FahrhinweisenVisuelle Ausgabe von Fahrhinweisen

�� Einspiegelung in die FrontscheibeEinspiegelung in die Frontscheibe


�� Methoden der SprachverarbeitungMethoden der Sprachverarbeitung�� Kompakte, digitale Darstellung von SprachsignalenKompakte, digitale Darstellung von Sprachsignalen

�� Identifikation eines SprechersIdentifikation eines Sprechers

�� Erkennen der gesprochenen SprachnachrichtErkennen der gesprochenen Sprachnachricht

�� Synthese des zu einer Nachricht gehSynthese des zu einer Nachricht gehöörenden Sprachsignalsrenden Sprachsignals

�� AudiosystemAudiosystem�� Verringerung der Notwendigkeit von Blickkontakten mit dem Verringerung der Notwendigkeit von Blickkontakten mit dem BildschirmBildschirm

�� Akustische Ausgabe von FahrhinweisenAkustische Ausgabe von Fahrhinweisen

�� Akustisches Feedback bei MenAkustisches Feedback bei Menüüauswahlauswahl

�� Multimediafunktionen (integrierte Navigationssysteme)Multimediafunktionen (integrierte Navigationssysteme)


�� MikrofonMikrofon�� Akustische EingabeAkustische Eingabe

�� MenMenüüffüührunghrung

�� ZielauswahlZielauswahl

�� SprachverarbeitungSprachverarbeitung

�� Zweistufige SprachverarbeitungZweistufige Sprachverarbeitung

�� Zerlegung in PhonemeZerlegung in Phoneme

�� ÄÄhnlichkeitssuche und hnlichkeitssuche und DatenbankvergleichDatenbankvergleich

�� BerBerüücksichtigung verschiedener cksichtigung verschiedener DialekteDialekte

�� Phonemdarstellung in DatenbankPhonemdarstellung in Datenbank

�� Akustisches Feedback zur Akustisches Feedback zur BestBestäätigungtigung


�� Beispiel fBeispiel füür die Sprachverarbeitungr die Sprachverarbeitung�� „„FrankenwaldstraFrankenwaldstraßßee““

�� Digitalisierung des SprachsignalsDigitalisierung des Sprachsignals

�� Kompakte Darstellung durch FouriertransformationKompakte Darstellung durch Fouriertransformation (Frequenzspektrum)(Frequenzspektrum)

�� Vergleich mit Referenzspektren (Sprachmodell)Vergleich mit Referenzspektren (Sprachmodell)

�� Bestimmung des Phonems (Bestimmung des Phonems („„FF““ –– „„RR““ –– „„AA““ -- ...)...)

�� Hidden MarkovHidden Markov ModelModel

�� ViterbiViterbi--Algorithmus (Algorithmus (maximum likelihood sequence estimationmaximum likelihood sequence estimation))

�� Datenbankabgleich Datenbankabgleich

�� FrankenwaldstraFrankenwaldstraßße (Phonemdarstellung_1, Phonemdarstellung_2,...)e (Phonemdarstellung_1, Phonemdarstellung_2,...)

�� Frankenthaler StraFrankenthaler Straßße (Phonemdarstellung_1, Phonemdarstellung_2,...)e (Phonemdarstellung_1, Phonemdarstellung_2,...)

�� „„FrankenwaldstraFrankenwaldstraßße?e?““

Human Machine InterfaceHuman Machine Interface

�� Diskrete MarkovDiskrete Markov--KettenKetten�� System beschrieben durch eine diskrete Menge System beschrieben durch eine diskrete Menge

von Zustvon Zustäänden nden

�� VerVeräänderung der Systemkonfiguration in nderung der Systemkonfiguration in diskreten Zeitschritten diskreten Zeitschritten

�� Parameter zur Beschreibung der Parameter zur Beschreibung der Systementwicklung:Systementwicklung:

�� Startverteilung Startverteilung

ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich das ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich das System zum Zeitpunkt im Zustand befindetSystem zum Zeitpunkt im Zustand befindet

�� ÜÜbergangswahrscheinlichkeitenbergangswahrscheinlichkeiten

ist die Wahrscheinlichkeit, dass das System ist die Wahrscheinlichkeit, dass das System vom Zustand in den Zustand vom Zustand in den Zustand üübergeht bergeht

{ }nvvV ,...,1=

,...2,1=k

( ) nii ,...,1== ππ

( )njiijpP

,...,1, ==

iπ1 i

ijpi j


�� Hidden Markov ModelHidden Markov Model�� Die ZustDie Zustäände des Markov Models sind nicht direkt nde des Markov Models sind nicht direkt beobachtbarbeobachtbar

�� Im Fall jedes ZustandsIm Fall jedes Zustandsüübergangs ist eine bergangs ist eine Beobachtung mBeobachtung mööglichglich

�� Menge mMenge mööglicher Beobachtungenglicher Beobachtungen

�� Parameter zur Beschreibung des SystemsParameter zur Beschreibung des Systems�� Startverteilung Startverteilung

�� ÜÜbergangswahrscheinlichkeitenbergangswahrscheinlichkeiten

�� BeobachtungswahrscheinlichkeitenBeobachtungswahrscheinlichkeiten

ist die Wahrscheinlichkeit zu beobachten, falls das Systeist die Wahrscheinlichkeit zu beobachten, falls das System vom m vom Zustand in den Zustand Zustand in den Zustand üübergehtbergeht

{ }mzzZ ,...,1=

( ) nii ,...,1== ππ( )

njiijpP,...,1, =

=

( ) ml

nji

lijrR

,...,1

,...,1,

=

==

sijr

szi j

ji →z


�� ViterbiViterbi--AlgorithmusAlgorithmus

�� ProblemstellungProblemstellung

�� Gegeben: BeobachtungssequenzGegeben: Beobachtungssequenz

�� Gesucht: Zustandssequenz ,Gesucht: Zustandssequenz ,

die die Wahrscheinlichkeit der die die Wahrscheinlichkeit der

Beobachtungssequenz maximiertBeobachtungssequenz maximiert

�� Wahrscheinlichkeit der Beobachtung vonWahrscheinlichkeit der Beobachtung von

bei Zustandsfolge bei Zustandsfolge

{ }NN zzZ ˆ,...,ˆˆ1=

{ }NN xxX ˆ,...,ˆˆ0=

{ }NN zzZ ˆ,...,ˆˆ1=

{ }NN xxX ,...,0=

∏=

−−=

N

k

zxxxxxNN

k

kkkkrpXZP

1

ˆ

110),ˆ( π


�� ViterbiViterbi--AlgorithmusAlgorithmus�� IdeenIdeen

�� Maximierung von ist Maximierung von ist ääquivalent zur Minimierung von quivalent zur Minimierung von

entlang der ausgewentlang der ausgewäähltenhlten

EntscheidungssequenzEntscheidungssequenz

im Trellisim Trellis--Diagramm Diagramm

�� Berechnung eines optimalen Weges von nach im TrellisBerechnung eines optimalen Weges von nach im Trellis--DiagrammDiagramm

�� Dynamische ProgrammierungDynamische Programmierung�� Ein Weg im Trellisdiagramm ist genau dann optimal, wenn der erstEin Weg im Trellisdiagramm ist genau dann optimal, wenn der erste e Schritt optimal ist, und der verbleibende Weg im daraus Schritt optimal ist, und der verbleibende Weg im daraus resultierenden Zustand wieder optimal ist.resultierenden Zustand wieder optimal ist.

),ˆ( NN XZP

( )∑=

−−−−

N

k

zxxxxx

k

kkkkrp

1

ˆ

110ln)ln(π

∞v0v


�� Dynamische ProgrammierungDynamische Programmierung

�� Zerlegung der Entscheidungssequenz in die einzelnen Zerlegung der Entscheidungssequenz in die einzelnen SchritteSchritte

�� Verwende die bereits berechneten TeilergebnisseVerwende die bereits berechneten Teilergebnisse

�� Beginne im Startzustand Beginne im Startzustand

�� StartbedingungStartbedingung

�� IterationIteration

�� ist gegeben durch den kist gegeben durch den küürzesten Weg von nach rzesten Weg von nach

)ln()(111 xxD π−=

( ) ( ) ( )[ ]1

111

ˆ0:11 lnmin +

+++−= >++

k

kkkkkxkxk

zxxxxkkpxkk rpxDxD

NX̂0v ∞v


�� Schwierigkeiten bei der SpracherkennungSchwierigkeiten bei der Spracherkennung�� Sprache ist sprecherabhSprache ist sprecherabhäängigngig�� HintergrundgerHintergrundgerääuscheusche�� Fehler in Betonung/AusspracheFehler in Betonung/Aussprache�� Verwendung irrelevanter WVerwendung irrelevanter Wöörter und Phrasenrter und Phrasen�� Verschlucken und Verbinden von WortVerschlucken und Verbinden von Wort-- und Satzteilenund Satzteilen

�� SprachsyntheseSprachsynthese�� FormantkodierungFormantkodierung

�� Mathematisches Modell Mathematisches Modell des Schwingungsverlaufsdes Schwingungsverlaufs

�� VerkettungssyntheseVerkettungssynthese�� Verbindung aufgenommener Verbindung aufgenommener

SprachstSprachstüückecke


�� MultifunktionsradMultifunktionsrad�� FunktionalitFunktionalitäätenten

�� ScrollScroll

�� Vor / ZurVor / Zurüückck

�� Oben / UntenOben / Unten

�� Eingabe / BestEingabe / Bestäätigungtigung

�� HaptischeHaptische EingabeEingabe�� MenMenüüauswahlauswahl

�� ZielauswahlZielauswahl

�� HaptischesHaptisches Feedback Feedback

�� Ergonomisch SinnvolleErgonomisch Sinnvolle PlazierungPlazierung

�� ErgErgäänzbar durch weitere Tasten mit spezifischen Funktionennzbar durch weitere Tasten mit spezifischen Funktionen


�� Integrierte NavigationssystemeIntegrierte Navigationssysteme

�� Bedienung externer GerBedienung externer Gerääte te üüber Navigationsber Navigations--HMIHMI

�� MultimediaMultimedia

�� TelefonTelefon

�� InternetInternet

�� ......

Erstellung von KartenmaterialErstellung von Kartenmaterial

�� Bestandteile der digitalen KarteBestandteile der digitalen Karte�� StraStraßßenen

�� StraStraßßennamenennamen

�� StraStraßßenverknenverknüüpfungen (Kreuzungen)pfungen (Kreuzungen)

�� Verkehrshinweise (Abbiegerestriktionen, Verkehrshinweise (Abbiegerestriktionen, GeschwindigkeitsbeschrGeschwindigkeitsbeschräänkungen,...)nkungen,...)

�� LuftaufnahmenLuftaufnahmen

�� Geografische InformationenGeografische Informationen

�� POIPOI


�� DatenaquisitionDatenaquisition

�� Seit 1980 offizielle topographische Landkarten der Seit 1980 offizielle topographische Landkarten der europeuropääischen Staatenischen Staaten

�� Vergleich und Abgleich vonVergleich und Abgleich von�� Kartografischem MaterialKartografischem Material

�� LuftaufnahmenLuftaufnahmen

�� UmgebungskartenUmgebungskarten

�� VerkehrsplanungsmaterialVerkehrsplanungsmaterial

�� ReisefReisefüührernhrern

�� AdresslistenAdresslisten

�� Scan und DigitalisierungScan und Digitalisierung


�� KoordinatensystemeKoordinatensysteme�� Beschreibung des Geoids durch einfache mathematische StrukturenBeschreibung des Geoids durch einfache mathematische Strukturen�� Die Erde entspricht in etwa einem an den Polen abgeflachten RotaDie Erde entspricht in etwa einem an den Polen abgeflachten Rotationstions--

ellipsoidellipsoid�� Rotationsellipsoid wird beschrieben durchRotationsellipsoid wird beschrieben durch

�� MittelpunktMittelpunkt�� RotationsachseRotationsachse�� LLäänge der Halbachsennge der Halbachsen�� Ellipsengleichung in der Ebene mit Mittelpunkt Ellipsengleichung in der Ebene mit Mittelpunkt

�� An verschiedenen Stellen der Erde liefern unterschiedliche An verschiedenen Stellen der Erde liefern unterschiedliche Referenzellipsoide die beste Referenzellipsoide die beste ÜÜbereinstimmung mit dem Geoidbereinstimmung mit dem Geoid

ba,),( 00 yx

1)()(

2

0

2

0 ≤

−+

−b

yy

a

xx


�� Geozentrisches KoordinatensystemGeozentrisches Koordinatensystem�� LLäängengradngengrad�� BreitengradBreitengrad�� Abstand vom MittelpunktAbstand vom Mittelpunkt

�� GeodGeodäätischestisches KoordinatensystemKoordinatensystem�� LLäängengradngengrad�� BreitengradBreitengrad�� HHööhe he üüberber RotationsellipsoidRotationsellipsoid

�� Bei VernachlBei Vernachläässigung der ssigung der unterschiedlichenunterschiedlichenReferenzellipsoideReferenzellipsoide ergeben sich ergeben sich Fehler bis zu 1500m auf der Fehler bis zu 1500m auf der ErdoberflErdoberfläächeche

�� Fehler >15m in Stadtgebieten nicht Fehler >15m in Stadtgebieten nicht tolerabeltolerabel


�� StandardisierungStandardisierung�� ÜÜberfberfüührung der verschiedenen Koordinatensysteme in ein hrung der verschiedenen Koordinatensysteme in ein gemeinsames Formatgemeinsames Format

�� GauGaußß--KrKrüüger Koordinatensystem (1984, World Geodetic ger Koordinatensystem (1984, World Geodetic System)System)�� Transversale, konforme ZylinderabbildungTransversale, konforme Zylinderabbildung�� Gitternetz aus 3Gitternetz aus 3°° breiten Meridianstreifenbreiten Meridianstreifen�� Erdmodellierung als BesselErdmodellierung als Bessel-- oder Krasowskielipsoidoder Krasowskielipsoid


�� Umstellung auf UTMUmstellung auf UTM--Koordinatensystem (Koordinatensystem (UUniversalniversalTTransverseransverse MMercator)ercator)�� Transversale konforme Transversale konforme ZylinderabbildungZylinderabbildung

�� Gitternetz aus 6Gitternetz aus 6°° breiten breiten MeridianstreifenMeridianstreifen

�� Erdmodellierung als WGS84Erdmodellierung als WGS84-- ((WWorldorldGGeodeticeodetic SSystem) bzw. GRS80ystem) bzw. GRS80--Ellipsoid Ellipsoid ((GGeodetic eodetic RReferenceeference SSystem)ystem)

�� Skalierungsfaktor 0.9996 pro 6Skalierungsfaktor 0.9996 pro 6°° wegen wegen LLäängenverzerrungenngenverzerrungen


�� StandardisierungStandardisierung�� Basis fBasis füür GPSr GPS--PositionsbestimmungPositionsbestimmung�� ErmErmööglicht einheitliche, lglicht einheitliche, lüückenlose, ckenlose, üüberregionale berregionale VerknVerknüüpfung von Karten und Kartenabschnittenpfung von Karten und Kartenabschnitten

�� VektorisierungVektorisierung�� Bestimmung der StraBestimmung der Straßßenstenstüücke und Kreuzungencke und Kreuzungen�� Definition der VerbindungsvektorenDefinition der Verbindungsvektoren�� 50 Mann50 Mann--Jahre Arbeit fJahre Arbeit füür dier die VektorisierungVektorisierung des deutschen des deutschen StraStraßßensystemsensystems

�� KorrekturKorrektur�� Abgleich des resultierenden Kartenmaterials mit den neuesten Abgleich des resultierenden Kartenmaterials mit den neuesten LuftaufnahmenLuftaufnahmen


�� KlassifikationKlassifikation�� Identifikation des ArteriennetzwerksIdentifikation des Arteriennetzwerks

�� Einteilung in verschiedene StraEinteilung in verschiedene Straßßenklassenenklassen

�� AutobahnAutobahn

�� LandstraLandstraßßee

�� ......

�� SpielstraSpielstraßßee

�� ParkplatzeinfahrtParkplatzeinfahrt


�� Eindeutig nur innerhalb einer StadtEindeutig nur innerhalb einer Stadt

�� Belgien zweisprachigBelgien zweisprachig


�� SpeicherungSpeicherung�� Standardisiertes FormatStandardisiertes Format

�� GDF (GDF (ggeographic eographic ddata ata ffile ile format)format)�� Level 0 (Topologie)Level 0 (Topologie)

�� Menge von Regeln und Verhalten, die modellieren wie Punkte, Menge von Regeln und Verhalten, die modellieren wie Punkte, Linien und Polygone in ihrer Geometrie vereinbar sindLinien und Polygone in ihrer Geometrie vereinbar sind

�� Bsp.: Zwei benachbarte Regierungsbezirke (FlBsp.: Zwei benachbarte Regierungsbezirke (Fläächen) enthalten eine chen) enthalten eine gemeinsame Grenze (Linie)gemeinsame Grenze (Linie)

�� Organisation gemeinsamer GeometrienOrganisation gemeinsamer Geometrien

�� Definition von Regeln der DatenintegritDefinition von Regeln der Datenintegritäät (keine Freiflt (keine Freifläächen)chen)

�� UnterstUnterstüützung topologischer Beziehungen (Suche, Navigation)tzung topologischer Beziehungen (Suche, Navigation)

�� UnterstUnterstüützung von Nachbearbeitungsmechanismen, die die tzung von Nachbearbeitungsmechanismen, die die topologischen Beschrtopologischen Beschräänkungen des Datenmodells bernkungen des Datenmodells berüücksichtigencksichtigen

�� Konstruktion von Merkmalen (features) aus unstrukturierter Konstruktion von Merkmalen (features) aus unstrukturierter GeometrieGeometrie


�� SpeicherungSpeicherung�� Standardisiertes FormatStandardisiertes Format

�� GDFGDF�� Level 1 (Features)Level 1 (Features)

�� StraStraßßenelemente, Flenelemente, Flüüsse, Grenzen, Wegweiser, ...sse, Grenzen, Wegweiser, ...

�� Features besitzen Attribute (EinbahnstraFeatures besitzen Attribute (Einbahnstraßße, Spurbreite, ...)e, Spurbreite, ...)

�� Features besitzen Relationen (Abbiegeverbote, Vorfahrtsregeln, .Features besitzen Relationen (Abbiegeverbote, Vorfahrtsregeln, ...)..)

�� Level 2 (Komplexe Features)Level 2 (Komplexe Features)

�� Zusammenfassung komplexer KreuzungsstrukturenZusammenfassung komplexer Kreuzungsstrukturen

�� Zusammenfassung komplexer StraZusammenfassung komplexer Straßßengeometrienengeometrien


�� SpeicherungSpeicherung

�� Standardisiertes FormatStandardisiertes Format

�� GDF GDF �� 20012001--2008: Entwicklung von GDF 5.02008: Entwicklung von GDF 5.0

�� UUnified nified MModeling odeling LLanguage (UML, Modellierung)anguage (UML, Modellierung)

�� EExxtensible tensible MMarkup arkup LLanguage (XML, Darstellung) anguage (XML, Darstellung)

�� SStructured tructured QQuery uery LLanguage (SQL, Zugriff)anguage (SQL, Zugriff)

�� 3D3D--KartenKarten

�� ZeitabhZeitabhäängige Karten (Reisezeiten, Rushngige Karten (Reisezeiten, Rush--hour)hour)

�� Phonetische DarstellungPhonetische Darstellung


�� Umwandlung in kompaktes Format fUmwandlung in kompaktes Format füür Navigationssystemer Navigationssysteme�� KnotenKnoten�� SegmenteSegmente�� KurvaturpunkteKurvaturpunkte�� FlFläächenchen

�� AktualisierungAktualisierung�� NeuNeu-- und Ausbau von Straund Ausbau von Straßßenen�� ÄÄnderung nderung

�� AbbiegerestriktionenAbbiegerestriktionen�� EinbahnstraEinbahnstraßßenen�� GeschwindigkeitsbeschrGeschwindigkeitsbeschräänkungennkungen

�� Kontakt mit regionalen StadtKontakt mit regionalen Stadt-- und Landplanernund Landplanern�� 10% der Stra10% der Straßßensegmente ensegmente äändern sich pro Jahrndern sich pro Jahr�� Mehr als 150 MannMehr als 150 Mann--Jahre fJahre füür str stäändige Aktualisierung des deutschen ndige Aktualisierung des deutschen

Kartenmaterials (1997)Kartenmaterials (1997)�� Erstellung neuer Karten CDs bzw.Erstellung neuer Karten CDs bzw. DVDsDVDs�� Inkrementelles UpdateInkrementelles Update


�� KartenanzeigeKartenanzeige�� AnsichtAnsicht

�� 2D2D�� 2.5D (Vogelperspektive)2.5D (Vogelperspektive)�� 3D3D

�� AusrichtungAusrichtung�� In FahrtrichtungIn Fahrtrichtung�� Nach NordenNach Norden�� Manuelle WahlManuelle Wahl

�� Verschiedene Verschiedene AuflAuflöösungsstufensungsstufen

�� KartenkontrolleKartenkontrolle�� ZoomZoom�� ScrollScroll�� Anzeige mehrerer KartenAnzeige mehrerer Karten

�� KartenverwaltungKartenverwaltung�� Benutzerspezifische Zusammenstellung und Update im Benutzerspezifische Zusammenstellung und Update im

Internet mInternet mööglichglich


�� KartenherstellerKartenhersteller

�� NavteqNavteq�� Juni 2007: lJuni 2007: lüückenlose, globale, ckenlose, globale, digitale Weltkartedigitale Weltkarte

�� Februar 2008: Nokia kauft NavteqFebruar 2008: Nokia kauft Navteq


�� KartenherstellerKartenhersteller�� TeleAtlasTeleAtlas

�� Oktober 2007: TomTom kauft TeleAtlasOktober 2007: TomTom kauft TeleAtlas

�� Mapscape BVMapscape BV�� GeosmartGeosmart�� Automotive Navigation DataAutomotive Navigation Data

DatenbankenDatenbanken

�� Designkriterien von DatenbankenDesignkriterien von Datenbanken

�� InhaltInhalt

�� OrganisationOrganisation

�� BeziehungenBeziehungen

�� ZugriffZugriff

�� ZieleZiele

�� Geringer SpeicherverbrauchGeringer Speicherverbrauch

�� Schneller Zugriff durch verschiedene AnwendungenSchneller Zugriff durch verschiedene Anwendungen

�� Upgrades wUpgrades wäährend der Laufzeithrend der Laufzeit


�� InformationsgehaltInformationsgehalt

�� StraStraßßennetzwerk (Positionierung)ennetzwerk (Positionierung)

�� RoutenberechnungsnetzwerkRoutenberechnungsnetzwerk

�� Adressverzeichnis (Zieleingabe)Adressverzeichnis (Zieleingabe)

�� KartendarstellungKartendarstellung

�� POI und TPD (POI und TPD (TThirdhird PPartyarty DDataata) (Anwendungen)) (Anwendungen)

�� TMC Tabellen (dynamische Navigation)TMC Tabellen (dynamische Navigation)

�� Phonemdaten (Spracherkennung und ZielfPhonemdaten (Spracherkennung und Zielfüührung)hrung)


�� KartenkompilierungKartenkompilierung�� Datenlieferanten stellen Austauschformate zur VerfDatenlieferanten stellen Austauschformate zur Verfüügung (z.B. GDF)gung (z.B. GDF)

�� Textbasierte, durch Kommas getrennte DatensTextbasierte, durch Kommas getrennte Datensäätzetze�� Modifikationen leicht zu realisierenModifikationen leicht zu realisieren�� Nicht in Bezug auf Anwendungen optimiertNicht in Bezug auf Anwendungen optimiert

�� Kompilierung in anwenderspezifisches (proprietKompilierung in anwenderspezifisches (proprietääres) Laufzeitres) Laufzeit--DatenbankformatDatenbankformat

�� ÜÜberprberprüüfung der Konsistenz der Datenfung der Konsistenz der Daten�� Systematische Zuordnung von Identifikatoren (IDs) zu jedem Systematische Zuordnung von Identifikatoren (IDs) zu jedem

DatenbankeintragDatenbankeintrag�� Zuordnung zusZuordnung zusäätzlicher Indizes zur Beschleunigung der Suche in relevanten tzlicher Indizes zur Beschleunigung der Suche in relevanten

AnwendungsfAnwendungsfäällenllen�� Beseitigung von RedundanzenBeseitigung von Redundanzen�� DatenkompressionDatenkompression


�� Verwaltung der digitalen KarteVerwaltung der digitalen Karte

�� Routenberechnung (Topologie) vs. Kartenanzeige Routenberechnung (Topologie) vs. Kartenanzeige (Geometrie)(Geometrie)

�� Speicherung in verschiedenen Schichten (Speicherung in verschiedenen Schichten (layerslayers) mit ) mit RedundanzenRedundanzen�� Ein Segment aus einer hEin Segment aus einer hööheren Schicht enthheren Schicht enthäält mehrere Segmente lt mehrere Segmente einer niedrigeren Schichteiner niedrigeren Schicht

�� In hIn hööheren Schichten werden kleine Straheren Schichten werden kleine Straßßen weggelassenen weggelassen

�� Reduktion der KomplexitReduktion der Komplexitäät bei grot bei großßen Problemenen Problemen


�� Einteilung in Parzellen (Einteilung in Parzellen (parcelsparcels))�� Rechteckige KartenausschnitteRechteckige Kartenausschnitte

�� Gleiche SpeichermengeGleiche Speichermenge

�� Zugriff nur auf benZugriff nur auf benöötigte Informationtigte Information�� Kartenanzeige (AuflKartenanzeige (Auflöösung)sung)

�� RoutingRouting (Komplexit(Komplexitäät)t)


�� Organisation des DatenbankOrganisation des Datenbank--ZugriffsZugriffs�� MapMap IndexIndex DataData

�� Lokalisierung der KarteLokalisierung der Karte

�� Map Parcel DataMap Parcel Data

�� Detaillierte lokale Detaillierte lokale KarteninformationKarteninformation

�� IndexIndex DataData

�� Lokalisierung der ParzellenLokalisierung der Parzellen

�� Dynamic DataDynamic Data

�� Speicherung dynamischer Speicherung dynamischer Korrekturen zu einzelnen Korrekturen zu einzelnen StraStraßßensegmentenensegmenten (z.B. TMC(z.B. TMC))


�� DatenbankorganisationDatenbankorganisation�� Standard GDF Standard GDF

�� hierarchische hierarchische DatenbankorganisationDatenbankorganisation�� Organisation der Daten in BaumstrukturOrganisation der Daten in Baumstruktur

�� VorteileVorteile�� PerformanzPerformanz

�� Schneller Zugriff Schneller Zugriff

�� NachteileNachteile�� Redundanz (Speichermenge)Redundanz (Speichermenge)

�� EingeschrEingeschräänkte Mnkte Mööglichkeit von Upgrades wglichkeit von Upgrades wäährend Laufzeithrend Laufzeit

�� BeschrBeschräänkter Zugriff nkter Zugriff


�� Organisation von GDF 2.0Organisation von GDF 2.0�� FeatureFeature--CatalogueCatalogue

�� Reelle Objekte (StraReelle Objekte (Straßßen, Geben, Gebääude, ...)ude, ...)

�� AttributeAttribute--CatalogueCatalogue�� Charakteristiken der einzelnen FeaturesCharakteristiken der einzelnen Features

�� Relationship CatalogueRelationship Catalogue�� Beziehungen zwischen den FeaturesBeziehungen zwischen den Features

�� FeatureFeature Representation SchemeRepresentation Scheme�� Beschreibung der Features als logische Objekte in GDFBeschreibung der Features als logische Objekte in GDF

�� Data Content SpecificationData Content Specification�� Zuordnung Daten zu AnwendungenZuordnung Daten zu Anwendungen

�� GlobalGlobal Data CatalogueData Catalogue�� GeodGeodäätischetische Anforderungen und geographische CharakteristikenAnforderungen und geographische Charakteristiken

�� MediaMedia Record SpecificationRecord Specification�� Information zur UnterstInformation zur Unterstüützung der physischen Speicherung der GDF 2.0 Datentzung der physischen Speicherung der GDF 2.0 Daten


�� KnotenKnoten�� Knoten IDKnoten ID�� LLäängengradngengrad�� BreitengradBreitengrad�� KonnektivitKonnektivitäätt�� ......

�� SegmentSegment�� Segment IDSegment ID�� AnfangsknotenAnfangsknoten�� EndknotenEndknoten�� LLäängenge�� GeschwindigkeitsbegrenzungGeschwindigkeitsbegrenzung�� RichtungRichtung�� AdressbereichAdressbereich�� StraStraßßennameenname�� StadtnameStadtname�� LLäändernamendername�� PostleitzahlPostleitzahl�� KurvaturpunkteKurvaturpunkte�� StraStraßßenklasseenklasse�� ......

�� Beispiele fBeispiele füür Features und Attributesr Features und Attributes


�� DatenbankorganisationDatenbankorganisation�� Standard PSF (Standard PSF (PProductroduct SStandard tandard FFormat)ormat)

�� Konsortium aus Konsortium aus �� OEM (OEM (OOriginal riginal EEquipment quipment MManufacturer)anufacturer)�� KartenlieferantenKartenlieferanten�� NavigationsgerNavigationsgerääteherstellernteherstellern

�� Ausarbeitung eines gemeinsamen Datenbankformats seit 1996Ausarbeitung eines gemeinsamen Datenbankformats seit 1996�� Arbeitspaket 1 (Entwicklung des Formats)Arbeitspaket 1 (Entwicklung des Formats)

�� Grundlegende KartendarstellungGrundlegende Kartendarstellung�� RoutenberechnungRoutenberechnung�� NamenNamen�� VerkehrsinformationenVerkehrsinformationen�� POIs und ReisefPOIs und Reisefüührerhrer�� Erweiterte KartendarstellungErweiterte Kartendarstellung

�� Arbeitspaket 2 (Entwicklung eines Prototyps)Arbeitspaket 2 (Entwicklung eines Prototyps)�� Arbeitspaket 3 (Verifikation und Test)Arbeitspaket 3 (Verifikation und Test)


�� DatenbankorganisationDatenbankorganisation�� Standard PSFStandard PSF

�� Relationale DatenbankorganisationRelationale Datenbankorganisation�� Features stehen in Relation mit Features stehen in Relation mit

ihnen zugeordneten Attributenihnen zugeordneten Attributen�� ZusZusäätzliche Relationen ftzliche Relationen füür r

ZusammenhZusammenhäänge zwischen den nge zwischen den einzelnen Features und Attributeneinzelnen Features und Attributen

�� VorteileVorteile�� Wenige RedundanzenWenige Redundanzen�� MMööglichkeit von Upgrades wglichkeit von Upgrades wäährend Laufzeithrend Laufzeit�� Zugriff unabhZugriff unabhäängig von der Anwendungngig von der Anwendung

�� NachteileNachteile�� Langsamer ZugriffLangsamer Zugriff


�� UpdatesUpdates

�� DeltaDelta--InformationenInformationen

�� ÜÜbertragung der bertragung der UpdatesUpdates�� USBUSB

�� CD / DVDCD / DVD

�� DiagnoseschnittstelleDiagnoseschnittstelle

�� CANCAN-- / / MOSTMOST--BussystemeBussysteme

�� Drahtlose KommunikationDrahtlose Kommunikation

�� AnforderungenAnforderungen�� Schnelles Update der kompletten DatenbankSchnelles Update der kompletten Datenbank

�� Inkrementelle Inkrementelle UpdatesUpdates


�� UpdatesUpdates�� AnforderungenAnforderungen

�� Inkrementelle UpdatesInkrementelle Updates�� OnOn--board compilerboard compiler

�� LookLook--aside storeaside store

�� Geographical tilesGeographical tiles

�� Erweiterbarkeit durch zusErweiterbarkeit durch zusäätzliche (externe) Datenstzliche (externe) Datensäätzetze�� Standortbezogene Dienste, TPD, TMCStandortbezogene Dienste, TPD, TMC

�� Funktionsspezifische ReferenztabellenFunktionsspezifische Referenztabellen�� Definition des GehaltsDefinition des Gehalts

�� Kreuzreferenzierung mit Elementen der DatenbankKreuzreferenzierung mit Elementen der Datenbank

�� Generische ReferenzierungGenerische Referenzierung�� VerknVerknüüpfung der Daten mit Kartenelementenpfung der Daten mit Kartenelementen

�� MapMap--MatchingMatching

Positionierung (GPS)Positionierung (GPS)

�� Positionierung (Positionierung (positioningpositioning))�� Bestimmung der Koordinaten im ReferenzBestimmung der Koordinaten im Referenz--KoordinatensystemKoordinatensystem

�� GPS (GPS (GGloballobal PPositioningositioning SService)ervice)

�� KoppelnavigationKoppelnavigation

�� Lokalisierung (Lokalisierung (locationlocation))�� Zuweisung der Position relativ zu Landmarken (StraZuweisung der Position relativ zu Landmarken (Straßßen, ...)en, ...)

�� Map MatchingMap Matching


�� Satellitenbasierte RadioSatellitenbasierte Radio--NavigationssystemeNavigationssysteme�� GPSGPS

�� Planung ab 1973 (US Verteidigungsministerium, Planung ab 1973 (US Verteidigungsministerium, NAVSTAR Satellitenprogramm)NAVSTAR Satellitenprogramm)

�� 1978 erster Satellit in Umlaufbahn1978 erster Satellit in Umlaufbahn

�� 1995 voll einsatzbereit 1995 voll einsatzbereit

�� Seit 1.5.2000 erweiterter ziviler Zugang Seit 1.5.2000 erweiterter ziviler Zugang (Abschalten der (Abschalten der SSelectiveelective AAvailabilityvailability –– SA)SA)

�� GLONASS (Russland)GLONASS (Russland)

�� GALILEO (Europa)GALILEO (Europa)


�� Organisation in 3 SegmentenOrganisation in 3 Segmenten�� Sender (Satelliten)Sender (Satelliten)

�� EmpfEmpfäänger (z.B. Fahrzeug)nger (z.B. Fahrzeug)

�� KontrolleinheitKontrolleinheit

�� 24 Satelliten24 Satelliten�� 6 orbitale Ebenen 6 orbitale Ebenen

�� 5555°° Neigung bzgl. Neigung bzgl. ÄÄquatorquator

�� 6060°° Neigung zwischen benachbarten EbenenNeigung zwischen benachbarten Ebenen

�� 4 Satelliten pro Ebene4 Satelliten pro Ebene

�� 26560 km Entfernung vom Erdmittelpunkt26560 km Entfernung vom Erdmittelpunkt

�� 24 h weltweite Abdeckung24 h weltweite Abdeckung


�� TrTräägerfrequenzengerfrequenzen�� L1: 1575.42L1: 1575.42 HzHz�� L2: 1227.60L2: 1227.60 HzHz

�� Digitale SignaleDigitale Signale�� SPS (SPS (SStandardtandard PPositioningositioning SService)ervice)

�� C/AC/A codecode: 1.023 MHz : 1.023 MHz �� zivile Nutzungzivile Nutzung�� SA SA (bis Mai 2000)(bis Mai 2000)

�� PPS (PPS (PPrecise recise PPositioningositioning SService)ervice)�� PP codecode: 10.23 MHz : 10.23 MHz �� militmilitäärische Nutzungrische Nutzung

�� Navigationsnachricht: 50Navigationsnachricht: 50 bpsbps�� Orbitale PositionOrbitale Position�� StatusStatus


�� C/A und P code basieren auf Pseudozufallsrauschen (PRN C/A und P code basieren auf Pseudozufallsrauschen (PRN ––PPseudoseudoRRandom andom NNoise), sind aber exakt reproduzierbaroise), sind aber exakt reproduzierbar�� C/A codeC/A code

�� 1023 bit1023 bit

�� Zwei Generatoren des ZufallsrauschensZwei Generatoren des Zufallsrauschens

�� Verschiedene Phasenverschiebungen zwischen den Generatoren fVerschiedene Phasenverschiebungen zwischen den Generatoren füür r verschiedene Satellitenverschiedene Satelliten

�� Gleichzeitiger Empfang der Signale mehrerer Satelliten mit gleicGleichzeitiger Empfang der Signale mehrerer Satelliten mit gleicher her TrTräägerfrequenzgerfrequenz

�� Synchronisierung der EmpfSynchronisierung der Empfäänger durch Korrelation mit Zufallsrauschennger durch Korrelation mit Zufallsrauschen

�� DatensignalDatensignal�� 1500 bit1500 bit

�� ZeitstempelZeitstempel

�� Satelliteninformation (ID, Status, Bahnkorrekturen, ...)Satelliteninformation (ID, Status, Bahnkorrekturen, ...)


1 Satellit: Kugel 3 Satelliten: 2 Punkte

3 Satelliten und Höhenabgleich mit Erdoberfläche: Position4 Satelliten : Position

2 Satelliten: Kreis

jj

j

j

ctd

zeitSignallauft

windigkeitLichtgeschc

Entfernungd

=

==

=jd


�� Signallaufzeiten Signallaufzeiten Synchronisation (C/ASynchronisation (C/A--Code)Code)�� SatellitenSatelliten--Zeitstempel Zeitstempel

�� Atomuhr (Genauigkeit 10Atomuhr (Genauigkeit 10--1212s)s)�� synchronisiertsynchronisiert

�� EmpfEmpfäängernger--Zeit Zeit �� Kristalloszillatoren (Genauigkeit 10Kristalloszillatoren (Genauigkeit 10--99s)s)�� OffsetOffset

�� 3 Satelliten zur Positionsbestimmung notwendig3 Satelliten zur Positionsbestimmung notwendig�� Koordinaten des FahrzeugsKoordinaten des Fahrzeugs�� Koordinaten des Koordinaten des --ten Satellitenten Satelliteni

),,( zyx),,( iii zyx

23

23

233

22

22

222

21

21

211

)()()(

)()()(

)()()(

zzyyxxd

zzyyxxd

zzyyxxd

−+−+−=

−+−+−=

−+−+−=


�� Aufgrund von Fehlern kein SchnittpunktAufgrund von Fehlern kein Schnittpunkt

�� 4. Satellit erm4. Satellit ermööglicht Zeitkorrekturglicht Zeitkorrektur

�� Zeitabweichung des Zeitabweichung des --ten Satelliten von GPSten Satelliten von GPS--Zeit Zeit (bekannt durch Synchronisierung)(bekannt durch Synchronisierung)

�� Zeitabweichung des EmpfZeitabweichung des Empfäängers von GPSngers von GPS--ZeitZeit

i idt

dt

)()()()(

)()()()(

)()()()(

)()()()(

42

42

42

44

32

32

32

33

22

22

22

22

12

12

12

11

dtdtczzyyxxd

dtdtczzyyxxd

dtdtczzyyxxd

dtdtczzyyxxd

−+−+−+−=

−+−+−+−=

−+−+−+−=

−+−+−+−=


�� LLöösung der nichtlinearen Positionsgleichungen bspw. sung der nichtlinearen Positionsgleichungen bspw. mit Newtonmit Newton--RaphsonRaphson

�� Weitere FehlerquellenWeitere Fehlerquellen�� MeMeßßrauschenrauschen

�� OrbitOrbit--FehlerFehler

�� AtmosphAtmosphäärische Schwankungenrische Schwankungen

�� Fehler aufgrund von SignalreflexionenFehler aufgrund von Signalreflexionen

�� Weitere Korrekturverfahren bei mehr als 4 SatellitenWeitere Korrekturverfahren bei mehr als 4 Satelliten�� Kleinste Fehlerquadrate Kleinste Fehlerquadrate

�� Kalman FilterKalman Filter


�� Kleinste Fehlerquadrate Kleinste Fehlerquadrate KorrekturKorrektur

�� LinearisiereLinearisiere die Positionsgleichungen die Positionsgleichungen

�� ReferenzlReferenzlöösung aus 4 Satellitensung aus 4 Satelliten

�� KorrekturvariablenKorrekturvariablen

�� ÜÜberbestimmtes linearesberbestimmtes lineares GleichungssystemGleichungssystem

�� LLöösese

�� Setze Setze

),,,( ***** dtzyxp =),,,( dtzyxp ∆∆∆∆=∆

pLd ∆=∆

dLLp T ∆=∆ −1)(ppp ∆+= *

min2

→∆−∆ dpL 0=∆−∆ dLpLL TT⇔


�� FehlermaFehlermaßße (e (DDilutionilution OOff PPrecisionrecision –– DOP)DOP)

�� GDOP (GDOP (GGeometriceometric DOPDOP))

�� PDOP (PDOP (PPosition osition DOPDOP))

== −

2

2

2

2

1)(

tztytxt

ztzyzxz

ytyzyxy

xtxzxyx

T LLP

σσσσσσσσσσσσσσσσ

2222tzyxGDOP σσσσ +++=

222zyxPDOP σσσ ++=


�� GeschwindigkeitsbestimmungGeschwindigkeitsbestimmung�� Berechnung durch Differentiation aus Berechnung durch Differentiation aus

PositionsdatenPositionsdaten�� Berechnung aus Frequenzverschiebungen Berechnung aus Frequenzverschiebungen

(Doppler(Doppler--Effekt)Effekt)

�� DGPSDGPS ((DDifferential ifferential GPSGPS))�� Zwei EmpfZwei Empfäängernger

�� Master (feste, bekannte Position)Master (feste, bekannte Position)�� RemoteRemote (unbekannte Position)(unbekannte Position)

�� Master sendet Fehlerkorrektur Master sendet Fehlerkorrektur

Per Satellite Accuracy

Satellite ClocksOrbit ErrorsIonosphereTroposphereReceiver NoiseMultipath (reflections)Selective Availability

Multipath error in cities can go up to 200m !

Standard GPS

1.52.55.00.50.30.6

0 (from May 1st, 2000)

Differential GPS

000.40.20.30.60

(in meters)


�� September 2007: Entscheidung der USSeptember 2007: Entscheidung der US--Regierung die neue Regierung die neue Satellitengeneration ohne SA zu realisierenSatellitengeneration ohne SA zu realisieren

�� Neue SignaleNeue Signale�� L2 CL2 C

�� Ziviles Signal fZiviles Signal füür kommerzielle Nutzungr kommerzielle Nutzung

�� HHööhere Sendeleistunghere Sendeleistung

�� MMööglichkeit zu ionosphglichkeit zu ionosphäärischer Korrektur (durch Kombination mit L1 C/A)rischer Korrektur (durch Kombination mit L1 C/A)

�� L5L5�� Sicherheitsdienste im FlugverkehrSicherheitsdienste im Flugverkehr

�� GrGrößößere Bandbreiteere Bandbreite

�� ErhErhööhte Robustheit durch Signalredundanzhte Robustheit durch Signalredundanz

�� MMööglichkeit zu ionosphglichkeit zu ionosphäärischer Korrektur (durch Kombination mit L1 C/A)rischer Korrektur (durch Kombination mit L1 C/A)

�� L1 CL1 C�� InteroperabilitInteroperabilitäät zwischen GPS und internationaler Satellitennavigationt zwischen GPS und internationaler Satellitennavigation

KoppelnavigationKoppelnavigation

�� Bestimmung der Position relativ zu einem Bestimmung der Position relativ zu einem Referenzpunkt (Startposition)Referenzpunkt (Startposition)

�� Inkrementelle IntegrationInkrementelle Integration

�� ZurZurüückgelegte Wegstreckeckgelegte Wegstrecke

�� OrientierungOrientierung

�� Beschreibung der Position inBeschreibung der Position in karthesischenkarthesischenKoordinaten (UTM)Koordinaten (UTM)

�� Sensorsignale zu diskreten Zeitpunkten Sensorsignale zu diskreten Zeitpunkten

θd

),( yx

nt


�� Beschreibung mit Hilfe von zurBeschreibung mit Hilfe von zurüückgelegter Wegstrecke ckgelegter Wegstrecke und Winkelund Winkeläänderung nderung

�� StartkoordinatenStartkoordinaten

�� StartorientierungStartorientierung

�� Rekursive BerechnungRekursive Berechnung

∑

∑

∑

−

=

−

=

−

=

∆+=

+=

+=

1

00

1

00

1

00

)sin(

)cos(

n

jjn

j

n

jjn

j

n

jjn

dyy

dxx

θθθ

θ

θ

),( 00 yx

0θ

nθ∆


�� Beschreibung mit Hilfe von Geschwindigkeit und Beschreibung mit Hilfe von Geschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit Winkelgeschwindigkeit

�� Annahme konstanter Zeitintervalle Annahme konstanter Zeitintervalle

t

tvyy

tvxx

n

jjn

j

n

jjn

j

n

jjn

∆+=

∆+=

∆+=

∑

∑

∑

−

=

−

=

−

=

1

00

1

00

1

00

)sin(

)cos(

ωθθ

θ

θ

nv

nω

1−−=∆ nn ttt


�� Messwerte nur zu bestimmten diskreten ZeitpunktenMesswerte nur zu bestimmten diskreten Zeitpunkten

�� TatsTatsäächlicher Verlauf sind Zwischenwertechlicher Verlauf sind Zwischenwerte

�� Summationsformel berSummationsformel berüücksichtigt dies nichtcksichtigt dies nicht

�� Fehler bei Kreisfahrten Fehler bei Kreisfahrten

�� Verwendung eines Verwendung eines KorrekturfaktorsKorrekturfaktors

∑

∑

∑

−

=

−

−

=

−

−

=

∆+=

∆+∆

∆+=

∆+∆

∆+=

1

00

1

1

00

1

1

00

)2/sin(2/

)2/sin(

)2/cos(2/

)2/sin(

n

jjn

jj

n

jj

j

jn

jj

n

jj

j

jn

dyy

dxx

θθθ

θθθ

θ

θθθ

θ


�� Motivation des KorrekturfaktorsMotivation des Korrekturfaktors

�� Entfernung von PEntfernung von P00 und Pund P11

�� Entfernung von PEntfernung von P00 und Pund P1 1

auf dem Kreisbogenauf dem Kreisbogen

�� LLäängenkorrekturngenkorrektur

( ) )2/sin(2)cos(22)sin()cos(1 22 ϕϕϕϕ ∆=∆−=∆+∆− rrr

ϕ∆r

2/

)2/sin(

ϕϕ

∆∆

P0

P1


�� HHääufig ufig ÜÜbertragung der Sensorsignale bertragung der Sensorsignale üüber das ber das serielle Busserielle Bus--SystemSystem�� CANCAN

�� MOSTMOST

�� FehlerverhaltenFehlerverhalten�� Genau fGenau füür kurze Zeitrr kurze Zeiträäumeume

�� Ungenau fUngenau füür lange Zeitrr lange Zeiträäumeume�� Akkumulierung von SensorfehlernAkkumulierung von Sensorfehlern

�� Akkumulierung von RundungsfehlernAkkumulierung von Rundungsfehlern

SensorfusionSensorfusion

�� Einsatz einer Vielzahl von Sensoren mitEinsatz einer Vielzahl von Sensoren mit

�� Redundanter InformationRedundanter Information

�� WidersprWidersprüüchlicher Informationchlicher Information

�� FehlercharakteristikenFehlercharakteristiken

�� GPSGPS�� Kurzfristig ungenauKurzfristig ungenau

�� Keine FehlerakkumulationKeine Fehlerakkumulation

�� KoppelnavigationKoppelnavigation�� Kurzfristig genauKurzfristig genau

�� FehlerakkumulationFehlerakkumulation


�� KombinationsmethodenKombinationsmethoden

�� MehrereMehrere Sensoren pro ZeiteinheitSensoren pro Zeiteinheit

�� Ein Sensor Ein Sensor üüber mehrere Zeiteinheitenber mehrere Zeiteinheiten

�� Eigenschaften integrierter MultisensorsystemeEigenschaften integrierter Multisensorsysteme

�� Hohe GenauigkeitHohe Genauigkeit

�� GroGroßße Fehlertoleranze Fehlertoleranz

�� ModellierungModellierung

�� Fusionsmethoden verbunden mit ModellannahmenFusionsmethoden verbunden mit Modellannahmen

�� Falsche Modellannahmen fFalsche Modellannahmen füühren zu schlechten Ergebnissenhren zu schlechten Ergebnissen


�� Verwendung digitaler FilterVerwendung digitaler Filter

�� Tiefpass fTiefpass füür Str Stöörungen des Magnetfeldsrungen des Magnetfelds

�� Hochpass fHochpass füür Odometerdrift r Odometerdrift

�� Mehrere Sensoren fMehrere Sensoren füür eine Messgrr eine Messgrößößee�� Verschiedene Verschiedene RauschcharakteristikenRauschcharakteristiken

(z.B. hochfrequentes Rauschen, niederfrequent(z.B. hochfrequentes Rauschen, niederfrequenter Drift)er Drift)

�� Korrektur durch komplementKorrektur durch komplementäären Filterren Filter

�� Darstellung im FrequenzbereichDarstellung im Frequenzbereich

�� WWäähle Filter so, dasshle Filter so, dass

�� HochpassHochpass

�� TiefpassTiefpass

)(tx)(),( 21 tntn

)()())(1()()()( 21 sGsNsGsNsXsY ⋅+−⋅+=

)()( 1 tntx +

)()( 2 tntx +

)(ty+

+

)(2 tn)(1 tn

)(sG)(sG

)(1 sG−



�� Rekursive SchRekursive Schäätzung des Systemzustandstzung des Systemzustands

�� SystemmodellSystemmodell

�� FehlermodellFehlermodell

�� Beste SchBeste Schäätzung (kleinste Fehlerquadrate)tzung (kleinste Fehlerquadrate)

�� ImplementierungImplementierung

�� Zentralisiert (SchZentralisiert (Schäätzung des Gesamtsystemzustandes)tzung des Gesamtsystemzustandes)

�� Dezentralisiert (SchDezentralisiert (Schäätzung einzelner Sensorvariablen)tzung einzelner Sensorvariablen)

�� Miteinbeziehung desMiteinbeziehung des MapMap--MatchingMatching mmööglichglich



�� AnnahmenAnnahmen

�� WeiWeißßes Rauschenes Rauschen

�� ProzessProzess-- und Messrauschenund Messrauschen unkorrelliertunkorrelliert

�� Lineares System (nichtlinear:Lineares System (nichtlinear: ExtendedExtended Kalman Kalman Filter)Filter)�� SystemmodellSystemmodell

�� MessmodellMessmodell

�� Dabei bezeichnenDabei bezeichnen

�� die Zustandsgrdie Zustandsgrößöße und die Messgre und die Messgrößößee

�� die Steuervariable (z.B. Korrektur von Sensordrift)die Steuervariable (z.B. Korrektur von Sensordrift)

�� das Prozessrauschen und das Messrauschendas Prozessrauschen und das Messrauschen

kkkk

kkkk

FvDuCxy

EwBuAxx

++=++=+1

x y

uw v


�� Kalman Kalman FilterFilter�� Ziel: Optimale SchZiel: Optimale Schäätzung des Systemzustands aus den Messwerten ohne tzung des Systemzustands aus den Messwerten ohne

explizite Kenntniss der Fehlertermeexplizite Kenntniss der Fehlerterme

�� FunktionsweiseFunktionsweise�� ZweischrittZweischritt--RekursionRekursion

�� PrPräädiktordiktor--Schritt (Zustandsmodell)Schritt (Zustandsmodell)

�� KorrektorKorrektor--Schritt (Messmodell)Schritt (Messmodell)

�� RekursionRekursion des Fehlerverhaltens (des Fehlerverhaltens (KovarianzenKovarianzen))

�� Berechnung einer optimalen RBerechnung einer optimalen Rüückkopplung (Kalmanckkopplung (Kalman gain) der Messung auf gain) der Messung auf die Zustandsschdie Zustandsschäätzungtzung

�� KovarianzmatrizenKovarianzmatrizen liefern Aussage liefern Aussage üüber Verlber Verläässlichkeit / Genauigkeitsslichkeit / Genauigkeit

�� Gute Performanz bei beobachtbaren SystemenGute Performanz bei beobachtbaren Systemen

�� FehlerquellenFehlerquellen�� Schlechte StartwerteSchlechte Startwerte

�� Hohe RauschkovarianzenHohe Rauschkovarianzen


ZustandsgleichungenZustandsgleichungen

31

21

11

iodoi

odoi

igyro

igyro

i

iiii

n

n

n

+=

+=

+∆+=

+

+

+

δδδδ

θθθ

��Kalman FilterKalman Filter

((Gyroskop und Odometer)Gyroskop und Odometer)

�� Drift als ZustandsvariablenDrift als Zustandsvariablen

�� ProzessrauschenProzessrauschen

�� MessrauschenMessrauschen

odoi

gyroi δδ ,

jin

jim

MessgleichungenMessgleichungen

2

1

ˆ

ˆ

iodoiii

igyro

iii

mdd

m

++=

++∆=∆

δ

δθθ


��Kalman FilterKalman Filter(GPS)(GPS)

�� GPS liefert auchGPS liefert auch�� ZurZurüückgelegte Wegstreckeckgelegte Wegstrecke


�� GPS Messungen als KorrekturwerteGPS Messungen als Korrekturwerte�� Genauigkeit abhGenauigkeit abhäängig von der Zahl ngig von der Zahl

verfverfüügbarer Satellitengbarer Satelliten

�� Gewichtung entsprechend GenauigkeitGewichtung entsprechend Genauigkeit

�� PrPräädiktorschritt mit Gyroskop und diktorschritt mit Gyroskop und

OdometerOdometer

�� Korrektorschritt mit GPSKorrektorschritt mit GPS

MessgleichungenMessgleichungen

4

3

~

~

iii

iii

mdd

m

+=

+= θθ



�� Verwendung der korrigierten Verwendung der korrigierten Werte zur PositionsbestimmungWerte zur Positionsbestimmung

∆+∆+

∆∆+

=

+

+

)2/sin(

)2/cos(

2/

)2/sin(

1

1

ii

ii

i

ii

i

i

i

i d

y

x

y

x

θθθθ

θθ


�� Typisches Resultat der SensorfusionTypisches Resultat der Sensorfusion

�� Positionskoordinaten Positionskoordinaten

�� FehlercharakteristikFehlercharakteristik�� Normalverteilte Fehler Normalverteilte Fehler

�� Erwartungswert (Mittelwert)Erwartungswert (Mittelwert)

�� Varianz (Streuung)Varianz (Streuung)

�� Betrachte Bereiche der FormBetrachte Bereiche der Form

�� Abstand vom Mittelwert, gegebenes Fehlerniveau Abstand vom Mittelwert, gegebenes Fehlerniveau (Konfidenzniveau)(Konfidenzniveau)

�� Im Eindimensionalen ist der Konfidenzbereich ein IntervallIm Eindimensionalen ist der Konfidenzbereich ein Intervall

�� Im Zweidimensionalen ist der Konfidenzbereich eine EllipseIm Zweidimensionalen ist der Konfidenzbereich eine Ellipse

),( yx

),( 2σµNµ

2σ

( ) 021 ˆ),(),( σµµ ≥≤− ryxP

r 0σ̂

MapMap--MatchingMatching

�� Verwendung der digitalen Karte zur Verbesserung der Verwendung der digitalen Karte zur Verbesserung der PositionierungPositionierung�� Anpassen der Anpassen der (gefilterten(gefilterten KoppelnavigationsKoppelnavigations--) Position bzw.) Position bzw.TrajektorieTrajektorie an die Kartean die Karte

�� Starke EinschrStarke Einschräänkung durch das Strankung durch das Straßßennetzwerkennetzwerk�� Bestimmung des Standorts aus der PositionBestimmung des Standorts aus der Position�� DeutlicheDeutliche Verbesserung der Verbesserung der PositionierungsgenauigkeitPositionierungsgenauigkeit

�� MapMap--Matching AlgorithmenMatching Algorithmen�� Entwicklung seit 1970Entwicklung seit 1970�� Semideterministische MethodeSemideterministische Methode�� EntwicklungEntwicklung probabilistischerprobabilistischer MethodenMethoden


�� Funktionsweise Funktionsweise �� MustererkennungMustererkennung�� Suche nach Suche nach ÜÜbereinstimmungenbereinstimmungen�� Wahrscheinlichste LokalisierungWahrscheinlichste Lokalisierung

�� Semideterministischer AlgorithmusSemideterministischer Algorithmus�� Annahme: Fahrzeug befindet sich auf der StraAnnahme: Fahrzeug befindet sich auf der Straßßee�� StartStart

�� StartpositionStartposition�� FahrtrichtungFahrtrichtung

�� Auswahl mAuswahl mööglicher Straglicher Straßßensegmenteensegmente�� Abstand von KoppelnavigationsAbstand von Koppelnavigations--PositionPosition�� Schwellenwert zur BeschrSchwellenwert zur Beschräänkung der Kandidatenzahlnkung der Kandidatenzahl

�� Korrektur der KoppelnavigationsKorrektur der Koppelnavigations--PositionPosition�� RekalibrierungRekalibrierung der Sensoren bei Abbiegemander Sensoren bei Abbiegemanöövernvern


�� ProbabilistischerProbabilistischer AlgorithmusAlgorithmus

�� Fahrzeug nicht unbedingt auf der StraFahrzeug nicht unbedingt auf der Straßßee

�� Verwendung der PositionierungsVerwendung der Positionierungs--FehlercharakteristikenFehlercharakteristiken

�� Definition eines elliptischen / rechteckigenDefinition eines elliptischen / rechteckigenKonfidenzbereichsKonfidenzbereichs

�� ÜÜberlagerung vonberlagerung von KonfidenzbereichKonfidenzbereich und Straund Straßßennetzwerkennetzwerk�� OffOff--Road, falls es kein StraRoad, falls es kein Straßßensegment / Kreuzung gibtensegment / Kreuzung gibt

�� ÜÜbereinstimmung, falls es nur ein Strabereinstimmung, falls es nur ein Straßßensegment / Kreuzung gibtensegment / Kreuzung gibt

�� Auswahl der besten Auswahl der besten ÜÜbereinstimmung, falls es mehrere bereinstimmung, falls es mehrere StraStraßßensegmente / Kreuzungen gibtensegmente / Kreuzungen gibt


�� Schematischer Ablauf desSchematischer Ablauf des probabilistischenprobabilistischenAlgorithmusAlgorithmus


�� FehlerbereicheFehlerbereiche

�� Bestimmung der FehlerellipseBestimmung der Fehlerellipse

�� KovarianzmatrixKovarianzmatrix der Positionierungder Positionierung

�� Beschreibung der Ellipse durchBeschreibung der Ellipse durch�� LLäängen der Halbachsen ngen der Halbachsen

�� Schnittpunkt der Halbachsen (Fahrzeugposition)Schnittpunkt der Halbachsen (Fahrzeugposition)


�� SkalierungsfaktorSkalierungsfaktor

= 2

2

yyx

xyxPσσσσ

ba,),( yx

Φ0σ̂



�� Bedeutung des Skalierungsfaktors (2D)Bedeutung des Skalierungsfaktors (2D)

�� Annahme: NormalverteilungAnnahme: Normalverteilung

�� Festlegung desFestlegung des KonfidenzniveausKonfidenzniveaus�� 39%39% KonfidenzniveauKonfidenzniveau

�� 95%95% KonfidenzniveauKonfidenzniveau

( )

( )

−−=Φ

+−−+=

+−++=

22

2222220

2222220

2arctan

2

1

2

42

1ˆ

42

1ˆ

yx

xy

xyyxyx

xyyxyx

b

a

σσσπ

σσσσσσ

σσσσσσ

1ˆ0 =σ15.2ˆ0 =σ



�� Umwandlung der Ellipse in RechteckUmwandlung der Ellipse in Rechteck

�� Bestimmung der Segmente im FehlerrechteckBestimmung der Segmente im Fehlerrechteck

�� CyrusCyrus--BeckBeck--AlgorithmusAlgorithmus

�� Innere Normalenvektoren des RechtecksInnere Normalenvektoren des Rechtecks

�� Verbindungsvektoren zwischen Rechtecksrand und Verbindungsvektoren zwischen Rechtecksrand und SegmentSegment

�� Gilt , dann liegt das Segment im InnerenGilt , dann liegt das Segment im Inneren

in

iv

0, >ii vn


�� Auswertung der KandidatenAuswertung der Kandidaten

�� Sortiere Kandidaten nachSortiere Kandidaten nach�� Fahrtrichtung (Schwellenwert)Fahrtrichtung (Schwellenwert)

�� Verbindung zum letzen durchfahrenen SegmentVerbindung zum letzen durchfahrenen Segment

�� Entfernung zum letzten durchfahrenen SegmentEntfernung zum letzten durchfahrenen Segment

�� ÜÜbereinstimmung zur geplanten Routebereinstimmung zur geplanten Route

�� Falls kein Segment eindeutig bestimmt werden kannFalls kein Segment eindeutig bestimmt werden kann�� Kein Ergebnis desKein Ergebnis des MapMap--MatchingMatching

�� Speicherung der KoppelnavigationsSpeicherung der Koppelnavigations--TrajektorieTrajektorie

�� WendeWende MapMap--MatchingMatching aufauf TrajektorieTrajektorie an (Mustererkennung an (Mustererkennung -- PatternPatternRecognitionRecognition))


�� Korrektur der PositionKorrektur der Position

�� WWäähle Koordinaten auf dem Strahle Koordinaten auf dem Straßßensegment mit hensegment mit hööchster chster WahrscheinlichkeitWahrscheinlichkeit

�� RekalibrierungRekalibrierung der Sensorender Sensoren

�� AbbiegevorgangAbbiegevorgang�� Abgleich von SegmentlAbgleich von Segmentläänge und Lnge und Läänge der durchfahrenen nge der durchfahrenen StreckeStrecke

�� Korrektur des OdometerdriftsKorrektur des Odometerdrifts

�� Abgleich von Abbiegewinkel und gemessener Abgleich von Abbiegewinkel und gemessener OrientierungsOrientierungsäänderungnderung

�� Korrektur des Drifts des magnetischen FeldKorrektur des Drifts des magnetischen Feld--SensorsSensors


�� Mustererkennung Mustererkennung -- FunktionsprinzipFunktionsprinzip


�� Zustandsmaschine zur Zustandsmaschine zur Erkennung von Erkennung von AbbiegemanAbbiegemanöövernvern

�� WinkelWinkeläänderungnderung

�� WinkelgeschwindigkeitWinkelgeschwindigkeit

�� Schwellenwert fSchwellenwert füür r WinkelgeschwindigkeitWinkelgeschwindigkeit

mkmC /1/1000ˆ1000 °=°==


�� FuzzyFuzzy--LogikLogik--AlgorithmenAlgorithmen�� Ungenaue Aussagen (Ungenaue Aussagen („„Das Fahrzeug fDas Fahrzeug fäährt schnellhrt schnell““) k) köönnen nnen ffüür genaue logische Schlussfolgerungen genutzt r genaue logische Schlussfolgerungen genutzt werdenwerden�� Bsp.: WENN das Fahrzeug schnell fBsp.: WENN das Fahrzeug schnell fäährt UND die hrt UND die RichtungsRichtungsäänderung klein ist, DANN biegt das Fahrzeug nicht ab.nderung klein ist, DANN biegt das Fahrzeug nicht ab.

�� PrinzipPrinzip�� FuzzyfizierungFuzzyfizierung

�� Definition vonDefinition von FuzzyFuzzy--MengenMengen�� VerknVerknüüpfung durch Zugehpfung durch Zugehöörigkeitsfunktionenrigkeitsfunktionen

�� InferenzInferenz (Logische Schlussfolgerung)(Logische Schlussfolgerung)�� Min (AND) Min (AND) �� Max (Max (OR)OR)�� 11--x (NOT)x (NOT)

�� DefuzzyfizierungDefuzzyfizierung


�� FuzzyFuzzy--MengenMengen�� Elementen ist ein Grad der ZugehElementen ist ein Grad der Zugehöörigkeit zu der Menge zugeordnetrigkeit zu der Menge zugeordnet

�� Klassische MengentheorieKlassische Mengentheorie�� 0 0 –– nicht zugehnicht zugehöörigrig�� 1 1 –– zugehzugehöörigrig

�� FuzzyFuzzy--MengentheorieMengentheorie�� [0,1] [0,1] -- Kontinuierlicher Kontinuierlicher ÜÜbergang von nicht zugehbergang von nicht zugehöörig nach zugehrig nach zugehöörigrig

�� ZugehZugehöörigkeitsfunktionenrigkeitsfunktionen�� Jedem mJedem mööglichen Wert einer Variable wird ein Grad der Zugehglichen Wert einer Variable wird ein Grad der Zugehöörigkeit rigkeit

ffüür verschiedene Aussagen zugeordnet, z.B.:r verschiedene Aussagen zugeordnet, z.B.:�� Geschwindigkeit v nimmt Werte zwischen 0 und 200 an (km/h)Geschwindigkeit v nimmt Werte zwischen 0 und 200 an (km/h)�� Aussage: A = Aussage: A = „„Das Fahrzeug fDas Fahrzeug fäährt schnell.hrt schnell.““�� 0 ... 20 : Zugeh0 ... 20 : Zugehöörigkeit von v zu A ist 0rigkeit von v zu A ist 0�� 20 ... 60 : Zugeh20 ... 60 : Zugehöörigkeit von v zu A ist (vrigkeit von v zu A ist (v--20)/4020)/40�� 60 ... 200: Zugeh60 ... 200: Zugehöörigkeit von v zu A ist 1rigkeit von v zu A ist 1


�� FuzzyFuzzy--RegelnRegeln�� WENN <Bedingung> DANN <Konsequenz>WENN <Bedingung> DANN <Konsequenz>

�� InferenzInferenz�� AND wird realisiert durch MinimumsbildungAND wird realisiert durch Minimumsbildung

�� 0 AND 1 = 0 (vgl. Boolsche Logik)0 AND 1 = 0 (vgl. Boolsche Logik)�� 0.2 AND 0.8 = 0.20.2 AND 0.8 = 0.2

�� OR wird realisiert durch MaximumsbildungOR wird realisiert durch Maximumsbildung�� 0 OR 1 = 1 (vgl. Boolsche Logik)0 OR 1 = 1 (vgl. Boolsche Logik)�� 0.2 OR 0.8 = 0.80.2 OR 0.8 = 0.8

�� NOT wird realisiert durch (1 NOT wird realisiert durch (1 –– ZugehZugehöörigkeitsgrad)rigkeitsgrad)�� NOT 0 = 1 (vgl. Boolsche Logik)NOT 0 = 1 (vgl. Boolsche Logik)�� NOT 0.2 = 0.8NOT 0.2 = 0.8

�� DefuzzyfizierungDefuzzyfizierung�� Ergebnis der Inferenz von ZugehErgebnis der Inferenz von Zugehöörigkeitsfunktionen ist wieder eine rigkeitsfunktionen ist wieder eine

ZugehZugehöörigkeitsfunktionrigkeitsfunktion�� Bestimmung eines Ausgabewerts beispielsweise durch gewichtetes MBestimmung eines Ausgabewerts beispielsweise durch gewichtetes Mittel der ittel der

ZugehZugehöörigkeitsfunktionrigkeitsfunktion


�� FuzzyFuzzy--LogikLogik--AlgorithmenAlgorithmen

�� Verwendung von EntscheidungsregelnVerwendung von Entscheidungsregeln

�� RuleRule 1: IF Orientierungsunterschied ist klein1: IF Orientierungsunterschied ist klein

THEN THEN ÜÜbereinstimmung der Route ist grobereinstimmung der Route ist großß

�� RuleRule 2: IF Orientierungsunterschied ist fast 1802: IF Orientierungsunterschied ist fast 180°°

AND Orientierungsfehler ist 0AND Orientierungsfehler ist 0

THEN Wahrscheinlichkeit eines UTHEN Wahrscheinlichkeit eines U--turn ist groturn ist großß

�� ......


�� EinEin FuzzyFuzzy--LogikLogik--AlgorithmusAlgorithmus


�� Eigenschaften der PositionierungsEigenschaften der Positionierungs-- und Map Matchingund Map Matching--VerfahrenVerfahren�� Dead ReckoningDead Reckoning

�� Kurzfristig genauKurzfristig genau�� Langfristig Divergenz der Position wegen DriftfehlernLangfristig Divergenz der Position wegen Driftfehlern�� Fehlercharakteristiken der Sensoren bekanntFehlercharakteristiken der Sensoren bekannt

�� GPSGPS�� Kurzfristig ungenauKurzfristig ungenau�� Langfristig keine Divergenz wegen absoluter PositionierungLangfristig keine Divergenz wegen absoluter Positionierung�� Genauigkeit im Normalbetrieb bekanntGenauigkeit im Normalbetrieb bekannt�� Unbekannter StUnbekannter Stööreinfluss durch atmosphreinfluss durch atmosphäärische Strische Stöörungenrungen�� Kurzfristig groKurzfristig großße Ste Stöörungen durch Signalreflexionen mrungen durch Signalreflexionen mööglichglich

�� Map MatchingMap Matching�� BenBenöötigt Position bzw. Positionsverlauftigt Position bzw. Positionsverlauf�� Kurzfristig und langfristig genauKurzfristig und langfristig genau�� Positionsgenauigkeit in der GrPositionsgenauigkeit in der Größößenordnung der Kartenfehlerenordnung der Kartenfehler�� StandortbestimmungStandortbestimmung�� RRüückfckfüührung der Ergebnisse zur Korrektur von Driftfehlern mhrung der Ergebnisse zur Korrektur von Driftfehlern mööglichglich

Routenberechnung Routenberechnung –– Algorithmus Algorithmus

vonvon DijkstraDijkstra

�� Mathematische Modellierung des StraMathematische Modellierung des Straßßennetzwerks als ennetzwerks als gerichteter Graph G=(V,E)gerichteter Graph G=(V,E)

�� Kreuzungen Kreuzungen �� V Knotenmenge des GraphsV Knotenmenge des Graphs

�� StraStraßßensegmenteensegmente�� E Kantenmenge des GraphsE Kantenmenge des Graphs

�� KantenKanten sind sind gerichtet, d.h. eine Kante verbindet einen Startgerichtet, d.h. eine Kante verbindet einen Start-- mit mit einem Zielknoteneinem Zielknoten

�� Topologische Topologische InformationInformation�� Zusammenhang der StraZusammenhang der Straßßen und Kreuzungenen und Kreuzungen

VVE ×⊆


vonvon DijkstraDijkstra�� Wege im StraWege im Straßßennetzwerkennetzwerk

�� * Starte auf einem Stra* Starte auf einem Straßßenstenstüückck�� Entscheide an der ersten KreuzungEntscheide an der ersten Kreuzung

�� GeradeausfahrtGeradeausfahrt�� AbbiegenAbbiegen�� UU--turnturn

�� Durchfahre das nDurchfahre das näächste Strachste Straßßenstenstüückck�� Entscheide an der zweiten KreuzungEntscheide an der zweiten Kreuzung�� ......

�� Wege im GraphenWege im Graphen�� Starte an einem Knoten Starte an einem Knoten �� Durchlaufe eine KanteDurchlaufe eine Kante�� Passiere den zweiten KnotenPassiere den zweiten Knoten�� Durchlaufe eine KanteDurchlaufe eine Kante

1v),( 211 vve =

2v),( 322 vve =


vonvon DijkstraDijkstra�� Wege in Graphen sind beschreibbar als Folge verketteter KantenWege in Graphen sind beschreibbar als Folge verketteter Kanten

�� ModellierungModellierung als gewichteter gerichteter Graph G=(V,E;d)als gewichteter gerichteter Graph G=(V,E;d)�� Den Kanten werden Gewichte Den Kanten werden Gewichte zugeordnetzugeordnet

�� LLäängen ngen �� ReisezeitenReisezeiten

�� Einem Weg werden Kosten zugeordnetEinem Weg werden Kosten zugeordnet

�� Damit werden Wege vergleichbarDamit werden Wege vergleichbar�� KKüürzester Wegrzester Weg�� SchnellsterSchnellster WegWeg

),0[: ∞→Ed

),...,,( 21 neeep =

∑=

=n

kkedpd

1

)()(

),...,,( 21 neeep =



�� In der PraxisIn der Praxis

�� Kantenkosten abhKantenkosten abhäängig vonngig von�� StraStraßßenklasseenklasse

�� StraStraßßengeometrieengeometrie

�� GeschwindigkeitskategorieGeschwindigkeitskategorie

�� AbbiegevorgAbbiegevorgäängenge

�� OptionenOptionen�� Vermeide TunnelVermeide Tunnel

�� Vermeide FVermeide Fäährenhren

�� Vermeide kostenpflichtige StraVermeide kostenpflichtige Straßßenen

�� ......



�� Problemstellung:Problemstellung:

Finde den kFinde den küürzesten / schnellsten Weg von einem rzesten / schnellsten Weg von einem gegebenen Startknoten zu einem gegebenen gegebenen Startknoten zu einem gegebenen ZielknotenZielknoten

�� LLöösungsansatz:sungsansatz:

Verwende das Prinzip der dynamischen Verwende das Prinzip der dynamischen Programmierung um die Berechnung von Wegen auf Programmierung um die Berechnung von Wegen auf die Berechnung von Abbiegemandie Berechnung von Abbiegemanöövern (incl. vern (incl. Geradeausfahrt) zurGeradeausfahrt) zurüückzufckzufüührenhren


von Dijkstravon Dijkstra

�� AbbiegerestriktionenAbbiegerestriktionen

�� Interpretation der Knoten als ZustInterpretation der Knoten als Zustäändende

�� Interpretation der Kanten als ZustandsInterpretation der Kanten als Zustandsüübergbergäängenge

�� Dynamische Programmierung: Optimale Entscheidung hDynamische Programmierung: Optimale Entscheidung häängt ngt nur vom gegenwnur vom gegenwäärtigen Zustand, nicht von den vergangenen rtigen Zustand, nicht von den vergangenen Entscheidungen abEntscheidungen ab�� Abbiegerestriktionen liefern eine BeschrAbbiegerestriktionen liefern eine Beschräänkung welches nkung welches StraStraßßensegment (Kante) an einer Kreuzung (Knoten) nach dem ensegment (Kante) an einer Kreuzung (Knoten) nach dem Durchlaufen eines in die Kreuzung mDurchlaufen eines in die Kreuzung müündenden Strandenden Straßßensegments ensegments (Kante) durchlaufen werden darf(Kante) durchlaufen werden darf

�� Widerspruch zur dynamischen ProgrammierungWiderspruch zur dynamischen Programmierung

�� Umformulierung des Graphen notwendigUmformulierung des Graphen notwendig



�� Modellierung einer KreuzungModellierung einer Kreuzung


von Dijkstravon Dijkstra�� Wesentlicher Gesichtspunkt bei der Modellierung des Graphen Wesentlicher Gesichtspunkt bei der Modellierung des Graphen

und der Implementierung von Lund der Implementierung von Löösungsverfahrensungsverfahren�� ZeitaufwandZeitaufwand�� SpeicherverbrauchSpeicherverbrauch

�� ZeitkomplexitZeitkomplexitäätt�� Anzahl der elementaren Rechenoperationen in AbhAnzahl der elementaren Rechenoperationen in Abhäängigkeit von der ngigkeit von der

ProblemgrProblemgrößöße, die das Verfahren zur Bestimmung der Le, die das Verfahren zur Bestimmung der Löösung bensung benöötigttigt�� Klassifikation von ProblemenKlassifikation von Problemen

�� Klasse P: Probleme durch deterministisches Verfahren in polynomiKlasse P: Probleme durch deterministisches Verfahren in polynomieller Zeit eller Zeit llöösbarsbar

�� Klasse NP: Probleme durch nichtdeterministische Verfahren in polKlasse NP: Probleme durch nichtdeterministische Verfahren in polynomieller ynomieller Zeit lZeit löösbar (Zeitaufwand deterministischer Verfahren i.A. exponentiell sbar (Zeitaufwand deterministischer Verfahren i.A. exponentiell in der in der ProblemgrProblemgrößöße)e)

�� Die Berechnung optimaler Wege in gewichteten und gerichteten GraDie Berechnung optimaler Wege in gewichteten und gerichteten Graphen phen liegt in der Klasse Pliegt in der Klasse P

�� ProblemgrProblemgrößöße durch die Anzahl von Knoten und Kanten beschriebene durch die Anzahl von Knoten und Kanten beschrieben�� Verwende dualen Graph zur Modellierung der AbbiegerestriktionenVerwende dualen Graph zur Modellierung der Abbiegerestriktionen


von Dijkstravon Dijkstra

�� Direkte Implementierung der dynamischen Direkte Implementierung der dynamischen ProgrammierungProgrammierung�� BellmanBellman--FordFord--AlgorithmusAlgorithmus

�� Werte in jedem Iterationsschritt an jedem Knoten die Werte in jedem Iterationsschritt an jedem Knoten die Gleichungen der dynamischen Programmierung mit der Gleichungen der dynamischen Programmierung mit der aktuellen Kostenstruktur ausaktuellen Kostenstruktur aus

�� KomplexitKomplexitäätt�� Es existiert eine Konstante , so dass gilt:Es existiert eine Konstante , so dass gilt:

Die Anzahl notwendiger Rechenschritte , Die Anzahl notwendiger Rechenschritte ,

ffüür gror großße .e .

�� StraStraßßennetzwerk Deutschland hat ca. 10.000.000 Knoten und ennetzwerk Deutschland hat ca. 10.000.000 Knoten und KantenKanten

�� Das Verfahren ist nicht gut genug!Das Verfahren ist nicht gut genug!

( )EVO ⋅0>c

EVc ⋅⋅≤EV ,



�� Algorithmus vonAlgorithmus von DijkstraDijkstra::

�� 1.) Initialisiere den Startknoten mit , alle anderen Knoten 1.) Initialisiere den Startknoten mit , alle anderen Knoten mit mit

�� 2.) Markiere den Startknoten als CLOSED2.) Markiere den Startknoten als CLOSED

�� 3.) Markiere die Nachfolger des Startknotens als OPEN 3.) Markiere die Nachfolger des Startknotens als OPEN und weise ihnen den Wert zuund weise ihnen den Wert zu

�� 4.) W4.) Wäähle den OPEN Knoten mit minimalem Wert und hle den OPEN Knoten mit minimalem Wert und markiere ihn als CLOSEDmarkiere ihn als CLOSED

�� 5.) Markiere diejenigen Nachfolger von als OPEN, die 5.) Markiere diejenigen Nachfolger von als OPEN, die noch nicht CLOSED sind und weise ihnen den Wert noch nicht CLOSED sind und weise ihnen den Wert

zuzu

�� 6.) Fertig, falls der Zielknoten ist, sonst gehe nach 4.)6.) Fertig, falls der Zielknoten ist, sonst gehe nach 4.)

0

∞

v),( vvd Start

*v

*v

{ }),()(),(min ** vvdvdvd +

v

*v



�� Grundidee des Algorithmus von Dijkstra:Grundidee des Algorithmus von Dijkstra:�� Vermeide die wiederholte Auswertung der Gleichungen der Vermeide die wiederholte Auswertung der Gleichungen der dynamischen Programmierung durch eine geschickte dynamischen Programmierung durch eine geschickte Auswahl des IterationsknotensAuswahl des Iterationsknotens

�� AlgorithmusAlgorithmus vonvon DijkstraDijkstra liefert optimale Kostenliefert optimale Kosten�� Optimaler WegOptimaler Weg

�� Speicherung des VorgSpeicherung des Vorgäängers bei Kostenzuweisungngers bei Kostenzuweisung�� Rekursive Definition des optimalen WegesRekursive Definition des optimalen Weges

�� Falls minimaler Knoten nicht eindeutigFalls minimaler Knoten nicht eindeutig�� Bevorzugung des ZielknotensBevorzugung des Zielknotens�� Ansonsten beliebige AuswahlAnsonsten beliebige Auswahl



�� Start:Start:



�� Iteration 1:Iteration 1:



�� Iteration 6: Fertig!Iteration 6: Fertig!


von Dijkstravon Dijkstra�� Die KomplexitDie Komplexitäät des Algorithmus vont des Algorithmus von DijkstraDijkstra

��

�� beibei Verwendung geschickter Verwendung geschickter DatenstrukturenDatenstrukturen�� Priority QueuePriority Queue

�� Warteschlange, deren Elemente einen SchlWarteschlange, deren Elemente einen Schlüüssel ssel (Abarbeitungspriorit(Abarbeitungsprioritäät) zugewiesen bekomment) zugewiesen bekommen

�� Heap (z.B. FibonacciHeap (z.B. Fibonacci--Heap)Heap)�� Liste von BListe von Bääumen mit geordneten Nachfolgernumen mit geordneten Nachfolgern�� Die PrioritDie Prioritäät jedes Knotens ist mindestens so t jedes Knotens ist mindestens so

grogroßß wie die Prioritwie die Prioritäät seiner Kindert seiner Kinder�� Minimumsbestimmung in logarithmischer Zeit Minimumsbestimmung in logarithmischer Zeit

mmööglichglich

�� im Straim Straßßennetzwerk sehr groennetzwerk sehr großß�� Wegen der GrWegen der Größöße des Strae des Straßßennetzwerks sind weitere ennetzwerks sind weitere

VerbesserungenVerbesserungen notwendignotwendig

( )EVO +2

( )EVVO +log

EV ,

Routenberechnung Routenberechnung –– A* und mehrA* und mehr

�� DijkstraDijkstra vergleicht OPEN Knoten anhand bisher vergleicht OPEN Knoten anhand bisher zugewiesener Kostenzugewiesener Kosten�� Keine BerKeine Berüücksichtigung von verbleibenden Kosten zum Ziel cksichtigung von verbleibenden Kosten zum Ziel

�� Suchgebiet kreisfSuchgebiet kreisföörmig um Startknotenrmig um Startknoten

�� A* vergleicht OPEN Knoten anhand der Summe aus A* vergleicht OPEN Knoten anhand der Summe aus bisher zugewiesenen Kosten und Kosten zum Zielbisher zugewiesenen Kosten und Kosten zum Ziel�� Kosten zum Ziel im Allgemeinen unbekanntKosten zum Ziel im Allgemeinen unbekannt

�� Heuristik Heuristik ((SchSchäätzung der Kosten)tzung der Kosten)

�� Je genauer die Heuristik desto geringer dieJe genauer die Heuristik desto geringer die LaufzeitLaufzeit

�� Suchgebiet Ellipse mit Brennpunkten in StartSuchgebiet Ellipse mit Brennpunkten in Start-- und und ZielknotenZielknoten

h


�� Anforderungen an die Heuristik Anforderungen an die Heuristik �� ZulZuläässigkeitssigkeit

�� UnterschUnterschäätzung der tatstzung der tatsäächlichen Kosten zum Zielchlichen Kosten zum Ziel

�� KonsistenzKonsistenz�� Auf Konsistenz kann verzichtet werden, wenn keine CLOSED MarkierAuf Konsistenz kann verzichtet werden, wenn keine CLOSED Markierungen ungen

vergeben werden.vergeben werden.

�� Einfach zu berechnenEinfach zu berechnen�� MMööglichst genauglichst genau

�� Auswahl des KnotenAuswahl des Knoten�� DijkstraDijkstra�� A*A*

�� KostenupdateKostenupdate�� DijkstraDijkstra�� A*A*

)(vh

)(minarg* vdv OPENv∈=[ ])()(minarg* vhvdv OPENv += ∈

{ }),()(),(min)( ** vvdvdvdvd +={ }),()(),(min)( ** vvdvdvdvd +=

)',()()'( vvdvhvh ≤−


�� Bidirektionale SucheBidirektionale Suche

�� StarteStarte DijkstraDijkstra / A* gleichzeitig von Start/ A* gleichzeitig von Start-- und Zielknotenund Zielknoten

�� Zwei Kreise / Ellipsen Zwei Kreise / Ellipsen

�� Fertig, falls ein Knoten von beiden expandiert wurdeFertig, falls ein Knoten von beiden expandiert wurde

�� SymmetrieproblemSymmetrieproblem�� Symmetrische Graphen Symmetrische Graphen

�� Umkehrung der Durchlaufungsrichtungen bei Suche ab Umkehrung der Durchlaufungsrichtungen bei Suche ab ZielknotenZielknoten

�� Fortsetzung der Suche rFortsetzung der Suche rüückwckwäärts vom Zielknoten nach rts vom Zielknoten nach Bestimmung der optimalen LBestimmung der optimalen Löösungsung�� Vorabberechnung optimaler Wege, falls die geplante Route verlassVorabberechnung optimaler Wege, falls die geplante Route verlassen en wird wird


Uni- und bidirektionaler Algorithmusvon Dijkstra

Uni- und bidirektionaler A*-Algorithmus


Bidiretktionaler A* - günstiger Suchverlauf

Bidiretktionaler A* - ungünstiger Suchverlauf


�� Hierarchische SucheHierarchische Suche�� StraStraßßen in Datenbank in verschiedenen Schichtenen in Datenbank in verschiedenen Schichten�� In groIn großßer Entfernung von Starter Entfernung von Start-- und Zielknoten spielen und Zielknoten spielen kleine Strakleine Straßßen en i.A. keinei.A. keine RolleRolle

�� BerBerüücksichtigung aller Stracksichtigung aller Straßßen in der Nen in der Näähe von Starthe von Start-- und und ZielknotenZielknoten

�� AusdAusdüünnung des Graphen bei grnnung des Graphen bei größößerer Entfernungerer Entfernung�� KonsistenzKonsistenz

�� VorabberechnungenVorabberechnungen auf gesamtem Straauf gesamtem Straßßennetzwerkennetzwerk�� Zuweisung der StraZuweisung der Straßßen zu den Schichten en zu den Schichten

�� Welche StraWelche Straßßen in den Parzellen des Layers werden von optimalen en in den Parzellen des Layers werden von optimalen Routen benutzt, die weder in diesem Kartenausschnitt beginnen noRouten benutzt, die weder in diesem Kartenausschnitt beginnen noch ch enden?enden?


�� Dynamische RoutenbestimmungDynamische Routenbestimmung�� Verwendung von Verwendung von aktuellen Verkehrsinformationenaktuellen Verkehrsinformationen�� Korrektur bzw. Erweiterung der statisch hinterlegten KostenwerteKorrektur bzw. Erweiterung der statisch hinterlegten Kostenwerte in der in der

DatenbankDatenbank�� Routenberechnung imRoutenberechnung im HintergrundHintergrund

�� Bestimmung des Einflusses auf bisherige RouteBestimmung des Einflusses auf bisherige Route�� Berechnung von AlternativroutenBerechnung von Alternativrouten

�� InformationsquellenInformationsquellen�� TTraffic raffic MMessage essage CChannel (TMC)hannel (TMC)

�� Senden aktueller Verkehrsdaten Senden aktueller Verkehrsdaten üüber nicht verwendetes Frequenzspektrum ber nicht verwendetes Frequenzspektrum im Radioim Radio

�� DatenaquisitionDatenaquisition�� VerkehrskamerasVerkehrskameras�� InduktionsschleifenInduktionsschleifen�� Floating Car DataFloating Car Data�� PolizeiPolizei

Routenberechnung Routenberechnung –– A* und mehrA* und mehr�� Aufbau des RadiosignalsAufbau des Radiosignals

�� TrTräägerfrequenz (D: 87.6 MHz gerfrequenz (D: 87.6 MHz –– 107.9 MHz)107.9 MHz)�� Tonsignale in Mono und StereoTonsignale in Mono und Stereo�� DatensignaleDatensignale

�� SSubsidiary ubsidiary CCommunications ommunications AAuthorization (SCA) uthorization (SCA) notwendig bis 1983notwendig bis 1983

�� RRadio adio DData ata SSystem (RDS)ystem (RDS)


�� InformationsquellenInformationsquellen�� TTraffic raffic MMessage essage CChannel (TMC)hannel (TMC)

�� VariantenVarianten�� FreeTMCFreeTMC�� TMCProTMCPro

�� Kurzfristprognosen Kurzfristprognosen �� Stauverlaufstendenzen Stauverlaufstendenzen �� Baustelleninformationen Baustelleninformationen �� StraStraßßenwetter enwetter �� Auslandsmeldungen Auslandsmeldungen üüber grenznahe Verkehrsstber grenznahe Verkehrsstöörungen rungen

�� 11.11.2007: Aufnahme des TMC11.11.2007: Aufnahme des TMC--Forums in die Forums in die TTraveller raveller IInformation nformation SServices ervices AAssociation (TISA) ssociation (TISA)

�� Weiterentwicklung des TMCWeiterentwicklung des TMC--Protokolls in der Protokolls in der TTransport ransport PProtocol rotocol EExperts xperts GGroup (TPEG) roup (TPEG)

�� HDHD--TrafficTraffic�� AntiAnti--Staudienst von TomTomStaudienst von TomTom�� Verwendung von Handys als InformationsquelleVerwendung von Handys als Informationsquelle


�� TelematischerTelematischer DatenfilterDatenfilter� Reduziere die

Informationsmenge für Nutzer(Karten- und Textanzeige)

� Reduziere die Anzahldynamischer Kosten

� Erkenne Hindernisse auf derRoute

�� Telematischer Telematischer RoutingRouting--FilterFilter�� Reduziere die Zeit fReduziere die Zeit füür die r die

RoutenberechnungRoutenberechnung�� Reduziere die Anzahl der Reduziere die Anzahl der

NeuberechnungenNeuberechnungen�� Neuberechnung nur bei Neuberechnung nur bei

zugehzugehöörigen rigen VerkehrsbehinderungenVerkehrsbehinderungen


�� FunktionsfFunktionsfäähigkeit der dynamischen higkeit der dynamischen Routenberechnung hRoutenberechnung häängt von der Marktsngt von der Marktsäättigung der ttigung der Technologie abTechnologie ab�� RRüückkopplung der umgeplanten Routen auf den ckkopplung der umgeplanten Routen auf den VerkerhszustandVerkerhszustand

�� VerkehrsflussVerkehrsfluss--ParadoxonParadoxon�� Planen bei gegebenem Verkehrszustand alle Fahrer ihre zeitoptimaPlanen bei gegebenem Verkehrszustand alle Fahrer ihre zeitoptimale le Route auf der Basis der selben aktuellen Verkehrsdaten um, dann Route auf der Basis der selben aktuellen Verkehrsdaten um, dann kann diese Routenplanung dazu fkann diese Routenplanung dazu füühren, dass jeder einzelne lhren, dass jeder einzelne läänger nger braucht als mit der ursprbraucht als mit der ursprüünglichen Routenwahl.nglichen Routenwahl.

�� MMöögliche Abhilfe:gliche Abhilfe:�� Zentralisierte RoutenplanungZentralisierte Routenplanung

ZielfZielfüührunghrung

�� Prozess der FProzess der Füührung eines Fahrers entlang einer hrung eines Fahrers entlang einer vorberechneten Routevorberechneten Route�� Vor der AbfahrtVor der Abfahrt

�� Kartenausdruck mit markiertem WegKartenausdruck mit markiertem Weg

�� AbbiegehinweiseAbbiegehinweise


�� EntfernungsangabenEntfernungsangaben

�� In Echtzeit wIn Echtzeit wäährend der hrend der FahrtFahrt�� Visuelle HinweiseVisuelle Hinweise

�� Akustische HinweiseAkustische Hinweise


�� EchtzeitEchtzeit--ZielfZielfüührung whrung wäährend der Fahrthrend der Fahrt

�� Verwendung vonVerwendung von

�� PositionierungsmodulPositionierungsmodul

�� MapMap--MatchingMatching ModulModul

�� RoutenplanungsmodulRoutenplanungsmodul

�� Ausgabe der Fahrhinweise Ausgabe der Fahrhinweise üüber HMIber HMI


�� FunktionsweiseFunktionsweise�� Fahrzeugposition als Funktion der ZeitFahrzeugposition als Funktion der Zeit

�� Abgleich mit berechneter RouteAbgleich mit berechneter Route

�� HauptaufgabeHauptaufgabe�� ManManööverver--GenerierungGenerierung

�� RoutenfRoutenfüührunghrung

�� Implementierung alsImplementierung als�� EigenstEigenstäändiges Modulndiges Modul

�� Teil des RoutenberechnungsmodulsTeil des Routenberechnungsmoduls


�� ManManööverver--GenerierungGenerierung

�� Routenberechnung liefert Folge von StraRoutenberechnung liefert Folge von Straßßensegmentenensegmenten

�� Nicht ausreichend fNicht ausreichend füür Zielfr Zielfüührunghrung

�� Erweiterung der Segmente umErweiterung der Segmente um�� ManManööverver

�� Einfahrt / AusfahrtEinfahrt / Ausfahrt

�� SpurwechselSpurwechsel

�� U TurnU Turn

�� ......

�� AbbiegeinformationenAbbiegeinformationen

�� Genaue Spezifizierung der AbbiegerichtungGenaue Spezifizierung der Abbiegerichtung


�� ManManööverver--GenerierungGenerierung�� Hierarchischer RoutenberechnungsHierarchischer Routenberechnungs--AlgorithmusAlgorithmus

�� Bestimmung der Segmente in der niedrigsten SchichtBestimmung der Segmente in der niedrigsten Schicht(Verwendung aller (Verwendung aller Informationen)Informationen)

�� KompromissKompromiss�� Zeitgewinn bei RoutenberechnungZeitgewinn bei Routenberechnung

�� Zusatzaufwand bei ZielfZusatzaufwand bei Zielfüührunghrung

�� EchtzeitbetriebssystemEchtzeitbetriebssystem�� Mehrere Prozesse gleichzeitigMehrere Prozesse gleichzeitig

�� ManManöövergenerierung der ersten Manvergenerierung der ersten Manööverver

�� Fortsetzung der Berechnungen im Hintergrund Fortsetzung der Berechnungen im Hintergrund


�� ManManööverver--GenerierungGenerierung

�� Bei langsamem Speichermedium fBei langsamem Speichermedium füür Karte (r Karte (CD, DVDCD, DVD))�� Information fInformation füür Routenplanung in Hauptspeicherr Routenplanung in Hauptspeicher

�� VerkVerküürzung der Zugriffszeitenrzung der Zugriffszeiten

�� Getrennte Speicherverwaltung fGetrennte Speicherverwaltung füürr

�� Positionierung, ManPositionierung, Manöövergenerierungvergenerierung

�� RoutenplanungVerwendung geeigneter DatenstrukturenRoutenplanungVerwendung geeigneter Datenstrukturen

�� Verwendung geeigneter DatenstrukturenVerwendung geeigneter Datenstrukturen�� Vermeiden vonVermeiden von

�� Aufwendigen SuchvorgAufwendigen Suchvorgäängenngen

�� Wiederholtem Zugriff auf die gleichen DatenWiederholtem Zugriff auf die gleichen Daten

�� Berechnungen auf AnfrageBerechnungen auf Anfrage


�� ManManööverver--GenerierungGenerierung�� Verwendung Verwendung geeignetergeeigneter DatenstrukturenDatenstrukturen

�� BeispieleBeispiele::�� HashtabelleHashtabelle ffüür wiederholtes Nachschlagen der r wiederholtes Nachschlagen der PositionPosition

�� Jedem Tabelleneintrag wird ein SchlJedem Tabelleneintrag wird ein Schlüüssel (eindeutig) und durch eine ssel (eindeutig) und durch eine Hashfunktion ein Index (Hashwert) zugeordnetHashfunktion ein Index (Hashwert) zugeordnet

�� Hashwert legt Stelle des Eintrags (Bucket) in der Tabelle fest Hashwert legt Stelle des Eintrags (Bucket) in der Tabelle fest

�� Hashwerte mHashwerte müüssen nicht eindeutig sein (mehrere Objekte in einem Bucket)ssen nicht eindeutig sein (mehrere Objekte in einem Bucket)

�� Hashfunktion liefert sofortigen Zugriff auf Tabelleneintrag bei Hashfunktion liefert sofortigen Zugriff auf Tabelleneintrag bei bekanntem bekanntem SchlSchlüüsselssel

�� DoppeltDoppelt verlinkte Liste fverlinkte Liste füür r ManManööverabfolgeverabfolge

�� Assoziation eines VorwAssoziation eines Vorwäärtsrts-- und eines Rund eines Rüückwckwäärtszeigers mit jedem rtszeigers mit jedem ListeneintragListeneintrag

�� Auzeichnung eines Anfangselements und eines Endelements durch Auzeichnung eines Anfangselements und eines Endelements durch NullzeigerNullzeiger

�� SpeicherungSpeicherung schon berechneter Reisekosten (Vermeidung der Neuberechnung)schon berechneter Reisekosten (Vermeidung der Neuberechnung)


�� RoutenfRoutenfüührunghrung�� Annahme: Fahrzeug befindet sich auf der StraAnnahme: Fahrzeug befindet sich auf der Straßßee�� ÜÜberwachung der Fahrzeugposition auf den einzelnen berwachung der Fahrzeugposition auf den einzelnen SegmentenSegmenten

�� Entscheidung wann der jeweilige Fahrhinweis gegeben Entscheidung wann der jeweilige Fahrhinweis gegeben werden sollwerden soll�� Identifizierung des nIdentifizierung des näächsten Manchsten Manööversvers�� Folge von akustischen Hinweisen zur Vorbereitung des Fahrers aufFolge von akustischen Hinweisen zur Vorbereitung des Fahrers aufdas bevorstehende Mandas bevorstehende Manööverver

�� Grafische Darstellung auf dem DisplayGrafische Darstellung auf dem Display�� PiktogrammPiktogramm�� StraStraßßennameenname�� EntfernungEntfernung


�� Arten von HinweisenArten von Hinweisen�� Texthinweis (PT,Texthinweis (PT, PlainPlain TextText AnnouncementAnnouncement): ): „„dem Stradem Straßßenverlauf fenverlauf füür 5000m folgenr 5000m folgen““

�� VorankVoranküündigung (ndigung (PrePre--IA,IA, PrePre--Inforamtion AnnouncementInforamtion Announcement): ): „„demndemnäächst rechts abbiegenchst rechts abbiegen““

�� Vorbereitung (IA, InformationVorbereitung (IA, Information AnnouncementAnnouncement): ): „„in 500m rechts abbiegenin 500m rechts abbiegen

�� DurchfDurchfüührung (AA,hrung (AA, Activation AnnouncementActivation Announcement): ): „„jetzt rechts abbiegenjetzt rechts abbiegen““


�� Festlegung der Entfernungen in AbhFestlegung der Entfernungen in Abhäängigkeit vonngigkeit von

�� StraStraßßenartenart

�� StraStraßßengeometrieengeometrie

�� KreuzungsartKreuzungsart

�� FahrzeuggeschwindigkeitFahrzeuggeschwindigkeit

�� SpurenzahlSpurenzahl

�� Bei sehr schneller ManBei sehr schneller Manööverfolgeverfolge

�� Ausgabe von Doppelhinweisen:Ausgabe von Doppelhinweisen:„„jetzt rechts abbiegen und an der njetzt rechts abbiegen und an der näächsten Kreuzung links chsten Kreuzung links abbiegenabbiegen““


�� Digitalisierung der FahrspurenDigitalisierung der Fahrspuren


�� ZielfZielfüührung bei Abweichungen von der hrung bei Abweichungen von der geplanten Routegeplanten Route

�� Erkennen der AbweichungErkennen der Abweichung

�� Benachrichtigung des Fahrers Benachrichtigung des Fahrers

�� Planung einer neuen RoutePlanung einer neuen Route

�� Zum ZielZum Ziel

�� ZurZurüück zur Originalrouteck zur Originalroute

�� Problem der Wahl eines geeigneten StartpunktesProblem der Wahl eines geeigneten Startpunktes


�� ZielfZielfüührung bei Verlassen des Strahrung bei Verlassen des Straßßennetzwerksennetzwerks

�� ErkennenErkennen des Verlassensdes Verlassens

�� Benachrichtigung des FahrersBenachrichtigung des Fahrers

�� Anzeige eines Richtungspfeils in Richtung des Anzeige eines Richtungspfeils in Richtung des nnäächstgelegenenchstgelegenen StraStraßßensegmentsensegments

Aktuelle Entwicklung und ZukunftAktuelle Entwicklung und Zukunft

moderner Navigationssystememoderner Navigationssysteme

VerkehrsinformationVerkehrsinformationund und --managementmanagement

Integration Integration mobiler mobiler VerbraucherVerbraucherprodukteprodukte

Sicherheit &Sicherheit &UmgebungUmgebung

FahrzeugFahrzeug --Fahrzeug KommunikationFahrzeug KommunikationFahrzeugFahrzeug --Umgebung KommunikationUmgebung Kommunikation

HybridHybrid

LDWLDW ACCACCTSRTSR

Euro 6Euro 6

ADASADASFahrzeugkabineFahrzeugkabine

Fernkonfiguration und Fernkonfiguration und InternetzugangInternetzugang

Aktuelle Entwicklung und Zukunft Aktuelle Entwicklung und Zukunft


ADAS Data ADAS Data DVDDVD

GPS PositionGPS Position

MapMapMatchingMatching

Route InfoRoute Info AufenthaltsAufenthalts--wahrsch.wahrsch.

P (x;y;z): [%]

GPS

Hybrid

DetailliertesDetailliertesHHööhenmodellhenmodell

Active Cruise Control:Virtueller Horizont enthält Information über Straßentyp und Kurven

Lane Departure Warning:Virtueller Horizont enthält Straßentyp- und Spurinformationen für verbesserte Spurerkennung

Traffic Sign Recognition :Virtueller Horizont enthält Geschwindigkeitsbegrenzungen für bessere Erkennung in Verbindung mit Kamerasystemen

Emissionsreduktion durch navigationsbasierte Motorsteuerung

LDW

ACC

TSR

App nApp n

Euro 6

Unterschiedliches Systemverhalten in Abhängigkeit von Straße und Umgebung (innerstädtisch, Autobahn,…)

Navigation alsAdvanced Driver Assistance Service :

Virtual Horizon



Datenaustausch zwischen Navigation und anderen Fahrzeugsystemen� Verbesserung der Fahrzeugsicherheit und –effizienz� Navigationssystem als Teil der Fahrzeugsensorik

Erweiterte Routenführung:Kombination der Routeninformationen mit Sensordaten der Umgebung(Spurerkennung, Warnung bei Hindernissen im toten Winkel, ...)

Motor- und Getriebemanagement:Optimierung basierend auf Navigationsdaten(Vorausschau der Route, Verwendung vonHöheninformationen, ...)



LDWLDW

NachtsichtNachtsicht

SpurhalteassistentSpurhalteassistent

ACCACCParkhilfeParkhilfe

Stop& GoStop& Go

Ausgangs-geschwindigkeit

Ausgangs-geschwindigkeit

ParkhilfeParkhilfeRückwärts-

fahrhilfeRückwärts-

fahrhilfe

Erkennung der fernen Umgebung- Radar (77/79 GHz)- Lidar

Erkennung der mittleren Umgebung- Video

Erkennung der nahen Umgebung- Radar (24 GHz)- Video- 3D-Kamera

Toter-Winkel-ErkennungToter-Winkel-Erkennung

SpurwechselassistentSpurwechselassistent

Toter-Winkel-ErkennungToter-Winkel-Erkennung

SpurwechselassistentSpurwechselassistent

Augmented RealityAugmented Reality

VerbrauchssteuerungVerbrauchssteuerungGetriebesteuerungGetriebesteuerung

KlimaanlageKlimaanlage

Fahrzeug Bus System



�� Kraftstoffoptimale RoutenKraftstoffoptimale Routen�� ÖÖkonomische und konomische und öökologische Motivationkologische Motivation

�� RessourcenknappheitRessourcenknappheit

�� Steigende EnergiepreiseSteigende Energiepreise

�� Umweltbelastung (Umweltbelastung (COCO22, NH, NHxx, ...), ...)

�� Energiemanagement bei HybridantriebenEnergiemanagement bei Hybridantrieben

�� Physikalisches Modell desPhysikalisches Modell des KraftfahrzeugsKraftfahrzeugs

�� Modellierung des Energiebedarfs fModellierung des Energiebedarfs füür bestimmte r bestimmte StraStraßßenklassenenklassen

�� Modellierung des Modellierung des VerkehrseinflussesVerkehrseinflusses

�� Physiologische und psychologische Modellierung des FahrersPhysiologische und psychologische Modellierung des Fahrers



�� ElektromobilitElektromobilitäätt�� Zielkonflikt zwischen Fahrzeugkosten (Batterie) und FahrzeugreicZielkonflikt zwischen Fahrzeugkosten (Batterie) und Fahrzeugreichweitehweite

�� Schlechte Abdeckung durch Ladestationen fSchlechte Abdeckung durch Ladestationen füür Elektrofahrzeuger Elektrofahrzeuge

�� Verwendung der Reichweitenvorhersage als Nebenbedingung bei der Verwendung der Reichweitenvorhersage als Nebenbedingung bei der RoutenplanungRoutenplanung

�� Erweiterte KommunikationsErweiterte Kommunikations-- und Koordinationsstrukturen notwendig und Koordinationsstrukturen notwendig wegen des hohen Energiebedarfs der Fahrzeugflottewegen des hohen Energiebedarfs der Fahrzeugflotte

�� MMööglichkeit der Rglichkeit der Rüückeinspeisung ckeinspeisung üüberschberschüüssiger Energie falls das ssiger Energie falls das Fahrzeug Fahrzeug üüber einen vorhersagbaren Zeitraum nicht verwendet wirdber einen vorhersagbaren Zeitraum nicht verwendet wird

�� Existenz von StraExistenz von Straßßensegmenten mit negativen Kosten ensegmenten mit negativen Kosten (Energier(Energierüückgewinnung bei Abwckgewinnung bei Abwäärtsfahrt) erfordert Modifikation der rtsfahrt) erfordert Modifikation der RoutenberechnungsRoutenberechnungs--AlgorithmenAlgorithmen



FernkonfigurationInfotainment

� Fernkonfiguration des Navigationssystems ermöglicht individuelle Auswahl des Farbschemas und Darstellungsmodus

� Backup, Wiederherstellung und Austausch von Systemkonfigurationen



Konfiguration des Navigationssystems

Konfigurationsmöglichkeiten:� Datenbankanzeige� Kartenkonfiguration� Positionierungsanzeige / -konfiguration� Routenberechnungsanzeige / -konfiguration� ADAS Anzeige (Virtueller Horizont)� Zielführungsanzeige / -konfiguration (incl. Manöveranzeige)

Vorteile:

� Eine hardware-unabhängige Lösung für alle Funktionalitäten

� Professionelle Programmumgebung� On- und Offline Funktionalität� Funktionalität unabhängig von der Navigations-DVD

� Programm kann für Entwicklung, Test und vom Endverbraucher genutzt werden


moderner Navigationssystememoderner Navigationssysteme3D 3D KartendarstellungKartendarstellung�� 3D3D--ObjekteObjekte (3D(3D--GelGeläändemodell, Gebndemodell, Gebääude,ude, POI,POI, ...)...)

�� Verbesserte Genauigkeit bei Positionierung und RoutenfVerbesserte Genauigkeit bei Positionierung und Routenfüührunghrung

�� Erweiterte RoutenplanungErweiterte Routenplanung

�� Erkennung der Umgebung aufgrund realistischer DarstellungErkennung der Umgebung aufgrund realistischer Darstellung

�� ZusZusäätzliche Information zu POItzliche Information zu POI

��KartenkontrolleKartenkontrolle

�� ÜÜbergangsloses und freies Scrollingbergangsloses und freies Scrolling

�� ÜÜbergangsloserbergangsloser ZoomZoom

�� Anzeige der kompletten Route auf der digitalen KarteAnzeige der kompletten Route auf der digitalen Karte

�� Scroll entlang der aktuellen RouteScroll entlang der aktuellen Route

�� InformationsauswahlInformationsauswahl

�� VerkehrsauswahlVerkehrsauswahl

�� POI POI TypenTypen


moderner Navigationssystememoderner NavigationssystemeK

ompl

exitä

t

Zeit

VorgerVorger äänderte nderte BilderBilder

StadtkartenStadtkarten

Digitale GelDigitale Gel äändende --Modellierung Modellierung

VogelVogel --perspektiveperspektive

Standard Standard 3D 3D ModelleModelle

AugmentedAugmentedrealityreality

StraStra ßßenschilderenschilder

3D Objekte3D ObjekteVirtuelle StVirtuelle St äädte dte basierend basierend

auf Grundrissenauf Grundrissen


moderner Navigationssystememoderner NavigationssystemeSatellitenbilder Digitales Geländemodell

DigitalesGeländemodell mit Segmentattributen

Verbessertes Offroad-Routing


moderner Navigationssystememoderner Navigationssysteme�� Dynamische Navigation Dynamische Navigation –– SpeedSpeed PatternPattern

�� TMC liefert TMC liefert dynamische instantanedynamische instantane Korrekturen der ReisezeitenKorrekturen der Reisezeiten�� Viele Verkehrsbehinderungen wiederholen sich periodischViele Verkehrsbehinderungen wiederholen sich periodisch

�� BerufsverkehrBerufsverkehr�� FerienverkehrFerienverkehr

�� DatengrundlagenDatengrundlagen�� VerkehrsflusssimulationenVerkehrsflusssimulationen�� MessungMessung der Durchschnittsgeschwindigkeitender Durchschnittsgeschwindigkeiten

�� InduktionsschleifenInduktionsschleifen�� FloatingFloating CarCar DataData

�� ÜÜbertragung des bertragung des „„FahrtenlogbuchsFahrtenlogbuchs““ im Navigationssystem bei im Navigationssystem bei Systemupdates (vgl. z.B. IQSystemupdates (vgl. z.B. IQ--Routes)Routes)

�� Charakteristische Geschwindigkeitsprofile Charakteristische Geschwindigkeitsprofile erlauben Vorausschauendeerlauben VorausschauendeRoutenplanungRoutenplanung

�� RRüückkopplung der zeitabhckkopplung der zeitabhäängigen Routenberechnung auf den Zustand ngigen Routenberechnung auf den Zustand des Verkehrsnetzesdes Verkehrsnetzes



�� Dynamische Navigation Dynamische Navigation –– Car2CarCar2Car

�� Aktuelle Verkehrssituation kann nur aktuell erfasst werdenAktuelle Verkehrssituation kann nur aktuell erfasst werden

�� FunkFunk--Kommunikation zwischen denKommunikation zwischen den FahrzeugenFahrzeugen�� WW--LAN (LAN (WWireless ireless LLocal ocal AArea rea NNetwork)etwork)

�� UMTS UMTS ((UUniversal niversal MMobile obile TTelecommunications elecommunications SSystem) ystem) �� SicherheitSicherheit (Warnung bei Hindernissen)(Warnung bei Hindernissen)

�� Aktuelle GeschwindigkeitsprofileAktuelle Geschwindigkeitsprofile

�� Individuelle OptimierungIndividuelle Optimierung der Routen im aktuellender Routen im aktuellen VerkehrsflussVerkehrsfluss

�� Extraktion relevanter InformationenExtraktion relevanter Informationen

�� Definition von Kommunikationsstrukturen und Definition von Kommunikationsstrukturen und --protokollenprotokollen



�� Dynamische Navigation Dynamische Navigation –– Car2InfrastructureCar2Infrastructure�� Fahrzeug sendet Daten an EmpfFahrzeug sendet Daten an Empfäängerstationen entlang der ngerstationen entlang der StraStraßßenen

�� Aufbau der entsprechenden InfrastrukturAufbau der entsprechenden Infrastruktur

�� Definition von Kommunikationsstrukturen und Definition von Kommunikationsstrukturen und --protokollen protokollen

�� Sammlung der Daten an zentraler StelleSammlung der Daten an zentraler Stelle�� Zentrale Erfassung der aktuellen VerkehrssituationZentrale Erfassung der aktuellen Verkehrssituation

�� ErhErhööhte Verkehrssicherheithte Verkehrssicherheit

�� Zentrale, simultaneZentrale, simultane Optimierung Optimierung der Routen und desder Routen und des VerkehrsflussesVerkehrsflusses

�� VerfVerfüügbarkeit grogbarkeit großßer Speichermedien und leistungsfer Speichermedien und leistungsfäähiger higer Prozessoren zur Datenerfassung, Verkehrsflussoptimierung Prozessoren zur Datenerfassung, Verkehrsflussoptimierung und Routenberechnung (vgl. Google Earth)und Routenberechnung (vgl. Google Earth)

QuellenQuellen

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medizintechnik 2/2008medizintechnik 2/2008�� Dimitri Bertsekas, Dimitri Bertsekas, „„Dynamic Programming and Optimal ControlDynamic Programming and Optimal Control““, Athena , Athena

Scientific, 2005Scientific, 2005�� Manfred Bauer, Manfred Bauer, „„Vermessung und Ortung mit SatellitenVermessung und Ortung mit Satelliten““, Wichmann, 1997, Wichmann, 1997�� Mohinder,Mohinder, GrewalGrewal, , „„GlobalGlobal PositioningPositioning Systems,Systems, InertialInertial Navigation and Navigation and

IntegrationIntegration““, Wiley,, Wiley, 20012001�� Noltemeier, Noltemeier, „„Graphentheorie mit Algorithmen und AnwendungenGraphentheorie mit Algorithmen und Anwendungen““, , Walter Walter

de Gruyter, 1976de Gruyter, 1976

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