DE10154321B4 - Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem - Google Patents

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Abstract

Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem, um einen Fahrzeugführer beim Führen eines Fahrzeugs zu unterstützen, umfassend:
ein Karteninformationsmittel (10) zur Bereitstellung von einer Karteninformation einer Fahrbahn (2) vor dem Fahrzeug (1);
ein Fahrzeugführungsunterstützungsmittel (13, 14), um den Fahrzeugführer (12) beim Führen des Fahrzeugs (1) zu unterstützen; sowie
ein Hindernisinformation-Erlangungsmittel (4, 11), um eine Information über ein Hindernis (3) zu erlangen, welches vor dem Fahrzeug (1) liegt, wobei die Information einen Abstand zu dem Hindernis (3) und eine Breite des Hindernisses (3) enthält;
wobei das Fahrzeugführungsunterstützungsmittel (13, 14) dazu ausgebildet ist, dann einen Ausweichweg zu bestimmen, wenn ein Hindernis (3) durch das Hindernisinformation-Erlangungsmittel (4, 11) erfasst ist, und wobei es die von dem Karteninformationsmittel (10) bereitgestellte Karteninformation gemäß dem Abstand zu dem Hindernis (3) und der Breite des Hindernisses (3) modifiziert, welche durch das Hindernisinformation-Erlangungsmittel (4, 11) erfasst werden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem zur Unterstützung eines Fahrzeugführers, um das Fahrzeug nach Maßgabe von Karteninformation und/oder Straßeninformation zu führen, und betrifft im Besonderen ein Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem, welches normalerweise den Aufwand verringert, der von einem Fahrzeugführer zur Führung des Fahrzeugs erforderlich ist, welches jedoch denjenigen Fahrzeugführer nicht stört, der, wenn nötig, eine Ausweichmaßnahme ergreift.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In den letzten Jahren wurden zahlreiche Versuche unternommen, um die Anstrengungen zu reduzieren, die vom Fahrzeugführer zum Fahren des Fahrzeugs erforderlich sind. Als ein Teil solcher Versuche wurden verschiedene Formen von intelligenten Transportsystemen (ITS = "intelligent transportation system") vorgeschlagen. Ein ITS sammelt typischerweise Informationen über die Straße, welche vor dem Fahrzeug liegt, so dass das Fahrzeug die Straße entlangfahren kann, ohne dass der Fahrzeugführer irgendwelche Anstrengungen unternimmt, das Fahrzeug zu führen. Weiterhin kann ein ITS Verkehrsunfälle verhindern und es trägt zur Verringerung von Emissionen und anderer Umweltprobleme bei, indem es Verkehrsstaus vermeidet. Straßeninformationen können durch Bezugnahme auf in das System eingebaute Kartendaten nach Maßgabe von Positionsdaten gewonnen werden, welche von Satellitennavigationssystemen (GPS), von entlang der Straße vorgesehenen Funkwellenbaken oder von unter der Straße vergrabenen Induktionskabeln erhalten werden.
  • In einem frühen Stadium der ITS-Entwicklung wurde eine vollständig automatisierte Fahrzeugführung als eine Anwendung einer extrem weit fortgeschrittenen Form künstlicher Intelligenz angestrebt und die Erwartungen waren hoch. Beispiele derartiger Anstrengungen waren die Gewinnung von Fahrbahnbegrenzungen durch Bilderkennungsverfahren und die Erfassung von Hindernissen durch Radar. Es wurden verschiedene Entwicklungen erreicht, jedoch wurden nur sehr wenige von diesen als auf praktische Situationen anwendbar erachtet. Dies liegt in der Tatsache begründet, dass die Technologie zur Umgebungserkennung nicht als ein praktisches und zuverlässiges System vollständig vervollkommnet wurde. Aus diesem Grunde wurde nach dem Kenntnisstand der Erfinder keines der intelligenten Transportsysteme erfolgreich in der Praxis angewendet.
  • Damit das intelligente Transportsystem zuverlässig genug ist, um in der Praxis angewendet zu werden, glauben die Erfinder, dass das Eingreifen des Fahrzeuginsassen unerlässlich ist. Andererseits wird von dem intelligenten Transportsystem gefordert, dass es in der Lage sei, die mentale und körperliche Belastung des Fahrzeugführers zu minimieren. Daher ist es wünschenswert, ein Autoritätsgleichgewicht zwischen dem Fahrzeugführer und dem System zu erreichen. Genauer darf dann, wenn das Fahrzeug auf ein in der Verkehrsumgebungsinformation nicht enthaltenes Hindernis trifft und der Fahrzeugführer selbst eine Ausweichmaßnahme ergreifen muss, das Fahrzeugführerunterstützungs-Steuer/Regelsystem den Versuch des Fahrzeugführers, eine solche Maßnahme zu ergreifen, nicht beeinträchtigen.
  • Weiterer für die vorliegende Erfindung relevanter Stand der Technik ist in den Druckschriften DE 199 26 745 A1 , DE 199 48 913 A1 und DE 198 54 633 A1 offenbart.
  • In der Druckschrift DE 199 26 745 A1 ist ein Hindernis-Ausweich-Steuersystem für ein Fahrzeug gezeigt, mit welchem eine Kollision eines Fahrzeugs mit einem Hindernis auf automatischem Wege vermieden werden soll. Dieses Steuerungssystem umfasst ein Hinderniserfassungsmittel, um die Lage eines Hindernisses in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs vor dem Fahrzeug zu erfassen, sowie darüber hinaus Mittel, um zu erfassen, ob in einer Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ein Ausweichraum für das Fahrzeug existiert. Wenn ein Hindernis erfasst wird, leitet je nach den erfassten Umständen das Steuerungssystem entweder einen Bremsvorgang ein oder verbessert die Wendefähigkeit des Fahrzeugs, um dem Fahrer ein Lenkmanöver zu erleichtern. Maßnahmen zur Verbesserung der Wendigkeit des Fahrzeugs werden nur dann getroffen, wenn das Steuerungssystem erfasst, dass dem Hindernis durch einen Lenkvorgang noch ausgewichen werden kann, und außerdem ausreichend Raum für ein Ausweichmanöver vorhanden ist. Andernfalls wird eine Vollbremsung eingeleitet.
  • Ein Beispiel für ein System zur Lenksteuerung eines Fahrzeugs ist aus der Druckschrift DE 199 48 913 A1 bekannt. Das System weist neben einem Elektromotor für eine Servolenk-Hilfsdrehmoment-Steuerung ein Navigationssystem auf, dessen Ausgabe zur Korrektur des vom Fahrzeugfahrer eingegebenen erfassten Lenkwinkels verwendet wird. Eine gewünschte Gierrate wird auf der Basis des korrigierten Lenkwinkels und der erfassten Fahrgeschwindigkeit unter Verwendung eines Gierratenmodells bestimmt, wodurch eine Fahrbahnhalte-Lenkhilfsdrehmoment-Steuerung in besser geeigneter Weise durchgeführt werden kann. Im Falle, dass der Fahrzeugfahrer den Wunsch hat, das Fahrzeug selbst zu lenken, etwa um ein auf der Fahrbahn befindliches Hindernis zu vermeiden, ist vorgesehen, die Steuerung aufzuheben und dem Fahrzeugfahrer die volle Verfügungsgewalt über die Steuerung des Fahrzeugs zu überlassen. Außerdem ist das System in der Lage, die Lenkung durch den Fahrzeugfahrer zu überwachen, um zu verhindern, dass sich der Fahrzeugfahrer in zu starkem Ausmaß auf die Lenkhilfssteuerung verlässt.
  • Schließlich zeigt die Druckschrift DE 198 54 633 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung eines Fahrzeugkarosserie-Schräglaufwinkels bzw. eines Schlupfwinkels bei der Bewegungssteuerung eines Fahrzeugs zur Unterstützung des Fahrzeugführers. Der nach dem Verfahren dieser Druckschrift berechnete Schräglaufwinkel bzw. Schlupfwinkel stellt dabei eine hilfreiche Größe zur Steuerung des Ansprechverhaltens und der Stabilität des Fahrzeugs dar.
  • KURZER ABRISS DER ERFINDUNG
  • Angesichts derartiger Probleme des Standes der Technik und der Erkenntnis der Erfinder ist es eine vordringliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem bereitzustellen, welches ein Autoritätsgleichgewicht zwischen dem Fahrzeuginsassen und dem Steuer/Regelsystem einrichten kann.
  • Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem bereitzustellen, welches den Fahrzeuginsassen in die Lage versetzt, wenn nötig eine Ausweichmaßnahme zu ergreifen, ohne von dem Steuer/Regelsystem gestört zu werden.
  • Es ist eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem bereitzustellen, welches der Absicht des Fahrzeugführers eine hohe Priorität gibt, jedoch sowohl den körperlichen als auch den psychologischen Aufwand minimiert, welcher für den Fahrzeugführer nötig ist, um das Fahrzeug zu führen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können derartige Aufgaben erfüllt werden durch Bereitstellen eines Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystems, um einen Fahrzeugführer bei der Führung eines Fahrzeugs zu unterstützen, welches umfasst:
    ein Karteninformationsmittel zur Bereitstellung von einer Karteninformation einer Fahrbahn vor dem Fahrzeug;
    ein -Fahrzeugführungsunterstützungsmittel, um den Fahrzeugführer beim Führen des Fahrzeugs zu unterstützen; sowie
    ein Hindernisinformation-Erlangungsmittel, um eine Information über ein Hindernis zu erlangen, welches vor dem Fahrzeug liegt, wobei die Information einen Abstand zu dem Hindernis und eine Breite des Hindernisses enthält;
    wobei das Fahrzeugführungsunterstützungsmittel dazu ausgebildet ist, dann einen Ausweichweg zu bestimmen, wenn ein Hindernis durch das Hindernisinformation-Erlangungsmittel erfasst ist, und wobei es die von dem Karteninformationsmittel bereitgestellte Karteninformation modifiziert, und zwar gemäß dem Abstand zu dem Hindernis und der Breite des Hindernisses, welche durch das Hindernisinformation-Erlangungsmittel erfasst werden.
  • Das Hindernisinformation-Erlangungsmittel kann, unter anderen Möglichkeiten, aus einem Radar unter Verwendung von Ultraschall, elektromagnetischer Strahlung oder eines Laserstrahls gebildet sein. Das Karteninformationsmittel kann aus einer Anordnung zur Speicherung von Karteninformation sowie aus einer Anordnung zur Identifikation der Position des Fahrzeugs, wie etwa ein Satellitennavigationssystem (GPS), einer Bake oder einem anderen Telekommunikationsweg zum Empfang von Information über die Position des Fahrzeugs von einer festen Station oder einem unter der Fahrbahn vergrabenen oder entlang der Fahrbahn vorgesehenen Kabel gebildet sein. Die Karteninformation kann ebenso von einer festen Station heruntergeladen werden. In jedem Falle würde der Steuer/Regelvorgang des Systems den Fahrzeugführer dann nicht stören, wenn dieser eine notwendige Ausweichmaßnahme ergreift, da das Fahrzeugführungsunterstützungsmittel die Information über ein Hindernis berücksichtigt.
  • Aus rechenökonomischen Gründen kann der Ausweichweg als eine Krümmung definiert sein, welche sich als eine sinusförmige mathematische Funktion der Position des Fahrzeugs entlang des Wegs verändert. Das Fahrzeugführungsunterstützungsmittel kann aus einem Lenksystem bestehen, welches ein gewisses Lenkmoment ausübt, um einen Soll-Fahrzeugseitenschräglaufwinkel oder eine Gierrate zu erreichen, welche aus dem dynamischen Zustand des Fahrzeugs relativ zur Fahrbahn berechnet werden, oder es kann aus einem Antriebskraft-/Bremskraft- Verteilungssystem gebildet sein, welches eine Antriebskraft-/Bremskraft zwischen den rechten und den linken Rädern des Fahrzeugs verteilt, um wiederum einen Soll-Fahrzeugseitenschräglaufwinkel oder eine Gierrate zu erreichen, welche aus dem dynamischen Zustand des Fahrzeugs relativ zur Straße berechnet werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Im Folgenden wird nun die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, bei denen:
  • 1 ein Diagramm ist, welches ein Fahrzeug zeigt, das mit einem Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem ausgestattet ist, das die vorliegende Erfindung verkörpert, und welches in eine S-Kurve einfährt;
  • 2 ein Blockdiagramm des Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 ein Diagramm ist, welches eine mathematische Repräsentation der S-Kurve zeigt;
  • 4 ein Graph ist, welcher die Krümmung definiert, die sich entlang der Länge der Kurve kontinuierlich ändert;
  • 5 eine der 3 ähnliche Ansicht ist, welche einen Ausweichkurs zum Ausweichen eines Hindernisses in der S-Kurve zeigt;
  • 6 ein Diagramm ist, welches den Weg des Fahrzeugs zeigt, wenn kein Hindernis vorhanden ist, mit und ohne dem Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ein Graph ist, welcher die Leistung bei der Verfolgung des in 6 gezeigten Sollkurses ohne das Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 8 ein Graph ist, welcher die Leistung bei der Verfolgung des in 6 gezeigten Sollkurses mit dem Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem der vorliegenden Erfindung auf Grundlage der Gierratensteuerung/regelung zeigt;
  • 9 ein Graph ist, welcher die Leistung bei der Verfolgung des in 6 gezeigten Sollkurses mit dem Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem der vorliegenden Erfindung auf Grundlage der Fahrzeugkarosserie-Seitenschräglaufwinkel-Steuerung/Regelung zeigt; sowie
  • 10 ein Diagramm ist, welches die Verfahrwege bezüglich des Sollverfahrwegs zeigt, wenn ein Hindernis auf der Fahrbahn vorhanden ist, und zwar für Fälle, in denen die Gierratensteuerung/regelung und die Fahrzeugkarosserie-Seitenschräglaufwinkel-Steuerung/Regelung der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, und ebenso für den Fall, dass das Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem nicht verwendet wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Es wurden verschiedene Vorschläge gemacht, um Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsysteme zur Reduzierung der mentalen und körperlichen Strapazen des Fahrzeugführers zu entwickeln. Die Fahrbahninformation kann durch verschiedene Methoden in nummerische Daten umgewandelt werden. Beispielsweise kann die Fahrbahninformation als die Krümmung der Fahrbahn, auf welcher das Fahrzeug fährt, zu jedem Zeitpunkt gegeben sein. Solche Daten können mit anderer Karteninformation und GPS-Information kombiniert werden und können dem Fahrzeug über eine entlang der Fahrbahn vorgesehene Bake oder über eine beliebige andere Form von Telekommunikation zugeführt werden. Das Verfahren zur Unterstützung der Fahrzeugführung kann, unter anderen Möglichkeiten, aus einem Ausüben eines Unterstützungsdrehmoments auf das Lenkrad, einem Lenken des Hinterrads sowie einem Ausüben eines Giermoments auf das Fahrzeug durch Verteilen unterschiedlicher Antriebs-/Bremskräfte auf die rechten und die linken Räder gebildet sein. Auf Grundlage einer derartigen Erkenntnis werden im Folgenden verschiedene Modi einer Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuerung/Regelung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Modus 1
  • Wenn das Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit V fährt, beträgt die Gierrate des einen Fahrbahnweg mit einem Krümmungsradius ρ fahrenden Fahrzeugs V/ρ. Diese ist als eine Soll-Gierrate gegeben und auf das Fahrzeug wird ein Giermoment Mz ausgeübt, welches zur Abweichung der tatsächlichen Gierrate von dieser Soll-Gierrate Δγ = γ – (V/ρ) proportional ist. Die Verstärkung für diese Steuerung/Regelung wird aus dem Rückstellmoment des Fahrzeugs erhalten, welches mit Reifen ausgestattet ist, die eine lineare Eigenschaft aufweisen, wenn das Fahrzeug eine Gierbewegung durchführt, Mz = –(2α/V)(Lf 2Kf + Lr 2Kr){γ – (V/ρ)}wobei Lf der Abstand zwischen dem Schwerpunkt und der Vorderachse ist, Lr der Abstand zwischen dem Schwerpunkt und der Hinterachse ist, Kf und Kr Kurvensteifigkeiten der Vorder- bzw. der Hinterräder sind und α ein Koeffizient ist, welcher das Ausmaß an Unterstützung repräsentiert. α beträgt 1,0 im Falle einer 100%-Unterstützungssteuerung/regelung, ist jedoch normalerweise als 0,5 gewählt.
  • Modus 2
  • In ähnlicher Weise kann die Verstärkung erhalten werden, indem man den Wert von Mz findet, welcher das Giermoment von –Δγ hervorruft, wenn das Fahrzeug, welches mit Reifen ausgestattet ist, die eine lineare Eigenschaft aufweisen, bei der konstanten Geschwindigkeit fährt. mV(dβ/dt) + 2(Kf + Kr)β + {mV + (2/V)(LfKf – LrKr)}Δγ = 0 2(LfKf – LrKr)β + I(dΔγ/dt) + (2/V)(Lf 2Kf + Lr 2Kr)Δγ = Mz
  • Da (dβ/dt) = (dΔγ/dt) = 0 Mz = 2L2KfKr(1 + AV2){γ – (V/ρ)}/{(Kf + Kr)V}wobei m die Masse des Fahrzeugs ist, β der Fahrzeugkarosserie-Seitenschräglaufwinkel ist, L der Abstand zwischen der Vorder- und der Hinterachse ist und A ein Stabilitätsfaktor ist.
  • Modus 3
  • Gemäß einem Prinzip, welches dem von Modus 1 ähnlich ist, wird eine Gleitmodussteuerung/regelung unter der Verwendung von S = γ – (V/ρ) als einer Gleitfläche durchgeführt. (dS/dt) + kS = 0
  • Daher gilt (dγ/dt) – {(dV/dt)/ρ} + k{γ – (V/ρ)} = 0
  • Da (dV/dt) = 0 gilt, wenn das Fahrzeug bei konstanter Geschwindigkeit fährt und I(dγ/dt) = 2(LfYf – LrYr) + Mz folgt, dass Mz = –2(LfYf – LrYr) – kI{γ – (V/ρ)}wobei ρ geschätzt ist, k eine geeignet gewählte Konstante ist, Yf und Yr Kurvenkräfte der Vorder- bzw. der Hinterräder auf Grundlage eines Reifenmodells sind.
  • Modus 4
  • Wenn das Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit von V entlang eines Wegs mit einem Kurvenradius ρ fährt, beträgt die Querbeschleunigung V2/ρ. Wenn angenommen wird, dass die Reifen eine lineare Eigenschaft zeigen, betragen die Querkräfte der Vorder- und der Hinterräder (Lf/L)(mV2/ρ) bzw. (Lr/L)(mV2/ρ). Da γ =(V/ρ), gilt die folgende Beziehung für die Hinterräder. –2Kr{β – (Lr/V)(V/ρ)} = (Lf/L)(mV2/ρ)wobei das aus dieser Gleichung erhaltene β mit βm bezeichnet wird. Dann gilt βm(V/ρ){(Lr/V) – (mLfV/2LKr)}
  • Dies wird als der Soll-Seitenschräglaufwinkel bezeichnet und ein zu Δβ = (β – βm) proportionales Giermoment wird auf das Fahrzeug ausgeübt. Die Verstärkung wird erhalten als das Rückstellmoment für einen Einheits-Fahrzeugkarosserie-Seitenschräglaufwinkel, wie er im Folgenden gegeben ist. Mz = –2α(LfKf – LrKr)(β – βm)
  • Modus 5
  • Gemäß einem Prinzip, welches dem von Modus 4 ähnlich ist, wird die Verstärkung erhalten durch Berechnung eines Giermoments, welches unter einer Bedingung eines statischen Zustandes einen Seitenschräglaufwinkel von –Δβ hervorrufen würde. Genauer kann auf Grundlage der folgenden Gleichungen 2(Kf + Kr)Δβ + {mV + (2/V)(LfKf – LrKr)}γ = 0 2(LfKf – LrKr)Δβ + (2/V)(Lf 2Kf + Lr 2Kr)}γ = Mz die folgende Gleichung erhalten werden. Mz = 4L2KrKf(1 + AV2)(β – βm)/{mV2 + 2(LfKf – LrKr)}
  • Modus 6
  • Gemäß einem Prinzip, welches dem von Modus 4 ähnlich ist, wird eine Gleitmodussteuerung/regelung ausgeführt, unter Verwendung von S = dβ/dt + c(β – βm)
  • Aus (dS/dt) + kS = 0 (d2β/d2t) + (c + k)(dβ/dt) + kc(β – βm) = 0 (dβ/dt) = {(Yf + Yr)/mV} – γ (dγ/dt) = {(LfKf – LrKr)/I} + (Mz/I)
  • Daher gilt Mz = –(LfKf – LrKr) + (I/mV){(dYf/dt) + (dYr/dt)} + cI(dβ/dt) + kcI(β – βm)wobei c und k geeignet gewählte Konstanten sind und I das Trägheitsmoment für die Gierbewegung der Fahrzeugkarosserie ist.
  • Die Modi 1 bis 3 basieren auf einer Gierraten-Unterstützungssteuerung/regelung und die Modi 4 bis 6 basieren auf einer Fahrzeugkarosserie-Seitenschräglaufwinkel-Unterstützungssteuerung/regelung. Von diesen erfordern jene außer Modi 1 und 4, im Besonderen die Modi 3 und 6, ein übermäßiges Eingreifen des Fahrzeugführers und sind daher ohne eine gewisse Korrekturmaßnahme aufgrund einer schlechten Kursverfolgungsfähigkeit für einen praktischen Einsatz verhältnismäßig ungeeignet.
  • Für die Details dieser Methoden sollte Bezug auf USP 6,233,513 genommen werden, welches am 15. Mai 2001 an die gleichen Erfinder erteilt wurde.
  • Die Inhalte dieses Patents des Standes der Technik und der gemeinsam mit dieser anhängigen Anmeldung sind hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung integriert.
  • Ein derartiges Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem kann dann einfach eingesetzt werden, wenn das Fahrzeug einfach dem Fahrbahnverlauf folgen soll. Dann jedoch, wenn der Fahrzeugführer eine ausweichende Lenkmaßnahme durchführt, welche nicht der Krümmung des Fahrbahnverlaufs entspricht oder welche die Fahrspur ändert, könnte das Steuer/Regelsystem den Fahrzeugführer bei der Durchführung einer solchen Maßnahme behindern. Daher ist das Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet mit einer Radareinheit, um das Vorhandensein eines Hindernisses unter Verwendung von Ultraschall, von elektromagnetischer Strahlung oder von Licht zu erfassen, mit einer Berechnungseinheit zur Berechnung eines alternativen Kurses, um dem erfassten Hindernis auszuweichen, sowie mit einer Fahrzeugführungsunterstützungseinheit, um den Fahrzeugführer zu unterstützen bzw. ihm zu helfen, den berechneten Alternativkurs zu erreichen, anstatt den Fahrzeugführer darin zu behindern, eine solche Ausweichmaßnahme durchzuführen.
  • Wenn beispielsweise die Fahrspur gewechselt wird, um in einer Notfallsituation einem Hindernis auszuweichen, ist der Weg zur Durchführung einer Ausweichmaßnahme als eine Krümmung bestimmt, welche als eine mathematische Funktion der Fahrzeugposition gegeben ist. Obwohl es eine unendliche Anzahl von möglichen Kursen für die Ausweichmaßnahme gibt, ist in diesem Falle ein Kurs ausgewählt, welcher durch eine sich sinusförmig ändernde Krümmung definiert ist. Wie durch einen Fachmann einfach verstanden werden kann, ist es möglich, andere mathematische Funktionen auszuwählen, um das gleiche Ziel zu erreichen.
  • In den folgenden Gleichungen ist die Amplitude κo derart bestimmt, dass (X, Y), welche durch Integrieren der folgenden Gleichungen über einen Zyklus bestimmt ist, gleich einer geforderten Ausweichbreite ist. d2X/ds2 = –κ0sin(2πs/Lp)(dY/ds) d2Y/ds2 = –κ0sin(2πs/Lp)(dX/ds)
  • In praktischen Anwendungen ist es ebenso notwendig, die Fahrzeuggeschwindigkeit V zu beachten und die Fahrzeuggeschwindigkeit zu steuern/regeln. Dabei ist (X, Y) eine Positionskoordinate in einem Kartesischen Koordinatensystem, s ist die entlang des Fahrwegs des Fahrzeugs definierte Positionskoordinate und Lp ist der Abstand zum Hindernis zu der Zeit, zu der die Ausweichhandlung gestartet wird.
  • Gemäß einem vereinfachteren Verfahren, nämlich dann, wenn angenommen wird, dass das Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit fährt und d2y/dt2 = V2/ρ gilt, reduziert sich das Problem auf ein Auffinden von ρ0 der folgenden Gleichung, welches zu einer Querverlagerung führen würde, die gleich D ist, wenn das Fahrzeug Lp zurücklegt oder während einer Zeitdauer T = Lp/V. 1/ρ = 1/ρ0sin(2πVt/Lp)wobei y die Querverlagerung von dem Fahrweg aus ist. Aus dieser Gleichung dy/dt = (V2/ρ0)(Lp/2πV){1 – cos(2πVt/Lp)}
  • Daher gilt y = (V2/ρ0)(Lp/2πV){t – (Lp/2πV)sin(2πVt/Lp)}
  • Angenommen, dass y = D, wenn t = (Lp/V) 1/ρ0 = 2πD/Lp2 oder ρ0 = Lp 2/2πD
  • 1 zeigt ein Fahrzeug 1, welches mit einem Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist und welches entlang einer S-Kurve 2 fährt, und 2 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau des Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystems zeigt, von dem ein Teil aus verschiedenen Funktionen besteht, die durch einen geeignet programmierten Mikrocomputer ausgeführt werden. Zuallererst wird Fahrbahninformation unter Verwendung eines in ein GPS eingebautes Karteninformation-Erlangungsmittel 10 sowie von Kartendaten erlangt. Ein in einer bordeigenen Radareinheit 4 eingebautes Hindernisinformation-Erlangungsmittel 11 erfasst das Vorhandensein eines Hindernisses 3 auf der Fahrbahn 2, den Abstand zu dem Hindernis und die Breite des Hindernisses. Der Fahrzeugführer 12 fährt das Fahrzeug in einer üblichen Weise gemäß der visuell erlangten Information über die Fahrbahn vor dem Fahrzeug. Das Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem 14 unterstützt die Fahrzeugführung durch Steuerung/Regelung der Verteilung der Brems-/Antriebskraft zwischen den rechten und den linken Rädern gemäß der Fahrbahninformation und der Hindernisinformation, was unausweichlich ein gewisses Zeitverzögerungselement 13 einschließt.
  • 3 zeigt eine S-Kurve, welche als ein Beispiel zur Bewertung der Leistung des Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystems 14 der vorliegenden Erfindung gegeben ist. In 4 gilt
    X0 = 10 m, Y0 = 55 m, R1 = 60 m, R2 = 50 m, R3 = 60 m, and R4 = 50 m.
  • Um zu vermeiden, dass die Kurve irgendeine Unstetigkeit in der Krümmung aufweist, wird die Fahrbahninformation definiert, indem diese Kurve unter Verwendung von Klothoiden-Kurven modifiziert wird, wie in 4 gezeigt ist. Der Soll-Fahrbahnverlauf für die Ausweichmaßnahme ist, wie in 5 gegeben, bestimmt. Mit anderen Worten 1/ρ = (1/ρ0) sin(2πs/3Lp) (s = 0 ∼ 3Lp), und
    R1 = 60 m, R2 = 56 m, R3 = 60 m, and R4 = 56 m.
  • Der Fahrzeugführer wird durch die folgende Übertragungsfunktion repräsentiert. δ = –hse–τsεh ≅ –hsεh{1 –(τs/2)}/{1 + (τs/2)}, oder (τ/2)(dδ/dt) + δ = –hsεh{1 – (τs/2)}
  • Daher gilt (dδ/dt) = –2hsεh/τ + hs(dεh/dt) – 2δ/τ
  • Um einen geringfügigen Aufmerksamkeitsmangel seitens des Fahrzeugführers zu berücksichtigen, wird angenommen, dass der Fahrzeugführer das Fahrzeug für eine Zeitdauer von (V/LX) nach Einfahren in die erste Kurve aus dem geraden Abschnitt der Fahrbahn bei Punkt (1) in 3 nicht lenkt und dann beginnt, das Fahrzeug nach Maßgabe der Fehlerinformation des Teils der Fahrbahn zu lenken, welcher Lx m vor dem Fahrzeug liegt.
  • 6 bis 10 zeigen die Ergebnisse von Simulationsläufen zur Untersuchung der Leistung des Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystems bei einer Verbesserung der Fähigkeit, den Fahrbahnverlauf als ein Mann-Maschine-System zu verfolgen und die Stabilität des Systems zu bewerten. Das Fahrzeugmodell, das für die Simulationsläufe verwendet wurde, bestand aus einem nichtlinearen Modell mit 14 Freiheitsgraden, in das ein Kompositschlupf-Reifenmodell eingebaut ist. Das Reifenmodell war ein Bürstenmodell und die Komposit-Eigenschaften der Querkraft und der Längskraft wurden erhalten durch Integrieren der Belastung des Reifens an der Reifenkontaktfläche. Es wurde ein kleiner Personenwagen simuliert, der mit dem Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem ausgestattet war, und das Modell für den Fahrzeugführer bestand aus einem Vorhersagemodell erster Ordnung.
  • Rechnersimulationsläufe für kurvige Fahrbahnen mit verschiedenen Krümmungsradien wurden ausgeführt, um die Leistung des Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystems als ein Mann-Maschine-System zu bewerten. 6 zeigt die Kursabweichung des Mann-Maschine-Systems beim Befahren einer kurvigen Fahrbahn mit und ohne dem Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystemdervorliegenden Erfindung. Um die Wirksamkeit des Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystems beim Ergänzen der Steuer/Regelleistung des Fahrzeugführers zu verifizieren, wurde angenommen, dass der Fahrzeugführer nach einem Einfahren in die Kurve eine Sekunde lang keine Lenkmaßnahme unternahm. Typische Beispiele einer Lenkmaßnahme des Fahrzeugführers und der Antwort des Fahrzeugs sind in 7 bis 9 gezeigt. Die Gierraten-Steuerung/Regelung ist wirksam im Hinblick sowohl auf die Spurhaltefähigkeit als auch auf die Stabilität des Fahrzeugs.
  • Andererseits ist die Fahrzeugkarosserie-Seitenschräglaufwinkel-Steuerung/Regelung bei der Gewährleistung der Stabilität des Fahrzeugs wirksamer als die Gierraten-Steuerung/Regelung, ist jedoch bei einer Verbesserung der Kurs-Spurführungsfähigkeit weniger wirksam als die Gierraten-Steuerung/Regelung.
  • Um die Einflüsse des Konzepts eines Definierens eines alternativen Ausweichkurses auf die Stabilität und Kurs-Spurführungsfähigkeit des Fahrzeugs zu bewerten, wurde als ein repräsentatives Beispiel einer Ausweichmaßnahme eine Antwort eines Mann-Maschine-Systems bei der Änderung der Fahrspur während einer Kurvenfahrt untersucht, auf die ein tatsächliches Fahrzeug auf der Straße wahrscheinlich trifft. 10 zeigt das Ergebnis des Konzepts eines Definierens eines alternativen Ausweichkurses. Die Gierraten-Steuerung/Regelung bewirkt einen ungünstigen Einfluss auf die Antwort des Fahrzeugs, gestattet jedoch dem Mann-Maschine-System einen Kurs zu nehmen, welcher das Hindernis mit einer minimalen Querbewegung umgeht.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem vor, welches den Fahrzeugführer unterstützt, indem es verhältnismäßig einfache Umgebungsinformationen nutzt, und die Wirksamkeit des Steuer/Regelsystems wurde durch Computersimulation bewertet. Die Ergebnisse können wie im Folgenden gegeben zusammengefasst werden.
    • (1) Die Gierraten-Steuerung/Regelung und die Fahrzeugkarosserie-Seitenschräglaufwinkel-Steuerung/Regelung verbessern beide die Stabilität des Fahrzeugs in einem gewissen Maß, jedoch verschlechtert die Fahrzeugkarosserie-Seitenschräglaufwinkel-Steuerung/Regelung geringfügig die Kurs-Spurführungsfähigkeit.
    • (2) Das Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem der vorliegenden Erfindung gestattet dem Mann-Maschine-System, ein Hindernis durch Auswählen eines Ausweichkurses zu umgehen, welcher die Querbewegung minimiert und die Stabilität des Fahrzeugs gewährleistet.
  • In der vorangehenden Beschreibung wurde angenommen, dass das Fahrzeug bei einer konstanten Geschwindigkeit fährt. Typischerweise bremst der Fahrzeugführer jedoch das Fahrzeug in einer Notfallsituation. Das System der vorliegenden Erfindung ist zu einer Vorhersage in der Lage, welche für praktische Zwecke geeignet ist, und zwar selbst dann, wenn sich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ändert, indem je nach Bedarf geeignete Modifikationen an dem System durchgeführt werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen davon beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung, der in den angehängten Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.
  • Bei einem Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem zur Unterstützung eines Fahrzeugführers zur Führung eines Fahrzeugs werden ein Abstand zu dem Hindernis und eine Breite des Hindernisses durch ein Radar oder dgl. erfasst und dann, wenn ein Hindernis erfasst ist, bestimmt das System einen Ausweichweg und modifiziert die dem System verfügbare Karteninformation entsprechend. Daher würde das System, das sich der Situation bewusst ist, den Fahrzeugführer nicht stören, während er eine Ausweichhandlung vornimmt. Der Ausweichweg kann als eine Krümmung definiert sein, welche sich als eine sinusförmige mathematische Funktion der Position des Fahrzeugs entlang des Wegs ändert. Das Steuer/Regelsystem kann auf einer Gierraten-Steuerung/Regelung oder auf einer Fahrzeugseitenschräglaufwinkel-Steuerung/Regelung beruhen.

Claims (4)

  1. Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem, um einen Fahrzeugführer beim Führen eines Fahrzeugs zu unterstützen, umfassend: ein Karteninformationsmittel (10) zur Bereitstellung von einer Karteninformation einer Fahrbahn (2) vor dem Fahrzeug (1); ein Fahrzeugführungsunterstützungsmittel (13, 14), um den Fahrzeugführer (12) beim Führen des Fahrzeugs (1) zu unterstützen; sowie ein Hindernisinformation-Erlangungsmittel (4, 11), um eine Information über ein Hindernis (3) zu erlangen, welches vor dem Fahrzeug (1) liegt, wobei die Information einen Abstand zu dem Hindernis (3) und eine Breite des Hindernisses (3) enthält; wobei das Fahrzeugführungsunterstützungsmittel (13, 14) dazu ausgebildet ist, dann einen Ausweichweg zu bestimmen, wenn ein Hindernis (3) durch das Hindernisinformation-Erlangungsmittel (4, 11) erfasst ist, und wobei es die von dem Karteninformationsmittel (10) bereitgestellte Karteninformation gemäß dem Abstand zu dem Hindernis (3) und der Breite des Hindernisses (3) modifiziert, welche durch das Hindernisinformation-Erlangungsmittel (4, 11) erfasst werden.
  2. Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausweichweg als eine Krümmung definiert ist, welche sich als eine sinusförmige mathematische Funktion der Position des Fahrzeugs (1) entlang des Wegs ändert.
  3. Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugführungsunterstützungsmittel (13, 14) auf einer Gierraten-Steuerung/Regelung basiert.
  4. Fahrzeugführungsunterstützungs-Steuer/Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugführungsunterstützungsmittel (13, 14) auf einer Fahrzeugseitenschräglaufwinkel-Steuerung/Regelung basiert.
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