Vorteile der
Erfindung
Die
Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht es, die Güte und die
Dynamik der von der videobasierten Fahrspur- und Oberflächenerfassung
ermittelten Parameter zu verbessern.
Die
vorliegende Erfindung beschreibt die Erweiterung bestehender Modelle
zur Spur- und Oberflächenschätzung, die,
unter Einbeziehung einfacher Modelle für die Fahrdynamik, zu einer
Verbesserung der Schätzgüte führt. Die
Erweiterungen von Spur- und
Oberflächenschätzung können dabei
vorteilhaft miteinander eingesetzt, erforderlichenfalls jedoch auch
unabhängig
voneinander implementiert werden. Die Oberflächenschätzung wird um ein Modell für die Nick-
und Wankdynamik des Fahrzeugs erweitert. Aufgrund der detaillierteren
Modellierung und der zusätzlichen
Information aus der gemessenen Querbeschleunigung wird insbesondere
die Güte
und Dynamik der Wankwinkelschätzung
wesentlich verbessert. Darüber
hinaus können mit
der zusätzlichen
Information der Längsbeschleunigung
Nickwinkel und vertikale Krümmung
besser unterschieden werden, als dies allein auf Basis der gewonnenen
Bildinformationen möglich
wäre. Eine
detailliertere Modellierung bei der Fahrspurschätzung unter Berücksichtigung
des Schwimmwinkels β führt zu einer
Verbesserung der Güte
und der Dynamik der Schätzgrößen. Die
erweiterte Modellierung für
die Fahrspurschätzung kann
auf Basis des linearen Einspurmodells erfolgen, das die Dynamik
eines realen Fahrzeugs im unteren Querbeschleunigungsbereich bis
etwa 4 m/s2 recht genau beschreibt. Dabei
werden die Gierrate und der Lenkwinkel als zusätzliche Eingangsgrößen benötigt, die
in modernen Fahrzeugen aber ohnehin als Messgrößen zur Verfügung stehen.
Darüber
hinaus liefert das erweiterte Modell den Schwimmwinkel des Fahrzeugs
als zusätzliche
Schätzgröße. Dieser
wird z.B. für
die Anwendung einer Zustandsregelung zur Querführung benötigt. Die Fahrzeugbewegung
kann unter Kenntnis des Schwimmwinkels besser prädiziert werden, was für Funktionen
wie z.B. LDW (Lane Departure Warning) von Vorteil sein dürfte. Alternativ
kann der Schwimmwinkel als Eingangsgröße der Spurparameterschätzung zugeführt werden,
sofern er von anderen Systemen zur Verfügung gestellt wird.
Die
Erfindung ist im Fahrzeug gut nachweisbar. Die Umsetzung der hier
beschriebenen detaillierteren Modellierung für die Oberflächen- und
Fahrspurschätzung
lässt sich
einerseits anhand der Verwendung zusätzlicher Eingangssignale (wie
zum Beispiel Gierrate, Längs-
und Querbeschleunigung, der Signale von Einfederwegsensoren oder
von Nick- und Wankratensensoren) und andererseits anhand der verbesserten
Güte der
Schätzgrößen identifizieren.
Videobasierte
Systeme zur Fahrspurerfassung finden in einer Vielzahl von Systemen
zur Fahrzeugführungsassistenz
Anwendung. Beispiele hierfür
sind Assistenzsysteme, die den Fahrer vor dem Verlassen der Fahrbahn
warnen (LDW = Lane Departure Warning) oder ihn beim Lenken seines
Fahrzeugs aktiv unterstützen
sollen (Lane Keeping Support, Congestion Assistance). Solche Systeme
sind zum Teil schon am Markt eingeführt oder befinden sich noch
in der Serien- oder Vorentwicklung.
Zeichnung
Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigt
1 das
Blockschaltbild eines Systemes für
die Oberflächen-
und Spurschätzung,
sowie die Spurführung
bei einem Fahrzeug;
2 in
einer Kurvendarstellung die Geometrie der Relativbewegung eines
Fahrzeugs zu einer Bezugskurve;
3 die
Modelldarstellung eines Fahrzeugs in Seitenansicht;
4 die
Modelldarstellung eines Fahrzeugs in Heckansicht.
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
1 zeigt
das Blockschaltbild eines Systems 1 für die Oberflächen- und
Spurschätzung,
sowie die Spurführung
bei einem Fahrzeug. Das System 1 wird im Folgenden durchgehend
als Spurführungssystem
bezeichnet, obwohl es auch Teilsysteme für die Oberflächenschätzung und
Spurschätzung
umfasst, die jedoch die Grundlage für eine erfolgreiche Spurführung schaffen.
Das Spurführungssystem 1 umfasst
ein Steuergerät 3.
Mit dem Steuergerät 3 sind
Kameras 2.1 und 2.2 verbunden, die ein Stereobild
der von dem mit dem Spurführungssystem 1 ausgestatteten
Fahrzeug befahrenen Straße
aufnehmen. Die Erfindung ist allerdings auch mit einem Monosystem
realisierbar, das nur eine Kamera umfasst. Weiterhin sind mit dem
Steuergerät 3 mehrere
Sensoren 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 verbinden,
die später
noch erläuterte
Betriebskenngrößen des
Fahrzeugs erfassen. Schließlich
sind mit dem Fahrzeug Aktoren 5, 6, 7 verbinden,
die von dem Steuergerät 3 steuerbar
sind und beispielsweise in die Lenkung, die Bremse und/oder die
Motorsteuerung des Fahrzeugs eingreifen.
2 verdeutlicht
in einer Kurvendarstellung die Geometrie der Relativbewegung eines
lediglich schematisch dargestellten Fahrzeugs 20 in Bezug
auf eine Bezugskurve 22. Mit MMP ist der Schwerpunkt des Fahrzeugs 20 bezeichnet.
Weiterhin eingezeichnet ist ein rechtwinkliges Koordinatensystem,
dessen Nullpunkt mit dem Schwerpunkt MMP übereinstimmt. Die x-Achse des
Koordinatensystems stimmt mit der Längsachse des Fahrzeugs 20 überein.
Die y-Achse des Koordinatensystems liegt in der Querachse des Fahrzeugs 20.
die z-Achse des Koordinatensystems steht senkrecht auf der durch
die x- und y-Achse
aufgespannten Ebene. Der Schwerpunkt MMP des Fahrzeugs 20 bewegt
sich mit der Geschwindigkeit v entlang der mit Bezugsziffer 21 bezeichneten
Kurve. Dabei weicht der Geschwindigkeitsvektor v des Fahrzeugs 20 um
den so genannten Schwimmwinkel β von
der Längsachsenrichtung
des Fahrzeugs 20, die mit der x-Achse des Koordinatensystems übereinstimmt,
ab. In 2 ist ein weiteres rechtwinkliges Koordinatensystem
eingezeichnet, das die Achsen XB und YB umfasst. Dabei liegt die Achse XB tangential an der Bezugskurve 22,
während
die Achse YB senkrecht auf der Bezugskurve 22 steht.
Mit Ψd ist der Bahndifferenzwinkel zwischen der
Längsachse
(x-Achse) des Fahrzeugs 20 und
der Tangente (Achse XB) an die Bezugskurve 22 bezeichnet.
Mit Yd ist der Querversatz des Schwerpunkts
MMP des Fahrzeugs 20 in Bezug auf die Bezugskurve 22 bezeichnet.
Schließlich
ist mit R noch der Kurvenradius der Bezugskurve 22 bezeichnet.
Für die weiteren
Ausführungen
wird auch Bezug auf 3 und 4 der Zeichnung
genommen. Dabei zeigt 3 die Modelldarstellung eines
Fahrzeugs in Seitenansicht. 4 zeigt
die Modelldarstellung eines Fahrzeugs 20 in Heckansicht.
Das in 3 in Seitenansicht dargestellte Fahrzeug 20 führt gerade
eine Nickbewegung aus. Das Fahrzeug 20 hat die Masse m.
Sein Schwerpunkt ist wiederum mit MMP bezeichnet. Das Fahrzeug 20 führt Nickbewegungen
um ein Nickzentrum NZ aus. Der Abstand des Schwerpunkts MMP von
diesem Nickzentrum NZ ist mit hNZ bezeichnet.
Das Trägheitsmoment
des Fahrzeugs 20 in Richtung der y-Achse um das Nickzentrum
NZ ist mit JY bezeichnet. Der Abstand des
Schwerpunks MMP von der Vorderachse des Fahrzeugs 20 ist
mit Iv bezeichnet. Der Abstand des Schwerpunkts
MMP von der Hinterachse des Fahrzeugs 20 ist mit Ih, bezeichnet. Das Fahrzeug 20 verfügt vorn
und hinten über
eine Federung. Deren Federkonstanten sind mit cv (Federkonstante
vorne) bzw. cr (Federkonstante hinten) bezeichnet.
Weiterhin verfügt
das Fahrzeug 20 vorne und hinten über Dämpfer. Deren Dämpferkonstanten
sind mit dv (Dämpferkonstante vorne) bzw.
dr(Dämpferkonstante
hinten) bezeichnet. Der Nickwinkel des Fahrzeugs 20 und
dessen zeitliche Ableitung sind mit γ, γ . bezeichnet. Für die mit
den Nickbewegungen des Fahrzeugs 20 verbundenen Einfederwege
und deren zeitliche Ableitungen sind in 3 noch folgende
Bezeichnungen eingetragen:
zhl; żhl: Einfederweg hinten links und dessen zeitliche
Ableitung;
zhr, żhr:
Einfederweg hinten rechts und dessen zeitliche Ableitung;
zvl, żvl: Einfederweg vorne links und dessen zeitliche
Ableitung;
zvr, żvr:
Einfederweg vorne rechts und dessen zeitliche Ableitung.
4 zeigt
eine Modelldarstellung des Fahrzeugs 20 in Heckansicht.
Das Fahrzeug 20 führt
gerade eine Wankbewegung um ein mit WZ bezeichnetes Wankzentrum
aus. Der Schwerpunkt des Fahrzeugs 20 hat einen Abstand
hWZ von dem Wankzentrum WZ. Der Wankwinkel
und dessen zeitliche Ableitung sind mit α, ἀ bezeichnet. Mit
cs ist die zusammengefasste Stabilisatorsteifigkeit
von Vorder- und Hinterachse des Fahrzeugs 20 bezeichnet.
Mit Jx ist das Trägheitsmoment des Fahrzeugs 20 in
Richtung der x-Achse um das Wankzentrum WZ bezeichnet. Mit b ist
die Spurweite des Fahrzeugs 20 bezeichnet. Die übrigen Bezeichnungen
entsprechen den schon im Zusammenhang mit der Darstellung in 3 erläuterten
Bezeichnungen.
Im
Folgenden wird das Verfahren für
die Spurführung
eines Fahrzeugs
20 unter Verwendung des in
1 dargestellten
Spurführungssystem
1 weiter
beschrieben, wobei zunächst
auf die Oberflächenschätzung näher eingegangen
wird. In modernen Fahrzeugen wird die Querbeschleunigung a
y mittels eines Sensors gemessen. In einigen
Fahrzeugen gibt es serienmäßig bereits
auch Sensoren für
die Messung der Längsbeschleunigung
a
x. Sofern diese Messgrößen zur Verfügung stehen,
kann für
die Oberflächenschätzung der Fahrbahnoberfläche der
von dem Fahrzeug
20 befahrenen Fahrbahn eine detaillierte
Modellierung der Nick- und Wankdynamik erfolgen. Aus dem Momentengleichgewicht
um die Längs-und
die Querachse des Fahrzeugs
20 erhält man je eine Differentialgleichung
zweiter Ordnung für
die Nick- und Wankbewegung. Unter der Annahme linearer Federn vorne
c
v, und hinten c
h,
sowie linearer Dämpfer
vorne d
v und hinten d
h,
lässt sich
die Nick- und Wankdynamik eines Fahrzeugs dann in ein Zustandsraummodell überführen. Im
Einzelnen sind dabei folgende Beziehungen zu betrachten:
Für die Einfederwege
können
bei kleinem Nickwinkel γ und
kleinem Wankwinkel α folgende
Näherungen
betrachtet werden:
Die
zeitlichen Ableitungen daraus sind:
Die
auf das Fahrzeug 20 wirkenden Kräfte ergeben sich unter Annahme
linearer Federn und Dämpfer zu: Fvl = –cvzvl – dvżvl Fvr = –cvzvr – dvżvr Fhl = –chzhl – dvżhl Fvr = –cvzvr – dvżvr
Die
an dem Schwerpunkt MMP des Fahrzeugs 20 angreifende Querkraft
ist: Fy = –may
Die
an dem Schwerpunkt MMP des Fahrzeugs 20 angreifende Längskraft
ist: Fx = –max
Aus
dem Momentengleichgewicht um das Wankzentrum WZ folgt:
Aus
dem Momentengleichgewicht um das Nickzentrum NZ folgt:
Daraus
folgt die Zustandsraumdarstellung für die Nick- und Wankdynamik
des Fahrzeugs 20: ẋ = Ax +
Bu y = f(x)
Eingangsgrößen sind
also die Längs-
bzw. Querbeschleunigung.
Zustandsgrößen sind
die Winkel und deren Ableitungen. Für die Matrizen ergibt sich:
und
Der
Zustandsvektor und der Eingangsvektor sind durch
gegeben.
Die
Längsbeschleunigung
ax wird dabei vorteilhaft aus dem Ausgangssignal
eines Längsbeschleunigungssensors
oder aus der zeitlichen Ableitung der Geschwindigkeit dv/dt gewonnen.
Die Querbeschleunigung av wird vorteilhaft
von einem Querbeschleunigungssensor geliefert.
Die
Steifigkeiten der Wankstabilisatoren an der Vorder- und Hinterachse
wurden zu cs zusammnengefasst. Mit hn ist der Abstand des Schwerpunkts MMP des
Fahrzeugs 20 von dem Nickzentrum NZ und mit hw dem
Abstand des Schwerpunkts MMP von dem Wankzentrum WZ bezeichnet.
Aufgrund der linearen Betrachtungsweise sind Nick- und Wankbewegung
vollständig
voneinander entkoppelt. Es ist daher im Rahmen einer vereinfachten
Ausführungsvariante
auch möglich,
die detailliertere Modellierung gemäß der erfindungsgemäßen Lösung nur
für die
Wankbewegung zu implementieren und für die Nickdynamik näherungsweise γ . =
0 anzusetzen, zum Beispiel, wenn in dem Fahrzeug 20 keine
ax -Messung zur Verfügung steht. Mit zwei Videokameras 2.1, 2.2 in
Stereo-Anordnung werden gleichzeitig zwei Videobilder des Verkehrsraums,
insbesondere der Fahrbahn, aufgenommen. Die Oberflächenparameter
der Fahrbahn werden dann aus der Disparität der Messpunkte zwischen dem
linken und dem rechten Videobild abgeleitet. Die nichtlineare Messgleichung y = f(x)beschreibt dabei die Abhängigkeit
der Disparität
von den Zustandsgrößen unter
Berücksichtigung
der perspektivischen Abbildungsgesetzmäßigkeiten der Kamera 2.1, 2.2.
Bei Kenntnis der Matrizen A und B, die nur von Kenngrößen des
Fahrzeugs 20 abhängen,
sowie der Jacobi-Matrix J= ∂f/∂x
Kann
der Zustandsvektor x gemäß Beziehung
(4) in Abhängigkeit
des Eingangsvektors u mittels eines erweiterten Kalmanfilters auf
Basis der gemäß Beziehung
(1) beschriebenen Systemdynamik geschätzt werden.
Auf
vorteilhafte Weise kann die zuvor beschriebene Schätzung der
Oberfläche
noch zusätzlich
durch Messungen gestützt
werden, wodurch die Genauigkeit der Schätzung noch wesentlich verbessert
werden kann. Insbesondere kann die Nickbewegung des Fahrzeugs 20 γ; γ . durch
einen Nickratensensor oder durch Einfederwegsensoren messtechnisch
erfasst werden. Weiterhin kann auch die vertikale Auslenkung der
Kamera aus der Ruhelage bzw. der Einfederweg Δz durch einen Sensor erfasst
werden. Und schließlich
kann auch noch die Wankbewegung des Fahrzeugs 20 durch
einen Wankratensensor oder auch durch andere den Einfederweg messende
Sensoren erfasst werden. Auch bieten sich, ggf. in Ausführungsvarianten
der Erfindung, Kombinationen der genanten Messmöglichkeiten für die Erfassung
und Auswertung der Messwerte an.
Ein
einfaches Modell zur Beschreibung der Fahrzeugquerdynamik ist das
aus der Literaturstelle Zomotor: "Fahrwerktechnik: Fahrverhalten", 1. Auflage, Vogel
Buchverlag, Würzburg,
1987 bekannte lineare Einspurmodell, bei dem die Vorder- und Hinterachse
durch jeweils ein Rad in der Fahrzeugmittelebene ersetzt werden
und für
die Seitenkräfte
vorne und hinten ein linearer Zusammenhang mit den Schräglaufwinkeln
angenommen wird. Die Zustandsgrößen des
linearen Einspurmodells sind die Gierrate Ψ und der Schwimmwinkel β, die Eingangsgröße ist der
Lenkwinkel δ.
Das lineare Einspurmodell beschreibt das Verhalten eines realen
Fahrzeugs im unteren Querbeschleunigungsbereich (bis etwa 4 m/s
2) recht genau.
2 zeigt
die Geometrie der Relativbewegung eines Fahrzeugs
20 in
Bezug auf eine Bezugskurve
22 mit der Krümmung ĸ, bzw. dem
Krümmungsradius
R. Der Schwerpunkt MMP des Fahrzeugs
20 bewegt sich dabei
entlang der Kurve
21. Bei der Bezugskurve
22 handelt
es sich beispielsweise um eine Fahrspurmarkierung. Für kleine
Bahndifferenzwinkel Ψ
d und kleine Werte des Querversatzes Y
d, können
die linearisierten Gleichungen der Relativbewegung in das Einspurmodell
integriert werden. Wird darüber
hinaus die Fahrspurkrümmung ĸ als Zustand
modelliert, sowie deren Änderung ĸ' als weitere Zustandsgröße in das
Modell eingeführt,
ergibt sich für
das Gesamtsystem aus Fahrzeugquerdynamik, Relativbewegung und Spurparametern
folgende Darstellung:
Daraus
folgt die Zustandsraumdarstellung der Relativbewegung des Fahrzeugs 20 zu
der Fahrspur: ẋẋ = Ax + Bu y = f(x)
Dem
Zustandsvektor
und der Eingangsgröße:
Messgrößen y, die
die Schätzung
stützen,
sind die horizontalen Bildkoordinaten der Fahrbahnmarkierungen in
der Bildebene der Kamera. Die nichtlineare Messgleichung y = f(x)beschreibt dabei unter Einbeziehung
des Ergebnisses der Oberflächenschätzung die
Abhängigkeit
der Messgrößen von
den Zustandsgrößen. Die
Gierrate Ψ wird
dabei zweckmäßig mittels
eines Gierratensensors gemessen. Der Schwimmwinkel β kann dabei
vorteilhaft ebenfalls mit optischen Messmethoden gemessen oder alternativ
auf Basis eines Fahrzeugquerdynamikmodells mit Betriebskenngrößen des
Fahrzeugs geschätzt werden.
Beispielsweise kann wieder ein lineares Einspurmodell angenommen
werden.
Bei
Kenntnis der Matrizen A und B, die die Fahrzeuggeschwindigkeit v
als Parameter haben und nur von Fahrzeuggrößen abhängen, sowie der Jacobi-Matrix
J = ∂f/∂x kann der
Zustandsvektor x in Abhängigkeit von
der Eingangsgröße u vorteilhaft
mittels eines erweiterten Kalmanfilters geschätzt werden.
Nach
Schätzung
von Nick- und Wankwinkel, sowie der Oberflächenparameter der Fahrbahn
und der Spurparameter können
die so gewonnenen Schätzwerte
vorteilhaft mit Betriebskenngrößen des
Fahrzeugs 20, wie insbesondere den Ausgangssignalen von
Sensoren, abgeglichen und dadurch weiter optimiert werden. So kann
beispielsweise bei Durchfahren einer Querrinne anhand der dabei
auftretenden Nick- und Wankbewegungen des Fahrzeugs 20 verifiziert
werden, ob das aus den Videoaufnahmen der Kamera abgeleitete Modell
der Oberfläche
der Fahrbahn korrekt ist. Auch die mit optischen Mitteln durchgeführte Spurschätzung kann mittels
der messtechnisch erfassten Fahrzeugbewegungen abgeglichen werden.
Infolge der verbesserten Oberflächen-
und Spurschätzung
lässt sich
auch die Spurführung
des Fahrzeugs 20 wesentlich verbessern.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist mit Vorteil bei so genannten Assistenzsystemen anwendbar, die den
Fahrer bei dem Lenken seines Fahrzeugs aktiv unterstützen sollen.
Infolge der verbesserten Genauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen
Verfahren, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch besonders
gut für
eine Spurführung
des Fahrzeugs und für
die Anwendung bei einem Assistenzsystem, das den Fahrer vor dem Verlassen
der Fahrbahn warnt. Dieses Assistenzsystem bezeichnet man auch als „LDW-System"(Lane Departure Warning).
Besonders
vorteilhaft ist das Verfahren auch für die Steuerung von in dem
Fahrzeug 20 angeordneten Aktoren einsetzbar, die eine Optimierung
der Fahrdynamik des Fahrzugs in Zusammenhang mit der Spurführung des
Fahrzeugs ermöglichen.
Diese Aktoren umfassen insbesondere das Lenksystem, das Bremssystem, das
Motorsteuergerät,
sowie steuerbare Feder- und Dämpfungseinrichtungen.
Sowie
worin bedeuten: x = Zustandsvektor u = Eingangsvektor ay= Querbeschleunigung ax = Längsbeschleunigung, cn = Federkonstante vorn ch = Federkonstante hinten dn = Dämpferkonstante vorn dh = Dämpferkonstante hinten cs = Steifigkeit der Wankstabilisatoren hn = Abstand des Schwerpunkts von dem Nickzentrum NZ hw = Abstand des Schwerpunkts von dem Wankzentrum WZ κ = Krümmung einer Bezugskurve 1v = Abstand des Schwerpunkts von der Vorderachse 1h = Abstand des Schwerpunkts von der Hinterachse b = Spurweite des Fahrzeugs m = Masse des Fahrzeugs Jx = Trägheitsmoment in x-Richtung um das Wankzentrum WZ Jy= Trägheitsmoment in y-Richtung um das Nickzentrum γ = Nickwinkel γ . = zeitliche Ableitung des Nickwinkels Δz = vertikale Auslenkung der Kamera aus der Ruhelage α = Wankwinkel ἀἀ = zeitliche Ableitung des Wankwinkels
und
wobei bedeuten: Ψ =Gierrate β = Schwimmwinkel v Geschwindigkeit Yd Querversatz des Fahrzeugschwerpunkts zur Bezugskurve ĸ Krümmung der Bezugskurve ψd Bahndifferenzwinkel zwischen Fahrzeuglängsachse und Tangente an die Bezugskurve K' Krümmungsänderung der Bezugskurve.