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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Halten eines Fahrzeugs in seiner Fahrspur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Systeme bekannt, die den Fahrer eines Kfz darin unterstützen, das Fahrzeug in seiner Fahrspur zu halten. Diese Systeme werden auch als LKS-Systeme (LKS: Lane Keeping Support) bezeichnet. Der Grad der Automatisierung reicht dabei von Systemen, die den Fahrer durch Aufbringen künstlicher Lenkkräfte auf die Lenkung darauf hinweisen, wie er die Lenkung betätigen müsste, um das Fahrzeug in seiner Fahrspur zu halten (halbautomatische Systeme), bis hin zu LKS-Systemen, die das Fahrzeug vollautomatisch in seiner Fahrspur führen.
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LKS-Systeme, wie sie z. B. aus der
DE 101 14 470 A1 bekannt sind, umfassen üblicherweise ein Fahrspurerkennungssystem, wie z. B. ein Videosystem, mit dem die Krümmung der Fahrspur sowie die relative Position des Fahrzeugs (die so genannte Ablage und Orientierung) in der Fahrspur bestimmt werden können. Bei einem teilweise automatisierten, bekannten LKS-System wird bei Kurvenfahrt mit Hilfe der Servolenkung in herkömmlicher Weise ein Unterstützungsmoment auf die Lenkung aufgebracht, das die am Lenkrad wirkenden Kräfte reduziert. Wenn die Bewegungsbahn des Fahrzeugs von einer optimalen Bewegungsbahn zu stark abweicht, variiert das System das auf die Lenkung ausgeübte Unterstützungsmoment und erzeugt dadurch künstliche Lenkkräfte. Diese sind so stark, dass sie vom Fahrer haptisch erfasst werden können und so gerichtet, dass der Fahrer den Lenkradeinschlag in Richtung der Soll-Bewegungsbahn ändert. Bei einem zu geringen Lenkradeinschlag spürt der Fahrer beispielsweise ein zusätzliches Moment in Richtung der Kurveninnenseite. Bei einem zu starken Lenkradeinschlag spürt er dagegen ein zusätzliches Moment in Richtung der Kurvenaußenseite.
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Aus der gattungsbildenden
DE 601 05 708 T2 ist eine Fahrzeugsteuerung zum Folgen einer Fahrzeugspur bekannt. Diese umfasst einen Fahrspur-Erfassungsabschnitt zum Sammeln von Informationen über eine Fahrspur vor dem Fahrzeug, einen Lenkwinkel-Erfassungsabschnitt zur Erfassung des Lenkwinkels des Fahrzeugs, einen Lenkdrehmoment-Erzeugungsabschnitt zur Erzeugung eines Lenkmoments in Übereinstimmung mit einem Ziellenkdrehmoment und einen Lenkdrehmoment-Steuerabschnitt zur Einstellung des Ziellenkdrehmoments, welches zur Fahrspurhaltung erforderlich ist.
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Die
DE 10 2005 014 983 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Unterstützung eines Fahrers beim Einparken eines Kraftfahrzeugs in eine Parklücke, wobei mindestens ein Segment, umfassend mindestens einen Bezugspunkt für eine Soll-Fahrbahn des Kraftfahrzeugs in die Parklücke berechnet wird.
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Die
EP 1 508 505 A2 zeigt eine Fahrsteuervorrichtung für ein Fahrzeug, die Folgendes umfasst: Planstreckeneinstellmittel zum Einstellen einer Planstrecke, über die das Fahrzeug gefahren werden soll; Fahrzeugpositionberechnungsmittel zum Berechnen der Position des Fahrzeugs; Fahrzeugrichtungschätzmittel zum Schätzen der Richtung des Fahrzeugs; und Fahrsteuermittel zum Steuern des automatischen Fahrens des Fahrzeugs auf der Basis von Fahrzeugposition, Fahrzeugrichtung und Planstrecke, wobei das Fahrsteuermittel die Fahrsteuerung des Fahrzeugs stoppt, falls eine laterale Abweichung der Richtung des Fahrzeugs von der Planstrecke einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt und das Lenkmoment einen vorbestimmten Wert übersteigt.
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Die
DE 10 2005 018 486 A1 lehrt ein Verfahren zur Unterstützung des Fahrers eines Fahrzeugs bei der Durchführung eines Fahrmanövers, bei dem der Fahrkurs des Fahrzeugs automatisch gesteuert wird.
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In 1 wird ein Lenksystem mit LKS-Funktion betrachtet, das in der Lage ist, das Fahrzeug 18 voll-automatisch in seiner Fahrspur 20 zu halten. Das Gesamtsystem umfasst eine am Fahrzeug 18 angeordnete Sensorik 17 zur Fahrspurerkennung, wie z. B. ein Videosystem, mittels der die Ablage und Orientierung des Fahrzeugs 18 bezüglich seiner Fahrspur 20, sowie die Fahrspurkrümmung ermittelt werden können. Das Fahrspurerkennungssystem 17 umfasst hier eine Videokamera und eine spezielle Bildverarbeitungssoftware, die aus den Bilddaten die gewünschten geometrischen Daten ermittelt.
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Die geometrischen Daten als auch weitere Fahr-Zustandsgrößen, wie z. B. die Fahrgeschwindigkeit, werden Rechenmitteln, welche ein mathematisches Referenzmodell 11 beinhalten, zugeführt, welche daraus einen Referenzlenkwinkel δRef berechnen. Dieser Referenzlenkwinkel δRef ist derjenige Lenkwinkel, der an der Lenkung eingeschlagen werden müsste, um das Fahrzeug 18 optimal in seiner Fahrspur 20 zu halten. Dieser Wert δRef fließt in einen nachgeordneten Regelkreis 21, der dazu dient, den tatsächlichen Lenkwinkel δ auf den vorgegebenen Sollwert δRef zu regeln und somit das Fahrzeug 18 in seiner Spur 20 zu halten.
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Der Regelkreis 21 umfasst einen Knoten 12 (Addierknoten), an dem die Regeldifferenz δRef – δ der Regelgröße berechnet wird, ein Übertragungsglied 13, das den Regler des Regelkreises 21 bildet, sowie einen Lenksteller 14 mit einem Momentenregelkreis, der das Stellglied des Lenkwinkel-Regelkreises 21 bildet. Die Elemente 11, 12, 13 und der Momentenregelkreis 14 sind üblicherweise als Softwaremodule in einem Steuergerät 22 implementiert.
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Das Übertragungsglied 13 ist hier derart ausgelegt, dass eine Regelabweichung stabil ausgeregelt werden kann. Das Übertragungsglied 13 erzeugt in Abhängigkeit von der Regelabweichung ein Moment ME, das dem Lenksteller 14 zugeführt wird. Der Lenksteller 14, der einen Regler und den eigentlichen Aktuator umfasst, setzt das Moment ME je nach Regelcharakteristik in ein Führungsmoment MA um, das dann auf die Lenkung ausgeübt wird. Das Moment MA überlagert sich mit dem vom Fahrer 10 am Lenkrad ausgeübten Moment MF. Dies ist durch einen weiteren Addierknoten 15 dargestellt. Das Übertragungsverhalten der Lenkung wird schließlich durch einen Block 16 repräsentiert.
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Eine solche Lenkwinkel-Regelung hat den Nachteil, dass eine bestimmte Lenkwinkelabweichung immer mit demselben, eindeutigen Führungsmoment MA zu kompensieren versucht wird. Dies beruht insbesondere auf der statischen Berechnung des Referenzlenkwinkels, bei der verschiedene Einflussfaktoren, wie z. B. Seitenwind, unterschiedliche Fahrbahn-Reibwerte oder eine unterschiedliche Fahrbahnneigung, die die Bewegungsbahn des Fahrzeugs beeinflussen, unberücksichtigt bleiben. Darüber hinaus werden Messfehler der vom Videosystem 17 ermittelten Daten nicht berücksichtigt. Dies kann dazu führen, dass das Fahrzeug 18, obwohl der Lenkwinkel δ dem Referenzlenkwinkel δRef entspricht, also keine Regelabweichung vorliegt, seitlich versetzt außerhalb der Mitte der Fahrspur 20 fährt. Dieser Versatz in Querrichtung kann mit dem dargestellten System nicht vollständig ausgeregelt werden. Die außermittige Bewegungsbahn des Fahrzeugs kann für den Fahrer als störend empfunden werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein LKS-System zu schaffen, mit dem ein Fahrzeug wesentlich genauer auf einer gewünschten vorgebbaren Bewegungsbahn in einer Fahrspur gehalten werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 sind der
DE 601 05 708 T2 entnommen.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, bei der Berechnung des Referenzwinkels δRef, der den Sollwert einer Lenkwinkel-Regelung oder einer Steuerung bildet, die aktuelle Querablage des Fahrzeugs (seitlicher Versatz des Fahrzeugs bezüglich einer Fahrspurbegrenzung bzw. einer Referenzgröße) zu bestimmen und eine Abweichung der aktuellen Querablage zu einer Soll-Querablage auszuregeln. Gemäß der Erfindung umfasst das Referenzmodell hierzu einen I-Regler, der die Querablage des Fahrzeugs regelt. Unter der Bezeichnung „I-Regler” wird hier jede Art von Regler mit einem Integralanteil verstanden. Auf diese Weise ist es möglich, das Fahrzeug bei unterschiedlichsten Fahrbedingungen, wie z. B. bei Seitenwind, geneigter Fahrbahn, etc., exakt auf einer vorgegebenen Bewegungsbahn in der Fahrspur zu halten.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Referenzmodel eine dem I-Regler nachgeordnete Begrenzungseinrichtung umfasst, mit der die Ausgangsgröße des I-Reglers begrenzt werden kann und dass das Referenzmodell eine Begrenzungseinheit aufweist, die die Begrenzungseinrichtung und einen Addierknoten umfasst, an dem eine Differenz aus dem begrenzten und dem nicht begrenzten Ausgangssignal des I-Reglers gebildet wird, wobei die Differenz zum Reglereingang des I-Reglers rückgekoppelt wird.
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Die Soll-Bewegungsbahn des Fahrzeugs liegt vorzugsweise in der Mitte der Fahrspur, kann erfindungsgemäß aber auch durch Vorgabe eines anderen Sollwerts variabel eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, das Fahrzeug auf Wunsch auch außerhalb der Fahrspur-Mitte fahren zu lassen.
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Das Referenzmodell umfasst vorzugsweise wenigstens drei Einheiten, nämlich eine Reglereinheit mit dem I-Regler zur Regelung der Querablage, eine Begrenzungseinheit und eine Einheit zur Erkennung eines Fahrer-Lenkeingriffs. Die Reglereinheit dient, wie erwähnt, zum Ausregeln einer Abweichung der Querablage des Fahrzeugs. I-Regler haben bekanntlich die Eigenschaft, eine Regelabweichung zu integrieren und somit einen stetig wachsenden Ausgangswert zu bilden. Um zu verhindern, dass sich die Ausgangsgröße des I-Reglers bei einem Eingriff des Fahrers in die Lenkung (z. B. während eines Überholmanövers) unbegrenzt erhöht und der I-Regler dem Fahrmanöver zu stark entgegen wirkt, muss die Regler-Ausgangsgröße in diesem Fall begrenzt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist hierzu eine Begrenzungseinrichtung, die den Regler-Ausgangswert begrenzt, sowie eine Gegenkopplungsschleife vorgesehen, über die die begrenzte Regler-Ausgangsgröße an den Eingang des I-Reglers zurückgeführt wird. (Dies wird auch als Anti Reset Windup Maßnahme bezeichnet).
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Die Begrenzungseinrichtung begrenzt die Ausgangsgröße des I-Reglers vorzugsweise auf einen Wert, der etwa gleich dem Wert zu einem Zeitpunkt ist, zu dem der Fahrer beginnt, in die Lenkung einzugreifen und ein Fahrer-Lenkeingriff erkannt wird. Die Ausgangsgröße des I-Reglers wird dadurch quasi auf dem aktuellen Wert „eingefroren”, so dass das Fahrmanöver nicht weiter durch den I-Regler beeinflusst wird und der Fahrer ein konstantes, reproduzierbares Lenkverhalten erfährt.
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Die Reglereinheit umfasst vorzugsweise auch einen Addierknoten, an dem die Abweichung der Querablage von einem Sollwert und die Differenz aus dem begrenzten und dem nicht begrenzten Ausgangssignal des I-Reglers addiert werden.
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Die Begrenzungseinheit ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass der I-Regler im Wesentlichen uneingeschränkt arbeiten kann, wenn kein Fahrer-Lenkeingriff vorliegt. Dagegen wird das Ausgangssignal des I-Reglers vorzugsweise auf einen konstanten Wert begrenzt, wenn der Fahrer in die Lenkung eingreift. Die Begrenzungsfunktion entspricht vorzugsweise einer linearen Kennlinie.
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Die erfindungsgemäße Begrenzungseinrichtung ist außerdem vorzugsweise punktsymmetrisch ausgelegt. D. h., positive als auch negative Abweichungen der Querablage von einer Soll-Querablage werden betragsmäßig gleich behandelt.
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Das begrenzte Ausgangssignal des I-Reglers fließt vorzugsweise in die Berechnung des Referenz-Lenkwinkels δRef ein.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems mit LKS-Funktion.
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2 eine schematische Blockdarstellung eines Referenzmodells mit I-Regler.
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Bezüglich der Erläuterung von 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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2 zeigt ein Referenzmodell 11 mit I-Regler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Referenzmodell 11 umfasst im Wesentlichen drei Einheiten, nämlich eine Reglereinheit 23, eine Begrenzungseinheit 24 und eine Einheit 25 zur Erkennung eines Fahrer-Lenkeingriffs. Das Referenzmodell regelt die Querablage Y des Fahrzeugs 18 in seiner Fahrspur 20, d. h. die laterale Position des Fahrzeugs bezüglich eines Sollwerts Ystat (üblicherweise der Fahrspurmitte) und erzeugt als Ausgangsgröße einen Winkel δIL, der in die Berechnung des Referenz-Lenkwinkels δRef einfließt. Dabei gilt δRef = f(δIL, ...). Die Reglereinheit 23 umfasst hier einen einfachen Integralregler 28, der dazu dient, eine Regelabweichung der Querablage Y von einem vorgegebenen Sollwert Ystat auszuregeln. Die Regelabweichung wird an einem Addierknoten 26 gebildet und dem I-Regler 28 zugeführt. Das gewichtete (Faktor Ki) Regler-Ausgangssignal δI wird dann der Begrenzungseinheit 24 zugeführt. Die Gewichtungsfunktion ist hier mit dem Bezugszeichen 29 bezeichnet.
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Die I-Regelung 23, 24 unterscheidet im Wesentlichen zwei Fälle: Solange der Fahrer nicht in die Lenkung eingreift bzw. der Lenkeingriff einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet, wird das Regler-Ausgangssignal δI nicht begrenzt. Die Grenzen der Begrenzungseinrichtung 30 sind in diesem Fall auf einen Wert δnorm eingestellt, der weit über dem realistisch möglichen Wertebereich des Regler-Ausgangssignals δI liegt. Somit gilt: δIL = δI. In diesem Fall kann der I-Regler uneingeschränkt arbeiten. Wird dagegen ein Lenkeingriff des Fahrers festgestellt, der oberhalb einer vorgegeben Schwelle liegt, wird das Regler-Ausgangssignal δI begrenzt.
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Die Begrenzungseinheit 24 umfasst eine Begrenzungseinrichtung 30, die das gewichtete Ausgangssignal δI begrenzt, wenn der Fahrer aktiv in die Lenkung eingreift. Die Begrenzung des gewichteten Signals δI ist hier erforderlich, um zu verhindern, dass der Integralanteil bei einem gewollten Lenkmanöver zu stark ansteigt und dadurch die Lenkung beeinträchtigt. Die Begrenzungseinrichtung 30 ist derart ausgelegt, dass sie das Regler-Ausgangssignal δI auf einen Wert +δI ± Δδlim als obere und –δi ± Δδlim als untere Begrenzung begrenzt, der etwa demjenigen Wert entspricht, der vorliegt, wenn der Fahrer beginnt, in die Lenkung einzugreifen. Der Wert Δδlim bildet einen Bereich um den aktuellen Wert δi und ist dabei ein sehr kleiner Wert relativ zum Regler-Ausgangswert δI. Der Ausgangswert δIL wird dadurch quasi etwa auf einem Wert „eingefroren” der vorliegt, wenn der Fahrer beginnt, in die Lenkung einzugreifen und wird so lange gehalten, wie ein Fahrer-Lenkeingriff erkannt wird. Die Grenzwerte +δI ± Δδlim bzw. –δI ± Δδlim werden hier von der Einheit 25 zur Erkennung eines Fahrer-Lenkeingriffs berechnet und bereitgestellt. Eine andere Lösung, z. B. eine interne Berechung in der Begrenzungseinheit 30, ist selbstverständlich auch denkbar.
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Die Begrenzungseinheit 24 umfasst einen Addierknoten 31, an dem die Differenz aus dem begrenzten δIL und dem nicht begrenzten Regler-Ausgangssignal δI gebildet wird. Diese Differenz wird mittels einer Einrichtung 32 gewichtet und an den Eingang des I-Reglers 28 rückgekoppelt (siehe Addierknoten 27). Für den Fall des Nicht-Eingreifens beträgt die gewichtete Differenz YARW ungefähr Null. Der I-Regler 28 kann daher uneingeschränkt arbeiten, um eine Regelabweichung der Querablage (Y – Ystat) auszuregeln.
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Wenn der Fahrer dagegen aktiv in die Lenkung eingreift und dabei einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wird das Regler-Ausgangssignal δI begrenzt und quasi auf dem aktuellen Wert „eingefroren”. Mit zunehmender Abweichung der Querablage Y des Fahrzeugs 18 von der Soll-Querablage Ystat steigt der Absolutwert des Regler-Ausgangssignals δI, wogegen der Ausgangswert δIL des Referenzmodells konstant bleibt. Am Addierknoten 31 ergibt sich daraus eine Differenz ungleich Null, die an den Reglereingang 27 rückgekoppelt wird. Die am Addierknoten 26 berechnete Regelabweichung wird dadurch am Knoten 27 verringert. Das Reglerausgangssignal δI wird somit auf dem leicht erhöhten Ausgangswert +δI ± Δδlim bzw. –δI ± Δδlim gehalten. Wenn das Ende eines Fahr-Lenkeingriffs erkannt wird, so wird der Grenzwert der Begrenzungseinrichtung 30 wieder auf den Wert δnorm gesetzt, der, wie erwähnt, über dem normalen Regelbereich des I-Reglers 28 liegt.
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Der Begrenzungswert δnorm kann beispielsweise durch Messung bei typischen Fahrsituationen einer Autobahn- oder Landstraßenfahrt ermittelt werden. Um einen sanften Übergang zwischen der Begrenzung während eines Fahrer-Lenkeingriffs und dem neuen Begrenzungswert δnorm zu erreichen, wird der neue Begrenzungswert δnorm vorzugsweise nicht sprungartig festgelegt, sondern vorzugsweise überblendet, z. B. über eine lineare Rampe erhöht bzw. variiert.
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Für den I-Regler mit Rückkopplung gilt: δI(T) = Ki∫(Y(t) – Ystat(t))dt + ∫(δIl(t) – δI(t))dt
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Zum Erkennen einer Lenkaktivität des Fahrers wird in Block 25 das vom Fahrer ausgeübte Lenkradmoment Mdriver gemessen und dem System zugeführt. Nach einer Filterung zur Rauschunterdrückung in Block 37 wird das Momentensignal einem Komparator 38 zugeführt, der über das Vorliegen einer ausreichend starken Lenkaktivität (ja/nein) entscheidet. Der Schwellenwert hierfür ist vorzugsweise beliebig vorgebbar. Ein dem Komparator 38 nachgeordneter Flankendetektor 39 erkennt durch Auswertung des Signalgradienten den Beginn bzw. das Ende der Fahreraktivität. Der Flankendetektor 39 steuert die Auswahl des Begrenzungswerts δnorm bzw. ±(δI ± Δδlim) für die Begrenzungseinrichtung 30.
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Bei Feststellung einer Lenkaktivität wählt die Auswähleinrichtung 35, wie vorstehend beschrieben, einen Wert ±(δI ± Δδlim) aus. Am Ende der Lenkaktivität wird dagegen der Wert δnorm bzw. ein mittels einer Rampenfunktion 34 modifizierter Wert δnorm ausgewählt. Der Symmetrieblock 36 erzeugt schließlich positive oder negative Grenzwerte, die die Grenzen der Begrenzungsfunktion 30 bilden.
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Das vorstehend beschriebene LKS-System ist dazu ausgelegt, die Querablage Y eines Fahrzeugs auf einen vorgegebenen Sollwert Ystat zu regeln und somit das Fahrzeug 18 automatisch auf einer vorgegeben Bahn zu halten. Das LKS-System kann aber auch dazu verwendet werden, das Fahrzeug 18 in einer vorgegebenen Zone, z. B. um die Fahrbahnmitte zu halten. In diesem Fall wird vorzugsweise, so lange sich das Fahrzeug 18 innerhalb der vorgegebenen Zone befindet, die tatsächliche Querablage Y gleichzeitig auch als Soll-Querablage Ystat verwendet. Der Sollwert Ystat ist also variabel und auf die halbe Breite der Zone begrenzt. Erst beim Verlassen der vorgegebenen Zone wird der Sollwert Ystat auf einen Wert gesetzt, der innerhalb dieser Zone liegt oder der Grenze der Zone entspricht. Das LKS-System regelt somit die Querablage des Fahrzeugs 18 wieder auf die Zone.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrer
- 11
- Referenzmodell
- 12
- Addierknoten
- 13
- Übertragungsglied
- 14
- Lenksteller mit Regelkreis
- 15
- Addierknoten
- 16
- Lenkung
- 17
- Fahrspurerkennungssystem
- 18
- Fahrzeug
- 19
- Fahrspurmarkierung
- 20
- Fahrspur
- 21
- Lenkwinkel-Regelkreis
- 22
- Steuergerät
- 23
- Reglereinheit
- 24
- Begrenzungseinheit
- 25
- Einheit zur Erkennung eines Fahrer-Lenkeingriffs
- 26
- Addierknoten
- 27
- Addierknoten
- 28
- I-Regler
- 29
- Gewichtungseinrichtung
- 30
- Begrenzungseinrichtung
- 31
- Addierknoten
- 32
- Gewichtungseinheit
- 33
- Addierknoten
- 34
- Rampenfunktion
- 35
- Auswähleinrichtung
- 36
- Symmetrieblock
- 37
- Filter
- 38
- Komparator
- 39
- Flankendetektor
