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Die Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem zur Optimierung von Bewegungsparameter eines Kraftfahrzeugs bei der Zufahrt auf eine Verkehrssignalanlage.
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Es sind Fahrerassistenzsysteme bekannt, welche einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs unterstützen. Derartige Fahrerassistenzsysteme umfassen beispielsweise Geschwindigkeitsregelungssysteme (»Tempomat«), Navigationssysteme sowie dynamische Regelungseinrichtungen (Adaptive Cruise Control, ACC).
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Im Folgenden wird insbesondere eine Längsführung eines Kraftfahrzeugs betrachtet. Unter einer Längsführung werden alle Teilvorgänge verstanden, die zu einer Regulierung einer Geschwindigkeit und/oder einer Beschleunigung des Kraftfahrzeugs führen. Eine Umsetzung eines Längsführungswunsches in herkömmlichen Fahrzeugen erfolgt durch den Fahrer anhand der Stellglieder Gas, Bremse und Schaltung.
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Derzeitige Fahrerassistenzsysteme zur Längsführung eines Kraftfahrzeugs bieten keine Möglichkeit, Informationen einer Verkehrssignalanlage und Bewegungsparameter des Kraftfahrzeugs derart zu berücksichtigen, dass eine energieoptimierte und komfortoptimierte Zufahrt auf eine Verkehrssignalanlage ermöglicht wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel anzugeben, welche eine energiesparende und komfortable Zufahrt eines Kraftfahrzeugs auf eine Verkehrssignalanlage ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch ein Fahrerassistenzsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem sieht eine Optimierung von Bewegungsparametern eines Kraftfahrzeugs bei der Anfahrt auf eine Verkehrssignalanlage vor. Diese Optimierung umfasst eine erste Schnittstelle zum Bezug von aktuellen Bewegungsparametern des Kraftfahrzeugs, eine zweite Schnittstelle zum Bezug von Umfeld-Sensorinformationen sowie eine dritte Schnittstelle zum Bezug eines Zeitwerts bis zu einem nächsten Umschaltzeitpunkts der Verkehrssignalanlage.
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Mit Hilfe einer dem Fahrerassistenzsystem zugeordneten Berechnungseinrichtung wird mindestens ein Abstand des Fahrzeugs auf Basis der Umfeld-Sensorinformationen ermittelt und berechnet. Diese Abstände umfassen optional zum einen eine Entfernung zwischen dem Kraftfahrzeug und der Verkehrssignalanlage und zum anderen eine Entfernung zwischen dem Kraftfahrzeug und mindestens einem weiteren Kraftfahrzeug, welches sich zwischen dem Kraftfahrzeug und der Verkehrssignalanlage befindet. Für den Fall einer Mehrzahl weiterer Fahrzeuge, Kolonne, wird der Abstand zwischen einem dem Fahrzeug auf dem Straßenabschnitt am nächsten liegenden weiteren Fahrzeug, also, mit anderen Worten, zwischen dem Fahrzeug und dem Beginn der Kolonne, ermittelt.
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Mit Hilfe einer dem Fahrerassistenzsystem zugeordneten Bewegungsparameteroptimierungseinheit werden optimierte Bewegungsparameter ermittelt, welche auf Grundlage der aktuellen Bewegungsparameter des Kraftfahrzeugs, des Zeitwerts bis zu einem nächsten Umschaltzeitpunkts der Verkehrssignalanlage sowie der durch die Berechnungseinrichtung ermittelten Abstände bestimmt werden.
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Mit Hilfe optimierter Bewegungsparameter wird eine beschleunigungsarme Zufahrt auf eine Verkehrssignalanlage erreicht.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystems ist die Ermöglichung einer stressfreieren und kraftstoffverbrauchsärmeren Fahrweise, insbesondere im Stadtverkehr.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystems ist die Erzielung eines homogeneren Verkehrsflusses und die Vermeidung von »Ziehharmonikaeffekten«.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweilig abhängigen Ansprüche.
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Ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Vorteilen und Ausgestaltungen der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Verkehrssituation im Umfeld einer Verkehrssignalanlage;
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2: eine schematische Darstellung einer Verkehrssituation im Umfeld einer Verkehrssignalanlage mit weiteren Fahrzeugen; und;
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3: eine schematische Darstellung einer weiteren Verkehrssituation im Umfeld einer Verkehrssignalanlage mit weiteren Fahrzeugen;
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Unter dem allgemeinen Begriff »Bewegungsparameter« wird im Folgenden eine Kombination aus einem Wert für eine Beschleunigung und einem Wert für eine Geschwindigkeit sowie fallweise auch einer der beiden Werte verstanden.
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1 zeigt einen Straßenabschnitt ST mit einer Verkehrssignalanlage A. Ein Kraftfahrzeug E bewegt sich auf die Verkehrssignalanlage A zu. Zu einem gegebenen Zeitpunkt beträgt ein Abstand dA zwischen dem Kraftfahrzeug E und der Verkehrssignalanlage A einen zu bestimmenden Wert. Der Abstand dA ist in der Zeichnung als ein Abstand zwischen den dortigen beiden senkrechten Linien zu verstehen. Der nach links zeigende Pfeil längs des so definierten Abstands dA definiert eine Richtung, in der der Wert des Abstands dA für die nachfolgende Berechnung einen positiven Wert einnimmt.
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Das Kraftfahrzeug E weist zu bestimmende Bewegungsparameter auf, welche in der Darstellung der Zeichnung durch einen Pfeil am Kraftfahrzeug E symbolisiert sind. Die Bewegungsparameter umfassen dabei einerseits eine Geschwindigkeit v sowie eine Beschleunigung a des Kraftfahrzeugs E. Unter einer Beschleunigung a wird fallweise auch eine negative Beschleunigung, welche beispielsweise durch ein Abbremsen des Kraftfahrzeugs E erreicht wird, verstanden.
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In einem nach rechts zeigenden Richtungspfeil ist in der Zeichnung die Richtung der Geschwindigkeit v, der Beschleunigung a sowie des Orts x dargestellt.
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Der Abstand dA des Kraftfahrzeugs E zur Verkehrssignalanlage A wird beispielsweise auf Basis von Umfeld-Sensorinformationen ermittelt.
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Im Folgenden werden in der Zeichnung nicht dargestellte Rechengrößen eingeführt. Bewegungsparameter vE sowie aE symbolisieren die Geschwindigkeit bzw. die Beschleunigung des Kraftfahrzeugs E. Eine Größe tG symbolisiert einen Zeitwert bis zu einem nächsten Umschaltzeitpunkt der Verkehrssignalanlage, mit anderen Worten einen Wert für die Zeit, nach der die Verkehrssignalanlage A von einer Ampelphase in eine andere Ampelphase wechselt.
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Die Bewegungsparameter vE sowie aE des Kraftfahrzeugs E werden mit Hilfe einer Schnittstelle zur Fahrzeugsensorik bestimmt. Dabei wird beispielsweise ein digitaler Wert eines Beschleunigungssensors an das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem übergeben. Die Geschwindigkeit vE wird entweder durch Integration der ermittelten Beschleunigung über die Zeit ermittelt oder anhand der Rotationsgeschwindigkeit der Räder des Kraftfahrzeugs E bestimmt und ihrerseits an das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem übergeben.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystems besteht darin, ein Fahrverhalten des Fahrers des Kraftfahrzeugs E oder auch ein Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs E direkt so zu beeinflussen, dass ein komfortables und/oder verbrauchsoptimiertes Passieren der Verkehrssignalanlage A gewährleistet ist. Mit anderen Worten erfolgt also entweder eine Beeinflussung des Fahrers selbst, etwa durch Empfehlung einer einzustellenden optimalen Geschwindigkeit oder aber eine Beeinflussung des Kraftfahrzeugs E direkt, indem die Bewegungsparameter ohne Mitwirkung des Fahrers auf entsprechend optimale Werte eingestellt werden.
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Die Erfindung ist dabei von der Überlegung getragen, ein optimales Fahrverhalten bei der Anfahrt auf eine Rot geschaltete Verkehrssignalanlage A zu bestimmen. Bei einer solchen Anfahrt auf eine auf Rot geschaltete Verkehrssignalanlage A stehen oftmals zwei Zielsetzungen einer verbrauchsoptimierten und einer komfortoptimierten Anfahrt in Widerspruch zueinander. Die energieoptimierte Anfahrt verfolgt das Ziel, mit einem minimalen Geschwindigkeitsverlust eine mittlerweile auf Grün geschaltete Verkehrssignalanlage A zu passieren, während die komfortoptimierte Anfahrt eine minimale Beschleunigungsänderung bzw. »Ruck« verfolgt. Durch eine komfortoptimierte Anfahrt soll somit ein Anhalten des Kraftfahrzeugs E vor einer weiter auf Rot geschalteten Verkehrssignalanlage A vermieden werden oder auch ein nur wenig verzögertes Passieren einer während der Anfahrt auf Grün wechselnden Verkehrssignalanlage A erzielt werden.
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Die beschriebenen Fahrverhalten sind bislang durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs E einzustellen, wobei für eine Entscheidung über die richtig einzustellende Beschleunigung bzw. Verzögerung des Kraftfahrzeugs E eine Reihe von Unwägbarkeiten für den Fahrer entstehen.
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Zum Einen besteht weitgehende Unkenntnis über den Zeitwert tG bis zu einem Umschaltzeitpunkt der Verkehrssignalanlage A. Des Weiteren ist der Fahrer des Fahrzeugs E üblicherweise nur eingeschränkt in der Lage, den Abstand dA zur Verkehrssignalanlage A einzuschätzen und aufgrund dieser Einschätzung eine optimale Beschleunigung bzw. Verzögerung des Kraftfahrzeugs E einzustellen.
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Die beschriebenen Unwägbarkeiten erhöhen sich weiterhin in Verkehrssituationen, deren Komplexität die der in 1 dargestellten Verkehrssituation übersteigen. Dazu zählen insbesondere Verkehrssituationen, bei denen Fahrzeuge vor einer Rot geschalteten Verkehrssignalanlage A warten und bei der eine zusätzliche Unwägbarkeit über das Beschleunigungsverhalten der vor der Verkehrssignalanlage A wartenden Fahrzeuge nach einem Umschalten auf Grün hinzutritt.
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Die oben beschriebenen Fahrverhalten müssen derzeit durch den Fahrer des Fahrzeugs E eingestellt werden. Derzeitige Längsführungssysteme wie z. B. Adaptive Cruise Control (ACC) oder Tempomat sind nicht in der Lage, Ampelphasen von Verkehrssignalanlagen A für die Einstellung von Bewegungsparametern des Fahrzeugs E zu berücksichtigen.
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Die weitere Figurenbeschreibung erfolgt unter weiterer Bezugnahme auf die Funktionseinheiten von jeweils vorausgehenden Figuren. Identische Bezugszeichen in verschiedenen Figuren repräsentieren hierbei identische Funktionseinheiten.
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2 zeigt eine bereits zuvor erwähnte Verkehrsituation, bei der mindestens ein weiteres Kraftfahrzeug T vor einer rot geschalteten Verkehrsignalanlage A wartet bzw. vor einer eben auf grün umgeschalteten Verkehrssignalanlage A anfährt. Das Kraftfahrzeug E befindet sich abermals in einem Abstand dA zur Verkehrsignalanlage A und in einem Abstand dT zu dem nächstliegend zum Kraftfahrzeug E positionierten weiteren Kraftfahrzeug T. Der Abstand dT ist in der Zeichnung als ein Abstand zwischen den dortigen beiden senkrechten Linien zu verstehen. Der nach rechts zeigende Pfeil längs des so definierten Abstands dT definiert eine Richtung, in der der Wert des Abstands dT für die nachfolgende Berechnung einen positiven Wert einnimmt.
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Die Kraftfahrzeuge T weisen in analoger Weise wie das Kraftfahrzeug E Bewegungsparameter auf, welche in der Darstellung der Zeichnung durch Pfeile am jeweiligen Kraftfahrzeug T symbolisiert sind.
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In 3 ist eine weitere Verkehrssituation dargestellt, bei der weitere Kraftfahrzeuge T sowohl vor als auch hinter der Verkehrssignalanlage A warten bzw. im Anfahren begriffen sind.
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Im Folgenden bedeutet dT ein Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug E und mindestens einem weiteren Kraftfahrzeug T, vT eine Geschwindigkeit des weiteren Fahrzeugs T, aT eine Beschleunigung des weiteren Fahrzeugs T. Die vorgenannten Bewegungsparameter mindestens eines weiteren Fahrzeugs T werden über Umfeldsensoren wie zum Beispiel Radar-Sensoren, LiDar-Sensoren bzw. Kameras bestimmt oder aufgrund von Heuristiken abgeschätzt.
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Der Abstand dA zur Verkehrssignalanlage A wird ebenfalls mit Hilfe von Umfeldsensoren oder auch auf Basis digitaler Kartendaten, mit deren Hilfe die voraus liegende Strecke zur Verkehrssignalanlage A berechnet werden, ermittelt.
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Der Umschaltzeitpunkt tG der Signalanlage A wird von einem zentralen oder dezentralen Dienst eines Verkehrsleitsystems oder, alternativ, von der Verkehrssignalanlage A, an das Fahrerassistenzsystem des Kraftfahrzeugs E übermittelt.
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In Kenntnis des Umschaltzeitpunktes tG ermöglichen die erfindungsgemäßen Mittel eine Anpassung der Geschwindigkeit vE des Kraftfahrzeugs E in Hinblick auf eine verbrauchsoptimierte und komfortoptimierte Passage der Verkehrssignalanlage A.
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Die Erfindung geht dabei von Folgenden Überlegungen aus. Steht eine Umschaltung der Verkehrsignalanlage A unmittelbar bevor, ist eine Änderung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs E nicht notwendig, da die Verkehrssignalanlage A bereits auf grün geschaltet ist, bevor das Kraftfahrzeug E die Verkehrsignalanlage A erreicht.
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Im Gegensatz hierzu hat ein zeitlich fernliegender Umschaltzeitpunkt zur Folge, dass eine Verzögerung des Kraftfahrzeugs E bis zum Anhalten erforderlich ist. Zwischen diesen genannten Umschaltzeitpunkten tG gibt es einen Bereich für den Umschaltzeitpunkt, bei dem lediglich eine Reduzierung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs E geboten ist, um ein verbrauchsoptimiertes und/oder komfortoptimiertes Passieren der Verkehrssignalanlage A zu gewährleisten.
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Dabei kann durch entsprechend dosiertes und frühzeitiges Verzögern der Bewegung des Kraftfahrzeugs E ein verbrauchsungünstiger und unkomfortabler Stillstand sowie ein darauf folgender Anfahrvorgang vermieden werden. Eine solche Maßnahme gewährleistet darüber hinaus eine Homogenisierung des Verkehrsflusses und damit eine Vermeidung eines sogenannten »Ziehharmonika-Effekts«.
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In einer Verkehrssituation gemäß 1, das heißt ohne wartende Kraftfahrzeuge T vor der auf »Rot« geschalteten Verkehrssignalanlage A, ergibt sich mit dem oben eingeführten Größen folgende Zusammenhänge für eine konstante und optimale Annäherungsgeschwindigkeit: xE = –dA + vE·t
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Für eine Prognose auf Höhe der Verkehrssignalanlage A gilt: t = tG und xE = 0
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Daraus folgt für die optimale Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs E:
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Daraus ergibt sich hinsichtlich der aktuell vom Kraftfahrzeug E eingestellten Geschwindigkeit folgende Optimierung: vE ≤ vE,opt ⇒ aE = 0 vE > vE,opt ⇒ aE ≠ 0
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Falls also die Geschwindigkeit des Fahrzeugs E gleich oder unterhalb der als optimal ermittelten Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs E liegt, ist keine Beschleunigung, also weder eine positive noch eine negative Beschleunigung (Verzögerung) vonnöten.
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Falls jedoch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs E oberhalb der als optimal ermittelten Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs E liegt, ist eine negative Beschleunigung (Verzögerung) notwendig.
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Für die Höhe der Verzögerung, das heißt der negativen Beschleunigung, gilt: je später verzögert wird, desto kleiner wird mit fortschreitender Zeit die optimale Geschwindigkeit VE,opt. Rechnerisch optimal wäre daher eine unmittelbare Verzögerung auf die optimale Geschwindigkeit mit einer unendlichen negativen Beschleunigung, welche indes physikalisch unmöglich und auch hinsichtlich des Komforts nicht anstrebenswert ist. Daher wird die maximal mögliche Verzögerung aus Komfortgesichtspunkten entsprechend zu begrenzen sein.
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An analoger Weise kann bei einer bevorstehenden Rotphase eine positive Beschleunigung angebracht sein.
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Im Folgenden wird eine Bestimmung optimaler Bewegungsparameter des Kraftfahrzeugs E mit vor der Verkehrssignalanlage A wartenden weiteren Kraftfahrzeugen T beschrieben.
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Zur Bestimmung des Abstands dT zwischen dem Fahrzeug E und weiteren vor der Verkehrssignalanlage befindlichen Kraftfahrzeugen T ist erfindungsgemäß eine Schnittstelle des Fahrerassistenzsystems zum Bezug von Umfeld-Sensorinformationen vorgesehen, aus der mit Hilfe einer Berechnungseinrichtung der Abstands dT berechnet wird.
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Die Erfassung des Umfelds erfolgt beispielsweise mit Hilfe von Radar-, oder Lidarsensoren, alternativ oder zusätzlich unter Verwendung einer im optisch sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich arbeitenden Kamera.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, auch auf Umfeld-Sensorinformationen benachbarter Fahrzeuge zurückzugreifen, deren Informationen über eine drahtlose Schnittstelle an das Fahrerassistenzsystem des Fahrzeugs E übertragen werden.
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Sofern durch die Verkehrssignalanlage A eine Umschaltung auf eine Grünphase bereits erfolgt ist und sich das letzte wartende Fahrzeug T bereits wieder bewegt, kann die Beschleunigungs- bzw. Geschwindigkeitsempfehlung direkt vom Fahrerassistenzsystem übernommen werden.
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Für Situationen, bei denen die Verkehrssignalanlage A noch auf Rot geschaltet ist und das letzte wartende Fahrzeug T noch steht, kann die optimale Fahrzeuggeschwindigkeit V
E,opt wie folgt abgeschätzt werden:
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Über die Abstände dA und dT lässt sich die Länge der Warteschlange lT bestimmen: lT = dA – d
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Mit einer durchschnittlichen Fahrzeuglänge l
Fzg kann die Anzahl wartender Fahrzeuge n
T abgeschätzt werden:
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Weiterhin kann vereinfachend angenommen werden, dass LKWs sich ähnlich in Bewegung setzen wie eine gleich lange PKW-Kolonne.
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Über statistische Erhebungen kann anhand der Anzahl wartender Fahrzeuge prognostiziert werden, an welchem Ort dT(t) und bei welcher Geschwindigkeit vT(t) das letzte wartende Fahrzeug T sich nach einer Grünumschaltung der Verkehrssignalanlage A zur Zeit t > tG befinden wird. Ein solcher Bereich 2 ist in 3 mit einem Strich jenseits, in der bildlichen Darstellung rechts, der Verkehrssignalanlage A dargestellt.
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Weiterhin kann anhand der Anzahl wartender Fahrzeuge prognostiziert werden, an welchem Ort dT(t) und bei welcher Geschwindigkeit vT(t) das letzte wartende Fahrzeug T sich nach einer Grünumschaltung der Verkehrssignalanlage A zur Zeit t = tG befinden wird. Ein solcher Bereich 1 ist in 3 mit einem Strich diesseits, in der bildlichen Darstellung links, der Verkehrssignalanlage A dargestellt.
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Damit ergeben sich folgende Bestimmungsgleichungen und Randbedingungen für die optimale Annäherungsgeschwindigkeit VE,Opt für den Verlauf der Abstandsdifferenz: dT(t) = dT(0) + ∫ t / 0(vE(τ) – vT(τ))·dτ sowie für den Verlauf der Differenzgeschwindigkeit: dν(t) = νE(0) + ∫ t / 0(αE(τ))·dτ – νT(t)
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Zu einem Zeitpunkt tc eines minimalen Abstands mit einem Parameter dMin zwischen den Kraftfahrzeug E und dem letzten wartenden Fahrzeug T sind deren Geschwindigkeiten gleich: dν(tC) = 0 dT(tC) = dMin
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Hinsichtlich dieses Optimierungsproblems ist die Beschleunigungstrajektorie aE(t) sowie der Endzeitpunkt tc so zu wählen, dass in der Zeitspanne t ∊ [0; tc] die minimale Geschwindigkeit VE,Min maximal wird.
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Zur Beeinflussung des Fahrers ist zwischen längs geregeltem Betrieb (Tempomat- bzw. ACC-Betrieb) und normalem Fahrerbetrieb zu unterscheiden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist bei einem normalen Fahrbetrieb eine Beeinflussung des Fahrers durch Anzeige empfohlener Bewegungsparameter, insbesondere einer empfohlenen Geschwindigkeit, beispielsweise in der Instrumententafel vorgesehen. Darüber hinaus können dem Fahrer akustische Empfehlungen gegeben werden.
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In einem längs geregelten Betrieb wird vom Fahrer üblicherweise eine Sollgeschwindigkeit bzw. Setzgeschwindigkeit des Fahrzeugs E definiert. Die Beeinflussung des Fahrzeugs E gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt dann in der Weise, dass die berechneten optimalen Bewegungsparameter im Rahmen der Längsregelung berücksichtigt werden, indem an eine Geschwindigkeitsregelungseinrichtung des Fahrzeugs E das Minimum der Setzgeschwindigkeit und im Rahmen der berechneten optimalen Bewegungsparameter vorgesehenen Geschwindigkeit übergeben wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine auf dem Straßenabschnitt ST zugelassene Höchstgeschwindigkeit in der Geschwindigkeitsregelungseinrichtung des Fahrzeugs E berücksichtigt.
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Der Wert einer solchen zugelassenen Höchstgeschwindigkeit wird beispielsweise über einen Telematikdienst oder eine optische Verkehrszeichenerkennung an das Fahrerassistenzsystem übertragen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass durch das Fahrerassistenzsystem Komfortanforderungen mit Berücksichtigung der fahrzeugspezifischen Eigenschaften des Fahrzeugs E bestimmt werden und eine entsprechende Beschleunigungsvorgabe berechnet wird, die bei vorhandener und aktiver Abstandsregelung in ähnlicher Weise wie oben über eine Minimumsbestimmung kombiniert und auf die Beschleunigungsschnittstelle des Fahrzeugs übergeben wird.
