DE102010033530A1

DE102010033530A1 - Verfahren und System zur Fahrspurenmittenführung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102010033530A1
Application number: DE102010033530A
Authority: DE
Inventors: Dr. Yin Xiuxun
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2011-12-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fahrspurmittenführung eines Fahrzeugs, wobei das fahrdynamische Modell für die Querregelung nur Zustandsvariablen umfasst, die als Messgröße für eine Zustandsrückführung zur Verfügung stehen.

Description

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Systeme bekannt, die den Fahrer eines Kraftfahrzeugs darin unterstützen, das Fahrzeug in seiner Fahrspur zu führen. Diese Systeme werden auch als Lane Centering Assist (LCA) oder Lane Keeping Support System (LKS) bezeichnet.
Die DE 10 2006 060 892 A2 zeigt beispielhaft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spurhalteunterstützung für ein Fahrzeug mit einem Sensorsystem und einer Datenverarbeitungseinheit.
Die folgenden Schwierigkeiten treten bei Verfahren nach dem Stand der Technik auf:
Klassisch wird bei einem modellbasierten Reglerentwurf eines LCA- oder LKS-Systems ein Einspurmodell verwendet, dessen Zustände die Fahrzeuggiergeschwindigkeit und den Schwimmwinkel umfassen ( DE 10 2004 058 676 A1 , US 2009/0157263 A1 ). Der Schwimmwinkel wird typischerweise aus Kostengründen nicht direkt gemessen, sondern aus anderen Fahrzeugsensordaten anhand eines Zustandsbeobachters geschätzt. Dies erhöht die Komplexität des gesamten Systems und beeinträchtigt insbesondere die Schätzergebnisse des Störgrößenbeobachters.
Diese Nachteile zu überkommen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Fahrspurmittenführung eines Fahrzeugs nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei auch Kombinationen einzelner Merkmale denkbar sind.
Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zur Fahrspurmittenführung eines Fahrzeugs ein fahrdynamisches Modell zu Grunde gelegt, das nur solche Zustandsvariablen umfasst, die von der Fahrzeug- und Umfeldsensorik als direkte Messgrößen ermittelt werden können und somit unmittelbar im Rahmen der Regelung für eine Zustandsrückführung zur Verfügung stehen.
Dies bietet den Vorteil, dass keine Schätzgrößen in die eigentliche Regelung eingehen, wie beispielsweise der Schwimmwinkel. Insbesondere ermöglicht dies eine genauere Schätzung der Störgrößen mit einem Störgrößenbeobachter.
Vorteilhaft wird ein Regelungsmodell angegeben, das als Zustandsvariablen Kurswinkelfehler, Querabweichung (Umfeldsensorik), Lenkwinkel, Giergeschwindigkeit (Fahrzeugsensorik) umfasst. Kurswinkelfehler und Querabweichung können hierbei durch die Umfeldsensorik gemessen werden (z. B. aus Kamerabilddaten) und Lenkwinkel und Giergeschwindigkeit können von Fahrzeugsensoren gemessen werden. Unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit (Fahrzeugsensorik) und der Fahrbahnkrümmung (Umfeldsensorik, insbesondere Kamera) kann im Rahmen der Regelung der Lenkwinkel entsprechend einem ermittelten Solllenkwinkel derart zurückgeführt werden, dass Querabweichung und der Kurswinkelfehler auf Null geregelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform findet eine sich ändernde Krümmung eines Sollspurverlaufs Berücksichtigung durch einen von der Krümmung abhängigen Führungslenkwinkel.
Das Verfahren kann vorteilhaft weiter optimiert werden, indem eine Störgrößenschätzung mittels eines Beobachters vorgesehen, die eine beispielsweise durch Meßgrößenoffset, Fahrbahnneigung oder Fahrbahnkrümmung hervorgerufene bleibende Querabweichung zu ermitteln, die anschließend durch eine entsprechende Störgrößenkompensation eliminiert werden kann.
Einige Grundgedanken und Ausführungsbeispiele der Erfindung sind:

1. Anstelle eines vollständigen Einspurmodells wird ein einfaches Giergeschwindigkeitsmodell für den Reglerentwurf verwendet. Das Modell beschreibt die wesentliche Fahrzeugquerdynamik und ist daher für die Fahrzeugquerregelung geeignet. Das Modell besteht aus zwei Differenzialgleichungen: ψ .. = a / ν·ψ . + b·δ_L Gl. (1) δ ._L = c·δ_L + d·δ_c Gl. (2) Die erste Gleichung stellt das Ein-/Ausgangsverhalten des Lenkwinkels δ_L und der Giergeschwindigkeit ψ . abhängig von der Fahrgeschwindigkeit ν dar. Die zweite Gleichung fasst die Lenkwinkelregler- und die Aktordynamik zusammen, wobei δ_c den Solllenkwinkel bzw. das Lenkwinkelkommando bezeichnet. a, b, c, d sind Konstanten. Hieraus resultiert folgendes fahrdynamisches Modell für die Querregelung:
wobei θ den Winkel zwischen Fahrbahn und Fahrzeuglängsachse (Kurswinkelfehler) und y die Querabweichung des Fahrzeugschwerpunktes zur Sollfahrbahnmitte bezeichnet. Die Krümmung der Fahrbahn wird mit ρ bezeichnet.
2. Regelungskonzept: Bei einer geraden ebenen Fahrbahn ist es möglich, mit einer Zustandsrückführung
die Querabweichung y und den Kurswinkelfehler θ auf Null zu regeln. Die Rückführungsverstärkung K_c kann mittels Polvorgabe (Eigenwertvorgabe) oder nach der LQR-Methode (Lineare Quadratisch Optimale Regelung) berechnet werden. Bei einer mittels der LQR-Methode berechneten Rückführungsverstärkung K_c, verhält sich der geschlossene Regelkreis sehr stabil und robust, solange die Rückführungsverstärkung K_c nicht zu groß ist. Beim Auftreten von Störungen wie beispielsweise einer Fahrbahn mit Neigung, Seitenwind, einer Fahrbahn mit Krümmung etc. kann der Regler die Querabweichung jedoch nicht vollständig ausregeln.
3. Regelung mit Führungslenkwinkel: Um dem Sollspurverlauf mit sich ändernder Krümmung zu folgen, wird die Stellgröße aus Gl. (4) folgendermaßen erweitert:
wobei δ_f der Führungslenkwinkel ist und den statischen Anteil des Solllenkwinkels darstellt. Bei einer stationäre Kreisfahrt mit den ausgeregelten Kurswinkelfehler und Querabweichung nimmt die Gl. (3) folgende Form an:
Hieraus wird δ_f folgendermaßen berechnet: δ_f = a· a·c / b·dρ Gl. (7) wobei a ein Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Übertragungsverhältnis der Gierwinkelgeschwindigkeit bezüglich des Lenkwinkelkommandos ist. Vorzugsweise kann a einen Wert zwischen 1 und 3 annehmen.
4. Regelung mit Störgrößenbeobachter: Um die durch Messgrößen-Offset, Fahrbahnneigung, Fahrbahnkrümmung etc. hervorgerufene bleibende Querabweichung zu beseitigen wird ein Störgrößenbeobachter wie folgt eingesetzt:
wobei K₀ eine 5×2 Beobachtermatrix ist, die mittels Polvorgabe oder nach der LQR-Methode berechnet werden kann. Die Größen θ ^, y ^, δ ^_L,
sind vom Beobachter beobachtete oder geschätzte Größen. Der Beobachter liefert eine Störgrößenschätzung δ ^_s am Eingang des Lenkwinkelreglers, die die bleibende Querabweichung als eine Eingangsstörung am Lenkwinkelkommando darstellt. Um die bleibende Querabweichung zu beseitigen, kann die Stellgröße aus Gl. (5) folgendermaßen erweitert werden:

Im verwendeten fahrdynamischen Modell nach Gl. (3) stehen alle Zustandsvariablen als Messgröße für die Zustandsrückführung zur Verfügung. Das bietet den Vorteil, dass der Zustandsregler ohne Zustandsbeobachter und damit deutlich vereinfacht realisiert werden kann. Insbesondere ermöglicht dies ein sehr gutes Schätzergebnis der Störgrößen δ ^_s, wodurch die gesamte Güte der Fahrspurenmittenführung des Systems optimiert wird.
Weitere Ausführungsbeispiele und Aspekte der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.
1 veranschaulicht die fahrdynamikrelevanten Größen.
2 zeigt die Übereinstimmung von modelliertem und gemessenem Giergeschwindigkeitsverlauf.
3 zeigt einen für eine Simulationsuntersuchung konstruierten Sollspurverlauf mit sich ändernder Krümmung.
4 zeigt das Ergebnis einer Simulation bei einer Regelung nach Gleichung (9).
In 1 sind die für die Regelung verwendeten Größen in der x-y-Ebene (raumfestes Koordinatensystem) dargestellt. Die gestrichelte Linie ist die Fahrspurmittenlinie. Ein Fahrzeug mit Schwerpunkt S, bei dem die Vorderräder um den Lenkwinkel δ_L eingeschlagen sind, ist schematisch dargestellt. Der Sollkurswinkel beträgt θ_R und der Kurswinkelfehler (Winkel zwischen Fahrzeuglängsachse und Fahrbahn) wird mit θ bezeichnet. Der Geschwindigkeitsvektor ν → schließt mit der x-Richtung einen Winkel ein, der der Summe aus Gierwinkel ψ und Schwimmwinkel β entspricht. Der Radius der Fahrbahn wird mit R_k bezeichnet, somit beträgt die Krümmung ρ = 1/R_k. Der Schwimmwinkel β ist hier dargestellt, geht aber nicht in das vereinfachte Fahrdynamikmodell nach Gleichung (3) ein. Er muss somit nicht ermittelt oder geschätzt werden.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf von Fahrgeschwindigkeit ν (angegeben in m/s, oberer Graph), Lenkradwinkel (angegeben in Grad, mittlerer Graph), modellierter Giergeschwindigkeit ψ . (angegeben in Grad/s, gestrichelte Linie) und gemessener Giergeschwindigkeit (durchgezogene Linie). Die modellierte Giergeschwindigkeit gibt den zeitlichen Verlauf der gemessenen Giergeschwindigkeit des Testfahrzeugs sehr gut wieder. Das belegt, dass das vereinfachte Einspurmodell ohne Schwimmwinkel nach Gl. (1) die Fahrzeugdynamik sehr gut darstellt. Das spricht für die Gültigkeit und Güte des auf dem vereinfachten Fahrdynamikmodell nach Gl. (3) basierenden Reglerentwurfs.
In 3 ist ein für die Simulation erstellter Sollspurverlauf in der x-y-Ebene mit sich ändernder Krümmung dargestellt sowie die Evolute des Sollspurverlaufs (gestrichelt). Der kleinste Krümmungsradius beträgt 91.8 Meter.
4 zeigt ein simuliertes Ergebnis mit dem vorgeschlagenen Regler aus Gl. (9) für den in 3 gezeigten Sollspurverlauf. Dargestellt sind die Verläufe der Fahrbahnkrümmung (1/m), Geschwindigkeit (m/s), Sollenkwinkel (Lenkwinkel am Lenkrad, in Grad), Querbeschleunigung (m/s²), Giergeschwindigkeit (Grad/s), Schwimmwinkel (Grad) sowie die Querabweichungen (m). Nach der Ausregelung der Anfangsquerablage von 1.5 m (außerhalb des dargestellten Bereichs innerhalb der ersten zehn Sekunden) sind die Querabweichungen kleiner als 0.1 Meter, obwohl die Querbeschleunigungen in den Kurven einen Wert von 0.4 g erreichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006060892 A2 [0002]
DE 102004058676 A1 [0003]
US 2009/0157263 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Fahrspurmittenführung eines Fahrzeugs, wobei das fahrdynamische Modell für die Querregelung nur Zustandsvariablen umfasst, die als Messgröße für eine Zustandsrückführung zur Verfügung stehen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schwimmwinkel nicht in die eigentliche Regelung eingeht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Zustandsvariablen: Kurswinkelfehler θ, Querabweichung y, Lenkwinkel δ_L und Giergeschwindigkeit ψ . verwendet werden, und anhand dieser Größen unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit ν und der Fahrbahnkrümmung ρ der Lenkwinkel δ_L entsprechend einem ermittelten Solllenkwinkel δ_c derart zurückgeführt wird, dass Querabweichung und der Kurswinkelfehler auf Null geregelt werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Querregelung nach folgendem Modell erfolgt:
mit Konstanten a, b, c, d, wobei über eine Zustandsrückführung
geregelt wird und die Rückführungsverstärkung K_c mittels Polvorgabe oder nach der LQR-Methode berechnet werden kann.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche mit einer Berücksichtigung eines Sollspurverlaufs mit sich ändernder Krümmung ρ.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Regler ergänzt wird um einen Führungslenkwinkel δ_f:
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Führungslenkwinkel berechnet werden kann nach δ_f = a· a·c / b·dρ mit einem Korrekturfaktor a zur Berücksichtigung des Übertragungsverhältnis der Gierwinkelgeschwindigkeit ψ . bezüglich des Solllenkwinkels δ_c.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei eine Störgrößenschätzung δ ^_s am Eingang des Lenkwinkelreglers mittels eines Beobachters K₀ vorgesehen ist, wobei die Störgrößenschätzung δ ^_s eine bleibende Querabweichung y als eine Eingangsstörung am Solllenkwinkel δ_c darstellt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei folgender Störgrößenbeobachter eingesetzt wird
mit K₀ als einer 5×2 Beobachtermatrix, die mittels Polvorgabe oder nach der LQR-Methode berechnet werden kann, und die mit Dach bedachten Größen θ ^, y ^, δ ^_L,
vom Beobachter beobachtete oder geschätzte Größen sind.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der Regler eine Eliminierung einer bleibenden Querabweichung y vornimmt.
Verfahren nach Anspruch 10 mit dem Regler