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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Fahrspur zur Lenkungsregelung eines automatisiert gesteuerten Fahrzeuges sowie ein System zur Fahrspurerkennung.
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Aus der Offenlegung
DE 10 2010 021 591 A1 ist bekannt, dass zur Steuerung eines zur automatischen Fahrzeugführung ausgebildeten Fahrzeugsystems verschiedene Sensorsysteme eingesetzt werden, die Umfelddaten eines Fahrzeuges und dessen Eigenbewegungen bestimmen. Die von verschiedenen Systemen erfassten Daten werden plausibilisiert. Bei Vorliegen eines so erkannten Fehlerfalles wird ein Aktionsplan ausgeführt, der durch Deaktivierung des Assistenzsystems das Fahrzeug in einen sicheren Zustand überführt. Hierzu ist vorgesehen, die Fahrzeugführung einem Fahrer zu übergeben oder das Fahrzeug durch einen automatischen Bremseingriff bis zum Stillstand zu verzögern. Die Übergabe an den Fahrer ist eine bei allen Assistenzsystemen weltweit übliche Praxis.
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Ist der Fahrer in einer solchen Situation eines Systemfehlerfalles nicht bereit die Fahrzeugführung schnell zu übernehmen, muss das Fahrzeug zur Erreichung eines sicheren Betriebszustandes abgebremst werden. Durch ein für andere Verkehrsteilnehmer unerwartetes starkes Abbremsen steigt beispielsweise an übersichtlichen Stellen und hohem Verkehrsaufkommen die Gefahr von Unfällen und einer Gefährdung von Personen erheblich an. Außerdem ist es schon bei mittleren Geschwindigkeiten notwendig, das Fahrzeug so zu lenken, dass es auch in einer kurvigen Straße auf der Fahrbahn bleibt; wie dies bewerkstelligt werden kann, wenn nicht der Fahrer die Lenkung übernimmt, ist in o. g. Offenlegung nicht dargelegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die bei einem Systemfehler ein weitgehend sicheres Weiterfahren des Fahrzeuges auch auf kurviger Straße ermöglicht und so ein allmähliches Abbremsen und Stehenbleiben an geeigneter Stelle erlaubt.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Fahrspur eines automatisiert gesteuerten Fahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem System zur Fahrspurbestimmung eines automatisiert gesteuerten Fahrzeuges gemäß Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zwei prinzipiell voneinander unabhängige Systeme genutzt, welche zudem (zur Erhöhung der Robustheit) mit unterschiedlichen Technologien eine Fahrspur ermitteln. Die unterschiedlichen Technologien können Sensoren auf der Basis von Kamera, Radar, Laserscanner, Ultraschall, GPS-Sensorik, Inertialsensorik, Odometrie oder andere geeignete Positionsbestimmungsverfahren sein zusammen mit einer Spurerkennung aus den sensierten Umgebungsdaten oder mit Vorwissen über Fahrspuren aus Kartendaten. Vom ersten und zweiten System berechnete Prozessdaten zur Bestimmung von Fahrspuren werden kontinuierlich untereinander abgeglichen und bei Ausfall eines der beiden Systeme wird die Fahrspur alleinig anhand des funktionsfähig verbleibenden Systems bestimmt. Dabei umfassen die vom ersten und zweiten System berechneten Prozessdaten einen zurückgelegten Weg und eine Richtung, eine Positionierung in der Spur und/oder eine berechnete Sollspur. Ein Abgleich der Prozessdaten führt zu einer konsistenten und abgesicherten Information über die momentane Fahrzeugposition und Ausrichtung sowohl in Relation zur Umgebung als auch auf der Karte. Unter Prozessdaten sind alle Daten zu verstehen, die im Berechnungsprozess vom ersten und zweiten System zur Bestimmung einer Sollfahrspur erzeugt werden. Ein Abgleich bedeutet in dem Zusammenhang, dass aufgrund der in der Vergangenheit bestimmten Daten über die Qualität der aktuell bestimmten Daten beider System eine Aussage gemacht wird und darauf basierend aus den aktuellen Daten neue, bezüglich Genauigkeit optimierte Daten bestimmt werden, die für beide Systeme als Basis für eine weitere Berechnung zugrunde gelegt wird. Solange beide Systeme funktionsfähig sind erfolgt der Abgleich der Prozessdaten, so dass von beiden Systemen von einem Fahrspurregler ausgegebene Signale zur Ansteuerung von Aktuatoren im Wesentlichen übereinstimmen. Durch den Abgleich ist gewährleistet, dass vor dem Ausfall eines der Systeme beide Systeme eine übereinstimmende Sollspurvorgabe errechnen. Bei Ausfall eines der Systeme kann die Spurplanung ohne Sprünge in der Sollvorgabe durch eines der beiden Systeme weitergeführt werden.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform werden Odometriedaten wie Wegdaten, Daten einer Inertialsensorik, insbesondere eines Gierratensensors und/oder Lenkwinkelsensors zur Führung des Fahrzeuges auf einer mit Hilfe von Kartendaten bekannten Fahrspur verwendet. Die Einbindung einer weiteren Umgebungssensorik zur Kollisionsvermeidung ist auch in diesem zweiten System grundsätzlich möglich. Ausgehend von einer bekannten Position ist anhand eines zurückgelegten Weges und durch einen Gierratensensor und/oder einen Lenkwinkelsensor festgestellten Richtungswechsel des Fahrzeuges durch Koppelnavigation die Fahrzeugposition sehr genau bestimmbar. Die aktuelle Position wird bei einem Systemstart anhand GPS-Daten und/oder Umfelddaten berechnet. In vorteilhafter Weise ist durch die Koppelnavigation die fortlaufende Berechnung der Fahrzeugposition auch möglich, wenn ein GPS-Signal zeitweise nicht zur Verfügung steht. Die durch Odometrie berechnete Position wird zur Erhöhung der Genauigkeit nach Verfügbarkeit mit Umfelddaten wie Landmarken und/oder Satellitendaten abgeglichen, womit eine hochgenaue Echtzeitpositionsbestimmung des Fahrzeugs möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Fahrspurdaten des ersten und zweiten Systems durch Kalmanfilter abgeglichen. Die Fahrspurdaten werden von beiden Systemen kontinuierlich erfasst; ein Abgleich dieser Daten beider Systeme über je einen Kalmanfilter führt im Normalbetrieb zu dauerhaft hochgenauen und robusten Positionsdaten des Fahrzeugs.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Fehlerfall oder ein Ausfall eines der Systeme aufgrund einer Eigendiagnose des Systems oder eines der Systemkomponenten bestimmt. Bei der Eigendiagnose überprüfen sich die Systeme selbst, indem beispielsweise Daten untereinander plausibilisiert oder zulässige Grenzwerte überprüft werden. Die Eigendiagnose wird beispielsweise von einer Kamera, einem Laserscanner, einem Radar-, Infrarot- oder Ultraschallsystem, einem Wegezähler, einem Lenkwinkelsensor durchgeführt. Wenn sich ein System aufgrund einer Fehlfunktion abmeldet und/oder nicht mehr verfügbar ist, so werden andere Steuersysteme informiert bzw. stellen dies fest. In vorteilhafter Weise wird durch eine Eigendiagnose ein Ausfall eines der Systeme schnell erkannt; damit kann zeitnah die Berechnung der Fahrspur von einem noch funktionsfähigen System übernommen werden und das Fahrzeug weiterbewegt werden. Die Güte der Positionserfassung nimmt zwar im allgemeinen durch den Ausfall eines der Systeme mit der Zeit ab, ist aber weiterhin ausreichend hoch, um für eine gewisse Zeit das Fahrzeug auf der Fahrbahn zu führen. So können kurzzeitige Ausfälle eines der Systeme überbrückt werden und führen nicht zwangsläufig zu einer sofortigen Notbremsung.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Daten einer digitalen Karte anhand der durch die Umfelderfassung erfassten Daten aktualisiert. Durch die kontinuierliche Optimierung der Karten wird die auf dieser Basis bestimmte Fahrspur genauer und zuverlässiger.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung wird das Fahrzeug nach Ausfall eines der beiden Systeme auf der vom verbleibenden funktionsfähigen System berechneten Fahrspur geführt und nach einer bestimmbaren Zeit oder Fahrstrecke zum Stillstand abgebremst. In vorteilhafter Weise kann gewährleistet werden, dass das Fahrzeug an einer geeigneten Stelle wie einem Parkplatz, Parkbucht oder einem Randstreifen zum Stillstand kommt und das Risiko einer Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer minimiert ist.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung betrifft ein System zur Fahrspurbestimmung eines automatisiert gesteuerten Fahrzeuges mit einem ersten System zur Umfelddatenerfassung und einem zweiten auf Kartendaten und Odometrie basierenden System, wobei jedes der Systeme zu einer vom anderen System unabhängigen Bestimmung einer Fahrspur ausgelegt und in einem eigenständigen Steuergerät ist. Das erfindungsgemäße System steigert die Systemzuverlässigkeit und -Verfügbarkeit in einem Fehlerfall eines der Systeme beziehungsweise einer der Systemkomponenten. Durch eine Anordnung der Systeme in unterschiedlichen Steuergeräten ist eine gegenseitige Abhängigkeit vermieden, d. h. jedes der beiden Systeme kann autonom eine Fahrspur berechnen. Um eine automatisierte Fahrzeugsteuerung auch im Fall eines Spannungsausfalles zu gewährleisten, sind in einer präferierten Ausführungsform beide Steuergeräte mit einer getrennten Spannungsversorgung verbunden.
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In weiterer Ausgestaltung des Systems umfasst das erste System mindestens eine Kamera, einen Laserscanner, ein Radar-, Infrarot- oder Ultraschallsystem umfasst. In vorteilhafter Weise ist mit vorgenannten Systemen eine genaue Erfassung der Umwelt erfassbar.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das zweite System neben Odometrie und Inertialsensorik ebenfalls mindestens eine Kamera, einen Laserscanner, ein Radar-, Infrarot- oder Ultraschallsystem. Eine Ergänzung der Odometrie und Inertialsensorik um die vorgenannte Umfederfassung erlaubt innerhalb des zweiten Systems eine interne Plausibilisierung der bestimmten Prozessdaten wie beispielsweise eines Bewegungsintegrators oder Lokalisierers. Damit verbunden ist eine präzisere Bestimmung der Fahrspur.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Dabei zeigen:
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1 ein Verfahren zur Bestimmung einer Fahrspur eines automatisiert gesteuerten Fahrzeuges mit einem ersten und zweiten System zur Fahrspurbestimmung,
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2 das Verfahren aus 1 bei Ausfall des zweiten Systems und
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3 das Verfahren aus 1 bei Ausfall des ersten Systems.
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Gemäß 1 weist das System zur Bestimmung einer Fahrspur eines automatisiert gesteuerten Fahrzeuges ein erstes System 2 zur Erfassung von Umweltdaten und ein auf Odometrie und einer digitalen Karte basierendes zweites System 4 auf.
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Das erste System 2 umfasst Umweltsensoren 6 zur Erfassung der Umgebung. Diese Umweltsensoren 6 weisen in vorliegendem Ausführungsbeispiel eine Kamera und ein Radarsystem auf. Die von den Umweltsensoren 6 erfassten Daten werden einem Spurerkenner 8 zugeführt, der durch Analyse der Fahrbahnbegrenzungen, Ränder und Fahrbahnmarkierungen eine Fahrspur und die Fahrzeugposition in der Fahrspur erkennt. Gleichermaßen werden die von den Umweltsensoren 6 erfassten Daten einem vorausschauenden Freiraumerkenner 10 zugeführt. Der Freiraumerkenner 10 identifiziert Gegenstände und Hindernisse in der Fahrzeugumgebung. In einem Bewegungsintegrator 12 wird aus den durch die Umweltsensoren 6 erfassten Daten ein Bewegungsablauf, d. h. Bewegungen in Längsrichtung sowie Richtungsänderungen des Fahrzeugs berechnet.
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Die von dem Spurerkenner 8, von dem Freiraumerkenner 10 und vom Bewegungsintegrator 12 berechneten Prozessdaten werden in einem Freiraumbahnplanung 14 genannten Schritt zur Bestimmung einer Fahrspur 15 zu einer Sollspurvorgabe verrechnet, die wiederum einem Bahnregler-U 16 als Eingabegrösse dient. Der Bahnregler 16 berechnet Signale zur Steuerung nicht dargestellter Aktuatoren, über die das Fahrzeug automatisiert steuerbar ist. Unter Prozessdaten sind alle Daten zu verstehen, die im Berechnungsprozess vom ersten und zweiten System 2, 4 zur Bestimmung einer Fahrspur erzeugt werden.
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Das zweite System 4 zur Fahrspurberechnung umfasst für eine odometrische Messung eine Bewegungssensorik 18 zur Bestimmung der Raddrehzahl und zur Bestimmung eines Richtungswechsels eines Fahrzeuges. Die Raddrehzahlen werden beispielsweise über Impulsgeber und die Fahrtrichtung über Gierratensensoren des ESP bestimmt.
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Aus Raddrehzahl und Fahrtrichtung ist ausgehend von einer bekannten Position eines Fahrzeuges durch Koppelnavigation nach einer beliebig zurückgelegten Strecke eine aktuelle Position bestimmbar. Die Aufintegration der Fahrzeugbewegungen erfolgt in einem Bewegungsintegrator 20, der die berechneten Prozessdaten einem Lokalisierer 22 zuführt. Der Lokalisierer 22 errechnet aus den empfangenen Prozessdaten eine aktuelle Position. Die vom Lokalisierer 22 berechnete Position ergibt mit einer aus einer Karte bestimmten Spur „Spur aus Karte” 24 die relative Lage in der Spur; diese wird mit der Information des Spurerkenners 8 aus System 2 plausibilisiert und ggfs. die Position in Relation zur Karte damit korrigiert.
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Eine Sollspurbestimmung 25 basierend auf Kartendaten erfolgt mit der vom Lokalisierer 20 berechneten aktuellen Position und einer Routenplanung 23. Aus der Sollspurbestimmung 25 wird in einem Folgeschritt unter Verwendung der durch den Lokalisierer 29 berechneten Position in einer Sollspurbahnplanung 26 eine Fahrspur 27 bestimmt, die einem Bahnregler-K 28 als Sollvorgabe dient. Der Bahnregler-K 28 berechnet entsprechend der Ausgabe der Sollspurbahnplanung 26 Signale zur Ansteuerung von nicht dargestellten Aktuatoren.
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In 1 ist ein Normalbetrieb mit zwei funktionsfähigen System 2, 4 dargestellt. Die beiden System 2, 4 sind untereinander vernetzt und tauschen Prozessdaten untereinander aus.
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Die Prozessdaten von gleichartige Informationen liefernden Systemkomponenten wie die der Spurerkenner 8 und der Lokalisierer 22, die Bewegungsintegratoren 12, 20 sowie der Freiraumbahnplaner 14 und der Sollspurbahnplaner 26 werden über eine durch Pfeile dargestellte Kopplung 30 kontinuierlich miteinander abgeglichen. Die Kopplung 30 umfasst eine Datenleitung über die Daten zwischen dem ersten und zweiten System untereinander ausgetauscht werden. Kalmanfilter in den genannten Systemkomponenten verrechnen die Daten mit einer Gewichtung, die unter Berücksichtigung der in der Vergangenheit gemessenen Daten bestimmt wird. Die aus den Daten zweier Systemkomponenten mit dem Kalmanfilter errechneten neuen Daten weisen eine höhere Genauigkeit auf und werden folgenden Berechnungs- und Verfahrensschritten zugrunde gelegt. In beiden Systemen 2, 4 sind aufgrund der gleichen, durch die Kalmanfilter abgeglichene Datenbasis die von dem Bahnregler-U 16 und dem Bahnregler-K 28 ausgegebenen Signale weitgehend übereinstimmend. Im Normalbetrieb werden die Ausgangsdaten des Bahnreglers-U 16 zur Ansteuerung der Aktoren zur automatisierten Fahrzeugsteuerung zugrunde gelegt.
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In der 2 ist ein Betriebszustand mit einem funktionsfähigen ersten System 2 und einem ausgefallenen zweiten System 4 dargestellt. Aufgrund eines durch Eigendiagnose eines der Systemkomponenten festgestellten Fehlers wird das zweite System 4 abgeschaltet. Beispielsweise liefert der Drehzahlsensor Werte außerhalb eines gültigen Wertebereichs. Durch Abschaltung des zweiten Systems 4 werden keine Prozessdaten von gleichartige Informationen liefernden Systemkomponenten ausgetauscht und das erste System 2 arbeitet vollständig autonom. In diesem Fall werden wie im Normalbetrieb die Ausgangsdaten des Bahnreglers_U 16 zur Ansteuerung der Aktoren zur automatisierten Fahrzeugsteuerung verwendet.
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Die 3 zeigt einen Betriebszustand mit einem ausgefallenen ersten System 2 und einem funktionsfähigen zweiten System 4. Beispielsweise schaltet sich das erste System 2 ab, weil die Kamera der Umfeldsensoren 6 keine Bilder mehr liefert und damit keine Freiraumbahnplanung 14 möglich ist. Mit Abschaltung des ersten Systems 2 wird für die automatisierte Fahrzeugführung vom Bahnregler-U 16 auf den Bahnregler-K 28 umgeschaltet. Das zweite System 4 arbeitet jetzt völlig autonom und übernimmt die Fahrzeugführung. Da bis zum Ausfallzeitpunkt des ersten System 2 der Bahnregler-U 16 und der Bahnregler-K 28 weitgehend übereinstimmende Signale ausgeben, erfolgt eine Umschaltung vom Bahnregler-U 16 auf den Bahnregler-K 28 unmerklich.
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Das Fahrzeug fährt geführt durch den Bahnregler-K 28 automatisiert weiter. Aus der digitalen Karte wird entnommen, welchen Verlauf die Fahrspur hat, um ein möglichst gefährdungsfreies Verzögern des Fahrzeuges auf der Fahrspur zu erlauben. Gleichzeitig erhält der Fahrzeugführer eine Meldung, dass aufgrund eines Systemausfalles kein automatisiertes Fahren beziehungsweise eine Weiterfahrt nur durch manuelle Steuerung des Fahrers möglich ist. Falls dieser nicht eingreift, wird geführt durch den Bahnregler-K 28 das Fahrzeug autonom beispielsweise bis auf einen aus der Karte bekannten Randstreifen fahren und dort stillgesetzt.
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Das erste und zweite System 2, 4 ist jeweils in getrennten Steuergeräten 30, 32 angeordnet, die über ein Datenbus 34 untereinander verbunden sind. Über den Datenbus 34 werden Prozessdaten ausgetauscht und angeglichen, gleichzeitig ist jedes der beiden System 2, 4 eigenständig arbeitsfähig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010021591 A1 [0002]
