DE102013200132B4

DE102013200132B4 - Fahrspurhaltesystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013200132B4
Application number: DE102013200132.0A
Authority: DE
Inventors: Nikolai K. Moshchuk; Jin-woo Lee; Shih-Ken Chen; Bakhtiar Litkouhi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: DE102013200132A1; US8903607B2; CN103204162B; US20130179036A1; CN103204162A

Abstract

Fahrspurhaltesystem (11) für ein Fahrzeug (10), das ein Vorderrad (52) und ein Hinterrad besitzt, wobei das Fahrspurhaltesystem (11) umfasst:einen Vorderradeinschlag-Controller (20), der konfiguriert ist, das Vorderrad (52) des Fahrzeugs (10) als Antwort auf einen Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl um einen Vorderradeinschlagwinkel einzuschlagen;einen Hinterradeinschlag-Controller (22), der konfiguriert ist, das Hinterrad des Fahrzeugs (10) als Antwort auf einen Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl um einen Hinterradeinschlagwinkel einzuschlagen; undeinen Fahrspurhalteprozessor (18), der konfiguriert ist, um:einen Sollkurs des Fahrzeugs (10) längs einer Fahrbahn (42) zu bestimmen;eine Bahn (102) des Fahrzeugs (10) anhand einer erfassten Fahrzeugbewegung zu schätzen;einen Fehler zwischen dem bestimmten Sollkurs und der geschätzten Bahn (102) zu berechnen; undeinen Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl für den Hinterradeinschlag-Controller (22) bereitzustellen;dadurch gekennzeichnet , dassder Fahrspurhalteprozessor (18) ferner konfiguriert ist, umeinen Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl für den Vorderradeinschlag-Controller (20) bereitzustellen, wobei der bereitgestellte Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl und der bereitgestellte Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl so gewählt sind, dass der berechnete Fehler minimiert wird; wobeieine Größe des bereitgestellten Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehls null ist, wenn eine Größe des Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehls unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt; unddie Größe des bereitgestellten Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehls größer als null ist, wenn die Größe des Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehls gleich oder größer als der vorgegebene Schwellenwert ist, wobei in diesem Falle der tatsächlich angewiesene Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl künstlich auf den Schwellenwert begrenzt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Fahrspurhaltesystem für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der US 2007 / 0 225 914 A1 bekannt.
Ein im Wesentlichen vergleichbares System beschreibt ferner die DE 10 2007 048 512 A1 .
HINTERGRUND
Fahrzeugfahrspurhaltesysteme können eine visuelle Objekterkennung verwenden, um auf einer Straße markierte Fahrspurbegrenzungslinien zu identifizieren. Mittels dieser Systeme können visuelle Verarbeitungstechniken eine Position zwischen dem Fahrzeug und den jeweiligen Fahrspurlinien sowie eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs relativ zu der Fahrspur schätzen. Vorhandene Kraftfahrzeugsichtsysteme können nach vorn gerichtete Kameras verwenden, die im Wesentlichen auf den Horizont gerichtet sein können, um das potentielle Gesichtsfeld zu erhöhen. Wenn aktive Lenksysteme in die Fahrspurhaltesysteme aufgenommen sind, kann ein Controller konfiguriert sein, ein Fahrzeug innerhalb einer Fahrspur adaptiv zu zentrieren („Fahrspurzentrierung“) oder eine Fahrzeugposition auf der Fahrspur zu halten („Fahrspurhalten“) oder er kann verwendet werden, ein Fahrzeug auf eine benachbarte Fahrspur zu lenken („Fahrspurwechsel“).
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Fahrspurhaltesystem für ein Fahrzeug geschaffen, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Der Fahrspurhalteprozessor kann ferner konfiguriert sein, einen Soll-Vorderradeinschlagwinkel und einen Soll-Hinterradeinschlagwinkel zu bestimmen, wobei der bereitgestellte Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl gesteuert wird, um die Differenz zwischen dem Vorderradeinschlagwinkel und dem Soll-Vorderradeinschlagwinkel minimal zu machen, ferner wird der bereitgestellte Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl gesteuert, um die Differenz zwischen dem Hinterradeinschlagwinkel und dem Soll-Hinterradeinschlagwinkel minimal zu machen.
Der Sollkurs des Fahrzeugs längs der Fahrbahn kann so bestimmt werden, dass das Fahrzeug in der Mitte der Verkehrsfahrspur gehalten wird. Alternativ kann der Sollkurs des Fahrzeugs längs einer Fahrbahn so bestimmt werden, dass ein Fahrspurwechselmanöver ausgeführt wird. In jedem Fall kann die Art des Sollkurses im Allgemeinen von einem Benutzer über eine Schnittstelle angegeben werden (z. B. „momentane Fahrspur beibehalten“, „Fahrzeug auf Fahrspur zentrieren“, „Fahrspur wechseln“).
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten für die Ausführung der Erfindung ohne Weiteres hervor, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs, das ein Fahrspurhaltesystem enthält.
2 ist eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs, das in einer Fahrspur einer Straße angeordnet ist.
3 ist eine schematische Draufsicht eines Vorderrades eines Fahrzeugs in Kommunikation mit einem Radeinschlag-Controller.
4 ist ein schematischer Ablaufplan eines Fahrspurhalteprozessors.
5 ist eine schematische Draufsicht einer Fahrspurwechselprozedur.
6 ist ein schematischer Ablaufplan, der ein Verfahren für die Implementierung eines Einschlagsystems mit Vorderradpriorität veranschaulicht.

BESCHREIBUNG
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten verwendet werden, um ähnliche oder gleiche Komponenten zu bezeichnen, zeigt 1 schematisch ein Fahrzeug 10 mit einem Fahrspurhaltesystem 11, das einen Lokalumgebungssensor (z. B. eine oder mehrere Kameras 12, Lasersensoren, LIDAR, GPS/Abbildungseinheiten und dergleichen), einen Bildprozessor 14, einen Fahrzeugbewegungssensor 16, einen Fahrspurhalteprozessor 18 sowie Vorderrad- und Hinterradeinschlag-Controller 20, 22 umfasst. Wie später genauer beschrieben wird, kann der Fahrspurhalteprozessor 18 die aufgenommenen und/oder verbesserten Umgebungsdaten 24 zusammen mit den erfassten Bewegungsdaten 26 analysieren und/oder bewerten, um die Position des Fahrzeugs 10 innerhalb einer Verkehrsfahrspur 30 zu bestimmen (wie allgemein in 2 veranschaulicht ist). Die Fahrzeugbewegungsdaten 26 können Angaben beispielsweise über die Gierrate, die Geschwindigkeit, die Längs- und Querbeschleunigung, den Einschlagwinkel der Vorder- und Hinterräder und/oder das Einschlagdrehmoment für die Vorder- und Hinterräder enthalten. Außerdem kann der Fahrspurhalteprozessor 18 die Vorderrad- und Hinterradlenkung (über Einschlag-Controller 20, 22) wahlweise steuern, um das Fahrzeug 10 zu veranlassen, einen im Voraus definierten Kurs zu halten. Ein solcher Kurs kann beispielsweise das Fahrzeug 10 dazu veranlassen, innerhalb einer Fahrspur 30 zentriert zu bleiben, oder er kann ein Fahrspurwechselmanöver bewirken. In einer Konfiguration kann der Fahrspurhalteprozessor 18 die Position des Fahrzeugs 10 nahezu in Echtzeit durch Berechnen des Abstands 32 zwischen dem Fahrzeug 10 und der rechten Fahrspurlinie 34, des Abstands 36 zwischen dem Fahrzeug 10 und der linken Fahrspurlinie 38 und/oder der Fahrtrichtung 40 des Fahrzeugs 10 relativ zu der Fahrspur 30 bestimmen.
Der Bildprozessor 14 und der Fahrspurhalteprozessor 18 können jeweils als ein oder mehrere digitale Computer oder Datenverarbeitungsvorrichtungen verkörpert sein, wovon jeder bzw. jede einen oder mehrere Mikroprozessoren oder Zentraleinheiten (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Schreib-Lese-Speicher (RAM), einen elektrisch löschbaren, programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, eine Analog/Digital-Schaltungsanordnung (A/D-Schaltungsanordnung), eine Digital/Analog-Schaltungsanordnung (D/A-Schaltungsanordnung), eine Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnung (I/O-Schaltungsanordnung), Leistungselektronik/Leistungstransformatoren und/oder Signalaufbereitungs- und Signalpufferungselektronik besitzt. Die einzelnen Steuer-/Verarbeitungsroutinen, die in den Prozessoren 14, 18 vorhanden sind oder für diese ohne Weiteres zugänglich sind, können in einem ROM oder an anderen geeigneten körperlichen Speicherplätzen und/oder in Speichervorrichtungen gespeichert sein und können durch zugeordnete Hardware-Komponenten der Prozessoren 14, 18 automatisch ausgeführt werden, um die jeweilige Verarbeitungsfunktionalität bereitzustellen. In einer weiteren Konfiguration können der Videoprozessor 14 und der Fahrspurhalteprozessor 18 durch eine einzige Vorrichtung wie etwa einen Digitalcomputer oder eine Datenverarbeitungsvorrichtung verkörpert sein.
Wenn sich das Fahrzeug 10 auf der Straße 42 bewegt, können die Lokalumgebungssensoren (z. B. eine oder mehrere Kameras 12) Markierungen (z. B. strichartige Straßenmarkierungen 44), die auf die Oberfläche der Straße 42 aufgebracht oder darin eingebettet sein können, um die Fahrspur 30 zu definieren, detektieren. Die Kameras 12 können beispielsweise eine oder mehrere Linsen und/oder Filter enthalten, die dafür ausgelegt sind, Licht von innerhalb des Gesichtsfeldes 46 auf einem Bildsensor zu empfangen und/oder zu formen. Der Bildsensor kann beispielsweise eine oder mehrere ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs) enthalten, die konfiguriert sind, Lichtenergie in ein digitales Signal umzusetzen. Die Kamera 12 kann einen Videostrom 48 ausgeben, der beispielsweise mehrere Standbilder enthalten kann, die nacheinander mit einer festen Rate (d. h. mit der Bildrate) aufgenommen werden. Zusätzlich zu der einen oder den mehreren Kameras (z. B. Kamera 12) kann das Fahrzeug 10 andere Lokalumgebungssensoren wie etwa einen oder mehrere Radar-Sender/Empfänger (nicht gezeigt) oder andere Wahmehmungserfassungsvorrichtungen, die verwendet werden können, um die Position des Fahrzeugs relativ zu einem oder mehreren Umgebungsobjekten zu detektieren, enthalten.
Die eine oder die mehreren Kameras 12 (oder anderen Wahrnehmungserfassungsvorrichtungen) können mit irgendeiner geeigneten Orientierung/Ausrichtung am Fahrzeug 10 positioniert sein, sofern sie das eine oder die mehreren Objekte oder Markierungen, die auf oder längs der Straße 42 angeordnet sind, vernünftig sehen können. In einer Konfiguration kann, wie allgemein in den 1 und 2 gezeigt ist, die Kamera 12 im vorderen Bereich 50 des Fahrzeugs 10 angeordnet sein, so dass sie die Straße 42 vor dem Fahrzeug 10 geeignet sehen kann. Beispielsweise kann die Kamera 12 am vorderen Kühlergrill des Fahrzeugs 10 oder innerhalb der Windschutzscheibe des Fahrzeugs 10 angeordnet sein und im Allgemeinen in die nach vorn weisende Richtung orientiert sein.
Jeder der Vorderrad- und Hinterradeinschlag-Controller 20, 22 kann mit dem Fahrspurhalteprozessor 18 kommunizieren und kann konfiguriert sein, um die Winkelbewegung der Vorderräder 52 und der Hinterräder 54 entsprechend der Richtung des Prozessors 18 zu steuern. Beispielsweise können in einer Konfiguration der Vorderradeinschlag-Controller 20 und der Hinterradeinschlag-Controller 22 jeweils einen Motor wie etwa einen Servomotor enthalten, der die Vorderräder 52 bzw. die Hinterräder 54 mit einem Drehmoment beaufschlagen kann. Obwohl 1 die Einschlag-Controller 20, 22 so zeigt, dass sie nur mit jeweils einem einzigen Rad verbunden sind, sollte klar sein, dass alle Vorderräder 52 für eine gemeinsame Bewegung mittels einer Lenkanordnung (nicht gezeigt) verbunden sein können. Ebenso können sämtliche Hinterräder 54 über eine Lenkanordnung (nicht gezeigt) für eine gemeinsame Bewegung auf ähnliche Weise verbunden sein. In einer alternativen Ausführungsform kann der Fahrspurhalteprozessor 18 konfiguriert sein, um die Winkelbewegung jedes Rades wahlweise unabhängig von jedem anderen Rad zu steuern.
Wie allgemein in 3 gezeigt ist, kann in einer Konfiguration der Vorderradeinschlag-Controller 20 konfiguriert sein, um einen Drehmomentbefehl 60 von dem Fahrspurhalteprozessor 18 zu empfangen. Der Vorderradeinschlag-Controller 20 kann dann auf das Rad 52 ein Drehmoment 62 (τ_front) auszuüben, etwa durch Erregen eines Motors, der mit einer Lenkanordnung gekoppelt ist, die mit dem Rad 52 mechanisch kommunizieren kann. In Abhängigkeit von der Dynamik des Fahrzeugs 10 wie etwa der Geschwindigkeit, der Gierrate, der Rollreibung zwischen dem Rad und der Fahrbahnoberfläche und/oder anderen dynamischen Faktoren kann das ausgeübte Drehmoment 62 bewirken, dass sich die Radrichtung 64 aus einer Geradeaus-Nennposition 66 um einen Einschlagwinkel 68 $(δ_{front}^{act})$
zu einzuschlagen. Der Vorderradeinschlag-Controller 20 kann den Einschlagwinkel 68 etwa über einen Drehgeber oder einen anderen Winkelsensor überwachen und kann den überwachten Einschlagwinkel 68 über ein Einschlagwinkelsignal 70 zurück zum Fahrspurhalteprozessor 18 transportieren. Wie erkannt werden wird, kann der Hinterradeinschlag-Controller 22 ähnlich wie der Vorderradeinschlag-Controller 20 konfiguriert sein, wobei er allerdings mit den Hinterrädern 54 kommuniziert.
4 zeigt eine genauere schematische Ansicht des Fahrspurhalteprozessors 18. Wie gezeigt, enthält der Prozessor 18 verschiedene Module, die jeweils getrennte Funktionen ausführen, obwohl sie von anderen Modulen in dem Prozessor 18 gemeinsam abhängen können. Jedes funktionale Modul kann als ein oder mehrere Software-Algorithmen und/oder in Form von Hardware-Schaltungen/-Vorrichtungen ausgeführt sein oder kann eine Kombination aus Software- und Hardware-Elementen enthalten.
Wie gezeigt, kann ein Sensorfusionsmodul 80 die verschiedenen Formen von Sensorinformationen, die von dem Bildprozessor 14, dem Fahrzeugbewegungssensor 16 und/oder anderen wahrnehmungsbasierten Lokalumgebungssensoren, die im Fahrzeug 10 enthalten sein können, erhalten werden, empfangen. Das Sensorfusionsmodul 80 kann diese verschiedenen Typen/Formen von Informationen zu einem vereinigten Modell der lokalen Umgebung des Fahrzeugs kombinieren. Das Sensorfusionsmodul 80 kann beispielsweise detektierte Objekte gruppieren, sie verfolgen und ihre relativen Objektorte und relativen Geschwindigkeiten in kartesischen Koordinaten berichten. In einer Konfiguration kann das Sensorfusionsmodul 80 verschiedene Filterungstechniken verwenden, etwa Kalman-Filter, um die von den verschiedenen Dateneingängen erhaltenen Informationen zu fusionieren.
Aus diesem fusionierten/vereinigten Modell der lokalen Umgebung des Fahrzeugs kann ein Positionsdetektionsmodul 82 die relative Fahrzeugposition innerhalb der Fahrspur (z. B. Abstände 32, 36 und Fahrtrichtung 40 wie in 2 gezeigt) bestimmen, außerdem kann ein Pfadvorhersagemodul 84 die vorhergesagte Bahn des Fahrzeugs anhand der aktuellen Position des Fahrzeugs und der momentanen Bewegung des Fahrzeugs schätzen/extrapolieren. Konkurrent kann ein Fahrbahnschätzmodul 86 den Vorwärtspfad der Fahrbahn 42 etwa durch Fahrbahnlinien-Detektion/-Analyse bestimmen, während ein Pfadplanungsmodul 88 einen Sollkurs längs des Vorwärtspfades der Fahrbahn 42 auftragen kann. Der Sollkurs kann die Mittellinie der geschätzten Vorwärtsfahrspur/Fahrbahn, die Mittellinie zuzüglich eines Versatzes oder einen Pfad, der ein Fahrspurwechselmanöver von einer Fahrspur zu einer benachbarten Fahrspur bewirken würde, repräsentieren. Ein solcher Kurs kann im Allgemeinen durch einen Benutzer über eine Benutzereingabe 90 (z. B. von einem Fahrer des Fahrzeugs) spezifiziert werden. Der aufgetragene Sollkurs kann ferner ein glatter Kurs für das Fahrzeug sein, der irgendwelche plötzlichen Änderungen oder Bewegungen, die andernfalls für die Fahrgäste unangenehm wären, minimal macht. In einer Konfiguration kann der Sollkurs als eine Reihe von Seitenversätzen, Fahrtrichtungsänderungen und longitudinaler Abstände relativ zu einer oder mehreren Fahrspurlinien über eine Zeitdauer repräsentiert werden.
5 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs 10, das auf einer Fahrbahn 42 fährt, wobei der Fahrspurhalteprozessor 18 versucht, ein Fahrspurwechselmanöver auszuführen. Wie gezeigt, kann ein Sollkurs 100 für das Fahrspurwechselmanöver durch das Pfadplanungsmodul 88 erzeugt werden, wobei eine vorhergesagte Bahn 102 unter den aktuellen Bedingungen durch das Pfadvorhersagemodul 84 erzeugt werden kann.
Ein Einschlagsteuermodul 92 (in 4 gezeigt) kann dann den Sollfahrzeugkurs 100 mit Blick auf die vorhergesagte Bahn 102 betrachten, um die Seitenversatzfehler 104 und/oder Fahrtrichtungswinkelfehler (Orientierungsfehler) des Fahrzeugs 10 zwischen dem Sollkurs 100 und der vorhergesagten Bahn 102 zu berechnen. Das Einschlagsteuermodul 92 kann dann versuchen, geeignete Einschlagdrehmomentbefehle 94, 96 (τ_front, τ_rear) und/oder Solleinschlagwinkel-Befehle $(δ_{front}^{des}, δ_{rear}^{des})$
für die Vorderrad- bzw. Hinterradeinschlag-Controller 20, 22 zu bestimmen. In einer Konfiguration kann das Einschlagsteuermodul 92 eine Folge künftiger Drehmomentbefehle und/oder Solleinschlagwinkel-Befehle erzeugen, die versuchen können, die Orientierungsfehler und Seitenversatzfehler 104 zwischen dem Sollkurs 100 des Fahrzeugs und der vorhergesagten Fahrzeugbahn 102 minimal zu machen.
In einer Konfiguration kann das Einschlagsteuermodul 92 die Vorwärtsbewegung über eine Folge von Soll-Einschlagwinkelbefehlen $(δ_{front}^{des}, δ_{rear}^{des})$
bestimmen und/oder spezifizieren, obwohl es die Vorderrad- und Hinterradeinschlag-Controller 20, 22 durch Bereitstellen von Einschlagdrehmomentbefehlen 94, 96 (τ_front, τ_rear) anweisen könnte. Anhand der Dynamik des Fahrzeugs und/oder der Räder können dann die Drehmomentbefehle 94, 96 (τ_front, τ_rear) die Räder um Ist-Einschlagwinkel $(δ_{front}^{act}, δ_{rear}^{act})$
(wie in 3 gezeigt) einschlagen. Auf diese Weise und wie oben beschrieben kann das Einschlagsteuermodul 92 überwachte Einschlagwinkelsignale 70, 72 als Rückkopplung von den Vorderrad- und Hinterradeinschlag-Controllern 20, 22 empfangen, um sie bei der Steuerung der bereitgestellten Drehmomentbefehle 94, 96 (τ_front, τ_rear) in einer geschlossenen Schleife zu verwenden (d. h. um die Differenz zwischen den Ist-Einschlagwinkeln und den Soll-Einschlagwinkeln minimal zu machen).
Die Vorderrad- und Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehle 94, 96 (τ_front, τ_rear) können in veränderlichen Verhältnissen/Schemata relativ zueinander in Übereinstimmung mit den erwünschten Leistungscharakteristiken des Systems 11 gesteuert werden. Beispielsweise kann das System 11 in einer Konfiguration ein System mit Vorderradpriorität sein, wobei der Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl 96 (τ_rear) null ist, bis der Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl 94 (τ_front) einen im Voraus definierten Schwellenwert überschreitet. In einer weiteren Konfiguration kann das System 11 ein System mit Hinterradpriorität sein, bei dem der Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl 94 (τ_front) null ist, bis der Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl 96 (τ_rear) einen im Voraus definierten Schwellenwert überschreitet. In einer nochmals weiteren Konfiguration können die Vorderrad- und Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehle 94, 96 (τ_front, τ_rear) stets gemeinsam verwendet werden, wobei sie jedoch in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Verhältnis gewichtet sein können.
6 zeigt schematisch ein Verfahren 120 zum Implementieren eines Einschlagsystems mit Vorderradpriorität, das von dem Fahrspurhalteprozessor 18 ausgeführt werden könnte. Es sollte erkannt werden, dass ein Fachmann auf dem Gebiet der Fahrzeugdynamik dieses Verfahren 120 ohne Weiteres an ein Einschlagsystem mit Hinterradpriorität anpassen kann. Wie gezeigt, beginnt das Verfahren 120 im Schritt 122, wenn der Prozessor 18 eine Fahrspurzentrierungsanforderung (oder Fahrspurwechselanforderung) ausgibt. Diese Anforderung kann beispielsweise von einem Fahrer/Benutzer des Fahrzeugs 10 ausgehen, etwa über eine Mensch/Maschine-Schnittstelle (HMI) in der Fahrgastzelle des Fahrzeugs 10 (siehe beispielsweise HMI 110 in 1).
Nach der anfänglichen Anforderung im Schritt 122 kann der Prozessor 18 im Schritt 124 einen Vorderradeinschlag-Fahrspurzentrierungs-Algorithmus ausführen. In diesem Schritt kann der Prozessor 18 versuchen, einen Soll-Vorderradeinschlagwinkel $(δ_{front}^{des})$
zu bestimmen, der die Kostenfunktion (J₁) in Gleichung 1 über das vorausliegende Zeitintervall [0, ΔT] minimal macht. $J_{1} = \int_{0}^{Δ T} {{[\begin{matrix} y & φ \end{matrix}]}_{e r r} \cdot Q (t) \cdot {[\begin{matrix} y \\ φ \end{matrix}]}_{e r r} + δ_{f r o n t}^{d e s} \cdot R (t) \cdot δ_{f r o n t}^{d e s}} d t$
In Gleichung 1 sind Q(t) und R(t) Gewichtungsfaktoren, repräsentiert y_err den Seitenversatzfehler 104 zwischen dem Sollkurs 100 und der projizierten Bahn 102 und repräsentiert φ_err den Orientierungsfehler/Fahrtrichtungsfehler des Fahrzeugs 10 längs der projizierten Bahn 102 relativ zu der Soll-Fahrtrichtung längs des Sollkurses 100. Dieses Analyse kann ferner die Fahrzeugdynamik wie in Gleichung 2 beschrieben betrachten, wenn die Folge von Einschlagbefehlen bestimmt wird. $[\begin{matrix} \dot{y} \\ \dot{φ} \\ {\dot{v}}_{y} \\ \dot{r} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & v_{x} & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & - \frac{C_{ƒ} + C_{r}}{m v_{x}} & \frac{b C_{r} - a C_{ƒ}}{m v_{x}} - v_{x} \\ 0 & 0 & \frac{b C_{r} - a C_{ƒ}}{I v_{x}} & \frac{a^{2} C_{ƒ} + b^{2} C_{r}}{I v_{x}} \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} y \\ φ \\ v_{y} \\ r \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ \frac{C_{ƒ}}{m} \\ \frac{a C_{ƒ}}{I} \end{matrix}] \cdot δ_{f r o n t}^{d e s} + [\begin{matrix} 0 \\ v_{x} \\ 0 \\ 0 \end{matrix}] \cdot ρ$
In Gleichung 2 repräsentiert v_x die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, repräsentiert v_y die Fahrzeugquergeschwindigkeit, repräsentiert r die Fahrzeuggierrate, repräsentiert ρ die Straßenkrümmung, repräsentieren C_f und C_r die Vorderrad- und Hinterrad-Kurvenfahrtsteifigkeiten, repräsentiert m die Fahrzeugmasse, repräsentiert I das Fahrzeuggier-Trägheitsmoment und repräsentieren α und b den Abstand zwischen dem Fahrzeugschwerpunkt und der Vorderachse bzw. der Hinterachse.
Sobald im Schritt 124 der Soll-Vorderradeinschlagwinkel $(δ_{front}^{des})$
bestimmt worden ist, kann der Vorderradeinschlag-Controller 20 darauf ausgerichtet sein, diesen Einschlagwinkel im Schritt 126 zu erreichen, etwa durch eine geschlossene Regelschleife für den Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl 94 (Tfront).
Der Prozessor 18 kann den angewiesenen Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl 94 (τ_front) im Schritt 128 überwachen, um zu bestimmen, ob er einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. In einer Konfiguration kann ein geeigneter Schwellenwert für den Fahrgastkomfort oder für die Fahrzeugstabilität beispielsweise 3 Nm betragen. Ein Drehmomentbefehl oberhalb dieses Schwellenwerts kann jedoch auftreten, falls der Soll-Vorderradeinschlagwinkel $(δ_{front}^{des})$
angewiesen wird, zu schnell zu wechseln, falls das Fahrzeug 10 bereits eine Kurve fährt und eine große Querbeschleunigung oder Gierrate besitzt, falls sich das Fahrzeug 10 mit einer geringen Geschwindigkeit bewegt und/oder falls der Vorderradeinschlag-Controller 20 betriebsunfähig geworden ist. Falls der vorgegebene Drehmomentschwellenwert im Schritt 128 überschritten wird, kann der Prozessor 18 sofort erneut den Sollkurs 100 im Schritt 130 berechnen und dabei die aktuelle Position und die aktuelle Bewegung des Fahrzeugs berücksichtigen. Der Prozessor 18 kann dann die aktuelle Bahn 102 des Fahrzeugs im Schritt 132 anhand des Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehls 94 (τ_front), der bei dem vorgegebenen Schwellenwert vom Schritt 128 künstlich gesättigt/beschränkt wird, berechnen/extrapolieren.
Sobald der Sollkurs 100 bzw. die projizierte Bahn 102 in den Schritten 130 bzw. 132 aktualisiert worden sind, kann der Prozessor 18 den Soll-Hinterradeinschlagwinkel-Befehl $(δ_{rear}^{des})$
im Schritt 134 berechnen, der erforderlich sein könnte, um den künstlich beschränkten Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl 94 (τ_front) zu erhöhen. In einer Konfiguration kann diese Bestimmung durch Minimieren der in Gleichung 3 angegebenen Kostenfunktion (J₂) im Hinblick auf die Fahrzeugdynamik, wie in Gleichung 4 angegeben, erzielt werden. $J_{2} = \int_{0}^{Δ T} {{[\begin{matrix} y & φ \end{matrix}]}_{e r r} \cdot Q (x) \cdot {[\begin{matrix} y \\ φ \end{matrix}]}_{e r r} + δ_{r e a r}^{d e s} \cdot R (t) \cdot δ_{r e a r}^{d e s}} d t$
$[\begin{matrix} \dot{y} \\ \dot{φ} \\ {\dot{v}}_{y} \\ \dot{r} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & v_{x} & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & - \frac{C_{ƒ} + C_{r}}{m v_{x}} & \frac{b C_{r} - a C_{ƒ}}{m v_{x}} - v_{x} \\ 0 & 0 & \frac{b C_{r} - a C_{ƒ}}{I v_{x}} & \frac{a^{2} C_{ƒ} + b^{2} C_{r}}{I v_{x}} \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} y \\ φ \\ v_{y} \\ r \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ \frac{C_{ƒ}}{m} \\ \frac{a C_{ƒ}}{I} \end{matrix}] \cdot δ_{f r o n t}^{a c t} + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ \frac{C_{r}}{m} \\ - \frac{a C_{r}}{I} \end{matrix}] \cdot δ_{r e a r}^{a c t} + [\begin{matrix} 0 \\ v_{x} \\ 0 \\ 0 \end{matrix}]$
In Gleichung 4 kann der Vorderradeinschlagwinkel $(δ_{front}^{act})$
eine gemessene Größe sein, etwa über das Vorderradeinschlagwinkel-Signal 70.
Im Schritt 136 kann der Prozessor 18 dann einen Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl 96 (τ_rear) an den Hinterradeinschlag-Controller 22 in Form einer geschlossenen Schleife ausgeben, um den Soll-Hinterradeinschlagwinkel $(δ_{rear}^{des})$
zu erzielen. Das Verfahren 120 kann dann zum Schritt 128 zurückgeschleift sein, um den angewiesenen Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl 94 (τ_front) erneut mit dem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen.
In einer Konfiguration, in der sowohl die Vorderrad- als auch die Hinterradeinschlagsteuerung stets aktiv sind, kann der Prozessor versuchen, die Vorderrad- und Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehle 94, 96 (τ_front, τ_rear) (oder die Soll-Vorderrad/Hinterrad-Einschlagwinkel $(δ_{front}^{des}, δ_{rear}^{des})$
) zu wählen, die das Fahrzeug 10 auf möglichst gleichmäßige Weise dazu veranlassen, dem Sollkurs 100 zu folgen. Beispielsweise kann der Prozessor 18 versuchen, die in Gleichung 5 gezeigte Kostenfunktion (J₃) im Hinblick auf die Fahrzeugdynamik wie in Gleichung 6 angegeben minimal zu machen. In den Gleichungen 5 und 6 wird verwendet: $u = [δ_{front}^{des}, δ_{rear}^{des}] .$
$J_{3} = \int_{0}^{Δ T} {{[\begin{matrix} y & φ \end{matrix}]}_{e r r} \cdot Q (x) \cdot {[\begin{matrix} y \\ φ \end{matrix}]}_{e r r} + u' \cdot R (t) \cdot u} d t$
$[\begin{matrix} \dot{y} \\ \dot{φ} \\ {\dot{v}}_{y} \\ \dot{r} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & v_{x} & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & - \frac{C_{ƒ} + C_{r}}{m v_{x}} & \frac{b C_{r} - a C_{ƒ}}{m v_{x}} - v_{x} \\ 0 & 0 & \frac{b C_{r} - a C_{ƒ}}{I v_{x}} & \frac{a^{2} C_{ƒ} + b^{2} C_{r}}{I v_{x}} \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} y \\ φ \\ v_{y} \\ r \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \\ \frac{C_{ƒ}}{m} & \frac{C_{r}}{m} \\ \frac{a C_{ƒ}}{I} & - \frac{a C_{r}}{I} \end{matrix}] \cdot u + [\begin{matrix} 0 \\ v_{x} \\ 0 \\ 0 \end{matrix}] \cdot ρ$
Durch Ermöglichen einer aktiven Hinterradsteuerung auf eine der oben beschriebenen Weisen kann das Fahrzeug 10 eine Fahrspur 30 selbst bei niedrigeren Geschwindigkeiten oder bei Stop and Go-Verkehr, was größere Einschlagdrehmomente erfordern könnte, effektiver halten. Die Aufnahme einer verbundenen Vorderrad- und Hinterradlenkung kann daher ein robusteres aktives Geschwindigkeitsregelungs-/Fahrspurhaltesystem über einen breiten Bereich von Geschwindigkeiten und Straßengeometrien als lediglich mit einer Vorderradlenkung schaffen.

Claims

Fahrspurhaltesystem (11) für ein Fahrzeug (10), das ein Vorderrad (52) und ein Hinterrad besitzt, wobei das Fahrspurhaltesystem (11) umfasst: einen Vorderradeinschlag-Controller (20), der konfiguriert ist, das Vorderrad (52) des Fahrzeugs (10) als Antwort auf einen Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl um einen Vorderradeinschlagwinkel einzuschlagen; einen Hinterradeinschlag-Controller (22), der konfiguriert ist, das Hinterrad des Fahrzeugs (10) als Antwort auf einen Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl um einen Hinterradeinschlagwinkel einzuschlagen; und einen Fahrspurhalteprozessor (18), der konfiguriert ist, um: einen Sollkurs des Fahrzeugs (10) längs einer Fahrbahn (42) zu bestimmen; eine Bahn (102) des Fahrzeugs (10) anhand einer erfassten Fahrzeugbewegung zu schätzen; einen Fehler zwischen dem bestimmten Sollkurs und der geschätzten Bahn (102) zu berechnen; und einen Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl für den Hinterradeinschlag-Controller (22) bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet , dass der Fahrspurhalteprozessor (18) ferner konfiguriert ist, um einen Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl für den Vorderradeinschlag-Controller (20) bereitzustellen, wobei der bereitgestellte Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl und der bereitgestellte Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl so gewählt sind, dass der berechnete Fehler minimiert wird; wobei eine Größe des bereitgestellten Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehls null ist, wenn eine Größe des Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehls unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt; und die Größe des bereitgestellten Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehls größer als null ist, wenn die Größe des Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehls gleich oder größer als der vorgegebene Schwellenwert ist, wobei in diesem Falle der tatsächlich angewiesene Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl künstlich auf den Schwellenwert begrenzt wird.
Fahrspurhaltesystem (11) nach Anspruch 1, wobei der Fahrspurhalteprozessor (18) ferner konfiguriert ist, um einen Soll-Vorderradeinschlagwinkel und einen Soll-Hinterradeinschlagwinkel zu bestimmen; wobei der bereitgestellte Vorderradeinschlag-Drehmomentbefehl gesteuert wird, um die Differenz zwischen dem Vorderradeinschlagwinkel und dem Soll-Vorderradeinschlagwinkel minimal zu machen; und wobei der bereitgestellte Hinterradeinschlag-Drehmomentbefehl gesteuert wird, um die Differenz zwischen dem Hinterradeinschlagwinkel und dem Soll-Hinterradeinschlagwinkel minimal zu machen.
Fahrspurhaltesystem (11) nach Anspruch 1, wobei der Sollkurs des Fahrzeugs (10) längs einer Fahrbahn (42) bestimmt wird, um das Fahrzeug (10) in der Mitte einer Verkehrsfahrspur zu halten.
Fahrspurhaltesystem (11) nach Anspruch 1, wobei der Sollkurs des Fahrzeugs (10) längs einer Fahrbahn (42) bestimmt wird, um ein Fahrspurwechselmanöver zu bewerkstelligen.
Fahrspurhaltesystem (11) nach Anspruch 1, wobei der berechnete Fehler einen Seitenversatzfehler und einen Fahrtrichtungswinkelfehler umfasst.
Fahrspurhaltesystem (11) nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen eines Sollkurses des Fahrzeugs (10) das Empfangen einer Angabe von einem Benutzer enthält, wobei die Angabe entweder einen Fahrspurzentrierungsbefehl oder einen Fahrspurwechselbefehl spezifiziert.
Fahrspurhaltesystem (11) nach Anspruch 1, das ferner eine Kamera, die konfiguriert ist, um Bilddaten zu erzeugen, die die Fahrbahn (42) repräsentieren, und einen Fahrzeugbewegungssensor (16), der konfiguriert ist, um Fahrzeugbewegungsdaten zu erzeugen, die die erfasste Fahrzeugbewegung repräsentieren, umfasst; und wobei der Fahrspurhalteprozessor (18) ferner ein Sensorfusionsmodul (80) enthält, das konfiguriert ist, die Bilddaten mit den Fahrzeugbewegungsdaten zu fusionieren, um ein vereinigtes Modell der lokalen Fahrzeugumgebung zu bilden.
Fahrspurhaltesystem (11) nach Anspruch 7, wobei der Fahrspurhalteprozessor (18) konfiguriert ist, um einen vorausliegenden Pfad der Fahrbahn (42) aus dem vereinigten Modell zu bestimmen.