DE102014216102A1 - Verfahren zum hochautomatisierten Fahren eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hochautomatisierten oder autonomen Fahren eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, dessen Vorderräder vom Fahrer mittels eines Lenkrads sowie mittels eines elektronisch angesteuerten Motors und dessen Hinterräder nur durch einen elektronisch angesteuerten Motor lenkbar sind, wobei der maximale Lenkwinkel der Vorderräder um ein Vielfaches größer als derjenige der Hinterräder ist und eine elektronische Steuereinheit das Lenken des Fahrzeugs längs einer geeignet festgelegten Bahn steuert. Dabei lenkt die elektronische Steuereinheit bei geringer Krümmung der Bahn, welcher alleine durch Lenken der Hinterräder gefolgt werden kann, unter Belassen der Vorderräder in Geradeausstellung und stillstehendem Lenkrad alleine die Hinterräder (= Modus mit stillstehendem Lenkrad), während bei einer stärkeren Bahn-Krümmung für das Folgen dieser Bahn zumindest anteilig die Vorderräder mit sich dann drehendem Lenkrad motorisch gelenkt werden (= Modus mit drehendem Lenkrad). Es kann die Steuereinheit beim Übergang vom Modus mit drehendem Lenkrad auf den Modus mit stillstehendem Lenkrad ein optisches oder akustisches oder haptisches Signal an den Fahrer abgeben.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hochautomatisierten oder autonomen Fahren eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, dessen Vorderräder vom Fahrer mittels eines Lenkrads sowie mittels eines elektronisch angesteuerten Motors und dessen Hinterräder nur durch einen elektronisch angesteuerten Motor lenkbar sind, wobei der maximale Lenkwinkel der Vorderräder um ein Vielfaches größer als derjenige der Hinterräder ist und eine elektronische Steuereinheit das Lenken des Fahrzeugs längs einer geeignet festgelegten Bahn steuert.
• Das Grundprinzip des hochautomatisierten Fahrens, auch autonomes Fahren genannt, bei dem ein zweispuriges nicht spurgebundenes Kraftfahrzeug im öffentlichen Straßenverkehr alleine durch eine Elektronikeinheit gesteuert bewegt wird, ist zumindest dem Fachmann umfassend bekannt. Dabei wird das Fahrzeug unter Berücksichtigung geeigneter aktueller Daten aus der Fahrzeugumgebung nicht nur abgebremst oder beschleunigt, sondern auch zumindest dem Straßenverlauf folgend gelenkt. Ebenso bekannt sind dem Fachmann Fahrzeug-Lenksysteme, mit denen entweder nur die Vorderräder des Kraftfahrzeugs, bspw. eines Personenkraftwagens, oder neben den Vorderrädern auch die Hinterräder zumindest in geringem Umfang gelenkt, d. h. um deren annähernd in Vertikalrichtung verlaufende Lenkdrehachse verdreht oder verschwenkt werden können. Dieses Lenken bzw. Verdrehen oder Verschwenken wird dabei von einem von der besagten Elektronikeinheit angesteuerten Motor, insbesondere Elektromotor veranlasst, wobei vorliegend zwar von einem Motor für die Vorderräder oder Hinterräder des Fahrzeugs gesprochen wird, jedoch ebenso – und ohne hierdurch den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen – radindividuelle Stell-Motoren zum Lenken des jeweiligen Rades vorgesehen sein können.
• Auch ein Kraftfahrzeug, welches für autonomes bzw. hochautomatisiertes Fahren geeignet bzw. ausgerüstet ist, weist ein Lenkrad auf, mit dem der Fahrer in üblicher Weise das Fahrzeug bzw. dessen Vorderräder lenken kann. Werden nun beim autonomen/hochautomatisiertem Fahren (im Folgenden wird nur noch von hochautomatisiertem Fahren gesprochen) die Vorderräder des Fahrzeugs durch die besagte Elektronikeinheit (auch Steuereinheit genannt) der eingangs genannten Bahn folgend gelenkt, so wird sich dabei auch das Lenkrad entsprechend mit drehen, was aber aus Komfortgründen unerwünscht ist. Als Abhilfemaßnahme wurde bereits vorgeschlagen, eine trennbare Kupplung im mechanischen sog. Lenkstrang zwischen dem Lenkrad und den damit lenkbaren Vorderrädern vorzusehen, jedoch ist eine solche Kupplung äußerst aufwändig, insbesondere da diese im Falle eines Fehlers im hochautomatischen Fahr-System schnell schließen und dem Fahrer ein sofortiges Lenken ermöglichen muss.
• Hiermit soll daher eine jedenfalls auf Langstrecken, beim Befahren solcher das hochautomatisierte Fahren besonders häufig genutzt werden wird, darstellbare Möglichkeit eines besonders komfortablen hochautomatisierten Fahrens ohne Verdrehung des Fahrer-Lenkrad aufgezeigt werden, die keine aufwändige Trenn-Kupplung oder dgl. im genannten mechanischen Lenkstrang benötigt (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung). Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit bei geringer Krümmung der Bahn, welcher alleine durch Lenken der Hinterräder gefolgt werden kann, unter Belassen der Vorderräder in Geradeausstellung und stillstehendem Lenkrad alleine die Hinterräder lenkt (= Modus mit stillstehendem Lenkrad), während bei einer stärkeren Bahn-Krümmung für das Folgen dieser Bahn zumindest anteilig die Vorderräder mit sich dann drehendem Lenkrad motorisch gelenkt werden (= Modus mit drehendem Lenkrad). Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
• Es wurde erkannt, dass ein Haupt-Anwendungsfall des hochautomatisierten Fahrens die Autobahnfahrt ist, wo üblicherweise mit höherer Geschwindigkeit gefahren wird und wobei nur relativ geringe Bahn-Krümmungen auftreten, d. h. zu bewältigen sind. Diese geringen Bahn-Krümmungen können aber bei einem Kraftfahrzeug, dessen Hinterräder geringfügig lenkbar sind, alleine durch Lenken der Hinterräder befahren werden, so dass dabei die Vorderräder des Fahrzeugs in Geradeausstellung verbleiben können und folglich das Lenkrad wie gewünscht nicht verdreht wird. Mit hoher Wahrscheinlichkeit wird künftig zwar nicht jeder für hochautomatisiertes Fahren geeigneter bzw. ausgerüsteter Personenkraftwagen auch mit Hinterrädern ausgestattet sein, die lenkbar sind, jedoch kann jedenfalls an Personenkraftwagen, die auch aus anderen Gründen (bereits) lenkbare Hinterräder aufweisen, äußerst einfach die gewünschte komfortable Option einer längeren Autobahnfahrt ohne Verdrehen des Lenkrads dargestellt werden. Dabei liegt ein nicht unerheblicher Nutzen der vorliegenden Erfindung auch darin, dass durch Nutzung der Hinterradlenkung die Forderung nach einem redundanten Lenksystem beim hochautomatisierten Fahren erfüllt werden kann. Hochautomatisierte Lenksysteme, die alleine eine Vorderrad-Lenkung nutzen können, benötigen nämlich anders als ein vorliegend (ebenfalls) beanspruchtes Kraftfahrzeug, in dem das erfindungsgemäße Verfahren implementiert ist, aufwändigere Konstruktionen zur Sicherstellung der Lenkbarkeit des Fahrzeugs auch bei einem Ausfall eines Teils des Fzg.-Lenksystems.
• Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die elektronische Steuereinheit, welche das autonome Fahren steuert bzw. das Kraftfahrzeug hochautomatisiert steuert, entscheidet, ob die geforderte Bahn-Krümmung alleine durch Lenken der Hinterräder darstellbar ist oder nicht. Bejahendenfalls lenkt die Steuereinheit ausschließlich die Hinterräder, was vorliegend als Modus mit stillstehendem Lenkrad bezeichnet wird, da in diesem Modus die Vorderräder nicht gelenkt in Geradeausstellung verbleiben. Kann eine gewünschte bzw. geforderte Bahn wegen stärkerer Krümmung jedoch nicht alleine durch Lenken der Hinterräder dargestellt werden, so schaltet die besagte Steuereinheit in den Modus mit drehendem Lenkrad, in welchem die Vorderräder gelenkt werden. Dabei können die Vorderräder zusätzlich zu den Hinterrädern gelenkt werden oder es können in diesem Modus alleine die Vorderräder gelenkt werden, wobei das (weitere) elektronisch gesteuerte Lenken des Fahrzeugs ausschließlich durch geeignete Ansteuerung des (oder der) den Vorderrädern zugeordneten Motors (oder Motoren) erfolgt, während die Hinterräder (durch die Steuereinheit) vorzugsweise in ihre Geradeaus-Position gebracht sind.
• Um beim Fahrer kein Gefühl der Unsicherheit aufkommen zu lassen, kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit beim Übergang vom Modus mit drehendem Lenkrad auf den Modus mit stillstehendem Lenkrad ein optisches oder akustisches oder haptisches Signal an den Fahrer abgibt. Damit wird der Fahrer davon in Kenntnis gesetzt, dass nunmehr das Fahrzeug (weiterhin oder wieder) der vorgegebenen Bahn folgen wird, ohne dass dabei das Lenkrad verdreht wird. Selbstverständlich kann auch im umgekehrten Fall, nämlich beim Übergang vom Modus mit stillstehendem Lenkrad auf den Modus mit drehendem Lenkrad ein optisches oder akustisches oder haptisches Signal an den Fahrer abgegeben werden, jedoch erhält er in diesem Fall zwangsweise ein entsprechendes Signal, nämlich durch das Drehen des Lenkrads. Folglich ist das im entsprechenden Unteranspruch für diesen Modus-Wechsel beanspruchte Signal ein anderes als ein Verdrehen des Lenkrads.
• Was den Übergang vom Modus mit stillstehendem Lenkrad auf den Modus mit drehendem Lenkrad betrifft, so kann dieser bereits vor der Einfahrt in eine Kurve, deren Bahn nicht alleine durch Lenken der Hinterräder gefolgt werden kann, durchgeführt werden. Beim hochautomatisierten oder autonomen Fahren kann somit das Fahrzeug bzw. dessen besagte Steuereinheit vor Einfahrt in eine Kurve, die einen alleine durch Lenken der Hinterräder befahrbaren Mindestradius unterschreitet, den Modus mit stillstehendem Lenkrad komplett verlassen und die bevorstehende Kurve ausschließlich durch Lenken der Vorderräder befahren. Dabei wird das Lenkrad die entsprechende Drehbewegung komplett nachvollziehen. Alternativ kann das Fahrzeug bzw. dessen Steuereinheit vor Einfahrt in eine Kurve, die den vorstehend genannten Mindestradius unterschreiten wird, den Modus mit stillstehendem Lenkrad nur teilweise verlassen und die Kurve durch gemeinsames Lenken der Vorderräder und Hinterräder befahren. Dabei wird das Lenkrad die anteilige Lenkbewegung der Vorderräder nachvollziehen. Dabei ist es möglich, eine Mitwirkung der Hinterradlenkung voll oder nur anteilig auszuschöpfen.
• Schließlich kann beim autonomen (hochautomatisierten) Fahren das Fahrzeug bzw. dessen besagte Steuereinheit während der Durchfahrt durch eine den o. g. Mindestradius unterschreitende Kurve den Modus mit stillstehendem Lenkrad teilweise verlassen, sobald dieser Mindestradius unterschritten wird und den zusätzlich erforderlichen Lenkwinkel durch Lenken der Vorderräder darstellen. Dabei wird das Lenkrad die anteilige Lenkbewegung der Vorderräder nachvollziehen. In anderen Worten ausgedrückt wird dabei der Übergang vom Modus mit stillstehendem Lenkrad auf den Modus mit drehendem Lenkrad während der Durchfahrt einer Kurve, deren Bahn nicht alleine durch Lenken der Hinterräder gefolgt werden kann, durchgeführt, sobald der erforderliche Hinterrad-Lenkwinkel den maximalen Lenkwinkel der Hinterräder überschreitet. Nach Durchfahren einer Kurve mit stärkerer Krümmung als durch die Hinterräder alleine darstellbar kann in allen vorstehend (und nachfolgend) genannten Fällen die Steuereinheit und somit das Fahrzeug aus dem Modus mit drehendem Lenkrad wieder in den Modus mit stillstehendem Lenkrad zurückwechseln, wenn in diesem Modus die vorausliegende Fahrsituation beherrschbar ist.
• Es kann ein vorstehend in verschiedenen Ausführungsformen beschriebener Übergang vom Modus mit stillstehendem Lenkrad auf den Modus mit drehendem Lenkrad seitens der Steuereinheit aber auch dann durchgeführt werden, wenn eine Lenkwinkel-Änderungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs benötigt wird, die mit Lenken der Hinterräder alleine nicht darstellbar ist. Unter dem Begriff der „Lenkwinkel-Änderungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs” wird dabei die Geschwindigkeit verstanden, mit der sich innerhalb eines geringen Zeitintervalls die Lage der Längsachse des Fahrzeugs in einer Projektion auf die Fahrbahn ändert. Es ist nämlich vorstellbar, dass die für eine bevorstehende Fahrsituation erforderliche Lenkwinkelgeschwindigkeit aus Gründen der Fahrdynamik, Fahrsicherheit oder des Fahrkomforts nicht von der Hinterradlenkung alleine erzeugt werden kann, wenn diese einen festgelegten Grenzwert übersteigt. Hier handelt es sich somit um Fahrzustände, die eine hohe Lenkdynamik (Lenkwinkelgeschwindigkeit) erfordern.
• So kann das Fahrzeug beim autonomen Fahren bei Erkennen einer Situation, die eine hohe Lenkdynamik erfordert (z. B. schnelles Ausweichen vor einem Hindernis) den Modus mit stillstehendem Lenkrad komplett verlassen, sofern die erforderliche, vorausberechnete Lenkwinkelgeschwindigkeit einen festgelegten Grenzwert überschreiten wird. Dabei wird das Lenkrad die volle Lenkbewegung der Vorderräder nachvollziehen. Alternativ kann das Fahrzeug (bzw. dessen besagte Steuereinheit) bei Erkennen einer Situation, die eine hohe Lenkdynamik erfordert, den Modus mit stillstehendem Lenkrad teilweise verlassen und die Fahraufgabe durch gemeinsames Lenken der Vorderräder und Hinterräder erfüllen. Dabei wird das Lenkrad die anteilige Lenkbewegung der Vorderräder nachvollziehen. Der Anteil der Hinterradlenkung ist in diesem Fall so zu begrenzen, dass die Gesamtfahrzeugreaktion bezüglich Fahrdynamik, Fahrsicherheit und Fahrkomfort beherrschbar bleibt. Selbstverständlich kann auch hier Fahrer vor einem Wechsel des Lenkmodus wie oben beschrieben informiert werden.
• Es ist nicht auszuschließen, dass der Fahrer während eines autonomen Fahrzustands und somit auch im Modus mit stillstehendem Lenkrad eine Übernahme der Fahraufgabe durch Berührung oder Betätigung des Lenkrads erzwingt. Dies kann bekanntlich durch eine Berührungssensorik im Lenkrad oder durch Auswertung des vom Fahrer eingeleiteten Lenkmoments erkannt werden. Erfolgt dies bei Geradeausfahrt, so deaktiviert der erkannte Eingriff des Fahrers ins Lenkrad diesen Modus mit stillstehendem Lenkrad und es tritt keine Diskrepanz zwischen dem Lenkradwinkel zu Fahrtrichtung der Hinterräder auf, so dass eine normale Weiterfahrt durch vom Fahrer initiiertes Lenken der Vorderräder möglich ist. Erfolgt jedoch der vorstehend genannte Fahrereingriff beim Befahren einer Kurve, so wird vorliegend vorgeschlagen, dann den aktuellen Lenkwinkel der Hinterräder quasi einzufrieren, d. h. zunächst beizubehalten, wobei dann die Diskrepanz zwischen Lenkradwinkels zur Fahrtrichtung der Hinterräder zum Übernahmezeitpunkt zu einem Lenkradschiefstand und leichten Fahrzeugschräglauf bei Weiterfahrt führt. Um ein Entstehen eines kritischen Fahrzustandes zu vermeiden, soll diese Diskrepanz solange erhalten bleiben, bis das Fahrzeug einen unkritischen Fahrzustand (insbesondere Stillstand oder sehr geringe Fahrgeschwindigkeiten) erreicht. In diesem unkritische Fahrzustand können dann die Vorderräder und die Hinterräder ohne Zutun des Fahrers in die Ausgangslage bzw. Grundstellung zurückgesetzt werden.
• Quasi analog vorstehender Erläuterung kann weiterhin im Falle einer Übernahmeaufforderung des hochautomatischen Lenk-Systems bzw. der genannten elektronischen Steuereinheit an den Fahrer, was bspw. bei einem erkannten Systemfehler erfolgt und wobei der Fahrer aufgefordert wird, innerhalb einer bestimmten Zeit die Fahrzeugführung zu übernehmen, zur Vermeidung von Lenkradschiefstand und Fahrzeugschräglauf die automatische Abschaltung des autonomen Fahrens bei Geradeausstellung der Hinterräder und noch vor einer Übernahme durch den Fahrer erfolgen.

Claims (9)

1. Verfahren zum hochautomatisierten oder autonomen Fahren eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, dessen Vorderräder vom Fahrer mittels eines Lenkrads sowie mittels eines elektronisch angesteuerten Motors und dessen Hinterräder nur durch einen elektronisch angesteuerten Motor lenkbar sind, wobei der maximale Lenkwinkel der Vorderräder um ein Vielfaches größer als derjenige der Hinterräder ist und eine elektronische Steuereinheit das Lenken des Fahrzeugs längs einer geeignet festgelegten Bahn steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit bei geringer Krümmung der Bahn, welcher alleine durch Lenken der Hinterräder gefolgt werden kann, unter Belassen der Vorderräder in Geradeausstellung und stillstehendem Lenkrad alleine die Hinterräder lenkt (= Modus mit stillstehendem Lenkrad), während bei einer stärkeren Bahn-Krümmung für das Folgen dieser Bahn zumindest anteilig die Vorderräder mit sich dann drehendem Lenkrad motorisch gelenkt werden (= Modus mit drehendem Lenkrad).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit Übergang auf den Modus mit drehendem Lenkrad das weitere elektronisch gesteuerte Lenken des Fahrzeugs ausschließlich durch geeignete Ansteuerung des den Vorderrädern zugeordneten Motors erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit beim Übergang vom Modus mit drehendem Lenkrad auf den Modus mit stillstehendem Lenkrad ein optisches oder akustisches oder haptisches Signal an den Fahrer abgibt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit auch beim Übergang vom Modus mit stillstehendem Lenkrad auf den Modus mit drehendem Lenkrad ein optisches oder akustisches oder haptisches Signal an den Fahrer abgibt, das ein anderes ein anderes als ein Verdrehen des Lenkrads ist.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Übergang vom Modus mit stillstehendem Lenkrad auf den Modus mit drehendem Lenkrad vor der Einfahrt in eine Kurve, deren Bahn nicht alleine durch Lenken der Hinterräder gefolgt werden kann, durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Übergang vom Modus mit stillstehendem Lenkrad auf den Modus mit drehendem Lenkrad während der Durchfahrt einer Kurve, deren Bahn nicht alleine durch Lenken der Hinterräder gefolgt werden kann, durchgeführt wird, sobald der erforderliche Hinterrad-Lenkwinkel den maximalen Lenkwinkel der Hinterräder überschreitet.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein (entsprechender) Übergang vom Modus mit stillstehendem Lenkrad auf den Modus mit drehendem Lenkrad seitens der Steuereinheit auch dann durchgeführt wird, wenn eine Lenkwinkel-Änderungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs benötigt wird, die mit Lenken der Hinterräder alleine nicht darstellbar ist.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mit einem Betätigen des Lenkrads durch den Fahrer der aktuelle Lenkwinkel der Hinterräder solange eingefroren wird, bis in einem unkritischen Fahrzustand des Fahrzeugs, insbesondere bei sehr geringer Fahrgeschwindigkeit nahe Stillstand, die Hinterräder bei Bedarf in Geradeausstellung gebracht und die Vorderräder hieran angepasst eingelenkt werden.
9. Kraftfahrzeug mit einer das Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausführenden elektronischen Steuereinheit.