DE102014220865A1

DE102014220865A1 - Stationär genaue und kooperative Trajektorienfolgeregelung

Info

Publication number: DE102014220865A1
Application number: DE102014220865.3A
Authority: DE
Inventors: Norbert Nitzsche; Marcus Walter; Dirk Odenthal; Christian Rathgeber; Franz Winkler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: DE102014220865B4

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs beschrieben. Die Vorrichtung umfasst einen Störgrößenbeobachter, der eingerichtet ist, ein Kompensationssignal zur Kompensation von Störungen auf die Querführung des Fahrzeugs zu erzeugen, wobei das Kompensationssignal unabhängig von einem Handmoment auf eine Lenkung des Fahrzeugs ist. Die Vorrichtung umfasst weiter einen Regler, der eingerichtet ist, auf Basis von ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen für eine Soll-Trajektorie des Fahrzeugs und auf Basis des Kompensationssignals, eine Lenkvorgabe für eine Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs als Reglerausgangsgröße zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Querführungsregelungsstruktur mit einer oder mehreren Regelgrößen zur Erzeugung einer Lenkvorgabe einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs.
Es ist eine Vielzahl von Fahrassistenzfunktionen bekannt, die auf die Querführung des Fahrzeugs einwirken. Beispielsweise sind Parkassistenz-Systeme mit zumindest automatischer Querführung bekannt, bei denen die Lenkung vom Fahrzeug übernommen wird, ohne dass der Fahrer Lenkvorgaben gibt; optional kann auch die Längsführung vom Fahrzeug automatisch durchgeführt werden. Bei einem Spurhalteassistent wird der Fahrer durch eine Querführungsunterstützung darin unterstützt, das Fahrzeug in der erkannten Fahrspur zu halten. Bei einem Seitenkollisionswarnsystem wird der Fahrer bei kritischer Annäherung an Objekte durch Lenkradvibrationen oder einen Lenkimpuls gewarnt, außerdem kann die ausweichende Lenkbewegung des Fahrers durch das System aktiv unterstützt werden.
Der Eingriff in die Querführung oder die gar automatische Querführung ohne Lenktätigkeit des Fahrers wird über eine Hilfskraftlenkung bewirkt, die über eine entsprechende Lenkvorgabe angesteuert wird. Bei der Hilfskraftlenkung handelt es sich beispielsweise um eine elektromotorische Hilfskraftlenkung (EPS – electric power steering), bei der ein elektrischer Motor ein Lenkmoment erzeugt, welches die Lenkbewegung des Fahrers unterstützt oder statt der Lenkbewegung des Fahrers wirkt. Hierbei sind verschiedene Bauformen bekannt, bei denen der Elektromotor an unterschiedlichen Positionen des Lenksystems angreift (z. B. C-EPS, P-EPS und R-EPS). Alternativ wäre auch eine elektrohydraulische Hilfskraftlenkung denkbar. Es ist auch denkbar, dass es sich bei der Hilfskraftlenkung um eine Steer-By-Wire-Lenkung handelt, bei der keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und den gelenkten Rädern besteht.
Zur Querführung wird typischerweise eine entsprechende Lenkvorgabe für die Hilfskraftlenkung von einer Querführungsregelungsstruktur erzeugt, die einen Regler oder mehrere kaskadierte Regler mit mehreren Regelgrößen umfasst. Bei einem Regler kann beispielsweise der Ist-Lenkwinkel vom Fahrzeug gemessen werden und mit einem Soll-Lenkwinkel (Lenkwinkelvorgabe) als Führungsgröße des Reglers verglichen werden, und die Stellgröße der Lenkvorgabe (beispielsweise ein Momentensignal für die elektromotorischen Hilfskraftlenkung) entsprechend vom Regler angepasst werden, so dass der Ist-Lenkwinkel dem Soll-Lenkwinkel entspricht.
Durch eine Querführungsregelungsstruktur können Störungen wie beispielsweise Seitenkräfte durch seitlich abschüssige Fahrbahnen oder Seitenwinde kompensiert werden. Darüber hinaus sind viele Fahrzeugeigenschaften nicht genau bekannt, die Einfluss auf das Lenkverhalten haben, beispielsweise das Fahrzeuggewicht bei schwankender Beladung oder variierende Lenkungsparameter wie Reibung oder Dämpfung. Mittels der Querführungsregelungsstruktur werden Abweichungen der Regelgrößen aufgrund dieser Unsicherheiten ausgeregelt.
Desweiteren kann der Fahrer eines Fahrzeugs auf die Lenkung einwirken, d. h. der Fahrer kann ein sogenanntes Handmoment aufbringen, welches bei der Ermittlung der Lenkvorgabe an die Hilfskraftlenkung berücksichtigt werden muss, um eine robuste Querführung des Fahrzeugs entlang einer Zieltrajektorie zu gewährleisten. Dabei kann das Handmoment ggf. als weitere Störung auf den Regler betrachtet werden. Dies kann jedoch dazu führen, dass der Regler kein kooperatives Verhalten in Bezug auf einen Lenkeingriff eines Fahrers zeigt. Außerdem erlaubt die Vermengung eines Lenkeingriffs des Fahrers mit anderen Störgrößen keine Anpassung eines Kooperationsgrades zwischen einem Fahrerassistenzsystem und dem Fahrer.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine, in Bezug auf Lenkeingriffe eines Fahrers, kooperative Regelung der Querführung eines Fahrzeugs bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs (insbesondere eines Straßenfahrzeugs wie z. B. eines Personenkraftwagens oder eines Lastkraftwagens) beschrieben. Die Vorrichtung umfasst einen Störgrößenbeobachter (auch als ein erster Störgrößenbeobachter bezeichnet), der eingerichtet ist, ein Kompensationssignal (insbesondere das in diesem Dokument beschriebene Kompensationssignal κ_dob) zur Kompensation von Störungen auf die Querführung des Fahrzeugs zu erzeugen. Das Kompensationssignal wird dabei derart erzeugt, dass das Kompensationssignal unabhängig von einem Handmoment auf eine Lenkung des Fahrzeugs bzw. unabhängig von einem Lenkeingriff eines Fahrers des Fahrzeugs ist.
Das Kompensationssignal zur Kompensation von Störungen kann mittels eines Regelkreises mit einem integrierenden Teil ermittelt werden. Mit anderen Worten, der Störgrößenbeobachter kann ein integrierendes Verhalten aufweisen. So kann gewährleistet werden, dass die Vorrichtung zur Regelung der Querführung stationär genau ist (auch in Bezug auf etwaige Störungen). Bei der Ermittlung des Kompensationssignals kann die Regelstrecke des Regelkreises derart in Teilstrecken aufgeteilt werden, und derart Eingangssignale auf den Teilstrecken zurückgeführt werden, dass ein Kompensationssignal durch den Störgrößenbeobachter ermittelt werden kann, welches unabhängig von dem Handmoment (aber abhängig von den weiteren Störungen) ist. Das Handmoment kann somit aus dem integrierenden Regelkreis des Störgrößenbeobachters herausgenommen werden, um eine Vorrichtung zur Regelung der Querführung bereitzustellen, die ein kooperierendes Verhalten in Bezug auf einen Eingriff eines Fahrers des Fahrzeugs aufweist.
Die Vorrichtung umfasst weiter einen Regler, der eingerichtet ist, auf Basis von ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen (z. B. eine Soll-Krümmung κ_ref, einen Soll-Kurswinkel ψ_ref und/oder eine Soll-Position y_ref) für eine Soll-Trajektorie τ des Fahrzeugs und auf Basis des Kompensationssignals, eine Lenkvorgabe (z. B. ein Motormoment M_M) für eine Hilfskraftlenkung (EPS) des Fahrzeugs als Reglerausgangsgröße zu bestimmen. Durch die Ermittlung und Berücksichtigung eines Kompensationssignals am Eingang des Reglers, welches zwar Störungen, wie z. B. Seitenwinde, Fahrbahnunebenheiten, etc. berücksichtigt, jedoch einen Eingriff des Fahrers des Fahrzeugs unberücksichtigt lässt, kann ein Querführungsregler bereitgestellt werden, der im Hinblick auf die Lenkeingriffe des Fahrers kooperativ ist.
Der Regler kann derart ausgelegt sein, dass der Regler in Bezug auf das Handmoment des Fahrers kein integrierendes Verhalten aufweist. Dies kann z. B. durch die Verwendung eines Reglers mit proportionalem Verhalten erreicht werden. Insbesondere kann in dem Regler kein klassischer integrierender Anteil vorgesehen sein, so dass durch den Regler Störungen stationär nicht vollständig kompensiert werden und ohne weitere Maßnahmen im stationären Zustand beispielsweise die laterale Ist-Position nicht der lateralen Soll-Position der vorgegebenen Soll-Trajektorie entsprechen würde.
Stattdessen kann ein Störgrößenbeobachter zur Bestimmung eines eine Störung kompensierenden Kompensationssignals verwendet werden. Dieser kann ähnlich wie ein Integrator wirken und kann so eine hohe stationäre Genauigkeit gewährleisten. Der Vorteil des Störgrößenbeobachters gegenüber einem klassischen Integrator ist beispielsweise die später noch beschriebene Möglichkeit der Einstellbarkeit der stationären Genauigkeit, auch im Zusammenhang mit der Gewährleistung einer Übersteuerbarkeit durch den Fahrer, und die höhere Robustheit gegenüber Modellunsicherheiten. Außerdem kann hierdurch ein Windup-Effekt verhindert werden (z. B. durch Begrenzung des Ausgangs des Störgrößenbeobachters). Durch die Erzeugung eines Kompensationssignals durch den Störgrößenbeobachter, welches unabhängig von dem Handmoment ist, kann in Summe ein Querführungsregler bereitgestellt werden, der stationär genau ist aber dennoch im Hinblick auf die Lenkeingriffe des Fahrers kooperativ ist.
Der Störgrößenbeobachter kann insbesondere eingerichtet sein, ein erstes Eingangssignal zu ermitteln bzw. zu verwenden, wobei das erste Eingangssignal an einem ersten Punkt nach einer Regelstrecke des Reglers erfasst wird. Beispielsweise kann auf Basis von Bilddaten einer Kamera des Fahrzeugs eine laterale Ist-Position y_r des Fahrzeugs, ein Ist-Headingwinkel ψ_rm des Fahrzeugs und/oder eine Ist-Krümmung κ_r einer von dem Fahrzeug tatsächlich gefahrenen Ist-Trajektorie I ermittelt und als erstes Eingangssignal des Störgrößenbeobachters verwendet werden. Der Störgrößenbeobachter kann weiter eingerichtet sein, basierend auf dem ersten Eingangssignal ein erstes Vergleichssignal (z. B. eine erste Vergleichskrümmung) zu erzeugen.
Außerdem kann der Störgrößenbeobachter eingerichtet sein, ein zweites Eingangssignal zu ermitteln bzw. zu verwenden. Typischerweise werden das erste Eingangssignal und/oder das zweite Eingangssignal dem Störgrößenbeobachter durch eine andere Komponente eines Systems zur Querführung eines Fahrzeugs bereitgestellt. Dabei wird das zweite Eingangssignal bevorzugt an einem zweiten Punkt innerhalb der Regelstrecke des Reglers nach Einwirken des Handmoments M_H auf die Lenkung des Fahrzeugs erfasst. Desweiteren wird der zweite Punkt zur Erfassung des zweiten Eingangssignals bevorzugt so gelegt, dass das zweite Eingangssignal unabhängig von den (weiteren) Störungen ist. Beispielsweise kann das zweite Eingangssignal einen Ist-Lenkwinkel δ der Lenkung des Fahrzeugs umfassen.
Der Störgrößenbeobachter kann weiter eingerichtet sein, basierend auf dem zweiten Eingangssignal ein zweites Vergleichssignal (z. B. eine zweite Vergleichskrümmung) zu erzeugen. Desweiteren kann der Störgrößenbeobachter basierend auf dem ersten und zweiten Vergleichssignal das Kompensationssignal erzeugen. Durch Ermittlung eines zweiten Vergleichssignals, welches zwar von dem Handmoment aber nicht von den (weiteren) Störungen abhängig ist, und durch die Ermittlung eines ersten Vergleichssignals, welches sowohl von dem Handmoment als auch von den (weiteren) Störungen abhängig ist, kann ein Kompensationssignal ermittelt werden, welches nur von den Störungen und nicht von dem Handmoment abhängig ist. So kann in effizienter und stabiler Weise ein kooperativer Querführungsregler bereitgestellt werden.
Die gesamte Regelstrecke kann eine erste Teilstrecke (z. B. die in diesem Dokument beschriebene Teilstrecke G₁) und eine anschließende zweite Teilstrecke (z. B. die in diesem Dokument beschriebene Teilstrecke G₂) umfassen. Die erste Teilstrecke kann dabei die Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs umfassen. Andererseits kann die zweite Teilstrecke das Fahrzeug im Anschluss an die Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs umfassen (insbesondere, die Komponenten des Fahrzeugs, welche einen eingestellten Lenkwinkel δ in eine Krümmung der durch das Fahrzeug gefahrenen Trajektorie umsetzen). Der zweite Punkt zur Erfassung des zweiten Eingangssignals kann dann zwischen der erste Teilstrecke und der zweiten Teilstrecke liegen.
Mit anderen Worten, die Regelstrecke kann in eine erste Teilstrecke G₁ und eine anschließende zweite Teilstrecke G₂ aufgeteilt sein. Die erste Teilstrecke G₁ kann einen Teil der Regelstrecke umfassen, durch den aufgrund der ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen ein Ist-Lenkwinkel des Fahrzeugs bewirkt wird. Die zweite Teilstrecke G₂ kann einen anschließenden Teil der Regelstrecke umfassen, durch den aufgrund des Ist-Lenkwinkels eine Bewegung des Fahrzeugs (d. h. insbesondere Ist-Trajektorien-Größen) bewirkt wird.
Der Störgrößenbeobachter kann eingerichtet sein, das zweite Vergleichssignal basierend auf einem Modell (z. B. einem Modell G ~₂ ) der zweiten Teilstrecke und basierend auf dem zweiten Eingangssignal zu ermitteln. Dabei kann das zweite Vergleichssignal auch basierend auf einer Fahrzeug-abhängigen Lenk-Beziehung ermittelt werden, welche den Ist-Lenkwinkel δ in eine Krümmung κ einer Trajektorie des Fahrzeugs überführt. Insbesondere kann die Fahrzeug-abhängige Lenk-Beziehung Teil des Modells der zweiten Teilstrecke sein. Eine derartige Lösung ermöglicht eine stabile Ermittlung des zweiten Vergleichssignals.
Alternativ kann das erste Vergleichssignal basierend auf einem invertierten Modell der zweiten Teilstrecke und basierend auf dem ersten Eingangssignal ermittelt werden. Desweiteren kann das erste Vergleichssignal auch basierend auf einer invertierten Fahrzeug-abhängigen Lenk-Beziehung bzw. basierend auf einem invertierten dynamischen Modell des Fahrzeugs ermittelt werden, welche z. B. Teil des invertierten Modells der zweiten Teilstrecke sein können.
Die Vorrichtung kann weiter einen Schwimmwinkelschätzer (SWS) umfassen der eingerichtet ist, einen Schwimmwinkel β_obs des Fahrzeugs zu ermitteln. Der Schwimmwinkel β_obs kann z. B. auf Basis einer lateralen Ist-Position y_r des Fahrzeugs und auf Basis eines gemessenen Ist-Heading-Winkel ψ_rm des Fahrzeugs ermittelt werden, die wiederum auf Basis von Bilddaten einer Kamera des Fahrzeugs ermittelt wurden. Das erste Vergleichssignal kann dann auch basierend auf dem Schwimmwinkel β_obs des Fahrzeugs ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann der Regler eingerichtet sein, die Lenkvorgabe für die Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs auch auf Basis des Schwimmwinkels β_obs des Fahrzeugs zu ermitteln. Durch die Berücksichtigung des Schwimmwinkels β_obs kann eine stationäre Genauigkeit des Querführungsreglers gewährleistet werden. Dabei kann der Grad der Schwimmwinkel-Korrektur einstellbar gemacht werden.
Der Störgrößenbeobachter kann eingerichtet sein, eine Vielzahl von ersten Eingangssignalen zu ermitteln bzw. zu verwenden, wobei die Vielzahl von ersten Eingangssignalen an einer entsprechenden Vielzahl von ersten Punkten nach der Regelstrecke des Reglers erfasst werden kann. Beispielsweise können eine laterale Ist-Position y_r des Fahrzeugs, ein Ist-Kurswinkel ψ_r bzw. ein Ist-Heading-Winkel ψ_rm des Fahrzeugs und/oder eine Ist-Krümmung κ_r einer von dem Fahrzeug tatsächlich gefahrenen Ist-Trajektorie I ermittelt werden. Das erste Vergleichssignal kann dann basierend auf der Vielzahl von ersten Eingangssignalen ermittelt werden. So kann eine Genauigkeit des Störgrößenbeobachters erhöht werden.
Der Regler kann einen Bahnführungsregler (BFR) umfassen, der eingerichtet ist, anhand der ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen und anhand des Kompensationssignals eine Krümmungsvorgabe (z. B. eine Krümmungsvorgabe κ_d) als Reglerausgangsgröße für einen nachgelagerten Fahrzeugführungsregler (FFR) zu bestimmen. Die Soll-Trajektorien-Größen umfassen dabei beispielsweise den Kurswinkel der geplanten Trajektorie und die laterale Position der geplanten Trajektorie; zusätzlich können die Soll-Trajektorien-Größen auch den Krümmungsverlauf einer geplanten Trajektorie umfassen. Beispielsweise kann die laterale Position relativ zum Straßenverlauf, zu Randbebauungen oder zu klassifizierten (oder nichtklassifizierte) statischen (oder dynamischen) Objekten, die einen Fahrschlauch bilden, bezogen sein. Auch bei Nichtvorhandensein einer Straße kann eine Soll-Trajektorie bei Folgefahrt hinter einem Fremdfahrzeug erfolgen sowie bei dem Vorwärts-/Rückwärtsabfahren einer Trajektorie. Die Soll-Krümmung entspricht dabei typischerweise der Krümmung der Linie, auf der sich das Fahrzeug bewegen soll, um bei einer Abweichung zur Soll-Trajektorie wieder auf die Soll-Trajektorie zurückzufinden.
Desweiteren kann der Regler den Fahrzeugführungsregler (FFR) umfassen, der eingerichtet ist, anhand der Krümmungsvorgabe die Lenkvorgabe für die Hilfskraftlenkung als Reglerausgangsgröße zu bestimmen. Durch die Trennung des Reglers in einen Bahnführungsregler und in einen Fahrzeugführungsregler kann der Bahnführungsregler im Wesentlichen unabhängig von den Fahrzeugparametern ausgelegt werden. Der Fahrzeugführungsregler hingegen sollte konkret auf die Fahrzeugparameter angepasst werden. Dies bedeutet, dass der Bahnführungsregler für eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrzeugmodelle und unterschiedlicher Fahrzeugkonfigurationen (= Ausstattungsvarianten) sowie Spreizungsvarianten von Fahrdynamikfunktionen verwendbar ist.
Die Vorrichtung kann weiter einen zweiten Störgrößenbeobachter umfassen, der eingerichtet ist, ein zweites Kompensationssignal (z. B. das Kompensationssignal M_M,DO) zur Kompensation der Störungen und zur Kompensation des Handmoments zu ermitteln. Der Fahrzeugführungsregler kann dann eingerichtet sein, die Lenkvorgabe für die Hilfskraftlenkung auch anhand des zweiten Kompensationssignals zu bestimmen. Die Vorrichtung kann somit einen Bahnführungsregler umfassen, der ein (erstes) Kompensationssignal berücksichtigt, welches unabhängig von dem Handmoment ist, sowie einen Fahrzeugführungsregler umfassen, der ein zweites Kompensationssignal berücksichtigt, welches auch von dem Handmoment M_H,m abhängt. So kann ein kooperativer Regler bereitgestellt werden, bei dem auf Bahnführungsebene zwar Störungen aber nicht Lenkeingriffe des Fahrers stationär ausgeregelt werden. Andererseits erfolgt auf der Fahrzeugführungsebene eine präzise und stationär genaue Regelung, bei der alle Störungen (inkl. dem Handmoment) berücksichtigt werden.
Der Bahnführungsregler kann einen Trajektorien-Folge-Regler (TFR) umfassen, der eingerichtet ist, auf Basis eines Soll-Kurswinkel ψ_ref der Soll-Trajektorie τ, auf Basis einer lateralen Soll-Position y_ref der Soll-Trajektorie τ und auf Basis einer Soll-Krümmung κ_ref der Soll-Trajektorie τ, einen Regelfehler (z. B. einen Regelfehler κ_tc) zu bestimmen. Der Bahnführungsregler kann dann eingerichtet sein, die Krümmungsvorgabe anhand des Regelfehlers und anhand des Kompensationssignals zu bestimmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Störgrößenbeobachter beschrieben, der eingerichtet ist, ein Kompensationssignal zur Kompensation von Störungen auf die Querführung eines Fahrzeugs zu erzeugen. Das Kompensationssignal kann derart erzeugt werden, dass das Kompensationssignal unabhängig von einem Handmoment auf eine Lenkung des Fahrzeugs ist. Insbesondere kann der Störgrößenbeobachter eingerichtet sein, ein erstes Eingangssignal zu ermitteln, wobei das erste Eingangssignal an einem ersten Punkt nach einer Regelstrecke eines Querführungsreglers erfasst wird. Außerdem kann der Störgrößenbeobachter eingerichtet sein, basierend auf dem ersten Eingangssignal ein erstes Vergleichssignal zu erzeugen. Desweiteren kann der Störgrößenbeobachter eingerichtet sein, ein zweites Eingangssignal zu ermitteln, wobei das zweite Eingangssignal an einem zweiten Punkt innerhalb der Regelstrecke des Querführungsreglers nach Einwirken des Handmoments auf die Lenkung des Fahrzeugs erfasst wird. Basierend auf dem zweiten Eingangssignal kann ein zweites Vergleichssignal erzeugt werden. Desweiteren kann basierend auf dem ersten und zweiten Vergleichssignal das Kompensationssignal erzeugt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenfahrzeug) beschrieben, das eine Hilfskraftlenkung umfasst. Das Fahrzeug umfasst weiter eine in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung zur Regelung der Querführung, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, eine Lenkvorgabe für die Hilfskraftlenkung zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs beschrieben. Das Verfahren umfasst, das Ermitteln von einem Kompensationssignal zur Kompensation von Störungen auf die Querführung des Fahrzeugs, so dass das Kompensationssignal unabhängig von einem Handmoment auf eine Lenkung des Fahrzeugs ist. Desweiteren umfasst das Verfahren das Bestimmen von einer Lenkvorgabe für eine Hilfskraftlenkung des Fahrzeugs, auf Basis von ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen für eine Soll-Trajektorie des Fahrzeugs und auf Basis des Kompensationssignals.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z. B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
1 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Querführungsregelungsstruktur;
2 die Position eines Fahrzeugs FZG relativ zum Verlauf einer geplanten Trajektorie τ und zum Straßenverlauf r;
3 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Bahnführungsreglers BFR;
4a und 4b Blockdiagramme von beispielhaften Störgrößenbeobachtern;
5 ein Blockdiagramm von verschiedenen Varianten von Störgrößenbeobachtern; und
6 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugführungsreglers.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung von einem stabilen und recheneffizienten Regler für die Querführung eines Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang zeigt 1 eine beispielhafte Querführungsregelungsstruktur für ein oder mehrere Fahrerassistenzfunktionen FAS1, FAS2, FAS3. Eine Fahrerassistenzfunktion kann durch eine Fahrerassistenzeinheit FAS bereitgestellt werden.
In 1 wird eine hierarchische Reglerstruktur mit einer Trajektorienplanung TPL, einem Bahnführungsregler BFR und einem Fahrzeugführungsregler FFR vorgesehen. Innerhalb der elektromechanischen Hilfskraftlenkung EPS sind vorzugsweise ein oder mehrere Regler (nicht dargestellt) vorgesehen, die dem Fahrzeugführungsregler FFR nachgelagert sind. Die Aufgabe der unterlagerten EPS-Regler ist es beispielsweise, das Motormoment für den Elektromotor der elektromechanischen Hilfskraftlenkung EPS zu regeln und dem Fahrer abhängig von dessen Lenkeingriff ein Unterstützungsmoment zu geben, den Lenkwinkel zu dämpfen und/oder einen aktiven Rücklauf zu erzeugen.
Jede der Fahrerassistenzfunktionen FAS1, FAS2 und FAS3 kann ihren eigenen Einstellparameterwert R für die stationäre Genauigkeit von Regelgrößen und ihren eigenen Einstellparameterwert S für die Steifigkeit der Lenkung vorgeben. Die Parameter R und/oder S können dazu verwendet werden, einen Grad der Kooperation zwischen einer Fahrerassistenzfunktion und einem Fahrer einzustellen. Über ein Auswahlelement SEL1 kann der Einstellparameter R für die stationäre Genauigkeit und der Einstellparameter S für die Steifigkeit der aktiven Fahrassistenzfunktion ausgewählt werden. Hierbei kann vereinfacht angenommen werden, dass nur eine der Mehrzahl von Fahrassistenzfunktionen FAS1, FAS2, FAS3 zu einem Zeitpunkt aktiv sein kann. Ferner kann die jeweils aktive Fahrassistenzfunktion eine Fahraufgabe FA vorgeben, die über ein Auswahlelement SEL2 an eine Trajektorienplanung TPL übergeben wird. Die Trajektorienplanung dient auch der globalen Steuerung und nimmt die Werte der Einstellparameter R, S entgegen. In der Trajektorienplanung TPL wird eine Fahrtrajektorie geplant und die Vorgabe für die geplante Trajektorie an einen Bahnführungsregler BFR übergeben. Die Trajektorienvorgabe umfasst z. B. den Soll-Kurswinkel ψ_ref, die laterale Soll-Position y_ref und die Soll-Krümmung κ_ref der Trajektorie geplanten Trajektorie τ.
In 2 sind die Größen ψ_ref und y_ref anhand einer beispielhaften geplanten Trajektorie τ dargestellt, auf der sich das Fahrzeug FZG bewegen soll. Die Kurve r entspricht dabei dem Straßenverlauf. Der Soll-Kurswinkel ψ_ref beschreibt den Winkel zwischen der Bewegungsrichtung entlang der geplanten Trajektorie τ und der Tangente an die Straße r an dem jeweiligen Punkt P der Trajektorie τ. Die laterale Soll-Position y_ref entspricht dem Abstand der Trajektorie τ an dem jeweiligen Punkt P zur Straße r (wobei der Abstand senkrecht zu der Straße r gemessen wird). Die Krümmung κ_ref der Trajektorie τ entspricht der Krümmung der Linie der Trajektorie τ an dem jeweiligen Punkt P.
Der Bahnführungsregler BFR dient dazu, anhand der Trajektorienvorgabe ψ_ref, y_ref, κ_ref eine Krümmungsvorgabe κ_d für einen nachgeschalteten Fahrzeugführungsregler FFR zu berechnen. Die Krümmungsvorgabe κ_d entspricht der Krümmung der Linie I, auf der sich das Fahrzeug FZG bewegen soll, um bei einer Abweichung von der geplanten Trajektorie τ wieder auf die geplante Trajektorie τ zurückzufinden (s. 2). Somit liefert die Krümmungsvorgabe κ_d Informationen darüber, wie das Fahrzeug FZG von der aktuellen Position zurück auf die geplante Trajektorie τ gebracht werden kann.
Der Fahrzeugführungsregler FFR dient dazu, anhand der Krümmungsvorgabe κ_d ein Motormoment M_M für die elektromechanische Hilfskraftlenkung EPS zu bestimmen (s. 1). Bei dem Motormoment M_M handelt es sich vorzugsweise nicht um den Absolutwert des tatsächlich einzustellenden Motormoments eines Elektromotors EM der Hilfskraftlenkung EPS, sondern um einen Offsetwert, um den eine von dem Handmoment M_H,m (welches von dem Fahrer des Fahrzeugs FZG aufgebracht wird) und gegebenenfalls von anderen Einflussgrößen (beispielsweise Dämpfung, Rücklauf) abhängige Vorgabe M_M2 für das Motormoment verschoben wird. Wenn die Vorgabe M_M2 gleich null ist, entspricht das Motormoment M_M des Fahrzeugführungsreglers FFR dem Soll-Moment M_S für den Elektromotor EM.
Die Hilfskraftlenkung EPS umfasst typischerweise einen Momentenregelkreis mit einem Momentenregler MR zur Einstellung des Motormoments des Elektromotors EM. Der Sollwert M_S für das Motormoment ergibt sich aus dem Momentenwert M_M2 und dem vom Fahrzeugführungsregler FFR gelieferten Offsetwert M_M. Aus dem gemessenen Handmoment M_H,m wird über einen Lenkunterstützungsblock LU ein Momentenwert berechnet, der mit einem Momentenwert einer oder mehrerer geregelten Lenkungsfunktionen LFR überlagert wird. Ferner kann hierzu noch ein Momentenwert einer oder mehrerer gesteuerter Lenkungsfunktionen LFF hinzuaddiert werden.
Der Fahrzeugführungsregler FFR umfasst einen Block UR, in dem die Krümmungsvorgabe κ_d in eine Lenkwinkelvorgabe δ_d umgerechnet wird (s. 1). In dem Block UR werden charakteristische Fahrzeugparameter zur Umrechnung genutzt, beispielsweise die charakteristische Geschwindigkeit und der Radstand. Optional kann in dem Block UR basierend auf der Krümmungsvorgabe κ_d auch eine Lenkwinkelgeschwindigkeitsvorgabe δ ._d = dδ_d/dt berechnet werden. Die Lenkwinkelvorgabe und gegebenenfalls auch die Lenkwinkelgeschwindigkeitsvorgabe δ ._d = dδ_d/dt dienen einem Lenkwinkelregler LWR als Führungsgrößen, der basierend hierauf ein Motormoment M_M für die elektromechanische Hilfskraftlenkung EPS berechnet. Die elektromechanische Hilfskraftlenkung EPS umfasst wiederum vorzugsweise ein oder mehrere unterlagerte Regler, wie bereits vorstehend erläutert.
Der Fahrer greift gegebenenfalls über ein zusätzliches Handmoment M_H, welches dieser auf das Lenkrad ausübt, in die Lenkung des Fahrzeugs FZG ein. Außerdem wirken externe Störungen Z, wie beispielsweise Seitenkräfte durch seitlich abschüssige Fahrbahnen oder Seitenwinde. Gemessene Ist-Bewegungsgrößen des Fahrzeugs FZG, insbesondere die Ist-Werte der Regelgrößen werden an den Bahnführungsregler BFR und den Fahrzeugführungsregler FFR zurückgekoppelt.
Durch die Querführungsregelungsstruktur mit einem Bahnführungsregler BFR, der eine Krümmungsvorgabe κ_d bestimmt, die als Steuergröße für den nachgeschalteten Fahrzeugführungsregler FFR dient, kann der Bahnführungsregler BFR ggf. unabhängig von den Fahrzeugparametern ausgelegt werden. Dies bedeutet, dass der Bahnführungsregler für eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrzeugkonfigurationen verwendbar ist.
Die in 1 dargestellte Querführungsregelung weist somit eine Aufteilung in einen Bahnführungsregler BFR, der (auf der Bahnführungsebene) eine Krümmungsvorgabe κ_d ermittelt und regelt, durch die das Fahrzeug auf die geplante Trajektorie τ gebracht werden kann, und in einen Fahrzeugführungsregler FFR, der in Abhängigkeit von der Krümmungsvorgabe κ_d (auf der Fahrzeugführungsebene) einen Offsetwert M_M für die elektromechanische Hilfskraftlenkung EPS ermittelt und regelt, durch den ein Lenkmoment bewirkt wird, welches das Fahrzeug FZG auf die geplante Trajektorie τ bringt, auf. Diese Aufteilung ermöglicht es, das Fahrzeug FZG innerhalb des Bahnführungsreglers BFR durch ein relativ einfaches Modell (z. B. durch ein PDT2-Modell mit einer Totzeit) zu beschreiben.
Beispielsweise ist der Bahnführungsregler BFR in einem ersten Steuergerät integriert und der Fahrzeugführungsregler FFR ist in einem zweiten Steuergerät integriert, wobei das erste und das zweite Steuergerät miteinander gekoppelt sind, beispielsweise über einen oder mehrere vernetzte Fahrzeugbusse. Der Bahnführungsregler BFR in dem ersten Steuergerät kann dann beispielsweise mit geringfügiger Anpassung einer geringen Anzahl von Modellparametern bei verschiedenen Fahrzeugkonfigurationen des gleichen Fahrzeugmodells verwendet werden. Bei dem ersten Steuergerät handelt es sich beispielsweise um das Steuergerät, in dem auch die Fahrerassistenzfunktionen FAS1, FAS2, FAS3, die die Querführungsregelungsstruktur nutzen, integriert sind.
Die Werte der Einstellparameter R, S für die stationäre Genauigkeit bzw. Steifigkeit können von der Trajektorienplanung TPL an den Bahnführungsregler BFR übergeben werden. Der Bahnführungsregler BFR leitet diese Werte an den Fahrzeugführungsregler FFR weiter. Bei einer alternativen Implementierung kann vorgesehen sein, dass im Bahnführungsregler BFR basierend auf den Einstellparametern R, S modifizierte Parameterwerte R', S' für die stationäre Genauigkeit bzw. Steifigkeit bestimmt werden und diese modifizierten Werte R', S' an den Fahrzeugführungsregler FFR zur Einstellung des Fahrzeugführungsreglers FFR übergeben werden. Alternativ können die Parameterwerte R, S für den Bahnführungsregler BFR und/oder den Fahrzeugführungsregler FFR fest vorgegeben werden.
In 3 ist eine beispielhafte Implementierung des Bahnführungsreglers BFR dargestellt. Der Bahnführungsregler BFR umfasst eine Vorsteuerung VS und einen Trajektorien-Folge-Regler TFR.
Der Trajektorien-Folge-Regler TFR kann als Führungsgrößen sowohl den Soll-Kurswinkel ψ_ref der Trajektorie, die Soll-Krümmung κ_ref als auch die laterale Soll-Position y_ref der Trajektorie auswerten, und mit dem Ist-Kurswinkel ψ_r, der Ist-Krümmung κ_r und der lateralen Ist-Position y_r vergleichen. Der Reglerkern TC des Trajektorien-Folge-Reglers TFR multipliziert den Regelfehler Δψ im Kurswinkel mit einem Faktor k₁, multipliziert den Regelfehler Δy in der lateralen Position mit einem Faktor k₂ und multipliziert den Regelfehler Δκ in der Krümmung mit einem Faktor k₃: κ_tc = k₁·Δψ + k₂·Δy + k₃·Δκ, um den Regelfehler κ_tc der Krümmungsvorgabe κ_d zu ermitteln.
Zur Berechnung des Regelfehlers Δy in der lateralen Position wird die laterale Soll-Position y_ref mit der über eine Kamera des Fahrzeugs FZG gemessenen tatsächlichen lateralen Position y_r verglichen (s. die tatsächliche laterale Position y_r in 2).
Mittels einer Kamera des Fahrzeugs FZG wird typischerweise nicht der tatsächliche Ist-Kurswinkel ψ_r der Ist-Trajektorie I relativ zu der Straße r (s. 2) bestimmt, sondern der Ist-Winkel ψ_rm zwischen der Tangente der Straße r und der Längsachse des Fahrzeugs FZG. Diese beiden Winkel unterscheiden sich um den Schwimmwinkel β.
Daher kann ein Schwimmwinkel-Schätzer SWS zur Bestimmung einer Schätzung β_obs für den Schwimmwinkel β vorgesehen werden, und der Trajektorien-Folge-Regler TFR ist eingerichtet, die gemessene Winkeldifferenz zwischen dem Soll-Kurswinkel ψ_ref und dem gemessenen Ist-Winkel ψ_rm um den geschätzten Schwimmwinkel β_obs zu korrigieren (siehe 3).
Ferner kann ein Störgrößenbeobachter DO1 zur Bestimmung eines Kompensationssignals κ_dob vorgesehen werden, um beispielsweise Seitenkraft-Störungen stationär zu kompensieren. 3 zeigt einen beispielhaften, herkömmlichen Aufbau eines Störgrößenbeobachters DO1. In dem Störgrößenbeobachters DO1 aus 3 kann die Kompensation variabel in Abhängigkeit des Einstellparameters S für die Steifigkeit und/oder des Einstellparameters R für die stationäre Genauigkeit eingestellt werden. Der Einstellparameter R betrifft im Fall des Bahnführungsreglers BFR die stationäre Genauigkeit der im Bahnführungsregler BFR auf den Sollwert y_ref geregelten lateralen Position, die auf den Sollwert κ_ref geregelte Krümmung sowie indirekt die stationäre Genauigkeit des im BFR auf den Sollwert ψ_ref geregelten Kurswinkels.
Hierzu kann ein Skalierungsblock k (entspricht einem Dämpfungsblock) mit einer einstellbaren Verstärkung k vorgesehen (mit k vorzugsweise im Bereich von 0 bis 1) werden. Der Skalierungsblock k bewirkt, dass nur der Anteil k der beobachteten Störung für das Kompensationssignal κ_dob verwendet wird, so dass die Kompensation einstellbar ist. Ferner kann es von Vorteil sein, wenn – wie in 3 dargestellt – der Störgrößenbeobachter DO1 einen Begrenzer LIM mit einstellbarer Begrenzung umfasst, welcher eingerichtet ist, das Kompensationssignal für die Stellgröße auf die Begrenzung zu begrenzen, und die Begrenzung von der Steifigkeit S abhängig ist. Die Verstärkung k hängt vorzugsweise sowohl von den Werten für R und/oder S ab.
Auf den Skalierungsblock k in 3 kann auch verzichtet werden und dieser durch eine Durchverbindung ersetzt werden; dann ist die Störungs-Kompensation nicht einstellbar und die stationäre Genauigkeit der oben genannten Größen maximal.
Auf Basis der Soll-Krümmung κ_ref kann in der Vorsteuerung VS eine Vorsteuer-Krümmungsvorgabe κ_ff ermittelt werden. Dabei umfasst die Vorsteuerung VS eine Approximation eines inversen Modells des Fahrzeugs FZG, so dass die Vorsteuer-Krümmungsvorgabe κ_ff die Krümmungsvorgabe angibt, die dazu führen sollte, dass das Fahrzeug FZG die gewünschte Soll-Krümmung κ_ref auf der Fahrbahn umsetzt. In einer idealisierten Welt würde somit die Vorsteuer-Krümmungsvorgabe κ_ff der Krümmungsvorgabe κ_d für den Fahrzeugführungsregler FFR entsprechen. Typischerweise kann das in der Vorsteuerung VS verwendete (inverse) Modell jedoch nicht das tatsächliche Verhalten des Fahrzeugs FZG abbilden, so dass sich ein Krümmungs-Regelfehler κ_tc ergibt. Dieser Krümmungs-Regelfehler κ_tc kann noch durch das Kompensationssignal κ_dob korrigiert werden und einen kompensierten Krümmungs-Regelfehler κ_tc,k ergeben, wobei das Kompensationssignal κ_dob von außen einwirkende Seitenkraft-Störungen berücksichtigt, die nicht über das Fahrzeugmodell abgebildet werden können. Der korrigierte Krümmungs-Regelfehler wird dann mit der Vorsteuer-Krümmungsvorgabe κ_ff kombiniert (z. B. addiert oder subtrahiert), um die Krümmungsvorgabe κ_d für den Fahrzeugführungsregler FFR bereitzustellen.
Der in 3 dargestellte Störgrößenbeobachter DO1 verwendet ein Modell G ~ der Regelstrecke im Anschluss an den Bahnführungsregler BFR. Das Modell G ~ (z. B. G ~(s) , wobei s der Laplace-Operator ist) beschreibt insbesondere das Verhalten des Fahrzeugführungsreglers FFR, der elektrischen Hilfskraftlenkung EPS, und des Fahrzeugs FZG. Wie bereits oben dargelegt, wirken insbesondere das Handmoment M_H,m und die Störungen Z auf die Regelstrecke. Da in dem in 3 dargestellten Störgrößenbeobachter DO1 die gesamte Regelstrecke berücksichtigt wird, werden sowohl das Handmoment M_H,m als auch die Störgrößen Z gemeinsam betrachtet, was dazu führt, dass ein der Momentenvorgabe M_M entgegenwirkendes Handmoment M_H,m zu einem erhöhten Kompensationssignal κ_dob und damit zu einem erhöhten korrigierten Krümmungs-Regelfehler κ_tc,k führt. Aufgrund des integrierenden Verhaltens des Störgrößenbeobachters DO1 wird dieser Effekt mit der Zeit weiter verstärkt. Der Störgrößenbeobachter DO1 in 3 ermöglicht somit keine kooperative Regelung der Querführung in Bezug auf Lenkeingriffe durch den Fahrer.
4a und 4b zeigen beispielhafte Strukturen für Störgrößenbeobachter DO1, durch die eine kooperative Regelung der Querführung ermöglicht wird. Diese können anstelle des Störgrößenbeobachters DO1 in 3 verwendet werden. Die in den 4a und 4b dargestellten Störgrößenbeobachter DO1 können desweiteren einen Skalierungsblock K und/oder einen Begrenzungsblock LIM umfassen. In den 4a und 4b ist für den Trajektorien-Folge-Regler (TFR) beispielhaft die Rückführung des Kurswinkels ψ_r/Heading-Winkels ψ_rm dargestellt. Wie in 3 dargestellt wird typischerweise alternativ oder ergänzend die Position y_r und/oder die Krümmung κ_r zurückgeführt.
Die in den 4a und 4b dargestellten Störgrößenbeobachter DO1 ermöglichen es, das Handmoment M_H aus dem Regelkreis und damit aus dem Kompensationssignal κ_dob herauszunehmen. Dazu wird bei den Störgrößenbeobachtern DO1 in den 4a und 4b die tatsächliche Regelstrecke G in zwei Teilstrecken G₁ und G₂ aufgeteilt, wobei die erste Teilstrecke G₁ die Regelstrecke bis zur und inklusive der elektrischen Hilfskraftlenkung EPS umfasst, und wobei die zweite Teilstrecke G2 das Fahrzeug FZG umfasst. Somit ist die erste Teilstrecke G₁ unabhängig von den Störungen Z.
In den Störgrößenbeobachtern DO1 der 4a und 4b wird ein Zwischensignal (in diesem Dokument auch als das zweite Eingangssignal eines Störgrößenbeobachters DO1 bezeichnet) auf der Regelstrecke zwischen der ersten Teilstrecke G₁ und der zweiten Teilstrecke G₂ abgegriffen. Insbesondere wird ein Zwischensignal innerhalb der Regelstrecke nach dem Lenkeingriff des Fahrers und vor Einwirken der Störungen Z abgegriffen. Es wird dann auf Basis dieses abgegriffenen Zwischensignals ein Kompensationssignal κ_dob ermittelt, das keine Kompensation des Lenkeingriffs des Fahrers in der Stellgröße κ_tc,k des Reglers hervorruft. Andererseits wird über den Krümmungs-Regelfehler κ_tc aus dem Reglerkern TC (d. h. aus dem Zustandsregler) durchaus eine Kompensation des Lenkeingriffs des Fahrers in der Stellgröße κ_tc,k des Reglers hervorgerufen. Der Lenkeingriff wird jedoch durch den Störgrößenbeobachter DO1 nicht als Störung betrachtet, welche durch das Kompensationssignal κ_dob zu kompensieren ist. Desweiteren umfasst der Reglerkern TC typischerweise keinen integrierenden Anteil, durch den ein integrierendes Verhalten in Bezug auf das Handmoment M_H und somit ein nicht-kooperatives Verhalten bewirkt würde.
Der Störgrößenbeobachter bzw. Störgrößenschätzer DO1 wird typischerweise dazu verwendet, eine stationär genaue Regelung bereitzustellen, bei der auch Störungen Z berücksichtigt werden. Der Störgrößenbeobachter DO1 weist aufgrund der verwendeten Modelle/invertierten Modelle der Regelstrecke zur Ermittlung des Kompensationssignals κ_dob typischerweise ein integrierendes Verhalten auf. Durch den Ausschluss des Handmoment M_H bei der Ermittlung des Kompensationssignals κ_dob kann sichergestellt werden, dass auch bei einem integrierenden Verhalten des Störgrößenbeobachters DO1 (durch das eine stationäre Genauigkeit gewährleistet wird) eine kooperative Querführungsregelung bereitgestellt werden kann.
Die Störgrößenbeobachter DO1 in den 4a und 4b unterscheiden sich dahingehend, dass in 4a ein invertiertes Modell G ~₂ ^–1 der zweiten Teilstrecke G₂ verwendet wird, und dass in 4b ein Model G ~₂ der zweiten Teilstrecke G₂ verwendet wird. Die in 4b dargestellte Anordnung ist typischerweise vorteilhaft, im Hinblick auf die Stabilität des Reglers. Die Modelle der ersten und/oder zweiten Teilstrecke können lineare Modelle sein bzw. umfassen.
Auf der Regelstrecke zwischen der ersten Teilstrecke G₁ und der zweiten Teilstrecke G₂ kann beispielsweise ein gemessener Lenkwinkel δ abgegriffen werden. Der gemessene Lenkwinkel δ kann über ein Modell der unterlagerten Strecke (z. B. durch ein Einspurmodell) in eine Krümmung κ umgerechnet werden. Die so ermittelte Krümmung kann dann im Störgrößenbeobachter DO1 verwendet werden. Der gemessene Lenkwinkel δ ist vorteilhaft, da der Lenkwinkel sowohl von dem von dem Regler erzeugten Moment M_M als auch von dem Handmoment M_H abhängt. Diese werden somit nicht von dem Störgrößenbeobachter DO1 kompensiert.
In den 4a und 4b wird beispielhaft der gemessene Ist-Kurswinkel ψ_r oder Headingwinkel ψ_rm als erstes Eingangssignal des Störgrößenbeobachters DO1 zurückgeführt. 5 zeigt die Einbettung eines Störgrößenbeobachters DO1 gemäß der 4a oder 4b. Es sei darauf hingewiesen, dass das Kompensationssignals κ_dob alternativ oder ergänzend durch weitere zurückgeführte Signale, die von den Störungen Z abhängen, ermittelt werden kann. Anhand der Kameradaten kann eine Ist-Gierrate ψ ._rm bzw. eine Ist-Krümmung κ_r des Fahrzeugs FZG ermittelt und zurückgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Ist-Kurswinkel ψ_r/ein Ist-Heading-Winkel ψ_rm. ermittelt bzw. verwendet und zurückgeführt werden. Um diesen Ist-Kurswinkel ψ_r/Ist-Heading-Winkel ψ_rm mit einer Krümmung vergleichen zu können, erfolgt eine Ableitung und eine Division durch die Fahrzeuggeschwindigkeit. Alternativ oder ergänzend kann eine Ist-Querablage y_r bzw. Ist-Position y_r zurückgeführt werden. Um diese Ist-Querablage y_r mit einer Krümmung vergleichen zu können, erfolgt eine doppelte Ableitung und eine Division durch die quadratische Fahrzeuggeschwindigkeit.
Um eine stationäre Genauigkeit des Störgrößenbeobachters DO1 zu gewährleisten, kann ein gemessener Ist-Heading-Winkel ψ_rm um einen geschätzten Schwimmwinkel β_obs korrigiert werden. Der Schwimmwinkel β_obs kann wie in 3 dargestellt ermittelt werden. Als erstes Eingangssignal des Störgrößenbeobachters DO1 kann dann ggf. der geschätzte Ist-Kurswinkel ψ_r zurückgeführt werden (der sich aus dem gemessenen Ist-Heading-Winkel und dem geschätzten Schwimmwinkel β_obs ergibt).
5 zeigt desweiteren die Optionen „A” und „B” in Bezug auf das zweite Eingangssignal des Störgrößenbeobachters DO1. Die Optionen „A” und „B” können beliebig mit den verschiedenen Optionen bezüglich des zurückgeführten ersten Eingangssignals kombiniert werden. Eine bevorzugte Kombination ist Option „B” in Kombination mit ein rückgeführten Ist-Kurswinkel/Ist-Heading-Winkel ψ_rm. Im Fall der Option „A” wird die Krümmungsvorgabe κ_d als zweites Eingangssignal zurückgeführt (wie in 3 dargestellt). Bei dieser Variante umfasst das Kompensationssignal κ_dob Einflüsse des Handmoments M_H und der weiteren Störungen Z. Im Fall der Option „B” wird ein Zwischensignal der Regelstrecke als zweites Eingangssignal zurückgeführt (wie in den 4a und 4b dargestellt). Bei dieser Variante umfasst das Kompensationssignal K_dob Einflüsse der weiteren Störungen Z, aber nicht des Handmoments M_H.
Aus dem ersten Eingangssignal und aus dem zweiten Eingangssignal werden ein erstes Vergleichssignals und ein zweites Vergleichssignal ermittelt und verglichen (z. B. subtrahiert). Aus dem Vergleich des ersten Vergleichssignals und des zweiten Vergleichssignals (z. B. aus der Differenz des ersten Vergleichssignals und des zweiten Vergleichssignals) kann dann das Kompensationssignal κ_dob ermittelt werden. Wie in den 4a und 4b dargestellt kann dazu im Falle der Option „B” ein invertiertes Modell G ~₁ ^–1 der ersten Teilstrecke G₁ verwendet werden. Alternativ kann auch auf die Verwendung eines invertierten Modells G ~₁ ^–1 verzichtet werden. Dadurch kann die Stabilität des Störgrößenbeobachters DO1 verbessert werden.
6 zeigt weitere Details eines dem Bahnführungsregler BFR nachgelagerten beispielhaften Fahrzeugführungsreglers FFR. In dem Block UR werden basierend auf der seitens des Bahnführungsreglers BFR bestimmten Soll-Krümung κ_d ein Soll-Lenkwinkel δ_d und eine Soll-Lenkwinkelgeschwindigkeit δ ._d = dδ_d/dt bestimmt und an den Lenkwinkelregler LWR als Führungsgrößen übergeben. Der Lenkwinkelregler LWR bestimmt ein Motormoment M_M für die elektromechanische Hilfskraftlenkung EPS und umfasst eine kaskadierte Reglerstruktur mit einem Lenkwinkelregler kp in Form eines P-Glieds (Proportionalregler) und einem nachgelagerten Lenkwinkelgeschwindigkeitsregler kd in Form eines anderen P-Glieds (in 4 mathematisch äquivalent aufgeteilt auf zwei Blöcke kd im Vorwärtszweig und in der Rückkopplung). Die beiden P-Glieder kp, kd können einen Regelfehler für den Lenkwinkel δ_d und die Lenkwinkelgeschwindigkeit δ ._d stationär nicht ausregeln.
Ferner ist in dem Lenkwinkelregler LWR ein zweiter Störgrößenbeobachter DO2 vorgesehen, der ein zweites Kompensationssignal M_M,DO für das Reglerausgangssignal des Lenkwinkelgeschwindigkeitsreglers kd bestimmt. Dieser zweite Störgrößenbeobachter DO2 wirkt ähnlich wie ein Integrator und ist grundsätzlich in der Lage, einen Regelfehler für den Lenkwinkel δ_d und die Lenkwinkelgeschwindigkeit δ ._d stationär genau ausregeln. Außerdem ist eine Vorsteuerung Fc vorhanden, welche einen Vorsteueranteil M_M,f für das Motormoment M_M der elektromechanischen Hilfskraftlenkung EPS bestimmt.
Der zweite Störgrößenbeobachter DO2 dient zur Kompensation des fahrerseitigen Handmoments M_H sowie externer Störungen d_δ,
(d. h. Störungen Z) durch das Kompensationssignal M_M,DO. Der zweite Störgrößenbeobachter DO2 schätzt dabei die resultierende Störung M'_M,DO bezogen auf den Eingang der Regelstrecke G_FZG. Typischerweise wird nur ein einstellbarer Anteil der Störung für das zweite Kompensationssignal M_M,DO verwendet. Dieser Anteil hängt dabei von dem Einstellparameter S für die Steifigkeit und von dem Einstellparameter R für die stationäre Genauigkeit ab. Der Einstellparameter R betrifft im Fall des Fahrzeugführungsreglers FFR die stationäre Genauigkeit des im Fahrzeugführungsregler FFR auf den Sollwert δ_d geregelten Lenkwinkels und die im Fahrzeugführungsregler FFR auf den Sollwert δ ._d geregelten Lenkwinkelgeschwindigkeit.
Hierzu ist ein Skalierungsblock k mit einer einstellbaren Verstärkung k vorgesehen (mit k vorzugsweise im Bereich von 0 bis 1). Der Skalierungsblock k bewirkt, dass nur der Anteil k der beobachteten Störung M'_M,DO für das zweite Kompensationssignal M_M,DO verwendet wird (hierbei wird der Block LIM nicht berücksichtigt). Die Verstärkung k hängt vorzugsweise sowohl von den Werten für R und S als auch von dem gemessenen Handmoment M_H,m ab. Wenn k = 1 ist, wird die gesamte beobachte Störung M'_M,F für das zweite Kompensationssignal M_M,DO verwendet (sofern der Begrenzer LIM noch nicht begrenzt) und das resultierende Stellsignal M_M führt zur stationären Genauigkeit. Wenn k < 1 ist, wird nur ein Teil der beobachteten Störung M'_M,F für das zweite Kompensationssignal M_M,DO verwendet und daher die Störung (d. h. M_H, d_δ,
) nur teilweise kompensiert; der Lenkwinkel δ_d ist dann nicht stationär genau, da der zweite Störgrößenbeobachter DO2 die Störung nicht vollständig kompensiert.
Es kann somit in Rahmen der Bahnführungsregelung ein erster Störgrößenbeobachter gemäß der 4a, 4b und 5 verwendet werden, durch den ein erstes Kompensationssignal κ_dob ermittelt wird, welches von dem Handmoment M_H unabhängig ist, und somit nur von den weiteren Störungen Z (welche auch d_δ,
umfassen) abhängig ist. Andererseits kann im Rahmen der Fahrzeugführungsregelung ein zweiter Störgrößenbeobachter DO2 gemäß 6 verwendet werden, durch den ein zweites Kompensationssignal M_M,DO ermittelt wird, welches auch von dem Handmoment M_H abhängig ist. So kann insgesamt ein Regler für die Querführung eines Fahrzeugs FZG bereitgestellt werden, der in Bezug auf Lenkeingriffe des Fahrers kooperativ ist und der derartige Lenkeingriffe bei der Regelung berücksichtigt. Desweiteren kann durch die in diesem Dokument beschriebene Reglerstruktur, die Anzahl von Schnittstellen und ein Applikationsaufwand reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs (FZG), wobei die Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) umfasst, – einen Störgrößenbeobachter (DO1), der eingerichtet ist, ein Kompensationssignal (κ_dob) zur Kompensation von Störungen (Z) auf die Querführung des Fahrzeugs (FZGs) zu erzeugen, so dass das Kompensationssignal (κ_dob) unabhängig von einem Handmoment (M_H,m) auf eine Lenkung des Fahrzeugs (FZG) ist; und – einen Regler (BFR, FFR), der eingerichtet ist, auf Basis von ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref, ψ_ref, y_ref) für eine Soll-Trajektorie (τ) des Fahrzeugs (FZG) und auf Basis des Kompensationssignals (κ_dob), eine Lenkvorgabe (M_M) für eine Hilfskraftlenkung (EPS) des Fahrzeugs (FZG) als Reglerausgangsgröße zu bestimmen.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 1, wobei der Störgrößenbeobachter (DO1) eingerichtet ist, – ein erstes Eingangssignal zu ermitteln, wobei das erste Eingangssignal an einem ersten Punkt nach einer Regelstrecke (G₁, G₂) des Reglers (BFR, FFR) erfasst wird; – basierend auf dem ersten Eingangssignal ein erstes Vergleichssignal zu erzeugen; – ein zweites Eingangssignal zu ermitteln, wobei das zweite Eingangssignal an einem zweiten Punkt innerhalb der Regelstrecke (G₁, G₂) des Reglers (BFR, FFR) nach Einwirken des Handmoments (M_H) auf die Lenkung des Fahrzeugs (FZG) erfasst wird; – basierend auf dem zweiten Eingangssignal ein zweites Vergleichssignal zu erzeugen; und – basierend auf dem ersten und zweiten Vergleichssignal das Kompensationssignal (κ_dob) zu erzeugen.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 2, wobei – die Regelstrecke (G₁, G₂) in eine erste Teilstrecke (G₁) und eine anschließende zweite Teilstrecke (G₂) aufgeteilt ist; – die erste Teilstrecke (G₁) einen Teil der Regelstrecke (G₁, G₂) umfasst, durch den aufgrund der ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref, ψ_ref, y_ref) ein Ist-Lenkwinkel (δ) des Fahrzeugs (FZG) bewirkt wird; – die zweite Teilstrecke (G₂) einen Teil der Regelstrecke (G₁, G₂) umfasst, durch den aufgrund des Ist-Lenkwinkels (δ) eine Bewegung des Fahrzeugs (FZG) bewirkt wird; und – der zweite Punkt zwischen der erste Teilstrecke (G₁) und der zweiten Teilstrecke (G₂) liegt.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 3, wobei der Störgrößenbeobachter (DO1) eingerichtet ist, – das zweite Vergleichssignal basierend auf einem Modell ( G ~₂ ) der zweiten Teilstrecke (G₂) und basierend auf dem zweiten Eingangssignal zu ermitteln; oder – das erste Vergleichssignal basierend auf einem invertierten Modell ( G ~₂ ^–1 ) der zweiten Teilstrecke (G₂) und basierend auf dem ersten Eingangssignal zu ermitteln; oder – das erste Vergleichssignal basierend auf einem invertierten Modell eines ersten Teils der zweiten Teilstrecke (G₂) und basierend auf einem Modell eines zweiten Teils der zweiten Teilstrecke (G₂) zu ermitteln.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das zweite Eingangssignal einen Ist-Lenkwinkel (δ) der Lenkung des Fahrzeugs (FZG) umfasst.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 5 mit Rückbezug auf Anspruch 4, wobei – das zweite Vergleichssignal basierend auf einer Fahrzeug-abhängigen Lenk-Beziehung und/oder basierend auf einem stationären oder dynamischen Einspurmodell des Fahrzeugs (FZG) ermittelt wird, welche den Ist-Lenkwinkel (δ) in eine Krümmung (κ) einer Trajektorie überführt; oder – das erste Vergleichssignal basierend auf einer invertierten Fahrzeug-abhängigen Lenk-Beziehung und/oder basierend auf einem stationären oder dynamischen Einspurmodell des Fahrzeugs (FZG) ermittelt wird.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das erste Eingangssignal ein oder mehrere umfasst von, – eine laterale Ist-Position (y_r) des Fahrzeugs (FZG); – einen Ist-Heading-Winkel (ψ_rm) des Fahrzeugs (FZG); und/oder – eine Ist-Krümmung (κ_r) einer von den Fahrzeug (FZG) tatsächlich gefahrenen Ist-Trajektorie (I).
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei – die Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) weiter einen Schwimmwinkelschätzer (SWS) umfasst, der eingerichtet ist, einen Schwimmwinkel (β_obs) des Fahrzeugs (FZG) zu ermitteln; und – der Regler (BFR, FFR) eingerichtet ist, die Lenkvorgabe (M_M) für die Hilfskraftlenkung (EPS) des Fahrzeugs (FZG) auch auf Basis des Schwimmwinkels (β_obs) des Fahrzeugs (FZG) zu ermitteln.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Störgrößenbeobachter (DO1) eingerichtet ist, – eine Vielzahl von ersten Eingangssignalen zu ermitteln; wobei die Vielzahl von ersten Eingangssignalen an einer entsprechenden Vielzahl von ersten Punkten nach der Regelstrecke (G₁, G₂) des Reglers (BFR, FFR) erfasst wird; und – das erste Vergleichssignal basierend auf der Vielzahl von ersten Eingangssignalen zu ermitteln.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Regler (BFR, FFR) umfasst, – einen Bahnführungsregler (BFR), der eingerichtet ist, anhand der ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref, ψ_ref, y_ref) und anhand des Kompensationssignals (κ_dob) eine Krümmungsvorgabe (κ_d) als Reglerausgangsgröße für einen nachgelagerten Fahrzeugführungsregler (FFR) zu bestimmen, und – den Fahrzeugführungsregler (FFR), der eingerichtet ist, anhand der Krümmungsvorgabe (κ_d) die Lenkvorgabe (M_M) für die Hilfskraftlenkung (EPS) als Reglerausgangsgröße zu bestimmen.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß Anspruch 10, wobei – die Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) weiter umfasst, einen zweiten Störgrößenbeobachter (DO2), der eingerichtet ist, ein zweites Kompensationssignal (M_M,DO) zur Kompensation der Störungen (Z) und zur Kompensation des Handmoments (M_H,m) zu ermitteln; und – der Fahrzeugführungsregler (FFR) eingerichtet ist, die Lenkvorgabe (M_M) für die Hilfskraftlenkung (EPS) auch anhand des zweiten Kompensationssignals (M_M,DO) zu bestimmen.
Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei der Bahnführungsregler (BFR) – einen Trajektorien-Folge-Regler (TFR) umfasst, der eingerichtet ist, auf Basis eines Soll-Kurswinkel (ψ_ref) der Soll-Trajektorie (τ), einer lateralen Soll-Position (y_ref) der Soll-Trajektorie (τ) und einer Soll-Krümmung (κ_ref) der Soll-Trajektorie (τ), einen Regelfehler (κ_tc) zu bestimmen; und – eingerichtet ist, die Krümmungsvorgabe (κ_d) anhand des Regelfehlers (κ_tc) und des Kompensationssignal (κ_dob) zu bestimmen.
Fahrzeug (FZG) umfassend – eine Hilfskraftlenkung (EPS); und – eine Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) zur Regelung der Querführung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (FAS, TPL, BFR, FFR) eingerichtet ist, eine Lenkvorgabe (M_M) für die Hilfskraftlenkung (EPS) zu erzeugen.
Verfahren zur Regelung der Querführung eines Fahrzeugs (FZG), wobei das Verfahren umfasst, – Ermitteln von einem Kompensationssignal (κ_dob) zur Kompensation von Störungen (Z) auf die Querführung des Fahrzeugs (FZG), so dass das Kompensationssignal κ_dob unabhängig von einem Handmoment (M_H,m) auf eine Lenkung des Fahrzeugs (FZG) ist; und – Bestimmen von einer Lenkvorgabe (M_M) für eine Hilfskraftlenkung (EPS) des Fahrzeugs (FZG), auf Basis von ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen (κ_ref, ψ_ref, y_ref) für eine Soll-Trajektorie (τ) des Fahrzeugs (FZG) und auf Basis des Kompensationssignals (κ_dob).
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Kompensationssignal (κ_dob) zur Kompensation von Störungen (Z) mittels eines Regelkreises mit einem integrierenden Anteil ermittelt wird.
Störgrößenbeobachter (DO1) für die Erzeugung von einem Kompensationssignal (κ_dob) zur Kompensation von Störungen (Z) auf die Querführung eines Fahrzeugs (FZGs), wobei der Störgrößenbeobachter (DO1) eingerichtet ist, – ein erstes Eingangssignal zu ermitteln, wobei das erste Eingangssignal an einem ersten Punkt nach einer Regelstrecke (G₁, G₂) eines Reglers (BFR, FFR) der Querführung des Fahrzeugs (FZG) erfasst wird; – basierend auf dem ersten Eingangssignal ein erstes Vergleichssignal zu erzeugen; – ein zweites Eingangssignal zu ermitteln, wobei das zweite Eingangssignal an einem zweiten Punkt innerhalb der Regelstrecke (G₁, G₂) des Reglers (BFR, FFR) nach Einwirken eines Handmoments (M_H) auf eine Lenkung des Fahrzeugs (FZG) erfasst wird; – basierend auf dem zweiten Eingangssignal ein zweites Vergleichssignal zu erzeugen; und – basierend auf dem ersten und zweiten Vergleichssignal das Kompensationssignal (κ_dob) zu erzeugen.