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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Fahrzeugpfadplanung und einem Erzeugen eines Fahrspurzentrierens und/oder eines Fahrspurwechselns in einem halb-autonom oder autonom gefahrenen Fahrzeug und, noch spezieller, ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen eine Fahrzeugpfadplanens und einer Erzeugung eines Fahrspurzentrierens und/oder eines Fahrspurwechselns in einem halb-autonom oder autonom gefahrenen Fahrzeug, das Messungen von einer nach vorn schauenden Kamera, für ein Bestimmen des Pfades innerhalb des Bereichs der Kamera, und Fahrbahnpunkten von einer Kartendatenbasis, für Entfernungen über den Bereich der Kamera hinaus, verwendet.
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Diskussion der relevanten Technik
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Der Betrieb moderner Fahrzeuge wird autonomer werden, d. h. die Fahrzeuge sind in der Lage eine Fahrregelung und immer weniger Fahrereingriffe bereitzustellen. Fahrtregelungssysteme gibt es an Fahrzeugen seit einer Anzahl von Jahren, wobei der Fahrzeugführer eine bestimmte Geschwindigkeit des Fahrzeugs einstellen kann und das Fahrzeug bei dieser Geschwindigkeit gehalten wird, ohne dass der Fahrer die Drosselklappe bzw. das Gaspedal betätigt. Angepasste Fahrtregelungssysteme wurden kürzlich in der Technik entwickelt, bei denen nicht nur das System die eingestellte Geschwindigkeit beibehält, sondern auch automatisch das Fahrzeug in dem Fall verlangsamt, dass ein sich langsamer bewegendes vorausfahrendes Fahrzeug unter Verwenden verschiedener Sensoren, wie Radar und Kameras, erfasst wird. Bestimmte moderne Fahrzeuge stellen auch ein autonomes Parken zur Verfügung, bei dem das Fahrzeug automatisch die Lenkungsregelung für das Parken des Fahrzeugs bereitstellt. Einige Fahrzeugsysteme intervenieren, falls der Fahrer scharfe Steuerungsänderungen durchführt, welche die Fahrzeugstabilität beeinträchtigen könnten. Einige Fahrzeugsysteme versuchen das Fahrzeug nahe dem Zentrum einer Fahrspur der Straße zu halten. Weiterhin haben vollständig autonome Fahrzeuge gezeigt, dass sie in simuliertem Stadtverkehr bis zu 30 mph unter Beachten aller Regeln des Straßenverkehrs fahren können.
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In dem Maß, in dem sich Fahrzeugsysteme verbessern, werden sie autonomer werden mit dem Ziel, ein vollständig autonom fahrendes Fahrzeug zu werden. Wahrscheinlich werden zukünftige Fahrzeuge zum Beispiel autonome Systeme für ein Fahrspurwechseln, ein Vorbeifahren, ein Abbiegen aus dem Verkehr, ein Einbiegen in den Verkehr usw. verwenden. Ein sanftes Manövrieren und ein automatisches Fahrspurzentrieren und eine Fahrspurwechselregelung sind für den Fahrer- und den Mitfahrerkomfort in autonom fahrenden Fahrzeugen wichtig. Als ein Ergebnis von Sensor- und Betätigungsverzögerungen können sich jedoch gemessene Fahrzeugzustände von aktuellen Fahrzeugzuständen unterscheiden. Dieser Unterschied kann eine ungenaue Pfaderzeugung verursachen, was eine Fahrspurwechselhärte beeinflussen wird.
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Das
US Patent Nr. 8,170,739 , ausgegeben am 1. Mai 2012, betitelt Pfaderzeugungsalgorithmus für ein automatisches Fahrspurzentrieren und Fahrspurwechselregelungssystem, das dem Erwerber dieser Anmeldung übertragen und hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist, offenbart ein System zum Bereitstellen einer Pfaderzeugung für automatisierte Fahrspurzentrier- und/oder Fahrspurwechselzwecke. Das System verwendet ein oder mehrere vorwärts schauende Kameras, welche Fahrspurmarkierungen in Front des Fahrzeugs zum Identifizieren einer Reisefahrspur, auf welcher das Fahrzeug fährt, erfassen. Ein Prozessor für eine gewünschte Pfaderzeugung empfängt die Signale von der Kamera, Fahrzeugzustandsinformationen und einen Lenkwinkel des Fahrzeugs und eine Anfrage für einen Fahrzeugfahrspurwechsel. Das System umfasst auch einen Pfadvorhersage-Prozessor, der den Fahrzeugpfad basierend auf den Fahrzeugzustandsinformationen, einschließlich der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, Fahrzeugquergeschwindigkeit, Fahrzeug-Gierrate und dem Fahrzeuglenkwinkel, vorhersagt. Die gewünschte Pfadinformation und die vorhergesagte Pfadinformation werden verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das an ein Fahrspurwechselsteuergerät gesendet wird, welches ein Lenkwinkelsignal bereitstellt, um das Fahrzeug zu wenden und das Fehlersignal zu vermindern, wobei der Pfaderzeugungs-Prozessor eine polynome Gleichung fünften Grades anwendet, um den gewünschten Pfad des Fahrzeugs basierend auf den Eingangssignalen zu bestimmen.
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Die US Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2010/0082195 von Lee und anderen, betitelt: Verfahren zu einem adaptiv gesteuerten Fahrzeugbetrieb unter Verwenden eines autonomen Fahrzeugregelsystems, das dem Erwerber dieser Anmeldung übertragen wurde und auch hierin unter Bezugnahme eingeschlossen ist, offenbart Verbesserungen des Pfaderzeugungsalgorithmus, der in dem
'739 Patent offenbart ist und der einen bevorzugten Reisepfad für das Fahrzeug basierend auf einem vorbestimmten Reisepfad und einer geschätzten Fahrbahnposition bestimmt.
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Sowohl das
'739 Patent als auch die '195 Anmeldung verwenden visuelle Kameras, um Fahrbahnmarkierungen und Objekte in Front des Fahrzeugs für Pfaderzeugungszwecke zu erfassen. Gegenwärtige visuelle Fahrzeugkameras haben jedoch eine maximal wirksame Sichtdistanz von etwas 80 Metern bei guten Bedingungen, somit ist ihre Fähigkeit, Fahrbahnmarkierungen zu erkennen und die Fahrbahnkrümmungen zu bestimmen, begrenzt. Insbesondere kann ein typisches Fahrspurwechselmanöver bis zu 5–6 Sekunden erfordern. Für Autobahngeschwindigkeiten wie 70 mph ist der Kamerabereich oftmals, um ein Fahrspurwechselmanöver basierend auf laufenden Berechnungserfordernissen zu vollenden, nicht ausreichend. Deshalb kann die Fahrzeuggeschwindigkeit die Fähigkeit des Systems, akkurat den notwendigen vorhergesagten Pfad für halb-autonom oder autonom fahrende Fahrzeuge bereitzustellen, überschreiten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein System und ein Verfahren für ein Bereitstellen eines Pfadplanens und für ein Erzeugen zum automatischen Fahrspurzentrieren und/oder für Fahrspurwechselabsichten für ein Fahrzeug, das auf einer Fahrbahn fährt, wobei das Verfahren Fahrbahnmesswerte von einer visuellen Kamera innerhalb eines effektiven Bereichs der Kamera und Fahrbahnmesswerte von einer Kartendatenbasis über den Bereich der Kamera hinaus verwendet. Das Verfahren benutzt die Fahrbahnmesswerte von der Kamera, um einen gewünschten Pfad entlang eines ersten Segments der Fahrbahn zu bestimmen, und identifiziert ein Ende des ersten Segments, basierend darauf, wie genau die Kamera die Fahrbahn definiert. Das Verfahren benutzt dann die Fahrbahnmesswerte von der Kartendatenbasis, um den gewünschten Pfad entlang eines zweiten Segments der Fahrbahn zu bestimmen, welches an dem Ende des ersten Segments beginnt, wobei ein Übergang von dem ersten Segment zu dem zweiten Segment sanft ist.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen, zusammengenommen mit den begleitenden Zeichnungen deutlich werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs, einschließlich der Komponenten, die für die Pfadvorhersage und für das Erzeugen eines halb-autonom oder autonom gefahrenen Fahrzeugs erforderlich sind;
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2 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs, das auf einer Fahrbahn fährt, die einen berechneten Fahrzeugpfad zeigt;
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3 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs, das auf einer Fahrbahn fährt und einen berechneten Fahrzeugpfad für unterschiedliche Segmente zeigt, wobei der Pfad durch Kameramessungen und einer Kartendatenbasis bestimmt wird;
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4 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs, das auf einer Fahrbahn fährt und einen Fahrspurwechselpfad zeigt;
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5 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Bestimmen eines Fahrzeugpfads zeigt;
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6 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs, das entlang einer Fahrbahn fährt, die einen Pfad unter Verwendung von Kartendatenbasis-Fahrbahnpunkten zeigt;
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7 ist ein allgemeines Flussdiagramm, das einen allgemeinen Überblick eines Prozesses für ein Pfadplanen zeigt;
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8 ist ein Graph mit einer Entfernung auf einer horizontalen Achse und einer Fahrbahnkrümmung auf der vertikalen Achse, einschließlich Graphenlinien, welche die Pfadkrümmung zeigen;
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9 ist ein Graph mit einer Entfernung auf der horizontalen Achse und einer Fahrzeuggeschwindigkeit auf der vertikale Achse, einschließlich Graphenlinien, die eine bekannt gegebene Geschwindigkeit, ein extremes Geschwindigkeitsprofil und ein komfortables Geschwindigkeitsprofil zeigen;
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10 ist eine andere Darstellung einer Fahrbahn, die Pfadänderungen für eine Hindernisvermeidung zeigt;
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11 ist ein Graph mit der Zeit auf der horizontalen Achse und der Geschwindigkeit auf der vertikalen Achse, der ein originales Geschwindigkeitsprofil des Fahrzeugs und ein angepasstes Geschwindigkeitsprofil des Fahrzeugs zeigt;
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12 ist eine Darstellung einer Fahrbahn, die ein kurzes Segment eines Pfadweges zeigt, um das Fahrzeug zurück zu einem Referenzpfad zu bringen; und
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13 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Durchführen von Ausweichmanövern in einem Pfadvorhersageprozess zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Pfadplanens und einer Pfaderzeugung in einem halb-autonom oder autonom gefahrenen Fahrzeug gerichtet sind, ist nur beispielhafter Natur und es ist in keiner Weise beabsichtigt, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu beschränken.
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1 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs 10, einschließlich eines Steuergerätes 12, das alle notwendigen Prozesse, Berechnungen, Algorithmen usw. ausführt, die hierin diskutiert werden, um eine Pfadvorhersage, eine Erzeugung und ein Steuern des Fahrzeugs 10, das in halb-autonomer oder autonomer Weise gefahren wird, bereitzustellen, wobei das Steuergerät 12 irgendeine Anzahl von unabhängigen oder kombinierten Prozessoren, elektronischen Steuereinheiten (ECUs), Geräte usw. sein kann. Das Steuergerät 12 empfängt Signale von einem oder mehreren vorwärts schauenden visuellen Kameras 14, welche Fahrspurmarkierungen und Objekte auf oder in der Fahrbahn oder in anderer Weise in Front des Fahrzeugs 10 erfassen, wobei die Kamera 14 irgendein geeignetes Erfassungsgerät für diesen Zweck sein kann, wie eine ladungsgekoppelte (CCD) Gerätekamera, komplementäre Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)Videobildsensoren usw. Das Fahrzeug 10 kann auch eine Anzahl von Sensoren einschließen, die allgemein als Sensor 16 dargestellt sind, die Fahrzeugbewegungsinformationen bereitstellen, einschließlich, aber nicht begrenzt auf, Fahrzeuggeschwindigkeit, Gierrate, Lenkungswinkel, Quer- und Längsbeschleunigung, Quer- und Längsgeschwindigkeit usw. Das Fahrzeug 10 umfasst ferner einen GPS-Empfänger 18, der GPS-Signale empfängt, die den Ort des Fahrzeugs 10 identifizieren, welcher durch eine Kartendatenbasis 20 bereitgestellt wird, welche eine Indikation für das Steuergerät 12 des Ortes des Fahrzeugs 10 auf der Fahrbahn zur Verfügung stellt, zum Beispiel als beabstandete Fahrbahnpunkte. Basierend auf dem gewünschten Pfad des Fahrzeugs 10 und darauf, ob das Fahrzeug 10 halbautonom oder autonom gefahren wird, kann das Steuergerät 12 Ausgangssignale für ein Fahrzeugbremssystem 22, eine Fahrzeugdrosselklappe 24 und/oder ein Fahrzeuglenksystem 26 bereitstellen.
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Wie oben erwähnt, verwendet das
'739 Patent eine vorwärts schauende Kamera und eine Pfadvorhersage und einen Erzeugungsalgorithmus, wie er in dem Steuergerät
12 eingesetzt sein kann, um einen gewünschten Fahrzeugpfad, um das Fahrzeug
10 in dem Fahrspurzentrum zu halten, und einen Pfad zum Fahrspurwechseln zu erzeugen. Der gewünschte Pfad wird als eine Folge von Querversetzungen, Steuerkurswinkeln und Längsentfernungen über eine bestimmte Zeitperiode dargestellt. Das Steuergerät
12 erzeugt den gewünschten Pfad, basierend auf einem vorbestimmten Fahrspurzentrum, unter Verwendung einer polynomen Gleichung fünfter Ordnung. Die polynome Gleichung fünfter Ordnung hat sechs Unbekannte am Anfang des Prozesses zum Berechnen des gewünschten Pfades. Das normalisierte Pfadproblem ist unabhängig von den Fahrzeugzuständen, wobei die Fahrzeugzustände für eine Koordinatenkonversion zu normalisierten Koordinaten der Fahrzeugkoordinaten verwendet werden. Kontinuierliche Annahmen werden in dem Algorithmus für einen sanften Pfad verwendet und umfassen die Startposition und den Orientierungswinkel des gewünschten Pfades, der mit der laufenden Fahrzeugposition und der Fahrzeugbewegungsrichtung ausgerichtet wird, wobei ein Fahrspurwechselpfad das Zentrum der Zielfahrspur beenden sollte und mit der Fahrspur in erster und zweiter Ordnung der Ableitungen auszurichten ist.
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2 ist eine Darstellung 40 eines Fahrzeugs 42, das auf der Fahrspur 46 der Fahrbahn 44 entlang einer geschätzten Fahrspurzentrumslinie 48 des Zentrums der Fahrspur 46 fährt, welche durch den Fahrspurzentrumsabschnitts-Algorithmus von verschiedenen wahrnehmenden Messungen bestimmt wurde, z. B. einer vorwärts schauenden Kamera und der GPS/Kartendatenbasis, wobei die Fahrbahn 44 auch eine benachbarte Fahrspur 50 einschließt. Wie oben, ist das Fahrzeug 42 mit allen Komponenten ausgestattet, die für die Pfadvorhersage und Erzeugung notwendig sind, die allgemein als Box 54 dargestellt sind, einschließlich einer vorwärts schauenden visuellen Kamera, welche Fahrspurmarkierungen auf der Fahrbahn 44 erfasst, wobei eine Folge von Punkten 52 entlang der Fahrspur 46 die gewünschte x-, y-Position des Fahrzeugs 40 zu den Kameraprobenzeiten, während es entlang der Zentrumslinie 48 fährt, identifiziert, und wobei die Punkte 52 eine mittlere Entfernung zwischen den Markierungen zwischen dem rechten und dem linken Rand der Fahrspur 46 bilden. In 2 (der ideale Fall) ist die Fahrspurzentrumslinie 48 exakt überlappend mit dem gewünschten Pfad des Fahrzeugs 42. In Wirklichkeit gibt es jedoch eine Diskrepanz zwischen dem gewünschten Pfad, welchem das Fahrzeug 42 folgen muss, und dem aktuellen Zentrum der Fahrspur 46. Ein offensichtlicher Grund für die Diskrepanz ist ein Hindernis in der Fahrspur, daher sollte der gewünschte Pfad erzeugt werden, um das Hindernis zu vermeiden. Ein anderer Grund für die Diskrepanz ist, dass die anfängliche Fahrzeugposition nicht im Zentrum der Fahrspur liegt und die Bewegung nicht perfekt mit der Fahrspurzentrumslinie 48 ausgerichtet ist.
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Das Bestimmen der Fahrspurzentrumslinie
48 unter Verwenden der Kamera
14 ist teilweise unten übernommen von dem
'739 Patent. Die Kamera
14 stellt Schätzungen der Position und der Orientierung der Fahrspur
46 mit Bezug auf das Zentrum des Fahrzeugs
42 durch die Punkte
52 zur Verfügung. In dieser Ausführungsform ist die Fahrbahn
44 in zwei Abschnitte der polynomen Gleichungen zweiter Ordnung modelliert, wie:
ysec1(x) = A1x2 + B1x + C1, 0 < x < x1 (1) ysec2(x) = A2x2 + B2x + C2, x1 < x < x2 (2) wobei x
1 und x
2 die Endpunkte entlang der x-Achse des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts darstellen, und y
sec1 und y
sec2 den Querversatz der Fahrbahn
44 mit Bezug auf das Fahrzeugkoordinatensystem R
v(t) darstellen. Die Messungen, die durch die Kamera
14 bereitgestellt werden, umfassen einen Gierwinkel φ
r,1 des Fahrzeugs
42 mit Bezug auf den ersten Abschnitt der Fahrbahn
44, den lateralen Versatz y
r,1 des Zentrums des Schwerpunktes des Fahrzeugs gegenüber der Fahrspur
46, und die Krümmung der Fahrbahn ρ
1 und ρ
2 des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts.
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Von der geometrischen Beziehung zwischen der Fahrbahn
44 und der Fahrspurdarstellung können die Koeffizienten der Gleichungen (1) und (2) bezogen werden auf:
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Es wird angenommen, dass die Fahrbahn
44 ohne Diskontinuität verläuft, das bedeutet, dass sich die zwei Abschnitte von jeder Fahrbahndarstellung sanft verbinden, ohne einen abrupten Wechsel in dem Übergangspunkt x
1. Nur die Kontinuität nullter und erster Ordnung wird hierin angenommen, so dass die Gleichungen (7) und (8) unten an dem Übergangspunkt x
1 betragen:
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Ein Einsetzen der Gleichungen (3)–(8) in die Gleichungen (1) und (2) ergibt: C2 = ysec1(x1),(9) B1 = 2A1x1 + B1.(10)
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Durch Integrieren der Gleichungen (3)–(6), (9) und (10), können die Gleichungen (1) und (2) in Ausdrücken der Messwerte der Kamera
14 umgeschrieben werden, als:
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Unter Annahme, dass das Fahrzeug 42 mit einer Längsgeschwindigkeit vx betrieben wird, und es keine Hindernisse in der Fahrbahn 44 gibt, hängt der Komfort für den/die Fahrer/Insassen von der Querbeschleunigung ay des Fahrzeugs ab, und die Querbeschleunigung ay ist eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit vx und des Lenkungswinkels δ. Eine Zeitvariable tLX wird spezifiziert, um ein Fahrspurwechselmanöver unabhängig von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vx zu vollenden, außer die Querbeschleunigung ay wird vorausbestimmt als über einer bestimmten Grenze während des Fahrspurwechselmanövers zu liegen. Wenn die Querbeschleunigung ay über der Grenze liegt, wird ein neuer Pfad berechnet mit einer neuen verlängerten Fahrspurwechselmanöverzeit.
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Die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vx wird durch den Fahrzeuggeschwindigkeitsmesser gemessen und der Querversatz, Steuerkurswinkel und die Fahrbahnkrümmung ρ werden durch die Kamera 14 gemessen. Die gewünschte Pfaderzeugung wird für das Fahrspurwechselmanöver als ein Randbedingungsproblem formuliert. Es wird angenommen, dass die Fahrspurwechselsteuerung beim Zeitpunkt t = 0 beginnt, und (x(t), y(t)) als Fahrzeugposition zur Zeit t mit Bezug auf den Ursprung Rv(0) des Koordinatensystems definiert ist. Beachte, dass das Koordinatensystem Rv das Fahrzeugkoordinatensystem ist, das zu der Zeit t = 0 aufgenommen wird, und die Position und der Steuerkurswinkel des Fahrzeugs 42 bei t = 0 werden mit Rv(0) ausgerichtet. Somit können (x(t = 0, y(t = 0)) (0, 0) und y'(0) = 0 ohne Verlust der Allgemeingültigkeit gesetzt werden.
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Die anfänglichen und die endgültigen Zustände (y, y', y'')
t=0 und
des Fahrzeugs
42 können dann durch Manipulieren der Fahrbahndarstellungsgleichungen (11) und (12) erhalten werden. Die Werte (x(t
LX), y(t
LX)) entsprechen der gewünschten Position des Fahrzeugs
42 zu der Zeit t = t
LX, wobei x(t
LX) durch Integrieren der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v
x abgeschätzt werden kann und der Wert y(t
LX) kann durch die Fahrspurbreite und die Fahrbahngeometrie erhalten werden. Beachte, dass y
r in den Gleichungen (3)–(6) den Querversatz der Fahrbahn von dem Zentrum des Fahrzeugs
42 darstellt und hier y den Fahrzeugort mit Bezug auf R
v(0) darstellt.
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Unter Auswählen einer polynomen Gleichung fünfter Ordnung für die x- und y-Positionen des Fahrzeugs 42 ergibt sich: y(x) = a5x5 + a4x4 + a3x3 + a2x2 + a1x + a0. (13)
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Unter Berücksichtigen der anfänglichen und endgültigen Konditionen ergibt sich:
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Das Problem kann durch folgende lineare Gleichung gelöst werden:
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Das Pfaderzeugungsproblem kann durch Normalisieren der Koordinaten vereinfacht werden. Durch Kennzeichnen der normalisierten Koordinaten als (x
n(t), y
n(t)) ergibt sich:
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Durch Einsetzen der Gleichungen (17) und (18) in Gleichung (13) und Neudefinieren der Koeffizienten der polynomen Gleichung kann yn durch die folgende Gleichung erhalten werden: yn(xn) = an,5x 5 / n + an,4x 4 / n + an,3x 3 / n + an,2x 2 / n + an,1xn + an,0. (19)
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Unter Verwenden der normalisierten Koordinaten der Gleichungen (17) und (18) in den anfänglichen und endgültigen Konditionen, können die normalisierten Koordinaten zu den Konditionen umschrieben werden als:
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Das lineare Gleichungsproblem der Gleichung (16) kann dann vereinfacht werden als:
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Beachte, dass die Fahrbahnbedingungen nur durch den y-Vektor aufgenommen werden und die Matrix eine konstante Matrix, unabhängig von der anfänglichen Kondition, der endgültigen Kondition oder der Fahrbahngeometrie, ist. Deshalb kann die Lösung der Gleichung (22) durch wenige einfache algebraische Berechnungen erhalten werden. Sobald die Lösung berechnet wird, stellt die Gleichung (19) den gewünschten Pfad dar, um das laufende Fahrspurwechselmanöver in normalisierten Koordinaten zu vollenden. Unter Anwenden der Gleichung (18) kann das gewünschte Pfadprofil in den Fahrzeugkoordinaten erhalten werden.
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Rufe erneut die anfängliche Position des Fahrzeugs (x(t = 0), y(t = 0)) (0, 0) und den anfänglichen Steuerkurswinkel y'(0) = 0 auf, da die Fahrzeugbewegung durch das Fahrzeugkoordinatensystem beschrieben wurde, das bei t = 0, R
v(0) aufgenommen worden ist. In Fällen von gekrümmten Fahrbahnen, können die Randbedingungen geschrieben werden als:
wobei L die Fahrspurbreite und x(t
LX) die x-Koordinate zu der Zeit t
LX ist, welche der Längsentfernung der Fahrt entspricht, um das Fahrspurwechselmanöver zu vollenden. Der Wert x(t
LX) kann durch Integrieren der Fahrzeuggeschwindigkeit v
x über der Zeit geschätzt werden. Beachte, dass y
seg, abhängig zu welchem Segment x(t
LX) es gehört, entweder y
seg1 oder y
seg2 sein kann, nämlich:
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In normalisierter Form sind die anfänglichen und endgültigen Konditionen:
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Unter Einsetzen der Gleichungen (26) und (27) in die lineare Gleichung (22) ergibt sich folgende Lösung:
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Beachte, dass yseg, abhängig zu welchem Segment x(tLX) es gehört. entweder yseg1 oder yseg2 sein kann.
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Wie in der Gleichung (30) zu sehen, sind die ersten zwei Koeffizienten der polynomen Gleichung immer Null. Weiterhin kann der Rest der Koeffizienten mit wenigen algebraischen Berechnungen mit den Randbedingungen berechnet werden.
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Für Fälle von geradlinigen Straßen, kann das Pfaderzeugungsproblem weiter vereinfacht werden. Die Fahrbahnkrümmung ρ ist während des gesamten Fahrspurwechselmanövers Null und der gewünschte Steuerkurswinkel wird am Ende des Fahrspurwechselns auch Null sein. Somit sind die anfänglichen und endgültigen Konditionen folgende:
wobei L die Fahrspurbreite ist.
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In normalisierter Form können die anfänglichen und endgültigen Konditionen geschrieben werden als:
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Schließlich, unter Einsetzen der Bedingungen der Gleichungen (33) und (34) in die lineare Gleichung, führt dieses zu folgender Lösung:
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Wie von der Gleichung (36) zu sehen, sind die Koeffizienten der polynomen Gleichung für die gradlinige Straße, unabhängig von der Fahrspurwechselmanöverentfernung, konstant, das bedeutet, dass der gewünschte Pfad vorbestimmt ist und keine Online-Berechnung für das Fahrspurwechselmanöver für gradlinige Straßenbedingungen erforderlich ist.
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Die obige Diskussion stellt Berechnungen und Programmschritte zur Verfügung, die verwendet werden, den Fahrzeugpfad, dem das Fahrzeug folgt, als eine polynome Gleichung fünfter Ordnung darzustellen, basierend auf der Position der Fahrbahn
44, wie durch die Messungen von der Kamera
14 definiert und in dem
'739 Patent festgestellt. Wie oben erwähnt, besitzt die Kamera
14 jedoch eine begrenzte Wirkungsentfernung, die nicht weit genug sein kann, um ein Fahrspurwechselmanöver bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten auszuführen. Wie im Detail unten diskutiert wird, schlägt die vorliegende Erfindung ein Trennen der Fahrbahn
44 in Segmente vor, basierend darauf, wie gut die Fahrbahn
44 definiert werden kann.
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3 ist eine Darstellung 60 der Fahrbahn 44, bei der ähnliche Elemente durch gleiche Referenznummern gekennzeichnet werden und welche die Zentrumslinie 48 als getrennt in drei Segmente zeigt, nämlich ein erstes Segment 62, ein zweites Segment 64 und ein drittes Segment 66, wobei eine Übergangslinie 68 das erste Segment 62 von dem zweiten Segment 64 trennt und eine Übergangslinie 70 das zweite Segment 64 von dem dritten Segment 66 trennt. Für die Gleichungen, die unten diskutiert werden, wird das erste Segment 62 als seg1 dargestellt, das zweite Segment 64 wird als seg2 repräsentiert und das dritte Segment 66 wird als seg3 dargestellt. Obwohl dieses Beispiel nur drei Segmente diskutiert, wird die Anzahl der erforderlichen Segmente von einer Anzahl von Faktoren abhängen, einschließlich der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 42 und der Krümmung der Fahrbahn 44, wie es weiter im Detail unten diskutiert wird.
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Das erste Segment
62 befindet sich unmittelbar in Front des Fahrzeugs
42 und die Zentrumslinie
48 wird im ersten Segment durch die Kameramessungen, wie oben und in dem
'739 Patent diskutiert, bestimmt. Insbesondere stellt die Kamera
14 Messwerte c
0, c
1, c
2 und c
3 zur Verfügung und der Algorithmus bestimmt die Koeffizienten a
0, a
1, a
2, a
3, a
4 und a
5 für die polynome Gleichung fünfter Ordnung, welche die zu folgende Zentrumslinie
48 für das Fahrzeugs
42 definiert. Für die Diskussion unten wird das erste Segment
62 durch Kameramessungen definiert und durch eine einzelne polynome Gleichung dritter Ordnung definiert, wie:
yseg1(x) = c3,seg1·x3 + c2,seg1·x2 + c1,seg1·x + c0,seg1. (37)
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Sobald die Zentrumslinie 48 die wirksame Entfernung der Kamera 14 überschreitet, beendet die Erfindung das erste Segment 62 und geht sanft in das zweite Segment 64 über, in dem die Zentrumslinie 48 außerhalb des Kameraerfassungsbereichs durch die Kartendatenbasis 20 bestimmt wird. Der Algorithmus kann die Zentrumslinie 48 in mehr als drei Segmente teilen, abhängig davon, wie effektiv die Erzeugung der Zentrumslinie 48 durch die Kartendatenbasis 20 ist und von dem Grad der Krümmung der Fahrbahn 44 und der Fahrzeugbewegungsgeschwindigkeit.
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Wenn die Zentrumslinie 48 für das Fahrzeug 42 für jeden Zeitschritt berechnet worden ist, bestimmt der Algorithmus auch, wo der Übergang der Linie 68 zwischen dem ersten Segment 62 und dem zweiten Segment 64 auftritt, basierend auf der laufenden Position des Fahrzeugs 42, dem Kameraerfassungsbereich und basierend auf der Krümmung der Fahrbahn 44, wie viele zusätzliche Segmente für die gegenwärtige Fahrzeuggeschwindigkeit erforderlich sind, um genau eine Pfadplanung unter unterschiedlichen Bedingungen wie den geforderten Fahrspurwechseln, den Ausweichmanövern usw. zur Verfügung zu stellen.
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Wenn der Bereich des ersten Segments
62 steigt, nimmt die Differenz zwischen den mittleren Messpunkten x
i, y
i und der y
seg1 polynomen Darstellung der Fahrspurzentrumslinie
48 zu, was einen Fehler erzeugt, der den effektiven Bereich der Kamera
14 definiert. Die gegenwärtige Erfindung schlägt vor, unter Bestimmen, wann der Fehler eine bestimmte Kalkulationsfunktion J übersteigt, das Ende des ersten Segments
62 als die Übergangslinie
68 zu bestimmen. Bei jedem Zeitschritt werden die Werte c
0,seg1, c
1,seg1, c
2,seg1 und c
3,seg1 durch eine kleinste Fehlerquadratmethode mit der Kalkulationsfunktion J berechnet, die definiert wird als:
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Mithilfe der kleinsten Fehlerquadratmethode wird die Lösung der Koeffizienten c
0,seg1, c
1,seg1, c
2,seg1 und c
3,seg1 bestimmt zu:
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Wenn die Kostenkalkulationsfunktion J an einem bestimmten Messpunkt xi einen bestimmten Schwellwert Jthreshold übersteigt, beendet der Algorithmus das erste Segment 62 bei diesem xi Messpunkt und setzt den Wert xcam_rangs = xi fest. Diese Kalkulationsfunktionsanalyse wird für jede Messzeit ausgeführt, so dass der Messpunkt xi, welcher das Ende des ersten Segments 62 darstellt, kontinuierlich aktualisiert wird.
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Bei der Übergangslinie
68, zwischen dem ersten Segment
62 und dem zweiten Segment, wird die Zentrumslinie
48 dann starten durch die Kartendatenbasis
20 berechnet zu werden, welche mit der vorher berechneten Zentrumslinie
48 in dem ersten Segment
62 basierend auf den Kameramesswertpunkten c verbunden wird. Die Zentrumslinie
48 für das zweite Segment
64 wird durch ein Polynom dritter Ordnung definiert zu:
wobei
und die Werte c
3,seg2 und c
2,seg2 Messungen sind, die von der Kartendatenbasis
20 verfügbar sind.
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Um den Übergang von dem ersten Segmentpfad zu dem zweiten Segmentpfad sanfter zu machen, werden die Werte c1,seg2 und c0,seg2 von dem ersten Segment 62 durch Anwenden von zwei Kontinuitätsbedingungen berechnet. Die erste Bedingung umfasst, dass der erste Punkt der Zentrumslinie 48 für das zweite Segment 64 der gleiche ist wie der letzte Punkt der Zentrumslinie 48 für das erste Segment 62 wie: yseg1(x = xseg1_range) = yseg2(x = xseg1_range). (41)
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Die zweite Bedingung umfasst ein Angleichen der Steigung der Pfadlinie für das erste Segment
62 an die Steigung der Pfadlinie für das zweite Segment
64 an der Übergangslinie
68 als:
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Die Übergangslinie
70 zwischen dem zweiten Segment
64 und dem dritten Segment
66 wird basierend auf der Krümmung der Fahrbahn
44 derart bestimmt, dass die Zentrumslinie
48 einem sanften Übergang in die Zentrumslinie
46 folgt. Wenn die Kartendatenbasis
20 bestimmt, dass sich die Fahrbahnkrümmung um mehr als einen bestimmten Schwellwert ändert, wie beispielsweise 1/10.000 (1/m), von dem Startpunkt des zweiten Segments
64 zu einem Endpunkt des zweiten Segments
64, wird das dritte Segment
66 gestartet und definiert als:
wobei x
seg3 ≡ x – x
seg2_range, und die Werte c
3,seg3 und c
2,seg3 direkt von der Kartendatenbasis
20 erhalten werden.
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Die Übergangslinie 70 von dem zweiten Segment 64 zu dem dritten Segment 66 wird auch den Kontinuitätsbedingungen, die oben diskutiert wurden, unterworfen. Somit werden die Werte c1,seg3 und c0,seg3 von diesen Kontinuitätsbedingungen berechnet.
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Einige Kartendatenbasen stellen nur Fahrbahnkrümmungen ρ(x) an den Punkten x
i zur Verfügung und stellen die c
3,seg2, c
2,seg2, c
3,seg3 und c
2,seg3 nicht zur Verfügung. Für derartige Kartendatenbasen kann die Übergangslinie
70 in der gleichen Weise wie die Übergangslinie
68 zwischen dem ersten Segment
62 und dem zweiten Segment
64 berechnet werden. Insbesondere, wenn die Kartendatenbasis
20 nur Fahrbahnkrümmungen ρ zur Verfügung stellt, dann können die Werte c
2,seg2 und c
3,seg2 direkt von den Fahrbahnpunkten berechnet werden, die in der Kartendatenbasis
20, wie oben beschrieben, zur Verfügung stehen. Für diese Ausführungsform wird die Kalkulationsfunktion J wieder definiert als:
wobei
yseg2(x) = c3,seg2·x 3 / seg2 + c2,seg2·x 2 / seg2 + c1,seg2·xseg2 + c0,seg2, und die kleinste Fehlerquadratmethode zum Ermitteln der Werte c
3,_seg2 und c
2,_seg2 verwendet wird.
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Die Lösung nach der kleinsten Fehlerquadratmethode wird berechnet zu:
wobei die Werte c
3,_seg3, und c
2,_seg3 auf die gleiche Weise erhalten werden können.
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Wenn das Fahrzeug 42 entlang der Zentrumslinie 48 fährt und ein Fahrspurwechsel befohlen wird, wird dieser Fahrspurwechsel in der gleichen Weise durchgeführt, wie es in dem '789 Patent ausgeführt wird. 4 ist eine Darstellung 72 der Fahrbahn 44 ähnlich zu der Darstellung 60, wobei gleiche Elemente durch gleiche Referenznummern identifiziert werden und ein Fahrspurwechselpfad 74 durch den Algorithmus so bestimmt wird, dass das Fahrzeug 42 die Zentrumslinie 48 in der Fahrspur 46 verlässt und in die benachbarte Fahrspur 50 fährt, wobei es dann in der Fahrspur 50 auf dem Fahrspurpfad 76 zentriert wird. Gemäß der Erfindung bestimmt der Algorithmus zuerst wie viele Segmente benötigt werden, um das geforderte Fahrspurwechselmanöver zu vollenden, nämlich wie weit über den Bereich der Kamera 14 hinaus der Fahrspurwechsel von der gegenwärtigen Position des Fahrzeugs aus vervollständigt sein wird. Zum Beispiel wird, abhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 42, der Krümmung der Fahrbahn 44, der Lenkungsaggressivität des Profils usw., der Algorithmus bestimmen, wieviel Zeit erforderlich ist, um die Fahrspurwechselanfrage auszuführen und wie weit von der gegenwärtigen Fahrzeugposition der Fahrzeugwechsel vollendet sein wird. Um dies zu erreichen, wird eine Fahrspurwechselzeit ΔT, wie sechs Sekunden, angegeben und der Wert vxΔT wird mit den Werten xseg1_range, xseg2_range, xseg3_range, usw., verglichen, um herauszufinden zu welchem Segment der Wert vxΔT gehört. Zum Beispiel wird angenommen, dass: xseg2_range < vxΔT < xseg3_range. (48) ist.
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Basierend auf dieser Annahme, umfasst die Analyse für den Fahrspurwechsel ein Verwenden des ersten Segments der Fahrbahndarstellung für die anfängliche Bedingung, um die Fahrspur zu wechseln, und des dritten Segments der Fahrbahndarstellung für das Enden der Bedingung des Fahrspurpfades
76 in die benachbarte Fahrspur
50. Für die anfängliche Bedingung startet der Pfad mit der gegenwärtigen Fahrzeugposition y(0) = 0, der gegenwärtigen Fahrzeugsteuerkursrichtung y'(0) = 0, und der Krümmung des gegenwärtigen Fahrzeugpfades y''(0) = 2c
2,seg1. Die Endbedingungen, wenn der Fahrbahnwechsel auf dem Zentrum der benachbarten Fahrbahn
50 vollendet ist, wird mit den Ableitungen der Fahrbahn in erster und zweiter Ordnung ausgerichtet, wie:
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Der Algorithmus startet von der normalisierten Pfadgleichung fünfter Ordnung:
wobei die Koeffizienten a
0, a
1, a
2, a
3, a
4 und a
5 Unbekannte sind und die Werte v
x, ΔT und L Bekannte sind.
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Durch Anwenden der Anfangs- und Endbedingungen, bestimmt der Algorithmus die Koeffizienten a
0, a
1, a
2, a
3, a
4 und a
5 als:
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Die polynome Gleichung (51) fünfter Ordnung mit den bestimmten Koeffizienten a0, a1, a2, a3, a4 und a5 ist die endgültige Lösung für den gewünschten Pfad des Fahrspurwechsels. Beachte, dass die Werte c2,seg1, c0,seg3, c1,seg3, c2,seg3 und c3,seg3 die Fahrspurzentrumsparameter sind, die oben bestimmt wurden.
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5 ist ein Flussdiagramm 90, das einen Prozess zum Bestimmen des Fahrspurzentrums und des Fahrspurpfadplanens, wie oben diskutiert, darstellt. Der Algorithmus startet bei dem Block 92 unter Lesen der Fahrzeugbewegungsdaten, wie die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Gierrate usw., und dann stellt die Kamera Messwerte bei Block 94 für die Fahrspurbestimmung zur Verfügung. Der Algorithmus bestimmt dann die Fahrspurzentrumslinie von den Kameramessungen des Blockes 96 und bestimmt den effektiven Bereich der Kamera 14 bei Block 98, welches der Übergang von dem ersten Segment 62 zu dem zweiten Segment 64 ist. Der Algorithmus liest dann die Kartendaten von der Kartendatenbasis 20 ein, um eine Fahrbahnkrümmung bei Block 100 zu bestimmen und führt einen Karteneigenschafts-Check durch, um zu bestimmen, ob die Werte c2 und c3 aus der Kartendatenbasis 20 bei der Entscheidungsraute 102 zur Verfügung stehen. Wenn die Werte c2 und c3 bei der Entscheidungsraute 102 nicht zur Verfügung stehen, dann bestimmt der Algorithmus die Werte c2 und c3 bei Block 104, wie oben mit der Gleichung (45) diskutiert. Sobald die c2 und c3 entweder aus der Kartendatenbasis 20 bei der Entscheidungsraute 102 zur Verfügung stehen oder bei dem Block 104 bestimmt werden, stellt der Algorithmus eine Kartenfusion der Kartenfahrbahnpunkte und der Kameramessungen für den Übergang in das zweite Segment 62 bei Block 106 bereit. Der Algorithmus erzeugt dann Mehrfach-Segment-Fahrspurzentrumsprofile für das zweite Segment 64 in das dritte Segment 66 und darüber hinaus bei Block 108. Wenn ein Fahrspurwechsel gefordert wird, bestimmt der Algorithmus die Fahrspurwechsel-Fahrtentfernung bei Block 110 und dann die Anfangs- und Endbedingungen für den Fahrspurwechselpfad bei Block 112. Der Algorithmus führt dann die Bestimmung des Fahrspurwechselpfades bei Block 114 aus und wiederholt den Prozess für die nächste Messperiode bei Block 116.
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Der Pfadplanungsalgorithmus, der oben diskutiert wurde, verwendet erst die Kameramesswerte, um die Pfadplanung für das Fahrzeug 42 zu bestimmen, und dann verwendet er die Kartendatenbasis-Fahrbahnpunkte als Eingabe, um den Pfad über den effektiven Bereich der Kamera 14 hinaus zu bestimmen. In einer alternativen Ausführungsform, die unten diskutiert wird, verwendet der Pfadplanungsalgorithmus die Fahrbahnpunkte, die von der Kartendatenbasis 20 zur Verfügung stehen, um einen gewünschten Fahrzeugreferenzpfad zu bestimmen. Für diese Ausführungsform kann der eine Pfadplanungsalgorithmus für alle notwendigen Fahrzeugpfadplanungsmanöver verwendet werden, einschließlich eines Fahrbahnwechselmanövers, Vermeidens statischer Objekte, einer Verlangsamung für bewegte Objekte in Front des Fahrzeugs und eines Ausweichmanövers rund um ein Objekt.
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6 ist eine Darstellung 120 einer Fahrbahn 122, einschließlich zweier benachbarter Fahrspuren 124 und 126, die jeweils eine Fahrspurzentrumslinie 128 und 130 entsprechend einschließen, wobei eine relativ scharfe Kurve 132 in der Fahrbahn 122 vorhanden ist. Ein Fahrzeug 134 fährt in der Fahrspur 124, wobei ein Pfadplanungs- und Erzeugungsalgorithmus das Fahrzeug 134 veranlasst, automatisch bei geeigneter Geschwindigkeit entlang eines Referenzpfades 136 zu lenken, und wobei der Pfad 136 exakt der Zentrumslinie 128 folgen kann oder nicht. Während des Pfadplanungs- und Erzeugungsprozesses können unterschiedliche Situationen das Fahrzeug 134 veranlassen, den Pfad 136 auszurichten und/oder die Geschwindigkeit einzustellen. Zum Beispiel kann der Pfadplanungs- und Erzeugungsalgorithmus eine Anfrage für einen Fahrbahnwechsel von der Fahrbahn 124 zu der Fahrbahn 126 aus irgendeiner Anzahl von Gründen empfangen, wobei der Pfadplanungs- und Erzeugungsalgorithmus das Fahrzeug 134 veranlassen wird, den Pfad 136 und die Fahrbahn 124 zu verlassen und in die Fahrbahn 126 entlang eines Fahrbahnwechselpfades 138 zu fahren. Auch kann ein statisches Objekt in oder teilweise auf der Fahrbahn 122 vorhanden sein, was von dem Fahrzeug 134 erfordert, seinen Pfad auszurichten, um sicher um das Objekt herumzukommen. Ferner kann ein langsam sich bewegendes Objekt, wie ein Fahrrad, sich in Front des Fahrzeugs 134 befinden, was von dem Fahrzeug 134 erfordert, langsamer zu fahren, um dem Objekt zu ermöglichen, sich aus dem Weg zu bewegen. Zusätzlich kann ein Fußgänger die Fahrbahn 122 überqueren, was von dem Fahrzeug 134 erfordert, ein Ausweichpfadplanungsmanöver auszuführen. Das Fahrzeug 134 kann andere Pfadänderungen in Kombination mit anderen Objekten, die sich die Fahrbahn 122 (mit ihm) teilen, durchführen, um der Fahrbahn 122 zu folgen.
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7 ist ein Blockdiagramm eines Systems 140, das einen allgemeinen Überblick des Pfadplanungs- und Erzeugungsprozesses zeigt, welcher im Detail unten für die oben erwähnten Situationen diskutiert wird. Bei Block 142 verwendet der Algorithmus eine Karte und GPS-Daten, die online 148 bereitgestellt werden, um einen Kursreferenzpfadplan bereitzustellen, der nicht das Betrachten des Verkehrs oder anderer Hindernisse berücksichtigt. Bei Block 144 empfängt der Algorithmus Objektdaten online 150 von irgendeinem verfügbaren Sensor des Fahrzeugs 134, die anzeigen, dass einige Objekte mit dem Verkehr des freien Referenzpfades in Wechselwirkung treten können, woraufhin der Pfad ausgerichtet werden muss. Bei Block 146 verwendet der Algorithmus Kameradaten, die online 152 bereitgestellt werden, um eine Feinabstimmung des Pfades für die verschiedenen Verkehrssituationen auszuführen.
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Bei dem Block 142 empfängt der Algorithmus die Kartendatenbasis der Fahrbahnpunkte und erzeugt einen sanften Referenzpfad, der durch den Pfad 136 spezifiziert wird, um scharfes Wenden des Fahrzeugs 134 zu minimieren, wobei der Algorithmus Kartenungenauigkeiten kompensiert. Die Kartendatenbasis-Fahrbahnpunkte werden als eine Reihenfolge von Punkten 154 entlang der Fahrspur 124 gezeigt, wobei die Punkte 154 nicht gleich beabstandet sind und einen Kursort der Zentrumslinie 128 der Fahrspur 124 zur Verfügung stellen. Der Algorithmus beabstandet die Punkte 154 in gleiche Entfernungen voneinander, so dass eine bessere Darstellung des Zentrums der Fahrspur 124 zur Verfügung gestellt wird. Mit anderen Worten, sobald der Algorithmus die Fahrbahnpunkte 154 durch die Kartendatenbasis 20 identifiziert, identifiziert er das Zentrum der Fahrspur 124 durch diese Punkte und bewegt dann die Punkte 154 entlang der Linie, damit sie in gleicher Entfernung voneinander sind.
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Der Algorithmus glättet dann den Referenzpfad des Fahrzeugs 134 beispielsweise durch die Kurve 132 durch Vermindern der scharfen Wendeanforderungen an das Fahrzeug 134. Genauer, sobald der Algorithmus die Fahrbahnpunkte 154 hat, die grob das Zentrum der Fahrspur 124 identifizieren, aus denen die Zentrumslinie 128 bestimmt werden kann, berechnet der Algorithmus den Referenzpfad 136, dem das Fahrzeug 134 basierend auf der Krümmung der Zentrumslinie 128 folgen wird, um aggressive Wendeforderungen des Fahrzeugs 134 für ein sanftes Fahren zu vermindern. Zum Beispiel werden die Fahrbahnpunkte 154 in der Kurve 132 auf der Linie 128 näher zu der Innenseite der Kurve 132 bewegt werden als die Punkte 118 auf dem Pfad 136, um so die Größe des Wendens des Fahrzeugs 134 zu vermindern. Dieses wird als die Differenz zwischen der Zentrumslinie 128 und dem Referenzpfad 136 in der Fahrspur 124 gezeigt.
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8 ist ein Graph mit einer Entfernung auf der horizontalen Achse und einer Straßenkrümmung auf der vertikalen Achse, einschließlich einer Graphenlinie
156, welche die Größe der Krümmung der Zentrumslinie
128 aus den Punkten
154 berechnet, und eine Graphenlinie
158, welche die Krümmung des geglätteten Pfades entlang des Pfades
136 des Fahrzeugs
134 zeigt, nachdem der Algorithmus die Krümmung der Zentrumslinie
128 verarbeitet hat. Bei Orten starker Fahrbahnkrümmung, wählt der Algorithmus drei benachbarte Punkte
118 aus, die durch p
i-1, p
i und p
i+1 dargestellt werden, wobei i die Zeit ist. Der Algorithmus minimiert, um den sanften Referenzpfad zu erzeugen, der das niedrige Krümmungsprofil
158 aufweist, die Kalkulationsfunktion als:
wobei p
i der i-te Messpunkt ist und ω
smooth die Gewichtung des Pfadglättungsausdrucks ist:
und wobei ω
length die Gewichtung des Pfadlängsausdrucks ist:
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Durch diesen Prozess wird der Ort der Punkte 154 in einem bestimmten Bereich der starken Krümmung um eine vorbestimmte Größe, zum Beispiel 10 cm, quer für jede Berechnung der Kalkulationsfunktion bewegt und, sobald die Kalkulationsfunktion auf dem niedrigsten Wert ist, werden derartige Punkte 118 für den Pfad des Fahrzeugs 134 ausgewählt.
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Bei dem Block 142 bestimmt der Algorithmus auch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 134 an jedem Ort entlang des erzeugten Pfades 136. 9 ist ein Graph mit der Entfernung auf der horizontalen Achse und der Fahrzeuggeschwindigkeit auf der vertikalen Achse, einschließlich einer Graphenlinie 160 für die bekannt gegebene Geschwindigkeit entlang der Fahrbahn 122, welche durch die Kartendatenbasis 20 zur Verfügung gestellt wird. In dieser Ausführungsform, und ohne ein Hindernis in Front des Fahrzeugs 132, werden zwei Geschwindigkeitsprofile, basierend auf einer bekannt gegebenen Geschwindigkeit identifiziert, wobei eines der Geschwindigkeitsprofile sich auf ein extremes Geschwindigkeitsprofil bezieht, das durch die Graphenlinie 162 dargestellt wird, wo das Fahrzeug 134 eine plötzliche und abrupte Änderung in der Geschwindigkeit durchführt. Das andere Geschwindigkeitsprofil bezieht sich auf ein komfortables Geschwindigkeitsprofil, das durch die Graphenlinie 164 dargestellt wird und weniger abrupte Änderungen der Fahrzeuggeschwindigkeit für ein komfortableres Fahren zur Verfügung stellt. Beide dieser Profile überschreiten die Quer- und die Längsbeschleunigungsgrenzen des Fahrzeugs 134 und die Krümmung der Fahrbahn 122 nicht.
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Für jeden Fahrbahnpunkt x
i, y
i gibt die Kartendatenbasis
20 einen Fahrbahnkrümmungswert κ
i, und einen Fahrbahngeschwindigkeitsgrenzwert V
speed-limt für die Graphenlinie
160 an. Für jeden Punkt (x
i, y
i, κ
i, v
i) wird die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit v
i bestimmt als:
wobei, wenn:
dann:
und wenn:
dann:
und wobei s
i die Entfernung zwischen benachbarten Punkten ist und
a limit / v, a limit / x+ und a limit / x– Fahrzeugquer- und Längsbeschleunigungsgrenzen sind, die entweder für das extreme Geschwindigkeitsprofil oder das komfortable Geschwindigkeitsprofil ausgewählt werden, welche Entwurfsparameter für eine Feinabstimmung darstellen. Hierbei wird angenommen, dass
a limit / v, a limit / x+ und a limit / x– gegeben sind.
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Sobald der gewünschte Referenzpfad, wie oben bei dem Block
142 diskutiert wurde, erzeugt ist, kann eine Anfrage für einen Fahrspurwechsel in die benachbarte Fahrspur
126 bei dem Block
144 auftreten, wo der Pfad für den Fahrspurwechsel bei einem Übergang für den laufenden Pfad
128 in der laufenden Fahrspur
124 zu dem gewünschten Pfad
130 in der benachbarten Fahrspur
162 entlang dem Fahrspurwechselpfad
138 modifiziert wird. Der Fahrspurwechselpfad
138 wird, wie oben diskutiert, durch einen separaten Algorithmus bereitgestellt und der Pfad
138 wird mit dem laufenden Pfad für die Fahrspuränderung verbunden, wobei das Fahrspuränderungspfadmodell gegeben wird durch:
wobei s der Arkus der Längsvariablen ist, x, y die Koordinaten des Trägheitsrahmens sind, θ der Steuerkurswinkel des Fahrzeugs
134 in dem Trägheitsrahmen ist und κ die Fahrbahnkrümmung ist.
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Auch kann bei dem Block
144 das Fahrzeug
134 Geschwindigkeits- und Steuerkurskorrekturen wegen eines Objekts in Front des Fahrzeugs
134 machen müssen.
10 ist eine Darstellung
170 der Fahrbahn
122 und umfasst ein statisches Objekt
172, wie ein orangenes Fass, in der Kurve
132, wobei der berechnete Referenzpfad
136 das Fahrzeug
134 veranlassen kann nahe an dem Objekt
172 vorbeizufahren. Das Objekt
172 wird durch irgendeinen geeigneten Sensor an dem Fahrzeug
135 erfasst und wird als Eingabe an den Pfaderzeugungsalgorithmus bereitgestellt. Der Algorithmus erzeugt vielfache Pfade
174 rund um das Objekt
172, wobei jeder Kandidat des Pfades
n * / i beurteilt wird, um zu bestimmen, ob er der optimale Pfad ist, um das Objekt
172 zu vermeiden, während es dem Fahrzeug
134 erlaubt, komfortabel innerhalb der Fahrspur
124 und so nahe wie möglich an dem Referenzpfad
136 zu bleiben. Insbesondere wählt der Algorithmus einen Kandidatenpfad
n * / i aus, der eine vorbestimmte Entfernung, wie 10 cm, weg von dem gewünschten Referenzpfad
136 und weg von dem Objekt
172 in einer Folge von Berechnungen bestimmt, um zu bestimmen, welcher dieser Kandidatenpfade der optimale Pfad für das Fahrzeug
134 sein wird, der in einer sicheren Entfernung weg von dem Objekt
172 ist, aber den nächstmöglichen Pfad zu dem original berechneten Pfad
136 aufweist. Der optimale Kandidatenpfad
n * / i ist der Pfad, der die Kalkulationsfunktion minimiert:
wobei:
und wobei
n * / i der optimale Knoten der Stationsschicht N ist,
E(n * / i, n * / i+1) die Kalkulation, assoziiert mit dem Pfad
174, ist, welcher die optimalen Knoten
n * / i und
n * / i+1 verbindet,
N(n * / i) die Kalkulation, assoziiert mit dem räumlichen Punkt, ist, der bei dem Knoten
n * / i sichtbar wird, C
lateral und ω
lateral, die Kalkulation beziehungsweise Wichtung für das seitliche Fahrzeugmanöver sind, δ
collision-static die Kalkulation für eine Kollision mit dem statischen Objekt
172 ist, und C
offset und ω
offset die Kalkulation beziehungsweise Wichtung für die Abweichung von dem Referenzpfad
136 sind.
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In einer anderen Situation kann ein sich bewegendes Objekt 176, wie ein Fahrrad oder Fußgänger, durch die Fahrzeugsensoren 16 in Front des Fahrzeugs 134 erfasst werden, wobei der Algorithmus die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 134 anpassen wird, um das Objekt 176 zu vermeiden. 11 ist ein Graph mit der Zeit auf der horizontalen Achse und der Geschwindigkeit auf der vertikalen Achse, der ein ursprünglich berechnetes Geschwindigkeitsprofil, das durch die Graphenlinie 178 dargestellt wird, des Fahrzeugs 134 zeigt, welches verursachen könnte, dass das Fahrzeug 134 mit dem Objekt 176 zusammenstößt, und ein angepasstes Geschwindigkeitsprofil, das durch die Graphenlinie 180 dargestellt wird, welches die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 134 vermindert, um das Objekt 176 zu vermeiden.
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Wie oben, wird eine Kalkulationsfunktion verwendet, um die optimale Geschwindigkeit für das Fahrzeug
134 für das folgende Manöver zu bestimmen. In diesem Prozess erzeugt der Algorithmus mehrere Geschwindigkeitsprofilkandidaten
n * / i , die das Objekt
176 vermeiden, und bewertet jeden Geschwindigkeitsprofilkandidaten
n * / i unter Verwenden der Kalkulationsfunktion in Gleichung (72). Insbesondere vermindert der Algorithmus die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
134, um geringer zu sein als die berechnete Referenzgeschwindigkeit, sei es von dem extremen Geschwindigkeitsprofil oder dem Komfortgeschwindigkeitsprofil wie oben definiert, dabei handelt es sich um einige vorbestimmte Größen, wie 1 mph, um die optimale Geschwindigkeit zu bestimmen, die das gewünschte Geschwindigkeitsprofil anpasst und sicher das Objekt
176 vermeidet. Der Algorithmus findet das optimale Geschwindigkeitsprofil, welches die Kalkulationsfunktion minimiert.
wobei:
und wobei
n * / i ein optimaler Knoten bei der Stationsschicht N ist,
E(n * / i, n * / i+1) die Kalkulation, assoziiert mit der Geschwindigkeitsänderung, welche die optimalen Knoten
n * / i und
n * / i+1 verbindet, ist,
N(n * / i) die Kalkulation, assoziiert mit der Geschwindigkeit, die bei dem Knoten
n * / i aufgesucht wird, ist, C
acc und ω
acc die Kalkulation beziehungsweise Wichtung für das Längsbeschleunigungsmanöver sind, δ
collision-moving die Kalkulation für eine Kollision mit dem Objekt
176 ist, und C
offset und ω
offset die Kalkulation beziehungsweise Wichtung für die Abweichung von dem Referenzgeschwindigkeitsprofilpfad sind.
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Bei dem Block 146 werden die Kameradaten für eine Feinabstimmung des Referenzpfads 136 für das Fahrzeug 134, auf denen gegenwärtig die Diskussion basiert, über die Abhängigkeit, in welcher Verkehrssituation das Fahrzeug 134 gegenwärtig ist, bereitgestellt. Insbesondere importiert der Algorithmus die Manöver von der Kamera 14 und berechnet genauer den Referenzpfad 136 innerhalb des Bereichs der Kamera 14, um Feinabstimmungskorrekturen vorzunehmen, um das Fahrzeug 134 auf den Referenzpfad 136 zurückzusetzen, falls es davon abweicht.
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12 ist eine Darstellung
184, ähnlich der Darstellung
170, wobei ähnliche Elemente durch gleiche Referenznummern identifiziert sind, die darstellt, wie das Fahrzeug
134 zurück zu dem Referenzpfad
136 unter Verwenden der Messungen von der Kamera
14 kommt. Insbesondere berechnet der Algorithmus ein kurzes Pfadsegment
186, falls das Fahrzeug
134 von dem Referenzpfad
136 abweicht, um das Fahrzeug zurück zu dem Referenzpfad
136 zu bringen, und die gewünschte Geschwindigkeit unter Verwendung einer lokalen geschlossenen Schleifentrajektorie, die einschließlich eines polynomen Pfadmodells fünfter Ordnung und eines polynomen Geschwindigkeitsmodells modelliert wird, wie:
wobei die Unbekannten (q
0, q
1, q
2, q
3) der Gleichung (76) definiert werden von:
wobei v
o und a
o die gegenwärtige Geschwindigkeit und die entsprechende gegenwärtige Beschleunigung sind, und v
f und a
f die gewünschte Geschwindigkeit und die entsprechende Beschleunigung zu der Zeit t
f sind.
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Unter Verwenden der Fahrspurgeometrie und der Fahrzeugbewegungsmessungen werden die Pfad- und Geschwindigkeitsmodelle bei jedem Zeitschritt berechnet, um die Werte a0, a1, a2, a3, a4 und a5 sowie q0, q1, q2 und q3 zu finden.
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13 ist ein Flussdiagramm 200, das einen Prozess zeigt, der auf der obigen Diskussion basiert. Für den Block 142 bestimmt der Algorithmus die Fahrspurreferenzpfadoptimierung bei Block 202 für den gewünschten Referenzpfad 136, basierend auf den Fahrbahnpunkten 154 von der Kartendatenbasis 20, ohne jede Hindernisse oder ohne jeden Verkehr in Front des Fahrzeugs 134, und bestimmt die Fahrspurreferenzgeschwindigkeit bei Block 204 für die gleiche Situation. Der Algorithmus bestimmt dann, ob dort eine Fahrspurwechselanfrage bei der Entscheidungsraute 206 für den Block 144 gewesen ist, und ist das der Fall, erzeugt er den Fahrspurwechselpfad 138 bei Block 208 in der Weise, wie sie oben diskutiert wurde. Wenn der Fahrspurwechselpfad 138 bei dem Block 208 erzeugt wurde oder dort keine Anfrage für einen Fahrspurwechsel bei der Entscheidungsraute 206 vorlag, dann bestimmt der Algorithmus, ob irgendeine Querpfadplanung für eine statische Vermeidung eines statischen Objekts bei Block 210 erforderlich ist und ob irgendeine Längsgeschwindigkeitsplanung für eine Objektvermeidung bei Block 212 erforderlich ist. Sobald all diese Anpassungen durchgeführt wurden, geht der Algorithmus weiter fort zum Block 214, um die Kamerafeinabstimmungserfordernisse in einem geschlossenen Schleifentrajektorien-Planungsprozess bei dem Block 146 zu verbinden. Der Algorithmus bestimmt dann, bei der Entscheidungsraute 216, ob es dort, bereitgestellt durch andere Algorithmen, die auf dem Fahrzeug 134 betrieben werden, irgendein anderes Kollisionsproblem gibt, und falls das der Fall ist, wird eine Ausweichtrajektorienplanung unter Verwenden einer Längs- und/oder Querfahrzeugsteuerung beim Block 218 bereitgestellt. Sonst erzeugt der Algorithmus den Pfad 136 bei Block 220.
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Wie es für den Fachmann der Technik verständlich ist, können die verschiedenen und unterschiedlichen Schritte und Prozesse, die hierin diskutiert werden, um die Erfindung zu beschreiben, sich auf Vorgänge beziehen, die durch einen Computer, einen Prozessor oder ein anderes Kalkulationsgerät, die unter Verwenden elektrischer Phänomene Daten manipulieren und/oder transformieren, ausgeführt werden. Derartige Computer und elektronische Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher einsetzen, einschließlich eines nicht transitorischen computerlesbaren Mediums mit einem ausführbaren Programm, das darauf gespeichert ist, einschließlich verschiedener Codes oder ausführbarer Instruktionen, die in der Lage sind, durch den Computer oder Prozessor ausgeführt zu werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten der Speicher und anderer computerlesbarer Medien einschließen kann.
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Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt nur beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann der Technik erkennt aus dieser Diskussion und durch die begleitenden Zeichnungen und Ansprüche bereits, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen ausgeführt werden können, ohne von dem Geist und dem Rahmen der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert sind, abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8170739 [0004, 0005, 0006, 0024, 0026, 0051, 0053]