DE102015108605A1

DE102015108605A1 - Fahrzeugspurwechselpfad-Planungsalgorithmus für ein autonom-fahrendes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015108605A1
Application number: DE102015108605.0A
Authority: DE
Inventors: Jin-woo Lee
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2035-06-02
Also published as: CN105292116A; CN105292116B; US20150353085A1; DE102015108605B4; DE102015108605A9; US9428187B2

Abstract

Es werden ein System und Verfahren für ein Bereitstellen eines Pfadplanens und für ein Erzeugen zum automatischen Fahrspurzentrieren und/oder für Fahrspurwechselzwecke für ein Fahrzeug, das auf einer Fahrbahn fährt, offenbart, 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.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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.
Diskussion der relevanten Technik
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.
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.
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.
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.
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.
Zusammenfassung der Erfindung
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.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen, zusammengenommen mit den begleitenden Zeichnungen deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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;
2 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs, das auf einer Fahrbahn fährt, die einen berechneten Fahrzeugpfad zeigt;
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;
4 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs, das auf einer Fahrbahn fährt und einen Fahrspurwechselpfad zeigt;
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Bestimmen eines Fahrzeugpfads zeigt;
6 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs, das entlang einer Fahrbahn fährt, die einen Pfad unter Verwendung von Kartendatenbasis-Fahrbahnpunkten zeigt;
7 ist ein allgemeines Flussdiagramm, das einen allgemeinen Überblick eines Prozesses für ein Pfadplanen zeigt;
8 ist ein Graph mit einer Entfernung auf einer horizontalen Achse und einer Fahrbahnkrümmung auf der vertikalen Achse, einschließlich Graphenlinien, welche die Pfadkrümmung zeigen;
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;
10 ist eine andere Darstellung einer Fahrbahn, die Pfadänderungen für eine Hindernisvermeidung zeigt;
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;
12 ist eine Darstellung einer Fahrbahn, die ein kurzes Segment eines Pfadweges zeigt, um das Fahrzeug zurück zu einem Referenzpfad zu bringen; und
13 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Durchführen von Ausweichmanövern in einem Pfadvorhersageprozess zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
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.
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.
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.
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.
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: y_sec1(x) = A₁x² + B₁x + C₁, 0 < x < x₁ (1) y_sec2(x) = A₂x² + B₂x + C₂, x₁ < x < x₂ (2) wobei x₁ und x₂ 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 ρ₁ und ρ₂ des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts.
Von der geometrischen Beziehung zwischen der Fahrbahn 44 und der Fahrspurdarstellung können die Koeffizienten der Gleichungen (1) und (2) bezogen werden auf:
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 x₁. Nur die Kontinuität nullter und erster Ordnung wird hierin angenommen, so dass die Gleichungen (7) und (8) unten an dem Übergangspunkt x₁ betragen:
Ein Einsetzen der Gleichungen (3)–(8) in die Gleichungen (1) und (2) ergibt: C₂ = y_sec1(x₁),(9) B₁ = 2A₁x₁ + B₁.(10)
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:
Unter Annahme, dass das Fahrzeug 42 mit einer Längsgeschwindigkeit v_x betrieben wird, und es keine Hindernisse in der Fahrbahn 44 gibt, hängt der Komfort für den/die Fahrer/Insassen von der Querbeschleunigung a_y des Fahrzeugs ab, und die Querbeschleunigung a_y ist eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit v_x und des Lenkungswinkels δ. Eine Zeitvariable t_LX wird spezifiziert, um ein Fahrspurwechselmanöver unabhängig von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x zu vollenden, außer die Querbeschleunigung a_y wird vorausbestimmt als über einer bestimmten Grenze während des Fahrspurwechselmanövers zu liegen. Wenn die Querbeschleunigung a_y über der Grenze liegt, wird ein neuer Pfad berechnet mit einer neuen verlängerten Fahrspurwechselmanöverzeit.
Die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x 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 R_v(0) des Koordinatensystems definiert ist. Beachte, dass das Koordinatensystem R_v 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 R_v(0) ausgerichtet. Somit können (x(t = 0, y(t = 0)) (0, 0) und y'(0) = 0 ohne Verlust der Allgemeingültigkeit gesetzt werden.
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.
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)
Unter Berücksichtigen der anfänglichen und endgültigen Konditionen ergibt sich:
Das Problem kann durch folgende lineare Gleichung gelöst werden:
Das Pfaderzeugungsproblem kann durch Normalisieren der Koordinaten vereinfacht werden. Durch Kennzeichnen der normalisierten Koordinaten als (x_n(t), y_n(t)) ergibt sich:
Durch Einsetzen der Gleichungen (17) und (18) in Gleichung (13) und Neudefinieren der Koeffizienten der polynomen Gleichung kann y_n durch die folgende Gleichung erhalten werden: y_n(x_n) = a_n,5x 5 / n + a_n,4x 4 / n + a_n,3x 3 / n + a_n,2x 2 / n + a_n,1x_n + a_n,0. (19)
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:
Das lineare Gleichungsproblem der Gleichung (16) kann dann vereinfacht werden als:
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.
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:
In normalisierter Form sind die anfänglichen und endgültigen Konditionen:
Unter Einsetzen der Gleichungen (26) und (27) in die lineare Gleichung (22) ergibt sich folgende Lösung:
Beachte, dass y_seg, abhängig zu welchem Segment x(t_LX) es gehört. entweder y_seg1 oder y_seg2 sein kann.
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.
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.
In normalisierter Form können die anfänglichen und endgültigen Konditionen geschrieben werden als:
Schließlich, unter Einsetzen der Bedingungen der Gleichungen (33) und (34) in die lineare Gleichung, führt dieses zu folgender Lösung:
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.
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.
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.
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 c₀, c₁, c₂ und c₃ zur Verfügung und der Algorithmus bestimmt die Koeffizienten a₀, a₁, a₂, a₃, a₄ und a₅ 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: y_seg1(x) = c_3,seg1·x³ + c_2,seg1·x² + c_1,seg1·x + c_0,seg1. (37)
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.
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.
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:
Mithilfe der kleinsten Fehlerquadratmethode wird die Lösung der Koeffizienten c_0,seg1, c_1,seg1, c_2,seg1 und c_3,seg1 bestimmt zu:
Wenn die Kostenkalkulationsfunktion J an einem bestimmten Messpunkt x_i einen bestimmten Schwellwert J_threshold übersteigt, beendet der Algorithmus das erste Segment 62 bei diesem x_i Messpunkt und setzt den Wert x_{cam_rangs} = x_i fest. Diese Kalkulationsfunktionsanalyse wird für jede Messzeit ausgeführt, so dass der Messpunkt x_i, welcher das Ende des ersten Segments 62 darstellt, kontinuierlich aktualisiert wird.
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.
Um den Übergang von dem ersten Segmentpfad zu dem zweiten Segmentpfad sanfter zu machen, werden die Werte c_1,seg2 und c_0,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: y_seg1(x = x_{seg1_range}) = y_seg2(x = x_{seg1_range}). (41)
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:
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.
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 c_1,seg3 und c_0,seg3 von diesen Kontinuitätsbedingungen berechnet.
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 y_seg2(x) = c_3,seg2·x 3 / seg2 + c_2,seg2·x 2 / seg2 + c_1,seg2·x_seg2 + c_0,seg2, und die kleinste Fehlerquadratmethode zum Ermitteln der Werte c_{3,_seg2} und c_{2,_seg2} verwendet wird.
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.
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 v_xΔT wird mit den Werten x_{seg1_range}, x_{seg2_range}, x_{seg3_range}, usw., verglichen, um herauszufinden zu welchem Segment der Wert v_xΔT gehört. Zum Beispiel wird angenommen, dass: x_{seg2_range} < v_xΔT < x_{seg3_range}. (48) ist.
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:
Der Algorithmus startet von der normalisierten Pfadgleichung fünfter Ordnung:
wobei die Koeffizienten a₀, a₁, a₂, a₃, a₄ und a₅ Unbekannte sind und die Werte v_x, ΔT und L Bekannte sind.
Durch Anwenden der Anfangs- und Endbedingungen, bestimmt der Algorithmus die Koeffizienten a₀, a₁, a₂, a₃, a₄ und a₅ als:
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 c_2,seg1, c_0,seg3, c_1,seg3, c_2,seg3 und c_3,seg3 die Fahrspurzentrumsparameter sind, die oben bestimmt wurden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 (q₀, q₁, q₂, q₃) 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.
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.
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.
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.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8170739 [0004, 0005, 0006, 0024, 0026, 0051, 0053]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines gewünschten Pfades eines Fahrzeugs, um einer Fahrbahn entlang zu folgen, wobei das Fahrzeug wenigstens eine vorwärts schauende Kamera und eine Kartendatenbasis einschließt, wobei das Verfahren umfasst: – Bereitstellen von Fahrbahnmesswerten von der Kamera, die Orte auf der Fahrbahn identifiziert; – Bereitstellen von Fahrbahnmesswerten von der Kartendatenbasis, die Orte auf der Fahrbahn identifiziert; – Bestimmen des gewünschten Pfades entlang eines ersten Segments der Fahrbahn unter Verwenden der Fahrbahnmesswerte von der Kamera; – Identifizieren eines Endes des ersten Segments basierend auf einem effektiven Bereich der Kamera; und – Bestimmen des gewünschten Pfades entlang eines zweiten Segments der Fahrbahn unter Verwenden der Fahrbahnmesswerte von der Kartendatenbasis, wobei das zweite Segment am Ende des ersten Segments beginnt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren automatisch mehrere Segmente berechnet, um den gewünschten Pfad für das Fahrzeug zu definieren, sowohl zum Folgen einer Fahrspurzentrierung als auch für Fahrspurwechselzwecke.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des gewünschten Pfades entlang mehrfacher Segmente ein Lösen einer polynomen Gleichung fünften Grades einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Identifizieren des Endes des ersten Segments ein Bestimmen eines Fehlers zwischen den Fahrbahnmesswerten von der Kamera und dem gewünschten Pfad entlang des ersten Segments einschließt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Identifizieren des Endes des ersten Segments ein Verwenden einer Kalkulationsfunktion, welche die Differenz zwischen den gemessenen Werten und dem gewünschten Pfad identifiziert, und ein Bestimmen einschließt, wann die Kalkulationsfunktion einen vorbestimmten Kalkulationsfunktionsschwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des gewünschten Pfades entlang des zweiten Segments der Fahrbahn unter Verwendung der Fahrbahnmesswerte von der Kartendatenbasis, die Fahrbahnmesswerte an einem letzten Ortspunkt in dem ersten Segment als Fahrbahnmesswerte an einem ersten Ortspunkt in dem zweiten Segment zu verwenden, einschließt.
Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestimmen des gewünschten Pfades entlang des zweiten Segments der Fahrbahn unter Verwendung der Fahrbahnmesswerte der Kartendatenbasis ein Anpassen einer Steigung des gewünschten Pfades am Ende des ersten Segments an eine Steigung des gewünschten Pfades am Beginn des zweiten Segments einschließt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Bestimmen des gewünschten Pfades entlang eines dritten Segments der Fahrbahn, das am Ende des zweiten Segments beginnt, unter Verwenden der Fahrbahnmesswerte von der Kartendatenbasis, wobei ein Übergang zwischen dem zweiten Segment und dem dritten Segment auftritt, wenn eine Krümmung der Fahrbahn einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Bestimmen, dass ein Fahrzeugfahrspurändern angeordnet wurde, – ein Bestimmen, wie viele Segmente erforderlich sind, um das Fahrspurwechseln durchzuführen, und – ein Ausführen des Fahrspurwechsels über mehrere Segmente.
System zum Erzeugen eines gewünschten Pfades für ein Fahrzeug, um einer Fahrbahn entlang zu folgen, wobei das Fahrzeug wenigstens eine vorwärts schauende Kamera und eine Kartendatenbasis aufweist, wobei das System umfasst: – Mittel zum Bereitstellen von Fahrbahnmesswerten von der Kamera, die Orte auf der Fahrbahn identifizieren; – Mittel zum Bereitstellen von Fahrbahnmesswerten von der Kartendatenbasis, die Orte auf der Fahrbahn identifizieren; – Mittel zum Bestimmen des gewünschten Pfades entlang eines ersten Segments der Fahrbahn unter Verwenden der Fahrbahnmesswerte von der Kamera; – Mittel zum Identifizieren eines Endes des ersten Segments basierend auf einem effektiven Bereich der Kamera; und – Mittel zum Bestimmen des gewünschten Pfades entlang eines zweiten Segments der Fahrbahn unter Verwenden der Fahrbahnmesswerte von der Kartendatenbasis, wobei das zweite Segment am Ende des ersten Segments beginnt.