DE102015204332B4

DE102015204332B4 - Verfahren zum halb-autonomen Fahren eines Fahrzeugs mit Steer-by-Wire System und Steer-by-Wire System zum Regelungsbetrieb eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102015204332B4
Application number: DE102015204332.0A
Authority: DE
Inventors: c/o Mitsubishi Electr. Res. Lab Di Cairano Stefano; c/o Mitsubishi Elec. Res. Lab. Zafeiropoulos Spyridon
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: US20150259007A1; JP6358973B2; JP2015174653A; DE102015204332A1; US9199667B2

Abstract

Ein Verfahren zum halb-autonomen Fahren eines Fahrzeugs mit einem Steer-by-Wire System (100) aufweisend ein von Fahrzeugrädern (113) mechanisch entkoppeltes Lenkrad (103), derart, dass ein Lenkwinkel des Lenkrads (103) von einem Säulenmotor (102) geregelt wird, unabhängig von einem Räderwinkel der Fahrzeugräder (113), der von einem Gestellmotor (112) geregelt wird, umfassend:Empfang (401, 901) von einem halb-autonomen Fahr-Planungs (SADP)-System (121) eines Zielwertes (122) für den Räderwinkel;Bestimmen (403, 902) von Werten (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel, die dem Zielwert (122) des Räderwinkels in Abhängigkeit von Einschränkungen (125) folgen, einschließend eine Einschränkung einer Bewegung der Fahrzeugräder (113), eine Einschränkung einer Bewegung des Lenkrads (103), eine Einschränkung einer Betätigung des Lenkrads (103) und der Fahrzeugräder (113) und eine Einschränkung einer relativen Bewegung des Lenkrads (103) in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder (113); undErzeugen (405,903) von Regelungsbefehlen (104, 114) an den Säulenmotor (102) und den Gestellmotor (112) entsprechend der Werte (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel, wobei Schritte des Verfahrens von einem Prozessor (123) durchgeführt werden.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum halb-autonomen Fahren eines Fahrzeugs mit einem Steer-by-Wire System, sowie ein Steer-by-Wire System zur Regelung des Betriebs eines Fahrzeugs.
Stand der Technik
In herkömmlichen Lenksystemen für Fahrzeuge ist ein Lenkrad über eine Lenksäule und ein Lenkgestell mit einem oder mehreren Fahrzeugrädern verbunden. Wenn der Fahrer eine Drehbewegung auf die Lenksäule ausübt, wird die Bewegung über die Lenksäule auf ein Ritzel übertragen. Das Ritzel wandelt die Drehbewegung in Translation eines Lenkgestells um, welches die Fahrzeugräder bewegt. Daher sind das Lenkrad, das Lenkgestell und die Fahrzeugräder mechanisch derart gekoppelt, dass die Drehung des Lenkrads, z.B., ein Winkel, eine Änderungsrate des Drehwinkels und eine Drehbeschleunigung eindeutig die Drehung der Fahrzeugräder bestimmen, und umgekehrt.
In aktiven Lenksystemen stellt ein zusätzlicher Aktuator, wie beispielsweise eine veränderliche Übersetzung einschließlich eines „Harmonic Motors“, einen zusätzlichen Freiheitsgrad bereit, sodass die Drehung der Fahrzeugräder nicht unmittelbar durch die Drehung des Lenkrads bestimmt wird. Daher kann in aktiven Lenksystemen ein elektromechanischer Aktuator den Zustand der Fahrzeugräder unabhängig von der Drehung des Lenkrads ändern, obwohl die Drehung des Lenkrads noch vom Fahrer geregelt wird.
In Steer-by-Wire Systemen, siehe z.B. US 2011 / 0 132 682 A1 , US 2011 / 0 276 231 A1 , gibt es keine mechanische Verbindung zwischen der Lenksäule und dem Lenkgestell. Das Lenkrad und die Fahrzeugräder sind mit zwei Aktuatoren gekoppelt. Ein in der Lenksäule angeordneter Aktuator regelt die Drehung des Lenkrads und ein anderer, im Lenkgestell angeordneter Aktuator regelt die Drehung der Fahrzeugräder. Dementsprechend ist eine unabhängige Regelung bzw. Steuerung der Zustände von dem Lenkrad und den Fahrzeugrädern möglich. Die zwei Aktuatoren werden von einer elektronischen Regelungseinheit geregelt, die Drehmomentsensoren, Winkelsensoren und Winkelgeschwindigkeitssensoren verwendet, die sich, zur Regelung des Lenkrads und der Fahrzeugräder, an dem Lenkrad und den Fahrzeugrädern und möglicherweise in Zwischenstellungen befinden.
Einige Verfahren beschreiben die Regelung der Steer-by-Wire Systeme in Fällen in denen der Fahrer das Fahrzeug steuert. Diese Verfahren beschreiben eigens, dass der Lenkwinkel des Lenkrads von dem Fahrer bestimmt wird, und nur ein angemessener Räderwinkel wird bestimmt, möglicherweise zusammen mit einer Drehmoment-Rückkopplung des Lenkrads. Die Patentdokumente US 6 363 305 B1 , US 7 908 056 B2 , US 7 234 563 B2 zum Beispiel beschreiben Verfahren zur Erzeugung einer angemessenen Drehmoment-Rückkopplung des Lenkrads, und die Patentdokumente US 2009 / 0 048 736 A1 und US 2003 / 0 019 685 A1 beschreiben Verfahren zum Regeln der Lenkgestellstellung und -geschwindigkeit durch das Lenkrad. Auch in der US 2003 / 0 055 546 A1 wird ein Verfahren zum Regeln der Lenkgestellstellung auf der Grundlage der fahrergeregelten Stellung des Lenkrads beschrieben. Dieses Verfahren bestimmt auch ein Drehmoment-Rückkopplung des Lenkrads, um eine fühlbare Rückmeldung an den Fahrer bereitzustellen.
Beim halb-autonomen Fahren des Fahrzeugs, kann ein halb-autonomes Fahr-Planungs (SADP)-System den Fahrer beim Fahren des Fahrzeugs unterstützen. Beispielsweise kann das halb-autonome Fahren des Fahrzeugs zur Kollisionsvermeidung, Stabilitätswiederherstellung oder zum Spurhalten verwendet werden, siehe z.B. Patentdokumente US 8 190 330 B2 und US 8 442 713 B2 .
Falls halb-autonomes Fahren in den Fahrzeugen mit dem Steer-by-Wire System verwendet wird, dann bestimmt das SADP nur einen Zielwert für einen Winkel der Fahrzeugräder, weil der Winkel der Fahrzeugräder im Steer-by-Wire System unabhängig vom Lenkwinkel des Lenkrads geregelt wird. Dennoch bleibt das Lenkrad unter der Kontrolle des Fahrers, was als Ergebnis eine unkoordinierten Regelung des Lenkrads und der Fahrzeugräder hat.
EP 2 905 206 A1 betrifft eine Lenksteuervorrichtung, welche eine Lenkeinheit umfasst, die von einer Dreheinheit mechanisch entkoppelt ist. Bei Vorliegen bestimmter Bedingungen wird die Lenksteuervorrichtung vollautomatisch betrieben.
DE 199 23 012 A1 betrifft eine Lenkvorrichtung und ein Lenkverfahren, welche einer häufigen Fehlreaktion von ungeübten Fahrern entgegenwirken. Dieses Dokument weist eine Einrichtung zur Ermittlung eines an den lenkbaren Rädern auftretenden Querschlupfs auf. In einer elektronischen Steuereinrichtung ist ein oberer Grenzwert für den Querschlupf ermittelbar, oberhalb dessen einer weiteren Vergrößerung des Einschlagwinkels entgegengewirkt wird. Dies kann durch Begrenzung des Einschlagwinkels und/oder durch ein vom Fahrer wahrnehmbares Warnsignal bewirkt werden.
DE 100 45 385 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektronischen Steuerung eines einem Regelsystem zugeordneten Aktuators in Kraftfahrzeugen. Bei der Vorrichtung zur elektronischen Steuerung eines einem Regelsystems zugeordneten Aktuators in Kraftfahrzeugen mit einem Steuergerät, das mindestens eine Regelfunktionseinheit aufweist, durch die der Aktuator abhängig von mindestens einem Betriebsparameter mit einer vorgegebenen Stellgeschwindigkeit ansteuerbar ist, weist das Steuergerät einen mindestens einer Regelfunktionseinheit zugeordneten Stellratenbegrenzer auf, durch den die von der Regelfunktionseinheit vorgegebene Soll-Stellgeschwindigkeit zur Ansteuerung des Aktuators auf einen definierten Begrenzungswert reduzierbar ist.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Fahrzeug mit einem Steer-by-Wire System (leitungsvermittelter Lenksystem) ist ein Lenkrad mechanisch von Fahrzeugrädern derart entkoppelt, dass ein Lenkwinkel des Lenkrads durch eine Lenksäule unabhängig von einem Räderwinkel, der durch einen Gestellmotor geregelten Fahrzeugräder, geregelt wird. Bei einem halb-autonomen Fahren eines solchen Fahrzeugs steuert der Fahrer immer noch das Lenkrad, und eine eigentliche Wechselwirkung zwischen dem Fahrer und dem Lenkrad ist erwünscht, um einen sicheren Betrieb des Fahrzeugs zu gewährleisten.
In einem Modus halb-autonomen Fahrens mit dem Fahrzeug, ist es erwünscht, dass der Räderwinkel so nah wie möglich den von dem SADP-System empfangenen Zielwerten folgt, während die Fahrbarkeit des Fahrzeugs erhalten bleibt. Außerdem muss die Betätigung des Lenkrads und der Fahrzeugräder eingeschränkt werden, um einen geeigneten Betrieb der Aktuatoren, ein geeignetes dynamisches Verhalten des Fahrzeugs, wie zum Beispiel das Vermeiden von Instabilität und übermäßiger seitlicher Beschleunigung oder Erschütterung, und geeignete mechanische Wechselwirkung mit dem Fahrer, wie zum Beispiel annehmbare Drehmoment-Rückkopplung und Bewegung des Lenkrads, sicherzustellen.
Die Lösung der vorstehend genannten Problematik erfolgt durch ein Verfahren zum halb-autonomen Fahren eines Fahrzeugs mit einem Steer-by-Wire System mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 16, sowie durch ein Steer-by-Wire System zur Regelung eines Betriebs eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Einige Ausführungsformen der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass die Steuerungs- bzw. Regelungsbefehle, die erzeugt werden, um das Fahrzeug während des halb-autonomen Fahrens zu steuern, gewährleisten müssen, dass der Lenkwinkel und die Räderwinkel gemeinsam dem Zielwert des Räderwinkels folgen, aber nicht notwendigerweise mit der gleichen Geschwindigkeit. Die Räderwinkel müssen zum Beispiel so schnell wie möglich am Zielwert ausgerichtet werden, aber das Ausrichten bzw. die Anpassung des Lenkwinkels kann verzögert werden, um die Bewegung des Lenkrads auf die für den Fahrer akzeptable Geschwindigkeit zu begrenzen.
Außerdem muss die relative Bewegung des Lenkrads in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder auch eingeschränkt werden, um die Fahrbarkeit des Fahrzeugs zu gewährleisten. Ein Ausführungsbeispiel bestimmt zum Beispiel die Einschränkung bzw. Bedingung der relativen Bewegung des Lenkrads
und der Fahrzeugräder auf der Grundlage von Betrachtungen der Fahrbarkeit, die ein Ausmaß der Winkeldifferenz und/oder der Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen Lenkrad und Fahrzeugrädern definieren, ehe der Fahrer einen Verlust der Kontrolle und Fahrbarkeit des Fahrzeugs spürt. Die Betrachtungen der Fahrbarkeit können vom Fahrzeugtyp und/oder von Bedingungen der Bewegung des Fahrzeugs abhängen und die Einschränkungen bzw. Randbedingungen der relativen Bewegung können die Schnelligkeit der Ausrichtung bzw. Anpassung des Räderwinkels an den Zielwert begrenzen.
Dementsprechend bestimmen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung Werte des dem Zielwert des Räderwinkels in Abhängigkeit von Einschränkungen bzw. Randbedingungen folgenden Lenkwinkels und Räderwinkels, einschließlich einer Einschränkung bzw. Randbedingung einer Bewegung der Fahrzeugräder, einer Einschränkung bzw. Randbedingung der Bewegung eines Lenkrads, einer Einschränkung bzw. Randbedingung einer Betätigung des Lenkrads und der Fahrzeugräder und einer Einschränkung bzw. Randbedingung der relativen Bewegung des Lenkrads in Bezug zu der Bewegung der Fahrzeugräder. Die Ausführungsbeispiele erzeugen Regelungsbefehle an den Säulenmotor und den Gestellmotor entsprechend der Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel, um eine koordinierte Regelung bzw. Steuerung des Lenkrads und der Fahrzeugräder während des Modus des halb-autonomen Fahrens des Fahrzeugs zu erreichen.
Ein Ausführungsbeispiel offenbart zum Beispiel ein Verfahren zum halbautonomen Fahren eines Fahrzeugs mit einem Steer-by-Wire System, das ein mechanisch von Fahrzeugrädern entkoppeltes Lenkrad aufweist, derart, dass ein Lenkwinkel des Lenkrads von einem Säulenmotor, unabhängig von einem von einem Gestellmotor geregelten Räderwinkel der Fahrzeugräder, geregelt wird. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Zielwertes für den
Räderwinkel von einem halb-autonomen Fahr-Planungs (SADP)-System; das Bestimmen von Werten für den Lenkwinkel und den Räderwinkel, die dem Zielwert des Räderwinkels in Abhängigkeit von Einschränkungen bzw. Bedingungen folgen, einschließlich einer Einschränkung einer Bewegung der Fahrzeugräder, einer Einschränkung einer Bewegung eines Lenkrads, eine Einschränkung einer Betätigung des Lenkrads und der Fahrzeugräder und eine Einschränkung einer relativen Bewegung des Lenkrads in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder; und das Erzeugen der Regelungsbefehle für den Säulenmotor und den Gestellmotor entsprechend der Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel. Die Schritte des Verfahrens werden von einem Prozessor durchgeführt.
Ein anderes Ausführungsbeispiel offenbart ein Steer-by-Wire System zur Steuerung bzw. Regelung eines Betriebs eines Fahrzeugs, einschließlich eines Lenkgestell-Subsystems zur Regelung eines Räderwinkels von Fahrzeugrädern durch eine Bewegung eines Gestellmotors; ein Lenksäulen-Subsystem zur Regelung eines Lenkwinkels eines Lenkrads durch eine Bewegung eines Säulenmotors, wobei das Lenkrad mechanisch von den Fahrzeugrädern entkoppelt ist, derart, dass der Lenkwinkel des Lenkrads durch den Säulenmotor unabhängig von dem Räderwinkel der durch den Gestellmotor geregelten Fahrzeugräder geregelt wird; und ein Regelungssystem, umfassend ein halb-autonomes Fahr-Planungs (SADP)-System zum Bestimmen eines Zielwertes für den Räderwinkel; und eine elektronische Steuerungs- bzw. Regelungseinheit (ECU) zum Bestimmen von Werten für den Lenkwinkel und den Räderwinkel, die dem Zielwert des Räderwinkels in Abhängigkeit von Einschränkungen bzw. Randbedingungen folgen, einschließlich einer Einschränkung einer Bewegung der Fahrzeugräder, einer Einschränkung einer Bewegung von einem Lenkrad, einer Einschränkung einer Betätigung des Lenkrads und der Fahrzeugräder und einer Einschränkung der relativen Bewegung des Lenkrads in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder, und zur Erzeugung von Regelungsbefehlen an den Säulenmotor und den Gestellmotor entsprechend der Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel offenbart ein Verfahren zum Fahren eines Fahrzeugs mit einem Steer-by-Wire System aufweisend ein Lenkrad, das mechanisch von den Fahrzeugrädern entkoppelt ist, derart, dass ein Lenkwinkel von dem Lenkrad durch einen Säulenmotor, unabhängig von einem durch einen Gestellmotor geregelten Räderwinkel der Fahrzeugräder, geregelt wird, umfassend das Bestimmen eines Zielwertes eines, zu einem Zustand des Lenkrads verschobenen bzw. verstellten, Fahrzeugräderwinkels; gemeinsames Bestimmen eines Wertes für den Lenkwinkel und eines Wertes für den Räderwinkel auf der Grundlage eines Zielwertes des Einschränkungen unterliegenden Räderwinkels, einschließlich einer Einschränkung einer Bewegung der Fahrzeugräder, einer Einschränkung einer Bewegung von einem Lenkrad, einer Einschränkung einer Betätigung des Lenkrads und der Fahrzeugräder und einer Einschränkung der relativen Bewegung des Lenkrads in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder; und gleichzeitiges Regeln eines Gestellmotors entsprechend dem Wert des Räderwinkels und eines Säulenmotors entsprechend dem Wert des Lenkwinkels.
Nachfolgend werden ein Zustand des Lenkwinkels, ein Zustand des Lenkrads, ein Zustand der Fahrzeugräder, ein Zustand des Lenkgestell-Subsystems und ein Zustand des Lenksäulen-Subsystems definiert:

Ein Zustand des Lenkwinkels schließt die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads und den Lenkwinkel des Lenkrads ein.
Ein Zustand des Lenkrads schließt die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads, den Lenkwinkel des Lenkrads, das vom Säulenmotor erzeugte Drehmoment und das vom Fahrer erzeugte Drehmoment ein.
Ein Zustand der Fahrzeugräder schließt die Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugräder, den Winkel der Fahrzeugräder, das vom Gestellmotor erzeugte Drehmoment und das Ausrichtungs-Drehmoment, das die Gegenkraft des Bodens auf die Fahrzeugräder ist, ein.
Ein Zustand des Lenkgestell-Subsystems schließt die Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugräder, den Winkel der Fahrzeugräder, das vom Gestellmotor erzeugte Drehmoment, das Trägheitsmoment eines Lenkgestells und des Lenkrads, den Reibungskoeffizienten des Lenkgestell-Subsystems und das Ausrichtungs-Drehmoment, das die Gegenkraft des Bodens auf die Fahrzeugräder ist, ein.
Ein Zustand des Lenkgestell-Subsystems schließt die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads, den Lenkwinkel des Lenkrads, das vom Säulenmotor erzeugte Drehmoment, das Trägheitsmoment des Lenkrads und einer Lenksäule, den Reibungskoeffizienten des Lenksäulen-Subsystems und das vom Fahrer erzeugte Drehmoment ein.

Figurenliste

1A ist ein Blockdiagramm eines Steer-by-Wire Systems zum Regeln eines Betriebs eines Fahrzeugs in einem halb-autonomen Fahrmodus entsprechend einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung;
1B ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zum halb-autonomen Fahren eines Fahrzeugs mit Steer-by-Wire System wie in 1A;
2A, 2B, 2C sind schematisch für verschiedene Einschränkungen von Zuständen eines Lenkrads und von Fahrzeugrädern beim Modus des halb-autonomen Fahrens des Fahrzeugs entsprechend einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung;
2D und 2E sind schematisch für verschiedene Einschränkungen von Betätigungen des Lenkrads und der Fahrzeugräder;
3A ist ein Blockdiagramm einer elektronischen Regelungseinheit (ECU) entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3B ist eine schematische Illustration eines Effektes von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung;
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur koordinierten Regelung von Lenkrad und Fahrzeugrädern in Abhängigkeit von Einschränkungen entsprechend einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung;
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Umsetzung des nichtlinearen Filterns entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Umsetzung des nichtlinearen Filterns entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7A ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Regelungsinvarianten Untermenge des zulässigen Bereichs entsprechend einem Ausführungsbeispiel;
7B ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel auf der Grundlage der Regelungsinvarianten Untermenge entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens, dass den ersten und zweiten nichtlinearen Filter zur Regelung des Lenkwinkels und des Räderwinkels verwendet, entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens, dass den multivariablen nichtlinearen Filter zur Regelung des Lenkwinkels und des Räderwinkels verwendet, entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Beim halb-autonomen Fahren eines Fahrzeugs mit Steer-by-Wire System wird durch ein halb-autonomes Fahr-Planungs (SADP)-System ein Zielwert für einen Fahrzeugräderwinkel bereitgestellt, während ein Fahrer das Fahrzeug durch Regeln einer Bewegung eines Lenkrads betreibt. Normalerweise wird der Modus des halb-autonomen Fahrens nicht vom Fahrer initiiert, sondern tritt bedingt durch einige potentiell gefährliche oder anormale Bedingungen auf, die umgehende, korrigierende Maßnahmen erfordern.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren auf einer Erkenntnis, dass während der Inbetriebnahme und des Betriebs des Fahrzeugs im halb-autonomen Modus, bestimmte Maßnahmen und Einschränkungen erzwungen werden müssen, um eine akzeptable Interaktion zwischen der Bewegung des Fahrzeugs, beispielsweise des Räderwinkels, der auf den vom SADP-System empfangenen Zielwert reagiert, und dem das Lenkrad des Fahrzeugs haltenden und möglicherweise betätigenden Fahrer zu erreichen.
1A zeigt ein Blockdiagram eines Steer-by-Wire Systems 100, das geeignet ist zum Regeln eines Betriebs eines Fahrzeugs in einem Modus des halb-autonomen Fahrens entsprechend einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung. 1B zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens für ein halb-autonomes Fahren eines Fahrzeugs mit dem Steer-by-Wire System 100.
Das Steer-by-Wire System 100 umfasst ein Lenkgestell-Subsystem 151, ein Lenksäulen-Subsystem 152, und ein Regelungssystem 153. Das Lenksäulen-Subsystem 152 umfasst eine Lenksäule 101 betätigt durch einen Säulenmotor 102, verbunden mit einem Lenkrad 103, derart, dass die Bewegung des Säulenmotors einen Lenkwinkel des Lenkrads regelt. Das Lenkgestell-Subsystem 151 umfasst ein Lenkgestell 111 betätigt durch einen Gestellmotor 112 und verbunden mit Fahrzeugrädern 112, derart, dass die Bewegung des Gestellmotors einen Räderwinkel der Fahrzeugräder regelt.
In dem Steer-by-Wire System 100, ist das Lenkrad 103 mechanisch von den Fahrzeugrädern derart entkoppelt, dass der Lenkwinkel des Lenkrads durch den Säulenmotor unabhängig von einem Räderwinkel der vom Gestellmotor geregelten Fahrzeugräder, geregelt wird. Der Säulenmotor und der Gestellmotor empfangen von einer elektronischen Regelungseinheit (ECU) 120 Befehle 114, 104. Die ECU kann einen Prozessor 123 zum Durchführen der hier beschriebenen Operationen umfassen.
Die ECU empfängt 141, wenn der halb-autonome Modus aktiviert ist, von einem halb-autonomen Fahr-Planungs (SADP)-System 121 ein Zielwert 122 für den Räderwinkel. Die ECU empfängt auch ein Signal 105, dass einen aktuellen Zustand des Lenkrads beschreibt, und ein Signal 115, dass einen aktuellen Zustand der Fahrzeugräder beschreibt. Die ECU bestimmt 143 Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel, die dem Zielwert des Räderwinkels folgen, und erzeugt 145 einen Regelungsbefehl 104 an den Säulenmotor und einen Regelungsbefehl 114 an den Gestellmotor entsprechend der Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel.
Die ECU bestimmt gemeinsam die Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel in Abhängigkeit von Bedingungen bzw. Einschränkungen 125 des Zustands des Lenkrads 103 und des Zustands der Fahrzeugräder 113. Die Einschränkungen 125 können eine Einschränkung einer Bewegung der Fahrzeugräder, eine Einschränkung einer Bewegung eines Lenkrads, eine Einschränkung einer Betätigung des Lenkrads und der Fahrzeugräder und eine Einschränkung einer relativen Bewegung des Lenkrads in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder einschließen.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass die zur Steuerung des Fahrzeugs beim halb-autonomen Fahren erzeugten Regelungsbefehle gewährleisten müssen, dass der Lenkwinkel und der Räderwinkel gemeinsam dem Zielwert des Räderwinkels folgen, aber nicht notwendigerweise mit der gleichen Geschwindigkeit. Der Räderwinkel zum Beispiel muss am Zielwert so schnell wie möglich ausgerichtet werden, bzw. an den Zielwert so schnell wie möglich angepasst werden, aber die Ausrichtung bzw. Anpassung des Lenkwinkels kann verzögert werden um die Bewegung des Lenkrads auf die für den Fahrer akzeptable Geschwindigkeit zu begrenzen.
Außerdem muss die relative Bewegung des Lenkrads in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder auch eingeschränkt werden, um die Fahrbarkeit des Fahrzeugs sicherzustellen. Ein Ausführungsbeispiel bestimmt beispielsweise die Einschränkung der relativen Bewegung des Lenkrads und der Fahrzeugräder auf der Grundlage von Betrachtungen der Fahrbarkeit, ein Ausmaß der Winkeldifferenz und/oder der Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen Lenkrad und Fahrzeugrädern definierend, ehe der Fahrer den Verlust der Kontrolle und Fahrbarkeit des Fahrzeugs spürt. Die Betrachtungen der Fahrbarkeit können vom Typ des Fahrzeugs und/oder von Bedingungen der Bewegung des Fahrzeugs abhängen und die Einschränkung der relativen Bewegung kann die Schnelligkeit der Ausrichtung bzw. Anpassung der Fahrzeugräder an den Zielwert begrenzen.
Die 2A, 2B und 2C zeigen ein Schema von verschiedenen Einschränkungen des Zustands des Lenkrads und des Zustands der Fahrzeugräder im Modus des halb-autonomen Fahrens des Fahrzeugs entsprechend einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung. Außerdem zeigen die 2D und 2E ein Schema von verschiedenen Einschränkungen einer Betätigung des Lenkrads und der Fahrzeugräder.
2A zeigt zum Beispiel einen Graphen, der die Einschränkung einer Bewegung der Fahrzeugräder darstellt, und der beschreibt, dass der Räderwinkel 201 dem vom SADP-System empfangen Zielwert 202 des Räderwinkels schnell folgen muss, derart, dass die Bewegung der Fahrzeugräder in dem akzeptablen Bereich 203 ist, der eine sichere Wirkung auf die Bewegung des Fahrzeugs sicherstellt.
2B zeigt einen Graphen, der die Randbedingung bzw. Einschränkung einer Bewegung des Lenkrads darstellt, und der beschreibt, dass der Lenkwinkel 211 eventuell an dem Räderwinkel 212 derart ausgerichtet werden muss, dass die Bewegung des Lenkrads in dem akzeptablen Bereich 213 ist, der eine sichere Wirkung auf den das Lenkrad haltenden Fahrer sicherstellt.
2C zeigt einen Graphen, der die Einschränkung einer relativen Bewegung 231 des Lenkrads in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder darstellt, und der beschreibt, dass die relative Bewegung 231 in dem akzeptablen Bereich 232 sein muss, der sicherstellt, dass die Verschiebung zwischen dem Räderwinkel und dem Lenkwinkel klein genug ist, um den Fahrer nicht zu desorientieren.
Die 2D und 2E zeigen einen Graphen, der die Einschränkungen der Aktuatoren darstellt, die derart zu betreiben sind, dass die Betätigung 221 der Fahrzeugräder 221 in dem Bereich 223 richtigen Betriebs der Aktuatoren bleibt und die Betätigung der Lenkräder 223 in dem entsprechenden Bereich 224 bleibt.
3A zeigt ein Blockdiagramm der ECU 300, das entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Ziele der ECU 120 umsetzt. Die ECU 300 umfasst einen Regler zum nichtlinearen Filtern des Zielwertes des vom SADP-System auf der Grundlage des aktuellen Zustands 105 des Lenksäulen-Subsystems und des aktuellen Zustands des Lenkgestell-Subsystems empfangenen Räderwinkels 122.
Der Regler bestimmt einen Wert für den Lenkwinkel 303 und einen Wert für den Räderwinkel 313 und stellt die Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel einer Säulenregelvorrichtung 304 beziehungsweise einer Gestellregelvorrichtung 314 zu. Die Säulenregelvorrichtung und die Gestellregelvorrichtung erzeugen Regelungsbefehle an den Säulenmotor und den Gestellmotor entsprechend den Werten für den Lenkwinkel und den Räderwinkel. Die Säulenregelvorrichtung 304 erzeugt insbesondere die Regelungsbefehle 104 für den Säulenmotor 101, um den Zustand des Lenkrads 103 zu regeln und zu modifizieren, und die Gestellregelvorrichtung 314 erzeugt die Regelungsbefehle 114 für den Gestellmotor 111, um den Zustand der Fahrzeugräder 113 zu regeln und zu modifizieren. In verschiedenen Ausführungsbeispielen bestimmt der Regler die Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel derart, dass die Modifikation der Zustände des Lenkrads und des Fahrzeugrads die in 1 gezeigten Einschränkungen 125 entsprechend der in den 2A-2C und den 2D-2E illustrierten Prinzipien erfüllt.
In einigen Ausführungsbeispielen wendet der Regler iterativ einen nichtlinearen Filter zum Beispiel bei jedem Zeitschritt der Regelung an. Gleichfalls werden die Regelungsbefehle an den Säulenmotor und den Gestellmotor gleichzeitig bei jedem Zeitschritt der Regelung erzeugt. Besonders wird in einigen Ausführungsbeispielen der Zielwert für den Räderwinkel auf der Grundlage eines Zustands einer Bewegung des Fahrzeugs und eines Ziels der Bewegung des Fahrzeugs bestimmt, und ist zu aktuellen Werten für den Lenkwinkel und den Räderwinkel verschoben bzw. versetzt. Der Zielwert des Räderwinkels kann beispielsweise unabhängig von einem aktuellen Winkel des Lenkrads bestimmt werden, die ECU verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung stellt jedoch sicher, dass beide, der Lenkwinkel und der Räderwinkel, diesem Zielwert folgen.
3B zeigt ein Schema des Steer-by-Wire Systems, das einen Effekt von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung illustriert. Die Pfeile 333 repräsentieren den Räderwinkel der Fahrzeugräder 113, und der Pfeil 343 repräsentiert den Lenkwinkel des Lenkrads 103. Bei jedem Zeitschritt der Regelung folgen 350 der Lenkwinkel und die Räderwinkel dem Zielwert für den Räderwinkel, aber nicht notwendigerweise mit der gleichen Geschwindigkeit.
Mathematisches Modell des Lenksystems
In einigen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung basiert das Design bzw. die Ausgestaltung der Fahrzeugräderregelung und der Lenkradregelung auf linearen Modellen für das Lenkgestell-Subsystem, beziehungsweise das Lenksäulen-Subsystem.
Das Lenkgestell-Subsystem kann zum Beispiel durch ein Fahrzeugräder-System modelliert werden $\begin{matrix} {\dot{δ}}_{r} = φ_{r}, \\ J_{r} {\dot{φ}}_{r} = - β_{r} φ_{r} + T_{m o t, r} - T_{a l n}, \end{matrix}$
wo φ_r [rad/s] die Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugräder ist, δ_r [rad] der Winkel der Fahrzeugräder ist, T_mot,r [Nm] das vom Lenkgestellmotor erzeugte Drehmoment ist, J_r [kg m ²]das Trägheitsmoment des Lenkgestells und des Lenkrads ist, β_r [Nm s/rad] der Reibungskoeffizient des Lenkgestell-Subsystems ist und T_aln [Nm] das Ausrichtungs-Drehmoment ist, das die Gegenkraft des Bodens auf die Fahrzeugräder ist.
Das Lenksäulen-Subsystem kann durch ein Lenkrad-System modelliert werden $\begin{array}{l} {\dot{δ}}_{w} = φ_{w}, \\ J_{w} {\dot{φ}}_{w} = - β_{w} φ_{w} + T_{d r v} + T_{m o t, w}, \end{array}$
wo φ_w [rad/s] die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads ist, δ_w [rad] der Lenkradwinkel ist, T_mot,w [Nm] das vom Lenksäulenmotor erzeugte Drehmoment ist, J_w [kg m ²] das Trägheitsmoment des Lenkrads und der Lenksäule ist, β_w [Nm s/rad] der Reibungskoeffizient des Lenksäulen-Subsystems ist und T_drv [Nm] das vom Fahrer erzeugte Drehmoment ist.
Der Lenkgestellmotor kann so befehligt werden, dass das Ausrichtungs-Drehmoment aufgehoben wird und ein Drehmoment zum Lenken der Fahrzeugräder bereitgestellt wird $T_{m o t, r} = T_{a l n} + T_{r}$
wobei T_r das Netto-Gestell-Lenk-Drehmoment ist.
Der Lenksäulenmotor kann so befehligt werden, dass das Fahrerdrehmoment aufgehoben wird und ein Drehmoment zum Lenken des Lenkrads bereitgestellt wird $T_{m o t, w} = T_{d r v} + T_{w},$
wobei T_w das Netto-Säulen-Lenkdrehmoment ist.
Design von Rückkopplungsreglern von Lenkrad und Fahrzeugräderwinkeln
In einigen Ausführungsbeispielen sind die Säulenregelvorrichtung und die Gestellregelvorrichtung derart ausgebildet bzw. ausgeführt, dass die geschlossenen Kreislaufsysteme asymptotisch stabil sind und einheitliche Gleichspannungsverstärkung von den Regelungsbefehlen an die Fahrzeugräder und das Lenkrad, die den Zustand der Fahrzeugräder und des Lenkrads modifizieren, aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Regler auf der Grundlage von zeitdiskreten linearen Systemmodellen des Fahrzeugrädersystems und den Lenkradsystems ausgebildet bzw. ausgeführt. Durch Abtasten mit einer konstanten Abtastperiode T_s Gleichungen (1) und (3), kann das Fahrzeugrädersystem als das lineare System $\begin{array}{l} x_{r} (k + 1) = A_{r} x_{r} (k) + B_{r} u_{r} (k), \\ y_{r} (k) = C_{r} x_{r} (k), \end{array}$
formuliert werden, wo k der Abtastmoment ist, x_r= (δ_r, φ_r)' ∈R² ist der Fahrzeugrädersystemvektor, u_r = T_steer ∈R ist die Fahrzeugrädersystemregelungseingabe, und y^r = δ_r ∈R ist die Fahrzeugrädersystemausgabe. Das gleiche Verfahren auf die Gleichungen (3), (4) angewandt, kann das Lenkradsystem als $\begin{array}{l} x_{w} (k + 1) = A_{w} x_{w} (k) + B_{w} u_{w} (k), \\ y_{w} (k) = C_{w} x_{w} (k), \end{array}$
formuliert werden, wo k der Abtastmoment ist x_w= (δ_w, φ_w)' ∈R² ist der Lenkradsystemzustandsvektor, u_w = T_w ∈ R ist die Lenkradsystemregelungseingabe, und y_w = δ_w ∈ R ist die Lenkradsystemausgabe.
Ausgehend von (5) und (6) können zwei Regler ausgebildet werden, um die Regelungsbefehle für die Fahrzeugräder und das Lenkrad in der Form von Zustandsrückkopplung plus Sollwinkel-Vorwärtskopplung zu erzeugen $u_{r} = K_{r} x_{r} + H_{r} v_{r},$
$u_{w} = K_{w} x_{w} + H_{w} v_{w},$
wobei v_r, v_w die Vorwärtskopplungsbefehle an die Fahrzeugräder beziehungsweise das Lenkrad sind, die Matrizen K_r und K_w derart ausgebildet sind, dass (A_r+B_rK_r), (A_w+B_wK_w) alle Eigenwerte im Einheitskreis haben, d.h. die geregelten Systeme sind asymptotisch stabil. Die Koeffizienten H_r, H_w sind derart ausgebildet, dass die geregelten Systeme eine einheitliche Gleichspannungsverstärkung haben, zum Beispiel sind die Gleichspannungsverstärkungen gleich 1. Bei einer Gleichspannungsverstärkung gleich 1 werden 1, v_r, v_w als die befehligten Winkel für Fahrzeugräder beziehungsweise Lenkrad interpretiert.
Unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung verwenden mehrere Techniken, derartige Regler auszubilden, wie zum Beispiel Polvorgabe, LQR, H-unendlich-Regelung. Auch alternative Regler können ausgebildet werden, wie zum Beispiel Pl-Regler, dynamische Regler, so lange wie die geschlossenen Kreislaufsysteme erhalten werden, die asymptotisch stabile Systeme mit einheitlichen Gleichspannungsverstärkungen sind.
Einschränkungen des Zustands von Lenkrad und Fahrzeugrädern
Es wird bemerkt, dass für einen geeigneten Betrieb des Steer-by-Wire Systems, der die koordinierte Regelung des Lenkrads und der Fahrzeugräder gewährleistet, mehrere Einschränkungen in Kraft gesetzt werden müssen. Die Einschränkungen können beispielsweise eine Einschränkung einer Bewegung der Fahrzeugräder, eine Einschränkung einer Bewegung des Lenkrads, eine Einschränkung einer Betätigung des Lenkrads und der Fahrzeugräder und eine Einschränkung einer relativen Bewegung des Lenkrads in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder einschließen.
Die Einschränkung der Bewegung der Fahrzeugräder kann eine oder eine Kombination von einer Einschränkung des Räderwinkels, einer Einschränkung einer Änderungsrate des Räderwinkels und einer Einschränkung einer Winkelbeschleunigung des Räderwinkels einschließen. Die Einschränkung der Bewegung der Fahrzeugräder kann untere, beziehungsweise obere Grenzen des Winkels der Fahrzeugräder einschließen, die bedingt sind durch physikalische Grenzen des Lenksystems und maximale seitliche Beschleunigung, die für eine gegebene Fahrzeuggeschwindigkeit ,ohne die Stabilität des Fahrzeugs zu verlieren, erreicht werden kann, $δ_{r, m i n} \leq δ_{r} \leq δ_{r, m a x},$
wobei δ_r,min, δ_r,max, die (jeweiligen) Werte der unteren und oberen Grenze des Winkels der Fahrzeugräder sind.
Die Einschränkung der Bewegung der Fahrzeugräder kann obere und untere Grenzen der Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugräder einschließen, die durch maximale für das Fahrzeug akzeptable seitliche Beschleunigung, Ruck- und Rollmomente bedingt sind $φ_{r, m i n} \leq φ_{r} \leq φ_{r, m a x},$
wobei φ_r,min, φ_r,max, die (jeweiligen) Werte der unteren und oberen Grenze der Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugräder sind.
Die Einschränkung der Bewegung der Fahrzeugräder kann obere und untere Grenzen der Winkelbeschleunigung der Fahrzeugräder einschließen, die durch maximale für das Fahrzeug akzeptable seitliche Beschleunigung, Ruck- und Rollmomente bedingt sind ${\dot{φ}}_{r, m i n} \leq {\dot{φ}}_{r} \leq {\dot{φ}}_{r, m a x},$
wobei φ̇_r,min, φ̇_r,max, die (jeweiligen) Werte der unteren und oberen Grenze der Winkelbeschleunigung der Fahrzeugräder sind.
Die oberen und unteren Grenzen der Winkelbeschleunigung der Fahrzeugräder können auch durch eine maximale für das Fahrzeug akzeptable Schwankung der Rollmomente und seitlichen Erschütterung bedingt sein.
Außerdem gewährleistet die Einschränkung der Bewegung des Lenkrads, dass eine Bewegung des Lenkrads für einen das Lenkrad haltenden Fahrer akzeptabel ist. Ein Fehler beim Einschränken der Bewegung des Lenkrads kann in dem Gefühl die Kontrolle des Fahrzeugs zu verlieren resultieren. In einigen Ausführungsbeispielen schließt die Einschränkung der Bewegung des Lenkrads eine oder eine Kombination einer Einschränkung des Lenkwinkels, einer Einschränkung einer Änderungsrate des Lenkwinkels und eine Einschränkung einer Winkelbeschleunigung des Lenkrads ein.
Die Einschränkung der Bewegung des Lenkrads kann zum Beispiel eine Einschränkung des Lenkradwinkels, bedingt durch Grenzen des Fahrers beim Drehen des Lenkrads, einschließen $δ_{w, m i n} \leq δ_{w} \leq δ_{w, m a x},$
wobei φ_w,min, φ_w,max, die (jeweiligen) Werte der besagten unteren und oberen Grenze des Lenkradwinkels sind.
Die Einschränkung der Bewegung des Lenkrads kann obere und untere Grenzen der Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads einschließen, die in der Fähigkeit des Fahrers der Bewegung des Lenkrads zu folgen bedingt sind $φ_{w, m i n} \leq φ_{w} \leq φ_{w, m a x},$
wobei ϕ_w,min, ϕ_w,max, die (jeweiligen) Werte der unteren und oberen Grenze der Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads sind.
Die Einschränkung der Bewegung des Lenkrads kann obere und untere Grenzen der Winkelbeschleunigung des Lenkrads einschließen, die auch in der Fähigkeit des Fahrers der Bewegung des Lenkrads zu folgen bedingt sind ${\dot{ϕ}}_{w, m i n} \leq {\dot{ϕ}}_{w} \leq {\dot{ϕ}}_{w, m a x},$
wobei ϕ_w,min, ϕ_w,max, die (jeweiligen) Werte der unteren und oberen Grenze der Winkelbeschleunigung des Lenkrads sind.
Die Aktuatoren der Winkel der Fahrzeugräder und der Lenkradwinkel müssen die Komponenten in einer mit dem korrekten Betrieb der Aktuatoren kompatiblen Art betätigen. Unter Betrachtung der maximalen Werte des Ausrichtungs-Drehmoments und der maximalen Menge des Drehmoments, dass der Fahrer unter normalen Fahrbedingungen ausübt, resultiert dies in Einschränkungen des Netto-Gestell-Lenk-Drehmoments $T_{r, m i n} \leq T_{r} \leq T_{r, m a x},$
wobei T_r,min, T_r,max, die (jeweiligen) Werte der unteren und oberen Grenze des Netto-Gestell-Lenk-Drehmoments sind, $T_{w, m i n} \leq T_{w} \leq T_{w, m a x},$
wobei T_w,min, T_w,max, die (jeweiligen) Werte der unteren und oberen Grenze des Netto-Säulen-Lenk-Drehmoments sind.
Außerdem muss die relative Bewegung des Lenkrads in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder auch eingeschränkt werden, um die Fahrbarkeit des Fahrzeugs zu gewährleisten. Ein Ausführungsbeispiel bestimmt die Einschränkung der relativen Bewegung des Lenkrads und der Fahrzeugräder zum Beispiel auf der Grundlage von Betrachtungen der Fahrbarkeit, ein Ausmaß der Winkeldifferenz und/oder der Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen Lenkrad und Fahrzeugrädern definierend, ehe der Fahrer den Verlust der Kontrolle und Fahrbarkeit des Fahrzeugs spürt.
In einigen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung schließt die Einschränkung der relativen Bewegung des Lenkrads in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder eine oder eine Kombination von einer Einschränkung einer Differenz zwischen Räderwinkel und skaliertem Lenkwinkel, einer Einschränkung einer Differenz zwischen einer Änderungsrate des Räderwinkels und einer skalierten Änderungsrate des Lenkwinkels und einer Einschränkung einer Differenz zwischen einer Winkelbeschleunigung des Räderwinkels und einer skalierten Winkelbeschleunigung des Lenkwinkels ein.
Die Einschränkung eines maximalen Winkelversatzes kann zum Beispiel eine Einschränkung der Differenz zwischen dem Winkel der Fahrzeugräder multipliziert mit einer nominalen Lenkübersetzung g und dem Lenkradwinkel gemäß $| δ_{w} - g δ_{r} | \leq C_{1},$
wobei C₁ eine Konstante ist, die den maximalen vom Fahrer geduldeten Winkelversatz definiert und die auf unterschiedliche Arten für unterschiedliche Fahrereigenschaften und Fahrbedingungen kalibriert werden kann. Erfahrene Fahrer zum Beispiel würden einen kleinen Wert von C₁ verlangen, weil sie wollen, dass das Fahrzeug ihren Befehlen folgt, während unerfahrene Fahrer einen größeren Wert von C₁wollen, der dem System beim Steuern der Fahrzeugräder mehr Freiheit lässt.
In einigen anderen Ausführungsbeispielen kann die Einschränkung eines maximalen Winkelversatzes eine Einschränkung der Differenz zwischen dem zur Änderung des Zustands der Fahrzeugräder bestimmten Räderwinkel multipliziert mit einer nominalen Lenkübersetzung, g, und einem zur Änderung des Zustands des Lenkrads bestimmten Lenkwinkels einschließen, gemäß $| v_{w} - g v_{r} | \leq C_{2},$
wobei C₂ eine Konstante ist, die den maximalen, vom Fahrer geduldeten Winkelversatz-Befehl definiert und die auf unterschiedliche Weise für verschiedene Fahrereigenschaften und Fahrbedingungen, ähnlich zu C₁, kalibriert werden kann.
In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Einschränkung der maximalen Differenz der Winkelgeschwindigkeit eine Einschränkung der Differenz der Winkelgeschwindigkeit zwischen Fahrzeugrädern multipliziert mit einer nominalen Lenkübersetzung g und eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit einschließen, gemäß $| ϕ_{w} - g ϕ_{r} | \leq C_{3},$
wo C₃ eine Konstante ist, die die maximale Differenz zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads und der vom Fahrer geduldeten Winkelbeschleunigung der Fahrzeugräder definiert, und die auf unterschiedliche Arten für unterschiedliche Fahrereigenschaften und Fahrbedingungen ähnlich der Kalibrierung der Konstanten C₁ kalibriert werden kann.
In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Einschränkung der maximalen Differenz der Winkelgeschwindigkeit eine Einschränkung der Differenz der Winkelgeschwindigkeit zwischen Fahrzeugrädern und dem Lenkrad einschließen, wobei die Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugräder in Bezug auf ihren Maximalwert normalisiert ist und die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads in Bezug auf ihren Maximalwert normalisiert ist, entsprechend $| \frac{ϕ_{w}}{ϕ_{w, max}} - \frac{ϕ_{r}}{ϕ_{r, max}} | \leq C_{4},$
wobei C₄ eine Konstante ist, die die maximale Differenz zwischen der normalisierten Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads und der vom Fahrer geduldeten Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugräder definiert, und die auf unterschiedliche Arten für unterschiedliche Fahrereigenschaften und Fahrbedingungen ähnlich der Kalibrierung der Konstanten C₁ kalibriert werden kann.
In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Einschränkung der maximalen Differenz der Winkelbeschleunigung eine Einschränkung der Differenz der Winkelbeschleunigung zwischen Fahrzeugrädern und dem Lenkrad multipliziert mit einer nominalen Lenkübersetzung g und eine Lenkradwinkelbeschleunigung einschließen $| α_{w} - g α_{r} | \leq C_{5},$
wobei C₅ eine Konstante ist, die die maximale Differenz zwischen der normalisierten Winkelbeschleunigung des Lenkrads und der vom Fahrer geduldeten Winkelbeschleunigung der Fahrzeugräder definiert, und die auf unterschiedliche Arten für unterschiedliche Fahrereigenschaften und Fahrbedingungen ähnlich der Kalibrierung der Konstanten C₁ kalibriert werden kann.
In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Einschränkung der maximalen Differenz der Winkelbeschleunigung eine Einschränkung der Differenz der Winkelbeschleunigung zwischen Fahrzeugrädern und dem Lenkrad einschließen, wobei die Winkelbeschleunigung der Fahrzeugräder in Bezug auf ihren Maximalwert normalisiert ist und die Winkelbeschleunigung des Lenkrads in Bezug auf ihren Maximalwert normalisiert ist, entsprechend $| \frac{α_{w}}{α_{w, max}} - \frac{α_{r}}{α_{r, max}} | \leq C_{6},$
wobei C₆ eine Konstante ist, die die maximale Differenz zwischen der normalisierten Winkelbeschleunigung des Lenkrads und der vom Fahrer geduldeten Winkelbeschleunigung der Fahrzeugräder definiert, und die auf unterschiedliche Arten für unterschiedliche Fahrereigenschaften und Fahrbedingungen ähnlich der Kalibrierung der Konstanten C₁ kalibriert werden kann.
In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird erkannt, dass zusätzlich oder alternativ zu den Einschränkungen die Ausrichtung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkwinkel, als bei der Erzeugung der Regelungsbefehle für das Lenksystem verwendete Kostenfunktion, definiert werden kann.
Einige Ausführungsbeispiele optimieren zum Beispiel in Abhängigkeit von den Einschränkungen eine Kostenfunktion, die eine erste Beziehung zwischen dem Räderwinkel und dem Zielwert des Räderwinkels beschreibt und eine zweite Beziehung zwischen dem Lenkwinkel und dem Räderwinkel spezifiziert. Die erste Beziehung kann zum Beispiel eine quadratische Differenz zwischen dem Räderwinkel und dem Zielwert des Räderwinkels einschließen, und die zweite Beziehung kann eine quadratische Differenz zwischen einem skalierten Räderwinkel und dem Lenkwinkel einschließen.
Die Verschiebung zwischen Lenkwinkel und Räderwinkel kann zum Beispiel als Kostenfunktion dargestellt werden $J_{δ} = {(δ_{w} - g δ_{r})}^{2},$
die die quadratische 2-Norm der Differenz zwischen Lenkwinkel und dem Winkel der Fahrzeugräder multipliziert mit der nominalen Lenkübersetzung g ist. Andere äquivalente Kostenfunktionen können benutzt werden, wie zum Beispiel die 1-Norm, die Unendlichkeitsnorm, usw. Außerdem kann die Darstellung der Einschränkungen mit der Kostenfunktion auch auf jede andere Einschränkung in den Gleichungen (26)-(31) angewandt werden um eine ähnliche Kostenfunktion zu erhalten, z.B., J_v für (17) J_φ für (18), usw.
Ein Ausführungsbeispiel kombiniert solche Kostenfunktionen in eine zusammengesetzte Kostenfunktion $J = q_{δ} J_{δ} + q_{φ} J_{φ} + \dots$
wo q_δ, q_φ nicht-negative Gewichte sind, die gleich Null sein können, wenn das entsprechende Ziel nicht von Interesse ist.
Koordinierte Regelung von Lenkrad und Fahrzeugrädern in Abhängigkeit von Einschränkungen
In einem Fahrzeugregelungssystem mit Modus halb-autonomen Fahrens kann das SADP-System einen Zielwert für den Winkel der Fahrzeugräder bereitstellen, z.B. einen Zielwinkel. Das Lenkregelungssystem regelt die Lenkaktuatoren derart, dass der Räderwinkel und der Lenkwinkel dem Zielwinkel folgen und sich eventuell danach ausrichten. Das SADP-System weiß jedoch nichts über den Status des Lenksystems und kann deshalb nicht die Einschränkungen des Lenksystems erzwingen. Dementsprechend modifizieren einige Ausführungsbeispiele der Erfindung iterativ den Zielwinkel, um die Werte des Lenkwinkels und des Räderwinkels, die asymptotisch dem Zielwert des Räderwinkels folgen, während sie bei jeder Iteration die Einschränkungen erfüllen, zu bestimmen.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur koordinierten Regelung von Einschränkungen unterliegenden Lenkrad und Fahrzeugrädern entsprechend einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung. Das Verfahren empfängt 401 den Zielwert für den Räderwinkel und erlangt 402 den Zustand des Fahrzeugrädersystems und des Lenkrädersystems. Das Verfahren wendet 403 einen nichtlinearen Filter auf den Zielwert des Räderwinkels an, um den Wert des Lenkwinkels und des Räderwinkels zu bestimmen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wendet das Verfahren den nichtlinearen Filter iterativ an, um dem Zielwert asymptotisch zu folgen, derart, dass die Einschränkungen bei jeder Iteration 410 erfüllt sind. Jede Iteration 410 kann für einen Regelungsschritt der Regelung derart umgesetzt werden, dass für jeden Zeitschritt der Regelung, das Verfahren Drehmomente für den Säulenmotor und den Gestellmotor entsprechend der Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel bestimmt 404, und Regelungsbefehle zur Anwendung der Drehmomente erzeugt 405. Auf diese Art werden beide, das Lenkrad und die Fahrzeugräder gleichzeitig geregelt, z.B. bei jedem Zeitschritt der Regelung.
5 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens zur Umsetzung des nichtlinearen Filters 403 entsprechend einem Ausführungsbeispiel. Das Ausführungsbeispiel modifiziert 501 dynamisch den Zielwert für Fahrzeugräder durch einen ersten nichtlinearen Filter, sodass der modifizierte Zielwert, wenn er als ein Regelungsbefehl auf die Fahrzeugräderregelung angewandt wird, gewährleistet, dass die Einschränkungen der Fahrzeugräder erfüllt sind. Der gefilterte Zielwert wird dann mit g skaliert 502, um einen Bezug für das Lenkradsystem zu erzeugen. Ein derartiger Bezug garantiert nicht die Einschränkungen des Lenkradsystems zu erfüllen. Daher wird der Regelungsbefehl für das Lenkradsystem durch dynamisches Modifizieren 503 des Bezugswertes durch einen zweiten nichtlinearen Filter derart erzeugt, dass der gefilterte Bezugswert, wenn er als Regelungsbefehl an die Lenkradregelung angewandt wird, gewährleistet, dass die Einschränkungen des Lenkrads erfüllt werden.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Umsetzung des nichtlinearen Filters 403 entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung. in diesem Ausführungsbeispiel wird ein einziger multivariabler nichtlinearer Filter verwendet, um gleichzeitig aus dem vom SADP-System empfangenen Zielwert für die Fahrzeugräder die Regelungsbefehle für den Winkel des Lenkrads und die Regelungsbefehle für den Winkel der Fahrzeugräder zu erzeugen, der die Erfüllung der Einschränkungen des Lenkrads, der Fahrzeugräder und der Einschränkung des relativen Verhaltens des Lenkrads und der Fahrzeugräder gewährleistet.
Regelungsinvariante Menge
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung gewährleisten die Erfüllung der Einschränkung der Zustände der Fahrzeugräder und des Lenkrads durch Verwendung der Konzepte aus der Theorie der invarianten Mengen. Einige Ausführungsbeispiele erzeugen zum Beispiel die Regelungsbefehle an die Befehle an die Säulen- und Gestellregelvorrichtung, um die Zustände des Lenkrads und der Fahrzeugräder, die in eine positive, invariante Untermenge eines zulässigen Bereichs von zulässigen Werten des Lenkwinkels, Räderwinkels und des Zustands des Lenkwinkels und der Fahrzeugräder einzuschließen sind, zu modifizieren.
Der zulässige Bereich kann zum Beispiel im Voraus durch Werte des Lenkwinkels, der Fahrzeugräder und des Zustands des Lenkwinkels und der Fahrzeugräder, die die Einschränkungen 125 erfüllen, vorherbestimmt werden. Die regelungsinvariante Untermenge des zulässigen Bereichs kann auch vorherbestimmt werden, um die Erfüllung der Einschränkungen für folgende Zeitschritte der Regelung zu gewährleisten.
7A zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen regelungsinvarianter Untermengen des zulässigen Bereichs entsprechend einem Ausführungsbeispiel. Eine aktuelle Menge wird als die Menge zulässiger Zustände, z.B. der Zustände des zulässigen, die Einschränkungen erfüllenden Bereichs initialisiert 701. Aus der aktuellen Menge wird eine rückwärtserreichbare Menge berechnet 702, um die Zustände innerhalb der aktuellen Menge, die nach einer Ein-Schritt-Entwicklung des dynamischen Systems innerhalb der aktuellen Menge sind, zu bestimmen. Wenn 703 die rückwärtserreichbare Menge die aktuelle Menge enthält, oder ihr gleicht, dann 704 ist die aktuelle Menge die Maximale regelungsinvariante Menge. Andernfalls 705 überschneidet sich die rückwärtserreichbare Menge mit der aktuellen Menge und wird in einer Wiederholung 706 des Verfahrens als neue aktuelle Menge verwendet.
Mathematisch kann die regelungsinvariante Menge wie folgt formuliert werden. Gegeben sei ein System $x (k + 1) = f (x (k))$
wo x der Systemzustand ist und f die Zustandsupdatefunktion, die Einschränkungen $g (x (k)) \leq 0$
unterliegt wo g die Einschränkungsfunktion ist, eine regelungsinvariante Menge O ist eine Menge von Zuständen, derart, dass $x (k) \in O \Rightarrow x (h) \in O, g (x (h)) \leq 0, \forall h \geq k,$
wobei k und h Indizes von Zeitschritten der Regelung sind.
7B zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel auf der Grundlage der regelungsinvarianten Menge entsprechend einem Ausführungsbeispiel. Beim halb-autonomen Fahren des Fahrzeugs werden die Regelungsbefehle für den Räderwinkel und den Lenkwinkel derart erzeugt, dass die, durch Regelung des Lenkrads und des Fahrzeugrads entsprechend Regelungsbefehlen erhaltenen, Regelungsbefehle und Zustände des Steer-by-Wire Systems ganz innerhalb der regelungsinvarianten Menge sind. Ein Ausführungsbeispiel bestimmt 720 zum Beispiel nach dem Empfang 141 des Zielwertes für den Räderwinkel die Werte für den Lenkwinkel und den Räderwinkel die am nächsten beim Zielwert sind aus der regelungsinvarianten Menge. Dieses Ausführungsbeispiel kann eine maximale Geschwindigkeit des Verfolgens des, den Einschränkungen des Zustands des Fahrzeugs und der Komponenten des Fahrzeugs, den Einschränkungen der Fahrer-Schnittstelle und den Einschränkungen der relativen Verschiebung von Lenkrad und Fahrzeugränder für alle zukünftigen Zeitschritte der Regelung erfüllenden Zielwertes erreichen. Eine solche Berechnung kann zum Beispiel durch Lösung eines quadratischen Programms mit Restriktionen bzw. Randbedingungen durchgeführt werden.
Design eines ersten und eines zweiten nichtlinearen Filters
In einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung sind zwei nichtlineare Filter 501 und 503 ausgeführt bzw. ausgebildet, um die Regelungsbefehle an die Säulen- und Gestellregelvorrichtung zu erzeugen. Die Kombination der Filter optimiert erstens den Zustand des Fahrzeugrädersystems, das dem Befehl des halb-autonomen Fahr-Planungs-Systems unterliegt, und die Optimierung optimiert außerdem auf der Grundlage dieser Ergebnisse den Zustand des Lenkradsystems.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens, dass den ersten und zweiten nichtlinearen Filter zur Regelung des Lenkwinkels und des Räderwinkels entsprechend einem Ausführungsbeispiel verwendet. Nach Empfang 801 des Zielwertes für die Räderwinkel und die Zustände von Gestell- und Säulen-Subsystem, bestimmt 802 ein erster Filter den Wert des Räderwinkels und unterbreitet bzw. stellt den Räderwinkel der Gestellregelvorrichtung und dem zweiten Filter zu. Der zweite Filter verwendet den vom ersten Filter bestimmten Räderwinkel, um den Wert des Lenkwinkels zu bestimmen 804, und unterbreitet 805 den Lenkwinkel der Säulenregelvorrichtung.
Der erste Filter ist ausgebildet, um schnell auf den von dem SADP-System empfangenen Zielwert zu reagieren, während die Einschränkungen des Fahrzeugrädersystems für den aktuellen Zustand des Fahrzeugrädersystems erfüllt werden.
Entsprechend einiger Ausführungsbeispiele ist der zulässige Raum für Systeme (5), (7) aus (9), (10), (11), (15a) $H_{r} x_{r} \leq K_{r},$
wobei H_r K_r die Einschränkungsmatrizen sind, und x_r der Einschränkungsvektor ist, die in den Gleichungen (9), (10), (11), (15a) definiert sind.
Das durch die Gleichungen (5), (7)bestimmte System wird um die Befehlsdynamikgleichungen $v_{r} (k + 1) = v_{r} (k),$
erweitert, wobei v_r der Fahrzeugräder-Vorwärtskopplungsbefehl ist.
Eine Untermenge des zulässigen Raums des Fahrzeugrädersystems wird als die regelungsinvariante Menge O_r zum Beispiel unter Verwendung des Algorithmus in 7A berechnet, angewandt auf das in Gleichungen (5), (7), (25) bestimmte System und Einschränkungen in Gleichungen (24). Dann wird, wie in 8 gezeigt, bei jedem Regelungszyklus der Zielwert der Fahrzeugräder von dem halb-autonomen Fahr-Planungs-System empfangen, der Zustand des Fahrzeugrädersystems gelesen und der Befehl durch Lösen des Optimierungsproblems $\begin{array}{l} min_{v_{r}} {(v_{r} - r)}^{2} \\ s . t . (x_{r}, v_{r}) \in O_{r} . \end{array}$
erzeugt.
Das Ausführungsbeispiel filtert das Signal r durch Auffinden des nächsten Befehlswertes derart, dass durch den aktuellen Zustand, einen solchen Wert in der Zukunft konstant als Befehl des Fahrzeugräderreglers anwendend, keine der Einschränkungen des Systems verletzt werden.
Der zweite Filter erzeugt die Befehle an die Säulenregelvorrichtung auf der Grundlage des Zustands des Lenkradsystems und der Ausgabe des ersten nichtlinearen Filters.
Der zulässige Raum für das System (6), (8) aus (12), (13), (14), (15b) wird beschrieben als $H_{w} x_{w} \leq K_{w},$
wobei H_w, K_w die Einschränkungsmatrizen sind und x_w der Einschränkungsvektor ist, die durch (12), (13), (14), (15b) beschrieben sind.
Das durch die Gleichungen (6), (8) beschriebene System wird um die Befehlsdynamikgleichungen erweitert $v_{w} (k + 1) = v_{w} (k),$
wobei v_w der Fahrzeugräder-Vorwärtskopplungsbefehl ist.
Eine Untermenge des zulässigen Raumes des Fahrzeugrädersystems wird als die regelungsinvariante Menge O_w zum Beispiel unter Verwendung des Algorithmus in 7A berechnet. Dann wird, in jedem Regelungszyklus der Befehl von dem ersten Filter empfangen, der Zustand des Lenkradsystems gelesen und der gefilterte Befehl durch Lösen des Optimierungsproblems $\begin{array}{l} min_{v_{w}} {(v_{w} - g v_{r})}^{2} \\ s . t . (x_{w}, v_{w}) \in O_{w} . \end{array}$
erzeugt.
Der zweite Filter filtert die Ausgabe des ersten Filters durch Bestimmen des der mit g skalierten Ausgabe des ersten Filters nächsten Wertes, derart, dass aus dem aktuellen Zustand, unter konstanter Anwendung dieses Wertes in der Zukunft als Befehl des Lenkradreglers, keine der Systemeinschränkungen verletzt wird.
Design eines multivariablen nichtlinearen Filters
In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden der erste und zweite nichtlineare Filter durch einen einzigen multivariablen nichtlinearen Filter ersetzt. Durch Verwendung eines solchen Filters ist es möglich die Einschränkungen in Gleichungen (16)-(21) zu erzwingen und das Verhalten des Systems in Antwort auf das halb-autonome Fahr-Planungs-System gleichzeitig zu optimieren, eher als zuerst das Fahrzeugrädersystem zu optimieren und auf Grundlage dieser Resultate das Lenkradsystem zu optimieren.
Der zulässige Raum für das System in Gleichungen (5)-(8)aus Gleichungen (11)-(15b) mit möglicherweise einer oder einer Kombination von Gleichungen (16)-(21) wird beschrieben als $H_{r w} [\begin{matrix} x_{r} \\ x_{w} \end{matrix}] \leq K_{r w},$
wobei H_rw, K_rw die Einschränkungsmatrizen sind und x_r, x_w die Einschränkungsvektoren sind, die durch die Gleichungen (11)-(15b) beschrieben werden, mit möglicherweise einer oder einer Kombination der Gleichungen (16)-(21).
Das durch die Gleichungen (5)-(8) bestimmte System wird erweitert mit beiden Befehlsdynamikgleichungen (25a), (25b).
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens, das multivariable nichtlineare Filter zur Regelung des Lenkwinkels und des Räderwinkels entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet. Eine Untermenge des zulässigen Raumes des Fahrzeugrädersystems wird als regelungsinvariante Menge O_sbw berechnet, unter Verwendung zum Beispiel des Verfahrens in 7. Dann wird bei jedem Regelungszyklus der Zielwert für den Räderwinkel und den Zustand der Gestell- und Säulen-Subsysteme empfangen 901, und der multivariable nichtlineare Filter löst 902 ein multivariables Optimierungsproblem $\begin{array}{l} min_{v_{w}} q {(v_{r} - r)}^{2} + {(v_{w} - g v_{r})}^{2} \\ s . t . ([\begin{matrix} x_{r} \\ x_{w} \end{matrix}], [\begin{matrix} v_{r} \\ v_{w} \end{matrix}]) \in O_{s b w} . \end{array}$
Die Lösung 902 erzeugt gleichzeitig den Lenkwinkel und den Räderwinkel, und diese Werte werden durch die Regler verwendet um die Regelungsbefehle für den Säulen- und den Gestellmotor zu erzeugen 903.
Einige Ausführungsbeispiele bestimmen die nichtnegativen Gewichte q in dem Optimierungsproblem (30), um zwischen dem Aufrechterhalten der Ausrichtung und schneller Antwort auf die Anfrage des SADP-Systems auszugleichen. Erhöhen des Gewichts q zum Beispiel erhöht die Schnelligkeit der Antwort auf die Änderung des Zielwertes, Verringern von q erhöht die Ausrichtung zwischen Lenkrad und Fahrzeugrädern, in einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird die Kostenfunktion (23) zur Minimierung zu der Kostenfunktion im Filter (30) addiert.
Berechnen der Filterausgabe durch quadratische Programme
In einigen Ausführungsbeispielen wo die Berechnung der regelungsinvarianten Menge auf dem Verfahren in 7A basiert, werden die invarianten Mengen O_r, O_w, O_sbw durch lineare Ungleichungen der Form $O_{r} = {(x_{r}, v_{r}) : M_{r} x_{r} + N_{r} v_{r} \leq L_{r}},$
$O_{w} = {(x_{w}, v_{w}) : M_{w} x_{w} + N_{w} v_{w} \leq L_{w}},$
$O_{s b w} = {([\begin{matrix} x_{r} \\ x_{w} \end{matrix}], [\begin{matrix} v_{r} \\ v_{w} \end{matrix}]) : M_{s b w} [\begin{matrix} x_{r} \\ x_{w} \end{matrix}] + N_{s b w} [\begin{matrix} v_{r} \\ v_{w} \end{matrix}] \leq L_{w}},$
dargestellt, wo Matrizen M_r, M_w, M_sbw, N_r, N_w, N_sbw, und Vektoren x_r, x_w durch das Verfahren in 7 bestimmt werden.
Daher können die Filterprobleme (26) (28) (30), die die Filterausgabe bestimmen, durch quadratische Programmierung mit Restriktionen bzw. Randbedingungen gelöst werden. Problem (30) zum Beispiel kann als konvexes quadratisches Programm mit Restriktionen bzw. Randbedingungen bestimmt werden $\begin{matrix} min_{v_{r}, v_{w}} & [\begin{matrix} v_{r} & v_{w} \end{matrix}] [\begin{matrix} q + g^{2} & - g \\ - g & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} v_{r} \\ v_{w} \end{matrix}] + r [\begin{matrix} - 2 q & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} v_{r} \\ v_{w} \end{matrix}] + q r^{2} \\ s .t . & M_{s b w} [\begin{matrix} x_{r} \\ x_{w} \end{matrix}] + N_{s b w} [\begin{matrix} v_{r} \\ v_{w} \end{matrix}] \leq L_{s b w} \end{matrix}$
Daher können die Filter durch Auffinden der Lösung des quadratischen Programms, durch einen quadratischen Programmieralgorithmus und dann durch Verwenden der Werte v_r, v_w, die das Optimum erreichen, als Ausgabe des Filters berechnet werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können in jeder von zahlreichen Arten umgesetzt werden. Die Ausführungsbeispiele können zum Beispiel unter Nutzung von Hardware, Software oder einer Kombination davon umgesetzt werden. Bei der Umsetzung in Software, kann der Softwarecode auf jedem geeigneten Prozessor oder einer Sammlung von Prozessoren, ob in einem einzelnen Computer oder verteilt auf eine Vielzahl von Computern bereitgestellt, ausgeführt werden. Solche Prozessoren können als integrierte Schaltkreise umgesetzt werden, mit einem oder mehreren Prozessoren in einer Komponente eines integrierten Schaltkreises. Dennoch kann ein Prozessor unter Verwendung von Schaltungstechnik in jedem geeigneten Format verwirklicht werden.
Auch die verschiedenen, hierin umrissenen Verfahren oder Abläufe können als Software, die auf einem oder mehreren Prozessoren, die jedes aus einer Vielzahl von Betriebssystemen oder Plattformen verwenden können, programmiert sein. Außerdem kann solche Software unter Verwendung einer jeden aus einer Vielzahl von geeigneten Programmiersprachen und/oder Programmier- oder Skript-Werkzeugen geschrieben sein, und kann auch als ausführbarer Maschinensprach-Code oder Zwischencode, der mit einem Rahmenprogramm oder einer virtuellen Maschine ausgeführt wird, kompiliert sein. Typischerweise kann die Funktionalität der Programmmodule, wie in verschiedenen Ausführungsbeispielen gewünscht, kombiniert oder verteilt werden.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung können auch als Verfahren ausgeführt sein, von dem ein Beispiel bereitgestellt wurde. Die als Teil des Verfahrens durchgeführten Vorgänge können in jeder geeigneten Weise geordnet werden. Dementsprechend können Ausführungsbeispiele konstruiert werden in denen Vorgänge in einer anderen als der illustrierten Reihenfolge durchgeführt werden, was einschließen kann, dass manche Vorgänge gleichzeitig durchgeführt werden, obwohl in Ausführungsbeispielen als aufeinander folgende Vorgänge dargestellt.

Claims

Ein Verfahren zum halb-autonomen Fahren eines Fahrzeugs mit einem Steer-by-Wire System (100) aufweisend ein von Fahrzeugrädern (113) mechanisch entkoppeltes Lenkrad (103), derart, dass ein Lenkwinkel des Lenkrads (103) von einem Säulenmotor (102) geregelt wird, unabhängig von einem Räderwinkel der Fahrzeugräder (113), der von einem Gestellmotor (112) geregelt wird, umfassend: Empfang (401, 901) von einem halb-autonomen Fahr-Planungs (SADP)-System (121) eines Zielwertes (122) für den Räderwinkel; Bestimmen (403, 902) von Werten (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel, die dem Zielwert (122) des Räderwinkels in Abhängigkeit von Einschränkungen (125) folgen, einschließend eine Einschränkung einer Bewegung der Fahrzeugräder (113), eine Einschränkung einer Bewegung des Lenkrads (103), eine Einschränkung einer Betätigung des Lenkrads (103) und der Fahrzeugräder (113) und eine Einschränkung einer relativen Bewegung des Lenkrads (103) in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder (113); und Erzeugen (405,903) von Regelungsbefehlen (104, 114) an den Säulenmotor (102) und den Gestellmotor (112) entsprechend der Werte (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel, wobei Schritte des Verfahrens von einem Prozessor (123) durchgeführt werden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen umfasst: iteratives Anwenden eines nichtlinearen Filters auf den Zielwert (122) des Räderwinkels, um die Werte (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel zu bestimmen, derart, dass die Einschränkungen (125) in jeder Iteration erfüllt sind.
Das Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Filter einen ersten Filter und einen zweiten Filter einschließt, ferner umfassend: Anwenden (501) des ersten Filters auf den Zielwert (122) des Räderwinkels, um den Wert (313) des Räderwinkels zu erzeugen; Skalieren (502) des Wertes (313) des Räderwinkels, um einen skalierten Wert des Räderwinkels zu erzeugen; und Anwenden (503) des zweiten Filters auf den skalierten Wert des Räderwinkels, um den Wert (303)des Lenkwinkels zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Filter einen multivariablen nichtlinearen Filter einschließt, ferner umfassend: gleichzeitiges Bestimmen in jedem Zeitschritt der Regelung der Werte (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel.
Das Verfahren nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen umfasst: Bestimmen der Werte (303, 313) des Lenkwinkels und des Räderwinkels, die am nächsten an dem Zielwert (122) sind, aus einer invarianten Menge.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschränkung der Bewegung der Fahrzeugräder (113) eine oder eine Kombination von einer Einschränkung des Räderwinkels, einer Einschränkung einer Änderungsrate des Räderwinkels und einer Einschränkung einer Winkelbeschleunigung des Räderwinkels einschließt, wobei die Einschränkung der Bewegung des Lenkrads (103) eine oder eine Kombination von einer Einschränkung des Lenkwinkels, einer Einschränkung einer Änderungsrate des Lenkwinkels und einer Einschränkung einer Winkelbeschleunigung des Lenkrads (103) einschließt, und wobei die Einschränkung der relativen Bewegung des Lenkrads (103) in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder (113) eine oder eine Kombination von einer Einschränkung einer Differenz zwischen einem skalierten Räderwinkel und dem Lenkwinkel, einer Einschränkung einer Differenz zwischen einem skalierten Wert des Räderwinkels und des Wertes (303) des Lenkwinkels, einer Einschränkung einer Differenz zwischen einer skalierten Änderungsrate des Räderwinkels und der Änderungsrate des Lenkwinkels und einer Einschränkung einer Differenz zwischen einer skalierten Winkelbeschleunigung eines Räderwinkels und einer Winkelbeschleunigung des Lenkwinkels einschließt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen umfasst: Optimierung einer Kostenfunktion, die eine erste Beziehung zwischen dem Wert (313) des Räderwinkels und dem Zielwert (122) des Räderwinkels beschreibt und eine zweite Beziehung zwischen dem Wert (303) des Lenkwinkels und dem Wert (313) des Räderwinkels spezifiziert, wobei die Optimierung den Einschränkungen (125) unterliegt.
Das Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beziehung eine quadratische Differenz zwischen dem Wert (313) des Räderwinkels und dem Zielwert (122) des Räderwinkels, multipliziert mit einer nichtnegativen Konstante, einschließt, und wobei die zweite Beziehung eine quadratische Differenz zwischen einem skalierten Wert des Räderwinkels und dem Wert (303) des Lenkwinkels einschließt.
Das Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein: Bestimmen eines Wertes der nichtnegativen Konstante, um eine Schnelligkeit eines Verfolgens des Zielwertes (122) des Räderwinkels mit einer Schnelligkeit der Anpassung des Lenkwinkels an den Räderwinkel auszugleichen, wobei Erhöhen des Wertes der nichtnegativen Konstante die Schnelligkeit des Verfolgens des Zielwertes (122) durch den Räderwinkel erhöht und Verringern des Wertes der nichtnegativen Konstante die Schnelligkeit der Anpassung des Lenkwinkels an den Räderwinkel verringert.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein: Bestimmen eines zulässigen Bereichs von Werten (303, 313) des Lenkwinkels, des Räderwinkels und der Zustände des Lenkrads (103) einschließlich die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads (103) und den Lenkwinkel des Lenkrads (103), und der Zustände der Fahrzeugräder (113) einschließlich die Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugräder (113), den Winkel der Fahrzeugräder (113), das vom Gestellmotor (112) erzeugte Drehmoment und das Ausrichtungs-Drehmoment, das die Gegenkraft des Bodens auf die Fahrzeugräder (113) ist, die die Einschränkungen (125) erfüllen; Bestimmen einer invarianten Menge als ein Teil eines zulässigen Bereichs, derart, dass die Werte (303, 313) des Lenkwinkels, des Räderwinkels und der Zustände des Lenkrads (103) und der Fahrzeugräder (113) innerhalb der invarianten Menge sind; und Auswahl von Werten (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel aus der invarianten Menge.
Ein Steer-by-Wire System (100) zur Regelung eines Betriebs eines Fahrzeugs, umfassend: ein Lenkgestell-Subsystem (151) zur Regelung eines Räderwinkels von Fahrzeugrädern (113) durch eine Bewegung eines Gestellmotors (112); ein Lenksäulen-Subsystem (152) zur Regelung eines Lenkwinkels eines Lenkrads (103) durch eine Bewegung eines Säulenmotors (102), wobei das Lenkrad (103) mechanisch von den Fahrzeugrädern (113) entkoppelt ist, derart, dass der Lenkwinkel des Lenkrads (103) durch den Säulenmotor (102) unabhängig von dem Räderwinkel der durch den Gestellmotor (112) geregelten Fahrzeugräder (113) geregelt wird; und ein Regelungssystem (153), umfassend: ein halb-autonomes Fahr-Planungs (SADP)-System (121) zum Bestimmen eines Zielwertes (122) für den Räderwinkel; und eine elektronische Regelungseinheit, ECU, (120) zum Bestimmen von Werten (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel, die dem Zielwert (122) des Räderwinkels in Abhängigkeit von Einschränkungen (125) folgen, einschließend eine Einschränkung einer Bewegung der Fahrzeugräder (113), eine Einschränkung einer Bewegung des Lenkrads (103), eine Einschränkung einer Betätigung des Lenkrads (103) und der Fahrzeugräder (113), und eine Einschränkung der relativen Bewegung des Lenkrads (103) in Bezug auf die Bewegung der Fahrzeugräder (113), und zur Erzeugung von Regelungsbefehlen (104, 114) an den Säulenmotor (102) und den Gestellmotor (112) entsprechend der Werte (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel.
Das Steer-by-Wire System (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ECU umfasst: einen Regler (302) für nichtlineares Filtern der Zielwerte (122) des Räderwinkels, auf der Grundlage eines Zustands des Lenkgestell-Subsystems (151) einschließlich die Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugräder (113), den Winkel der Fahrzeugräder (113), das vom Gestellmotor (112) erzeugte Drehmoment, das Trägheitsmoment eines Lenkgestells (111) und des Lenkrads (103), den Reibungskoeffizienten des Lenkgestell-Subsystems (151) und das Ausrichtungs-Drehmoment, das die Gegenkraft des Bodens auf die Fahrzeugräder (113) ist, und eines Zustands des Lenksäulen-Subsystems (152) einschließlich die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads (103), den Lenkwinkel des Lenkrads (103), das vom Säulenmotor (102) erzeugte Drehmoment, das Trägheitsmoment des Lenkrads (103) und einer Lenksäule, den Reibungskoeffizienten des Lenksäulen-Subsystems (152) und das vom Fahrer erzeugte Drehmoment zum Erzeugen der Werte (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel; eine Säulenregelvorrichtung (304) zum Bestimmen des Regelungsbefehls (104) an den Säulenmotor (102) auf der Grundlage des Wertes (303) des Lenkwinkels; und eine Gestellregelvorrichtung (314) zum Bestimmen des Regelungsbefehls (114) an den Gestellmotor (112) auf der Grundlage des Wertes (303) des Lenkwinkels.
Das Steer-by-Wire System (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (302) einen ersten Filter und einen zweiten Filter einschließt, und wobei der Regler (302) den ersten Filter auf den Zielwert (122) des Räderwinkels anwendet, um den Wert (313) des Räderwinkels zu erzeugen, den Wert (313)des Räderwinkels skaliert, um den skalierten Wert des Räderwinkels zu erzeugen; und den zweiten Filter auf einen skalierten Wert des Räderwinkels anwendet, um den Wert (303) des Lenkwinkels zu erzeugen.
Das Steer-by-Wire System (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (302) einen multivariablen nichtlinearen Filter einschließt, und wobei der Regler (302) in jedem Zeitschritt der Regelung gleichzeitig die Werte (303, 313) des Lenkwinkels und Räderwinkels bestimmt.
Das Steer-by-Wire System (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ECU die Werte (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel aus einer invarianten Menge durch Lösen eines quadratischen Programms mit Restriktionen bestimmt, aus der invarianten Menge den zum Zielwert (122) nächstliegenden Wert auswählend.
Ein Verfahren zum halb-autonomen Fahren eines Fahrzeugs mit einem Steer-by-Wire System (100), das ein Lenkrad (103) aufweist, das mechanisch von den Fahrzeugrädern (113) entkoppelt ist, derart, dass ein Lenkwinkel des Lenkrads (103) durch einen Säulenmotor (102) unabhängig von einem durch einen Gestellmotor (112) geregelten Räderwinkel der Fahrzeugräder (113) geregelt wird, umfassend: Bestimmen eines Zielwertes (122) eines Fahrzeugräderwinkels; gemeinsames Bestimmen eines Wertes (303) für den Lenkwinkel und eines Wertes (313) für den Räderwinkel auf der Grundlage des Zielwertes (122) des Einschränkungen (125) unterliegenden Räderwinkels; und gleichzeitiges Regeln eines Gestellmotors (112) entsprechend dem Wert (313) des Räderwinkels und eines Säulenmotors (102) entsprechend dem Wert (303) des Lenkwinkels, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschränkungen (125) eine Einschränkung einer Bewegung der Fahrzeugräder (113), eine Einschränkung einer Bewegung eines Lenkrads (103), eine Einschränkung einer Betätigung des Lenkrads (103) und der Fahrzeugräder (113) und eine Einschränkung einer relativen Bewegung des Lenkrads (103) in Bezug zu der Bewegung der Fahrzeugräder (113) einschließen.
Das Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen umfasst: iteratives Anwenden eines nichtlinearen Filters auf den Zielwert (122) des Räderwinkels, um die Werte (303, 313) für den Lenkwinkel und den Räderwinkel, zu bestimmen, derart, dass die Einschränkungen (125) in jeder Iteration erfüllt sind.