DE102016011324A1

DE102016011324A1 - Verfahren zur Steuerung eines Zugfahrzeugs bei dessen Heranfahren und Ankuppeln an ein Anhängerfahrzeug

Info

Publication number: DE102016011324A1
Application number: DE102016011324.3A
Authority: DE
Inventors: Finn Schaeper; Thomas Wolf
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-03-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Zugfahrzeugs (1) bei dessen Heranfahren und Ankuppeln an ein Anhängerfahrzeug (4), wobei das Zugfahrzeug (1) ein Steuergerät (10) aufweist, welches mit Aktuatoren (13) zur Betätigung der Lenkung des Zugfahrzeugs (1) sowie mit einer Stereokamera (9) verbunden ist, und bei dem die Stereokamera (9) zur Erfassung eines in Rückwärtsfahrtrichtung liegenden Umfeldbereiches (29) ausgerichtet ist. Hierbei sind folgenden Schritte vorgesehen: a) Aufstellen des Zugfahrzeugs (1) mit Abstand vor dem anzukuppelnden Anhängerfahrzeug (4). b) Erfassen des rückwärtigen Umfeldbereiches (29) hinter dem Zugfahrzeug (1) mittels der Stereokamera (9). c) Auswerten der von der Stereokamera (9) erzeugten Bildinformationen über den rückwärtigen Umfeldbereich (29) in dem Steuergerät (10) hinsichtlich einer Versatzstrecke (S) zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhängerfahrzeug (4) sowie hinsichtlich eines Versatzwinkels (α), welcher den Versatz der Längsachse (XZ) des Zugfahrzeugs (1) zu der Längsachse (XA) des Anhängerfahrzeuges (4) beschreibt. d) Berechnen von wenigstens einer Fahrtrajektorie (15, 21, 28) in dem Steuergerät (10), mittels der das Zugfahrzeug (1) autonom zu einem Ankuppelort (30) fahrbar ist, an welchem das Zugfahrzeug (1) mit dem Anhängerfahrzeug (4) kuppelbar ist. e) Autonomes Heranfahren des Zugfahrzeugs (1) an das Anhängerfahrzeug (4) gemäß wenigstens einer der Fahrtrajektorien (15, 21, 28). f) Ankuppeln des Zugfahrzeugs (1) an das Anhängerfahrzeug (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Zugfahrzeugs bei dessen Heranfahren und Ankuppeln an ein Anhängerfahrzeug, wobei das Zugfahrzeug ein Steuergerät aufweist, welches mit Aktuatoren zur Betätigung der Lenkung des Zugfahrzeugs sowie mit einer Kamera verbunden ist, und bei dem die Kamera zur Erfassung eines in Rückwärtsfahrtrichtung liegenden Umfeldbereiches ausgerichtet ist.
Derartige Verfahren zur Steuerung eines Lastkraftwagens oder eines Personenwagens sind aus der DE 10 2006 057 610 A1 , DE 10 2014 012 330 A1 , DE 10 2014 110 498 A1 und EP 1 740 400 B1 bekannt. Diese Verfahren nutzen jeweils nur eine einfache Kamera, welche keine räumliche Beurteilung der Entfernung und Ausrichtung zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug ermöglicht. Zwar ist in diesen Druckschriften auch ganz allgemein angegeben, dass mehrere solche Kameras eingesetzt werden können, deren verfahrensgemäßes Zusammenspiel zur Durchführung des Heranfahrens und Ankuppelns des Zugfahrzeugs an das Anhängerfahrzeug ist jedoch nicht beschrieben. Insofern kommen die bekannten Steuerungsverfahren mit nur einer rückwärts schauenden Kamera aus. Dies ist jedoch nachteilig, da bei diesen Verfahren das Zugfahrzeug durch einen Fahrer oder durch ein personengestützte Fernsteuerung mit seiner Längsmittelachse recht genau zu der Längsmittelachse des Anhängerfahrzeugs ausgerichtet werden muss, bevor die eigentliche Annäherung des Zugfahrzeugs an das Anhängerfahrzeug zum Vollziehen des Ankuppelvorgangs erfolgen kann.
Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzustellen, mittels dem ein Steuergerät in einem Zugfahrzeug dieses autonom von jeder beliebigen Position und Ausrichtung vor dem Anhängerfahrzeug hin zu einer Ankoppelposition dirigieren kann, in welcher letztlich die beabsichtigte Koppelung von Zugfahrzeug und Anhängerfahrzeug erfolgen kann.
Die Lösung dieser Aufgabe wird mit einem Verfahren erreicht, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den zugeordneten abhängigen Ansprüchen definiert. Außerdem wird ein Zugfahrzeug beansprucht, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Zugfahrzeugs bei dessen Heranfahren und Ankuppeln an ein Anhängerfahrzeug, wobei das Zugfahrzeug ein Steuergerät aufweist, welches mit Aktuatoren zur Betätigung der Lenkung des Zugfahrzeugs sowie mit einer Kamera verbunden ist, und bei dem die Kamera zur Erfassung eines in Rückwärtsfahrtrichtung liegenden Umfeldbereiches ausgerichtet ist. Dieses Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

a) Aufstellen des Zugfahrzeugs mit Abstand vor dem anzukuppelnden Anhängerfahrzeug.
b) Erfassen des rückwärtigen Umfeldbereiches hinter dem Zugfahrzeug mittels der als Stereokamera ausgebildeten Kamera.
c) Auswerten der von der Stereokamera erzeugten Bildinformationen über den rückwärtigen Umfeldbereich in dem Steuergerät hinsichtlich einer Versatzstrecke zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug sowie hinsichtlich eines Versatzwinkels, welcher den Versatz der Längsmittelachse des Zugfahrzeugs zu der Längsmittelachse des Anhängerfahrzeuges beschreibt.
d) Berechnen von wenigstens einer Fahrtrajektorie in dem Steuergerät, mittels der das Zugfahrzeug autonom zu einem Ankuppelort fahrbar ist, an welchem das Zugfahrzeug mit dem Anhängerfahrzeug kuppelbar ist.
e) Autonomes Heranfahren des Zugfahrzeugs an das Anhängerfahrzeug gemäß wenigstens einer der Fahrtrajektorien.
f) Ankuppeln des Zugfahrzeugs an das Anhängerfahrzeug.

Mit diesem Verfahren kann sich das Zugfahrzeug völlig selbstständig von fast jeder Anfangsposition und fast jeder Anfangsausrichtung soweit an ein Anhängerfahrzeug annähern, dass ein Ankuppelvorgang direkt durchgeführt werden kann. Die einzige Voraussetzung ist lediglich, dass sich das Anhängerfahrzeug im Sichtbarkeitsbereich einer Stereokamera befinden muss, welche an dem Zugfahrzeug befestigt ist und in Rückwärtsfahrtrichtung schaut. Die Nutzung einer Stereokamera für diesen Zweck führt im Vergleich zu bekannten technischen Lösungen mit nur einer einfachen Rückfahrkamera zu etwas erhöhten Herstellkosten, jedoch ermöglicht eine Stereokamera sowie eine geeignete Bilddatenverarbeitung in dem Steuergerät des Zugfahrzeuges eine genauere Bestimmung des Abstandes und eines Versatzwinkels zwischen den Längsmittelachsen von Zugfahrzeug und Anhängerfahrzeug, welche erste den beschriebenen autonomen Fahrvorgang ermöglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen sein, dass dann, wenn das Zugfahrzeug zu dicht und/oder unter einem zu großen Versatzwinkel vor dem Anhängerfahrzeug steht, sich das Zugfahrzeug zuerst entlang einer erste, gekrümmten Vorwärtsfahrtrajektorie von dem Anhängerfahrzeug entfernt, dass anschließend eine Versatzbreite zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug sowie der Versatzwinkel bestimmt werden, mit denen eine gerade Rückwärtsfahrtrajektorie berechnet wird, und dass das Zugfahrzeug schließlich entlang der geraden Rückwärtsfahrtrajektorie rückwärts an das Anhängerfahrzeug herangefahren sowie an dieses angekuppelt wird.
Sofern das Zugfahrzeug jedoch ausreichend weit vor dem Anhängerfahrzeug steht, dass dann eine Versatzbreite zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug sowie der Versatzwinkel bestimmt werden, dass dann, wenn der Versatzwinkel in einem vorbestimmten Winkelbereich liegt, eine gekrümmte Rückwärtsfahrtrajektorie berechnet wird, und dass abschließend das Zugfahrzeug entlang der gekrümmten Rückwärtsfahrtrajektorie rückwärts an das Anhängerfahrzeug heranfährt sowie an dieses ankuppelt.
Demnach kann das Steuergerät auf der Grundlage der ermittelten Bilddaten entscheiden, ob das Zugfahrzeug von seiner Ausgangsposition aus das Anhängerfahrtzeug direkt rückwärts anfahren kann, um die ermittelte Ankoppelposition zu erreichen. Sofern das Zugfahrzeug mit seiner Längsmittelachse aber zu ungünstig in Bezug zur Längsmittelachse des Anhängerfahrzeugs ausgerichtet ist und/oder der Abstand zwischen dem Zugfahrzeug sowie dem Anhängerfahrzeug ungünstig groß ist, kann das Zugfahrzeug in eine bessere Ausgangsposition für die Rückwärtsfahrt hin zum Ankuppelort geführt werden.
Hinsichtlich der von dem Steuergerät auf der Grundlage der Bildinformationen der Stereokamera zu berechnenden alternativen oder additiven Fahrtrajektorien ist bevorzugt vorgesehen, dass bei denjenigen Fahrtrajektorien, welche einen gekrümmten Verlauf aufweisen, die Fahrt des Zugfahrzeugs mit nur zwei unterschiedlichen, aufeinander folgenden und jeweils konstant gehaltenen Lenkwinkeleinschlägen erfolgt.
Weiter ist wie schon angedeutet bevorzugt vorgesehen, dass die Bestimmung der Versatzbreite sowie des Versatzwinkels zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug aus den von der Stereo-Kamera bereitgestellten Bilddaten durchgeführt wird, welche zwei einzelne optische Systeme aufweist, die in einem Anstand zueinander angeordnet sind.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann hierbei derartig arbeiten, dass zur Bestimmung des Versatzwinkels zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug mittels des Steuergeräts in dem von der Stereokamera erfassten Umfeldbereich eine in Fahrtrichtung des Anhängerfahrzeugs weisende Fläche ermittelt wird, dass anschließend die geometrische Mitte der Breite dieser Fläche bestimmt wird, dass diese Mitte der Mittellängsachse des Anhängerfahrzeugs zugeordnet wird, dass sodann der Wert der Mitte der Breite des Zugfahrzeugs aus einem Speicher des Steuergeräts entnommen wird, wobei durch diese Mitte der Breite des Zugfahrzeugs die Mittellängsachse des Zugfahrzeugs verläuft, und dass dann aus dem Versatz der Mittellängsachse des Zugfahrzeugs zu der Mittellängsachse des Anhängerfahrzeugs der Versatzwinkels in dem Steuergerät ermittelt wird.
Weiter kann vorgesehen sein, dass zur Bestimmung der Versatzstrecke zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug aus der Geometrie der ermittelten, in Vorwärtsfahrtrichtung weisenden stirnseitigen Fläche des Anhängerfahrzeugs oder aufgrund von abgespeicherten oder in das Steuergerät eingegebenen Daten ermittelt wird, ob das Anhängerfahrzeug ein Sattelanhänger oder ein Deichselanhänger ist, dass dann für diesen Anhängertyp der Abstand zwischen der stirnseitigen Fläche des Anhängerfahrzeugs und dem Ankoppelpunkt desselben bestimmt wird, und dass die Versatzstrecke zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug durch diejenige Gerade bestimmt wird, welche am Ankoppelpunkt des Anhängerfahrzeugs beginnt und senkrecht auf die Querachse des Zugfahrzeugs trifft, wobei diese Querachse des Zugfahrzeugs senkrecht auf der Längsmittelachse des Zugfahrzeugs steht.
Zur Bestimmung des einzustellenden Lenkwinkels für die lenkbaren Fahrzeugräder des Zugfahrzeugs wird vorzugsweise eine Versatzbreite zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug ermittelt und genutzt wird, welche von dem Auftreffpunkt der Linie der Versatzstrecke auf die Querachse des Zugfahrzeugs bis zur Mitte der Breite des Zugfahrzeugs reicht. An diesem Ort schneidet die Querachse des Zugfahrzeugs ja dessen Längsmittelachse.
Eine andere Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, dass das Steuergerät zusätzlich ständig die aktuelle Position und räumliche Orientierung des Zugfahrzeugs ermittelt, und dass auf der Grundlage dieser Informationen die einmal erfasste, in Fahrtrichtung weisende Fläche des Anhängerfahrzeugs von dem Steuergerät in den von der Stereokamera gelieferten Bildinformationen verfolgt und bei Bedarf nach Austreten dieser Fläche aus dem Gesichtsfeld der Stereokamera wieder gefunden wird. Dieses Wiederfinden kann durch eine Verschwenkung der beiden optischen Systeme der Stereokamera oder durch eine Veränderung der Fahrtrajektorie erreicht werden. Von Vorteil ist hierbei, dass die Ortsveränderung des Zugfahrzeugs während des Verfahrensablaufs bei stillstehendem Anhängerfahrzeug genau bekannt ist.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät die von der Stereokamera gelieferten Bildinformationen auf das Vorhandensein von Hindernissen zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug überprüft sowie bei Vorhandensein eines solches Hindernisses die Rückwärtsfahrt des Zugfahrzeuges zum Anhängerfahrzeug beendet.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Zugfahrzeug zum Betreiben des beschriebenen Verfahrens, wobei dieses Zugfahrzeug lenkbare Fahrzeugräder, Aktuatoren zur Lenkung der lenkbaren Fahrzeugräder, ein Steuergerät, welches mit den Aktuatoren signaltechnisch verbunden ist, einen Fahrzeugrahmen mit einer Koppelvorrichtung zum Ankoppeln eines Anhängerfahrzeugs, sowie eine Stereokamera aufweist, deren Blickfeld in Rückwärtsfahrtrichtung ausgerichtet ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 einen Sattelzug, bestehend aus einem Zugfahrzeug und einem als Sattelauflieger ausgebildeten Anhängerfahrzeug in einer Seitenansicht,
2 das Zugfahrzeug gemäß 1 mit Blick auf dessen Rückseite,
3 schematisch einen von einer Stereokamera des Zugfahrzeuges erfassten rückwärtigen Umfeldbereich, mit einer Fahrbahn und einem auf der Fahrbahn abgestellten Anhängerfahrzeug gemäß 1,
4 das Zugfahrzeug und das Anhängerfahrzeug gemäß 1 kurz vor Beginn eines Fahrvorgangs, an dessen Ende diese beiden Fahrzeuge miteinander gekoppelt werden,
5a bis 5c einen verfahrensgemäß ablaufenden Fahrvorgang gemäß einer ersten Variante, mit dem das Zugfahrzeug an das Anhängerfahrzeug zum Koppeln derselben bewegt wird, und
6a bis 6c einen verfahrensgemäß ablaufenden Fahrvorgang gemäß einer zweiten Variante, mit dem das Zugfahrzeug an das Anhängerfahrzeug zum Koppeln derselben bewegt wird.
Demnach ist in 1 ein Sattelzug dargestellt, der aus einem Zugfahrzeug 1 und einem als Sattelanhänger ausgebildeten Anhängerfahrzeug 4 besteht. Das Zugfahrzeug 1 weist einen Fahrzeugrahmen 2 auf, an dem eine Fahrzeugkabine 3 befestigt ist. Der Fahrzeugrahmen 2 ist auf einem nicht dargestellten Fahrwerk abgestützt, an dem Fahrzeugräder drehbar angeordnet sind. Die vorderen Fahrzeugräder 31 sind lenkbar. Der Lenkwinkel der lenkbaren Fahrzeugräder 31 wird mittels Aktuatoren 13 eingestellt, die als pneumatische Kolben-Zylinder-Anordnungen ausgebildet sind. Die Aktuatoren 13 sind über durch gestrichelt gezeichnete Steuerleitungen mit einem Steuergerät 10 verbunden, welches einen elektronischen Teil und einen elektro-pneumatischen Teil mit magnetischen Schaltventilen aufweist, was an sich bekannt ist. Mit dem Steuergerät 10 sind bevorzugt auch die Steuerungsfunktionen einer Niveauregelungseinrichtung erzeugbar, mittels denen der Abstand des Fahrzeugrahmens 2 in Bezug zum Fahrwerk beziehungsweise zur Fahrbahn 19 verändert werden kann. Das Steuergerät 10 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Funkempfänger 11 verbunden, welcher mit einem Funksender 12 drahtlos in Signalverbindung ist. Hierdurch ist das Zugfahrzeug 1 aus der Ferne überwachbar und bei Bedarf fernsteuerbar.
Das Steuergerät 10 ist außerdem über eine ebenfalls gestrichelt gezeichnete Datenleitung mit einer Stereokamera 9 verbunden, die an der rückwärtigen Stirnseite 7 der Fahrzeugkabine 3 befestigt ist. Die Stereokamera weist zwei zueinander beanstandete optische Systeme 9a, 9b auf, die als CCD-Kameras ausgebildet sein können. Die beiden optischen Systeme 9a, 9b der Stereokamera 9 sind, wie 2 und 4 verdeutlichen, derartig ausgerichtet, dass deren optischer Erfassungsbereich 26, 27 in die Rückwärtsfahrtrichtung weist, so dass sie bei Anwesenheit des Anhängerfahrzeugs 4 auf dessen in Vorwärtsfahrtrichtung weisende Stirnseite 8 blicken.
Die Stereokamera 9 liefert an das Steuergerät 10 Bilddaten der beiden optischen Systeme 9a, 9b, welche den rückwärtigen Umfeldbereich 29 des Zugfahrzeuges 1 repräsentieren. 3 zeigt einen solchen rückwärtigen Umfeldbereich 29 des Zugfahrzeuges 1, in dem die Fahrbahn 19 erkennbar ist, auf der das Anhängerfahrzeug 4 abgestellt ist. Außerdem sind mit gepunktet gezeichneten Linien nicht weiter spezifizierte Landschaftsmerkmale angedeutet.
Wie die 1 und 3 zeigen, ist das Anhängerfahrzeug 4 als Sattelauflieger ausgebildet, das einen Rahmen 5 aufweist, an dem über ein nicht dargestelltes Fahrwerk insgesamt sechs Fahrzeugräder drehbar angeordnet sind. Der Rahmen 5 weist an seiner fahrbahnfernen Oberseite einen Aufbau 6 auf, der als Kofferaufbau oder als Aufbaugerüst mit einer Plane ausgebildet sein kann. Alternativ dazu ist auf dem Rahmen 5 ein Container abnehmbar befestigt.
Das Zugfahrzeug 1 und das Anhängerfahrzeug 4 sind mittels einer Sattelkupplung verbindbar, die wie bekannt eine am Fahrzeugrahmen 2 des Zugfahrzeugs 1 befestigte Kupplungsplatte 14 und eine am Rahmen 5 des Anhängerfahrzeugs 4 befestigte Sattelplatte 16 aufweist, wobei von der Sattelplatte 16 ein Sattelzapfen 17 in Richtung zur Fahrbahn 19 absteht. Zum verschwenkbaren Verbinden von Zugfahrzeug 1 du Anhängerfahrzeug 4 wird der Sattelzapfen 17 in einer Aufnahmeöffnung der Kupplungsplatte 14 aufgenommen und dort drehbar verriegelt.
Um das Zugfahrzeug 1 sowie in 1 dargestellt mit dem Anhängerfahrzeug 4 zu verbinden, muss das Zugfahrzeug 1 vor ein beispielsweise auf der Fläche eines Betriebshofes abgestelltes Anhängerfahrzeug 4 gefahren und dort zum Stillstand gebracht werden. Dabei weist die Rückseite 7 der Fahrzeugkabine 3 zur Vorderseite 8 des Anhängerfahrzeuges 4. Diese Situation ist in 4 in einer Draufsicht dargestellt. Dem Zugfahrzeug 1 ist ein erstes Koordinatensystem zugeordnet, dessen Ursprung sich auf der Längsmittelachse X_Z des Zugfahrzeugs 1 befindet, dessen nicht dargestellte Z_Z-Achse senkrecht darauf steht, und dessen Querachse Y_Z, über die sich die Zugfahrzeugbreite erstreckt, senkrecht auf den beiden erstgenannten Achsen steht. Dem Anhängerfahrzeug 4 ist ein zweites Koordinatensystem zugeordnet, dessen Ursprung sich auf der Längsmittelachse X_A des Anhängerfahrzeugs 4 befindet, dessen nicht dargestellte Z_A-Achse senkrecht darauf steht, und dessen Querachse Y_A, über die sich die Anhängerbreite erstreckt, senkrecht auf den beiden erstgenannten Achsen des Anhängerfahrzeugs 4 steht.
Mit Hilfe des hier beanspruchten Steuerungsverfahrens ist das Steuergerät 10 des Zugfahrzeugs 1 in der Lage, das Zugfahrzeug 1 beispielsweise aus der in 4 dargestellten Position mit äußerst wenigen Schritten beziehungsweise Rangiervorgängen an das Anhängerfahrzeug 4 derart heranzufahren, dass das Zugfahrzeug 1 unmittelbar vor dem koppelungsseitigen Ende des Anhängerfahrzeugs 4 zum so Stillstand kommt, dass die Längsmittelachse X_A des Anhängerfahrzeugs 4 und die Längsmittelachse X_Z des Zugfahrzeugs 1 koaxial zueinander ausgerichtet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es ebenfalls, ein abgesenktes Zugfahrzeug 1 mit der beschriebenen Ausrichtung mit seiner Kupplungsplatte 14 derart unter der Sattelplatte 16 des Anhängerfahrzeugs 4 zu platzieren, dass nach einem aktuatorgesteuerten Vergrößern des Abstandes der Kupplungsplatte 14 von der Fahrbahn 19 die eingangs beschriebene Kopplung zwischen dem Zugfahrzeug 1 und dem Anhängerfahrzeug 4 direkt vollzogen werden kann.
Um dies zu erreichen, wird in der in 4 gezeigten Situation verfahrensgemäß mittels der Stereokamera 9; 9a, 9b der rückwärtige Umfeldbereich 29 des Zugfahrzeuges 1 erfasst und die ermittelten Bilddaten dem Steuergerät 10 zugesandt. In diesem werden die als zweidimensionale Bildpunktefelder vorliegenden Aufnahmen der beiden optischen Systeme 9a, 9b der Stereokamera 9 daraufhin untersucht, ob eine zusammenhängende Fläche 8 erkennbar ist, welche die in Vorwärtsfahrtrichtung weisende Stirnseite des Anhängerfahrzeuges 4 sein könnte. Im einfachsten Fall ist dies die in 3 erkennbare Rechteckfläche 8, welche zu dem Aufbau 6 des Anhängerfahrzeugs 4 gehört. Genauso gut könnte dies aber auch eine Stirnseite eines Containers sein.
Wenngleich größere Flächen zur Erkennung eines Anhängerfahrzeuges 4 günstiger sind, so ist es durchaus möglich, auch die in Vorwärtsfahrtrichtung weisende Stirnseite des Rahmens 5 eines unbeladenen Anhängerfahrzeugs 4 beziehungsweise eines Anhängerfahrzeugs ohne Rahmenaufbau und Plane zu identifizieren. Vorzugsweise sind in dem Steuergerät 10 frontseitige Geometrien von sehr viel verschiedenen beladenen und unbeladenen Anhängerfahrzeugtypen abgespeichert, so dass bei einer vergleichsweise geringen Entfernung zwischen dem Zugfahrzeug 1 und dem Anhängerfahrzeug 4 beziehungsweise bei einer sehr hohen optischen Auflösung der Stereokamera 9 die optisch erfasste Frontgeometrie eines Anhängerfahrzeugs 4 einem ganz bestimmten Anhängerfahrzeugtyp zugeordnet werden kann. Mit dieser Information ist vorzugsweise auch der im Steuergerät 10 abgespeicherte Abstand der Frontgeometrie eines Anhängerfahrzeugs 4 zu dessen Koppelvorrichtung auswählbar, welche nicht nur als Sattelplatte 16 mit Sattelzapfen 17 sondern auch als Deichselauge an einer Kupplungsdeichsel ausgebildet sein kann.
In dem Steuergerät 10 wird aus dem Abbild der optisch erfassten frontseitigen Fläche 8 des Anhängerfahrzeugs 4 deren geometrische Mitte 24 bestimmt. Diese geometrische Mitte 24 wird in dem Steuergerät 10 dann als ein Punkt auf der Längsmittelachse X_A des Anhängerfahrzeugs 4 festgelegt, auf der auch Sattelzapfen 17 angeordnet ist. Dessen Abstand von der frontseitigen Fläche 8 ist ja bereits ermittelt worden.
Aus den nun vorhandenen Daten kann das Steuergerät 10 eine sogenannte Versatzstrecke S berechnen, welche von dem Ort des Sattelzapfens 17 am Anhängerfahrzeug 4 bis dorthin reicht, wo diese Versatzstrecke S senkrecht auf die Querachse Y_Z des Zugfahrzeugs 1 trifft. Zusätzlich wird von dem Steuergerät 10 noch eine sogenannte Versatzbreite VB berechnet, welche von dem Auftreffpunkt der Versatzstrecke S auf die Querachse Y_Z des Zugfahrzeugs 1 bis zur Mitte 25 der Breite des Zugfahrzeugs 1 reicht. Diese Mitte 24 der Breite des Zugfahrzeugs 1 liegt natürlich auf der Längsmittelachse X_Z des Zugfahrzeugs 1, wie dies bereits erwähnt und in 4 veranschaulicht ist.
Außerdem berechnet das Steuergerät 10 aus den Bilddaten der Stereokamera 9 den Versatzwinkel α, welcher angibt, unter welchem Winkel die Längsachse X_A des Anhängerfahrzeugs 4 zu der Längsachse X_Z des Zugfahrzeugs 1 ausgerichtet ist.
Mit Hilfe der Versatzstrecke S, dem Versatzwinkel α und der Versatzbreite VB kann das Steuergerät 10 anschließend eine von mehreren möglichen und berechneten Fahrtrajektorien ermitteln, die von dem Zugfahrzeug 1 abgefahren werden muss beziehungsweise abgefahren werden müssen, um das Anhängerfahrzeug 4 mit möglichst geringen Fahrbewegungen und Lenkausschlägen unmittelbar vor das frontseitige Ende des Anhängerfahrzeugs 4 zu bringen, oder sogar um das Zugfahrzeug 1 mit seiner Kupplungsplatte 14 direkt unter die Sattelplatte 16 des Anhängerfahrzeugs 4 zu rangieren. Aus der Menge der möglichen Fahrtrajektorien wird demnach eine Fahrtrajektorie oder zwei Fahrtrajektorien ermittelt, und das Zugfahrzeug 1 wird dann entlang dieser Fahrtrajektorien zum Anhängerfahrzeug 4 gefahren.
Die 5a bis 5c und die 6a bis 6c zeigen für zwei unterschiedliche Ausgangssituationen, welche Fahrtrajektorien von einem Zugfahrzeug 1 genutzt werden, um mit möglichst wenig Lenkausschlägen und mit möglichst wenig Rangierfahrten an das Anhängerfahrzeug 4 anzukoppeln.
So zeigt 5a in einem ersten Beispiel das Zugfahrzeug 1 in einer ersten Ausgangssituation A, in welcher das Zugfahrzeug 1 sehr dicht und verhältnismäßig schräg vor dem anzukoppelnden Anhängerfahrzeug 4 steht. Eine in dieser Situation von dem Steuergerät 10 mit Hilfe der Stereokamera 9 durchgeführte Beobachtung und Analyse des rückwärtigen Umfeldbereiches 29 ergibt, dass das Zugfahrzeug 1 aus dieser Position nicht durch eine einfache Rückwärtsfahrt an das Anhängerfahrzeug 4 ankoppeln kann. Daher berechnet das Steuergerät 10 eine erste, gekrümmte Fahrtrajektorie 15, entlang der das Zugfahrzeug 1 ein Stück in Vorwärtsfahrtrichtung fährt, bis es eine erste Vorwärtsfahrt-Zwischenposition B auf dieser Fahrtrajektorie 15 erreicht hat. Das Steuergerät 10 hat die erste, gekrümmte Fahrtrajektorie 15 dabei derart bestimmt, dass die Vorwärtsfahrt-Zwischenposition B mit nur zwei unterschiedlichen Lenkwinkeleinstellungen der lenkbaren Fahrzeugräder 31 erreichbar ist. Jeder dieser beiden Lenkwinkel wird dabei während eines Streckenabschnitts von zwei Streckenabschnitten dieser ersten Fahrtrajektorie 15 konstant gehalten. Ein Umsteuern zwischen diesen beiden Lenkwinkeleinstellungen erfolgt gemäß 5a erkennbar zwischen der Ausgangsposition A und der ersten Vorwärtsfahrt-Zwischenposition B der ersten, gekrümmten Fahrtrajektorie 15.
5b zeigt das Zugfahrzeug 1 mit gestrichelter Linie gezeichnet auf der ersten, gekrümmten Fahrtrajektorie 15 an der ersten Vorwärtsfahrt-Zwischenposition B, und mit durchgezogener Linie gezeichnet an einer ersten Rückfahrt-Zwischenposition C einer geraden Rückwärtsfahrtrajektorie 28. Bei der ersten Vorwärtsfahrt-Zwischenposition B und/oder an der ersten Rückfahrt-Zwischenposition C ermittelt das Steuergerät 10 mittels der Stereokamera 9 erneut die Versatzstrecke S, dem Versatzwinkel α und der Versatzbreite VB zwischen dem Zugfahrzeug 1 und dem Anhängerfahrzeug 4. Im Ergebnis wird das Zugfahrzeug 1 wegen bereits vorliegender optimaler Ausrichtung auf der geraden Rückwärtsfahrtrajektorie 28 weiter rückwärts in Richtung zum Anhängerfahrzeug 4 gefahren. Bei dem in 5c gezeigten Beispiel ist das Zugfahrzeug 1, entsprechend abgesenkt, unter den frontseitigen Bereich des Anhängerfahrzeugs 4 gefahren, hat dort bei einer Rückwärtsfahrt-Endposition D den vorgesehenen Ankuppelort 30 erreicht und an das Anhängerfahrzeug 4 angekoppelt.
Bei dem in den 6a bis 6c dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich das Zugfahrzeug 1 in einer zweiten Ausgangsposition E, welche ausreichend weit von dem Anhängerfahrzeug 4 entfernt ist und zudem eine Ausrichtung aufweist, die ein Rückwärtsheranfahren an das Anhängerfahrzeug 4 zum Ankuppeln an dasselbe ermöglicht. Dies wurde zu Verfahrensbeginn von dem Steuergerät 10 aufgrund der von der Stereokamera 9 gelieferten Bildinformationen festgestellt. Daraufhin hat das Steuergerät 10 eine gekrümmte Rückwärtsfahrtrajektorie 21 ermittelt, welche das Zugfahrzeug 1 ebenfalls auf kürzestem Wege und mit nur zwei nacheinander folgenden und jeweils konstanten Lenkeinschlägen der lenkbaren Fahrzeugräder 31 mit seiner Kupplungsplatte 14 unmittelbar unter die Sattelplatte 16 des Anhängerfahrzeugs 4 bringt.
Ausgehend von der erwähnten zweiten Ausgangsposition E fährt das Zugfahrzeug 1 erkennbar mit nur zwei unterschiedlichen und jeweils konstanten Lenkwinkeln bis zu einer zweiten Rückwärtsfahrt-Zwischenposition F, bei der eine erneute Bestimmung der Versatzstrecke S, des Versatzwinkels α und der Versatzbreite VB zwischen dem Zugfahrzeug 1 und dem Anhängerfahrzeug 4 optional durchgeführt wird. Im Ergebnis wird das Zugfahrzeug 1 wegen einer bereits vorliegenden optimalen Ausrichtung auf der geraden Rückwärtsfahrtrajektorie 28 weiter rückwärts in Richtung zum Anhängerfahrzeug 4 gefahren. Bei dem in 6c gezeigten Beispiel ist das Zugfahrzeug 1, entsprechend abgesenkt, unter den frontseitigen Bereich des Anhängerfahrzeugs 4 gefahren, hat dort bei einer zweiten Rückwärtsfahrt-Endposition G den vorgesehenen Ankuppelort 30 erreicht und an das Anhängerfahrzeug 4 angekuppelt.
Bezugszeichenliste

1: Lastkraftwagen
2: Fahrzeugrahmen
3: Fahrzeugkabine
4: Anhängerfahrzeug, Trailer
5: Rahmen des Anhängerfahrzeuges
6: Aufbau des Anhängerfahrzeuges
7: Rückseite der Fahrzeugkabine
8: Vordere Stirnseite des Anhängerfahrzeuges; ermittelte Fläche
9: Stereokamera
9a: Erstes optisches System der Stereokamera
9b: Zweites optisches System der Stereokamera
10: Steuergerät
11: Funkempfänger
12: Funksender
13: Lenkaktuator
14: Koppelvorrichtung; Kuppelplatte des Zugfahrzeugs
15: Gekrümmte Vorwärtsfahrtrajektorie
16: Sattelplatte
17: Sattelzapfen
19: Fahrbahn
21: Gekrümmte Rückwärtsfahrtrajektorie
24: Mitte der Breite des Anhängerfahrzeugs; Ankoppelpunkt des Anhängerfahrzeugs
25: Mitte der Breite des Zugfahrzeugs
26: Erfassungsbereich des ersten optischen Systems
27: Erfassungsbereich des zweiten optischen Systems
28: Gerade Rückwärtsfahrtrajektorie
29: Umfeldbereich
30: Ankuppelort
31: Lenkbare Fahrzeugräder
A: Ausgangsposition des Zugfahrzeugs bei gekrümmter Vorwärtsfahrtrajektorie 15
B: Zwischenposition bei der gekrümmten Vorwärtsfahrtrajektorie 15
C: Rückwärtsfahrt-Zwischenposition bei gerader Rückwärtsfahrtrajektorie 28
D: Endposition mit Ankuppelvorgang
E: Ausgangsposition des Zugfahrzeugs bei gekrümmte Rückwärtsfahrtrajektorie 21
F: Rückfahrt-Zwischenposition der gekrümmten Rückwärtsfahrtrajektorie 21
G: Endposition mit Ankuppelvorgang
S: Versatzstrecke zwischen Zugfahrzeug und Anhängerfahrzeug
VB: Versatzbreite zwischen Zugfahrzeug und Anhängerfahrzeug
X_A: Längsmittelachse des Anhängerfahrzeugs
Y_A: Querachse des Anhängerfahrzeugs
X_Z: Längsmittelachse des Zugfahrzeugs
Y_Z: Querachse des Zugfahrzeugs
α: Versatzwinkel zwischen Zugfahrzeug und Anhängerfahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006057610 A1 [0002]
DE 102014012330 A1 [0002]
DE 102014110498 A1 [0002]
EP 1740400 B1 [0002]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Zugfahrzeugs (1) bei dessen Heranfahren und Ankuppeln an ein Anhängerfahrzeug (4), wobei das Zugfahrzeug (1) ein Steuergerät (10) aufweist, welches mit Aktuatoren (13) zur Betätigung der Lenkung des Zugfahrzeugs (1) sowie mit einer Kamera (9) verbunden ist, und bei dem die Kamera (9) zur Erfassung eines in Rückwärtsfahrtrichtung liegenden Umfeldbereiches (29) ausgerichtet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Aufstellen des Zugfahrzeugs (1) mit Abstand vor dem anzukuppelnden Anhängerfahrzeug (4). b) Erfassen des rückwärtigen Umfeldbereiches (29) hinter dem Zugfahrzeug (1) mittels der als Stereokamera (9) ausgebildeten Kamera. c) Auswerten der von der Stereokamera (9) erzeugten Bildinformationen über den rückwärtigen Umfeldbereich (29) in dem Steuergerät (10) hinsichtlich einer Versatzstrecke (S) zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhängerfahrzeug (4) sowie hinsichtlich eines Versatzwinkels (α), welcher den Versatz der Längsmittelachse (X_Z) des Zugfahrzeugs (1) zu der Längsmittelachse (X_A) des Anhängerfahrzeuges (4) beschreibt. d) Berechnen von wenigstens einer Fahrtrajektorie (15, 21, 28) in dem Steuergerät (10), mittels der das Zugfahrzeug (1) autonom zu einem Ankuppelort (30) fahrbar ist, an welchem das Zugfahrzeug (1) mit dem Anhängerfahrzeug (4) kuppelbar ist. e) Autonomes Heranfahren des Zugfahrzeugs (1) an das Anhängerfahrzeug (4) gemäß wenigstens einer der Fahrtrajektorien (15, 21, 28). f) Ankuppeln des Zugfahrzeugs (1) an das Anhängerfahrzeug (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Zugfahrzeug (1) zu dicht und/oder unter einem zu großen Versatzwinkel (α) vor dem Anhängerfahrzeug (4) steht, sich das Zugfahrzeug (1) zuerst entlang einer erste, gekrümmten Vorwärtsfahrtrajektorie (15) von dem Anhängerfahrzeug (4) entfernt, dass anschließend eine Versatzbreite (VB) zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhängerfahrzeug (2) sowie der Versatzwinkel (α) bestimmt werden, mit denen eine gerade Rückwärtsfahrtrajektorie (28) berechnet wird, und dass das Zugfahrzeug (1) schließlich entlang der geraden Rückwärtsfahrtrajektorie (28) rückwärts an das Anhängerfahrzeug (4) herangefahren sowie an dieses angekuppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Zugfahrzeug (1) ausreichend weit vor dem Anhängerfahrzeug (4) steht, eine Versatzbreite (VB) zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhängerfahrzeug (4) sowie der Versatzwinkel (α) bestimmt werden, dass dann, wenn der Versatzwinkel (α) in einem vorbestimmten Winkelbereich liegt, eine gekrümmte Rückwärtsfahrtrajektorie (21) berechnet wird, und dass abschließend das Zugfahrzeug (1) entlang der gekrümmten Rückwärtsfahrtrajektorie (21) rückwärts an das Anhängerfahrzeug (4) heranfährt sowie an dieses ankuppelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei denjenigen Fahrtrajektorien (15, 21), welche einen gekrümmten Verlauf aufweisen, die Fahrt des Zugfahrzeugs (1) mit nur zwei unterschiedlichen, aufeinander folgenden und jeweils konstant gehaltenen Lenkwinkeleinschlägen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Versatzbreite (VB) sowie des Versatzwinkels (α) zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhängerfahrzeug (4) aus den von der Stereokamera (9) bereitgestellten Bilddaten durchgeführt wird, welche zwei einzelne optische Systeme (9a, 9b) aufweist, die in einem Anstand zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Versatzwinkels (α) zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhängerfahrzeug (4) mittels des Steuergeräts (10) in dem von der Stereokamera (9) erfassten Umfeldbereich (29) eine in Fahrtrichtung des Anhängerfahrzeugs (4) weisende Fläche (8) ermittelt wird, dass anschließend die geometrische Mitte (18) der Breite dieser Fläche (8) bestimmt wird, dass diese Mitte (18) der Breite dieser Fläche (8) der Mittellängsachse (X_A) des Anhängerfahrzeugs (4) zugeordnet wird, dass sodann der Wert der Mitte (25) der Breite des Zugfahrzeugs (1) aus einem Speicher des Steuergeräts (10) entnommen wird, wobei durch diese Mitte (25) der Breite des Zugfahrzeugs (1) die Mittellängsachse (X_Z) des Zugfahrzeugs (1) verläuft, und dass dann aus dem Versatz der Mittellängsachse (X_Z) des Zugfahrzeugs (1) zu der Mittellängsachse (X_A) des Anhängerfahrzeugs (4) der Versatzwinkels (α) in dem Steuergerät (10) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Versatzstrecke (S) zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhängerfahrzeug (4) aus der Geometrie der ermittelten, in Vorwärtsfahrtrichtung weisenden stirnseitigen Fläche (8) des Anhängerfahrzeugs (4) oder aufgrund von abgespeicherten oder in das Steuergerät (10) eingegebenen Daten bestimmt wird, ob das Anhängerfahrzeug (4) ein Sattelanhänger oder ein Deichselanhänger ist, dass dann für diesen Anhängertyp der Abstand zwischen der stirnseitigen Fläche (8) des Anhängerfahrzeugs (4) und dem Ankoppelpunkt (24) desselben bestimmt wird, und dass die Versatzstrecke (S) zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhängerfahrzeug (4) durch diejenige Gerade bestimmt wird, welche am Ankoppelpunkt (24) des Anhängerfahrzeugs (4) beginnt und senkrecht auf die Querachse (Y_Z) des Zugfahrzeugs (1) trifft, wobei diese Querachse (Y_Z) des Zugfahrzeugs (1) senkrecht auf der Längsmittelachse (X_Z) des Zugfahrzeugs (1) steht.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des einzustellenden Lenkwinkels für die lenkbare Fahrzeugräder (31) des Zugfahrzeugs (1) eine Versatzbreite (VB) zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhängerfahrzeug (4) ermittelt und genutzt wird, welche von dem Auftreffpunkt der Linie der Versatzstrecke (S) auf die Querachse (Y_Z) des Zugfahrzeugs (1) bis zur Mitte (25) der Breite des Zugfahrzeugs (1) reicht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) zusätzlich ständig die aktuelle Position und räumliche Orientierung des Zugfahrzeugs (1) ermittelt, und dass auf der Grundlage dieser Informationen die einmal erfasste, in Fahrtrichtung weisende Fläche (8) des Anhängerfahrzeugs (4) von dem Steuergerät (10) in den von der Stereokamera (9) gelieferten Bildinformationen verfolgt und bei Bedarf nach Austreten dieser Fläche (8) aus dem Gesichtsfeld der Stereokamera (9) wiedergefunden wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) die von der Stereokamera (9) gelieferten Bildinformationen auf das Vorhandensein von Hindernissen zwischen dem Zugfahrzeug (1) und dem Anhängerfahrzeug (4) überprüft sowie bei Vorhandensein eines solches Hindernisses die Rückwärtsfahrt des Zugfahrzeuges (1) zum Anhängerfahrzeug (4) beendet.
Zugfahrzeug (1) zum Betreiben eines Verfahrens gemäß den Merkmalen von wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend lenkbare Fahrzeugräder (31), Aktuatoren (13) zur Lenkung der lenkbaren Fahrzeugräder (31), ein Steuergerät (10), welches mit den Aktuatoren (13) signaltechnisch verbunden ist, einen Fahrzeugrahmen (2) mit einer Koppelvorrichtung (14) zum Ankoppeln eines Anhängerfahrzeugs (4), sowie mit einer Stereokamera (9), deren Blickfeld in Rückwärtsfahrtrichtung ausgerichtet ist.