DE102016207049A1

DE102016207049A1 - Methode zur Trajektorienplanung für das automatisierte Fahren

Info

Publication number: DE102016207049A1
Application number: DE102016207049.5A
Authority: DE
Inventors: Zhenfu Chen
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-27
Also published as: DE102016207049B4

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Berechnung einer Zieltrajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs angegeben. Das Verfahren weist die Schritte der Bestimmung einer Soll-Trajektorie des Fahrzeugs und der Berechnung einer Korrektur eines Fahrzeugzustandes auf, sowie darauffolgend den Schritt der Bestimmung der Zieltrajektorie durch Addition der berechneten Korrektur unter Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs zu der zuvor ermittelten Soll-Trajektorie. In einem weiteren Verfahrensschritt kann das Anpassen des aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der bestimmten Zieltrajektorie erfolgen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Trajektorienplanung für das automatisierte Fahren eines Fahrzeuges, insbesondere eines Straßenfahrzeuges. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Berechnung einer Zieltrajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs, ein Programmelement, mittels dessen die Ausführung eines Verfahrens zur Berechnung einer Zieltrajektorie ermöglicht wird, ein computerlesbares Medium, eine Vorrichtung zur Berechnung einer Trajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs, sowie ein Fahrzeug mit einer entsprechenden Vorrichtung.
Technologischer Hintergrund
Beim Fahren eines Straßenfahrzeuges wird jeder feste Punkt im Fahrzeug eine dreidimensionale Kurve im Raum hinterlassen. Von besonderer Bedeutung für die Beschreibung der Fahrdynamik eines Fahrzeugs sind insbesondere der Fahrzeugschwerpunkt, der Mittelpunkt der Vorderachse und der Mittelpunkt der Hinterachse. Die drei vorgenannten Punkte zeichnen bei Bewegung des Fahrzeuges auf beispielsweise einer Straße drei kontinuierliche Raumkurven. Durch die vertikale Projektion jeder dieser drei kontinuierlichen Raumkurven auf die Fahrbahnebene ergeben sich drei kontinuierliche Kurven auf der Fahrbahnebene. Diese drei Kurven in der Fahrbahnebene können als drei Trajektorien bezeichnet werden, wobei im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung der Begriff Trajektorie stets auf eine oder mehrere der drei vorgenannten kontinuierlichen Kurven in der Fahrbahnebene bezogen sein soll. Bei manuell gesteuerten Fahrzeugen bzw. während der manuell gesteuerten Fahrt eines Fahrzeugs durch einen Fahrzeugbenutzer ergeben sich die vorgenannten Trajektorien automatisch. Beim automatisierten Fahren des Fahrzeugs wird eine Soll-Trajektorie ermittelt, beispielsweise durch die Recheneinheit eines für das automatisierte Fahren ausgelegten Fahrzeugs, und der für das automatisierte Fahren bzw. Steuern des Fahrzeuges zuständige Regler versucht daraufhin, einen vordefinierten Punkt, der zum Beispiel mit dem Schwerpunkt, dem Mittelpunkt der Vorderachse oder dem Mittelpunkt der Hinterachse assoziiert sein kann, soweit wie möglich entlang der Soll-Trajektorie zu führen. Trajektorien für die automatisierte Fahrzeugführung können somit als Sollkurven auf der Fahrbahn für die Projektion eines vordefinierten festen Punktes im Fahrzeug angesehen werden. Der entsprechende Punkt im Fahrzeug sollte sich bei automatischer Fahrt des Fahrzeugs direkt über den in der Fahrbahnebene liegenden, ermittelten Sollkurven bzw. Soll-Trajektorien bewegen.
Häufig treten bei der Fahrt eines Fahrzeugs Situationen auf, bei denen die Fahrzeugposition und damit auch die für die Beschreibung der Fahrdynamik wesentlichen Fahrzeugpunkte, wie beispielsweise der Schwerpunkt des Fahrzeugs, der Mittelpunkt der Vorderachse sowie der Mittelpunkt der Hinterachse, von einer Soll-Position des Fahrzeuges abweicht. Als Soll-Position des Fahrzeugs ist im Zusammenhang der Erfindung eine Position zu verstehen, die mit einer Soll-Trajektorie des Fahrzeugs assoziiert ist. Das heißt, in einer Soll-Position des Fahrzeugs befinden sich die Projektionen von Fahrzeugpunkten, vertikal projiziert auf die Fahrbahnebene, auf den für das automatisierte Fahren ermittelten korrespondierenden Soll-Trajektorien. Weicht die aktuelle Fahrzeugposition von einer Soll-Fahrzeugposition ab, so ist das Fahrzeug im Folgenden bei automatisierter Fahrt derart zu steuern, dass seine Fahrzeugposition bzw. Ausrichtung und Bewegung wieder mit der Soll-Position, Ausrichtung bzw. Bewegung übereinstimmt. Zu diesem Zweck ist die Berechnung einer Zieltrajektorie im Zusammenhang der automatischen Fahrt eines Fahrzeugs vonnöten, mittels derer sich die Abweichungen zwischen der aktuellen tatsächlichen Fahrzeugposition und einer Soll-Fahrzeugposition, die mit einer Soll-Trajektorie assoziiert ist, korrigieren lassen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, ein verbessertes Verfahren zur Berechnung einer Zieltrajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs anzugeben. Dabei soll die Zieltrajektorie zur Korrektur von Abweichungen zwischen einer aktuellen Fahrzeugposition und einer Soll-Fahrzeugposition dienen.
Die Aufgabe der Erfindung wird mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Vorteile und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es sind ein Verfahren zur Berechnung einer Zieltrajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs, ein Programmelement, ein computerlesbares Medium, eine Vorrichtung zur Berechnung einer Trajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs, sowie ein Fahrzeug mit einer vorgenannten Vorrichtung angegeben.
Die vorgenannten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen gleichermaßen das Verfahren, ein korrespondierendes Programmelement, ein korrespondierendes computerlesbares Medium, eine korrespondierende Vorrichtung zur Berechnung einer Trajektorie sowie ein Fahrzeug mit einer vorgenannten Vorrichtung. Mit anderen Worten können Merkmale, die im Folgenden in Bezug auf das Verfahren beschrieben werden, ebenso als Ausführungsbeispiele bzw. Merkmale des Programmelementes, des computerlesbaren Mediums, der Vorrichtung, oder des Fahrzeugs angesehen werden, und umgekehrt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zur Berechnung einer Zieltrajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs angegeben. Das Verfahren weist dabei zumindest die folgenden Schritte auf. Den Schritt des Bestimmens einer Soll-Trajektorie des Fahrzeugs sowie darauffolgend die Berechnung einer Korrektur eines aktuellen Fahrzeugzustandes. Darauf folgt die Bestimmung der Zieltrajektorie durch Addition der im vorhergehenden Schritt berechneten Korrektur zu der im ersten Schritt ermittelten Soll-Trajektorie des Fahrzeugs. Anschließend erfolgt ein Anpassen der aktuellen Fahrzeugposition bzw. des aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der zuvor ermittelten Zieltrajektorie.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert der Schritt der Berechnung einer Korrektur eines aktuellen Fahrzeugzustandes auf der Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs.
Es ist auch möglich, dass die vorgenannten Verfahrensschritte in einer anderen als der zuvor angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. So kann beispielsweise zunächst die Berechnung einer Korrektur eines aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs erfolgen, und anschließend die Bestimmung einer Soll-Trajektorie des Fahrzeugs.
Das Verfahren kann zum Beispiel in einem Fahrerassistenzsystem durchgeführt werden.
Das vorgenannte Verfahren kann dazu dienen, beispielsweise auf einer mehrspurigen Fahrbahn, den Wechsel von beispielsweise der rechten Fahrspur auf die mittlere bzw. linke Fahrspur durchzuführen. In diesem Fall würde die Soll-Trajektorie mit einer Trajektorie auf der mittleren bzw. linken Fahrbahn übereinstimmen, und die Zieltrajektorie würde einer Trajektorie entsprechen, durch die das Fahrzeug von einer Position auf der rechten Fahrspur zu einer mit der Soll-Trajektorie assoziierten Position auf der mittleren bzw. linken Fahrspur geführt wird. Die Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs im Zusammenhang der Berechnung der Korrektur des Fahrzeugzustandes bedeutet, dass in diesem Unterschritt der Berechnung zwischenzeitlich angenommen wird, dass die Soll-Trajektorie mit einem geraden, das heißt krümmungslosen Fahrbahnverlauf assoziiert ist. Es wird in diesem Zwischenschritt also angenommen, dass das Fahrzeug von der aktuellen Fahrzeugposition auf eine Referenz-Trajektorie, welche mit einem geraden Referenz-Fahrbahnverlauf assoziiert ist, überführt werden soll. Die tatsächliche Soll-Trajektorie selbst muss dabei nicht mit dem geraden, ungekrümmten Referenz-Fahrbahnverlauf assoziiert sein. Die tatsächliche Zieltrajektorie soll vielmehr durch die Addition der berechneten Korrektur in Bezug auf einen geraden Referenz-Fahrbahnverlauf zu der unter Umständen mit einem gekrümmten Fahrbahnverlauf assoziierten Soll-Trajektorie ermittelt werden. Die Soll-Trajektorie kann demnach aufgefasst werden als eine in Bezug auf einen geraden Referenz-Fahrbahnverlauf berechnete Trajektorie entlang der tatsächlichen Fahrbahn. Im Rahmen der automatisierten Fahrt eines Fahrzeugs kann anschließend durch einen Regler der aktuelle Fahrzeugzustand basierend auf der zuvor ermittelten Zieltrajektorie angepasst werden.
Das vorstehend und im Folgenden beschriebene Verfahren dient dazu, das komplexe Problem der Berechnung einer Zieltrajektorie zur automatisierten Fahrt eines Fahrzeuges in zumindest zwei Teilschritte zu zerlegen. In einem Teilschritt wird die Soll-Trajektorie des Fahrzeugs ermittelt und aufgefasst als diejenige Trajektorie, die eine Korrektur ausgehend von einem geraden Referenz-Fahrbahnverlauf darstellt. Dies ist offenbar insbesondere für den Fall eines gekrümmten Fahrbahnverlaufes relevant. Bei geradem Fahrbahnverlauf kann die Soll-Trajektorie mit der Trajektorie bei geradem Referenz-Fahrbahnverlauf übereinstimmen. Die Schwierigkeit der Korrektur des aktuellen Fahrzeugzustandes mittels einer Zieltrajektorie reduziert sich damit im nächsten Teilschritt auf die Bestimmung der Korrektur des aktuellen Fahrzeugzustandes in Bezug auf eine Trajektorie bei geradem Fahrbahnverlauf, d.h. in Bezug auf den geraden Referenz-Fahrbahnverlauf. Schließlich ist die Gesamtkorrektur des Fahrzeugzustandes, aus der sich die Zieltrajektorie des Fahrzeugs ergibt, durch die Addition der berechneten Korrektur in Bezug auf einen geraden Referenz-Fahrbahnverlauf zu der ermittelten Soll-Trajektorie gegeben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Soll-Trajektorie einen Soll-Anfangszustand des Fahrzeugs sowie einen Soll-Endzustand des Fahrzeugs auf. Weiterhin weist die Berechnung der Korrektur des aktuellen Fahrzeugzustandes den Schritt des Bestimmens von Abweichungen zwischen dem aktuellen Fahrzeugzustand und dem Soll-Anfangszustand auf.
In dem zuvor bereits angesprochenen Beispiel eines Fahrspurwechsels im Rahmen der automatisierten Fahrt eines Fahrzeuges von einer rechten auf eine mittlere bzw. linke Fahrspur entspricht die Soll-Trajektorie, wie zuvor bereits bemerkt, beispielsweise einer mit der Fahrt auf der mittleren bzw. linken Fahrspur assoziierten Trajektorie. Entsprechend ist der mit der Soll-Trajektorie assoziierte Soll-Anfangszustand des Fahrzeugs ebenso wie der mit der Soll-Trajektorie assoziierte Soll-Endzustand des Fahrzeugs assoziiert mit einem Punkt auf der Soll-Trajektorie. Demgegenüber ist der aktuelle Fahrzeugzustand bei diesem Beispiel mit einer Fahrzeugposition auf der rechten Fahrspur der mehrspurigen Fahrbahn assoziiert. Um eine Zieltrajektorie, mittels derer das Fahrzeug von der rechten Fahrspur auf die mittlere bzw. linke Fahrspur geführt werden kann, zu berechnen, wird zweckmäßigerweise die Abweichung zwischen dem aktuellen Fahrzeugzustand und dem Soll-Anfangszustand auf der Soll-Trajektorie ermittelt. Der aktuelle Fahrzeugzustand wird damit als Anfangszustand auf der Zieltrajektorie angesehen, mittels derer das Fahrzeug auf die Soll-Trajektorie überführt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Abweichung zwischen dem aktuellen Fahrzeugzustand und dem Fahrzeugzustand auf der Soll-Trajektorie in einer Abweichung der Kurvenkrümmung zwischen der aktuellen Trajektorie und der Soll-Trajektorie, einer Abweichung des Kurswinkels des Fahrzeugs und/oder einer seitlichen Abweichung des Fahrzeugs.
Im Folgenden werden die Begriffe Kurvenkrümmung und Krümmung synonym verwendet.
Unter einer seitlichen Abweichung des Fahrzeugs ist dabei der laterale Versatz zwischen einer Soll-Position des Fahrzeugs und der tatsächlichen Fahrzeugposition zu verstehen. Ein Beispiel dafür ist der 2 zu entnehmen und wird im Zusammenhang dieser Figur näher diskutiert. Der Kurswinkel des Fahrzeugs ist definiert als der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor eines Fahrzeugpunktes (wie beispielsweise dem Schwerpunkt des Fahrzeugs, dem Mittelpunkt der Vorderachse sowie dem Mittelpunkt der Hinterachse) und der X- Achse in einem festgelegten raumfesten Koordinatensystem. Bei kleiner Geschwindigkeit oder Geradeausfahrt entspricht der Kurswinkel der Orientierung der Fahrzeuglängsachse. Unter einer Abweichung des Kurswinkels des Fahrzeugs in einem aktuellen Fahrzeugzustand von dem Fahrzeugzustand auf der Soll-Trajektorie ist dann die Abweichung zwischen dem tatsächlichen Kurswinkel und dem Kurswinkel, den das Fahrzeug in einer korrespondierenden Position auf der Soll-Trajektorie aufweisen würde, zu verstehen. Unter der Krümmung einer Trajektorie kann der Kehrwert des aktuellen Kurvenradius angesehen werden. Unter der Abweichung der Krümmung bzw. der Krümmungsabweichung ist damit in der vorliegenden Erfindung die Abweichung zwischen der Krümmung der aktuellen Trajektorie und der Krümmung der Soll-Trajektorie zu verstehen. Beispiele für die vorgenannten Abweichungen werden im Zusammenhang beispielsweise der 2, sowie der 5, 6 und 7 diskutiert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beruht das Anpassen des aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der bestimmten Zieltrajektorie in einem Anpassen der Abweichung der Krümmung der tatsächlichen Trajektorie, einem Anpassen der Abweichung des Kurswinkels des Fahrzeugs und/oder dem Anpassen der seitlichen Abweichung des Fahrzeuges. Beispiele dazu werden im Zusammenhang der 5, 6 und 7 näher diskutiert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Korrektur der Abweichung der Krümmung basierend auf der Vorgabe einer linearen Abnahme der Abweichung der Krümmung berechnet.
Dies bedeutet, dass die Ist-Krümmung, d.h. die Krümmung der mit einem bestimmten betrachteten Fahrzeugpunkt assoziierten tatsächlichen Trajektorie an die Krümmung der Soll-Trajektorie angenähert wird, und zwar derart, dass die Abweichung der Krümmung der aktuellen Trajektorie entlang der Zieltrajektorie zur Soll-Trajektorie nicht zunimmt.
Ein Beispiel für einen linearen Kurvenverlauf bei Korrektur der Krümmungsabweichung kann beispielsweise der 5 entnommen werden. Am Anfangspunkt A hat die tatsächliche Trajektorie des Fahrzeugs eine Anfangskrümmung von κ_A = 1/R_A, wobei R_A den Krümmungsradius der tatsächlichen Trajektorie im Anfangspunkt A bezeichnet. Die Sollkrümmung, d.h. die Krümmung der Soll-Trajektorie ist dagegen gleich 0. Am Punkt C₁ ist die Ist-Krümmung d.h. die tatsächliche Krümmung der Trajektorie, entlang derer das Fahrzeug im Rahmen der automatisierten Fahrt geführt wird, durch die Korrektur der Krümmungsabweichung ebenfalls auf 0 linear reduziert. Weitere Details hierzu werden im Kontext der detaillierten Figurenbeschreibung erläutert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Korrektur der Abweichung des Kurswinkels des Fahrzeugs basierend auf der Vorgabe eines achssymmetrischen Kurvenverlaufs berechnet.
Ein Beispiel für einen achssymmetrischen Kurvenverlauf bei Korrektur der Abweichung des Kurswinkels des Fahrzeugs kann beispielsweise der 6 entnommen werden. Weitere Details hierzu werden im Kontext der detaillierten Figurenbeschreibung erläutert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Korrektur der seitlichen Abweichung des Fahrzeugs basierend auf der Vorgabe eines punktsymmetrischen Kurvenverlaufs ermittelt.
Ein Beispiel für einen punktsymmetrischen Kurvenverlauf, das heißt einen punktsymmetrischen Verlauf einer berechneten Zieltrajektorie, ist beispielsweise in 7 dargestellt. Weitere Details hierzu werden im Kontext der detaillierten Figurenbeschreibung erläutert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind sowohl die Soll-Trajektorie als auch die Ziel-Trajektorie zusammengesetzt aus einer Geraden und/oder einem Kreisbogen und/oder einer Klothoiden.
Soll- und Ziel-Trajektorie können auch jeweils aus einer Mehrzahl eines oder mehrerer der zuvor genannten Element, Gerade, Kreisbogen, Klothoide, zusammengesetzt sein.
Gerade, Kreisbogen und Klothoide stellen dabei diejenigen Kurvenelemente dar, mittels derer tatsächliche Fahrbahnen geplant und ausgeführt/gebaut werden. Damit ist es insbesondere zweckmäßig, diese Elemente, Gerade, Kreisbogen und Klothoide im Rahmen der Berechnung von Soll- und Zieltrajektorien im Zusammenhang der automatisierten Fahrt eines Fahrzeugs zu verwenden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung derartiger Kurvenelemente besteht darin, dass Soll- und Zieltrajektorie in diesem Fall ein sicheres, glattes, einfach realisierbares sowie menschenähnliches Fahrverhalten aufweisen. Unter einem menschenähnlichen Fahrverhalten ist dabei dasjenige Fahrverhalten zu verstehen, das dem Fahrverhalten bei manueller Steuerung eines Fahrzeugs durch einen Nutzer nahekommt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Programmelement angegeben, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die folgenden Schritte durchzuführen: Zunächst die Bestimmung einer Soll-Trajektorie des Fahrzeuges. Darauffolgend die Berechnung einer Korrektur eines aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs. Schließlich die Bestimmung einer Zieltrajektorie durch Addition der berechneten Korrektur aus dem vorhergehenden Schritt zu der zuvor ermittelten Soll-Trajektorie. Abschließend soll die Berechnung von Daten zur Anpassung des Fahrzeugzustandes an die Zieltrajektorie erfolgen.
Weitere Ausführungsbeispiele für Schritte, die ein Programmelement, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleiten kann, auszuführen, sind in den zuvor aufgeführten, im Zusammenhang des Verfahrens diskutierten Schritten zu sehen. Mittels der berechneten Daten zur Anpassung des Fahrzeugzustandes an die Zieltrajektorie kann ein Regler schließlich die Anpassung des Fahrzeugzustandes an die Zieltrajektorie durchführen. Mittels der Zieltrajektorie kann das Fahrzeug schließlich auf die Soll-Trajektorie geführt werden.
Das Programmelement kann Teil eines Computer-Programms sein, es kann jedoch auch ein für sich genommen vollständiges Programm sein. Beispielsweise kann das Programmelement dazu genutzt werden, ein Update eines bereits existierenden Computer-Programs durchzuführen, um zu der vorliegenden Erfindung zu gelangen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein computerlesbares Medium angegeben, auf dem ein Programmelement gespeichert ist, welches die im zuvor genannten Ausführungsbeispiel aufgeführten Eigenschaften aufweist.
Das computerlesbare Medium kann als ein Speichermedium angesehen werden, so wie beispielsweise ein USB-Stick, eine CD, eine DVD, ein Datenspeichergerät, eine Festplatte, oder jedes andere Medium, auf dem ein vorgehend beschriebenes Programmelement gespeichert werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Berechnung einer Trajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs angegeben. Dabei weist die Vorrichtung eine Recheneinheit auf, wobei diese Recheneinheit dazu ausgeführt ist, eine Soll-Trajektorie des Fahrzeugs zu bestimmen. Weiterhin ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, eine Korrektur eines aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs zu ermitteln. Schließlich ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, eine Zieltrajektorie durch Addition der berechneten Korrektur zu der Soll-Trajektorie zu bestimmen. Weiterhin ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, Daten zur Anpassung des Fahrzeugzustandes an die Zieltrajektorie zu berechnen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Fahrzeug angegeben, das eine vorbeschriebene Vorrichtung zur Berechnung einer Trajektorie zur automatischen Fahrt des Fahrzeugs aufweist. Eine Recheneinheit der Vorrichtung innerhalb des Fahrzeuges kann dabei dazu ausgeführt sein, die im Zusammenhang von vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargelegten Verfahrensschritte durchzuführen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird im Folgenden unter Verweis auf die beigefügten Figuren anhand schematischer Darstellungen bevorzugter Ausführungsbeispiele noch einmal näher erläutert. Hieraus ergeben sich auch weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung.
1 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung einer zweispurigen Fahrbahn mit eingezeichneter Soll- sowie Zieltrajektorie.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweispurigen Fahrbahn mit Soll-Trajektorie sowie Soll-Anfangszustand und aktuellem Fahrzeugzustand.
3 zeigt eine Soll-Trajektorie bei geradem Fahrbahnverlauf sowie eine Zieltrajektorie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt eine Soll-Trajektorie korrespondierend zu einem gekrümmten Fahrbahnverlauf sowie eine Zieltrajektorie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt eine Zieltrajektorie zur Korrektur der Abweichung der Krümmung basierend auf der Vorgabe einer linearen Abweichungsabnahme gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 zeigt eine Zieltrajektorie zur Korrektur der Abweichung des Kurswinkels eines Fahrzeugs basierend auf der Vorgabe eines achssymmetrischen Kurvenverlaufs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 zeigt eine Zieltrajektorie zur Korrektur der seitlichen Abweichung eines Fahrzeugs basierend auf der Vorgabe eines punktsymmetrischen Kurvenverlaufs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 zeigt die Schritte eines Verfahrens zur Berechnung einer Zieltrajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In den Figurenbeschreibungen werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
1 zeigt schematisch eine zweispurige Fahrbahn 1, auf der sich ein Fahrzeug zunächst auf der rechten Fahrspur befindet, und im Rahmen einer automatisierten Fahrt in einen Zustand auf der linken Fahrspur überführt werden soll. Weiterhin gezeigt in 1 ist ein Soll-Anfangszustand A’ sowie ein aktueller Fahrzeugzustand A. Der Soll-Anfangszustand A’ befindet sich auf einer Soll-Trajektorie 20. Diese Soll-Trajektorie beschreibt den Verlauf eines auf die Fahrbahn 1 projizierten Punktes des Fahrzeuges. Dieser Punkt des Fahrzeuges befindet sich im Soll-Anfangszustand gerade an der Position A’. Die tatsächliche Position des Fahrzeugpunktes weicht von der Soll-Position, die mit der Soll-Trajektorie 20 assoziiert ist bzw. auf der Soll-Trajektorie liegt, ab. Die tatsächliche Projektion des Fahrzeugpunktes fällt im Anfangszustand tatsächlich mit dem Punkt A zusammen. Im Rahmen eines Verfahrens zur Berechnung einer Trajektorie zur automatisierten Fahrt eines Fahrzeuges gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun eine Zieltrajektorie 21 ermittelt werden, entlang derer die Projektion des Fahrzeugpunktes von der aktuellen Position A zu einer Zielposition E auf der Soll-Trajektorie geführt wird.
2 zeigt ein weiteres schematisch dargestelltes Beispiel für eine zweispurige Fahrbahn mit einer Soll-Trajektorie 20. Entlang dieser Soll-Trajektorie 20 soll ein Fahrzeug im Rahmen einer automatischen Fahrt dieses Fahrzeuges geführt werden. Eine Soll-Anfangsposition 30 ist in 2 gezeigt, die sich auf der Soll-Trajektorie 20 des Fahrzeugs befindet. In einem lateralen Abstand zu der Soll-Anfangsposition bzw. dem Soll-Anfangszustand des Fahrzeugs ist die tatsächliche Fahrzeugposition bzw. der tatsächliche Fahrzeugzustand 31 gezeigt. Der Schwerpunkt bzw. die Projektion des Schwerpunktes des Fahrzeugs im Soll-Anfangszustand besitzt einen lateralen Abstand d von dem tatsächlichen Fahrzeugschwerpunkt bzw. der Projektion desselben in der tatsächlichen Fahrzeugposition 31. Der Winkel zwischen der Tangente an die Soll-Trajektorie 20 im Soll-Anfangszustand 30 und der lateralen Abstandsstrecke d ist dabei durch 90° gegeben. Weiterhin in der 2 gezeigt ist eine Abweichung des Kurswinkels der Fahrzeugposition 31 gegenüber der Soll-Anfangsposition 30 um einen Winkel φ. Der Abweichungswinkel φ ergibt sich als Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeugschwerpunktes im tatsächlichen Fahrzeugzustand und der Tangente an die Soll-Trajektorie 20 in der Position 30. Nicht in der 2 dargestellt sind die, unter Umständen unterschiedlichen, Krümmungen, d.h. die Krümmung der Soll-Trajektorie 20 in der Position 30 und die Ist-Krümmung im aktuellen Fahrzeugzustand 31.
3 zeigt ein Beispiel für eine Soll-Trajektorie 200 bei geradem Fahrbahnverlauf. Weiterhin dargestellt ist der Soll-Anfangszustand 300 für die Soll-Trajektorie 200. Der korrespondierende tatsächliche Fahrzeuganfangszustand 310 befindet sich auf der Zieltrajektorie 210, mittels derer das Fahrzeug von dem aktuellen Fahrzeugzustand 310 in einen Zustand auf der Soll-Trajektorie 200 geführt werden kann.
4 zeigt ein Beispiel einer Zieltrajektorie 201, die einem gekrümmten tatsächlichen Fahrbahnverlauf entspricht. Weiterhin dargestellt ist eine Zieltrajektorie 211, mittels derer ein Fahrzeug von einer aktuellen, mit der Zieltrajektorie assoziierten Fahrzeugposition auf die Soll-Trajektorie 201 überführt werden kann.
Zur Berechnung einer, beispielsweise in 4 dargestellten, Zieltrajektorie 211, bei, wie weiterhin in 4 dargestellt, einer Soll-Trajektorie 201, die zu einem gekrümmten Fahrbahnverlauf korrespondiert, schlägt die vorliegende Erfindung vor, das Problem dadurch zu vereinfachen, dass zunächst der Verlauf der Soll-Trajektorie in Bezug auf einen geraden Referenz-Fahrbahnverlauf bestimmt wird. Sobald dieser Verlauf bekannt ist, soll die Korrektur der Abweichung zwischen dem aktuellen Fahrzeugzustand und dem Zustand auf der Soll-Trajektorie erfolgen. Die Soll-Trajektorie selbst kann aufgefasst werden als eine von einer Trajektorie bei geradem Fahrbahnverlauf abweichende Trajektorie. In diesem Sinne entspricht die Soll-Trajektorie gerade einer Trajektorie, die einen Fahrzeugzustand von einem geraden Referenz-Fahrbahnverlauf auf den tatsächlichen gekrümmten Fahrbahnverlauf korrigiert. Der tatsächliche Fahrzeugzustand weicht nun weiterhin von einem Fahrzeugzustand bei geradem Referenz-Fahrbahnverlauf ab. Nachdem die Soll-Trajektorie als Abweichung von einer Trajektorie bei geradem Referenz-Fahrbahnverlauf berechnet ist, muss nun, um den gesamten Fahrzeugzustand anzupassen, nur noch das reduzierte Problem betrachtet werden, dass der aktuelle Fahrzeugzustand überführt werden muss in einen Zustand assoziiert mit einer Trajektorie bei der vorgenannten geraden Fahrbahn, d.h. einer Trajektorie bei geradem Referenz-Fahrbahnverlauf. Eine derartige Anpassung eines Fahrzeugzustandes an einen geraden Fahrbahnverlauf ist in der 3 dargestellt und vorgehend bereits beschrieben worden.
Das komplexe Problem der Berechnung einer Zieltrajektorie zur automatisierten Fahrt eines Fahrzeuges wird damit im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in zwei Teilschritte zerlegt. Zunächst wird die Soll-Trajektorie ermittelt und aufgefasst als diejenige Trajektorie, die eine Korrektur ausgehend von einem geraden Referenz-Fahrbahnverlauf darstellt. Damit ist die Schwierigkeit der Korrektur des aktuellen Fahrzeugzustandes mittels einer Zieltrajektorie reduziert auf die Bestimmung der Korrektur des aktuellen Fahrzeugzustandes in Bezug auf eine Trajektorie bei geradem Referenz-Fahrbahnverlauf. Die Gesamtkorrektur des Fahrzeugzustandes, aus der sich die Zieltrajektorie des Fahrzeugs ergibt, ist dann entsprechend durch die Addition der berechneten Korrektur in Bezug auf einen geraden Referenz-Fahrbahnverlauf zu der Soll-Trajektorie gegeben.
In 5 ist ein Beispiel für die Korrektur einer Krümmungsabweichung Δκ_A gezeigt. Die Soll-Trajektorie 202 entspricht der geraden Strecke, auf der der Anfangspunkt A und der Endpunkt C liegen. Die im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnete Zieltrajektorie 212, mittels derer eine Korrektur der Krümmungsabweichung um Δκ_A = κ_A durchgeführt wird, weist eine lineare Abnahme der Krümmungsabweichung bezüglich der Kurvenlänge auf, so dass die Krümmung am Punkt C₁ der Zieltrajektorie 212 gleich der Krümmung der Solltrajektorie 202 am Punkt C ist. Dadurch entstehen eine zusätzliche Kurswinkelabweichung φ₁ und eine zusätzliche seitliche Abweichung d₁ zwischen Soll-Endposition C und tatsächlicher bzw. Ist-Endposition C₁, welche beispielsweise mit den in 6 und 7 vorgestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens korrigiert werden können
In 6 ist ein Beispiel für die Korrektur einer Kurswinkelabweichung Δφ_A gezeigt. Die Soll-Trajektorie 202 entspricht der geraden Strecke, auf der der Anfangspunkt A und der Endpunkt C liegen. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnete Zieltrajektorie 212, mittels derer eine Korrektur der Kurswinkelabweichung um den Winkel Δφ_A durchgeführt wird, ist achssymmetrisch bezüglich der die Punkte K und H verbindenden Gerade. Dabei steht die durch die Punkte K und H verlaufende Gerade senkrecht auf der Verbindungsstrecke zwischen dem Anfangspunkt A und dem Punkt C₁, welcher den Endzustand des Fahrzeugs nach Korrektur der Kurswinkelabweichung angibt. 6 zeigt damit eine Situation, in der das Fahrzeug am Punkt A geradeaus entlang der Geraden AH fährt und damit um einen Winkel Δφ_A von der idealen geraden Fahrbahn, die durch die Punkte A und C verläuft, abweicht. Es sei im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens eine Vorgabe, dass das Fahrzeug bis zum Punkt C den korrekten Kurswinkel und die korrekte Krümmung aufweisen soll. Im Zuge eines Unterschrittes des Berechnungsverfahrens wird dazu zunächst ein Hilfspunkt C₁ bestimmt, wobei die durch die Punkte C und C₁ verlaufende Gerade senkrecht auf der durch die Punkte A und C verlaufenden Gerade steht. Weiterhin soll durch die durch die Punkte A und C₁ verlaufende Gerade der Winkel Δφ_A gerade halbiert werden. Aus der vorbeschriebenen Geometrie ergibt sich, dass der Punkt K Mittelpunkt der Strecke AC₁ ist. Die Verbindungslinie HC₁ liegt parallel zu der idealen geraden Fahrbahn durch die Punkte A und C. Die Zieltrajektorie vom Punkt A zum Punkt C₁ soll die Kurswinkelabweichung Δφ_A exakt korrigieren. Daraus folgt wegen der Gleichmäßigkeit und Umkehrbarkeit der Trajektorie bzw. des geplanten Trajektorienverlaufs, dass die Zieltrajektorie zwischen den Punkten A und C₁ um die Mittellinie KH achssymmetrisch sein muss.
Die Trajektorie vom Punkt A bis zu dem Punkt der Trajektorie, der auf der Mittellinie KH liegt, kann mit einem einzigen Kreisbogen oder einer einzigen Klothoide ausgelegt werden. Die Trajektorie kann aber beispielsweise auch mittels einer Kombination von einer Klothoide oder mehrerer Klothoiden und einem Kreisbogen oder mehrerer Kreisbögen gestaltet werden.
Es fällt auf, dass die in 6 beschriebene achssymmetrische Korrektur einer Kurswinkelabweichung zu einem seitlichen bzw. lateralen Versatz zwischen dem Endzustand C und dem tatsächlichen Endzustand C₁ führt. Ein solcher Versatz kann mit dem nachfolgend im Zusammenhang der 7 vorgestellten Ausführungsbeispiel nach der Kurswinkelkorrektur oder gleichzeitig zu dieser durch eine entsprechende Überlagerung kompensiert werden,
7 zeigt ein Beispiel der Korrektur eines lateralen Versatzes. Der Fahrzeuganfangszustand ist mit dem Punkt A assoziiert und ist gegenüber der Soll-Trajektorie 203 um eine Strecke d senkrecht zur Soll-Trajektorie 203 von dieser versetzt. Das Fahrzeug bewege sich zunächst entlang einer zur Soll-Trajektorie 203 parallelen Linie, die durch die Punkte A und C₁ führt. Die aktuellen Randbedingungen sollen es erlauben, dass das Fahrzeug bis zum Punkt C auf die ideale Fahrbahnlinie bzw. die Soll-Trajektorie 203 überführt werden kann. Dabei korrespondiert der Punkt C auf der Soll-Trajektorie 203 gerade zu dem Punkt C₁ entlang der geraden Strecke AC₁ und der Abstand dieser beiden Punkte ist wiederum durch d gegeben. Um die aktuellen Randbedingungen optimal ausnutzen zu können, sollte die Zieltrajektorie beispielsweise exakt beim Punkt A anfangen und beim Punkt C auf der Soll-Trajektorie 203 enden. Außerdem sollte die Übergangslinie, das heißt die Zieltrajektorie, ein gleichmäßiges umkehrbares und symmetrisches Fahrverhalten ermöglichen. Demgemäß sollte die Trajektorie, durch die die Punkte A und C verbunden werden, um den Mittelpunkt M punktsymmetrisch sein. In diesem Fall wird unabhängig von der Fahrtrichtung (von A nach C oder von C nach A) ein gleiches Fahrverhalten gewährleistet. Damit sollte die Zieltrajektorie, durch die Punkt A und C miteinander verbunden werden, durch den Mittelpunkt M der Verbindungsgeraden zwischen den Punkten A und C laufen. Zur Auslegung der um den Mittelpunkt M punktsymmetrischen Zieltrajektorie 213 können wiederum Kreisbögen und/oder Klothoiden verwendet werden.
In 8 sind Schritte eines Verfahrens zur Berechnung einer Zieltrajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs dargestellt, welches grundsätzlich für alle zuvor beschriebenen Situationen der 1–6 eingesetzt werden kann. In Schritt 401 kann die Bestimmung einer Soll-Trajektorie des Fahrzeugs erfolgen. Im Schritt 402 kann die Berechnung einer Korrektur eines Fahrzeugzustandes basierend auf der Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs erfolgen. Schritt 403 befasst sich mit der Bestimmung der Zieltrajektorie durch Addition der berechneten Korrektur unter Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs zu der zuvor im Schritt 401 ermittelten Soll-Trajektorie. In Schritt 404 kann beispielsweise mittels eines Reglers des Fahrzeugs der aktuelle Fahrzeugzustand basierend auf der bestimmten Zieltrajektorie angepasst werden.
Es versteht sich, dass in das im Zusammenhang der 8 beschriebene Verfahren auch Verfahrensschritte bzw. Merkmale, die im Zusammenhang der vorhergehenden Figuren diskutiert worden sind, eingefügt werden können.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Verfahren zur Berechnung einer Zieltrajektorie (21, 211) zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs, das Verfahren aufweisend die Schritte: – Bestimmen einer Soll-Trajektorie (20, 201) des Fahrzeugs; – Berechnen einer Korrektur (210) eines aktuellen Fahrzeugzustandes; – Bestimmen der Zieltrajektorie (211) durch Addition der berechneten Korrektur zu der Soll-Trajektorie; – Anpassen des aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der bestimmten Zieltrajektorie.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der Korrektur (210) des aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs (200) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Soll-Trajektorie (20) einen Soll-Anfangszustand (A’) des Fahrzeugs und einen Soll-Endzustand (E) des Fahrzeugs aufweist; wobei das Berechnen der Korrektur des aktuellen Fahrzeugzustandes den Schritt des Bestimmens von Abweichungen (d, φ) zwischen dem aktuellen Fahrzeugzustand und dem Soll-Anfangszustand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Abweichung zwischen dem aktuellen Fahrzeugzustand und dem Fahrzeugzustand auf der Soll-Trajektorie in einer Abweichung der Kurvenkrümmung, einer Abweichung des Kurswinkels des Fahrzeugs und/oder einer seitlichen Abweichung des Fahrzeugs besteht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Anpassen des aktuellen Fahrzeugzustandes (310) basierend auf der bestimmten Zieltrajektorie in einem Anpassen der Abweichung der Kurvenkrümmung, einem Anpassen der Abweichung des Kurswinkels des Fahrzeugs und/oder dem Anpassen der seitlichen Abweichung des Fahrzeugs besteht.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Korrektur der Abweichung der Kurvenkrümmung (κ_A) basierend auf der Vorgabe einer linearen Abnahme der Abweichung der Kurvenkrümmung berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Korrektur der Abweichung des Kurswinkels (Δφ_A) des Fahrzeugs basierend auf der Vorgabe eines achssymmetrischen Kurvenverlaufs berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Korrektur der seitlichen Abweichung (d) des Fahrzeugs basierend auf der Vorgabe eines punktsymmetrischen Kurvenverlaufs berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Soll-Trajektorie (20) und die Ziel-Trajektorie (21) zusammengesetzt sind aus einer Geraden und/oder einem Kreisbogen und/oder einer Klothoiden.
Programmelement, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die folgenden Schritte durchzuführen: – Bestimmen einer Soll-Trajektorie des Fahrzeugs; – Berechnen einer Korrektur eines aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs; – Bestimmen einer Zieltrajektorie durch Addition der berechneten Korrektur zu der Soll-Trajektorie; – Berechnen von Daten zur Anpassung des aktuellen Fahrzeugzustandes an die Zieltrajektorie.
Computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement gespeichert ist, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die folgenden Schritte durchzuführen: – Bestimmen einer Soll-Trajektorie des Fahrzeugs; – Berechnen einer Korrektur eines aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs; – Bestimmen einer Zieltrajektorie durch Addition der berechneten Korrektur zu der Soll-Trajektorie; – Berechnen von Daten zur Anpassung des aktuellen Fahrzeugzustandes an die Zieltrajektorie.
Vorrichtung zur Berechnung einer Trajektorie zur automatischen Fahrt eines Fahrzeugs, die Vorrichtung aufweisend: eine Recheneinheit, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, eine Soll-Trajektorie des Fahrzeugs zu bestimmen; wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, eine Korrektur eines aktuellen Fahrzeugzustandes basierend auf der Annahme eines geraden Referenz-Fahrbahnverlaufs zu berechnen; wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist eine Zieltrajektorie durch Addition der berechneten Korrektur zu der Soll-Trajektorie zu bestimmen; wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist Daten zur Anpassung des aktuellen Fahrzeugzustandes an die Zieltrajektorie zu berechnen.
Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach Anspruch 12.