DE102017106684B4

DE102017106684B4 - Verfahren und system zur steuerung einer lenkung eines autonomen fahrzeugs sowie autonomes fahrzeug

Info

Publication number: DE102017106684B4
Application number: DE102017106684.5A
Authority: DE
Inventors: Pinaki Gupta
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: US9796421B1; US20170291638A1; CN107264620A; CN107264620B; DE102017106684A1

Abstract

Verfahren (200) zur Steuerung einer Lenkung eines autonomen Fahrzeugs (100), umfassend:das Erhalten von Informationen bezüglich eines Seitenschlupfwinkels (322) für das autonome Fahrzeug (100); unddas Steuern, über einen Prozessor (172), der Lenkung für das autonome Fahrzeug (100) unter Verwendung eines oder mehrerer ausgewählter Steueralgorithmen, die zumindest teilweise auf dem Seitenschlupfwinkel (322) basieren, wobei der eine oder die mehreren ausgewählten Steueralgorithmen aus einem ersten Steueralgorithmus (187) und einem zweiten Steueralgorithmus (188) ausgewählt sind.;wobei der Schritt des Steuerns der Lenkung für das autonome Fahrzeug (100) Folgendes umfasst:das Steuern der Lenkung unter Verwendung des ersten Steueralgorithmus (187), wenn der Seitenschlupfwinkel (322) kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert (k1) ist;das Steuern der Lenkung unter Verwendung des zweiten Steueralgorithmus (188), wenn der Seitenschlupfwinkel (322) größer als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert (k2) ist, wobei der zweite vorbestimmte Schwellenwert (k2) größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert (k1) ist, unddas Übergehen von der Steuerung der Lenkung unter Verwendung des ersten Steueralgorithmus (187) zur Steuerung der Lenkung unter Verwendung des zweiten Steueralgorithmus (188), wenn der Seitenschlupfwinkel (322) vorher kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert (k1) war und nun größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert (k1) ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie ein System zur Steuerung einer Lenkung eines autonomen Fahrzeugs. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein autonomes Fahrzeug mit einem Prozessor, der dazu ausgelegt ist, ein derartiges Verfahren auszuführen.
Ein autonomes Fahrzeug ist ein Fahrzeug, das in der Lage ist, seine Umgebung zu erfassen und mit wenigen oder keinen Benutzereingaben zu navigieren. Ein autonomes Fahrzeug erfasst seine Umgebung mithilfe von Erfassungsvorrichtungen wie beispielsweise Radar, Lidar, Bildsensoren und dergleichen. Das autonome Fahrzeugsystem nutzt weiterhin Informationen von Systemen wie beispielsweise globale Positioniersysteme (GPS) zum Navigieren. Es kann jedoch wünschenswert sein, die Steuerung eines autonomen Fahrzeugs zu verbessern, beispielsweise bei der Steuerung der Lenkung eines autonomen Fahrzeugs.
Aus der DE 10 2015 216 236 A1 ist ein Verfahren zur Spurführung eines autonom fahrenden Fahrzeuges bekannt, welches den maximal möglichen Kraftschluss zur Spurführung ausnutzen soll. Dazu wird eine die laterale Bahnführung beeinflussende Größe in Abhängigkeit von erkanntem Untersteuerverhalten des Fahrzeuges begrenzt und/oder geregelt.
Aus der US 8 234 090 B2 ist ein Verfahren zur Schätzung einer Fahrzeug-Quergeschwindigkeit bekannt, wobei eine Beziehung zwischen Vorder- und Hinterachs-Querkräften und Vorder- und Hinterachs-Seitenschlupfwinkeln definiert wird. Das Verfahren berechnet einen Vorderachs-Schlupfwinkel basierend auf einer Hinterachs-Quergeschwindigkeit und einen Hinterachs-Schlupfwinkel basierend auf einer Vorderachs-Quergeschwindigkeit. Das Verfahren schätzt dann die Vorder- und Hinterachskräfte und wählt eine virtuelle Seitengeschwindigkeit, die einen Fehler zwischen den geschätzten und gemessenen Seitenachskräften minimiert.
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Techniken zur verbesserten Steuerung der Lenkung für autonome Fahrzeuge bereitzustellen. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren, Systeme und Fahrzeuge bereitzustellen, die derartige Techniken anwenden. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen. Andere wünschenswerte Funktionen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden des Weiteren aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den hinzugefügten Ansprüchen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und dem vorangegangenen technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Ermitteln eines über einen Sensor vorgesehenen Informationssignals, eines Seitenschlupfwinkels für ein autonomes Fahrzeug und Steuern über einen Prozessor, einer Lenkung für das autonome Fahrzeug unter Verwendung eines ausgewählten Steueralgorithmus, der zumindest teilweise auf dem Seitenschlupfwinkel basiert. Der ausgewählte Steuerungsalgorithmus wird aus einem ersten Steuerungsalgorithmus und einem zweiten Steuerungsalgorithmus ausgewählt. Die Lenkung wird unter Verwendung des ersten Steueralgorithmus gesteuert, wenn der Seitenschlupfwinkel kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert ist. Die Lenkung wird unter Verwendung des zweiten Steueralgorithmus gesteuert, wenn der Seitenschlupfwinkel größer als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist, wobei der zweite vorbestimmte Schwellenwert größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist. Wenn der Seitenschlupfwinkel vorher kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert war und nun größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist, geht die Steuerung der Lenkung unter Verwendung des ersten Steueralgorithmus zur Steuerung der Lenkung unter Verwendung des zweiten Steueralgorithmus über.
Gemäß einer anderen exemplarischen Ausführungsform wird ein System bereitgestellt. Das System umfasst einen Sensor und einen Prozessor. Der Sensor ist so konfiguriert, dass er Sensordaten für einen Seitenschlupfwinkel für ein autonomes Fahrzeug erhält. Der Prozessor ist so konfiguriert, dass er die Steuerung der Lenkung für das autonome Fahrzeug unter Verwendung eines ausgewählten Steueralgorithmus zumindest teilweise auf dem Seitenschlupfwinkel ermöglicht, wobei der ausgewählte Steueralgorithmus aus einem ersten Steueralgorithmus und einem zweiten Steueralgorithmus ausgewählt wird. Der Prozessor ist weiterhin dazu ausgelegt, die Verfahrensschritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein autonomes Fahrzeug vorgesehen. Das autonome Fahrzeug beinhaltet einen oder mehrere Sensoren und einen Prozessor. Der eine oder die mehreren Sensoren sind so konfiguriert, dass sie Sensordaten erhalten, die sich auf einen Seitenschlupfwinkel für das autonome Fahrzeug beziehen. Der Prozessor ist so konfiguriert, dass er die Steuerung der Lenkung für das autonome Fahrzeug unter Verwendung eines ausgewählten Steueralgorithmus zumindest teilweise auf dem Seitenschlupfwinkel ermöglicht, wobei der ausgewählte Steueralgorithmus aus einem ersten Steueralgorithmus und einem zweiten Steueralgorithmus ausgewählt wird. Der Prozessor ist weiterhin dazu ausgelegt, die Verfahrensschritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den nachstehenden Zeichnungsfiguren beschrieben, worin gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und worin:

1 ist Funktionsblockdiagramm eines autonomen Fahrzeugs, und dies beinhaltet ein Steuersystem zum Steuern der Lenkung unter Verwendung unterschiedlicher Steueralgorithmen, die zumindest teilweise auf einem Seitenschlupfwinkel des Fahrzeugs basieren, gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
2 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Steuern der Lenkung in einem autonomen Fahrzeug und kann in Verbindung mit dem System und dem Fahrzeug von 1 verwendet werden, gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
3 und 4 sind Flussdiagramme von konzeptionellen Rahmenbedingungen für den Prozess von 2; und
5 ist ein Diagramm, das eine exemplarische Seitenverschiebungs-Schwellenwertkalibrierung zeigt, die in Verbindung mit den Prozessen von den 2-4 verwendet werden kann, gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die Erfindung oder die Anmeldung und Verwendungen davon zu begrenzen. Weiterhin besteht keine Absicht, an eine Theorie gebunden zu sein, die im vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellt ist.
1 veranschaulicht ein Fahrzeug 100 oder Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Fahrzeug 100 ist ein autonomes Fahrzeug. Wie nachfolgend näher beschrieben wird, beinhaltet das Fahrzeug 100 ein Lenksystem 150 und ein Steuersystem 102 zum Steuern des Lenkens des Fahrzeugs 100, das zumindest auf einem Seitenschlupfwinkel für das Fahrzeug 100 basiert. Das Fahrzeug 100 kann eines von einer Reihe von verschiedenen Typen von Automobilen sein, wie zum Beispiel eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen oder eine Geländelimousine (SUV), und kann einen Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Heckantrieb oder Frontantrieb), Vierradantrieb (4WD) oder Allradantrieb (AWD) haben.
In einer Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, beinhaltet das Fahrzeug 100 zusätzlich zu dem vorgenannten Steuersystem 102 und dem Lenksystem 150 ein Fahrgestell 112, eine Karosserie 114, vier Räder 116, ein elektronisches Steuersystem (ECS) 118, einen Antriebsstrang 129 und ein Bremssystem 160. Die Karosserie 114 ist auf dem Fahrgestell 112 angeordnet und umhüllt im Wesentlichen die anderen Komponenten des Fahrzeugs 100. Die Karosserie 114 und das Fahrgestell 112 bilden ggf. gemeinsam einen Rahmen. Die Räder 116 sind jeweils mit dem Fahrgestell 112 in der Nähe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 114 drehbar verbunden. Wie in 1 abgebildet, umfasst jedes Rad 116 eine Radanordnung, die einen Reifen sowie ein Rad und zugehörige Komponenten (die zusammenfassend als das „Rad 116“ für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung bezeichnet werden) beinhaltet. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich das Fahrzeug 100 von dem dargestellten in 1 unterscheiden.
In der dargestellt exemplarischen Ausführungsform in 1, beinhaltet der Antriebsstrang 129 eine Aktuatoranordnung 120, die einen Motor 130 beinhaltet. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen kann der Antriebsstrang 129 von dem in 1 dargestellten und/oder, wie nachfolgend beschrieben, unterscheiden (z. B. kann der Antriebsstrang bei einigen Ausführungsformen einen Gasverbrennungsmotor 130 beinhalten, während der Antriebsstrang 129 bei anderen Ausführungsformen einen Elektromotor beinhalten kann, alleine oder in Kombination mit eine oder mehreren anderen Komponenten des Antriebsstrangs 129, beispielsweise für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und dergleichen). In der Ausführungsform, die dargestellt ist in 1, sind die Aktuatoranordnung 120 und der Antriebsstrang 129 auf dem Fahrgestell 112 montiert, das die Räder 116 antreibt. In einer Ausführungsform umfasst der Motor 130 einen Verbrennungsmotor. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann der Motor 130 anstelle oder zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor einen Elektromotor und/oder eine oder mehrere andere Komponenten eines Übertragungssystems (z. B. für ein Elektrofahrzeug) beinhalten.
Immer noch unter Bezugnahme auf 1 ist der Motor 130 in einer Ausführungsform mit mindestens einigen der Räder 116 über eine oder mehrere Antriebswellen 134 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen ist der Motor 130 mit dem Getriebe mechanisch verbunden. In anderen Ausführungsformen kann der Motor 130 stattdessen mit einem Generator verbunden sein, der verwendet wird, um einen Elektromotor mit Strom zu versorgen, der mit dem Getriebe mechanisch verbunden ist. In bestimmten anderen Ausführungsformen (z. B. Elektrofahrzeuge) ist/sind u. U. kein Motor und/oder kein Getriebe erforderlich.
Das Lenksystem 150 ist auf dem Fahrgestell 112 angebracht und steuert die Lenkung der Räder 116. In verschiedenen Ausführungsformen steuert das Fahrzeug 100 automatisch die Lenkung des Fahrzeugs 100 über Befehle, die von dem Steuersystem 102 zu dem Lenksystem 150 bereitgestellt werden, und die zumindest teilweise auf einem Seitenschlupfwinkel für das Fahrzeug 100 basieren, wie beispielsweise nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
Das Bremssystem 160 ist auf dem Fahrgestell 112 angebracht und stellt ein Bremsen für das Fahrzeug 100 bereit. In verschiedenen Ausführungsformen steuert das Fahrzeug 100 automatisch das Bremsen des Fahrzeugs 100 über Befehle, die von dem Steuersystem 102 an das Bremssystem 160 geliefert werden.
In einer Ausführungsform ist das Steuersystem 102 auf dem Fahrgestell 112 angebracht. Wie vorstehend erwähnt und nachfolgend ausführlicher erörtert wird (sowie weiter unten in Verbindung mit den 2-4 beschrieben), steuert das Steuersystem 102 die Lenkung des Fahrzeugs 100 über Befehle, die dem Lenksystem 150 zumindest teilweise auf der Grundlage eines Seitenschlupfwinkels für das Fahrzeug 100 sowie verschiedener anderer Parameter in verschiedenen Ausführungsformen bereitgestellt werden (einschließlich, beispielsweise einem gewünschten Pfad, Gierrate, Seitengeschwindigkeit und eine Echtzeit-Kostenfunktion, in bestimmten Ausführungsformen).
Wie dargestellt in 1, umfasst das Steuersystem 102 in einer Ausführungsform verschiedene Sensoren 104 (hier auch bezeichnet als eine Sensoranordnung) und eine Steuerung 106. Die Sensoren 104 beinhalten verschiedenen Sensoren die Messungen beim Steuern der Lenkung für das Fahrzeug 100 bereitstellen. In der dargestellten Ausführungsform beinhalten den Sensoren 104 einen oder mehrere Lenkwinkelsensoren 162, Giersensoren 164, Radsensoren 166, Beschleunigungsmesser 168 und Navigationssensoren 170.
Die Lenkwinkelsensoren 162 messen Informationen, die sich auf einen Lenkwinkel des Fahrzeugs 100 beziehen. In bestimmten Ausführungsformen sind die Lenkwinkelsensoren 162 Teil des Lenksystems 150 oder mit diesem gekoppelt. So können beispielsweise verschiedene Lenkwinkelsensoren 162 mit einem Lenkrad des Fahrzeugs 100 gekoppelt sein (wenn das Fahrzeug 100 ein Lenkrad aufweist), eine Lenksäule des Fahrzeugs 100, ein oder mehrere Achsen oder Antriebswellen des Fahrzeugs 100, ein oder mehrere Räder 116 des Fahrzeugs 100, und/oder eine oder mehrere andere Stellen des Fahrzeugs 100.
Die Giersensoren 164 messen Informationen, die sich auf einen oder mehrere Gierwerte für das Fahrzeug 100 beziehen. In einer Ausführungsform messen die Giersensoren 164 eine Gierrate für das Fahrzeug 100.
Die Radsensoren 166 messen Informationen, die sich auf ein oder mehrere Räder 116 des Fahrzeugs 100 beziehen. In einer Ausführungsform umfassen die Radsensoren 166 Radgeschwindigkeitssensoren, die mit jedem der Räder 116 des Fahrzeugs 100 gekoppelt sind. Auch bei einer Ausführungsform stellen die Radsensoren 166 radbezogene Informationen (einschließlich einzelner Radgeschwindigkeiten von jedem der verschiedenen Räder 116), die verwendet werden, um einen Seitenradschlupf für das Fahrzeug 100 sowie eine Seitengeschwindigkeit des Fahrzeugs 100 unter anderen Werten zu bestimmen.
Der eine oder die mehreren Beschleunigungsmesser 168 messen Informationen, die sich auf eine Beschleunigung des Fahrzeugs 100 beziehen. In verschiedenen Ausführungsformen messen die Beschleunigungsmesser 168 einen oder mehrere Beschleunigungswerte für das Fahrzeug 100, einschließlich der Breiten- und Längsbeschleunigung.
Die Navigationssensoren 170 erhalten Informationen, die sich auf eine Position und Bewegung des Fahrzeugs 100 beziehen. In einer Ausführungsform verfolgen die Navigationssensoren 170 eine Position und Bewegung des Fahrzeugs 100 in Bezug auf einen gewünschten Weg für das Fahrzeug 100. Die Navigationssensoren 170 können beispielsweise Frontkamerasensoren, andere Kamerasensoren (z. B. zusätzliche Kamerasensoren, z. B. auf der Rückseite des Fahrzeugs, auf einer Fahrgastseite des Fahrzeugs oder auf einer Fahrerseite des Fahrzeugs, Zusätzlich zu den Kameras auf der Vorderseite des Fahrzeugs) und/oder diverse andere mögliche Sensoren beinhalten, wie beispielsweise Radar, Lidar, Sonar, Maschinen-Vision, Hall-Effect und/oder andere Sensoren). Zusätzlich können in bestimmten Ausführungsformen die Navigationssensoren auch dazu verwendet werden, einen oder mehrere Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungswerte für das Fahrzeug 100 zu ermitteln. In einer Ausführungsform sind die Navigationssensoren 170 Teil eines mit einem Satelliten bereitgestellten Netzwerks, wie beispielsweise eines Teils eines globalen Kommunikationssystems (GPS) und/oder einer GPS-Vorrichtung.
Die Steuerung 106 ist mit den Sensoren 104 und dem Lenksystem 150 gekoppelt. Die Steuerung 106 verwendet Informationen von den Sensoren 104, um einen Lenkschlupfwinkel für das Fahrzeug 100 unter anderen Parameterwerten (wie beispielsweise einen gewünschten Weg, eine Gierrate und eine Seitengeschwindigkeit für das Fahrzeug 100) zu bestimmen. Die Steuerung 106 verwendet den Lenkschlupfwinkel (und in verschiedenen Ausführungsformen einen oder mehrere der anderen Parameter) bei der Bereitstellung von Anweisungen für das Lenksystem 150, um die Lenkung für das Fahrzeug 100 automatisch zu steuern. In bestimmten Ausführungsformen können die Anweisungen von der Steuerung 106 zu dem Lenksystem 150 entweder direkt oder indirekt über ein oder mehrere andere Systeme (z. B. die ECS 118) über eine oder mehrere verdrahtete Verbindungen 107 an Bord des Fahrzeugs (z. B. einem Fahrzeug-CAN-Bus) gesendet werden. In anderen Ausführungsformen können die Anweisungen von der Steuerung 106 zu dem Lenksystem 150 über ein oder mehrere drahtlose Kommunikationsnetze 108, wie beispielsweise über ein oder mehrere Internet-, Satelliten-, Mobilfunk- und/oder Kurzstreckennetzwerke (z. B. BlueTooth), Systeme, und/oder Vorrichtungen gesendet werden.
Wie dargestellt in 1, umfasst die Steuerung 106 ein Computersystem. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuerung 106 zudem einen oder mehrere der Sensoren von den Sensoren 104 sowie eine oder mehrere andere Vorrichtungen und/oder Systeme und/oder Komponenten davon beinhalten. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass sich die Steuerung 106 ansonsten von der Ausführungsform unterscheiden, die dargestellt ist in 1. So kann beispielsweise die Steuerung 106 mit einem oder mehreren Ferncomputersystemen und/oder anderen Systemen gekoppelt sein, wie beispielsweise mit dem Lenksystem 150 und/oder dem elektronischen System 118 des Fahrzeugs 100 und/oder einem oder mehreren anderen Systemen des Fahrzeugs 100.
In der abgebildeten Ausführungsform beinhaltet das Computersystem der Steuerung 106 einen Prozessor 172, einen Speicher 174, eine Schnittstelle 176, eine Speichervorrichtung 178 und einen Bus 180. Der Prozessor 172 führt die Berechnungen und Steuerfunktionen der Steuerung 106 aus und kann jede Art von Prozessor oder mehrere Prozessoren, einzelne integrierte Schaltkreise wie einen Mikroprozessor oder jede geeignete Anzahl an integrierten Schaltkreisvorrichtungen und/oder Leiterplatten umfassen, die zusammenwirken, um die Funktionen einer Verarbeitungseinheit zu erreichen. Während des Betriebs führt der Prozessor 172 ein oder mehrere Programme 182 und mehrere Steuerungsalgorithmen 184 aus, die im Speicher 174 enthalten sind, und steuert somit den allgemeinen Betrieb der Steuerung 106 und das Computersystem der Steuerung 106 bei der Ausführung der hierin beschriebenen Prozesse, wie jene, die weiter unten beschrieben sind, in Verbindung mit den 2-4.
Bei dem Speicher 174 kann es sich um eine beliebige Art eines geeigneten Speichers handeln. So kann beispielsweise der Speicher 174 verschiedene Arten von dynamischem Direktzugriffsspeicher (DRAM), wie beispielsweise SDRAM, die verschiedenen Arten statischer RAM (SRAM) und die verschiedenen Arten von nichtflüchtigem Speicher (PROM, EPROM und Flash) beinhalten. Bei bestimmten exemplarischen Ausführungsformen befindet sich der Speicher 174 auf dem gleichen Computerchip wie der Prozessor 172 und/oder ist gemeinsam mit demselben angeordnet. In der abgebildeten Ausführungsform speichert der Speicher 174 das vorgenannte Programm 182 und die Steueralgorithmen 184. Wie in 1 abgebildet, beinhalten die Steueralgorithmen 184 einen ersten Steueralgorithmus 187 und einen zweiten Steueralgorithmus 188. Ebenfalls in der dargestellten Ausführungsform speichert der Speicher 174 die Verstärkungsplanungsfunktion 189, die bei der Bereitstellung einer verhältnismäßigen Gewichtung für den ersten Steueralgorithmus 187 gegenüber dem zweiten Steueralgorithmus 188 verwendet wird. Die Steuerung 106 steuert die Lenkung unter Verwendung eines oder mehrerer ausgewählter Algorithmen des ersten Steueralgorithmus 187 und des zweiten Steueralgorithmus 188, der zumindest teilweise auf einem Seitenschlupfwinkel des Fahrzeugs 100 und der Verstärkungsplanungsfunktion 189 basiert, wie beispielsweise nachfolgend in Übereinstimmung mit den 2-4 beschrieben ist.
Der Bus 180 dient zum Übertragen von Programmen, Daten, Status und anderen Informationen oder Signalen zwischen den verschiedenen Komponenten des Computersystems der Steuerung 106. Die Schnittstelle 176 erlaubt die Kommunikation mit dem Computersystem der Steuerung 106, beispielsweise von einem Systemtreiber und/oder einem anderen Computersystem, und kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens und jeder geeigneten Vorrichtung umgesetzt werden. In einer Ausführungsform erhält die Schnittstelle 176 die verschiedenen Daten von den Sensoren der Sensoren 104. Die Schnittstelle 176 kann eine oder mehrere Netzwerkschnittstellen beinhalten, um mit anderen Systemen oder Komponenten zu kommunizieren. Die Schnittstelle 176 kann zudem eine oder mehrere Netzwerkschnittstellen beinhalten, um mit Technikern zu kommunizieren, und/oder eine oder mehrere Speicherschnittstellen, die mit Speichervorrichtungen, wie dem Speichergerät 178, verbunden sein können.
Bei dem Speichergerät 178 kann es sich um eine geeignete Art von Speichervorrichtung handeln, darunter auch um Direktzugriffsspeichergeräte, wie z. B. Festplattenlaufwerke, Flashsysteme, Diskettenlaufwerke und optische Laufwerke. In einer exemplarischen Ausführungsform umfasst die Speichervorrichtung 178 ein Programmprodukt, aus dem der Speicher 174 ein Programm 182 empfangen kann, das eine oder mehrere Ausführungsformen eines oder mehrerer Prozesse der vorliegenden Erfindung ausführt, wie beispielsweise die weiter unten beschriebenen Schritte in Verbindung mit den 2-4. In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform kann das Programmprodukt direkt im Speicher 174 und/oder auf einer Speicherplatte (z. B. Speicherplatte 186), wie der weiter unten erläuterten, gespeichert sein und/oder anderweitig darauf zugegriffen werden.
Der Bus 180 kann aus allen zur Verbindung von Computersystemen und Komponenten geeigneten physischen oder logischen Mitteln bestehen. darunter auch aus direkten festverdrahteten Verbindungen, Faseroptik, sowie Infrarot- und Drahtlosbustechnologien. Während des Betriebs wird das Programm 182 in dem Speicher 174 gespeichert und durch den Prozessor 172 ausgeführt.
Während diese beispielhafte Ausführungsform im Kontext eines voll funktionierenden Computersystems beschrieben wird, versteht es sich, dass Fachleute auf diesem Gebiet erkennen werden, dass die Mechanismen der vorliegenden Erfindung als ein Programmprodukt mit einer oder mehreren Arten von nicht flüchtigen computerlesbaren Signalträgermedien verbreitet werden können, die verwendet werden, um das Programm und die zugehörigen Befehle zu speichern und deren Verbreitung auszuführen, wie ein nicht flüchtiges computerlesbares Medium, welches das Programm und Computerbefehle enthält, die darin gespeichert sind, um einen Computerprozessor (wie den Prozessor 172) zu veranlassen, das Programm auszuführen. Ein derartiges Programmprodukt kann vielerlei Formen annehmen, wobei die vorliegende Erfindung in gleicher Weise, unabhängig von der spezifischen für die Verbreitung verwendeten Art von computerlesbarem Signalträgermedium Anwendung findet. Exemplarische Ausführungsformen von Signalträgermedien beinhalten: beschreibbare Medien, wie z. B. Disketten, Festplatten, Speicherkarten und optische Disks, sowie Übertragungsmedien, wie z. B. digitale und analoge Kommunikationsverbindungen. Es versteht sich, dass cloudbasierte Speicherung und/oder andere Techniken in bestimmten Ausführungsformen auch zur Anwendung kommen können. Es versteht sich ebenfalls, dass sich das Computersystem der Steuerung 106 auch von der dargestellten Ausführungsform in 1 anderweitig unterscheiden kann, wie beispielsweise dadurch, dass das Computersystem der Steuerung 106 mit einem oder mehreren Ferncomputersystemen und/oder anderen Systemen gekoppelt sein kann oder diese anderweitig verwenden kann.
Es ist offensichtlich, dass das Fahrzeug 100 in einer automatisierten Weise durch Befehle, Anweisungen, und/oder Eingaben betrieben werden kann, die „selbsterzeugt“ an Bord des Fahrzeugs selbst sind. Alternativ oder zusätzlich kann das Fahrzeug 100 durch Befehle, Anweisungen, und/oder Eingaben gesteuert werden, die von einer oder mehreren Komponenten oder Systemen außerhalb des Fahrzeugs 100 erzeugt werden, einschließlich, ohne Einschränkung: andere autonome Fahrzeuge; ein Backend-Serversystem; eine Steuervorrichtung oder ein System, das sich in der Betriebsumgebung befindet; oder dergleichen. In bestimmten Ausführungsformen kann daher das Fahrzeug 100 unter Verwendung von Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Datenkommunikation, Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Datenkommunikation und/oder Infrastruktur-zu-Fahrzeug-Kommunikation unter anderen Variationen (einschließlich teilweiser oder vollständiger Steuerung durch die Fahrer oder andere Bediener in bestimmten Modi, zum Beispiel wie oben diskutiert) steuerbar sein.
Mit Bezug auf 2 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren 200 zum Steuern der Lenkung in einem autonomen Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel vorgesehen. Der Prozess 200 kann in Verbindung mit dem Fahrzeug 100 von 1 implementiert werden, einschließlich des Steuersystems 102 und des Lenksystems 150 davon, in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen.
Wie dargestellt in 2, beginnt der Prozess 200 bei Schritt 202. In einer Ausführungsform beginnt der Prozess 200, wenn ein autonomes Fahrzeug in Betrieb ist, beispielsweise wenn sich das Fahrzeug in einem „Antriebsmodus“ befindet, sich entlang einer Bahn oder Fahrbahn bewegt und/oder bereit für eine Bewegung entlang eines gewünschten Weges ist.
Es werden verschiedene Daten bezüglich des Fahrzeugs erhalten (Schritt 204). In verschiedenen Ausführungsformen beinhalten Daten verschiedene Informationen, Messungen und andere Daten von den Sensoren 104 von 1, wie beispielsweise Geschwindigkeitspositionswerte, Fahrzeugbewegungswerte, Fahrzeuggeschwindigkeiten und/ oder Beschleunigung, einen Zielpfad für das Fahrzeug und Fahrzeugpositions-, Bewegungs- und/oder Schlupfwerte. In verschiedenen Ausführungsformen wird als Teil von Schritt 204 eine Gierrate, eine Seitengeschwindigkeit und ein Seitenschlupfwinkel erhalten. In einer Ausführungsform wird die Gierrate durch einen oder mehrere Giersensoren 164 von 1 gemessen als Teil der Daten von Schritt 204. In einer anderen Ausführungsform werden Rohmessungen von den Giersensoren 164 von Schritt 204 durch den Prozessor 172 von 1 bei der Berechnung der Gierrate verwendet. In bestimmten Ausführungsformen wird die laterale Geschwindigkeit durch den Prozessor 172 von 1 mit Daten von einem oder mehreren Sensoren 104 von 1 bestimmt, wie beispielsweise einen oder mehrere Raddrehzahlsensoren 166, Beschleunigungsmesser 168 und/oder Navigationssensoren 170. In bestimmten anderen Ausführungsformen kann die Seitengeschwindigkeit direkt von einem oder mehreren Sensoren der Sensoren 104 gemessen oder bestimmt werden. Bei einer Ausführungsform wird der Seitenschlupfwinkel durch den Prozessor 172 von 1 unter Verwendung von Daten von den Radsensoren 166 von 1 ermittelt. Eine Technik zur Bestimmung des Seitenschlupfwinkels wird in dem US-Patent US 8 234 090 B2 mit dem Titel System zur Schätzung der lateralen Geschwindigkeit eines Fahrzeugs erörtert, dessen Gesamtheit hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Ein gewünschter Weg des Fahrzeugs wird erhalten (Schritt (205). In einer Ausführungsform umfasst der Fahrzeugweg eine beabsichtigte Strecke oder einen anderen Weg für das Fahrzeug, um das beabsichtigte Ziel zu erreichen, beispielsweise, wie es von einem Insassen des Fahrzeugs eingegeben wird. In bestimmten Ausführungsformen wird der Fahrzeugweg über den Prozessor 172 von 1 in Kombination mit den Navigationssensoren 170 bestimmt von 1, und/oder eine oder mehrere zugehörige Einheiten und//oder Systeme (z. B. ein Navigationssystem, GPS-System oder dergleichen).
Ein primärer Steuerungslenkwinkel wird bestimmt (Schritt 212). In einer Ausführungsform ermittelt der Prozessor 172 von 1 den primären Steuerungslenkwinkel unter Verwendung der ersten Steuerungsalgorithmus 187 von 1 unter Verwendung bestimmter vorstehend beschriebenen Eingaben. Wie weiter unten erörtert wird, verwendet die primäre Steuerung in einer Ausführungsform einige Eingaben, die auch von der nachfolgend beschriebenen sekundären Steuerung sowie einige verschiedene Eingaben verwendet werden. In einer Ausführungsform verwendet der primäre Steuerungslenkwinkel den ersten Steueralgorithmus 187 als Teil eines Spurzentrierungsmerkmals mit einer verhältnismäßig hohen Priorität auf der Spurzentrierung. Ebenfalls bei einer Ausführungsform verwendet der Prozessor 172 den gewünschten Pfad von Schritt 205, die Gierrate von Schritt 206 und die Seitengeschwindigkeit von Schritt 208 bei der Bestimmung des primären Steuerungslenkwinkels unter Verwendung des ersten Steueralgorithmus 187 von 1.
In einer Ausführungsform wird ein erweitertes Fahrradmodell zum Verfolgen des gewünschten Weges verwendet. Auch bei einer Ausführungsform wird eine optimale Steuerung des linearen quadratischen Reglers (LQR) zur Rückkopplungssteuerung des gewünschten Pfadverfolgungsobjektivs verwendet. Jedoch könnten alle anderen Rückkopplungscontroller wie PID verwendet worden sein. In einem Beispiel wird das Fahrradmodell in Verbindung mit der folgenden Gleichung verwendet: $[\begin{matrix} \dot{y} \\ \dot{φ} \\ \ddot{y} \\ \dot{r} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \begin{matrix} 0 & v_{x} & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 & 0 - \frac{C_{α f} + C_{α r}}{m v_{x}} & \frac{b C_{α r} - a C_{α f}}{m v_{x}} - v_{x} \\ 0 & 0 \frac{b C_{α r} - a C_{α f}}{I v_{x}} & - \frac{a^{2} C_{α f} + b^{2} C_{α r}}{I v_{x}} \end{matrix} \end{matrix}] [\begin{matrix} y \\ φ \\ \dot{y} \\ r \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ \frac{C_{α f}}{m} \\ \frac{C_{α f} L_{f}}{I} \end{matrix}] δ_{F}$
in welchen Gier durch „φ“ dargestellt ist, die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs wird durch „Vx“ dargestellt, die vordere/hintere Reifen-Kurvensteifigkeit wird durch „C_αf C_α“ dargestellt, der vordere/hintere Reifenschlupfwinkel wird durch „α_f, α_r“ dargestellt, der vordere Lenkwinkel wird dargestellt durch „δ_f“, der Abstand vom Schwerpunkt (CG) zu den hinteren und vorderen Achsen wird durch „a“ und „b“ dargestellt, „I“ stellt das Trägheitsmoment um den Massenmittelpunkt senkrecht zur Ebene dar, in der sich das Fahrzeug befindet, „m“ stellt die Masse des Fahrzeugs dar und „y“ stellt den Versatz des gewünschten Weges dar.
Auch bei einer Ausführungsform wird der Rückkopplungsaufwand für den LQR-Regler durch Lösen der Ricatti-Gleichung zur Minimierung des folgenden Optimierungsobjektivs erhalten, $J = \int_{k = 0}^{N - 1} x {(k)}^{T} Q_{1} x (k) + u {(k)}^{T} R_{1} u (k)$
Wobei $x = [\begin{matrix} y \\ φ \\ \dot{y} \\ r \end{matrix}], u = δ_{F}, Q_{1} & R_{1}$
zeitvariante Kostenmatrizen sind, die mit der ersten Steuerung verbunden ist.
Darüber hinaus beinhaltet in einer Ausführungsform ein LQR-Verfahren (Linear Quadratic Regulator) eine lineare Rückkopplungsregelung für die erste Steuerung, die eine Steuerung u = - K x gibt (in dem „x“ den Zustand darstellt) für das lineare System ẋ = Ax + BU, in dem A & B Zustandsmatrizen sind. In einer Ausführungsform wird die Verstärkung K für die LQR-Steuerung durch Lösen der algebraischen Ricatti-Gleichung berechnet und die Rückkopplungssteuerung für die erste Steuerung wird unter Verwendung der folgenden Gleichung dargestellt: $δ_{F B,1} = - K_{L Q R,1} [\begin{matrix} y \\ φ \\ \dot{y} \\ r \end{matrix}]$
Es versteht sich jedoch, dass in verschiedenen Ausführungsformen eine beliebige Anzahl von Rückkopplungssteuerungen anstelle oder zusätzlich zu einer LQR-Linearsteuerung verwendet werden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann die Rückkopplungssteuerung gemäß der folgenden Gleichung verallgemeinert werden: $δ_{F B,1} = - K_{R \ddot{u} c k k o p p l u n g s s t e u e r u n g,1} [\begin{matrix} y \\ φ \\ \dot{y} \\ r \end{matrix}]$
Zusätzlich wird in einer Ausführungsform eine Vorsteuerung für die Steuerung 1 unter Verwendung der folgenden Untersteuerungsgradientengleichung erhalten. $δ_{F F,1} = L ρ_{D s r d} + K_{u s} v_{x}^{2} ρ_{D s r d}$
wobei ρ_Dsrd die gewünschte Trajektorienkrümmung ist, Vx die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs, L die Länge des Fahrzeugs, K_us der Unterlenkkoeffizient ist.
Auch bei einer Ausführungsform wird der endgültige Steuerungsaufwand (d. h. für die erste Steuerung) durch Kombinieren der Vorwärts- und Rückkopplungsaufwände unter Verwendung der folgenden Gleichung erhalten: $δ_{F,1} = δ_{F B,1} + δ_{F F,1}$
Ein sekundärer Steuerungslenkwinkel wird bestimmt (Schritt 214). Wie vorstehend erwähnt, verwendet die sekundäre Steuerung in einer Ausführungsform einige Eingaben, die auch von der vorstehend beschriebenen primären Steuerung verwendet werden, und auch einige verschiedene Eingaben. In einer Ausführungsform bestimmt der Prozessor 172 von 1 den sekundären Steuerungslenkwinkel unter Verwendung des zweiten Steueralgorithmus 188 von 1. In einer Ausführungsform verwendet der sekundäre Steuerungslenkwinkel den zweiten Steueralgorithmus 188 als Teil eines Fahrzeugstabilitätsmerkmals mit einer verhältnismäßig hohen Priorität beim Kompensieren des Seitenschlupfes des Fahrzeugs. Auch bei einer Ausführungsform verwendet der Prozessor 172 den gewünschten Pfad von Schritt 205 und die Gierrate von Schritt 206 bei der Bestimmung des sekundären Steuerungslenkwinkels unter Verwendung des zweiten Steueralgorithmus 188 von 1.
In einer Ausführungsform verwendet die Sekundärsteuerung eine andere Darstellung des Fahrradmodells gemäß der folgenden Gleichung: $[\begin{matrix} \dot{y} \\ \dot{φ} \\ \dot{β} \\ \dot{r} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \begin{matrix} 0 & v_{x} & v_{x} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 & 0 - \frac{C_{α f} + C_{α r}}{m v_{x}} & \frac{b C_{α r} - a C_{α f}}{m v_{x}^{2}} - 1 \\ 0 & 0 \frac{b C_{α r} - a C_{α f}}{I} & - \frac{a^{2} C_{α f} + b^{2} C_{α r}}{I v_{x}} \end{matrix} \end{matrix}] [\begin{matrix} y \\ φ \\ β \\ r \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ \frac{C_{α f}}{m v_{x}} \\ C_{α f} L_{f} / I \end{matrix}] δ_{F}$
In dieser Gleichung wird der Seitengeschwindigkeitszustand durch den Seitenschlupfzustand (β) ersetzt (im Vergleich zu der Fahrradmodellgleichung, die von der Primärsteuerung verwendet wird). Die übrigen Zustandsdefinitionen bleiben wie vorstehend für die Primärsteuerung beschrieben.
In einer Ausführungsform wird der Rückkopplungsaufwand für den LQR-Regler durch Lösen der Ricatti-Gleichung zur Minimierung des folgenden Optimierungsobjektivs erhalten, $J = \int_{k = 0}^{N - 1} x {(k)}^{T} Q_{2} x (k) + u {(k)}^{T} R_{2} u (k)$
Wobei $x = [\begin{matrix} y \\ φ \\ β \\ r \end{matrix}]$
u = δ_F, Q₂ & R₂ zeitvariante Kostenmatrizen sind, die mit der zweiten Steuerung verbunden ist.
Zusätzlich umfasst in einer Ausführungsform ein LQR-Verfahren für die zweite Steuerung eine lineare Rückkopplungssteuerung, die eine Steuerung u = - K x (in der „x“ den Zustand darstellt) für das lineare System ẋ = Ax + BU, in dem A & B Zustandsmatrizen sind. In einer Ausführungsform wird die Verstärkung K für die LQR-Steuerung für die zweite Steuerung durch Lösen der algebraischen Ricatti-Gleichung berechnet und die Rückkopplungssteuerung für die zweite Steuerung wird unter Verwendung der folgenden Gleichung dargestellt: $δ_{F B,2} = - K_{L Q R,2} [\begin{matrix} y \\ φ \\ β \\ r \end{matrix}]$
Ähnlich wie bei der vorstehenden Erörterung bezüglich der ersten Steuerung wurde in einer Ausführungsform ein linearer Rückkopplungsregler u = - K x gewählt, wobei K nach dem LQR-Verfahren berechnet wurde. Ähnlich wie bei der vorstehenden Erörterung ist es jedoch klar, dass in verschiedenen Ausführungsformen eine beliebige Anzahl von Rückkopplungsreglern anstelle oder zusätzlich zu einem LQR-Linearregler für den zweiten Controller verwendet werden kann.
In einer Ausführungsform wird der endgültige Steuerungsaufwand (d. h. für die zweite Steuerung) nur durch Verwendung des Rückkopplungsaufwandes gemäß der folgenden Gleichung erhalten: $δ_{F,2} = δ_{F B,2}$
In einer Ausführungsform weist der erste Steueralgorithmus 187, der in Schritt 212 verwendet wird, eine verhältnismäßig höhere Priorität für die Spurzentrierung im Vergleich zu dem zweiten Steueralgorithmus 188 auf. Auch bei einer Ausführungsform weist der zweite Steueralgorithmus 188 im Vergleich zu dem ersten Steueralgorithmus 187 eine verhältnismäßig höhere Priorität für die Fahrzeugstabilität auf. Zusätzlich liefert der erste Steueralgorithmus 187 in einer Ausführungsform eine verhältnismäßig aktivere Lenkung im Vergleich zu dem zweiten Steueralgorithmus 188
Es wird bestimmt, ob ein Seitenschlupfwinkel für das Fahrzeug kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert (k1) ist (Schritt 216). In einer Ausführungsform erfolgt diese Bestimmung durch den Prozessor 172 aus 1 basierend auf den Ergebnissen von Schritt 210. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Seitenschlupfwinkel einen Seitenschlupfwinkel für eines oder mehrere der Räder 116 des Fahrzeugs 100 von 1. In einer Ausführungsform ist der Seitenschlupfwinkel ein mittlerer Schlupfwinkel für jedes der Räder 116 des Fahrzeugs 100. Dies kann in anderen Ausführungsformen jedoch variieren.
In einer Ausführungsform wird der Seitenschlupfwinkel-Schwellenwert, bei dem die Beta-Steuerung beginnt, eine Funktion der Vorwärts-Lenk-RWA-Berechnung bestimmt. Der Begriff Vorsteuerung hängt wiederum von der gewünschten Trajektorien-Krümmung ab. $δ_{F F} = L ρ_{D s r d} + K_{u s} v_{x}^{2} ρ_{D s r d}$
Auch bei einer Ausführungsform wird der Seitenschlupfwinkel-Schwellenwert als Kalibriertabelle erhalten $K_{β}^{S c h w e l l e n w e r t} (δ_{F F,1})$
Ein derartiges Beispiel ist in 5 dargestellt, in welchem die x-Achse (502) die Vorwärtslenkung RWA darstellt und die y-Achse (504) eine Schlupfschwelle für die Beta-Steuerung darstellt, um aktiv zu sein.
Wenn in Schritt 216 bestimmt wird, dass der Seitenschlupfwinkel kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert (k1) ist, wird der primäre Steuerlenkwinkel von Schritt 212 verwendet (Schritt 218). In einer Ausführungsform wird der primäre Steuerlenkwinkel von Schritt 212 über den Prozessor 172 von 1 verwendet, um Anweisungen für das Lenksystem 150 von 1 gemäß dem ersten Steueralgorithmus 187 von 1 bereitzustellen. In einer Ausführungsform wird der erste Steueralgorithmus 187 ausschließlich während des Schrittes 218 ohne den zweiten Steueralgorithmus 188 verwendet. Dies kann in anderen Ausführungsformen variieren. So werden beispielsweise in einer Ausführungsform, bei der der Seitenschlupfwinkel zuvor größer oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert war, aber nun kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist, der erste Steueralgorithmus 187 und der zweite Steueralgorithmus 188 für eine vorbestimmte Zeitdauer, nachdem der Seitenschlupfwinkel kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert geworden ist, zusammen verwendet (z. B. phasenweises Ausschalten des zweiten Steueralgorithmus 188 während der erste Steueralgorithmus 187 phasenweise eingeschaltet wird), und danach der erste Steueralgorithmus 187 ausschließlich verwendet wird, vorausgesetzt, dass der Seitenschlupfwinkel kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert bleibt. In einer Ausführungsform wird die Verstärkungsplanungsfunktion 189 von 1 während der Übergangsperiode verwendet, beispielsweise bei der Bereitstellung einer verhältnismäßigen Gewichtung für den ersten Steueralgorithmus 187 gegenüber dem zweiten Steueralgorithmus 188. In einer Ausführungsform geht das Verfahren zu Schritt 224 weiter, der unten näher erläutert wird.
In einer Ausführungsform wird der geplante Steuerungsaufwand der Ausgangsverstärkung durch Kombinieren des primären und sekundären Steuerungsaufwands gemäß der folgenden Gleichung erhalten: $δ_{F} = (1 - γ_{g a i n, s c h e d}) δ_{F,2} + γ_{g a i n, s c h e d} δ_{F,1}$
Wobei γ_gain,sched eine normalisierte grafische Funktion ist. Für die aktuelle Ausführungsform wurde sie als gewählt $γ_{g a i n, s c h e d} = e^{- K_{1} M A X (0, β - K_{β}^{S c h w e l l e n w e r t} (δ_{F F,1}))}$
wobei K₁ ein Kalibrierparameter ist. Jedoch ist in verschiedenen Ausführungsformen die Wahl der normierten Verstärkungsplanfunktion nicht auf die vorstehend erwähnte Formulierung beschränkt.
Mit Bezug auf den Schritt 216 wird, wenn stattdessen festgestellt wird, dass der Seitenschlupfwinkel größer oder gleich dem ersten vorbestimmten Schwellenwert (k1) ist, bestimmt, ob der Seitenschlupfwinkel für das Fahrzeug größer als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert (k2) ist (Schritt 219). In einer Ausführungsform ist der zweite vorbestimmte Schwellenwert (k2) größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert (k1). Bei einer Ausführungsform erfolgt diese Bestimmung auch durch den Prozessor 172 von 1 basierend auf den Ergebnissen von Schritt 210.
Wenn in Schritt 219 bestimmt wird, dass der Seitenschlupfwinkel größer als der zweite vorbestimmte Schwellenwert (k2) ist, dann wird die Steuerung über den ersten Regler phasenweise beendet (Schritt 220). Insbesondere wird in einer Ausführungsform während des Schrittes 220 die vorstehend beschriebene Funktion des normalisierten Verstärkungsablaufs verwendet, um effektiv zu interpolieren und von der ersten Steuerung wegzukommen. Auch in einer Ausführungsform erfolgt dies über den Prozessor 172 von 1. In einer Ausführungsform geht das Verfahren zu Schritt 224 weiter, der weiter unten beschrieben wird.
Umgekehrt werden, wenn in Schritt 219 bestimmt wird, dass der Seitenschlupfwinkel kleiner oder gleich dem zweiten vorbestimmten Schwellenwert (k2) ist, die erste Steuerung und die zweite Steuerung gemäß einer Verstärkungsplanungsfunktion kombiniert γ_gain,sched (Schritt 222). In einer Ausführungsform wird dies über den Prozessor 172 von 1 bei der Implementierung des ersten Steueralgorithmus 187 und des zweiten Steueralgorithmus 188 von 1 unter Verwendung der Verstärkungsplanungsfunktion 189, die in dem Speicher 174 von 1 gespeichert ist, durchgeführt.
In einer Ausführungsform werden während des Schrittes 222 für den Fahrzeugantrieb aufgrund der Verwendung der primären und/oder sekundären Steuerungen die tatsächlichen Kosten ermittelt und die tatsächlichen Kosten werden (als Kombination der primären und sekundären Steuerungen) zusammen mit der Verstärkungsplanungsfunktion 189 von 1 für die Lenksteuerung verwendet. Auch bei einer Ausführungsform wird die Verstärkungsplanungsfunktion γ_gain,sched basierend auf den tatsächlichen Kosten für die Verwendung in Verbindung mit der Verstärkungsplanungsfunktion aktualisiert. Auch in einer Ausführungsform werden während des Schrittes 222 die einzelnen Anstrengungen der primären und sekundären Steuerungen (von den Schritten 212 und dem Schritt 214) gemäß der Verstärkungsplanfunktion gemäß der folgenden Gleichung zusammengefasst: $δ_{F} = (1 - γ_{g a i n, s c h e d}) δ_{F,2} + γ_{g a i n, s c h e d} δ_{F,1}$
In einer Ausführungsform ist die Verstärkungsplanungsfunktion durch die folgende Gleichung gekennzeichnet: $γ_{g a i n, s c h e d} = e^{- K_{1} M A X (0, β - K_{β}^{S c h w e l l e n w e r t} (δ_{F F,1}))}$
Wobei, $δ_{F F,1} = L ρ_{D s r d} + K_{u s} v_{x}^{2} ρ_{D s r d}$
Dementsprechend umfassen in einer derartigen Ausführungsform die Parameter für die Verstärkungsplanungsfunktion β, v_x und ρ_Dsrd. In einer Ausführungsform sind die beiden letzteren Parameter v_x und ρ_Dsrd indirekte Parameter, die sich durch den Kalibrierungsparameter $K_{β}^{S c h w e l l e n w e r t}$
(beispielsweise wie in 5 gezeigt) beeinflussen. Dementsprechend ist in einer Ausführungsform eine vorherrschende Korrelation von Ygain,sched mit β. Somit wird in einer Ausführungsform, wenn β zunimmt γ_gain,sched abnimmt und umgekehrt.
Somit kann bei einer Ausführungsform für einen ausreichend großen Seitenschlupfwinkel (z. B. derjenige, der größer als der zweite vorbestimmte Schwellenwert k2 ist), die geplante Verstärkung annähernd gleich Null sein, d. h. γ_gain,sched ≈ 0. Eine Kalibrierungsschwelle Ko kann so gewählt werden, dass bei γ_gain,sched < Ko wobei K₀ ≈ 0,
Dann können wir den Gewinn geplanten Kontrollaufwand annähern wie, $δ_{F} = (1 - γ_{g a i n, s c h e d}) δ_{F,2} = δ_{F,2} als γ_{g a i n, s c h e d} \approx 0$
So kann bei einer Ausführungsform der Prozess im Wesentlichen die zweite Steuerung ignorieren, wenn der Seitenschlupfwinkel zu groß ist, die erste und zweite Steuerung über das Verstärkungslinien-Verfahren für einen moderaten Schlupfwinkel kombinieren und die erste Steuerung für große Seitenschlupfwinkel wieder ignorieren (z. B. in Schritt 220, wie vorstehend erörtert).
Dementsprechend erfüllt das Verfahren 200 in einer Ausführungsform einen doppelten Auftrag, nämlich (i) Verfolgen eines gewünschten Weges; und (ii) Stabilität. Dann stellt die primäre Steuerung in einer Ausführungsform die Kernverfolgungsmerkmale bereit, während die sekundäre Steuerung das Fahrzeug im linearen Betriebsbereich durch Minimierung des Seitenschlupfes (der Bestandteil der Stabilitätskontrolle ist) hält. Durch Verwendung eines Verstärkungslinienansatzes bietet die Kombination dieser Steuerungen einen Steueralgorithmus, der in erster Linie das Verfolgungsziel beibehält, aber auch uns Stabilität gibt, wenn wir es am meisten brauchen. Zusätzlich versucht die sekundäre Steuerung in einer Ausführungsform, wenn diese aufgerufen wird, einen oder mehrere Algorithmen zur Berechnung der gewünschten Trajektorie zu beeinflussen, indem er es gutartiger macht, ähnlich wie es ein Fahrer in der Schleife tun würde. Wenn das Stabilitätsereignis weggeht und der Prozess wieder zur primären Steuerung zurückkehrt, wird die primäre Steuerung für einen gewissen Zeitraum (durch den Übergang zurück) gutartig gemacht.
3 ist ein Flussdiagramm eines ersten konzeptionellen Rahmens 300 für den Prozess 200 von 2 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform. Wie in 3 abgebildet, wird die Fusion 302 in Bezug auf verschiedene Arten von Sensorinformationen (z. B. Kamera, GPS, Radar) verwendet, um eine Beschreibung der Umgebung für das Fahrzeug zu erhalten, einschließlich der Fahrspurmarkierungen und/oder anderer Merkmale der Fahrbahn und der Umgebung für das Fahrzeug. Zusätzlich wird die Wegplanung 304 verwendet, um eine Trajektorie zu planen, um, was auch immer das Ziel ist, dieses unter Verwendung der durch die Sensor-Fusion bereitgestellten Daten (z. B. für Spurzentrierung und/oder Spurwechsel) zu erreichen. In einer Ausführungsform werden Daten von den Navigationssensoren 170 von 1 (und/oder zugehörigen Systemen) (z. B. von Schritt 204 von 2) verwendet, um den gewünschten Pfad zu bestimmen (z. B. entsprechend dem Schritt 205 von 2).
Der gewünschte Pfad 306 ist zusammen mit einer Gierrate 308 für eine primäre Pfadsteuerung 318 vorgesehen (z. B. entsprechend dem ersten Steueralgorithmus 187 von 1). Zusätzlich wird ein nichtlinearer Fahrradmodellbeobachter/Schätzer 310 verwendet, um eine Seitengeschwindigkeit 312 zu erzeugen, die ebenfalls der primären Pfad-Steuerung 318 zugeführt wird Die primäre Pfad-Steuerung 318 empfängt auch Eingaben von einer Echtzeit-Kostenfunktion 314 und Echtzeitzustandsraummatrizen 316. Außerdem empfängt eine Vorwärtspfadverfolgungssteuerung 320 Eingaben von der primären Pfadsteuerung 318 und sendet auch Eingaben an die primäre Pfad-Steuerung 318.
Zusätzlich empfängt eine Sekundärsteuerung 324 (z. B. entsprechend dem zweiten Steueralgorithmus 188 von 1) Informationen über einen Seitenschlupfwinkel 322 des Fahrzeugs (wie über den nichtlinearen Fahrradmodellbeobachter/Schätzer 310 erzeugt) zusammen mit Informationen über den gewünschten Pfad 306 und die Gierrate 308 sowie die Echtzeitkostenfunktion 314 und die Echtzeitzustandsraummatrizen 316.
Zusätzlich erzeugt die Pfadverfolgungssteuerung 320 auch zusätzliche Eingaben 328 (z. B. hinsichtlich der Betriebsbedingungen für das Fahrzeug), die bei 334 verwendet werden, um einen maximal zulässigen Seitenschlupfwinkel 336 basierend auf den speziellen Eingaben 328 (z. B. Betriebsbedingungen) zu bestimmen. Darüber hinaus erzeugt die sekundäre Steuerung 338 den sekundären Steuerungslenkwinkel 338 (d. h. entsprechend dem sekundären Steuerungslenkwinkel des Schrittes 214 von 2. Der primäre Steuerungswinkel 332, der maximal zulässige Seitenschlupf 336 und der sekundäre Steuerungslenkwinkel 338 sowie der Seitenschlupfwinkel 322 sind jeweils für die Verstärkungsplanungsfunktion 340 vorgesehen, welche dann einen Verstärkungs-geplanten Lenkwinkel 342 zum Steuern der Lenkung des Fahrzeugs erzeugt.
4 ist ein Flussdiagramm eines zweiten konzeptionellen Rahmens 400 für den Prozess 200 von 2 gemäß einer exemplarische Ausführungsform. Wie in 4 abgebildet, wird eine Pfadplanung 402 (z. B. ein gewünschtes Ziel und eine gewünschte Route oder ein anderer Weg für das Fahrzeug) an eine primären Steuerung 404 und eine sekundäre Steuerung 406 geliefert. Die jeweiligen Lenkwinkel 405, 407 von den primären und sekundären Steuerungen 404, 406 sind an eine Verstärkungsplanungsfunktion 408 vorgesehen. Es wird eine Bestimmung 410 durchgeführt, ob die sekundäre Steuerung 406 vor kurzem aktiv war. Wenn die sekundäre Steuerung vor kurzem nicht aktiv war, wird keine Lenkänderung durchgeführt (Schritt 412). Umgekehrt wird, wenn die sekundäre Steuerung vor kurzem aktiv war, dann ein besserer gewünschter Pfad unter Verwendung zusätzlicher Eingaben 414 für die Pfadplanung 402 (zur Verwendung sowohl von den primären und sekundären Steuerungen 404, 406) und eine Erhöhung der Aktuatorkosten für eine Echtzeit-Kostenfunktion ist auch als zusätzliche Eingabe 416 für die primäre Steuerung 404 vorgesehen.
Im LQR-Rahmen bedeutet dies, die Kosten R₁ zu erhöhen, wenn ein Stabilitätsereignis auftritt, wobei die folgende Gleichung verwendet wird: $J = \int_{k = 0}^{N - 1} x {(k)}^{T} Q_{1} x (k) + u {(k)}^{T} R_{1} u (k)$
Es versteht sich, dass die offenbarten Verfahren, Systeme und Fahrzeuge von denjenigen abweichen können, die in den Figuren dargestellt und hierin beschrieben sind. So können beispielsweise das Fahrzeug 100, das Steuersystem 102, und/oder verschiedene Komponenten davon von denjenigen, die in 1 dargestellt und in Verbindung damit beschrieben sind, abweichen. Es wird in ähnlicher Weise erkannt werden, dass sich die Anzeigen 200, 202 von denen unterscheiden können, die in abgebildet sind in 2. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass sich der konzeptionelle Rahmen 300 und der Prozess 400 von denen unterscheiden können, die in den 3 und 4 dargestellt sind.
Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Erfindung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform oder von exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beigefügten Patentansprüche und deren rechtlichen Entsprechungen abzuweichen.

Claims

Verfahren (200) zur Steuerung einer Lenkung eines autonomen Fahrzeugs (100), umfassend: das Erhalten von Informationen bezüglich eines Seitenschlupfwinkels (322) für das autonome Fahrzeug (100); und das Steuern, über einen Prozessor (172), der Lenkung für das autonome Fahrzeug (100) unter Verwendung eines oder mehrerer ausgewählter Steueralgorithmen, die zumindest teilweise auf dem Seitenschlupfwinkel (322) basieren, wobei der eine oder die mehreren ausgewählten Steueralgorithmen aus einem ersten Steueralgorithmus (187) und einem zweiten Steueralgorithmus (188) ausgewählt sind.; wobei der Schritt des Steuerns der Lenkung für das autonome Fahrzeug (100) Folgendes umfasst: das Steuern der Lenkung unter Verwendung des ersten Steueralgorithmus (187), wenn der Seitenschlupfwinkel (322) kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert (k1) ist; das Steuern der Lenkung unter Verwendung des zweiten Steueralgorithmus (188), wenn der Seitenschlupfwinkel (322) größer als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert (k2) ist, wobei der zweite vorbestimmte Schwellenwert (k2) größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert (k1) ist, und das Übergehen von der Steuerung der Lenkung unter Verwendung des ersten Steueralgorithmus (187) zur Steuerung der Lenkung unter Verwendung des zweiten Steueralgorithmus (188), wenn der Seitenschlupfwinkel (322) vorher kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert (k1) war und nun größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert (k1) ist.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Steuerns der Lenkung für das autonome Fahrzeug (100) Folgendes umfasst: das Übergehen von der Steuerung der Lenkung unter Verwendung des zweiten Steueralgorithmus (188) zur Steuerung der Lenkung unter Verwendung des ersten Steueralgorithmus (187), wenn der Seitenschlupfwinkel (322) vorher größer als der zweite vorbestimmte Schwellenwert (k2) war und nun kleiner als der zweite vorbestimmte Schwellenwert (k2) ist.
Verfahren (200) nach Anspruch 2, wobei: der erste Steueralgorithmus (187) und der zweite Steueralgorithmus (188) verwendet werden, um die Lenkung zu steuern, wobei der Seitenschlupfwinkel (322) kleiner als der zweite vorbestimmte Schwellenwert (k2) während des Übergangs ist; und der erste Steueralgorithmus (187) ohne den zweiten Steueralgorithmus (188) verwendet wird, um die Lenkung zu steuern, nachdem der Seitenschlupfwinkel (322) kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert (k1) war.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei: der erste Steuerungsalgorithmus (187) eine verhältnismäßig höhere Priorität für die Spurzentrierung im Vergleich zu dem zweiten Steueralgorithmus (188) hat; und der zweite Steueralgorithmus (188) gegenüber dem ersten Steuerungsalgorithmus (187) eine verhältnismäßig höhere Priorität für die Fahrzeugstabilität hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Auswählen des Steuerungsalgorithmus mindestens teilweise auf dem Seitenschlupfwinkel (322) in Kombination mit einer Verstärkungsplanungsfunktion (189) basiert, die eine Echtzeit-Kostenfunktion umfasst, die zumindest teilweise auf dem Seitenschlupfwinkel (322) basiert.
System (102) zur Steuerung einer Lenkung eines autonomen Fahrzeugs (100), Folgendes umfassend: einen Sensor (104), der dazu konfiguriert ist, Sensordaten zu erhalten, die sich auf einen Seitenschlupfwinkel (322) für das autonome Fahrzeug (100) beziehen; und einen Prozessor (172), der so konfiguriert ist, dass er zumindest die Steuerung des Lenkens für das autonome Fahrzeug (100) unter Verwendung eines oder mehrerer ausgewählter Steueralgorithmen, die zumindest teilweise auf dem Seitenschlupfwinkel (322) basieren, ermöglicht, wobei der eine oder die mehreren ausgewählten Steueralgorithmen aus einem ersten Steueralgorithmus (187) und einem zweiten Steueralgorithmus (188) ausgewählt werden, und wobei der Prozessor (172) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
Autonomes Fahrzeug (100), umfassend: einen oder mehrere Sensoren (104), die konfiguriert sind, um Sensordaten zu erhalten, die sich auf einen Seitenschlupfwinkel (322) für das autonome Fahrzeug (100) beziehen; und einen Prozessor (172), der so konfiguriert ist, dass er zumindest die Steuerung des Lenkens für das autonome Fahrzeug (100) unter Verwendung eines oder mehrerer ausgewählter Steueralgorithmen, die zumindest teilweise auf dem Seitenschlupfwinkel (322) basieren, ermöglicht, wobei der eine oder die mehreren ausgewählten Steueralgorithmen aus einem ersten Steueralgorithmus (187) und einem zweiten Steueralgorithmus (188) ausgewählt werden, und wobei der Prozessor (172) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.