DE102017201569A1

DE102017201569A1 - Vorschau der lateralen steuerung für das automatisierte fahren

Info

Publication number: DE102017201569A1
Application number: DE102017201569.1A
Authority: DE
Inventors: Nikolai K. Moshchuk; Shih-Ken Chen; Bakhtiar B. Litkouhi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2017-08-17
Also published as: US20170233001A1; US9731755B1; CN107085424A

Abstract

Verfahren zum Bereitstellen einer Fahrzeug-Querlenksteuerung. Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines mathematischen Modells der Fahrzeugdynamik, das eine Zustandsvariable, eine Lenksteuergröße und einen zukünftigen Straßenstörungsfaktor, der die bevorstehende Straßenkrümmung, die Bänke und die Hänge der Fahrbahn definiert, beinhaltet. Das Verfahren bestimmt ein optimales Lenksteuersignal, das einen Rückkopplungsabschnitt und einen Vorwärtskopplungsabschnitt beinhaltet, wobei der Vorwärtskopplungsabschnitt den Straßenstörungsfaktor beinhaltet. Das Verfahren bestimmt eine Zustandsgröße und eine Regelgröße für die aktuelle Fahrbahnkrümmung, die Querneigung und die Neigung für die stationäre Bewegung des Fahrzeugs für konstante Geschwindigkeit, Gierrate und Quergeschwindigkeit. Das Verfahren führt dann eine neue Zustandsgröße und Steuervariable für eine dynamische Fahrzeugbewegung für variable Geschwindigkeit, Gierrate und Seitengeschwindigkeit ein, die eine Differenz zwischen den Zustands- und Steuergrößen für vorausgesagte zukünftige Zeiten und die stationären Variablen ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung eines Seitenlenkungssteuerungshilfsmittels für eine Spurzentrierung, eine Spurhaltung, einen Spurwechsel, eine kollisionsbedingte Lenkung usw. in einem autonomen angetriebenen oder halbautonom angetriebenen Fahrzeugs und insbesondere auf ein System und Verfahren zur Bereitstellung eines seitlichen Lenksteuerungshilfsmittels für eine Spurzentrierung, einen Spurwechsel, eine Spurhaltung, eine Spurverfolgung, eine kollisionsbedingte Lenkung usw. in einem eigenständig angetriebenen oder halbautonomen Fahrzeug, wobei das System und das Verfahren eine Vorschau auf anstehende gekrümmte, gekreiste und/oder geneigte Fahrbahnen bereitstellen.
Erläuterung des Standes der Technik
Der Betrieb von modernen Fahrzeugen wird immer autonomer, d. h. die Fahrzeuge sind in der Lage, die Fahrsteuerung mit weniger Fahrereinsatz zu bereitzustellen. Fahrzeuge verfügen seit einigen Jahren über Geschwindigkeitsregelungssysteme, die es dem Fahrzeugbediener ermöglichen, eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit einzustellen, und das Fahrzeug diese Geschwindigkeit hält, ohne dass der Fahrer das Gaspedal betätigt. Adaptive Geschwindigkeitsregelungssysteme wurden kürzlich entwickelt, sodass das System nicht nur die eingestellte Geschwindigkeit hält, sondern auch selbsttätig das Fahrzeug abbremst, wenn ein langsamer fahrendes vorhergehendes Fahrzeug durch verschiedene Sensoren, wie Radar und Kameras, erfasst wird. Einige moderne Fahrzeuge ermöglichen auch das autonome Einparken, wobei das Fahrzeug selbsttätig die Lenksteuerung zum Parken des Fahrzeugs übernimmt. Einige Fahrzeugsysteme stellen automatisches Bremsen ohne Eingriff des Fahrers zur Vermeidung von Auffahrunfällen bereit. Da Fahrzeugsysteme verbessert werden, werden sie autonomer mit dem Ziel, ein vollkommen autonomes Fahrzeug zu sein. Zukünftige Fahrzeuge werden mit hoher Wahrscheinlichkeit autonome Systeme zum Fahrspurwechsel, Überholen, Ausscheren, Einscheren in den Verkehr usw. verwenden.
Kollisionsvermeidungssysteme sind im Stand der Technik bekannt, um ein automatisches Bremsen und/oder Lenken eines Subjektfahrzeugs vorzusehen, um ein langsameres oder gestopptes Objekt vor dem Subjektfahrzeug zu vermeiden, falls der Fahrzeugführer keine Ausweichaktion ausführt. Bekannte Kollisionsvermeidungssysteme stellen dem Fahrzeugführer Warnungen zur Verfügung und in Abhängigkeit davon, ob der Fahrer ausweichend wirkt, eine automatische Bremsung und/oder automatische Lenkung bereitstellen. Wenn das System feststellt, dass eine automatische Lenkung notwendig ist, um eine Kollision zu vermeiden, muss das System einen sicheren Lenkweg für das Objektfahrzeug ermitteln, um die Lenksteuerung bereitzustellen. Einige dieser Systeme sind in der Lage, Spurmarkierungen zu erfassen, um so den Lenkweg des Subjektfahrzeugs zu berechnen, um einen Spurwechsel für Kollisionsvermeidungszwecke zu machen. Diese Kollisionsvermeidungssysteme stellen auch Lenkbefehle bereit, die dazu führen, dass das Subjektfahrzeug dem berechneten Lenkweg folgt, um die Fahrzeuglenkung bereitzustellen.
Die Objekterfassungssensoren für diese Arten von Systemen können irgendeine von einer Anzahl von Technologien verwenden, wie Kurzstreckenradar, Langstreckenradar, Kameras mit Bildverarbeitung, Laser oder Lidar, Ultraschall usw. Die Objekterfassungssensoren detektieren Fahrzeuge und andere Objekte im Weg eines Subjektfahrzeugs, und die Anwendungssoftware verwendet die Objekterfassungsinformationen, um Warnungen oder Maßnahmen vorzusehen, wie es angemessen ist. Die Warnung kann eine visuelle Anzeige an der Fahrzeug-Instrumententafel oder in einer Head-up-Anzeige (HUD) sein und/oder kann eine akustische Warnung oder ein anderes haptisches Feedback-Gerät sein, wie z. B. ein Sitzabstand. In vielen Fahrzeugen sind die Objekterkennungssensoren direkt in den vorderen Stoßfänger oder in andere Fahrzeugverkleidungen integriert.
Verschiedene Systeme sind im Stand der Technik für autonom angetriebene oder halbautark angetriebene Fahrzeuge bekannt, die geeignete Steuerungen, Sensoren, Lenkstellglieder usw. verwenden, die eine automatische Fahrzeuglenkung für eine oder mehrere Spurzentrierung, Spurhaltung, Spurwechsel, Kollisionsvermeidung, usw. Zum Beispiel offenbart US-Patent Nr. 8,903,607 , erteilt am 2. Dezember 2014 an Lee et al., dem Titel Spurverfolgungssystem mit aktiver Hinterradlenkung, ein Spurverfolgungssystem, das einen gewünschten Kurs eines Fahrzeugs entlang einer Fahrbahn bestimmt, eine Flugbahn des Fahrzeugs basierend auf der erfassten Fahrzeugbewegung schätzt, einen Fehler zwischen dem bestimmten Sollkurs und der geschätzten Flugbahn berechnet, und liefert einen vorderen Lenkdrehmomentbefehl an einen vorderen Lenkungsregler und einen hinteren Lenkdrehmomentbefehl an einen hinteren Lenkungsregler, um den Fehler zu minimieren.
Das US-Patent Nr. 8,849,515 , erteilt am 30. September 2014 an Moshchuk et al., mit dem Titel, Lenkassistent in dem vom Fahrer initiierten Kollisionsvermeidungsmanöver, offenbart ein Kollisionsvermeidungssystem, das eine Kollisionsbedrohung identifiziert, einen optimalen Kollisionsvermeidungsweg berechnet und ein Lenkunterstützungsdrehmoment zum Lenken des Fahrzeugs entlang des Weges bereitstellt.
Das US-Patent Nr. 8,170,739 erteilt am 1. Mai 2012 an Lee, mit dem Titel „Wegerzeugungsalgorithmus für ein Automatisiertes offenbart ein System zur Bereitstellung einer Fahrstreckenerzeugung für automatisierte Fahrspurzentrierung und/oder Spurhaltung. Das System erkennt Fahrspurmarkierungen auf der Fahrbahn und erzeugt einen gewünschten Fahrzeugweg, der das Fahrzeug in der Fahrspur hält.
U.S. Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2015/0158528 an Moshchuck et al., mit dem Titel, Kollisionsvermeidungssteuerung integriert mit dem EPS-Controller, offenbart eine Modellprädiktionssteuerung (MPC), die ein sechsdimensionales Fahrzeugbewegungsmodell verwendet, das eine Kombination aus einem einspurigen linearen Fahrradmodell und einem Ein-Grad Freiheits-Lenksäulenmodell aufweist, um die Fahrzeuglenkung zu modellieren, um einen Drehmomentüberlagerungsbefehl für die Lenkunterstützung bereitzustellen.
Die bekannten Systeme, auf die oben Bezug genommen wird, um eine Spurzentrierung, eine Spurhaltung, eine Spurverfolgung, eine Kollisions-bevorstehende Lenkung, eine Lenkwinkelunterstützung usw. für autonome und halbautonome angetriebene Fahrzeuge bereitzustellen, verwenden typischerweise verschmolzene Sensordaten, die zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar sind. Jedoch werden aufkommende Straßenänderungen, wie Kurven, Bänke, Steigungen, usw. in der Fahrbahn in der Regel nicht vollständig in der Steuerarchitektur für diese Systeme verarbeitet. Segmente einer Fahrbahn, die plötzliche horizontale Krümmungsänderungen aufweisen, sind beispielsweise die schwierigste Situation für eine eigenständig angetriebene Fahrzeugsteuerung. Die Leistungsanforderungen für aktive Sicherheitsmerkmale in diesen Systemarten erfordern eine strikte Begrenzung der seitlichen Abweichung auf einer gekrümmten Fahrbahn.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen einer lateralen Lenksteuerung in einem autonomen oder halbautonomen angetriebenen Fahrzeug für die Spurzentrierung, den Spurwechsel, die Spurverfolgung, die Kollisions-bevorstehende Lenkung usw. und beinhaltet die Bereitstellung einer Vorschau der bevorstehenden Straßenkrümmung, Böschungen und Hängen. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines mathematischen Modells der Fahrdynamik eine Zustandsgröße, eine Lenksteuergröße und einen zukünftigen Straßenstörungsfaktor, der die bevorstehende Straßenkrümmung, die Böschungen und Hänge der Fahrbahn definiert. Das Verfahren bestimmt ein Lenksteuerungsziel, das die Differenz zwischen einem gegenwärtigen Fahrzeugweg und einem gewünschten Fahrzeugweg verringert und ein optimales Lenksteuersignal bestimmt, das das Lenksteuerungsziel bereitstellt und das einen Rückkopplungsabschnitt und einen Vorschubabschnitt aufweist, wobei der Vorschubabschnitt den Straßenstörungsfaktor beinhaltet. Das Verfahren bestimmt eine Zustandsgröße und eine Regelgröße für die aktuelle Fahrbahnkrümmung, die Querneigung und die Neigung für die stationäre Bewegung des Fahrzeugs für konstante Geschwindigkeit, Gierrate und Quergeschwindigkeit. Das Verfahren führt dann eine neue Zustandsgröße und Steuervariable für eine dynamische Fahrzeugbewegung für variable Geschwindigkeit, Gierrate und Seitengeschwindigkeit ein, die eine Differenz zwischen den Zustands- und Steuergrößen für vorausgesagte zukünftige Zeiten und die stationären Variablen ist.
Zusätzliche Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung eines Fahrzeugs, einschließlich eines Wegverarbeitungssystem zum Bereitstellen eines Fahrzeugseitensteuersteuerungshilfsmittels in einem autonom angetriebenen oder halbautonomen angetriebenen Fahrzeug;
2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bereitstellung des in 1 dargestellten seitlichen Steuerlenkunterstützungssystems;
3 ist eine Darstellung eines einspurigen linearen Fahrradmodells; und
4 ist eine Darstellung, die verschiedene Abtastpunkte entlang einer gekrümmten Fahrspur beinhaltet, die eine Transformation zwischen Zustandssteuergrößen und dynamischen Bewegungssteuerungsvariablen zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren gerichtet sind, die eine Seitenlenkungssteuerungsunterstützung in einem autonom angetriebenen oder halbautonom angetriebenen Fahrzeug bereitstellen, das eine Vorschau auf eine bevorstehende Straßenkrümmung, Steigungen und Bänke bereitstellt, ist lediglich exemplarischer Natur und beabsichtigt in keiner Weise, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu beschränken. So kann beispielsweise das System und das Verfahren der Erfindung in anderen Industrien und für andere Arten von Beförderungen Anwendung finden.
Wie nachfolgend näher erläutert, schlägt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Querlenkungssteuerungshilfsmittels für die Fahrzeuglenkung in einem autonom oder halbautonom angetriebenen Fahrzeug vor, das für eine Spurzentrierung, einen Spurwechsel, eine Spurverfolgung, Lenkung bei Kollisionsvermeidung, usw. wobei das System und das Verfahren Vorhersageinformationen für anstehende Straßenkurven, Böschungen und/oder Hänge bereitstellt. Das hierin offenbarte System und Verfahren kann einen oder mehrere der vorstehenden in den Referenzen erörterten Algorithmen oder Prozesse zum Erfassen einer Fahrzeugspur, von Objekten usw., Bestimmen eines optimalen Lenkwegs und Vorsehen eines Lenkwinkelbefehlssignals oder eines Lenkdrehmomentbefehlssignals in dem speziellen Lenksystem des Fahrzeugs, um das Fahrzeug entlang des Weges zu lenken enthalten.
1 ist eine Darstellung 10, die ein Fahrzeug 12 zeigt, das entlang einer Fahrspur 14 einer Fahrbahn fährt, wobei das Fahrzeug 12 ein Bahnverarbeitungssystem 16 beinhaltet, welches die Position des Fahrzeugs 12 relativ zur Fahrspur 14 identifiziert und Fahrzeuglenkbefehle bereitstellt, um das Fahrzeug 12 in der Fahrbahn 14 auf irgendeine geeignete Weise zu halten, wie dies allgemein oder speziell hierin erörtert wird. Das System 16 soll alle verschiedenen Module, Steuerungen, Speicher, zentrale Verarbeitungseinheiten (CPUs), Prozessoren, elektronische Steuereinheiten (ECUs) usw. darstellen, die notwendig sind, um die verschiedenen hierin erläuterten Algorithmen und Prozesse auszuführen und zu betreiben. Das Fahrzeug 12 beinhaltet auch eine Kartendatenbank 20, ein Navigationssystem 22, eine GPS-Einheit 24, Sensoren/Detektoren 26, ein Fahrzeugdynamikmodul 28 und eine Fahrzeugsteuerung 30. Die Kartendatenbank 20 speichert Karteninformationen auf jeder Ausführungsebene, die verfügbar ist, einschließlich spezifischer Informationen über Fahrspuren, und arbeitet in Verbindung mit dem Navigationssystem 22, um die verschiedenen Karten und andere Informationen anzuzeigen, die verfügbar sind. Die Sensoren/Detektoren 26 sollen alle etwaigen und alle Objekterfassungssensoren oder -kameras an dem Fahrzeug 12 darstellen, wie beispielsweise Vorwärts-, Rück- und Seitenkameras, Rückfahrkameras, Lidarsensoren, Langstreckenradardetektoren, Kurzstreckenradardetektoren usw. die sich in jeder geeigneten Position am Fahrzeug 12 befinden. Für die hierin beschriebenen Zwecke erfassen die Sensoren/Detektoren 26 Spurmarkierungen und andere geeignete Objekte, die die Spur 14 identifizieren, die von dem System 16 verwendet werden können, um eine richtige Lenkung bereitzustellen. Das Fahrzeugdynamikmodul 28 liefert eine Fahrzeuglängs- und Seitengeschwindigkeit, eine Fahrzeuggierrate, eine Fahrzeuglängs- und Querbeschleunigung, einen Lenkwinkel, ein Lenkdrehmoment usw. Die Fahrzeugsteuerung 30 steuert den Betrieb des Fahrzeugs 12 einschließlich Lenken, Bremsen, Drosseln, usw. Für Steuerzwecke kann die Steuereinrichtung 30 Drehmomentbefehle und/oder Lenkwinkelbefehle vorsehen, um Korrekturen zwischen einem gewünschten Kurs und einer vorhergesagten Bahn an Lenksteuerungsaktuatoren 32 vorzunehmen, die eine oder mehrere elektrische Servolenkungen (EPS), eine aktive vordere Lenkung (AFS), eine aktive hintere Lenkung (ARS), eine differentielle Bremsung (DB), eine Drehmomentvektorisierung usw. bereitstellen, die allen Fachleuten in der Technik wohlbekannt sind.
2 ist ein Flussdiagramm 40, das einen Prozess zum Bereitstellen eines Lenksteuerbefehls an die Fahrzeugsteuerung 30 zeigt, wie durch das Wegverarbeitungssystem 16 bestimmt. Bei Box 42 wird ein mathematisches Modell der Fahrzeugdynamik für die Modellprädiktionssteuerung (MPC) erzeugt, das ein dynamisches Fahrzeugmodell ist, das durch Bewegungsgleichungen bereitgestellt wird, und kann ein einspuriges lineares Fahrradmodell verwenden, das mit einer Vorderlenkung, einer Hinterradlenkung und/oder einer Differentialbremse gekoppelt ist, und eine Freiheitslenkungssäule mit einem Freiheitsgrad unter Verwendung eines EPS. Eine derartige Fahrzeuglenksteuerung unter Verwendung von MPC kann in einer oder mehreren der vorstehend erläuterten Referenzen gefunden werden. Wie nachfolgend näher erläutert wird, liefert das einspurige lineare Fahrradmodell vier Dimensionen oder Parameter, nämlich einen seitlichen Versatz Δy des Fahrzeugschwerpunktes (CG) von der Fahrspur 14, Fahrzeugwinkelfehler ΔΨ, Fahrzeugseitengeschwindigkeit V_y und die Fahrzeuggierrate rund das Lenksäulenmodell mit einem Freiheitsgrad liefert zwei weitere Abmessungen oder Parameter, nämlich den Lenkradwinkel φ (oder des Ritzelwinkels) und der Lenkradwinkelrotationsgeschwindigkeit φ ..
In einer Ausführungsform ist das Modell ein sechsdimensionales Modell, das eine Kombination aus dem Einspur-Fahrradmodell und dem Eingrad-Freiheits-Lenksäulenmodell beinhaltet. Ein einspuriges lineares Fahrradmodell ist durch die Darstellung 50 in 3 dargestellt, einschließlich der Räder 52 und 54, des Fahrzeugschwerpunkts 58 und der Fahrbahn 56 und beschreibt die Fahrzeugposition in Bezug auf die Fahrspurmarkierungen der Fahrbahn 56 und verdeutlicht die Vorzeichenübereinstimmung. Das Zustandsraummodell für die Fahrzeugbewegung beinhaltet Gleichungen, die Beziehungen des Fahrzeugs 12 zu der Fahrbahn 56 definieren als:
und ein klassisches Fahrrad-Modell für eine einzelne Spur ist:
wobei Δy der seitliche Versatz des Fahrzeugschwerpunkts von der Fahrspur (Spurversatz) versetzt ist, ΔΨ ist die Fahrzeugposition in Bezug auf die Fahrspur (Fahrbahnüberschrift), V_y Fahrzeugseitengeschwindigkeit, r die Fahrzeuggierrate, V_x die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, C_f und C_r sind die Kurvenfahrtsteifigkeit der Vorder- und Hinterachse, a der Abstand vom Fahrzeugschwerpunkt zur Vorderachse des Fahrzeugs, b der Abstand vom Fahrzeugschwerpunkt zur Fahrzeug-Hinterachse, M die Masse des Fahrzeugs 12, I_z ist das Giermoment der Trägheit des Fahrzeugs 12 χ die Bahnkrümmung und δ_f und ist der Vorderradwinkel.
Es wird angenommen, dass die Vorder- und Hinterachs-Seitenkräfte F_f und F_r lineare Funktionen von seitlichen Schlupfwinkeln sind wie: F_f = C_fα_f, (5) F_r = C_rα_r, (6) wobei α_f und α_r vordere und hintere Schlupfwinkel sind und wobei:
Das mathematische Modell verwendet eine Zustandsvariable X die abhängig davon bestimmt wird, ob das EPS eine EPS-Winkelschnittstelle verwendet, wo die Fahrspurdynamik und das Fahrradmodell verwendet werden, oder eine EPS-Drehmomentschnittstelle, bei der die Fahrspurpositionsdynamik, das Fahrradmodell und das Lenksäulenmodell verwendet werden. Ein Drehmomentüberlagerungsbefehl kann dem EPS bereitgestellt werden, um das Drehmoment an das Lenksystem in jeder Richtung unabhängig von der Lenkeingabe des Fahrers hinzuzufügen oder zu subtrahieren. Auch kann das EPS-Stellglied für die Winkelschnittstelle zusätzlich zu dem vom Fahrer bereitgestellten Lenkwinkel einen Lenkwinkel addieren oder subtrahieren oder einen vom Fahrer unabhängigen Lenkwinkel liefern. Die Zustandsvariable X für die Ausführungsform der Winkelschnittstelle ist definiert durch: X = [Δy, ΔΨ, V_y, r]^T, (9) und die Zustandsvariable X für die Drehmomentschnittstellenausführungsform definiert ist durch:
Die Änderung oder Ableitung der Zustandsvariablen X ist definiert als: Ẋ = AX + BU + h, (11) wobei U eine Lenkregelungsvariable wie die Lenksteuerung für das gesamte EPS-Drehmoment, den hinteren Lenkwinkel, die Differentialbremse usw. ist und ein Winkel für die Winkelschnittstelle ist und bei der kombinierten Vorderlenkung, Differentialbremsung und Hinterradlenkung die Stellgröße U für die Winkelschnittstelle der vordere Lenkwinkel, das Giermoment und der hintere Lenkwinkel und für die Drehmomentschnittstelle das vordere Drehmoment, das Giermoment und der hintere Lenkwinkel sind, und h ein Straßenstörungsfaktor, der die Krümmung, die Schräge und die Steigung der Fahrbahn definiert, die für die Winkelschnittstellenausführungsform ist:
und für die Drehmomentschnittstellenausführungsform ist:
wobei κ die Straßenkrümmung, γ die Straßenbahn und β die Straßenneigung ist und wobei die Regulierungsmatrizen A und B die folgende Form haben.
Es wird angemerkt, dass die Matrix B in Gleichung (15) je nach verfügbarem Lenkstellgliedsatz unterschiedliche Formen aufweist, wobei jede Spalte in der Matrix eine Steuereingabe für einen Lenkaktor definiert. Das vorstehende Beispiel, bei dem die Matrix B eine Spalte aufweist, weist das Fahrzeug 12 nur Front-EPS auf. Wenn das Fahrzeug 12 vordere und hintere Lenkstellglieder aufweist, dann weist die Matrix B zwei Säulen auf, wenn das Fahrzeug 12 Vorderlenker und Differentialbremsen aufweist, dann weist die Matrix B zwei Säulen auf, und wenn das Fahrzeug 12 drei Stellglieder für Vorder- und Hinterradlenkung und Differenzbremsen aufweist, dann weist die Matrix B drei Säulen auf. Es ist auch anzumerken, dass anstelle des Faktors h, der ein Krümmungsterm ist, der als eine bekannte Störung in der '528-Anwendung definiert ist, der Faktor h die Straßenstörung für Bank, Steilheit und Krümmung, wie hierin definiert, die von Kameras, der Kartendatenbank 20 usw. bereitgestellt wird, ist.
Sobald das Modell vorgesehen ist, identifiziert der Algorithmus ein Lenksteuerungsziel an Box 44, der die Abweichung des Fahrzeugschwerpunkts (CG) von dem geplanten oder gewünschten Weg minimiert, um eine korrigierte Lenkung bereitzustellen. Viele Algorithmen sind im Stand der Technik bekannt, um einen gewünschten Lenkweg für Kollisionsvermeidungszwecke zu definieren. Wie nachstehend erläutert wird, erhält das Lenksteuerungsziel die Steuervariable U, die eine quadratische Kostenfunktion J minimiert. Der geplante Weg (bzw. die Referenztrajektorie) des Fahrzeugs 12 zu jedem Zeitpunkt k ist ein Satz von Punkten r_k+j, j = 1, 2, ..., p. Jeder Punkt r_k+j ist ein zweidimensionaler Vektor, der die Fahrspur-Seitenposition des Fahrzeugschwerpunkts und relativ zum Fahrzeug-Kurswinkel ΔΨ einschließt. Die Anzahl der Sollwerte p wird durch einen Vorhersagehorizont T_p = pT_s gesteuert, wobei T_s eine Abtastzeit ist. Zukünftige Ausgänge des mathematischen Modells sollten der Referenztrajektorie r_k+j folgen oder mit anderen Worten, die mit den Fehlern J verbundene Kostenfunktion y_k+j – r_k+j, j = 1, 2, ..., p sollte aus ihrem Weg in der Spur minimiert werden.
Da die Zustandsvariable X_k für die Abtastzeit k bekannt ist, verringert sich das Problem, die optimale Lenkregelgröße U_k zu finden, um ein globales Minimum der quadratischen Funktion J in der Regelgröße zu finden U_k. Ein derartiges kann in einer standardmäßigen quadratischen Programmierweise gelöst werden. Eine ausführliche Erörterung dessen, wie die Kostenfunktion J minimiert ist, kann in der '528-Anwendung gefunden werden, wobei die Kostenfunktion J definiert ist als:
wobei y_Feh der Seitenversatzfehler (y_erwünscht – y_vorhersagen,), φ_err der Kopfwinkelfehler (φ_erwünscht – φ_vorhersagen,) und Q(t) eine Wendegewichtungsmatrix für vorhergesagte Fehler ist, die gegeben sind als:
wobei Q_seitlich das Gewicht ist, das mit dem Seitenfehler (Ausgabe) verbunden ist, Q_Überschrift das Gewicht, das dem Kopffehler (Ausgabe) zugeordnet ist, und R(t) die Gewichtungsmatrix für Steueraktionen, die gegeben sind als:
wobei R_vordere das Gewicht ist, das dem vorderen Lenkrad zugeordnet ist (Eingang in die Steuerung), R_hintere das Gewicht, das dem hinteren Lenkrad zugeordnet ist (Eingang in die Steuerung) und R_db das Gewicht ist, das mit dem differentiellen Bremsen verbunden ist (Eingabe in die Steuerung).
Bei Box 46, verwendet der Algorithmus die ermittelte zukünftige Krümmungs-, Bank- und Steigungsinformation der Fahrbahn, um einen Vorlaufteil der Lenksteuerungsvariablen U durch Lösen der Kostenfunktion J der vorstehend erläuterten Gleichung (22) zu berechnen. Der Algorithmus verwendet den MPC oder einen optimalen linearen quadratischen (LQ) Regler, um optimale Steuergrößen U für eine oder mehrere Vorderwinkelauflagen oder eine vordere Drehmomentauflage, einen hinteren Lenkwinkel, ein Giermoment für Differenzbremsen und/oder Drehmomentvektorisierung. Der Algorithmus bestimmt zuerst die Zustandsvariable X und die Lenkregelgröße U für eine stationäre Bewegung des Fahrzeugs 12 für eine aktuelle horizontale Krümmung, eine Steigung und eine Steigung der Fahrbahn, die stationäre Bewegung eine kreisförmige Bewegung ist, bei der das Fahrzeug 12 mit einer konstanten Geschwindigkeit V_y, einer Gierrate r und einer Quergeschwindigkeit V_y fährt, d. h. die Fahrbahn wird einer kreisförmigen Bahn angenähert. Die dynamische Bewegung des Fahrzeugs 12 wird durch Gleichung (11) definiert, und durch Setzen der Ableitung des Zustandswerts X auf 0 kann der stationäre Zustand oder die stationäre Bewegung des Fahrzeugs 12 wie folgt definiert werden: AX_SS + BU_SS + h_SS = 0, (25) wobei die stationären Variablen X_SS und U_SS analytisch unter Verwendung mathematischer Modelle erhalten werden können oder experimentell gemessen werden können und wobei die stationären Werte für die Kreisbewegung wie folgt definiert werden können:

wobei L die Fahrzeugradbasis a + b ist, K_us ein Fahrzeuguntersteigungsgradient und SR das Lenkverhältnis ist und wobei die anderen Variablen vorstehend definiert sind.
Nach Erreichen der stationären Zustandsvariablen X_SS und U_SS werden neue Zustandsvariablen X₁ und U₁ eingeführt, die eine Abweichung der dynamischen Bewegung des Fahrzeugs 12 von der stationären Bewegung beschreiben, die um den stationären Zustand linearisiert ist, wobei die Abweichung von dem stationären Zustand definiert ist als: X₁ = X – X_ss, (32) U₁ = U – U_ss, (33) und wobei die dynamische Bewegung mit der variablen Geschwindigkeit V_x, der Giergeschwindigkeit r und der Quergeschwindigkeit V_y für die tatsächliche Straßengeometrie definiert ist als: Ẋ₁ = AX₁ + BU₁ + h₁, (34) wobei h₁ = –Ẋ_ss.
Diese Transformation der Zustands- und Steuervariablen X und U für die Abweichung der dynamischen Bewegung von der stationären Bewegung des Fahrzeugs 12 kann mithilfe von 4 beschrieben werden, die eine Darstellung 60 von Kurve 62 veranschaulicht, welche die Fahrspur darstellt, auf die das Fahrzeug 12 folgt, wobei der Abtastpunkt 66 der aktuelle Standort des Fahrzeugs 12 ist und einen Störfaktor h(t) für die aktuelle Krümmung, Böschung und die Steigung der Fahrbahn aufweist, wobei t die Zeit ist. Die Krümmung, die Böschung und die Neigung der Fahrbahn an den Abtastpunkten 64 für zukünftige Orte des Fahrzeugs 12 entlang der Kurve 62 sind definiert als h(t + τ), h(t + 2τ), ..., h(t + nτ), wobei die zeitliche Veränderung ist. Die Zustands- und Steuervarablen X und U werden in X₁ und U₁ an jedem der durch die Linie 68 dargestellten Abtastpunkte 64 für den neuen Störfaktor h₁ transformiert.
Der MPC- oder LQ-Regelalgorithmus wird dann unter Verwendung von Gleichungen mit den Ausdrücken des neuen Zustands und der Steuervariablen X₁ und U₁ verwendet. Der endgültige Ausdruck für die Lenksteuerungsvariable U_k wird wie folgt bereitgestellt, wobei die abschließende Steuerungsaktion die Summe der Rückkopplungs- und Vorwärtskopplungsbegriffe ist, und wobei die Vorwärtskopplungsterme die Summe des stationären Steuerwerts und der geplanten pfadbezogenen Terme sind, um die Straßenkrümmung, die Böschung und/oder die Steigung zu berücksichtigen. Somit ist die Lenksteuervariable U_k definiert als:
wobei:
der Rückkopplungsterm der Steuervariablen U_k ist, und:
ist die Vorlaufterm-Steuervariable U_k, und:
ist die zukünftige Krümmung, Böschung und Steigungsinformation, und: K_kx_SS + U_SS, (39) ist die aktuelle stationäre Krümmung, Böschung- und Steigungsinformation.
Bei Box 48 liefert der Algorithmus den Steuerbefehl an die Steuerung 30 für entweder eine Vorder- oder eine Hinterradlenkung, die ein Drehmomentüberlagerungsbefehl für ein EPS sein kann.
Wie Fachleuten hinreichend bekannt ist, können sich die hierin zur Beschreibung der Erfindung erörterten mehreren und unterschiedlichen Schritte und Verfahren auf Vorgänge beziehen, die von einem Computer, einem Prozessor oder anderen Geräten zur elektronischen Berechnung verwendet werden, die Daten unter Zuhilfenahme elektrischer Vorgänge manipulieren und/oder verändern. Diese Computer und elektronischen Geräte können unterschiedliche flüchtige und/oder nichtflüchtige Speicher beinhalten, zu denen ein nichttransitorisches computerlesbares Medium mit einem ausführbaren darauf gespeicherten Programm einschließlich verschiedenen Codes oder ausführbaren Anweisungen gehört, die in der Lage sind, von Computern oder Prozessoren ausgeführt zu werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten an Speichern und sonstigen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
Die vorangegangene Abhandlung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute auf dem Gebiet erkennen leicht aus einer derartigen Abhandlung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8903607 [0005]
US 8849515 [0006]
US 8170739 [0007]

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer seitlichen Lenksteuerung für ein autonom angetriebenes oder halbautonom angetriebenes Fahrzeug, das entlang einer Fahrbahn fährt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Bereitstellen eines mathematischen Modells der Fahrzeugdynamik, das eine Zustandsvariable, eine Lenksteuerungsvariable und einen zukünftigen Fahrbahnstörungsfaktor beinhaltet, der eine Krümmung, einen Hang und/oder eine Steigung der Fahrbahn definiert; das Bestimmen eines Lenksteuerungsziels unter Verwendung der Lenksteuerungsvariable, die die Differenz zwischen einem aktuellen Fahrzeugweg und einem gewünschten Fahrzeugweg verringert; das Bestimmen eines optimalen Lenksteuersignals unter Verwendung des mathematischen Modells, das das Lenksteuerungsziel bereitstellt und das einen Rückkopplungsabschnitt und einen Vorwärtskopplungsabschnitt beinhaltet, wobei der Vorwärtskopplungsabschnitt den Straßenstörungsfaktor beinhaltet; und das Bereitstellen des Steuersignals an eine Lenkungssteuerung.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Bereitstellen eines mathematischen Modells das Bereitstellen eines mathematischen Modells mit vier Freiheitsgraden oder ein mathematisches Modell mit sechs Freiheitsgraden beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, worin das Bereitstellen eines mathematischen Modells das Bereitstellen eines mathematischen Modells beinhaltet, das ein einspuriges Fahrradmodell für das mathematische Modell mit vier Freiheitsgraden verwendet und eine Kombination aus einem Einspur-Fahrradmodell und einem Ein-Grad Freiheitslenkungsmodell für das mathematische Modell mit sechs Freiheitsgraden verwendet.
Verfahren nach Anspruch 3, worin das Bereitstellen eines mathematischen Modells das Verwenden des einspurigen Fahrradmodells beinhaltet, um Modellabmessungen des seitlichen Versatzes Δy eines Fahrzeugschwerpunkts aus dem gewünschten Fahrzeugweg, eine Fahrzeugrichtwinkelfehler Δψ, Fahrzeug-Quergeschwindigkeit Δy und eine Fahrzeug-Gierrate rund das Ein-Freiheits-Lenksäulenmodell, um den Lenkradwinkel φ und die Lenkradwinkelrotationsgeschwindigkeit bereitzustellen φ ..
Verfahren nach Anspruch 4, worin eine Ableitung der Zustandsvariablen definiert ist als: Ẋ = AX + BU + h wobei X die Zustandsvariable, U die Lenksteuervariable, h der Straßenstörungfaktor und A und B Matrizen sind.
Verfahren nach Anspruch 5, worin das Bereitstellen eines mathematischen Modells das Definieren der Zustandsvariablen X durch die Fahrspurpositionsdynamik und das Fahrradmodell für eine Winkelschnittstellenlenksteuerung beinhaltet als: X = [Δy, ΔΨ, Y_y, r]^T wobei die Zustandsvariable X ein Straßenradwinkel ist und die Zustandsvariable X durch die Fahrspurdynamik, das Fahrradmodell und das Lenkmodell für eine Drehmomentschnittstellenlenksteuerung als:
wobei die Zustandsvariable X ein kombinierter Drehmomentbefehl und ein Straßenverlaufwinkel ist.
Verfahren nach Anspruch 6, worin der Straßenstörungsfaktor h definiert ist als:
für die Winkelschnittstellenlenksteuerung oder durch:
für die Drehmomentschnittstellen-Lenksteuerung, wobei κ die Fahrbahnkrümmung, γ die Fahrbahnbank und β die Fahrbahnneigung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Bestimmen eines Lenksteuerungsziels das Definieren einer Beziehung zwischen einem Lenkbefehl und einer Kostenfunktion beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, worin die Kostenfunktion eine quadratische Funktion ist.
Verfahren nach Anspruch 9, worin die quadratische Funktion durch die folgende Gleichung definiert ist:
wobei J die Kostenfunktion ist, y_Feh ein Seitenversatzfehler (y_erwünscht – y_vorhersagen,), φ_Feh ein Kopfwinkelfehler (φ_erwünscht – φ_vorhersagen,) und Q(t) eine Wendegewichtungsmatrix für vorhergesagte Fehler ist, die gegeben sind als:
wobei Q_seitlich das Gewicht ist, das mit dem Seitenfehler verbunden ist, Q_Überschrift ein Gewicht ist, das mit dem Kursfehler verbunden ist, und R (t) eine Gewichtungsmatrix für Steueraktionen, die gegeben sind als:
wobei R_vordere ein Gewicht ist, das dem vorderen Lenkrad zugeordnet ist, R_hintere ein Gewicht, das dem hinteren Lenken zugeordnet ist, und R_db ein Gewicht ist, das mit dem differentiellen Bremsen verbunden ist.