DE102017205508A1

DE102017205508A1 - Verfahren zur automatischen Bewegungssteuerung eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102017205508A1
Application number: DE102017205508.1A
Authority: DE
Inventors: Charlotte Grinenval; Nils Hagenlocher; Thomas Brettschneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-10-04
Also published as: US20180284775A1; CN108819949A; US10474150B2

Abstract

Bei einem Verfahren zur automatischen Bewegungssteuerung eines Fahrzeugs wird auf der Grundlage von Umgebungs- und Fahrzustandsdaten zumindest eine Trajektorie bestimmt und werden anschließend mithilfe eines mathematischen Fahrzeugmodells unter Zugrundelegung der Trajektorie Fahrzustandsgrößen für einen voraus liegenden Zeitraum berechnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Bewegungssteuerung eines Fahrzeugs, bei dem auf der Grundlage von Umgebungs- und Fahrzustandsdaten eine Trajektorie bestimmt wird.
Stand der Technik
Es ist bekannt, mithilfe einer fahrzeugeigenen Sensorik Fahrzustandsgrößen zur Längs- und Querdynamik wie beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit und Beschleunigungsgrößen zu ermitteln sowie mithilfe einer Umfeldsensorik und/oder eines Navigationssystems die aktuelle Position des Fahrzeugs auf der Straße zu bestimmen. Hiervon ausgehend kann eine Trajektorie berechnet werden, entlang sich das Fahrzeug auf der Straße bewegen soll, und können Aktoren im Fahrzeug angesteuert werden, insbesondere der Motor, eine Lenkaktorik und eine Bremsaktorik, so dass sich das Fahrzeug automatisch entlang der Trajektorie bewegt. Die Trajektorie muss definierte Bedingungen erfüllen, es dürfen beispielsweise keine Kollisionen mit geometrischen Begrenzungen erfolgen, und es müssen Sicherheits- und Komfortgesichtspunkte im Hinblick auf Beschleunigungen im Fahrzeug berücksichtigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur automatischen Bewegungssteuerung eines Fahrzeugs eingesetzt werden, bei dem auf der Grundlage von Umgebungs- und Fahrzustandsdaten eine oder mehrere Trajektorien (Bewegungsbahnen) bestimmt werden, entlang derer sich das Fahrzeug durch Ansteuerung eines oder mehrerer Aktoren im Fahrzeug selbsttätig bewegen soll.
Die automatische Bewegungssteuerung umfasst sowohl ein vollständig automatisiertes Fahren des Fahrzeugs ohne jeglichen Fahrereingriff als auch ein teilautomatisiertes Fahren, bei dem zumindest eine Steuerungsfunktion von einem Aktor und zumindest eine Steuerungsfunktion vom Fahrer übernommen wird; beispielsweise kann die Fahrzeuggeschwindigkeit automatisiert eingestellt und die Lenkbewegung vom Fahrer übernommen werden.
Bei dem Verfahren wird zunächst in einem ersten Schritt eine Trajektorie bestimmt, entlang der das Fahrzeug sich entlang eines definierten Streckenabschnittes bewegen soll. Die Trajektorie definiert die Bewegungsbahn auf der Straße; darüber hinaus kann die Trajektorie auch zusätzliche Informationen beinhalten, insbesondere zu kinematischen Fahrzustandsgrößen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Ruck. Die Trajektorie wird auf der Grundlage von Umgebungs- und Fahrzustandsgrößen bestimmt, die im Augenblick der Trajektorienbestimmung bzw. in einem definierten Zeitraum vor der Trajektorienbestimmung bekannt sind.
Die Umgebungsdaten stammen beispielsweise aus einem Navigationssystem einschließlich eines Fahrzeugpositionsbestimmungssystems und/oder aus einer Umfeldsensorik im Fahrzeug, beispielsweise einem Kamerasystem, einem Lidarsystem, einem Ultraschallsystem oder einem Radarsystem. Die Fahrzustandsdaten werden in einer fahrzeugeigenen Sensorik ermittelt und umfassen insbesondere kinematische Größen auf Lage, Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsebene in Fahrzeuglängs-, Fahrzeugquer- und/oder Fahrzeugvertikalrichtung.
Im Anschluss an die Bestimmung der Trajektorie werden in einem darauf folgenden, zweiten Schritt Fahrzustandsgrößen berechnet, die sich aus einem mathematischen Fahrzeugmodell unter Zugrundelegung der zuvor bestimmten Trajektorie ergeben. Hierfür wird in dem mathematischen Fahrzeugmodell die Bewegung des Fahrzeugs entlang der Trajektorie simuliert, und es werden Fahrzustandsgrößen während der Bewegung des Fahrzeugs entlang der Trajektorie berechnet. Die Simulation erfolgt prädiktiv für einen voraus liegenden Zeitraum bzw. korrespondierend mit dem voraus liegenden Zeitraum für verschiedene Positionen des Fahrzeugs entlang der Trajektorie, bevor diese von dem Fahrzeug befahren wird.
Aus den berechneten Fahrzustandsgrößen im voraus liegenden Zeitraum wird anhand einer definierten Berechnungsvorschrift ein Bewertungskriterium für die Trajektorie ermittelt. Das Bewertungskriterium führt entweder zu einer Akzeptierung der Trajektorie, so dass diese für die Einstellung eines oder mehrerer Aktoren im Fahrzeug herangezogen werden kann und ein teil- oder vollautomatisches bewegendes Fahrzeug entlang der Trajektorie realisiert werden kann.
Das Bewertungskriterium kann auch zu einem Ablehnen oder zu einer Modifikation der Trajektorie führen. In diesem Fall lässt sich aus Gründen beispielsweise der Sicherheit oder des Komforts die ursprüngliche Trajektorie nicht realisieren, so dass zum Erfüllen definierter Kriterien, insbesondere unter dem Aspekt der Sicherheit oder des Komforts, auf eine alternative oder modifizierte Trajektorie ausgewichen wird.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass zeitlich vor dem tatsächlichen Befahren der Trajektorie mithilfe des mathematischen Fahrzeugmodells die Auswirkungen auf das Fahrzeug ermittelt werden können. Das Verfahren blickt somit in die Zukunft und berechnet die Auswirkungen auf das Fahrzeug beim Abfahren der Trajektorie. Dies ermöglicht es, auch komplexe und fahrdynamisch kritische Fahrzustände vorauszusagen und gegebenenfalls Abhilfemaßnahmen zu ergreifen, beispielsweise falls ein Ausbrechen oder Schleudern des Fahrzeugs beim Befahren der Trajektorie festgestellt wird. Als Abhilfemaßnahme wird entweder die Trajektorie modifiziert, auf eine alternative Trajektorie ausgewichen oder eine sonstige Maßnahme ergriffen, insbesondere noch vor dem Auftreten eines sicherheits- oder komfortkritischen Zustandes selbsttätig auf eine Fahrzustandsgröße eingewirkt, beispielsweise durch frühzeitiges Abbremsen des Fahrzeugs oder durch einen Eingriff in das Lenksystem.
Die Trajektorie kann zusätzlich zu der räumlichen Bewegungsbahn des Fahrzeugs auf der Fahrbahn auch zugehörige Fahrzustandsgrößen zur Längs-, Quer- und/oder Vertikaldynamik umfassen. Insofern umfasst ein Eingriff in eine Trajektorie sowohl eine Änderung der Bewegungsbahn als auch eine Fahrzustandsgröße des Fahrzeugs wie zum Beispiel die Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Lenkwinkel.
Das Bewertungskriterium für die Trajektorie kann sowohl unter Sicherheitsaspekten als auch unter Komfortaspekten ermittelt werden. Unter Sicherheitsaspekten muss gewährleistet sein, dass das Fahrzeug stabil und beherrschbar fährt, insbesondere auch unter Berücksichtigung aktueller Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel der Fahrbahnbeschaffenheit. Unter Komfortaspekten kann es zweckmäßig sein, beispielsweise aufschaukelnde Wankbewegungen des Fahrzeugs zu vermeiden, indem ein Eingriff in das Fahrwerk mithilfe eines Fahrwerksaktors durchgeführt wird.
Des Weiteren ist es möglich, unterschiedliche Parametrierungen für verschiedene Fahrverhalten festzulegen, beispielsweise für eine komfortorientierte oder für eine sportliche Fahrweise. Dementsprechend können zum Beispiel Feder-/Dämpferraten im Fahrzeug angepasst werden.
Die Stabilisierungs- oder Sicherheitsaspekte können sowohl dem Bereich der aktiven Sicherheit als auch dem Bereich der passiven Sicherheit zugeordnet sein. Stabilisierungsaspekte aus dem Bereich der aktiven Sicherheit betreffen Fahrzeugeinheiten mit einem Aktor, über den unmittelbar in den Fahrzustand des Fahrzeugs eingegriffen werden kann. Im Bereich der passiven Sicherheit können beispielsweise noch vor dem Auftreten einer sicherheitskritischen Situation Maßnahmen im Fahrzeug zur Verbesserung der Sicherheit durchgeführt werden, beispielsweise Gurtstraffer betätigt, Airbags ausgelöst, Fenster geschlossen oder Bremsbeläge an die Bremsscheibe angenähert werden. Hierdurch können beispielsweise Unfallfolgen vermindert werden.
Vorteilhafterweise erfolgt die Bestimmung der mindestens einen Trajektorie sowie die sich daran anschließende Überprüfung mithilfe des mathematischen Fahrzeugmodells fortlaufend, insbesondere in diskreten Zeitabständen. Dies ermöglicht es, bei jeder erneuten Berechnung der Trajektorie und Überprüfung bzw. Simulation im Fahrzeugmodell Korrekturen vorzunehmen. Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, die Länge der Trajektorie in Abhängigkeit des aktuellen Straßenverlaufs zu bestimmen, beispielsweise den Wegverlauf durch eine bevorstehende Kurve vollständig zu ermitteln und anschließend im mathematischen Fahrzeugmodell die sich bei einem Befahren der Trajektorie ergebenden Fahrzustandsgrößen zu simulieren.
Gegebenenfalls kann die Trajektorie in Teilabschnitte unterteilt werden, für die jeweils mit dem mathematischen Fahrzeugmodell eine Simulation durchgeführt wird.
Das mathematische Fahrzeugmodell wird beispielsweise nach der Methode der Mehrkörpersysteme aufgestellt.
Die im mathematischen Fahrzeugmodell simulierten Fahrzustandsgrößen werden einer definierten Berechnungsvorschrift für das Bewertungskriterium für die Trajektorie zugrunde gelegt. Darüber hinaus ist es gegebenenfalls auch möglich, dass die berechneten Fahrzustandsgrößen des voraus liegenden Zeitraums, für den diese Fahrzustandsgrößen berechnet wurden, einer oder mehreren Fahrzeugeinheiten im Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise zu Dokumentationszwecken abgespeichert werden.
In einer vorteilhaften Ausführung umfasst die Fahrzeugeinheit einen oder mehrere den Fahrzustand beeinflussende Aktoren, die auf der Grundlage der berechneten Fahrzustandsgrößen in der Weise angesteuert werden, dass das Fahrzeug der gewünschten Trajektorie folgt. Zusätzlich oder alternativ zu den Fahrzustandsgrößen ist es auch möglich, der Fahrzeugeinheit unmittelbar die Trajektorie zur Verfügung zu stellen, beispielsweise um direkt aus der Trajektorie Ansteuersignale für den jeweiligen Aktor zu generieren.
Bei der Fahrzeugeinheit handelt es sich beispielsweise um das Bremssystem, das Lenksystem und/oder die Antriebseinheit des Fahrzeugs, insbesondere eine Brennkraftmaschine und/oder einen Elektromotor. Im Falle des Bremssystems handelt es sich vorzugsweise um eine hydraulisch wirkende oder elektromechanische Einheit. Im Falle des Lenksystems handelt es sich bei dem Aktor vorzugsweise um eine elektromechanische Einheit, beispielsweise einen Elektromotor.
Die verschiedenen Verfahrensschritte laufen in einem Steuergerät ab, dem auch die Umgebungs- und Fahrzustandsdaten zugeführt werden, insbesondere aus Sensorsignalen bzw. dem Navigationsgerät im Fahrzeug. In dem Steuergerät können sowohl die Trajektorien bestimmt als auch Simulationen auf der Grundlage des mathematischen Fahrzeugmodells durchgeführt werden. Stellsignale zur Ansteuerung der Aktoren werden entweder ebenfalls in dem Steuergerät generiert oder in einem weiteren Steuergerät, das unmittelbar dem Aktor bzw. der betreffenden Fahrzeugeinheit zugeordnet ist.
Das Steuergerät kann Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems sein, beispielsweise eines zur Durchführung eines automatischen Fahrvorgangs geeigneten Assistenzsystems zur Beeinflussung des Lenksystems, des Bremssystems und/oder der Antriebseinheit.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

1 in Draufsicht ein Fahrzeug auf einer Fahrbahn, die eine Kurve beschreibt,
2 das Fahrzeug in verschiedenen Positionen entlang einer Trajektorie durch die Kurve,
3 eine 2 entsprechende Darstellung, jedoch mit einer abgewandelten Trajektorie, die von dem Fahrzeug verlassen wird,
4 eine weitere Darstellung mit einer abgewandelten Trajektorie, die von dem Fahrzeug nachgefahren wird.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Fahrbahn 1, die eine Kurve beschreibt, wobei ein Fahrzeug 2 am Kurvenbeginn dargestellt ist. Das Fahrzeug 2 befindet sich auf der rechten Seite der durch die Mittellinie 3 unterteilten Fahrbahn 1. 1 stellt eine Ausgangssituation des Fahrzeugs 2 am Kurvenbeginn zum Zeitpunkt t₀ dar. Für eine automatisierte Fahrfunktion wird in einem Steuergerät des Fahrzeugs 2 ausgehend vom aktuellen Fahrzustand sowie dem Fahrbahnverlauf, welche mithilfe einer Umfeldsensorik und/oder einem Navigationssystem einschließlich einem Positionsbestimmungssystem im Fahrzeug erfasst wird, eine Trajektorie ermittelt, entlang der das Fahrzeug 2 teilweise oder vollständig automatisch durch die Kurve der Fahrbahn 1 fahren soll.
Die Trajektorie 4 ist in 2 dargestellt. In 2 ist das Fahrzeug 2 in verschiedenen Zeitabständen Δt und dementsprechend in verschiedenen Positionen auf der Trajektorie 4 dargestellt. Die Trajektorie 4 erstreckt sich auf der rechten Fahrbahnseite zumindest annähernd mittig zwischen der Mittellinie 3 und dem rechten Fahrbahnrand der Fahrbahn 1. Die Trajektorie 3 umfasst die Bewegungsbahn für das Fahrzeug 2 durch die Kurve der Fahrbahn 1, zusätzlich kann die Trajektorie aber auch Informationen zu Geschwindigkeit, Beschleunigung und gegebenenfalls dem Ruck in Fahrzeuglängsrichtung, Fahrzeugquerrichtung und/oder in Fahrzeugvertikalrichtung enthalten.
Die Trajektorie 4 wird in dem Steuergerät im Fahrzeug bestimmt, wobei anschließend mithilfe eines mathematischen Fahrzeugmodells, das ebenfalls im Steuergerät hinterlegt ist, Fahrzustandsgrößen für den voraus liegenden Zeitraum berechnet werden, die sich bei einer Fahrt des Fahrzeugmodells entlang der Trajektorie 4 ergeben. Es wird somit prädiktiv in dem Fahrzeugmodell die Fahrt des Fahrzeugs entlang der Trajektorie 4 simuliert, woraus sich Fahrzustandsgrößen zu verschiedenen Zeitpunkten des Fahrzeugs 2 entlang der Trajektorie 4 bzw. an verschiedenen Positionen der Trajektorie 4 ergeben.
Diese voraus berechneten Fahrzustandsgrößen können der Bestimmung eines Bewertungskriteriums zugrunde gelegt werden, mit dem die Trajektorie 4 bewertet wird. Anhand des Bewertungskriteriums kann entschieden werden, ob die Trajektorie unter verschiedenen Gesichtspunkten wie Fahrzeugsicherheit oder Fahrkomfort befahren werden kann oder modifiziert bzw. auf eine alternative Trajektorie übergegangen werden muss.
In 3 ist die Situation dargestellt, dass das Fahrzeug 2 aufgrund seiner Geschwindigkeit und/oder äußerer Umstände wie beispielsweise eines reduzierten Reibwerts der Trajektorie 4 durch die Kurve nicht vollständig folgen kann. Etwa zur Kurvenmitte verlässt das Fahrzeug 2 die Trajektorie und bewegt sich radial nach außen in Richtung des äußeren Fahrbahnrandes. Dieses Fahrverhalten des Fahrzeuges 2 kann im mathematischen Fahrzeugmodell vorab simuliert werden, woraufhin die Trajektorie gemäß 3 verworfen und stattdessen auf eine modifizierte oder alternative Trajektorie gemäß 4 ausgewichen wird.
Die Trajektorie gemäß 4 stellt eine Abwandlung der Trajektorie aus 3 dar und ist so beschaffen, dass das Fahrzeug 2 unter den gegebenen Umständen bzw. bei aktueller oder prognostizierter Fahrgeschwindigkeit der Trajektorie 4 über den gesamten Kurvenverlauf folgen kann. Auch 4 stellt eine vorab durchgeführte Simulation dar. Dementsprechend kann noch vor Erreichen eines kritischen Punktes auf der Trajektorie eine abgewandelte Trajektorie zugrunde gelegt werden, entlang der sich das Fahrzeug tatsächlich bewegt. Für ein teilautomatisches oder vollautomatisches Durchfahren der Kurve entlang der Trajektorie 4 werden Aktoren in verschiedenen Fahrzeugeinheiten entsprechend angesteuert, insbesondere im Bremssystem, im Lenksystem und in der Antriebseinheit.
Während des tatsächlichen Durchfahrens der Kurve entlang der Trajektorie 4 können fortlaufend in zeitdiskreten Abständen Überprüfungen durchgeführt werden. Hierbei wird ausgehend vom aktuellen Fahrzustand sowie der aktuellen Position des Fahrzeugs fortlaufend eine neue Trajektorie bestimmt, die unmittelbar anschließend im mathematischen Fahrzeugmodell einer Simulation zugrunde gelegt wird, aus der wie vorbeschrieben Fahrzustandsgrößen bestimmt und ein Bewertungskriterium für die neu berechnete Trajektorie ermittelt wird. Falls das Bewertungskriterium innerhalb einer definierten Vorgabe liegt, kann die neu berechnete Trajektorie weiterverwendet werden, die gegebenenfalls auch mit der zuvor berechneten Trajektorie übereinstimmen kann. Liegt dagegen das Bewertungskriterium außerhalb definierter Grenzen, muss die neu berechnete Trajektorie wie vorbeschrieben modifiziert oder verworfen werden. Erst wenn die Trajektorie in der Simulation zu akzeptablen Fahrzustandsgrößen führt, kann die neu berechnete Trajektorie der Ansteuerung der Aktoren im Fahrzeug zugrunde gelegt werden.

Claims

Verfahren zur automatischen Bewegungssteuerung eines Fahrzeugs, bei dem auf der Grundlage von Umgebungs- und Fahrzustandsdaten zumindest eine Trajektorie (4) bestimmt wird und anschließend mithilfe eines mathematischen Fahrzeugmodells unter Zugrundelegung der Trajektorie (4) Fahrzustandsgrößen für einen voraus liegenden Zeitraum berechnet werden, wobei aus den berechneten Fahrzustandsgrößen des voraus liegenden Zeitraums ein Bewertungskriterium für die Trajektorie (4) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage der Umgebungs- und Fahrzustandsdaten mehrere Trajektorien (4) bestimmt werden und anschließend mithilfe des mathematischen Fahrzeugmodells eine der Trajektorien (4) ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem mathematischen Fahrzeugmodell eine abgeänderte Trajektorie (4) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Fahrzustandsgrößen des voraus liegenden Zeitraums und/oder eine abgeänderte Trajektorie (4) einer oder mehreren Fahrzeugeinheiten zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugeinheit mindestens einen den Fahrzustand beeinflussenden Aktor umfasst, der unter Zugrundelegung der berechneten Fahrzustandsgrößen des voraus liegenden Zeitraums und/oder der Trajektorie (4) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über den Aktor die Längs-, Quer- und/oder Vertikaldynamik des Fahrzeugs (2) beeinflussbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass fortlaufend auf der Grundlage von Umgebungs- und Fahrzustandsdaten zumindest eine Trajektorie (4) bestimmt wird und anschließend mithilfe des mathematischen Fahrzeugmodells unter Zugrundelegung der Trajektorie (4) Fahrzustandsgrößen für einen voraus liegenden Zeitraum berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulation mithilfe des mathematischen Fahrzeugmodells über den gesamten Zeitraum durchgeführt wird, den das Fahrzeug (2) für das Befahren der Trajektorie (4) benötigen würde.
Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Fahrerassistenzsystem in einem Fahrzeug (2) mit einem Steuergerät nach Anspruch 9.
Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem in einem nach Anspruch 10.