DE102017210214B3

DE102017210214B3 - Längsregler für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017210214B3
Application number: DE102017210214.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Wagner; Tobias Hesse
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2037-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Längsregler (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei der Längsregler (1) derart ausgebildet ist, eine Beschleunigung α zu ermitteln und einzustellen, wobei

a = \frac{d - v τ}{T_{d} T_{v}} + \frac{Δ v}{T_{v}}

ist, wobei d der Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug ist, ν die Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges ist, τ eine gewählte Zeitlücke ist, Δν eine Geschwindigkeitsdifferenz zu dem vorausfahrenden Fahrzeug ist und T_d und T_ν Relaxationszeitkonstanten sind, wobei der Längsregler (1) derart ausgebildet ist, dass die Relaxationszeitkonstanten T_ν, T_d abhängig vom Bewegungszustand des Kraftfahrzeugs gewählt werden, wobei für Bewegungszustände mit (d-ντ) Δν > 0 die Relaxationszeitkonstanten T_ν, T_d kleiner gewählt werden als für Bewegungszustände mit (d-ντ)Δν ≤ 0.

Description

Die Erfindung betrifft einen Längsregler für ein Kraftfahrzeug.
Viele Längsregler eines Fahrerassistenzsystems basieren auf einem einfachen Algorithmus. Basierend auf dem Abstand d und der Geschwindigkeitsdifferenz Δν zum vorausfahrenden Fahrzeug, stellt ein solcher Regler die Beschleunigung α des Fahrzeugs wie folgt ein, um den gewünschten Folgeabstand ντ einzuhalten (ν ist die eigene Geschwindigkeit, τ ist die gewünschte Zeitlücke zum vorausfahrenden Fahrzeug): $a = \frac{d - v τ}{T_{d} T_{v}} + \frac{Δ v}{T_{v}} \begin{matrix} . \end{matrix}$
Dabei sind die beiden Relaxationszeitkonstanten T_d und T_ν entscheidend für das Verhalten dieses Reglers. Wählt man T_d, T_ν so, dass das Fahrzeug ein kolonnenstabiles Verhalten zeigt (kein Aufschaukeln einer kleinen Störung entlang einer Kette von Fahrzeugen), führt das zu sehr großen Werten des Rucks (1. Ableitung der Beschleunigung), und damit zu einem sehr unkomfortablen und unnatürlichen Fahrverhalten. Aus diesem Grund nimmt man bei der Auslegung des Reglers eine leichte Kolonneninstabilität in Kauf, die beim derzeitigen Ausstattungsgrad der Fahrzeugflotte auch kein Problem in der Verkehrsleistung nach sich zieht. Mit zunehmender Verbreitung solcher kolonnen-instabiler Regler ist aber damit zu rechnen, dass dieses Verhalten die Entstehung von Staus fördern kann.
Aus der DE 10 2014 223 999 A1 ist ein längsführendes Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeuges mit situationsabhängiger Parametrierung bekannt, mit einer Erkennungseinrichtung zum Erkennen einer Verkehrssituation und einer Parametrierungseinheit zum Festlegen der Parametrierung des Fahrerassistenzsystems in Abhängigkeit von der erkannten Verkehrssituation. Weiter weist das Fahrerassistenzsystem eine Folgereglereinheit zum Ermitteln eines Beschleunigungssollwertes zum Erreichen und Halten eines vorgesehen Abstandes auf ein vorausfahrendes Zielobjekt während einer Folgefahrt entsprechend der festgelegten Parametrierung auf sowie eine Ausgabeeinheit zum Ausgeben eines aus dem Beschleunigungssollwert ermittelten Ansteuersignals an zumindest ein Aktorsystem. Weiter weist das Fahrerassistenzsystem eine Schnittstelle zu einem nach hinten gerichteten Sensor auf, wobei die Erkennungseinheit dessen Signale berücksichtigt. Weitere komplexe Längsregler sind als Stand der Technik in dieser Druckschrift beschrieben.
Aus der DE 10 2011 009 483 A1 ist ein längsführendes Fahrerassistenzsystem bekannt, bei dem bei erkannter Kolonnenfahrt durch die Anpassung des Betriebsparameters eine straffere Abstandsregelung als außerhalb einer Längsführungs-Kolonnenfahrt erfolgt.
Aus der DE 10 2005 017 559 A1 ist ein Betriebsverfahren für ein in einem Fahrzeug befindliches verkehrsadaptives Assistenzsystem bekannt, wobei das Assistenzsystem abhängig von geschwindigkeits- und/oder abstandsbezogenen Größen des Fahrzeugs und eines vorausfahrenden Fahrzeugs eine Beschleunigung oder eine Verzögerung des Fahrzeugs bewirkt. Dabei wird das Assistenzsystem abhängig von der an der Fahrzeugposition herrschenden Verkehrsphase, insbesondere freiem Verkehr, synchronisiertem Verkehr und sich bewegenden breiten Staus, betrieben wird, wobei bei Detektion einer sprungartigen Änderung des Ist-Zeitabstandes zum vorausfahrenden Fahrzeug das Assistenzsystem in einen anderen Betriebsmodus umgeschaltet wird.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen einfachen Längsregler zu schaffen, der nur Informationen von einem vorausfahrenden Fahrzeug verarbeitet, der komfortabler und kolonnen-stabiler ist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch einen Längsregler mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Längsregler für ein Kraftfahrzeug ist derart ausgebildet, eine Beschleunigung α zu ermitteln und einzustellen, wobei $a = \frac{d - v τ}{T_{d} T_{v}} + \frac{Δ v}{T_{v}}$
wobei d der Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug ist, ν die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs ist, τ eine gewünschte Zeitlücke ist, Δν eine Geschwindigkeitsdifferenz zu dem vorausfahrenden Fahrzeug ist und T_d und T_ν Relaxationszeitkonstanten sind. Die Relaxationszeitkonstanten T_d, T_ν werden nun abhängig vom Bewegungszustand des Fahrzeuges gewählt, wobei für Bewegungszustände mit (d-ντ )Δν > 0 die Relaxationszeitkonstanten T_d, T_ν kleiner gewählt werden als für Bewegungszustände mit (d-ντ)Δν ≤ 0. Hierdurch wird ein Aufschaukeln, dass zu einer Kolonneninstabilität führen könnte, wirksam unterbunden.
Dies soll kurz erläutert werden:

• Ziel ist es, den Abstand d zum vorausfahrenden Fahrzeug konstant auf dem Wert ντ halten; das geht nur, wenn
• die Geschwindigkeitsdifferenz Δν null wird.
• Die Gleichung $a = \frac{d - v τ}{T_{d} T_{v}} + \frac{Δ v}{T_{v}}$
macht genau das, wobei die „Zeitkonstanten“ T_d, T_ν bestimmen, wie schnell das geht.
• Große T_d, T_ν führen zu einem sanften Regelverhalten (Anpassung dauert lange), kleine Werte zu einem harten Regelverhalten (Anpassung geht schnell).
• Für sich alleine ist ein solcher Regler immer stabil, egal was das vorausfahrende Fahrzeug tut. Der Regler ist gedämpft, wie bei einer Schaukel, auf der man passiv sitzen bleibt.
• Wenn mehrere geregelte Fahrzeuge hintereinander fahren, dann führt das sanfte Verhalten zur Kolonneninstabilität:
• Jedes weitere Fahrzeug schwingt ein bisschen stärker, sprich das Fahrzeug pendelt um den bevorzugten Abstand.

Durch die Anpassung der Relaxationszeitkonstanten wird anschaulich ein spiegelbildlicher Prozess zum Schaukeln durchgeführt. Beim Schaukeln gewinnt ein Mensch dadurch Energie, dass der Abstand zwischen seinem Schwerpunkt und dem Aufhängepunkt des Seils verändert wird. Indem man diesen Prozess spiegelbildlich verlaufen lässt, kann man prinzipiell der Schaukel diese Energie auch wieder entziehen, was hier durch die Änderung der Relaxationszeitkonstanten passiert.
In einer Ausführungsform werden die Relaxationszeitkonstanten T_d und T_ν sprunghaft geändert, wobei $T_{d} = {\begin{matrix} f_{d} {\hat{T}}_{d} & falls (d - v τ) Δ v > 0 \\ {\hat{T}}_{d} & falls (d - v τ) Δ v \leq 0 \end{matrix}$
und $T_{v} = {\begin{matrix} f_{v} {\hat{T}}_{v} & falls (d - v τ) Δ v > 0 \\ {\hat{T}}_{v} & falls (d - v τ) Δ v \leq 0 \end{matrix}$
mit 0 < f_ν, f_d< 1 und T̂_d,ν als Zeitkonstanten. T̂_d und T̂_ν entsprechend dabei vorzugsweise den Relaxationszeitkonstanten eines herkömmlichen Reglers, d.h. für (d - ντ)Δν ≤ 0 verhält sich der Längsregler wie ein bekannter Regler nach dem Stand der Technik. f_ν und f_d können gleich sein, müssen dies aber nicht sein. Bevorzugte Werte liegen zwischen 0,15 und 0,4, weiter vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,3, wobei mit f_d,v = 0,25 besonders gute Ergebnisse erzielt werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Längsregler derart ausgebildet, dass die Änderung zwischen den Relaxationszeitkonstanten gedämpft erfolgt, wobei vorzugsweise für die Änderungen der Relaxationszeitkonstanten gilt: ${\dot{T}}_{d} = α (T_{d}^{*} - T_{d})$
${\dot{T}}_{v} = α (T_{v}^{*} - T_{v})$
mit $T_{d}^{*} = {\begin{matrix} f_{d} {\hat{T}}_{d} & falls (d - v τ) Δ v > 0 \\ {\hat{T}}_{d} & falls (d - v τ) Δ v \leq 0 \end{matrix}$
$T_{v}^{*} = {\begin{matrix} f_{v} {\hat{T}}_{v} & falls (d - v τ) Δ v > 0 \\ {\hat{T}}_{v} & falls (d - v τ) Δ v \leq 0 \end{matrix}$
Dabei ist α eine Konstante, wobei 0 < f_ν, f_d < 1 gilt. T̂_d,ν sind dabei Relaxationszeitkonstanten. Somit ergeben sich fünf Gleichungen für den Längsregler, wobei drei dann Differentialgleichungen sind. Der Vorteil des gedämpften Überganges ist insbesondere der höhere Komfort.
Der Längsregler kann dabei beispielsweise in halb- oder vollautomatisiert fahrenden Fahrzeugen eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines Längsreglers,
2 eine schematische Darstellung einer Geschwindigkeitsdifferenz über den Abstand für einen sanften Regler (Stand der Technik),
3 eine schematische Darstellung einer Geschwindigkeitsdifferenz über den Abstand für einen erfindungsgemäßen Längsregler,
4 eine Darstellung der Verstärkung der Amplitude der Beschleunigung einer Kette von 50 Fahrzeugen als Funktion der Kreisfrequenz des ersten Fahrzeugs für einen Regler gemäß dem Stand der Technik und der Erfindung und
5 eine Darstellung des Rucks für die Kette gemäß dem Stand der Technik und der Erfindung.

In 1 ist schematisch ein Längsregler 1 für ein Fahrzeug dargestellt, der Sensordaten mindestens einer Abstandssensorik 2 erhält, aus denen der Längsregler den Abstand d zu einem vorausfahrenden Fahrzeug sowie die Geschwindigkeit des vorausfahrenden Fahrzeugs ermittelt (z.B. mittels des Dopplereffekts). Des Weiteren erhält der Längsregler 1 die Eigengeschwindigkeit ν des Kraftfahrzeus (z.B. von einem nicht dargestellten Motorsteuergerät). Daraus kann dann die Geschwindigkeitsdifferenz Δν zwischen Kraftfahrzeug und vorausfahrendem Fahrzeug ermittelt werden. In dem Längsregler 1 wird dann eine Soll-Beschleunigung a mittels der folgenden fünf Gleichungen ermittelt. $a = \dot{v} = \frac{d - v τ}{T_{d} T_{v}} + \frac{Δ v}{T_{v}}$
${\dot{T}}_{d} = α (T_{d}^{*} - T_{d})$
${\dot{T}}_{v} = α (T_{v}^{*} - T_{v})$
mit $T_{d}^{*} = {\begin{matrix} f_{d} {\hat{T}}_{d} & falls (d - v τ) Δ v > 0 \\ {\hat{T}}_{d} & falls (d - v τ) Δ v \leq 0 \end{matrix}$
$T_{v}^{*} = {\begin{matrix} f_{v} {\hat{T}}_{v} & falls (d - v τ) Δ v > 0 \\ {\hat{T}}_{v} & falls (d - v τ) Δ v \leq 0 \end{matrix}$
Dabei sind T_d, T_ν Relaxationszeitkonstanten, wobei α, f_d, f_ν, T̂_d und T̂_ν Konstanten sind. Die so ermittelte Soll-Beschleunigung α wird dann durch eine geeignete Aktorik 3 umgesetzt.
In der 2 ist nun das Verhalten eines Reglers gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei T_d = 10 s und T_ν = 4 s gewählt sind. Dabei bezeichnet t₀ einen Anfangszustand und t₁ einen Zustand nach 100 s. Dabei ist zu erkennen, dass es zu einer Schwingung kommt, d also die 30 m-Grenze wieder übersteigt.
In 3 ist nun das Verhalten eines erfindungsgemäßen Längsreglers 1 dargestellt, wobei eine Gerade 4 eingezeichnet ist, an der (d-ντ )Δν das Vorzeichen wechselt. Unterhalb der Geraden 4 verhält sich Längsregler 1 wie im Stand der Technik, wobei T_d = 10 s und T_ν = 4 s gewählt sind. Oberhalb der Gerade 4 sind die Relaxationszeitkonstanten T_d und T_ν kleiner, nämlich T_d = 2,5 s und T_ν = 1 s, wobei f_d und f_ν = 0,25 sind sowie α = ½ s gewählt wurde. Wie man erkennt, kommt es zu keinem Überschwingen, sondern der Abstand d wird kontinuierlich erhöht.
In der 4 ist die Verstärkung der Amplitude der Beschleunigung einer Kette von 50 Fahrzeugen als Funktion der Kreisfrequenz ω der Beschleunigung des ersten Fahrzeuges, die eine schwache Amplitude von 0,8 m/s² aufweist, dargestellt. Die hellen Punkte zeigen einen herkömmlichen Regler mit T_d = 10 s und T_ν = 4 s und τ = 1,5 s. Dabei erkennt man, dass die Kette nicht kolonnenstabil ist, da es Verstärkungsfaktoren größer als eins gibt (mit dem Maximum 1,1 bei ω =0,1). Die zusätzlich eingezeichnete Linie ist die theoretische Lösung. Die dunklen Punkte zeigen das Ergebnis für den erfindunsgemäßen Längsregler 1, wo keine Verstärkungen größer 1 auftreten. In der 5 ist der Ruck dargestellt. Als Ergebnis ist der erfindungsgemäße Längsregler 1 kolonnenstabil und komfortabel (geringer Ruck) und benötigt nur Daten eines vorausfahrenden Fahrzeugs.

Claims

Längsregler (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei der Längsregler (1) derart ausgebildet ist, eine Beschleunigung α zu ermitteln und einzustellen, wobei $a = \frac{d - v τ}{T_{d} T_{v}} + \frac{Δ v}{T_{v}}$
ist, wobei d der Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug ist, ν die Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges ist, τ eine gewählte Zeitlücke ist, Δν eine Geschwindigkeitsdifferenz zu dem vorausfahrenden Fahrzeug ist und T_d und T_ν Relaxationszeitkonstanten sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsregler (1) derart ausgebildet ist, dass die Relaxationszeitkonstanten T_ν, T_d abhängig vom Bewegungszustand des Kraftfahrzeugs gewählt werden, wobei für Bewegungszustände mit (d-ντ)Δν > 0 die Relaxationszeitkonstanten T_ν, T_d kleiner gewählt werden als für Bewegungszustände mit (d-ντ)Δν ≤ 0.
Längsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsregler (1) die Relaxationszeitkonstanten T_d und T_ν sprunghaft ändert, wobei $T_{d, v} = {\begin{matrix} f_{d, v} {\hat{T}}_{d, v} & falls (d - v τ) Δ v > 0 \\ {\hat{T}}_{d, v} & falls (d - v τ) Δ v \leq 0 \end{matrix}$
mit 0 < f_ν, f_d< 1 und T̂_d,ν als Zeitkonstanten.
Längsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsregler (1) derart ausgebildet ist, dass die Änderung zwischen den Relaxationszeitkonstanten gedämpft erfolgt.
Längsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Änderung der Relaxationszeitkonstanten gilt, dass ${\dot{T}}_{d} = α (T_{d}^{*} - T_{d})$
und ${\dot{T}}_{v} = α (T_{v}^{*} - T_{v})$
ist, wobei α eine Konstante ist und $T_{d, v}^{*} = {\begin{matrix} f_{d, v} {\hat{T}}_{d, v} & falls (d - v τ) Δ v > 0 \\ {\hat{T}}_{d, v} & falls (d - v τ) Δ v \leq 0 \end{matrix}$
mit 0 < f_ν, f_d< 1 und T̂_d,ν als Zeitkonstanten.