DE102017215737B4 - Fahrerassistenzsystem - Google Patents

Abstract

Fahrerassistenzsystem, zur Unterstützung oder Automatisierung der Quersteuerung eines Fahrzeugs (5) unter Ausübung eines Lenkdrehmoments auf ein elektrisch unterstütztes Lenksystem,wobei das Fahrerassistenzsystem dazu konfiguriert ist, einen der Quersteuerung zugrunde gelegten Sollwert für die Bahnkrümmung eines Bewegungspfades des Fahrzeugs (5) unter Berechnung einer Bezierkurve (10) zu ermitteln, wobei diese Berechnung auf Basis einer kameragestützten Erfassung einer vor dem Fahrzeug (5) befindlichen Fahrspur (10) erfolgt; dadurch gekennzeichnet, dassdas Fahrerassistenzsystem einen äußeren Regelkreis und einen inneren Regelkreis aufweist, wobei der äußere Regelkreis den Sollwert {curv*road) für die Bahnkrümmung des Bewegungspfades des Fahrzeugs (5) als Eingangsgröße für den inneren Regelkreis bereitstellt, und wobei der innere Regelkreis als Ausgangssignal ein Lenkdrehmoment (T*LatCtrl) bereitstellt;wobei die Berechnung der Bezierkurve (10) einen Teil des äußeren Regelkreises bildet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Insbesondere betrifft die Erfindung ein Fahrerassistenzsystem zur Unterstützung oder Automatisierung der Quersteuerung eines Fahrzeugs unter Ausübung eines Lenkdrehmoments auf ein elektrisch unterstütztes Lenksystem.
• Fahrerassistenzsysteme gehören in zunehmendem Maße zur Standardausstattung moderner Fahrzeuge. Dabei findet bei Fahrerassistenzsystemen zur lateralen Steuerung eine Entwicklung von sicherheitsbezogenen Warnsystemen hin zu komfortbezogenen Systemen statt. Dies bedeutet, dass die betreffenden Fahrerassistenzsysteme nicht nur bei Gefahr zugeschaltet bzw. aktiviert werden, sondern den Fahrer permanent durch Realisierung einer lateralen Fahrzeugsteuerung unterstützen.
• Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2017/0083027 A1 sowie die Publikationen Ji-wung Choi et al.: „Continuous Curvature Path Generation Based on Bezier Curves for Autonomous Vehicles“, IAENG International Journal of Applied Mathematics, 40:2, 2010 sowie Wei Li: „Human-like Driving for Autonomous Vehicles using Vision-based Road Curvature Modeling“, International Journal of Hybrid Information Technology, Vol. 6, No. 5 (2013), Seiten 101-116, verwiesen.
• Aus der gattungsgemäßen DE 10 2009 047 476 A1 sind ein Verfahren und ein Steuergerät zur Bestimmung einer Schnitttrajektorie bekannt, die ein Schneiden eines Kurvenabschnitts einer Fahrspur durch ein Fahrzeug ermöglicht. Dabei wird eine Information über den Kurvenabschnitt empfangen, und der Kurvenabschnitt wird in mindestens ein Kurvensegment unterteilt, wobei dieses Kurvensegment beispielhaft auch ein Beziersegment umfassen kann, wobei der Hinweis auf ein Beziersegment hier lediglich im Zusammenhang mit der möglichen mathematischen Beschreibung eines zuvor ermittelten, vor dem Fahrzeug befindlichen Kurvenabschnitts zwecks Abbilden komplexer Fahrbahnverläufe steht.
• Die DE 10 2014 208 786 A1 offenbart eine Querführungsregelungsstruktur zur Erzeugung einer Lenkvorgabe für eine Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Querführungsregelungsstruktur einen Bahnführungsregler umfasst, der eingerichtet ist, anhand einer Trajektorienvorgabe eine Krümmungsvorgabe als Reglerausgangsgröße für einen nachgelagerten Fahrzeugführungsregler zu bestimmen.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrerassistenzsystem bereitzustellen, welches eine glatte bzw. gleichmäßig verlaufende Führung eines Fahrzeugs auf eine vorgegebene (z. B. kameragestützt erfasste) Fahrspur ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch das Fahrerassistenzsystem gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Ein erfindungsgemäßes Fahrerassistenzsystem zur Unterstützung oder Automatisierung der Quersteuerung eines Fahrzeugs unter Ausübung eines Lenkdrehmoments auf ein Lenksystem des Fahrzeugs ist dazu konfiguriert, einen der Quersteuerung zugrunde gelegten Sollwert für die Bahnkrümmung eines Bewegungspfades des Fahrzeugs unter Berechnung einer Bezierkurve zu ermitteln, wobei diese Berechnung auf Basis einer kameragestützten Erfassung einer vor dem Fahrzeug befindlichen Fahrspur erfolgt.
• Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, die Planung eines glatt bzw. gleichmäßig verlaufenden Pfades zur Hinführung eines Fahrzeugs auf eine kameragestützt erfasste Fahrspur unter Verwendung kubischer Bezierkurven zu realisieren. Die jeweilige Bezierkurve beschreibt hierbei einen Pfad von der Frontseite des Fahrzeugs hin zu einem Punkt auf einem virtuellen Pfad auf der Fahrbahn, wobei es sich hierbei insbesondere um die Mitte zwischen den Fahrspurmarkierungen handeln kann. Die Bezierkurve endet tangential zu dem virtuellen Pfad auf der Fahrbahn. Dabei befindet sich der Endpunkt an einer von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängigen Position vor dem Fahrzeug.
• Das erfindungsgemäße Konzept hat den Vorteil, dass Lateralbeschleunigung, Ruck- und Gierrate des Fahrzeugs minimiert werden können, wodurch ein komfortables Fahrverhalten erzielt wird. Des Weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept eine Minimierung der Lenkradbewegung sowie -beschleunigung, wodurch ein optimales Lenkempfinden erzielt werden kann.
• Gemäß einer Ausführungsform umfasst die kameragestützte Erfassung der vor dem Fahrzeug befindlichen Fahrspur die Ermittlung wenigstens einer, insbesondere sämtlicher der folgenden Größen: aktuelle Bahnkrümmung der Fahrbahn, Abstand zwischen Mittenlinie der Fahrbahn und Schwerpunkt des Fahrzeugs, und Winkel zwischen Mittenlinie der Fahrbahn und Mittenlinie des Fahrzeugs.
• Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Ermittlung des Sollwertes (bzw. Planung des künftigen Bewegungspfades) unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrzeugbewegung.
• Gemäß einer Ausführungsform werden Verzögerungen in der Verarbeitung von Kamerabildern und/oder im CAN-Interface berücksichtigt.
• Gemäß einer Ausführungsform werden ferner unterschiedliche Einsatzzeiten („task-times“) der Fahrspurerkennung (d. h. des Kamerasystems) einerseits und der Spurverfolgung (d. h. des Lenksystems) andererseits berücksichtigt.
• In Ausführungsformen der Erfindung kann anhand der Bezierkurve eine Berechnung einer Gierrate des Fahrzeugs erfolgen.
• Erfindungsgemäß weist das Fahrerassistenzsystem einen äußeren Regelkreis und einen inneren Regelkreis auf, wobei der äußere Regelkreis den Sollwert für die Bahnkrümmung des Bewegungspfades des Fahrzeugs als Eingangsgröße für den inneren Regelkreis bereitstellt, und wobei der innere Regelkreis als Ausgangssignal ein Lenkdrehmoment bereitstellt.
• Gemäß einer Ausführungsform weist der innere Regelkreis einen PID-Regler auf.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein Diagramm zur Erläuterung von bei einer erfindungsgemäßen Bewegungspfadplanung relevanten Größen; und
• 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisierten Regelungskonzepts.
• Im Weiteren werden die Berechnung einer Bezierkurve sowie deren Anwendung auf die Quersteuerung eines Fahrzeugs unter Bezugnahme auf 1 und 2 erläutert. Allgemein kann eine Bezierkurve n-ten Grades dargestellt werden als $$\underset{\_}{P}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{P}_x\\ P_y\end{array}\right]={\displaystyle {\sum }_{i=0}^n{{\displaystyle B}}_i^n\left(t\right)\cdot P_i}t\in \left[\mathrm{0,1}\right]$$

  

  wobei $${{\displaystyle B}}_i^n\left(t\right)=\left(\begin{array}{c}n\\ i\end{array}\right)\cdot {\left(1-t\right)}^{n-i}\cdot t^i=\frac{n!}{i!\left(n-i\right)!}\cdot {\left(1-t\right)}^{n-i}\cdot t^i$$

  

  das Bernstein-Polynom für i=1 ... n ist. In Ausführungsformen der Erfindung wird zur (Mikro-)Pfadplanung insbesondere eine kubische Bezierkurve (für n = 3) verwendet gemäß $$\underset{\_}{P}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{P}_x\left(t\right)\\ P_y\left(t\right)\end{array}\right]={\left(1-t\right)}^3\cdot {\underset{\_}{P}}_0+3\cdot {\left(1-t\right)}^2\cdot t\cdot {\underset{\_}{P}}_1+3\cdot \left(1-t\right)\cdot t^2\cdot {\underset{\_}{P}}_2+t^3\cdot {\underset{\_}{P}}_3$$

  
• In 1 ist ein mit dem erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystem ausgestattetes Fahrzeug mit „5“ bezeichnet. Mit „Ψ“ ist der Winkel zwischen Mittenlinie 15 der Fahrbahn und Mittenlinie des Fahrzeugs 5 bezeichnet (wobei definitionsgemäß ein positiver Winkel einer Ausrichtung des Fahrzeugs 5 nach links entspricht). Mit „dy“ ist der Abstand zwischen Mittenlinie 15 der Fahrbahn und Schwerpunkt 6 des Fahrzeugs 5 bezeichnet (wobei definitionsgemäß der Abstand positiv ist, wenn das Fahrzeug 5 sich rechts von der Mittenlinie 15 befindet). Mit „RC“ ist die aktuelle Bahnkrümmung der Fahrbahn bezeichnet (wobei definitionsgemäß diese Bahnkrümmung positiv ist, wenn sich die Straße bzw. Fahrbahn nach links wendet).
• „Dis2target“ bezeichnet den Abstand des in 1 eingezeichneten Referenzkordinatensystems (xo, yo) zum Pfadendpunkt auf der Fahrbahnmitte (entspricht beim Bezier-Ansatz dem Bezierpfad, in 1 als gestrichelte Linie dargestellt und mit „10“ bezeichnet), und N₁, N₂ sind Skalierungswerte für die Längen der Tangenten am Beginn und Ende des Bezierpfads 10.
• Anhand der kamerabasierten Messung der Größen Ψ und dy und der frei wählbaren Werte Dis2target, N₁ und N₂ werden die Bezierpunkte wie folgt festgelegt: $$\begin{array}{l}{\underset{\_}{P}}_0=\left[\begin{array}{c}dy\\ 0\end{array}\right]\\ {\underset{\_}{P}}_1=\left[\begin{array}{c}dy-sin\left(\psi \right)\cdot dis2target\cdot N_{\mathrm{1,}scale}\\ cos\left(\psi \right)\cdot dis2target\cdot N_{\mathrm{1,}scale}\end{array}\right]\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}{\underset{\_}{P}}_2={\underset{\_}{P}}_3-\left[\begin{array}{c}cos\left(\frac{\pi }{2}-\alpha \right)\cdot dis2target\cdot N_{\mathrm{2,}scale}\\ sin\left(\frac{\pi }{2}-\alpha \right)\cdot dis2target\cdot N_{\mathrm{2,}scale}\end{array}\right]\\ {\underset{\_}{P}}_3={\underset{\_}{P}}_E=\left[\begin{array}{c}-RR+b_{RR}\\ h_{RR}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-\frac{1}{RC}+\frac{1}{RC}\cdot cos\left(\alpha \right)\\ \frac{1}{RC}\cdot sin\left(\alpha \right)\end{array}\right]\end{array}$$

  

  mit $$\alpha =dis2target\cdot RC$$

  

  und $$\begin{array}{l}{N}_{\mathrm{1,}scale}=N_1+{\left|\alpha \right|}^2\cdot N_{factor}\\ N_{\mathrm{2,}scale}=N_2+{\left|\alpha \right|}^2\cdot N_{factor}\end{array}$$

  

  für die Krümmungsberechnung. Zur besseren Übersichtlichkeit werden folgende Hilfsgrößen verwendet: $$\begin{array}{l}{b}_{RR}=\frac{1}{RC}\cdot cos\left(\alpha \right)\\ h_{RR}=\frac{1}{RC}\cdot sin\left(\alpha \right)\end{array}$$

  
• Zur Bezierpunkt-Berechnung sind die Vorzeichen der Messwerte zu berücksichtigen. Gemäß Gleichung (3) kann nun der Bezierpfad 10 berechnet werden. Für die Lateralregelung ist weniger der exakte Bezierpfad als die Bahnkrümmung am Anfang des Bezierpfades von Bedeutung. Durch Ableitung der Gleichung (3) gemäß $$\underset{\_}{\dot{P}}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{\dot{P}}_x\left(t\right)\\ {\dot{P}}_y\left(t\right)\end{array}\right]=3\cdot {\left(1-t\right)}^2\cdot \left({\underset{\_}{P}}_1-{\underset{\_}{P}}_0\right)+6\cdot \left(1-t\right)\cdot t\cdot \left({\underset{\_}{P}}_2-{\underset{\_}{P}}_1\right)+3\cdot t^2\left({\underset{\_}{P}}_3-{\underset{\_}{P}}_2\right)$$

  

  und $$\underset{\_}{\ddot{P}}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{\ddot{P}}_x\left(t\right)\\ {\ddot{P}}_y\left(t\right)\end{array}\right]=6\cdot \left(1-t\right)\cdot \left({\underset{\_}{P}}_2-2\cdot {\underset{\_}{P}}_1+{\underset{\_}{P}}_0\right)+6\cdot t\cdot \left({\underset{\_}{P}}_3-2\cdot {\underset{\_}{P}}_2+{\underset{\_}{P}}_1\right)$$

  

  kann die Bahnkrümmung des Bezierpfades 10 berechnet werden gemäß $$R{C}_{Bezier}\left(t\right)=\frac{1}{R{R}_{Bezier}}=\frac{{\dot{P}}_x\left(t\right)\cdot {\ddot{P}}_y\left(t\right)-{\dot{P}}_y\left(t\right)\cdot {\ddot{P}}_x\left(t\right)}{{\left({\dot{P}}_x{}^2\left(t\right)-{\dot{P}}_y{}^2\left(t\right)\right)}^{\frac{3}{2}}}$$

  
• Im Gesamtkonzept für die Lateralsteuerung bzw. Quersteuerung kann unter Bezugnahme auf 2 der erfindungsgemäße Bezier-Ansatz auch als äußerer Regelkreis interpretiert werden, wobei die berechnete Bahnkrümmung RC_Bezier (für t = 0) (als Sollwert für die Bahnkrümmung) die Eingangsgröße für den inneren Regelkreis der Lateralsteuerung darstellt. Die Berechnung der Bezierkurve im Funktionsblock 30 bildet einen Teil des äußeren Regelkreises, welcher Signale von einer vorwärts bzw. in Fahrtrichtung ausgerichteten Kamera empfängt und ein Signal für den inneren Regelkreis, welcher im Ausführungsbeispiel einen PID-Regler 50 aufweist, ausgibt.
• Die Lateralsteuerung bzw. Quersteuerung erfolgt hierbei auf Basis der Abweichung zwischen der über den Funktionsblock 30 ermittelten Soll-Bahnkrümmung des Bewegungspfades und der im Funktionsblock 40 ermittelten tatsächlichen Bahnkrümmung des Bewegungspfades des Fahrzeugs 5 und liefert als Ausgangssignal ein Lenkdrehmoment auf das elektrisch unterstützte Lenksystem.

Claims (9)

1. Fahrerassistenzsystem, zur Unterstützung oder Automatisierung der Quersteuerung eines Fahrzeugs (5) unter Ausübung eines Lenkdrehmoments auf ein elektrisch unterstütztes Lenksystem, wobei das Fahrerassistenzsystem dazu konfiguriert ist, einen der Quersteuerung zugrunde gelegten Sollwert für die Bahnkrümmung eines Bewegungspfades des Fahrzeugs (5) unter Berechnung einer Bezierkurve (10) zu ermitteln, wobei diese Berechnung auf Basis einer kameragestützten Erfassung einer vor dem Fahrzeug (5) befindlichen Fahrspur (10) erfolgt; dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem einen äußeren Regelkreis und einen inneren Regelkreis aufweist, wobei der äußere Regelkreis den Sollwert {curv*_road) für die Bahnkrümmung des Bewegungspfades des Fahrzeugs (5) als Eingangsgröße für den inneren Regelkreis bereitstellt, und wobei der innere Regelkreis als Ausgangssignal ein Lenkdrehmoment (T*_LatCtrl) bereitstellt; wobei die Berechnung der Bezierkurve (10) einen Teil des äußeren Regelkreises bildet.
2. Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkrümmung am Anfang der berechneten Bezierkurve (10) als Sollwert (curv^* _road) für den inneren Regelkreis verwendet wird.
3. Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kameragestützte Erfassung der vor dem Fahrzeug (5) befindlichen Fahrspur die Ermittlung wenigstens einer der folgenden Größen umfasst: - aktuelle Bahnkrümmung (RC) der Fahrbahn, - Abstand (dy) zwischen Mittenlinie (15) der Fahrbahn und Schwerpunkt (6) des Fahrzeugs (5), und - Winkel zwischen Mittenlinie (15) der Fahrbahn und Mittenlinie des Fahrzeugs (5).
4. Fahrerassistenzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezierkurve (10) eine kubische Bezierkurve ist.
5. Fahrerassistenzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Sollwertes (curv^* _road) unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrzeugbewegung erfolgt.
6. Fahrerassistenzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Sollwertes (curv^* _road) eine Verzögerung der Verarbeitung der kameragestützt erfassten Fahrspur berücksichtigt wird.
7. Fahrerassistenzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Sollwertes (curv^* _road) unterschiedliche Einsatzzeiten der kameragestützten Erfassung der Fahrspur einerseits und des Lenksystems andererseits berücksichtigt werden.
8. Fahrerassistenzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Bezierkurve (10) eine Berechnung einer Gierrate des Fahrzeugs (5) erfolgt.
9. Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Regelkreis einen PID-Regler (50) aufweist.

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