DE102017218170A1

DE102017218170A1 - Verfahren zur Verbesserung der Trajektorienplanung von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102017218170A1
Application number: DE102017218170.2A
Authority: DE
Inventors: Oliver Fritsch; Christian Rathgeber; Franz Winkler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2019-04-11

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Verbesserung der Trajektorienplanung von Fahrzeugen, wobei bei Anforderung einer Änderung des Zielzustands der Längsbewegung und/ oder Querbewegung des Fahrzeugs zumindest eine in das zu lösende Optimierungsproblem eingehende Eingangsgröße einmalig als neuer Wert der Eingangsgröße derart zur Trajektorienplanung vorgegeben wird, dass ein asymmetrischer Verlauf der aus der Lösung des Optimierungsproblems resultierenden Trajektorie entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Trajektorienplanung von Fahrzeugen.
Für automatisierte Fahrfunktionen wie aktive Geschwindigkeitsregelung (ACC), Spurwechselassistent (SWA), hochautomatisiertes Fahren (HAF) etc. werden vermehrt Ansätze zur Trajektorienplanung verwendet, um die zukünftige Längs- und/oder Querbewegung des Fahrzeugs zu berechnen.
Regelungsaufgaben der Längsbewegung sind z.B. Geschwindigkeitsregelung oder Positionsregelung, und Regelungsaufgaben der Querbewegung sind z.B. Spurmittenführung, Ausweichen, etc. Dabei werden die Trajektorien vom Ausgangszustand zum Zielzustand unter Berücksichtigung von verschiedenen Nebenbedingungen, z.B. maximale Beschleunigung, Kollisionsfreiheit etc., berechnet. Es hat sich als zielführend herausgestellt, Optimierungsprobleme zu formulieren, deren Lösungsklasse Polynome sind.
1 zeigt einen Ausschnitt eines beispielhaften Trajektorienverlaufs für eine Änderung der Geschwindigkeit von 0 m/s auf 13 m/s über der Zeit t, wobei der Ausschnitt nur den für diese Erfindung relevanten Bereich um t=0 zeigt. Solch ein Verlauf kann beispielsweise bei ACC zur Setzgeschwindigkeitsänderung verwendet werden. Die verwendeten Trajektorien-Formen lassen sich unter Verwendung von analytischen Optimalitätsbedingungen aus einem Gütefunktional J und einer angenommen Systemdynamik ableiten.
Nachteilig bei der bisherigen Bestimmung bzw. Berechnung optimaler Trajektorien ist, dass durch das zugrunde gelegte Optimierungsproblem, welches Polynome als Lösung hat, häufig symmetrische Trajektorien-Verläufe resultieren, aber unter gewissen Umständen asymmetrische Verläufe wünschenswert wären. Dies ist z.B. bei einer Setzgeschwindigkeitsänderung bei Fahren mit ACC der Fall. Hier wäre es sicherer und für den Fahrer angenehmer, eine direkte Rückmeldung der Geschwindigkeits-annahme durch den Regler und damit einen schnellen Beschleunigungsaufbau gefolgt von einem komfortablen, langsamen Beschleunigungsabbau zu erhalten. Auch bei Quermanövern kann ein asymmetrischer Verlauf gewünscht sein, z.B. wäre es beim Ausweichassistenten sinnvoll, ein schnelles Lenken zum Ausweichen gefolgt von einem langsamen Zurücklenken zum wieder Einscheren bereitzustellen. Die bisher verwendeten Polynomformen liefern allerdings symmetrische Verläufe, so dass hier Optimierungsbedarf besteht.
Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Optimierung der Trajektorienplanung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Verbesserung der Trajektorienplanung von Fahrzeugen, wobei bei Anforderung einer Änderung des Zielzustands der Längsbewegung und/ oder Querbewegung des Fahrzeugs zumindest eine in das zu lösende Optimierungsproblem eingehende Eingangsgröße einmalig als neuer Wert der Eingangsgröße derart zur Trajektorienplanung vorgegeben wird, dass ein asymmetrischer Verlauf der aus der Lösung des Optimierungsproblems resultierenden Trajektorie entsteht.
Wenn eine Änderung des Zielzustands angefordert wird, also z.B. eine Änderung der Setzgeschwindigkeit, erwartet der Fahrer eine sofortige Reaktion des Fahrzeugs auf die gewünschte Änderung. Durch Bereitstellen eines neuen Startwerts für eine vorgegebene Eingangsgröße bei Auftreten eines vorgegebenen Ereignisses kann dieses Ziel erreicht werden. So kann die weitere Optimierung der Trajektorie mit dem bisher verwendeten Optimierungsansatz fortgeführt werden, d.h. es wird ein asymmetrischer Trajektorienverlauf erreicht.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Eingangsgröße derart in einem weiteren Optimierungsverfahren optimiert wird, dass das verwendete Gütefunktional um eine zeitgewichtete Regelfläche erweitert wird. Dabei stellt sich eine Lösung ein, die dem Verhalten einer Optimierung mit zeitgewichteter Regelfläche weitestgehend entspricht. Die zeitgewichtete Regelfläche dient als Asymmetrie-Faktor zur Vorgabe der Eingangsbedingung, um den asymmetrischen Verlauf zu erreichen.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der neue Wert der Eingangsgröße aus einer Lookup-Tabelle ermittelt wird, die abhängig von Optimierungsrandbedingungen und Einstellparametern berechnet wird. Durch die Möglichkeit, komplexe Berechnungen durch Bereitstellen einer Lookup-Tabelle zu vermeiden, kann eine schnelle Ausführung gewährleistet werden.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der neue Wert der Eingangsgröße direkt im Steuergerät bei Erfassen der Anforderung berechnet wird. Durch direktes Berechnen im Steuergerät kann eine verbesserte Optimierung erfolgen. Hierzu sind entsprechende Rechenleistung oder Optimierung der Berechnung nötig.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass als Eingangsgröße der Parameter Anfangsruck dient. Der Anfangsruck hat einen großen Einfluss auf die Asymmetrie der Trajektorien, so dass er eine besonders geeignete Größe ist, um für bestimmte Fahrmanöver als Einflussgröße für die Asymmetrie verwendet zu werden.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der neue Wert der Eingangsgröße über einen Skalierungsfaktor gewichtet wird. Somit kann die Dynamik des Rucks und damit der Beschleunigung bei dem Ereignis, das zur Vorgabe des neuen Werts für den Anfangsruck führt, angepasst werden.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der konstante Trajektorien-Gewichtungsfaktor um einen dynamischen Trajektorien-Gewichtungsfaktor, der von der verwendeten Optimierungsrandbedingung abhängig gewählt wird, erweitert wird. Somit kann eine noch bessere Anpassung der Asymmetrie erfolgen.
Ferner wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen.
Ferner wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, umfassend das beschriebene Steuergerät sowie durch das Steuergerät ansteuerbare Aktoren, die dazu eingerichtet sind, das Fahrzeug in Längs- und Querrichtung zu steuern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Verlaufsdarstellung einer geplanten Trajektorie für verwendete Optimierungsrandbedingungen bei Berechnung mit klassischem Ansatz gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt die Lösung des Optimierungsproblems Op2 für vier unterschiedliche Asymmetrie-Faktoren gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Kern der Erfindung ist es, eine Reaktion des Fahrzeugs auf eine gewünschte Änderung in Längs- und / oder Querrichtung schneller spürbar machen zu können. Dies wird dadurch erzielt, dass eine (einzige) Randbedingung des zu lösenden Optimierungsproblems manipuliert wird. Genauer wird diese Randbedingung entsprechend der gewünschten Funktion ausgewählt und dann z.B. zu einem vorgegebenen Zeitpunkt manipuliert, während der restliche Verlauf der Trajektorie über den bekannten Lösungsansatz ermittelt wird. Somit wird ein asymmetrischer Trajektorienverlauf erzielt. Es muss dabei nicht unbedingt bezüglich der Zeit optimiert bzw. manipuliert werden; vielmehr kann auch bezüglich eines anderen Ziels optimiert bzw. manipuliert werden.
Grundsätzlich lassen sich die Trajektorienformen unter Verwendung von analytischen Optimalitätsbedingungen aus einem Gütefunktional und einer angenommen Systemdynamik ableiten.
Die Annahme einer Systemdynamik ẋ(t) $\dot{x} (t) = [\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] x (t) + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] u (t) = f (x (t), u (t), t)$
mit vorgegebenen Randbedingungen Position (x_1 (t=0)), Geschwindigkeit (x_2(t=0)), Beschleunigung (x_3(t=0)) und Ruck (x_4(t=0)) zum Anfangszeitpunkt, also t=0 als Eingangsbedingungen, und Position (x_ziel,1 (t=t_f)), Geschwindigkeit (x_ziel,2(t= t_f)), Beschleunigung (x_ ziel,3(t= t_f)) und Ruck (x_ ziel,4(t= t_f)) zum Endzeitpunkt t= t_f als Endbedingungen der Zustandsgrößen x_1, x_2, x_3 und x_4, und einem entsprechend gewählten Güte- bzw. Kostenfunktional J führt zu einer Lösung mit einer Lösungsklasse mit Polynomen.
Zielt das Güte- bzw. Kostenfunktional J z.B. auf Erreichen einer Zielposition ab, also $J = \int_{t_{0}}^{t_{f}} \frac{1}{2} u^{2} (t) dt + k_{t} t_{f} + k_{x} {(x_z i e l (t_{f}) - x (t_{f}))}^{2}$
führt dies zur Lösung mit einer Lösungsklasse von Polynomen 7. Ordnung: $x (t) = p_{0} + p_{1} t + p_{2} t^{2} + p_{3} t^{3} + p_{4} t^{4} + p_{5} t^{5} + p_{6} t^{6} + p_{7} t^{7}$
Wenn ein anderes Güte- bzw. Kostenfunktional J verwendet wird, das nicht auf Erreichen einer Zielposition wie in Gl. (2) abzielt, dann können auch Lösungen mit einer Lösungsklasse von Polynomen anderer Ordnung resultieren, je nach Zielvorgabe.
Die Optimierung erfolgt, indem das Gütefunktional optimiert, d.h. z.B. maximiert oder minimiert wird, je nach Zielvorgabe. Es wird nicht genauer auf die Einzelheiten der Optimierung eingegangen, da diese dem Fachmann hinreichend bekannt sind. Aufgrund des oben genannten Optimierungsproblems ergibt sich eine Lösung, bei der ein symmetrischer Verlauf der Zieltrajektorie entsteht. Die Symmetrie ergibt sich insbesondere im Beschleunigungsverlauf, wenn ein Verlauf geplant wird, der aus einem Zustand mit Anfangs- und Endbeschleunigung gleich Null und Anfangs- und Endruck gleich Null geplant wird.
Der letzte Term aus Gleichung (2), also z.B. k_x(x_ziel (t_f) - x(t_f))² in dem oben genannten Beispiel, wird im Nachfolgenden weggelassen, da hier keine Betrachtung von offenen Zielzuständen erfolgt. Dies geschieht für jedes verwendete Güte- bzw. Kostenfunktional J.
Die Endbedingungen EB, welche zusammen mit den Anfangsbedingungen AB und dem Gewichtungsfaktor kt in die Lösung des Optimierungsproblems Op1 einfließen, wie in 3 gezeigt, können bei geeignetem Gütemaß offen sein, auch wenn nachfolgend beispielhaft ein fester Endzustand angenommen wird.
Um nun das Ziel der Erfindung zu erreichen, d.h. einen asymmetrischen Verlauf der Trajektorie zu erreichen, wird das oben gezeigte Gütefunktional (ohne den letzten, offene Zielzustände betrachtenden Term) um eine zeitgewichtete Regelfläche k_a, nachfolgend als Asymmetrie-Faktor bezeichnet, erweitert, so dass das neue Gütefunktional J_n mit dem Systemeingang u und dem Gewichtungsfaktor kt resultiert: $J_{n} = \int_{t_{0}}^{t_{e}} \frac{1}{2} (u^{2} + k_{a} t u^{2}) d t + k_{t} t_{f}$
wobei to der Anfangszeitpunk und t_f der berechnete Endzeitpunkt der Trajektorie im Zielzustand ist.
Die Lösungsklasse unter Verwendung des neuen Gütefunktionals sind wieder Polynome, wie oben beschrieben, allerdings mit zeitabhängigen Koeffizienten p: $p (t) = f (log (k_{a} t))$
Die Berechnung des Polynoms wird hier nicht näher beschrieben, da sie mathematisch vom Fachmann herleitbar ist.
Die Berechnung der Trajektorien mit diesen zeitabhängigen Logarithmus-Funktionen kann online im Steuergerät erfolgen, was allerdings rechenaufwändig ist.
Zur Umgehung dieser aufwändigen online Berechnungen wird, wie in 3 gezeigt, lediglich eine (einzelne) Randbedingung, nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf den Anfangsruck r0, d.h. der Ruck zum Zeitpunkt t=0, beschrieben, manipuliert. Das heißt, er wird gezielt verändert, um einen möglichst ähnlichen Verlauf der Lösungen beider Optimierungsprobleme Op1 und Op2, also des Gesamtverlaufs, zu erhalten. Die restlichen Bedingungen AB und EB sowie der Gewichtungsfaktor kt gehen zusammen mit der gewählten manipulierten Anfangsbedingung unverändert in das Optimierungsproblem Op1 ein. Da insbesondere der Anfangsruck einen großen Einfluss auf die Asymmetrie der Trajektorien hat, wird dieser bei einer Änderung der Optimierungsziele, z.B. bei einer Änderung der Setzgeschwindigkeit, bevorzugt manipuliert. Dies geschieht über die Lösung des Optimierungsproblems Op2, wie in 3 gezeigt.
Hierfür wird die gewünschte zu manipulierende Anfangsbedingung AB, in diesem Beispiel der Anfangsruck r0, also der Ruck zum Zeitpunkt t=0, aus dem oben erwähnten komplexen Ansatz mit zeitabhängigen Logarithmus-Funktionen für vorgegebene Standardmanöver, also dem Optimierungsproblem Op2, abgeleitet.
2 zeigt die Lösung des Optimierungsproblems Op2 für vier unterschiedliche Asymmetrie-Faktoren k_a. Auffällig ist hierbei, dass der Anfangsruck mit zunehmenden Asymmetrie-Faktoren k_a steigt und die Asymmetrie beeinflusst, aber der nachfolgende Verlauf der Lösung des Optimierungsproblems Op1 ähnelt. Das heißt, dass sich die Anfangswerte des standardmäßig verwendeten Optimierungsproblems Op1 so modifizieren lassen, dass die gefundenen Lösungen weitestgehend mit Lösungen aus Optimierungsproblem Op2 übereinstimmen.
Deshalb kann eine Lookup-Tabelle ,lookup‘ für den manipulierten Anfangsruck rom als Funktion der Anfangs- und Endbedingungen, sowie des Gewichtungsfaktors kt und des Asymmetrie-Faktors k_a, abgelegt werden. Welche Optimierungsrandbedingungen und Einstellparameter verwendet werden, hängt von der jeweiligen zu applizierenden Funktion ab, also z.B. ACC oder Ausweichassistent, und wird vom Fachmann gewählt.
Aus der Lookup-Tabelle kann der neu berechnete (manipulierte) Anfangsruck rom dann entweder direkt in den bekannten Lösungsansatz, also das Optimierungsproblem Op1, integriert werden, so dass ein asymmetrischer Trajektorienverlauf an der gewünschten Stelle mit der gewünschten Bedingung, also z.B. ein erhöhter Anfangsruck ro zum Zeitpunkt t=0, resultiert. Alternativ kann der Asymmetrie-Faktor k_a skaliert werden, z.B. derart, dass er Werte zwischen 0 und 1 annimmt, wie in 3 als gestrichelte Linie gezeigt. Hier wird dann der gewichtete Anfangsruck r_0mw als Eingangsgröße in dem Optimierungsproblem Op1 verwendet. Dies erleichtert die spätere Applikation.
Da das Optimierungsproblem ausgehend von alten Sollwerten zyklisch neu gelöst wird, kann eine zusätzliche Verbesserung bzw. Steigerung der Asymmetrie erreicht werden, indem der konstante Trajektorien-Gewichtungsfaktor kt um einen dynamischen Anteil ergänzt wird, so dass dieser aus dem statischen bzw. konstanten Anteil k_t,con und dem dynamischen Anteil k_t,dyn zusammengesetzt wird, also gilt k_t = k_t,con + k_t,dyn.
Der dynamische Anteil k_t.dyn ist dabei als Funktion zumindest einer der Optimierungsrandbedingungen ausgeführt. Vorteilhaft kann hier sein, dass der dynamische Anteil k_t,dyn mit zunehmender Abweichung der relevanten Zustandsgröße x_1, x_2, x_3 und x_4 vom Zielzustand auch ansteigt, z.B. annähernd exponentiell.
Der Kern der Erfindung ist also, dass zur Optimierung der klassische bekannte Ansatz verwendet wird, wobei lediglich bei Auftreten eines definierten Ereignisses zum Zeitpunkt des Eintretens dieses Ereignisses ein neuer Wert für die dem Ereignis bzw. der Funktion zugeordnete Eingangsgröße ausgegeben wird. Ein auslösendes bzw. definiertes Ereignis ist also eine Anforderung einer Änderung der Zielbedingung, z.B. eine Anforderung einer Änderung der Setzgeschwindigkeit beim Fahren mit ACC, oder eine Anforderung eines Ausweichmanövers. Es ist also erkennbar, dass sowohl ein durch einen Fahrer initiiertes Ereignis, als auch ein durch ein automatisiertes System initiiertes Ereignis als Auslöser dienen können, einen neuen Wert für die entsprechende Eingangsgröße auszugeben.
Ziel des vorgeschlagenen Verfahrens ist unter anderem, eine direkte Rückmeldung z.B. an den Fahrer zu geben, dass z.B. der Befehl zum Beschleunigen angekommen ist, wenn der Fahrer eine neue Setzgeschwindigkeit anfordert. Hier ist es in der Regel gewünscht, dass die Beschleunigung schnell erfolgt, d.h. mit sofortiger Reaktion auf den Befehl, wobei ein Abbremsen eher gemäßigt erfolgen sollte. Somit wird eine asymmetrische Trajektorie benötigt, die durch das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise realisiert werden kann. Dies wird durch die Manipulation einer Eingangsgröße z.B. zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erreicht, wie zur Veranschaulichung mit Bezug auf die Manipulation des Anfangsrucks beschrieben.
Das vorgestellte Verfahren kann für unterschiedliche Anwendungen implementiert werden. Grundsätzlich kann es für jede Anwendung verwendet werden, bei der ein asymmetrischer Trajektorienverlauf benötigt wird. Dies ist beispielsweise bei Fahren mit ACC der Fall, wenn der Fahrer eine neue Setzgeschwindigkeit anfordert. Ähnliches gilt bei einem Ausweichassistenten. Hier sollte das Ausweichen zügig erfolgen, wobei das Einscheren bevorzugt in gemäßigten Bewegungen, z.B. Lenkwinkeleinschlag, Beschleunigung bzw. Abbremsen etc. erfolgen sollte.
Das Verfahren ist vorteilhafterweise als Softwareprodukt auf einem Steuergerät realisiert, das ferner dann auch die tatsächliche Durchführung vornimmt, also die entsprechenden Aktoren bzw. Aktuatoren im Fahrzeug ansteuern kann. Das Steuergerät ist in einem Fahrzeug angeordnet und kann auch weitere Funktionen erfüllen.

Claims

Verfahren zur Verbesserung der Trajektorienplanung von Fahrzeugen, wobei bei Anforderung einer Änderung des Zielzustands der Längs- und / oder Querbewegung des Fahrzeugs zumindest eine in das zu lösende Optimierungsproblem eingehende Eingangsgröße einmalig als neuer Wert der Eingangsgröße derart zur Trajektorienplanung vorgegeben wird, dass ein asymmetrischer Verlauf der aus der Lösung des Optimierungsproblems resultierenden Trajektorie entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eingangsgröße derart in einem weiteren Optimierungsverfahren optimiert wird, dass das verwendete Gütefunktional um eine zeitgewichtete Regelfläche (k_a) erweitert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der neue Wert der Eingangsgröße aus einer Lookup-Tabelle ermittelt wird, die abhängig von Optimierungsrandbedingungen und Einstellparametern berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der neue Wert der Eingangsgröße direkt im Steuergerät bei Erfassen der Anforderung berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Eingangsgröße der Parameter Anfangsruck (ro) dient.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der neue Wert der Eingangsgröße über einen Skalierungsfaktor gewichtet wird.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der konstante Trajektorien-Gewichtungsfaktor (k_t; k_t,con) um einen dynamischen Trajektorien-Gewichtungsfaktor (k_t,dyn), der von der verwendeten Optimierungsrandbedingung abhängig gewählt wird, erweitert wird.
Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Fahrzeug, umfassend das Steuergerät nach Anspruch 8, sowie durch das Steuergerät ansteuerbare Aktoren, die dazu eingerichtet sind, das Fahrzeug in Längs- und Querrichtung zu steuern.