DE102018123147A1

DE102018123147A1 - Steuervorrichtung für ein Fahrzeug sowie Fahrzeug mit der Steuervorrichtung und Verfahren zur Steuerung des Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102018123147A1
Application number: DE102018123147.4A
Authority: DE
Inventors: Paul Haiduk; Roman Joerger; Jürgen Römer; Dominik Nees
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-03-26

Abstract

Kurvenfahrten sind für Fahrer und Beifahrer häufig unangenehm und verhindern ein effektives Arbeiten während der Fahrt. Es wird eine Steuervorrichtung 1 für ein Fahrzeug 9 zum autonomen Fahren vorgeschlagen, wobei das Fahrzeug 9 mindestens einen Platz zum Transport einer Person in einer Ausrichtung aufweist, wobei die Steuervorrichtung 1 ein Planungsmodul 2 umfasst, wobei das Planungsmodul 2 ausgebildet ist, eine Plantrajektorie 3 für eine Kurvendurchfahrt des Fahrzeugs 9 zu bestimmen, wobei die Steuervorrichtung 1 ein Optimierungsmodul 6 aufweist, wobei das Optimierungsmodul 6 ausgebildet ist, basierend auf der Plantrajektorie 3 resultierende, trajektorienabhängige Planbeschleunigungen auf die Person bei der Kurvenfahrt zu bestimmen und/oder zu extrahieren, wobei das Optimierungsmodul 6 ausgebildet ist, eine Solltrajektorie 7 mit angepasster, trajektorienabhängiger Ausrichtung zu bestimmen, wobei die angepasste, trajektorienabhängige Ausrichtung eine verringerte maximale Querbeschleunigung a_y auf die Person bei der Kurvenfahrt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs nach Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Steuerung des Fahrzeugs.
Klassischerweise werden Lenkungen von Fahrzeugen mit Ackermann-Steuerung verwendet. Omnidirektionale Fahrzeuge ermöglichen hingegen eine breitere und angepasstere Lenkung, insbesondere in Kurvenfahrten. Immer häufiger werden im Fahrzeug durch Beifahrer oder auch durch Fahrer im Falle von autonomem Fahren, Arbeiten während der Fahrt durchgeführt. Der Fahrer und/oder die Beifahrer empfinden insbesondere Kurvenfahrten, welche zum Beispiel beim Stadtverkehr sehr häufig vorkommen, als unangenehm. Besonders unangenehm empfinden Menschen die Querbeschleunigung bei den Kurvenfahrten. Handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Fahrzeug des autonomen Fahrens, so ist es für den Fahrer häufig unvorhersehbar, wann eine Querbeschleunigung auftritt, da dieser nicht weiter auf den Verkehr und das Lenken fokussiert ist.
Zur Reduzierung der Querbeschleunigung und zur Steigerung des Komforts werden in Fahrassistenzsystemen beispielsweise Geschwindigkeitsbegrenzungen oder Warnungen an den Fahrer eingesetzt, welche bei einer Überschreitung einer maximalen Kurvengeschwindigkeit eine Geschwindigkeitsreduktion fordern und/oder einleiten.
Die Druckschrift US 96 500 43 B2 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, beschreibt ein Geschwindigkeitssteuersystem und ein Verfahren zur Erzeugung eines Geschwindigkeitsprofils in Echtzeit durch iterative Berechnung von vorgeschlagenen Geschwindigkeiten. Die vorgeschlagene Geschwindigkeit ist einer Zielkurve zugeordnet, sodass für die vorgeschlagene Geschwindigkeit eine Querbeschleunigung kleiner als eine Komfort-Querbeschleunigung erreicht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung und ein Fahrzeug bereitzustellen, die einem Fahrer und/oder einem Beifahrer einen verbesserten Komfort bei der Fahrt bietet. Insbesondere soll dem Fahrer eines autonomen Fahrzeugs im Verkehr eine angenehme Fahrt ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Steuervorrichtung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe durch das Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der beigefügten Beschreibung, den Unteransprüchen und den Figuren.
Es wird eine Steuervorrichtung für ein Fahrzeug vorgeschlagen. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Fahrzeug für autonomes Fahren. Das Fahrzeug ist vorzugsweise als ein Mehrachsfahrzeug ausgebildet, wobei das Fahrzeug im Speziellen ein mehrachslenkbares Fahrzeug bildet. Beispielsweise weist das Fahrzeug eine Vorder- und eine Hinterachse auf, wobei die Vorderachse und die Hinterachse lenkbar sind. Im Speziellen ist es vorgesehen, dass Antriebe und/oder Räder des Fahrzeugs separat und/oder unabhängig ansteuerbar sind. Das Fahrzeug ist beispielsweise als ein Pkw, ein Bus oder ein Lkw ausgebildet. Unter einem autonomen Fahrzeug wird insbesondere ein Fahrzeug verstanden, welches sich weitgehend und/oder komplett fahrerlos, das heißt im Speziellen ohne Eingriff des Fahrers auf das aktive Fahrgeschehen, fortbewegen kann. Vorzugsweise weist das Fahrzeug Sensoren, Antriebe, Aktoren, Prozessoren und/oder eine Planungseinrichtung auf, wobei die Steuerung des Fahrzeugs, insbesondere die Lenkung, basierend auf den Sensoren, Antrieben, Aktoren, Prozessoren und/oder einer Planungseinrichtung erfolgt.
Die Steuervorrichtung ist beispielsweise als eine Rechnereinheit oder als ein Prozessor ausgebildet. Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise in dem Fahrzeug angeordnet und/oder anordenbar. Die Steuervorrichtung ist mit dem Fahrzeug, insbesondere mit der Lenkung und/oder dem Antrieb des Fahrzeugs, datentechnisch verbindbar, wobei mittels der Steuervorrichtung beispielsweise die Lenkung und/oder der Antrieb des Fahrzeugs einstellbar und/oder steuerbar ist.
Das Fahrzeug ist zum Transport mindestens einer Person ausgebildet. Die Person kann ein Fahrer oder ein Beifahrer sein. Das Fahrzeug weist hierzu insbesondere einen Platz, beispielsweise einen Sitzplatz oder einen Stehplatz, für die Person auf. Der Platz weist eine Ausrichtung auf. Die Ausrichtung ist beispielsweise durch die Blickrichtung bei einem Blick nach Vorne und/oder durch Sagittalrichtung der Person festgelegt. Die Person wird in dem Fahrzeug in der Ausrichtung transportiert. Weist das Fahrzeug mehrere Plätze auf, so kann die Ausrichtung der Plätze gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Im Speziellen wird als Ausrichtung die Sitzrichtung der Person verstanden. Die Ausrichtung kann insbesondere bezüglich eines erdfesten Koordinatensystems oder eines mitfahrenden Koordinatensystems definiert und/oder bestimmt sein. Alternativ und/oder ergänzend wird die Ausrichtung bezüglich der Fahrtrichtung bestimmt, wobei die Fahrtrichtung insbesondere als die Richtung eines resultierenden Geschwindigkeitsvektors des Fahrzeugs aufgefasst wird und insbesondere eine Tangente an eine Bahn und/oder eine Trajektorie des Fahrzeugs bildet.
Die Steuervorrichtung weist ein Planungsmodul auf. Insbesondere bildet die Steuervorrichtung und/oder das Planungsmodul ein Fahrassistenzsystem für das Fahrzeug. Das Planungsmodul und/oder das Fahrassistenzsystem sind vorzugsweise ausgebildet, den Fahrer in Fahrsituationen zu unterstützen und/oder dem Fahrer die Fahrtätigkeit abzunehmen. Beispielsweise sind die Steuervorrichtung und/oder das Planungsmodul ausgebildet, autonom oder teilautonom den Antrieb, insbesondere Gas oder Bremse, und/oder die Steuerung, beispielsweise Lenksystem oder Signalsteuerungen des Fahrzeugs zu übernehmen. Das Planungsmodul kann als ein Softwaremodul ausgebildet sein, alternativ ist das Planungsmodul als ein Hardwaremodul ausgebildet, beispielsweise als ein Rechnerchip oder ein Prozessor.
Das Planungsmodul ist ausgebildet, eine Plantrajektorie für das Fahrzeug zu bestimmen. Die Plantrajektorie ist insbesondere eine Trajektorie und/oder ein Pfad für eine Fahrt, insbesondere eine Kurvendurchfahrt, des Fahrzeugs. Die Plantrajektorie wird beispielsweise durch Festlegung eines Starts und eines Ziels, insbesondere in einem Navigationsprogramm, errechnet. Die Plantrajektorie bildet beispielsweise einen kürzesten, schnellsten und/oder bequemsten Weg zwischen dem Start und dem Ziel. Die Plantrajektorie umfasst insbesondere eine Position und/oder einen Gierwinkel. Im Speziellen umfasst die Plantrajektorie eine positionsabhängige, zeitabhängige und/oder trajektorienabhängige Ausrichtung der Person auf. Die Plantrajektorie umfasst insbesondere die Ausrichtung des Platzes, vorzugsweise die Ausrichtung des Platzes an jedem Punkt der Kurvenfahrt und/oder zu jedem Zeitpunkt. Insbesondere werden jedem Zeitpunkt eine Position und/oder ein Gierwinkel zugeordnet. Die Position ist insbesondere eine Position im Zweidimensionalen. Beispielsweise beschreibt die Plantrajektorie zu jedem Zeitpunkt die Position des Fahrzeugs in einem kartesischen Koordinatensystem, wobei zusätzlich der Gierwinkel des Fahrzeugs bezüglich dieses Koordinatensystems angegeben ist und/oder eine momentane Ausrichtung des Platzes beschrieben ist. Die Plantrajektorie beschreibt insbesondere eine initiale Trajektorie und/oder einen Pfad für die Fahrt und/oder Kurvendurchfahrt. Die Bestimmung der Plantrajektorie durch das Planungsmodul kann insbesondere auf Nebenbedingungen und/oder Zusatzinformationen basieren. Beispielsweise umfassen die Nebenbedingungen eine maximale mögliche Geschwindigkeit, beispielsweise eine Höchstgeschwindigkeit, einen maximalen Lenkwinkel und/oder Antriebsgrenzwerte.
Die Steuervorrichtung weist ein Optimierungsmodul auf. Insbesondere können das Optimierungsmodul und das Planungsmodul eine gemeinsame Einheit und/oder ein gemeinsames Modul bilden. Das Optimierungsmodul ist beispielsweise als ein Softwaremodul ausgebildet, alternativ ist das Optimierungsmodul als ein Hardwaremodul, wie zum Beispiel ein Rechnerchip, ausgebildet.
Das Optimierungsmodul ist ausgebildet, basierend auf der Plantrajektorie und/oder für die Plantrajektorie resultierende, trajektorienabhängige Bahnbeschleunigungen zu bestimmen und/oder zu extrahieren. Die resultierende, trajektorienabhängige Bahnbeschleunigung wird kurz resultierende Bahnbeschleunigung genannt. Insbesondere ist das Optimierungsmodul ausgebildet für eine Mehrzahl und/oder alle Zeitpunkte die resultierende Bahnbeschleunigung zu bestimmen. Beispielsweise sind die Mehrzahl an Zeitpunkten für die die Bahnbeschleunigung bestimmt wird äquidistant angeordnet, zum Beispiel jeweils weniger als eine Sekunde voneinander beabstandet. Die resultierende Bahnbeschleunigung ist insbesondere die zu erwartende Beschleunigung in einem Punkt auf dem Platz des Fahrzeugs, wenn das Fahrzeug die Plantrajektorie abfährt. Beispielsweise ist die zu erwartende Beschleunigung abhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, einer Richtungsänderung des Fahrzeugs, einem Kurvenradius und/oder einer Krümmung der Trajektorie. Beispielsweise ist das Optimierungsmodul ausgebildet die Bahnbeschleunigung als eine erste Zeitableitung eines Geschwindigkeitsprofils und/oder als eine zweite Zeitableitung der Plantrajektorie zu bestimmen. Die Bahnbeschleunigung bildet insbesondere eine vektorielle Größe. Die Planbeschleunigung, das Geschwindigkeitsprofil und/oder die Plantrajektorie sind insbesondere in einem erdfesten und/oder einem bahnfesten Koordinatensystem bestimmt.
Erfindungsgemäß ist das Optimierungsmodul ausgebildet, eine Solltrajektorie zu bestimmen. Die Solltrajektorie wird dabei insbesondere so bestimmt, dass eine angepasste, trajektorienabhängige Ausrichtung bestimmt wird, bei der während der Kurvenfahrt auf die Person am Platz eine verringerte maximale Querbeschleunigung wirkt. Die angepasste, trajektorienabhängige Ausrichtung wird im Folgenden insbesondere auch kurz angepasste Ausrichtung genannt. Unter Verringerung der maximalen Querbeschleunigung wird insbesondere die bei der Kurvendurchfahrt maximal auf eine Person am Platz wirkende Beschleunigung orthogonal auf die Sagittalebene verstanden. Insbesondere ist die angepasste Ausrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die maximale auf die Person wirkende Querbeschleunigung kleiner ist als die Zentrifugal- und/oder Zentripetalbeschleunigung in diesem Punkt. Vorzugsweise ist die Solltrajektorie so ausgestaltet, dass in mindestens einem Punkt der Solltrajektorie die angepasste Ausrichtung zu einer kleineren Querbeschleunigung führt als für eine Ausrichtung des Platzes tangential zum Pfad und/oder zur Kurve. Die Solltrajektorie wird vorzugsweise so bestimmt, dass die Ausrichtung der Person so angepasst ist, dass die Querbeschleunigung, insbesondere die Beschleunigung quer zur Sagittalebene der Person, reduziert ist im Vergleich zur Durchfahrt entlang der Plantrajektorie. Diese Reduzierung der Querbeschleunigung erfolgt beispielsweise durch eine Orientierung der Person in Richtung der Zentrifugal-/Zentripetalkraft.
Im Speziellen ist die Steuervorrichtung ausgebildet, das Fahrzeug basierend auf der Solltrajektorie anzusteuern. Beispielsweise wird das Fahrzeug von der Steuervorrichtung basierend auf der Solltrajektorie angesteuert, anstatt basierend auf der Plantrajektorie angesteuert zu werden. Die Durchfahrt des Fahrzeugs erfolgt damit insbesondere entlang der Solltrajektorie. Insbesondere umfasst die Solltrajektorie die gleiche Geschwindigkeit und/oder den gleichen Absolutbetrag der Geschwindigkeit, wie dieser in der Plantrajektorie vorgesehen wird, wobei für die Solltrajektorie jedoch der Gierwinkel geändert wird. Die Anpassung der Ausrichtung der Person kann durch ein Schwenken der Person selbst oder durch ein Schwenken des Fahrzeugs erfolgen. Das Optimierungsmodul kann ausgebildet sein, bei der Solltrajektorienbestimmung Nebenbedingungen zu berücksichtigen, wobei beispielsweise eine Nebenbedingung die Fahrzeuglänge bildet. Die Berücksichtigung der Fahrzeuglänge basiert auf der Überlegung, dass, wenn die Ausrichtung des Fahrzeugs geschwenkt wird während der Kurvenfahrt, das Fahrzeug gegebenenfalls über eine Mittellinie der Fahrbahn hinausragen kann.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, Personen in einem Fahrzeug einen besseren Komfort zu bieten, indem die Querbeschleunigung auf die Personen durch Änderung ihrer Ausrichtung während der Kurvenfahrt reduziert wird. Durch die Änderung der Ausrichtung der Person bei der Kurvenfahrt kann die Geschwindigkeit im Wesentlichen beibehalten werden, sodass es zu keiner Verlängerung der Fahrtzeit kommt.
Ferner wird durch die Erfindung ermöglicht, dass die Personen im Fahrzeug während der Fahrt sich auf Arbeiten und Tätigkeiten konzentrieren können, ohne durch auftretende Querbeschleunigungen durch Unwohlsein und Diskomfort beeinträchtigt zu werden. Durch die Erfindung wird zusätzlich gewährleistet, dass eine Fließgeschwindigkeit bei verbessertem Kurvenkomfort erhalten bleibt und nicht reduziert werden muss.
Optional ist es vorgesehen, dass die Anpassung der Ausrichtung als eine Schwenkung des Fahrzeugs und/oder als eine Schwenkung des Platzes und/oder der Person um eine Vertikalachse ausgebildet ist. Die Vertikalachse bildet insbesondere eine Hochachse des Fahrzeugs und/oder steht senkrecht zur Fahrbahnebene. Insbesondere kann die Schwenkung als eine Schwenkung von mehreren Personen und/oder von mehreren Plätzen um unterschiedliche Vertikalachsen ausgebildet sein. Beispielsweise ist jedem Platz und/oder jeder Person eine eigene Vertikalachse zugeordnet und/oder zuordenbar. Dabei ist es beispielsweise vorgesehen, dass die gesamte Karosserie des Fahrzeugs um die Vertikalachse geschwenkt wird, das gesamte Fahrzeug mit seinem Fahrwerk oder der Platz der Person geschwenkt wird. Insbesondere ist die Steuervorrichtung ausgebildet das Fahrzeug und/oder einen Ausführungsaktor des Fahrzeugs anzusteuern, die Ausrichtung durch ein Schwenken des Fahrzeugs und/oder durch ein Schwenken des Platzes zu ändern. Das Schwenken und/oder das Anpassen der Ausrichtung erfolgt insbesondere während der Kurvenfahrt, wobei beispielsweise die Anpassung der Ausrichtung und/oder das Schwenken kontinuierlich und/oder stetig erfolgen. Im Speziellen verläuft die Vertikalachse durch einen frei wählbaren Punkt und/oder ein Zentrum des Fahrzeugs und/oder eines Fahrzeuginnenraums.
Besonders bevorzugt ist es, dass das Optimierungsmodul ausgebildet ist, eine angepasste Fahrzeugorientierung des Fahrzeugs zur Anpassung der Ausrichtung der Person zu bestimmen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Optimierungsmodul zur Änderung der Ausrichtung der Person die angepasste Fahrzeugorientierung bestimmt, wobei bei der angepassten Fahrzeugorientierung das gesamte Fahrzeug, der Fahrzeuginnenraum und/oder die Fahrzeugkarosserie um die Vertikalachse geschwenkt wird. Das Anpassen der Fahrzeugorientierung in Form einer Anpassung des gesamten Fahrzeugs kann beispielsweise bei einem Fahrzeug mit omnidirektionalem Antrieb durch Ansteuerung der einzelnen Räder, der einzelnen Achsen und/oder der einzelnen Antriebe erfolgen. Vorzugsweise ist das Optimierungsmodul ausgebildet, zur Anpassung der Fahrzeugorientierung den Gierwinkel des Fahrzeugs anzupassen und/oder zu verändern. Bei der Kurvenfahrt wird beispielsweise das Fahrzeug mit der Fahrzeugausrichtung nicht tangential an die Trajektorie ausgerichtet, sondern das Fahrzeug wird abweichend von der Tangente in Richtung des Kurvenmittelpunkts orientiert. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, zur Reduzierung der Querbeschleunigungen auf eine Person eine Rotationsbewegung und/oder eine Schwenkbewegung des gesamten Fahrzeugs vorzunehmen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Fahrzeug eine Fahrgastzelle aufweist, wobei die Fahrgastzelle insbesondere schwenkbar auf dem Fahrwerk angeordnet ist. Im Speziellen ist das Optimierungsmodul ausgebildet, zur Anpassung der Ausrichtung die Fahrgastzelle zu schwenken und/oder eine Orientierung der Fahrgastzelle zu ändern. Das Optimierungsmodul ist insbesondere ausgebildet, eine Schwenkung der Fahrgastzelle zur Realisierung der angepassten Ausrichtung zu bestimmen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Pfad der Solltrajektorie dem Pfad der Plantrajektorie entspricht, wohingegen die Ausrichtung der Fahrgastzelle bei Durchlaufen und/oder Abfahren des Pfades verändert ist. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit bei der Kurvenfahrt erhalten und muss nicht erneut berechnet werden, wobei zur Reduzierung der Querbeschleunigungen, insbesondere lediglich, die Fahrgastzelle geschwenkt wird.
Optional ist es vorgesehen, dass die angepasste Ausrichtung als eine Schwenkung des Platzes im Fahrzeug ausgebildet ist. Insbesondere ist eine Mehrzahl an Plätzen im Fahrzeug unabhängig voneinander schwenkbar, wobei beispielsweise jeder Platz eine eigene Schwenkachse aufweist, wobei die Schwenkachsen insbesondere parallel zur Vertikalachse sind. Das Optimierungsmodul ist ausgebildet, zur Anpassung der Ausrichtung der Person eine Schwenkung des Platzes zu bestimmen. Beispielsweise wird der Platz bei der Kurvendurchfahrt so orientiert, dass die Person zum Kurvenmittelpunkt orientiert ist. Durch die Orientierung der Person in Richtung des Kurvenmittelpunkts wirkt die Zentrifugal-/Zentripetalkraft in Richtung der Sagittalebene der Person, sodass kaum Querbeschleunigungen auf die Person wirken und die Kurvenfahrt als angenehmer empfunden wird. Die Schwenkung des Platzes zur Reduzierung der Querbeschleunigung ist insbesondere Teil der Solltrajektorie. Beispielsweise weist dazu die Solltrajektorie Platzwinkel auf, die eine Orientierung des Platzes angeben.
Besonders bevorzugt ist es, dass das Optimierungsmodul einen Anpassungsgrad umfasst. Insbesondere ist der Anpassungsgrad einstellbar und/oder veränderbar, beispielsweise durch den Fahrer und/oder durch den jeweiligen Mitfahrer und/oder Beifahrer. Der Anpassungsgrad beschreibt, wie stark das Optimierungsmodul die Querbeschleunigung bei der Kurvenfahrt ausgleichen soll und/oder wie stark das Schwenken um die Vertikalachse erlaubt sein soll. Beispielsweise kann der Anpassungsgrad einen vollständigen und/oder maximalen Ausgleich der Querbeschleunigung beschreiben. Alternativ kann der Anpassungsgrad auf null gesetzt sein, wobei dann beispielsweise keine Anpassung der Ausrichtung der Person erfolgt. Besonders bevorzugt ist es, dass beispielsweise bei der Schwenkung der Plätze zur Ausrichtungsänderung der Person die Anpassungsgrade für die unterschiedlichen Plätze separat einstellbar sind.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass dem Optimierungsmodul ein Drehpunkt einstellbar ist. Der Drehpunkt ist insbesondere ein virtueller Drehpunkt, wobei vorzugsweise durch den Drehpunkt die Vertikalachse verläuft. Beispielsweise kann der Drehpunkt auf einen Mittelpunkt der Fahrgastzelle gelegt sein. Fährt eine Gruppe von Personen mit dem Fahrzeug, kann insbesondere der Drehpunkt auf den Schwerpunkt der Gruppe gelegt werden, sodass insbesondere alle Mitfahrer gleich stark von Querbeschleunigung befreit werden. Das Optimierungsmodul ist dann ausgebildet, die Solltrajektorie und/oder das Schwenken um den Drehpunkt zu bestimmen.
Im Speziellen ist es vorgesehen, dass die Bestimmung der Solltrajektorie mittels des Optimierungsmoduls als eine Optimierungsaufgabe ausgebildet ist. Insbesondere ist die Bestimmung der Solltrajektorie mittels des Optimierungsmoduls als Lösung einer Differentialgleichung und/oder als ein Differentialgleichungsproblem anzusehen. Die Bestimmung der Solltrajektorie basiert vorzugsweise auf einer Minimierung der Querbeschleunigung, wobei diese Minimierung insbesondere bezüglich des Gierwinkels erfolgt. Die Minimierung und/oder das Optimierungsproblem können insbesondere basierend auf Nebenbedingungen erfolgen, wobei beispielsweise als Nebenbedingung eine Erhaltung der Bahngeschwindigkeit verstanden wird. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, ein mathematisches Modell für die Steuervorrichtung bereitzustellen, welche effizient lösbar ist und ohne Zeitverzögerung die Steuerung übernehmen kann.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Fahrzeug zum autonomen Fahren. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Pkw oder ein Lkw. Das Fahrzeug umfasst mindestens einen Platz zur Aufnahme einer Person. Der Platz kann ein Stehplatz, ein Sitzplatz oder einen Gruppenplatz aufweisen. Die Person und/oder die Personen werden im Fahrzeug jeweils in einer Ausrichtung transportiert. Im klassischen Fall entspricht die Ausrichtung der Person, insbesondere bei einer geradlinigen Bewegung, der Fahrtrichtung. Das Fahrzeug umfasst die Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung ist zur Ansteuerung und/oder zur Lenkung des Fahrzeugs ausgebildet. Die Steuervorrichtung ist ferner ausgebildet, die Ausrichtung der Person basierend auf der Solltrajektorie zu ändern und/oder eine Aktorik anzusteuern, welche die Ausrichtung der Person ändert. Beispielsweise wird von der Steuervorrichtung eine Änderung der Ausrichtung der Fahrgastzelle bewirkt und/oder eine Änderung der Orientierung des Platzes.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs. Das Verfahren sieht vor, dass aus einer Plantrajektorie zu erwartende resultierende Planbeschleunigungen bestimmt werden. Bei dem Verfahren ist es dann vorgesehen, die Orientierung und/oder die Ausrichtung einer Person im Fahrzeug so anzupassen, dass auf diese Person eine reduzierte maximale Querbeschleunigung wirkt. Die bestimmte Ausrichtungsänderung kann durch ein Drehen des Platzes der Person oder durch eine Rotation und/oder Schwenkung der Fahrgastzelle oder des gesamten Fahrzeugs erfolgen. Die bestimmte Anpassung der Ausrichtung wird insbesondere als ein Teil einer Solltrajektorie beschrieben. Die Solltrajektorie dient dann dem Ansteuern des Fahrzeugs, wobei insbesondere bei dem Verfahren vorgesehen sein kann, dass das Fahrzeug basierend auf der Solltrajektorie angesteuert wird.
Weitere Vorteile, Wirkungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den beigefügten Figuren und deren Beschreibung.
Dabei zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Steuervorrichtung;
2a schematische Kurvenfahrt mit angepasster Fahrzeugausrichtung;
2b Orientierungen und Beschleunigungen für die Kurvenfahrt aus 2a;
3a Fahrzeug mit schwenkbarer Fahrgastzelle;
3b Fahrzeug mit geschwenkter Fahrgastzelle;
4 Kurvenfahrt mit Schwenkung der Fahrgastzelle.

1 zeigt schematisch eine Steuervorrichtung 1. Die Steuervorrichtung 1 ist für ein Fahrzeug 9 (siehe 2a), beispielsweise einen Pkw, ausgebildet. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 1 zur Ansteuerung eines autonom betreibbaren Fahrzeugs 9 ausgebildet, wobei das autonom betreibbare Fahrzeug 9 vorzugsweise ein omnidirektionales Fahrzeug 9 mit unabhängig betreib- und/oder lenkbaren Antrieben darstellt. Mittels der Steuervorrichtung 1 kann die Lenkung des Fahrzeugs 9 angesteuert werden, ferner können mittels der Steuervorrichtung 1 eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung oder weitere Betriebsparameter des Fahrzeugs 9 ansteuerbar und/oder einstellbar sein. Die Steuervorrichtung 1 ist beispielsweise als eine Rechnereinheit ausgebildet. Die Steuervorrichtung 1 kann Teil eines Fahrassistenzsystems sein, alternativ kann die Steuervorrichtung 1 auch ein Fahrassistenzsystem aufweisen.
Die Steuervorrichtung 1 weist ein Planungsmodul 2 auf. Das Planungsmodul 2 ist beispielsweise als ein Softwaremodul ausgebildet. Dem Planungsmodul 2 können Parameter eingebbar sein und/oder dem Planungsmodul 2 sind Parameter, beispielsweise initiale Parameter, hinterlegbar und/oder hinterlegt. Beispielsweise sind initiale Parameter Maximalbeschleunigungen und/oder Fahrzeugparameter. Das Planungsmodul 2 ist ausgebildet, eine Plantrajektorie 3 zu bestimmen. Beispielsweise ist dazu dem Planungsmodul 2 ein Startpunkt und ein Zielpunkt bereitstellbar, wobei das Planungsmodul 2 eine Trajektorie zwischen Startpunkt und Zielpunkt bestimmt.
Beispielsweise sind dazu dem Planungsmodul 2 Umgebungsdaten und/oder Karten bereitgestellt. Die Plantrajektorie 3 ist beispielsweise ein Wertetupel, wobei das Wertetupel beispielsweise eine Zeit t, die Ortskoordinaten x und y und einen Gierwinkel Ψ umfasst. Beispielsweise werden mittels der Plantrajektorie 3 jedem Zeitpunkt t die Koordinaten x, y und der Gierwinkel Ψ zugeordnet. Mittels der Trajektorie ist der Pfad des Fahrzeugs im Raum vorbestimmt und/oder festlegbar. Das Planungsmodul 2 kann ferner Nebenbedingungen 4 umfassen. Die Nebenbedingungen 4 sind beispielsweise konstruktiv zulässige Lenkwinkel oder Lenkgeschwindigkeiten. Ferner können Nebenbedingungen auch eine Fahrzeuglänge umfassen, die beispielsweise eingehalten werden muss, wenn das Fahrzeug geschwenkt und/oder gedreht wird, ohne so auf die Gegenfahrbahn zu kommen. Weiterhin sind dem Planungsmodul 2 Komfortkriterien 5 bereitstellbar. Die Komfortkriterien 5 können vom Benutzer festgelegt werden und beschreiben beispielsweise, wie stark eine Anpassung zur Reduzierung von Querbeschleunigungen erfolgen soll. Die Anpassung kann eine vollständige oder maximale Reduzierung der Querbeschleunigung festlegen oder gar eine Reduzierung von Querbeschleunigungen ausschließen. Mittels des Planungsmoduls 2 können insbesondere auch ein Schwenkpunkt und/oder eine Schwenkachse festgelegt werden. Diese Punkte und/oder Achsen dienen als virtueller Drehpunkt bei einem Schwenken des Fahrzeugs und/oder eines Platzes.
Die Steuervorrichtung 1 umfasst ein Optimierungsmodul 6. Das Optimierungsmodul 6 ist ebenfalls als ein Softwaremodul ausgebildet. Das Optimierungsmodul 6 ist ausgebildet, aus der Plantrajektorie 3 zu erwartende Beschleunigungen a_x und a_y zu bestimmen. Diese Beschleunigungen a_x und a_y können beispielsweise durch zeitliche Ableitung der Trajektorie bestimmt werden. Die zu erwartenden Beschleunigungen sind insbesondere vektorielle Größen. Die vektoriellen Größen der Beschleunigungen können in einem erdfesten Koordinatensystem oder einem mitgeführten Koordinatensystem auf der Trajektorie bestimmt sein. Das Optimierungsmodul 6 ist ausgebildet, basierend auf der Plantrajektorie 3 und den Beschleunigungen a_x und a_y eine Solltrajektorie 7 zu bestimmen. Die Solltrajektorie 7 umfasst insbesondere einen angepassten Gierwinkel ψ_opt . Der angepasste Gierwinkel ψ_opt dient dazu, das Fahrzeug 9 bei der Kurvenfahrt so zu orientieren, dass die Querbeschleunigungen auf der Person reduziert sind. Insbesondere erfolgt eine Rotation und/oder Schwenkung des gesamten Fahrzeugs 9 so, dass die Person mehr in Richtung des Kurvenzentrums gerichtet ist und so die Querbeschleunigung reduziert sind. Insbesondere wirken bei einer Kurvenfahrt Zentrifugal- und/oder Zentripetalkraft. Richtet man diese Zentrifugal- und/oder Zentripetalkraft in Richtung der Sagittalebene des Menschen und/oder der Person auf, so sind kaum Querbeschleunigung für die Person spürbar. Die Solltrajektorie 7 umfasst beispielsweise Zahlentupel, wobei dieses Zahlentupel eine Zeit, eine optimierte Koordinate x_opt , eine optimierte Koordinate y_opt und einen angepassten Gierwinkel ψ_opt umfasst. Basierend auf der Solltrajektorie und diesem Zahlentupel kann das Fahrzeug zur Durchfahrt entlang der Solltrajektorie angesteuert werden.
Die Steuervorrichtung 1 umfasst hier ein Steuermodul 8. Dem Steuermodul 8 ist die Solltrajektorie 7 bereitgestellt. Das Steuermodul 8 ist ausgebildet, basierend auf der Solltrajektorie 7 das Fahrzeug zur Durchfahrt entlang der Solltrajektorie 7 anzusteuern. Insbesondere wird basierend auf der Solltrajektorie 7 die Fahrzeugorientierung während der Kurvendurchfahrt gemäß dem optimierten Gierwinkel ψ_opt eingestellt.
2a zeigt beispielhaft den Fahrverlauf eines Fahrzeugs 9 entlang eines Pfades 10. Der Pfad 10 beschreibt insbesondere die Abfahrt der Plantrajektorie 3. Der Pfad 10 kann beispielsweise eine Abfolge der Koordinaten X_opt , Y_opt gemäß dem Zeitverlauf t beschreiben. Der Pfad 10 beschreibt hier eine Kurve, insbesondere eine Rechtskurve. Das Fahrzeug 9 weist eine Fahrzeugfront 11 auf, wobei das Fahrzeug 9 auch einen Platz für die Person aufweist, wobei der Platz so orientiert ist, dass die Person in Richtung der Fahrzeugfront 11 blickt. Würde das Fahrzeug 9 die Kurve mit einer Orientierung durchfahren, bei der das Fahrzeug 9 mit der Fahrzeugrichtung die Kurve tangential durchfährt, würde auf die Person die Zentrifugal- und/oder Zentripetalkraft in Querebene auf diese wirken. Durch ein Eindrehen des Fahrzeugs 9, wobei die Fahrzeugfront Richtung Kurvenmittelpunkt gerichtet wird, wirkt die Zentrifugal- und/oder Zentripetalkraft in Sagittalebene, sodass eine reduzierte Querbeschleunigung auf die Person wirkt. Dazu wird das Fahrzeug 9 entlang der Kurvenfahrt eingedreht, wobei das Eindrehen schon vor dem eigentlichen Eintritt in den Kurvenbereich erfolgt. Bei Kurvenausfahrt wird das Fahrzeug 9 langsam wieder so orientiert, dass die Fahrzeugfront in Fahrtrichtung zeigt.
2b zeigt einen Ausschnitt eines Fahrzeugs 9 aus 2a. Hierbei sind zwei Koordinatensysteme eingezeichnet, ein bahnfestes Koordinatensystem 12 mit den Koordinaten y_b und x_b , wobei x_b tangential zur Bahnlinie ist und y_b senkrecht dazu steht. Ferner ist ein erdfestes Koordinatensystem 13 gezeigt, wobei das erdfeste Koordinatensystem die Koordinaten y_e und x_e aufweist. Das Fahrzeug 9 durchfährt die Bahn 10, wobei das Fahrzeug 9 um den Gierwinkel Ψ gedreht ist. Durch das Drehen mit dem Gierwinkel Ψ ist die Orientierung der Person im Fahrzeug 9 festgelegt. Auf die Person im Fahrzeug 9 wirken damit die Beschleunigung a_x und a_y . Ziel der Steuervorrichtung 1 ist es, die Querbeschleunigung a_y auf die Person im Fahrzeug 9 zu reduzieren und/oder zu minimieren.
Die Reduktion und/oder das Minimieren der Querbeschleunigung a_y kann beispielsweise analytisch auf folgende Weise erfolgen. Auf die Person im Fahrzeug 9 wirken die Beschleunigungen a_x und a_y . Die Beschleunigungen a_x und a_y sind durch die Bewegung entlang des Pfades, insbesondere durch die Soll- und/oder Plantrajektorie, vorgegeben. Diese Beschleunigungen setzen sich aus der Positionsänderung Ẍ und Ÿ zusammen. Schwenkt man das Fahrzeug 9 zusätzlich um den Winkel ΔΨ, können die Beschleunigungen a_x und a_y auf die Person angepasst werden. Beispielsweise ergibt sich im vorliegenden Fall für die Beschleunigungen: $a_{x} = \ddot{x} cos Δψ+ \ddot{y} sin Δψ$
$a_{y} = \ddot{x} sin Δψ+ \ddot{y} cos Δψ$
Das Optimierungsmodul ist dann ausgebildet, die Querbeschleunigung a_y auf die Person zu minimieren, indem das Fahrzeug eine geeignete Rotationsbewegung erfährt. Die dafür notwendige Rotationsbewegung ΔΨ kann über das Suchen des Minimums erfolgen. Dazu wird insbesondere betrachtet $\frac{d α_{y}}{d Δ ψ} = 0 = \ddot{x} cos Δψ− \ddot{y} sin Δψ$
Daraus kann der optimierte Gierwinkel ΔΨ_οpt gewonnen werden, der sich ergibt als $Δ ψ = {tan}^{- 1} \frac{\ddot{x}}{\ddot{y}}$
Alternativ und/oder ergänzend kann die Reduktion der Querbeschleunigung a_y auch durch Anpassen der Trajektorie (in x- und y-Richtung) unter Berücksichtigung der Grenzen durch bspw. Spurgrenzen erfolgen. Als Nebenbedingung kann hier gewählt werden, dass die Gesamtbeschleunigung konstant bleiben soll. Als analytische Lösung kann beispielsweise hergeleitet werden $\sqrt{({\ddot{x}}^{2} + {\ddot{y}}^{2})} = \sqrt{({\ddot{x}}_{o p t}^{2} + {\ddot{y}}_{o p t}^{2})}$
mit ${\ddot{y}}_{o p t} = \sqrt{({\ddot{x}}^{2} + {\ddot{y}}^{2} - {\ddot{x}}_{o p t}^{2})}$
folgt für die Beschleunigung $a_{y} = {\ddot{x}}_{o p t}^{2} s i n Δ ψ + \sqrt{({\ddot{x}}^{2} + {\ddot{y}}^{2} - {\ddot{x}}_{o p t}^{2})} cos Δ ψ$
Durch lösen der Differentialgleichung $\frac{d a_{y}}{d {\ddot{x}}_{o p t}} = 0$
Ergibt sich ẍ_opt als ${\ddot{x}}^{2}_{o p t} = \frac{{tan}^{2} Δ ψ ({\ddot{x}}^{2} + {\ddot{y}}^{2})}{(1 + {tan}^{2} Δ ψ)}$
Basierend auf diesen Gleichungen kann eine Solltrajektorie bestimmt werden, wobei in dieser Solltrajektorie veränderte X- und Y-Positionen im Vergleich zur Plantrajektorie enthalten sind.
3a zeigt ein Fahrzeug 9 mit einer schwenkbaren Fahrgastzelle 14. Das Fahrzeug 9 durchfährt hier den Pfad 10, welcher als eine Kurve ausgebildet ist. Die Kurve weist einen Kurvenmittelpunkt 15 auf. Auf das Fahrzeug 9, insbesondere einen Mittelpunkt des Fahrzeugs 9, wirken die Beschleunigungen a_x und a_y . Nachdem die Personen in der Fahrgastzelle verteilt sind, wirken auf die Personen unterschiedliche Beschleunigungen, hier Querbeschleunigungen a_y1 , a_y2 , a_y3 und a_y4 . Die resultierenden Beschleunigungen a_y1-a_y4 sind jeweils als Zentrifugal- beziehungsweise Zentripetalbeschleunigung bezüglich des Kurvenmittelpunkts 15 ausgebildet. Zur Reduzierung dieser Querbeschleunigungen ist die Steuervorrichtung ausgebildet, eine angepasste Ausrichtung der Person in Form einer Solltrajektorie 7 zu bestimmen. Dazu wird die Fahrgastzelle 14 geschwenkt.
3b zeigt die geschwenkte Fahrgastzelle 14 aus 3a. Die Schwenkung erfolgt dabei um den Mittelpunkt, wobei durch den Mittelpunkt die Schwenkachse 16 verläuft. Die Schwenkung der Fahrgastzelle 14 erfolgt dabei so, dass die Personen mit Blickrichtung zum Kurvenmittelpunkt 15 ausgerichtet sind. Damit wirkt die Zentrifugalbeziehungsweise Zentripetalkraft in Blickrichtung der Personen, sodass auf die Personen nur eine geringe Querbeschleunigung wirkt und die Kurvenfahrt so als angenehmer empfunden wird.
4 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Fahrzeugs 9 mit schwenkbarer Fahrgastzelle 14 bei der Durchfahrt einer Kurve entlang eines Pfades 10. Dabei wird die Fahrgastzelle 14 schon vor Eintritt des eigentlichen Kurvenbereiches geschwenkt, sodass die Personen mehr zum Kurvenmittelpunkt 15 ausgerichtet sind. Während des eigentlichen Kurvenbereiches erfolgt die maximale Beschleunigung, welche durch die Kreisbeschleunigung Richtung Kurvenmittelpunkt 15 wirkt, im Wesentlichen in Sagittalebene der Person, sodass kaum Querbeschleunigungen auf die Person wirken. Nach Austritt des Kurvenbereichs wird die Fahrgastzelle 14 wieder in Fahrtrichtung, also mit Blickrichtung der Personen in Fahrzeugfrontrichtung 11, orientiert.
Bezugszeichenliste

1: Steuervorrichtung
2: Planungsmodul
3: Plantrajektorie
4: Nebenbedingungen
5: Komfortkriterien
6: Optimierungsmodul
7: Solltrajektorie
8: Steuermodul
9: Fahrzeug
10: Pfad
11: Fahrzeugfront
12: bahnfestes Koordinatensystem
13: erdfestes Koordinatensystem
14: Fahrgastzelle
15: Kurvenpunktmittel
16: Schwenkachse
t: Zeit / Zeitverlauf
x_a-e: Ort / Koordinaten
y_a-e: Ort / Koordinaten
a_x: Beschleunigung
a_y: Querbeschleunigung
x_obt: optimierte Koordinate
Ψ_opt: Gierwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9650043 B2 [0004]

Claims

Steuervorrichtung (1) für ein Fahrzeug (9) zum autonomen Fahren, wobei das Fahrzeug (9) mindestens einen Platz zum Transport einer Person in einer Ausrichtung aufweist, wobei die Steuervorrichtung (1) ein Planungsmodul (2) umfasst, wobei das Planungsmodul (2) ausgebildet ist, eine Plantrajektorie (3) für eine Kurvendurchfahrt des Fahrzeugs (9) zu bestimmen, wobei die Steuervorrichtung (1) ein Optimierungsmodul (6) aufweist, wobei das Optimierungsmodul (6) ausgebildet ist, basierend auf der Plantrajektorie (3) resultierende, trajektorienabhängige Planbeschleunigungen auf die Person bei der Kurvenfahrt zu bestimmen und/oder zu extrahieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsmodul (6) ausgebildet ist, eine Solltrajektorie (7) mit angepasster, trajektorienabhängiger Ausrichtung zu bestimmen, wobei die angepasste, trajektorienabhängige Ausrichtung eine verringerte maximale Querbeschleunigung (a_y) auf die Person bei der Kurvenfahrt aufweist.
Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Ausrichtung zu der angepassten Ausrichtung der Person eine zusätzliche Schwenkung des Fahrzeugs (9) und/oder des Platzes und/oder der Fahrgastzelle um eine Vertikalachse des Fahrzeugs (9) umfasst.
Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsmodul (6) ausgebildet ist, eine angepasste Fahrzeugorientierung des Fahrzeugs (9) zur Anpassung der Ausrichtung der Person zu bestimmen.
Steuervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrgastzelle (14) schwenkbar ausgebildet ist, wobei das Optimierungsmodul (6) ausgebildet ist, eine Schwenkung der Fahrgastzelle (14) zur Realisierung der angepassten Ausrichtung zu bestimmen.
Steuervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Platz im Fahrzeug (9) schwenkbar angeordnet ist, wobei das Optimierungsmodul (6) ausgebildet ist, eine Schwenkung des Platzes zur Realisierung der angepassten Ausrichtung zu bestimmen.
Steuervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsmodul (6) einen einstellbaren Anpassungsgrad umfasst und ausgebildet ist, die Solltrajektorie (7) basierend auf dem Anpassungsgrad zu bestimmen.
Steuervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Optimierungsmoduls (6) ein Drehpunkt einstellbar ist, wobei die Vertikalachse durch den Drehpunkt verläuft, wobei das Optimierungsmodul (6) ausgebildet ist, die angepasste Ausrichtung als ein Schwenken um die durch den Drehpunkt verlaufende Vertikalachse zu bestimmen.
Steuervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Solltrajektorie (7) auf einer Minimierung der Querbeschleunigung (a_y) bezüglich eines Gierwinkels (Ψ_opt) basiert.
Fahrzeug (9) zum autonomen Fahren, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Fahrzeug (9) mindestens einen Platz zum Transport einer Person in einer Ausrichtung aufweist, wobei die Steuervorrichtung (1) ausgebildet ist, das Fahrzeug (9) zur Anpassung der Ausrichtung der Person basierend auf der Solltrajektorie (7) anzusteuern.
Verfahren zur Steuerung des Fahrzeugs (9) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei aus einer Plantrajektorie zu erwartende, resultierende Planbeschleunigungen bestimmt werden, wobei die Orientierung und/oder die Ausrichtung einer Person im Fahrzeug (9) so angepasst wird, dass auf diese Person eine reduzierte maximale Querbeschleunigung wirkt.