DE102018123896A1 - Method for operating an at least partially automated vehicle - Google Patents

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Karl-Heinz Glander
Christian Lienke
Christian Wissing
Manuel Schmidt
Andreas Homann
Torsten Bertram
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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines zumindest teilautomatisierten Fahrzeugs werden aus Umfeldsensordaten wenigstens ein Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs erkannt und ein Umgebungsmodell des Fahrzeugs erstellt, für das erkannte Objekt eine Objektposition und wenigstens ein Objektbewegungsmerkmal ermittelt und in das Umgebungsmodell übertragen, mittels eines Optimierungsverfahrens eine Trajektorie für das Fahrzeug aus dem Umgebungsmodell berechnet und das Fahrzeug gemäß der berechneten Trajektorie angesteuert.In a method for operating an at least partially automated vehicle, at least one object in the surroundings of the vehicle is recognized from environmental sensor data and an environmental model of the vehicle is created, an object position and at least one object movement feature are determined for the recognized object and transferred to the environmental model by means of an optimization method, a trajectory calculated for the vehicle from the environmental model and controlled the vehicle according to the calculated trajectory.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines wenigstens teilweise automatisierten Fahrzeugs und insbesondere das Ermitteln einer von dem Fahrzeug zu fahrenden Trajektorie, ohne mit anderen Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs zu kollidieren. Objekte, die sich in der Umgebung des Fahrzeugs befinden, werden im Rahmen der folgenden Beschreibung auch als Hindernisse oder Hindernisfahrzeuge bezeichnet. Der Begriff Hindernis erfasst alle Verkehrsteilnehmer, die im Allgemeinen beweglich sind, z.B. auch momentan an einer Ampel stehende Fußgänger. Das Fahrzeug, für welches die zu fahrende Trajektorie ermittelt wird, ist hier auch als Egofahrzeug bezeichnet. Die Begriffe Umgebungsmodell und Umfeldmodell werden synonym gebraucht.The invention relates to a method for operating an at least partially automated vehicle and, in particular, to ascertaining a trajectory to be driven by the vehicle without colliding with other objects in the surroundings of the vehicle. Objects that are in the vicinity of the vehicle are also referred to as obstacles or obstacle vehicles in the context of the following description. The term obstacle covers all road users who are generally mobile, e.g. also pedestrians currently standing at traffic lights. The vehicle for which the trajectory to be driven is determined is also referred to here as a first-person vehicle. The terms environment model and environment model are used synonymously.

In der Architektur moderner automatisierter Fahrzeuge spielen die Aufgaben Wahrnehmung, Planung und Steuerung eine wichtige Rolle. Komfortables und sicheres Fahren setzt Wissen über das umgebende Umfeld voraus. Ausgehend von dem Wissen über Umfeld des Fahrzeugs, also der derzeitigen Fahrsituation ist eine Trajektorie zu planen, entlang der das Fahrzeug automatisiert fahren kann. Bekannte Trajektorienplanungsverfahren können die Nachteile haben, dass es ihnen an einer Garantie für eine vollständige Lösung in einer Echtzeitanwendungen mangelt und mit ansteigender Komplexität der Rechenzeitbedarf unangemessen ansteigt.The tasks of perception, planning and control play an important role in the architecture of modern automated vehicles. Comfortable and safe driving requires knowledge of the surrounding environment. Based on the knowledge of the vehicle's surroundings, i.e. the current driving situation, a trajectory must be planned along which the vehicle can drive automatically. Known trajectory planning methods can have the disadvantages that they lack a guarantee of a complete solution in real-time applications and increase inappropriately with increasing complexity of the computing time requirement.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.The object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines zumindest teilautomatisierten Fahrzeugs wird aus Umfeldsensordaten wenigstens ein Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs erkannt und ein Umgebungsmodell des Fahrzeugs erstellt. Dabei werden für das erkannte Objekt eine Objektposition und wenigstens ein Objektbewegungsmerkmal ermittelt und in das Umgebungsmodell übertragen. Mittels eines Optimierungsverfahrens wird eine Trajektorie für das Fahrzeug aus dem Umgebungsmodell berechnet und das Fahrzeug wird gemäß der berechneten Trajektorie angesteuert. Das Fahrzeug kann zum Bremsen, Beschleunigen und Lenken angesteuert werden.According to the inventive method for operating an at least partially automated vehicle, at least one object in the surroundings of the vehicle is recognized from environment sensor data and an environment model of the vehicle is created. In this case, an object position and at least one object movement feature are determined for the recognized object and transferred to the environmental model. Using an optimization method, a trajectory for the vehicle is calculated from the environmental model and the vehicle is controlled in accordance with the calculated trajectory. The vehicle can be controlled for braking, accelerating and steering.

Insbesondere wird die Trajektorie basierend auf Informationen berechnet, die durch Sensordaten wahrgenommen wird. Die Information, die durch Sensordaten wahrgenommen wird, wird an ein Planungsmodul übertragen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Information, die durch Sensordaten wahrgenommen wird, in ein Umfeldmodell transformiert wird, welches fusionierte Informationen über die Straßengeometrie und Hindernisse, wie Fußgänger oder andere Fahrzeuge, enthält.In particular, the trajectory is calculated based on information that is perceived by sensor data. The information that is perceived by sensor data is transmitted to a planning module. This is achieved by transforming the information that is perceived by sensor data into an environment model that contains merged information about the road geometry and obstacles, such as pedestrians or other vehicles.

Die Umfeldsensordaten werden von einem Umfeldsensor oder durch Fusion der Daten mehrerer Umfeldsensoren, wie einer Kamera, einem Radar, einem Lidar und/oder einer Ultraschallsensorik, bereitgestellt und von einem Objekterkennungsmodul verarbeitet, das Objekte, deren Position relativ zum Fahrzeug und Objektbewegungsmerkmale, wie Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung ermittelt. Insbesondere ist das Umfeldmodell ein Potentialfeld, vorzugsweise ein Kostenpotentialfeld, in dem für befahrbare Bereiche niedrige Kosten angegeben sind und für Bereich, die nicht befahren werden sollen, höhere Kosten. Insbesondere wird jedes ermittelte Objekt durch Verarbeitung des wenigstens einen Objektbewegungsmerkmals nach einem vordefinierten Regelsatz in das Umfeldmodell transformiert. Insbesondere wird eine Zielposition des Fahrzeugs von einem anderen Modul, wie ein Navigationsmodul, vorgegeben und in das Umfeldmodell transformiert. Dabei und für die Optimierung wird vorzugsweise das aus „Spline-based motion planning for automated driving,“ von C. Götte, M. Keller, T. Nattermann, C. Haß, K.-H. Glander, T. Bertram in Proceedings of the 20th IFAC World Congress, 2017, pp. 9444-9449, bekannte Verfahren angewandt.The environment sensor data are provided by an environment sensor or by fusion of the data of several environment sensors, such as a camera, a radar, a lidar and / or an ultrasound sensor system, and processed by an object detection module that detects objects, their position relative to the vehicle and object movement characteristics such as speed and Direction of movement determined. In particular, the environment model is a potential field, preferably a cost potential field, in which low costs are specified for passable areas and higher costs for areas that are not to be driven on. In particular, each determined object is transformed into the environment model by processing the at least one object movement feature according to a predefined rule set. In particular, a target position of the vehicle is specified by another module, such as a navigation module, and transformed into the environment model. In doing so and for the optimization, the "Spline-based motion planning for automated driving," by C. Götte, M. Keller, T. Nattermann, C. Haß, K.-H. Glander, T. Bertram in Proceedings of the 20th IFAC World Congress, 2017, pp. 9444-9449, known methods used.

Die Berechnung der Trajektorie erfolgt in einem Egotrajektorienberechnungsmodul, das vorzugsweise auf einem Fahrzeugcomputer implementiert ist. Der Fahrzeugcomputer umfasst wenigstens einen Prozessor, der insbesondere mehrere Prozessorkerne aufweist, Speicher und Kommunikationsschnittstellen, wie Ethernet, CAN oder Flexray.The calculation of the trajectory takes place in an egotrajectory calculation module, which is preferably implemented on a vehicle computer. The vehicle computer comprises at least one processor, which in particular has a plurality of processor cores, memory and communication interfaces, such as Ethernet, CAN or Flexray.

Vorzugsweise wird die Trajektorie für einen vorbestimmten Prädiktionszeitraum, auch Prädiktionshorizont genannt, berechnet. Das erfindungsgemäßen Verfahren benötigt auch bei langem Prädiktionshorizont nur eine geringe Rechenzeit für die Ermittlung einer Trajektorie und erfasst dabei alle notwendigen Informationen hinsichtlich der erfassten Objekte. Insbesondere wird für jeden Zeitschritt des Prädiktionshorizonts, eine veränderte Position des erkannten Objekts unter Verwendung des Objektbewegungsmerkmals vorhergesagt und in das Umgebungsmodell entsprechend transformiert.The trajectory is preferably calculated for a predetermined prediction period, also called the prediction horizon. Even with a long prediction horizon, the method according to the invention requires only a small computing time for determining a trajectory and thereby captures all the necessary information with regard to the detected objects. In particular, for each time step of the prediction horizon, a changed position of the recognized object is predicted using the object movement feature and transformed accordingly into the environmental model.

In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Umgebungsmodell eine statische und eine dynamische Umgebungsmodellkomponente. Abkürzend wird im Folgenden auch nur von dem statischen Umfeldmodell oder dem dynamischen Umfeldmodell gesprochen, wenn von der statischen Umgebungs- oder Umfeldmodellkomponente bzw. der dynamischen Umgebungs- oder Umfeldmodellkomponente die Rede ist. Insbesondere sind sowohl das statische und das dynamische Umfeldmodell Potentialfelder, vorzugsweise Kostenpotentialfelder, in denen zu meidende Bereiche durch hohe Kosten berücksichtigt sind und befahrbare Bereiche durch niedrige Kosten. Vorzugsweise werden erkannte Objekte und deren Objektbewegungsmerkmale mit einem vorbestimmten Regelsatz verarbeitet um das dynamische Umfeldmodell zu erstellen. Insbesondere werden die Objekte als Bereich hoher Kosten in das Umfeldmodell transformiert.In a preferred embodiment, the environment model comprises a static and a dynamic environment model component. In short, the following only speaks of the static environment model or the dynamic environment model when the static environment or environment model component or the dynamic environment or environment model component is mentioned. In particular, both the static and the dynamic environment model Potential fields, preferably cost potential fields, in which areas to be avoided are taken into account due to high costs and passable areas due to low costs. Detected objects and their object movement characteristics are preferably processed with a predetermined rule set in order to create the dynamic environment model. In particular, the objects are transformed into the environment model as an area of high costs.

In einer bevorzugten Ausführung basiert das dynamische Umgebungsmodell auf einer physikalischen Interpretation eines erforderlichen Sicherheitsabstands. Insbesondere werden für den Prädiktionszeitraum Bewegungsmerkmale, wie Geschwindigkeit und Trajektorie, des Egofahrzeugs und/oder wenigstens eines Objekts vorhergesagt. Vorzugsweise werden Relativgeschwindigkeit und Sicherheitsabstand für den Prädiktionszeitraum vorhergesagt. Abhängig von den ermittelten Daten wird anhand eines vordefinierten Regelsatzes des jeweils notwenige Sicherheitsabstand bezüglich des erfassten Objekts in das dynamische Umgebungsmodell transformiert. Vorzugsweise umfasst das Transformieren mit dem vorbestimmten Regelsatz, das wenigstens eine Kostenfunktionen mit Objektdaten eines Objektes und Objektbewegungsmerkmale parametriert werden. Insbesondere wird die wenigstens eine Kostenfunktion durch vorhergesagte Abstände zwischen dem Egofahrzeug und dem Objekt parametriert.In a preferred embodiment, the dynamic environment model is based on a physical interpretation of a required safety distance. In particular, movement characteristics, such as speed and trajectory, of the first-person vehicle and / or at least one object are predicted for the prediction period. Relative speed and safety margin are preferably predicted for the prediction period. Depending on the determined data, the predefined rule set is used to transform the necessary safety distance with respect to the detected object into the dynamic environment model. The transformation with the predetermined rule set preferably comprises at least one cost function with object data of an object and object movement features. In particular, the at least one cost function is parameterized by predicted distances between the ego vehicle and the object.

In einer bevorzugten Ausführung enthält die statische Umgebungsmodellkomponente Randbedingungen oder Werte, die durch statische Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs bestimmt sind. Als statische Objekte sind keine Verkehrsteilnehmer zu verstehen, sondern nicht bewegliche Hindernisse, wie Verkehrsinseln oder zeitweilige Baustellen, welche die Fahrbahn verengen. Insbesondere werden Informationen über statische Objekte von der Umfeldsensorik oder einem Car-2-X Kommunikationsmodul empfangen und anhand eines vordefinierten Regelsatzes in das statische Umgebungsmodell transformiert. Beispielsweise werden für einen nichtbefahrbaren Bereich Koordinaten übermittelt und an diesen Koordinaten das statische Umfeldmodell die Kosten derart erhöht, dass im Optimierungsschritt keine Trajektorie ermittelt wird, die diesen Bereich berührt.In a preferred embodiment, the static environment model component contains boundary conditions or values that are determined by static objects in the environment of the vehicle. Static objects are not to be understood as road users, but rather not moving obstacles, such as traffic islands or temporary construction sites, which narrow the road. In particular, information about static objects from the environment sensor system or a car 2-X Receive communication module and transformed into the static environment model using a predefined rule set. For example, coordinates are transmitted for a non-navigable area and the costs of the static environment model are increased at these coordinates in such a way that no trajectory that touches this area is determined in the optimization step.

In einer bevorzugten Ausführung werden Begrenzung einer Fahrspur in das statische Umfeldmodell durch Verarbeitung von fahrspurbezogenen Umfeldsensordaten mit einem vorbestimmten Regelsatz transformiert. Insbesondere werden mittels eines Regelsatzes automatisiert Informationen bezüglich der Fahrbahnmarkierung in das statische Umfeldmodell transformiert. Insbesondere enthält der Regelsatz für jede Fahrbahnmarkierung einen Parameter, mittels dem ein gewünschter Abstand zur Fahrbahnmarkierung vorgebbar ist. Vorzugsweise werden Informationen bezüglich der Fahrbahnmarkierungen von einem Spurerkennungssystem übermittelt.In a preferred embodiment, delimitation of a lane is transformed into the static environment model by processing lane-related environment sensor data with a predetermined rule set. In particular, information relating to the lane marking is automatically transformed into the static environment model by means of a rule set. In particular, the rule set contains a parameter for each lane marking, by means of which a desired distance from the lane marking can be specified. Information relating to the lane markings is preferably transmitted by a lane detection system.

In einer bevorzugten Ausführung werden die Objektposition und das wenigstens eine Objektbewegungsmerkmal zur Parametrierung eines vorbestimmten Regelsatzes verwendet, um das Umgebungsmodell zu erstellen. Insbesondere umfasst der vorbestimmte Regelsatz das Berechnen von Abständen zwischen Egofahrzeug und einem erkannten Objekt umfasst.In a preferred embodiment, the object position and the at least one object movement feature are used to parameterize a predetermined rule set in order to create the environmental model. In particular, the predetermined rule set includes the calculation of distances between the ego vehicle and a recognized object.

In einer bevorzugten Ausführung wird die Trajektorie mittels einer Kombination aus Kurveninterpolation und numerischer Optimierung bestimmt wird, wobei insbesondere gradientenbasiert optimiert wird. Zum Beispiel kann ein Optimierungsverfahren angewandt werden, bei dem einer größten Steigung iterativ gefolgt wird.In a preferred embodiment, the trajectory is determined by means of a combination of curve interpolation and numerical optimization, with optimization based in particular on a gradient. For example, an optimization method can be used in which a greatest slope is followed iteratively.

In einer besonderen Ausführung wird die Trajektorie mittels splinebasierter Interpolation ermittelt wird.In a special embodiment, the trajectory is determined by means of spline-based interpolation.

In einer besonderen Ausführung wird das erkannte Objekt als ein potentielles Hindernis in der Umgebung des Fahrzeugs klassifiziert und aus dem wenigstens einen Objektbewegungsmerkmal und der Position des Objekts eine Trajektorie des Hindernisses berechnet. Typische Objektbewegungsmerkmale sind Momentangeschwindigkeiten in x-Richtung und/oder y-Richtung des Fahrzeugs. Vorzugsweise wird das wenigstens eine Objektbewegungsmerkmal sowohl für das Egofahrzeug als auch für ein Hindernisfahrzeug für den gesamten Prädiktionshorizont vorhergesagt. Insbesondere werden das Hindernis und die Trajektorie des Hindernisses in das Umgebungsmodell, insbesondere die dynamische Komponente des Umgebungsmodells, übertragen.In a special embodiment, the recognized object is classified as a potential obstacle in the vicinity of the vehicle and a trajectory of the obstacle is calculated from the at least one object movement feature and the position of the object. Typical object movement features are instantaneous speeds in the x direction and / or y direction of the vehicle. The at least one object movement feature is preferably predicted both for the first-person vehicle and for an obstacle vehicle for the entire prediction horizon. In particular, the obstacle and the trajectory of the obstacle are transferred to the environment model, in particular the dynamic component of the environment model.

In einer besonderen Ausführung wird aus den Umfeldsensordaten eine Straßengeometrie, eine Fahrbahnmarkierung und/oder wenigstens ein Hindernis, wie ein Fußgänger und/oder ein anderes Fahrzeug, eine Objektgeschwindigkeit und/oder Objektbewegungsrichtung ermittelt und in das Umgebungsmodell übertragen.In a special embodiment, a road geometry, a road marking and / or at least an obstacle, such as a pedestrian and / or another vehicle, an object speed and / or object movement direction are determined from the environment sensor data and transferred to the environment model.

Das Umfeldmodell wird als ein Potentialfeld repräsentiert, das aus einem statischen und einem dynamischen Teil zusammengesetzt wird. Der dynamische Teil stellt ein interpretierbares Modell bereit, das auf physikalischen Erwägungen basiert, wobei die Fahrzeugkinematik berücksichtigt wird. Die Neuheit, die den entwickelten Ansatz von anderen unterscheidet, liegt in der Tatsache, dass das Umfeldpotentialfeld Kenntnisse über die zukünftige Entwicklung der derzeitigen Situation durch die Verwendung von Trajektorienplanung und Hindernisprädiktion einbezieht, was zeitgleich den einzuhaltenden Sicherheitsabstand beeinflusst. Ein festgelegter, überdimensionierter Sicherheitsabstand, ohne Bezug zu der sich entwickelnden Situation, wird zu unnötig hohem Abbremsen führen, wohingegen ein vorbestimmter, unterdimensionierter Sicherheitsabstand zu riskantem Verhalten führt. Aufgrund seines prädiktiven Charakters verbessert das entwickelte Umfeldmodell erheblich Sicherheit und Komfort in komplexen Verkehrsszenarien. Die Analyse zeigt, dass das entwickelte Umfeldmodell für Autobahnszenarien uneingeschränkt geeignet ist. Darüber hinaus kann das Umfeldmodell durch eine fortgeschrittene Berechnung des Bremsabstands dahingehend weitergebildet werden, dass es zum Beispiel den Straßenzustand berücksichtigt.The environment model is represented as a potential field, which is composed of a static and a dynamic part. The dynamic part provides an interpretable model based on physical considerations, taking into account vehicle kinematics. The novelty that distinguishes the developed approach from others lies in the fact that the environment potential field includes knowledge about the future development of the current situation through the use of trajectory planning and obstacle prediction, which at the same time safety distance to be observed. A fixed, oversized safety distance, without reference to the developing situation, will lead to unnecessarily high braking, whereas a predetermined, undersized safety distance leads to risky behavior. Due to its predictive character, the developed environment model significantly improves safety and comfort in complex traffic scenarios. The analysis shows that the developed environment model is fully suitable for highway scenarios. In addition, the environment model can be further developed by an advanced calculation of the braking distance so that it takes into account the road conditions, for example.

Die Trajektorie des Fahrzeugs und/oder des Hindernisses kann durch eine Kombination aus Kurveninterpolation und numerischer Optimierung berechnet werden. Damit wird eine effiziente Trajektorienplanung sichergestellt. Der große Vorteil ist die Fähigkeit, eine optimale Lösung für verschiedene Manöver selbst in einem komplexen Szenario zu finden.The trajectory of the vehicle and / or the obstacle can be calculated by a combination of curve interpolation and numerical optimization. This ensures efficient trajectory planning. The big advantage is the ability to find an optimal solution for different maneuvers even in a complex scenario.

Das Umfeldmodell kann ein Potentialfeld mit hohen Potentialen für nicht verhandelbare Bereiche und niedrigen Potentialen für verhandelbare Bereiche umfassen. Das Umfeldmodell kann aus einem statischen und einem dynamischen Potentialfeld zusammengesetzt werden.The environment model can include a potential field with high potential for non-negotiable areas and low potential for negotiable areas. The environment model can be composed of a static and a dynamic potential field.

Eine statische Komponente des Umfeldmodells kann durch polynomiale Straßenmarkierungen bereitgestellt werden. Insbesondere wird die Straßenmarkierung als Polynom 3. Ordnung an das Trajektorienplanungsmodul übermittelt und an bestimmten Positionen ausgewertet, um Abstände zwischen dem Egofahrzeug und der Straßenmarkierung zu ermitteln. Vorzugsweise basiert das statische Umfeldmodell auf den ermittelten Abständen. Um beide Komponenten des Umfeldmodells zu kombinieren, können die Komponenten in ein gemeinsames Potentialfeld transformiert werden, sodass ein umfassendes Umgebungsmodell gebildet wird.A static component of the environment model can be provided by polynomial road markings. In particular, the road marking is called a polynomial 3 , Order is transmitted to the trajectory planning module and evaluated at certain positions in order to determine distances between the ego vehicle and the road marking. The static environment model is preferably based on the determined distances. In order to combine both components of the environment model, the components can be transformed into a common potential field, so that a comprehensive environment model is formed.

Um eine holistische Beschreibung des Umfelds zu gewinnen, werden insbesondere beide Repräsentationen derart in ein Potentialfeld transformiert, dass diese zu einem umfassenden Umfeldmodell kombiniert werden. Damit wird das Umfeldmodell kombiniert, um die Aufgabe der Trajektorienplanung für automatisiertes Fahren auszuführen.In order to obtain a holistic description of the environment, both representations in particular are transformed into a potential field in such a way that they are combined to form a comprehensive environment model. This combines the environment model to carry out the task of trajectory planning for automated driving.

Insbesondere werden andere Objekte, die Hindernisse sein können, wenn die Trajektorie berechnet wird, durch eine Kreisform angenähert, wodurch ein vordefinierter Sicherheitsabstand eingehalten wird, um der räumlichen Ausdehnung des Egofahrzeugs und des Hindernisfahrzeugs Rechnung zu tragen. Das statische Umfeld wird mittels eines Abstands zur jeweiligen Straßenbegrenzung modelliert.In particular, other objects, which may be obstacles when the trajectory is calculated, are approximated by a circular shape, as a result of which a predefined safety distance is maintained in order to take into account the spatial extent of the ego vehicle and the obstacle vehicle. The static environment is modeled using a distance to the respective road boundary.

In einer bevorzugten Ausführung kann ein Hindernis in der Umgebung des Fahrzeugs detektiert und eine Trajektorie des Hindernisses berechnet werden. Das Hindernis und die berechnete Trajektorie werden in das Umfeldmodell transformiert, insbesondere in die dynamische Komponente des Umfeldmodells.In a preferred embodiment, an obstacle in the surroundings of the vehicle can be detected and a trajectory of the obstacle can be calculated. The obstacle and the calculated trajectory are transformed into the environment model, in particular into the dynamic component of the environment model.

Damit wird durch Beeinflussung des dynamischen Potentialfelds die Information, die durch die Hindernistrajektorienprädiktion bereitgestellt wird, direkt im Egotrajektorienplanungsprozess berücksichtigt. Der Begriff festgelegt ist hier definiert als festgelegt bezüglich der Zeit innerhalb des Prädiktionshorizonts des Trajektorienplanungsalgorithmus, das heißt, dass die Sicherheitsabstände während der Planungsphase sich über die Zeit nicht ändern.By influencing the dynamic potential field, the information provided by the obstacle trajectory prediction is taken into account directly in the ego trajectory planning process. The term defined here is defined as defined with respect to the time within the prediction horizon of the trajectory planning algorithm, that is to say that the safety margins do not change over time during the planning phase.

Eine statische Komponente des Umfeldmodells oder ein statisches Umfeldmodell können durch polynomiale Straßenmarkierungen bereitgestellt werden. Die dynamische Komponente des Umfeldmodells oder das dynamische Umfeldmodell können durch eine Hindernisliste gebildet werden. Um beide Komponenten des Umfeldmodells zu kombinieren, können die Komponenten in ein Potentialfeld derart transformiert werden, dass ein umfassendes Umgebungsmodell gebildet wird.A static component of the environment model or a static environment model can be provided by polynomial road markings. The dynamic component of the environment model or the dynamic environment model can be formed by an obstacle list. In order to combine both components of the environment model, the components can be transformed into a potential field in such a way that a comprehensive environment model is formed.

Um eine holistische Beschreibung des Umfelds zu gewinnen, können beide Repräsentationen derart in ein Potentialfeld transformiert werden, dass sie in ein umfassendes Umfeldmodell kombiniert werden. Damit wurde das Umfeldmodell kombiniert, um die Aufgabe der Trajektorienplanung für automatisiertes Fahren zu ermöglichen.In order to obtain a holistic description of the environment, both representations can be transformed into a potential field in such a way that they are combined in a comprehensive environment model. This combined the environment model to enable the task of planning trajectories for automated driving.

Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden anhand der Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung unter Verweis auf die Figuren erklärt, die zeigen:

  • 1: Eine Darstellung des prädiktiven Charakters des Umfeldmodells, während das dynamische Potentialfeld mithilfe des Hindernistrajektorienprädiktionsansatzes aufgebaut wird;
  • 2 ein statisches Potentialfeld, das die zwei unterschiedlichen Modelle für durchgezogene und gestrichelte Straßenmarkierungsarten zeigt, wobei zu Visualisierungszwecken Konturlinien auf die Straße projiziert sind;
  • 3: eine Darstellung des dynamischen Potentialfelds, wobei ein potentielles Kollisionsrisiko gekennzeichnet ist;
  • 4: das sich durch Superposition ergebende resultierende Umfeldpotentialfeld des statischen und dynamischen Potentialfelds;
  • 5: eine Tabelle, die die Startbedingungen des Egofahrzeugs und der Hindernisfahrzeuge im analysierten Szenario wiedergibt;
  • 6: die Momentansituation, dargestellt für jeden Zeitschritt, mit Bezug zum sich bewegenden Egofahrzeug, wobei zusätzlich zum Umfeldpotentialfeld die geplante Egotrajektorie dargestellt ist;
  • 7: eine schematische Darstellung eines Assistenzsystems, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
Further features, advantages and properties of the invention are explained on the basis of the description of preferred embodiments of the invention with reference to the figures, which show:
  • 1 : A representation of the predictive character of the environment model, while the dynamic potential field is built using the obstacle trajectory prediction approach;
  • 2 a static potential field which shows the two different models for solid and dashed road marking types, contour lines being projected onto the road for visualization purposes;
  • 3 : a representation of the dynamic potential field, whereby a potential collision risk is identified;
  • 4 : the resulting surrounding potential field of the static and dynamic potential field resulting from superposition;
  • 5 : a table that shows the starting conditions of the ego vehicle and the obstacle vehicles in the analyzed scenario;
  • 6 : the current situation, shown for each time step, with reference to the moving ego vehicle, whereby the planned ego trajectory is shown in addition to the environment potential field;
  • 7 : A schematic representation of an assistance system that works according to the inventive method.

Wie in 1 gezeigt, passt sich das Umfeldmodell vorteilhafterweise an die prädizierte zukünftige Entwicklung der Momentansituation an. Zu diesem Zweck wird im Planungsschritt für die Trajektorie des Fahrzeugs, das heißt die Egotrajektorie, eine Spline-basierte Interpolationsstrategie verwendet. Die Trajektorienplanung wird für Trajektorie B als nichtlineares Programm formuliert: γ * ( B . Γ 1 ) = min B i = 1 z γ i ( B . Γ 1 )

Figure DE102018123896A1_0001
wobei x 1 = x s . f k ( x ) = 0. h k ( x ) 0.
Figure DE102018123896A1_0002
mit dem tatsächlichen Zustand xs und der Gleichheitsrandbedingung fk und den Ungleichheitsrandbedingungen hk. Der Zielzustand xg ist Teil der Optimierung. Es gibt z quadratische Funktionen yi, die aus Objekten oder Zielen oi zusammengesetzt sind, welche durch die Matrix Γi gewichtet werden γ i ( B . Γ i ) = o i T ( B ) Γ i o i ( B ) .
Figure DE102018123896A1_0003
As in 1 shown, the environment model adapts advantageously to the predicted future development of the current situation. For this purpose, a spline-based interpolation strategy is used in the planning step for the trajectory of the vehicle, that is, the ego trajectory. Trajectory planning is formulated for trajectory B as a non-linear program: γ * ( B , Γ 1 ) = min B Σ i = 1 z γ i ( B , Γ 1 )
Figure DE102018123896A1_0001
in which x 1 = x s , f k ( x ) = 0th H k ( x ) 0th
Figure DE102018123896A1_0002
with the actual state x s and the equality boundary condition f k and the inequality boundary conditions h k . The target state x g is part of the optimization. There are z quadratic functions y i , which are composed of objects or targets o i , which are weighted by the matrix Γ i γ i ( B , Γ i ) = O i T ( B ) Γ i O i ( B ) ,
Figure DE102018123896A1_0003

Die Lösung des in Gleichung 1 formulierten nichtlinearen Problems ist durch die Annäherung der harten Randbedingungen gegeben. Daher werden die Randbedingungen fk durch die Verwendung des Konzepts der weichen Randbedingungen in Strafterme transformiert. Dadurch wird eine effiziente echtzeitfähige Lösung erreicht. Aufgrund der Verwendung einer vereinfachten Fahrzeugdynamikbeschreibung sind Gleichheitsrandbedingungen kein Teil des Optimierungsproblems. Ungleichheitsrandbedingungen werden ersetzt durch χ ( h k ) = max { [ 0. h k ] } .

Figure DE102018123896A1_0004
The solution to the nonlinear problem formulated in equation 1 is given by the approximation of the hard boundary conditions. Therefore, the boundary conditions f k are transformed into penalty terms by using the concept of soft boundary conditions. An efficient real-time capable solution is thereby achieved. Due to the use of a simplified vehicle dynamics description, equality constraints are not part of the optimization problem. Inequality constraints are replaced by χ ( H k ) = Max { [ 0th H k ] } ,
Figure DE102018123896A1_0004

Damit ist der Gesamtfehlervektor e(B) : B → ℝd err e = [ o 1 , o 2 , o z , χ ( h 1 ) , χ ( h 2 ) , , χ ( h n 1 ) ] T .

Figure DE102018123896A1_0005
Hence the total error vector e (B): B → ℝ d err e = [ O 1 . O 2 . ... O z . χ ( H 1 ) . χ ( H 2 ) . ... . χ ( H n - 1 ) ] T ,
Figure DE102018123896A1_0005

Die Kostenfunktion kann dann wie folgt definiert werden Φ ( b ) = e ( b ) T Ω e ( b ) .

Figure DE102018123896A1_0006
mit dem Optimierungsvektor b der Dimension dopt und der GewichtsmatrixThe cost function can then be defined as follows Φ ( b ) = e ( b ) T Ω e ( b ) ,
Figure DE102018123896A1_0006
with the optimization vector b of the dimension dopt and the weight matrix

Ω ∈ ℝd err ×d err , die die Gewichte für die jeweiligen Ziele im Sinne des automatisierten Fahrens enthält. Die optimale Lösung für das transformierte Problem ist gegeben durch b * = arg  min b   Φ ( b . Ω ) ,

Figure DE102018123896A1_0007
was zu einem nichtlinearen Kleinste-Quadrate-Problem führt, das iterativ mit dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus gelöst wird. Nach jedem erfolgreichen Levenberg-Marquardt-Schritt wird die derzeitige Lösung aktualisiert durch b + = b + Δ b .
Figure DE102018123896A1_0008
Ω ∈ ℝ d err × d err , which contains the weights for the respective destinations in the sense of automated driving. The optimal solution for the transformed problem is given by b * = bad min b Φ ( b , Ω ) .
Figure DE102018123896A1_0007
which leads to a nonlinear least squares problem that is solved iteratively with the Levenberg-Marquardt algorithm. After each successful Levenberg-Marquardt step, the current solution is updated by b + = b + Δ b ,
Figure DE102018123896A1_0008

Die Grundgleichung des Levenberg-Marquardt-Algorithmus ist gegeben durch ( H + λ LM I ) Δ b = g

Figure DE102018123896A1_0009
The basic equation of the Levenberg-Marquardt algorithm is given by ( H + λ LM I ) Δ b = G
Figure DE102018123896A1_0009

Mit dem Dämpfungsfaktor λLM, der Identitätsmatrix I und dem Gradienten g = J T Ω e ( b ) .

Figure DE102018123896A1_0010
With the damping factor λ LM , the identity matrix I and the gradient G = J T Ω e ( b ) ,
Figure DE102018123896A1_0010

Die Jacobi-Matrix J ∈ ℝd err ×d opt verwendet, um eine Annäherung der Hesse-Matrix H ∈ ℝd opt ×d opt zu berechnen, mit H = J T Ω J .

Figure DE102018123896A1_0011
The Jacobi matrix J ∈ ℝ d err × d opt used to approximate the Hesse matrix H ∈ ℝ d opt × d opt to calculate with H = J T Ω J ,
Figure DE102018123896A1_0011

Aus den Gleichungen (9) und (10) wird das Erfordernis einer differenzierbaren Umfeldmodellrepräsentation abgeleitet. Im Folgenden werden die Erd- und Fahrzeugkoordinatensysteme durch vorangestellte hochgestellte Buchstaben E und F gekennzeichnet. Der Prädiktionshorizont wird festgelegt als Tp mit konstanten Zeitintervallen t ∈ [tk tk+1]. Mit den Zuständen xk = [Fx k ,Fy k ]T und k = 1 ... n ergibt sich die Egofahrzeugtrajektorie als x e g o = [ x 1 , t 1 , x 2 , t 2 , , x k , t k , , x n , T p ] T .

Figure DE102018123896A1_0012
The requirement of a differentiable environment model representation is derived from equations (9) and (10). In the following, the earth and vehicle coordinate systems are identified by prefixed letters E and F. The prediction horizon is defined as T p with constant time intervals t ∈ [t k t k + 1 ]. With the States x k = [F x k , F y k ] T and k = 1 ... n gives the ego vehicle trajectory as x e G O = [ x 1 . t 1 . x 2 . t 2 . ... . x k . t k . ... . x n . T p ] T ,
Figure DE102018123896A1_0012

Bevor die obige gradientenbasierte Trajektorienplanung angewandt wird, wird das Umfeldmodell wie im Folgenden beschrieben gebildet. Das Umfeldmodell wird in vorbestimmter Repräsentation in einem Speicher eines Trajektorienplanungsmoduls oder Umfeldfusionsmoduls gespeichert. Das Trajektorienplanungsmodul oder Umfeldfusionsmodul kann auf einer elektronischen Kontrolleinheit oder einer anderen Recheneinheit an Bord des Fahrzeugs implementiert sein. Das jeweilige Modul wird mit anderen Fahrzeugsystemen verbunden, die Sensordateninformationen bereitstellen.Before the above gradient-based trajectory planning is applied, the environment model is created as described below. The environment model is stored in a predetermined representation in a memory of a trajectory planning module or environment fusion module. The trajectory planning module or environment fusion module can be implemented on an electronic control unit or another computing unit on board the vehicle. The respective module is connected to other vehicle systems that provide sensor data information.

In einer bevorzugten Ausführung wird ein Potentialfeld als Repräsentation des Umfelds gewählt. Damit wird ein differenzierbares Umfeldmodell erreicht. Beide, das statische und das dynamische Umfeldmodell können separat berücksichtigt werden. Allerdings werden sie in kombinierter Weise berechnet, um ein holistisches Umfeldmodell bereitzustellen. Zum Zwecke der Diskussion und Erklärung werden die Eigenschaften des entwickelten statischen und dynamischen Umfeldmodells anhand eines Beispiels mit drei geraden Fahrspuren und dem Ego- sowie dem Hindernisfahrzeug auf der Mittelspur der Straße illustriert (z.B. 2).In a preferred embodiment, a potential field is chosen to represent the environment. This creates a differentiable environment model. Both the static and the dynamic environment model can be considered separately. However, they are calculated in a combined way to provide a holistic environment model. For the purpose of discussion and explanation, the properties of the developed static and dynamic environment model are illustrated using an example with three straight lanes and the ego and obstacle vehicle in the middle lane of the road (e.g. 2 ).

Statisches UmfeldmodellStatic environment model

Das statische Umfeldmodell kann als ein erweiterter Fahrkorridor betrachtet werden, der den verhandelbaren Raum anzeigt, das heißt die verfügbaren Spuren, die dem Egofahrzeug erlauben, in die beabsichtigte Fahrtrichtung zu fahren. Es werden höchstens drei Spuren berücksichtigt, sodass, falls verfügbar, die möglichen Spuren sich aus der Egospur und der rechten und linken Nachbarspur zusammensetzen. The static environment model can be viewed as an extended driving corridor that indicates the negotiable space, that is, the available lanes that allow the first-person vehicle to drive in the intended direction of travel. A maximum of three tracks are taken into account, so that, if available, the possible tracks are composed of the ego track and the right and left neighboring track.

Dies bedeutet keine Beschränkung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit für Szenarien mit mehr als drei Spuren, da immer noch genügend Information vorhanden ist, um das Egofahrzeug in die Lage zu versetzen, vollständige Basismanöver wie Spurwechsel und Spurhalten auszuführen. Es ist zu bemerken, dass außerdem Hindernisse, die in dem dynamischen Umfeldmodell eingeschlossen sind, unabhängig von der Anzahl der detektierten Spuren prädiziert werden. Informationen über die vorhandenen Spuren werden durch an Bord befindliche Kamerasensoren gewonnen, wobei die Gestalt einer jeweiligen Spur als Polynom dritter Ordnung pro Spurmarkierung angegeben wird. Um das statische Potentialfeld zu erzeugen, wird der Modelltyp für jede Spurmarkierung abhängig vom Typ der Spurmarkierung gewählt, sodass zwischen Spurmarken, die überfahren werden dürfen, und solchen, die nicht überfahren werden dürfen, unterschieden wird. Zweckmäßigerweise werden alle Spurmarkierungstypen, die vom Egofahrzeug nicht überfahren werden dürfen, kopiert und als durchgezogene Spurmarkierungen gekennzeichnet, wohingegen alle überfahrbaren Spurmarkierungstypen als gestrichelte Spurmarkierungen gekennzeichnet werden.This does not imply a limitation in performance for scenarios with more than three lanes, since there is still enough information to enable the first-person vehicle to perform complete basic maneuvers such as lane changing and lane keeping. Note that obstacles included in the dynamic environment model are also predicted regardless of the number of lanes detected. Information about the existing tracks is obtained by on-board camera sensors, the shape of each track being specified as a third-order polynomial per track marking. In order to generate the static potential field, the model type for each lane marking is selected depending on the type of lane marking, so that a distinction is made between lane marks that can be passed over and those that cannot be passed over. Appropriately, all lane marking types that the ego vehicle must not drive over are copied and marked as solid lane markings, whereas all lane marking types that can be driven over are marked as dashed lane markings.

Spurmarkierungen werden im Egofahrzeugkoordinatensystem F von links nach rechts gezählt, beginnend mit Index I = 0 für die linke Spurmarkierung der linken Spur, Index I = 1 für die linke und Index I = 2 für die rechte Spurmarkierung, sowie Index I = 3 für die rechte Spurmarkierung der benachbarten rechten Spur. Das Polynom wird für FXk eines jeden Trajektorienpunkts ausgewertet und der Abstand zur Straßenbegrenzung wird durch den Abstand Δ y k l

Figure DE102018123896A1_0013
zwischen den Fy-Koordinaten der Trajektorie und folgenden Spurmarkierungspolynomen I angenähert Δ y k l = 0 = + ( F y k F y k l = 1 ) ,
Figure DE102018123896A1_0014
Δ y k l = 1 = + ( F y k F y k l = 1 ) ,
Figure DE102018123896A1_0015
Δ y k l = 2 = ( F y k F y k l = 2 ) ,
Figure DE102018123896A1_0016
Δ y k l = 3 = ( F y k F y k l = 3 ) ,
Figure DE102018123896A1_0017
Lane markings are counted from left to right in the ego vehicle coordinate system F, starting with index I = 0 for the left lane marking of the left lane, index I = 1 for the left and index I = 2 for the right lane marking, and index I = 3 for the right Lane marking of the neighboring right lane. The polynomial is evaluated for F Xk of each trajectory point and the distance to the road boundary is determined by the distance Δ y k l
Figure DE102018123896A1_0013
approximated between the F y coordinates of the trajectory and the following lane marking polynomials I. Δ y k l = 0 = + ( F y k - F y k l = 1 ) .
Figure DE102018123896A1_0014
Δ y k l = 1 = + ( F y k - F y k l = 1 ) .
Figure DE102018123896A1_0015
Δ y k l = 2 = - ( F y k - F y k l = 2 ) .
Figure DE102018123896A1_0016
Δ y k l = 3 = - ( F y k - F y k l = 3 ) .
Figure DE102018123896A1_0017

In Abhängigkeit vom Spurmarkierungstyp ist Δ y k l = { Δ y k l  für eine durchgezogene Spurmarkierung | Δ y k l |  für eine gestrichelte Spurmarkierung

Figure DE102018123896A1_0018
und mit einem gewünschten Abstand zur Spurmarkierung Λl führt dies zu h l , k = Δ y k l + Λ l .
Figure DE102018123896A1_0019
Depending on the lane marking type Δ y k l = { Δ y k l for a solid lane marking - | Δ y k l | for a dashed lane marking
Figure DE102018123896A1_0018
and with a desired distance to the lane marking Λ l this leads to H l . k = Δ y k l + Λ l ,
Figure DE102018123896A1_0019

Das statische Potentialfeld mit den Kosten ΦS wird aus der Superposition aller χ(h) unter Verwendung der Gleichung (3), der Gleichung (4) und der Gleichung (5) erzeugt. Dabei hl die vektorisierte Form von hl,k. Das resultierende Potentialfeld für das statische Umfeld wird in 2 dargestellt.The static potential field with the costs Φ S is generated from the superposition of all χ (h ) using equation (3), equation (4) and equation (5). Here h l is the vectorized form of h l, k . The resulting potential field for the static environment is in 2 shown.

Dynamisches Umfeldmodell Dynamic environment model

Um dynamische Hindernisse zu berücksichtigen, werden die Hindernisse unter Verwendung einer Spurwechselerkennung und der prädizierten Zeit bis zum Spurwechsel tttlc für die Trajektorienprädiktion prädiziert. Im Folgenden werden die Hindernisgrößen mit ϱ gekennzeichnet. Für ϱ = 1 ... ρ Hindernisse wird der Lateral- und Longitudinalabstand zwischen den Ego- und Hindernisfahrzeugtrajektorien separat berechnet Δ x k l = F x k F x k l ,

Figure DE102018123896A1_0020
Δ y k l = F y k F y l .
Figure DE102018123896A1_0021
In order to take dynamic obstacles into account, the obstacles are predicted for the trajectory prediction using a lane change detection and the predicted time until the lane change t ttlc. In the following the obstacle sizes are marked with ϱ. For ϱ = 1 ... ρ obstacles, the lateral and longitudinal distance between the ego and obstacle vehicle trajectories is calculated separately Δ x k l = F x k - F x k l .
Figure DE102018123896A1_0020
Δ y k l = F y k - F y l ,
Figure DE102018123896A1_0021

Auch Sicherheitsgründen wird der zu erfüllende notwendige Abstand durch die Annäherung der Bremsdistanz gegeben Δ b l = Δ v l 2 / ( 2 a )

Figure DE102018123896A1_0022
mit dem Parameter a für die maximale Bremsverzögerung. Allerdings ist bezüglich Gleichung 17 jeder andere gewünschte Abstand möglich. Die Relativgeschwindigkeit Δvϱ wird in Längsrichtung wie folgt berechnet Δ v x , k l = F x x , k F v l x , k l
Figure DE102018123896A1_0023
und in Lateralrichtung Δ v y , k l = F x y , k F v y , k l .
Figure DE102018123896A1_0024
For safety reasons too, the necessary distance to be met is given by the approximation of the braking distance Δ b l = Δ v l 2 / ( 2 a )
Figure DE102018123896A1_0022
with parameter a for the maximum braking deceleration. However, any other desired distance is possible with respect to equation 17. The relative speed Δv ϱ is calculated in the longitudinal direction as follows Δ v x . k l = F x x . k - F v l x . k l
Figure DE102018123896A1_0023
and in the lateral direction Δ v y . k l = F x y . k - F v y . k l ,
Figure DE102018123896A1_0024

Im Fall geringer Relativgeschwindigkeiten sollte zutreffen, dass ein minimaler Längsabstand Λ l o n l

Figure DE102018123896A1_0025
und ein minimaler Lateralabstand Λ l a t l
Figure DE102018123896A1_0026
zwischen dem Ego- und Hindernisfahrzeug, unter Berücksichtigung der räumlichen Ausdehnung der Fahrzeuge, jederzeit erfüllt ist. Die gemessene Richtung Fλϱ des jeweiligen Hindernisfahrzeugs wird verwendet, um den vorbestimmten minimalen gewünschten Sicherheitsabstand entsprechend der momentanen Situation zu drehen. Dies ergibt Λ l o n l = max { | Λ l o n l  cos ( F λ l ) | , | Λ l a t l  sin ( F λ l ) | } .
Figure DE102018123896A1_0027
Λ l a t l = max { | Λ l a t l  cos ( F λ l ) | , | Λ l o n l  sin ( F λ l ) | } .
Figure DE102018123896A1_0028
In the case of low relative speeds, a minimal longitudinal distance should apply Λ l O n l
Figure DE102018123896A1_0025
and a minimal lateral distance Λ l a t l
Figure DE102018123896A1_0026
between the ego and obstacle vehicle, taking into account the spatial extent of the vehicles, is fulfilled at all times. The measured direction F λ ϱ of the respective obstacle vehicle is used to turn the predetermined minimum desired safety distance in accordance with the current situation. This results in Λ l O n l = Max { | Λ l O n l cos ( F λ l ) | . | Λ l a t l sin ( F λ l ) | } ,
Figure DE102018123896A1_0027
Λ l a t l = Max { | Λ l a t l cos ( F λ l ) | . | Λ l O n l sin ( F λ l ) | } ,
Figure DE102018123896A1_0028

Mit Gleichung (17) wird der Sicherheitsabstand σϱ bezüglich eines jeweiligen Hindernisses ϱ berechnet. Für die richtungsabhängige Komponente des dynamischen Umfeldmodells wird für die Längs- und Lateralrichtung das algebraische Vorzeichen berücksichtigt. σ l o n l = { Λ l o n l sgn ( Δ r k l Δ v x , k l ) > 0 max { Δ b l o n l , Λ l o n l } otherwise ,

Figure DE102018123896A1_0029
σ l a t l = { Λ l a t l sgn ( Δ r k l Δ v x , k l ) > 0 max { Δ b l a t l , Λ l a t l } otherwise ,
Figure DE102018123896A1_0030
The safety distance σ ϱ with respect to a respective obstacle ϱ is calculated using equation (17). For the direction-dependent component of the dynamic environment model, the algebraic sign is taken into account for the longitudinal and lateral direction. σ l O n l = { Λ l O n l sgn ( Δ r k l Δ v x . k l ) > 0 Max { Δ b l O n l . Λ l O n l } otherwise .
Figure DE102018123896A1_0029
σ l a t l = { Λ l a t l sgn ( Δ r k l Δ v x . k l ) > 0 Max { Δ b l a t l . Λ l a t l } otherwise .
Figure DE102018123896A1_0030

Damit muss für den Fall, dass sich das Ego- und das Hindernisfahrzeug voneinander wegbewegen, lediglich der Minimalabstand Λ l o n / l a t l

Figure DE102018123896A1_0031
zwischen beiden Fahrzeugen erfüllt sein. Eine Gauss-Funktion wird verwendet, um das dynamische Potentialfeld zu modellieren, indem der Momentanabstand und der gewünschte Sicherheitsabstand berücksichtigt werden. Dadurch wird das Erfordernis eines differenzierbaren Umfeldmodells inhärent erfüllt d l o n l = e 0,5 ( Δ x l σ l o n l ) 2 ,
Figure DE102018123896A1_0032
d l a t l = e 0,5 ( Δ x l σ l a t l ) 2 ,
Figure DE102018123896A1_0033
In the event that the ego and the obstacle vehicle move away from each other, only the minimum distance is required Λ l O n / l a t l
Figure DE102018123896A1_0031
be met between the two vehicles. A Gaussian function is used to model the dynamic potential field by taking the instantaneous distance and the desired safety distance into account. As a result, the requirement of a differentiable environment model is inherently met d l O n l = e - 0.5 ( Δ x l σ l O n l ) 2 .
Figure DE102018123896A1_0032
d l a t l = e - 0.5 ( Δ x l σ l a t l ) 2 .
Figure DE102018123896A1_0033

Auf Basis der Eigenschaften der Gauss-Funktion führt die Kombination von Längs- und Lateralpotentialkosten zu h l , k = d l o n l d l a t l .

Figure DE102018123896A1_0034
Based on the properties of the Gaussian function, the combination of longitudinal and lateral potential costs H l . k = d l O n l d l a t l ,
Figure DE102018123896A1_0034

Die Kosten ΦD, welche das dynamische Potentialfeld repräsentieren, werden mit vektorisierten hϱ,k für jedes λ(h ϱ) analog zum statischen Potentialfeld erzeugt. Die Charakteristik des dynamischen Potentialfelds in Bezug auf einen Unterschied in der Orientierung wird in 3 gezeigt. Auf Basis der Relativgeschwindigkeit in Längs- und Lateralrichtung wird der Sicherheitsabstand angepasst.The costs Φ D , which represent the dynamic potential field, are vectorized with h ϱ, k for each λ (h ρ ) generated analog to the static potential field. The characteristic of the dynamic potential field in relation to a difference in orientation is given in 3 shown. The safety distance is adjusted based on the relative speed in the longitudinal and lateral directions.

Wie in 3(a) und (b) gezeigt, fährt das Egofahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 120 km/h. In 3(a) hat das Hindernisfahrzeug eine Geschwindigkeit von 85 km/h mit einem Kurswinkel von Fλ ϱ=1 =0°. In 3(b) hat das Hindernisfahrzeug 85 km/h mit einem Kurswinkel von Fλ ϱ=1 = -13°. Das dynamische Potentialfeld wird für jeden prädizierten Zeitpunkt gebildet, um die prädizierten Relativgeschwindigkeiten zu dieser Zeit zu berücksichtigen. Damit wird es möglich, die situationsabhängigen variierenden Sicherheitsabstände zu berücksichtigen.As in 3 (a) and (b) shown, the first-person vehicle runs at a speed of 120 km / h. In 3 (a) the obstacle vehicle has a speed of 85 km / h with a heading angle of F λ ρ = 1 = 0 °. In 3 (b) the obstacle vehicle has 85 km / h with a heading angle of F λ ρ = 1 = -13 °. The dynamic potential field is formed for each predicted point in time in order to take into account the predicted relative speeds at that time. This makes it possible to take into account the varying safety distances depending on the situation.

UmfeldpotentialfeldEnvironment potential field

Das resultierende Umfeldmodell ergibt sich durch die Superposition des statischen und des dynamischen Potentialfelds. Das statische Potentialfeld teilt sich in verhandelbaren und nicht verhandelbaren Raum basierend auf der Straßengeometrie auf, wohingegen das dynamische Potentialfeld ein potenzielles Kollisionsrisiko mit dynamischen Hindernissen repräsentiert. In 4 wird die Kombination des statischen Potentialfelds (vgl. 2) und des dynamischen Potentialfelds mit dem Hindernisfahrzeug, das mit dem Egofahrzeug fluchtet (vgl. 3(a) dargestellt. Da sowohl das statische als auch das dynamische Potentialfeld beide die resultierende Trajektorie beeinflussen, muss ein Kompromiss gefunden werden, der die Realisierung von Spurhalte- und Spurwechselmanövern ausbalanciert. Dies kann realisiert werden, indem die Parameter für den Trajektorienplanungsansatz (z.B. die Gewichtsmatrix Ω) und die Parameter des Umfeldmodells (z.B. der gewünschte Abstand zur jeweiligen Spurmarkierung ΛI und der minimale Sicherheitsabstand Λ l o n / l a t l )

Figure DE102018123896A1_0035
entsprechend gewählt werden. Aufgrund seiner Charakteristiken kann das entwickelte Umfeldmodell als prädiktives Umfeldpotentialfeld ΦDS beschrieben werden.The resulting environment model results from the superposition of the static and dynamic potential fields. The static potential field is divided into negotiable and non-negotiable space based on the street geometry, whereas the dynamic potential field represents a potential risk of collision with dynamic obstacles. In 4 the combination of the static potential field (cf. 2 ) and the dynamic potential field with the obstacle vehicle, which is aligned with the first-person vehicle (cf. 3 (a) shown. Since both the static and the dynamic potential fields both influence the resulting trajectory, a compromise must be found that balances the implementation of lane keeping and lane change maneuvers. This can be achieved by using the parameters for the trajectory planning approach (e.g. the weight matrix Ω) and the parameters of the environment model (e.g. the desired distance to the respective lane marking Λ I and the minimum safety distance Λ l O n / l a t l )
Figure DE102018123896A1_0035
be chosen accordingly. Due to its characteristics, the developed environment model can be described as a predictive environment potential field Φ DS .

In dem in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel werden Sensordaten durch Kamera- und Radarsensoren bereitgestellt. Das Egofahrzeug ist mit Radarsensoren an der Front, am Heck und an den Seiten sowie einer nach vorne gerichteten Kamera ausgestattet. Damit werden Spurmarkierungsinformationen und fusionierte Informationen über Hindernisfahrzeuge bereitgestellt. Eine Referenzposition wird durch den Trajektorienplanungsansatz generiert und ebenso wird Receding Horizon Control (RHC) angewandt. Die Ergebnisse sind für gerade Spuren dargestellt, aber das entwickelte Umfeldmodell ist ebenso für gekrümmte Straßenszenarien gültig.In the in the 1 to 6 illustrated embodiment, sensor data are provided by camera and radar sensors. The first-person vehicle is equipped with radar sensors on the front, rear and sides as well as a front-facing camera. This provides lane marking information and merged information about obstacle vehicles. A reference position is generated by the trajectory planning approach and Receding Horizon Control (RHC) is also applied. The results are shown for straight lanes, but the developed environment model is also valid for curved road scenarios.

Um die Charakteristiken des Umfeldmodells in Zusammenarbeit mit dem optimierungsbasierten Trajektorienplanungsansatz in den Beispielen der 1 bis 6 ist ein Autobahnabschnitt mit drei Spuren von 3,75 m Breite und zwei Hindernisfahrzeugen gezeigt. Die Anfangsbedingungen zur Zeit t = 0 s sind in 5 (Tabelle 1) gezeigt. Während der Simulation können sich die Fahrzeuggeschwindigkeiten aufgrund des implementierten individuellen Fahrverhaltens der Verkehrsteilnehmer ändern. 6 zeigt die Ergebnisse, die durch den vorgestellten Ansatz erzielt werden, in Schritten von 1,5 s beginnend mit t = 0,6 s. Zu dieser Zeit sind das Egofahrzeug und das Hindernisfahrzeug 1 auf der äußersten rechten Spur. Das Egofahrzeug bewegt sich schneller als das Hindernisfahrzeug 1 und das dynamische Potentialfeld ist entsprechend der Relativgeschwindigkeit von etwa 35 km/h geformt. Im weiteren Verlauf überholt Hindernisfahrzeug 1 das langsamere Hindernisfahrzeug 2. Bezüglich des Egofahrzeugs überlagern sich zwei dynamische Potentialfelder. Der Sicherheitsabstand resultiert aus der Relativgeschwindigkeit derart, dass für das Hindernisfahrzeug 1 ein geringerer Sicherheitsabstand gültig ist als für das Hindernisfahrzeug 2. Wie das Hindernisfahrzeug 1 führt auch das Egofahrzeug einen Spurwechsel nach links aus, um das Hindernisfahrzeug 2 zu überholen.In order to understand the characteristics of the environment model in cooperation with the optimization-based trajectory planning approach in the examples of 1 to 6 shows a section of the motorway with three lanes 3.75 m wide and two obstacle vehicles. The initial conditions at time t = 0 s are in 5 (Table 1) shown. During the simulation, the vehicle speeds can change due to the implemented individual driving behavior of the road users. 6 shows the results achieved by the presented approach in steps of 1.5 s starting with t = 0.6 s. At this time, the first-person vehicle and the obstacle vehicle are 1 in the far right lane. The ego vehicle moves faster than the obstacle vehicle 1 and the dynamic potential field is shaped according to the relative speed of about 35 km / h. In the further course, obstacle vehicle overtakes 1 the slower obstacle vehicle 2 , With regard to the first-person vehicle, two dynamic potential fields overlap. The safety distance results from the relative speed in such a way that for the obstacle vehicle 1 a smaller safety distance is valid than for the obstacle vehicle 2 , Like the obstacle vehicle 1 the ego vehicle also makes a lane change to the left around the obstacle vehicle 2 to overtake.

Das Egofahrzeug, das durch das prädiktive Potentialfeld unterstützt wird, kann unmittelbar ein optimales Nachfolgemanöver auslösen. Durch Ausführen eines weiteren Spurwechsels nach links überholt das Egofahrzeug das Hindernisfahrzeug 1, wobei die gewünschte Geschwindigkeit beibehalten wird. Während des Manövers ist die Form des dynamischen Potentialfelds aufgrund nur geringer Abweichungen bezüglich der Orientierung hauptsächlich in Längsrichtung orientiert. Das statische Potentialfeld ist hauptsächlich an den Straßenrändern sichtbar. Nichtsdestotrotz ist offensichtlich, dass das statische Feld präzises Spurhalten ermöglicht, indem die Spurdimensionen mithilfe des angewandten gestrichelten Spurmarkierungsmodells berücksichtigt werden. Das in 6 dargestellte Ergebnis zeigt deutlich die Abhängigkeit des Umfeldmodells von fundierten Sensordaten. Spurmarkierungen werden nur durch den Kamerasensor detektiert, was zu einer beschränkten Spurmarkierungsdetektion führen könnte durch Verdeckung oder ein zu schmales Sensorblickfeld. Innerhalb des Umfeldmodells wird der Sichtbereich einer jeweiligen Spurmarkierung derart berücksichtigt, dass keine Kosten generiert werden, wenn der Sichtbereich überschritten wird. In zukünftiger Arbeit können Schwierigkeiten, die durch geringe Sichtbereiche entstehen, mithilfe der Einbindung von Kartendaten gelöst werden.The first-person vehicle, which is supported by the predictive potential field, can immediately trigger an optimal follow-up maneuver. By making another lane change to the left, the first-person vehicle overtakes the obstacle vehicle 1 keeping the desired speed. During the maneuver, the shape of the dynamic potential field is mainly oriented in the longitudinal direction due to only slight deviations in orientation. The static potential field is mainly visible on the roadsides. Nonetheless, it is apparent that the static field enables precise tracking by taking track dimensions into account using the dashed lane marking model applied. This in 6 The result shown clearly shows the dependency of the environment model on sound sensor data. Lane markings are only detected by the camera sensor, which could lead to limited lane marking detection due to occlusion or a sensor field of view that is too narrow. Within the environment model, the field of view of a respective lane marking is taken into account in such a way that no costs are generated if the field of vision is exceeded. In future work, difficulties arising from small areas of vision can be solved by using map data.

In 6 muss festgestellt werden, dass die Ich-Trajektorie, die das Potentialfeld schneidet, nicht auf eine Kollision hindeutet, da das Umfeldpotentialfeld lediglich für den momentanen Zeitschritt dargestellt ist. Allerdings, basierend auf der prädizierten Situation, wird das sich entwickelnde Potentialfeld direkt in die Trajektorienplanung einbezogen.In 6 it must be determined that the ego trajectory that intersects the potential field does not indicate a collision, since the surrounding potential field is only shown for the current time step. However, based on the predicted situation, the developing potential field is directly included in the trajectory planning.

In 7 ist ein Fahrerassistenzsystem schematisch dargestellt, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Das Egotrajektorienplanungsmodul (ETP) 200 empfängt Fahrsollvorgaben und Umfeldsensordaten über eine Schnittstelle 150. Solche Fahrsollvorgaben sind z.B. eine Zielposition, die von einem Navigationsmodul 140 bereitgestellt wird. Als Umfeldsensordaten werden von einem Spurerkennungsmodul 100 Fahrbahnmarkierungen als Polynome 3. Grades and das Egotrajektorienplanungsmodul übermittelt. Auch andere Systeme, wie ein können an das Egotrajektorienplanungsmodul 200 Daten übermitteln, die durch vorbestimmte Regelsätze in das Umfeldmodell 220 transformiert werden. In den weiter oben beschriebenen Beispielen werden zumindest Fahrspurmarkierungen vom Spurerkennungsmodul 100 an das ETP 200 übermittelt sowie Objektpositionen und deren Objektbewegungsmerkmale, wie Momentangeschwindigkeit und Richtung. Das ETP 200 verfügt über einen vordefinierten Regelsatz, der wie weiter im Einzelnen beschrieben angibt, mit welchen Berechnungen aus den übermittelten Fahrbahnmarkierungen das statische Umfeldmodell 222 zu ermitteln ist. Das ETP 200 arbeitet den im Abschnitt statisches Umfeldmodell beschriebenen Regelsatz ab und erstellt damit das statische Umfeldmodell 222. Gleichermaßen wird wie im Abschnitt dynamisches Umfeldmodell aus den erfassten Objekten und deren Objektbewegungsmerkmalen das dynamische Umfeldmodell 224 ermittelt. Schließlich ermittelt das ETP 200 durch Superposition der Umfeldmodelle 222 und 224 ein Gesamtumfeldmodell 220, das die Fahrsituation insgesamt wiedergibt. Die Umfeldmodelle 222 und 224 und das Gesamtumfeldmodell 220 werden für den gesamten Prädiktionshorizont berechnet. Mit Hilfe der oben beschriebenen Optimierungsmethodik wird eine Trajektorie 250 für den gesamten Prädiktionshorizont ermittelt.In 7 A driver assistance system is shown schematically, which works according to the method according to the invention. The Ego Trajectory Planning Module (ETP) 200 receives driving target specifications and environment sensor data via an interface 150 , Such driving target specifications are, for example, a target position, which is provided by a navigation module 140 provided. As a environment sensor data from a lane detection module 100 Road markings as polynomials 3 , Grades transmitted to the ego trajectory planning module. Other systems, such as one, can also be connected to the ego trajectory planning module 200 Transfer data through predetermined rule sets into the environment model 220 be transformed. In the examples described above, at least lane markings are made by the lane detection module 100 to the ETP 200 transmitted as well as object positions and their object movement characteristics, such as instantaneous speed and direction. The ETP 200 has a predefined set of rules, which, as further described in detail, specifies with which calculations from the transmitted road markings the static environment model 222 is to be determined. The ETP 200 processes the rule set described in the section Static environment model and thus creates the static environment model 222 , In the same way, as in the section Dynamic Environment Model, the detected objects and their object movement characteristics become the dynamic environment model 224 determined. Finally, the ETP determines 200 through superposition of the environment models 222 and 224 an overall environment model 220 , which reflects the overall driving situation. The environment models 222 and 224 and the overall environment model 220 are calculated for the entire prediction horizon. With the help of the optimization method described above, a trajectory is created 250 determined for the entire prediction horizon.

Die ermittelte Trajektorie 250 wird an ein Fahrkontrollmodul 300 übermittelt, welches das Fahrzeug entsprechend der vorgegebenen Trajektorie steuert. Die Umfeldmodelle 222 und 224 und werden fortlaufend jeweils nach Abschluss der Trajektorienberechnung mit den momentan vorliegenden Objekten und Objektbewegungsmerkmalen aktualisiert und die Optimierung wiederholt, so dass innerhalb des Prädiktionshorizonts der ersten Trajektorienplanung, insbesondere nach Ablauf von weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 10% des Prädiktionshorizonts, eine neue Trajektorie 250 an das Fahrkontrollmodul 300 übermittelt wird.The trajectory determined 250 is connected to a driving control module 300 transmitted, which controls the vehicle according to the specified trajectory. The environment models 222 and 224 and are continuously updated after the completion of the trajectory calculation with the currently available objects and object movement characteristics and the optimization is repeated, so that a new trajectory is within the prediction horizon of the first trajectory planning, in particular after less than 20%, preferably less than 10% of the prediction horizon 250 to the driving control module 300 is transmitted.

Ein Vorteil einer oder mehrerer Ausführungsformen ist, dass eine allgemeine Repräsentation des Umfelds gewonnen wird, ohne das gewünschte Verhalten in das Umfeldmodell einzubeziehen. Ein anderer Vorteil einer oder mehrerer Ausführungen ist, dass der Sicherheitsabstand zwischen dem Fahrzeug, für das die Trajektorie geplant wird (Egofahrzeug oder Ego) und anderen Fahrzeugen, die Hindernisse (Alter) repräsentieren können, entsprechend der vorhergesagten Situation in Abhängigkeit von Relativgeschwindigkeit und Relativorientierung berechnet wird. Damit passt sich das Umfeldmodell an die prädizierte Zukunftsentwicklung der derzeitigen Situation an.An advantage of one or more embodiments is that a general representation of the environment is obtained without including the desired behavior in the environment model. Another advantage of one or more versions is that the safety distance between the vehicle for which the trajectory is planned (ego vehicle or ego) and other vehicles that can represent obstacles (age) is calculated in accordance with the predicted situation as a function of relative speed and relative orientation becomes. The environment model thus adapts to the predicted future development of the current situation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
SpurerkennungsmodulLane detection module
110110
AbstandshaltemodulA spacer module
120120
SpurwechselassistenzmodulLane Change Assistance Module
130130
FahrkomfortmodulRide comfort module
140140
Navigationsmodulnavigation module
150150
Schnittstelleinterface
200200
EgotrajektorienplanungsmodulEgotrajektorienplanungsmodul
220220
GesamtumfeldmodellTotal environmental model
222222
statisches Umfeldmodellstatic environment model
224224
dynamisches Umfeldmodelldynamic environment model
250250
Trajektorietrajectory
300300
FahrkontrollmodulDriving control module

Claims (10)

Verfahren zum Betrieb eines zumindest teilautomatisierten Fahrzeugs, bei dem: a) aus Umfeldsensordaten wenigstens ein Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs erkannt und ein Umgebungsmodell des Fahrzeugs erstellt wird, wobei für das erkannte Objekt eine Objektposition und wenigstens ein Objektbewegungsmerkmal ermittelt und in das Umgebungsmodell übertragen werden, b) mittels eines Optimierungsverfahrens eine Trajektorie für das Fahrzeug aus dem Umgebungsmodell berechnet wird, und c) das Fahrzeug gemäß der berechneten Trajektorie angesteuert wird.Method for operating an at least partially automated vehicle, in which: a) at least one object in the surroundings of the vehicle is identified from environmental sensor data and an environmental model of the vehicle is created, an object position and at least one object movement feature being ascertained for the identified object and transferred to the environmental model, b) a trajectory for the vehicle is calculated from the environmental model using an optimization method, and c) the vehicle is driven according to the calculated trajectory. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Umgebungsmodell eine statische und eine dynamische Umgebungsmodellkomponente umfasst.Procedure according to Claim 1 , in which the environment model comprises a static and a dynamic environment model component. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die dynamische Umgebungsmodellkomponente auf einer physikalischen Interpretation eines erforderlichen Sicherheitsabstands basiert.Procedure according to Claim 2 , in which the dynamic environment model component is based on a physical interpretation of a required safety distance. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die statische Umgebungsmodellkomponente Randbedingungen enthält, die durch statische Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs bestimmt sind.Procedure according to Claim 2 or 3 , in which the static environment model component contains boundary conditions which are determined by static objects in the environment of the vehicle. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Objektposition und das wenigstens eine Objektbewegungsmerkmal zur Parametrierung eines vorbestimmten Regelsatzes verwendet werden, um das Umgebungsmodell zu erstellen.Method according to one of the preceding claims, in which the object position and the at least one object movement feature are used to parameterize a predetermined rule set in order to create the environmental model. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der vorbestimmte Regelsatz das Berechnen von Abständen zwischen Egofahrzeug und einem erkannten Objekt umfasst. Procedure according to Claim 5 , wherein the predetermined set of rules includes calculating distances between the ego vehicle and a detected object. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Trajektorie mittels einer Kombination aus Kurveninterpolation und numerischer Optimierung bestimmt wird, wobei insbesondere gradientenbasiert optimiert wird.Method according to one of the preceding claims, in which the trajectory is determined by means of a combination of curve interpolation and numerical optimization, optimization in particular being gradient-based. Verfahren nach eine der vorstehenden Ansprüchen, bei dem die Trajektorie mittels splinebasierter Interpolation ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the trajectory is determined by means of spline-based interpolation. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Objekt ein potentielles Hindernis in der Umgebung des Fahrzeugs ist und aus dem wenigstens einen Objektbewegungsmerkmal eine Trajektorie des Hindernisses berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, in which the object is a potential obstacle in the vicinity of the vehicle and a trajectory of the obstacle is calculated from the at least one object movement feature. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem aus den Umfeldsensordaten eine Straßengeometrie, eine Fahrbahnmarkierung und/oder wenigstens ein Hindernis, wie einen Fußgänger und/oder ein anderes Fahrzeug, eine Objektgeschwindigkeit und/oder Objektbewegungsrichtung ermittelt und in das Umgebungsmodell übertragen werden.Method according to one of the preceding claims, in which a road geometry, a road marking and / or at least an obstacle, such as a pedestrian and / or another vehicle, an object speed and / or object movement direction are determined from the environment sensor data and transmitted to the environmental model.
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