DE102018125250B4 - Method and control unit for guiding a vehicle - Google Patents
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Abstract
Verfahren (700) zur automatisierten Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs (100) auf Basis eines Systemmodells des Fahrzeugs (100); wobei das Verfahren (700) umfasst,- Ermitteln (701) eines Wertes einer ersten Zustandskomponente (601) als eine Abweichung eines Ist-Wertes einer Zustandsgröße des Fahrzeugs (100) von einem von einer Zieltrajektorie (103) abhängigen geplanten Wert der Zustandsgröße; wobei die Zustandsgröße des Fahrzeugs (100) über das Systemmodell von einer Stellgröße (602) abhängig ist;- Ermitteln (702) von zeitlich variablen Beschränkungen (503) der ersten Zustandskomponente (601) und/oder der Stellgröße (602) für N Zeitpunkte ab dem Zeitpunkt k, mit N > 1;- Ermitteln (703) von Werten (611, 612, 613, 614) von ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten (603) eines Beschränkungsmodells an dem Zeitpunkt k derart, dass die ermittelten, zeitlich variablen Beschränkungen (503) der ersten Zustandskomponente (601) und/oder der Stellgröße (602) durch Werte von zumindest einer zweiten Zustandskomponente (603) an den N Zeitpunkten ab dem Zeitpunkt k approximiert werden;- Ermitteln (704) eines Wertes der Stellgröße (602) an dem Zeitpunkt k, auf Basis des Wertes der ersten Zustandskomponente (601) und auf Basis der Werte (611, 612, 613, 614) der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten (603) an dem Zeitpunkt k und auf Basis einer vordefinierten Funktion (300), die eingerichtet ist, unterschiedlichen Wertekombinationen der ersten Zustandskomponente (601) und der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten (603) jeweils einen Wert der Stellgröße (602) zuzuweisen; und- Betreiben (705) eines Fahrzeugführungssystems (206) zur automatisierten Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs (100) in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert der Stellgröße (602).Method (700) for automated longitudinal and / or lateral guidance of a vehicle (100) based on a system model of the vehicle (100); wherein the method (700) comprises - determining (701) a value of a first state component (601) as a deviation of an actual value of a state variable of the vehicle (100) from a planned value of the state variable that is dependent on a target trajectory (103); wherein the state variable of the vehicle (100) is dependent on a manipulated variable (602) via the system model; - determination (702) of time-variable restrictions (503) of the first state component (601) and / or the manipulated variable (602) for N points in time the time k, with N> 1; - determining (703) values (611, 612, 613, 614) of one or more second state components (603) of a constraint model at the time k in such a way that the determined, time-variable constraints ( 503) of the first state component (601) and / or of the manipulated variable (602) are approximated by values of at least one second state component (603) at the N times from time k; - determining (704) a value of the manipulated variable (602) the time k, based on the value of the first state component (601) and based on the values (611, 612, 613, 614) of the one or more second state components (603) at the time k and based on a predefined function (300) , the egg n is directed to assign a value of the manipulated variable (602) to different value combinations of the first state component (601) and the one or more second state components (603); and- operating (705) a vehicle guidance system (206) for automated longitudinal and / or lateral guidance of the vehicle (100) as a function of the determined value of the manipulated variable (602).
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und entsprechende Steuereinheiten zur automatisierten Führung eines Fahrzeugs.The invention relates to methods and corresponding control units for the automated guidance of a vehicle.
Zur automatisierten Führung, insbesondere Quer- und/oder Längsführung, eines Fahrzeugs erfolgt typischerweise eine Trajektorienplanung, unter Berücksichtigung von zeitlich veränderlichen Beschränkungen aus einem Umfeldmodell des Umfelds des Fahrzeugs (z.B. ein maximal zulässiger Seitenabstand), sowie unter Berücksichtigung von physikalischen Fahrzeugbeschränkungen (z.B. eine maximal zulässige Krümmungsänderung, die durch das Fahrzeug umgesetzt werden kann). Im Rahmen der Trajektorienplanung kann eine endliche, geplante Zieltrajektorie für die Längs- und/oder die Querführung bereitgestellt werden.For automated guidance, in particular transverse and / or longitudinal guidance, of a vehicle, trajectory planning is typically carried out, taking into account temporally variable restrictions from an environment model of the surroundings of the vehicle (e.g. a maximum permissible lateral distance), and taking into account physical vehicle restrictions (e.g. a maximum permissible change in curvature that can be implemented by the vehicle). As part of the trajectory planning, a finite, planned target trajectory for the longitudinal and / or the transverse guidance can be provided.
Des Weiteren kann ein Trajektorienfolgeregler für die Längs- und/oder Querführung bereitgestellt werden, durch den bewirkt werden soll, dass das Fahrzeug einer geplanten Zieltrajektorie folgt. Zu diesem Zweck wird als Eingang eines Trajektorienfolgereglers die Differenz zwischen dem (durch die geplante Zieltrajektorie vorgegebenen) Soll-Zustand des Fahrzeugs und dem gemessenen Ist-Zustand des Fahrzeugs betrachtet, und es wird als Ausgang des Trajektorienfolgereglers eine von dem Fahrzeug zu erbringende Beschleunigung (für die Längsführung) bzw. Krümmung (für die Querführung) als Stellgröße ermittelt.Furthermore, a trajectory follower can be provided for the longitudinal and / or lateral guidance, which is intended to cause the vehicle to follow a planned target trajectory. For this purpose, the input of a trajectory follower is considered to be the difference between the target state of the vehicle (given by the planned target trajectory) and the measured actual state of the vehicle, and the output of the trajectory follower is an acceleration to be provided by the vehicle (for the longitudinal guide) or curvature (for the transverse guide) is determined as a manipulated variable.
Ferner wird zur Bereitstellung einer automatisierten Längs- und/oder Querführung typischerweise ein Fahrzeugführungssystem (in diesem Dokument auch als CVM (Central Vehicle Management)-Modul bezeichnet) verwendet, das die geforderte Krümmung (für die Querführung) bzw. Beschleunigung (für die Längsführung) auf die jeweiligen Fahrzeugeingänge (z.B. Antrieb, Bremse, Lenkwinkel, etc.) übersetzt und dynamische und/oder durch eine Reibwertänderung der Straße verursachte Effekte des Fahrzeugverhaltens mit einer internen Krümmungs- und/oder Beschleunigungsregelung weitgehend kompensiert.In addition, to provide automated longitudinal and / or lateral guidance, a vehicle guidance system (also referred to in this document as CVM (Central Vehicle Management) module) is typically used, which provides the required curvature (for lateral guidance) or acceleration (for longitudinal guidance). to the respective vehicle inputs (e.g. drive, brake, steering angle, etc.) and dynamic and / or effects of vehicle behavior caused by a change in the coefficient of friction of the road are largely compensated for with an internal curvature and / or acceleration control.
Aufgrund der Trennung zwischen Trajektorienplanung und Trajektorienfolgeregelung kann nicht immer sichergestellt werden, dass die im Rahmen der Trajektorienfolgeregelung ermittelte Krümmung bzw. Beschleunigung auch tatsächlich durch das Fahrzeug kollisionsfrei umgesetzt werden können.Due to the separation between trajectory planning and trajectory follow-up control, it cannot always be ensured that the curvature or acceleration determined within the scope of the trajectory follow-up control can actually be implemented by the vehicle without collision.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine Trajektorienfolgeregelung für ein Fahrzeug bereitzustellen, durch die in ressourceneffizienter Weise eine zuverlässige und kollisionsfreie Umsetzung von Krümmungs- bzw. Beschleunigungsvorgaben gewährleistet wird.This document deals with the technical task of providing a trajectory sequence control for a vehicle through which a reliable and collision-free implementation of curvature and acceleration specifications is ensured in a resource-efficient manner.
Zum Stand der Technik wird ferner noch auf die Druckschriften
Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.The problem is solved by each of the independent claims. Advantageous embodiments are i.a. described in the dependent claims. It is pointed out that additional features of a patent claim dependent on an independent patent claim without the features of the independent patent claim or only in combination with a subset of the features of the independent patent claim can form a separate invention independent of the combination of all features of the independent patent claim, which can be made the subject of an independent claim, a divisional application or a subsequent application. This applies equally to the technical teachings described in the description, which can form an invention that is independent of the features of the independent patent claims.
Unter dem Begriff „automatisiertes Fahren“ kann im Rahmen des Dokuments ein Fahren mit automatisierter Längs- oder Querführung oder ein autonomes Fahren mit automatisierter Längs- und Querführung verstanden werden. Bei dem automatisierten Fahren kann es sich beispielsweise um ein zeitlich längeres Fahren auf der Autobahn oder um ein zeitlich begrenztes Fahren im Rahmen des Einparkens oder Rangierens handeln. Der Begriff „automatisiertes Fahren“ umfasst ein automatisiertes Fahren mit einem beliebigen Automatisierungsgrad. Beispielhafte Automatisierungsgrade sind ein assistiertes, teilautomatisiertes, hochautomatisiertes oder vollautomatisiertes Fahren. Diese Automatisierungsgrade wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) definiert (siehe BASt-Publikation „Forschung kompakt“, Ausgabe 11/2012). Beim assistierten Fahren führt der Fahrer dauerhaft die Längs- oder Querführung aus, während das System die jeweils andere Funktion in gewissen Grenzen übernimmt. Beim teilautomatisierten Fahren (TAF) übernimmt das System die Längs- und Querführung für einen gewissen Zeitraum und/oder in spezifischen Situationen, wobei der Fahrer das System wie beim assistierten Fahren dauerhaft überwachen muss. Beim hochautomatisierten Fahren (HAF) übernimmt das System die Längs- und Querführung für einen gewissen Zeitraum, ohne dass der Fahrer das System dauerhaft überwachen muss; der Fahrer muss aber in einer gewissen Zeit in der Lage sein, die Fahrzeugführung zu übernehmen. Beim vollautomatisierten Fahren (VAF) kann das System für einen spezifischen Anwendungsfall das Fahren in allen Situationen automatisch bewältigen; für diesen Anwendungsfall ist kein Fahrer mehr erforderlich. Die vorstehend genannten vier Automatisierungsgrade entsprechen den SAE-Level 1 bis 4 der Norm SAE J3016 (SAE - Society of Automotive Engineering). Beispielsweise entspricht das hochautomatisierte Fahren (HAF) Level 3 der Norm SAE J3016. Ferner ist in der SAE J3016 noch der SAE-Level 5 als höchster Automatisierungsgrad vorgesehen, der in der Definition der BASt nicht enthalten ist. Der SAE-Level 5 entspricht einem fahrerlosen Fahren, bei dem das System während der ganzen Fahrt alle Situationen wie ein menschlicher Fahrer automatisch bewältigen kann; ein Fahrer ist generell nicht mehr erforderlich. Die in diesem Dokument beschriebenen Aspekte können für einen Automatisierungsgrad „assistiertes Fahren“ und höher verwendet werden.In the context of the document, the term “automated driving” can be understood to mean driving with automated longitudinal or lateral guidance or autonomous driving with automated longitudinal and lateral guidance. The automated driving can be, for example, driving on the motorway for a longer period of time or driving for a limited time as part of parking or maneuvering. The term “automated driving” includes automated driving with any degree of automation. Exemplary degrees of automation are assisted, partially automated, highly automated or fully automated driving. These degrees of automation were defined by the Federal Highway Research Institute (BASt) (see BASt publication “Research compact”, edition 11/2012). With assisted driving, the driver continuously performs longitudinal or lateral guidance, while the system takes on the other function within certain limits. With partially automated driving (TAF), the system takes over the longitudinal and lateral guidance for a certain period of time and / or in specific situations, whereby the driver has to continuously monitor the system as with assisted driving. In highly automated driving (HAF), the system takes over the longitudinal and lateral guidance for a certain period of time without this the driver must constantly monitor the system; however, the driver must be able to take over driving the vehicle within a certain period of time. With fully automated driving (VAF), the system can automatically cope with driving in all situations for a specific application; a driver is no longer required for this application. The four degrees of automation mentioned above correspond to
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur automatisierten Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs (insbesondere eines Kraftfahrzeugs) auf Basis eines Systemmodells des Fahrzeugs beschrieben. Dabei ist das Systemmodell bevorzugt zeitlich invariant und/oder linear, um eine ressourceneffiziente Ausführung des Verfahrens zu ermöglichen. Das Systemmodell kann eine Prädiktion einer bestimmten Anzahl von Zustandsgrößen bzw. Zustandskomponenten des Systems über ein bestimmtes Zeitintervall (dem sogenannten Planungshorizont) ermöglichen. Insbesondere kann es das Systemmodell ermöglichen, ausgehend von einem Anfangszustand rekursiv die Prädiktion der Zustandsgrößen bzw. Zustandskomponenten an aufeinander folgenden Zeitpunkten bzw. Zeitschritten zu ermöglichen. Ein solches Systemmodell wird in diesem Dokument auch aus ein rekursives Systemmodell bezeichnet.According to one aspect, a method for automated longitudinal and / or lateral guidance of a vehicle (in particular a motor vehicle) based on a system model of the vehicle is described. The system model is preferably invariant over time and / or linear in order to enable the method to be carried out in a resource-efficient manner. The system model can enable a certain number of state variables or state components of the system to be predicted over a certain time interval (the so-called planning horizon). In particular, the system model can make it possible, starting from an initial state, to recursively enable the prediction of the state variables or state components at successive points in time or time steps. Such a system model is also referred to in this document from a recursive system model.
Dabei kann das Systemmodell des Fahrzeugs ein erstes Teilmodell umfassen, das eine Approximation des Verhaltens des Fahrzeugführungssystems des Fahrzeugs darstellt, mit dem die automatisierte Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs umgesetzt wird. Das Fahrzeugführungssystem kann z.B. eine automatisierte Lenkvorrichtung, einen automatisierten Antrieb und/oder eine automatisierte Bremsvorrichtung umfassen. Des Weiteren kann das Systemmodell ein zweites Teilmodell umfassen, das die Bewegung und/oder die Kinematik des Fahrzeugs beschreibt.The system model of the vehicle can include a first partial model that represents an approximation of the behavior of the vehicle guidance system of the vehicle with which the automated longitudinal and / or lateral guidance of the vehicle is implemented. The vehicle guidance system can e.g. comprise an automated steering device, an automated drive and / or an automated braking device. Furthermore, the system model can include a second partial model that describes the movement and / or the kinematics of the vehicle.
Insbesondere kann das Systemmodell eine Systemmatrix umfassen, die einen Zusammenhang zwischen unterschiedlichen Zustandsgrößen an einem Zeitpunkt k und einem nachfolgenden Zeitpunkt k + 1 beschreibt. Des Weiteren kann das Systemmodell einen Eingangsvektor umfassen, der einen Einfluss einer Stellgröße des Systems auf die unterschiedlichen Zustandsgrößen beschreibt. Ferner kann das Systemmodell eine Ausgangsmatrix bzw. einen Ausgangsvektor umfassen, die bzw. der es ermöglicht, aus den Zustandsgrößen an einem bestimmten Zeitpunkt k eine Ausgangsgröße des Systems zu ermitteln.In particular, the system model can include a system matrix that describes a relationship between different state variables at a point in time k and a subsequent point in time k + 1. Furthermore, the system model can include an input vector that describes an influence of a manipulated variable of the system on the different state variables. Furthermore, the system model can comprise an output matrix or an output vector which makes it possible to determine an output variable of the system from the state variables at a specific point in time k.
Das Verfahren kann (an einem Zeitpunkt k) umfassen, das Ermitteln einer Abweichung eines Ist-Wertes einer Zustandsgröße des Fahrzeugs von einem von einer (im Rahmen der Trajektorienplanung geplanten) Zieltrajektorie abhängigen geplanten Wert der Zustandsgröße als erste Zustandskomponente. Mit anderen Worten, es kann ein Wert einer ersten Zustandskomponente als eine Abweichung eines Ist-Wertes einer Zustandsgröße des Fahrzeugs von einem von einer Zieltrajektorie abhängigen geplanten Wert der Zustandsgröße ermittelt werden. Die erste Zustandskomponente kann als Regelfehler bzw. als Teil eines Regelfehlers betrachtet werden. Wie bereits oben dargelegt, kann das Systemmodell eingerichtet sein bzw. die Eigenschaft aufweisen, auf Basis der ersten Zustandskomponente an dem Zeitpunkt k (unter Verwendung der Systemmatrix) und auf Basis einer Stellgröße an dem Zeitpunkt k (unter Verwendung des Eingangsvektors) die erste Zustandskomponente an einem nachfolgenden Zeitpunkt k + 1 zu prädizieren (durch Verwendung der Systemmatrix und/oder des Eingangsvektors). Mit anderen Worten, die Zustandsgröße des Fahrzeugs kann über das Systemmodell von einer Stellgröße abhängig sein.The method can include (at a point in time k) the determination of a deviation of an actual value of a state variable of the vehicle from a planned value of the state variable that is dependent on a target trajectory (planned within the scope of trajectory planning) as a first state component. In other words, a value of a first state component can be determined as a deviation of an actual value of a state variable of the vehicle from a planned value of the state variable that is dependent on a target trajectory. The first status component can be viewed as a control error or as part of a control error. As already explained above, the system model can be set up or have the property, based on the first status component at time k (using the system matrix) and based on a manipulated variable at time k (using the input vector), the first status component a subsequent point in time k + 1 (by using the system matrix and / or the input vector). In other words, the state variable of the vehicle can be dependent on a manipulated variable via the system model.
Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln von zeitlich variablen Beschränkungen der ersten Zustandskomponente und/oder der Stellgröße für N Zeitpunkte ab dem Zeitpunkt k, mit N > 1 (typischerweise N = 5, 8, 10 oder mehr). Insbesondere kann eine Beschränkung für die Zeitpunkte k, k + 1, k + 2, .., k + N - 1 bereitgestellt werden. Direkt aufeinander folgende Zeitpunkte können dabei gemäß einer Abtastrate zeitlich voneinander beabstandet sein (z.B. um 100ms, 50ms, 20ms oder weniger).In addition, the method includes determining temporally variable restrictions of the first state component and / or the manipulated variable for N points in time from the point in time k, with N> 1 (typically N = 5, 8, 10 or more). In particular, a restriction can be provided for the times k, k + 1, k + 2, .., k + N − 1. Directly consecutive points in time can be spaced apart in time according to a sampling rate (e.g. by 100 ms, 50 ms, 20 ms or less).
Die erste Zustandskomponente und/oder die Stellgröße können somit jeweils eine Beschränkung aufweisen, die sich mit der Zeit verändern kann. Beispielsweise kann die Abweichung der Querablage des Fahrzeugs von der geplanten Querablage abhängig von der aktuellen Umgebungssituation des Fahrzeugs variieren. Die zeitlich variable Beschränkung der ersten Zustandskomponente kann somit auf Basis von Sensordaten von ein oder mehreren Umfeldsensoren (z.B. einer Kamera, einem Radarsensor, einem Ultraschallsensor, einem LIDAR-Sensor, etc.) des Fahrzeugs ermittelt werden. Dabei können die Sensordaten ein Umfeld des Fahrzeugs beschreiben.The first state component and / or the manipulated variable can thus each have a restriction that can change over time. For example, the deviation of the lateral storage of the vehicle from the planned lateral storage can vary depending on the current situation in the surroundings of the vehicle. The time-variable limitation of the first state component can thus be based on sensor data from one or more environmental sensors (e.g. a camera, a radar sensor, an ultrasonic sensor, a LIDAR sensor, etc.) of the vehicle. The sensor data can describe the surroundings of the vehicle.
Das Verfahren umfasst ferner das Approximieren der zeitlich variablen Beschränkung der ersten Zustandskomponente (oder ggf. der Stellgröße) durch ein (rekursives) Beschränkungsmodell mit ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten. Dabei kann das Beschränkungsmodell eingerichtet sein, die ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten an dem nachfolgenden Zeitpunkt k + 1 auf Basis der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten an dem Zeitpunkt k zu ermitteln. Des Weiteren kann zumindest eine zweite Zustandskomponente die approximierte Beschränkung der ersten Zustandskomponente anzeigen. Das Beschränkungsmodell ist dabei bevorzugt linear und zeitinvariant. Insbesondere kann das Beschränkungsmodell bevorzugt durch eine zeitinvariante Beschränkungsmatrix beschrieben werden. Es kann somit ermöglicht werden, durch Definieren von ein oder mehreren zusätzlichen (zweiten) Zustandskomponenten eine zeitlich variable Beschränkung in linearer und zeitinvarianter Weise zu approximieren. Dabei kann ausgehend von einem Anfangszustand die zeitlich variable Beschränkung rekursiv mittels des Beschränkungsmodells (insbesondere mittels einer Beschränkungsmatrix) beschrieben werden. So können Beschränkungen einer Zustandsgröße und/oder einer Stellgröße in ressourceneffizienter Weise im Rahmen einer Trajektorienfolgeregelung berücksichtigt werden.The method further includes approximating the temporally variable limitation of the first state component (or, if applicable, the manipulated variable) by means of a (recursive) limitation model with one or more second state components. The restriction model can be set up to determine the one or more second state components at the subsequent point in time k + 1 on the basis of the one or more second state components at the point in time k. Furthermore, at least one second state component can display the approximated restriction of the first state component. The constraint model is preferably linear and time-invariant. In particular, the constraint model can preferably be described by a time-invariant constraint matrix. It can thus be made possible, by defining one or more additional (second) state components, to approximate a time-variable restriction in a linear and time-invariant manner. Starting from an initial state, the time-variable restriction can be described recursively by means of the restriction model (in particular by means of a restriction matrix). Limitations of a state variable and / or a manipulated variable can thus be taken into account in a resource-efficient manner within the framework of a trajectory sequence control.
Mit anderen Worten, es können Werte von ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten eines Beschränkungsmodells an dem Zeitpunkt k derart ermittelt werden, dass die ermittelten, zeitlich variablen Beschränkungen der ersten Zustandskomponente und/oder der Stellgröße durch Werte von zumindest einer zweiten Zustandskomponente an den N Zeitpunkten ab dem Zeitpunkt k approximiert werden. Zu diesem Zweck kann ein lineares und zeitinvariantes Beschränkungsmodell verwendet werden. Das Beschränkungsmodell kann dabei eine zeitinvariante Beschränkungsmatrix aufweisen.In other words, values of one or more second state components of a restriction model can be determined at point in time k in such a way that the determined, temporally variable restrictions of the first state component and / or the manipulated variable are derived from values of at least one second state component at the N points in time the point in time k can be approximated. A linear and time-invariant constraint model can be used for this purpose. The constraint model can have a time-invariant constraint matrix.
Insbesondere kann ein Systemmodell des Fahrzeugs durch ein Beschränkungsmodell einer zeitlich variablen Beschränkung ergänzt werden. Es kann somit ein (rekursives) Gesamtmodell bereitgestellt werden, das sowohl das Systemmodell des Fahrzeugs als auch ein Beschränkungsmodell der Beschränkung der ersten Zustandskomponente (und/oder der Stellgröße) umfasst. So kann eine besonders ressourceneffiziente automatisierte Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs (unter Berücksichtigung von Umfeldbedingungen und/oder technischen Beschränkungen) ermöglicht werden.In particular, a system model of the vehicle can be supplemented by a restriction model of a time-variable restriction. A (recursive) overall model can thus be provided which includes both the system model of the vehicle and a restriction model of the restriction of the first state component (and / or the manipulated variable). In this way, a particularly resource-efficient automated longitudinal and / or lateral guidance of a vehicle (taking into account environmental conditions and / or technical restrictions) can be made possible.
Die durch das Beschränkungsmodell bewirkte approximierte Beschränkung der ersten Zustandskomponente (und/oder der Stellgröße) stellt bevorzugt an jedem der N Zeitpunkte eine gleiche oder stärkere Beschränkung dar, als die zeitlich variable Beschränkung der ersten Zustandskomponente (und/oder der Stellgröße). Mit anderen Worten, die approximierte Beschränkung ist bevorzugt an keinem Zeitpunkt großzügiger als die ursprüngliche zeitlich variable Beschränkung. So kann eine zuverlässige automatisierte Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs ermöglicht werden.The approximated restriction of the first state component (and / or the manipulated variable) brought about by the restriction model preferably represents an equal or stronger restriction at each of the N times than the temporally variable restriction of the first state component (and / or the manipulated variable). In other words, the approximated restriction is preferably at no point in time more generous than the original time-variable restriction. Reliable, automated longitudinal and / or lateral guidance of a vehicle can thus be made possible.
In einem bevorzugten Beispiel ist die durch das Beschränkungsmodell bewirkte approximierte Beschränkung eine lineare Approximation der zeitlich variablen Beschränkung. Die Verwendung einer linearen Approximation ermöglicht eine besonders ressourceneffiziente automatisierte Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs.In a preferred example, the approximated constraint brought about by the constraint model is a linear approximation of the temporally variable constraint. The use of a linear approximation enables a particularly resource-efficient, automated longitudinal and / or lateral guidance of a vehicle.
Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln eines Wertes der Stellgröße an dem Zeitpunkt k, auf Basis des Wertes der ersten Zustandskomponente und des Wertes der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten an dem Zeitpunkt k und auf Basis einer vordefinierten Funktion. Dabei ist die vordefinierte eingerichtet, unterschiedlichen Wertekombinationen der ersten Zustandskomponente und der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten jeweils einen (ggf. unterschiedlichen) Wert der Stellgröße zuzuweisen. Die vordefinierte Funktion kann z.B. in Form einer Look-Up Tabelle bereitgestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann die vordefinierte Funktion als stückweise affine Funktion bereitgestellt werden.The method further comprises determining a value of the manipulated variable at time k, based on the value of the first state component and the value of the one or more second state components at time k, and based on a predefined function. The predefined one is set up to assign different value combinations of the first state component and the one or more second state components each with a (possibly different) value of the manipulated variable. The predefined function can e.g. in the form of a look-up table. Alternatively or in addition, the predefined function can be provided as a piecewise affine function.
Die vordefinierte Funktion kann z.B. für eine Wertekombination der ersten Zustandskomponente und der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten, Koeffizienten bzw. Gewichte anzeigen, mit denen die erste Zustandskomponente an dem Zeitpunkt k und die ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten an dem Zeitpunkt k zu multiplizieren sind, um über die gewichtete Summe den Wert der Stellgröße an dem Zeitpunkt k zu ermitteln.The predefined function can e.g. for a value combination of the first state component and the one or more second state components, coefficients or weights with which the first state component at time k and the one or more second state components at time k are to be multiplied in order to obtain the To determine the value of the manipulated variable at time k.
Die vordefinierte Funktion kann dabei eine explizite modellprädiktive Regelung ermöglichen (mit einem Planungshorizont der zeitlichen Länge N). Des Weiteren kann die vordefinierte Funktion von dem (rekursiven) Systemmodell und/oder von dem (rekursiven) Beschränkungsmodell abhängig sein. Ferner kann die vordefinierte Funktion von einem Kostenfunktional abhängig sein, das einen Term bezüglich der ersten Zustandskomponente an den N Zeitpunkten ab dem Zeitpunkt k umfasst.The predefined function can enable an explicit model predictive control (with a planning horizon of the time length N). Furthermore, the predefined function can be derived from the (recursive) System model and / or be dependent on the (recursive) constraint model. Furthermore, the predefined function can be dependent on a cost-functional which comprises a term relating to the first state component at the N times from time k.
Die vordefinierte Funktion kann im Vorfeld mittels eines Optimierungsverfahrens ermittelt worden sein. Dabei kann ein Kostenfunktional verwendet worden sein, das z.B. darauf ausgelegt ist, die Sequenz von Werten der Stellgröße an den N Zeitpunkten ab dem Zeitpunkt k zu ermitteln, durch die das Kostenfunktional optimiert wird. Das Kostenfunktional kann dabei z.B. darauf ausgelegt sein, die (quadratische oder absolute) Summe der Werte der ersten Zustandskomponente an den N Zeitpunkten ab dem Zeitpunkt k zu reduzieren, insbesondere zu minimieren. Dabei kann im Rahmen des Optimierungsverfahrens die approximierte Beschränkung der ersten Zustandskomponente (und/oder der Stellgröße) als Nebenbedingung berücksichtigt werden. Die Verwendung eines Beschränkungsmodells zur Beschreibung der approximierten Beschränkung ermöglicht dabei die Verwendung der multiparametrischen Programmierung zur Ermittlung der vordefinierten Funktion, und somit zur Ermittlung eines optimalen Wertes der Stellgröße.The predefined function can have been determined in advance by means of an optimization process. A cost functional may have been used, e.g. is designed to determine the sequence of values of the manipulated variable at the N times from time k, by means of which the cost-functional is optimized. The cost functional can e.g. be designed to reduce, in particular to minimize, the (quadratic or absolute) sum of the values of the first state component at the N times from time k. The approximated restriction of the first state component (and / or the manipulated variable) can be taken into account as a secondary condition within the framework of the optimization method. The use of a constraint model to describe the approximated constraint enables multiparametric programming to be used to determine the predefined function, and thus to determine an optimal value of the manipulated variable.
Die vordefinierte Funktion kann somit derart im Vorfeld zu der Ausführung des Verfahrens ermittelt worden sein, dass der für die Wertekombination aus der ersten Zustandskomponente und der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten an dem Zeitpunkt k angezeigte Wert der Stellgröße für den Zeitpunkt k ein bestimmtes Kostenfunktional unter Berücksichtigung der zeitlich variablen Beschränkung der ersten Zustandskomponente und/oder der Stellgröße optimiert, insbesondere minimiert. Dabei kann das Kostenfunktional ein Kostenfunktional im Sinne der modellprädiktiven Regelung sein.The predefined function can thus be determined in advance of the execution of the method that the value of the manipulated variable displayed for the value combination of the first state component and the one or more second state components at the point in time k for the point in time k takes into account a certain cost-functional the time-variable limitation of the first state component and / or the manipulated variable is optimized, in particular minimized. The cost functional can be a cost functional in the sense of the model predictive regulation.
Außerdem umfasst das Verfahren das Betreiben des Fahrzeugführungssystems zur automatisierten Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert der Stellgröße. Insbesondere kann der ermittelte Wert der Stellgröße, der als Regelungsanteil der Stellgröße betrachtet werden kann, mit einem Vorsteueranteil der Stellgröße kombiniert werden, um einen Gesamtwert der Stellgröße zu ermitteln. Der Gesamtwert der Stellgröße kann dann als Eingangsgröße des Fahrzeugführungssystems des Fahrzeugs verwendet werden.The method also includes the operation of the vehicle guidance system for automated longitudinal and / or lateral guidance of the vehicle as a function of the determined value of the manipulated variable. In particular, the determined value of the manipulated variable, which can be viewed as a control component of the manipulated variable, can be combined with a precontrol component of the manipulated variable in order to determine an overall value of the manipulated variable. The total value of the manipulated variable can then be used as an input variable of the vehicle guidance system of the vehicle.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht es somit, zeitlich variable Beschränkungen einer Zustandskomponente eines Zustandsvektors des Fahrzeugs im Rahmen der Traj ektorienfolgeregelung zu berücksichtigen. So kann in effizienter Weise eine zuverlässige, ausführbare und kollisionsfreie automatisierte Längs- und/oder Querführung ermöglicht werden.The described method thus makes it possible to take into account temporally variable restrictions of a state component of a state vector of the vehicle within the framework of the trajectory sequence control. A reliable, executable and collision-free automated longitudinal and / or lateral guidance can thus be made possible in an efficient manner.
Das Verfahren wird typischerweise an einer Sequenz von Zeitpunkten k wiederholt, um die Stellgröße an der Sequenz von Zeitpunkten k zu ermitteln, und um das Fahrzeugführungssystem an der Sequenz von Zeitpunkten k zu betreiben. So kann eine zeitlich andauernde Trajektorienfolgeregelung bewirkt werden.The method is typically repeated at a sequence of times k in order to determine the manipulated variable at the sequence of times k and to operate the vehicle guidance system at the sequence of times k. A trajectory sequence control that lasts over time can thus be effected.
Die Zustandsgröße und/oder die Stellgröße können Werte relativ zu einer Referenzkurve bzw. zu einem Referenzverlauf anzeigen. Dabei kann die Referenzkurve insbesondere entlang einer von dem Fahrzeug befahrenden Fahrbahn verlaufen (z.B. entlang der Mitte einer Fahrspur). Das Verfahren kann insbesondere in einem entkrümmten Koordinatensystem bzw. in einem Frenet-Koordinatensystem durchgeführt werden (insbesondere für die automatisierte Querführung des Fahrzeugs). So können die Ressourceneffizienz und die Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden.The state variable and / or the manipulated variable can display values relative to a reference curve or to a reference profile. The reference curve can in particular run along a roadway on which the vehicle is traveling (e.g. along the middle of a lane). The method can in particular be carried out in a de-curved coordinate system or in a Frenet coordinate system (in particular for the automated lateral guidance of the vehicle). In this way, the resource efficiency and the accuracy of the method can be further increased.
Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln von zeitlich variablen Beschränkungen der Stellgröße für N Zeitpunkte ab dem Zeitpunkt k, mit N > 1. Dabei kann die zeitlich variable Beschränkung der Stellgröße auf Basis der aktuellen (Längs-)Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs (an dem Zeitpunkt k) ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann die zeitlich variable Beschränkung der Stellgröße auf Basis einer technischen Beschränkung der Lenkvorrichtung, der Antriebsvorrichtung und/oder der Bremsvorrichtung des Fahrzeugs ermittelt werden.The method can include the determination of time-variable restrictions of the manipulated variable for N points in time from time k, with N> 1. The time-variable restriction of the manipulated variable can be based on the current (longitudinal) driving speed of the vehicle (at time k ) be determined. Alternatively or additionally, the time-variable limitation of the manipulated variable can be determined on the basis of a technical limitation of the steering device, the drive device and / or the braking device of the vehicle.
Außerdem kann das Verfahren umfassen, das Approximieren der zeitlich variablen Beschränkung der Stellgröße durch ein weiteres (rekursives) Beschränkungsmodell mit ein oder mehreren dritten Zustandskomponenten. Dabei kann das weitere Beschränkungsmodell eingerichtet sein, die ein oder mehreren dritten Zustandskomponenten an dem nachfolgenden Zeitpunkt k + 1 auf Basis der ein oder mehreren dritten Zustandskomponenten an dem Zeitpunkt k zu ermitteln, wobei zumindest eine dritte Zustandskomponente die approximierte Beschränkung der Stellgröße anzeigt. Es kann somit (alternativ oder ergänzend) eine (approximierte) zeitlich variable Beschränkung der Stellgröße mit in das Gesamtmodell aufgenommen werden. So kann in effizienter Weise gewährleistet werden, dass eine durch die Trajektorienfolgeregelung gestellte Stellgröße auch tatsächlich durch das Fahrzeug umgesetzt werden kann. Es wird somit eine zuverlässige Trajektorienfolgeregelung ermöglicht.In addition, the method can include approximating the time-variable restriction of the manipulated variable by means of a further (recursive) restriction model with one or more third state components. The further restriction model can be set up to determine the one or more third state components at the subsequent point in time k + 1 on the basis of the one or more third state components at point in time k, with at least one third state component indicating the approximate restriction of the manipulated variable. An (approximated) time-variable limitation of the manipulated variable can thus (alternatively or additionally) be included in the overall model. In this way it can be ensured in an efficient manner that a manipulated variable provided by the trajectory sequence control also can actually be implemented by the vehicle. Reliable trajectory sequencing is thus made possible.
Die Stellgröße an dem Zeitpunkt k kann auch auf Basis der ein oder mehreren dritten Zustandskomponenten ermittelt werden, wobei die vordefinierte Funktion zu diesem Zweck eingerichtet sein kann, unterschiedlichen Wertekombinationen der ersten Zustandskomponente, der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten und der ein oder mehreren dritten Zustandskomponenten jeweils einen unterschiedlichen Wert der Stellgröße zuzuweisen.The manipulated variable at time k can also be determined on the basis of the one or more third state components, the predefined function being able to be set up for this purpose, different value combinations of the first state component, the one or more second state components and the one or more third state components, respectively to assign a different value to the manipulated variable.
Für die automatisierte Querführung des Fahrzeugs kann die Zustandsgröße den Quotienten aus der Querabweichung des Fahrzeugs relativ zu der Referenzkurve bzw. zu einem Referenzverlauf und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Stellgröße für die automatisierte Querführung des Fahrzeugs das Produkt aus der Krümmung der von dem Fahrzeug zu fahrenden Trajektorie und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs umfassen. So kann in effizienter und präziser Weise ein lineares zeitinvariantes Systemmodell bereitgestellt werden. Dies ermöglicht wiederum eine ressourceneffiziente und zuverlässige Trajektorienfolgeregelung eines Fahrzeugs.For the automated lateral guidance of the vehicle, the state variable can include the quotient of the lateral deviation of the vehicle relative to the reference curve or to a reference profile and the driving speed of the vehicle. As an alternative or in addition, the manipulated variable for the automated transverse guidance of the vehicle can comprise the product of the curvature of the trajectory to be driven by the vehicle and the driving speed of the vehicle. In this way, a linear, time-invariant system model can be provided in an efficient and precise manner. This in turn enables a resource-efficient and reliable trajectory sequence control of a vehicle.
Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln einer Abweichung eines Ist-Wertes einer weiteren Zustandsgröße des Fahrzeugs von einem von der Zieltrajektorie abhängigen geplanten Wert der weiteren Zustandsgröße als weitere Zustandskomponente. Die weitere Zustandsgröße kann dabei einen Fahrtrichtungswinkel des Fahrzeugs umfassen (z.B. relativ zu der Referenzkurve). Das Systemmodell kann eingerichtet sein, auf Basis der weiteren Zustandskomponente an dem Zeitpunkt k die erste Zustandskomponente an einem nachfolgenden Zeitpunkt k + 1 zu prädizieren. Durch die Berücksichtigung von mehreren Zustandsgrößen kann die Güte der Trajektorienfolgeregelung weiter erhöht werden.The method can include determining a deviation of an actual value of a further state variable of the vehicle from a planned value of the further state variable that is dependent on the target trajectory as a further state component. The further state variable can include a direction of travel angle of the vehicle (e.g. relative to the reference curve). The system model can be set up to predict the first status component at a subsequent time k + 1 on the basis of the further status component at time k. By taking several state variables into account, the quality of the trajectory sequence control can be further increased.
Für die automatisierte Längsführung des Fahrzeugs kann die Zustandsgröße eine Position des Fahrzeugs entlang der Längsrichtung des Fahrzeugs umfassen. Des Weiteren kann die Stellgröße für die automatisierte Längsführung eine Beschleunigung des Fahrzeugs in Längsrichtung umfassen.For the automated longitudinal guidance of the vehicle, the state variable can include a position of the vehicle along the longitudinal direction of the vehicle. Furthermore, the manipulated variable for the automated longitudinal guidance can include an acceleration of the vehicle in the longitudinal direction.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Nummerierung der unterschiedlichen Zustandsgrößen bzw. Zustandskomponenten (d.h. der „ersten“, der „zweiten“ und der „dritten“ Zustandskomponenten) nur zur Identifikation von unterschiedlichen Zustandsgrößen bzw. Zustandskomponenten dient und insbesondere keine Reihenfolge anzeigen soll. Die unterschiedlichen Zustandskomponenten können z.B. in beliebiger Reihenfolge bzw. Anordnung in einem Zustandsvektor zusammengefasst werden.It should be noted that the numbering of the different state variables or state components (i.e. the "first", the "second" and the "third" state components) is only used to identify different state variables or state components and, in particular, should not indicate any sequence. The different state components can e.g. can be combined in any order or arrangement in a state vector.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit zur automatisierten Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs auf Basis eines (rekursiven) Systemmodells des Fahrzeugs beschrieben. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein (an einem Zeitpunkt k), eine Abweichung eines Ist-Wertes einer Zustandsgröße des Fahrzeugs von einem von einer Zieltrajektorie abhängigen geplanten Wert der Zustandsgröße als Wert einer ersten Zustandskomponente zu ermitteln. Dabei kann das Systemmodell eingerichtet sein bzw. die Eigenschaft aufweisen, auf Basis der ersten Zustandskomponente an dem Zeitpunkt k und auf Basis einer Stellgröße an dem Zeitpunkt k die erste Zustandskomponente an einem nachfolgenden Zeitpunkt k + 1 zu prädizieren. Mit anderen Worten, die Zustandsgröße des Fahrzeugs kann über das Systemmodell von einer Stellgröße abhängig sein.According to a further aspect, a control unit for automated longitudinal and / or lateral guidance of a vehicle based on a (recursive) system model of the vehicle is described. The control unit can be set up (at a point in time k) to determine a deviation of an actual value of a state variable of the vehicle from a planned value of the state variable that is dependent on a target trajectory as the value of a first state component. The system model can be set up or have the property of predicting the first status component at a subsequent time k + 1 on the basis of the first status component at time k and on the basis of a manipulated variable at time k. In other words, the state variable of the vehicle can be dependent on a manipulated variable via the system model.
Die Steuereinheit ist ferner eingerichtet, eine zeitlich variable Beschränkung bzw. zeitlich variable Beschränkungen der ersten Zustandskomponente und/oder der Stellgröße für N Zeitpunkte ab dem Zeitpunkt k, mit N > 1, zu ermitteln.The control unit is also set up to determine a time-variable restriction or time-variable restriction of the first state component and / or the manipulated variable for N points in time from point in time k, with N> 1.
Außerdem ist die Steuereinheit eingerichtet, die zeitlich variable Beschränkung der ersten Zustandskomponente und/oder der Stellgröße durch ein (rekursives) Beschränkungsmodell mit ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten zu approximieren. Dabei kann das Beschränkungsmodell eingerichtet sein, die ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten an dem nachfolgenden Zeitpunkt k + 1 auf Basis der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten an dem Zeitpunkt k zu ermitteln. Zumindest eine zweite Zustandskomponente zeigt dabei die approximierte Beschränkung der ersten Zustandskomponente und/oder der Stellgröße an. Mit anderen Worten, die Steuereinheit kann eingerichtet sein, Werte von ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten eines Beschränkungsmodells an dem Zeitpunkt k derart zu ermitteln, dass die zeitlich variablen Beschränkungen der ersten Zustandskomponente und/oder der Stellgröße durch Werte von zumindest einer zweiten Zustandskomponente an den N Zeitpunkten ab dem Zeitpunkt k approximiert werden.In addition, the control unit is set up to approximate the temporally variable limitation of the first state component and / or the manipulated variable by means of a (recursive) limitation model with one or more second state components. The restriction model can be set up to determine the one or more second state components at the subsequent point in time k + 1 on the basis of the one or more second state components at the point in time k. At least one second state component shows the approximated limitation of the first state component and / or the manipulated variable. In other words, the control unit can be set up to determine values of one or more second state components of a constraint model at point in time k in such a way that the temporally variable constraints of the first state component and / or the manipulated variable by values of at least one second state component at the N. Points in time from the point in time k are approximated.
Des Weiteren ist die Steuereinheit eingerichtet, auf Basis des Wertes der ersten Zustandskomponente und des Wertes der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten an dem Zeitpunkt k und auf Basis einer vordefinierten Funktion, die eingerichtet ist, unterschiedlichen Wertekombinationen der ersten Zustandskomponente und der ein oder mehreren zweiten Zustandskomponenten jeweils einen (ggf. unterschiedlichen) Wert der Stellgröße zuzuweisen, einen Wert der Stellgröße an dem Zeitpunkt k zu ermitteln. Ein Fahrzeugführungssystem des Fahrzeugs kann dann in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert der Stellgröße betrieben werden, um eine automatisierte Längs- und/oder Querführung entlang der geplanten Zieltrajektorie zu bewirken.Furthermore, the control unit is set up, based on the value of the first state component and the value of the one or more second state components at time k and based on a predefined function that is set up, different value combinations of the first state component and the one or more second state components to assign a (possibly different) value to the manipulated variable in each case, to determine a value of the manipulated variable at time k. A vehicle guidance system of the vehicle can then be operated as a function of the determined value of the manipulated variable in order to bring about an automated longitudinal and / or lateral guidance along the planned target trajectory.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur automatisierten Querführung eines Fahrzeugs auf Basis eines (rekursiven) Systemmodells des Fahrzeugs beschrieben. Die in diesem Dokument beschriebenen Aspekt sind auch für dieses Verfahren anwendbar.According to a further aspect, a method for automated lateral guidance of a vehicle based on a (recursive) system model of the vehicle is described. The aspects described in this document are also applicable to this method.
Das Verfahren umfasst (an einem Zeitpunkt k), das Ermitteln einer Abweichung eines Ist-Wertes einer Zustandsgröße des Fahrzeugs von einem von einer Zieltrajektorie abhängigen geplanten Wert der Zustandsgröße als erste Zustandskomponente. Mit anderen Worten, es kann ein Wert einer ersten Zustandskomponente als die Abweichung eines Ist-Wertes einer Zustandsgröße des Fahrzeugs von einem von einer Zieltrajektorie abhängigen geplanten Wert der Zustandsgröße ermittelt werden. Das Systemmodell kann dabei eingerichtet sein bzw. die Eigenschaft aufweisen, auf Basis der ersten Zustandskomponente an dem Zeitpunkt k und auf Basis einer Stellgröße an dem Zeitpunkt k die erste Zustandskomponente an einem nachfolgenden Zeitpunkt k + 1 zu prädizieren. Mit anderen Worten, die Zustandsgröße des Fahrzeugs kann über das Systemmodell von einer Stellgröße abhängig sein.The method comprises (at a point in time k) the determination of a deviation of an actual value of a state variable of the vehicle from a planned value of the state variable that is dependent on a target trajectory as a first state component. In other words, a value of a first state component can be determined as the deviation of an actual value of a state variable of the vehicle from a planned value of the state variable that is dependent on a target trajectory. The system model can be set up or have the property of predicting the first status component at a subsequent time k + 1 based on the first status component at time k and based on a manipulated variable at time k. In other words, the state variable of the vehicle can be dependent on a manipulated variable via the system model.
Die Zustandsgröße kann eine mit der (Längs-) Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs modulierte Basis-Zustandsgröße (z.B. die Querabweichung des Fahrzeugs) umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Stellgröße eine mit der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs modulierte Basis-Stellgröße (z.B. die Krümmung einer von dem Fahrzeug zu fahrenden Trajektorie) umfassen. Das Modulieren kann dabei durch Multiplikation und/oder durch Division erfolgen.The state variable can include a basic state variable (e.g. the lateral deviation of the vehicle) modulated with the (longitudinal) driving speed of the vehicle. As an alternative or in addition, the manipulated variable can include a basic manipulated variable modulated with the driving speed of the vehicle (e.g. the curvature of a trajectory to be driven by the vehicle). The modulation can be done by multiplication and / or by division.
Insbesondere kann die Zustandsgröße den Quotienten aus der (relativen) Querabweichung des Fahrzeugs relativ zu einer Referenzkurve bzw. zu einem Referenzverlauf und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs (in Längsrichtung) umfassen bzw. entsprechen. Des Weiteren kann die Stellgröße das Produkt aus der (relativen) Krümmung einer von dem Fahrzeug zu fahrenden Trajektorie und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs (in Längsrichtung) umfassen bzw. entsprechen.In particular, the state variable can include or correspond to the quotient of the (relative) transverse deviation of the vehicle relative to a reference curve or to a reference profile and the driving speed of the vehicle (in the longitudinal direction). Furthermore, the manipulated variable can include or correspond to the product of the (relative) curvature of a trajectory to be driven by the vehicle and the driving speed of the vehicle (in the longitudinal direction).
Durch die Wahl einer mit der Fahrgeschwindigkeit modulierten Zustandsgröße und/oder Stellgröße wird die Formulierung eines zeitinvarianten und linearen Systemmodells ermöglicht, was wiederum eine ressourceneffiziente automatisierte Querführung eines Fahrzeugs ermöglicht.By choosing a state variable and / or manipulated variable that is modulated with the driving speed, it is possible to formulate a time-invariant and linear system model, which in turn enables resource-efficient, automated lateral guidance of a vehicle.
Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln eines Wertes der Stellgröße an dem Zeitpunkt k, auf Basis des Wertes der ersten Zustandskomponente an dem Zeitpunkt k und auf Basis einer vordefinierten Funktion, die eingerichtet ist, unterschiedlichen Werten der ersten Zustandskomponente jeweils einen (ggf. unterschiedlichen) Wert der Stellgröße zuzuweisen. Das Fahrzeugführungssystem des Fahrzeugs kann dann zur automatisierten Querführung des Fahrzeugs in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert der Stellgröße betrieben werden, um das Fahrzeug entlang der Zieltrajektorie zu führen.The method further includes determining a value of the manipulated variable at point in time k, based on the value of the first state component at point in time k and based on a predefined function that is set up, different values of the first state component each have a (possibly different) value to assign the manipulated variable. The vehicle guidance system of the vehicle can then be operated for automated lateral guidance of the vehicle as a function of the determined value of the manipulated variable in order to guide the vehicle along the target trajectory.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit zur automatisierten Querführung eines Fahrzeugs auf Basis eines (rekursiven) Systemmodells des Fahrzeugs beschrieben. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein (an einem Zeitpunkt k), eine Abweichung eines Ist-Wertes einer Zustandsgröße des Fahrzeugs von einem von einer Zieltrajektorie abhängigen geplanten Wert der Zustandsgröße als Werte einer ersten Zustandskomponente zu ermitteln. Dabei kann das Systemmodell eingerichtet sein, auf Basis der ersten Zustandskomponente an dem Zeitpunkt k und auf Basis einer Stellgröße an dem Zeitpunkt k die erste Zustandskomponente an einem nachfolgenden Zeitpunkt k + 1 zu prädizieren. Mit anderen Worten, die Zustandsgröße des Fahrzeugs kann über das Systemmodell von einer Stellgröße abhängig sein.According to a further aspect, a control unit for automated lateral guidance of a vehicle based on a (recursive) system model of the vehicle is described. The control unit can be set up (at a point in time k) to determine a deviation of an actual value of a state variable of the vehicle from a planned value of the state variable that is dependent on a target trajectory as values of a first state component. In this case, the system model can be set up to predict the first status component at a subsequent time k + 1 on the basis of the first status component at time k and on the basis of a manipulated variable at time k. In other words, the state variable of the vehicle can be dependent on a manipulated variable via the system model.
Die Zustandsgröße kann eine mit der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs modulierte Basis-Zustandsgröße umfassen und/oder die Stellgröße kann eine mit der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs modulierte Basis-Stellgröße umfassen. Die Zustandsgröße umfasst bevorzugt den Quotienten aus einer Querabweichung des Fahrzeugs relativ zu einer Referenzkurve bzw. zu einem Referenzverlauf und einer Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Des Weiteren umfasst die Stellgröße bevorzugt das Produkt aus einer Krümmung einer von dem Fahrzeug zu fahrenden Trajektorie und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs.The state variable can comprise a base state variable modulated with the driving speed of the vehicle and / or the manipulated variable can comprise a base manipulated variable modulated with the driving speed of the vehicle. The state variable preferably comprises the quotient of a transverse deviation of the vehicle relative to a reference curve or to a reference profile and a driving speed of the vehicle. Furthermore, the manipulated variable preferably comprises the product of a curvature of a trajectory to be driven by the vehicle and the driving speed of the vehicle.
Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, auf Basis der ersten Zustandskomponente an dem Zeitpunkt k und auf Basis einer vordefinierten Funktion, die eingerichtet ist, unterschiedlichen Werten der ersten Zustandskomponente jeweils einen (ggf. unterschiedlichen) Wert der Stellgröße zuzuweisen, einen Werte der Stellgröße an dem Zeitpunkt k zu ermitteln. Außerdem kann die Steuereinheit eingerichtet sein, ein Fahrzeugführungssystem des Fahrzeugs zur automatisierten Querführung des Fahrzeugs in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert der Stellgröße zu betreiben.Furthermore, the control unit can be set up to assign a (possibly different) value of the manipulated variable to different values of the first state component, based on the first status component at time k and on the basis of a predefined function, a value of the manipulated variable to determine the point in time k. In addition, the control unit can be set up to operate a vehicle guidance system of the vehicle for automated lateral guidance of the vehicle as a function of the determined value of the manipulated variable.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit umfasst.According to a further aspect, a motor vehicle (in particular a passenger car or a truck or a bus or a motorcycle) is described which comprises the control unit described in this document.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch eines der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren auszuführen.According to a further aspect, a software (SW) program is described. The software program can be set up to be executed on a processor (e.g. on a control unit of a vehicle) and thereby to execute one of the methods described in this document.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch eines der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren auszuführen.According to a further aspect, a storage medium is described. The storage medium can comprise a software program which is set up to be executed on a processor and thereby to execute one of the methods described in this document.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.It should be noted that the methods, devices and systems described in this document can be used both alone and in combination with other methods, devices and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the methods, devices and systems described in this document can be combined with one another in diverse ways. In particular, the features of the claims can be combined with one another in diverse ways.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
-
1 eine beispielhafte geplante Trajektorie für einen Spurwechsel; -
2a ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Trajektorienfolgeregelung; -
2b einen beispielhaften Signalflussplan der Regelstrecke; -
3 eine beispielhafte vordefinierte Funktion zur Ermittlung des Wertes einer Stellgröße; -
4a einen beispielhaften Regelkreis; -
4b einen beispielhaften Regelkreis mit modifizierten Zustands- und Stellgrößen; -
5 eine beispielhafte lineare Approximation einer zeitlich variablen Beschränkung; -
6 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Trajektorienfolgeregelung unter Verwendung von zusätzlichen Zustandskomponenten für zeitlich variable Beschränkungen; -
7a ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur automatisierten Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs; und -
7b ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur automatisierten Querführung eines Fahrzeugs.
-
1 an exemplary planned trajectory for a lane change; -
2a an exemplary block diagram of a trajectory sequence control; -
2 B an exemplary signal flow diagram of the controlled system; -
3 an exemplary predefined function for determining the value of a manipulated variable; -
4a an exemplary control loop; -
4b an exemplary control loop with modified state and manipulated variables; -
5 an exemplary linear approximation of a time-varying constraint; -
6 a block diagram of an exemplary trajectory sequence control using additional state components for time-variable restrictions; -
7a a flowchart of an exemplary method for automated longitudinal and / or lateral guidance of a vehicle; and -
7b a flowchart of an exemplary method for automated lateral guidance of a vehicle.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung einer zuverlässigen Trajektorienfolgeregelung, durch die Stell- bzw. Sollgrößen zur Steuerung eines Fahrzeugs vorgegeben werden, die durch das Fahrzeug tatsächlich umgesetzt werden können, und durch die Kollisionen mit Umgebungsobjekten zuverlässig vermieden werden können. Im Folgenden wird eine Trajektorienfolgeregelung für die Querführung eines Fahrzeugs beschrieben. Die dabei beschriebenen Aspekte sind in entsprechender Weise für die Längsführung anwendbar.As stated at the beginning, the present document is concerned with the provision of a reliable trajectory sequence control, through which manipulated or setpoint values for controlling a vehicle are specified, which can actually be implemented by the vehicle and which can reliably prevent collisions with surrounding objects. A trajectory sequence control for lateral guidance of a vehicle is described below. The aspects described here can be used in a corresponding manner for the longitudinal guidance.
Aus
Das Fahrzeug
Die Soll-Krümmung κsoll wird durch das Fahrzeugführungssystem
Das kinematische Modell
Auf Basis der Regelfehler Δθ und Δd kann mittels eines Reglers
Die Übertragungsfunktion Gcsm(s) des CVM-Modells (d.h. des Modells des Fahrzeugführungssystems
Dabei können die Werte der unterschiedlichen Parameter des Modells auf Basis von Messungen an einem bestimmten Fahrzeug
Dabei ist κΔist der durch den Regelungsanteil κr der Soll-Krümmung bewirkte Anteil der Ist-Krümmung κist. Die Matrix
Anhand des o.g. Systemmodells (insbesondere anhand einer zeitdiskreten Version des Systemmodells) können innerhalb der Parallelmodelleinheit
Die Regelungseinheit
Welche Zustandsverläufe dabei optimal sind, wird im Allgemeinen anhand eines linearen oder quadratischen Gütekriteriums definiert und in einem Kostenfunktional festgehalten. Um die optimale Stellgrößenfolge zu berechnen, wird das formulierte Kostenfunktional für einen endlichen Prädiktionshorizont (von N Zeitschritten) mit numerischen Optimierungsverfahren minimiert. Das System wird dabei ausgehend von einem Anfangszustand in einen gewünschten Endzustand überführt (der sich z.B. aus der Referenz- bzw. Zieltrajektorie
Die Idee der modellprädiktiven Regelung besteht darin, das Optimierungsproblem zyklisch auf einem fortschreitenden Horizont zu lösen. Dabei wird in jedem Zeitschritt k typischerweise ausschließlich das erste Intervall der Stellgrößenfolge als Stellgröße zur Steuerung des Systems verwendet. Die Stellgröße im darauffolgenden Zeitschritt k + 1 wird unter Berücksichtigung der gemessenen Zustandsrückführung (Ausgangszustand) neu berechnet. Die fortlaufende Optimierung zur Laufzeit bietet die Möglichkeit, durch Anpassungen des Prädiktionsmodells auf Parameterschwankungen bzw. auf ein nichtlineares zeitvariantes Verhalten der Regelstrecke zu reagieren.The idea of model predictive control is to solve the optimization problem cyclically on a progressive horizon. In each time step k, only the first interval of the manipulated variable sequence is typically used as the manipulated variable for controlling the system. The manipulated variable in the subsequent time step k + 1 is recalculated taking into account the measured state feedback (initial state). The continuous optimization during runtime offers the possibility of reacting to parameter fluctuations or to a non-linear time-variant behavior of the controlled system by adapting the prediction model.
Ein weiterer Vorteil der MPC ist die Fähigkeit, physikalische und/oder leistungsorientierte Beschränkungen der Regelstrecke zu berücksichtigen. Zum einen kann eine Begrenzung der Stellgröße in die Regelungsaufgabe einbezogen werden. Zum anderen ist es möglich, durch die Beschränkung von ein oder mehreren Systemzuständen bzw. Zustandskomponenten unerwünschtes Überschwingen zu unterbinden und/oder sicherheitskritische Zustände zu vermeiden.Another advantage of the MPC is the ability to take physical and / or performance-related restrictions of the controlled system into account. On the one hand, a limitation of the manipulated variable can be included in the control task. On the other hand, by restricting one or more system states or state components, it is possible to prevent undesired overshoots and / or to avoid safety-critical states.
Aufgrund der Tatsache, dass bei einer modellprädiktiven Regelung die Stellgröße über eine Optimierung ermittelt wird, fällt zur Laufzeit ein relativ hoher Rechenaufwand an. Um diesen Rechenaufwand zu reduzieren wird in der Regelungseinheit
Ein beispielhaftes Kostenfunktional für eine modellprädiktive Regelung ist
Bei der modellprädiktiven Regelung kann das o.g. linear-quadratische Optimierungsproblem online gelöst werden, um ausgehend von einem gemessenen Anfangszustand x(0) eine optimale Stellgrößenfolge U und insbesondere einen optimalen zu verwendenden Wert u(0) der Stellgröße zu ermitteln. Durch den relativ hohen Rechenaufwand zur Laufzeit ist der Einsatz insbesondere für die Regelung eines Fahrzeugführungssystems
Für die Regelung linearer zeitinvarianter Systeme mit (zeitlich) konstanten Beschränkungen lässt sich durch einen expliziten Entwurf der modellprädiktiven Regelung der Rechenaufwand während des Betriebs eines Fahrzeugs
Dabei wird mithilfe der sogenannten KKT (Karush-Kuhn-Tucker)-Optimalitätsbedingungen eine stückweise affine Funktion entwickelt, die über polyhedrische Partitionen des zulässigen Zustandsraumes definiert ist. Der zur Laufzeit anfallende Rechenaufwand wird dadurch, ähnlich wie bei einer Lookup-Tabelle, auf einen Mengenzugehörigkeitstest reduziert, sodass die Regelung auf Steuergeräten
Die Komplexität der expliziten MPC bzw. der affinen Funktion ist von der verwendeten Systemordnung des Systemmodells und dem Optimierungshorizont N abhängig. Mit jeder System ordnung steigt die Dimensionalität der Polyeder, während die Anzahl der Partitionen in der Regel exponentiell mit der Länge des Optimierungshorizonts N ansteigt.The complexity of the explicit MPC or the affine function depends on the system order used in the system model and the optimization horizon N. The dimensionality of the polyhedra increases with every system order, while the number of partitions usually increases exponentially with the length of the optimization horizon N.
Es kann gezeigt werden, dass das o.g. Optimierungsproblem in folgendes multiparametrisches Optimierungsproblem überführt werden kann,
Des Weiteren gilt
Unter der Voraussetzung, dass das betrachtete Gesamtmodell und die Beschränkunken zeitinvariant sind, kann somit das o.g. multiparametrische Optimierungsproblem für unterschiedliche Anfangszustände x(0) gelöst werden, um eine stückweise affine Funktion zu ermitteln, die für unterschiedliche Anfangszustände x(0) jeweils einen Wert der Stellgröße u(0) anzeigt.Provided that the overall model under consideration and the constraints are time-invariant, the above-mentioned multiparametric optimization problem for different initial states x (0) can be solved in order to determine a piece-wise affine function, which shows a value of the manipulated variable u (0) for different initial states x (0).
Für ein vereinfachtes Gesamtmodell mit den Zuständen bzw. Zustandskomponenten Querabweichung Δd und Kurswinkelfehler Δθ kann die in
Weiter oben wurde bereits eine Beschreibung des CVM-Modells im Zustandsraum angegeben. Zur Prädiktion der relativen Fahrzeugbewegung entlang einer vorgegebenen Trajektorie, kann das CVM-Modell mit den Zuständen bzw. Zustandskomponenten xΔcvm um die Zustände bzw. Zustandskomponenten der Querabweichung Δd(t) und des Kurswinkelfehlers Δθ(t) erweitert werden. Dabei gilt (wie aus
Des Weiteren kann anstelle der Querabweichung Δd(t) der modifizierte Zustand bzw. die modifizierte Zustandskomponente Δd̃(t), mit
Wie bereits oben dargelegt, kann das o.g. Gesamtmodell durch Diskretisierung in ein (rekursives) zeitdiskretes Gesamtmodell überführt werden.As already explained above, the o.g. The overall model can be converted into a (recursive) time-discrete overall model through discretization.
Die
Die von einem Fahrzeug
Auf der Zustandsseite ist typischerweise die zulässige maximale (d.h. linksseitige) Querabweichung bzw. minimale (d.h. rechtsseitige) Querabweichung aufgrund von sich ändernden Situationen im Umfeld des Fahrzeugs
Die zeitlich veränderlichen Beschränkungen können durch eine Funktion mit ein oder mehreren Funktionsparametern approximiert werden. Insbesondere können die zeitlich veränderlichen Beschränkungen jeweils durch eine lineare Funktion approximiert werden. Die Approximation kann dabei derart erfolgen, dass die Approximation immer einschränkender und/oder zumindest nicht weniger einschränkend ist als die ursprüngliche zeitlich veränderliche Beschränkung.The time-varying restrictions can be approximated by a function with one or more function parameters. In particular, the time-varying restrictions can each be approximated by a linear function. The approximation can take place in such a way that the approximation is always more restrictive and / or at least not less restrictive than the original time-variable restriction.
Bei Verwendung einer linearen Approximation ergibt sich für die vorliegenden Variablen
Dabei kann die Matrix Aa als (zeitinvariante) Beschränkungsmatrix bezeichnet werden, durch die ein (rekursives) Beschränkungsmodell zur Beschreibung der ein oder mehreren Beschränkungen bereitgestellt wird. Es wird somit ermöglicht, eine zeitinvariante Beschränkung einer Stellgröße und/oder einer Zustandskomponente mittels eines linearen und zeitinvarianten Beschränkungsmodells zu beschreiben.The matrix A a can be referred to as a (time-invariant) constraint matrix, by means of which a (recursive) constraint model for describing the one or more constraints is provided. It is thus possible to describe a time-invariant limitation of a manipulated variable and / or a state component by means of a linear and time-invariant limitation model.
Als Gesamtmodell inklusive der approximierten zeitvarianten Beschränkungen ergibt sich dann (in einer zeitdiskreten Zustandsdarstellung)
Innerhalb der Regelungseinheit
Der o.g. Prozess kann iterative für eine Sequenz von Zeitpunkten k wiederholt werden, um eine Trajektorienfolgeregelung bereitzustellen.The above process can be repeated iteratively for a sequence of points in time k in order to provide a trajectory sequence control.
In entsprechender Weise kann eine Trajektorienfolgeregelung für die Längsführung bereitgestellt werden. Als Stellgröße dient dabei die Längs-Beschleunigung ν̇(k), deren Beschränkungen von der aktuellen Fahrgeschwindigkeit v(k) abhängen. Das Zustandsmodell umfasst als Zustandskomponente die Positionsabweichung in Längsrichtung, welche Umgebungs-abhängigen Beschränkungen unterworfen ist. Die zeitabhängigen Beschränkungen können durch die in diesem Dokument beschriebene Approximation und/oder die Berücksichtigung der Funktionsparameter als Zustandskomponenten berücksichtigt werden. Das Modell der Fahrdynamik ist im Falle der Längsführung typischerweise bereits zeitinvariant, so dass eine Verwendung einer modifizierten Zustandskomponente und/oder einer modifizierten Stellgröße typischerweise nicht erforderlich sind.In a corresponding manner, a trajectory sequence control can be provided for the longitudinal guidance. The longitudinal acceleration ν̇ (k) serves as the manipulated variable, the limitations of which depend on the current driving speed v (k). The state model includes the position deviation in the longitudinal direction as a state component, which is subject to environment-dependent restrictions. The time-dependent restrictions can be taken into account as state components by the approximation described in this document and / or the consideration of the functional parameters. In the case of longitudinal guidance, the model of the driving dynamics is typically already time-invariant, so that a modified state component and / or a modified manipulated variable is typically not required.
Das Verfahren
Außerdem umfasst das Verfahren
Das Verfahren
Mit anderen Worten, das Verfahren
Des Weiteren umfasst das Verfahren
Das Verfahren
Die Zustandsgröße kann eine mit der (Längs-)Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs
Die Zustandsgröße ist bevorzugt der Quotient aus der Querabweichung dr(k) des Fahrzeugs
Das Verfahren
Außerdem umfasst das Verfahren das Betreiben
So kann in ressourceneffizienter Weise eine robuste und präzise Trajektorienfolgeregelung entlang der geplanten Zieltrajektorie
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.The present invention is not restricted to the exemplary embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and the figures are only intended to illustrate the principle of the proposed methods, devices and systems.
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