DE102019122247A1

DE102019122247A1 - Verfahren sowie Steuergerät für ein System zum Steuern eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102019122247A1
Application number: DE102019122247.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Keller; Somasundharam Muthumanickam; Manuel Schmidt; Christian Wissing; Andreas Homann; Christian Lienke; Niklas Stannartz; Torsten Bertram
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-08-19
Filing date: 2019-08-19
Publication date: 2021-02-25

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeugs (10), das auf einer Straße (12) in einer momentanen Fahrspur (14) fährt, wird beschrieben. Das Kraftfahrzeug (10) weist einen Sensor (28) auf, der dazu ausgebildet ist, zumindest einen vor dem Kraftfahrzeug (10) liegenden Bereich der momentanen Fahrspur (14) zu erfassen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Wenigstens eine Fahrspurbegrenzung (17) der momentanen Fahrspur (14) und/oder wenigstens eine Fahrspurbegrenzung (17) wenigstens einer weiteren Fahrspur (16) wird mittels des wenigstens einen Sensors (28) des Kraftfahrzeugs (10) erfasst. Eine erste mathematischen Funktion wird ermittelt, welche die wenigstens eine Fahrspurbegrenzung (17) zumindest in einem vordefinierten Teilbereich eines Sichtbereichs des wenigstens einen Sensors (28) beschreibt. Eine zweite mathematische Funktion wird basierend auf der ersten mathematischen Funktion ermittelt, wobei die zweite mathematische Funktion die wenigstens eine Fahrspurbegrenzung über den Sichtbereich des wenigstens einen Sensors (28) hinaus beschreibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeugs, ein Steuergerät für ein System zum Steuern eines Kraftfahrzeugs, ein Kraftfahrzeug sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.
Eine der Hauptherausforderungen für Fahrassistenzsysteme, die eine Längsbewegung und eine Querbewegung eines Kraftfahrzeugs teilweise automatisiert steuern, und vor allem für vollständig automatisiert fahrende Kraftfahrzeuge besteht darin, eine konkrete Situation, in der sich das Kraftfahrzeug befindet, zu analysieren und basierend darauf entsprechende sinnvolle Fahrmanöver für das Kraftfahrzeug herzuleiten.
Zu diesem Zweck zeichnen Sensoren des Kraftfahrzeugs, beispielsweise Radarsensoren und/oder Kameras, die Umgebung des Kraftfahrzeugs auf, um ein Abbild der Umgebung zu erzeugen. Dieses Abbild der Umgebung wird dann dazu verwendet, das Kraftfahrzeug zu steuern.
Ein Problem stellt dabei dar, dass solche Systeme verglichen mit der menschlichen Wahrnehmung eine relativ geringe Erkennungsreichweite aufweisen, wodurch der Verlauf der Fahrspuren ggf. nur in einem begrenzten Bereich vor dem Kraftfahrzeug erfasst werden kann. Die Kenntnis des Verlaufs der Fahrspuren ist jedoch für das automatisierte Steuern des Kraftfahrzeugs von zentraler Bedeutung, besonders bei höheren Geschwindigkeiten, wie sie auf Autobahnen erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie ein Steuergerät für ein System zum Steuern eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, das eine zuverlässige Erkennung der Fahrspuren ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeugs, das auf einer Straße in einer momentanen Fahrspur fährt, wobei das Kraftfahrzeug einen Sensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, zumindest einen vor dem Kraftfahrzeug liegenden Bereich der momentanen Fahrspur zu erfassen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Wenigstens eine Fahrspurbegrenzung der momentanen Fahrspur und/oder wenigstens eine Fahrspurbegrenzung wenigstens einer weiteren Fahrspur wird mittels des wenigstens einen Sensors des Kraftfahrzeugs erfasst. Eine erste mathematischen Funktion wird ermittelt, welche die wenigstens eine Fahrspurbegrenzung zumindest in einem vordefinierten Teilbereich eines Sichtbereichs des wenigstens einen Sensors beschreibt. Eine zweite mathematische Funktion wird basierend auf der ersten mathematischen Funktion ermittelt, wobei die zweite mathematische Funktion die wenigstens eine Fahrspurbegrenzung über den Sichtbereich des wenigstens einen Sensors hinaus beschreibt.
Erfindungsgemäß wird also zunächst die erste mathematische Funktion in dem vordefinierten Bereich ermittelt, wobei der vordefinierte Bereich einem Bereich entspricht, der noch komplett innerhalb der Sichtweite des wenigstens einen Sensors liegt. Zum Beispiel erstreckt sich der vordefinierte Bereich bis zum Rand der Sichtweite. Dementsprechend wird die erste mathematische Funktion für einen Abschnitt der wenigstens einen Fahrspurbegrenzung ermittelt, in dem der Verlauf der Fahrspurbegrenzung mittels des wenigstens einen Sensors zuverlässig erfassbar und dementsprechend bekannt ist.
Basierend auf dieser in dem vordefinierten Bereich ermittelten ersten mathematischen Funktion wird der Verlauf der wenigstens einen Fahrspurbegrenzung über die Sichtweite des wenigstens einen Sensors hinaus extrapoliert, indem die zweite mathematische Funktion basierend auf der ersten mathematischen Funktion ermittelt wird.
Dementsprechend wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der Verlauf der Straße, genauer gesagt der Verlauf der wenigstens einen Fahrbahnbegrenzung und damit auch automatisch der Verlauf der momentanen Fahrspur und/oder der wenigstens einen weiteren Fahrspur über die Sichtweite des wenigstens einen Sensors hinaus bestimmt.
Es ergibt sich also sozusagen eine vergrößerte effektive Reichweite der Sensoren hinsichtlich des Straßenverlaufs, da der Straßenverlauf basierend auf einem tatsächlichen, mittels des wenigstens einen Sensors erfassten Straßenverlaufs extrapoliert wird.
Dementsprechend ist zur Steuerung des Kraftfahrzeugs auf einem größeren Abschnitt der Straße der Straßenverlauf bekannt als dies ohne Extrapolation der Fall wäre. Dies ist besonders bei größeren Geschwindigkeiten von Vorteil, wie sie beispielsweise auf Autobahnen erreicht werden.
Bei den Fahrspurbegrenzungen handelt es sich jeweils beispielsweise um eine Fahrbahnmarkierung, um eine Fahrspurmarkierung, um einen Mittelstreifen der Straße, um einen Bordstein, um ein Straßenbankett o.Ä.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird angenommen, dass der Verlauf der momentanen Fahrspur und/oder der wenigstens einen weiteren Fahrspur außerhalb des Sichtbereiches durch die zweite mathematische Funktion beschrieben wird. Das Kraftfahrzeug kann dann basierend auf dem angenommenen Verlauf der momentanen Fahrspur und/oder der wenigstens einen weiteren Fahrspur gesteuert werden. Wie oben bereits erwähnt ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren eine vergrößerte effektive Reichweite der Sensoren hinsichtlich des Straßenverlaufs, da der Straßenverlauf basierend auf einem tatsächlichen, mittels des wenigstens einen Sensors erfassten Straßenverlaufs extrapoliert wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die zweite mathematische Funktion eine Gerade, ein Polynom, ein Übergangsbogen und/oder ein Kreisbogen ist. Im Straßenbau werden einzelne Straßenabschnitt stets so zusammengefügt, dass sich keine plötzliche Änderung der Krümmung ergibt, sondern dass sich die Krümmung der Straße vielmehr stetig ändert. Die oben genannten Funktionen erfüllen diese Bedingung. Eine Gerade hat eine konstante Krümmung von null. Ein Polynom hat je nach seinem Grad eine konstante Krümmung von null oder eine stetig veränderliche Krümmung. Ein Kreisbogen weist eine konstante Krümmung auf. Unter einem Übergangsbogen ist eine Kurve zu verstehen, deren Krümmung sich von ihrem Anfangspunkt bis zu ihrem Endpunkt stetig von einem ersten Wert hin zu einem zweiten Wert ändert. Es sei erwähnt, dass eine Gerade auch als Kreisbogen mit unendlichem Radius interpretiert werden kann.
Unter der „Krümmung“ ist dabei und im Folgenden die lokale Abweichung der Funktion von einer Geraden zu verstehen. Ist die Funktion durch eine Parametrisierung X = X(α), Y = Y(α) gegeben, dann ist die Krümmung k(α) definiert als: $k (α) = \frac{\dot{X} (α) \ddot{Y} (α) - \ddot{X} (α) \dot{Y} (α)}{{[{\dot{X}}^{2} (α) + Y^{2} (α)]}^{\frac{3}{2}}}], wobei \dot{X} (α) = \frac{d}{d α} X (α) .$
Natürlich kann die zweite mathematische Funktion auch abschnittsweise als jeweils eine Gerade, ein Polynom, ein Übergangsbogen oder ein Kreisbogen sein, wobei verschiedene dieser Elemente aneinandergereiht werden können. Dabei werden die einzelnen Elemente jedoch stets so aneinandergereiht, dass die zweite mathematische Funktion stetig sowie zweimal stetig differenzierbar ist. Dementsprechend ist auch die zweite Ableitung der zweiten mathematischen Funktion stetig.
Beispielsweise besteht die zweite mathematische Funktion aus einem Übergangsbogen und einem sich an den Übergangsbogen anschließenden Kreisbogen. Dabei verändert sich die Krümmung des Übergangsbogens stetig von seinem Anfangspunkt, an dem er eine Anfangskrümmung aufweist, hin zur Krümmung des Kreises.
Vorzugsweise ist der Übergangsbogen eine Klothoide, eine archimedische Spirale, eine Sinusoide, eine kubische Parabel oder ein Blossbogen. Diese Funktionen weisen eine stetige Änderung der Krümmung auf und sind daher besonders für die Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren geeignet, da sie einen Straßenverlauf mit stetiger Krümmungsänderung beschreiben.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Krümmung der ersten mathematischen Funktion in dem vordefinierten Teilbereich ermittelt, wobei die zweite mathematische Funktion basierend auf der Krümmung der ersten mathematischen Funktion in dem vordefinierten Teilbereich ermittelt wird. Vorzugsweise wird die Krümmung der zweiten mathematischen Funktion dabei an die Krümmung der ersten mathematischen Funktion angepasst, sodass die zweite mathematische Funktion zumindest abschnittsweise die gleiche Krümmung aufweist wie die erste mathematische Funktion.
Insbesondere wird ein Krümmungsverlauf der ersten mathematischen Funktion am Rand der Sichtweite des wenigstens einen Sensors ermittelt und die zweite mathematische Funktion basierend auf dem Verlauf der Krümmung ermittelt. Vorzugsweise wird die Krümmung der zweiten mathematischen Funktion dabei an die Krümmung der ersten mathematischen Funktion angepasst, sodass die zweite mathematische Funktion am Rand der Sichtweite des wenigstens einen Sensors die gleiche Krümmung aufweist wie die erste mathematische Funktion.
Aus dem Verlauf der Krümmung der ersten mathematischen Funktion am Rand des Sichtbereichs des wenigstens einen Sensors lässt sich bestimmen, welche Art von Funktion zur Extrapolation geeignet ist.
Weist die erste mathematische Funktion beispielsweise eine konstante Krümmung gleich null auf, so ist eine Gerade als zweite mathematische Funktion geeignet. Weist die erste mathematische Funktion eine konstante Krümmung ungleich null auf, so ist ein Kreis als zweite mathematische Funktion geeignet. Weist die erste mathematische Funktion hingegen eine veränderliche Krümmung auf, so ist beispielsweise ein Übergangsbogen als zweite mathematische Funktion geeignet.
Insbesondere wird bei der Ermittlung der zweiten mathematischen Funktion eine maximal zulässige Krümmung von Straßen berücksichtigt. Zum Beispiel haben Autobahnen, ggf. basierend auf einer geltenden Geschwindigkeitsbegrenzung, eine maximal zulässige Krümmung.
Wird also beispielsweise in dem vordefinierten Bereich ermittelt, dass die erste mathematische Funktion eine gegen den Rand des Sichtbereichs des Sensors steigende Krümmung aufweist, so wird als zweite mathematische Funktion ein Übergangsbogen mit steigender Krümmung ermittelt, an den sich bei Erreichen der maximal zulässigen Krümmung ein Kreis mit der maximal zulässigen Krümmung anschließt.
Die erste mathematische Funktion kann ein Polynom sein, insbesondere ein Polynom dritter Ordnung. Der Fit eines Polynoms niedriger Ordnung, insbesondere dritter Ordnung ist rechentechnisch wenig aufwendig, sodass die erste mathematische Funktion ressourcenschonend ermittelt werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die ermittelte zweite mathematische Funktion auch zur Extrapolation wenigstens einer weiteren Fahrspurbegrenzung der Straße über den Sichtbereich des wenigstens einen Sensors hinaus verwendet. Dabei wird die zweite mathematische Funktion verschoben und/oder wenigstens ein Funktionsparameter der zweiten mathematischen Funktion angepasst, um die wenigstens eine weitere Fahrspurbegrenzung zu extrapolieren, insbesondere wobei der wenigstens eine Funktionsparameter ein Radius ist. Dadurch erfolgt die Extrapolation der wenigstens einen weiteren Fahrspurbegrenzung besonders ressourcenschonend, da die Extrapolation der Fahrspurbegrenzung, also die Ermittlung der zweiten mathematischen Funktion, lediglich einmalig erfolgt und nicht für jede Fahrspurbegrenzung separat ermittelt werden muss.
Insbesondere werden alle Fahrspurbegrenzungen mittels dergleichen zweiten mathematischen Funktion extrapoliert, natürlich bis auf Verschiebungen und Anpassungen der Funktionsparameter.
Ist die ermittelte zweite mathematische Funktion für die Fahrspurbegrenzung beispielsweise ein Kreis, so können die weiteren Fahrspurbegrenzungen durch Kreise mit gleichem Mittelpunkt, jedoch verändertem Radius extrapoliert werden. Eine Differenz der Radien benachbarter Extrapolationskreise entspricht dabei der Fahrspurbreite.
Vorzugsweise wird die zweite mathematische Funktion derart verschoben und/oder der wenigstens eine Funktionsparameter wird derart angepasst, dass Abstände zwischen den einzelnen Fahrspurbegrenzungen entlang der Fahrspurbegrenzungen paarweise gleich bleiben.
Unter dem „Abstand“ zwischen den einzelnen Fahrspurbegrenzungen ist dabei die kürzest mögliche Verbindung zwischen Punkten auf einer der Fahrspurbegrenzungen und Punkten auf einer anderen der Fahrspurbegrenzungen zu verstehen.
Auf diese Weise wird eine realistische Extrapolation der Fahrspuren erhalten, wobei berücksichtigt wird, dass sich die Breite der Fahrspuren im Normalfall entlang des Straßenverlaufs nicht oder nur unwesentlich ändert.
Insbesondere weist der vordefinierte Teilbereich eine vordefinierte Länge auf, insbesondere wobei ein Endpunkt des vordefinierten Teilbereichs basierend auf dem Sichtbereich des wenigstens einen Sensors ermittelt wird. Die vordefinierte Länge ist dabei lang genug gewählt, damit genügend Datenpunkte über den tatsächlichen Verlauf der Fahrbahnbegrenzung vorliegen, um die erste mathematischen Funktion zuverlässig an den tatsächlichen Verlauf der Fahrbahnbegrenzung zu fitten. Zum anderen ist die vordefinierte Länge kurz genug gewählt, damit nicht zu viele Datenpunkte berücksichtigt werden müssen, sodass die benötigte Rechenzeit und die benötigten Ressourcen reduziert sind.
Vorzugsweise befindet sich der vordefinierte Teilbereich am Rand des Sichtbereichs des wenigstens einen Sensors, sodass die erste und zweite mathematische Funktion basierend auf dem Verlauf der wenigstens einen Fahrbahnbegrenzung am Rande des Sichtbereichs ermittelt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass mittels des Sensors mehrere Fahrspurbegrenzungen erfasst werden, wobei die erste mathematische Funktion und die zweite mathematische Funktion für diejenige Fahrspurbegrenzung ermittelt werden, bei welcher der wenigstens eine Sensor die größte Sichtweite oder die kleinste Sichtweite hat. Dementsprechend wird der Straßenverlauf basierend auf derjenigen Fahrspurbegrenzung extrapoliert, von welcher am meisten oder am wenigstens für den wenigstens einen Sensor sichtbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden bzw. wird zumindest die momentane Fahrspur und/oder die wenigstens eine weitere Fahrspur in ein Frenet-Serret-Koordinatensystem transformiert. In diesem Koordinatensystem ist jede Straße krümmungsfrei, sodass unabhängig von einem tatsächlichen Verlauf der Straße jede Straßenverkehrssituation auf die gleiche Art und Weise behandelt werden kann. Dementsprechend ist in diesem Koordinatensystem die Steuerung des Kraftfahrzeugs erleichtert.
Anders ausgedrückt handelt es sich bei den Frenet-Serret-Koordinaten um krummlinige Koordinaten, die entlang einer der Fahrspurmarkierungen verlaufen.
Insbesondere erfolgt die Transformation in das Frenet-Serret-Koordinatensystem basierend auf der ermittelten zweiten mathematischen Funktion.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Steuergerät für ein System zum Steuern eines Kraftfahrzeugs oder für ein Kraftfahrzeug, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, ein oben beschriebenes Verfahren durchzuführen. Hinsichtlich der Vorteile und Merkmale wird auf die obigen Erläuterungen bezüglich des Verfahrens verwiesen, die entsprechend auch für das Steuergerät gelten und umgekehrt.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit einem oben beschriebenen Steuergerät. Hinsichtlich der Vorteile und Merkmale wird auf die obigen Erläuterungen bezüglich des Verfahrens verwiesen, die entsprechend auch für das Kraftfahrzeug gelten und umgekehrt.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um die Schritte eines oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird, insbesondere einer Recheneinheit eines oben beschriebenen Steuergeräts. Hinsichtlich der Vorteile und Merkmale wird auf die obigen Erläuterungen bezüglich des Verfahrens verwiesen, die entsprechend auch für das Computerprogramm gelten und umgekehrt.
Unter „Programmcodemitteln“ sind dabei und im Folgenden computerausführbare Instruktionen in Form von Programmcode und/oder Programmcodemodulen in kompilierter und/oder in unkompilierter Form zu verstehen, die in einer beliebigen Programmiersprache und/oder in Maschinensprache vorliegen können.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:

- 1 schematisch eine Straßenverkehrssituation;
- 2 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems zum Steuern eines Kraftfahrzeugs;
- 3 ein Ablaufdiagramm der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahren;
- 4 schematisch ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens extrapolierter Straßenverlauf;
- 5 schematisch ein weiterer, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens extrapolierter Straßenverlauf; und
- die 6(a) und 6(b) schematisch eine Straße vor einer Transformation in ein Frenet-Serret-Koordinatensystem bzw. die Straße nach einer Transformation in ein Frenet-Serret-Koordinatensystem.

In 1 ist schematisch eine Straßenverkehrssituation gezeigt, in der ein Kraftfahrzeug 10 auf einer Straße 12 in einer momentanen Fahrspur 14 fährt. Neben der momentanen Fahrspur 14 verläuft eine weitere Fahrspur 16.
Die momentane Fahrspur 14 und die weitere Fahrspur 16 sind jeweils durch Fahrspurbegrenzungen 17 begrenzt. Bei den Fahrspurbegrenzungen 17 handelt es sich jeweils um eine Fahrbahnmarkierung, um eine Fahrspurmarkierung, um einen Mittelstreifen der Straße 12, um einen Bordstein, um ein Straßenbankett o.Ä.
Auf der Straße 12 fahren außerdem ein erster weiterer Verkehrsteilnehmer 18 sowie ein zweiter weiterer Verkehrsteilnehmer 20 in der momentanen Fahrspur 14 bzw. in der weiteren Fahrspur 16. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei den weiteren Verkehrsteilnehmern 18, 20 um Personenkraftwagen, es könnte sich jedoch auch um Lastkraftwagen, Krafträder oder um beliebige andere Verkehrsteilnehmer handeln.
Durch die gestrichelten Linien 22 und 24 ist angedeutet, dass der erste weitere Verkehrsteilnehmer 18 in naher Zukunft plant, von der momentanen Fahrspur 14 in die weitere Fahrspur 16 zu wechseln bzw. dass der zweite weitere Verkehrsteilnehmer 20 in naher Zukunft plant, von der weiteren Fahrspur 16 in die momentane Fahrspur 14 des Kraftfahrzeugs 10 zu wechseln. Dies zeigen die weiteren Verkehrsteilnehmer 18, 20 zum Beispiel durch Verwendung des entsprechenden Fahrtrichtungsanzeigers an.
Zudem ist in 1 ein Koordinatensystem mit einer Längsachse und einer Normalenachse gezeigt, wobei die Längsachse eine Längsrichtung L definiert und wobei die Normalenachse eine Querrichtung N definiert. Der Ursprung des Koordinatensystems liegt in Längsrichtung L an der momentanen Position der Spitze des Kraftfahrzeugs 10 und, in Längsrichtung L gesehen, am rechten Straßenrand.
Bei diesem speziellen Koordinatensystem, das auch im Folgenden verwendet wird, handelt es sich um ein straßenfestes Koordinatensystem, das sich also folglich nicht mit dem Kraftfahrzeug 10 mitbewegt. Natürlich kann aber auch ein beliebiges, anderes Koordinatensystem verwendet werden.
Wie in 2 gezeigt ist, weist das Kraftfahrzeug 10 ein System 26 zum Steuern des Kraftfahrzeugs 10 auf. Das System 26 umfasst mehrere Sensoren 28 und zumindest ein Steuergerät 30.
Die Sensoren 28 sind vorne, hinten und/oder seitlich am Kraftfahrzeug 10 angeordnet und dazu ausgebildet, die Umgebung des Kraftfahrzeugs 10 zu erfassen, entsprechende Umgebungsdaten zu generieren und diese an das Steuergerät 30 weiterzuleiten.
Genauer gesagt erfassen die Sensoren 28 Informationen zumindest über die momentane Fahrspur 14, die weitere Fahrspur 16, die Fahrspurbegrenzungen 17 und über die weiteren Verkehrsteilnehmer 18, 20.
Bei den Sensoren 28 handelt es sich jeweils um eine Kamera, um einen Radarsensor, um einen Abstandssensor, um einen LIDAR-Sensor und/oder um eine beliebige andere Art von Sensor, die dazu geeignet ist, die Umgebung des Kraftfahrzeugs 10 zu erfassen.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest einer der Sensoren 28 als Schnittstelle zu einem Leitsystem ausgebildet sein, das wenigstens dem gezeigten Abschnitt der Straße 12 zugeordnet und dazu ausgebildet ist, Umgebungsdaten über die Straße 12 und/oder über die weiteren Verkehrsteilnehmer an das Kraftfahrzeug 10 und/oder an die weiteren Verkehrsteilnehmer 18, 20 zu übermitteln. Der eine Sensor 28 kann in diesem Fall als Mobilfunkkommunikationsmodul ausgeführt sein, zum Beispiel zur Kommunikation gemäß dem 5G Standard.
Allgemein ausgedrückt verarbeitet das Steuergerät 30 die von den Sensoren 28 erhaltenen Umgebungsdaten und steuert das Kraftfahrzeug 10 basierend auf den verarbeiteten Umgebungsdaten wenigstens teilweise automatisiert, insbesondere vollautomatisch. Auf dem Steuergerät 30 ist also ein Fahrassistenzsystem implementiert, das eine Querbewegung und/oder eine Längsbewegung des Kraftfahrzeugs 10 wenigstens teilweise automatisiert steuern kann, insbesondere vollautomatisch.
Dabei stellt es eine besondere Herausforderung dar, dass die Reichweite der Sensoren 28 begrenzt ist. Genauer gesagt kann die Umgebung des Kraftfahrzeugs 10 aufgrund des begrenzten Sichtfelds der Sensoren 28 nur innerhalb eines begrenzten Bereichs um das Kraftfahrzeug 10 herum zuverlässig abgebildet werden.
Die Reichweite der Sensoren 28 hängt dabei von mehreren Faktoren ab, beispielsweise von Witterungsbedingungen, insbesondere von Luftfeuchtigkeit und/oder Lufttemperatur. Des Weiteren hängt die Reichweite der Sensoren 28 auch vom Verlauf der Straße 12 ab, insbesondere von einer Neigung, einer Steigung und/oder Krümmung der Straße 12.
Zudem können die weiteren Verkehrsteilnehmer 18, 20 Bereiche der Straße verdecken, wobei diese Abschattung einzelner Bereiche aufgrund einer sich verändernden Position zwischen dem Kraftfahrzeug 10 und den weiteren Verkehrsteilnehmern 18, 20 zeitlich veränderlich sein kann.
Beispielsweise ist in der in 1 gezeigten Verkehrssituation ein Bereich rechts des ersten weiteren Verkehrsteilnehmers 18 für die Sensoren 28 verdeckt und kann deswegen nicht zuverlässig abgebildet werden. Nach dem Wechsel des ersten weiteren Verkehrsteilnehmers 18 auf die weitere Fahrspur 16 ist dieser Bereich hingegen wieder für die Sensoren 28 sichtbar.
Eine Kenntnis des Verlaufs der Straße 12 bzw. der Fahrspuren 14, 16 ist jedoch für die Steuerung des Kraftfahrzeugs 10 von entscheidender Bedeutung.
Um diese Probleme zu beheben ist das Steuergerät 30 dazu ausgebildet, die im Folgenden anhand der 3 bis 6 erläuterten Verfahrensschritte durchzuführen. Genauer gesagt umfasst das Steuergerät 30 einen Datenträger 32 und eine Recheneinheit 34, wobei auf dem Datenträger 32 ein Computerprogramm gespeichert ist, das auf der Recheneinheit 34 ausgeführt wird und das Programmcodemittel umfasst, um die Schritte des im Folgenden erläuterten Verfahrens durchzuführen.
Zunächst wird wenigstens eine der Fahrspurbegrenzungen 17 mittels der Sensoren 28 erfasst (Schritt S1). Insbesondere wird genau eine der Fahrspurbegrenzungen 17 erfasst oder es werden alle Fahrspurbegrenzungen 17 erfasst.
Hierzu wird mittels der Sensoren 28 ein Abbild der Straße 12 aufgenommen und mittels einer maschinellen Bildverarbeitung die wenigstens eine Fahrspurbegrenzung 17 automatisch erkannt.
Basierend auf dem Abbild der Straße, genauer gesagt basierend auf der wenigstens einen erkannten Fahrspurbegrenzung 17 wird eine erste mathematische Funktion f₁ ermittelt, welche die Fahrspurbegrenzung 17 zumindest in einem vordefinierten Teilbereich T_trust des Sichtbereichs der Sensoren 28 beschreibt (Schritt S2).
Anders ausgedrückt wird die erste mathematische Funktion f₁ in dem vordefinierten Teilbereich T_trust an den mittels der Sensoren 28 erfassten tatsächlichen Verlauf der wenigstens einen Fahrspurbegrenzung 17 gefittet.
Des vordefinierten Teilbereich T_trust ist dabei allgemein ausgedrückt ein Bereich der Straße 12, der noch voll im Sichtbereich der Sensoren 28 liegt, genauer gesagt noch voll im Sichtbereich von wenigstens einem der Sensoren 28. Es handelt sich daher bei dem vordefinierten Teilbereich T_trust um einen Bereich, in dem die Fahrspurbegrenzung 17 zuverlässig mittels der Sensoren 28 erfasst werden kann.
Wie in 4 und 5 gezeigt befindet sich der vordefinierte Teilbereich T_trust dabei am Rand der Sichtweite der Sensoren 28. Ein Endpunkt des vordefinierten Teilbereichs wird in der Nähe des Rands der Sichtweite der Sensoren 28 gewählt, wobei der Endpunkt noch im voll für die Sensoren 28 sichtbaren Bereich liegt.
Im vordefinierten Teilbereich T_trust befindet sich also ein Abschnitt der wenigstens einen Fahrspurbegrenzung 17, der für die Sensoren 28 gerade noch voll sichtbar ist.
Der vordefinierte Teilbereich T_trust weist eine vordefinierte Länge auf. Die vordefinierte Länge ist dabei lang genug gewählt, damit genügend Datenpunkte über den tatsächlichen Verlauf der wenigstens einen Fahrbahnbegrenzung 17 vorliegen, um die erste mathematischen Funktion f₁ zuverlässig an den tatsächlichen Verlauf der wenigstens einen Fahrbahnbegrenzung 17 zu fitten. Ferner ist die vordefinierte Länge kurz genug gewählt, damit nicht zu viele Datenpunkte berücksichtigt werden müssen, sodass die benötigte Rechenzeit und die benötigten Ressourcen reduziert sind.
Bei dem vordefinierten Teilbereich T_trust handelt es sich also um einen Vertrauensbereich mit definierter Länge, der am Rand der Sichtweite der Sensoren 28 angeordnet ist und im dem die Fahrspurbegrenzungen mittels der Sensoren 28 zuverlässig abgebildet werden können. Der vordefinierte Teilbereich T_trust wird im Englischen auch als „trust region“ bezeichnet.
Falls die Sensoren 28 für die einzelnen Fahrspurbegrenzungen 17 verschiedene Sichtweiten aufweisen, so kann die erste mathematische Funktion f₁ für diejenige Fahrspurbegrenzung 17 ermittelt werden, bei der die Sensoren 28 die größte oder die kleinste Sichtweite aufweisen.
Im Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Fall beschrieben, dass die erste mathematische Funktion an diejenige Fahrspurbegrenzung 17 gefittet wird, bei welcher die Sensoren 28 die größte Reichweite aufweisen.
Vorzugsweise handelt es sich bei ersten mathematischen Funktion f₁ um ein Polynom, beispielsweise um ein Polynom von höchstens dritter Ordnung, insbesondere um ein Polynom dritter Ordnung.
Die erste mathematische Funktion kann, bezogen auf die in 4 und 5 verwendeten Koordinaten X und Y, eine Abhängigkeit der Lateralkoordinate Y von der Longitudinalkoordinate X beschreiben, also Y = f₁ (X).
Alternativ kann die erste mathematische Funktion eine Parametrisierung des Verlaufs der wenigstens einen Fahrspurbegrenzung 17 sein, also f₁: X →X(α), Y → Y(α).
Ist wie oben beschrieben die erste mathematische Funktion f₁ ein Polynom dritter Ordnung, so ist also X(α) = α und Y(α) = α₃α³ + α₂α² + α₁α + α₀.
Die Parameter α_i, i = 0,1,2,3 werden beim Fitten der ersten mathematischen Funktion f₁ an den tatsächlichen Verlauf der wenigstens einen Fahrspurbegrenzung 17 ermittelt. Dabei kann je nach Verlauf der wenigstens einen Fahrspurbegrenzung auch einer oder mehrere der Parameter α_i gleich null sein.
Im Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass die erste mathematische Funktion f₁ eine Parametrisierung ist.
Basierend auf der ersten mathematischen Funktion f₁ wird nun eine zweite mathematische Funktion f₂ ermittelt, welche die Fahrspurbegrenzung 17 über den Sichtbereich der Sensoren 28 hinaus beschreibt (Schritt S3).
Anders ausgedrückt wird die Fahrspurbegrenzung 17 mittels der zweiten mathematischen Funktion f₂ über den Sichtbereich der Sensoren 28 hinaus extrapoliert.
Auch die zweite mathematische Funktion f₂ kann, bezogen auf die in 4 und 5 verwendeten Koordinaten X und Y eine Abhängigkeit der Lateralkoordinate Y von der Longitudinalkoordinate X beschreiben, also Y = f₂ (X), oder kann eine Parametrisierung des extrapolierten Verlaufs der wenigstens einen Fahrspurbegrenzung 17 sein, also f₂ : X → X(α), Y → Y(α).
Je nach tatsächlichem Verlauf der wenigstens einen Fahrspurbegrenzung 17 umfasst die zweite mathematische Funktion f₂ eine Gerade, ein Polynom, einen Übergangsbogen und/oder einen Kreisbogen.
Im Straßenbau werden einzelne Straßenabschnitt stets so zusammengefügt, dass sich keine plötzliche Änderung der Krümmung ergibt, sondern dass sich die Krümmung der Straße 12 vielmehr stetig ändert. Die genannten Funktionen erfüllen diese Bedingung. Eine Gerade hat eine konstante Krümmung von null. Ein Polynom hat je nach seinem Grad eine konstante Krümmung von null oder eine stetig veränderliche Krümmung. Ein Kreisbogen weist eine konstante Krümmung auf.
Unter einem Übergangsbogen ist eine Kurve zu verstehen, deren Krümmung sich von ihrem Anfangspunkt bis zu ihrem Endpunkt stetig von einem ersten Wert hin zu einem zweiten Wert ändert. Es sei erwähnt, dass eine Gerade auch als Kreisbogen mit unendlichem Radius interpretiert werden kann.
Unter der „Krümmung“ einer Funktion ist dabei und im Folgenden die lokale Abweichung der Funktion von einer Geraden zu verstehen. Ist die Funktion durch eine Parametrisierung X = X(α), Y = Y(α) gegeben, dann ist die Krümmung k(α) definiert als: $k (α) = \frac{\dot{X} (α) \ddot{Y} (α) - \ddot{X} (α) \dot{Y} (α)}{{[{\dot{X}}^{2} (α) + Y^{2} (α)]}^{\frac{3}{2}}}], wobei \dot{X} (α) = \frac{d}{d α} X (α) .$
Natürlich kann die zweite mathematische Funktion f₂ auch abschnittsweise eine Gerade, ein Polynom, ein Übergangsbogen oder ein Kreisbogen sein, wobei diese verschiedenen Elemente aneinandergereiht werden können. Dabei werden die einzelnen Elemente jedoch stets so aneinandergereiht, dass die zweite mathematische Funktion f₂ stetig sowie zweimal stetig differenzierbar ist. Dementsprechend ist auch die zweite Ableitung der zweiten mathematischen Funktion f₂ stetig, sodass auch die Krümmung der zweiten mathematischen Funktion f₂ stetig ist.
In dem in 4 gezeigten Beispiel besteht die zweite mathematische Funktion f₂ aus einem Übergangsbogen U und einem sich an den Übergangsbogen anschließenden Kreisbogen K. Dabei verändert sich die Krümmung des Übergangsbogens U stetig von seinem Anfangspunkt, an dem er eine Anfangskrümmung aufweist, hin zur Krümmung des Kreisbogens K.
Vorzugsweise ist der Übergangsbogen U eine Klothoide, eine archimedische Spirale S (siehe 5), eine Sinusoide, eine kubische Parabel oder ein Blossbogen. Diese Funktionen weisen jeweils eine stetige Änderung der Krümmung auf.
Im in 5 gezeigten Beispiel ist die zweite mathematische Funktion f₂ eine archimedische Spirale S, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
Um einen Verlauf der Straße 12, genauer gesagt der wenigstens einen Fahrspurbegrenzung 17 korrekt abzubilden wird in Schritt S3 ein Krümmungsverlauf der ersten mathematischen Funktion f₁ im vordefinierten Teilbereich T_trust ermittelt.
Die zweite mathematische Funktion f₂ wird dann basierend auf dem Verlauf der Krümmung der ersten mathematischen Funktion f₁ ermittelt. Die Krümmung der zweiten mathematischen Funktion f₂ wird dabei an die Krümmung der ersten mathematischen Funktion f₁ angepasst, sodass die zweite mathematische Funktion f₂ am Rand der Sichtweite der Sensoren 28 die gleiche Krümmung aufweist wie die erste mathematische Funktion f₁ .
Aus dem Verlauf der Krümmung der ersten mathematischen Funktion f₁ im vordefinierten Teilbereich T_trust lässt sich bestimmen, welche Art von Funktion zur Extrapolation geeignet ist.
Weist die erste mathematische Funktion f₁ beispielsweise eine konstante Krümmung gleich null auf, so ist eine Gerade als zweite mathematische Funktion f₂ geeignet. Weist die erste mathematische Funktion f₁ eine konstante Krümmung ungleich null auf, so ist ein Kreis als zweite mathematische Funktion f₂ geeignet. Weist die erste mathematische Funktion f₁ hingegen eine veränderliche Krümmung auf, so ist beispielsweise ein Übergangsbogen als zweite mathematische Funktion geeignet.
Bei der Ermittlung der zweiten mathematischen Funktion f₂ wird zudem eine maximal zulässige Krümmung von Straßen berücksichtigt. Zum Beispiel haben Autobahnen, ggf. basierend auf einer geltenden Geschwindigkeitsbegrenzung, eine maximal zulässige Krümmung.
Wird also wie in dem in 4 gezeigten Beispiel in dem vordefinierten Bereich T_trust ermittelt, dass die erste mathematische Funktion f₁ eine gegen den Rand des Sichtbereichs der Sensoren 28 steigende Krümmung aufweist, so wird als zweite mathematische Funktion f₂ ein Übergangsbogen U mit steigender Krümmung ermittelt, an den sich bei Erreichen der maximal zulässigen Krümmung ein Kreisbogen K mit der maximal zulässigen Krümmung anschließt.
Denkbar ist auch, dass zur Ermittlung der zweiten mathematischen Funktion f₂ eine Straßenkarte herangezogen wird, um den weiteren Verlauf der Fahrspur, insbesondere der Krümmung abzuschätzen.
Die ermittelte zweite mathematische Funktion f₂ wird ebenfalls zur Extrapolation der weiteren Fahrspurbegrenzungen 17 verwendet. Zu diesem Zweck wird die zweite mathematische Funktion f₂ verschoben und/oder Funktionsparameter der zweiten mathematischen Funktion f₂ werden angepasst (Schritt S4).
Im in 4 gezeigten Beispiel resultieren durch das Verschieben und/oder Anpassen der Funktionsparameter zweite weitere zweite mathematische Funktionen f_2' und f_2'' welche die beiden weiteren Fahrspurbegrenzungen 17 über die Sichtweite der Sensoren 28 hinaus beschreiben.
Dabei wird die zweite mathematische Funktion f₂ derart verschoben bzw. die Funktionsparameter werden derart angepasst, dass sich ein Abstand zwischen den einzelnen Fahrspurbegrenzungen 17 entlang der Fahrspurbegrenzungen 17 nicht ändert.
Unter dem „Abstand“ zwischen den einzelnen Fahrspurbegrenzungen 17 ist dabei die kürzest mögliche Verbindung zwischen Punkten auf einer der Fahrspurbegrenzungen 17 und Punkten auf einer anderen der Fahrspurbegrenzungen 17 zu verstehen.
So haben die Kreisbögen K, K' und K'' einen gemeinsamen Mittelpunkt, jedoch jeweils einen anderen Radius. Eine Differenz der Radien R_K' - R_K und R_K'' - R_K' entspricht dabei jeweils der Fahrspurbreite.
Auf diese Weise wird eine realistische Extrapolation der Fahrspuren 14, 16 erhalten, wobei berücksichtigt wird, dass sich die Breite der Fahrspuren 14, 16 im Normalfall entlang des Straßenverlaufs nicht oder nur unwesentlich ändert.
Im in 5 gezeigten Beispiel werden die Fahrspurbegrenzungen 17 jeweils durch eine Teil einer Windung derselben archimedischen Spirale S beschrieben. Anders ausgedrückt werden die einzelnen Fahrspurbegrenzungen 17 also durch benachbarte Windungen der archimedischen Spirale S extrapoliert. Hier müssen also für jede der Fahrspurbegrenzungen 17 die passenden Winkelbereiche angepasst werden, in denen die archimedische Spirale S die jeweilige Fahrspurbegrenzung 17 beschreibt.
Die Windungen der archimedischen Spirale S haben stets den gleichen Abstand voneinander, sodass auch hier berücksichtigt ist, dass sich der Abstand zwischen den Fahrbahnbegrenzungen 17 nicht oder nur unwesentlich ändert.
Unabhängig davon, wie die Extrapolation erfolgt, beschreiben die zweiten mathematischen Funktionen f₂ , f_2' und f_2" den Verlauf der Fahrspurbegrenzungen 17 über die Sichtweite der Sensoren 28 hinaus. Folglich wird mittels des oben beschriebenen Verfahrens der Verlauf der momentanen Fahrspur 14 und der weiteren Fahrspur 16 über die Sichtweite der Sensoren 28 hinaus ermittelt.
Optional wird nun die Straße 12, genauer gesagt ein auf den von den Sensoren 28 erhaltenen Umgebungsdaten basierendes Abbild der momentanen Fahrspur 14 und der weiteren Fahrspur 16 sowie ein mittels des oben beschriebene Verfahrens extrapolierter Bereich der Straße 12 in ein Frenet-Serret-Koordinatensystem transformiert (Schritt S5).
Der Schritt S5 ist in 6 illustriert. 6 (a) zeigt die Straße 12, wie sie tatsächlich verläuft. Im gezeigten Beispiel weist die Straße 12, in Längsrichtung L gesehen, eine Krümmung nach links auf. Durch eine lokale Koordinatentransformation wird die Straße 12 in das Frenet-Serret-Koordinatensystem transformiert, in dem die Straße 12 keine Krümmung mehr aufweist, wobei das Ergebnis dieser Transformation in 6 (b) gezeigt ist. Wie klar zu erkennen ist, verläuft die Straße 12 in diesem Koordinatensystem gerade und ohne Krümmung entlang der Längsrichtung L.
Schließlich wird das Kraftfahrzeug 10 basierend auf dem Abbild der momentanen Fahrspur 14 und der weiteren Fahrspur 16 sowie basierend auf dem mittels des oben beschriebenen Verfahrens extrapolierten Bereich der Straße 12 wenigstens teilweise automatisch gesteuert, insbesondere vollautomatisch (Schritt S6).

Claims

Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeugs (10), das auf einer Straße (12) in einer momentanen Fahrspur (14) fährt, wobei das Kraftfahrzeug (10) einen Sensor (28) aufweist, der dazu ausgebildet ist, zumindest einen vor dem Kraftfahrzeug (10) liegenden Bereich der momentanen Fahrspur (14) zu erfassen, mit den folgenden Schritten: - Erfassen wenigstens einer Fahrspurbegrenzung (17) der momentanen Fahrspur (14) und/oder wenigstens einer Fahrspurbegrenzung (17) wenigstens einer weiteren Fahrspur (16) mittels des wenigstens einen Sensors (28) des Kraftfahrzeugs (10); - Ermitteln einer ersten mathematischen Funktion, welche die wenigstens eine Fahrspurbegrenzung (17) zumindest in einem vordefinierten Teilbereich eines Sichtbereichs des wenigstens einen Sensors (28) beschreibt; und - Ermitteln einer zweiten mathematischen Funktion basierend auf der ersten mathematischen Funktion, wobei die zweite mathematische Funktion die wenigstens eine Fahrspurbegrenzung (17) über den Sichtbereich des wenigstens einen Sensors (28) hinaus beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass angenommen wird, dass der Verlauf der momentanen Fahrspur (14) und/oder der wenigstens einen weiteren Fahrspur (16) außerhalb des Sichtbereiches durch die zweite mathematische Funktion beschrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mathematische Funktion eine Gerade, ein Polynom, ein Übergangsbogen und/oder ein Kreisbogen ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbogen eine Klothoide, eine archimedische Spirale, eine Sinusoide, eine kubische Parabel oder ein Blossbogen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Krümmung der ersten mathematischen Funktion in dem vordefinierten Teilbereich ermittelt wird, wobei die zweite mathematische Funktion basierend auf der Krümmung der ersten mathematischen Funktion in dem vordefinierten Teilbereich ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der zweiten mathematischen Funktion eine maximal zulässige Krümmung von Straßen berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste mathematische Funktion ein Polynom ist, insbesondere ein Polynom dritter Ordnung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte zweite mathematische Funktion auch zur Extrapolation wenigstens einer weiteren Fahrspurbegrenzung (17) der Straße (12) über den Sichtbereich des wenigstens einen Sensors (28) hinaus verwendet wird, wobei die zweite mathematische Funktion verschoben und/oder wenigstens ein Funktionsparameter der zweiten mathematischen Funktion angepasst wird, um die wenigstens eine weitere Fahrspurbegrenzung (17) zu extrapolieren, insbesondere wobei der wenigstens eine Funktionsparameter ein Radius ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mathematische Funktion derart verschoben und/oder der wenigstens eine Funktionsparameter derart angepasst wird, dass Abstände zwischen den einzelnen Fahrspurbegrenzungen (17) entlang der Fahrspurbegrenzungen (17) paarweise gleich bleiben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vordefinierte Teilbereich eine vordefinierte Länge aufweist, insbesondere wobei ein Endpunkt des vordefinierten Teilbereichs basierend auf dem Sichtbereich des wenigstens einen Sensors (28) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Sensors (28) mehrere Fahrspurbegrenzungen (17) erfasst werden, wobei die erste mathematische Funktion und die zweite mathematische Funktion für diejenige Fahrspurbegrenzung (17) ermittelt werden, bei welcher der wenigstens eine Sensor (28) die größte Sichtweite oder die kleinste Sichtweite hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die momentane Fahrspur (14) und/oder die wenigstens eine weitere Fahrspur (16) in ein Frenet-Serret-Koordinatensystem transformiert werden bzw. wird.
Steuergerät (30) für ein System (26) zum Steuern eines Kraftfahrzeugs (10) oder für ein Kraftfahrzeug (10), wobei das Steuergerät (30) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Kraftfahrzeug (10) mit einem Steuergerät (30) nach Anspruch 13.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird, insbesondere einer Recheneinheit (34) eines Steuergeräts (30) nach Anspruch 13.