DE102019128787A1

DE102019128787A1 - Steuerungssystem und Steuerungsverfahren für einen hierarchischen Ansatz zum Ermitteln einer Trajektorie für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019128787A1
Application number: DE102019128787.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Keller; Christian Wissing; Christian Lienke; Manuel Schmidt; Andreas Homann; Niklas Stannartz; Torsten Bertram
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-04-29

Abstract

Ein Steuerungssystem (10) ist zum Einsatz in eigenen Kraftfahrzeug (12) geeignet und dazu eingerichtet und bestimmt, eine aktuelle Fahrsituation des (eigenen) Kraftfahrzeugs und weiterer Kraftfahrzeugs zu überwachen und eine Trajektorie für ein Fahrmanöver des Kraftfahrzeugs (12) zu bestimmen, der das Kraftfahrzeug (12) folgen soll, basierend auf der Steuerung bereitgestellten Umfelddaten des Kraftfahrzeugs (12). Das Steuerungssystem ist dazu eingerichtet und bestimmt, Information bezüglich einer aktuellen Fahrsituation des Kraftfahrzeugs (12) basierend auf den bereitgestellten Umfelddaten zu ermitteln. Weiter ist das Steuerungssystem (10) dazu eingerichtet und bestimmt, basierend auf den Informationen bezüglich der aktuellen Fahrsituation Stützstellen für eine Trajektorie und Zustandswerte an den Stützstellen zu ermitteln, wobei das Kraftfahrzeug (12) zum Ausführen eines Fahrmanövers der Trajektorie und den Zustandswerten folgen soll. Ferner ist das Steuerungssystem (10) dazu eingerichtet und bestimmt, unter Berücksichtigung von mindestens einem vorherbestimmten, hoch priorisierten Ziel die Stützstellen und die Zustandswerte zu optimieren und/oder weitere Zustandswerte an den Stützstellen zu ermitteln. Schließlich ist das Steuerungssystem (10) dazu eingerichtet und bestimmt, unter Berücksichtigung der Stützstellen, unter Berücksichtigung der Zustandswerte und unter Berücksichtigung von mindestens einem vorherbestimmten, niedrig priorisierten Ziel die Trajektorie für das Kraftfahrzeug (12) mittels einer splinebasierten Interpolation zu bestimmen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Hier werden ein Steuerungssystem und ein Steuerungsverfahren zum Bestimmen einer Trajektorie beschrieben, der ein Kraftfahrzeug zum Ausführen eines Fahrmanövers folgen soll. Das Steuerungssystem und das Steuerungsverfahren basieren insbesondere auf einer Umfeldsensorik in dem eigenen Kraftfahrzeug und unterstützen einen Fahrer oder ein autonom fahrendes Kraftfahrzeug. Bei teilautonomen Kraftfahrzeugen und autonom gesteuerten Kraftfahrzeugen hilft es dabei, die Trajektorienplanung zu vereinfachen und zwischen hoch und niedrig priorisierten Zielen zu unterscheiden
Stand der Technik
Aus dem immer größer werdenden Interesse an verschiedensten Funktionen selbstfahrender Kraftfahrzeuge erwächst ein gesteigertes Bedürfnis für zuverlässige und schnelle Steuerungssysteme und Algorithmen zur Bewegungsplanung (Trajektorienplanung) wenigstens teilautonom fahrender Kraftfahrzeuge. Eine große Herausforderung stellt dabei nicht nur die wachsende Anzahl an Verkehrsteilnehmern dar, sondern auch die kognitiven Aufgaben, die in hochkomplexen Verkehrsszenarien von den Verkehrsteilnehmern bewältigt werden müssen. Bei der Architektur von Steuerungssystemen teilautonom oder autonom fahrender Kraftfahrzeuge beeinflusst neben der Erkennung und Steuerung bestimmter Verkehrssituationen vor allem die Entscheidungsfindung und Bewegungsplanung in hohem Maße die Gesamtperformance des entsprechenden Kraftfahrzeugs.
In den letzten Jahren immer weiter entwickelte Steuerungssysteme und Algorithmen für die Trajektorienplanung (teil)autonomer Kraftfahrzeuge zeugen von der Komplexität des automatisierten Fahrens. Dabei besteht die Herausforderung betreffend die Bewegungsplanung in der Regel darin, eine komfortable und zudem ausführbare und kollisionsfreie Trajektorie basierend auf einem robusten Rechenmodell zu ermitteln, bei der statische und dynamische Objekte im Umfeld dieser Kraftfahrzeuge berücksichtigt werden. Zudem ist es wünschenswert, diese Trajektorie schnellstmöglich zu berechnen, um dadurch Realzeit-Performance der (teil)autonomen Systeme des Kraftfahrzeugs in einer sich dynamisch verändernden Umgebung sicher zu stellen.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze zur Trajektorienplanung entwickelt. Dabei handelt es sich beispielsweise um Bewegungsplanungsalgorithmen oder um Techniken zur samplingbasierten Trajektorienplanung.
In heutigen Kraftfahrzeugen bieten Fahrassistenzsysteme (ADAS - advanced driver assistance systems) eine Vielzahl von Überwachungs- und Hinweisfunktionen, um das Führen der Kraftfahrzeuge sicherer zu machen. Hierbei wird das Umfeld des Kraftfahrzeugs basierend auf aus einem oder aus mehreren an dem Kraftfahrzeug befindlichen Umfeldsensor/en gewonnenen Umfelddaten im Hinblick auf den Fahrtverlauf des Kraftfahrzeugs überwacht.
Bekannte Fahrassistenzsysteme ermitteln beispielsweise, ob sich das Kraftfahrzeug innerhalb einer Fahrspur befindet und ob der Fahrer ungewollt zu einer Seite der Fahrspur abdriftet oder im Begriff ist, diese zu verlassen. Diese Fahrassistenzsysteme generieren aus den gewonnenen Umfelddaten ein „Abbild“ der Straße und insbesondere der Fahrspur. Dabei werden Objekte erkannt und während des Fahrens verfolgt, wie zum Beispiel eine Bordsteinkante, Fahrspurbegrenzungslinien, Fahrspurmarkierungen, Richtungspfeile, etc.
Weiterhin zählen sogenannte „Toter Winkel Überwacher“ zu heutigen Fahrassistenzsystemen. Diese ermitteln, beispielsweise mittels Radar, Lidar, Video oder Ähnlichem, ob sich ein anderes Kraftfahrzeug, ein Verkehrsteilnehmer oder ein Objekt seitlich und/oder hinter dem Kraftfahrzeug befindet, sodass ein Spurwechsel oder ein Abbiegen des eigenen Kraftfahrzeugs zu einer Kollision mit diesem führen könnte.
Ferner wird in sogenannten ACC-Systemen (Adaptive Cruise Control) eine automatische Geschwindigkeitsregelung des Kraftfahrzeugs an die Geschwindigkeit eines vorausfahrenden Kraftfahrzeugs angepasst. Dabei soll immer ein bestimmter Abstand zu dem vorausfahrenden Kraftfahrzeug eingehalten werden. Hierzu ermitteln derartige Systeme eine Bewegungsrichtung und/oder eine Geschwindigkeit des vorausfahrenden Kraftfahrzeugs, um zu vermeiden, dass das Kraftfahrzeug den Weg des vorausfahrenden Kraftfahrzeugs so kreuzt, dass es zu einer kritischen Situation kommt. Dies betrifft einerseits Spurwechsel oder Abbiegevorgänge und andererseits Auffahrunfälle.
In durch Personen geführten Kraftfahrzeugen bieten die Fahrerassistenzsysteme meist eine Hinweisfunktion, um den Fahrer vor einer kritischen Situation oder einem entsprechenden Manöver zu warnen, oder um dem Fahrer ein geeignetes Manöver für das Kraftfahrzeug vorzuschlagen. Gleichermaßen können die Fahrerassistenzsysteme auch in autonom gesteuerten Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um der autonomen Steuerung die entsprechenden Umfelddaten bereitzustellen.
Zugrundeliegendes Problem
Im Straßenverkehr können Situationen auftreten, die von einem Fahrer oder einem (teil)autonomen Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs ein Ausführen eines Fahrmanövers verlangen. Beispielsweise kann bereits ein kurvenförmiger Fahrspurverlauf ein entsprechendes Fahrmanöver des Kraftfahrzeugs verlangen.
Die aktuelle Situation, in der sich das Kraftfahrzeug befindet ist jedoch nicht konstant, sondern ändert sich in der Realität ständig. So können andere Verkehrsteilnehmer beispielsweise absichtlich oder unabsichtlich durch einen Unfall einen Spurwechsel oder eine Geschwindigkeitsänderung vornehmen. Zudem ändert sich die aktuelle Fahrsituation des Kraftfahrzeugs bereits aufgrund des Fahrverhaltens und/oder des sich ändernden Fahrspurverlaufs. Auf solche Änderungen der aktuellen Situation angemessen und rechtzeitig zu reagieren, stellt sowohl für herkömmliche Fahrerassistenzsysteme als auch für menschliche Fahrer eine große Herausforderung dar. Herkömmliche Fahrerassistenzsysteme berechnen hierfür beispielsweise einen Bewegungspfad (Trajektorie), dem das Kraftfahrzeug in der aktuellen Fahrsituation folgen soll. Die Dynamik vieler Verkehrssituationen und der immer dichter werdende Verkehr schlagen sich zudem in einem steigenden Ressourcenverbrauch herkömmlicher Fahrerassistenzsysteme nieder.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Steuerungssystem und ein Steuerungsverfahren für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die nach Maßgabe einer aktuellen Verkehrssituation, in der sich das Kraftfahrzeug befindet, die Fahrsicherheit und den Fahrkomfort des Kraftfahrzeugs erhöhen. Dabei sollen zudem Ressourcen für das Steuerungssystem gespart werden, indem auf effiziente Weise Trajektorien für das Kraftfahrzeug berechnet werden.
Vorgeschlagene Lösung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Steuerungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Steuerungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Bevorzugte Ausführungsformen werden aus den Unteransprüchen 2 bis 10 und 12 sowie der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Ein Aspekt betrifft ein zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtetes und bestimmtes Steuerungssystem. Dieses Steuerungssystem erkennt basierend auf aus mindestens einem, dem Kraftfahrzeug zugeordneten Umfeldsensor/en gewonnenen Umfelddaten Fahrspuren, Fahrbahnbegrenzungen, Fahrbahnmarkierungen, weitere Kraftfahrzeuge und/oder Objekte in einem Bereich vor, seitlich neben und/oder hinter dem Kraftfahrzeug. Der mindestens eine Umfeldsensor ist dazu eingerichtet, einer elektronischen Steuerung des Steuerungssystems die den Bereich vor, seitlich neben und/oder hinter dem Kraftfahrzeug wiedergebenden Umfelddaten bereitzustellen. Das Steuerungssystem ist wenigstens dazu eingerichtet und bestimmt, Information bezüglich einer aktuellen Fahrsituation des Kraftfahrzeugs basierend auf den bereitgestellten Umfelddaten zu ermitteln. Weiterhin ist das Steuerungssystem mindestens dazu eingerichtet und bestimmt, aus den Informationen bezüglich der aktuellen Fahrsituation Stützstellen für eine Trajektorie und Zustandswerte an den Stützstellen zu ermitteln, wobei das Kraftfahrzeug zum Ausführen eines Fahrmanövers der Trajektorie und den Zustandswerten folgen soll. Ferner ist das Steuerungssystem wenigstens dazu eingerichtet und bestimmt, unter Berücksichtigung von mindestens einem vorherbestimmten, hoch priorisierten Ziel die Stützstellen und die Zustandswerte zu optimieren und/oder weitere Zustandswerte an den Stützstellen zu ermitteln. Schließlich ist das Steuerungssystem wenigstens dazu eingerichtet und bestimmt, unter Berücksichtigung der Stützstellen, unter Berücksichtigung der Zustandswerte und unter Berücksichtigung von mindestens einem vorherbestimmten, niedrig priorisierten Ziel die Trajektorie für das Kraftfahrzeug mittels einer splinebasierten Interpolation zu bestimmen.
Das Fahrmanöver kann aus einem Satz von Fahrmanövern ausgewählt werden. Das Steuerungssystem wählt ein passendes Fahrmanöver entsprechend der aktuellen Fahrsituation aus. Der Satz von Fahrmanövern kann zumindest folgende Fahrmanöver umfassen: „Spurwechsel links“, „Spurwechsel rechts“ und „Spur halten“. Des Weiteren kann der Satz von Fahrmanövern auch folgende Fahrmanöver umfassen: „links halten“ und „rechts halten“. Bei dem Fahrmanöver „Spurwechsel links“ soll sich das Kraftfahrzeug am Ende des Fahrmanövers auf einer Fahrspur links der anfangs befahrenen Fahrspur befinden. Bei dem Fahrmanöver „Spurwechsel rechts“ soll das Kraftfahrzeug auf eine Fahrspur rechts neben der anfangs/momentan befahrenen Fahrspur wechseln. Bei dem Fahrmanöver „Spur halten“ soll das Kraftfahrzeug auf der gleichen Fahrspur bleiben. Bei den Fahrmanövern „links halten“ und „rechts halten“ soll das Kraftfahrzeug auf der gleichen Fahrspur bleiben, sich aber in dieser Fahrspur am linken bzw. rechten Rand der Fahrspur befinden.
Auch ein Fahrmanöver „links überholen“ bzw. „rechts überholen“ ist möglich. Das Fahrmanöver „links überholen“ ist im Wesentlichen eine Kombination aus „Spurwechsel links“ und danach „Spurwechsel rechts“, wobei ein weiteres Fahrzeug überholt werden soll, während sich das (eigene) Kraftfahrzeug auf der linken Spur befindet. Auch Fahrmanöver wie „links abbiegen“, „rechts abbiegen“ und/oder „umdrehen“ sind denkbar.
Jedes Fahrmanöver spezifiziert Stützstellen und Zustandswerte für eine vom Kraftfahrzeug zu folgende Trajektorie. Die Stützstellen können gleichmäßig oder ungleichmäßig über eine vor dem Kraftfahrzeug liegende Strecke entlang der Trajektorie verteilt sein.
Wenn die Stützstellen und Zustandswerte unter Berücksichtigung des mindestens einen vorherbestimmten, hoch priorisierten Ziels optimiert werden, ist es möglich, dass die Stützstellen und Zustandswerte verändert werden oder gleich bleiben. Auch können manche der Stützstellen und Zustandswerte gleich bleiben und andere der Stützstellen und Zustandswerte geändert werden. Die gleich bleibenden Stützstellen und/oder Zustandswerte können gleich bleiben, weil sie nicht weiter optimiert werden (können) oder es dem Steuerungssystem in diesem Schritt nicht erlaubt ist diese bestimmten Stützstellen und/oder Zustandswerte zu verändern. Bei dem Optimieren der Stützstellen und/oder Zustandswerte unter Berücksichtigung des mindestens einen hoch priorisierten Ziels können auch noch nicht bestimmte Zustandswerte an bereits bestimmten Stützstellen bestimmt werden.
Die Optimierung und (zusätzlich mögliche) Bestimmung richtet sich nach dem mindestens einem hoch priorisierten Ziel. Das mindestens eine hoch priorisierte Ziel ist vorherbestimmt. Es kann/sie können bei der Herstellung des Kraftfahrzeugs festgelegt werden. Es kann/sie können auch von einem Nutzer/Fahrer des Kraftfahrzeugs bestimmt oder geändert werden.
Die splinebasierte Interpolation kann auf einer kubischen Spline, einer Spline sechsten Grades, einer polynomischen Spline (anderen Grades) oder einer anderen Spline basieren. Die splinebasierte Interpolation kann die Trajektorie nur insoweit beeinflussen, wie die zuvor bestimmten Stützstellen und Zustandswerte dazu Freiraum lassen. Die zuvor bestimmten Stützstellen und Zustandswerte sind, in diesem Fall, die Stützstellen und Zustandswerte, die aus den Informationen bezüglich der aktuellen Fahrsituation ermittelt wurden, die unter Berücksichtigung des mindestens einen hoch priorisierten Ziels optimiert wurden und die unter Berücksichtigung des mindestens einen hoch priorisierten Ziels ermittelt wurden.
Das Steuerungssystem kann in der Information bezüglich der aktuellen Fahrsituation sowohl die Orte wie auch andere Informationen, wie die Geschwindigkeit, weiterer Kraftfahrzeuge umfassen
Das mindestens eine hoch priorisierte Ziel kann ein Verhindern von Kollisionen mit anderen Kraftfahrzeugen und ein Einhalten der Fahrbahnmarkierungen umfassen.
Beim Optimieren der Stützstellen und Zustandswerte unter Berücksichtigung des mindestens einen hoch priorisierten Ziels können die Stützstellen und Zustandswerte so verändert werden, dass das (eigene) Kraftfahrzeug nicht mit anderen Kraftfahrzeugen kollidiert und die Fahrbahnmarkierungen einhält. Die Fahrbahnmarkierungen werden soweit eingehalten, soweit ein Einhalten der Fahrbahnmarkierungen dem Fahrmanöver, wie z.B. einem Spurwechsel, nicht entgegensteht.
Beim Ermitteln weiterer Stützstellen und dazugehöriger Zustandswerte unter Berücksichtigung des mindestens einen hoch priorisierten Ziels der Kollisionsvermeidung können weitere Stützstellen (mit Zustandswerten) so gesetzt werden, dass andere Kraftfahrzeuge umfahren werden. Somit wird eine Kollision verhindert. Die Stützstellen mit den dazugehörigen Zustandswerten können so dicht gesetzt sein, dass in den Zwischenräumen zwischen den Stützstellen das hoch priorisierte Ziel zwangsweise auch befolgt wird. Weitere Stützstellen (mit Zustandswerten) können auch für die Berücksichtigung anderer hoch priorisierte Ziele, wie zum Beispiel dem Einhalten der Fahrbahnmarkierungen, ermittelt werden. Soll, zum Beispiel, einer Kurve auf der gleichen Fahrspur gefolgt werden, können weitere Stützpunkte (mit Zustandswerten) entlang der Kurve ermittelt werden. Somit wird sicher gegangen, dass das Kraftfahrzeug nicht über eine innere Fahrbahnmarkierung schneidet.
Das mindestens eine hoch priorisierte Ziel kann auch eins oder mehrere folgender Ziele umfassen: Nicht Überschreiten einer Geschwindigkeitsbegrenzung, Halten eines Mindestabstands zu einem vorfahrenden Kraftfahrzeugs, Verhindern von Kollisionen mit anderen Kraftfahrzeugen und ein Einhalten der Fahrbahnmarkierungen.
Die splinebasierte Interpolation kann eine optimierende splinebasierte Interpolation sein und die Trajektorie entsprechend des mindestens einen niedrig priorisierten Ziels optimiert.
Die Optimierung anhand der optimierenden splinebasierten Interpolation kann durch eine Kostenfunktion umgesetzt werden. Jede der mindestens einen niedrig priorisierten Ziele kann in der Kostenfunktion gleich oder verschieden gewertet werden. Die Wertung jedes der mindestens einen niedrig priorisierten Ziele kann vorherbestimmt sein.
Das mindestens eine niedrig priorisierte Ziel kann eine Minimierung eines Rucks umfassen.
Der Ruck ergibt sich aus der zeitlichen Ableitung der Beschleunigung, also der dritten zeitlichen Ableitung des Orts. Das mindestens eine niedrig priorisierte Ziel kann auch eins oder mehrere der folgenden Ziele umfassen: Minimierung des Kraftstoffverbrauchs (bzw. Energieverbrauchs), Verringerung der Fahrzeit, Minimierung einer Fahrstrecke, Minimierung des Rucks. Eine Verringerung der Fahrzeit kann in Relation zu anderen niedrig priorisierten Zielen Stehen. Diese Gewichtung dieser Relation kann durch verschiedene Wertungen in der Kostenfunktion wiedergespiegelt werden.
Es ist möglich, dass die Stützstellen Zeitpunkte darstellen und dass die Zustandswerte an den Stützstellen einerseits Werte der Trajektorie an den Stützstellen und andererseits Werte von zeitlichen Ableitungen der Trajektorie an den Stützstellen umfassen.
Die Zustandswerte können Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck umfassen.
Dabei ist der Ort der Wert der Trajektorie an der (zu dem Zustandswert gehörenden) Stützstelle. Die Geschwindigkeit ist die erste zeitliche Ableitung der Trajektorie an der Stützstelle; die Beschleunigung die zweite zeitliche Ableitung und der Ruck die dritte zeitliche Ableitung. Die Zustandswerte, welche zu einer Stützstelle gehörenden, können einen Satz von Zustandswerten bilden.
Generell kann jeder Satz von Zustandswerten nur gleich viele Elemente umfassen. Jedes Element kann ein (bereits) bestimmter oder unbestimmter Zustandswert sein. Zwei Elemente eines Satzes von Zustandswerten können nicht den gleichen Zustandswert beschreiben (ausgenommen für die nachfolgend beschriebenen Lateral- und Longitudinalkomponenten).
Es ist auch möglich, dass verschiedene Sätze von Zustandswerten verschieden viele Elemente umfassen.
Die Zustandswerte können jeweils eine Lateralkomponente und eine Longitudinalkomponente umfassen.
Die Longitudinalkomponente kann sich entlang der Fahrrichtung des Kraftfahrzeugs erstrecken. Die dazugehörige Lateralkomponente kann sich quer zur Fahrrichtung des Kraftfahrzeugs erstrecken. Alternativ kann sich die Longitudinalkomponente auch entlang der Straße erstrecken. Die dazugehörige Lateralkomponente kann sich quer zur Straße erstrecken. In diesen Fällen, wie auch in anderen möglichen Fällen, sind die Longitudinalkomponente und die Lateralkomponente senkrecht zueinander. Die Longitudinalkomponente und die Lateralkomponente können auch einen von 90° (90 Grad) verschiedenen Winkel zueinander aufweisen. Die Lateral- und Longitudinalkomponenten können Teil eines krummlinigen Koordinatensystems oder eines orthogonalen Koordinatensystems sein.
Ein Satz von Zustandswerten, der zu einer Stützstelle gehört, kann jeweils eine Lateralkomponente und eine Longitudinalkomponente des Orts, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und des Rucks umfassen.
Die Zustandswerte können auch eine dritte Komponente aufweisen. Die dritte Komponente kann senkrecht von der Straße hoch zeigen.
Das Steuerungssystem kann eingerichtet und bestimmt sein, um beim Optimieren der Stützstellen und der Zustandswerte weitere Stützstellen zu ermitteln und auch für diese weiteren Stützstellen weitere Zustandswerte unter Berücksichtigung des mindestens einen hoch priorisierten Ziels zu optimieren.
Die weiteren Stützstellen (und die dazugehörigen Zustandswerte) können beispielsweise jeweils in der Mitte zwischen zwei zuvor bekannten Stützstellen eingefügt werden. Diese Mitte kann sowohl ein zeitlicher Mittelwert wie auch ein örtlicher Mittelwert sein.
Die Stützstellen und die Zustandswerte können zumindest ein Anfang und ein Ende der Trajektorie darstellen.
Es ist möglich, dass ein Fahrmanöver nur zwei Stützstellen und dazugehörige Zustandswerte bestimmt. Die Erste dieser Stützstellen und Zustandswerte entsprich der momentanen Zeit und den momentanen Zustandswerten des Kraftfahrzeugs. Die Zweite dieser Stützstellen und Zustandswerte kann einem Endpunkt der Trajektorie entsprechen. In diesem Fall kann die zweite dieser Stützstellen und Zustandswerte die Trajektorie im Sinne des Fahrmanövers beeinflussen. Zum Beispiel im Fall des Fahrmanövers „Spurwechsel links“ kann die Lateralkomponente des Ortes der zweiten Zustandswerte „- 2 Meter“ sein (minus für links; 2 Meter als angenommene Breite jeder der Fahrspuren). In diesem Beispiel wird sich das Kraftfahrzeug am Ende des Fahrmanövers auf einer Fahrspur weiter links als anfangs befinden (vorausgesetzt die Lateralkomponente des Endorts wird nicht beim Optimieren zu einem anderen Wert verändert).
Das Steuerungssystem kann auch dazu eingerichtet und bestimmt sein, mehr als zwei Stützstellen und dazugehörige Zustandswerte basierend auf den Informationen bezüglich der aktuellen Fahrsituation zu ermitteln. Dies kann zum Beispiel bei dem Fahrmanöver „links überholen“ vorteilhaft sein. Bei diesem Fahrmanöver muss zum einen der Ort auf der linken Fahrspur zum Überholen gesetzt werden und zum anderen der Endort auf der (ursprünglichen,) rechten Fahrspur, damit das Kraftfahrzeug nach dem Überholen wieder in die rechte Fahrspur einschert.
Es ist möglich, dass aus den Informationen bezüglich der aktuellen Fahrsituation und unter Berücksichtigung des mindestens einen hoch priorisierten Ziels nicht für jede Stützstelle alle Zustandswerte ermittelt werden.
Es ist möglich, dass manche Stützstellen und/oder Zustandswerte für die splinebasierte Interpolation nicht bestimmt sind. Diese unbestimmten Stützstellen und Zustandswerte lässt mehr Freiraum für die splinebasierte Optimierung.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Steuerungsverfahren, das in einem Kraftfahrzeug (12) basierend auf aus mindestens einem, dem Kraftfahrzeug zugeordneten Umfeldsensor/en gewonnenen Umfelddaten Fahrspuren, Fahrbahnbegrenzungen, Fahrbahnmarkierungen, weitere Kraftfahrzeuge und/oder Objekte in einem Bereich vor, seitlich neben und/oder hinter dem Kraftfahrzeug erkennt. Das Steuerungsverfahren wird insbesondere mittels des vorhergehenden Steuerungssystems ausgeführt. Das Steuerungsverfahren umfasst wenigstens die folgenden Schritte:

- Ermitteln von Information bezüglich einer aktuellen Fahrsituation des Kraftfahrzeugs basierend auf den bereitgestellten Umfelddaten,
- Ermitteln von Stützstellen für eine Trajektorie und Ermitteln von Zustandswerten an den Stützstellen aus den Informationen bezüglich der aktuellen Fahrsituation, wobei das Kraftfahrzeug zum Ausführen eines Fahrmanövers der Trajektorie und den Zustandswerten folgen soll,
- unter Berücksichtigung von mindestens einem vorherbestimmten, hoch priorisierten Ziel Optimieren der Stützstellen und der Zustandswerte und/oder Ermitteln weiterer Zustandswerte an den Stützstellen, und
- unter Berücksichtigung der Stützstellen, unter Berücksichtigung der Zustandswerte und unter Berücksichtigung von mindestens einem vorherbestimmten, niedrig priorisierten

Ziel Bestimmen der Trajektorie für das Kraftfahrzeug mittels einer splinebasierten Interpolation.
Ein noch weiterer Aspekt betrifft ein Kraftfahrzeug, das ein vorstehend beschriebenes Steuerungssystem umfasst.
Gegenüber herkömmlichen Fahrerassistenzsystemen wird in der hier vorgestellte Lösung eine in Realzeit ausführbare Trajektorienberechnung für das Kraftfahrzeug bereitgestellt, der durch die hierarchische Struktur eine robuste und schnelle Ermittlung einer bestmöglichen Trajektorie für ein zukünftiges Fahrmanöver des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Die Trajektorie kann unter Beachtung von absoluten, hoch priorisierten Zielen und unter Berücksichtigung von erwünschten, niedrig priorisierten Zielen berechnet werden. Dadurch kann auf die aktuelle Verkehrssituation schnell reagiert werden, in der sich das Kraftfahrzeug befindet. Hoch priorisierte Ziele werden auf jeden Fall eingehalten und niedrig priorisierten Zielen wird so weit wie möglich nachgekommen.
Wird die Trajektorie für ein zukünftiges Fahrmanöver des eigenen Kraftfahrzeugs eingesetzt, erhöht dies den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit des Kraftfahrzeugs, indem die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs und das sich dynamisch ändernde Umfeld beim Anpassen der Trajektorie berücksichtigt werden.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die zuvor beschriebenen Aspekte und Merkmale beliebig in einem Steuerungssystem und/oder einem Steuerungsverfahren kombiniert werden können. Zwar wurden einige der voranstehend beschriebenen Merkmale in Bezug auf ein Steuerungssystem beschrieben, jedoch versteht sich, dass diese Merkmale auch auf ein Steuerungsverfahren zutreffen können. Genauso können die voranstehend in Bezug auf ein Steuerungsverfahren beschriebenen Merkmale in entsprechender Weise auf ein Steuerungssystem zutreffen.
Figurenliste
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den hier offenbarten Gegenstand. Die Abmessungen und Proportionen der in den Figuren gezeigten Komponenten sind hierbei nicht maßstäblich. Gleiche oder gleichwirkende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Steuerungssystem und mindestens einem Umfeldsensor gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen.
2 zeigt schematisch die Architektur für eine mehrstufige Ermittlung einer Trajektorie.
3 stellt schematisch (a) Auswahlmöglichkeiten an Fahrmanövern und (b) Stützstellen und Zustandswerte bezüglich eines ausgewählten Fahrmanövers dar.
4 stellt schematisch Stützstellen und Zustandswerte bezüglich verschiedener ausgewählter Fahrmanöver und deren Optimierung dar.
5 stellt schematisch eine ermittelte Trajektorie dar.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Im Rahmen der folgenden Offenbarung werden bestimmte Aspekte vorrangig mit Bezug auf das Steuerungssystem beschrieben. Diese Aspekte sind jedoch selbstverständlich auch im Rahmen des offenbarten Steuerungsverfahrens gültig, das beispielsweise von einer zentralen Steuervorrichtung (ECU) eines Kraftfahrzeugs ausgeführt werden kann. Dies kann unter Vornahme geeigneter Schreib- und Lesezugriffe auf einen dem Kraftfahrzeug zugeordneten Speicher erfolgen. Das Steuerungsverfahren kann innerhalb des Kraftfahrzeugs sowohl in Hardware als auch Software als auch einer Kombination aus Hardware und Software implementiert werden. Dazu zählen auch digitale Signalprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise, Field Programmable Gate Arrays sowie weitere geeignete Schalt- und Rechenkomponenten.
1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 12, das ein Steuerungssystem 10 umfasst. Das Steuerungssystem 10 ist mit mindestens einem an dem Kraftfahrzeug 12 befindlichen Umfeldsensor 14, 16, 18 gekoppelt, um von dem mindestens einen Sensor 14, 16, 18 Umfelddaten zu erhalten. Das Steuerungssystem 10 kann eine elektronische Steuerung ECU (Electronic Control Unit; in der Figur nicht dargestellt) umfassen. Beispielsweise kann das vorliegende Steuerungssystem 10 mithilfe der ECU und/oder weiterer elektronischer Steuerungssysteme zumindest dazu eingerichtet und bestimmt sein, eine Trajektorie für das Kraftfahrzeug 12 zu ermitteln, der das Kraftfahrzeug 12 im weiteren Fahrtverlauf folgen soll. Dazu empfängt die ECU beispielsweise Signale von den Umfeldsensoren 14, 16, 18, verarbeitet diese Signale und die zugehörigen Umfelddaten und erzeugt entsprechende Steuerungs- und/oder Ausgabesignale.
In der 1 sind drei Umfeldsensoren 14, 16, 18 dargestellt, die entsprechende Signale an das Steuerungssystem 10 oder die elektronische Steuerung ECU senden. Insbesondere ist an dem Kraftfahrzeug 12 mindestens ein in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs 12 nach vorne gerichteter Umfeldsensor 14 angeordnet, der einen Bereich 22 vor dem Kraftfahrzeug 12 erfasst. Dieser mindestens eine Umfeldsensor 14 kann beispielsweise im Bereich einer vorderen Stoßstange, einer vorderen Lampe und/oder eines vorderen Kühlergrills des Kraftfahrzeugs 12 angeordnet sein. Dadurch erfasst der Umfeldsensor 14 einen Bereich 22 direkt vor dem Kraftfahrzeug 12.
Mindestens ein zusätzlicher oder alternativer, ebenfalls in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs 12 nach vorne gerichteter Umfeldsensor 16 ist im Bereich einer Frontscheibe des Kraftfahrzeugs 12 dargestellt. Beispielsweise kann dieser Umfeldsensor 16 zwischen einem inneren Rückspiegel des Kraftfahrzeugs 12 und dessen Frontscheibe angeordnet sein. Ein solcher Umfeldsensor 16 erfasst einen Bereich 24 vor dem Kraftfahrzeug 12, wobei je nach Gestalt des Kraftfahrzeugs 12 ein Bereich 24 direkt vor dem Kraftfahrzeug 12 aufgrund des vorderen Abschnitts (bzw. dessen Geometrie) des Kraftfahrzeugs 12 nicht erfasst werden kann.
Ferner kann mindestens ein Umfeldsensor 18 seitlich am und/oder am Heck des Kraftfahrzeugs 12 angeordnet sein. Dieser optionale Umfeldsensor 18 erfasst einen Bereich 26, der seitlich und/oder in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs 12 hinter dem Kraftfahrzeug 12 liegt. Beispielsweise können die Daten oder Signale dieses mindestens einen Umfeldsensors 18 zur Verifizierung von durch die anderen Umfeldsensoren 14, 16 erfassten Informationen und/oder zur Bestimmung einer Krümmung einer durch das Kraftfahrzeug 12 befahrenen Fahrspur verwendet werden.
Der mindestens eine Umfeldsensor 14, 16, 18 kann beliebig implementiert sein und eine Frontkamera, eine Heckkamera, eine Seitenkamera, einen Radar-Sensor, einen Lidar-Sensor, einen Ultraschall-Sensor und/oder einen Inertialsensor umfassen. Beispielsweise kann der Umfeldsensor 14 in Form einer Frontkamera, eines Radar-, Lidar-, oder Ultraschall-Sensors verwirklicht sein. Für den höher gelegenen Umfeldsensor 16 eignet sich insbesondere eine Frontkamera, während der im Heck des Kraftfahrzeugs 12 angeordnete Umfeldsensor 18 in Form einer Heckkamera, eines Radar-, Lidar-, oder Ultraschall-Sensors implementiert sein kann.
Die elektronische Steuerung ECU verarbeitet die aus dem/den an dem Kraftfahrzeug 12 befindlichen Umfeldsensor/en 14, 16, 18 gewonnenen Umfelddaten, um Informationen bezüglich der statische Umgebung (unbewegliche Umfeldobjekte wie beispielsweise Fahrbahnbegrenzungen, stehende Hindernisse) sowie der dynamische Umgebung (bewegliche Umfeldobjekte wie beispielsweise andere Kraftfahrzeuge oder Verkehrsteilnehmer) des Kraftfahrzeugs 12 zu erhalten.
So werden von der elektronischen Steuerung die aus dem/den an dem Kraftfahrzeug 12 befindlichen Umfeldsensor/en 14, 16, 18, gewonnenen Umfelddaten verarbeitet, um eine durch das Kraftfahrzeug 12 befahrene Fahrspur mit einer ersten und einer zweiten seitlichen Fahrspurbegrenzung vor dem Kraftfahrzeug 12 zu erfassen. Zusätzlich verarbeitet die elektronische Steuerung ECU die aus dem/den an dem Kraftfahrzeug 12 befindlichen Umfeldsensor/en 14, 16, 18 gewonnen Umfelddaten, um eine durch ein anderes Objekt belegte Fahrspur (die benachbart zu der vom (eigenen) Fahrzeug befahrenen Fahrspur liegt, wobei benachbart bedeutet, dass auch eine oder mehrere weitere Fahrspuren zwischen den benachbarten Fahrspuren liegen können) sowie deren seitliche Fahrspurbegrenzungen vor, seitlich neben und/oder hinter dem Kraftfahrzeug 12 zu erfassen. Bei dem anderen Objekt handelt es sich hier um ein weiteres Kraftfahrzeug, dass sich entlang der der Fahrspur des eigenen Kraftfahrzeugs benachbarten Fahrspur bewegt, oder um jedes andere mögliche Hindernis auf der Fahrspur vor diesem anderen Kraftfahrzeug.
Dazu stellen die Umfeldsensoren 14, 16, 18 der elektronischen Steuerung ECU die den Bereich vor, seitlich neben und/oder hinter dem Fahrzeug wiedergebenden Umfelddaten bereit. Hierfür ist das Steuerungssystem 10 über mindestens einen Datenkanal oder Bus (in 1 gestrichelt dargestellt) mit dem mindestens einen Umfeldsensor 14, 16, 18 verbunden. Der Datenkanal oder Bus kann mittels Kabel oder kabellos realisiert sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das Steuerungssystem 10 oder dessen elektronische Steuerung ECU auch Daten von einem oder mehreren anderen Assistenzsystemen 20 oder einer anderen Steuerung 20 des Kraftfahrzeugs 12 erhalten, die die befahrenen Fahrspuren des eigenen Kraftfahrzeugs 12, eines weiteren Kraftfahrzeugs und weiterer Kraftfahrzeuge mit deren seitlichen Fahrspurbegrenzungen angeben, oder sich daraus ableiten lassen. Somit können bereits durch andere Systeme ermittelte Daten und Informationen durch das Steuerungssystem 10 verwendet werden.
Ferner ermittelt das Steuerungssystem 10 oder dessen elektronische Steuerung ECU eine Fahrsituation mit den Umfeldsensoren, d.h. auf Basis der mithilfe des mindestens einen Umfeldsensors 14, 16, 18 gewonnenen Umfelddaten. Auch hier kann alternativ oder zusätzlich ein bereits vorhandenes Assistenzsystem 20 oder eine elektronische Steuerung 20 Daten und/oder Informationen liefern, die eine Fahrsituation definieren, oder aus denen sich eine Fahrsituation schnell ableiten lässt. Abhängig von der ermittelten Fahrsituation wird anschließend zumindest eine mögliche Trajektorie bestimmt, der das Kraftfahrzeug 12 im weiteren Fahrtverlauf folgen soll.
Das Fahrassistenzsystem 20 oder die elektronische Steuerung 20 können weiter dazu eingerichtet und bestimmt sein, das Kraftfahrzeug (teil)autonom zu steuern. Das Steuerungssystem 10 ist in diesem Fall dazu eingerichtet und bestimmt, Daten an das Fahrassistenzsystem 20 oder die elektronische Steuerung 20 zum autonomen Fahren auszugeben. Insbesondere kann das Steuerungssystem 10 (oder dessen ECU) Daten, die einen Verlauf der bestimmten Trajektorie angeben, der das Kraftfahrzeug 12 im weiteren Verlauf (nach der aktuellen Verkehrssituation) folgen soll, an die Komponente 20 ausgeben. Die Daten können ebenfalls über einen Datenkanal oder Bus kabelgebunden oder kabellos übertragen werden.
2 zeigt schematisch die Architektur für die erfindungsgemäße mehrstufige Ermittlung einer Trajektorie. Im ersten Schritt S1 ermittelt das Steuerungssystem 10 die Information bezüglich der aktuellen Fahrsituation des Kraftfahrzeugs 12 aus den bereitgestellten Umfelddaten. Auf Grundlage dieser Information bestimmt das Steuerungssystem 10 in einem zweiten Schritt S2 ein Fahrmanöver und damit mindestens zwei Stützstellen und dazugehörige Zustandswerte für eine Trajektorie, der das Kraftfahrzeug 12 folgen soll.
Zur Veranschaulichung der Fahrmanöverauswahl zeigt 3a) eine Vielzahl von zur Auswahl stehenden Fahrmanövern 38 und 40. In der 3a) ist ein (eigenes) Kraftfahrzeug 12 und ein weiteres Kraftfahrzeug 28 erkennbar. Auch eine zweispurige Fahrbahn 30 ist erkennbar. Diese Fahrbahn 30 wird durch eine rechte Fahrspurmarkierung 32 und eine linke Fahrspurmarkierung 34 begrenzt. Die Fahrbahn umfasst zwei Fahrspuren, welche durch die Fahrbahnmarkierung 36 voneinander abgegrenzt werden. Die Linke der zwei Fahrspuren wird von den Fahrspurmarkierungen 34 und 36 begrenzt. Die Rechte der zwei Fahrspuren wird durch die Fahrspurmarkierungen 32 und 26 begrenzt. Das eigene Kraftfahrzeug 12 und das weitere Kraftfahrzeug 28 befinden sich beide auf der rechten Fahrspur. Die schwarzen Quadrate stellen einen gewünschten End-Zustand 42 des (eigenen) Kraftfahrzeugs 12 nach Befolgung der Trajektorie dar. Dabei kann als End-Zustand in Form einer Abbildung, wie 3a), nur ein Endort 42 gezeigt werden. Der Kreis von dem eigenen Kraftfahrzeug 12 stellt den Anfangs-Zustand bzw. Anfangsort 44 dar. Die Verbindungslinien zwischen dem Anfangsort 44 und den Endorten 42 (bzw. Anfangs-Zustandswerte und End-Zustandswerte) sind zur Veranschaulichung da.
Entsprechend dem zweiten Schritt S2 in 2, ermittelt das Steuerungssystem 10 aus der Vielzahl von möglichen Fahrmanövern 38 und 40 das Fahrmanöver 40 auf Grundlage der Informationen bezüglich der aktuellen Fahrsituation. In dem in der 3b) dargestellten Beispiel ist das ausgewählte Fahrmanöver 40 ein Fahrmanöver „Spurwechsel links“.
In der 3b) ist eine ähnliche Situation wie in 3a) erkennbar. Anstelle der Vielzahl von möglichen Fahrmanövern 38 und 40 ist in 3b) nur noch das ausgewählte Fahrmanöver 40 gezeigt. Die Stützstellen und dazugehörigen Zustandswerte, welche durch das ausgewählte Fahrmanöver 40 ermittelt werden, beschreiben zumindest einen Anfangsort 44 und einen Endort 42 der Trajektorie.
Wie in 3b) kann der Anfangsort 44 dabei dem momentanen Ort des Kraftfahrzeugs 12 entsprechen. In einem solchen Fall entspricht die Stützstelle, die zu dem Anfangsort 44 gehört, der momentanen Zeit und weitere Zustandswerte (welche zum Anfangsort 44 gehören), wie zum Beispiel Geschwindigkeit, Beschleunigung, etc., entsprechen der momentanen Geschwindigkeit, Beschleunigung, etc. des Kraftfahrzeugs 12. Es ist möglich, dass die Stützstelle und die Zustandswerte, die zum Endort 42 gehören, durch das gewählte Fahrmanöver 40 nur teilweise bestimmt werden. In dem Fall der 3b) kann es sein, dass nur einer oder mehrere der Zustandswerte bestimmt sind, die den lateralen Ort, die laterale Geschwindigkeit oder die laterale Beschleunigung bestimmt. Der End-Zustandswert des lateralen Orts würde ein Wert sein, der der linken Fahrspur entspricht. In dem Beispiel der 3b) wäre dies „- 2 Meter“. Der End-Zustand der lateralen Geschwindigkeit könnte 0 Meter/Sekunde sein. Dies würde bedeuten, dass das Kraftfahrzeug am Endort 42 nicht in eine Richtung zu einer anderen Fahrspur fahren würde - also erstmals auf der linken Fahrspur verbleibt. Der End-Zustandswert der lateralen Beschleunigung könnte 0 Meter/Sekunde^2 sein. Es kann sein, dass die Stützstelle, also der Zeitpunkt, die zum Endort 42 gehört nicht bestimmt ist sondern (erstmals) unbestimmt bleibt. In einem solchen Fall würde der Trajektorienbestimmung mehr Freiheit gegeben werden, in welcher Zeit das Fahrmanöver ausgeführt werden soll. Dies kann auch einen Einfluss auf die Beschleunigung und/oder den Ruck des (eigenen) Kraftfahrzeugs 12 haben.
Auch kann ein ausgewähltes Fahrmanöver 40 mehr als zwei Stützstellen mit dazugehörigen Zustandswerten bestimmen. In dem Beispiel der 4a) sind neben der Stützstelle mit dazugehörigen Zustandswerten des Anfangsorts 44 und der Stützstelle mit dazugehörigen Zustandswerten des Endorts 42 auch eine Stützstelle mit dazugehörigen Zustandswerten eines Zwischenorts 46 gezeigt. Auch bei der Stützstelle mit dazugehörigen Zustandswerten des Zwischenorts 46 können die Stützstelle und/oder eine oder mehrere Zustandswerte unbestimmt sein.
Die Anzahl an Stützstellen und dazugehörigen Zustandswerten und die Werte dieser kann dabei für die verschiedenen Fahrmanöver variieren.
Die bisher (also in Schritt S2) bestimmten Stützstellen und dazugehörigen Zustandswerte werden in einem dritten Schritt S3 in 2 unter Berücksichtigung mindestens eines vorherbestimmen, hoch priorisierten Ziels optimiert. Auch noch nicht bestimmte Zustandswerte können in diesem Schritt an den Stützstellen bestimmt werden. Umfasst das mindestens eine hoch priorisierte Ziel, zum Beispiel, die Verhinderung von Kollisionen mit weiteren Kraftfahrzeugen, überprüft das Steuerungssystem 10, ob weitere Kraftfahrzeuge in der Nähe sind. Zum Beispiel würde das Steuerungssystem 10 in dem in 4b) gezeigten Beispiel erkennen, dass die Orts-Zustandswerte (Plural wegen Lateral- und Longitudinalkomponente) des Zwischenorts 46 zu nah an einem weiteren Kraftfahrzeug 28 liegen. Um eine Kollision des (eigenen) Kraftfahrzeugs 12 mit dem weiteren Kraftfahrzeug 28 zu verhindern, würde das Steuerungssystem die Orts-Zustandswerte des Zwischenorts 46 so verändern (bzw. optimieren), dass eine Kollision ausgeschlossen ist. Zum Beispiel würde das Steuerungssystem 10 die Orts-Zustandswerte des Zwischenorts 46 zu den Werten, wie in 4a) zu sehen, ändern. Das Steuerungssystem könnte alternativ auch die Orts-Zustandswerte bei den ursprünglich (aus dem Fahrmanöver ermittelten) Werten belassen und die dazugehörige Stützstelle - also Zeitpunkt - ändern. Würde diese Stützstelle zu einer späteren Zeit geändert werden, wäre das weitere Kraftfahrzeug 28 schon weiter gefahren und so würde eine Kollision auch vermieden werden.
Auch ist es denkbar, dass weitere Stützstellen mit dazugehörigen Zustandswerten im Schritt S3 ermittelt werden. Auch eine einzige weitere Stützstelle mit dazugehörigen Zustandswerten ist möglich. Das Steuerungssystem 10 kann diese weiteren Stützstellen mit dazugehörigen Zustandswerten hinzufügen, um das mindestens eine hoch priorisierten Ziel zu berücksichtigen. Als Beispiel einer solchen weiteren Stützstelle mit dazugehörigen Zustandswerten ist in 4a) ein Zwischenort 48 erkennbar. Um ein hoch priorisiertes Ziel wie, zum Beispiel, die Verhinderung von Kollisionen zu erreichen, kann das Steuerungssystem 10 den Zwischenort 48 so setzen, dass das (eigene) Kraftfahrzeug 12 bereits weit genug auf die linke Fahrspur gefahren ist, wenn es sich neben dem weiteren Kraftfahrzeug 28 befindet.
Die bisher bestimmten Stützstellen und Zustandswerte werden in einem vierten Schritt S4 in 2 mittels einer splinebasierten Interpolation zu einer Trajektorie interpoliert. Eine solche Trajektorie ist in 5 erkennbar. Aus dem System der Splineinterpolation und den Stützstellen und Zustandswerten ergibt sich ein Gleichungssystem. Wenn die bisher (in Schritten S2 und S3) bestimmten Stützstellen und Zustandswerte nicht ausreichen, um das Gleichungssystem eindeutig zu lösen, kann das Gleichungssystem mithilfe des mindestens einen vorherbestimmten, niedrig priorisierten Ziels optimierend gelöst werden. Das mindestens eine vorherbestimmte, niedrig priorisierten Ziel kann in Form einer Kostenfunktion Teil des zu lösenden Gleichungssystems werden.
Bei der (optimierenden) splinebasierten Interpolation wird für jeden Abschnitt zwischen zwei Stützstellen (i und i+1) ein Polynom N-ten Grades definiert: $P_{i} (t) = \sum_{n = 0}^{N} p_{i, n} t^{n}$
Dabei ist P; das Polynom, t die Zeit und p_i,n sind Koeffizienten. Po(t) ist das erste Polynom, P_S-1(t) ist das letzte Polynom, wenn es S+1 Stützstellen gibt. Die Stützstellen sind von 0 bis S nummeriert. Für jede der Lateralkomponente und der Longitudinalkomponente wird so ein Polynom definiert. Zur Vereinfachung soll hier eine eindimensionale Interpolation repräsentiert werden.
Die Koeffizienten des i-ten Polynoms können auch in Form eines Vektors $\vec{p_{l}}$
repräsentiert werden. Dieser Vektor kann mithilfe von Matrizen A₀ ⁱ und A₁ ⁱ den Zustandswerten $\vec{b_{l}} und \vec{b_{l + 1}}$
zugeordnet werden, welche zu den den Abschnitt des Polynoms begrenzenden Stützstellen gehören: $A_{0}^{i} \vec{p_{l}} = \vec{b_{l}}$
$A_{1}^{i} \vec{p_{l}} = \vec{b_{l + 1}}$
Des Weiteren kann die (zu minimierende) Kostenfunktion für einen einzelnen Abschnitt wie folgt definiert werden: $J_{i} = \int_{t = t i}^{t = t (i + 1)} (\sum_{n = 0}^{N} c_{n} P_{i}^{(n)} {(t)}^{2}) d t = {\vec{p_{l}}}^{T} {\tilde{Q}}_{i} \vec{p_{l}}$
Wobei ti die Zeit der i-ten Stützstelle, P_i ⁽ⁿ⁾ die n-te zeitlich Ableitung des Polynoms P_i, c_n Kostenkoeffizienten, und Q eine Kostenmatrix darstellt. Sollte das mindestens eine niedrig priorisiertes Ziel, zum Beispiel, die Minimierung des Rucks sein, wären die Kostenkoeffizienten c_n wie folgt definiert c₃ = 1 und c_n = 0 für n ≠ 3.
Für die gesamte Trajektorie (Traj(t)), die aus mehreren Abschnitten besteht, können die vorhergehenden Definitionen wie folgt erweitert werden: $T r a j (t) = {\begin{matrix} P_{0} (t), & 0 \leq t \leq t 1 \\ P_{1} (t - t 1), & t 1 \leq t \leq t 2 \\ \begin{array}{r} P_{2} (t - (t 1 + t 2)), \\ ⋮ \end{array} & t 2 \leq t \leq t 3 \end{matrix}$
$\vec{p} = (\begin{matrix} \vec{p_{0}} \\ \vec{p_{1}} \\ ⋮ \\ \vec{p_{s}} \end{matrix}); u n d \vec{b} = (\begin{matrix} \vec{b_{0}} \\ \vec{b_{1}} \\ ⋮ \\ \vec{b_{s}} \end{matrix})$
$A = (\begin{matrix} A_{0}^{0} & \dots & 0 \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ 0 & \dots & A_{0}^{s} \end{matrix}); u n d Q = (\begin{matrix} {\tilde{Q}}_{0} & \dots & 0 \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ 0 & \dots & {\tilde{Q}}_{s} \end{matrix})$
Wobei bei den Matrizen A und Q nur die Diagonalwerte ungleich 0 sind. Somit lässt sich allgemein sagen: $A \vec{p} = \vec{b}$
Aus der Kontinuitätsbedingung folgt, dass $A_{1}^{i} {\vec{p}}_{i} = A_{0}^{i + 1} {\vec{p}}_{i + 1} .$
Die Kostenfunktion kann auch wie folgt ausgedrückt werden: $J = {\vec{b}}^{T} A^{- T} Q A^{- 1} \vec{b}$
Manche Zustandswerte sind bestimmt und andere Zustandswerte sind unbestimmt. So kann der Vektor $\vec{b}$
in einer Weise umsortiert werden, dass die bestimmten Zustandswerte oben angeordnet sind und die unbestimmten Zustandswerte unten angeordnet sind. Nachdem in den Matrizen A und Q nur die Diagonalwerte ungleich 0 sind, können die Elemente dieser Matrizen entsprechend der Umsortierung des Vektors $\vec{b}$
geändert werden. Die Permutierung in den Matrizen und Vektoren ist in der folgenden Formel mit der Matrix C berücksichtigt: $J = {(\begin{matrix} {\vec{b}}_{b e s t i m m t} \\ {\vec{b}}_{u n b e s t i m m t} \end{matrix})}^{T} C A^{- T} Q A^{- 1} C^{T} (\begin{matrix} {\vec{b}}_{b e s t i m m t} \\ {\vec{b}}_{u n b e s t i m m t} \end{matrix}); w o b e i (C A^{- T} Q A^{- 1} C^{T}) = R$
Die Kostenfunktion kann auch nach unbestimmten (un) und bestimmten (be) Elementen wie folgt umgeschrieben werden: $J = {\vec{b}}_{b e}^{T} R_{b e, b e} {\vec{b}}_{b e} + {\vec{b}}_{b e}^{T} R_{b e, u n} {\vec{b}}_{u n} + {\vec{b}}_{u n}^{T} R_{u n, b e} {\vec{b}}_{b e} + {\vec{b}}_{u n}^{T} R_{u n, u n} {\vec{b}}_{u n}$
Um die optimalen Werte der unbestimmten Zustandswerte zu ermitteln muss J nur noch differenziert und gleich 0 gesetzt werden. Daraus folgt: ${\vec{b}}_{u n}^{*} = - R_{u n, u n}^{- 1} R_{b e, u n}^{T} {\vec{b}}_{b e}$
Nachdem alle Zustandswerte bestimmt wurden, kann nun die Trajektorie mittels standardmäßiger Splineinterpolation ermittelt werden.
In einem fünften Schritt S5 aus 2 steuert das Steuerungssystem 10 das (eigene) Kraftfahrzeug 12 entlang der Trajektorie. An den Stützstellen hat das Kraftfahrzeug 12 die der entsprechenden Stützstelle zugehörigen Zustandswerte als Fahrzustand inne.
Auf diese Weise kann eine Trajektorie mit einer hierarchisch strukturierten Optimierungsberechnung ermittelt werden. Aus der Natur der Berechnung werden alle hoch und niedrig priorisierten Ziele berücksichtigt. Die hoch priorisierten Ziele beeinflussen das Ergebnis der niedrig priorisierten Ziele, aber nicht andersherum. Somit ist es auch möglich zwischen hoch priorisierten, absoluten Zielen und niedrig priorisierten, erwünschten Zielen zu unterscheiden. Durch die offenbarte Trajektorienberechnung ist es möglich, dass das Optimierungsproblem (in S4) weniger (unbestimmte) Zustandswerte aufweist. Dadurch weist die Kostenfunktion weniger Terme auf. Dies kann den Optimierungsschritt schneller bzw. weniger rechenaufwendig machen.
Es versteht sich, dass die zuvor erläuterten beispielhaften Ausführungsformen nicht abschließend sind und den hier offenbarten Gegenstand nicht beschränken. Insbesondere ist für den Fachmann ersichtlich, dass er die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombinieren kann und/oder verschiedene Merkmale der Ausführungsformen weglassen kann, ohne dabei von dem hier offenbarten Gegenstand abzuweichen.

Claims

Steuerungssystem (10), das zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug (12) eingerichtet und bestimmt ist, basierend auf aus mindestens einem, dem Kraftfahrzeug zugeordneten Umfeldsensor/en (14, 16, 18) gewonnenen Umfelddaten Fahrspuren, Fahrbahnbegrenzungen, Fahrbahnmarkierungen, weitere Kraftfahrzeuge und/oder Objekte in einem Bereich (22, 24, 26) vor, seitlich neben und/oder hinter dem Kraftfahrzeug (12) zu erkennen, wobei der mindestens eine Umfeldsensor dazu eingerichtet ist, einer elektronischen Steuerung des Steuerungssystems (10) die den Bereich vor, seitlich neben und/oder hinter dem Kraftfahrzeug (12) wiedergebenden Umfelddaten bereitzustellen, und wobei das Steuerungssystem (10) wenigstens dazu eingerichtet und bestimmt ist, - Information bezüglich einer aktuellen Fahrsituation des Kraftfahrzeugs (12) basierend auf den bereitgestellten Umfelddaten zu ermitteln, - aus den Informationen bezüglich der aktuellen Fahrsituation Stützstellen für eine Trajektorie und Zustandswerte an den Stützstellen zu ermitteln, wobei das Kraftfahrzeug (12) zum Ausführen eines Fahrmanövers (40) der Trajektorie und den Zustandswerten folgen soll, ferner ist das Steuerungssystem (10) wenigstens dazu eingerichtet und bestimmt, - unter Berücksichtigung von mindestens einem vorherbestimmten, hoch priorisierten Ziel die Stützstellen und die Zustandswerte zu optimieren und/oder weitere Zustandswerte an den Stützstellen zu ermitteln, und - unter Berücksichtigung der Stützstellen, unter Berücksichtigung der Zustandswerte und unter Berücksichtigung von mindestens einem vorherbestimmten, niedrig priorisierten Ziel die Trajektorie für das Kraftfahrzeug (12) mittels einer splinebasierten Interpolation zu bestimmen.
Steuerungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine hoch priorisierte Ziel ein Verhindern von Kollisionen mit anderen Kraftfahrzeugen und ein Einhalten der Fahrbahnmarkierungen (32, 34, 36) umfasst.
Steuerungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die splinebasierte Interpolation eine optimierende splinebasierte Interpolation ist und die Trajektorie entsprechend des mindestens einen niedrig priorisierten Ziels optimiert.
Steuerungssystem (10) nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine niedrig priorisierte Ziel eine Minimierung eines Rucks umfasst.
Steuerungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützstellen Zeitpunkte darstellen und wobei die Zustandswerte an den Stützstellen einerseits Werte der Trajektorie an den Stützstellen und andererseits Werte von zeitlichen Ableitungen der Trajektorie an den Stützstellen umfassen.
Steuerungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zustandswerte Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck umfassen.
Steuerungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zustandswerte jeweils eine Lateralkomponente und eine Longitudinalkomponente umfassen.
Steuerungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuerungssystem (10) eingerichtet und bestimmt ist beim Optimieren der Stützstellen und der Zustandswerte weitere Stützstellen zu ermitteln und auch für diese weiteren Stützstellen weitere Zustandswerte unter Berücksichtigung des mindestens einen hoch priorisierten Ziels zu optimieren.
Steuerungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützstellen und die Zustandswerte zumindest ein Anfang und ein Ende der Trajektorie darstellen.
Steuerungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus den Informationen bezüglich der aktuellen Fahrsituation und unter Berücksichtigung des mindestens einen hoch priorisierten Ziels nicht für jede Stützstelle alle Zustandswerte ermittelt werden.
Steuerungsverfahren, das in einem Kraftfahrzeug (12) basierend auf aus mindestens einem, dem Kraftfahrzeug (12) zugeordneten Umfeldsensor/en (14, 16, 18) gewonnenen Umfelddaten Fahrspuren, Fahrbahnbegrenzungen, Fahrbahnmarkierungen, weitere Kraftfahrzeuge und/oder Objekte in einem Bereich vor, seitlich neben und/oder hinter dem Kraftfahrzeug (12) erkennt, wobei das Steuerungsverfahren insbesondere mittels eines Steuerungssystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird, und wobei das Steuerungsverfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst: - Ermitteln von Information bezüglich einer aktuellen Fahrsituation des Kraftfahrzeugs (12) basierend auf den bereitgestellten Umfelddaten, - Ermitteln von Stützstellen für eine Trajektorie und Ermitteln von Zustandswerten an den Stützstellen aus den Informationen bezüglich der aktuellen Fahrsituation, wobei das Kraftfahrzeug (12) zum Ausführen eines Fahrmanövers (40) der Trajektorie und den Zustandswerten folgen soll, - unter Berücksichtigung von mindestens einem vorherbestimmten, hoch priorisierten Ziel Optimieren der Stützstellen und der Zustandswerte und/oder Ermitteln weiterer Zustandswerte an den Stützstellen, und - unter Berücksichtigung der Stützstellen, unter Berücksichtigung der Zustandswerte und unter Berücksichtigung von mindestens einem vorherbestimmten, niedrig priorisierten Ziel Bestimmen der Trajektorie für das Kraftfahrzeug (12) mittels einer splinebasierten Interpolation.
Kraftfahrzeug, das ein Steuerungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.