DE102019129879A1

DE102019129879A1 - Verfahren sowie Steuergerät zum Steuern eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102019129879A1
Application number: DE102019129879.2A
Authority: DE
Inventors: Manuel Schmidt; Andreas Homann; Christian Lienke; Niklas Stannartz; Torsten Bertram; Till Nattermann; Christian Wissing
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-05-06
Also published as: CN112824995A; US11590987B2; US20210129863A1

Abstract

Ein Verfahren zum automatisierten Steuern eines Kraftfahrzeugs (10), das auf einer Straße (12) in einer momentanen Fahrspur (14) fährt, wobei die Straße (12) wenigstens eine weitere Fahrspur (16) aufweist, wird vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Wenigstens zwei vorläufige Fahrmanöver werden generiert und/oder empfangen, die einen Wechsel von der momentanen Fahrspur (14) in die wenigstens eine weitere Fahrspur (16) und einen Startzeitpunkt des Wechsels umfassen. Die Startzeitpunkte der wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanövern liegen an unterschiedlichen Zeitpunkten. Die wenigstens zwei Fahrmanöver werden unter Berücksichtigung der jeweiligen Startzeitpunkte verglichen. Einer der Startzeitpunkte wird basierend auf dem Vergleich ausgewählt. Ferner wird ein Steuergerät für ein System zum Steuern eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen

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.
Die Komplexität der Berechnung der Fahrmanöver steigt im Allgemeinen mit der Zeitdauer der einzelnen Fahrmanöver an. Sollen verschiedene, mögliche Fahrmanöver für einen längeren Zeitraum, beispielsweise länger als drei Sekunden, bestimmt werden oder handelt es sich um komplexe Fahrmanöver mit mehreren Spurwechseln, so sind bisher bekannte Verfahren oft nicht mehr in der Lage, diese in Echtzeit zu ermitteln.
In beinahe jeder Verkehrssituation gibt es sehr viele verschiedene Möglichkeiten, wie das Kraftfahrzeug gesteuert werden kann. Die verschiedenen Möglichkeiten können sich stark voneinander unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich der benötigten Fahrzeit. Vor allem bei dichtem Verkehr sind die bisher bekannten Verfahren oft nicht mehr in der Lage, aus den verschiedenen Möglichkeiten, das Kraftfahrzeug zu steuern, die passende auszuwählen.
Eine besondere Herausforderung stellen dabei Spurwechsel dar, die das Kraftfahrzeug zum Beispiel zum Überholen eines anderen Verkehrsteilnehmers ausführen soll. Dabei spielt vor allem der Startzeitpunkt des Spurwechsels eine wichtige Rolle, da die gesamte weitere Fahrmanöverplanung vom Startzeitpunkt abhängt. Bisher bekannte Verfahren sind dabei nicht immer in der Lage, den optimalen Startzeitpunkt für den Spurwechsel auszuwählen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie ein Steuergerät für ein System zum Steuern eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, das zuverlässig die Ermittlung eines optimalen Spurwechselzeitpunkts erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum automatisierten Steuern eines Kraftfahrzeugs, das auf einer Straße in einer momentanen Fahrspur fährt, wobei die Straße wenigstens eine weitere Fahrspur aufweist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanöver werden generiert und/oder empfangen, die einen Wechsel von der momentanen Fahrspur in die wenigstens eine weitere Fahrspur und einen Startzeitpunkt des Wechsels umfassen, wobei die Startzeitpunkte der wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanövern an unterschiedlichen Zeitpunkten liegen. Die wenigstens zwei Fahrmanöver werden unter Berücksichtigung der jeweiligen Startzeitpunkte verglichen. Einer der Startzeitpunkte wird basierend auf dem Vergleich ausgewählt.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, den optimalen Startzeitpunkt für den Wechsel von der momentanen Fahrspur in die wenigstens eine weitere Fahrspur zu ermitteln, indem verschiedene vorläufige Fahrmanöver mit vordefinierten, unterschiedlichen Startzeitpunkten miteinander verglichen werden.
Der Startzeitpunkt wird also als Parameter behandelt, der für die individuellen vorläufigen Fahrmanöver jeweils festgelegt ist. Indem diese vorläufigen Fahrmanöver mit den unterschiedlichen Startzeitpunkten miteinander verglichen werden, kann der optimale Startzeitpunkt bestimmt oder besser gesagt aus den mehreren unterschiedlichen Startzeitpunkten ausgewählt werden.
Dabei und im Folgenden ist unter einem „optimalen Startzeitpunkt“ stets derjenige der mehreren unterschiedlichen Startzeitpunkte zu verstehen, der ein vordefiniertes Vergleichskriterium am besten erfüllt.
Dabei und im Folgenden ist unter einem „vorläufigen Fahrmanöver“ zu verstehen, dass eine entsprechende Raum-Zeit-Trajektorie des Kraftfahrzeugs noch nicht endgültig auf eine Linie festgelegt ist, sondern lediglich auf bestimmte räumlich-zeitliche Bereiche festgelegt ist.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass zum Vergleichen der wenigstens zwei Fahrmanöver die folgenden Schritte durchgeführt werden:

- Generieren von jeweils einem Zielfahrmanöver basierend auf jeweils einem der wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanöver;
- Vergleichen der wenigstens zwei Zielfahrmanöver; und
- Auswählen eines der wenigstens zwei Zielfahrmanöver basierend auf dem Vergleich, wobei der zugehörige Startzeitpunkt des dem ausgewählten Zielfahrmanöver zugrundeliegenden vorläufigen Fahrmanövers als der Startzeitpunkt ausgewählt wird.

Es werden also zum Ermitteln des optimalen Startzeitpunkts nicht lediglich die jeweiligen vorläufigen Fahrmanöver miteinander verglichen, sondern es wird zunächst das jeweils zugehörige Zielfahrmanöver ermittelt und diese Zielfahrmanöver werden dann miteinander verglichen.
Bei den Zielfahrmanövern handelt es sich jeweils um dasjenige Fahrmanöver, welches das Kraftfahrzeug ausführen soll, wenn der Spurwechsel zum entsprechenden Zeitpunkt startet. Dementsprechend umfassen die Zielfahrmanöver jeweils eine Raum-Zeit-Trajektorie, die den geplanten Weg des Kraftfahrzeugs beschreibt.
Auf diese Weise werden die tatsächlichen, endgültigen Möglichkeiten der Trajektorienplanung für das Kraftfahrzeug verglichen und der optimale Startzeitpunkt wird basierend auf diesem Vergleich ermittelt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanöver optimiert, um die Zielfahrmanöver zu generieren. Anders ausgedrückt handelt es sich bei den Zielfahrmanövern um die jeweils optimierten vorläufigen Fahrmanöver.
Es wird also für mehrere mögliche Startzeitpunkte, insbesondere für alle möglichen Startzeitpunkte, jeweils das optimale Zielfahrmanöver ermittelt. Jedes der ermittelten Zielfahrmanöver ist „lokal optimal“, d.h. optimal unter der Voraussetzung, dass der jeweilige zugehörige Startzeitpunkt fest ist. Durch Vergleich der optimalen Zielfahrmanöver kann dann das „global optimale“ Zielfahrmanöver ermittelt werden. Der zu diesem global optimalen Zielfahrmanöver gehörige Startzeitpunkt wird dann ausgewählt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Kostenfunktional bestimmt, das den vorläufigen Fahrmanövern zumindest auf Basis des jeweiligen Startzeitpunktes einen Kostenfaktor zuordnet, wobei die Kostenfaktoren zum Vergleich der wenigstens zwei Fahrmanöver verglichen werden, insbesondere wobei das Kostenfunktional extremiert wird, um die wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanöver zu optimieren. Bei den oben beschriebenen Zielfahrmanövern handelt es sich jeweils um dasjenige Fahrmanöver, welches das Kostenfunktional für den jeweiligen Startzeitpunkt extremiert. Anders ausgedrückt hat das Kostenfunktional beim jeweiligen Zielfahrmanöver zumindest ein lokales Extremum, insbesondere ein globales Extremum. Dementsprechend handelt es sich beim Ziel-Fahrmanöver um ein Fahrmanöver, das gegenüber dem jeweiligen vorläufigen Fahrmanöver optimiert ist.
Im Folgenden ist unter einem „optimierten Fahrmanöver“ stets ein solches Fahrmanöver zu verstehen, dessen zugeordnete Raum-Zeit-Trajektorie das Kostenfunktional zumindest lokal extremiert, insbesondere global extremiert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass für eine longitudinale Bewegung des Kraftfahrzeugs und für eine seitliche Bewegung des Kraftfahrzeugs jeweils ein Kostenfunktional bestimmt wird. Die beiden Kostenfunktionale können nacheinander, parallel oder unabhängig voneinander extremiert werden.
Insbesondere wird zunächst das Kostenfunktional für die longitudinale Bewegung des Kraftfahrzeugs extremiert, wodurch eine optimierte longitudinale Trajektorie für das Kraftfahrzeug erhalten wird. Basierend auf der optimierten longitudinalen Trajektorie kann dann das Kostenfunktional für die seitliche Bewegung extremiert werden, wodurch das jeweilige Zielfahrmanöver erhalten wird.
Insbesondere wird das Kostenfunktional minimiert, um das jeweilige Zielfahrmanöver zu erhalten. Da der Kostenfaktor umso kleiner ist, je günstiger das entsprechende Fahrmanöver ist, kann so auf einfache Art und Weise das optimale Fahrmanöver, also das Ziel-Fahrmanöver bestimmt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer anderen möglichen Definition des Kostenfunktionals, zum Beispiel bei einem mit (-1) multiplizierten Kostenfunktional, das Kostenfunktional maximiert werden muss, um das Ziel-Fahrmanöver zu erhalten. Jedoch entspricht die oben gewählte Definition des Kostenfunktionals, nämlich, dass der Kostenfaktor umso kleiner ist, je günstiger das entsprechende Fahrmanöver ist, dem intuitiven Verständnis eines Kostenfaktors.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Kostenfaktoren miteinander verglichen werden, welche den wenigstens zwei Zielfahrmanövern zugeordnet sind, um die wenigstens zwei Zielfahrmanöver zu vergleichen. Das Kostenfunktional bzw. die Kostenfaktoren dienen als Vergleichskriterium, um zu beurteilen, welches der Zielfahrmanöver ausgewählt werden soll, die jeweils unter der Voraussetzung des jeweiligen Startzeitpunkts des Spurwechsels ermittelt werden. Insbesondere wird dasjenige Zielfahrmanöver und damit derjenige Startzeitpunkt ausgewählt, dessen zugeordneter Kostenfaktor am geringsten ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung hängt das Kostenfunktional quadratisch von einer jeweiligen Trajektorie, insbesondere zumindest der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in Längsrichtung der Straße, ab, die dem entsprechenden vorläufigen Fahrmanöver zugeordnet ist. Es handelt sich also beim Kostenfunktional um ein quadratisches Funktional, weshalb stets zumindest ein lokales Extremum des Kostenfunktionals existiert. Anders ausgedrückt existiert daher stets eine Lösung für das Optimierungsproblem.
Insbesondere hängt das Kostenfunktional von der ersten Zeitableitung der (longitudinalen) Trajektorie des Kraftfahrzeugs ab, also von der (longitudinalen) Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs. Ferner kann das Kostenfunktional von der zweiten Zeitableitung der (longitudinalen) Trajektorie des Kraftfahrzeugs abhängen, also von der (longitudinalen) Beschleunigung des Kraftfahrzeugs. Außerdem kann das Kostenfunktional von der dritten Zeitableitung der (longitudinalen) Trajektorie des Kraftfahrzeugs abhängen, also von der Änderung der (longitudinalen) Beschleunigung des Kraftfahrzeugs, was auch als Ruck bezeichnet wird.
Vorzugsweise werden die wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanöver unter wenigstens einer Nebenbedingung optimiert. Die wenigstens eine Nebenbedingung kann eine Sicherheitsbedingung, eine Komfortbedingung und/oder eine Machbarkeitsbedingung umfassen. Ein Beispiel für eine Machbarkeitsbedingung ist, ob das Kraftfahrzeug einen bestimmten Raum-Zeit-Bereich aufgrund einer maximalen Beschleunigung oder einer maximalen Verzögerung des Kraftfahrzeugs überhaupt erreichen kann. Ein Beispiel für eine Komfortbedingung ist, ob die Beschleunigung in Längs- und/oder Querrichtung einen vordefinierten Grenzwert übersteigt, der von Fahrzeuginsassen erfahrungsgemäß als unangenehm empfunden wird. Ein Beispiel für eine Sicherheitsbedingung ist ein einzuhaltender Mindestabstand von anderen Verkehrsteilnehmern oder eine Geschwi nd igkeitsbegrenzu ng.
Insbesondere umfasst die wenigstens eine Sicherheitsbedingung einen vorbestimmten räumlichen Sicherheitsabstand und/oder einen vorbestimmten zeitlichen Sicherheitsabstand. Dabei ist unter einem „zeitlichen Sicherheitsabstand“ ein Zeitraum zu verstehen, in dem sich das Fahrzeug ausgehend vom momentanen Zeitpunkt definitiv noch kollisionsfrei bewegen kann, auch wenn das Kraftfahrzeug seinen Bewegungszustand nicht ändert, also beispielsweise nicht bremst. Dieser Zeitraum kann auch als „Zeit bis zur Kollision“ bezeichnet werden.
Dabei entspricht ein räumlicher Sicherheitsabstand stets auch einem zeitlichen Sicherheitsabstand, wobei der zeitliche Sicherheitsabstand jedoch von der aktuellen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs abhängt. Genauer gesagt ergibt sich der zeitliche Sicherheitsabstand als Quotient aus dem räumlichen Sicherheitsabstand und der momentanen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Nebenbedingung zeitvariant und/oder von der entsprechenden Startzeit abhängig ist. Es werden also beim Extremieren des Kostenfunktionals, also beim Optimieren des Fahrmanövers, zeitvariante Nebenbedingungen berücksichtigt. Dadurch wird die momentane Straßenverkehrssituation, in der sich das Kraftfahrzeug befindet, bei der Optimierung des jeweiligen Fahrmanövers berücksichtigt. Insbesondere wird dadurch berücksichtigt, dass sich die momentane Straßenverkehrssituation, in der sich das Kraftfahrzeug befindet, mit dem Startzeitpunkt des Spurwechsels verändert. Dadurch kann in jeder Straßenverkehrssituation in Echtzeit jeweils ein passendes Fahrmanöver für das Kraftfahrzeug für die verschiedenen Startzeitpunkte generiert werden.
Anders ausgedrückt handelt es sich bei den zeitvarianten Nebenbedingungen nicht um zeitlich statische Nebenbedingungen, sondern vielmehr um Nebenbedingungen, die sich mit der Zeit ändern, insbesondere mit dem jeweiligen Startzeitpunkt, und die momentane und/oder die zukünftige Verkehrssituation beschreiben, in der sich das Kraftfahrzeug befindet.
Gemäß einer 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.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Kraftfahrzeug basierend auf dem ausgewählten Startzeitpunkt gesteuert, insbesondere vollautomatisch gesteuert. Anders ausgedrückt wird das Kraftfahrzeug gemäß dem ausgewählten Zielfahrmanöver gesteuert, insbesondere vollautomatisch gesteuert.
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 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Hinsichtlich der Vorteile und Eigenschaften des Steuergeräts wird auf die obigen Erläuterungen bezüglich des Verfahrens zum automatisierten Steuern eines Kraftfahrzeugs verwiesen, welche ebenso für das Steuergerät gelten und umgekehrt.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit einem oben beschriebenen Steuergerät, insbesondere wobei das Kraftfahrzeug wenigstens einen fahrzeuginternen Sensor aufweist, insbesondere einen Beschleunigungssensor, einen Lenkwinkelsensor, ein Radar, ein LIDAR und/oder eine Kamera. Hinsichtlich der Vorteile und Eigenschaften des Kraftfahrzeugs wird auf die obigen Erläuterungen bezüglich des Verfahrens zum automatisierten Steuern eines Kraftfahrzeugs verwiesen, welche ebenso 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 Eigenschaften des Computerprogramms wird auf die obigen Erläuterungen bezüglich des Verfahrens zum automatisierten Steuern eines Kraftfahrzeugs verwiesen, welche ebenso 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;
- die 4(a) und 4(b) schematisch eine Straße vor einer Transformation in ein Frenet-Serret-Koordinatensystem bzw. die Straße nach einer Transformation in ein Frenet-Serret-Koordinatensystem; und
- die 5 bis 10 jeweils eine Illustration einzelner Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens von 3.

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.
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.
Zwischen der momentanen Fahrspur 14 und der weiteren Fahrspur 16 liegt eine Spurwechselzone 21, die teilweise mit der momentanen Fahrspur 14 und der weiteren Fahrspur 16 überlappt.
Durch die gestrichelten Linien 22 und 24 ist angedeutet, dass der erste weitere Verkehrsteilnehmer 18 in naher Zukunft plant, von der momentanen Fahrspur 14 über die Spurwechselzone 21 in die weitere Fahrspur 16 zu wechseln bzw. dass der zweite weitere Verkehrsteilnehmer 20 in naher Zukunft plant, von der weiteren Fahrspur 16 über die Spurwechselzone 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 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.
Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 30 dazu ausgebildet, die im Folgenden anhand der 3 bis 10 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 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 in ein Frenet-Serret-Koordinatensystem transformiert (Schritt S1).
Der Schritt S1 ist in 4 illustriert. 4 (a) zeigt die Straße 12, wie sie tatsächlich verläuft. Im gezeigten Beispiel weist die Straße, 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 4 (b) gezeigt ist. Wie klar zu erkennen ist, verläuft die Straße 12 in diesem Koordinatensystem gerade und ohne Krümmung entlang der Längsrichtung L.
Als nächstes werden freie Bereiche B_f und belegte Bereiche B_b in der momentanen Fahrspur 14 und in der weiteren Fahrspur 16 ermittelt (Schritt S2), wobei es sich bei den freien Bereichen B_f und bei den belegten Bereichen B_b jeweils um räumlich-zeitliche Bereiche handelt.
Dabei sind die freien Bereiche B_f diejenigen räumlich-zeitlichen Bereiche, die frei von den anderen Verkehrsteilnehmern 18, 20 und anderen Hindernissen sind, die ein Befahren der jeweiligen Fahrspur 14, 16 verhindern.
Die belegten Bereiche B_b sind hingegen diejenigen räumlich-zeitlichen Bereiche, die durch die anderen Verkehrsteilnehmer 18, 20 und/oder durch andere Hindernisse belegt sind, sodass die belegten Bereiche B_b vom Kraftfahrzeug 10 nicht befahren werden können.
Um die belegten Bereiche zu ermitteln, benötigt das Steuergerät 30 prognostizierte Trajektorien 22, 24 der weiteren Verkehrsteilnehmer 18, 20. Das Steuergerät 30 kann die Trajektorien 22, 24 selber bestimmen, beispielsweise basierend auf den von den Sensoren 28 erhaltenen Umgebungsdaten, wie der Information, dass ein Richtungsanzeiger eines weiteren Verkehrsteilnehmers 18, 20 aktiviert ist, oder basierend auf per Inter-Fahrzeug-Kommunikation ausgetauschten Daten. Alternativ kann das Steuergerät 30 die Trajektorien 22, 24 direkt von den weiteren Verkehrsteilnehmern 18, 20 oder vom Leitsystem erhalten.
Wie in 5 anhand des konkreten Beispiels von 1 gezeigt ist, werden die freien Bereiche B_f und die belegten Bereiche B_b zunächst jeweils für die momentane Fahrspur 14 und für die weitere Fahrspur 16 ermittelt, und zwar jeweils in einem t-L-Diagramm, wobei t die Zeit ist.
In diesem Beispiel startet der erste weitere Verkehrsteilnehmer 18 zum Zeitpunkt t = 1sein Spurwechselmanöver von der momentanen Fahrspur 14 hin zur weiteren Fahrspur 16, das zum Zeitpunkt t = 5s abgeschlossen ist. In den in 5 gezeigten Diagrammen belegt der erste weitere Verkehrsteilnehmer 18 jeweils den oberen der beiden belegten Bereiche B_b. Während des Spurwechselvorgangs belegt der erste weitere Verkehrsteilnehmer 18 zumindest zeitweise beide Fahrspuren 14, 16.
Der zweite weitere Verkehrsteilnehmer 20 startet zum Zeitpunkt t = 3s ein Spurwechselmanöver von der weiteren Fahrspur 16 hin zur momentanen Fahrspur 14, das zum Zeitpunkt t = 7s abgeschlossen ist. In den in 5 gezeigten Diagrammen belegt der zweite weitere Verkehrsteilnehmer 20 jeweils den unteren der beiden belegten Bereiche B_b.
Die Steigung der belegten Bereiche B_b entspricht dabei der Geschwindigkeit des entsprechenden weiteren Verkehrsteilnehmers 18 bzw. 20. Im in den 5 bis 10 gezeigten Beispiel ist die Geschwindigkeit der weiteren Verkehrsteilnehmer 18, 20 also konstant.
Zur Vereinfachung wird dabei die Koordinate in Querrichtung N diskretisiert, sie kann also nur die drei verschiedenen Werte annehmen, die der momentanen Fahrspur 14, der weiteren Fahrspur 16 bzw. der Spurwechselzone 21 entsprechen. Die drei in 5 gezeigten Diagramme sind also jeweils ein t-L-Diagramm für die momentane Fahrspur 14, für die weitere Fahrspur 16, und für die Spurwechselzone 21.
Dabei entsprechen die schraffierten Abschnitte in den Diagrammen jeweils den belegten Bereichen B_b der jeweiligen Fahrspur 14, 16. Die unschraffierten Abschnitte in den Diagrammen entsprechen hingegen den freien Bereichen B_f der jeweiligen Fahrspur 14, 16.
Zur Bestimmung der freien Bereiche B_f wird zunächst für jede Fahrspur 14, 16 ein Raum-Zeit-Polygon P₁₄ bzw P₁₆ bestimmt, das der gesamten Fahrspur 14 bzw. 16 vor dem Kraftfahrzeug 10 entspricht, insbesondere dem Anteil der Fahrspuren 14, 16, der in Reichweite der Sensoren 28 liegt. In 5 sind die Polygone P₁₄ und P₁₆ die durch die gestrichelten Linien angedeuteten Vierecke.
Ferner werden für die beiden Fahrspuren 14, 16 jeweils Raum-Zeit-Polygone P_14,b bzw. P_16,b ermittelt, welche die belegten Bereichen B_b der jeweiligen Fahrspur 14, 16 umschließen.
Die freien Bereiche B_f in der momentanen Fahrspur 14 oder besser gesagt ein Polygon P_14,f, das den freien Bereichen B_f entspricht, wird dann durch Polygonclipping ermittelt, indem die Polygone P_14,b aus dem Polygon P₁₄ entfernt werden. Anders ausgedrückt handelt es sich dabei also um die Operation $P_{14, f} = P_{14} | P_{14, b} .$
Analog dazu werden die freien Bereiche B_f in der weiteren Fahrspur 16 durch Polygonclipping ermittelt, indem die Polygone P_16,b aus dem Polygon P₁₆ entfernt werden. Es wird also die Operation P_16,f = P₁₆\ P_16,b durchgeführt.
Als nächstes werden, wie in 6 illustriert, die freien Teilbereiche der Spurwechselzone 21 bestimmt (Schritt S3). Dabei ist die Spurwechselzone 21 genau dann frei, wenn sowohl die momentane Fahrspur 14 als auch die weitere Fahrspur 16 frei sind und wenn die Spurwechselzone 21 nicht aus anderen Gründen unbefahrbar ist, beispielsweise aufgrund von Hindernissen oder von einem Überholverbot.
Daher werden die freien Teilbereiche der Spurwechselzone 21 oder besser gesagt ein Polygon P_21,f, das den freien Teilbereichen der Spurwechselzone 21 entspricht, als Schnittmenge der beiden Polygone P_14,f und P_16,f ermittelt. Ist die Spurwechselzone 21 aufgrund eines Hindernisses oder anderweitig nicht befahrbar, so wird ein entsprechendes Raum-Zeit-Polygon P_h, das den nicht befahrbaren Teilbereich der Spurwechselzone 21 umschließt, ermittelt und aus der oben genannten Schnittmenge entfernt.
Anders ausgedrückt ergeben sich die freien Teilbereiche P_21,f der Spurwechselzone 21 also durch die Operation $P_{21, f} = (P_{14, f} \cap P_{16, f}) \ P_{h} .$
Nun werden die Diagramme für die momentane Fahrspur 14 und für die weitere Fahrspur 16 jeweils in Zeitstreifen eingeteilt (Schritt S4), wobei bei jedem Ereignis ein neuer Zeitstreifen beginnt. In 7 sind die verschiedenen Zeitstreifen durch vertikale Trennlinien E voneinander getrennt, die jeweils bei einem Ereignis in das Diagramm eingefügt sind. Unter einem Ereignis ist dabei und im Folgenden jegliche Art von Änderung der Belegung der jeweiligen Fahrspur 14, 16 zu verstehen.
Beginnt oder endet also zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Belegung eines beliebigen Teilbereichs der momentanen Fahrspur 14 oder der weiteren Fahrspur 16, so beginnt im Diagramm für die momentane Fahrspur 14 bzw. für die weitere Fahrspur 16 zu diesem Zeitpunkt ein neuer Zeitstreifen.
Die Trennlinien E zwischen den einzelnen Zeitstreifen in den Diagrammen für beide Fahrspuren 14, 16 werden zudem auf das Diagramm für die Spurwechselzone 21 übertragen.
Um eine zwischen den drei Diagrammen für die momentane Fahrspur 14, für die weitere Fahrspur 16 und die Spurwechselzone 21 konsistente Einteilung der Diagramme zu erreichen, werden in den Diagrammen für die momentane Fahrspur 14 und die weitere Fahrspur 16 schräge Trennlinien T eingefügt, die jeweils eine Verlängerung eines der belegten Bereiche B_b darstellen. Diese zusätzlichen schrägen Trennlinien T sind in den 8 bis 10 gezeigt.
Die vertikalen Trennlinien E, die schrägen Trennlinien T und die belegten Bereiche B_b teilen jedes der drei Diagramme in mehrere Teilbereiche T_i ein, wobei i eine natürliche Zahl größer null ist, die Werte von 1 bis zu einer Gesamtzahl von Teilbereichen T_i annehmen kann.
Zumindest eine der schrägen Trennlinien und/oder zumindest eine der vertikalen Trennlinien kann auch weggelassen oder wieder entfernt werden, um die folgenden Schritte des Verfahrens zu vereinfachen. Insbesondere können alle schrägen Trennlinien weggelassen werden.
Wie in 8 gezeigt ist, wird als nächstes jedem der Teilbereiche T_i der Diagramme für die momentane Fahrspur 14 und für die weitere Fahrspur 16 jeweils ein Spurvertex V_i zugeordnet, während jedem Teilbereich T_i des Diagramms für die Spurwechselzone 21 jeweils ein Wechselzonenvertex W_i zugeordnet wird (Schritt S5). Dabei ist i wiederum eine natürliche Zahl größer null, die Werte von 1 bis zu einer Gesamtzahl von Teilbereichen T_i annehmen kann.
In 8 sind die Spurvertices V_i und die Wechselzonenvertices W_i jeweils diagrammintern zeitgeordnet, d.h. diejenigen Vertices, die Teilbereichen T_i mit kleineren Zeiten entsprechen, stehen weiter links als diejenigen Vertices, die Teilbereichen T_i mit größeren Zeiten zugeordnet sind.
Als nächstes werden die Spurvertices V_i der momentanen Fahrspur 14 paarweise durch Kanten verbunden (Schritt S6), genauer gesagt durch gerichtete Kanten, wenn ein Fahrmanöver des Kraftfahrzeugs 10 zwischen den Teilbereichen T_i möglich ist, denen die Spurvertices V_i zugeordnet sind.
Dabei ist ein Fahrmanöver genau dann als „möglich“ definiert, wenn die beiden Teilbereiche T_i unmittelbar aneinandergrenzen, also nicht durch einen belegten Bereich B_b voneinander getrennt sind. Zudem ist ein Fahrmanöver natürlich stets nur in positiver Zeitrichtung möglich.
Die gleiche Prozedur wird für die Spurvertices V_i der weiteren Fahrspur 16 und für die Wechselzonenvertices W_i der Spurwechselzone 21 wiederholt.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den 9 und 10 aus Übersichtsgründen die Buchstaben „T“, „V“ und „W“ weggelassen sind. Stattdessen wurden die Teilbereiche und die Vertices einfach mit der entsprechenden Nummer versehen. In den 9 und 10 sind Zahlen also keine Bezugszeichen, sondern stellen den Index des entsprechenden Teilbereichs bzw. des entsprechenden Vertex dar.
Das Resultat von Schritt S6 ist in 9 gezeigt. Der in Schritt S6 gewonnene Graph enthält bereits alle möglichen Fahrmanöver für das Kraftfahrzeug 10 innerhalb der beiden Fahrspuren 14, 16 und innerhalb der Spurwechselzone 21.
Als nächstes werden diejenigen Spurvertices V_i der momentanen Fahrspur 14 mit denjenigen Wechselzonenvertices W_i über gerichtete Kanten verbunden, deren zugeordnete Teilbereiche T_i der momentanen Fahrspur 14 bzw. der Spurwechselzone 21 einander überlappen (Schritt S7). Anders ausgedrückt werden diejenigen Spurvertices V_i mit denjenigen Wechselzonenvertices W_i verbunden, deren zugeordnete Teilbereiche T_i eine Schnittmenge haben, die nicht leer ist, wenn man die beiden Diagramme für die momentane Fahrspur 14 und für die Spurwechselzone 21 übereinanderlegt.
Zudem werden diejenigen Wechselzonenvertices W_i mit denjenigen Spurvertices V_i der weiteren Fahrspur 16 über gerichtete Kanten verbunden, deren zugeordnete Teilbereiche T_i der Spurwechselzone 21 bzw. der weiteren Fahrspur 16 einander überlappen. Es werden also diejenigen Spurvertices V_i mit denjenigen Wechselzonenvertices W_i verbunden, deren zugeordnete Teilbereiche T_i eine Schnittmenge haben, die nicht leer ist, wenn man die beiden Diagramme für die weitere Fahrspur 16 und für die Spurwechselzone 21 übereinanderlegt.
Anders ausgedrückt werden in Schritt S7 die einzelnen Teilbereiche T_i der freien Bereiche B_f in Wechselbereiche, in denen ein Fahrspurwechsel zwischen den beiden Fahrspuren 14, 16 möglich ist, und in Spurhaltebereiche eingeteilt, in denen ein Fahrspurwechsel zwischen den beiden Fahrspuren 14, 16 nicht möglich ist.
Das Ergebnis von Schritt S7 ist in 10 gezeigt. Der in Schritt S7 gewonnene Graph enthält alle möglichen Fahrmanöver für das Kraftfahrzeug 10, die einen Wechsel von der momentanen Fahrspur 14 in die weitere Fahrspur 16 beinhalten. Jedes der möglichen Fahrmanöver entspricht dabei einem ununterbrochenen Zug von Kanten im in 10 gezeigten Graphen.
Die oben beschriebenen Schritte S1 bis S7 stellen eine Möglichkeit dar, viele voneinander verschiedene mögliche Fahrmanöver für das Kraftfahrzeug 10 zu ermitteln, insbesondere alle möglichen Fahrmanöver.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch jedes andere geeignete Verfahren verwendet werden kann, um die möglichen Fahrmanöver zu ermitteln.
Die so ermittelten verschiedenen möglichen Fahrmanöver werden dann von einem Optimierungsmodul 36 des Steuergeräts 30 bzw. von einem Optimierungsmodul des Computerprogramms weiterverarbeitet.
Allgemein ausgedrückt ist das Optimierungsmodul dazu ausgebildet, einen optimalen Startzeitpunkt T_LC,opt für den Spurwechsel des Kraftfahrzeugs 10 zu ermitteln.
Zunächst wird für mehrere mögliche Startzeitpunkte jeweils ein vorläufiges Fahrmanöver generiert (Schritt S8).
Für die Generierung der mehreren vorläufigen Fahrmanöver ist es ausreichend, wenn für jeden der möglichen Startzeitpunkte eine einzelne Raum-Zeit-Trajektorie erzeugt wird, beispielsweise indem ein einzelner Punkt aus den einzelnen Raum-Zeit-Bereichen, denen ein Spurvertex V_i oder eine Wechselzonenvertex W_i zugeordnet ist, ausgewählt wird und die Punkte dann miteinander verbunden werden. Die resultierende Trajektorie sollte jedoch glatt sein, also keine Knicke oder ähnliches aufweisen. Beispielsweise werden die einzelnen Punkte über Spline-Funktionen miteinander verbunden, um die Raum-Zeit-Trajektorien zu erhalten.
Für den Fall, dass mehrere verschiedene Möglichkeiten für das vorläufige Fahrmanöver bei einem bestimmten Startzeitpunkt existieren, kann vorgesehen sein, dass dasjenige vorläufige Fahrmanöver ausgewählt wird, dessen zugeordnete Trajektorie am kürzesten ist.
Die generierten vorläufigen Fahrmanöver sind also jeweils mit einem bestimmten Startzeitpunkt für den Spurwechsel des Kraftfahrzeugs verknüpft. Bei den vorläufigen Fahrmanövern ist eine entsprechende Raum-Zeit-Trajektorie des Kraftfahrzeugs noch nicht endgültig auf eine bestimmte Linie festgelegt ist, sondern lediglich auf bestimmte räumlich-zeitliche Bereiche eingegrenzt.
Die vorläufigen Fahrmanöver werden nun jeweils optimiert, sodass aus jedem der vorläufigen Fahrmanöver jeweils ein Zielfahrmanöver erhalten wird (Schritt S9).
Um die vorläufigen Fahrmanöver zu optimieren wird ein Kostenfunktional F bestimmt, das der Raum-Zeit-Trajektorie $x_{T_{L C, i}} = (\begin{matrix} L (t) \\ N (t) \end{matrix}),$
die das jeweilige Fahrmanöver mit Startzeitpunkt T_Lc,i für den Spurwechsel des Kraftfahrzeugs 10 beschreibt, einen Kostenfaktor K = F(x) zuordnet.
Beispielsweise kann das Kostenfunktional die folgende Form haben: $γ_{1} {({\dot{L}}_{E} (T_{L C, p r e}))}^{2} - 2 γ_{1} {\dot{L}}_{E} (T_{L C, p r e}) {\dot{L}}_{d e s} + γ_{2} {({\ddot{L}}_{E} (0 s))}^{2}$
Dabei ist L_E die (longitudinale) Trajektorie des Kraftfahrzeugs 10. ̇̇L̇_des ist eine gewünschte Endgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 10 und T_LC,pre ist der entsprechende vorläufige Startzeitpunkt des Spurwechsels. Die Koeffizienten γ_i stellen Gewichtungsfaktoren für die einzelnen Terme des Kostenfunktionals dar.
In diesem Beispiel hängt das Kostenfunktional also explizit von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 10, von der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 10 und von der gewünschten Endgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 10 ab. Die Abhängigkeit vom Startzeitpunkt ist hingegen lediglich implizit.
Eine weitere Möglichkeit für das Kostenfunktional ist die folgende Form: $\begin{array}{l} γ_{1} {({\dot{L}}_{E} (T_{L C, p r e}))}^{2} - 2 γ_{1} {\dot{L}}_{E} (T_{L C, p r e}) {\dot{L}}_{d e s} + γ_{2} (L_{E}^{(3)} {(T_{L C, p r e})}^{2} + L_{E}^{(3)} {(\frac{T_{L C, p r e}}{3})}^{2} + L_{E}^{(3)} {(\frac{2 T_{L C, p r e}}{3})}^{2}) + \\ + γ 3 T_{L C, p r e} \end{array}$
Hier hängt das Kostenfunktional zusätzlich von der dritten Zeitableitung der (longitudinalen) Trajektorie des Kraftfahrzeugs ab, also vom Ruck $L_{E}^{(3)} .$
Zudem hängt das Kostenfunktional durch den Term γ₃ T_Lc,pre explizit (also direkt) vom Startzeitpunkt des Spurwechsels ab. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass das Kraftfahrzeug 10 die Spur ggf. so bald wie möglich wechseln will, beispielsweise um eigene Bremsmanöver zu vermeiden.
Um das jeweilige vorläufige Fahrmanöver zu optimieren, wird das Kostenfunktional extremiert, genauer gesagt minimiert. Es wird also für die mehreren Startzeitpunkte jeweils dasjenige Fahrmanöver bestimmt, dessen Raum-Zeit-Trajektorie zu einem lokalen Minimum des Kostenfunktionals führt. Dem optimierten Fahrmanöver, also dem jeweiligen Zielfahrmanöver ist also ein lokal minimaler Kostenfaktor zugeordnet, insbesondere ein global minimaler Kostenfaktor.
Das Kraftfahrzeug 10 unterliegt diversen intrinsischen Beschränkungen. Beispielsweise hat das Kraftfahrzeug 10 eine maximale Beschleunigung und eine maximale Verzögerung, die es jeweils nicht überschreiten kann. Außerdem unterliegt das Kraftfahrzeug 10 diversen externen Beschränkungen. Beispielsweise darf es sich nicht am gleichen Ort aufhalten wie ein Hindernis, was einem Crash gleichkommen würde. Ferner gilt auf den meisten Straßen eine Geschwindigkeitsbeschränkung.
Um die intrinsischen und externen Beschränkungen zu berücksichtigen, werden basierend auf den Beschränkungen Nebenbedingungen ermittelt, unter denen das Kostenfunktional dann minimiert wird. Auf diese Weise wird ein Ziel-Fahrmanöver erhalten, wobei das Ziel-Fahrmanöver das, unter den gegebenen Nebenbedingungen, optimale Fahrmanöver aus der jeweiligen Fahrmanöverklasse darstellt.
Bei zumindest einer der Nebenbedingungen kann es sich dabei um eine zeitvariante Nebenbedingung handeln, die individuell für die jeweilige Fahrmanöverklasse bestimmt wird (Schritt S10).
Die zumindest eine zeitvariante Nebenbedingung wird basierend auf den in Schritten S1 bis S5 ermittelten Raum-Zeit-Polygonen ermittelt, welche die freien Raum-Zeit-Bereiche B_f und die belegten Raum-Zeit-Bereiche B_b sowie die Teilbereiche T_i beschreiben.
Das Kraftfahrzeug 10 darf sich zu keinem Zeitpunkt in einem der belegten Bereiche B_b aufhalten. Dies allein ist jedoch als Nebenbedingung im Allgemeinen zu schwach, denn normalerweise ist ein gewisser Sicherheitsabstand notwendig.
Daher wird die wenigstens eine zeitvariante Nebenbedingung derart bestimmt, dass sie einen vorbestimmten zeitlichen und/oder einen vorbestimmten räumlichen Sicherheitsabstand zu den belegten Bereichen B_b umfasst.
Dabei ist unter einem „zeitlichen Sicherheitsabstand“ ein Zeitraum T_TTC zu verstehen, in dem sich das Fahrzeug ausgehend vom momentanen Zeitpunkt definitiv noch kollisionsfrei bewegen kann, auch wenn das Kraftfahrzeug seinen Bewegungszustand nicht ändert, also beispielsweise nicht bremst. Dieser Zeitraum kann auch als „Zeit bis zur Kollision“ bezeichnet werden.
Dabei entspricht ein räumlicher Sicherheitsabstand stets auch einem zeitlichen Sicherheitsabstand, wobei der zeitliche Sicherheitsabstand jedoch von der aktuellen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs abhängt. Genauer gesagt ergibt sich der zeitliche Sicherheitsabstand als Quotient aus dem räumlichen Sicherheitsabstand und der momentanen Geschwindigkeit v(t) des Kraftfahrzeugs.
Die wenigstens eine zeitvariante Nebenbedingung kann dabei allgemein so formuliert werden: $L (t) + ν (t) \cdot T_{T T C} \notin B_{b} .$
Zu jedem gegebenen Zeitpunkt t muss die longitudinale Koordinate L der Raum-Zeit-Trajektorie x(t) also einen Mindestabstand von den belegten Bereichen B_b aufweisen, wobei der Mindestabstand von der aktuellen Geschwindigkeit v(t) abhängig ist.
Dabei ist die zeitvariante Nebenbedingung auch abhängig davon, wo sich das Kraftfahrzeug 10 gerade befindet. Befindet es sich beispielsweise im Teilbereich T₅ (siehe 8), so lautet die entsprechende Nebenbedingung L(t) + v(t) · T_TTC ≤ max P_14,b (t + T_TTC).
Es sei darauf hingewiesen, dass die obere Ungleichung eher konzeptionell als buchstäblich zu verstehen ist. Unter „maxP“ ist dabei zu verstehen, dass das entsprechende Polygon den Teilbereich T₅ oberseitig begrenzt.
Bildlich gesprochen darf sich also das Kraftfahrzeug 10 auch dann nicht in dem vom Polygon P_14,b begrenzten Bereich befinden, wenn das Kraftfahrzeug für die Zeit T_TTC seine Bewegung gleichförmig fortsetzt.
Befindet sich das Kraftfahrzeug hingegen im Teilbereich T₁₅, so lautet die zeitvariante Nebenbedingung wie folgt: $min P_{16, b} (t + T_T T C) \leq L (t) + ν (t) \cdot T_{T T C} \leq max P_{14, b} (t + T_{T T C})$
Analog zum oben beschriebenen Fall beschreibt min P_16,b (t + T_TTC ) hier das Polygon, das den Teilbereich T₁₅ unterseitig begrenzt.
Die zeitvariante Nebenbedingung, unter der das Fahrmanöver optimiert wird, wird also für die einzelnen Teilbereiche T_i individuell bestimmt. Dementsprechend kann sich die zeitvariante Nebenbedingung auch über den Verlauf der Raum-Zeit-Trajektorie hinweg ändern.
Insbesondere wird die wenigstens eine zeitvariante Nebenbedingung basierend auf dem jeweiligen Startzeitpunkt T_Lc,i ermittelt. Dementsprechend können die zeitvarianten Nebenbedingungen vom Startzeitpunkt T_LC abhängig sein.
Es können noch weitere Nebenbedingungen vorgesehen sein, beispielsweise eine Sicherheitsbedingung, eine Komfortbedingung und/oder eine Machbarkeitsbedingung. Ein Beispiel für eine Machbarkeitsbedingung ist, ob das Kraftfahrzeug einen bestimmten Raum-Zeit-Bereich aufgrund einer maximalen Beschleunigung oder einer maximalen Verzögerung des Kraftfahrzeugs überhaupt erreichen kann. Ein Beispiel für eine Komfortbedingung ist, ob die Beschleunigung in Längs- und/oder Querrichtung einen vordefinierten Grenzwert übersteigt, der von Fahrzeuginsassen erfahrungsgemäß als unangenehm empfunden wird. Ein Beispiel für eine Sicherheitsbedingung ist ein einzuhaltender Mindestabstand von anderen Verkehrsteilnehmern oder eine Geschwindigkeitsbegrenzung.
Das Zielfahrmanöver kann dann beispielsweise durch Anwenden eines Dreifachintegrators ermittelt werden, der wie folgt definiert ist: $L_{E} (k + 1) = L_{E} (k) + {\dot{L}}_{E} (k) h + {\ddot{L}}_{E} (k) \frac{h^{2}}{2} + L_{E}^{3} (k) \frac{h^{3}}{6},$
${\dot{L}}_{E} (k + 1) = {\dot{L}}_{E} (k) + {\ddot{L}}_{E} (k) h + L_{E}^{3} (k) \frac{h^{2}}{2},$
${\ddot{L}}_{E} (k + 1) = {\ddot{L}}_{E} (k) + L_{E}^{3} (k) h,$
$L_{E} (0) = L_{E,0}, {\dot{L}}_{E} (0) = {\dot{L}}_{E,0}, {\ddot{L}}_{E} (0) = {\ddot{L}}_{E,0},$
wobei h eine positive reelle Zahl größer Null ist.
Zusammenfassend werden also in Schritt S9 voneinander konzeptionell verschiedene Fahrmanöver, also die vorläufigen Fahrmanöver, jeweils unter bestimmten Nebenbedingungen optimiert. Dementsprechend wird für jedes vorläufige Fahrmanöver das jeweils zugehörige optimale Fahrmanöver, also jeweils das entsprechende Zielfahrmanöver, erhalten.
Das Ergebnis von Schritt S9 ist also ein Satz von optimalen Fahrmanövern, die zu voneinander verschiedenen Startzeitpunkten des Spurwechsels gehören.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Optimierung in zwei Stufen erfolgen kann, wobei zunächst die longitudinale Trajektorie und dann die transversale Trajektorie des Kraftfahrzeugs 10 optimiert wird.
Die mehreren Zielfahrmanöver oder vielmehr die jeweiligen den Zielfahrmanövern zugeordneten Kostenfaktoren werden nun miteinander verglichen und basierend auf dem Vergleich wird eines der Zielfahrmanöver und damit auch einer der Startzeitpunkte ausgewählt (Schritt S11).
Genauer gesagt wird dasjenige Zielfahrmanöver ausgewählt, dessen zugeordneter Kostenfaktor am geringsten ist.
Das Kraftfahrzeug 10 kann dann gemäß dem ausgewählten Fahrmanöver vom Steuergerät 30 wenigstens teilweise automatisiert gesteuert werden, insbesondere vollständig automatisiert.
Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren wird der optimale Startzeitpunkt T_LC,opt für den Wechsel von der momentanen Fahrspur 14 in die wenigstens eine weitere Fahrspur 16 ermittelt, indem verschiedene vorläufige Fahrmanöver mit jeweils vordefinierten, voneinander verschiedenen Startzeitpunkten T_Lc,i miteinander verglichen werden. Dazu wird basierend auf den vorläufigen Fahrmanövern jeweils ein optimiertes Zielfahrmanöver ermittelt.
Der Startzeitpunkt T_Lc,i wird dabei als Parameter behandelt, der für die individuellen vorläufigen Fahrmanöver und für die Zielfahrmanöver jeweils festgelegt ist. Indem die den Zielfahrmanövern zugeordneten Kostenfaktoren miteinander verglichen werden, kann der optimale Startzeitpunkt T_LC,opt bestimmt oder besser gesagt aus den mehreren unterschiedlichen Startzeitpunkten T_Lc,i ausgewählt werden.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Straße
14: momentane Fahrspur
16: weitere Fahrspur
18: erster weiterer Verkehrsteilnehmer
20: zweiter weiterer Verkehrsteilnehmer
21: Spurwechselzone
22: gestrichelte Linie
24: gestrichelte Linie
26: System zum Steuern des Kraftfahrzeugs
28: Sensoren
30: Steuergerät
32: Datenträger
34: Recheneinheit
36: Optimierungsmodul

Claims

Verfahren zum automatisierten Steuern eines Kraftfahrzeugs (10), das auf einer Straße (12) in einer momentanen Fahrspur (14) fährt, wobei die Straße (12) wenigstens eine weitere Fahrspur (16) aufweist, mit den folgenden Schritten: - Generieren und/oder Empfangen von wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanövern, die einen Wechsel von der momentanen Fahrspur (14) in die wenigstens eine weitere Fahrspur (16) und einen Startzeitpunkt des Wechsels umfassen, wobei die Startzeitpunkte der wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanövern an unterschiedlichen Zeitpunkten liegen; - Vergleichen der wenigstens zwei Fahrmanöver unter Berücksichtigung der jeweiligen Startzeitpunkte; und - Auswählen eines der Startzeitpunkte basierend auf dem Vergleich.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleichen der wenigstens zwei Fahrmanöver die folgenden Schritte durchgeführt werden: - Generieren von jeweils einem Zielfahrmanöver basierend auf jeweils einem der wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanöver; - Vergleichen der wenigstens zwei Zielfahrmanöver; und - Auswählen eines der wenigstens zwei Zielfahrmanöver basierend auf dem Vergleich, wobei der zugehörige Startzeitpunkt des dem ausgewählten Zielfahrmanöver zugrundeliegenden vorläufigen Fahrmanövers als der Startzeitpunkt ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanöver optimiert werden, um die Zielfahrmanöver zu generieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kostenfunktional bestimmt wird, das den vorläufigen Fahrmanövern zumindest auf Basis des jeweiligen Startzeitpunktes einen Kostenfaktor zuordnet, wobei die Kostenfaktoren zum Vergleich der wenigstens zwei Fahrmanöver verglichen werden, insbesondere wobei das Kostenfunktional extremiert wird, um die wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanöver zu optimieren.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kostenfaktoren miteinander verglichen werden, welche den wenigstens zwei Zielfahrmanövern zugeordnet sind, um die wenigstens zwei Zielfahrmanöver zu vergleichen.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kostenfunktional quadratisch von einer jeweiligen Trajektorie, insbesondere zumindest der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in Längsrichtung (L) der Straße (12), abhängt, die dem entsprechenden vorläufigen Fahrmanöver zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei vorläufigen Fahrmanöver unter wenigstens einer Nebenbedingung optimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Nebenbedingung zeitvariant und/oder von der entsprechenden Startzeit abhängig ist.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (10) basierend auf dem ausgewählten Startzeitpunkt gesteuert wird, insbesondere vollautomatisch gesteuert.
Steuergerät 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 mit einem Steuergerät (30) nach Anspruch 11, insbesondere wobei das Kraftfahrzeug (10) wenigstens einen fahrzeuginternen Sensor (28) aufweist, insbesondere einen Beschleunigungssensor, einen Lenkwinkelsensor, ein Radar, ein LIDAR und/oder eine Kamera.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird, insbesondere einer Recheneinheit (34) eines Steuergeräts (30) nach Anspruch 11.