DE102019213749A1 - Method for maintaining an optimal speed specification for a distance to be covered by a vehicle - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren (V) zum Einhalten einer optimalen Geschwindigkeitsvorgabe (vopt) für eine von einem Fahrzeug (1) zurückzulegende Strecke (s), wird ausgehend von Randbedingungen für ein stabiles Fahrverhalten und von Randbedingungen für eine Einhaltung einer Maximal-Geschwindigkeit und einer Stellbeschränkung hinsichtlich Antriebs- und Bremskraft (u) eine Zielfunktion (J) formuliert, die minimiert wird. Ausgehend von dem Ergebnis der minimierten Zielfunktion (J) und von einer vorher formulierten diskreten Bewegungsgleichung (E') wird eine optimale Geschwindigkeitsvorgabe (vopt) für das Fahrzeug (1) bestimmt. Von einem Antriebssystem (2) des Fahrzeugs (1) wird Antriebsenergie und Bremsenergie bereitgestellt, um die optimale Geschwindigkeitsvorgabe (vopt) für die zurückzulegende Strecke (s) einzuhalten.In a method (V) for maintaining an optimal speed setting (vopt) for a distance (s) to be covered by a vehicle (1), on the basis of boundary conditions for stable driving behavior and boundary conditions for compliance with a maximum speed and a setting restriction with regard to Driving and braking force (u) formulates an objective function (J) that is minimized. Based on the result of the minimized objective function (J) and a previously formulated discrete equation of motion (E '), an optimal speed specification (vopt) for the vehicle (1) is determined. A drive system (2) of the vehicle (1) provides drive energy and braking energy in order to maintain the optimal speed setting (vopt) for the distance (s) to be covered.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einhalten einer optimalen Geschwindigkeitsvorgabe für eine von einem Fahrzeug zurückzulegende Strecke mit den Merkmalen nach Anspruch 1, eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 3, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen nach Anspruch 4 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen nach Anspruch 5.The present invention relates to a method for maintaining an optimal speed setting for a distance to be covered by a vehicle with the features according to claim 1, a control device with the features according to claim 3, a computer program product with the features according to claim 4 and a vehicle with the features according to claim 5.

Methoden der modellbasierten prädiktiven Regelung (im Englischen: Model Predictive Control oder abgekürzt MPC) werden auf dem Gebiet der Trajektorien-Regelung, insbesondere im Bereich der längsdynamischen Regelung von Kraftfahrzeugen eingesetzt. So schlägt Schwickart in seiner Arbeit „Energy-Efficient Driver Assistance System For Electric Vehicles Using Model-Predictive Control“ (Schwickart, T., Universite du Luxembourg, Dissertation, 2015) einen Ansatz zur Ermittlung einer energieeffizienten Geschwindigkeitsvorgabe auf Basis eines r quadratischen Programmierung Optimierungsproblems vor.Methods of model-based predictive control (in English: Model Predictive Control or MPC for short) are used in the field of trajectory control, in particular in the field of longitudinal dynamic control of motor vehicles. In his work "Energy-Efficient Driver Assistance System For Electric Vehicles Using Model-Predictive Control" (Schwickart, T., Universite du Luxembourg, dissertation, 2015), Schwickart proposes an approach for determining an energy-efficient speed specification based on a quadratic programming optimization problem in front.

Aus EP 2610836 A1 ist weiterhin eine Optimierung einer Energiemanagement-Strategie auf Basis eines Vorausschauhorizonts und weiteren Umgebungsinformationen durch Minimierung einer Kostenfunktion bekannt. Dabei erfolgt ein Erstellen eines Neuronalen Netzes zur Nutzung im Fahrzeug und eine Modellierung des Fahrers sowie eine Vorhersage des von ihm wahrscheinlich gewählten Geschwindigkeitsverlaufs.Out EP 2610836 A1 an optimization of an energy management strategy on the basis of a forecast horizon and further environmental information by minimizing a cost function is also known. A neural network is created for use in the vehicle and the driver is modeled as well as a prediction of the speed profile he is likely to have chosen.

Ferner offenbart EP 1256476 B1 eine Strategie zur Reduktion des Energiebedarfs beim Fahren und zur Erhöhung der Reichweite. Dabei werden Informationen des Navigationsgeräts genutzt, nämlich eine aktuelle Fahrzeugposition, Straßenmuster, Geografie mit Datum und Uhrzeit, Höhenveränderung, Geschwindigkeitsbeschränkungen, Kreuzungsdichte, Verkehrsüberwachung und Fahrmuster des Fahrers.Also disclosed EP 1256476 B1 a strategy to reduce the energy consumption while driving and to increase the range. Information from the navigation device is used, namely a current vehicle position, road pattern, geography with date and time, change in altitude, speed restrictions, intersection density, traffic monitoring and the driver's driving pattern.

Zudem offenbart DE 102016209984 A1 ein Verfahren zur Schätzung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung des maximalen Reibwerts an einem aktuellen und/oder zukünftigen Wegpunkt eines Fahrzeugs.Also revealed DE 102016209984 A1 a method for estimating a probability distribution of the maximum coefficient of friction at a current and / or future waypoint of a vehicle.

Es ist somit bekannt, ein möglichst energieeffizientes Geschwindigkeitsprofil zu planen. Allerdings sind keine Ansätze bekannt, diese Planung bezüglich einer Komfortoptimierung unter gleichzeitiger Einhaltung fahrdynamischer Grenzen, welche insbesondere von dem maximal vorhandenem Reibwert vor dem Fahrzeug abhängen, zu erweitern. Zur Komfortoptimierung werden auch Aspekte der Prävention von Kinetose (engl. Motion Sickness) herangezogen.It is therefore known to plan a speed profile that is as energy-efficient as possible. However, no approaches are known to expand this planning with regard to an optimization of comfort while at the same time maintaining driving dynamics limits, which in particular depend on the maximum existing coefficient of friction in front of the vehicle. Aspects of the prevention of motion sickness are also used to optimize comfort.

Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Methode vorzuschlagen, mittels welcher eine optimale Geschwindigkeitsvorgabe für eine von einem Fahrzeug zurückzulegende Strecke ermittelt werden kann.Based on the prior art, the present invention is based on the object of proposing an improved method by means of which an optimal speed specification for a distance to be covered by a vehicle can be determined.

Die vorliegende Erfindung schlägt ausgehend von der vorgenannten Aufgabe ein Verfahren zum Einhalten einer optimalen Geschwindigkeitsvorgabe für eine von einem Fahrzeug zurückzulegende Strecke nach Anspruch 1, eine Steuereinrichtung nach Anspruch 3, ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 4 und ein Fahrzeug nach Anspruch 5 vor. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.Based on the aforementioned object, the present invention proposes a method for maintaining an optimal speed specification for a distance to be covered by a vehicle according to claim 1, a control device according to claim 3, a computer program product according to claim 4 and a vehicle according to claim 5. Further advantageous refinements and developments emerge from the subclaims.

Bei einem Verfahren zum Einhalten einer optimalen Geschwindigkeitsvorgabe für eine von einem Fahrzeug zurückzulegende Strecke werden ein Steigungsprofil, eine Kurvenkrümmung, ein maximal vorhandener Reibwert und eine Referenz-Geschwindigkeit für die Strecke ermittelt. Zudem werden eine Masse und eine projizierte Stirnfläche des Fahrzeugs bestimmt. Des Weiteren werden ein Rollwiderstand, ein Luftwiderstand und ein Steigungswiderstand für das Fahrzeug ermittelt. Mittels dieser Daten wird eine diskrete Bewegungsgleichung unter Berücksichtigung einer zu optimierenden Antriebs- und Bremskraft formuliert. Weiterhin werden Randbedingungen für ein stabiles Fahrverhalten für die Strecke unter Berücksichtigung der Kurvenkrümmung und des maximal vorhandenen Reibwerts formuliert, wobei diese Randbedingungen eine konvexe Approximation des Kammschen Kreises mittels linearer Ungleichungen beschreiben. Außerdem werden Randbedingungen für eine Einhaltung einer Maximal-Geschwindigkeit und einer Stellbeschränkung für die Strecke formuliert.In a method for maintaining an optimal speed specification for a route to be covered by a vehicle, an incline profile, a curve curvature, a maximum existing coefficient of friction and a reference speed for the route are determined. In addition, a mass and a projected frontal area of the vehicle are determined. Furthermore, a rolling resistance, an air resistance and a gradient resistance for the vehicle are determined. Using this data, a discrete equation of motion is formulated, taking into account a drive and braking force to be optimized. Furthermore, boundary conditions for a stable driving behavior for the route are formulated taking into account the curvature of the curve and the maximum existing coefficient of friction, these boundary conditions describing a convex approximation of the Kamm's circle by means of linear inequalities. In addition, boundary conditions for maintaining a maximum speed and a setting restriction for the route are formulated.

Ausgehend von den Randbedingungen für ein stabiles Fahrverhalten und von den Randbedingungen für eine Einhaltung einer Maximal-Geschwindigkeit und einer Stellbeschränkung hinsichtlich Antriebs- und Bremskraft wird eine Zielfunktion formuliert. Die Zielfunktion wird anschließend minimiert. Als Optimierungsvariable dient dabei die Antriebs- bzw. Bremskraft über die zurück-zulegende Strecke. Ausgehend von dem Ergebnis der minimierten Zielfunktion und von der diskreten Bewegungsgleichung wird eine optimale Geschwindigkeitsvorgabe für das Fahrzeug bestimmt. Von einem Antriebssystem des Fahrzeugs wird Antriebs- und Bremsenergie bereitgestellt, um die optimale Geschwindigkeitsvorgabe für die zurückzulegende Strecke einzuhalten.A target function is formulated on the basis of the boundary conditions for stable driving behavior and the boundary conditions for maintaining a maximum speed and a setting restriction with regard to drive and braking force. The objective function is then minimized. The drive or braking force over the distance to be covered is used as an optimization variable. Based on the result of the minimized objective function and the discrete equation of motion, an optimal speed specification for the vehicle is determined. Drive and braking energy is provided by a drive system of the vehicle in order to maintain the optimal speed specification for the distance to be covered.

Folgende Kriterien fließen in die Zielfunktion ein und geben den Rahmen der Optimierung vor: ein möglichst schnelles Durchfahren der zurückzulegenden Strecke, eine möglichst geringe Abweichung von der Referenz-Geschwindigkeit, ein möglichst ruckfreies Fahren mit geringen Änderungen der Beschleunigung und ein möglichst geringes Potential für Kinetose. Des Weiteren sind folgende Nebenbedingungen zu beachten, die einen weiteren Rahmen für die Optimierung vorgeben: physikalische Plausibilität, welche erreicht wird, indem die Geschwindigkeitsvorgabe in Längsrichtung der Bewegungsgleichung folgt; stabiles Fahrverhalten, welches erreicht wird, indem der Kammsche Kreis nicht verlassen werden soll; ein Einhalten einer maximal erlaubten Geschwindigkeit; ein Einhalten einer Stellbeschränkung hinsichtlich Antriebs- und Bremskraft des Fahrzeugs;The following criteria flow into the target function and provide the framework for optimization: the fastest possible execution of the distance to be covered, the smallest possible deviation from the reference speed, driving as smoothly as possible with minor changes in acceleration and the lowest possible potential for kinetosis. Furthermore, the following secondary conditions must be observed, which provide a further framework for the optimization: physical plausibility, which is achieved by the speed specification following the equation of motion in the longitudinal direction; stable driving behavior, which is achieved by not leaving Kamm's circle; compliance with a maximum permitted speed; compliance with a setting restriction with regard to the drive and braking force of the vehicle;

Das Fahrzeug kann beispielsweise ein PKW, LKW oder anderer NKW, z. B. auch eine Land- oder Baumaschine, oder auch ein Schienenfahrzeug sein. Das Fahrzeug kann beispielsweise auch derart ausgeformt sein, dass dieses befähigt ist Fahrfunktionen ab Autonomielevel 3 oder höher auszuführen. Das Autonomielevel bezieht sich hierbei auf die SAE J3016 Klassifizierung.The vehicle can, for example, be a car, truck or other commercial vehicle, e.g. B. also be an agricultural or construction machine, or a rail vehicle. The vehicle can, for example, also be shaped in such a way that it is able to carry out driving functions from autonomy level 3 or higher. The autonomy level refers to the SAE J3016 classification.

Das Fahrzeug weist ein Antriebssystem auf, welches dazu ausgeformt ist, Antriebsenergie bereitzustellen, mit welcher das Fahrzeug angetrieben werden kann. Das Antriebssystem kann weist dabei eine Energiequelle auf, welche z. B. als Elektromotor oder als Verbrennungsmotor oder als eine andere geeignete Energiequelle ausgeformt sein kann. Das Antriebssystem kann ein Getriebe aufweisen, welches dazu geeignet ist, das von der Energiequelle bereitgestellte Drehmoment zu übersetzen.The vehicle has a drive system which is designed to provide drive energy with which the vehicle can be driven. The drive system can have an energy source which z. B. can be formed as an electric motor or as an internal combustion engine or as another suitable energy source. The drive system can have a transmission which is suitable for translating the torque provided by the energy source.

Das Fahrzeug weist weiterhin eine Steuereinrichtung auf, die mit dem Antriebssystem des Fahrzeugs verbunden ist. Diese Verbindung ist derart, dass ein Daten- und Signalaustausch erfolgen kann. Die Verbindung kann drahtlos oder kabelgebunden ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, das Antriebssystem des Fahrzeugs anzusteuern. Des Weiteren kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, das Fahrzeug zu befähigen autonome Fahrfunktionen ab Level 3 durchzuführen. Die Steuereinrichtung kann z. B. als ECU oder Domain-ECU ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung weist außerdem eine Kommunikationseinheit auf, mittels welcher diese mit externen Systemen kommunizieren kann, beispielsweise mit einem zentralen Datenspeicher, z. B. einer Cloud, oder mit weiteren Fahrzeugen oder einer Infrastruktur per C2X-Kommunikation. Zudem kann die Steuereinrichtung eine Speichereinrichtung aufweisen.The vehicle also has a control device which is connected to the drive system of the vehicle. This connection is such that data and signals can be exchanged. The connection can be wireless or wired. The control device is set up to control the drive system of the vehicle. Furthermore, the control device can be set up to enable the vehicle to carry out autonomous driving functions from level 3. The control device can, for. B. be designed as an ECU or domain ECU. The control device also has a communication unit by means of which it can communicate with external systems, for example with a central data memory, e.g. B. a cloud, or with other vehicles or an infrastructure via C2X communication. In addition, the control device can have a memory device.

Zudem weist das Fahrzeug eine Umfeld-Sensorik auf. Diese ist dazu eingerichtet, eine Umgebung des Fahrzeugs zu erfassen. Die Umfeld-Sensorik kann beispielsweise einen Radar-Sensor, einen Lidar-Sensor, eine Kamera oder eine Kombination aus diesen Sensoren oder andere geeignete Umfeld-Sensoren aufweisen. Die Umfeld-Sensorik ist mit der Steuereinrichtung verbunden. Diese Verbindung ist derart, dass ein Daten- und Signalaustausch erfolgen kann. Die Verbindung kann drahtlos oder kabelgebunden ausgebildet sein.In addition, the vehicle has an environment sensor system. This is set up to record the surroundings of the vehicle. The environment sensor system can have, for example, a radar sensor, a lidar sensor, a camera or a combination of these sensors or other suitable environment sensors. The environment sensor system is connected to the control device. This connection is such that data and signals can be exchanged. The connection can be wireless or wired.

Des Weiteren weist das Fahrzeug ein Positionsbestimmungs-System auf. Dieses ist dazu eingerichtet, eine Position des Fahrzeugs zu ermitteln. Das Positionsbestimmungs-System kann diese Position beispielsweise mittels GPS-Koordinaten ermitteln. Das Positionsbestimmungs-System kann beispielsweise in ein handelsübliches Navigationsgerät integriert sein. Das Positionsbestimmungs-System ist mit der Steuereinrichtung verbunden. Diese Verbindung ist derart, dass ein Daten- und Signalaustausch erfolgen kann. Die Verbindung kann drahtlos oder kabelgebunden ausgebildet sein.The vehicle also has a position determination system. This is set up to determine a position of the vehicle. The position determination system can determine this position using GPS coordinates, for example. The position determination system can be integrated into a commercially available navigation device, for example. The position determination system is connected to the control device. This connection is such that data and signals can be exchanged. The connection can be wireless or wired.

Die von dem Fahrzeug zurückzulegende Strecke ist diejenige Strecke, die bei einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs zurückgelegt wird. Die zurückzulegende Strecke bezeichnet nicht diejenige Strecke, die von dem Fahrzeug in weiter Zukunft zurückzulegen ist, beispielsweise mit einer Verzögerung von mehreren Stunden nach dem Fahrtantritt. In anderen Worten bezeichnet die zurückzulegende Strecke diejenige Strecke, die direkt vor dem Fahrzeug liegt und bei welcher das Fahrzeug im Begriff ist, diese zurückzulegen. Diese zurückzulegende Strecke kann auch als Horizont bezeichnet werden.The distance to be covered by the vehicle is the distance that is covered when the vehicle is in motion. The distance to be covered does not refer to the distance that the vehicle has to cover in the future, for example with a delay of several hours after the start of the journey. In other words, the route to be covered refers to the route that is directly in front of the vehicle and at which the vehicle is about to cover it. This distance to be covered can also be referred to as the horizon.

Für diese zurückzulegende Strecke werden ein Steigungsprofil und eine Kurvenkrümmung ermittelt. Diese können z. B. mittels der Umfeld-Sensorik oder mittels einer Abfrage einer Datenbank, die beispielsweise in einer Kartensoftware des Navigationsgeräts oder in der Cloud hinterlegt ist, ermittelt werden. Außerdem wird ein streckenabhängiges Profil eines maximal vorhandenen Reibwerts vor dem Fahrzeug ermittelt. Dieses kann mittels eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens geschätzt werden. Alternativ dazu kann das Profil des maximal vorhandenen Reibwerts mittels der Umfeld-Sensorik ermittelt werden oder an die Steuereinrichtung kommuniziert werden, z. B. von vorausfahrenden Fahrzeugen oder von einer zentralen Einrichtung.A gradient profile and a curve curvature are determined for this distance to be covered. These can e.g. B. by means of the environment sensors or by querying a database that is stored, for example, in map software of the navigation device or in the cloud. In addition, a route-dependent profile of a maximum existing coefficient of friction in front of the vehicle is determined. This can be estimated using a method known from the prior art. Alternatively, the profile of the maximum existing coefficient of friction can be determined by means of the environment sensor system or communicated to the control device, e.g. B. from vehicles in front or from a central facility.

Zudem wird eine Referenz-Geschwindigkeit für die zurückzulegende Strecke ermittelt. Diese Referenz-Geschwindigkeit kann beispielsweise aus früheren Fahrten auf derselben Strecke bekannt sein und in der Speichereinrichtung der Steuereinrichtung vorliegen. Alternativ dazu kann die Referenz-Geschwindigkeit in einem zentralen Datenspeicher vorliegen und von diesem abgerufen werden.In addition, a reference speed is determined for the distance to be covered. This reference speed can be known, for example, from previous journeys on the same route and can be present in the memory device of the control device. As an alternative to this, the reference speed can be present in a central data memory and can be called up from this.

Des Weiteren werden eine Masse und eine projizierte Stirnfläche des Fahrzeugs bestimmt. Die Masse des Fahrzeugs und die projizierte Stirnfläche des Fahrzeugs können beispielsweise in der Speichereinrichtung der Steuereinrichtung hinterlegt sein. Die projizierte Stirnfläche bezeichnet hierbei diejenige Fläche, die bei einer Fahrt mit dem Fahrzeug zu einem Luftwiderstand beiträgt.Furthermore, a mass and a projected frontal area of the vehicle are determined. The mass of the vehicle and the projected frontal area of the vehicle can, for example, be stored in the storage device of the control device. The projected frontal area denotes the area that contributes to air resistance when driving the vehicle.

Es werden ein Steigungswiderstand, ein Rollwiderstand und ein Luftwiderstand für das Fahrzeug ermittelt. Der Luftwiderstand bestimmt sich anhand folgender Gleichung: F A e r o = ρ c A e r o A A e r o m E

Figure DE102019213749A1_0001
A gradient resistance, a rolling resistance and an air resistance for the vehicle are determined. The air resistance is determined using the following equation: F. A. e r O = ρ c A. e r O A. A. e r O m E.
Figure DE102019213749A1_0001

Dabei bezeichnet p die Luftdichte, CAero den Strömungswiderstandsbeiwert des Fahrzeugs, der in der Speichereinrichtung der Steuereinrichtung hinterlegt sein kann, AAero die projizierte Stirnfläche, m die Fahrzeugmasse und E die aktuelle kinetische Energie des Fahrzeugs.Where p denotes the air density, C Aero the drag coefficient of the vehicle, which can be stored in the storage device of the control device, A aero the projected frontal area, m the vehicle mass and E the current kinetic energy of the vehicle.

Der Rollwiderstand berechnet sich anhand folgender Gleichung: F R o l l ( s ) = c R o l l m g c o s ( α ( s ) )

Figure DE102019213749A1_0002
The rolling resistance is calculated using the following equation: F. R. O l l ( s ) = c R. O l l m G c O s ( α ( s ) )
Figure DE102019213749A1_0002

Dabei bezeichnet CRoll den Rollwiderstand, m die Fahrzeugmasse, g die Erdbeschleunigung und α (s) die Steigung der Fahrbahn am Streckenpunkt s.Here designated C roll the rolling resistance, m the vehicle mass, g the acceleration due to gravity and α (s) the slope of the roadway at the route point s .

Der Steigungswiderstand berechnet sich anhand folgender Gleichung: F S t e i g ( s ) = m g s i n ( α ( s ) )

Figure DE102019213749A1_0003
The incline resistance is calculated using the following equation: F. S. t e i G ( s ) = m G s i n ( α ( s ) )
Figure DE102019213749A1_0003

Mittels dieser Daten wird eine zunächst kontinuierliche Bewegungsgleichung über die Streckenvariable s formuliert. Diese lautet folgendermaßen: d E d s = E ' = F A e r o F S t e i g u n g ( s ) F R o l l ( s ) + u ( s )

Figure DE102019213749A1_0004
Using this data, an initially continuous equation of motion is created over the path variable s formulated. This is as follows: d E. d s = E. ' = - F. A. e r O - F. S. t e i G u n G ( s ) - F. R. O l l ( s ) + u ( s )
Figure DE102019213749A1_0004

Die Variable u(s) bezeichnet dabei die vom Antriebssystem des Fahrzeugs zur Verfügung gestellte Antriebs-und Bremskraft. Auf diese Bewegungsgleichung kann anschließend eine Euler-Diskretisierung angewendet werden, welche die Schrittweite h zwischen zwei diskreten Streckenabschnitten aufweist. Diese führt zu folgender diskreter Bewegungsgleichung oder Zustandsraumdarstellung für den Zustand der kinetischen Energie E des Fahrzeugs: E k + 1 = L E k + B u k + Q k

Figure DE102019213749A1_0005
The variable u (s) denotes the drive and braking force made available by the drive system of the vehicle. An Euler discretization can then be applied to this equation of motion, which determines the step size H having between two discrete route sections. This leads to the following discrete equation of motion or state space representation for the state of kinetic energy E. of the vehicle: E. k + 1 = L. E. k + B. u k + Q k
Figure DE102019213749A1_0005

Dabei bezeichnet L eine Systemmatrix, B eine Eingangsmatrix für den Eingang der Antriebs- und Bremskraft u, und Q den Störgrößenvektor oder den Offsetvektor. Die einzelnen Faktoren berechnen sich wie folgt: L = ( 1 h ρ c A e r o A A e r o m )

Figure DE102019213749A1_0006
B = h
Figure DE102019213749A1_0007
Q k = m g ( sin ( α k ) + c R o l l cos ( α k ) )
Figure DE102019213749A1_0008
L denotes a system matrix, B an input matrix for the input of the drive and braking force u , and Q the disturbance vector or the offset vector. The individual factors are calculated as follows: L. = ( 1 - H ρ c A. e r O A. A. e r O m )
Figure DE102019213749A1_0006
B. = H
Figure DE102019213749A1_0007
Q k = - m G ( sin ( α k ) + c R. O l l cos ( α k ) )
Figure DE102019213749A1_0008

Hierbei bezeichnet k jeweils eine Nummer eines diskreten Streckenabschnitts. Wenn k=1 ist damit ein erster Streckenabschnitt bezeichnet. Wenn k=2 ist damit ein zweiter Streckenabschnitt bezeichnet etc. Das Fahrzeug startet stets auf dem ersten Streckenabschnitt (k=1) und wird anschließend auf einen zweiten Streckenabschnitt (k+1) und daraufhin auf weitere Streckenabschnitte fahren (k+i).Here, k each denotes a number of a discrete route section. If k = 1, this denotes a first route section. If k = 2, it denotes a second route section, etc. The vehicle always starts on the first route section (k = 1) and will then drive onto a second route section (k + 1) and then onto further route sections (k + i).

Weiterhin werden Randbedingungen für ein stabiles Fahrverhalten für die Strecke unter Berücksichtigung der Kurvenkrümmung und des maximal vorhandenen Reibwerts formuliert, wobei diese Randbedingungen eine konvexe Approximation des Kammschen Kreises beschreiben. In diese Randbedingungen fließen Beschleunigungen in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) und in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) ein. Die Beschleunigung in Fahrzeugquerrichtung berechnet sich folgendermaßen: a y , k + i = 2 m κ k + i E k + i

Figure DE102019213749A1_0009
Furthermore, boundary conditions for stable driving behavior for the route are formulated, taking into account the curvature of the curve and the maximum existing coefficient of friction, these boundary conditions describing a convex approximation of the Kamm's circle. Accelerations in the transverse direction of the vehicle (y-direction) and in the longitudinal direction (x-direction) are included in these boundary conditions. The acceleration in the transverse direction of the vehicle is calculated as follows: a y , k + i = 2 m κ k + i E. k + i
Figure DE102019213749A1_0009

Dabei bezeichnet κ die Krümmung der Kurve.Here designated κ the curvature of the curve.

Die Beschleunigung in Fahrzeuglängsrichtung berechnet sich wie folgt: a x , k + i = 1 m u k + i

Figure DE102019213749A1_0010
The acceleration in the longitudinal direction of the vehicle is calculated as follows: a x , k + i = 1 m u k + i
Figure DE102019213749A1_0010

Aufgrund des Kammschen Kreises ergibt sich folgende nicht-lineare Ungleichung: a x , k + i 2 + a y , k + i 2 ( g μ k + i ) 2

Figure DE102019213749A1_0011
Due to the Kamm's circle, the following non-linear inequality results: a x , k + i 2 + a y , k + i 2 ( G μ k + i ) 2
Figure DE102019213749A1_0011

Dabei bezeichnet µ den Reibwert des jeweiligen Streckenabschnitts.Here µ denotes the coefficient of friction of the respective route section.

Diese nicht-lineare Ungleichung lässt sich durch Verwendung geeigneter linearer Ungleichungen konvex approximieren, z. B.: a y , k + i g μ k + i a x , k + i

Figure DE102019213749A1_0012
This non-linear inequality can be convexly approximated by using suitable linear inequalities, e.g. B .: a y , k + i G μ k + i - a x , k + i
Figure DE102019213749A1_0012

Das entspricht: 2 m κ k + i E k + i g μ k + i 1 m u k + i

Figure DE102019213749A1_0013
Corresponding: 2 m κ k + i E. k + i G μ k + i - 1 m u k + i
Figure DE102019213749A1_0013

Außerdem werden Randbedingungen für die Einhaltung der Maximal-Geschwindigkeit und der Stellbeschränkung für die Strecke formuliert. Die Maximal-Geschwindigkeit ist diejenige Geschwindigkeit, die auf der Strecke maximal zulässig ist. Diese Zulässigkeit kann beispielsweise durch Verkehrsregeln oder Geschwindigkeitsbeschränkungen vorgegeben sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Maximal-Geschwindigkeit durch eine Streckenbedingung der zurückzulegenden Strecke vorgegeben sein, beispielsweise durch eine Oberflächenbeschaffenheit der Fahrbahn, welche nur mit einer gewissen Maximal-Geschwindigkeit sicher befahrbar ist. Die Maximal-Geschwindigkeit kann z. B. mittels C2X-Kommunikation an die Steuereinrichtung des Fahrzeugs kommuniziert oder mittels der Umfeldsensorik des Fahrzeugs erkannt werden, z. B. mittels Verkehrszeichenerkennung oder mittels Reibwertschätzung bezüglich der Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche. Derartige Methoden sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dies führt zu folgenden Beschränkungen: E k + i E k + i m a x

Figure DE102019213749A1_0014
In addition, boundary conditions for compliance with the maximum speed and the setting restriction for the route are formulated. The maximum speed is the maximum speed that is permitted on the route. This admissibility can be specified, for example, by traffic rules or speed restrictions. Additionally or alternatively, the maximum speed can be specified by a route condition of the route to be covered, for example by a surface quality of the roadway which can only be safely driven on at a certain maximum speed. The maximum speed can e.g. B. communicated by means of C2X communication to the control device of the vehicle or recognized by means of the environment sensors of the vehicle, z. B. by means of traffic sign recognition or by means of coefficient of friction estimation with regard to the condition of the road surface. Such methods are known from the prior art. This leads to the following restrictions: E. k + i E. k + i m a x
Figure DE102019213749A1_0014

Dabei bezeichnet max ein Maximum.Here max denotes a maximum.

Die Stellbeschränkung hinsichtlich Antriebs- und Bremskraft wird durch die Beschränkungen vorgegeben, die durch die Aktuatorik des Antriebssystems und des Bremssystems des Fahrzeugs festgelegt werden. Die Stellbeschränkung gibt daher eine Grenze vor, die bei der Optimierung einzuhalten ist. Die Stellbeschränkung kann beispielsweise in der Speichereinrichtung der Steuereinrichtung gespeichert sein. Dies führt zu folgenden Beschränkungen: u k + i u k + i m a x

Figure DE102019213749A1_0015
u k + i u k + i m i n
Figure DE102019213749A1_0016
The adjustment restriction with regard to the drive and braking force is specified by the restrictions that are established by the actuators of the drive system and the braking system of the vehicle. The setting restriction therefore specifies a limit that must be adhered to during the optimization. The setting restriction can be stored, for example, in the memory device of the control device. This leads to the following restrictions: u k + i u k + i m a x
Figure DE102019213749A1_0015
u k + i u k + i m i n
Figure DE102019213749A1_0016

Dabei bezeichnet min ein Minimum.Min denotes a minimum.

Ausgehend von den Randbedingungen für ein stabiles Fahrverhalten und von den Randbedingungen für eine Einhaltung einer Maximal-Geschwindigkeit und einer Stellbeschränkung hinsichtlich Antriebs- und Bremskraft wird eine Zielfunktion formuliert. Die Zielfunktion wird anschließend minimiert. Die Zielfunktion lautet: J = w 1 i = 1 n ( E k + i E k + i r e f ) 2 + w 2 i = 0 n 1 u k + i 2 +                     + w 3 i = 0 n 1 ( u k + i u k + i 1 ) 2 + w 4 i = 1 n ( w k ( 1 m u k + i ) 2 + w d ( 2 m κ k + i E k + i ) 2 )

Figure DE102019213749A1_0017
A target function is formulated on the basis of the boundary conditions for stable driving behavior and the boundary conditions for maintaining a maximum speed and a setting restriction with regard to drive and braking force. The objective function is then minimized. The objective function is: J = w 1 i = 1 n ( E. k + i - E. k + i r e f ) 2 + w 2 i = 0 n - 1 u k + i 2 + + w 3 i = 0 n - 1 ( u k + i - u k + i - 1 ) 2 + w 4th i = 1 n ( w k ( 1 m u k + i ) 2 + w d ( 2 m κ k + i E. k + i ) 2 )
Figure DE102019213749A1_0017

Dabei ist Eref die kinetische Energie, die mit der Referenz-Geschwindigkeit zusammenhängt. Dabei sind w1 , w2 , w3 , w4 , wk und wd jeweils Gewichtungsfaktoren. Diese sind stets größer oder gleich 0 zu wählen, je nach dem auf welchen der Summanden der Fokus gelegt werden soll. Der erste Summand stellt die Abweichung von der Referenz-Geschwindigkeit über die zurückzulegende Strecke dar: i = 1 n ( E k + i E k + i r e f ) 2

Figure DE102019213749A1_0018
It is E ref the kinetic energy related to the reference speed. Are there w 1 , w 2 , w 3 , w 4 , w k and w d weighting factors in each case. These are always to be chosen greater than or equal to 0, depending on which of the summands the focus is to be placed on. The first summand represents the deviation from the reference speed over the distance to be covered: i = 1 n ( E. k + i - E. k + i r e f ) 2
Figure DE102019213749A1_0018

Im zweiten Summanden wird die Amplitude der Antriebs-und Bremskraftkraft berücksichtigt: i = 0 n 1 u k + i 2

Figure DE102019213749A1_0019
In the second summand, the amplitude of the driving and braking force is taken into account: i = 0 n - 1 u k + i 2
Figure DE102019213749A1_0019

Der dritte Summand stellt einen Ruck des Fahrzeugs dar: i = 0 n 1 ( u k + i u k + i 1 ) 2

Figure DE102019213749A1_0020
The third summand represents a jolt of the vehicle: i = 0 n - 1 ( u k + i - u k + i - 1 ) 2
Figure DE102019213749A1_0020

Der vierte Summand stellt eine Motion Sickness Dose Value nach ISO 2631-1 dar.The fourth summand represents a motion sickness dose value according to ISO 2631-1.

Diese beschreibt, welche Auswirkungen die Fahrzeugbewegung auf eine mögliche Kinetose eines Fahrzeuginsassen haben: i = 1 n ( w k ( 1 m u k + i ) 2 + w d ( 2 m κ k + i E k + i ) 2 )

Figure DE102019213749A1_0021
This describes what effects the vehicle movement has on a possible kinetosis of a vehicle occupant: i = 1 n ( w k ( 1 m u k + i ) 2 + w d ( 2 m κ k + i E. k + i ) 2 )
Figure DE102019213749A1_0021

Die Gewichtungsfaktoren w1 , w2 , w3 , w4 können je nach Wunschverhalten der zu bestimmenden Geschwindigkeitsvorgabe variiert werden. Beispielsweise wird bei w1>0; w2=w3=w4=0 nur versucht, die Referenzgeschwindigkeit einzuhalten. Ruck oder Motion Sickness Dose Value werden dann außer Acht gelassen. Es sind aber auch gemischte Parametrierungen denkbar, bei denen alle Gewichte positiv sind. Beispielsweise könnten diese vier Gewichtungsfaktoren adaptiv ausgebildet sein. Das heißt, dass bei einer festgestellten Kinetose eines Fahrzeuginsassen w4>0 gewählt wird, ansonsten aber w4=0 ist. Das Feststellen der Kinetose kann mittels aus dem Stand der Technik bekannten Methoden erfolgen, beispielsweise mittels einer Sensorik, die Vitalparameter des Fahrzeuginsassen überwacht und bezüglich Indikatoren für eine Kinetose auswertet.The weighting factors w 1 , w 2 , w 3 , w 4 can be varied depending on the desired behavior of the specified speed to be determined. For example, if w 1 >0; w 2 = w 3 = w 4 = 0 only tries to keep the reference speed. Jerk or Motion Sickness Dose Value are then disregarded. However, mixed parameterizations are also conceivable in which all weights are positive. For example, these four weighting factors could be designed to be adaptive. This means that if kinetosis is detected, one Vehicle occupant w 4 > 0 is selected, but otherwise w4 = 0. The determination of the kinetosis can take place by means of methods known from the prior art, for example by means of a sensor system that monitors the vital parameters of the vehicle occupant and evaluates them with regard to indicators for a kinetosis.

Ausgehend von dem Ergebnis der minimierten Zielfunktion und von der diskreten Bewegungsgleichung wird die optimale Geschwindigkeitsvorgabe für das Fahrzeug bestimmt. Vorteilhaft an der Minimierung ist, dass die kinetische Energie des Fahrzeugs als Systemzustand gewählt wird. Dadurch hängt die Zielfunktion nur quadratisch von der Antriebs- und Bremskraft, die die Optimierungsvariable darstellt, ab. Somit ergibt sich unter Berücksichtigung der diskreten Bewegungsgleichung ein quadratisches Optimierungsproblem mit linearen Randbedingungen, welches effizient gelöst werden kann. Aufgrund der konvexen Natur von quadratischen Optimierungsproblemen ist die ermittelte optimale Lösung für die Geschwindigkeitsvorgabe stets eine globale optimale Lösung für die Geschwindigkeitsvorgabe.Based on the result of the minimized objective function and the discrete equation of motion, the optimal speed specification for the vehicle is determined. The advantage of the minimization is that the kinetic energy of the vehicle is selected as the system state. As a result, the objective function only depends on the square of the driving and braking force, which represents the optimization variable. Thus, taking into account the discrete equation of motion, a quadratic optimization problem with linear boundary conditions results, which can be solved efficiently. Due to the convex nature of quadratic optimization problems, the determined optimal solution for the speed specification is always a global optimal solution for the speed specification.

Abschließend wird von dem Antriebssystem des Fahrzeugs Antriebsenergie und Bremsenergie in dem Umfang bereitgestellt, um die optimale Geschwindigkeitsvorgabe für die zurückzulegende Strecke einzuhalten. Die Anforderung der Antriebsenergie erfolgt mittels der Steuereinrichtung, die das Antriebssystem des Fahrzeugs ansteuert. In anderen Worten wird derart viel Antriebsenergie bereitgestellt, dass das Fahrzeug die zurückzulegende Strecke mit der Geschwindigkeit abfährt, die als optimale Geschwindigkeit ermittelt wurde. Das Verfahren hat den Vorteil, dass nicht nur anhand eines einzelnen Parameters eine Optimierung durchgeführt werden kann, sondern dass mehrere für eine Fahrt wichtige Parameter in dieselbe Optimierung einfließen können. Dadurch müssen nicht mehrere Optimierungsprobleme gleichzeitig gelöst, miteinander abgeglichen und zueinander gewichtet werden. Dies stellt eine Zeitersparnis und eine Energieersparnis dar, da somit weniger Rechenleistung durch die Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt werden muss.Finally, drive energy and braking energy are provided by the drive system of the vehicle to the extent that the optimum speed specification for the distance to be covered is maintained. The drive energy is requested by means of the control device that controls the drive system of the vehicle. In other words, so much drive energy is provided that the vehicle travels the distance to be covered at the speed that has been determined as the optimal speed. The method has the advantage that an optimization can not only be carried out on the basis of a single parameter, but that several parameters that are important for a journey can flow into the same optimization. This means that several optimization problems do not have to be solved at the same time, compared with one another and weighted with one another. This represents a time saving and an energy saving, since less computing power has to be made available by the control device.

Die Steuereinrichtung für das Fahrzeug ist mit dem Antriebssystem des Fahrzeugs verbindbar. Verbindbar bedeutet, dass die Steuereinrichtung mit dem Antriebssystem verbunden ist, wenn die Steuereinrichtung in einem Fahrzeug verwendet wird. Das Antriebssystem ist mittels der Steuereinrichtung ansteuerbar, wie ebenfalls bereits beschrieben. Die Steuereinrichtung kann also das Antriebssystem des Fahrzeugs ansteuern, wenn die Steuereinrichtung in dem Fahrzeug verwendet wird. Die Steuereinrichtung kann mit weiteren Systemen verbindbar sein. Dies wurde ebenfalls bereits beschrieben. Die Steuereinrichtung weist Mittel auf, um das Verfahren durchzuführen, das bereits in der vorherigen Beschreibung beschrieben wurde. Diese Mittel können beispielsweise ein Computerprogrammprodukt umfassen.The control device for the vehicle can be connected to the drive system of the vehicle. Connectable means that the control device is connected to the drive system when the control device is used in a vehicle. The drive system can be controlled by means of the control device, as also already described. The control device can therefore control the drive system of the vehicle when the control device is used in the vehicle. The control device can be connected to other systems. This has also already been described. The control device has means to carry out the method which has already been described in the previous description. These means can include, for example, a computer program product.

Das Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei einer Ausführung des Programms durch die bereits beschriebene Steuereinrichtung, das Verfahren ausführen, das in der vorherigen Beschreibung beschrieben wurde. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem Datenträger, beispielsweise auf einer CD, DVD, einem USB-Stick o. ä., oder als herunterladbarer Datenstrom verkörpert sein.The computer program product comprises instructions which, when the program is executed by the control device already described, execute the method that was described in the previous description. The computer program product can be embodied on a data carrier, for example on a CD, DVD, USB stick or the like, or as a downloadable data stream.

Das Fahrzeug weist das Antriebssystem und die Steuereinrichtung auf, wie bereits beschrieben. Die Steuereinrichtung ist mit dem Antriebssystem verbunden, wie ebenfalls bereits beschrieben. Das Fahrzeug kann z. B. dazu befähigt sein, autonome Fahrfunktionen ab Level 3 auszuführen.The vehicle has the drive system and the control device, as already described. The control device is connected to the drive system, as also already described. The vehicle can e.g. B. be able to perform autonomous driving functions from level 3.

Anhand der im Folgenden erläuterten Figur wird ein Ausführungsbeispiel und Details der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs auf einer Fahrbahn nach einem Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Kammschen Kreises für das Fahrzeug aus dem Ausführungsbeispiel in 1,
  • 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens für das Fahrzeug aus dem Ausführungsbeispiel in 1.
An exemplary embodiment and details of the invention are described in more detail with the aid of the figure explained below. Show it:
  • 1 a schematic representation of a vehicle on a roadway according to an embodiment,
  • 2 a schematic representation of a Kamm's circle for the vehicle from the embodiment in FIG 1 ,
  • 3 a schematic illustration of a method for the vehicle from the exemplary embodiment in FIG 1 .

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 auf einer Fahrbahn 6 nach einem Ausführungsbeispiel. Das Fahrzeug 1 weist eine Steuereinrichtung 3, ein Antriebssystem 2, eine Umfeld-Sensorik 4 und ein Positionsbestimmungs-System 5 auf. Die Steuereinrichtung 3 ist mit dem Antriebssystem 2, mit dem Positionsbestimmungs-System 5 und mit der Umfeld-Sensorik 4 verbunden. Sämtliche Verbindungen sind derart ausgeformt, dass ein Daten- und Signalaustausch erfolgen kann. Die Verbindungen können dabei drahtlos oder kabelgebunden ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung 3 weist zudem eine Speichereinrichtung auf, die hier nicht eingezeichnet ist. Weiterhin weist die Steuereinrichtung 3 eine Kommunikationseinheit auf, mittels welcher diese mit externen Systemen kommunizieren kann, beispielsweise mit einem zentralen Datenspeicher, z. B. einer Cloud, oder mit weiteren Fahrzeugen oder einer Infrastruktur per C2X-Kommunikation. Dies ist durch den strichlierten Pfeil angedeutet. 1 shows a schematic representation of a vehicle 1 on a roadway 6th according to an embodiment. The vehicle 1 has a control device 3 , a drive system 2 , an environment sensor system 4th and a positioning system 5 on. The control device 3 is with the propulsion system 2 , with the positioning system 5 and with the environment sensors 4th connected. All connections are designed in such a way that data and signals can be exchanged. The connections can be wireless or wired. The control device 3 also has a memory device, which is not shown here. Furthermore, the control device 3 a communication unit, by means of which it can communicate with external systems, for example with a central data memory, e.g. B. a cloud, or with other vehicles or an infrastructure via C2X communication. This is indicated by the dashed arrow.

Das Fahrzeug 1 bewegt sich in Fahrtrichtung, die mittels des Pfeils angedeutet ist, auf der Fahrbahn 6. Die Fahrbahn 6 weist die Strecke s auf, die das Fahrzeug 1 abfährt. Die Strecke s ist in mehrere Abschnitte unterteilt, welche nummeriert sind mittels des Index k. Zum dargestellten Zeitpunkt befindet sich das Fahrzeug 1 auf dem Start-Streckenabschnitt Sk. In Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug 1 liegen weitere Streckenabschnitte Sk+1 bis Sk+n, die von dem Fahrzeug 1 noch zurückzulegen sind. Zur besseren Übersicht sind nur der End-Streckenabschnitt Sk+n und der erste zurückzulegende Streckenabschnitt Sk+1 dargestellt. Die dazwischenliegenden Streckenabschnitte sind lediglich angedeutet. Jeder Streckenabschnitt Sk+1; Sk+n bildet gleichzeitig eine Schrittweite h aus.The vehicle 1 moves in the direction of travel, which is indicated by the arrow, on the roadway 6th . The roadway 6th shows the route s on who the vehicle 1 departs. The distance s is in several Sections divided, which are numbered by means of the index k . The vehicle is at the point in time shown 1 on the start section S k . In front of the vehicle in the direction of travel 1 further route sections S k + 1 to S k + n lie by the vehicle 1 still have to be covered. For a better overview, only the final route section S k + n and the first route section S k + 1 to be covered are shown. The sections of the route in between are only indicated. Each route section S k + 1 ; S k + n simultaneously forms a step size H out.

Für jeden Streckenabschnitt Sk+1; Sk+n stehen der Steuereinrichtung 3 Informationen bezüglich einer Kurvenkrümmung, eines Steigungsprofils, eines Reibwerts, einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit und einer Referenz-Geschwindigkeit zur Verfügung. Diese Informationen können mittels der Umfeld-Sensorik 4 ermittelt werden, und/oder mittels C2X-Kommunikation an die Steuereinrichtung 3 kommuniziert werden, und/oder in der Speichereinrichtung der Steuereinrichtung 3 hinterlegt sein, und/oder aus einer Datenbank, die beispielsweise in einer Kartensoftware eines Navigationsgeräts, das Teil des Positionsbestimmungs-Systems ist, abgefragt werden. For each route section S k + 1 ; S k + n are available to the control device 3 Information regarding a curve curvature, a gradient profile, a coefficient of friction, a permissible maximum speed and a reference speed are available. This information can be obtained by means of the environment sensors 4th are determined, and / or by means of C2X communication to the control device 3 are communicated, and / or in the memory device of the control device 3 be stored, and / or from a database, which is queried for example in a map software of a navigation device that is part of the position determination system.

Zudem stehen der Steuereinrichtung 3 Daten zur Masse des Fahrzeugs 1 und zur projizierten Stirnfläche des Fahrzeugs 1 zur Verfügung. Diese sind in der Speichereinrichtung hinterlegt.In addition, the control device 3 Vehicle mass data 1 and to the projected face of the vehicle 1 to disposal. These are stored in the memory device.

Um die optimalen Geschwindigkeitsvorgabe für das Fahrzeug 1 bestimmen zu können, sind zudem noch Daten bezüglich eines Luftwiderstands, bezüglich eines Rollwiderstands, bezüglich eines Steigungswiderstands nötig. Diese werden von der Steuereinrichtung 3 berechnet, wie bereits in der vorherigen Beschreibung erläutert. Zudem sind folgende Nebenbedingungen zu beachten, die einen Rahmen für die Optimierung vorgeben: physikalische Plausibilität, welche erreicht wird, indem die Geschwindigkeitsvorgabe in Längsrichtung einer Bewegungsgleichung folgt; stabiles Fahrverhalten, welches erreicht wird, da der Kammsche Kreis nicht verlassen werden soll; ein Einhalten der maximal erlaubten Geschwindigkeit; ein Einhalten der Stellbeschränkung hinsichtlich Antriebs- und Bremskraft des Fahrzeugs.To find the optimal speed specification for the vehicle 1 In order to be able to determine, data relating to air resistance, to rolling resistance, to climbing resistance are also necessary. These are from the control device 3 calculated as already explained in the previous description. In addition, the following constraints must be observed, which provide a framework for the optimization: physical plausibility, which is achieved by the speed specification following an equation of motion in the longitudinal direction; stable driving behavior, which is achieved because the Kamm circle should not be left; compliance with the maximum permitted speed; Compliance with the setting restriction with regard to the drive and braking force of the vehicle.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kammschen Kreises 7 für das Fahrzeug 1 aus dem Ausführungsbeispiel in 1. Das Einhalten des Kammschen Kreises ist notwendig, um ein stabiles Fahrverhalten für das Fahrzeug 1 zu erreichen. Hier dargestellt ist eine konvexe Approximation des Kammschen Kreises mit linearen Ungleichungen, die eine Beschleunigung a des Fahrzeugs 1 beschreiben. Die Beschleunigung a ist in eine Fahrzeuglängsrichtung und in eine Fahrzeugquerrichtung aufgetragen für einen Streckenabschnitt mit der Nummer k+i. 2 shows a schematic representation of a Kamm's circle 7th for the vehicle 1 from the embodiment in 1 . Compliance with Kamm's circle is necessary to ensure stable driving behavior for the vehicle 1 to reach. Shown here is a convex approximation of the Kamm's circle with linear inequalities that result in an acceleration a of the vehicle 1 describe. The acceleration a is plotted in a vehicle longitudinal direction and in a vehicle transverse direction for a route section with the number k + i.

Die Beschleunigung ay,k+i in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) berechnet sich folgendermaßen: a y , k + i = 2 m κ k + i E k + i

Figure DE102019213749A1_0022
The acceleration a y, k + i in the transverse direction of the vehicle (y-direction) is calculated as follows: a y , k + i = 2 m κ k + i E. k + i
Figure DE102019213749A1_0022

Dabei bezeichnet κ die Krümmung der Kurve, m die Fahrzeugmasse und E die kinetische Energie des Fahrzeugs 1.Here designated κ the curvature of the curve, m the vehicle mass and E the kinetic energy of the vehicle 1 .

Die Beschleunigung ax,k+i in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) berechnet sich wie folgt: a x , k + i = 1 m u k + i

Figure DE102019213749A1_0023
The acceleration a x, k + i in the longitudinal direction of the vehicle (x-direction) is calculated as follows: a x , k + i = 1 m u k + i
Figure DE102019213749A1_0023

Dabei bezeichnet u die Antriebs- und Bremskraft.Here u denotes the driving and braking force.

Aufgrund der konvexen Approximation des Kammschen Kreises ergibt sich folgende Ungleichung: a x , k + i 2 + a y , k + i 2 ( g μ k + i ) 2

Figure DE102019213749A1_0024
The convex approximation of Kamm's circle results in the following inequality: a x , k + i 2 + a y , k + i 2 ( G μ k + i ) 2
Figure DE102019213749A1_0024

Dabei bezeichnet µ den Reibwert des jeweiligen Streckenabschnitts und g die Erdbeschleunigung.Here µ denotes the coefficient of friction of the respective route section and g the acceleration due to gravity.

Diese nicht-lineare Ungleichung lässt sich durch Verwendung geeigneter linearer Ungleichungen konvex approximieren: a y , k + i g μ k + i a x , k + i

Figure DE102019213749A1_0025
This non-linear inequality can be convexly approximated by using suitable linear inequalities: a y , k + i G μ k + i - a x , k + i
Figure DE102019213749A1_0025

Das entspricht: 2 m κ k + i E k + i g μ k + i 1 m u k + i

Figure DE102019213749A1_0026
Corresponding: 2 m κ k + i E. k + i G μ k + i - 1 m u k + i
Figure DE102019213749A1_0026

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens V für das Fahrzeug 1 aus dem Ausführungsbeispiel in 1. In einem ersten Schritt 101 werden das Steigungsprofil α, die Kurvenkrümmung κ, der maximal vorhandene Reibwert µ und die Referenz-Geschwindigkeit Vref für die Strecke s ermittelt. Dies erfolgt nach wenigstens einem der in der vorherigen Beschreibung bereits beschriebenen Wege. 3 shows a schematic representation of a method V for the vehicle 1 from the embodiment in 1 . In a first step 101 become the slope profile α , the curve curvature κ , the maximum existing coefficient of friction µ and the reference speed V ref for the route s determined. This is done according to at least one of the ways already described in the previous description.

In einem zweiten Schritt 102 werden die Masse m des Fahrzeugs 1 und die projizierte Stirnfläche AAero des Fahrzeugs 1 bestimmt. Diese Daten können z. B. in der Speichereinrichtung der Steuereinrichtung 3 hinterlegt sein.In a second step 102 become the crowd m of the vehicle 1 and the projected frontal area A aero of the vehicle 1 certainly. These data can e.g. B. in the memory device of the control device 3 be deposited.

In einem dritten Schritt 103 werden die Antriebs- und Bremskraft u, der Rollwiderstand Froll , der Luftwiderstand FAero und der Steigungswiderstand FSteig für das Fahrzeug 1 ermittelt.In a third step 103 become the driving and braking force u , the rolling resistance F roll , the air resistance F Aero and the slope resistance F climb for the vehicle 1 determined.

In einem vierten Schritt 104 wird mittels dieser Daten aus den ersten drei Schritten 101, 102, 103 eine diskrete Bewegungsgleichung für den Zustand der kinetischen Energie E des Fahrzeugs formuliert, die folgendermaßen lautet: E k + 1 = L E k + B u k + Q k

Figure DE102019213749A1_0027
In a fourth step 104 is made using this data from the first three steps 101 , 102 , 103 a discrete equation of motion for the state of kinetic energy E. of the vehicle, which reads as follows: E. k + 1 = L. E. k + B. u k + Q k
Figure DE102019213749A1_0027

In einem fünften Schritt 105 werden Randbedingungen P für ein stabiles Fahrverhalten für die Strecke s unter Berücksichtigung der Kurvenkrümmung κ und des maximal vorhandenen Reibwerts µ formuliert. Zudem werden Randbedingungen P für eine Einhaltung einer Maximal-Geschwindigkeit und einer Stellbeschränkung hinsichtlich Antriebs- und Bremskraft für die Strecke s formuliert. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit werden sämtliche Randbedingungen P als ein Block dargestellt.In a fifth step 105 become boundary conditions P. for a stable driving behavior for the route s taking into account the curvature of the curve κ and the maximum existing coefficient of friction µ formulated. In addition, there are boundary conditions P. for compliance with a maximum speed and a setting restriction with regard to drive and braking force for the route s formulated. For the sake of clarity, all boundary conditions P. shown as a block.

Ausgehend von den Randbedingungen P für ein stabiles Fahrverhalten und von den Randbedingungen für eine Einhaltung einer Maximal-Geschwindigkeit und einer Stellbeschränkung wird eine Zielfunktion J formuliert. Diese lautet: J = w 1 i = 1 n ( E k + i E k + i r e f ) 2 + w 2 i = 0 n 1 u k + i 2 +                     + w 3 i = 0 n 1 ( u k + i u k + i 1 ) 2 + w 4 i = 1 n ( w k ( 1 m u k + i ) 2 + w d ( 2 m κ k + i E k + i ) 2 )

Figure DE102019213749A1_0028
Based on the boundary conditions P. A target function is used for stable driving behavior and the boundary conditions for maintaining a maximum speed and a setting restriction J formulated. This is: J = w 1 i = 1 n ( E. k + i - E. k + i r e f ) 2 + w 2 i = 0 n - 1 u k + i 2 + + w 3 i = 0 n - 1 ( u k + i - u k + i - 1 ) 2 + w 4th i = 1 n ( w k ( 1 m u k + i ) 2 + w d ( 2 m κ k + i E. k + i ) 2 )
Figure DE102019213749A1_0028

Dabei sind w1 , w2 , w3 , w4 , wk und wd jeweils Gewichtungsfaktoren, die stets größer oder gleich 0 zu wählen sind, je nach dem auf welchen der Summanden der Fokus gelegt werden soll. Der erste Summand stellt die Abweichung von der Referenz-Geschwindigkeit dar. Im zweiten Summanden wird die Amplitude der Antriebs- bzw. Bremskraftkraft u berücksichtigt. Der dritte Summand stellt einen Ruck des Fahrzeugs dar. Der vierte Summand stellt eine Motion Sickness Dose Value nach ISO 2631-1 dar. Diese beschreibt, welche Auswirkungen die Fahrzeugbewegung auf eine mögliche Kinetose eines Fahrzeuginsassen haben.Are there w 1 , w 2 , w 3 , w 4 , w k and w d in each case weighting factors that are always to be chosen greater than or equal to 0, depending on which of the summands the focus is to be placed on. The first addend represents the deviation from the reference speed. The second addend shows the amplitude of the driving or braking force u considered. The third summand represents a jolt of the vehicle. The fourth summand simulates a motion sickness dose value ISO 2631-1 This describes what effects the vehicle movement has on a possible kinetosis of a vehicle occupant.

Die Gewichtungsfaktoren w1 , w2 , w3 , w4 können je nach Wunschverhalten der Planung variiert werden. Beispielsweise kann bei w1>0; w3>0; w2=w4=0 versucht werden die Referenzgeschwindigkeit einzuhalten und den Ruck gering zu halten Die Motion Sickness Dose Value wird außer Acht gelassen.The weighting factors w 1 , w 2 , w 3 , w 4 can be varied depending on the desired behavior of the planning. For example, with w 1 >0; w 3 >0; w 2 = w 4 = 0 the attempt is made to maintain the reference speed and to keep the jerk low. The Motion Sickness Dose Value is ignored.

In einem sechsten Schritt 106 wird die Zielfunktion J minimiert, um dadurch die optimale Geschwindigkeitsvorgabe vopt zu erhalten. Sämtliche Berechnungen und Optimierungen werden mittels der Steuereinrichtung 3 durchgeführt.In a sixth step 106 becomes the objective function J minimized in order to achieve the optimum speed specification v opt to obtain. All calculations and optimizations are carried out by means of the control device 3 carried out.

In einem siebten Schritt 107 wird ausgehend von der optimalen Geschwindigkeitsvorgabe vopt das Antriebssystem 2 des Fahrzeugs 1 von der Steuereinrichtung 3 angesteuert, so dass das Antriebssystem 2 so viel Energie bereitstellt, dass das Fahrzeug 1 die optimalen Geschwindigkeitsvorgabe vopt einhält.In a seventh step 107 is based on the optimal speed specification v opt the drive system 2 of the vehicle 1 from the control device 3 controlled so that the drive system 2 so much energy that the vehicle provides 1 the optimal speed specification v opt adheres to.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Fahrzeugvehicle
22
AntriebssystemDrive system
33
SteuereinrichtungControl device
44th
Umfeld-SensorikEnvironment sensors
55
Positionsbestimmungs-SystemPositioning system
66th
Fahrbahnroadway
77th
Kammscher Kreis Kamm circle
101101
erster Schrittfirst step
102102
zweiter Schrittsecond step
103103
dritter SchrittThird step
104104
vierter Schrittfourth step
105105
fünfter Schrittfifth step
106106
sechster Schrittsixth step
107107
siebter Schritt seventh step
aa
Beschleunigungacceleration
AAero A aero
projizierte Stirnflächeprojected face
BB.
EingangsmatrixInput matrix
CAero C Aero
StrömungswiderstandsbeiwertDrag coefficient
CRoll C roll
RollwiderstandRolling resistance
EE.
kinetische Energiekinetic energy
E'E '
Ableitung der kinetischen Energie nach sDerivation of the kinetic energy according to s
Eref E ref
kinetische Energie bezogen auf die Referenz-Geschwindigkeitkinetic energy related to the reference speed
FAero F Aero
LuftwiderstandAir resistance
Froll F roll
RollwiderstandRolling resistance
FSteig F climb
SteigungswiderstandIncline resistance
gG
ErdbeschleunigungAcceleration due to gravity
hH
SchrittweiteIncrement
JJ
ZielfunktionObjective function
kk
Nummer des StreckenabschnittsNumber of the route section
LL.
SystemmatrixSystem matrix
mm
Masse des FahrzeugsMass of the vehicle
PP
Randbedingungenboundary conditions
QQ
StörgrößenvektorDisturbance vector
ss
Streckeroute
uu
Antriebs- und BremskraftDriving and braking force
VV
VerfahrenProcedure
vref v ref
Referenz-GeschwindigkeitReference speed
vopt v opt
optimale Geschwindigkeitsvorgabeoptimal speed specification
w1, w2, w3, w4, wd, wk w 1 , w 2 , w 3 , w 4 , w d , w k
GewichtungsfaktorenWeighting factors
xx
FahrzeuglängsrichtungVehicle longitudinal direction
yy
Fahrzeugquerrichtung Vehicle transverse direction
αα
SteigungsprofilSlope profile
κκ
KurvenkrümmungCurve curvature
pp
LuftdichteAirtightness
µµ
ReibwertCoefficient of friction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 2610836 A1 [0003]EP 2610836 A1 [0003]
  • EP 1256476 B1 [0004]EP 1256476 B1 [0004]
  • DE 102016209984 A1 [0005]DE 102016209984 A1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • ISO 2631-1 [0074]ISO 2631-1 [0074]

Claims (5)

Verfahren (V) zum Einhalten einer optimalen Geschwindigkeitsvorgabe (vopt) für eine von einem Fahrzeug (1) zurückzulegende Strecke (s), wobei - ein Steigungsprofil (a), eine Kurvenkrümmung (κ), ein maximal vorhandener Reibwert (µ) und eine Referenz-Geschwindigkeit (vref) für die Strecke (s) ermittelt werden, - eine Masse (m) und eine projizierte Stirnfläche (AAero) des Fahrzeugs (1) bestimmt werden, - ein Rollwiderstand (Froll), ein Luftwiderstand (FAero) und ein Steigungswiderstand (FSteig) für das Fahrzeug (1) ermittelt werden, - mittels dieser Daten unter Berücksichtigung einer zu optimierenden Antriebs- und Bremskraft (u) eine diskrete Bewegungsgleichung (E') formuliert wird, - Randbedingungen für ein stabiles Fahrverhalten für die Strecke (s) unter Berücksichtigung der Kurvenkrümmung (κ) und des maximal vorhandenen Reibwerts (µ) formuliert werden, wobei diese Randbedingungen eine konvexe Approximation des Kammschen Kreises mittels linearer Ungleichungen beschreiben, - Randbedingungen für eine Einhaltung einer Maximal-Geschwindigkeit und einer Stellbeschränkung für die Strecke (s) formuliert werden, - ausgehend von den Randbedingungen für ein stabiles Fahrverhalten und von den Randbedingungen für eine Einhaltung einer Maximal-Geschwindigkeit und einer Stellbeschränkung hinsichtlich Antriebs- und Bremskraft (u) eine Zielfunktion (J) formuliert wird, - die Zielfunktion (J) minimiert wird, wobei die Antriebs- und Bremskraft (u) die Optimierungsvariable darstellt, - ausgehend von dem Ergebnis der minimierten Zielfunktion (J) und von der diskreten Bewegungsgleichung (E') eine optimale Geschwindigkeitsvorgabe (vopt) für das Fahrzeug (1) bestimmt wird, - von einem Antriebssystem (2) des Fahrzeugs (1) Antriebsenergie und Bremsenergie bereitgestellt wird, um die optimale Geschwindigkeitsvorgabe (vopt) für die zurückzulegende Strecke (s) einzuhalten.Method (V) for maintaining an optimal speed setting (v opt ) for a distance (s) to be covered by a vehicle (1), wherein - a gradient profile (a), a curve curvature (κ), a maximum existing coefficient of friction (µ) and a Reference speed (v ref ) for the distance (s) can be determined, - a mass (m) and a projected frontal area (A A ero) of the vehicle (1) are determined, - a rolling resistance (F roll ), an air resistance ( F Aero ) and a gradient resistance (F Steig ) for the vehicle (1) are determined, - a discrete equation of motion (E ') is formulated using this data, taking into account a drive and braking force (u) to be optimized, - boundary conditions for a stable Driving behavior for the route (s) taking into account the curvature of the curve (κ) and the maximum existing coefficient of friction (µ) are formulated, whereby these boundary conditions describe a convex approximation of the Kamm's circle by means of linear inequalities, Boundary conditions for maintaining a maximum speed and a setting restriction for the distance (s) are formulated, - based on the boundary conditions for stable driving behavior and the boundary conditions for maintaining a maximum speed and a setting restriction with regard to drive and braking force (etc.) ) an objective function (J) is formulated, - the objective function (J) is minimized, with the drive and braking force (u) representing the optimization variable, - based on the result of the minimized objective function (J) and the discrete equation of motion (E ' ) an optimal speed specification (v opt ) for the vehicle (1) is determined, - drive energy and braking energy are provided by a drive system (2) of the vehicle (1) in order to achieve the optimal speed specification (v opt ) for the distance to be covered (s) to be observed. Verfahren (V) nach Anspruch 1, wobei die Zielfunktion (J) lautet: J = w 1 i = 1 n ( E k + i E k + i r e f ) 2 + w 2 i = 0 n 1 u k + i 2 +                     + w 3 i = 0 n 1 ( u k + i u k + i 1 ) 2 + w 4 i = 1 n ( w k ( 1 m u k + i ) 2 + w d ( 2 m κ k + i E k + i ) 2 )
Figure DE102019213749A1_0029
wobei w1, w2, w3, w4, wk, wd jeweils Gewichtungsfaktoren bezeichnen, wobei k jeweils eine Nummer eines Streckenabschnitts bezeichnet, wobei u die Antriebskraft bezeichnet, wobei E eine kinetische Energie bezeichnet, wobei Eref eine kinetische Energie bezüglich der Referenz-Geschwindigkeit (vref) bezeichnet.
Procedure (V) according to Claim 1 , where the objective function (J) is: J = w 1 i = 1 n ( E. k + i - E. k + i r e f ) 2 + w 2 i = 0 n - 1 u k + i 2 + + w 3 i = 0 n - 1 ( u k + i - u k + i - 1 ) 2 + w 4th i = 1 n ( w k ( 1 m u k + i ) 2 + w d ( 2 m κ k + i E. k + i ) 2 )
Figure DE102019213749A1_0029
where w 1 , w 2 , w 3 , w 4 , w k , w d each denote weighting factors, where k denotes a number of a route section, where u denotes the driving force, where E denotes a kinetic energy, where E ref a kinetic energy referred to with respect to the reference speed (v ref ).
Steuereinrichtung (3) für ein Fahrzeug (1), wobei die Steuereinrichtung (3) mit einem Antriebssystem (2) des Fahrzeugs (1) verbindbar ist, wobei das Antriebssystem (2) mittels der Steuereinrichtung (3) ansteuerbar ist, und wobei die Steuereinrichtung (3) Mittel aufweist, um ein Verfahren (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 2 durchzuführen.Control device (3) for a vehicle (1), the control device (3) being connectable to a drive system (2) of the vehicle (1), the drive system (2) being controllable by means of the control device (3), and the control device (3) comprises means for a method (V) according to one of the Claims 1 to 2 perform. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei einer Ausführung des Programms durch eine Steuereinrichtung (3) nach Anspruch 3, das Verfahren (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 2 ausführen.Computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a control device (3) Claim 3 , the method (V) according to one of the Claims 1 to 2 To run. Fahrzeug (1) aufweisend ein Antriebssystem (2) und eine Steuereinrichtung (3) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (3) mit dem Antriebssystem (2) verbunden ist.Vehicle (1) having a drive system (2) and a control device (3) according to Claim 3 , wherein the control device (3) is connected to the drive system (2).
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