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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum situationsabhängigen Berechnen einer Limitierung für ein Lenkmoment und/oder eines Steuerbefehls für ein Lenksystem eines Fahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuergerät, ein Computerprogramm sowie ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Fahrassistenzsysteme, welche gemäß der BASt Norm assistiert oder teilautomatisiert eingestuft werden, verwenden für die Fahrzeugquerführung die elektrische Servolenkung. Der Aktuator der elektrischen Servolenkung kann Lenkeingriffe auch ohne Zutun des Fahrers umsetzen und beispielsweise das Fahrzeug innerhalb einer Fahrspur automatisiert halten. Bei diesen Fahrassistenzsystemen ist der Fahrer weiterhin für die Führung des Fahrzeugs verantwortlich und muss im Falle einer Fehlfunktion bzw. eines Fehleingriffs des Fahrassistenzsystems die Fahrzeugführung übernehmen.
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Bei der Entwicklung und Kalibrierung derartiger Fahrassistenzsysteme stehen die Lenkperformance und ein großer automatisierter Lenkeingriff im Widerspruch zu der Kontrollierbarkeit des Fahrzeugs im Falle eines Systemfehlers. Je höher die Lenkmomentensprünge oder die Lenkmomentengradienten sind, desto geringer ist die Kontrollierbarkeit.
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Zur Gewährleistung der Kontrollierbarkeit des Fahrzeugs während des aktivierten Fahrassistenzsystems erfolgt üblicherweise eine Limitierung des maximalen Lenkmoments und des maximalen Lenkmomentgradienten. Eine derartige Limitierung ist jedoch problematisch, da aufgrund der reduzierten Lenkperformance das Lenkmoment für die Fahrt des Fahrzeugs in engen Kurven nicht ausreichend sein könnte und der Fahrer aktiv das Fahrassistenzsystem unterstützen müsste. Des Weiteren ist bei zukünftigen Fahrassistenzsystemen mit einem höheren Automatisierungsgrad die begrenzte Lenkperformance nicht ausreichend, um ein freihändiges Fahren zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren zum situationsabhängigen Anpassen der Steuerbefehle für das Lenksystem vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum situationsabhängigen Berechnen einer Limitierung für ein Lenkmoment und/oder zum Berechnen eines Steuerbefehls für ein Lenksystem eines Fahrzeugs durch ein Steuergerät bereitgestellt. Insbesondere kann ein Lenkverhalten des Fahrzeugs durch ein Fahrassistenzsystem eingestellt werden, um eine möglichst hohe Kontrollierbarkeit bei gleichzeitig möglichst hoher Lenkperformance zu erzielen.
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In einem Schritt werden Daten über eine Fahrzeugumgebung, eine geplante Trajektorie und/oder Daten von Sensoren des Fahrzeugs empfangen. Anhand der empfangenen Daten wird eine Fahrsituation des Fahrzeugs ermittelt. Die Fahrsituation kann ermittelt werden, um ein erwartetes Lenkverhalten des Fahrzeugs abzuschätzen. Beispielsweise kann einer als Kurvenfahrt ermittelten Fahrsituation ein höheres Lenkmoment als bei einer Geradeausfahrt erwartet werden. Alternativ oder zusätzlich zu den Daten über die Fahrzeugumgebung können auch externe bzw. sogenannte offboard Daten, beispielsweise in Form von Kartendaten, empfangen werden.
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Anhand der ermittelten Fahrsituation wird eine situationsabhängige Limitierung eines Lenkverhaltens, wie beispielsweise eines Lenkmomentes, berechnet.
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Dabei kann die Berechnung der situationsabhängigen Limitierung an ein für den Fahrer erwartetes Verhalten des Fahrzeugs eingestellt werden. Das Lenkverhalten betrifft hierbei alle Steuerbefehle und Eingriffe, welche einen aktiven oder passiven Einfluss auf das Lenksystem des Fahrzeugs aufweisen.
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In einem anschließenden Schritt wird ein Steuerbefehl zum Einstellen der berechneten situationsabhängigen Limitierung des Lenkverhaltens ausgegeben. Dabei kann alternativ auch eine Vielzahl von Steuerbefehlen durch das Steuergerät erzeugt und ausgegeben werden, um eine entsprechende Limitierung des Lenkverhaltens des Fahrzeugs vorzunehmen.
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Die Informationen zur Limitierung und/oder zur erkannten Fahrsituation können optional an das Fahrassistenzsystem übermittelt werden, damit dort eine entsprechende Berücksichtigung erfolgen kann.
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Das Verfahren kann in Form eines intelligenten und situationsabhängigen Lenkmomentenlimiters für Fahrassistenzsysteme realisiert werden. Die situative Limitierung des erlaubten stellbaren Lenkverhaltens, wie beispielsweise eines Lenkmoments, auf den tatsächlichen in dieser Situation erwartbaren Lenkmomentenbedarf ermöglicht eine höhere Lenkperformance bei gleicher oder verbesserter Kontrollierbarkeit durch den Fahrer.
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Durch das Verfahren kann beispielsweise bei einer als Geradeausfahrt eingestuften Fahrsituation nur so viel Lenkmoment zugelassen werden, wie üblicherweise zum Halten der Geradeausfahrt und zum Ausregeln von Störungen, wie Spurrillen oder Seitenwind, erforderlich ist.
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Als Fahrsituation des Fahrzeugs können weiterhin Einparkvorgänge, langsame Kurvenfahrten, schnelle Kurvenfahrten, Geradeausfahrten auf einspurigen oder mehrspurigen Straßen und dergleichen berücksichtigt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Das Steuergerät kann beispielsweise ein fahrzeugseitiges Steuergerät, ein fahrzeugexternes Steuergerät oder eine fahrzeugexterne Servereinheit, wie beispielsweise ein Cloud-System, sein.
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Darüber hinaus wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Computerprogramm bereitgestellt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer oder ein Steuergerät diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein maschinenlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist.
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Das Fahrzeug kann gemäß der BASt Norm assistiert, teilautomatisiert, hochautomatisiert und/oder vollautomatisiert bzw. fahrerlos betreibbar sein.
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Das Fahrzeug kann beispielsweise als ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Robotaxi und dergleichen sein. Das Fahrzeug ist nicht auf einen Betrieb auf Straßen beschränkt. Vielmehr kann das Fahrzeug auch als ein Wasserfahrzeug, Luftfahrzeug, wie beispielsweise eine Transportdrohne, und dergleichen ausgestaltet sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden zum Ermitteln der Fahrsituation Daten eines Fahrzustands, wie beispielsweise eine Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Gierrate, eine Querbeschleunigung oder ein Lenkwinkel, eine aktuelle und geplante Trajektorie des Fahrzeugs, ein Verlauf einer befahrenen Fahrspur, ein Verhalten benachbarter Verkehrsteilnehmer, erkannte Verkehrsschilder und/oder aus Kartendaten ermittelte und künftige Verläufe von Fahrspuren empfangen. Dabei können diese Eingangsgrößen einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander zur Situationserkennung genutzt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform werden die Fahrsituation und die situationsabhängige Limitierung des Lenkverhaltens durch ein Fahrzeugmodell ermittelt. Hierdurch kann eine modellbasierte Vorsteuerung in einem Regelkreis realisiert werden, durch welche das Wissen über die Regelstrecke zum Verbessern der Regelgüte genutzt wird. Zur Ermittlung bzw. Berechnung der geeigneten situativen Limitierung des Lenkverhaltens können physikalische oder empirische Fahrzeugmodelle verwendet werden. Die Fahrzeugmodelle können dabei als vereinfachte Einspurmodelle oder als komplexere Modelle mit einer umfangreichen Berücksichtigung des Fahrzeugumfelds ausgestaltet sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Fahrsituation und die situationsabhängige Limitierung des Lenkverhaltens anhand von historischen, applikationspezifischen und/oder statistischen Daten ermittelt. Durch diese Maßnahme kann ein Wissen über die Regelstrecke bzw. einen vorausliegenden Streckenabschnitt genutzt, um die Kontrollierbarkeit von Systemfehlern zu verbessern. Hierbei können beispielsweise historische und/oder statistische Daten verwendet werden, welche offline, online oder cloudbasiert hinterlegt sind.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird durch die situationsabhängige Limitierung des Lenkverhaltens eine bestehende Limitierung eines Lenkmomentes und/oder eines Lenkgradienten aufgeweitet oder eingeschränkt. Hierdurch kann die tatsächliche Limitierung des Lenkverhaltens des Fahrzeugs auf unterschiedlichste Weisen erfolgen. Beispielsweise kann eine situative Aufweitung oder Einschränkung der Limitierungswerte eines bestehenden Limiters durch das Verfahren realisiert werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden für die situationsabhängige Limitierung des Lenkverhaltens ein unterer Grenzwert und ein oberer Grenzwert berechnet und eingestellt. Die Limitierung des Lenkverhaltens kann somit anhand einer situativ berechneten Ober- und Untergrenze für ein Sollsignal erfolgen. Das Sollsignal kann vorzugsweise ein Signal sein, welches für die Einstellung der Lenkbewegung durch das Fahrassistenzsystem genutzt wird. Dieses Sollsignal kann durch die Limitierung verändert werden, um eine Anpassung des Lenkverhaltens zu erzielen. Dabei kann eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Sollwerts ein situationsabhängig angepasstes Lenkverhalten ermöglichen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird die situationsabhängige Limitierung des Lenkverhaltens in Form einer Limitierung des Lenkmomentes an einem Lenkrad, einem EPS-Motor und/oder an mindestens einem Rad durch einen ausgegebenen Steuerbefehl eingestellt. Die Limitierung kann somit direkt an einem Lenkgestänge bzw. an einer fahrzeugseitigen Lenkung ansetzen. Hierzu können beispielsweise Aktuatoren angesteuert werden, um eine Lenkradbewegung zu verursachen oder zu dämpfen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die situationsabhängige Limitierung des Lenkverhaltens als eine Kraftbegrenzung, Winkelbegrenzung und/oder Positionsbegrenzung berechnet und durch ausgegebenen Steuerbefehl eingestellt. Dabei kann ein zu limitierendes Sollsignal einer Fahrzeuglenkung durch eine Limitierung eines Moments an einer beliebigen Ebene, wie beispielsweise des Lenkrads, des EPS-Motors oder am gelenkten Rad des Fahrzeugs umgesetzt werden.
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Des Weiteren kann eine maximal wirkende Kraft auf eine Zahnstange, eine Spurstange, ein Lenkgestänge oder ein gelenktes Rad durch die Limitierung des Lenkverhaltens des Fahrassistenzsystems beeinflusst werden.
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Die Limitierung des Lenkverhaltens kann durch eine Einstellung eines Winkels an einer beliebigen Stelle des Fahrzeugs, wie beispielsweise einem Lenkrad, einem EPS-Motorwinkel oder einem Winkel von gelenkten Rädern des Fahrzeugs realisiert werden.
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Weiterhin kann die mögliche Position und eine Bewegungsfreiheit an einer beliebigen Stelle, wie beispielsweise einer Zahnstange, durch die Limitierung des Lenkverhaltens eingeschränkt werden.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs und
- 2 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1. Das Fahrzeug 1 kann beispielsweise ein automatisiert oder teilautomatisiert betreibbares Fahrzeug 1 sein. Insbesondere ist das Fahrzeug 1 dazu eingerichtet, zumindest eine Fahrassistenzfunktion auszuführen.
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Die Fahrassistenzfunktion dient zum Regeln einer Fahrzeugquerführung des Fahrzeugs 1. Hierzu können beispielsweise von einem Steuergerät 2 Aktuatoren 4 einer elektrischen Servolenkung 6 durch Steuerbefehle angesteuert werden.
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Das Fahrzeug 1 weist Sensoren 8, 10 auf, um das Umfeld U abzutasten und Eigenschaften des Fahrzeugs 1 zu ermitteln. Hierzu kann das Fahrzeug 1 Umfeldsensoren 8, wie beispielsweise LIDAR-Sensoren, Kamerasensoren oder Radarsensoren, aufweisen.
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Des Weiteren sind Zustandssensoren 10 zum Ermitteln von Messdaten über einen Fahrzeugzustand, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren, Gier- und Drehratensensoren, Lenkwinkelsensoren und dergleichen, vorgesehen.
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Zusätzlich können GNSS-Sensoren im Fahrzeug 1 eingesetzt werden, um eine Position des Fahrzeugs 1 innerhalb des Umfelds U zu bestimmen.
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Die Sensoren 8, 10 sind datenleitend mit dem Steuergerät 2 verbunden. Das Steuergerät 2 kann hierdurch Messdaten der Sensoren 8, 10 empfangen und auswerten. Anhand der empfangenen Messdaten kann beispielsweise eine Fahrsituation ermittelt werden.
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Zum Ermitteln der Fahrsituation können beispielsweise Daten eines Fahrzustands, wie beispielsweise eine Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Gierrate, eine Querbeschleunigung oder ein Lenkwinkel, eine aktuelle und geplante Trajektorie des Fahrzeugs, ein Verlauf einer befahrenen Fahrspur, ein Verhalten benachbarter Verkehrsteilnehmer, erkannte Verkehrsschilder und/oder aus Kartendaten ermittelte und künftige Verläufe von Fahrspuren empfangen. Dabei können diese Eingangsgrößen einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander zur Situationserkennung der Fahrsituation genutzt werden Je nach Ausgestaltung des Fahrzeugs 1 kann eine situationsabhängige Limitierung des Lenkverhaltens des Fahrzeugs 1 eingestellt werden. Dies kann automatisiert durch das Steuergerät 2 erfolgen. Insbesondere kann die situationsabhängige Limitierung während eines aktivierten Fahrassistenzsystems umgesetzt werden.
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Beispielsweise kann eine Limitierung eines Lenkmomentes an einem Lenkrad 12 des Fahrzeugs 1, einem EPS-Motor 14 der elektronischen Servolenkung 6 oder an einem Rad 16 des Fahrzeugs 1 wirken. Hierzu können beispielsweise Aktuatoren 4 durch das Steuergerät 2 angesteuert werden, um eine Lenkradbewegung des Lenkrads 12 zu verursachen oder zu dämpfen.
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Insbesondere kann der EPS-Motor 14 im Betrieb des Fahrassistenzsystems, wie beispielsweise eines Spurhalteassistenten, die Lenkstellung der Räder 16 über einen dynamisch situationsabhängigen Bereich einstellen können. Die Limitierung des Lenkverhaltens kann hierbei die maximale Einlenkgeschwindigkeit und eine maximale Einlenkweite bzw. Einlenkwinkel des EPS-Motors 14 beeinflussen bzw. einstellen.
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Das Steuergerät 2 kann die Limitierung bzw. die dynamische Variierung des Lenkverhaltens des Fahrzeugs 1 einstellen.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms zum Veranschaulichen eines Verfahrens 20 gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 20 dient zum Einstellen einer Limitierung für ein Lenkverhalten des Fahrzeugs 1 und kann vorzugsweise durch das Steuergerät 2 ausgeführt werden. Das Verfahren 20 kann in Form eines Limiters ausgestaltet sein.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des Verfahrens 20 beschrieben. Durch die funktionale Blockdarstellung soll die physische Realisierung der Funktionen auf einzelnen Steuergeräten 2 nicht eingeschränkt werden. Für die Erfindung ist es daher quasi unerheblich, auf welchem Steuergerät die Limitierung des Lenkverhaltens berechnet wird bzw. ob die Berechnung auf verschiedene Steuergeräte aufgeteilt wird.
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In einem ersten Schritt 22 wird basierend auf Eingangsgrößen 21 eine Fahrsituation des Fahrzeugs 1 ermittelt. Als Fahrsituation des Fahrzeugs 1 können beispielsweise Einparkvorgänge, langsame Kurvenfahrten, schnelle Kurvenfahrten, Geradeausfahrten auf einspurigen oder mehrspurigen Straßen und dergleichen berücksichtigt werden.
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Zum Ermitteln der Fahrsituation können Daten über eine Fahrzeugumgebung U, eine geplante Trajektorie und/oder Daten von Sensoren 8, 10 des Fahrzeugs 1 empfangen werden. Anhand der empfangenen Daten wird anschließend eine Fahrsituation des Fahrzeugs 1 ermittelt.
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Dabei kann je nach Anzahl und Art der verwendeten Eingangssignale bzw. Daten berücksichtigt werden, dass sich die Situation nicht beliebig schnell ändern kann. Beispielsweise kann das Fahrzeug 1 bedingt durch die Fahrdynamik nicht innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde von einer Geradeausfahrt in eine Kurvenfahrt wechseln.
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In einem weiteren Schritt 24 wird anhand der ermittelten Fahrsituation eine situationsabhängige Limitierung eines Lenkverhaltens des Fahrzeugs 1, wie beispielsweise eines Lenkmomentes und/oder eines Lenkgradienten, berechnet. Es erfolgt die Berechnung der für diese Situation sinnvollen und angepassten Limitierung des Lenkmoments.
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Die Limitierung des Lenkverhaltens ist nicht ausschließlich auf eine Reduzierung oder Einschränkung von für die Lenkung ausschlaggebenden Faktoren begrenzt. Die Limitierung des Lenkverhaltens kann beispielsweise auch eine Aufweitung von Lenkwinkelgrenzen umfassen.
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In einem anschließenden Schritt 26 wird mindestens ein Steuerbefehl zum Einstellen der berechneten situationsabhängigen Limitierung des Lenkverhaltens 30 ausgegeben. Dies kann beispielsweise durch einen softwarebasierten und/oder hardwarebasierten Limiter realisiert werden. Der Limiter kann anschließend ein Signal aus einem Fahrassistenzsystem 28 anpassen, um die Steuerbefehle des Steuergeräts 2 auszuführen.
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Alternativ kann das Steuergerät direkt als Fahrassistenzsystem Steuerbefehle zum Steuern des Lenkverhaltens des Fahrzeugs 1 erzeugen und Aktuatoren 4 antreiben.
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Dabei kann das Steuergerät 2 direkt auf Aktuatoren 4 einwirken, um die Limitierung umzusetzen. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät 2 Steuerbefehle an weitere, nicht dargestellte Steuergeräte, weiterleiten, um eine Limitierung des Lenkverhaltens umzusetzen.
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Durch das Verfahren 20 kann beispielsweise bei einer als Geradeausfahrt eingestuften Fahrsituation nur so viel Lenkmoment zugelassen werden, wie üblicherweise zum Halten der Geradeausfahrt und zum Ausregeln von Störungen, wie Spurrillen oder Seitenwind, erforderlich ist. Bei einer Kurvenfahrt kann ein höheres Lenkmoment oder ein größerer Lenkmomentgradient freigeschaltet werden.
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Es kann beispielsweise ein Kurvenradius oder ein dynamischer Kurvenverlauf, wie beispielsweise bei einer stark gewundenen Straße, als Maß der Limitierung des Lenkverhaltens herangezogen werden.
