DE102020208391A1

DE102020208391A1 - Verfahren zur teil- oder vollautonomen Führung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102020208391A1
Application number: DE102020208391.6A
Authority: DE
Inventors: Ketan Babar; Stefan Feick
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2022-01-05
Also published as: CN113879393A; US11840255B2; KR102337050B1; US20220001890A1; CN113879393B; JP2022013714A; JP7248738B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (S100) zur teil- oder vollautonomen Führung eines Kraftfahrzeugs (1), wobei ein Soll-Lenkwinkel zur Führung entlang einer Solltrajektorie (S) eingestellt wird, wobei geprüft wird, ob eine Nullpunktverschiebung zwischen einer aktuellen Lageposition des Kraftfahrzeugs (1) zur Solltrajektorie (S) vorliegt, wobei der eingestellte Soll-Lenkwinkel anhand einer Korrekturkonstante angepasst wird, sollte eine ermittelte Nullpunktverschiebung einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur teil- oder vollautonomen Führung eines Kraftfahrzeugs.
Moderne Kraftfahrzeuge sind inzwischen vielfach mit Fahrerassistenzsystemen ausgestattet. Für querregelnde Fahrerassistenzsysteme wie z. B. einen Spurhalteassistenten sind u.a. ein Soll-Lenkwinkel des Ego-Fahrzeugs zu ermitteln, um diesen an ein Steuergerät zur Ausführung der Querregelung weiterzuleiten. Demnach sind Informationen über den Lenkwinkel von großer Bedeutung, wobei sowohl eine große Genauigkeit als auch eine große Zuverlässigkeit erforderlich sind.
Bei der Ermittlung des Soll-Lenkwinkels wird versucht, einen fahrzeugspezifischen Lenkwinkeloffset zu berücksichtigen, um einen Querlagefehler bei der Querregelung zu vermeiden. Die Bestimmung des fahrzeugspezifischen Lenkwinkeloffsets wird üblicherweise über einen bereits ab Werk applizierten Faktor abgebildet. Insbesondere wird der Faktor einmalig bestimmt, unter Rückgriff auf einen sog. Modell-Lenkwinkel, der z. B. aus der sogenannten Ackermann-Formel, die im Wesentlichen den Lenkwinkel eines Fahrzeug-Rads zu einem Gierraten-Signal und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs in Relation setzt, ermittelt wird. Sobald der Faktor appliziert wurde, wird dieser nicht mehr geändert.
Durch diese Form der Bestimmung des Faktors bleiben jedoch bereits auf den Lenkwinkel einflussnehmende Faktoren wie z. B. Reifenwechsel, Fahrbahnbedingungen, erhöhte bzw. reduzierte Reibung im Lenkungssystem, eine sich ändernde mechanische Elastizität im Lenkungssystem, oder eine geänderte Fahrzeugmasse aufgrund eines Anhängers unberücksichtigt. Demnach mag der einmalig bestimmte Faktor zu Beginn des Fahrzeuglebenszyklus noch einen im Rahmen der erforderlichen Genauigkeit korrekten Lenkwinkeloffset widerspiegeln, jedoch zu einem späteren Zeitpunkt zu ungenau bzw. inkorrekt sein. Die Folge ist ein Querversatz während der Regelung entlang einer Soll-Trajektorie.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche einen Querablagefehler bei der Führung eines Kraftfahrzeugs entlang einer Solltrajektorie vermeidet.
Die vorstehende Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Anspruchs 1 sowie der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Es wird ein Verfahren zur teil- oder vollautonomen Führung eines Kraftfahrzeugs mit folgenden Schritten vorgeschlagen. Es wird ein Soll-Lenkwinkel zur Führung entlang einer Soll-Trajektorie eingestellt. Bei der Solltrajektorie handelt es sich beispielsweise um eine ermittelte Ein- oder Ausparktrajektorie oder den Spurmittenverlauf derjenigen Fahrspur, auf der sich das Kraftfahrzeug aktuell befindet. Der Soll-Lenkwinkel wird vorzugsweise mittels einer von einer Fahrerassistenzvorrichtung oder Auswerteeinheit vorgegebenen Krümmungsanforderung bestimmt. Bei der Fahrerassistenzvorrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Park-, Spurhalte-, Spurführungs- oder Stauassistenzvorrichtung.
Insbesondere lautet die Formel zur Bestimmung des Soll-Lenkwinkels = Faktor * Krümmung. Insbesondere dient der Faktor zum Ausgleich eines Lenkwinkeloffsets, mit anderem Worten eines Querablagefehlers. Vorzugsweise wird der Faktor mittels eines Lenkwinkelmodells, insbesondere mittels eines Einspurmodells wie folgt ermittelt: $F a k t o r = l + \frac{m}{l} (\frac{l_{h} C_{a h} - l_{v} C_{a v}}{C_{a v} C_{a h}}) v^{2}$

m=Kraftfahrzeugmasse
l_v = Abstand zwischen Schwerpunkt und Vorderachse
l_h = Abstand zwischen Schwerpunkt und Hinterachse
C_av = Quersteifigkeit von der Vorderachse
C_ah = Quersteifigkeit von der Hinterachse
v = Kraftfahrzeuggeschwindigkeit
Optional ergänzend kann vorgesehen sein, dass der Faktor an fahrzeugspezifische Parameter des Kraftfahrzeugs angepasst wird, so z. B. an Fahrzeugmasse, Abstand zwischen Achsen, Drehmoment, Steifigkeit der Vorder- und Hinterachse, die Einfluss auf den Lenkwinkel nehmen. Die Fahrzeugparameter sind durch das jeweilige Kraftfahrzeug, in dem die Vorrichtung zur Führung des Kraftfahrzeugs verbaut wird, bekannt.
Es wird geprüft, ob eine Nullpunktverschiebung zwischen einer aktuellen Lageposition des Kraftfahrzeugs zur Solltrajektorie vorliegt. Insbesondere handelt es sich bei der Nullpunktverschiebung um einen Querablagefehler, der zu einer Querversatzführung des Kraftfahrzeugs zur Solltrajektorie führt. Die Nullpunktverschiebung zur Solltrajektorie kann beispielsweise mittels Sensordaten, z. B. Kamerabilddaten einer fahrzeuginternen Kameraeinheit des Kraftfahrzeugs ermittelt werden.
Der eingestellte Soll-Lenkwinkel wird anhand einer Korrekturkonstante angepasst, sollte die ermittelte Nullpunktverschiebung einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten. Bei dem vorgegebenen Schwellwert handelt es sich insbesondere um eine festgelegte, maximal erlaubte laterale Abweichung zur Solltrajektorie. Vorzugsweise ist der vorgegebene Schwellwert ein fester Schwellwert, somit mit anderen Worten ein einmalig festgelegter, unveränderbarer Schwellwert. Es kann jedoch ebenso vorgesehen sein, dass der Schwellwert z. B. in Abhängigkeit der Verkehrssituation, insbesondere in Abhängigkeit von der Fahrbahnbreite und/oder von der Fahrzeuggeschwindigkeit festgelegt wird.
Vorzugsweise wird der anzupassende Soll-Lenkwinkel wie folgt ermittelt: Anzupassender Soll-Lenkwinkel = Korrekturkonstante * eingestellter Soll-Lenkwinkel.
Insbesondere wird die Korrekturkonstante wie folgt ermittelt: $K o r r e k t u r k o n s t a n t e = \frac{F a k t o r + N u l l p u n k t v e r s c h i e n u n g}{F a k t o r}$
Der ermittelte, anzupassende Soll-Lenkwinkel wird insbesondere an eine Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs ausgegeben, welche die Einstellung des Soll-Lenkwinkels ansteuert.
Mit dem vorgestellten Verfahren ist es möglich, verschiedenste, auf die Lenkwinkelcharakteristik einflussnehmende Faktoren auf einfache Art und Weise zusammenzuführen. Durch den Ausgleich des Querablagefehlers, welcher sich auch erst über die Lebenslaufzeit des Kraftfahrzeugs ausbilden kann, wird langfristig eine zuverlässige und sichere Führung des Kraftfahrzeugs gewährleistet. Eine Nullpunktverschiebung kann auf diese Weise auch ohne Berücksichtigung der Vielzahl an Einflussfaktoren zuverlässig angepasst werden. Eine regelmäßige Prüfung des aktuell vorliegenden Lenkwinkeloffsets und entsprechend adaptives Anpassen zur Sicherstellung eins sicheren Fahrens ist folglich erzielt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ausschließlich eine statische Nullpunktverschiebung anhand der Korrekturkonstante korrigiert, wobei zur Bestimmung einer Nullpunktverschiebung als statisch ein Offset-Verlauf zu der Solltrajektorie über ein festgelegtes Zeitfenster ermittelt und ein Mittelwert aus dem ermittelten Offset-Verlauf gebildet wird. Insbesondere wird der Mittelwert als statische Nullpunktverschiebung erfasst, sollte diese einen vorgegebenen Korrekturschwellwert überschritten haben, wobei mittels der erfassten Nullpunktverschiebung ein Korrektur-Offset festgelegt wird, mittels diesem die Anpassung des eingestellten Soll-Lenkwinkels erfolgt. Demnach erfolgt lediglich dann eine Anpassung des Soll-Lenkwinkels, wenn über eine festgelegte Wegstrecke das Kraftfahrzeug stets eine Nullpunktverschiebung nach links bzw. rechts trotz der vorzugsweise über den Faktor korrigierten Krümmung aufweist. Auf diese Weise bleiben insbesondere dynamische Nullpunktverschiebungen ausgeschlossen. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass dynamische Einflussfaktoren wie beispielsweise Seitenwind nicht in die Korrekturkonstante einfließen somit das Verfahren und die Vorrichtung robust gegenüber Störeinflussquellen bleiben.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Korrektur der ermittelten Nullpunktverschiebung stabil verlaufend erfolgt. Damit soll eine sprunghafte Korrektur des eingestellten Soll-Lenkwinkels verhindert und folglich dem Fahrzeugführer das Gefühl einer sicheren und komfortablen Führung vermittelt werden.
Bevorzugt ist, dass die Anpassung des eingestellten Soll-Lenkwinkels anhand der Korrekturkonstante ausgeschlossen ist, sollten Störeinflüsse ermittelt worden sein, die die Ermittlung einer statischen Nullpunktverschiebung beeinträchtigen. Bei den Störeinflüssen handelt es sich z. B. um Seitenwind, eine geneigte Fahrbahn, eine ausgeführte Lenkbewegung durch den Fahrer oder eine unstabile Fahrsituation wie Über- oder Untersteuern. Störeinflüsse können beispielsweise mittels Sensoren, alternativ durch eine Dynamik im Lenkverlauf ermittelt werden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass eine Prüfung einer vorliegenden Nullpunktverschiebung und die Anpassung der Korrekturkonstante zyklisch erfolgt. Somit erfolgt insbesondere eine regelmäßige Aktualisierung der Korrekturkonstante an die zuletzt ermittelte Korrekturkonstante, sofern erforderlich. Zudem ist bevorzugt, dass im Falle von Delay-Signalen, welche Einfluss auf die Nullpunktverschiebung nehmen, in einem Folgezyklus berücksichtigt werden, um zeitnah wesentliche Einflussgrößen in der Korrekturkonstante berücksichtigen zu können.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur teil- oder vollautonomen Führung eines Kraftfahrzeugs entlang einer Solltrajektorie umfassend einen Servoantrieb mit einem Motor, ein elektronisches Steuergerät zur Ansteuerung des Motors, wobei das elektronische Steuergerät zur Durchführung eines Verfahrens nach der vorhergehenden Beschreibung ausgebildet ist. Bei der Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Fahrerassistenzvorrichtung wie z. B. eine Spurführungsassistenzvorrichtung.
Die Vorrichtung kann insbesondere einen Mikrocontroller oder -prozessor, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Grafikprozessor (GPU), einen Digital Signal Processor (DSP), einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit), einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und dergleichen mehr sowie Software zur Durchführung der entsprechenden Verfahrensschritte umfassen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung nach der vorhergehenden Beschreibung.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1a, 1b ein beispielhaftes Verkehrsszenario, bei dem eine Nullpunktverschiebung bei der Führung des Kraftfahrzeugs entlang einer Solltrajektorie vorliegt;
2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Führung des Kraftfahrzeugs entlang der Solltrajektorie;
3a, 3b ein Beispiel zur Ermittlung einer statischen Nullpunktverschiebung zwischen einer aktuellen Lageposition des Kraftfahrzeugs zur Solltrajektorie;
4 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1a zeigt beispielhaft eine nach rechts versetzte Nullpunktverschiebung und in 1b eine nach links versetzte Nullpunktverschiebung bei der Führung des Kraftfahrzeugs 1 entlang einer Solltrajektorie S. Eine solche insbesondere stetig verlaufende Nullpunktverschiebung kann sich beispielsweise aus mechanischen Defekten oder Änderungen ergeben, wobei die Ursache der Nullpunktverschiebung systemseitig oftmals nicht festzustellen und entsprechend nur schwierig auszugleichen ist.
Vor diesem Hintergrund ist eine Vorrichtung 2 vorgesehen, welche zur teil- oder vollautonomen Führung des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildet ist, wie in dem Blockschaltbild in 2 gezeigt. Beispielsweise ist eine Auswerteeinrichtung 3 ausgebildet, einen Soll-Lenkwinkel zur Führung entlang einer Solltrajektorie S zu bestimmen und an eine Steuereinrichtung 4 auszugeben, welche ausgebildet ist, die Einstellung des Soll-Lenkwinkels anzusteuern. Beispielsweise ist die Auswerteeinrichtung 3 ausgebildet zu prüfen, ob eine Nullpunktverschiebung zwischen einer aktuellen Lageposition des Kraftfahrzeugs 1 zur Solltrajektorie S vorliegt. Insbesondere ist die Auswerteeinrichtung 3 ausgebildet, eine Korrekturkonstante zu ermitteln, anhand dieser der eingestellte Soll-Lenkwinkel angepasst wird, vorausgesetzt, dass die ermittelte Nullpunktverschiebung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Die Korrekturkonstante wird z. B. wie folgt ermittelt: $K o r r e k t u r k o n s t a n t e = \frac{F a k t o r + N u l l p u n k t v e r s c h i e b u n g}{F a k t o r}$
$F a k t o r = l + \frac{m}{l} (\frac{l_{h} C_{a h} - l_{v} C_{a v}}{C_{a v} C_{a h}}) v^{2}$
m=Kraftfahrzeugmasse, I_v = Abstand zwischen Schwerpunkt und Vorderachse, l_h = Abstand zwischen Schwerpunkt und Hinterachse, C_av = Quersteifigkeit von der Vorderachse, C_ah = Quersteifigkeit von der Hinterachse, v = Kraftfahrzeuggeschwindigkeit
Bei dem Schwellwert kann es sich beispielsweise um einen festen Querablagefehler-Schwellwert von +/- 15cm handeln. Vorzugsweise wird der ermittelte anzupassende Soll-Lenkwinkel an die Steuereinrichtung 4 ausgegeben, welche ausgebildet ist, die Anpassung des Soll-Lenkwinkels anzusteuern. Für das beispielhafte Verkehrsszenario in 1a erfolgt entlang der Linkskurve insbesondere eine Erhöhung der Korrekturkonstante und für in 1b eine Verringerung der Korrekturkonstante.
3a zeigt in einer Vogelperspektive über eine bestimmte Wegstrecke einen dynamischen Nullpunktverschiebungsverlauf entlang der Solltrajektorie und eine gemittelte Nullpunktverschiebung. Beispielsweise soll ausschließlich eine statische Nullpunktverschiebung korrigiert werden. Zur Ermittlung der Nullpunktverschiebung als statisch, ist beispielsweise vorgesehen, einen Offset-Verlauf, welcher in den 3a, 3b als dynamischer dynamischer Lateralfehler gezeigt ist, zu der Solltrajektorie über ein festgelegtes Zeitfenster oder über eine festgelegte Wegstrecke zu ermitteln und hieraus einen Mittelwert aus dem Offset-Verlauf zu bilden. Insbesondere wird der Mittelwert als statische Nullpunktverschiebung erfasst, sollte diese einen vorgegebenen Korrekturschwellwert überschritten haben. Bei dem Korrekturschwellwert handelt es sich beispielsweise um ein vorgegebenes Mindestzeitfenster oder eine vorgegebene Mindeststrecke, die überschritten werden muss, um eine Nullpunktverschiebung als statisch festzulegen. Insbesondere wird mittels der erfassten Nullpunktverschiebung ein Korrektur-Offset festgelegt, mittels diesem die Anpassung des eingestellten Soll-Lenkwinkels erfolgt.
4 zeigt in einem Ablaufplan ein Verfahren S100 zum Steuern des Kraftfahrzeugs 1 entlang einer Solltrajektorie S mittels einer teil- oder vollautonomen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Einstellung eines Soll-Lenkwinkels zur Führung entlang einer Solltrajektorie S S101, Prüfung, ob eine Nullpunktverschiebung zwischen einer aktuellen Lageposition des Kraftfahrzeugs 1 zur Solltrajektorie S vorliegt S102, Anpassung des eingestellten Soll-Lenkwinkels anhand der Korrekturkonstante K S103, sollte eine ermittelte Nullpunktverschiebung einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten.

Claims

Verfahren (S100) zur teil- oder vollautonomen Führung eines Kraftfahrzeugs (1), wobei ein Soll-Lenkwinkel zur Führung entlang einer Solltrajektorie (S) eingestellt wird, wobei geprüft wird, ob eine Nullpunktverschiebung zwischen einer aktuellen Lageposition des Kraftfahrzeugs (1) zur Solltrajektorie (S) vorliegt, wobei der eingestellte Soll-Lenkwinkel anhand einer Korrekturkonstante angepasst wird, sollte eine ermittelte Nullpunktverschiebung einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ausschließlich eine statische Nullpunktverschiebung anhand der Korrekturkonstante korrigiert wird, wobei zur Bestimmung einer Nullpunktpunktverschiebung als statisch ein Offset-Verlauf zu der Solltrajektorie über ein festgelegtes Zeitfenster ermittelt und ein Mittelwert aus den ermittelten Offset-Verlauf gebildet wird, wobei der Mittelwert als statische Nullpunktverschiebung erfasst wird, sollte diese einen vorgegebenen Korrekturschwellwert überschritten haben, wobei mittels der erfassten Nullpunktverschiebung ein Korrektur-Offset festgelegt wird, mittels diesem die Anpassung des eingestellten Soll-Lenkwinkels erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Korrektur der ermittelten Nullpunktverschiebung stabil verlaufend erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpassung des eingestellten Soll-Lenkwinkels anhand der Korrekturkonstante ausgeschlossen ist, sollten Störeinflüsse ermittelt worden sein, die die Ermittlung einer statischen Nullpunktverschiebung beeinträchtigen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei eine Prüfung einer Nullpunktverschiebung und Anpassung der Korrekturkonstante zyklisch erfolgt, wobei im Falle von Delay-Signalen, welche Einfluss auf die Nullpunktverschiebung nehmen, in einem Folgezyklus berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ermittlung der vorzugebenden Korrekturkonstante anhand der erm ittelten Nullpunktverschiebung und eines Faktors erfolgt, wobei der Faktor mittels eines Einspurmodells ermittelt und nachfolgend an fahrzeugspezifischen Parametern des Ego-Fahrzeugs angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfung einer Nullpunktverschiebung zur Solltrajektorie mittels Kamerabilddaten einer fahrzeuginternen Kameraeinheit ermittelt wird.
Vorrichtung zur teil- oder vollautonomen Führung eines Kraftfahrzeugs (1) entlang einer Solltrajektorie (S) umfassend einen Servoantrieb mit einem Motor, ein elektronisches Steuergerät zur Ansteuerung des Motors, wobei das elektronische Steuergerät zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung nach Anspruch 8.