DE102020213979A1 - Automatisches Führen eines Regelpunktes eines Fahrzeuggespannes entlang einer Soll-Trajektorie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugsteuergerät (4) zur automatischen Führung eines Regelpunktes (q) eines Fahrzeuggespannes entlang einer Soll-Trajektorie (q(t), p(s)) bei einer Fortbewegung des Fahrzeuggespannes, wobei das Fahrzeuggespann aus zumindest einem Führungsfahrzeug (1) und einem mit dem Führungsfahrzeug durch ein Gelenk gekoppeltes Folgefahrzeug (2) besteht. Das Steuergerät (4) ist aufweisend eine Ausgabeschnittstelle (42), durch die das Fahrzeugsteuergerät (4) Steuerbefehle an zumindest einen Aktor des Führungsfahrzeugs (1) für die Führung des Regelpunktes (q) entlang der Soll-Trajektorie (q(t), p(s)) ausgibt, und eine Berechnungseinrichtung (43), durch die das Fahrzeugsteuergerät (4) die Steuerbefehle anhand der Soll-Trajektorie (q(t), p(s)) und des Regelpunktes (q) ermittelt. Bei dem Fahrzeugsteuergerät (4) ist der Regelpunkt (q) im Bezug zur Längs- und/oder Querrichtung des Fahrzeuggespannes einstellbar ausgebildet. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeuggespann mit einem solchen Steuergerät sowie ein Verfahren zur automatischen Führung eines Regelpunktes (q) eines Fahrzeuggespannes entlang einer Soll-Trajektorie (q(t), p(s)), bei dem der Regelpunkt (q) während des Betriebs des Fahrzeuggespannes im Bezug zur Längs- und/oder Querrichtung des Fahrzeuggespannes verändert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugsteuergerät und ein Verfahren zur Führung eines Regelpunktes eines Fahrzeuggespannes entlang einer Soll-Trajektorie, sowie ein Fahrzeuggespann mit einem solchen Fahrzeugsteuergerät.
• Automatisierte Fahrfunktionen werden zunehmend auch in Offroad-Bereichen vorgesehen. Bei innerbetrieblichen Logistik-Anwendungen bietet die Automatisierung des Materialtransports große Effizienzpotenziale. Typisch für den innerbetrieblichen Materialtransport sind kompakte Zugfahrzeuge mit einem oder mehreren Anhängern. Beim autonomen Betrieb werden diese auch als Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) oder Automated Guided Vehicle (AGV) bezeichnet. Sie sind normalerweise nicht für den Straßenverkehr zugelassen. Typischerweise bewegen sich FTF nur vorwärts, da die Rückwärtsfahrt mit Anhängern ein sehr anspruchsvolles Manöver, sowohl für die Sensorik als auch für die Aktorik, ist. Aus regelungstechnischer Sicht ist die Rückwärtsbewegung von Fahrzeug-Anhänger-Gespannen normalerweise instabil. Ohne entsprechenden Gegenmaßnahmen kann es zu einem Einknicken zwischen einzelnen Gliedern des Gespannes kommen, was auch als Klappmessereffekt bezeichnet wird. Allerdings ist die Rückwärtsfahrt bei manchen Anwendungsfällen erforderlich, beispielsweise bei einem Heranfahren an eine Laderampe mit einem Anhänger.
• Neben Logistik-Anwendungen gibt es beispielsweise auch in der Landwirtschaft den Bedarf als Anhänger ausgeführten Anbaugeräte mittels eines autonomen Zugfahrzeugs zu manövrieren. Normalerweise wird hierbei auf die Knickwinkel (Differenzwinkel) zwischen den Gespanngliedern geregelt, um bei einer Rückwärtsfahrt das Gespann zu stabilisieren. Je nach verwendetem Reglertyp wird die Hinterachse oder der Schwerpunkt des hintersten Anhängers automatisch entlang einer Referenz, also einer Soll-Trajektorie, bewegt.
• Aus der DE 698 14 847 T2 ist beispielsweise ein Roboter-Steuerungssystem für eine landwirtschaftliche Erntemaschine bekannt. Damit können Lenkungssignale zum Lenken der Erntemaschine entlang eines Pfades erzeugt werden, um das gesamte Erntematerial auf einem Feld zu mähen.
• Aus der DE 10 2005 041 550 A1 ist beispielsweise ein Lenksystem eines Fahrzeugs mit einem Spurführungssystem zur Ermittlung einer Fahrtroute vorgesehen. Hierbei bewirkt eine Datenverarbeitungseinrichtung eine automatische Lenkung des Fahrzeugs.
• Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2019 006 720 A1 der Anmelderin ist eine Prozessoreinheit mit einer Schnittstelle zum autonomen Betrieb eines Fahrzeugs bekannt. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, um mittels der Schnittstelle auf eine durch eine Sensorik generierte Umfelderfassung des Fahrzeugs zuzugreifen, und mehrere Spurlinien in der Umfelderfassung zu erkennen, und eine Spurlinie aus den erkannten Spurlinien auszuwählen, und eine Soll-Trajektorie anhand der ausgewählten Spurlinie zu berechnen, und das Fahrzeug basierend auf der berechneten Soll-Trajektorie derart zu steuern, dass ein in Längsrichtung und/oder in Querrichtung des Fahrzeugs frei wählbarer Regelpunkt autonom der ausgewählten Spurlinie folgt.
• Nachteile oder Beschränkungen bei bekannten Vorgehensweisen zum automatischen Führungen von Fahrzeuggespannen können sein:
• - Die Bewegungsplanung muss die Transformation des Regelpunktes berücksichtigen, wenn nicht mit dem Mittelpunkt einer Hinterachse oder eines Schwerpunkts, sondern mit einem beliebigen Punkt der Soll-Trajektorie gefolgt werden soll.
• - Um Zustands- und Stellgrößenbegrenzungen nicht zu überschreiten, müssen bei klassischen Regelansätzen konservative Reglerparameter gewählt werden.
• - Die Transformation auf den zu regelnden Ausgangspunkt muss separat in der Trajektorienplanung erfolgen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ist von Interesse, einen beliebigen Punkt des letzten Gliedes eines Fahrzeuggespannes auf einer zu fahrenden Referenz, also einer Soll-Trajektorie, zu stabilisieren.
• Diese Aufgabe wird durch die in den Hauptansprüchen jeweils angegebenen Maßnahmen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den Unteransprüchen entnehmbar.
• Demnach wird ein Fahrzeugsteuergerät zur automatischen Führung eines Regelpunktes eines Fahrzeuggespannes entlang einer Soll-Trajektorie bei einer Fortbewegung des Fahrzeuggespannes vorgeschlagen. Das Fahrzeuggespann besteht hierbei zumindest aus zwei Gespanngliedern, nämlich einem Führungsfahrzeug und einem mit dem Führungsfahrzeug durch ein Gelenk gekoppeltes Folgefahrzeug.
• Das Fahrzeugsteuergerät weist eine Ausgabeschnittstelle auf. Diese ist gezielt dazu eingerichtet, um Steuerbefehle an zumindest einen Aktor des Führungsfahrzeugs für die Führung des Regelpunktes entlang der Soll-Trajektorie auszugeben.
• Das Fahrzeugsteuergerät weist außerdem eine Berechnungseinrichtung auf. Diese ist gezielt dazu eingerichtet, um die Steuerbefehle zumindest anhand der Soll-Trajektorie und des Regelpunktes zu ermitteln.
• Vorschlagsgemäß ist bei dem Fahrzeugsteuergerät der Regelpunkt im Bezug zur Längs- und/oder Querrichtung des Fahrzeuggespannes einstellbar ausgebildet. Dadurch kann der Regelpunkt frei im Bezug zum Gespann parametriert werden. Dadurch ist es möglich, je nach Einsatzzweck und/oder Zusammenstellung des Gespanns einem anderen Regelpunkt zu folgen. Es ist also beispielsweise möglich, den Regelpunkt während des Betriebs des Gespannes und/oder für eine geänderte Zusammenstellung des Gespannes zu ändern. Somit kann situationsgerecht beispielsweise eine mehr oder weniger große Überdeckung bei der Bearbeitung von Ackerboden oder bei der Ernte gewählt werden. Insbesondere ist der Regelpunkt in Echtzeit („online“) änderbar.
• Der Regelpunkt ist derjenige Punkt, der entlang der Soll-Trajektorie während der Fortbewegung des Gespannes geführt werden soll. Hieraus werden die entsprechenden Steuerbefehle berechnet. Dies kann zunächst die Berechnung einer Stelltrajektorie anhand der Soll-Trajektorie und des Regelpunkts umfassen, woraus wiederum die Steuerbefehle abgeleitet werden. Bei der Berechnung der Stelltrajektorie werden vorzugsweise die Beschränkungen des Gespannes miteinbezogen, wie insbesondere fahrzeugspezifische Beschränkungen. Somit wird sichergestellt, dass die Stelltrajektorie von dem Gespann technisch durchführbar ist.
• Die Einstellbarkeit des Regelpunktes kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Regelpunkt als frei veränderbare Variable vorgesehen ist, die über eine entsprechende Eingabeschnittstelle des Steuergeräts durch den Anwender des Gespannes änderbar ist. Vorzugsweise weist daher das Fahrzeugsteuergerät eine Eingabeschnittstelle auf, wobei der Regelpunkt über diese Eingabeschnittstelle einstellbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Regelpunk „online“, also auch während des Betriebs des Gespannes, änderbar ist. Davon unberührt können Sperren vorgesehen sein, um unsinnige oder gefährliche Änderungen des Regelpunktes zu verhindern. Beispielsweise kann eine Änderung des Regelpunktes bei unzulässig hohen Geschwindigkeiten des Gespannes gesperrt sein oder es können solche Änderungen des Regelpunktes gesperrt sein, die zu einem gefährlichen Zustand des Gespannes führen würden. Hiervon abzugrenzen sind solche Parameter, die im Rahmen der Bedatung des Steuergeräts fest vorgesehen sind und/oder die nur im Zuge einer Neuinstallation der Software oder Softwaremodulen des Steuergeräts veränderbar sind und/oder die nur durch Servicepersonal mit einer für die Allgemeinheit unzugänglichen Servicesoftware veränderbar sind.
• Beispielsweise ist es möglich, dass an einen landwirtschaftlichen Schlepper zunächst eine als Anhänger ausgebildete Feldspritzen mit einem Ausleger angekoppelt wird. Das Gespann umfasst somit den Schlepper und die Feldspritze. Hierbei wird der Regelpunkt auf die Außenkante des Auslegers gelegt, um einen möglichst ökonomischen Einsatz von Spritzmittel zu bewirken. Das Gespann wird sodann automatisch geführt, sodass die Außenkante der Feldspritze der vorgegebenen oder in Echtzeit ermittelten Soll-Trajektorie folgt.
• Anschließend kann eine neue Zusammenstellung des Gespanns erfolgen. Beispielsweise wird anstelle der Feldspritze nun ein Kippanhänger angekoppelt, mit dem Schüttgut an eine bestimmte Stelle transportiert und dort abgeladen werden soll. Das Gespann umfasst somit nun den Schlepper und den Kippanhänger. Jetzt wird der Regelpunkt sinnvollerweise unmittelbar hinter den Kippanhänger gelegt, um das Schüttgut zielgenau entlang einer Soll-Trajektorie automatisch zu der gewünschten Stelle zu bewegen und dort hinter dem Kippanhänger abzuladen. Sofern der Kippanhänger als Seitenkipper ausgeführt ist, kann der Regelpunkt stattdessen auch auf die entsprechende Seite des Gespanns neben den Kippanhänger gelegt werden, um das Gespann damit zielgenau zu manövrieren und das Schüttgut schließlich an der richtigen Stelle zur Seite hin abzuladen.
• Im Anschluss hieran kann das Gespann nochmals neu zusammengestellt werden, wobei der Regelpunkt erneut an die jeweils sinnvollste Stelle des Gespanns verlegt wird, um das Gespann damit automatisch entlang der Soll-Trajektorie zu bewegen. Die Einstellung des Regelpunktes kann bereits während der Zusammenstellung des Gespanns genutzt werden, um den Regelpunkt auf diejenige Kupplung zu legen, die an den anzukoppelnden Anhänger herangeführt werden soll. Somit kann bereits der Ankoppelvorgang zur Zusammenstellung des Gespannes auf optimale Weise automatisch erfolgen.
• Das Fahrzeugsteuergerät ist bevorzugt als eine geschlossene Baueinheit ausgebildet. Das Fahrzeugsteuergerät ist insbesondere dazu eingerichtet, an das Fahrzeuggespann, insbesondere an das Führungsfahrzeug, angebaut zu werden. Somit führt das Fahrzeuggespann bzw. das Führungsfahrzeug das Fahrzeugsteuergerät stets mit. Das Fahrzeugsteuergerät ist insbesondere dazu eingerichtet, um das Gespann mittels der Steuerbefehle automatisch zu betreiben. Dies beinhaltet den automatischen Betrieb einer Lenkung des Gespannes. Somit wird durch die Steuerbefehle das Gespann zumindest automatisch gelenkt. Der besagte Aktor des Gespannes dient dann also zur Betätigung einer Lenkung. Zudem kann durch das Steuergerät ein automatischer Betrieb eines Traktionsmotors und/oder einer Bremse des Gespannes umfasst sein. Somit kann durch die Steuerbefehle das Gespann automatisch beschleunigt werden und abgebremst werden. Dementsprechend können zusätzliche Aktoren zur Beschleunigung und/oder zum Abbremsen des Gespannes vorgesehen sein, die vom Steuergerät durch die Steuerbefehle angesteuert werden.
• Die Berechnungseinrichtung nimmt die Berechnungen zur Führung des Regelpunktes entlang der Soll-Trajektorie vor. Dementsprechend ermittelt es die dafür notwendigen Steuerbefehle für den zumindest einen Aktor. Bei der Berechnungseinrichtung handelt es sich insbesondere um einen Microcontroller. Die Berechnungseinrichtung kann über eine oder mehrere Microprozessoren verfügen, mittels dessen die notwendigen Berechnungen durchgeführt werden.
• Die Berechnungseinrichtung ist insbesondere eingerichtet, um auf einen Datenspeicher des Fahrzeugsteuergeräts zuzugreifen. Dieser Datenspeicher kann die zur Berechnung notwendigen Berechnungsanweisungen enthalten, wie insbesondere eine modellprädiktive Fahrzeugregelung. Dieser Datenspeicher kann auch die Beschränkungen bei der Ermittlung der Steuerbefehle enthalten. Zudem kann vorgesehen sein, dass der dem Datenspeicher den Regelpunkt enthält. Hierzu ist der den Regelpunkt enthaltende Speicherbereich des Datenspeichers wiederbeschreibbar ausgeführt, um den Regelpunk einstellen zu können. Beim Einstellen des Regelpunktes werden beispielsweise neue Koordinatenwerte für den Regelpunkt in dem Datenspeicher neu hinterlegt.
• Es ist vorgesehen, dass das Fahrzeugsteuergerät das Gespann entlang der Soll-Trajektorie unabhängig von der Fahrzeugrichtung führt. Somit ist eine Führung sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung möglich. Für beide Fahrtrichtungen, also für Vorwärts und Rückwärts, ist der Regelpunkt im Bezug zur Längs- und/oder Querrichtung des Fahrzeuggespannes einstellbar ausgebildet. Dadurch kann das Gespann besonders effektiv eingesetzt werden. Es ist möglich, dass der Regelpunkt in Abhängigkeit der Fahrtrichtung einstellbar ist, wodurch unterschiedliche Regelpunkte für die unterschiedlichen Fahrtrichtungen möglich sind.
• Die Soll-Trajektorie kann Informationen dahingehend enthalten, entlang welcher Ortspositionen sich der Regelpunkt zu welchen Zeitpunkten bewegen soll. Somit gibt die Soll-Trajektorie auch die jeweilige Geschwindigkeit des Gespannes vor. Dies ist dann besonders sinnvoll, wenn sowohl die Lenkung als auch die Einstellung der Geschwindigkeit und Fahrtrichtung des Gespannes automatisch erfolgt. Somit ist das Gespann vollautonom bewegbar. Alternativ kann die Soll-Trajektorie auch nur Informationen dahingehend enthalten, entlang welcher Ortspositionen sich der Regelpunkt bewegen soll. Die Soll-Trajektorie entspricht dann also einem Sollpfad. Dies kann dann sinnvoll sein, wenn nur die Lenkung des Gespannes automatisch betätigt wird. Somit kann das Gespann teilautonom betrieben werden, wobei ein Fahrer des Gespannes die Geschwindigkeit und Fahrtrichtung vorgibt und wobei die Lenkung automatisch betätigt wird. Dennoch kann auch bei Verwendung eines Sollpfades die Einstellung der Geschwindigkeit und Fahrtrichtung des Gespannes automatisch erfolgen, wodurch ein vollautonomer Betrieb des Gespannes möglich ist.
• Wie erläutert besteht das Gespann zumindest aus dem Führungsfahrzeug und dem mit dem Führungsfahrzeug durch ein Gelenk gekoppeltes Folgefahrzeug. An dem Gelenk stellt sich der Knickwinkel zwischen den Längsachsen der beiden Fahrzeuge ein. Dieser Knickwinkel darf ein Maximum nicht überschreiten. Das Führungsfahrzeug weist insbesondere die Lenkung des Gespannes auf. Diese wird von dem Aktor betätigt. Dementsprechend bewerkstelligt das Fahrzeugsteuergerät durch entsprechende Betätigung der Lenkung des Führungsfahrzeugs (durch Ausgabe der Steuerbefehle) die Führung des Regelpunktes entlang der Soll-Trajektorie. Das Fahrzeugsteuergerät ist bevorzugt auf dem Führungsfahrzeug angeordnet. Das Führungsfahrzeug kann auch einen oder den besagten Traktionsmotor aufweisen, durch den das Gespann vorangetrieben wird. Bei dem Führungsfahrzeug handelt es sich dann um ein Zugfahrzeug, wie beispielsweise einen Schlepper oder ein Lastkraftwagen. Das Folgefahrzeug ist insbesondere ein Anhänger. Es kann vorgesehen sein, dass das Folgefahrzeug frei von einem Traktionsmotor und/oder einer aktiven Lenkung ist. Das Folgefahrzeug wird dann insbesondere lediglich durch die Koppelung mit dem Führungsfahrzeug mitbewegt, also entweder gezogen oder geschoben, wobei es durch die Koppelung passiv mitgelenkt wird.
• Es kann vorgesehen sein, dass das Gespann über weitere Glieder verfügt. Insbesondere können mehrere Folgefahrzeuge hintereinander an das Führungsfahrzeug angekoppelt sein. Der Regelpunkt kann auch hier flexibel an eine beliebige sinnvolle Position im Bezug zum Gespann gelegt werden.
• Das Gelenk, das jeweils zwei der Glieder des Gespannes miteinander koppelt, erlaubt zumindest ein Verschwenken der damit gekoppelten Glieder auf der Fahrbahn des Gespannes, sodass durch das Gelenk eine Kurvenfahrt des Gespannes ermöglicht ist. Es kann zudem vorgesehen sein, dass das Gelenk Höhenunterschiede oder unterschiedliche Steigungen der Fahroberfläche zwischen den damit gekoppelten Gliedern ausgleicht. Das Gelenk kann lösbar oder unlösbar ausgeführt sein. Ein unlösbares Gelenk ist dafür vorgesehen, dass es bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb des jeweiligen Gespanngliedes nicht lösbar ist. Ein unlösbares Gelenk kann beispielsweise als Drehschemel ausgebildet sein. Ein lösbares Gelenk ist dafür vorgesehen, dass es bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb des jeweiligen Gespanngliedes gelöst werden kann, beispielsweise zur Änderung der Zusammensetzung des Gespannes. Ein lösbares Gelenk kann beispielsweise als Bolzen-, Kugelkopf-, Maul- oder Sattelkupplung ausgebildet sein.
• Ein Gespann aus einem einfachen Drehschemelanhänger und einem Zugfahrzeug wird durch die Berechnungseinrichtung insbesondere als dreigliedriges Gespann modellhaft angenommen. Hierbei bilden das Zugfahrzeug, der Drehschemel mit der daran befestigten Radachse und der Anhängeraufbau mit der oder den daran befestigten Radachsen die einzelnen Glieder des Gespannes. Zwischen Zugsmaschine und Drehschemel ist hierbei ein lösbares Gelenk vorgesehen und zwischen Drehschemel und Anhängeraufbau ist hierbei ein unlösbares Gelenk vorgesehen. Bei einer Erweiterung des Gespannes mit weiteren Anhängern wird das von der Berechnungseinrichtung zur Berechnung herangezogene Modell des Gespannes entsprechend ergänzt.
• Vorzugsweise ist der Regelpunkt im Bezug zum Folgefahrzeug einstellbar. Somit wird der Regelpunkt anhand seiner Position relativ zum Folgefahrzeug definiert. Es kann vorgesehen sein, dass der Regelpunkt im Bezug zum letzten, also hintersten, Folgefahrzeug des Gespannes (aus Sicht des Führungsfahrzeug) einstellbar ist. Dementsprechend ist das Steuergerät dazu eingerichtet, dass der Regelpunkt im Bezug zum Folgefahrzeug eingestellt wird. Die Einstellung des Regelpunktes erfolgt insbesondere dadurch, dass der Regelpunkt durch Vorgabe eines Längsversatzes und eines Querversatzes zu einem fest an dem Folgefahrzeug vorgesehenen Bezugspunktes eingestellt wird. Beispielsweise wird die Position des Regelpunktes über die besagte Eingabeschnittstelle des Steuergeräts in einem sich mit dem Folgefahrzeug mitbewegenden Koordinatensystem eingegeben. Mit anderen Worten ist hierbei die Position des Regelpunktes im Bezug zur Längs- und Querachse des Folgefahrzeugs definiert. Dadurch kann die Ermittlung der Folgetrajektorie vereinfacht sein.
• Wie oben erläutert verfügt das Steuergerät insbesondere über die Eingabeschnittstelle zum Einstellen des Regelpunktes. In diesem Fall kann das Steuergerät so eingerichtet sein, dass es den Regelpunkt über die Eingabeschnittstelle von dem Folgefahrzeug erhält. Das Folgefahrzeug verfügt demnach über einen Datenspeicher, in dem der Regelpunkt für das Folgefahrzeug gespeichert ist. Bei Koppelung des Folgefahrzeugs mit dem Führungsfahrzeug wird sodann über die Eingabeschnittstelle dieser Regelpunkt des Folgefahrzeugs dem Steuergerät mitgeteilt. Somit erfolgt eine Anpassung des Regelpunktes anhand des angekoppelten Folgefahrzeugs, insbesondere des letzten Folgefahrzeugs im Gespann. Somit wird bei einem Gespann mit einer Feldspritze automatisch ein anderer Regelpunkt gewählt, als bei einem Gespann mit einem Kippanhänger. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät so eingerichtet sein, dass es den Regelpunkt über die Eingabeschnittstelle von einer Benutzereingabegerät für einen Anwender des Fahrzeuggespannes erhält. Ein solcher Anwender ist insbesondere ein (Mit-)Fahrer des Fahrzeuggespannes oder ein Fuhrparkbetreiber, der zumindest das Fahrzeuggespanne betreibt. Somit kann je nach Einsatzzweck des Gespannes durch den Anwender ein individueller Regelpunkt ausgewählt werden.
• Vorzugsweise verfügt das Fahrzeugsteuergerät auch über die besagte Eingabeschnittstelle oder eine andere Eingabeschnittstelle, über die dem Fahrzeugsteuergerät Umfeldinformationen eines Umfelds des Fahrzeuggespannes zuführbar ist. Diese Umfeldinformationen stammen insbesondere von einer Umfeldsensorik des Gespannes, insbesondere des Führungsfahrzeugs. Umfeldinformationen können eine Umgebungskarte oder Bildinformationen der Umgebung umfassen. Die Umfeldsensorik weist insbesondere zumindest ein Kamera-, RADAR- oder LIDAR-System auf, um das unmittelbare Umfeld des Gespannes und die entsprechenden Umfeldinformationen zu ermitteln. Das Fahrzeugsteuergerät kann dann dazu eingerichtet sein, um anhand dieser Umfeldinformationen die Soll-Trajektorie eigenständig zu ermitteln. In diesem Fall kann das Fahrzeugsteuergerät das Fahrzeuggespann auf Basis der Umfeldinformationen (teil-)automom Führen. Das Fahrzeugsteuergerät kann auch dazu eingerichtet sein, um über die besagte Eingabeschnittstelle oder eine andere Eingabeschnittstelle die Soll-Trajektorie zu erhalten. In diesem Fall kann die Soll-Trajektorie also außerhalb des Steuergeräts ermittelt werden, beispielsweise außerhalb des Fahrzeuggespannes. Sie kann dann dem Steuergerät zugeführt werden. Dies reduziert die erforderliche Leistungsfähigkeit des Steuergeräts.
• Vorzugsweise ist mit der Berechnungseinrichtung eine modellprädiktive Regelung realisiert, um die Steuerbefehle zu ermitteln. Bei der modellprädiktiven Regelung wird in jedem Abtastschritt ein Optimierungsproblem gelöst und dadurch sowohl eine Stelltrajektorie als auch eine prädizierte Zustandstrajektorie des Gespannes ermittelt. Daraus werden die Steuerbefehle abgeleitet.
• Vorzugsweise ist Berechnungseinrichtung dazu eingerichtet, um zumindest eine der folgenden Beschränkungen bei der Ermittlung der Steuerbefehle zu berücksichtigen:
• - maximaler Lenkwinkel einer Lenkung des Fahrzeuggespannes,
• - maximale Lenkgeschwindigkeit der Lenkung des Fahrzeuggespannes,
• - maximale Beschleunigung des Fahrzeuggespannes,
• - maximale Verzögerung des Fahrzeuggespannes,
• - maximale Geschwindigkeit des Fahrzeuggespannes,
• - maximaler Knickwinkel (Differenzwinkel) zwischen Gliedern des Fahrzeuggespannes, also beispielsweise zwischen dem Führungsfahrzeug und dem daran angekoppelten Folgefahrzeug und/oder zwischen zwei miteinander gekoppelten Folgefahrzeugen.
• Vorzugsweise beinhaltet das Fahrzeugsteuergerät ein Regelgesetz, das sowohl die kinematischen Beschränkungen des Gespannes, wie beispielsweise den maximalen Lenkwinkel, den maximale Knickwinkel zwischen Gespannglieder, die maximale Geschwindigkeit, die maximale Beschleunigungen/Verzögerung, als auch Aktordynamiken des oder der an der Führung des Gespannes beteiligten Aktoren berücksichtigt. Darüber hinaus kann eine Transformation des Regelpunktes erfolgen, sodass ein beliebiger Punkt auf dem letzten Gespannglied der Soll-Trajektorie folgt und hierbei das gesamte Gespann bei der Rückwärtsfahrt stabilisiert wird.
• Vorgeschlagen wird auch das Fahrzeuggespann, das aus zumindest dem Führungsfahrzeug und dem mit dem Führungsfahrzeug durch ein Gelenk gekoppelten Folgefahrzeug besteht. Auch hier ist der Regelpunk vorgesehen. Das Fahrzeuggespann ist für einen zumindest teilautonomen Betrieb eingerichtet, bei dem während der Fortbewegung des Fahrzeuggespannes ein Fahrzeugsteuergerät des Fahrzeuggespannes den Regelpunkt automatisch entlang der Soll-Trajektorie führt, indem dieses Steuergerät entsprechende Steuerbefehle an einen Aktor des Fahrzeuggespannes ausgibt. Bei diesem Steuergerät handelt es sich um das vorgeschlagene Fahrzeugsteuergerät. Die Erläuterungen zu dem vorgeschlagenen Fahrzeugsteuergerät gelten demnach auch für das vorgeschlagene Fahrzeuggespann.
• Vorgeschlagen wird auch das Verfahren zur automatischen Führung des Regelpunktes des Fahrzeuggespannes entlang der Soll-Trajektorie bei einer Fortbewegung des Fahrzeuggespannes. Auch hier besteht das Fahrzeuggespann aus zumindest dem Führungsfahrzeug und dem mit dem Führungsfahrzeug durch ein Gelenk gekoppelten Folgefahrzeug. Im Rahmen des Verfahrens wird der Regelpunkt während des Betriebs des Fahrzeuggespannes im Bezug zur Längs- und/oder Querrichtung des Fahrzeuggespannes verändert. Hierzu ist der Regelpunkt also einstellbar ausgeführt. Dementsprechend wird zur Durchführung des Verfahrens bevorzugt das vorgeschlagene Fahrzeugsteuergerät eingesetzt. Die Erläuterungen zu dem vorgeschlagenen Fahrzeugsteuergerät und Gespann gelten demnach auch für das vorgeschlagene Verfahren.
• Auf diese Weise ergeben sich eine Vielzahl an Möglichkeiten, um das Gespann für den jeweiligen Einsatzzweck optimiert entlang der Soll-Trajektorie zu führen. Beispielsweise kann je nach Zusammenstellung und Einsatzzweck des Gespannes eine optimale Führung des Gespannes erreicht werden.
• Es kann vorgesehen sein, dass für das Gespann mehrere aufeinanderfolgende Arbeitsschritte vorgesehen sind. Ein Arbeitsschritt kann beispielsweise ein automatisches Anfahren des Einsatzortes des Gespannes sein, beispielsweise in Form einer Überlandfahrt von einem Gehöft zu einer Ackerfläche. Ein darauffolgender Arbeitsschritt kann das gezielte Abfahren eines oder mehrerer Wegpunkte am Einsatzort sein, wobei das zumindest eine Folgefahrzeug des Gespannes einsatzspezifisch betrieben wird. Beispielsweise wird hierbei die Ackerfläche durch das Folgefahrzeug bearbeitet. Ein darauffolgender letzter Arbeitsschritt kann ein automatisches Anfahren des Ursprungsortes des Gespannes sein, beispielsweise in Form einer Überlandfahrt von der Ackerfläche zurück zu dem Gehöft. Hierbei ist nun bevorzugt vorgesehen, dass der Regelpunkt zwischen zumindest zwei der aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte des Fahrzeuggespannes verändert wird. Somit können die dabei von den einzelnen Gliedern des Gespannes beim Folgen der Soll-Trajektorie zurückgelegten Einzeltrajektorien gezielt an den jeweiligen Zweck des Arbeitsschrittes angepasst werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Regelpunkt durch eine manuelle Einstellung durch den Anwender des Gespannes verändert wird. Es kann allerdings auch beispielsweise vorgesehen sein, dass der Regelpunkt automatisch verändert wird, beispielsweise durch einen während des Betriebs des Gespannes ablaufenden Arbeitsplan, der den Regelpunkt entsprechend einstellen kann.
• Die vorgeschlagene Lösung kann folgende Vorteile und/oder Besonderheiten aufweisen:
• - Einsatz in einem autonom fahrenden Zugfahrzeuges mit mindestens einem daran angekoppelten Anhänger, beispielsweise in der Landwirtschaft, Logistik oder im Automotivebereich;
• - Folgen einer (in Echtzeit oder zuvor geplanten) Soll-Trajektorie mit einem frei parametrierbaren Regelpunkt auf dem letzten Anhänger des Gespannes, sowie Stabilisierung der instabilen Anhängerdynamik bei Rückwärtsfahrt;
• - direktes Berücksichtigen von Beschränkungen, wie beispielsweise maximalen Lenkwinkel, Knickwinkel, Beschleunigungen, Geschwindigkeiten;
• - Totzeitkompensation durch zeitlich versetztes Stellen der berechneten Stellgrößen;
• - direkte Berücksichtigung von Aktordynamiken des oder der zum Führen des Gespannes eingesetzten Aktoren durch begrenzte Änderungsgeschwindigkeiten;
• - die berechnete Reglertrajektorie kann zur Kollisionsprüfung verwendet werden, da diese explizit ausgegeben wird. Eine nachgeschaltete Logik kann somit bei drohender Kollision einen Anhaltevorgang des Gespannes initiieren.
• - Formulierung der Ausgangstransformation direkt im Regler. Somit können zusätzliche Rechenschritte entfallen;
• - exakte Beschreibung der Regelpunktbewegung.
• Im Folgenden wir die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen Ausführungsformen der Erfindung entnehmbar sind. Hierbei zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
• 1, eine Draufsicht auf ein erstes Fahrzeuggespann zu unterschiedlichen Zeitpunkten,
• 2, eine Draufsicht auf ein zweites Fahrzeuggespann zu unterschiedlichen Zeitpunkten,
• 3, eine Draufsicht auf ein drittes Fahrzeuggespann zu unterschiedlichen Zeitpunkten,
• 4, ein Fahrzeugsteuergerät.
• In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt ein erstes Fahrzeuggespann, bestehend aus mehreren Gliedern 1, 2, nämlich einem Führungsfahrzeug 1 und beliebig vielen (n) hintereinander gekoppelten Folgefahrzeugen 2 in Form von Starrdeichselanhänger in einem globalen y-x-Koordinatensystem. Das Führungsfahrzeug 1 verfügt über zwei Radachsen, wovon eine Radachse durch eine Lenkung 3 lenkbar ist (Lenkwinkel δ). Der Lenkwinkel der Lenkung 3 ist durch einen nicht näher gezeigten Lenkaktor einstellbar. Die Anhänger 2 verfügen jeweils über genau eine ungelenkte Radachse. Die einzelnen Glieder 1, 2 des Gespannes sind jeweils über ein Gelenk mit den unmittelbar nächsten Gliedern 1, 2 gekoppelt. Durch das Gelenk können die damit verbundenen Gespannglieder 1, 2 zueinander auf der Fahrbahn verschwenkt werden wobei sich der Knickwinkel y_i (i=1...n), auch Differenzwinkel genannt, zwischen den Längsachsen dieser Glieder 1, 2 einstellt.
• Das Führungsfahrzeug 1 kann mit einem Traktionsmotor ausgestattet sein, um das Gespann voranzutreiben. Es handelt sich dann um ein Zugfahrzeug. Es ist sowohl eine Vorwärtsfahrt als auch eine Rückwärtsfahrt des Gespannes möglich.
• Der Punkt q ist der sogenannte Regelpunkt, mit dem das Gespann zumindest durch automatische Betätigung der Lenkung 3 entlang einer Soll-Trajektorie, also einer Bewegungsbahn, geführt werden soll. Somit wird der Regelpunkt q bei der Bewegung des Gespannes stets automatisch auf der Soll-Trajektorie gehalten. Dadurch wird eine zumindest teilautonome Bewegung des Gespannes realisiert. Auf diese Weise können mit dem Gespann besonders optimal Hindernisse umfahren werden und/oder als Anhänger 2 ausgeführte Arbeitsgeräte besonders effektiv eingesetzt werden.
• Für die Geschwindigkeit v_q des Regelpunktes q ergibt sich über den virtuellen Lenkwinkel δ_n der Driftwinkel β. Die gepunkteten Linien im Bereich der Gelenke zwischen den Gliedern 1, 2 stellen virtuellen Steuerräder der Anhänger 2 dar, von denen der jeweilige virtuelle Lenkwinkel δ_i rekursiv berechnet werden kann. Zur Führung des Gespannes ist ein Fahrzeugsteuergerät 4 vorgesehen, das an dem Führungsfahrzeug 1 verbaut ist. Eine bevorzugte Ausführung des Steuergeräts 4 ist 4 entnehmbar. Das Steuergerät 4 berechnet mittels einer Berechnungseinrichtung anhand der Position des Regelpunktes q und der Soll-Trajektorie eine Stelltrajektorie, woraus die entsprechenden Steuerbefehle für den Aktor der Lenkung 3 abgeleitet werden. Das Steuergerät 4 gibt somit die entsprechenden Steuerbefehle an die Lenkung 3 aus.
• Vorliegend ist der Regelpunkt q nicht fest vorgegeben, sondern er ist variabel einstellbar. Insbesondere ist er durch einen (End-)Anwender des Gespannes änderbar, wie beispielsweise durch einen Gespannführer oder Mitfahrer des Gespannes oder durch einen Fuhrparkbetreiber. Insbesondere ist der Regelpunkt in Echtzeit änderbar. Dadurch ist das Gespann besonders bedarfsgerecht und/oder bei einer Vielzahl unterschiedlicher Gespannzusammenstellungen einsetzbar.
• Der Regelpunkt ist in Bezug zu dem aus Sicht des Führungsfahrzeugs 1 letzten Anhänger 2 des Gespannes eingestellt. Hierbei bildet der anhängerfeste Punkt z_n den Bezugspunkt. Der Bezugspunkt z_n entspricht beispielhaft dem Achsmittelpunkt der einzigen Radachse des letzten Anhängers 2. Der Regelpunkt q ist Längs- und Querrichtung des Anhängers 2 vom Bezugspunkt beabstandet. Der Längsversatz des Regelpunktes q zum Punkt z_n ist mit λ_x bezeichnet, und der Querversatz des Regelpunktes q zum Punkt z_n ist mit λ_y bezeichnet. Beide Werte für λ_x und λ_y sind daher in 1 ungleich 0. Die Werte für λ_x und λ_y sind in dem Datenspeicher des Fahrzeugsteuergeräts 4 veränderbar hinterlegt. Durch die Änderbarkeit der Werte für λ_x und λ_y ist der Regelpunkt q einstellbar.
• 2 zeigt ein zweites Fahrzeuggespann zu unterschiedlichen Zeitpunkten während es automatisch einer Soll-Trajektorie q(t) folgt. Das Gespann besteht aus zwei Gliedern 1, 2, nämlich einem Führungsfahrzeug 1 und einem einzigen Starrdeichselanhänger 2 (Folgefahrzeug), die über ein Gelenk miteinander gekoppelt sind. Das Führungsfahrzeug 1 ist beispielhaft als ein landwirtschaftliches Zugfahrzeug bzw. ein Schlepper ausgeführt. Der Anhänger 2 ist beispielhaft als Feldspitze ausgebildet. Analog zur 1 verfügt das Führungsfahrzeug 1 über genau eine gelenkte Radachse und genau eine ungelenkte Radachse. Der Anhänger 2 verfügt über genau eine ungelenkte Radachse. Auch hier verfügt das Führungsfahrzeug 1 analog zu demjenigen aus 1 über ein Fahrzeugsteuergerät, mittels dessen ein einstellbarer Regelpunkt q des Gespannes automatisch entlang der Soll-Trajektorie q(t) bewegbar ist. Die Erläuterungen zur 1 treffen insofern auch 2 zu.
• Im Ausführungsbeispiel von 2 ist der Regelpunkt q auf das seitliche Ende des Auslegers des Anhängers 2, also der Feldspritze, gelegt. Somit kann die Feldspritze 2 besonders effektiv bei der Feldarbeit eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Ausleger dadurch zielgenau entlang einer Ackergrenzen und/oder eines bereits bearbeiteten Ackerabschnittes bewegt werden. Für die Anfahrt an den zu bearbeitenden Acker und für die Abfahrt von dem bereits bearbeiteten Acker kann flexibel ein anderer Regelpunkt q für das Gespann eingestellt werden, der für eine Überlandfahrt besser geeignet ist.
• Auch hier ist der Regelpunkt q in Bezug zu dem Anhänger 2 eingestellt. Hierbei bildet der anhängerfeste Punkt z₁ den Bezugspunkt. Der Bezugspunkt z₁ entspricht beispielhaft dem Achsmittelpunkt der Radachse des Anhängers 2. Der Regelpunkt q ist in Längs- und Querrichtung des Anhängers 2 um den Versatz λ_x und λ_y vom Bezugspunkt beabstandet, wobei beide Werte ungleich 0 sind.
• In 2 folgt das Gespann der Soll-Trajektorie bzw. dem Sollpfad p(s) im Rahmen einer Vorwärtfahrt. Es ist grundsätzlich auch möglich, p(s) in einer Rückwärtfahrt zu folgen. Das Steuergerät ermittelt die zur Führung des Gespannes erforderlichen Steuerbefehle für die Lenkung des Führungsfahrzeugs 1 und gibt diese an den Aktor der Lenkung aus.
• 3 zeigt ein drittes Fahrzeuggespann zu unterschiedlichen Zeitpunkten während es automatisch einer Soll-Trajektorie bzw. einem Sollpfad p(s) folgt. Das Gespann bestehend aus einem Führungsfahrzeug 1 und genau zwei Anhänger 2 (Folgefahrzeuge), die als Doppeldrehschemelanhänger ausgebildet sind. Jeder der Anhänger 2 verfügt über zwei Drehschemel und den Anhängeraufbau, über den die beiden Drehschemel miteinander drehbar gekoppelt sind. Die Drehschemel sind miteinander zwangsgekoppelt, sodass sich diese stets gegenläufig und bevorzugt auch in demselben Ausmaß drehen. Dadurch ergibt sich ein signifikant reduzierter Wendekreis des Gespannes gegenüber einem Gespann mit einem einfachen Drehschemelanhänger. Jeder Drehschemel weist zumindest eine Radachse auf. Für die Berechnung der Führungsbefehle zur Führung des Gespannes entlang p(s), also in dem zugehörigen Berechnungsmodell, wird vorzugsweise angenommen, dass jeder Anhänger 2 aus zwei Gliedern besteht.
• Die Anhänger 2 weisen jeweils am vorderen Drehschemel, der üblicherweise in Richtung Führungsfahrzeug 1 liegt, eine Deichsel auf, durch die dieser Drehschemel über ein Gelenk bzw. eine lösbare Kupplung mit dem nächsten vorderen Gespannglied 1, 2 koppelbar ist. Zudem sind die Anhänger 2 jeweils dazu eingerichtet, mit dem hinteren Teil des Anhängeraufbaus über ein weiteres Gelenk bzw. eine lösbare Kupplung an das nächste hintere Gespannglied 1, 2 gekoppelt zu werden. Nach vorne ist der Anhänger 2 somit über die Deichsel mit dem vorderen Gespannglied 1, 2 koppelbar und nach hinten ist der Anhänger 2 somit über den Anhängeraufbau mit dem hinteren Gespannglied 2 koppelbar.
• Analog zum Führungsfahrzeug 1 aus 1 und 2 verfügt das Führungsfahrzeug aus 3 ebenfalls über genau eine gelenkte und genau eine ungelenkte Radachse. Auch hier weist das Führungsfahrzeug 1 analog zu demjenigen aus 1 und 2 ein Fahrzeugsteuergerät auf, mittels dessen ein einstellbarer Regelpunkt q des Gespannes automatisch entlang der Soll-Trajektorie bzw. dem Sollpfad p(s) bewegbar ist. Die Erläuterungen zur 1 und 2 treffen insofern auch auf 3 zu.
• Im Ausführungsbeispiel von 3 ist der Regelpunkt q auf das hintere Ende des hintersten Anhänger 2 im Gespann gelegt. Insbesondere liegt der Regelpunkt q auf der hinteren Kupplung dieses Anhängers 2.
• Der Regelpunkt q ist auch hier in Bezug zu dem hintersten Anhänger 2 des gespannes eingestellt. Hierbei bildet der anhängerfeste Punkt z₄ den Bezugspunkt. Der Bezugspunkt z₄ entspricht beispielhaft dem Mittelpunkt zwischen den Drehschemeln des Anhängers 2. Der Bezugspunkt z₄ liegt somit auf der Längsachse des Anhängers 2, und die Drehachsen der beiden Drehschemel, um die sich diese bei einer Lenkbewegung drehen, sind gleich weit vom Bezugspunkt z₄ entfernt. Der Regelpunkt q ist in Längs- und Querrichtung des Anhängers 2 um den Versatz λ_x und λ_y vom Bezugspunkt beabstandet, wobei für λ_y=0 und für λ_x≠0 gilt.
• Das Gespann folgt der Soll-Trajektorie p(s) in 3 im Rahmen einer Rückwärtsfahrt. Es ist grundsätzlich auch möglich, der Soll-Trajektorie p(s) in einer Vorwärtfahrt zu folgen. Das Steuergerät ermittelt auch hier die zur Führung des Gespannes erforderlichen Steuerbefehle für die Lenkung des Führungsfahrzeugs 1.
• Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Glieder 1, 2 der in 1 bis 3 gezeigten Gespanne über beliebig viele zusätzliche Radachsen verfügen können.
• Beispielsweise kann das Zugfahrzeug 1 über eine ungelenkte oder gelenkte Doppelachse vorne und/oder hinten verfügen. Auch kann die Zusammenstellung der Gespanne variiert werden. Beispielsweise kann ein Gespann aus einem Führungsfahrzeug und einem Drehschemelanhänger und einem Starrdeichselanhänger bestehen. Bei der Führung des jeweils gewählten Regelpunktes entlang der Soll-Trajektorie wird dann lediglich ein anderes Berechnungsmodell zur Berechnung der Steuerbefehle herangezogen.
• 4 zeigt ein Fahrzeugsteuergerät 4, das bevorzugt für die automatische Führung der in 1 bis 3 gezeigten Gespanne entlang der jeweiligen Soll-Trajektorie eingesetzt wird. Im Folgenden wird das Steuergerät 4 daher unter Verweis auf diese Beispiele erläutert.
• Das Steuergerät 4 verfügt über eine Eingabeschnittstelle 41 und eine Ausgabeschnittstelle 42. Das Steuergerät 4 ist dazu eingerichtet, um über die Eingabeschnittstelle 41 Informationen zugeführt zu bekommen. Über die Eingabeschnittstelle 41 können somit - ohne eine Veränderung oder Neuinstallation der Steuergerätsoftware - die im Steuergerät 4 hinterlegten Werte für den Regelpunkt q verändert und dadurch der Regelpunkt q eingestellt werden. Hierzu kann die Eingabeschnittstelle 41 mit einem Benutzereingabegerät 5 koppelbar sein, über das der Anwender des Gespannes den Regelpunkt q einstellen kann.
• In Ausführungsformen des Steuergeräts 4 ist dieses dazu eingerichtet, um über die Eingabeschnittstelle 41 Umgebungsinformationen des Gespannes zu erhalten. Damit kann das Steuergerät 4 über eine darin integrierte Trajektorienplanung die Soll-Trajektorie selbst ermitteln. Die Umgebungsinformationen stammen insbesondere von einer Umfeldsensorik 6 des Gespannes. Ebenso kann vorgesehen sein, dass dem Steuergerät 4 die Soll-Trajektorie über die Eingabeschnittstelle 41 zugeführt wird. In diesem Fall wird sie außerhalb des Steuergeräts 4 ermittelt und nicht durch das Steuergerät 4 selbst.
• Das Steuergerät 4 ist auch dazu eingerichtet, um über die Ausgabeschnittstelle 42 Steuerbefehle zur Ansteuerung zumindest eines Aktors 31 des Gespannes auszugeben. Durch den Aktor 31 wird insbesondere die Lenkung des Führungsfahrzeugs 1 betrieben, sodass der Regelpunkt q des Gespannes entlang der Soll-Trajektorie bewegt wird. In Ausführungsformen des Steuergeräts 4 ist dieses dazu eingerichtet, um über die Ausgabeschnittstelle 42 Steuerbefehle zur Ansteuerung zumindest eines Traktionsmotors des Führungsfahrzeugs 1 und/oder einer Bremse des Gespannes auszugeben. Dadurch ist ein teil- oder vollautonomes Führen des Gespannes entlang der Soll-Trajektorie möglich.
• Das Steuergerät 4 umfasst eine Berechnungseinrichtung 43. Damit ist eine modellprädiktive Regelung (MPC = „Model Predictive Control“) realisiert. Die Fahrzeugbewegung wird also über die modellprädiktive Regelung MPC angesteuert. Hierbei wird in jedem Abtastschritt ein Optimierungsproblem gelöst und dadurch sowohl eine Stelltrajektorie u*(t) als auch eine prädizierte Zustandstrajektorie x*(t) ermittelt.
• Die modellprädiktive Regelung MPC löst das Problem der Berechnung einer Regelungseingabetrajektorie u(t) so, dass der Ist-Zustand x in Richtung des Soll-Zustands x* konvergiert. Dies wird erreicht, indem ein optimales Steuerungsproblem (OCP = optimal control problem) formuliert wird, das in jedem Abtastzeitpunkt über eine Horizontzeit in Bezug auf eine Zielfunktion unter Berücksichtigung bestimmter Randbedingungen gelöst wird. Die erste Steuereingabe der Lösung u*(t) wird auf das Gespann angewendet, der Horizont wird um einen Zeitschritt verschoben und die Optimierung wird mit dem neuen Ist-Zustand x und dem neuen Soll-Zustand x* im nächsten Zeitschritt durchgeführt.
• Das Schema dieser Vorgehensweise ist in 1 dargestellt. Als Eingabe dient der aktuelle Zustand x des Fahrzeuggespannes und eine berechnete Soll-Trajektorie p(t) bzw. ein Sollpfad p(s), der/dem der Regelpunkt q des Gespannes folgen soll. Der hierin genutzte Begriff der Soll-Trajektorie soll zur Vereinfachung sowohl die Verwendung einer zeitabhängigen Soll-Trajektorie p(t) als auch eines wegabhängigen Sollpfades p(s) umfassen. Der aktuelle Zustand x des Gespannes wird insbesondere durch eine Fahrzeug- und/oder Umfeldsensorik ermittelt, beispielsweise durch Knickwinkelsensoren an den Gelenken des Gespannes, durch einen Lenkwinkelsensor der Lenkung 3 und einen Fahrgeschwindigkeitssensor.
• Die Art der Regelung kann bedarfsweise zwischen einer Trajektorienfolgeregelung und einer Pfadfolgeregelung parametrisch gewählt werden. Bei der Trajektorienfolgeregelung wird sowohl der Ort als auch der Zeitpunkt, an dem sich der Regelpunkt q an einem bestimmten Ort mit einer bestimmten Ausrichtung befinden soll, fest vorgegeben. Bei der Pfadfolgeregelung wird hingegen nur ein zu folgender Pfad vorgegeben, also ohne eine feste zeitliche Bindung. Die Geschwindigkeit kann dabei beliebig vorgegeben werden. Somit dient die Pfadfolgeregelung als eine (simple) lokale Trajektorienplanung, die mit der Zustandstrajektorie x*(t) auch ein Geschwindigkeitsprofil prädiziert. Zudem werden der Optimierung weitere Parameter übergeben, wie insbesondere der gewünschte Regelpunkt q durch Einstellung der Werte λ_x und λ_y für den Längs- und Querversatz und die Maße des Gespanns li, I_h,i, wobei i = 0,..., n - 1 und auch die Systembeschränkungen Xmax, Xmin und Umax, Umin.
• Im Anschluss an den Versatz des Regelpunktes q und nach Bilden des Regelfehlers wird dieser durch Frenet-Transformation in den Frenet-Raum in eine laterale und longitudinale Komponente (relativ zur Soll-Trajektorie p(t) bzw. p(s)) aufgeteilt. Der Vorteil gegenüber einem Regelfehler in Weltkoordinaten ist die einfache Parametrierbarkeit. Das Kostenfunktional gewichtet die longitudinalen und lateralen Abweichungen des Regelpunktes q zur Soll-Trajektorie p(t) bzw. p(s) und zwingt die Optimierung, diese Fehler gegen null streben zu lassen. Zusätzlich werden auch die Differenzwinkel γ aller Gespannglieder 1, 2 gegen Referenzwinkel gewichtet, die sich in Kurven für das jeweilige Gespannglied 1, 2 ergeben. Bei Geradeausfahrt müssen somit alle Differenzwinkel γ im Gespann 0 sein. Dies ist der Schlüssel, um eine Rückwärtsfahrt mit den Anhängern 2 stabilisieren zu können. Außerdem sorgt die Prädiktion dafür, dass das Zugfahrzeug die Anhänger 2 bereits vor einer beginnenden Kurve entsprechend positioniert und nicht erst nach Beginn der Kurvenfahrt. Dies ist vor allem für Fahrzeuggespanne mit mehreren Anhängern 2 vorteilhaft.
• Gleichzeitig werden beim Lösen des Optimierungsproblems Beschränkungen berücksichtigt. Dadurch werden die Stellgrößen (Fahrzeugbeschleunigung und Lenkrate) und die Zustände (Lenkwinkel, Fahrzeuggeschwindigkeit und Differenzwinkel γ) vom Regler durch die Optimierung innerhalb des gültigen Bereichs gehalten.
• Das dynamische Optimierungsproblem wird mittels eines Gradientenverfahrens mit deterministischer Anzahl an Iterationszyklen suboptimal gelöst. Aufgrund des Weiterschiebens des Horizontes konvergiert die suboptimale Lösung gegen die optimale Lösung im Sinne der Kosten. Mit diesem sehr performanten Ansatz ist es möglich, den betrachteten Regler auf einem heute üblichen Fahrzeugsteuergerät 4 eines Kraftfahrzeugs einzusetzen.
• Im Hinblick auf die mit dem Steuergerät 4 realisierte Folgeregelung ist in 1 der schematische Aufbau des Fahrzeug-n-Anhänger-Gespanns veranschaulicht. Die für den Einsatz des in 4 gezeigten Steuergeräts 4 sind in 1 die wesentlichen Maße des Gespannes angegeben. Dies sind der Radstand, bzw. die Deichsellänge li und der longitudinale Versatz der Kupplung I_h,i. Der jeweilige Hinterachsmittelpunkt ist mit z_i bezeichnet. Die Knickwinkel y_i zwischen zwei Gespanngliedern 1, 2 entsprechen bei „On-Axle-Hitch“ (I_h,i = 0) dem virtuellen Lenkwinkel δ_i. Bei „Off-Axle-Hitch“ (I_h,i ≠ 0) müssen die virtuellen Lenkwinkel δ_i rekursiv vom Zugfahrzeug bis zum letzten Anhänger 2 berechnet werden. Wie erläuterter ist der gewünschte Regelpunkt q im Bezug zum Achsmittelpunkt z_n des letzten Anhängers 2 durch Angabe des longitudinalen Versatzes λ_x und des lateralen Versatzes λ_y in fahrzeugfesten Koordinaten einstellbar.
• Durch den vorteilhaften Einsatz des Steuergeräts 4 aus 4 bei dem Gespann aus 2 folgt der dortige Schlepper 1 mit der Anhängerfeldspritze 2 (Anbaugerät mit Auslegern von großer Spannweite) der Soll-Trajektorie bzw. dem Sollpfad p(s) mit der linken Kante des Auslegers. Diese Kante bildet den Regelpunkt q. Wie 2 entnehmbar ist, folgt der Regelpunkt q der Soll-Trajektorie p(s) mit sehr geringem Fehler, was eine präzise Bearbeitung des Feldes ermöglicht.
• In 3 schiebt eine Terminal-Zugmaschine 1 zwei Doppeldrehschemelanhänger 2. Dies sind zweiachsige Anhänger, bei denen die beiden Drehschemel der Radachsen gegenläufig miteinander verbunden sind. Dadurch lenkt die hintere Radachse gegenläufig zur vorderen Radachse mit. Bei dem vorteilhaften Einsatz des Steuergeräts 4 aus 4 bei dem Gespann aus 3 besteht das in dem Steuergerät 4 verwendete Systemmodell für jeden Doppeldrehschemelanhänges 2 aus zwei Starrdeichselanhänger. Der erste Anhänger 2 (in Richtung Zugfahrzeug 1) besitzt eine Deichsellänge li und einen „On-Axle-Hitch“, also eine Kupplung exakt in der Achsmitte mit I_h,i = 0. Der zweite Anhänger 2 besitzt die halbe reale Deichsellänge: $$l_{i+1}=\frac{l_{real,i+1}}{2}$$

  

  und einen „Off-Axle-Hitch“ $$l_{h,i+1}=\frac{l_{real,i+1}}{2}+l_{ah,i+1}$$

  

  wobei I_ah,i+1 der Versatz von der realen hinteren Achse bis zur hinteren Kupplung ist. Letztendlich besteht hierbei das für die Führung genutzte Modell des Gespannes aus dem Zugfahrzeug 1 mit vier Starrdeichselanhängern und zusätzlich nach hinten verschobenem Regelpunkt q, also λ_x=-I_h,4 und λ_y=0. Wie an der in 3 eingetragenen Simulation zu sehen ist, bleibt das Fahrzeuggespann bei der Verwendung des Steuergerätes 4 trotz Rückwärtsfahrt stabil und der Regelpunkt q folgt der Soll-Trajektorie p(s) mit sehr geringem Fehler.
• Bezugszeichenliste

1

Führungsfahrzeug, Zugfahrzeug, Schlepper

2

Folgefahrzeug, Anhänger, Feldspritze

3

Lenkung

31

Aktor

4

Fahrzeugsteuergerät

41

Eingabeschnittstelle

42

Ausgabeschnittstelle

43

Berechnungseinrichtung

5

Benutzereingabegerät

6

Umfeldsensorik

q

Regelpunkt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 69814847 T2 [0004]
• DE 102005041550 A1 [0005]
• DE 102019006720 A1 [0006]

Claims (10)

1. Fahrzeugsteuergerät (4) zur automatischen Führung eines Regelpunktes (q) eines Fahrzeuggespannes entlang einer Soll-Trajektorie (q(t), p(s)) bei einer Fortbewegung des Fahrzeuggespannes, wobei das Fahrzeuggespann aus zumindest einem Führungsfahrzeug (1) und einem mit dem Führungsfahrzeug (1) durch ein Gelenk gekoppeltes Folgefahrzeug (2) besteht, aufweisend eine Ausgabeschnittstelle (42), durch die das Fahrzeugsteuergerät (4) Steuerbefehle an zumindest einen Aktor des Führungsfahrzeugs (1) für die Führung des Regelpunktes (q) entlang der Soll-Trajektorie (q(t), p(s)) ausgibt, und eine Berechnungseinrichtung (43), durch die das Fahrzeugsteuergerät (4) die Steuerbefehle anhand der Soll-Trajektorie (q(t), p(s)) und des Regelpunktes (q) ermittelt, wobei bei dem Fahrzeugsteuergerät (4) der Regelpunkt (q) im Bezug zur Längs- und/oder Querrichtung des Fahrzeuggespannes einstellbar ausgebildet ist.
2. Fahrzeugsteuergerät (4) nach Anspruch 1, wobei der Regelpunkt (q) im Bezug zum Folgefahrzeug (2) einstellbar ist.
3. Fahrzeugsteuergerät (4) nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend eine Eingabeschnittstelle (41), wobei der Regelpunkt (q) über die Eingabeschnittstelle (41) einstellbar ist.
4. Fahrzeugsteuergerät (4) nach Anspruch 3, wobei das Fahrzeugsteuergerät (4) dazu eingerichtet ist, den Regelpunkt (q) über die Eingabeschnittstelle (41) von dem Folgefahrzeug (2) zu erhalten, und/oder wobei das Fahrzeugsteuergerät (4) dazu eingerichtet ist, den Regelpunkt (q) über die Eingabeschnittstelle (41) von einem Benutzereingabegerät für einen Anwender des Fahrzeuggespannes zu erhalten.
5. Fahrzeugsteuergerät (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Eingabeschnittstelle (41), über die dem Fahrzeugsteuergerät (4) Umfeldinformationen eines Umfelds des Fahrzeuggespannes zuführbar sind, wobei das Fahrzeugsteuergerät (4) eingerichtet ist, anhand dieser Umfeldinformationen die Soll-Trajektorie (q(t), p(s)) zu ermittelt, oder mit einer Eingabeschnittstelle (41), wobei das Fahrzeugsteuergerät (4) dazu eingerichtet ist, über diese Eingabeschnittstelle (41) die Soll-Trajektorie (q(t), p(s)) zu erhalten.
6. Fahrzeugsteuergerät (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit der Berechnungseinrichtung (43) eine modellprädiktive Regelung realisiert ist, um die Steuerbefehle zu ermitteln.
7. Fahrzeugsteuergerät (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnungseinrichtung (43) dazu eingerichtet ist, zumindest eine der Beschränkungen: - maximaler Lenkwinkel einer Lenkung (4) des Fahrzeuggespannes, - maximale Lenkgeschwindigkeit der Lenkung (4) des Fahrzeuggespannes, - maximale Beschleunigung des Fahrzeuggespannes, - maximale Verzögerung des Fahrzeuggespannes, - maximale Geschwindigkeit des Fahrzeuggespannes, - maximaler Knickwinkel (γ) zwischen Gliedern (1, 2) des Fahrzeuggespannes bei der Ermittlung der Steuerbefehle zu berücksichtigen.
8. Fahrzeuggespann, das aus zumindest einem Führungsfahrzeug (1) und einem mit dem Führungsfahrzeug (1) durch ein Gelenk gekoppeltes Folgefahrzeug (2) besteht, das Fahrzeuggespann ist für einen zumindest teilautonomen Betrieb eingerichtet, bei dem während einer Fortbewegung des Fahrzeuggespannes ein Fahrzeugsteuergerät (4) des Fahrzeuggespannes einen Regelpunkt (q) des Fahrzeuggespannes automatisch entlang einer Soll-Trajektorie (q(t), p(s)) führt, indem das Fahrzeugsteuergerät (4) entsprechende Steuerbefehle ermittelt und an einen Aktor des Fahrzeuggespannes für die Führung des Fahrzeuggespannes ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsteuergerät (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
9. Verfahren zur automatischen Führung eines Regelpunktes (q) eines Fahrzeuggespannes entlang einer Soll-Trajektorie (q(t), p(s)) bei einer Fortbewegung des Fahrzeuggespannes, insbesondere durch ein Fahrzeugsteuergerät (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Fahrzeuggespann aus zumindest einem Führungsfahrzeug (1) und einem mit dem Führungsfahrzeug (1) durch ein Gelenk gekoppeltes Folgefahrzeug (2) besteht, wobei der Regelpunkt (q) während des Betriebs des Fahrzeuggespannes im Bezug zur Längs- und/oder Querrichtung des Fahrzeuggespannes verändert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Regelpunkt (q) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten des Fahrzeuggespannes verändert wird.

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