DE102020214022A1 - Method for automatically executing a driving function in a vehicle - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren 300 zum automatischen Ausführen einer Fahrfunktion in einem Fahrzeug 100 und ein Fahrzeug 100 mit einer automatischen Fahrfunktion, die mit dem Verfahren gesteuert wird, vorgeschlagen. Das Verfahren 300 sieht vor diskrete Situationsdaten, die die Fahrfunktion betreffen, zu erfassen 305. Die diskreten Situationsdaten werden in eine zeitlich konsistente glatte Sollbahn 170 überführt, indem Sollbahnparameter 145, 165 in zwei Stufen ermittelt werden 310, 315. In einem ersten Schritt 310 werden aus den diskreten Situationsdaten mit einem ersten Optimierungsproblem Sollbahnparameter zur Position und Orientierung 145 ermittelt. In einem zweiten Schritt 315 wird aus den diskreten Situationsdaten mit einem zweiten Optimierungsproblem ein Krümmungsverlauf der Sollbahn 165, 170 unter Berücksichtigung der Sollbahnparameter zur Position und Orientierung 145 ermittelt. Ein automatisches Ausführen der Fahrfunktion wird anhand der ermittelten Sollbahn 170 durchgeführt 330.A method 300 for automatically executing a driving function in a vehicle 100 and a vehicle 100 with an automatic driving function that is controlled using the method are proposed. The method 300 provides for discrete situational data relating to the driving function to be recorded 305. The discrete situational data are converted into a time-consistent smooth target path 170 by target path parameters 145, 165 being determined in two stages 310, 315. In a first step 310 Desired path parameters for position and orientation 145 are determined from the discrete situation data using a first optimization problem. In a second step 315, a curvature course of the target path 165, 170 is determined from the discrete situational data with a second optimization problem, taking into account the target path parameters for position and orientation 145. An automatic execution of the driving function is carried out 330 based on the determined target path 170.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Ausführen einer Fahrfunktion in einem Fahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer automatischen Fahrfunktion, die nach dem vorgeschlagenen Verfahren gesteuert wird.The invention relates to a method for automatically executing a driving function in a vehicle. Furthermore, the invention relates to a vehicle with an automatic driving function that is controlled according to the proposed method.
Stand der TechnikState of the art
In modernen Fahrzeugen werden immer häufiger automatische Fahrfunktionen angeboten, um den Fahrer zu entlasten. Beispielsweise kann eine solche automatische Fahrfunktion einen Autobahn- oder Parkassistenten darstellen bzw. zukünftig sind auch pilotierte Funktionen denkbar. Um in diesem Zusammenhang eine momentane Relativposition und - ausrichtung des Fahrzeugs zu bestimmen, kann neben der Verwendung von inertialen Daten bzw. ortsfesten Daten (z.B. Kartendaten) auch auf Beobachtungen aus dem sich bewegenden Fahrzeug (z.B. mittels Kamera, Radar, Lidar, Sensor, etc.) zurückgegriffen werden.In modern vehicles, automatic driving functions are increasingly being offered to relieve the driver. For example, such an automatic driving function can represent a highway or parking assistant, or piloted functions are also conceivable in the future. In order to determine a current relative position and alignment of the vehicle in this context, in addition to using inertial data or stationary data (e.g. map data), observations from the moving vehicle (e.g. using a camera, radar, lidar, sensor, etc.) .) can be used.
Insbesondere bei Fahrerassistenzfunktionen für mehrspurige Straßen ändert sich die Fahrfunktion bzw. die Fahraufgabe bezüglich der Querführung (in diesem Fall eine Sollbahn der Fahrzeugbewegung) aus inertialer Beobachtung nur in Sonderfällen (z.B. bei einem Spurwechsel oder im Falle einer Autobahnausfahrt, etc.). Selbst bei diesen Sonderfällen ändert sich in der Regel nur der Verlauf der Sollposition des Fahrzeugs, nicht jedoch ein Krümmungsverhalten bzw. ein Krümmungsverlauf der Sollbahn. Eine Möglichkeit, um die Fahrfunktion bzw. - aufgabe bezüglich der Querführung darzustellen, besteht in der Verwendung von diskreten Daten. Typischerweise werden die Daten bezüglich des bewegten Beobachters dargestellt. Für die Querregelung des Fahrzeugs ist die Kenntnis von örtlichen und/oder zeitlichen Ableitungen entlang der Sollbahn, die sich nicht ohne Weiteres aus diskreten Daten ermitteln lassen, eine Grundvoraussetzung.Especially in the case of driver assistance functions for multi-lane roads, the driving function or the driving task with regard to lateral guidance (in this case a target path of the vehicle movement) changes from inertial observation only in special cases (e.g. when changing lanes or in the case of a motorway exit, etc.). Even in these special cases, as a rule only the course of the desired position of the vehicle changes, but not a curvature behavior or a curvature course of the desired path. One way to represent the driving function or task with regard to lateral guidance is to use discrete data. Typically, the data is presented with respect to the moving observer. Knowledge of spatial and/or temporal derivations along the target path, which cannot be easily determined from discrete data, is a basic requirement for lateral control of the vehicle.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum automatischen Ausführen einer Fahrfunktion in einem Fahrzeug und ein optimiertes Fahrzeug anzugeben.It is the object of the present invention to specify an improved method for automatically executing a driving function in a vehicle and an optimized vehicle.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is solved by the features of the independent claim. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Es werden ein Verfahren zum automatischen Ausführen einer Fahrfunktion in einem Fahrzeug und ein Fahrzeug mit einer automatischen Fahrfunktion, die nach dem Verfahren gesteuert wird, vorgeschlagen. Das Verfahren sieht vor, diskrete Situationsdaten, die die Fahrfunktion betreffen, zu erfassen. Die diskreten Situationsdaten können beispielsweise in Form von Bewegungsdaten ausgebildet sein, können alternativ aber auch von einer Bewegung des Fahrzeugs unabhängig sein. Die diskreten Situationsdaten werden in eine zeitlich konsistente glatte Sollbahn überführt, indem Sollbahnparameter in zwei Stufen ermittelt werden. In einem ersten Schritt werden aus den diskreten Situationsdaten mit einem ersten Optimierungsproblem Sollbahnparameter zur Position und Orientierung ermittelt.A method for automatically executing a driving function in a vehicle and a vehicle with an automatic driving function controlled according to the method are proposed. The method provides for capturing discrete situational data relating to the driving function. The discrete situation data can be in the form of movement data, for example, but can alternatively also be independent of a movement of the vehicle. The discrete situational data are converted into a time-consistent, smooth desired path by determining desired path parameters in two stages. In a first step, target path parameters for position and orientation are determined from the discrete situation data using a first optimization problem.
In einem zweiten Schritt wird aus den diskreten Situationsdaten mit einem zweiten Optimierungsproblem ein Krümmungsverlauf der Sollbahn unter Berücksichtigung der Sollbahnparameter zur Position und Orientierung ermittelt. Ein automatisches Ausführen der Fahrfunktion wird anhand der ermittelten Sollbahn durchgeführt.In a second step, a curvature course of the target path is determined from the discrete situation data with a second optimization problem, taking into account the target path parameters for position and orientation. An automatic execution of the driving function is carried out based on the determined target path.
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugeordnete Vorrichtung verbessern die Sicherheit bei der automatischen Ausführung der Fahrzeugfunktion. Denn durch die zweistufige Ermittlung von Sollbahnparametern mit denen eine zeitlich konsistente glatte Sollbahn beschrieben werden kann, können Abhängigkeiten von der Bewegung des Fahrzeugs individuell in den einzelnen Schritten berücksichtigt werden. Insbesondere ist der Krümmungsverlauf der Sollbahn nicht durch die Bewegung des Fahrzeugs beeinflusst, währenddessen die Sollbahnparameter zur Position und Orientierung sehr stark von der Bewegung des Fahrzeugs beeinflusst sind. Folglich kann die Ermittlung der Sollbahn in einem Schritt zu einer Verfälschung der Sollbahnparameter Position und Orientierung führen und damit zu einem verschlechterten Ausgangspunkt für die Steuerung der Ausführung der Fahrfunktion. Konkret kann dies also verschiedene Fahrzeugeinrichtungen des Fahrzeugs (beispielsweise eine Vorderradlenkung und/oder eine Hinterradlenkung), die für die Ausführung der Querführung erforderlich sind, negativ beeinflussen, beispielsweise aufgrund fehlerbehafteter Regelung und/oder fehlerbehafteter Ansteuerung.The proposed method and the associated device improve safety when the vehicle function is carried out automatically. Because the two-stage determination of target path parameters, with which a time-consistent smooth target path can be described, dependencies on the movement of the vehicle can be taken into account individually in the individual steps. In particular, the course of curvature of the target path is not influenced by the movement of the vehicle, while the target path parameters for position and orientation are very strongly influenced by the movement of the vehicle. Consequently, the determination of the target path in one step can lead to a falsification of the target path parameters position and orientation and thus to a worse starting point for controlling the execution of the driving function. In concrete terms, this can therefore have a negative effect on various vehicle devices of the vehicle (for example a front-wheel steering system and/or a rear-wheel steering system), which are required for the execution of the lateral guidance, for example due to errors liable regulation and/or faulty control.
Das Verfahren ermittelt zudem effizient eine mathematisch optimale Lösung. Ein Beispiel für die Verwendung des Verfahrens ist der Einsatz in der Spurlinienerkennung, in der diskrete Kameradaten in glatte Bahnen bzw. Kurven überführt werden, sodass die Sollbahn dadurch differenzierbar wird. Das Verfahren kann generell angewendet werden, wenn eine Bahn bzw. eine Kurve (im mathematischen Sinn), die mit diskreten Daten beschrieben wird, durch eine kontinuierliche, glatte, parameterabhängige Darstellung beschrieben oder approximativ beschrieben werden soll, was für den Vorgang der Steuerung einer automatischen Fahrfunktion relevant ist. Der Zeitverlauf der Sollbahn (einschließlich deren örtliche Ableitungen) kann einstellbar geglättet werden. Dies stellt für die nachgelagerte Reglerstruktur zur Querführung eine erhebliche Vereinfachung dar. Weiterhin kann die Robustheit gegenüber Ungenauigkeiten und zeitlichen Inkonsistenzen in den diskreten Daten mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens erheblich erhöht werden.The method also efficiently determines a mathematically optimal solution. An example of how the method can be used is in lane line detection, in which discrete camera data are converted into smooth lanes or curves, so that the target lane can be differentiated. The method can generally be used when a path or a curve (in the mathematical sense) that is described with discrete data is to be described or approximately described by a continuous, smooth, parameter-dependent representation, which is necessary for the process of controlling an automatic driving function is relevant. The course of the target path over time (including its local derivatives) can be smoothed in an adjustable manner. This represents a considerable simplification for the downstream controller structure for lateral control. Furthermore, the robustness against inaccuracies and temporal inconsistencies in the discrete data can be significantly increased using the proposed method.
In einer weiteren Ausführungsform werden im ersten Schritt Situationsdaten über einen ersten Beobachtungshorizont und in dem zweiten Schritt Situationsdaten über einen zweiten Beobachtungshorizont berücksichtigt. Dabei ist der erste Beobachtungshorizont kürzer als der zweite Beobachtungshorizont. Beispielsweise entspricht der erste Beobachtungshorizont einem Nahbereich bzw. lokalen Umfeldbereich des Fahrzeugs und der zweite Beobachtungshorizont einem Fernbereich. Durch die unterschiedlichen Beobachtungshorizonte für die verwendeten Daten kann die Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Ermittlung der Sollbahnparameter und der Sollbahn verbessert werden. Werden die Beobachtungshorizonte für die beiden Schritte unabhängig voneinander gewählt, so können die jeweils ermittelten diskreten Situationsdaten für den kurzen Beobachtungshorizont, also dem Nahbereich in der Regel mittels Sensoren zuverlässiger ermittelt werden, da sich diese Daten dynamisch ändern. Während sich weitere Kurvenparameter wie Krümmung oder Krümmungsänderung weniger dynamisch ändern und demnach Beobachtungsdaten des Fernbereichs besser geeignet sind. Alternativ sind auch zeitliche Beobachtungshorizonte denkbar.In a further embodiment, situation data about a first observation horizon are taken into account in the first step and situation data about a second observation horizon are taken into account in the second step. The first observation horizon is shorter than the second observation horizon. For example, the first observation horizon corresponds to a close range or local surrounding area of the vehicle and the second observation horizon to a far range. Due to the different observation horizons for the data used, the accuracy and reliability when determining the target path parameters and the target path can be improved. If the observation horizons for the two steps are selected independently of one another, then the respectively determined discrete situational data for the short observation horizon, ie the close range, can generally be determined more reliably using sensors, since this data changes dynamically. While other curve parameters such as curvature or change in curvature change less dynamically and observation data from the long-distance range are therefore better suited. Alternatively, temporal observation horizons are also conceivable.
In einer weiteren Ausführungsform fasst ein Vektor ppose die Sollbahnparameter zur Position und Orientierung zusammen. Eine Abweichung zwischen einem Segment eines Polygonzugs mix + bi und einer approximierenden Kurve fpose (ppose, x) ist
In einer weiteren Ausführungsform fasst ein Vektor p die Sollbahnparameter für den Krümmungsverlauf zusammen, welcher den Vektor ppose beinhaltet. Eine Abweichung zwischen einem Segment des Polygonzugs mix + bi und einer approximierenden Kurve f (p,x) ist
In einer weiteren Ausführungsform wird wenigstens ein Optimierungsproblem durch wenigstens einen Regularisierungsterm ergänzt, der von einer vorausgegangenen Bestimmung der Sollbahnparameter und/oder von weiteren Situationsdaten abgeleitet wird. Dies ermöglicht, die zeitliche Konsistenz der ermittelten Sollbahnparameter und der Sollbahn zu verbessern und den Einfluss von Signalrauschen zu reduzieren. Der Zeitverlauf der Sollbahn (einschließlich deren örtliche Ableitungen) kann einstellbar geglättet werden. Dies stellt für die nachgelagerte Reglerstruktur zur Querführung eine erhebliche Vereinfachung dar. Auf diese Weise kann also die Regelung bzw. Ansteuerung der Fahrzeugeinrichtungen verbessert werden. Ferner ist trotz des geglätteten Zeitverlaufs jede Bahn in sich konsistent zu den diskreten Situationsdaten, d.h. es entsteht kein systematischer Phasenverzug wie sie zum Beispiel bei Verwendung eines PT1-Filter auftreten kann.In a further embodiment, at least one optimization problem is supplemented by at least one regularization term, which is derived from a previous determination of the target path parameters and/or from other situation data. This makes it possible to improve the temporal consistency of the determined nominal path parameters and the nominal path and to reduce the influence of signal noise. The course of the target path over time (including its local derivatives) can be smoothed in an adjustable manner. This represents a considerable simplification for the downstream controller structure for lateral control the control or activation of the vehicle equipment can be improved. Furthermore, in spite of the smoothed course over time, each path is inherently consistent with the discrete situation data, ie there is no systematic phase delay such as can occur when using a PT1 filter, for example.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Regularisierungsterm gewichtet.In another embodiment, the regularization term is weighted.
Mithilfe der Gewichtung des Regularisierungsterms kann dessen Einfluss spezifisch variiert werden. Somit kann eine erhöhte Flexibilität und Robustheit, sowie eine verbesserte Steuerbarkeit der Fahrzeugeinrichtungen gewährleistet werden.With the help of the weighting of the regularization term, its influence can be specifically varied. Increased flexibility and robustness, as well as improved controllability of the vehicle devices can thus be ensured.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet der Regularisierungsterm einen geschätzten Vektor pest, wobei der Vektor pest einen Parametervektor bilden kann. Eine Abweichung zwischen dem geschätzten und dem zu optimierenden Vektor wird als zusätzlicher Term in dem integralen Optimierungsproblem im zweiten Schritt berücksichtigt mit
In einer weiteren Ausführungsform ist die automatische Fahrfunktion eine Querführung des Fahrzeugs. Die Querführung des Fahrzeugs entlang der Sollbahn kann beispielsweise im Rahmen eines Autobahnassistenten ausgeführt werden. Zudem ist denkbar, dass die automatische Fahrfunktion auch eine Längsführung oder eine kombinierte Längs- und Querführung des Fahrzeugs umfasst, beispielsweise im Rahmen einer pilotierten Assistenzfunktion zur automatischen Durchführung von Fahrstreifenwechseln.In a further embodiment, the automatic driving function is a lateral guidance of the vehicle. The lateral guidance of the vehicle along the target path can be carried out, for example, as part of a motorway assistant. It is also conceivable that the automatic driving function also includes longitudinal guidance or combined longitudinal and lateral guidance of the vehicle, for example as part of a piloted assistance function for automatically changing lanes.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.The advantageous configurations and developments of the invention explained above and/or reproduced in the subclaims can be used individually or in any combination with one another, except, for example, in cases of clear dependencies or incompatible alternatives.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich in Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 a eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Fahrzeugs; -
1 b eine schematische Darstellung einer Sollbahn; -
2 a eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines vorgeschlagenen Verfahrens zum automatischen Ausführen einer Fahrfunktion in einem Fahrzeug nach1 a ; -
2 b eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines vorgeschlagenen Verfahrens zum automatischen Ausführen einer Fahrfunktion in einem Fahrzeug nach1 a ; -
3 a und3 b approximierende Kurven zur Beschreibung der Sollbahn; und -
4 a und4 b weitere approximierende Kurven für verschiedene Beobachtungsbereiche.
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1 a a schematic representation of an embodiment of a vehicle; -
1 b a schematic representation of a target path; -
2 a a schematic representation of a first embodiment of a proposed method for automatically executing a driving function in a vehicle1 a ; -
2 B a schematic representation of a second embodiment of a proposed method for automatically executing a driving function in a vehicle1 a ; -
3 a and3 b approximating curves to describe the target path; and -
4 a and4 b further approximating curves for different observation areas.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Figuren lediglich schematischer Natur und nicht maßstabsgetreu sind. In diesem Sinne können in den Figuren gezeigte Komponenten und Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Bezugszeichen in den Figuren unverändert gewählt worden sind, wenn es sich um gleich ausgebildete Elemente und/oder Komponenten handelt.It is pointed out that the figures are only of a schematic nature and are not true to scale. In this sense, components and elements shown in the figures may be exaggerated or minimized for better understanding. Furthermore, it is pointed out that the reference numbers in the figures have been chosen unchanged if identically designed elements and/or components are involved.
Die erfassten diskreten Situationsdaten, die auch ortsfeste Kartendaten mit umfassen können, werden an eine Verarbeitungseinheit 110 weitergeleitet. Die Verarbeitungseinheit 110 ist beispielsweise ausgelegt, die diskreten Daten in eine zeitlich konsistente glatte Sollbahn über zu führen, indem die Verarbeitungseinheit 110 Sollbahnparameter in zwei Stufen ermittelt. Die Verarbeitungseinheit 110 kann zum Beispiel eine Linienabtastung bzw. Spurmodellschätzung durchführen und darauf basierend die Verhaltensplanung des Fahrzeugs 100 wählen, welche nachverfolgt wird, wobei das Verhalten zum Beispiel dem Fahren in der Mitte einer Fahrspur oder einem Fahrspurwechsel entsprechen kann.
In einem ersten Zwischenschritt 215 in
In einem zweiten Zwischenschritt 220 in
Die approximierende Kurve für die Sollbahnparameter des Krümmungsverlaufs 170 gibt also die Gesamtbahn bzw. die ermittelte Sollbahn an, die näherungsweise der vorgegebenen Sollbahn 120 entspricht. Die approximierende Kurve 170 stimmt mit der approximierenden Kurve zu Position und Orientierung 150 in Wert und Ableitung an der Stelle x=0 überein. Ist die Beschreibung der Kurve linear in den Koeffizienten, liegt ein quadratisches Programm vor, das sehr effizient durch Matrizenalgebra gelöst werden kann. Dies ist unter anderem für Polynome sowie abschnittsweise Polynome (Splines) der Fall. Vorliegend wird beispielsweise ein Polynom 3. Grades zur Beschreibung des Modells genutzt, wobei im Rahmen der Lösung des ersten integralen Optimierungsproblems beispielsweise zur Verbesserung der Genauigkeit des Modells alle Terme bis einschließlich des quadratischen Terms berücksichtigt werden, da der quadratische Term die Informationen über den Krümmungsverlauf der Straße umfasst. Das heißt es ergeben sich drei Parameter aus dem ersten integralen Optimierungsproblem, wobei für die Weiterverarbeitung (Lösung des zweiten integralen Optimierungsproblems) aber zum Beispiel nur zwei Parameter verwendet werden. Auch die Verwendung bei Kurven in Parameterdarstellung, d.h. Kurven mit einer expliziten Beschreibung der Koordinaten in mehreren Dimensionen (Ebene, Raum), abhängig von Kurvenparametern, z.B. der Bogenlänge, ist möglich.The approximating curve for the target path parameters of the course of
In einem dritten Verfahrensschritt 225 in
Das zweite integrale Optimierungsproblem lautet demnach
Die Sollbahnparameter zum Krümmungsverlauf 165, die im zu ermittelnden Vektor p enthalten sind, gehen wie in
Die Erfindung wurde im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Anstelle der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind weitere Ausführungsbeispiele denkbar, welche weitere Abwandlungen oder Kombinationen von beschriebenen Merkmalen aufweisen können. Die Erfindung ist aus diesem Grund nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt, da vom Fachmann andere Variationen daraus abgeleitet werden können, ohne dabei den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.The invention has been described in detail by preferred embodiments. Instead of the exemplary embodiments described, further exemplary embodiments are conceivable, which can have further modifications or combinations of the features described. For this reason, the invention is not limited by the disclosed examples, since other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention.
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