DE102020216250B4 - Model-based predictive control of a motor vehicle taking cross-traffic into account - Google Patents
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Abstract
Prozessoreinheit (3; 3'; 3") zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Kraftfahrzeugs (1) unter Berücksichtigung von Querverkehr, wobei die Prozessoreinheit (3; 3'; 3") dazu eingerichtet ist,- auf Querverkehr-Informationen zuzugreifen, wobei die Querverkehr-Informationen einen Querverkehr auf einem im Vorausbereich des Kraftfahrzeugs (1) liegenden Streckenabschnitt beschreiben, welchen das Kraftfahrzeug (1) zukünftig befahren soll,- einen MPC-Algorithmus (13) auszuführen, der ein Längsdynamikmodell (14) des Kraftfahrzeugs (1) und eine Kostenfunktion (15.1) umfasst,- eine Geschwindigkeitstrajektorie (50, 51) für das Kraftfahrzeug (1) zu berechnen, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug (1) innerhalb eines Prädiktionshorizonts auf dem im Vorausbereich des Kraftfahrzeugs (1) liegenden Streckenabschnitt fortbewegen soll, indem die Prozessoreinheit (3; 3'; 3")- den MPC-Algorithmus (13) ausführt,- die Querverkehr-Informationen als Beschränkung berücksichtigt,- das Längsdynamikmodell (14) des Kraftfahrzeugs (1) berücksichtigt und- die Kostenfunktion (15.1) minimiert wobei der MPC-Algorithmus (13) ein erstes Solvermodul (13.1), ein zweites Solvermodul (13.2), ein drittes Solvermodul (13.3) und drei Kostenfunktionen (15.1 bis 15.3) umfasst, wobei eine erste Kostenfunktion (15.1) dem ersten Solvermodul (13.1) zugeordnet ist, wobei eine zweite Kostenfunktion (15.2) dem zweiten Solvermodul (13.2) zugeordnet ist und wobei eine dritte Kostenfunktion (15.3) dem dritten Solvermodul (13.3) zugeordnet ist, wobei die Prozessoreinheit (3; 3'; 3") dazu eingerichtet ist,- durch Ausführen des ersten Solvermoduls (13.1)- die Geschwindigkeitstrajektorie (50, 51) derart zu berechnen, dass die erste Kostenfunktion (15.1) minimiert wird,- einen die erste Kostenfunktion (15.1) minimierenden Verlauf eines Ladezustands einer Batterie (9) zu berechnen, welche als Energiespeicher für eine elektrische Maschine (8) des Kraftfahrzeugs (1) dient,- durch Ausführen des zweiten Solvermoduls (13.2) basierend auf der Geschwindigkeitstrajektorie (50, 51), basierend auf dem Verlauf des Ladezustands der Batterie (9) und unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen eine die zweite Kostenfunktion (15.2) minimierende Trajektorie ganzzahliger Steuergrößen zu berechnen, und- durch Ausführen des dritten Solvermoduls (13.3) für einen Anfangsabschnitt des Prädiktionshorizonts für die elektrische Maschine (8), einen Verbrennungskraftmotor (17) und eine Bremsanlage (19) des Kraftfahrzeugs (1) eine die dritte Kostenfunktion (15.3) minimierende Momenttrajektorie zu berechnen, gemäß welcher die elektrische Maschine (8), der Verbrennungskraftmotor (17) und die Bremsanlage (19) Momente innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellen sollen.Processor unit (3; 3'; 3") for model-based predictive control of a motor vehicle (1) taking cross-traffic into account, the processor unit (3; 3'; 3") being set up to - access cross-traffic information, the cross-traffic - information describes cross-traffic on a section of road ahead of the motor vehicle (1) which the motor vehicle (1) is to travel on in the future, - executing an MPC algorithm (13) which uses a longitudinal dynamics model (14) of the motor vehicle (1) and a Cost function (15.1) includes - calculating a speed trajectory (50, 51) for the motor vehicle (1), according to which the motor vehicle (1) is to move within a prediction horizon on the route section in the area in front of the motor vehicle (1) by Processor unit (3; 3'; 3") - executes the MPC algorithm (13), - takes cross-traffic information into account as a restriction, - the longitudinal dynamics model (14) of the motor vehicle (1) is taken into account and the cost function (15.1) is minimized, with the MPC algorithm (13) having a first solver module (13.1), a second solver module (13.2), a third solver module (13.3) and three cost functions (15.1 to 15.3) comprises a first cost function (15.1) being assigned to the first solver module (13.1), a second cost function (15.2) being assigned to the second solver module (13.2) and a third cost function (15.3) being assigned to the third solver module (13.3), wherein the processor unit (3; 3'; 3") is set up - by executing the first solver module (13.1) - to calculate the speed trajectory (50, 51) in such a way that the first cost function (15.1) is minimized, - a progression of a state of charge that minimizes the first cost function (15.1). to calculate a battery (9), which serves as an energy store for an electric machine (8) of the motor vehicle (1), - by executing the second solver module (13.2) based on the speed trajectory (50, 51), based on the course of the state of charge the battery (9) and to calculate a second cost function (15.2) minimizing trajectory of integer control variables, taking into account constraints, and- by executing the third solver module (13.3) for an initial section of the prediction horizon for the electric machine (8), an internal combustion engine ( 17) and a brake system (19) of the motor vehicle (1) has a torque trajectory that minimizes the third cost function (15.3). e to calculate, according to which the electric machine (8), the internal combustion engine (17) and the brake system (19) should provide moments within the prediction horizon.
Description
Die Erfindung betrifft die modellbasierte prädiktive Regelung eines Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung von Querverkehr.The invention relates to the model-based predictive control of a motor vehicle, taking cross-traffic into account.
Ein energieoptimales Betreiben eines Fahrzeugs ist nur mit guter Kenntnis der zu fahrenden Strecke möglich. Ein Fahrer muss also vorausschauend fahren, hat aber nur begrenzte Einsicht in den weiteren Verlauf der Strecke. An Kreuzungen oder in ähnlichen Verkehrssituationen, welche die Berücksichtigung von querenden Fahrzeugen oder auch von Fußgängern erfordern, kann eine Vorabplanung nur sehr schwer stattfinden. Das optimale Betreiben eines Fahrzeug kann mithilfe einer Kostenfunktion beschrieben werden, deren Kosten z.B. durch einen aus ungünstigen Betriebspunkten resultierenden Energieverbrauch erhöht werden. Die Kosten führen dazu, dass ein angestrebtes Optimum nicht erreicht wird. Solche Kosten sind z.B. ungünstige Betriebspunkte der Aggregate (z.B. des Verbrennungsmotors und/oder des Elektromotors) oder ungünstige Bremsungen, wenn eigentlich durch Rekuperation ausreichend verzögert werden soll. Weiteres vorteilhaftes Betreiben ist auch das Vermeiden von Bremsungen bis zum Stillstand. Heutige intelligente Tempomaten können die Streckentopologie berücksichtigen, bilden die Fahrstrategie jedoch regelbasiert ab. Die regelbasierte Umsetzung führt allerdings teilweise nur zu suboptimalen Lösungen. Optimierungsbasierte Strategien benötigen viel Rechenleistung und dauern damit lange, sie eignen sich häufig nicht für eine Onlineberechnung. Was den Stand der Technik betrifft so bilden die
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine alternative Regelung eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welche den vorstehend beschriebenen Problemen Rechnung trägt. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.An object of the present invention can be seen as providing an alternative regulation of a motor vehicle which takes account of the problems described above. The object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims, the following description and the figures.
Die vorliegende Erfindung stellt eine energieeffiziente Fahrzeuglängsführung eines Fahrzeugs bereit, insbesondere eines Hybridfahrzeugs. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Online-Berechnung einer energieoptimalen Geschwindigkeitstrajektorie für einen vorausliegenden Horizont eines Fahrzeugs vorgeschlagen. Die Online-Berechnung kann insbesondere auf einem Zentralsteuergerät in dem Fahrzeug (für das die Online-Berechnung durchgeführt wird) erfolgen. Weiterhin kann die Online-Berechnung auf verteilten Steuergeräten in diesem Fahrzeug erfolgen. Ferner kann die Online-Berechnung auf einer Prozessoreinheit einer Infrastrukturkomponente erfolgen, z.B. auf einer Prozessoreinheit eines intelligenten Verkehrszeichens. Darüber hinaus kann die Online-Berechnung auch auf einem Leitrechner erfolgen.The present invention provides energy-efficient vehicle longitudinal guidance of a vehicle, in particular a hybrid vehicle. According to the present invention, an online calculation of an energy-optimal speed trajectory for a horizon ahead of a vehicle is proposed. The online calculation can take place in particular on a central control device in the vehicle (for which the online calculation is carried out). Furthermore, the online calculation can be carried out on distributed control units in this vehicle. Furthermore, the online calculation can take place on a processor unit of an infrastructure component, e.g. on a processor unit of an intelligent traffic sign. In addition, the online calculation can also be carried out on a master computer.
Die Online-Berechnung beruht auf der Kenntnis bzw. auf Informationen über einen Querverkehr bzw. über einen querenden Verkehr auf einem im Vorausbereich des Fahrzeugs liegenden Streckenabschnitt, welchen das Fahrzeug zukünftig befahren soll („Querverkehr-Informationen“). Der Querverkehr kann beispielsweise an einer Kreuzung auftreten. Beispielsweise durch Car2Car-Kommunikation kann das Fahrzeug Informationen über den Querverkehr erlangen. Weiterhin kann das Fahrzeug auch über eine geeignete Sensorik, wie z.B. ein „intelligentes Verkehrszeichen“, das querende Fahrzeuge erkennt und per Car21-Kommunikation dem Fahrzeug entsprechende Daten zur Verfügung stellt, Informationen über den Querverkehr erlangen. Die Online-Berechnung berücksichtigt derartige „Querverkehr-Informationen“, sodass ein gewisser zeitlicher Spielraum ausgenutzt wird, um das Fahrzeug energieeffizienter zu betreiben.The online calculation is based on the knowledge or on information about cross traffic or about crossing traffic on a route section in the area in front of the vehicle, which the vehicle is to drive on in the future ("cross traffic information"). Cross traffic can occur, for example, at an intersection. For example, through Car2Car communication, the vehicle can obtain information about cross-traffic. Furthermore, the vehicle can also obtain information about cross-traffic via suitable sensors, such as an “intelligent traffic sign” that recognizes crossing vehicles and provides the vehicle with the relevant data via Car21 communication. The online calculation takes such "cross-traffic information" into account, so that a certain amount of time is used to operate the vehicle more energy-efficiently.
In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Prozessoreinheit zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung von Querverkehr bereitgestellt. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, auf Querverkehr-Informationen zuzugreifen, wobei die Querverkehr-Informationen einen Querverkehr auf einem im Vorausbereich des Kraftfahrzeugs liegenden Streckenabschnitt beschreiben, welchen das Kraftfahrzeug zukünftig befahren soll. Weiterhin ist die Prozessoreinheit dazu eingerichtet, einen MPC-Algorithmus auszuführen, der ein Längsdynamikmodell des Kraftfahrzeugs und wenigstens eine Kostenfunktion umfasst. Ferner ist die Prozessoreinheit dazu eingerichtet, eine Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug zu berechnen, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug innerhalb eines Prädiktionshorizonts auf dem im Vorausbereich des Kraftfahrzeugs liegenden Streckenabschnitt fortbewegen soll, indem die Prozessoreinheit den MPC-Algorithmus ausführt, die Querverkehr-Informationen als Beschränkung berücksichtigt, das Längsdynamikmodell des Kraftfahrzeugs berücksichtigt und die Kostenfunktion minimiert.In this sense, according to a first aspect of the invention, a processor unit for model-based predictive control of a motor vehicle is provided, taking cross-traffic into account. The processor unit is set up to access cross-traffic information, the cross-traffic information describing cross-traffic on a section of road ahead of the motor vehicle, which the motor vehicle is to travel on in the future. Furthermore, the processor unit is set up to execute an MPC algorithm, which includes a longitudinal dynamics model of the motor vehicle and at least one cost function. Furthermore, the processor unit is set up to calculate a speed trajectory for the motor vehicle, according to which the motor vehicle is to move within a prediction horizon on the route section in the area in front of the motor vehicle, by the processor unit executing the MPC algorithm, which takes cross-traffic information into account as a restriction , the longitudinal dynamics model of the motor vehicle is taken into account and the cost function is minimized.
Die Querverkehr-Informationen fließen demnach als Beschränkung in die modellbasierte prädiktive Regelung des Kraftfahrzeugs ein. Der Prädiktionshorizont umfasst dabei zumindest einen Teil des im Vorausbereich des Kraftfahrzeugs liegenden Streckenabschnitts, welchen das Kraftfahrzeug zukünftig befahren soll.The cross-traffic information is therefore included as a restriction in the model-based predictive control of the motor vehicle. In this case, the prediction horizon comprises at least part of the route section in the area in front of the motor vehicle, which the motor vehicle is to travel on in the future.
Unter „Querverkehr“ bzw. unter „querendem Verkehr“ kann wenigstens ein sich bewegendes Objekt verstanden werden. Das wenigstens eine sich bewegende Objekt bewegt sich insbesondere in einer Querbewegungsrichtung, welche eine Längsbewegungsrichtung des Fahrzeugs im Vorausbereich des Fahrzeugs kreuzt. Die Längsrichtung des Fahrzeugs ist dabei insbesondere diejenige Richtung, in welche sich das Fahrzeug bewegen soll, um ein vorgegebenes Ziel zu erreichen.“Cross traffic” or “crossing traffic” can be understood to mean at least one moving object. In particular, the at least one moving object moves in a lateral movement direction crossing a longitudinal movement direction of the vehicle in front of the vehicle. The longitudinal direction of the vehicle is in particular that direction in which the vehicle should move in order to reach a specified destination.
Unter dem „sich bewegenden Objekt“ kann beispielsweise ein anderer Verkehrsteilnehmer verstanden werden, z.B. ein Fahrzeug. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug handeln, das von einem Motor angetrieben wird, beispielsweise ein Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Motorrad, Motorroller, Moped, E-Bike bzw. Pedelec (Akronym für Pedal Electric Cycle), Bus oder Lastkraftwagen (z.B. mit einem Gewicht von über 3,5 t), oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug wie Helikopter oder Flugzeug. Das Fahrzeug kann jedoch auch ohne einen motorischen Antrieb ausgestattet sein, z.B. ein Fahrrad. Das Fahrzeug kann durch einen Fahrer gesteuert werden, möglicherweise unterstützt durch ein Fahrerassistenzsystem. Das Fahrzeug kann jedoch auch beispielsweise ferngesteuert und/oder (teil-)autonom gesteuert werden. Das sich bewegende Objekt kann darüber hinaus auch beispielsweise ein Fußgänger oder ein Tier sein.The "moving object" can be understood, for example, as another road user, e.g. a vehicle. The vehicle may be a motor vehicle powered by an engine, such as an automobile (e.g. a passenger car weighing less than 3.5 t), motorcycle, scooter, moped, e-bike or pedelec ( Acronym for Pedal Electric Cycle), bus or truck (e.g. with a weight of more than 3.5 t), but also a rail vehicle, a ship, an aircraft such as a helicopter or plane. However, the vehicle can also be equipped without a motor drive, e.g. a bicycle. The vehicle can be controlled by a driver, possibly supported by a driver assistance system. However, the vehicle can also be controlled remotely and/or (partially) autonomously, for example. The moving object can also be a pedestrian or an animal, for example.
In einer Ausführungsform beinhalten die Querverkehr-Informationen, dass sich ein statisches Querverkehr-Element auf dem im Vorausbereich des Kraftfahrzeugs liegenden Streckenabschnitt befindet, wobei die Prozessoreinheit dazu eingerichtet ist, die Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug zu berechnen, indem das statische Querverkehr-Element derart als Beschränkung berücksichtigt wird, dass das Kraftfahrzeug innerhalb des Prädiktionshorizonts potenziell angehalten werden muss, insbesondere unmittelbar vor dem Querverkehr-Element oder im Bereich vor dem Querverkehr-Element.In one embodiment, the cross-traffic information includes that there is a static cross-traffic element on the section of road ahead of the motor vehicle, the processor unit being set up to calculate the speed trajectory for the motor vehicle by using the static cross-traffic element as a restriction it is taken into account that the motor vehicle must potentially be stopped within the prediction horizon, in particular directly in front of the cross-traffic element or in the area in front of the cross-traffic element.
Unter einem „statischen Querverkehr-Element“ kann eine Verkehrsinfrastruktur verstanden werden, die ortsfest ist. Das statische Querverkehr-Element zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es die Bewegung eines beweglichen Objekts in einer Querrichtung zulässt oder vorsieht. Die Querrichtung verläuft dabei insbesondere quer über eine Längsrichtung einer Straße. Beispiele für ein statisches Querelement, in deren Bereich querender Verkehr auftreten kann, sind beispielsweise ein Fußgängerüberweg, eine Kreuzung ggfs. mit einem Stoppschild oder einem Vorfahrt-gewähren-Schild, eine Bremsschwelle, ein Rüttelstreifen oder eine Ampel. Informationen über dementsprechende Verkehrsschilder und Streckenereignisse können durch im Fahrzeug verfügbare Sensorik (z.B. Kamera), über Kartendaten (bereitgestellt z.B. über ADASIS V2, ADASIS V3) oder anhand von Online-Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und einem Infrastrukturelement oder anderen Verkehrsteilnehmern (Car2I, Car2X) erfasst werden. Diese statischen Informationen können dem Fahrer z.B. im Navigationssystem angezeigt werden. Es handelt sich deshalb um statische Informationen, da sie ein örtlich festes Objekt beschreiben, z.B. die ortsfesten Koordinaten des vorstehend aufgezählten Fußgängerüberwegs.A "static cross-traffic element" can be understood to mean a traffic infrastructure that is stationary. The static cross-traffic element is distinguished in particular by the fact that it allows or provides for the movement of a moving object in a cross-direction. In this case, the transverse direction runs, in particular, transversely across a longitudinal direction of a road. Examples of a static transverse element in whose area crossing traffic can occur are, for example, a pedestrian crossing, an intersection, possibly with a stop sign or a give way sign, a speed bump, a rumble strip or a traffic light. Information about the corresponding traffic signs and route events can be recorded by sensors available in the vehicle (e.g. camera), by map data (provided e.g. via ADASIS V2, ADASIS V3) or by online communication between the vehicle and an infrastructure element or other road users (Car2I, Car2X). will. This static information can be displayed to the driver in the navigation system, for example. It is static information because it describes a stationary object, e.g. the stationary coordinates of the pedestrian crossing listed above.
Das Vorhandensein eines statischen Querverkehr-Elements (z.B. eines Fußgängerüberwegs) kann also im Sinne einer ersten Stufe in der Optimierung dahingehend berücksichtigt werden, dass dort ein Anhaltevorgang möglich sein könnte bzw. dass es notwendig sein kann, das Kraftfahrzeug anzuhalten, wenn es sich im Bereich des Querverkehr-Elements oder unmittelbar davor befindet. Ein erkanntes statisches Querverkehr Element kann somit als Beschränkung während der Ausführung des MPC-Algorithmus berücksichtigt werden.The presence of a static cross-traffic element (e.g. a pedestrian crossing) can therefore be taken into account as a first step in the optimization to the effect that stopping could be possible there or that it may be necessary to stop the motor vehicle if it is in the area of the cross-traffic element or immediately in front of it. A detected static cross-traffic element can thus be taken into account as a restriction during the execution of the MPC algorithm.
Insbesondere kann die Prozessoreinheit dazu eingerichtet sein, auf der ersten Stufe Maßnahmen vorzubereiten oder einzuleiten, um das Kraftfahrzeug anzuhalten oder zumindest die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zu verringern. Dies ermöglicht, dass im Falle eines erkannten Querverkehrs im Bereich des statischen Querverkehr-Elements besonders schnell, effektiv und effizient auf den Querverkehr reagiert werden kann. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein SoC-Niveau einer Batterie des Kraftfahrzeugs entsprechend vorgehalten wird. Die Batterie bzw. der Akkumulator dient als Energiespeicher für eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs. Dieser Energiespeicher kann die elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgen, um das Kraftfahrzeug innerhalb des Prädiktionshorizonts anzutreiben (gegebenenfalls ausschließlich oder unterstützend zu einem Verbrennungskraftmotor). Der Ladezustand (im Englischen: State of Charge oder abgekürzt SoC) ist der momentane Energieinhalt einer elektrischen Batterie im Verhältnis zu ihrem maximalen Energiegehalt. Sollte in einem sportlichen Fahrmodus stark verzögert werden müssen, so ergibt sich ein ungünstiges Verzögerungsverhalten. Unter Umständen muss auch die mechanische Bremse verwendet werden. Dies bewirkt einen Effizienznachteil. Wird der Ladezustand der Batterie jedoch vor dem vollständigen Anhalten auf einem bestimmten Niveau gehalten oder gar erhöht, so wird nach dem Hindernis ein rein elektrisches Wiederanfahren ermöglicht. Weiterhin kann eine möglicherweise auftretende Wartezeit bei der weiteren Streckenoptimierung berücksichtigt werden.In particular, the processor unit can be set up to prepare or initiate measures on the first stage in order to stop the motor vehicle or at least to reduce the speed of the motor vehicle. In the event that cross-traffic is detected in the area of the static cross-traffic element, this makes it possible to react particularly quickly, effectively and efficiently to the cross-traffic. This can be done, for example, by correspondingly maintaining a SoC level of a battery in the motor vehicle. The battery or accumulator serves as an energy store for an electric machine in the motor vehicle. This energy store can supply the electrical machine with electrical energy in order to drive the motor vehicle within the prediction horizon (possibly exclusively or in support of an internal combustion engine). The state of charge (in English: State of Charge or abbreviated SoC) is the current energy content of an electric battery in relation to its maximum energy content. Should it be necessary to decelerate strongly in a sporty driving mode, so an unfavorable deceleration behavior results. It may also be necessary to use the mechanical brake. This causes an efficiency disadvantage. However, if the charge level of the battery is kept at a certain level or even increased before the vehicle comes to a complete stop, purely electric restarting is possible after the obstacle. Furthermore, a possibly occurring waiting time can be taken into account in the further route optimization.
Je nach gewählter Gewichtung (z.B. sportliche Fahrweise oder energieeffiziente Fahrweise) kann daher an dem Querverkehr-Element die Fahrzeuggeschwindigkeit erhöht oder verringert werden. Die vorstehend beschriebene erste Stufe beschreibt das Verhalten des Algorithmus', solange noch keine detaillierten Kenntnisse zur Situation bzw. zum Auftreten eines Querverkehrs im Bereich des statischen Querverkehr-Elements vorliegen. Es sind lediglich die statischen Informationen bekannt. Auf dieser ersten Stufe wird bei sportlichem Fahrmodus geplant, recht schnell z.B. über den Fußgängerüberweg zu fahren. Solange keine Information darüber vorliegt, dass Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements auftritt, wird die Geschwindigkeitstrajektorie im sportlichen Fahrmodus dahingehend berechnet, dass im Bereich des Querverkehr-Elements kein Anhalten notwendig ist. Dahingegen wird im energieeffizienten Fahrmodus, auch wenn noch keine Informationen darüber vorliegen, dass Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements auftritt, die Geschwindigkeitstrajektorie dahingehend berechnet, dass im Bereich des Querverkehr-Elements ein Anhaltevorgang möglich ist bzw. notwendig werden könnte.Depending on the selected weighting (e.g. sporty driving style or energy-efficient driving style), the vehicle speed can be increased or decreased at the cross-traffic element. The first stage described above describes the behavior of the algorithm as long as there is no detailed knowledge of the situation or of the occurrence of cross-traffic in the area of the static cross-traffic element. Only the static information is known. In this first stage, in sporty driving mode, it is planned to drive quite quickly, e.g. over the pedestrian crossing. As long as there is no information that cross-traffic is occurring in the area of the static cross-traffic element, the speed trajectory in the sporty driving mode is calculated such that it is not necessary to stop in the area of the cross-traffic element. On the other hand, in the energy-efficient driving mode, the speed trajectory is calculated to the effect that stopping is possible or could become necessary in the area of the cross-traffic element, even if there is still no information that cross-traffic occurs in the area of the static cross-traffic element.
In diesem Sinne ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Prozessoreinheit dazu eingerichtet ist, eine erste Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug zu berechnen und eine zweite Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug zu berechnen. Dabei ist gemäß der ersten Geschwindigkeitstrajektorie im Sinne eines sportlichen Fahrmodus vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug das statische Querverkehr-Element schneller und zu einem früheren Zeitpunkt passieren soll als gemäß der zweiten Geschwindigkeitstrajektorie. Weiterhin ist gemäß der zweiten Geschwindigkeitstrajektorie vorgesehen, dass das Fahrzeug im Sinne eines energieeffizienten Fahrmodus das statische Querverkehr-Element mit einem geringeren Energieaufwand oder mit einem besseren energetischen Wirkungsgrad erreichen und passieren soll als gemäß der ersten Geschwindigkeitstrajektorie.In this sense, it is provided according to a further embodiment that the processor unit is set up to calculate a first speed trajectory for the motor vehicle and to calculate a second speed trajectory for the motor vehicle. According to the first speed trajectory, in the sense of a sporty driving mode, it is provided that the motor vehicle should pass the static cross-traffic element faster and at an earlier point in time than according to the second speed trajectory. Furthermore, according to the second speed trajectory, it is provided that the vehicle should reach and pass the static cross-traffic element with less energy expenditure or with better energy efficiency than according to the first speed trajectory in terms of an energy-efficient driving mode.
Die weiter oben beschriebenen statischen Informationen über das Vorhandensein eines statischen Querverkehr-Elements beschreiben noch nicht, ob sich in dem örtlichen Bereich beispielsweise des Fußgängerüberwegs auch tatsächlich ein bewegliches Objekt befindet, z.B. ein Fußgänger. Dementsprechend beschreiben die statischen Informationen über das Vorhandensein des statischen Querverkehr-Elements ebenfalls nicht, ob der potenziell vorhandene Querverkehr die Absicht hat, sich quer zur Längsbewegungsrichtung des Fahrzeugs zu bewegen, z.B. indem der Fußgänger den Fußgängerüberweg überquert.The static information described above about the presence of a static cross-traffic element does not yet describe whether there is actually a moving object, e.g. a pedestrian, in the local area, for example the pedestrian crossing. Accordingly, the static information about the presence of the static cross-traffic element also does not describe whether the potentially present cross-traffic intends to move transverse to the longitudinal direction of movement of the vehicle, e.g. by the pedestrian crossing the pedestrian crossing.
Derartige dynamische Informationen über das konkrete Verkehrsgeschehen werden durch die in der folgenden Ausführungsform beschriebenen dynamischen Querverkehr-Informationen bereitgestellt. Im Sinne einer zweiten Stufe ist nämlich gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Querverkehr-Informationen beinhalten, ob Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements erkannt worden ist oder auftritt.Such dynamic information about the specific traffic situation is provided by the dynamic cross-traffic information described in the following embodiment. In terms of a second level, one embodiment provides that the cross-traffic information contains whether cross-traffic has been detected or is occurring in the area of the static cross-traffic element.
Gemäß einer ersten Alternative ist, wenn Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements erkannt worden ist oder auftritt, die Prozessoreinheit in dieser Ausführungsform dazu eingerichtet, die Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug zu berechnen, indem der Querverkehr derart als Beschränkung der Optimierung berücksichtigt wird, dass die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs innerhalb des Prädiktionshorizonts verringert wird, sodass das Kraftfahrzeug vor dem Erreichen des statischen Querverkehr-Elements angehalten oder zumindest abgebremst wird.According to a first alternative, if cross-traffic has been detected or occurs in the area of the static cross-traffic element, the processor unit in this embodiment is set up to calculate the speed trajectory for the motor vehicle by considering the cross-traffic as a limitation of the optimization in such a way that the Speed of the motor vehicle is reduced within the prediction horizon, so that the motor vehicle is stopped or at least braked before reaching the static cross-traffic element.
Gemäß einer zweiten Alternative ist, wenn kein Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements erkannt worden ist oder auftritt, die Prozessoreinheit in dieser Ausführungsform dazu eingerichtet, die Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug zu berechnen, sodass das Kraftfahrzeug das statische Querverkehr-Element ohne anzuhalten oder abzubremsen passiert.According to a second alternative, if no cross-traffic has been detected or occurs in the area of the static cross-traffic element, the processor unit in this embodiment is set up to calculate the speed trajectory for the motor vehicle, so that the motor vehicle crosses the static cross-traffic element without stopping or braking happened.
Die Informationen darüber, dass im Bereich des statischen Querverkehr-Elements Querverkehr auftritt, kann durch Car2Car-Kommunikation beim Annähern an Kreuzungsbereiche zwischen dem Kraftfahrzeug und einem anderen Verkehrsteilnehmer, z.B. einem anderen Kraftfahrzeug, ausgetauscht werden, um kreuzenden Verkehr frühzeitig zu erkennen. Im Fall von Ampeln können dies sogenannte „SPAT-Messages“ (SPAT = Signal Phase and Timing) sein. Darüber hinaus sind Informationen von Verkehrsleitsystemen verwendbar (z.B. anhand von Signalgebern im Fahrzeugboden). Darüber hinaus kann querender Fahrzeug- oder Fußgängerverkehr auch durch im Fahrzeug angebrachte Sensorik ermittelt werden, z.B. über einen Radar-Sensor, einen Lidar-Sensor oder einen Kamera-Sensor. Somit kann bei der Optimierung, sobald am statischen Querverkehr-Element querender Verkehr ermittelt wird, z.B. durch Sensorik oder Car2X, die in der ersten Stufe getroffene Vorbereitung beendet werden und stattdessen z.B. abgebremst werden. Wenn hingegen festgestellt wird, dass im Bereich des Querverkehr-Elements kein Querverkehr auftritt, dann kann auf die Ausführung der in der ersten Stufe vorbereiteten Maßnahmen verzichtet werden. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug derart gesteuert werden bzw. die Geschwindigkeitstrajektorie des Fahrzeugs kann derart ermittelt bzw. berechnet werden, dass das Kraftfahrzeug das statische Querverkehr-Element passiert, ohne vorher anzuhalten. Die Ausprägung der zweiten Stufe ergibt sich durch das Verkehrsereignis, in dem vorliegenden Fall durch den Querverkehr, und lässt aufgrund der typischerweise auftretenden kurzen Reaktionszeit wenig Raum für Optimierungen. Die Reaktionszeit ist dabei abhängig vom jeweiligen Ereignis. Je früher die Erkennung stattfindet, desto mehr Reaktionszeit ist vorhanden.The information that cross traffic is occurring in the area of the static cross traffic element can be exchanged by Car2Car communication when approaching intersection areas between the motor vehicle and another road user, eg another motor vehicle, in order to identify crossing traffic at an early stage. In the case of traffic lights, these can be so-called "SPAT messages" (SPAT = Signal Phase and Timing). In addition, information from traffic control systems can be used (e.g. using signal transmitters in the vehicle floor). In addition, crossing vehicle or pedestrian traffic can also be determined by sensors fitted in the vehicle, for example via a radar sensor, a lidar sensor or a camera sensor. Thus, in the optimization, as soon as crossing traffic is determined at the static cross-traffic element, for example by sensors or Car2X, the preparation made in the first stage can be ended and instead, for example, braked. If, on the other hand, it is established that no cross-traffic occurs in the area of the cross-traffic element, then the measures prepared in the first stage can be dispensed with. In particular, the motor vehicle can be controlled or the speed trajectory of the vehicle can be determined or calculated in such a way that the motor vehicle passes the static cross-traffic element without stopping first. The characteristics of the second stage result from the traffic event, in the present case from cross traffic, and due to the typically short reaction time that occurs, leaves little room for optimization. The reaction time depends on the respective event. The earlier the detection takes place, the more reaction time there is.
Sobald die dynamischen Querverkehr-Informationen vorliegen, ergeben sich insbesondere die folgenden zwei Möglichkeiten:
- a) Das Kraftfahrzeug muss anhalten, was insbesondere durch die Berechnung einer aktualisierten Geschwindigkeitstrajektorie mittels der Prozessoreinheit erfolgt. Hierzu ist nun eine starke Verzögerung mit Einbußen hinsichtlich des Komforts und der Energieeffizienz notwendig, wenn das Kraftfahrzeug der vorstehend beschriebenen ersten Geschwindigkeitstrajektorie folgt (sportlicher Fahrmodus). Wenn das Kraftfahrzeug hingegen der vorstehend beschriebenen zweiten Geschwindigkeitstrajektorie folgt (energieeffizienter Fahrmodus), kann das Kraftfahrzeug besonders effizient und komfortabel verzögert werden.
- b) Das Fahrzeug muss nicht anhalten. Es ergibt sich ein Geschwindigkeitsvorteil, wenn das Kraftfahrzeug entsprechend der vorstehend beschriebenen ersten Geschwindigkeitstrajektorie (sportlicher Fahrmodus) betrieben wird.
- a) The motor vehicle must stop, which is done in particular by calculating an updated speed trajectory using the processor unit. This now requires a strong deceleration with losses in terms of comfort and energy efficiency if the motor vehicle follows the first speed trajectory described above (sporty driving mode). If, on the other hand, the motor vehicle follows the second speed trajectory described above (energy-efficient driving mode), the motor vehicle can be decelerated particularly efficiently and comfortably.
- b) The vehicle does not have to stop. There is a speed advantage if the motor vehicle is operated in accordance with the first speed trajectory described above (sporty driving mode).
Die erste Stufe kann im Vergleich zu der zweiten Stufe relativ stark variiert werden. Hierzu kann auch die Wahrscheinlichkeit betrachtet werden, mit welcher ein querendes Objekt berücksichtigt werden muss bzw. mit welcher Wahrscheinlichkeit Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements erkannt werden wird. In diesem Sinne ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Prozessoreinheit dazu eingerichtet ist,
- - auf Wahrscheinlichkeits-Informationen zuzugreifen, welche eine Wahrscheinlichkeit beschreiben, mit welcher Querverkehr berücksichtigt werden muss, und
- - die Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug zu berechnen, indem die Wahrscheinlichkeits-Informationen berücksichtigt werden.
- - access probability information describing a probability with which cross-traffic must be taken into account, and
- - calculate the speed trajectory for the motor vehicle, taking into account the probability information.
Wenn beispielsweise ein statisches Querverkehr-Element auf der Route liegt, welche das Kraftfahrzeug im Folgenden befahren soll, so können die Wahrscheinlichkeits-Informationen dazu genutzt werden, um zu entscheiden, ob eine oder mehrere Maßnahmen zur Verringerung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in der Optimierung berücksichtigt und vorbereitet werden sollten. Wenn die Wahrscheinlichkeits-Informationen beispielsweise eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit beschreiben, dass Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements auftreten wird, dann kann wenigstens eine Maßnahme zur Verringerung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in der Optimierung berücksichtigt und vorbereitet werden. Wenn die Wahrscheinlichkeits-Informationen hingegen eine relativ niedrige Wahrscheinlichkeit beschreiben, dass Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements auftreten wird, dann kann darauf verzichtet werden, eine Maßnahme zur Verringerung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in der Optimierung zu berücksichtigen und vorzubereiten, oder es können weniger entsprechende Maßnahmen in der Optimierung berücksichtigt und vorbereitet werden.If, for example, a static cross-traffic element is on the route that the motor vehicle is to travel on in the following, the probability information can be used to decide whether one or more measures to reduce the speed of the motor vehicle are taken into account in the optimization and should be prepared. If the probability information describes, for example, a relatively high probability that cross-traffic will occur in the area of the static cross-traffic element, then at least one measure to reduce the speed of the motor vehicle can be taken into account in the optimization and prepared. If, on the other hand, the probability information describes a relatively low probability that cross-traffic will occur in the area of the static cross-traffic element, then a measure to reduce the speed of the motor vehicle in the optimization can be dispensed with and prepared, or fewer can be used appropriate measures are taken into account and prepared for optimization.
Beispielsweise können die Wahrscheinlichkeits-Informationen beschreiben, dass nachts die Wahrscheinlichkeit relativ niedrig ist, dass Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements auftritt, weil erfahrungsgemäß weniger Verkehr auf Straßen auftritt als tagsüber. Die Prozessoreinheit kann dann dazu eingerichtet sein, die relativ niedrige Wahrscheinlichkeit (dass nachts Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements auftritt) bei der Berechnung der Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug zu berechnen, sodass relativ wenige Vorbereitungen zum Anhalten oder Abbremsen des Kraftfahrzeugs in der ersten Phase getroffen werden. Dahingegen können beispielsweise in diesem Zusammenhang die Wahrscheinlichkeits-Informationen beschreiben, dass tagsüber die Wahrscheinlichkeit relativ hoch ist, dass Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements auftritt. Die Prozessoreinheit kann dann dazu eingerichtet sein, die relativ hohe Wahrscheinlichkeit (dass tagsüber Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements auftritt) bei der Berechnung der Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug zu berechnen, sodass relativ viele Vorbereitungen zum Anhalten oder Abbremsen des Kraftfahrzeugs in der ersten Phase getroffen werden.For example, the probability information can describe that at night the probability is relatively low that cross traffic will occur in the area of the static cross traffic element, because experience has shown that there is less traffic on the streets than during the day. The processor unit can then be set up to calculate the relatively low probability (cross-traffic occurring at night in the area of the static cross-traffic element) when calculating the speed trajectory for the motor vehicle, so that relatively few preparations for stopping or braking the motor vehicle in the first phase to be hit. On the other hand, in this context, the probability information can describe, for example, that during the day the probability is relatively high that cross-traffic will occur in the area of the static cross-traffic element. The processor unit can then do this be set up to calculate the relatively high probability (that during the day cross-traffic occurs in the area of the static cross-traffic element) when calculating the speed trajectory for the motor vehicle, so that a relatively large number of preparations for stopping or braking the motor vehicle are made in the first phase.
In diesem Sinne ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Wahrscheinlichkeits-Informationen beschreiben, dass nachts die Wahrscheinlichkeit, dass Querverkehr im Bereich des statischen Querverkehr-Elements auftritt, niedriger ist als tagsüber, und dass die Prozessoreinheit dazu eingerichtet ist, nachts weniger Vorbereitungen zum Anhalten oder Abbremsen des Kraftfahrzeugs zu treffen als tagsüber. Diese Ausführungsform ermöglicht, dass nachts (geringere Wahrscheinlichkeit) weniger Vorbereitungen in Phase 1 getroffen werden müssen als tagsüber. Dabei wird in Kauf genommen, dass im Falle von dennoch (entgegen der relativ niedrigen Wahrscheinlichkeit) auftretendem querenden Verkehr weniger effizient darauf reagiert werden kann. Dahingegen kann z.B. tagsüber (höhere Wahrscheinlichkeit) bereits in der ersten Phase vorausschauend verzögert werden. Falls doch kein querender Verkehr vorhanden ist, war die Vorbereitung nicht notwendig.In this sense, according to a further embodiment, it is provided that the probability information describes that the probability of cross-traffic occurring in the area of the static cross-traffic element is lower at night than during the day, and that the processor unit is set up to make fewer preparations for the Stopping or braking the motor vehicle than during the day. This embodiment allows less preparations to be made in
Wenn der querende Verkehr auch während der Querung betrachtet werden kann, kann darüber hinaus die Haltedauer geschätzt werden. Dies leistet einen Beitrag, insbesondere diskrete Entscheidungen optimal zu treffen. Insbesondere können die diskreten Entscheidungen basierend auf der ermittelten Haltedauer gefällt werden. Quert beispielsweise ein Radfahrer die Straße, so kann beispielsweise der Verbrennungsmotor eingeschaltet bleiben (insbesondere beim Einsatz einer Start-Stopp-Automatik). Quert jedoch ein langsamer Fußgänger, so wird es sinnvoll sein, den Verbrennungsmotor abzuschalten. In diesem Sinne kann die Prozessoreinheit in einer weiteren Ausführungsform dazu eingerichtet sein, auf Überquerungs-Informationen zuzugreifen, welche die Bewegung des Querverkehrs während einer Überquerung des statischen Querverkehr-Elements beschreiben, und basierend auf den Überquerungs-Informationen eine Haltedauer zu berechnen, für welche das Kraftfahrzeug angehalten werden muss.In addition, if the crossing traffic can also be observed during the crossing, the stopping time can be estimated. This contributes to optimally making discrete decisions in particular. In particular, the discrete decisions can be made based on the determined holding period. For example, if a cyclist crosses the street, the combustion engine can remain switched on (especially when using a start-stop system). However, if a slow pedestrian is crossing, it will make sense to switch off the combustion engine. In this sense, the processor unit can be set up in a further embodiment to access crossing information which describes the movement of the cross-traffic during a crossing of the static cross-traffic element, and based on the crossing information to calculate a holding period for which the motor vehicle must be stopped.
Die erfindungsgemäße Prozessoreinheit kann insbesondere ein Element eines Zentralsteuergeräts des Kraftfahrzeugs sein oder ein Element von mehreren im Kraftfahrzeug verteilten dezentralen Steuergeräten oder ein Element einer Verkehrsinfrastruktureinrichtung oder ein Element eines Verkehrsleitrechners. Somit kann die erfindungsgemäße Online-Berechnung der energieoptimalen Geschwindigkeitstrajektorie für einen vorausliegenden Horizont auf einem Zentralsteuergerät im Fahrzeug, auf verteilten Steuergeräten im Fahrzeug, auf Infrastrukturkomponenten wie z.B. einem intelligenten Verkehrszeichen oder auf einem Leitrechner erfolgen.The processor unit according to the invention can in particular be an element of a central control unit of the motor vehicle or an element of several decentralized control units distributed in the motor vehicle or an element of a traffic infrastructure device or an element of a traffic control computer. Thus, the inventive online calculation of the energy-optimal speed trajectory for a horizon ahead can be carried out on a central control unit in the vehicle, on distributed control units in the vehicle, on infrastructure components such as an intelligent traffic sign or on a master computer.
Die Verkehrsinfrastruktureinrichtung kann ein Verkehrszeichen sein, insbesondere ein „intelligentes“ Verkehrszeichen mit Sensorik (z.B. Kamera, Lidar, Radar), so dass das Verkehrszeichen selbst die Verkehrsteilnehmer das Kraftfahrzeug und den Querverkehr erkennt. Das Verkehrszeichen kann über eine Car2I („Car-to-Infrastructure“)-Schnittstelle mit dem Kraftfahrzeug und dem Querverkehr kommunizieren. Bei der Car21-Kommunikation geht es um die drahtlose Kommunikation von Kraftfahrzeugen mit Infrastruktureinrichtungen wie Funkbaken, Verkehrsschildern und Ampelanlagen. Über die eingebaute Sensorik kann das Verkehrszeichen die Position und die aktuelle Geschwindigkeit insbesondere des Querverkehrs ermitteln, und über die Car21-Schnittstelle den Richtungsvektor insbesondere des Querverkehrs empfangen. Diese Informationen kann das Verkehrszeichen über die Car2I-Schnittstelle an das Kraftfahrzeug weiterleiten, das daraufhin seine Geschwindigkeit anpassen kann, wie dies vorstehend bereits beschrieben ist. Durch Verringerung der Geschwindigkeit, z.B. durch Rekuperation, kann dabei vermieden werden, dass das Kraftfahrzeug im Bereich des Querverkehr-Elements anhalten muss.The traffic infrastructure device can be a traffic sign, in particular an "intelligent" traffic sign with sensors (e.g. camera, lidar, radar), so that the traffic sign itself recognizes the road users, the motor vehicle and cross traffic. The traffic sign can communicate with the motor vehicle and cross-traffic via a Car2I ("Car-to-Infrastructure") interface. Car21 communication is about wireless communication between motor vehicles and infrastructure facilities such as radio beacons, traffic signs and traffic lights. The traffic sign can use the built-in sensors to determine the position and current speed of cross-traffic in particular, and receive the directional vector of cross-traffic in particular via the Car21 interface. The traffic sign can forward this information via the Car2I interface to the motor vehicle, which can then adjust its speed, as already described above. By reducing the speed, e.g. through recuperation, it can be avoided that the motor vehicle has to stop in the area of the cross-traffic element.
Wenn die Prozessoreinheit in einem Verkehrszeichen verbaut ist, so kann die Prozessoreinheit die Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug berechnen und dem Kraftfahrzeug mittels der Car2I-Schnittstelle übermitteln. Dabei benötigt das Verkehrszeichen insbesondere die Positionen, Geschwindigkeiten und die Richtungsvektoren des Kraftfahrzeugs und des Querverkehrs, was die genannten Verkehrsteilnehmer mittels ihrer Kommunikationsschnittstellen an die Car2I-Schnittstelle des Verkehrszeichens übermitteln können. Das Kraftfahrzeug kann die von der Prozessoreinheit des Verkehrszeichens ermittelte Geschwindigkeitstrajektorie einstellen bzw. umsetzen, um so beispielsweise ohne Anhalten über eine Kreuzung mit Querverkehr fahren zu können.If the processor unit is installed in a traffic sign, the processor unit can calculate the speed trajectory for the motor vehicle and transmit it to the motor vehicle using the Car2I interface. The traffic sign requires in particular the positions, speeds and directional vectors of the motor vehicle and the cross traffic, which the named road users can transmit to the Car2I interface of the traffic sign using their communication interfaces. The motor vehicle can set or convert the speed trajectory determined by the processor unit of the traffic sign in order to be able to drive through an intersection with cross traffic, for example, without stopping.
Als weitere Möglichkeit kann die Ermittlung der Geschwindigkeitstrajektorie für Kraftfahrzeug auch auf der Prozessoreinheit des Leitrechners erfolgen. Der Leitrechner kann die dazu notwendigen Informationen beispielsweise von dem Kraftfahrzeug und dem Querverkehr selbst oder aber von dem intelligenten Verkehrszeichen erhalten. In dem letzteren Fall dient das „intelligente“ Verkehrszeichen nur der Signalerfassung und der Kommunikation mit den Verkehrsteilnehmern.As a further possibility, the speed trajectory for motor vehicles can also be determined on the processor unit of the master computer. The master computer can obtain the information required for this, for example from the motor vehicle and the cross traffic itself or from the intelligent Ver receive traffic signs. In the latter case, the "intelligent" traffic sign is only used for signal detection and communication with road users.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, ein auf dem Fahrzeugmodell basierendes Optimierungsproblem einer modellbasierten prädiktiven Regelung des Kraftfahrzeugs unter Minimierung von Kostenfunktionen mehrerer Solvermodule zu lösen, um eine kürzere Reaktionszeit zu ermöglichen. Grundlage für alle Solvermodule sind ein Modell des Fahrzeugs, des Antriebsstrangs einschließlich der beschreibenden Daten sowie Informationen über den vorausliegenden Streckenabschnitt. Diese Informationen können Topografieinformationen (z.B. Kurven- und Steigungsinformationen), Verkehrsinformationen (z.B. vorausfahrende Fahrzeuge) oder Infrastrukturinformationen (z.B. auf der Strecke befindliche Ampeln) sein.According to the present invention, it is proposed to solve a vehicle model-based optimization problem of a model-based predictive control of the motor vehicle while minimizing cost functions of a number of solver modules in order to enable a shorter reaction time. All solver modules are based on a model of the vehicle, the drive train, including the descriptive data and information about the route section ahead. This information can be topography information (e.g. curve and slope information), traffic information (e.g. vehicles driving ahead) or infrastructure information (e.g. traffic lights on the route).
Dabei kann mittels eines ersten Solvermoduls eine Optimierung insbesondere auf einem Zentralsteuergerät des Kraftfahrzeugs erfolgen, wobei ein optimaler Geschwindigkeitsverlauf und SoC-Verlauf für einen kompletten Prädiktionshorizont berechnet wird. Mittels eines zweiten Solvermoduls kann ein Mixed-Integer-Problem gelöst werden, insbesondere eine optimale Gangwahl und/oder eine optimale Fahrmoduswahl für einen Teil des Prädiktionshorizonts. Mittels eines dritten Solvermoduls kann dann eine Verteilung von Momenten auf beispielsweise einen Verbrennungskraftmotor, eine elektrische Maschine und eine Bremsanlage des Kraftfahrzeugs berechnet werden, wobei dies für eine kurze Vorausschau erfolgen kann, um eine geringe Reaktionszeit zu ermöglichen.In this case, a first solver module can be used for optimization, in particular on a central control unit of the motor vehicle, with an optimal speed profile and SoC profile being calculated for a complete prediction horizon. A mixed-integer problem can be solved by means of a second solver module, in particular an optimal gear selection and/or an optimal driving mode selection for a part of the prediction horizon. A distribution of torques to, for example, an internal combustion engine, an electric machine and a brake system of the motor vehicle can then be calculated using a third solver module, with this being able to be done for a short forecast in order to enable a short reaction time.
In diesem Sinne wird vorgeschlagen, dass der MPC-Algorithmus ein erstes Solvermodul, ein zweites Solvermodul, ein drittes Solvermodul, das Längsdynamikmodell und drei Kostenfunktionen umfasst, wobei eine erste Kostenfunktion dem ersten Solvermodul zugeordnet ist, wobei eine zweite Kostenfunktion dem zweiten Solvermodul zugeordnet ist und wobei eine dritte Kostenfunktion dem dritten Solvermodul zugeordnet ist. Das erste Solvermodul, das zweite Solvermodul und das dritte Solvermodul sind insbesondere durch Software implementiert.In this sense, it is proposed that the MPC algorithm comprises a first solver module, a second solver module, a third solver module, the longitudinal dynamics model and three cost functions, with a first cost function being associated with the first solver module, with a second cost function being associated with the second solver module and wherein a third cost function is associated with the third solver module. In particular, the first solver module, the second solver module and the third solver module are implemented by software.
Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, durch Ausführen des ersten Solvermoduls die Geschwindigkeitstrajektorie zu berechnen, sodass die erste Kostenfunktion minimiert wird. Die Prozessoreinheit ist weiterhin dazu eingerichtet, durch Ausführen des ersten Solvermoduls für den vorausliegenden Streckenabschnitt unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells einen die erste Kostenfunktion minimierenden Verlauf eines Ladezustands einer Batterie bzw. Akkumulators zu berechnen. Die Batterie bzw. der Akkumulator dient als Energiespeicher für eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs. Dieser Energiespeicher kann die elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgen, sodass die elektrische Maschine das Kraftfahrzeug innerhalb des Prädiktionshorizonts antreiben kann (gegebenenfalls ausschließlich oder unterstützend zu einem Verbrennungskraftmotor).The processing unit is configured to calculate the velocity trajectory by executing the first solver module such that the first cost function is minimized. The processor unit is also set up to calculate a course of a state of charge of a battery or accumulator that minimizes the first cost function by executing the first solver module for the route section ahead, taking into account the longitudinal dynamics model. The battery or accumulator serves as an energy store for an electric machine in the motor vehicle. This energy store can supply the electrical machine with electrical energy, so that the electrical machine can drive the motor vehicle within the prediction horizon (possibly exclusively or in support of an internal combustion engine).
Das erste Solvermodul kann als „High Level Solver“ (abgekürzt: HLS) bezeichnet werden. Der HLS löst ein nichtlineares Problem und arbeitet mit kontinuierlichen Ersatzgrößen für diskrete Zustände (z.B. Gänge). Dieses Vorgehen begrenzt den Lösungsraum weniger stark als bei der Betrachtung diskreter Zustände. Dadurch ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Optimums des Ergebnisses und bezüglich der Rechenzeit. Mit anderen Worten ermöglicht das erste Solvermodul eine Online-Berechnung der insbesondere energieoptimalen Geschwindigkeitstrajektorie und der SoC-Trajektorie für einen vorausliegenden Prädiktionshorizont beispielsweise auf einem Zentralsteuergerät im Kraftfahrzeug. Die Prozessoreinheit kann dabei insbesondere dazu eingerichtet sein, das erste Solvermodul zweifach aufzurufen. Dabei kann initiiert durch einen ersten Aufruf zunächst durch Ausführen des ersten Solvermoduls für den vorausliegenden Streckenabschnitt unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells eine insbesondere den Fahrtzeitterm der ersten Kostenfunktion minimierende Geschwindigkeitstrajektorie berechnet werden, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug innerhalb eines Prädiktionshorizonts fortbewegen soll. Danach kann initiiert durch einen zweiten Aufruf durch Ausführen des ersten Solvermoduls für den vorausliegenden Streckenabschnitt unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells eine den Verlustterm der ersten Kostenfunktion minimierende Geschwindigkeitstrajektorie berechnet werden, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug innerhalb eines Prädiktionshorizonts fortbewegen soll.The first solver module can be referred to as the "High Level Solver" (abbreviated: HLS). The HLS solves a non-linear problem and works with continuous substitute variables for discrete states (e.g. gears). This approach limits the solution space less than when considering discrete states. This results in advantages with regard to the optimum of the result and with regard to the computing time. In other words, the first solver module enables an online calculation of the particularly energy-optimal speed trajectory and the SoC trajectory for an upcoming prediction horizon, for example on a central control unit in the motor vehicle. In this case, the processor unit can be set up in particular to call up the first solver module twice. Initiated by a first call, initially by executing the first solver module for the route section ahead, taking into account the longitudinal dynamics model, a speed trajectory minimizing in particular the travel time term of the first cost function can be calculated, according to which the motor vehicle should move within a prediction horizon. Then, initiated by a second call by executing the first solver module for the route section ahead, taking into account the longitudinal dynamics model, a speed trajectory minimizing the loss term of the first cost function can be calculated, according to which the motor vehicle should move within a prediction horizon.
Ferner können beispielsweise auch auf dem vorausliegenden Streckenabschnitt liegende Ampeln berücksichtigt werden, insbesondere einschließlich deren Ampelphasen und Restzeiten. Die Ampelinformationen werden dabei in Zeitgrenzen an dem im Horizont befindlichen Wegpunkt der vorausliegenden Ampel umgerechnet. Zusätzlich können im ersten Solvermodul vorausfahrende Fahrzeuge berücksichtigt werden. Für das vor dem eigenen Fahrzeug befindliche Fahrzeug kann dabei eine wahrscheinliche Trajektorie bestimmt werden. Dadurch ergibt sich eine minimale Zeit für die HLS-Trajektorie über dem Weg an der aktuellen Position des vorausfahrenden Fahrzeuges.Furthermore, for example, traffic lights lying on the route section ahead can also be taken into account, in particular including their traffic light phases and remaining times. The traffic light information is converted into time limits at the waypoint of the traffic light ahead that is on the horizon. In addition, vehicles driving ahead can be taken into account in the first solver module. A probable trajectory can be used for the vehicle located in front of one's own vehicle to be determined. This results in a minimum time for the HLS trajectory over the path at the current position of the vehicle driving ahead.
Weiterhin ist die Prozessoreinheit dazu eingerichtet, durch Ausführen des zweiten Solvermoduls basierend auf der Geschwindigkeitstrajektorie, basierend auf dem Verlauf des Ladezustands der Batterie und unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen eine die zweite Kostenfunktion minimierende Trajektorie ganzzahliger Steuergrößen zu berechnen. Die Trajektorie ganzzahliger Steuergrößen kann einen Verlauf von Gängen umfassen, die in einem Getriebe des Kraftfahrzeugs innerhalb des Prädiktionshorizonts eingelegt werden können oder sollen. Weiterhin kann die Trajektorie ganzzahliger Steuergrößen einen Verlauf eines Motor-Zustands umfassen, gemäß welchem ein Verbrennungskraftmotor des Kraftfahrzeugs entweder eingeschaltet oder ausgeschaltet ist (insbesondere innerhalb des Prädiktionshorizonts). Ferner kann die Trajektorie ganzzahliger Steuergrößen einen Verlauf eines Kupplungs-Zustands umfassen, gemäß welchem sich eine zwischen einem Verbrennungskraftmotor des Kraftfahrzeugs und der elektrischen Maschine angeordnete Kupplung entweder in einer geöffneten Stellung oder in einer geschlossenen Stellung befindet (insbesondere innerhalb des Prädiktionshorizonts).Furthermore, the processor unit is set up to calculate a trajectory of integer control variables that minimizes the second cost function by executing the second solver module based on the speed trajectory, based on the course of the state of charge of the battery and taking into account secondary conditions. The trajectory of integer control variables can include a course of gears that can or should be engaged in a transmission of the motor vehicle within the prediction horizon. Furthermore, the trajectory of integer control variables can include a course of an engine state according to which an internal combustion engine of the motor vehicle is either switched on or switched off (in particular within the prediction horizon). Furthermore, the trajectory of integer control variables can include a course of a clutch state, according to which a clutch arranged between an internal combustion engine of the motor vehicle and the electric machine is either in an open position or in a closed position (in particular within the prediction horizon).
Das zweite Solvermodul kann als „Mixed Integer Solver“ (abgekürzt: MIS) bezeichnet werden. Das zweite Solvermodul dient zur Bestimmung diskreter Zustände, z.B. die Bestimmung der Gänge oder der Zustand der Kupplung (auf/zu) des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs. Das zweite Solvermodul ermöglicht somit die Ermittlung einer optimalen Betriebsstrategie, welche insbesondere die Auswahl des jeweils optimalen Gangs und des Fahrmodus' beinhaltet. Die Berechnungen des zweiten Solvermoduls basieren insbesondere auf der zugrundeliegenden HLS-Trajektorie und zusätzlichen äußeren Rand- bzw. Nebenbedingungen. Nebenbedingungen, die beim Berechnen der optimalen Gangtrajektorie berücksichtigt werden können, sind beispielsweise eine Topografie auf dem vorausliegenden Streckenabschnitt (Kurven, Steigungen). Weiterhin können Kenntnisse über Geschwindigkeitslimits auf dem vorausliegenden Streckenabschnitt als Nebenbedingungen in der Berechnung der Gangtrajektorie berücksichtigt werden. Die Trajektorie ganzzahliger Steuergrößen wird über der Zeit optimiert und kann deutlich kürzer sein als die des ersten Solvermoduls.The second solver module can be called the "Mixed Integer Solver" (abbreviated: MIS). The second solver module is used to determine discrete states, e.g. the determination of the gears or the state of the clutch (open/closed) of the drive train of the motor vehicle. The second solver module thus enables an optimal operating strategy to be determined, which in particular includes the selection of the respectively optimal gear and driving mode. The calculations of the second solver module are based in particular on the underlying HLS trajectory and additional external boundary and secondary conditions. Secondary conditions that can be taken into account when calculating the optimal gait trajectory are, for example, a topography on the route section ahead (curves, inclines). Furthermore, knowledge of speed limits on the route section ahead can be taken into account as secondary conditions in the calculation of the gait trajectory. The trajectory of integer control variables is optimized over time and can be significantly shorter than that of the first solver module.
Ferner ist die Prozessoreinheit dazu eingerichtet, durch Ausführen des dritten Solvermoduls - insbesondere basierend auf der Geschwindigkeitstrajektorie und basierend auf der SoC-Trajektorie und/oder basierend auf der Trajektorie ganzzahliger Steuergrößen - für einen Anfangsabschnitt des Prädiktionshorizonts für die elektrische Maschine, einen Verbrennungskraftmotor und eine Bremsanlage des Kraftfahrzeugs eine die dritte Kostenfunktion minimierende Momenttrajektorie zu berechnen, gemäß welcher die elektrische Maschine, der Verbrennungskraftmotor und die Bremsanlage Momente innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellen sollen. Statt der Momente können auch Kräfte verwendet werden - beide Größen können linear ineinander umgerechnet werden. Das dritte Solvermodul kann als „Tracker“ bezeichnet werden. Der Tracker zeichnet sich durch eine schnelle Rechenzeit und ein robustes Verhalten aus. Wenn aktuelle Lösungen der anderen Solver (HLS und/oder MIS) nicht verfügbar sind, kann der Tracker dennoch Momente basierend auf den letzten Lösungen der anderen Solver liefern. Der Output des Trackers beeinflusst durch Minimierung der Tracker-spezifischen dritten Kostenfunktion direkt den Fahrkomfort. Die Momenttrajektorie bezieht sich auf Momente an wenigstens einem Rad des Kraftfahrzeugs und umfasst sowohl positive als auch negative Momente, die durch die elektrische Maschine, den Verbrennungskraftmotor und die Bremsanlage des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.Furthermore, the processor unit is set up to, by executing the third solver module - in particular based on the speed trajectory and based on the SoC trajectory and / or based on the trajectory of integer control variables - for an initial section of the prediction horizon for the electric machine, an internal combustion engine and a brake system of the motor vehicle to calculate a torque trajectory that minimizes the third cost function, according to which the electric machine, the internal combustion engine and the brake system should provide torques within the prediction horizon. Forces can also be used instead of moments - both quantities can be converted linearly into one another. The third solver module can be called "tracker". The tracker is characterized by a fast computing time and a robust behavior. If current solutions from the other solvers (HLS and/or MIS) are not available, the tracker can still provide moments based on the last solutions from the other solvers. The output of the tracker directly influences the driving comfort by minimizing the tracker-specific third cost function. The torque trajectory relates to torques on at least one wheel of the motor vehicle and includes both positive and negative torques that are provided by the electric machine, the internal combustion engine and the brake system of the motor vehicle.
Somit werden mittels des ersten Solvermoduls (HLS) ein optimaler SoC-Verlauf und eine optimale Geschwindigkeitstrajektorie ermittelt. Mittels des zweiten Solvermoduls (MIS) kann basierend auf den Berechnungen des ersten Solvermoduls (HLS) entschieden werden, welche Gänge und welcher Fahrmodus optimal sind. Das dritte Solvermodul (Tracker) rechnet sehr häufig und ermittelt die Momente für einen kurzen Zeitabschnitt. Der Tracker kann sowohl mit der im MIS berechneten Trajektorie als auch ohne diese arbeiten. Im zweiten Fall nutzt der Tracker nur den aktuell eingelegten Gang und den aktiven Fahrmodus, was dem Tracker als Rückmeldung ausreicht. Dies ist möglich, da sich Ganganforderungen typischerweise nicht innerhalb kurzer Zeit mehrfach ändern. Einen anderen Gang einzulegen nimmt einige Zeit in Anspruch. Deshalb kann der Tracker auch funktionieren, wenn nur eine Trajektorie des HLS vorliegt. Sollte auch diese nicht aktualisiert werden können, kann der Tracker weiterhin mit einer älteren HLS-Trajektorie arbeiten. Dann kann die „alte“ Lösung sukzessive abgefahren werden. Das ist allerdings nur bis zu einem bestimmten Punkt sinnvoll. Sollte der HLS rechnen, aber keine Lösung finden, dann kann dies dem Tracker mitgeteilt werden, z.B. über eine sogenannte „error flag“, also eine Anzeige des Fehlers. In dem Tracker selbst kann dann ein Fehlerhandling implementiert sein. Sollten Fehler auftreten, mit denen der Tracker nicht rechnen kann, führt dies auch in dem Tracker zu einem Fehler. Als Folge kann dann die automatisierte Fahrfunktion deaktiviert werden.An optimal SoC course and an optimal speed trajectory are thus determined by means of the first solver module (HLS). Using the second solver module (MIS), based on the calculations of the first solver module (HLS), it can be decided which gears and which driving mode are optimal. The third solver module (tracker) calculates very frequently and determines the moments for a short period of time. The tracker can work both with the trajectory calculated in the MIS and without it. In the second case, the tracker only uses the gear currently engaged and the active driving mode, which is sufficient feedback for the tracker. This is possible because gait requirements typically do not change multiple times in a short space of time. Changing gears takes some time. Therefore, the tracker can also work if there is only one trajectory of the HLS. If this cannot be updated either, the tracker can continue to work with an older HLS trajectory. Then the "old" solution can be gradually run down. However, this only makes sense up to a certain point. If the HLS calculates but cannot find a solution, the tracker can be informed, e.g. via a so-called "error flag", i.e. a display of the error. Error handling can then be implemented in the tracker itself. If errors occur that the tracker cannot anticipate, this also leads to an error in the tracker. As a result, the automated driving function can then be deactivated.
Es kann somit Rechenarbeit auf die unterschiedliche Solvermodule verteilt werden. Dies ermöglicht, dass auf der Prozessoreinheit jedes Solvermodul unabhängig laufen kann. Die Solvermodule laufen also nicht strikt nacheinander. Die Prozessoreinheit kann - ähnlich wie ein Desktop-PC - mehrere Prozessorkerne umfassen. Die drei Solvermodule können auf die Prozessorkerne verteilt werden und damit unabhängig voneinander und parallel rechnen. Das stellt einen großen Vorteil dar, denn ansonsten müsste unter Umständen mehrere Sekunden gewartet werden, bis die Solvermodule wieder eine Lösung berechnet haben, mit der weitergefahren werden kann. Bei dem Abfahren einer Strecke mag dies nicht problematisch sein. Wenn jedoch ein Fahrzeug vor das eigene Fahrzeug einfährt oder einschert, dann kann das System dies solange nicht erkennen, bis die Solver mit den neuen Sensordaten wieder gerechnet haben. Das könnte zu einer kritischen Situation führen.It can thus be distributed to the different solver modules. This allows each solver module to run independently on the processor unit. The solver modules do not run strictly one after the other. Similar to a desktop PC, the processor unit can have several processor cores. The three solver modules can be distributed to the processor cores and thus calculate independently of one another and in parallel. This is a great advantage, because otherwise you might have to wait several seconds before the solver modules have calculated a solution that can be used to continue. When driving down a route, this may not be a problem. However, if a vehicle drives in front of your own vehicle or cuts in, the system cannot recognize this until the solvers have calculated with the new sensor data again. This could lead to a critical situation.
Bei der Verteilung können auch unterschiedlich lange Laufzeiten für die einzelnen Solvermodule gewährt werden. Das erste Solvermodul zum Beispiel, mittels welchem die Geschwindigkeitstrajektorie und die Trajektorie ganzzahliger Steuergrößen ermittelt wird, kann sehr viel mehr Zeit benötigen als die anderen Solvermodule. Da die Solvermodule „parallel“ rechnen, kann es sein, dass eines der Solvermodule aufgerufen wird, noch bevor das vorherige Solvermodul zu Ende gerechnet hat, also z.B. der Tracker vor dem aktuell laufenden HLS. Alle Daten, die verwendet werden, können insbesondere immer einen Zeitstempel aufweisen. Auch jede Solver-Lösung kann einen Zeitstempel aufweisen. Durch diese Zeitstempel kann stets nachvollzogen werden, welches Vorergebnis in welche Berechnung eingegangen ist. Über diese Verknüpfung kann ein entsprechendes Fehlerhandling implementiert werden, also z.B. Timeouts, wenn eine Information zu alt ist. Über die Zeitstempel findet also eine gewisse Synchronisierung statt. Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Synchronisierung an sich asynchroner Solver-Aufrufe mittels Echtzeit bereit.During the distribution, different runtimes can also be granted for the individual solver modules. The first solver module, for example, which is used to determine the velocity trajectory and the trajectory of integer control variables, can take much more time than the other solver modules. Since the solver modules calculate "in parallel", it is possible that one of the solver modules is called before the previous solver module has finished calculating, e.g. the tracker before the currently running HLS. In particular, all data that is used can always have a time stamp. Each solver solution can also have a timestamp. With this time stamp, it can always be traced which previous result was included in which calculation. Appropriate error handling can be implemented via this link, e.g. timeouts if information is too old. A certain degree of synchronization therefore takes place via the timestamps. Thus, the present invention provides real-time synchronization of inherently asynchronous solver calls.
Ferner können die mittels des dritten Solvermoduls berechneten Momente einen linearen Verlauf aufweisen. Dies ermöglicht eine lineare Interpolation und vereinfacht dadurch das Post-Processing. Bisher wurden für bestimmte Zeitschritte die Momente ermittelt. Daraus ergab sich ein treppenförmiger Verlauf der Signale. Gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch das dritte Solvermodul ein linearer Verlauf, was dazu führt, dass die Signale auch zwischen den Zeitschritten linear sind und nicht von einem auf den nächsten Zeitschritt springen. Damit kann auch zwischen den Zeitschritten korrekt interpoliert werden.Furthermore, the moments calculated by means of the third solver module can have a linear progression. This enables linear interpolation, thereby simplifying post-processing. Until now, the moments were determined for specific time steps. This resulted in a stair-step progression of the signals. According to the present invention, the third solver module results in a linear progression, which means that the signals are also linear between the time steps and do not jump from one time step to the next. This also allows correct interpolation between the time steps.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt insbesondere eine zyklische Neuberechnung der Soll-Geschwindigkeit (Geschwindigkeitstrajektorie). Auch die im Zusammenhang mit der drei Solvermodule umfassenden Ausführungsform beschriebenen Soll-Momente (Momenttrajektorie) und diskreten Zustände (Gangtrajektorie) können auf Basis eines jeweils aktuellen Fahrzustands und von jeweils vorausliegenden Streckeninformationen zyklisch neuberechnet werden.According to the present invention, the target speed (speed trajectory) is recalculated cyclically. The target torques (torque trajectory) and discrete states (gear trajectory) described in connection with the embodiment comprising three solver modules can also be cyclically recalculated on the basis of a current driving state and of route information ahead.
Weiterhin kann eine gezielte Zusammenführung von SPP (Signal Post Processing) und Tracker (gleicher Aufrufzeitpunkt > synchron) erfolgen, damit die von dem Tracker ausgegebenen Momente auf die von dem MIS berechneten Gänge abgestimmt sind (sehen den gleichen Inputschritt). Das Signal Post Processing (SPP) ist eine Signalnachbereitung. Hier werden die zu unterschiedlichen Zeiten vorausberechneten Teilergebnisse so miteinander verknüpft, dass sie im zeitlichen Bezug zueinanderstehen. Damit erhält man einen Zeitabschnitt, in dem alle Informationen vorliegen. Die Zeitbasis ist insbesondere diejenige des Trackers. Außerdem sind SPP und Tracker im selben Softwaremodul implementiert, dadurch haben SPP und Tracker also dieselbe Zeitbasis.Furthermore, a targeted combination of SPP (Signal Post Processing) and tracker (same call time > synchronous) can take place so that the moments output by the tracker are matched to the gears calculated by the MIS (see the same input step). Signal Post Processing (SPP) is signal post-processing. Here, the partial results calculated in advance at different times are linked with one another in such a way that they are related to one another over time. This gives you a period of time in which all the information is available. In particular, the time base is that of the tracker. In addition, SPP and tracker are implemented in the same software module, which means that SPP and tracker have the same time base.
Mittels des ersten Solvermoduls kann die Geschwindigkeitstrajektorie des Fahrzeugs auch bei einer relativ langen bzw. weiten Vorausschau über dem Weg noch online optimiert werden, z.B. bei einer Vorausschau im Bereich einiger Kilometer. Dies ist rechenintensiv. Dahingegen reicht es aus, mittels der anderen Servermodule die entsprechenden Trajektorien für eine relativ kurze Vorausschau über der Zeit zu berechnen, z.B. für den unmittelbaren Vorausbereich des Fahrzeugs. Dies ermöglicht besonders kurze Reaktionszeiten. In diesem Sinne ist die Prozessoreinheit in einer Ausführungsform dazu eingerichtet, durch Ausführen des ersten Solvermoduls die Geschwindigkeitstrajektorie für einen Streckenabschnitt zu berechnen, der im Kilometerbereich liegt und insbesondere einige Kilometern lang ist, und durch Ausführen der beiden anderen Solvermodule für einen einige Sekunden unmittelbar vor dem Kraftfahrzeug liegenden Anfangsabschnitt des Prädiktionshorizonts die Sollmomenttrajektorie zu berechnen.Using the first solver module, the speed trajectory of the vehicle can still be optimized online even with a relatively long or wide forecast over the route, e.g. with a forecast in the range of a few kilometers. This is computationally intensive. On the other hand, it is sufficient to use the other server modules to calculate the corresponding trajectories for a relatively short forecast over time, e.g. for the area immediately ahead of the vehicle. This enables particularly short reaction times. In this sense, the processor unit is set up in one embodiment to calculate the speed trajectory for a route section that is in the kilometer range and is in particular a few kilometers long by executing the first solver module, and by executing the other two solver modules for a few seconds immediately before the Motor vehicle lying initial section of the prediction horizon to calculate the target torque trajectory.
Der MPC-Algorithmus stellt eine Betriebsstrategie bereit, die neben der jeweils optimalen Auswahl der Momente der Aggregate und des Gangs auch die optimale Auswahl eines Fahrmodus ermöglicht. So kann eine optimale Fahrstrategie vorsehen, dass der Antriebsstrang innerhalb des Prädiktionshorizonts in einem bestimmten Fahrmodus betrieben wird. Es kann jedoch auch sein, dass es besser ist, den Fahrmodus innerhalb des Prädiktionshorizonts zu wechseln, z.B. weil dies die Effizienz steigert.The MPC algorithm provides an operating strategy that, in addition to the optimal selection of the moments of the assemblies and the gear, also enables the optimal selection of a driving mode. In this way, an optimal driving strategy can provide that the powertrain within the prediction horizon in is operated in a specific driving mode. However, it may also be better to change the driving mode within the prediction horizon, for example because this increases efficiency.
Das Kraftfahrzeug, das mittels der vorliegenden Erfindung modellbasiert prädiktiv geregelt werden kann, ist insbesondere von einem Motor angetrieben. Beispielsweise ist das Kraftfahrzeug ein Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Motorrad, Motorroller, Moped, E-Bike bzw. Pedelec (Akronym für Pedal Electric Cycle), Bus oder Lastkraftwagen (z.B. mit einem Gewicht von über 3,5 t), oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug wie Helikopter oder Flugzeug. Das Kraftfahrzeug kann durch einen Fahrer gesteuert werden, möglicherweise unterstützt durch ein Fahrerassistenzsystem. Das Fahrzeug kann jedoch auch beispielsweise ferngesteuert und/oder (teil-)autonom gesteuert werden. Insbesondere handelt es sich um ein Hybridfahrzeug. Unter einem „Hybridfahrzeug“ kann ein Elektrofahrzeug verstanden werden, das von mindestens einer elektrischen Maschine und von mindestens einem Verbrennungskraftmotor angetrieben werden kann. Dabei kann das Hybridfahrzeug Energie sowohl aus einer Batterie als auch aus einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff beziehen, z.B. Diesel, Benzin oder Gas. Die elektrische Maschine kann als Motor und als Generator betrieben werden. Ein Hybridantriebsstrang des Hybridfahrzeugs kann neben der elektrischen Maschine, dem Verbrennungskraftmotor und der Batterie weiterhin ein Getriebe und eine Kupplung umfassen. Je nachdem, in welcher Schaltstellung (geöffnet und geschlossen) sich die Kupplung befindet und in welcher Schaltstellung (Gang eingelegt, Neutral) sich das Getriebe befindet, wird der Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs in unterschiedlichen Fahrmodi betrieben. Beispielsweise kann der Antriebsstrang in P2-Architektur aufgebaut sein, wobei sich dann die folgenden Antriebsmodi ergeben können:
- 1. Fahrmodus: Verbrennungskraftmotor im Betrieb („an“) und Kupplung K0 (zwischen Verbrennungskraftmotor und elektrischer Maschine angeordnet) in geöffneter Stellung; die elektrische Maschine treibt im Motorbetrieb das Kraftfahrzeug an; der Verbrennungskraftmotor läuft, treibt jedoch nicht das Kraftfahrzeug an;
- 2. Fahrmodus: Verbrennungskraftmotor nicht im Betrieb („aus“) und Kupplung K0 in geöffneter Stellung; die elektrische Maschine treibt im Motorbetrieb das Kraftfahrzeug an; der Verbrennungskraftmotor läuft nicht;
- 3. Fahrmodus: Verbrennungskraftmotor im Betrieb („an“) und Kupplung K0 in geschlossener Stellung; Vorwärtsgang oder Rückwärtsgang im Getriebe eingelegt; die elektrische Maschine (im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb) und der Verbrennungskraftmotor (im Zugbetrieb oder im Schubbetrieb) treiben das Kraftfahrzeug gemeinsam an (Hybridantrieb); dabei ist insbesondere auch ein Leistungsfluss zwischen elektrischer Maschine und Verbrennungskraftmotor möglich (Lastpunktverschiebung)
- 4. Fahrmodus: Verbrennungskraftmotor im Betrieb („an“) und Kupplung K0 in geschlossener Stellung; Neutral im Getriebe eingelegt; der Verbrennungskraftmotor treibt die elektrische Maschine an (Generatorbetrieb), sodass die Batterie geladen wird.
- 1. Driving mode: internal combustion engine in operation (“on”) and clutch K0 (arranged between the internal combustion engine and the electric machine) in the open position; the electric machine drives the motor vehicle in engine operation; the internal combustion engine is running but not propelling the motor vehicle;
- 2. Driving mode: combustion engine not in operation ("off") and clutch K0 in open position; the electric machine drives the motor vehicle in engine operation; the combustion engine is not running;
- 3. Driving mode: internal combustion engine in operation ("on") and clutch K0 in closed position; Forward gear or reverse gear engaged in the transmission; the electric machine (in motor mode or in generator mode) and the internal combustion engine (in traction mode or in overrun mode) drive the motor vehicle together (hybrid drive); in particular, a power flow between the electric machine and the combustion engine is also possible (load point shift)
- 4. Driving mode: internal combustion engine in operation ("on") and clutch K0 in closed position; Neutral engaged in transmission; the internal combustion engine drives the electric machine (generator operation) so that the battery is charged.
Wenn das Kraftfahrzeug - wie vorstehend beschrieben - ein Hybridfahrzeug ist, dessen Antriebsstrang zumindest in einem ersten Fahrmodus und in einem zweiten Fahrmodus betrieben werden kann, dann kann die Prozessoreinheit in einer Ausführungsform dazu eingerichtet sein, durch Ausführen des zweiten Solvermoduls basierend auf der Geschwindigkeitstrajektorie basierend auf dem Verlauf des Ladezustands der Batterie und unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen eine die Kostenfunktion minimierende Fahrmodustrajektorie zu berechnen, welche festlegt, in welchem der Fahrmodi der Hybridantriebsstrang innerhalb des Prädiktionshorizonts betrieben werden soll. Dabei kann insbesondere darauf geachtet werden, dass die Umschaltung der Fahrmodi nicht beliebig schnell erfolgen kann (z.B. Motorstart-, Motorstopp, Kupplung auf/zu) und diese auch Auswirkungen auf kontinuierliche Größen (z.B. Zugkraftunterbrechungen) haben kann. Eine entsprechende Motorstart- und Motorstopplogik kann auch außerhalb der Optimierung in einem nachgelagerten Softwaremodul implementiert werden, da dies die diskrete Problemformulierung vereinfacht und die Rechenzeit verkürzt.If the motor vehicle - as described above - is a hybrid vehicle whose drive train can be operated at least in a first driving mode and in a second driving mode, then the processor unit can be set up in one embodiment to, by executing the second solver module based on the speed trajectory based on to calculate a driving mode trajectory that minimizes the cost function based on the course of the state of charge of the battery and taking into account secondary conditions. Particular attention can be paid to the fact that the switching of the driving modes cannot take place arbitrarily quickly (e.g. engine start, engine stop, clutch open/close) and this can also have an impact on continuous variables (e.g. interruptions in traction). A corresponding engine start and engine stop logic can also be implemented outside of the optimization in a downstream software module, as this simplifies the discrete problem formulation and reduces the computing time.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine Optimierung des Energieverbrauchs während der Fahrt durch Kenntnis der Verluste (Wirkungsgradkennfelder der Antriebsstrangkomponenten und Fahrwiderstände) erfolgen. Die Prozessoreinheit kann dazu auf Verlustkennfelder von Komponenten des Kraftfahrzeugs zugreifen, insbesondere auf Verlustkennfelder des Verbrennungskraftmotors, der elektrischen Maschine und dem Getriebe des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs. Die Verlustkennfelder können beispielsweise auf einer Speichereinheit innerhalb des Kraftfahrzeugs hinterlegt sein. Die Verlustkennfelder können stetig differenzierbar „gefittet“ vorliegen, d.h. aus Kennfeldern der jeweiligen Komponente können Formeln abgeleitet werden, welche das Verlustkennfeld der jeweiligen Komponente beschreiben. Die Verluste einer Vorübersetzung und eines Differentials des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs können ausschließlich als Kennlinie hinterlegt sein. Sogenannte „Efficiency Maps“ können weiterhin bei einem Start der Berechnungen bekannt sein. Die Kennfelder können weiterhin an die Problemformulierung des ersten Solvermoduls angepasst sein, indem die Kennfelder beispielsweise Null-Verluste unterhalb einer Leerlaufkennlinie vorsehen. So kann beispielsweise das Verlustkennfeld des Verbrennungskraftmotors des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs derart verändert werden, dass bei Nichtnutzung des Verbrennungsmotors dessen Verbrauch null ist. Auf diese Weise wird eine Überführung eines diskreten Zustands (Kupplung auf/zu) in einen kontinuierlichen Zustand ermöglicht.In a further embodiment, the energy consumption can be optimized while driving by knowing the losses (efficiency characteristics of the drive train components and driving resistances). For this purpose, the processor unit can access loss characteristics of components of the motor vehicle, in particular loss characteristics of the internal combustion engine, the electric machine and the transmission of the drive train of the motor vehicle. The loss characteristic diagrams can be stored, for example, on a storage unit inside the motor vehicle. The loss maps can be continuously differentiable “fitted”, ie formulas can be derived from the maps of the respective component, which formulas describe the loss map of the respective component. The losses of a pre-translation and of a differential of the drive train of the motor vehicle can only be stored as a characteristic. So-called “efficiency maps” can continue to be known when the calculations start. The characteristic diagrams can furthermore be adapted to the problem formulation of the first solver module, in that the characteristic diagrams provide, for example, zero losses below an idling characteristic. For example, the loss map of the internal combustion engine of the drive train of the motor vehicle can be changed in such a way that when the internal combustion engine is not used, its consumption is zero. This enables a transition from a discrete state (clutch open/closed) to a continuous state.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung von Querverkehr bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen einer Prozessoreinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung,
- - Bereitstellen eines Kraftfahrzeugs,
- - Bereitstellen der Querverkehr-Informationen an das Kraftfahrzeug durch
- - ein weiteres Kraftfahrzeug mittels einer Car2Car-Kommunikation oder
- - eine Verkehrsinfrastruktureinrichtung mittels einer Car21-Kommunikation, oder
- - einen Verkehrsleitrechner, oder
- - ein internetfähiges Gerät eines anderen Verkehrsteilnehmers, und
- - Berechnen einer Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug mittels der Prozessoreinheit, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug innerhalb eines Prädiktionshorizonts auf einem im Vorausbereich des Kraftfahrzeugs liegenden Streckenabschnitt fortbewegen soll, indem die Prozessoreinheit
- - einen MPC-Algorithmus ausführt, der ein Längsmodell des Kraftfahrzeugs, ein erstes Solvermodul, ein zweites Solvermodul, ein drittes Solvermodul und drei Kostenfunktionen umfasst, wobei eine erste Kostenfunktion dem ersten Solvermodul zugeordnet ist, wobei eine zweite Kostenfunktion dem zweiten Solvermodul zugeordnet ist und wobei eine dritte Kostenfunktion dem dritten Solvermodul zugeordnet ist,
- - die Querverkehr-Informationen als Beschränkung berücksichtigt,
- - das Längsdynamikmodell des Kraftfahrzeugs berücksichtigt und
- - die Kostenfunktion minimiert.
- - providing a processor unit according to the first aspect of the invention,
- - Provision of a motor vehicle,
- - Providing the cross-traffic information to the motor vehicle
- - another motor vehicle by means of Car2Car communication or
- - a traffic infrastructure facility by means of a Car21 communication, or
- - a traffic control computer, or
- - an internet-enabled device belonging to another road user, and
- - Calculating a speed trajectory for the motor vehicle by means of the processor unit, according to which the motor vehicle is to move within a prediction horizon on a route section lying in the area in front of the motor vehicle, by the processor unit
- - runs an MPC algorithm comprising a longitudinal model of the motor vehicle, a first solver module, a second solver module, a third solver module and three cost functions, wherein a first cost function is assigned to the first solver module, wherein a second cost function is assigned to the second solver module and wherein a third cost function is assigned to the third solver module,
- - the cross-traffic information is taken into account as a restriction,
- - takes into account the longitudinal dynamics model of the motor vehicle and
- - minimized the cost function.
Dabei wird durch Ausführen des ersten Solvermoduls die Geschwindigkeitstrajektorie derart berechnet, dass die erste Kostenfunktion minimiert wird, und es wird weiterhin ein die erste Kostenfunktion minimierender Verlauf eines Ladezustands einer Batterie berechnet, welche als Energiespeicher für eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs dient. Ferner wird durch Ausführen des zweiten Solvermoduls basierend auf der Geschwindigkeitstrajektorie, basierend auf dem Verlauf des Ladezustands der Batterie und unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen eine die zweite Kostenfunktion minimierende Trajektorie ganzzahliger Steuergrößen berechnet. Außerdem wird durch Ausführen des dritten Solvermoduls für einen Anfangsabschnitt des Prädiktionshorizonts für die elektrische Maschine, einen Verbrennungskraftmotor und eine Bremsanlage des Kraftfahrzeugs eine die dritte Kostenfunktion minimierende Momenttrajektorie berechnet, gemäß welcher die elektrische Maschine, der Verbrennungskraftmotor und die Bremsanlage Momente innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellen sollen.By executing the first solver module, the speed trajectory is calculated in such a way that the first cost function is minimized, and a course of a state of charge of a battery that minimizes the first cost function is also calculated, which is used as an energy store for an electric machine in the motor vehicle. Furthermore, by executing the second solver module based on the speed trajectory, based on the course of the state of charge of the battery and taking into account secondary conditions, a trajectory of integer control variables that minimizes the second cost function is calculated. In addition, by executing the third solver module for an initial section of the prediction horizon for the electric machine, an internal combustion engine and a brake system of the motor vehicle, a torque trajectory minimizing the third cost function is calculated, according to which the electric machine, the internal combustion engine and the brake system should provide torques within the prediction horizon.
Was das Bereitstellen der Querverkehr-Informationen an das Kraftfahrzeug durch ein weiteres Kraftfahrzeug mittels einer Car2Car-Kommunikation angeht, so können das Kraftfahrzeug und das weitere Kraftfahrzeug jeweils eine Car2Car-Schnittstelle aufweisen, über welche die Car2Car-Kommunikation erfolgt. Unter einer „Car2Car“-Kommunikation kann ein Austausch von Informationen und Daten zwischen Kraftfahrzeugen verstanden werden, wobei der Zweck der Kommunikation darin besteht, den Fahrzeug bzw. dessen Fahrern frühzeitig insbesondere kritische und gefährliche Situationen zu melden. Insbesondere können die Kraftfahrzeuge ihre jeweiligen Positionen, ihre aktuelle Geschwindigkeit und ihren Richtungsvektor miteinander austauschen. So empfängt insbesondere das Kraftfahrzeug von dem weiteren Kraftfahrzeug dessen Position, dessen aktuelle Geschwindigkeit und dessen Richtungsvektor über die Car2Car-Schnittstelle. Die Prozessoreinheit erkennt basierend auf diesen Informationen, dass im Bereich der Kreuzung tatsächlich Querverkehr in Form des anderen Kraftfahrzeugs auftritt und kann darauf basierend die Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug mittels des MPC-Algorithmus' berechnen.As far as the provision of the cross-traffic information to the motor vehicle by a further motor vehicle by means of Car2Car communication is concerned, the motor vehicle and the further motor vehicle can each have a Car2Car interface via which the Car2Car communication takes place. “Car2Car” communication can be understood as an exchange of information and data between motor vehicles, the purpose of the communication being to report critical and dangerous situations in particular to the vehicle or its drivers at an early stage. In particular, the motor vehicles can exchange their respective positions, their current speed and their direction vector with one another. In particular, the motor vehicle receives the position, current speed and direction vector of the other motor vehicle via the Car2Car interface. Based on this information, the processor unit recognizes that cross-traffic in the form of the other motor vehicle is actually occurring in the area of the intersection and, based on this, can calculate the speed trajectory for the motor vehicle using the MPC algorithm.
Als Verkehrsinfrastruktureinrichtung kann beispielsweise ein „intelligentes“ Verkehrszeichen mit Sensorik (z.B. Kamera, Lidar, Radar) zum Einsatz kommen, so dass es selbst das Kraftfahrzeug und Querverkehr erkennt. Das Verkehrszeichen kann über eine Car21 (Car-to-Infrastructure)-Schnittstelle mit dem Kraftfahrzeug und dem Querverkehr kommunizieren. Über die eingebaute Sensorik kann das Verkehrszeichen die Position und die aktuelle Geschwindigkeit des Querverkehrs ermitteln, und über die Car2I-Schnittstelle den Richtungsvektor des Querverkehrs empfangen. Diese Informationen kann das Verkehrszeichen über die Car2I-Schnittstelle an das Kraftfahrzeug weiterleiten, dessen Geschwindigkeitstrajektorie daraufhin entsprechend angepasst werden kann. Durch Verringerung der Geschwindigkeit z.B. durch Rekuperation kann dabei vermieden werden, dass das Kraftfahrzeug anhalten muss.For example, an “intelligent” traffic sign with sensors (eg camera, lidar, radar) can be used as a traffic infrastructure device, so that it recognizes the motor vehicle and cross traffic itself. The traffic sign can communicate with the motor vehicle and cross-traffic via a Car21 (Car-to-Infrastructure) interface. The traffic sign can use the built-in sensors to determine the position and current speed of cross-traffic, and receive the directional vector of cross-traffic via the Car2I interface. The traffic sign can forward this information via the Car2I interface to the motor vehicle, whose speed trajectory can then be adjusted accordingly. By reducing the speed, for example by recuperation, it can be avoided that the motor vehicle has to stop.
In einer weiteren Ausprägung kann auch bereits das Verkehrszeichen dem Kraftfahrzeug eine Maximalgeschwindigkeit zur Verfügung stellen, die das Kraftfahrzeug einstellt, um so ohne Anhalten ein statisches Querverkehr-Element zu passieren. Dazu kann das Verkehrszeichen eine erfindungsgemäße Prozessoreinheit aufweisen. Dabei benötigt das Verkehrszeichen Informationen über das Kraftfahrzeug und den Querverkehr hinsichtlich derer Positionen, Geschwindigkeiten und Richtungsvektoren.In a further embodiment, the traffic sign can already provide the motor vehicle with a maximum speed, which the motor vehicle sets in order to pass a static cross-traffic element without stopping. For this purpose, the traffic sign can have a processor unit according to the invention. The traffic sign requires information about the motor vehicle and the cross traffic with regard to their positions, speeds and directional vectors.
Ein Verkehrsleitrechner kann ebenfalls die Querverkehr-Informationen bereitstellen. Darüber hinaus kann der Verkehrsleitrechner auch eine erfindungsgemäße Prozessoreinheit aufweisen, um die Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug zu berechnen und an das Kraftfahrzeug zu übermitteln. In diesem Fall kann das vorstehend beschriebene „intelligente“ Verkehrszeichen der Signalerfassung und der Kommunikation mit den Verkehrsteilnehmern dienen.A traffic control computer can also provide cross-traffic information. In addition, the traffic control computer can also have a processor unit according to the invention in order to calculate the speed trajectory for the motor vehicle and transmit it to the motor vehicle. In this case, the "intelligent" traffic sign described above can be used for signal detection and communication with road users.
Nutzt ein anderer Verkehrsteilnehmer, z.B. ein Fußgänger oder Fahrradfahrer, ein internetfähiges Gerät, insbesondere ein Smartphone, mit einer Kommunikations-App, vergleiche z.B. die ZF App „X2Smart“ (https-//www.heise.de/autos/artikel/Antikollisions-App-ZF-X2Smart-3523496.html), so können die Querverkehr-Informationen über die Kommunikations-App an das Kraftfahrzeug übermittelt werden. Auf diese Weise erhält die Prozessoreinheit des Kraftfahrzeugs Informationen über die Bewegung beispielsweise des Fußgängers oder Fahrradfahrers (Querverkehr-Informationen). Die Prozessoreinheit kann diese Informationen insbesondere für die Planung von Geschwindigkeit und Betriebsmodus berücksichtigen. Dadurch ist es möglich, Verkehrssituationen zu erfassen, die außerhalb des Sichtbereichs des Kraftfahrzeugs liegen. Ebenso werden Personen erkannt, die auch außerhalb von Fußgängerüberwegen die Straße kreuzen und es kann frühzeitig und intelligent darauf reagiert werden.If another road user, e.g. a pedestrian or cyclist, uses an internet-enabled device, in particular a smartphone, with a communication app, compare e.g. the ZF app "X2Smart" (https://www.heise.de/autos/artikel/Antikollisions- App-ZF-X2Smart-3523496.html), the cross-traffic information can be transmitted to the vehicle via the communication app. In this way, the processor unit of the motor vehicle receives information about the movement of pedestrians or cyclists, for example (cross-traffic information). The processor unit can take this information into account in particular for planning the speed and operating mode. This makes it possible to detect traffic situations that are outside the field of vision of the motor vehicle. Likewise, people who cross the street outside of pedestrian crossings are recognized and an early and intelligent response can be made.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
-
1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Prozessoreinheit, -
2 Details eines beispielhaften Antriebsstrangs fürdas Kraftfahrzeug nach 1 , -
3 das Kraftfahrzeug nach 1 und2 in einer Verkehrssituation, in welcher an einer Kreuzung Querverkehr auftritt, wobei die Vorfahrtsregel „rechts vor links“ gilt, -
4 das Kraftfahrzeug nach 1 und2 in einer Verkehrssituation, in welcher an einer Kreuzung Querverkehr auftritt, wobei „Vorfahrt gewähren“ gilt, was durch ein intelligentes Verkehrszeichen dargestellt wird, -
5 das Kraftfahrzeug nach 1 und2 in einer Verkehrssituation, in welcher an einer Kreuzung Querverkehr auftritt, wobei das Kraftfahrzeug geradeaus fahren oder abbiegen soll, -
6 das Kraftfahrzeug nach 1 und2 in einer Verkehrssituation, in welcher an einem Kreisverkehr Querverkehr auftritt, wobei das Kraftfahrzeug in den Kreisverkehr einfahren soll, auf dem sich bereits ein anderes Kraftfahrzeug befindet, -
7 das Kraftfahrzeug nach 1 und2 in einer Verkehrssituation, in welcher sich ein anderer Verkehrsteilnehmer vor dem Kraftfahrzeug hinter einem parkenden Auto befindet, -
8 das Kraftfahrzeug nach 1 und2 in einer Verkehrssituation, in welcher ein anderer Verkehrsteilnehmer die Straße überquert, auf welcher auch das Kraftfahrzeug fährt, -
9 das Kraftfahrzeug nach 1 2 in einer Verkehrssituation, in welcher sich das Kraftfahrzeug auf eine übersichtliche Kreuzung zubewegt, im Bereich derer das Kraftfahrzeug eventuell einem querenden Fahrzeug Vorfahrt gewähren muss, und -
10 zwei unterschiedliche Geschwindigkeitstrajektorien fürdas Kraftfahrzeug nach 1 .
-
1 a schematic representation of a motor vehicle with a processor unit according to the invention, -
2 Details of an exemplary powertrain for themotor vehicle 1 , -
3 themotor vehicle 1 and2 in a traffic situation in which cross traffic occurs at an intersection, where the priority rule "right before left" applies, -
4 themotor vehicle 1 and2 in a traffic situation in which cross traffic occurs at an intersection, where "give way" applies, which is represented by an intelligent traffic sign, -
5 themotor vehicle 1 and2 in a traffic situation in which cross traffic occurs at an intersection, where the motor vehicle is to drive straight ahead or turn, -
6 themotor vehicle 1 and2 in a traffic situation in which cross traffic occurs at a roundabout, where the motor vehicle is to enter the roundabout on which another motor vehicle is already located, -
7 themotor vehicle 1 and2 in a traffic situation in which another road user is in front of the motor vehicle behind a parked car, -
8th themotor vehicle 1 and2 in a traffic situation in which another road user crosses the road on which the motor vehicle is also driving, -
9 themotor vehicle 1 2 in a traffic situation in which the motor vehicle is moving towards a clear intersection in which the motor vehicle may have to give way to a crossing vehicle, and -
10 two different speed trajectories for themotor vehicle 1 .
Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin einen Antriebsstrang 7, der beispielsweise eine elektrische Maschine 8, die als Motor und als Generator betrieben werden kann, eine Batterie 9, ein Getriebe 10 und eine Bremsanlage 19 umfassen kann. Die elektrische Maschine 8 kann im Motorbetrieb Räder des Kraftfahrzeugs 1 über das Getriebe 10 antreiben. Die dazu notwendige elektrische Energie kann die Batterie 9 bereitstellen, insbesondere über eine Leistungselektronik 18 (siehe
Der Hybridantriebsstrang 7 nach
- 1. Fahrmodus:
Verbrennungskraftmotor 17 im Betrieb („an“) und Kupplung K0 in geöffneter Stellung; dieelektrische Maschine 8 treibt im Motorbetrieb (Generatorbetrieb ebenfalls möglich)das Kraftfahrzeug 1 an;der Verbrennungskraftmotor 17 läuft, treibt jedoch nichtdas Kraftfahrzeug 1 an; - 2. Fahrmodus:
Verbrennungskraftmotor 17 nicht im Betrieb („aus“) und Kupplung K0 in geöffneter Stellung; dieelektrische Maschine 8 treibt im Motorbetrieb (Generatorbetrieb ebenfalls möglich)das Kraftfahrzeug 1 an;der Verbrennungskraftmotor 17 läuft nicht; - 3. Fahrmodus:
Verbrennungskraftmotor 17 im Betrieb („an“) und Kupplung K0 in geschlossener Stellung; Vorwärtsgang oderRückwärtsgang im Getriebe 10 eingelegt; die elektrische Maschine 8 (im Motorbetrieb; Lastpunktverschiebung möglich) und der Verbrennungskraftmotor 17treiben das Kraftfahrzeug 1 gemeinsam an (Hybridantrieb); - 4. Fahrmodus:
Verbrennungskraftmotor 17 im Betrieb („an“) und Kupplung K0 in geschlossener Stellung;Neutral im Getriebe 10 eingelegt; der Verbrennungskraftmotor 17 treibt die elektrische Maschine an (Generatorbetrieb), sodass die Batterie geladen wird.
- 1. Driving mode:
internal combustion engine 17 in operation ("on") and clutch K0 in the open position; theelectric machine 8 drives themotor vehicle 1 in motor mode (generator mode is also possible); theengine 17 is running but not driving themotor vehicle 1; - 2. Driving mode:
internal combustion engine 17 not in operation ("off") and clutch K0 in the open position; theelectric machine 8 drives themotor vehicle 1 in motor mode (generator mode is also possible); theengine 17 is not running; - 3. Driving mode:
internal combustion engine 17 in operation ("on") and clutch K0 in the closed position; Forward gear or reverse gear engaged intransmission 10; the electric machine 8 (in motor mode; load point shifting possible) and theinternal combustion engine 17 drive themotor vehicle 1 together (hybrid drive); - 4. Driving mode:
internal combustion engine 17 in operation (“on”) and clutch K0 in the closed position; Neutral engaged intransmission 10; theinternal combustion engine 17 drives the electric machine (generator operation), so that the battery is charged.
Auf der Speichereinheit 4 kann ein Computerprogrammprodukt 11 gespeichert sein. Das Computerprogrammprodukt 11 kann auf der Prozessoreinheit 3 ausgeführt werden, wozu die Prozessoreinheit 3 und die Speichereinheit 4 mittels der Kommunikations-Schnittstelle 5 miteinander verbunden sind, mittels welcher auch mit anderen Prozessoreinheiten außerhalb des Kraftfahrzeugs 1 kommuniziert werden kann, wie dies weiter unten näher beschrieben wird. Wenn das Computerprogrammprodukt 11 auf der Prozessoreinheit 3 ausgeführt wird, leitet es die Prozessoreinheit 3 an, die im Zusammenhang mit der Zeichnung beschriebenen Funktionen zu erfüllen bzw. Verfahrensschritte auszuführen.A
Das Computerprogrammprodukt 11 enthält einen MPC-Algorithmus 13, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein optionales erstes Solvermodul 13.1, ein optionales zweites Solvermodul 13.2 und ein optionales drittes Solvermodul 13.3 umfasst bzw. enthält. Der MPC-Algorithmus 13 enthält weiterhin ein Längsdynamikmodell 14 des Kraftfahrzeugs 1. Jedes der Solvermodule 13. 1 bis 13.3 kann auf das Längsdynamikmodell 14 zugreifen. Ferner enthält der MPC-Algorithmus 13 wenigstens eine Kostenfunktion, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei zu minimierende Kostenfunktionen 15.1 bis 15.3, wobei eine erste Kostenfunktion 15.1 dem ersten Solvermodul 13.1 zugeordnet ist, wobei eine zweite Kostenfunktion 15.2 dem zweiten Solvermodul 13.2 zugeordnet ist und wobei eine dritte Kostenfunktion 15.3 dem dritten Solvermodul 13.3 zugeordnet ist.The
Das Längsdynamikmodell 14 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Verlustmodell 27 des Kraftfahrzeugs 1. Das Verlustmodell 27 beschreibt das Betriebsverhalten der effizienzrelevanten Komponenten, z.B. der elektrischen Maschine 8 und der Bremsanlage 19 hinsichtlich ihrer Effizienz bzw. hinsichtlich ihres Verlusts. Daraus ergibt sich der Gesamtverlust des Kraftfahrzeugs 1. Die Prozessoreinheit 3 führt den MPC-Algorithmus 13 aus und prädiziert dabei für einen gleitenden Prädiktionshorizont ein Verhalten des Kraftfahrzeugs 1. Diese Prädiktion basiert auf dem Längsdynamikmodell 14.In the exemplary embodiment shown, the
Die Prozessoreinheit 3 berechnet durch Ausführen des ersten Solvermoduls 13.1 eine optimierte Geschwindigkeitstrajektorie, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug innerhalb des Prädiktionshorizonts fortbewegen soll. Die optimierte Geschwindigkeitstrajektorie wird für einen vorausliegenden Streckenabschnitt unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells 14 berechnet, wobei die erste Kostenfunktion 15.1 minimiert wird. Weitere Einzelheiten zur Berechnung der Geschwindigkeitstrajektorie werden weiter unten im Zusammenhang mit den durch
Weiterhin berechnet die Prozessoreinheit 3 durch Ausführen des ersten Solvermoduls 13.1 für den vorausliegenden Streckenabschnitt unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells einen die erste Kostenfunktion 15.1 minimierenden Verlauf eines Ladezustands der Batterie 9, mittels welcher die elektrische Maschine 8 mit elektrischer Energie versorgt wird, um das Kraftfahrzeug 1 innerhalb des Prädiktionshorizonts anzutreiben. Ferner können Ampelinformationen in Zeitgrenzen am Wegpunkt der entsprechenden Ampel umgerechnet werden. Was vorausfahrende Fahrzeuge angeht, so kann eine wahrscheinliche Trajektorie des vorausfahrenden Fahrzeugs bestimmt werden. Dadurch ergibt sich eine Mindestzeit für die HLS Trajektorie über dem Weg an der aktuellen Position des anderen Fahrzeuges.Furthermore, by executing the first solver module 13.1 for the route section ahead, taking into account the longitudinal dynamics model, the
Durch Ausführen des zweiten Solvermoduls 13.2 berechnet die Prozessoreinheit 3 weiterhin basierend auf der optimierten Geschwindigkeitstrajektorie und basierend auf dem optimierten Verlauf des Ladezustands der Batterie 9 sowie unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen eine die zweite Kostenfunktion 15.2 minimierende Gangtrajektorie, gemäß welcher wenigstens ein Gang in dem Getriebe 10 des Kraftfahrzeugs 1 innerhalb des Prädiktionshorizonts eingelegt werden soll. Ferner berechnet die Prozessoreinheit 3 durch Ausführen des zweiten Solvermoduls 13.2 basierend auf der optimierten Geschwindigkeitstrajektorie, basierend auf dem optimierten Verlauf des Ladezustands der Batterie 9 und unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen eine die zweite Kostenfunktion 15.2 minimierende Fahrmodustrajektorie, welche festlegt, in welchem der vorstehend beschriebenen Fahrmodi der Hybridantriebsstrang 7 innerhalb des Prädiktionshorizonts betrieben werden soll.By executing the second solver module 13.2, the
Durch Ausführen des dritten Solvermoduls 13.1 berechnet die Prozessoreinheit 3 unter Minimierung der dritten Kostenfunktion 15.3 außerdem für den Anfangsabschnitt des Prädiktionshorizonts für die elektrische Maschine 8, für den Verbrennungskraftmotor 17 und für die Bremsanlage 19 des Kraftfahrzeugs 1 eine optimierte Momenttrajektorie, gemäß welcher die elektrische Maschine 8, der Verbrennungskraftmotor 17 und die Bremsanlage 19 Momente innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellen sollen. Während der vorausliegende Streckenabschnitt einige Kilometern lang ist, erstreckt sich der unmittelbar vor dem Kraftfahrzeug 1 liegende Anfangsabschnitt lediglich über wenige Sekunden.By executing the third solver module 13.1, the
Als Output der Optimierung durch den MPC-Algorithmus 13 mit seinen drei Solvermodulen 13.1, 13.2 und 13.3 ergeben sich somit optimale Drehmomente der elektrischen Maschine 8, des Verbrennungskraftmotors 17 und der Bremsanlage 19 für berechnete Punkte in dem Anfangsabschnitt des Prädiktionshorizonts. Durch das Aufteilen der Lösung des Problems MPC-Problems auf die drei Solvermodule werden schnellere Reaktionszeiten des Systems 2 ermöglicht. Die Prozessoreinheit 3 kann dazu entsprechende Eingangsgrößen für die elektrische Maschine 8, den Verbrennungskraftmotor 17 und die Bremsanalage 19 ermitteln, sodass sich die optimalen Drehmomente einstellen. Die Prozessoreinheit 3 kann die elektrische Maschine 8 basierend auf der ermittelten Eingangsgröße steuern. Weiterhin kann dies jedoch auch durch das Fahrerassistenzsystem 16 erfolgen.The output of the optimization by the
Die Erfassungseinheit 6 kann aktuelle Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs 1 messen, entsprechende Daten aufnehmen und dem MPC-Algorithmus 13 zuführen. Weiterhin können Streckendaten aus einer elektronischen Karte für einen Vorausschauhorizont bzw. Prädiktionshorizont (z.B. 5000 m) vor dem Kraftfahrzeug 1 insbesondere zyklisch aktualisiert werden. Die Streckendaten können beispielsweise Steigungsinformationen, Kurveninformationen, und Informationen über Geschwindigkeitslimits beinhalten. Des Weiteren kann eine Kurvenkrümmung über eine maximal zulässige Querbeschleunigung in ein Geschwindigkeitslimit für das Kraftfahrzeug 1 umgerechnet werden. Außerdem kann mittels der Erfassungseinheit 6 eine Ortung des Kraftfahrzeugs erfolgen, insbesondere über ein von einem GNSS-Sensor 12 generiertes Signal zur genauen Lokalisierung auf der elektronischen Karte. Ferner ist eine Erfassungseinheit 30 zur Erfassung des äußeren Umfelds des Kraftfahrzeugs 1 vorgesehen. Diese Erfassungseinheit umfasst beispielsweise ein Radar-Sensor und/oder ein Kamerasystem und/oder einen Lidar-Sensor. Die Prozessoreinheit 3 kann auf Informationen der genannten Elemente beispielsweise über die Kommunikations-Schnittstelle 5 zugreifen. Diese Informationen können in das Längsmodell 14 des Kraftfahrzeugs 1 einfließen, insbesondere als Beschränkungen oder Nebenbedingungen.The
Üblicherweise besteht eine Kostenfunktion aus einem Summenterm und einem Finalterm. Gemäß der im System vorhanden Signale können die Terme gegebenenfalls ineinander umgerechnet werden. Die in der Kostenfunktion beschriebenen physikalischen Größen können, wenn diese voneinander abhängig sind, ineinander umgerechnet werden. Beispielhaft könnten Momententerme auch als Kraftterme und umgekehrt angegeben werden. Ein weiteres Beispiel stellen auch Geschwindigkeitsterme dar, die durch Terme der kinetischen Energie dargestellt werden können.A cost function usually consists of a sum term and a final term. Depending on the signals present in the system, the terms can optionally be converted into one another. The physical variables described in the cost function can be converted into one another if they are dependent on one another. For example, moment terms could also be given as force terms and vice versa. Another example is velocity terms, which can be represented by kinetic energy terms.
Die erste Kostenfunktion 15.1 kann beispielsweise wie folgt definiert werden:
Hierbei ist:
- s
- Wegstrecke, unabhängige Variable
- N → s1, ... ,sN
- Wegpunkte, Horizontlänge
- Δs(s) = Si - Si-1
- Abstand zwischen den Wegpunkten si
- λ ∈ [0,1]
- Faktor zur Zeit- und Verbrauchsgewichtung der Kostenfunktion
- c1, ... ,c7, cx, cy
- Gewichtungsfaktoren der einzelnen Terme der Kostenfunktion
- X, Y
- Der Kostenfunktion können weitere Terme hinzugefügt werden, um weitere Zielvorgaben in der Optimierung zu berücksichtigen. Diese Terme können beispielsweise zusätzliche Komponenten (z.B. weitere elektrische Maschinen) oder deren Eigenschaften (z.B. Temperaturen) beschreiben.
- Ekin,minSlack
- Abweichung von der minimal gewünschten kinetischen Energie
- MICE
- Moment des Verbrennungskraftmotors
- MEM
- Moment der elektrischen Maschine
- FBrk
- Bremskraft
- ṁFuel
- Kraftstoffverbrauch - Massenstrom
- v(si)
- Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs
- EBat
- Energieinhalt der Batterie
- tTotal
- Gesamtzeit
- s
- Distance traveled, independent variable
- N → s1, ... ,sN
- waypoints, horizon length
- Δs(s) = Si - Si-1
- Distance between waypoints s i
- λ ∈ [0,1]
- Factor for time and consumption weighting of the cost function
- c1, ... ,c7, cx, cy
- Weighting factors of the individual terms of the cost function
- X, Y
- Additional terms can be added to the cost function to accommodate additional optimization objectives. These terms can, for example, describe additional components (eg further electrical machines) or their properties (eg temperatures).
- Ekin,minSlack
- Deviation from the minimum desired kinetic energy
- MICE
- Torque of the internal combustion engine
- memes
- moment of the electric machine
- FBrk
- braking power
- ṁFuel
- Fuel consumption - mass flow
- v(si)
- speed of the motor vehicle
- EBat
- energy content of the battery
- tTotal
- total time
Die zweite Kostenfunktion 15.1 kann beispielsweise wie folgt definiert werden:
Hierbei ist:
- t
- Wegzeit, unabhängige Variable
- N → t1, ... , tN
- Zeitpunkte, Horizontdauer
- Δt = ti - ti-1
- Abstand zwischen den Zeitpunkten ti
- c1, ... ,c9, cx, cy
- Gewichtungsfaktoren der einzelnen Terme der Kostenfunktion
- X, Y
- Der Kostenfunktion können weitere Terme hinzugefügt werden, um weitere Zielvorgaben in der Optimierung zu berücksichtigen. Diese Terme können beispielsweise zusätzliche Komponenten (z.B. weitere elektrische Maschinen) oder deren Eigenschaften (z.B. Temperaturen) beschreiben.
- v,v*
- Geschwindigkeit, Referenzgeschwindigkeit
- EBat,
- Energieinhalt der Batterie, Referenzenergiegehalt der Batterie
- MICE,
- Moment des Verbrennungskraftmotors, Referenzmoment des Verbrennungskraftmotors
- MEM,
- Moment der elektrischen Maschine, Referenzmoment der elektrischen Maschine
- FBrk,
- Bremskraft, Referenzbremskraft
- mƒ
- Kraftstoffverbrauch
- bClutch
- Zustand der Kupplung
- zICE
- Zustand des Verbrenners
- GGearChange
- Aktivierung eines Gangwechsels
- ClClutchChange
- Aktivierung eines Kupplungszustandswechsels
- t
- travel time, independent variable
- N → t1, ... , tN
- Points in time, horizon duration
- Δt = ti - ti-1
- Distance between the times t i
- c1, ... ,c9, cx, cy
- Weighting factors of the individual terms of the cost function
- X, Y
- Additional terms can be added to the cost function to accommodate additional optimization objectives. These terms can, for example, describe additional components (eg further electrical machines) or their properties (eg temperatures).
- v,v*
- speed, reference speed
- EBat,
- Energy content of the battery, reference energy content of the battery
- MIC,
- Torque of the internal combustion engine, reference torque of the internal combustion engine
- memes
- Torque of the electrical machine, reference torque of the electrical machine
- FBrk,
- Braking force, reference braking force
- mƒ
- fuel consumption
- bClutch
- condition of the clutch
- zICE
- condition of the burner
- GGearChange
- Activation of a gear change
- ClClutchChange
- Activation of a clutch state change
Die Problemkomplexität nimmt mit steigender Anzahl zu treffender Mixed-Integer Entscheidungen zu. Aus Performance-Gründen kann deshalb beispielsweise die Entscheidung über den Zustand des Verbrennungskraftmotors 18 (an/aus) aus dem Mixed-Integer Problem herausgelöst werden und in einer Post-Processing Logik verarbeitet werden.The complexity of the problem increases as the number of mixed-integer decisions to be made increases. For reasons of performance, the decision about the state of the internal combustion engine 18 (on/off) can therefore be extracted from the mixed-integer problem and processed in a post-processing logic.
Die dritte Kostenfunktion 15.3 kann beispielsweise wie folgt definiert werden:
Hierbei ist:
- t
- Wegzeit, unabhängige Variable
- N → t1, ... , tN
- Zeitpunkte, Horizont Dauer
- Δt = ti - ti-1
- Abstand zwischen den Zeitpunkten ti
- c1, ... ,c7, cx, cy
- Gewichtungsfaktoren der einzelnen Terme der Kostenfunktion
- X, Y
- Der Kostenfunktion können weitere Terme hinzugefügt werden, um weitere Zielvorgaben in der Optimierung zu berücksichtigen. Diese Terme können beispielsweise zusätzliche Komponenten (weitere elektrische Maschinen) oder deren Eigenschaften (z.B Temperaturen) beschreiben.
- sv
- Slack-Variable der Geschwindigkeit: Die Abweichung der Geschwindigkeitstrajektorie von deren Referenztrajektorie wird innerhalb eines definierten Bereiches akzeptiert und außerhalb bestraft.
- SSOC
- Slack-Variable des SoC: Die Abweichung der SoC-Trajektorie von deren Referenztrajektorie wird innerhalb eines definierten Bereiches akzeptiert und außerhalb bestraft.
- mƒ
- Kraftstoffverbrauch
- bClutch
- Zustand der Kupplung
- zICE
- Zustand des Verbrennungskraftmotors
- FBrk
- Bremskraft
- dFICE,Wheel
- Änderung der Kraft am Rad, die durch den Verbrennungskraftmotor verursacht wird
- dFEM,Wheel
- Änderung der Kraft am Rad, die durch die elektrische Maschine verursacht wird
- dFBrake
- Änderung der Kraft am Rad, die durch die Bremskraft verursacht wird
- t
- travel time, independent variable
- N → t1, ... , tN
- Points in time, horizon duration
- Δt = ti - ti-1
- Distance between the times t i
- c1, ... ,c7, cx, cy
- Weighting factors of the individual terms of the cost function
- X, Y
- Additional terms can be added to the cost function to accommodate additional optimization objectives. These terms can, for example, describe additional components (further electrical machines) or their properties (eg temperatures).
- sv
- Velocity slack variable: The deviation of the velocity trajectory from its reference trajectory is accepted within a defined range and penalized outside.
- SSOC
- Slack variable of the SoC: The deviation of the SoC trajectory from its reference trajectory is accepted within a defined range and penalized outside.
- mƒ
- fuel consumption
- bClutch
- condition of the clutch
- zICE
- condition of the internal combustion engine
- FBrk
- braking power
- dFICE,Wheel
- Change in force at the wheel caused by the internal combustion engine
- dFEM,Wheel
- Change in the force on the wheel caused by the electric machine
- dFBrake
- Change in force at the wheel caused by braking force
In der durch
Die Prozessoreinheit 3 des Kraftfahrzeugs 1 kann auf Querverkehr-Informationen zugreifen, welche in dem durch
Die Prozessoreinheit 3 berechnet durch Ausführen des ersten Solvermoduls 13.1 des MPC-Algorithmus' 13 für das Kraftfahrzeug 1 eine Geschwindigkeitstrajektorie, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug 1 innerhalb eines Prädiktionshorizonts der MPC-Regelung auf dem im Vorausbereich des Kraftfahrzeugs 1 liegenden Streckenabschnitt fortbewegen soll, wobei die erste Kostenfunktion 15.1 minimiert wird. Dabei berücksichtigt die Prozessoreinheit 3 das Längsmodell 14 des Kraftfahrzeugs 14. Weiterhin berücksichtigt die Prozessoreinheit 3 die Kreuzung 32 als Beschränkung, und zwar derart, dass in Betracht gezogen wird, dass das Kraftfahrzeug 1 innerhalb des Prädiktionshorizonts angehalten werden muss, insbesondere unmittelbar vor der Kreuzung 32. Die Prozessoreinheit 3 kann bereits vorbereitende Maßnahmen einleiten, um das Kraftfahrzeug 1 anzuhalten, z.B. durch Vorbereitung des SoC-Niveaus der Batterie 9. Dies kann alles bereits dann geschehen, wenn die Prozessoreinheit 3 noch gar keine Informationen darüber erhalten hat, dass sich im Bereich der Kreuzung 32 tatsächlich ein anderer Verkehrsteilnehmer 33 befindet, der eventuell die Längsbewegungsrichtung L1 des Kraftfahrzeugs 1 kreuzen könnte. Wahrscheinlichkeits-Informationen können dabei beschreiben, dass nachts die Wahrscheinlichkeit, dass Querverkehr im Bereich der Kreuzung 32 auftritt, niedriger ist als tagsüber. Die Prozessoreinheit 3 kann diese Wahrscheinlichkeits-Informationen derart berücksichtigen, dass sie nachts weniger Vorbereitungen zum Anhalten oder Abbremsen des Kraftfahrzeugs 1 trifft als tagsüber.By executing the first solver module 13.1 of the
Das Kraftfahrzeug 1 und das andere Kraftfahrzeug 33 weisen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach
Die Prozessoreinheit 3 wird daher in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach
Die Prozessoreinheit 3 führt die vorstehend beschriebenen Schritte fortlaufend neu aus. Dabei kann die Prozessoreinheit auf Überquerungs-Informationen zugreifen, welche die Bewegung des anderen Kraftfahrzeugs 33 während der Überquerung der Kreuzung 32 beschreiben, und basierend auf den Überquerungs-Informationen eine Haltedauer zu berechnen, für welche das Kraftfahrzeug 1 angehalten werden muss, um dem anderen Kraftfahrzeug 33 Vorfahrt zu gewähren.The
In der durch
Das Verkehrszeichen 35 kann ein „intelligentes“ Verkehrszeichen mit Sensorik 36 (z.B. Kamera, Lidar, Radar) sein, so dass es selbst die Verkehrsteilnehmer 1, 33 erkennt. Das Verkehrszeichen 35 kann über eine Car21 (Car-to-Infrastructure)-Schnittstelle 37 mit den Verkehrsteilnehmern 1, 33 kommunizieren. Über die eingebaute Sensorik 36 kann das Verkehrszeichen 35 die Position und die aktuelle Geschwindigkeit des anderen Kraftfahrzeugs 33 ermitteln, und über die Car2I-Schnittstelle 37 den Richtungsvektor des anderen Kraftfahrzeugs 33 empfangen. Diese Informationen leitet das Verkehrszeichen 35 über die Car2I-Schnittstelle 37 an das Kraftfahrzeug 1 weiter, dessen Prozessoreinheit 3 daraufhin die Geschwindigkeitstrajektorie des Kraftfahrzeugs 1 anpasst, z.B. ähnlich wie dies im Zusammenhang mit
In einer weiteren Ausprägung kann auch bereits das Verkehrszeichen 35 dem Kraftfahrzeug 1 eine Maximalgeschwindigkeit zur Verfügung stellen, welche das Kraftfahrzeug 1 einstellt, um so ohne Anhalten über die Kreuzung 32 zu fahren. Dazu kann das Verkehrszeichen 35 ein System 2' mit einer Prozessoreinheit 3' aufweisen, die identisch oder ähnlich aufgebaut und eingerichtet sein können wie das System 2 und insbesondere die Prozessoreinheit 3 des Kraftfahrzeugs 1 nach
Als weitere Möglichkeit kann die Ermittlung der Maximalgeschwindigkeit für das Kraftfahrzeug 1 auch ein Verkehrsleitrechner 38 vornehmen, der in
In der durch
Hätte das Kraftfahrzeug 1 vorab Kenntnis, dass das andere Kraftfahrzeug 33 abbiegt, müsste es nicht anhalten. Die Verkehrsteilnehmer 1, 33 übermitteln daher ihre Positionen, Geschwindigkeiten und Richtungsvektoren über eine Car2Car-Schnittstelle 34. Basierend auf diesen Informationen kann die Prozessoreinheit 3 des Kraftfahrzeugs 1 vorab die Geschwindigkeitstrajektorie für das erste Kraftfahrzeug 1 derart ermitteln, dass es keine Vorfahrt gewähren muss, da das andere Kraftfahrzeug 33 die Vorfahrtsstraße verlässt. Das Kraftfahrzeug 1 kann ungehindert weiterfahren und muss nicht anhalten oder seine Geschwindigkeit verringern.If the
In der durch
Hätte das Kraftfahrzeug 1 vorab Kenntnis, dass das andere Kraftfahrzeug 33 den Kreisverkehr 39 wie durch den Pfad 40 gezeigt verlässt, müsste es nicht anhalten. Die Verkehrsteilnehmer 1, 33 übermitteln daher ihre Positionen, Geschwindigkeiten und Richtungsvektoren über eine Car2Car-Schnittstelle 34. Basierend auf diesen Informationen kann die Prozessoreinheit 3 des Kraftfahrzeugs 1 vorab die Geschwindigkeitstrajektorie für das erste Kraftfahrzeug 1 derart ermitteln, dass es keine Vorfahrt gewähren muss, da das andere Kraftfahrzeug 33 den Kreisverkehr 39 verlässt. Das Kraftfahrzeug 1 kann ungehindert weiterfahren und muss nicht anhalten und kann ungehindert in den Kreisverkehr 39 einfahren und diesen passieren.If the
Nutzt ein Fußgänger oder anderer Verkehrsteilnehmer, z.B. ein Fahrradfahrer, ein internetfähiges Gerät mit einer Kommunikations-App, vergleiche z.B. die ZF App „X2Smart“ (https-//www.heise.de/autos/artikel/Antikollisions-App-ZF-X2Smart-3523496.html), so können die Querverkehr-Informationen über die Kommunikations-App an das Kraftfahrzeug 1 übermittelt werden. Auf diese Weise erhält die Prozessoreinheit 3 des Kraftfahrzeugs 1 Informationen über die Bewegung beispielsweise des Fußgängers oder Fahrradfahrers. Die Prozessoreinheit 3 kann diese Informationen insbesondere für die Planung der Geschwindigkeitstrajektorie und des Betriebsmodus berücksichtigen. Dadurch ist es möglich, Verkehrssituationen zu erfassen, die außerhalb des Sichtbereichs des Kraftfahrzeugs liegen. Ebenso werden Personen erkannt, die auch außerhalb von Fußgängerüberwegen die Straße kreuzen und es kann frühzeitig und intelligent darauf reagiert werden.If a pedestrian or other road user, e.g. a cyclist, uses an internet-enabled device with a communication app, compare e.g. the ZF app "X2Smart" (https://www.heise.de/autos/artikel/Antikollisions-App-ZF-X2Smart -3523496.html), the cross-traffic information can be transmitted to the
Der Fahrradfahrer 47 übermittelt jedoch seine Bewegungsdaten über eine auf seinem Smartphone 43 laufende App 44 an das Kraftfahrzeug 1, wozu das Smartphone 43 eine Kommunikationsschnittstelle 45 aufweist. Basierend auf den von dem Smartphone 43 erhaltenen Informationen berechnet die Prozessoreinheit 3 des Kraftfahrzeugs 1 die Geschwindigkeitstrajektorie für das erste Kraftfahrzeug 1, indem es den Fahrradfahrer 47 bzw. beispielsweise dessen Position, Geschwindigkeit und Richtungsvektor berücksichtigt. Insbesondere kann die Prozessoreinheit 3 basierend auf der ihr bekannten Bewegung des Kraftfahrzeugs 1 frühzeitig die Geschwindigkeitstrajektorie des Kraftfahrzeugs 1 anpassen, so dass die T-Kreuzung 46 ohne anhalten zu müssen überfahren werden kann.However, the
In dem genannten Zeitraum wird bei sportlichem Fahrmodus geplant, recht schnell ein statisches Querverkehr-Element zu passieren. Sobald genauere Informationen über den Querverkehr vorliegen, ergeben sich zwei Möglichkeiten:
- a)
Das Kraftfahrzeug 1 muss anhalten. Hierzu ist nun eine starke Verzögerung mit Einbußen hinsichtlich des Komforts und der Energieeffizienz notwendig. - b)
Das Kraftfahrzeug 1 muss nicht anhalten. Es ergibt sich ein Geschwindigkeitsvorteil.
- a) The
motor vehicle 1 must stop. This now requires a strong delay with losses in terms of comfort and energy efficiency. - b) The
motor vehicle 1 does not have to stop. There is a speed advantage.
Im sportlichen Fahrmodus wird - solange noch keine detaillierten Informationen über den Querverkehr vorliegen - daraufgesetzt, dass kein Anhalten notwendig ist. Bei dem energieeffizienten Fahrmodus wird die Geschwindigkeitstrajektorie in dem genannten Zeitraum konservativer berechnet. Im Anhaltefall kann daher effizienter und komfortabler verzögert werden. Im energieeffizienten Fahrmodus wird - solange noch keine detaillierten Informationen vorliegen - erwartet, dass ein energieeffizienter und komfortabler Anhaltevorgang notwendig sein kann. Dies wird durch das Geschwindigkeits-Strecken-Diagramm der
Bezugszeichenlistereference list
- K0K0
- Kupplungcoupling
- L1L1
- Längsbewegungsrichtung Kraftfahrzeug (Richtungsvektor)Longitudinal direction of movement motor vehicle (direction vector)
- L33L33
- Längsbewegungsrichtung anderes Kraftfahrzeug (Richtungsvektor) Longitudinal direction of movement of another motor vehicle (direction vector)
- 11
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 22
- System des Kraftfahrzeugssystem of the motor vehicle
- 2'2'
- Prozessoreinheit des VerkehrsschildsTraffic sign processing unit
- 2"2"
- Prozessoreinheit des VerkehrsleitrechnersProcessor unit of the traffic control computer
- 33
- Prozessoreinheit des KraftfahrzeugsProcessor unit of the motor vehicle
- 3'3'
- Prozessoreinheit des VerkehrsschildsTraffic sign processing unit
- 3"3"
- Prozessoreinheit des VerkehrsleitrechnersProcessor unit of the traffic control computer
- 44
- Speichereinheitstorage unit
- 55
- Kommunikations-Schnittstellecommunication interface
- 66
- Erfassungseinheitregistration unit
- 77
- Antriebsstrangpowertrain
- 88th
- elektrische Maschineelectric machine
- 99
- Batteriebattery
- 1010
- Getriebetransmission
- 1111
- Computerprogrammproduktcomputer program product
- 1212
- GNSS-SensorGNSS sensor
- 1313
- MPC-AlgorithmusMPC algorithm
- 1414
- Längsdynamikmodelllongitudinal dynamics model
- 15.115.1
- erste Kostenfunktionfirst cost function
- 15.215.2
- zweite Kostenfunktionsecond cost function
- 15.315.3
- dritte Kostenfunktionthird cost function
- 1616
- Fahrerassistenzsystemdriver assistance system
- 1717
- Verbrennungskraftmotorinternal combustion engine
- 1818
- Leistungselektronikpower electronics
- 1919
- Bremsanlagebraking system
- 2121
- vorderes Differenzialgetriebefront differential gear
- 2222
- Vorderradfront wheel
- 2323
- Vorderradfront wheel
- 2424
- zweiter Betriebsparametersecond operating parameter
- 2525
- Vorderachsefront axle
- 2626
- Hinterradrear wheel
- 2727
- Verlustmodellloss model
- 2828
- Hinterradrear wheel
- 2929
- Hinterachserear axle
- 3030
- Erfassungseinheit zur Erfassung des äußeren Umfelds des KraftfahrzeugsDetection unit for detecting the external environment of the motor vehicle
- 3131
- StraßeStreet
- 3232
- Kreuzung (statisches Querverkehr-Element)Intersection (static cross-traffic element)
- 3333
- anderes Kraftfahrzeug (Querverkehr)other motor vehicle (cross traffic)
- 3434
- Car2Car-Schnittstelle der KraftfahrzeugeCar2Car interface of motor vehicles
- 3535
- Verkehrsschild „Vorfahrt gewähren“"Give way" road sign
- 3636
- Sensorik des VerkehrsschildsTraffic sign sensors
- 3737
- Car2I-Schnittstelle des VerkehrsschildsCar2I interface of the road sign
- 3838
- Verkehrsleitrechnertraffic control computer
- 3939
- Kreisverkehrroundabout
- 4040
- Pfad des anderen KraftfahrzeugsPath of the other motor vehicle
- 4141
- Am Straßenrand parkendes AutoCar parked at the roadside
- 4242
- Fußgänger/Fahrradfahrerpedestrians/cyclists
- 4343
- Smartphone (internetfähiges Gerät)Smartphone (internet-enabled device)
- 4444
- auf dem Smartphone laufende App (Computerprogrammprodukt)App running on the smartphone (computer program product)
- 4545
- Kommunikationsschnittstelle des SmartphonesCommunication interface of the smartphone
- 4646
- T-KreuzungT junction
- 4747
- Fahrradfahrercyclist
- 4848
- weitere Straßefurther street
- 4949
- optisches Hindernisoptical obstacle
- 5050
- Geschwindigkeitstrajektorie Kraftfahrzeug (sportlicher Fahrmodus)Speed trajectory motor vehicle (sporty driving mode)
- 5151
- Geschwindigkeitstrajektorie Kraftfahrzeug (energieeffizienter Fahrmodus)Vehicle speed trajectory (energy-efficient driving mode)
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020216250.6A DE102020216250B4 (en) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | Model-based predictive control of a motor vehicle taking cross-traffic into account |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020216250.6A DE102020216250B4 (en) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | Model-based predictive control of a motor vehicle taking cross-traffic into account |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020216250A1 DE102020216250A1 (en) | 2022-06-23 |
DE102020216250B4 true DE102020216250B4 (en) | 2022-11-03 |
Family
ID=81847398
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020216250.6A Active DE102020216250B4 (en) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | Model-based predictive control of a motor vehicle taking cross-traffic into account |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020216250B4 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20230100017A1 (en) * | 2021-09-28 | 2023-03-30 | J-QuAD DYNAMICS INC. | Control device for vehicle |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102017208878A1 (en) | 2017-05-24 | 2018-11-29 | Continental Automotive Gmbh | Method for forecasting at least one traffic light switching state during a journey of a motor vehicle and control device, motor vehicle and server device |
EP3726497A1 (en) | 2019-04-15 | 2020-10-21 | Zenuity AB | Autonomous decisions in traffic situations with planning control |
DE102019216457A1 (en) | 2019-10-25 | 2021-04-29 | Zf Friedrichshafen Ag | Autonomous driving function of a motor vehicle |
-
2020
- 2020-12-18 DE DE102020216250.6A patent/DE102020216250B4/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102017208878A1 (en) | 2017-05-24 | 2018-11-29 | Continental Automotive Gmbh | Method for forecasting at least one traffic light switching state during a journey of a motor vehicle and control device, motor vehicle and server device |
EP3726497A1 (en) | 2019-04-15 | 2020-10-21 | Zenuity AB | Autonomous decisions in traffic situations with planning control |
DE102019216457A1 (en) | 2019-10-25 | 2021-04-29 | Zf Friedrichshafen Ag | Autonomous driving function of a motor vehicle |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20230100017A1 (en) * | 2021-09-28 | 2023-03-30 | J-QuAD DYNAMICS INC. | Control device for vehicle |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102020216250A1 (en) | 2022-06-23 |
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