DE102021105882A1

DE102021105882A1 - Vorrichtung zur automatisierten Querführung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102021105882A1
Application number: DE102021105882.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Herzog; Ulrich Voll
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2022-09-15
Also published as: WO2022189121A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatisierten Querführung eines autonom oder halbautonom betreibbaren Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eines Nutzfahrzeugs. Die Vorrichtung ist ausgebildet, eine in einem ersten, vorzugsweise ortsfesten, Koordinatensystem (3) beschriebene, vorzugsweise aus einer Soll-Fahrtrajektorie (7) abgeleitete, Folge von Wegmarken (2) in ein fahrzeugfestes Koordinatensystem (4) zu transformieren, wobei die Folge von Wegmarken (2) in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem (4) durch eine Approximationsfunktion (A) interpoliert und approximiert ist. Ferner umfasst die Vorrichtung (10) einen Primärregler (12) und mindestens einen Sekundärregler (14), die jeweils ausgebildet sind, einen Querführungseingriff durch Ansteuerung mindestens eines Aktors (50, 60) des Kraftfahrzeugs durchzuführen und hierzu aus Koeffizienten (K) der Approximationsfunktion (A) ein Maß für eine Abweichung einer Querposition des Kraftfahrzeugs von der Soll-Fahrtrajektorie und/oder für einen Reglereingriff abzuleiten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatisierten Querführung eines autonom oder halbautonom betreibbaren Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eines Nutzfahrzeugs.
Aus der Praxis sind bereits Ansätze zur automatisierten Quer- und Längsführung eines autonom oder halbautonom betreibbaren Kraftfahrzeugs entlang einer Trajektorie (Soll-Fahrtrajektorie) oder der Straße bekannt. In vielen Fahrsituationen, beispielsweise während der Fahrt auf der Autobahn mit erheblicher und im Vergleich zum Lenkverhalten langsamer Geschwindigkeitsveränderung, kann man die Längs- und Querregelung entkoppelt betrachten.
Der in der Robotik üblichen Dreiteilung Sense/Plan/Act (Wahrnehmung/Planung/Regelung) folgend, umfasst die Planungsaufgabe die Planung der zu fahrenden Soll-Trajektorie (Folge von Posen in der Zeit) unter Einhaltung von Randbedingungen wie Kollisionsfreiheit mit anderen Fahrzeugen und Hindernissen, unter Berücksichtigung von Ergebnissen der Wahrnehmung. Die Aufgabe der Regelung dagegen ist die-Umsetzung der Vorgaben aus der Planung mit ausreichender Regelgüte, ggf. abhängig von statischen und dynamischen Toleranzvorgaben, und diesen Gütevorgaben nachgeordnet möglichst mit angemessenem Reglerkomfort (möglichst glatt und materialschonend).
Die vorliegende Erfindung betrifft die automatisierte Querführung- Das Lateralverhalten wird dabei vorzugsweise durch Einflussnahme auf eine vorhandene elektrische Lenkhilfe geregelt, kann aber auch über gezielte Bremseingriffe am Rad wie in der elektronischen Stabilitätsregelung erfolgen. Aus der Praxis sind hierzu bereits verschiedene Regelalgorithmen zur Implementierung einer Querregelung bekannt, beispielsweise sog. Stanley-Regler oder Regler basierend auf dem sog. „Pure Pursuit“-Algorithmus.
Die Entwicklung von Querreglern (wie auch von Längsreglern) zur Trajektorienfolgeregelung erfordert die Berücksichtigung von Anforderungen an die funktionale Sicherheit während der Modellierung von Quer- (und Längsführungs-) konzepten und insbesondere der Regler-Architekturen. Funktionale Sicherheit bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Schäden an Personen oder an der Systemumwelt, die durch den Ausfall oder das fehlerhafte Verhalten eines Systems entstehen, vermieden werden sollen (absence of unreasonable risc). Hier ist beispielsweise die Norm ISO 26262 von Bedeutung, wobei (Teil-)Systeme zu sog. Automotive Safety Integrity Levels (ASIL) zugeordnet werden. Insbesondere wird die nötige Sicherheit durch eine geschickt gewählte Dekomposition in redundante Subsysteme erreicht. Die Dekomposition soll vorzugsweise so erfolgen, dass nur in möglichst wenigen, und jeweils möglichst wenig komplexen Subsystemen jeweils das höchste ASIL umgesetzt werden muss, da die Umsetzung von Subsystemen mit hohem ASIL erheblichen Kostenaufwand bedingt, durch Anforderungen an die Entwicklung, die Dokumentation sowie an die verwendete „EE“-Hardware (engl. EE-Hardware, Electrial engineering Hardware).
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur automatisierten Querführung eines autonom oder halbautonom betreibbaren Kraftfahrzeugs bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Querregler vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, eine solche Vorrichtung zur automatisierten Querführung bereitzustellen, die sowohl kosteneffizient als auch mit einer hohen funktionalen Sicherheit implementiert werden kann.
Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung zur automatisierten Querführung eines autonom oder halbautonom betreibbaren Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
Gemäß einem allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung betrifft die vorliegende Offenbarung eine Vorrichtung zur automatisierten Querführung eines autonom oder halbautonom betreibbaren Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug kann somit automatisiert einer vorgegebenen Soll-Fahrtrajektorie folgen, wobei die Vorrichtung zur Querführung hierzu automatisiert Lenkvorgaben erzeugt, um die Querposition des Kraftfahrzeugs gemäß der Vorgabe durch die Soll-Fahrtrajektorie zu regeln. Das Kraftfahrzeug kann ein Nutzfahrzeug, z. B. ein Lastkraftwagen oder Omnibus, sein. Die Vorrichtung zur Querführung wird nachfolgend auch kurz als Querregler bezeichnet.
Nachfolgend werden die Begriffe „Soll-Fahrttrajektorie“ und „Folge von Wegmarken“ verwendet. Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass es die Aufgabe der Regelung bei der automatisierten Quer- und Längsführung eines autonom oder halbautonom betreibbaren Kraftfahrzeugs ist, das Fahrzeug entlang einer im Rahmen einer Planung bestimmten Soll-Fahrtrajektorie automatisiert zu führen. Die Soll-Fahrtrajektorie enthält hierbei einen örtlichen Teil bzw. eine Ortskurve, der bzw. die den räumlichen Verlauf der Soll-Fahrzeugbewegung angibt, sowie Informationen bzw. Vorgaben, in welcher Zeit bzw. wie schnell die Ortskurve zu durchfahren ist. Letztere Vorgaben sind insbesondere für die Längsregelung, nicht jedoch für die Querreglung von hervorgehobener Bedeutung. Die Soll-Fahrttrajektorie kann beispielsweise als zeitlicher Verlauf des Fahrzeugs wie folgt angegeben werden: t → x(t), y(t). Hierbei geben die Parameter x und y die Fahrzeugkoordinaten in einem geeigneten Koordinatensystem an.
Die Soll-Fahrttrajektorie kann auch zusätzlich die Orientierung des Fahrzeugs und ggf. seiner Anhänger (bei einem Fahrzeuggespann) angeben, sodass die Soll-Fahrtrajektorie in diesem Fall als zeitliche Folge von Posen angesehen werden kann. Hierbei ist eine Pose für ein Gespann mit ggf. mehreren Anhängern gegeben durch (x(t), y(t), φ(t), λ_1 (t) ... λ_k(t). Die Winkel φ bzw. λ_i, i=1 bis k beschreiben die Orientierung von Fahrzeug und des i-ten Anhängers beispielsweise als jeweilige Winkel gegen die x-Achse eines fahrzeugfesten Koordinatensystems in der affinen Ebene. Es können aber auch äquivalent ineinander umrechenbare Beschreibungen der Pose verwendet werden (beispielsweise alternativ die Knickwinkel).
Die Soll-Fahrtrajektorie kann als zeitlich diskretisierte Soll-Fahrttrajektorie vorgegeben werden. Wenn die Soll-Fahrtrajektorie als der gesamte Zeitverlauf der Fahrzeugposen vom Planer betrachtet und insbesondere auch intern errechnet werden muss, kann es genügen, dem nachgelagerten Reglersystem die Pose in verschiedene Kodierungen, auch unter Weglassung einzelner Größen, zu übergeben, wenn sich die weggelassenen Größen beim Rangieren abhängig ergeben. In vielen für die Praxis wichtigen Fällen genügt es, x(t) und y(t) anzugeben, wenn das Fahrzeug nicht wie von einem Rallyefahrer mit Drift durch die Kurven getrieben werden kann bzw. soll.
Bei einer Entkoppelung der Regelung in einen Längs- und einen Querregler kann weiterhin der Locus der Kurve t → x(t), y(t), also die rein räumliche Gestalt, von der Durchfahrgeschwindigkeit getrennt angeben werden, ersteres etwa durch Angabe einer Folge von Soll-Wegmarken (nachfolgend kurz als Folgen von Wegmarken bezeichnet) und optional durch Angabe von Zusatzinformationen wie erlaubten Fehlertoleranzen und Fahrtrichtung.
Eine solche Folge von Wegmarken (engl. way points) entspricht daher der Ortskurve bzw. dem räumlichen Aspekt der Soll-Fahrttrajektorie. Die Folge von Wegmarken wird nachfolgend auch als Referenzpfad bezeichnet und ist vorzugsweise aus einer Soll-Fahrtrajektorie abgeleitet. Die in der Soll-Fahrtrajektorie enthaltenen Informationen über den zeitlichen Verlauf der Durchfahrgeschwindigkeit sowie Informationen über die Pose, falls vorhanden, werden bei der Folge von Wegmarken ignoriert. Die Folge von Wegmarken ist bevorzugt diskretisiert (diskretisierte Ortskurve), sodass eine Abfolge von räumlich beabstandeten Punkten den Referenzpfad bzw. die Folge von Wegmarken darstellt, die zum jeweilige Zeitpunkt den für das Fahrzeug vorgegeben Referenzpfad darstellen.
Lediglich beispielhaft kann die Folge von Wegmarken daraus entstehen, dass man den örtlichen Teil der Soll-Fahrttrajektorie in äquidistanten Zeitschritten in der Zukunft auswertet (z. B. alle 10 ms). In Sonderfällen, bei Geschwindigkeiten nahe null, kann es vorteilhaft sein, eine Folge von Wegmarken bzw. einen Referenzpfad vorzugeben, der anders entsteht, indem räumlich sinnvoll verteilte Wegmarken für die Sonderfälle gemäß vorbestimmter Kriterien vorgegeben werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur automatisierten Querführung (nachfolgend kurz als Vorrichtung bezeichnet) ist ausgebildet, eine in einem ersten Koordinatensystem beschriebene Folge von Wegmarken in ein fahrzeugfestes Koordinatensystem zu transformieren, wobei die Folge von Wegmarken in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem durch eine Approximationsfunktion interpoliert und approximiert ist.
Das fahrzeugfeste Koordinatensystem ist vorzugsweise ein rechtwinkliges affines Koordinatensystem. Der Ursprung des fahrzeugfesten Koordinatensystems befindet sich beispielsweise im Schwerpunkt des Fahrzeugs, mittig im Bereich der Frontschürze oder mittig an einer Achse des Fahrzeugs. Die x-Achse des fahrzeugfesten Koordinatensystems verläuft parallel zu der Längsachse des Fahrzeugs 1, die y-Achse parallel zu der Querachse des Fahrzeugs 1.
Die Soll-Fahrtrajektorie kann eine von einem zentralen Planungsmodul, das vorzugsweise nicht Teil des Querreglers ist, bereitgestellte Soll-Fahrtrajektorie für die automatisierte Längs- und Querführung des Kraftfahrzeugs sein, die die zu fahrende Trajektorie unter Einhaltung von Randbedingungen wie Kollisionsfreiheit mit anderen Fahrzeugen und Hindernissen im ersten Koordinatensystem angibt. Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass die Folge von Wegmarken vorzugsweise aus der Soll-Fahrtrajektorie abgeleitet ist. Die Folge von Wegmarken kann der Vorrichtung von einem zentralen Planungsmodul bereitgestellt werden. Alternativ kann die Vorrichtung ausgebildet sein, die Folge von Wegmarken selbst aus der Soll-Fahrtrajektorie abzuleiten, z. B. durch Auswertung der Soll-Fahrttrajektorie in äquidistanten Zeitschritten in der Zukunft.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Folge von Wegmarken durch ein Polynom, beispielsweise durch eine Taylor-Reihe, interpoliert und approximiert. Die nötige Approximation und Interpolation kann beispielsweise mit der Minimierung der quadratischen Abweichung (mean square error) erreicht werden. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante hiervon ist die Folge von Wegmarken durch ein kubisches Polynom interpoliert und approximiert, beispielsweise durch eine Taylor-Reihe dritter Ordnung. Es wird jedoch betont, dass auch Polynome anderer Ordnung, beispielsweise erster Ordnung, oder auch andere in der Approximationstheorie bekannte Approximationsverfahren zur Approximation der Folge von Wegmarken möglich sind. Entsprechend kann die Folge von Wegmarken auch durch eine andere Approximationsfunktion, z. B. durch Wavelets, Splines, mittels Fourier-Reihen oder Besselfunktionen interpoliert und approximiert sein.
Unter Koeffizienten (K) der Approximationsfunktion werden die Koeffizienten der Approximationsfunktion verstanden. Im Fallen eines kubischen Polynoms P(x) als Approximationsfunktion sind es die Koeffizienten a0 bis a3, d. h. das Absolutglied a0 sowie die Koeffizienten a1, a2 und a3, des linearen, quadratischen und kubischen Gliedes (P(x) = a0 + a1*x+a2*x^2+a3*x^3). Ziel ist eine Beschreibung mit möglichst wenigen Koeffizienten.
Die Vorrichtung umfasst ferner einen ersten Regler, nachfolgend als Primärregler bezeichnet, und mindestens einen zweiten Regler, nachfolgend als Sekundärregler bezeichnet, die jeweils ausgebildet sind, einen Querführungseingriff durch Ansteuerung mindestens eines Aktors des Kraftfahrzeugs durchzuführen und hierzu aus Koeffizienten (K) der Approximationsfunktion (P) ein Maß für eine Abweichung einer Querposition des Kraftfahrzeugs von der interpolierten und approximierten Folge von Wegmarken, d. h. einen Regelfehler der Querführung und/oder ein Maß für einen Reglereingriff abzuleiten. Hierbei können vorgegebene Toleranzintervalle berücksichtigt werden. Vorzugsweise leiten der Primärregler und der mindestens eine Sekundärregler jeweils unabhängig voneinander in Abhängigkeit von den Approximationskoeffizienten das Maß für die Abweichung der Querposition und den Reglereingriff ab.
Die Approximation der Folge von Wegmarken in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem ermöglicht eine kompakte Kodierung der Folge von Wegmarken und damit des Ortsanteils der Soll-Fahrtrajektorie, bei der aus den Koeffizienten der Approximationsfunktion direkt der Regelfehler für die Querregelung ablesbar ist bzw. abgelesen wird. Insbesondere ergibt sich der Regelfehler zu jedem Zeitpunkt unmittelbar aus den aktuellen Werten der Koeffizienten, ohne dass die jeweilige aktuelle Fahrzeugpose nochmals berücksichtigt werden muss. Die Fahrzeugpose wird beispielsweise in Form einer Fahrzeugposition, einer Varianz dieser Fahrzeugposition und eines Fahrzeugwinkels erfasst. Die Fahrzeugpose wird zwar zuvor bei der Transformation ins fahrzeugfeste Koordinatensystem einmalig benötigt, anschließend aber nicht mehr benötigt (was nachfolgend noch erläutert wird). Der Bestimmung des Regelfehlers anhand der Koeffizienten der Approximationsfunktion können lediglich vergleichsweise einfache Berechnungen vorgelagert sein, wie eine Koordinatentransformation ins fahrzeugfeste Koordinatensystem, was bekanntermaßen mathematisch einer Drehung und Verschiebung entspricht. Derartige einfach zu implementierende mathematische Operationen sind vorteilhaft für eine Implementierung mit hohen Sicherheitslevels, z. B. ISO 26262 ASIL C oder D.
Da sowohl der Primärregler als auch der mindestens eine Sekundärregler anhand der Koeffizienten der Approximationsfunktion den Regelfehler bestimmen und/oder ein Maß hierfür ableiten, wird ferner gleichzeitig eine vereinfachte und gleichzeitig robuste (zuverlässige) Implementierung von Mehr-Regler-Architekturen ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß ermöglicht, wie vorstehend ausgeführt wurde, indem die unterschiedlichen Querregler den Referenzpfad in einer approximierten Form verwenden, die gleichzeitig den Regelfehler der Querführung kodiert, nämlich in Form der Koeffizienten der Approximationsfunktion, dargestellt im fahrzeugfesten Koordinatensystem. Dadurch werden ferner das Testen und die Validierung der Querführungsfunktion vereinfacht. Ferner wird auch die zentrale oder dezentrale Orchestrierung (Koordinierung) der unterschiedlichen Querregler vereinfacht, d. h. wann welcher der Regler letztendlich für die aktuelle Querregelung verantwortlich ist. Entsprechend wird eine besonders vorteilhafte Funktionsweise und Architektur eines Querreglers ermöglicht.
Der Primärregler kann als Hauptregler implementiert sein, derart, dass die Vorrichtung ausgebildet ist, dass der mindestens eine Sekundärregler nur bei Ausfall oder nicht zufriedenstellender Querregelung des Primärreglers aktiv eingreift und den Primärregler ablöst, so dass der mindestens eine Sekundärregler nur in Ausnahmesituationen aktiv eingreift. Entsprechend kann der mindestens eine Sekundärregler als Überwachungsregler und/oder Fall-Back-Regler zum Primärregler implementiert sein. Der Primärregler kann zur Querführung für einen höheren Fahrkomfort oder für einen höheren Funktionsumfang im Vergleich zu dem mindestens einen Sekundärregler ausgelegt sein im Gegenzug kann der Sekundärregler als Subsystem mit einem niedrigeren ASIL umgesetzt sein.
Es wird betont, dass die hier beschriebenen Schritte und Berechnungen (Bestimmung der Folge von Wegmarken, deren Approximation und Interpolation, sowie des Regelfehlers und der Regeleingriffe etc.) ständig in vordefinierten Zeitintervallen, die üblicherweise im Bereich von Millisekunden liegen, wiederholt werden, um eine Querführung in Echtzeit bzw. Quasi-Echtzeit zu ermöglichen.
Vorstehend wurde festgestellt, dass die Folge von Wegmarken in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem durch eine Approximationsfunktion (A) approximiert, d. h. angenähert, ist. Hierbei ist es denkbar, dass die Folge von Wegmarken (der Referenzpfad) erst im ersten Koordinatensystem durch die Approximationsfunktion approximiert und interpoliert wird und anschließend die approximierte und interpolierte Folge von Wegmarken ins fahrzeugfeste Koordinatensystem transferiert wird (durch eine Koordinatentransformation) oder dass alternativ die Folge von Wegmarken erst jeweils durch eine Koordinatentransformation transferiert wird und anschließend durch die Approximationsfunktion approximiert und interpoliert wird. Das erste Koordinatensystem kann ein ortsfestes Koordinatensystem sein, z. B. ein kartesisches Koordinatensystem, oder womöglich auch ein krummliniges wie das Frenet-Koordinatensystem.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung ausgebildet, die in das fahrzeugfeste Koordinatensystem transformierte und in approximierter Form vorliegende Folge von Wegmarken dem Primärregler und dem mindestens einen Sekundärregler jeweils eingangsseitig bereitzustellen, vorzugsweise jeweils zyklisch eingangsseitig bereitzustellen, beispielsweise durch Bereitstellung jeweils aktueller Werte für die Approximationskoeffizienten (K). Es ist besonders vorteilhaft, wenn nur die Approximationskoeffizienten Oter bis n-ter Ordnung bereitgestellt werden, wobei weiter vorzugsweise n ≤ 3 ist. Besonders vorteilhaft ist ein Wert von n = 3, insbesondere bei einer Approximation durch ein kubisches Polynom, da hiermit eine ausreichend lokale Approximation bzw. Interpolation der Folge von Wegmarken der aktuellen Soll-Fahrtrajektorie, also des Referenzpfads, ermöglicht wird. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Kodierung sowohl des Referenzpfads und eine Berechnung des Regelfehlers der Querführung mit wenig Aufwand.
Die Vorrichtung zur Querführung kann hierzu ein Berechnungsmodul umfassen, das eingangsseitig die in dem ersten Koordinatensystem beschriebene Soll-Fahrtrajektorie oder den Referenzpfad (Folge von Wegmarken) empfängt, z. B. von einem zentralen Planungsmodul. Das Berechnungsmodul kann den Referenzpfad approximieren und interpolieren, die Transformation in das fahrzeugfeste Koordinatensystem berechnen und die resultierenden aktuellen Werte für den oder die Approximationskoeffizienten an den Primärregler und mindestens einen zweiten Sekundärregler ausgeben. Die Vorrichtung zur Querführung, vorzugsweise das Berechnungsmodul, kann ferner ausgebildet sein, die in das fahrzeugfeste Koordinatensystem transformierte und in approximierter Form vorliegende Folge von Wegmarken einem Überwachungsmodul der Vorrichtung eingangsseitig bereitzustellen, das ausgebildet ist, die Funktion des Primärreglers als auch des mindestens einen Sekundärreglers zu überwachen. Dies kann beispielsweise unter Berücksichtigung von Toleranzintervallen und sonstigen Kontextinformationen erfolgen, beispielsweise, dass sich das Fahrzeug in einer engen Baustellensituation befindet, oder unter Berücksichtigung der aktuellen Geschwindigkeit oder der Fahrtrichtung.
Gemäß der vorstehenden Ausführungsform bestimmt die Vorrichtung somit zentral die aktuellen Werte für die Approximationskoeffizienten, die, wie vorstehend ausgeführt wurde, gleichzeitig sowohl die den Referenzpfad (Folge von Wegmarken) im fahrzeugfesten Koordinatensystem als auch den Regelfehler der Querführung kodieren. Entsprechend ergeben sich Effizienzvorteile, vor allem im Licht der durch die ASIL verursachten Aufwände, die sonst mehrfach anfallen würden, da mehrfache Berechnungen, z. B. in den einzelnen Querreglern, vermieden werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass jeder Regler selbst aktuelle Werte für die Approximationskoeffizienten und/oder die Folge von Wegmarken in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem mittels Koordinatentransformation bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Primärregler und/oder der mindestens eine Sekundärregler ausgebildet, ein Maß für einen Regelfehler (R) der Querführung in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem ausschließlich anhand von Koeffizienten (K) der Approximationsfunktion zu bestimmen. Dies ermöglicht einerseits eine effiziente Bestimmung des Regelfehlers als auch eine vereinfachte Koordinierung mehrerer Querregler untereinander.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine erste Hardwarekomponente, z. B. ein erstes Steuergerät, in welcher(m) der Primärregler implementiert ist, und eine zweite Hardwarekomponente, z. B. ein zweites Steuergerät, in welcher(m) der mindestens eine Sekundärregler implementiert ist. Beispielsweise können die jeweiligen Regler auch auf unterschiedlichen Hardware-Chips implementiert sein. Entsprechend kann hier nicht nur softwareseitig, sondern auch hardwareseitig eine Redundanz und Absicherung bei der Querregelung realisiert werden. Eine unabhängige, sog. diversitäre Entwicklung, z. B. durch unabhängige Entwicklungsteams- oder -partner von Primärreglern und mindestens einem Sekundärregler, wird in besonders vorteilhafter Weise dadurch begünstigt, dass erfindungsgemäß die Folge von Wegmarken bzw. der Ortsanteil der Soll-Fahrtrajektorie, und auch der Regelfehler kompakt durch die gleiche Größe, nämlich die Koeffizienten der Approximationsfunktion, kodiert bzw. dargestellt sind und auf diese Weise eine mit hoher funktionaler Sicherheit berechenbare Ausgangsbasis bereitgestellt werden kann, d. h. eine Art kanonische Schnittstelle, für voneinander unabhängige Entwicklungsteams, Regler und zentral oder verteilt umgesetzte Überwachungs- und Umschaltfunktionen.
In einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine Sekundärregler einen ersten Sekundärregler, der ausgebildet ist, eine Lenkvorgabe zur Ansteuerung einer Lenkung des Kraftfahrzeugs zu bestimmen, um die Querposition des Kraftfahrzeugs gemäß der Vorgabe durch den Referenzpfad zu regeln. Dieser erste Sekundärregler kann somit bei Ausfall des Primärreglers oder falls dieser Regelvorgaben nicht einhält, als Ersatz für diesen dienen, somit als Fallback-Regler einspringen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Sekundärregler einen zweiten Sekundärregler, der ausgebildet ist, zur Durchführung einer Fahrstabilisierung eine Lenkvorgabe zur Ansteuerung einer Lenkung und/oder eine Bremsvorgabe zur Durchführung eines Bremseingriffs zu bestimmen. Der Sekundärregler dient somit primär nicht zur Einregelung von lateralen Abweichungen im Hinblick auf den Referenzpfad, sondern vielmehr zur Fahrstabilisierung, beispielsweise zur Implementierung einer ESP-Funktion.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Sekundärregler einen dritten Sekundärregler, der ausgebildet ist, eine Bremsvorgabe zur Durchführung eines Bremseingriffs, vorzugsweise asymmetrischen Bremseingriffs, zu bestimmen, um die Querposition des Kraftfahrzeugs mittels des asymmetrischen Bremseingriffes gemäß der Vorgabe durch den Referenzpfad zu regeln.
Im Unterschied zum Primärregler und zum ersten Sekundärregler, die jeweils eine Lenkvorgabe zur Ansteuerung einer Lenkung des Kraftfahrzeugs bestimmen, um die Querposition des Kraftfahrzeugs gemäß der Vorgabe durch den Referenzpfad zu regeln, ist der dritte Sekundärregler in der Lage, über entsprechende asymmetrische Bremseingriffe die Querführung zu unterstützen, was besonders bei Nutzfahrzeugen eine vorteilhafte Querführung ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung ausgebildet, bei Erfüllung einer vorbestimmen Umschaltbedingung zwischen dem Primärregler und einem oder mehreren Sekundärreglern des mindestens einen Sekundärreglers zur automatisierten Querführung umzuschalten. Mittels der Umschaltbedingung kann somit koordiniert oder festgelegt werden, welcher der Regler aktuell für die Querführung verantwortlich ist. Hier können vorgegebene dynamische wie statische Toleranzschwellen berücksichtigt werden sowie ggf. Kontextinformationen wie „räumlich beengte Baustelle“, Fahrgeschwindigkeit und Richtung.
Hierzu kann die Vorrichtung ein Überwachungsmodul, z. B. ein Modul zur Lenkvorgabenüberwachung (Arbiter), umfassen, das diese Funktion ausbildet und die Erfüllung der Umschaltbedingung überwacht. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann das Überwachungsmodul eingangsseitig ebenfalls die Approximationskoeffizienten und damit die Informationen zur Folge von Wegmarken im fahrzeugfesten Koordinatensystem und den Regelfehlerempfangen, um diese Daten zur Überwachung der Umschaltbedingung zu verwenden. Das Überwachungsmodul kann ferner Toleranzwerte für die Querregelung erhalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst die Vorrichtung ein Modul zur Lenkvorgabenverwaltung (sog. Arbiter), das eingangsseitig Lenkvorgaben des Primärreglers und des mindestens einen Sekundärregler empfängt und in Abhängigkeit von der Umschaltbedingung wahlweise die Lenkvorgabe des Primärreglers oder die des mindestens einen Sekundärreglers zur Ansteuerung der Lenkung ausgibt. Durch eine derartige zentrale Lenkvorgabenverwaltung kann besonders zuverlässig sichergestellt werden, dass nur die Lenkvorgabe jeweils eines der Reglers zur Ansteuerung der Lenkung verwendet wird und/oder keine widersprüchlichen Lenkvorgaben weitergegeben werden. Das Modul zur Lenkvorgabenverwaltung kann hierzu eingangsseitig ferner ebenfalls die Approximationskoeffizienten und damit die Informationen zur Folge von Wegmarken im fahrzeugfesten Koordinatensystem und den Regelfehler empfangen, um diese Daten zur Überwachung der Umschaltbedingung zu verwenden. Das Modul zur Lenkvorgabenverwaltung kann ferner Toleranzwerte für die Querregelung erhalten.
Alternativ ist es jedoch möglich, dass die Erfüllung der vorbestimmten Umschaltbedingung dezentral sowohl in dem Primärregler als auch in dem mindestens einen Sekundärregler implementiert ist. Entsprechend können sowohl der Primärregler als auch der mindestens eine Sekundärregler ausgebildet sein, die Umschaltbedingung zu überwachen und ihre Lenkvorgabe nur dann auszugeben, wenn die Umschaltbedingung erfüllt ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung ausgebildet sein, einen von der automatisierten Querführung einzuhaltenden Sicherheitskorridor in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem zu bestimmen, der durch Schwellenwerte für die Approximationskoeffizienten oder zumindest für einen Teil der Approximationskoeffizienten festgelegt ist. Vorzugsweise werden nur Schwellenwerte die Koeffizienten Oter bis n-ter-Ordnung festgelegt, wobei n ≤ 4 ist. Beispielsweise ist ein Wert für n = 1 oder 2 besonders vorteilhaft, da die Berechnungen mit wenig Aufwand durchgeführt werden können und dennoch eine hohe Regelqualität erreicht wird. Der Sicherheitskorridor gibt eine tolerierbare Abweichung von der Folge von Wegmarken an, da diese in der Praxis nie perfekt eingehalten werden kann. Die Schwellenwerte können wie vorstehend erwähnt von Kontextinformationen wie der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig gemacht werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Approximationsfunktion als Polynom, beispielsweise als Taylor-Reihe dritter Ordnung, kann der Sicherheitskorridor beispielsweise durch Schwellenwerte für das Absolutglied und den Polynomkoeffizienten des linearen Glieds des Polynoms festgelegt sein.
In einer Ausführungsvariante kann die Vorrichtung ausgebildet sein, den Sicherheitskorridor festlegende Informationen dem Primärregler und dem mindestens einen Sekundärregler eingangsseitig bereitzustellen, beispielsweise durch Bereitstellen eines Zahlenwerts, der die Breite des Sicherheitskorridors angibt. Diese Informationen können beispielsweise von dem Approximationsmodul berechnet werden.
Im fahrzeugfesten Koordinatensystem zeigen diese Koeffizienten direkt den Regelfehler an. Sind beispielsweise das Absolutglied und der Koeffizient des linearen Glieds null oder weisen Werte hinreichend nahe null auf, kann gefolgert werden, dass das Fahrzeug die Soll-Querposition aufweist. Weisen die ersten beiden Koeffizienten Werte größer null auf, liegt ein Querregelfehler vor.
In einer weiteren Ausführungsform kann die vorbestimmte Umschaltbedingung erfüllt sein, falls der einzuhaltende Sicherheitskorridor länger als eine vorbestimmte Zeit nicht eingehalten wird. Die vorbestimmte Zeit kann als Toleranzzeit zweckmäßig so festgelegt sein, dass einerseits kurzzeitige, nicht sicherheitskritische Regelabweichungen toleriert werden, um ein zu schnelles Hin- und Herschalten zwischen Regler zu vermeiden, und andererseits zu große Regelabweichung vermieden werden.
In einer möglichen Ausführungsvariante hierzu kann ein Zähler verwendet werden, der heruntergezählt wird, sobald die Ist-Querposition des Kraftfahrzeugs den Sicherheitskorridor verlässt, was unmittelbar aus den Koeffizienten der Approximationsfunktion bestimmt werden kann, wie vorstehend erläutert wurde. Die Umschaltbedingung wäre in diesem Beispiel erfüllt, sobald der Zähler vollständig heruntergezählt hat und die Ist-Querposition des Kraftfahrzeugs immer noch außerhalb des Sicherheitskorridor ist. In diesem Fall schaltet die Vorrichtung z. B. vom Primärregler auf den mindestens einen Sekundärregler um.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung ausgebildet, die Querführung des Kraftfahrzeugs getrennt von einer Längsführung des Kraftfahrzeugs zu regeln. Anders ausgedrückt sind Längs- und Querregler entkoppelt, was insbesondere bei Nutzfahrzeugen und Fahrten mit gleichmäßigen, nicht zu niedrigen oder gar negativen Geschwindigkeiten eine vorteilhafte Regelung ermöglicht, insbesondere da im vorliegenden Ansatz die Approximationskoeffizienten der Folge von Wegmarken im fahrzeugfesten Koordinatensystem direkt den Querregelfehler angeben.
Die Soll-Fahrtrajektorie (aus welcher dann der Referenzpfad errechnet wird) des Fahrzeugs kann als zeitliche Sequenz von Fahrzeugposen angegeben sein, z. B. kann in Schritten von 10 ms oder 20 ms der zeitliche Verlauf der Fahrzeugpose (u. a. Fahrzeugposition und Fahrzeugwinkel) beschrieben werden, deren Verlauf dann durch die Approximationsfunktion approximiert und auch interpoliert wird. Die Folge von Wegmarken (Referenzpfad) kann als Folge räumlich äquidistanter Wegmarken angegeben sein.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug, mit einer Vorrichtung zur automatisierten Querführung, wie sie in diesem Dokument beschrieben ist. Ein Nutzfahrzeug ist ein Fahrzeug, das durch seine Bauart und Einrichtung zur Beförderung von Personen, zum Transport von Gütern oder zum Ziehen von Anhängerfahrzeugen ausgelegt ist. So kann das Fahrzeug z. B. ein Lastkraftwagen, ein Sattelzug und/oder ein Omnibus sein.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 schematisch ein Architektur- bzw. Blockschaltbild zur Illustration einer Vorrichtung zur automatisierten Querführung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
2 eine Illustration der Soll-Fahrtrajektorie, des Referenzpfads und deren Transformation und Approximation in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem.

Gleiche oder äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und zum Teil nicht gesondert beschrieben.
1 zeigt schematisch ein Architektur- bzw. Blockschaltbild zur Illustration einer Vorrichtung 10 zur automatisierten Querführung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Mit den Bezugszeichen 20 - 32 ist schematisch die Ausgabe von Daten und/oder Regelinformationen gekennzeichnet bzw. eine Übermittlung von Informationen und Daten zwischen den einzelnen in 1 gezeigten Modulen. Der Datenaustausch kann über Kommunikations- bzw. Signalverbindungen und/oder rein auf Softwareebene zwischen einzelnen Programmmodulen der Vorrichtung erfolgen.
Die Vorrichtung 10 zur automatisierten Querführung wird nachfolgend auch kurz als Querregler 10 bezeichnet. Bei dem beschriebenen Ansatz ist die Querregelung entkoppelt von der Längsregelung, die von einem separaten Längsregler 40 durchgeführt wird. Die Entkopplung von Längsregelung und Querregelung ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und insbesondere bei mit geringer Dynamik fahrenden Nutzfahrzeugen vorteilhaft. Der Längsregler 40 kann in an sich bekannter Weise ausgeführt sein und zur Längsregelung Bremsvorgaben 31 und Beschleunigungsvorgaben 32 ausgeben.
Dem Querregler 10 und Längsregler 40 vorgeschaltet ist ein zentrales Planungsmodul 5, das eine Soll-Fahrtrajektorie plant und ausgibt. Das Planungsmodul 5 gibt zyklisch (z. B alle 100 ms) eine Solltrajektorie vor (zeitliche Folge von Posen), aus der jeweils leicht eine zeitliche Folge von Wegmarken extrahiert werden kann. Die Soll-Fahrtrajektorie stellt die zu fahrenden Trajektorie unter Einhaltung von Randbedingungen wie Kollisionsfreiheit mit anderen Fahrzeugen und Hindernissen dar. Die Posen werden beschrieben in einem vorzugsweise ortsfesten Koordinatensystem, beispielsweise dem Odometrie-Koordinatensystem. Zusätzlich können jeweils an allen Posen bzw. den davon abgeleiteten Wegmarken Toleranzintervalle vorgegeben werden.
Dem Querregler 10 und Längsregler 40 vorgeschaltet ist ferner ein Positionsermittlungsmodul (auch als Lokalisierungsmodul bezeichnet) 6, das die aktuelle Fahrzeugpose (Ist-Pose) zyklisch ermittelt und ausgibt, z. B. alle 10 ms, ebenfalls ggf. mit Toleranzintervallen, und vorzugsweise gemessen im selben Koordinatensystem, in dem die Soll-Posen vorgegeben werden. Die Fahrzeugpose wird in Form einer Fahrzeugposition, einer Varianz dieser Fahrzeugposition und eines Fahrzeugwinkels erfasst. Die Fahrzeugpose kann beispielsweise von einer entsprechend hierfür ausgebildeten Sensorik erfasst und bereitgestellt werden. Das Positionsermittlungsmodul kann hierzu ferner auf Kartendaten, GPS-Daten und andere Fahrzeuginformationen zugreifen. Bei einem Zugfahrzeug kann die aktuelle Fahrzeugposition ferner den oder die aktuellen Anhängerwinkel zum Zugfahrzeug umfassen.
Die vom zentralen Planungsmodul 5 ausgegeben Daten 20 zur Soll-Fahrtrajektorie geben diese in einem ortfesten bzw. weltfesten Koordinatensystem (Weltkoordinatensystem) aus, z. B. in kartesischen Daten. Dieses Koordinatensystem 3 hat die Koordinaten x_Welt und y_Welt (in 2 nur mit x, y bezeichnet). Auch die vom Positionsermittlungsmodul 6 ausgegebenen Daten 21 zur aktuellen Fahrzeugposition wird in dem ortsfesten Koordinatensystem ausgegeben.
Die Daten 20, 21 zur Soll-Fahrtrajektorie und aktuellen Fahrzeugposition werden an den Querregler 10 und den Längsregler 40 übermittelt.
Im oberen Abschnitt A der 2 ist eine Soll-Fahrtrajektorie 7 beispielhaft dargestellt. Die Soll-Fahrtrajektorie stellt einen zu folgenden Referenzpfad dar, der z. B. eine zeitliche Sequenz von Fahrzeugposen im Weltkoordinatensystem 3 und deren zeitlichen Verlauf (von t = -2*dt bis + 8*dt) angibt. Die Zeiteinheit dt, mit der die einzelnen Fahrzeugposen vorgegeben werden, kann lediglich beispielhaft 10 ms oder 20 ms sein. Wie vorstehend erwähnt, kann das zentrale Planungsmodul 5 die Soll-Fahrtrajektorie 7 z. B. alle 100 ms oder 500 ms aktualisieren.
Die Daten 20, 21 zur Soll-Fahrtrajektorie und aktuellen Fahrzeugposition bzw. -pose, die eingangsseitig dem Querregler 10 bereitgestellt werden, werden dort zunächst von einem Approximationsmodul 11 verarbeitet. Das Approximationsmodul 11 leitet aus der Soll-Fahrtrajektorie 7 eine Folge von Wegmarken 2 ab. Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass eine solche Folgen von Wegmarken (engl. way points) 2 daher der Ortskurve bzw. dem räumlichen Aspekt der Soll-Fahrttrajektorie 7 entspricht. Die in der Soll-Fahrtrajektorie 7 enthaltenen Informationen über den zeitlichen Verlauf der Durchfahrgeschwindigkeit sowie Informationen über die Pose, falls vorhanden, werden bei der Folge von Wegmarken 2 ignoriert. Die Folge von Wegmarken 2 ist diskretisiert (diskretisierte Ortskurve), so dass eine Abfolge von räumlich beabstandeten Punkte den Referenzpfad bzw. die Folge von Wegmarken darstellt, die zum jeweilige Zeitpunkt den für das Fahrzeug vorgegeben Referenzpfad darstellen.
In den Abschnitten A bis D der 2 illustrieren die einzelnen Kreispunkte die Abfolge von Wegmarken 2, d. h. den Referenzpfad. Durch Weglassen der Zeitinformationen, d. h., wann welcher Punkt erreicht werden soll, wie noch in Abschnitt A dargestellt ist, oder durch Weglassen des zeitlichen Verlaufs der Durchfahrgeschwindigkeit und durch Weglassen der Information zur Orientierung des Fahrzeugs in dem jeweiligen Punkt, ergibt sich aus der Soll-Fahrtrajektorie 7 die Abfolge von Wegmarken 2.
Lediglich beispielhaft kann die Folge von Wegmarken 2 daraus entstehen, dass man den örtlichen Teil der Soll-Fahrttrajektorie in äquidistanten Zeitschritten in der Zukunft auswertet (z. B. alle 10 ms). In Sonderfällen, bei Geschwindigkeiten nahe null, kann es vorteilhaft sein, eine Folge von Wegmarken 2 bzw. einen Referenzpfad vorzugeben, der anders entsteht, indem räumlich sinnvoll verteilte Wegmarken für die Sonderfälle gemäß vorbestimmter Kriterien vorgegeben werden.
Das Approximationsmodul 11 transformiert die Folge von Wegmarken 2 in ein fahrzeugfestes Koordinatensystem 4 mit den Koordinaten x_Fzg und y_Fzg mittels einer Koordinatentransformation. Mathematisch bedeutet diese eine Drehung und Verschiebung der Koordinaten. Mit anderen Worten wird die aktuelle Folge von Wegmarken in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem 4 mit den Koordinaten x_Fzg und y_Fzg mittels einer Koordinatentransformation beschrieben. Die x-Achse des fahrzeugfesten Koordinatensystems verläuft parallel zu der Längsachse des Fahrzeugs 1, die y-Achse parallel zu der Querachse des Fahrzeugs 1. Dies ist in Abschnitt B der 2 dargestellt.
Der Nullpunkt dieses fahrzeugfesten Koordinatensystems 4 kann beispielsweise in dem Schwerpunkt des Fahrzeugs 1, auf dem Mittelpunkt einer Vorder- oder Hinter-Achse oder vorne mittig am Fahrzeug liegen. Die letzte Variante ist in 2, Abschnitte B - D dargestellt. Die aktuelle Fahrzeugpose, d. h. dessen aktuelle Position und Orientierung/Ausrichtung, wird nur einmalig für die Koordinatentransformation benötigt, nachfolgend aber nicht mehr für die Bestimmung des Regelfehlers oder allgemein die darauffolgenden Elemente der Querregelung, was ein Vorteil gegenüber anderen Regelansätzen ist.
Anschließend führt das Approximationsmodul 11 eine Interpolation und Approximation aus, wobei die in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem vorliegende diskrete Folge von Wegmarken 2 durch eine Approximationsfunktion interpoliert und approximiert wird. Die Folge von Wegmarken wird somit durch ein Polynom interpoliert und approximiert. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Approximation der Folge von Wegmarken y(x) durch eine Polynomfunktion dritter Ordnung (kubische Polynom P(x) = a0 + a1*x+a2*x^2+a3*x^3), nämlich durch eine Taylor-Reihe dritter Ordnung. Mit anderen Worten werden vorliegende Informationen zum Referenzpfad in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem und in Polynomdarstellung beschrieben. Die durchgezogene schwarze Kurve 2' in Abschnitt C und D der 2 illustriert jeweils die approximierte und interpolierte Folge von Wegmarken 2' im fahrzeugfesten Koordinatensystem 4.
Hierbei berechnet das Approximationsmodul 11 die vier Approximationskoeffizienten K: a0, a1, a2 und a3. Das Absolutglied a0 ist in 2 mit dy bezeichnet und gibt direkt die Abweichung der aktuellen Querposition, d. h. die Abweichung in Y-Richtung, des Fahrzeugs 1 von der Soll-Y-Position gemäß der interpolierten und approximierten Folge von Wegmarken 2' an (im fahrzeugfesten Koordinatensystem). Der Koeffizient a0 = dy zeigt somit zugleich ein Maß für den Querregelfehler an. Entsprechendes gilt für den Koeffizienten des Linearglieds a1, der in 2 mit alpha bezeichnet ist und die Abweichung zur Soll-Tangente an die interpolierte und approximierte Folge von Wegmarken 2' angibt, was in 2, Abschnitt D illustriert ist.
Sind die aktuellen Werte für dy und alpha jeweils null oder hinreichend nahe an null, dann folgt hieraus, dass das Fahrzeug 1 sich wie gewünscht entlang der Folge von Wegmarken aus Querführungsgesichtspunkten bewegt, d. h., der Regelfehler ist im Prinzip null. Anderseits geben Abweichungen von dy und alpha von Null direkt ein Maß für den Regelfehler an: Je höher diese Werte sind, desto höher ist der Regelfehler. Wie auch 2, Abschnitt 2 ersichtlich ist, kann der Regelfehler direkt aus den Werten für die Koeffizienten, z. B. dy und alpha, abgelesen werden. Komplizierte Berechnungen, z. B. unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrzeugpose, sind zur Bestimmung des Regelfehlers nicht notwendig.
Für eine höhere Genauigkeit sowie zur Vorsteuerung im Regler, können optional auch noch die Koeffizienten a2 und a3 des quadratischen und kubischen Gliedes zur Bestimmung des Regelfehlers herangezogen werden, die in 2 mit kappa (Koeffizient a2) und kappa' (Koeffizient a3) bezeichnet werden.
Die Koeffizienten a0 bis a3 approximieren somit nicht durch die Folge von Wegmarken, sondern dienen gleichzeitig als Maß für den Querregelfehler. So kann beispielhaft durch die jeweils aktuelle Berechnung der vier Koeffizientenwerte a0 bis a3 eine besonders kompakte Kodierung (Darstellung) der Informationen zur Folge von Wegmarken als auch zum Regelfehler realisiert werden. Zudem muss der Regelfehler nicht noch durch weitere Operationen berechnet werden, sondern kann quasi direkt aus den Werten der Approximationskoeffizienten K abgelesen werden.
Sonderfälle, d. h. besondere Fahrsituationen des Fahrzeugs, z. B. der Fahrzeugstillstand oder die Rückwärtsfahrt, sind zweckmäßigerweise durch eigens hierfür angepasste Näherungskonzepte für die Folge von Wegmarken zu behandeln.
Das Approximationsmodul 11 stellt die so ermittelten Approximationskoeffizienten a0 bis a3 sowohl einem Primärregler 12, Sekundärreglern 14, einem Modul zur Lenküberwachung 18 als auch einem Modul zur Lenkvorgabenverwaltung 17 (sog. Arbiter) (letzteres ist in 2 nicht dargestellt) eingangsseitig zur Verfügung. Das Approximationsmodul 11 kann optional ferner einen Wert für die Breite des Sicherheitskorridors ermitteln, der von der Querregelung einzuhalten ist. Im fahrzeugfesten Koordinatensystem kann diese z. B. durch einen numerischen Wert in Y-Richtung angegeben werden, der die Bereite des Sicherheitskorridors, entsprechend einem Schlauch bzw. Band um den Referenzpfad bzw. die Soll-Fahrtrajektorie, angibt.
Der Primärregler 12 und die Sekundärregler 14 sind jeweils ausgebildet, einen Querführungseingriff durch Ansteuerung mindestens eines Aktors 50, 60 des Kraftfahrzeugs durchzuführen und hierzu aus empfangenen Koeffizienten K der Approximationsfunktion ein Maß für eine Abweichung einer Querposition des Kraftfahrzeugs von Folge von Wegmarken bzw. der Soll-Fahrtrajektorie und/oder für einen Reglereingriff abzuleiten.
Der Primärregler 12 ist vorliegend der Hauptregler zur Querführung und erzeugt eine Lenkvorgabe 23 zur Ansteuerung der Lenkung 50, z. B. einer elektronischen Lenksteuerung, des Fahrzeugs, um die Querposition des Kraftfahrzeugs 1 gemäß der Vorgabe durch die interpolierte und approximierte Folge von Wegmarken 2' zu regeln.
Die Sekundärregler 14 umfassen hier lediglich beispielhaft drei Sekundärregler. Der erste Sekundärregler 14a ist ausgebildet, wie der Primärregler 12, ebenfalls eine Lenkvorgabe 24 zur Ansteuerung der Lenkung 50 des Kraftfahrzeugs 1 zu bestimmen, um die Querposition des Kraftfahrzeugs 1 gemäß der Vorgabe durch die die interpolierte und approximierte Folge von Wegmarken 2' zu regeln.
Der zweite Sekundärregler 14b ist ausgebildet, zur Durchführung einer Fahrstabilisierung eine Lenkvorgabe 25 zur Ansteuerung einer Lenkung 50 zu bestimmen. Optional kann dieser auch noch eine Bremsvorgabe zur Durchführung eines Bremseingriffs bestimmen (in 2 nicht dargestellt). Der zweite Sekundärregler dient somit primär nicht dazu, die Querposition des Kraftfahrzeugs 1 gemäß der Vorgabe durch Folge von Wegmarken 2, 2' zu regeln, sondern die Fahrstabilität sicherzustellen, entsprechend einer ESP-Funktion. Der zweite Sekundärregler 14b kann somit eine an sich bekannte ESP-Funktion bereitstellen und hierzu weitere Fahrzeugzustandsdaten, z. B. zum Radschlupf etc., eingangsseitig erhalten.
Der dritten Sekundärregler 14c ist ausgebildet ist, eine Bremsvorgabe 27 zur Durchführung eines asymmetrischen Bremseingriffs zu bestimmen, um die Querposition des Kraftfahrzeugs mittels des asymmetrischen Bremseingriffes gemäß der Vorgabe durch die Folge von Wegmarken zu regeln. Der dritte Sekundärregler 14c steuert somit nicht die Lenkung 50, sondern die Bremsen 60 an.
Da sowohl der erste als auch der zweite Sekundärregler 14a, 14b eine Lenkvorgabe erzeugen, ist vorliegend ein Lenkentscheidungsmodul 15 vorgesehen, das anhand vorbestimmter Kriterien angibt, welche Lenkvorgabe 26 letztendlich weitergegeben wird. Beispielsweise kann bei Erkennen einer aus Fahrstabilitätsgesichtspunkten sicherheitskritischen Situation der zweite Sekundärregler 14b über den ersten Sekundärregler 14a priorisiert werden.
Der mindestens eine Sekundärregler 14 dient als Backup oder Absicherung für den Primärregler, um z. B. bei Ausfall oder nicht zufriedenstellender Querregelung des Primärreglers aktiv einzugreifen. Dabei wird der Primärregler 12 durch einen oder mehrere der Sekundärregler 14 in bestimmten Fahrsituationen ersetzt. Der mindestens eine Sekundärregler 14 soll somit idealerweise nur in Ausnahmesituationen aktiv eingreifen. Entsprechend kann der mindestens eine Sekundärregler 14 als Überwachungsregler und/oder Fall-Back-Regler zum Primärregler 12 implementiert sein. Der Primärregler kann zur Querführung für einen höheren Fahrkomfort oder für einen höheren Funktionsumfang im Vergleich zu dem mindestens einen Sekundärregler 14 ausgelegt sein.
Die Lenkvorgabe 26 des Primärreglers 12 als auch des mindestens einen Sekundärreglers 14 wird einem Modul zur Lenkvorgabenverwaltung 17 (auch als Arbiter bezeichnet) zugeführt. Das Modul zur Lenkvorgabenverwaltung 17 ist ausgebildet, bei Erfüllung einer vorbestimmen Umschaltbedingung zwischen dem Primärregler 12 und einem oder mehreren Sekundärreglern des mindestens einen Sekundärreglers 14 zur automatisierten Querführung umzuschalten. Umzuschalten bedeutet hier, dass wahlweise nur die Lenkvorgabe 23 des Primärreglers 12 oder nur die Lenkvorgabe 26 des Sekundärreglers 14 als Lenkvorgabe 28 ausgegeben wird. Mittels der Umschaltbedingung kann somit koordiniert oder festgelegt werden, welcher der Regler aktuell für die Querführung verantwortlich ist.
Das Modul zur Lenkvorgabenverwaltung 17 prüft somit, ob die Umschaltbedingung vorliegt. Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass das Approximationsmodul 11 auch eine Breite eines Sicherheitskorridors bestimmt und ausgeben kann, der z. B. durch Schwellenwerte für die Approximationskoeffizienten oder zumindest für einen Teil der Approximationskoeffizienten festgelegt ist. Gemäß der hier beschriebenen Ausführungsvariante der Approximationsfunktion als Polynom, beispielsweise als Taylor-Reihe dritter Ordnung, kann der Sicherheitskorridor beispielsweise durch Schwellenwerte für das Absolutglied oder optional zusätzlich den Polynomkoeffizienten des linearen Glieds des Polynoms festgelegt sein.
Das Modul zur Lenkvorgabenverwaltung 17 kann bei Nicht-Einhalten des Sicherheitskorridors, z. B. wenn der aktuelle Wert des Absolutglieds größer als der hierfür festgelegte Schwellenwert (Breite) ist, einen Zähler starten, und wenn dieser eine vorbestimmte Toleranzzeit heruntergezählt hat und die Ist-Querposition des Kraftfahrzeugs immer noch außerhalb des Sicherheitskorridor ist, die Umschaltbedingung als erfüllt ansehen. In diesem Fall schaltet die Vorrichtung z. B. vom Primärregler auf den mindestens einen Sekundärregler um, d. h., es wird die Lenkvorgabe 26 anstatt 23 als Lenkvorgabe 28 des Moduls zur Lenkvorgabenverwaltung 17 ausgegeben.
Die Lenkvorgabe 28 wird anschließend einem optionalen übergeordneten Überwachungsmodul 18 zugeführt, das eingangsseitig nicht nur die Lenkvorgabe 28 des Moduls zur Lenkvorgabenverwaltung 17, sondern auch direkt die Lenkvorgabe 23 des Primärreglers und des Lenkentscheidungsmoduls 15 der Sekundärregler 14 erhält, sowie die Approximationskoeffizienten. Auf diese Weise kann das übergeordnete Überwachungsmodul 18 zusätzliche Koordinierungsaufgaben zur Abstimmung der Regler 12, 14 untereinander übernehmen und/oder alternativ oder zusätzlich als Absicherung des Moduls zur Lenkvorgabenverwaltung 17 oder zur Überwachung der Umschaltbedingung dienen.
Das übergeordnete Überwachungsmodul 18 erzeugt dann eine Lenkvorgabe zur Ansteuerung der Lenkung 50.
Alternativ ist es jedoch möglich, dass die Erfüllung der vorbestimmten Umschaltbedingung dezentral sowohl in dem Primärregler 12 als auch in dem mindestens einen Sekundärregler 14 implementiert ist. Entsprechend können sowohl der Primärregler 12 als auch der mindestens eine Sekundärregler 14 ausgebildet sein, die Umschaltbedingung zu überwachen und ihre Lenkvorgabe nur dann auszugeben, wenn die Umschaltbedingung erfüllt ist.
Unabhängig davon, ob die Überwachung und damit die Koordinierung vom Primärregler 12 vs. Sekundärregler 14 zentral oder dezentral implementiert ist, ist die Koordination durch den erfindungsgemäßen Ansatz besonders vereinfacht. Der Grund liegt wieder darin, dass die Approximation der Folge von Wegmarken im fahrzeugfesten Koordinatensystem gleichzeitig den Regelfehler kodiert. Daher kann die Einhaltung eines Sicherheitskorridors für die Querregelung vereinfacht durch simplen Vergleich der aktuellen Werte für die Approximationskoeffizienten mit den hierfür vorgegebenen Schwellenwerten, die die Größe des Sicherheitskorridors angeben, erfolgen. Dies ist programmtechnisch durch einfach zu implementierende, wenig fehleranfällige Überwachungsroutinen implementierbar, da nur wenige elementare mathematische Operationen hierfür programmiert werden müssen. Entsprechend kann hierfür die Implementierung mit einer hohen funktionalen Sicherheit kosteneffizient realisiert werden.
Wie die einzelnen Regler 12, 14a - 14c aus den ermittelten Informationen 22 zur Folge von Wegmarken und dem darin inhärent enthaltenen Regelfehler die Lenkvorgabe bzw. Bremsvorgaben 23, 23, 25 und 27 bestimmen, ist nicht Gegenstand dieser Erfindung und daher nicht näher beschrieben. Hierzu sind jedoch grundsätzlich die im Stand der Technik bekannten Ansätze und Algorithmen, wie der Stanley-Algorithmus, der Pure Pursuit-Algorithmus oder andere hierfür bekannte Regeltechniken, implementierbar. Besondere Betriebssituationen, wie Fahrzeugstillstand oder Rückwärtsfahrt, können mit entsprechend angepassten Regelansätzen behandelt werden. Bei Rückwärtsfahrt können z. B. sog. flachheitsbasierte Ansätze zur Invertierung der durch das Gespann aus Zugfahrzeug und ggf. mehreren Anhängern gebildeten kinematischen Kette zum Einsatz kommen. So kann es im Fall des Rückwärtsrangierens bei einem Fahrzeuggespann günstig sein, die Rolle von Zugfahrzeug und (letztangehängtem) Trailer zu vertauschen, was dem Regler etwa durch ein Flag mitgeteilt werden kann. Die Regelung erfolgt dann über die Umkehrung der durch das Gespann dargestellten kinematischen Kette etwa durch eine sog. flachheitsbasierte Steuerung bzw. Regelung.
Es ist im vorliegenden Ansatz vielmehr gewollt bzw. beabsichtigt, dass die einzelnen Regler 12, 14a - 14c von unterschiedlichen Entwicklungsteams oder -firmen quasi als Black-Box-Regler entwickelt werden, wobei jedoch sichergestellt wird, dass jeweils eingangsseitig auf die gleiche Folge von Wegmarken und, darin enthalten, den gleichen Regelfehler aufgesetzt wird. Durch die Delegation an andere Firmen wird die für hohe ASIL geforderte sog. diversitäre Entwicklung durch voneinander isolierte Entwicklerteams quasi ohne teure Zusatzaufwände erreicht.
Die Sekundärregler 14 sind vorliegend auf einem vom Primärregler 12 getrennten Steuergerät implementiert, d. h. auch auf einer getrennten Hardware, z. B. einem Chip.
Vorliegend ist möglich, dass das Approximationsmodul 11 und der Primärregler zumindest auf einem gemeinsamen Steuergerät 13 oder einer gemeinsamen Hardware implementiert sind.
Alternativ ist auch denkbar, dass beispielsweise die Module 11, 12, 17 und 18 des Querreglers 10 hardwareseitig auf einer gemeinsamen Hardware implementiert sind und die Komponenten 14, 15 des Sekundärreglers auf einer eigenen Hardware implementiert sind.
Unter Module können wir Funktionsgruppen verstanden werden, die programmtechnisch mittels einer Software implementiert sind. Die in 1 gezeigten Module 10 sind in der Regel als Regelsoftware implementiert.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug, z. B. Lastkraftwagen
2: Folge von Wegmarken
2': Folge von Wegmarken (interpoliert und approximiert)
3: Erstes Koordinatensystem
4: Fahrzeugfestes Koordinatensystem
5: Planungsmodul
6: Positionsermittlungsmodul
7: Soll-Fahrtrajektorie
10: Vorrichtung zur automatisierten Querführung
11: Approximationsmodul
12: Primärregler
13: Erstes Steuergerät
14: Sekundärregler
14a: Erster Sekundärregler
14b: Zweiter Sekundärregler
14c: Dritter Sekundärregler
15: Lenkentscheidungsmodul
16: Zweites Steuergerät
17: Modul zur Lenkvorgabenverwaltung (Arbiter)
18: Modul zur Lenküberwachung
20-32: Ausgabe von Daten und/oder Regelinformationen:
20: Ausgabe der Soll-Fahrzeugtrajektorie im ersten Koordinatensystem
21: Ausgabe der Ego-Position des Fahrzeugs im ersten Koordinatensystem
22: Ausgabe der Approximationskoeffizienten der Folge von Wegmarken im fahrzeugfesten Koordinatensystem und der Breite des Sicherheitskorridors
23: Ausgabe der Lenkvorgabe
24: Ausgabe der Lenkvorgabe
25: Ausgabe der Lenkvorgabe
26: Ausgabe der Lenkvorgabe
27: Ausgabe der Bremsvorgabe
28: Ausgabe der Lenkvorgabe
29: Ausgabe der Lenkvorgabe
31: Ausgabe der Bremsvorgabe
32: Ausgabe der Beschleunigungsvorgabe
40: Längsregler
50: Elektronische Lenksteuerung
60: Bremsaktuatoren
A: Approximationsfunktion
K: Koeffizienten der Approximationsfunktion

Claims

Vorrichtung (10) zur automatisierten Querführung eines autonom oder halbautonom betreibbaren Kraftfahrzeugs (1), a) wobei die Vorrichtung (10) ausgebildet ist, eine in einem ersten, vorzugsweise ortsfesten, Koordinatensystem (3) beschriebene, vorzugsweise aus einer Soll-Fahrtrajektorie (7) abgeleitete, Folge von Wegmarken (2) in ein fahrzeugfestes Koordinatensystem (4) zu transformieren, wobei die Folge von Wegmarken (2) in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem (4) durch eine Approximationsfunktion (A) interpoliert und approximiert ist; b) wobei die Vorrichtung (10) einen Primärregler (12) und mindestens einen Sekundärregler (14) umfasst, die jeweils ausgebildet sind, einen Querführungseingriff durch Ansteuerung mindestens eines Aktors (50, 60) des Kraftfahrzeugs durchzuführen und hierzu aus Koeffizienten (K) der Approximationsfunktion (A) ein Maß für eine Abweichung einer Querposition des Kraftfahrzeugs von der Folge von Wegmarken (2) und/oder für einen Reglereingriff abzuleiten.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Folge von Wegmarken (2) in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem durch ein Polynom (P), vorzugsweise ein kubisches Polynom, interpoliert und approximiert ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (10) ausgebildet ist, die in das fahrzeugfeste Koordinatensystem (4) transformierte und in interpolierter und approximierter Form vorliegende Folge von Wegmarken dem Primärregler (12) und dem mindestens einen Sekundärregler (14) jeweils eingangsseitig bereitzustellen, vorzugsweise durch Bereitstellung jeweils aktueller Werte für die Approximationskoeffizienten (K) Oter bis nter Ordnung, wobei vorzugsweise n ≤ 3 ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Primärregler (12) und/oder der mindestens eine Sekundärregler (14) ausgebildet sind, ein Maß für einen Regelfehler (R) der Querführung in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem ausschließlich anhand von Koeffizienten (K) der Approximationsfunktion zu bestimmen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend ein erstes Steuergerät oder eine erste Hardwarekomponente (13), in welchem/welcher der Primärregler implementiert ist, und ein zweites Steuergerät (16) oder eine zweite Hardwarekomponente, in welchem/welcher der mindestens eine Sekundärregler (14) implementiert ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der mindestens eine Sekundärregler (14) einen ersten Sekundärregler (14a) umfasst, der ausgebildet ist, eine Lenkvorgabe (24) zur Ansteuerung einer Lenkung (50) des Kraftfahrzeugs (1) zu bestimmen, um die Querposition des Kraftfahrzeugs (1) zu regeln, vorzugsweise gemäß der Vorgabe durch die interpolierte und approximierte Folge von Wegmarken (2).
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der mindestens eine Sekundärregler (14) einen zweiten Sekundärregler (14b) umfasst, der ausgebildet ist, zur Durchführung einer Fahrstabilisierung eine Lenkvorgabe (25) zur Ansteuerung einer Lenkung (50) und/oder eine Bremsvorgabe zur Durchführung eines Bremseingriffs zu bestimmen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der mindestens eine Sekundärregler einen dritten Sekundärregler (14c) umfasst, der ausgebildet ist, eine Bremsvorgabe (27) zur Durchführung eines asymmetrischen Bremseingriffs zu bestimmen, um die Querposition des Kraftfahrzeugs mittels des asymmetrischen Bremseingriffes zu regeln, vorzugsweise gemäß der Vorgabe durch die interpolierte und approximierte Folge von Wegmarken (2).
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) ausgebildet ist, bei Erfüllung einer vorbestimmen Umschaltbedingung zwischen dem Primärregler (12) und einem oder mehreren Sekundärreglern des mindestens einen Sekundärreglers (14) zur automatisierten Querführung umzuschalten.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, a) ferner umfassend ein Modul (17) zur Lenkvorgabenverwaltung (sog. Arbiter), das eingangsseitig Lenkvorgaben (23, 26) des Primärreglers (12) und des mindestens einen Sekundärreglers (14) empfängt und in Abhängigkeit von der Umschaltbedingung wahlweise die Lenkvorgabe (23) des Primärreglers oder die (26) des mindestens einen Sekundärreglers zur Ansteuerung der Lenkung (50) ausgibt; oder b) wobei die Erfüllung der vorbestimmten Umschaltbedingung dezentral sowohl in dem Primärregler (12) als auch in dem mindestens einen Sekundärregler (14) implementiert ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) ausgebildet ist, einen von der automatisierten Querführung einzuhaltenden Sicherheitskorridor in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem zu bestimmen, der durch Schwellenwerte für die Approximationskoeffizienten festgelegt ist, wobei optional die Schwellenwerte in Abhängigkeit von Toleranzwerten, die die Vorrichtung (10) von einem zentralen Planungsmodul empfängt, festgelegt sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2 und 11, wobei der Sicherheitskorridor durch Schwellenwerte für das Absolutglied und den Koeffizienten des linearen Glieds des Polynoms festgelegt ist und/oder wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, den Sicherheitskorridor festlegende Informationen dem Primärregler (12) und dem mindestens einen Sekundärregler (14) eingangsseitig bereitzustellen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10 und 11 oder 12, wobei die vorbestimme Umschaltbedingung erfüllt ist, falls der einzuhaltende Sicherheitskorridor länger als eine vorbestimmte Zeit nicht eingehalten wird.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) ausgebildet ist, eingangsseitig die Folge von Wegmarken (2) oder eine Soll-Fahrtrajektorie (7), die aus der die Folge von Wegmarken (2) ableitbar ist, in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem von einem zentralen Planungsmodul (5) zu empfangen und/oder die Querführung des Kraftfahrzeugs getrennt von einer Längsführung des Kraftfahrzeugs zu regeln.
Kraftfahrzeug (1), vorzugsweise Nutzfahrzeug, umfassend eine Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.