DE102021211659A1 - Verfahren zum Bereitstellen von sicheren Steuereingaben für Aktorkomponenten eines automatisiert fahrenden Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Bereitstellen von sicheren Steuereingaben usfür Aktorkomponenten eines automatisiert fahrenden Fahrzeugs, das sich entlang einer in Form von Trajektoriedaten vorgegeben Trajektorie bewegt.Demnach wird ein Fahrzeugzustand x(k) zu einem ersten Zeitpunkt k bestimmt, indem zumindest Positions- und Bewegungsdaten des Fahrzeugs zum Zeitpunkt k ermittelt werden. Auf Basis eines Vergleichs zwischen dem Fahrzeugzustand x(k) und den Trajektoriedaten wird ein erster Satz von Steuereingaben uperzeugt.Ausgehend vom Fahrzeugzustand x0(k) und vom ersten Steuereingabesatz up(k) wird mit Hilfe eines zeitinvarianten Systemmodels f zur Schätzung von Fahrzeugzuständen xi+1(k) eine Voraussage für das Fahrzeugverhalten nach N Zeitschritten gemacht, indem eine Folge von Steuereingabesätzen uo(k), u1(k), ..., uN-1(k) und ein sich damit nach N Zeitschritten ergebender Fahrzeugzustand xN(k) bestimmt werden, und zwar so, dass die folgenden Bedingungen erfüllt sind:∀ i∈{0, ...,N−1}gilt (xi(k),ui(k))∈Z undxN(k)∈Xf,wobei mit Z die Menge aller zulässigen Kombinationen von Fahrzeugzuständen xi(k) und Steuereingabesätzen ui(k) bezeichnet ist, und mit Xfeine vorab bestimmte, robuste positiv invariante RPI-Zustandsmenge von sicheren Fahrzeugzuständen bezeichnet ist.Der so bestimmte Steuereingabesatz u0(k) wird dann als sicherer Steuereingabesatz us(k) bereitgestellt.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von sicheren Steuereingaben u_s für Aktorkomponenten eines automatisiert fahrenden Fahrzeugs, das sich mit Hilfe dieser Aktorkomponenten entlang einer Trajektorie bewegt, die in Form von Trajektoriedaten vorgegeben ist. Zum Erzeugen und Bereitstellen von geeigneten Steuerdaten wird der Fahrzeugzustand überwacht und mit der vorgegebenen Trajektorie verglichen. Dazu wird der Fahrzeugzustand x₀(k) zu einem ersten Zeitpunkt k bestimmt, indem zumindest Positions- und Bewegungsdaten des Fahrzeugs und ggf. auch noch weitere Zustandsdaten des Fahrzeugs zum Zeitpunkt k ermittelt werden. Auf Basis eines Vergleichs zwischen dem Fahrzeugzustand x₀(k) zum Zeitpunkt k und den Trajektoriedaten wird dann ein erster Steuereingabesatz u_p(k) erzeugt, wobei in der Regel auch noch weitere Parameter berücksichtigt werden, wie z.B. Umgebungsbedingungen, Verkehrsregeln, Fahrstilvorgaben, etc.. Vor Ansteuerung der Aktorkomponenten mit diesem ersten Steuereingabesatz u_p, muss zunächst geprüft werden, ob der erste Steuereingabesatz u_p(k) sicher ist und das Fahrzeug mit diesem Steuereingabesatz u_p(k) in einen sicheren Fahrzeugzustand überführt wird.
• Das Gewährleisten der funktionalen Sicherheit bei der Fahrdynamikregelung ist eine zentrale Aufgabe beim autonomen Fahren in den SAE-Klassifizierungsstufen 2+ bis 5. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2019 134 258 A1 beschreibt einen Ansatz, bei dem mit Hilfe eines Sicherheitsreglers (safety controller) in einem Sicherheitspfad geprüft wird, ob das von einem gegebenen Verhaltensregler (performance controller) erzeugte Steuersignal, an das System angelegt werden kann. Für den Sicherheitspfad wird ein einfacher PID-Regler verwendet, um einen formalen Nachweis zu haben, in einem sicheren Zustand zu enden. Der Sicherheitsregler wird aktiviert, wenn die vom Verhaltensregler erzeugten Steuersignale zu einer Verletzung vordefinierter Schwellen führen würde. Die Schwellen sind streng mathematisch ausgelegt, um zu gewährleisten, dass das Fahrzeug sicher betrieben wird. Diese Schwellen bilden ausschließlich physische Randbedingungen bzw. Einschränkungen des Fahrzeugzustand ab. Weitere Unsicherheitsfaktoren des zugrunde liegenden Systems werden hier nicht berücksichtigt, was die bereitgestellten Garantien schwächt.
• Aufgabe der Erfindung
• Mit der Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, die es ermöglichen, bei der Prüfung, ob die von einem Verhaltensregler erzeugten Steuereingaben als sicher erachtet werden können, neben den fahrzeugbedingten physischen Randbedingungen auch weitere Unsicherheitsfaktoren des Systems systematisch zu berücksichtigen. Des Weiteren werden mit der Erfindung Maßnahmen zum Erzeugen und Bereitstellen von sicheren Steuereingaben vorgeschlagen, falls die vom Verhaltensregler erzeugten Steuereingaben nicht als sicher erachtet werden können, weil deren Anwendung zu einem unsicheren Fahrzeugzustand führen würde.
• Kern und Vorteile der Erfindung
• Erfindungsgemäß wird ausgehend von dem zum Zeitpunkt k bestimmten Fahrzeugzustand x₀(k) und dem ersten Steuereingabesatz u_p(k) eine Voraussage für das Fahrzeugverhalten nach N Zeitschritten gemacht. Diese Voraussage basiert auf einem zeitinvarianten Systemmodel f zur Schätzung von nachfolgenden Fahrzeugzuständen x_i+1(k). Im Rahmen der Voraussage werden eine Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und ein sich damit nach N Zeitschritten ergebender Fahrzeugzustand x_N(k) bestimmt, und zwar derart, dass der Fahrzeugzustand x_N(k) innerhalb einer vorab bestimmten, robusten, positiv invarianten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt, d.h. x_N(k) ∈ X_f. Dabei müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: $$\mathrm{\forall }\text{ i}\in \left\{\mathrm{0,...,}\text{ N}-1\right\}\text{ gilt }({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right))\in \text{Z}$$

  

  und $${\text{x}}_{\text{N}}\left(\text{k}\right)\in {\text{X}}_{\text{f}\text{,}}$$

  

  
  wobei mit Z die Menge aller zulässigen Kombinationen von Fahrzeugzuständen x_i(k) und Steuereingabesätzen u_i(k) bezeichnet ist.
• Als sicherer Steuereingabesatz u_s(k) wird dann der im Rahmen der Voraussage bestimmte Steuereingabesatz u₀(k) der Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) bereitgestellt.
• Zur Prüfung, ob ein erster Steuereingabesatz u_p(k) sicher ist, wird erfindungsgemäß also die Entwicklung des Systems in den folgenden N Zeitschritten betrachtet. Die Prüfung basiert auf einer vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen. Die Menge aller möglichen/zulässigen Fahrzeugzustände lässt sich einfach durch Randbedingungen für die Fahrzeugzustände beschreiben. Dabei handelt es sich meist um physische Einschränkungen, wie Höchstgeschwindigkeiten, Straßengrenzen, etc.. Genauso lässt sich die Menge aller zulässigen Steuereingaben durch meist Aktor-bedingte Randbedingungen beschreiben, wie z.B. maximaler Lenkwinkel, etc..
• Grundsätzlich gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Möglichkeiten für die Bestimmung der Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und des sich damit nach N Zeitschritten ergebenden Fahrzeugzustands x_N(k). Vorzugsweise sind dabei die folgenden Bedingungen zu erfüllen: $$\forall \text{ i}\in \left\{\mathrm{0,...,}\text{ N}-1\right\}$$

  

  und $$\forall {\text{ w}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\in \text{W}$$

  

  und $${\text{x}}_{\text{i+1}}\left(\text{k}\right)=\text{f }({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{w}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right))$$

  

  $$\text{gilt }\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\right)\in \text{Z}$$

  

  und $${\text{x}}_{\text{N}}\left(\text{k}\right)\in {\text{X}}_{\text{f}}$$

  

  wobei das Systemmodel f zur Schätzung von x_i+1(k) den geschätzten Fahrzeugzustand x_i(k), einen geschätzten Steuereingabesatz u_i(k) und auf das System wirkende Störeinflüsse w_i(k) berücksichtigt. W bezeichnet die Menge aller möglichen Störeinflüsse innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Störeinflüsse. Auch die Menge aller möglichen Sätze von Störeinflüssen wird durch vorgegebene Randbedingungen beschrieben, wie z.B. maximal angenommene Störkräfte aufgrund von Seitenwind, Straßenzustand, etc.. Vorteilhafterweise können hier neben bekannten Störkräften auch unbekannte Parameter berücksichtigt werden und Systemunsicherheiten als Störeinflüsse definiert werden, die bedingt sind durch eine nicht-modellierte Dynamik, beispielsweise durch Annahme eines linearen anstelle eines nicht-linearen Systemmodells. Des Weiteren kann ein Referenzsignal x_d als Störung modelliert werden, das Referenzsignal x_d steht hier für den Positionierungsfehler beim Abfahren der vorgegebenen Trajektorie.
• Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und des sich damit nach N Zeitschritten ergebenden Fahrzeugzustands x_N(k) durch Optimierung mindestens einer Performancevorgabe J_N (x_i(k), u_i(k), u_p(k)) bestimmt werden, welche von x_i(k) und/oder u_i(k) und/oder u_p(k) abhängig ist.
• So wird in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Abstand dist (u₀(k), u_p(k)) zwischen u₀(k) und u_p(k) minimiert. Dieser Vorgehensweise liegt die Idee zugrunde, dass der erste Steuereingabesatz u_p(k) das vom Fahrzeugnutzer bevorzugte Steuerverhalten abbildet und dieser Steuereingabesatz u_p(k) deshalb nur aus Sicherheitsgründen verändert werden sollte, also nur dann, wenn seine Anwendung das Fahrzeug auch nach N Zeitschritten in einen unsicheren Fahrzeugzustand überführen würde.
• Grundsätzlich können zur Berechnung des Abstands dist (u₀(k), u_p(k)) zwischen u₀(k) und u_p(k) unterschiedliche Metriken verwendet werden. Besonders einfach ist die Berechnung des Abstands dist (u₀(k), u_p(k)) als $$\text{dist}({\text{u}}_{\text{0}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{p}}\left(\text{k}\right))={\Vert u_0\left(k\right)-u_p\left(k\right)\Vert }_2^2$$

  
• Alternativ oder ergänzend zum Abstand dist (u₀(k), u_p(k)) kann im Rahmen des Optimierungsverfahrens auch die Schwankungsrate J'_N zwischen u₀(k) und u_p(k) minimiert werden. Mit dieser Optimierung wird ein möglichst ruhiges gleichmäßiges Fahrverhalten angestrebt. Es bietet sich an, die Schwankungsrate J'_N zu berechnen als: $$J_N^{\text{'}}={\displaystyle \sum {}_{i=0}^{N-1}}{\Vert \Delta u_i\left(k\right)\Vert }_2^2$$

  

  mit $$\Delta u_0\left(k\right):=u_0\left(k\right)-u_0\left(k-1\right)und\Delta u_i\left(k\right):=u_i\left(k\right)-u_i\left(k-1\right)$$

  
• Jedoch können auch für die Schwankungsrate J'_N unterschiedliche Metriken verwendet werden.
• In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zeitlich invariantes, lineares Systemmodel f für Fahrzeugzustände x_i(k), Steuereingaben u_i(k) und Störeinflüsse w_i(k) zur Schätzung von x_i+1(k) verwendet, das beschreibbar ist durch $${\text{x}}_{\text{i+1}}\left(\text{k}\right)={\text{A x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)+{\text{ B u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)+{\text{ E w}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)$$

  

  $${\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{x}}_{\text{i+1}}\left(\text{k}\right)\in \text{X},{\text{ u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\in U,{\text{ w}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\in \text{W}$$

  
• Dabei gilt x_i(k), x_i+1(k) ∈ Rⁿ mit n der Anzahl der Zustandsdaten und X beschreibt die Menge aller möglichen Fahrzeugzustände innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Fahrzeugzustände. Ferner gilt u_i(k) ∈ R^m mit m der Anzahl an Steuereingängen und U beschreibt die Menge aller möglichen Sätze von Steuereingaben innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Steuereingaben. Außerdem gilt w_i(k) ∈ R^q mit q der Anzahl der Störeinflüsse und W beschreibt die Menge aller möglichen Sätze von Störeinflüssen innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Störeinflüsse. Mit A, B und E sind die konstanten Faktorensätze des linearen Systemmodels bezeichnet.
• Mit einem derartigen zeitlich invarianten, linearen Systemmodel können infrastruktur-bedingte Störungen und Unsicherheiten genauso als Störeinflüsse berücksichtigt werden wie Systemmodel-bedingte Fehler und/oder Abweichungen der Fahrzeugposition von der vorgegebenen Trajektorie.
• In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Prüfung, ob ein für einen Zeitpunkt k erzeugter, erster Steuereingabesatz u_p(k) sicher ist, auf eine Folge von Steuereingabesätzen u₂(k-1), ..., u_N-1(k-1) zurückgegriffen, die für einen früheren Zeitpunkt k-1 bestimmt worden ist. Bei dieser Variante wird lediglich für die verkürzte Folge von Steuereingabesätzen u_p(k), u_1+i(k-i), ..., u_N-i(k-i) geprüft, ob ein sich damit nach N-i Zeitschritten ergebender Fahrzeugzustand x_N-i(k) innerhalb der vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt, d.h. x_N-i(k) ∈ X_f und ob die Beschränkungen (x_i(k), u_i(k)) ∈ Z ∀ i ∈ {0, ..., r} eingehalten werden. Bereits wenn dies zutrifft, wird der für den Zeitpunkt k erzeugte, erste Steuereingabesatz u_p(k) als sicher erachtet.
• Ist dies nicht der Fall, dann wird ein sicherer Steuereingabesatz u_s(k) mit Hilfe des voranstehend beschriebenen Optimierungsverfahrens ermittelt.
• In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die ebenfalls bei der Prüfung, ob ein für einen Zeitpunkt k erzeugter, erster Steuereingabesatz u_p(k) sicher ist, auf eine Folge von Steuereingabesätzen u₂(k-1), ..., u_N-1(k-1) zurückgreift, die für einen früheren Zeitpunkt k-1 bestimmt worden ist, werden mit den Steuereingabesätzen u_p(k), u₂(k-1), ..., u_N-1(k-1) die Fahrzeugzustände x_i(k), i ∈ {0, ..., N-1} Schritt für Schritt berechnet. Sobald ein Fahrzeugzustand x_r(k) mit 1 < r < N innerhalb der vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt, d.h. x_r(k)∈ X_f, und die Beschränkungen (x_i(k), u_i(k)) ∈ Z ∀ i ∈ {0, ..., r} eingehalten werden, wird der erste Steuereingabesatz u_p(k) als sicher erachtet.
  Wenn dies nicht der Fall ist, dann wird ein sicherer Steuereingabesatz u_s(k) mit Hilfe des voranstehend beschriebenen Optimierungsverfahrens ermittelt.
• Alternativ kann für die Prüfung, ob ein für einen Zeitpunkt k erzeugter, erster Steuereingabesatz u_p(k) sicher ist, auch eine Folge von Steuereingabesätzen u_p(k), u₂(k-1), ..., u_N-1(k-1), u_f(k-1) verwendet werden. Der Steuereingabesatz u_f(k-1) wird mit Hilfe eines Reglers auf Basis von x_N(k-1) ermittelt. Vorteilhafterweise ist der Regler so ausgelegt, dass der sich durch Anwendung des Steuereingabesatzes u_f(k-1) ergebende Fahrzeugzustand x_N+1(k-1) innerhalb der vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt, d.h. x_N+1(k-1) ∈ X_f. Im Rahmen der Prüfung, ob u_p(k) sicher ist, wird hier außerdem geprüft, ob die Bedingungen $$\forall \text{ i}\in \left\{\mathrm{0,...,}\text{ N}-1\right\}\text{ gilt }\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\right)\in \text{Z}$$

  

  und $${\text{x}}_{\text{N}}\left(\text{k}\right)\in {\text{X}}_{\text{f}}$$

  

  erfüllt sind.
• Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein inhärent sicheres System geschaffen, das den Einsatz von unterschiedlichsten Verhaltensreglern ermöglicht, wie z.B. Regler, die eine verbesserte Fahrperformance, ein spezielles Fahrgefühl oder auch ein angelerntes Regelverhalten realisieren. Vorteilhafterweise ist die Erfindung auf alle möglichen Arten von Fahrdynamikregelung anwendbar, insbesondere auf Querregelung, Längsregelung und kombinierte Ansätze, bei denen Quer- und Längsdynamik gleichzeitig geregelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist echtzeitfähig und kann deshalb auch einfach auf einer Recheneinheit im Fahrzeug implementiert werden, da effiziente Lösungen zur Online-Optimierung zur Verfügung stehen.
• Die hier vorgeschlagene Bereitstellung von sicheren Steuereingabesätzen basiert auf einer als „Modell Predictive Control“ (MPC) bezeichneten Methode. Dabei wird das zukünftige Verhalten des Fahrzeugs über einen Zeitraum von N Zeitschritten optimiert. Dazu wird ein Systemmodell verwendet, mit dessen Hilfe die zukünftige Entwicklung des Systems unter Berücksichtigung der Einschränkungen bzw. Begrenzungen des Systems vorhergesagt werden kann. Die Optimierung erfolgt im Hinblick auf vorgebbare Leistungskriterien, die auch als Kostenfunktion bezeichnet werden können. Dabei werden die vom Verhaltensregler erzeugten Steuereingabesätze zur Laufzeit implizit überprüft. Die Definition der Leistungskriterien und Systembeschränkungen und die diesbezügliche Optimierung des zukünftigen Fahrzeugverhaltens ermöglicht den Betrieb an den Systemgrenzen und somit eine größere Bandbreite für das Fahrverhalten des Fahrzeugs und gleichzeitig ein ruhiges, gleichmäßiges Fahrverhalten.
• Figurenliste
• Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erörtert.
• 1 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Blockschaltbilds.
• 2 zeigt ein Flussdiagramm einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Beschreibung von Ausführungsbeispielen
• Block 1 des in 1 dargestellten Blockschaltbildes umfasst alle Komponenten eines automatisiert fahrenden Fahrzeugs, die zur Bestimmung des Fahrzeugzustands x(k) zum Zeitpunkt k erforderlich sind, also insbesondere eine entsprechende Sensorik und eine Signalverarbeitungseinrichtung für die Sensorsignale. Des Weiteren umfasst Block 1 ein Fahrerassistenzsystem, das für die Bestimmung und Vorgabe einer Fahrzeugtrajektorie verantwortlich ist. Und schließlich umfasst Block 1 noch Aktorkomponenten, die bei entsprechender Ansteuerung eine Bewegung des Fahrzeugs entlang der vorgegebenen Trajektorie bewirken. Ein Verhaltensregler 2 erzeugt dazu einen ersten Satz von Steuereingaben u_p(k) auf Basis eines Vergleichs zwischen dem aktuellen Fahrzeugzustand x(k) zum Zeitpunkt k und den Trajektoriedaten.
• Eine Sicherheitssteuerung 3 empfängt den aktuellen Fahrzeugzustand x(k) zusammen mit den vorgeschlagenen Steuereingaben u_p(k). Die Sicherheitssteuerung 3 überprüft dann, ob der vorgeschlagene Steuereingabesatz u_p(k) sicher ist, und liefert einen sicheren Steuereingabesatzes u_s(k), indem sie eine Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und ein sich damit nach N Zeitschritten ergebender Fahrzeugzustand x_N(k) bestimmt. Für die so bestimmte Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und den so bestimmten Fahrzeugzustand x_N(k) sollen die folgenden Bedingungen erfüllt sein, die die Randbedingungen und Beschränkungen des Systems repräsentieren: $$\begin{array}{l}\mathrm{\forall }\text{ i}\in \left\{\mathrm{0,}\mathrm{...,}\text{N}-1\right\}\text{ und}\\ \forall {\text{ w}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\in \text{W und}\\ {\text{x}}_{\text{i+1}}\left(\text{k}\right)=\text{f}\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{w}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\right)\\ \text{gilt }\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\right)\in \text{Z und}\\ {\text{x}}_{\text{N}}\left(\text{k}\right)\in {\text{X}}_{\text{f}}\end{array}$$

  

  wobei das Systemmodel f zur Schätzung von x_i+1(k) den geschätzten Fahrzeugzustand x_i(k), einen geschätzten Steuereingabesatz u_i(k) und auf das System wirkende Störeinflüsse w_i(k) berücksichtigt. Z bezeichnet die Menge aller zulässigen Kombinationen von Fahrzeugzuständen x_i(k) und Steuereingabesätzen u_i(k) und W bezeichnet die Menge aller möglichen Störeinflüsse innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Störeinflüsse. X_f bezeichnet eine vorab bestimmte RPI-Zustandsmenge von sicheren Fahrzeugzuständen.
• Zur Bestimmung der Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und des Fahrzeugzustands x_N(k) wird dann noch eine Performancevorgabe J_N (x_i(k), u_i(k), u_p(k)) optimiert, welche von x_i(k) und/oder u_i(k) und/oder u_p(k)) abhängig ist. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Performancevorgabe $${\text{J}}_{\text{N}}\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{p}}\left(\text{k}\right)\right)=\text{dist }\left({\text{u}}_{\text{0}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{p}}\left(\text{k}\right)\right)+{\text{J'}}_{\text{N}}\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{p}}\left(\text{k}\right)\right).$$

  

  zugrunde gelegt, wobei dist (u₀(k), u_p(k)) einen Abstand zwischen u₀(k) und u_p(k) bezeichnet und J'_N(x_i(k), u_i(k), u_p(k)) eine Schwankungsrate zwischen u₀(k) und u_p(k).
• Als sicherer Steuereingabesatz u_s(k) wird dann das erste Element der so bestimmten Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) bereitgestellt, $$\text{d}\text{.h}{\text{. u}}_{\text{s}}\left(\text{k}\right)={\text{u}}_{\text{0}}\left(\text{k}\right).$$

  
• Wie voranstehend erwähnt, ist eine notwendige Bedingung bei der Lösung des Optimierungsproblems, dass x_N(k) in der vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt. Außerdem müssen die Bedingungen $$\mathrm{\forall }\text{ i}\in \left\{\mathrm{0,}\mathrm{...,}\text{N}-1\right\}\text{ gilt }\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\right)\in \text{Z }$$

  

  erfüllt sein. Der Berechnung der MRPI-Zustandsmenge X_f wird ein zeitinvariantes Systemmodel, beispielsweise für die Längs- und/oder Querdynamik eines Fahrzeugs, zugrunde gelegt, das den aktuellen Fahrzeugzustand x, Steuereingaben u und auf das System wirkende Störeinflüsse w berücksichtigt. Dafür gilt ganz allgemein: $${\text{x}}^{+}=\text{f}\left(\text{x},\text{u},\text{w}\right)$$

  

  und im Falle eines zeitlich invarianten linearen Systemmodels $$\text{x}+=\text{Ax}+\text{Bu}+\text{Ew}$$

  

  wobei $$\text{x}\in \text{X},\text{ u}\in \text{U},\text{ w}\in \text{W}$$

  
• Der aktuelle Fahrzeugzustand x kann einfach mit Hilfe von Sensoren bestimmt werden. Dafür bieten sich Positionsdaten, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdaten sowie Informationen über die Fahrzeugorientierung an. Mit x+ ist der Fahrzeugzustand in einem nächsten Zeitschritt bezeichnet. x, x⁺ ∈ Rⁿ und X ist die Menge aller möglichen Fahrzeugzustände innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Fahrzeugzustände. Meist handelt es sich dabei um physische Einschränkungen, wie Höchstgeschwindigkeiten, Straßengrenzen, etc..
  u ∈ R^m und U ist die Menge aller möglichen Sätze von Steuereingaben innerhalb vorgegebener, meist Aktor-bedingter Randbedingungen für die Steuereingaben, wie z.B. maximaler Lenkwinkel, etc..
  w ∈ R^q und W ist die Menge aller möglichen Sätze von Störeinflüssen innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Störeinflüsse, wie z.B. maximal angenommene Störkräfte aufgrund von Seitenwind, Straßenzustand, etc..
  Mit A, B und E sind die konstanten Faktorensätze des linearen Systemmodels bezeichnet.
• Die Auswahl der Störeinflüsse w und die Definition von entsprechenden Randbedingungen ist wesentlich für die Gestaltung/Auslegung der MRPI-Zustandsmenge X_f. So können hier neben bekannten Störkräften auch unbekannte Parameter berücksichtigt werden und Systemunsicherheiten als Störeinflüsse definiert werden, die bedingt sind durch eine nicht-modellierte Dynamik, beispielsweise durch Annahme eines linearen anstelle eines nicht-linearen Systemmodells. Des Weiteren kann ein Referenzsignal x_d als Störung modelliert werden, das Referenzsignal x_d steht hier für den Positionierungsfehler beim Abfahren der vorgegebenen Trajektorie.
• Zur Berechnung der MRPI-Zustandsmenge X_f können verschiedene Ansätze aus der Literatur verwendet werden, so kann die die MRPI-Zustandsmenge X_f beispielsweise als polyedrische oder ellipsoide MRPI-Zustandsmenge X_f berechnet werden.
• 2 veranschaulicht, dass die Lösung des in Verbindung mit 1 erläuterten Optimierungsproblems nicht immer erforderlich ist, um einen vorgeschlagenen Steuereingabesatz u_p(k) zu überprüfen und einen sicheren Steuereingabesatz u_s(k) bereitzustellen. Gemäß der nachfolgenden Verfahrensvariante wird statt dessen eine Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und ein sich damit nach N Zeitschritten ergebender Fahrzeugzustand x_N(k) bestimmt und geprüft, ob die Randbedingungen und Beschränkungen des Systems erfüllt sind, also die Bedingungen (1):
• In Schritt 21 empfängt die Sicherheitssteuerung 3 den aktuellen Fahrzeugzustand x(k) zusammen mit dem vorgeschlagenen Steuereingabesatz u_p(k).
• In Schritt 22 prüft die Sicherheitssteuerung 3, ob der vorgeschlagene Steuereingabesatz u_p(k) sicher ist. Dazu greift sie auf die zu einem vorangegangenen Zeitpunkt k-1 bestimmte Folge von Steuereingabesätzen u₀(k-1), ..., u_N-1(k-1) zurück und generiert damit und mit dem vorgeschlagenen Steuereingabesatz u_p(k)eine Folge von Steuereingabesätzen u_p(k), u₂(k-1), ..., u_N-1(k-1), u_f(k-1), wobei der Steuereingabesatz u_f(k-1) mit Hilfe eines Reglers auf Basis von x_N(k-1) ermittelt wird. Dann prüft die Sicherheitssteuerung 3, ob ein sich damit nach N Zeitschritten ergebender Fahrzeugzustand x_N(k) innerhalb der vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt, d.h. x_N(k) ∈ X_f, und ob auch die übrigen Bedingungen (1) erfüllt sind.
• Falls dem so ist, wird der vorgeschlagene Steuereingabesatz u_p(k) als sicher erachtet und in Schritt 23 als sicherer Steuereingabesatz u_s(k) bereitgestellt.
• Falls der Fahrzeugzustand x_N(k), der sich bei Anwendung der Folge von Steuereingabesätzen u_p(k), u₂(k-1), ..., u_N-1(k-1), u_f(k-1) nach N Zeitschritten ergeben würde, nicht innerhalb der vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt, und/oder falls mindestens eine der übrigen Bedingungen (1) nicht erfüllt ist, wird der vorgeschlagene Steuereingabesatz u_p(k) als nicht sicher erachtet. In diesem Fall werden die Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und der Fahrzeugzustand x_N(k) in dem voranstehend beschriebenen Optimierungsverfahren bestimmt - Schritt 24.
• Der so bestimmte Steuereingabesatz u₀(k) wird dann in Schritt 25 als sicherer Steuereingabesatz u_s(k) bereitgestellt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102019134258 A1 [0002]

Claims (12)

1. Verfahren zum Bereitstellen von sicheren Steuereingaben u_s für Aktorkomponenten eines automatisiert fahrenden Fahrzeugs, das sich entlang einer in Form von Trajektoriedaten vorgegebenen Trajektorie bewegt, • bei dem ein Fahrzeugzustand x₀(k) zu einem Zeitpunkt k bestimmt wird, indem zumindest Positions- und Bewegungsdaten des Fahrzeugs zum Zeitpunkt k ermittelt werden, und • bei dem auf Basis eines Vergleichs zwischen dem Fahrzeugzustand x₀(k) und den Trajektoriedaten ein erster Steuereingabesatz u_p(k) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Fahrzeugzustand x₀(k) und vom ersten Steuereingabesatz u_p(k) mit Hilfe eines zeitinvarianten Systemmodels f zur Schätzung von Fahrzeugzuständen x_i+1(k) eine Voraussage für das Fahrzeugverhalten nach N Zeitschritten gemacht wird, indem eine Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und ein sich damit nach N Zeitschritten ergebender Fahrzeugzustand x_N(k) derart bestimmt werden, dass die folgenden Bedingungen erfüllt sind: $$\begin{array}{l}\mathrm{\forall }\text{ i}\in \left\{\mathrm{0,}\mathrm{...,}\text{N}-1\right\}\\ \end{array}$$

   

   $$\text{gilt }\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\right)\in \text{Z }$$

   

   und $${\text{x}}_{\text{N}}\left(\text{k}\right)\in {\text{X}}_{\text{f}}$$

   

   wobei mit Z die Menge aller zulässigen Kombinationen von Fahrzeugzuständen x_i(k) und Steuereingabesätzen u_i(k) bezeichnet ist, und wobei mit X_f eine vorab bestimmte, robuste positiv invariante RPI-Zustandsmenge von sicheren Fahrzeugzuständen bezeichnet ist, und dass der so bestimmte Steuereingabesatz u₀(k) als sicherer Steuereingabesatz u_s(k) bereitgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und des sich damit nach N Zeitschritten ergebenden Fahrzeugzustands x_N(k) die folgenden Bedingungen erfüllt sind: $$\mathrm{\forall }\text{ i}\in \left\{\mathrm{0,}\mathrm{...,}\text{N}-1\right\}$$

   

   und $$\forall {\text{ w}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\in \text{W}$$

   

   und $${\text{x}}_{\text{i+1}}\left(\text{k}\right)=\text{f}\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{w}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\right)$$

   

   $$\text{gilt }\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\right)\in \text{Z}$$

   

   und $${\text{x}}_{\text{N}}\left(\text{k}\right)\in {\text{X}}_{\text{f}}$$

   

   wobei das Systemmodel f zur Schätzung von x_i+1(k) den geschätzten Fahrzeugzustand x_i(k), einen geschätzten Steuereingabesatz u_i(k) und auf das System wirkende Störeinflüsse w_i(k) berücksichtigt, und wobei mit W die Menge aller möglichen Störeinflüsse innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Störeinflüsse bezeichnet ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Folge von Steuereingabesätzen u₀(k), u₁(k), ..., u_N-1(k) und des sich damit nach N Zeitschritten ergebenden Fahrzeugzustands x_N(k) mindestens eine Performancevorgabe J_N (x_i(k), u_i(k), u_p(k)) optimiert wird, welche von x_i(k) und/oder u_i(k) und/oder u_p(k)) abhängig ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand dist (u₀(k), u_p(k)) zwischen u₀(k) und u_p(k) und/oder eine Schwankungsrate J'_N zwischen u₀(k) und u_p(k) als Performancevorgaben minimiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand dist (u₀(k), u_p(k)) bestimmt wird als dist $$\left({\text{u}}_{\text{0}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{p}}\left(\text{k}\right)\right)={\Vert u_0\left(k\right)-u_p\left(k\right)\Vert }_2^2$$

   
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwankungsrate J'_N bestimmt wird als $$J_N^{\text{'}}={\displaystyle \sum {}_{i=0}^{N-1}}{\Vert \Delta u_i\left(k\right)\Vert }_2^2$$

   

   mit $$\Delta u_0\left(k\right):=u_0\left(k\right)-u_0\left(k-1\right)und\Delta u_i\left(k\right):=u_i\left(k\right)-u_i\left(k-1\right)$$

   
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Systemmodel f zur Schätzung von x_i+1(k) ein zeitlich invariantes, lineares Systemmodel für Fahrzeugzustände x_i(k), Steuereingaben u_i(k) und Störeinflüsse w_i(k) zugrunde gelegt wird, das beschreibbar ist durch $${\text{x}}_{\text{i+1}}\left(\text{k}\right)={\text{A x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)+{\text{B u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)+{\text{ E w}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)$$

   

   $${\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{x}}_{\text{i+1}}\left(\text{k}\right)\in \text{X},{\text{ u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\in \text{U},{\text{ w}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\in \text{W}$$

   

   wobei x_i(k), x_i+1(k) ∈ Rⁿ mit n der Anzahl der Zustandsdaten und X die Menge aller möglichen Fahrzeugzustände innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Fahrzeugzustände beschreibt, wobei u_i(k) ∈ R^m mit m der Anzahl an Steuereingängen und U die Menge aller möglichen Sätze von Steuereingaben innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Steuereingaben beschreibt, wobei w_i(k) ∈ R^q mit q der Anzahl der Störeinflüsse und W die Menge aller möglichen Sätze von Störeinflüssen innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Störeinflüsse beschreibt und wobei mit A, B und E die konstanten Faktorensätze des linearen Systemmodels bezeichnet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zeitlich invarianten, linearen Systemmodel infrastruktur-bedingte Störungen und Unsicherheiten und/oder Systemmodel-bedingte Fehler und/oder Abweichungen der Fahrzeugposition von der vorgegebenen Trajektorie als Störeinflüsse berücksichtigt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob der für einen Fahrzeugzustand x₀(k) zum Zeitpunkt k erzeugte erste Steuereingabesatz u_p(k) sicher ist, indem für die Folge von Steuereingabesätzen u_p(k), u_1+i(k-i), ..., u_N-1(k-i) geprüft wird, ob ein sich damit nach N-i Zeitschritten ergebender Fahrzeugzustand x_N-i(k) innerhalb der vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt, d.h. x_N-i(k) ∈ X_f und ob die Beschränkungen (x_i(k), u_i(k)) ∈ Z ∀ i ∈ {0, ..., r} eingehalten werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob der für einen Fahrzeugzustand x₀(k) zum Zeitpunkt k erzeugte erste Steuereingabesatz u_p(k) sicher ist, indem mit den Steuereingabesätzen u_p(k), u₂(k-1), ..., u_N-1(k-1) die Fahrzeugzustände x_i(k), i ∈ {0, ..., N-1} Schritt für Schritt berechnet werden und dass sobald ein Fahrzeugzustand x_r(k) mit 1 < r < N innerhalb der vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt, d.h. x_r(k)∈ X_f, und die Beschränkungen (x_i(k), u_i(k)) ∈ Z ∀ i ∈ {0, ..., r} eingehalten werden, der erste Steuereingabesatz u_p(k) als sicher erachtet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob der für einen Fahrzeugzustand x₀(k) zum Zeitpunkt k erzeugte erste Steuereingabesatz u_p(k) sicher ist, indem für eine Folge von Steuereingabesätzen u_p(k), u₂(k-1), ..., u_N-1(k-1), u_f(k-1) geprüft wird, ob ein sich damit nach N Zeitschritten ergebender Fahrzeugzustand x_N(k) innerhalb der vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt, d.h. x_N(k) ∈ X_f, und ob die Bedingungen $$\mathrm{\forall }\text{ i}\in \left\{\mathrm{0,}\mathrm{...,}\text{N}-1\right\}\text{ gilt }\left({\text{x}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right),{\text{u}}_{\text{i}}\left(\text{k}\right)\right)\in \text{Z }$$

    

    erfüllt sind, wobei der Steuereingabesatz u_f(k-1) mit Hilfe eines Reglers auf Basis von x_N(k-1) ermittelt wird und der Regler gewährleistet, dass der sich durch Anwendung des Steuersatzes u_f(k-1) ergebende Fahrzeugzustand x_N+1(k-1) innerhalb der vorab bestimmten RPI-Zustandsmenge X_f von sicheren Fahrzeugzuständen liegt, d.h. x_N+1(k-1) ∈ X_f.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuereingabesatz u₀(k) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 bestimmt und als sicherer Steuereingabesatz u_s(k) bereitgestellt wird, falls der erzeugte erste Steuereingabesatz u_p(k) nicht sicher ist.

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