DE102021211667A1 - Method for providing safe control inputs for actuator components of an automated vehicle - Google Patents

Method for providing safe control inputs for actuator components of an automated vehicle Download PDF

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DE102021211667A1
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vehicle
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safe
mrpi
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Adrian Trachte
Thomas Specker
Felix Berkel
Florian BAYER
Pascal Jaufmann
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Bereitstellen von sicheren Steuereingaben usfür Aktorkomponenten eines automatisiert fahrenden Fahrzeugs, das sich entlang einer vorgegebenen Trajektorie bewegt. Demnach wird ein Fahrzeugzustand x(k) zu einem ersten Zeitpunkt k bestimmt. Auf Basis eines Vergleichs zwischen dem Fahrzeugzustand x(k) und vorgegebenen Trajektoriedaten wird ein erster Satz von Steuereingaben uperzeugt. Damit wird ein Fahrzeugzustand x(k+1) zu einem späteren zweiten Zeitpunkt k+1 vorhergesagt - (Schritt 22). Es wird geprüft, ob der vorhergesagte Fahrzeugzustand x(k+1) sicher ist - (Schritt 23) und damit auch der erste Satz von Steuereingaben upsicher ist - (Schritt 24).Erfindungsgemäß wird der vorhergesagte Fahrzeugzustand x(k+1) als sicher erachtet, wenn er innerhalb einer maximal robusten, positiv invarianten MRPI-Zustandsmenge Xfliegt, welche unter Zugrundelegung eines zeitlich invarianten Systemmodels für Fahrzeugzustände x, Steuereingaben u und Störeinflüsse w vorab bestimmt worden ist. Wenn der Fahrzeugzustand x(k) innerhalb der MRPI-Zustandsmenge Xfliegt und wenn der erste Satz von Steuereingaben upnicht als sicher erachtet wird, wird mit Hilfe eines vorab spezifizierten Reglers K auf Basis des Fahrzeugzustands x(k) und der Trajektoriedaten ein neuer sicherer Satz von Steuereingaben usgeneriert - (Schritt 25).A method is proposed for providing safe control inputs us for actuator components of an automated vehicle that is moving along a predetermined trajectory. Accordingly, a vehicle state x(k) is determined at a first point in time k. A first set of control inputs is generated based on a comparison between the vehicle state x(k) and predetermined trajectory data. A vehicle state x(k+1) is thus predicted at a later, second point in time k+1 - (step 22). It is checked whether the predicted vehicle state x(k+1) is safe - (step 23) and thus also the first set of control inputs is upsafe - (step 24). According to the invention, the predicted vehicle state x(k+1) is considered safe considered if it flies within a maximally robust, positively invariant MRPI state set X, which has been determined in advance on the basis of a time-invariant system model for vehicle states x, control inputs u and disturbances w. If the vehicle state x(k) lies within the MRPI state set Xflies and if the first set of control inputs up is not considered safe, a new safe set of Control inputs usgenerated - (step 25).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von sicheren Steuereingaben us 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 x(k) zu einem ersten Zeitpunkt k bestimmt, indem zumindest Positions- und Bewegungsdaten und ggf. auch noch weitere Zustandsdaten des Fahrzeugs zum Zeitpunkt k ermittelt werden. Auf Basis eines Vergleichs zwischen dem Fahrzeugzustand x(k) zum Zeitpunkt k und den Trajektoriedaten wird dann ein erster Satz von Steuereingaben up 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 Satz von Steuereingaben up, wird zunächst geprüft, ob der erste Satz von Steuereingaben up auch sicher ist. Dazu wird ausgehend vom Fahrzeugzustands x(k) zum Zeitpunkt k und dem ersten Satz von Steuereingaben up ein Fahrzeugzustand x(k+1) zu einem darauffolgenden, zweiten Zeitpunkt k+1 vorhergesagt, um zu prüfen, ob der vorhergesagte Fahrzeugzustand x(k+1) sicher ist. Nur wenn dies der Fall ist, wird auch der erste Satz von Steuereingaben up als sicher erachtet.The invention relates to a method for providing safe control inputs u s for actuator components of an automated vehicle that moves with the aid of these actuator components along a trajectory that is specified in the form of trajectory data. In order to generate and provide suitable control data, the vehicle status is monitored and compared with the specified trajectory. For this purpose, the vehicle state x(k) is determined at a first point in time k, in that at least position and movement data and possibly also other state data of the vehicle at point in time k are determined. A first set of control inputs up is then generated on the basis of a comparison between the vehicle state x(k) at time k and the trajectory data, whereby other parameters are usually also taken into account, such as environmental conditions, traffic rules, driving style specifications, etc.. Before driving the actuator components with this first set of control inputs up , it is first checked whether the first set of control inputs up is also safe. For this purpose, based on the vehicle state x(k) at time k and the first set of control inputs up , a vehicle state x(k+1) is predicted at a subsequent, second point in time k+1 in order to check whether the predicted vehicle state x(k +1) is safe. Only if this is the case is the first set of control inputs up considered safe.

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 Fahrzeugzustands ab. Weitere Unsicherheitsfaktoren des zugrunde liegenden Systems werden hier nicht berücksichtigt, was die bereitgestellten Garantien schwächt.Ensuring functional safety in driving dynamics control is a central task in autonomous driving in SAE classification levels 2+ to 5. The German disclosure document DE 10 2019 134 258 A1 describes an approach in which a safety controller in a safety path is used to check whether the control signal generated by a given behavior controller (performance controller) can be applied to the system. For the safety path, a simple PID controller is used to have formal proof of ending in a safe state. The safety controller is activated when the control signals generated by the behavior controller would lead to a violation of predefined thresholds. The thresholds are strictly mathematically designed to ensure that the vehicle operates safely. These thresholds only represent physical boundary conditions or limitations of the vehicle condition. Other uncertainties of the underlying system are not taken into account here, which weakens the guarantees provided.

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

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.The invention proposes measures that make it possible to systematically take into account other uncertainty factors of the system in addition to the vehicle-related physical boundary conditions when checking whether the control inputs generated by a behavior controller can be considered safe. Furthermore, the invention proposes measures for generating and providing safe control inputs if the control inputs generated by the behavior controller cannot be considered safe because their use would lead to an unsafe vehicle state.

Kern und Vorteile der ErfindungEssence and advantages of the invention

Zur Prüfung, ob ein erster Satz von Steuereingaben up sicher ist, wird erfindungsgemäß geprüft, ob der vorhergesagte Fahrzeugzustand x(k+1) innerhalb einer maximal robusten, positiv invarianten MRPI-Zustandsmenge Xf von Elementen x+ liegt, welche unter Zugrundelegung eines zeitlich invarianten Systemmodels für Fahrzeugzustände x, Steuereingaben u und Störeinflüsse w vorab bestimmt worden ist. Falls der vorhergesagte Fahrzeugzustand x(k+1) innerhalb dieser MRPI-Zustandsmenge Xf liegt, wird er als sicher erachtet und damit auch der erste Satz von Steuereingaben up. In diesem Fall kann der erste Satz von Steuereingaben up als sicherer Satz von Steuereingaben us bereitgestellt werden und zur Ansteuerung der Aktoren des Fahrzeugs verwendet werden.To check whether a first set of control inputs up is safe, it is checked according to the invention whether the predicted vehicle state x(k+1) lies within a maximally robust, positively invariant MRPI state set X f of elements x + , which is based on a temporally invariant system models for vehicle states x, control inputs u and interference w has been determined in advance. If the predicted vehicle state x(k+1) is within this MRPI state set X f , it is considered safe and so is the first set of control inputs up . In this case, the first set of control inputs up can be provided as a safe set of control inputs u s and can be used to control the vehicle's actuators.

Wenn der Fahrzeugzustand x(k) zum Zeitpunkt k innerhalb der MRPI-Zustandsmenge Xf liegt und wenn der erste Satz von Steuereingaben up nicht als sicher erachtet wird, wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines vorab spezifizierten Reglers K auf Basis des Fahrzeugzustands x(k) und der Trajektoriedaten ein neuer sicherer Satz von Steuereingaben us generiert, der anstelle des ersten Satzes von Steuereingaben up zur Anwendung bereitgestellt wird.If the vehicle state x(k) at time k is within the MRPI state set X f and if the first set of control inputs up is not considered safe, according to the invention, with the aid of a previously specified controller K based on the vehicle state x(k) and the trajectory data generates a new safe set of control inputs u s that is provided for use in place of the first set of control inputs up .

Erfindungsgemäß ist demnach für die Sicherheitsprüfung der Steuereingaben up eine vorab bestimmte MRPI-Zustandsmenge Xf erforderlich und für das Erzeugen eines neuen sicheren Satzes von Steuereingaben us ein vorab spezifizierter Regler K.According to the invention, a previously determined MRPI state set X f is required for the security check of the control inputs up and a previously specified controller K is required for generating a new secure set of control inputs u s .

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 kann einfach auf einer elektronischen Steuereinheit des Fahrzeugs implementiert werden, da es keine aufwändigen Berechnungen erfordert, wenn die MRPI-Zustandsmenge Xf einmal bestimmt ist und der Regler K spezifiziert ist, was ja vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt.The measures according to the invention create an inherently safe system that enables the use of a wide variety of behavior controllers, such as controllers that implement improved driving performance, a special driving feel or a learned control behavior. Advantageously, the invention can be applied to all possible types of vehicle dynamics control, in particular lateral control, longitudinal control and combined approaches in which lateral and longitudinal dynamics are controlled simultaneously. The method according to the invention can be easily implemented on an electronic control unit of the vehicle, since it does not require complex calculations once the MRPI state quantity X f has been determined and the controller K is specified, which is done before the method according to the invention is carried out.

Die MRPI-Zustandsmenge Xf liegt innerhalb einer Zustandsmenge X. Die Zustandsmenge X umfasst alle Fahrzeugzustände, die alle vorgegebenen, insbesondere Fahrzeug-spezifischen, Randbedingungen für den Fahrzeugzustand erfüllen.The MRPI status set X f lies within a status set X. The status set X includes all vehicle statuses that meet all predefined, in particular vehicle-specific, boundary conditions for the vehicle status.

Zur Berechnung der MRPI-Zustandsmenge Xf 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: x + = f ( x , u , w )

Figure DE102021211667A1_0001
und im Falle eines zeitlich invarianten linearen Systemmodels x + = Ax + Bu + Ew
Figure DE102021211667A1_0002
wobei x X ,  u U ,  w W
Figure DE102021211667A1_0003
A time-invariant system model, for example for the longitudinal and/or lateral dynamics of a vehicle, is used to calculate the MRPI state set X f , which takes into account the current vehicle state x, control inputs u and disruptive influences w acting on the system. The following applies in general: x + = f ( x , u , w )
Figure DE102021211667A1_0001
and in the case of a time-invariant linear system model x + = axe + Bu + Eh
Figure DE102021211667A1_0002
whereby x X , and u , w W
Figure DE102021211667A1_0003

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. Es gilt x, x+ ∈ Rn mit n der Anzahl der Zustandsdaten 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..The current vehicle state x can easily be determined using sensors. Position data, speed and acceleration data as well as information about the vehicle orientation are suitable for this. The vehicle state in a next time step is denoted by x+. It is x, x + ∈ R n with n the number of status data and X is the set of all possible vehicle states within given boundary conditions for the vehicle states. These are mostly physical restrictions, such as speed limits, road limits, etc.

Weiter ist u ∈ Rm mit m der Anzahl an Eingängen und U ist die Menge aller möglichen Sätze von Steuereingaben innerhalb vorgegebener, meist Aktorbedingter Randbedingungen für die Steuereingaben, wie z.B. maximaler Lenkwinkel, etc..Furthermore, u ∈ R m with m the number of inputs and U is the set of all possible sets of control inputs within predetermined, mostly actuator-related boundary conditions for the control inputs, such as maximum steering angle, etc..

Die Störungen sind definiert als w ∈ Rq mit q der Anzahl der Störeinflüsse 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..The disturbances are defined as w ∈ R q with q the number of disturbances and W is the set of all possible sets of disturbances within given boundary conditions for the disturbances, such as maximum assumed disturbance forces due to cross winds, road conditions, etc..

Mit A, B und E sind die konstanten Faktorensätze des linearen Systemmodels bezeichnet.A, B and E denote the constant factor sets of the linear system model.

Die Auswahl der Störeinflüsse w und die Definition von entsprechenden Randbedingungen ist wesentlich für die Gestaltung/Auslegung der MRPI-Zustandsmenge Xf. 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 nichtlinearen Systemmodells. Des Weiteren kann ein Referenzsignal xd als Störung modelliert werden, das Referenzsignal xd steht hier für den Positionierungsfehler beim Abfahren der vorgegebenen Trajektorie.The selection of the perturbations w and the definition of the corresponding boundary conditions is essential for the design/design of the MRPI state set X f . In addition to known disturbing forces, unknown parameters can also be taken into account and system uncertainties can be defined as disturbing influences that are caused by non-modeled dynamics, for example by assuming a linear instead of a non-linear system model. Furthermore, a reference signal x d can be modeled as a disturbance, the reference signal x d here stands for the positioning error when following the specified trajectory.

Zur Berechnung der MRPI-Zustandsmenge Xf können verschiedene Ansätze aus der Literatur verwendet werden, so kann die MRPI-Zustandsmenge Xf beispielsweise als polyedrische oder ellipsoide MRPI-Zustandsmenge Xf berechnet werden.Various approaches from the literature can be used to calculate the MRPI state set X f , for example the MRPI state set X f can be calculated as a polyhedral or ellipsoidal MRPI state set X f .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine invariante MRPI-Zustandsmenge Xf von sicheren Fahrzeugzuständen in Verbindung mit einem entsprechend ausgelegten Regler K zum Erzeugen von sicheren Steuereingaben zu verwenden, um sicherzustellen, dass sich das automatisiert fahrende Fahrzeug immer in einem Fahrzeugzustand aus der MRPI-Zustandsmenge Xf befindet und damit alle Randbedingungen für den Fahrzeugzustand eingehalten werden, sofern sich das Fahrzeug einmal in einem sicheren Fahrzeugzustand befindet.The present invention is based on the idea of using an invariant MRPI state set X f of safe vehicle states in conjunction with a correspondingly designed controller K for generating safe control inputs in order to ensure that the automated vehicle is always in a vehicle state from the MRPI - State set X f is located and so that all boundary conditions for the vehicle state are met, provided that the vehicle is once in a safe vehicle state.

In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Regler K verwendet, dessen Parameter mit Hilfe eines linear-quadratischen Regelverfahrens (LQR method) bestimmt wurden. Die in Verbindung mit dem Regler K verwendete MRPI-Zustandsmenge Xf wurde erst danach unter Zugrundelegung der Parameter des Reglers K berechnet.In an advantageous variant of the method according to the invention, a controller K is used whose parameters were determined using a linear-quadratic control method (LQR method). The MRPI state quantity X f used in connection with the controller K was only then calculated using the parameters of the controller K as a basis.

In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein Regler K und eine MRPI-Zustandsmenge Xf verwendet, die mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus zusammen bestimmt worden sind. In diesem Fall können die Parameter des Reglers K vorteilhafterweise so spezifiziert werden, dass die Größe der MRPI-Zustandsmenge Xf maximiert wird.In a preferred variant of the method according to the invention, a controller K and an MRPI state set X f are used, which have been determined together with the aid of an optimization algorithm. In this case, the parameters of the controller K can advantageously be specified in such a way that the size of the MRPI state set X f is maximized.

Figurenlistecharacter list

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 Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
  • 3 veranschaulicht die Variablen eines Single Track Modells.
Advantageous embodiments and developments of the invention are discussed below with reference to the figures.
  • 1 illustrates the inventive method using a block diagram.
  • 2 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention
  • 3 illustrates the variables of a single track model.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

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 up(k) auf Basis eines Vergleichs zwischen dem aktuellen Fahrzeugzustand x(k) zum Zeitpunkt k und den Trajektoriedaten.Block 1 of the in 1 The block diagram shown includes all components of an automated vehicle that are required to determine the vehicle state x(k) at time k, ie in particular a corresponding sensor system and a signal processing device for the sensor signals. Furthermore, block 1 includes a driver assistance system that is responsible for determining and specifying a vehicle trajectory. And finally, block 1 also includes actuator components which, when actuated appropriately, cause the vehicle to move along the specified trajectory. For this purpose, a behavior controller 2 generates a first set of control inputs up (k) on the basis of a comparison between the current vehicle state x(k) at time k and the trajectory data.

Eine Sicherheitssteuerung 3 empfängt den aktuellen Fahrzeugzustand x(k) zusammen mit den vorgeschlagenen Steuereingaben up(k) - 2, Schritt 21 - und prognostiziert auf Basis dieser Daten den Fahrzeugzustand x(k+1) zu einem nächsten Zeitpunkt (k + 1) - 2, Schritt 22. Die Sicherheitssteuerung 3 prüft dann, ob der prognostizierte Fahrzeugzustand x(k+1) innerhalb einer maximal robusten, positiv invarianten MRPI-Zustandsmenge Xf liegt und ob die Steuereingaben up(k) zulässig sind - 2, Schritt 23.A safety controller 3 receives the current vehicle status x(k) together with the proposed control inputs up (k) - 2 , step 21 - and based on this data predicts the vehicle state x(k+1) at a next point in time (k+1) - 2 , Step 22. The safety controller 3 then checks whether the predicted vehicle state x(k+1) lies within a maximally robust, positively invariant MRPI state set X f and whether the control inputs up (k) are permissible - 2 , step 23.

Wenn ja - 2, Schritt 24 - gilt up(k) als sicher - up(k) = us(k) - und wird auf die Aktorkomponenten von 1 angewendet.If yes - 2 , step 24 - up (k) is considered safe - up (k) = u s (k) - and is applied to the actuator components of 1 .

Wenn der erste Satz von Steuereingaben up(k) nicht als sicher gilt, die Anwendung der Steuereingaben up(k) also zu einem Fahrzeugzustand außerhalb der MRPI-Zustandsmenge Xf führen würden, wird er verworfen - 2, Schritt 25 - und es wird ein neuer sicherer Satz von Steuereingaben us(k) erzeugt. Dazu wird ein Regler K verwendet, wobei erfindungsgemäß durch die Spezifikation des Reglers K und der MRPI-Zustandsmenge Xf sichergestellt ist, dass der so erreichte Fahrzeugzustand x(k+1) innerhalb der MRPI-Zustandsmenge Xf verbleibt, wenn der Anfangszustand des Fahrzeugs x0 Element der MRPI-Zustandsmenge Xf ist. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Regler K spezifiziert als: u(k) = Kx(k). Demnach gilt: Kx(k) = us(k).If the first set of control inputs up (k) is not considered safe, i.e. the application of the control inputs up (k) would lead to a vehicle state outside the MRPI state set X f , it is discarded - 2 , step 25 - and a new safe set of control inputs u s (k) is generated. A controller K is used for this purpose, it being ensured according to the invention by the specification of the controller K and the MRPI state quantity X f that the vehicle state x(k+1) thus achieved remains within the MRPI state quantity X f when the initial state of the vehicle x 0 is an element of the MRPI state set X f . In the exemplary embodiment described here, the controller K is specified as: u(k)=Kx(k). Accordingly, the following applies: Kx(k) = u s (k).

3 veranschaulicht, wie Nichtlinearitäten in den Störungsvektor w einbezogen werden können. Dargestellt ist ein einspuriges Modell eines Fahrzeugs, also lediglich die Räder 31, 32 auf der rechten oder linken Fahrzeugseite. Aufgabe ist die seitliche Steuerung des Fahrzeugs, das entsprechende einspurige Modell kann durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden: x = [ e d ,   e Ψ ,   Ψ ˙ ,   β ] T

Figure DE102021211667A1_0004
u = δ
Figure DE102021211667A1_0005
x ˙ = [ v   s i n ( e Ψ + β ) Ψ ˙ Ψ ˙ d a 11 Ψ ˙ + a 12 β + b 1 δ a 21 Ψ ˙ + a 22 β + b 2 δ ]
Figure DE102021211667A1_0006
3 illustrates how non-linearities can be included in the perturbation vector w. A single-track model of a vehicle is shown, ie only the wheels 31, 32 on the right or left side of the vehicle. The task is the lateral control of the vehicle, the corresponding single-track model can be described by the following equations: x = [ e i.e , e Ψ , Ψ ˙ , β ] T
Figure DE102021211667A1_0004
and = δ
Figure DE102021211667A1_0005
x ˙ = [ v s i n ( e Ψ + β ) Ψ ˙ Ψ ˙ i.e a 11 Ψ ˙ + a 12 β + b 1 δ a 21 Ψ ˙ + a 22 β + b 2 δ ]
Figure DE102021211667A1_0006

Wobei ed den seitlichen Fehler beschreibt, Ψ den Gierwinkel und eΨ = Ψ - Ψd , β den Schlupfwinkel, δ den Lenkwinkel, v die Geschwindigkeit und a und b Parameter.Where ed describes the lateral error, Ψ the yaw angle and e Ψ = Ψ - Ψ d , β the slip angle, δ the steering angle, v the speed and a and b parameters.

Zur Umformulierung des mit den Gleichungen (4) bis (6) beschriebenen Problems in die Form der Gleichung (2), wird die folgende Gleichung (7) eingefügt: sin ( e Ψ + β ) = ( e Ψ + β ) + e lin

Figure DE102021211667A1_0007
To reformulate the problem described by Equations (4) to (6) in the form of Equation (2), the following Equation (7) is inserted: sin ( e Ψ + β ) = ( e Ψ + β ) + e lin
Figure DE102021211667A1_0007

Dadurch ergibt sich ein Linearisierungsfehler elin. Die Fehlergrenzen elin,min <= elin <= elin,max können berechnet werden mit Minimal- und Maximalwerten für eΨ und β.This results in a linearization error e lin . The error limits e lin,min <= e lin <= e lin,max can be calculated with minimum and maximum values for e Ψ and β.

Auf diese Weise kann der Linearisierungsfehler elin als ein Eintrag im Störungsvektor w ∈ W berücksichtigt werden. Offensichtlich können so auch weitere Störeinflüsse und Nichtlinearitäten in w berücksichtigt werden.In this way, the linearization error e lin can be taken into account as an entry in the perturbation vector w ∈ W. Apparently other disturbances and non-linearities in w can also be taken into account.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102019134258 A1 [0002]DE 102019134258 A1 [0002]

Claims (7)

Verfahren zum Bereitstellen von sicheren Steuereingaben us für Aktorkomponenten eines automatisiert fahrenden Fahrzeugs, das sich entlang einer in Form von Trajektoriedaten vorgegebenen Trajektorie bewegt, a. bei dem ein Fahrzeugzustand x(k) zu einem ersten Zeitpunkt k bestimmt wird, indem zumindest Positions- und Bewegungsdaten des Fahrzeugs zum Zeitpunkt k ermittelt werden, b. bei dem auf Basis eines Vergleichs zwischen dem Fahrzeugzustand x(k) und den Trajektoriedaten ein erster Satz von Steuereingaben up erzeugt wird, c. bei dem auf Basis des Fahrzeugzustands x(k) und des ersten Satzes von Steuereingaben up ein Fahrzeugzustand x(k+1) zu einem späteren zweiten Zeitpunkt k+1 vorhergesagt wird - (Schritt 22), d. bei dem geprüft wird, ob der vorhergesagte Fahrzeugzustand x(k+1) sicher ist - (Schritt 23), und e. bei dem der erste Satz von Steuereingaben up als sicher erachtet wird, wenn der damit vorhergesagte Fahrzeugzustand x(k+1) sicher ist - (Schritt 24); dadurch gekennzeichnet, dass der vorhergesagte Fahrzeugzustand x(k+1) als sicher erachtet wird, wenn er innerhalb einer maximal robusten, positiv invarianten MRPI-Zustandsmenge Xf von Elementen x+ liegt, welche unter Zugrundelegung eines zeitlich invarianten Systemmodels für Fahrzeugzustände x, Steuereingaben u und Störeinflüsse w vorab bestimmt worden ist, und dass, wenn der Fahrzeugzustand x(k) innerhalb der MRPI-Zustandsmenge Xf liegt und wenn der erste Satz von Steuereingaben up nicht als sicher erachtet wird, mit Hilfe eines vorab spezifizierten Reglers K auf Basis des Fahrzeugzustands x(k) und der Trajektoriedaten ein neuer sicherer Satz von Steuereingaben us generiert wird - (Schritt 25).Method for providing safe control inputs u s for actuator components of an automated vehicle that is moving along a trajectory specified in the form of trajectory data, a. in which a vehicle state x(k) is determined at a first point in time k by determining at least position and movement data of the vehicle at point in time k, b. in which a first set of control inputs up is generated on the basis of a comparison between the vehicle state x(k) and the trajectory data, c. wherein based on the vehicle state x(k) and the first set of control inputs up p a vehicle state x(k+1) is predicted at a later second time k+1 - (step 22), d. in which it is checked whether the predicted vehicle state x(k+1) is safe - (step 23), and e. wherein the first set of control inputs up is deemed safe if the vehicle state x(k+1) predicted thereby is safe - (step 24); characterized in that the predicted vehicle state x(k+1) is considered safe if it lies within a maximally robust, positively invariant MRPI state set X f of elements x + , which is calculated using a time-invariant system model for vehicle states x, control inputs u and disturbances w has been determined in advance, and that if the vehicle state x(k) is within the MRPI state set X f and if the first set of control inputs up p is not considered safe, using a previously specified controller K Based on the vehicle state x(k) and the trajectory data, a new secure set of control inputs u s is generated - (step 25). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Berechnung der Elemente x+ der MRPI-Zustandsmenge Xf ein zeitlich invariantes, lineares Systemmodel für Fahrzeugzustände x, Steuereingaben u und Störeinflüsse w zugrunde gelegt wird, das beschreibbar ist durch x + = Ax + Bu + Ew x X ,  u U ,  w W
Figure DE102021211667A1_0008
wobei x ∈ Rn und X die Menge aller möglichen Fahrzeugzustände innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Fahrzeugzustände beschreibt, wobei u ∈ Rm und U die Menge aller möglichen Sätze von Steuereingaben innerhalb vorgegebener Randbedingungen für die Steuereingaben beschreibt, wobei w ∈ Rq 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.
procedure after claim 1 , characterized in that the calculation of the elements x + the MRPI state set X f is based on a time-invariant, linear system model for vehicle states x, control inputs u and interference w, which can be described by x + = axe + Bu + Eh x X , and u , w W
Figure DE102021211667A1_0008
where x ∈ R n and X describes the set of all possible vehicle states within given boundary conditions for the vehicle states, where u ∈ R m and U describes the set of all possible sets of control inputs within given boundary conditions for the control inputs, where w ∈ R q and W the Describes the set of all possible sets of disturbing influences within predetermined boundary conditions for the disturbing influences and where A, B and E denote the constant factor sets of the linear system model.
Verfahren nach Anspruch 2, 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.procedure after claim 2 , characterized in that infrastructure-related disruptions and uncertainties and/or system model-related errors and/or deviations of the vehicle position from the specified trajectory are taken into account as disruptive influences in the time-invariant, linear system model. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente x+ als Elemente einer polyedrischen oder ellipsoiden MRPI-Zustandsmenge Xf berechnet werden.Procedure according to one of claims 2 or 3 , characterized in that the elements x + are calculated as elements of a polyhedral or ellipsoidal MRPI state set X f . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Reglers K mit Hilfe eines linear-quadratischen Regelverfahrens (LQR method) bestimmt werden und dass die so bestimmten Parameter des Reglers K dann der Berechnung der MRPI-Zustandsmenge Xf zugrunde gelegt werden.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the parameters of the controller K are determined using a linear-quadratic control method (LQR method) and that the parameters of the controller K determined in this way are then used as a basis for calculating the MRPI state quantity X f . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Reglers K und die MRPI-Zustandsmenge Xf mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus zusammen bestimmt werden, wobei insbesondere die Größe der MRPI-Zustandsmenge Xf maximiert wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the parameters of the controller K and the MRPI state set X f are determined together using an optimization algorithm, with the size of the MRPI state set X f in particular being maximized. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz von Steuereingaben up als sicherer Satz von Steuereingaben us bereitgestellt wird, wenn der vorhergesagte Fahrzeugzustand x(k+1) als sicher erachtet wird.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the first set of control inputs u p is provided as a safe set of control inputs u s if the predicted vehicle state x(k+1) is deemed safe.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2364891B1 (en) 2010-03-12 2013-06-19 Volvo Car Corporation Method for threat assessment in a vehicle
DE102019134258A1 (en) 2019-12-13 2021-05-06 Daimler Ag Method for controlling a driving function of a vehicle

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