DE102021211667A1 - Method for providing safe control inputs for actuator components of an automated vehicle - Google Patents
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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
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:
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.
-
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
Eine Sicherheitssteuerung 3 empfängt den aktuellen Fahrzeugzustand x(k) zusammen mit den vorgeschlagenen Steuereingaben up(k) -
Wenn ja -
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 -
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:
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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