DE102022205042A1

DE102022205042A1 - Verfahren zum Planen einer Trajektorie

Info

Publication number: DE102022205042A1
Application number: DE102022205042.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Reul; Fabian Becker; Vamshi Krishna Reddy Itikapati
Original assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2023-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Planen einer Trajektorie für ein Fahrmanöver eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Empfangen eines ortsfesten Zielpunkts und eines Geschwindigkeitswerts, wobei das Fahrzeug mittels der zu planenden Trajektorie den Zielpunkt erreichen und an diesem eine Geschwindigkeit gleich dem Geschwindigkeitswert aufweisen soll (S10);- Berechnen mehrerer polynombasierter Trajektorien, mittels denen das Fahrzeug den Zielpunkt mit einer Geschwindigkeit gemäß dem empfangenen Geschwindigkeitswert erreicht (S11);- Prüfen der Trajektorien anhand von Prüfkriterien, Vergleichen der Trajektorien untereinander und Auswählen einer die Prüfkriterien erfüllenden Trajektorie basierend auf zumindest einem Auswahlkriterium (S12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Planen einer Trajektorie für ein Fahrmanöver eines Fahrzeugs, um einen ortsfesten Zielpunkt mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit zu erreichen.
Im Stand der Technik sind bereits Verfahren zur Planung einer Trajektorie von einem kinematischen Startzustand eines Fahrzeugs zu einem kinematischen Endzustand, d.h. einem bewegten Zielpunkt bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird vor der Trajektorienplanung ein Suchintervall für die Trajektoriendauer festgelegt. Anschließend werden in dem Suchintervall mehrere Trajektorien berechnet, die eine unterschiedliche Trajektoriendauer aufweisen. Nach der Berechnung der Trajektorien wird geprüft, welche Trajektorien kollisionsfrei fahrbar sind und es wird diejenige Trajektorie ausgewählt, die die geringsten Kosten (Kosten in Bezug auf Fahrkomfort und/oder anderen vorgegebenen Zielen) aufweist.
Die bekannten Verfahren sind dazu vorgesehen, eine Trajektorie des Ego-Fahrzeugs zu einem kinematischen Endzustand hin zu planen, der durch ein Umgebungsobjekt bestimmt wird. Dieses Umgebungsobjekt kann beispielsweise ein Drittfahrzeug sein.
In bestimmten Fahrsituationen kann es nötig sein, eine Trajektorie zu einem ortsfesten Zielpunkt zu planen, und zwar derart, dass das Ego-Fahrzeug an diesem Zielpunkt eine vorgegebene Geschwindigkeit aufweist. Beispiele für derartige Zielpunkte sind Geschwindigkeitsbegrenzungsschilder, Ortsschilder oder Kurven, an denen aufgrund des Kurvenradius aus fahrdynamischen Gründen eine bestimmte Geschwindigkeit nicht überschritten werden darf.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Planen einer Trajektorie eines Fahrzeugs anzugeben, das eine Berechnung einer Trajektorie zu einem ortsfesten Zielpunkt, dem ein durch die Trajektorie zu erreichender Geschwindigkeitswert zugeordnet ist, in effizienter Weise ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Fahrerassistenzsystem zum Planen einer Trajektorie eines Fahrzeugs ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 15.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Planen einer Trajektorie für ein Fahrmanöver eines Fahrzeugs. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Zunächst wird ein ortsfester Zielpunkt und ein Geschwindigkeitswert empfangen. Bei Steuerung des Fahrzeugs basierend auf der zu planenden Trajektorie soll das Fahrzeug den ortsfesten Zielpunkt erreichen und an diesem eine Geschwindigkeit gleich dem Geschwindigkeitswert aufweisen. Der Geschwindigkeitswert und der Zielpunkt kann beispielsweise anhand von Kartendaten eines Navigationssystems, durch eine Empfangsschnittstelle (beispielsweise car2x-Schnittstelle), basierend auf der das Fahrzeug Informationen von einer externen Datenquelle empfängt und/oder durch eine Sensorik des Fahrzeugs bereitgestellt werden.

Nach dem Empfangen des ortsfesten Zielpunkts und des Geschwindigkeitswerts werden mehrere polynombasierte Trajektorien berechnet. Dies bedeutet, dass sich die Trajektorie des Fahrmanövers zumindest abschnittsweise durch ein Polynom beschreiben lässt. Die Trajektorien werden derart berechnet, dass beim Durchfahren einer Trajektorie das Fahrzeug zum Zielpunkt gesteuert wird und diesen mit einer Geschwindigkeit gemäß dem empfangenen Geschwindigkeitswert erreicht.
Die berechneten Trajektorien werden anschließend anhand von Prüfkriterien geprüft, um festzustellen, ob die jeweils berechnete Trajektorie zulässig ist, d.h. insbesondere vorgegebene Randparameter erfüllt. Anschließend werden die Trajektorien untereinander verglichen und es wird eine Trajektorie, die die Prüfkriterien erfüllt, basierend auf zumindest einem Auswahlkriterium ausgewählt. Basierend auf dieser ausgewählten Trajektorie kann anschließend zumindest zeitweise die Steuerung des Fahrzeugs erfolgen.
Der technische Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine recheneffiziente und genaue Berechnung von Trajektorien zu einem ortsfesten Zielpunkt mit einem vorgegebenen Geschwindigkeitswert möglich wird. Es sei angemerkt, dass das offenbarte Verfahren vorzugsweise zur Bestimmung von Trajektorien eingesetzt wird, mittels denen die Geschwindigkeit reduziert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Trajektorien unterschiedliche Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile auf. Es werden damit mehrere Trajektorien berechnet, die sich in dem zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit und der Beschleunigung unterscheiden. Dadurch ist es möglich, mehrere Trajektorien, mittels denen der ortsfeste Zielpunkt mit einer Geschwindigkeit gleich dem vorgegebenen Geschwindigkeitswert erreicht wird, miteinander zu vergleichen und diejenige Trajektorie auszuwählen, die das zumindest eine Auswahlkriterium am besten erfüllt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Trajektorien einteilige, polynombasierte Trajektorien, die jeweils ein lokales Minimum oder ein lokales Maximum in Beschleunigungsverlauf, insbesondere im relevanten Zeitbereich des Beschleunigungsverlaufs des Manövers, aufweisen. Derartige Trajektorien können mit geringem Rechenaufwand bestimmt werden und bieten darüber hinaus einen hohen Fahrkomfort.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Trajektorien derart berechnet, dass die Beschleunigung des Fahrzeugs am Ende der Trajektorie 0 m/s² oder im Wesentlichen 0 m/s² beträgt. Die Beschleunigung ist hier insbesondere die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs. Im Wesentlichen 0 m/s² soll hier insbesondere eine Abweichung kleiner oder gleich 0,5 m/s² bedeuten. Dadurch wird eine Trajektorie erreicht, mit der am Zielpunkt ein Überschwingen der zu erreichenden Zielgeschwindigkeit verhindert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Trajektorien eine unterschiedliche Trajektoriendauer auf. Die Trajektorien werden basierend auf einem Suchraum bestimmt, der ein Minimum und ein Maximum für die Trajektoriendauer vorgibt. Dadurch lässt sich der Suchraum für die Trajektoriendauer fahrsituationsabhängig eingrenzen, wodurch die Berechnung unzulässiger Trajektorien vermieden wird und damit die Berechnung der Trajektorien insgesamt effizienter erfolgen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vor der Berechnung der Trajektorien eine minimale Trajektoriendauer, die ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs zum Erreichen des ortsfesten Zielpunkts nötig ist, bestimmt. Die untere Grenze des Suchraums wird basierend auf der minimalen Trajektoriendauer festgelegt. Dadurch lässt sich die untere Grenze des Suchraums vorteilhaft anhand der aktuellen Fahrsituation eingrenzen und damit die Effizienz der Trajektorienberechnung steigern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die minimale Trajektoriendauer dadurch bestimmt, dass das Fahrzeug mit der aktuellen Geschwindigkeit möglichst lange konstant weiterbewegt wird und anschließend - unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Rucks - mit maximal zulässiger Verzögerung auf den Geschwindigkeitswert abgebremst wird. Dadurch kann eine untere Grenze für den Suchraum abgeschätzt werden, die aufgrund der möglichst langen Weiterbewegung des Fahrzeugs mit der ursprünglichen Geschwindigkeit zu einer kurzen Trajektoriendauer führt.
Für den weiteren Fall, dass das Fahrzeug im aktuellen Zeitpunkt eine Längsbeschleunigung größer Null aufweist, d.h. in Fahrtrichtung beschleunigt wird, wird die minimale Trajektoriendauer dadurch bestimmt, dass diese Beschleunigung vorzugsweise möglichst lange beibehalten und anschließend das Fahrzeug - unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Rucks - mit maximal zulässiger Verzögerung auf den Geschwindigkeitswert abgebremst wird.
Für den nochmals weiteren Fall, dass das Fahrzeug im aktuellen Zeitpunkt eine Längsbeschleunigung kleiner Null aufweist, d.h. in Fahrtrichtung bereits abgebremst wird, wird die minimale Trajektoriendauer dadurch bestimmt, dass diese negative Beschleunigung zunächst - unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Rucks - aufgehoben wird, das Fahrzeug anschließend mit konstanter Geschwindigkeit weiterbewegt wird und zuletzt das Fahrzeug - unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Rucks - mit maximal zulässiger Verzögerung auf den Geschwindigkeitswert abgebremst wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die obere Grenze des Suchraums dadurch bestimmt, dass das Fahrzeug ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand sofort unter Berücksichtigung des zulässigen Rucks mit maximal zulässiger Verzögerung auf eine Geschwindigkeit gleich dem Geschwindigkeitswert abgebremst wird und anschließend mit einer Geschwindigkeit gleich dem Geschwindigkeitswert bis zum Zielpunkt weiterbewegt wird. Dadurch kann die obere Grenze des Suchraums fahrsituationsabhängig abgeschätzt werden. Alternativ kann die obere Grenze des Suchraums basierend auf der minimalen Trajektoriendauer und einer vorgegebenen Länge des Suchraums bestimmt werden.
Alternativ kann die obere Grenze des Suchraums basierend auf der minimalen Trajektoriendauer und einer vorgegebenen Länge des Suchraums bestimmt werden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die zuvor beschriebene Variante zur Bestimmung der oberen Grenze des Suchraums zu einem sehr langen Suchraum führt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird für den Fall, dass beispielsweise auf Grund einer zu hohen maximalen Verzögerung keine der berechneten Trajektorien die Prüfkriterien erfüllen, eine Backup-Trajektorie ermittelt und die Steuerung des Fahrzeugs zumindest zeitweise basierend auf der Backup-Trajektorie vollzogen. Dadurch wird erreicht, dass dann, wenn keine einteilige polynombasierte Trajektorie ermittelt werden kann, die Steuerung des Fahrzeugs trotzdem mittels des Fahrassistenzsystems weiter erfolgen kann, d.h. kein Abbruch der zumindest teilweise automatischen Fahrfunktion erfolgt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Backup-Trajektorie ein erstes Trajektoriensegment auf, in dem ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs die Verzögerung erhöht wird oder die Backup-Trajektorie weist ein erstes und ein zweites Trajektoriensegment auf, wobei im ersten Trajektoriensegment ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs die Verzögerung bis zu einer maximal zulässigen Verzögerung erhöht wird und in dem an das erste Trajektoriensegment anschließenden zweiten Trajektoriensegment diese maximal zulässige Verzögerung konstant oder im Wesentlichen konstant gehalten wird. Dadurch wird eine auf Sicherheit ausgelegte Backup-Trajektorie erhalten, basierend auf der der Zielpunkt mit hoher Sicherheit erreichbar ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Verlauf der Backup-Trajektorie im ersten Trajektoriensegment unter Berücksichtigung einer Begrenzung des zulässigen Längsrucks des Fahrzeugs bestimmt. Dadurch kann der Komforteindruck, den die Fahrzeuginsassen beim Durchfahren der Backup-Trajektorie haben, gesteigert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird während der Steuerung des Fahrzeugs basierend auf der Backup-Trajektorie eine Berechnung einer durch ein Polynom definierten Fortsetzungstrajektorie zu dem ortsfesten Zielpunkt vollzogen. Für den Fall, dass eine Fortsetzungstrajektorie ermittelt werden konnte, die vorgegebene Prüfkriterien erfüllt, wird die Steuerung des Fahrzeugs basierend auf der Backup-Trajektorie beendet und die Steuerung des Fahrzeugs wird basierend auf der Fortsetzungstrajektorie vollzogen. Die Fortsetzungstrajektorie bildet dann das auf das erste oder zweite Trajektoriensegment folgende zweite oder dritte Trajektoriensegment. Damit kann erreicht werden, dass während der Steuerung des Fahrzeugs basierend auf der Backup-Trajektorie auf eine polynombasierte Fortsetzungstrajektorie gewechselt wird, so dass der Zielpunkt trotz einer anfänglich nicht ermittelbaren einteiligen polynombasierten Trajektorie mit einem möglichst hohen Komfortempfinden für die Fahrzeuginsassen erreicht werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden mehrere Trajektorien, die zu unterschiedlichen ortsfesten Zielpunkten führen, zeitlich parallel berechnet. Dadurch ist es möglich, parallelisiert mehrere Trajektorien, die zu unterschiedlichen Zielpunkten führen, zu berechnen, um anschließend eine Trajektorie bestimmen zu können, mittels der mehrere oder alle Zielpunkte mit Geschwindigkeiten gleich oder kleiner als die vorgegebenen Geschwindigkeitswerte erreichbar bleiben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird nach der parallelen Berechnung mehrerer Trajektorien, die sich auf unterschiedliche ortsfeste Zielpunkte beziehen, diejenige Trajektorie zur Steuerung des Fahrzeugs verwendet, die ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs zu Trajektorienbeginn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs am stärksten reduziert. Dadurch wird erreicht, dass nach dem Erreichen des örtlich am nächsten an der aktuellen Fahrzeugposition liegenden Zielpunkts auch die weiteren Zielpunkte durch neu zu berechnende Trajektorien oder durch Beibehalten der ursprünglichen Trajektorie, sofern diese auch für einen weiter entfernten Zielpunkt anwendbar ist, erreichbar bleiben.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrerassistenzsystem zum Planen einer Trajektorie für ein Fahrmanöver eines Fahrzeugs. Das Fahrerassistenzsystem umfasst zumindest eine Recheneinheit. Die zumindest eine Recheneinheit ist dazu konfiguriert, die folgenden Schritte zu vollziehen:

- Empfangen eines ortsfesten Zielpunkts und eines Geschwindigkeitswerts, wobei das Fahrzeug mittels der zu planenden Trajektorie den ortsfesten Zielpunkt erreichen und an diesem eine Geschwindigkeit gleich dem Geschwindigkeitswert aufweisen soll;
- Berechnen mehrerer polynombasierter Trajektorien, mittels denen das Fahrzeug den Zielpunkt mit einer Geschwindigkeit gemäß dem empfangenen Geschwindigkeitswert erreicht;
- Prüfen der Trajektorien anhand von Prüfkriterien, Vergleichen der Trajektorien untereinander und Auswählen einer die Prüfkriterien erfüllenden Trajektorie basierend auf zumindest einem Auswahlkriterium.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 beispielhaft eine schematische Darstellung einer Fahrsituation eines Fahrzeugs, für die eine Trajektorie zu einem ortsfesten Zielpunkt geplant werden soll;
2 beispielhaft ein Beschleunigungs-Weg-Diagramm, das mehrere Beschleunigungsverläufe unterschiedlicher Trajektorien, die jeweils zu einem vorgegebenen Zielpunkt führen, zeigt;
3 beispielhaft ein Geschwindigkeits-Weg-Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs entlang einer Trajektorie zeigt;
4 beispielhaft ein Beschleunigungs-Weg-Diagramm, das mehrere Beschleunigungsverläufe von Backup-Trajektorien und einer an die Backuptrajektorien anschließenden polynombasierten Fortsetzungstrajektorie zeigt;
5 beispielhaft ein Beschleunigungs-Zeit-Diagramm, das den zeitlichen Beschleunigungsverlauf des Fahrzeugs zeigt, der zur Berechnung der minimalen Trajektoriendauer ausgehend von einem ersten kinematischen Startzustand des Fahrzeugs, bei dem die Längsbeschleunigung null ist, verwendet wird;
6 beispielhaft ein Beschleunigungs-Zeit-Diagramm, das den zeitlichen Beschleunigungsverlauf des Fahrzeugs zeigt, der zur Berechnung der minimalen Trajektoriendauer ausgehend von einem zweiten kinematischen Startzustand des Fahrzeugs, bei dem die Längsbeschleunigung negativ ist, verwendet wird;
7 beispielhaft ein Beschleunigungs-Zeit-Diagramm, das den zeitlichen Beschleunigungsverlauf des Fahrzeugs zeigt, der zur Berechnung der minimalen Trajektoriendauer ausgehend von einem dritten kinematischen Startzustand des Fahrzeugs, bei dem die Längsbeschleunigung positiv ist, verwendet wird; und
8 beispielhaft ein Blockdiagramm, das die Verfahrensschritte des Verfahrens zur Planung einer Trajektorie für ein Fahrmanöver eines Fahrzeugs veranschaulicht.

1 zeigt beispielhaft und schematisch ein Fahrmanöver, bei dem sich ein Fahrzeug 1 entlang einer von einem Fahrerassistenzsystem des Fahrzeugs 1 geplanten Trajektorie in einer Fahrtrichtung FR bewegt.
Die vom Fahrerassistenzsystem geplante Trajektorie bestimmt die kinematischen Zustände des Fahrzeugs 1 entlang der Fahrstrecke, die basierend auf der Trajektorie zurückgelegt wird. Die Trajektorie weist insbesondere einen kinematischen Startzustand und einen kinematischen Endzustand auf. Der kinematische Startzustand kann die Position des Fahrzeugs 1 im Raum, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und die Beschleunigung des Fahrzeugs zu Beginn der Trajektorie angeben. Die Geschwindigkeit und Beschleunigung können sich dabei insbesondere auf die Längsrichtung beziehen.
Der kinematische Zielzustand des Fahrzeugs 1 am Ende der Trajektorie wird durch einen Zielpunkt ZP bestimmt, der durch die Trajektorie erreicht werden soll. Der Zielpunkt ZP ist ein ortsfester Punkt, d.h. dieser weist keine Eigenkinematik auf. Der Zielpunkt ZP ist mit einem Geschwindigkeitswert G verknüpft, wobei die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 nach dem Durchfahren der Trajektorie und damit beim Erreichen des Zielpunkts ZP dem Geschwindigkeitswert G entsprechen soll.
Vorzugsweise ist der kinematische Zielzustand des Fahrzeugs 1 am Ende der Trajektorie auch dadurch definiert, dass die Beschleunigung des Fahrzeugs 1 am Zielpunkt 0 m/s² oder im Wesentlichen 0 m/s² betragen soll. Im Wesentlichen 0 m/s² soll hier insbesondere eine Abweichung kleiner oder gleich 0,5m/s² bedeuten.
Der Zielpunkt ZP kann beispielsweise durch ein Verkehrsschild (Stopschild, Geschwindigkeitsbegrenzungsschild, Ortsschild etc.) gebildet sein, dem ein vorgegebener Geschwindigkeitswert G zugeordnet ist. Alternativ kann der Zielpunkt ZP beispielsweise der Beginn einer Kurve sein, die lediglich mit einer gewissen Geschwindigkeit durchfahren werden kann. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Zielpunkt durch ein Geschwindigkeitsbegrenzungsschild gebildet, das die maximale Geschwindigkeit auf den Geschwindigkeitswert G (im gezeigten Ausführungsbeispiel 50 km/h) begrenzt.
Die Informationen zum Zielpunkt ZP (einschließlich des Geschwindigkeitswerts G) können beispielsweise in kartenartigen Daten hinterlegt sein. Dadurch ist der Zielpunkt ZP bereits sehr früh bekannt. Alternativ oder zusätzlich können die Informationen zum Zielpunkt ZP und des ihm zugeordneten Geschwindigkeitswerts G auch durch eine Sensorik des Fahrzeugs 1 erfasst werden, insbesondere durch eine kamerabasierte Sensorik.
Des Weiteren weist das Fahrzeug 1 zumindest eine Recheneinheit 2 auf, die zur Beurteilung der Umgebungsinformationen und zur Vornahme von Fahrentscheidungen ausgebildet ist. Insbesondere ist in der Recheneinheit 2 ein Geschwindigkeits-Abstandsplaner implementiert, der ausgehend von dem aktuellen kinematischen Startzustand des Fahrzeugs 1 (umfassend insbesondere die Fahrzeugposition, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Fahrzeugbeschleunigung) zur Berechnung von Trajektorien von der aktuellen Fahrzeugposition zu der ortsfesten Zielposition ZP ausgebildet ist, und zwar derart, dass das Fahrzeug 1 nach dem Durchfahren der Trajektorie eine Geschwindigkeit gleich dem Geschwindigkeitswert G und vorzugsweise am Zielpunkt ZP eine Beschleunigung von 0 m/s² oder im Wesentlichen 0 m/s² aufweist.
Die berechnete Trajektorie ist eine polynombasierte Trajektorie, d.h. der zeitliche Verlauf der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Fahrzeugs lässt sich durch ein Polynom beschreiben. Einteilige polynombasierte Trajektorien zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der Verlauf der Beschleunigung im für das Manöver relevanten Zeitbereich ein einziges lokales Minimum aufweist, d.h. der zeitliche Verlauf der Beschleunigung weist kein Plateau auf, an dem ein Beschleunigungswert über einen gewissen Zeitraum konstant gehalten wird.
2 zeigt beispielhaft mehrere einteilige, durch ein Polynom beschreibbare Verläufe der Fahrzeugbeschleunigung a über dem Weg s, um die Zielposition zu erreichen, wobei die Fahrzeugbeschleunigung a null oder negativ ist.
Wie in 2 gezeigt, werden zur Erreichung der Zielposition mehrere Trajektorien mit unterschiedlichen Beschleunigungsverläufen über der Zeit und damit auch unterschiedlichen Geschwindigkeitsverläufen geplant. Die Trajektorien haben gemeinsam, dass die Zielposition ZP jeweils gleich ist und an der Zielposition ZP jeweils die gleiche Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 erreicht wird, wobei die Geschwindigkeit gleich dem Geschwindigkeitswert G ist, der der Zielposition ZP zugeordnet ist.
Nach der Berechnung von mehreren Trajektorien wird zunächst geprüft, ob die ermittelten Trajektorien jeweils vorgegebene Prüfkriterien einhalten. Diejenigen Trajektorien, die die Prüfkriterien einhalten, werden nachfolgend als „zulässige Trajektorien“ bezeichnet.
Nach der Bestimmung der zulässigen Trajektorien werden diese miteinander verglichen und basierend auf einem oder mehrerer Auswahlkriterien wird eine Trajektorie ausgewählt, um basierend darauf zumindest zeitweise die Steuerung des Fahrzeugs 1 mittels des Fahrerassistenzsystems zu vollziehen. In 2 ist der zeitliche Verlauf der Beschleunigung des Fahrzeugs 1, der der ausgewählten Trajektorie zugeordnet ist, durch die durchgezogene Linie gekennzeichnet. Der zeitliche Verlauf der Geschwindigkeit des Fahrzeugs der der ausgewählten Trajektorie zugeordnet ist, ist in 3 gezeigt.
Als Auswahlkriterium kann beispielsweise der maximal auftretende Längsruck des Fahrzeugs 1 und/oder das Ruckintegral verwendet werden. Auch eine Kombination dieser und/oder weiterer Kriterien für die Auswahl der Fahrtrajektorie ist möglich.
Das Auswahlkriterium kann fest vorgegeben, d.h. zeitlich nicht veränderbar sein. Alternativ ist es möglich, das Auswahlkriterium fahrsituationsabhängig oder abhängig von dem eingestellten Fahrmodus des Fahrzeugs 1 festzulegen. So kann beispielsweise in einem Fahrmodus „Sport“ das Auswahlkriterium derart gewählt werden, dass eine Trajektorie mit einem höheren Längsruck bzw. einem höheren Ruckintegralwert gewählt wird. Im Unterschied dazu kann beispielsweise im Fahrmodus „Komfort“ das Auswahlkriterium derart gewählt werden, dass eine Trajektorie mit einem geringeren Längsruck bzw. einem niedrigeren Ruckintegralwert gewählt wird.
Nach der Auswahl einer Trajektorie und der Steuerung des Fahrzeugs 1 basierend auf der Trajektorie kann iterativ geprüft werden, ob das Fahrzeug die Trajektorie in der vorbestimmten Weise durchfährt bzw. ob es Änderungen an der Trajektorie bedarf, da sich beispielsweise die Lage der Zielposition geändert hat (beispielsweise durch Abweichungen zwischen Kartendaten und der tatsächlichen Position eines Schilds oder durch einen geänderten Geschwindigkeitswert). Ausgehend von der aktuellen Fahrzeugposition werden bei einer Trajektorienneuplanung die vorbeschriebenen Abläufe erneut vollzogen.
Es kann eine Fahrsituation auftreten, bei der das Fahrzeug 1 auf seiner geplanten Route auf mehrere an unterschiedlichen Orten vorgesehene Zielpunkte zufährt. Beispielsweise können beabstandet zueinander mehrere Geschwindigkeitsbegrenzungsschilder vorgesehen sein, für die jeweils eine Trajektorienplanung durchgeführt werden soll.
In diesem Fall können die Trajektorien, die jeweils zu unterschiedlichen, ortsfesten Zielpunkten führen, zeitlich parallel berechnet und für jeden ortsfesten Zielpunkt eine zulässige Trajektorie ausgewählt werden. Anschließend kann geprüft werden, welche Trajektorie ausgehend von dem aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs die stärkste Verzögerung aufweist, d.h. welche Trajektorie das Fahrzeug 1 zu Beginn der Trajektorie am stärksten verzögert. Diese Trajektorie wird anschließend für die Steuerung des Fahrzeugs 1 verwendet, da dadurch implizit erreicht wird, dass auch die weiteren Geschwindigkeitsbeschränkungen in jedem Falle eingehalten, d.h. mit einer Geschwindigkeit kleiner oder gleich der durch die Geschwindigkeitsbeschränkung vorgegebenen Geschwindigkeit angefahren werden können.
Es kann fahrsituationsabhängig vorkommen, dass keine einteilige, polynombasierte Trajektorie bestimmt werden kann, die die vorgegebenen Randbedingungen bzw. Prüfkriterien erfüllt. Um zu erreichen, dass in jedem Fall eine Trajektorie zur Verfügung steht, basierend auf der die Steuerung des Fahrzeugs 1 vollzogen werden kann, wird in dem Fall, dass keine zulässige, einteilige polynombasierte Trajektorie ermittelt werden konnte, eine Backup-Trajektorie ermittelt und diese zumindest zeitweise zur Steuerung des Fahrzeugs verwendet.
4 zeigt zwei zeitliche Verläufe der Beschleunigung a des Fahrzeugs 1, die zwei unterschiedlichen Backup-Trajektorien zugeordnet sind. Die gepunktete Linie zeigt den Beschleunigungsverlauf einer Backup-Trajektorie des Fahrzeugs 1, der unter Ausnutzung des maximal zulässigen Längsrucks die maximal zulässige Verzögerung des Fahrzeugs einleitet. Ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand wird die Verzögerung des Fahrzeugs in einem ersten Trajektoriensegment mit dem zulässigen Längsruck auf die maximal zulässige Verzögerung - a_max erhöht und im zweiten Trajektoriensegment diese maximal zulässige Verzögerung -a_max für einen gewissen Zeitraum konstant gehalten. Es sei angemerkt, dass die Backup-Trajektorie auch lediglich ein erstes Trajektoriensegment aufweisen kann.
Das erste Trajektoriensegment der Backup-Trajektorie kann auch unter Berücksichtigung einer oberen Schranke für den Längsruck als polynombasiertes Trajektoriensegment geplant werden, wie dies mit der gestrichelten Linie in 4 angedeutet ist. Dadurch kann der Komfort der Backup-Trajektorie gesteigert werden.
Es sei angemerkt, dass die Backup-Trajektorie keine einteilige polynombasierte Trajektorie ist, die den vom Fahrzeug 1 zu erreichenden Zielpunkt ZP berücksichtigt. Vorzugsweise wird während des Durchfahrens der Backup-Trajektorie ausgehend von der jeweils aktuellen Position des Fahrzeugs versucht, eine einteilige, polynombasierte Trajektorie zu ermitteln, basierend auf der die Zielposition ZP erreicht werden kann. In anderen Worten wird damit versucht, von der Steuerung des Fahrzeugs fußend auf der Backup-Trajektorie, die die Zielposition vernachlässigt und nur die zu erreichende Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck berücksichtigt, hin zu einer Steuerung des Fahrzeugs fußend auf einer polynombasierten Trajektorie, die die noch zu fahrende Distanz bis zur Zielposition berücksichtigt, zu wechseln.
Dies ist in dem dritten, mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichneten Trajektoriensegment in 4 skizziert. Dadurch kann erreicht werden, dass auch in Situationen, bei denen nicht gleich zu Beginn eine polynombasierte Trajektorie zum Erreichen der Zielposition ZP ermittelt werden kann, eine Teilstrecke basierend auf einer Backup-Trajektorie vollzogen wird und anschließend die restliche Teilstrecke basierend auf einer polynombasierten Trajektorie durchfahren wird. Dadurch wird trotz des erforderlichen höheren Verzögerungsaufbaus zu Manöverbeginn der Geschwindigkeitswert G an der Zielposition ZP möglichst komfortabel erreicht.
Bei bekannten Verfahren zur Planung von polynombasierten Trajektorien kann es nötig sein, einen Suchraum für die Zeitdauer der zu bestimmenden Trajektorie festzulegen. Es ist vorteilhaft, den Suchraum, in dem die Trajektoriendauer (d.h. der Zeitraum, für den die Trajektorie Geltung haben soll) liegt, fahrsituationsabhängig einzugrenzen. Dadurch wird erreicht, dass die Anzahl von zu berechnenden Trajektorien und damit der Rechenaufwand bei der Ermittlung einer fahrbaren Trajektorie, die darüber hinaus zumindest ein vorgegebenes Auswahlkriterium erfüllt, verringert wird.
Der Suchraum für die Zeitdauer einer Trajektorie weist eine untere Grenze und eine obere Grenze auf, d.h. eine minimale Zeitdauer und eine maximale Zeitdauer.
Vorzugsweise wird zunächst die untere Grenze des Suchraums, d.h. die minimale Zeitdauer einer Trajektorie fahrsituationsabhängig bestimmt. Dazu kann ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs 1, d.h. insbesondere dessen Geschwindigkeit, die kürzeste Zeitdauer berechnet werden, die zum Erreichen des Geschwindigkeitswerts G am Zielpunkt ZP nötig ist. Die kürzeste Zeitdauer wird bei einer Trajektorie erreicht, bei der das Fahrzeug 1 möglichst schnell ohne Erhöhung der Beschleunigung auf den Zielpunkt ZP zubewegt wird und vor dem Zielpunkt ZP abrupt abgebremst wird, um am Zielpunkt ZP den Geschwindigkeitswert G zu erreichen.
Eine obere Grenze des Suchraums, d.h. die maximale Zeitdauer einer Trajektorie kann derart bestimmt werden, dass das Fahrzeug 1 sofort von dem aktuellen kinematischen Zustand auf den Geschwindigkeitswert G am Zielpunkt ZP möglichst abrupt abgebremst wird und diese Geschwindigkeit anschließend konstant gehalten wird, bis der Zielpunkt ZP erreicht wurde. Um zu verhindern, dass der Suchraum fahrsituationsabhängig sehr groß wird, kann die obere Grenze des Suchraums alternativ dadurch bestimmt werden, dass basierend auf der unteren Schranke des Suchraums und einer vorgegebenen Suchraumlänge die obere Grenze des Suchraums berechnet wird.
Durch die Bestimmung des fahrsituationsabhängig möglichen Suchraums der Trajektoriendauer kann eine ressourceneffiziente Berechnung von zulässigen Trajektorien erreicht werden.
5 bis 7 zeigen abhängig von den jeweilig vorliegenden kinematischen Startzuständen des Fahrzeugs 1 unterschiedliche Beschleunigungsverläufe über der Zeit, basierend auf denen die Berechnung der unteren Grenze des Suchraums erfolgen kann.
In 5 ist der kinematische Startzustand des Fahrzeugs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Längsbeschleunigung a des Fahrzeugs 1 null ist. In diesem Fall wird das Fahrzeug 1 ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand (s=0, v=v_i) für einen ersten Zeitraum t_c mit konstanter Geschwindigkeit weiterbewegt, anschließend wird im Zeitraum t₁ unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Rucks die Verzögerung des Fahrzeugs 1 auf die maximal zulässige Verzögerung (-a_min) erhöht, um dann im Zeitraum t₂ das Fahrzeug 1 mit dieser maximal zulässigen Verzögerung abzubremsen. Zum Ende des Manövers wird die Verzögerung im Zeitraum t₃ mit maximal zulässigem Ruck auf null verringert, so dass das Fahrzeug 1 am Zielpunkt ZP die Beschleunigung null oder im Wesentlichen null aufweist. Der Zeitraum t_c wird derart gewählt, dass unter Ausnutzung der maximalen Verzögerung im Zeitraum t₂ am Zielpunkt ZP gerade der gewünschte Geschwindigkeitswert G erreicht wird.
Der kinematische Startzustand des Fahrzeugs 1 in 6 unterscheidet sich von dem kinematischen Startzustand des Fahrzeugs 1 in 5 dadurch, dass die Längsbeschleunigung a des Fahrzeugs 1 schon negativ ist, d.h. das Fahrzeug 1 wird bereits verzögert. In diesem Fall wird die negative Beschleunigung des Fahrzeugs 1 ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand (s=0, v=v_i) für einen ersten Zeitraum t₀ zunächst reduziert, bis diese null ist. Anschließend wird das Fahrzeug 1 im Zeitraum t_c mit konstanter Geschwindigkeit weiterbewegt. Daraufhin wird im Zeitraum t₁ unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Rucks die Verzögerung des Fahrzeugs 1 auf die maximal zulässige Verzögerung (-a_min) geändert, um dann im Zeitraum t₂ das Fahrzeug 1 mit dieser maximal zulässigen Verzögerung abzubremsen. Zum Ende des Manövers wird die Verzögerung im Zeitraum t₃ mit maximal zulässigem Ruck auf null verringert, so dass das Fahrzeug 1 am Zielpunkt ZP die Beschleunigung null oder im Wesentlichen null aufweist. Der Zeitraum t_c ist wiederum derart gewählt, dass unter Ausnutzung der maximalen Verzögerung im Zeitraum t₂ am Zielpunkt ZP gerade der gewünschte Geschwindigkeitswert G erreicht wird.
Der kinematische Startzustand des Fahrzeugs 1 in 7 unterscheidet sich von dem kinematischen Startzustand des Fahrzeugs 1 in 5 dadurch, dass die Längsbeschleunigung a des Fahrzeugs 1 positiv ist, d.h. das Fahrzeug 1 wird gerade beschleunigt. In diesem Fall ist es eine konservative Abschätzung, die Beschleunigung des Fahrzeugs 1 im Zeitraum t₀ konstant zu halten, d.h. das Fahrzeug mit der Beschleunigung, die das Fahrzeug 1 am kinematischen Startzustand hatte, weiter zu beschleunigen, da sich dadurch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs weiter erhöht und damit die Zeitspanne, innerhalb der der Zielpunkt ZP erreicht wird, verkleinert wird. Anschließend wird wiederum im Zeitraum t₁ unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Rucks die Verzögerung des Fahrzeugs 1 auf die maximal zulässige Verzögerung (-a_min) erhöht, um dann im Zeitraum t₂ das Fahrzeug 1 mit dieser maximal zulässigen Verzögerung abzubremsen. Zum Ende des Manövers wird die Verzögerung im Zeitraum t₃ wieder mit maximal zulässigem Ruck auf null verringert, so dass das Fahrzeug 1 am Zielpunkt ZP die Beschleunigung null oder im Wesentlichen null aufweist. Der Zeitraum t₀ wird derart gewählt, dass unter Ausnutzung der maximalen Verzögerung im Zeitraum t₂ am Zielpunkt ZP gerade der gewünschte Geschwindigkeitswert G erreicht wird.
8 zeigt ein schematisches Blockdiagramm, das die Abläufe des Verfahrens zum Planen einer Trajektorie für ein Fahrmanöver eines Fahrzeugs 1 veranschaulicht.
Zunächst wird ein ortsfester Zielpunkt und ein Geschwindigkeitswert empfangen. Das Fahrzeug soll mittels der zu planenden Trajektorie den Zielpunkt erreichen und an diesem eine Geschwindigkeit gleich dem Geschwindigkeitswert aufweisen (S10).
Anschließend werden mehrere polynombasierte Trajektorien berechnet. Die Trajektorien können einteilige oder mehrteilige Trajektorien sein. Die Trajektorien werden derart berechnet, dass das Fahrzeug den Zielpunkt mit einer Geschwindigkeit gemäß dem empfangenen Geschwindigkeitswert erreicht (S11).
Die berechneten Trajektorien werden anschließend anhand von Prüfkriterien geprüft, untereinander verglichen und es wird eine die Prüfkriterien erfüllende Trajektorie basierend auf zumindest einem Auswahlkriterium ausgewählt (S12).
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der durch die Patentansprüche definierte Schutzbereich verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Rechnereinheit
FR: Fahrtrichtung
FS: Fahrschlauch
G: Geschwindigkeitswert
s: Abstand
ZP: Zielpunkt

Claims

Verfahren zum Planen einer Trajektorie für ein Fahrmanöver eines Fahrzeugs (1), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Empfangen eines ortsfesten Zielpunkts (ZP) und eines Geschwindigkeitswerts (G), wobei das Fahrzeug (1) mittels der zu planenden Trajektorie den Zielpunkt (ZP) erreichen und an diesem eine Geschwindigkeit gleich dem Geschwindigkeitswert (G) aufweisen soll (S10); - Berechnen mehrerer polynombasierter Trajektorien, mittels denen das Fahrzeug den Zielpunkt (ZP) mit einer Geschwindigkeit gemäß dem empfangenen Geschwindigkeitswert (G) erreicht (S11); - Prüfen der Trajektorien anhand von Prüfkriterien, Vergleichen der Trajektorien untereinander und Auswählen einer die Prüfkriterien erfüllenden Trajektorie basierend auf zumindest einem Auswahlkriterium (S12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien unterschiedliche Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den polynombasierten Trajektorien jeweils um einteilige Trajektorien handelt, die jeweils ein lokales Minimum oder ein lokales Maximum im Beschleunigungsverlauf aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien derart berechnet werden, dass die Beschleunigung des Fahrzeugs (1) am Ende der Trajektorie 0 m/s² oder im Wesentlichen 0 m/s² beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien eine unterschiedliche Trajektoriendauer aufweisen und dass die Trajektorien basierend auf einem Suchraum bestimmt werden, der ein Minimum und ein Maximum für die Trajektoriendauer vorgibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Berechnung der Trajektorien eine minimale Trajektoriendauer, die ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs (1) zum Erreichen des ortsfesten Zielpunkts (ZP) nötig ist, bestimmt wird und dass die untere Grenze des Suchraums basierend auf der minimalen Trajektoriendauer festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Trajektoriendauer dadurch bestimmt wird, dass das Fahrzeug (1) mit der aktuellen Geschwindigkeit möglichst lange konstant weiterbewegt wird und anschließend unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Rucks mit maximal zulässiger Verzögerung auf den Geschwindigkeitswert (G) abgebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenze des Suchraums basierend auf der minimalen Trajektoriendauer und einer vorgegebenen Länge des Suchraums oder basierend auf der maximalen Trajektoriendauer bestimmt wird, wobei die maximale Trajektoriendauer dadurch berechnet wird, dass das Fahrzeug ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs (1) unmittelbar unter Berücksichtigung des zulässigen Rucks mit maximal zulässiger Verzögerung auf den Geschwindigkeitswert (G) abgebremst und nach Erreichen des Geschwindigkeitswerts (G) mit konstanter Geschwindigkeit bis zum ortsfesten Zielpunkt (ZP) weiterbewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass keine der berechneten Trajektorien die Prüfkriterien erfüllen, eine Backup-Trajektorie ermittelt wird und die Steuerung des Fahrzeugs (1) zumindest zeitweise basierend auf der Backup-Trajektorie vollzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Backup-Trajektorie ein erstes Trajektoriensegment aufweist, in dem ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs (1) die Verzögerung erhöht wird oder dass die Backup-Trajektorie ein erstes und ein zweites Trajektoriensegment aufweist, wobei in dem ersten Trajektoriensegment ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs (1) die Verzögerung bis zu einer maximal zulässigen Verzögerung erhöht wird und wobei in dem zweiten Trajektoriensegment diese maximal zulässige Verzögerung konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Backup-Trajektorie im ersten Trajektoriensegment unter Berücksichtigung einer Begrenzung des zulässigen Längsrucks des Fahrzeugs (1) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass während der Steuerung des Fahrzeugs (1) basierend auf der Backup-Trajektorie eine Berechnung einer durch ein Polynom definierten Fortsetzungstrajektorie zu dem ortsfesten Zielpunkt vollzogen wird und dass für den Fall, dass eine Fortsetzungstrajektorie ermittelt werden konnte, die vorgegebene Prüfkriterien erfüllt, die Steuerung des Fahrzeugs (1) basierend auf der Backup-Trajektorie beendet und die Steuerung des Fahrzeugs (1) basierend auf der Fortsetzungstrajektorie vollzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trajektorien, die zu unterschiedlichen ortsfesten Zielpunkten führen, zeitlich parallel berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach der parallelen Berechnung mehrerer Trajektorien, die sich auf unterschiedliche ortsfeste Zielpunkte beziehen, diejenige Trajektorie zur Steuerung des Fahrzeugs (1) verwendet wird, die ausgehend vom aktuellen kinematischen Zustand des Fahrzeugs (1) zu Trajektorienbeginn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (1) am stärksten reduziert.
Fahrerassistenzsystem zum Planen einer Trajektorie für ein Fahrmanöver eines Fahrzeugs (1), umfassend zumindest eine Recheneinheit (2), wobei die zumindest eine Recheneinheit (2) dazu konfiguriert ist, die folgenden Schritte zu vollziehen: - Empfangen eines ortsfesten Zielpunkts (ZP) und eines Geschwindigkeitswerts (G), wobei das Fahrzeug (1) mittels der zu planenden Trajektorie den ortsfesten Zielpunkt (ZP) erreichen und an diesem eine Geschwindigkeit gleich dem Geschwindigkeitswert (G) aufweisen soll; - Berechnen mehrerer polynombasierter Trajektorien, mittels denen das Fahrzeug (1) den Zielpunkt (ZP) mit einer Geschwindigkeit gemäß dem empfangenen Geschwindigkeitswert (G) erreicht; - Prüfen der Trajektorien anhand von Prüfkriterien, Vergleichen der Trajektorien untereinander und Auswählen einer die Prüfkriterien erfüllenden Trajektorie basierend auf zumindest einem Auswahlkriterium.