DE102022208312A1

DE102022208312A1 - Trajektorieplanungssystem für ein Fahrzeug und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022208312A1
Application number: DE102022208312.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Fleps-Dezasse; Julian King; Stephan Pollmeyer; Lothar Kiltz; Felix Mesmer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2024-02-15
Also published as: US20240051602A1; CN117585010A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trajektorieplanungssystem (2) für ein Fahrzeug (1) umfassend eine Sensoreinrichtung (3) zum Messen einer Istkrümmung anhand eines jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes, eine Speichereinheit (7) mit einer zu fahrenden Solltrajektorie mit einzustellenden Sollkrümmungen, wobei das Trajektorieplanungssystem (2) ausgebildet ist, zum Bestimmen von Soll-Gierratewerten aus der Sollkrümmung der Solltrajektorie, ferner ein Lenksystem (8) mit Lenkstellgrößen zum Übertragen der Sollkrümmungen auf Istkrümmungen anhand der Lenkstellgrößen, wobei das Trajektorieplanungssystem (2) zum Bestimmen der jeweiligen ersten Ist-Ableitung des gemessenen jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes über die Zeit und der jeweiligen ersten Soll-Ableitung des jeweiligen aktuellen Soll-Gierratewertes über die Zeit ausgebildet ist, und wobei ferner ein Korrelator (5) vorgesehen ist, zum Bestimmen einer jeweils aktuellen Zeitverzögerung anhand der jeweiligen ersten Ist-Ableitungen und der jeweiligen ersten Soll-Ableitungen in einem aktuellen Girrateabschnitt (4), und wobei ein Parameterschätzer vorgesehen ist, welcher dazu ausgebildet ist, zumindest anhand jeweiliger aktueller Zeitverzögerungen als Eingabe rekursiv den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert zwischen Soll-Girratewert und einzustellendem Ist-Girratewert zu schätzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Trajektorieplanungssystem für ein Fahrzeug umfassend eine Sensoreinrichtung zum Messen einer Istkrümmung anhand eines jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes, eine Speichereinheit mit einer zu fahrenden Solltrajektorie mit einzustellenden Sollkrümmungen, und wobei das Trajektorieplanungssystem, zum Bestimmen von Soll-Gierratewerten aus der Sollkrümmung der Solltrajektorie ausgebildet ist, und ferner ein Lenksystem mit Lenkstellgrößen zum Übertragen der Sollkrümmung anhand der Lenkstellgrößen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Trajektorieplanungssystems.
An eine Trajektorienregelung für ein Fahrzeug im Kontext des automatisierten oder assistierten Fahrens werden hohe Genauigkeitsanforderungen an Trackinggenauigkeit, Stabilität und Robustheit gestellt. Das Lenksystem als die hauptsächliche Schnittstelle der Trajektorienregelung zur Fahrzeugquerdynamik nimmt dabei eine wichtige Rolle ein. Die vorgegebene Leitspur (Solltrajektorie) wird durch elektronisch angesteuerte Lenkachsen nachgefahren, indem entsprechend der aktuellen Fahrzeugposition die notwendigen Lenkwinkeleinstellungen und damit die Sollkrümmung der zu fahrenden Trajektorie aus einem Speicher abgerufen und umgesetzt werden.
Die Sollkrümmung ist somit die Krümmung der Trajektorie, der das Fahrzeug idealerweise folgen sollte. In der Regel ist dies die Mitteltrajektorie einer Fahrspur.
Eine wesentliche Herausforderung für eine Trajektorienregelung und Trajektorienplanung besteht darin, dieser Sollkrümmung mit hoher Genauigkeit zu folgen. Dies ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da die Übertragungskette von Sollkrümmung zu Istkrümmung vielen veränderlichen bzw. unbekannten Einflüssen unterliegt, wie z.B. dem Fahrbahnkontakt, der Fahrzeugbeladung, dem Reifen, etc. Aufgrund der oben beschriebenen Einflüsse ist es eine große Herausforderung die Lenkwinkelvorgabe so zu wählen, dass sich die gewünschte Istkrümmung einstellt. Diese Einflüsse müssen im gesamten Arbeitsbereich der Trajektorienregelung sichergestellt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Trajektorieplanungssystem für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug selber als auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Trajektorieplanungssystems anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Trajektorieplanungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die geeignet miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Trajektorieplanungssystem für ein Fahrzeug umfassend eine Sensoreinrichtung zum Messen einer Istkrümmung anhand eines jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes, eine Speichereinheit mit einer zu fahrenden Solltrajektorie mit einzustellenden Sollkrümmungen, wobei das Trajektorieplanungssystem ausgebildet ist, zum Bestimmen von Soll-Gierratewerten aus der Sollkrümmung der Solltrajektorie, ferner ein Lenksystem mit Lenkstellgrößen zum Übertragen der Sollkrümmungen auf Istkrümmungen anhand der Lenkstellgrößen,
wobei
das Trajektorieplanungssystem zum Bestimmen der jeweiligen ersten Ist-Ableitung des gemessenen jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes über die Zeit und der jeweiligen ersten Soll-Ableitung des jeweiligen aktuellen Soll-Gierratewertes über die Zeit ausgebildet ist, und
wobei ferner ein Korrelator vorgesehen ist, zum Bestimmen einer jeweils aktuellen Zeitverzögerung anhand der jeweiligen ersten Ist-Ableitungen und der jeweiligen ersten Soll-Ableitungen in einem aktuellen Girrateabschnitt, und wobei ein Parameterschätzer vorgesehen ist, welcher dazu ausgebildet ist, zumindest anhand jeweiliger aktueller Zeitverzögerungen als Eingabe rekursiv den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert zwischen Soll-Girratewert und einzustellendem Ist-Girratewert zu schätzen und wobei
ein Previewschätzer vorgesehen ist, welcher zum Bestimmen einer Previewzeit zumindest anhand des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes in Bezug auf die einzustellende Istkrümmung ausgebildet ist, zur Bewerkstelligung der Kompensation einer Verzögerung in der Übertragung von der Sollkrümmung auf die einzustellende Istkrümmung anhand der Lenkstellgrößen.
Die Gierrate bezeichnet die Winkelgeschwindigkeit der Drehung eines Fahrzeuges um die Hochachse.
Sensorsysteme können beispielsweise Drehsensoren etc. umfassen.
Ein Lenksystem umfasst beispielsweise Sensoren und Aktoren oder eine Lenksäule etc. als Lenkstellgrößen zum Einstellen der Vorder- und Hinterräder um die gewünschte Solltrajektorie mit der Sollkrümmung entlangzufahren.
Die erste Ist-Ableitung ist die erste zeitliche Ist-Ableitung der aktuellen Ist-Gierratewerte nach der Zeit; analoges gilt für die Soll-Ableitung.
Dabei ist eine aktuelle Zeitverzögerung die Verzögerung zum aktuellen Zeitpunkt und der gegenwärtige zeitliche Verzögerungswert beispielsweise entspricht einer über eine Zeitspanne berechneter Verzögerung.
Der Parameterschätzer kann ein zu optimierendes Modell sein, beispielsweise ein künstliches neuronales Netz oder ein Recursive Least Squares Schätzer, welches zu optimierende interne Parameter aufweist, beispielsweise die Knoten bei dem künstlichen neuronalen Netz.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Übertragungskette von Sollkrümmung zu Istkrümmung vielen veränderlichen, insbesondere unbekannten Einflüssen unterliegt, wie z.B. dem Fahrbahnkontakt, der Fahrzeugbeladung, dem Reifen, etc. Dieses wird dadurch erschwert, dass zusätzlich noch weitere Verzögerungen in der Übertragungskette auftreten, z.B. durch Kommunikation zwischen Steuergeräten und Signallaufzeiten oder Elastizitäten in den Radaufhängungen.
Aufgrund der unbekannten Einflüsse und der Verzögerungen dieser Übertragungskette ist die Istkrümmung (Istkrümmungswerte) gegenüber der Sollkrümmung (Sollkrümmungswerte) zeitlich verzögert; d.h. die Istkrümmung erzielt die gewünschte Sollkrümmung erst durch eine zeitliche Verzögerung.
Durch das erfindungsgemäße Trajektorieplanungssystem werden Ungenauigkeiten und insbesondere Verzögerungen bei der Folgeregelung der Sollkrümmung, welcher von der Trajektorienregelung berechnet wird, erkannt und können eliminiert werden, wodurch sich eine verbesserte Gesamtsystemperformanz und ein Erreichen von hohen Genauigkeitsanforderungen ergibt.
Insbesondere kann das Trajektorieplanungssystem direkt online anhand der gemessenen Istgirrate die Previewzeit bestimmen, unter beispielsweise realen aktuellen Einflussfaktoren, wie der Fahrzeuggeschwindigkeit, oder beispielsweise dem Reifen, der Fahrbahn oder von Umgebungsfaktoren.
Das erfindungsgemäße Trajektorieplanungssystem bestimmt dabei direkt die zeitliche Verzögerung zwischen Sollgierrate und Istgierrate und approximiert damit die gesamte Übertragungskette und alle Verzögerung in einem einzigen Wert, der Previewzeit.
Das erfindungsgemäße Trajektorieplanungssystem bestimmt dabei direkt den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert zwischen Sollgierrate und Istgierrate und kann damit anschließend durch den Previewschätzer die gesamte Übertragungskette und alle Verzögerung in einem einzigen Wert, der Previewzeit approximieren. Die Previewzeit selbst wird dabei als Fläche in einem mehrdimensionalen Raum bestimmt, da sie sich z.B. in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit oder dem Fahrbahn-Reifenkontakt ändert.
Anhand der Previewzeit kann eine Trajektorienregelung im gesamten Arbeitsbereich erfolgen, welche der Sollkrümmung mit hoher Genauigkeit folgt.
Dadurch kann die Trajektorienregelung wesentlich verbessert werden.
In weiterer Ausbildung ist ein Steuerungssystem zum Einstellen der Lenkstellgrößen des Lenksystems vorgesehen, wobei das Steuerungssystem dazu ausgebildet ist, die Lenkstellgrößen um die Previewzeit dem gewünschten Fahrzeugverhalten vorauslaufend einzustellen.
Das Trajektorieplanungssystem bestimmt somit vorzugsweise aus der gemessenen Istgierrate und der aus der Sollkrümmung berechneten Sollgierrate den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert der Istgierrate und nutzt diesen Wert als Previewzeit entlang der Trajektorie, so dass die Lenkstellgrößen der Trajektorienregelung dem gewünschten Fahrzeugverhalten um die Previewzeit vorauslaufen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Trajektorieplanungssystem zum Bestimmen einer zweiten Ist-Ableitung des gemessenen jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes über die Zeit und einer zweiten Soll-Ableitung des jeweiligen aktuellen Soll-Gierratewertes über die Zeit und zum Bestimmen des jeweils aktuellen Girrateabschnittes ausgebildet, wobei der Girrateabschnitt eine maximale Länge aufweist, in welchem die zweite Ist-Ableitung und die zweite Soll-Ableitung einen vorgegebenen positiven und negativen Schwellenwert jeweils zumindest einmal überschreiten. Der jeweilige Girrateabschnitt kann beispielsweise einen Startpunkt ab überschreiten beispielsweise des positiven oder negativen Schwellenwertes der zweiten Ist-/Soll-Ableitung aufweisen und eine vorgegebene Länge, in der eine online Berechnung noch möglich ist. Werden die vorgegebenen positiven und negativen Schwellenwerte nicht überschritten wird auch kein Girrateabschnitt ausgebildet.
Durch Berechnung der zweiten Ableitung des Soll-Gierratewertes und Ist-Gierratewertes und einer solchen Bestimmung des aktuellen Girrateabschnittes ist sichergestellt, dass der Zeithorizont für die Berechnung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes geeignet ist. Daher wird die zweite Ist-/Soll-Ableitung zur Ermittlung geeigneter Girrateabschnitte in der Art herangezogen, indem geprüft wird, ob die zweite Ist-/Soll-Ableitung des Soll- und Ist-Girratewertes im aktuellen Girrateabschnitt sowohl einen positiven Schwellenwert als auch einen negativen Schwellenwert überschreiten, d.h. es wird eine Bestimmung geeigneter Girrateabschnitte für die Berechnung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes durch Prüfen der zweiten Ist-/Soll-Ableitung gegen einen positiven und einen negativen Schwellenwert durchgeführt.
Durch die Prüfung gegen einen positiven und negativen Schwellenwert wird sichergestellt, dass die jeweils aktuelle Zeitverzögerung anhand des Korrelators beispielsweise eine Kreuzkorrelation optimal bestimmbar ist, d.h. dass beispielsweise die erste Ist-Ableitung/Soll-Ableitung eine (Sinus)welle in dem aktuellen Girrateabschnitt ausbilden. Somit können die Werte der ersten Ist-Ableitung/Soll-Ableitung in dem aktuellen Girrateabschnitt zur Berechnung der aktuellen Zeitverzögerung herangezogen werden. Somit wird sichergestellt, dass auch ein kurzer Zeitabschnitt, welcher online beispielsweise im Fahrzeug berechenbar ist, optimal geeignet ist, um eine Korrelation darauf anzuwenden. Die aktuelle Zeitverzögerung wird dann an den Parameterschätzer als Eingabe zur Bestimmung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes weitergegeben.
Ferner kann der Parameterschätzer in einer weiteren Ausführungsform dazu ausgebildet sein, anhand jeweiliger aktueller Zeitverzögerungen und Fahrzeugparameter als Eingabe, den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert rekursiv zu schätzen, wobei die Fahrzeugparameter zumindest die Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen. Anhand der Fahrzeugparameter und der aktuellen Zeitverzögerung wird nun der gegenwärtige zeitliche Verzögerungswert rekursiv ermittelt.
In weiterer Ausbildung ist der Parameterschätzer dazu ausgebildet, anhand jeweiliger aktueller Zeitverzögerungen und Fahrzeugparameter als auch Umgebungsdaten als Eingabe, den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert rekursiv zu schätzen, wobei die Fahrzeugparameter zumindest die Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen. Dabei können die Umgebungsdaten zumindest die Straßenbeschaffenheit und/oder einen erfassten Reibwert umfassen.
Dadurch werden relevante Einflussfaktoren miteinbezogen, wie die Fahrzeuggeschwindigkeit, Reifenwerte, die Fahrbahnbeschaffenheit und weitere Umgebungsdaten / Fahrzeugparameter.
Dadurch ermittelt der Parameterschätzer rekursiv den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert anhand der aktuellen Zeitverzögerungen als auch der Umgebungsdaten / Fahrzeugparameter. Durch diese Abhängigkeit von den aktuellen Gegebenheiten kann der gegenwärtige zeitliche Verzögerungswert exakter bestimmt werden.
Dabei kann der Parameterschätzer in einer weiteren Ausbildung als ein Recursive Least Squares Schätzer ausgebildet sein. Insbesondere kann der Recursive Least Squares Schätzer einen Vergessensfaktor aufweisen, zum Vergessen älterer aktueller Zeitverzögerungen d.h. älterer Ergebnisse.
Dadurch kann eine stabile und schnelle Ermittlung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes erzielt werden. Die Rekursivität erlaubt die Online-Nutzung mit aktuell anfallenden Daten bei gleichbleibender Komplexität in jedem Rekursionsschritt. Insbesondere kann ein Vergessensfaktor eingeführt werden, welcher die zu alten Ergebnisse, d.h. Zeitverzögerungen vergisst. Somit können die historischen Daten für die Optimierung an Bedeutung verlieren und die aktuellen Daten stärker gewichtet werden.
Alternativ kann der Parameterschätzer als künstliches neuronales Netz, beispielsweise mit zu bestimmenden Knoten, ausgebildet sein.
Ferner weist der Parameterschätzer in einer weiteren Ausbildung zu optimierende interne Parameter zur Bestimmung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes als Ausgabe auf. Dies können beispielsweise die Knoten sein, wenn der Parameterschätzer als künstliches neuronales Netz ausgebildet ist. Dabei ist vorzugsweise der Parameterschätzer dazu ausgebildet, ab einem erzielten Genauigkeitswert der intern zu optimierenden Parameter, also beispielsweise der Knoten, diese für die zukünftige Schätzung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes als Ausgabe heranzuziehen.
Dies bedeutet, dass der Parameterschätzer ab einer Güte lediglich nur noch als bekannte optimierende Funktion im Raum genutzt wird, in der die Eingangsdaten eingegeben werden und anhand dessen beispielsweise mit den bereits optimierten Knoten, falls der Parameterschätzer ein künstliches neuronales Netz ist, der gegenwärtige zeitliche Verzögerungswert als Ausgabe bestimmt wird.
Ferner kann das Trajektorieplanungssystem dazu ausgebildet sein, die Previewzeit in Echtzeit zu bestimmen. Dabei können die verschiedenen aktuellen Einflussfaktoren, wie die Fahrzeuggeschwindigkeit, der Reibwert, die Fahrbahnbeschaffenheit und weitere Umgebungsfaktoren in Echtzeit berücksichtigt werden. Dadurch kann die Trajektorienregelung in Echtzeit verbessert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Korrelator dazu ausgebildet, die aktuelle Zeitverzögerung mittels einer Kreuzkorrelation der jeweiligen ersten Ist-Ableitungen und der jeweiligen ersten Soll-Ableitungen in dem aktuellen Girrateabschnitt zu ermitteln. Diese eignet sich auch zur stabilen Bestimmung einer aktuellen Zeitverzögerung bei relativ kurzen Zeitspannen, von ca. 5s bzw. ca. 500 Datenpunkten, da die zweite Soll-/Ist-Ableitung einen vorgegebenen positiven und negativen Schwellenwert überschreiten, so dass sichergestellt ist, dass die ersten Ist-/Soll-Ableitungen im Girrateabschnitt im Wesentlichen zumindest wellenförmig ausgebildet sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Trajektorieplanungssystem dazu ausgebildet, einen neuen gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert anhand des Parameterschätzers nur dann zu bestimmen, wenn eine neu bestimmte aktuelle Zeitverzögerung vorliegt.
Der Parameterschätzer wird quasi dadurch nur bei Verfügbarkeit einer neuen aktuellen Zeitverzögerung und damit einem neuen aktuellen Girrateabschnitt ausgeführt. Dadurch wird die Rechenkapazität des Fahrzeugs nicht übermäßig belastet. Dies ist insbesondere bei autonom/teilautonom fahrenden Fahrzeugen von Vorteil.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug mit einem wie oben beschriebenen Trajektorieplanungssystem. Dabei kann es sich insbesondere um ein teilautonom oder autonom betriebenes Fahrzeug handeln.
In einer weiteren Ausbildung kann das Fahrzeug eine Empfangseinheit aufweisen zum Empfangen von einer einzustellenden Sollkrümmung an vorgegebenen Positionen durch ein oder mehrere vorausfahrende Fahrzeuge und/oder ein Trajektoriegenerierungssystem aufweisen, zum Generieren einer Solltrajektorie anhand zumindest von Navigationsdaten und Umgebungsdaten. Dabei kann es sich um ein nachgeführtes Fahrzeug handeln, welches einem vorausfahrenden Führungsfahrzeug folgt oder beispielsweise um ein autonom betriebenes Fahrzeug, welches die Solltrajektorien anhand von Navigationsdaten und von einem Sensorsystem aufgenommenen Umgebungsdaten erstellt. Durch das erfindungsgemäße Trajektorieplanungssystem, welches die Rechenkapazitäten nur im geringen Maß beansprucht, werden dabei insbesondere bei einem autonom fahrenden Fahrzeug, welches eine hohe Rechenkapazität benötigt, diese nicht zusätzlich belastet.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Trajektorieplanungssystems für ein Fahrzeug umfassend der Schritte:

- Messen einer Istkrümmung anhand eines jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes,
- Bereitstellen einer zu fahrenden Solltrajektorie mit einzustellenden Sollkrümmungen, und Bestimmen von Soll-Gierratewerten aus der Sollkrümmung der Solltrajektorie,
- Bereitstellen eines Lenksystems mit Lenkstellgrößen zum Übertragen der Sollkrümmung anhand der Lenkstellgrößen,
- Bestimmen der jeweiligen ersten Ist-Ableitung des gemessenen jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes und der jeweiligen ersten Soll-Ableitung des jeweiligen aktuellen Soll-Gierratewertes über die Zeit,
- Bestimmen einer jeweils aktuellen Zeitverzögerung anhand der jeweiligen ersten Ist-Ableitungen und der jeweiligen ersten Soll-Ableitungen in einem aktuellen Girrateabschnitt anhand eines Korrelators,
- rekursives Schätzen eines gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes zwischen Soll-Girratewert und Ist-Girratewert anhand jeweiliger aktueller Zeitverzögerungen als Eingabe in einen Parameterschätzer,
- Bestimmen einer Previewzeit zumindest anhand des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes in Bezug auf die einzustellende Istkrümmung durch einen Previewschätzer, zur Bewerkstelligung der Kompensation einer Verzögerung in der Übertragung von der Sollkrümmung auf die einzustellende Istkrümmung anhand der Lenkstellgrößen.

Dabei kann es sich hierbei insbesondere um das wie oben beschriebene Trajektorieplanungssystem handeln. Ferner können die Vorteile des Trajektorieplanungssystems auf das Verfahren übertragen werden
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.
Die Figuren zeigen schematisch:

1: ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Trajektorieplanungssystem,
2: beispielhafte Ist- Gierratewerte und Soll-Gierratewerte, sowie deren Ableitungen,
3: ein Beispiel zum Betrieb des Trajektorieplanungssystems,
4: das Verfahren schematisch,
5: eine Anwendung der Previewzeit durch das Steuerungssystem.

1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einem erfindungsgemäßen Trajektorieplanungssystem 2 schematisch.
Dieses weist eine Sensoreinrichtung 3 auf. Die Sensoreinrichtung 3 ist dazu ausgebildet, die Ist-Krümmung anhand der aktuellen Ist-Gierratewerte zu erfassen. Dazu kann die Sensoreinrichtung 3 Drehwinkelsensoren und andere Sensoren zur Erfassung der Ist-Gierratewerte aufweisen.
Ferner umfasst das Trajektorieplanungssystem 2 eine Speichereinheit 7 mit einer zu befahrenden Solltrajektorie mit einzustellenden Sollkrümmungen. Dabei werden die Soll-Gierratewerte aus der Sollkrümmung der Solltrajektorie bestimmt.
Ferner ist ein Lenksystem 8, mit Lenkstellgrößen zum Übertragen der Sollkrümmungen auf Istkrümmungen anhand der Lenkstellgrößen vorhanden. Das Lenksystem 8 kann dazu Aktuatoren, wie Drehaktuatoren und Sensoren etc. aufweisen.
Ist das Fahrzeug 1 als autonom betriebenes Fahrzeug ausgebildet, so kann ein Trajektoriegenerierungssystem (nicht gezeigt) zum Generieren einer Solltrajektorie von Navigationsdaten und Umgebungsdaten, hier beispielsweise die Umfelddaten wie andere Verkehrsteilnehmer und statische Objekte vorhanden sein. Anhand der Solltrajektorie und deren Sollkrümmung werden die Soll-Gierratewerte für die zu befahrende Solltrajektorie generiert und in der Speichereinheit 7 gespeichert.
Auch kann das Fahrzeug 1 als nachgeführtes Fahrzeug ausgebildet sein. Ein solches empfängt von einem vorausfahrenden Fahrzeug, welches dieselbe Solltrajektorie hat, die einzustellenden Soll-Gierratewerte. Dazu kann das Fahrzeug 1 eine entsprechende Empfangseinheit (nicht gezeigt) aufweisen, beispielsweise zum Empfang der Sollkrümmung über Funk (V2V-Verbindung).
Das Trajektorieplanungssystem bestimmt die jeweiligen ersten Ist-Ableitungen der gemessenen jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewerten und der jeweiligen ersten Soll-Ableitungen der jeweiligen aktuellen Soll-Gierratewerten über die Zeit. Dazu kann das Trajektorieplanungssystem 2 beispielsweise einen Prozessor (nicht gezeigt) aufweisen.
Ferner bestimmt das Trajektorieplanungssystem 2 eine zweite Ist-Ableitung des gemessenen jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes über die Zeit und eine zweite Soll-Ableitung des jeweiligen aktuellen Soll-Gierratewertes über die Zeit. Ferner wird ein jeweils aktueller Girrateabschnitt 4 (2) bestimmt, bei dem die zweite Ist-Ableitung und die zweite Soll-Ableitung einen vorgegebenen positiven und negativen Schwellenwert jeweils zumindest einmal überschreiten. Dabei weist der Girrateabschnitt 4 (2) eine maximale Länge auf.
Dabei wird die Länge des betrachteten Girrateabschnitts 4 (2) so gewählt, dass eine online Berechnung der aktuellen Zeitverzögerung durch beispielsweise eine Kreuzkorrelation möglich ist.
Durch Bestimmen eines solchen Girrateabschnitts 4 (2) wird sichergestellt, dass die erste Ist-Ableitung und erste Soll-Ableitung über dem Girrateabschnitt 4 einen wellen- insbesondere sinusartigen Verlauf annehmen, so dass anschließend eine Kreuzkorrelation möglich ist.
Der Girrateabschnitt 4 (2) kann so beispielsweise einen Startpunkt ab Überschreiten beispielsweise des positiven oder negativen Schwellenwertes der zweiten Ist-/Soll-Ableitung aufweisen und eine Länge in der eine online Berechnung noch möglich ist.
Dabei ist der Rechen- und Speicherbedarf für eine Online-Anwendung bekannt. Vorzugsweise wird dabei eine Länge von ca. 5s bzw. ca. 500 Datenpunkten gewählt, da diese die beiden Bedingungen erfüllt.
2 zeigt dabei Soll-Gierratewerte (tgt_yaw rate) und entsprechende Ist-Gierratewerte (act_yaw rate) in einem oberen Diagramm über die Zeit.
Die erste zeitliche Ableitung der Ist-Gierratewerte (act_yaw accerleration) über die Zeit und die erste Soll-Ableitung (tgt_yaw accerleration) der Soll-Girratewerte wird in dem mittleren Diagramm dargestellt.
Die zweite zeitliche Ableitung der Ist-Gierratewerte (act_yaw jerk) über die Zeit und die zweite Soll-Ableitung (tgt_yaw jerk) wird in dem unteren Diagramm dargestellt.
Ferner wird jeweils der aktuelle Girrateabschnitt 4 bei denen die zweite Ist-Ableitung und die zweite Soll-Ableitung einen vorgegebenen positiven und negativen Schwellenwert jeweils zumindest einmal überschreiten bestimmt, wobei der aktuelle Girrateabschnitt 4 eine maximale Länge aufweist.
Dadurch wird sichergestellt, dass die erste Ist-Ableitung und erste Soll-Ableitung über dem Girrateabschnitt 4 einen wellen- insbesondere sinusartigen Verlauf annehmen, so dass anschließend eine Kreuzkorrelation möglich ist.
Ferner weist das Trajektorieplanungssystem 2 einen Korrelator 5 auf, welcher dazu ausgebildet ist, eine Kreuzkorrelation auf die ersten Ist-Ableitungen und die ersten Soll-Ableitungen in dem Girrateabschnitt 4, also in dem Abschnitt in dem die ersten Ist-Ableitungen und die ersten Soll-Ableitungen einen sinusförmigen Verlauf aufweisen, anzuwenden. Auch kann ein anderer Korrelator herangezogen werden.
Durch Anwenden der Kreuzkorrelation wird eine aktuelle Zeitverzögerung für den Girrateabschnitt 4 ermittelt.
Ferner weist das Trajektorieplanungssystem 2 einen Parameterschätzer auf, welcher insbesondere als Recursive Least Squares Schätzer 6 ausgebildet ist. Ein solcher liefert schnell und zuverlässig Ergebnisse. Die Rekursivität erlaubt die Online-Nutzung mit aktuell anfallenden Daten bei gleichbleibender Komplexität in jedem Rekursionsschritt. Alternativ kann beispielsweise der Parameterschätzer als künstliches neuronales Netz ausgebildet sein.
Als Eingangsdaten erhält der Recursive Least Squares Schätzer 6 dabei die jeweils aktuelle Zeitverzögerung des aktuellen Girrateabschnitts 4. Dabei weist der Recursive Least Squares Schätzer 6 zu optimierende interne Parameter zur Bestimmung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes als Ausgabe auf.
Ferner erhält der Recursive Least Squares Schätzer 6 Fahrzeugparameter, insbesondere die Fahrzeuggeschwindigkeit und Umgebungsdaten wie Straßenbeschaffenheit und beispielsweise den Reibwert als Eingangsdaten.
Anhand der Fahrzeugparameter und der Umgebungsdaten und der aktuellen Zeitverzögerung wird nun ein gegenwärtiger zeitlicher Verzögerungswert rekursiv durch den Recursive Least Squares Schätzer 6 bestimmt.
Ein solcher gegenwärtiger zeitlicher Verzögerungswert kann online mit vertretbaren Rechen- und Speicheraufwand bestimmt werden.
Dabei kann ein Vergessensfaktor eingeführt werden, welcher die zu alten Ergebnisse vergisst.
Ebenso kann der Recursive Least Squares Schätzer 6 dazu ausgebildet sein, ab einem erzielten Genauigkeitswert der intern zu optimierenden Parameter, diese für die zukünftige Schätzung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes als Ausgabe heranzuziehen.
Dies bedeutet, dass der Recursive Least Squares Schätzer 6 ab einer Güte lediglich nur noch als bekannte Funktion im Raum genutzt wird, in der die Eingangsdaten eingegeben werden, und anhand dessen der gegenwärtige zeitliche Verzögerungswert als Ausgabe bestimmt wird.
Das Trajektorieplanungssystem 2 bestimmt mittels des Recursive Least Squares Schätzers 6 einen neuen gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert nur dann, wenn eine neu bestimmte aktuelle Zeitverzögerung und ein neuer aktueller Girrateabschnitt 4 vorliegt. Da bis dahin der bisherige gegenwärtige zeitliche Verzögerungswert herangezogen wird, ist keine Echtzeitberechnung mit übermäßig viel Rechenkapazität notwendig. Dadurch wird die Rechenkapazität des Fahrzeugs nicht übermäßig belastet. Dies ist insbesondere bei autonom/teilautonom fahrenden Fahrzeugen von Vorteil.
Ferner ist ein Previewschätzer 9 zum Bestimmen einer Previewzeit zumindest anhand des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes, vorhanden, anhand derer eine Bewerkstelligung der Kompensation einer Verzögerung in der Übertragung von der Sollkrümmung auf die einzustellende Istkrümmung anhand der Lenkstellgrößen möglich ist.
Ferner ist ein Steuerungssystem 10 zum Einstellen der Lenkstellgrößen des Lenksystems 8 vorgesehen. Dabei stellt das Steuerungssystem 10 die Lenkstellgrößen um die Previewzeit dem gewünschten Fahrzeugverhalten vorauslaufend ein.
Durch das erfindungsgemäße Trajektorieplanungssystem 2 kann eine Kompensation von Verzögerungen in der Übertragungskette zwischen Soll- und Istkrümmung, wie sie durch viele veränderliche bzw. unbekannte Einflüssen, wie z.B. dem Fahrbahnkontakt, der Fahrzeugbeladung, dem Reibwert entstehen, erzielt werden.
Auch Verzögerungen in der Übertragungskette wie sie durch Kommunikation zwischen Steuergeräten und Signallaufzeiten oder Elastizitäten in den Radaufhängungen entstehen, können kompensiert werden.
Das Trajektorieplanungssystem 2 berücksichtigt dabei, dass die Verzögerungen, welche sich bei der Krümmungsfolgeregelung ergeben, dabei im Arbeitsbereich veränderlich und z.B. von der Fahrzeuggeschwindigkeit und den Umgebungsparameter abhängig sind. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Gesamtsystemperformanz. Durch eine solche Kompensation kann eine Verbesserung der Trajektorienregelung erzielt werden.
Durch das erfindungsgemäße Trajektorieplanungssystem 2 werden somit die hohen Anforderungen an Trackinggenauigkeit, Stabilität und Robustheit für eine Trajektorienregelung für ein Fahrzeug im Kontext des automatisierten oder assistierten Fahrens in Bezug auf die Krümmungsfolgeregelung im gesamten Arbeitsbereiches der Trajektorienregelung sichergestellt.
Durch das erfindungsgemäße Trajektorieplanungssystem 2 kann somit eine Approximation der Übertragungskette und aller Verzögerungen zwischen den Soll-Gierratewerten und Ist-Gierratewerten mittels eines Wertes, der Previewzeit erzielt werden.
3 zeigt ein Beispiel für eine online Schätzung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes und der Previewzeit.
Dabei sind im ersten oberen Diagramm die Soll-Gierratewerte (tgt yaw rate) und Ist-Gierratewerte (act yaw rate) als auch die Previewzeit (pre yaw rate) zu sehen.
Im zweiten Diagramm darunter sind die ermittelten aktuellen Girrateabschnitte 4 zu erkennen, bei denen ein positiver und negativer Schwellwert der zweiten Ableitung von Soll- und Istgierratewerten überschritten wird.
Im dritten Diagramm darunter sind die aktuellen Zeitverzögerungen (immediate delay) und der durchschnittliche gegenwärtige zeitliche Verzögerungswert (estimated delay) zu erkennen.
Im vierten Diagramm wird die Fahrzeuggeschwindigkeit angegeben.
4 zeigt einen Überblick über das Trajektorieplanungssystem 2 und dessen Verfahren.
So sind in einem ersten Schritt in einer Speichereinheit 7 die einzustellenden Sollkrümmungen gespeichert. Ferner werden anschließend die Soll-Girratewerte daraus bestimmt. Ferner wird die Istkrümmung anhand eines jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes erfasst.
In einem zweiten Schritt wird über eine Zeit die erste zeitliche Ist-Ableitung und die erste zeitliche Soll-Ableitung der Ist-Girratewerte und Soll- Girratewerte und die zweite zeitliche Ist-Ableitung und die zweite zeitliche Soll-Ableitung der Ist- und Soll-Girratewerte bestimmt. Überschreitet die zweite Ist-Ableitung und die zweite Soll-Ableitung einen positiven und negativen Schwellenwert, wird dadurch ein aktueller Girrateabschnitt 4 ausgebildet. Dabei weist der aktuelle Girrateabschnitt 4 eine Länge auf, in der eine online Berechnung noch möglich ist.
In einem dritten Schritt wird eine Kreuzkorrelation der ersten Ist-Ableitungen und ersten Soll-Ableitungen, welche in dem aktuellen Girrateabschnitt 4 liegen, vorgenommen, um somit eine aktuelle Zeitverzögerung zu bestimmen.
Anschließend wird die aktuelle Zeitverzögerung mit samt zumindest der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Reibwertes /Straßenbeschaffenheit als Parameter in den Recursive Least Squares Schätzer 6 eingegeben, welcher basierend auf zumindest einiger vorheriger Berechnungen den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert schätzt.
Dabei ist der Recursive Least Squares Schätzer 6 als rekursive Funktion mit zu bestimmenden Parametern ausgebildet. Dabei wird der Recursive Least Squares Schätzer 6 ab einer Güte lediglich nur noch als bekannte optimierende Funktion im Raum genutzt, in der die aktuelle Zeitverzögerung und die Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Parameter wie der Reibwert eingegeben werden, anhand dessen der gegenwärtige zeitliche Verzögerungswert als Ausgabe bestimmt wird.
In einem vierten Schritt wird in einem Previewschätzer 9, die Previewzeit zumindest anhand des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes in Bezug auf die einzustellende Istkrümmung, bestimmt, zur Bewerkstelligung der Kompensation einer Verzögerung in der Übertragung von der Sollkrümmung auf die einzustellende Istkrümmung anhand der Lenkstellgrößen.
5 zeigt einen fünften Schritt. In einem fünften Schritt werden mittels des Steuerungssystems 10 die Lenkstellgrößen des Lenksystems 3 so eingestellt, dass die Lenkstellgrößen um die Previewzeit dem gewünschten Fahrzeugverhalten vorauslaufen.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Trajektorieplanungssystem
3: Sensoreinrichtung
4: Girrateabschnitt
5: Korrelator
6: Recursive Least Squares Schätzer
7: Speichereinheit
8: Lenksystem
9: Previewschätzer
10: Steuerungssystem

Claims

Trajektorieplanungssystem (2) für ein Fahrzeug (1) umfassend eine Sensoreinrichtung (3) zum Messen einer Istkrümmung anhand eines jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes, eine Speichereinheit (7) mit einer zu fahrenden Solltrajektorie mit einzustellenden Sollkrümmungen, wobei das Trajektorieplanungssystem (2) ausgebildet ist, zum Bestimmen von Soll-Gierratewerten aus der Sollkrümmung der Solltrajektorie, ferner ein Lenksystem (8) mit Lenkstellgrößen zum Übertragen der Sollkrümmungen auf Istkrümmungen anhand der Lenkstellgrößen, dadurch gekennzeichnet, dass das Trajektorieplanungssystem (2) zum Bestimmen der jeweiligen ersten Ist-Ableitung des gemessenen jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes über die Zeit und der jeweiligen ersten Soll-Ableitung des jeweiligen aktuellen Soll-Gierratewertes über die Zeit ausgebildet ist, und wobei ferner ein Korrelator (5) vorgesehen ist, zum Bestimmen einer jeweils aktuellen Zeitverzögerung anhand der jeweiligen ersten Ist-Ableitungen und der jeweiligen ersten Soll-Ableitungen in einem aktuellen Girrateabschnitt (4), und wobei ein Parameterschätzer vorgesehen ist, welcher dazu ausgebildet ist, zumindest anhand jeweiliger aktueller Zeitverzögerungen als Eingabe rekursiv den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert zwischen Soll-Girratewert und einzustellendem Ist-Girratewert zu schätzen und wobei ein Previewschätzer (9) vorgesehen ist, welcher zum Bestimmen einer Previewzeit zumindest anhand des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes in Bezug auf die einzustellende Istkrümmung, ausgebildet ist, zur Bewerkstelligung der Kompensation einer Verzögerung in der Übertragung von der Sollkrümmung auf die einzustellende Istkrümmung anhand der Lenkstellgrößen.
Trajektorieplanungssystem (2) für ein Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerungssystem (10) zum Einstellen der Lenkstellgrößen des Lenksystems (8) vorgesehen ist, wobei das Steuerungssystem (10) dazu ausgebildet ist, die Lenkstellgrößen um die Previewzeit dem gewünschten Fahrzeugverhalten vorauslaufend einzustellen.
Trajektorieplanungssystem (2) für ein Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trajektorieplanungssystem (2) zum Bestimmen einer zweiten Ist-Ableitung des gemessenen jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes über die Zeit und einer zweiten Soll-Ableitung des jeweiligen aktuellen Soll-Gierratewertes über die Zeit und zum Bestimmen des jeweils aktuellen Girrateabschnittes (4) ausgebildet ist, wobei der Girrateabschnitt (4) eine maximale Länge aufweist, in welchem die zweite Ist-Ableitung und die zweite Soll-Ableitung einen vorgegebenen positiven und negativen Schwellenwert jeweils zumindest einmal überschreiten.
Trajektorieplanungssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterschätzer dazu ausgebildet ist, anhand jeweiliger aktueller Zeitverzögerungen und Fahrzeugparameter als Eingabe, den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert rekursiv zu schätzen, wobei die Fahrzeugparameter zumindest die Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen.
Trajektorieplanungssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterschätzer dazu ausgebildet ist, anhand jeweiliger aktueller Zeitverzögerungen und Fahrzeugparameter als auch Umgebungsdaten als Eingabe, den gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert rekursiv zu schätzen, wobei die Fahrzeugparameter zumindest die Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen.
Trajektorieplanungssystem (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsdaten zumindest die Straßenbeschaffenheit und/oder einen erfassten Reibwert umfassen.
Trajektorieplanungssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterschätzer als ein Recursive Least Squares Schätzer (6) ausgebildet ist.
Trajektorieplanungssystem (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Recursive Least Squares Schätzer (6) einen Vergessensfaktor aufweist, zum Vergessen älterer Ergebnisse.
Trajektorieplanungssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterschätzer als künstliches neuronales Netz ausgebildet ist.
Trajektorieplanungssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterschätzer zu optimierende interne Parameter zur Bestimmung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes als Ausgabe aufweist, wobei der Parameterschätzer dazu ausgebildet ist, ab einem erzielten Genauigkeitswert der intern zu optimierenden Parameter diese für die zukünftige Schätzung des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes als Ausgabe heranzuziehen.
Trajektorieplanungssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trajektorieplanungssystem (2) dazu ausgebildet ist, die Previewzeit in Echtzeit zu bestimmen.
Trajektorieplanungssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrelator (5) dazu ausgebildet ist, die aktuelle Zeitverzögerung mittels einer Kreuzkorrelation der jeweiligen ersten Ist-Ableitungen und der jeweiligen ersten Soll-Ableitungen in dem aktuellen Girrateabschnitt (4) zu ermitteln.
Trajektorieplanungssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trajektorieplanungssystem (2) dazu ausgebildet ist, einen neuen gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswert anhand des Parameterschätzers nur dann zu bestimmen, wenn eine neu bestimmte aktuelle Zeitverzögerung vorliegt.
Fahrzeug (1) mit einem Trajektorieplanungssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) eine Empfangseinheit aufweist zum Empfangen von einer einzustellenden Sollkrümmung an vorgegebenen Positionen durch ein oder mehrere vorausfahrende Fahrzeuge und/oder ein Trajektoriegenerierungssystem zum Generieren einer Solltrajektorie anhand zumindest von Navigationsdaten und Umgebungsdaten.
Verfahren zum Betreiben eines Trajektorieplanungssystems (2) für ein Fahrzeug (1) umfassend der Schritte: - Messen einer Istkrümmung anhand eines jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes, - Bereitstellen einer zu fahrenden Solltrajektorie mit einzustellenden Sollkrümmungen, und Bestimmen von Soll-Gierratewerten aus der Sollkrümmung der Solltrajektorie, - Bereitstellen eines Lenksystems (8) mit Lenkstellgrößen zum Übertragen der Sollkrümmung anhand der Lenkstellgrößen, - Bestimmen der jeweiligen ersten Ist-Ableitung des gemessenen jeweiligen aktuellen Ist-Gierratewertes und der jeweiligen ersten Soll-Ableitung des jeweiligen aktuellen Soll-Gierratewertes über die Zeit, - Bestimmen einer jeweils aktuellen Zeitverzögerung anhand der jeweiligen ersten Ist-Ableitungen und der jeweiligen ersten Soll-Ableitungen in einem aktuellen Girrateabschnitt (4) anhand eines Korrelators (5) und, - rekursives Schätzen eines gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes zwischen Soll-Girratewert und Ist-Girratewert anhand jeweiliger aktueller Zeitverzögerungen als Eingabe in einen Parameterschätzer, - Bestimmen einer Previewzeit zumindest anhand des gegenwärtigen zeitlichen Verzögerungswertes in Bezug auf die einzustellende Istkrümmung durch einen Previewschätzer (9), zur Bewerkstelligung der Kompensation einer Verzögerung in der Übertragung von der Sollkrümmung auf die einzustellende Istkrümmung anhand der Lenkstellgrößen.