DE102023100983A1

DE102023100983A1 - Autonomer rennstreckenfahrertrainer und demonstrator

Info

Publication number: DE102023100983A1
Application number: DE102023100983.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Yitzhak Rubin; Alon Capua
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2024-02-22
Also published as: US20240059325A1; CN117608276A

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines autonomen Rennstreckenfahrertrainers und -demonstrators in einem autonomen Fahrzeug, das Betriebssysteme für Antrieb und Manövrieren einsetzt, umfasst das Identifizieren eines Straßenkurses und das Abbilden eines Geschwindigkeitsprofils und einer Trajektorie für das Fahrzeug über einen Fernkonfigurator. Die Trajektorie definiert einen Fahrzeugweg um den Straßenkurs und minimiert mit dem Geschwindigkeitsprofil die Rundenzeit des Fahrzeugs. Das Verfahren umfasst auch die Feststellung, ob sich ein menschlicher Passagier/Bediener im Fahrzeug befindet. Das Verfahren umfasst außerdem die Bestimmung der Lokalisierung des Fahrzeugs auf dem Straßenkurs über eine elektronische Steuerung, die mit einer Fernerkennungsquelle kommuniziert. Das Verfahren umfasst auch die Bestimmung der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und des Kurses des Fahrzeugs in Bezug auf die abgebildete Trajektorie. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Betreiben des Fahrzeugs mit dem darin befindlichen menschlichen Passagier/Bediener, um der abgebildeten Trajektorie unter Verwendung einer Rückkopplungssteuerung der Betriebssysteme als Reaktion auf die ermittelte Lokalisierung, Geschwindigkeit, Beschleunigung und den Kurs zu folgen.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung eines autonomen Rennstreckenfahrertrainers und Demonstrators in einem Kraftfahrzeug.
Autonome Fahrzeuge verfügen über Sensoren wie Lidar, Radar und Kameras, die den Betrieb des Fahrzeugs und die Umgebung des Fahrzeugs erfassen können, sowie über eine Recheneinheit, die alle Aspekte des Fahrzeugbetriebs steuert. Autonome Fahrzeuge verwenden im Allgemeinen ein Fahrzeugnavigationssystem, das in die Fahrzeugsteuerung integriert ist, Drive-by-Wire-Systeme, Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation und/oder Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Technologie, um die Fahrzeugposition zu ermitteln und das Fahrzeug zu navigieren.
Üblicherweise verwendet ein Fahrzeugnavigationssystem ein globales Positionsbestimmungssystem (GPS), um seine Positionsdaten zu erhalten, die dann mit der Position des Fahrzeugs relativ zu einem umgebenden geografischen Gebiet korreliert werden. Auf der Grundlage des GPS-Signals kann, wenn eine Wegbeschreibung zu einem bestimmten Wegpunkt benötigt wird, eine Streckenführung zu einem solchen Ziel berechnet werden, wodurch ein Fahrzeugpfad bestimmt wird. Insbesondere können die Fahrzeugsensoren und die Rechnereinrichtung zusammenarbeiten, um Zwischenwegpunkte zu identifizieren und das Fahrzeug zwischen solchen Wegpunkten zu manövrieren, um das Fahrzeug auf dem gewählten Weg zu halten.
Obwohl autonome Fahrzeuge viele potenzielle Vorteile gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen bieten, kann es unter bestimmten Umständen wünschenswert sein, Menschen darin zu schulen, ein solches Fahrzeug ohne autonome Unterstützung oder Kontrolle zu bedienen und zu manövrieren. Zum Beispiel könnte ein Mensch das Fahrzeug zu seiner persönlichen Befriedigung und/oder im Rahmen von Wettbewerben fahren wollen, etwa auf einer geschlossenen Rennstrecke oder einem Parcours. Derzeitige Techniken für die Ausbildung von Menschen zum Führen eines Fahrzeugs auf einer echten Rennstrecke umfassen in der Regel einen menschlichen Ausbilder. Der Einsatz eines menschlichen Fahrlehrers kann jedoch zeitaufwändig, kostspielig und/oder schwer zu planen sein. Außerdem sind die von einem bestimmten Fahrlehrer verwendeten Techniken nicht immer optimal.
BESCHREIBUNG
Ein Verfahren zum Betreiben eines autonomen Rennstreckenfahrertrainers und -demonstrators in einem autonomen Kraftfahrzeug, das Fahrzeugbetriebssysteme für den Antrieb und das Manövrieren einsetzt, umfasst das Identifizieren eines Straßenkurses. Das Verfahren umfasst auch das Abbilden einer Trajektorie und eines Geschwindigkeitsprofils für das Fahrzeug über einen Konfigurator, der entfernt vom Fahrzeug angeordnet ist. Die abgebildete Trajektorie definiert einen Weg des Fahrzeugs um den Straßenkurs und soll mit dem aufgezeichneten Geschwindigkeitsprofil die Rundenzeit des Fahrzeugs auf dem Straßenkurs minimieren. Das Verfahren umfasst auch die Bestimmung der Anwesenheit eines menschlichen Passagiers/Bedieners, der sich im Fahrzeug befindet.
Das Verfahren umfasst zusätzlich die Bestimmung der Lokalisierung des Fahrzeugs auf dem Straßenkurs über ein elektronisches Steuergerät, das mit einer entfernt vom Fahrzeug angeordneten Erfassungsquelle, wie z. B. einem globalen Positionierungssystem (GPS), kommuniziert. Das Verfahren umfasst auch das Überwachen der Lokalisierung und das Bestimmen der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und des Kurses des Fahrzeugs über das elektronische Steuergerät in Bezug auf die aufgezeichnete Trajektorie auf der Straßenstrecke. Darüber hinaus umfasst das Verfahren das Betreiben des Fahrzeugs mit dem darin befindlichen menschlichen Passagier/Bediener über das elektronische Steuergerät, um der aufgezeichneten Trajektorie unter Verwendung einer Rückkopplungssteuerung der Fahrzeugbetriebssysteme als Reaktion auf die ermittelte Lokalisierung, Geschwindigkeit, Beschleunigung und den Kurs zu folgen.
Der autonome Rennstreckenfahrtrainer und -demonstrator können unter im Fahrerwagenmodus betrieben werden. In einer solchen Ausführungsform kann das Verfahren zusätzlich die Erkennung einer Eingabe des menschlichen Fahrgastes/Bedieners in mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme umfassen.
Das Verfahren kann zusätzlich das Wahrnehmen oder Erkennen einer Gefahr, wie z. B. eines Hindernisses oder einer Gefahr, in der Nähe der kartierten Trajektorie auf dem Straßenkurs umfassen. In einer solchen Ausführungsform kann das Verfahren zusätzlich beinhalten, dass über das elektronische Steuergerät mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme veranlasst wird, in den Betrieb des Fahrzeugs einzugreifen, während das Fahrzeug der kartierten Trajektorie folgt, um die wahrgenommene Gefahr zu entschärfen.
Der autonome Rennstreckenfahrtrainer und der -demonstrator können in einem Demonstrationsmodus betrieben werden. In einer solchen Ausführungsform kann das Verfahren zusätzlich die Wahrnehmung einer Gefahr in der Nähe der abgebildeten Trajektorie auf dem Straßenkurs und die Ermächtigung des menschlichen Passagiers/Bedieners umfassen, die Kontrolle über die Fahrzeugbetriebssysteme zu übernehmen, um die wahrgenommene Gefahr auf dem Straßenkurs zu entschärfen.
Die Abbildung der Trajektorie kann die Bestimmung einer Vielzahl von Kontrollpunkten entlang des definierten Weges beinhalten.
Das Abbilden der Trajektorie kann zusätzlich die Bestimmung einer Steuereingabe für mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme an jedem der mehreren Kontrollpunkte umfassen, um entsprechende Kontrollpunkttrajektorien zu erzeugen.
Die Aufzeichnung der Trajektorie kann zusätzlich die Bestimmung einer optimalen zeitlichen Abfolge der Steuereingaben für die Fahrzeugbetriebssysteme beinhalten, so dass die Rundenzeit minimiert wird.
Das Verfahren kann auch beinhalten, dass die ermittelte optimale zeitliche Abfolge der Steuereingänge für die Fahrzeugbetriebssysteme als anfängliche Schätzung in einem MPC-Algorithmus (Model Predictive Control) verwendet wird, um den MPC-Algorithmus über einen gesamten modellbasierten Vorhersagehorizont zu propagieren.
Das Verfahren kann auch die Bestimmung einer linearen Näherung für die anfängliche Schätzung in dem nichtlinearen Vorhersagemodell bei jeder der jeweiligen erzeugten Kontrollpunkttrajektorien umfassen.
Das Verfahren kann zusätzlich das Erzeugen und Lösen eines quadratischen Ausdrucks umfassen, um eine Divergenz von der linearen Annäherung und den optimierten Steuereingaben für die Fahrzeugbetriebssysteme zu bestimmen, und das Anwenden der optimierten Steuereingaben, so dass die Divergenz von der abgebildeten Trajektorie minimiert wird.
Ein autonomer Rennstreckenfahrertrainer und -demonstrator für ein autonomes Kraftfahrzeug, der so konfiguriert ist, dass er das obige Verfahren ausführen kann, wird ebenfalls offenbart.
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsform(en) und der besten Art(en) zur Ausführung der beschriebenen Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ohne weiteres ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Darstellung eines autonomen Kraftfahrzeugs, das Betriebssysteme für Antrieb und Manövrieren und einen Fernkonfigurator in Kommunikation mit dem elektronischen Steuergerät des Fahrzeugs verwendet, das so konfiguriert ist, dass es ein globales Positionierungssystem (GPS) verwendet, um das Fahrzeug entlang eines ausgewählten Weges zu steuern, gemäß der Offenbarung.
2 zeigt schematisch das in 1 dargestellte Fahrzeug auf einem Straßenkurs.
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines autonomen Rennstreckenfahrertrainers und -demonstrators in dem in 1 und 2 dargestellten autonomen Kraftfahrzeug gemäß der Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diejenigen, die über normale Fachkenntnisse verfügen, werden erkennen, dass Begriffe wie „oben“, „unten“, „aufwärts“, „abwärts“, „oben“, „unten“, „links“, „rechts“ usw. für die Figuren beschreibend verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der Offenbarung darstellen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Darüber hinaus können die Lehren hier in Form von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und/oder verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben werden. Es sollte klar sein, dass solche Blockkomponenten eine Reihe von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten umfassen können, die zur Ausführung der angegebenen Funktionen konfiguriert sind.
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen gleiche Ziffern gleiche Teile bezeichnen, die sich auf die Zeichnungen beziehen, wobei sich gleiche Referenznummern auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 10, das relativ zu einer Straßenoberfläche 12 positioniert ist. Wie in 1 dargestellt, umfasst das Fahrzeug 10 eine Fahrzeugkarosserie 14, eine erste Achse mit einem ersten Satz von Laufrädern 16-1, 16-2 und eine zweite Achse mit einem zweiten Satz von Laufrädern 16-3, 16-4 (z. B. einzelne linke und rechte Räder an jeder Achse). Jedes der Straßenräder 16-1, 16-2, 16-3, 16-4 hat Reifen, die so konfiguriert sind, dass sie einen fiktiven Kontakt mit der Straßenoberfläche 12 herstellen. Obwohl zwei Achsen mit den jeweiligen Rädern 16-1, 16-2, 16-3, 16-4 ausdrücklich dargestellt sind, ist nicht ausgeschlossen, dass das Kraftfahrzeug 10 weitere Achsen hat.
Wie in 1 dargestellt, verbindet ein Fahrzeugaufhängungssystem 18 die Fahrzeugkarosserie 14 mit den jeweiligen Rädern 16-1, 16-2, 16-3, 16-4, um den Kontakt zwischen den Rädern und der Straßenoberfläche 12 aufrechtzuerhalten und das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs 10 zu gewährleisten. Das Fahrzeugaufhängungssystem 18 kann aktiv gesteuerte Aktuatoren 19 zur Bereitstellung adaptiver Fahrzeugfederraten, Dämpfung, Wankungsdämpfung usw. umfassen. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst zusätzlich einen Antriebsstrang 20 mit einer Kraftquelle oder mehreren Kraftquellen 20A, bei denen es sich um einen Verbrennungsmotor (ICE), einen Elektromotor oder eine Kombination solcher Vorrichtungen handeln kann, die so konfiguriert sind, dass sie ein Antriebsmoment auf die erste Achse mit den Straßenrädern 16-1, 16-2 und/oder die zweite Achse mit den Straßenrädern 16-3, 16-4 übertragen. Das Kraftfahrzeug 10 verwendet auch Fahrzeugbetriebs- oder -steuerungssysteme, einschließlich Vorrichtungen wie die Aufhängungsaktuatoren 19, einen oder mehrere Lenkaktuatoren 22 (z. B. eine elektrische Servolenkung), die so konfiguriert sind, dass sie die erste Achse und/oder die zweite Achse über einen Lenkwinkel (θ) lenken, eine Beschleunigungsvorrichtung 23 zur Steuerung der Leistungsabgabe der Energiequelle(n) 20A, einen Bremsschalter oder eine Bremsvorrichtung 24 zum Verzögern der Drehung der Laufräder 16-1 und 16-2 (z. B. über einzelne Reibungsbremsen, die sich an den jeweiligen Laufrädern befinden) usw.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das Kraftfahrzeug 10 mindestens einen Sensor 25A und eine elektronische Steuerung 26, die zusammenarbeiten, um das Fahrzeug 10 in bestimmten Situationen zumindest teilweise in einem autonomen Modus zu steuern, zu führen und zu manövrieren. Als solches kann das Fahrzeug 10 als autonomes Fahrzeug bezeichnet werden. Um eine effiziente und zuverlässige autonome Fahrzeugsteuerung zu ermöglichen, kann die elektronische Steuerung 26 in operativer Kommunikation mit dem/den als elektrische Servolenkung ausgebildeten Lenkaktuator(en) 22, der Beschleunigungsvorrichtung 23 und der Bremsvorrichtung 24 stehen. Die Sensoren 25A des Kraftfahrzeugs 10 sind in der Lage, die Straßenoberfläche 12 abzutasten und einen umgebenden geografischen Bereich sowie die Verkehrsbedingungen in der Nähe des Basisfahrzeugs zu überwachen.
Die Sensoren 25A des Fahrzeugs 10 können unter anderem mindestens einen LIDAR-Sensor (Light Detection and Ranging), ein Radar und eine Kamera umfassen, die um das Fahrzeug 10 herum angeordnet sind, um die Grenzindikatoren, wie z. B. Randbedingungen, der Fahrbahnoberfläche 12 zu erfassen. Die Art der Sensoren 25A, ihre Anordnung am Fahrzeug 10 und ihre Funktionsweise zur Erkennung und/oder Erfassung der Grenzindikatoren der Straßenoberfläche 12 und zur Überwachung des umgebenden geografischen Gebiets und der Verkehrsbedingungen sind dem Fachmann bekannt, sind für die Lehre dieser Offenbarung nicht relevant und werden daher hier nicht im Detail beschrieben. Das Fahrzeug 10 kann zusätzlich Sensoren 25B enthalten, die an der Fahrzeugkarosserie und/oder am Antriebsstrang 20 angebracht sind.
Zu den Sensoren 25B können beispielsweise Vorrichtungen gehören, die so konfiguriert sind, dass sie die Drehzahlen des Verbrennungsmotors und/oder des Elektromotors, die Temperaturen und das Antriebsdrehmoment, das Übersetzungsverhältnis des Getriebes und den Ladezustand der Batterie erfassen oder messen. Darüber hinaus können die Sensoren 25B Gierraten- und Winkelsensoren, Beschleunigungsmesser, Raddrehzahlsensoren, Reifendrucksensoren, einen Sensor für die Längsgeschwindigkeit und einen Sensor für die Quergeschwindigkeit umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie die entsprechenden Parameter erfassen und die entsprechenden Daten, beispielsweise in Trägheitsmesseinheiten (IMUs), an die elektronische Steuerung 26 übermitteln. Spezifische Beispiele für Sensoren 25B wurden angeführt, um ein allgemeines Verständnis der Daten zu vermitteln, die von der elektronischen Steuerung 26 verarbeitet werden; die obige Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Begrenzung.
Die elektronische Steuerung 26 steht mit den Sensoren 25A des Fahrzeugs 10 in Verbindung, um deren jeweilige Messdaten zu empfangen, die sich auf die Erfassung oder Abtastung der Straßenoberfläche 12 und die Überwachung des umgebenden geografischen Gebiets und der Verkehrsbedingungen beziehen. Die elektronische Steuerung 26 kann alternativ auch als Steuermodul, Steuereinheit, Steuergerät, Steuergerät des Fahrzeugs 10, Computer usw. bezeichnet werden. Die elektronische Steuerung 26 kann einen Computer und/oder Prozessor 28 sowie Software, Hardware, Speicher, Algorithmen, Verbindungen (z. B. zu Sensoren 25A und 25B) usw. zur Verwaltung und Steuerung des Betriebs des Fahrzeugs 10 umfassen. So kann ein Verfahren, das im Folgenden beschrieben und allgemein in 3 dargestellt wird, als ein Programm oder Algorithmus verkörpert werden, das bzw. der teilweise auf der elektronischen Steuerung 26 ausgeführt werden kann. Es sollte gewürdigt werden, dass die elektronische Steuerung 26 eine Vorrichtung umfassen kann, die in der Lage ist, Daten von den Sensoren 25A und 25B zu analysieren, Daten zu vergleichen, die zur Steuerung des Betriebs des Fahrzeugs 10 erforderlichen Entscheidungen zu treffen und die erforderlichen Aufgaben zur Steuerung des Betriebs des Fahrzeugs 10 auszuführen.
Die elektronische Steuerung 26 kann als ein oder mehrere digitale Computer oder Host-Maschinen ausgeführt sein, die jeweils einen oder mehrere Prozessoren 28, einen Festwertspeicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM), optische Laufwerke, magnetische Laufwerke usw., einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog-Digital-Schaltkreise (A/D), Digital-Analog-Schaltkreise (D/A) und Eingangs-/Ausgangs-Schaltkreise (E/A), E/A-Geräte und Kommunikationsschnittstellen sowie eine Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik aufweisen. Der computerlesbare Speicher kann ein nicht flüchtiges/greifbares Medium umfassen, das an der Bereitstellung von Daten oder computerlesbaren Anweisungen beteiligt ist. Der Speicher kann nichtflüchtig oder flüchtig sein. Nichtflüchtige Medien können beispielsweise optische oder magnetische Platten und andere dauerhafte Speicher sein. Ein Beispiel für einen flüchtigen Speicher ist der dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM), der einen Hauptspeicher darstellen kann. Andere Beispiele für Speicher sind flexible Platten, Festplatten, Magnetbänder oder andere magnetische Medien, CD-ROMs, DVDs und/oder andere optische Medien sowie andere mögliche Speichervorrichtungen wie Flash-Speicher.
Die elektronische Steuerung 26 umfasst einen greifbaren, nicht-übertragbaren Speicher 30, in dem computerausführbare Anweisungen, einschließlich eines oder mehrerer Algorithmen, zur Regelung des Betriebs des Kraftfahrzeugs 10 aufgezeichnet sind. Der (die) betreffende(n) Algorithmus (Algorithmen) kann (können) insbesondere einen Algorithmus umfassen, der so konfiguriert ist, dass er die Lokalisierung des Kraftfahrzeugs 10 überwacht und den Kurs des Fahrzeugs relativ zu einer kartierten Fahrzeugtrajektorie auf einem bestimmten Straßenkurs bestimmt, der weiter unten im Detail beschrieben wird. Der (die) betreffende(n) Algorithmus (Algorithmen) implementiert (implementieren) auch einen autonomen Rennstreckenfahrertrainer und -demonstrator 32, d. h. einen autonomen Trainer und Demonstrator, im Kraftfahrzeug 10, wenn das Fahrzeug die Straßenoberfläche 12 entlang eines gewünschten oder ausgewählten Weges, einschließlich verschiedener Kurven und Biegungen, befährt. Das Kraftfahrzeug 10 kann eine dynamische Instabilität erfahren, insbesondere beim Durchfahren einer Kurve, die entweder als ein Untersteuern oder ein Übersteuern in Bezug auf die Kurve definiert werden kann, was zu einem Schleudern oder Drehen des Fahrzeugs führt. Der autonome Trainer und Demonstrator 32, der durch den/die Algorithmus(e) des Steuergeräts implementiert wird, ist speziell dafür vorgesehen, das Kraftfahrzeug 10 entlang einer optimalen Trajektorie zu betreiben, die definiert ist, um die schnellste Rundenzeit auf einem Straßenkurs zu erreichen und gleichzeitig die dynamische Instabilität des Fahrzeugs zu verringern. Der Prozessor 28 der elektronischen Steuerung 26 ist für die Ausführung solcher Algorithmen konfiguriert.
Das Kraftfahrzeug 10 umfasst auch ein Fahrzeugnavigationssystem 34, das Teil der integrierten Fahrzeugsteuerung oder ein zusätzliches Gerät sein kann, das zur Bestimmung der Fahrtrichtung im Fahrzeug verwendet wird. Das Fahrzeugnavigationssystem 34 ist auch operativ mit einem globalen Positionierungssystem (GPS) 36 verbunden, das einen Satelliten in der Erdumlaufbahn nutzt. Das Fahrzeugnavigationssystem 34 kann in Verbindung mit dem GPS 36 und den oben erwähnten Sensoren 25A zur Automatisierung des Fahrzeugs 10 verwendet werden. Das elektronische Steuergerät 26 steht über das Fahrzeugnavigationssystem 34 mit dem GPS 36 in Verbindung. Das Fahrzeugnavigationssystem 34 verwendet ein Satellitennavigationsgerät (nicht dargestellt), um seine Positionsdaten vom GPS 36 zu empfangen, die dann mit der Position des Fahrzeugs in Bezug auf das umgebende geografische Gebiet korreliert werden. Auf der Grundlage dieser Informationen kann, wenn eine Wegbeschreibung zu einem bestimmten Wegpunkt benötigt wird, eine Routenplanung zu einem solchen Zielort erstellt und berechnet werden. Zur Anpassung der Route können aktuelle Gelände- und/oder Verkehrsinformationen verwendet werden. Die aktuelle Position eines Fahrzeugs 10 kann mittels Koppelnavigation berechnet werden, indem eine zuvor ermittelte Position verwendet wird und diese Position auf der Grundlage bekannter oder geschätzter Geschwindigkeiten über die verstrichene Zeit und den Kurs mittels diskreter Kontrollpunkte fortgeschrieben wird. Daten von Sensoren 25B, die am Antriebsstrang 20 des Fahrzeugs angebracht sind, z. B. Gierratensensor, Beschleunigungsmesser und Geschwindigkeitssensoren, sowie fahrzeugmontierte Radar- und optische Geräte können zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und zum Ausgleich von GPS 36-Signalverlusten und/oder Mehrwege-Interferenzen aufgrund von Straßenschluchten oder Tunneln verwendet werden.
Die elektronische Steuerung ist im Allgemeinen so konfiguriert, d.h. programmiert, dass es die Lokalisierung 38 (aktuelle Position in der X-Y-Ebene, wie in 1 dargestellt), die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Gierrate sowie den beabsichtigten Weg 40 und den Kurs 42 des Kraftfahrzeugs 10 auf der Straßenoberfläche 12 bestimmt oder identifiziert. Die Lokalisierung 38, der beabsichtigte Weg 40 und der Kurs 42 des Kraftfahrzeugs 10 können über das Navigationssystem 34 bestimmt werden, das Daten vom GPS 36 empfängt, während die Geschwindigkeit, die Beschleunigung (einschließlich der Längs- und Querbeschleunigung) und die Gierrate von den Fahrzeugsensoren 25B bestimmt werden können. Alternativ kann das elektronische Steuergerät 26 auch andere Systeme oder Erfassungsquellen verwenden, die in Bezug auf das Fahrzeug 10 entfernt angeordnet sind, beispielsweise eine Kamera, um die Lokalisierung 38 des Fahrzeugs relativ zur Fahrbahn 12 zu bestimmen. Der gewünschte Pfad kann diskrete Kontrollwegpunkte umfassen, wie die in 1 dargestellten Punkte A, B und C.
Wie bereits erwähnt, kann das Kraftfahrzeug 10 so konfiguriert sein, dass es in einem autonomen Modus betrieben wird, der durch die elektronische Steuerung 26 gesteuert wird. In einem solchen Modus kann die elektronische Steuerung 26 ferner Daten von den Fahrzeugsensoren 25B erhalten, um das Fahrzeug entlang des gewünschten Weges zu führen, beispielsweise durch Regulierung des Lenkaktuators 22. Die elektronische Steuerung 26 kann zusätzlich so programmiert sein, dass sie den Lenkwinkel (θ) des bzw. der Lenkaktuatoren 22 entlang des gewünschten Weges 40 erkennt und überwacht, z. B. während einer ausgehandelten Kurve. Insbesondere kann die elektronische Steuerung 26 so programmiert sein, dass sie den Lenkwinkel (θ) durch Empfangen und Verarbeiten von Datensignalen von einem Lenkpositionssensor 44 (in 1 dargestellt), der mit dem/den Lenkstellglied(ern) 22 in Verbindung steht, sowie von Betriebsstellungen der Aufhängungsstellglieder 19, der Beschleunigungsvorrichtung 23 und der Bremsvorrichtung 24 bestimmt.
Wie in 1 dargestellt, umfasst der autonome Rennstreckenfahrertrainer und Demonstrator 32 zusätzlich einen Fernkonfigurator 46. Der Fernkonfigurator 46 kann ein eigenständiger Prozessor sein, der sich entfernt vom Fahrzeug 10 befindet und drahtlos mit dem elektronischen Steuergerät 26 verbunden ist. Bei dem Fernkonfigurator 46 kann es sich beispielsweise um einen externen IT-Cloud-Server handeln, der entfernt vom Fahrzeug 10 angeordnet ist und über das elektronische Steuergerät 26 in drahtloser Kommunikation mit der Fahrzeugtelematik steht. Ein solcher IT-Cloud-Server kann in drahtloser Kommunikation mit entfernten Erfassungsquellen, wie dem GPS 36, und/oder mit mehreren elektronischen Steuergeräten an entsprechenden Fahrzeugen, wie dem Fahrzeug 10, stehen und so konfiguriert sein, dass er Navigationsdaten von den betreffenden Fahrzeugsteuergeräten empfängt und die empfangenen Daten in einer IT-Cloud-Datenbank (nicht dargestellt) speichert.
Der Fernkonfigurator 46 ist speziell so konfiguriert, dass er einen Straßenkurs 48 identifiziert und offline, d. h. vor dem Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 auf dem Straßenkurs 48, eine optimale Trajektorie 50 für das Fahrzeug 10 projiziert oder abbildet, die einen gewünschten Weg 52 des Fahrzeugs auf dem Straßenkurs definiert, wie in 2 dargestellt. Der Straßenkurs 48 kann über das GPS 36 oder anhand einer zuvor generierten Datei identifiziert werden, die von einer Informationsquelle (nicht dargestellt) außerhalb des Fernkonfigurators 46 übermittelt wird. Der Fernkonfigurator 46 ist auch so konfiguriert, dass er das Geschwindigkeitsprofil 51 des Fahrzeugs entlang des Straßenkurses 48 bestimmt oder abbildet, z. B. die Fahrzeuggeschwindigkeit an jedem der mehreren Kontrollpunkte A, B und C. Die optimale Trajektorie 50 ist ein Weg um den Straßenkurs 48, der zusammen mit dem projizierten Geschwindigkeitsprofil 51 dazu dient, die schnellste Rundenzeit für das Fahrzeug 10 um den Straßenkurs 48 zu erzielen, d. h. die Zeit zu minimieren, die das Fahrzeug benötigt, um eine Runde auf der Strecke zu fahren.
Der Fernkonfigurator 46 kann so konfiguriert sein, dass er die Trajektorie 50 über die Bestimmung, d. h. das Setzen oder Identifizieren, einer Vielzahl von Kontrollpunkten, wie z. B. der Punkte A, B und C, entlang der definierten Bahn 52 abbildet. Der Fernkonfigurator 46 kann zusätzlich so konfiguriert sein, dass er die Trajektorie 50 abbildet, indem er eine Steuereingabe 54 an mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme, z. B. die Aufhängungsaktuatoren 19, den/die Lenkungsaktuator(en) 22, die Beschleunigungsvorrichtung 23 und die Bremsvorrichtung 24, an jedem der mehreren Kontrollpunkte, wie z. B. den Punkten A, B, C, bestimmt, um entsprechende Kontrollpunkttrajektorien 50_A, 50_B, 50_C (in 1 dargestellt) zu erzeugen. Wie in 2 gezeigt, kann der Fernkonfigurator 46 ferner so konfiguriert sein, dass er die Trajektorie 50 abbildet, indem er eine optimale zeitliche Abfolge 56 für die Steuereingaben in die Fahrzeugbetriebssysteme, z. B. die Aufhängungsaktuatoren 19, den/die Lenkungsaktuator(en) 22, die Beschleunigungsvorrichtung 23 und die Bremsvorrichtung 24, bestimmt, so dass die Rundenzeit um den Straßenkurs 48 minimiert wird. Der Fernkonfigurator 46 kann auch so konfiguriert sein, dass er die ermittelte optimale Sequenz 56 rechtzeitig für Steuereingaben in die Fahrzeugbetriebssysteme (die Aufhängungsaktuatoren 19, den/die Lenkaktuator(en) 22, die Beschleunigungsvorrichtung 23 und die Bremsvorrichtung 24 usw.) als anfängliche Schätzung in einem MPC-Algorithmus (Model Predictive Control) 58 verwendet, der in Echtzeit abläuft, während sich das Fahrzeug 10 entlang der Straßenstrecke 48 bewegt.
Im Allgemeinen ist die MPC eine Regelungsstrategie, die dazu dient, jeden nachfolgenden Regelungsschritt zu optimieren, indem das künftige Verhalten des Systems auf der Grundlage der aktuell erfassten Daten und der empirisch ermittelten Korrelation zwischen den Systemparametern, die auf das wahrscheinliche Verhalten des Systems hinweisen, vorhergesagt wird. Ein vereinfachtes Modell des zu steuernden Systems, das eine Vorhersage des Systemverhaltens ermöglicht, wird in den Rückkopplungsregelkreis einbezogen. Auf der Grundlage der aktuell erfassten Daten und des Modells wertet der Systemprozessor mehrere mögliche Lösungen aus und wählt die Lösung aus, die am ehesten geeignet ist, das Ergebnis auf der Grundlage von Prioritäten und Beschränkungen zu optimieren. Folglich werden sowohl die Vorhersage als auch die Optimierung bei jedem Kontrollschritt des Ansatzes durchgeführt. Einer der Vorteile der MPC ist die gleichzeitige Optimierung mehrerer Eingänge und Ausgänge unter Berücksichtigung eines breiten Spektrums von Prioritäten und Beschränkungen.
Der MPC-Algorithmus 58 kann so konfiguriert sein, dass er die Trajektorie 50 durch wiederholtes Lösen eines modellbasierten Ausdrucks für eine optimale Steuerung mit offenem Regelkreis und endlichem Horizont bestimmt, der Beschränkungen für die Fahrzeugbetriebssysteme verwendet, z. B. für die Aufhängungsaktuatoren 19, die Lenkungsaktuatoren 22, die Beschleunigungsvorrichtung 23 und die Bremsvorrichtung 24, um entsprechende Kontrollpunkttrajektorien 50_A, 50_B, 50_C zu erzeugen. Zu den Einschränkungen für die Fahrzeugbetriebssysteme können Grenzwerte für die Lenkgeschwindigkeit und den Lenkwinkel, Drosselklappenpunkte im Falle eines Verbrennungsmotors oder elektrische Stromsteuerungseingänge im Falle eines Elektromotors sowie Bremskraftparameter gehören. Insbesondere kann der MPC-Algorithmus 58 verwendet werden, um die optimale Steuerungssequenz 56 für die betreffenden Fahrzeugbetriebssysteme über einen zukünftigen Horizont in einer begrenzten Anzahl von Schritten zu finden. Zu jedem Abtastzeitpunkt kann der Fahrzeugzustand geschätzt werden, um einen Leistungsindex zu minimieren, der dem Vorhersagemodell und den Beschränkungen für die entsprechenden Fahrzeugbetriebssysteme unterliegt.
Zum Beispiel kann der MPC-Algorithmus 58 eine lineare zeitvariable (LTV) MPC verwenden, die das nichtlineare Modell online in Bezug auf die Referenz (insbesondere die vorbestimmten abgebildeten Kontrollpunkttrajektorien 50_A, 50_B, 50_C) linearisiert und ein quadratisches Programm (QP) konstruiert. Das QP kann dann verwendet werden, um ein resultierendes mathematisches Optimierungsproblem zu lösen, das eine multivariate quadratische Funktion umfasst, die linearen Eingabebeschränkungen für die Fahrzeugbetriebssysteme unterliegt, die so bestimmt sind, dass sie den geplanten Trajektorien folgen, wodurch die Rundenzeit des Fahrzeugs 10 auf dem Straßenkurs 48 reduziert wird. In einem anderen, nicht einschränkenden Beispiel kann der MPC-Algorithmus 58 nichtlineare MPC mit sequentieller quadratischer Programmierung (SQP) verwenden. Der MPC-Algorithmus 58 würde das nichtlineare Modell online in Bezug auf eine anfängliche Schätzung linearisieren und ein QP konstruieren. Die Lösung der QP würde eine neue Schätzung für eine zweite Iteration des Algorithmus generieren, und so weiter, bis Konvergenz erreicht ist. In jedem Berechnungsschritt des MPC-Algorithmus 58 würde es also eine oder mehrere Iterationen geben. Die Vermutung für die erste Iteration eines neuen Schritts wäre in der Regel eine Lösung aus dem vorangegangenen Berechnungszeitschritt.
Die ermittelte optimale Steuersequenz 56 wird als Anfangsschätzung im MPC-Algorithmus 58 verwendet, um den MPC-Algorithmus über einen gesamten modellbasierten Vorhersagehorizont zu propagieren. Der Fernkonfigurator 46 kann zusätzlich so konfiguriert sein, dass er eine lineare Annäherung 60 für jede anfängliche Vermutung in dem nichtlinearen Vorhersagemodell bei jeder der jeweiligen erzeugten Kontrollpunkttrajektorien 50_A, 50_B, 50_C bestimmt. Der Fernkonfigurator 46 kann ferner so konfiguriert sein, dass er eine Optimierungsfunktion erzeugt und löst, die gegebenen Fahrbahn- und Fahrzeugbeschränkungen unterliegt. Insbesondere kann die erzeugte Optimierungsfunktion die Form eines quadratischen Ausdrucks haben, der verwendet wird, um eine Abweichung von der ermittelten linearen Annäherung 60 für jede anfängliche Vermutung zu bestimmen und die jeweiligen ermittelten linearen Annäherungen und Abweichungen anzuwenden, um optimierte Steuereingänge für die Fahrzeugbetriebssysteme zu bestimmen, z. B. für die Aufhängungsaktuatoren 19, den/die Lenkungsaktuator(en) 22, das Gaspedal 23 und die Bremsvorrichtung 24.
Nach der Auflösung der Optimierungsfunktion kann das elektronische Steuergerät 26 die optimierten Steuereingaben anwenden, um die Abweichung des tatsächlichen Weges des Fahrzeugs 10 von der abgebildeten Trajektorie 50 zu minimieren. Infolgedessen können der Fernkonfigurator 46 und der MPC-Algorithmus 58 es der elektronischen Steuerung 26 ermöglichen, in Echtzeit Anweisungen und Korrekturen für die Steuereingaben des menschlichen Passagiers/Bedieners an das/die Fahrzeugbetriebssystem(e) zu generieren, um dem Pfad 52 genauer zu folgen und dadurch die Rundenzeit des Fahrzeugs 10 um den Straßenkurs 48 zu reduzieren. Darüber hinaus können der Fernkonfigurator 46 und der MPC-Algorithmus 58 es dem elektronischen Steuergerät 26 ermöglichen, das Kraftfahrzeug 10 autonom zu steuern, indem es der Trajektorie 50 folgt und dadurch den menschlichen Passagier/Bediener 62 anweist, wie eine effektivere Rundenzeit um den Straßenkurs 48 erreicht werden kann, wie weiter unten im Detail erläutert wird.
Der autonome Fahrertrainer und Demonstrator 32 umfasst auch einen Fahrzeugsensor 64 (in 1 dargestellt), wie z. B. eine Innenraumkamera, einen Sitzsensor usw., der mit dem elektronischen Steuergerät 26 kommuniziert. Der Fahrzeugsensor 64 ist so konfiguriert, dass er die Anwesenheit eines menschlichen Fahrgastes/Bedieners 62 im Fahrzeug 10 erkennt, der sich beispielsweise auf einem Fahrersitz befindet, und dadurch die Bestimmung der Anwesenheit eines solchen menschlichen Fahrgastes/Bedieners durch das elektronische Steuergerät 26 erleichtert. Das elektronische Steuergerät 26 ist auch so konfiguriert, dass es die Lokalisierung 38 des Fahrzeugs 10 auf dem Straßenkurs 48 identifiziert oder bestimmt. Die elektronische Steuerung 26 ist außerdem so konfiguriert, dass sie die Lokalisierung 38 überwacht und einen Kurs 42 des Fahrzeugs 10 in Bezug auf die abgebildete Trajektorie 50 auf dem Straßenkurs 48 bestimmt. Die elektronische Steuerung 26 ist außerdem so konfiguriert, dass sie eine Reaktion des Fahrzeugs 10 auf Eingaben an das/die Fahrzeugsteuerungssystem(e) bestimmt. Die elektronische Steuerung 26 ist ferner so konfiguriert, dass sie das Fahrzeug 10 mit dem darin befindlichen menschlichen Passagier /Bediener 62 so steuert, dass sie der abgebildeten Trajektorie 50 unter Verwendung einer Rückkopplungssteuerung der Fahrzeugbetriebssysteme in Reaktion auf die ermittelte Lokalisierung 38 und den Kurs 42 folgt.
Der autonome Fahrertrainer und Demonstrationsfahrzeug 32 kann in einem Fahrermodus 32A betrieben werden (wie in 1 dargestellt). In der Betriebsart 32A kann das elektronische Steuergerät 26 so konfiguriert sein, dass es eine Eingabe des menschlichen Fahrgastes/Bedieners 62 in mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme, z. B. die Federungsaktuatoren 19, den/die Lenkungsaktuator(en) 22, das Gaspedal 23 und die Bremsvorrichtung 24, erkennt. Der autonome Fahrertrainer und Demonstrator 32 kann Parameter verwenden, die von den oben genannten Fahrzeugsensoren 25B (z. B. Gierratensensor, Beschleunigungsmesser, Raddrehzahlsensoren, Längsgeschwindigkeitssensor und Quergeschwindigkeitssensor) erfasst werden, um den menschlichen Passagier /Bediener 62 im Hinblick auf gewünschte Steuereingaben anzuweisen, der abgebildeten Trajektorie 50 entlang der Straßenstrecke 48 zu folgen. Mit anderen Worten: Im Fahrertrainermodus 32A ist der autonome Fahrertrainer und Demonstrator 32 so konfiguriert, dass er den menschlichen Passagier/Bediener 62 in Echtzeit über die effektivsten Steuereingaben für das Fahrzeug informiert, um eine optimale Rundenzeit zu erreichen.
Darüber hinaus kann die elektronische Steuerung 26 im Fahrertrainermodus 32A so konfiguriert sein, dass sie über den Bildsensor 25A, wie z. B. eine Kamera oder ein LIDAR, eine potenzielle Gefahr 68 (in 2 dargestellt), wie z. B. ein Hindernis oder eine andere Art von Gefahr, in der Nähe der kartierten Trajektorie 50 auf dem Straßenkurs 48 wahrnimmt oder erkennt. Ein beispielhaftes Hindernis kann ein anderes Fahrzeug oder ein Tier sein, das plötzlich auf der Fahrbahn 48 oder in der Nähe des Weges 52 auftaucht. Die elektronische Steuerung 26 kann ferner so konfiguriert sein, dass sie mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme, z. B. die Aufhängungsaktuatoren 19, die Lenkungsaktuatoren 22, die Beschleunigungsvorrichtung 23 und die Bremsvorrichtung 24, schaltet, um in den Betrieb des Fahrzeugs 10, d. h. den Fahrzeugantrieb und den Kurs 42, einzugreifen, während das Fahrzeug der kartierten Trajektorie 50 folgt. Daher soll die Schlichtung der Fahrzeugbetriebssysteme über die Steuerung 26 in einem solchen Fall die wahrgenommene Gefahr 68 entschärfen. Insgesamt ist der Fahrertrainermodus 32A so konfiguriert, dass er dem menschlichen Passagier/Bediener 62 in Echtzeit Anweisungen gibt, dem Pfad 52 genauer zu folgen und dadurch die Rundenzeit des Fahrzeugs 10 auf dem Straßenkurs 48 zu verkürzen.
Alternativ kann der autonome Fahrertrainer und Demonstrator 32 in einem Demonstrationsmodus 32B betrieben werden (in 1 dargestellt). Der autonome Fahrertrainer und Demonstrator 32 kann die von den Fahrzeugsensoren 25B erfassten Parameter verwenden, um die gewünschten Steuereingaben für die Verfolgung der abgebildeten Trajektorie 50 entlang des Straßenverlaufs 48 zu beeinflussen. Mit anderen Worten, im Demonstrationsmodus 32B ist der autonome Fahrertrainer und Demonstrator 32 so konfiguriert, dass er autonom die effektivsten Steuereingaben für das Fahrzeug auswählt, um eine optimale Rundenzeit zu erreichen. Im Demonstrationsmodus 32B kann das elektronische Steuergerät 26 zusätzlich so konfiguriert sein, dass es die Gefahr 68 auf dem Straßenkurs 48 wahrnimmt oder erkennt. Das elektronische Steuergerät 26 kann ferner so konfiguriert sein, dass es den menschlichen Passagier /Bediener 62 ermächtigt, die Kontrolle über die Fahrzeugbetriebssysteme zu übernehmen, z. B. über die Aufhängungsaktuatoren 19, den/die Lenkungsaktuator(en) 22, die Beschleunigungsvorrichtung 23 und die Bremsvorrichtung 24, um die wahrgenommene Gefahr 68 zu entschärfen. Insgesamt ist der Demonstrationsmodus 32B so konfiguriert, dass er das Fahrzeug 10 autonom um den Straßenkurs 48 steuert und so dem menschlichen Passagier/Bediener 62 die angemessene Steuerung des Fahrzeugs zum Erreichen der Trajektorie 50 demonstriert.
Ein Verfahren 100 zum Betreiben des autonomen Rennstrecken-Fahrertrainers und des - demonstrators 32 in einem autonomen Kraftfahrzeug, wie dem in den 1-2 beschriebenen Fahrzeug 10, ist in 3 dargestellt und wird im Folgenden detailliert beschrieben. Wie oben in Bezug auf 1-2 beschrieben, können der autonome Rennstrecken-Fahrertrainer und der - demonstrator 32 entweder im Fahrertrainermodus 32A oder im Demonstrator-Modus 32B betrieben werden. Das Verfahren 100 beginnt im Rahmen 102 mit der Identifizierung der Straßenstrecke 48, beispielsweise durch den menschlichen Passagier/Bediener 62 oder das elektronische Steuergerät 26. In Rahmen 102 umfasst das Verfahren außerdem das Abbilden der optimalen oder gewünschten Trajektorie 50 für das Fahrzeug 10, die den Pfad 52 des Fahrzeugs definiert, der so konfiguriert ist, dass die Rundenzeit des Fahrzeugs auf dem Straßenkurs 48 minimiert wird, über den Fernkonfigurator 46.
Wie in den 1-2 beschrieben, kann das Abbilden der Trajektorie 50 die Bestimmung einer Vielzahl von Kontrollpunkten, wie z.B. der Punkte A, B, C, entlang der definierten Bahn 52 beinhalten. Das Abbilden der Trajektorie 50 kann zusätzlich das Bestimmen von Steuereingaben für mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme, z. B. Aufhängungsaktuatoren 19, Lenkungsaktuatoren 22, Gaspedalvorrichtung 23 und Bremsvorrichtung 24, an jedem der Vielzahl von Kontrollpunkten umfassen, um entsprechende Kontrollpunkttrajektorien 50_A, 50_B, 50_C zu erzeugen. Zusätzlich kann das Abbilden der Trajektorie 50 das Bestimmen der optimalen zeitlichen Abfolge 56 für Steuereingaben an die Fahrzeugbetriebssysteme beinhalten, so dass die Überrundungszeit minimiert wird. Nach Bild 102 geht das Verfahren zu Bild 104 über.
In Rahmen 104 umfasst das Verfahren die Bestimmung der Anwesenheit des menschlichen Passagiers/Bedieners 62 im Fahrzeug 10 über einen geeigneten Sensor 64, der mit der elektronischen Steuerung 26 kommuniziert. Zusätzlich kann das Verfahren im Fahrertrainermodus 32A, in Rahmen 104, das Erfassen einer Eingabe des menschlichen Fahrgastes/Bedieners 62 in mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme, z. B. Aufhängungsaktuatoren 19, Lenkungsaktuator(en) 22, Gaspedalvorrichtung 23 und Bremsvorrichtung 24, umfassen. Im Rahmen 104 kann das Verfahren auch die Wahrnehmung einer Gefahr oder eines Hindernisses 68 in der Nähe der abgebildeten Trajektorie 50 auf dem Straßenkurs 48 umfassen. Das Verfahren kann dann damit fortfahren, über das elektronische Steuergerät 26 mindestens eines der betroffenen Fahrzeugbetriebssysteme zu schlichten, um in den Betrieb des Fahrzeugs 10 einzugreifen, um die wahrgenommene Gefahr 68 zu entschärfen, während das Fahrzeug der kartierten Trajektorie 50 folgt. Alternativ kann das Verfahren im Demonstrationsmodus 32B das Wahrnehmen oder Erkennen der Gefahr 68 auf dem Straßenkurs 48 und die Autorisierung des menschlichen Passagiers/Bedieners 62 beinhalten, die Kontrolle über die Fahrzeugbetriebssysteme zu übernehmen, um die wahrgenommene Gefahr zu entschärfen. Nach Rahmen 104 geht das Verfahren zu Rahmen 106 über.
In Rahmen 106 umfasst das Verfahren die Bestimmung der Lokalisierung 38 des Fahrzeugs 10 auf dem Straßenkurs 48 durch die elektronische Steuerung 26. Nach Rahmen 106 geht das Verfahren zu Rahmen 108 über. In Rahmen 108 umfasst das Verfahren das Überwachen der Lokalisierung 38 und das Bestimmen der Lokalisierung 38, des Kurses 42 sowie der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der Gierrate des Fahrzeugs 10 über das elektronische Steuergerät 26 in Bezug auf die abgebildete Trajektorie 50 auf dem Straßenkurs 48. In Rahmen 108 umfasst das Verfahren zusätzlich die Bestimmung einer Reaktion des Fahrzeugs 10 auf die Eingabe in das/die Fahrzeugsteuersystem(e), wie z. B. die Aufhängungsaktuatoren 19, den/die Lenkaktuator(en) 22, die Beschleunigungsvorrichtung 23 und die Bremsvorrichtung 24. Nach Rahmen 108 geht das Verfahren zu Rahmen 110 über.
In Rahmen 110 umfasst das Verfahren das Betreiben des Fahrzeugs 10 mit dem darin befindlichen menschlichen Passagier/Bediener 62 entweder als Fahrer oder Passagier über das elektronische Steuergerät 26, um die abgebildete Trajektorie 50 unter Verwendung einer Rückkopplungssteuerung der Fahrzeugbetriebssysteme als Reaktion auf die ermittelte Lokalisierung 38 und den Kurs 42 zu folgen. Der Betrieb des Fahrzeugs im Rahmen 110 kann die Korrektur des Kurses 42 durch Steuerung des/der Fahrzeugbetriebssysteme(s) beinhalten, um den Fahrzeugpfad 52 in Reaktion auf die ermittelte Lokalisierung 38 beizubehalten oder wiederherzustellen. Insbesondere kann das Verfahren beinhalten, dass über den Fernkonfigurator 46 die lineare Approximation 60 für jede anfängliche Schätzung in dem nichtlinearen Vorhersagemodell bei jeder der jeweiligen erzeugten Kontrollpunkttrajektorien 50_A, 50_B, 50_C bestimmt wird.
Wie oben in Bezug auf die 1-2 beschrieben, kann der MPC-Algorithmus 58 beispielsweise die Verwendung eines quadratischen Ausdrucks beinhalten, um eine Abweichung von der ermittelten linearen Annäherung 60 für jede anfängliche Schätzung zu bestimmen und die ermittelten linearen Annäherungen und Abweichungen anzuwenden, um optimierte Steuereingänge für die Fahrzeugbetriebssysteme zu bestimmen. Die elektronische Steuerung 26 kann seinerseits die optimierten Steuereingänge so anwenden, dass die Abweichung von der abgebildeten Trajektorie 50 minimiert wird. Infolgedessen kann der Fernkonfigurator 46 Echtzeitanweisungen und -korrekturen für die Steuereingaben entweder des menschlichen Passagiers/Bedieners oder der elektronischen Steuerung 26 ermöglichen und es dem/den Fahrzeugbetriebssystem(en) erleichtern, dem Pfad 52 genauer zu folgen und dadurch die Rundenzeit des Fahrzeugs 10 um den Straßenkurs 48 zu reduzieren. Von Rahmen 110 kann das Verfahren zu Rahmen 108 zurückkehren, um den nächsten Wegpunkt, wie einen der in 1 dargestellten Punkte A, B und C, zu identifizieren und die Lokalisierung 38, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Gierrate und den Kurs 42 des Fahrzeugs 10 auf dem Straßenkurs 48 in Bezug auf die abgebildete Trajektorie 50 zu bestimmen. Alternativ kann das Verfahren in Bild 112 damit abgeschlossen werden, dass das Kraftfahrzeug 10 einen vorbestimmten Betriebszyklus erreicht, z. B. eine volle Runde auf dem Straßenkurs 48.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind unterstützend und beschreibend für die Offenbarung, aber der Umfang der Offenbarung wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen zur Durchführung der beanspruchten Offenbarung im Detail beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen zur Durchführung der Offenbarung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Darüber hinaus sind die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Merkmale verschiedener Ausführungsformen nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen zu verstehen. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale mit einem oder mehreren anderen gewünschten Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden kann, was zu anderen Ausführungsformen führt, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen solche anderen Ausführungsformen in den Rahmen des Anwendungsbereichs der beigefügten Ansprüche.

Claims

Ein Verfahren zum Betreiben eines autonomen Rennstreckenfahrertrainers und - demonstrators in einem autonomen Kraftfahrzeug, das Fahrzeugbetriebssysteme für den Antrieb und das Manövrieren einsetzt, wobei das Verfahren umfasst: Identifizieren eines Straßenkurses und Abbilden, über einen Konfigurator, der entfernt vom Fahrzeug angeordnet ist, eines Geschwindigkeitsprofils des Fahrzeugs und einer Trajektorie für das Fahrzeug, die einen Weg des Fahrzeugs um den Straßenkurs definiert und konfiguriert ist, die Rundenzeit des Fahrzeugs auf dem Straßenkurs zu minimieren; Feststellung der Anwesenheit eines menschlichen Passagiers/Bedieners im Fahrzeug; Bestimmung der Lokalisierung des Fahrzeugs auf dem Straßenkurs über eine elektronische Steuerung, die mit einer entfernt vom Fahrzeug angeordneten Erfassungsquelle in Verbindung steht; Überwachen der Lokalisierung und Bestimmen der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und des Kurses des Fahrzeugs über die elektronische Steuerung in Bezug auf die abgebildete Trajektorie auf dem Straßenkurs; und Betreiben des Fahrzeugs mit dem darin befindlichen menschlichen Passagier/Bediener über die elektronische Steuerung, um der abgebildeten Trajektorie unter Verwendung der Rückkopplungssteuerung der Fahrzeugbetriebssysteme als Reaktion auf die ermittelte Lokalisierung, Geschwindigkeit, Beschleunigung und den Kurs zu folgen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der autonome Rennstreckenfahrertrainer und - demonstrator in einem Fahrertrainermodus betrieben wird, ferner umfassend das Erfassen einer Eingabe des menschlichen Passagiers/Bedieners an mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner umfasst: Wahrnehmung einer Gefahr in der Nähe der abgebildeten Trajektorie auf dem Straßenkurs; und Veranlassung mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme über die elektronische Steuerung, in den Betrieb des Fahrzeugs einzugreifen, während das Fahrzeug der abgebildeten Trajektorie folgt, um die wahrgenommene Gefahr zu entschärfen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der autonome Rennstreckenfahrertrainer und - demonstrator in einem Demonstrationsmodus betrieben wird, der ferner das Wahrnehmen einer Gefahr in der Nähe der abgebildeten Trajektorie auf dem Straßenkurs und die Ermächtigung des menschlichen Passagiers/Bedieners umfasst, die Kontrolle über die Fahrzeugbetriebssysteme zu übernehmen, um die wahrgenommene Gefahr zu entschärfen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abbilden der Trajektorie die Bestimmung einer Mehrzahl von Kontrollpunkten entlang des definierten Weges umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Abbilden der Trajektorie zusätzlich das Bestimmen einer Steuereingabe für mindestens eines der Fahrzeugbetriebssysteme an jedem der mehreren Kontrollpunkte umfasst, um entsprechende Kontrollpunkttrajektorien zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Abbilden der Trajektorie zusätzlich das Bestimmen einer optimalen zeitlichen Abfolge für Steuereingaben an die Fahrzeugbetriebssysteme umfasst, so dass die Rundenzeit minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die ermittelte optimale zeitliche Abfolge der Steuereingaben für die Fahrzeugbetriebssysteme als anfängliche Schätzung in einem MPC-Algorithmus (Model Predictive Control) verwendet wird, um den MPC-Algorithmus über einen gesamten modellbasierten Vorhersagehorizont zu propagieren.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner die Bestimmung einer linearen Näherung für die anfängliche Schätzung in dem nichtlinearen Vorhersagemodell bei jeder der jeweiligen erzeugten Kontrollpunkttrajektorien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Erzeugen und Lösen eines quadratischen Ausdrucks umfasst, um eine Divergenz von der linearen Annäherung zu bestimmen, um optimierte Steuereingaben für die Fahrzeugbetriebssysteme zu bestimmen und die optimierten Steuereingänge so anzuwenden, dass die Divergenz von der abgebildeten Trajektorie minimiert wird.