DE112020007765T5

DE112020007765T5 - Computersystem und verfahren zur trajektorieplanung in einer simulierten strassenfahrumgebung

Info

Publication number: DE112020007765T5
Application number: DE112020007765.9T
Authority: DE
Inventors: Imre Palik; Ahmed Nadeem
Original assignee: Automotive Artificial Intelligence Aai GmbH; Automotive Artificial Intelligence AAI GmbH
Current assignee: Automotive Artificial Intelligence Aai GmbH; Automotive Artificial Intelligence AAI GmbH
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2023-08-24
Also published as: WO2022100835A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren zur Planung von Trajektorien von zwei oder mehr simulierten Fahrzeugen in einer simulierten Straßenfahrumgebung und ein Computersystem zur Simulation einer Straßenfahrumgebung für zwei oder mehr Straßenfahrzeuge.

Description

TECHNISCHEN BEREICH:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren zur Planung von Trajektorien von zwei oder mehr simulierten Fahrzeugen in einer simulierten Straßenfahrumgebung und ein Computersystem, das zur Simulation einer Straßenfahrumgebung für zwei oder mehr Straßenfahrzeuge geeignet ist.
STAND DER TECHNIK:
Menschliche Fahrentscheidungen auf der Straße können im Wesentlichen aus mehreren abstrakten Ebenen oder Phasen bestehen, die einen Fahrstapel bilden. Ausgehend von einer bestimmten Straßensituation kann ein Fahrer entscheiden, ein bestimmtes übergeordnetes Manöver durchzuführen, z. B. ein Überholmanöver, und dementsprechend einen Bewegungsplan formulieren und Steuerfunktionen auf Aktuatoren (Gas, Bremse, Lenkung) anwenden, um die Entscheidung auszuführen.
Mit dieser Erfindung versuchen wir, Teile der Bewegungsplanungsaufgabe im Kontext des simulierten Verkehrs anzugehen. Die Aufgabe der Verkehrssimulation unterscheidet sich von der Trajektorieplanung für selbstfahrende Fahrzeuge darin, dass folgende andere technische Beschränkungen bestehen:

Begrenzte Berechnungsressourcen: In einer simulierten Straßenverkehrsumgebung werden die Trajektorien von Hunderten von Fahrzeugen (Verkehrsagenten) mit hohem Echtzeitfaktor simuliert. Die für die Planung von Trajektorien simulierter Fahrzeuge verfügbaren Rechenressourcen stellen jedoch nur ein Bruchteil dessen dar, was für die Planung von Trajektorien selbstfahrender Fahrzeuge verfügbar ist. Eine Vergrößerung der Rechenressourcen ist eine technische und wirtschaftliche Herausforderung.
Abhängigkeit von der Karte: In einer simulierten Straßenfahrumgebung ist die Karte, die die Straßendaten einschließlich der Daten über eine oder mehrere Fahrspuren und Fahrbahnbegrenzungen enthält, die einzige Quelle der Wahrheit. Im Gegensatz zu selbstfahrenden Autos können Kartenprobleme, d. h. Mängel in den Straßendaten, in simulierten Straßenfahrumgebungen nicht über Sensoreingaben korrigiert werden und führen daher zu einer höheren Abhängigkeit von der Qualität der Kartendaten. Gleichzeitig zeigt sich, dass die Nutzer von Simulationsumgebungen dazu neigen, für simulierte Straßenfahrumgebungen im Vergleich zur Trajektorieplanung für reale autonome Fahrzeuge der Stufe 4 (L4) Karten mit Daten geringerer Qualität (möglicherweise konstruierte Karten) zu verwenden. Aufgrund der höheren Abhängigkeit von der Qualität der Kartendaten in simulierten Fahrumgebungen wirkt sich eine Qualitätsverschlechterung negativ auf die geplanten Trajektorien aus.
Variabilität der Agenten: Um eine realistische Verkehrssimulation zu ermöglichen, sollten die generierten Trajektorien eindeutig sein, d.h. das Trajektorieplanungssystem sollte unterschiedliche Trajektorien für die gleichen Anfangsbedingungen liefern und somit eine ausreichende Variabilität der Agenten bieten.

Um den Leistungsanforderungen der Aufgabe gerecht zu werden, kann die Bewegungsplanungsaufgabe in die folgenden drei Teilaufgaben unterteilt werden:

1. die Pfadplanung, d. h. die Planung des Pfades des simulierten autonomen Fahrzeugs zwischen seiner aktuellen Position und einer Position, die es in der Zukunft erreichen möchte.
2. die Längsbewegungsplanung, d. h. die Bewegungsplanung, die sich auf den geplanten Weg beschränkt.
3. die Trassenbewertung, d. h. die Prüfung, ob die generierte Trasse für die gegebene Verkehrssituation noch geeignet ist.

Von diesen drei Teilaufgaben ist das Pfadplanungsproblem das rechenintensivste. Deshalb möchten wir es relativ selten ausführen, während die beiden anderen Aufgaben dagegen effizient ausgeführt werden können. Demzufolge können sie bei der Entscheidungshäufigkeit des Agenten neu bewertet werden.
Splines werden in der Robotik häufig für die Bahnplanung von mobilen Robotern verwendet. Sie sind auch für die Bahnplanung von autonomen Fahrzeugen geeignet. Die Aufgabe der Bahnplanung besteht darin, eine natürlich parametrisierte Kurve zu konstruieren, die die Anfangs- und Endbedingungen erfüllt. Hinzu kommen weitere Anforderungen wie das Einhalten der Fahrbahngrenzen.
Gegenwärtig wird insbesondere ein auf der Mittellinie basierender Ansatz zur Planung einer Trajektorie verwendet. Ein solcher auf der Mittellinie basierende Ansatz liefert jedoch nicht immer realistische Trajektorien. Darüber hinaus kann der auf der Mittellinie basierende Ansatz zu degenerierten Trajektorien führen, wenn die Qualität der Kartendaten vermindert ist und/oder wenn Verbindungspunkte von Fahrspuren vorliegen. Darüber hinaus kann der auf der Mittellinie basierende Ansatz zu physikalisch unangemessenen Fahreigenschaften führen, wie z. B. hohe Querbeschleunigung und/oder starker Ruck.
Diese Aufgaben können teilweise durch das Hinzufügen verschiedener Einschränkungen bei der Kurvengenerierung gelöst werden (siehe z. B. die Arbeit von Hiroyuki Kano und Hiroyuki Fujioka. „Spline trajectory planning for path with piecewise linear boundaries". In 9th EUROSIM Congress on Modelling and Simulation, Oulu, Finland, 12-16 September 2016, S. 434-445. Linköping University Electronic Press, 12 2018). Der von Hiroyuki Kano und Hiroyuki Fujioka verfolgte Ansatz führt zu einer Vielzahl von Beschränkungen auf einer realen Autobahnkarte. Das bedeutet, dass die Lösung des Constraint-Satisfaction Problems rechnerisch nicht machbar wäre und der resultierende Spline viele Kontrollpunkte und damit einen hohen Speicherbedarf hätte. Darüber hinaus hängt die Nützlichkeit all dieser Beschränkungen von der Qualität der verwendeten Karte ab. Dementsprechend wäre eine solche Kurvengenerierung im Rahmen von Trajektorieschwenks für Verkehrssimulationen in einer simulierten Straßenverkehrsumgebung immer noch nicht rechnerisch machbar und würde kein randomisiertes Verhalten der Verkehrsagenten ermöglichen.
Daher besteht der Bedarf, ein verbessertes Computersystem und Verfahren für die Trajektorieplanung von zwei oder mehr simulierten Fahrzeugen in einer Simulationsstraßenfahrumgebung bereitzustellen, wobei das Verfahren für simulierte Fahrzeuge rechnerisch durchführbar ist, weniger empfindlich auf Kartenqualitäten reagiert und geeignet ist, unterschiedliche Trajektorien für dieselben Ausgangsbedingungen zu liefern und somit eine ausreichende Agentenvariabilität und Verhaltenskontrolle für eine realistische Verkehrssimulation bereitzustellen.
Figurenliste
Dem vorgenannten Bedarf wird zumindest teilweise durch den beanspruchten Erfindungsgegenstand entsprochen. Vorteile (bevorzugte Ausführungsformen) sind in der nachstehenden detaillierten Beschreibung und/oder den begleitenden Figuren sowie in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Dementsprechend bezieht sich ein erster Aspekt dieser Erfindung auf ein computerimplementiertes Verfahren zur Planung von Trajektorien von zwei oder mehr simulierten Fahrzeugen in einer Simulationsstraßenfahrumgebung mit einer oder mehreren Fahrspuren pro Straße, die jeweils glatte Fahrspurbegrenzungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst oder daraus besteht:

a) Bereitstellung eines Fahrstapels umfassend Kartendaten der Simulationsstraßenfahrumgebung, der Daten zur Durchführung der folgenden Funktionen umfassen:
1. i. Für jeden Punkt auf der Karte kann ein spurbezogener s-Koordinatenwert ermittelt werden,
2. ii. Für jeden s-Koordinatenwert liefert die Karte entsprechende Fahrbahngrenzpunkte,
3. iii. Fahrspuren können an der s-Koordinate durchquert werden, und
4. iv. Für jede Fahrspur können bei einer bestimmten s-Koordinate die benachbarten Fahrspuren bestimmt werden,
b) Auswählen eines Teils der Kartendaten von Schritt a), Bestimmen einer geschätzten Straßenkrümmung auf der Grundlage der ausgewählten Daten und Berechnen der Querbeschleunigung jedes der jeweiligen simulierten Fahrzeuge auf der Grundlage der ausgewählten Kartendaten und der geschätzten Straßenkrümmung, und
c) Planen von Trajektorien für jedes der simulierten Fahrzeuge in der Simulationsstraßenfahrumgebung jeweils basierend auf den Daten von Schritt b) unter Verwendung eines splinebasierten Trajektorieerzeugungsverfahrens, wobei die geplanten Trajektorien jedes simulierten Fahrzeugs jeweils eine Kurve darstellen, die aus einer oder mehreren Teilabschnittstrajektoriekurven besteht, wobei im Fall von zwei oder mehreren Teilabschnittstrajektoriekurven die nachfolgenden Teilabschnittskurven jeweils miteinander verbunden werden.

Ein zweiter Aspekt dieser Erfindung betrifft ein Computersystem zur Simulation einer Straßenfahrumgebung in Fahrsituationen für zwei oder mehr simulierte Fahrzeuge, das einen oder mehrere Prozessoren, eine mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelte Speichervorrichtung und ein oder mehrere neuronale Netze zur Entscheidungsfindung in simulierten Fahrsituationen umfasst oder daraus besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor zur Durchführung der erfindungsgemäßen Trajektorieplanungs-Verfahrensschritte angepasst ist.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, das Anweisungen enthält, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, die erfindungsgemäßen Trajektorieplanungs-Verfahrensschritte auszuführen.
Ein vierter Aspekt dieser Erfindung bezieht sich auf einen computerlesbaren Datenträger, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein autonomes Fahrzeugrechnersystem, das mit dem im erfindungsgemäßen Rechnersystem ausgebildeten autonomen Fahrzeug interagiert, um eine Straßenfahrumgebung in Fahrsituationen für zwei oder mehr simulierte Fahrzeuge gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt zu simulieren.
Die erfindungsgemäßen Aspekte der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, können jede mögliche (Unter-)Kombination der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen umfassen, wie sie in den abhängigen Ansprüchen dargelegt sind oder wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung und/oder in den begleitenden Figuren offenbart sind, vorausgesetzt, die sich ergebende Kombination von Merkmalen ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik angemessen.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen, wobei

1 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trajektorieplanungs-Verfahrens charakterisiert.
2a) und 2b) zeigen schematische Fahrbahnbegrenzungen, wobei 2a) glatte Fahrbahnbegrenzungen und 2b) nicht-glatte Fahrbahnbegrenzungen zeigt.
3 zeigt schematisch verrauschte Fahrspurbegrenzungen.
4 zeigt schematische Fahrspurbegrenzungen (durchgehende Linie) und ihre stückweise lineare Annäherung an die Fahrspurbegrenzung nach der Teilauswahl (gestrichelte Linie).

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:
Wie im Folgenden näher ausgeführt wird, hat der Erfinder der verschiedenen Aspekte dieser Erfindung herausgefunden, dass die computerimplementierten Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine Trajektorieplanung von zwei oder mehr simulierten Fahrzeugen in einer Simulationsstraßenfahrumgebung ermöglichen, die für zwei oder mehr simulierte Fahrzeuge rechnerisch machbar ist, weniger empfindlich in Bezug auf Kartenqualitäten ist und in der Lage ist, unterschiedliche Trajektorien für die gleichen Ausgangsbedingungen zu liefern, und somit eine ausreichende Agentenvariabilität und Verhaltenssteuerung für eine realistische Verkehrssimulation bietet.
Da die Realisierbarkeit einer geplanten Trajektorie vom Verkehr um die gegebenen simulierten Fahrzeuge in der Simulationsumgebung abhängt, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Überarbeitung der Trajektorie zu einem beliebigen Zeitpunkt, wobei die neu geplante Trajektorie des jeweiligen simulierten Fahrzeugs eine glatte Fortsetzung des verwendeten Abschnitts der bisherigen geplanten Trajektorie des jeweiligen simulierten Fahrzeugs darstellt. Insbesondere zielt das vorliegende erfindungsgemäße Trajektorieplanungs-Verfahren darauf ab, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und den Ruck des jeweils simulierten Fahrzeugs beim Durchfahren der Kurve fortzuführen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „eine zusätzlich oder alternativ bevorzugte Ausführungsform“ oder „eine zusätzlich oder alternativ weiter bevorzugte Ausführungsform“ oder „eine zusätzliche oder alternative Art und Weise, diese Ausführungsform zu konfigurieren“, dass das Merkmal oder die Merkmalskombination, die in dieser bevorzugten Ausführungsform offenbart ist, zusätzlich zu oder alternativ zu den Merkmalen des erfindungsgemäßen Gegenstands, einschließlich jeder bevorzugten Ausführungsform jedes der erfindungsgemäßen Aspekte, kombiniert werden kann, vorausgesetzt, dass die sich ergebende Merkmalskombination für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik sinnvoll.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind die Ausdrücke „umfassend“ oder „enthaltend“ so zu verstehen, dass sie eine weit gefasste Bedeutung haben, ähnlich wie der Begriff „einschließlich“, und so zu verstehen sind, dass sie die Einbeziehung einer bestimmten ganzen Zahl oder eines bestimmten Schritts oder einer Gruppe von ganzen Zahlen oder Schritten bedeuten, nicht aber den Ausschluss einer anderen ganzen Zahl oder eines anderen Schritts oder einer anderen Gruppe von ganzen Zahlen oder Schritten. Diese Definition gilt auch für Varianten des Begriffs „umfassend“ wie „umfassen“ und „umfasst“ sowie für Varianten des Begriffs „enthalten“ wie „enthalten“ und „enthält“.
Darüber hinaus ist der Ausdruck „konfiguriert“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit Systemen und Computerprogrammkomponenten zu verstehen. Wenn ein System aus einem oder mehreren Computern so konfiguriert ist, dass es bestimmte Operationen oder Aktionen durchführt, bedeutet dies, dass auf dem System Software, Firmware, Hardware oder eine Kombination davon installiert ist, die im Betrieb das System veranlassen, Operationen oder Aktionen durchzuführen. Dass ein oder mehrere Computerprogramme so konfiguriert sind, dass sie bestimmte Operationen oder Aktionen ausführen, bedeutet, dass das eine oder die mehreren Programme Befehle enthalten, die, wenn sie von einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt werden, das Gerät veranlassen, die Operationen oder Aktionen auszuführen.
Darüber hinaus bezieht sich der Ausdruck „Trajektorie“ oder „Trajektorien“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf den Pfad des simulierten Fahrzeugs bzw. der zwei oder mehr simulierten Fahrzeuge in Bewegung auf der simulierten Straße als Funktion der Zeit. Der Ausdruck „Teilabschnittstrajektorie“ bezieht sich auf den geplanten oder mit anderen Worten generierten Teil der Trajektorie, der sich über die geeignete Planungs-/Generierungszeit erstreckt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die geeignete Planungs-/Generierungszeit 8 Sekunden und die Teilabschnittstrajektorie deckt somit den Pfad ab, den das jeweilige simulierte Fahrzeug in dieser Zeit zurücklegt. Die Teilabschnittstrajektorie wird in der Regel vor dem Ende der Teilabschnittstrajektorie erneuert und die nachfolgenden Teilabschnittstrajektorien werden mit geeigneten Verfahren, vorzugsweise fließend, zusammengefügt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „glatte Fahrspur“ oder „glatte Fahrspurbegrenzung“ oder „Glätte der Fahrspurbegrenzung“, dass die Teilauswahl der Kartendaten eine gute Annäherung an die reale Fahrspurbegrenzung liefert, wie in 2a) dargestellt, und dass keine realen Sprünge in der Fahrspurbegrenzung zu erwarten sind, wie in 2b) dargestellt. Dementsprechend werden bestimmte Fahrspuren innerhalb von Städten, die abrupte Änderungen aufweisen, von dem Trajektorieplanungs-Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht erfasst.
Um die erfindungsgemäßen Gegenstände, Vorteile und Ziele zu erreichen, ist die vorliegende Erfindung, wie sie in dieser Anmeldung offenbart wird, auf Systeme und Verfahren gerichtet, die Computerhardware und -software nutzen, um Trajektorien von zwei oder mehr simulierten Fahrzeugen in einer Simulationsumgebung zu planen, wobei jeweils Algorithmen und Techniken des verstärkenden Lernens verwendet werden. Das „simulierte Fahrzeug“ (im Rahmen der vorliegenden Erfindung synonym „Verkehrsagent” oder „virtueller Verkehrsagent” genannt) kann beispielsweise ein PKW, LKW, Bus, Fahrrad oder Motorrad sein. Die simulierten Fahrzeuge, die die erfindungsgemäß geplanten Trajektorien in der Simulationsumgebung aufweisen, können insbesondere von Vorteil sein, da sie mit einem autonomen Fahrzeugsystem, das ein zu testendes autonomes Fahrzeug steuert, interagieren, kooperieren und es herausfordern können.
Somit haben die erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren darüber hinaus den technischen Effekt und den Vorteil, dass sie eine Verbesserung der Computertechnologie für autonome Fahrzeuge darstellen, wenn das autonome Fahrzeug in der erfindungsgemäßen Simulationsumgebung trainiert wird, die die erfindungsgemäß geplanten Trajektorien aufweist.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein computerimplementiertes Verfahren zur Planung von Trajektorien zweier oder mehrerer simulierter Fahrzeuge in einer Simulationsstraßenfahrumgebung mit einer oder mehreren Fahrspuren pro Straße mit jeweils glatten Fahrspurbegrenzungen bereitgestellt. Wie bereits oben dargelegt, sollen Fahrspuren, die abrupte Änderungen aufweisen, nicht von dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Trajektorieplanung erfasst werden. Vorzugsweise handelt es sich bei den Fahrspuren mit glatten Fahrbahnbegrenzungen um Fahrspuren von Autobahnen, die vorzugsweise keine Kreuzungen aufweisen. Für den Fall, dass die Fahrspur Kreuzungen aufweist, müssen in das erfindungsgemäße Verfahren zur Trajektorieplanung insbesondere Verfahren zur Geometrie-Rückmeldung für die Routenplanung integriert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst oder besteht aus den folgenden Schritten:

Schritt a): Ein Fahrstapel (Driving Stack) mit Kartendaten der Simulationsstraßen-Fahrumgebung wird bereitgestellt, der Daten zur Durchführung der folgenden Funktionen enthält:
- i. Für jeden Punkt auf der Karte kann ein spurbezogener s-Koordinatenwert ermittelt werden,
- ii. Für jeden s-Koordinatenwert liefert die Karte entsprechende Fahrbahngrenzpunkte,
- iii. Fahrspuren können an der s-Koordinate durchquert werden, und
- iv. Für jede Fahrspur können bei einer bestimmten s-Koordinate die benachbarten Fahrspuren bestimmt werden.

Mit anderen Worten, die Karte kann als ein Orakel betrachtet werden, das die oben genannten Funktionen erfüllt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird akzeptiert, dass dieses Orakel fehlerhafte Antworten liefern kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Trajektorieplanung (alternativ „Trajektorieplaner“ genannt) wird vorzugsweise in den Fahrstapel eines Simulatorsystems eingesteckt und nutzt eine vom Simulator bereitgestellte Kartenschnittstelle, um Kartendateninformationen zu erhalten, vorzugsweise aus ODR-formatierten Kartendateien von Straßen, vorzugsweise Autobahnen, wie z.B. die von Atlatec bereitgestellte ODR-Beispieldatei für die KA Südtangente (deutscher Teil einer Autobahn).
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden ODR-Kartendateien verwendet, die eine oder mehrere, vorzugsweise alle der folgenden Funktionen umfassen oder daraus bestehen:

• Ermitteln von Anfangs- und Endkoordinaten für ein beliebiges Fahrbahnsegment,
• Ermitteln des linken und rechten Fahrspurbegrenzungspunktes aus einem Fahrspursegmentbezeichner und einer gültigen s-Koordinate auf dem Fahrspursegment,
• Ermitteln des Identifikators des benachbarten Fahrspursegments aus einem Fahrspursegment-Identifikator und
• Durchqueren der Spurabschnitte in Fahrtrichtung.

Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst oder besteht der Fahrstapel aus einem oder mehreren, vorzugsweise allen der folgenden Eingabeparameter:

- Fahrzeugposition (sowohl Kartenkoordinaten als auch straßenbezogene Koordinaten),
- Fahrzeuggeschwindigkeit,
- bevorzugte maximale Querbeschleunigung,
- Fahrzeuggröße und
- Aktion (Fahrspur beibehalten, links wechseln, rechts wechseln).

Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem rechnergestützten Verkehrssimulator gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durchgeführt.
Schritt b): Auswählen eines Teils der Kartendaten aus Schritt a), Bestimmen einer geschätzten Straßenkrümmung auf der Grundlage der ausgewählten Daten und Berechnen der Querbeschleunigung jedes der jeweiligen simulierten Fahrzeuge auf der Grundlage der ausgewählten Kartendaten und der geschätzten Straßenkrümmung. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Teil der Kartendaten ausgewählt, um sowohl die Rechenlast zu verringern als auch um Abbildungsfehler zu mitteln. Die auf der Querbeschleunigung basierende Schätzung ist vorteilhaft, um die Teilauswahldichte in Kurven zu erhöhen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, dass die simulierten Fahrzeuge langsamer werden, wenn sie sich steilen Kurven nähern.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Kartendaten auf der Grundlage einer geschätzten Geschwindigkeit eines jeweiligen simulierten Fahrzeugs teilweise ausgewählt und ein Abstand eines jeweiligen simulierten Fahrzeugs auf der Grundlage der geschätzten Geschwindigkeit und einer geeigneten Zeit, vorzugsweise 1 Sekunde, berechnet und dieser berechnete Abstand als s-Wert-Abstand für die Teilauswahl der Kartengrenzen verwendet.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Referenzgeschwindigkeit des jeweiligen simulierten Fahrzeugs modifiziert und Schritt b) erneut durchgeführt, wenn die berechnete Querbeschleunigung eines jeweiligen simulierten Fahrzeugs außerhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt. Sinnvolle Schwellenwerte für zulässige Querbeschleunigungen lassen sich im Allgemeinen aus der Messung des menschlichen Fahrverhaltens ableiten. Mit anderen Worten, falls die berechnete Querbeschleunigung eines jeweils simulierten Fahrzeugs zu hoch ist, nämlich über 10 m/s², insbesondere über 1,5 m/s² bei Motorrädern und Bussen, über 2 m/s² bei Lastkraftwagen und über 3,5 m/s² bei Personenkraftwagen, wird die Referenzgeschwindigkeit angepasst, vorzugsweise reduziert, und die Merkmale des Verfahrensschritts b) werden erneut ausgeführt. Eine solche Anpassung der Referenzgeschwindigkeit und Wiederholung der Merkmale des Verfahrensschritts b) wird so lange durchgeführt, wie es notwendig ist, um eine geeignete Querbeschleunigung eines jeweiligen simulierten Fahrzeugs zu berechnen.
Schritt c): Planen von Trajektorien für jedes der simulierten Fahrzeuge in der Simulationsstraßenfahrumgebung jeweils basierend auf den Daten von Schritt b) unter Verwendung eines splinebasierten Trajektorieerzeugungsverfahrens, wobei die geplanten Trajektorien jedes simulierten Fahrzeugs jeweils eine Kurve darstellen, die aus einer oder mehreren Teilabschnittstrajektoriekurven besteht, wobei im Fall von zwei oder mehreren Teilabschnittstrajektoriekurven die nachfolgenden Teilabschnittkurven jeweils miteinander verbunden werden.
Die Aufgabe zur Trajektorieplanung ist allgemein als PSPACE, insbesondere als PSPACE-schweres Entscheidungsproblem anzusehen (BMSDE: Brian Paden, Michal Čáp, Sze Zheng Yong, Dmitry Yershov, and Emilio Frazzoli, A Survey of Motion Planning and Control Techniques for Self-driving Urban Vehicles, 2016).
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die nachfolgenden Teilabschnittskurven jeweils mit einem glatten Verlauf aneinandergefügt.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Schritt c) aus den Daten jeweils eine Mittellinie jeder ein simuliertes Fahrzeug aufweisenden Fahrspur abgeleitet und anhand ihrer abgeleiteten Mittellinie jeweils eine Schätzrichtung der jeweiligen Fahrspuren, insbesondere unter Einbeziehung jedes für die Berechnung relevanten Punktes, bestimmt.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Schritt c) ein Constraint-Satisfaction-Problem Verfahren verwendet, um geeignete Beschränkungen aufzustellen, wobei das Constraint-Satisfaction-Problem im Allgemeinen entweder lineare Beschränkungen oder nichtlineare Beschränkungen verwendet. Die Verwendung linearer Beschränkungen bei der Festlegung der Trajektorie scheint im Vergleich zu nichtlinearen Beschränkungen rechnerisch praktikabler zu sein. Lineare Constraint-Satisfaction-Probleme können mit bestehenden Lösern (Solvern), z.B. COIN-OR Linear Program Code, kurz: Clp (John Forrest, et al., COIN-OR Clp, https://www.coin-or.org/Clp/userguide/), effizient gelöst werden. Lineare Beschränkungen können jedoch keine G² oder höhere Kontinuität ausdrücken. Das bedeutet, dass die Querbeschleunigung und der Ruck nicht direkt eingeschränkt werden können, sondern durch die Auswirkungen einiger linearer Beschränkungen zweiter Ordnung in vernünftigen Grenzen gehalten werden müssen.
Die Kartendaten werden in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens teilausgewählt, um eine drastische Erhöhung der Anzahl der Beschränkungen zu vermeiden.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Vereinfachungen vorgenommen werden, wobei zu beachten ist, dass reale Trajektorien dazu neigen, nicht zu wackelig zu sein, so dass die Anzahl der Kontrollpunkte ebenfalls drastisch reduziert werden kann.
Dementsprechend umfasst die vorliegende Erfindung eine oder mehrere der folgenden Vereinfachungen des Trajektorieplanungs-Verfahrens:

• Die durch die Änderung der s-Koordinate gemessene Trajektorielänge ist auf das begrenzt, was das Fahrzeug in 8 Sekunden durchfahren kann. Dies mag aus Sicht des autonomen Fahrens lang klingen, aber die vorliegende Erfindung versucht, die Neuberechnung der Trajektorie so lange wie möglich zu vermeiden, um die rechnerische Machbarkeit zu verbessern.
• Es werden kubische Splines mit 11 Kontrollpunkten und einheitlicher Knotenplatzierung verwendet. Eine solche Ausführungsform führt jedoch zu Splines mit G²-Kontinuität. (Keine direkten Beschränkungen für den Ruck.)
• Die Beschränkungen der Fahrspur werden nur an sieben gleichmäßig angeordneten Punkten entlang der Trajektorie verwendet. (In Übereinstimmung mit den Beschränkungen für den verwendeten Spline.)
• Richtungsbeschränkungen werden verwendet, um die Trajektorie innerhalb der Fahrspurbegrenzungen zu halten. Die Richtungsbeschränkungen können aus den ausgewählten Grenzpunktpaaren abgeleitet werden.

Diese Vereinfachungen entsprechen in etwa dem menschlichen Fahrverhalten (siehe Christopher J. Nash et al, „A review of human sensory dynamics for application to models of driver steering and speed control", Biol Cybern. 2016, 110: 91-116), in dem Sinne, dass die Trajektorie auf der Grundlage von Punkten im Abstand von etwa 1 Sekunde geplant wird.
Um die Variabilität der erzeugten Trajektorie zu gewährleisten und Probleme mit der numerischen Instabilität zu vermeiden, zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, das Chebyshev-Zentrum des Zwangspolyeders zu finden (siehe z. B. CO-2009: Stephen Boyd und Lieven Vandenberghe, Convex Optimization, 2004 Cambrige University Press). Dann kann die Trajektorie durch Zufallsstichproben aus der beschriebenen Chebyshev-Kugel erzeugt werden. Das Finden des Chebyshev-Zentrums ist ebenfalls von Vorteil, da es eine besser funktionierende Trajektorie liefert als ein Randpunkt des Zwangspolygons.
Eine zusätzlich oder alternativ bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kennzeichnet sich darin, dass in Schritt c) jede Teilabschnittstrajektoriekurve eines jeweils simulierten Fahrzeugs

i. einen Anfangsstartpunkt des jeweils simulierten Fahrzeugs hat, der sich auf den Anfangszustand des simulierten Fahrzeugs in der jeweiligen Teilabschnittstrajektorie bezieht, und einen Endpunkt in der jeweiligen Teilabschnittstrajektorie hat, der zufällig gesetzt wird und der gegebenenfalls durch eine oder mehrere Verhaltensbeschränkungen eingeschränkt sein kann, und/oder
ii. eine durch die Änderung der s-Koordinate gemessene Länge hat, die auf das begrenzt ist, was von dem jeweiligen simulierten Fahrzeug in ganzzahligen Sekundenzahlen sicher durchfahren werden kann, wobei die Länge vorzugsweise 8 Sekunden oder weniger beträgt, und/oder
iii. erneuert wird, wenn das jeweilige simulierte Fahrzeug 1 Sekunde vom Ende der in Schritt ii) gemessenen Kurve entfernt ist, oder wenn Verhaltensänderungen des simulierten Fahrzeugs dies erfordern, und/oder
iv. einen kubischen Spline oder einen Spline höherer Ordnung mit gleichmäßigen Knotenplatzierungen verwendet, wobei die Anzahl der Kontrollpunkte der Anzahl der Sekunden entspricht, die das jeweils simulierte Fahrzeug für die Durchfahrt der Kurve benötigt, plus der Ordnung des Splines, und/oder
v. an gleichmäßig angeordneten Punkten entlang der geplanten Teilabschnittstrajektoriekurve eines jeweils simulierten Fahrzeugs Spurbegrenzungsauflagen verwendet, vorzugsweise eine Spurbegrenzungsauflage für jede Sekunde, und/oder
vi. eine oder mehrere Richtungsbeschränkungen verwendet, um die geplante jeweilige Teilabschnittstrajektorie innerhalb der jeweiligen Fahrspurbegrenzung zu halten, wobei die Richtungsbeschränkungen vorzugsweise von teilausgewählten Fahrspurbegrenzungsbeschränkungen abgeleitet werden.

Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Länge der jeweiligen Teilabschnittstrajektorie zunächst in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des simulierten Fahrzeugs an seinem Anfangsstartpunkt der Teilabschnittstrajektorie und in Abhängigkeit von der Fahrbahnkrümmung sowie der zulässigen Querbeschleunigung des jeweiligen simulierten Fahrzeugs in der Teilabschnittstrajektorie geschätzt.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in Schritt c) der gleichmäßigen Knotenplatzierung die ausgewählten Teile Grenzpunkte als Gate Constraints verwendet, wobei die folgenden vier Beschränkungen aus den teilausgewählten Punkten abgeleitet werden: $V_{d} \cdot C_{d} \geq \in_{l} | V_{d} |$
$V_{d} \cdot C_{d} \leq V_{d}^{2} - \in_{r} | V_{d} |$
$V_{d}^{⊥} \cdot C_{d} \leq δ$
$V_{d}^{⊥} \cdot C_{d} \geq - δ$
$V_{d}^{⊥} \cdot C_{d} \geq - δ$
wobei

v_d die Vektordifferenz zwischen dem rechten und dem linken Randpunkt darstellt,
C_d die Vektordifferenz des Splines am entsprechenden Knotenwert und dem linken Randpunkt darstellt,
δ für den Fuzz-Faktor steht, der proportional (aber viel langsamer) ist zu s_p, der s-Koordinatendifferenz zwischen zwei ausgewählten Punkten, und $V_{d}^{⊥}$
den Einheitsvektor senkrecht zu v_d darstellt.

Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in Schritt c) die eine oder die mehreren Richtungsbeschränkungen jeweils innerhalb eines festen Bereichs um einen als stückweise lineare Annäherung an die Mittellinie berechneten Winkel definiert, mit einem Knoten in der Mitte der jeweiligen Gates, wobei vorzugsweise die Richtungsbeschränkungen entlang des abgeleiteten Splines als stückweise lineare Fahrbahnbegrenzungsbeschränkungen verlängert werden.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bildet im Falle der Verwendung eines linearen Constraint-Satisfaction Verfahrens jede Teilabschnittstrajektoriekurve und die darauffolgende Teilabschnittstrajektoriekurve eines jeweiligen simulierten Fahrzeugs eine Kurve mit einer G¹ Kontinuität. Wenn darüber hinaus die Krümmung an der Unstetigkeit ausreichend weit von 0 entfernt ist (≥ 10^-4 in einer Implementierung), dann wird das Vorzeichen der Krümmung durch eine Beschränkung an den beiden Seiten der Unstetigkeit festgelegt. Mit anderen Worten: Das Vorzeichen der Krümmung wird beibehalten, wenn die Ableitung > 0 ist, vorzugsweise hat die Vorzeichenfunktion eine Unstetigkeit ≥ 10^-4.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, werden im Falle der Verwendung eines linearen Constraint-Satisfaction Verfahrens eine oder mehrere Straßenkrümmungsbeschränkungen auf das Vorzeichen der Krümmung an den jeweiligen Gate Punkten der Teilabschnittstrajektoriekurve und vorzugsweise an der Ableitung der Teilabschnittstrajektoriekurve angewendet, wobei die eine oder die mehreren Straßenkrümmungsbeschränkungen nur dann verwendet werden, wenn eine Änderung des Bezugskurses zwischen zwei benachbarten Gates größer oder gleich dem für die Bestimmung der Richtungsbeschränkungen verwendeten Unschärfewinkel ist, mit der Maßgabe, dass am Endpunkt der Teilabschnittstrajektoriekurve und dort, wo nur ein einziges benachbartes Gate existiert, keine Straßenkrümmungsbeschränkung verwendet wird.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bildet im Falle der Verwendung eines nicht-linearen Constraint-Satisfaction Verfahrens jede Teilabschnittstrajektoriekurve und jede nachfolgende Teilabschnittstrajektoriekurve eines jeweiligen simulierten Fahrzeugs eine Kurve mit einer G² oder G³ Kontinuität.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird im Falle der Verwendung einer nichtlinearen, zufriedenstellenden Methode die Krümmung direkt so eingeschränkt, dass sie nahe an der Straßenkrümmung und innerhalb der Krümmungstoleranz des jeweiligen simulierten Fahrzeugs liegt.
Gemäß einer zusätzlich oder alternativ bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, umfassen die geplanten Trajektorien des Schritts c) mindestens eine Spurwechsel-Teilabschnittstrajektorie, wobei die Gate-Constraints der jeweiligen Spurwechsel-Teilabschnittstrajektorie mindestens zwei Fahrspuren umfassen, der Startpunkt der Teilabschnittstrajektoriekurve des Spurwechsels in einer Ursprungsspur und der Endpunkt der Teilabschnittstrajektoriekurve in einer anderen Zielspur vorgegeben ist, und wobei vorzugsweise die Dringlichkeit des Spurwechsels zwischen 2 Sekunden und 8 Sekunden in einer Spurwechselanforderung vorgegeben ist, wobei vorzugsweise der Fuzz-Faktor nur zu der Seite der Richtungsbeschränkung addiert wird, die zur Zielspur zeigt.
Alle Merkmale und Ausführungsformen, die in Bezug auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung offenbart werden, sind allein oder in (UnterKombination mit einem der zweiten bis fünften Aspekte der vorliegenden Erfindung, einschließlich jeder der bevorzugten Ausführungsformen davon, kombinierbar, vorausgesetzt, die sich ergebende Kombination von Merkmalen ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik angemessen.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Erfindung ein Computersystem zur Simulation einer Straßenfahrumgebung in Fahrsituationen für zwei oder mehr simulierte Fahrzeuge bereit, das einen oder mehrere Prozessoren, eine mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelte Speichervorrichtung und ein oder mehrere neuronale Netze zur Entscheidungsfindung in simulierten Fahrsituationen umfasst oder daraus besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor zur Durchführung der Trajektorieplanungs-Verfahrensschritte gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt eingerichtet ist.
Das erfindungsgemäße Rechensystem zur Simulation einer Straßenfahrumgebung (Simulatorsystem) weist vorzugsweise einen Fahrstapel auf, in den die erfindungsgemäße Trajektorieplanungskarte eingesteckt ist und verwendet eine Karteninterferenz, um die Kartendateninformationen abzurufen, vorzugsweise aus ODR-formatierten Kartendateien von Straßen, vorzugsweise Autobahnen, wie z.B. die von Atlatec bereitgestellte ODR-Beispieldatei für KA Südtangente (deutscher Teil einer Autobahn).
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, das Anweisungen umfasst, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, die Trajektorieplanungs-Verfahrensschritte des ersten erfindungsgemäßen Aspekts auszuführen.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Erfindung einen computerlesbaren Datenträger zur Verfügung, auf dem das Computerprogrammprodukt des dritten erfinderischen Aspekts gespeichert ist.
Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Erfindung ein Rechensystem für autonome Fahrzeuge bereit, das mit dem im Rechensystem trainierten autonomen Fahrzeug interagiert, um eine Straßenfahrumgebung in Fahrsituationen für zwei oder mehr simulierte Fahrzeuge gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt zu simulieren.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben, die lediglich als Beispiele dienen und den Umfang des vorliegenden Schutzrechts nicht einschränken sollen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Aspekte unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
Alle nachstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele und/oder die begleitenden Figuren offenbarten Merkmale können allein oder in einer beliebigen Unterkombination mit Merkmalen der beiden Aspekte der vorliegenden Erfindung, einschließlich Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen davon, kombiniert werden, sofern die sich ergebende Merkmalskombination für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik sinnvoll ist.
1) zeigt ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trajektorieplanungsverfahrens gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt kennzeichnet.
In einem ersten Schritt 110 besteht der Wunsch, eine Trajektorie automatisch zu planen, indem ein computerimplementiertes Verfahren zur Planung von Trajektorien von zwei oder mehr simulierten Fahrzeugen in einer Simulationsstraßenfahrumgebung mit einer oder mehreren glatten Fahrspuren pro Straße bzw. mit glatten Fahrspurbegrenzungen eingesetzt wird.
Dementsprechend wird in einem geeigneten Computersimulationssystem, das vorzugsweise eine Kartenschnittstelle umfasst, ein Fahrstapel mit Kartendaten der simulierten Straßenfahrumgebung bereitgestellt, der Daten zur Durchführung der folgenden Funktionen enthält:

i. Für jeden Punkt auf der Karte kann ein spurbezogener s-Koordinatenwert ermittelt werden,
ii. Für jeden s-Koordinatenwert liefert die Karte entsprechende Fahrbahnbegrenzungspunkte,
iii. Fahrspuren können an der s-Koordinate durchfahren werden, und
iv. Für jede Fahrspur können bei einer bestimmten s-Koordinate die benachbarten Fahrspuren bestimmt werden.

Der Antriebsstapel liefert vorzugsweise einen oder mehrere, vorzugsweise alle der folgenden Eingabeparameter für die Trajektorieplanung, die Folgendes umfassen oder daraus bestehen:

• Fahrzeugposition (sowohl Kartenkoordinaten als auch straßenbezogene Koordinaten),
• Fahrzeuggeschwindigkeit,
• bevorzugte maximale Querbeschleunigung,
• Fahrzeuggröße, und
• Aktion (Fahrspur beibehalten, links wechseln, rechts wechseln).

In Schritt 121 werden die in Schritt 110 bereitgestellten Kartendaten teilausgewählt, vorzugsweise auf der Grundlage der Geschwindigkeit.
In Schritt 122 wird auf der Grundlage der teilausgewählten Daten eine geschätzte Straßenkrümmung ermittelt.
Gemäß Schritt 123 wird die Querbeschleunigung jedes der simulierten Fahrzeuge auf der Grundlage der teilausgewählten Kartendaten und der geschätzten Straßenkrümmung berechnet.
Gemäß Schritt 124 wird das Ergebnis der Berechnung der Querbeschleunigung in Schritt 125 dahingehend ausgewertet, ob es einen geeigneten Wert, vorzugsweise einen vorgegebenen Schwellenwert, einhält oder ob es den geeigneten Wert, vorzugsweise den vorgegebenen Schwellenwert, überschreitet. Überschreitet es den Schwellenwert für die Querbeschleunigung des jeweiligen simulierten Fahrzeugs, wird die Referenzgeschwindigkeit geändert, vorzugsweise in Schritt 126 reduziert, und die Schritte 121 bis 124 werden so oft wie nötig wiederholt, um den vorgegebenen Schwellenwert der Querbeschleunigung einzuhalten.
Für den Fall, dass die berechnete Querbeschleunigung den vorbestimmten Schwellenwert in Schritt 124 einhält, wird in Schritt 131 eine Richtung der Trajektorie auf der Grundlage einer abgeleiteten Mittellinie des jeweiligen simulierten Fahrzeugs geschätzt, wenn die Trajektorien für jedes der simulierten Fahrzeuge in der Simulationsstraßenfahrumgebung unter Verwendung eines splinebasierten Trajektorieerzeugungsverfahrens geplant werden, wobei die geplanten Trajektorien jedes simulierten Fahrzeugs jeweils eine Krümmung darstellen, die aus einer oder mehreren Teilabschnittstrajektoriekurven besteht, wobei im Falle von zwei oder mehreren Teilabschnittstrajektoriekurven die nachfolgenden Teilabschnittkurven jeweils miteinander verbunden werden.
In Schritt 132 werden geeignete Beschränkungen festgelegt, die im Folgenden näher erläutert werden.
Gemäß Schritt 133 wird ein Chebyshev-Zentrum eines resultierenden Zwangspolyeders bestimmt und in Form der Chebyshev-Kugel gelöst. Gemäß Schritt 134 wird die Teilabschnittstrajektoriekurve durch Randomisierung des gesamten Zwangspolyeders bestimmt, wobei die Teilabschnittstrajektoriekurve vorzugsweise durch randomisiertes Auswählen aus einer beschriebenen Chebyshev-Kugel bestimmt wird, wobei das randomisierte Sampling vorzugsweise so durchgeführt wird, dass Punkte, die näher am Zentrum der Chebyshev-Kugel liegen, mit einer höheren Wahrscheinlichkeit ausgewählt werden als Punkte, die weiter vom Chebyshev-Zentrum entfernt sind, wobei vorzugsweise der Radius der Chebyshev-Kugel maximiert wird.
Nach Schritt 140 ist die Trajektorie, insbesondere die Teilabschnittstrajektorie eines jeweiligen simulierten Fahrzeugs, bereit, auf das simulierte Fahrzeug in der Simulationsumgebung angewendet zu werden.
2a) und 2b) zeigen schematische Fahrbahnbegrenzungen, wobei 2a) glatte Fahrbahnbegrenzungen und 2b) nicht-glatte Fahrbahnbegrenzungen zeigt.
Die Glattheit der Fahrspurbegrenzung bedeutet, dass die Teilauswahl der Kartendaten eine gute Annäherung an die reale Fahrspurbegrenzung liefert, d.h. es sind keine Sprünge in der Fahrspurbegrenzung zu erwarten, d.h. alle abrupten Änderungen der Fahrspurbegrenzung können als Kartierungsfehler behandelt werden.
Eine abrupte Änderung ist eine Änderung, die so zwischen zwei Stichproben fallen kann, dass ihre Anwesenheit in der aus den Stichproben rekonstruierten Grenze nicht nachweisbar ist. Wenn beispielsweise in den 2a) und 2b) die Fahrspuren so ausgewählt werden, wie durch die gestrichelten Linien markiert, würde der Grenzfehler der „nicht glatten“ Fahrspur in 2b) vollständig verschwinden, und nach der Rekonstruktion würden die Fahrspuren der 2a) und 2b) relativ ähnlich aussehen. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt über die Teilauswahl. Außerdem haben in der realen Welt die meisten Fahrspuren glatte Ränder, mit der wichtigen Ausnahme bestimmter Fahrspuren innerhalb von Städten.
3 zeigt schematisch verrauschte Fahrbahnbegrenzungen, wie sie aufgrund von Kartierungsfehlern auftreten können. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Kartendaten teilausgewählt, um eine gute glatte Annäherung zu erhalten und somit Kartierungsfehler zu mitteln bzw. auszugleichen.
4 zeigt schematische Fahrspurbegrenzungen (durchgehende Linie) und ihre stückweise lineare Annäherung an die Fahrspurbegrenzung nach der Teilauswahl (gestrichelte Linie). Wie aus 4 ersichtlich, ist eine stückweise lineare Annäherung an die Fahrspurbegrenzung nach der Teilauswahl nicht wirklich hilfreich, da die resultierende stückweise lineare Kurve so weit von der Fahrspurbegrenzung abweichen kann, dass die Trajektorie möglicherweise aus der Fahrspur herausgeführt wird und nützliche Teile der Fahrspur von der Trajektorie ausgeschlossen werden. Um dieses Problem zu entschärfen, sollte die Länge der Trajektorie der Krümmung der Straße entsprechen, wie weiter unten erläutert.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Rechnerische Durchführbarkeit
Wie bereits oben dargelegt, ist das allgemeine Pfadplanungsproblem PSPACE-schwer. Um die Planung rechnerisch machbar zu machen, beschränkt sich das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der im Folgenden diskutierten bevorzugten Ausführungsform auf lineare Beschränkungen bei der Festlegung der Trajektorie. Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren auch nichtlineare Beschränkungen verwenden, wie oben beschrieben.
Lineare Constraint-Satisfaction-Probleme können mit bestehenden Lösern effizient gelöst werden (z.B., COIN-OR Linearer Programmcode oder kurz Clp). Da lineare Beschränkungen keine G² oder höhere Kontinuität ausdrücken können, können Querbeschleunigung und Ruck mit dieser Methode nicht direkt eingeschränkt werden. Nach dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen die Querbeschleunigung und der Ruck vorzugsweise durch die Effekte zweiter Ordnung einiger linearer Beschränkungen in vernünftigen Grenzen gehalten werden.
Vereinfachung der Grenzbeschränkungen
Der in „Spline-Trajektorieplanung für Pfade mit stückweise linearen Grenzen“ verfolgte Ansatz kann auf einer realen Karte viele Beschränkungen bedeuten (Hiroyuki Kano und Hiroyuki Fujioka, ebd.). Das bedeutet, dass die Lösung des Constraint-Satisfaction-Problems von Beschränkungen nach diesem Ansatz rechnerisch nicht machbar wäre, und der resultierende Spline viele Kontrollpunkte und damit einen hohen Speicherbedarf hätte. Außerdem ist die Nützlichkeit all dieser Beschränkungen nicht besser als die Qualität der verwendeten Karte. Mit anderen Worten, je schlechter die Qualität der Karte ist, die in Simulationsumgebungen im Allgemeinen nicht so gut ist, desto weniger nützlich sind diese Beschränkungen.
Um die Explosion der Anzahl der Beschränkungen zu vermeiden, wird bei dem erfindungsgemäßen Trajektorieplanungs-Verfahren bereits eine Teilauswahl der Kartendaten vorgenommen. Zusätzliche Vereinfachungen lassen sich vorzugsweise dadurch erreichen, dass die Trajektorien in der realen Welt in der Regel nicht zu wackelig sind, so dass auch die Anzahl der Kontrollpunkte reduziert werden kann. Auf dieser Grundlage können die folgenden Vereinfachungen innerhalb des erfindungsgemäßen Trajektorieplanungs-Verfahrens, insbesondere gemäß der vorliegenden Ausführungsform, vorgenommen werden:

• Die durch die Änderung der s-Koordinate gemessene Trajektorielänge kann vorzugsweise auf das begrenzt werden, was das Fahrzeug in 8 Sekunden durchfahren kann. Dies mag aus der Sicht des autonomen Fahrens lang klingen, aber durch die Verwendung von 8 Sekunden als geeigneter Zeitspanne vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die vorliegende Ausführungsform, die Neuberechnung der Trajektorie so lange wie möglich und reduziert somit die Rechenlast.
• Bei kubischen Splines werden vorzugsweise 11 Kontrollpunkte verwendet, und zwar vorzugsweise mit gleichmäßigen Knotenplatzierungen. Die beste Kontinuität, die mit solchen Splines erreicht werden kann, ist die G²-Kontinuität. Dies erlaubt immer noch keine direkten Beschränkungen für den Ruck.
• Die Grenzbeschränkungen für die Fahrspuren werden vorzugsweise nur an sieben gleichmäßig angeordneten Punkten entlang der Trajektorie verwendet, und zwar vorzugsweise in Übereinstimmung mit den Beschränkungen für den verwendeten Spline.
• Richtungsbeschränkungen werden vorzugsweise verwendet, um die geplante Trajektorie innerhalb der Fahrspur zu halten. Die Richtungsbeschränkungen können vorzugsweise aus den teilausgewählten Grenzpunktpaaren abgeleitet werden.

Diese Vereinfachungen entsprechen in etwa dem menschlichen Fahrverhalten in dem Sinne, dass die Trajektorie anhand von Punkten geplant wird, die in einem angemessenen zeitlichen Abstand, vorzugsweise etwa 1 Sekunde, liegen.
Länge der Trajektorie
Da die Fahrbahnbegrenzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Trajektorieplanung effektiv teilausgewählt wird, kann der geplante Teilabschnitt der Trajektorie (Teilabschnittstrajektorie) einige Straßenmerkmale überdecken, so dass das simulierte Fahrzeug möglicherweise seine Fahrspur verlässt (siehe 4). Um dieses Risiko zu vermindern, entspricht die Länge der Teilabschnittstrajektorie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Krümmung der Straße. Die Anfangsgeschwindigkeit des simulierten Fahrzeugs kann vorzugsweise gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, um eine erste Längenschätzung zu erhalten. Weiter bevorzugt wird diese Schätzung durch eine Schätzung der Krümmung des Fahrbahnabschnitts verfeinert. Aus der ermittelten Krümmung und einer zulässigen vorgegebenen Querbeschleunigung kann eine modifizierte neue, vorzugsweise niedrigere Geschwindigkeit abgeleitet werden. Unter Berücksichtigung der oben erwähnten 8-Sekunden-Beschränkung wird dies zu einer kürzeren Strecke der geplanten Teilstrecke führen.
Sinnvolle Werte für eine geeignete Querbeschleunigung lassen sich im Allgemeinen aus der Messung des menschlichen Fahrverhaltens ableiten. Geeignete Querbeschleunigungen liegen in der Regel bei 10 m/s² und darunter, insbesondere bei Motorrädern und Bussen bei 1,5 m/s² und darunter, bei Lastkraftwagen / LKW bei 2 m/s² und darunter und bei PKW bei 3,5 m/s² und darunter.
Aufbau des linearen Programms
Einige der physikalischen Beschränkungen, denen die vorliegende Erfindung gerecht werden soll, lassen sich nicht durch lineare Beschränkungen ausdrücken. Dementsprechend werden die linearen Beschränkungen des ersten erfindungsgemäßen Aspekts auf der Grundlage verschiedener Heuristiken gewählt, die ein extremes Verhalten begrenzen sollen. Im Gegenzug können diese Beschränkungen jedoch in bestimmten Fällen zu einer Über- oder Unterschreitung der Teilabschnittstrajektorie führen.
Um die Variabilität der geplanten Teilstrecke zu gewährleisten und numerische Instabilitätsprobleme zu vermeiden, zielt die vorliegende Erfindung vorzugsweise darauf ab, ein Chebyshev-Zentrum des Zwangspolyeders zu finden (siehe z. B., Konvexe Optimierung). Dann kann die Teilabschnittstrajektorie durch Zufallsauswahl aus der eingeschriebenen Chebyshev-Kugel erzeugt werden. Das Auffinden des Chebyshev-Zentrums ist für das erfindungsgemäße Trajektorieplanungs-Verfahren vorteilhaft, da es im Vergleich zu einem Randpunkt des Zwangspolyeders eine besser verlaufende Teilabschnittstrajektorie liefert.
Bei der Definition eines Splines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind der Anfangs- und der Endpunkt im Allgemeinen festgelegt. Der Anfangspunkt ergibt sich aus dem Anfangszustand des simulierten Fahrzeugs, während der Endpunkt willkürlich festgelegt werden kann, wobei er optional durch Verhaltensbeschränkungen eingeschränkt werden kann. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet ein solcher Aufbau 18 freie Variablen für die Kontrollpunkte und eine zusätzliche positive Zwangsvariable für den Radius der Chebyshev-Kugel.
Die Forderung nach der Kontinuität von G¹ stellt eine Gleichheitsbeschränkung dar, so dass die erfindungsgemäße Ausführungsform dann insgesamt 18 Variable hat.
Als Zielfunktion wird vorzugsweise der Radius der Chebyshev-Kugel maximiert.
Gate-Einschränkungen (Gate Constraints)
Die Festlegung von Gate Einschränkungen für die einheitliche Knotenplatzierung, d. h. die Forderung, dass der Spline innerhalb des Gates liegen muss, das durch die beiden Fahrspurkantenpunkte für den entsprechenden Parameterwert im Knotenvektor festgelegt ist, könnte als gute Lösung angesehen werden, um sieben weitere Parameter zu eliminieren. Die Lösung der Gleichheitsbeschränkung führt jedoch zu einem numerisch instabilen System. Diese Lösung scheint also kein erfolgversprechender Ansatz zu sein und wird daher im erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise nicht verwendet.
Erfindungsgemäß wird der Kontrollpunkt vorzugsweise auf ein schmales Rechteck um das Liniensegment beschränkt. Um möglichen Ungenauigkeiten der Kartendaten Rechnung zu tragen, lässt das erfindungsgemäße Verfahren dem Löser (Solver) vorzugsweise einen gewissen Spielraum. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform hat das erfindungsgemäße Verfahren also vier Beschränkungen für jedes der sieben Gates.
Richtungsbeschränkungen
Nach der Bestimmung der Fahrspurlänge der Teilstrecke nähert sich das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise der Fahrspurrichtung durch Definition einer stückweisen linearen Annäherung der Mittellinie, vorzugsweise mit Knoten an den Toren. Unter Berücksichtigung von Abbildungsfehlern ist dies tendenziell eine bessere Annäherung an die Fahrbahnrichtung als das, was direkt aus dem Gate abgeleitet werden kann.
Um eine Überanpassung der erfindungsgemäßen Näherung zu vermeiden, wird vorzugsweise ein Bereich um diese Richtung herum definiert. Bei dieser Ausführungsform kann auch davon ausgegangen werden, dass die Unsicherheiten der Karte, der Lenkung und der menschlichen Wahrnehmung berücksichtigt werden. Bei der Festlegung dieses Bereichs ist zu bedenken, dass ein enger Bereich zu einer Überanpassung an die Beschränkungen führen kann, während ein weiter Bereich eine zu starke Verwacklung des Splines zulässt. In beiden Fällen kann dies zu hohen Querbeschleunigungswerten führen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der zu definierende Bereich daher ±3,5° um den berechneten Winkel.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Richtungsbeschränkungen vorzugsweise nicht nur an den Gates gelten, da dies dem Spline immer noch erlauben würde, zwischen den Gates Amok zu laufen. In Anbetracht der Tatsache, dass die Richtungsbeschränkungen an den Gates effektiv Gate Beschränkungen für den abgeleiteten Spline darstellen, werden die Richtungsbeschränkungen vorzugsweise entlang des abgeleiteten Splines als stückweise lineare Randbeschränkung unter Verwendung der in Spline-Trajektorieplanung für Pfade mit stückweise linearen Grenzen erweitert (Hiroyuki Kano und Hiroyuki Fujioka, ebd.). Dieser erfindungsgemäße Ansatz hat den zusätzlichen Vorteil, dass er Höcker, Schleifen oder andere degenerierte Fälle ausschließt. Eine solche erfindungsgemäße bevorzugte Ausführungsform des Trajektorieplanungsverfahrens sieht für jedes Segment der Teilabschnittstrajektorie zwei zusätzliche Beschränkungen vor.
Da die G¹-Kontinuität nur die Richtung, nicht aber den Betrag der Anfangsableitung definiert, hat das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise noch eine Positiv Beschränkung am Anfang des Splines. Darüber hinaus kann die Endrichtung vorzugsweise unscharf gehalten werden. Eine solche bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trajektorieplanung stellt das erfindungsgemäße Verfahren mit zwei weiteren Beschränkungen bereit. Insgesamt weist die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens somit vorzugsweise 19 richtungsbezogene Beschränkungen auf.
Kontinuität
Da die G²-Kontinuität nicht in Form von linearen Grenzbeschränkungen ausgedrückt werden kann, verwendet das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform die G¹-Kontinuität, die die Richtung der Tangente an die Kurve bestimmt.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform auch das Vorzeichen der Krümmung am Verbindungspunkt als lineare Beschränkung ausdrücken. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass die Vorzeichenfunktion bei 0 eine Unstetigkeit aufweist. Daher verwendet das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform diese Beschränkung nur, wenn der Betrag der Krümmung ausreichend weit von 0 entfernt ist, vorzugsweise 10^-4.
Im Einklang mit dem menschlichen Fahrverhalten wartet das erfindungsgemäße Verfahren zur Trajektorieplanung vorzugsweise nicht mit der Erneuerung der Teilabschnittstrajektorie, bis das simulierte Fahrzeug das Ende der jeweiligen Teilabschnittstrajektorie erreicht hat, sondern erneuert die jeweilige Teilabschnittstrajektorie, wenn das simulierte Fahrzeug eine geeignete Länge, vorzugsweise 7/8 der geplanten Teilabschnittstrajektorie, passiert hat. Mit anderen Worten, da gemäß der bevorzugten Ausführungsform die Zeit der Teilabschnittstrajektorie 8 Sekunden beträgt, wird die jeweilige Teilabschnittstrajektorie nach 7/8 erneuert, d. h. nach 7 Sekunden und somit 1 Sekunde vor dem Ende der Teilabschnittstrajektorie.
Krümmungsbeschränkungen
Ähnlich wie das erfindungsgemäße Trajektorieplanungs-Verfahren auf die Kontinuität einwirkt, setzt das erfindungsgemäße Trajektorieplanungs-Verfahren vorzugsweise auch Beschränkungen für das Vorzeichen der Krümmung an den Gate-Punkten der Kurve, so dass die Richtung der Krümmung mit der Krümmung der Straße übereinstimmt. Allerdings wird hier das Problem der Unstetigkeit der Vorzeichenfunktion durch die möglichen Fehler im Krümmungsschätzer noch verschärft. Daher werden diese Beschränkungen nur verwendet, wenn die Änderung der Referenzrichtung zwischen den beiden benachbarten Toren mindestens 3,5° beträgt.
Da die Kursannäherung am Endpunkt der Kurve am schlechtesten ist und das erfindungsgemäße Trajektorieplanungs-Verfahren dort nur ein einziges benachbartes Gate hat, wird an diesem Punkt vorzugsweise keine Krümmungsbeschränkung verwendet.
Vorzugsweise hilft die Hinzufügung dieser linearen Beschränkungen für die Ableitung der Kurve bei der Lockerung der Richtungsbeschränkungen gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ohne die Ableitungsbeschränkungen wurde das beste Verhalten bei einem Fuzz-Faktor von 1,5° gegenüber 3,5° mit den Ableitungsbeschränkungen beobachtet.
Das bedeutet, dass die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die das lineare Programm verwendet, mindestens 47 und höchstens 55 Beschränkungen und 18 Variable hat. Daher ist es für lineare Programmierungsstandards ein kleines Problem, das mit serienmäßigen Lösern schnell gelöst werden kann.
Fahrspurwechsel
Mit dem oben beschriebenen Verfahren ist es möglich, Teilabschnittstrajektorien zu erzeugen, die einer Fahrspur folgen. Derselbe Ansatz kann leicht erweitert werden, um Trajektorien für Teilabschnitte mit Spurwechsel zu erstellen. Dies ist auch ein schönes Beispiel dafür, wie man verschiedene Verhaltensanforderungen in der Beschränkung kodieren kann.
Um Fahrspurwechsel-Teilabschnitte zu ermöglichen, werden die Gate-Constraints vorzugsweise so erweitert, dass sie zwei oder mehr Fahrspuren abdecken. Eine solche bevorzugte Ausführungsform sorgt für ein spurwechselähnliches Verhalten, wenn der Startpunkt auf einer Fahrspur und der Endpunkt auf einer anderen Fahrspur liegt. Das Verhalten kann jedoch unnatürlich sein, da die Trajektorie mehrmals in die Zielspur ein- und ausfährt (so genannter „Amoklauf“), bevor sie sich dort festsetzt.
Um eine Obergrenze dafür zu setzen, wie schnell der Spurwechsel vollzogen wird, ist die Dringlichkeit des Spurwechsels nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwischen 2 und 8 definiert, also zwischen 2 Sekunden und 8 Sekunden. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform beschränkt das erfindungsgemäße Verfahren das simulierte Fahrzeug ab dem entsprechenden Tor auf die Zielspur.
Um zu vermeiden, dass das simulierte Fahrzeug die Zielspur vor dem angegebenen Tor verlässt und wieder einfährt, verwendet das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise einseitige Richtungsvorgaben vor Erreichen des in der Spurwechselanforderung angegebenen Tores. Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Verfahren variiert bei Linkswechseln vorzugsweise nur die aus den Gate Constraints abgeleitete Richtung nach links und bei Rechtswechseln nach rechts. Weiter bevorzugt kann der einseitige Bereich mit zunehmender Annäherung an das kritische Tor vergrößert werden.
Ergebnisse

In den folgenden Tabellen werden die Querbeschleunigung und der Querruck der geplanten Trajektorien gemäß der vorliegenden Erfindung (siehe Tabelle 1) mit der Querbeschleunigung und dem Querruck der geplanten Trajektorien gemäß einer alternativen Planungsmethode, die nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, verglichen, und zwar jeweils unter Verwendung der von Atlatec zur Verfügung gestellten ODR-Beispielkarte KA-Südtangente (deutscher Teil einer Autobahn). Tabelle 1:

Erfinderischer Planer	Median	P90	P95	P99	P99.9	Max	Mittlere	StAbw
Seitliche Beschleunigung	2.666-10^-9	0.174199	0.630808	2.28589	7.893	357.9	0.114825	0.782
Seitlicher Ruck	6.695-10^-10	0.128304	0.744907	4.66726	131.814	12681.2	0.736203	592.617

Tabelle 2

Planer gemäß Stand der Technik	Median	P90	P95	P99	P99.9	Max	Mittlere	StAbw
Seitliche Beschleunigung	0.215521	1.42918	2.6677	5.570	11.977	58.84	0.606	1.46
Seitlicher Ruck	0.037990	6.09712	13.9924	54.635	203.794	2250.93	3.192	265.04

Wie aus den Ergebnisdaten ersichtlich ist, weisen die Querbeschleunigung und der Querruck der geplanten Teilstrecken des erfindungsgemäßen Verfahrens kleinere Werte auf.
Dementsprechend bietet die vorliegende Erfindung eine Simulationsumgebung für eine Vielzahl von simulierten Fahrzeugen, die rechnerisch machbar und weniger empfindlich gegenüber Kartenqualitäten ist und darüber hinaus realistisches Verhalten mit höherer Wahrscheinlichkeit, ausreichende Agentenvariabilität und Verhaltenssteuerung für die Darstellung einer realistischen Verkehrssimulation bietet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hiroyuki Kano und Hiroyuki Fujioka. „Spline trajectory planning for path with piecewise linear boundaries“. In 9th EUROSIM Congress on Modelling and Simulation, Oulu, Finland, 12-16 September 2016, S. 434-445. Linköping University Electronic Press, 12 2018 [0008]
Brian Paden, Michal Čáp, Sze Zheng Yong, Dmitry Yershov, and Emilio Frazzoli, A Survey of Motion Planning and Control Techniques for Self-driving Urban Vehicles, 2016 [0038]
Christopher J. Nash et al, „A review of human sensory dynamics for application to models of driver steering and speed control“, Biol Cybern. 2016, 110: 91-116 [0045]
CO-2009: Stephen Boyd und Lieven Vandenberghe, Convex Optimization, 2004 Cambrige University Press [0046]

Claims

Computerimplementiertes Verfahren zur Planung von Trajektorien von zwei oder mehr simulierten Fahrzeugen in einer Simulationsstraßenfahrumgebung mit einer oder mehreren glatten Fahrspurbegrenzungen pro Straße, die jeweils glatte Fahrspurbegrenzungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst oder aus ihnen besteht: a) Bereitstellung eines Fahrstapels umfassend Kartendaten der Simulationsstraßenfahrumgebung, der Daten zur Durchführung der folgenden Funktionen umfassen: i. Für jeden Punkt auf der Karte kann ein spurbezogener s-Koordinatenwert ermittelt werden, ii. Für jeden s-Koordinatenwert liefert die Karte entsprechende Fahrbahngrenzpunkte, iii. Fahrspuren können an der s-Koordinate durchquert werden, und iv. Für jede Fahrspur können bei einer bestimmten s-Koordinate die benachbarten Fahrspuren bestimmt werden, b) Auswählen eines Teils der Kartendaten von Schritt a), Bestimmen einer geschätzten Straßenkrümmung auf der Grundlage der ausgewählten Daten und Berechnen der Querbeschleunigung jedes der jeweiligen simulierten Fahrzeuge auf der Grundlage der ausgewählten Kartendaten und der geschätzten Straßenkrümmung, und c) Planen von Trajektorien für jedes der simulierten Fahrzeuge in der Simulationsstraßenfahrumgebung jeweils basierend auf den Daten von Schritt b) unter Verwendung eines splinebasierten Trajektorieerzeugungsverfahrens, wobei die geplanten Trajektorien jedes simulierten Fahrzeugs jeweils eine Kurve darstellen, die aus einer oder mehreren Teilabschnittstrajektoriekurven besteht, wobei im Fall von zwei oder mehreren Teilabschnittstrajektoriekurven die nachfolgenden Teilabschnittkurven jeweils miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt b) ein Teil der Kartendaten auf der Grundlage einer geschätzten Geschwindigkeit ausgewählt werden und ein Abstand eines jeweils simulierten Fahrzeugs auf der Grundlage der geschätzten Geschwindigkeit und einer geeigneten Zeit, vorzugsweise 1 Sekunde, berechnet wird und dieser berechnete Abstand als s-Wert-Abstand zur Teilauswahl der Kartengrenzen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt b) für den Fall, dass die berechnete Querbeschleunigung eines jeweils simulierten Fahrzeugs außerhalb eines vorgegebenen Toleranzwertes liegt, die Referenzgeschwindigkeit dieses jeweiligen simulierten Fahrzeugs modifiziert wird und Schritt b) erneut durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ferner in Schritt c) aus den Daten jeweils eine Mittellinie jeder Fahrspur mit einem simulierten Fahrzeug abgeleitet wird und eine Schätzrichtung der jeweiligen Fahrspuren, insbesondere unter Einbeziehung jedes relevanten Punktes für Berechnungszwecke, jeweils auf der Grundlage ihrer abgeleiteten Mittellinie bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt c) ein Constraint-Satisfaction-Problem Verfahren verwendet wird, um geeignete Beschränkungen aufzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei in Schritt c) ein Chebyshev-Zentrum eines resultierenden Zwangspolyeders bestimmt wird und die Teilabschnittstrajektoriekurve durch Randomisierung des gesamten Zwangspolyeders bestimmt wird, wobei die Teilabschnittstrajektoriekurve vorzugsweise durch randomisierte Auswahl aus einer beschriebenen Chebyshev-Kugel bestimmt wird, wobei die randomisierte Auswahl vorzugsweise so durchgeführt wird, dass Punkte, die näher am Zentrum der Chebyshev-Kugel liegen, mit einer höheren Wahrscheinlichkeit ausgewählt werden als Punkte, die weiter vom Chebyshev-Zentrum entfernt sind, vorzugsweise wobei der Radius der Chebyshev-Kugel maximiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in Schritt c) jede Teilabschnittstrajektorie eines jeweils simulierten Fahrzeugs i. einen Anfangsstartpunkt des jeweils simulierten Fahrzeugs hat, der sich auf den Anfangszustand des simulierten Fahrzeugs in der jeweiligen Teilabschnittstrajektorie bezieht, und einen Endpunkt in der jeweiligen Teilabschnittstrajektorie hat, der zufällig gesetzt wird und der gegebenenfalls durch eine oder mehrere Verhaltensbeschränkungen eingeschränkt sein kann, und/oder ii. eine durch die Änderung der s-Koordinate gemessene Länge hat, die auf das begrenzt ist, was von dem jeweiligen simulierten Fahrzeug in ganzzahligen Sekundenzahlen sicher durchfahren werden kann, wobei die Länge vorzugsweise 8 Sekunden oder weniger beträgt, und/oder iii. erneuert wird, wenn das jeweilige simulierte Fahrzeug 1 Sekunde vom Ende der in Schritt ii) gemessenen Kurve entfernt ist, oder wenn Verhaltensänderungen des simulierten Fahrzeugs dies erfordern, und/oder iv. einen kubischen Spline oder einen Spline höherer Ordnung mit gleichmäßigen Knotenplatzierungen verwendet, wobei die Anzahl der Kontrollpunkte der Anzahl der Sekunden entspricht, die das jeweils simulierte Fahrzeug für die Durchfahrt der Kurve benötigt, plus der Ordnung des Splines, und/oder v. an gleichmäßig angeordneten Punkten entlang der geplanten Teilabschnittstrajektoriekurve eines jeweils simulierten Fahrzeugs Spurbegrenzungsauflagen verwendet, vorzugsweise eine Spurbegrenzungsauflage für jede Sekunde, und/oder vi. eine oder mehrere Richtungsbeschränkungen verwendet, um die geplante jeweilige Teilabschnittstrajektorie innerhalb der jeweiligen Fahrspurbegrenzung zu halten, wobei die Richtungsbeschränkungen vorzugsweise von teilausgewählten Fahrspurbegrenzungsbeschränkungen abgeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Länge der jeweiligen Teilabschnittstrajektorie zunächst als Funktion der Geschwindigkeit des simulierten Fahrzeugs an seinem Anfangsstartpunkt der Teilabschnittstrajektorie und als Funktion der Fahrbahnkrümmung sowie der zulässigen Querbeschleunigung des jeweiligen simulierten Fahrzeugs in der Teilabschnittstrajektorie geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei in Schritt c), die gleichmäßige Knotenplatzierung, die ausgewählten Teile der Grenzpunkte als Gate Constraints verwendet werden, wobei die folgenden vier Beschränkungen von den teilauswählten Teilpunkten abgeleitet werden: $V_{d} \cdot C_{d} \geq \in_{l} | V_{d} |$
$V_{d} \cdot C_{d} \leq V_{d}^{2} - \in_{r} | V_{d} |$
$V_{d}^{⊥} \cdot C_{d} \leq δ$
$V_{d}^{⊥} \cdot C_{d} \geq - δ$
wobei v_d die Vektordifferenz zwischen dem rechten und dem linken Randpunkt darstellt, C_d die Vektordifferenz des Splines am entsprechenden Knotenwert und dem linken Randpunkt darstellt, δ für den Fuzz-Faktor steht, der proportional (aber viel langsamer) ist zu s_p, der s-Koordinatendifferenz zwischen zwei ausgewählten Punkten, und $V_{d}^{⊥}$
den Einheitsvektor senkrecht zu v_d darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei in Schritt c) die eine oder die mehreren Richtungsbeschränkungen jeweils innerhalb eines festen Bereichs um einen als stückweise lineare Annäherung an die Mittellinie berechneten Winkel definiert werden, mit einem Knoten in der Mitte der jeweiligen Gates, wobei vorzugsweise die Richtungsbeschränkungen entlang des abgeleiteten Splines als stückweise lineare Fahrbahnbegrenzungsbeschränkungen erweitert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei im Falle der Verwendung eines linearen Constraint-Satisfaction Verfahrens jede Teilabschnittstrajektoriekurve und die darauffolgende Teilabschnittstrajektoriekurve eines jeweiligen simulierten Fahrzeugs eine Kurve mit einer G¹ Kontinuität bildet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Vorzeichen der Krümmung beibehalten wird, wenn die Ableitung > 0 ist, vorzugsweise wenn die Vorzeichenfunktion eine Unstetigkeit ≥ 10^-4 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei im Falle der Verwendung eines linearen Constraint-Satisfaction Verfahrens eine oder mehrere Straßenkrümmungsbeschränkungen auf das Vorzeichen der Krümmung an den jeweiligen Gate Punkten der Teilabschnittstrajektoriekurve und vorzugsweise an der Ableitung der Teilabschnittstrajektoriekurve angewendet werden, wobei die eine oder die mehreren Straßenkrümmungsbeschränkungen nur dann verwendet werden, wenn eine Änderung des Bezugskurses zwischen zwei benachbarten Gates größer oder gleich dem für die Bestimmung der Richtungsbeschränkungen verwendeten Unschärfewinkel ist, mit der Maßgabe, dass am Endpunkt der Teilabschnittstrajektoriekurve und dort, wo nur ein einziges benachbartes Gate existiert, keine Straßenkrümmungsbeschränkung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei im Falle der Verwendung eines nicht-linearen Constraint-Satisfaction Verfahrens jede Teilabschnittstrajektoriekurve und jede nachfolgende Teilabschnittstrajektoriekurve eines jeweiligen simulierten Fahrzeugs eine Kurve mit einer G² oder G³ Kontinuität bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10 und 14, wobei im Falle der Verwendung einer nichtlinearen, zufriedenstellenden Methode die Krümmung direkt so eingeschränkt wird, dass sie nahe an der Straßenkrümmung und innerhalb der Krümmungstoleranz des jeweiligen simulierten Fahrzeugs liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die geplanten Trajektorien des Schritts c) mindestens eine Spurwechsel-Teilabschnittstrajektorie umfassen, wobei die Gate-Constraints der jeweiligen Spurwechsel-Teilabschnittstrajektorie mindestens zwei Fahrspuren umfassen, der Startpunkt der Teilabschnittstrajektoriekurve des Spurwechsels in einer Ursprungsspur und der Endpunkt der Teilabschnittstrajektoriekurve in einer anderen Zielspur vorgegeben ist, und wobei vorzugsweise die Dringlichkeit des Spurwechsels zwischen 2 Sekunden und 8 Sekunden in einer Spurwechselanforderung vorgegeben ist, wobei vorzugsweise der Fuzz-Faktor nur zu der Seite der Richtungsbeschränkung addiert wird, die zur Zielspur zeigt.
Computersystem zur Simulation einer Straßenfahrumgebung in Fahrsituationen für zwei oder mehr simulierte Fahrzeuge, das einen oder mehrere Prozessoren, eine mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelte Speichervorrichtung und ein oder mehrere neuronale Netze für die Entscheidungsfindung in simulierten Fahrsituationen umfasst oder daraus besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor so eingerichtet ist, dass er die Trajektorieplanungs-Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 16 durchführt.
Computerprogrammprodukt mit Befehlen, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, die Schritte des Trajektorieplanungs-Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 16 auszuführen.
Computerlesbarer Datenträger, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 18 gespeichert ist.
Computersystem für ein autonomes Fahrzeug, das mit dem im Computersystem trainierten autonomen Fahrzeug interagiert, um eine Straßenfahrumgebung in Fahrsituationen für zwei oder mehr simulierte Fahrzeuge nach Anspruch 17 zu simulieren.