DE19803043A1

DE19803043A1 - Vorrichtung zum Schätzen von Straßenbiegungen

Info

Publication number: DE19803043A1
Application number: DE19803043A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Furusho; Hiroshi Mouri
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2018-01-28
Also published as: KR19980070886A; GB2321628A; GB9801704D0; GB2321628B; DE19803043B4; US6134509A; JP3430832B2; KR100240616B1; JPH10206175A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schätzen von einem Fahrzeug vorausliegenden Straßenbie gungen.

Die Inhalte der Anmeldung JP 9-12817-A, eingereicht am 27. Januar 1997, sind hiermit durch Literaturhinweis eingefügt.

Aus der JP 4-283900-A ist eine herkömmliche Vorrichtung zum Schätzen von Straßenbiegungen bekannt, die eine Bildvorrichtung enthält, die ein Bild mit unterschiedlich heller Dichte einer einem Fahrzeug voraus liegenden Straße aufnimmt. Das von der Bildvorrichtung aufgenommene Bild wird an eine Helligkeitsänderung-Erfassungsvorrichtung geliefert, die in Richtung von der Unterseite zur Ober seite des Bildes von der Bildvorrichtung den Helligkeits änderungsbetrag jedes Bildelements ermittelt. Die Hellig keitsänderung-Erfassungsvorrichtung wählt das Bildelement aus, dessen Helligkeitsänderungsbetrag größer als ein vorgegebener Betrag ist und das sich am nächsten an der Unterseite des Bildes befindet. Das von der Helligkeits änderung-Erfassungseinrichtung erhaltene Bildelement wird an eine Weltkoordinatensystem-Erfassungseinrichtung ge schickt, die eine Position des Bildelements in einem wirklichen Weltkoordinatensystem ermittelt. Eine Kur venerfassungseinrichtung ermittelt anhand der tatsächli chen Weltkoordinate des Helligkeitsänderungselements, das von der Weltkoordinaten-Erfassungsvorrichtung ermittelt worden ist, eine Biegung und den Radius der Straße. Die erhaltenen Informationen werden an eine Anzeigeeinrich tung geliefert, um dem Fahrer das Ergebnis der erfaßten Straßenform mitzuteilen.

Diese herkömmliche Biegungsschätzvorrichtung ist jedoch so beschaffen, daß sie ein Bild mit veränderlicher Dichte einer vor dem Fahrzeug befindlichen Straße aufnimmt und die Koordinatentransformation der Kurve anhand des Hel ligkeitsänderungsbetrags ausführt. Daher sind für eine große Menge von Bildelementen Berechnungen erforderlich, wodurch die Rechenzeit erheblich ansteigt. Wenn daher unter Verwendung der von der Vorrichtung geschätzten Straßenbiegung eine automatische Lenksteuerung für das Fahrzeug ausgeführt wird, kann es vorkommen, daß durch die aufwendige Berechnung bei der Steuerung des Fahrzeugs eine Verzögerung entsteht, so daß die Steuerung des Fahrzeugs instabil wird. Daher muß in dieser herkömmli chen Vorrichtung die Verzögerung kompensiert werden, indem das Bild mit veränderlicher Dichte von einer weiter entfernten Stelle der Straße aufgenommen wird. Wenn jedoch das Bild mit veränderlicher Dichte der Straße, das eine entfernte Stelle enthält, aufgenommen werden muß, wird das Bild über die Breite der Straße an der entfern ten Stelle durch eine relativ geringe Anzahl von Bild elementen repräsentiert, während das Bild der an einer nahegelegenen Stelle im wesentlichen die gleiche Breite besitzenden Straße an dieser Stelle durch eine größere Anzahl von Bildelementen repräsentiert wird. Dadurch wird die Bildauflösung verschlechtert. Da ferner die herkömm liche Vorrichtung so beschaffen ist, daß sie eine Linie längs einer Fahrspur wie etwa einer weißen Linie auf der Straße mittels einer Polynomapproximation erhält und die Biegung anhand des erhaltenen Ergebnisses berechnet, wird die Anzahl der Datenpunkte des Bildes groß, so daß die Rechenzeit ansteigt. Daher wird auch aus diesem Grund die Steuerung des Fahrzeugs aufgrund der Rechenverzögerung instabil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung zum Schätzen von Straßenbiegungen zu schaffen, mit der aufgrund einer Beschränkung der Bildverarbeitung eine schnelle Berechnung einer Straßenbiegung und somit eine stabile Steuerung des Fahrzeugs möglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Schätzen von Straßenbiegungen, die die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale besitzt. Die abhängigen Ansprüche sind auf zweckmäßige Ausführun gen der Erfindung gerichtet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut lich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführungen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1A eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahr zeugs, das mit einer Straßenbiegung-Schätzvor richtung gemäß einer Ausführung der Erfindung ausgerüstet ist;

Fig. 1B eine schematische Draufsicht des Kraftfahrzeugs nach Fig. 1A;

Fig. 2 einen Ablaufplan zur Erläuterung eines Schätzpro zesses, der von der Straßenbiegung-Schätzvorrich tung gemäß der ersten Ausführung ausgeführt wird;

Fig. 3 einen Blockschaltplan einer Straßenbiegung-Be rechnungseinrichtung gemäß der ersten Ausführung;

Fig. 4 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen einer Konstante λ und der Änderung der Fahrgeschwindigkeit;

Fig. 5A eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahr zeugs, das mit einer Straßenbiegung-Schätzvor richtung gemäß einer zweiten Ausführung der Er findung ausgerüstet ist;

Fig. 5B eine schematische Draufsicht des Kraftfahrzeugs nach Fig. 5A;

Fig. 6 eine Draufsicht einer Straße, in der magnetische Nägel gemäß einer zweiten Ausführung der Erfin dung installiert sind;

Fig. 7 eine vergrößerte Draufsicht eines wesentlichen Abschnitts der Ansicht von Fig. 6, in der die Be ziehung zwischen dem Magnetnagelsensor und den magnetischen Nägeln veranschaulicht ist;

Fig. 8 einen Ablaufplan eines Schätzprozesses, der von der Straßenbiegung-Schätzvorrichtung gemäß der zweiten Ausführung ausgeführt wird;

Fig. 9 einen Blockschaltplan einer Straßenbiegung-Be rechnungseinrichtung, die in der zweiten Ausfüh rung verwendet wird; und

Fig. 10 einen Blockschaltplan einer Straßenbiegung-Be rechnungseinrichtung, die in einer dritten Aus führung verwendet wird.

Zunächst wird mit Bezug auf die Fig. 1A bis 4 eine erste Ausführung einer Vorrichtung 1 zum Schätzen von Straßen biegungen gemäß der Erfindung beschrieben.

In den Fig. 1A und 1B ist ein Kraftfahrzeug VE gezeigt, das mit einem manuellen Lenkmechanismus 3 sowie mit einem automatischen Lenkmechanismus 5 versehen ist. Die Stra ßenbiegung-Schätzvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausfüh rung enthält eine Querverschiebung-Meßeinrichtung 7, einen Vorderradeinschlagwinkel-Sensor 9, einen Hinter radeinschlagwinkel-Sensor 11, einen Fahrgeschwindigkeits sensor 13 und eine Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung 15. Der Vorderradeinschlagwinkel-Sensor 9 und der Hinter radeinschlagwinkel-Sensor 11 dienen als Vorderradein schlagwinkel- bzw. als Hinterradeinschlagwinkel-Meßein richtungen. Der Fahrgeschwindigkeitssensor 13 dient als Fahrgeschwindigkeit-Meßeinrichtung, schließlich dient die Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung 15 als Einrichtung zur Berechnung der Straßenbiegung.

Die Querverschiebung-Meßeinrichtung 7 mißt eine Querver schiebung des Kraftfahrzeugs VE in bezug auf eine Straße, auf der das Fahrzeug VE momentan fährt. Die Querverschie bung-Meßeinrichtung 7 ist aus einer CCD-Kamera (Kamera mit ladungsgekoppelter Schaltung) 17, die Bilder eines Vorwärtsgesichtsfeldes des Kraftfahrzeugs VE aufnimmt, und aus einer Bildverarbeitungsvorrichtung 19 gebildet. Das von der CCD-Kamera 17 aufgenommene Bild wird an die Bildverarbeitungsvorrichtung 19 geschickt. Die Bildverar beitungsvorrichtung 19 berechnet die Querverschiebung am Vorwärtsblickpunkt anhand des Bildes von der CCD-Kamera 17. Ferner schickt die Bildverarbeitungsvorrichtung 19 dieses Bild zur Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung 15 als Meßwert der Querverschiebung des Kraftfahrzeugs VE in bezug auf die Straße. Die Querverschiebung am Vorwärts blickpunkt ist eine Verschiebung in Querrichtung eines in Vorwärtsrichtung um eine vorgegebene Strecke vorauslie genden Punkts auf einer Mittellinie des Kraftfahrzeugs VE in bezug auf eine Fahrspurmarkierung wie etwa eine weiße Linie.

Der Vorderradeinschlagwinkel-Sensor 9 ist so beschaffen, daß er den Einschlagwinkel des linken und des rechten Vorderrades 21 mißt und diesen Winkel in die Straßenbie gung-Berechnungseinrichtung 15 eingibt. Der Hinterradein schlagwinkel-Sensor 11 ist so beschaffen, daß er den Einschlagwinkel der rechten und linken Hinterräder 23 mißt und diesen Winkel in die Straßenbiegung-Berechnungs einrichtung 15 eingibt. Der Fahrgeschwindigkeitssensor 13 ist so beschaffen, daß er die Fahrgeschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs VE mißt und den Meßwert in die Straßenbie gung-Berechnungseinrichtung 15 eingibt.

Die Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung 15 berechnet die Straßenbiegung durch die Zustandsschätzung der moder nen Steuerungstheorie anhand der gemessenen Querverschie bung, der Vorderrad- und Hinterradeinschlagwinkel und der Fahrgeschwindigkeit. Die berechnete Straßenbiegung wird in eine Steuereinrichtung 100, die eine automatische Lenksteuerung ausführt, sowie in eine Anzeigeeinrichtung 110 eingegeben, über die die berechnete Straßenbiegung dem Fahrer des Kraftfahrzeugs VE gemeldet wird.

Der manuelle Lenkmechanismus 3 enthält ein Vorderrad ritzel 31, das mit einem unteren Endabschnitt einer Lenkwelle verbunden ist. Der andere Endabschnitt der Lenkwelle 29 ist mit einem Lenkrad 27 verbunden. Das Vorderradritzel 31 ist mit einer Vorderradzahnstange 33 in Eingriff, die von einem (nicht gezeigten) Fahrzeug karosserie-Zahnstangengehäuse in der Weise unterstützt ist, daß sie sich nach links und nach rechts verschieben kann. Mit den beiden Enden der Vorderradzahnstange 33 sind je eine Vorderradspurstange 35 verbunden. Jede Vorderradspurstange 35 ist über einen jeweiligen Vorder rad-Spurhebel 37 mit einem entsprechenden Vorderrad- Achsbolzen 39 verbunden. Die linken und rechten Vorderrä der 21 sind jeweils an einem der Vorderrad-Achsbolzen 39 unterstützt. Der Vorderradeinschlagwinkel-Sensor 9 ist in der Nähe der Lenkwelle 29 angeordnet, damit er den Dreh winkel der Lenkwelle 29 erfassen kann.

Der automatische Lenkmechanismus 5 ist so beschaffen, daß er ein automatisches Lenken durch Steuern eines Elektro motors 41 mittels der Steuereinrichtung 100 anhand der Fahrzustandsinformationen wie etwa der Fahrgeschwindig keit, des Fahrzeugabstands zu einem vorausfahrenden Fahrzeug und der Querverschiebung des Vorwärtsblickpunkts ausführt. Wenn das Kraftfahrzeug VE auf einer gebogenen Straße fährt, berechnet die Straßenbiegung-Berechnungs einrichtung 15 die Straßenbiegung auf der Grundlage der gemessenen Querverschiebung, der Vorderrad- und Hinter radeinschlagwinkel und der Fahrgeschwindigkeit mittels der Zustandsschätzung der modernen Steuerungstheorie. Das automatische Lenken wird durch Eingeben der Ausgangs signale der Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung 15 in die Steuereinrichtung 100 ausgeführt.

Der automatische Lenkmechanismus 5 enthält ein Hinter radritzel 45, das mit einer Ausgangswelle 43 des Elektro motors 41 verbunden ist. Das Hinterradritzel 45 ist mit einer Hinterradzahnstange 47 in Eingriff, die von einem (nicht gezeigten) Fahrzeugkarosserie-Zahnstangengehäuse unterstützt ist, so daß sie sich nach rechts und nach links bewegen kann. Mit den beiden Enden der Hinterrad zahnstange 47 ist jeweils eine Hinterradspurstange 49 verbunden, die über einen entsprechenden Hinterrad-Spur hebel 51c mit einem entsprechenden Hinterrad-Achsbolzen 53 verbunden ist. Der Hinterradeinschlagwinkel-Sensor 11 ist in der Nähe der Hinterrad-Zahnstange 47 angeordnet, damit er den Betrag der Links/Rechts-Bewegung der Hinter rad-Spurstange 47 erfassen kann.

Der manuelle Lenkmechanismus 3 ist so beschaffen, daß die Vorderrad-Zahnstange 33 die Verschiebungsbewegung nach links oder nach rechts entsprechend der Drehung des Vorderradritzels 31 ausführt, die durch ein Drehen nach links bzw. nach rechts des Lenkrades 27 hervorgerufen wird. Die Verschiebungsbewegung wird an die Vorderrad- Spurstangen 35 und an die Vorderrad-Spurhebel 37 übertra gen, so daß die linken und rechten Vorderräder 21 über die Vorderrad-Achsbolzen 39 in die gewünschte Richtung eingeschlagen werden. Wenn mittels einer Wähleinrichtung das automatische Lenken gewählt wird, führt die Steuer einrichtung 100 bei Empfang der Fahrzustandsinformationen wie etwa der Querverschiebung, der Vorderrad- und Hinter radeinschlagwinkel und der Fahrgeschwindigkeit das auto matische Lenken durch Ansteuern des Elektromotors 41 aus. Zu diesem Zeitpunkt ist der manuelle Lenkmechanismus 3 in der Mittelstellung, in der der Einschlagwinkel null ist, fixiert, so daß das automatische Lenken durch Betätigung des automatischen Lenkmechanismus 5 erfolgt.

Wenn der Elektromotor 41 angetrieben wird, wird das Hinterradritzel 45 über die Abtriebswelle 43 gedreht, so daß die Hinterrad-Zahnstange 47 über das Hinterradritzel 45 eine Verschiebungsbewegung nach links oder nach rechts ausführt. Ferner wird die Verschiebungsbewegung an die Hinterrad-Spurstange 49 und an die Hinterrad-Spurhebel 51 übertragen, so daß das linke und das rechte Hinterrad 23 über die Hinterrad-Achsbolzen 53 eingeschlagen werden. Die Fahrzustandsinformationen werden von der CCD-Kamera 17 und vom Fahrgeschwindigkeitssensor 13 erfaßt.

Während des automatischen Lenkbetriebs führt die Straßen biegung-Berechnungseinrichtung 15 einen Prozeß gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ablaufplan aus, damit das Fahrzeug auf der eine Biegung aufweisenden Straße gleichmäßig fährt.

Im Schritt S1 führt die Straßenbiegung-Berechnungsein richtung 15 einen Initialisierungsprozeß zum Initialisie ren jedes einzelnen Abschnitts aus.

Im Schritt S2 führt die Straßenbiegung-Berechnungsein richtung 15 einen Bilderfassungsprozeß aus. Während dieses Prozesses wird das von der CCD-Kamera 17 aufgenom mene Bild an die Bildverarbeitungsvorrichtung 19 ge schickt.

Im Schritt S3 führt die Straßenbiegung-Berechnungsein richtung 15 den Bildverarbeitungsprozeß und den Querver schiebung-Meßprozeß aus. Während dieser Prozesse wird die Querverschiebung des Vorwärtsblickpunkts in bezug auf eine Fahrspurmarkierung wie etwa eine weiße Linie der Straße durch die Bildverarbeitungsvorrichtung 19 berech net und an die Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung 15 geschickt.

Im Schritt S4 führt die Straßenbiegung-Berechnungsein richtung 15 den Fahrgeschwindigkeit-Meßprozeß aus, in dem der Fahrgeschwindigkeitssensor 13 ein die Fahrgeschwin digkeit angebendes Signal erzeugt und an die Straßenbie gung-Berechnungseinrichtung 15 schickt.

Im Schritt S5 führt die Straßenbiegung-Berechnungsein richtung 15 einen Vorderrad- und Hinterradeinschlagwin kel-Meßprozeß aus, in dem die Vorderrad- und Hinter radeinschlagwinkel-Sensoren 9 und 11 die Vorderrad- und Hinterradeinschlagwinkel angebende Signale erzeugen und an die Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung 15 schicken.

Im Schritt S6 führt die Straßenbiegung-Berechnungsein richtung 15 den Straßenbiegung-Schätzprozeß aus. Genauer berechnet (schätzt) die Straßenbiegung-Berechnungsein richtung 15 die Straßenbiegung auf der Grundlage der gemessenen Querverschiebung, der Vorderrad- und Hinter radeinschlagwinkel und der Fahrgeschwindigkeit. Als Ergebnis dieser Straßenbiegungsberechnung wird das auto matische Lenken selbst bei einer Fahrt auf einer geboge nen Straße gleichmäßig ausgeführt, indem der Elektromotor 41 durch die Steuereinrichtung gesteuert wird.

Nun wird die moderne Steuerungstheorie, die von der Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung 15 verwendet wird, mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Straßenbiegung-Berech nungseinrichtung 15 versehen mit einem ersten Koeffizien tenmultiplizierer 55, einem zweiten Koeffizientenmulti plizierer 57, einem dritten Koeffizientenmultiplizierer 59, einem vierten Koeffizientenmultiplizierer 61, einem fünften Koeffizientenmultiplizierer 63, einem Integrator 65 sowie Addierern 67, 69 und 71. Die Bezugszeichen A, B, C, D und L der entsprechenden Koeffizientenmultiplizierer 55, 57, 59, 61 bzw. 63 repräsentieren Matrizen.

In der ersten Ausführung wird die Straßenbiegung durch ein lineares System approximiert, das durch weißes Rau schen angesteuert wird, wobei jede Matrix bei Übernahme dieser Approximation folgendermaßen bestimmt wird. Bei Verwendung eines Zweiradmodells, das für die Untersuchung der Lenkstabilität als Fahrzeugmodell allgemein verwendet wird, gelten die folgenden Gleichungen:

wobei ρ die Straßenbiegung ist, r, β, ΔΨ, Δy und v die Gierrate, den Querschlupfwinkel, den Gierwinkel, die Querverschiebung bzw. die Fahrgeschwindigkeit repräsen tieren und a₁₁ bis b₂₂ durch die gesetzten Zustände des Kraftfahrzeugs VE bestimmt sind und Koeffizienten dar stellen, die die folgenden Gleichungen erfüllen:

wobei cf (cr) die Summe aus der Kurvenstabilität der beiden Vorderräder (Hinterräder) ist, lf (lr) ein Abstand vom Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs VE zur Vorderachse (Hinterachse) ist, iz das Gierträgheitsmoment ist und m die Masse des Kraftfahrzeugs VE ist.

Andererseits wird die Biegung ρ der Straße durch das lineare Systemmodell approximiert, das durch das weiße Rauschen folgendermaßen angesteuert wird:

= λρ + ν (4)

Da sich die Biegung ρ der Straße in bezug auf das fah rende Fahrzeug VE entsprechend dem vergangenen Zustand der befahrenen Straße ändert, ist sie als konstanter Term von (-λs) definiert. Da die Änderung der Biegung ρ der Straße vor dem Kraftfahrzeug VE zufällig ist, wird zu der Gleichung als Störung der Term (ν) addiert. Das heißt, λ ist eine Konstante und ν stellt weißes Rauschen dar.

Aus der Laplace-Transformation der Gleichung (4) geht hervor, daß ν der reziproke Wert der Zeitkonstante ist. Wenn daher der Wert von ν kleiner wird, bedeutet dies, daß die Biegung der Straße sich immer weniger ändert. Da die Tendenz besteht, daß bei verhältnismäßig hoher Fahr geschwindigkeit das Kraftfahrzeug VE auf einer nahezu biegungsfreien Straße wie etwa einer Autobahn fährt, wird angenommen, daß sich λ entsprechend der Änderung der Fahrgeschwindigkeit wie in Fig. 4 gezeigt ändert. Das heißt, je höher die Fahrgeschwindigkeit v wird, desto kleiner wird λ. Da die Zeitkonstante der reziproke Wert von λ ist, steigt die Zeitkonstante entsprechend einer Zunahme der Fahrgeschwindigkeit an.

Durch Einsetzen von Gleichung (4) in die Gleichungen (1) und (2) werden die folgenden Gleichungen (5) und (6) erhalten:

Die Matrizen A, B, C und D in Fig. 3 entsprechen den Matrizen A, B, C und D des Systems der Gleichungen (5) und (6):

Die Matrix L in Fig. 3 wird Rückkopplungskoeffizient des Ausgangsfehlers genannt. Durch Erhöhung dieses Werts wird die Konvergenz des geschätzten Werts zum wirklichen Wert gefördert, der gemessene Wert wie etwa eine Querverschie bung wird jedoch gegenüber dem Rauschen empfindlich. Hier ist ein Entwurfsbeispiel des Kalman-Filters gezeigt, das auf der Dispersion des Eingangs- und Ausgangsrauschens basiert. Wenn ν und die gemessene Querverschiebung Δy durch Γ bzw. Σ definiert sind, wird L durch die folgende Gleichung berechnet:

L = PC^TΣ^-1 (8)

wobei angenommen wird, daß P die folgende Gleichung erfüllt:

AP + PA^T + Γ - PC^TΣ^-1CP = 0 (9)

Wie aus den Gleichungen (7), (8) und (9) hervorgeht, dienen die Matrizen A, B, C und D als Parameter, die sich entsprechend der Fahrgeschwindigkeit verändern.

Der Addierer 69 in Fig. 3 dient der Korrektur des Versat zes von der gemessenen Querverschiebung Δy, die er durch wiedergibt. Da der Koeffizient L groß ist, wird der Differenzbetrag rückgekoppelt, um die Konvergenz zum wirklichen Wert zu fördern.

Wenn die Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung 15 in Fig. 3 den gemessenen Vorderrad- und Hinterradeinschlag winkel u, die gemessene Querverschiebung Δy und die Fahrgeschwindigkeit v empfängt, wird die Straßenbiegung ρ zusammen mit der Gierrate r, dem Querschlupfwinkel β, dem Gierwinkel ΔΨ und der Querverschiebung Δy ausgegeben. Durch Ansteuern des Elektromotors 41 unter Verwendung dieser Ausgangssignale ist es möglich, ein Fahren auf einer gebogenen Straße gleichmäßig auszuführen. Da ferner die Straßenbiegung ρ durch die Zustandsschätzung der modernen Steuerungstheorie berechnet wird, ohne daß die Bildverarbeitung verwendet wird, ist die Rechenzeit äußerst kurz, so daß nahezu keinerlei Steuerungsverzöge rung hervorgerufen wird, selbst wenn die aus gegebene Straßenbiegung ρ in der automatischen Lenksteuerung verwendet wird. Somit ist es möglich, eine äußerst genaue Fahrt auf einer gebogenen Straße auszuführen.

Nun wird mit Bezug auf die Fig. 5A bis 9 eine zweite Ausführung der Straßenbiegung-Schätzvorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben. Die zweite Ausführung ist der ersten Ausführung im wesentlichen ähnlich, mit der Aus nahme, daß statt der Querverschiebung-Meßeinrichtung 7 der ersten Ausführung eine Fahrzeugwinkel-Meßeinrichtung 73 verwendet wird.

Die Fahrzeugwinkel-Meßeinrichtung 73 ist gebildet aus einem vorderen Magnetnagelsensor 75 und aus einem hinte ren Magnetnagelsensor 77, die im vorderen Abschnitt bzw. im hinteren Abschnitt des Kraftfahrzeugs VE installiert sind. Der vordere und der hintere Magnetnagelsensor 75 bzw. 77 sind so beschaffen, daß sie magnetische Energie von in eine Fahrbahn 79 in vorgegebenen Intervallen (ungefähr 2 m) eingelassenen magnetischen Nägeln 81 wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt erfassen.

Durch Messen der Querverschiebungen Δyf, Δyr der vorderen bzw. hinteren Magnetnagelsensoren 75 bzw. 77 in bezug auf die magnetischen Nägel 81 und durch Setzen eines Abstan des zwischen den Sensoren 75 und 77 als H_-SS wird der Winkel der Längsrichtung des Kraftfahrzeugs VE in bezug auf eine Richtung der dem Kraftfahrzeug VE vorausliegen den Straße, d. h. der Gierwinkel ΔΨ, berechnet aus ΔΨ= arctan{(Δyf - Δyr)/H_-SS}.

Die Schätzung der Straßenbiegung ρ wird wie gemäß dem Ablaufplan von Fig. 8, der dem Ablaufplan von Fig. 2 der ersten Ausführung entspricht, folgendermaßen ausgeführt. In dem Ablaufplan von Fig. 8 werden statt der Schritte S2 und S3 im Ablaufplan von Fig. 2 ein Schritt S81, in dem ein Meßprozeß für eine vordere und eine hintere Verschie bung ausgeführt wird, sowie ein Schritt S82, in dem ein Gierwinkel-Berechnungsprozeß ausgeführt wird, ausgeführt. Durch diese Prozesse empfängt die Straßenbiegung-Berech nungseinrichtung 15 nach Fig. 9 den Gierwinkel-Meßwert ΔΨ, so daß es möglich ist, die Schätzung der Straßenbie gung ρ ähnlich wie in der ersten Ausführung auszuführen.

Genauer unterscheidet sich die Straßenbiegung-Berech nungseinrichtung 15 von Fig. 9 von der Straßenbiegung- Berechnungseinrichtung 15 von Fig. 3 gemäß der ersten Ausführung durch die Tatsache, daß die gemessene Querver schiebung Δy durch den gemessenen Gierwinkel ΔΨ ersetzt ist. Daher ist es möglich, daß die Straßenbiegung-Berech nungseinrichtung 15 von Fig. 9 den vorderen und den hinteren Einschlagwinkel u, den Gierwinkel ΔΨ und die Fahrgeschwindigkeit v mißt und die Straßenbiegung p zusammen mit der Gierrate r, den Gierwinkel ΔΨ und den Querschlupfwinkel β auf der Grundlage der Meßwerte be rechnet.

In der zweiten Ausführung ist jede Matrix A, B, C, D und L im wesentlichen ebenso wie in der ersten Ausführung gegeben. Genauer lautet bei Verwendung eines Zweiradmo dells, das für die Untersuchung der Lenkstabilität allge mein als Fahrzeugmodell verwendet wird, die Gleichung für dieses Fahrzeugmodell folgendermaßen:

wobei die Straßenbiegung ρ einen Eingang des Systems darstellt. Da die Bedeutung jedes Symbols gleich wie in der ersten Ausführung ist, wird eine erneute Erläuterung hiervon weggelassen.

Die Straßenbiegung ρ wird durch das lineare Systemmodell approximiert, das ähnlich wie in der ersten Ausführung durch weißes Rauschen angesteuert wird:

= -λρ + ν (12)

Durch Einsetzen von Gleichung (12) in die Gleichungen (10) und (11) werden die folgenden Gleichungen (13) und (14) erhalten:

Die Matrizen A, B, C und D in Fig. 9 entsprechen den Matrizen A, B, C bzw. D in dem System gemäß den Gleichun gen (13) und (14) . Genauer:

Ein Entwurfsbeispiel des Kalman-Filters in bezug auf die Matrix L von Fig. 9 gleicht demjenigen der ersten Ausfüh rung und basiert auf der Dispersion des Eingangsrauschens und des Ausgangsrauschens. Wenn die Dispersionen von ν und der gemessenen Querverschiebung als Γ bzw. Σ defi niert sind, wird L anhand der folgenden Gleichung berech net:

L = PC^TΣ^-1 (16)

Hierbei wird angenommen, daß P die folgende Gleichung erfüllt:

AP + PA^T + Γ - PC^TΣ^-1CP = 0 (17)

Wie aus den Gleichungen (15), (16) und (17) hervorgeht, sind die Matrizen A, B, C und D sowie die Matrix D Para meter, die sich entsprechend der Fahrgeschwindigkeit ändern.

Daher ist durch die zweite Ausführung der Erfindung sichergestellt, daß die gleichen Funktionen und Vorteile wie in der ersten Ausführung erhalten werden. Da ferner die zweite Ausführung kein Bild von einer Kamera verwen det, ist zu erwarten, daß eine genaue Funktion selbst bei schlechtem Wetter erzielt wird.

Wenn das Ausgangssignal des vorderen Magnetnagelsensors 75 als Vorwärtsblickpunkt-Querverschiebung verwendet wird, unterscheidet sich die zweite Ausführung im wesent lichen nicht von der ersten Ausführung. Wenn andererseits in der ersten Ausführung ein Magnetnagelsensor verwendet wird, um den Vorwärtsblickpunkt zu messen, wird die Leistung bei schlechtem Wetter verbessert, ferner ist der Vorteil sichergestellt, daß im Vergleich zur zweiten Ausführung bereits ein Magnetnagelsensor ausreichend ist.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 10 eine Straßenbiegung-Be rechnungseinrichtung gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung beschrieben. Die dritte Ausführung ist so beschaffen, daß die Straßenkrümmung auf der Grundlage der Informationen bezüglich der Querverschiebung zusätzlich zum Gierwinkel, der Fahrgeschwindigkeit und der Vorder rad- und Hinterradeinschlagwinkel berechnet wird. In dieser dritten Ausführung kann die Konstruktion gleich derjenigen der zweiten Ausführung von Fig. 5 sein, wobei entweder die Ausgangssignale des vorderen oder des hinte ren Magnetnagelsensors 75 bzw. 77 als Querverschiebungs werte verwendet werden. Weiterhin kann die Querverschie bung des Schwerpunkts auf der Grundlage dieser Ausgangs signale berechnet werden. Bei einer Querverschiebung des Schwerpunkts muß die räumliche Beziehung zwischen den gemessenen Punkten der Magnetnagelsensoren 75 und 77 und dem Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs VE berücksichtigt werden.

In der dritten Ausführung erfolgt die Schätzung der Straßenbiegung durch einen Prozeß, der demjenigen ähnlich ist, der in dem Ablaufplan von Fig. 8 erläutert wird, wobei jede Matrix ähnlich wie in der obenerwähnten Aus führung und folgendermaßen gesetzt ist.

Bei Verwendung des Zweiradmodells, das für die Untersu chung der Lenkstabilität als Fahrzeugmodell allgemein verwendet wird, lauten die Gleichungen folgendermaßen:

wobei die Querverschiebung eines Blickpunkts der vorderen und hinteren Magnetnagelsensoren 75 und 77 durch Δy gegeben ist. Daher ist 1s in der Gleichung (18) ein Abstand vom Schwerpunkt des Fahrzeugs VE zum vorderen oder zum hinteren Magnetnagelsensor 75 bzw. 77. Das Symbol ist so definiert, daß der vordere Abschnitt des Fahrzeugs VE positiv ist. Es ist sicher, daß die Querver schiebung Δy gleich der Querverschiebung des Vorwärts blickpunkts durch die Bildverarbeitung sein kann. In diesem Fall ist der Vorwärtsblickpunkt-Abstand gleich 1s.

Die Straßenkrümmung wird durch das lineare Systemmodell approximiert, das wie in der ersten Ausführung durch weißes Rauschen angesteuert wird:

= -λρ + ν (20)

Durch Einsetzen der Gleichung (20) in die Gleichungen (18) und (19) werden die folgenden Gleichungen (21) und (22) erhalten:

Die Matrizen A, B, C und D in Fig. 10 entsprechen den Matrizen A, B, C bzw. D des Systems gemäß den Gleichungen (21) und (22) . Genauer

Ein Entwurfbeispiel des Kalman-Filters in bezug auf die Matrix L in Fig. 10 ist gleich demjenigen der obenerwähn ten Ausführung. Wenn die Dispersionen von ν und der gemessenen Querverschiebung durch Γ und Σ definiert sind, wird L durch die folgende Gleichung berechnet:

L = PC^TΣ^-1 (24)

wobei angenommen wird, daß P die folgende Gleichung erfüllt:

AP + PA^TΓ - PC^TΣ^-1CP = 0 (25)

Wie aus den Gleichungen (23), (24) und (25) hervorgeht, sind die Matrizen A, B, C, D und L Parameter, die sich entsprechend der Fahrgeschwindigkeit ändern.

In der vorliegenden Ausführung ist es somit möglich, die Straßenbiegung ρ zusammen mit der Gierrate r, dem Gier winkel ΔΨ, dem Querschlupfwinkel β und der Querverschie bung Δy auf der Grundlage der Vorderrad- und Hinter radeinschlagwinkel-Meßwerte u, der gemessenen Querver schiebung Δy, des gemessenen Gierwinkels ΔΨ und der Fahrgeschwindigkeit ν zu berechnen.

Daher sind in der dritten Ausführung die gleichen Funk tionen und Vorteile wie in der ersten und in der zweiten Ausführung sichergestellt.

Da weiterhin ähnlich wie in der zweiten Ausführung kein Bild von einer Kamera verwendet wird, kann die Funktion selbst bei schlechtem Wetter genau ausgeführt werden. Da die Sensorinformationen umfangreicher als in der ersten und in der zweiten Ausführung sind, kann die Zuverlässig keit der Schätzwerte verbessert werden und kann eine genaue Steuerung ausgeführt werden.

Obwohl die obigen Ausführungen an das automatische Lenken angepaßt sind, können sie selbstverständlich auch auf ein 4WS-System angewendet werden.

Da bei der so beschaffen Straßenbiegung-Schätzvorrichtung gemäß der Erfindung die Zustandsschätzung der modernen Steuerungstheorie auf der Grundlage der erfaßten Fahr zeugorientierung in bezug auf die Straße, der Vorderrad- und Hinterradeinschlagwinkel und der Fahrgeschwindigkeit ausgeführt wird, ist eine Bildverarbeitung nicht erfor derlich, so daß eine schnelle Berechnung ausgeführt werden kann. Beispielsweise wird in einem Fahrzeug, in dem ein automatisches Lenken ausgeführt wird, die automa tische Lenksteuerung stabil und gleichmäßig, so daß das Fahrzeug genau fahren kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Schätzen von Straßenbiegungen, die in einem Fahrzeug (VE) installiert ist, gekennzeichnet durch
eine Querverschiebung-Meßeinrichtung (7) zum Messen einer Querverschiebung (Δy) des Fahrzeugs (VE) in bezug auf eine Straße,
eine Radeinschlagwinkel-Meßeinrichtung (9, 11) zum Messen der Einschlagwinkel (u) der Vorder- und Hin terräder (21, 23) des Fahrzeugs (VE),
eine Fahrgeschwindigkeit-Meßeinrichtung (13) zum Messen der Fahrgeschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (VE) und
eine Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung (15) zum Berechnen einer Biegung (ρ) der dem Fahrzeug (VE) vorausliegenden Straße auf der Grundlage der gemessenen Querverschiebung (Δy), der gemessenen Fahrgeschwindigkeit (v) und der gemessenen Einschlagwinkel (u) der Vorder- und Hinterräder (21, 23) mittels einer Zustandsschätzung der modernen Steuerungstheorie.

2. Vorrichtung zum Schätzen von Straßenbiegungen, die in einem Fahrzeug (VE) installiert ist, gekennzeichnet durch
eine Fahrzeugwinkel-Meßeinrichtung (73) zum Messen des Winkels der Längsrichtung des Fahrzeugs (VE) in bezug auf eine dem Fahrzeug (VE) voraus liegende Straße,
eine Radeinschlagwinkel-Meßeinrichtung (9, 11) zum Messen der Einschlagwinkel (u) der Vorder- und Hin terräder (21, 23) des Fahrzeugs (VE),
eine Fahrgeschwindigkeit-Meßeinrichtung (13) zum Messen der Fahrgeschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (VE), und
eine Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung (15) zum Berechnen der Biegung (ρ) der dem Fahrzeug (VE) vorausliegenden Straßen auf der Grundlage des gemessenen Winkels der Fahrzeuglängsrichtung, der gemessenen Fahrge schwindigkeit (v) und der gemessenen Einschlagwinkel (u) der Vorder- und Hinterräder (21, 23) mittels einer Zu standsschätzung der modernen Steuerungstheorie.

3. Vorrichtung zum Schätzen von Straßenbiegungen, die in einem Fahrzeug (VE) installiert ist, gekennzeichnet durch
eine Querverschiebung-Meßeinrichtung (7) zum Messen einer Querverschiebung (Δy) des Fahrzeugs (VE) in bezug auf eine Straße,
eine Fahrzeugwinkel-Meßeinrichtung (73) zum Messen des Winkels der Längsrichtung des Fahrzeugs (VE) in bezug auf eine dem Fahrzeug (VE) vorausliegende Straße,
eine Radeinschlagwinkel-Meßeinrichtung (9, 11) zum Messen der Einschlagwinkel (u) der Vorder- und Hin terräder (21, 23) des Fahrzeugs (VE), eine Fahrgeschwindigkeit-Meßeinrichtung (13) zum Messen der Fahrgeschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (VE) und
eine Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung (15) zum Berechnen der Biegung (ρ) der dem Fahrzeug (VE) vorausliegenden Straße auf der Grundlage der gemessenen Querverschiebung (Δy), des gemessenen Fahrzeugwinkels, der gemessenen Fahrgeschwindigkeit (v) und der gemessenen Einschlagwinkel (u) der Vorder- und Hinterräder (21, 23) mittels einer Zustandsschätzung der modernen Steuerungs theorie.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung (15) ein lineares Systemmodell enthält, das die Straßenbiegung (ρ) als lineares System modelliert, das durch Rauschen angesteuert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß eine Zeitkonstante (1/λ) des linearen System modells bei einer Zunahme der Fahrgeschwindigkeit (v) ansteigt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (100) zum Steuern eines automatischen Lenkmechanismus (41, 43, 45) des Fahrzeugs (VE) auf der Grundlage der Straßenbiegung (p), die durch die Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung (15) berechnet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (110), die dem Fahrer des Fahrzeugs (VE) die berechnete Straßenbiegung (ρ) anzeigt.

8. Vorrichtung zum Schätzen von Straßenbiegungen, die in einem Fahrzeug (VE) installiert ist, gekennzeichnet durch
eine Fahrzeugorientierung-Erfassungseinrichtung (7; 73) zum Erfassen der Orientierung des Fahrzeugs (VE) in bezug auf eine Straße,
eine Radeinschlagwinkel-Erfassungseinrichtung (9, 11), die die Einschlagwinkel (u) der Vorder- und Hinter räder (21, 23) des Fahrzeugs (VE) erfaßt,
eine Fahrgeschwindigkeit-Erfassungseinrichtung (13), die die Fahrgeschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (VE) erfaßt,
eine Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung (15) zum Berechnen der Krümmung (ρ) der dem Fahrzeug (VE) vorausliegenden Straße auf der Grundlage der gemessenen Fahrzeugorientierung, der gemessenen Fahrgeschwindigkeit (v) und der gemessenen Einschlagwinkel (u) der Vorder- und Hinterräder (21, 23) mittels einer Zustandsschätzung der modernen Steuerungstheorie, und
eine Steuereinrichtung (100) zum Steuern eines automatischen Lenkmechanismus (41, 43, 45) des Fahrzeugs (VE) auf der Grundlage der Straßenbiegung (ρ), die von der Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung (15) berechnet wird.

9. Vorrichtung zum Schätzen von Straßenbiegungen, die in einem Fahrzeug (VE) installiert ist, gekennzeichnet durch
eine Fahrzeugorientierung-Erfassungseinrichtung (7, 73), die die Orientierung des Fahrzeugs (VE) in bezug auf eine Straße erfaßt,
eine Radeinschlagwinkel-Erfassungseinrichtung (9, 11), die die Einschlagwinkel (u) der Vorder- und Hinter räder (21, 23) des Fahrzeugs (VE) erfaßt,
eine Fahrgeschwindigkeit-Erfassungseinrichtung (13), die die Fahrgeschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (VE) erfaßt,
eine Straßenbiegung-Berechnungseinrichtung (15) zum Berechnen der Krümmung (ρ) einer dem Fahrzeug (VE) vorausliegenden Straße auf der Grundlage der gemessenen Fahrzeugorientierung, der gemessenen Fahrgeschwindigkeit (v) und der gemessenen Einschlagwinkel (u) der Vorder- und Hinterräder (21, 23) mittels einer Zustandsschätzung der modernen Steuerungstheorie, und
eine Anzeigeeinrichtung (110), die dem Fahrer des Fahrzeugs (VE) die berechnete Straßenbiegung (ρ) anzeigt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Fahrzeugorientierung-Erfassungseinrichtung eine Querverschiebung-Meßeinrichtung (7) zum Messen einer Querverschiebung (Δy) des Fahrzeugs (VE) in bezug auf die Straße und/oder eine Fahrzeugwinkel-Meßeinrichtung (73) zum Messen des Winkels der Längsrichtung des Fahrzeugs (VE) in bezug auf die dem Fahrzeug (VE) vorausliegende Straße enthält.