DE602005002482T2

DE602005002482T2 - Verfahren zur schätzung der ausgewerteten abweichung zwischen der position eines fahrzeuges und einer theoretischen trajektorie

Info

Publication number: DE602005002482T2
Application number: DE602005002482T
Authority: DE
Inventors: Xavier Claeys; Laurent Garnier
Original assignee: Renault SAS; Renault Trucks SAS
Current assignee: Renault SAS; Renault Trucks SAS
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: FR2871426A1; ATE373258T1; EP1756688A1; FR2871426B1; DE602005002482D1; EP1756688B1; WO2006000732A1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Lenkassistenzsysteme für Kraftfahrzeuge. Sie betrifft genauer gesagt ein Verfahren zur Schätzung der Abweichung zwischen einer vorausberechneten Position eines Fahrzeugs und einer theoretischen Spur. Dieses Verfahren kann für verschiedene Zwecke eingesetzt werden und insbesondere in den automatischen Lenkverfahren, bei denen der Einschlagwinkel der Räder zwecks Spurfolge automatisiert gesteuert wird. Dieses Verfahren kann außerdem verwendet werden, um das Auftreten von Unfällen (Abkommen von der Fahrbahn) zu erfassen, oder allgemeiner in allen Verfahren, bei denen es nützlich ist, durch Vorausberechnung die Projektion der Position des Fahrzeugs nach vorne im Vergleich zu einer theoretischen Position zu kennen.
Wie in der übrigen Beschreibung noch genauer beschrieben, kann die Erfindung auf Nutzfahrzeuge, insbesondere Lastkraftwagen, angewendet werden, sie kann jedoch natürlich auch bei Privatfahrzeugen Vorteile bieten.
Stand der Technik
Im Allgemeinen können die automatisierten Spurfolgesysteme arbeiten, indem sie die auf der Fahrbahn gezogenen Bodenmarkierungslinien benutzen, um die Verkehrswege zu definieren.
So sind Assistenzsysteme für die Lenkung bekannt, die Kameras verwenden, welche dazu bestimmt sind, die Position der Linien, die sich beiderseits des Fahrzeugs befinden, zu überwachen, und den Verkehrsweg definieren. Die Analyse der von diesen Kameras erstellten Bilder ermöglicht die Bestim mung der relativen Position des Fahrzeugs im Verhältnis zu diesen beiden Bezugspunkten. Diese Position kann mit einer theoretischen Spur verglichen werden, die aus den Bildern dieser beiden auf der Fahrbahn gezogenen Linien interpoliert wird. Diese theoretische Spur befindet sich gewöhnlich im wesentlichen in der Mittelposition im Verhältnis zu diesen beiden auf der Fahrbahn gezogenen Linien. Folglich ist es möglich, durch Einwirkung auf die Einschlagsteuerung des Fahrzeugs die Abweichung zwischen der gemessenen Spur und der theoretischen Spur zu minimieren.
Es ist begreiflich, dass die Entfernung, auf welche die Messung dieser Abweichung erfolgt, von Bedeutung ist, da sie Auswirkungen auf verschiedene Aspekte der gesamten Einschlagsteuerungskette hat. Wenn nämlich diese Messung in nächster Nähe des aktuellen Fahrzeuglängsbereichs und somit unter möglichst naher "Peilung" erfolgt, braucht man eine sehr reaktive Steuerung. Dieser Faktor führt folglich zur Anwendung einer Messung weiter vorne, da die Tatsache einer reaktiven Steuerung eine hohe Empfindlichkeit des Systems gegenüber jeglichen Störungen und insbesondere gegenüber Störungen bei der Messung der Position des Fahrzeugs mit sich bringt.
Jedoch erfasst man dann nicht den Verlauf der tatsächlichen Spur des Fahrzeugs zwischen seiner gegenwärtigen Position und der Zone der Erfassung des Bodenmarkierungsbildes, wobei die Veränderung potentiell größer ist, wenn der Peilabstand größer ist. Man versteht also, dass zwei widersprüchliche Tendenzen bestehen.
Außerdem erfordert die Analyse der Bilder des Sichtsystems komplexe Abläufe der Verarbeitung und Filterung und benötigt folglich eine relativ lange Rechenzeit. Diese Rechenzeit ist von der für das Sichtsystem verwendeten Technologie, der Genauigkeit der Messung oder auch von der Häufigkeit ihrer Wiederholung abhängig. Die CCD-Zellen der Sichtkameras können nämlich nicht zu schnell aktualisiert werden, daher eine längere Verarbeitungszeit. Diese Rechenzeit kann länger sein als die Zeit, die notwendig ist, um die Strecke zu durchfahren, die das Fahrzeug von der Peilzone trennt, insbesondere bei erhöhter Geschwindigkeit. Anders gesagt: Die von dem Meßsystem erstellte Information kann verfügbar sein, wenn das Fahrzeug die Position, auf die bezogen sie berechnet wurde, bereits passiert hat. Deshalb ist es erforderlich, Messungen mit Bezugspunkten durchzuführen, die sich in ausreichender Entfernung vom Fahrzeug befinden, um die Rechenzeit zu kompensieren.
Anders ausgedrückt: Man versteht, dass eine statische Positionsmessung für einen gegebenen Peilabstand ermittelt werden kann, dass aber die dynamische Messung durch die Zeit für die Positionsberechnung und die Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs verfälscht wird. Dieses Phänomen verstärkt sich mit der Geschwindigkeit.
Zudem erfolgt die Verlängerung dieser Peilabstände auf Kosten der Genauigkeit bei der Berechnung der Abweichung, da ja das Fahrzeug in der Zwischenzeit eine Spur aufweisen kann, die sich verändert hat.
Aus dem Dokument US 2002/0041229A ist außerdem ein Verfahren zur Schätzung der Abweichung zwischen der Position eines Fahrzeugs und einer theoretischen Spur bekannt, wobei diese Abweichung durch Vergleich einer Evaluierung anhand von Messungen, die von einer Vorrichtung zur Messung der Position des Fahrzeugs im Verhältnis zu straßengebundenen Bezugspunkten erstellt wurden, und einer Evaluierung der gegenwärtigen Position des Fahrzeugs bestimmt wird.
Zur Erleichterung der Steuerung kann es überdies interessant sein zu versuchen, eine Spurabweichung auf eine (von dem Benutzer definierte) gegebene Entfernung vor dem Fahrzeug zu berechnen, mit der Möglichkeit, diese auf Wunsch zu verändern, um eine an die Fahrzeuggeschwindigkeit angepasste Information zu erhalten.
Das Problem, das also die Erfindung zu lösen beabsichtigt, ist der Erhalt einer Evaluierung der Abweichung, die zugleich genau ist und die mit verringerten Rechenzeiten und auf eine parametrierbare Entfernung erhältlich ist.
Eines der Ziele der Erfindung ist es, eine gefilterte Messung des Systems zu gewährleisten, die folglich von dem Steuerungssystem leicht verwertet werden kann, ohne jedoch diese Messung deshalb zu verlangsamen.
Darlegung der Erfindung
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Schätzung der Abweichung zwischen der Position eines Fahrzeugs und einer theoretischen Spur.
Erfindungsgemäß wird diese Abweichung durch das Verknüpfen zweier Komponenten ermittelt.
Eine erste Komponente entspricht Messungen, die von einer Vorrichtung zur Messung der Position des Fahrzeugs im Verhältnis zu straßengebundenen Bezugspunkten erstellt werden.
Eine zweite Komponente ist eine Schätzung des Verlaufs der Fahrzeugspur anhand von mechanischen Modellierungsparametern des Fahrzeugs sowie von kinematischen Parametern des Fahrzeugs wie Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder Einschlagwinkel seiner Lenkachse.
Die Erfindung besteht anders gesagt darin, die charakteristische Abweichung zu ermitteln, indem nicht nur die von dem Messsystem erstellten tatsächlichen Messdaten berücksichtigt werden, sondern diese auch mit einer Evaluierung verknüpft werden, die anhand eines Modells der Kinematik und der Dynamik des Fahrzeugs erfolgt, das seinerseits kinematische Informationen verwendet, die von Messsystemen von der Art eines Geschwindigkeitssensors oder Trägheitsnavigationssystems erstellt werden, was keine rechenzeitaufwändige Filterung und Analyse erfordert.
So wird diese Abweichung berechnet, indem tatsächliche Messergebnisse verknüpft werden, die man folglich nicht auf sehr anspruchsvolle Weise filtern muss, da sie ja mit einer Schätzung verknüpft werden, die anhand der kinematischen Mechanik vorgenommen wird und mit großer Zuverlässigkeit und quasi ohne Verzögerung erhalten wird.
In einem speziellen Fall kann die Vorrichtung zur Messung der Position des Fahrzeugs diese Position ermitteln, indem sie straßengebundene Bezugspunkte erfasst, die sich in einer vorbestimmten Entfernung vor dem Fahrzeug befinden. Diese Entfernung kann entsprechend dem CCD-Sensor der Kameras des Sichtsystems, der Kameraoptik, der Verarbeitungsdauer etc. optimiert werden. Diese Entfernung wird ausreichend groß gewählt, um die Verarbeitungen und weitere Filterungen der Informationen zu ermöglichen, die von der Vorrichtung zur Realmessung stammen. Anders ausgedrückt: Die von dem Sichtsystem durchgeführten Verarbeitungen können sich auf jene beschränken, die absolut erforderlich sind, um eine zuverlässige Information zu erhalten.
Vorteilhafterweise berücksichtigt in der Praxis das Modell, welches die Schätzung des Spurverlaufs liefert, verschiedene kinematische Parameter, insbesondere die Giergeschwindigkeit.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Art und Weise der Durchführung der Erfindung sowie die sich daraus ergebenden Vorteile werden gut aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsform ersichtlich, die als Beispiel gegeben wird und nicht einschränkend ist.
Diese Ausführungsform wird mit Unterstützung der beigefügten Figuren erläutert, wobei:
1 ein vereinfachtes Blockschema ist, das die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem speziellen Ausführungsfall zeigt;
2 eine schematische Darstellung der verschiedenen kinematischen Parameter ist, die in einem speziellen Modell verwendet werden, das bei einer Durchführung der Erfindung zur Anwendung kommt.
Art und Weise der Durchführung der Erfindung
Wie bereits erwähnt, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Schätzung der relativen Position eines Fahrzeugs im Verhältnis zu einer theoretischen Spur, das insbesondere bei einem Fahrzeug verwendet werden kann, das mit einem automatischen Spurfolgesystem ausgestattet ist. Jedoch – und wie bereits erwähnt – kann dieses Verfahren auch für andere Zwecke Anwendung finden.
So verwendet das Verfahren, wie in 1 dargestellt, auf herkömmliche Weise eine Stufe 1, die ein oder mehrere Steuersignale für ein Stellorgan 2 erzeugt, das auf den Lenkeinschlag des Fahrzeugs einwirkt. Es kann sich insbesondere um einen Zylinder handeln, der den Einschlagwinkel der Leiträder verändert.
Erfindungsgemäß wird der Spurverlauf des Fahrzeugs 3 durch wenigstens zwei Vorrichtungen unterschiedlicher Art ermittelt. So erstellt eine erste Vorrichtung 4 eine Messung anhand von straßengebundenen Bezugspunkten. Diese Bezugspunkte können ortsfest sein und von den Bodenmarkierungslinien gebildet werden.
Allgemeiner ausgedrückt, soll das erfindungsgemäße Verfahren Informationen erhalten, die von einer Vorrichtung zur Messung der Spur im Verhältnis zu einem festen Bezugs system stammen, wobei diese Vorrichtung sehr variabel und unabhängig von den Mitteln sein kann, welche die Durchführung des Verfahrens der Erfindung gewährleisten.
Diese Messungen werden anschließend gefiltert 6 und analysiert, um eine Variable y_r zu erstellen, welche die Abweichung der Position des Fahrzeugs von der theoretischen Spur repräsentiert, die hinsichtlich dieser festen Bezugspunkte definiert wurde.
Eine zweite Messvorrichtung 7 ermöglicht das Erstellen von Parametern bezüglich der Kinematik des Fahrzeugs, um den Spurverlauf des Fahrzeugs vorherzusagen. Diese Messvorrichtung ist im weiten Sinne aufzufassen. Die Informationen können nämlich von verschiedenen Sensoren erzeugt werden, die im Innern des Fahrzeugs vorhanden sind und für andere Funktionen verwendet werden. Genannt werden können insbesondere ein Geschwindigkeitssensor, der Tachymetriezwecken dient, oder auch ein Trägheitsnavigationssystems, das die Informationen bezüglich der Beschleunigung des Fahrzeugs liefert und ebenfalls bei der Spursteuerung verwendet wird. Ebenso kann eine von dem Sichtsystem gelieferte relative Information in diesem Zusammenhang brauchbar sein und Informationen ersetzen, welche die Giergeschwindigkeit betreffen. Es ist zum Beispiel die Spurkrümmung zu erwähnen, die durch Analyse der von den Kameras stammenden Bilder bestimmt werden kann.
Diese Informationen werden durch ein theoretisches Modell 8, das eine mechanische Modellierung des Fahrzeugs verwendet, rechnerisch verarbeitet. Dieses Modell ermöglicht es, eine Schätzung des Spurverlaufs zu erstellen, indem nur die kinematischen Parameter berücksichtigt werden und die von der anderen Vorrichtung durchgeführten Messungen außer Acht gelassen werden.
Erfindungsgemäß werden die von der spezifischen Vor richtung 6 gemessene Abweichung y_r und die berechnete Schätzung 8 des Spurverlaufs verknüpft 9, um eine Variable zu erstellen, die der geschätzten Abweichung zwischen der Position des Fahrzeugs und der theoretischen Spur in einer Entfernung 1 vor dem Fahrzeug entspricht.
Es ist wichtig anzumerken, dass sich diese geschätzte Abweichung aus der Verknüpfung zweier verschiedener Komponenten ergibt. Eine erste Komponente stammt von Messungen, die von einer Vorrichtung 4 erstellt wurden, was umfangreiche Verarbeitungen und Filterungen mit sich bringt, die auf die Technologie der CCD-Sensoren, nämlich der Bildanalysevorrichtungen zur Verfolgung der Bodenmarkierungen zurückzuführen sind. Diese erste Komponente wird mit einer zweiten Komponente verknüpft, die aus einer theoretischen Berechnung 8 anhand der kinematischen Messung von größerer Genauigkeit und Zuverlässigkeit stammt.
Anders gesagt: Die Informationen, die von dem Messsystem zur Verfolgung der Bodenmarkierungslinien stammen, können weniger gründlich gefiltert werden als in dem Fall, wo sie die einzigen zur Spurfolge verwendeten Informationen wären.
Folglich ist es möglich, Informationen zu verwenden, die mit einem geringeren Filterungsgrad verarbeitet wurden und die daher auf eine relativ kurze Entfernung in der Größenordnung von einigen zehn Metern vor dem Fahrzeug gemessen werden können.
Ein Modellbeispiel für das Fahrzeug kann das folgende sein, in Verbindung mit den in 2 dargestellten Variablen. Dieses Modell verwendet die nachstehend definierten geometrischen und mechanischen Daten:

M (kg):: Gesamtmasse des Fahrzeugs
I_ψ (N·m):: Trägheit des Fahrzeugs um eine vertikale Achse, die durch seinen Gewichtsschwerpunkt G verläuft.
L₁ (m):: Abstand von G zur Vorderachse
L₂ (m):: Abstand von G zur Hinterachse
B₁ (m):: vorderer Radstand
B₂ (m):: hinterer Radstand
D₁ (N/rad):: Schräglaufsteifigkeit vorn
D₂ (N/rad):: Schräglaufsteifigkeit hinten
Bal (m):: vorderer Schwankradius
l_c (m):: Peilabstand des Systems zur Verfolgung der Bodenmarkierungslinien, auch "Vorschauabstand" genannt.

Das Modell verwendet die folgenden kinematischen Variablen:

δ_f (rad):: Einschlagwinkel, den die Räder mit der Längsachse des Fahrzeugs bilden.
V (m/s):: Geschwindigkeit des Fahrzeugs
ψ . (rad/s):: Giergeschwindigkeit, das heißt die Drehgeschwindigkeit des Fahrzeugs um seinen Schwerpunkt gemäß einer vertikalen Achse.
β (rad):: Schwimmwinkel, den der Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeugs mit seiner Längsachse bildet.
γ_t (m/s²):: Seitenbeschleunigung, gemessen am Schwerpunkt G.
y_r (m):: Abweichung in Bezug auf die Spur
ψ_L (rad):: Relativwinkel Fahrzeug/Spur
ψ_d (rad/s):: Giergeschwindigkeit der Spur

Das mechanische Modell, das die allgemeinen Gesetze der Mechanik angewendet auf die Gruppe der obigen Variablen wiedergibt, lässt sich durch die Verknüpfung der folgenden Gleichungen ausdrücken: My1 = Fy1 + Fy2
Vx(δj α1) = Vxβ + I1ψ . Vxα2 = Vxβ – L2ψ . γi = V(ψ . + β .
Die zugehörige Zustandsgleichung, unter Vernachlässigung kleiner Winkel und unter Annahme kleiner Winkel, ist die folgende:
Andererseits ist die Gleichung, welche die Abweichung in Bezug auf die Spur bestimmt, durch: ψ ._L = ψ . – ψ ._d und γ ._r = V(β + ψ_L) + l_c ψ . gegeben.
Um die Verarbeitung der Messungen durchzuführen, verwendet man einen Beobachter des Zustandsvektors X = [ψ . β ψ_L y_r]. Die Messungen, die erforderlich sind, um diesen Beobachter zu realisieren, sind die Giergeschwindigkeit ψ ., die Abweichung in Bezug auf die Spur y_r, der Einschlagwinkel der Räder δ_f, und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs V. Man wird bemerken, dass es möglich ist, durch Verwendung der Spurkrümmung Ψ_L die Leistungen des Beobachters zu verbessern. Dieser Beobachter wird in Form von Differentialgleichungen geschrieben:
Die Wahl der Verstärkungen des Vektors K_obs des Beobachters erfolgt durch Anwendung der klassischen Steuerungsprinzipien, zum Beispiel durch das Verfahren der Vorgabe robuster Pole oder durch Aufstellen eines linear-quadratischen Optimierungsproblems (LQ-Problems).
Der Beobachter ermöglicht eine Befreiung von kostspieligen Vorrichtungen zur Verarbeitung der Bilder der Kamera, die eine Neuzusammensetzung eventueller Nutzinformationen erlauben würde. Andererseits werden die von dem Beobachter gelieferten Informationen natürlich entsprechend der bei der Konzeptionierung gewählten Regelung gefiltert. Dies ermöglicht eine Reduktion unerwünschter Effekte, die auf die verwendeten Sensoren zurückzuführen sind. Die von dem Bilderfassungssystem stammenden Rohdaten können quasi direkt vom Beobachter verwertet werden.
Überdies können die Leistung des Systems sowie die Qualität der Schätzungen durch ergänzende digitale Verarbeitung verbessert werden. Diese Art der Verarbeitung kann bestimmte Funktionsstörungen des Bilderfassungssystems berücksichtigen. Wenn man zum Beispiel das Bild einer der beiden Bodenmarkierungslinien verliert, kann man es virtuell rekonstruieren, indem man seinen Wert anhand der verbleibenden Linie und der zuvor gemessenen Fahrbahnbreite berechnet. Im gleichen Sinne kann das Fahrzeugmodell anhand weiterer Informationen wie zum Beispiel der Schätzung der Masse des Fahrzeugs, der Erfassung der Bodenhaftung etc. verfeinert oder vereinfacht werden.
Zudem lassen sich oft beträchtliche Verzögerungen feststellen, denen die von der Kamera gelieferten Messungen unterliegen, da die Bildverarbeitsvorgänge im allgemeinen ziemlich lang sind. Diese Verarbeitung der Eingangsdaten des Beobachters ermöglicht eine Anpassung der Abtastfrequenz der Messungen. Die von einer Kamera gelieferte Messung der seitlichen Abweichung ist nämlich gewöhnlich stark verzögert und schlecht getaktet.
Der Vorteil des Verfahrens mit Beobachter ist, dass es sich leicht an jede Art von Bilderfassungssystem anpassen lässt. Bei einem neuen System müssen lediglich die Parameter des Vektors K_obs neu definiert werden, wobei insbesondere die Dynamik seiner Sensoren berücksichtigt wird. Das dynamische Modell des Fahrzeugs ist seinerseits ebenfalls leicht hinsichtlich weiterer Anwendungen anpassbar.
In der Praxis ist die Verwendung der Messungen der Fahrzeuggeschwindigkeit V, der absoluten Abweichung y_r und der Giergeschwindigkeit ψ, obwohl mit den existierenden Vorrichtungen am leichtesten erreichbar, nicht die einzig mögliche Kombination zur Durchführung der Erfindung. Es können andere Variablen verwendet werden, sofern sie die Bedingungen der Beobachtbarkeit erfüllen.
Aus dem Vorangegangenen wird ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine Verbesserung der Leistung der Spurfolgesysteme ermöglicht, da es gestattet, die Ab weichung im Verhältnis zur theoretischen Spur zu ermitteln, indem eine Peilung auf eine gewählte Entfernung vom Fahrzeug – mit folglich einer besseren Genauigkeit – und in einer Zeit durchgeführt wird, die geringer ist als bei existierenden Systemen. Der Nutzen der Erfindung ist, dass sie eine Messung der Position kurz vor dem Fahrzeug und unabhängig von dessen Geschwindigkeit liefert. Die Erfindung ermöglicht eine Befreiung von bestimmten Zwängen, die mit dem Bildverarbeitungssystem verbunden sind, mit möglichen Einsparungen bei den Kosten und bei der Rechenzeit. Sie ermöglicht es außerdem, unabhängig vom Sichtsystem den Ort zu wählen, wo man die Schätzung der Position erhält, die von dem Sichtsystem stammenden Daten, die oft nicht sehr sauber und schlecht sequenziert sind, zu verarbeiten und eine gut formatierte, von der Spursteuerung verwertbare Information zu erzeugen. Sie gewährleistet eine Interpretation der Abweichung (unabhängig von ihrer Art und dem Ort, wo die Messung erfolgt) und eine Filterung, um eine gewünschte Schätzung vor dem Fahrzeug durchzuführen.

Claims

Verfahren zur Schätzung der Abweichung, die zwischen der Position eines Fahrzeugs und einer theoretischen Spur ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese Abweichung durch Verknüpfung von: • Messungen, die von einer Vorrichtung zur Messung der Position des Fahrzeugs im Verhältnis zu straßengebundenen Bezugspunkten erstellt werden, • einer Schätzung des Verlaufs der Fahrzeugspur anhand der Geschwindigkeit und des Einschlagwinkels der Lenkachse ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Messung der Position des Fahrzeugs eine Messung der Position des Fahrzeugs erstellt, indem sie straßengebundene Bezugspunkte, die sich vor dem Fahrzeug in einer vorbestimmten Entfernung (l_c) befinden, erfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Entfernung veränderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Entfernung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs veränderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die straßengebundenen Bezugspunkte von den Bodenmar kierungslinien gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Schätzung des Verlaufs der Fahrzeugspur die Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs berücksichtigt wird.