WO2016180596A1 - Bestimmen einer trajektorie für ein fahrzeug - Google Patents

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Markus BELKNER
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Abstract

Es wird automatisch eine Trajektorie für ein Fahrzeug (10) bestimmt, wobei die Trajektorie einen Startpunkt (SP), der der aktuellen Position des Fahrzeugs (10) entspricht, mit einem Zielpunkt (ZP) verbindet. Dabei werden folgende Schritte durchgeführt: Bestimmen mehrerer Zwischenpunkte (1.1-1.3, 2.1-2.3). Bestimmen von mindestens einer ersten Teiltrajektorie, welche den Startpunkt (SP) mit einem der Zwischenpunkte (1.1-1.3, 2.1-2.3) verbindet. Bestimmen von mehreren zweiten Teiltrajektorien, welche den Zielpunkt (ZP) mit jeweils einem der Zwischenpunkte (1.1-1.3, 2.1-2.3) verbinden. Bestimmen der Trajektorie, indem eine der mindestens einen ersten Teiltrajektorie und eine der zweiten Teiltrajektorien gewählt werden. Ansteuern mindestens einer Komponente (3) des Fahrzeugs (10) auf Basis der bestimmten Trajektorie. Dabei enden an jedem Zwischenpunkt (1.1-1.3, 2.1-2.3) mindestens zwei Teiltrajektorien.

Description

Beschreibung
Bestimmen einer Trajektorie für ein Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft die Bestimmung von Trajektorien, insbesondere von Ausweichtrajektorien für ein Ausweichmanöver, um mit einem Fahrzeug im Wesentlichen automatisch beispielsweise vor einem Hindernis auszuweichen.
Die DE 10 2004 027 250 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum unterstützten Steuern eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird ein Soll-Fahrpfad mit einem Startpunkt und einem Zielpunkt bestimmt. Wenn eine Ist-Position von dem Soll-Fahrpfad abweicht, wird mit einem Abweichungskreisbogen sowie einem ersten und einem zweiten Korrekturkreisbogen ein korrigierter Soll-Fahrpfad ausgegeben.
Die DE 10 2004 027 983 A1 beschreibt die Erkennung von von einem Fremdfahrzeug durchgeführten Spurwechselvorgängen. Dazu werden Trajektorien von Fremdfahrzeugen bestimmt, um abhängig davon ein Spurwechselverhalten dieser Fremdfahrzeuge zu beschreiben. Dabei wird zur Bestimmung einer Spurwechselgröße mit einem proballistischen Netzwerk gearbeitet, in welchem Beobachtungsgrößen und/oder deren Varianzen miteinander verknüpft werden.
Die 100 36 276 A1 beschreibt ein automatisches Brems- und Lenksystem, wobei im Fall eines Hindernisses im Fahrweg des Fahrzeugs gemäß einer hinterlegten Ausweichstrategie selbsttätig ein Ausweichweg zur Umfahrung des Hindernisses gefahren wird. Dabei wird für den Fall, dass ein kollisionsfreier Ausweichweg nicht auffindbar ist, unter mehreren Alternativen der Ausweichweg gewählt.
Die DE 10 2007 058 538 A1 offenbart ein Verfahren zum Kontrollieren einer Gefahrensituation im Verkehr, an der eine Anzahl Fahrzeuge beteiligt ist. Dabei werden für jedes Fahrzeug Trajektorien zum Ausweichen bestimmt und unter gegenseitiger Abstimmung eine Alternative für die Trajektorie ausgewählt. Die DE 10 201 1 081 159 A1 beschreibt die Durchführung eines Ausweichmanövers eines Kraftfahrzeugs, wobei ein optimaler Trajektorienabschnitt für das Ausweichmanöver mittels eines nichtlinearen Programms ermittelt wird.
Die DE 10 2013 214 225 A1 offenbart die Ermittlung einer Ausweichtrajektorie eines Fahrzeugs in Bezug auf ein Hindernis. Dabei wird auf Basis von Zustandsdaten, eine Stellgröße zur Beeinflussung der Bewegung des Fahrzeugs entlang der Ausweichtrajektorie bestimmt.
Die DE 10 2006 034 254 A1 beschreibt die Durchführung eines Ausweichmanövers eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird eine Bahn für das Ausweichmanöver bestimmt. Die Bahn ist durch eine Sigmoide gegeben, deren Gestalt durch einen Parameter bestimmt wird. Ein Startpunkt, an dem das Ausweichmanöver gestartet wird, wird in Abhängigkeit von der ermittelten Bahn bestimmt.
Bei Kollisionen von Fahrzeugen mit Hindernissen oder mit anderen Fahrzeugen werden immer noch Unfälle mit einem hohen Personen- und/oder Sachschaden verursacht. Als Beispiel sind riskante Überholmanöver auf Landstraßen oder das zu schnelle Auffahren auf ein Stauende auf einer Autobahn zu nennen. Nach dem Stand der Technik wird in solchen Fällen eine Ausweichtrajektorie berechnet, um den Fahrer abhängig von dieser Ausweichtrajektorie zu unterstützen, um dadurch einen Unfall zu vermeiden oder zumindest die Folgen eines Unfalls abzumildern.
Bei bekannten Verfahren wird bei Erkennen eines Hindernisses eine Ausweichtrajektorie für das Fahrzeug bestimmt, um das Fahrzeug entlang dieser Ausweichtrajektorie automatisch am Hindernis vorbei zu führen. Wird nun bei der automatischen Fahrt entlang der Ausweichtrajektorie ein weiteres Hindernis erkannt, kann bei vielen bekannten Verfahren darauf nicht mehr reagiert werden oder aber eine Neuberechnung der Ausweichtrajektorie ist zu zeitaufwendig, so dass ein Zusammenstoß mit dem weiteren Hindernis in der Regel nicht verhindert werden kann.
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Bestimmung einer Trajektorie oder Ausweichtrajektorie für ein Fahrzeug zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum automatischen Bestimmen einer Trajektorie nach Anspruch 1 und durch ein System nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum automatischen Bestimmen einer Trajektorie für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei wird mit der zu bestimmenden Trajektorie ein Startpunkt, welcher der aktuellen Position des Fahrzeugs entspricht, mit einem Zielpunkt verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:
• Bestimmen mehrerer Zwischenpunkte.
• Bestimmen von einer oder von mehreren ersten Teiltrajektorien. Dabei verbindet die erste Teiltrajektorie den Startpunkt mit einem der Zwischenpunkte, wenn nur eine erste Teiltrajektorie bestimmt wird. Oder jede dieser ersten Teiltrajektorien verbindet den Startpunkt mit jeweils einem anderen der Zwischenpunkte, wenn mehrere erste Teiltrajektorien bestimmt werden.
• Bestimmen von mehreren zweiten Teiltrajektorien, wobei jede dieser zweiten Teiltrajektorien den Endpunkt mit jeweils einem anderen der Zwischenpunkte verbindet.
• Bestimmen der Trajektorie, indem die erste Teiltrajektorie gewählt wird, wenn es nur eine erste Teiltrajektorie gibt, und indem aus den ersten Teiltrajektorien eine erste Teiltrajektorie gewählt wird, wenn es mehrere erste Teiltrajektorien gibt, und indem aus den zweiten Teiltrajektorien eine zweite Teiltrajektorie gewählt wird. Die gewählte erste und die gewählte zweite Teiltrajektorie bilden dann jeweils zumindest einen Teil der bestimmten Trajektorie.
• Ansteuern einer Komponente (z. B. der Lenkung) des Fahrzeugs abhängig von der bestimmten Trajektorie.
Erfindungsgemäß verbindet jede Teiltrajektorie entweder
• den Startpunkt mit einem Zwischenpunkt oder
• zwei Zwischenpunkte oder
• einen Zwischenpunkt mit dem Zielpunkt.
Indem erfindungsgemäß nicht nur die zu bestimmende Trajektorie, sondern beispielsweise auch zumindest eine zweite Teiltrajektorie bestimmt wird, welche nicht Teil der bestimmten Trajektorie ist, kann im Fall einer Umplanung diese zweite Teiltrajektorie eingesetzt werden, ohne sie vorher berechnen bzw. bestimmen zu müssen. Daher kann eine Umplanung oder Neuberechnung der Trajektorie schneller durchgeführt werden, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Allgemein ist jeder Zwischenpunkt so definiert, dass an jedem Zwischenpunkt zwei oder mehr Teiltrajektorien enden. Um an einem Zwischenpunkt allerdings eine Umplanung vornehmen zu können, müssen an diesem Zwischenpunkt mindestens drei (d.h. drei oder mehr) Teiltrajektorien enden. Daher kann jeder Zwischenpunkt gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform auch so definiert sein, dass ein Zwischenpunkt nur dann ein Zwischenpunkt ist, wenn an ihm mindestens drei Teiltrajektorien enden.
Erfindungsgemäß können weitere Teiltrajektorien bestimmt werden, welche jeweils zwei der Zwischenpunkte verbinden. Dann kann die zu bestimmende Trajektorie nicht nur aus der ersten Teiltrajektorie und der zweiten Teiltrajektorie, sondern zusätzlich aus einer oder aus mehreren dieser weiteren Teiltrajektorien zusammengesetzt werden.
Je mehr Zwischenpunkte und je mehr Teiltrajektorien vorhanden sind, desto mehr Möglichkeiten existieren, um die Trajektorie zu bestimmen. Je mehr Möglichkeiten existieren, um die Trajektorie zu bestimmen, desto besser kann die zu bestimmende Trajektorie vorgegebenen Randbedingungen (z.B. keine Kollision mit einem Hindernis, möglichst geringe auf das Fahrzeug ausgeübte Beschleunigungskräfte) genügen.
Vorteilhafterweise wird jede der Teiltrajektorien bestimmt, bevor die Trajektorie selbst bestimmt wird. Mit anderen Worten werden die erste(n) Teiltrajektorie(n), die zweiten Teiltrajektorien und die weiteren Teiltrajektorien zuerst bestimmt, bevor die Trajektorie anhand dieser Teiltrajektorien bestimmt wird.
Beispielsweise können die Zwischen punkte in Form von Gitterpunkten eines Gitters insbesondere zwischen dem Startpunkt und dem Zielpunkt angeordnet werden. Wenn dann Teiltrajektorien bestimmt werden, welche jeweils benachbarte Zwischenpunkte verbinden, stehen vorteilhafterweise zum einen der zu bestimmenden Trajektorie zahlreiche Möglichkeiten (in Form zahlreicher Teiltrajektorien) zur Verfügung und zum anderen existieren bei einer Fahrt auf der bestimmten Trajektorie jeweils zahlreiche Teiltrajektorien, um die bestimmte Trajektorie anhand dieser Teiltrajektorien rasch umplanen zu können.
Wenn beispielsweise auf einer Fahrt des Fahrzeugs auf der bestimmten Trajektorie erfasst wird, dass diese Trajektorie nicht befahrbar ist (da sich auf dieser Trajektorie ein bisher noch nicht erfasstes Hindernis befindet), kann die Trajektorie rasch neu bestimmt oder ungeplant werden. Dazu wird für einen Zwischenpunkt, welcher sich auf einem noch nicht befahrenen Teil der aktuell bestimmten Trajektorie befindet, der vor dem nicht befahrbaren Teil der Trajektorie liegt, eine andere Teiltrajektorie gewählt, so dass die neu bestimmte Trajektorie befahrbar ist.
Durch die vorherige Bestimmung der Teiltrajektorien kann quasi an jedem Zwischenpunkt (mit mehr als zwei Teiltrajektorien) ein anderer Weg zum Zielpunkt gewählt werden. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren viel schneller in der Lage, bei einem plötzlich auftauchenden Hindernis die Trajektorie neu derart zu bestimmen, dass die neue bestimmte Trajektorie um das Hindernis herum verläuft, als wenn vorher noch die Teiltrajektorien selbst bestimmt werden müssten, wie es im Stand der Technik der Fall ist.
Vorteilhafterweise befinden sich die Zwischenpunkte auf einer Fahrbahn oder auf einem fahrbaren Untergrund, auf welchem sich das Fahrzeug gerade befindet. Dabei kann einer oder können mehrere der Zwischenpunkte in Fahrtrichtung des Fahrzeugs gesehen auf dem linken oder rechten seitlichen Rand dieses fahrbaren Untergrunds vorhanden sein.
Indem die Zwischen punkte auf dem fahrbaren Untergrund angeordnet werden, kann vorteilhafterweise in der Regel sehr einfach sichergestellt werden, dass die mit diesen Zwischenpunkten bestimmten Teiltrajektorien ebenfalls auf dem fahrbaren Untergrund verlaufen.
Ein Teil der Zwischenpunkte oder auch jeder der Zwischen punkte kann neben seiner Lage auf der Fahrbahn oder auf dem fahrbaren Untergrund durch eine Fahrzeugausrichtung definiert sein. Dabei bestimmt die Fahrzeugausrichtung jeweils die Ausrichtung des Fahrzeugs, welche vorliegt, wenn sich das Fahrzeug entlang einer Teiltrajektorie bewegt, die an dem jeweiligen Zwischenpunkt beginnt oder endet. Eine Teiltrajektorie, kann nur dann mit einer anderen Teiltrajektorie verbunden werden, wenn die eine Teiltrajektorie am selben Zwischenpunkt endet, an welchem die andere Teiltrajektorie beginnt, wobei der Zwischenpunkt auch durch die Fahrzeugausrichtung definiert ist. Mit anderen Worten kann die eine Teiltrajektorien nur dann mit der anderen Teiltrajektorie verbunden werden, wenn die Fahrzeugausrichtung am Ende der einen Teiltrajektorie der Fahrzeugausrichtung am Beginn der anderen Teiltrajektorie entspricht.
Durch die Berücksichtigung der Fahrzeugausrichtung in den Zwischenpunkten kann die Bestimmung der Trajektorie vorteilhafterweise besser an die Realität angepasst werden.
Neben der Lage und der Fahrzeugausrichtung kann ein Zwischenpunkt auch durch einen Zeitpunkt und/oder durch eine Geschwindigkeit definiert werden. Dabei bestimmt der Zeitpunkt des Zwischenpunkts denjenigen Zeitpunkt, zu dem das Fahrzeug an dem Zwischenpunkt ankommt, wenn das Fahrzeug entlang einer an dem Zwischenpunkt endenden Teiltrajektone fährt, oder denjenigen Zeitpunkt, an dem das Fahrzeug an dem Zwischenpunkt losfährt, wenn das Fahrzeug entlang einer an dem Zwischenpunkt beginnenden Teiltrajektone fährt. In ähnlicher Weise bestimmt die Geschwindigkeit des Zwischenpunkts diejenige Geschwindigkeit, mit welcher das Fahrzeug an dem Zwischenpunkt ankommt, wenn das Fahrzeug entlang einer an dem Zwischenpunkt endenden Teiltrajektone fährt, oder diejenige Geschwindigkeit, mit welcher das Fahrzeug an dem Zwischenpunkt losfährt, wenn das Fahrzeug entlang einer an dem Zwischenpunkt beginnenden Teiltrajektone fährt. Wie im Fall der Fahrzeugausrichtung gilt auch für den Zeitpunkt bzw. die Geschwindigkeit, dass eine Teiltrajektone nur dann mit einer anderen Teiltrajektone verbunden werden kann, wenn der Zeitpunkt bzw. die Geschwindigkeit am Ende der einen Teiltrajektone dem Zeitpunkt bzw. der Geschwindigkeit am Beginn der anderen Teiltrajektone entspricht.
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird jede mögliche Trajektorie (d.h. jede Trajektorie, welche das Fahrzeug vom Startpunkt zum Zielpunkt fahren kann) in Form eines graphentheoretischen Baumes abgespeichert. Dabei entspricht die Wurzel des Baumes dem Startpunkt und die Blätter des Baums bzw. jedes Blatt des Baums entspricht dem Zielpunkt. Die inneren Knoten des Baums entsprechen den Zwischenpunkten, oder jeder innere Knoten des Baums entspricht einem der Zwischenpunkte. Dabei entsprechen gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Variante nur diejenigen Zwischen punkte einem inneren Knoten, an welchen mindestens drei Teiltrajektorien enden.
Die erfindungsgemäße Abspeicherung in Form eines graphentheoretischen Baumes ermöglicht folgendes erfindungsgemäßes Vorgehen:
In einem ersten Schritt wird unter allen in Form des Baumes abgespeicherten Trajektorien beispielsweise anhand einer Kostenfunktion eine optimale Trajektorie bestimmt. Diese Trajektorie wird abgefahren, bis das Fahrzeug den Zielpunkt erreicht oder bis beispielsweise anhand eines Hindernisses erkannt wird, dass der restliche Teil der Trajektorie nicht befahrbar ist. Im letzteren Fall kann zur Neuplanung der Trajektorie ein Teilbaum des Baums verwendet werden, dessen Wurzel demjenigen Zwischenpunkt entspricht, an dem sich das Fahrzeug aktuell befindet.
Da dieser Teilbaum bereits vorhanden ist, kann die Neuplanung der Trajektorie äußerst rasch ausgeführt werden. Erfindungsgemäß kann ein Teil der Teiltrajektorien oder auch jede Teiltrajektorie nicht nur durch ihren Anfangspunkt (Startpunkt oder Zwischenpunkt) und ihren Endpunkt (Zwischenpunkt oder Zielpunkt), sondern auch durch weitere Parameter definiert werden. Diese weiteren Parameter können beispielsweise eine Längsbeschleunigung und eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs über der Zeit umfassen, welchen das Fahrzeug ausgesetzt ist, um die jeweilige Teiltrajektorie von ihrem Anfangspunkt zu ihrem Endpunkt zu befahren.
Durch den Einsatz weiterer Parameter kann die Bestimmung der Trajektorie weiter optimiert werden.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass die Umgebung des Fahrzeugs automatisch erfasst wird, wobei dann abhängig von dieser erfassten Umgebung der Zielpunkt bestimmt wird.
Gerade beim vollautomatischen Fahren eines Fahrzeugs sollte auch der Zielpunkt automatisch vorgegeben werden.
Darüber hinaus kann auch das Fahrzeug vollautomatisch (d.h. ohne jegliche Unterstützung des Fahrers) entlang der bestimmten Trajektorie geführt werden.
Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals im Detail erläutert werden.
Dazu wird angenommen, dass ein Fahrzeug auf einer geraden Straße auf ein stehendes Fahrzeug in seinem Fahrstreifen auffährt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Trajektorien geplant, um die Fahrt fortzusetzen. Dazu wird die aktuelle Position des Fahrzeugs zum aktuellen Zeitpunkt als Startpunkt definiert, welcher neben der Position, die durch die Koordinaten x0 und y0 beschrieben wird, durch die aktuelle Geschwindigkeit v0, die aktuelle Beschleunigung a0 und die aktuelle Fahrzeugausrichtung heading0 beschrieben wird. Als Zielpunkt wird ein Punkt auf dem Fahrstreifen bestimmt, welchen das Fahrzeug beispielsweise in 4 Sekunden erreichen soll. Um mehrere Trajektorien zu bestimmen oder zu planen, welche jeweils den Startpunkt mit dem Zielpunkt verbinden, werden Zwischenpunkte (Stützpunkte, Gitterpunkte) bei der Planung verwendet. Diese Zwischenpunkte können durch fahrbare Teiltrajektorien (z.B. Sigmoiden, Polynome) mit Hilfe eines Fahrzeugmodells (z.B. Punktmodell, Punktmasse-Modell, Einspurmodell, Mehrspurmodell, Vollfahrzeugmodell) verbunden werden. Als Polynom kann dazu beispielsweise ein Polynom fünfter Ordnung verwendet werden, wie es in den folgenden Gleichungen (1 ) bis (3) angegeben ist: y"(x) = c0(x - x0)3 + cx (x - x0)2 + c2 (x - x0) + c3 (1 ) y'(x) = ^- (χ - χ0 )4 + ^-(x - x0f + ^-(x - x0f + c3 (x - x0) + c4 (2) (x> = + C4 (X - X0) + C5 (3)
Figure imgf000010_0001
Dabei entspricht x der Position des Fahrzeugs in x-Richtung und y(x) gibt die Position des Fahrzeugs in y-Richtung abhängig von x an. Um die Fahrbarkeit der jeweiligen Teiltrajektorie oder Trajektorie bestimmen zu können, kann die Einhaltung der .Kamm'schen Kreis'-Bedingung vorausgesetzt werden sowie weitere Parameter, wie die Totzeiten der Bremse bzw. Aktuatorik oder Lenk- und Getriebeübersetzung, die Lenkwinkeländerungsgeschwindigkeit oder maximale Beschleunigungen oder Verzögerungen berücksichtigt werden. Bei den Gleichungen (1 ) bis (3) müssen die Parameter c0 bis c5 bestimmt werden. Dazu kann beispielsweise angenommen werden, dass das Fahrzeug im Startpunkt, jedem Zwischenpunkt und dem Endpunkt eine Fahrzeugausrichtung (heading) von 0 aufweist (d.h. in Straßenrichtung fährt und keine Krümmung vorliegt (d.h. das Fahrzeug fährt keine Kurve)). Dann gelten folgende Bedingungen gemäß den Gleichungen (4) bis (7). y(x=x0) = y0 (4)
Figure imgf000010_0002
y'(x=x0) = y'(x=xZp) = 0 (6)
y"(x=x0) = y"(x=xZP) = o (7)
Bei diesen Bedingungen sind die Parameter c3, c4 und C5 jeweils gleich 0, und die Parameter c0, Ci und c2 ergeben sich gemäß der folgenden Gleichungen (8) bis (10).
120 · (8)
ZP - *o )
Figure imgf000010_0003
60 · yz y0 (10)
\XZP xo ) Der Index 0 beschreibt dabei die aktuelle Position des Fahrzeugs (d.h. den Startpunkt oder den aktuellen Zwischenpunkt), und der Index ZP beschreibt den nächsten Zwischenpunkt oder Zielpunkt. Die möglichen Trajektorien können mit einem beliebigen Geschwindigkeitsprofil belegt werden, wobei allerdings die Bedingungen des gewählten Fahrzeugmodells erfüllt sein müssen. Somit ergeben sich zahlreiche Trajektorien, die jeweils eine Verbindung vom Startpunkt zum Zielpunkt darstellen. Aus diesen Trajektorien kann dann mittels einer Kostenfunktion, welche z.B. den Komfort, die Sicherheit und die Effizienz der jeweiligen Trajektorie beschreibt, eine optimale Trajektorie gewählt werden. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Anpassung auf eine sich verändernde Verkehrssituation (z.B. Erfassen eines neuen Hindernisses auf der aktuell gewählten Trajektorie) ohne eine Neuberechnung der Teiltrajektorien gemeistert werden kann, wodurch wertvolle Rechenzeit eingespart wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein System zum Bestimmen einer Trajektorie, mit welcher ein Startpunkt mit einem Zielpunkt verbunden wird, für ein Fahrzeug bereitgestellt. Das erfindungsgemäße System umfasst eine oder mehrere Komponenten des Fahrzeugs und Steuermittel. Die Steuermittel sind ausgestaltet, um den Startpunkt als die aktuelle Position des Fahrzeugs zu bestimmen und um den Zielpunkt zu bestimmen. Die Steuermittel sind weiter ausgestaltet, um mehrere Zwischenpunkte zu bestimmen, um eine oder mehrere erste Teiltrajektorien und um mehrere zweite Teiltrajektorien zu bestimmen. Dabei verbindet bzw. verbinden der bzw. die erste(n) Teiltrajektorie(n) den Startpunkt mit jeweils einem der Zwischenpunkte, während die zweiten Teiltrajektorien jeweils einen der Zwischenpunkte mit dem Zielpunkt verbinden. Die Steuermittel sind weiter ausgestaltet, um die Trajektorie durch die Auswahl der oder einer der ersten Teiltrajektorien und einer der zweiten Teiltrajektorien zu bestimmen und um die Komponente(n) des Fahrzeugs abhängig von der bestimmten Trajektorie anzusteuern.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems entsprechen dabei den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Steuermittel erste Kommunikationsmittel, welche innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sind, und Verarbeitungsmittel, welche wiederum zweite Kommunikationsmittel aufweisen. Die Verarbeitungsmittel sind dabei außerhalb des Fahrzeugs angeordnet und ausgestaltet, um die Teiltrajektorien zu bestimmen. Die ersten Kommunikationsmittel und die zweiten Kommunikationsmittel sind ausgestaltet, um die Teiltrajektorien in das Fahrzeug zu übertragen.
Bei dieser Ausführungsform kann eine zentrale Einheit außerhalb des Fahrzeugs die Trajektorien berechnen, um diese dann beispielsweise in Form eines Baumes an das Fahrzeug zu übermitteln. Dadurch ist das Fahrzeug vorteilhafterweise auch ohne eigene Trajektorienplanungskapazitäten oder aufgrund nicht ausreichend performanter Trajektorienplanungskapazitäten in der Lage, die vorliegende Erfindung einzusetzen, um rasch auf unbekannte Umgebungen zu reagieren.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches ein erfindungsgemäßes System umfasst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden automatisch auszuführende Bremsmanöver, Ausweichmanöver oder kombinierte Brems- und Ausweichmanöver berechnet, indem ein Gesamtmanöver (eine Trajektorie) aus einer Anzahl von Teilmanövern (Teiltrajektorien) zusammengesetzt wird. Die Zwischenpunkte bzw. Gitterpunkte, welche ein auf der Fahrbahn angeordnetes Gitter darstellen, bilden dazu räumliche Stützstellen für die Berechnung dieser Teilmanöver bzw. Teiltrajektorien. Die Verbindungen zwischen den Stützstellen (Zwischenpunkten, Startpunkt und Zielpunkt) und damit die Teiltrajektorien können durch rein geometrische Beschreibungsformen (z.B. Polynome, Sigmoide) bestimmt werden, wobei dann pro Teiltrajektorie ein Geschwindigkeitsprofil gemäß des verbleibenden Kraftpotenzials berechnet werden kann
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, Kollisionen auch bei unvorhergesehenen Änderungen (z.B. plötzlich auftretenden Hindernissen) zu vermeiden. Durch die bereits vorher bestimmten weiteren Möglichkeiten (Teiltrajektorien) können Änderungen der aktuell befahrenen Trajektorie sehr rasch vorgenommen werden, wodurch vorteilhafterweise wertvolle Zeit zur Vermeidung der Kollision eingespart werden kann.
Mit anderen Worten besteht der wesentliche verfahrenstechnische Unterschied im Vergleich zu bekannten Lösungen in der nur einmaligen Planung möglicher Ausweichmanöver (Teiltrajektorien), welche an Verzweigungsstellen (Zwischenpunkten) in andere Ausweichmanöver (eine andere Trajektorie) überführt werden können. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
In Fig. 1 sind mehrere mögliche Trajektorien zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt dargestellt.
In Fig. 2 sind die in Fig. 1 dargestellten Trajektorien in Form eines graphentheoretischen Baums abgespeichert.
In Fig. 3 ist der Flussplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In Fig. 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßes System dargestellt.
In Fig. 1 sind mehrere mögliche Trajektorien zwischen einem Startpunkt SP und einem Zielpunkt ZP dargestellt. Jede dieser Trajektorien ist dabei aus mehreren Teiltrajektorien zusammengesetzt, wobei jede Teiltrajektorie einen Anfangspunkt (d.h. den Startpunkt oder einen Zwischenpunkt) mit einem Endpunkt (d.h. einem Zwischenpunkt oder dem Zielpunkt) verbindet. Die sechs Zwischenpunkte 1.1 bis 2.3 sind dabei zwischen dem Startpunkt SP und dem Zielpunkt ZP angeordnet.
In Fig. 2 sind alle in Fig. 1 dargestellten Trajektorien in Form eines graphentheoretischen Baums 4 abgespeichert dargestellt. Die Wurzel des Baums entspricht dem Startpunkt SP und jedes Blatt des Baums 4 entspricht dem Zielpunkt ZP. Daher entspricht jeder Zweig des Baums, welcher von der Wurzel SP bis zu einem der Blätter ZP verläuft, einer der möglichen in Fig. 1 dargestellten Trajektorien.
Angenommen ein Fahrzeug fährt vom Startpunkt SP zum Zielpunkt ZP vollautomatisch auf der vorher bestimmten Trajektorie SP-1 .2-2.2-ZP, wobei sich das Fahrzeug kurz hinter dem Startpunkt befindet. Nun erfasst das Fahrzeug, das sich in der Nähe des Zwischenpunkts 2.2 ein bisher nicht erkanntes Hindernis befindet, so dass es zu einer Kollision kommen würde, wenn das Fahrzeug auf der aktuellen Trajektorie weiterfahren würde. Da sich das Fahrzeug bereits auf der Teiltrajektorie SP-1 .2 befindet, existieren noch drei mögliche Trajektorien vom Zwischenpunkt 1 .2 zum Zielpunkt ZP, welche in Form eines Teilbaums gespeichert sind, dessen Wurzel dem Zwischenpunkt 1 .2 entspricht. Anhand einer Kostenfunktion wird nun die Ausweichtrajektorie SP-1.2-2.1 -ZP bestimmt, so dass das Fahrzeug im Zwischenpunkt 1.2 auf die Teiltrajektorie 1.2-2.1 fährt, um über den Zwischenpunkt 2.1 zum Zielpunkt ZP zu fahren, wobei das Hindernis beim Zwischenpunkt 2.2 umfahren wird.
Fig. 3 zeigt den Flussplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Schritt S1 wird das Umfeld des Fahrzeugs mit einem oder mehreren Sensoren des Fahrzeugs erfasst. Im folgenden Schritt S2 werden der Startpunkt, der Zielpunkt und Zwischenpunkte zwischen dem Startpunkt und dem Zielpunkt automatisch bestimmt. Dabei entspricht der Startpunkt der aktuellen Position des Fahrzeugs, und der Zielpunkt wird abhängig von dem erfassten Umfeld bestimmt. Zur Bestimmung der Zwischenpunkte kann eine Art Gitter zwischen dem Startpunkt und dem Zielpunkt auf der Fahrbahn, auf welcher das Fahrzeug fährt, angeordnet werden. Die Gitterpunkte dieses Gitters entsprechen den zu bestimmenden Zwischenpunkten, wobei auch vordefinierte Punkte (z.B. an den Fahrbahnrändern) als Zwischenpunkte definiert werden können.
Im Schritt S3 werden die Teiltrajektorien bestimmt, welche jeweils einen Anfangspunkt mit einem Endpunkt verbinden. Dabei entspricht der Anfangspunkt dem Startpunkt oder einem Zwischenpunkt und der Endpunkt einem Zwischenpunkt oder dem Zielpunkt. Die Bestimmung der Teiltrajektorien erfolgt mit Hilfe eines Fahrzeugmodells mit entsprechenden Variationen bezüglich der Längsbeschleunigung und der Querbeschleunigung. Bei jeder Teiltrajektorie handelt es sich um eine so genannte befahrbare Teiltrajektorie, was bedeutet, dass die entsprechende Teiltrajektorie mit dem Fahrzeug gefahren werden kann. Dies bedeutet wiederum, dass bestimmte Randbedingungen bezüglich Kamm'schen Kreis, Lenkgetriebeübersetzung, Motorkennlinie, Getriebekennlinie, Reifenkennlinie, Totzeiten der Aktuatorik (Bremsen, Lenkung, Beschleunigung) bei der Bestimmung der jeweiligen Teiltrajektorie berücksichtigt werden.
Mit Hilfe der Teiltrajektorien können nun alle fahrbaren Trajektorien in Form eines Baumes abgespeichert werden. Die Wurzel des Baums entspricht dem Startpunkt, jedes Blatt des Baums entspricht dem Zielpunkt, und jeder Knoten des Baums entspricht einem Zwischenpunkt. Dabei kann derselbe Zwischenpunkt mehrfach Bestandteil derselben Trajektorie sein, was beispielsweise der Fall ist, wenn das Fahrzeug vor und zurück fährt. Mithilfe dieses Baums wird im Schritt S4 beispielsweise mittels einer Kostenfunktion die günstigste Trajektorie vom Startpunkt zum Zielpunkt bestimmt, wodurch auch die zu dieser Trajektorie gehörenden Teiltrajektorien bestimmt werden. Im Schritt S5 fährt das Fahrzeug automatisch entlang dieser Trajektorie. Wenn im Schritt S6 erkannt wird, dass sich das Fahrzeug am Zielpunkt befindet, endet das Verfahren, wobei das Verfahren sonst zum Schritt S7 fortschreitet. Wenn im Schritt S7 erkannt wird, dass sich ein Hindernis oder Objekt auf der Trajektorie in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug befindet, wird im Schritt S8 die Trajektorie durch Wahl von anderen Teiltrajektorien neu bestimmt. Dazu wird im Baum am nächsten Knoten bzw. Zwischenpunkt eine Trajektorie bestimmt, welche diesen Zwischenpunkt mit dem Zielpunkt verbindet, ohne dass sich ein (bisher bekanntes) Hindernis auf dieser bestimmten Trajektorie befindet. Vom Schritt S7 oder Schritt S8 kehrt das Verfahren jeweils zum Schritt S5 zurück, in dem auf der jeweils bestimmten Trajektorie automatisch gefahren wird.
In Fig. 4 sind schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 und ein erfindungsgemäßes System 30 dargestellt. Das erfindungsgemäße Fahrzeug 10 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 umfasst wiederum eine Steuerung 7, Kommunikationsmittel 5, einen Speicher 8, einen Sensor 12 und eine Lenkung 3 des Fahrzeugs 10. Mit dem Sensor 12 erfasst die Vorrichtung 20 ein Umfeld des Fahrzeugs 10, um beispielsweise neben dem Startpunkt (als aktuelle Position des Fahrzeugs 10) den Zielpunkt zu bestimmen.
Bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 existieren zwei erfindungsgemäße Varianten. Gemäß der ersten Variante bestimmt die Vorrichtung 20 mittels ihrer Steuerung 7 alle möglichen fahrbaren Trajektorien zwischen dem Startpunkt und dem Zielpunkt selbst und speichert diese in Form eines Baums im Speicher 8 ab. Anhand dieser Trajektorien bestimmt die Vorrichtung 20 beispielsweise anhand einer Kostenfunktion eine Trajektorie, welche dann von dem Fahrzeug 10 gefahren wird, indem die Steuerung 7 die Lenkung 3 automatisch entsprechend betätigt. Wenn mittels des Sensors 12 erfasst wird, dass sich ein Hindernis auf der aktuell bestimmten Trajektorie befindet, bestimmt die Vorrichtung 20 anhand der im Speicher 8 gespeicherten Trajektorien eine neue Trajektorie, welche dieses Hindernis umgeht. Die Kommunikationsmittel 5 werden bei dieser Variante nicht unbedingt benötigt, können aber eingesetzt werden, um beispielsweise zusätzliche Information über Funk von anderen Verkehrsteilnehmern zu erfassen.
Gemäß der zweiten Variante existiert ein erfindungsgemäßes System 30, welches neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 eine Verarbeitungseinheit 40 umfasst. Die Verarbeitungseinheit 40 umfasst neben einer Steuerung 9 einen Speicher 1 1 und Kommunikationsmittel 6. Bei der zweiten Variante übermittelt die Vorrichtung 20 mittels ihrer Kommunikationsmittel 5 den Startpunkt und den Zielpunkt über die Kommunikationsmittel 6 per Funk an die Verarbeitungseinheit 40. Die Steuerung 9 der Verarbeitungseinheit 40 bestimmt alle möglichen Trajektorien und überträgt diese in Form eines Baums per Funk zurück an die Vorrichtung 20, welche diese Trajektorien in ihrem Speicher 8 abspeichert. Die Bestimmung der automatisch zu fahrenden Trajektorie kann dann wie bei der ersten Variante von der Vorrichtung 20 vorgenommen werden. Auch die Umplanung auf eine neue Trajektorie, wenn mittels des Sensors 12 ein Hindernis auf der aktuellen Trajektorie erfasst wird, wird von der Vorrichtung 20 durchgeführt.
Bezugszeichenliste
1.1-1.3Zwischenpunkt
.1-2.3Zwischenpunkt
3 Lenkung
graphentheoretischer Baum
5, 6 Kommunikationsmittel
7, 9 Steuerung
8, 1 1 Speicher
10 Fahrzeug
12 Sensor
20 Vorrichtung
30 System
40 Verarbeitungseinheit
SP Startpunkt
ZP Zielpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum automatischen Bestimmen einer Trajektorie für ein Fahrzeug (10), mit welcher ein Startpunkt (SP), der der aktuellen Position des Fahrzeugs (10) entspricht, mit einem Zielpunkt (ZP) verbunden wird, umfassend:
Bestimmen mehrerer Zwischenpunkte (1.1-1 .3, 2.1-2.3),
Bestimmen von mindestens einer ersten Teiltrajektorie, welche den Startpunkt (SP) mit einem der Zwischen punkte (1 .1 -1 .3, 2.1 -2.3) verbindet,
Bestimmen von mehreren zweiten Teiltrajektonen, welche den Zielpunkt (ZP) mit jeweils einem der Zwischen punkte (1 .1 -1 .3, 2.1 -2.3) verbinden,
Bestimmen der Trajektorie, indem eine der mindestens einen ersten Teiltrajektorie und eine der zweiten Teiltrajektonen gewählt werden, und
Ansteuern mindestens einer Komponente (3) des Fahrzeugs (10) auf Basis der bestimmten Trajektorie,
wobei an jedem Zwischenpunkt (1.1-1.3, 2.1 -2.3) mindestens zwei Teiltrajektonen enden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass an jedem Zwischenpunkt (1.1 -1.3, 2.1 -2.3) mindestens drei Teiltrajektonen enden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass weitere Teiltrajektonen bestimmt werden, welche jeweils zwei der Zwischenpunkte (1.1 -1.3, 2.1 -2.3) verbinden, und
dass die Trajektorie neben der ersten Teiltrajektorie und der zweiten Teiltrajektorie aus mindestens einer der weiteren Teiltrajektonen zusammengesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede der Teiltrajektonen bestimmt wird, bevor die Trajektorie bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass, wenn auf einer Fahrt des Fahrzeugs (10) auf der Trajektorie erfasst wird, dass die Trajektorie nicht befahrbar ist, die Trajektorie neu bestimmt wird, indem an einem
Zwischenpunkt (1 .1 -1 .3, 2.1 -2.3), welcher auf einem noch nicht befahrenen Teil der bisher bestimmten Trajektorie liegt, eine andere Teiltrajektorie gewählt wird, so dass die neu bestimmte Trajektorie befahrbar ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zwischenpunkte (1 .1 -1 .3, 2.1-2.3) auf einer Fahrbahn, auf welcher sich das Fahrzeug (10) befindet, angeordnet werden, und
dass mindestens einer der Zwischenpunkte (1 .1-1 .3, 2.1-2.3) an einem Seitenrand der Fahrbahn angeordnet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest für einen Teil der Zwischenpunkte (1 .1 -1 .3, 2.1 -2.3) jeder dieser
Zwischenpunkte neben seiner Lage auf einer Fahrbahn, auf welcher sich das Fahrzeug (10) befindet, durch eine Fahrzeugausrichtung definiert ist, welche das Fahrzeug (10) aufweist, wenn das Fahrzeug (10) entlang einer Teiltrajektorie fährt, die an dem jeweiligen Zwischenpunkt beginnt oder endet, und
dass eine Teiltrajektorie, welche an einem Zwischenpunkt mit einer Lage endet, nur mit einer anderen Teiltrajektorie, welche an einem Zwischenpunkt mit derselben Lage beginnt, zu einer Trajektorie verbindbar ist, wenn die Fahrtzeugausrichtung am Ende der Teiltrajektorie der Fahrzeugausrichtung am Beginn der anderen Teiltrajektorie entspricht, so dass der Zwischenpunkt am Ende der Teiltrajektorie derselbe Zwischenpunkt ist, an welchem die andere Teiltrajektorie beginnt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede mögliche Trajektorie in Form eines graphentheoretischen Baumes (4) abgespeichert wird,
dass eine Wurzel des Baumes (4) dem Startpunkt (SP) entspricht,
dass die Blätter des Baums (4) dem Zielpunkt (ZP) entsprechen, und
dass die inneren Knoten des Baums (4) den Zwischenpunkten (1 .1 -1 .3, 2.1-2.3) entsprechen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Teil der Teiltrajektorien neben ihrem Anfangspunkt in Form des Startpunkts (SP) oder eines der Zwischenpunkte (1.1 -1.3, 2.1 -2.3) und ihrem Endpunkt in Form des Zielpunkts (ZP) oder eines der Zwischenpunkte (1.1-1.3, 2.1 -2.3) definiert ist durch eine Längs- und eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs (10) über der Zeit, um das Fahrzeug (10) von dem Anfangspunkt zu dem Endpunkt der jeweiligen Teiltrajektorie zu bewegen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Umgebung des Fahrzeugs (10) erfasst wird, und
dass der Zielpunkt (ZP) abhängig von der erfassten Umgebung bestimmt wird.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Fahrzeug (10) vollautomatisch auf der bestimmten Trajektorie geführt wird.
12. System zum Bestimmen einer Trajektorie für ein Fahrzeug (10), mit welcher ein
Startpunkt (SP) mit einem Zielpunkt (ZP) verbunden wird,
wobei das System (20; 30) mindestens eine Komponente (3) des Fahrzeugs (10) und Steuermittel (7; 7, 40) umfasst,
wobei die Steuermittel (7; 7, 40) ausgestaltet sind, um den Startpunkt (SP) als die aktuelle Position des Fahrzeugs (10) zu bestimmen und den Zielpunkt (ZP) zu bestimmen, wobei die Steuermittel (7; 7, 40) ausgestaltet sind, um mehrere Zwischenpunkte (1 .1-1 .3, 2.1-2.3) zu bestimmen, um mindestens eine erste Teiltrajektorie, welche den Startpunkt (SP) mit einem der Zwischenpunkte verbindet, zu bestimmen, um mindestens zwei zweite Teiltrajektorien, welche den Zielpunkt (ZP) mit jeweils einem der Zwischenpunkte verbinden, zu bestimmen, um die Trajektorie zu bestimmen, indem die Steuermittel (7; 7, 40) eine der mindestens einen ersten Teiltrajektorie und eine der zweiten Teiltrajektorien wählen, und um die mindestens eine Komponente (3) auf Basis der bestimmten
Trajektorie anzusteuern,
wobei an jedem Zwischenpunkt (1.1-1.3, 2.1 -2.3) mindestens zwei Teiltrajektorien enden.
13. System nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel erste Kommunikationsmittel (5) und Verarbeitungsmittel (40) mit zweiten Kommunikationsmitteln (6) umfassen,
dass die Verarbeitungsmittel (40) außerhalb des Fahrzeugs (10) angeordnet sind, dass die ersten Kommunikationsmittel (5) innerhalb des Fahrzeugs (10) angeordnet sind, dass die Verarbeitungsmittel (40) ausgestaltet sind, um die Teiltrajektorien zu bestimmen, und
dass die ersten Kommunikationsmittel (5) und die zweiten Kommunikationsmittel (6) ausgestaltet sind, um die Teiltrajektorien in das Fahrzeug (10) zu übertragen.
14. System nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das System (20; 30) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1- 1 1 ausgestaltet ist.
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