WO2021089150A1 - Autonomous driving function of a motor vehicle, taking into consideration vehicles located in the surroundings of the ego vehicle - Google Patents

Autonomous driving function of a motor vehicle, taking into consideration vehicles located in the surroundings of the ego vehicle Download PDF

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WO2021089150A1
WO2021089150A1 PCT/EP2019/080515 EP2019080515W WO2021089150A1 WO 2021089150 A1 WO2021089150 A1 WO 2021089150A1 EP 2019080515 W EP2019080515 W EP 2019080515W WO 2021089150 A1 WO2021089150 A1 WO 2021089150A1
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WO
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ego vehicle
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ego
mpc algorithm
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PCT/EP2019/080515
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Valerie Engel
Andreas Wendzel
Maik DREHER
Julian KING
Lara Ruth TURNER
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Zf Friedrichshafen Ag
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Definitions

  • the invention relates to an autonomous driving function for an ego vehicle.
  • particular claims are made of a process unit set up for this purpose, a method and a computer program product.
  • Another claim is directed to a motor vehicle with the aforementioned processor unit.
  • Autonomous driving strategies use environmental data, map data and vehicle data to determine optimal vehicle behavior. Vehicles in front are also taken into account, to which a safe distance must be maintained.
  • Known driver assistance systems for example active cruise control systems (in English: Adaptive Cruise Control) regulate the ego vehicle to a safe distance from the vehicle in front and maintain this distance until the vehicle in front leaves its lane or a previously set cruise control speed of the ego vehicle is exceeded becomes.
  • the approach to vehicles ahead is known to take place with a predefined braking curve. This has the effect that the speed profile of the vehicle in front is followed and the consumption of the ego vehicle is thus largely determined by the driving behavior of the vehicle in front.
  • An object of the present invention can be seen in improving an autonomous driving function of a motor vehicle with regard to a more efficient driving style.
  • the object is achieved by the subjects of the independent patent claims.
  • Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims, the following description and the figures.
  • the present invention proposes avoiding inefficient driving styles of the ego vehicle by planning the autonomous driving strategy, taking into account all restrictions of the ferry operation of the ego vehicle, so that an optimum in terms of speed and operating point selection of the ego vehicle is realized.
  • the energy consumption of the ego is optimized Vehicle while driving by knowing the operating data of the vehicle ahead. The basis for this is the most accurate possible prediction of the driving behavior of vehicles in front or vehicles in the vicinity of the ego vehicle.
  • the predicted trajectory of the vehicle ahead can be taken into account.
  • a processor unit for executing an autonomous driving function for an ego vehicle taking into account at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle, the autonomous driving function being model-based by an MPC algorithm predictive control of an ego vehicle is formed, the MPC algorithm containing a longitudinal dynamics model of the ego vehicle, a cost function to be minimized and a predicted trajectory of at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle.
  • the processor unit is set up to execute the MPC algorithm so that the ego vehicle drives autonomously based on the execution of the MPC algorithm.
  • the autonomous driving function can be formed at least in part by an MPC algorithm for model predictive control of the ego vehicle, the MPC algorithm being a longitudinal dynamics model of the ego vehicle, a predicted trajectory of at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle and one to contains minimizing cost function.
  • the processor unit is set up to execute the MPC algorithm so that the ego vehicle “drives autonomously based on the execution of the MPC algorithm, and by executing the MPC algorithm” - according to the trajectory of the vehicle in front as precisely as possible was predicted or predicted - to determine an input variable for the model-based predictive control of the ego vehicle, taking into account the longitudinal dynamics model of the ego vehicle, so that the cost function is minimized.
  • the processor unit is set up to execute an autonomous driving function so that the ego vehicle drives autonomously based on the execution of the autonomous driving function.
  • the model-based predictive control (MPC) method can be selected in order to find an optimal solution for a so-called “Driving Efficiency” function in every situation under given boundary conditions and restrictions.
  • Methods of model-based predictive control in English: Model Predictive Control or MPC for short) are used in the field of trajectory control, for example for engine control in the context of autonomous driving.
  • the MPC method is based on a system model that describes the behavior of the system.
  • the MPC method is based in particular on a target function or on a cost function that describes an optimization problem and determines which state variables are to be minimized.
  • the state variables for the Driving Efficiency driving function can in particular be the vehicle speed or the kinetic energy, the remaining energy in the battery of an electric drive and the driving time.
  • the cost function can also take into account a predicted trajectory of at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle.
  • the optimization of energy consumption and travel time takes place in particular on the basis of the gradient of the route ahead and restrictions or secondary conditions for speed and driving force, as well as on the basis of the current system status.
  • the longitudinal dynamics model of the drive train can include a vehicle model with vehicle parameters and drive train losses (partly approximated maps).
  • knowledge of the route topographies ahead e.g. curves and gradients
  • knowledge of speed limits on the route ahead can also flow into the longitudinal dynamics model of the ego vehicle.
  • route data from an electronic map for a forecast horizon or prediction horizon (for example up to 5 km) in front of the ego vehicle can, in particular, be updated cyclically.
  • the route data can contain, for example, gradient information, curve information, and information about speed limits. Further a curve curvature can be converted into a speed limit for the ego vehicle using a maximum permissible lateral acceleration.
  • the ego vehicle can be localized, in particular via a GNSS signal for precise localization on the electronic map.
  • the processor unit is preferably set up to use the MPC algorithm to regulate a drive machine of a drive train of the ego vehicle, the MPC algorithm being a longitudinal dynamics model of the drive train and a predicted trajectory of at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle contains.
  • the processor unit is set up to determine an input variable for the control of the drive machine by executing the MPC algorithm taking into account the stored driver intervention, so that the ego vehicle is driven autonomously by the drive machine and so that the cost function is minimized.
  • the cost function preferably contains as the first term an electrical energy weighted with a first weighting factor and predicted according to the longitudinal dynamics model and according to the predicted trajectory of the at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle, which within a prediction horizon from a battery of the drive train to the Drive of the prime mover is provided, wherein the cost function also contains as a second term a driving time weighted with a second weighting factor and predicted according to the longitudinal dynamics model and according to the predicted trajectory of the at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle, which the ego vehicle for the Covering the entire distance predicted within the prediction horizon is required.
  • the processor unit is set up to determine an input variable for regulating the drive machine of the ego vehicle by executing the MPC algorithm as a function of the first term and as a function of the second term, so that the cost function is minimized.
  • the cost function only has linear and quadratic terms. As a result, the overall problem has the form of a quadratic optimization with linear secondary conditions and a convex problem results, which is good and fast can be solved.
  • the target function or the cost function can be set up with a weighting device (weighting factors), with in particular energy efficiency, travel time and travel comfort being calculated and weighted.
  • An energy-optimal speed trajectory can be calculated online for a horizon ahead on the processor unit, which can in particular form a component of a central control device of the ego vehicle.
  • the target speed of the ego vehicle can also be recalculated cyclically based on the current driving status and the route information available ahead.
  • the cost function of the MPC algorithm ‘minimizes the travel time for the prediction horizon and minimizes the energy consumed.
  • the cost function of the MPC algorithm can specify a maximum speed for the prediction horizon.
  • the MPC algorithm can be supplied with secondary conditions, e.g. speed limits, physical limits for the torque and speeds of the drive machine.
  • the MPC algorithm can also be supplied with control variables for optimization as input, in particular the speed of the vehicle (which can be proportional to the speed), the torque of the prime mover and the state of the battery charge.
  • the MPC algorithm can deliver an optimal speed and an optimal torque for calculated points in the forecast horizon.
  • the MPC algorithm can be followed by a software module which determines a currently relevant state and forwards it to power electronics.
  • the cost function in one embodiment contains a final energy consumption value weighted with the first weighting factor, which the predicted electrical energy at the end of the prediction on horizon, and the cost function contains a final travel time value weighted with the second weighting factor, which the predicted travel time assumes at the end of the prediction horizon.
  • the cost function can have a third term with a third weighting factor, the third term containing a value of a torque predicted according to the longitudinal dynamics model, which the prime mover provides for driving the ego vehicle, and the processor unit is set up for this To determine the input variable for the prime mover by executing the MPC algorithm as a function of the first term, as a function of the second term and as a function of the third term, so that the cost function is minimized.
  • the third term can contain a first value, weighted with the third weighting factor, of a torque predicted according to the longitudinal dynamics model, which the drive machine provides for driving the ego vehicle to a first waypoint within the prediction horizon.
  • the third term can contain a zeroth value of a torque weighted with the third weighting factor, which the drive machine provides for driving the ego vehicle to a zeroth waypoint which is immediately before the first waypoint.
  • the zeroth torque can in particular be a real - in not merely predicted - torque provided by the drive machine. In the cost function, the zeroth value of the torque can be subtracted from the first value of the torque.
  • the third term can contain a first value, weighted with the third weighting factor, of a drive force predicted according to the longitudinal dynamics model, which the drive machine for driving the ego vehicle to a first Provides waypoint within the prediction horizon.
  • the third term contains a zero value, weighted with the third weighting factor, of a drive force which the drive machine provides to drive the ego vehicle to a zero waypoint which is immediately before the first waypoint, with the zero value of the drive force in the cost function is deducted from the first value of the drive force.
  • the waypoints which are taken into account by the MPC algorithm are, in particular, discrete waypoints which, for example, follow one another at a certain frequency.
  • the zeroth waypoint and the first waypoint represent discrete waypoints, with the first waypoint immediately following the zeroth waypoint.
  • the zeroth waypoint can be before the prediction horizon.
  • the zeroth torque value can be measured or determined for the zeroth waypoint.
  • the first waypoint in particular represents the first waypoint within the prediction horizon.
  • the first torque value can be predicted for the first waypoint.
  • the zeroth torque value actually determined can thus be compared with the predicted first torque value.
  • the cost function can have a fourth term with a fourth weighting factor, the fourth term containing a gradient of the torque predicted according to the longitudinal dynamics model or an indicator value for a gradient of the torque predicted according to the longitudinal dynamics model.
  • the processor unit is set up to determine the input variable for the drive machine by executing the MPC algorithm as a function of the first term, as a function of the second term, as a function of the third term and as a function of the fourth term so that the cost function is minimized.
  • the fourth term contains a quadratic deviation of the gradient des multiplied by the fourth weighting factor and added up Torque.
  • the cost function can contain a quadratic deviation, summed up with the fourth weighting factor, of a driving force which the prime mover provides in order to move the ego vehicle one meter in the longitudinal direction.
  • the fourth term can contain a quadratic deviation, multiplied by the fourth weighting factor and summed up, of a driving force which the prime mover provides in order to move the ego vehicle one meter in the longitudinal direction.
  • Speed limits which can be set for example by a traffic route, are hard limits for optimization that should not be exceeded. In reality, it is always permissible to slightly exceed the speed limits and, above all, it is the normal case when passing from one speed zone to a second zone. In dynamic environments, in which speed limits shift from one computing cycle to the next, it can happen that no valid solution can be found for a speed curve if the limits are very hard. In order to increase the stability of the calculation algorithm, a so-called “soft constraint” can be introduced into the objective function. In particular, a so-called “slip variable” or “slack variable” can become active in a predetermined narrow range before the hard speed limit is reached.
  • the cost function can contain, as the fifth term, a Slack variable weighted with a fifth weighting factor, the processor unit being set up to, by executing the MPC algorithm, “depending on the first term, depending on the second term, to determine the input variable for the drive machine as a function of the third term, as a function of the fourth term and as a function of the fifth term, so that the cost function is minimized.
  • the tractive force can be limited by restricting the engine map become.
  • the battery is the limiting element for maximum recuperation.
  • the performance value should not fall below a certain negative value.
  • the predicted trajectory of the respective vehicle located in the environment of the ego vehicle preferably includes a predicted speed profile of the vehicle.
  • the predicted trajectory of the respective vehicle in the environment of the ego vehicle is taken into account as an additional boundary condition in the MPC algorithm, which additionally limits the solution space for minimizing the cost function.
  • the predicted trajectory is generated from information from the vehicle in front, with a maximum speed in the forecast horizon, for example, being derived from the predicted trajectory, taking into account the longitudinal dynamics model of the ego vehicle.
  • the ego vehicle preferably includes a sensor system that supplies sensor data on the vehicle driving in front of the ego vehicle.
  • the processor unit can predict or predict driving behavior, in this case in particular a speed profile of the vehicle in front.
  • an optimal operating point or operating point curve of the vehicle driving in front of the ego vehicle can also be predicted.
  • the predicted trajectory of the respective vehicle located in the vicinity of the ego vehicle includes a current lane of the vehicle.
  • the processor unit can take into account the lane in which the vehicle in front is located. The processor unit therefore makes a different decision about the optimal speed of the ego vehicle, depending on whether the vehicle in the vicinity is in the same lane in front of the ego vehicle or in one of the adjacent lanes.
  • the predicted trajectory of the respective vehicle located in the environment of the ego vehicle preferably includes a position of the vehicle relative to the ego vehicle. In other words, a distance from the vehicle in front is detected.
  • the speed profile of the ego vehicle can be selected or planned in such a way that a minimum or safety distance from the vehicle driving ahead is always maintained.
  • the processor unit can also be set up to store a second longitudinal dynamics model of the respective vehicle located in the vicinity of the ego vehicle.
  • the ego vehicle can receive and save vehicle data from the vehicle in the vicinity of the ego vehicle. This data can be continuously called up or compared so that the autonomous driving function of the ego vehicle takes place with updated information from the vehicle in front.
  • the processor unit is preferably set up to determine the input variable for regulating the drive machine of the ego vehicle, taking into account the second longitudinal dynamics model of the vehicle in the vicinity of the ego vehicle, so that the cost function is minimized.
  • the longitudinal dynamics model of the respective vehicle located in the surroundings of the ego vehicle can also be a longitudinal dynamics model of the drive train of the respective vehicle located in the surroundings of the ego vehicle and comprise a vehicle model with vehicle parameters and drive train losses.
  • This longitudinal dynamics model can in particular include knowledge of the route topographies lying ahead. Furthermore, knowledge of speed limits on the route ahead can also flow into the longitudinal dynamics model of the respective vehicle located in the vicinity of the ego vehicle.
  • an ego vehicle comprises a drive train with a drive machine and a driver assistance system.
  • the drive train includes, in particular, a battery, it being possible for the drive machine to be designed as an electrical machine.
  • Remote The drive train can in particular comprise a transmission.
  • the driver assistance system is set up to access an input variable for the drive machine by means of a communication interface, the input variable having been determined by a processor unit according to the first aspect of the invention.
  • the driver assistance system can be set up to control the ego vehicle or the drive machine based on the input variable.
  • the ego vehicle is, for example, a motor vehicle, such as a car (e.g.
  • the ego vehicle can, for example, belong to a vehicle fleet.
  • a method for executing an autonomous driving function for an ego vehicle taking into account at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle, the autonomous driving function being provided by an MPC algorithm for model-based predictive control of a vehicle Ego vehicle is formed.
  • the method comprises the steps
  • the MPC algorithm for model-based predictive control of an ego vehicle by means of a processor unit, the MPC algorithm being a longitudinal dynamics model of the ego vehicle, a predicted trajectory of at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle and a cost function to be minimized contains,
  • Determination of an input variable for the drive machine taking into account the longitudinal dynamics model of the ego vehicle and the predicted trajectory of the at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle, so that the cost function is minimized.
  • a computer program product for executing an autonomous driving function for an ego vehicle, taking into account at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle, the computer program product when it is on a processor unit is executed, instructs the processor unit to run an MPC algorithm for model-based predictive control of an ego vehicle, the MPC algorithm being a longitudinal dynamics model of the ego vehicle, a predicted trajectory of at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle and contains a cost function to be minimized, and by executing the MPC algorithm, taking into account the longitudinal dynamics model of the ego vehicle and the predicted trajectory of the at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle, to determine an input variable for the drive machine, so that the cost function is minimized.
  • processor unit also apply mutatis mutandis to the vehicle according to the second aspect of the invention, to the method according to the third aspect of the invention and to the computer program product according to the fourth aspect of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a vehicle with a drive train that comprises an electrical machine and a battery
  • FIG. 2 shows a map of a drive machine for the vehicle according to FIG. 1.
  • Fig. 1 shows an ego vehicle 1, which can be, for example, a passenger vehicle.
  • the ego vehicle 1 comprises a system 2 for executing an automated driving function of the ego vehicle 1, in the exemplary embodiment shown for model-based predictive control of the ego vehicle 1.
  • the system 2 can be set up for the model-based predictive control of an electrical machine 8 of a drive train 7 of the ego vehicle 1.
  • the system 2 comprises a processor purity 3, a memory unit 4, a communication interface 5 and a detection unit 6 for detecting status data relating to the ego vehicle 1.
  • the detection unit 6 is also provided to monitor an area around the ego vehicle 1 and in the area of the Ego vehicle 1 located vehicles 19 to recognize.
  • the ego vehicle 1 furthermore comprises a drive train 7 which, for example, can comprise an electric machine 8, which can be operated as a motor and as a generator, a battery 9 and a transmission 10.
  • the electric machine 8 can drive the wheels of the ego vehicle 1 via the transmission 10, which can have a constant gear ratio, for example.
  • the electrical energy required for this can be provided by the battery 9.
  • the battery 9 can be charged by the electric machine 8 when the electric machine 8 is operated in generator mode (recuperation).
  • the battery 9 can optionally also be charged at an external charging station.
  • the drive train of the ego vehicle 1 can also optionally have an internal combustion engine 17 which, as an alternative or in addition to the electric machine 8, can drive the ego vehicle 1.
  • the internal combustion engine 17 can also drive the electric machine 8 in order to charge the battery 9.
  • a computer program product 11 can be stored on the storage unit 4.
  • the computer program product 11 can be executed on the processor unit 3, for which purpose the processor unit 3 and the memory unit 4 are connected to one another by means of the communication interface 5.
  • the computer program product 11 When the computer program product 11 is executed on the processor unit 3, it instructs the processor unit 3 to fulfill the functions described below or to carry out method steps.
  • the computer program product 11 contains an MPC algorithm 13 for executing the autonomous driving function.
  • the MPC algorithm 13 in turn contains a longitudinal dynamics model 14 of the drive train 7 of the ego vehicle 1, a predicted trajectory 20 of at least one in the vicinity of the ego vehicle 1 located vehicle 19 and a cost function 15 to be minimized.
  • the processor unit 3 executes the MPC algorithm 13 and thereby predicts a behavior of the ego vehicle 1 based on the longitudinal dynamics model 14 and the predicted trajectory 20, the cost function 15 being minimized.
  • the output of the optimization by the MPC algorithm 13 can result in an optimal speed and an optimal torque of the electric machine 8 for calculated waypoints in the forecast horizon.
  • the processor unit 3 can determine an input variable for the electrical machine 8, so that the optimum speed and the optimum torque are set.
  • the processor unit 3 can control the electrical machine 8 based on the determined input variable. Furthermore, however, this can also be done by a driver assistance system 16. In this way, the ego vehicle 1 can drive autonomously based on the output of the MPC algorithm 13 executed.
  • the detection unit 6 can measure current state variables of the ego vehicle 1, record corresponding data and feed them to the MPC algorithm 13. For example, route data from an electronic map for a forecast horizon or prediction horizon (for example 5 km) in front of the ego vehicle 1 can be updated cyclically.
  • the route data can contain, for example, gradient information, curve information and information about speed limits.
  • a curve curvature can be converted into a speed limit for the ego vehicle 1 via a maximum permissible transverse acceleration.
  • the ego vehicle 1 can be localized by means of the detection unit 6, in particular via a GNSS signal generated by a GNSS sensor 12 for precise localization on the electronic map.
  • the detection unit 6 can include sensors for determining the loading weight of the ego vehicle 1, for detecting the number of vehicle occupants and a time measuring and recording module.
  • the processor unit 3 can access information or data generated by the sensors mentioned, for example via the communication interface 5.
  • the detection unit 6 can recognize vehicles 19 located in the vicinity of the ego vehicle 1.
  • the recorded data flow into the predicted trajectory 20 of the MPC algorithm 13, with these data showing a predicted speed profile of the vehicle 19, a current lane of the vehicle 19, a position of the vehicle 19 relative to the ego Vehicle 1 and / or a longitudinal dynamics model 18 of vehicle 19.
  • an energy-efficient driving strategy of the ego vehicle for example an optimal speed profile, an optimal operating point profile and / or an optimal driving time based on the current vehicle status of the ego vehicle 1, the route topography ahead and based on the traffic ahead , in particular of the preceding vehicle 19 planned.
  • the vehicle 19 driving ahead is only relevant for minimizing the cost function if it restricts the maximum permitted speed of the ego vehicle 1 more than road-related or road-topography-related speed limits and / or other speed limits do.
  • temporal boundary conditions of the vehicle 19 in front can also be derived.
  • the longitudinal dynamics model 14 of the ego vehicle 1 can be expressed mathematically as follows:
  • Fgr is the gradient resistance force, which is a longitudinal component of the
  • Fd is the drag force of the ego vehicle
  • meq is the equivalent mass of the ego vehicle
  • the equivalent mass includes in particular the inertia of the rotating parts of the drive train, which are exposed to the acceleration of the ego vehicle (engine, transmission drive shafts, wheels).
  • the dynamics equation of the longitudinal dynamics model 14 can be linearized in that the speed is expressed by coordinate transformation using kinetic energy dekin.
  • the quadratic term for calculating the air resistance Fd is replaced by a linear term and, at the same time, the longitudinal dynamic model 14 of the ego vehicle 1 is no longer described as a function of time as usual, but as a function of the path. This fits well with the optimization problem insofar as the forecast information of the electrical horizon is path-based.
  • the electrical energy consumption of the drive train 7 is usually described in the form of a map as a function of torque and engine speed.
  • the ego vehicle 1 has a fixed transmission ratio between the electrical machine 8 and the road on which the ego vehicle 1 is moving.
  • the speed of the electrical machine 8 can be converted directly into a speed of the ego vehicle 1 or even into a kinetic energy of the ego vehicle 1.
  • the electrical power of the electrical machine 8 can be converted into energy consumption per meter by dividing the corresponding speed.
  • the characteristics map of the electrical machine 8 is given the form as shown in FIG. 2.
  • this map is approximated linearly: Your gy perMeter > a * * e kin + b t * F trac for all i.
  • An exemplary cost function 15 to be minimized can be expressed mathematically as follows:
  • FA Driving force which is provided by the electric machine, is constantly translated by a transmission and is applied to a wheel of the ego vehicle
  • the cost function 15 has only linear and quadratic terms. As a result, the overall problem has the form of a quadratic optimization with linear constraints and a convex problem results, which can be solved quickly and easily.
  • the cost function 15 contains as the first term an electrical weighted with a first weighting factor Wßat and predicted according to the longitudinal dynamics model Energy Eßat, which is provided by the battery 9 of the drive train 7 for driving the electric machine 8 within a prediction horizon.
  • the cost function 15 contains as a second term a travel time T weighted with a second weighting factor Wnme and predicted according to the longitudinal dynamics model 14, which the ego vehicle 1 needs to cover the predicted distance low speed is not always rated as optimal and so there is no longer the problem that the resulting speed is always at the lower limit of the permitted speed.
  • the energy consumption and travel time can be evaluated and weighted at the end of the horizon. These terms are then only active for the last point on the horizon.
  • Torque gradients within the horizon are disadvantageous. Torque gradients are therefore already penalized in the cost function 15, namely by the term w Tem D ' e quadratic deviation of An Driving force per meter is weighted with a weighting factor WTem and minimized in the cost function.
  • the torque MEM provided by the electrical machine 8 can also be used and weighted with the weighting factor WTem, so that the alternative term w Tem results. Due to the constant ratio of the gear 10 the driving force and the torque are directly proportional to each other.
  • speed limits are hard limits that must not be exceeded. In reality, it is always permissible to slightly exceed the speed limits and, above all, it is more the norm when passing from one speed zone to a second zone. In dynamic environments, where speed limits shift from one computing cycle to the next, it can happen that if the limits are very hard, no valid solution can be found for a speed curve. In order to increase the stability of the calculation algorithm, a soft constraint is introduced into the cost function 15. A Slack variable Varsiack weighted with a weighting factor Wsiack becomes active in a predetermined narrow range before the hard speed limit is reached. Solutions that are very close to this speed limit are rated worse, that is, solutions whose speed trajectory keep a certain distance from the hard limit.
  • the regulation of the electrical machine 8 of the ego vehicle 1 by means of the MPC algorithm 13 is suitable for automation levels below level 5 (e.g. according to SAE J3016), in particular up to level 3, with a driver of the ego vehicle 1 still having the option to influence the journey or to access the MPC-based autonomous driving function of the ego vehicle 1 described above.

Abstract

The invention relates to a processor unit (3) for executing an autonomous driving function for an ego vehicle (1), taking into consideration at least one vehicle (19) located in the surroundings of the ego vehicle (1), wherein the autonomous driving function is formed by an MPC algorithm (13) for model-based predictive control of an ego vehicle (1), the MPC algorithm (13) comprising a longitudinal dynamics model (14) of the ego vehicle (1), a cost function (15) to be minimized and a predicted trajectory (20) of at least one vehicle (19) located in the surroundings of the ego vehicle (1), the processor unit (3) being designed to execute the MPC algorithm (13) such that the ego vehicle (1) drives autonomously on the basis of the execution of the MPC algorithm (13), and the processor unit (3) being designed to determine an input variable for the model-based predictive control of the ego vehicle (1) by executing the MPC algorithm (13), taking into consideration the longitudinal dynamics model (14) of the ego vehicle (1) and the predicted trajectory (20) of the at least one vehicle (19) located in the surroundings of the ego vehicle (1), such that the cost function is minimized.

Description

Autonome Fahrfunktion eines Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung von im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugen Autonomous driving function of a motor vehicle taking into account vehicles in the environment of the ego vehicle
Die Erfindung betrifft eine autonome Fahrfunktion für ein Ego-Fahrzeug. Beansprucht werden in diesem Zusammenhang insbesondere eine dazu eingerichtete Prozesso reinheit, ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt. Ein weiterer Anspruch ist auf ein Kraftfahrzeug mit der vorstehend genannten Prozessoreinheit gerichtet. The invention relates to an autonomous driving function for an ego vehicle. In this context, particular claims are made of a process unit set up for this purpose, a method and a computer program product. Another claim is directed to a motor vehicle with the aforementioned processor unit.
Autonome Fahrstrategien verwenden Umfelddaten, Kartendaten und Fahrzeugdaten, um ein optimales Fahrzeugverhalten zu bestimmen. Dabei werden zudem vorausfah rende Fahrzeuge berücksichtigt, zu denen ein Sicherheitsabstand einzuhalten ist. Bekannte Fahrassistenzsysteme, beispielsweise aktive Geschwindigkeitsregelungs systeme (im Englischen: Adaptive Cruise Control) regeln das Ego-Fahrzeug auf ei nen Sicherheitsabstand zum vorausfahrenden Fahrzeug und halten diesen Abstand ein, bis das vorausfahrende Fahrzeug die Spur verlässt oder eine zuvor eingestellte Tempomatgeschwindigkeit des Ego-Fahrzeugs überschritten wird. Die Annäherung auf vorausfahrende Fahrzeuge erfolgt bekanntermaßen mit einer vordefinierten Ab bremskurve. Dies bewirkt, dass das Geschwindigkeitsprofil des vorausfahrenden Fahrzeugs nachgefahren wird und der Verbrauch des Ego-Fahrzeugs somit maßgeb lich durch das Fahrverhalten des vorausfahrenden Fahrzeugs bestimmt wird. Autonomous driving strategies use environmental data, map data and vehicle data to determine optimal vehicle behavior. Vehicles in front are also taken into account, to which a safe distance must be maintained. Known driver assistance systems, for example active cruise control systems (in English: Adaptive Cruise Control) regulate the ego vehicle to a safe distance from the vehicle in front and maintain this distance until the vehicle in front leaves its lane or a previously set cruise control speed of the ego vehicle is exceeded becomes. The approach to vehicles ahead is known to take place with a predefined braking curve. This has the effect that the speed profile of the vehicle in front is followed and the consumption of the ego vehicle is thus largely determined by the driving behavior of the vehicle in front.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine auto nome Fahrfunktion eines Kraftfahrzeugs hinsichtlich einer effizienteren Fahrweise zu verbessern. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Pa tentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprü che, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren. An object of the present invention can be seen in improving an autonomous driving function of a motor vehicle with regard to a more efficient driving style. The object is achieved by the subjects of the independent patent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims, the following description and the figures.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, ineffiziente Fahrweisen des Ego-Fahrzeugs zu vermeiden, indem die autonome Fahrstrategie unter Beachtung aller Beschränkun gen des Fährbetriebs des Ego-Fahrzeugs dahingehend geplant wird, dass ein Opti mum hinsichtlich Geschwindigkeit sowie Betriebspunktwahl des Ego-Fahrzeugs reali siert wird. Gleichzeitig erfolgt eine Optimierung des Energieverbrauchs des Ego- Fahrzeugs während der Fahrt durch Kenntnis von Betriebsdaten des vorausfahren den Fahrzeugs. Basis dafür ist eine möglichst genaue Vorhersage des Fahrverhal tens von vorausfahrenden Fahrzeugen bzw. im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindli cher Fahrzeuge. Bei Verwendung eines MPC-Optimierungsalgorithmus' als Fahrstra tegie kann die prädizierte Trajektorie des vorausfahrenden Fahrzeugs berücksichtigt werden. The present invention proposes avoiding inefficient driving styles of the ego vehicle by planning the autonomous driving strategy, taking into account all restrictions of the ferry operation of the ego vehicle, so that an optimum in terms of speed and operating point selection of the ego vehicle is realized. At the same time, the energy consumption of the ego is optimized Vehicle while driving by knowing the operating data of the vehicle ahead. The basis for this is the most accurate possible prediction of the driving behavior of vehicles in front or vehicles in the vicinity of the ego vehicle. When using an MPC optimization algorithm as the driving strategy, the predicted trajectory of the vehicle ahead can be taken into account.
In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Prozessorein heit zur Ausführung einer autonomen Fahrfunktion für ein Ego-Fahrzeug unter Be rücksichtigung wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahr zeugs bereitgestellt, wobei die autonome Fahrfunktion durch einen MPC-Algorithmus zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Ego-Fahrzeugs gebildet wird, wobei der MPC-Algorithmus ein Längsdynamikmodell des Ego-Fahrzeugs, eine zu minimie rende Kostenfunktion sowie eine prädizierte Trajektorie wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs enthält. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, den MPC-Algorithmus auszuführen, sodass das Ego-Fahrzeug basie rend auf der Ausführung des MPC-Algorithmus autonom fährt. In this sense, according to a first aspect of the invention, a processor unit is provided for executing an autonomous driving function for an ego vehicle taking into account at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle, the autonomous driving function being model-based by an MPC algorithm predictive control of an ego vehicle is formed, the MPC algorithm containing a longitudinal dynamics model of the ego vehicle, a cost function to be minimized and a predicted trajectory of at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle. The processor unit is set up to execute the MPC algorithm so that the ego vehicle drives autonomously based on the execution of the MPC algorithm.
Die autonome Fahrfunktion kann zumindest zum Teil durch einen MPC-Algorithmus zur modellprädiktiven Regelung des Ego-Fahrzeugs gebildet werden, wobei der MPC-Algorithmus ein Längsdynamikmodell des Ego-Fahrzeugs, eine prädizierte Trajektorie wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs und eine zu minimierende Kostenfunktion enthält. Die Prozessoreinheit ist dabei dazu eingerichtet, den MPC-Algorithmus auszuführen, sodass das Ego-Fahrzeug ba sierend auf der Ausführung des MPC-Algorithmus“ autonom fährt, und durch Ausfüh ren des MPC-Algorithmus“ - nachdem die Trajektorie des vorausfahrenden Fahr zeugs möglichst exakt vorhergesagt bzw. prädiziert wurde - unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells des Ego-Fahrzeugs eine Eingangsgröße für die modellba sierte prädiktive Regelung des Ego-Fahrzeugs zu ermitteln, sodass die Kostenfunk tion minimiert wird. Anders gesagt ist die Prozessoreinheit dazu eingerichtet, eine au tonome Fahrfunktion auszuführen, sodass das Ego-Fahrzeug basierend auf der Aus führung der autonomen Fahrfunktion autonom fährt. Um in jeder Situation unter gegebenen Randbedingungen und Beschränkungen eine optimale Lösung für eine sogenannte „Driving Efficiency“ Fahrfunktion zu finden, wel che eine effiziente Fahrweise bereitstellen soll, kann die Methode der modelbasierten prädiktiven Regelung (MPC) gewählt werden. Methoden der modelbasierten prädikti- ven Regelung (im Englischen: Model Predictive Control oder abgekürzt: MPC) wer den auf dem Gebiet der Trajektorie-Regelung eingesetzt, beispielsweise zur Motor- Regelung im Kontext des autonomen Fahrens. Die MPC-Methode basiert auf einem Systemmodell, welches das Verhalten des Systems beschreibt. Weiterhin basiert die MPC-Methode insbesondere auf einer Zielfunktion bzw. auf einer Kostenfunktion, die ein Optimierungsproblem beschreibt und bestimmt, welche Zustandsgrößen mini miert werden sollen. Die Zustandsgrößen für die Driving Efficiency Fahrfunktion kön nen insbesondere die Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. die kinetische Energie, die ver bleibende Energie in der Batterie eines elektrischen Fahrantriebs und die Fahrzeit sein. Zudem kann von der Kostenfunktion auch eine prädizierte Trajektorie wenigs tens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs berücksichtigt wer den. Die Optimierung von Energieverbrauch und Fahrtzeit erfolgt insbesondere auf Basis der Steigung der vorausliegenden Strecke und Beschränkungen bzw. Neben bedingungen für Geschwindigkeit und Antriebskraft, sowie auf Basis des aktuellen Systemzustands. The autonomous driving function can be formed at least in part by an MPC algorithm for model predictive control of the ego vehicle, the MPC algorithm being a longitudinal dynamics model of the ego vehicle, a predicted trajectory of at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle and one to contains minimizing cost function. The processor unit is set up to execute the MPC algorithm so that the ego vehicle “drives autonomously based on the execution of the MPC algorithm, and by executing the MPC algorithm” - according to the trajectory of the vehicle in front as precisely as possible was predicted or predicted - to determine an input variable for the model-based predictive control of the ego vehicle, taking into account the longitudinal dynamics model of the ego vehicle, so that the cost function is minimized. In other words, the processor unit is set up to execute an autonomous driving function so that the ego vehicle drives autonomously based on the execution of the autonomous driving function. The model-based predictive control (MPC) method can be selected in order to find an optimal solution for a so-called “Driving Efficiency” function in every situation under given boundary conditions and restrictions. Methods of model-based predictive control (in English: Model Predictive Control or MPC for short) are used in the field of trajectory control, for example for engine control in the context of autonomous driving. The MPC method is based on a system model that describes the behavior of the system. Furthermore, the MPC method is based in particular on a target function or on a cost function that describes an optimization problem and determines which state variables are to be minimized. The state variables for the Driving Efficiency driving function can in particular be the vehicle speed or the kinetic energy, the remaining energy in the battery of an electric drive and the driving time. In addition, the cost function can also take into account a predicted trajectory of at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle. The optimization of energy consumption and travel time takes place in particular on the basis of the gradient of the route ahead and restrictions or secondary conditions for speed and driving force, as well as on the basis of the current system status.
Das Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs kann ein Fahrzeugmodell mit Fahr zeugparametern und Antriebsstrangverlusten (z.T. approximierte Kennfelder) umfas sen. In das Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs können insbesondere Kennt nisse über vorausliegende Streckentopografien (z.B. Kurven und Steigungen) einflie ßen. Weiterhin können auch Kenntnisse über Geschwindigkeitslimits auf der voraus liegenden Strecke in das Längsdynamikmodell des Ego-Fahrzeugs einfließen. The longitudinal dynamics model of the drive train can include a vehicle model with vehicle parameters and drive train losses (partly approximated maps). In particular, knowledge of the route topographies ahead (e.g. curves and gradients) can be incorporated into the longitudinal dynamics model of the drive train. Furthermore, knowledge of speed limits on the route ahead can also flow into the longitudinal dynamics model of the ego vehicle.
Aktuelle Zustandsgrößen können gemessen, entsprechende Daten können aufge nommen und dem MPC-Algorithmus zugeführt werden. So können Streckendaten aus einer elektronischen Karte für einen Vorausschauhorizont bzw. Prädiktionshori zont (z.B. bis zu 5 km) vor dem Ego-Fahrzeug insbesondere zyklisch aktualisiert wer den. Die Streckendaten können beispielsweise Steigungsinformationen, Kurveninfor mationen, und Informationen über Geschwindigkeitslimits beinhalten. Des Weiteren kann eine Kurvenkrümmung über eine maximal zulässige Querbeschleunigung in ein Geschwindigkeitslimit für das Ego-Fahrzeug umgerechnet werden. Außerdem kann eine Ortung des Ego-Fahrzeugs erfolgen, insbesondere über ein GNSS-Signal zur genauen Lokalisierung auf der elektronischen Karte. Current state variables can be measured, the corresponding data can be recorded and fed to the MPC algorithm. For example, route data from an electronic map for a forecast horizon or prediction horizon (for example up to 5 km) in front of the ego vehicle can, in particular, be updated cyclically. The route data can contain, for example, gradient information, curve information, and information about speed limits. Further a curve curvature can be converted into a speed limit for the ego vehicle using a maximum permissible lateral acceleration. In addition, the ego vehicle can be localized, in particular via a GNSS signal for precise localization on the electronic map.
Die Prozessoreinheit ist bevorzugt dazu eingerichtet, mittels des MPC-Algorithmus‘ eine Antriebsmaschine eines Antriebstrangs des Ego-Fahrzeugs zu regeln, wobei der MPC-Algorithmus ein Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs sowie eine prädi- zierte Trajektorie wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahr zeugs enthält. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, durch Ausführen des MPC- Algorithmus unter Berücksichtigung des gespeicherten Fahrereingriffs eine Ein gangsgröße für die Regelung der Antriebsmaschine zu ermitteln, sodass das Ego- Fahrzeug durch die Antriebsmaschine autonom angetrieben wird und sodass die Kostenfunktion minimiert wird. The processor unit is preferably set up to use the MPC algorithm to regulate a drive machine of a drive train of the ego vehicle, the MPC algorithm being a longitudinal dynamics model of the drive train and a predicted trajectory of at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle contains. The processor unit is set up to determine an input variable for the control of the drive machine by executing the MPC algorithm taking into account the stored driver intervention, so that the ego vehicle is driven autonomously by the drive machine and so that the cost function is minimized.
Vorzugsweise enthält die Kostenfunktion als ersten Term eine mit einem ersten Ge wichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell sowie gemäß der prädizierten Trajektorie des wenigstens einen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindli chen Fahrzeugs prädizierte elektrische Energie, welche innerhalb eines Prädiktions horizonts von einer Batterie des Antriebsstrangs zum Antrieb der Antriebsmaschine bereitgestellt wird, wobei die Kostenfunktion als zweiten Term ferner eine mit einem zweiten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell sowie gemäß der prädizierten Trajektorie des wenigstens einen im Umfeld des Ego-Fahr zeugs befindlichen Fahrzeugs prädizierte Fahrzeit enthält, welche das Ego-Fahrzeug zum Zurücklegen der gesamten innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Weg strecke benötigt. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, durch Ausführen des MPC-Algorithmus“ in Abhängigkeit von dem ersten Term und in Abhängigkeit von dem zweiten Term eine Eingangsgröße für die Regelung der Antriebsmaschine des Ego-Fahrzeugs zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. The cost function preferably contains as the first term an electrical energy weighted with a first weighting factor and predicted according to the longitudinal dynamics model and according to the predicted trajectory of the at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle, which within a prediction horizon from a battery of the drive train to the Drive of the prime mover is provided, wherein the cost function also contains as a second term a driving time weighted with a second weighting factor and predicted according to the longitudinal dynamics model and according to the predicted trajectory of the at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle, which the ego vehicle for the Covering the entire distance predicted within the prediction horizon is required. The processor unit is set up to determine an input variable for regulating the drive machine of the ego vehicle by executing the MPC algorithm as a function of the first term and as a function of the second term, so that the cost function is minimized.
Die Kostenfunktion besitzt ausschließlich lineare und quadratische Terme. Dadurch hat das Gesamtproblem die Form einer quadratischen Optimierung mit linearen Ne benbedingungen und es ergibt sich ein konvexes Problem, welches gut und schnell gelöst werden kann. Die Zielfunktion bzw. die Kostenfunktion kann mit einer Gewich tung (Gewichtungsfaktoren) aufgestellt werden, wobei insbesondere eine Energieeffi zienz, eine Fahrtzeit und ein Fahrkomfort berechnet und gewichtet werden. Eine energieoptimale Geschwindigkeitstrajektorie kann für einen vorausliegenden Horizont auf der Prozessoreinheit online berechnet werden, die insbesondere ein Bestandteil eines zentralen Steuergeräts des Ego-Fahrzeugs bilden kann. Durch Nutzung der MPC-Methode kann weiterhin eine zyklische Neuberechnung der Soll-Geschwindig keit des Ego-Fahrzeugs auf Basis des aktuellen Fahrzustands und der vorausliegen den Streckeninformationen erfolgen. The cost function only has linear and quadratic terms. As a result, the overall problem has the form of a quadratic optimization with linear secondary conditions and a convex problem results, which is good and fast can be solved. The target function or the cost function can be set up with a weighting device (weighting factors), with in particular energy efficiency, travel time and travel comfort being calculated and weighted. An energy-optimal speed trajectory can be calculated online for a horizon ahead on the processor unit, which can in particular form a component of a central control device of the ego vehicle. By using the MPC method, the target speed of the ego vehicle can also be recalculated cyclically based on the current driving status and the route information available ahead.
Durch die Kostenfunktion des MPC-Algorithmus‘ erfolgt eine Minimierung der Fahr zeit für den Prädiktionshorizont und eine Minimierung von verbrauchter Energie. Al ternativ kann die Kostenfunktion des MPC-Algorithmus‘ eine maximale Geschwindig keit für den Prädiktionshorizont vorgeben. In einer Ausführungsform erfolgt weiterhin eine Minimierung von Drehmomentänderungen für den Prädiktionshorizont. Was den Input für die modellbasierte prädiktive Regelung angeht, so können dem MPC-Algo- rithmus als Nebenbedingungen z.B. Geschwindigkeitslimits, physikalische Grenzen für das Drehmoment und Drehzahlen der Antriebsmaschine zugeführt werden. Dem MPC-Algorithmus können weiterhin Steuergrößen für die Optimierung als Input zuge führt werden, insbesondere die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (welche proportional zur Drehzahl sein kann), das Drehmoment der Antriebsmaschine und der Batteriela dezustand. Als Output der Optimierung kann der MPC-Algorithmus eine optimale Drehzahl und ein optimales Drehmoment für berechnete Punkte im Vorausschauhori zont liefern. Was die Umsetzung der MPC-Regelung im Fahrzeug angeht, so kann dem MPC-Algorithmus ein Softwaremodul nachgeschaltet sein, welches einen aktuell relevanten Zustand ermittelt und an eine Leistungselektronik weitergibt. The cost function of the MPC algorithm ‘minimizes the travel time for the prediction horizon and minimizes the energy consumed. Alternatively, the cost function of the MPC algorithm ‘can specify a maximum speed for the prediction horizon. In one embodiment, there is also a minimization of torque changes for the prediction horizon. As far as the input for the model-based predictive control is concerned, the MPC algorithm can be supplied with secondary conditions, e.g. speed limits, physical limits for the torque and speeds of the drive machine. The MPC algorithm can also be supplied with control variables for optimization as input, in particular the speed of the vehicle (which can be proportional to the speed), the torque of the prime mover and the state of the battery charge. As an output of the optimization, the MPC algorithm can deliver an optimal speed and an optimal torque for calculated points in the forecast horizon. As far as the implementation of the MPC control in the vehicle is concerned, the MPC algorithm can be followed by a software module which determines a currently relevant state and forwards it to power electronics.
Energieverbrauch und Fahrzeit bzw. Maximalgeschwindigkeit können jeweils am Ende des Horizonts ausgewertet und gewichtet werden. Dieser Term ist also nur für den letzten Punkt des Horizonts aktiv. In diesem Sinne enthält die Kostenfunktion in einer Ausführungsform einen mit dem ersten Gewichtungsfaktor gewichteten Ener gieverbrauchsendwert, den die prädizierte elektrische Energie am Ende des Prädikti- onshorizonts annimmt, und die Kostenfunktion enthält einen mit dem zweiten Ge wichtungsfaktor gewichteten Fahrzeitendwert, den die prädizierte Fahrzeit am Ende des Prädiktionshorizonts annimmt. Energy consumption and travel time or maximum speed can be evaluated and weighted at the end of the horizon. This term is only active for the last point on the horizon. In this sense, the cost function in one embodiment contains a final energy consumption value weighted with the first weighting factor, which the predicted electrical energy at the end of the prediction on horizon, and the cost function contains a final travel time value weighted with the second weighting factor, which the predicted travel time assumes at the end of the prediction horizon.
Um ein komfortables Fahren sicher zu stellen, können zusätzlich Terme zur Bestra fung von Momentensprüngen eingeführt werden. In diesem Sinne kann die Kosten funktion einen dritten Term mit einem dritten Gewichtungsfaktor aufweisen, wobei der dritte Term einen gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierten Wert eines Drehmo ments enthält, welches die Antriebsmaschine zum Antrieb des Ego-Fahrzeugs bereit stellt, und wobei die Prozessoreinheit dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorithmus‘ in Abhängigkeit von dem ersten Term, in Abhängigkeit von dem zweiten Term und in Abhängigkeit von dem dritten Term die Eingangsgröße für die Antriebsmaschine zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. In order to ensure comfortable driving, additional terms can be introduced to punish momentary jumps. In this sense, the cost function can have a third term with a third weighting factor, the third term containing a value of a torque predicted according to the longitudinal dynamics model, which the prime mover provides for driving the ego vehicle, and the processor unit is set up for this To determine the input variable for the prime mover by executing the MPC algorithm as a function of the first term, as a function of the second term and as a function of the third term, so that the cost function is minimized.
Für den ersten Punkt im Horizont kann die Abweichung zum zuletzt gestellten Mo ment negativ bewertet werden, um sicher zu stellen, dass es einen nahtlosen und ruckfreien Übergang beim Umschalten zwischen alter und neuer Trajektorie gibt. In diesem Sinne kann der dritte Term einen mit dem dritten Gewichtungsfaktor gewich teten ersten Wert eines gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierten Drehmoments enthalten, welches die Antriebsmaschine zum Antrieb des Ego-Fahrzeugs zu einem ersten Wegpunkt innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellt. Dabei kann der dritte Term einen mit dem dritten Gewichtungsfaktor gewichteten nullten Wert eines Dreh moments enthalten, welches die Antriebsmaschine zum Antrieb des Ego-Fahrzeugs zu einem nullten Wegpunkt bereitstellt, der unmittelbar vor dem ersten Wegpunkt liegt. Bei dem nullten Drehmoment kann es sich insbesondere um ein real - in nicht bloß prädiziert - von der Antriebsmaschine bereitgestelltes Drehmoment handeln. In der Kostenfunktion kann der nullte Wert des Drehmoments von dem ersten Wert des Drehmoments abgezogen werden. For the first point on the horizon, the deviation from the last set moment can be assessed negatively in order to ensure that there is a seamless and jerk-free transition when switching between the old and the new trajectory. In this sense, the third term can contain a first value, weighted with the third weighting factor, of a torque predicted according to the longitudinal dynamics model, which the drive machine provides for driving the ego vehicle to a first waypoint within the prediction horizon. The third term can contain a zeroth value of a torque weighted with the third weighting factor, which the drive machine provides for driving the ego vehicle to a zeroth waypoint which is immediately before the first waypoint. The zeroth torque can in particular be a real - in not merely predicted - torque provided by the drive machine. In the cost function, the zeroth value of the torque can be subtracted from the first value of the torque.
Alternativ kann der dritte Term einen mit dem dritten Gewichtungsfaktor gewichteten ersten Wert einer gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierten Antriebskraft enthal ten, welche die Antriebsmaschine zum Antrieb des Ego-Fahrzeugs zu einem ersten Wegpunkt innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellt. Der dritte Term enthält da bei einen mit dem dritten Gewichtungsfaktor gewichteten nullten Wert einer Antriebs kraft, welche die Antriebsmaschine zum Antrieb des Ego-Fahrzeugs zu einem nullten Wegpunkt bereitstellt, der unmittelbar vor dem ersten Wegpunkt liegt, wobei in der Kostenfunktion der nullte Wert der Antriebskraft von dem ersten Wert der Antriebs kraft abgezogen wird. Alternatively, the third term can contain a first value, weighted with the third weighting factor, of a drive force predicted according to the longitudinal dynamics model, which the drive machine for driving the ego vehicle to a first Provides waypoint within the prediction horizon. The third term contains a zero value, weighted with the third weighting factor, of a drive force which the drive machine provides to drive the ego vehicle to a zero waypoint which is immediately before the first waypoint, with the zero value of the drive force in the cost function is deducted from the first value of the drive force.
Bei den Wegpunkten, welche durch den MPC-Algorithmus berücksichtigt werden, handelt es sich insbesondere um diskrete Wegpunkte, die beispielsweise in einer be stimmten Frequenz aufeinanderfolgen. In diesem Sinne stellen der nullte Wegpunkt und der erste Wegpunkt diskrete Wegpunkte dar, wobei der erste Wegpunkt unmittel bar auf den nullten Wegpunkt folgt. Der nullte Wegpunkt kann zeitlich vor dem Prä diktionshorizont liegen. Für den nullten Wegpunkt kann der nullte Drehmomentwert gemessen oder ermittelt werden. Der erste Wegpunkt stellt insbesondere den ersten Wegpunkt innerhalb des Prädiktionshorizonts dar. Für den ersten Wegpunkt kann das erste Drehmomentwert prädiziert werden. Somit kann der real ermittelte nullte Drehmomentwert mit dem prädizierten ersten Drehmomentwert verglichen werden. The waypoints which are taken into account by the MPC algorithm are, in particular, discrete waypoints which, for example, follow one another at a certain frequency. In this sense, the zeroth waypoint and the first waypoint represent discrete waypoints, with the first waypoint immediately following the zeroth waypoint. The zeroth waypoint can be before the prediction horizon. The zeroth torque value can be measured or determined for the zeroth waypoint. The first waypoint in particular represents the first waypoint within the prediction horizon. The first torque value can be predicted for the first waypoint. The zeroth torque value actually determined can thus be compared with the predicted first torque value.
Zusätzlich sind zu hohe Drehmomentgradienten innerhalb des Horizonts unvorteil haft, so dass diese in einer Ausführungsform bereits in der Zielfunktion bestraft wer den. Dafür kann die quadratische Abweichung der Antriebskraft je Meter gewichtet und in der Zielfunktion minimiert werden. In diesem Sinne kann die Kostenfunktion einen vierten Term mit einem vierten Gewichtungsfaktor aufweisen, wobei der vierte Term einen gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierten Gradienten des Drehmo ments oder einen Indikatorwert für einen gemäß dem Längsdynamikmodell prädizier ten Gradienten des Drehmoments enthält. Die Prozessoreinheit ist dabei dazu einge richtet, durch Ausführen des MPC-Algorithmus‘ in Abhängigkeit von dem ersten Term, in Abhängigkeit von dem zweiten Term, in Abhängigkeit von dem dritten Term und in Abhängigkeit von dem vierten Term die Eingangsgröße für die Antriebsma schine zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. In addition, torque gradients that are too high within the horizon are disadvantageous, so that in one embodiment they are already penalized in the objective function. For this purpose, the square deviation of the driving force per meter can be weighted and minimized in the objective function. In this sense, the cost function can have a fourth term with a fourth weighting factor, the fourth term containing a gradient of the torque predicted according to the longitudinal dynamics model or an indicator value for a gradient of the torque predicted according to the longitudinal dynamics model. The processor unit is set up to determine the input variable for the drive machine by executing the MPC algorithm as a function of the first term, as a function of the second term, as a function of the third term and as a function of the fourth term so that the cost function is minimized.
In einer Ausführungsform enthält der vierte Term eine mit dem vierten Gewichtungs faktor multiplizierte und aufsummierte quadratische Abweichung des Gradienten des Drehmoments. Weiterhin kann die Kostenfunktion eine mit dem vierten Gewichtungs faktor aufsummierte quadratische Abweichung einer Antriebskraft enthalten, welche die Antriebsmaschine bereitstellt, um das Ego-Fahrzeug einen Meter in Längsrich tung fortzubewegen. In diesem Sinne kann der vierte Term eine mit dem vierten Ge wichtungsfaktor multiplizierte und aufsummierte quadratische Abweichung einer An triebskraft enthalten, welche die Antriebsmaschine bereitstellt, um das Ego-Fahrzeug einen Meter in Längsrichtung fortzubewegen. In one embodiment, the fourth term contains a quadratic deviation of the gradient des multiplied by the fourth weighting factor and added up Torque. Furthermore, the cost function can contain a quadratic deviation, summed up with the fourth weighting factor, of a driving force which the prime mover provides in order to move the ego vehicle one meter in the longitudinal direction. In this sense, the fourth term can contain a quadratic deviation, multiplied by the fourth weighting factor and summed up, of a driving force which the prime mover provides in order to move the ego vehicle one meter in the longitudinal direction.
Geschwindigkeitslimits, die beispielsweise durch eine Verkehrsstraßenordnung fest gelegt sein können, sind für die Optimierung harte Grenzen, die nicht überschritten werden sollen. Eine leichte Überschreitung der Geschwindigkeitsgrenzen ist in der Realität immer zulässig und vor allem bei Übergängen von einer Geschwindigkeits zone in eine zweite Zone eher der Normalfall. In dynamischen Umgebungen, in de nen sich von einem Rechenzyklus zum nächsten Rechenzyklus Geschwindigkeitsli mits verschieben, kann es passieren, dass bei ganz harten Grenzen keine gültige Lö sung für einen Geschwindigkeitsverlauf mehr gefunden werden kann. Um die Stabili tät des Rechenalgorithmus zu erhöhen, kann eine sogenannte „Soft Constraint“ in die Zielfunktion eingeführt werden. Insbesondere kann eine sogenannte „Schlupf-Va riable“ bzw. „Slack-Variable“ in einem vorgegebenen schmalen Bereich aktiv werden, bevor das harte Geschwindigkeitslimit erreicht wird. Lösungen, die sehr nah an die sem Geschwindigkeitslimit liegen, können dabei schlechter bewertet werden, also Lösungen deren Geschwindigkeitstrajektorie einen gewissen Abstand zur harten Grenze einhalten. In diesem Sinne kann die Kostenfunktion als fünften Term eine mit einem fünften Gewichtungsfaktor gewichtete Slack-Variable enthalten, wobei die Pro zessoreinheit dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorithmus“ in Abhän gigkeit von dem ersten Term, in Abhängigkeit von dem zweiten Term, in Abhängig keit von dem dritten Term, in Abhängigkeit von dem vierten Term und in Abhängigkeit von dem fünften Term die Eingangsgröße für die Antriebsmaschine zu ermitteln, so- dass die Kostenfunktion minimiert wird. Speed limits, which can be set for example by a traffic route, are hard limits for optimization that should not be exceeded. In reality, it is always permissible to slightly exceed the speed limits and, above all, it is the normal case when passing from one speed zone to a second zone. In dynamic environments, in which speed limits shift from one computing cycle to the next, it can happen that no valid solution can be found for a speed curve if the limits are very hard. In order to increase the stability of the calculation algorithm, a so-called “soft constraint” can be introduced into the objective function. In particular, a so-called “slip variable” or “slack variable” can become active in a predetermined narrow range before the hard speed limit is reached. Solutions that are very close to this speed limit can be rated worse, that is, solutions whose speed trajectory keep a certain distance from the hard limit. In this sense, the cost function can contain, as the fifth term, a Slack variable weighted with a fifth weighting factor, the processor unit being set up to, by executing the MPC algorithm, “depending on the first term, depending on the second term, to determine the input variable for the drive machine as a function of the third term, as a function of the fourth term and as a function of the fifth term, so that the cost function is minimized.
Um die physikalischen Grenzen der Antriebsstrangkomponenten zu respektieren, kann die Zugkraft durch Beschränkung des Kennfelds der Antriebsmaschine limitiert werden. Beispielsweise ist für die maximale Rekuperation die Batterie das limitie rende Element. Um diese nicht zu schädigen, sollte ein bestimmter negativer Leis tungswert nicht unterschritten werden. In order to respect the physical limits of the drive train components, the tractive force can be limited by restricting the engine map become. For example, the battery is the limiting element for maximum recuperation. In order not to damage them, the performance value should not fall below a certain negative value.
Vorzugsweise umfasst die prädizierte Trajektorie des jeweiligen im Umfeld des Ego- Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs einen prädizierten Geschwindigkeitsverlauf des Fahrzeugs. Die prädizierte Trajektorie des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs wird als zusätzliche Randbedingung im MPC-Algorithmus be rücksichtigt, welche den Lösungsraum zur Minimierung der Kostenfunktion zusätzlich begrenzt. Die prädizierte Trajektorie wird aus Informationen des vorausfahrenden Fahrzeugs generiert, wobei aus der prädizierten Trajektorie unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells des Ego-Fahrzeugs beispielsweise eine maximale Ge schwindigkeit im Vorausschauhorizont abgeleitet wird. The predicted trajectory of the respective vehicle located in the environment of the ego vehicle preferably includes a predicted speed profile of the vehicle. The predicted trajectory of the respective vehicle in the environment of the ego vehicle is taken into account as an additional boundary condition in the MPC algorithm, which additionally limits the solution space for minimizing the cost function. The predicted trajectory is generated from information from the vehicle in front, with a maximum speed in the forecast horizon, for example, being derived from the predicted trajectory, taking into account the longitudinal dynamics model of the ego vehicle.
Das Ego-Fahrzeug umfasst bevorzugt eine Sensorik, die Sensordaten zu dem vor dem Ego-Fahrzeug fahrenden Fahrzeug liefert. Unter zusätzlicher Hinzuziehung von weiteren Informationen, wie beispielsweise von Kartendaten, insbesondere der Stre ckentopografie, oder von Geschwindigkeitslimitierungen, wie beispielsweise enge Kurven oder Ampeln, kann die Prozessoreinheit ein Fahrverhalten, in diesem Fall insbesondere einen Geschwindigkeitsverlauf des vorausfahrenden Fahrzeugs Vor hersagen bzw. prädizieren. Gleichermaßen kann auch ein optimaler Betriebspunkt oder Betriebspunktverlauf des vor dem Ego-Fahrzeug fahrenden Fahrzeugs voraus gesagt werden. The ego vehicle preferably includes a sensor system that supplies sensor data on the vehicle driving in front of the ego vehicle. With additional information, such as map data, in particular the route topography, or speed limits, such as tight bends or traffic lights, the processor unit can predict or predict driving behavior, in this case in particular a speed profile of the vehicle in front. Likewise, an optimal operating point or operating point curve of the vehicle driving in front of the ego vehicle can also be predicted.
Alternativ oder ergänzend umfasst die prädizierte Trajektorie des jeweiligen im Um feld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs eine aktuelle Fahrspur des Fahr zeugs. Dabei kann die Prozessoreinheit berücksichtigen, in welcher Fahrspur sich das vorausfahrende Fahrzeug befindet. Mithin trifft die Prozessoreinheit eine unter schiedliche Entscheidung über die optimale Geschwindigkeit des Ego-Fahrzeugs, je nachdem ob sich das im Umfeld befindliche Fahrzeug in der gleichen Spur vor dem Ego-Fahrzeug oder in einer der benachbarten Fahrspuren befindet. Ferner bevorzugt umfasst die prädizierte Trajektorie des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs eine Position des Fahrzeugs relativ zum Ego-Fahrzeug. Mit anderen Worten wird ein Abstand des vorausfahrenden Fahr zeugs erfasst. Insbesondere kann der Geschwindigkeitsverlauf des Ego-Fahrzeugs derart gewählt bzw. geplant werden, dass stets ein Mindest- oder Sicherheitsabstand zum vorausfahrenden Fahrzeug eingehalten wird. As an alternative or in addition, the predicted trajectory of the respective vehicle located in the vicinity of the ego vehicle includes a current lane of the vehicle. The processor unit can take into account the lane in which the vehicle in front is located. The processor unit therefore makes a different decision about the optimal speed of the ego vehicle, depending on whether the vehicle in the vicinity is in the same lane in front of the ego vehicle or in one of the adjacent lanes. Furthermore, the predicted trajectory of the respective vehicle located in the environment of the ego vehicle preferably includes a position of the vehicle relative to the ego vehicle. In other words, a distance from the vehicle in front is detected. In particular, the speed profile of the ego vehicle can be selected or planned in such a way that a minimum or safety distance from the vehicle driving ahead is always maintained.
Die Prozessoreinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, ein zweites Längsdynamik modell des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs zu spei chern. Beispielsweise über eine drahtlose Verbindung oder ein Cloud-System kann das Ego-Fahrzeug auf Fahrzeugdaten des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs erhalten und abspeichern. Diese Daten können kontinuierlich abgerufen oder abgeglichen werden, sodass die autonome Fahrfunktion des Ego- Fahrzeugs mit aktualisierten Informationen des vorausfahrenden Fahrzeugs erfolgt. The processor unit can also be set up to store a second longitudinal dynamics model of the respective vehicle located in the vicinity of the ego vehicle. For example, via a wireless connection or a cloud system, the ego vehicle can receive and save vehicle data from the vehicle in the vicinity of the ego vehicle. This data can be continuously called up or compared so that the autonomous driving function of the ego vehicle takes place with updated information from the vehicle in front.
Vorzugsweise ist die Prozessoreinheit dazu eingerichtet, die Eingangsgröße für die Regelung der Antriebsmaschine des Ego-Fahrzeugs unter Berücksichtigung des zweiten Längsdynamikmodells des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindli chen Fahrzeugs zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Das Längs dynamikmodell des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs kann ebenso ein Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs sein und ein Fahrzeugmodell mit Fahr zeugparametern und Antriebsstrangverlusten umfassen. Dieses Längsdynamikmo dell kann insbesondere Kenntnisse über vorausliegende Streckentopografien umfas sen. Weiterhin können auch Kenntnisse über Geschwindigkeitslimits auf der voraus liegenden Strecke in das Längsdynamikmodell des jeweiligen im Umfeld des Ego- Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs einfließen. The processor unit is preferably set up to determine the input variable for regulating the drive machine of the ego vehicle, taking into account the second longitudinal dynamics model of the vehicle in the vicinity of the ego vehicle, so that the cost function is minimized. The longitudinal dynamics model of the respective vehicle located in the surroundings of the ego vehicle can also be a longitudinal dynamics model of the drive train of the respective vehicle located in the surroundings of the ego vehicle and comprise a vehicle model with vehicle parameters and drive train losses. This longitudinal dynamics model can in particular include knowledge of the route topographies lying ahead. Furthermore, knowledge of speed limits on the route ahead can also flow into the longitudinal dynamics model of the respective vehicle located in the vicinity of the ego vehicle.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Ego-Fahrzeug bereitgestellt. Das Fahrzeug umfasst einen Antriebsstrang mit einer Antriebsmaschine und ein Fah rerassistenzsystem. Weiterhin umfasst der Antriebsstrang insbesondere eine Batte rie, wobei die Antriebsmaschine als elektrische Maschine ausgebildet sein kann. Fer- ner kann der Antriebsstrang insbesondere ein Getriebe umfassen. Das Fahrerassis tenzsystem ist dazu eingerichtet, mittels einer Kommunikations-Schnittstelle auf eine Eingangsgröße für die Antriebsmaschine zuzugreifen, wobei die Eingangsgröße von einer Prozessoreinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ermittelt worden ist. Weiterhin kann das Fahrerassistenzsystem dazu eingerichtet sein, das Ego-Fahr zeug bzw. die Antriebsmaschine basierend auf der Eingangsgröße zu steuern. Bei dem Ego-Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto mobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Motorrad, Motorroller, Moped, Fahrrad, E-Bike, Bus oder Lastkraftwagen (Bus und Lastkraftwagen z.B. mit einem Gewicht von über 3,5 t). Das Ego-Fahrzeug kann bei spielsweise zu einer Fahrzeugflotte gehören. According to a second aspect of the invention, an ego vehicle is provided. The vehicle comprises a drive train with a drive machine and a driver assistance system. Furthermore, the drive train includes, in particular, a battery, it being possible for the drive machine to be designed as an electrical machine. Remote The drive train can in particular comprise a transmission. The driver assistance system is set up to access an input variable for the drive machine by means of a communication interface, the input variable having been determined by a processor unit according to the first aspect of the invention. Furthermore, the driver assistance system can be set up to control the ego vehicle or the drive machine based on the input variable. The ego vehicle is, for example, a motor vehicle, such as a car (e.g. a passenger vehicle weighing less than 3.5 t), motorcycle, scooter, moped, bicycle, e-bike, bus or truck (bus and Trucks, e.g. with a weight of over 3.5 t). The ego vehicle can, for example, belong to a vehicle fleet.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Ausführung einer autonomen Fahrfunktion für ein Ego-Fahrzeug unter Berücksichtigung wenigstens ei nes im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs bereitgestellt, wobei die autonome Fahrfunktion durch einen MPC-Algorithmus zur modellbasierten prädikti- ven Regelung eines Ego-Fahrzeugs gebildet wird. Das Verfahren umfasst die Schritte According to a third aspect of the invention, a method is provided for executing an autonomous driving function for an ego vehicle taking into account at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle, the autonomous driving function being provided by an MPC algorithm for model-based predictive control of a vehicle Ego vehicle is formed. The method comprises the steps
- Ausführen des MPC-Algorithmus‘ zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Ego-Fahrzeugs mittels einer Prozessoreinheit, wobei der MPC-Algorithmus ein Längsdynamikmodell des Ego-Fahrzeugs, eine prädizierte Trajektorie wenigstens ei nes im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs und eine zu minimierende Kostenfunktion enthält, - Execution of the MPC algorithm for model-based predictive control of an ego vehicle by means of a processor unit, the MPC algorithm being a longitudinal dynamics model of the ego vehicle, a predicted trajectory of at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle and a cost function to be minimized contains,
- Ermitteln einer Eingangsgröße für die Antriebsmaschine unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells des Ego-Fahrzeugs sowie der prädizierten Trajektorie des we nigstens einen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Determination of an input variable for the drive machine, taking into account the longitudinal dynamics model of the ego vehicle and the predicted trajectory of the at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle, so that the cost function is minimized.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung einer autonomen Fahrfunktion für ein Ego-Fahrzeug unter Berücksichti gung wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs bereit gestellt, wobei das Computerprogrammprodukt, wenn es auf einer Prozessoreinheit ausgeführt wird, die Prozessoreinheit anleitet, einen MPC-Algorithmus‘ zur modellba sierten prädiktiven Regelung eines Ego-Fahrzeugs auszuführen, wobei der MPC-AI- gorithmus ein Längsdynamikmodell des Ego-Fahrzeugs, eine prädizierte Trajektorie wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs und eine zu minimierende Kostenfunktion enthält, und durch Ausführen des MPC-Algorithmus‘ unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells des Ego-Fahrzeugs sowie der prädizierten Trajektorie des wenigstens einen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs befindli chen Fahrzeugs eine Eingangsgröße für die Antriebsmaschine zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. According to a fourth aspect of the invention, a computer program product is provided for executing an autonomous driving function for an ego vehicle, taking into account at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle, the computer program product when it is on a processor unit is executed, instructs the processor unit to run an MPC algorithm for model-based predictive control of an ego vehicle, the MPC algorithm being a longitudinal dynamics model of the ego vehicle, a predicted trajectory of at least one vehicle in the vicinity of the ego vehicle and contains a cost function to be minimized, and by executing the MPC algorithm, taking into account the longitudinal dynamics model of the ego vehicle and the predicted trajectory of the at least one vehicle located in the vicinity of the ego vehicle, to determine an input variable for the drive machine, so that the cost function is minimized.
Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der Prozessoreinheit gelten sinngemäß ebenfalls für das Fahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, für das Verfahren ge mäß dem dritten Aspekt der Erfindung und für das Computerprogrammprodukt ge mäß dem vierten Aspekt der Erfindung. The above definitions and statements on technical effects, advantages and advantageous embodiments of the processor unit also apply mutatis mutandis to the vehicle according to the second aspect of the invention, to the method according to the third aspect of the invention and to the computer program product according to the fourth aspect of the invention.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schemati schen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the schematic drawings, the same or similar elements being provided with the same reference numerals. Here shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Antriebsstrang, der eine elektrische Maschine und eine Batterie umfasst, und 1 shows a schematic illustration of a vehicle with a drive train that comprises an electrical machine and a battery, and
Fig. 2 ein Kennfeld einer Antriebsmaschine für das Fahrzeug nach Fig. 1 . FIG. 2 shows a map of a drive machine for the vehicle according to FIG. 1.
Fig. 1 zeigt ein Ego-Fahrzeug 1 , bei dem es sich beispielsweise um einen Personen kraftfahrwagen handeln kann. Das Ego-Fahrzeug 1 umfasst ein System 2 zur Aus führung einer automatisierten Fahrfunktion des Ego-Fahrzeugs 1 , in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zur modelbasierten prädiktiven Regelung des Ego-Fahrzeugs 1 . Insbesondere kann das System 2 zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer elektrischen Maschine 8 eines Antriebstrangs 7 des Ego-Fahrzeugs 1 eingerichtet sein. Das System 2 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Prozesso- reinheit 3, eine Speichereinheit 4, eine Kommunikations-Schnittstelle 5 und eine Er fassungseinheit 6 zur Erfassung von das Ego-Fahrzeug 1 betreffenden Zustandsda ten. Die Erfassungseinheit 6 ist ferner dazu vorgesehen ein Umfeld des Ego-Fahr zeugs 1 zu überwachen und im Umfeld des Ego-Fahrzeugs 1 befindliche Fahr zeuge 19 zu erkennen. Fig. 1 shows an ego vehicle 1, which can be, for example, a passenger vehicle. The ego vehicle 1 comprises a system 2 for executing an automated driving function of the ego vehicle 1, in the exemplary embodiment shown for model-based predictive control of the ego vehicle 1. In particular, the system 2 can be set up for the model-based predictive control of an electrical machine 8 of a drive train 7 of the ego vehicle 1. In the exemplary embodiment shown, the system 2 comprises a processor purity 3, a memory unit 4, a communication interface 5 and a detection unit 6 for detecting status data relating to the ego vehicle 1. The detection unit 6 is also provided to monitor an area around the ego vehicle 1 and in the area of the Ego vehicle 1 located vehicles 19 to recognize.
Das Ego-Fahrzeug 1 umfasst weiterhin einen Antriebsstrang 7, der beispielsweise eine elektrische Maschine 8, die als Motor und als Generator betrieben werden kann, eine Batterie 9 und ein Getriebe 10 umfassen kann. Die elektrische Maschine 8 kann im Motorbetrieb Räder des Ego-Fahrzeugs 1 über das Getriebe 10 antreiben, das beispielsweise eine konstante Übersetzung aufweisen kann. Die dazu notwendige elektrische Energie kann die Batterie 9 bereitstellen. Die Batterie 9 kann durch die elektrische Maschine 8 aufgeladen werden, wenn die elektrische Maschine 8 im Ge neratorbetrieb betrieben wird (Rekuperation). Die Batterie 9 kann optional auch an einer externen Ladestation aufgeladen werden. Ebenfalls kann der Antriebsstrang des Ego-Fahrzeugs 1 optional einen Verbrennungskraftmotor 17 aufweisen, welcher alternativ oder zusätzlich zu der elektrischen Maschine 8 das Ego-Fahrzeug 1 antrei ben kann. Der Verbrennungskraftmotor 17 kann auch die elektrische Maschine 8 an treiben, um die Batterie 9 aufzuladen. The ego vehicle 1 furthermore comprises a drive train 7 which, for example, can comprise an electric machine 8, which can be operated as a motor and as a generator, a battery 9 and a transmission 10. In motor mode, the electric machine 8 can drive the wheels of the ego vehicle 1 via the transmission 10, which can have a constant gear ratio, for example. The electrical energy required for this can be provided by the battery 9. The battery 9 can be charged by the electric machine 8 when the electric machine 8 is operated in generator mode (recuperation). The battery 9 can optionally also be charged at an external charging station. The drive train of the ego vehicle 1 can also optionally have an internal combustion engine 17 which, as an alternative or in addition to the electric machine 8, can drive the ego vehicle 1. The internal combustion engine 17 can also drive the electric machine 8 in order to charge the battery 9.
Auf der Speichereinheit 4 kann ein Computerprogrammprodukt 11 gespeichert sein. Das Computerprogrammprodukt 11 kann auf der Prozessoreinheit 3 ausgeführt wer den, wozu die Prozessoreinheit 3 und die Speichereinheit 4 mittels der Kommunikati ons-Schnittstelle 5 miteinander verbunden sind. Wenn das Computerprogrammpro dukt 11 auf der Prozessoreinheit 3 ausgeführt wird, leitet es die Prozessoreinheit 3 an, die im Folgenden beschriebenen Funktionen zu erfüllen bzw. Verfahrensschritte auszuführen. A computer program product 11 can be stored on the storage unit 4. The computer program product 11 can be executed on the processor unit 3, for which purpose the processor unit 3 and the memory unit 4 are connected to one another by means of the communication interface 5. When the computer program product 11 is executed on the processor unit 3, it instructs the processor unit 3 to fulfill the functions described below or to carry out method steps.
Das Computerprogrammprodukt 11 enthält zur Ausführung der autonomen Fahrfunk tion einen MPC-Algorithmus 13. Der MPC-Algorithmus 13 wiederum enthält ein Längsdynamikmodell 14 des Antriebsstrangs 7 des Ego-Fahrzeugs 1 , eine prädi- zierte Trajektorie 20 wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs 1 befindlichen Fahrzeugs 19 und eine zu minimierende Kostenfunktion 15. Die Prozessoreinheit 3 führt den MPC-Algorithmus 13 aus und prädiziert dabei ein Verhalten des Ego-Fahr zeugs 1 basierend auf dem Längsdynamikmodell 14 und der prädizierten Trajekto- rie 20, wobei die Kostenfunktion 15 minimiert wird. Als Output der Optimierung durch den MPC-Algorithmus 13 können sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine optimale Drehzahl und ein optimales Drehmoment der elektrischen Maschine 8 für berechnete Wegpunkte im Vorausschauhorizont ergeben. Die Prozessoreinheit 3 kann dazu eine Eingangsgröße für die elektrische Maschine 8 ermitteln, sodass sich die optimale Drehzahl und das optimale Drehmoment einstellen. Die Prozessorein heit 3 kann die elektrische Maschine 8 basierend auf der ermittelten Eingangsgröße steuern. Weiterhin kann dies jedoch auch durch ein Fahrerassistenzsystem 16 erfol gen. Auf diese Weise kann das Ego-Fahrzeug 1 basierend auf dem Output des aus geführten MPC-Algorithmus 13 autonom fahren. The computer program product 11 contains an MPC algorithm 13 for executing the autonomous driving function. The MPC algorithm 13 in turn contains a longitudinal dynamics model 14 of the drive train 7 of the ego vehicle 1, a predicted trajectory 20 of at least one in the vicinity of the ego vehicle 1 located vehicle 19 and a cost function 15 to be minimized. The processor unit 3 executes the MPC algorithm 13 and thereby predicts a behavior of the ego vehicle 1 based on the longitudinal dynamics model 14 and the predicted trajectory 20, the cost function 15 being minimized. In the exemplary embodiment shown, the output of the optimization by the MPC algorithm 13 can result in an optimal speed and an optimal torque of the electric machine 8 for calculated waypoints in the forecast horizon. For this purpose, the processor unit 3 can determine an input variable for the electrical machine 8, so that the optimum speed and the optimum torque are set. The processor unit 3 can control the electrical machine 8 based on the determined input variable. Furthermore, however, this can also be done by a driver assistance system 16. In this way, the ego vehicle 1 can drive autonomously based on the output of the MPC algorithm 13 executed.
Die Erfassungseinheit 6 kann aktuelle Zustandsgrößen des Ego-Fahrzeugs 1 mes sen, entsprechende Daten aufnehmen und dem MPC-Algorithmus 13 zuführen. So können Streckendaten aus einer elektronischen Karte für einen Vorausschauhorizont bzw. Prädiktionshorizont (z.B. 5 km) vor dem Ego-Fahrzeug 1 beispielsweise zyklisch aktualisiert werden. Die Streckendaten können beispielsweise Steigungsinformatio nen, Kurveninformationen und Informationen über Geschwindigkeitslimits beinhalten. Des Weiteren kann eine Kurvenkrümmung über eine maximal zulässige Querbe schleunigung in ein Geschwindigkeitslimit für das Ego-Fahrzeug 1 umgerechnet wer den. Außerdem kann mittels der Erfassungseinheit 6 eine Ortung des Ego-Fahr zeugs 1 erfolgen, insbesondere über ein von einem GNSS-Sensor 12 generiertes GNSS-Signal zur genauen Lokalisierung auf der elektronischen Karte. Weiterhin kann die Erfassungseinheit 6 Sensoren zur Bestimmung des Beladungsgewichts des Ego-Fahrzeugs 1 , zur Erfassung der Anzahl der Fahrzeug Insassen und ein Zeit mess- und Erfassungsmodul umfassen. Die Prozessoreinheit 3 kann auf von den ge nannten Sensoren generierte Informationen bzw. Daten beispielsweise über die Kommunikations-Schnittstelle 5 zugreifen. Außerdem kann die Erfassungseinheit 6 im Umfeld des Ego-Fahrzeugs 1 befindliche Fahrzeuge 19 erkennen. Die erfassten Daten fließen in die prädizierte Trajektorie 20 des MPC-Algorithmus“ 13 ein, wobei diese Daten einen prädizierten Geschwindigkeitsverlauf des Fahrzeugs 19, eine ak tuelle Fahrspur des Fahrzeugs 19, eine Position des Fahrzeugs 19 relativ zum Ego- Fahrzeug 1 und/oder ein Längsdynamikmodell 18 des Fahrzeugs 19 umfassen. Mit anderen Worten wird eine energieeffiziente Fahrstrategie des Ego-Fahrzeugs 1 , bei spielsweise ein optimaler Geschwindigkeitsverlauf, ein optimaler Betriebspunktver lauf und/oder eine optimale Fahrzeit auf Basis des aktuellen Fahrzeugzustands des Ego-Fahrzeugs 1 , der vorausliegenden Streckentopografie sowie auf Basis des vo rausfahrenden Verkehrs, insbesondere des vorausfahrenden Fahrzeugs 19 geplant. Das vorausfahrende Fahrzeug 19 wird nur dann zur Minimierung der Kostenfunktion relevant, wenn es die maximal erlaubte Geschwindigkeit des Ego-Fahrzeugs 1 stär ker einschränkt, als es straßenbedingte bzw. streckentopografiebedingte Geschwin digkeitslimits und/oder andere Geschwindigkeitslimitierungen tun. Alternativ zu einer maximalen Geschwindigkeit können auch zeitliche Randbedingungen des vorausfah renden Fahrzeugs 19 abgeleitet werden. The detection unit 6 can measure current state variables of the ego vehicle 1, record corresponding data and feed them to the MPC algorithm 13. For example, route data from an electronic map for a forecast horizon or prediction horizon (for example 5 km) in front of the ego vehicle 1 can be updated cyclically. The route data can contain, for example, gradient information, curve information and information about speed limits. Furthermore, a curve curvature can be converted into a speed limit for the ego vehicle 1 via a maximum permissible transverse acceleration. In addition, the ego vehicle 1 can be localized by means of the detection unit 6, in particular via a GNSS signal generated by a GNSS sensor 12 for precise localization on the electronic map. Furthermore, the detection unit 6 can include sensors for determining the loading weight of the ego vehicle 1, for detecting the number of vehicle occupants and a time measuring and recording module. The processor unit 3 can access information or data generated by the sensors mentioned, for example via the communication interface 5. In addition, the detection unit 6 can recognize vehicles 19 located in the vicinity of the ego vehicle 1. The recorded data flow into the predicted trajectory 20 of the MPC algorithm 13, with these data showing a predicted speed profile of the vehicle 19, a current lane of the vehicle 19, a position of the vehicle 19 relative to the ego Vehicle 1 and / or a longitudinal dynamics model 18 of vehicle 19. In other words, an energy-efficient driving strategy of the ego vehicle 1, for example an optimal speed profile, an optimal operating point profile and / or an optimal driving time based on the current vehicle status of the ego vehicle 1, the route topography ahead and based on the traffic ahead , in particular of the preceding vehicle 19 planned. The vehicle 19 driving ahead is only relevant for minimizing the cost function if it restricts the maximum permitted speed of the ego vehicle 1 more than road-related or road-topography-related speed limits and / or other speed limits do. As an alternative to a maximum speed, temporal boundary conditions of the vehicle 19 in front can also be derived.
Das Längsdynamikmodell 14 des Ego-Fahrzeugs 1 kann mathematisch wie folgt aus gedrückt werden:
Figure imgf000017_0001
The longitudinal dynamics model 14 of the ego vehicle 1 can be expressed mathematically as follows:
Figure imgf000017_0001
Hierbei sind: v die Geschwindigkeit des Ego-Fahrzeugs; Where: v the speed of the ego vehicle;
Ftrac Traktionskraft, die durch den Motor oder die Bremsen auf die Räder des Ego-Fahrzeugs ausgeübt wird; Ftrac Tractive force exerted by the engine or the brakes on the wheels of the ego vehicle;
Fr die Rollwiderstandskraft, welche ein Effekt der Verformung der Reifen beim Rollen ist und von der Belastung der Räder (der Normalkraft zwi schen Rad und Straße) und damit vom Neigungswinkel der Straße ab hängt; For the rolling resistance force, which is an effect of the deformation of the tires when rolling and depends on the load on the wheels (the normal force between the wheel and the road) and thus on the angle of inclination of the road;
Fgr die Steigungswiderstandskraft, welche eine Längskomponente derFgr is the gradient resistance force, which is a longitudinal component of the
Schwerkraft beschreibt, die auf das Ego-Fahrzeug im Bergauf- oder Berg abfahrbetrieb wirkt, abhängig von der Neigung der Fahrbahn; Describes gravity, which acts on the ego vehicle in uphill or downhill operation, depending on the inclination of the road;
Fd die Luftwiderstandskraft des Ego-Fahrzeugs; und meq die äquivalente Masse des Ego-Fahrzeugs; die äquivalente Masse bein haltet insbesondere die Trägheit der Drehteile des Antriebsstrangs, welche der Beschleunigung des Ego-Fahrzeugs ausgesetzt sind (Motor, Getriebe antriebswellen, Räder). Fd is the drag force of the ego vehicle; and meq is the equivalent mass of the ego vehicle; the equivalent mass includes in particular the inertia of the rotating parts of the drive train, which are exposed to the acceleration of the ego vehicle (engine, transmission drive shafts, wheels).
Durch Umwandlung von Zeitabhängigkeit in Wegabhängigkeit
Figure imgf000018_0001
und Koordinatentransformation zur Eliminierung des quadratischen Geschwindig- keits-Terms im Luftwiderstand mit ekin = - * meq * v t)2 folgt
Figure imgf000018_0002
By converting time dependency into path dependency
Figure imgf000018_0001
and coordinate transformation to eliminate the quadratic speed term in air resistance with e kin = - * m eq * vt) 2 follows
Figure imgf000018_0002
Damit das Problem durch den MPC-Algorithmus 13 schnell und einfach lösbar ist, kann die Dynamikgleichung des Längsdynamikmodells 14 linearisiert werden, indem die Geschwindigkeit durch Koordinatentransformation durch kinetische Energie dekin ausgedrückt wird. Dadurch wird der quadratische Term zur Berechnung des Luftwi derstands Fd durch einen linearen Term ersetzt und gleichzeitig ist das Längsdyna mikmodell 14 des Ego-Fahrzeugs 1 nicht mehr wie üblich in Abhängigkeit von der Zeit beschrieben, sondern in Abhängigkeit von dem Weg. Dies passt insofern gut zum Optimierungsproblem, da die Vorausschauinformationen des elektrischen Hori zonts wegbasiert vorliegen. So that the problem can be solved quickly and easily by the MPC algorithm 13, the dynamics equation of the longitudinal dynamics model 14 can be linearized in that the speed is expressed by coordinate transformation using kinetic energy dekin. As a result, the quadratic term for calculating the air resistance Fd is replaced by a linear term and, at the same time, the longitudinal dynamic model 14 of the ego vehicle 1 is no longer described as a function of time as usual, but as a function of the path. This fits well with the optimization problem insofar as the forecast information of the electrical horizon is path-based.
Neben der kinetischen Energie gibt es zwei weitere Zustandsgrößen, welche im Sinne eines einfachen Optimierungsproblems ebenfalls linear und wegabhängig be schrieben werden müssen. Zum einen ist der elektrische Energieverbrauch des An triebsstrangs 7 üblicherweise in Form eines Kennfeldes in Abhängigkeit von Drehmo ment und Motordrehzahl beschrieben. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Ego-Fahrzeug 1 eine feste Übersetzung zwischen der elektrischen Maschine 8 und der Straße auf, auf welcher sich das Ego-Fahrzeug 1 bewegt. Dadurch lässt sich die Drehzahl der elektrischen Maschine 8 direkt in eine Geschwindigkeit des Ego- Fahrzeugs 1 oder eben in eine kinetische Energie des Ego-Fahrzeugs 1 umrechnen. Weiterhin lässt sich die elektrische Leistung der elektrischen Maschine 8 durch Tei len durch die entsprechende Geschwindigkeit in Energieverbrauch pro Meter um rechnen. Dadurch erhält das Kennfeld der elektrischen Maschine 8 die Form wie in Fig. 2 zu sehen. Um dieses Kennfeld für die Optimierung verwenden zu können, wird es linear approximiert: Euer gyperMeter > a* * ekin + bt * Ftrac für alle i. Eine beispielhafte zu minimierende Kostenfunktion 15 kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:
Figure imgf000019_0001
In addition to the kinetic energy, there are two other state variables which, in the sense of a simple optimization problem, must also be described linearly and path-dependently. On the one hand, the electrical energy consumption of the drive train 7 is usually described in the form of a map as a function of torque and engine speed. In the exemplary embodiment shown, the ego vehicle 1 has a fixed transmission ratio between the electrical machine 8 and the road on which the ego vehicle 1 is moving. As a result, the speed of the electrical machine 8 can be converted directly into a speed of the ego vehicle 1 or even into a kinetic energy of the ego vehicle 1. Furthermore, the electrical power of the electrical machine 8 can be converted into energy consumption per meter by dividing the corresponding speed. As a result, the characteristics map of the electrical machine 8 is given the form as shown in FIG. 2. In order to be able to use this map for the optimization, it is approximated linearly: Your gy perMeter > a * * e kin + b t * F trac for all i. An exemplary cost function 15 to be minimized can be expressed mathematically as follows:
Figure imgf000019_0001
Hierbei ist: Where is:
Wßat Gewichtungsfaktor für den Energieverbrauch der Batterie Wßat Weighting factor for the energy consumption of the battery
Eßat Energieverbrauch der Batterie Eßat energy consumption of the battery
S Wegstrecke S distance
SE-I Wegstrecke einen Zeitschritt vor Ende des Prädiktionshorizonts SE-I Distance one time step before the end of the prediction horizon
FA Antriebskraft, welche durch die elektrische Maschine bereitgestellt wird, durch ein Getriebe konstant übersetzt wird und an einem Rad des Ego- Fahrzeugs anliegt FA Driving force, which is provided by the electric machine, is constantly translated by a transmission and is applied to a wheel of the ego vehicle
WTem Gewichtungsfaktor für Drehmomentgradienten WTem Weighting factor for torque gradients
WTemstart Gewichtungsfaktor für Momentensprünge WTemstart Weighting factor for momentary jumps
T Zeit, welche das Fahrzeug benötigt, um die gesamte innerhalb des Prä diktionszeitraums prädizierte Wegstrecke zurückzulegen WTime Gewichtungsfaktor für die Zeit T T Time that the vehicle needs to cover the entire distance predicted within the prediction period WTime Weighting factor for the time T
SE Wegstrecke zum Ende des Horizonts ws lack Gewichtungsfaktor für die Slack-Variable SE Distance to the end of the horizon ws lack Weighting factor for the Slack variable
Varsiack Slack-Variable Varsiack Slack variable
Die Kostenfunktion 15 besitzt ausschließlich lineare und quadratische Terme. Dadurch hat das Gesamtproblem die Form einer quadratischen Optimierung mit line aren Nebenbedingungen und es ergibt sich ein konvexes Problem, welches gut und schnell gelöst werden kann. The cost function 15 has only linear and quadratic terms. As a result, the overall problem has the form of a quadratic optimization with linear constraints and a convex problem results, which can be solved quickly and easily.
Die Kostenfunktion 15 enthält als ersten Term eine mit einem ersten Gewichtungs faktor Wßat gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierte elektrische Energie Eßat, welche innerhalb eines Prädiktionshorizonts von der Batterie 9 des An triebsstrangs 7 zum Antrieb der elektrischen Maschine 8 bereitgestellt wird. The cost function 15 contains as the first term an electrical weighted with a first weighting factor Wßat and predicted according to the longitudinal dynamics model Energy Eßat, which is provided by the battery 9 of the drive train 7 for driving the electric machine 8 within a prediction horizon.
Die Kostenfunktion 15 enthält als zweiten Term eine mit einem zweiten Gewichtungs faktor Wnme gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell 14 prädizierte Fahrzeit T, welche das Ego-Fahrzeug 1 benötigt, um die prädizierte Wegstrecke zurückzule gen. Dies führt dazu, dass je nach Wahl der Gewichtungsfaktoren eine geringe Ge schwindigkeit nicht immer als optimal bewertet wird und so nicht mehr das Problem besteht, dass die resultierende Geschwindigkeit immer am unteren Rand der erlaub ten Geschwindigkeit liegt. The cost function 15 contains as a second term a travel time T weighted with a second weighting factor Wnme and predicted according to the longitudinal dynamics model 14, which the ego vehicle 1 needs to cover the predicted distance low speed is not always rated as optimal and so there is no longer the problem that the resulting speed is always at the lower limit of the permitted speed.
Der Energieverbrauch und die Fahrzeit können jeweils am Ende des Horizonts aus gewertet und gewichtet werden. Diese Terme sind dann also nur für den letzten Punkt des Horizonts aktiv. The energy consumption and travel time can be evaluated and weighted at the end of the horizon. These terms are then only active for the last point on the horizon.
Zu hohe Drehmomentgradienten innerhalb des Horizonts sind unvorteilhaft. Daher werden Drehmomentgradienten bereits in der Kostenfunktion 15 bestraft, nämlich durch den Term wTem D'e quadratische Abweichung der An
Figure imgf000020_0001
triebskraft je Meter wird mit einem Gewichtungsfaktor WTem gewichtet und in der Kos tenfunktion minimiert. Alternativ zu der Antriebskraft FA je Meter kann auch das durch die elektrische Maschine 8 bereitgestellte Drehmoment MEM genutzt und mit dem Ge wichtungsfaktor WTem gewichtet werden, sodass sich der alternative Term wTem ergibt. Durch die konstante Übersetzung des Getriebes 10
Figure imgf000020_0002
sind die Antriebskraft und das Drehmoment direkt proportional zueinander.
Too high torque gradients within the horizon are disadvantageous. Torque gradients are therefore already penalized in the cost function 15, namely by the term w Tem D ' e quadratic deviation of An
Figure imgf000020_0001
Driving force per meter is weighted with a weighting factor WTem and minimized in the cost function. As an alternative to the driving force FA per meter, the torque MEM provided by the electrical machine 8 can also be used and weighted with the weighting factor WTem, so that the alternative term w Tem results. Due to the constant ratio of the gear 10
Figure imgf000020_0002
the driving force and the torque are directly proportional to each other.
Um ein komfortables Fahren sicher zu stellen, wird in der Kostenfunktion 15 ein wei terer Term zur Bestrafung von Momentensprüngen eingeführt, nämlich wTemStart In order to ensure comfortable driving, a further term for punishing momentary jumps is introduced in the cost function 15, namely w TemStart
(FA(S I) - FA(S0 )) . Alternativ zu der Antriebskraft FA kann auch hier das durch die elektrische Maschine 8 bereitgestellte Drehmoment MEM genutzt werden, sodass sich der alternative Term wTemStart
Figure imgf000020_0003
- MEM(S0 )) ergibt. Für den ersten Punkt im Prädiktionshorizont wird die Abweichung zum zuletzt gestellten Moment negativ bewertet und mit einem Gewichtungsfaktor WTemStart gewichtet, um sicher zu stellen, dass es einen nahtlosen und ruckfreien Übergang beim Umschalten zwischen alter und neuer Trajektorie gibt.
(F A (S I ) - F A (S 0 )). As an alternative to the driving force FA, the torque MEM provided by the electrical machine 8 can also be used here, so that the alternative term w TemStart
Figure imgf000020_0003
- M EM (S 0 )) results. For the first point in the prediction horizon, the deviation from the last specified moment is assessed negatively and weighted with a weighting factor WTemStart to ensure that there is a seamless and jerk-free transition when switching between old and new trajectories.
Geschwindigkeitslimits sind für die Optimierung harte Grenzen, die nicht überschrit ten werden dürfen. Eine leichte Überschreitung der Geschwindigkeitsgrenzen ist in der Realität immer zulässig und vor allem bei Übergängen von einer Geschwindig keitszone in eine zweite Zone eher der Normalfall. In dynamischen Umgebungen, wo sich von einem Rechenzyklus zum nächsten Rechenzyklus Geschwindigkeitslimits verschieben, kann es passieren, dass bei ganz harten Grenzen keine gültige Lösung für einen Geschwindigkeitsverlauf mehr gefunden werden kann. Um die Stabilität des Rechenalgorithmus zu erhöhen, wird eine weiche Beschränkung („soft constraint“) in die Kostenfunktion 15 eingeführt. Dabei wird eine mit einem Gewichtungsfaktor Wsiack gewichtete Slack-Variable Varsiack in einem vorgegebenen schmalen Bereich aktiv, bevor das harte Geschwindigkeitslimit erreicht wird. Lösungen, die sehr nah an diesem Geschwindigkeitslimit liegen, werden schlechter bewertet, also Lösungen de ren Geschwindigkeitstrajektorie einen gewissen Abstand zur harten Grenze einhal- ten. For optimization purposes, speed limits are hard limits that must not be exceeded. In reality, it is always permissible to slightly exceed the speed limits and, above all, it is more the norm when passing from one speed zone to a second zone. In dynamic environments, where speed limits shift from one computing cycle to the next, it can happen that if the limits are very hard, no valid solution can be found for a speed curve. In order to increase the stability of the calculation algorithm, a soft constraint is introduced into the cost function 15. A Slack variable Varsiack weighted with a weighting factor Wsiack becomes active in a predetermined narrow range before the hard speed limit is reached. Solutions that are very close to this speed limit are rated worse, that is, solutions whose speed trajectory keep a certain distance from the hard limit.
Die Regelung der elektrischen Maschine 8 des Ego-Fahrzeugs 1 mittels des MPC- Algorithmus 13 eignet sich für Automatisierungsstufen unterhalb von Level 5 (z.B. gemäß SAE J3016), insbesondere bis Level 3, wobei ein Fahrer des Ego-Fahr zeugs 1 weiterhin die Möglichkeit hat, die Fahrt zu beeinflussen bzw. in die vorste hend beschriebene MPC-basierte autonome Fahrfunktion des Ego-Fahrzeugs 1 ein zugreifen. The regulation of the electrical machine 8 of the ego vehicle 1 by means of the MPC algorithm 13 is suitable for automation levels below level 5 (e.g. according to SAE J3016), in particular up to level 3, with a driver of the ego vehicle 1 still having the option to influence the journey or to access the MPC-based autonomous driving function of the ego vehicle 1 described above.
Bezuqszeichen Ego-Fahrzeug System Prozessoreinheit Speichereinheit Kommunikations-Schnittstelle Erfassungseinheit Antriebsstrang Antriebsmaschine Batterie Getriebe Computerprogrammprodukt GNSS-Sensor MPC-Algorithmus Längsdynamikmodell Kostenfunktion Fahrerassistenzsystem Verbrennungskraftmotor Längsdynamikmodell des vorausfahrenden Fahrzeugs Vorausfahrendes Fahrzeug Trajektorie des vorausfahrenden Fahrzeugs Bezuqszeichen ego vehicle system processor unit storage unit communication interface detection unit drive train drive machine battery transmission computer program product GNSS sensor MPC algorithm longitudinal dynamics model cost function driver assistance system internal combustion engine longitudinal dynamics model of the vehicle in front Vehicle in front Trajectory of the vehicle in front

Claims

Patentansprüche Claims
1. Prozessoreinheit (3) zur Ausführung einer autonomen Fahrfunktion für ein Ego- Fahrzeug (1) unter Berücksichtigung wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahr zeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (19), wobei die autonome Fahrfunktion durch einen MPC-Algorithmus (13) zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Ego-Fahr zeugs (1) gebildet wird, wobei 1. Processor unit (3) for executing an autonomous driving function for an ego vehicle (1) taking into account at least one vehicle (19) located in the vicinity of the ego vehicle (1), the autonomous driving function being carried out by an MPC algorithm (13 ) is formed for the model-based predictive control of an ego vehicle (1), wherein
- der MPC-Algorithmus (13) ein Längsdynamikmodell (14) des Ego-Fahrzeugs (1) enthält, - the MPC algorithm (13) contains a longitudinal dynamics model (14) of the ego vehicle (1),
- der MPC-Algorithmus (13) eine zu minimierende Kostenfunktion (15) enthält,- the MPC algorithm (13) contains a cost function (15) to be minimized,
- der MPC-Algorithmus (13) eine prädizierte Trajektorie (20) wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (19) enthält, - the MPC algorithm (13) contains a predicted trajectory (20) of at least one vehicle (19) located in the vicinity of the ego vehicle (1),
- die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, den MPC-Algorithmus (13) auszufüh ren, sodass das Ego-Fahrzeug (1) basierend auf der Ausführung des MPC-Algorith mus (13) autonom fährt, und - The processor unit (3) is set up to execute the MPC algorithm (13) so that the ego vehicle (1) drives autonomously based on the execution of the MPC algorithm (13), and
- die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorith mus“ (13) unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells (14) des Ego-Fahr zeugs (1) sowie der prädizierten Trajektorie (20) des wenigstens einen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (19) eine Eingangsgröße für die mo dellbasierte prädiktive Regelung des Ego-Fahrzeugs (1) zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. - The processor unit (3) is set up by executing the MPC algorithm (13) taking into account the longitudinal dynamics model (14) of the ego vehicle (1) and the predicted trajectory (20) of the at least one in the vicinity of the ego -Fahrzeugs (1) located vehicle (19) to determine an input variable for the model-based predictive control of the ego vehicle (1) so that the cost function is minimized.
2. Prozessoreinheit (3) nach Anspruch 1, wobei 2. processor unit (3) according to claim 1, wherein
- die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, mittels des MPC-Algorithmus“ (13) eine Antriebsmaschine (8) eines Antriebstrangs (7) des Ego-Fahrzeugs (1) zu regeln,- the processor unit (3) is set up to regulate a drive machine (8) of a drive train (7) of the ego vehicle (1) by means of the MPC algorithm (13),
- der MPC-Algorithmus (13) ein Längsdynamikmodell (14) des Antriebsstrangs (7) enthält, - The MPC algorithm (13) contains a longitudinal dynamics model (14) of the drive train (7),
- der MPC-Algorithmus (13) eine prädizierte Trajektorie (20) wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (19) enthält, und - The MPC algorithm (13) contains a predicted trajectory (20) of at least one vehicle (19) located in the vicinity of the ego vehicle (1), and
- die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorith mus“ (13) unter Berücksichtigung des gespeicherten Fahrereingriffs eine Eingangs- große für die Regelung der Antriebsmaschine (8) zu ermitteln, sodass das Ego-Fahr zeug (1) durch die Antriebsmaschine (8) autonom angetrieben wird und sodass die Kostenfunktion minimiert wird. - The processor unit (3) is set up to, by executing the MPC algorithm "(13), taking into account the stored driver intervention, an input large to determine for the control of the drive machine (8), so that the ego vehicle (1) is driven autonomously by the drive machine (8) and so that the cost function is minimized.
3. Prozessoreinheit (3) nach Anspruch 2, wobei 3. processor unit (3) according to claim 2, wherein
- die Kostenfunktion (15) als ersten Term eine mit einem ersten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell (14) sowie gemäß der prädizierten Trajektorie (20) des wenigstens einen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (19) prädizierte elektrische Energie enthält, welche innerhalb eines Prä diktionshorizonts von einer Batterie (9) des Antriebsstrangs (7) zum Antrieb der An triebsmaschine (8) bereitgestellt wird, - the cost function (15) as the first term an electrical energy weighted with a first weighting factor and predicted according to the longitudinal dynamics model (14) and according to the predicted trajectory (20) of the at least one vehicle (19) located in the vicinity of the ego vehicle (1) contains, which is provided within a prediction horizon by a battery (9) of the drive train (7) for driving the drive machine (8),
- die Kostenfunktion (15) als zweiten Term eine mit einem zweiten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell (14) sowie gemäß der prädizierten Trajektorie (20) des wenigstens einen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (19) prädizierte Fahrzeit enthält, welche das Ego-Fahrzeug (1) zum Zu rücklegen der gesamten innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke benötigt, und - The cost function (15) contains as a second term a driving time weighted with a second weighting factor and predicted according to the longitudinal dynamics model (14) and according to the predicted trajectory (20) of the at least one vehicle (19) located in the vicinity of the ego vehicle (1) which the ego vehicle (1) needs to cover the entire distance predicted within the prediction horizon, and
- die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorith- mus‘ (13) in Abhängigkeit von dem ersten Term und in Abhängigkeit von dem zwei ten Term eine Eingangsgröße für die Regelung der Antriebsmaschine (8) des Ego- Fahrzeugs (1) zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion (15) minimiert wird. - The processor unit (3) is set up to generate an input variable for regulating the drive machine (8) of the ego vehicle by executing the MPC algorithm (13) as a function of the first term and as a function of the second term (1) so that the cost function (15) is minimized.
4. Prozessoreinheit (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die prädizierte Trajektorie (20) des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) be findlichen Fahrzeugs (19) einen prädizierten Geschwindigkeitsverlauf des Fahrzeugs (19) umfasst. 4. processor unit (3) according to any one of the preceding claims, wherein the predicted trajectory (20) of the respective vehicle (19) in the vicinity of the ego vehicle (1) includes a predicted speed profile of the vehicle (19).
5. Prozessoreinheit (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die prädizierte Trajektorie (20) des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) be findlichen Fahrzeugs (19) eine aktuelle Fahrspur des Fahrzeugs (19) umfasst. 5. processor unit (3) according to any one of the preceding claims, wherein the predicted trajectory (20) of the respective in the environment of the ego vehicle (1) be sensitive vehicle (19) comprises a current lane of the vehicle (19).
6. Prozessoreinheit (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die prädizierte Trajektorie (20) des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) be findlichen Fahrzeugs (19) eine Position des Fahrzeugs (19) relativ zum Ego-Fahr zeug (1 ) umfasst. 6. processor unit (3) according to any one of the preceding claims, wherein the predicted trajectory (20) of the respective vehicle (19) in the vicinity of the ego vehicle (1) includes a position of the vehicle (19) relative to the ego vehicle (1).
7. Prozessoreinheit (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, ein zweites Längsdynamikmodell (18) des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (19) zu speichern. 7. Processor unit (3) according to one of the preceding claims, wherein the processor unit (3) is set up to store a second longitudinal dynamics model (18) of the respective vehicle (19) located in the vicinity of the ego vehicle (1).
8. Prozessoreinheit (3) nach Anspruch 7, wobei die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, die Eingangsgröße für die Regelung der Antriebsmaschine (8) des Ego-Fahrzeugs (1) unter Berücksichtigung des zweiten Längsdynamikmodells (18) des jeweiligen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindli chen Fahrzeugs (19) zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion (15) minimiert wird. 8. processor unit (3) according to claim 7, wherein the processor unit (3) is set up to the input variable for the control of the drive machine (8) of the ego vehicle (1) taking into account the second longitudinal dynamics model (18) of the respective in the environment of the Ego vehicle (1) located vehicle (19) to determine so that the cost function (15) is minimized.
9. Kraftfahrzeug (3), umfassend ein Fahrerassistenzsystem (16) und einen Antriebs strang (7) mit einer Antriebsmaschine (8), wobei das Fahrerassistenzsystem (16) dazu eingerichtet ist, 9. Motor vehicle (3), comprising a driver assistance system (16) and a drive train (7) with a drive machine (8), wherein the driver assistance system (16) is set up to
- mittels einer Kommunikations-Schnittstelle auf eine Eingangsgröße für die modell basierte prädiktive Regelung des Ego-Fahrzeugs (1) oder für die Antriebsma schine (8) des Ego-Fahrzeugs (1) zuzugreifen, wobei die Eingangsgröße von einer Prozessoreinheit (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche ermittelt worden ist, und - Using a communication interface to access an input variable for the model-based predictive control of the ego vehicle (1) or for the drive machine (8) of the ego vehicle (1), the input variable from a processor unit (3) after a of the preceding claims has been determined, and
- das Ego-Fahrzeug (1) oder die Antriebsmaschine (8) basierend auf der Eingangs größe zu steuern. - To control the ego vehicle (1) or the prime mover (8) based on the input variable.
10. Verfahren zur Ausführung einer autonomen Fahrfunktion für ein Ego-Fahr zeug (1 ) unter Berücksichtigung wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (19), wobei die autonome Fahrfunktion durch einen MPC-AI- gorithmus (13) zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Ego-Fahrzeugs (1) gebildet wird, das Verfahren umfassend die Schritte - Ausführen des MPC-Algorithmus‘ (13) zur modellbasierten prädiktiven Regelung ei nes Ego-Fahrzeugs (1) mittels einer Prozessoreinheit (3), wobei der MPC-Algorith- mus (13) ein Längsdynamikmodell (14) des Ego-Fahrzeugs (1 ), eine prädizierte Trajektorie (20) wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (19) und eine zu minimierende Kostenfunktion (15) enthält, 10. A method for executing an autonomous driving function for an ego vehicle (1) taking into account at least one vehicle (19) located in the vicinity of the ego vehicle (1), the autonomous driving function using an MPC algorithm (13) is formed for the model-based predictive control of an ego vehicle (1), the method comprising the steps - Execution of the MPC algorithm (13) for model-based predictive control of an ego vehicle (1) by means of a processor unit (3), the MPC algorithm (13) being a longitudinal dynamics model (14) of the ego vehicle (1 ), a predicted trajectory (20) of at least one vehicle (19) located in the environment of the ego vehicle (1) and a cost function (15) to be minimized,
- Ermitteln einer Eingangsgröße für die Antriebsmaschine (8) unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells (14) des Ego-Fahrzeugs (1) sowie der prädizierten Trajek torie (20) des wenigstens einen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahr zeugs (19), sodass die Kostenfunktion (15) minimiert wird. - Determination of an input variable for the drive machine (8) taking into account the longitudinal dynamics model (14) of the ego vehicle (1) and the predicted trajectory (20) of the at least one vehicle (19) located in the vicinity of the ego vehicle (1) so that the cost function (15) is minimized.
11 . Computerprogrammprodukt (11 ) zur Ausführung einer autonomen Fahrfunktion für ein Ego-Fahrzeug (1 ) unter Berücksichtigung wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (), wobei das Computerprogrammpro dukt (11), wenn es auf einer Prozessoreinheit (3) ausgeführt wird, die Prozessorein heit (3) anleitet, 11. Computer program product (11) for executing an autonomous driving function for an ego vehicle (1) taking into account at least one vehicle () located in the environment of the ego vehicle (1), the computer program product (11) when it is on a processor unit (3 ) is executed, instructs the processor unit (3),
- einen MPC-Algorithmus‘ (13) zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Ego- Fahrzeugs (1) auszuführen, wobei der MPC-Algorithmus (13) ein Längsdynamikmo dell (14) des Ego-Fahrzeugs (1), eine prädizierte Trajektorie (20) wenigstens eines im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1) befindlichen Fahrzeugs (19) und eine zu minimie rende Kostenfunktion (15) enthält, - to execute an MPC algorithm (13) for model-based predictive control of an ego vehicle (1), the MPC algorithm (13) being a longitudinal dynamics model (14) of the ego vehicle (1), a predicted trajectory (20) contains at least one vehicle (19) located in the vicinity of the ego vehicle (1) and a cost function (15) to be minimized,
- durch Ausführen des MPC-Algorithmus‘ (13) unter Berücksichtigung des Längsdy namikmodells (14) des Ego-Fahrzeugs (1) sowie der prädizierten Trajektorie () des wenigstens einen im Umfeld des Ego-Fahrzeugs (1 ) befindlichen Fahrzeugs () eine Eingangsgröße für die Antriebsmaschine (8) zu ermitteln, sodass die Kostenfunk tion (15) minimiert wird. - by executing the MPC algorithm (13) taking into account the longitudinal dynamic model (14) of the ego vehicle (1) and the predicted trajectory () of the at least one vehicle () located in the vicinity of the ego vehicle (1) an input variable for the drive machine (8) to be determined so that the cost function (15) is minimized.
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