WO2023030649A1

WO2023030649A1 - Modellbasierte prädiktive regelung eines kraftfahrzeugs

Info

Publication number: WO2023030649A1
Application number: PCT/EP2021/074387
Authority: WO
Inventors: Timo Wehlen; Timon Busse; Valerie Engel; Lorenz Fischer; Matthias Zink; Julia Stecher; Lothar Kiltz; Andreas Wendzel
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2023-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren umfasst die Schritte - Ausführen eines MPC- Längsdynamikmodell (14) und eine Kostenfunktion (15) umfasst, die dem High Level Solvermodul (13.1) zugeordnet ist, wobei durch das Ausführen des High Level Solvermoduls (13.1) für einen vorausliegenden Streckenabschnitt unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells (14) eine die Kostenfunktion (15) minimierende Längstrajektorie (31, 32, 36) berechnet wird, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug (1) innerhalb eines Prädiktionshorizonts fortbewegen soll, - Übergeben der durch das High Level Solvermodul (13.1) berechneten Längstrajektorie (31, 32, 36) an einen Tempomaten (16) als Eingangswert, - Verarbeiten der durch das High Level Solvermodul (13.1) berechneten Längstrajek- torie (31, 32, 36) zu einem Steuerungssignal (34) mittels des Tempomaten (16), und - Steuern des Kraftfahrzeugs (1) basierend auf dem Steuerungssignal (34).

Description

Modellbasierte prädiktive Regelung eines Kraftfahrzeugs

Die Erfindung betrifft die modellbasierte prädiktive Regelung eines Kraftfahrzeugs. Beansprucht wird in diesem Zusammenhang insbesondere ein Verfahren zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Kraftfahrzeugs.

Heutige intelligente Tempomaten (sog. „Predictive Green ACCs) von Kraftfahrzeugen können zwar insbesondere die Streckentopologie berücksichtigen, bilden die Fahrstrategie und damit die Längsreglung jedoch regelbasiert ab. Die regelbasierte Umsetzung führt i.d.R. zu suboptimalen Lösungen in Bezug auf Energieverbrauch, Komfort und Fahrzeit. Mit steigender Komplexität des Antriebssystems wird ein solches Regelwerk außerdem kompliziert und erfordert einen hohen Applikationsaufwand. Ein optimales Betreiben eines Fahrzeugs (z.B. in Bezug auf die Performance-Ziele Energieverbrauch, Komfort, Fahrzeit) ist nur mit guter Kenntnis der zu fahrenden Strecke möglich. Ein Fahrer des Kraftfahrzeugs muss also vorausschauend fahren, hat aber nur begrenzte Einsicht in den weiteren Verlauf der Strecke und keine Einsicht in die fahrzeugspezifischen Fahrverluste.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine Regelung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche den vorstehend beschriebenen Problemstellungen Rechnung trägt.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.

Zur Lösung des Problems wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine funktionale Architektur umfassend einen modellbasierten prädiktiven Regler (=MPC Solver) sowie einen Tempomaten vorgeschlagen, insbesondere einen sequenziell arbeitenden, regelbasierten ACC-Regler. Der MPC-Solver trägt den Namen „High Level Solver“ (HLS). Der Tempomate kann sich in weiten Teilen wie derzeitige, dem Stand der Technik entsprechende ACC-Systeme verhalten. Der Tempomat der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich jedoch darin, dass er neben beispielsweise üblichen Sensordaten und Daten zum Fahrzeugstatus auch einen Vorschlag zur Längstrajek- torie (insbesondere einen Geschwindigkeitsvorschlag) als Input erhält, nämlich die von dem High Level Solvermodul berechnete Längstrajektorie. Insbesondere basierend auf der Längstrajektorie berechnet der Tempomat das Steuersignal, gemäß welchem der Tempomat beispielsweise einen Aktuator des Kraftfahrzeugs steuern kann, z.B. einen Aktuator zur Regelung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs. Mit anderen Worten wird insbesondere eine Geschwindigkeitstrajektorie durch ein Verfahren der modellbasierten prädiktiven Regelung berechnet und an den Tempomaten zur Aufbereitung und zur Steuerung des Kraftfahrzeugs übergeben. Der MPC Solver kann dabei als „High Level Solvermodul“ (HLS) bezeichnet werden, welches die langfristige Grobplanung der Längstrajektorie des Kraftfahrzeugs übernimmt und hierfür den MPC-Ansatz nutzt.

In diesem Sinne wird ein Verfahren zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren wird ein M PC-Algorithmus ausgeführt, der ein High Level Solvermodul, ein Längsdynamikmodell und eine Kostenfunktion umfasst, die dem High Level Solvermodul zugeordnet ist, wobei durch das Ausführen des High Level Solvermoduls für einen vorausliegenden Streckenabschnitt unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells eine die Kostenfunktion minimierende Längstrajektorie berechnet wird, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug innerhalb eines Prädiktionshorizonts fortbewegen soll. Die Länge des Prädiktionshorizonts beträgt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel Beispiel 500m, kann jedoch variiert werden. Das High Level Solvermodul löst insbesondere ein nichtlineares Problem und arbeitet mit kontinuierlichen Ersatzgrößen für diskrete Zustände (z.B. Gänge). Dieses Vorgehen begrenzt den Lösungsraum weniger stark als bei der Betrachtung diskreter Zustände. Dadurch ergeben sich Vorteile insbesondere hinsichtlich des Optimums des Ergebnisses.

Die durch das High Level Solvermodul berechnete Längstrajektorie wird an einen Tempomaten als Eingangswert übergeben. Der Tempomat arbeitet regelbasiert, insbesondere sequentiell. Bei dem Tempomaten kann es sich insbesondere um einen sequentiell arbeitenden regelbasierten ACC Regler handeln. ACC steht hierbei für den englischsprachigen Fachausdruck Adaptive Cruise Control. Mittels des Tempomaten wird die durch das High Level Solvermodul berechnete Längstrajektorie zu einem Steuerungssignal verarbeitet und das Kraftfahrzeug basierend auf dem Steuerungssignal gesteuert, beispielsweise mittels des Tempomaten oder mittels eines Aktuators, der beispielsweise durch den Tempomaten gesteuert werden kann.

Die vorliegende Erfindung nutzt den sogenannten „Model-Predictive-Control (MPC)“- Ansatz. Bei einer solchen modellbasierten prädiktiven Regelung kommen insbesondere drei Prozessschritte zum Einsatz. So erfolgt in einem ersten Schritt eine Erarbeitung eines virtuellen Fahrthorizonts (Prädiktionshorizont) aus vorliegenden Kartendaten und Sensorinformationen. Der Prädiktionshorizont dient einem Trajektorienpla- ner und -regier als Lösungsraum für die Generierung einer Längstrajektorie des Kraftfahrzeugs, z.B. einer Geschwindigkeits- oder Momenttrajektorie. In einem zweiten Schritt erfolgt eine iterative online Generierung und Regelung einer Längstrajektorie durch eine Optimierung der Trajektorie hinsichtlich vorliegender Performance- Ziele entsprechend des MPC-Ansatzes. In einem dritten Schritt erfolgt die insbesondere automatisierte Umsetzung der berechneten Trajektorie durch deren Arbitrierung im Kraftfahrzeug. Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Modifikation des zweiten Schritts dieses Prozesses, sodass für eine serientaugliche Anwendung insbesondere bestimmte Rechenzeitanforderungen erfüllt werden können. Dazu stellt die vorliegende Erfindung eine Architektur bereit, die sowohl die Funktion des zweiten Prozessschritts wie auch serienrelevante Rechenzeiten ermöglicht.

Das High Level Solvermodul kann als Ausgabewerte insbesondere Wunschverläufe der Geschwindigkeit, eines Ladezustands einer Fahrzeugbatterie, Antriebskräfte, Antriebsmomente, Bremskräfte oder Bremsmomente liefern. In diesem Sinne umfasst die Längstrajektorie in einer Ausführungsform eine Geschwindigkeitstrajektorie, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug innerhalb des Prädiktionshorizonts fortbewegen soll. Alternativ oder zusätzlich kann die Längstrajektorie für ein Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs eine Antriebskrafttrajektorie umfassen, gemäß welcher das Antriebsaggregat Antriebskräfte (größer oder gleich null) innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellen soll. Weiterhin kann die Längstrajektorie alternativ oder zusätzlich einen Verlauf eines Ladezustands einer Batterie umfassen, welche als Energiespeicher für eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs dient, wobei das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine angetrieben werden kann. Der Ladezustand (im Englischen: State of Charge oder abgekürzt SoC) ist dabei insbesondere der momentane Energieinhalt der elektrischen Batterie im Verhältnis zu ihrem maximalen Energiegehalt. Ferner kann die Längstrajektorie alternativ oder zusätzlich für eine Bremsanlage des Kraftfahrzeugs eine Bremskrafttrajektorie umfassen, gemäß welcher die Bremsanlage Bremskräfte (kleiner oder gleich null) innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellen soll. Anstatt der vorstehen genannten Antriebskräften und Bremskräften können auch entsprechende Antriebsmomente bzw. Bremsmomente durch die Längstrajektorie bereitgestellt werden. Die Momenttrajektorie bezieht sich dabei auf Momente an wenigstens einem Rad des Kraftfahrzeugs und umfasst sowohl positive als auch negative Momente, die durch die elektrische Maschine, den Verbrennungskraftmotor und die Bremsanlage des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.

Der durch das High Level Solvermodul bereitgestellte Vorschlag, insbesondere der Geschwindigkeitsvorschlag, kann von dem ACC-Regler als Default-Wert umgesetzt werden. In diesem Sinne wird in einer Ausführungsform das Steuerungssignal durch die Längstrajektorie dargestellt, die durch das High Level Solvermodul berechnet worden ist.

Die langfristige Grobplanung der Trajektorie erfolgt durch das High Level Solvermodul wegbasiert unter Nutzung des MPC-Ansatzes. Dies erlaubt insbesondere einen korrekten, optimalen Umgang mit nicht-dynamischen (d.h. mit statischen) Objekten, die sich innerhalb des Prädiktionshorizonts befinden. Beispiele für solche statische Objekte sind Steigungen, Geschwindigkeitsbegrenzungen, andere Verkehrsschilder (z.B. „Stopp“- oder „Vorfahrt gewähren“-Schilder), Kurvenkrümmungen oder Ampeln. In diesem Sinne werden dem High Level Solvermodul in einer Ausführungsform Informationen über statische Objekte als Nebenbedingungen übergeben, welche das High Level Solvermodul bei der Berechnung der Längstrajektorie berücksichtigt. Die Informationen über statische Objekte können beispielsweise aus Kartendaten eines Navigationssystems oder von Sensoren stammen. Auch dynamische Horizontobjekte können bei der Berechnung der Längstrajektorie beachtet werden. Dies erfolgt in dem High Level Solvermodul bedingt durch lange Rechenzeiten bevorzugt lediglich in einem groben Rahmen. In diesem Sinne werden in einer Ausführungsform dem High Level Solvermodul Informationen über dynamische Objekte als Nebenbedingungen übergeben, welche das High Level Solvermodul bei der Berechnung der Längstrajektorie berücksichtigt. Die Informationen über dynamische Objekte können beispielsweise von Sensoren stammen.

Die an die dynamischen Objekte angepasste Längstrajektorie muss gegebenenfalls durch ein schneller rechnendes System überschrieben werden. Entsprechend gibt das High Level Solvermodul keinen direkten Trajektorienwunsch an das Kraftfahrzeug weiter. Stattdessen wird die Wunschtrajektorie im schnell rechnenden ACC- Regler weiterverarbeitet. In diesem Sinne überschreibt der Tempomat in einer Ausführungsform einen von dem High Level Solvermodul berechneten MPC-Wert der Längstrajektorie mit einem alternativen Tempomat-Wert des Steuersignals, wenn der Tempomat-Wert von dem MPC-Wert abweicht.

Ein solches Überschreiben kann insbesondere dann notwendig sein, wenn der Tempomat durch Sensordaten erkennt, dass die Geschwindigkeitstrajektorie zu offensiv durch das High Level Solvermodul vorgegeben wird, sodass eventuell ein Unfallrisiko beispielsweise mit einem dynamischen Objekt vorliegt. In diesem Fall wird der Tempomat die von dem High Level Solvermodul berechnete höhere Geschwindigkeit o- der Beschleunigung durch eine niedrigere Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung ersetzen. In diesem Sinne überschreibt der Tempomat in einer Ausführungsform den MPC-Wert mit dem Tempomat-Wert, wenn der Tempomat-Wert eine geringere Geschwindigkeit oder eine geringere Beschleunigung für das Kraftfahrzeug vorsieht als der MPC-Wert. Dabei kann der Tempomat auf die vorstehend im Zusammenhang mit dem High Level Solvermodul beschriebenen Informationen über statische und dynamische Objekte als Eingabedaten zugreifen.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs, dessen Antriebsstrang einen Verbrennungskraftmotor, eine elektrische Maschine und eine Bremsanlage umfasst,

Fig. 2 Details eines beispielhaften Antriebsstrangs für das Kraftfahrzeug nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur modellbasierten prädiktiven Regelung des Kraftfahrzeugs nach Fig. 1 .

Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 , z.B. ein Personenkraftfahrwagen. Das Kraftahrzeug 1 umfasst ein System 2 zur modelbasierten prädiktiven Regelung des Kraftfahrzeugs 1 . Das System 2 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Prozessoreinheit 3, eine Speichereinheit 4, eine Kommunikations-Schnittstelle 5 und eine Erfassungseinheit 6, insbesondere zur Erfassung von Zustandsdaten, die das Kraftfahrzeug 1 betreffen.

Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin einen Antriebsstrang 7, der beispielsweise eine elektrische Maschine 8, die als Motor und als Generator betrieben werden kann, eine Batterie 9, ein Getriebe 10 und eine Bremsanlage 19 umfassen kann. Die elektrische Maschine 8 kann im Motorbetrieb Räder des Kraftfahrzeugs 1 über das Getriebe 10 antreiben. Die dazu notwendige elektrische Energie kann die Batterie 9 bereitstellen, insbesondere über eine Leistungselektronik 18. Die Batterie 9 kann umgekehrt durch die elektrische Maschine 8 über die Leistungselektronik 18 aufgeladen werden, wenn die elektrische Maschine 8 im Generatorbetrieb betrieben wird (Reku- peration). Die Batterie 9 kann optional auch an einer externen Ladestation aufgeladen werden.

Fig. 2 zeigt weiterhin, dass der Antriebsstrang 7 ein Hybridantriebsstrang ist, der zusätzlich einen Verbrennungskraftmotor 17 aufweist. Der Verbrennungskraftmotor 17 kann in der durch Fig. 2 gezeigten beispielhaften parallelen P2-Architektur des Hybridantriebsstrangs 7 zusätzlich zu der elektrischen Maschine 8 das Kraftfahrzeug 1 antreiben, wenn eine zwischen dem Verbrennungskraftmotor 17 und der elektrischen Maschine 8 angeordnete Kupplung KO geschlossen ist. Der Verbrennungskraftmotor 17 kann optional auch die elektrische Maschine 8 antreiben, um die Batterie 9 aufzuladen. Die elektrische Maschine 8 kann (bei geschlossener Kupplung KO unterstützt durch den Verbrennungskraftmotor 17) in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über das Getriebe 10 und über ein vorderes Differenzialgetriebe 21 zwei Vorderräder 22 und 23 des Kraftfahrzeugs 1 mit einem positiven Antriebsmoment antreiben, die an einer Vorderachse 25 angebracht sind. Ein erstes Hinterrad 26 und ein zweites Hinterrad 28 an einer Hinterachse 29 des Kraftfahrzeugs 1 werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht angetrieben (Heckantrieb und Allradantrieb sind jedoch alternativ auch möglich). Die Vorderräder 22, 23 und die Hinterräder 26, 28 können durch die Bremsanlage 19 des Antriebsstrangs 7 abgebremst werden, wozu die Bremsanlage 19 ein negatives Bremsmoment bereitstellen kann.

Auf der Speichereinheit 4 kann ein Computerprogrammprodukt 11 gespeichert sein. Das Computerprogrammprodukt 11 kann auf der Prozessoreinheit 3 ausgeführt werden, wozu die Prozessoreinheit 3 und die Speichereinheit 4 mittels der Kommunikations-Schnittstelle 5 miteinander verbunden sind. Wenn das Computerprogrammprodukt 11 auf der Prozessoreinheit 3 ausgeführt wird, leitet es die Prozessoreinheit 3 an, die im Zusammenhang mit der Zeichnung beschriebenen Funktionen zu erfüllen bzw. Verfahrensschritte auszuführen.

Das Computerprogrammprodukt 11 enthält einen MPC-Algorithmus 13, der ein High Level Solvermodul 13.1 umfasst bzw. enthält. Der MPC-Algorithmus 13 enthält weiterhin ein Längsdynamikmodell 14 des Kraftfahrzeugs 1. Das High Level Solvermodul 13.1 kann auf das Längsdynamikmodell 14 zugreifen. Ferner enthält der MPC- Algorithmus 13 eine zu minimierende Kostenfunktion 15, die dem High Level Solvermodul 13.1 zugeordnet ist.

Das Längsdynamikmodell 14 umfasst ein Verlustmodell 27 des Kraftfahrzeugs 1. Das Verlustmodell 27 beschreibt das Betriebsverhalten von effizienzrelevanten Komponenten, z.B. der elektrischen Maschine 8, des Verbrennungskraftmotors 17 und der Bremsanlage 19 hinsichtlich ihrer Effizienz bzw. hinsichtlich ihres Verlusts. Daraus ergibt sich ein Gesamtverlust des Kraftfahrzeugs 1 . Die Prozessoreinheit 3 führt den MPC-Algorithmus 13 aus und prädiziert dabei für einen gleitenden Prädiktionshorizont ein Verhalten des Kraftfahrzeugs 1. Diese Prädiktion basiert auf dem Längsdy- namikmodell 14. Die Prozessoreinheit 3 berechnet durch Ausführen des High Level Solvermoduls 13.1 eine optimierte Geschwindigkeitstrajektorie 31 (Fig. 3), gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug 1 innerhalb des Prädiktionshorizonts fortbewegen soll. Die optimierte Geschwindigkeitstrajektorie 31 wird für einen vorausliegenden Streckenabschnitt unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells 14 berechnet, wobei die Geschwindigkeits-Kostenfunktion 15 minimiert wird. Das High Level Sol- vermodul 13.1 übernimmt dabei die langfristige Grobplanung der Längstrajektorie 31 und nutzt hierfür den MPC-Ansatz. Die langfristige Grobplanung der Trajektorie 31 erfolgt dabei wegbasiert. Dies erlaubt insbesondere einen korrekten, optimalen Umgang mit nicht-dynamischen Horizontobjekten (Steigungen, Geschwindigkeitslimits und andere Verkehrsschilder wie z.B. „Stop“- oder „Vorfahrt gewähren“-Schilder, Kurvenkrümmungen, Ampeln). Die Länge des Fahrthorizonts beträgt im vorliegenden Beispiel 500m. Die Prozessoreinheit 3 kann ferner durch Ausführen des High Level Solvermoduls 13.1 unter Minimierung der Kostenfunktion 15 für den Prädiktionshorizont einen optimierten Verlauf eines Ladezustands der Batterie 9 berechnen (Lade- zustandtrajektorie 36).

Alternativ oder zusätzlich kann die Prozessoreinheit 3 durch Ausführen des High Level Solvermoduls 13.1 unter Minimierung der Kostenfunktion 15 für den Prädiktionshorizont für die elektrische Maschine 8, für den Verbrennungskraftmotor 17 und für die Bremsanlage 19 des Kraftfahrzeugs 1 eine optimierte Krafttrajektorie 32 berechnen, gemäß welcher die elektrische Maschine 8 und/oder der Verbrennungskraftmotor 17 und/oder die Bremsanlage 19 Kräfte innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellen sollen (Kraftwerte für die elektrische Maschine 8 und den Verbrennungskraftmotor 17 sind dabei größer oder gleich null; Kraftwerte für die Bremsanlage 19 sind kleiner oder gleich null). Anstatt die Trajektorie für die vorstehend genannten Kräfte zu berechnen, können auch entsprechende Momenttrajektorien berechnet werden.

Die Erfassungseinheit 6 kann aktuelle Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs 1 messen, entsprechende Daten aufnehmen und dem High Level Solvermodul 13.1 sowie einem weiter unten beschriebenen Tempomaten 16 zuführen. Dazu kann die Erfassungseinheit 6 beispielsweise einen Geschwindigkeitssensor 24 und einen Kraftsensor 30 umfassen. Mittels des Geschwindigkeitssensors 24 kann eine jeweils aktuelle Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 1 ermittelt werden. Mittels des Kraftsensors 30 kann eine jeweils aktuelle Antriebskraft des Kraftfahrzeugs 1 ermittelt werden, z.B. eine aktuelle Antriebskraft, die durch den Elektromotor 8 oder den Verbrennungskraftmotor 17 bereitgestellt, oder eine aktuelle Bremskraft, die durch die Bremsanlage 19 bereitgestellt wird.

Weiterhin können Informationen über statische Objekte und/oder Streckendaten aus einer elektronischen Karte eines Navigationssystems 20 des Kraftfahrzeugs 1 für einen Vorausschauhorizont bzw. Prädiktionshorizont (z.B. 500 m) vor dem Kraftfahrzeug 1 insbesondere zyklisch aktualisiert und dem High Level Solvermodul 13.1 sowie dem Tempomaten übergeben werden. Die Streckendaten können beispielsweise Steigungsinformationen, Kurveninformationen, und Informationen über Geschwindigkeitslimits sowie Ampeln und Haltepunkte beinhalten. Des Weiteren kann eine Kurvenkrümmung über eine maximal zulässige Querbeschleunigung in ein Geschwindigkeitslimit für das Kraftfahrzeug 1 umgerechnet werden. Außerdem kann mittels der Erfassungseinheit 6 eine Ortung des Kraftfahrzeugs erfolgen, insbesondere über ein von einem GNSS-Sensor 12 generiertes Signal zur genauen Lokalisierung auf der elektronischen Karte. Ferner kann die Erfassungseinheit 6 zur Erfassung des äußeren Umfelds des Kraftfahrzeugs 1 einen Umfeldsensor 33 umfassen, z.B. einen Radar-Sensor, ein Kamerasystem und/oder einen Lidar-Sensor. Daten dieser Sensoren können dem High Level Solvermodul 13.1 und dem Tempomaten 16 zur Verfügung gestellt werden. Dadurch können insbesondere auch dynamische Objekte im Bereich des äußeren Umfelds des Kraftfahrzeugs 1 erfasst und bei der Berechnung berücksichtigt werden, z.B. sich bewegende Objekte wie andere Fahrzeuge oder Fußgänger. Die Prozessoreinheit 3 kann auf Informationen der genannten Elemente beispielsweise über die Kommunikations-Schnittstelle 5 zugreifen. Diese Informationen können in das Längsmodell 14 des Kraftfahrzeugs 1 einfließen, insbesondere als Beschränkungen oder Nebenbedingungen bei der Berechnung der Geschwindig- keitstrajektorie 31 und/oder der Krafttrajektorie 32 sowie insbesondere auch bei der Berechnung eines Steuerungssignals 34 durch den Tempomaten 16. Als Output der Optimierung durch den MPC-Algorithmus 13 ergeben sich optimale Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs 1 , ein optimaler Verlauf 36 des Ladezustands der Batterie 8 sowie Kräfte bzw. Drehmomente der elektrischen Maschine 8 und/oder des Verbrennungskraftmotors 17 und/oder der Bremsanlage 19 für berechnete Punkte innerhalb des Prädiktionshorizonts. Die durch den MPC-Algorithmus 13 vorgeschlagene Geschwind igkeitstrajektorie 31 , Krafttrajektorie 32 und Ladezu- standtrajektorie 36 werden gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel an den Tempomaten 16 übergeben, was im Folgenden näher im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wird.

Fig. 3 zeigt, dass dem High Level Solvermodul 13.1 und dem Tempomaten 16, bei dem es sich insbesondere um einen ACC-Regler handelt, Eingabedaten von dem Navigationssystem (insbesondere Kartendaten) übergeben werden. Weiterhin werden dem High Level Solvermodul 13.1 und dem Tempomaten 16 Eingabedaten von der Erfassungseinheit 6 übergeben, insbesondere Zustandsdaten des Kraftfahrzeugs 1 sowie andere vorstehend beschriebene Informationen über dynamische Objekte der Sensoren 12, 24, 30, 33 des Kraftfahrzeugs 1. Unter Berücksichtigung der Eingabedaten berechnet die Prozessoreinheit 3 unter Ausführung des High Level Solver- moduls 13.1 die Geschwind igkeitstrajektorie 31 , wie dies vorstehend beschrieben worden ist. Anschließend wird die durch das High Level Solvermodul 13.1 berechnete Geschwindigkeitstrajektorie 31 als Eingangswert an den Tempomaten 16 übergeben.

Das High Level Solvermodul 13.1 übergibt dem Tempomaten 16 die berechnete Geschwindigkeitstrajektorie 31. Weiterhin kann das High Level Solvermodul 13.1 dem Tempomaten auch die Krafttrajektorie 32 sowie die Ladezustandtrajektorie 36 übergeben. Der Tempomat 16 umfasst eine Prozessoreinheit 37, eine Speichereinheit 38 und eine Kommunikations-Schnittstelle 39. Auf der Speichereinheit 38 kann ein Computerprogrammprodukt 40 gespeichert sein. Das Computerprogrammprodukt 40 kann auf der Prozessoreinheit 37 ausgeführt werden, wozu die Prozessoreinheit 37 und die Speichereinheit 38 mittels der Kommunikations-Schnittstelle 39 miteinander verbunden sind. Wenn das Computerprogrammprodukt 40 auf der Prozessoreinheit 37 ausgeführt wird, leitet es die Prozessoreinheit 37 an, die im Zusammenhang mit der Zeichnung beschriebenen Funktionen zu erfüllen bzw. Verfahrensschritte auszuführen. Das Computerprogrammprodukt 40 enthält einen regelbasierten ACC-Algo- rithmus 41 .

Die Prozessoreinheit 37 des Tempomaten 16 verarbeitet in dem gezeigten Ausführungsbeispiel unter Ausführung des regelbasierten ACC-Algorithmus' 41 die durch das High Level Solvermodul 13.1 berechnete Geschwindigkeitstrajektorie 31 , die Krafttrajektorie 32 sowie die Ladezustandtrajektorie 36. Die Prozessoreinheit 37 des Tempomaten 16 verarbeitet dabei optional auch die Eingabedaten, die von der Erfassungseinheit 6 und/oder dem Navigationssystem 20 übergeben wurden. Basierend auf der durch das High Level Solvermodul 13.1 berechneten Geschwindigkeitstrajektorie 31 , der Krafttrajektorie 32, optional kombiniert mit den Eingabedaten der Erfassungseinheit 6 und dem Navigationssystem 20 sowie dem Verlauf 36 des Ladezustands der Batterie 9, generiert die Prozessoreinheit 37 des Tempomaten 16 unter Ausführung des regelbasierten ACC-Algorithmus¹ 41 ein Steuerungssignal 34. In einem Beispiel kann das Steuerungssignal 34 der Geschwindigkeitstrajektorie 31 entsprechen, die durch das High Level Solvermodul 13.1 berechnet worden ist. Der Tempomat 16 gibt das Steuerungssignal 34 an einen Aktuator 35 des Kraftfahrzeugs 1 weiter, sodass der Aktuator 35 das Kraftfahrzeug 1 entsprechend dem Steuerungssignal 34 steuern kann.

Wie vorstehend beschrieben können auch dynamische Horizontobjekte grundsätzlich beachtet werden. Dies ist allerdings nur in einem groben Rahmen (bedingt durch lange Rechenzeiten) möglich. Die an die dynamischen Objekte angepasste Geschwindigkeitstrajektorie 31 kann beispielsweise durch den schneller als das High Level Solvermodul 13.1 rechnenden Tempomaten 16 korrigiert werden. Vor diesem Hintergrund gilt die Geschwindigkeitsgrobplanung 31 des High Level Solvermoduls 13.1 rein als Vorschlag, den der Tempomat 16 überschreiben wird, insbesondere wenn dem Tempomaten intrinsische Regeln eine geringe Geschwindigkeit oder eine geringere Beschleunigung vorsehen als durch das High Level Solvermodul 13.1 vorgeschlagen. Auf diese Weise wird der Umgang mit dynamischen Veränderungen des Horizonts, insbesondere durch vorwegfahrende Fahrzeuge, ermöglicht. Durch die schnelle Rechenfähigkeit des Tempomaten 16, insbesondere des ACC-Reglers, kann die langfristig optimale Planung des High Level Solvermoduls 13.1 während solcher dynamischer Horizontveränderungen durch eine sichere Trajektorie überschrieben werden.

Fig. 4 verdeutlicht das mögliche Überschreiben im Zusammenhang mit der Ge- schwindigkeitstrajektorie 31. Die durch das High Level Solvermodul 13.1 berechnete Geschwindigkeitstrajektorie 31 umfasst in dem gezeigten Beispiel n Geschwindigkeitswerte vi bis Vn („MPC-Werte“) für n Wegpunkte pi bis p_n, die im Vorausbereich des Kraftfahrzeugs 1 und innerhalb des Prädiktionshorizonts liegen.

Der Tempomat 16 berechnet wie vorstehend beschrieben insbesondere unter Berücksichtigung der Geschwindigkeitstrajektorie 31 ein Steuersignal 34, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel n Geschwindigkeitswerte VIT bis VnT („Tempomat- Werte“) für n Wegpunkte pi bis p_n umfasst, die im Vorausbereich des Kraftfahrzeugs 1 und innerhalb des Prädiktionshorizonts liegen.

Angenommen, mittels der Erfassungseinheit 6 wird dem Tempomat 16 mitgeteilt, dass sich ein dynamisches Objekt in einem Nahbereich des Kraftfahrzeugs 1 befindet, sodass ein zeitnahes Abbremsen des Kraftfahrzeugs 1 erforderlich ist, um eine sichere Fahrt zu gewährleisten. In diesem Fall kann es sein, dass der erste Geschwindigkeitswert v1 der Geschwindigkeitstrajektorie 31 größer ist als der erste Geschwindigkeitswert v1T des Steuersignals 34, da das Steuersignal 34 das dynamische Objekt berücksichtigt, die aktuelle Geschwindigkeitstrajektorie 31 jedoch (noch) nicht. Die Prozessoreinheit 37 des Tempomaten 16 wird in diesem Fall unter Ausführung des regelbasierten ACC-Algorithmus‘ 41 nicht den Vorschlag („vi“) der Geschwindigkeitstrajektorie 31 annehmen, sondern stattdessen auf den niedrigeren Geschwindigkeitswert VIT des Steuersignals 34 zurückgreifen, um das Kraftfahrzeug 1 möglichst sicher zu steuern. Insbesondere kann die Geschwindigkeitstrajektorie 31 als Default das Steuersignal 34 darstellen. In dem vorstehend beschriebenen Beispiel wird die Prozessoreinheit 37 des Tempomaten 16 jedoch unter Ausführung des regelbasierten ACC-Algorithmus¹ 41 den Default-Wert („vi“) der Geschwindig- keitstrajektorie 31 durch den niedrigeren Geschwindigkeitswert VIT des Steuersignals 34 ersetzen.

Bezuqszeichen

KO Kupplung

Pi erste Position

P2 zweite Position

Pn dritte Position

V1 erste Geschwindigkeit gemäß Geschwindigkeitstrajektorie

V2 zweite Geschwindigkeit gemäß Geschwindigkeitstrajektorie

Vn n-te Geschwindigkeit gemäß Geschwindigkeitstrajektorie

V1T erste Geschwindigkeit gemäß Steuerungssignal

V2T zweite Geschwindigkeit gemäß Steuerungssignal

VnT n-te Geschwindigkeit gemäß Steuerungssignal

1 Fahrzeug

2 System

3 Prozessoreinheit

4 Speichereinheit

5 Kommunikations-Schnittstelle

6 Erfassungseinheit

7 Antriebsstrang

8 elektrische Maschine

9 Batterie

10 Getriebe

11 Computerprogrammprodukt

12 GNSS-Sensor

13 MPC-Algorithmus

13.1 High Level Solvermodul

14 Längsdynamikmodell

15 Kostenfunktion

16 Tempomat

17 Verbrennungskraftmotor

18 Leistungselektronik

19 Bremsanlage Navigationssystem vorderes Differenzialgetriebe

Vorderrad

Geschwindigkeitssensor

Vorderachse

Hinterrad

Verlustmodell

Hinterrad

Hinterachse

Kraftsensor

Geschwindigkeitstrajektorie

Krafttrajektorie

Umfeldsensor

Steuerungssignal

Aktuator

Ladezustandtrajektorie

Prozessoreinheit

Speichereinheit

Kommunikations-Schnittstelle

Computerprogrammprodukt regelbasierter ACC-Algorithmus

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur modellbasierten prädiktiven Regelung eines Kraftfahrzeugs (1 ), das Verfahren umfassend die Schritte

- Ausführen eines MPC-Algorithmus¹ (13), der ein High Level Solvermodul (13.1 ), ein Längsdynamikmodell (14) und eine Kostenfunktion (15) umfasst, die dem High Level Solvermodul (13.1 ) zugeordnet ist, wobei durch das Ausführen des High Level Sol- vermoduls (13.1 ) für einen vorausliegenden Streckenabschnitt unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells (14) eine die Kostenfunktion (15) minimierende Längstrajektorie (31 , 32, 36) berechnet wird, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug (1 ) innerhalb eines Prädiktionshorizonts fortbewegen soll,

- Übergeben der durch das High Level Solvermodul (13.1 ) berechneten Längstrajektorie (31 , 32, 36) an einen Tempomaten (16) als Eingangswert,

- Verarbeiten der durch das High Level Solvermodul (13.1 ) berechneten Längstrajektorie (31 , 32, 36) zu einem Steuerungssignal (34) mittels des Tempomaten (16), und

- Steuern des Kraftfahrzeugs (1 ) basierend auf dem Steuerungssignal (34).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Längstrajektorie eine Geschwindig- keitstrajektorie (31 ) umfasst, gemäß welcher sich das Kraftfahrzeug (1 ) innerhalb des Prädiktionshorizonts fortbewegen soll.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Längstrajektorie für ein Antriebsaggregat (8, 17) des Kraftfahrzeugs (1 ) eine Antriebskrafttrajektorie (32) umfasst, gemäß welcher das Antriebsaggregat (8, 17) Antriebskräfte innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellen soll.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Längstrajektorie einen Verlauf (36) eines Ladezustands einer Batterie (9) umfasst, welche als Energiespeicher für eine elektrische Maschine (8) des Kraftfahrzeugs (1 ) dient, wobei das Kraftfahrzeug (1 ) mittels der elektrischen Maschine (8) angetrieben werden kann.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Längstrajektorie für eine Bremsanlage (19) des Kraftfahrzeugs (1 ) eine Bremskrafttrajektorie (32) umfasst, gemäß welcher die Bremsanlage (19) Bremskräfte innerhalb des Prädiktionshorizonts bereitstellen soll.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Steuerungssignal (34) die Längstrajektorie (31 , 32, 36) dargestellt, die durch das High Level Solvermo- dul (13.1 ) berechnet worden ist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei dem High Level Sol- vermodul (13.1 ) Informationen über statische Objekte als Nebenbedingungen übergeben werden, welche das High Level Solvermodul (13.1 ) bei der Berechnung der Längstrajektorie (31 , 32, 36) berücksichtigt.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei dem High Level Solvermodul (13.1 ) Informationen über dynamische Objekte als Nebenbedingungen übergeben werden, welche das High Level Solvermodul (13.1 ) bei der Berechnung der Längstrajektorie (31 , 32, 36) berücksichtigt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Tempomat (16) einen von dem High Level Solvermodul (13.1 ) berechneten MPC-Wert (vi) der Längstrajektorie (31 , 32, 36) mit einem alternativen Tempomat-Wert (V-IT) des Steuersignals (34) überschreibt, wenn der Tempomat-Wert (V-IT) von dem MPC-Wert (vi ) abweicht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Tempomat den MPC-Wert (vi) mit dem Tempomat-Wert (V-IT) überschreibt, wenn der Tempomat-Wert (V-IT) eine geringere Geschwindigkeit oder eine geringere Beschleunigung für das Kraftfahrzeug (1) vorsieht als der MPC-Wert (vi ).