DE102014223000B4

DE102014223000B4 - Einstellbare Trajektorienplanung und Kollisionsvermeidung

Info

Publication number: DE102014223000B4
Application number: DE102014223000.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Rathgeber; Franz Winkler; Cristina Menendez Romero
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2034-11-12
Also published as: DE102014223000A1

Abstract

Verfahren (700) zur Ermittlung einer Trajektorie (112) für die Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs (100), wobei das Verfahren (700) umfasst,- Ermitteln (701) von Werten von ein oder mehreren Trajektorien-Parametern (604), wobei die ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (604) eine Dynamik und/oder eine Zielgenauigkeit der zu ermittelnden Trajektorie (112) anzeigen;- Ermitteln (702) von Werten von ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (502, 503) aus den Werten der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (604) mittels einer vorbestimmten Kennfunktion (600), wobei die vorbestimmte Kennfunktion (600) für Werte der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (604) entsprechende Werte der ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (502, 503) angibt; und- Ermitteln (703) der Trajektorie (112) anhand einer Kostenfunktion, wobei die Kostenfunktion von den ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (502, 503) abhängt, wobei• die Kostenfunktion eine Dynamik-Komponente umfasst, die von einem Endzeitpunkt der Trajektorie (112) abhängt, und die ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (502, 503) einen Dynamik-Gewichtungsfaktor (503) umfassen; und/oder• die Kostenfunktion eine Genauigkeits-Komponente umfasst, die von einer Abweichung eines Zielpunktes der Trajektorie (112) von einem Soll-Ziel abhängt, und die ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (502, 503) einen Genauigkeits-Gewichtungsfaktor (503) umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Planung einer Trajektorie für ein Fahrzeug.
Die Realisierung eines teil- oder hochautomatisierten Fahrbetriebs eines Fahrzeugs (insbesondere eines Straßen-Kraftfahrzeugs) wird sowohl in der Forschung wie auch verstärkt in der Automobilindustrie vorangetrieben. Ein zentraler Aspekt des teil- oder hochautomatisierten Fahrbetriebs ist die Planung einer möglichst optimalen Trajektorie des Fahrzeugs, durch die Kollisionen mit anderen Verkehrsteilnehmern vermieden werden.
Es ist eine Vielzahl von Fahrassistenzfunktionen bekannt, die auf die Querführung und/oder die Längsführung des Fahrzeugs einwirken. Beispielsweise sind Parkassistenz-Systeme mit zumindest automatischer Querführung bekannt, bei denen die Lenkung vom Fahrzeug übernommen wird, ohne dass der Fahrer Lenkvorgaben gibt; optional kann auch die Längsführung vom Fahrzeug automatisch durchgeführt werden. Bei einem Spurhalteassistent wird der Fahrer durch eine Querführungsunterstützung darin unterstützt, das Fahrzeug in der erkannten Fahrspur zu halten. Bei einem Seitenkollisionswarnsystem wird der Fahrer bei kritischer Annäherung an Objekte durch Lenkradvibrationen oder einen Lenkimpuls gewarnt, außerdem kann die ausweichende Lenkbewegung des Fahrers durch das System aktiv unterstützt werden.
Die unterschiedlichen Fahrassistenzfunktionen haben typischerweise unterschiedliche Anforderungen an eine Trajektorie, welche durch das Fahrzeug umgesetzt werden soll. Insbesondere können die Dynamik einer umzusetzenden Trajektorie und/oder die Genauigkeit eines mit der Trajektorie zu erreichenden Ziels von der Fahrassistenzfunktion abhängen. Außerdem können unterschiedliche Fahrassistenzfunktionen unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf eine Kollisionsvermeidung mit einem Hindernis oder Objekt aufweisen.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2012 215 562 A1 ein Verfahren zum Bestimmen einer optimierten Ausweichtrajektorie durch eine Spurwechsel- und/oder Ausweichunterstützung eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird die optimierte Ausweichtrajektorie durch Optimieren eines querdynamischen Gütemaßes bestimmt, wofür eine Querbeschleunigung und/oder ein Querruck des Kraftfahrzeugs herangezogen wird bzw. werden.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, welches es ermöglicht, unterschiedliche Anforderungen von Fahrassistenzfunktionen an eine Fahrzeug-Trajektorie in effizienter Weise zu berücksichtigen.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Trajektorie für die Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs beschrieben. Die ermittelte Trajektorie kann zur Bereitstellung einer Fahrassistenzfunktion verwendet werden, die in die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs eingreift. Das Fahrzeug kann ein Straßenfahrzeug, z. B. einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder ein Motorrad, umfassen.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Werten von ein oder mehreren Trajektorien-Parametern, wobei die ein oder mehreren Trajektorien-Parameter eine Dynamik und/oder eine Zielgenauigkeit der zu ermittelnden Trajektorie anzeigen. Beispielsweise können die ein oder mehreren Trajektorien-Parameter einen Dynamik-Parameter umfassen, der eine Soll-Dynamik der Trajektorie anzeigt. Insbesondere kann der Dynamik-Parameter einen Zielzeitpunkt anzeigen, an dem ein Zielpunkt der Trajektorie erreicht wird. Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren Trajektorien-Parameter einen Genauigkeits-Parameter umfassen, der eine Soll-Genauigkeit anzeigt, mit der ein Zielpunkt der Trajektorie mit einem Soll-Ziel übereinstimmt. Insbesondere kann durch die Soll-Genauigkeit eine maximal zulässige relative Abweichung des Zielpunktes der Trajektorie von dem Soll-Ziel der Trajektorie angezeigt werden.
Das Fahrzeug kann eine Vielzahl von Fahrassistenzfunktionen umfassen, die jeweils in die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs eingreifen. Die Werte der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter können von der Fahrassistenzfunktion abhängen, für die eine Trajektorie ermittelt wird. Somit können anhand der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter in effektiver Weise Zielvorgaben der unterschiedlichen Fahrassistenzfunktionen an eine Trajektorienplanung übergeben werden.
Das Verfahren umfasst weiter das Ermitteln von Werten von ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren für eine Kostenfunktion aus den Werten der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter mittels einer vorbestimmten Kennfunktion. Die vorbestimmte Kennfunktion kann auch eine Abfolge von einer Vielzahl von Kennfunktionen umfassen. Durch die Kennfunktion bzw. durch die Abfolge von Kennfunktionen kann eine Übersetzung der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (und deren Bedeutung innerhalb einer Fahrassistenzfunktion) in ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (und deren Bedeutung für eine Kostenfunktion zur Ermittlung einer Trajektorie) durchgeführt werden. Somit wird es ermöglicht, im Rahmen der Fahrassistenzfunktion Werte für ein oder mehreren Trajektorien-Parameter festzulegen, die eine direkte Bedeutung für die Dynamik und/oder für die Zielgenauigkeit der zu ermittelnden Trajektorie haben, und entsprechende Werte für ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren zu ermitteln, durch die gewährleistet wird, dass bei der Trajektorienplanung eine Trajektorie ermittelt wird, welche auch tatsächlich die gewünschte Dynamik und/oder Zielgenauigkeit aufweist.
Die vorbestimmte Kennfunktion kann von einer Vielzahl von Test-Trajektorien abhängen, die anhand der Kostenfunktion berechnet wurden. Beispielsweise können Test-Trajektorien für unterschiedliche Werte der ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren ermittelt werden. Desweiteren können für die Test-Trajektorien entsprechende Werte der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter bestimmt werden. Es kann dann eine Kennfunktion ermittelt werden, die für Werte der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter entsprechende Werte der ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren angibt.
Das Verfahren umfasst weiter das Ermitteln der Trajektorie anhand einer Kostenfunktion, wobei die Kostenfunktion von den ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren abhängt. Insbesondere kann eine Trajektorie ermittelt werden, welche in Bezug auf die Kostenfunktion optimal ist. Beispielsweise können eine Vielzahl von Trajektorien und entsprechende Werte der Kostenfunktion ermittelt werden. Es kann dann die Trajektorie ausgewählt und ggf. für die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs verwendet werden, welche eine optimalen (z.B. minimalen) Wert der Kostenfunktion aufweist.
Die Kostenfunktion kann eine Dynamik-Komponente umfassen, die von einem Endzeitpunkt der Trajektorie abhängt. Die ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren können einen Dynamik-Gewichtungsfaktor umfassen, wobei der Dynamik-Gewichtungsfaktor die Dynamik-Komponente der Kostenfunktion gewichtet. In einem Beispiel ist die Kennfunktion derart, dass ein Wert des Dynamik-Parameters in einen entsprechenden Wert des Dynamik-Gewichtungsfaktors umgerechnet werden kann.
Alternativ oder ergänzend kann die Kostenfunktion eine Genauigkeits-Komponente umfassen, die von einer Abweichung eines Zielpunktes der Trajektorie von einem Soll-Ziel abhängt. Die ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren können einen Genauigkeits-Gewichtungsfaktor umfassen, der die Genauigkeits-Komponente gewichtet. In einem Beispiel ist die Kennfunktion derart, dass ein Wert des Genauigkeits-Parameters in einen entsprechenden Wert des Genauigkeits-Gewichtungsfaktors umgerechnet werden kann.
Die ein oder mehreren Trajektorien-Parameter können z.B. Werte zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert annehmen. Die Werte der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter können dann Soll-Werten zwischen einem minimalen Soll-Wert und einem maximalen Soll-Wert der Dynamik und/oder der Zielgenauigkeit der zu ermittelnden Trajektorie entsprechen. Beispielsweise kann der minimale Wert des Dynamik-Parameters einem maximalen Soll-Wert der Soll-Dynamik der Trajektorie entsprechen. Desweiteren kann der maximale Wert des Dynamik-Parameters einem minimalen Soll-Wert der Soll-Dynamik der Trajektorie entsprechen. Der Zusammenhang zwischen Dynamik-Parameter und Soll-Dynamik kann proportional oder umgekehrt proportional sein. Dabei kann die Soll-Dynamik von einem Soll-Endzeitpunkt einer Trajektorie abhängen bzw. dem Soll-Endzeitpunkt einer Trajektorie entsprechen.
Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln, ob die Trajektorie mit einem Objekt in einer Umgebung des Fahrzeugs kollidiert. Wenn ermittelt wird, dass die Trajektorie mit dem Objekt kollidiert, kann eine Zeitdauer bis zu der Kollision mit dem Objekt ermittelt werden. Die Zeitdauer kann mit einem Schwellenwert verglichen werden. Dabei kann der Schwellenwert (auch als TTC, Time-to-Collision, Schwellenwert bezeichnet) von der Fahrassistenzfunktion abhängen, für die eine Trajektorie ermittelt wird. Die Trajektorie kann dann für die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs verwendet werden, wenn die Zeitdauer größer als oder gleich wie der Schwellenwert ist. So kann durch eine Fahrassistenzfunktion in effizienter Weise ein Zeitpunkt für eine Veränderung einer aktuell verwendeten Trajektorie definiert werden. Alternativ oder ergänzend kann durch eine überlagerte Planung eine Veränderung der aktuell verwendeten Trajektorie bewirkt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Trajektorie für die Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs beschrieben. Die in diesem Dokument beschriebenen Merkmale zur Trajektorienplanung können auch für dieses Verfahren verwendet werden. Das Verfahren umfasst das Detektieren eines Objektes in einer Umgebung des Fahrzeugs, auf Basis von Umfelddaten bezüglich eines Umfelds des Fahrzeugs. Desweiteren umfasst das Verfahren das Ermitteln einer Vielzahl von Trajektorien anhand einer Kostenfunktion, wobei sich die Trajektorien der Vielzahl von Trajektorien in Bezug auf einen Zielpunkt und/oder in Bezug auf eine Dynamik (z.B. in Bezug auf einen Zielzeitpunkt) unterscheiden.
Das Verfahren umfasst weiter das Auswählen einer ersten Trajektorie aus der Vielzahl von Trajektorien, in Abhängigkeit von einem ersten Wert der Kostenfunktion für die erste Trajektorie. Insbesondere kann die Trajektorie ausgewählt werden, die einen optimalen Wert der Kostenfunktion aufweist. Mit anderen Worten, für die Vielzahl von Trajektorien kann eine entsprechende Vielzahl von Werten der Kostenfunktion berechnet werden, wobei der erste Wert dem Wert aus der Vielzahl von Werten für die erste Trajektorie aus der Vielzahl von Trajektorien entspricht. Der erste Wert kann der kleinste Wert aus der Vielzahl von Werten sein, und somit kann die erste Trajektorie im Vergleich zu den anderen Trajektorien aus der Vielzahl von Trajektorien ein Minimum an Kosten aufweisen. Desweiteren kann ermittelt werden, ob die erste Trajektorie mit dem detektierten Objekt kollidiert. Wenn dies ermittelt wird, dann kann eine Zeitdauer bis zu der Kollision mit dem detektierten Objekt ermittelt werden. Die ermittelte Zeitdauer kann mit einem Schwellenwert verglichen werden. Die erste Trajektorie kann dann, in Abhängigkeit von dem Vergleich, für die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs verwendet werden.
Es wird somit ermöglicht, eine Trajektorie für die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs zu verwenden, die eine Kollision mit einem anderen Objekt aufweist, wenn diese Kollision in ausreichend entfernter Zukunft liegt. Somit können Trajektorien ermittelt werden, welche optimaler für eine bestimmte Fahrassistenzfunktion sind. Der Zeitpunkt des Abweichens von der optimalen Trajektorie kann von der Fahrassistenzfunktion in effizienter Weise durch Festlegen eines Schwellenwertes festgelegt werden. Das Verfahren ermöglicht es somit, die Kollisionsprüfung bei der Ermittlung einer Trajektorie zu parametrisieren.
Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln einer alternativen Trajektorie, wenn die Zeitdauer bis zu der Kollision mit dem detektierten Objekt kleiner als der Schwellenwert ist. Dabei kann die alternative Trajektorie einen Wert der Kostenfunktion aufweisen, der größer ist als der erste Wert. Mit anderen Worten, es kann eine nächst beste alternative Trajektorie ermittelt bzw. ausgewählt werden.
Die erste Trajektorie kann z.B. an einem ersten Zeitpunkt ausgewählt werden. Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln, an einem zweiten Zeitpunkt, ob die erste Trajektorie weiterhin mit dem detektierten Objekt kollidiert. Dabei folgt der zweite Zeitpunkt dem ersten Zeitpunkt nach. Der zweite Zeitpunkt kann dabei derart sein, dass die verbleibende Zeitdauer bis zu dem ursprünglich prädizierten Zeitpunkt der Kollision des Fahrzeugs mit dem detektierten Objekt größer als oder gleich wie der Schwellenwert ist. Mit anderen Worten, der zweite Zeitpunkt kann derart gewählt werden, dass auch zum zweiten Zeitpunkt durch einen Wechsel der Trajektorie ein Ausweichen des detektierten Objekts möglich ist. Andererseits kann durch ein Überprüfen einer Kollision zum zweiten Zeitpunkt möglicherweise die ursprünglich ausgewählte erste Trajektorie beibehalten bleiben. Beispielsweise kann sich das detektierte Objekt zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt derart bewegt haben, dass auf der ersten Trajektorie keine Kollision mehr mit dem detektierten Objekt vorliegt. In diesem Fall kann die erste Trajektorie weiterverfolgt werden.
Andererseits kann das Verfahren weiter umfassen, das Ermitteln einer alternativen Trajektorie, wenn die erste Trajektorie auch am zweiten Zeitpunkt weiterhin mit dem detektierten Objekt kollidiert. Dabei kann weiter berücksichtigt werden, ob die verbleibende Zeitdauer ab dem zweiten Zeitpunkt bis zur Kollision mit dem detektierten Objekt kleiner als der Schwellenwert ist. Die alternative Trajektorie kann insbesondere dann ermittelt (z.B. aus der Vielzahl von Trajektorien ausgewählt) werden, wenn die verbleibende Zeitdauer gleich wie oder ggf. kleiner als der Schwellenwert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt werden eine Steuereinheit und/oder ein Trajektorienplaner für ein Fahrzeug beschrieben, wobei die Steuereinheit und/oder der Trajektorienplaner eingerichtet sind, eines der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, welches eine in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit und/oder einen in diesem Dokument beschriebene Trajektorienplaner umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät) ausgeführt zu werden, und um dadurch eines der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch eines der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 eine beispielhafte Fahrsituation mit beispielhaften Trajektorien;
2 ein Blockdiagram eines beispielhaften Systems zur Quer- und/oder Längsführung eines Fahrzeugs;
3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung einer Trajektorie;
4 beispielhafte Koordinaten zur Entkrümmung einer Fahrsituation;
5a einen beispielhaften Zusammenhang zwischen den Gewichtungsfaktoren einer Kostenfunktion und einer geplanten Zielquerablage;
5b einen beispielhaften Zusammenhang zwischen den Gewichtungsfaktoren einer Kostenfunktion und einem geplanten Endzeitpunkt;
6 einen beispielhaften Zusammenhang zwischen einem Gewichtungsfaktor einer Kostenfunktion und einem Dynamik-Parameter; und
7 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung einer Trajektorie.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der technischen Aufgabe, die Planung einer Trajektorie für ein Fahrzeug in effizienter Weise an unterschiedliche Anforderungen von unterschiedlichen Fahrassistenzfunktionen anzupassen.
In diesem Zusammenhang zeigt 1 eine beispielhafte Verkehrssituation. Das Ego-Fahrzeug 100 fährt auf einer mehrspurigen Straße 101. Ein Fahrzeug 102 auf der gleichen Fahrspur der Straße 101 vor dem Ego-Fahrzeug 102 bremst ab, so dass das Ego-Fahrzeug 100 reagieren muss, um eine Kollision zu vermeiden. Das Ego-Fahrzeug 100 hat nun die Möglichkeit auf der gleichen Fahrspur zu bleiben und abzubremsen oder entlang einer Trajektorie 111 die Fahrspur zu wechseln, um dem abbremsenden Fahrzeug 102 auszuweichen. Dabei ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Trajektorien 111, 112 für die unterschiedlichen Optionen möglich. 1 zeigt drei unterschiedliche Trajektorien 111 für unterschiedliche Fahr-Optionen (Ausweichen nach links, Abbremsen auf der gleichen Fahrbahn, Ausreichen nach rechts). Die unterschiedlichen Trajektorien 111 unterscheiden sich unter anderem in Hinblick auf die Fahrdynamik und in Hinblick auf ein Kollisionsrisiko mit einem anderen Fahrzeug 102. Desweiteren zeigt 1 unterschiedliche Trajektorien 112 für eine bestimmte Fahr-Option. Die unterschiedlichen Trajektorien 112 unterscheiden sich insbesondere in Hinblick auf die Fahrdynamik und den Zielpunkten der Trajektorien 112.
Wie bereits dargelegt, weist ein Fahrzeug 100 häufig unterschiedliche Fahrassistenzfunktionen auf, die auf die Querführung und/oder die Längsführung des Fahrzeugs 100 einwirken. Dies ist in 2 veranschaulicht. 2 zeigt ein System 200 zur Regelung der Längs-/Querführung eines Fahrzeugs 100. Das System 200 erhält Anfragen zur automatischen Längs-/Querführung durch eine Fahrassistenzfunktion 201 aus einer Vielzahl von Fahrassistenzfunktionen 201. Insbesondere wird eine umzusetzende Fahraufgabe (z.B. ein Einparkmanöver) an eine Trajektorienplanung 202 des Systems 200 übergeben. Die Trajektorienplanung 202 ermittelt eine Trajektorie 111, 112 zur Umsetzung der Fahraufgabe. Dabei können spezifische Anforderungen der Fahrassistenzfunktion 201 berücksichtigt werden, wie z.B. Dynamik der geplanten Trajektorie 111, 112, Zielgenauigkeit der Trajektorie 111, 112, und/oder Anforderungen an die Kollisionsvermeidung.
Die geplante Trajektorie 111, 112 kann durch ein oder mehrere Soll-Trajektorien-Größen (wie z.B. eine Soll-Krümmung, einen Soll-Kurswinkel, eine Soll-Querablage) beschrieben werden. Die in 2 dargestellte Reglerstruktur kann z.B. für eine Querführung bewirken, dass die Soll-Trajektorien-Größen durch das Fahrzeug 100 (d.h. durch ein oder mehrere Aktoren des Fahrzeugs z.B. durch eine elektromotorische Hilfskraftlenkung 205 (EPS - electric power steering), durch einen Antrieb und/oder durch eine Bremsung des Fahrzeugs 100) umgesetzt werden. Zu diesem Zweck kann das System 200 einen Bahnführungsregler 203 und einen Fahrzeugführungsregler 204 umfassen. Der Bahnführungsregler 203 kann eingerichtet sein, auf Basis der ein oder mehreren Soll-Trajektorien-Größen und auf Basis von ein oder mehreren entsprechenden Ist-Trajektorien-Größen, eine Krümmungsvorgabe oder eine Lenkwinkelvorgabe als Reglerausgangsgröße für den nachgelagerten Fahrzeugführungsregler 204 zu bestimmen. Der Fahrzeugführungsregler 204 kann eingerichtet sein, anhand der Krümmungsvorgabe bzw. der Lenkwinkelvorgabe eine Lenkvorgabe für die Hilfskraftlenkung 205 des Fahrzeugs 100 als Reglerausgangsgröße zu bestimmen. In analoger Weise kann eine Reglerstruktur für die Längsführung bereitgestellt werden, durch die bewirkt wird, dass das Fahrzeug 100 ein oder mehrere Soll-Trajektorien-Größen (insbesondere bzgl. der Fahrgeschwindigkeit) einer geplanten Trajektorie 111, 112 umsetzt.
Somit stellt die Planung einer geeigneten Trajektorie 112 durch den Trajektorienplaner 202 als Grundlage für die Regelung einen wichtigen Aspekt für die Umsetzung der Fahraufgabe einer Fahrassistenzfunktion 201 dar. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Ermittlung einer Trajektorie 112 für ein Fahrzeug 100. Das Verfahren 300 kann z.B. durch den Trajektorienplaner 202 ausgeführt werden. Die Ermittlung einer Trajektorie 112 erfolgt bevorzugt in einem entkrümmten Koordinatensystem, relativ zu einem Fahrbahnverlauf. Das Verfahren 300 kann daher den Schritt umfassen, Zustandsdaten bzw. Werte von Zustandsgrößen des Fahrzeugs 100 (wie z.B. die Position des Fahrzeugs 100, einen Gierwinkel des Fahrzeugs 100 und/oder einen Lenkwinkel des Fahrzeugs 100) aus einem kartesischen Koordinatensystem in ein (entkrümmtes) Frenet-Koordinatensystem zu transformieren.
Die Entkrümmung ist beispielhaft in 4 dargestellt. Für die Entkrümmung werden Messsignale bezüglich des Zustands des Fahrzeugs 100 in ein Fahrspurkoordinatensystem transformiert. Die Trajektorienplanung selbst findet damit nicht in einem kartesischen Koordinatensystem 401 statt, sondern in einem Frenet-Koordinatensystem. Das Frenet-Koordinatensystem wird bezüglich einer Referenzkurve 400 (z.B. der Fahrspurmitte eines Straßenverlaufs) beschrieben. Die Fahrzeugposition wird damit durch die Variablen s(t) 403 in Längsrichtung und d(t) 402 in Querrichtung beschrieben. ṡ(t) und d(t) beschreiben die Längs- und Quergeschwindigkeit und s̈(t) und s̈(t) beschreiben die Beschleunigungen. Sowohl die Fahrzeugeigenbewegung als auch die zu berücksichtigenden Verkehrsteilnehmer werden im Frenet-Koordinatensystem berücksichtigt. Anschaulich entspricht diese Transformation der Entkrümmung des Koordinatensystems 401 und erlaubt so die getrennte Optimierung der Längs- und Querbewegung des Fahrzeugs.
Die Bestimmung einer Trajektorie 112 unter Berücksichtigung von physikalischen, technischen sowie komfortorientierten Randbedingungen resultiert in einem Optimierungsproblem mit Nebenbedingungen. Das resultierende Optimierungsproblem weißt aufgrund von harten Randbedingungen (wie z.B. fahrdynamischen Begrenzungen, Aktuatorbegrenzungen und Kollisionsfreiheit) Gleichungs- wie Ungleichungsnebenbedingungen auf. Diese Tatsache macht die Lösung des Optimierungsproblems zu einem komplexen Problem, vor allem dann wenn sich die Anzahl und Gestalt der Nebenbedingungen ändert. Dies kann insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen von unterschiedlichen Fahrerassistenzfunktionen 201 auftreten.
Zur Sicherstellung der Konvergenz der Optimierung und zur Bestimmung des globalen Optimums ist typischerweise die Konvexität des Optimierungsproblems nachzuweisen, was aufgrund der vorliegenden Nebenbedingungen typischerweise nicht gewährleistet werden kann. Somit müsste die Optimierung mit unterschiedlichen Initialbedingungen durchgeführt werden, um letztendlich das beste Ergebnis zu erreichen. Desweiteren ist bei Anwendung eines Optimierungsalgorithmus die maximale Anzahl an Iterationen und damit die erforderliche Rechenzeit schwer abzuschätzen, was für ein Steuergerät eines Fahrzeugs 100, welches Trajektorien 112 in Echtzeit berechnen soll, zu substantiellen Problemen führen kann.
Aus den genannten Gründen wird im Folgenden eine alternative Lösung des Optimierungsproblems herangezogen, welche die Struktur des gesamten Optimierungsproblems und das Wissen über die Beschränktheit der möglichen Lösungen ausnutzt. Damit kann eine erhebliche Reduktion des Rechenaufwands erreicht werden.
Die Quer- und Längsbewegung eines Fahrzeugs 100 lässt sich als Optimalsteuerproblem mit Ausgang s(t) = x₁(t) (im Falle der Längsplanung) bzw. d(t) = x₁(t) (im Falle der Querplanung) eines Integratorsystems (d.h. eines Fahrzeugmodells) beschreiben. Dabei ist x₁(t) eine erste Zustandsgröße des Fahrzeugs 100, welche die Position des Fahrzeugs 100 (in Längsrichtung bzw. in Querrichtung) beschreibt. Als Eingang des Integratorsystems kann der Ruck $x_{1}^{(3)} (t)$
(d.h. die 3^te Ableitung der Zustandsgröße x₁(t)) definiert werden. In diesem Dokument wird jedoch vorgeschlagen, als Eingang die Ableitung des Rucks $x_{1}^{(4)} (t)$
(d.h. die 4^te Ableitung der Zustandsgröße x₁(t)) zu verwenden. Damit können, wie im Folgenden gezeigt, Polynome 7. Ordnung als Ansatz verwendet werden. Insbesondere kann damit die Anzahl der Freiheitsgrade (z.B. die Anzahl der Randbedingungen) erhöht werden, was insbesondere in Bezug auf die Querführung des Fahrzeugs 100 vorteilhaft ist.
Das z.B. für die Querplanung verwendete Integratorsystem kann wie folgt definiert werden: $\dot{x} = [\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] x + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] u$
wobei die Eingangsröße u der Ableitung des Rucks $x_{1}^{(4)} (t)$
entspricht. Der Zustand eines Fahrzeugs 100 zu einem bestimmten Zeitpunkt t kann durch den Zustandsvektor x^T = [x₁, x₂, x₃, x₄] beschrieben werden, wobei x₂(t) = ẋ₁(t), x₃(t) = ẋ₂(t) und x₄(t) = ẋ₃(t).
Es kann gezeigt werden, dass sich der Zustandsvektor x(t) ergibt als $x (t) = \underset{= : M_{1} (t)}{\underset{︸}{[\begin{matrix} 1 & t & t^{2} & t^{3} \\ 0 & 1 & 2 t & 3 t^{2} \\ 0 & 0 & 2 & 6 t \\ 0 & 0 & 0 & 6 \end{matrix}]}} c_{0123} + \underset{= : M_{2} (t)}{\underset{︸}{[\begin{matrix} t^{4} & t^{5} & t^{6} & t^{7} \\ 4 t^{3} & 5 t^{4} & 6 t^{5} & 7 t^{6} \\ 12 t^{2} & 20 t^{3} & 30 t^{4} & 42 t^{5} \\ 24 t & 60 t^{2} 21 & 120 t^{3} & 210 t^{4} \end{matrix}]}} c_{4567}$
Dabei beschreiben die o.g. Gleichungen ein Polynom 7.Ordnung in Bezug auf den räumlichen Verlauf x₁(t).
Zur Lösung des Optimierungsproblems basierend auf einem Polynom 7. Ordnung kann folgendes Gütefunktional (auch als Kostenfunktion bezeichnet) zugrundegelegt werden: $J = \frac{1}{2} \int_{0}^{t_{f}} {(x^{(4)} (t))}^{2} d t + k_{1} {(x_{r e f} - x_{1})}^{2} + k_{2} t_{f}$
Die Parameter c₀₁₂₃ ^T = [c₀, c₁, c₂, c₃] berechnen sich aus den Anfangsbedingungen x(0) = x₀ der Trajektorie 112 zum Zeitpunkt t = 0 als $c_{0123} = M_{1}^{- 1} (0) x_{0}$
Die Parameter c₄₅₆₇ ^T = [c₄, c₅, c₆, c₇] berechnen sich aus den Endbedingungen x(t_f) der Trajektorie 112 zum Zeitpunkt t = t_f als $c_{4567} = M_{2}^{- 1} (t_{f}) (x (t_{f})) - M_{1} (t_{f}) c_{0123}$
Die Endbedingungen können, wie in der obigen Formel, vorgegeben werden. Alternativ kann ein Referenzverlauf beschrieben durch x_ref = [x_1,ref, x_2,ref, x_3,ref, x_4,ref]^T vorgegeben werden. Das Optimierungsziel liegt in dem Fall darin, möglichst nahe an diesen Referenzverlauf zu kommen. In diesem Fall können die Parameter c₄₅₆₇ ^T wie folgt berechnet werden: $\begin{array}{l} c_{4567} = M_{3} {(t_{f})}^{- 1} (x_{r e f} - M_{1} (t_{f}) c_{0123}) \\ mit \\ M_{3} (t_{f}) = M_{2} (t_{f}) - (\begin{matrix} 0 & 0 & 0 & \frac{5040}{k_{2}} \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}) . \end{array}$
Das Optimierungsproblem besteht nun darin sowohl die Endzeit bzw. den Endzeitpunkt t_f als auch ggf. den Endzustand x(t_f) für eine optimale Trajektorie 112 zu bestimmen.
Insbesondere zur Berechnung einer Quer-Trajektorie können Polynome 7. Ordnung gewählt werden, um so die 3. Ableitung der Trajektorie 112 am Anfang und Ende der Trajektorie 112 vorgeben zu können. So kann deutlich exakter ein Lenkwinkel am Anfang und am Ende der Trajektorie 112 vorgegeben werden. Als gewünschter Endpunkt einer Trajektorie 112 kann ein Zielbereich d_ziel verwendet werden, der z.B. einer ausgewählten Fahr-Option (siehe 1) entspricht. Dieser Zielbereich kann z.B. als Endposition des Endzustands x(t_f) festgelegt werden, mit x₁(t_f) = d_ziel. Insbesondere können unterschiedliche Trajektorien 112 in einem Zielfenster ermittelt werden, wobei das Zielfenster einer ausgewählten Fahr-Option entspricht.
Als Auswahlmaß oder als Gütemaß für die Ermittlung einer Trajektorie 112 (auch als Kostenfunktion bezeichnet) für die Querführung des Fahrzeugs 100 kann folgende Funktion verwendet werden: $J_{q u e r} = \frac{1}{2} \int_{0}^{t_{f}} {(d^{4} (t))}^{2} d t + k_{q 1} {(d_{z i e l} - d (t_{f}))}^{2} + k_{q 2} t_{f}$
Dabei bewertet der erste Ausdruck, die Entwicklung der Ableitung des Rucks entlang der Trajektorie 112. Der zweite Ausdruck bewertet die Abweichung der Endposition d(t_f) von der Zielposition d_ziel und kann auch als Genauigkeits-Komponente der Kostenfunktion bezeichnet werden. Desweiteren bewertet der dritte Ausdruck die zeitliche Länge der Trajektorie 112 (und damit die Dynamik der Trajektorie 112) und kann auch als Dynamik-Komponente der Kostenfunktion bezeichnet werden. Über die Gewichtungsfaktoren k_q1 und k_q2 kann die Ausprägung der Trajektorie 112 gewichtet werden. Dabei kann der Gewichtungsfaktor k_q1 als Genauigkeits-Gewichtungsfaktor und der Gewichtungsfaktor k_q2 als Dynamik-Gewichtungsfaktor bezeichnet werden.
Die Längsplanung kann in ähnlicher Weise erfolgen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass für die Längsplanung ein Polynom 4. oder 5. Ordnung ausreichend ist. Desweiteren kann durch eine Kombination (z.B. eine Summenbildung) der Auswahlmaße für die Querführung und für die Längsführung eine kombinierte Längs- und Querplanung erfolgen.
Zur Ermittlung einer optimalen Trajektorie, kann das Auswahlmaß (d.h. die Kostenfunktion) J für unterschiedliche Werte von t_f (d.h. für unterschiedliche Dynamiken) und/oder für unterschiedliche Endzustände x(t_f) (d.h. für unterschiedliche Ziele bzw. Zielgenauigkeiten) berechnet werden. Dazu können die o.g. Formeln verwendet werden. Es ergibt sich somit ein Verlauf des Auswahlmaßes J, wobei ein Minimalwert des Auswahlmaßes J den optimalen Wert für die Zeit t_f und/oder für den Endzustand x(t_f) angibt. In einem weiteren Schritt können dann ein oder mehrere Nebenbedingungen berücksichtigt werden.
Die Nebenbedingungen können somit nachgelagert an die Optimierung berücksichtigt werden. Dazu kann die im Sinne der Kostenfunktion J (d.h. des Auswahlmaßes) beste Trajektorie 112 ausgewählt und auf Einhaltung der Nebenbedingungen geprüft werden. Werden die Nebenbedingungen eingehalten wird die Trajektorie 112 umgesetzt. Andernfalls wird die nächstbeste Trajektorie 112 ausgewählt und auf die Nebenbedingungen überprüft. Dieses Vorgehen wird solange angewandt bis eine optimale Lösung gefunden wird, die die Nebenbedingungen erfüllt.
Als Nebenbedingungen können Aktuator- und Fahrdynamikbegrenzungen berücksichtigt werden. Desweiteren kann die Kollisionsfreiheit mit prädizierten Objekttrajektorien von anderen Objekten / Fahrzeugen 102 berücksichtigt werden.
Das in 3 veranschaulichte Verfahren 300 zur Ermittlung einer Trajektorie 112 für die Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs 100 umfasst das Ermitteln 301 von Anfangswerten bzw. Anfangsbedingungen x(0) = x₀ für eine Vielzahl von Zustandsgrößen x des Fahrzeugs 100. Die Vielzahl von Zustandsgrößen umfasst dabei z.B. eine Position x₁(t) des Fahrzeugs 100, eine Geschwindigkeit ẋ₁(t) des Fahrzeugs 100, eine Beschleunigung ẍ₁(t) des Fahrzeugs 100 und einen Ruck $x_{1}^{(3)} (t)$
des Fahrzeugs 100. Dabei gibt $x_{1}^{(3)} (t)$
die dritte Ableitung der Position x₁(t) des Fahrzeugs 100 an.
Das Verfahren 300 umfasst außerdem das Ermitteln 302 von Endwerten x(t_f) zu einem Endzeitpunkt t_f für die Vielzahl von Zustandsgrößen x des Fahrzeugs 100. Außerdem umfasst das Verfahren 300 das Bestimmen 303 einer Trajektorie 112 auf Basis der Anfangswerte x(0) = x₀, der Endwerte x(t_f), dem Endzeitpunkt t_f und auf Basis von einem Polynom mit 7. oder höherer/niederer Ordnung. Das Polynom mit 7. oder höherer/niederer Ordnung kann die Position x₁(t) des Fahrzeugs 100 als Funktion der Zeit t zwischen der Anfangsposition x₁(0) und der Endposition x₁(t_f) der Trajektorie 112 beschreiben. Zur Berechnung der (Zustands-)Trajektorie x(t) 112 können die oben wiedergegebenen Formeln für c₀₁₂₃ ^T, c₄₅₆₇ ^T und x(t) verwendet werden. Insbesondere durch die Formel für x(t) wird die Position x₁(t) des Fahrzeugs 100 durch ein Polynom mit 7.Ordnung beschrieben.
Zur Ermittlung einer optimalen (Zustands-)Trajektorie 112 (im Sinne eines Auswahlmaßes J) können die Werte des Auswahlmaßes J für (Zustands-)Trajektorien 112 mit unterschiedlichen Endzeitpunkte t_f und/oder mit unterschiedlichen Endwerten x(t_f) der Vielzahl von Zustandsgrößen ermittelt werden. Es kann dann die (Zustands-)Trajektorie 112 ausgewählt werden, die das Auswahlmaß J optimiert. Desweiteren kann überprüft werden, ob ein oder mehrere Nebenbedingungen erfüllt werden (wie oben dargelegt).
Die ermittelte Trajektorie 112 kann abschließend von dem Frenet-Koordinatensystem zurück in ein kartesisches Koordinatensystem transformiert werden. Desweiteren kann die ermittelte Trajektorie 112 dazu verwendet werden, das Fahrzeug 100 anhand des Systems 200 zu führen (z.B. für ein Ausweichmanöver oder für ein Einparkmanöver).
Wie oben dargelegt, weisen unterschiedliche Fahrassistenzfunktionen 201 unterschiedliche Anforderungen an die Fahrdynamik und/oder an die Zielgenauigkeit einer zu fahrenden Trajektorie 112 auf. Dies Parameter „Fahrdynamik“ und „Zielgenauigkeit“ können im Prinzip durch die Gewichtungsfaktoren k_q1 und k_q2 verändert werden. Dabei ist jedoch unklar, wie sich die Veränderung eines Gewichtungsfaktors k_q1, k_q2 auf die Fahrdynamik und/oder auf die Zielgenauigkeit auswirkt.
5a zeigt einen beispielhaften Zusammenhang zwischen der Endposition d(t_f) 501 einer Trajektorie 112 und den Werten der Gewichtungsfaktoren k_q1 503 und k_q2 502. Es kann aus 5a entnommen werden, dass insbesondere durch Erhöhung des Gewichtungsfaktors k_q1 503 bewirkt werden kann, dass die Endposition d(t_f) eine erhöhte Genauigkeit in Bezug auf eine Zielposition d_ziel aufweist. Desweiteren kann durch eine Erhöhung des Gewichtungsfaktors k_q1 503 die Umsetzung einer höheren Zielposition d_ziel 501 bewirkt werden.
In analoger Weise zeigt 5b einen beispielhaften Zusammenhang zwischen dem Endzeitpunkt t_f 504 einer Trajektorie 112 und den Werten der Gewichtungsfaktoren k_q1 503 und k_q2 502. Aus 5b ist insbesondere zu entnehmen, dass der zu erreichende Endzeitpunkt t_f 504 primär von dem Gewichtungsfaktor k_q2 502 abhängt. Insbesondere können durch eine Erhöhung des Gewichtungsfaktors k_q2 502 frühere bzw. kürzere Endzeitpunkte t_f 504 bewirkt werden. Mit anderen Worten, durch eine Erhöhung des Gewichtungsfaktors k_q2 502 kann eine Erhöhung der Dynamik einer Trajektorie 112 bewirkt werden.
6 zeigt eine Kennlinie (auch als Kennfunktion bezeichnet) 600 durch die ein Dynamik-Parameter 604 in einen Gewichtungsfaktor k_q2 502 umgerechnet werden kann (bzw. umgekehrt). Der Zusammenhang zwischen Dynamik-Parameter 604 und Gewichtungsfaktor k_q2 502 kann auch durch eine Folge von Kennfunktionen beschrieben werden, z.B. durch eine erste Kennfunktion, um einen Dynamik-Parameter 604 in eine gewünschte Soll-Größe (z.B. in den gewünschten Endzeitpunkt t_f 504) umzurechnen, und in eine zweite Kennfunktion, um die gewünschte Soll- Größe in einen Gewichtungsfaktor k_q2 502 umzurechnen, durch den eine optimale Trajektorie 112 ermittelt werden kann, die (zumindest näherungsweise) die gewünschte Soll- Größe aufweist.
Die Kennlinie 600 (bzw. die o.g. zweite Kennfunktion) kann auf Basis der gemessenen Zusammenhänge aus 5a und/oder 5b ermittelt werden. Der Dynamik-Parameter 604 kann auf Werte zwischen 0 und 1 normiert sein. Dabei kann z.B. ein fester Wert für eine Zielposition d_ziel (insbesondere für eine Querablage) gewählt werden, so dass sich aus d_ziel/t_f ein Maß für die Dynamik einer Trajektorie 112 (insbesondere für die Querdynamik einer Trajektorie 112) ergibt. Der Dynamik-Parameter 604 kann z.B. proportional zu d_ziel/t_f sein, und somit eine mittlere Dynamik einer Trajektorie 112 anzeigen. Der Dynamik-Parameter 604 mit dem Wert 0 kann eine minimale mittlere Dynamik anzeigen und der Wert 1 kann eine maximale mittlere Dynamik anzeigen. Zwischen 0 und 1 kann die mittlere Dynamik linear von der minimalen mittleren Dynamik bis zu der maximalen mittleren Dynamik ansteigen.
Eine Fahrassistenzfunktion 201 kann somit einen Wert für den Dynamik-Parameter 604 vorgeben, um eine mittlere Dynamik einer Trajektorie 112 vorzugeben. Mittels der Kennlinie 600 kann dann ein entsprechender Wert des Gewichtungsfaktors k_q2 502 ermittelt werden, und bei der Ermittlung einer Trajektorie 112 durch das Verfahren 300 verwendet werden. So kann gewährleistet werden, dass die resultierende Trajektorie 112 die gewünschte mittlere Dynamik aufweist.
In analoger Weise kann eine Kennlinie bereitgestellt werden, die eine Zielgenauigkeit in Bezug auf eine Zielposition d_ziel festlegt, Der Genauigkeits-Parameter kann zwischen 0 und 1 normiert sein. Die Kennlinie kann z.B. auf Basis der gemessenen Zusammenhänge aus 5a und/oder 5b ermittelt werden. Die Kennlinie kann für einen Genauigkeits-Parameter einen entsprechenden Gewichtungsfaktor k_q1 503 bereitstellen. Der Genauigkeits-Parameter kann zwischen einer minimalen (relativen) Abweichung und einer maximalen (relativen) Abweichung in linear ansteigender Weise (relative) Abweichungen anzeigen. Beispielsweise kann der Wert 0 des Genauigkeits-Parameters die maximale (relative) Abweichung anzeigen und der Wert 1 des Genauigkeits-Parameters die minimale (relative) Abweichung anzeigen.
Eine Fahrassistenzfunktion 201 kann dann einen Genauigkeits-Parameter (auch als Zielgenauigkeits-Parameter bezeichnet) vorgeben, der mittels einer Kennlinie in einen Gewichtungsfaktor k_q1 503 umgerechnet wird. Der Gewichtungsfaktor k_q1 503 kann dann im Verfahren 300 verwendet werden, um eine Trajektorie 112 zu ermitteln, die die gewünschte Zielgenauigkeit (d.h. Abweichung) aufweist.
Alternativ oder ergänzend kann eine kombinierte Kennlinie bereitgestellt werden (auf Basis der gemessenen Zusammenhänge aus 5a und/oder 5b), durch die für die Werte eines Dynamik-Parameters und eines Zielgenauigkeits-Parameters, Werte für die Gewichtungsfaktoren k_q1 503 und k_q2 502 bereitgestellt werden. Diese Werte können dann in der Kostenfunktion J_quer verwendet werden, um eine Trajektorie 112 zu ermitteln. Der Dynamik-Parameter und der Zielgenauigkeits-Parameter können zusammenfassend auch als Trajektorien-Parameter bezeichnet werden.
Wie bereits dargelegt, ist eine transparente Applikation des Führungsverhaltens einer auszuprägenden Fahrzeugführungsfunktion bzw. Fahrassistenzfunktion 201 eine wichtige Anforderung an die Regelungsstruktur. Durch einen Dynamik-Parameter wird eine lineare Applikation der Dynamik ermöglicht. Dabei wird das Störverhalten des Systems 200 typischerweise nur unwesentlich beeinflusst und im Gegenzug beeinflusst die Applikation des Störverhaltens typischerweise das Führungsverhalten nur unwesentlich. Dies erlaubt eine transparente und getrennt einstellbare Führungsdynamik des Systems 200.
Das Führungsverhalten wird maßgebend durch die geplante Trajektorie 112 bestimmt, deren Dynamik durch die Gewichtungsfaktoren k_q1 503 und k_q2 502 des Gütefunktionals J_quer für die Querführung, und durch entsprechende Gewichtungsfaktoren eines Gütefunktionals für die Längsführung bestimmt wird. Beispielhaft wird in den 5a, 5b und 6 die Applikation der Querführungstrajektorie betrachtet. Die Vorgehensweise kann in analoger Weise auf die Applikation von Längsführungstrajektorien übertragen werden. 5a und 5b zeigen die Auswirkung der Veränderung der Gewichtungsfaktoren k_q1 503 und k_q2 502 (in Intervallen [0, 200]) auf die erreichte Zielquerablage 501 und auf die dafür benötige Zeit t_f. Dabei wurde für die Zielquerablage d_ziel = 3m±0.5m und für die erlaubte Zeit t_f ∈ [0.4, 6] sec. gewählt. Die 5a und 5b können auf Basis eine Vielzahl von ermittelten Test-Trajektorien 112 bereitgestellt werden.
Die 5a und 5b zeigen, dass die benötigte Zeit zum Abbau der Querablage insbesondere von dem Gewichtungsfaktor k_q2 502 bestimmt wird. Der Gewichtungsfaktor k_q1 503 beeinflusst entsprechend dem Gütefunktional primär die erreichte Zielquerablage 501. Die Zielquerablage 501 ist darüber hinaus relativ stark von dem gewählten Gewichtungsfaktor k_q2 502 abhängig. Wie in 5a gezeigt, ist es zur Erreichung der Zielquerablage 501 erforderlich, den Gewichtungsfaktor k_q1 503 ausreichend hoch zu wählen. Damit kann anschließend die gewünschte Dynamik mit dem Gewichtungsfaktor k_q2 502 weitgehend unabhängig eingestellt werden.
5b und 5 zeigen, dass der Zusammenhang zwischen der Zeit 504 zur Erreichung der Endquerablage 501 und dem Gewichtungsfaktor k_q2 502 annähern dem Verhalten von 1/k_q2 entspricht. Dieses Verhalten ist weitgehend unabhängig von dem Gewichtungsfaktor k_q1 503. Diese Tatsache erlaubt es, einen linearen Zusammenhang zwischen einem Zielzeitpunkt 504 und einem abstrakten Dynamik-Parameter 604 zu erreichen. Zu diesem Zweck wird der mittlere Wert der Schar aus 5b zu Grunde gelegt und das resultierende Kennfeld invertiert.
Durch die Verwendung von Kennlinien 600 und von einem abstrakten Dynamik-Parameter und/oder einem abstrakten Zielgenauigkeits-Parameter wird eine transparente Applikation für unterschiedliche Fahrassistenzfunktionen 201 erreicht. Die beschriebene Methodik kann auch auf die Längsführung übertragen werden. Auch für die Längsführung zeigt sich weitestgehend eine Unabhängigkeit der beiden Gewichtungsfaktoren einer Kostenfunktion für die Längsführung bei Freifahrt und für die Längsführung bei Folgefahrt.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 700 zur Ermittlung einer Trajektorie 112 für die Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs 100. Das Verfahren 700 umfasst das Ermitteln 701 von Werten von ein oder mehreren Trajektorien-Parametern 604, wobei die ein oder mehreren Trajektorien-Parameter 604 eine Dynamik und/oder eine Zielgenauigkeit der zu ermittelnden Trajektorie 112 anzeigen. Die ein oder mehreren Trajektorien-Parameter 605 können insbesondere einen Dynamik-Parameter und/oder einen Zielgenauigkeits-Parameter umfassen. Das Verfahren 700 umfasst weiter das Ermitteln 702 von Werten von ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren 502, 503 aus den Werten der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter 604 mittels einer vorbestimmten Kennfunktion oder eines vorbestimmten Kennfelds 600. Außerdem umfasst das Verfahren 700 das Ermitteln, insbesondere das Auswählen, 703 der Trajektorie 112 anhand einer Kostenfunktion (auch als Gütefunktional bezeichnet), wobei die Kostenfunktion von den ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren 502, 503 abhängt.
Nach Ermittlung einer Vielzahl von Trajektorien 112 mittels eines Gütefunktionals, kann überprüft werden, welche der Vielzahl von Trajektorien 112 die ein oder mehreren Nebenbedingungen für ein Fahrmanöver erfüllt. Insbesondere kann überprüft werden, ob zumindest eine Trajektorie 112 aus der Vielzahl von Trajektorien 112 die Anforderungen der Fahrassistenzfunktion 201 in Bezug auf eine Kollisionsvermeidung erfüllen.
Auch in Bezug auf die Kollisionsvermeidung ist es wünschenswert, eine transparente Einstellbarkeit des Reaktionszeitpunkts auf eine bevorstehende Kollision bereitzustellen. Insbesondere ist typischerweise eine zu frühe Reaktion auf ein Hindernis 102 für einen Fahrer des Fahrzeugs 100 nicht nachvollziehbar. Desweiteren kann sich eine bevorstehende Kollision durch die Bewegung des Hindernisses 102 wieder von selbst auflösen (z.B. durch einen Spurwechsel, durch einen kurzzeitigen Versatz eines Vorderfahrzeugs, etc.).
Im Rahmen der Trajektorienplanung werden typischerweise eine oder mehrere Trajektorien ermittelt, und eine Trajektorie 112 ausgewählt, die kollisionsfrei ist. Jede Trajektorie 112 kann dabei auf Kollision mit statischen und dynamischen Hindernissen 102 geprüft werden. Kollidiert eine berechnete Trajektorie 112, kann der früheste Kollisionszeitpunkt berechnet werden, bei dem die Trajektorie 112 kollidiert. Wenn dieser Zeitpunkt unterhalb einer einstellbaren Grenze liegt, wird die Trajektorie 112 als „Kollision nicht vermeidbar“ erkannt und typischerweise verworfen. Andernfalls kann die Trajektorie 112 als „kollidierende aber kollisions-vermeidbare Trajektorie“ klassifiziert werden. Eine solche Trajektorie 112 kann zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgewählt werden. Es muss jedoch zu einem zukünftigen Zeitpunkt überprüft werden, ob diese Trajektorie 112 weiterhin zulässig ist. Ist dies nicht der Fall, so muss eine andere Trajektorie 112 ausgewählt werden. Diese Informationen können an die Fahrassistenzfunktion 201 übermittelt werden.
Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht es einer Fahrassistenzfunktion 201 einen Time-To-Collision (TTC) Schwellenwert festzulegen, durch den ein Zeitpunkt festgelegt werden kann, an dem ein Fahrmanöver bzw. der Wechsel einer Trajektorie ausgelöst wird. Insbesondere kann für eine Trajektorie 112 ermittelt werden, ob

a) die Trajektorie 112 eine Kollision mit einem Hindernis 102 aufweist; und
b) zu welchem Zeitpunkt (oder nach welcher Zeitdauer) entlang der Trajektorie 112 es zu einer Kollision mit dem Hindernis 102 kommt. Mit anderen Worten, die TTC der Trajektorie 112 kann ermittelt werden.

Daraufhin kann die TTC der Trajektorie 112 mit dem TTC-Schwellenwert (der von der Fahrassistenzfunktion 201 vorgegeben werden kann) verglichen werden. Liegt der TTC unterhalb von dem TTC-Schwellenwert, so wird die Trajektorie 112 ausgeschlossen bzw. verworfen. Andererseits kann die Trajektorie 112 berücksichtigt werden und ggf. für die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs 100 verwendet werden, wenn ihr TTC gleich wie oder größer als der TTC-Schwellenwert ist.
Das Fahrzeug 100 kann dann gemäß der ausgewählten Trajektorie 112 geführt werden. Zu einem späteren Zeitpunkt (die Trajektorienplanung kann mit einer vordefinierten Frequenz von x Berechnungen pro Sekunde wiederholt werden) kann eine neue Trajektorie 112 ermittelt werden. Es kann dann erneut der TTC einer Trajektorie 112 mit dem TTC-Schwellenwert verglichen werden. Wenn das Hindernis 102 weiterhin besteht, kann das dazu führen, dass eine Trajektorie 112, die zuvor ausgewählt wurde, zu dem späteren Zeitpunkt einen TTC aufweist, der unterhalb von dem TTC-Schwellenwert liegt, so dass die Trajektorie 112 verworfen wird, und eine andere Trajektorie 112 ausgewählt wird (z.B. eine Trajektorie 112 durch die das Hindernis 102 umfahren wird).
Es ist somit möglich, eine (gemäß dem Gütefunktional) optimale Trajektorie 112 möglichst lange zu verwenden und erst zu einem einstellbaren Zeitpunkt eine weniger optimale (Ausweich-)Trajektorie 112 auszuwählen. Beispielsweise kann eine Fahrsituation vorliegen, bei dem das Fahrzeug 100 auf ein Hindernis 102 (z.B. auf ein Vorder-Fahrzeug 102, siehe 1) zufährt, und darüber hinaus eine Kollisionsgefahr mit einem weiteren Objekt 102 (z.B. mit einem weiteren Fahrzeug 102 auf der rechten Fahrspur, siehe 1) vorliegt. Priorität hat typischerweise die Vermeidung einer Kollision mit dem ersten Objekt 102. Nach Ausweichen von dem ersten Objekt 102 kann ein passendes Manöver für das zweite Objekt 102 (z.B. bremsen, weiter ausweichen, etc.) bestimmt werden. Das Manöver zum Ausweichen des ersten Objekts 102 kann dennoch ausgewählt werden, da die TTC der Trajektorie 112 oberhalb von einem vordefinierten TTC-Schwellenwert liegt. Die Festlegung eines TTC-Schwellenwertes ermöglicht somit die sequentielle Aneinanderreihung von möglichst optimalen Fahrmanövern.
Ein weiteres Beispiel ist der Übergang von einer Freifahrt zu einer Folgefahrt. Wenn ein langsames Fahrzeug 102 vor dem Ego-Fahrzeug 100 fährt, kann von einer Fahrzeugsollgeschwindigkeit auf die langsamere Geschwindigkeit verzögert werden. Dazu wird eine Schar von Trajektorien 112 geplant, welche aus einer Mischung von geschwindigkeitsbasierten- und ortbasierten Trajektorien 112 besteht. Die geschwindigkeitsbasierten Trajektorien 112 werden z.B. auf die Fahrzeugsollgeschwindigkeit geplant und führen somit zu einer zukünftigen Kollision. Trotzdem kann von einer Fahrassistenzfunktion 201 vorgegeben werden, dass das Ego-Fahrzeug 100 so weit wie möglich mit der Sollgeschwindigkeit fährt und nicht zu früh abgebremst wird. Der Zeitpunkt für den Übergang von einer geschwindigkeitsbasierten Trajektorie 112 auf eine ortsbasierte (abgebremste oder ausweichende) Trajektorie 112 kann durch den TTC-Schwellenwert eingestellt werden. Insbesondere kann über den parametrierbaren „spätesten akzeptierbaren kollidierenden Zeitpunkt“, d.h. über den TTC-Schwellenwert, solange eine geschwindigkeitsbasierte Trajektorie 112 akzeptiert werden, bis noch eine (z.B. über den Dynamik-Parameter) definierte Verzögerung möglich ist.
In diesem Dokument wurde ein Parameter (d.h. insbesondere der TTC-Schwellenwert) beschrieben, mit dem eine Kollisionsvermeidung einstellbar gemacht werden kann. Der beschriebene Parameter ist unabhängig applizierbar und unabhängig von der Trajektorienplanung. Durch den Parameter wird eine verbesserte und nachvollziehbare Reaktion auf Hindernisse ermöglicht.
Desweiteren wurden Parameter (d.h. die Trajektorien-Parameter) beschrieben, mit denen insbesondere die Dynamik einer Trajektorie in linearer und transparenter Weise eingestellt werden kann. Dies ermöglicht eine effiziente Berücksichtigung von Dynamikvorgaben bei der Trajektorienplanung.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Verfahren (700) zur Ermittlung einer Trajektorie (112) für die Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs (100), wobei das Verfahren (700) umfasst, - Ermitteln (701) von Werten von ein oder mehreren Trajektorien-Parametern (604), wobei die ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (604) eine Dynamik und/oder eine Zielgenauigkeit der zu ermittelnden Trajektorie (112) anzeigen; - Ermitteln (702) von Werten von ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (502, 503) aus den Werten der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (604) mittels einer vorbestimmten Kennfunktion (600), wobei die vorbestimmte Kennfunktion (600) für Werte der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (604) entsprechende Werte der ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (502, 503) angibt; und - Ermitteln (703) der Trajektorie (112) anhand einer Kostenfunktion, wobei die Kostenfunktion von den ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (502, 503) abhängt, wobei • die Kostenfunktion eine Dynamik-Komponente umfasst, die von einem Endzeitpunkt der Trajektorie (112) abhängt, und die ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (502, 503) einen Dynamik-Gewichtungsfaktor (503) umfassen; und/oder • die Kostenfunktion eine Genauigkeits-Komponente umfasst, die von einer Abweichung eines Zielpunktes der Trajektorie (112) von einem Soll-Ziel abhängt, und die ein oder mehreren Gewichtungsfaktoren (502, 503) einen Genauigkeits-Gewichtungsfaktor (503) umfassen.
Verfahren (700) gemäß Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Kennfunktion (600) von einer Vielzahl von Test-Trajektorien abhängt, die anhand der Kostenfunktion berechnet wurden.
Verfahren (700) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (604) Werte zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert annehmen können; und - die Werte der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (604) Soll-Werten zwischen einem minimalen Soll-Wert und einem maximalen Soll-Wert der Dynamik und/oder der Zielgenauigkeit der zu ermittelnden Trajektorie (112) entsprechen.
Verfahren (700) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (604) - einen Dynamik-Parameter umfassen, der eine Soll-Dynamik der Trajektorie (112) anzeigt; und/oder - einen Genauigkeits-Parameter umfassen, der eine Soll-Genauigkeit anzeigt, mit der ein Zielpunkt der Trajektorie (112) mit einem Soll-Ziel übereinstimmt.
Verfahren (700) gemäß Anspruch 4 mit Rückbezug auf Anspruch 3, wobei - der minimale Wert des Dynamik-Parameters einem maximalen Soll-Wert der Soll-Dynamik der Trajektorie (112) entspricht; und - der maximale Wert des Dynamik-Parameters einem minimalen Soll-Wert der Soll-Dynamik der Trajektorie (112) entspricht.
Verfahren (700) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst, - Ermitteln, ob die Trajektorie (112) mit einem Objekt (102) kollidiert; - wenn ermittelt wird, dass die Trajektorie (112) mit dem Objekt (102) kollidiert, Ermitteln einer Zeitdauer bis zu der Kollision mit dem Objekt (102); - Vergleichen der Zeitdauer mit einem Schwellenwert; und - Verwenden der Trajektorie (112) für die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs (100), wenn die Zeitdauer größer als oder gleich wie der Schwellenwert ist.
Verfahren (700) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Fahrzeug (100) eine Vielzahl von Fahrassistenzfunktionen (201) umfasst, die in die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs (100) eingreifen; und - die Werte der ein oder mehreren Trajektorien-Parameter (604) von der Fahrassistenzfunktion (201) abhängen, für die eine Trajektorie (112) ermittelt wird.
Verfahren zur Ermittlung einer Trajektorie (112) für die Längs- und/oder Querführung eines Fahrzeugs (100), wobei das Verfahren umfasst, - Detektieren eines Objektes (102) in einer Umgebung des Fahrzeugs (100), auf Basis von Umfelddaten bezüglich eines Umfelds des Fahrzeugs (100); - Ermitteln einer Vielzahl von Trajektorien (112) anhand einer Kostenfunktion, wobei sich die Vielzahl von Trajektorien in Bezug auf einen Zielpunkt und/oder in Bezug auf eine Dynamik unterscheiden; - Auswählen einer ersten Trajektorie (112) aus der Vielzahl von Trajektorien (112), in Abhängigkeit von einem Wert der Kostenfunktion für die erste Trajektorie (112); - Ermitteln, ob die erste Trajektorie (112) mit dem detektierten Objekt (102) kollidiert; - wenn ermittelt wird, dass die erste Trajektorie (112) mit dem detektierten Objekt (102) kollidiert, Ermitteln einer Zeitdauer bis zu der Kollision mit dem detektierten Objekt (102); - Vergleichen der Zeitdauer mit einem Schwellenwert; und - Verwenden der ersten Trajektorie (112) für die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs (100), in Abhängigkeit von dem Vergleich.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei - die erste Trajektorie (112) an einem ersten Zeitpunkt ausgewählt wird; - das Verfahren weiter umfasst, Ermitteln, an einem zweiten Zeitpunkt, ob die erste Trajektorie (112) weiterhin mit dem detektierten Objekt (102) kollidiert; - der zweite Zeitpunkt dem ersten Zeitpunkt nachfolgt; und - das Verfahren weiter umfasst, Ermitteln einer alternativen Trajektorie, wenn die erste Trajektorie (112) weiterhin mit dem detektierten Objekt (102) kollidiert.
System (200) zur Quer- und/oder Längsführung eines Fahrzeugs (100), wobei das System (200) eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Software-Programm, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.