DE10018873B4

DE10018873B4 - Hindernisvermeidungsverfahren für das Fahrzeugverfolgen

Info

Publication number: DE10018873B4
Application number: DE10018873A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Phys. Gehrig; Fridtjof Dr.rer.nat. Stein
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2020-04-15
Also published as: DE10018873A1

Abstract

Verfahren zur Hindernisvermeidung, auf Grundlage des Ansatzes der ,Elastischen Bänder‘, bei welchem die Zielfahrspur eines zu steuernden, fahrbaren Objekts mit einem vorgegebenen Pfad initialisiert wird, welcher nachfolgend entsprechend den Umgebungsverhältnissen modifiziert wird,
wobei die Zielfahrspur durch den Verlauf der Spur eines Objekts vorgegeben wird, dem das zu steuernde Objekt nachfolgen soll,
und dass die Modifikation der Zielfahrspur dynamisch, während der Fahrt des zu steuernden Objekts, auf der Grundlage einer Erfassung von sich zeitlich verändernden Umgebungsverhältnissen erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Potentialfeld V_quin, welches ein Hindernis umgibt und auf das die Zielfahrspur definierende Elastische Band wirkt, in Abhängigkeit der Geschwindigkeit v_ego des zu steuernden Objekts definiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hindernisvermeidung für die Fahrzeugverfolgung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Für sich durch Werkhallen bewegende Roboter sind Hindernisvermeidungsverfahren bekannt, welche es autonom agierenden Fahrzeuge ermöglichen unfallfrei zu navigieren. Ein prominentes Verfahren ist der Ansatz der ‚Elastischen Bändern‘, wie es von Quinlan und Khatib (S. Quinlan, 0. Khatib, Elastic Bands: Connecting Path Planning and Control, IEEE, Robotics and Automation, 2:802-807, 1993) für die Spurführung und Regelung entwickelt wurde. Dabei wird für die Initialisierung des Systems ein vorgegebener Pfad von einer Planungsroutine geliefert. Dieser Pfad wird nachfolgend entsprechend den Umgebungsverhältnissen dynamisch modifiziert, indem er als elastisches Band, ausgebildet ist, welches in der Lage ist seine Form zu ändern und anzupassen. Die Verformung des elastischen Bandes wird von abstoßenden Kräften bewirkt, welche von Hindernissen, die sich in unmittelbarer Nähe des Pfades befinden, ausgehen. (Der Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus diesen Artikel bekannt)

In einer Arbeit von Krogh (B.H. Krogh, Feedback Obstacle Avoidance Control, 21st Allerton Conference on communication, control and Computing, 1983) wird ein Verfahren beschrieben, welches bei der Bestimmung eines Geschwindigkeitspotentials die relative Geschwindigkeit des betrachteten Objekts in Bezug auf ein Hindernis berücksichtigt. Dabei betrachtet Krogh zwei Zeiten, welche das notwendige Maß für eine Strecke angibt, auf welcher ein noch erfolgreicher Bremsvorgang des betrachteten Objekts im Hinblick auf ein Hindernis erfolgen kann. Zum einen definiert Krogh hierbei die sogenannte ,minimum avoidance time‘, welche proportional zu einem minimal notwendigen Streckenabschnitt ist, die dem für eine Vollbremsung notwendigen Zeitraum bemißt; zum anderen wird eine ,maximum avoidance time‘ definiert, welche den Zeitraum bemißt, der notwendig ist, soll mit einer minimal möglichen Verzögerung ein Aufprall vermieden werden. Die Differenz dieser beiden Zeitabschnitte wird als ,reserve avoidance time‘ bezeichnet. Aus der Inversen dieser Zeitdifferenz ergibt sich sodann das sogenannte Krogh-Potential. Krogh betrachtet bei seiner Untersuchung jedoch nur eine simple Fahrzeug/Hindernis-Konfiguration in direkter Konfrontation, ohne die bei der Fahrzeugverfolgung notwendige Konfiguration mit an Hindernissen vorbeigeführten Fahrspuren zu betrachten.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Ansatz der ,Elastischen Bänder‘ für den Einsatz insbesondere im Rahmen einer Fahrzeugverfolgung im Umfeld öffentlicher Verkehrswege zu modifizieren.

Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die davon abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In vorteilhafter Weise eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders zur Fahrzeugverfolgung, insbesondere im Umfeld öffentlicher Verkehrswege, wobei hierbei die Zielfahrspur eines zu steuernden Objekts durch den Verlauf der Spur eines bewegten Objekts initialisiert wird, dem es nachfolgen soll, indem bei der Durchführung des Verfahrens die Modifikation der Zielfahrspur dynamisch, während der Fahrt des zu steuernden Objekts, auf der Grundlage einer Erfassung von sich zeitlich verändernden Umgebungsverhältnissen erfolgt.

Vorteilhaft wirkt sich dabei eine geometrische Analyse bezüglich einer Überlappung der Zielfahrspur mit im Umfeld des gesteuerten Objektes befindlichen Hindernissen aus.

Mittels dieses Vorgehens läßt sich auf relativ einfache Weise die potentielle Gefahr einer Kollision erkennen und gegebenenfalls vermeiden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden vorhandene Fahrbahnmarkierungen in einer Art und Weise als virtuelle Hindernisse modelliert, daß von ihnen abstoßende Kräfte in Richtung der Fahrbahnmitte ausgehen. Auf diese Weise wird erreicht, daß das zu steuernde Objekt tendenziell in einem sicheren Abstand vom Fahrbahnrand geführt wird, selbst wenn sich das vorausfahrende Fahrzeug, dem es nachfolgt, nah an Hindernissen am Fahrbahnrand entlang bewegt.

Besonders vorteilhaft wirkt sich aus, daß in erfinderischer Weise die äußeren Kräfte, die auf das die Zielfahrspur beschreibende Elastischen Band wirken, so gewählt werden, daß die Modellierung der Zielfahrspur in einer Spur resultiert, welche dem natürlichen Fahrverhalten eines Fahrzeugführers entspricht. Es ist bekannt, daß im allgemeinen Fahrzeuglenker aus rein subjektivem Empfinden dazu tendieren, bei höheren Geschwindigkeiten mit einem größeren Abstand an Hindernissen vorbeizufahren. Die Erfindung ist deshalb so ausgestaltet, daß das aus der Arbeit von Quinlan bekannte Potentialfeld V_quin, welches ein Hindernis umgibt und auf das die Zielfahrspur definierende Elastische Band wirkt, in besonderer Weise so modifiziert wird, daß es in Abhängigkeit der Geschwindigkeit v_ego des zu steuernden Objekts definiert ist, so daß das Potentialfeldes V_quin wie folgt definiert ist:

mit deff = d0,quin + dinc,quin·vego Gl.2wobei gilt

j: = 1 .. Anzahl von Hindernissen und
i: = 1 .. Anzahl von Partikeln mittels derer das Elastische Band modelliert wird.

Dabei entspricht k_r der Elastizitätskonstanten und q →_i; dem i-ten Partikel des Elastischen Bandes. Die Parameter d_0,quin und d_inc,quin sind Distanzwerte, die experimentell so bestimmt werden, daß der Verlauf der Zielfahrspur so modelliert wird, daß er möglichst dem Fahrverhalten eines reellen Fahrzeugführers entspricht und das Fahrzeug ohne extreme Richtungswechsel an Hindernissen vorbei führt. Es hat sich gezeigt, daß in vorteilhafter weise der Wert d_0,quin, welcher einem in der Regel grundsätzlich einzuhaltenden Abstand zwischen zu steuernden Objekt und Hindernis entspricht, zu 30 cm gewählt wird. Dies trägt der beschränkten Präzision der Entfernungsschätzung im Rahmen einer Stereo-Bildverarbeitung Rechnung. Bei der Verwendung von präziser messenden Entfernungssensorik kann d_0,quin entsprechend kleiner gewählt werden. Der die Geschwindigkeitsabhängigkeit beeinflussende Faktor d_inc,quin wird günstiger Weise auf einen Wert von 2 m/(m/s) gesetzt.

Zusätzlich zu der Modifikation des aus Quinlan bekannten Potentialfeldes nach dem in Gleichung 1 definierten geschwindigkeits-abhängigen Potentialfeld V_quin,j, wird in vorteilhafterweise durch das erfindungsgemäße Verfahren auch das aus der Arbeit von Krogh bekannte Geschwindigkeitspotential eines Hindernisses mit einem Fadingfaktor beaufschlagt, so daß ein Geschwindigkeitspotential V_krogh,j entsteht, welches in Abhängigkeit der Eigengeschwindigkeit v_ego des zu steuernden Objekts und des kürzesten Abstandes d_j,min zwischen der Zielfahrspur des Objekts und dem Hindernis geschwächt wird; wobei d_j den Abstand der j einzelnen Konfigurationspartikel eines Elastischen Bandes (Zielfahrspur) von einem Hindernis festlegt. Das auf diese Weise entstandene neue Geschwindigkeitspotiential V_krogh,j ist wie folgt definiert:

sowie dkrogh = d0,krogh + dinc,krogh·Vego Gl.5wobei gilt

j: = 1 .. Anzahl von Hindernissen

Dabei entspricht v_rel,j der Projektion des Vektors der Relativgeschwindigkeit des zu steuernden Objekts auf den Richtungsvektor zwischen Objekt und Hindernis. Der Parameter a repräsentiert die maximal mögliche Verzögerung, welche das zu steuernde Objekt in der Lage ist aufzubringen. Bei Automobilanwendungen ist dieser Wert vorteilhafterweise auf 5 m/s² zu setzen.

Bei den Untersuchungen hat sich gezeigt, daß es sich anbietet die Parameter zur Bestimmung der geschwindigkeits-abhängigen Distanzmaße d_eff und d_krogh identisch zu wählen. Dies ist vor allem bei geringen Geschwindigkeiten, wie sie von Fahrzeugen innerhalb von Ortschaften gefahren werden, sinnvoll.

Um in besonders vorteilhafter Weise den Verlauf der Zielfahrspur, welche zum einen durch die vom verfolgten Fahrzeug initialisierte Fahrspur und zum anderen stark von der Existenz und dem Verhalten von in der Umgebung befindlichen Hindernissen abhängt, möglichst dem natürlichen Fahrverhalten eines Fahrzeuglenkers nachzubilden, werden bei der Modelierung der Fahrspur mittels des Ansatzes der Elastischen Bänder die von den Hindernissen ausgehenden und auf das die Zielfahrspur definierende Elastische Band wirkenden Potentialfelder aus einer Überlagerung des Potentialfeldes V_quin mit dem Geschwindigkeitspotential V_krogh gebildet. Durch wird erreicht, daß die Zielfahrspur mit wesentlich weicheren Biegungen bzw. Ausweichkurven ausgebildet wird, wie dies für den Fall der Verwendung eines einzigen dieser beiden Potentialfelder der Fall wäre. Eine solche weichere Ausformung der Zielfahrspur kommt dem Verhalten eines natürlichen Fahrzeuglenkers recht nahe, welcher bereits frühzeitig bei Erkennen einer potentiellen Gefahr durch ein Hindernis ein möglichst wenig abruptes Ausweichmanöver einleitet.

Claims

Verfahren zur Hindernisvermeidung, auf Grundlage des Ansatzes der ,Elastischen Bänder‘, bei welchem die Zielfahrspur eines zu steuernden, fahrbaren Objekts mit einem vorgegebenen Pfad initialisiert wird, welcher nachfolgend entsprechend den Umgebungsverhältnissen modifiziert wird, wobei die Zielfahrspur durch den Verlauf der Spur eines Objekts vorgegeben wird, dem das zu steuernde Objekt nachfolgen soll, und dass die Modifikation der Zielfahrspur dynamisch, während der Fahrt des zu steuernden Objekts, auf der Grundlage einer Erfassung von sich zeitlich verändernden Umgebungsverhältnissen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialfeld V_quin, welches ein Hindernis umgibt und auf das die Zielfahrspur definierende Elastische Band wirkt, in Abhängigkeit der Geschwindigkeit v_ego des zu steuernden Objekts definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialfeldes V_quin definiert ist als
mit deff = d0,quin + dinc,quin·vego.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeitspotential V_krogh mit einem Fadingfaktor beaufschlagt wird, welcher von der Geschwindigkeit v_ego des zu steuernden Objekts und dem kürzesten Abstandes d_j,min zwischen der Zielfahrspur des Objekts und dem Hindernis abhängt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeitspotential V_krogh definiert ist als
sowie dkrogh = d0,krogh + dinc,krogh·vego.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter zur Bestimmung der geschwindigkeits abhängigen Distanzmaße d_eff und d_krogh identisch gewählt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Hindernissen ausgehenden und auf das die Zielfahrspur definierende Elastische Band wirkenden Potentialfelder aus einer Überlagerung des Potentialfeldes V_quin mit dem Geschwindigkeitspotential V_krogh gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorhandene Fahrbahnmarkierungen als virtuelle Hindernisse modelliert werden, welche abstoßende Kräfte in Richtung der Fahrbahnmitte ausüben.