DE102015009241B4 - Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugführungssystems - Google Patents

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Abstract

Kraftfahrzeug (1), aufweisend eine erste, über eine Lenkhandhabe (5) fahrerseitig bedienbare Lenkeinrichtung (3) zur Querführung des Kraftfahrzeugs (1), wenigstens eine zusätzliche, zweite Lenkeinrichtung (8) zur Querführung des Kraftfahrzeugs (1) und ein Fahrzeugführungssystem (11) zur vollständig automatischen Führung des Kraftfahrzeugs (1), wobei das Fahrzeugführungssystem (11) zur Nutzung der zweiten Lenkeinrichtung (8) zur Querführung in einem Normalbetriebsmodus ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugführungssystem (11) zur Nutzung der ersten Lenkeinrichtung (3) als Rückfallebene in einem bei einem einen Fehler der zweiten Lenkeinrichtung (8) anzeigenden Fehlersignal aktivierten Rückfallbetriebsmodus ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugführungssystems zur vollständig automatischen Führung des Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
  • Zur Querführung von Kraftfahrzeugen sind verschiedene Arten von Lenkeinrichtungen im Stand der Technik bekannt. Häufig weisen dabei Kraftfahrzeuge als erste Lenkeinrichtung eine Vorderachslenkung auf, die es mittels einer Lenkhandhabe, insbesondere einem Lenkrad, dem Fahrer ermöglicht, das Kraftfahrzeug im manuellen Betrieb querzuführen. Ferner wurden jedoch bereits andere Arten von Lenkeinrichtungen vorgeschlagen, die in heutigen Kraftfahrzeugen meist unterstützend zur Fahrerassistenz genutzt werden, beispielsweise Hinterachslenkungen und Torque-Vectoring-Einrichtungen, bei denen die Lenkung durch die Gabe unterschiedlicher Drehmomente auf unterschiedliche Räder des Kraftfahrzeugs erfolgt. Beispielsweise können derartige zweite Lenkeinrichtungen, die neben der durch den Fahrer bedienbaren ersten Lenkeinrichtung vorgesehen sind, zur Durchführung kleinerer Fahrkorrekturen, zur Stabilisierung des Kraftfahrzeugs im physikalischen Grenzbereich und dergleichen eingesetzt werden. Zweite, üblicherweise nicht vom Fahrer über die Lenkhandhabe bedienbare Lenkeinrichtungen werden häufig derart ausgelegt, dass ihr Einsatzbereich eher gering ist, nachdem sie nur assistierend, angesteuert durch Fahrerassistenzsysteme, tätig werden sollen.
  • Ein wichtiger Forschungsgegenstand ist der autonome Betrieb eines Kraftfahrzeugs, bei dem mithin die Führung des Kraftfahrzeugs vollständig automatisch, insbesondere ohne Eingriffsmöglichkeit durch den Fahrer, von einem Fahrzeugführungssystem des Kraftfahrzeugs übernommen wird. Fahrerseitige Fahreingriffe sind dann nicht länger erforderlich, so dass der Fahrer beispielsweise Nebentätigkeiten innerhalb des Kraftfahrzeugs nachgehen können soll. Derartige Fahrzeugführungssysteme in bekannten Kraftfahrzeugen nutzen die auch vom Fahrer über die Lenkhandhabe bedienbare, den vollen Umfang von Querführungseingriffen zur Verfügung stellende erste Lenkeinrichtung, welche zu diesem Zweck beispielsweise als eine EPS-Einrichtung (Electric Power Steering-Einrichtung) eingesetzt werden kann. Derartige EPS-Systeme können beispielsweise einen zusätzlich zu der Lenkhandhabe oder in Steer-by-Wire-Systemen auch Eingaben an der Lenkhandhabe umsetzenden Lenkaktor aufweisen, der es mithin ermöglicht, automatisch Querführungseingriffe über die erste Lenkeinrichtung vorzunehmen.
  • Wird nun dem Fahrer bei der vollständig automatischen Fahrzeugführung mittels des Fahrzeugführungssystems im Sinne eines autonomen Betriebs des Kraftfahrzeugs erlaubt, sich von der Fahraufgabe abzuwenden und beispielsweise anderen Tätigkeiten nachzugehen, sind hohe Sicherheitsanforderungen an die zur Querführung genutzte Lenkeinrichtung zu stellen, welche ausfallsicher und fehlertolerant ausgeführt sein muss, da der Fahrer zumindest nicht unmittelbar als Rückfallebene bei Ausfall der ersten Lenkeinrichtung zur Verfügung steht. Somit liegen erheblich gesteigerte Anforderungen an die Verfügbarkeit und die Fehlertoleranz der genutzten Lenkeinrichtung, insbesondere einer EPS-Lenkeinrichtung, vor, was deren Kosten und Komplexität deutlich erhöht. Ein weiteres Problem in diesen Ausgestaltungen ist, dass die erste Lenkeinrichtung die Lenkhandhabe, insbesondere bei einer mechanischen Ankopplung derselben, als Rückmeldekanal nutzt, mithin auch bei einem autonomen Betrieb des Kraftfahrzeugs seitens der Fahrzeugführungseinrichtung Bewegungen der Lenkhandhabe, insbesondere des Lenkrads, auftreten, welche sich störend auf den Komfort auswirken.
  • Die gattungsbildende DE 198 08 100 A1 betrifft ein Lenksystem für Fahrzeuge, welches einen ersten Lenkmechanismus für einen manuellen Lenkmodus und einen zweiten Lenkmechanismus für einen automatischen Lenkmodus umfasst, wobei ein Kontroller das Fahrzeug entsprechend Informationen über die Fahrumgebung mittels des zweiten Lenkmechanismus lenkt, wenn der automatische Modus durch einen Modusauswahlschalter ausgewählt wurde. Die Aktivierung des automatischen Modus, der im Übrigen auch als „Spurfolgesteuerung“ beschrieben wird, soll dabei grundsätzlich nur möglich sein, wenn sich der Lenkradwinkel in einem neutralen Bereich um die Null herum befindet. In dem automatischen Lenkmodus wird eine seitliche Abweichung des Fahrzeugs bezüglich einer Spur mittels Bildverarbeitung festgestellt und das Fahrzeug wird automatisch entlang der Spur geführt wird.
  • DE 197 50 377 A1 offenbart eine Fahrzeug-Lenksteuerungsvorrichtung, die eine gegenseitige Beeinflussung zwischen einem durch die Lenksteuerungsvorrichtung ausgeführten Lenkvorgang und einem durch den Fahrer des Fahrzeugs ausgeführten Lenkvorgang verhindert. Eine auf einer Fahrbahn vorgesehene Führungslinie wird durch ein vor dem Fahrzeug liegendes Bild erkannt, um eine Sollposition auf der Fahrbahn auf der Grundlage des Ergebnisses der Erkennung der Führungslinie einzustellen, wobei die dortige Idee ist, einen Lenksteuerungsvorgang des offensichtlich beschriebenen Spurhaltesystems nur dann durchzuführen, wenn das Fahrzeug sich der Führungslinie nähert, so dass ein neutraler Bereich existiert, in dem der Lenkvorgang des Fahrzeugs nicht den Lenkvorgang der Lenksteuerungsvorrichtung stört.
  • DE 10 2013 220 921 A1 betrifft eine Lenkwinkelvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, wobei ein erstes mechanisches Lenksystem einen Lenkwinkel an zwei Rädern einer ersten Fahrzeugachse einstellt und ein zweites steer-by-wire Lenksystem einen Lenkwinkel an den zwei Rädern der ersten Fahrzeugachse oder zwei Rädern an der zweiten Fahrzeugachse einstellt. Beide Lenkwinkel sollen unabhängig voneinander einstellbar sein. Dies dient dem Zweck, eine zuverlässige und gleichzeitig kostengünstige Lenkwinkelvorrichtung für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, welche eine verbesserte Einstellung eines Lenkwinkels ermöglicht, wobei insbesondere breitere Anwendungsmöglichkeiten zur Einstellung eines geeigneten Lenkwinkels vorliegen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zur ausfallsicheren und komfortablen Querführung beim vollautomatischen Betrieb eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Es wird mithin zunächst vorgeschlagen, die zweite Lenkeinrichtung derart auszugestalten, dass sie sämtliche innerhalb der Systemgrenzen des Fahrzeugführungssystems liegenden Querführungseingriffe umsetzen kann, mithin die Querführung allein über die zweite Lenkeinrichtung ermöglicht wird. Dann wird mithin die Querführung beim autonomen Betrieb des Kraftfahrzeugs im Normalfall, also im fehlerfreien Betrieb, vollständig über die zweite Lenkeinrichtung realisiert. Im Normalbetriebsmodus steuert also das Fahrzeugführungssystem ausschließlich die zweite Lenkeinrichtung zur Umsetzung der von ihm ermittelten Querführungseingriffe an. Die erste Lenkeinrichtung bildet nur eine Rückfallebene, so dass letztendlich einer zweiten Lenkeinrichtung mit normalen Sicherheitsanforderungen mit der ersten Lenkeinrichtung, insbesondere einer EPS-Einrichtung, ein System als Rückfallebene beigestellt wird, bei dem bereits heute hohe Sicherheitsanforderungen vorliegen, die aber auch nicht erhöht werden müssen, da die erste Lenkeinrichtung nur bei Ausfall der zweiten Lenkeinrichtung genutzt wird. Mithin können die heutigen Sicherheitsstandards sowohl für die erste Lenkeinrichtung als auch für die zweite Lenkeinrichtung beibehalten werden.
  • Zusammengefasst erhält man also bezüglich der Querführung eine Möglichkeit zum autonomen Betrieb des Kraftfahrzeugs bei vollständig automatischer Fahrzeugführung, die die gewünschte hohe Sicherheit bietet, dabei aber lediglich heute bereits in Serie verfügbare Lenksysteme nutzt.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es, dass im Normalbetriebsmodus die Querführung über die zweite Lenkeinrichtung realisiert wird, mithin die Lenkhandhabe, insbesondere also ein Lenkrad, im Fahrinnenraum nicht bewegt wird, was zu einem Komfortgewinn für den Fahrer führt. Insbesondere ist also vorgesehen, dass die zweite Lenkeinrichtung zur Durchführung von Querführungseingriffen ohne eine Spürbarkeit an der Lenkhandhabe ausgebildet ist. Die Lenkhandhabe ist somit nur als Rückmeldungskanal für automatische Querführungseingriffe der ersten Lenkeinrichtung ausgebildet.
  • Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der ersten Lenkeinrichtung bevorzugt um eine mechanisch und/oder elektrisch mit der Lenkhandhabe gekoppelte Vorderachslenkung, insbesondere eine EPS-Einrichtung, wie sie im Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist und bereits einen recht hohen Sicherheitsstandard erfüllt, so dass sie als Rückfallebene hervorragend geeignet ist. Bei der zweiten Lenkeinrichtung kann es sich bevorzugt um eine Hinterachslenkung und/oder eine Torque-Vectoring-Einrichtung handeln. Insbesondere kann mithin ein funktionales System, hier eine Torque-Vectoring-Einrichtung, so angepasst und genutzt werden, dass es die gewöhnlichen Fahranforderungen beim autonomen Betrieb des Kraftfahrzeugs erfüllt.
  • Besonders zweckmäßig lässt sich das hier beschriebene Rückfallebenenkonzept jedoch auch mit bereits bestehenden Rückfallebenen-Konzepten kombinieren, so dass beispielsweise vorgesehen sein kann, dass das Fahrzeugführungssystem zur Nutzung wenigstens einer weiteren, sekundären Rückfallebene bei einem einen Fehler der ersten Lenkeinrichtung im Rückfallbetriebsmodus anzeigenden Sekundärfehlersignal und/oder bei Erreichen einer absoluten Systemgrenze des Fahrzeugführungssystems ausgebildet ist. Tritt mithin der unwahrscheinliche Fall ein, dass auch die erste Lenkeinrichtung, insbesondere die EPS-Einrichtung, ausfällt, kann als weitere Rückfallebene beispielsweise der Fahrer und/oder ein sonstiges Mittel genutzt werden. Insbesondere ist mithin vorgesehen, dass die sekundäre Rückfallebene ein Fahrer des Kraftfahrzeugs und/oder ein Mittel zum Überführen des Kraftfahrzeugs in einen sicheren Zustand, insbesondere den Stillstand, ist. Beispielsweise können Aktionspläne hinterlegt werden, die das Kraftfahrzeug in den Stillstand überführen und dabei insbesondere auch Warnungen an andere, umgebende Kraftfahrzeuge ausgeben, wobei Derartiges bevorzugt genutzt wird, wenn der Fahrer als Rückfallebene nicht innerhalb eines bestimmten Zeitfensters zur Verfügung steht. Sekundäre Rückfallebenen wie der Fahrer oder das genannte Mittel können auch unmittelbar eingesetzt werden, wenn die Systemgrenzen des Fahrzeugführungssystems erreicht werden. Zur Aktivierung des Fahrers als Rückfallebene kann beispielsweise eine Fahrübernahmeaufforderung ausgegeben werden.
  • Neben dem Kraftfahrzeug betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugführungssystems zur vollständig automatischen Führung eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug ferner eine erste, über eine Lenkhandhabe fahrerseitig bedienbare Lenkeinrichtung zur Querführung des Kraftfahrzeugs und wenigstens eine zusätzliche, zweite Lenkeinrichtung zur Querführung des Kraftfahrzeugs aufweist, wobei die zweite Lenkeinrichtung zur Querführung in einem Normalbetriebsmodus verwendet wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem einen Fehler der zweiten Lenkeinrichtung anzeigenden Fehlersignal ein Rückfallbetriebsmodus aktiviert wird, in dem die Querführung als Rückfallebene über die erste Lenkeinrichtung erfolgt. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, mit welchem mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
    • 1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug, und
    • 2 eine Skizze zur Erläuterung der Rückfallebenenstruktur.
  • 1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1, welches vier Räder 2 aufweist. Zur Lenkung, also Querführung, des Kraftfahrzeugs 1 ist dabei zunächst eine erste Lenkeinrichtung 3 vorgesehen, die vorliegend als Vorderachslenkung realisiert ist und über eine beispielhaft mechanisch angekoppelte Lenkhandhabe 5, hier ein Lenkrad 6, fahrerseitig manuell bedienbar ist, um eine Querstellung der vorderen Räder 2 korrespondierend zu einem Lenkwinkel des Lenkrads 6 zu erreichen.
  • Damit die erste Lenkeinrichtung 3 auch von anderen Fahrzeugsystemen zur Durchführung automatischer Querführungseingriffe angesteuert werden kann, weist sie einen Aktor 7 auf, so dass insgesamt eine elektrisch getriebene Lenkeinrichtung (EPS-Einrichtung) entsteht.
  • Als zweite Lenkeinrichtung 8 weist das Kraftfahrzeug 1 eine Torque-Vectoring-Einrichtung 9 auf, die entsprechende, den einzelnen Rädern zugeordnete Aktoren 10 ansteuern kann, um unterschiedliche Drehmomente auf individuelle Räder 2 aufzubringen und somit einen Querführungseingriff zu bewirken. Die zweite Lenkeinrichtung 8 ist nicht durch die Lenkhandhabe 5 bedienbar und nutzt diese auch nicht als Rückmeldekanal, sondern erhält ihre Ansteuerungssignale lediglich von anderen Fahrzeugsystemen.
  • Bei einem dieser Fahrzeugsysteme handelt es sich um ein zur vollständig automatischen Führung und in diesem Rahmen auch zum autonomen Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildetes Fahrzeugführungssystem 11, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
  • Das Fahrzeugführungssystem 11 nutzt primär, also in einem Normalbetriebsmodus, zur Durchführung seiner Querführungseingriffe die zweite Lenkeinrichtung 8, welche entsprechend ausgebildet ist, alle denkbaren gewünschten Lenkeingriffe des Fahrzeugführungssystems 11 auch umsetzen zu können. Mithin wird das Kraftfahrzeug 1 im autonomen Betrieb grundsätzlich durch Torque Vectoring gelenkt.
  • Wird jedoch, beispielsweise durch ein Diagnosemodul des Kraftfahrzeugs 1, festgestellt, dass seitens der zweiten Lenkeinrichtung 8 ein Fehler vorliegt, wird ein Fehlersignal erzeugt. Bei Vorliegen dieses Fehlersignals wird durch das Fahrzeugführungssystem 11 ein Rückfallbetriebsmodus aktiviert, in dem die Querführung nicht länger durch die zweite Lenkeinrichtung 8, sondern nun ausschließlich über die erste Lenkeinrichtung 3 erfolgt. Diese dient mithin als Rückfallebene.
  • Sollte, was durch ein Sekundärfehlersignal angezeigt werden kann, auch die erste Lenkeinrichtung 3 ausfallen, können durch das Fahrzeugführungssystem 11 weitere, sekundäre Rückfallebenen genutzt werden, insbesondere der Fahrer (Ausgabe einer Fahrübernahmeaufforderung) und/oder Mittel zur Überführung des Kraftfahrzeugs 1 in einen sicheren Zustand, insbesondere den Stillstand.
  • Diese Zusammenhänge erläutert 2 schematisch genauer. Dabei symbolisiert der Kasten 12 den Normalbetriebsmodus, in dem die zweite Lenkeinrichtung 8 zur Querführung des Kraftfahrzeugs 1 genutzt wird. Liegt das Fehlersignal vor, Pfeil 13, wird der durch den Kasten 14 beschriebene Rückfallbetriebsmodus aktiviert, der die erste Lenkeinrichtung 3 zur Querführung des Kraftfahrzeugs 1 nutzt. Bei Vorliegen des Sekundärfehlersignals, Pfeil 15, werden durch den Kasten 16 zusammengefasste sekundäre Rückfallebenen, beispielsweise eine Rückfallebene 17 in Form des Fahrers und eine Rückfallebene 18 in Form von Mitteln zur Überführung des Kraftfahrzeugs 1 in einen sicheren Zustand, insbesondere den Stillstand, genutzt. Der Rückgriff auf die sekundären Rückfallebenen 17, 18 kann auch unmittelbar bei Erreichen absoluter Systemgrenzen, die mithin eine Abschaltung des Fahrzeugführungssystems 11 bedingen, erfolgen, was durch den Pfeil 19 symbolisiert wird.
  • Es sei noch darauf hingewiesen, dass als zweite Lenkeinrichtung 8 alternativ oder zusätzlich auch eine Hinterachslenkung verwendet werden kann; grundsätzlich ist jedoch jede entsprechend ausgebildete, zusätzlich zu der ersten Lenkeinrichtung 3 vorgesehene zweite Lenkeinrichtung als primäres Lenksystem nutzbar, wobei dann die erste Lenkeinrichtung die Rückfallebene bildet.

Claims (6)

  1. Kraftfahrzeug (1), aufweisend eine erste, über eine Lenkhandhabe (5) fahrerseitig bedienbare Lenkeinrichtung (3) zur Querführung des Kraftfahrzeugs (1), wenigstens eine zusätzliche, zweite Lenkeinrichtung (8) zur Querführung des Kraftfahrzeugs (1) und ein Fahrzeugführungssystem (11) zur vollständig automatischen Führung des Kraftfahrzeugs (1), wobei das Fahrzeugführungssystem (11) zur Nutzung der zweiten Lenkeinrichtung (8) zur Querführung in einem Normalbetriebsmodus ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugführungssystem (11) zur Nutzung der ersten Lenkeinrichtung (3) als Rückfallebene in einem bei einem einen Fehler der zweiten Lenkeinrichtung (8) anzeigenden Fehlersignal aktivierten Rückfallbetriebsmodus ausgebildet ist.
  2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lenkeinrichtung (8) zur Durchführung von Querführungseingriffen ohne eine Spürbarkeit an der Lenkhandhabe (5) ausgebildet ist.
  3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lenkeinrichtung (3) eine mechanisch und/oder elektrisch mit der Lenkhandhabe (5) gekoppelte Vorderachslenkung (4) ist, insbesondere eine EPS-Einrichtung, und/oder die zweite Lenkeinrichtung (8) eine Hinterachslenkung und/oder eine Torque-Vectoring-Einrichtung (9) ist.
  4. Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugführungssystem (11) zur Nutzung wenigstens einer weitere, sekundären Rückfallebene (17, 18) bei einem einen Fehler der ersten Lenkeinrichtung (3) im Rückfallbetriebsmodus anzeigenden Sekundärfehlersignal und/oder bei Erreichen einer absoluten Systemgrenze des Fahrzeugführungssystems (11) ausgebildet ist.
  5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Rückfallebene (17, 18) ein Fahrer des Kraftfahrzeugs (1) und/oder ein Mittel zum Überführen des Kraftfahrzeugs (1) in einen sicheren Zustand, insbesondere den Stillstand, ist.
  6. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugführungssystems (11) zur vollständig automatischen Führung eines Kraftfahrzeugs (1), wobei das Kraftfahrzeug (1) ferner eine erste, über eine Lenkhandhabe (5) fahrerseitig bedienbare Lenkeinrichtung (3) zur Querführung des Kraftfahrzeugs (1) und wenigstens eine zusätzliche, zweite Lenkeinrichtung (8) zur Querführung des Kraftfahrzeugs (1) aufweist, wobei die zweite Lenkeinrichtung (8) zur Querführung in einem Normalbetriebsmodus verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem einen Fehler der zweiten Lenkeinrichtung (8) anzeigenden Fehlersignal ein Rückfallbetriebsmodus aktiviert wird, in dem die Querführung als Rückfallebene über die erste Lenkeinrichtung (3) erfolgt.
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