DE102015114464A1

DE102015114464A1 - Einheitlicher Bewegungsplaner für ein autonom fahrendes Fahrzeug beim Ausweichen vor einem bewegten Hindernis

Info

Publication number: DE102015114464A1
Application number: DE102015114464.6A
Authority: DE
Inventors: Jin-woo Lee
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2016-03-03
Also published as: US9229453B1; DE102015114464A9; CN105539586B; CN105539586A

Abstract

Ein System und Verfahren zum Bereitstellen einer Wegplanung und Wegerzeugung bei einem halbautonom oder autonom fahrenden Fahrzeug, die eine Lenkkorrektur zum Zweck der Kollisionsvermeidung bereitstellen. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer Spurmitte einer Fahrbahnspur, auf der das Fahrzeug fährt, und ein Bestimmen eines Spurzentrierungsweges, der das Fahrzeug von seiner aktuellen Position zur Spurmitte lenkt. Das Verfahren umfasst auch ein Erkennen eines bewegten Objekts vor dem Fahrzeug und ein Bestimmen, ob es zu einer Kollision zwischen dem Fahrzeug und dem Objekt kommen wird, wenn das Fahrzeug auf dem Spurzentrierungsweg mit der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit fährt. Das Verfahren löst eine Polynomgleichung fünfter Ordnung, um einen Kollisionsvermeidungsweg von der aktuellen Fahrzeugposition bis zu einem Wegpunkt, der sich in sicherem Abstand von dem Objekt befindet, und einen Rückweg von dem Wegpunkt zur Spurmitte, in der das Fahrzeug automatisch gelenkt wird, zu definieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein System und Verfahren zum Bereitstellen einer Wegplanung und Wegerzeugung bei einem halbautonom oder autonom fahrenden Fahrzeug und genauer gesagt ein System und Verfahren zum Bereitstellen einer Wegplanung und Wegerzeugung bei einem halbautonom oder autonom fahrenden Fahrzeug, die das Ändern des Fahrzeuglenkweges als Reaktion auf ein erkanntes bewegtes Objekt vor dem Fahrzeug umfassen, wobei sich das Objekt entweder in einer Querrichtung oder in einer Längsrichtung mit Bezug auf die Fahrzeugbewegung bewegen kann.
Diskussion der verwandten Technik
Der Betrieb moderner Fahrzeuge wird immer autonomer, d. h. die Fahrzeuge sind in der Lage, eine Fahrsteuerung mit immer weniger Eingriffen durch den Fahrer bereitzustellen. Seit einigen Jahren gibt es Tempomate für Fahrzeuge, wobei der Fahrzeugbediener eine bestimmte Geschwindigkeit des Fahrzeugs einstellen kann und das Fahrzeug diese Geschwindigkeit beibehält, ohne dass der Fahrer das Gaspedal betätigt. In letzter Zeit wurden in der Technik Abstandsregeltempomate entwickelt, bei denen das System nicht nur die eingestellte Geschwindigkeit beibehält, sondern auch das Fahrzeug automatisch abbremst, falls ein langsamer fahrendes vorhergehendes Fahrzeug unter Verwendung diverser Sensoren, wie etwa Radar und Kameras, erkannt wird. Bestimmte moderne Fahrzeuge stellen auch autonomes Parken bereit, wobei das Fahrzeug automatisch die Lenksteuerung bereitstellt, um das Fahrzeug einzuparken. Einige Fahrzeugsysteme greifen ein, wenn der Fahrer heftige Lenkänderungen vornimmt, die sich auf die Fahrzeugstabilität auswirken können. Einige Fahrzeugsysteme versuchen, das Fahrzeug in der Nähe der Mitte einer Spur auf der Straße zu halten. Ferner wurden vollautomatische Fahrzeuge vorgeführt, die bei simuliertem Stadtverkehr auf bis zu 30 mph fahren können und dabei alle Verkehrsregeln einhalten.
In dem Maße, wie sich die Fahrzeugsysteme verbessern, werden sie immer autonomer werden, wobei das Ziel ein völlig autonom fahrendes Fahrzeug ist. Beispielsweise werden Fahrzeuge in Zukunft autonome Systeme für Spurwechsel, Überholen, Ausbiegen aus dem Verkehr, Einbiegen in den Verkehr usw. verwenden. Eine geschmeidige Handhabung und automatisierte Spurzentrierung und Spurwechselsteuerung sind für den Komfort von Fahrer und Beifahrern bei autonom fahrenden Fahrzeugen von Bedeutung. Auf Grund der Latenz von Sensoren und Aktoren können die gemessenen Fahrzeugzustände jedoch anders als tatsächliche Fahrzeugzustände sein. Dieser Unterschied kann zu einer unangebrachten Wegerzeugung führen, die sich auf die Heftigkeit des Spurwechsels auswirkt.
Das US-Patent Nr. 8,170,739 , das am 1. Mai 2012 unter dem Titel ”Path Generation Algorithm for Automated Lane Centering und Lane Changing Control System” erteilt wurde, abgetreten an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung und hiermit zur Bezugnahme übernommen, offenbart ein System zum Bereitstellen einer Wegerzeugung zum Zweck einer automatisierten Spurzentrierung und/oder eines automatisierten Spurwechsels. Das System verwendet eine oder mehrere vorausschauende Kameras, die Spurstreifen vor dem Fahrzeug erkennen, um eine Fahrspur zu identifizieren, auf der das Fahrzeug fährt. Ein Prozessor zum Erzeugen eines gewünschten Weges empfängt die Signale von der Kamera, Fahrzeugzustandsinformationen und einen Lenkwinkel des Fahrzeugs sowie eine Anfrage für einen Fahrzeugspurwechsel. Das System umfasst auch einen Wegvorhersageprozessor, der den Fahrzeugweg basierend auf den Fahrzeugzustandsinformationen, welche die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, die Fahrzeugquergeschwindigkeit, die Fahrzeuggiergeschwindigkeit und den Fahrzeuglenkwinkel umfassen, vorhersagt. Die gewünschten Weginformationen und die vorhergesagten Weginformationen werden verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das an einen Spurwechsel-Controller gesendet wird, der ein Lenkwinkelsignal bereitstellt, damit das Fahrzeug abbiegt, und um das Fehlersignal zu reduzieren, wobei der Wegerzeugungsprozessor eine Polynomgleichung fünfter Ordnung verwendet, um den gewünschten Weg des Fahrzeugs basierend auf den Eingangssignalen zu bestimmen.
Die US-Offenlegungsschrift Nr. 2010/0082195 im Namen von Lee et al., unter dem Titel ”Method to Adaptively Control Vehicle Operation Using an Autonomic Vehicle Control System”, die an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung abgetreten wurde und ebenfalls hiermit zur Bezugnahme übernommen wird, offenbart Verbesserungen für den Wegerzeugungsalgorithmus, der in dem Patent '739 offenbart wird, die das Bestimmen eines bevorzugten Fahrweges für das Fahrzeug basierend auf einem vorhergesagten Fahrweg und einer geschätzten Fahrbahnposition umfassen.
Sowohl das Patent '739 als auch die Anmeldung '195 stellen keine gewünschte Wegerzeugung und automatische Fahrzeuglenkung bei einem halbautonom oder autonom fahrenden Fahrzeug zum Zweck der Kollisionsvermeidung bereit, wenn ein bewegtes Objekt vor dem Fahrzeug erkannt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein System und Verfahren zum Bereitstellen einer Wegplanung und Wegerzeugung bei einem halbautonom oder autonom fahrenden Fahrzeug, die eine Lenkkorrektur zum Zweck der Kollisionsvermeidung bereitstellen. Das Verfahren umfasst ein Erkennen einer Spurmitte einer Fahrbahnspur, auf der das Fahrzeug fährt, und ein Bestimmen eines Spurzentrierungsweges, der das Fahrzeug von seiner aktuellen Position auf die Spurmitte lenkt. Das Verfahren umfasst auch ein Erkennen eines bewegten Objekts vor dem Fahrzeug und ein Bestimmen, ob es zu einer Kollision zwischen dem Fahrzeug und dem Objekt kommen wird, wenn das Fahrzeug auf dem Spurzentrierungsweg mit der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit fährt. Das Verfahren bestimmt, ob ein einfaches Bremsen des Fahrzeugs die Kollision mit dem Objekt verhindern wird, wenn bestimmt wird, dass es zur Kollision kommen wird, und wenn nicht, bestimmt es einen Lenkweg um das Objekt herum. Das Verfahren bestimmt, ob sich das bewegte Objekt mit Bezug auf den Fahrzeugweg in Quer- oder Längsrichtung bewegt, und wenn sich das Objekt in Querrichtung bewegt, löst das Verfahren eine Polynomgleichung fünfter Ordnung, um einen Kollisionsvermeidungsweg von der aktuellen Fahrzeugposition bis zu einem Wegpunkt in einem sicheren Abstand von dem Objekt und einen Rückweg von dem Wegpunkt zur Spurmitte, in der das Fahrzeug automatisch gelenkt wird, zu definieren. Wenn sich das Objekt in Längsrichtung bewegt, bestimmt das Verfahren den Kollisionsvermeidungsweg bis zum Wegpunkt, dann einen Umfahrweg neben dem Objekt und dann den Rückweg zurück zur Spurmitte.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen hervorgehen, wenn sie zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen gesehen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Abbildung eines Fahrzeugs, das Komponenten umfasst, die notwendig sind, um eine Wegvorhersage und Wegerzeugung bei einem halbautonom oder autonom fahrenden Fahrzeug bereitzustellen;
2 ist ein Blockdiagramm eines Wegvorhersage- und Wegerzeugungs-Systems;
3 ist eine Abbildung eines Fahrzeugs, das auf einer Fahrbahn fährt, die ein sich quer bewegendes Objekt vor einem Fahrzeug umfasst;
4 ist eine Abbildung eines Fahrzeugs, das auf einer Fahrbahn fährt, die ein sich längs bewegendes Objekt vor einem Fahrzeug umfasst;
5 eine Abbildung eines Fahrzeugs, das auf einer Fahrbahn fährt, die einen vorhergesagten Fahrzeugweg zeigt;
6 eine Abbildung eines Fahrzeugbewegungsmodells; und
7 ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Umgehen eines bewegten Objekts abbildet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die folgende Diskussion der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die ein System und Verfahren zum Bereitstellen einer Wegplanung und Wegerzeugung und Kollisionsvermeidung mit einem bewegten Objekt bei einem halbautonom oder autonom fahrenden Fahrzeug betrifft, ist rein beispielhafter Art und keineswegs dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
1 ist eine Abbildung eines Fahrzeugs 10, das einen Controller 12 umfasst, der alle hier besprochenen notwendigen Prozesse, Berechnungen, Algorithmen usw. ausführt, um eine Wegvorhersage, Wegerzeugung und Steuerung des Fahrzeugs 10, das halbautonom oder autonom fährt, bereitzustellen, wobei der Controller 12 eine beliebige Anzahl von unabhängigen oder kombinierten Prozessoren, elektronischen Steuereinheiten (ECUs), Geräte usw. sein kann. Der Controller 12 empfängt Signale von einer oder mehreren vorausschauenden Sichtkameras 14, die Spurstreifen und Objekte auf oder in der Fahrbahn oder anderweitig vor dem Fahrzeug 10 erkennen, wobei die Kamera 14 ein beliebiges geeignetes Erkennungsgerät für diesen Zweck sein kann, wie etwa eine Kamera mit ladungsgekoppeltem Element (CCD), Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)Videobildsensoren usw. Das Fahrzeug 10 umfasst auch eine gewisse Anzahl von Sensoren, die im Allgemeinen als Sensor 16 dargestellt werden, der Fahrzeugbewegungsinformationen bereitstellt, die ohne Einschränkung die Geschwindigkeit, die Giergeschwindigkeit, den Lenkwinkel, die Quer- und Längsbeschleunigung, die Quer- und Längsgeschwindigkeit usw. des Fahrzeugs umfassen. Das Fahrzeug 10 umfasst ferner einen GPS-Empfänger 18, der GPS-Signale empfängt, die den Standort des Fahrzeugs 10 identifizieren und einer Kartendatenbank 20 bereitgestellt werden, die dem Controller 12 einen Hinweis des Standorts des Fahrzeugs 10 auf der Fahrbahn angibt, z. B. als voneinander beabstandete Wegpunkte. Das Fahrzeug 10 umfasst auch einen Sensor 22, der eine beliebige Anzahl von Sensoren darstellt, wie etwa Kameras, Lidar, Radar usw., die in der Lage sind, Objekte vor dem Fahrzeug 10 zu erkennen. Basierend auf dem gewünschten Weg des Fahrzeugs 10 und darauf, ob das Fahrzeug 10 halbautonom oder autonom fährt, kann der Controller 12 einer Fahrzeugbremsanlage 24, einem Fahrzeuggaspedal 26 und/oder einer Fahrzeuglenkanlage 28 Ausgangssignale bereitstellen.
2 ist ein allgemeines schematisches Blockdiagramm eines Spurwechsel- und Spurzentrierungs-Systems 30, das einen gewünschten Weg bereitstellt, dem das Fahrzeug 10, wenn es die Spur wechselt, entweder auf einer geraden Straße oder auf einer kurvigen Straße folgen soll, und das eine Spurzentrierung bei einem autonom oder halbautonom fahrenden Fahrzeug bereitstellt. Das System 30 umfasst einen Prozessor zum Erzeugen eines gewünschten Weges 32, der aus dem Kästchen 34 die Anfrage eines Fahrers für einen Spurwechsel empfangen kann. Der Prozessor zum Vorhersagen eines gewünschten Weges 32 nimmt auch einen Prozessor zum Erkennen von Spurstreifen 36, der durch die Kamera 14 bereitgestellt wird, und eine Objekterkennungserfassung in dem Kästchen 36, die durch die Sensoren 22 bereitgestellt wird, auf. Der Prozessor zum Erkennen von Spurstreifen 36 erkennt die Spurstreifen und stellt die Spur mit den Parametern der Spurkrümmung, des tangentialen Winkels und des seitlichen Versatzes dar, wobei die Ausgaben des Prozessors zum Erkennen von Spurstreifen 36 ein Kurswinkel und eine Krümmung der Straße sind. Der Prozessor zum Erzeugen eines gewünschten Weges 32 erzeugt beim Abbiegen einen glatten Weg für das Fahrzeug 10, der keine abrupten Änderungen aufweist, die ansonsten für Unbehagen der Beifahrer sorgen würden.
Der gewünschte Weg wird als eine Reihe seitlicher Versätze, Kurswinkel und Längsstrecken über einen Zeitraum, in dem der Spurwechsel stattfindet, dargestellt. Diese Weginformationen werden einem Komparator 40 bereitgestellt, der ein Signal von einem Wegvorhersageprozessor 42 empfängt und ein Fehlersignal zwischen dem gewünschten Weg und dem vorhergesagten Weg bereitstellt. Das Fehlersignal wird an einen übergeordneten Spurwechsel-Controller 44 und einen untergeordneten Spurwechsel-Controller 46 gesendet, der ein Lenkwinkel-Steuersignal δ_cmd für den Spurwechsel oder die Spurzentrierung bereitstellt. Die Spurwechsel-Controller 44 und 46 erzeugen eine Sequenz von zukünftigen Lenkwinkelbefehlen, welche die Orientierungs- und Versatzfehler zwischen dem gewünschten Fahrzeugweg und dem vorhergesagten Fahrzeugweg minimieren.
Das Lenkwinkel-Steuersignal δ_cmd wird dann an einen Fahrzeugdynamik-Controller 48 gesendet, der das Lenksteuersignal δ_cmd der Fahrzeuglenkanlage 28 in dem Fahrzeug 10 bereitstellt. Wenn das Fahrzeug 10 abbiegt, stellen die Sensoren in dem Fahrzeug 10, wie etwa ein Lenkwinkelsensor, ein Tachometer und ein Giergeschwindigkeitssensor, gemessene Signale der Fahrzeugbewegung in dem Kästchen 50 bereit. Die Fahrzeugbewegungsinformationen werden einem Prozessor zum Schätzen des Fahrzeugzustands 52 bereitgestellt, der geschätzte Fahrzeugzustandssignale, nämlich die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, die Fahrzeugquergeschwindigkeit und die Fahrzeuggiergeschwindigkeit bereitstellt. Der Prozessor zum Schätzen des Fahrzeugzustands 52 verwendet ein Fahrzeugmodell, um die geschätzten Fahrzeugzustandssignale zu filtern. Die Zustandssignale werden an den Wegvorhersageprozessor 42 gesendet, der in der Lage ist, den Fahrzeugweg für die nächsten Zeitpunkte basierend auf diesen Informationen vorherzusagen. Der Wegvorhersageprozessor 42 schätzt den zukünftigen Fahrzeugweg basierend auf der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit, der Giergeschwindigkeit und dem Lenkwinkel.
3 ist eine Abbildung 60 eines Fahrzeugs 62, das auf einer Spur 66 einer Fahrbahn 64 fährt, die eine geschätzte Spurmittellinie 68 in der Mitte der Spur 66 aufweist, die durch einen Algorithmus zum Schätzen der Spurmitte aus diversen Erfassungsmessungen, z. B. von einer vorausschauenden Kamera und aus einer GPS/Kartendatenbank, bestimmt wurde, wobei die Fahrbahn 64 auch eine Spur 70 umfasst, die an die Spur 66 angrenzt. Das Fahrzeug 62 ist mit allen Komponenten ausgestattet, die für die Wegvorhersage und Wegerzeugung notwendig sind, wozu eine vorausschauende Sichtkamera gehört, die Spurstreifen auf der Fahrbahn 64 erkennt, wobei eine Reihe von Punkten entlang der Spur 66 die gewünschte Position des Fahrzeugs 62 zu den Kameraabtastzeiten identifiziert, während das Fahrzeug 62 entlang oder nahe an der Mittellinie 68 fährt, und wobei die Punkte ein durchschnittlicher Abstand zwischen den Streifen am rechten und linken Rand der Spur 66 sind. Es sei zu beachten, dass die Position des Fahrzeugs 62 in Fahrzeugkoordinaten als x, y bereitgestellt wird, wobei x die Längsrichtung mit Bezug auf den Fahrzeugkurs ist, und y die Querrichtung des Fahrzeugs mit Bezug auf den Fahrzeugkurs ist. Es ist erwünscht, dass sich der gewünschte Weg des Fahrzeugs 62 genau mit der Spurmittellinie 68 überlappt. In Wirklichkeit gibt es aber einen Unterschied zwischen dem gewünschten Weg, dem das Fahrzeug 62 folgen muss, und der tatsächlichen Mitte der Spur 66. Ein Grund für diesen Unterschied besteht darin, dass sich die anfängliche Fahrzeugposition nicht in der Mitte der Spur 66 befindet und die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs 62 nicht perfekt auf die Spurmittellinie 68 ausgerichtet ist. In der Abbildung 60 fährt das Fahrzeug 62 entlang einem Spurzentrierungsweg 72, wobei der Algorithmus versucht, das Fahrzeug 62 auf die Spurmittellinie 68 derart zu zentrieren, dass sich der Weg 72 und die Linie 68 überlappen und sich das Fahrzeug 62 in der Mitte der Spur 66 befindet.
Wie zuvor erwähnt, verwendet das Patent '739 eine vorausschauende Kamera und einen Wegvorhersage- und Wegerzeugungsalgorithmus, wie sie etwa in dem Controller 12 und/oder dem System 30 verwendet werden können, um einen gewünschten Fahrzeugweg, um das Fahrzeug 62 in der Spurmitte zu halten, und einen Weg zum Spurwechsel zu erzeugen. Der gewünschte Weg wird durch eine Reihe von seitlichen Versätzen, Kurswinkeln und Längsstrecken über einen gewissen Zeitraum dargestellt. Der Controller 12 erzeugt den gewünschten Weg basierend auf einer vorhergesagten Spurmitte unter Verwendung einer Polynomgleichung fünfter Ordnung. Die Polynomgleichung fünfter Ordnung weist sechs Unbekannte zu Beginn des Prozesses zum Berechnen des gewünschten Weges auf. Das normierte Wegproblem ist unabhängig von den Fahrzeugzuständen, wobei die Fahrzeugzustände für die Koordinatenumwandlung von normierten Koordinaten in Fahrzeugkoordinaten verwendet werden. Es werden Kontinuitätsvoraussetzungen in dem Algorithmus für einen glatten Weg verwendet, und diese umfassen die Startposition und den Orientierungswinkel des gewünschten Weges, die auf die aktuelle Fahrzeugposition und die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet sind, wobei ein Spurwechselweg in der Mitte der Zielspur enden muss und sich auf die Spur in den Ableitungen erster und zweiter Ordnung ausrichten muss.
Der Prozess zum Bestimmen des Spurzentrierungsweges 72 aus dem Patent '739 wird nachstehend teilweise nachgebildet. Die Kamera 14 stellt Schätzungen der Position und Orientierung der Spur 66 im Verhältnis zur Mitte des Fahrzeugs 62 bereit. Bei dieser Ausführungsform wird die Fahrbahn 64 als zwei Abschnitte von Polynomgleichungen zweiter Ordnung wie folgt modelliert: y_sec1(x) = A₁x² + B₁x + C₁, 0 < x < x₁ (1) y_sec2(x) = A₂x² + B₂x + C₂, x₁ < x < x₂ (2) wobei x₁ und x₂ die Endpunkte entlang der X-Achse des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts darstellen, und y_sec1 und y_sec2 den seitlichen Versatz der Fahrbahn 64 im Verhältnis zum Fahrzeugkoordinatensystem R_v(t) darstellen. Die Messungen, die von der Kamera 14 bereitgestellt werden, umfassen den Gierwinkel φ_r,1 des Fahrzeugs 62 im Verhältnis zum ersten Abschnitt der Fahrbahn 64, den seitlichen Versatz y_r,1 des Schwerpunktes des Fahrzeugs gegenüber der Spur 66 und die Fahrbahnkrümmung ρ₁ und ρ₂ des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts.
Aus der geometrischen Beziehung zwischen der Fahrbahn 64 und der Spurdarstellung kann zwischen den Koeffizienten der Gleichungen (1) und (2) wie folgt ein Zusammenhang hergestellt werden:
Es wird vorausgesetzt, dass die Fahrbahn 64 ohne Unterbrechung verläuft, d. h. die beiden Abschnitte jeder Fahrbahndarstellung sind glatt ohne abrupte Änderung am Übergangspunkt x₁ verbunden. Es wird hier nur eine Kontinuität der nullten und ersten Ordnung vorausgesetzt, so dass die nachstehenden Gleichungen (7) und (8) am Übergangspunkt x₁ gelten.
Wenn man die Gleichungen (3) bis (8) in die Gleichungen (1) und (2) einsetzt, ergibt dies: C₂ = y_sec1(x₁) (9) B₁ = 2A₁x₁ + B₁ (10)
Durch das Integrieren der Gleichungen (3) bis (6), (9) und (10) kann man die Gleichungen (1) und (2) im Hinblick auf die Messungen der Kamera 14 folgendermaßen umschreiben:
Vorausgesetzt das Fahrzeug 62 funktioniert mit einer Längsgeschwindigkeit v_x und es befinden sich keine Hindernisse auf der Fahrbahn 64, dann ist der Komfort des Fahrers/der Beifahrer von der Querbeschleunigung a_y abhängig, und die Querbeschleunigung a_y ist eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit v_x und des Lenkwinkels δ. Eine Zeitvariable t_LX wird vorgegeben, um ein Spurwechselmanöver unabhängig von der Längsgeschwindigkeit v_x des Fahrzeugs auszuführen, es sei denn, es wird vorhergesagt, dass die berechnete Querbeschleunigung a_y während des Spurwechselmanövers über einer gewissen Grenze liegt. Wenn die Querbeschleunigung a_y über der Grenze liegt, wird ein neuer Weg mit einer neuen verlängerten Spurwechselmanöverzeit berechnet.
Die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x wird durch den Fahrzeugtachometer gemessen, und der seitliche Versatz, der Kurswinkel und die Fahrbahnkrümmung ρ werden von der Kamera 14 gemessen. Die Erzeugung des gewünschten Weges wird für das Spurwechselmanöver als Randbedingungsproblem formuliert. Es sei vorausgesetzt, dass die Spurwechselsteuerung bei t = 0 beginnt, und (x(t), y(t)) sei als Fahrzeugposition zum Zeitpunkt t im Verhältnis zum Ursprung R_v(0) des Koordinatensystems definiert. Es sei zu beachten, dass das Koordinatensystem R_v das Fahrzeugkoordinatensystem ist, das zum Zeitpunkt t = 0 aufgenommen wird, und die Position und der Kurswinkel des Fahrzeugs 62 bei t = 0 auf R_v(0) ausgerichtet sind. Somit kann man ohne Verlust an Allgemeingültigkeit (x(t = 0, y(t = 0)) = (0, 0) und y'(0) = 0 einstellen.
Die anfänglichen und endgültigen Zustände (y, y', y'')_t=0 und (y, y', y'')_t=tLX des Fahrzeugs 62 können dann erhalten werden, indem man die Gleichungen (11) und (12) der Fahrbahndarstellung manipuliert. Der Wert (x(t_LX), y(t_LX)) entspricht der gewünschten Position des Fahrzeugs 62 zum Zeitpunkt t = t_LX, wobei x(t_LX) durch Integrieren der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v- geschätzt werden kann, und der Wert y(t_LX) durch die Spurbreite und die Fahrbahngeometrie erhalten werden kann. Es sei zu beachten, dass y_r in den Gleichungen (3) bis (6) den seitlichen Versatz der Fahrbahn gegenüber der Mitte des Fahrzeugs 62 darstellt, und dass y hier den Fahrzeugstandort im Verhältnis zu R_v(0) darstellt.
Die Auswahl einer Polynomgleichung fünfter Ordnung für die X- und Y-Positionen des Fahrzeugs 62 ergibt: y(x) = a₅x⁵ + a₄x⁴ + a₃x³ + a₂x² + a₁x + a₀ (13)
Die Berücksichtigung der anfänglichen und endgültigen Bedingungen ergibt:
Das Problem kann durch die folgende lineare Gleichung gelöst werden:
Das Wegerzeugungsproblem kann durch Normieren der Koordinaten vereinfacht werden. Die Bezeichnung der normierten Koordinaten mit (x_n(t), y_n(t)) ergibt:
Durch Einsetzen der Gleichungen (17) und (18) in die Gleichung (13) und das Neudefinieren der Koeffizienten der Polynomgleichung kann y_n durch die folgende Gleichung erhalten werden: y_n(x_n) = a_n,5x 5 / n + a_n,4x 4 / n + a_n,3x 3 / n + a_n,2x 2 / n + a_n,1x_n + a_n,0 (19)
Durch Anwenden der normierten Koordinaten der Gleichungen (17) und (18) auf die anfänglichen und endgültigen Bedingungen kann man die normierten Koordinaten folgendermaßen in die Bedingungen umschreiben:
Das lineare Gleichungsproblem von Gleichung (16) kann dann folgendermaßen vereinfacht werden:
Es sei zu beachten, dass die Fahrbahnbedingungen nur durch den Y-Vektor aufgenommen werden, und dass die Matrix unabhängig von der anfänglichen Bedingung, der endgültigen Bedingung oder der Straßengeometrie eine konstante Matrix ist. Daher kann die Lösung der Gleichung (22) durch ein paar einfache algebraische Berechnungen erhalten werden. Sobald die Lösung berechnet wurde, stellt die Gleichung (19) den gewünschten Weg, um das aktuelle Spurwechselmanöver auszuführen, in normierten Koordinaten dar. Die Anwendung der Gleichung (18) kann das gewünschte Wegprofil in Fahrzeugkoordinaten ergeben.
Es sei daran erinnert, dass die anfängliche Position des Fahrzeugs (x(t = 0), y(t = 0)) = (0, 0) und der anfängliche Kurswinkel y'(0) = 0, weil die Fahrzeugbewegung durch das Fahrzeugkoordinatensystem beschrieben wird, das bei t = 0, R_v(0) aufgenommen wird. Bei kurvigen Fahrbahnen kann man die Randbedingungen folgendermaßen schreiben:
wobei L die Spurbreite ist und x(t_LX) die X-Koordinate zum Zeitpunkt t_LX ist, welcher der Längsfahrstrecke entspricht, um das Spurwechselmanöver auszuführen. Der Wert x(t_LX) kann geschätzt werden, indem die Fahrzeuggeschwindigkeit v_x über die Zeit integriert wird. Es sei zu beachten, dass y_seg entweder y_seg1 oder y_seg2 sein kann, je nachdem zu welchem Segment x(t_LX) gehört, d. h.:
In normierter Form sind die anfänglichen und endgültigen Bedingungen:
Das Einsetzen der Gleichungen (26) und (27) in die lineare Gleichung (22) führt zur folgenden Lösung:
Es sei zu beachten, dass y_seg entweder y_seg1 oder y_seg2 sein kann, je nachdem zu welchem Segment x(t_LX) gehört.
Wie in Gleichung (30) zu sehen, sind die ersten beiden Koeffizienten der Polynomgleichung immer gleich null. Ferner kann der Rest der Koeffizienten mit ein paar algebraischen Berechnungen mit den Randbedingungen berechnet werden.
Bei geraden Straßen kann das Wegerzeugungsproblem weiter vereinfacht werden. Die Straßenkrümmung ρ ist während des gesamten Spurwechselmanövers gleich null, und der gewünschte Kurswinkel am Ende des Spurwechsels ist ebenfalls gleich null. Somit sind die anfänglichen und endgültigen Bedingungen folgende:
wobei L die Spurbreite ist.
In normierter Form kann man die anfänglichen und endgültigen Bedingungen wie folgt schreiben:
Schließlich führt das Einsetzen der Bedingungen der Gleichungen (33) und (34) in die lineare Gleichung zur folgenden Lösung:
Wie in der Gleichung (36) zu sehen, sind die Koeffizienten der Polynomgleichung für die gerade Straße unabhängig von der Spurwechsel-Manöverstrecke konstant, d. h. der gewünschte Weg ist vorbestimmt und es wird keine Online-Berechnung für das Spurwechselmanöver unter Bedingungen einer geraden Straße benötigt.
Die obige Diskussion kann folgendermaßen verallgemeinert werden. Die Kamera 14 erkennt die Spurstreifen auf dem Boden und meldet die Mittellinie 68 der Spur 66 als Polynomgleichung dritter Ordnung: y_lane(x) = c₃·x³ + c₂·x² + c₁·x + c₀ (37) wobei c₁, c₂ und c₃ Kameramessungen sind, welche die Mitte der Spur 66 identifizieren, die aktuelle Position des Fahrzeugs 62 gleich null ist, und wobei das Fahrzeug 62 auf die zweite Ableitung der Kurve ausgerichtet ist.
Der Spurzentrierungs-Controller erzeugt dann den Spurzentrierungsweg 72, d. h. einen Weg von der aktuellen Fahrzeugposition zur Spurmittellinie 68 zu jedem Zeitschritt als eine einzige Polynomgleichung fünfter Ordnung: y_LC(x) = a_0,LC + a_1,LCx + a_2,LCx² + a_3,LCx³ + a_4,LCx⁴ + a_5,LCx⁵ (38) für 0 < x ≤ x_{cam_range}, und wobei a_0,LC, a_1,LCx, a_2,LCx², a_3,LCx³, a_4,LCx⁴ und a_5,LCx⁵ durch den Algorithmus zum Erzeugen eines Spurzentrierungsweges bestimmt werden.
Die obige Diskussion stellt die Berechnungen und Operationen bereit, die verwendet werden, um als Polynomgleichung fünfter Ordnung den Weg 72 zu modellieren, dem das Fahrzeug 62 folgen soll, wie es durch die Messungen von der Kamera 14 definiert und in dem Patent '739 dargelegt wird. Diese Diskussion berücksichtigt jedoch nicht die Situation, bei der ein bewegtes Objekt, das sich entweder in Querrichtung oder in Längsrichtung bewegt, vor dem Fahrzeug 62 und auf einem Kollisionsweg mit diesem erkannt wird, und wie eine Ausweichlenkaktion vorzunehmen ist, um das Objekt zu umgehen, wenn bestimmt wird, das ein Abbremsen alleine die Kollision nicht vermeiden wird.
Wie es nachstehend besprochen wird, beschreibt die vorliegende Erfindung eine Wegerzeugung bei einem halbautonom oder autonom fahrenden Fahrzeug, die eine Kollision mit einem bewegten Objekt vermeidet, was als Erzeugung eines Kollisionsvermeidungsweges (AP) bezeichnet wird, einen Lenkweg um das bewegte Objekt herum, was als Erzeugung eines Umfahrweges (CP) bezeichnet wird, und eine Wegerzeugung, um auf den ursprünglichen Weg in der Spurmitte zurückzukehren, nachdem das Objekt überholt wurde, was als Erzeugung eines Rückweges (RP) bezeichnet wird.
Während der Wegerzeugungsprozess ausgeführt wird und das Fahrzeug 62 automatisch in Richtung auf die Mittellinie 68 der Spur 66 gelenkt wird, überwacht der Objekterkennungssensor 22 die Objekterkennung von Objekten vor dem Fahrzeug 62 und stellt diese bereit. Die Abbildung 60 zeigt ein bewegtes Objekt 74, hier ein Fahrrad, das sich quer über die Spur 66 vor dem Fahrzeug 62 bewegt. Der Objekterkennungssensor 22 erkennt das Objekt 74 und stellt einen Hinweis der Bewegungsrichtung, der Geschwindigkeit, des Standorts und der Größe des Objekts 74 basierend auf der verfügbaren Technologie bereit. Ferner bestimmt der Algorithmus basierend auf diesen Informationen einen Zeit-bis-zur-Kollision-Wert t_TTC, der auf der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit und der Position des Objekts 74 basiert. Auch bestimmt der Algorithmus eine Kollisionsgrenze 76, welche die Stelle identifiziert, an der eine Kollision mit dem Objekt 74 angesichts der Geschwindigkeit des Objekts 74, der Größe des Objekts 74 und des Wertes t_TTC wahrscheinlich ist. Die Kollisionsgrenze 76 muss groß genug sein, um einen geeigneten Sicherheitsspielraum bereitzustellen. Der Algorithmus bestimmt, ab der Spurzentrierungsweg 72 des Fahrzeugs 62 über die Kollisionsgrenze 76 geht, und wenn nicht, besteht keine Kollisionsgefahr und das Fahrzeug 62 fährt auf dem Weg 72 mit der bestimmten Geschwindigkeit.
Wenn der Algorithmus bestimmt, dass der Spurzentrierungsweg 72 auf der Fahrzeuggeschwindigkeit die Kollisionsgrenze 76 kreuzt, bestimmt der Algorithmus, ab ein Ausweichbremsmanöver eine Kollision mit dem Objekt 74 vermeiden wird. Insbesondere berechnet der Algorithmus angesichts der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit und der Entfernung bis zum Objekt 74 die notwendige Verzögerung a_x,req, um die Kollision mit dem Objekt 74 zu vermeiden, wie folgt:
wobei v_x die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit ist, und s_f die Entfernung zum Objekt 74 ist.
Dann vergleicht der Algorithmus die notwendige Verzögerung a_x,req mit einer maximal möglichen Verzögerungsgrenze a_x,max des Fahrzeugs 62, und wenn |a_x,req| kleiner als a_x,max ist, berechnet der Algorithmus das Fahrzeuggeschwindigkeitsprofil wie folgt: v(t) = v_x + a_x,reqt (40)
Wenn jedoch |a_x,req| größer als a_x,max ist, dann kann das Abbremsen allein eine Kollision mit dem Objekt 74 nicht vermeiden, und der Algorithmus fährt damit fort, ein Ausweichlenkmanöver um das Objekt 74 herum zu bestimmen, wie es nachstehend besprochen wird.
Die Kollisionsgrenze 76 umfasst zwei Wegpunkte 78 und 80, die aus der aktuellen Fahrzeugposition als die Stelle bestimmt werden, bis zu der sich das Fahrzeug 62 begeben muss, um eine Kollision mit dem Objekt 74 zu vermeiden. Ein Kollisionsvermeidungsweg 82 von dem Fahrzeug 62 bis zu dem Punkt 78 ist ein möglicher Weg, um das Objekt 74 zu vermeiden, und ein Kollisionsvermeidungsweg 84 von dem Fahrzeug 62 bis zu dem Punkt 80 ist ein anderer möglicher Weg, um das Objekt 74 zu vermeiden. Der Algorithmus bestimmt, ob sich die beiden Wegpunkte 78 und 80 innerhalb der Fahrbahngrenze oder außerhalb der Fahrbahngrenze in einem nicht befahrbaren Bereich befinden. Wenn sich die beiden Wegpunkte 78 und 80 innerhalb der Fahrbahngrenze befinden, berechnet der Algorithmus einen seitlichen Abstand D_LC von der Fahrzeugposition bis zu jedem der Wegpunkte 78 und 80 vom Spurmittenweg 72 aus und wählt den Wegpunkt 78 oder 80, der die kleinere seitliche Abweichung des Fahrzeugs 62 vom Spurzentrierungsweg 72 verursacht. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel liegt der Weg 84 außerhalb der Fahrbahngrenze und scheidet als möglicher Weg, damit das Fahrzeug 62 das Objekt 74 vermeidet, aus. Daher wird der Weg 82 als Kollisionsvermeidungsweg y_AP, damit das Fahrzeug 62 das Objekt 74 vermeidet, ausgewählt.
Der Kollisionsvermeidungsweg 82 wird wie zuvor besprochen als Polynomgleichung fünfter Ordnung bestimmt: y_AP(x) = a_5,APx⁵ + a_4,APx⁴ + a_3,APx³ + a_2,APx² + a_1,APx + a_0,AP (41) für 0 < t < t_TTC, und wobei a_0,AP, a_1,AP, a_2,AP, a_3,AP, a_4,AP und a_5,AP unbekannte Koeffizienten sind.
Die anfänglichen Bedingungen am Anfang des Kollisionsvermeidungsweges 82 werden folgendermaßen definiert: y_AP(0) = 0 (42) y'_AP(0) = 0 (43) y''_AP(0) = 2c₂ (44)
Aus den anfänglichen Bedingungen und Gleichungen (42) bis (44) können die unbekannten Koeffizienten a_0,AP, a_1,AP und a_2,AP wie folgt bestimmt werden: a_C,AP = 0 (45) a_1,AP = 0 (46) a_2,AP = c₂ (47)
Die Randbedingungen des Kollisionsvermeidungsweges 82 werden folgendermaßen definiert: y_AP(v_xt_TTC) = y_lane(v_xt_TTC) + D_LC (48) y'_AP(v_xt_TTC) = y'_lane(v_xt_TTC) (49) y''_AP(v_xt_TTC) = y''_lane(v_xt_TTC) (50)
Die Randbedingungen stellen drei Gleichungen (48) bis (50) bereit, die drei unbekannte Koeffizienten a_3,AP, a_4,AP und a_5,AP aufweisen, die folgendermaßen gelöst werden können: c₂·(v_xt_TTC)² + a_3,AP·(v_xt_TTC)³ + a_4,AP·(v_xt_TTC)⁴ + a_5,AP·(v_xt_TTC)⁵ = y_lane(v_xt_TTC) + D_LC (51) 2c₂·(v_xt_TTC) + 3a_3,AP·(v_xt_TTC)² + 4a_4,AP·(v_xt_TTC)³ + 5a_5,AP·(v_xt_TTC)⁴ = y'_lane(v_xt_TTC) (52) 2c₂ + 6a_3,AP·(v_xt_TTC) + 12a_4,AP·(v_xt_TTC)² + 20a_5,AP·(v_xt_TTC)³ = y''_lane(v_xt_TTC) (53)
Nachdem der Kollisionsweg 80 gelöst wurde, und für den Fall eines sich quer bewegenden Objekts kann der Algorithmus dann einen Rückweg (RP) von dem Wegpunkt 78 zur Mittellinie 68 der ursprünglichen Spur 66 berechnen, wie durch den Rückweg 86 in der Abbildung 60 identifiziert. Unter Verwendung der Abweichung D_LC kann ein Zeit-bis-zur-Rückkehr-Wert t_TTR vom Wegpunkt 78 zur Mittellinie 68 der ursprünglichen Spur 66 folgendermaßen geschätzt werden: t_TTR = t_TTC + ΔT_LXD_LC/L (54) wobei ΔT_LX eine typische Spurwechselzeit ist, wie etwa 5 oder 6 Sekunden.
Wie zuvor wird der Rückweg 86 als Polynomgleichung fünfter Ordnung definiert: y_RP(x) = a_5,RPx⁵ + a_4,RPx⁴ + a_3,RPx³ + a_2,RPx² + a_1,RPx + a_0,RP (55) für t_TTC < t < t_TTR, und wobei die Koeffizienten a_0,RP, a_1,RP, a_2,RP, a_3,RP, a_4,RP und a_5,RP unbekannt sind.
Die anfänglichen Bedingungen des Rückweges 86 werden folgendermaßen definiert: y_RP(v_xt_TTC) = y_AP(v_xt_TTC) (56) y'_RP(v_xt_TTC) = y'_AP(v_xt_TTC) (57) y''_RP(v_xt_TTC) = y''_AP(v_xt_TTC) (58) und die Randbedingungen des Rückweges 86 werden folgendermaßen definiert: y_RP(v_xt_TTR) = y_lane(v_xt_TTR) (59) y'_RP(v_xt_TTR) = y'_lane(v_xt_TTR) (60) y''_RP(v_xt_TTR) = y''_lane(v_xt_TTR) (61)
Da es sechs Gleichungen und die sechs unbekannten Koeffizienten a_0,RP, a_1,RP, a_2,RP, a_3,RP, a_4,RP und a_5,RP gibt, können die Koeffizienten aus den Gleichungen (56) bis (61) bestimmt werden, und der Rückweg 86 wird folgendermaßen gelöst: a_0,RP + a_1,RP(v_xt_TTC) + a_2,RP·(v_xt_TTC)² + a_3,RP·(v_xt_TTC)³ + a_4,RP·(v_xt_TTC)⁴ + a_5,RP·(v_xt_TTC)⁵ = y_AP(v_xt_TTC) (62) a_1,RP + 2a_2,RP·(v_xt_TTC) + 3a_3,RP·(v_xt_TTC)² + 4a_4,RP·(v_xt_TTC)³ + 5a_5,RP·(v_xt_TTC)⁴ = y'_AP(v_xt_TTC) (63) 2a_2,RP + 6a_3,RP·(v_xt_TTC) + 12a_4,RP·(v_xt_TTC)² + 20a_5,RP·(v_xt_TTC)³ = y''_AP(v_xt_TTC) (64) a_0,RP + a_1,RP(v_xt_TTC) + a_2,RP·(v_xt_TTC)² + a_3,RP·(v_xt_TTC)³ + a_4,RP·(v_xt_TTC)⁴ + a_5,RP·(v_xt_TTC)⁵ = y_lane(v_xt_TTC) (65) a_1,RP + 2a_2,RP·(v_xt_TTC) + 3a_3,RP·(v_xt_TTC)² + 4a_4,RP·(v_xt_TTC)³ + 5a_5,RP·(v_xt_TTC)⁴ = y'_lane(v_xt_TTC) (66) 2a_2,RP + 6a_3,RP·(v_xt_TTC) + 12a_4,RP·(v_xt_TTC)² + 20a_5,RP·(v_xt_TTC)³ = y''_lane(v_xt_TTC) (67)
Die obige Diskussion betrifft das Objekt 74, das sich mit Bezug auf die Fahrzeugfahrrichtung in Querrichtung bewegt, so dass nur der Kollisionsvermeidungsweg 82 und der Rückweg 86 zu berechnen sind, um das Objekt 74 zu vermeiden. Wenn die Objektsensoren 22 jedoch bestimmen, dass sich das Objekt auf einem Kollisionsweg vor dem Fahrzeug 62 in einer Längsrichtung mit Bezug auf die Fahrzeugfahrrichtung bewegt oder das Objekt zu lang ist, um nur durch den Kollisionsvermeidungsweg 82 und den Rückweg 86 vermieden zu werden, dann berechnet der Algorithmus einen Umfahrweg (CP) zwischen dem Kollisionsvermeidungsweg 82 und dem Rückweg 86.
4 ist eine Abbildung 100 ähnlich wie die Abbildung 60, wobei die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen identifiziert sind, welche diese Situation abbildet, bei der ein bewegtes Objekt 102, hier ein Fahrrad, vor dem Fahrzeug 62 und im Wesentlichen auf dem gleichen Kurs fährt. Ein Umfahrweg 104 wird neben dem Objekt 102 zwischen dem Kollisionsvermeidungsweg 80 und dem Rückweg 86 gezeigt und ermöglicht es dem Fahrzeug 62, um das Objekt 102 herum zu fahren, wobei der Umfahrweg 104 am Wegpunkt 78 startet und der Spurgrenze mit dem Spurversatz D_LC folgt. Wie gezeigt, wird die Kollisionsgrenze 106 in Größe und Form geändert, um die Bewegungsrichtung des Objekts 102 zu berücksichtigen.
Die Länge des Umfahrweges 104 wird durch einen Zeit-bis-zum-Umfahren-Wert t_TTS definiert, der aus der Geschwindigkeit des Objekts 102 und seiner Richtung folgendermaßen bestimmt wird:
wobei v_x die Fahrzeuggeschwindigkeit ist, v_x,obs die Geschwindigkeit des Objekts 102 ist, l die Länge des Objekts 102 ist, und t_margin ein Sicherheitsspielraum für die Umfahrzeit ist.
Wie zuvor wird der Umfahrweg 104 als Polynomgleichung fünfter Ordnung definiert: y_CP(x) = a_5,CPx⁵ + a_4,CPx⁴ + a_3,CPx³ + a_2,CPx² + a_1,CPx + a_0,CP (69) für t_TTC < t < t_TTS, und wobei die Koeffizienten a_0,CP, a_1,CP, a_2,CP, a_3,CP, a_4,CP und a_5,CP unbekannt sind.
Die anfänglichen Bedingungen des Umfahrweges 104 werden folgendermaßen definiert: y_CP(v_xt_TTC) = y_AP(v_xt_TTC) (70) y'_CP(v_xt_TTC) = y'_AP(v_xt_TTC) (71) y''_CP(v_xt_TTC) = y''_AP(v_xt_TTC) (72) und die Randbedingungen des Umfahrweges 104 werden folgendermaßen definiert: y_CP(v_xt_TTS) = y_lane(v_xt_TTS) + D_LC (73) y'_CP(v_xt_TTS) = y'_lane(v_xt_TTS) (74) y''_CP(v_xt_TTS) = y''_lane(v_xt_TTS) (75)
Da es sechs Gleichungen und sechs Unbekannte gibt, wird der Umfahrweg 104 durch Berechnen der Koeffizienten a_0,CP, a_1,CP, a_2,RP, a_3,CP, a_4,CP und a_5,CP folgendermaßen aus den Anfangs- und Randbedingungen bestimmt oder gelöst: a_0,CP + a_1,CP(v_xt_TTC) + a_2,CP·(v_xt_TTC)² + a_3,CP·(v_xt_TTC)³ + a_4,CP·(v_xt_TTC)⁴ + a_5,CP·(v_xt_TTC)⁵ = y_AP(v_xt_TTC) (76) a_1,CP + 2a_2,CP·(v_xt_TTC) + 3a_3,CP·(v_xt_TTC)² + 4a_4,CP·(v_xt_TTC)³ + 5a_5,CP·(v_xt_TTC)⁴ = y'_AP(v_xt_TTC) (77) 2a_2,CP + 6a_3,CP·(v_xt_TTC) + 12a_4,CP·(v_xt_TTC)² + 20a_5,CP·(v_xt_TTC)³ = y''_AP(v_xt_TTC) (78) a_0,CP + a_1,CP(v_xt_TTS) + a_2,CP·(v_xt_TTS)² + a_3,CP·(v_xt_TTS)³ + a_4,CP·(v_xt_TTS)⁴ + a_5,CP·(v_xt_TTS)⁵ = y_lane(v_xt_TTS) (79) a_1,CP + 2a_2,CP·(v_xt_TTS) + 3a_3,CP·(v_xt_TTS)² + 4a_4,CP·(v_xt_TTS)³ + 5a_5,CP·(v_xt_TTS)⁴ = y'_lane(v_xt_TTS) (80) 2a_2,CP + 6a_3,CP·(v_xt_TTS) + 12a_4,SP·(v_xt_TTS)² + 20a_5,CP·(v_xt_TTS)³ = y''_lane(v_xt_TTS) (81)
Der Rückweg 86 wird dann aus dem Ende des Umfahrweges 104 ebenso wie für die obigen Gleichungen (62) bis (67) mit den gleichen Randbedingungen jedoch mit anderen anfänglichen Bedingungen folgendermaßen berechnet: y_RP(v_xt_TTS) = y_CP(v_xt_TTS) (82) y'_RP(v_xt_TTS) = y'_CP(v_xt_TTS) (83) y''_RP(v_xt_TTS) = y''_CP(v_xt_TTS) (84) a_0,RP + a_1,RP(v_xt_TTS) + a_2,RP·(v_xt_TTS)² + a_3,RP·(v_xt_TTS)³ + a_4,RP·(v_xt_TTS)⁴ + a_5,RP·(v_xt_TTS)⁵ = y_AP(v_xt_TTS) (85) a_1,RP + 2a_2,RP·(v_xt_TTS) + 3a_3,RP·(v_xt_TTS)² + 4a_4,RP·(v_xt_TTS)³ + 5a_5,RP·(v_xt_TTS)⁴ = y'_AP(v_xt_TTS) (86) 2a_2,RP + 6a_3,RP·(v_xt_TTS) + 12a_4,RP·(v_xt_TTS)² + 20a_5,RP·(v_xt_TTS)³ = y''_AP(v_xt_TTS) (87)
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung können ähnliche Prozesse wie die zuvor besprochenen verwendet werden, um eine Kollisionsvermeidung mit einem bewegten Objekt sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung während des manuellen oder halbautonomen Fahrens des Fahrzeugs bereitzustellen. Beim manuellen Fahren des Fahrzeugs folgt das Fahrzeug nicht einem berechneten Fahrzeugweg, der für die Spurzentrierung bestimmt wird, und somit weiß der Algorithmus nicht, welchem Weg das Fahrzeug folgt. Unter Verwendung von Fahrzeugbewegungs-Erfassungsdaten und Fahrzeugdynamik kann der Weg des Fahrzeugs jedoch in dem Wegvorhersageprozessor 42 vorhergesagt werden, und dieser vorhergesagte Fahrzeugweg kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob es zu einer Kollision mit einem bewegten Objekt kommen könnte, und wenn ja, eine automatische Ausweichlenkaktion auszuführen.
5 ist eine Abbildung 90 der Fahrbahn 64, wobei die gleichen Elemente wie in den Abbildung 60 und Abbildung 100 mit den gleichen Bezugszeichen identifiziert sind. Bei dieser Ausführungsform, wie es nachstehend ausführlich besprochen wird, folgt das Fahrzeug 62 nicht dem Spurzentrierungsweg 72, sondern folgt einem vorhergesagten Weg 92, der aus Fahrzeugbewegungs-Erfassungsdaten und Fahrzeugparametern in dem Wegvorhersageprozessor 42 bestimmt wird.
6 ist eine Abbildung 110 eines Bewegungsmodells, das zeigt, wie der vorhergesagte Weg 92 als Zeitreihe basierend auf dem Fahrzeuglenkwinkel δ mit Bezug auf einen Fahrzeugschwerpunkt 112 bestimmt werden kann, indem die Differentialgleichung (88) aus den Fahrzeugbewegungs-Erfassungsdaten v_x, r und δ und den Fahrzeugparametern m, I, C_f, C_r, a und b gelöst wird.
wobei y_pred die seitliche Position des Fahrzeugs ist, φ_pred der Fahrzeugkurswinkel ist, v_x die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit ist, v_v die Fahrzeugquergeschwindigkeit ist, r die Fahrzeuggiergeschwindigkeit ist, δ der Lenkwinkel ist, m die Fahrzeugmasse ist, I die Fahrzeugträgheit ist, C_f und C_r jeweils die vordere und hintere Kurvensteifigkeit des Fahrzeugs sind, und a und b jeweils die Abstände zur vorderen und hinteren Achse des Fahrzeugs vom Schwerpunkt 112 aus sind.
Die Krümmung des vorhergesagten Weges 92 kann basierend auf der Abweichung der seitlichen Position y_pred in verschiedenen Abständen von dem aktuellen Standort des Fahrzeugs 62 bestimmt werden. Unter Verwendung des vorhergesagten Weges 92 des Fahrzeugs 62 kann der Algorithmus einen Standort des Fahrzeugs 62 an verschiedenen Wegpunkten 94 entlang dem vorhergesagten Weg 92 mit (x_pred,1, y_pred,1), (x_pred,2, y_pred,2, (x_pred,3, y_pred,3) usw. bestimmen, wobei die Werte 1, 2 und 3 Abtastzeiten darstellen. Wenn die Abtastzeit beispielsweise 0,1 s beträgt, dann ist (x_pred,1, y_pred,1) der Wegpunkt, der zum Zeitpunkt t = 0,1 s abgetastet wird. Mit anderen Worten stellt das Lösen der Gleichung (88) die Reihe von Abtastwegpunkten 94 bereit, was eine Zeitreihenlösung ist. Die Zeitreihenlösung wird zu jeder Abtastzeit, wie etwa 0,1 s, erhalten. Beispielsweise ist y_pred,1 die Lösung der Gleichung (88) bei t = 0,1 s, y_pred,2 ist die Lösung der Gleichung (88) bei t = 0,2 s, usw. Der Wert x_pred,1 wird als v_x·0,1 s berechnet, x_pred,2 wird als v_x·0,2 s berechnet, usw.
Sobald (x_pred,1, y_pred,1), (x_pred,2, y_pred,2), (x_pred,3, y_pred,3) usw. erhalten wurden, bestimmt der Kurvenanpassungs-Algorithmus dann die bestmögliche Kurve durch (x_pred,1, y_pred,1), (x_pred,2, y_pred,2), (x_pred,3, y_pred,3) usw., und der vorhergesagte Weg y_PP des Fahrzeugs 62 kann durch eine Polynomgleichung dritter Ordnung definiert werden: y_PP(x) = p₃·x³ + p₂·x² + p₁·x + p₀ (89) wobei die Parameter p₁, p₂, p₃ und p₄ Unbekannte sind und durch eine Methode der kleinsten Quadrate berechnet werden, welche die Kostenfunktion J minimiert: J = 1 / 2Σ_i[(y_pred,i – y_PP(x = x_pred,i))²] (90) wobei die Lösung der Kostenfunktion J gegeben wird durch:
Wenn die Kostenfunktion J an einem Wegpunkt x_pred,i eine bestimmte Grenze J ≥ J_threshold überschreitet, beendet der Algorithmus ein erstes Segment des Weges 92 an dem Punkt x_pred,i und beginnt einen neuen vorhergesagten Weg wie folgt: y_PP,seg2 = p_3.seg2·x³ + p_2,seg2·x² + p_1.seg2·x + p_0.seg2 (92)
Sobald der vorhergesagte Weg 92 wie zuvor bestimmt wurde, fährt der Algorithmus damit fort zu bestimmen, ob eine Kollision mit einem bewegten Objekt zu befürchten ist, wie es ebenfalls zuvor besprochen wurde, und wenn ja, ob ein Abbremsen die Kollision verhindern kann, aber ob ein Lenkvorgang notwendig ist. Wenn ein Lenkvorgang notwendig ist, fährt der Algorithmus damit fort, die Kollisionsgrenze 76, die Wegpunkte 78 und 80, den Kollisionsvermeidungsweg 82, den Umfahrweg 104 und den Rückweg 86 auf die Art und Weise wie zuvor besprochen zu bestimmen, wobei der Fahrzeug-Controller das Lenken des Fahrzeugs 62 vom Fahrzeugfahrer übernimmt und diese Wege auf die Art und Weise wie zuvor besprochen als Polynomgleichungen fünfter Ordnung berechnet werden.
7 ist ein Flussdiagramm 120, das einen allgemeinen Prozessablauf der obigen Diskussion zum Bereitstellen einer Kollisionsvermeidung bereitstellt. Der Algorithmus startet in dem Kästchen 122 und bestimmt dann an der Entscheidungsraute 124, ob das Fahrzeug 62 manuell gefahren wird oder autonom fährt. Wenn das Fahrzeug 62 autonom fährt, dann stellt der Algorithmus in dem Kästchen 126 eine Spurzentrierung und Wegerzeugung bereit, wie zuvor beschrieben, und wenn das Fahrzeug 62 manuell gefahren wird, dann berechnet der Algorithmus in dem Kästchen 128 den vorhergesagten Fahrzeugweg 94, wie zuvor besprochen. Der Algorithmus bestimmt dann in dem Kästchen 130, ob ein Objekt vor dem Fahrzeug erkannt wird, und wenn ja, führt er eine Kollisionsprüfung aus, um an der Entscheidungsraute 132 zu bestimmen, ob es bei der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Weg zu einer Kollision mit dem Objekt kommen wird. Wenn es nicht zu einer Kollision kommen wird, kehrt der Algorithmus zum Startkästchen 122 zurück. Wenn es an der Entscheidungsraute 132 zu einer Kollision kommen wird, berechnet der Algorithmus in dem Kästchen 134 den Bremsabstand, um die Kollision zu vermeiden, und bestimmt dann an der Entscheidungsraute 136, ob die Kollision durch Bremsen vermeidbar ist, wie zuvor besprochen. Wenn an der Entscheidungsraute 136 die Kollision durch Bremsen allein vermieden werden kann, dann führt der Algorithmus in dem Kästchen 138 das Bremsmanöver aus. Wenn der Algorithmus bestimmt, dass die Kollision durch Bremsen nicht vermieden werden kann und dass ein Lenkvorgang notwendig ist, wird der Kollisionsvermeidungsweg 82 in dem Kästchen 140 erzeugt, der Umfahrweg 104 wird in dem Kästchen 142 erzeugt, und der Rückweg wird in dem Kästchen 144 erzeugt.
Wie es der Fachmann wohl verstehen wird, können sich die mehreren und diversen Schritte und Prozesse, die hier besprochen wurden, um die Erfindung zu beschreiben, auf Vorgänge beziehen, die von einem Computer, einem Prozessor oder einem anderen elektronischen Rechengerät ausgeführt werden, die Daten unter Verwendung eines elektrischen Phänomens manipuliert und/oder umformt. Derartige Computer und elektronische Geräte können diverse flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher verwenden, wozu ein nicht vorübergehendes computerlesbares Medium gehört, auf dem ein ausführbares Programm gespeichert ist, das diversen Code oder ausführbare Anweisungen umfasst, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von Speichern und anderen computerlesbaren Medien umfassen kann bzw. können.
Die vorstehende Diskussion offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann wird aus dieser Diskussion und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen ohne Weiteres erkennen, dass diverse Änderungen, Modifikationen und Variationen daran vorgenommen werden können, ohne Geist und Umfang der Erfindung, wie sie in den nachstehenden Ansprüchen definiert wird, zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8170739 [0004]
US 2010/0082195 [0005, 0006]
US 8,170,739 [0005, 0006, 0022, 0023, 0050]

Claims

Ein Verfahren zum Bereitstellen eines automatischen Lenkweges für ein Fahrzeug, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestimmen einer Spurmitte einer Fahrbahnspur, auf der das Fahrzeug fährt; Bestimmen eines Spurzentrierungsweges, der das Fahrzeug von einer aktuellen Fahrzeugposition auf die Spurmitte lenkt; automatisches Lenken des Fahrzeugs entlang des Spurzentrierungsweges; Erkennen eines bewegten Objekts vor dem Fahrzeug; Bestimmen, ob es zu einer Kollision zwischen dem Fahrzeug und dem Objekt kommen wird, wenn das Fahrzeug auf dem Spurzentrierungsweg mit einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit fährt; falls bestimmt wird, dass es zu einer Kollision kommen wird, Bestimmen, ob die Kollision mit dem Objekt alleine durch ein Abbremsen des Fahrzeuges verhindert werden kann; Bestimmen eines Lenkweges um das Objekt herum, wenn bestimmt wird, dass ein Abbremsen des Fahrzeuges eine Kollision mit dem Objekt nicht verhindern wird; und Lenken des Fahrzeugs auf dem Lenkweg.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erkennen einer Spurmitte einer Fahrbahnspur ein Verwenden von Kameramessungen von erkannten Fahrbahnmarkierungen auf der Fahrbahn und einer Kartendatenbank der Fahrbahngeometrie und ein Definieren der Spurmitte als Polynomgleichung dritter Ordnung basierend auf der Zusammenlegung der Kameramessungen und der Fahrbahngeometrie aus der Kartendatenbank umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen, ob die Kollision alleine durch ein Abbremsen des Fahrzeuges verhindert werden kann, ein Berechnen einer notwendigen Verzögerung, um die Kollision zu vermeiden, und ein Vergleichen der notwendigen Verzögerung mit einer maximal möglichen Verzögerung des Fahrzeugs umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen, ob es zu einer Kollision zwischen dem Fahrzeug und dem Objekt kommen wird, ein Definieren einer Kollisionsgrenze um das bewegte Objekt herum, die auf einer Geschwindigkeit des bewegten Objekts, einer Bewegungsrichtung des Objekts, einer Größe des bewegten Objekts und einem Zeit-bis-zur-Kollision-Wert basiert, und ein Bestimmen, ob der Spurzentrierungsweg die Kollisionsgrenze kreuzt, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen eines Lenkweges um das Objekt herum ein Bestimmen eines Kollisionsvermeidungsweges von der aktuellen Fahrzeugposition bis zu einem Wegpunkt auf der Kollisionsgrenze umfasst, wobei das Verfahren ferner ein Lenken des Fahrzeugs bis zum Wegpunkt auf dem Kollisionsvermeidungsweg umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bestimmen des Kollisionsvermeidungsweges ein Auswählen eines von einer Vielzahl von möglichen Kollisionsvermeidungswegen bis zu mehreren Wegpunkten auf der Kollisionsgrenze umfasst, wobei der zur aktuellen Fahrzeugposition nächstgelegene Wegpunkt, der innerhalb der Fahrbahngrenzen liegt, als Kollisionsvermeidungsweg ausgewählt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bestimmen des Kollisionsvermeidungsweges ein Lösen einer Polynomgleichung fünfter Ordnung basierend auf anfänglichen Fahrzeugbedingungen und Fahrbahnrandbedingungen umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Polynomgleichung fünfter Ordnung folgende ist: y_AP(x) = a_5,APx⁵ + a_4,APx⁴ + a_3,APx³ + a_2,APx² + a_1,APx + a_0,AP für den Zeitpunkt 0 < t < tTTC, wobei die anfänglichen Bedingungen folgendermaßen definiert werden: y_AP(0) = 0 y'_AP(0) = 0 y''_AP(0) = 2c₂ und die Randbedingungen wie folgt definiert werden: y_AP(v_xt_TTC) = y_lane(v_xt_TTC) + D_LC y'_AP(v_xt_TTC) = y'_lane(v_xt_TTC) y''_AP(v_xt_TTC) = y''_lane(v_xt_TTC) wobei y_AP die seitliche Position des Fahrzeugs auf dem Kollisionsvermeidungsweg ist, y_lane die seitliche Position des Fahrzeugs auf dem Spurzentrierungsweg ist, a_0,AP, a_1,AP, a_2,AP, a_3,AP, a_4,AP und a_5,AP unbekannte Koeffizienten sind, die unter Verwendung der anfänglichen Bedingungen und der Randbedingungen zu bestimmen sind, t_TTC der Zeit-bis-zur-Kollision-Wert ist, v_x die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit ist und D_LC eine seitliche Abweichung von der Spurmitte ist.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bestimmen eines bewegten Objekts vor dem Fahrzeug ein Bestimmen, ob sich das bewegte Objekt in Querrichtung oder Seitenrichtung mit Bezug auf den Spurzentrierungsweg bewegt, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bestimmen eines Lenkweges um das Objekt herum ein Bestimmen eines Rückweges von dem Wegpunkt zur Spurmitte umfasst, wenn sich das Objekt in Querrichtung bewegt.