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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden und zum Koordinieren von mindestens einem Fahrzeugverbund, aufweisend mindestens zwei autonome oder teilautonome Fahrzeuge.
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Stand der Technik
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Um den Verbrauch von Nutzfahrzeugen ökonomischer und umweltfreundlicher zu gestalten, arbeiten Hersteller derzeit an Lösungen für ein sogenanntes „Platooning“ bzw. einer Gruppierung mehrerer Nutzfahrzeuge zu einem Fahrzeugverbund. Hierzu fahren mehrere Nutzfahrzeuge wie beispielsweise Lastkraftwagen elektronisch miteinander gekoppelt nahe hinter einem Führungsfahrzeug auf, um vom Windschatten der vorausfahrenden Fahrzeuge zu profitieren und Kraftstoff sparen zu können.
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Problematisch ist jedoch eine Bildung eines Fahrzeugverbunds bei einer zufälligen Verteilung von potentiellen Verbundfahrzeugen und anderen nicht platoonfähigen Fahrzeugen dazwischen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein effizientes und dynamisches Verfahren zum Bilden und zum Verwalten eines Fahrzeugverbunds vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden und zum Koordinieren von mindestens einem Fahrzeugverbund, aufweisend mindestens zwei autonome oder teilautonome Fahrzeuge, bereitgestellt. Es wird eine Kopplungsanfrage durch ein potentielles Verbundfahrzeug oder durch ein Verbundkoordinationsfahrzeug eines Fahrzeugverbunds an mindestens ein in seiner Umgebung befindliches Fahrzeug oder Fahrzeugverbund gesendet. Anschließend wird mindestens ein Verbundkoordinationsfahrzeug festgelegt oder ermittelt. Durch das mindestens eine Verbundkoordinationsfahrzeug wird geprüft, ob ein Konflikt bei der gesendeten Kopplungsanfrage vorliegt. Nach einem Lösen des Konflikts oder ohne Vorliegen des Konflikts wird durch das potentielle Verbundfahrzeug oder den Fahrzeugverbund zusammen mit dem mindestens einem in seiner Umgebung befindlichen Fahrzeug oder Fahrzeugverbund ein gemeinsamer Fahrzeugverbund gebildet.
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Durch das Verfahren können die Fahrzeuge untereinander effektiv und dynamisch eine Gruppe bzw. einen Fahrzeugverbund bilden und diesen bei Änderungen managen und anpassen.
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Ein potentielles Verbundfahrzeug ist hierbei ein platoonfähiges Fahrzeug, welches autonom oder teilautonom in einem Fahrzeugverbund fahren kann und entsprechende Fahrmanöver zum Bilden und zum Beitreten eines Fahrzeugverbunds durchführen kann.
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Ein potentielles Verbundfahrzeug kann im Vorfeld die Abstände zum jeweils nächsten Fahrzeug vor und hinter sich bestimmen und ermitteln, ob diese Fahrzeuge platoonfähig sind. Solche Fahrzeuge sind ebenfalls potentielle Verbundfahrzeuge. An das nächste potentielle Verbundfahrzeug wird eine Platoonbildsanfrage bzw. Kopplungsanfrage gesendet. Liegt kein Konflikt vor und das potentielle Verbundfahrzeug ist bereit einen Fahrzeugverbund zu bilden, wird die Anfrage positiv bestätigt und die Bildung des Fahrzeugverbunds findet statt. Dabei übernimmt ein potentielles Verbundfahrzeug, beispielsweise das erste Fahrzeug, die Rolle des Verbundkoordinationsfahrzeugs. Es wäre auch möglich, mehrere Koordinatoren zu verwenden. Beispielhaft wird hier die Verwendung eines einzelnen Koordinators beschrieben, wobei diese Rolle ebenfalls beispielhaft durch das erste Fahrzeug wahrgenommen wird. Das Verbundkoordinationsfahrzeug kann die angekoppelten Platoon Teilnehmer bzw. Verbundfahrzeuge stellvertretend, insbesondere im Hinblick auf ein Koppeln von potentiellen Verbundfahrzeugen und Abkoppeln von Verbundfahrzeugen, verwalten und koordinieren.
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Für die Koordination können beispielsweise Daten, wie beispielsweise eine Anzahl an Verbundfahrzeugen, eine Länge der jeweiligen Verbundfahrzeuge, eine Position der jeweiligen Verbundfahrzeuge innerhalb des Fahrzeugverbunds, tatsächliche Abstände zwischen den Verbundfahrzeugen und Identifizierungsnummern für eine eindeutige Kommunikation, verwendet werden. Insbesondere muss dem Verbundkoordinationsfahrzeug das tatsächliche Ende des Fahrzeugverbunds bekannt sein, um Kopplungsanfragen nach hinten hin richtig handhaben zu können.
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Wenn einzelne potentielle Verbundfahrzeuge an einen bestehenden Fahrzeugverbund ankoppeln, so kann das Verfahren zum Bilden eines Fahrzeugverbunds analog zur paarweisen Kopplung von zwei potentiellen Verbundfahrzeugen angewandt werden. Hier kann das Verbundkoordinationsfahrzeug stellvertretend für den Fahrzeugverbund die Koordination übernehmen.
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Des Weiteren können durch das Verfahren mehrere Fahrzeugverbunde miteinander zu einem großen gemeinsamen Fahrzeugverbund gekoppelt werden. Dabei können die jeweiligen Verbundkoordinationsfahrzeuge miteinander hinsichtlich der Bildung eines gemeinsamen Fahrzeugverbunds kommunizieren.
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Nach einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens liegt ein Konflikt bei mehreren gleichzeitigen Kopplungsanfragen vor, wobei der Konflikt durch Arbitrierung der Kopplungsanfragen gelöst wird. Wenn ein potentielles Verbundfahrzeug oder ein Verbundkoordinationsfahrzeug mehrere Kopplungsanfragen gleichzeitig erhält, muss das jeweilige Fahrzeug bzw. eine Steuereinheit des Fahrzeugs entscheiden, in welcher Reihenfolge die Kopplungsanfragen bearbeitet werden. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn ein vorausfahrendes potentielles Verbundfahrzeug und ein hinterherfahrendes potentielles Verbundfahrzeug gleichzeitig eine Kopplungsanfrage an ein potentielles Verbundfahrzeug übermitteln. Die Arbitrierung kann beispielsweise durch eine Arbiter-Schaltung zum Festlegen einer Reihenfolge der Bearbeitung der Anfragen durchgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Arbitrierung der Kopplungsanfragen basierend auf einem Abstand zwischen dem mindestens einem potentiellen Verbundfahrzeug und dem mindestens einem Verbundkoordinationsfahrzeug oder mindestens einer vorderen oder hinteren Grenze des Fahrzeugverbunds durchgeführt. Unabhängig davon, ob der Konflikt bei einem einzelnen potentiellen Verbundfahrzeug oder einem Fahrzeugverbund auftritt, kann der Abstand ein optimales Kriterium zum Bestimmen einer Reihenfolge zum Abarbeiten der Kopplungsanfragen darstellen. Insbesondere können potentielle Verbundfahrzeuge, welche näher an einem anderen potentiellen Verbundfahrzeug oder einem Fahrzeugverbund positioniert sind schneller in einen gemeinsamen Fahrzeugverbund integriert werden. Der Abstand kann hierbei ein Abstand zwischen einem vorausfahrenden potentiellen Verbundfahrzeug und einer vorderen Grenze des Fahrzeugverbunds bzw. zu einem ersten Verbundfahrzeug sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Abstand zwischen einem hinter dem Fahrzeugverbund fahrenden potentiellen Verbundfahrzeug und dem letzten Verbundfahrzeug bzw. der hinteren Grenze des Fahrzeugverbunds zum Durchführen der Arbitrierung verwendet werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Arbitrierung der Kopplungsanfragen zufällig durch das mindestens eine Verbundkoordinationsfahrzeug durchgeführt. Sollten bei der Arbitrierung die anfragenden potentiellen Verbundfahrzeuge einen gleichen Abstand zu dem angefragten Fahrzeug aufweisen, so können weitere sekundäre Parameter zum Bestimmen einer Reihenfolge herangezogen werden. Dies kann beispielsweise eine Größe eines potentiellen Verbundfahrzeugs oder seine Geschwindigkeit sein. Alternativ kann die Reihenfolge zufällig bestimmt werden. Hierdurch kann eine technisch einfache Arbitrierung durchgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird bei einem Konflikt mindestens ein potentielles Verbundfahrzeug in eine Warteschleife eingeordnet. Bei mehreren Kopplungsanfragen zum Bilden eines gemeinsamen Fahrzeugverbunds kann beispielsweise bei Fehlen von Konflikten eine Zustimmung erteilt werden, sodass dieses Fahrzeug ein Kopplungsmanöver zum Bilden des gemeinsamen Fahrzeugverbunds einleiten kann. Die übrigen potentiellen Verbundfahrzeuge können in einen sogenannten „hold“-Zustand versetzt werden. Dies kann beispielsweise in Form einer Warteschleife erfolgen.
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Dies kann beispielsweise bedeuten, dass die gesendeten Kopplungsanfragen innerhalb kurzer Zeit beantwortet werden. Hierfür muss sich der bildende Fahrzeugverband, bevor er eine weitere Kopplungsanfrage tatsächlich beantwortet kann, eine eindeutige Koordination durch ein ermitteltes oder zugewiesenes Verbundkoordinationsfahrzeug sicherstellen. Anschließend können die noch ausstehenden Kopplungsanfragen vom Verbundkoordinationsfahrzeug des sich gebildeten Fahrzeugverbunds bewertet und bearbeitet werden.
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Das Verbundkoordinationsfahrzeug kann dabei die Kopplungsmöglichkeiten für weitere Fahrzeuge bewerten. Insbesondere kann eine Maximallänge des Fahrzeugverbunds berücksichtigt werden und basierend darauf eine Kopplung freigegeben oder verwehrt werden. Eine anschließende Antwort eines potentiellen Verbundfahrzeugs sollte dabei eine Identifizierung der ursprünglichen Anfrage aufweisen, da sich der antwortende Teilnehmer bzw. das potentielle Verbundfahrzeug geändert hat. Durch ein Versetzen der anfragenden potentiellen Verbundfahrzeuge in eine Warteschleife kann der Kopplungsvorgang zu einem optimierten Zeitpunkt eingeleitet werden, sodass beispielsweise unnötige Abstandsänderungen und damit verbundene Bremsmanöver und Beschleunigungsmanöver vermieden werden können.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird bei einem Konflikt durch mindestens ein potentielles Verbundfahrzeug nach einer Wartezeit eine erneute Kopplungsanfrage gesendet. Alternativ zum Einordnen von potentiellen Verbundfahrzeugen in eine Warteschleife, kann eine direkte Rückmeldung von einem Verbundkoordinationsfahrzeug an anfragende potentielle Verbundfahrzeuge erfolgen, dass ein Koppeln erst nach einer definierten Zeitspanne erneut versucht werden kann. Hierdurch kann das Verbundkoordinationsfahrzeug zeitweise entlastet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine Kopplungsanfrage an das mindestens eine Verbundkoordinationsfahrzeug direkt oder durch mindestens ein Verbundfahrzeug weitergeleitet. Vorzugsweise kann ein potentielles Verbundfahrzeug seine Kopplungsanfrage direkt an das Verbundkoordinationsfahrzeug senden. Insbesondere bei längeren Fahrzeugverbunden kann eine direkte Kopplungsanfrage aufgrund großer Entfernung des potentiellen Verbundfahrzeugs zu dem Verbundkoordinationsfahrzeug nicht möglich sein. Die Kopplungsanfragen können somit an ein erstes oder an ein letztes Verbundfahrzeug des Fahrzeugverbunds gesendet werden. Diese Verbundfahrzeuge können anschließend die Anfrage bis zum Verbundkoordinationsfahrzeug weiterleiten. Eine Antwort des Verbundkoordinationsfahrzeugs kann ebenfalls durch andere Verbundfahrzeuge des Fahrzeugverbunds weitergeleitet werden bis zum Adressaten bzw. dem anfragenden potentiellen Verbundfahrzeug. Alternativ können einzelne Verbundfahrzeuge als Gateway oder Repeater des Verbundkoordinationsfahrzeugs dienen.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine Kopplungsanfrage durch eine Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikationsverbindung durchgeführt wird. Hierdurch kann die Bildung und die Koordinierung des Fahrzeugverbunds allein auf einer drahtlosen Car-to-Car Kommunikation durchgeführt werden. Die Kommunikation kann beispielsweise eine WLAN, eine UMTS, eine Funkverbindung, LTE-Verbindung oder dergleichen sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens liegt ein Konflikt bei Erreichen einer maximalen Verbundfahrzeugzahl in einem Fahrzeugverbund vor, wobei der Konflikt durch Ablehnen von der mindestens einen Kopplungsanfrage oder durch ein Aufteilen des mindestens einen Fahrzeugverbunds gelöst wird. Üblicherweise wird eine Größe des Fahrzeugverbunds durch eine maximal zulässige Größe bzw. durch eine Maximalgröße des Fahrzeugverbunds begrenzt. Diese Begrenzung kann entweder von einer maximalen Verbundfahrzeugzahl oder von einer maximalen Länge des Fahrzeugverbunds abhängen. Kopplungsanfragen von potentiellen Verbundfahrzeugen bzw. Koppelungen von potentiellen Verbundfahrzeugen in den Fahrzeugverbund können somit zugelassen werden, solange die Maximalgröße des Fahrzeugverbunds nicht erreicht ist. Ist eine Maximalgröße erreicht, werden eingehende Kopplungsanfragen negativ beantwortet oder abgelehnt.
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Besteht eine Kopplungsanfrage von einem Fahrzeugverbund an einen anderen Fahrzeugverbund, so ist die daraus entstehende Größe eines gemeinsamen Fahrzeugverbunds ausschlaggebend. Wird diese entstehende Größe größer als die Maximalgröße, so besteht ein Konflikt. Dieser Konflikt kann beispielsweise durch ein Ablehnen der Kopplungsanfrage gelöst werden. Hierbei bleiben beide Fahrzeugverbunde unverändert bestehen. Alternativ kann der Konflikt dadurch gelöst werden, dass sich ein Fahrzeugverbund auflöst und die Verbundfahrzeuge dem angefragten Fahrzeugverbund bis zur Maximalgröße beitreten. Hierbei kann sich beispielsweise ein kleinerer Fahrzeugverbund zugunsten eines größeren Fahrzeugverbunds aufteilen. Die übrigen Verbundfahrzeuge des aufgelösten Fahrzeugverbunds können anschließend selbst zu einem Fahrzeugverbund koppeln oder einem anderen Fahrzeugverbund beitreten.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Fahrzeugverbund bei einem Austreten von mindestens einem Verbundfahrzeug aus dem Fahrzeugverbund verkleinert oder in mindestens zwei Fahrzeugverbunde aufgeteilt. Dies kann beispielsweise abhängig von einer Position des Verbundfahrzeugs im Fahrzeugverbund erfolgen. Fährt beispielsweise das letzte Verbundfahrzeug ab, so meldet sich das letzte Verbundfahrzeug bei dem Verbundkoordinationsfahrzeug ab und verlässt den Fahrzeugverbund. Kurz vor der tatsächlichen Abfahrt würde das Verbundkoordinationsfahrzeug Kopplungsanfragen beispielsweise auf einen „hold“-Zustand setzen. Bei dem Austritt des Verbundfahrzeugs löscht das Verbundkoordinationsfahrzeug die Daten bzw. Informationen des vormals letzten Verbundfahrzeugs. Anschließend kann die Kopplungsanfrage positiv beantwortet und das potentielle Verbundfahrzeug in den Fahrzeugverbund integriert werden.
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Bei einer Abfahrt eines Verbundfahrzeugs aus der Mitte des Fahrzeugverbunds meldet sich das entsprechende Verbundfahrzeug bei dem Verbundkoordinationsfahrzeug ab und verlässt beispielsweise bei einer Abfahrt den Fahrzeugverbund. Es gibt hier zwei mögliche Vorgehensweisen. Beispielsweise kann sich der Fahrzeugverbund in zwei Fahrzeugverbunde aufteilen bzw. sich neu bilden. Das Verbundkoordinationsfahrzeug kann von seinem neu gebildeten Teil des Fahrzeugverbunds unverändert bleiben, wobei in dem zweiten Teil des Fahrzeugverbunds ein neues Verbundkoordinationsfahrzeug ermittelt oder definiert wird. Alternativ kann nach einem Auskoppeln des Verbundfahrzeugs dessen Daten von dem Verbundkoordinationsfahrzeug entfernt und die Reihenfolge der Verbundfahrzeuge neu sortiert werden. Hierdurch kann der Fahrzeugverbund bestehen bleiben, wobei nachfolgende Verbundfahrzeuge die entstandene Lücke schließen können.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden Informationen des Fahrzeugverbunds von jedem Verbundfahrzeug oder nur von dem Verbundkoordinationsfahrzeug gespeichert. Somit kann die Speicherung und Bereitstellung der Informationen über den Fahrzeugverbund zentral von dem Verbundkoordinationsfahrzeug oder dezentral von allen Verbundfahrzeugen erfolgen.
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Bei der zentralen Bereitstellung der Daten bzw. Informationen verfügt nur das Verbundkoordinationsfahrzeug über die für die Koordination benötigten Daten. Bei einer Teilung des Fahrzeugverbunds müssen somit einem neuen Verbundkoordinationsfahrzeug alle Information übermittelt werden. Dabei wird die Information der den Fahrzeugverbund verlassenden Fahrzeuge nicht übertragen.
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Bei der dezentralen Bereitstellung der Daten bzw. Informationen enthält jedes Verbundfahrzeug alle für das Management des Fahrzeugverbunds relevanten Informationen. Das sind insbesondere die Identifizierungsnummern der Verbundfahrzeuge, die Reihenfolge und die Längen der Verbundfahrzeuge. Wenn sich ein Fahrzeugverbund teilt, ist es hierbei nicht notwendig, die Daten erst auf ein neues Verbundkoordinationsfahrzeug zu übertragen, da ihm diese Informationen bereits vorliegen. Er müssen lediglich die Daten der nicht mehr zugehörigen Teilnehmer bzw. Verbundfahrzeuge gelöscht werden. Hierdurch kann eine gegenüber zeitweiligen Störungen der Kommunikation robuste Methode zum Koordinieren mindestens eines Fahrzeugverbunds realisiert werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird zum Koordinieren des mindestens einen gemeinsamen Fahrzeugverbunds eine Infrastruktur der Fahrzeugumgebung verwendet, wobei Kopplungsanfragen an die Infrastruktur der Fahrzeugumgebung gesendet werden. Hierdurch kann das hier beschriebene Verfahren alternativ oder zusätzlich durch Interaktion mit einer Verkehrsinfrastruktur über eine Car-to-X Kommunikationsverbindung eine Koordination und Bildung eines Fahrzeugverbunds realisieren. Sind beispielsweise die Daten des Fahrzeugverbunds entsprechen dem hier beschriebenen Verfahren im Fahrzeugverbund gespeichert, so können die Verbundfahrzeuge bei Infrastrukturlücken oder bei ausgefallener Infrastruktur die Kontrolle und insbesondere die Koordination nahtlos übernehmen.
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Im Folgenden wird anhand von einer stark vereinfachten schematischen Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt die 1 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 1 zum Bilden und zum Koordinieren von mindestens einem Fahrzeugverbund gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In einem ersten Schritt wird durch ein potentielles Verbundfahrzeug an ein in seiner Umgebung befindliches Fahrzeug eine Kopplungsanfrage gesendet 2. Das die Kopplungsanfrage empfangende Fahrzeug wird hier als ein Verbundkoordinationsfahrzeug festgelegt 4. Somit kann das Verbundkoordinationsfahrzeug alle weiteren Managementaufgaben übernehmen. Das Verbundkoordinationsfahrzeug prüft nun, ob Konflikte im Zusammenhang mit der Kopplungsanfrage bestehen 6. Gemäß dem Ausführungsbeispiel bestehen keine Konflikte, sodass eine Konfliktlösung 8 übersprungen wird und die beiden Fahrzeuge einen gemeinsamen Fahrzeugverbund bilden 10.
