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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslegen eines Fahrzeuges. Damit insbesondere ein autonomes Fahrzeug für den Straßenverkehr zugelassen werden kann, muss mit hohem Aufwand nachgewiesen werden, dass das Fahrzeug praxisrelevante Verkehrsszenarien unfallfrei meistern kann. Ein solcher Nachweis ist mit der nötigen Vollständigkeit aus Zeit- und Kostengründen nicht empirisch führbar, sondern muss im Wesentlichen auf Computersimulationen beruhen. Für einen das Fahrzeug steuernden Computer macht es im Prinzip keinen Unterschied, ob das Fahrzeug simuliert oder real gesteuert wird, sofern die Umgebungsinformation, die er im Falle der Simulation empfängt, realistisch genug ist. Dazu existieren Datenbanken, in denen Daten von realen Verkehrsszenarien zusammengetragen werden, die als Umgebungsinformation und als Fahrzeugdaten im Rahmen solcher Simulationen genutzt werden können. Dies Szenarien und Daten sind in mehrfacher Hinsicht spezifisch für ein Fahrzeug, mit dem sie aufgenommen wurden.
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Zum einen sind die aufgenommenen Daten des Szenarios abhängig von der Sensorausstattung des aufnehmenden Fahrzeugs, d.h. wenn eine zu der Sensorausstattung eine Kamera gehört, mit der die Umgebung des aufnehmenden Fahrzeugs überwacht werden kann, dann hängen die Bilder, die eine solche Kamera liefert, und die Schlussfolgerungen, die das Fahrzeug aus den Bildern z.B. hinsichtlich Abstand und Geschwindigkeit anderer Verkehrsteilnehmer zieht, unter anderem vom Einbauort der Kamera am Fahrzeug ab. Wenn daher im Rahmen einer Simulation ein zu optimierendes autonomes Fahrzeug mit Bilddaten eines solchen Szenarios versorgt wird, und diese unter Zugrundelegung seiner eigenen Kameraeinbauposition analysiert, kann dies zu Fehlschlüssen über die Umgebung des Fahrzeugs und in der Konsequenz zu unangemessenen Entscheidungen der autonomen Steuerung des Fahrzeugs führen, die nicht auf Fehler in den der Steuerung zugrundeliegenden Programmen zurückzuführen sind.
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Zum anderen unterscheiden sich in der Regel die technischen Leistungsdaten des zu optimierenden Fahrzeugs von denen des Fahrzeugs, mit dem das Szenario aufgenommen wurde, mit der Folge, dass die Trajektorie, die das zu optimierende Fahrzeug wählt, um die Verkehrssituation des Szenarios zu meistern, von der im aufgenommenen Szenario tatsächlich gefahrenen unterscheiden wird, diese Unterschiede aber nicht auf einen Fehler in den Steuerprogrammen des zu optimierenden Fahrzeugs schließen lassen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Optimierung einer Fahrzeugauslegung mit Hilfe von Szenarien aus einer Datenbank trotz der oben beschriebenen Probleme zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch ein Verfahren zum Auslegen eines Fahrzeugs mit den Schritten:
- a) Auswählen eines Verkehrsszenarios, das wenigstens eine Trajektorie eines Fahrzeugs enthält, aus einer Datenbank;
- b) Festlegen, für eine Folge von Aufenthaltsorten des Fahrzeugs entlang der Trajektorie, von jeweils einem den Aufenthaltsort beinhaltenden zulässigen Aufenthaltsraum, in dem sich das Fahrzeug frei von Zwischenfällen aufhalten kann;
- c) Suchen, unter Zugrundelegung eines Wertes wenigstens eines Parameters des autonomen Fahrzeugs, einer Trajektorie des autonomen Fahrzeugs, die durch die Folge der zulässigen Aufenthaltsräume verläuft;
- d) Bewerten des Fahrzeugs als tauglich für das ausgewählte Szenario, wenn die Suche des Schritts c) erfolgreich ist.
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Ein Zwischenfall im obigen Sinne kann jede Art eines unerwünschten Verhaltens des Fahrzeugs sein, zumindest aber eine Kollision mit einem anderen Verkehrsteilnehmer oder einem stationären Objekt und/oder das Überfahren einer Fahrbahnbegrenzung und/oder Verletzungen einer beliebigen Verkehrsregel oder eines Streckenverbots.
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Neben der Trajektorie des Fahrzeugs, von dem die das Szenario bildenden Daten aufgenommen wurden, kann das Szenario noch weitere Daten zum Umfeld dieses Fahrzeugs wie etwa die Trajektorien weiterer Verkehrsteilnehmer, Angaben zum Fahrbahnverlauf, zu Streckenver- und/oder -geboten sowie zu stationären Objekten enthalten.
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Durch die Festlegung der Folge von Aufenthaltsräumen wird der Tatsache Rechnung getragen, dass es nicht Ziel der Optimierung sein kann, eine möglichst große Übereinstimmung zwischen der Trajektorie des ausgewählten Verkehrsszenarios und der für das zu auszulegende Fahrzeug ausgewählten Trajektorie herzustellen, sondern lediglich, dass das zu optimierende Fahrzeug das Szenario meistern muss, ohne in einen Unfall verwickelt zu werden. Dieses Ziel ist erreicht, sobald eine Trajektorie gefunden ist, die das Fahrzeug unter Berücksichtigung seiner Leistungsparameter zu fahren in der Lage ist und auf der es die Aufenthaltsräume nicht verlässt.
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Wenn die Suche erfolglos ist, kann der Schritt c) unter Verwendung eines abgewandelten Werts des wenigstens einen Parameters wiederholt werden, um schließlich einen Wert zu finden, für den eine durch die Aufenthaltsräume verlaufende Trajektorie existiert.
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Zu den Parametern, die hier variiert werden können, können z.B. Motorleistung oder Bremsverzögerung des Fahrzeugs oder Parameter seines Fahrwerks wie Schräglaufsteifigkeit, Eigenlenkgradient oder Haftbeiwert oder Parameter eines Algorithmus des Systems zählen.
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Wenn die Untersuchung einer Trajektorie zeigt, dass diese nicht vollständig innerhalb der Aufenthaltsräume verläuft, kann es nötig sein zu entscheiden, ob das autonome Fahrzeug in der untersuchten Trajektorie die Grenze des zulässigen Aufenthaltsraums in Fahrtrichtung, quer zur Fahrtrichtung oder entgegen der Fahrtrichtung oder quer zur Fahrtrichtung erreicht.
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Das Fahrzeug ist für das untersuchte Szenario ungeeignet, d.h. nicht in der Lage, das Szenario ohne Zwischenfall zu fahren, wenn es die Grenze des zulässigen Aufenthaltsraums in Fahrtrichtung oder quer zur Fahrtrichtung erreicht. Dieser Fall ist gleichbedeutend mit dem Anstoßen oder einer unerlaubt engen Annäherung an ein Objekt neben oder vor dem autonomen Fahrzeug, etwa ein voraus- oder nebenherfahrendes Fahrzeug oder eine Fahrbahnbegrenzung und kann insbesondere dann auftreten, wenn es, um das Szenario überhaupt bis zum Zeitpunkt des Erreichens der Grenze fahren zu können, das Fahrzeug auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, die sich nun als nicht mehr sicher beherrschbar erweist.
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Umgekehrt kann aber auch der Fall auftreten, dass das autonome Fahrzeug die Grenze des zulässigen Aufenthaltsraums entgegen der Fahrtrichtung erreicht. Voraussetzung hierfür ist, dass die hintere Grenze des zulässigen Aufenthaltsraums durch ein hinterherfahrendes Fahrzeug festgelegt ist und dieses schneller fährt als das autonome Fahrzeug. Hier ist zu berücksichtigen, dass das Fahrzeug, mit dem das Szenario ursprünglich aufgenommen wurde, in der Regel eine andere Trajektorie gefahren haben wird als die für das autonome Fahrzeug angenommene, und die Trajektorie des nachfolgenden Fahrzeugs mit derjenigen des aufnehmenden Fahrzeugs abgestimmt worden ist, aber nicht die für das autonome Fahrzeug gewählte Trajektorie berücksichtigt. Mit anderen Worten: wäre das aufnehmende Fahrzeug zum Zeitpunkt der Aufnahme des Szenarios die nun für das autonome Fahrzeug untersuchte Trajektorie gefahren, dann hätte das nachfolgende dies berücksichtigt und ein Auffahren vermieden. Die Tatsache, dass das autonome Fahrzeug die Grenze des zulässigen Aufenthaltsraums entgegen der Fahrtrichtung erreicht, lässt also nicht den Schluss zu, dass an den Steuerungsalgorithmen oder den Leistungsparametern des autonomen Fahrzeugs etwas geändert werden müsste, damit das Szenario kollisionsfrei gefahren werden kann, sondern allenfalls, dass das betreffende Szenario für die Optimierung des autonomen Fahrzeugs nicht relevant ist.
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Der Schritt c) kann unter Zugrundelegung jeweils unterschiedlicher Werte des wenigstens einen Parameters wiederholt werden. Wenn dabei mehrere durch die zulässigen Aufenthaltsräume verlaufende Trajektorien gefunden werden, sind offensichtlich alle dabei zugrundegelegten Parameterwerte geeignet, um das Szenario zu meistern. Um unter diesen mehreren Parameterwerten einen auszuwählen, kann eine Kostenfunktion des wenigstens einen Parameters definiert und der in Bezug auf diese Kostenfunktion ideale Parameterwert beim Bau des autonomen Fahrzeugs implementiert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 einen Anfangszustand und
- 2 einen Endzustand eines Szenarios; und
- 3 ein Flussdiagramm eines Optimierungsverfahrens
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1 zeigt als elementares Anwendungsbeispiel der Erfindung eine Verkehrssituation an einer Autobahnauffahrt. Ein Fahrzeug 1 befindet sich auf einer Einfädelspur 2 und muss von dort in den fließenden Verkehr auf einer angrenzenden Fahrspur 3 mit Fahrzeugen 4, 5, 6 einscheren.
Dazu muss es auf der Einfädelspur 2 die Geschwindigkeit des fließenden Verkehrs erreichen und dann in eine Lücke zwischen den Fahrzeugen 4, 5, 6 einscheren.
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Ein Szenario, das die Bewegungen der Fahrzeuge 1, 4, 5, 6 beschreibt, liegt vor in Form einer Folge von von einem oder mehreren Umgebungssensoren des Fahrzeugs 1 während des Beschleunigens und Einscherens aufgezeichneten Daten. Als Umgebungssensor kommt insbesondere eine Kamera 7 in Betracht; die Folge der aufgezeichneten Daten kann dann z.B. als Videofilm vorliegen. Das Szenario kann durch Simulation oder durch Erfassen von Umgebungsdaten im Laufe eines Fahrmanövers von realen Fahrzeugen erhalten sein und ist in einer Datenbank hinterlegt, aus der es heruntergeladen wird, um es für die Optimierung eines autonomen Fahrzeugs zu nutzen.
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Zur Vorbereitung der Optimierung kann es nötig sein, (entsprechend schritt S1 des Flussdiagramms von 3) die aufgezeichneten Daten des heruntergeladenen Szenarios an die Sensorik des autonomen Fahrzeugs anzupassen. Wenn die Einbaulage der Kamera 7 am autonomen Fahrzeug eine andere ist als beim realen Fahrzeug 1, dann wäre eine korrekte Steuerung des autonomen Fahrzeugs durch dessen Bordcomputer 8 nicht gewährleistet, wenn dieser als Eingangsdaten die originalen Videofilme des hinterlegten Szenarios wären. Da diese die Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs 1 im Laufe der Zeit und der Bewegung des Fahrzeugs 1 aus unterschiedlichen Blickwinkeln zeigen, ist es möglich, die originalen Videofilme zunächst in eine Sequenz von dreidimensionalen Modellen der Umgebung umzurechnen und aus diesem wiederum Videofilme abzuleiten, die die Umgebung aus der Perspektive der Kamera 7 des autonomen Fahrzeugs zeigen und als Eingangsdaten für dessen Bordcomputer 8 verwendet werden können.
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Jedes dieser dreidimensionalen Modelle enthält für einen Zeitpunkt des Szenarios unter anderem die momentanen Koordinaten der Fahrzeuge 4, 5, 6 und deren Abmessungen. Anhand dieser Daten wird jeweils für den betreffenden Zeitpunkt ein zulässiger Aufenthaltsraum für das autonome Fahrzeug berechnet (S2), in dem es Platz finden kann, ohne die anderen Fahrzeuge 4, 5, 6 und die Grenzen der Fahrbahn zu erreichen. Ein solcher zulässiger Aufenthaltsraum 9 umfasst jeweils zu einem gegeben Zeitpunkt des Szenarios den aktuellen Aufenthaltsort des Fahrzeugs 1 sowie Orte der Umgebung, an die das Fahrzeug 1 verschoben werden könnte, ohne dabei die weiteren Fahrzeuge 4, 5, 6 an ihren aktuellen Aufenthaltsorten oder andere Objekte zu berühren. Der zulässige Aufenthaltsraum umfasst z.B., wie in 1, 2 gezeigt, zu Beginn des Szenarios die Einfädelspur 2 vor dem Fahrzeug 1 und gegen Ende den Platz zwischen den Fahrzeugen 5, 6 auf der Fahrspur 3.
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Der Bordcomputer 8 des autonomen Fahrzeugs ist nach einer beliebigen bekannten Technik programmiert, um eine Folge von Lenkbefehlen für Stellglieder, die z.B. die Lenkung, die Kraftstoffdosierung oder den Hub eines Bremszylinders des autonomen Fahrzeugs steuern, so zu erzeugen, dass sie das autonome Fahrzeug von der Einfädelspur 2 kollisionsfrei auf die Fahrspur 3 führen. Im Rahmen der Simulation werden diese Lenkbefehle nicht von realen Komponenten des Fahrzeugs empfangen, sondern von einem ebenfalls computerimplementierten kinematischen Modell, das die aus den Lenkbefehlen resultierende Bewegung des autonomen Fahrzeugs unter Berücksichtigung von fahrzeugspezifischen Parametern wie Motorleistung oder Bremsverzögerung des Fahrzeugs, Schräglaufsteifigkeit, Eigenlenkgradient oder Haftbeiwert berechnet.
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Im Rahmen des Verfahrens wird für die genannten Parameter jeweils ein realistischer Wert festgelegt (S3), und unter Zugrundelegung dieser Werte wird vom Bordcomputer 8 eine Folge von Lenkbefehlen ermittelt (S4), die das autonome Fahrzeug auf die Fahrspur 3 führen. Wenn die anhand dieser Lenkbefehle von dem kinematischen Modell in Schritt S5 ermittelte Trajektorie des autonomen Fahrzeugs zwischen den Fahrzeugen 5, 6 endet, dann wird überprüft (S6), ob die Trajektorie auf ihrer ganzen Länge innerhalb der zulässigen Aufenthaltsräume 9 verläuft. Wenn ja, dann ist das Fahrzeug mit dem aktuell ausgewählten Satz von Parameterwerten dem Szenario gewachsen. Dann könnte das Verfahren bereits an dieser Stelle abgebrochen und das autonome Fahrzeug mit den ausgewählten Parameterwerten gebaut werden.
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Wenn die Trajektorie nicht auf ihrer gesamten Länge innerhalb der zulässigen Aufenthaltsräume 9 verläuft, wird durch Anpassen der Lenkbefehle (S7) versucht, eine Trajektorie zu finden, die auf ihrer ganzen Länge innerhalb der zulässigen Aufenthaltsräume 9 verläuft. Scheitert dieser Versuch (S8) (auch nach eventuell mehreren Anläufen), dann wird untersucht (S9), wo das autonome Fahrzeug an die Grenze des zulässigen Aufenthaltsraums stößt. Wenn es an die vordere Grenze des zulässigen Aufenthaltsraums stößt, dann entspricht dies einem Auffahrunfall auf das vorausfahrende Fahrzeug 6. Wenn dieser nicht zu vermeiden ist, dann ist das autonome Fahrzeug mit dem aktuell ausgewählten Satz von Parameterwerten dem untersuchten Szenario offensichtlich nicht gewachsen.
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In diesem Fall wird ein neuer Satz von Parameterwerten ausgewählt (S10), und das Verfahren kehrt zu Schritt S4 zurück. Im Fall des Anstoßens an die vordere Grenze des zulässigen Aufenthaltsraums kann sich die Änderung der Parameterwerte insbesondere eine Steigerung der Bremsverzögerung, d.h. die Verwendung von leistungsfähigeren Bremsen, beinhalten.
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Falls es zu einem Anstoßen an die seitlichen Grenzen des zulässigen Aufenthaltsraums kommt, so stellt dies ebenfalls einen Unfall dar und macht die Auswahl (S10) eines neuen Satzes von Parameterwerten erforderlich, wobei die in diesem Fall veränderten Parameterwerte vorzugsweise Fahrwerk bzw. Reifen betreffen, wie etwa Schräglaufsteifigkeit, Eigenlenkgradient oder Haftbeiwert des Reifens).
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Wenn - insbesondere nach mehrmaligem Ändern der Parameterwerte - eine hinreichende Gewissheit besteht, dass ein Anstoßen an die vorderen oder seitlichen Grenzen nicht verhindert werden kann, dann kann daraus der Schluss gezogen werden, dass das autonome Fahrzeug technisch nicht in der Lage ist, das Szenario unfallfrei zu durchfahren (S11).
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Wenn hingegen das autonome Fahrzeug an die hintere Grenze des zulässigen Aufenthaltsraums gelangt, dann hat dies nicht mit einem Fahrfehler des autonomen Fahrzeugs zu tun, sondern bedeutet lediglich, dass die Geschwindigkeit des nachfolgenden Fahrzeugs 5 im Szenario vorgegeben ist und die Bewegung des autonomen Fahrzeugs nicht berücksichtigen kann. In diesem Fall ist eine sinnvolle Aussage darüber, ob das autonome Fahrzeug das Szenario unfallfrei fahren kann, nicht möglich, da die Frage, ob es zu einem Unfall kommt, vom Verhalten des nachfolgenden Fahrzeugs 5 abhängt und vom autonomen Fahrzeug nicht unmittelbar beeinflusst werden kann. In diesem Fall ist das Szenario für das autonome Fahrzeug irrelevant (S14), und es sollte für die Optimierung des autonomen Fahrzeugs ein anderes Szenario verwendet werden.
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Auch in dem Fall, dass in S5 sich die aktuell ausgewählten Parameterwerte als zum Fahren des Szenarios brauchbar erwiesen haben, kann ein neuer Satz von Parameterwerten ausgewählt (S10) und das Verfahren von Schritt S4 an wiederholt werden, wobei in diesem Fall die Änderung der Parameterwerte auf eine Kostenminimierung abzielen kann.
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Im Laufe des Verfahrens können durch Iterationen der Schritte S4 bis S10 ein oder mehrere Sätze von Parameterwerten gefunden werden, die das Fahren einer Trajektorie erlauben, die vollständig innerhalb der zulässigen Aufenthaltsräume 9 verläuft. Wenn zu den Parametern eine Kostenfunktion hinterlegt ist, die es erlaubt, für eine gegebene Auswahl von Parameterwerten Fertigungskosten oder eine andere zu optimierende Größe zu quantifizieren, dann wird in Schritt S13 unter den mehreren Sätzen derjenige ausgewählt, der den besten Wert der Kostenfunktion erzielt, und das autonome Fahrzeug wird mit den auf diese Weise ausgewählten Parameterwerten gebaut (S14).
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Die im Laufe des Verfahrens generierten, von dem ursprünglich heruntergeladenen abweichenden Szenarien können in die Datenbank hochgeladen werden, um dort zu weiterer Verwendung zur Verfügung zu stehen.
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Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Einfädelspur
- 3
- Fahrspur
- 4
- Fahrzeug
- 5
- Fahrzeug
- 6
- Fahrzeug
- 7
- Kamera
- 8
- Aufenthaltsraum
- 9
- Bordcomputer
