DE102019201124A1 - Ein System für ein Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung stellt ein System für ein Fahrzeug bereit, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann, wobei das System zum Planen einer Trajektorie des Fahrzeugs ist. Insbesondere umfasst das System einen Empfänger, der konfiguriert ist, um Straßensegmentdaten von wenigstens einem Teilsystem des Fahrzeugs zu empfangen, wobei die Straßensegmentdaten wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des Fahrzeugs anzeigen. Das System beinhaltet ebenso ein Modul für einen erreichbaren Zustand, das konfiguriert ist, um einen Satz erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung zu bestimmen, wobei jeder der erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeugposition beinhaltet. Das System beinhaltet ebenso ein Modul für eine zulässige Position, das konfiguriert ist, um mehrere zulässige Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten zu bestimmen, wobei die mehreren zulässigen Fahrzeugpositionen innerhalb des bestimmten Satzes von erreichbaren Fahrzeugpositionen liegen. Das System beinhaltet ebenso ein Zielzustandsmodul, das konfiguriert ist, um einen Zielfahrzeugzustand mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment zu bestimmen, wobei die Zielfahrzeugposition einer der mehreren bestimmten zulässigen Fahrzeugpositionen entspricht. Das System beinhaltet ebenso ein Erzeugungsmodul für eine Trajektorie, das konfiguriert ist, um eine realisierbare Trajektorie zu bestimmen, auf der das Fahrzeug in Abhängigkeit von der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung zu der Zielfahrzeugposition fährt, um die Fahrzeugtrajektorie zu planen.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System für ein Fahrzeug und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf ein System für ein Fahrzeug, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann. Erfindungsgemäße Aspekte beziehen sich auf ein System, auf ein Verfahren und auf ein Fahrzeug.
• STAND DER TECHNIK
• Die erste Generation von Fahrzeugen mit autonomen Fahrmodi war in der Lage, folgende Aufgaben durchzuführen: Spurhaltung, Halten des Abstands zu einem vorausfahrenden Fahrzeug, Bereitstellen einer Spurhaltewarnung, usw. Dies half, den Insassenkomfort zu erhöhen und die Arbeitsbelastung des Fahrers zu verringern. Ein menschlicher Fahrer ist immer noch erforderlich, um entweder anspruchsvollere, aber ebenso gewöhnliche Manöver, wie etwa einen Spurwechsel, ein Einfädeln in den Verkehr, ein Überholen usw., zu initiieren oder während des Durchführens derselben einzugreifen. Zum Beispiel stellt das Überholen eines vorausfahrenden Fahrzeugs eine Vorlage für derartige komplexe Manöver dar, da es sowohl die seitliche Bewegung und die Längsbewegung eines überholenden Fahrzeugs (Prüffahrzeug) kombiniert, während es ein sich langsamer bewegendes Hindernisfahrzeug (Führungsfahrzeug) vermeidet, als auch die Teilmanöver des Spurwechsels, der Spurhaltung und des Einfädelns auf eine sequentielle Weise beinhaltet.
• Die inhärent komplizierte Struktur des Überholens rührt von seiner Abhängigkeit von einer großen Anzahl von Faktoren her, wie etwa Straßenbedingungen, Wetter, Verkehrsdichte, Typ des überholenden Fahrzeugs, Typ des zu überholenden Fahrzeugs, relativer Geschwindigkeit zwischen Fahrzeugen, zurückgelegter Entfernung usw., was die Klassifizierung und Standardisierung verhältnismäßig schwierig macht. Um Überholmanöver durchzuführen, sind darüber hinaus genaue Informationen bezüglich der Verfügbarkeit von Straßen und Fahrspuren, der Trajektorie des Führungsfahrzeugs, der Straßenzustände usw. erforderlich.
• Es gibt eine Reihe vorgeschlagener Verfahren zum Planen von Trajektorien, um ein komplexes autonomes Manöver, wie etwa ein autonomes Überholmanöver durchzuführen, indem es als ein Problem zur Vermeidung eines sich bewegenden Hindernisses behandelt wird. Zum Beispiel wurden inkrementelle, suchbasierte Algorithmen wie „Rapidly exploring Random Trees“ (RRT) zum Planen von Trajektorien für ein komplexes autonomes Manöver vorgeschlagen; RRT-Algorithmen sind jedoch insofern nachteilig, als dass die geplanten Trajektorien ruckartig sein können, was wiederum zu einem verringerten Komfort der Insassen führen kann. Darüber hinaus hängen die Berechnungszeiten für die meisten suchbasierten Algorithmen von der umgebenden Verkehrsdichte ab, was sie für Automobilanwendungen weniger geeignet macht.
• Wenn genaue Informationen bezüglich der Straße und der umgebenden Hindernisse verfügbar sind, wird deutlich, dass Techniken auf Basis eines Potentialfeldes zum Erzeugen von Trajektorien erfolgreich sind, die stationäre oder sich bewegende Hindernisse vermeiden. Diese Verfahren beinhalten jedoch keine Fahrzeugdynamik und können daher nicht sicherstellen, wie realisierbar es für das Fahrzeug ist, der geplanten Trajektorie tatsächlich zu folgen.
• Modellprädiktive Steuerungs(MPC)-Verfahren weisen die Fähigkeit auf, Fahrzeugdynamik und Hindernisvermeidungsbeschränkungen als ein durch einen endlichen Horizont beschränktes Optimierungsproblem zu formulieren. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass Hindernisvermeidungsbeschränkungen zum Planen einer Trajektorie im Allgemeinen nicht konvex sind, was die Realisierbarkeit und Einzigartigkeit der Lösung für das Optimierungsproblem stark einschränkt. Um dieses Problem anzugehen, wurden Techniken wie Konvexisierung, Änderung des Referenzrahmens und Approximation vorgeschlagen. Trotzdem erfordert das durch diese Ansätze formulierte Optimierungsproblem häufig Einschränkungsgleichwertigkeit, die sich in Echtzeit ändert, was es schwierig macht, sie in einer elektronischen Steuereinheit (ECU) eines Fahrzeugs zu implementieren.
• Das Konzept von Bewegungsprimitiven, die in einer MPC-Rahmenstruktur beinhaltet sind, wurde vorgeschlagen, um Hindernisvermeidungstrajektorien zu planen. Da diese Bewegungsprimitive jedoch offline berechnet und über eine Nachschlagetabelle abgerufen werden, kann nur eine Teilmenge aller realisierbaren Trajektorien für das Planen einer Trajektorie zur Verfügung stehen.
• Es wurde vorgeschlagen, geplante Überholtrajektorien zu erzeugen, indem zum Beispiel das Prüffahrzeug entlang virtueller Zielpunkte gerichtet wird, die in ausreichenden Entfernungen um das Führungsfahrzeug herum angeordnet sind, wodurch das Planen einer Trajektorie zu einem Navigationsproblem umformuliert wird. Bei derartigen Verfahren wird das Prüffahrzeug jedoch als eine Punktmasse ohne Dynamik modelliert, und daher sind diese Verfahren für das Planen komplexer Manövertrajektorien von autonomen Fahrzeugen nicht geeignet.
• Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile zu beheben.
• KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt wird ein System für ein Fahrzeug bereitgestellt, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann, wobei das System zum Planen einer Trajektorie des Fahrzeugs gedacht ist. Das System umfasst einen Empfänger, der konfiguriert ist, um Straßensegmentdaten von wenigstens einem Teilsystem des Fahrzeugs zu empfangen, wobei die Straßensegmentdaten wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des Fahrzeugs anzeigen. Das System umfasst ein Modul für einen erreichbaren Zustand, das konfiguriert ist, um einen Satz erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung zu bestimmen, wobei jeder der erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeugposition beinhaltet. Das System umfasst ein Modul für eine zulässige Position, das konfiguriert ist, um mehrere zulässige Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten zu bestimmen, wobei die mehreren zulässigen Fahrzeugpositionen innerhalb des bestimmten Satzes von erreichbaren Fahrzeugpositionen liegen. Das System umfasst ein Zielzustandsmodul, das konfiguriert ist, um einen Zielfahrzeugzustand mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment zu bestimmen, wobei die Zielfahrzeugposition einer der mehreren bestimmten zulässigen Fahrzeugpositionen entspricht. Das System umfasst ein Erzeugungsmodul für eine Trajektorie, das konfiguriert ist, um eine realisierbare Trajektorie zu bestimmen, auf der das Fahrzeug in Abhängigkeit von der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung zu der Zielfahrzeugposition fährt, um die Fahrzeugtrajektorie zu planen.
• Die Erfindung stellt ein Situationsbewusstseins- und Planungssystem für eine Trajektorie bereit, um komplexe autonome Manöver, wie etwa ein Überholen auf einer Autobahn, durchzuführen. Das System ist insofern vorteilhaft, als dass es frei von nicht konvexen Hindernisvermeidungsbeschränkungen ist, es die Realisierbarkeit der vorgeschlagenen Trajektorie sicherstellt und in Echtzeit realisierbar ist. Das heißt, das System ist in einer elektronischen Steuereinheit (ECU) des Fahrzeugs implementierbar und funktioniert innerhalb der Prozessortaktzeit der ECU.
• Das System kann einen Ausgang umfassen, der konfiguriert ist, um ein Steuersignal zu senden, um das Fahrzeug zu steuern, um der realisierbaren Trajektorie zu folgen.
• Das wenigstens eine Straßensegmentmerkmal kann Folgendes umfassen: eine aktuelle Trajektorie des Fahrzeugs; Straßen- und/oder Fahrspurbegrenzungen; und/oder Fahrvorschriften.
• Das wenigstens eine Straßensegmentmerkmal kann wenigstens ein Hindernis umfassen.
• Das wenigstens eine Hindernis kann ein weiteres Fahrzeug beinhalten, und die Straßensegmentdaten beinhalten eine Geschwindigkeit, eine Position und/oder eine Orientierung des weiteren Fahrzeugs.
• Das weitere Fahrzeug kann sich vor und auf derselben Spur wie das Fahrzeug befinden.
• Das wenigstens eine Hindernis kann wenigstens ein Schlagloch, eine Bremsschwelle und eine blockierte Spur beinhalten.
• Das Modul für eine zulässige Position kann konfiguriert sein, um ein künstliches Potentialfeld zu definieren, das größer als der Satz erreichbarer Fahrzeugpositionen ist. Das Modul für eine zulässige Position kann konfiguriert sein, um eine Nettopotentialfunktion, die das künstliche Potentialfeld in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten beschreibt, zu erzeugen. Ein Potentialwert der Nettopotentialfunktion kann über das künstliche Potentialfeld variieren.
• Die zulässigen Fahrzeugpositionen können als entsprechende Positionen in dem künstlichen Potentialfeld bestimmt werden, bei denen der Nettopotentialfunktionswert in einem vorgeschriebenen Intervall von Potentialwerten liegt.
• Die Nettopotentialfunktion kann einen Beitrag von einem oder mehreren der folgenden Elemente beinhalten:
• eine Fahrspurgeschwindigkeitspotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf eine Geschwindigkeit beziehen, die jeder Fahrbahn der Straße zugeordnet ist;
• eine Straßenpotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf Straßenbegrenzungen beziehen;
• eine Fahrspurpotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf Begrenzungen und/oder eine Mitte jeder Fahrspur der Straße beziehen; und,
• eine weitere Fahrzeugpotentialfunktion, die Informationen zur Fahrzeugdynamik eines weiteren Fahrzeugs in dem Straßensegment beinhaltet.
• Die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung kann eine oder mehrere aktuelle Fahrzeugzustandsvariablen beinhalten.
• Die aktuellen Fahrzeugzustandsvariablen können eine aktuelle Fahrzeugposition, einen aktuellen Fahrzeugrichtungswinkel und eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit beinhalten.
• Die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung kann eine oder mehrere zugelassene Fahrzeugzustandsvariablen beinhalten.
• Die zugelassenen Fahrzeugzustandsvariablen können einen zugelassenen Fahrzeugrichtungswinkel, eine zugelassene Fahrzeuggeschwindigkeit und eine zugelassene Fahrzeugquerposition beinhalten.
• Die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung kann eine oder mehrere Fahrzeugeingabebeschränkungen beinhalten.
• Die Fahrzeugeingabebeschränkungen können einen zugelassenen Fahrzeuglenkwinkel und eine zugelassene Fahrzeugbeschleunigung beinhalten.
• Die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung beinhaltet eine oder mehrere Fahrzeugdynamikbeschränkungen.
• Die Fahrdynamikbeschränkungen können eine oder mehrere Abmessungen des Fahrzeugs, eine Fahrzeugmasse, eine Fahrzeugmassenverteilung, eine Art von Gelände, über das das Fahrzeug fährt, einen Fahrzeugreifentyp und einen Fahrzeugreifendruck beinhalten.
• Die erreichbaren Fahrzeugzustände können eine erreichbare Fahrzeuggeschwindigkeit, einen erreichbaren Fahrzeugrichtungswinkel, eine erreichbare Fahrzeuglängsverschiebung und eine erreichbare Fahrzeugquerverschiebung beinhalten.
• Der Satz erreichbarer Fahrzeugzustände kann aus einem vorbestimmten Raum von möglichen Sätzen erreichbarer Fahrzeugzustände ausgewählt werden. Jeder potentielle Satz erreichbarer Fahrzeugzustände kann eine unterschiedliche Kombination von Werten von einer oder mehreren der Fahrzeugbeschränkungen und/oder der vorgeschriebenen Zeitdauer aufweisen.
• Der Satz erreichbarer Fahrzeugzustände kann in vordefinierten Intervallen basierend auf Werten der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung bestimmt werden, die über die Fahrzeug-zu-Allem(Verkehrsvernetzungs)-Kommunikation empfangen werden.
• Der Satz erreichbarer Fahrzeugzustände kann unter Verwendung eines nichtlinearen kinematischen Fahrradmodells mit kontinuierlicher Zeit bestimmt werden.
• Die Zielfahrzeugposition kann der zulässigen Fahrzeugposition entsprechen, die am weitesten von einer aktuellen Fahrzeugposition entfernt ist. Die zulässige Fahrzeugposition kann einer der erreichbaren Fahrzeugpositionen in dem Satz von erreichbaren Fahrzeugzuständen entsprechen.
• Das Zielzustandsmodul kann eine Zielfahrzeuggeschwindigkeit entlang der realisierbaren Trajektorie bestimmen.
• Die Zielfahrzeuggeschwindigkeit kann eine im Wesentlichen einheitliche Längsgeschwindigkeit umfassen.
• Die Zielfahrzeugzustände können eine Zielfahrzeuggeschwindigkeit und/oder einen Zielfahrzeugrichtungswinkel beinhalten.
• Der wenigstens eine Sensor oder das eine Teilsystem des Fahrzeugs kann Folgendes beinhalten:
• ein Fahrzeugnavigationsteilsystem;
• einen Ultraschallsensor;
• einen Radarsensor;
• einen LiDAR-Sensor;
• einen Bildsensor; und,
• einen Fahrzeug-zu-Allem-Transceiver.
• Das Erzeugungsmodul für eine Trajektorie kann konfiguriert sein, um eine modellprädiktive Steuerstrategie anzuwenden, um die realisierbare Trajektorie zu erzeugen.
• Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren für ein Fahrzeug bereitgestellt, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann, wobei das Verfahren zum Planen einer Straßentrajektorie des Fahrzeugs gedacht ist. Das Verfahren umfasst das Empfangen von Straßensegmentdaten von wenigstens einem Sensor oder einem Teilsystem des Fahrzeugs, wobei die Straßensegmentdaten wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des Fahrzeugs anzeigen. Das Verfahren umfasst das Bestimmen eines Satzes erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung, wobei jeder der erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeugposition beinhaltet. Das Verfahren umfasst das Bestimmen mehrerer zulässiger Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten. Das Verfahren umfasst das Bestimmen eines Zielfahrzeugzustands mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment, wobei die Zielfahrzeugposition einer der bestimmten zulässigen Fahrzeugpositionen entspricht, die sich innerhalb des bestimmten Satzes erreichbarer Fahrzeugpositionen befinden. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer realisierbaren Trajektorie, auf der das Fahrzeug in Abhängigkeit von der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung zu der Zielfahrzeugposition fährt, um die Fahrzeugtrajektorie zu planen.
• Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das ein System wie vorstehend beschrieben umfasst.
• Nach noch einem anderen erfindungsgemäßen Aspekt wird ein nicht-transientes, computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, das darauf Anweisungen speichert, die, wenn sie von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, verursachen, dass der eine oder die mehreren Prozessoren das vorstehend beschriebene Verfahren ausführen.
• Innerhalb des Umfangs dieser Anmeldung wird ausdrücklich beabsichtigt, dass die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen, die in den vorhergehenden Absätzen, in den Patentansprüchen und/oder in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen dargestellt werden, und insbesondere deren individuelle Merkmale, unabhängig voneinander oder in einer beliebigen Kombination berücksichtigt werden können. Dies bedeutet, dass alle Ausführungsformen und/oder Merkmale einer beliebigen Ausführungsform auf beliebige Weise und/oder in beliebiger Kombination kombiniert werden können, sofern diese Merkmale nicht inkompatibel sind. Der Anmelder behält sich das Recht vor, jeden beliebigen ursprünglich eingereichten Patentanspruch zu ändern oder jeden beliebigen neuen Patentanspruch entsprechend einzureichen, einschließlich des Rechts, jeden beliebigen ursprünglich eingereichten Patentanspruch zu verändern, um von einem beliebigen Merkmal eines beliebigen anderen Patentanspruchs abzuhängen und/oder dieses zu integrieren, obwohl es auf diese Art und Weise zuvor nicht beansprucht wurde.
• Figurenliste
• Eine oder mehrere erfindungsgemäße Ausführungsformen werden nun ausschließlich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; hierbei zeigen:
• 1 eine schematische Draufsicht eines (Prüf-) Fahrzeugs, das ein System gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aspekts beinhaltet, zusammen mit Teilsystemen und Sensoren, die Eingänge für das System bereitstellen, wobei das System zum Planen einer Trajektorie für das Prüffahrzeug dient, um ein Überholmanöver gegenüber einem Führungsfahrzeug durchführen;
• 2 das System von 1 detaillierter, insbesondere die Komponentenmodule des Systems;
• 3 eine schematische Draufsicht, die die sequentiellen Teilmanöver darstellt, die in dem Überholmanöver eingeschlossen sind, für das das System aus 1 eine Trajektorie plant;
• 4 eine schematische Draufsicht auf die Straßengeometrie, insbesondere den Koordinatenrahmen und -bereich für das Überholmanöver, für das das System aus 1 eine Trajektorie plant;
• 5 ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zeigt, die von dem System aus 1 zum Planen der Trajektorie für das Überholmanöver unternommen werden;
• 6 eine schematische Draufsicht eines Teilabschnitts der Straße aus 4, die den Bereich aller Positionen zeigt, die das Prüffahrzeug innerhalb eines vorgeschriebenen Zeitraums von seiner aktuellen Position aus erreichen kann;
• 7a und 7b perspektivische Ansichten beziehungsweise Draufsichten eines Konturdiagramms, das ein Potentialfeld in der Nähe des Prüffahrzeugs darstellt, wie es durch das System aus 1 bestimmt wird;
• 8 Referenzzielpunkte auf der Straße für das Prüffahrzeug relativ zu dem Führungsfahrzeug zu mehreren Zeitschritten, wie durch das System aus 1 bestimmt; und,
• 9 geplante Trajektorien in Abhängigkeit von den tatsächlichen Trajektorien des Prüffahrzeugs während des Überholmanövers, wobei die geplanten Trajektorien durch das System aus 1 bestimmt werden.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren für ein Fahrzeug bereit, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann. Insbesondere stellt die Erfindung ein System und ein Verfahren zum Planen einer Trajektorie des Fahrzeugs bereit, um ein komplexes Manöver durchzuführen. Die nachstehend beschriebene Ausführungsform dient insbesondere zum Durchführen eines Überholmanövers; das beschriebene System und das beschriebene Verfahren sind jedoch gleichermaßen geeignet, um Trajektorien zu planen, damit das Fahrzeug viele verschiedene Arten von komplexen Manövern durchführt. Andere solche komplexen Manöver beinhalten Folgendes: Nehmen einer Autobahnausfahrt, einen Spurwechsel, Einfädeln in eine Spur mit Verkehr und gleichzeitiges Überholen mehrerer Fahrzeuge.
• Die Erfindung schließt das Bestimmen eines Satzes von sogenannten erreichbaren Zuständen des Fahrzeugs ein; das heißt, das Bestimmen des Satzes möglicher Positionen und Richtungswinkel, die das Fahrzeug in einer vorgeschriebenen Zeit von seiner aktuellen Position aus erreichen kann. Die Erfindung beinhaltet ebenso das Verwenden empfangener Daten, die sich auf das Straßensegment beziehen, das das Fahrzeug umgibt, um einen Satz von sogenannten zulässigen Positionen für das Fahrzeug zu bestimmen, d. h. Positionen des Fahrzeugs, die sicherstellen, dass umgebende Hindernisse und Straßengrenzen vermieden werden, wobei sich die zulässigen Positionen innerhalb des Satzes von erreichbaren Zustände befinden. Der Satz zulässiger Positionen kann unter Verwendung von Potentialfunktionen bestimmt werden. Die Erfindung beinhaltet dann das Bestimmen eines Zielzustands des Fahrzeugs, wobei der Zielzustand eine Zielfahrzeugposition umfasst, die einer der zulässigen Positionen entspricht. Die Erfindung beinhaltet ebenso das Erzeugen einer Trajektorie für das Fahrzeug, damit dieses auf eine realisierbare Weise von seinem aktuellen Zustand in den Zielzustand übergehen kann. Die realisierbare Trajektorie kann unter Verwendung einer modellprädiktiven Steuerstrategie bestimmt werden.
• 1 zeigt ein Fahrzeug 10, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann. Das Fahrzeug 10 beinhaltet ein autonomes oder halbautonomes System 12, das konfiguriert ist, um eine Trajektorie für das Fahrzeug 10 zu planen, das Fahrzeug 10 zu steuern, um die geplante Trajektorie durchzuführen.
• Wenn das Fahrzeug 10 in dem autonomen Modus betrieben wird, steuert das System 12 automatisch die Bewegung des Fahrzeugs 10, z. B. das Lenken und die Beschleunigung/Verlangsamung. In dem autonomen Modus kann das System 12 Befehlssignale an ein elektrisches Servolenkungssystem (EPAS) des Fahrzeugs 10 ausgeben, oder bei alternativen Anordnungen kann das System 12 anderweitig einem Lenkmechanismus des Fahrzeugs 10 zugeordnet sein, sodass das System 12 Anpassungen an der Lenkrichtung des Fahrzeugs 10 vornehmen kann. In dem autonomen Modus kann das System 12 eine Position des Fahrzeugs 10 bezüglich eines oder mehrerer Merkmale, die auf einer Oberfläche bereitgestellt sind, auf der das Fahrzeug 10 fährt, zum Beispiel weiße Linien auf einer Straße, die die Begrenzung einer „Spur“ bezeichnen, modifizieren, verwalten oder anderweitig steuern.
• Wenn im Gegensatz dazu das Fahrzeug 10 in einem manuellen Modus betrieben wird, steuert ein Fahrer die Bewegung des Fahrzeugs 10. In dem manuellen Modus besitzt das autonome System 12 die Kontrolle über die Fahrzeugbewegung nicht und befindet sich in einem deaktivierten Zustand.
• Das Fahrzeug 10 beinhaltet eine Anzahl von Teilsystemen und Sensoren 14, die dem autonomen System 12 Daten bereitstellen, sodass es eine Fahrzeugtrajektorie planen kann. Die Subsysteme/Sensoren 14 beinhalten Radarsensoren 14a, akustische Sensoren 14b, Kameras/Bildsensoren 14c und LiDAR-Sensoren 14d, die Daten von einem Straßensegment in der Nähe des Fahrzeugs 10 empfangen. Insbesondere können die empfangenen Daten Informationen beinhalten, die sich auf Merkmale des Straßensegments beziehen, einschließlich Straßen- und/oder Fahrbahnbegrenzungen und stationäre oder sich bewegende Hindernisse. Zum Beispiel können stationäre Hindernisse die Form von Bremsschwellen oder Schlaglöchern aufweisen, und bewegliche Hindernisse können die Form anderer Fahrzeuge oder Fußgänger aufweisen.
• Die Teilsysteme/Sensoren 14 beinhalten ebenso ein Navigationsteilsystem 14e zum Bereitstellen von Informationen bezüglich des umgebenden Straßensegments. Zusätzlich können die Teilsysteme/Sensoren 14 einen oder mehrere Transceiver zum Kommunizieren mit anderen Objekten oder Fahrzeugen in der Nähe des Fahrzeugs 10 beinhalten. Im Allgemeinen kann dies als ein Fahrzeug-zu-Allem-(V2X)-Kommunikationsteilsystem 14f bezeichnet werden und kann eine oder mehrere der Fahrzeug-zu-Fahrzeug(V2V)-Kommunikation, Fahrzeug-zu-Fußgänger(V2P)-Kommunikation, Fahrzeug-zu-Vorrichtung(V2D)-Kommunikation und Fahrzeug-zu-Netz(V2G)-Kommunikation beinhalten.
• 2 zeigt das System 12 detaillierter. Insbesondere beinhaltet das System 12 eine Komponente zum Planen einer Trajektorie 16 und eine Trajektorienachverfolgungs- und Fahrzeugbetätigungskomponente 18. Die Komponente zum Planen einer Trajektorie 16 beinhaltet wiederum ein Modul für erreichbare Zustände 20, ein Modul für eine zulässige Position oder ein Wahrnehmungsmodul 22, ein Zielzustandsmodul 24 und ein Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie, und deren Betrieb wird nachstehend jeweils ausführlich beschrieben. Das System 12 weist einen Empfänger 28 auf, der zum Empfangen von Daten von den Teilsystemen und den Sensoren 14 zur Verwendung bei dem Bestimmen einer Trajektorie für das Fahrzeug 10 konfiguriert ist. Die erzeugte Fahrzeugtrajektorie wird von der Komponente zum Planen einer Trajektorie 16 ausgegeben und kann beim Steuern der Betätigung des Fahrzeugs 10 verwendet werden, um die geplante Trajektorie nachzuverfolgen. Eine Ausgabe 29 von der Trajektorienachverfolgungs- und Fahrzeugbetätigungskomponente 18 zeigt aktuelle Fahrzeugzustände nach einer Betätigung basierend auf Sensormessungen und Schätzung aktueller Fahrzeugzustände an, und diese Ausgabe wird zum Modul zum Planen einer Trajektorie 16 und zur Trajektorienachverfolgung und zum Fahrzeugbetätigungsmodul 18 nach Betätigung des Fahrzeugs 10 in einem Regelkreis zurückgeführt.
• Wie oben erwähnt, plant das System in der vorliegenden Ausführungsform eine Trajektorie für das Fahrzeug 10, das als Prüffahrzeug (SV) 10 bezeichnet wird, um ein Überholmanöver an einem vorausfahrenden Fahrzeug durchzuführen, das als Führungsfahrzeug (LV) bezeichnet wird. 3 zeigt die Abfolge der in dem Überholmanöver eingeschlossenen Teilmanöver. In der beschriebenen Ausführungsform fahren das SV 10 und das LV 30 entlang einer zweispurigen Landstraße oder Autobahn 32. Insbesondere beinhaltet die Autobahn 32 eine „langsame Spur“ 34 und eine „schnelle Spur“ 36, die durch gestrichelte Linienmarkierungen 38 getrennt sind und eine Begrenzungsgrenze 40, 42 auf jeder Seite der Autobahn 32 aufweisen, und das SV 10 und das LV 30 fahren auf der langsamen Spur 34, mit dem SV 10 hinter dem LV 30. Das dargestellte Überholmanöver beinhaltet drei aufeinanderfolgende Teilmanöver, nämlich: (i) Spurwechsel 44; (ii) Spurhaltung 46; und (iii) Spureinfädelung 48. 3 stellt ebenso einen angemessenen Minimalabstand 50 dar, um den das SV 10 hinter dem LV 30 bleiben sollte, bevor ein Überholmanöver eingeleitet wird, und ebenso einen angemessenen Minimalabstand 52, den das SV 10 vor dem LV 30 bleiben sollte, bevor eine Einfädelung abgeschlossen wird, um ein Überholmanöver abzuschließen. Darüber hinaus zeigt 3 einen geeigneten minimalen seitlichen Abstand 54, den nebeneinander fahrende Fahrzeuge (zum Beispiel während eines Fahrspurhaltemanövers) in der schnellen und der langsamen Spur 34, 36 aufrechterhalten sollten. Das System 12 plant eine Trajektorie für das SV 10, um das LV 30 zu überholen, während das LV 30 vermieden wird und innerhalb der Straßenbegrenzung 40, 42 geblieben wird und während ebenso die geeigneten, zwischen Fahrzeugen zu haltenden Minimalabstände eingehalten werden.
• 4 zeigt die Straßengeometrie, insbesondere den Koordinatenrahmen und den Koordinatenbereich für das Überholmanöver, das das SV 10 in der hierin beschriebenen Ausführungsform durchführt. Zusätzlich zu einem Koordinatenträgheitsachsenkreuz (I-Frame) 60 werden drei weitere Koordinatenrahmen genutzt, nämlich ein Fahrzeugrahmen (V-Frame) 62, ein Hindernisrahmen (O-Frame) 64 und ein Straßenrahmen (R-Rahmen) 66. Der V-Rahmen befindet sich in dem Schwerpunkt des SV 10 und folgt der Roll-Neig-Gier(Roll-Pitch-Yaw - RPY)-Konvention. In ähnlicher Weise befindet sich der O-Rahmen in dem Schwerpunkt des LV 30 und folgt der RPY-Konvention, während sich der R-Rahmen an der Projektion des Ursprungs des V-Rahmens auf die innerste (ganz rechte) Kante 42 der Straße 32 mit der x-Achse in der Fahrtrichtung befindet. Ein generischer Punkt auf der Straße wird als w=(X, Y), wr=(Xr, Yr), wv=(Xv, Yv) oder wo=(Xo, Yo) bezeichnet, wenn er in dem I-, R-, V- beziehungsweise O-Rahmen ausgedrückt wird. δ_w ist die Breite der Spur 34. Der schattierte Bereich 68 bezeichnet ein Rechteck, das sich entlang des R-Rahmens 66 mit Scheitelpunkten V=(V1, V2, V3, V4) bewegt, und seine Verwendung wird nachstehend ausführlich beschrieben.
• Mit Bezug auf 5 wird nun ein Verfahren 70 beschrieben, das das System 12 zum Planen einer Trajektorie für das SV 10 zur Durchführung eines Überholmanövers an dem LV 30 durchführt. Insbesondere verwendet das Verfahren einen Rahmen aus realisierbaren feldähnlichen Funktionen und eine modellprädiktive Steuerung (MPC) zur Durchführung eines Überholmanövers auf einer Autobahn. Zusammenfassend beinhaltet der Rahmen ein künstliches Potentialfeld (APF) oder ein Modul 22 für eine zulässige Position, einen Zielerzeugungsblock oder ein Zielzustandsmodul 24 und den/das Trajektorieerzeugungsblock oder -modul 26. Das APF wird verwendet, um den umgebenden Bereich des SV 10 abzubilden. Im Gegensatz zu typischen Ansätzen mit einem Potentialfeld, bei denen die Position eines Hindernisses zur Identifizierung von Gebieten verwendet wird, die nicht betreten werden sollten, kombiniert das beschriebene Verfahren die Position, Orientierung und relative Geschwindigkeit eines Hindernisses, um eine Karte zulässiger Gebiete um das SV 10 zu erstellen. Zu jedem Abtastzeitpunkt identifiziert das Zielzustandsmodul 24 den wünschenswertesten Punkt der Straße, der mit der Dynamik des SV 10 kompatibel ist, und berechnet den Referenzzustandssollwert (z. B. die Geschwindigkeit, die seitliche Position und den Richtungswinkel), der nachverfolgt werden soll. Um dieses Ziel zu erreichen, kombiniert das Zielzustandsmodul 24 die zulässigen Gebiete oder Punkte in dem Potentialfeld mit der Fahrzeugdynamikfähigkeit des SV 10, die durch den erreichbaren Satz des SV 10 von seinem aktuellen Zustand aufgenommen wird. Das Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie verwendet eine MPC-Strategie, um realisierbare Trajektorien zu erzeugen und das SV 10 zu den erforderlichen Referenz(Ziel)zuständen zu lenken. Der MPC-Ansatz stellt Stabilität in dem geschlossenen Regelkreis bereit, während er die dauerhafte Realisierbarkeit des Optimierungsproblems, das von jeder modellprädiktiven Problemformulierung benötigt wird, sicherstellt. Daher liegt in dem beschriebenen System 12 die Bürde der Hindernisvermeidung bei dem Modul 22 für die Wahrnehmung oder zulässige Position, und die Bürde der realisierbaren Trajektorie liegt bei der MPC oder dem Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie.
• In Schritt 72 bestimmt das Modul für erreichbare Zustände 20 einen Satz erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb eines vorgeschriebenen Zeitraums. Das heißt, das Modul für erreichbare Zustände 20 bestimmt einen Satz aller realisierbaren Fahrzeugzustände, die das SV 10 innerhalb des vorgeschriebenen Zeitraums annehmen kann. Jeder erreichbare Fahrzeugzustand in dem Satz beinhaltet eine erreichbare Fahrzeuggeschwindigkeit, einen erreichbaren Fahrzeugrichtungswinkel, eine erreichbare Fahrzeuglängsverschiebung und eine erreichbare Fahrzeugquerverschiebung.
• Der erreichbare Satz wird in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung bestimmt. Insbesondere beinhalten die Fahrzeugbeschränkungen eine oder mehrere aktuelle Fahrzeugzustandsvariablen, wie etwa eine aktuelle Fahrzeugposition, einen aktuellen Fahrzeugrichtungswinkel und eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Fahrzeugbeschränkungen beinhalten ebenso zugelassene Zustandsvariablen, wie etwa einen zugelassenen Fahrzeugrichtungswinkel, eine zugelassene Fahrzeuggeschwindigkeit und eine zugelassene Fahrzeugquerposition. Zusätzlich beinhalten die Fahrzeugbeschränkungen Fahrzeugeingabebeschränkungen wie etwa einen zugelassenen Fahrzeuglenkwinkel und eine zugelassene Fahrzeugbeschleunigung. Ferner beinhalten die Fahrzeugbeschränkungen eine oder mehrere Fahrzeugdynamikbeschränkungen, wie etwa Abmessungen des Fahrzeugs, eine Fahrzeugmasse, eine Fahrzeugmassenverteilung, eine Art von Gelände, über das das Fahrzeug fährt, einen Fahrzeugreifentyp und einen Fahrzeugreifendruck. 6 stellt den V-Rahmenbereich 74 von Positionen dar, die das SV 10 in dem Fall erreichen kann, in dem das SV 10 mit einer konstanten Geschwindigkeit von 33,33 m/s für eine vorgeschriebene Zeit von 1,6 s mit zugelassenen Lenkeingaben fährt. Insbesondere zeigt 6 eine konvexe Annäherung des erreichbaren Satzes. Es ist zu beachten, dass es sich bei dem exakten erreichbaren Satz um einen nicht konvexen Satz handelt, der schwer zu berechnen und graphisch darzustellen ist, und dementsprechend wird stattdessen eine konvexe Annäherung hierin verwendet.
• Der Satz von erreichbaren Fahrzeugzuständen kann aus einem vorbestimmten Raum von Potentialsätzen von erreichbaren Fahrzeugzuständen ausgewählt werden, wobei jeder Potentialsatz von erreichbaren Fahrzeugzuständen eine unterschiedliche Kombination von Werten von einer oder mehreren der Fahrzeugbeschränkungen und/oder des vorgeschriebenen Zeitraums aufweist. In einem solchen Fall wird der Satz erreichbarer Zustände offline berechnet und in einem bordeigenen Speicher des Fahrzeugs 10 gespeichert. Alternativ kann der Satz erreichbarer Fahrzeugzustände in vordefinierten Intervallen basierend auf Werten der Fahrzeugbeschränkungen bestimmt und in regelmäßigen Intervallen über die Fahrzeug-zu-Allem-Kommunikation aktualisiert werden.
• Mathematisch, für ein System mit den Zuständen x, den Eingaben u und den Ausgaben y, die einer Systemdynamik unterliegen, die durch Folgendes beschrieben wird: $$\dot{x}=f\left(x,u\right)$$

  

  $$y=h\left(x,u\right)$$

  
• Wobei, wenn f und h die Zustands- und Ausgabefunktionen (linear oder nichtlinear) sind, ist dann der erreichbare Satz, der durch ℜ(t_*; x₀) für ein System bezeichnet ist, das durch die obigen Zustands- und Ausgangsgleichungen definiert wird, als die Sammlung aller Zustände definiert, die in einer vorgeschriebenen Zeit erreicht werden können, wenn der anfängliche Zustand durch Anwenden von zugelassenen Eingaben vorliegt, d. h. $$R\left(t_{*};x_0\right)={\displaystyle \underset{u(\cdot ),t\in \left[\mathrm{0,}{t}_{*}\right]}{\cup }x\left(t_{*};x_0,u(\cdot )\right)}$$

  

  wobei u(-) ∈ u die Eingabe für das obige System in dem Zeitbereich t = [0, t_*] darstellt.
• In Schritt 76 empfängt das System 12 und insbesondere die Komponente zum Planen einer Trajektorie 16 Straßensegmentdaten von den Sensoren und den Teilsystemen 14. Die empfangenen Straßensegmentdaten zeigen wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des SV 10 an. Die Straßensegmentdaten beinhalten Daten, die sich auf Hindernisse in dem Straßensegment beziehen. In diesem Fall ist eines der Hindernisse ein anderes Fahrzeug, nämlich das LV 30. Die Straßensegmentdaten beinhalten die aktuelle Geschwindigkeit, relative Position und Orientierung des LV 30. Bei Autobahnfahrgeschwindigkeit kann ein Überholmanöver etwa 50 m hinter dem LV 30 initiiert werden und etwa 50 m vor dem LV 30 enden. Daher muss das SV 10 über die umgebenden Hindernisse in dem Straßensegment ein genaues Situationsbewusstsein (über die empfangenen Straßensegmentdaten) aufweisen, um Trajektorien zu planen, die die Hindernisse vermeiden.
• Die Straßensegmentdaten können ebenso Daten beinhalten, die nicht bewegliche Objekte anzeigen, wie etwa Schlaglöcher, Bremsschwellen und blockierte Spuren. Wie oben erwähnt, beinhalten die Straßensegmentdaten ebenso Daten, die die Straßenbegrenzungen 40, 42 und die Spurbegrenzung 38 anzeigen. Ferner beinhalten die Straßensegmentdaten Daten, die Fahrvorschriften anzeigen, wie etwa eine Geschwindigkeitsbegrenzung der Straße 32 und welche Spuren verwendet werden können, um ein Überholmanöver durchzuführen. Zusätzlich beinhalten die Straßensegmentdaten einen aktuellen Fahrzeugzustand oder eine aktuelle Fahrzeugtrajektorie.
• In Schritt 78 bestimmt das Modul 24 für eine zulässige Position mehrere zulässige Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment 68. Diese Bestimmung erfolgt in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten. Die mehreren zulässigen Fahrzeugpositionen liegen innerhalb des bestimmten Satzes von erreichbaren Fahrzeugpositionen. In der beschriebenen Ausführungsform wird ein APF verwendet, um den zulässigen Satz zu bestimmen. Insbesondere wird das APF verwendet, um den umgebenden Bereich, insbesondere den Bereich 68 des SV 10 abzubilden. Mit dem APF wird eine Karte der zulässigen Gebiete um das SV 10 erstellt. Das APF ist größer als der Satz erreichbarer Fahrzeugpositionen 74.
• Eine Potentialfeld-ähnliche Wahrnehmung kann so gestaltet sein, dass es zu dem gewünschten Fahrerverhalten hin führt. Die Umgebung (das Straßensegment) wird durch die Verwendung eines Potentialfelds beschrieben, in dem einige Straßenelemente (z. B. Straßengrenzen, Straßenmarkierungen, andere Verkehrsteilnehmer) zur Gestaltung einer Potentialfunktion in Betracht gezogen werden, um Fahrvorschriften zu beinhalten und das SV 10 durch die zulässigen Straßenbereiche zu führen.
• Eine Nettopotentialfunktion U_r wird durch Kombinieren einiger Potentialfunktionen erzeugt, wobei der Entwurf jeder Potentialfunktion eine oder mehrere Fahrvorschriften einschließen soll. Insbesondere ist eine Straßenpotentialfunktion U_Straße ausgelegt, um das SV 10 von den Straßengrenzen/-begrenzungen 40, 42 fernzuhalten, und ist eine Spurpotentialfunktion U_Spur für die Spurhaltung ausgelegt, und ist eine Spurgeschwindigkeitspotentialfunktion U_Geschw derart ausgelegt, dass das SV 10 die innerste (langsamste) Spur 34 einnimmt, wenn mehr als eine Spur verfügbar ist. Außerdem ist eine Kraftfahrzeugpotentialfunktion U_{Kraftfahrzeug} derart ausgelegt, dass das SV 10 entweder einen geeigneten Abstand zum LV 30 einhält oder, falls die andere Spur 36 verfügbar ist, auf eine schnellere Spur wechselt. Die Nettopotentialfunktion U_r wird durch Überlagerung dieser einzelnen Potentialfunktionen erzeugt, um eine Wahrnehmungskarte zu erstellen, die zum Überholen auf menschenähnliche Weise verwendet werden kann. Der Aufbau der einzelnen Potentialfunktionen wird nachfolgend erläutert.
• Spurpotentialfunktion
• Unterschiedlichen Spuren auf einer Straße ist eine implizite Geschwindigkeit zugeordnet, d. h. die Geschwindigkeit nimmt von der innersten Spur 34 zu der äußersten Spur 36 progressiv zu. Eine höhere Geschwindigkeit kann ein höheres Risiko anzeigen, sodass jeder Spur 34, 36 der Straße 32 ein gewisses Potential zugeordnet wird, um ihr zugeordnetes Risikoniveau zu beschreiben. In der vorliegenden Ausführungsform wird dies durch die folgende Funktion beschrieben: $$U_{\text{Geschw}\text{,}i}\left(w_{\text{r}}\right)=\gamma \left(v_{\text{Spur},i}\left(w_{\text{r}}\right)-v_{\text{Spur}\mathrm{,1}}\left(w_{\text{r}}\right)\right)$$

  

  wobei ω ein Verstärkungsfaktor ist, v_Spur,i die Nenngeschwindigkeit der i^ten Spur ist und U_Geschw,i das Potential ist, das durch die Spurgeschwindigkeit der i^ten Spur verursacht wird.
• Straßenpotenzialfunktion
• Das Straßenpotential ist so ausgelegt, dass die Begrenzungen 40, 42 das höchste (unendliche) Potenzial aufweisen und die Mitte der Straße das niedrigste Potenzial aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform wird dies durch die folgende Funktion beschrieben: $${\text{U}}_{\text{Straße},i}\left(w_{\text{r}}\right)=\frac{\omega }{2}{\left(\frac{1}{J_{\text{r}}-J_{\text{b}}}\right)}^2$$

  

  wobei ω ein Skalierungsfaktor ist, J_b die y-Koordinate einer der Straßenkanten 40, 42 ist.
• Spurpotentialfunktion
• Eine Spurpotentialfunktion erzeugt eine virtuelle Barriere zwischen den Spuren 34, 36, um das SV 10 in Richtung der Spurmitte zu lenken. In der vorliegenden Ausführungsform wird dies durch die Gaußsche Funktion beschrieben, um das gewünschte Verhalten zu erreichen: $$U_{\text{Spur},i}\left(w_{\text{r}}\right)={\ast }_{\text{Fahrbahn}}\text{exp}\left(\frac{-{\left(J_{\text{r}}-J_{\text{l},i}\right)}^2}{2{\sigma }^2}\right)$$

  

  wobei *_Fahrbahn die Amplitude des Spurteilerpotentials bereitstellt, J₁,_i die y-Koordinate der i^ten Fahrspurteilung ist und σ ein Skalierungsfaktor ist.
• Kraftfahrzeugpotentialfunktion
• Das LV 30 ist als rechteckige Fläche mit virtuellen dreieckigen Keilen, auch als Puffergebiete bezeichnet, an der Vorder- und Rückseite des LV 30 angefügt modelliert. Der Ort, d. h. die x- und y-Koordinate, des Scheitelpunkts des Dreiecks hinter dem LV 30 wird auf der Grundlage der Geschwindigkeit des LV 30 und der Abstandszeit h_t berechnet. Indem B_lv als Koordinatensatz bezeichnet wird, der das LV 30 und die zwei dreieckigen Keile enthält, wird die Yukawa-Funktion zur Beschreibung des Potentials aufgrund des LV 30 und der dreieckigen Keile wie folgt verwendet: $$U_{\text{Kraftfahrzeug}}\left(w_{\text{r}}\right)={\ast }_{\text{Kraftfahrzeug}}\left(\frac{e^{-\alpha K_{\text{d}}}}{K_{\text{d}}}\right)$$

  

  wobei α ein Yukawa-Skalierungsfaktor ist, A_{Kraftfahrzeug} die Yukawa-Amplitude ist und K_d der euklidische Abstand zur nächsten Koordinate des mit B_lv bezeichneten Hindernisses ist, angegeben als $$K_{\text{d}}=\underset{b_0\in B_{\text{lv}}}{{\displaystyle \text{min}}}\Vert b_0-w_{\text{r}}\Vert .$$

  
• Diese individuellen Potentiale werden überlagert, um eine Gesamtwahrnehmungskarte oder Nettopotentialfunktion der Fläche, die das SV 10 umgibt, zu erhalten und werden angegeben durch $$U_{\text{r}}\left(w_{\text{r}}\right)=U_{\text{Geschw}}+U_{\text{Straße}}+U_{\text{Spur}}+U_{\text{Kraftfahrzeug}}$$

  

  wobei gilt: $$U_{\text{Spur}}={\displaystyle \sum _{i=1}^{N_{\text{Spuren}}}{U}_{\text{Spur},i}}$$

  

  und $$U_{\text{Geschw}}={\displaystyle \sum _{i=1}^{N_{\text{Spuren}}}{U}_{\text{Geschw},i}}$$

  
• In der Praxis wird das Nettopotentialfeld in dem V-Rahmen untersucht, um die Trajektorieplanung zu erleichtern, und so wird die oben angegebene Funktion U_r (w_r ) (linear) in den V-Rahmen umgewandelt, um eine Nettopotentialfunktion zu ergeben $$U_{\text{V}}\left(w_{\text{V}}\right)\triangleq U_{\text{r}}\left(T_{\text{r}}^{\text{v}}\left(w_{\text{V}}\right)\right).$$

  
• Durch das Zuweisen einer Schwellengrenze U_ganz , werden die zulässigen Bereiche oder Positionen der Straße, die das SV 10 umgeben, als Folgendes ausgedrückt: $$G_{\text{v}}=\left\{w_{\text{v}}\in T_{\text{v}}^{\text{r}}\left(B_{\text{lv}}\right):U_{\text{V}}\left(w_{\text{V}}\right)\le U_{\text{ganz}}\right\}.$$

  
• Dies stellt eine Reihe zulässiger Bereiche bereit und das SV 10 muss Trajektorien planen, die es innerhalb dieses Satzes halten, um das Risiko zu reduzieren.
• Der Satz g_v berücksichtigt nicht die Fahrdynamik des SV 10, und somit können einige Bereiche der Straße mit einem zulässigen Potential in der Praxis nicht erreichbar sein. Das Verfahren zum Auswählen von Referenzpunkten in dem Satz zulässiger Bereiche, die mit der Dynamik des SV 10 kompatibel sind, wird nachstehend beschrieben.
• 7 zeigt eine beispielhafte Simulation, die von dem Modul 22 für zulässige Positionen ausgeführt wird. Insbesondere zeigt 7(a) eine dreidimensionale Ansicht der gesamten potentiellen Funktion in dem R-Rahmen, und die lokalen Minima in der Mitte jeder Spur zum Führen des SV 10 können zusammen mit einem durch das LV 30 erzeugten Trapezfeld gesehen werden. 7(b) zeigt die Pegelkurven für den gleichen Zeitpunkt in dem R-Rahmen. Das LV 30 ist mit Puffergebieten 31, d. h. dreieckigen Anhängen, gezeigt, in denen das Potentialfeld schnell ansteigt, um zu verhindern, dass das SV 10 während verschiedener Phasen eines Überholmanövers zu nahe an das LV 30 kommt.
• Zurückkehrend zu 5 bestimmt das Zielzustandsmodul 24 in Schritt 80 einen Zielfahrzeugzustand mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment 68. Die Zielfahrzeugposition entspricht einer der mehreren bestimmten, in Schritt 78 berechneten zulässigen Fahrzeugpositionen. Zum Beispiel ist in der beschriebenen Ausführungsform die Zielfahrzeugposition die zulässige Fahrzeugposition, die am weitesten von dem Fahrzeug 10 entfernt ist. Der Zielfahrzeugzustand beinhaltet ebenso eine Zielfahrzeuggeschwindigkeit und einen Zielfahrzeugrichtungswinkel.
• Die Dynamik des SV 10 in dem I-Rahmen während der Fahrt auf der Straße 32 mit einer gewünschten Geschwindigkeit v_Ziel sind mit einem linearen kinematischen Fahrradmodell dargestellt. Indem die Fahrzeugzustände, die von Interesse sind, als x ≐ [X, Y, ψ, v_x]^T bezeichnet werden, wobei ψ der Richtungswinkel ist, v_x die Längsgeschwindigkeit ist, X, Y die Längs- und Querverschiebung des SV 10 sind, wird die Dynamik des SV 10 durch Folgendes beschrieben $$\dot{x}=A_{c}x+B_{c}u$$

  

  wobei u ≐ (α_x, δ_f) ∈ U die Steueraktion ist, a_x die Längsbeschleunigung ist und δ_f der vordere Lenkwinkel ist. Die Systemmatrizen A_c und B_c sind durch Folgendes gegeben: $$A_c=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 1\\ 0& 0& v_{\text{Ziel}}& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right],$$

  

  $$B_c=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& v_{\text{Ziel}}/L_{\text{wb}}\\ 0& 0\end{array}\right],$$

  

  wobei L_wb der Radstand des SV 10 ist.
• In idealen Autobahnfahrsituationen kann die Dynamik des Systems durch ẋ = [v_x0,0,0]^T beschrieben werden, und Manöver (z. B. Spurwechsel, Einfädeln usw.) können als Übergänge von einem Satz von Zuständen zu einem anderen Satz von Zuständen betrachtet werden. In solchen idealen Szenarien besteht die Aufgabe des SV 10 darin, seine Trajektorie anzupassen, um Hindernisse zu vermeiden, während sichergestellt wird, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit die gewünschte Längsgeschwindigkeit v_Ziel nicht überschreitet. Ausgehend von einer anfänglichen Position w₀ = (X₀,J₀) und Fahren bei v_Ziel unter Verwendung zugelassener Steueraktionen aus dem Satz {(a_x,δ_f):a_x ≤ 0, (a_X, δ_f) ∈ U_v}, kann der Satz ℜ der Zustände, die ohne Überschreiten der gewünschten Geschwindigkeit v_Ziel in dem Zeitintervall t_* des Systems erreichbar sind, unter Verwendung der oben angegebenen Gleichung für ℜ(t_*; x₀) bestimmt werden. Folglich ist der Satz von erreichbaren Quer- und Längskoordinaten für das SV 10 in dem V-Rahmen $$R_{\text{V}}=T_{\text{V}}^I\left({\text{Proj}}_{\text{w}}\left(R\right)\right),$$

  

  wobei im Allgemeinen für einen Satz Γ ⊂ ℝ^na+nb der Projektionsbetrieb als Proj_a(Γ) = {α ∈ ℝ^na: ∃b ∈ ℝ^nb, (a, b) ∈ Γ} definiert ist.
• Dann unter Verwendung der oben angegebenen Gleichungen für $G_{\text{v}}$

  

  und ℜ_v sind die zulässigen Gebiete oder Regionen, die das SV 10 umgeben, die in Bezug auf den Fahrzeugzustand und die Fahrzeugdynamik erreichbar sind, folgende $$R_{\text{V},\text{ganz}}\triangleq G_{\text{v}}\cap R_{\text{V}}.$$

  
• Die Referenzzielkoordinaten w_v = (X̂_v,Ĵ_v) werden aus ℜ_v,ganz mit dem Ziel ausgewählt, die vom SV 10 in dem Zeitintervall t_* zurückgelegte Entfernung zu maximieren, d. h. $${\widehat{w}}_v=\underset{w_{\text{v}}\in R_{\text{V},\text{ganz}}}{{\displaystyle \text{argmax}}}\Vert w_{\text{v}}-w_{\text{v0}}\Vert .$$

  
• Es kann ebenso für das SV 10 vorteilhaft sein, den Längsabstand von X_v0 bis X̂_v mit einheitlicher Längsgeschwindigkeit zu durchqueren, sodass die Zielgeschwindigkeit als Folgendes ausgewählt wird. $${\widehat{v}}_x=\frac{\Vert {\widehat{X}}_v*X_{\text{v0}}\Vert }{t_{*}}.$$

  
• Ferner, da angenommen wird, dass das SV 10 in der beschriebenen Ausführungsform auf einer geraden Straße ψ = 0 fährt, bleibt der Zielrichtungswinkel des SV 10 weiterhin ψ̂ = 0. Somit wird x̂ = [X̂_v, Ŷ_v, ψ̂, v̂_x] durch Stapeln der Bezugsziele für jeden Zustand der Zielzustandsvektor für das System erhalten.
• Da der Bereich B_lv, (der Satz von Koordinaten, der das LV 30 und die zwei dreieckigen Keile, in die das SV 10 nicht eintreten sollte, beinhaltet), d. h. der unzulässige Bereich, der das LV 30 umgibt, sich mit einer Geschwindigkeit v_lx - v_x in dem R-Rahmen 66 bewegt, verändern sich der zulässige, erreichbare Bereich und Referenzziele entsprechend mit jedem Schritt. Eine beispielhafte Simulation der Referenzziele, die von dem Zielzustandsmodul 24 für einige Zeitschritte ausgeführt wird, ist in 8 in dem I-Rahmen 60 gezeigt, wobei die Referenzziele zusammen mit der Position des SV 10 (angezeigt durch ein Quadrat) als Kreuze und dem LV 30 (angezeigt durch eine Raute) gezeigt sind. Insbesondere zeigt 8, dass die Zielreferenzen, die vom SV 10 zum Überholen des LV 30 ausgewählt wurden[sic]. Insbesondere bewegt sich das SV 10 hinter das LV 30, und dann wird die Mitte der schnellen Spur zum Bereich des niedrigsten Potentials und ist mit der Prüffahrzeugdynamik kompatibel; somit wird ermöglicht, dass sich das SV 10 auf diese Spur bewegt, um das LV 30 zu überholen. Nachdem sich das SV 10 ausreichend vor das LV 30 bewegt hat, wird die Mitte der langsamen Spur wieder zum Bereich des niedrigsten Potentials und ist ebenso von dem SV 10 erreichbar. Daher kann sich das SV 10 in einem Abstand ausreichend vor dem LV 30 in die langsame Spur einfädeln, um das Überholmanöver abzuschließen.
• Wieder auf 5 Bezug nehmend, wird in Schritt 82 das Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie derart konfiguriert, dass es eine realisierbare Trajektorie für das SV 10 bestimmt, um in Abhängigkeit von einer oder mehreren der oben beschriebenen Fahrzeugbeschränkungen zur Zielfahrzeugposition zu fahren. Insbesondere führen die Zielzustände x̂, die bei jedem Zeitschritt unter Verwendung des obigen Ansatzes erzeugt werden, zu stückweisen Referenzen. Wenn zum Beispiel festgestellt wird, dass ein Spurwechsel erforderlich ist, wechselt Ŷ_v von der Mitte einer Spur zur anderen. In der beschriebenen Ausführungsform wird ein MPC-Verfahren verwendet, um die Trajektorie zu planen, um das SV 10 von seinem aktuellen Zustand in einen zulässigen Zielzustand auf eine zugelassene Weise zu lenken, d. h. unter Berücksichtigung der Fahrzeugdynamik, der Zustandsbeschränkungen und der Eingabebeschränkungen. Der Vorteil der beschriebenen MPC-Strategie ist die Fähigkeit, den Zustand eines eingeschränkten Systems in Richtung eines beliebigen Sollwerts (d. h. des gewünschten Zielzustands) zu lenken, unabhängig davon, ob er zum Endgerätesatz gehört oder nicht. Das Verfahren garantiert die asymptotische Konvergenz des Systemzustands zu jedem zugelassenen beständigen Zielzustand. Wenn der beständige Zustand nicht zugelassen ist, lenkt die Steuerstrategie das System in den nächstliegenden zugelassenen stationären Zustand.
• In der vorliegenden Ausführungsform hängt die Dynamik des Zustands (X) nur von v_x, ab, und somit ist es möglich, das System für die Erzeugung einer Trajektorie weiter zu vereinfachen, um die Rechenzeit zu reduzieren. Insbesondere ist das System mit reduzierter Ordnung Folgendes $${\dot{x}}_{\text{r}}=A_{\text{rc}}{x}_{\text{r}}+B_{\text{rc}}u,$$

  

  wobei x_r = [Y, ψ, v_x]^T der Systemzustand ist, u = [a_x, δ_f]^T die Eingabe ist und die Systemmatrizen folgende sind: $$A_{\text{rc}}=\left[\begin{array}{ccc}0& v_{\text{Ziel}}& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$$

  

  und $$B_{\text{rc}}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& v_{\text{Ziel}}/L_{\text{wb}}\\ 1& 0\end{array}\right].$$

  
• Dieses System mit reduzierter Ordnung nimmt die relevante Dynamik des Systems auf und eignet sich zum Planen zulässiger und realisierbarer Trajektorien. Darüber hinaus befindet sich das reduzierte System in einem beständigen Zustand, während das SV 10 auf geraden Autobahnen ungehindert als ẋ_r(t) = [0,0,0]^T fährt. Ferner entspricht/entsprechen der/die Referenzvektor(en), der/die oben berechnet wurden, einer beständigen Zustandsbedingung für das System mit verringerter Ordnung, als x_r,ss = [Ŷ, ψ̂, v̂_x]^T ausgedrückt.
• Durch die Diskretisierung des Systems mit verringerter Ordnung mit einer Abtastzeit T_s, wird folgendes diskrete Zeitsystem erhalten: $$x_{\text{r}}\left(k+1\right)=A{x}_{\text{r}}\left(k\right)+Bu\left(k\right)$$

  

  $$y_{\text{r}}\left(k\right)=C{x}_{\text{r}}\left(k\right)+Du\left(k\right)$$

  

  wobei die Matrizen A, B, C, D konstant sind, das Paar (A, B) stabilisierbar ist, und das System harten Beschränkungen unterliegt, die als Folgendes ausgedrückt sind: $$z=\left(x_{\text{r}},u_{\text{r}}\right)\in Z=\left\{z\in {ℝ}^{n_x+n_u}:A_{z}z\le b_z\right\}$$

  

  wobei A_z ∈ ℝ^nz×(nx+nu) und b_z ∈ ℝ^nz, wobei n_z die Anzahl der Beschränkungen ist, sodass

  

  ein nicht leeres kompaktes konvexes Polyhedron ist, das den Ursprung seines Inneren enthält. In der beschriebenen Ausführungsform wird der obige Satz von harten Beschränkungen aus Zuständen und Eingaben erhalten, die die folgenden Ungleichungen erfüllen: $$x_{\text{r},\text{min}}\le x_{\text{r}}\le x_{\text{r},\text{max}}$$

  

  $$u_{\text{min}}\le u\le u_{\text{max}}$$

  
• Zu jedem einzelnen Zeitpunkt k wird das System durch Einstellen des Zielzustands als x̂_s = x_r,ss und des Anfangszustands als x_s(0) = x_r(k T_s) gelöst. Dann wird die Bezugstrajektorie ${\left[Y*,\psi *,v_{\text{x}}^{*}\right]}^T$

  

  für t ∈ [k T_s, (k + N) · T_s], mit N als dem Vorhersagehorizont berechnet, indem die optimale Lösung u* auf das oben angegebene dynamische System angewendet wird.
• Die dynamisch in 8 erzeugten Bezugspunkte werden direkt zum Erzeugen von Trajektorien verwendet. 9 stellt geplante Trajektorien und den tatsächlichen Pfad des SV 10, der in dem Referenzrahmen des LV 30 gezeigt ist, in einer beispielhaften Simulation dar, die vom Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie durchgeführt wird. Insbesondere zeigt 9, dass das Überholmanöver etwa 50 m hinter dem LV 30 eingeleitet wird, wodurch die Abgrenzungen, die von einem typischen Autobahnmanöver für gegebene Geschwindigkeiten der Fahrzeuge und eine gegebene Vorwärtszeit erwartet werden, beibehalten werden. Darüber hinaus sind die geplanten Trajektorien vom Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie oder vom MPC-Modul stabil und zeigen kein abweichendes Verhalten. Unter der Annahme einer perfekten Trajektorienachverfolgung wird gezeigt, dass die tatsächliche Trajektorie, der das SV 10 folgt, einem glatten Weg von der Mitte der langsamen Spur zu der Mitte der schnellen Spur folgt. Die vom neuartigen MPC geplanten Trajektorien sind dauerhaft realisierbar, was der autonomen Fahrfunktionalität ein zusätzliches Sicherheitsnetz bereitstellt.
• An den obigen Beispielen können zahlreiche Veränderungen vorgenommen werden, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen festgelegten Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
• Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform ein nichtlineares kinematisches Fahrradmodell mit kontinuierlicher Zeit verwendet wird, können ebenso Fahrzeugmodelle höherer Ordnung verwendet werden, um den Satz von erreichbaren Zuständen zu berechnen.
• Obwohl das System 12 und das Verfahren 70 oben unter Bezugnahme auf ein Autobahnüberholmanöver beschrieben wurden, sind sie gleichermaßen auf andere Arten relativ komplexer Manöver anwendbar, die ein Fahrzeug durchführen kann.
• Obwohl das System 12 oben als das Erzeugen von Trajektorien beschrieben worden ist, während es mit einer nahezu konstanten Geschwindigkeit fährt, sodass das Fahrzeug 10 während des Spurwechselteilmanövers nicht beschleunigt oder verlangsamt, werden in verschiedenen Ausführungsformen realisierbare Trajektorien für eine variierende Längsgeschwindigkeit erzeugt.

Claims (15)

1. System für ein Fahrzeug, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann, wobei das System zum Planen einer Trajektorie des Fahrzeugs ist, wobei das System Folgendes beinhaltet: einen Empfänger, der konfiguriert ist, um Straßensegmentdaten von wenigstens einem Teilsystem des Fahrzeugs zu empfangen, wobei die Straßensegmentdaten wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des Fahrzeugs anzeigen; ein Modul für einen erreichbaren Zustand, das konfiguriert ist, um einen Satz erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung zu bestimmen, wobei jeder der erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeugposition beinhaltet; ein Modul für eine zulässige Position, das konfiguriert ist, um mehrere zulässige Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten zu bestimmen, wobei die mehreren zulässigen Fahrzeugpositionen innerhalb des bestimmten Satzes von erreichbaren Fahrzeugpositionen liegen; ein Zielzustandsmodul, das konfiguriert ist, um einen Zielfahrzeugzustand mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment zu bestimmen, wobei die Zielfahrzeugposition einer der mehreren bestimmten zulässigen Fahrzeugpositionen entspricht; und, ein Erzeugungsmodul für eine Trajektorie, das konfiguriert ist, um eine realisierbare Trajektorie zu bestimmen, auf der das Fahrzeug in Abhängigkeit von der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung zu der Zielfahrzeugposition fährt, um die Fahrzeugtrajektorie zu planen.
2. System nach Anspruch 1, wobei das System ein Fahrzeugbetätigungsmodul beinhaltet, das konfiguriert ist, um ein Steuersignal zu senden, um das Fahrzeug zu steuern, um der realisierbaren Trajektorie zu folgen.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Straßensegmentmerkmal Folgendes umfasst: eine aktuelle Trajektorie des Fahrzeugs; Straßen- und/oder Fahrspurgrenzen; und/oder, Fahrvorschriften.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Straßensegmentmerkmal wenigstens ein Hindernis umfasst, optional wobei das wenigstens eine Hindernis ein weiteres Fahrzeug beinhaltet und die Straßensegmentdaten wenigstens eine Geschwindigkeit, eine Position und/oder eine Ausrichtung des weiteren Fahrzeugs beinhalten.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modul für eine zulässige Position zu Folgendem konfiguriert ist: Definieren eines künstlichen Potentialfeldes, das größer als der Satz erreichbarer Fahrzeugpositionen ist; und, Erzeugen einer Nettopotentialfunktion, die das künstliche Potentialfeld in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten beschreibt, wobei ein Potentialwert der Nettopotentialfunktion über das künstliche Potentialfeld variiert.
6. System nach Anspruch 5, wobei die Nettopotentialfunktion einen Beitrag von einem oder mehreren der folgenden Elemente beinhaltet: eine Fahrspurgeschwindigkeitspotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf eine Geschwindigkeit beziehen, die jeder Fahrbahn der Straße zugeordnet ist; eine Straßenpotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf Straßenbegrenzungen beziehen; eine Fahrspurpotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf Begrenzungen und/oder eine Mitte jeder Fahrspur der Straße beziehen; und, eine weitere Fahrzeugpotentialfunktion, die Informationen zu einer Fahrzeugdynamik eines weiteren Fahrzeugs auf der Straße beinhaltet.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung eine oder mehrere aktuelle Fahrzeugzustandsvariablen beinhaltet, optional wobei die aktuellen Fahrzeugzustandsvariablen eine aktuelle Fahrzeugposition, einen aktuellen Fahrzeugrichtungswinkel und eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit beinhalten.
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung eine oder mehrere zugelassene Fahrzeugzustandsvariablen beinhaltet, optional wobei die zugelassenen Fahrzeugzustandsvariablen einen zugelassenen Fahrzeugrichtungswinkel, eine zugelassene Fahrzeuggeschwindigkeit und eine zugelassene Fahrzeugquerposition beinhalten.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung eine oder mehrere Fahrzeugeingabebeschränkungen beinhaltet, optional wobei die Fahrzeugeingangsbeschränkungen einen zugelassenen Fahrzeuglenkwinkel, eine zugelassene Fahrzeugbeschleunigung und/oder eine oder mehrere Fahrzeugdynamikbeschränkungen beinhalten.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeuggeschwindigkeit, einen erreichbaren Fahrzeugrichtungswinkel, eine erreichbare Fahrzeuglängsverschiebung und eine erreichbare Fahrzeugquerverschiebung beinhalten.
11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zielfahrzeugposition der zulässigen Fahrzeugposition entspricht, die am weitesten von einer aktuellen Fahrzeugposition entfernt ist, wobei die zulässige Fahrzeugposition einer der erreichbaren Fahrzeugpositionen in dem Satz von erreichbaren Fahrzeugzuständen entspricht.
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Teilsystem des Fahrzeugs wenigstens eines von Folgendem beinhaltet: ein Fahrzeugnavigationsteilsystem; einen Ultraschallsensor; einen Radarsensor; einen LiDAR-Sensor; einen Bildsensor; und, einen Fahrzeug-zu-Allem-Transceiver.
13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erzeugungsmodul für eine Trajektorie konfiguriert ist, um eine modellprädiktive Steuerungsstrategie anzuwenden, um die realisierbare Trajektorie zu erzeugen.
14. Verfahren für ein Fahrzeug, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann, wobei das Verfahren zum Planen einer Trajektorie des Fahrzeugs gedacht ist, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: Empfangen von Straßensegmentdaten von wenigstens einem Teilsystem des Fahrzeugs, wobei die Straßensegmentdaten wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des Fahrzeugs anzeigen; Bestimmen eines Satzes erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung, wobei jeder der erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeugposition beinhaltet; Bestimmen mehrerer zulässiger Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten; Bestimmen eines Zielfahrzeugzustands mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment, wobei die Zielfahrzeugposition einer der bestimmten zulässigen Fahrzeugpositionen entspricht, die sich innerhalb des bestimmten Satzes erreichbarer Fahrzeugpositionen befinden; und, Bestimmen einer realisierbaren Trajektorie, auf der das Fahrzeug in Abhängigkeit von der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung zu der Zielfahrzeugposition fährt, um die Fahrzeugtrajektorie zu planen.
15. Fahrzeug, das ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 13 beinhaltet.

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