DE102022102118A1

DE102022102118A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Trajektorien auf einer gegebenen Strecke für mehrere Fahrzeuge mit gegebenen Leistungsspezifikationen

Info

Publication number: DE102022102118A1
Application number: DE102022102118.1A
Authority: DE
Inventors: Jan Filip; Arathi Pai; Ondrej Holub; Kristina Fedorova
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-01-31
Filing date: 2022-01-31
Publication date: 2023-08-03

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Erzeugen von Trajektorien auf einer gegebenen Strecke für mehrere Fahrzeuge mit gegebenen Leistungsspezifikationen bereit, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsspezifikationen der verwendeten Fahrzeuge (M1, M2, M3) ausgewählt werden; Straßeninformationen bezüglich der Strecke geladen werden; basierend auf den Fahranforderungen Fahrszenarienspezifikationen definiert werden; unter Verwendung der Fahrszenarienspezifikationen die Strecke in vollständig spezifizierte Segmente aufgeteilt wird und unabhängig durch Vorwärtssimulation der Fahranforderungen aufgelöst wird, wodurch Grenzbedingungen für etwaige verbleibende unzureichend spezifizierte Segmente der Strecke erhalten werden; für jedes der unzureichend spezifizierten Segmente ein Problem der optimalen Steuerung, basierend auf einem physikalischen Modell des Fahrzeugs (M1, M2, M3) und beschränkt durch die Fahranforderungen, des Minimierens des Leistungskriteriums formuliert wird und mittels nichtlinearer Programmierung gelöst wird; und die resultierenden Trajektorien (1, 2, 3) für jedes Fahrzeug (M1, M2, M3) an sicheren Vorbeifahrpositionen entlang der Strecke zusammengeführt werden und eine Ausführungsreihenfolge der Fahrzeuge (M1, M2, M3) durch Flow-Shop-Terminierung bestimmt wird.Die Erfindung stellt ferner eine korrespondierende Datenverarbeitungsvorrichtung, ein korrespondierendes Computerprogramm und ein korrespondierendes Medium bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Trajektorien auf einer gegebenen Strecke für mehrere Fahrzeuge mit gegebenen Leistungsspezifikationen. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine korrespondierende Datenverarbeitungsvorrichtung, ein korrespondierendes Computerprogramm und ein korrespondierendes Medium.
Stand der Technik
Das Ziel der Automatisierung von Dauertests ist es, sichere und wiederholbare Dauerhaftigkeitstests an Fahrzeugen zu ermöglichen, die Auslastung der Strecke zu erhöhen, Personalkosten zu reduzieren und menschliche Faktoren wie Ermüdung des Fahrers zu eliminieren.
Der Stand der Technik umfasst kommerzielle Systeme zur automatisierten Wiederholung von aufgezeichneten Trajektorien auf einer Teststrecke. Allerdings wird bei diesen bekannten Ansätzen nur die automatisierte Wiederholung einer vorher gefahrenen Trajektorie unterstützt. Die Definition von künstlichen Manövern ist typischerweise auf einfache Bausteine von Segmenten mit konstanter Geschwindigkeit oder konstanter Beschleunigung beschränkt. Der Definitionsprozess erfordert eine große Anzahl von Benutzereingaben, ist nur begrenzt in der Lage, das allgemeine Verhalten eines erfahrenen Testfahrers zu erfassen, und verlässt sich auf den Bediener, um die Sicherheit und Machbarkeit des Testszenarios zu gewährleisten. Daher muss die Trajektorie zunächst von einem menschlichen Fahrer gefahren werden, was die Flexibilität der Lösung bei der Erstellung neuer Testszenarien einschränkt. Außerdem werden bei diesen bekannten Ansätzen Kollisionen zwischen den Fahrzeugen im Plan nur reaktiv während der Testdurchführung verhindert, was den bisherigen Testfortschritt ungültig machen kann. Dies macht den manuellen Prozess der Testplandefinition für große Flotten automatisierter Testfahrzeuge nicht skalierbar, da der Bediener dafür verantwortlich ist, unerwünschte Einflüsse zwischen den Testfahrzeugen und ihren einzelnen Trajektorien zu verhindern.
US20190235516A1 verwendet ein auf Spline-Kurven basierendes Wegoptimierungsschema, gefolgt von einer auf Spline-Kurven basierenden Optimierung der Geschwindigkeitstrajektorie.
US 2019/079523 AA , US 2019/079528 AA , US 2019/086925 AA , US 2019/086930 AA und US 2019/317509 AA beziehen sich auf Steuerungssysteme für autonome Fahrzeuge, die Mittel zur Erzeugung von Trajektorien für ein bestimmtes Straßen- oder Streckensegment enthalten, wobei die optimale Steuerung, Geschwindigkeit oder Trajektorie des Fahrzeugs berechnet und verwendet wird.
Andere bekannte Ansätze für automatisierte Dauertests erlauben keine automatisierte Neuplanung und Neuterminierung im Fall des Hinzufügens oder Entfernens eines Testfahrzeugs.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf dem Problem - bei Vorgabe eines gewünschten Wegs, von Leistungsspezifikationen des Fahrzeugs (wie Reifenhaftung oder Motorleistung) und von Anforderungen an das Testszenario (wie konstante Beschleunigung, konstante Geschwindigkeit oder Segmente mit Geschwindigkeitsbegrenzung) -, eine vollständige Geschwindigkeitstrajektorie zu planen, die den gegebenen Beschränkungen genügt und die Leistungskriterien in Bezug auf Ausführungszeit, erforderliche Beschleunigung und so weiter minimiert.
Zu diesem Zweck stellt die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Trajektorien auf einer gegebenen Strecke für mehrere Fahrzeuge mit gegebenen Leistungsspezifikationen, eine korrespondierende Datenverarbeitungsvorrichtung, ein korrespondierendes Computerprogramm und ein korrespondierendes Medium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Das vorgeschlagene optimierungsbasierte Gerüst bietet eine automatisierte Generierung von Geschwindigkeitstrajektorien auf der Basis von Fahranforderungen und Leistungsspezifikationen unter voller Kontrolle über den Fahrstil mittels Parametrisierung und unterscheidet sich in seiner Flexibilität von den bestehenden automatisierten Streckenfahrkonzepten.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Zerlegung des Problems in Teilprobleme der Planung und Terminierung eine Parallelisierung und Skalierbarkeit für mehrere Fahrzeuge und gemeinsame Streckennutzung.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist für Geschwindigkeitsplanung auf gekrümmten Straßen unter Berücksichtigung von Reifenhaftung, erforderlichem Bremsweg, verfügbarer Bremskraft und beliebigen Kompromissen zwischen Leistung und Komfort anwendbar.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt, die unter anderem eine intuitive Abstimmung zwischen aggressiver und vorsichtiger Fahrweise und eine systematische Behandlung von Fahrdynamik und Fahreinschränkungen ermöglichen, wie durch eine zusätzliche Überprüfung der Fahranforderungen auf Machbarkeit vor der Optimierung, ein physikalisch basiertes Fahrzeugbewegungsmodell, das in die Trajektorieoptimierung einbezogen wird, oder eine systematische Berücksichtigung von Reifentraktionsgrenzen als Optimierungseinschränkungen.
Figurenliste

Die einzige 1 zeigt schematisch einen Verwendungsfall der Erfindung.

Ausführung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird, um eine Skalierbarkeit auf mehrere Fahrzeuge zu ermöglichen, das Trajektorie-Planungsproblem in unabhängige Teilprobleme unter Verwendung von Testszenario-Spezifikationen zerlegt. Der vorgeschlagene Trajektorie-Planungsrahmen besteht aus zwei Hauptmodulen:

Zunächst erzeugt eine globale Planungsvorrichtung (GPL) eine Trajektorie über ein gegebenes Streckensegment, indem sie ein Problem der optimalen Steuerung für jedes Streckensegment mit den aus den Testspezifikationen bestimmten Geschwindigkeitsrandbedingungen löst, was in einer Geschwindigkeitstrajektorie für jedes Fahrzeug und jedes Streckensegment resultiert. Die GPL stellt sicher, dass jedes Fahrzeug die geforderte Geschwindigkeitstrajektorie ausführt, wenn dies möglich ist, und erkennt ansonsten die Nicht-Machbarkeit der Anforderungen.

Zweitens kombiniert eine Terminierungsvorrichtung (SCH) einzelne Fahrzeugtrajektorien zur gemeinsamen Streckennutzung unter Verwendung von Ausführungsterminierung zur Vermeidung von Kollisionen und Minimierung der gesamten Ausführungszeit. Dabei wird die Fahrzeugterminierung durch die exklusive Zuteilung von Streckensegmenten an einzelne Fahrzeuge gelöst und als Flow-Shop-Terminierungsproblem formuliert, was in einem Terminplan der Ausführung von Fahrzeugtrajektorien (Aufträgen), die Streckensegmenten (Maschinen) zugeteilt sind, einschließlich der Reihenfolge der Fahrzeuge und der Überholreihenfolge und der Minimierung der Gesamtdauer der Testplanausführung („Zykluszeit“) resultiert.
Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, ist die vorgeschlagene Architektur aufgrund der Zerlegung von Planung und Terminierung, ihrer Eignung zur Parallelisierung (unabhängige Optimierung für jedes Streckensegment und Fahrzeug) und des möglichen server- oder cloudbasierten Einsatzes in hohem Maße skalierbar.
Um die Trajektorien zu erzeugen, beruht ein Verfahren gemäß der Erfindung auf mehreren Eingaben:

Als erste Eingabe wird die Strecke in Form von Wegedaten beschrieben, die auf einer Karte basieren oder separat in Abhängigkeit von geometrischen Beschränkungen der Straßenbegrenzungen wie ein minimaler Krümmungsweg geplant werden können. Der gewünschte Weg kann als Wegepunkte oder als eine Kombination aus Ausgangsposition, Orientierung und Krümmung als Funktion der zurückgelegten Strecke gegeben werden.

Wahlweise können auch Straßenneigung und Böschungswinkel, Reifen-Fahrbahn-Haftung und Überholmöglichkeiten entlang der Strecke spezifiziert werden.
Falls nur Wegepunkte durch ihre Position spezifiziert werden, wird die Krümmung unter Verwendung von Optimierung basierend auf einem kinematischen Fahrzeugmodell rekonstruiert, wobei die gewichtete Summe der Quadrate des Positionsfehlers (Anpassung), der erforderlichen Krümmung und der Krümmungsableitung minimiert wird.
Als eine zweite Eingabe werden Fahranforderungen spezifiziert. Zum Beispiel können konstante Geschwindigkeit über ein Segment der Strecke, ABS-Bremsung oder Vollgasbeschleunigung auf einem vorgegebenen Teil der Strecke, Geschwindigkeitsbereiche, die eingehalten werden müssen, und ähnliche Testmanöver spezifiziert werden.
Als eine dritte Eingabe wird die Fahrzeugleistung in Form von Eingangsleistung (z. B. Motorleistung, Wirkungsgrad und Fahrzeugmasse), Verlusten (z. B. Rollwiderstand oder Luftwiderstand), Reifenspitzenquerkraft oder -längskraft und anderen modellbasierten physikalischen Beschränkungen spezifiziert.
Als eine vierte Eingabe kann eine spezifische Leistungskriterien-Gewichtung festgelegt werden. Solche Abstimmungsparameter ermöglichen es, Verhalten zu erlangen, die von einer Trajektorie im Stil von Rennen mit minimaler Zeit bis hin zu einer „vorsichtigen“ Trajektorie mit minimalem Energieverbrauch reichen und enthalten jede beliebige Kombination des Vorstehenden wie Trajektorien mit bestrafter Beschleunigung und deren Zeitableitungen.
Aus Sicht der Software umfasst das vorgeschlagene Verfahren die folgenden Schritte:

Erstens werden basierend auf dem verwendeten Fahrzeug Leistungsspezifikationen ausgewählt und nach Erfordernis modifiziert.
Zweitens werden Straßeninformationen wie Krümmung, Haftung oder zulässiger Geschwindigkeitsbereich geladen und modifiziert, falls erforderlich.

Drittens können feste Fahrszenarienspezifikationen in Form von Segmenten mit konstanter Geschwindigkeit oder konstanter Beschleunigung definiert werden. Die Machbarkeit jeder Spezifikation wird durch Vergleich mit einem Profil maximaler Geschwindigkeit, das unter Verwendung der gegenwärtigen Straßenbedingungen und einer Rückwärtssimulation erhalten wurde, geprüft, wobei im Fall der Nicht-Machbarkeit weitere Eingaben angefordert werden.
Viertens werden unter Verwendung der Fahrszenarienspezifikationen nur die vollständig spezifizierten Wegsegmente ausgewählt und durch Vorwärtssimulation der Fahranforderungen unabhängig aufgelöst. Die Ergebnisse liefern die Randbedingungen für die verbleibenden, nicht ausreichend spezifizierten Streckensegmente.
Fünftens wird für jedes verbleibende nicht ausreichend spezifizierte Segment eine Geschwindigkeitstrajektorie durch Optimierung bestimmt, die das gewichtete Leistungskriterium der Gesamtausführungszeit und des Energieverbrauchs minimiert.
Sechstens werden die resultierenden Trajektorien für jedes Fahrzeug zwischen möglichen Plätzen zum Überholen zusammengeführt, und eine Flow-Shop-Terminierung wird durchgeführt, um die Ausführungsreihenfolge der Fahrzeuge zu bestimmen. Die Trajektorien der Fahrzeuge, die an den sicheren Überholorten warten, werden entsprechend modifiziert, zum Beispiel durch Verlängerung der Zeit zum Stehenbleiben.
Die geordnete Ausführung dieser Schritte ergibt den vollständigen Gesamtplan oder Terminplan für alle Fahrzeuge über eine vorgeschriebene Anzahl von Streckenrunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20190235516 A1 [0004]
US 2019079523 AA [0005]
US 2019079528 AA [0005]
US 2019086925 AA [0005]
US 2019086930 AA [0005]
US 2019317509 AA [0005]

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Trajektorien (1, 2, 3) auf einer gegebenen Strecke für mehrere Fahrzeuge (M1, M2, M3) mit gegebenen Leistungsspezifikationen unter Beobachtung gegebener Fahranforderungen und eines gegebenen Leistungskriteriums, dadurch gekennzeichnet, dass - die Leistungsspezifikationen der verwendeten Fahrzeuge (M1, M2, M3) ausgewählt werden, - Straßeninformationen bezüglich der Strecke geladen werden, - basierend auf den Fahranforderungen Fahrszenarienspezifikationen für jedes der verwendeten Fahrzeuge (M1, M2, M3) definiert werden, - unter Verwendung der Fahrszenarienspezifikationen die Strecke in vollständig spezifizierte Segmente für jedes der verwendeten Fahrzeuge (M1, M2, M3) aufgeteilt wird und unabhängig durch Vorwärtssimulation der Fahranforderungen aufgelöst wird, wodurch Grenzbedingungen für etwaige verbleibende unzureichend spezifizierte Segmente der Strecke erhalten werden, - für jedes der unzureichend spezifizierten Segmente ein Problem der optimalen Steuerung, basierend auf einem physikalischen Modell des Fahrzeugs (M1, M2, M3) und beschränkt durch die Fahranforderungen, des Minimierens des Leistungskriteriums formuliert wird und mittels nichtlinearer Programmierung gelöst wird und - die resultierenden Trajektorien (1, 2, 3) für jedes Fahrzeug (M1, M2, M3) an sicheren Vorbeifahrpositionen entlang der Strecke zusammengeführt werden und eine Ausführungsreihenfolge der Fahrzeuge (M1, M2, M3) durch Flow-Shop-Terminierung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Straßeninformationen Position, Krümmung, Haftung und zulässigen Geschwindigkeitsbereich betreffen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Fahrszenarienspezifikationen Segmente der Strecke betreffen, die bei konstanter Geschwindigkeit oder Beschleunigung zu fahren sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - nach Definieren der Fahrszenarienspezifikationen die Machbarkeit jeder Spezifikation durch Vergleichen der Spezifikation mit einem Profil maximaler Geschwindigkeit unter gegenwärtigen Straßenbedingungen auf den betreffenden Segmenten geprüft wird, wobei im Fall der Nicht-Machbarkeit weitere Eingaben angefordert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - das Profil maximaler Geschwindigkeit durch Rückwärtssimulation basierend auf den Leistungsspezifikationen jedes Fahrzeugs und den gegenwärtigen Straßenbedingungen erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass - das Leistungskriterium eine gewichtete Summe der gesamten Ausführungszeit und der zum Folgen der Trajektorien (1, 2, 3) erforderlichen Energie ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass, - die Trajektorien (1, 2, 3) der Fahrzeuge (M1, M2, M3) an den Vorbeifahrpositionen gemäß der Ausführungsreihenfolge modifiziert werden, wie durch verlängertes Stehenbleiben.
Datenverarbeitungsvorrichtung, die über Mittel zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verfügt.
Computerprogramm, angepasst zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Computerlesbares Medium mit dem darauf gespeicherten Programm nach Anspruch 9.