DE4300941B4

DE4300941B4 - System zur Steuerung eines beweglichen Körpers

Info

Publication number: DE4300941B4
Application number: DE4300941A
Authority: DE
Inventors: Shinnosuke Wako Ishida
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1993-01-15
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2013-01-16
Also published as: JPH05197423A; JP3286334B2; DE4300941A1; US5350912A

Abstract

System zum Lenken eines Fahrzeugs (W) im Wesentlichen längs eines Zielwegs (M), umfassend:
– eine Zielwegfestsetzungseinheit (4) zur Bestimmung eines Zielpunkts (P) auf dem Zielweg (M);
– eine Rechen- und Steuereinheit (5) zum Bestimmen einer Gierrate (τ_P) als Steuergröße (τ_P) zum Erreichen des Zielpunkts (P), um das Fahrzeug (W) zu veranlassen, den Zielpunkt (P) von einer beliebigen Position aus zu erreichen, und zum Bestimmen einer Bewegungsrichtung, in der sich bei Berechnung auf Grundlage der Gierrate (τ_P) das Fahrzeug (W) an dem Zielpunkt (P) bewegt, und zum Bestimmen einer Zielgierrate (τ_m) für das Fahrzeug (W); und
– eine Lenkeinheit (7) zum Lenken der Räder (6) des Fahrzeugs (W) auf Grundlage der Zielgierrate (τ_m),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rechen- und Steuereinheit (5) eine Zielpunkt-Winkeldifferenz (ΔθP) zwischen der Bewegungsrichtung, mit der das Fahrzeug (W) von der derzeitigen Position mit der Gierrate (τ_P) zur Erreichung des Zielpunkts zum Zielpunkt...

Description

Aus der JP-03-231311 A ist bspw. ein automatisch fahrendes Fahrzeug bekannt, welches automatisch derart gesteuert wird, daß es im wesentlichen längs eines Zielwegs fährt, welcher in einem möglichen Bereich auf einer Straße oder dergl. festgelegt worden ist.
Das bekannte automatisch fahrende Fahrzeug weist eine Bildaufnahmevorrichtung an seinem Frontteil auf sowie einen Prozessor zur Bearbeitung eines von der abbildenden Vorrichtung erzeugten Bilds, um auf einer Straße einen möglichen Bereich zu bestimmen, und zur Bestimmung eines Zielwegs in dem möglichen Bereich, längs welchem das Fahrzeug fahren soll. Das Maß, um den die Räder des Fahrzeugs gelenkt werden sollen, d. h. der Lenkwinkel, wird derart gesteuert, daß sich das Fahrzeug im wesentlichen längs des Zielwegs bewegt.
Der Lenkwinkel wird auf die nachfolgend beschriebene Weise gesteuert.
Wie in 3 der beigefügten Zeichnung dargestellt sei angenommen, daß ein Fahrzeug W und ein Zielweg M wie dargestellt relativ zueinander angeordnet sind, und daß ein xy-Koordinatensystem seinen Ursprung 0 bei dem Fahrzeug W hat, wobei eine x-Achse zu der Längsachse des Fahrzeugs W und eine y-Achse zu der Querachse des Fahrzeugs W ausgerichtet ist.
Zur Steuerung des Lenkwinkels des Fahrzeugs W wird ein Zielpunkt P auf dem Zielweg M vor dem Fahrzeug W festgesetzt.
Der Zielpunkt P weist eine x-Koordinate oder eine Komponente längs der x-Achse auf, die im wesentlichen gleich einem Abstand x_P (= VT) ist, die durchlaufen wird, wenn sich das Fahrzeug W für eine vorbestimmte vorgeschriebene Zeit T mit einer derzeitigen Fahrzeuggeschwindigkeit V längs der x-Achse bewegt.
Falls die Gierrate (Winkelgeschwindigkeit) des Fahrzeugs W ist, so fährt das Fahrzeug W je nach Gierrate τ längs eines imaginären gebogenen Wegs S. Derzeit bewegt sich das Fahrzeug W längs des Wegs S um die Entfernung x_P längs der x-Achse zu einem Punkt Q und das Fahrzeug W wird in Querrichtung, d. h. in Richtung der y-Achse, um eine Entfernung y versetzt. Die Entfernung y, d. h. die y-Koordinate des Punkts Q bzw. dessen Komponente längs der y-Achse, wird angenähert durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
Die Entfernung, um die das Fahrzeug W in Querrichtung, d. h. in Richtung der y-Achse, zum Zielpunkt P hin versetzt wird, wird mit y_P bezeichnet, d. h. die y-Koordinate des Punkts P bzw. seine Komponente längs der y-Achse wird mit y_P bezeichnet. Falls die Länge y_P in Gleichung (1) substituiert wird und diese nach τ aufgelöst wird, so ist die Gierrate τ_P, mittels derer das Fahrzeug W zum Zielpunkt P gebracht wird, durch Gleichung (2) gegeben:
Wenn die derzeitige Gierrate τ des Fahrzeugs W auf die so bestimmte Gierrate τ_P korrigiert wird, so kann das Fahrzeug W längs eines imaginären gebogenen Wegs S_P zum Zielpunkt P fahren.
Falls der Lenkwinkel der lenkbaren Räder 6 des Fahrzeugs W δ ist, wie in 1 der beigefügten Zeichnung dargestellt, so stehen der Lenkwinkel δ und die Gierrate τ miteinander gemäß der folgenden Gleichung in Beziehung:
wobei L der Achsstand des Fahrzeugs W und K ein Stabilitätsfaktor ist, der auf den Lenkungseigenschaften des Fahrzeugs W basiert.
Folglich wird der Lenkwinkel δ zur Erzeugung der Gierrate τ_P durch Substitution der Gierrate τ_P gemäß Gleichung (2) in Gleichung (3) bestimmt und das Fahrzeug W kann durch Lenken der lenkbaren Räder um den so bestimmten Lenkwinkel δ derart gesteuert werden, daß es zum Zielpunkt P fährt.
Die vorstehend dargelegten Berechnungen und das Verfahren zur Steuerung des Lenkwinkels werden sukzessive in vorbestimmten Zeitintervallen ausgeführt, um das Fahrzeug W zum Zielweg M und schließlich längs des Zielwegs M zu bewegen. Bei dem bekannten automatisch fahrenden Fahrzeug wird der Lenkwinkel im wesentlichen derart gesteuert, daß lediglich die Differenz zwischen der Position des Fahrzeugs W und des Zielwegs M in Querrichtung, d. h. in Richtung der y-Achse, am Ort des Fahrzeugs W nach der vorgeschriebenen Zeit T reduziert wird, um das Fahrzeug W zur Fahrt längs des Zielwegs M zu steuern. Daher kann, wie in 3 dargestellt, je nach Krümmung des Zielwegs M der Winkel Φ_PW, um den das Fahrzeug W am Zielpunkt P geneigt ist, deutlich von dem Winkel Φ_PM abweichen, um den der Zielweg M am Zielpunkt P geneigt ist.
Wenn dies geschieht, so konvergiert der tatsächliche Weg, längs welchem das Fahrzeug W fährt, allmählich zu dem Zielweg M, während er jedoch in großem Maß um den Zielweg M oszilliert. Daher ändert das Fahrzeug W bei seiner Fahrt häufig seine Fahrtrichtung und der tatsächliche Weg verläuft mäanderförmig um den Zielweg M.
Zur Vermeidung des vorstehend genannten Nachteils kann es wirksam sein, den Zielpunkt P auf dem Zielweg M so weit wie möglich von dem Fahrzeug W entfernt zu wählen, d. h. die x-Koordinate x_P des Zielpunkts P zu erhöhen (d. h., da x_P = VT, die vorgeschriebene Zeit T zu erhöhen).
Wie aus 3 ersehen werden kann, liegt der Grund hierfür darin, daß die Gierrate τ_P, die erforderlich ist, um das Fahrzeug W zum Zielpunkt P zu bringen, mit zunehmender Entfernung des Zielpunkts P vom Fahrzeug W abnimmt und somit auch der Winkel Φ_PW des Fahrzeugs W am Zielpunkt P.
Um den Zielpunkt P in größtmöglicher Entfernung vom Fahrzeug W festzusetzen, ist es jedoch auch notwendig, den Zielweg M über eine größtmögliche Strecke vom Fahrzeug W weg zu bestimmen. Wenn sich das Fahrzeug W mit hoher Geschwindigkeit bewegt, ist die zu bestimmende Strecke des Zielwegs M sehr groß.
Da der Zielweg M tatsächlich auf Grundlage der durch die abbildende Vorrichtung erzeugten Bildinformation vor dem Fahrzeug W bestimmt wird, bestehen gewisse Beschränkungen für die Strecke des Zielwegs M, die festgesetzt werden kann.
Aus den vorstehend beschriebenen Gründen ist es schwierig, das Fahrzeug W derart zu steuern, dass es dem Zielweg M längs eines glatten Wegs folgt, insbesondere, wenn das Fahrzeug W mit hoher Geschwindigkeit fährt.
Ein ähnliches gattungsbildendes System ist aus der EP 448 059 A2 bekannt. Auch dort ist zur Ermittlung der Zielsteuergröße eine Bildaufnahmevorrichtung erforderlich.
In der nachveröffentlichten US 5,122,957 A wird eine Lenkwinkelanweisung auf der Basis der Differenz zwischen dem Ist-Lenkwinkel und dem Soll-Lenkwinkel gemäß Fuzzy-Theorie berechnet. In der JP 02 22 63 10 A und US 5,029,088 A wird keine Winkeldifferenz zwischen dem Zielweg und dem zu verfolgenden Kurs dargestellt. In der EP 346 537 A1 , 3, ist ein Winkel zwischen zwei Fahrwegabschnitten gezeigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein System bereitzustellen, mit dem ein Fahrzeug einem Zielweg glattgängig folgen kann, insbesondere wenn es mit hoher Geschwindigkeit fährt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System zum Lenken eines Fahrzeugs im Wesentlichen längs eines Zielwegs gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugt wird die Zielgierrate unter Verwendung einer Zustandsgröße des Zielwegs bestimmt.
Bevorzugt umfasst die Zustandsgröße des Zielwegs eine Krümmung und eine Breite des Zielwegs, wobei die Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts um einen Betrag in die Zielsteuergröße korrigiert wird, der abnimmt, wenn die Krümmung zunimmt, und der zunimmt, wenn die Breite zunimmt.
Bevorzugt wird die Zielgierrate unter Verwendung einer Zustandsgröße des Fahrzeugs bestimmt.
Bevorzugt umfasst die Zustandsgröße des Fahrzeugs eine Geschwindigkeit des beweglichen Körpers, wobei die Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts um einen Betrag in die Zielgierrate korrigiert wird, der zunimmt, wenn die Geschwindigkeit zunimmt.
Die Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts, um das Fahrzeug auf dem Zielweg zum Zielpunkt zu bringen, wird im wesentlichen durch die relative Positionierung des Fahrzeugs und des Zielpunkts auf dem Zielweg bestimmt. Da die Zielgierrate durch Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts auf Grundlage der Zielpunkt-Winkeldifferenz zwischen dem Fahrzeug und dem Zielweg bestimmt wird, wird bei der Bestimmung der Zielgierrate zusätzlich zur relativen Positionierung des Fahrzeugs und des Zielwegs ferner die Richtungsbeziehung zwischen dem Fahrzeug und dem Zielweg berücksichtigt. Wenn das Fahrzeug auf Grundlage der so bestimmten Zielgierrate gesteuert wird, kann das Fahrzeug daher derart bewegt werden, daß es dem Zielweg sowohl in seiner Position als auch in seiner Richtung folgt.
Falls der auf der Zielpunkt-Winkeldifferenz basierende Betrag zur Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts mit der Zielgierrate relativ klein ist, so ist es möglich, das Fahrzeug schnell zum Zielweg zu führen, wodurch die Fähigkeit des Fahrzeugs, dem Zielweg in seiner Position zu folgen, verbessert wird. Falls der Betrag zur Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts in die Zielgierrate relativ klein ist, so kann die Fähigkeit des Fahrzeugs, dem Zielweg in seiner Richtung zu folgen, verbessert werden.
Bei der Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts zur Bestimmung der Zielgierrate ist es bevorzugt, die Zielgierrate unter Verwendung von Zustandsgrößen des Zielwegs zu bestimmen, bspw. dessen Krümmung und Breite, und einer Zustandsgröße des Fahrzeugs, bspw. dessen Geschwindigkeit.
Bei der Korrektur der Gierrate unter Verwendung der Krümmung und Breite des Zielwegs ist es bevorzugt, den Betrag zur Korrektur der Steuergröße zur Erreichung des Zielpunkts in die Zielgierrate mit zunehmender Krümmung zu erniedrigen und mit zunehmender Breite zu erhöhen.
Der Grund hierfür ist, daß es bevorzugt ist, das Fahrzeug schneller zum Zielweg zu bewegen, d. h. die Fähigkeit des Fahrzeugs zu verbessern, dem Zielweg in seiner Position zu folgen, wenn die Krümmung des Zielwegs größer ist, und daß es bevorzugt ist, die Fähigkeit des Fahrzeugs zu erhöhen, dem Zielweg in seiner Richtung zu folgen, um den beweglichen Körper in die Lage zu versetzen, dem Zielweg längs eines glatteren Wegs zu folgen, wenn die Breite des Zielwegs größer ist.
Bei der Bestimmung der Zielgierrate unter Verwendung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist es bevorzugt, den Betrag zur Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts in die Zielgierrate mit zunehmender Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu erhöhen.
Der Grund hierfür ist, daß es bevorzugt ist, die Fähigkeit des Fahrzeugs zu verbessern, dem Zielweg in seiner Richtung zu folgen, um das Fahrzeug in die Lage zu versetzen, dem Zielweg längs eines glatteren Wegs zu folgen, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs höher ist.
Die erfindungsgemäßen Prinzipien können auf ein automatisch fahrendes Fahrzeug, bspw. ein Automobil oder dergl., angewendet werden. Bei dem automatisch fahrenden Fahrzeug wird die am Fahrzeug hervorgerufene Gierrate als die Steuergröße des Fahrzeugs verwendet.
Da die Gierrate des Fahrzeugs und der Lenkwinkel der lenkbaren Räder des Fahrzeugs in einer bestimmten Beziehung zueinander stehen, ist es nach Bestimmung der Zielgierrate möglich, einen Ziellenkwinkel zum Erhalt der Zielgierrate zu bestimmen, und die lenkbaren Räder können derart gelenkt werden, daß der so bestimmte Ziellenkwinkel erhalten wird.
Zur Bestimmung der Zielgierrate wird ein Betrag zur Korrektur der Gierrate, der zur Eliminierung der Zielpunkt-Winkeldifferenz erforderlich ist, mit einem Korrekturkoeffizienten multipliziert, dessen Wert je nach Krümmung und Breite des Zielwegs und je nach Geschwindigkeit des Fahrzeugs im Bereich von 0 bis 1 liegt, um einen Betrag zur Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts als Steuergröße zur Erreichung des Zielpunkts mit einer Zielgierrate zu bestimmen. Wenn der Korrekturkoeffizient größer ist, d. h. näher bei 1 liegt, so ist der Betrag zur Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts in die Zielgierrate größer. Daher wird die Fähigkeit des automatisch fahrenden Fahrzeugs verbessert, dem Zielweg in seiner Richtung zu folgen. Wenn der Korrekturkoeffizient kleiner ist, d. h. naher bei 0 liegt, so ist der Betrag zur Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts in die Zielgierrate kleiner. Daher wird die Fähigkeit des automatischen fahrenden Fahrzeugs, dem Zielweg in seiner Position zu folgen, verbessert.
Zur Bestimmung des Betrags zur Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts in die Zielgierrate in Abhängigkeit von Krümmung und Breite des Zielwegs und der Geschwindigkeit des automatisch fahrenden Fahrzeugs kann der Korrekturkoeffizient bspw. gemäß einem Prozeß unter Einsatz unscharfer Logik, in Fachkreisen auch als Fuzzy Logic bekannt, bestimmt werden.
Bei einem automatisch fahrenden Fahrzeug erfährt der Lenkwinkel beim Lenken der lenkbaren Räder allgemein eine Ansprechverzögerung und auch die Gierrate des Fahrzeugs erfährt beim Ansprechen auf den Lenkwinkel eine Ansprechverzögerung. Selbst wenn die lenkbaren Räder zur Erzeugung der Zielgierrate gelenkt werden, wird daher allgemein eine Ansprechverzögerung hervorgerufen, welche die Richtung beeinflußt, in der sich das automatisch fahrende Fahrzeug am Zielpunkt auf dem Zielweg bewegt.
Unter Berücksichtigung der Ansprecheigenschaften des Lenkwinkels und der Ansprecheigenschaften der Gierrate relativ zum Lenkwinkel ist es daher möglich, die Richtung, in der sich das automatisch fahrende Fahrzeug am Zielpunkt bewegt, in einer Weise zu bestimmen, daß diese mit den tatsächlichen Fahrzeugzuständen übereinstimmt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es stellt dar:
1 ein Blockdiagramm eines automatisch fahrenden Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Steuersystem;
2 ein Flußdiagramm des Betriebsablaufs des Steuersystems;
3 ein Diagramm zur Darstellung der Art und Weise, in der das automatisch fahrende Fahrzeug arbeitet;
4 ein Diagramm zur Darstellung der Art und Weise, in der das automatisch fahrende Fahrzeug arbeitet;
5 ein Diagramm zur Darstellung der Art und Weise, in der das automatisch fahrende Fahrzeug arbeitet;
6a bis 6d Diagramme zur Darstellung der Art und Weise, in der das automatisch fahrende Fahrzeug arbeitet;
7a, 7b und 7c Blockdiagramme einer Systemkonfiguration des automatisch fahrenden Systems;
8a, 8b und 8c Diagramme, die Ergebnisse von Simulationsrechnungen für das automatisch fahrende Fahrzeug darstellen;
9a, 9b und 9c Diagramme, die Ergebnisse von Simulationsrechnungen für das automatisch fahrende Fahrzeug darstellen;
10a, 10b und 10c Diagramme, die Ergebnisse von Simulationsrechnungen für das automatisch fahrende Fahrzeug darstellen;
11a, 11b und 11c Diagramme, die Ergebnisse von Simulationsrechnungen für das automatisch fahrende Fahrzeug darstellen; und
12a, 12b und 12c Diagramme, die Ergebnisse von Simulationsrechnungen für das automatisch fahrende Fahrzeug darstellen.
Wie in 1 dargestellt basiert ein automatisch fahrendes Fahrzeug (beweglicher Körper) W, das mit einem erfindungsgemäßen Steuersystem ausgerüstet ist, auf einem herkömmlichen vierrädrigen Automobil mit lenkbaren Vorderrädern 6. Das Steuersystem umfaßt eine abbildende Einheit 1 zur Erzeugung von Bildinformation einer Straße oder dergl. vor dem Fahrzeug W, eine Bildverarbeitungseinheit 2 zur Bearbeitung der durch die abbildende Einheit 2 erzeugten Bildinformation, eine Fahrbahnerkennungseinheit 3 zur Erkennung des Fahrbahnbereichs, in dem sich das Fahrzeug W bewegen kann, aus den von der Bildverarbeitungseinheit 2 bearbeiteten Informationen, eine Zielwegfestsetzungseinheit 4 zum Festlegen eines Zielwegs in dem Fahrbahnbereich, längs dessen sich das Fahrzeug W bewegen soll, eine Rechen- und Steuereinheit 5 zur Ausführung verschiedener Berechnungen und eines (nachfolgend zu beschreibenden) Steuerprozesses, eine Lenkeinheit 7 zum Lenken der lenkbaren Vorderräder 6, einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 8 zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit V des Fahrzeugs W, einen Gierraten-Sensor 9 zur Erfassung der Gierrate τ des Fahrzeugs W und einen Lenkwinkel-Sensor 10 zur Erfassung des Lenkwinkels δ der lenkbaren Vorderräder 6, d. h. des Winkels, um den die lenkbaren Vorderräder 6 gelenkt worden sind.
Die abbildende Einheit 1 umfaßt eine Videokamera oder dergl. und die Bildverarbeitungseinheit 2, die Fahrbahnerkennungseinheit 3, die Zielwegfestsetzungseinheit 4 und die Rechen- und Steuereinheit 5 liegen in Form eines Mikro-Computers oder dergl. vor. Die Lenkeinheit 7 umfaßt einen gewöhnlichen Lenkmechanismus und ein Stellglied zum Betrieb des Lenkmechanismus.
Die durch die Bildverarbeitungseinheit 2, die Fahrbahnerkennungseinheit 3 und die Zielwegfestsetzungseinheit 4 ausgeführten Bildverarbeitungsoperationen sind bekannter Art, wie sie bspw. aus der japanischen Patent-Offenlegungs schrift JP 234311 A bekannt sind. Die Bildverarbeitungs
Operationen extrahieren im wesentlichen Straßenliniensegmente aus der durch die abbildende Einheit 1 erzeugten Bildinformation, erkennen aus den extrahierten Straßenliniensegmenten zweidimensional einen Fahrbahnbereich und legen gemäß vorbestimmten Regeln in dem Fahrbahnbereich einen Zielweg fest, legen einen Zielweg bspw. zentral in dem Fahrbahnbereich fest.
Wie in 3 dargestellt, kann der Zielweg als eine Kurve M ausgedrückt werden, die aus einer Reihe von Punkten in einem xy-Koordinatensystem mit Ursprung 0 in dem Fahrzeug W zusammengesetzt ist, wobei eine x-Achse zur Längsachse des Fahrzeugs W und eine y-Achse zur Querachse des Fahrzeugs W ausgerichtet ist.
Die Rechen- und Steuereinheit 5 führt gemäß dem in 2 dargestellten Flußdiagramm vorbestimmte Berechnungen und einen Steuerprozeß aus, nachdem die Zielwegfestsetzungseinheit 4 den Zielweg errechnet hat. Allgemein wird eine Zielgierrate (Zielsteuergröße) τ_m, um eine Fahrt des Fahrzeugs W längs des Zielwegs zu bewirken, auf Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit V, der Gierrate τ und des Lenkwinkels δ bestimmt, die in zyklischen Abständen (bspw. 10 ms) von den jeweiligen Sensoren 8, 9, 10 erfaßt werden. Dann wird aus der Zielgierrate τ_m ein Ziellenkwinkel δ_m bestimmt. Hierauf wird die Lenkeinheit 7 gesteuert, um die lenkbaren Räder 6 derart zu lenken, daß ihr tatsächlicher Lenkwinkel δ gleich dem Ziellenkwinkel δ_m wird. Wie nachfolgend beschrieben, umfaßt die Rechen- und Steuereinheit 5 eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Zielpunkts auf dem Zielweg, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts, d. h. einer Steuergröße zur Erreichung des Zielpunkts, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung, in der das Fahrzeug W in dem Zielpunkt fährt als einen Winkel, um den das Fahrzeug W geneigt ist, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Winkeldifferenz zwischen dem Fahrzeug W und dem Zielweg im Zielpunkt, d. h. einer Zielpunkt-Winkel differenz, und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Zielgierrate τ_m als Zielsteuergröße durch Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts auf Grundlage der Zielpunkt-Winkeldifferenz. Die Lenkeinheit 7 umfaßt eine Vorrichtung zum Lenken der lenkbaren Räder 6 auf Grundlage der durch die Rechen- und Steuereinheit 5 bestimmten Zielgierrate τ_m.
Im folgenden wird die Arbeit der Rechen- und Steuereinheit 5 im einzelnen mit Bezug auf die 2 und 3 näher erläutert werden.
In 3 ist angenommen, daß die Information über die Straße, auf der das Fahrzeug W fährt, und die durch die abbildende Einheit 1 neu erhaltene Bildinformation (Straßeninformation) in einem festen XY-Koordinatensystem bearbeitet werden, welches bei Initialisierung des Steuersystems angenommen und festgelegt wird, und daß ein Zielweg M festgelegt ist und der Zielweg M und das Fahrzeug W relativ zueinander wie in 3 dargestellt angeordnet sind.
Die Rechen- und Steuereinheit 5 nimmt in dem festen XY-Koordinatensystem zunächst ein relatives xy-Koordinatensystem mit Ursprung 0 in dem Fahrzeug W an, wobei die x-Achse zur Längsachse des Fahrzeugs W und die y-Achse zur Querachse des Fahrzeugs W ausgerichtet sind.
Zur Annahme eines derartigen relativen xy-Koordinatensystems ist es erforderlich, die derzeitige Position des Fahrzeugs W in dem festen XY-Koordinatensystem zu bestimmen, d. h. die Koordinaten (X_W, Y_W) des Ursprungs 0 und des Winkels Θ_W, um den das Fahrzeug W in dem festen XY-Koordinatensystem geneigt ist.
Dann legt die Rechen- und Steuereinheit 5 in dem relativen xy-Koordinatensysstem einen Zielpunkt auf dem Zielweg M fest, wie dies von dem herkömmlichen automatisch fahrenden Fahrzeug bekannt ist.
Insbesondere wird der Zielpunkt P als ein Punkt auf dem Zielweg M festgelegt, der eine x-Koordinate hat, die gleich der Länge x_P (= VT) ist, die durchlaufen wird, wenn sich das Fahrzeug W für eine vorbestimmte vorgeschriebene Zeit T mit einer derzeitigen Fahrzeuggeschwindigkeit V längs der x-Achse bewegt.
Um den Zielpunkt P in dem relativen xy-Koordinatensystem festzulegen, ist es erforderlich, den in dem festen XY-Koordinatensystem festgesetzten Zielweg M als eine Reihe von Punkten in dem relativen Koordinatensystem auszudrücken. Dies wird durch Transformation der Koordinaten (X, Y) eines Punkts auf dem Zielweg M in dem festen XY-Koordinatensystem in seine Koordinaten (x, y) in dem relativen xy-Koordinatensystem unter Verwendung einer bekannten Formel zur Koordinatentransformation ausgeführt.
Eine derartige bekannte Formel zur Koordinatentransformation lautet:
Auf diese Weise ist es mit einem als eine Reihe von Punkten in dem relativen xy-Koordinatensystem ausgedrückten Zielweg M möglich, den Zielpunkt P festzusetzen, indem nach einem Punkt auf dem Zielweg M gesucht wird, dessen x-Koordinate x_P = VT ist.
Die derzeitige Fahrzeuggeschwindigkeit V des Fahrzeugs W, die zur Festsetzung des Zielpunkts P erforderlich ist, wird von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 8 erfaßt.
Dann bestimmt die Rechen- und Steuereinheit 5 wie bei dem herkömmlichen automatisch fahrenden Fahrzeug die Gierrate τ_Ρ, um das Fahrzeug W von seiner derzeitigen Position (Ursprung 0) zum Zielpunkt P zu bringen, d. h. die Gierrate τ_Ρ zur Erreichung des Zielpunkts, gemäß der Gleichung (2):
wobei x_P die x-Koordinate des Zielpunkts P in dem relativen xy-Koordinatensystem ist. Unter Verwendung der Y-Koordinate Y_P des Zielpunkts in dem festen XY-Koordinatensystem wird die y-Koordinate y_P wie folgt ausgedrückt:
Falls der Zielpunkt P in dem relativen xy-Koordinatensystem die Koordinaten x_P, y_P und in dem festen XY-Koordinatensystem die Koordinaten X_P, Y_P hat, so ist aufgrund x_P = VT und Gleichung (4) die folgende Gleichung (5) erfüllt: VTsinΘW + yPcosΘW = YP – YW (5).
Daher wird die y-Koordinate y_P des Zielpunkts P bestimmt durch:
Unter der Annahme, daß der Winkel Θ_W des Fahrzeugs W ausreichend klein ist, wird aus Gleichung (6) aufgrund der Tatsache, daß sinΘ_W ≈ Θ_W und cosΘ_W ≈ 1 gilt,: YP = YP – (YW + VTΘW) (7).
Dann nimmt die Rechen- und Steuereinheit 5 an, daß das Fahrzeug W von der derzeitigen Position (Ursprung 0) mit der Gierrate τ_Ρ zur Erreichung des Zielpunkts zum Zielpunkt P fährt, d. h. daß das Fahrzeug W längs eines imaginären Wegs S_P in 3 fährt, und bestimmt den Winkel Φ_PW, um den das Fahrzeug W in dem relativen xy-Koordinatensystem am Zielpunkt P geneigt ist, nachdem es sich längs des Wegs S_P bewegt hat.
Der Winkel Φ_PW wird wie folgt bestimmt:
Zuerst wird in 3 angenommen, daß das im Ursprung 0 des relativen xy-Koordinatensystems angeordnete Fahrzeug W mit einer Gierrate τ längs eines gebogenen Wegs S fährt.
Wenn das Fahrzeug W einen Punkt Q erreicht, nachdem es sich um eine Strecke x_P (= VT) in Richtung der x-Achse längs des Wegs S bewegt hat, so erfüllen der Winkel Φ, um den das Fahrzeug W in dem relativen xy-Koordinatensystem geneigt ist, und der Radius R des Wegs S die folgende Gleichung: RsinΦ = xP = VT (8).
Da die Gierrate τ eine Winkelgeschwindigkeit ist, gilt R = V/τ. Substituiert man dies in Gleichung (8) so erhält man: Φ = sin–1(τT) (9).
Falls die vorgeschriebene Zeit T bspw. etwa 1 Sekunde beträgt, so gilt sin^–1(τT) ≈ τT, da in der Praxis τT << 1 ist. Durch Substitution in Gleichung (9) erhält man: Φ = τT (10).
Wenn man die Zeit, in der das Fahrzeug W mit der Gierrate τ den Punkt Q erreicht, mit t_q bezeichnet, so wird der Winkel Φ exakt durch Φ = τt_q angegeben. Ein Vergleich dieser Gleichung mit Gleichung (10) zeigt, daß die Zeit t_q, die abgelaufen ist, bis das Fahrzeug W den Punkt Q erreicht hat, im wesentlichen gleich der vorgeschriebenen Zeit T ist, sofern nur die vorgeschriebene Zeit T relativ klein ist.
Die vorstehende Gleichung (10) ist eine allgemeine Gleichung zur Bestimmung des Winkels Φ des Fahrzeugs W in der Position, die erreicht wird, wenn sich das Fahrzeug W vom Ursprung 0 um die Entfernung x_P (= VT) in Richtung der x-Achse bewegt. Daher ist der Winkel Φ_PW des Fahrzeugs W am Zielpunkt P, der erreicht wird, wenn das Fahrzeug W mit der Gierrate τ_P zur Erreichung des Zielpunkts vom Ursprung 0 zum Zielpunkt P fährt, durch die folgende Gleichung gegeben: ΦPW = τPT (11).
Nach Bestimmung des Winkels Φ_PW des Fahrzeugs W im Zielpunkt P bestimmt die Rechen- und Steuereinheit 5 die Differenz zwischen dem Winkel Φ_PW und dem Winkel Φ_PM, um den der Zielweg M geneigt ist, d. h. einen Winkel ΔΦ_P (Zielpunkt-Winkeldifferenz ΔΦ_P) zwischen der Richtung, in der das Fahrzeug W im Zielpunkt P fährt, und dem Zielweg M gemäß der folgenden Gleichung: ΔΦP = ΦPW – ΦPM (12).
Dann bestimmt die Rechen- und Steuereinheit 5 eine Gierraten-Korrekturgröße Δτ_P, die erforderlich ist, um die Zielpunkt-Winkeldifferenz ΔΦ_P zu eliminieren.
Da aus Gleichung (10) insbesondere ΔΦ_P = Δτ_PT gilt, wird dies in Gleichung (12) eingesetzt, dann Gleichung (12) nach Δτ_P aufgelöst, woraus
folgt, und somit die Gierraten-Korrekturgröße Δτ_P bestimmt.
Um die Gierraten-Korrekturgröße Δτ_P gemäß Gleichung (13) zu bestimmen, ist es notwendig, vorher den Winkel Φ_PM des Zielwegs M im Zielpunkt P im relativen xy-Koordinatensystem zu bestimmen. Ein Verfahren zur Bestimmung des Winkels Φ_PM wird weiter unten beschrieben werden.
Dann bestimmt die Rechen- und Steuereinheit 5 eine Zielgierrate τ_m, um das Fahrzeug W in dessen derzeitiger Position längs des Zielwegs M zu lenken, gemäß der folgenden Gleichung: τm = τP – KmΔτP (14).
Alternativ werden Gleichungen (2), (11), (13) und x_P = VT in Gleichung (14) eingesetzt, um eine Zielgierrate τ_m gemäß der folgenden Gleichung zu bestimmen:
wobei K_m in Gleichungen (14), (15) ein Korrekturkoeffizient ist, dessen Wert im Bereich von 0 bis 1 liegt. Der Korrekturkoeffizient K_m wird auf eine weiter unten beschriebene Weise bestimmt.
Die Gleichung (14) oder (15) hat die folgende Bedeutung: Falls bspw. K_m = 1, so gilt τ_m = τ_P – Δτ_P. Aus der Definition von Δτ_P ist zu ersehen, daß dann, wenn das Fahrzeug W von der derzeitigen Position aus mit der Zielgierrate τ_m fährt, der Winkel Φ des Fahrzeugs W in der nach einer Bewegung um den Abstand x_P in Richtung der x-Achse erreichten Position, d. h. der Winkel Φ des Fahrzeugs nach der vorgeschriebene Zeit T, mit dem Winkel Φ_PM des Zielwegs M in der Zielposition P übereinstimmt, und somit die Winkeldifferenz ΔΦ_P zwischen diesen Winkeln gleich Null wird. Im allgemein erreicht das Fahrzeug W jedoch den Zielpunkt P nicht in dieser Zeit.
Falls bspw. K_m = 0, so gilt τ_m = τ_P. Wenn das Fahrzeug W mit der Zielgierrate τ_m fährt, so erreicht das Fahrzeug W nach der vorgeschriebenen Zeit T den Zielpunkt P. Mit anderen Worten wird die Differenz der Position des Fahrzeugs W und des Zielpunkts P in Richtung der y-Achse nach der vorgeschriebenen Zeit T gleich Null. Allgemein stimmen jedoch der Winkel Φ_PW des Fahrzeugs W im Zielpunkt P und der Winkel Φ_PM des Zielwegs M zu diesem Zeitpunkt nicht miteinander überein.
Falls für den Korrekturkoeffizient K_m ein großer Wert aus dem Bereich von 0 bis 1 gewählt wird, so wird daher die Fähigkeit des Fahrzeugs W erhöht, dem Zielweg M in Richtung der y-Achse (seiner Querrichtung) in seiner Richtung zu folgen, wohingegen die Fähigkeit des Fahrzeugs herabgesetzt wird, dem Zielweg M in Richtung der y-Achse in seiner Position zu folgen.
Falls im Gegensatz hierzu für den Korrekturkoeffizienten Km ein kleiner Wert aus dem Bereich von 0 bis 1 gewählt wird, so wird die Fähigkeit des Fahrzeugs W erhöht, dem Zielweg M in seiner Position zu folgen, wohingegen die Fähigkeit des Fahrzeugs W gemindert wird, dem Zielweg M in seiner Richtung zu folgen. Falls für den Korrekturkoeffizienten K_m ein mittlerer Wert aus dem Bereich von 0 bis 1 gewählt wird, so wird die Fähigkeit des Fahrzeugs W, dem Zielweg M sowohl in seiner Richtung als auch in seiner Position zu folgen, in gewissem Maß auf einem befriedigenden Wert gehalten. Der Ausdruck K_mΔτ_P in Gleichung (14) zeigt an, ob relativ zu der Winkeldifferenz, die bei der Gierrate τ_P zur Erreichung des Zielpunkts auftritt, nach der vorgeschriebenen Zeit T eine Gierraten-Korrekturgröße zur Reduzierung der Winkeldifferenz ΔΦ_P zwischen dem Fahrzeug W und dem Zielweg M erforderlich ist, es sei denn, daß K_m = 0 gilt.
Zur Bestimmung der Zielgierrate τ_m gemäß Gleichung (14) oder (15), bestimmt die Rechen- und Steuereinheit 5 zunächst einen Korrekturkoeffizienten K_m in Abhängigkeit der Krümmung der Fahrbahn, auf welcher der Zielweg festgelegt wird, der Straßenbreite und der Fahrzeuggeschwindigkeit V und bestimmt dann die Zielgierrate τ_m unter Verwendung des so bestimmten Korrekturkoeffizienten K_m.
Hierauf bestimmt die Rechen- und Steuereinheit 5 einen Lenkwinkel δ (nachfolgend als Ziellenkwinkel δ_m bezeichnet) für die lenkbaren Räder 6, um am Fahrzeug W die Zielgierrate τ_m zu erzeugen.
Da die Gierrate τ und der Lenkwinkel δ miteinander über Gleichung (3) in Beziehung stehen, kann der Ziellenkwinkel δ_m durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
Alternativ wird angenommen, daß eine Gierraten-Korrekturgröße zur Korrektur der derzeitigen Gierrate τ in die Zielgierrate τ_m durch Δτ_m(_mτ – τ) dargestellt wird und eine Lenkwinkel-Korrekturgröße (nachfolgend als Ziellenkwinkel-Korrekturgröße bezeichnet) zur Korrektur des derzeitigen Lenkwinkels δ in den Ziellenkwinkel δ_m durch Δδ_m(δ_m – δ) dargestellt wird. Da aufgrund von Gleichung (3) die Gleichung
erfüllt ist, kann der Ziellenkwinkel δ_m gemäß der folgenden Gleichung bestimmt werden:
Die derzeitige Gierrate τ und der derzeitige Lenkwinkel δ werden durch den Gierraten-Sensor 9 bzw. den Lenkwinkel-Sensor 10 erfaßt.
In Gleichungen (3'), (16) und (17) stellt L den Achsstand des Fahrzeugs W und K den Stabilitätsfaktor der Lenkungseigenschaften dar.
Die Rechen- und Steuereinheit 5 führt der Lenkeinheit 7 (siehe 1) den Ziellenkwinkel δ_m oder die Ziellenkwinkel-Korrekturgröße Δδ_m zu und ermöglicht es der Lenkeinheit 7, die lenkbaren Räder 6 derart zu steuern, daß der Lenkwinkel der lenkbaren Räder 6 gleich dem Ziellenkwinkel δ_m wird. Der vorstehend beschriebene Rechen- und Steuerprozeß wird in vorbestimmten zyklischen Zeiten wiederholt.
Das Verfahren zur Bestimmung der derzeitigen Position des Fahrzeugs W in dem festen XY-Koordinatensystem, d. h. die X- und Y-Koordinaten (X_W, Y_W) des Ursprungs 0 des relativen xy-Koordinatensystems, des Winkels Θ_W und des Winkels Φ_PM des Zielwegs M im Zielpunkt P beim Betrieb der Rechen- und Steuereinheit 5 wird im folgenden mit Bezug auf 4. beschrieben werden.
Es sei angenommen, daß das Fahrzeug W und der Zielweg M relativ zueinander angeordnet sind, wie es in 4 dargestellt ist, daß die derzeitige Gierrate des Fahrzeugs Wτ ist und die Fahrzeuggeschwindigkeit V ist und daß das Fahrzeug W innerhalb einer Zykluszeit, in der der vorstehend genannte Rechen- oder Steuerprozeß ausgeführt wird, zu einem Punkt Q fährt.
Falls die Zykluszeit ausreichend klein ist, so können die Gierrate τ des Fahrzeugs W und die Fahrzeuggeschwindigkeit V als konstant angesehen werden und das Fahrzeug W fährt von der derzeitigen Position zu dem Punkt Q längs eines gebogenen Wegs S mit Krümmungsradius R, der in Abhängigkeit von der Gierrate τ bestimmt wird.
Falls die Änderung des Winkels des Fahrzeugs W bis zum Erreichen des Punkts Q mit ΔΦ bezeichnet wird, so ist die Änderung ΔΦ gleich dem Winkel, um den sich das Fahrzeug W auf dem Weg S dreht, wenn es sich von der derzeitigen Position zum Punkt Q bewegt. Wird die Zykluszeit mit Δt bezeichnet, so ist die Änderung ΔΦ gegeben durch: ΔΦ = τΔt (18).
Falls das Steuersystem derart initialisiert ist, daß das relative xy-Koordinatensystem bezüglich des Fahrzeugs W und das feste XY-Koordinatensystem einander gleichgesetzt werden, wenn das Fahrzeug W ruht, so kann demgemäß der Winkel Θ_W des Fahrzeugs W in dem festen XY-Koordinatensystem durch Integration der Gierrate τ in jeder Zykluszeit Δt bestimmt werden.
Somit wird der Winkel Θw wie folgt ausgedrückt:
Wird der derzeitige Winkel Θ_W des Fahrzeugs W mit Θ_W bezeichnet, so folgt für eine Versetzung ΔX_W des Fahrzeugs W in Richtung der X-Achse und eine Versetzung ΔY_W des Fahrzeugs W in Richtung der Y-Achse innerhalb der Zykluszeit Δt, da die X- und Y-Koordinaten der Fahrzeuggeschwindigkeit V in dem festen XY-Koordinatensystem VcosΘ_W bzw. VsinΘ_W sind: ΔXW = VcosΘW·Δt (20), ΔYW = VsinΘW·Δt (21).
Sofern das relative xy-Koordinatensystem bezüglich des Fahrzeugs W und das feste XY-Koordinatensystem, wie vorstehend beschrieben, einander gleichgesetzt werden, wenn das Fahrzeug W ruht, so werden die X- und Y-Koordinaten des Fahrzeugs W in dem festen XY-Koordinatensystem durch Inte gration (Aufsummieren) der Koordinaten VcosΘ_W, VsinΘ_W relativ zur Zykluszeit Δt bestimmt.
Das heißt, die X-Koordinate X_W und die Y-Koordinate Y_W des Fahrzeugs W werden wie folgt bestimmt:
Der Winkel Θ_W kann einen Wert aufweisen, der gemäß Gleichung (19) bestimmt wird.
Falls der Winkel Θ_W ausreichend klein ist, so können die Gleichungen (22), (23) wie folgt abgeändert werden, da cosΘ_W ≈ 1, sinΘ_W ≈ Θ_W:
Der Winkel Φ_PM des Zielwegs M im Zielpunkt P im relativen xy-Koordinatensystem wird in der nachfolgend beschriebenen Weise bestimmt:
Falls der durch den vorstehend beschriebenen Rechen- oder Steuerprozeß relativ zur derzeitigen Position des Fahrzeugs W erzeugte Zielpunkt durch P dargestellt wird und die Zielposition im nachfolgenden Rechen- und Steuerzyklus durch P' dargestellt wird, so können die Zielpunkte P, P' unter der Voraussetzung, daß die Zykluszeit Δt ausreichend klein ist, als ausreichend eng beieinanderliegend angesehen werden.
Unter der Annahme, daß die Entfernung vom Zielpunkt P' zum Zielpunkt P in Richtung der X-Achse ΔX_P ist, die Entfernung vom Zielpunkt P' zum Zielpunkt P in Richtung der Y-Achse ΔY_P ist und der Winkel des Zielwegs M im Zielpunkt P in dem festen XY-Koordinatensystem Θ_PM ist, so ist dann in der Folge die folgende Gleichung angenähert erfüllt:
Wie vorstehend beschrieben, wird der Zielpunkt P als ein Punkt auf dem Zielweg M festgesetzt, der in dem relativen xy-Koordinatensystem bezüglich der derzeitigen Position des Fahrzeugs W eine x-Koordinate von VT aufweist und der Zielpunkt P' ist ein Punkt auf dem Zielweg M, der eine x-Koordinate von VT in dem relativen xy-Koordinatensystem bezüglich der Position des Fahrzeugs W zu einem Zeitpunkt aufweist, der dem derzeitigen Zeitpunkt um die Zykluszeit Δt vorhergeht. Innerhalb der ausreichend kleinen Zykluszeit Δt kann jegliche Änderung des Winkels des Fahrzeugs W als ausreichend gering vernachlässigt werden.
In dem relativen xy-Koordinatensystem bezüglich der derzeitigen Position des Fahrzeugs W ist eine Entfernung Δx_P vom Zielpunkt P' zum Zielpunkt P in Richtung der x-Achse daher angenähert gegeben durch: ΔxP = VΔt (27).
Falls der derzeitige Winkel des Fahrzeugs W in dem festen XY-Koordinatensystem, wie in 4 dargestellt, Θ_W ist, so ist die folgende Gleichung erfüllt:
Der Nenner von Gleichung (28) wird gemäß dem Additionstheorem erweitert und dann Nenner und Zähler durch cosΘ_PM geteilt. Substituiert man hierauf Gleichung (27), so folgt:
Dann werden Gleichungen (26) und (29) als simultane Gleichungen für tanΘ_PM gelöst, was folgendes ergibt:
Aus Gleichung (30) kann der Winkel Θ_PM des Zielwegs M im Zielpunkt P im festen XY-Koordinatensystem bestimmt werden. Da der Winkel Φ_PM des Zielwegs M im Zielpunkt P im relativen xy-Koordinatensystem die Differenz zwischen dem Winkel Θ_PM und dem Winkel Θ_W des Fahrzeugs W ist, kann er durch die folgende Gleichung bestimmt werden: ΦPM = ΘPM – ΘW (31).
Falls Θ_W, Θ_PM und ΔY_P in Gleichung (30) ausreichend klein sind, so folgt mit tanΘ_PM ≈ Θ_PM, cosΘ_W ≈ 1, VΔt >> ΔY_PsinΘ_W aus Gleichung (30):
Daher kann der Winkel Θ_PM bestimmt werden, indem man die Y-Koordinate des Zielpunkts P in dem festen XY-Koordinatensystem nach der Zeit differenziert und das Differential durch die Fahrzeuggeschwindigkeit V teilt. D. h., daß Θ_PM gegeben ist durch:
2 zeigt ein Flußdiagramm der vorstehend beschriebenen Arbeitsabfolge der Rechen- und Steuereinheit 5 zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Rechen- und Steuerprozesses.
Das Verfahren zur Bestimmung des Korrekturkoeffizienten K_m, der bei der Bestimmung der Zielgierrate τ_m und des Ziellenkwinkels δ_m benötigt wird, wird nachfolgend mit Bezug auf die 2, 5 und 6 beschrieben werden.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Korrekturkoeffizient K_m ein Faktor, der die Fähigkeit des Fahrzeugs W beeinflußt, dem Zielweg in seiner Richtung und seiner Position zu folgen. Je größer der Korrekturkoeffizient K_m ist, desto grösser ist die Fähigkeit des Fahrzeugs W, dem Zielweg in seiner Position zu folgen. Je kleiner der Korrekturkoeffizient K_m ist, desto größer ist die Fähigkeit des Fahrzeugs W, dem Zielweg in seiner Richtung zu folgen.
Es ist daher bevorzugt, den Korrekturkoeffizienten K_m in Abhängigkeit von Zustandsgrößen der Fahrbahn, auf dem der Zielweg festgelegt werden soll, und ferner des Fahrzustands des Fahrzeugs W zu bestimmen. Insbesondere sollte der Korrekturkoeffizient K_m vorzugsweise in Abhängigkeit von Krümmung und Straßenbreite der Fahrbahn vor dem Fahrzeug W und auch in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit V des Fahrzeugs W bestimmt werden.
Die Gründe für die vorstehend genannte Bestimmung des Korrekturkoeffizienten K_m sind die folgenden: Wenn die Krümmung der Fahrbahn größer ist, krümmt sie sich vor dem Fahrzeug W in größerem Maße. Daher ist es bevorzugt, das Fahrzeug W zu veranlassen, dem auf der Fahrbahn festgelegten Zielweg schnell zu folgen und somit den Korrekturkoeffizienten K_m auf einen kleineren Wert festzusetzen, um hierdurch die Fähigkeit des Fahrzeugs W, dem Zielweg in seiner Position zu folgen, zu erhöhen.
Wenn die Krümmung der Fahrbahn kleiner ist, so sind die Fahrbahn und der darauf festgelegte Zielweg gerader. Somit ist es eher bevorzugt, das Fahrzeug W zu veranlassen, dem Zielweg glatt zu folgen als dem Zielweg schnell zu folgen, und somit den Korrekturkoeffizienten K_m auf einen größeren Wert festzusetzen, um eine höhere Fähigkeit des Fahrzeugs W zu erzielen, dem Zielweg in seiner Richtung zu folgen.
Falls die Straßenbreite der Fahrbahn kleiner ist, so ist es bevorzugt, das Fahrzeug W zu veranlassen, dem auf der Fahrbahn festgelegten Zielweg schnell zu folgen und somit den Korrekturkoeffizienten K_m auf einen kleineren Wert festzusetzen, um eine höhere Fähigkeit des Fahrzeugs W zu erzielen, dem Zielweg in seiner Position zu folgen.
Falls die Straßenbreite der Fahrbahn größer ist, so ist es eher bevorzugt, das Fahrzeug W zu veranlassen, dem Zielweg glatt zu folgen als dem Zielweg schnell zu folgen, und somit den Korrekturkoeffizienten K_m auf einen größeren Wert festzusetzen, um eine höhere Fähigkeit des Fahrzeugs W zu erzielen, dem Zielweg in seiner Richtung zu folgen.
Falls die Fahrzeuggeschwindigkeit V größer ist, so ist es bevorzugt, das Fahrzeug W zu veranlassen, dem Zielweg glatt zu folgen und somit den Korrekturkoeffizienten K_m auf einen größeren Wert festzusetzen, um eine höhere Fähigkeit des Fahrzeugs W zu erzielen, dem Zielweg in seiner Richtung zu folgen.
Falls die Fahrzeuggeschwindigkeit V niedriger ist, so ist es bevorzugt, den Korrekturkoeffizienten K_m unter Beibehaltung eines angemessenen Gleichgewichts zwischen sich und der Krümmung und Straßenbreite der Fahrbahn festzusetzen.
Wie in dem Flußdiagramm gemäß 2 dargestellt, bestimmt die Rechen- und Steuereinheit 5 zunächst die Krümmung S und die Straßenbreite D der Fahrbahn gleichzeitig mit dem vor stehend beschriebenen Rechen- und Steuerprozeß und bestimmt dann den Korrekturkoeffizienten K_m aus der Krümmung ƍ, der Straßenbreite D und der vom Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 8 erfaßten Fahrzeuggeschwindigkeit V unter Verwendung eines bekannten Fuzzy-Logic-Verfahrens.
Die Krümmung ƍ und die Straßenbreite D der Fahrbahn werden auf Grundlage von Bilddaten, die durch die Fahrbahnerkennungseinheit 3 (siehe 1) erfaßt wurden, wie folgt bestimmt:
Falls ein Fahrbahnbereich (Fahrbahn) A relativ zum Fahrzeug W in dem festen XY-Koordinatensystem erkannt wird, wie in 5 dargestellt, so wird die Straßenbreite D als die Entfernung zwischen einem Paar Straßenliniensegmenten a bestimmt, welches die Fahrbahn A in einer dem Fahrzeug W nächstgelegenen Position definiert.
Die Krümmung ƍ wird als der Kehrwert des Radius R eines Bogens C bestimmt, der durch Punkte U₁, U₂ und U₃ verläuft, die auf der Mittellinie der Fahrbahn A abgeleitet wurden.
Die Straßenbreite D kann durch Messung der Entfernungen zwischen den Straßensegmenten a, a der Fahrbahn A an verschiedenen Stellen und Mittelungen dieser Entfernungen bestimmt werden.
Die Krümmung ƍ kann durch Ableiten von drei Punkten auf einem der Straßensegmente a oder drei Punkten auf dem auf der Fahrbahn A festgelegten Zielweg und Ermitteln der Krümmung eines durch die abgeleiteten drei Punkte verlaufenden Bogens bestimmt werden.

Der Korrekturkoeffizient K_m wird aus der Krümmung ƍ, der Straßenbreite D und der Fahrzeuggeschwindigkeit V unter Verwendung des bekannten Fuzzy-Logic-Verfahrens wie folgt bestimmt: Zuerst werden, wie in 6a bis 6d dargestellt, Zugehörigkeitsfunktionen der Krümmung ƍ, der Stras senbreite D, der Fahrzeuggeschwindigkeit V und des Korrekturkoeffizienten K_m festgelegt und dann die in Tabelle 1 angegebenen Fuzzy-Regeln bestimmt. Tabelle 1

Regel Nr.	ersterer Teil			letzerer Teil
Regel Nr.	Krümmung	Straßenbreite	Fahrzeuggeschw.
1	PS	PS	PS	PM
2	PS	PS	PM	PM
3	PS	PS	PB	PM
4	PS	PM	PS	PM
5	PS	PM	PM	PB
6	PS	PM	PB	PB
7	PS	PB	PS	PB
8	PS	PB	PM	PB
9	PS	PB	PB	PB
10	PM	PS	PS	PS
11	PM	PS	PM	PM
12	PM	PS	PB	PB
13	PM	PM	PS	PM
14	PM	PM	PM	PM
15	PM	PM	PB	PB
16	PM	PB	PS	PB
17	PM	PB	PM	PB
18	PM	PB	PB	PB
19	PB	PS	PS	PS
20	PB	PS	PM	PS
21	PB	PS	PB	PM
22	PB	PM	PS	PS
23	PB	PM	PM	PS
24	PB	PM	PB	PM
25	PB	PB	PS	PM
26	PB	PB	PM	PM
27	PB	PB	PB	PM

Die Fuzzy-Regeln in Tabelle 1 stimmen im wesentlichen mit den bevorzugten Beziehungen zwischen dem Korrekturkoeffizienten K_m, der Krümmung ƍ, der Straßenbreite D und der Fahrzeuggeschwindigkeit V überein.
Die Rechen- und Steuereinheit 5 führt dann Schlußfolgerungsrechnungen von Krümmung ƍ, Straßenbreite D und Fahrzeuggeschwindigkeit V auf Grundlage der Zugehörigkeitsfunktionen und der Fuzzy-Regeln gemäß dem sogenannten "MAX-MIN-Verfahren" aus. Aus dem Ergebnis der Schlußfolgerung wird gemäß dem sogenannten "Schwerpunktsverfahren" der Korrekturkoeffizient K_m bestimmt.
Falls die bestimmte Krümmung ƍ und die bestimmte Straßenbreite D die Werte ƍ₀ bzw. D₀ aufweisen und die erfaßte Fahrzeuggeschwindigkeit V einen Wert V₀ aufweist, wie in
6a bis 6c dargestellt, so sind die Paßgüten der Fuzzy-Regeln Nr. 11 und 12 in Tabelle 1 μ₁₁ bzw. μ₁₂ und die Paßgüten der anderen Fuzzy-Regeln sind "0". Daher wird das Ergebnis der Schlußfolgerung als ein schraffierter Bereich in 6d erhalten. Durch Bestimmung der Position des Schwerpunkts G in dem schraffierten Bereich wird ein bestimmter Wert "K_m0" des Korrekturkoeffizienten K_m bestimmt, der von der Krümmung ƍ₀, der Straßenbreite D₀ und der Fahrzeuggeschwindigkeit V₀ abhängt.
Die Systemkonfiguration des vorstehend beschriebenen, automatisch fahrenden Fahrzeugs ist in den Blockdiagrammen gemäß 7a bis 7c unter Verwendung von Transferfunktionen der Laplace-Transformation dargestellt.
Das Blockdiagramm gemäß 7a stellt das automatisch fahrende Fahrzeug als ein System dar, welches als Eingangsgröße in einem Anfangsschritt die Y-Koordinate V_P des Zielpunkts P in dem festen XY-Koordinatensystem empfängt und als Ausgangsgröße im letzten Schritt die Y-Koordinate Y_W der derzeitigen Position des Fahrzeugs W erzeugt. Das System umfaßt eine Addier-/Subtrahier-Einheit 11 zur Bestimmung der y-Koordinate y_P des Zielpunkts P in dem relativen xy-Koordinatensystem gemäß Gleichung (7) (Näherung von Gleichung (6)), eine Differential-Transfereinheit 12 zum Differenzieren der Y-Koordinate Y_P des Zielpunkts P gemäß Gleichung (32) (Näherung von Gleichung (30')), um den Winkel Θ_PM des Zielwegs M im Zielpunkt P zu bestimmen und auszugeben, eine Addier-/Subtrahier-Einheit 13 zum Subtrahieren des Winkels Θ_W des Fahrzeugs W von dem Winkel Θ_PM des Zielwegs M, um den Winkel Φ_PM des Zielwegs M im Zielpunkt P zu bestimmen, eine Transfereinheit 14 zum Bestimmen und Ausgeben der Zielgierrate τ_m aus dem Winkel Φ_PM und der y-Koordinate y_P des Zielpunkts P gemäß Gleichung (15), eine Addier-/Subtrahier-Einheit 15 zum Subtrahieren der derzeitigen Gierrate τ von der Zielgierrate τ_m, um die Gierraten-Zielkorrekturgröße Δτ_m(= τ_m – τ) zu bestimmen, eine Transfereinheit 16 zum Bestimmen der Lenkwinkel-Zielkorrekturgröße Δδ_m aus der Gierraten-Zielkorrekturgröße Δτ_m gemäß Gleichung (16), eine Addier-/Subtrahier-Einheit 17 zum Addieren des derzeitigen Lenkwinkels δ zu der Lenkwinkel-Zielkorrekturgröße Mδ_m, um den Ziellenkwinkel δ_m zu bestimmen, eine dem Lenkmechanismus entsprechende Transfereinheit 18 zum Erzeugen des tatsächlichen Lenkwinkels δ in Antwort auf den Ziellenkwinkel δ_m, eine dem gesamten Fahrzeug entsprechende Transfereinheit 19 zur Ausgabe der tatsächlichen Gierrate τ in Antwort auf den tatsächlichen Lenkwinkel δ, eine Integral-Transfereinheit 20 zum Integrieren der tat sächlichen Gierrate τ gemäß Gleichung (19), um den Winkel Θ_W des Fahrzeugs W zu bestimmen und auszugeben, eine Integral-Transfereinheit 21 zum Integrieren des Winkels Θ_W gemäß Gleichung (25) (Näherung von Gleichung (23)), um die Y-Koordinate Y_W der derzeitigen Position des Fahrzeugs W zu bestimmen und auszugeben, eine Transfereinheit 22 zum Bestimmen und Ausgeben des Werts des zweiten Terms in der Klammer in Gleichung (7) in Antwort auf den Winkel Θ_W, und eine Addier-/Subtrahier-Einheit 23 zum Addieren der Y-Koordinate Y_W der derzeitigen Position des Fahrzeugs W und der Ausgangsgröße der Transfereinheit 22 gemäß der Klammer in Gleichung (7) und zur Ausgabe des Ergebnisses an die Addier-/Substrahier-Einheit 11.
Den Transfereinheiten 12, 14, ... sind jeweils Transferfunktionen zugeordnet, die ihre Eingangs-/Ausgangseigenschaften darstellen. Diese Transferfunktionen sind durch Umkehrfunktionen unter Verwendung des Operators s der bekannten Laplace-Transformation bezeichnet.
Außer jenen den Transfereinheiten 18, 19 entsprechenden sind diese Transferfunktionen entsprechend den Transfereinheiten 12, 14, ... durch die Umkehrfunktionen der Gleichungen 32, 15, ... ausgedrückt. Die den Transfereinheiten 18, 19 entsprechenden Transferfunktionen werden unter Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften des Lenkmechanismus und des Fahrzeugsystems wie nachfolgend beschrieben bestimmt.
Die dem Lenkmechanismus entsprechende Transfereinheit 18 erzeugt in Antwort auf den Eingangslenkwinkel (Ziellenkwinkel) δ_m eine Ansprechverzögerung des Ausgangslenkwinkels (tatsächlicher Lenkwinkel) δ, die allgemein von einer mechanischen Verzögerung des Lenkmechanismus herrührt. Die Ansprechverzögerung ist durch eine Exponentialfunktion angegeben, die durch eine Zeitkonstante T_d (nachfolgend als Lenkwinkelzeitkonstante T_d bezeichnet) festgelegt ist, welche dem Lenkmechanismus inhärent ist.
Wie im Stand der Technik wohlbekannt ist, wird die Transferfunktion, die eine derartige Ansprechverzögerung darstellt, unter Verwendung des Operators s als 1/(1 + sT_d) ausgedrückt. Diese Transferfunktion entspricht der Transfereinheit 18.
In der dem Fahrzeugsystem entsprechenden Transfereinheit 19 wird die Ausgabe (tatsächliche Gierrate) r, die in Antwort auf die Eingabe (tatsächlicher Lenkwinkel) δ erzeugt wird, nicht instantan gleich der gemäß Gleichung (3) relativ zu Lenkwinkel und Gierrate bestimmten Gierrate, sondern erfährt aufgrund der Trägheitskraft des Fahrzeugs W und anderer Faktoren eine Ansprechverzögerung. Wie bei der Transfereinheit 18 wird diese Ansprechverzögerung durch eine Exponentialfunktion angegeben, die durch eine Zeitkonstante T_r (nachfolgend als Gierratenkonstante T_r bezeichnet) festgelegt ist, welche dem Fahrzeugsystem inhärent ist.
Daher ist die der Transfereinheit 19 entsprechende Transferfunktion aus einer Transferfunktion V/(L·(1 + KV²)), die die Eingabe δ gemäß Gleichung (3) in eine Gierrate umwandelt, und einer Transferfunktion 1/(1 + sT_r), die eine Ansprechverzögerung relativ zur Gierrate ausdrückt, zusammengesetzt.
Das Blockdiagramm gemäß 7b zeigt einige der Elemente des Blockdiagramms gemäß 7a. Eine in 7b dargestellte Transfereinheit 24 entspricht den Transfereinheiten 17 bis 19 gemäß 7a. Die Transfereinheit 24 dient zum Empfang der Zielgierrate τ_m als Eingangsgröße und zur Ausgabe der tatsächlichen Gierrate τ. Ihre Eingangs-/Ausgangs-Eigenschaften sind durch eine in 7b dargestellte Transferfunktion angegeben.
Das Blockdiagramm gemäß 7c zeigt alle Elemente des Blockdiagramms gemäß 7b als eine Transfereinheit 25, die die Y-Koordinate Y_P des Zielpunkts P als Eingangsgröße empfängt und die Y-Koordinate Y_W der derzeitigen Position des Fahrzeugs W ausgibt. Die Eingangs-/Ausgangs-Eigenschaften der Transfereinheit 25 sind durch eine in 7c dargestellte Transferfunktion angegeben.
Im folgenden werden mit Bezug auf die 8a–8c bis 12a–12c Simulationsrechnungen beschrieben werden, die für das automatisch fahrende Fahrzeug ausgeführt wurden. Die 8a–8c bis 12a–12c stellen die Ergebnisse der Simulationsrechnungen dar.
Auf Grundlage der in 25 dargestellten Transferfunktion führte der Erfinder Simulationsrechnungen für das Fahrzeug W aus, um zu sehen, wie der von dem Fahrzeug W beschriebene Weg dem Zielweg unter verschiedenen Bedingungen einschließlich der vorgeschriebenen Zeit folgt.
Die verschiedenen Bedingungen in den Simulationsrechnungen waren hierbei wie folgt:
Der Zielweg M war gerade und verlief parallel zur X-Achse des festen XY-Koordinatensystems (siehe 3). Die Fahrt des Fahrzeugs W wurde vom Ursprung des festen XY-Koordinatensystems aus in Richtung der Y-Achse gestartet.
Der Korrekturwert K_m war in jeder der Simulationsrechnungen konstant.

In Tabelle 2 sind verschiedene für die Simulationsrechnungen erforderliche Werte einschließlich der vorgeschriebenen Zeit T angegeben. Tabelle 2

Figur		T	^Td	T_r	K_m
8	(a)	1 sec	0.3	0.2	0
	(b)	dito	dito	dito	0.5
	(c)	dito	dito	dito	0.9
9	(a)	0.8 sec	dito	dito	0
	(b)	dito	dito	dito	0.5
	(c)	dito	dito	dito	0.9
10	(a)	1 sec	dito	0.1	0
	(b)	dito	dito	dito	0.5
	(c)	dito	dito	dito	0.9
11	(a)	0.8 sec	dito	dito	0
	(b)	dito	dito	dito	0.5
	(c)	dito	dito	dito	0.9
12	(a)	1 sec	0.5	0.2	0
	(b)	dito	dito	dito	0.5
	(c)	dito	dito	dito	0.9

In jeder der in den 8a, 9a, 10a, 11a und 12a dargestellten Simulationsrechnungen hatte der Korrekturkoeffizient K_m den Wert "0". Wie aus Gleichung (14) zu ersehen ist, stimmt in diesen Simulationsrechnungen die Zielgierrate τ_m mit der Gierrate τ_P überein, um das Fahrzeug W zu veranlassen, zum Zielpunkt P zu gelangen. Daher sind diese Simulationsrechnungen grundlegend die gleichen wie der Steuerprozeß zur Steuerung des herkömmlichen, automatisch fahrenden Fahrzeugs.
Wie aus 8a, 9a, 10a, 11a und 12a zu ersehen ist, erreicht das herkömmliche, automatisch fahrende Fahrzeug, bei dem der Korrekturkoeffizient K_m = 0 ist, schnell den Zielweg M, jedoch oszilliert der von dem Fahrzeug W beschriebene Weg S relativ weit um den Zielpfad M und konvergiert allmählich zu dem Zielpfad M. Daher weist das Fahrzeug W eine geringe Fähigkeit auf, dem Zielpfad M in seiner Richtung zu folgen.
Ein Vergleich zwischen 8a und 9a oder den 10a und 11a zeigt, daß die Fähigkeit des Fahrzeugs, dem Zielweg M in seiner Richtung zu folgen, geringer ist, wenn die vorgeschriebene Zeit T kleiner ist. Ein Vergleich zwischen den 8a und 12a zeigt, daß die Fähigkeit des Fahrzeugs, dem Zielweg M in seiner Richtung zu folgen, wesentlich geringer ist, wenn die Lenkwinkelzeitkonstante T_d größer ist, d. h. die mechanische Ansprechverzögerung des Lenkmechanismus größer ist. Ferner kann aus einem Vergleich der 9a und 11a ersehen werden, daß die Fähigkeit des Fahrzeugs, dem Zielweg M in seiner Richtung zu folgen, ebenso geringer ist, wenn die Gierzeitkonstante T_r größer ist, d. h. die Ansprechverzögerung der tatsächlichen Gierrate τ relativ zum tatsächlichen Lenkwinkel δ des Fahrzeugsystems größer ist.
Bei dem erfindungsgemäßen automatisch fahrenden Fahrzeug, bei dem der Korrekturkoeffizient K_m einen Wert im Bereich 0 < K_m < 1 aufweist, ist die zum Erreichen des Zielpunkts P erforderliche Zeit für das Fahrzeug W geringfügig länger, jedoch konvergiert der Weg S glatter zu dem Zielweg M, wenn der Wert des Korrekturkoeffizienten K_m größer ist.
Wie aus den 8b, 8c, 9b, 9c, 10b, 10c, 11b, 11c, 12b und 12c zu ersehen ist, wird die vorstehend beschriebene Tendenz nicht wesentlich beeinträchtigt, selbst wenn die vorgeschriebene Zeit T klein ist oder die Lenkwinkelzeitkonstante T_d groß ist oder die Gierzeitkonstante T_r groß ist. Wenn der Wert des Korrekturkoeffizienten K_m größer ist, konvergiert insbesondere der Weg S des Fahrzeugs W glatter zu dem Zielweg M ungeachtet der Größe der vorgeschriebenen Zeit T, der Lenkwinkelzeitkonstante T_d oder der Gierzeitkonstante T_r _.
Somit kann das erfindungsgemäße automatisch fahrende Fahrzeug derart gesteuert werden, daß es dem Zielweg M glatt folgt, so daß der Fahrkomfort des Fahrzeugs W wesentlich verbessert wird.
Da das Fahrzeug W dem Zielweg M glatt folgen kann, selbst wenn die vorgeschriebene Zeit T herabgesetzt wird, kann insbesondere der Zielpunkt P auf eine dem Fahrzeug W relativ nahe Position festgesetzt werden, selbst wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V in dem vorstehend beschriebenen Rechen- und Steuerprozeß relativ hoch ist. Dies bedeutet, daß es, obwohl der Zielweg M auf Grundlage der Bildinformation vor dem Fahrzeug W festgelegt wird und die Entfernung, über die der Zielweg M festgelegt werden kann, begrenzt ist, möglich ist, das Fahrzeug W zu veranlassen, mit hoher Geschwindigkeit zu fahren, während es gleichzeitig dem Zielweg M glatt folgt. Dies bedeutet ferner, daß insofern die Fahrzeuggeschwindigkeit V sich in einem mittleren Bereich befindet, keinerlei Probleme auftreten, wenn die zur Festlegung des Zielpunkts P erforderliche Datenmenge für den Zielweg M und die Menge an Bildinformation zur Festlegung des Zielpunkts P klein sind. Entsprechend kann die zur Verarbeitung der Bildinformation benötigte Zeit verkürzt werden.
Insofern als der Korrekturkoeffizient K_m in Abhängigkeit von der Krümmung ƍ und der Straßenbreite D der Fahrbahn und der Fahrzeuggeschwindigkeit V bestimmt wird, kann das Fahrzeug derart gesteuert werden, daß es sich in einer den Straßenzuständen und den Fahrzuständen angemessenen Weise längs des Zielwegs M bewegt.
Wie in 3 dargestellt, wird der Winkel Φ_PW des Fahrzeugs W im Zielpunkt P unter der Annahme bestimmt, daß die Gierrate des Fahrzeugs W sich instantan von der derzeitigen Gierrate τ in die Gierrate τ_P zur Erreichung des Zielpunkts ändert. Tatsächlich ändert sich die Gierrate des Fahrzeugs W jedoch nicht instantan, sondern ändert sich, indem sie den Lenkwinkel δ der lenkbaren Räder 6 in einen Lenkwinkel zur Erzeugung der Gierrate τ_P zur Erreichung des Zielpunkts ändert.
Eine Änderung der Gierrate durch Korrektur des Lenkwinkels δ der lenkbaren Räder 6 führt zu einer Ansprechverzögerung aufgrund der mechanischen Eigenschaften des Lenksystems und des Fahrzeugsystems.
Daher sollte eine derartige mechanische Ansprechverzögerung vorzugsweise bei der Bestimmung des Winkels Φ_PW des Fahrzeugs W im Zielpunkt P, d. h. des Winkels Φ_PW des Fahrzeugs W nach der vorgeschriebenen Zeit T berücksichtigt werden.
Bei gegebener mechanischer Ansprechverzögerung wird der Winkel Φ_PW des Fahrzeugs W im Zielpunkt P wie folgt bestimmt:
Wie in der in 7b dargestellten Transfereinheit 24 angegeben, ist die Transfercharakteristik für die Ausgangsgierrate (tatsächliche Gierrate) τ in Antwort auf die Eingangsgierrate (Zielgierrate) τ_m in dem kombinierten Lenk- und Fahrzeugsystem unter Verwendung der in 7b dargestellten Transferfunktion wie folgt gegeben:
Die Eingangsgierrate τ_m in Gleichung (33) wird durch die Gierrate τ_P ersetzt, um den Zielpunkt zu erhalten, und dann wird Gleichung (33) wie folgt durch eine zeitliche Differentialgleichung ausgedrückt:
Durch Lösen der Differentialgleichung (34) wird die tatsächliche Gierrate τ als Zeitfunktion durch Korrektur des Lenkwinkels bestimmt, um die Gierrate τ_P zum Erhalt des Zielpunkts zu erzeugen.
Wenn die tatsächliche Gierrate τ einmal als Zeitfunktion bestimmt ist, wird der Winkel Φ_PW des Fahrzeugs W nach der vorgeschriebenen Zeit T wie folgt durch Integration der Gierrate τ in einem Zeitbereich von 0 bis T mittels einer bestimmten Integration bestimmt:
Unter Berücksichtigung der mechanischen Ansprechverzögerung des Lenksystems und des Fahrzeugsystems bei der Bestimmung des Winkels Φ_PW des Fahrzeugs W nach der vorgeschriebenen Zeit T ist es möglich, den Winkel Φ_PW des Fahrzeugs W nach der vorgeschriebenen Zeit T mit größerer Genauigkeit zu bestimmen und den Lenkwinkel in einer den tatsächlichen Fahrzeugzuständen angemessenen Weise zu steuern.
Bei der Korrektur der Gierrate τ_P zur Erreichung des Zielpunkts zur Bestimmung der Zielgierrate τ_m werden beidem Ausführungsbeispiel die Krümmung ƍ und die Straßenbreite D der Fahrbahn als Zustandsgrößen des Zielwegs und die Fahrzeuggeschwindigkeit V als Zustandsgröße des Fahrzeugs eingesetzt. Jedoch können ferner der Reibungskoeffizient μ und der Neigungswinkel als Zustandsgrößen des Zielwegs und ein Bremszustand, ein Beschleunigungszustand, ein Kupplungsbetriebszustand, ein Lenkzustand, ein Getriebebetriebszustand und ein Spoilerbetriebszustand als Zustandsgrößen des Fahrzeugs zur Korrektur der Gierrate τ_P zur Erreichung des Zielpunkts eingesetzt werden.
Zusammenfassend wurde vorstehend ein Fahrzeug, bspw. ein Automobil, beschrieben, das durch ein Steuersystem derart gesteuert wird, daß er sich im wesentlichen längs eines Zielwegs bewegt. Das Steuersystem bestimmt einen Zielpunkt auf dem Zielweg, eine Gierrate als Steuergröße zur Erreichung die Zielpunkts, um das Fahrzeug zu veranlassen, den Zielpunkt von einer beliebigen Position aus zu erreichen, die Richtung, in der sich das Fahrzeug im Zielpunkt bewegt, auf Grundlage der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts, die Winkeldifferenz zwischen der Richtung und dem Zielweg im Zielpunkt als eine Zielpunkt-Winkeldifferenz und eine Zielgierrate, für das Fahrzeug durch Korrektur der Gierrate zur Erreichung des Zielpunkts auf Grundlage der Zielpunkt-Winkeldifferenz. Das Fahrzeug wird auf Grundlage der Zielgierrate gesteuert.

Claims

System zum Lenken eines Fahrzeugs (W) im Wesentlichen längs eines Zielwegs (M), umfassend: – eine Zielwegfestsetzungseinheit (4) zur Bestimmung eines Zielpunkts (P) auf dem Zielweg (M); – eine Rechen- und Steuereinheit (5) zum Bestimmen einer Gierrate (τ_P) als Steuergröße (τ_P) zum Erreichen des Zielpunkts (P), um das Fahrzeug (W) zu veranlassen, den Zielpunkt (P) von einer beliebigen Position aus zu erreichen, und zum Bestimmen einer Bewegungsrichtung, in der sich bei Berechnung auf Grundlage der Gierrate (τ_P) das Fahrzeug (W) an dem Zielpunkt (P) bewegt, und zum Bestimmen einer Zielgierrate (τ_m) für das Fahrzeug (W); und – eine Lenkeinheit (7) zum Lenken der Räder (6) des Fahrzeugs (W) auf Grundlage der Zielgierrate (τ_m), dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinheit (5) eine Zielpunkt-Winkeldifferenz (ΔθP) zwischen der Bewegungsrichtung, mit der das Fahrzeug (W) von der derzeitigen Position mit der Gierrate (τ_P) zur Erreichung des Zielpunkts zum Zielpunkt (P) fährt, und dem Zielweg (M) am Zielpunkt (P) bestimmt und die Zielgierrate (τ_m) durch Korrektur der Gierrate (τ_P) auf Grundlage der Zielpunkt-Winkeldifferenz (ΔθP) derart korrigiert, dass mit zunehmender Annäherung des Fahrzeugs (W) an den Zielweg (M) die Zielpunkt-Winkeldifferenz (ΔθP) allmählich bis auf Null verringert wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinheit (5) die Zielgierrate (τ_m) unter Verwendung einer Zustandsgröße (ρ, D) des Zielwegs (M) bestimmt.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße des Zielwegs (M) eine Krümmung (ρ) des Zielwegs (M) ist, wobei die Anordnung derart ist, dass die SGierrate (τ_P) zur Erreichung des Zielpunkts (P) um einen Betrag in die Zielgierrate (τ_m) korrigiert wird, der abnimmt, wenn die Krümmung (ρ) zunimmt.
System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße des Zielwegs (M) eine Breite (D) des Zielwegs (M) ist, wobei die Anordnung derart ist, dass die Gierrate (τ_P) zur Erreichung des Zielpunkts (P) um einen Betrag in die Zielgierrate (τ_m) korrigiert wird, der zunimmt, wenn die Breite (D) zunimmt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinheit (5) die Zielgierrate (τ_m) unter Verwendung einer Zustandsgröße (V) des Fahrzeugs (W) bestimmt.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße des Fahrzeugs (W) eine Geschwindigkeit (V) des Fahrzeugs (W) ist, wobei die Anordnung derart ist, dass die Gierrate (τ_P) zur Erreichung des Zielpunkts (P) um einen Betrag in die Zielgierrate (τ_m) korrigiert wird, der zunimmt, wenn die Geschwindigkeit (V) zunimmt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein automatisch fahrendes Fahrzeug (W) ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinheit (5) einen Ziellenkwinkel (δ_m) für das lenkbare Rad (6) bestimmt, um die Zielgierrate (τ_m) auf Grundlage einer vorbestimmten Gierrate (τ) und eines Lenkwinkels (δ) des lenkbaren Rads (6) zu erzeugen, und den Lenkwinkel (δ) in den Ziellenkwinkel (δ_m) korrigiert.
System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinheit (5) einen Betrag zur Korrektur der Gierrate (τ_P), der erforderlich ist, um die Zielpunkt-Winkeldifferenz (ΔθP) zu eliminieren, mit einem Korrekturkoeffizienten (Km), der in Abhängigkeit von einer Krümmung (ρ) und einer Breite (D) des Zielwegs (M) und einer Geschwindigkeit (V) des Fahrzeugs (W) einen Wert zwischen 0 und 1 aufweist, multipliziert, um einen Betrag zur Korrektur der Gierrate (τ_P) zur Erreichung des Zielpunkts (P) mit der Zielgierrate (τ_m) zu bestimmen.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinheit (5) den Korrekturkoeffizienten (Km) aus der Krümmung (ρ), der Breite (D) und der Geschwindigkeit (V) gemäß einem Prozess unter Einsatz unscharfer Logik (Fuzzy Logic) derart bestimmt, dass der Korrekturkoeffizient (K_m) abnimmt, wenn die Krümmung (ρ) zunimmt, der Korrekturkoeffizient (K_m) zunimmt, wenn die Breite (D) zunimmt und der Korrekturkoeffizient (K_m) zunimmt, wenn die Geschwindigkeit (V) zunimmt.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinheit (5) die Bewegungsrichtung unter Berücksichtigung des Ansprechverhaltens des Lenkwinkels (δ) des lenkbaren Rades (6), wenn das lenkbare Rad (6) gelenkt wird, um die Gierrate (τ_P) zum Erreichen des Zielpunkts (P) zu erzeugen, und unter Berücksichtigung des Ansprechverhaltens der Gierrate (τ) auf den Lenkwinkel (δ) bestimmt.