DE69130147T2

DE69130147T2 - Automatisches Steuersystem für Seitenführung

Info

Publication number: DE69130147T2
Application number: DE69130147T
Authority: DE
Inventors: Margolis L. El Macero California 95618 Donald; Yoshiyuki Davis California 95616 Yasui
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1990-10-03
Filing date: 1991-10-02
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2011-10-03
Also published as: EP0479271B1; EP0479271A2; US5357432A; JP3191958B2; EP0479271A3; DE69130147D1; JPH04270402A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein ein automatisches Seitenführungssystem zum Steuern der Richtung eines sich bewegenden Fahrzeugs entlang eines vorbestimmten Wegverlaufs, und bezieht sich insbesondere auf eine verbesserte Fahrzeug-Steuereinrichtung zur Verwendung in einem automatischen Seitenführungssystem zum Steuern der Richtung eines Motorfahrzeugs auf einer Schnellstraße. Sogenannte "Automatisierte Schnellstraßen" werden gegenwärtig entwickelt und werden fahrzeugbasierte Systeme beinhalten, die automatisch die Geschwindigkeit des Motorfahrzeugs, dessen Lenkvorgänge und Bremsvorgänge steuern werden, um den Fahrer als eine vorrangige Steuerungsquelle über das Fahrzeug zu ersetzen. Die erwarteten Vorteile derartiger Systeme werden derart sein, daß der Verkehrsfluß insgesamt verbessert und die Sicherheit auf Schnellstraßen erhöht werden. Die Erfindung ist auf ein derartiges Fahrzeug-basiertes System zum automatischen Steuern der Fahrzeugrichtung gerichtet.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Eine Vielzahl von herkömmlichen Führungssystemen, wie beispielsweise mit Roboter-Einrichtungen arbeitende Führungssysteme (robotic material handling guidance systems), werden zum Steuern der Bewegung von Fahrzeugen, die sich entlang eines vorbestimmten Wegverlaufs fortbewegen, verwendet. In manchen Anwendungen wird ein "Roboter-Fahrzeug" zum Bewegen von Material zwischen ein zelnen Punkten in einem Lagerhaus oder Speicherbereich ohne menschliches Eingreifen bereitgestellt mit einem automatisierten Lenksteuersystem, das einen induktiven Sensor, der nahe der Bodenfläche des Fahrzeugs angebracht ist, nutzt, um einen Strom, der durch eine dünne Aderleitung fließt, die entweder auf oder unter der Oberfläche einer vorbestimmten Fahrbahn angeordnet ist, zu erfassen. Der induktive Sensor erfaßt das magnetische Feld, das von der Aderleitung abgestrahlt wird, unter Verwendung herkömmlicher Phasenerfassungsverfahren, und erzeugt ein Ausgangssignal, das das Ausmaß anzeigt, in dem das Fahrzeug seitlich von dem gewünschten Streckenverlauf abgewichen ist. Die Ausgangssignale des Sensors werden einer Fahrzeug-Steuerschaltung zugeführt, die vorwiegend das Ausgangssignal des Sensors in Steuerungsfehlersignale umwandelt, die dazu verwendet werden, das Fahrzeug zurück auf Kurs zu bringen.
Diese induktiven Formen von Seitenführungs-Steuersystemen erfuhren einigen Erfolg bei verhältnismäßig langsam fahrenden Anwendungen für den Umgang mit industriellem Material. Bei diesen Systemen werden jedoch ernstzunehmende Nachteile beobachtet, wenn sie zum Steuern von Motorfahrzeugen, die mit beträchtlicher Geschwindigkeit auf einer Schnellstraße fahren, herangezogen werden. Beispielsweise kann das magnetische Feld, das durch eine stromführende Leitung, die in der Oberfläche einer Straße angeordnet ist, abgestrahlt wird, durch Strukturen aus Metall entlang des Streckenverlaufs oder durch magnetische Streufelder von sich in der Nähe befindenden Stromleitungen gestört werden. Die induktiven Sensoren sind hochgradig anfällig für das Erfassen von Störsignalen, die durch andere elektromagnetische Quellen abgestrahlt werden. Darüber hinaus erfordert ein derartiges System die Installation und Wartung von Stromleitungen, Transformatoren und Leistungsversorgungen entlang der Straße, welches beträchtliche Kosten für ein derartiges System mit sich bringt. Darüber hinaus ist das Leistungsvermögen eines derartigen Systems stark begrenzt, weil der induktive Sensor im Gegensatz zu einem menschlichen Fahrer nicht "vorausschauen" kann. Auf induktiven Sensoren basierende Systeme können nur auf das magnetische Feld reagieren, das von dem Fahrbahnverlauf unmittelbar unter dem Fahrzeug empfangen wird. Demzufolge sind ohne die Fähigkeit des "Vorausschauens" die Reaktionszeiten der auf induktiven Sensoren basierenden Steuersysteme im Vergleich zu denjenigen eines Fahrers sehr langsam.
Um die vorstehend diskutierten Nachteile der auf induktiven Sensoren basierenden Fahrzeugsteuerungssysteme zu überwinden, wurde eine Anzahl von automatischen Führungs- bzw. Leitsystemen vorgeschlagen, die optische Sensoren verwenden, um von einem Reflektor, einem reflektierenden Streifen oder einem anderen Licht reflektierenden Medium, das seitlich der Straße angebracht oder auf die Straßenoberfläche aufgebracht ist, reflektierte Lichtenergiestrahlen zu erfassen. Die Position und die Richtung des Fahrzeugs werden dann in Bezug auf den Reflektor ermittelt. Ein Beispiel eines solchen "vorausschauenden" Verfahrens ist in dem US-Patent Nr. 4,049,961, erteilt für Marcy, dargestellt. Marcy offenbart ein automatisches Führungssystem für ein Motorfahrzeug, welches eine optische Laser-Sender/Empfänger-Anordung beinhaltet. Eine Reihe von räumlich getrennten Antworteinrichtungen (responder, d. h. Lichtreflexionseinrichtungen) sind in einer einzigen Reihe parallel zu der Mittenlinie der Fahrbahn oder in einem Paar von Reihen auf der Mittenlinie gegenüberliegenden Seiten angeordnet, um Abstrahlenergie von dem Lasersender zurück zu dem Empfänger zu reflektieren. Wie bei Marcy gezeigt, strahlt der Lasersender zwei sich überlappende Strahlen ab, die durch Sinuswellen, die 180º ausphasig sind, amplitudenmoduliert sind. Der Empfänger mischt die beiden reflektierten Strahlen zu einem einzelnen Strahl, der einer zyklischen translatorischen Verschiebung der Amplitude unterworfen wird. Die Amplitudenverschiebung wird in eine Spannung umgesetzt, deren Amplitude sich in Übereinstimmung mit der Position des Fahrzeugs ändert. Mit anderen Worten ausgedrückt, stellt ein Vergleich der Phasendifferenzen zwischen den gesendeten und reflektierten Strahlen eine Ermittlung des Orts des Fahrzeugs in Bezug auf die Reflektoren bereit. Jedoch erfordert die Verwendung eines solchen Systems vorwiegend die Verwendung eines Hochleistungs-Lasersenders, der eine praktische Anwendung verbietende hohe Kosten mit sich bringen kann.
Restriktiver haben jedoch die herkömmlichen lasergesteuerten automatischen Führungssysteme ein begrenztes Spurführungs-Leistungsvermögen oder eine begrenzte Spurführungs-Genauigkeit in Bezug auf die Steuerung der Richtung des Fahrzeugs, weil derartige System die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht berücksichtigen. Beispielsweise nimmt die Reaktionszeit, die benötigt wird, um das Fahrzeug in Antwort auf erfaßte Änderungen der Richtung der Straße zu lenken, mit zunehmender Geschwindigkeit des Fahrzeugs ab. Infolgedessen ist, obwohl die herkömmlichen automatischen Führungssysteme für Motorfahrzeuge als "vorausschauende" Systeme betrachtet werden können, die Reaktionszeit für die herkömmlichen Systeme bei den höheren Geschwindigkeiten des Fahrzeugs noch immer begrenzt. Nichtsdestoweniger stellt die Erfindung eine neuartige Anordnung für ein "vorausschauendes" automatisches Seitenführungs-Steuersystem bereit, das die Geschwindigkeit des Fahrzeugs berücksichtigt und dadurch das Spurhaltungs-Leistungsvermögen und die Genauigkeit des Systems erhöht.
Darüber hinaus offenbart die Druckschrift EP-A 0 354 561 A2 eine automatische Fahrvorrichtung und ein automatisches Fahrverfahren, bei dem eine Videokamera ein Bild der befahrenen Straße erfaßt. Das erfaßte Bild wird dann kantengefiltert, um die Ränder der befahrenen Straße abzuleiten, und in eine zu einem Koordinatensystem vergleichbare ebene Ansicht transformiert. Ein Soll-Streckenverlauf, der von dem Fahrzeug eingehalten werden soll, wird in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit festgelegt durch Ermitteln einer Entfernung des Soll- Streckenverlaufs von den Fahrbahnrändern. Auf der Grundlage der erfaßten Fahrzeuggeschwindigkeit wird eine Entfernung in gerader Richtung, welche das Fahrzeug in einer vorbestimmten Anzahl von Sekunden ausgehend von seiner gegenwärtigen Position zurücklegen kann, ermittelt, und es wird ein Lenkbetrag für das Fahrzeug ermittelt derart, daß die Abweichung zwischen dem (angenommenen) Punkt, den das Fahrzeug in der geradeaus verlaufenden Fahrrichtung erreichen würde, und dem Zielpunkt auf dem Soll-Streckenverlauf kompensiert wird, d. h. derart, daß sich das Fahrzeug nach dem Verstreichen der vorbestimmten Anzahl von Sekunden an dem Zielpunkt befindet.
Darüber hinaus ist in Proceedings IECON '84, Industrial Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 22. bis 26. Oktober 1984, Tokyo, Japan; Band 1, Seiten 297 bis 302: T. Tsumura et al.: "An experimental system for automatic guidance of the ground vehicle by use of laser and corner cubes" eine Anordnung beschrieben, bei der diskrete Referenzpunkte entlang der Fahrstrecke angeordnet sind, und bei der ein Fahrzeug, das sich entlang der Fahrbahn bewegt, seine eigene Position in Bezug auf einen gewünschten Wegverlauf unter Verwendung des Richtungswinkels zweier benachbarter Referenzpunkte ermittelt.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In Anbetracht des Vorstehenden liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes automatisches Führungs-Steuersystem mit einer Anordnung zum automatischen Führen der Richtung eines sich bewegenden Fahrzeugs zu schaffen.
Somit soll die Erfindung ein verbessertes automatisches Führungs-Steuersystem bereitstellen, welches in der Lage ist, die Reaktionszeit, die zur Verfügung steht, um die Richtung eines sich bewegenden Fahrzeugs zu steuern, zu Erhöhen, um automatisch die Richtung eines Fahrzeugs bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten zu steuern, die Spurhaltungsgenauigkeit des Systems zu erhöhen, die Richtung eines sich bewegenden Fahrzeugs ohne menschliches Eingreifen zu steuern, besser als die durch einen Bediener des Fahrzeugs bereitgestellte Steuerung antworten zu können, und die im Betrieb anfallende Wartung und die im Betrieb anfallenden Kosten zu verringern.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird diese Aufgabe alternativ gelöst durch eine Vorrichtung, wie sie in den Patentansprüchen 1, 2 und 3 definiert ist. Darüber hinaus wird diese Aufgabe alternativ gelöst durch ein Verfahren, wie es in den Patentansprüchen 9, 10 und 11 definiert ist.
Infolgedessen wird in Übereinstimmung mit der Erfindung ein verbessertes Führungs-Steuersystem zum Steuern sich bewegender Fahrzeuge bereitgestellt, welches ein Erfassungs-Untersystem zum Betrachten eines Bereichs vor dem Fahrzeug, einer Vielzahl von Energie abstrahlenden oder Energie reflektierenden Einrichtungen, die benachbart auf einer vorbestimmten Länge einer Straße angeordnet sind, eine Vorrichtung zum Umsetzen der abgestrahlten oder reflektierten Information aus dem betrachteten Bereich in Koordinatendaten, die eine Näherung des vorbestimmten Wegverlaufs entlang der Straße repräsentieren, und eine Fahrzeug-Steuereinrichtung zum Bestimmen des Steuerkurses des Fahrzeugs in Bezug auf den näherungsweisen Streckenverlauf und Bereitstellen eines Ausgangs-Steuersignals zum Korrigieren des Steuerkurses des Fahrzeugs in Bezug auf den näherungsweisen Streckenverlauf umfaßt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung sowie viele ihrer Vorteile werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Diagramm eines verbesserten Seitenführungs-Steuersystems in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ein übergreifendes Funktions-Blockdiagramm des verbesserten automatischen Seitenführungs-Steuersystems gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Sequenz von Schritten, die durchgeführt werden können, um das verbesserte automatische Seitenführungssystem gemäß Fig. 1 und 2 zu betreiben;
Fig. 4 ein vereinfachtes Diagramm, das einen Satz von Schritten in Fig. 3 zum Berechnen einer Straßengeometrie und Ermitteln eines Steuerkurswinkels veranschaulicht;
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines verbesserten automatischen Seitenführungs-Steuersystems in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 eine Veranschaulichung des verbesserten Seitenführungs-Steuersystems, das in Bezug auf einen vorbestimmten Wegverlauf arbeitet;
Fig. 7 eine Veranschaulichung einer Sequenz von Schritten, die durchgeführt werden können, um das in Fig. 5 und 6 veranschaulichte verbesserte automatische Seitenführungs-Steuersystem zu betreiben;
Fig. 8 eine Veranschaulichung eines verbesserten automatischen Seitenführungs-Steuersystems in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 9 eine Veranschaulichung einer Sequenz von Schritten, die durchgeführt werden können, um das in Fig. 8 veranschaulichte verbesserte automatische Seitenführungs- Steuersystem zu betreiben.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Im einzelnen bezugnehmend auf die Zeichnungen, in welchen gleicher Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, ist Fig. 1 ein vereinfachtes Diagramm eines verbesserten Seitenführungs-Steuersystems in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Fahrzeug 8 ist mit einem automatischen Seitenführungs-Steuersystem 10 ausgerüstet, das automatisch den Steuerkurs der Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs 8 in Bezug auf einen tatsächlichen Wegverlauf 28 führt. Eine Vielzahl von Reflektoren 34 können neben oder entlang des tatsächlichen Wegverlaufs 28 angeordnet sein. Obwohl Reflektoren, die im Stand der Technik gut bekannt sind, als Reflektoren 34 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet werden können, zielt die Erfindung nicht darauf ab, auf diese begrenzt zu sein, so daß ein beliebiges geeignetes optisches Reflexionsmedium die Reflektoren 34 ersetzen kann. Lediglich beispielhaft kann eine Reihe von bemalten, reflektierenden Streifen entlang des Wegverlaufs (d. h. der Längsrichtung des Wegverlaufs) 28 folgend angeordnet sein. Der tatsächliche Wegverlauf kann beispielsweise eine Fahrbahn, eine Fahrspur einer Schnellstraße oder irgendeine ähnliche vorbestimmte Wegstrecke umfassen. Das Fahrzeug 8 kann beispielsweise ein Automobil, ein Lastkraftwagen, ein Bus oder irgendeine ähnliche geeignete Art eines mobilen Fahrzeugs zum Fahren entlang einer vorbestimmten Wegstrecke wie beispielsweise dem Wegverlauf 28 sein. Das automatische Seitenführungs-Steuersystem 10, dessen Aufbau und Betriebsablauf in weiteren Einzelheiten nachstehend beschrieben werden wird, führt das Fahrzeug 8 in einer allgemein vorwärts gerichteten Richtung entlang der vorwärts gerichteten Mittellinienachse des Fahrzeugs 8; die Achse wird nachstehend als Fahrzeug-Steuerkurs 20 definiert. Das automatische Seitenführungs-Steuersystem 10 stellt den Fahrtverlauf des Fahrzeugs 8 ein, um zu bewirken, daß das Fahrzeug dem Wegverlauf 8 folgt. Allgemein ausgedrückt stellt das automatische Seitenführungs- Steuersystem 10 den Fahrtverlauf des Fahrzeugs 8 durch Bestimmen des Winkelversatzes zwischen dem Fahrzeug- Steuerkurs 20 und einer geraden Linie, die von der Vorderseite des Fahrzeugs 8 aus zu einem ausgewählten Zielpunkt 24 gezogen wird, ein, wobei der Zielpunkt ein Punkt ist, der sich auf der idealen Straßengeometrie 29 befindet. Wie in grundlegenden Einzelheiten nachstehend beschrieben, ist die ideale Straßengeometrie 29 eine berechnete Näherung des tatsächlichen Wegverlaufs 28. Das Fahrzeug 8 wird dann in Bezug auf den ausgewählten Zielpunkt 24 gesteuert. Vorwiegend ist der Prozeß des Bestimmens des Steuerkurses des Fahrzeugs in Bezug auf einen ausgewählten Zielpunkt auf der idealen Straßengeometrie 29 und des Korrigierens des Steuerkurses des Fahrzeugs ein iterativer Prozeß, der durch eine Sequenz von Schritten, die in einen Mikrocomputer einprogrammiert sind, durchgeführt wird. Demzufolge wird der Prozeß des Ermittelns und Korrigierens des Steuerkurses des Fahrzeugs kontinuierlich wiederholt, solange sich das Fahrzeug entlang der Fahrbahn fortbewegt. Infolgedessen wird das in Fig. 1, 2 und 3 veranschaulichte System als ein Kontinuum von Zielpunkten 24 oder "Markierungen", die entlang der idealen Straßengeometrie angeordnet sind, umfassend betrachtet. Ein derartiges System wird nachstehend als ein "kontinuierliches Markierungssystem" bezeichnet. Darüber hinaus wird die ideale Straßengeometrie 29 nachstehend so definiert, daß sie eine akkurate Näherung der Krümmung des tatsächlichen Wegverlaufs 28 ist. Im wesentlichen ist die Straßengeomtrie 29 grundlegend äquivalent zu dem tatsächlichen Wegverlauf 28. Ein bevorzugtes Verfahren zum Berechnen der idealen Straßengeometrie wird in grundlegenden Einzelheiten nachstehend diskutiert.
Fig. 2 ist ein übergreifendes funktionales Blockdiagramm des verbesserten automatischen Seitenführungs-Steuersystems gemäß Fig. 1. Das automatische Seitenführungs- Steuersystem 10 umfaßt einen Fahrzeug-Geschwindigkeitssensor 32, Vorschausensoren 16,. einen Signalprozessor 14, einen Mikrocontroller 12 und ein Lenkservosystem 18. Der Mikrocontroller 12 umfaßt einen Mikroprozessor, einen Festspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) und Eingabe/Ausgabe-Ports (I/O-Ports). Es wird angemerkt, daß der Mikrocontroller 12 auch eine beliebige zusätzliche Schaltungsanordnung wie beispielsweise A/D- und D/A-Umsetzer, eine kombinatorische logische Schaltungsanordnung, eine Zwischenspeicher-Schaltungsanordnung etc., die für den Betriebsablauf und die Verschaltung des Mikrocontrollers 12 in Bezug auf die Komponenten des automatischen Seitenführungs-Steuersystems notwendig sein können, umfassen kann. Sämtliche der vorstehend beschriebenen Komponenten des Mikrocontrollers 12 können auf einem individuellen Halbleiter-Chip angeordnet sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Mikrocontroller beispielsweise einen Motorola MC68HC705C8-Mikrocontroller umfassen. Obwohl der Aufbau und der Betriebsablauf eines bestimmten Typs von Mikrocontroller hierin zu Anschauungszwecken in Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wird, ist der gewählte Mikrocontrollertyp nicht kritisch für die Ausgestaltung und Nutzung der Erfindung, so daß die Erfindung nicht darauf beschränkt werden soll. Ein beliebiger Mikrocontroller oder eine ähnlich aufgebaute Vorrichtung für die Durchführung der Betriebsabläufe der Erfindung können hierin ausgetauscht werden.
Bezugnehmend auf Fig. 1 und 2 ist der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 32 mit dem Mikrocontroller 12 gekoppelt und stellt eine Messung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 8 bereit. Der Fahrzeuggeschwindigkeitsensor 32 kann eine beliebige Anzahl von herkömmlichen Geschwindigkeitssensoren zur Verwendung in einem Motorfahrzeug umfassen, wie beispielsweise einen Geschwindigkeitssensor, der mit einem Rad des Fahrzeugs 8 verbunden ist. Vorschausensoren 16 sind mit einem Eingang des Mikrocontrollers 12 gekoppelt und stellen Messungen der Relativposition, einschließlich der Entfernung und des Winkels, des Fahrzeugs 8 in Bezug auf wenigstens einen von Reflektoren 34, die entlang des Wegverlaufs 28 angeordnet sind, bereit. Vorschausensoren 16 sind ferner mit einem Eingang des Signalprozessors 14 gekoppelt, um die vorstehend beschriebenen Entfernungs- und Winkelmessungen für den Signalprozessor 14 bereitzustellen. Ein Ausgangssignal des Signalprozessors 14 ist mit einem Eingang des Mikrocontrollers 12 gekoppelt. In einem Ausführungsbeispiel arbeitet der Signalprozessor 14 derart, daß er Positionsmessungen von Reflektoren 34 relativ zu dem Steuerkurs des Fahrzeugs 8 von Vorschausensoren 16 empfängt, damit der Signalprozessor 14 die ideale Straßengeometrie 29 berechnen und eine Information über die ideale Straßengeometrie für den Mikrocontroller 12 bereitstellen kann. Wie jedoch nachstehend in weiteren Einzelheiten in Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben, kann der Mikrocontroller 12 die Straßengeometrie 29 direkt aus den Winkel- und Entfernungsmessungen, die durch die Vorschausensoren 16 bereitgestellt werden, berechnen. Das Lenkservosystem 18 ist mit dem Mikrocontroller 12 gekoppelt und kann beispielsweise ein herkömmliches Lenksteuersystem einschließlich einer Lenksteuereinrichtung und einen Lenkaktuator umfassen. Das Lenkservosystem 18 arbeitet derart, daß die Richtung des Fahrzeugs 8 in Antwort auf auf Steuersignale, die durch den Mikrokontroller 12 generiert werden, geändert werden, um den Steuerkurs des Fahrzeugs 8 in Bezug auf den Wegverlauf 28 beizubehalten.
Die Vorschausensoren 16m die elektrisch mit dem Mikrocontroller 12 und dem Signalprozessor 14 gekoppelt sind, können beispielsweise an einem rechtsseitigen vorderen Abschnitt des Fahrzeug 8 zur Verwendung in einem Land (wie beispielsweise den Vereinigten Staaten), in dem Fahrzeuge typisch auf der rechten Seite der Straße fahren, angebracht sein. Infolgedessen können die Vorschausensoren 16 Reflektoren oder andere Arten von Straßenmarkierungen, die an oder nahe der rechten Seite der Fahrbahn angeordnet sind, abtasten. Es ist ebenfalls denkbar, daß Vorschausensoren 16 in dem mittleren vorderen Abschnitt des Fahrzeugs 8 angebracht sind, um beide Seiten der Fahrbahn abzutasten. Die Vorschausensoren 16 können beispielsweise ein Laser-Sender/Empfänger (Radar)-System oder eine andere optische Erfassungsvorrichtung wie beispielsweise eine Videokamera umfassen. Es wird angemerkt, daß die Vorschausensoren 16 hierin in Bezug auf eine optische Erfassungsvorrichtung nur zu Veranschualichungszwecken beschrieben werden, die Erfindung aber nicht auf diese beschränkt werden soll. Die Vorschausensoren 16 können auch andere geeignete Erfassungseinrichtungen zum Bestimmen des Winkels und der Entfernung zu jeder von einer Reihe von "Markierungen", die angrenzend an eine Fahrbahn angeordnet sind, beinhalten, wie beispielsweise einen Empfänger, der mit Funkfrequenzen (RF) arbeitet und abgestrahlte Signale von einer Reihe von RF-"Balken"- Sendern, die angrenzend an die Straße angeordnet sind, erfaßt und verarbeitet, oder eine beliebige andere Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Entfernung und des Winkels in Bezug auf das Fahrzeug 8 und jede von einer Reihe von Energie reflektierenden oder Energie abstrahlenden "Markierungen". Der Begriff "Reflektor" bezieht sich auf ein beliebiges reflektierendes Medium zum Reflektieren von Lichtenergie. Der Begriff "Markierung" kann sich im breiteren Sinn auf entweder eine Energie reflektierende Einrichtung oder eine Energie abstrahlende Einrichtung, die angrenzend an eine Fahrbahn angeordnet ist, beziehen. Der Bergiff "Markierung" kann sich auch auf einen Abschnitt oder ein Material, das ein statisches magnetisches Feld abstrahlt, beziehen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, in dem ein Laser-Radarsystem verwendet wird, tastet jeder Sender der Vorschausensoren 16 einen Lichtstrahl zu wenigstens einem der Reflektoren 34 ab oder strahlt einen solchen aus. Der zugeordnete Laser-Empfänger der Vorschausensoren 16 empfängt ein reflektiertes Signal von jedem der abgetasteten Reflektoren 34. Der Vorschausensor 16 mißt die Entfernung und den Winkel zwischen jedem der abgetasteten Reflektoren 34 und dem Steuerkurs des Fahrzeugs 8. Diese Messungsinformation wird dem Mikrocontroller 12 zugeführt, um den Ort jedes der abgetasteten Reflektoren 34 in Bezug auf das Fahrzeug 8 zu bestimmen. Diese Messungsinformation kann durch die Vorschausensoren 16 berechnet werden durch Messen einer Phasendifferenz zwischen den gesendeten und den empfangenen Laserstrahlen, 1 oder unter Verwendung eines gepulsten Laserstrahls und Messen der Ausbreitungszeit zu dem Refelektor und zurück. Der spezielle Aufbau und Betriebsablauf der Vorschausensoren 16 ist im einzelnen in einer gemeinsamen, ebenfalls anhängigen Anmeldung offenbart.
Fig. 3 veranschaulicht eine Sequenz von Schritten, die ausgeführt werden können, um das verbesserte Seitenführungs-Steuersystem gemäß Fig. 1 und 2 zu betreiben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann diese Sequenz von Schritten durch Programmieren des Mikrocontrollers 12 unter Verwendung gut bekannter Programmierverfahren durchgeführt werden. Solche Programmierverfahren sind einem Computerprogrammierer mit durchschnittlichen Kenntnissen bekannt. Bezugnehmend auf Fig. 1, 2 und 3 messen die Vorschausensoren 16 die Entfernung und den Winkel zwischen jedem der Reflektoren 34 (Markierungen) und dem Steuerkurs des Fahrzeugs 8. Diese Messungsinformation wird sowohl dem Mikrocontroller 12 als auch dem Signalprozessor 14 zugeführt, um es entweder dem Mikrocontroller 12 oder dem Signalprozessor 14 zu ermöglichen, den relativen Ort jedes der Reflektoren 34 in Bezug auf das Fahrzeug 8 zu bestimmen. Bevorzugt tasten die Vorschausensoren 16 einen Bereich ab, der wenigstens drei der Reflektoren beinhaltet. In einem Block 302 gemäß Fig. 3 wird die Messungsinformation, die die relative Position für jeden der drei abgetasteten Reflektoren 34 in Bezug auf das Fahrzeug 8 bestimmt, in den Speicherbereich des Mikrocontrollers 12 gelesen. Die Fahrzeuggeschwindigkeitsinformation wird auch aus dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 32 in den Mikrocontroller 12 eingelesen. In einem Block 304 berechnet der Mikrocontroller 12 die ideale Straßengeometrie 29 aus der Winkel- und Entfernungs-Messungsinformation, die aus dem Vorschausensor 16 erhalten wurde. Fig. 4 ist ein vereinfachtes Diagramm, das einen Satz von Schritten veranschaulicht, die in Bezug auf den Block 304' gemäß Fig. 3 zum Berechnen der idealen Straßengeometrie 29 auszuführen sind. Bezugnehmend auf Fig. 4 und unter Verwendung eines gut bekannten mathematischen Verfahrens erfasst der Vorschausensor 16 die Winkel und Entfernungen zu zumindest drei der Reflektoren 34. Wie durch das Beispiel gemäß Fig. 4 veranschaulicht, stellen die Vorschausensoren 16 Messungen von Winkeln α1, α2 und α3 sowie Entfernungen d1, d2 und d3 in Bezug auf die abgetasteten drei Reflektoren 34 bereit. In Bezug auf ein kartesisches Koordinatensystem, dessen Ursprung an dem Fahrzeugkopf 20 liegt, sind die Positionen der ausgewählten Reflektoren 34 (oder Markierungen) (x1, y1), (x2, y2) und (x3, y3). Diese Positionen haben Bezug auf die Winkel- und die Entfernungsinformation, die durch die Sensoren 16 gemäß dem nachfolgenden Satz von Gleichungen bereitgestellt werden:
(x1, y1) = (d1*cos(α1), d1*sin(α1)) (x2, y2) = (d2*cos(α2), d2*sin(α2)) (1) (x3, y3) = (d3*cos(α3), d3*sin(α3)) In Block 304 berechnet der Mikrocontroller 12 dann die ideale Straßengeometrie 29 als eine akkurate Näherung der Krümmung des Wegverlaufs 28 in Bezug auf den Abschnitt, der durch die drei ausgewählten Markierungen definiert ist, unter Verwendung der folgenden Kreisgleichung:
(x - a)² + (y - b)² = R² (2)
worin (a, b) die Koordinaten des Zentrums der Krümmung für den Kreis sind und R der Krümmungsradius des Kreises ist. Die Werte von a, b und R werden dann durch den nachfolgenden Satz simultaner Gleichungen berechnet:
(x1 - a)² + (Y1-b)² - R² (x2 - a)² + (Y2-b)² = R² (3) (x3 - a)² + (y3-b)² - R²
Alternativ kann gegenwärtig die ideale Straßengeometrie 29 auch durch den Signalprozessor 14 bestimmt werden. Der Signalprozessor 14 kann auch die Krümmung eines Abschnitts des Wegverlaufs 28, der durch die Vorschausensoren 16 abgetastet wurde, annähern. Unter Verwendung der Winkel- und Entfernungsmessungen in Bezug auf drei abgetastete Markierungen oder Reflektoren 34 stellt der Signalprozessor 14 x, y-Koordinateninformation in Bezug auf die Position und den Steuerkurs des Fahrzeugs 8 und den Wegverlauf 28 bereit, die eine akkurate Näherung der Krümmung des Wegverlaufs 28 (d. h. der idealen Straßengeometrie) bereitstellt.
Ein Vorteil des in dem Signalprozessor 14 verwendeten Näherungsverfahrens gegenüber den herkömmlichen Verfahren besteht darin, daß die Berechnungen zum Bestimmen der idealen Straßengeometrie mit Unterstützung einer sogenannten "neuronalen Netzwerk"-Computertechnologie durchgeführt werden. Beispielsweise wird ein Satz von Funktionen, die die Krümmung des Wegverlaufs 28 annähern, auf einem neuronalen Netzwerk-Computer, der vorwiegend ein Computer für allgemeine Zwecke ist, aufgebaut. Diese Funktionen werden durch den Computer "gelernt" durch experimentelles Konstruieren von Funktionen, die bekannten Eingangs- und Ausgangsdaten genügen. Der Signalprozessor 14 wird mit den gelernten Funktionen, die durch den neuronalen Netzwerk-Computer entwickelt wurden, programmiert. Der Signalprozessor 14 stellt dann Koordinatenwer te für den Mikrocontroller 12 bereit, die es dem Mikrocontroller 12 erlauben, die Position und den Steuerkurs des Fahrzeugs 8 in Bezug auf die angenäherte Krümmung des Wegverlaufs 28 (d. h. der idealen Straßengeometrie), der (die) durch den Signalprozessor 14 abgeleitet wurde, zu erfassen. Die speziellen Details dieser Näherungsfunktionen, die Verwendung eines neuronalen Netzwerk = Computers zur Unterstützung bei der Durchführung dieser Näherungen und wie diese Funktionen in Bezug auf den Signalprozessor 14 auszuführen sind, sind in einer gemeinsamen ebenfalls anhängigen Anmeldung offenbart. Es wird jedoch angemerkt, daß für das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung der Mikrocontroller 12 die ideale Straßengeometrie unabhängig von irgendeiner durch den Signalprozessor bereitzustellenden Information berechnen kann, und daß die Verwendung des Signalprozessors 14 gegenwärtig nur als Alternative oder mögliche Option zum Berechnen der idealen Straßengeometrie 29 betrachtet wird, welches nicht kritisch für die Ausführung oder Verwendung der vorliegenden Erfindung ist.
Nunmehr bezugnehmend auf einen Block 306 gemäß Fig. 3 ermittelt der Mikrocontroller 12 als nächstes die Vorschauentfernung 23. Die Ermittlung der Vorschauentfernung ist notwendig, um die für das Führungs-Steuersystem 10 zur Verfügung stehende Reaktionszeit zum Korrigieren des Steuerkurswinkels 22 in Antwort auf Änderungen in der Krümmung des Pfads 28 zu erhöhen. Die Vorschauentfernung 23 ist eine Entfernung, die sich von der Vorderseite des Fahrzeugs 8 aus erstreckt, und ist als der Radius des Halbkreises 26 definiert. Die Länge der Vorschauentfernung 23 ist eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 8. Die tatsächlichen Werte für die Vorschauentfernung 23 werden experimentell ermittelt, weil die Auswahl optimaler Werte für die Vorschauentfernung 23 ein Kompromiß zwischen dem Fahrkomfort in dem Fahrzeug und dem Leistungsvermögen des Steuersystems ist. Demzufolge müssen die Werte, die für die Vorschauentfernung 23 ermittelt werden, mit sowohl dem Fahrkomfort als auch mit dem Leistungsvermögen des Systems verträglich sein. Jedoch können diese Werte auf einfache Art und Weise durch Systementwickler mit durchschnittlichem Können bestimmt werden. Schließlich muß die Vorschauentfernung 23 ausreichend sein, um dem automatischen Seitenführungs-Steuersystem 10 eine ausreichende Reaktionszeit zum Bestimmen des Steuerkurswinkels 22 und zum Berechnen des gewünschten Lenkwinkels, der für das Lenkservosystem 18 bereitzustellen ist, zu erlauben.
In einem Block 308 bestimmt der Mikrocontroller 12 den Zielpunkt 24 auf der Grundlage der Länge der Vorschauentfernung 23. Der Zielpunkt 24 wird bestimmt als der Kreuzungspunkt des Radius des Halbkreises 26 (d. h. der Länge der Vorschauentfernung 23) mit der Straßengeometrie 29. Das automatische Seitenführungs-Steuersystem 10 wie in Fig. 1, 2 und 3 dargestellt ist als ein kontinuierliches Markierungssystem definiert, weil der Zielpunkt 24 an einem beliebigen Ort entlang der berechneten Straßengeometrie 29 auftreten kann. Infolgedessen kann der Zielpunkt 24 einen Punkt auf dem angenäherten Wegverlauf auch dann kreuzen, wenn kein Reflektor oder keine Markierung sich tatsächlich an diesem Punkt befindet. Die Ortskurve von Punkten, die durch den Halbkreis 26 definiert ist, ist durch die folgende Gleichung bestimmt:
x² + Y² = Rp² (4)
worin Rp die Vorschauentfernung 23 ist. Der Zielpunkt 24 ist der Kreuzungs- bzw. Schnittpunkt (xt, yt), der durch die Lösungen der vorstehenden Gleichungen (3) und (4) definiert ist.
In einem Block 310 berechnet der Mikrocontroller 12 den Steuerkurswinkel 22. Der Steuerkurswinkel 22 ist der Winkel zwischen der Fahrzeug-Vorderseite 20 und einer geraden Linie von dem Fahrzeug 8 zu dem Zielpunkt 24. Der Steuerkurswinkel 22 kann in Übereinstimmung mit einem be liebigen, gut bekannten mathematischen Verfahren, das für die Winkelberechnung verwendet wird, berechnet werden. Beispielsweise kann der Steuerkurswinkel 22 in Bezug auf Fig. 4 durch die folgende Gleichung:
θ = tan&supmin;¹ (y&sub1;/x&sub1;)
berechnet werden, worin A der Steuerkurswinkel 22 ist.
In einem Block 312 berechnet der Mikrocontroller 12 den gewünschten Lenkwinkel, der für das Lenkservosystem 18 bereitzustellen ist, auf der Grundlage des Steuerkurswinkels 22. Dieser Schritt wird durchgeführt durch Einstellen des Steuerkurswinkels 22 zum Lenken des Fahrzeugs 8 in Richtung des Zielpunkts 24. Demzufolge muß der Mikrocontroller einen gewünschten Lenkwinkel als Ausgangssignal für das Lenkservosystem 18 bereitstellen, der das Fahrzeug 8 veranlaßt, in Richtung des Zielpunkts 24 einzulenken. Der gewünschte Lenkwinkel δd wird aus der folgenden Gleichung berechnet:
δk= K · θ (6)
worin K die Steuerverstärkung des Systems ist. Die Steuerverstärkung K ist eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Krümmung des Wegverlaufs, dem gefolgt wird. Die tatsächlichen Werte für die Steuerverstärkung K werden experimentell bestimmt, weil die Auswahl optimaler Werte für die Steuerverstärkung K ein Kompromiß zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Krümmung des Wegverlaufs, dem gefolgt wird, ist. Demzufolge müssen die Werte, die für die Steuerverstärkung K ermittelt werden, mit der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Krümmung des Wegverlaufs verträglich sein. Jedoch können diese Werte auf einfache Art und Weise durch Systementwickler mit durchschnittlichem Können bestimmt werden.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines verbesserten automatischen Seitenführungs-Steuersystems in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bezugnehmend auf Fig. 5 umfaßt ein automatisches Seitenführungs-Steuersystem 70 den Mikrocontroller 12, die Vorschausensoren 13, den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 32 und ein Lenkservosystem 18. Der Signalprozessor 14, der in dem durch Fig. 1, 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht verwendet. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine alternative Struktur zum automatischen Führen eines Fahrzeugs entlang eines vorbestimmten Wegverlaufs bereit. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel stellt das automatische Seitenführungs-Steuersystem 70 einen gewünschten Lenkwinkel δd bereit zum Steuern des Kurses des Fahrzeugs 8 durch Berechnen eines Steuerkurswinkels in Bezug auf die Position eines diskreten Reflektors. Infolgedessen wird das vorliegende Ausführungsbeispiel im Gegensatz zu dem in dem ersten Ausführungsbeispiel offenbarten "kontinuierlichen Markierungssystem" nachstehend als "diskretes Markierungssystem" bezeichnet.
Fig. 6 veranschaulicht das verbesserte automatische Seitenführungs-Steuersystem gemäß Fig. 5 mit dem entlang eines tatsächlichen Wegverlaufs 28 fahrenden Fahrzeugs 8. Bezugnehmend auf Fig. 6 sind Reflektoren 34a-e Markierungen, die an vorbestimmten Orten entlang des Wegverlaufs 28 angeordnet sind. Der Abstand zwischen jedem der Reflektoren 34a-e ist eine veränderliche Beschränkung bzw. Konstante des Schnellstraßenentwurfs. Beispielsweise beträgt der Abstand zwischen jedem der Reflektoren 34a-e im Staate Kalifornien etwa 50 Fuß. Allgemein führt das automatische Führungs-Steuersystem 70 das Fahrzeug 8 in einer vorwiegend vorwärts gerichteten Richtung entlang der vorwärts gerichteten Mittenlinienachse des Fahrzeugs, die vorstehend als Vorderseite des Fahrzeugs 20 definiert worden war. Für die in Fig. 6 gezeigte Position des Fahrzeugs 8 ist der Steuerkurswinkel 42 in Bezug auf den Reflektor 34b bestimmt, und ist der Steuerkurswinkel 43 in Bezug auf den Reflektor 34c bestimmt. Eine kleinste bzw. minimale Vorschau/Rückschau-Entfernung 45 ist als der Radius des Kreises 50 definiert. Die minimale Vorschau/ Rückschau-Entfernung 45 ist eine Entfernung, die sich von einem der Reflektoren 34 ausgehend erstreckt, und ist als der Radius des Kreises 50 definiert. Die Länge der minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung 45 ist eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 8. Die tatsächlichen Werte für die minimale Vorschau/Rückschau-Entfernung 45 werden experimentell bestimmt, weil die Auswahl optimaler Werte für die minimale Vorschau/Rückschau-Entfernung 45 ein Kompromiß zwischen dem Fahrkomfort und dem Leistungsvermögen des Steuersystems ist. Demzufolge müssen die Werte, die für die minimale Vorschau/Rückschau-Entfernung 45 ermittelt werden, mit sowohl dem Fahrkomfort als auch dem Leistungsvermögen des Steuersystems verträglich sein. Jedoch können diese Werte auf einfache Art und Weise durch Systementwickler mit durchschnittlichem Können bestimmt werden. Schließlich muß die minimale Vorschau/ Rückschau-Entfernung 45 ausreichend sein, um dem automatischen Führungs-Steuersystem 70 eine ausreichende Reaktionszeit zum Berechnen der Steuerkurswinkel 42 und 43 und des gewünschten Lenkwinkels δd, der für das Lenkservosystem bereitzustellen ist, zu erlauben.
Fig. 7 veranschaulicht eine Sequenz von Schritten, die durch den Mikrocontroller 12 durchgeführt werden können, um das in Fig. 5 und 6 gezeigte verbesserte auomatische Seitenführungs-Steuersystem zu betreiben. Bezugnehmend auf Fig. 5, 6 und 7 offenbaren Blöcke 602 bis 628 eine Sequenz von Schritten, die durch den Mikrocontroller durchzuführen sind, um einen gewünschten Lenkwinkel aus Winkel- und Entfernungsmessungen zu einer diskreten Markierung (Reflektor 34) hin zu berechnen. Beginnend bei Block 602 werden die Messungen der Winkel und der Entfernungen von den Reflektoren 34 (Markierungen) aus den Vorschausensoren 16 in den Mikrocontroller 12 eingelesen. Die Vorschausensoren 16 messen die Entfernung und den Winkel zwischen jedem der Reflektoren 34 und dem Fahrzeug 8. Die Fahrzeuggeschwindigkeitsinformation aus demn Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 32 wird ebenfalls in den Mikrocontroller 12 eingelesen. In Block 606 bestimmt der Mikrocontroller 12 die Länge der Vorschauentfernung 23 als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Länge der Vorschauentfernung 23 wird experimentell bestimmt, wie vorstehend in Bezug auf den Block 306 gemäß Fig. 3 beschrieben wurde. In Block 608 wählt der Mikrocontroller 12 eine Anfangs-Zielmarkierung (den Reflektor 34b in diesem Fall) durch Auswählen einer Markierung mit dem kleinsten Entfernungswert, der noch größer als oder gleich der Länge der Vorschauentfernung 23 ist. In Block 610 berechnet der Mikrocontroller 12 dann den Steuerkurswinkel 42. Der Steuerkurswinkel 42 ist der Winkel zwischen der Fahrzeugvorderseite 20 und einer geraden Linie von dem Fahrzeug 8 zu der Zielmarkierung 34b. Der Steuerkurswinkel 42 kann unter Verwendung der gut bekannten mathematischen Verfahren, wie sie vorstehend in Bezug auf den Block 310 gemäß Fig. 3 offenbart wurden, berechnet werden. In Block 612 berechnet der Mikrocontroller 12 den gewünschten Lenkwinkel δd, der für das Lenkservosystem 18 bereitzustellen ist, auf der Grundlage des Steuerkurswinkels 42. Dieser Schritt wird durchgeführt durch Einstellen des Steuerkurswinkels 42 derart, daß das Fahrzeug 8 in Richtung der Zielmarkierung 34b einlenkt. Demzufolge muß der Mikrocontroller 12 einen gewünschten Lenkwinkel als ein Ausgangssignal für das Lenkservosystem 18 bereitstellen, der das Fahrzeug 8 veranlaßt, in die Richtung der Zielmarkierung 34b einzulenken. Mit anderen Worten ausgedrückt ist der gewünschte Lenkwinkel gleich dem Steuerverstärkung K-fachen des Steuerkurswinkels 42. Die Steuerverstärkung K ist eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Krümmung des Straßenverlaufs und wird wie vorstehend in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben abgeleitet.
In Block 614 liest der Mikrocontroller 12 den Winkel 42 und die Entfernung 44 in Bezug auf den Reflektor 34b ein. Der Reflektor 34b wird nun als Zielmarkierung bezeichnet. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird erneut aus dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 32 eingelesen. In Block 616 bestimmt der Mikrocontroller 12 dann die minimale Vorschau/ Rückschau-Entfernung 45 als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit. In Block 618 vergleicht der Mikrocontroller 12 die Entfernung 44 mit der minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung 45. Falls die Entfernung 44 (die Entfernung zu dem Reflektor 34b oder der gegenwärtigen Zielmarkierung) größer als oder gleich der minimalen Vorschau/ Rückschau-Entfernung 45 ist, dann wird der Steuerkurswinkel als Steuerkurswinkel 42 definiert. In Block 628 bestimmt der Mikrocontroller 12 dann die Größe des Steuerkurswinkels 42. In Block 626 berechnet der Mikrocontroller 12 dann den gewünschten Lenkwinkel (δd = Steuerverstärkung K mal Steuerkurswinkel 42), der für das Lenkservosystem 18 bereitzustellen ist.
Wenn andererseits in Block 618 die Entfernung 44 kleiner ist als die minimale Vorschau/Rückschau-Entfernung 45, dann wird der nächste Reflektor 34c als Zielmarkierung ausgewählt. Der Mikrocontroller 12 bestimmt den nächsten Reflektor durch Kennen der Entfernungs- und Winkelmessungen. Dann bestimmt der Mikrocontroller 12 in Block 622 die Größe des Steuerkurswinkels 42 (des Steuerkurswinkels in Bezug auf die ausgewählte Zielmarkierung 34c). Die Größe des Steuerkurswinkels 43 wird dann für die Berechnung des gewünschten Lenkwinkels in Block 626 zur Verfügung gestellt. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird dann der Prozeß des Auswählens der nächsten Zielmarkierung und des Berechnens eines gewünschten Lenkwinkels durch Zurückkehren zu Block 614 wiederholt.
Fig. 6 veranschaulicht ein verbessertes automatisches Seitenführungs-Steuersystem in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das in Bezug auf das dritte Ausführungsbeispiel offenbarte automatische Seitenführungs-Steuersystem umfaßt den Aufbau des Systems 70 gemäß Fig. 5. Bezugnehmend auf Fig. 5 und 8 veranschaulicht Fig. 8 das verbesserte automatische Seitenführungs-Steuersystem gemäß Fig. 5 mit dem sich entlang eines tatsächlichen Wegverlaufs 28 fortbewegenden Fahrzeugs 8. Reflektoren 34a-e sind an vorbestimmten Orten entlang des Wegverlaufs 28 angeordnet. Der Abstand zwischen jedem der Reflektoren 34a-e ist eine veränderliche Beschränkung bzw. Konstante des Schnellstraßenentwurfs. Allgemein führt das automatische Führungs-Steuersystem 70 das Fahrzeug 8 in einer vorwiegend vorwärts gerichteten Richtung entlang der vorwärts gerichteten Mittenlinienachse des Fahrzeugs, die vorstehend als Vorderseite des Fahrzeugs 20 definiert worden war. Für die in Fig. 8 gezeigte Position des Fahrzeugs 8 ist der Steuerkurswinkel 42 in Bezug auf den Reflektor 34b bestimmt, ist der Steuerkurswinkel 43 in Bezug auf den Reflektor 34c bestimmt, und ist der Steuerkurswinkel 47 in Bezug auf den Reflektor 34d bestimmt. Die kleinste bzw. minimale Vorschau/Rückschau-Entfernung 45 ist als der Radius des Kreises 50 definiert. Die minimale Vorschau/Rückschau-Entfernung 45 ist eine Entfernung, die sich von einem der Reflektoren 34 ausgehend erstreckt. Die Länge der minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung 45 ist eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 8 und wird wie in Bezug auf die vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiele beschrieben experimentell bestimmt. Die Länge der minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung 45 muß ausreichend sein, um dem automatischen Führungs-Steuersystem 70 eine ausreichende Reaktionszeit zum Berechnen der Steuerkurswinkel 42, 43 und 47, wenn diese durch den Vorschausensor 16 bereitgestellt werden, und dann zum Bestimmen des gewünschten Lenkwinkels, der für das Lenkservosystem 18 bereitzustellen ist, zu erlauben.
Fig. 9 veranschaulicht eine Sequenz von Schritten, die durch den Mikrocontroller 12 ausgeführt werden können, um das verbesserte automatische Seitenführungs-Steuersystem 70 gemäß Fig. 5 und 8 zu betreiben. In dem in Fig. 5 und 8 veranschaulichten Ausführungsbeispiel versucht der Mikrocontroller 12, Steuerkurswinkel in Bezug auf zwei Zielmarkierungen oder Reflektoren gleichzeitig zu bestimmen. Infolgedessen kann das automatische Seitenführungs- Steuersystem 70 auch dann, wenn einer der beiden Reflektoren oder eine der beiden Markierungen in dem Wegverlauf 28 fehlt, noch wenigstens eine Zielmarkierung auswählen und einen gewünschten Lenkwinkel in Bezug auf diese Markierung berechnen, und Winkel- und Entfernungsmessungen zu nur einem Reflektor sind zu diesem Zeitpunkt verfügbar. Demzufolge wird das in dem dritten Ausführungsbeispiel offenbarte System nachstehend als "ausfallsicheres diskretes Markierungssystem" bezeichnet.
Bezugnehmend auf Fig. 5, 8 und 9 sind die aufeinanderfolgenden Schritte, die durch den Mikrocontroller 12 in Blöcken 802 bis 816 durchgeführt werden, dieselben aufeinanderfolgenden Schritte, wie sie in den Blöcken 602 bis 616 gemäß Fig. 7 durchgeführt werden. Bezugnehmend auf einen Block 818 vergleicht der Mikrocontroller 12 die Entfernung 44 mit der minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung 45. Falls die Entfernung 44 (die Entfernung des Fahrzeugs 8 von der gegenwärtigen Zielmarkierung bzw. dem gegenwärtigen Reflektor 34b) größer als oder gleich der minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung 45 ist, dann wird der Steuerkurswinkel als die Summe der gewichteten Werte der Steuerkurswinkel 42 und 43 definiert, wie in Block 828 offenbart. Die tatsächlichen Werte für Gewichte W1 und W2 werden experimentell bestimmt, so daß der resultierende Steuerkurswinkel (die Summe der Steuerkurswinkel 42 und 43 in diesem Fall) ein gewichteter Mittelwert der Steuerkurswinkel 42 und 43 ist. Mit anderen Worten ausgedrückt hat der resultierende Steuerkurswinkel einen Winkelwert, der zwischen den Winkelwerten der Steuerkurswinkel 42 und 43 liegt. Dieser resultierende Steuerkurswinkel wird für ein optimales Leistungsvermögen des Steuer systems ausgewählt, und die Werte von W1 und W2 zum Bereitstellen des optimalen Steuerkurswinkels können auf einfache Art und Weise durch Entwickler mit durchschnittlichem Können bestimmt werden. In Block 828 ermittelt der Mikrocontroller 12 dann die Größe des Steuerkurswinkels, der als die Summe der gewichteten Werte der Steuerkurswinkel 42 und 43 definiert ist. In Block 826 berechnet der Mikrocontroller 12 dann den gewünschten Lenkwinkel, der für das Lenkservosystem 18 bereitzustellen ist, wobei der gewünschte Lenkwinkel δd gleich der Steuerverstärkung K mal dem Wert des in Block 828 ermittelten Steuerkurswinkels ist.
Wenn andererseits in Block 828 die Entfernung 44 kleiner ist als die minimale Vorschau/Rückschau-Entfernung 45, dann wird das nächste Paar von Reflektoren (34c und 34d in diesem Fall) als Zielmarkierungen ausgewählt. Dann wird der Steuerkurswinkel definiert als die Summe der gewichteten Werte der Steuerkurswinkel 43 und 47. Dann, in Block 822, ermittelt der Mikrocontroller 12 die Größe der Summe der gewichteten Werte der Steuerkurswinkel 43 und 47. Der durch den Block 822 ermittelte Steuerkurswinkel wird dann für den Schritt des Berechnens des gewünschten Lenkwinkels in Block 826 bereitgestellt, wobei der gewünschte Lenkwinkel δd gleich der Steuerverstärkung K mal der Wert des in Block 822 ermittelten Steuerkurswinkels ist. Wie in Fig. 9 gezeigt, wird der Prozeß dann durch Zurückkehren zu Block 814 wiederholt.

Claims

1. Vorrichtung zum automatischen Führen eines sich bewegenden Fahrzeugs (8) in Bezug auf eine Straße mit einer Vielzahl diskreter Markierungen (34), die entlang eines tatsächlichen Wegverlaufs (28), der durch den und angrenzend an den Verlauf der Straße vorbestimmt ist, angeordnet sind, umfassend:

eine Geschwindigkeits-Erfassungseinrichtung (32) zum Erfassen der Geschwindigkeit des sich bewegenden Fahrzeugs (8) entlang der Straße und Erzeugen von Geschwindigkeitssignalen, die die Fahrzeuggeschwindigkeit angeben,

eine Positionserfassungseinrichtung (16) zum Erfassen der Entfernung (d1, d2 ...) zwischen dem Fahrzeug und jeder der diskreten Markierungen (34) sowie des Winkels (α1, α2) zwischen der Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs und der Verbindungslinie zwischen dem Fahrzeug und jeder der diskreten Markierungen (34) sowie zum Erzeugen der Markierungspositionssignale, die die jeweiligen Positionen derselben angeben, auf der Grundlage des Abstands (d1, d2 ... ) und des Winkels (α1, α2),

eine Berechnungseinrichtung (12), die auf die Markierungspositionssignale anspricht zum Berechnen einer idealen Straßengeometrie auf der Grundlage der Markierungspositionssignale als eine Näherung des tatsächlichen Wegverlaufs (28);

eine Berechnungseinrichtung (12), die auf die Geschwindigkeitssignale anspricht zum Berechnen einer Vorschauentfernung, die sich von der Vorderseite des Fahrzeugs aus erstreckt, als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit;

eine Identifikationseinrichtung (12) zum Identifizieren eines Punkts (24), der sich auf der näherungsweise idealen Straßengeometrie (29) befindet und von dem Fahrzeug (8) durch die Vorschauentfernung beabstandet ist, eine Berechnungseinrichtung (12) zum Berechnen eines Steuerkurswinkels (22) zwischen der Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs und der Richtung zu dem Punkt (24), der sich auf der näherungsweise idealen Straßengeometrie (29) befindet,

eine Berechnungseinrichtung (12) zum Berechnen eines Steuersignals, das eine gewünschte Bewegungsrichtung des Fahrzeugs auf der Grundlage des berechneten Steuerkurswinkels (22) anzeigt, und

eine Lenkeinrichtung (18) zum Lenken des Fahrzeugs (8) in Antwort auf das Steuersignal.

2. Vorrichtung zum automatischen Führen eines sich bewegenden Fahrzeugs (8) in Bezug auf eine Straße mit einer Vielzahl diskreter Markierungen (34), die entlang eines tatsächlichen Wegverlaufs (28), der durch den und angrenzend an den Verlauf der Straße vorbestimmt ist, angeordnet sind, umfassend:

eine Positionserfassungseinrichtung (16) zum Erfassen der diskreten Markierungen (34) und Erzeugen von Markierungspositionssignalen, die die jeweiligen Positionen derselben angeben,

eine Auswahleinrichtung (12) zum Auswählen einer ersten Markierung aus der Vielzahl der diskreten Markierungen, die entlang des tatsächlichen Wegverlaufs (28) angeordnet sind,

eine Berechnungseinrichtung (12), die auf die Geschwindigkeitssignale anspricht zum Berechnen einer minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung, die sich von der er sten Markierung aus erstreckt, als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit,

eine Vergleichseinrichtung (12) zum Vergleichen der Entfernung zwischen der Fahrzeugposition und der Position der ausgewählten ersten Markierung mit der minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung, die sich von der ausgewählten ersten Markierung aus erstreckt, und zum Auswählen einer zweiten Markierung neben der ersten Markierung, falls die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und der Position der ersten Markierung kleiner ist als die kleinste Vorschau/ Rückschau-Entfernung,

eine Einrichtung (12) zum Berechnen eines Winkels zwischen der Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs und einer Linie, die das Fahrzeug mit der ausgewählten ersten Markierung oder der ausgewählten zweiten Markierung verbindet sowie zum Erzeugen von Steuersignalen, die den Winkel angeben, und

eine Lenkeinrichtung (18) zum Lenken des Fahrzeugs (8) in Antwort auf die Steuersignale in Richtung der ausgewählten ersten oder zweiten Markierung.

3. Vorrichtung zum automatischen Führen eines sich bewegenden Fahrzeugs (8) in Bezug auf eine Straße mit einer Vielzahl diskreter Markierungen (34), die entlang eines tatsächlichen Wegverlaufs (28), der durch den und angrenzend an den Verlauf der Straße vorbestimmt ist, angeordnet sind, umfassend:

eine Auswahleinrichtung (12) zum Auswählen eines ersten Satzes von wenigstens zwei benachbarten diskreten Markierungen aus der Vielzahl von diskreten Markierungen, die entlang des tatsächlichen Wegverlaufs (28) angeordnet sind,

eine Positionserfassungseinrichtung (16) zum Erfassen des ersten Satzes von Markierungen (34) und Erzeugen von Markierungspositionssignalen, die die jeweiligen Positionen derselben angeben,

eine Berechnungseinrichtung (12), die auf die Geschwindigkeitssignale anspricht zum Berechnen einer minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung, die sich von einer Markierung des ersten Satzes von Markierungen aus erstreckt, als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Vergleichseinrichtung (12) zum Vergleichen der Entfernung zwischen der Fahrzeugposition und der Position der nächstliegenden Markierung des ersten Satzes von Markierungen mit der minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung und zum Auswählen eines zweiten Satzes aus wenigstens zwei benachbarten diskreten Markierungen neben dem ersten Satz von Markierungen, falls die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und der Position der nächstliegenden Markierung kleiner ist als die kleinste Vorschau/Rückschau-Entfernung,

eine Einrichtung (12) zum Berechnen eines Mittelwinkels zwischen einem Winkel, der durch die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs und eine Linie, die das Fahrzeug mit einer von zwei benachbarten Markierungen verbindet, gebildet wird, und einem Winkel, der durch die Vorwörtsrichtung des Fahrzeugs und einer Linie, die das Fahrzeug mit der anderen der beiden benachbarten Markierungen verbindet, gebildet wird, sowie zum Erzeugen von Steuersignalen, die den Mittelwinkel angeben, und

eine Lenkeinrichtung (18) zum Lenken des Fahrzeugs (8) in Antwort auf die Steuersignale in Richtung eines Punkts entlang des Wegverlaufs (28), der sich zwischen den beiden ausgewählten benachbarten Markierungen befindet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Positionserfassungseinrichtung (16) eine optische Erfassungsvorrichtung umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Berechnungseinrichtung (12) einen programmierbaren Mikrokontroller umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Identifikationseinrichtung (12) einen programmierbaren Mikrokontroller umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der die Vergleichseinrichtung (12) einen programmierbaren Mikrokontroller umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die optische Erfassungseinrichtung eine Laser-Radar-Vorrichtung umfaßt.

9. Verfahren zum automatischen Führen eines sich bewegenden Fahrzeugs (8) in Bezug auf eine Straße mit einer Vielzahl diskreter Markierungen (34), die entlang eines tatsächlichen Wegverlaufs (28), der durch den und angrenzend an den Verlauf der Straße vorbestimmt ist, angeordnet sind, umfassend die Schritte:

Erfassen der Geschwindigkeit des sich bewegenden Fahrzeugs (8) entlang der Straße und Erzeugen von Geschwindigkeitssignalen, die die Fahrzeuggeschwindigkeit angeben,

Erfassen der diskreten Markierungen (34) und Erzeugens von Markierungspositionssignalen, die die jeweiligen Positionen derselben angeben,

Berechnen einer idealen Straßengeometrie auf der Grundlage der Markierungspositionssignale als eine Näherung des tatsächlichen Wegverlaufs (28),

Berechnen einer Vorschauentfernung, die sich von der Vorderseite des Fahrzeugs aus erstreckt, als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit,

Identifizieren eines Punkts (24), der sich auf der näherungsweise idealen Straßengeometrie (29) befindet und von dem Fahrzeug (8) durch die Vorschauentfernung beabstandet ist,

Berechnen eines Steuerkurswinkels (22) zwischen der Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs und der Richtung zu dem Punkt (24), der sich auf der näherungsweise idealen Straßengeometrie (29) befindet,

Berechnen eines Steuersignals, das eine gewünschte Bewegungsrichtung des Fahrzeugs auf der Grundlage des berechneten Steuerkurswinkels (22) anzeigt, und Lenken des Fahrzeugs (8) in Antwort auf das Steuersignal.

10. Verfahren zum automatischen Führen eines sich bewegenden Fahrzeugs (8) in Bezug auf eine Straße mit einer Vielzahl diskreter Markierungen (34), die entlang eines tatsächlichen Wegverlaufs (28), der durch den und angrenzend an den Verlauf der Straße vorbestimmt ist, angeordnet sind, umfassend die Schritte:

Erfassen der Geschwindigkeit des sich bewegenden Fahrzeugs (8) entlang der Straße und Erzeugens von Geschwindigkeitssignalen, die die Fahrzeuggeschwindigkeit angeben,

Auswählen einer ersten Markierung aus der Vielzahl von diskreten Markierungen, die entlang des tatsächlichen Wegverlaufs (28) angeordnet sind,

Berechnen einer minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung, die sich von der ersten Markierung aus erstreckt, als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, Vergleichen der Entfernung zwischen der Fahrzeugposition und der Position der ausgewählten ersten Markierung mit der minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung, die sich von der ausgewählten ersten Markierung aus erstreckt, und Auswählen einer zweiten Markierung neben der ersten Markierung, falls die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und der Position der ersten Markierung kleiner ist als die kleinste Vorschau/Rückschau-Entfernung, Berechnen eines Winkels zwischen der Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs und einer Linie, die das Fahrzeug mit der ausgewählten ersten Markierung oder der ausgewählten zweiten Markierung verbindet, sowie Erzeugen von Steuersignalen, die den Winkel angeben, und

Lenken des Fahrzeugs (8) in Antwort auf die Steuersignale in Richtung der ausgewählten ersten oder zweiten Markierung.

11. Vorrichtung zum automatischen Führen eines sich bewegenden Fahrzeugs (8) in Bezug auf eine Straße mit einer Vielzahl diskreter Markierungen (34), die entlang eines tatsächlichen Wegverlaufs (28), der durch den und angrenzend an den Verlauf der Straße vorbestimmt ist, angeordnet sind, umfassend die Schritte:

Auswählen eines ersten Satzes von wenigstens zwei benachbarten diskreten Markierungen aus der Vielzahl von diskreten Markierungen, die entlang des tatsächlichen Wegverlaufs (28) angeordnet sind,

Erfassen des ersten Satzes von Markierungen (34) und Erzeugen von Markierungspositionssignalen, die die jeweiligen Positionen derselben angeben,

Berechnen einer minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung, die sich von einer Markierung des ersten Satzes von Markierungen aus erstreckt, als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit,

Vergleichen der Entfernung zwischen der Fahrzeugposition und der Position der nächstliegenden Markierung des ersten Satzes von Markierungen mit der minimalen Vorschau/Rückschau-Entfernung und Auswählen eines zweiten Satzes aus wenigstens zwei benachbarten diskreten Markierungen neben dem ersten Satz von Markierungen, falls die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und der Position der nächstliegenden Markierung kleiner ist als die kleinste Vorschau/Rückschau-Entfernung,

Berechnen eines Mittelwinkels zwischen einem Winkel, der durch die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs und eine Linie, die das Fahrzeug mit einer von zwei benachbarten Markierungen verbindet, gebildet wird, und einem Winkel, der durch die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs und einer Linie, die das Fahrzeug mit der anderen der beiden benachbarten Markierungen verbindet, gebildet wird, sowie Erzeugen von Steuersignalen, die den Mittelwinkel angeben, und

Lenken des Fahrzeugs (8) in Antwort auf die Steuersignale in Richtung eines Punkts entlang des Wegverlaufs (28), der sich zwischen den beiden ausgewählten benachbarten Markierungen befindet.