DE102019006933B4 - Technik zur Modellparameteranpassung eines Dynamikmodells zur Quer- und Längsführung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (100) zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsführung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, umfassend:- mindestens einen Sensor (102) oder mindestens eine Sensorschnittstelle zur Erfassung mindestens eines Ist-Werts eines Bewegungszustands der Querführung und/oder Längsführung;- eine Schätzungseinheit (106), die dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Modellparameter eines Dynamikmodells durch Vergleichen mindestens eines aus dem Dynamikmodell der Querführung und/oder Längsführung des Kraftfahrzeugs berechneten Soll-Werts des Bewegungszustands mit dem erfassten mindestens einen Ist-Wert zu schätzen; und- eine Regelungseinheit (108), die dazu ausgebildet ist, abhängig vom erfassten mindestens einen Ist-Wert des Bewegungszustands und dem geschätzten mindestens einen Modellparameter das Dynamikmodell der Querführung und/oder Längsführung anzupassen und Steuersignale mindestens eines Aktors der Querführung und/oder Längsführung abhängig von dem angepassten Dynamikmodell zu regeln,wobei das Dynamikmodell ein kinematisches Einspurmodell umfasst und der Bewegungszustand einen Lenkwinkel eines Rads, einen Lenkradwinkel, einen Betrag der Geschwindigkeit und/oder einen Betrag, der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs umfasst, undwobei die Schätzungseinheit (106) und/oder die Regelungseinheit (108) ferner dazu ausgebildet ist, eine zeitliche Serie von N zukünftigen Soll-Werten des Bewegungszustands, insbesondere Soll-Werten des Lenkwinkels, Lenkradwinkels, der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung, mittels des Dynamikmodells vorauszuberechnen, wobeiN eine natürliche Zahl und größer oder gleich 2 ist, und wobei die Schätzungseinheit (106) den mindestens einen Modellparameter in dem Dynamikmodell variiert und schätzt aufgrund einer minimalen Abweichung mehrerer der Soll-Werte vom erfassten Ist-Wert des Bewegungszustands.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsfahrzeug eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs.
• Zunächst ist auf die Dokumente DE 10 2006 054 425 A1 , DE 10 2010 050 278 A1 , DE 10 2011 121 454 A1 , DE 10 2008 030 667 A1 , DE 10 2008 040 240 A1 und DE 10 2018 217 845 A1 zu verweisen.
• Das Dokument DE 10 2006 054 425 A1 schlägt ein Verfahren zum Ermitteln eines Werts eines Modellparameters eines Fahrzeugreferenzmodells vor, mit dem ein Referenzwert einer ersten Fahrzustandsgröße ermittelt werden kann. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Schätzwert des Modellparameters in Abhängigkeit von wenigstens einer zweiten Fahrzustandsgröße und/oder einer von einem Fahrer vorgegebenen Größe mittels eines künstlichen neuronalen Netzes ermittelt wird.
• Das Dokument DE 10 2010 050 278 A1 betrifft ein Verfahren zum Schätzen eines Schwimmwinkels. Der sich bei der Fahrt eines Kraftfahrzeugs einstellende Schwimmwinkel wird aus einem linearen Einspurmodell ermittelt. Die in das Modell eingehenden Parameter werden ständig aktualisiert, und zwar aufgrund anderer Größen wie z. B. der Gierrate, die mit Hilfe des linearen Einspurmodells berechnet werden kann und gleichzeitig gemessen werden kann. In einem Kalman-Filter erfolgt nämlich ein Abgleich derart, dass ein Parameter wie z. B. die Schräglaufsteifigkeit an Rädern des Kraftfahrzeugs so eingestellt wird, dass die berechneten Werte für die weitere Größe mit den gemessenen Werten möglichst weitgehend übereinstimmen. ,
• Das Dokument DE 10 2011 121 454 A1 zeigt eine Steuervorrichtung für einen Kraftwagen. Um für einzelne Fahrsituationen das Potenzial eines Fahrwerksregelsystems eines Kraftwagens voll ausschöpfen zu können, kann ein zentrale Steuerinstanz bereitgestellt sein, welche die Ansteuerung aller vorhandenen Aktoren übernimmt.
• Das Dokument DE 10 2008 030 667 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Schätzen von Parametern zur Charakterisierung von Fahrzeugeigenschaften in einem Kraftfahrzeug, bei dem wenigstens zwei unterschiedliche Fahrsituationen vorgegeben werden, wobei den Fahrsituationen jeweils eine Schätzeinrichtung zum Schätzen zugeordnet wird. Darüber hinaus wird festgestellt, dass eine erste vorgegebene Fahrsituation vorliegt, woraufhin die der ersten Fahrsituation zugeordnete Schätzeinrichtung aktiviert wird. Die Schätzeinrichtung bestimmt aufgrund der Aktivierung einen Schätzwert für den zugehörigen Parameter anhand eines Schätzverfahrens.
• Das Dokument DE 10 2008 040 240 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einem elektronischen Steuerungssystem und ein Verfahren zum aktiven Korrigieren fahrdynamischer Eigenschaften in Abhängigkeit von fahrdynamischen Parametern, aufweisend Mittel zum Erfassen und/oder Bestimmen fahrdynamischer Parameter. Es ist vorgesehen, dass das Mittel zum Erfassen fahrdynamischer Parameter wenigstens drei voneinander beabstandet angeordnete Positionsbestimmungsvorrichtungen aufweist und die Positionsveränderungen an wenigstens drei voneinander beabstandet angeordneten Positionsbestimmungsvorrichtungen insbesondere zeitgleich erfasst werden.
• Das Dokument DE 10 2018 217 845 A1 beschreibt ein Verfahren zum Regeln eines Fahrzeuges bereit, das umfasst: Vorhersagen eines ersten Parameters eines Fahrzeugzustands zu jedem aus mehreren Zeitpunkten in Abhängigkeit von einem ersten Parameter eines aktuellen Fahrzeugzustands und einem ersten mit dem Fahrzeug verbundenen Modell, Vorhersagen eines zweiten Parameters des Fahrzeugzustands zu jedem aus den mehreren Zeitpunkten in Abhängigkeit von einem zweiten Parameter des aktuellen Fahrzeugzustands, den mehreren Vorhersagen des ersten Parameters des Fahrzeugzustands und einem zweiten mit dem Fahrzeug verbundenen Modell, und Bestimmen von einer oder mehreren Eingangsgrößen für das Fahrzeug zu jedem der Zeitpunkte in Abhängigkeit von den Vorhersagen der ersten und zweiten Parameter der Fahrzeugtrajektorie zu jedem aus den mehreren Zeitpunkten und gewünschten ersten und zweiten Parametern der Fahrzeugtrajektorie zu jedem aus den mehreren Zeitpunkten.
• Fahrerassistenzsysteme (FAS, auch „Advanced Driver Assistance Systems“ bzw. „ADAS“) im Bereich schwerer Nutzfahrzeuge verfügen häufig über eine automatisierte Längsführung und/oder Querführung, bei der mittels geeigneter Sensorik die jeweilige Soll-Größe, welche auch als Referenzgröße bezeichnet werden kann, in Form beispielsweise einer gewünschten Geschwindigkeit bzw. eines gewünschten Abstands zu einem vorausfahrenden Fahrzeug, bzw. einer gewünschten relativen Abweichung zur Mitte der Fahrbahn ermittelt wird. Die verwendeten Regelstrategien berechnen in Abhängigkeit der Abweichung zwischen ermittelter Soll-Größe und gemessener Ist-Größe zu einem gegebenen Zeitpunkt die zur Einregelung der Soll-Größe erforderlichen Stellanteile für die Aktorik des Fahrzeugs, z.B. Bremse, Motor und Lenkung. Häufig besteht die Stellgröße der Regelung auch in einer weiteren Regelgröße, wie beispielsweise einer Soll-Beschleunigung, für eine unterlagerte Regelung zur Ansteuerung der Aktorik.
• Bei herkömmlichen Systemen, beispielsweise einem Tempomat oder einem Abstandsregeltempomat, handelt es sich um Komfortsysteme, die den Fahrer in seiner Fahraufgabe unterstützen, ihn aber nicht von der Verantwortung der Fahraufgabe entbinden. Insofern ist es beispielsweise bei einem Tempomaten hauptsächlich relevant, die Soll-Größe stationär genau einzuregeln. Der Zeitpunkt des Erreichens der Soll-Geschwindigkeit ist in dieser Anwendung von untergeordneter Bedeutung. Bei sogenannten prädiktiven Tempomatsystemen wird zum Zweck der Effizienzsteigerung anstelle eines statisch vorgegebenen Geschwindigkeitsverlaufs ein hinsichtlich der Fahrbahntopographie optimaler Verlauf des Soll-Geschwindigkeitsprofils über die Ortskoordinaten eines vorausliegenden Streckenabschnitts berechnet. Hier lässt sich ein Verbrauchsvorteil nur dann erzielen, wenn die Soll-Geschwindigkeit auch am vorgegebenen Ort eingeregelt wird. Die Genauigkeitsanforderungen sind hierbei jedoch infolge der geringen Änderungsraten der Topographie vergleichsweise gering.
• Mit der Entwicklung von unterstützenden Assistenzfunktionen hin zum hochautomatisierten Fahren werden Eingangsgrößen für die Längsführung und Querführung herkömmlicherweise durch sogenannte Planungsalgorithmen bestimmt. Diese berechnen unter Berücksichtigung des Fahrtziels und des aus einer fahrzeugeigenen Onboard-Sensorik berechneten Umfeldmodells eine hinsichtlich geeigneter Gütekriterien optimierte Trajektorie als Referenz für die Fahrzeugregelung. Darunter kann eine Menge vorausliegender räumlich oder zeitlich diskretisierter Punkte eines Zustandsraums verstanden werden, die z.B. die zum jeweiligen Ort bzw. Zeitpunkt gehörige Soll-Beschleunigung, Soll-Geschwindigkeit und Ortskoordinaten in Längsrich-, tung und in Querrichtung sowie die Fahrspurkrümmung enthalten kann.
• Da im Vergleich zu komfortorientierten Fahrfunktionen beim hochautomatisierten Fahren die Verantwortung für die Fahraufgabe an das FAS übergeht, entstehen insbesondere bei schweren Nutzfahrzeugen und in räumlich engen Fahrsituationen deutlich restriktivere Anforderungen an das räumliche und zeitliche Führungsverhalten der Regelung bzw. die Regelgenauigkeit. Je nach Situation kann hier die Einhaltung der Soll-Position und Soll-Orientierung des Fahrzeugs entlang der Soll-Trajektorie auf wenige Zentimeter bzw. deutlich weniger als ein Grad (1 °.) erforderlich sein, wie z.B. beim Rangieren eines Lastzugs innerhalb eines Containerterminals. Insbesondere bei der automatischen Durchführung von Spurwechseln oder Ausweichmanövern in Gegenwart anderer Verkehrsteilnehmer ist das Erreichen der Wegpunkte der Trajektorien zum jeweils möglichst exakt vorgegebenen Zeitpunkt aus Sicherheitsgründen von entscheidender Bedeutung.
• Vor dem Hintergrund deutlich schärferer Genauigkeitsanforderungen fallen Ungenauigkeiten in, z.B. fahrzeugspezifischen, Modellparametern und/oder Vereinfachungen von Dynamikmodellen, die schwer bestimmbare - insbesondere fahrzeugspezifische - Modellparameter ausnehmen, im Vergleich zu Komfortsystemen bei FASen erheblich stärker ins Gewicht. Modellparameter, beispielsweise durch Schräglaufsteifigkeiten der Vorder- und Hinterachsen beeinflusste fahrzeugspezifische Modellparameter, sind bedingt durch eine Vielzahl technischer Einflüsse komplex zu modellieren und darüber hinaus zeit- und zustandsabhängig.
• Werden die (beispielsweise fahrzeugspezifischen) Modellparameter durch Planung und Regelung nicht berücksichtigt, so kommt es stets zu einer Diskrepanz zwischen Soll- und Ist-Verläufen der Trajektorien. Dies kann auch in vergleichsweise wenig anspruchsvollen Situationen zu unerwünschtem Fahr- und Planungsverhalten führen, etwa zu häufigem Zurücksetzen der Trajektorienplanung oder zu Instabilität innerhalb der Querführung.
• Neben Modellparametern wie der Fahrzeugmasse und dem Radstand sind Trägheiten und Totzeiten innerhalb der Aktorik relevante Größen eines Dynamikmodells zur Quer- und/oder Längsführung. In dem Dokument EP 3 373 095 A1 wird beispielsweise eine Folgeregelung („Pure-Pursuit-Regelung“) in einem Fahrzeugverband (d.h. einem „Platoon“) mit variabler Vorschau und Aktorträgheitskompensation durch einen „Lag-Kompensator“ (auch „Lead-Leg-Kompensator“) beschrieben, der die Phasenreserve des Systems erhöht.
• Die darstellbare Präzision der Fahrzeugregelung hängt insbesondere im Bereich der Querdynamik von der Güte des im Planungsalgorithmus hinterlegten Dynamikmodells ab. Die hierin relevanten Größen; wie z.B. Reifenparameter oder Trägheitsmomente, sind häufig zeitlich veränderlich und wirken zusätzlich mit mehr oder weniger System, sind nicht oder nur sehr grob bekannt und nur mit hohem Aufwand zu ermitteln.
• Somit besteht die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schätzung und Anpassung eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsfahrzeug eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs bereitzustellen, welche die Genauigkeit der Querführung und/oder Längsführung verbessern. Alternativ oder ergänzend besteht die Aufgabe, Nichtlinearitäten in den Dynamikmodellen der Querführung und/oder der Längsführung zu schätzen und/oder die Modellparameter durch Schätzung von Nichtlinearitäten in den Dynamikmodellen der Querführung und/oder der Längsführung zu berücksichtigen und/oder den Planungsalgorithmus der Querführung und/oder Längsführung zu optimieren.
• Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung und das Verfahren sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsführung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Sensor oder mindestens eine Sensorschnittstelle zur Erfassung mindestens eines Ist-Werts eines Bewegungszustands der Querführung und/oder Längsführung. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Schätzungseinheit, die dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Modellparameter eines Dynamikmodells durch Vergleichen mindestens eines aus dem Dynamikmodell der Querführung und/oder Längsführung des Kraftfahrzeugs berechneten Soll-Werts des Bewegungszustands mit dem erfassten mindestens einen Ist-Wert zu schätzen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Regelungseinheit, die dazu ausgebildet ist, abhängig vom erfassten mindestens einen Ist-Wert des Bewegungszustands und dem geschätzten mindestens einen Modellparameter das Dynamikmodell der Querführung und/oder der Längsführung anzupassen und Steuersignale mindestens eines Aktors der Querführung und/oder der Längsführung abhängig von dem angepassten Dynamikmodell zu regeln.
• Der mindestens eine Sensor oder die mindestens eine Sensorschnittstelle zur Erfassung des Ist-Werts des Bewegungszustands des Kraftfahrzeugs kann einen Lenkwinkelmesser, einen Lenkradwinkelmesser, einen Drehzahlmesser, einen Radarsensor (beispielsweise an einer Front des Kraftfahrzeugs), eine Kamera (beispielsweise im optischen oder infraroten Spektrum) und/oder einen Lidar-Sensor (d.h. ein Sensor zur richtungsaufgelösten Abstandsmessung, vorzugsweise-mittels Licht, oder mittels „light detection and ranging“, LIDAR) umfassen bzw. mit einem solchen zum Datenaustausch verbunden sein. Alternativ oder ergänzend können Bewegungszustände eines vorausfahrenden Fahrzeugs über Funkverbindung von dem vorausfahrenden Fahrzeug empfangen werden. Beispielsweise kann der Abstand oder die Relativgeschwindigkeit zu dem vorausfahrenden Fahrzeug von der Sensorik des Kraftfahrzeugs erfasst werden und die absolute Geschwindigkeit des vorausfahrenden Fahrzeugs über die Funkverbindung empfangen werden. Weiterhin alternativ oder ergänzend kann die Sensorschnittstelle Daten oder Signale zur Positionsbestimmung von einem Navigationssatellitensystem, beispielsweise von einem „Global Positioning System“ (GPS), empfangen.
• Der Bewegungszustand kann eine Regelgröße der Regelungseinheit sein. Insbesondere können die ausgegebenen Steuersignale mittels des mindestens einen Aktors eine Veränderung des Bewegungszustands bewirken in Abhängigkeit vom erfassten mindestens einen Ist-Wert des Bewegungszustands.
• Der Bewegungszustand kann eine Fahrt mit hoher Geschwindigkeit und kaum Kurven (beispielsweise eine Autobahnfahrt), eine Fahrt mit engen Kurven und bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und/oder eine Rangierfahrt umfassen.
• Das Dynamikmodell kann eine quantitative (insbesondere numerische) Beschreibung der zeitlichen Entwicklung des Bewegungszustands der Querführung und/oder der Längsführung des Kraftfahrzeugs sein. Der Bewegungszustand kann ein Punkt in einem Zustandsraum des Dynamikmodells des Kraftfahrzeugs sein.
• Die Regelungseinheit kann dazu ausgebildet sein, den mindestens einen Aktor unter Verwendung des Dynamikmodells zu regeln, wobei beispielsweise ein virtueller Radstand, eine Fahrzeugmasse, ein Rollwiderstand und/oder ein Trägheitsmoment mindestens ein Modellparameter des Dynamikmodells ist und/oder der Bewegungszustand eine dynamische Größe (d.h., eine Variable) des Dynamikmodells ist. Weitere Modellparameter des Dynamikmodells können Trägheiten und Totzeiten der Aktorik umfassen.
• Das Dynamikmodell kann auch als dynamisches Modell oder Bewegungsmodell des Kraftfahrzeugs bezeichnet werden. Der Aktor kann auch als Aktuator bezeichnet werden. Der Soll-Wert kann auch als Sollvorgabe oder geforderter Wert bezeichnet werden. Der Ist-Wert kann auch als Ausgangsgröße oder gemessener Wert bezeichnet werden.
• Der Soll-Wert und der Ist-Wert können sich auf einen übereinstimmenden Zeitpunkt t₁ beziehen. Der Soll-Wert kann durch Auswertung des Dynamikmodells zum Zeitpunkt t₁ bestimmt werden, wobei das Dynamikmodell mit einem zu einem Zeitpunkt t₀ erfassten Ist-Wert des Bewegungszustands initialisiert ist. Der Zeitpunkt t₀ kann zeitlich vor dem Zeitpunkt t₁ liegen.
• Das Dynamikmodell kann ein Übertragungsverhalten zwischen Soll-Wert und Ist-Wert mittels einer Übertragungsfunktion beschreiben, beispielsweise im Frequenzbereich und/oder durch Kombination eines Verzögerungsglieds erster oder höherer Ordnung und eines Totzeitglieds. Das Verzögerungsglied, beispielsweise ein PT1-Glied, der Übertragungsfunktion kann ein proportionales Übertragungsverhalten mit Verzögerung erster Ordnung und mit einem Verstärkungsfaktor K des Aktors beschreiben. Das Totzeitglied kann eine Zeitspanne zwischen einer Signaländerung am Systemeingang und der Signalantwort am Systemausgang beschreiben. Die Übertragungsfunktion des Dynamikmodells kann ein Produkt der Übertragungsfunktionen des Verzögerungsglieds, beispielsweise einer inversen linearen Funktion der Zeitkonstante des Verzögerungsglieds, und des Totzeitglieds, insbesondere einer exponentiellen Abhängigkeit von der Totzeit, umfassen. Das Dynamikmodell kann für Beschleunigungsvorgänge und Bremsvorgänge unterschiedliche Übertragungsfunktionen umfassen.
• Zumindest in einem Ausführungsbeispiel kann mittels des mindestens einen Sensors und der Schätzungseinheit der mindestens eine Modellparameter im Dynamikmodell und damit bei der . Regelung angepasst und/oder berücksichtigt werden, beispielsweise ohne zusätzliche Sensoren zur dezidierten Messung nicht-linearer Effekte des Dynamikmodells zu verbauen. Im selben oder einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Kraftfahrzeug (beispielsweise mittels einer fahrzeuginternen Steuerungseinheit) selbst, beispielsweise ohne externe Messtechnik bei einer Inspektion und/oder während der Nutzung (insbesondere während der Fahrt oder wenn es abgestellt ist), den mindestens einen Modellparameter schätzen und/oder anpassen. Im selben oder einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Ausgabe der Steuersignale an mindestens einen Aktor der Längsführung und/oder Querführung von dem mindestens einen angepassten Modellparameter abhängen.
• Die Vorrichtung kann ferner eine Speichereinheit umfassen, die dazu ausgebildet ist, den erfassten mindestens einen Ist-Wert zu speichern. Der mindestens eine Sensor oder die mindestens eine Sensorschnittstelle kann den erfassten mindestens einen Ist-Wert an die Speichereinheit ausgeben. Die Schätzungseinheit kann dazu ausgebildet sein, den erfassten mindestens einen Ist-Wert aus der Speichereinheit auszulesen oder von der Speichereinheit zu empfangen. Die Schätzungseinheit kann eine fahrzeuginterne Recheneinheit umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Schätzungseinheit eine fahrzeugexterne Recheneinheit, beispielsweise eine zentrale Recheneinheit eines Fahrzeugflottenbetreibers, umfassen.
• Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsführung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Erfassens mindestens eines Ist-Werts eines Bewegungszustands der Querführung und/oder der Längsführung mittels mindestens eines Sensors oder mindestens einer Sensorschnittstelle. Ferner umfasst das Verfahren den Schritt des Schätzens mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells durch Vergleich mindestens eines aus dem Dynamikmodell berechneten Soll-Werts des Bewegungszustands mit dem erfassten mindestens einen Ist-Wert. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Regelns mindestens eines Aktors der Querführung und/oder der Längsführung abhängig vom erfassten Ist-Zustand, wobei eine Regelungseinheit der Querführung und/oder der Längsführung Steuersignale an den Aktor abhängig von dem durch den geschätzten mindestens einen Modellparameter angepassten Dynamikmodell ausgibt.
• Optional umfasst das Verfahren einen Schritt des Speicherns des erfassten mindestens einen Ist-Wertes.
• Das Verfahren kann ferner jedes einzelne im Kontext der Vorrichtung beschriebene Merkmal und/oder einen entsprechenden Verfahrensschritt umfassen, und umgekehrt. Nachfolgende Merkmale beziehen sich sowohl auf die Vorrichtung des ersten Aspekts als auch auf das Verfahren des zweiten Aspekts. Wenngleich im Folgenden Vorrichtungsmerkmale des ersten Aspekts beschrieben sind, gelten diese auch als entsprechende Verfahrensschritte des zweiten Aspekts.
• Der mindestens eine Sensor oder die mindestens eine Sensorschnittstelle kann ein Empfangsmodul zum Empfangen von Signalen eines globalen Navigationssatellitensystems umfassen, vorzugsweise einschließlich differenziellen Korrektursignalen. Das globale Navigationssatellitensystem kann das sogenannte Global Positioning System (GPS) umfassen. Die differenziellen Korrektursignale können dem Differential GPS (DGPS) entsprechen.
• Das Dynamikmodell kann Schräglaufsteifigkeiten an Vorder- und/oder Hinterachse, mindestens einen Schwerpunktabstand von Vorderachse und Hinterachse, einen Abstand zwischen Vorderachse und Hinterachse, eine Masse des Kraftfahrzeugs, Reifenparameter, einen Rollwiderstand und/oder ein Trägheitsmoment (beispielsweise um eine Hochachse) des Kraftfahrzeugs als Modellparameter umfassen. Alternativ oder ergänzend kann das Dynamikmodell Trägheiten von Aktoren und/oder Totzeiten von Aktoren als Modellparameter umfassen. Der mindestens eine Schwerpunktabstand von Vorderachse und Hinterachse kann einen Abstand zwischen den Schwerpunkten der jeweiligen Achsen umfassen. Der Abstand der Schwerpunkte von Vorderachse und Hinterachse kann auch als tatsächlicher Radstand bezeichnet werden. Alternativ oder ergänzend können die Schwerpunktabstände der Vorderachse und der Hinterachse jeweils relativ zum Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs gemessen werden.
• Das Dynamikmodell umfasst ein kinematisches Einspurmodell. Der Bewegungszustand umfasst einen Lenkwinkel eines Rads, einen Lenkradwinkel, einen Betrag der Geschwindigkeit und/oder einen Betrag der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs. Bei einer Hinterachslenkung des Kraftfahrzeugs kann der Lenkwinkel beispielsweise der Lenkwinkel des hinteren Rads sein.
• Das kinematische Einspurmodell kann gekoppelte Differentialgleichungen (beispielsweise lineare Differentialgleichungen erster Ordnung) für eine Ortskoordinate der Längsführung des Kraftfahrzeugs (die auch als Ortskoordinate in Längsrichtung bezeichnet wird), eine Ortskoordinate der Querführung des Kraftfahrzeugs (die auch als Ortskoordinate in Querrichtung bezeichnet wird) und/oder einen Gierwinkel des Kraftfahrzeugs umfassen. Die Gierrate, d.h. die Änderung des Gierwinkels, kann eine Funktion des Lenkwinkels und optional der Geschwindigkeit (beispielsweise des Betrags der Geschwindigkeit) des Kraftfahrzeugs sein. Ein Radstand des Kraftfahrzeugs kann ein (z.B. freier) Parameter des Dynamikmodells sein. Ferner kann der Gierwinkel von einem Parameter des Dynamikmodells abhängig sein, beispielsweise vom Radstand des Kraftfahrzeugs.
• Das Dynamikmodell mit Schräglaufsteifigkeiten kann ein gekoppeltes (z.B. lineares) Differentialgleichungssystem erster Ordnung für die Änderung der Ortskoordinate in Querrichtung des Kraftfahrzeugs und die Gierrate umfassen.
• Die Schätzungseinheit und/oder die Regelungseinheit sind ferner dazu ausgebildet, eine zeitliche Serie von N zukünftigen Soll-Werten des Bewegungszustands, insbesondere Soll-Werten des Lenkwinkels, Lenkradwinkels, der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung, mittels des Dynamikmodells vorauszuberechnen, wobei N eine natürliche Zahl ist. N ist gleich oder größer als 2, optional gleich oder größer 3. ,
• Die Schätzungseinheit variiert den mindestens einen Modellparameter in dem Dynamikmodell (beispielsweise zum Schätzen). Ergänzend ist die Schätzungseinheit dazu ausgebildet, den mindestens einen Modellparameter zu schätzen aufgrund einer minimalen Abweichung mehrerer der Soll-Werte vom erfassten Ist-Wert des Bewegungszustands.
• Das Vorausberechnen mittels des Dynamikmodells kann auch als modellprädikative Berechnung oder modellprädiktive Berechnung bezeichnet werden. Der mindestens eine Modellparameter des Dynamikmodells der Querführung kann geschätzt werden, indem jeweils die Differenz eines modellprädikativ berechneten Soll-Lenkradwinkels (oder Soll-Lenkwinkels) - beispielsweise berechnet mittels variierter Werte des Modellparameters - und des zugehörigen, insbesondere demselben Zeitpunkt zugeordneten, erfassen Ist-Lenkradwinkels (oder Ist-Lenkwinkels) berechnet und das Minimum aller Differenzen - beispielsweise für variierte Werte des Modellparameters - bestimmt wird. Alternativ oder ergänzend kann eine Serie von modellprädikativ berechneten Soll-Lenkradwinkeln (oder Soll-Lenkwinkeln) mit einem einzigen erfassten Ist-Lenkradwinkel (oder Ist-Lenkwinkel) verglichen werden. In einer weiteren Alternative kann eine Serie von erfassten Ist-Lenkradwinkeln (oder Ist-Lenkwinkeln) mit einem einzigen Soll-Lenkradwinkel (oder Soll-Lenkwinkel) verglichen werden. Der mindestens eine Modellparameter des Dynamikmodells der Längsführung kann bestimmt werden, indem jeweils die Differenz einer modellprädikativ berechneten Soll-Beschleunigung - beispielsweise berechnet mittels variierter Werte des Modellparameters - und der zugehörigen, insbesondere demselben Zeitpunkt zugeordneten, erfassten Ist-Beschleunigung berechnet und das Minimum aller Differenzen - beispielsweise für variierte Werte des Modellparameters - bestimmt wird. Alternativ oder ergänzend kann eine Serie von modellprädikativ berechneten Soll-Beschleünigungen mit einer einzigen erfassten Ist-Beschleunigung verglichen werden. In einer weiteren Alternative kann eine Serie von erfassten Ist-Beschleunigungen mit einer einzigen Soll-Beschleunigung verglichen werden.
• Jedem (beispielsweise diskreten) Index i=1..N der Serie kann vorteilhafterweise ein Zeitpunkt t_i zugeordnet sein oder entsprechen. Die Serie der mit i=1..Nindizierten zukünftigen Soll-Werte zu den Zeitpunkten t_i kann basierend auf einem zum Zeitpunkt t₀ gemessenen Ist-Wert als Anfangswert berechnet werden. Die Zeitpunkte können in aufsteigender Reihenfolge geordnet sein, d.h. t₀<t₁<..<t_N. Der Vergleich des oder der Soll-Werte mit zu den Zeitpunkten t_i gemessenen Ist-Werten kann direkt nach dem Zeitpunkt t_i erfolgen. Alternativ oder ergänzend können der oder die Soll-Werte und Ist-Werte nach einem Endzeitpunkt, beispielsweise t_N, verglichen werden. Aus dem Index i des Minimums der Differenz von Soll-Wert (z.B. Soll-Wert des Lenkradwinkels) und Ist-Wert (z.B. Ist-Wert des Lenkradwinkels) kann der mindestens einer Modellparameter des Dynamikmodells der Längsführung und/oder der Querführung geschätzt werden.
• Die Schätzungseinheit kann dazu ausgebildet sein, einen Wert eines virtuellen Radstands des kinematischen Einspurmodells als Modellparameter zu schätzen, wobei der virtuelle Radstand den mindestens einen Schwerpunktabstand von Vorderachse und/oder Hinterachse und/oder den Abstand zwischen Vorderachse und Hinterachse und/oder (beispielsweise nicht-lineare) Effekte, insbesondere Schräglaufsteifigkeiten, berücksichtigt oder repräsentiert. Der Schwerpunktabstand zwischen Vorderachse und Hinterachse des Kraftfahrzeugs kann auch als tatsächlicher Radstand bezeichnet werden oder diesem entsprechen. Der virtuelle Radstand kann von dem tatsächlichen Radstand verschieden sein, vorzugsweise um (beispielsweise nicht-lineare) Effekte, insbesondere Schräglaufsteifigkeiten, zu repräsentieren. Der virtuelle Radstand kann bestimmt werden, indem ein lateraler Positionsfehler in Abhängigkeit von der (beispielsweise aktuellen) Querbeschleunigung durch Variation des virtuellen Radstands im Dynamikmodell der Querführung minimiert wird.
• Die Anpassung des mindestens einen Modellparameters kann mittels eines künstlichen neuronalen Netzes geschätzt werden. Das künstliche neuronale Netz kann ein sogenanntes „General Regression Neural Network“ (GRNN) umfassen.
• Der Eingangsraum des künstlichen neuronalen Netzes kann eine Querbeschleunigung, einen Lenkwinkel, einen Lenkradwinkel, eine Gierrate und/oder eine Krümmung der Trajektorie des Kraftfahrzeugs umfassen.
• Eine Übertragungsfunktion des Dynamikmodells der Querführung und/oder der Längsführung kann ein PT1-Glied (beispielsweise als Faktor, insbesondere im Frequenzraum) umfassen. Die Schätzungseinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, das PT1-Glied der Übertragungsfunktion durch Bestimmen von mindestens einem Parameter des PT1-Glieds und/oder aus einer Liste von PT1-Gliedern zu bestimmen, indem der mindestens eine aus dem Dynamikmodell berechnete Soll-Wert mit dem erfassten mindestens einen Ist-Wert verglichen wird. Eine Liste der Dynamikmodelle kann die Liste der PT1-Glieder umfassen. Die Übertragungsfunktion im Frequenzraum kann einem Produkt aus einem exponentiellen Term, der die Totzeit des Aktors beschreibt, und polynomialen Termen im Zähler und Nenner eines Verzögerungsglieds umfassen. Ein PT1-Glied kann einem linearen Polynom im Nenner eines Verzögerungsglieds entsprechen.
• Das PT1-Glied kann ein lineares (d.h. „P“ für „proportional“) Übertragungsglied erster Ordnung (d.h. „1“ für erste Ordnung) in der Zeit (d.h., „time“ für „T“) sein. Das PT1-Glied kann eine Relaxationszeit der Querführung und/oder Längsführung modellieren. Die Liste von PT1-Gliedern kann unterschiedlichen Relaxationszeiten entsprechen.
• Die Übertragungsfunktion kann die mittels des Aktors bewirkte Querführung und/oder Längsführung modellieren. Die Übertragungsfunktion kann einen Wirkungszusammenhang der mittels des Aktors bewirkten Querführung und/oder Längsführung repräsentieren. In einer Frequenzräumdarstellung kann die Übertragungsfunktion ein Quotient aus dem Bewegungszustand (als einem Ausgangssignal der mittels des Aktors bewirkten Querführung und/oder Längsführung) und dem an den Aktor ausgegebenen Steuersignal (als Eingangssignal der mittels des Aktors bewirkten Querführung und/oder Längsführung) sein.
• Eine Übertragungsfunktion des Dynamikmodells der Querführung und/oder der Längsführung kann ein PD1-Glied (beispielsweise als Faktor, insbesondere im Frequenzraum) umfassen. Die Schätzungseinheit und/oder die Regelungseinheit können ferner dazu ausgebildet sein, die Trägheit des Aktors zu bestimmen und/oder anzupassen. Die Trägheit des Aktors kann durch ein Polynom im Zähler des Verzögerungsglieds der Übertragungsfunktion im Frequenzraum angepasst werden. Das PD1-Glied kann einen linearen (d.h., „P“ für „proportional“) Regler mit einem differenzierenden (d.h., „D“ für „differential“) Anteil erster Ordnung umfassen.
• Die Querführung und/oder die Längsführung können eine Folgeregelung für ein Fahrzeug in einem Fahrzeugverband umfassen. Ein Fahrzeugverband kann auch als Platoon bezeichnet werden. Die Folgeregelung kann eine sogenannte Pure-Pursuit-Regelung mit variabler Vorausschau und Aktorträgheitskompensation umfassen. Die variable Vorausschau kann eine (beispielsweise lineare) Abhängigkeit eines Soll-Lenkwinkels eines Folgefahrzeugs von einem (vorzugsweise um eine Zeitkonstante versetzten) Ist-Lenkwinkel des vorausfahrenden Fahrzeugs im Fahrzeugverband umfassen. Die Aktorträgheitskompensation kann auch als Lag-Kompensation oder Lead-Lag-Kompensation bezeichnet werden. Die Lag-Kompensation kann eine Dominantpolkompensation umfassen, die als zusätzliches Übertragungsglied in die Übertragungsfunktion des Aktors eingeht. Die Zeitkonstante des Lag-Kompensationsglieds kann verschieden sein von der Zeitkonstante der anderen Übertragungsfunktionsglieder. Insbesondere kann die Zeitkonstante des Lag-Kompensationsglieds kleiner sein als die Zeitkonstante eines PT1-Glieds oder eines polynomialen Glieds höherer Ordnung.
• Die Schätzungseinheit und/oder die Regelungseinheit können dazu ausgebildet sein, den mindestens einen Modellparameter des Dynamikmodells während des Fahrbetriebs zu schätzen und/oder anzupassen. Alternativ oder ergänzend kann die Schätzungseinheit und/oder die Regelungseinheit mindestens eine Schnittstelle zur Änderung des mindestens einen Modellparameters des Dynamikmodells während des Fahrbetriebs umfassen. Hierin kann die Zeitangabe „während des Fahrbetriebs“ auch als „zur Laufzeit“ realisiert sein.
• Eine Schätzung des mindestens einen Modellparameters des Dynamikmodells kann abhängig von einem erkannten Fahrbetriebszustand angepasst werden. Der Fahrbetriebszustand kann ein Fahrmanöver umfassen. Der Fahrbetriebszustand kann eine Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit (beispielsweise eine Autobahnfahrt mit hoher Geschwindigkeit und kaum Kurven), eine Fahrt um enge Kurven bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten, eine Rangierfahrt, eine Beschleunigung, einen Bremsvorgang und/oder einen Spurwechselvorgang umfassen.
• Eine Initialisierung (beispielsweise eines Schätzwertes) des mindestens einen Modellparameters des Dynamikmodells kann mit gemessenen oder empirisch bestimmten Anfangswerten und/oder außerhalb des Fahrbetriebs oder durch offline-Fitting bestimmten Anfangswerten erfolgen und/oder auf einen physikalisch sinnvollen Wertebereich begrenzt sein. Beispielsweise kann die Schätzung des virtuellen Radstands durch den Wert des tatsächlichen Radstand initialisiert sein. Unter „offline“ wird eine Schätzung oder Berechnung jenseits des laufenden Fahrbetriebs verstanden. Insbesondere kann eine Schätzung oder Berechnung mittels eines künstlichen neuronalen Netzwerks, beispielsweise eines „General Regression Neural Network“ (GRNN), durchgeführt werden. Eine Schätzung oder Berechnung während des laufenden Fahrbetriebs wird auch als „online“-Schätzung oder „online“-Berechnung bezeichnet. Alternativ oder ergänzend kann eine online-Schätzung oder online-Berechnung eine Funkverbindung des Kraftfahrzeugs mit einer externen Schätzungseinheit oder Berechnungseinheit, beispielsweise einem Computersystem des Fuhrparkbetreibers, umfassen. Die online-Schätzung oder online-Berechnung kann fahrzeugintern oder fahrzeugextern erfolgen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, bereitgestellt, das eine Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Aspekt zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsführung umfasst. Alternativ oder ergänzend wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches dazu ausgebildet ist, das Verfahren gemäß dem vorstehenden zweiten Aspekt zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters auszuführen.
• In jedem Aspekt kann das Nutzfahrzeug ein Lastkraftwagen (LKW), eine Zugmaschine, ein Omnibus oder ein Kranwagen sein.
• Vorstehend beschriebene Merkmale sind in jeder Kombination realisierbar. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells;
• 2 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, das mittels der Vorrichtung gemäß 1 ausführbar ist;
• 3 ein schematisches künstliches neuronales Netzwerk; und
• 4 ein Beispiel einer Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters bei modellprädikativer Regelung.
• 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichneten Vorrichtung zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Quer- und/oder Längsführung eines Kraftfahrzeugs am Beispiel eines Nutzfahrzeugs. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Sensor 102 oder eine Sensorschnittstelle, der oder die dazu ausgebildet ist, Ist-Wert(e) des Bewegungszustands zu erfassen. Optional umfasst die Vorrichtung 100 eine Speichereinheit 104, die dazu ausgebildet ist, Ist-Wert(e) zu speichern. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 eine Schätzungseinheit 106, die dazu ausgebildet ist, mindestens einen Modellparameter eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsführung anhand eines Vergleichs ermittelter Soll-Werte und gemessener Ist-Werte zu schätzen. Die Regelungseinheit 108 der Vorrichtung 100 ist dazu ausgebildet, einen Aktor der Querführung und/oder Längsführung durch Steuersignale abhängig von dem durch den geschätzten mindestens einen Modellparameter angepassten Dynamikmodell zu regeln. Alle Einheiten 104, 106, 108 und Sensoren 102 oder Sensorschnittstellen können fahrzeugintern sein. Alternativ oder ergänzend können die Speichereinheit 104 und/oder die Schätzungseinheit 106 fahrzeugextern sein. Beispielsweise kann der eine oder mehrere erfasste Ist-Wert(e) des Bewegungszustands während dem Fahrbetrieb über eine Funkverbindung an den Betreiber der Fahrzeugflotte gesendet werden, zu der das Nutzfahrzeug gehört. Eine zentrale, insbesondere fahrzeugexterne, Schätzungseinheit 106 kann den mindestens einen Modellpa-rameter aufgrund der empfangenen Ist-Werte bestimmen und über die oder eine weitere Funkverbindung an das Nutzfahrzeug während des Fahrbetriebs senden. Alternativ oder ergänzend kann der eine oder mehrere Ist-Werte während des Fahrbetriebs auf einer fahrzeuginternen Speichereinheit 104 gespeichert werden. Die Daten der Speichereinheit 104 können außerhalb des Fahrbetriebs, beispielsweise während einer Wartung oder beim Parken auf dem Fuhrpark des Fuhrunternehmens, von einer fahrzeugexternen Schätzungseinheit 106 ausgelesen werden. Die fahrzeugexterne Schätzungseinheit 106 kann den mindestens einen Modellparameter anhand der ausgelesenen Daten, insbesondere vergangene Ist-Werte des Bewegungszustands, bestimmen und an die fahrzeuginterne Regelungseinheit 108 des Nutzfahrzeugs übermitteln.
• 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines allgemein mit Bezugszeichen 200 bezeichneten Verfahrens zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells der Querführung und/oder der Längsführung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs. In einem ersten Schritt 202 des Verfahrens 200 werden ein oder mehrere Ist-Werte des Bewegungszustands der Querführung und/oder der Längsführung des Fahrzeugs mittels eines Sensors oder einer Sensorschnittstelle erfasst. Der Schritt 202 kann von dem mindestens einen Sensor 102 oder der mindestens einen Sensorschnittstelle der Vorrichtung 100 durchgeführt werden. In einem optionalen Schritt 204 können der Ist-Wert oder die Ist-Werte gespeichert werden. Der Schritt 204 kann von der Speichereinheit 104 der Vorrichtung 100 ausgeführt werden. In einem weiteren Schritt 206 wird der mindestens eine Modellparameter durch Vergleich des Ist-Werts oder der Ist-Werte mit aus einem Dynamikmodell berechneten Soll-Wert(en) bestimmt. Der Schritt 206 kann von der Schätzungseinheit 106 der Vorrichtung 100 ausgeführt werden. Im Schritt 208 wird ein Aktor geregelt, indem die Querführung und/oder die Längsführung Steuersignale an den Aktor abhängig von dem durch den geschätzten mindestens einen Modellparameter angepassten Dynamikmodell sendet. Der Schritt 208 kann von der Regelungseinheit 108 der Vorrichtung 100 durchgeführt werden.
• In herkömmlichen Verfahren zum mindestens teilautomatisierten Betrieb von Fahrzeugen wird mittels eines Bewegungs-Planungsalgorithmus basierend auf einem, unter anderem mittels Umfeldsensorik und hochgenauen digitalen Kartendaten erzeugten, Umfeldmodell ein für die gegebene Fahraufgabe passender, zukünftiger Soll-Fahrzustand bestimmt, der einer Fahrzeuglängsführung und Fahrzeugquerführung (im Folgenden auch als Folgeregelung bezeichnet) als Soll-Wert übergeben wird. Der durch die Bewegungsplanung bestimmte Soll-Fahrzustand x_soll,t kann dabei die zu einem festen Zeitpunkt t oder Ort gehörigen Soll-Werte, insbesondere in Längsrichtung und Querrichtung des Fahrzeugs, für Ortskoordinaten (x, y), Geschwindigkeiten (v_x, v_y), Beschleunigung (a_x, a_y) entlang verschiedener Koordinatenachsen und/oder Gierwinkel ψ und Gierrate (zeitliche Änderung des Gierwinkels ψ) enthalten: $$x_{soll,t}={\left[t,x,y,v_x,v_y,a_x,a_y,\dot{\psi },\mathrm{...}\right]}^T.$$
• Eine Menge von N räumlich oder zeitlich diskretisierten Soll-Fahrzuständen, zumeist innerhalb eines gewissen zeitlichen und/oder örtlichen Vorausschauhorizonts, wird dabei als Soll-Trajektorie X_soll bezeichnet: $$X_{soll}=\left\{x_{soll,t0},x_{soll,t1},\dots ,x_{soll,tN}\right\}.$$
• Hierbei sind die Soll-Fahrzustände von einem Anfangszeitpunkt t₀ an zeitlich geordnet (t₀<t₁<..<t_N). Herkömmliche Verfahren zur Bewegungsplanung nutzen dabei infolge begrenzter Rechenleistung stark vereinfachte Bewegungsmodelle, um innerhalb eines gegebenen Vorausschauhorizonts verschiedene Mengen von Fahrzeugzuständen zu berechnen, die zum gewählten Fahrtziel führen. In einem Optimierungsschritt wird unter Berücksichtigung fahrzeugspezifischer Randbedingungen, beispielsweise des Radstands und/oder der Masse des Fahrzeugs und/oder eines Beladungszustands und/oder eines Beschleunigungsvermögens, die hinsichtlich geeigneter Gütekriterien optimale Soll-Trajektorie identifiziert und der Folgeregelung übergeben.
• Hierin kann Aktorik, insbesondere Fahrzeugaktorik, eine Mehrzahl der Aktoren des Kraftfahrzeugs bezeichnen.
• Die Aufgabe der Folgeregelung besteht anschließend darin, geeignete Vorgaben für die Fahrzeugaktorik (Motor, Getriebe, Bremse, Lenkung) zu berechnen, um den Ist-Zustand x_ist,t des Fahrzeugs dem Soll-Zustand entlang der Trajektorie X_soll anzugleichen. Einige herkömmliche Regelstrategien entnehmen der (insbesondere Soll-) Trajektorie einen Referenzzustand x_soll,tk, wobei die zeitliche Vorausschau in Abhängigkeit von Fahrgeschwindigkeit und Stelldynamik gewählt werden kann k ist hierbei ein fest gewählter Index eines Punkts auf einer Soll-Trajektorie X_soll. Andere herkömmliche Regelstrategien nutzen in modellprädiktiven Verfahren mehrere (insbesondere Soll-) Zustände oder die gesamte (insbesondere Soll-) Trajektorie, um ein hinsichtlich Stellaufwand und Folgeverhalten optimales Fahrprofil umzusetzen.
• Beide Verfahren nutzen folglich implizites oder explizites Wissen über die Dynamik des automatisierten Fahrzeugs.
• Wenn die für die Bewegungsplanung herkömmlicherweise eingesetzten Dynamikmodelle das Fahrzeug unzureichend abbilden, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass das durch die Folgeregelung geführte Fahrzeug der (Soll-) Trajektorie nicht mit der geforderten Genauigkeit folgen kann. Auch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass das durch die Folgeregelung geführte Fahrzeug der (Soll-) Trajektorie nicht mehr mit der geforderten Genauigkeit folgen kann, wenn die in der Regelung genutzte explizit oder implizit modellierte Dynamik des Fahrzeugs stark vom realen Fahrzeugverhalten abweicht. Die Regelgenauigkeit, mit der das automatisierte Fahrzeug der durch die Planung vorgegebenen (Soll-) Trajektorie folgt, hängt davon ab, wie präzise die in Planung und Regelung eingesetzten Modelle der Fahrzeugdynamik das reale Fahrzeugverhalten beschreiben.
• Infolge der begrenzten verfügbaren, insbesondere fahrzeuginternen, Rechenleistung ist es nur begrenzt zielführend, die Genauigkeit der Dynamikmodelle durch eine starke Erhöhung der Modelltiefe und/oder Modellordnung zu erhöhen. Viele die Dynamik beeinflussende Parameter, wie etwa Reifenschräglaufsteifigkeiten oder Geradeauslaufverhalten, sind nur schwer messbar und/oder zeitlich veränderlich, so dass auch der Ansatz, möglichst viele physikalische Parameter messtechnisch zu erfassen und im Modell (beispielsweise explizit) zu berücksichtigen, im Ergebnis, insbesondere bei einer kontinuierlichen Anpassung während des Fahrtbetriebs, limitiert ist.
• Ausführungsbeispiele der Vorrichtung ermöglichen durch geeignete Berechnungsverfahren dominante, nicht durch simple Bewegungsmodelle abgebildete (beispielsweise nichtlineare) Dynamikanteile zur Laufzeit innerhalb geeigneter Fahrsituationen zu ermitteln. Die ermittelten Dynamikanteile werden in wenige, nicht notwendigerweise physikalisch motivierte, Modellparameter überführt und an den Planungsregelungsalgorithmus und/oder den Folgeregelungsalgorithmus des Fahrzeugs übermittelt. Durch die Adaption der Bewegungsplanung und Folgeregelung in Abhängigkeit der geschätzten Dynamikanteile wird im Zusammenspiel beider Komponenten (Bewegungsplanung und Folgeregelung) eine Erhöhung der Genauigkeit erreicht, mit der das Fahrzeug automatisiert einer gegebenen Trajektorie folgt.
• Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung und das Verfahren zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsführung die Speicherung von Vergangenheitswerten von Soll-Fahrzuständen (entlang der Soll-Trajektorien) und von Ist-Fahrzuständen, die durch geeignete Sensorik im und/oder am Fahrzeug erfasst werden.
• Eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens 200 verfügt über eine Sensorik, beispielsweise eine hochgenaue DGPS-gestützte Intertialmesssensorik, zur präzisen Bestimmung der Position und des Bewegungszustands des Fahrzeugs. Das Fahrzeug kann auch als Ego-Fahrzeug bezeichnet werden. Eine weitere Ausführung des Verfahrens 200 weist eine Selbstlokalisierungsfunktion unter Nutzung von GPS, Eigenbewegungsdaten der fahrzeugeigenen Sensorik, sowie des Umfeldmodells auf.
• Ein Bestandteil des Verfahrens 200 umfasst vorzugsweise die Schätzung und Anpassung von Modellparametern des Dynamikmodells der längsdynamischen und/oder querdynamischen Aktorik innerhalb der Planung und/oder Regelung. Das Übertragungsverhalten zwischen SollVorgabe und Ausgangsgröße des Aktors kann vereinfacht unter Nutzung einer in der Systemtheorie und Regelungstechnik verbreiteten Übertragungsfunktion im Frequenzbereich gemäß Gleichung (1) durch Kombination, insbesondere ein Produkt, eines Verzögerungsglieds erster (oder höherer) Ordnung, beispielsweise eines PT1-Gliedes, und eines Totzeitglieds beschrieben werden: $$G_A\left(s\right)=\frac{Y_A\left(s\right)}{U_A\left(s\right)}=\frac{K_A}{T_{A}s+1}\cdot e^{-T_{T}s}.$$
• Darin sind K_A die stationäre Verstärkung und T_A die Zeitkonstante des Verzögerungsglieds, T_T ist die Totzeit, und s ist die unabhängige komplexe Variable im Frequenzbereich. In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens 200 werden für Beschleunigungsvorgänge und Bremsvorgänge unterschiedliche Übertragungsfunktionen angesetzt.
• Ein weiterer Bestandteil des Verfahrens 200 besteht in der Modellierung der Querdynamik des Fahrzeugs innerhalb der Planung und der Regelung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200 wird als Dynamikmodell das kinematisches Einspurmodell gemäß Gleichung (2) verwendet. Darin ist δ_wheel der Lenkwinkel des Rades des modellierten einspurigen Fahrzeugs, v der Betrag der Geschwindigkeit und l der Radstand, welcher als freier Parameter die Dynamik des Fahrzeugs abbildet. x, y, ψ sind jeweils die Längskoordinate, die Querkoordinaten und der Gierwinkel: $$\dot{\psi }=\frac{v}{l}\cdot \text{tan}\left({\delta }_{wheel}\right),\dot{x}=v\cdot \text{cos}\left(\psi \right),\dot{y}=v\cdot \text{sin}\left(\psi \right).$$
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das mit dem vorstehenden Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, wird das Dynamikmodell gemäß Gleichung (3) eingesetzt. Darin sind c_v und c_h (die Schräglaufsteifigkeiten an Vorder- und Hinterachse), l_v und l_h (die Schwerpunktabstände von Vorder- und Hinterachse, beispielsweise relativ zum Schwerpunkt des Fahrzeugs), m (die Masse des Fahrzeugs) und J_z (das Trägheitsmoment um die Hochachse) die freien Parameter zur Beschreibung der Dynamik des Fahrzeugs, und δ_LRW ist der Lenkradwinkel. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Gleichung (2) kann dieses Ausführungsbeispiel die Querbewegung des Fahrzeugs auch im dynamischen Bereich mit nicht verschwindenden Schräglaufwinkeln beschreiben: $$\left[\begin{array}{c}\ddot{y}\\ \ddot{\psi }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{c_v+c_h}{mv}& -\frac{c_v{l}_v-c_h{l}_h}{mv}\\ \frac{c_v{l}_v-c_h{l}_h}{J_z\left(v\right)}& -\frac{c_v{l}_v^2-c_h{l}_h^2}{J_{z}v}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\dot{y}\\ \dot{\psi }\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{c_v}{m}\\ \frac{c_v{l}_v}{J_z}\end{array}\right]{\delta }_{LRW}.$$
• Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel verfügt das Verfahren 200 über eine modellprädiktive Querregelung, die eine Serie N zukünftiger Lenkradwinkel δ_LRW,soll ausgibt, um das Fahrzeug entlang einer Trajektorie zu stabilisieren: $${\delta }_{LRW,soll}={\left[{\delta }_1,{\delta }_2,\dots {\delta }_N\right]}^T.$$
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel setzt das Verfahren 200 die Längsregelung und/oder Querregelung mittels einer Pure-Pursuit-Regelung mit variabler Vorausschau und Aktorträgheits-Kompensation um. Deren Verzögerungsglied, optional mit einer Dominatpolkompensation durch einen sogenannten Lag-Kompensator (auch „Lead-Lag-Komensator“), ist bereits aus dem Dokument EP 3 373 095 A1 bekannt, ohne jedoch eine Totzeit in der Übertragungsfunktion zu berücksichtigen.
• Das Verfahren 200 weist beispielsweise verschiedene Funktionen zur Schätzung von Längsdynamikparametern und/oder Querdynamikparametern für das verwendete Dynamikmodell unter Nutzung der aktuellen, sowie der gespeicherten Vergangenheitswerte der Soll-Trajektorien und der Ist-Trajektorien zur Laufzeit auf. Sofern die Schätzung im Verfahren 200 an bestimmte Fahrsituationen oder Fahrmanöver gebunden ist - z.B. infolge der aus der Systemtheorie bekannten Beobachtbarkeitskriterien für Zustände oder Parameter - weist das Verfahren Funktionen und/oder Eigenschaften auf, welche die erforderlichen Fahrmanöver erkennen und beispielsweise in Form von Zustandsmaschinen die Ausführung der Schätzverfahren steuern.
• Bestimmte Fahrsituationen oder Fahrmanöver können auch als Fahrbetriebszustände bezeichnet werden. Die Fahrbetriebszustände können beispielsweise eine Autobahnfahrt mit hoher Geschwindigkeit und kaum Kurven, eine (enge) Kurvenfahrt bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und/oder eine Rangierfahrt umfassen.
• Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel, das mit jedem anderen Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, verfügen die in Planung und Regelung verwendeten dynamikmodellabhängigen Komponenten über geeignete Schnittstellen zur Änderung von Modellparametern während des Fahrbetriebs (d.h. zur Laufzeit). Die Änderung der Modellparameter wird hierbei automatisch veranlasst.
• Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsführungsbeispiel verfügt das Verfahren 200 über eine Initialisierung der Schätzwerte der jeweiligen Modellparameter mit empirisch und/oder durch Offline-Fitting (Anpassung außerhalb des Fahrtbetriebs) bestimmten Anfangswerten. Ferner umfasst das Verfahren eine Limitierung der Schätzwerte auf physikalisch sinnvolle Wertebereiche (Totzeiten im Sekundenbereich, Masse des Fahrzeugs, welches nicht zu weit von Produktionskennzahlen abweicht, ...). Während der Laufzeit werden Fahrmanöver erkannt und Modellparameter, beispielsweise kontinuierlich, angepasst.
• Zur Bestimmung von Dynamikmodellparametern nutzt die Schätzungseinheit 106 vorzugsweise die gespeicherten Vergangenheitswerte von Soll-Vorgaben und umgesetzten Ist-Größen. In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens 200 werden die Ergebnisse direkt zur Laufzeit berechnet. Eine weitere Ausführung des Verfahrens 200 führt die Berechnung unter Nutzung von Aufzeichnungen geeigneter Messfahrten offline, beispielsweise während einer Wartung oder beim Stand im Fuhrpark, aus. Die Ergebnisse können beispielsweise in Form von Kennfeldern oder durch offline trainierte künstliche neuronale Netze (Netzwerke) zur Laufzeit zur Ermittlung der jeweiligen Schätzgröße bestimmt werden.
• In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens 200 werden künstliche neuronale Netze zur Schätzung mindestens eines Modellparameters anhand der Abweichung zwischen Soll-Vorgabe und Umsetzung der Anforderung, z.B. eines Lenkwinkels, einer Beschleunigung oder eines Motormoments und/oder Bremsdrucks, genutzt. Dabei können in einer Variante des Verfahrens einzelne Vergangenheitswerte einer oder mehrerer Stell- oder Zustandsgrößen oder Sequenzen mehrerer Vergangenheitswerte genutzt werden.
• 3 zeigt ein exemplarisches künstliches neuronales Netz 300, welches als sogenanntes „General Regession Neural Network“ (GRNN), das zur Klasse der Radialbasis-neuronalen Netzwerke gehört, ausgebildet ist und eine Schicht aus p Neuronen umfasst. Das GRNN 300 umfasst ferner in einem N-dimensionalen Vektor angeordnete Eingangswerte u 302 und eine Ausgangsgröße ŷ(u) 304. Das GRNN 300 verwendet vorteilhafterweise Gauß'sche Kurven, die zur Klasse der Radial-Basisfunktionen (RBFen) gehören, als Aktivierungsfunktionen A_i 312 mit Schwerpunkten der Basisfunktionen und/oder Aktivierungsparametern $\widetilde{{\delta }_{l,k}}$ 306, wobei i=1..p die Neuronen indiziert. Entsprechend der Zahl der Neuronen wird der Eingangsraum u ∈ R^N gleichmäßig aufgeteilt. Der quadratische euklidische Abstand C_i 308 zwischen Eingangsgröße u_k 302 mit k=1,..,N und dem Schwerpunkt der Radialbasisfunktion $\widetilde{{\delta }_{l,k}}$ 306 berechnet sich aus $C_i={\displaystyle {\sum }_{k=1}^N{\left(u_k-\widetilde{{\varsigma }_{l,k}}\right)}^2}.$ C_i Die Eingangsgrößen 302 können auch als „training sample“ oder „input“ bezeichnet werden. Die Ausgangsgröße 304 kann auch als „output“ bezeichnet werden.
• Die Standardabweichung δ 310 definiert die Breite der Aktivierungsfunktionen A_i 312. In einem herkömmlichen Radialbasis-Netzwerk sind die Aktivierungsfunktionen 312 definiert als $A_i=\text{exp}\left(-\frac{C_i}{2{\delta }^2}\right).$ $$ Ein GRNN 300 zeichnet sich dadurch aus, dass die Aktivierungsfunktionen normiert sind, $A_i=\frac{\text{exp}\left(-\frac{C_i}{2{\delta }^2}\right)}{{\displaystyle {\sum }_{j=1}^p\text{exp}\left(-\frac{C_j}{2{\delta }^2}\right)}}$ Demnach wird ein Neuron mit Aktivierungsfunktion A_i 312 umso stärker aktiviert, je näher der Eingangswert u_k 302 sich am jeweiligen Stützwert und/oder Aktivierungsparameter 306 der RBF befindet. Der Ausgang des Netzes wird durch eine mit den Parametern ${\underset{\_}{\widehat{\Theta }}}_i$ 314 gewichtete Summe aller Aktivierungen bestimmt.
• Das GRNN 300 kann zunächst in einem Schritt die gewichtete Summe 316 der nicht-normierten Aktivierungsfunktionen, $A_i=\text{exp}\left(-\frac{C_i}{2{\delta }^2}\right),$ 312 bilden und in einem nachfolgenden Schritt 318 durch den gemeinsamen Normierungsfaktor teilen, um die Summe 320 der normierten Aktivierungsfunktionen zu erhalten. Alternativ können zunächst die Aktivierungsfunktionen 312 im Schritt 318 normiert werden, $A_i=\frac{\text{exp}\left(-\frac{C_i}{2{\delta }^2}\right)}{{\displaystyle \sum {}_{j=1}^p\text{exp}}\left(-\frac{C_j}{2{\delta }^2}\right)},$ und im darauffolgenden Schritt 320 die Summe der normierten Aktivierungsfunktionen gebildet werden.
• Die Berechnung der Ausgangsgröße 304 durch das neuronale Netz 300 kann offline oder online erfolgen. Online bedeutet hier zunächst, dass das Verfahren während der Fahrt durchgeführt wird. Zusätzlich kann das Fahrzeug während der Fahrt mit einer externen Recheneinheit, beispielsweise einem Supercomputer, ständig in Funkkontakt stehen und die Berechnung außerhalb des Fahrzeugs erfolgen.
• Werden die Aktivierungsfunktionen 312 aller neuronalen Netze zu einem Vektor A und die Gewichte 314 zu einem Vektor $\underset{\_}{\widehat{\Theta }}$ zusammengefasst, ergibt sich folgende Vorschrift zur Bestimmung des Fehlers e zwischen prädiziertem und gemessenem Schätzwert: $$e\left(\underset{\_}{u}\right)=\widehat{y}\left(\underset{\_}{u}\right)-y\left(\underset{\_}{u}\right)={\underset{\_}{\widehat{\Theta }}}^T\underset{\_}{A}\left(\underset{\_}{u}\right)-{\underset{\_}{\Theta }}^T\underset{\_}{A}\left(u\right),$$ wobei $\underset{\_}{\mathrm{\Theta }}$ der Vektor der idealen Gewichte ist, $\underset{\_}{\widehat{\Theta }}$ der Vektor der angepassten Gewichte 314 aufgrund von Trainingsdaten, ŷ(u) die vom neuronalen Netz, beispielsweise dem GRNN 300, berechnete Ausgangsgröße 304 und y(u) die tatsächliche Ausgangsgröße des Systems.
• Das Training des Netzes erfolgt zur Laufzeit, beispielsweise während des Fahrbetriebs, mittels eines Adaptionsverfahrens, bei dem die Werte θ_̂i 314 zur Laufzeit mittels gespeicherter Soll-Werte und gespeicherter Ist-Werte für Zustände und/oder Stellgrößen so verändert werden, dass der Fehler e(u) minimiert wird.
• Hierbei kommt ein herkömmliches iteratives Gradientenabstiegsverfahren mit einem sogenannten „Momentum-Term“ $\Delta \underset{\_}{\widehat{\Theta }}\left[l\right],$ d.h. dem Differenzbetrag zur Optimierung im I-ten Iterationsschritt, zum Einsatz: $$\underset{\_}{\widehat{\Theta }}\left[l+1\right]=\underset{\_}{\widehat{\Theta }}\left[l\right]+\Delta \underset{\_}{\widehat{\Theta }}\left[l\right].$$
• Der „Momentum-Term“ kann beispielsweise bestimmt werden aus dem Produkt von Fehler, und Vektor der Aktivierungsfunktionen mit einem Iterationsschritte-Weite-Faktor η und einem Parameter 0 ≤ α < 1 und dem „Momentum-Term“ $\Delta \underset{\_}{\widehat{\Theta }}\left[l-1\right]$ des vorhergehenden, (I-1)-ten, Iterationsschritts: $$\Delta \underset{\_}{\widehat{\Theta }}\left[l\right]=-\eta e\left(\underset{\_}{u}\right)\left[l\right]\underset{\_}{A}\left(\underset{\_}{u}\right)\left[l\right]+\alpha \Delta \underset{\_}{\widehat{\Theta }}\left[l-1\right].$$
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel verfügt die Regelung über einen Pure-Pursuit-Regler, der entlang einer gegebenen Referenztrajektorie X_soll = [x_soll, y_soll, ...]^T in Abhängigkeit der Geschwindigkeit eine definierte Soll-Vorausschau Δx (Differenz von aktueller Position auf der Ist-Trajektorie und Punkt der Vorausschau oder Referenztrajektorie) bestimmt, die wiederum in eine Soll-Krümmung und Soll-Gierrate überführt wird, durch die das Fahrzeug an einem (insbesondere vorgegebenen) Punkt x_v (beispielsweise der Längskoordinate) den gewünschten (Soll-) Wert y_v (beispielsweise der Querkoordinate) erreicht. Mit x_soll, y_soll werden insbesondere die fahrzeugeigene Längskoordinate 402 und die fahrzeugeigene Querkoordinate 404 in 4 bezeichnet.
• 4 zeigt ein Beispiel einer modelprädiktiven Regelung 400. Ein Fahrzeug 410 mit fahrzeugeigener Längskoordinate 402 und fahrzeugeigener Querkoordinate 404 („Vehicle Coordinate System Fixed“ bzw. „VCF") ist an zwei Punkten 406 („Point of Interest“ bzw. „POl“) gezeigt. Beispielsweise wird die räumliche Position des „POI 1“ zu einem früheren Zeitpunkt erreicht als die räumliche Position des „POI 2“. Der Ursprung des fahrzeugeigenen Koordinatensystems liegt mittig auf der Hinterachse des Fahrzeugs. Dem „POI 1“ ist der Index 9 auf einer Referenz-Trajektorie bzw. Soll-Trajektorie 408 zugeordnet. Dem „POI 2“ ist der Index 12 auf der Referenz-Trajektorie bzw. Soll-Trajektorie 408 zugeordnet. Die modellprädiktive Regelung 400 kann beispielsweise den dem „POl 2“ geordneten Soll-Wert durch Vorwärtsintegration von dem Zeitschritt, an dem der „POI 1“ erreicht wird, berechnen.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das mit allen anderen Ausführungsbeispielen kombinierbar ist, kann mittels eines künstlichen neuronalen Netzes, insbesondere des GRNN 300, der „virtuelle“ Radstand des kinematischen Einspurmodells geschätzt werden. Der Radstand wird als „virtuell" bezeichnet, da bei seiner Schätzung neben Effekten der Variation des tatsächlichen Radstands auch weitere, sonst nicht berücksichtigte Effekte, wie etwa Schräglaufsteifigkeiten berücksichtigt werden. In dem Verfahren 200 zur Schätzung und Anpassung des „virtuellen“ Radstands werden Vergangenheitswerte relevanter Größen analysiert. Die relevanten Größen zur Schätzung des „virtuellen“ Radstands umfassen Vektoren der Querbeschleunigung a_y und des tatsächlichen Lenkradwinkels δ_LRW,ist. In einem anschließenden Verarbeitungsschritt wird anhand der Differentialgleichungen (2) des kinematischen Einspurmodells ein Schätzwert des „virtuellen“ Radstands l ermittelt, der in das GRNN 300 eingespeist wird.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellen die Querbeschleunigung und der Lenkradwinkel die zwei Dimensionen des Eingangsraums, beispielsweise des GRNN 300, dar und werden, vorzugsweise innerhalb sinnvoller Wertebereiche, in jeweils p (beispielsweise p=21) Stützstellen diskretisiert. Zur Laufzeit werden die Wichtungen der resultierenden p² (beispielsweise p²=441) Neuronen angepasst, um den Fehler zwischen Messung und Vorhersage zu minimieren.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Netzstruktur mit eindimensionalem Eingangsraum, insbesondere dem Betrag der Querbeschleunigung, gewählt. Dieser wird vorzugsweise innerhalb eines sinnvollen Wertebereichs, beispielsweise einer Beschleunigung von 0m/s² bis 3m/s², in p (beispielsweise p =21) Stützpunkte aufgeteilt. Die Wichtungen werden zur Laufzeit angepasst, um den Fehler zwischen vorausberechnetem bzw. prädiziertem und gemessenem lateralen Positionsfehler zu minimieren.
• Eine Teilfunktion des Verfahrens stellt sicher, dass nur solche Daten zum Training der Netze genutzt werden, die in Fahrsituationen erhoben wurden, innerhalb derer gemäß geeigneter systemtheoretischer Kriterien eine Beobachtbarkeit des Radstands bezüglich der Querbeschleunigung gegeben ist. Weiterhin wird der geschätzte Radstand auf geeignete Minimal- und Maximalwerte limitiert.
• Beispielsweise schließt die Freigabefunktion für die Schätzung des virtuellen Radstands eine Autobahnfahrt mit hoher und/oder nahezu konstanter Geschwindigkeit und kaum Kurven ein. Die Freigabefunktion für die Schätzung des virtuellen Radstands kann ferner eine Fahrt in Kurven bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten einschließen. Alternativ oder ergänzend kann die Freigabefunktion für die Schätzung des virtuellen Radstands eine Rangierfahrt oberhalb eines vorbestimmten Grenzwert des Knickwinkels oder des Gierwinkels oder der Gierrate ausschließen.
• Weitere Ausführungsbeispiele des Verfahrens 200 berücksichtigen zusätzlich zur Querbeschleunigung und zum Lenkwinkel weitere Zustandsgrößen, wie beispielsweise die Gierrate und/oder Krümmung, beispielsweise der Trajektorie des Fahrzeugs.
• Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200 zur Schätzung und Anpassung des virtuellen Radstands umfasst die Nutzung längerer Sequenzen aufgezeichneter Vergangenheitswerte. Der untersuchte Gesamtbereich wird in diskrete Stützstellen unterteilt. Jeder diskreten Stützstelle wird ein Sampling-Vektor oder Eingangsvektor, beispielsweise die Eingangswerte 302 des GRNN 300, zugeordnet. Das dem Eingangsvektor 302 zugeordnete Netz, beispielsweise das GRNN 300, kann online trainiert werden, indem unterschiedlich parametrierte, beispielsweise durch die Differentialgleichungen (2) des kinematischen Einspurmodells charakterisierte, Referenzmodelle zum Einsatz kommen. Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren zur Bestimmung des virtuellen Radstands offline mittels komplexerer Referenzmodelle als das kinematische Einspurmodell und unter Durchführung vorbestimmter Referenzmanöver, beispielsweise einer Sprungvorgabe von Soll-Lenkwinkeln, trainiert und im Dynamikmodell hinterlegt werden.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens, bei der ein modellprädiktives Querregelungsverfahren zum Einsatz .kommt, wird der Schätzwert des virtuellen Radstands direkt in dessen Dynamikmodell eingespeist.
• Ausführungsbeispiele umfassen eine Vorrichtung und ein von der Vorrichtung ausgeführtes Verfahren zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsführung, bei dem auf Grundlage von zur Laufzeit gespeicherten Informationen mit Hilfe geeigneter Verfahren nicht berücksichtigte Dynamikeffekte in Form geeigneter Parameter ermittelt und dem Planungsalgorithmus und/oder der Regelung zur Verfügung gestellt werden. Durch die Ermittlung geeigneter Parameter im Dynamikmodell der Querführung und/oder der Längsführung wird eine signifikante Verbesserung der Regelgenauigkeit bei der Trajektorienfolge erreicht. Alternativ oder ergänzend stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zur Schätzung von Nichtlinearitäten in der Dynamik eines Fahrzeugs zur Adaption von Bewegungsplanungsalgorithmen und Folgeregelungsalgorithmen für ein mindestens teilweise automatisiertes Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung optimiert das Führungsverhalten der Folgeregelung.
• Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Fahrsituation oder einen bestimmten Einsatzzweck an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
• Bezugszeichenliste

100

Vorrichtung

102

Sensor / Sensorschnittstelle

104

Speichereinheit

106

Schätzungseinheit

108

Regelungseinheit

200

Verfahren

202

Erfassung eines Ist-Werts

204

Speicherung des Ist-Werts

206

Schätzung eines Modellparameters

208

Regelung eines Aktors abhängig vom durch den geschätzten Modellparameter angepassten Dynamikmodell

300

Künstliches Neuronales Netzwerk

302

Eingangsgröße u

304

Ausgangswert ŷ

306

Aktivierungsparameter ς̃

308

Quadratischer euklidischer Abstand zwischen Eingangsgröße und Schwerpunkt der Radialbasisfunktion C_i

310

Breite der Aktivierungsfunktion δ

312

Aktivierungsfunktion A_i

314

Gewichtungsfaktor $\underset{\_}{\widehat{\Theta }}$

316

Gewichtete Summation Σ

318

Normierung ÷

320

Gewichtete und normierte Summation Σ

400

Modellprädikative Regelung

402

Längskoordinate

404

Querkoordinate

406

Punkt auf der Ist-Trajektorie

408

Punkt auf der Soll-Trajektorie

410

Fahrzeug

Claims (13)

1. Vorrichtung (100) zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsführung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, umfassend: - mindestens einen Sensor (102) oder mindestens eine Sensorschnittstelle zur Erfassung mindestens eines Ist-Werts eines Bewegungszustands der Querführung und/oder Längsführung; - eine Schätzungseinheit (106), die dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Modellparameter eines Dynamikmodells durch Vergleichen mindestens eines aus dem Dynamikmodell der Querführung und/oder Längsführung des Kraftfahrzeugs berechneten Soll-Werts des Bewegungszustands mit dem erfassten mindestens einen Ist-Wert zu schätzen; und - eine Regelungseinheit (108), die dazu ausgebildet ist, abhängig vom erfassten mindestens einen Ist-Wert des Bewegungszustands und dem geschätzten mindestens einen Modellparameter das Dynamikmodell der Querführung und/oder Längsführung anzupassen und Steuersignale mindestens eines Aktors der Querführung und/oder Längsführung abhängig von dem angepassten Dynamikmodell zu regeln, wobei das Dynamikmodell ein kinematisches Einspurmodell umfasst und der Bewegungszustand einen Lenkwinkel eines Rads, einen Lenkradwinkel, einen Betrag der Geschwindigkeit und/oder einen Betrag, der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs umfasst, und wobei die Schätzungseinheit (106) und/oder die Regelungseinheit (108) ferner dazu ausgebildet ist, eine zeitliche Serie von N zukünftigen Soll-Werten des Bewegungszustands, insbesondere Soll-Werten des Lenkwinkels, Lenkradwinkels, der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung, mittels des Dynamikmodells vorauszuberechnen, wobei N eine natürliche Zahl und größer oder gleich 2 ist, und wobei die Schätzungseinheit (106) den mindestens einen Modellparameter in dem Dynamikmodell variiert und schätzt aufgrund einer minimalen Abweichung mehrerer der Soll-Werte vom erfassten Ist-Wert des Bewegungszustands.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: - eine Speichereinheit (104), die dazu ausgebildet ist, den erfassten mindestens einen Ist-Wert zu speichern und an die Schätzungseinheit (106) auszugeben.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Sensor (102) oder die mindestens eine Sensorschnittstelle ein Empfangsmodul zum Empfangen von Signalen eines globalen Navigationssatellitensystems umfasst, vorzugsweise einschließlich von differenziellen Korrektursignalen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Dynamikmodell Schräglaufsteifigkeiten an Vorder- und Hinterachse, mindestens einen Schwerpunktabstand von Vorder- und Hinterachse, eine Masse des Kraftfahrzeugs, Reifenparameter, einen Rollwiderstand und/oder ein Trägheitsmoment um eine Hochachse des Kraftfahrzeugs als Modellparameter umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schätzungseinheit (106) dazu ausgebildet ist, einen Wert eines virtuellen Radstands des kinematischen Einspurmodells als Modellparameter zu schätzen, wobei der virtuelle Radstand den mindestens einen Schwerpunktabstand von Vorder- und Hinterachse, einen Abstand zwischen Vorder- und Hinterachse und/oder mindestens eine Schräglaufsteifigkeit berücksichtigt oder repräsentiert.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpassung des mindestens einen Modellparameters mittels eines Künstlichen Neuronalen Netzes (300) berechnet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Eingangsraum (302) des Künstlichen Neuronalen Netzes (300) eine Querbeschleunigung, einen Lenkwinkel, einen Lenkradwinkel, eine Gierrate und/oder eine Krümmung der Trajektorie des Kraftfahrzeugs umfasst.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Querführung und/oder die Längsführung eine Folgeregelung für ein Fahrzeug in einem Fahrzeugverband umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schätzungseinheit (106) und/oder die Regelungseinheit (108) dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Modellparameter des Dynamikmodells während des Fahrbetriebs zu schätzen und/oder anzupassen und/oder mindestens eine Schnittstelle zur Änderung des mindestens einen Modellparameters des Dynamikmodells während des Fahrbetriebs umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schätzung des mindestens einen Modellparameters des Dynamikmodells abhängig von einem erkannten Fahrbetriebszustand des Kraftfahrzeugs angepasst wird.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Modellparameter des Dynamikmodells mit einem gemessenen und/oder außerhalb des Fahrbetriebs bestimmten Anfangswert initialisiert ist.
12. Verfahren (200) zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsführung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, umfassend die Schritte: - Erfassen (202) mindestens eines Ist-Werts eines Bewegungszustands der Querführung und/oder Längsführung mittels mindestens eines Sensors oder mindestens einer Sensorschnittstelle; - Schätzen (206) mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells durch Vergleich mindestens eines aus dem Dynamikmodell berechneten Soll-Werts des Bewegungszustands mit dem erfassten mindestens einen Ist-Wert; und - Regeln (208) mindestens eines Aktors der Querführung und/oder Längsführung abhängig vom erfassten Ist-Zustand, wobei eine Regelungseinheit (108) der Querführung und/oder Längsführung Steuersignale an den Aktor abhängig von dem durch den geschätzten mindestens einen Modellparameter angepassten Dynamikmodell ausgibt, wobei das Dynamikmodell ein kinematisches Einspurmodell umfasst und der Bewegungszustand einen Lenkwinkel eines Rads, einen Lenkradwinkel, einen Betrag der Geschwindigkeit und/oder einen Betrag der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs umfasst, und wobei die Schätzungseinheit (106) und/oder die Regelungseinheit (108) ferner dazu ausgebildet ist, eine zeitliche Serie von N zukünftigen Soll-Werten des Bewegungszustands, insbesondere Soll-Werten des Lenkwinkels, Lenkradwinkels, der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung, mittels des Dynamikmodells vorauszuberechnen, wobei N eine natürliche Zahl und größer oder gleich 2 ist, und wobei die Schätzungseinheit (106) den mindestens einen Modellparameter in dem Dynamikmodell variiert und schätzt aufgrund einer minimalen Abweichung mehrerer der Soll-Werte vom erfassten Ist-Wert des Bewegungszustands.
13. Kraftfahrzeug (400), insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend mindestens einen Aktor zur Querführung und/oder Längsführung; und eine Vorrichtung (100) zur Schätzung und Anpassung mindestens eines Modellparameters eines Dynamikmodells zur Querführung und/oder Längsführung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.