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DE102019201124A1 - A system for a vehicle - Google Patents

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Publication number
DE102019201124A1
DE102019201124A1 DE102019201124.1A DE102019201124A DE102019201124A1 DE 102019201124 A1 DE102019201124 A1 DE 102019201124A1 DE 102019201124 A DE102019201124 A DE 102019201124A DE 102019201124 A1 DE102019201124 A1 DE 102019201124A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
vehicle
achievable
road segment
trajectory
target
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019201124.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Umberto Montanaro
Saber Fallah
Mehrdad Dianati
Shilp Dixit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jaguar Land Rover Ltd
Original Assignee
Jaguar Land Rover Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jaguar Land Rover Ltd filed Critical Jaguar Land Rover Ltd
Publication of DE102019201124A1 publication Critical patent/DE102019201124A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung stellt ein System für ein Fahrzeug bereit, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann, wobei das System zum Planen einer Trajektorie des Fahrzeugs ist. Insbesondere umfasst das System einen Empfänger, der konfiguriert ist, um Straßensegmentdaten von wenigstens einem Teilsystem des Fahrzeugs zu empfangen, wobei die Straßensegmentdaten wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des Fahrzeugs anzeigen. Das System beinhaltet ebenso ein Modul für einen erreichbaren Zustand, das konfiguriert ist, um einen Satz erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung zu bestimmen, wobei jeder der erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeugposition beinhaltet. Das System beinhaltet ebenso ein Modul für eine zulässige Position, das konfiguriert ist, um mehrere zulässige Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten zu bestimmen, wobei die mehreren zulässigen Fahrzeugpositionen innerhalb des bestimmten Satzes von erreichbaren Fahrzeugpositionen liegen. Das System beinhaltet ebenso ein Zielzustandsmodul, das konfiguriert ist, um einen Zielfahrzeugzustand mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment zu bestimmen, wobei die Zielfahrzeugposition einer der mehreren bestimmten zulässigen Fahrzeugpositionen entspricht. Das System beinhaltet ebenso ein Erzeugungsmodul für eine Trajektorie, das konfiguriert ist, um eine realisierbare Trajektorie zu bestimmen, auf der das Fahrzeug in Abhängigkeit von der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung zu der Zielfahrzeugposition fährt, um die Fahrzeugtrajektorie zu planen.The invention provides a system for a vehicle that can be operated in an autonomous mode, the system being for planning a trajectory of the vehicle. In particular, the system includes a receiver configured to receive road segment data from at least one subsystem of the vehicle, the road segment data indicating at least one feature of a road segment proximate to the vehicle. The system also includes an achievable state module configured to determine a set of achievable vehicle states within a prescribed period of time responsive to at least one vehicle restriction, each of the achievable vehicle states including an achievable vehicle position. The system also includes an allowable position module configured to determine a plurality of allowable vehicle positions in the road segment based on the received road segment data, wherein the plurality of allowable vehicle positions are within the particular set of achievable vehicle positions. The system also includes a target state module configured to determine a target vehicle state having a target vehicle position in the road segment, the target vehicle position corresponding to one of the plurality of determined allowable vehicle positions. The system also includes a trajectory generation module configured to determine a viable trajectory on which the vehicle travels to the target vehicle position in response to the at least one vehicle constraint to plan the vehicle trajectory.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System für ein Fahrzeug und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf ein System für ein Fahrzeug, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann. Erfindungsgemäße Aspekte beziehen sich auf ein System, auf ein Verfahren und auf ein Fahrzeug.The present disclosure relates to a system for a vehicle, and more particularly, but not exclusively, to a system for a vehicle that can be operated in an autonomous mode. Aspects of the invention relate to a system, a method, and a vehicle.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Die erste Generation von Fahrzeugen mit autonomen Fahrmodi war in der Lage, folgende Aufgaben durchzuführen: Spurhaltung, Halten des Abstands zu einem vorausfahrenden Fahrzeug, Bereitstellen einer Spurhaltewarnung, usw. Dies half, den Insassenkomfort zu erhöhen und die Arbeitsbelastung des Fahrers zu verringern. Ein menschlicher Fahrer ist immer noch erforderlich, um entweder anspruchsvollere, aber ebenso gewöhnliche Manöver, wie etwa einen Spurwechsel, ein Einfädeln in den Verkehr, ein Überholen usw., zu initiieren oder während des Durchführens derselben einzugreifen. Zum Beispiel stellt das Überholen eines vorausfahrenden Fahrzeugs eine Vorlage für derartige komplexe Manöver dar, da es sowohl die seitliche Bewegung und die Längsbewegung eines überholenden Fahrzeugs (Prüffahrzeug) kombiniert, während es ein sich langsamer bewegendes Hindernisfahrzeug (Führungsfahrzeug) vermeidet, als auch die Teilmanöver des Spurwechsels, der Spurhaltung und des Einfädelns auf eine sequentielle Weise beinhaltet.The first generation of vehicles with autonomous driving modes was able to perform the following tasks: lane keeping, keeping the distance to a preceding vehicle, providing a lane departure warning, etc. This helped to increase occupant comfort and reduce the driver's workload. A human driver is still required to initiate or intervene in either more sophisticated but equally common maneuvers, such as lane change, threading traffic, overtaking, etc., while performing the same. For example, overtaking a preceding vehicle is a template for such complex maneuvers as it combines both lateral movement and longitudinal movement of an overtaking vehicle (test vehicle) while avoiding a slower moving obstacle vehicle (leading vehicle), as well as partial maneuvers of the vehicle Lane change, tracking and threading in a sequential manner.

Die inhärent komplizierte Struktur des Überholens rührt von seiner Abhängigkeit von einer großen Anzahl von Faktoren her, wie etwa Straßenbedingungen, Wetter, Verkehrsdichte, Typ des überholenden Fahrzeugs, Typ des zu überholenden Fahrzeugs, relativer Geschwindigkeit zwischen Fahrzeugen, zurückgelegter Entfernung usw., was die Klassifizierung und Standardisierung verhältnismäßig schwierig macht. Um Überholmanöver durchzuführen, sind darüber hinaus genaue Informationen bezüglich der Verfügbarkeit von Straßen und Fahrspuren, der Trajektorie des Führungsfahrzeugs, der Straßenzustände usw. erforderlich.The inherently complicated structure of overtaking derives from its dependence on a large number of factors such as road conditions, weather, traffic density, type of overtaking vehicle, type of vehicle to overtake, relative speed between vehicles, distance traveled, etc., what the classification and standardization is relatively difficult. In addition, in order to perform overtaking maneuvers, accurate information regarding the availability of roads and lanes, the trajectory of the lead vehicle, the road conditions, etc. is required.

Es gibt eine Reihe vorgeschlagener Verfahren zum Planen von Trajektorien, um ein komplexes autonomes Manöver, wie etwa ein autonomes Überholmanöver durchzuführen, indem es als ein Problem zur Vermeidung eines sich bewegenden Hindernisses behandelt wird. Zum Beispiel wurden inkrementelle, suchbasierte Algorithmen wie „Rapidly exploring Random Trees“ (RRT) zum Planen von Trajektorien für ein komplexes autonomes Manöver vorgeschlagen; RRT-Algorithmen sind jedoch insofern nachteilig, als dass die geplanten Trajektorien ruckartig sein können, was wiederum zu einem verringerten Komfort der Insassen führen kann. Darüber hinaus hängen die Berechnungszeiten für die meisten suchbasierten Algorithmen von der umgebenden Verkehrsdichte ab, was sie für Automobilanwendungen weniger geeignet macht.There are a number of proposed methods for scheduling trajectories to perform a complex autonomous maneuver, such as an autonomous overtaking maneuver, by treating it as a problem to avoid a moving obstacle. For example, incremental search-based algorithms such as Rapidly Exploring Random Trees (RRT) have been proposed for planning trajectories for a complex autonomous maneuver; However, RRT algorithms are disadvantageous in that the planned trajectories may be jerky, which in turn may result in reduced occupant comfort. In addition, the computation times for most search-based algorithms are dependent on the surrounding traffic density, making them less suitable for automotive applications.

Wenn genaue Informationen bezüglich der Straße und der umgebenden Hindernisse verfügbar sind, wird deutlich, dass Techniken auf Basis eines Potentialfeldes zum Erzeugen von Trajektorien erfolgreich sind, die stationäre oder sich bewegende Hindernisse vermeiden. Diese Verfahren beinhalten jedoch keine Fahrzeugdynamik und können daher nicht sicherstellen, wie realisierbar es für das Fahrzeug ist, der geplanten Trajektorie tatsächlich zu folgen.If accurate information regarding the road and the surrounding obstacles is available, it will be appreciated that techniques based on a potential field are successful in creating trajectories that avoid stationary or moving obstacles. However, these methods do not involve vehicle dynamics and therefore can not ensure how feasible it is for the vehicle to actually follow the planned trajectory.

Modellprädiktive Steuerungs(MPC)-Verfahren weisen die Fähigkeit auf, Fahrzeugdynamik und Hindernisvermeidungsbeschränkungen als ein durch einen endlichen Horizont beschränktes Optimierungsproblem zu formulieren. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass Hindernisvermeidungsbeschränkungen zum Planen einer Trajektorie im Allgemeinen nicht konvex sind, was die Realisierbarkeit und Einzigartigkeit der Lösung für das Optimierungsproblem stark einschränkt. Um dieses Problem anzugehen, wurden Techniken wie Konvexisierung, Änderung des Referenzrahmens und Approximation vorgeschlagen. Trotzdem erfordert das durch diese Ansätze formulierte Optimierungsproblem häufig Einschränkungsgleichwertigkeit, die sich in Echtzeit ändert, was es schwierig macht, sie in einer elektronischen Steuereinheit (ECU) eines Fahrzeugs zu implementieren.Model Predictive Control (MPC) methods have the ability to formulate vehicle dynamics and obstacle avoidance constraints as a finite-horizon constrained optimization problem. These methods have the disadvantage that obstacle avoidance restrictions for scheduling a trajectory are generally not convex, which severely limits the feasibility and uniqueness of the solution to the optimization problem. To address this problem, techniques such as convexization, changing the frame of reference and approximation have been proposed. Nevertheless, the optimization problem formulated by these approaches often requires constraint equivalence, which changes in real time, making it difficult to implement in an electronic control unit (ECU) of a vehicle.

Das Konzept von Bewegungsprimitiven, die in einer MPC-Rahmenstruktur beinhaltet sind, wurde vorgeschlagen, um Hindernisvermeidungstrajektorien zu planen. Da diese Bewegungsprimitive jedoch offline berechnet und über eine Nachschlagetabelle abgerufen werden, kann nur eine Teilmenge aller realisierbaren Trajektorien für das Planen einer Trajektorie zur Verfügung stehen.The concept of motion primitives included in an MPC frame structure has been proposed to plan obstacle avoidance trajectories. However, since these motion primitives are computed off-line and retrieved through a look-up table, only a subset of all feasible trajectories can be available for scheduling a trajectory.

Es wurde vorgeschlagen, geplante Überholtrajektorien zu erzeugen, indem zum Beispiel das Prüffahrzeug entlang virtueller Zielpunkte gerichtet wird, die in ausreichenden Entfernungen um das Führungsfahrzeug herum angeordnet sind, wodurch das Planen einer Trajektorie zu einem Navigationsproblem umformuliert wird. Bei derartigen Verfahren wird das Prüffahrzeug jedoch als eine Punktmasse ohne Dynamik modelliert, und daher sind diese Verfahren für das Planen komplexer Manövertrajektorien von autonomen Fahrzeugen nicht geeignet.It has been proposed to generate planned overtravel trajectories, for example, by directing the test vehicle along virtual target points which are located at sufficient distances around the lead vehicle, thereby redrafting a trajectory into a navigation problem. In such methods, however, the test vehicle is modeled as a spot mass without dynamics, and therefore these methods are not suitable for planning complex maneuver trajectories of autonomous vehicles.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile zu beheben. The present invention aims to overcome the disadvantages associated with the prior art.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt wird ein System für ein Fahrzeug bereitgestellt, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann, wobei das System zum Planen einer Trajektorie des Fahrzeugs gedacht ist. Das System umfasst einen Empfänger, der konfiguriert ist, um Straßensegmentdaten von wenigstens einem Teilsystem des Fahrzeugs zu empfangen, wobei die Straßensegmentdaten wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des Fahrzeugs anzeigen. Das System umfasst ein Modul für einen erreichbaren Zustand, das konfiguriert ist, um einen Satz erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung zu bestimmen, wobei jeder der erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeugposition beinhaltet. Das System umfasst ein Modul für eine zulässige Position, das konfiguriert ist, um mehrere zulässige Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten zu bestimmen, wobei die mehreren zulässigen Fahrzeugpositionen innerhalb des bestimmten Satzes von erreichbaren Fahrzeugpositionen liegen. Das System umfasst ein Zielzustandsmodul, das konfiguriert ist, um einen Zielfahrzeugzustand mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment zu bestimmen, wobei die Zielfahrzeugposition einer der mehreren bestimmten zulässigen Fahrzeugpositionen entspricht. Das System umfasst ein Erzeugungsmodul für eine Trajektorie, das konfiguriert ist, um eine realisierbare Trajektorie zu bestimmen, auf der das Fahrzeug in Abhängigkeit von der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung zu der Zielfahrzeugposition fährt, um die Fahrzeugtrajektorie zu planen.According to one aspect of the invention, there is provided a system for a vehicle that is operable in an autonomous mode, the system being for planning a trajectory of the vehicle. The system includes a receiver configured to receive road segment data from at least one subsystem of the vehicle, the road segment data indicating at least one feature of a road segment proximate to the vehicle. The system includes an achievable state module configured to determine a set of achievable vehicle states within a prescribed period of time as a function of at least one vehicle restriction, each of the achievable vehicle states including an achievable vehicle position. The system includes an allowable position module configured to determine a plurality of allowable vehicle positions in the road segment based on the received road segment data, wherein the plurality of allowable vehicle positions are within the determined set of achievable vehicle positions. The system includes a target state module configured to determine a target vehicle state having a target vehicle position in the road segment, the target vehicle position corresponding to one of the plurality of determined allowable vehicle positions. The system includes a trajectory generation module configured to determine a feasible trajectory on which the vehicle travels to the target vehicle position in response to the at least one vehicle constraint to schedule the vehicle trajectory.

Die Erfindung stellt ein Situationsbewusstseins- und Planungssystem für eine Trajektorie bereit, um komplexe autonome Manöver, wie etwa ein Überholen auf einer Autobahn, durchzuführen. Das System ist insofern vorteilhaft, als dass es frei von nicht konvexen Hindernisvermeidungsbeschränkungen ist, es die Realisierbarkeit der vorgeschlagenen Trajektorie sicherstellt und in Echtzeit realisierbar ist. Das heißt, das System ist in einer elektronischen Steuereinheit (ECU) des Fahrzeugs implementierbar und funktioniert innerhalb der Prozessortaktzeit der ECU.The invention provides a situational awareness and planning system for a trajectory to perform complex autonomous maneuvers, such as overtaking on a freeway. The system is advantageous in that it is free from non-convex obstacle avoidance restrictions, it ensures the feasibility of the proposed trajectory and is realizable in real time. That is, the system is implementable in an electronic control unit (ECU) of the vehicle and operates within the processor clock time of the ECU.

Das System kann einen Ausgang umfassen, der konfiguriert ist, um ein Steuersignal zu senden, um das Fahrzeug zu steuern, um der realisierbaren Trajektorie zu folgen.The system may include an output configured to send a control signal to control the vehicle to follow the realizable trajectory.

Das wenigstens eine Straßensegmentmerkmal kann Folgendes umfassen: eine aktuelle Trajektorie des Fahrzeugs; Straßen- und/oder Fahrspurbegrenzungen; und/oder Fahrvorschriften.The at least one road segment feature may include: a current trajectory of the vehicle; Road and / or lane boundaries; and / or driving regulations.

Das wenigstens eine Straßensegmentmerkmal kann wenigstens ein Hindernis umfassen.The at least one road segment feature may include at least one obstacle.

Das wenigstens eine Hindernis kann ein weiteres Fahrzeug beinhalten, und die Straßensegmentdaten beinhalten eine Geschwindigkeit, eine Position und/oder eine Orientierung des weiteren Fahrzeugs.The at least one obstacle may include another vehicle, and the road segment data includes a speed, position, and / or orientation of the another vehicle.

Das weitere Fahrzeug kann sich vor und auf derselben Spur wie das Fahrzeug befinden.The other vehicle may be in front of and on the same lane as the vehicle.

Das wenigstens eine Hindernis kann wenigstens ein Schlagloch, eine Bremsschwelle und eine blockierte Spur beinhalten.The at least one obstacle may include at least one pothole, a brake threshold and a blocked lane.

Das Modul für eine zulässige Position kann konfiguriert sein, um ein künstliches Potentialfeld zu definieren, das größer als der Satz erreichbarer Fahrzeugpositionen ist. Das Modul für eine zulässige Position kann konfiguriert sein, um eine Nettopotentialfunktion, die das künstliche Potentialfeld in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten beschreibt, zu erzeugen. Ein Potentialwert der Nettopotentialfunktion kann über das künstliche Potentialfeld variieren.The permissible position module may be configured to define an artificial potential field that is greater than the set of achievable vehicle positions. The allowable position module may be configured to generate a net potential function describing the artificial potential field in response to the received road segment data. A potential value of the net potential function may vary over the artificial potential field.

Die zulässigen Fahrzeugpositionen können als entsprechende Positionen in dem künstlichen Potentialfeld bestimmt werden, bei denen der Nettopotentialfunktionswert in einem vorgeschriebenen Intervall von Potentialwerten liegt.The allowable vehicle positions may be determined as corresponding positions in the artificial potential field where the net potential function value is within a prescribed interval of potential values.

Die Nettopotentialfunktion kann einen Beitrag von einem oder mehreren der folgenden Elemente beinhalten:

  • eine Fahrspurgeschwindigkeitspotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf eine Geschwindigkeit beziehen, die jeder Fahrbahn der Straße zugeordnet ist;
  • eine Straßenpotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf Straßenbegrenzungen beziehen;
  • eine Fahrspurpotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf Begrenzungen und/oder eine Mitte jeder Fahrspur der Straße beziehen; und,
  • eine weitere Fahrzeugpotentialfunktion, die Informationen zur Fahrzeugdynamik eines weiteren Fahrzeugs in dem Straßensegment beinhaltet.
The net potential function may include a contribution from one or more of the following elements:
  • a lane speed potential function that includes information relating to a speed associated with each lane of the road;
  • a road potential function that includes information related to road boundaries;
  • a lane potential function that includes information related to boundaries and / or a center of each lane of the road; and,
  • another vehicle potential function that includes information about the vehicle dynamics of another vehicle in the road segment.

Die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung kann eine oder mehrere aktuelle Fahrzeugzustandsvariablen beinhalten. The at least one vehicle restriction may include one or more current vehicle state variables.

Die aktuellen Fahrzeugzustandsvariablen können eine aktuelle Fahrzeugposition, einen aktuellen Fahrzeugrichtungswinkel und eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit beinhalten.The current vehicle state variables may include an actual vehicle position, a current vehicle direction angle, and an actual vehicle speed.

Die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung kann eine oder mehrere zugelassene Fahrzeugzustandsvariablen beinhalten.The at least one vehicle restriction may include one or more approved vehicle state variables.

Die zugelassenen Fahrzeugzustandsvariablen können einen zugelassenen Fahrzeugrichtungswinkel, eine zugelassene Fahrzeuggeschwindigkeit und eine zugelassene Fahrzeugquerposition beinhalten.The approved vehicle state variables may include an approved vehicle direction angle, an approved vehicle speed, and an authorized vehicle lateral position.

Die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung kann eine oder mehrere Fahrzeugeingabebeschränkungen beinhalten.The at least one vehicle restriction may include one or more vehicle input restrictions.

Die Fahrzeugeingabebeschränkungen können einen zugelassenen Fahrzeuglenkwinkel und eine zugelassene Fahrzeugbeschleunigung beinhalten.The vehicle input limits may include an approved vehicle steering angle and an approved vehicle acceleration.

Die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung beinhaltet eine oder mehrere Fahrzeugdynamikbeschränkungen.The at least one vehicle restriction includes one or more vehicle dynamics limitations.

Die Fahrdynamikbeschränkungen können eine oder mehrere Abmessungen des Fahrzeugs, eine Fahrzeugmasse, eine Fahrzeugmassenverteilung, eine Art von Gelände, über das das Fahrzeug fährt, einen Fahrzeugreifentyp und einen Fahrzeugreifendruck beinhalten.The vehicle dynamics limitations may include one or more dimensions of the vehicle, a vehicle mass, a vehicle mass distribution, a type of terrain over which the vehicle is traveling, a vehicle tire type, and a vehicle tire pressure.

Die erreichbaren Fahrzeugzustände können eine erreichbare Fahrzeuggeschwindigkeit, einen erreichbaren Fahrzeugrichtungswinkel, eine erreichbare Fahrzeuglängsverschiebung und eine erreichbare Fahrzeugquerverschiebung beinhalten.The achievable vehicle states may include an achievable vehicle speed, an achievable vehicle direction angle, an achievable longitudinal vehicle displacement, and an achievable vehicle lateral displacement.

Der Satz erreichbarer Fahrzeugzustände kann aus einem vorbestimmten Raum von möglichen Sätzen erreichbarer Fahrzeugzustände ausgewählt werden. Jeder potentielle Satz erreichbarer Fahrzeugzustände kann eine unterschiedliche Kombination von Werten von einer oder mehreren der Fahrzeugbeschränkungen und/oder der vorgeschriebenen Zeitdauer aufweisen.The set of achievable vehicle states may be selected from a predetermined range of possible sets of achievable vehicle states. Each potential set of achievable vehicle conditions may have a different combination of values of one or more of the vehicle restrictions and / or the prescribed amount of time.

Der Satz erreichbarer Fahrzeugzustände kann in vordefinierten Intervallen basierend auf Werten der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung bestimmt werden, die über die Fahrzeug-zu-Allem(Verkehrsvernetzungs)-Kommunikation empfangen werden.The set of achievable vehicle conditions may be determined at predefined intervals based on values of the at least one vehicle restriction received via the vehicle-to-vehicle communication.

Der Satz erreichbarer Fahrzeugzustände kann unter Verwendung eines nichtlinearen kinematischen Fahrradmodells mit kontinuierlicher Zeit bestimmt werden.The set of achievable vehicle states may be determined using a continuous time nonlinear kinematic bicycle model.

Die Zielfahrzeugposition kann der zulässigen Fahrzeugposition entsprechen, die am weitesten von einer aktuellen Fahrzeugposition entfernt ist. Die zulässige Fahrzeugposition kann einer der erreichbaren Fahrzeugpositionen in dem Satz von erreichbaren Fahrzeugzuständen entsprechen.The target vehicle position may correspond to the allowable vehicle position farthest from a current vehicle position. The allowable vehicle position may correspond to one of the achievable vehicle positions in the set of achievable vehicle states.

Das Zielzustandsmodul kann eine Zielfahrzeuggeschwindigkeit entlang der realisierbaren Trajektorie bestimmen.The target state module may determine a target vehicle speed along the feasible trajectory.

Die Zielfahrzeuggeschwindigkeit kann eine im Wesentlichen einheitliche Längsgeschwindigkeit umfassen.The target vehicle speed may include a substantially uniform longitudinal velocity.

Die Zielfahrzeugzustände können eine Zielfahrzeuggeschwindigkeit und/oder einen Zielfahrzeugrichtungswinkel beinhalten.The target vehicle states may include a target vehicle speed and / or a target vehicle direction angle.

Der wenigstens eine Sensor oder das eine Teilsystem des Fahrzeugs kann Folgendes beinhalten:

  • ein Fahrzeugnavigationsteilsystem;
  • einen Ultraschallsensor;
  • einen Radarsensor;
  • einen LiDAR-Sensor;
  • einen Bildsensor; und,
  • einen Fahrzeug-zu-Allem-Transceiver.
The at least one sensor or subsystem of the vehicle may include:
  • a vehicle navigation subsystem;
  • an ultrasonic sensor;
  • a radar sensor;
  • a LiDAR sensor;
  • an image sensor; and,
  • a vehicle-to-all transceiver.

Das Erzeugungsmodul für eine Trajektorie kann konfiguriert sein, um eine modellprädiktive Steuerstrategie anzuwenden, um die realisierbare Trajektorie zu erzeugen.The trajectory generation module may be configured to apply a model predictive control strategy to generate the viable trajectory.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren für ein Fahrzeug bereitgestellt, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann, wobei das Verfahren zum Planen einer Straßentrajektorie des Fahrzeugs gedacht ist. Das Verfahren umfasst das Empfangen von Straßensegmentdaten von wenigstens einem Sensor oder einem Teilsystem des Fahrzeugs, wobei die Straßensegmentdaten wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des Fahrzeugs anzeigen. Das Verfahren umfasst das Bestimmen eines Satzes erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung, wobei jeder der erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeugposition beinhaltet. Das Verfahren umfasst das Bestimmen mehrerer zulässiger Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten. Das Verfahren umfasst das Bestimmen eines Zielfahrzeugzustands mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment, wobei die Zielfahrzeugposition einer der bestimmten zulässigen Fahrzeugpositionen entspricht, die sich innerhalb des bestimmten Satzes erreichbarer Fahrzeugpositionen befinden. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer realisierbaren Trajektorie, auf der das Fahrzeug in Abhängigkeit von der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung zu der Zielfahrzeugposition fährt, um die Fahrzeugtrajektorie zu planen.According to another aspect of the invention, there is provided a method for a vehicle that is operable in an autonomous mode, the method being for planning a road trajectory of the vehicle. The method includes receiving road segment data from at least one sensor or subsystem of the vehicle, the road segment data indicating at least one feature of a road segment proximate the vehicle. The method includes determining a set of achievable vehicle conditions within a prescribed period of time as a function of at least one vehicle restriction, wherein each of the achievable vehicle conditions includes an achievable vehicle position. The method includes determining a plurality of allowable vehicle positions in the road segment in dependence from the received road segment data. The method includes determining a target vehicle state having a target vehicle position in the road segment, the target vehicle position corresponding to one of the determined allowable vehicle positions that are within the determined set of achievable vehicle positions. The method includes determining a feasible trajectory on which the vehicle travels to the target vehicle position in response to the at least one vehicle constraint to schedule the vehicle trajectory.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das ein System wie vorstehend beschrieben umfasst.According to a further aspect of the invention, there is provided a vehicle comprising a system as described above.

Nach noch einem anderen erfindungsgemäßen Aspekt wird ein nicht-transientes, computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, das darauf Anweisungen speichert, die, wenn sie von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, verursachen, dass der eine oder die mehreren Prozessoren das vorstehend beschriebene Verfahren ausführen.In yet another aspect of the invention, there is provided a non-transient computer-readable storage medium storing thereon instructions that, when executed by one or more processors, cause the one or more processors to perform the method described above.

Innerhalb des Umfangs dieser Anmeldung wird ausdrücklich beabsichtigt, dass die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen, die in den vorhergehenden Absätzen, in den Patentansprüchen und/oder in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen dargestellt werden, und insbesondere deren individuelle Merkmale, unabhängig voneinander oder in einer beliebigen Kombination berücksichtigt werden können. Dies bedeutet, dass alle Ausführungsformen und/oder Merkmale einer beliebigen Ausführungsform auf beliebige Weise und/oder in beliebiger Kombination kombiniert werden können, sofern diese Merkmale nicht inkompatibel sind. Der Anmelder behält sich das Recht vor, jeden beliebigen ursprünglich eingereichten Patentanspruch zu ändern oder jeden beliebigen neuen Patentanspruch entsprechend einzureichen, einschließlich des Rechts, jeden beliebigen ursprünglich eingereichten Patentanspruch zu verändern, um von einem beliebigen Merkmal eines beliebigen anderen Patentanspruchs abzuhängen und/oder dieses zu integrieren, obwohl es auf diese Art und Weise zuvor nicht beansprucht wurde.It is expressly intended, within the scope of this application, that the various aspects, embodiments, examples and alternatives presented in the preceding paragraphs, in the claims and / or in the following description and drawings, and in particular, their individual features, be independent of each other or in any combination. This means that all embodiments and / or features of any embodiment can be combined in any manner and / or in any combination, provided that these features are not incompatible. The Applicant reserves the right to change any claim originally filed or to submit any new claim, including the right to alter any originally filed claim, to vary and / or rely on any feature of any other claim although it was previously unclaimed in this way.

Figurenlistelist of figures

Eine oder mehrere erfindungsgemäße Ausführungsformen werden nun ausschließlich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Draufsicht eines (Prüf-) Fahrzeugs, das ein System gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aspekts beinhaltet, zusammen mit Teilsystemen und Sensoren, die Eingänge für das System bereitstellen, wobei das System zum Planen einer Trajektorie für das Prüffahrzeug dient, um ein Überholmanöver gegenüber einem Führungsfahrzeug durchführen;
  • 2 das System von 1 detaillierter, insbesondere die Komponentenmodule des Systems;
  • 3 eine schematische Draufsicht, die die sequentiellen Teilmanöver darstellt, die in dem Überholmanöver eingeschlossen sind, für das das System aus 1 eine Trajektorie plant;
  • 4 eine schematische Draufsicht auf die Straßengeometrie, insbesondere den Koordinatenrahmen und -bereich für das Überholmanöver, für das das System aus 1 eine Trajektorie plant;
  • 5 ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zeigt, die von dem System aus 1 zum Planen der Trajektorie für das Überholmanöver unternommen werden;
  • 6 eine schematische Draufsicht eines Teilabschnitts der Straße aus 4, die den Bereich aller Positionen zeigt, die das Prüffahrzeug innerhalb eines vorgeschriebenen Zeitraums von seiner aktuellen Position aus erreichen kann;
  • 7a und 7b perspektivische Ansichten beziehungsweise Draufsichten eines Konturdiagramms, das ein Potentialfeld in der Nähe des Prüffahrzeugs darstellt, wie es durch das System aus 1 bestimmt wird;
  • 8 Referenzzielpunkte auf der Straße für das Prüffahrzeug relativ zu dem Führungsfahrzeug zu mehreren Zeitschritten, wie durch das System aus 1 bestimmt; und,
  • 9 geplante Trajektorien in Abhängigkeit von den tatsächlichen Trajektorien des Prüffahrzeugs während des Überholmanövers, wobei die geplanten Trajektorien durch das System aus 1 bestimmt werden.
One or more embodiments of the invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying drawings; show here:
  • 1 a schematic plan view of a (test) vehicle, which includes a system according to an embodiment of an aspect of the invention, together with subsystems and sensors that provide inputs for the system, the system is used to plan a trajectory for the test vehicle to an overtaking maneuver perform a leader vehicle;
  • 2 the system of 1 in more detail, in particular the component modules of the system;
  • 3 a schematic plan view illustrating the sequential partial maneuvers included in the overtaking maneuver for which the system 1 plans a trajectory;
  • 4 a schematic plan view of the road geometry, in particular the coordinate frame and area for the overtaking maneuver, for which the system 1 plans a trajectory;
  • 5 a flowchart showing the steps of a method, the from the system 1 to plan the trajectory for the overtaking maneuver;
  • 6 a schematic plan view of a section of the road from 4 showing the range of all positions that the test vehicle can reach within a prescribed period of time from its current position;
  • 7a and 7b perspective views and plan views, respectively, of a contour diagram illustrating a potential field in the vicinity of the test vehicle, as determined by the system 1 is determined;
  • 8th Reference targets on the road for the test vehicle relative to the lead vehicle at multiple time intervals, as determined by the system 1 certainly; and,
  • 9 planned trajectories depending on the actual trajectories of the test vehicle during the overtaking maneuver, the planned trajectories being determined by the system 1 be determined.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren für ein Fahrzeug bereit, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann. Insbesondere stellt die Erfindung ein System und ein Verfahren zum Planen einer Trajektorie des Fahrzeugs bereit, um ein komplexes Manöver durchzuführen. Die nachstehend beschriebene Ausführungsform dient insbesondere zum Durchführen eines Überholmanövers; das beschriebene System und das beschriebene Verfahren sind jedoch gleichermaßen geeignet, um Trajektorien zu planen, damit das Fahrzeug viele verschiedene Arten von komplexen Manövern durchführt. Andere solche komplexen Manöver beinhalten Folgendes: Nehmen einer Autobahnausfahrt, einen Spurwechsel, Einfädeln in eine Spur mit Verkehr und gleichzeitiges Überholen mehrerer Fahrzeuge.The present invention provides a system and method for a vehicle that can be operated in an autonomous mode. In particular, the invention provides a system and method for scheduling a trajectory of the vehicle to perform a complex maneuver. The embodiment described below is used in particular for performing an overtaking maneuver; however, the described system and method are equally suitable for planning trajectories for the vehicle to perform many different types of complex maneuvers. Other such complex maneuvers include the following: taking a highway exit, changing lanes, threading in a track with traffic and at the same time overtaking several vehicles.

Die Erfindung schließt das Bestimmen eines Satzes von sogenannten erreichbaren Zuständen des Fahrzeugs ein; das heißt, das Bestimmen des Satzes möglicher Positionen und Richtungswinkel, die das Fahrzeug in einer vorgeschriebenen Zeit von seiner aktuellen Position aus erreichen kann. Die Erfindung beinhaltet ebenso das Verwenden empfangener Daten, die sich auf das Straßensegment beziehen, das das Fahrzeug umgibt, um einen Satz von sogenannten zulässigen Positionen für das Fahrzeug zu bestimmen, d. h. Positionen des Fahrzeugs, die sicherstellen, dass umgebende Hindernisse und Straßengrenzen vermieden werden, wobei sich die zulässigen Positionen innerhalb des Satzes von erreichbaren Zustände befinden. Der Satz zulässiger Positionen kann unter Verwendung von Potentialfunktionen bestimmt werden. Die Erfindung beinhaltet dann das Bestimmen eines Zielzustands des Fahrzeugs, wobei der Zielzustand eine Zielfahrzeugposition umfasst, die einer der zulässigen Positionen entspricht. Die Erfindung beinhaltet ebenso das Erzeugen einer Trajektorie für das Fahrzeug, damit dieses auf eine realisierbare Weise von seinem aktuellen Zustand in den Zielzustand übergehen kann. Die realisierbare Trajektorie kann unter Verwendung einer modellprädiktiven Steuerstrategie bestimmt werden.The invention includes determining a set of so-called achievable states of the vehicle; that is, determining the set of possible positions and directional angles that the vehicle can achieve in a prescribed time from its current position. The invention also includes using received data relating to the road segment surrounding the vehicle to determine a set of so-called allowable positions for the vehicle, i. H. Positions of the vehicle to ensure that surrounding obstacles and road boundaries are avoided, with the allowable positions being within the set of reachable states. The set of allowable positions can be determined using potential functions. The invention then includes determining a target state of the vehicle, the target state including a target vehicle position corresponding to one of the allowable positions. The invention also includes generating a trajectory for the vehicle to be able to transition from its current state to the target state in a feasible manner. The realizable trajectory can be determined using a model predictive control strategy.

1 zeigt ein Fahrzeug 10, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann. Das Fahrzeug 10 beinhaltet ein autonomes oder halbautonomes System 12, das konfiguriert ist, um eine Trajektorie für das Fahrzeug 10 zu planen, das Fahrzeug 10 zu steuern, um die geplante Trajektorie durchzuführen. 1 shows a vehicle 10 which can be operated in an autonomous mode. The vehicle 10 includes an autonomous or semi-autonomous system 12 which is configured to be a trajectory for the vehicle 10 to plan the vehicle 10 to control the planned trajectory.

Wenn das Fahrzeug 10 in dem autonomen Modus betrieben wird, steuert das System 12 automatisch die Bewegung des Fahrzeugs 10, z. B. das Lenken und die Beschleunigung/Verlangsamung. In dem autonomen Modus kann das System 12 Befehlssignale an ein elektrisches Servolenkungssystem (EPAS) des Fahrzeugs 10 ausgeben, oder bei alternativen Anordnungen kann das System 12 anderweitig einem Lenkmechanismus des Fahrzeugs 10 zugeordnet sein, sodass das System 12 Anpassungen an der Lenkrichtung des Fahrzeugs 10 vornehmen kann. In dem autonomen Modus kann das System 12 eine Position des Fahrzeugs 10 bezüglich eines oder mehrerer Merkmale, die auf einer Oberfläche bereitgestellt sind, auf der das Fahrzeug 10 fährt, zum Beispiel weiße Linien auf einer Straße, die die Begrenzung einer „Spur“ bezeichnen, modifizieren, verwalten oder anderweitig steuern.If the vehicle 10 in autonomous mode, the system controls 12 automatically the movement of the vehicle 10 , z. B. steering and acceleration / deceleration. In the autonomous mode, the system can 12 Command signals to an electric power steering system (EPAS) of the vehicle 10 or in alternative arrangements, the system can 12 otherwise a steering mechanism of the vehicle 10 be assigned, so the system 12 Adjustments to the steering direction of the vehicle 10 can make. In the autonomous mode, the system can 12 a position of the vehicle 10 with respect to one or more features provided on a surface on which the vehicle is mounted 10 drives, for example, white lines on a road that designate, modify, manage, or otherwise control the boundary of a "trail."

Wenn im Gegensatz dazu das Fahrzeug 10 in einem manuellen Modus betrieben wird, steuert ein Fahrer die Bewegung des Fahrzeugs 10. In dem manuellen Modus besitzt das autonome System 12 die Kontrolle über die Fahrzeugbewegung nicht und befindet sich in einem deaktivierten Zustand.If, in contrast, the vehicle 10 operated in a manual mode, a driver controls the movement of the vehicle 10 , In the manual mode owns the autonomous system 12 the control over the vehicle movement is not and is in a deactivated state.

Das Fahrzeug 10 beinhaltet eine Anzahl von Teilsystemen und Sensoren 14, die dem autonomen System 12 Daten bereitstellen, sodass es eine Fahrzeugtrajektorie planen kann. Die Subsysteme/Sensoren 14 beinhalten Radarsensoren 14a, akustische Sensoren 14b, Kameras/Bildsensoren 14c und LiDAR-Sensoren 14d, die Daten von einem Straßensegment in der Nähe des Fahrzeugs 10 empfangen. Insbesondere können die empfangenen Daten Informationen beinhalten, die sich auf Merkmale des Straßensegments beziehen, einschließlich Straßen- und/oder Fahrbahnbegrenzungen und stationäre oder sich bewegende Hindernisse. Zum Beispiel können stationäre Hindernisse die Form von Bremsschwellen oder Schlaglöchern aufweisen, und bewegliche Hindernisse können die Form anderer Fahrzeuge oder Fußgänger aufweisen.The vehicle 10 includes a number of subsystems and sensors 14 that the autonomous system 12 Provide data so that it can plan a vehicle trajectory. The subsystems / sensors 14 include radar sensors 14a , acoustic sensors 14b , Cameras / Image Sensors 14c and LiDAR sensors 14d taking data from a road segment near the vehicle 10 receive. In particular, the received data may include information related to features of the road segment, including road and / or lane boundaries and stationary or moving obstacles. For example, stationary obstacles may be in the form of bumps or potholes, and movable obstacles may be in the form of other vehicles or pedestrians.

Die Teilsysteme/Sensoren 14 beinhalten ebenso ein Navigationsteilsystem 14e zum Bereitstellen von Informationen bezüglich des umgebenden Straßensegments. Zusätzlich können die Teilsysteme/Sensoren 14 einen oder mehrere Transceiver zum Kommunizieren mit anderen Objekten oder Fahrzeugen in der Nähe des Fahrzeugs 10 beinhalten. Im Allgemeinen kann dies als ein Fahrzeug-zu-Allem-(V2X)-Kommunikationsteilsystem 14f bezeichnet werden und kann eine oder mehrere der Fahrzeug-zu-Fahrzeug(V2V)-Kommunikation, Fahrzeug-zu-Fußgänger(V2P)-Kommunikation, Fahrzeug-zu-Vorrichtung(V2D)-Kommunikation und Fahrzeug-zu-Netz(V2G)-Kommunikation beinhalten.The subsystems / sensors 14 also include a navigation subsystem 14e for providing information regarding the surrounding road segment. In addition, the subsystems / sensors 14 one or more transceivers for communicating with other objects or vehicles in the vicinity of the vehicle 10 include. In general, this may be considered a vehicle-to-all (V2X) communications subsystem 14f and may include one or more of vehicle-to-vehicle (V2V) communication, vehicle-to-pedestrian (V2P) communication, vehicle-to-device (V2D) communication, and vehicle-to-vehicle (V2G) communication. Include communication.

2 zeigt das System 12 detaillierter. Insbesondere beinhaltet das System 12 eine Komponente zum Planen einer Trajektorie 16 und eine Trajektorienachverfolgungs- und Fahrzeugbetätigungskomponente 18. Die Komponente zum Planen einer Trajektorie 16 beinhaltet wiederum ein Modul für erreichbare Zustände 20, ein Modul für eine zulässige Position oder ein Wahrnehmungsmodul 22, ein Zielzustandsmodul 24 und ein Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie, und deren Betrieb wird nachstehend jeweils ausführlich beschrieben. Das System 12 weist einen Empfänger 28 auf, der zum Empfangen von Daten von den Teilsystemen und den Sensoren 14 zur Verwendung bei dem Bestimmen einer Trajektorie für das Fahrzeug 10 konfiguriert ist. Die erzeugte Fahrzeugtrajektorie wird von der Komponente zum Planen einer Trajektorie 16 ausgegeben und kann beim Steuern der Betätigung des Fahrzeugs 10 verwendet werden, um die geplante Trajektorie nachzuverfolgen. Eine Ausgabe 29 von der Trajektorienachverfolgungs- und Fahrzeugbetätigungskomponente 18 zeigt aktuelle Fahrzeugzustände nach einer Betätigung basierend auf Sensormessungen und Schätzung aktueller Fahrzeugzustände an, und diese Ausgabe wird zum Modul zum Planen einer Trajektorie 16 und zur Trajektorienachverfolgung und zum Fahrzeugbetätigungsmodul 18 nach Betätigung des Fahrzeugs 10 in einem Regelkreis zurückgeführt. 2 shows the system 12 detail. In particular, the system includes 12 a component for planning a trajectory 16 and a trajectory tracking and vehicle actuation component 18 , The component for planning a trajectory 16 again contains a module for reachable states 20 , a module for an allowed position or a perceptual module 22 , a goal state module 24 and a generation module 26 for a trajectory, and their operation will be described in detail below. The system 12 has a receiver 28 which is to receive data from subsystems and sensors 14 for use in determining a trajectory for the vehicle 10 is configured. The generated vehicle trajectory is used by the component to schedule a trajectory 16 is spent and can control the operation of the vehicle 10 used to track the planned trajectory. An edition 29 from the trajectory tracking and vehicle actuation component 18 shows current vehicle conditions after actuation based on sensor measurements and Estimate current vehicle conditions, and this output becomes the module for planning a trajectory 16 and the trajectory tracking and the vehicle actuation module 18 after actuation of the vehicle 10 traced back in a loop.

Wie oben erwähnt, plant das System in der vorliegenden Ausführungsform eine Trajektorie für das Fahrzeug 10, das als Prüffahrzeug (SV) 10 bezeichnet wird, um ein Überholmanöver an einem vorausfahrenden Fahrzeug durchzuführen, das als Führungsfahrzeug (LV) bezeichnet wird. 3 zeigt die Abfolge der in dem Überholmanöver eingeschlossenen Teilmanöver. In der beschriebenen Ausführungsform fahren das SV 10 und das LV 30 entlang einer zweispurigen Landstraße oder Autobahn 32. Insbesondere beinhaltet die Autobahn 32 eine „langsame Spur“ 34 und eine „schnelle Spur“ 36, die durch gestrichelte Linienmarkierungen 38 getrennt sind und eine Begrenzungsgrenze 40, 42 auf jeder Seite der Autobahn 32 aufweisen, und das SV 10 und das LV 30 fahren auf der langsamen Spur 34, mit dem SV 10 hinter dem LV 30. Das dargestellte Überholmanöver beinhaltet drei aufeinanderfolgende Teilmanöver, nämlich: (i) Spurwechsel 44; (ii) Spurhaltung 46; und (iii) Spureinfädelung 48. 3 stellt ebenso einen angemessenen Minimalabstand 50 dar, um den das SV 10 hinter dem LV 30 bleiben sollte, bevor ein Überholmanöver eingeleitet wird, und ebenso einen angemessenen Minimalabstand 52, den das SV 10 vor dem LV 30 bleiben sollte, bevor eine Einfädelung abgeschlossen wird, um ein Überholmanöver abzuschließen. Darüber hinaus zeigt 3 einen geeigneten minimalen seitlichen Abstand 54, den nebeneinander fahrende Fahrzeuge (zum Beispiel während eines Fahrspurhaltemanövers) in der schnellen und der langsamen Spur 34, 36 aufrechterhalten sollten. Das System 12 plant eine Trajektorie für das SV 10, um das LV 30 zu überholen, während das LV 30 vermieden wird und innerhalb der Straßenbegrenzung 40, 42 geblieben wird und während ebenso die geeigneten, zwischen Fahrzeugen zu haltenden Minimalabstände eingehalten werden.As mentioned above, in the present embodiment, the system plans a trajectory for the vehicle 10 used as test vehicle (SV) 10 is designated to perform an overtaking maneuver on a preceding vehicle, which is referred to as a leading vehicle (LV). 3 shows the sequence of sub-maneuvers included in the overtaking maneuver. In the described embodiment, the SV drive 10 and the LV 30 along a dual carriageway or highway 32 , In particular, the highway includes 32 a "slow track" 34 and a "fast track" 36 indicated by dashed line markings 38 are separated and a limit 40 . 42 on each side of the highway 32 have, and the SV 10 and the LV 30 drive on the slow lane 34 , with the SV 10 behind the LV 30 , The overtaking maneuver shown involves three consecutive sub-maneuvers, namely: (i) lane change 44 ; (ii) tracking 46 ; and (iii) track threading 48 , 3 also provides a reasonable minimum distance 50 to whom the SV 10 behind the LV 30 should remain before an overtaking maneuver is initiated, as well as a reasonable minimum distance 52 the SV 10 before the LV 30 should be left before a threading is completed to complete an overtaking maneuver. In addition, shows 3 a suitable minimum lateral distance 54 , the side-by-side vehicles (for example, during a lane keeping maneuver) in the fast and slow lanes 34 . 36 should be maintained. The system 12 plans a trajectory for the SV 10 to the LV 30 to overtake while the LV 30 is avoided and within the road boundary 40 . 42 and while also maintaining the appropriate minimum distances to be maintained between vehicles.

4 zeigt die Straßengeometrie, insbesondere den Koordinatenrahmen und den Koordinatenbereich für das Überholmanöver, das das SV 10 in der hierin beschriebenen Ausführungsform durchführt. Zusätzlich zu einem Koordinatenträgheitsachsenkreuz (I-Frame) 60 werden drei weitere Koordinatenrahmen genutzt, nämlich ein Fahrzeugrahmen (V-Frame) 62, ein Hindernisrahmen (O-Frame) 64 und ein Straßenrahmen (R-Rahmen) 66. Der V-Rahmen befindet sich in dem Schwerpunkt des SV 10 und folgt der Roll-Neig-Gier(Roll-Pitch-Yaw - RPY)-Konvention. In ähnlicher Weise befindet sich der O-Rahmen in dem Schwerpunkt des LV 30 und folgt der RPY-Konvention, während sich der R-Rahmen an der Projektion des Ursprungs des V-Rahmens auf die innerste (ganz rechte) Kante 42 der Straße 32 mit der x-Achse in der Fahrtrichtung befindet. Ein generischer Punkt auf der Straße wird als w=(X, Y), wr=(Xr, Yr), wv=(Xv, Yv) oder wo=(Xo, Yo) bezeichnet, wenn er in dem I-, R-, V- beziehungsweise O-Rahmen ausgedrückt wird. δw ist die Breite der Spur 34. Der schattierte Bereich 68 bezeichnet ein Rechteck, das sich entlang des R-Rahmens 66 mit Scheitelpunkten V=(V1, V2, V3, V4) bewegt, und seine Verwendung wird nachstehend ausführlich beschrieben. 4 shows the road geometry, in particular the coordinate frame and the coordinate range for the overtaking maneuver that the SV 10 in the embodiment described herein. In addition to a coordinate inertia cross (I-frame) 60 three more coordinate frames are used, namely a vehicle frame (V-frame) 62 , an obstacle frame (O-frame) 64 and a road frame (R-frame) 66 , The V-frame is in the center of gravity of the SV 10 and follows the roll-pitch-yaw (RPY) convention. Similarly, the O Framework in the main focus of the LV 30 and follows the RPY convention, while the R Frame at the projection of the origin of the V-frame on the innermost (rightmost) edge 42 the street 32 with the x- Axis is located in the direction of travel. A generic point on the road is referred to as w = (X, Y), wr = (Xr, Yr), wv = (Xv, Yv) or where = (Xo, Yo) I - R - V - or O-frame is expressed. δ w is the width of the track 34 , The shaded area 68 denotes a rectangle that extends along the R-frame 66 with vertices V = (V1, V2, V3, V4), and its use will be described in detail below.

Mit Bezug auf 5 wird nun ein Verfahren 70 beschrieben, das das System 12 zum Planen einer Trajektorie für das SV 10 zur Durchführung eines Überholmanövers an dem LV 30 durchführt. Insbesondere verwendet das Verfahren einen Rahmen aus realisierbaren feldähnlichen Funktionen und eine modellprädiktive Steuerung (MPC) zur Durchführung eines Überholmanövers auf einer Autobahn. Zusammenfassend beinhaltet der Rahmen ein künstliches Potentialfeld (APF) oder ein Modul 22 für eine zulässige Position, einen Zielerzeugungsblock oder ein Zielzustandsmodul 24 und den/das Trajektorieerzeugungsblock oder -modul 26. Das APF wird verwendet, um den umgebenden Bereich des SV 10 abzubilden. Im Gegensatz zu typischen Ansätzen mit einem Potentialfeld, bei denen die Position eines Hindernisses zur Identifizierung von Gebieten verwendet wird, die nicht betreten werden sollten, kombiniert das beschriebene Verfahren die Position, Orientierung und relative Geschwindigkeit eines Hindernisses, um eine Karte zulässiger Gebiete um das SV 10 zu erstellen. Zu jedem Abtastzeitpunkt identifiziert das Zielzustandsmodul 24 den wünschenswertesten Punkt der Straße, der mit der Dynamik des SV 10 kompatibel ist, und berechnet den Referenzzustandssollwert (z. B. die Geschwindigkeit, die seitliche Position und den Richtungswinkel), der nachverfolgt werden soll. Um dieses Ziel zu erreichen, kombiniert das Zielzustandsmodul 24 die zulässigen Gebiete oder Punkte in dem Potentialfeld mit der Fahrzeugdynamikfähigkeit des SV 10, die durch den erreichbaren Satz des SV 10 von seinem aktuellen Zustand aufgenommen wird. Das Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie verwendet eine MPC-Strategie, um realisierbare Trajektorien zu erzeugen und das SV 10 zu den erforderlichen Referenz(Ziel)zuständen zu lenken. Der MPC-Ansatz stellt Stabilität in dem geschlossenen Regelkreis bereit, während er die dauerhafte Realisierbarkeit des Optimierungsproblems, das von jeder modellprädiktiven Problemformulierung benötigt wird, sicherstellt. Daher liegt in dem beschriebenen System 12 die Bürde der Hindernisvermeidung bei dem Modul 22 für die Wahrnehmung oder zulässige Position, und die Bürde der realisierbaren Trajektorie liegt bei der MPC oder dem Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie.Regarding 5 now becomes a procedure 70 described that the system 12 to plan a trajectory for SV 10 to perform an overtaking maneuver at the LV 30 performs. In particular, the method uses a frame of realizable field-like functions and a model predictive control (MPC) to perform an overtaking maneuver on a highway. In summary, the frame contains an artificial potential field (APF) or a module 22 for a permissible position, a destination generation block or a destination state module 24 and the trajectory generation block or module 26 , The APF is used to control the surrounding area of the SV 10 map. Unlike typical approaches with a potential field where the location of an obstacle is used to identify areas that should not be entered, the method described combines the location, orientation, and relative speed of an obstacle to map a valid area around the SV 10 to create. At each sampling time, the target state module identifies 24 the most desirable point of the road, with the dynamics of SV 10 is compatible and calculates the reference state setpoint (eg, velocity, lateral position, and heading angle) to be tracked. To achieve this goal, the target state module combines 24 the permissible areas or points in the potential field with the vehicle dynamics capability of the SV 10 by the achievable rate of SV 10 is absorbed by its current state. The generation module 26 for a trajectory uses an MPC strategy to generate realizable trajectories and the SV 10 to guide to the required reference (target) status. The MPC approach provides stability in the closed loop while ensuring the long-term viability of the optimization problem required by any model predictive problem formulation. Therefore lies in the described system 12 the burden of obstacle avoidance at the module 22 for the perception or permissible position, and the burden of the realizable trajectory lies with the MPC or the generation module 26 for a trajectory.

In Schritt 72 bestimmt das Modul für erreichbare Zustände 20 einen Satz erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb eines vorgeschriebenen Zeitraums. Das heißt, das Modul für erreichbare Zustände 20 bestimmt einen Satz aller realisierbaren Fahrzeugzustände, die das SV 10 innerhalb des vorgeschriebenen Zeitraums annehmen kann. Jeder erreichbare Fahrzeugzustand in dem Satz beinhaltet eine erreichbare Fahrzeuggeschwindigkeit, einen erreichbaren Fahrzeugrichtungswinkel, eine erreichbare Fahrzeuglängsverschiebung und eine erreichbare Fahrzeugquerverschiebung.In step 72 determines the module for reachable states 20 a set of achievable vehicle conditions within a prescribed Period. That is, the reachable state module 20 determines a set of all viable vehicle states that the SV 10 within the prescribed period. Each achievable vehicle state in the set includes an achievable vehicle speed, an achievable vehicle direction angle, an achievable longitudinal vehicle displacement, and an achievable vehicle lateral displacement.

Der erreichbare Satz wird in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung bestimmt. Insbesondere beinhalten die Fahrzeugbeschränkungen eine oder mehrere aktuelle Fahrzeugzustandsvariablen, wie etwa eine aktuelle Fahrzeugposition, einen aktuellen Fahrzeugrichtungswinkel und eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Fahrzeugbeschränkungen beinhalten ebenso zugelassene Zustandsvariablen, wie etwa einen zugelassenen Fahrzeugrichtungswinkel, eine zugelassene Fahrzeuggeschwindigkeit und eine zugelassene Fahrzeugquerposition. Zusätzlich beinhalten die Fahrzeugbeschränkungen Fahrzeugeingabebeschränkungen wie etwa einen zugelassenen Fahrzeuglenkwinkel und eine zugelassene Fahrzeugbeschleunigung. Ferner beinhalten die Fahrzeugbeschränkungen eine oder mehrere Fahrzeugdynamikbeschränkungen, wie etwa Abmessungen des Fahrzeugs, eine Fahrzeugmasse, eine Fahrzeugmassenverteilung, eine Art von Gelände, über das das Fahrzeug fährt, einen Fahrzeugreifentyp und einen Fahrzeugreifendruck. 6 stellt den V-Rahmenbereich 74 von Positionen dar, die das SV 10 in dem Fall erreichen kann, in dem das SV 10 mit einer konstanten Geschwindigkeit von 33,33 m/s für eine vorgeschriebene Zeit von 1,6 s mit zugelassenen Lenkeingaben fährt. Insbesondere zeigt 6 eine konvexe Annäherung des erreichbaren Satzes. Es ist zu beachten, dass es sich bei dem exakten erreichbaren Satz um einen nicht konvexen Satz handelt, der schwer zu berechnen und graphisch darzustellen ist, und dementsprechend wird stattdessen eine konvexe Annäherung hierin verwendet.The achievable rate is determined depending on at least one vehicle restriction. In particular, the vehicle limitations include one or more current vehicle state variables, such as a current vehicle position, a current vehicle direction angle, and an actual vehicle speed. The vehicle limitations also include approved state variables, such as an approved vehicle direction angle, an approved vehicle speed, and an authorized vehicle lateral position. Additionally, the vehicle limitations include vehicle input restrictions such as an approved vehicle steering angle and an approved vehicle acceleration. Further, the vehicle limitations include one or more vehicle dynamics limitations, such as dimensions of the vehicle, vehicle mass, vehicle mass distribution, a type of terrain over which the vehicle is traveling, a vehicle tire type, and a vehicle tire pressure. 6 sets the V-frame area 74 of positions that the SV 10 in the case where the SV 10 with a constant speed of 33.33 m / s for a prescribed time of 1.6 s with authorized steering inputs. In particular shows 6 a convex approach of the achievable set. It should be noted that the exact achievable set is a non-convex set that is difficult to compute and plot, and accordingly, a convex approximation is used instead.

Der Satz von erreichbaren Fahrzeugzuständen kann aus einem vorbestimmten Raum von Potentialsätzen von erreichbaren Fahrzeugzuständen ausgewählt werden, wobei jeder Potentialsatz von erreichbaren Fahrzeugzuständen eine unterschiedliche Kombination von Werten von einer oder mehreren der Fahrzeugbeschränkungen und/oder des vorgeschriebenen Zeitraums aufweist. In einem solchen Fall wird der Satz erreichbarer Zustände offline berechnet und in einem bordeigenen Speicher des Fahrzeugs 10 gespeichert. Alternativ kann der Satz erreichbarer Fahrzeugzustände in vordefinierten Intervallen basierend auf Werten der Fahrzeugbeschränkungen bestimmt und in regelmäßigen Intervallen über die Fahrzeug-zu-Allem-Kommunikation aktualisiert werden.The set of achievable vehicle states may be selected from a predetermined one of potential sets of achievable vehicle states, each potential set of achievable vehicle states having a different combination of values of one or more of the vehicle limitations and / or the prescribed time period. In such a case, the set of achievable states is calculated off-line and stored in an on-board memory of the vehicle 10 saved. Alternatively, the set of achievable vehicle conditions may be determined at predefined intervals based on values of the vehicle restrictions and updated at regular intervals via the vehicle-to-all communication.

Mathematisch, für ein System mit den Zuständen x, den Eingaben u und den Ausgaben y, die einer Systemdynamik unterliegen, die durch Folgendes beschrieben wird: x ˙ = f ( x , u )

Figure DE102019201124A1_0001
y = h ( x , u )
Figure DE102019201124A1_0002
Mathematically, for a system with states x, inputs u and outputs y subject to system dynamics described by the following: x ˙ = f ( x . u )
Figure DE102019201124A1_0001
y = H ( x . u )
Figure DE102019201124A1_0002

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

Figure DE102019201124A1_0003
wobei u(-) ∈ u die Eingabe für das obige System in dem Zeitbereich t = [0, t*] darstellt.Where, if f and h are the state and output functions (linear or non-linear), then the achievable set is that denoted by ℜ (t * ; x 0 ) for a system defined by the above state and output equations , defines the collection of all states that can be reached in a prescribed time, if the initial state is by applying permitted inputs, ie R ( t * ; x 0 ) = u ( ) . t [ 0 t * ] x ( t * ; x 0 . u ( ) )
Figure DE102019201124A1_0003
where u (-) ∈ u represents the input for the above system in the time domain t = [0, t * ].

In Schritt 76 empfängt das System 12 und insbesondere die Komponente zum Planen einer Trajektorie 16 Straßensegmentdaten von den Sensoren und den Teilsystemen 14. Die empfangenen Straßensegmentdaten zeigen wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des SV 10 an. Die Straßensegmentdaten beinhalten Daten, die sich auf Hindernisse in dem Straßensegment beziehen. In diesem Fall ist eines der Hindernisse ein anderes Fahrzeug, nämlich das LV 30. Die Straßensegmentdaten beinhalten die aktuelle Geschwindigkeit, relative Position und Orientierung des LV 30. Bei Autobahnfahrgeschwindigkeit kann ein Überholmanöver etwa 50 m hinter dem LV 30 initiiert werden und etwa 50 m vor dem LV 30 enden. Daher muss das SV 10 über die umgebenden Hindernisse in dem Straßensegment ein genaues Situationsbewusstsein (über die empfangenen Straßensegmentdaten) aufweisen, um Trajektorien zu planen, die die Hindernisse vermeiden.In step 76 receives the system 12 and in particular the component for planning a trajectory 16 Road segment data from the sensors and subsystems 14 , The received road segment data shows at least one feature of a road segment in the vicinity of the SV 10 on. The road segment data includes data related to obstacles in the road segment. In this case, one of the obstacles is another vehicle, namely the LV 30 , The road segment data includes the current speed, relative position and orientation of the LV 30 , At highway speed, an overtaking maneuver may be about 50 meters behind the LV 30 be initiated and about 50 m before the LV 30 end up. Therefore, the SV 10 Have an accurate situation awareness (via the received road segment data) about the surrounding obstacles in the road segment to plan trajectories that avoid the obstacles.

Die Straßensegmentdaten können ebenso Daten beinhalten, die nicht bewegliche Objekte anzeigen, wie etwa Schlaglöcher, Bremsschwellen und blockierte Spuren. Wie oben erwähnt, beinhalten die Straßensegmentdaten ebenso Daten, die die Straßenbegrenzungen 40, 42 und die Spurbegrenzung 38 anzeigen. Ferner beinhalten die Straßensegmentdaten Daten, die Fahrvorschriften anzeigen, wie etwa eine Geschwindigkeitsbegrenzung der Straße 32 und welche Spuren verwendet werden können, um ein Überholmanöver durchzuführen. Zusätzlich beinhalten die Straßensegmentdaten einen aktuellen Fahrzeugzustand oder eine aktuelle Fahrzeugtrajektorie.The road segment data may also include data indicative of non-moving objects such as potholes, thresholds, and blocked lanes. As mentioned above, the road segment data also includes data representing the road boundaries 40 . 42 and the lane boundary 38 Show. Further, the road segment data includes data indicative of driving regulations, such as a speed limit of the road 32 and which lanes can be used to make an overtaking maneuver. additionally The road segment data includes a current vehicle state or a current vehicle trajectory.

In Schritt 78 bestimmt das Modul 24 für eine zulässige Position mehrere zulässige Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment 68. Diese Bestimmung erfolgt in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten. Die mehreren zulässigen Fahrzeugpositionen liegen innerhalb des bestimmten Satzes von erreichbaren Fahrzeugpositionen. In der beschriebenen Ausführungsform wird ein APF verwendet, um den zulässigen Satz zu bestimmen. Insbesondere wird das APF verwendet, um den umgebenden Bereich, insbesondere den Bereich 68 des SV 10 abzubilden. Mit dem APF wird eine Karte der zulässigen Gebiete um das SV 10 erstellt. Das APF ist größer als der Satz erreichbarer Fahrzeugpositionen 74.In step 78 determines the module 24 for a permissible position, a plurality of permissible vehicle positions in the road segment 68 , This determination is made as a function of the received road segment data. The plurality of allowable vehicle positions are within the particular set of achievable vehicle positions. In the described embodiment, a APF used to determine the allowable rate. In particular, that will APF used to the surrounding area, especially the area 68 of the SV 10 map. With the APF becomes a map of the allowed areas around the SV 10 created. The APF is greater than the set of achievable vehicle positions 74 ,

Eine Potentialfeld-ähnliche Wahrnehmung kann so gestaltet sein, dass es zu dem gewünschten Fahrerverhalten hin führt. Die Umgebung (das Straßensegment) wird durch die Verwendung eines Potentialfelds beschrieben, in dem einige Straßenelemente (z. B. Straßengrenzen, Straßenmarkierungen, andere Verkehrsteilnehmer) zur Gestaltung einer Potentialfunktion in Betracht gezogen werden, um Fahrvorschriften zu beinhalten und das SV 10 durch die zulässigen Straßenbereiche zu führen.A potential-field-like perception can be designed in such a way that it leads to the desired driver behavior. The environment (the road segment) is described by the use of a potential field in which some road elements (eg, road borders, road markings, other road users) are considered to design a potential function to include driving regulations and the SV 10 through the permissible road areas.

Eine Nettopotentialfunktion Ur wird durch Kombinieren einiger Potentialfunktionen erzeugt, wobei der Entwurf jeder Potentialfunktion eine oder mehrere Fahrvorschriften einschließen soll. Insbesondere ist eine Straßenpotentialfunktion UStraße ausgelegt, um das SV 10 von den Straßengrenzen/-begrenzungen 40, 42 fernzuhalten, und ist eine Spurpotentialfunktion USpur für die Spurhaltung ausgelegt, und ist eine Spurgeschwindigkeitspotentialfunktion UGeschw derart ausgelegt, dass das SV 10 die innerste (langsamste) Spur 34 einnimmt, wenn mehr als eine Spur verfügbar ist. Außerdem ist eine Kraftfahrzeugpotentialfunktion UKraftfahrzeug derart ausgelegt, dass das SV 10 entweder einen geeigneten Abstand zum LV 30 einhält oder, falls die andere Spur 36 verfügbar ist, auf eine schnellere Spur wechselt. Die Nettopotentialfunktion Ur wird durch Überlagerung dieser einzelnen Potentialfunktionen erzeugt, um eine Wahrnehmungskarte zu erstellen, die zum Überholen auf menschenähnliche Weise verwendet werden kann. Der Aufbau der einzelnen Potentialfunktionen wird nachfolgend erläutert.A net potential function U r is generated by combining some potential functions, where the design of each potential function is to include one or more driving rules. In particular, it is a road potential function U street designed to the SV 10 from the road borders / limits 40 . 42 and is a lane potential function U track designed for tracking, and is a track speed potential function U Geschw designed so that the SV 10 the innermost (slowest) track 34 if more than one track is available. In addition, a motor vehicle potential function U motor vehicle designed so that the SV 10 either a suitable distance to the LV 30 or if the other lane 36 is available, changes to a faster track. The net potential function U r is created by superimposing these single potential functions to create a perception map that can be used to overtake in a human-like manner. The structure of the individual potential functions will be explained below.

SpurpotentialfunktionTrack potential function

Unterschiedlichen Spuren auf einer Straße ist eine implizite Geschwindigkeit zugeordnet, d. h. die Geschwindigkeit nimmt von der innersten Spur 34 zu der äußersten Spur 36 progressiv zu. Eine höhere Geschwindigkeit kann ein höheres Risiko anzeigen, sodass jeder Spur 34, 36 der Straße 32 ein gewisses Potential zugeordnet wird, um ihr zugeordnetes Risikoniveau zu beschreiben. In der vorliegenden Ausführungsform wird dies durch die folgende Funktion beschrieben: U Geschw , i ( w r ) = γ ( v Spur , i ( w r ) v Spur ,1 ( w r ) )

Figure DE102019201124A1_0004
wobei ω ein Verstärkungsfaktor ist, vSpur,i die Nenngeschwindigkeit der iten Spur ist und UGeschw,i das Potential ist, das durch die Spurgeschwindigkeit der iten Spur verursacht wird.Different tracks on a road are assigned an implicit speed, ie the speed decreases from the innermost track 34 to the extreme lane 36 progressively too. A higher speed can indicate a higher risk, so every track 34 . 36 the street 32 a certain potential is assigned to describe their assigned risk level. In the present embodiment, this is described by the following function: U Speed . i ( w r ) = γ ( v track . i ( w r ) - v track ,1 ( w r ) )
Figure DE102019201124A1_0004
in which ω is an amplification factor, v lane, i the rated speed of the i th track is and U Geschw, i the potential is that caused by the track speed of the i th track.

StraßenpotenzialfunktionStreet potential function

Das Straßenpotential ist so ausgelegt, dass die Begrenzungen 40, 42 das höchste (unendliche) Potenzial aufweisen und die Mitte der Straße das niedrigste Potenzial aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform wird dies durch die folgende Funktion beschrieben: U Straße , i ( w r ) = ω 2 ( 1 J r J b ) 2

Figure DE102019201124A1_0005
wobei ω ein Skalierungsfaktor ist, Jb die y-Koordinate einer der Straßenkanten 40, 42 ist.The road potential is designed so that the boundaries 40 . 42 have the highest (infinite) potential and the middle of the road has the lowest potential. In the present embodiment, this is described by the following function: U Street . i ( w r ) = ω 2 ( 1 J r - J b ) 2
Figure DE102019201124A1_0005
where ω is a scaling factor, J b the y-coordinate of one of the road edges 40 . 42 is.

SpurpotentialfunktionTrack potential function

Eine Spurpotentialfunktion erzeugt eine virtuelle Barriere zwischen den Spuren 34, 36, um das SV 10 in Richtung der Spurmitte zu lenken. In der vorliegenden Ausführungsform wird dies durch die Gaußsche Funktion beschrieben, um das gewünschte Verhalten zu erreichen: U Spur , i ( w r ) = Fahrbahn exp ( ( J r J l , i ) 2 2 σ 2 )

Figure DE102019201124A1_0006
wobei *Fahrbahn die Amplitude des Spurteilerpotentials bereitstellt, J1,i die y-Koordinate der iten Fahrspurteilung ist und σ ein Skalierungsfaktor ist.A track potential function creates a virtual barrier between the tracks 34 . 36 to the SV 10 to steer in the direction of the lane center. In the present embodiment, this is described by the Gaussian function to achieve the desired behavior: U track . i ( w r ) = * roadway exp ( - ( J r - J l . i ) 2 2 σ 2 )
Figure DE102019201124A1_0006
where * lane provides the amplitude of the tracker potential, J 1 , i the y- Coordinate of the i th driving judgment is and σ is a scaling factor.

KraftfahrzeugpotentialfunktionAutomobile potential function

Das LV 30 ist als rechteckige Fläche mit virtuellen dreieckigen Keilen, auch als Puffergebiete bezeichnet, an der Vorder- und Rückseite des LV 30 angefügt modelliert. Der Ort, d. h. die x- und y-Koordinate, des Scheitelpunkts des Dreiecks hinter dem LV 30 wird auf der Grundlage der Geschwindigkeit des LV 30 und der Abstandszeit ht berechnet. Indem Blv als Koordinatensatz bezeichnet wird, der das LV 30 und die zwei dreieckigen Keile enthält, wird die Yukawa-Funktion zur Beschreibung des Potentials aufgrund des LV 30 und der dreieckigen Keile wie folgt verwendet: U Kraftfahrzeug ( w r ) = Kraftfahrzeug ( e α K d K d )

Figure DE102019201124A1_0007
wobei α ein Yukawa-Skalierungsfaktor ist, AKraftfahrzeug die Yukawa-Amplitude ist und Kd der euklidische Abstand zur nächsten Koordinate des mit Blv bezeichneten Hindernisses ist, angegeben als K d = min b 0 B lv b 0 w r .
Figure DE102019201124A1_0008
The LV 30 is referred to as a rectangular area with virtual triangular wedges, also referred to as buffer areas, at the front and back of the LV 30 attached modeled. The place, ie the x and y coordinate, the vertex of the triangle behind the LV 30 is based on the speed of the LV 30 and the interval time h t calculated. while B lv is called the set of coordinates that the LV 30 and containing the two triangular wedges, the Yukawa function to describe the potential due to the LV 30 and the triangular wedges used as follows: U motor vehicle ( w r ) = * motor vehicle ( e - α K d K d )
Figure DE102019201124A1_0007
where α is a Yukawa scaling factor, A motor vehicle the Yukawa amplitude is and K d the Euclidean distance to the next coordinate of the B lv designated obstacle is indicated as K d = min b 0 B lv b 0 - w r ,
Figure DE102019201124A1_0008

Diese individuellen Potentiale werden überlagert, um eine Gesamtwahrnehmungskarte oder Nettopotentialfunktion der Fläche, die das SV 10 umgibt, zu erhalten und werden angegeben durch U r ( w r ) = U Geschw + U Straße + U Spur + U Kraftfahrzeug

Figure DE102019201124A1_0009
wobei gilt: U Spur = i = 1 N Spuren U Spur , i
Figure DE102019201124A1_0010
und U Geschw = i = 1 N Spuren U Geschw , i
Figure DE102019201124A1_0011
These individual potentials are superimposed to form a total perception map or net potential function of the area that the SV 10 surrounds, and is indicated by U r ( w r ) = U Speed + U Street + U track + U motor vehicle
Figure DE102019201124A1_0009
where: U track = Σ i = 1 N traces U track . i
Figure DE102019201124A1_0010
and U Speed = Σ i = 1 N traces U Speed . i
Figure DE102019201124A1_0011

In der Praxis wird das Nettopotentialfeld in dem V-Rahmen untersucht, um die Trajektorieplanung zu erleichtern, und so wird die oben angegebene Funktion Ur (wr ) (linear) in den V-Rahmen umgewandelt, um eine Nettopotentialfunktion zu ergeben U V ( w V ) U r ( T r v ( w V ) ) .

Figure DE102019201124A1_0012
In practice, the net potential field in the V-frame is examined to facilitate trajectory planning, and so does the above function U r ( w r ) are converted (linearly) into the V-frame to give a net potential function U V ( w V ) U r ( T r v ( w V ) ) ,
Figure DE102019201124A1_0012

Durch das Zuweisen einer Schwellengrenze Uganz , werden die zulässigen Bereiche oder Positionen der Straße, die das SV 10 umgeben, als Folgendes ausgedrückt: G v = { w v T v r ( B lv ) : U V ( w V ) U ganz } .

Figure DE102019201124A1_0013
By assigning a threshold limit U whole , the permissible areas or positions of the road are the SV 10 surrounded, expressed as: G v = { w v T v r ( B lv ) : U V ( w V ) U all } ,
Figure DE102019201124A1_0013

Dies stellt eine Reihe zulässiger Bereiche bereit und das SV 10 muss Trajektorien planen, die es innerhalb dieses Satzes halten, um das Risiko zu reduzieren.This provides a range of allowed ranges and the SV 10 must plan trajectories that hold it within this sentence to reduce the risk.

Der Satz gv berücksichtigt nicht die Fahrdynamik des SV 10, und somit können einige Bereiche der Straße mit einem zulässigen Potential in der Praxis nicht erreichbar sein. Das Verfahren zum Auswählen von Referenzpunkten in dem Satz zulässiger Bereiche, die mit der Dynamik des SV 10 kompatibel sind, wird nachstehend beschrieben.The sentence g v does not take into account the driving dynamics of the SV 10 , and thus some areas of the road with an allowable potential may not be achievable in practice. The method of selecting reference points in the set of allowable ranges associated with SV dynamics 10 are compatible, is described below.

7 zeigt eine beispielhafte Simulation, die von dem Modul 22 für zulässige Positionen ausgeführt wird. Insbesondere zeigt 7(a) eine dreidimensionale Ansicht der gesamten potentiellen Funktion in dem R-Rahmen, und die lokalen Minima in der Mitte jeder Spur zum Führen des SV 10 können zusammen mit einem durch das LV 30 erzeugten Trapezfeld gesehen werden. 7(b) zeigt die Pegelkurven für den gleichen Zeitpunkt in dem R-Rahmen. Das LV 30 ist mit Puffergebieten 31, d. h. dreieckigen Anhängen, gezeigt, in denen das Potentialfeld schnell ansteigt, um zu verhindern, dass das SV 10 während verschiedener Phasen eines Überholmanövers zu nahe an das LV 30 kommt. 7 shows an exemplary simulation that is derived from the module 22 is executed for permissible positions. In particular shows 7 (a) a three-dimensional view of the total potential function in the R-frame, and the local minima in the middle of each track to guide the SV 10 can go along with one through the LV 30 generated trapezoidal field are seen. 7 (b) shows the level curves for the same time in the R-frame. The LV 30 is with buffer areas 31 , ie triangular appendices, shown in which the potential field rises rapidly to prevent the SV 10 during different phases of an overtaking maneuver too close to the LV 30 comes.

Zurückkehrend zu 5 bestimmt das Zielzustandsmodul 24 in Schritt 80 einen Zielfahrzeugzustand mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment 68. Die Zielfahrzeugposition entspricht einer der mehreren bestimmten, in Schritt 78 berechneten zulässigen Fahrzeugpositionen. Zum Beispiel ist in der beschriebenen Ausführungsform die Zielfahrzeugposition die zulässige Fahrzeugposition, die am weitesten von dem Fahrzeug 10 entfernt ist. Der Zielfahrzeugzustand beinhaltet ebenso eine Zielfahrzeuggeschwindigkeit und einen Zielfahrzeugrichtungswinkel.Returning to 5 determines the target state module 24 in step 80 a target vehicle state with a target vehicle position in the road segment 68 , The target vehicle position corresponds to one of the several determined ones in step 78 calculated permissible vehicle positions. For example, in the described embodiment, the target vehicle position is the allowable vehicle position furthest from the vehicle 10 is removed. The target vehicle state also includes a target vehicle speed and a target vehicle direction angle.

Die Dynamik des SV 10 in dem I-Rahmen während der Fahrt auf der Straße 32 mit einer gewünschten Geschwindigkeit vZiel sind mit einem linearen kinematischen Fahrradmodell dargestellt. Indem die Fahrzeugzustände, die von Interesse sind, als x ≐ [X, Y, ψ, vx]T bezeichnet werden, wobei ψ der Richtungswinkel ist, vx die Längsgeschwindigkeit ist, X, Y die Längs- und Querverschiebung des SV 10 sind, wird die Dynamik des SV 10 durch Folgendes beschrieben x ˙ = A c x + B c u

Figure DE102019201124A1_0014
wobei u ≐ (αx, δf) ∈ U die Steueraktion ist, ax die Längsbeschleunigung ist und δf der vordere Lenkwinkel ist. Die Systemmatrizen Ac und Bc sind durch Folgendes gegeben: A c = [ 0 0 0 1 0 0 v Ziel 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] ,
Figure DE102019201124A1_0015
B c = [ 0 0 0 0 0 v Ziel / L wb 0 0 ] ,
Figure DE102019201124A1_0016
wobei Lwb der Radstand des SV 10 ist.The dynamics of the SV 10 in the I-frame while driving on the road 32 at a desired speed v goal are shown with a linear kinematic bicycle model. By designating the vehicle states of interest as x ≐ [X, Y, ψ, v x ] T , where ψ is the direction angle, v x the longitudinal velocity, X, Y is the longitudinal and transverse displacement of the SV 10 are, the dynamics of the SV 10 described by the following x ˙ = A c x + B c u
Figure DE102019201124A1_0014
where u ≐ (α x , δ f ) ∈ U is the control action, a x the longitudinal acceleration is and δ f the front steering angle is. The system matrices A c and B c are given by the following: A c = [ 0 0 0 1 0 0 v aim 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] .
Figure DE102019201124A1_0015
B c = [ 0 0 0 0 0 v aim / L wb 0 0 ] .
Figure DE102019201124A1_0016
in which L wb the wheelbase of the SV 10 is.

In idealen Autobahnfahrsituationen kann die Dynamik des Systems durch ẋ = [vx0,0,0]T beschrieben werden, und Manöver (z. B. Spurwechsel, Einfädeln usw.) können als Übergänge von einem Satz von Zuständen zu einem anderen Satz von Zuständen betrachtet werden. In solchen idealen Szenarien besteht die Aufgabe des SV 10 darin, seine Trajektorie anzupassen, um Hindernisse zu vermeiden, während sichergestellt wird, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit die gewünschte Längsgeschwindigkeit vZiel nicht überschreitet. Ausgehend von einer anfänglichen Position w0 = (X0,J0) und Fahren bei vZiel unter Verwendung zugelassener Steueraktionen aus dem Satz {(axf):ax ≤ 0, (aX, δf) ∈ Uv}, kann der Satz ℜ der Zustände, die ohne Überschreiten der gewünschten Geschwindigkeit vZiel in dem Zeitintervall t* des Systems erreichbar sind, unter Verwendung der oben angegebenen Gleichung für ℜ(t*; x0) bestimmt werden. Folglich ist der Satz von erreichbaren Quer- und Längskoordinaten für das SV 10 in dem V-Rahmen R V = T V I ( Proj w ( R ) ) ,

Figure DE102019201124A1_0017
wobei im Allgemeinen für einen Satz Γ ⊂ ℝna+nb der Projektionsbetrieb als Proja(Γ) = {α ∈ ℝna: ∃b ∈ ℝnb, (a, b) ∈ Γ} definiert ist.In ideal highway driving situations, the dynamics of the system can be described by ẋ = [v x 0,0,0] T , and maneuvers (eg, lane change, threading, etc.) can be considered transitions from one set of states to another set of States are considered. In such ideal scenarios, there is the task of SV 10 to adapt its trajectory to avoid obstacles while ensuring that the vehicle speed is the desired longitudinal speed v goal does not exceed. Starting from an initial position w 0 = (X 0 , J 0 ) and driving at v goal using allowed control actions from the set {(a x , δ f ): a x ≤ 0, (a X , δ f ) ∈ U v }, the set ℜ of the states that can be reached without exceeding the desired velocity v goal in the time interval t * of the system can be determined using the equation given above for ℜ (t * ; x 0 ). Thus, the set of achievable lateral and longitudinal coordinates is SV 10 in the V-frame R V = T V I ( proj w ( R ) ) .
Figure DE102019201124A1_0017
wherein in general for a set Γ ⊂ ℝ na + nb of the projection operating as a Proj (Γ) = {α ∈ ℝ na: ∃b ∈ ℝ nb, (a, b) ∈ Γ} is defined.

Dann unter Verwendung der oben angegebenen Gleichungen für G v

Figure DE102019201124A1_0018
und ℜv sind die zulässigen Gebiete oder Regionen, die das SV 10 umgeben, die in Bezug auf den Fahrzeugzustand und die Fahrzeugdynamik erreichbar sind, folgende R V , ganz G v R V .
Figure DE102019201124A1_0019
Then using the equations given above for G v
Figure DE102019201124A1_0018
and ℜ v are the permitted areas or regions that the SV 10 surrounded, which are achievable with respect to the vehicle condition and the vehicle dynamics, following R V . all G v R V ,
Figure DE102019201124A1_0019

Die Referenzzielkoordinaten wv = (X̂v,Ĵv) werden aus ℜv,ganz mit dem Ziel ausgewählt, die vom SV 10 in dem Zeitintervall t* zurückgelegte Entfernung zu maximieren, d. h. w ^ v = argmax w v R V , ganz w v w v0 .

Figure DE102019201124A1_0020
The reference target coordinates w v = (X v , Ĵ v ) are selected from ℜ v, all the way to the SV 10 in the time interval t * to maximize distance, ie w ^ v = argmax w v R V . all w v - w v0 ,
Figure DE102019201124A1_0020

Es kann ebenso für das SV 10 vorteilhaft sein, den Längsabstand von Xv0 bis X̂v mit einheitlicher Längsgeschwindigkeit zu durchqueren, sodass die Zielgeschwindigkeit als Folgendes ausgewählt wird. v ^ x = X ^ v * X v0 t * .

Figure DE102019201124A1_0021
It may as well be for the SV 10 be advantageous, the longitudinal distance of X v0 to traverse X v at a uniform longitudinal speed so that the target speed is selected as the following. v ^ x = X ^ v * X v0 t * ,
Figure DE102019201124A1_0021

Ferner, da angenommen wird, dass das SV 10 in der beschriebenen Ausführungsform auf einer geraden Straße ψ = 0 fährt, bleibt der Zielrichtungswinkel des SV 10 weiterhin ψ̂ = 0. Somit wird x̂ = [X̂v,v, ψ̂, v̂x] durch Stapeln der Bezugsziele für jeden Zustand der Zielzustandsvektor für das System erhalten.Further, assuming that the SV 10 in the described embodiment, driving on a straight road ψ = 0, the target direction angle of the SV remains 10 Further, ψ = 0. Thus, x = [X v, Ŷ v , ψ, v x ] is obtained by stacking the reference targets for each state of the target state vector for the system.

Da der Bereich Blv, (der Satz von Koordinaten, der das LV 30 und die zwei dreieckigen Keile, in die das SV 10 nicht eintreten sollte, beinhaltet), d. h. der unzulässige Bereich, der das LV 30 umgibt, sich mit einer Geschwindigkeit vlx - vx in dem R-Rahmen 66 bewegt, verändern sich der zulässige, erreichbare Bereich und Referenzziele entsprechend mit jedem Schritt. Eine beispielhafte Simulation der Referenzziele, die von dem Zielzustandsmodul 24 für einige Zeitschritte ausgeführt wird, ist in 8 in dem I-Rahmen 60 gezeigt, wobei die Referenzziele zusammen mit der Position des SV 10 (angezeigt durch ein Quadrat) als Kreuze und dem LV 30 (angezeigt durch eine Raute) gezeigt sind. Insbesondere zeigt 8, dass die Zielreferenzen, die vom SV 10 zum Überholen des LV 30 ausgewählt wurden[sic]. Insbesondere bewegt sich das SV 10 hinter das LV 30, und dann wird die Mitte der schnellen Spur zum Bereich des niedrigsten Potentials und ist mit der Prüffahrzeugdynamik kompatibel; somit wird ermöglicht, dass sich das SV 10 auf diese Spur bewegt, um das LV 30 zu überholen. Nachdem sich das SV 10 ausreichend vor das LV 30 bewegt hat, wird die Mitte der langsamen Spur wieder zum Bereich des niedrigsten Potentials und ist ebenso von dem SV 10 erreichbar. Daher kann sich das SV 10 in einem Abstand ausreichend vor dem LV 30 in die langsame Spur einfädeln, um das Überholmanöver abzuschließen.Since the area B lv , (the set of coordinates that the LV 30 and the two triangular wedges into which the SV 10 should not occur), ie the impermissible area containing the LV 30 surrounds itself at a velocity v lx -v x in the R-frame 66 moves, the allowable achievable range and reference targets change accordingly with each step. An example simulation of the reference targets generated by the target state module 24 Running for some time steps is in 8th in the I-frame 60 shown, with the reference goals along with the position of SV 10 (indicated by a square) as crosses and the LV 30 (indicated by a rhombus) are shown. In particular shows 8th that the target references provided by the SV 10 to overtake the LV 30 were selected. In particular, the SV moves 10 behind the LV 30 and then the center of the fast track becomes the lowest potential area and is compatible with the test vehicle dynamics; thus allowing the SV 10 moved to this lane to the LV 30 to overtake. After the SV 10 sufficiently in front of the LV 30 has moved, the middle of the slow track again becomes the area of the lowest potential and is also from the SV 10 reachable. Therefore, the SV 10 at a distance sufficiently in front of the LV 30 thread into the slow lane to complete the overtaking maneuver.

Wieder auf 5 Bezug nehmend, wird in Schritt 82 das Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie derart konfiguriert, dass es eine realisierbare Trajektorie für das SV 10 bestimmt, um in Abhängigkeit von einer oder mehreren der oben beschriebenen Fahrzeugbeschränkungen zur Zielfahrzeugposition zu fahren. Insbesondere führen die Zielzustände x̂, die bei jedem Zeitschritt unter Verwendung des obigen Ansatzes erzeugt werden, zu stückweisen Referenzen. Wenn zum Beispiel festgestellt wird, dass ein Spurwechsel erforderlich ist, wechselt Ŷv von der Mitte einer Spur zur anderen. In der beschriebenen Ausführungsform wird ein MPC-Verfahren verwendet, um die Trajektorie zu planen, um das SV 10 von seinem aktuellen Zustand in einen zulässigen Zielzustand auf eine zugelassene Weise zu lenken, d. h. unter Berücksichtigung der Fahrzeugdynamik, der Zustandsbeschränkungen und der Eingabebeschränkungen. Der Vorteil der beschriebenen MPC-Strategie ist die Fähigkeit, den Zustand eines eingeschränkten Systems in Richtung eines beliebigen Sollwerts (d. h. des gewünschten Zielzustands) zu lenken, unabhängig davon, ob er zum Endgerätesatz gehört oder nicht. Das Verfahren garantiert die asymptotische Konvergenz des Systemzustands zu jedem zugelassenen beständigen Zielzustand. Wenn der beständige Zustand nicht zugelassen ist, lenkt die Steuerstrategie das System in den nächstliegenden zugelassenen stationären Zustand.Back on 5 Referring to FIG 82 the generation module 26 for a trajectory configured to be a viable trajectory for the SV 10 determined to travel to the target vehicle position in response to one or more of the vehicle limitations described above. In particular, the target states x generated at each time step using the above approach result in piecewise references. For example, if it is determined that a lane change is required, Ŷ v will change from the middle of one lane to the other. In the described embodiment, an MPC method is used to schedule the trajectory to the SV 10 from its current state to an allowed destination state in an approved manner, ie, taking into account vehicle dynamics, state constraints, and input constraints. The advantage of the described MPC strategy is the ability to steer the state of a restricted system towards any desired value (ie, the desired target state) regardless of whether or not it belongs to the terminal set. The procedure guarantees the asymptotic convergence of the system state to any approved persistent target state. If the persistent state is not allowed, the control strategy steers the system to the nearest admitted steady state.

In der vorliegenden Ausführungsform hängt die Dynamik des Zustands (X) nur von vx, ab, und somit ist es möglich, das System für die Erzeugung einer Trajektorie weiter zu vereinfachen, um die Rechenzeit zu reduzieren. Insbesondere ist das System mit reduzierter Ordnung Folgendes x ˙ r = A rc x r + B rc u ,

Figure DE102019201124A1_0022
wobei xr = [Y, ψ, vx]T der Systemzustand ist, u = [ax, δf]T die Eingabe ist und die Systemmatrizen folgende sind: A rc = [ 0 v Ziel 0 0 0 0 0 0 0 ]
Figure DE102019201124A1_0023
und B rc = [ 0 0 0 v Ziel / L wb 1 0 ] .
Figure DE102019201124A1_0024
In the present embodiment, the dynamics of the state (X) depends only on v x , and thus it is possible to further simplify the system for generating a trajectory in order to reduce the computation time. In particular, the reduced order system is the following x ˙ r = A rc x r + B rc u .
Figure DE102019201124A1_0022
where x r = [Y, ψ, v x ] T is the system state, u = [a x , δ f ] T is the input and the system matrices are: A rc = [ 0 v aim 0 0 0 0 0 0 0 ]
Figure DE102019201124A1_0023
and B rc = [ 0 0 0 v aim / L wb 1 0 ] ,
Figure DE102019201124A1_0024

Dieses System mit reduzierter Ordnung nimmt die relevante Dynamik des Systems auf und eignet sich zum Planen zulässiger und realisierbarer Trajektorien. Darüber hinaus befindet sich das reduzierte System in einem beständigen Zustand, während das SV 10 auf geraden Autobahnen ungehindert als ẋr(t) = [0,0,0]T fährt. Ferner entspricht/entsprechen der/die Referenzvektor(en), der/die oben berechnet wurden, einer beständigen Zustandsbedingung für das System mit verringerter Ordnung, als xr,ss = [Ŷ, ψ̂, v̂x]T ausgedrückt.This reduced-order system absorbs the relevant dynamics of the system and is suitable for planning permissible and realizable trajectories. In addition, the reduced system is in a stable state while the SV 10 on straight highways without hindrance as ẋ r (t) = [0,0,0] T drives. Further, the reference vector (s) calculated above correspond to a steady state condition for the reduced order system expressed as x r, ss = [Ŷ, ψ, v x ] T.

Durch die Diskretisierung des Systems mit verringerter Ordnung mit einer Abtastzeit Ts, wird folgendes diskrete Zeitsystem erhalten: x r ( k + 1 ) = A x r ( k ) + B u ( k )

Figure DE102019201124A1_0025
y r ( k ) = C x r ( k ) + D u ( k )
Figure DE102019201124A1_0026
wobei die Matrizen A, B, C, D konstant sind, das Paar (A, B) stabilisierbar ist, und das System harten Beschränkungen unterliegt, die als Folgendes ausgedrückt sind: z = ( x r , u r ) Z = { z n x + n u : A z z b z }
Figure DE102019201124A1_0027
wobei Az ∈ ℝnz×(nx+nu) und bz ∈ ℝnz, wobei nz die Anzahl der Beschränkungen ist, sodass
Figure DE102019201124A1_0028
ein nicht leeres kompaktes konvexes Polyhedron ist, das den Ursprung seines Inneren enthält. In der beschriebenen Ausführungsform wird der obige Satz von harten Beschränkungen aus Zuständen und Eingaben erhalten, die die folgenden Ungleichungen erfüllen: x r , min x r x r , max
Figure DE102019201124A1_0029
u min u u max
Figure DE102019201124A1_0030
By discretizing the reduced-order system with a sampling time T s , the following discrete time system is obtained: x r ( k + 1 ) = A x r ( k ) + B u ( k )
Figure DE102019201124A1_0025
y r ( k ) = C x r ( k ) + D u ( k )
Figure DE102019201124A1_0026
wherein the matrices A, B, C, D are constant, the pair (A, B) is stabilizable, and the system is subject to hard constraints expressed as: z = ( x r . u r ) Z = { z n x + n u : A z z b z }
Figure DE102019201124A1_0027
where A z ∈ ℝ nz × (nx + nu) and b z ∈ ℝ nz , where n z is the number of constraints such that
Figure DE102019201124A1_0028
is a non-empty compact convex polyhedron containing the origin of its interior. In the described embodiment, the above set of hard constraints are obtained from states and inputs that satisfy the following inequalities: x r . min x r x r . Max
Figure DE102019201124A1_0029
u min u u Max
Figure DE102019201124A1_0030

Zu jedem einzelnen Zeitpunkt k wird das System durch Einstellen des Zielzustands als x̂s = xr,ss und des Anfangszustands als xs(0) = xr(k Ts) gelöst. Dann wird die Bezugstrajektorie [ Y * , ψ * , v x * ] T

Figure DE102019201124A1_0031
für t ∈ [k Ts, (k + N) · Ts], mit N als dem Vorhersagehorizont berechnet, indem die optimale Lösung u* auf das oben angegebene dynamische System angewendet wird.At every single time k, the system is solved by setting the target state as x s = x r, ss and the initial state as x s (0) = x r (k T s ). Then the reference trajectory [ Y * . ψ * . v x * ] T
Figure DE102019201124A1_0031
for t ∈ [k T s , (k + N) * T s ], with N as the prediction horizon calculated by applying the optimal solution u * to the above dynamic system.

Die dynamisch in 8 erzeugten Bezugspunkte werden direkt zum Erzeugen von Trajektorien verwendet. 9 stellt geplante Trajektorien und den tatsächlichen Pfad des SV 10, der in dem Referenzrahmen des LV 30 gezeigt ist, in einer beispielhaften Simulation dar, die vom Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie durchgeführt wird. Insbesondere zeigt 9, dass das Überholmanöver etwa 50 m hinter dem LV 30 eingeleitet wird, wodurch die Abgrenzungen, die von einem typischen Autobahnmanöver für gegebene Geschwindigkeiten der Fahrzeuge und eine gegebene Vorwärtszeit erwartet werden, beibehalten werden. Darüber hinaus sind die geplanten Trajektorien vom Erzeugungsmodul 26 für eine Trajektorie oder vom MPC-Modul stabil und zeigen kein abweichendes Verhalten. Unter der Annahme einer perfekten Trajektorienachverfolgung wird gezeigt, dass die tatsächliche Trajektorie, der das SV 10 folgt, einem glatten Weg von der Mitte der langsamen Spur zu der Mitte der schnellen Spur folgt. Die vom neuartigen MPC geplanten Trajektorien sind dauerhaft realisierbar, was der autonomen Fahrfunktionalität ein zusätzliches Sicherheitsnetz bereitstellt.The dynamic in 8th generated reference points are used directly to generate trajectories. 9 represents planned trajectories and the actual path of SV 10 who is in the reference frame of the LV 30 is shown, in an exemplary simulation, by the generation module 26 for a trajectory is performed. In particular shows 9 in that the overtaking maneuver is about 50 m behind the LV 30 whereby the boundaries expected from a typical highway maneuver for given vehicle speeds and given forward time are maintained. In addition, the planned trajectories are from the generation module 26 stable for a trajectory or the MPC module and show no deviant behavior. Assuming perfect trajectory tracking, it is shown that the actual trajectory that the SV 10 follows a smooth path from the middle of the slow track to the middle of the fast track follows. The trajectories planned by the new MPC are permanently realizable, providing the autonomous driving functionality with an additional safety net.

An den obigen Beispielen können zahlreiche Veränderungen vorgenommen werden, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen festgelegten Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.Numerous modifications can be made to the above examples without departing from the scope of the present invention as defined in the appended claims.

Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform ein nichtlineares kinematisches Fahrradmodell mit kontinuierlicher Zeit verwendet wird, können ebenso Fahrzeugmodelle höherer Ordnung verwendet werden, um den Satz von erreichbaren Zuständen zu berechnen.Although a continuous time nonlinear kinematic bicycle model is used in the embodiment described above, higher order vehicle models may also be used to calculate the set of achievable states.

Obwohl das System 12 und das Verfahren 70 oben unter Bezugnahme auf ein Autobahnüberholmanöver beschrieben wurden, sind sie gleichermaßen auf andere Arten relativ komplexer Manöver anwendbar, die ein Fahrzeug durchführen kann.Although the system 12 and the procedure 70 have been described above with reference to a highway overtaking maneuver, they are equally applicable to other types of relatively complex maneuvers that a vehicle can perform.

Obwohl das System 12 oben als das Erzeugen von Trajektorien beschrieben worden ist, während es mit einer nahezu konstanten Geschwindigkeit fährt, sodass das Fahrzeug 10 während des Spurwechselteilmanövers nicht beschleunigt oder verlangsamt, werden in verschiedenen Ausführungsformen realisierbare Trajektorien für eine variierende Längsgeschwindigkeit erzeugt.Although the system 12 has been described above as generating trajectories while traveling at a nearly constant speed, so that the vehicle 10 is not accelerated or decelerated during the lane change part maneuver, realizable trajectories for a varying longitudinal velocity are generated in various embodiments.

Claims (15)

System für ein Fahrzeug, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann, wobei das System zum Planen einer Trajektorie des Fahrzeugs ist, wobei das System Folgendes beinhaltet: einen Empfänger, der konfiguriert ist, um Straßensegmentdaten von wenigstens einem Teilsystem des Fahrzeugs zu empfangen, wobei die Straßensegmentdaten wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des Fahrzeugs anzeigen; ein Modul für einen erreichbaren Zustand, das konfiguriert ist, um einen Satz erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung zu bestimmen, wobei jeder der erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeugposition beinhaltet; ein Modul für eine zulässige Position, das konfiguriert ist, um mehrere zulässige Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten zu bestimmen, wobei die mehreren zulässigen Fahrzeugpositionen innerhalb des bestimmten Satzes von erreichbaren Fahrzeugpositionen liegen; ein Zielzustandsmodul, das konfiguriert ist, um einen Zielfahrzeugzustand mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment zu bestimmen, wobei die Zielfahrzeugposition einer der mehreren bestimmten zulässigen Fahrzeugpositionen entspricht; und, ein Erzeugungsmodul für eine Trajektorie, das konfiguriert ist, um eine realisierbare Trajektorie zu bestimmen, auf der das Fahrzeug in Abhängigkeit von der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung zu der Zielfahrzeugposition fährt, um die Fahrzeugtrajektorie zu planen. A system for a vehicle that is operable in an autonomous mode, the system for scheduling a trajectory of the vehicle, the system including: a receiver configured to receive road segment data from at least one subsystem of the vehicle, the road segment data indicating at least one feature of a road segment proximate to the vehicle; an achievable state module configured to determine a set of achievable vehicle states within a prescribed period of time in response to at least one vehicle restriction, each of the achievable vehicle states including an achievable vehicle position; an allowable position module configured to determine a plurality of allowable vehicle positions in the road segment based on the received road segment data, wherein the plurality of allowable vehicle positions are within the determined set of accessible vehicle positions; a target state module configured to determine a target vehicle state having a target vehicle position in the road segment, the target vehicle position corresponding to one of the plurality of determined allowable vehicle positions; and, a trajectory generation module configured to determine a viable trajectory on which the vehicle travels to the target vehicle position in response to the at least one vehicle constraint to schedule the vehicle trajectory. System nach Anspruch 1, wobei das System ein Fahrzeugbetätigungsmodul beinhaltet, das konfiguriert ist, um ein Steuersignal zu senden, um das Fahrzeug zu steuern, um der realisierbaren Trajektorie zu folgen.System after Claim 1 wherein the system includes a vehicle actuation module configured to transmit a control signal to control the vehicle to follow the realizable trajectory. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Straßensegmentmerkmal Folgendes umfasst: eine aktuelle Trajektorie des Fahrzeugs; Straßen- und/oder Fahrspurgrenzen; und/oder, Fahrvorschriften.System after Claim 1 or 2 wherein the at least one road segment feature comprises: a current trajectory of the vehicle; Road and / or lane boundaries; and / or, driving instructions. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Straßensegmentmerkmal wenigstens ein Hindernis umfasst, optional wobei das wenigstens eine Hindernis ein weiteres Fahrzeug beinhaltet und die Straßensegmentdaten wenigstens eine Geschwindigkeit, eine Position und/oder eine Ausrichtung des weiteren Fahrzeugs beinhalten.The system of claim 1, wherein the at least one road segment feature comprises at least one obstacle, optionally wherein the at least one obstacle includes another vehicle and the road segment data includes at least one speed, position and / or orientation of the another vehicle. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modul für eine zulässige Position zu Folgendem konfiguriert ist: Definieren eines künstlichen Potentialfeldes, das größer als der Satz erreichbarer Fahrzeugpositionen ist; und, Erzeugen einer Nettopotentialfunktion, die das künstliche Potentialfeld in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten beschreibt, wobei ein Potentialwert der Nettopotentialfunktion über das künstliche Potentialfeld variiert.The system of any preceding claim, wherein the allowed position module is configured to: Defining an artificial potential field greater than the set of achievable vehicle positions; and, Generating a net potential function describing the artificial potential field as a function of the received road segment data, wherein a potential value of the net potential function varies over the artificial potential field. System nach Anspruch 5, wobei die Nettopotentialfunktion einen Beitrag von einem oder mehreren der folgenden Elemente beinhaltet: eine Fahrspurgeschwindigkeitspotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf eine Geschwindigkeit beziehen, die jeder Fahrbahn der Straße zugeordnet ist; eine Straßenpotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf Straßenbegrenzungen beziehen; eine Fahrspurpotentialfunktion, die Informationen beinhaltet, die sich auf Begrenzungen und/oder eine Mitte jeder Fahrspur der Straße beziehen; und, eine weitere Fahrzeugpotentialfunktion, die Informationen zu einer Fahrzeugdynamik eines weiteren Fahrzeugs auf der Straße beinhaltet.System after Claim 5 wherein the net potential function includes a contribution from one or more of the following: a lane speed potential function that includes information relating to a speed associated with each lane of the road; a road potential function that includes information related to road boundaries; a lane potential function that includes information related to boundaries and / or a center of each lane of the road; and, another vehicle potential function that includes information about vehicle dynamics of another vehicle on the road. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung eine oder mehrere aktuelle Fahrzeugzustandsvariablen beinhaltet, optional wobei die aktuellen Fahrzeugzustandsvariablen eine aktuelle Fahrzeugposition, einen aktuellen Fahrzeugrichtungswinkel und eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit beinhalten. The system of claim 1, wherein the at least one vehicle restriction includes one or more current vehicle state variables, optionally wherein the current vehicle state variables include a current vehicle position, a current vehicle direction angle, and an actual vehicle speed. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung eine oder mehrere zugelassene Fahrzeugzustandsvariablen beinhaltet, optional wobei die zugelassenen Fahrzeugzustandsvariablen einen zugelassenen Fahrzeugrichtungswinkel, eine zugelassene Fahrzeuggeschwindigkeit und eine zugelassene Fahrzeugquerposition beinhalten.The system of claim 1, wherein the at least one vehicle restriction includes one or more approved vehicle state variables, optionally wherein the permitted vehicle state variables include an approved vehicle direction angle, an approved vehicle speed, and an authorized vehicle lateral position. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Fahrzeugbeschränkung eine oder mehrere Fahrzeugeingabebeschränkungen beinhaltet, optional wobei die Fahrzeugeingangsbeschränkungen einen zugelassenen Fahrzeuglenkwinkel, eine zugelassene Fahrzeugbeschleunigung und/oder eine oder mehrere Fahrzeugdynamikbeschränkungen beinhalten.The system of claim 1, wherein the at least one vehicle restriction includes one or more vehicle input limits, optionally wherein the vehicle input constraints include an approved vehicle steering angle, an approved vehicle acceleration, and / or one or more vehicle dynamics limitations. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeuggeschwindigkeit, einen erreichbaren Fahrzeugrichtungswinkel, eine erreichbare Fahrzeuglängsverschiebung und eine erreichbare Fahrzeugquerverschiebung beinhalten.A system according to any one of the preceding claims, wherein the achievable vehicle conditions include an achievable vehicle speed, an achievable vehicle direction angle, an achievable longitudinal vehicle displacement, and an achievable vehicle lateral displacement. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zielfahrzeugposition der zulässigen Fahrzeugposition entspricht, die am weitesten von einer aktuellen Fahrzeugposition entfernt ist, wobei die zulässige Fahrzeugposition einer der erreichbaren Fahrzeugpositionen in dem Satz von erreichbaren Fahrzeugzuständen entspricht.The system of claim 1, wherein the target vehicle position corresponds to the allowable vehicle position furthest from a current vehicle position, the allowable vehicle position corresponding to one of the achievable vehicle positions in the set of achievable vehicle states. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Teilsystem des Fahrzeugs wenigstens eines von Folgendem beinhaltet: ein Fahrzeugnavigationsteilsystem; einen Ultraschallsensor; einen Radarsensor; einen LiDAR-Sensor; einen Bildsensor; und, einen Fahrzeug-zu-Allem-Transceiver.The system of any one of the preceding claims, wherein the at least one subsystem of the vehicle includes at least one of: a vehicle navigation subsystem; an ultrasonic sensor; a radar sensor; a LiDAR sensor; an image sensor; and, a vehicle-to-all transceiver. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erzeugungsmodul für eine Trajektorie konfiguriert ist, um eine modellprädiktive Steuerungsstrategie anzuwenden, um die realisierbare Trajektorie zu erzeugen.The system of any one of the preceding claims, wherein the trajectory generation module is configured to apply a model predictive control strategy to generate the viable trajectory. Verfahren für ein Fahrzeug, das in einem autonomen Modus betrieben werden kann, wobei das Verfahren zum Planen einer Trajektorie des Fahrzeugs gedacht ist, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: Empfangen von Straßensegmentdaten von wenigstens einem Teilsystem des Fahrzeugs, wobei die Straßensegmentdaten wenigstens ein Merkmal eines Straßensegments in der Nähe des Fahrzeugs anzeigen; Bestimmen eines Satzes erreichbarer Fahrzeugzustände innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeugbeschränkung, wobei jeder der erreichbaren Fahrzeugzustände eine erreichbare Fahrzeugposition beinhaltet; Bestimmen mehrerer zulässiger Fahrzeugpositionen in dem Straßensegment in Abhängigkeit von den empfangenen Straßensegmentdaten; Bestimmen eines Zielfahrzeugzustands mit einer Zielfahrzeugposition in dem Straßensegment, wobei die Zielfahrzeugposition einer der bestimmten zulässigen Fahrzeugpositionen entspricht, die sich innerhalb des bestimmten Satzes erreichbarer Fahrzeugpositionen befinden; und, Bestimmen einer realisierbaren Trajektorie, auf der das Fahrzeug in Abhängigkeit von der wenigstens einen Fahrzeugbeschränkung zu der Zielfahrzeugposition fährt, um die Fahrzeugtrajektorie zu planen.A method for a vehicle that is operable in an autonomous mode, the method being for scheduling a trajectory of the vehicle, the method including: Receiving road segment data from at least one subsystem of the vehicle, the road segment data indicating at least one feature of a road segment proximate to the vehicle; Determining a set of achievable vehicle conditions within a prescribed period of time in response to at least one vehicle restriction, each of the achievable vehicle conditions including an achievable vehicle position; Determining a plurality of allowable vehicle positions in the road segment in response to the received road segment data; Determining a target vehicle state with a target vehicle position in the road segment, the target vehicle position corresponding to one of the determined allowable vehicle positions that are within the determined set of achievable vehicle positions; and, Determining a feasible trajectory on which the vehicle travels to the target vehicle position in response to the at least one vehicle constraint to schedule the vehicle trajectory. Fahrzeug, das ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 13 beinhaltet.Vehicle having a system according to one of the Claims 1 to 13 includes.
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