DE102024205546B3 - Method and system for compensating lateral guidance disturbances of a vehicle - Google Patents
Method and system for compensating lateral guidance disturbances of a vehicleInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation einer Störgröße (S), die eine quer zur Fahrtrichtung verlaufende Kraft auf ein Fahrzeug (F) ausübt und dadurch einen Querablagefehler (d) des quergeregelten Fahrzeugs (F) hervorruft, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Ermitteln eines Querablagefehlers (d) des Fahrzeugs (F) in Bezug auf eine geplante Trajektorie (T) (S10);
- Schätzen einer Störgröße (S), die den Querablagefehler (d) des Fahrzeugs verursacht (S11);
- Ermitteln einer Kompensationsgröße (K) basierend auf der Störgröße (S) (S12);
- Anwenden einer Aktivierungsfunktion auf die Kompensationsgröße (K), wodurch eine modifizierte Kompensationsgröße (Kmod) erhalten wird (S13);
- Verändern einer Reglerstellgröße (δregier_soll), die von einem Querregler (4) des Fahrzeugs (F) bereitgestellt wird, basierend auf der modifizierten Kompensationsgröße (Kmod), wodurch eine Stellgröße (δsoll) gebildet wird (S14); und
- Zuführen der Stellgröße (δsoll) zur Lenkregeleinrichtung (LR) der elektrischen Lenkung (3) des Fahrzeugs (F) zur Querführung des Fahrzeugs (F) (S15).
The invention relates to a method for compensating a disturbance variable (S) which exerts a force on a vehicle (F) running transversely to the direction of travel and thereby causes a transverse offset error (d) of the transversely controlled vehicle (F), the method comprising the following steps:
- determining a lateral deviation error (d) of the vehicle (F) with respect to a planned trajectory (T) (S10);
- estimating a disturbance (S) causing the lateral deviation error (d) of the vehicle (S11);
- Determining a compensation value (K) based on the disturbance value (S) (S12);
- applying an activation function to the compensation quantity (K), thereby obtaining a modified compensation quantity (K mod ) (S13);
- changing a controller control variable (δ regier_soll ) provided by a transverse controller (4) of the vehicle (F) based on the modified compensation variable (K mod ), thereby forming a control variable (δ soll ) (S14); and
- Supplying the manipulated variable (δ soll ) to the steering control device (LR) of the electric steering (3) of the vehicle (F) for lateral guidance of the vehicle (F) (S15).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Kompensation von Störungen, die eine laterale Abweichung des Fahrzeugs von einer geplanten Trajektorie, nachfolgend auch Querablagefehler genannt, hervorrufen.The invention relates to a method and a system for compensating disturbances that cause a lateral deviation of the vehicle from a planned trajectory, hereinafter also referred to as lateral deviation errors.
Spurgeführte Fahrerassistenzsysteme nutzen erfasste Umgebungs- und Fahrbahndaten, um Fahrzeuge entlang eines gewählten Kurses (auch Trajektorie genannt) lateral und longitudinal zu regeln. Als Aktor zur Regelung der Querführung wird in den meisten Fällen eine elektrische Servolenkung (EPS: electric power steering) verwendet, die geeignete Ansteuersignale von einer Steuereinheit des Fahrerassistenzsystems (ADAS) erhält.Lane-guided driver assistance systems use recorded environmental and road data to control vehicles laterally and longitudinally along a selected path (also called a trajectory). In most cases, an electric power steering (EPS) system is used as the actuator for lateral guidance, which receives appropriate control signals from a control unit of the advanced driver assistance system (ADAS).
Ein wesentliches Gütemerkmal der Querführungsregelung ist die laterale Abweichung des Fahrzeugs von der geplanten Trajektorie. Im Idealfall fährt das Fahrzeug exakt entlang der geplanten Trajektorie ohne jeglichen Querablagefehler. Real wirken auf das System jedoch eine Vielzahl von Störungen ein, die von der Querregelung ausgeregelt werden müssen. Da dies nur mit endlicher Dynamik und Genauigkeit gelingt, ist der laterale Regelfehler nicht null, sondern hat je nach Charakteristik der Störung und des Konzepts des Querreglers einen transienten oder permanenten Wert ungleich null.A key quality characteristic of lateral control is the vehicle's lateral deviation from the planned trajectory. Ideally, the vehicle travels exactly along the planned trajectory without any lateral deviation error. In reality, however, the system is subject to a multitude of disturbances that must be compensated for by the lateral control system. Since this can only be achieved with finite dynamics and accuracy, the lateral control error is not zero, but rather has a transient or permanent non-zero value, depending on the characteristics of the disturbance and the lateral control system's design.
Eine typische Störung, die auf ein quergeregeltes Fahrzeug einwirkt, ist beispielsweise die Querneigung der Fahrbahn. Diese versursacht eine senkrecht zur Fahrrichtung orientierte Kraft, die in die Richtung einer Zunahme des Querablagefehlers entlang des seitlichen Gefälles der Fahrbahn wirkt.A typical disturbance affecting a lateral-controlled vehicle is the transverse inclination of the road surface. This causes a force oriented perpendicular to the direction of travel, acting in the direction of an increase in the lateral deviation error along the lateral gradient of the road surface.
Querregler lassen sich beispielsweise hinsichtlich ihrer stationären Regelgenauigkeit unterteilen. Der einfachste Regler ohne stationäre Genauigkeit, der geeignet ist, ein Fahrzeug entlang einer Trajektorie zu regeln, ist ein PD-Regler, der den Querablagefehler als Regelgröße einliest, entsprechend verarbeitet und als Stellgröße einen Lenkwinkel als Sollwert an die unterlagerte Lenkwinkelregelung ausgibt.Lateral controllers can be classified, for example, according to their steady-state control accuracy. The simplest controller without steady-state accuracy, suitable for controlling a vehicle along a trajectory, is a PD controller, which reads the lateral offset error as a controlled variable, processes it accordingly, and outputs a steering angle as a setpoint to the underlying steering angle control system.
Der einfachste Querregler mit dem Potential stationärer Genauigkeit ist ein PID-Regler. Mit Hilfe des Integralanteils wird im eingeschwungenen idealen Zustand zwar ein Querablagefehler von null erzeugt, transient ergibt sich aber dennoch ein Querablagefehler, der von dem zeitlichen Verlauf des Querneigungswinkels der Fahrbahn abhängt. In der Praxis ist speziell bei hoher Fahrgeschwindigkeit die Änderungsdynamik des Querneigungswinkels so hoch, dass die transiente Zunahme des Querablagefehlers nicht zu vernachlässigen ist. Die transiente Regelabweichung bei Verwendung eines PID-Reglers kann auch hier je nach Reglerauslegung bis zu 0,5m betragen, je nach Parametrierung kann es typischerweise 2 bis 10 Sekunden dauern, bis die Regelabweichung kompensiert ist.The simplest lateral controller with the potential for steady-state accuracy is a PID controller. Although the integral component generates a zero lateral deviation error in the ideal steady-state condition, a transient lateral deviation error still occurs, which depends on the temporal progression of the road's bank angle. In practice, especially at high driving speeds, the dynamic change in the bank angle is so high that the transient increase in the lateral deviation error cannot be neglected. The transient control deviation when using a PID controller can be up to 0.5 m, depending on the controller design. Depending on the parameterization, it can typically take 2 to 10 seconds for the control deviation to be compensated.
Sowohl beim PD-Regler als auch beim PID-Regler als Querregler besteht also die Gefahr, dass das Fahrzeug die Fahrspurmarkierung überschreitet und damit das Risiko, dass das Fahrzeug mit entgegenkommenden Fahrzeugen kollidiert.With both the PD controller and the PID controller as a lateral controller, there is a risk that the vehicle will cross the lane markings and thus the risk that the vehicle will collide with oncoming vehicles.
Um dies zu vermeiden, wurden bereits Maßnahmen zur Kompensation von Störungen, die aus der Querneigung der Fahrbahn resultieren, ergriffen.To avoid this, measures have already been taken to compensate for disturbances resulting from the transverse inclination of the roadway.
Problematisch bei den bekannten Systemen ist, dass diese zeitweise zu einer Über- oder Unterkompensation bzw. teilweise auch zur Fehlkompensation des Querablagefehlers neigen. Dies kann dazu führen, dass das Querführungsverhalten des Fahrzeugs sogar schlechter ist als ohne Verwendung einer Querneigungskompensation.The problem with existing systems is that they tend to overcompensate, undercompensate, or even miscompensate for the lateral tilt error at times. This can result in the vehicle's lateral control behavior being even worse than without the use of lateral tilt compensation.
Die
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kompensation von quer zur Fahrtrichtung wirkenden Störungen, die Querablagefehler des Fahrzeugs hervorrufen, anzugeben, das eine hohe Güte und Genauigkeit bei der Kompensation von auf die Fahrzeugquerführung wirkenden Störungen bietet.It is an object of the invention to provide a method for compensating disturbances acting transversely to the direction of travel which cause transverse offset errors of the vehicle, which method offers a high quality and accuracy in compensating disturbances acting on the vehicle's transverse guidance.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein System zur Querführung eines Fahrzeugs ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 15. This object is achieved by a method having the features of independent patent claim 1. Preferred embodiments are the subject of the subclaims. A system for lateral guidance of a vehicle is the subject of independent patent claim 15.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Kompensation einer Störgröße, die eine quer zur Fahrtrichtung verlaufende Kraft auf ein Fahrzeug ausübt und dadurch einen Querablagefehler des Fahrzeugs hervorruft, offenbart. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Zunächst wird ein Querablagefehler ermittelt. Der Querablagefehler gibt die laterale Abweichung des Fahrzeugs von einer Trajektorie an, die durch das Fahrerassistenzsystem bereitgestellt wird.
- First, a lateral deviation error is determined. The lateral deviation error indicates the lateral deviation of the vehicle from a trajectory provided by the driver assistance system.
Anschließend wird eine Störgröße geschätzt, die den Querablagefehler des Fahrzeugs verursacht. Die Störgröße kann beispielsweise eine laterale Kraft sein, die durch eine Fahrbahnquerneigung und/oder Seitenwind verursacht wird.Subsequently, a disturbance causing the vehicle's lateral deviation is estimated. This disturbance could, for example, be a lateral force caused by a road bank and/or crosswind.
Basierend auf der geschätzten Störgröße wird eine Kompensationsgröße ermittelt. Die Kompensationsgröße kann die Dimension haben, die identisch zur Dimension der Stellgröße ist, die einer Lenkregeleinrichtung zum Ausgleich des Querablagefehlers zugeführt wird. Die Kompensationsgröße kann beispielsweise die Dimension eines Winkels aufweisen.Based on the estimated disturbance, a compensation variable is determined. The compensation variable can have a dimension identical to the dimension of the manipulated variable supplied to a steering control system to compensate for the lateral deviation error. For example, the compensation variable can have the dimension of an angle.
Auf die Kompensationsgröße wird eine Aktivierungsfunktion angewendet, wodurch eine modifizierte Kompensationsgröße gebildet wird. Die Aktivierungsfunktion ist dazu ausgebildet, abhängig vom Betrag des Querablagefehler den Betrag der Kompensationsgröße zu verändern.An activation function is applied to the compensation variable, resulting in a modified compensation variable. The activation function is designed to change the amount of the compensation variable depending on the magnitude of the cross-deviation error.
Basierend auf der modifizierten Kompensationsgröße wird eine Reglerstellgröße verändert, die von einem Querregler des Fahrzeugs bereitgestellt wird, wodurch eine Stellgröße gebildet wird. Die Stellgröße wird vorzugsweise durch Addition der modifizierten Kompensationsgröße und der Reglerstellgröße erhalten.Based on the modified compensation variable, a controller manipulated variable provided by a transverse controller of the vehicle is modified, thereby forming a manipulated variable. The manipulated variable is preferably obtained by adding the modified compensation variable and the controller manipulated variable.
Die Stellgröße wird der Lenkregeleinrichtung der elektrischen Lenkung des Fahrzeugs zugeführt, um dadurch eine Querführung des Fahrzeugs zu bewirken.The control variable is fed to the steering control device of the vehicle's electric steering system in order to effect lateral guidance of the vehicle.
Der technische Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass die Schätzung der Störgrößen mittels Sensoren geringerer Güte erfolgen kann, ohne dass dadurch eine wesentliche Verschlechterung der Querregelgüte entsteht. Zudem macht das Verfahren aufwändige Verfahren zur Erkennung und zur Kompensation von Sensorfehlern entbehrlich. Dadurch kann insgesamt eine zuverlässigere Querführung eines von einem Fahrerassistenzsystem unterstützten Fahrzeugs erreicht werden.The technical advantage of the method is that the disturbance variables can be estimated using lower-quality sensors without significantly degrading the lateral control performance. Furthermore, the method eliminates the need for complex processes for detecting and compensating sensor errors. This allows for more reliable lateral control of a vehicle supported by a driver assistance system.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Aktivierungsfunktion einen von dem ermittelten Querablagefehler abhängigen Aktivierungsfaktor auf. Vorzugsweise ist der Aktivierungsfaktor zudem von dem Vorzeichen der Kompensationsgröße abhängig, und zwar beispielsweise derart, dass der Aktivierungsfaktor lediglich bei Vorzeichengleichheit zwischen der Kompensationsgröße und dem Querablagefehler größer als null und damit die Kompensation wirksam ist. Dadurch kann die Wirkung der Kompensation der Störgröße abhängig vom Querablagefehler eingestellt werden, insbesondere derart, dass der Aktivierungsfaktor bei betragsmäßig kleinen Querablagefehlern kleiner ist als bei betragsmäßig größeren Querablagefehlern. Dadurch kann ein unerwünschtes Oszillieren der Querregelung des Fahrzeugs verhindert werden.According to one exemplary embodiment, the activation function has an activation factor dependent on the determined lateral deviation error. Preferably, the activation factor is also dependent on the sign of the compensation variable, for example, such that the activation factor is greater than zero, and thus the compensation is effective, only if the signs of the compensation variable and the lateral deviation error are the same. This allows the effect of the disturbance compensation to be adjusted depending on the lateral deviation error, in particular such that the activation factor is smaller for lateral deviation errors of small magnitude than for lateral deviation errors of larger magnitude. This can prevent undesired oscillation of the vehicle's lateral control.
Vorzugsweise weist die Aktivierungsfunktion für betragsmäßige Werte des Querablagefehlers oberhalb eines Querablagefehlerschwellwerts einen Aktivierungsfaktor von 1 auf, d.h. die Kompensationsgröße wird in diesem Wertebereich des Querablagefehlers ohne Reduzierung aufgeschaltet. Für betragsmäßige Werte des Querablagefehlers unterhalb des Querablagefehlerschwellwerts erfolgt eine Abschwächung der Kompensationsgröße. Vorzugsweise weist die Aktivierungsfunktion in diesem Bereich einen stetig abfallenden Funktionsverlauf auf, und zwar derart, dass der Aktivierungsfaktor, den die Aktivierungsfunktion bereitstellt, vom Wert 1 beim Querablagefehlerschwellwert auf einen Minimalwert, vorzugsweise auf null oder im Wesentlichen null abfällt. Damit wird eine zunehmende Abschwächung des Aktivierungsfaktors vom Querablagefehlerschwellwert zu einem Querablagefehler von null erreicht.Preferably, the activation function for absolute values of the cross-departure error Above a cross-rotation error threshold, the activation factor has an activation factor of 1, i.e., the compensation variable is activated without reduction in this value range of the cross-rotation error. For absolute values of the cross-rotation error below the cross-rotation error threshold, the compensation variable is attenuated. Preferably, the activation function has a continuously decreasing function curve in this range, such that the activation factor provided by the activation function drops from the value 1 at the cross-rotation error threshold to a minimum value, preferably to zero or essentially zero. This achieves an increasing attenuation of the activation factor from the cross-rotation error threshold to a cross-rotation error of zero.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Aktivierungsfunktion einen ersten Funktionsbereich auf, der einem ersten Wertebereich des ermittelten Querablagefehlers zugeordnet ist. Der erste Wertebereich des ermittelten Querablagefehlers ist vorzugsweise ein Bereich, in dem der Betrag des Querablagefehlers größer als der Betrag des Querablagefehlerschwellwerts ist. Unter der Voraussetzung, dass die Kompensationsgröße von ihrem Vorzeichen, d.h. von ihrer physikalischen Wirkungsrichtung, her geeignet ist, den Querablagefehler zu reduzieren, ist der erste Funktionsbereich dazu ausgebildet, die Kompensationsgröße unverändert zu belassen, so dass die modifizierte Kompensationsgröße gleich oder im Wesentlichen gleich der Kompensationsgröße ist. Dadurch kann bei hohen Querablagefehlern eine direkte Aufschaltung der Kompensationsgröße erzielt werden, so dass bei exakter Bestimmung der Störgröße eine völlige Kompensation der Störung erreicht wird, die den Querablagefehler hervorruft.According to one embodiment, the activation function has a first functional range associated with a first value range of the determined cross-rotation error. The first value range of the determined cross-rotation error is preferably a range in which the magnitude of the cross-rotation error is greater than the magnitude of the cross-rotation error threshold. Provided that the compensation variable is suitable for reducing the cross-rotation error in terms of its sign, i.e., its physical direction of action, the first functional range is configured to leave the compensation variable unchanged, so that the modified compensation variable is equal to or substantially equal to the compensation variable. This allows for direct application of the compensation variable in the case of high cross-rotation errors, so that, with precise determination of the disturbance variable, complete compensation of the disturbance causing the cross-rotation error is achieved.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Aktivierungsfunktion einen dritten Funktionsbereich auf, der einem dritten Wertebereich des ermittelten Querablagefehlers zugeordnet ist, wobei der dritte Funktionsbereich dazu ausgebildet ist, die Kompensationsgröße auf null zu setzen, so dass bei einem ermittelten Querablagefehler im dritten Wertebereich eine modifizierte Kompensationsgröße gleich oder im Wesentlichen gleich null ausgegeben wird. Der dritte Funktionsbereich der Aktivierungsfunktion kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn der Querablagefehler und die Störgröße bzw. die Kompensationsgröße einander widersprechen, d.h. die Kompensationsgröße wirkt nicht auf eine Reduzierung des Querablagefehlers hin, sondern vielmehr auf dessen Verstärkung. Damit wird mittels des dritten Funktionsbereichs der Aktivierungsfunktion eine Fehlkompensation, die zu einer Verstärkung des Querablagefehlers führen würde, vermieden.According to one embodiment, the activation function has a third functional range assigned to a third value range of the determined cross-slip error, wherein the third functional range is designed to set the compensation variable to zero, so that if a determined cross-slip error in the third value range is equal to or substantially equal to zero, a modified compensation variable is output. The third functional range of the activation function is particularly useful when the cross-slip error and the disturbance variable or the compensation variable contradict each other, i.e., the compensation variable does not act to reduce the cross-slip error, but rather to amplify it. Thus, incorrect compensation, which would lead to an amplification of the cross-slip error, is avoided by means of the third functional range of the activation function.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Aktivierungsfunktion einen zweiten Funktionsbereich auf, der zwischen dem ersten und dritten Funktionsbereich angeordnet ist. Der zweite Funktionsbereich ist dazu ausgebildet, einen stetigen Übergang zwischen den Werten der Aktivierungsfunktion im ersten und dritten Funktionsbereich zu bilden. Damit wird durch den zweiten Funktionsbereich ein die Kompensation der Störung abschwächender Aktivierungsfaktor bereitgestellt, so dass bei geringen Querablagefehlern eine Reduzierung der Störungskompensation erfolgt. Dadurch kann ein Oszillieren der Querregelung durch eine abrupte Kompensationsaufschaltung verhindert werden.According to one embodiment, the activation function has a second functional range located between the first and third functional ranges. The second functional range is designed to form a smooth transition between the values of the activation function in the first and third functional ranges. Thus, the second functional range provides an activation factor that mitigates the disturbance compensation, so that the disturbance compensation is reduced in the case of small lateral offset errors. This can prevent oscillation of the lateral control due to an abrupt compensation application.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Funktionsbereich der Aktivierungsfunktion betragsmäßigen Querablagefehlern größer einem ersten Querablagefehlerschwellwert zugeordnet. Damit erfolgt für betragsmäßig hohe Querablagefehler mittels diesem ersten Funktionsbereich eine maximale Aufschaltung der Kompensationsgröße.According to one embodiment, the first functional range of the activation function is assigned to magnitude-based cross-offset errors greater than a first cross-offset error threshold. Thus, for magnitude-based high cross-offset errors, the compensation variable is applied to a maximum by means of this first functional range.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Funktionsbereich der Aktivierungsfunktion Querablagefehlern zwischen einem ersten und einem zweiten Querablagefehlerschwellwert zugeordnet. Damit wird bei Querablagefehlern, die betragsmäßig kleiner sind als der Betrag des ersten Querablagefehlerschwellwerts der zweite Funktionsbereich angewendet, in dem eine gedämpfte Aufschaltung der Kompensationsgröße erfolgt.According to one embodiment, the second functional range of the activation function is assigned to cross-offset errors between a first and a second cross-offset error threshold. Thus, for cross-offset errors that are smaller in magnitude than the first cross-offset error threshold, the second functional range is applied, in which a damped application of the compensation variable occurs.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der erste Querablagefehlerschwellwert fahrsituationsabhängig, fahrgeschwindigkeitsabhängig und/oder abhängig von der Breite der Fahrbahn, auf der das Fahrzeug bewegt wird, angepasst. Damit kann die Störgrößenkompensation und damit die Querregelung des Fahrzeugs in Abhängigkeit der aktuellen Situation und Bedingungen verändert werden, um für die jeweilige Situation eine möglichst gute Querregelung des Fahrzeugs zu erreichen.According to one embodiment, the first lateral offset error threshold is adjusted depending on the driving situation, the driving speed, and/or the width of the roadway on which the vehicle is traveling. This allows the disturbance compensation and thus the lateral control of the vehicle to be modified depending on the current situation and conditions in order to achieve the best possible lateral control of the vehicle for the respective situation.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Querablagefehlerschwellwert 0 oder abhängig vom Vorzeichen der Kurvenkrümmung einer Kurve, entlang der das Fahrzeug bewegt wird, ungleich 0, jedoch betragsmäßig kleiner als der erste Querablagefehlerschwellwert. Durch die Wahl des zweiten Querablagefehlerschwellwerts kann eine gewünschte laterale Sollabweichung von der geplanten Trajektorie erreicht werden, und zwar beispielsweise derart, dass das Fahrzeug in einer Kurve nicht exakt auf der Fahrspurmitte gehalten wird, sondern zum Kurveninneren hin versetzt. Dies wird vom menschlichen Insassen als natürlicheres Fahrverhalten empfunden.According to one embodiment, the second lateral deviation error threshold is 0 or, depending on the sign of the curve curvature of a curve along which the vehicle is moving, is not equal to 0 but smaller in magnitude than the first lateral deviation error threshold. By selecting the second lateral deviation error threshold, a desired lateral target deviation from the planned trajectory can be achieved, for example, such that the vehicle is not kept exactly in the center of the lane in a curve, but is offset toward the inside of the curve. This is perceived by the human occupant as a more natural driving behavior.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die geschätzte Störgröße oder die Kompensationsgröße betragsmäßig begrenzt. Dadurch können betragsmäßig sehr hohe Störgrößenschätzungen von der Störgrößenkompensation ausgeschlossen werden.According to one embodiment, the magnitude of the estimated disturbance or the compensation variable is limited. This allows very high magnitude disturbance estimates to be excluded from the disturbance compensation.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Begrenzung anhand der statistischen Verteilung der zu erwartenden Werte der Störgröße oder der statistischen Verteilung der zu erwartenden Werte der Kompensationsgröße. So können beispielsweise statistisch sehr selten auftretende Werte der Störgröße oder der Kompensationsgröße ausgeschlossen werden. Aufgrund des seltenen Auftretens dieser Werte beeinflusst dies die Spurführung nur in sehr seltenen Fällen, verhindert aber eine unerwünschte Aufschaltung von hohen Kompensationsgrößen, die womöglich durch eine fehlerhafte Störgrößenschätzung entstanden sind.According to one embodiment, the limitation is based on the statistical distribution of the expected values of the disturbance variable or the statistical distribution of the expected values of the compensation variable. For example, statistically very rare values of the disturbance variable or the compensation variable can be excluded. Due to the rare occurrence of these values, this only affects track guidance in very rare cases, but prevents the undesired application of high compensation variables that may have arisen due to an incorrect disturbance estimate.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die modifizierte Kompensationsgröße tiefpassgefiltert. Die Reglerstellgröße wird basierend auf der tiefpassgefilterten modifizierten Kompensationsgröße verändert. Dadurch kann eine frequenzabhängige Aufschaltung der Kompensationsgröße erreicht werden, was Vorteile für die Stabilität des Querregelverhaltens bei betragsmäßig niedrigen Werten des ersten Querablagefehlerschwellwerts bietet.According to one embodiment, the modified compensation variable is low-pass filtered. The controller manipulated variable is changed based on the low-pass filtered modified compensation variable. This allows for a frequency-dependent application of the compensation variable, which offers advantages for the stability of the cross-control behavior at low values of the first cross-shift error threshold.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die geschätzte Störgröße eine von der Fahrbahnquerneigung oder eine vom Seitenwind abhängige Störgröße. Es ist eine Schätzeinrichtung vorgesehen, die basierend auf Messwerten, die das Fahrzeug liefert, eine Ausgangsinformation bereitstellt, wie hoch die Fahrbahnquerneigung oder der Seitenwind ist.According to one embodiment, the estimated disturbance variable is a disturbance variable dependent on the road's cross slope or a crosswind. An estimation device is provided that, based on measured values supplied by the vehicle, provides output information regarding the magnitude of the road's cross slope or the crosswind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel gibt die Reglerstellgröße einen Solllenkwinkel, ein Soll-Drehmoment oder eine Spurstangenkraft an, die einer Lenkregeleinrichtung des Fahrzeugs als Eingangsgröße zugeführt wird. Damit kann das Kompensationsverfahren auf unterschiedliche Schnittstellenarten der elektrischen Lenkung angewendet werden.According to one embodiment, the controller manipulated variable specifies a target steering angle, a target torque, or a tie rod force, which is fed to a steering control system of the vehicle as an input variable. This allows the compensation method to be applied to different interface types of the electric steering system.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein System zur Querführung eines Fahrzeugs entlang einer geplanten Trajektorie offenbart. Das System umfasst eine Steuereinheit mit einem Querregler, durch den eine Reglerstellgröße bereitgestellt wird. Zudem umfasst das System eine Schnittstelle, mittels der einer elektrischen Lenkung eine Stellgröße zugeführt wird. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die folgenden Schritte zu vollziehen:
- - Ermitteln eines Querablagefehlers des Fahrzeugs in Bezug auf eine geplante Trajektorie;
- - Schätzen einer Störgröße, die den Querablagefehler des Fahrzeugs verursacht;
- - Ermitteln einer Kompensationsgröße basierend auf der Störgröße;
- - Anwenden einer Aktivierungsfunktion auf die Kompensationsgröße, wodurch eine modifizierte Kompensationsgröße erhalten wird;
- - Verändern der Reglerstellgröße basierend auf der modifizierten Kompensationsgröße, wodurch eine Stellgröße gebildet wird; und
- - Zuführen der Stellgröße zur Lenkregeleinrichtung der elektrischen Lenkung des Fahrzeugs zur Querführung des Fahrzeugs.
- - Determining a lateral deviation error of the vehicle with respect to a planned trajectory;
- - Estimating a disturbance that causes the vehicle's lateral deviation error;
- - Determining a compensation value based on the disturbance;
- - applying an activation function to the compensation variable, thereby obtaining a modified compensation variable;
- - Changing the controller manipulated variable based on the modified compensation variable, thereby forming a manipulated variable; and
- - Supplying the control variable to the steering control device of the vehicle's electric steering system for lateral guidance of the vehicle.
Die Ausdrücke „näherungsweise“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.The terms “approximately”, “essentially” or “about” mean, in the sense of the invention, deviations from the exact value by +/- 10%, preferably by +/- 5% and/or deviations in the form of changes that are insignificant for the function.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.Further developments, advantages, and possible applications of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and from the figures. All described and/or illustrated features, individually or in any combination, are fundamentally part of the invention, regardless of their summary in the claims or their reference back to them. The content of the claims is also incorporated into the description.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 beispielhaft eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer elektrischen Lenkung und einem Fahrassistenzsystem zur lateralen Spurführung; -
2 beispielhaft eine schematische Darstellung eines in Bezug auf eine geplante Trajektorie bestehenden Querablagefehlers, der sich aufgrund einer Fahrbahnquerneigung einstellt; -
3 beispielhaft ein schematisches Funktionsdiagramm eines Fahrzeugs, das eine Steuereinheit zur Querregelung und eine elektrische Lenkung mit einem Lenkwinkelregler aufweist; -
4 beispielhaft eine für positive Querablagefehler wirkende Aktivierungsfunktion, die abhängig von der Größe des Querablagefehlers d einen Aktivierungsfaktor a bereitstellt; -
5 beispielhaft eine für negative Querablagefehler wirkende Aktivierungsfunktion, die abhängig von der Größe des Querablagefehlers d einen Aktivierungsfaktor a bereitstellt; und -
6 beispielhaft ein Blockdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zur Kompensation einer Störgröße, die einen Querablagefehler hervorruft, veranschaulicht.
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1 an example of a schematic representation of a vehicle with electric steering and a driver assistance system for lateral lane guidance; -
2 by way of example, a schematic representation of a lateral deviation error with respect to a planned trajectory, which occurs due to a transverse inclination of the road surface; -
3 by way of example, a schematic functional diagram of a vehicle having a control unit for lateral control and an electric steering system with a steering angle controller; -
4 by way of example, an activation function acting for positive cross-deviation errors, which provides an activation factor a depending on the size of the cross-deviation error d; -
5 by way of example, an activation function acting for negative cross-deviation errors, which provides an activation factor a depending on the size of the cross-deviation error d; and -
6 by way of example, a block diagram illustrating the steps of a method for compensating for a disturbance that causes a cross-deviation error.
Das System 1 weist eine Steuereinheit 2 auf, die eine Sollspurdefinition erstellt oder eine solche Sollspurdefinition von einer übergeordneten Steuereinheit empfängt. Die Sollspurdefinition definiert die Trajektorie T, entlang der das Fahrzeug F bewegt werden soll.System 1 comprises a control unit 2 that creates a target lane definition or receives such a target lane definition from a higher-level control unit. The target lane definition defines the trajectory T along which vehicle F is to be moved.
Anschließend wird basierend auf einem Vergleich der tatsächlichen Position des Fahrzeugs F, d.h. der tatsächlich gefahrenen Trajektorie und der Solltrajektorie T der Querablagefehler d des Fahrzeugs F berechnet.Subsequently, the lateral deviation error d of the vehicle F is calculated based on a comparison of the actual position of the vehicle F, i.e. the actually driven trajectory and the target trajectory T.
Dieser Querablagefehler d wird einem Querregler 4 zugeführt. Der Querregler 4 ist dazu ausgebildet, basierend auf dem Querablagefehler d eine Reglerstellgröße δregier_soll bereitzustellen. Die Reglerstellgröße δregler_soll ist eine vom Querregler 4 ausgegebene Stellgröße, die einem Summationspunkt zugeführt wird.This cross-shift error d is fed to a cross-shift controller 4. The cross-shift controller 4 is configured to provide a controller manipulated variable δ regier_soll based on the cross-shift error d. The controller manipulated variable δ regler_soll is a manipulated variable output by the cross-shift controller 4, which is fed to a summation point.
Zudem weist die Steuereinheit 2 einen Kompensationszweig 10 auf, mittels dem eine Kompensation der Störgröße erfolgt.In addition, the control unit 2 has a compensation branch 10 by means of which the disturbance variable is compensated.
Die Steuereinheit 2 weist eine Schätzeinheit 5 zur Schätzung der Störgröße S auf oder eine Schnittstelle, über die die Störgröße S von einer externen Schätzeinheit empfangen wird. Die Störgröße S ist beispielsweise eine durch die Querneigung der Fahrbahn, auf der sich das Fahrzeug F bewegt, verursachte Störgröße. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Störgröße S durch den auf das Fahrzeug wirkenden Seitenwind verursacht.The control unit 2 has an estimation unit 5 for estimating the disturbance variable S or an interface via which the disturbance variable S is received from an external estimation unit. The disturbance variable S is, for example, a disturbance variable caused by the transverse slope of the roadway on which the vehicle F is moving. In an alternative embodiment, the disturbance variable S is caused by the crosswind acting on the vehicle.
Die Störgröße S wird anschließend vorzugsweise einer Transformationseinrichtung 6 zugeführt. Die Transformationseinrichtung 6 ist dazu konfiguriert, die Störgröße S in eine Kompensationsgröße K zu transformieren, wobei die Kompensationsgröße K die Einheit der Stellgröße δsoll aufweist, die die Lenkregeleinrichtung als Eingangsgröße erwartet (d.h. beispielsweise eine Größe Lenkwinkel, Drehmoment oder Spurstangenkraft). Nach dem Schaffen einer gleichen Einheit der Reglerstellgröße δregier_soll des Querreglers 4 und der vom Kompensationszweig 10 bereitgestellten Ausgangsgröße kann diese direkt zur Kompensation der Störgröße S auf die Reglerstellgröße δregler_soll aufgeschaltet werden und damit die Störung kompensieren.The disturbance variable S is then preferably fed to a transformation device 6. The transformation device 6 is configured to transform the disturbance variable S into a compensation variable K, wherein the compensation variable K has the unit of the manipulated variable δ setpoint that the steering control device expects as an input variable (i.e., for example, a steering angle, torque, or tie rod force). After creating an identical unit of the controller manipulated variable δ setpoint of the transverse controller 4 and the output variable provided by the compensation branch 10, this can be directly applied to the controller manipulated variable δ setpoint controller to compensate for the disturbance variable S and thus compensate for the disturbance.
Die Transformationseinrichtung 6 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, das rein statische oder das statische und dynamische Übertragungsverhalten zwischen der Stellgröße und dem Angriffspunkt der Störung zu berücksichtigen.The transformation device 6 is preferably designed to take into account the purely static or the static and dynamic transfer behavior between the manipulated variable and the point of application of the disturbance.
Die von der Transformationseinrichtung 6 bereitgestellte Kompensationsgröße K wird vorzugsweise einer Begrenzungseinrichtung 7 zugeführt. Durch die Begrenzungseinrichtung 7 wird die Kompensationsgröße K betragsmäßig limitiert, wodurch eine limitierte Kompensationsgröße Klim entsteht.The compensation variable K provided by the transformation device 6 is preferably fed to a limiting device 7. The limiting device 7 limits the amount of the compensation variable K, resulting in a limited compensation variable K lim .
Für den Fall, dass sich die Störgröße S auf die Querneigung der Fahrbahn bezieht, d.h. die Störgröße S gibt einen Querneigungswinkel α der Fahrbahn an, kann die Kompensationsgröße K beispielsweise dem Betrag nach derart limitiert werden, dass deren Werte einem maximalen Querneigungswinkel αmax entsprechen, d.h. die limitierte Kompensationsgröße Klim nimmt Werte an, die mit dem Wertebereich [-αmax; αmax] des Querneigungswinkels α korrelieren. Die Limitierung kann auch basierend auf der statistischen Verteilung des zu erwartenden Betrags der Störgröße S erfolgen, und zwar beispielsweise derart, dass die äußersten Enden der statistischen Verteilung der Störgröße S unberücksichtigt bleiben. Ein Beispiel dafür wäre die Limitierung derart, dass die limitierte Kompensationsgröße Klim 95% der statistisch auftretenden Fälle von auftretenden Querneigungswinkeln α der Fahrbahn abdeckt.In the event that the disturbance variable S relates to the transverse slope of the roadway, i.e. the disturbance variable S specifies a transverse slope angle α of the roadway, the compensation variable K can, for example, be limited in terms of its magnitude in such a way that its values correspond to a maximum transverse slope angle α max , i.e. the limited compensation variable K lim assumes values that correlate with the value range [-α max ; α max ] of the transverse slope angle α. The limitation can also be based on the statistical distribution of the expected magnitude of the disturbance variable S, for example in such a way that the outermost ends of the statistical distribution of the disturbance variable S are disregarded. An example of this would be the limitation in such a way that the limited compensation variable K lim corresponds to 95% of the sta covers all statistically occurring cases of transverse inclination angles α of the roadway.
Die limitierte Kompensationsgröße Klim, oder im Falle einer fehlenden Limitierung die Kompensationsgröße K selbst, wird einem Modifikator 8 zugeführt. Dieser Modifikator 8 empfängt zudem auch den Querablagefehler d.The limited compensation value K lim , or in the case of no limitation, the compensation value K itself, is fed to a modifier 8. This modifier 8 also receives the cross-deviation error d.
Der Modifikator 8 ist dazu ausgebildet, die limitierte Kompensationsgröße Klim oder die Kompensationsgröße K mit einer Aktivierungsfunktion A zu beaufschlagen. Durch die Aktivierungsfunktion A wird zum einen die Plausibilität der limitierten Kompensationsgröße Klim oder der Kompensationsgröße K in Bezug auf den ermittelten Querablagefehler d geprüft. Im Rahmen der Plausibilitätsprüfung wird insbesondere überprüft, ob die geschätzte Störgröße S, basierend auf der die limitierte Kompensationsgröße Klim oder die Kompensationsgröße K berechnet wird, dem Vorzeichen nach ursächlich für den ermittelten Querablagefehler d sein kann. Die in
Zum anderen setzt die Aktivierungsfunktion A eine vom Betrag des Querablagefehlers d abhängige Modifikation der Kompensationsgröße K oder - im Falle der Limitierung der Kompensationsgröße K - eine Modifikation der limitierten Kompensationsgröße Klim um. Insbesondere wird durch die Aktivierungsfunktion A ein vom Betrag des Querablagefehlers d abhängiger Aktivierungsfaktor a bereitgestellt, der vorzugsweise mit der Kompensationsgröße K oder der limitierten Kompensationsgröße Klim multipliziert wird. Der Aktivierungsfaktor a weist bei einem hohen Betrag des Querablagefehlers d einen maximalen Wert auf und fällt ab einem ersten Querablagefehlerschwellwert d0 vorzugsweise stetig auf null ab. Dadurch kann mittels der Aktivierungsfunktion A eine Überkompensation bzw. Fehlkompensation durch den Kompensationszweig 10 verhindert werden.On the other hand, the activation function A implements a modification of the compensation variable K that depends on the magnitude of the cross-slip error d or - if the compensation variable K is limited - a modification of the limited compensation variable K lim . In particular, the activation function A provides an activation factor a that depends on the magnitude of the cross-slip error d and is preferably multiplied by the compensation variable K or the limited compensation variable K lim . The activation factor a has a maximum value at a high magnitude of the cross-slip error d and preferably decreases continuously to zero from a first cross-slip error threshold value d 0 . In this way, overcompensation or incorrect compensation by the compensation branch 10 can be prevented by means of the activation function A.
Durch eine Summation der Reglerstellgröße δregler_soll des Querreglers 4 und der modifizierten Kompensationsgröße Kmod des Kompensationszweigs 10 wird die Stellgröße δsoll gebildet. Diese Stellgröße δsoll wird der elektrischen Lenkung 3, insbesondere der Lenkregeleinrichtung LR der elektrischen Lenkung 3 zugeführt. Die Stellgröße δsoll kann je nach Ausgestaltung der elektrischen Lenkung 3 beispielsweise der Soll-Lenkwinkel, das Soll-Lenkmoment oder eine Soll-Spurstangenkraft sein. Damit kann mittels des Systems 1 eine vorteilhafte Umsetzung der Querführung des Fahrzeugs F erfolgen.The manipulated variable δ soll is formed by summing the controller manipulated variable δ regler_soll of the transverse controller 4 and the modified compensation variable K mod of the compensation branch 10. This manipulated variable δ soll is fed to the electric steering system 3, in particular to the steering control device LR of the electric steering system 3. Depending on the design of the electric steering system 3, the manipulated variable δ soll can be, for example, the desired steering angle, the desired steering torque, or a desired tie rod force. Thus, the system 1 can advantageously implement the lateral guidance of the vehicle F.
Nachfolgend wird das Kompensationsverfahren in einem größeren Detaillierungsgrad basierend auf dem Beispiel einer Störung aufgrund einer Querneigung der Fahrbahn und einer der Querneigung der Fahrbahn entgegenwirkenden Kompensation beschrieben. Eine Querneigung der Fahrbahn verursacht eine senkrecht zur Fahrrichtung des Fahrzeugs F orientierte Kraft, die in die Richtung einer Zunahme des Querablagefehlers entlang des seitlichen Gefälles der Fahrbahn wirkt. Um die Zunahme des Querablagefehlers zu verhindern und diesen im Idealfall völlig zu kompensieren, ist die Aufschaltung einer Kompensationsgröße Kmod in Form eines Kompensationslenkwinkel δkomp auf die Reglerstellgröße δregier_soll erforderlich.The compensation procedure is described in greater detail below, based on the example of a disturbance caused by a transverse inclination of the road and a compensation that counteracts the transverse inclination of the road. A transverse inclination of the road causes a force oriented perpendicular to the vehicle's direction of travel F, which acts in the direction of an increase in the lateral deviation error along the lateral gradient of the road. To prevent the increase in the lateral deviation error and, ideally, to completely compensate for it, a compensation variable K mod in the form of a compensation steering angle δ comp is required to be applied to the controller control variable δ regier_soll .
Um diesen Kompensationslenkwinkel δkomp als Kompensationsgröße Kmod zu ermitteln, kann von der Tatsache Gebrauch gemacht werden, dass es aus Sicht des Querreglers 4 unerheblich ist, ob eine Querbeschleunigung von einer Fahrbahnkrümmung oder einer Fahrbahnquerneigung herrührt. Der stationäre Zusammenhang zwischen Querbeschleunigung und resultierendem Lenkwinkel kann daher der Gleichung des stationären Einspurmodells entnommen werden:
Dabei ist:
- aq
- Querbeschleunigung aufgrund der Fahrbahnquerneigung;
- I
- Radstand des Fahrzeugs;
- EG
- Eigenlenkgradient des Fahrzeugs;
- v
- Geschwindigkeit des Fahrzeugs;
- aq
- Lateral acceleration due to the road slope;
- I
- Wheelbase of the vehicle;
- EC
- Self-steering gradient of the vehicle;
- v
- speed of the vehicle;
Die durch die Fahrbahnquerneigung mit dem Querneigungswinkel α hervorgerufene Querbeschleunigung a ergibt sich aus:
Dabei ist:
- g
- Gravitationskonstante;
- α
- Querneigungswinkel;
- G
- gravitational constant;
- α
- bank angle;
Um die Querneigung der Fahrbahn zu kompensieren, wird, wie zuvor im Zusammenhang mit
Durch die Aufschaltung des Kompensationslenkwinkels δkomp wird dem Querregler 4 die Aufgabe der Kompensation der Fahrbahnquerneigung abgenommen, sofern der Querneigungseinfluss statisch und dynamisch ideal kompensiert wird. Dies bedingt gemäß Gl. (2), dass zum einen die Information der Querbeschleunigung aq aufgrund der Fahrbahnquerneigung und weiterhin die Parameter des Einspurmodells gemäß Gl. (1) in hoher Genauigkeit vorliegen.By applying the compensating steering angle δ comp, the task of compensating for the road's cross slope is relieved of the lateral controller 4, provided the influence of the cross slope is ideally compensated statically and dynamically. According to Equation (2), this requires that the information on the lateral acceleration a q due to the road's cross slope and, furthermore, the parameters of the single-track model according to Equation (1) are available with high accuracy.
Dies ist jedoch häufig nicht der Fall, da vor allem der Eigenlenkgradient EG über Fahrzeuglebensdauer als nicht konstant angenommen werden kann. So führen beispielsweise eine Beladungsänderung oder die Montage anderer Reifen zu einer Änderung des Eigenlenkverhaltens. Weiterhin liegt die aufgrund der Fahrbahnquerneigung entstehende Querbeschleunigung aq nicht direkt als Messgröße vor, sondern muss unter Verwendung vorhandener Fahrzeug-Inertialsensorik geschätzt werden. Eine übliche Vorgehensweise besteht im Wesentlichen darin, die aufgrund der Fahrbahnquerneigung entstehende Querbeschleunigung aq anhand der Beziehung
- v
- Fahrgeschwindigkeit;
- r
- Fahrzeug-Gierrate;
- ay
- Querbeschleunigung des Fahrzeugs;
- v
- driving speed;
- r
- vehicle yaw rate;
- ay
- Lateral acceleration of the vehicle;
Dieser Zusammenhang wird in der Literatur beispielsweise in Verbindung mit (extended) Kalmanfiltern verwendet, um auch in Anwesenheit von Signalstörungen und Rauschanteilen verwendeter Sensoren die Schätzung bestmöglich vorzunehmen. Voraussetzung ist allerdings, dass das Rauschen und die Signalstörungen als zeitlich unkorreliert und normalverteilt angenommen werden können. Dies ist jedoch bei einer Vielzahl von Sensorfehlern nicht gegeben. Dazu zählen beispielsweise Offset- und Linearitätsfehler, die zudem einem Temperatur- und Langzeitdrift unterworfen sind. Im Zuge der Sensorsignalverarbeitung werden zwar Funktionen zur Linearisierung und Offsetkompensation der Sensorwerte eingesetzt, speziell bei Fehlern mit hohem Driftverhalten, beispielsweise einem temperaturabhängigen Sensoroffset, können die Kompensationen diese jedoch stets nur mit einem zeitlichen Verzug beheben. Es bleiben hierdurch jeweils unkompensierte Fehleranteile in den Signalen für die Gierrate und der Querbeschleunigung, die sich im Sinne einer Fehlerfortpflanzung in einer nur ungenauen Schätzung der Querneigungsbeschleunigung aq abbilden.This relationship is used in the literature, for example, in conjunction with (extended) Kalman filters to ensure the best possible estimation even in the presence of signal interference and noise components from the sensors used. However, this requires that the noise and signal interference can be assumed to be temporally uncorrelated and normally distributed. However, this is not the case for a variety of sensor errors. These include, for example, offset and linearity errors, which are also subject to temperature and long-term drift. While functions for linearizing and offset compensating the sensor values are used during sensor signal processing, especially for errors with high drift behavior, such as a temperature-dependent sensor offset, the compensation can only correct these with a time delay. This leaves uncompensated error components in the yaw rate and lateral acceleration signals, which, due to error propagation, result in an inaccurate estimate of the lateral pitch acceleration a q .
Eine weitere Störgröße bei der Schätzung der Fahrbahnquerneigung ist ein eventueller Wankwinkel des Fahrzeugs F infolge unsymmetrischer Beladung oder auch infolge der Zentrifugalkraft bei Kurvenfahrt insbesondere bei hoher Schwerpunktlage. Auch hier besteht die Gefahr einer Über- oder Unterkompensation der tatsächlichen Fahrbahnquerneigung.Another factor that influences the estimation of the road's cross slope is a possible roll angle of the vehicle F due to asymmetrical loading or centrifugal force when cornering, especially with a high center of gravity. Here, too, there is a risk of over- or undercompensation of the actual road's cross slope.
Weiterhin gelingt die Schätzung der Querneigung stets nur mit einer Phasenverschiebung gegenüber der tatsächlich vorhandenen Querneigung aufgrund der notwendigen Signalfilterung der verwendeten fahrzeugdynamischen Messgrößen und den Signallatenzzeiten bei der Synthese und dem Versenden der Daten auf dem Kommunikationsbus des Fahrzeugs F. Der dynamische Verzug der Schätzung führt so bei schneller Änderung der physikalischen Fahrbahnquerneigung transient ebenfalls zu einer Fehlkompensation.Furthermore, the estimation of the transverse inclination is always only possible with a phase shift compared to the actually existing transverse inclination due to the necessary signal filtering of the vehicle dynamic measured variables used and the signal latency times during the synthesis and transmission of the data on the communication bus of the vehicle F. The dynamic delay of the estimation thus also leads to incorrect compensation in the event of rapid changes in the physical road transient cross inclination.
Eine schnelle Änderung der Fahrbahnquerneigung ergibt sich beispielsweise auch dadurch, wenn das Fahrzeug F mit hoher Fahrgeschwindigkeit im spitzen Winkel entlang von Fahrbahnspurrillen fährt. Bei jedem Überfahren einer der Schultern der Spurrillen ändert sich unmittelbar die Querneigungsbeschleunigung, die sich dann erst nach einer zeitlichen Verzögerung auf das Kompensationssignal auswirkt. Die Folge ist dann ein laterales Oszillieren des Fahrzeugs, da die benötigte Kompensation quasi nie exakt zum benötigten Zeitpunkt aufgeschaltet wird und beispielsweise dann immer noch ansteht, wenn die Schulter der Spurrille bereits überwunden ist. Die Folge ist ein weiteres Überfahren der Spurrille, bis sich das Kompensationssignal wieder abgebaut hat.A rapid change in the road's cross slope also occurs, for example, when vehicle F travels at high speed at an acute angle along road ruts. Each time the vehicle crosses one of the shoulders of the ruts, the cross slope acceleration changes immediately, which then only affects the compensation signal after a time delay. The result is lateral oscillation of the vehicle, since the required compensation is almost never activated at exactly the right time and, for example, is still present after the shoulder of the rut has already been overcome. The result is further driving over the rut until the compensation signal has dissipated again.
Wird aufgrund der Sensor- oder Modellfehler oder des Wankeinflusses oder dem verzögerten Bereitstellen der geschätzten Querneigung transient oder permanent ein zu hoher Kompensationslenkwinkel δkomp_soll ermittelt, liegt bei einer Aufschaltung der Fall einer Überkompensation vor. Hierdurch überquert das Fahrzeug transient (z.B. bei lateralem PID-Regler) oder permanent (z.B. bei lateralem PD-Regler) die Fahrbahnmitte in Richtung des ansteigenden Fahrbahnneigung. Bei einer Unterkompensation wird die Querneigung nur teilweise kompensiert, wodurch eine laterale Abweichung in Richtung der abfallenden Querneigung verbleibt.If the compensation steering is too high transiently or permanently due to sensor or model errors or the roll influence or the delayed provision of the estimated lateral inclination If the angle δ comp_setpoint is determined, overcompensation occurs when the vehicle is activated. This causes the vehicle to cross the center of the road transiently (e.g., with a lateral PID controller) or permanently (e.g., with a lateral PD controller) in the direction of the rising road gradient. Undercompensation occurs when the vehicle is only partially compensated for the transverse gradient, resulting in a lateral deviation in the direction of the falling transverse gradient.
Neben der angeführten Über- und Unterkompensation ist noch der Fall einer Fehlkompensation zu betrachten. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass das Vorzeichen des Kompensationslenkwinkels der angestrebten physikalischen Wirkung permanent oder transient entgegengesetzt ist. Hierdurch vergrößert sich der laterale Versatz des Fahrzeugs zur Trajektorie noch weiter, wodurch die Genauigkeit und Güte der Spurführung trotz aktiver Kompensationsfunktion abnimmt.In addition to the aforementioned over- and undercompensation, the case of miscompensation must also be considered. This is characterized by the sign of the compensating steering angle being permanently or transiently opposite to the desired physical effect. This further increases the lateral offset of the vehicle relative to the trajectory, reducing the accuracy and quality of the tracking despite the active compensation function.
In allen drei Fällen fehlerhafter Kompensation ist es dann notwendig, dass der Querregler 4 den unterkompensierten, überkompensierten oder fehlkompensierten Anteil ausregelt mit der Folge einer transienten Abweichung (bei Verwendung von Querreglern mit Integration der lateralen Regelabweichung wie beispielsweise PID-Regler) oder einem permanenten Querablagefehler (im Fall von Reglern ohne Integration der lateralen Abweichung wie beispielsweise PD-Reglern) bezogen auf die geplante Trajektorie.In all three cases of faulty compensation, it is then necessary for the cross controller 4 to correct the undercompensated, overcompensated or incorrectly compensated component, resulting in a transient deviation (when using cross controllers with integration of the lateral control deviation such as PID controllers) or a permanent cross offset error (in the case of controllers without integration of the lateral deviation such as PD controllers) related to the planned trajectory.
Zusammenfassend kann insbesondere in den Fällen einer Überkompensation oder einer Fehlkompensation das Querführungsverhalten des Fahrzeugs sogar schlechter sein als ohne Verwendung einer Querneigungskompensation.In summary, especially in cases of overcompensation or miscompensation, the lateral control behavior of the vehicle may even be worse than without the use of lateral tilt compensation.
In der vorliegenden Offenbarung wird vorgeschlagen, einen Kompensationslenkwinkel δkomp unter der Annahme idealer Sensordaten zu berechnen. Als grundlegende Berechnungsvorschrift können beispielsweise die Gleichungen Gl. 1 und Gl. 2 Anwendung finden. Als Plausibilisierungsmaßnahme wird mittels der Begrenzungseinrichtung 7 die Kompensationsgröße K auf ein Intervall begrenzt, das einem definierten Wertebereich der Querneigungswinkel α von [- α0, + α0] entspricht. Daraus ergibt sich eine Limitierung des Kompensationslenkwinkels δkomp. Mit den Gleichungen Gl. 1 und Gl. 2 erhält man
Dabei ist:
- aq
- geschätzte Querbeschleunigung aufgrund der Fahrbahnquerneigung;
- g
- Gravitationskonstante;
- α0
- limitierter Querneigungswinkel der Fahrbahn;
- I
- Radstand des Fahrzeugs;
- EG
- Eigenlenkgradient des Fahrzeugs;
- v
- Geschwindigkeit des Fahrzeugs;
- aq
- estimated lateral acceleration due to the road bank;
- G
- gravitational constant;
- α0
- limited cross slope angle of the roadway;
- I
- Wheelbase of the vehicle;
- EC
- Self-steering gradient of the vehicle;
- v
- speed of the vehicle;
Der maximal mögliche Betrag des Kompensationslenkwinkels δkomp ist definiert durch
Der Winkel α0 in Gl. 5 und Gl. 6 kann hierbei dem typischen maximalen Querneigungswinkel der Fahrbahnen des jeweiligen Landes entsprechen, in dem das Fahrzeug betrieben wird. Diese Begrenzung dient der Vermeidung, dass fehlerhaft ermittelte Kompensationslenkwinkel δkomp nur bis zu einer maximal erwartbaren Höhe aufgeschaltet werden. Bei der Wahl des Winkels α0 können, wie zuvor bereits beschrieben, auch die statistische Verteilung der Querneigungswinkel α zugrunde gelegt. Der Wert des Winkels α0 kann derart gewählt sein, dass gezielt nur eine Untermenge aller Querneigungen abgedeckt werden, beispielsweise nur 95 % der statistisch auftretenden Querneigungswinkel α. Durch Verzicht auf z.B. 5% der statistisch auftretenden Querneigungswinkel α lässt sich die Spanne des Kompensationslenkwinkel δkomp gezielt einschränken, mit einem vertretbaren Verlust an lateraler Regelgüte bezogen auf die über die Fahrzeuglebensdauer zurückgelegte Fahrstrecke.The angle α 0 in Eq. 5 and Eq. 6 can correspond to the typical maximum cross slope angle of the roadways in the respective country in which the vehicle is operated. This limitation serves to prevent incorrectly determined compensating steering angles δ comp from only being activated up to a maximum expected height. When selecting the angle α 0 , the statistical distribution of the cross slope angles α can also be used as a basis, as already described. The value of the angle α 0 can be selected such that only a subset of all cross slopes is covered, for example only 95% of the statistically occurring cross slope angles α. By omitting, for example, 5% of the statistically occurring cross slope angles α, the range of the compensating steering angle δ comp can be specifically restricted, with an acceptable loss of lateral control quality related to the distance covered over the vehicle's lifetime.
Anschließend wird die limitierte Kompensationsgröße Klim, insbesondere der limitierte Kompensationslenkwinkel einer Klassifizierung unterzogen dahingehend, dass die Vorzeichen der limitierten Kompensationsgröße Klim und des aktuellen Querablagefehler d zueinander in Relation gesetzt werden.Subsequently, the limited compensation variable K lim , in particular the limited compensation steering angle, is subjected to a classification in such a way that the signs of the limited compensation variable K lim and the current lateral deviation error d are related to each other.
Der Zählpfeil des Querablagefehlers d sei hierzu derart definiert, dass ein sich in Fahrtrichtung gesehen rechts der Sollspur befindliches Fahrzeug F einen positiven Querablagefehler d hervorruft. Eine positive Stellgröße δsoll bewirkt beispielsweise ein Gieren des Fahrzeugs F im Gegenuhrzeigersinn, d.h. in mathematisch positiver Richtung Drehrichtung.The counting arrow of the lateral deviation error d is defined such that a vehicle F located to the right of the target lane, as seen in the direction of travel, causes a positive lateral deviation error d. A positive control variable δ soll, for example, causes the vehicle F to yaw counterclockwise, i.e., in the mathematically positive direction of rotation.
Unterscheiden sich die Vorzeichen der limitierten Kompensationsgröße Klim und des Querablagefehlers d, so wird dies als Fehlkompensation klassifiziert. Als Folge wird die limitierte Kompensationsgröße Klim bei der Berechnung der Stellgröße δsoll nicht berücksichtigt bzw. der Kompensationslenkwinkel δkomp der von dem Kompensationszweig bereitgestellt wird, beträgt 0:
Die Regelgüte der Querregelung ist bei der Klassifizierung als Fehlkompensation zwar nur so gut wie bei einem Verzicht auf eine Störgrößenkompensation, jedoch wird die Querregelung nicht durch eine fehlerhafte Kompensation verschlechtert.When classified as faulty compensation, the control quality of the cross-control is only as good as if there was no disturbance compensation, but the cross-control is not impaired by faulty compensation.
Sind die Vorzeichen von Klim und d hingegen identisch, so wird eine Störgrößenaufschaltung vorgenommen, d.h. die Reglerstellgröße δregler_soll wird mit dem Kompensationslenkwinkel δkomp gemäß Gl. 3 beaufschlagt.If, however, the signs of K lim and d are identical, a disturbance feedforward is applied, ie the controller manipulated variable δ regler_soll is subjected to the compensation steering angle δ komp according to Eq. 3.
Dabei können die Fälle Unterkompensation, exakte Kompensation oder Überkompensation vorliegen. Welcher diese Fälle nun vorliegt, zeigt sich anhand der Reaktion auf die Aufschaltung des Kompensationslenkwinkels. Um diesen unterschiedlichen Fällen Rechnung zu tragen, erfolgt eine Aufschaltung des Kompensationslenkwinkels in Abhängigkeit vom sich einstellenden Querablagefehler d beispielsweise gemäß der Vorschrift
Dabei ist:
- Kmod
- modifizierte Kompensationsgröße;
- Klim
- limitierte Kompensationsgröße;
- d
- Querablagefehler;
- d0
- erster Querablagefehlerschwellwert.
- Kmod
- modified compensation quantity;
- Climate
- limited compensation amount;
- d
- Cross-laying error;
- d0
- first cross-departure error threshold.
Die sgn-Funktion, auch Vorzeichenfunktion oder Signumfunktion genannt, erzeugt dabei einen Wert von -1 bei negativem Argument und von + 1 bei positivem Argument.The sgn function, also called the sign function or signum function, produces a value of -1 for a negative argument and + 1 for a positive argument.
Der Funktionsteil
Wie aus den
Reduziert sich der Querablagefehler d nur bis auf einen verbleibenden Rest mit einem Betrag größer als d0, so liegt ein Fall von Unterkompensation vor. Die Regelgüte der Querregelung ist dadurch bereits besser als ohne die Anwendung einer Störgrößenkompensation, da der Querregler 4 zumindest teilweise unterstützt wird. Der verbleibende Regelfehler wird im Falle eines Querreglers 4 mit Integralanteil bis auf 0 reduziert. Der Kompensationszweig 10 wirkt als Vorsteuerung, die eine schnellere Reduzierung des Regelfehler bewirkt als ohne Anwendung der Störgrößenkompensation.If the cross-shift error d is reduced only to a residual value greater than d 0 , this is considered undercompensation. The control quality of the cross-shift control is thus already better than without the application of disturbance compensation, since the cross-shift controller 4 is at least partially supported. In the case of a cross-shift controller 4 with an integral component, the remaining control error is reduced to 0. The compensation branch 10 acts as a feedforward control, which reduces the control error more quickly than without the application of disturbance compensation.
Wird die modifizierte Kompensationsgröße Kmod bzw. der Kompensationslenkwinkel δkomp ohne vorliegende Signal- und Modellfehler exakt berechnet, liegt bis zum Erreichen des ersten Querablagefehlerschwellwerts d0 eine ideale und schnellstmögliche Störgrößenkompensation vor.If the modified compensation variable K mod or the compensation steering angle δ comp is calculated exactly without any signal and model errors, an ideal and fastest possible disturbance compensation is achieved until the first lateral deviation error threshold d 0 is reached.
Wenn der Querablagefehler d ausgehend von d0 weiter verringert wird, nimmt gemäß Gl. (8) (bzw. gemäß der Aktivierungsfunktion A) der Aktivierungsfaktor a stetig ab und der Kompensationslenkwinkel δkomp wird dadurch bis auf null reduziert. Bei Querreglern 4 mit PD-Charakteristik wird beispielsweise der stationäre Wert für d im Intervall [sgn(Klim)* d0... 0] zu liegen kommen, bei Reglern mit Integralanteil wird final im stationären Zustand ein Querablagefehler von null erreicht. Im Fall exakter Kompensation wird demnach insgesamt ebenfalls eine dynamischere Störungsausregelung erreicht als ohne Anwendung des Kompensationsverfahrens.If the lateral deviation error d is further reduced from d 0 , the activation factor a decreases continuously according to Equation (8) (or according to the activation function A), and the compensation steering angle δ comp is thereby reduced to zero. For lateral controllers 4 with PD characteristics, for example, the steady-state value for d will be in the interval [sgn(K lim )* d 0 ... 0]; for controllers with an integral component, a lateral deviation error of zero is ultimately achieved in the steady state. In the case of exact compensation, therefore, a more dynamic disturbance compensation is achieved overall than without the application of the compensation method.
Im Falle einer starken Überkompensation wird der Querablagefehler d sein Vorzeichen ändern und als Folge hiervon die Bedingung
Die Verwendung einer Aktivierungsfunktion A mit einem ersten Querablagefehlerschwellwert d0 verfolgt den Zweck, ein Entdämpfen bzw. eine erhöhte Schwingneigung des Querreglers 4 im Bereich der fallenden oder steigenden Flanken der Aktivierungsfunktion A zu vermeiden. Denn je kleiner der erste Querablagefehlerschwellwert d0 gewählt wird, desto stärker wird die Kompensation in Anhängigkeit vom Querablagefehler d reduziert. Im Grenzfall d0 → 0 erfolgt bei einem Vorzeichenwechsel von des Querablagefehlers d ein harter Wechsel zwischen der Aufschaltung des vollen Kompensationslenkwinkel δkomp und dem Wert 0. Diese Strukturumschaltung kann im Fall einer Überkompensation die Querregelung zu einem Grenzzyklus anregen in Form einer Dauerschwingung mit dem Resultat einer nicht akzeptablen Regelgüte. Durch das multiplikative Ausblenden der Kompensation mittels der Aktivierungsfunktion A mit ihrer endlichen Steigung in den Übergängen (vgl.
Der erste Querablagefehlerschwellwert d0 kann abhängig von der Fahrsituation, der Fahrstrecke, der Fahrbahnbreite b und/oder der Geschwindigkeit des Fahrzeugs F dynamisch angepasst werden. Auf Landstraßen sind beispielsweise aufgrund geringerer Fahrbahnbreite die Anforderungen an die Genauigkeit der Spurführung im Allgemeinen höher als auf Autobahnen, so dass beispielsweise im Geschwindigkeitsbereich unterhalb von 110 km/h bzw. bei als Landstraße klassifizierter Fahrbahn der erste Querablagefehlerschwellwert d0 kleiner gewählt wird als bei höheren Geschwindigkeiten bzw. bei als Autobahn klassifizierter Fahrbahn.The first lateral deviation error threshold d 0 can be dynamically adjusted depending on the driving situation, the route, the road width b and/or the speed of the vehicle F. On country roads, for example, the requirements for the accuracy of lane guidance are generally higher than on motorways due to the narrower road width, so that, for example, in the speed range below 110 km/h or on roads classified as country roads, the first lateral deviation error threshold d 0 is selected to be smaller than at higher speeds or on roads classified as motorways.
Vorzugsweise kann die modifizierte Kompensationsgröße Kmod bzw. der Kompensationslenkwinkel δkomp vor der Aufschaltung tiefpassgefiltert werden, beispielsweise mittels eines PT1-Filters. Da hierdurch die Amplitudenreserve der Querregelung in geringerem Umfang reduziert wird, kann eine höhere Steigung der Aktivierungsfunktion A und damit ein kleinerer erster Querablagefehlerschwellwert d0 gewählt werden. Im Gegenzug führt die Tiefpassfilterung zu einer verzögerten Aufschaltung der Störgrößenkompensation, im Einzelfall kann durch Simulation oder im Fahrversuch ein adäquater Kompromiss gefunden werden. Bereits Filterzeitkonstanten ab 0,1 s erlauben typischerweise eine Reduzierung des ersten Querablagefehlerschwellwerts d0.Preferably, the modified compensation variable K mod or the compensation steering angle δ comp can be low-pass filtered before activation, for example, using a PT1 filter. Since this reduces the amplitude reserve of the lateral control to a lesser extent, a higher gradient of the activation function A and thus a smaller first lateral deviation error threshold d 0 can be selected. In contrast, low-pass filtering leads to a delayed activation of the disturbance variable compensation; in individual cases, an adequate compromise can be found through simulation or road testing. Filter time constants as low as 0.1 s typically allow a reduction of the first lateral deviation error threshold d 0 .
Es sei angemerkt, dass die Aktivierungsfunktion A gemäß den
Des Weiteren sei angemerkt, dass dem Querablagefehler d, dem der minimale Aktivierungsfaktor a zugeordnet ist, hier auch als zweiter Querablagefehlerschwellwert d1 bezeichnet (s.
Zunächst wird ein Querablagefehler des Fahrzeugs in Bezug auf eine geplante Trajektorie ermittelt (S10).First, a lateral deviation error of the vehicle with respect to a planned trajectory is determined (S10).
Anschließend wird eine Störgröße geschätzt, die den Querablagefehler des Fahrzeugs verursacht (S11).Subsequently, a disturbance variable causing the vehicle's lateral deviation error is estimated (S11).
Basierend auf der geschätzten Störgröße wird eine Kompensationsgröße ermittelt (S12).Based on the estimated disturbance, a compensation value is determined (S12).
Anschließend wird eine Aktivierungsfunktion auf die Kompensationsgröße angewendet, wodurch eine modifizierte Kompensationsgröße erhalten wird (S13).Subsequently, an activation function is applied to the compensation variable, resulting in a modified compensation variable (S13).
Basierend auf der modifizierten Kompensationsgröße wird eine Reglerstellgröße, die von einem Querregler des Fahrzeugs bereitgestellt wird, verändert, wodurch eine Stellgröße gebildet wird (S14).Based on the modified compensation variable, a controller control variable provided by a transverse controller of the vehicle is changed, thereby forming a control variable (S14).
Diese Stellgröße wird der Lenkregeleinrichtung der elektrischen Lenkung des Fahrzeugs zur Querführung des Fahrzeugs zugeführt (S15).This control variable is fed to the steering control device of the vehicle's electric steering system for lateral guidance of the vehicle (S15).
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der durch die Patentansprüche definierte Schutzbereich verlassen wird.The invention has been described above using exemplary embodiments. It is understood that numerous changes and modifications are possible without departing from the scope of protection defined by the patent claims.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Systemsystem
- 22
- SteuereinheitControl unit
- 33
- Elektrische LenkungElectric steering
- 44
- QuerreglerAileron
- 55
- SchätzeinheitEstimation unit
- 66
- TransformationseinrichtungTransformation facility
- 77
- BegrenzungseinrichtungLimiting device
- 88
- Modifikatormodifier
- 1010
- KompensationszweigCompensation branch
- αα
- Querneigungswinkelbank angle
- AA
- AktivierungsfunktionActivation function
- A1A1
- erster Funktionsbereichfirst functional area
- A2A2
- zweiter Funktionsbereichsecond functional area
- A3A3
- dritter Funktionsbereichthird functional area
- aa
- AktivierungsfaktorActivation factor
- bb
- FahrspurbreiteLane width
- dd
- QuerablagefehlerCross-placement error
- d0d0
- erster Querablagefehlerschwellwertfirst cross-deviation error threshold
- d1d1
- zweiter Querablagefehlerschwellwertsecond cross-deviation error threshold
- δsollδtarget
- StellgrößeControl variable
- δregler_sollδcontroller_setpoint
- ReglerstellgrößeController control variable
- δkompδcomp
- KompensationslenkwinkelCompensation steering angle
- FF
- Fahrzeugvehicle
- hh
- FahrbahnhöheRoad height
- KK
- KompensationsgrößeCompensation value
- KlimClimate
- limitierte Kompensationsgrößelimited compensation size
- KmodKmod
- modifizierte Kompensationsgrößemodified compensation variable
- SS
- StörgrößeDisturbance
- TT
- TrajektorieTrajectory
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102024205546.8A DE102024205546B3 (en) | 2024-06-17 | 2024-06-17 | Method and system for compensating lateral guidance disturbances of a vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE102024205546.8A DE102024205546B3 (en) | 2024-06-17 | 2024-06-17 | Method and system for compensating lateral guidance disturbances of a vehicle |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102024205546B3 true DE102024205546B3 (en) | 2025-09-18 |
Family
ID=96879574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102024205546.8A Active DE102024205546B3 (en) | 2024-06-17 | 2024-06-17 | Method and system for compensating lateral guidance disturbances of a vehicle |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102024205546B3 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005049071A1 (en) * | 2005-10-13 | 2007-04-19 | Robert Bosch Gmbh | Lane keeping support system for motor vehicle, has reference model comprising integral action controller and limiting device, and computing geometrical data concerning vehicle position and data relevant to lane |
| DE102010029245A1 (en) * | 2010-05-25 | 2011-12-01 | Robert Bosch Gmbh | Method for cross-wind compensation in vehicles, involves comparing sign of cross-wind with sign of cross-wind change |
| DE102018104473A1 (en) * | 2017-04-19 | 2018-10-25 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Automatic driving system |
-
2024
- 2024-06-17 DE DE102024205546.8A patent/DE102024205546B3/en active Active
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