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DE102023202007B4 - Computer-implemented method and computer program for controlling a longitudinal or lateral guidance of a driving system and hardware unit for a driving system - Google Patents

Computer-implemented method and computer program for controlling a longitudinal or lateral guidance of a driving system and hardware unit for a driving system Download PDF

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DE102023202007B4
DE102023202007B4 DE102023202007.6A DE102023202007A DE102023202007B4 DE 102023202007 B4 DE102023202007 B4 DE 102023202007B4 DE 102023202007 A DE102023202007 A DE 102023202007A DE 102023202007 B4 DE102023202007 B4 DE 102023202007B4
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control signals
driving system
sampling times
executed
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Tobias Ehlgen
Mario Baydar
Thomas Hodrius
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ZF Friedrichshafen AG
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Abstract

Computerimplementiertes Verfahren zum Regeln einer Längs- oder Querführung eines Fahrsystems, wobei ein modellprädiktiver Regelungsalgorithmus (MPC) in ersten Abtastzeitpunkten (tk MPC, tk+1 MPC) ausgeführt wird und jeweils eine zukünftige Trajektorie (xk+1 MPC) des Fahrsystems über einen in die ersten Abtastzeitpunkte (tk MPC, tk+1 MPC) unterteilten Zeithorizont (T) und Steuersignale (uMPC) zur Realisierung dieser Trajektorie bestimmt (V1); indem zu jedem der ersten Abtastzeitpunkt (tk MPC) ein aktueller Zustand des Fahrsystems basierend auf mittels Sensoren des Fahrsystems erfassten Daten bestimmt wird (V2); durch Minimierung einer vorgegebenen Kostenfunktion über den Zeithorizont (T) eine Abfolge von Steuersignalen (uMPC) zum Fahren entlang der Trajektorie bestimmt wird (V3), indem ein vom aktuellen Zustand abhängiges Optimierungsproblem gelöst wird (V4); das aus der Abfolge der Steuersignale (uMPC) erhaltene erste Steuersignal (u1 MPC) wenigstens einem Aktuator (Act) des Fahrsystems für die Längs- oder Querführung bereitgestellt wird (V5); der Zeithorizont (T) auf den folgenden der ersten Abtastzeitpunkte (tk+1 MPC) verschoben wird (V6); die vorangehenden Schritte wiederholt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervalle (Δt) zwischen aufeinanderfolgenden ersten Abtastzeitpunkten (tk MPC, tk+1 MPC) jeweils in zweite Abtastzeitpunkte (t̂j AI, t̂i AI, t̂l AI) unterteilt sind; ein Maschinenlernmodell (AI), das auf Daten betreffend Zustände des Fahrsystems in Verkehrsszenarien trainiert wurde, Steuersignale (ûAI) für eine Trajektorienregelung des Fahrsystems vorherzusagen, eingesetzt und in den zweiten Abtastzeitpunkten (t̂j AI, t̂i AI, t̂l AI) ausgeführt wird und jeweils zweite Steuersignale (û2 AI) bestimmt (V7); die zweiten Steuersignale (û2 AI) dem Aktuator (Act) bereitgestellt werden und von diesem ausgeführt werden (V8); in den ersten Abtastzeitpunkten (tk MPC, tk+1 MPC) die ersten Steuersignale (u1 MPC) mit den jeweils zeitlich parallelen zweiten Steuersignalen (û2 AI) verglichen werden (V9) und falls die zweiten Steuersignale (û2 AI) von den ersten Steuersignalen (u1 MPC) abweichen, die ersten Steuersignale (u1 MPC) von dem Aktuator (Act) ausgeführt werden (V10).

Figure DE102023202007B4_0000
Computer-implemented method for controlling the longitudinal or lateral guidance of a driving system, wherein a model-predictive control algorithm (MPC) is executed at first sampling times (t k MPC , t k+1 MPC ) and determines a future trajectory (x k+1 MPC ) of the driving system over a time horizon (T) divided into the first sampling times (t k MPC , t k+1 MPC ) and control signals (u MPC ) for implementing this trajectory (V1); by determining a current state of the driving system at each of the first sampling times (t k MPC ) based on data acquired by sensors of the driving system (V2); by minimizing a predetermined cost function over the time horizon (T), a sequence of control signals (u MPC ) for driving along the trajectory is determined (V3) by solving an optimization problem dependent on the current state (V4); the first control signal (u 1 MPC ) obtained from the sequence of control signals (u MPC ) is provided to at least one actuator (Act) of the driving system for the longitudinal or lateral guidance (V5); the time horizon (T) is shifted to the following of the first sampling times (t k+1 MPC ) (V6); the preceding steps are repeated, characterized in that the time intervals (Δt) between successive first sampling times (t k MPC , t k+1 MPC ) are each divided into second sampling times (t̂ j AI , t̂ i AI , t̂ l AI ); a machine learning model (AI) trained on data relating to states of the driving system in traffic scenarios to predict control signals (û AI ) for trajectory control of the driving system is used and executed at the second sampling times (t̂ j AI , t̂ i AI , t̂ l AI ) and determines second control signals (û 2 AI ) in each case (V7); the second control signals (û 2 AI ) are provided to the actuator (Act) and are executed by it (V8); at the first sampling times (t k MPC , t k+1 MPC ) the first control signals (u 1 MPC ) are compared with the respective temporally parallel second control signals (û 2 AI ) (V9) and if the second control signals (û 2 AI ) deviate from the first control signals (u 1 MPC ), the first control signals (u 1 MPC ) are executed by the actuator (Act) (V10).
Figure DE102023202007B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren und ein Computerprogramm zum Regeln einer Längs- oder Querführung eines Fahrsystems. Ferner betrifft die Erfindung eine Hardwareeinheit für ein Fahrsystem.The invention relates to a computer-implemented method and a computer program for controlling the longitudinal or lateral guidance of a driving system. Furthermore, the invention relates to a hardware unit for a driving system.

Folgende Definitionen, Beschreibungen und Ausführungen behalten ihre jeweilige Bedeutung für und finden Anwendung auf den gesamten offenbarten Erfindungsgegenstand.The following definitions, descriptions and embodiments retain their respective meaning for and apply to the entire disclosed subject matter.

Modellprädiktive Regelung, auch model predictive control genannt, abgekürzt MPC, ist ein bekannter Algorithmus zur Regelung von Systemen. Bekanntermaßen ist die Laufzeit eines solches Algorithmus langsam ist. Ferner ist es schwierig, einen derartigen Algorithmus auf einem eingebetteten System aufgrund Limitierung von Rechen- und Speicherkapazitäten des eingebetteten Systems zum Laufen zu bringen. Es ist bekannt, dass MPC ein sicheres Verfahren ist und man Nachweise über die Stabilität führen kann. Nachteilig ist, dass MPC sehr rechenintensiv ist und eine relativ lange Laufzeit benötigt.Model predictive control (MPC) is a well-known algorithm for controlling systems. It is well known that such an algorithm runs slowly. Furthermore, it is difficult to run such an algorithm on an embedded system due to limitations in the embedded system's computing and memory capacity. MPC is known to be a reliable method, and its stability can be proven. The disadvantage is that MPC is very computationally intensive and requires a relatively long runtime.

Anstatt eines modellprädiktiven Regelungsalgorithmus kann auch ein System der künstlichen Intelligenz, abgekürzt KI, beispielsweise ein Maschinenlernmodell, zur Regelung eingesetzt, siehe beispielsweise Dimitri Bertsekas, Reinforcement Learning and Optimal Control, Athena Scientific, 2019, ISBN 1886529396, 9781886529397 . Das Maschinenlernmodell ist beispielsweise ein künstliches neuronales Netzwerk. Das Maschinenlernmodell ist relativ zum modellprädiktiven Regelungsalgorithmus schnell, allerdings fehlt bisher ein Nachweis über die Stabilität von Algorithmen aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz zum Regeln von Systemen.Instead of a model predictive control algorithm, an artificial intelligence system, abbreviated AI, for example a machine learning model, can also be used for control, see for example Dimitri Bertsekas, Reinforcement Learning and Optimal Control, Athena Scientific, 2019, ISBN 1886529396, 9781886529397 The machine learning model, for example, is an artificial neural network. The machine learning model is fast compared to model-predictive control algorithms, but there is currently no evidence of the stability of artificial intelligence algorithms for controlling systems.

Es sind Ansätze bekannt, bei denen ein bereits entwickelter modellprädiktiver Regelungsalgorithmus mit einem Algorithmus aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz ersetzt werden soll, siehe beispielsweise Murad Dawood et al., Handling Sparse Rewards in Reinforcement Learning Using Model Predictive Control, arXiv:2210.01525v1 . Außerdem ist bekannt, das verwendetet Modell im modellprädiktiven Regelungsalgorithmus von einem künstlichen neuronalen Netzwerk lernen zu lassen, siehe Tim Salzmann et al., Real-time Neural MPC: Deep Learning Model Predictive Control for Quadrotors and Agile Robotic Platforms, arXiv:2203.07747v2 .There are known approaches in which an already developed model predictive control algorithm is to be replaced with an algorithm from the field of artificial intelligence, see for example Murad Dawood et al., Handling Sparse Rewards in Reinforcement Learning Using Model Predictive Control, arXiv:2210.01525v1 . It is also known that the model used in the model predictive control algorithm can be learned by an artificial neural network, see Tim Salzmann et al., Real-time Neural MPC: Deep Learning Model Predictive Control for Quadrotors and Agile Robotic Platforms, arXiv:2203.07747v2 .

Weiterer Stand der Technik ist beispielsweise in DE 10 2019 214 923 A1 , DE 10 2019 214 935 A1 , DE 10 2021 205 037 A1 und EP 3 498 555 A1 offenbart.Further state of the art can be found, for example, in DE 10 2019 214 923 A1 , DE 10 2019 214 935 A1 , DE 10 2021 205 037 A1 and EP 3 498 555 A1 revealed.

Die Erfindung geht aus von einem gattungsgemäßen modellprädiktiven Regelungsalgorithmus wie offenbart beispielsweise in https://www.ist.uni-stuttgart.de/research/group-of-frank-allgoewer/model-predictive-control/ oder https://www.mathworks.com/help/mpc/gs/what-is-mpc.html . Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, wie Regelungsalgorithmen, beispielsweise in sicherheitskritischen Systemen, stabil und schnell ausgerechnet werden können. Modellprädiktive Regelung ist stabil, aber nicht schnell. Ein trainiertes Maschinenlernmodell ist schnell, aber nicht stabil.The invention is based on a generic model predictive control algorithm as disclosed for example in https://www.ist.uni-stuttgart.de/research/group-of-frank-allgoewer/model-predictive-control/ or https://www.mathworks.com/help/mpc/gs/what-is-mpc.html The problem underlying the invention is how control algorithms, for example in safety-critical systems, can be calculated stably and quickly. Model predictive control is stable, but not fast. A trained machine learning model is fast, but not stable.

Die Gegenstände des unabhängigen und der nebengeordneten Ansprüche lösen jeweils diese Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Definitionen, den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.The subject matter of the independent and subordinate claims each solves this problem. Advantageous embodiments of the invention emerge from the definitions, the subclaims, the drawings, and the description of preferred embodiments.

Nach einem Aspekt stellt die Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren bereit zum Regeln einer Längs- oder Querführung eines Fahrsystems. Längsführung umfasst beispielsweise positives Beschleunigen und Bremsen. Querführung umfasst beispielsweise Lenken. Das Fahrsystem kann sich auf einzelne Komponenten eines Fahrsystems beziehen. Komponenten des Fahrsystems sind beispielsweise Antrieb, Fahrwerk oder Sensorik umfassend Umfelderkennungssensoren. Umfelderkennungssensoren sind beispielsweise Kamera, Radar, Lidar oder Akustiksensoren. Die Sensorik kann auch wenigstens eine inertiale Messeinheit umfassen. Das Fahrsystem kann sich auch auf ein Fahrzeug als solches beziehen. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Passagierfahrzeug oder ein Nutzfahrzeug. Beispielsweise ist das Fahrzeug ein Shuttle zum Transport von Personen oder Gütern. Nach einem Aspekt ist das Fahrzeug automatisiert betreibbar. Beispielsweise ist das Fahrzeug ein autonomes Personenshuttle.According to one aspect, the invention provides a computer-implemented method for controlling the longitudinal or lateral guidance of a driving system. Longitudinal guidance includes, for example, positive acceleration and braking. Lateral guidance includes, for example, steering. The driving system can relate to individual components of a driving system. Components of the driving system are, for example, the drive, chassis, or sensor technology including environment detection sensors. Environment detection sensors are, for example, cameras, radar, lidar, or acoustic sensors. The sensor technology can also comprise at least one inertial measuring unit. The driving system can also relate to a vehicle as such. The vehicle is, for example, a passenger vehicle or a commercial vehicle. For example, the vehicle is a shuttle for transporting people or goods. According to one aspect, the vehicle can be operated automatically. For example, the vehicle is an autonomous passenger shuttle.

In dem Verfahren wird ein modellprädiktiver Regelungsalgorithmus in ersten Abtastzeitpunkten ausgeführt. In den ersten Abtastzeitpunkten wird jeweils eine zukünftige Trajektorie des Fahrsystems über einen in die ersten Abtastzeitpunkte unterteilten Zeithorizont und Steuersignale zur Realisierung dieser Trajektorie bestimmt. Nach einem Aspekt sind die ersten Abtastzeitpunkte äquidistant. Beispielsweise kann ein Zeithorizont von 60 s vorausgesagt werden, der in Abtastzeitpunkte oder Zeitschritte von jeweils 1s unterteilt ist. Die Steuersignale können Logikpegel sein, beispielsweise elektrische Spannungspegel.In the method, a model-predictive control algorithm is executed at first sampling times. At each of the first sampling times, a future trajectory of the driving system is determined over a time horizon divided into the first sampling times, along with control signals for implementing this trajectory. According to one aspect, the first sampling times are equidistant. For example, a time horizon of 60 s can be predicted, which is divided into sampling times or time steps of 1 s each. The control signals can be logic levels, for example, electrical voltage levels.

Der modellprädiktive Regelungsalgorithmus kann eine lineare oder nichtlineare modellprädiktiver Regelung umfassen. Bei der modellprädiktiven Regelung wird zeitdiskretes dynamisches Modell des zu regelnden Prozesses verwendet, um das zukünftige Verhalten des Prozesses in Abhängigkeit von den Eingangsdaten zu berechnen.The model predictive control algorithm can comprise a linear or nonlinear model predictive control. In model predictive control, a discrete-time dynamic model of the process to be controlled to calculate the future behavior of the process depending on the input data.

Die Grundidee des modellprädiktiven Regelungsalgorithmus besteht darin, das künftige Verhalten des geregelten Systems über einen endlichen Zeithorizont vorherzusagen und einen optimalen Regeleingang zu berechnen, der bei gleichzeitiger Erfüllung der gegebenen Systembeschränkungen ein a priori definiertes Kostenfunktional minimiert. Genauer gesagt wird der Steuereingang berechnet, indem zu jedem Abtastzeitpunkt ein Problem der optimalen Steuerung mit endlichem Horizont gelöst wird. Der erste Teil der sich daraus ergebenden optimalen Eingangstrajektorie wird dann bis zum nächsten Abtastzeitpunkt auf das System angewandt, wobei der Zeithorizont verschoben und das ganze Verfahren zyklisch wiederholt wird.The basic idea of the model predictive control algorithm is to predict the future behavior of the controlled system over a finite time horizon and to compute an optimal control input that minimizes an a priori defined cost functional while satisfying the given system constraints. More precisely, the control input is computed by solving a finite-horizon optimal control problem at each sampling time. The first part of the resulting optimal input trajectory is then applied to the system until the next sampling time, shifting the time horizon and repeating the entire procedure cyclically.

Zu jedem der ersten Abtastzeitpunkt wird ein aktueller Zustand des Fahrsystems basierend auf mittels Sensoren des Fahrsystems erfassten Daten bestimmt wird. Der Zustand kann Orientierung, Pose und/oder Bewegungszustand, beispielsweise Betrag und Richtung der Fahrgeschwindigkeit, des Fahrsystems relativ zu Objekten aus einem Umfeld des Fahrsystems, beispielsweise Fahrzeuge, Fußgänger, Vegetationsobjekte, Infrastrukturobjekte, umfassen. Der Zustand kann durch Geschwindigkeit, Beschleunigung, Roll-, Nick- und/oder Gierwinkel, Lenkwinkel, Komponententemperaturen, Motor-, Getriebe- und/oder Energiezustandsdaten und/oder Sollmomente gekennzeichnet sein. Der Zustand kann ein Umfeldmodell betreffen. Die Daten können mit Umfelderkennungssensoren des Fahrsystems, beispielsweise Kamera, Radar, Lidar und/oder Akustiksensoren, erfasst werden.At each of the first sampling times, a current state of the driving system is determined based on data acquired by sensors of the driving system. The state can include the orientation, pose and/or movement state, for example the magnitude and direction of the driving speed, of the driving system relative to objects in the driving system's environment, such as vehicles, pedestrians, vegetation objects, infrastructure objects. The state can be characterized by speed, acceleration, roll, pitch and/or yaw angles, steering angle, component temperatures, engine, transmission and/or energy state data and/or target torques. The state can relate to an environment model. The data can be acquired using environment detection sensors of the driving system, for example cameras, radar, lidar and/or acoustic sensors.

Durch Minimierung einer vorgegebenen Kostenfunktion über den Zeithorizont wird eine Abfolge von Steuersignalen zum Fahren entlang der Trajektorie bestimmt, indem ein vom aktuellen Zustand abhängiges Optimierungsproblem gelöst wird. Der modellprädiktive Regelungsalgorithmus kann ein Modell betreffend Zustand und Fahraufgabe des Fahrsystems umfassen, das mittels der Kostenfunktion optimiert wird.By minimizing a given cost function over the time horizon, a sequence of control signals for driving along the trajectory is determined by solving an optimization problem dependent on the current state. The model predictive control algorithm can include a model of the state and driving task of the driving system, which is optimized using the cost function.

Das aus der Abfolge der Steuersignale erhaltene erste Steuersignal wird wenigstens einem Aktuator des Fahrsystems für die Längs- oder Querführung bereitgestellt wird. Der Aktuator setzt die Steuersignale in Wirkungen um. Der Aktuator kann beispielsweise ein Elektromotor, ein Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder oder Ventil sein. Der Aktuator wirkt beispielsweise auf Antriebstrang, Bremsen, Stoßdämpfer oder Federung ein. Beispielsweise kann eine Perzeptions-Funktionseinheit des Fahrsystems umfassend Umfelderkennungssensoren eine zukünftige Trajektorie planen. Die Trajektorie wird durch die Aktuatoren umgesetzt.The first control signal obtained from the sequence of control signals is provided to at least one actuator of the driving system for longitudinal or lateral guidance. The actuator converts the control signals into effects. The actuator can be, for example, an electric motor, a pneumatic cylinder, a hydraulic cylinder, or a valve. The actuator acts, for example, on the drive train, brakes, shock absorbers, or suspension. For example, a perception functional unit of the driving system comprising environment detection sensors can plan a future trajectory. The trajectory is implemented by the actuators.

Der Zeithorizont wird dann auf den folgenden der ersten Abtastzeitpunkte verschoben und die vorangehenden Schritte wiederholt, insbesondere zyklisch wiederholt. Beispielsweise wird, um einen Zeithorizont von 60 s vorauszusagen, in jedem Zeitschritt von beispielsweise 1 s die nächsten 60 s vorausberechnet. Damit wird eine Sicherheit, Robustheit und Garantie erreicht.The time horizon is then shifted to the next of the first sampling times, and the previous steps are repeated, particularly cyclically. For example, to predict a time horizon of 60 s, the next 60 s are calculated in each time step of, say, 1 s. This ensures security, robustness, and guarantees.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden ersten Abtastzeitpunkten jeweils in zweite Abtastzeitpunkte unterteilt sind. Nach einem Aspekt sind die zweiten Abtastzeitpunkte äquidistant. Beispielsweise ist das Zeitintervall aufeinanderfolgender erster Abtastzeitpunkte 1 s lang und die zweiten Abtastzeitpunkte jeweils 10 ms beabstandet.The method is characterized in that the time intervals between successive first sampling times are each divided into second sampling times. According to one aspect, the second sampling times are equidistant. For example, the time interval between successive first sampling times is 1 s long, and the second sampling times are each spaced 10 ms apart.

Ein Maschinenlernmodell, das auf Daten betreffend Zustände des Fahrsystems in Verkehrsszenarien trainiert wurde, Steuersignale für eine Trajektorienregelung des Fahrsystems vorherzusagen, wird eingesetzt und in den zweiten Abtastzeitpunkten ausgeführt wird. Im Vergleich zu dem modellprädiktiven Regelungsalgorithmus hat das trainierte Maschinenlernmodell eine kürzere Laufzeit und ist weniger rechenintensiv. Dabei bestimmt das Maschinenlernmodell jeweils zweite Steuersignale. Maschinelles Lernen ist eine Technologie, die Computern und anderen Datenverarbeitungsvorrichtungen die Ausführung von Aufgaben durch Lernen aus Daten lehrt, anstatt für die Aufgaben programmiert zu werden. Das Maschinenlernmodell ist beispielsweise ein künstliches neuronales Netzwerk.A machine learning model trained on data concerning driving system states in traffic scenarios to predict control signals for trajectory control of the driving system is deployed and executed at the second sampling time points. Compared to the model-predictive control algorithm, the trained machine learning model has a shorter runtime and is less computationally intensive. The machine learning model determines second control signals in each case. Machine learning is a technology that teaches computers and other data processing devices how to perform tasks by learning from data, rather than being programmed for the tasks. The machine learning model is, for example, an artificial neural network.

Die zweiten Steuersignale werden dem Aktuator bereitgestellt und von diesem ausgeführt. Beispielsweise wird das Maschinenlernmodell in einem Rechenzyklus des modellprädiktiven Regelungsalgorithmus, der beispielsweise 1 s lang dauert, 100-mal ausgeführt. In diesem Beispiel erhält man mittels des Maschinenlernmodells innerhalb einer 1 s 100 zweite Steuersignale in einem Abstand von jeweils 10 ms, wobei der modellprädiktive Regelungsalgorithmus nur jede Sekunde ausgeführt wird. Ohne das Maschinenlernmodell müsste der modellprädiktive Regelungsalgorithmus alle 10 ms ausgeführt werden, um innerhalb 1 s 100 Steuersignale zu bestimmen, was sehr rechenintensiv wäre. Mit der hier offenbarten, relativ kleinen, Abtastrate für das Maschinenlernmodell kann das Maschinenlernmodell häufig ausgeführt werden. Damit können schnelle Entscheidungen auf der hier offenbarten Hardwareeinheit betreffend die Trajektorienregelung erzielt werden. Durch die Kombination mit dem modellprädiktive Regelungsalgorithmus, der in einem relativ langsamen Takt ausgeführt wird, wird eine Stabilität erreicht. kann.The second control signals are provided to the actuator and executed by it. For example, the machine learning model is executed 100 times in one computing cycle of the model-predictive control algorithm, which lasts, for example, 1 s. In this example, using the machine learning model, 100 second control signals are obtained within 1 s, each at an interval of 10 ms, with the model-predictive control algorithm only being executed every second. Without the machine learning model, the model-predictive control algorithm would have to be executed every 10 ms to determine 100 control signals within 1 s, which would be very computationally intensive. With the relatively small sampling rate for the machine learning model disclosed here, the machine learning model can be executed frequently. This allows fast decisions regarding trajectory control to be made on the hardware unit disclosed here. By combining it with the model-predictive control algorithm, which is implemented in Stability is achieved when executed at a relatively slow clock rate.

In den ersten Abtastzeitpunkten werden die ersten Steuersignale mit den jeweils zeitlich parallelen zweiten Steuersignalen verglichen. Falls die zweiten Steuersignale von den ersten Steuersignalen abweichen, werden die ersten Steuersignale von dem Aktuator ausgeführt. Dies bietet den Vorteil, dass der modellprädiktive Regelungsalgorithmus eingreifen kann, wenn das Maschinenlernmodell Ergebnisse berechnet, die nicht einer Stabilität entsprechen und damit die Sicherheitsanforderungen verletzen könnten. Bei dem Vergleich der ersten Steuersignale mit den zweiten Steuersignalen kann nach einem Aspekt ein Toleranzbereich für die ersten Steuersignale vorgegeben sein, innerhalb dessen die zweiten Steuersignale bei dem Vergleich liegen dürfen und von dem Aktuator ausgeführt werden.At the first sampling times, the first control signals are compared with the respective temporally parallel second control signals. If the second control signals deviate from the first control signals, the first control signals are executed by the actuator. This offers the advantage that the model-predictive control algorithm can intervene if the machine learning model calculates results that do not correspond to stability and could therefore violate safety requirements. When comparing the first control signals with the second control signals, according to one aspect, a tolerance range for the first control signals can be specified, within which the second control signals may lie during the comparison and are executed by the actuator.

Nach einem Aspekt entspricht ein Abstand zweier aufeinanderfolgender erster Abtastzeitpunkte der Zeit, die das Fahrsystem benötigt, bevor es in einen unsicheren Zustand übergeht. Aus der Sicherheitsbetrachtung des Fahrsystems ist bekannt, dass es eine Zeit gibt, die das Fahrsystem benötigt, bevor es in einen unsicheren Zustand übergeht. Diese Zeit kann nun als Laufzeit für den modellprädiktiven Regelungsalgorithmus genutzt werden. Damit das Fahrsystem weiterhin komfortabel oder auch effizient zu fahren ist, übernimmt das Maschinenlernmodell die Rolle des hochfrequenten Algorithmus, um durch eine schnelle Regelung ein möglichst komfortables und effizientes Ergebnis zu erreichen. Der modellprädiktive Regelungsalgorithmus übernimmt die Aufgabe der sicheren Regelung, welche deutlich langsamer laufen kann als das Maschinenlernmodell.According to one aspect, the interval between two consecutive first sampling times corresponds to the time the driving system needs before it transitions into an unsafe state. From the safety considerations of the driving system, it is known that there is a time the driving system needs before it transitions into an unsafe state. This time can then be used as the runtime for the model-predictive control algorithm. To ensure that the driving system can continue to be driven comfortably or efficiently, the machine learning model takes on the role of the high-frequency algorithm in order to achieve the most comfortable and efficient result possible through fast control. The model-predictive control algorithm assumes the task of safe control, which can run significantly slower than the machine learning model.

Nach einem weiteren Aspekt ist die Abfolge der zweiten Abtastzeitpunkte relativ zu der Abfolge der ersten Abtastzeitpunkte hochfrequent. Beispielsweise ist die Frequenz, innerhalb der das Maschinenlernmodell ausgeführt wird, 100-mal größer als die des modellprädiktiven Regelungsalgorithmus.According to another aspect, the sequence of the second sampling times is high-frequency relative to the sequence of the first sampling times. For example, the frequency at which the machine learning model is executed is 100 times higher than that of the model-predictive control algorithm.

Nach einem weiteren Aspekt wird die Längs- und die Querführung des Fahrsystems geregelt. Dies ermöglicht einen geregelten hochautomatisierten Betrieb des Fahrsystems.Another aspect involves controlling the longitudinal and lateral guidance of the driving system. This enables controlled, highly automated operation of the driving system.

Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogramm bereit zum Regeln einer Längs- oder Querführung eines Fahrsystems. Das Computerprogramm umfasst Programmbefehle, die den Computer dazu veranlassen, das hier offenbarte Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogramm auf den Computer geladen oder von dem Computer ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann als interpretierbarer Code, der auf den Computer geladen wird, beispielsweise direkt in einen internen Speicher des Computers, oder als compilierter Code, der von dem Computer ausgeführt wird, bereitgestellt werden. Bei der Interpretation führt während der Laufzeit in ein Interpreter Operationen für das zu interpretierende Programm aus. Der Interpreter ist beispielsweise ein anderes Computerprogramm, das während der Laufzeit des hier offenbarten Computerprogramms die Einhaltung übergeordneter Sicherheitsrichtlinien erzwingen kann. Beim Compilieren wird ein in einer Quellsprache verfasstes Programm in ein in vieler Hinsicht gleichwertiges Programm in einer anderen Sprache übersetzt. Die Bereitstellung kann beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Träger, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist, beispielsweise auf einem nichtflüchtigen Speichermedium, oder über ein Datenträgersignal erfolgen. Die Programmbefehle können Maschinenbefehle, Quelltext oder Objektcodes sein, geschrieben in Assemblersprache, einer objektorientierten Programmiersprache, beispielsweise C++, oder in einer prozeduralen Programmiersprache, beispielsweise C.According to a further aspect, the invention provides a computer program for controlling the longitudinal or lateral guidance of a driving system. The computer program comprises program instructions that cause the computer to execute the method disclosed herein when the computer program is loaded onto the computer or executed by the computer. The computer program can be provided as interpretable code that is loaded onto the computer, for example, directly into an internal memory of the computer, or as compiled code that is executed by the computer. During interpretation, an interpreter executes operations for the program to be interpreted during runtime. The interpreter is, for example, another computer program that can enforce compliance with higher-level safety guidelines during the runtime of the computer program disclosed herein. During compilation, a program written in one source language is translated into a program in another language that is equivalent in many respects. The provision can be made, for example, on a machine-readable medium on which the computer program is stored, for example, on a non-volatile storage medium, or via a data carrier signal. The program instructions can be machine instructions, source code or object code, written in assembly language, an object-oriented programming language such as C++, or in a procedural programming language such as C.

Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Hardwareeinheit bereit für ein Fahrsystem. Die Hardwareeinheit wird auch high performance unit genannt, abgekürzt HPU. Die Hardwareeinheit umfasst wenigstens einen Zentralprozessor, einen Speicher, wenigstens einen Hardwarebeschleuniger für Maschinenlernmodelle und eine Datenübertragungsvorrichtung, über die der Zentralprozessor, der Speicher und der Hardwarebeschleuniger für Datenübertragung verbunden sind. Die Mikroarchitektur der Hardwareeinheit ist spezialisiert für das hier offenbarte Ausführen des modellprädiktiven Regelungsalgorithmus und des Maschinenlernmodells. Nach einem Aspekt umfasst die Hardwareeinheit mehrere Zentralprozessoren, auch central processing units genannt, abgekürzt CPU. Der Speicher kann beispielsweise eine Flash-EEPROM, das heißt electrically erasable programmable read-only memory, Speichereinheit und/oder eine RAM, das heißt random access memory, Speichereinheit umfassen. Hardwarebeschleuniger für Maschinenlernmodell umfassen beispielsweise geringe Präzisionsarithmetik, beispielsweise werden spezielle Datenformate umfassend half-precision format und bfloat16 floating-point format verarbeitet, und/oder spezielle Mikroarchitekturen für parallelisiertes Prozessieren von Berechnungen oder Abläufen. Spezielle Mikroarchitekturen für parallelisiertes Prozessieren können Mikroarchitekturen von Graphikprozessoren, auch graphical processing unit genannt, abgekürzt GPU, sein oder darauf aufbauende Architekturen. Der Hardwarebeschleuniger verbessert eine Echtzeit-Applikation des Maschinenlernmodells. Die Datenübertragungsvorrichtung kann ein Systembus sein, beispielsweise ein Hochgeschwindigkeitsbus.According to a further aspect, the invention provides a hardware unit for a driving system. The hardware unit is also called a high-performance unit, abbreviated to HPU. The hardware unit comprises at least one central processor, a memory, at least one hardware accelerator for machine learning models, and a data transmission device via which the central processor, the memory, and the hardware accelerator are connected for data transmission. The microarchitecture of the hardware unit is specialized for executing the model-predictive control algorithm and the machine learning model disclosed here. According to one aspect, the hardware unit comprises multiple central processors, also called central processing units, abbreviated to CPU. The memory can, for example, comprise a flash EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) storage unit and/or a RAM (random access memory). Hardware accelerators for machine learning models comprise, for example, low-precision arithmetic, for example, special data formats including half-precision format and bfloat16 floating-point format are processed, and/or special microarchitectures for parallelized processing of calculations or sequences. Special microarchitectures for parallelized processing can be microarchitectures of graphics processors, also called graphical processing units (GPUs), or architectures based on them. The hardware accelerator improves a real-time application of the machine learning model. The data transmission device can be a system bus, for example, a high-speed bus.

Die Hardwareeinheit ist beispielsweise ein eingebettetes System, beispielsweise ein elektronisches Steuergerät. Die Hardwareeinheit kann als Ein-Chip-System, auch system on chip genannt, abgekürzt SoC, ausgeführt sein. Bei einem Ein-Chip-System sind alle oder zumindest ein großer Teil der Funktionen eines programmierbaren elektronischen Systems auf einem Chip, das heißt einem Die, integriert.The hardware unit is, for example, an embedded system, such as an electronic control unit. The hardware unit can be implemented as a single-chip system, also called a system-on-chip (SoC). In a single-chip system, all or at least a large portion of the functions of a programmable electronic system are integrated on one chip, i.e., a die.

Das hier offenbarte Computerprogramm ist in den Speicher ladbar.The computer program disclosed here is loadable into memory.

Mittels der Datenübertragungsvorrichtung werden bei geladenem Computerprogramm die Programmbefehle des Computerprogramms, die den hier offenbarten modellprädiktiven Regelungsalgorithmus betreffen, auf den Zentralprozessor geladen oder von diesem ausgeführt werden.By means of the data transmission device, when the computer program is loaded, the program instructions of the computer program relating to the model predictive control algorithm disclosed here are loaded onto the central processor or executed by the central processor.

Mittels der Datenübertragungsvorrichtung werden bei geladenem Computerprogramm die Programmbefehle des Computerprogramms, die das hier offenbarte Maschinenlernmodell betreffen, auf den Hardwarebeschleuniger geladen oder von diesem ausgeführt werden.By means of the data transmission device, when the computer program is loaded, the program instructions of the computer program relating to the machine learning model disclosed here are loaded onto the hardware accelerator or executed by it.

Damit ist der Zentralprozessor entlastet und hinsichtlich Rechenkapazitäten frei für den modellprädiktiven Regelungsalgorithmus. Mittels des Hardwarebeschleunigers kann das Maschinenlernmodell schnell und Energie effizient ausgeführt werden.This relieves the central processor of computational load, freeing up computing capacity for the model-predictive control algorithm. The hardware accelerator allows the machine learning model to run quickly and energy-efficiently.

Durch die hier offenbarte Hardwareeinheit, insbesondere durch das Ausführen des modellprädiktiven Regelungsalgorithmus auf dem Zentralprozessor und das Ausführen des Maschinenlernmodells auf dem Hardwarebeschleuniger, werden Sicherheitsfunktionen bereitgestellt. Nach einem Aspekt ist die Hardwareeinheit ASIL-D Level, dem höchsten automotive safety integrity level, betriebssicher ausgeführt. Damit ist die Hardwareeinheit für datenintensive Automobilanwendungen, beispielweise Domain- und Zonensteuerungen, konfiguriert.The hardware unit disclosed here, in particular by executing the model-predictive control algorithm on the central processor and executing the machine learning model on the hardware accelerator, provides safety functions. According to one aspect, the hardware unit is designed to be operationally safe to ASIL-D level, the highest automotive safety integrity level. Thus, the hardware unit is configured for data-intensive automotive applications, such as domain and zone control.

Der klassische modellprädiktiven Regelungsalgorithmus dient dabei als Sicherheits- oder Überwachungs- Pfad und stellt die benötigten Systemgrenzen oder Aussteuerungsgrenzen sicher. Die Ausführung des Maschinenlernmodells auf dem Hardwarebeschleuniger ermöglicht im Vergleich zum modellprädiktiven Regelungsalgorithmus relativ schnelle Iterationsschleifen und stellt die Systemperformanz sicher. Mittels der Datenübertragungsvorrichtung wird das Maschinenlernmodell zyklisch durch die Ergebnisse des modellprädiktiven Regelungsalgorithmus korrigiert. Damit werden vorteilhafterweise numerische oder algorithmische Divergenzen verhindert.The classic model-predictive control algorithm serves as a safety or monitoring path and ensures the required system boundaries or modulation limits. Executing the machine learning model on the hardware accelerator enables relatively fast iteration loops compared to the model-predictive control algorithm and ensures system performance. Using the data transmission device, the machine learning model is cyclically corrected using the results of the model-predictive control algorithm. This advantageously prevents numerical or algorithmic divergences.

Die hier offenbarte Hardwareeinheit ermöglicht eine bessere Leistung, höhere Sicherheit, Energieeffizienz und Ressourcenschonung.The hardware unit disclosed here enables better performance, higher security, energy efficiency and resource conservation.

Nach einem weiteren Aspekt umfasst die Hardwareeinheit mehrere der Hardwarebeschleuniger. Das Maschinenlernmodell wird verteilt auf die Hardwarebeschleuniger geladen oder verteilt auf diese ausgeführt. Damit werden Rechenressourcen und die Laufzeit des Maschinenlernmodells optimiert.According to another aspect, the hardware unit comprises several of the hardware accelerators. The machine learning model is loaded or executed in a distributed manner across the hardware accelerators. This optimizes computing resources and the runtime of the machine learning model.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des hier offenbarten computerimplementierten Verfahrens, des hier offenbarten Computerprogramms oder der hier offenbarten Hardwareeinheit in einem automatisierten Betrieb eines Fahrsystems.A further aspect of the invention relates to the use of the computer-implemented method, the computer program or the hardware unit disclosed here in an automated operation of a driving system.

Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Es zeigen:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer MPC Prädiktion für eine Trajektorie und reales System,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel einer MPC Prädiktion für ein Steuersignal und reales System,
  • 3 ein Ausführungsbeispiel einer hier offenbarten Regelung mit MPC und AI Prädiktion,
  • 4 ein Ausführungsbeispiel einer hier offenbarten Hardwareeinheit und
  • 5 eine schematische Darstellung eines hier offenbarten Verfahrens.
The invention is illustrated in the following exemplary embodiments. They show:
  • 1 an embodiment of an MPC prediction for a trajectory and real system,
  • 2 an embodiment of an MPC prediction for a control signal and real system,
  • 3 an embodiment of a control system disclosed here with MPC and AI prediction,
  • 4 an embodiment of a hardware unit disclosed here and
  • 5 a schematic representation of a method disclosed here.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder funktionsähnliche Teile. Übersichtshalber sind in den einzelnen Figuren lediglich die für das jeweilige Verständnis relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.In the figures, identical reference numerals designate identical or functionally similar parts. For clarity, only the reference parts relevant to the respective understanding are marked in the individual figures.

1 zeigt eine Trajektorie x(t) mit realen Punkten xk aufgetragen über eine Zeit t. Ein modellprädiktiver Regelungsalgorithmus MPC bestimmt über einen Zeithorizont T, der in erste Abtastzeitpunkte tk MPC unterteilt ist, die in einem Zeitintervall Δt beabstandet sind, jeweils Punkte xk+1 MPC der Trajektorie x(t), siehe auch 3. Der Zeithorizont T wird nach jedem Rechenzyklus des modellprädiktiven Regelungsalgorithmus MPC um das Zeitintervall Δt in positive Zeitrichtung weitergeschoben. 1 shows a trajectory x(t) with real points x k plotted over a time t. A model predictive control algorithm MPC determines points x k+1 MPC of the trajectory x(t) over a time horizon T, which is divided into first sampling times t k MPC , which are spaced apart by a time interval Δt, see also 3 . The time horizon T is shifted forward by the time interval Δt in the positive time direction after each calculation cycle of the model predictive control algorithm MPC.

2 zeigt ein Steuersignal u(t) aufgetragen über der Zeit t. Der modellprädiktive Regelungsalgorithmus MPC bestimmt in jedem Zeithorizont T eine Abfolge von Steuersignalen uMPC mit jeweils einem ersten Steuersignal u1 MPC. 2 shows a control signal u(t) plotted over time t. The model predictive control algorithm MPC determines a sequence of control signals u MPC in each time horizon T, each with a first control signal u 1 MPC .

3 zeigt eine Aufteilung des Zeitintervalls Δt = tk+1 MPC - tk MPC in hochfrequente zweite Abtastzeitpunkte t̂i AI, in denen jeweils ein trainiertes Maschinenlernmodell AI ausgeführt wird und dabei die Abfolge von Steuersignalen ûAI bestimmt mit einem zweiten Steuersignal û2 AI. Die Steuersignal ûAI des Maschinenlernmodells resultieren in Punkten x̂i AI der Trajektorie x(t). Solange die Punkte x̂i AI des Maschinenlernmodells AI innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches Δ relativ zu den mit dem modellprädiktiven Regelungsalgorithmus MPC bestimmten Punkten xk MPC liegen, erfolgt kein Eingriff des modellprädiktiven Regelungsalgorithmus MPC. Liegt im ersten Abtastzeitpunkt tk+t MPC der mit dem Maschinenlernmodell AI bestimmte Punkt x̂k+1 AI außerhalb des Toleranzbereiches Δ des mit dem modellprädiktiven Regelungsalgorithmus MPC bestimmten Punktes xk+1 MPC, wird nicht das zugrunde liegende, mit dem Maschinenlernmodell AI bestimmte Steuersignal ûk+1 AI, sondern das mit dem modellprädiktiven Regelungsalgorithmus MPC bestimmte Steuersignal uk+1 MPC von einem Aktuator Act für Fahrzeugsteuerung ausgeführt. 3 shows a division of the time interval Δt = t k+1 MPC - t k MPC into high-frequency second sampling times t̂ i AI , in each of which a trained The machine learning model AI is executed and determines the sequence of control signals û AI with a second control signal û 2 AI . The control signals û AI of the machine learning model result in points x̂ i AI of the trajectory x(t). As long as the points x̂ i AI of the machine learning model AI lie within a specified tolerance range Δ relative to the points x k MPC determined with the model predictive control algorithm MPC, the model predictive control algorithm MPC does not intervene. If, at the first sampling time t k+t MPC , the point x̂ k+1 AI determined with the machine learning model AI lies outside the tolerance range Δ of the point x k+1 MPC determined with the model predictive control algorithm MPC, not the underlying control signal û k+1 AI determined with the machine learning model AI, but the control signal u k+1 MPC determined with the model predictive control algorithm MPC is executed by an actuator Act for vehicle control.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Hardwareeinheit HPU. Die Hardwareeinheit HPU umfasst beispielsweise zwei Zentralprozessoren CPU1 und CPU2. Auf dem Zentralprozessor CPU1 wird der modellprädiktive Regelungsalgorithmus MPC ausgeführt, umfassend das Bestimmen der Punkte xk MPC der Trajektorie x(t) und von den ersten Steuersignalen u1 MPC. 4 shows an embodiment of a hardware unit HPU. The hardware unit HPU comprises, for example, two central processors CPU1 and CPU2. The model predictive control algorithm MPC is executed on the central processor CPU1, comprising determining the points x k MPC of the trajectory x(t) and the first control signals u 1 MPC .

Die Hardwareeinheit HPU umfasst außerdem beispielsweise zwei Hardwarebeschleuniger AI Acc1 und AI Acc2 für das Maschinenlernmodell AI. Das Maschinenlernmodell AI wird auf den Hardwarebeschleunigern Acc1 und AI Acc2 verteilt ausgeführt. Dabei werden die Punkte x̂i AI und die zweiten Steuersignale û2 AI bestimmt.The hardware unit HPU also includes, for example, two hardware accelerators AI Acc1 and AI Acc2 for the machine learning model AI. The machine learning model AI is executed in a distributed manner across the hardware accelerators Acc1 and AI Acc2. The points x̂ i AI and the second control signals û 2 AI are determined.

Die Hardwareeinheit HPU umfasst ferner einen Speicher Mem, in dem das hier offenbarte Computerprogramm umfassend Programmbefehle für den modellprädiktiven Regelungsalgorithmus MPC und Programmbefehle für das Maschinenlernmodell AI.The hardware unit HPU further comprises a memory Mem in which the computer program disclosed here, comprising program instructions for the model predictive control algorithm MPC and program instructions for the machine learning model AI, is stored.

Die Hardwareeinheit HPU umfasst des Weiteren eine Datenübertragungsvorrichtung X-Bar, mittels der die Zentralprozessoren CPU1, CPU2, der Speicher Mem und die Hardwarebeschleuniger für eine Datenübertragung verbunden sind.The hardware unit HPU further comprises a data transmission device X-Bar, by means of which the central processors CPU1, CPU2, the memory Mem and the hardware accelerators are connected for data transmission.

Die ersten Steuersignale u1 MPC und die zweiten Steuersignale û2 AI werden in einer Vergleichseinheit Com miteinander verglichen. Falls dabei die zweiten Steuersignale û2 AI außerhalb eines Toleranzbereiches Δ der ersten Steuersignale u1 MPC liegen, wird der Aktuator mit den ersten Steuersignalen u1 MPC angesteuert.The first control signals u 1 MPC and the second control signals û 2 AI are compared with each other in a comparison unit Com. If the second control signals û 2 AI lie outside a tolerance range Δ of the first control signals u 1 MPC , the actuator is controlled with the first control signals u 1 MPC .

4 zeigt das hier offenbarte Verfahren. In einem Verfahrensschritt V1 wird der modellprädiktiver Regelungsalgorithmus MPC in ersten Abtastzeitpunkten tk MPC, tk+1 MPC ausgeführt wird und jeweils eine zukünftige Trajektorie xk+1 MPC des Fahrsystems über den in die ersten Abtastzeitpunkte tk MPC, tk+1 MPC unterteilten Zeithorizont T und Steuersignale uMPC zur Realisierung dieser Trajektorie bestimmt. 4 shows the method disclosed here. In a method step V1, the model predictive control algorithm MPC is executed at first sampling times t k MPC , t k+1 MPC , and a future trajectory x k+1 MPC of the driving system is determined over the time horizon T divided into the first sampling times t k MPC , t k+1 MPC , and control signals u MPC for implementing this trajectory are determined.

In einem Verfahrensschritt V2 wird dabei zu jedem der ersten Abtastzeitpunkt tk MPC ein aktueller Zustand des Fahrsystems basierend auf mittels Sensoren des Fahrsystems erfassten Daten bestimmt wird.In a method step V2, a current state of the driving system is determined at each of the first sampling times t k MPC based on data acquired by sensors of the driving system.

In einem Verfahrensschritt V3 wird durch Minimierung einer vorgegebenen Kostenfunktion über den Zeithorizont T eine Abfolge der Steuersignale uMPC zum Fahren entlang der Trajektorie bestimmt.In a method step V3, a sequence of control signals u MPC for driving along the trajectory is determined by minimizing a given cost function over the time horizon T.

In einem Verfahrensschritt V4 wird hierzu ein vom aktuellen Zustand abhängiges Optimierungsproblem gelöst.In a process step V4, an optimization problem dependent on the current state is solved.

In einem Verfahrensschritt V5 wird das aus der Abfolge der Steuersignale uMPC erhaltene erste Steuersignal u1 MPC wenigstens einem Aktuator Act des Fahrsystems für die Längs- oder Querführung bereitgestellt.In a method step V5, the first control signal u 1 MPC obtained from the sequence of control signals u MPC is provided to at least one actuator Act of the driving system for the longitudinal or lateral guidance.

In einem Verfahrensschritt V6 wird der Zeithorizont T auf den folgenden der ersten Abtastzeitpunkte tk+1 MPC verschoben.In a process step V6, the time horizon T is shifted to the following of the first sampling times t k+1 MPC .

In einem Verfahrensschritt V7 wird die Wiederholung der vorangehenden Schritte gestartet.In a process step V7 the repetition of the previous steps is started.

Die Zeitintervalle Δt zwischen aufeinanderfolgenden ersten Abtastzeitpunkten tk MPC, tk+1 MPC sind jeweils in zweite Abtastzeitpunkte t̂j AI, t̂i AI, t̂j AI unterteilt. In einem Verfahrensschritt V7 wird das Maschinenlernmodell AI, das auf Daten betreffend Zustände des Fahrsystems in Verkehrsszenarien trainiert wurde, Steuersignale ûAI für eine Trajektorienregelung des Fahrsystems vorherzusagen, eingesetzt und in den zweiten Abtastzeitpunkten t̂j AI, t̂i AI, t̂l AI ausgeführt. Dabei werden jeweils die zweiten Steuersignale û2 AI bestimmt.The time intervals Δt between successive first sampling times t k MPC , t k+1 MPC are each subdivided into second sampling times t̂ j AI , t̂ i AI , t̂ j AI . In a method step V7, the machine learning model AI, which was trained on data relating to states of the driving system in traffic scenarios to predict control signals û AI for trajectory control of the driving system, is used and executed at the second sampling times t̂ j AI , t̂ i AI , t̂ l AI . In the process, the second control signals û 2 AI are determined in each case.

In einem Verfahrensschritt V8 werden die zweiten Steuersignale û2 AI dem Aktuator Act bereitgestellt und von diesem ausgeführt.In a method step V8, the second control signals û 2 AI are provided to the actuator Act and executed by it.

In einem Verfahrensschritt V9 werden in den ersten Abtastzeitpunkten tk MPC, tk+1 MPC die ersten Steuersignale u1 MPC mit den jeweils zeitlich parallelen zweiten Steuersignalen û2 AI verglichen.In a method step V9, at the first sampling times t k MPC , t k+1 MPC the first control signals u 1 MPC are compared with the respective temporally parallel second control signals û 2 AI .

Falls die zweiten Steuersignale û2 AI von den ersten Steuersignalen u1 MPC signifikant abweichen, werden in einem Verfahrensschritt V10 die ersten Steuersignale u1 MPC von dem Aktuator Act ausgeführt.If the second control signals û 2 AI deviate significantly from the first control signals u 1 MPC , the first control signals u 1 MPC are executed by the actuator Act in a method step V10.

BezugszeichenReference symbol

MPCMPC
modellprädiktiver Regelungsalgorithmusmodel predictive control algorithm
AIAI
MaschinenlernmodellMachine learning model
tt
ZeitTime
AA
AktuatorActuator
xx
OrtLocation
x(t)x(t)
Trajektorietrajectory
xkxk
Punkt der Trajektorie x(t)Point of the trajectory x(t)
xk+1MPCxk+1MPC
Punkt einer Trajektorie aus MPCPoint of a trajectory from MPC
ΔΔ
ToleranzbereichTolerance range
tkMPCtkMPC
erster Abtastzeitpunkt für MPCfirst sampling time for MPC
ΔtΔt
ZeitintervallTime interval
TT
ZeithorizontTime horizon
uMPCuMPC
Steuersignal aus MPCControl signal from MPC
u1MPCu1MPC
erstes Steuersignal aus MPCfirst control signal from MPC
x̂iAIx̂iAI
Punkt einer Trajektorie aus AIPoint of a trajectory from AI
t̂iAIt̂iAI
zweiter Abtastzeitpunkt für AIsecond sampling point for AI
ûAIAI
Steuersignal aus AIControl signal from AI
û2AIû2AI
zweites Steuersignal aus AIsecond control signal from AI
V1-V10V1-V10
VerfahrensschrittProcess step
HPUHPU
Hardwareeinheithardware unit
CPU1, CPU2CPU1, CPU2
Zentralprozessorcentral processor
MemMem
Speichermemory
AI Acc1, AI Acc2AI Acc1, AI Acc2
Hardwarebeschleuniger für MaschinenlernmodelleHardware accelerators for machine learning models
X-BarX-Bar
DatenübertragungsvorrichtungData transmission device
ComCom
VergleicheinheitComparison unit

Claims (8)

Computerimplementiertes Verfahren zum Regeln einer Längs- oder Querführung eines Fahrsystems, wobei ein modellprädiktiver Regelungsalgorithmus (MPC) in ersten Abtastzeitpunkten (tk MPC, tk+1 MPC) ausgeführt wird und jeweils eine zukünftige Trajektorie (xk+1 MPC) des Fahrsystems über einen in die ersten Abtastzeitpunkte (tk MPC, tk+1 MPC) unterteilten Zeithorizont (T) und Steuersignale (uMPC) zur Realisierung dieser Trajektorie bestimmt (V1); indem zu jedem der ersten Abtastzeitpunkt (tk MPC) ein aktueller Zustand des Fahrsystems basierend auf mittels Sensoren des Fahrsystems erfassten Daten bestimmt wird (V2); durch Minimierung einer vorgegebenen Kostenfunktion über den Zeithorizont (T) eine Abfolge von Steuersignalen (uMPC) zum Fahren entlang der Trajektorie bestimmt wird (V3), indem ein vom aktuellen Zustand abhängiges Optimierungsproblem gelöst wird (V4); das aus der Abfolge der Steuersignale (uMPC) erhaltene erste Steuersignal (u1 MPC) wenigstens einem Aktuator (Act) des Fahrsystems für die Längs- oder Querführung bereitgestellt wird (V5); der Zeithorizont (T) auf den folgenden der ersten Abtastzeitpunkte (tk+1 MPC) verschoben wird (V6); die vorangehenden Schritte wiederholt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervalle (Δt) zwischen aufeinanderfolgenden ersten Abtastzeitpunkten (tk MPC, tk+1 MPC) jeweils in zweite Abtastzeitpunkte (t̂j AI, t̂i AI, t̂l AI) unterteilt sind; ein Maschinenlernmodell (AI), das auf Daten betreffend Zustände des Fahrsystems in Verkehrsszenarien trainiert wurde, Steuersignale (ûAI) für eine Trajektorienregelung des Fahrsystems vorherzusagen, eingesetzt und in den zweiten Abtastzeitpunkten (t̂j AI, t̂i AI, t̂l AI) ausgeführt wird und jeweils zweite Steuersignale (û2 AI) bestimmt (V7); die zweiten Steuersignale (û2 AI) dem Aktuator (Act) bereitgestellt werden und von diesem ausgeführt werden (V8); in den ersten Abtastzeitpunkten (tk MPC, tk+1 MPC) die ersten Steuersignale (u1 MPC) mit den jeweils zeitlich parallelen zweiten Steuersignalen (û2 AI) verglichen werden (V9) und falls die zweiten Steuersignale (û2 AI) von den ersten Steuersignalen (u1 MPC) abweichen, die ersten Steuersignale (u1 MPC) von dem Aktuator (Act) ausgeführt werden (V10). Computer-implemented method for controlling the longitudinal or lateral guidance of a driving system, wherein a model-predictive control algorithm (MPC) is executed at first sampling times (t k MPC , t k+1 MPC ) and determines a future trajectory (x k+1 MPC ) of the driving system over a time horizon (T) divided into the first sampling times (t k MPC , t k+1 MPC ) and control signals (u MPC ) for implementing this trajectory (V1); by determining a current state of the driving system at each of the first sampling times (t k MPC ) based on data acquired by sensors of the driving system (V2); by minimizing a predetermined cost function over the time horizon (T), a sequence of control signals (u MPC ) for driving along the trajectory is determined (V3) by solving an optimization problem dependent on the current state (V4); the first control signal (u 1 MPC ) obtained from the sequence of control signals (u MPC ) is provided to at least one actuator (Act) of the driving system for the longitudinal or lateral guidance (V5); the time horizon (T) is shifted to the following of the first sampling times (t k+1 MPC ) (V6); the preceding steps are repeated, characterized in that the time intervals (Δt) between successive first sampling times (t k MPC , t k+1 MPC ) are each divided into second sampling times (t̂ j AI , t̂ i AI , t̂ l AI ); a machine learning model (AI) trained on data relating to states of the driving system in traffic scenarios to predict control signals (û AI ) for trajectory control of the driving system is used and executed at the second sampling times (t̂ j AI , t̂ i AI , t̂ l AI ) and determines second control signals (û 2 AI ) in each case (V7); the second control signals (û 2 AI ) are provided to the actuator (Act) and are executed by it (V8); at the first sampling times (t k MPC , t k+1 MPC ) the first control signals (u 1 MPC ) are compared with the respective temporally parallel second control signals (û 2 AI ) (V9) and if the second control signals (û 2 AI ) deviate from the first control signals (u 1 MPC ), the first control signals (u 1 MPC ) are executed by the actuator (Act) (V10). Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Abstand zweier aufeinanderfolgender erster Abtastzeitpunkte (tk MPC, tk+1 MPC) der Zeit entspricht, die das Fahrsystem benötigt, bevor es in einen unsicheren Zustand übergeht.Procedure according to Claim 1 , where a distance between two consecutive first sampling times (t k MPC , t k+1 MPC ) corresponds to the time the driving system needs before it enters an unsafe state. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abfolge der zweiten Abtastzeitpunkte (t̂j AI, t̂i A1, t̂l AI) relativ zu der Abfolge der ersten Abtastzeitpunkte (tk MPC, tk+1 MPC) hochfrequent ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the sequence of the second sampling times (t̂ j AI , t̂ i A1 , t̂ l AI ) is high-frequency relative to the sequence of the first sampling times (t k MPC , t k+1 MPC ). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Längs- und die Querführung des Fahrsystems geregelt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the longitudinal and transverse guidance of the driving system is controlled. Computerprogramm zum Regeln einer Längs- oder Querführung eines Fahrsystems, das Computerprogramm umfassend Programmbefehle, die den Computer dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen, wenn das Computerprogramm auf den Computer geladen oder von dem Computer ausgeführt wird.Computer program for controlling a longitudinal or lateral guidance of a driving system, the computer program comprising program instructions which cause the computer to carry out the method according to one of the preceding claims when the computer program is loaded onto the computer or executed by the computer. Hardwareeinheit (HPU) für ein Fahrsystem umfassend wenigstens einen Zentralprozessor (CPU1, CPU2); einen Speicher (Mem); wenigstens einen Hardwarebeschleuniger für Maschinenlernmodelle (AI Acc1, AI Acc2); eine Datenübertragungsvorrichtung (X-Bar), über die der Zentralprozessor (CPU1, CPU2), der Speicher (Mem) und der Hardwarebeschleuniger (AI Acc1, AI Acc2) für Datenübertragung verbunden sind; wobei das Computerprogramm nach dem vorangehenden Anspruch in den Speicher (Mem) ladbar ist; mittels der Datenübertragungsvorrichtung (X-Bar) bei geladenem Computerprogramm die Programmbefehle des Computerprogramms, die einen modellprädiktiven Regelungsalgorithmus (MPC) nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 betreffen, auf den Zentralprozessor (CPU1, CPU2) geladen oder von diesem ausgeführt werden; mittels der Datenübertragungsvorrichtung (X-Bar) bei geladenem Computerprogramm die Programmbefehle des Computerprogramms, die ein Maschinenlernmodell (AI) nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 betreffen, auf den Hardwarebeschleuniger (AI Acc1, AI Acc2) geladen oder von diesem ausgeführt werden.Hardware unit (HPU) for a driving system comprising at least one central processor (CPU1, CPU2); a memory (Mem); at least one hardware accelerator for machine learning models (AI Acc1, AI Acc2); a data transmission device (X-Bar), via which the central processor (CPU1, CPU2), the memory (Mem) and the hardware accelerator (AI Acc1, AI Acc2) are connected for data transmission; wherein the computer program according to the preceding claim is loadable into the memory (Mem); by means of the data transmission device (X-Bar), when the computer program is loaded, the program instructions of the computer program which implement a model predictive control algorithm (MPC) according to the method according to one of the Claims 1 until 4 are loaded onto the central processor (CPU1, CPU2) or executed by it; by means of the data transmission device (X-Bar) when the computer program is loaded, the program instructions of the computer program which a machine learning model (AI) creates according to the method according to one of the Claims 1 until 4 are loaded onto or executed by the hardware accelerator (AI Acc1, AI Acc2). Hardwareeinheit (HPU) nach Anspruch 6, umfassend mehrere der Hardwarebeschleuniger (AI Acc1, AI Acc2), wobei das Maschinenlernmodell (AI) verteilt auf die Hardwarebeschleuniger (AI Acc1, AI Acc2) geladen oder verteilt auf diese ausgeführt wird.Hardware unit (HPU) according to Claim 6 , comprising a plurality of the hardware accelerators (AI Acc1, AI Acc2), wherein the machine learning model (AI) is loaded or executed distributed among the hardware accelerators (AI Acc1, AI Acc2). Verwendung des computerimplementierten Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, des Computerprogramms nach Anspruch 5 oder der Hardwareeinheit (HPU) nach einem der Ansprüche 6 bis 7 in einem automatisierten Betrieb eines Fahrsystems.Use of the computer-implemented method according to one of the Claims 1 until 4 , of the computer program Claim 5 or the hardware unit (HPU) according to one of the Claims 6 until 7 in an automated operation of a driving system.
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