Regelungsstrategien für die automatische Fahrzeugführung: Längs- und Querregelung, Spurwechsel- und Überholmanöver

188 Pages·2001·10.981 MB·German

by  Professor Dr.-Ing. Robert Mayr (auth.)

Robert Mayr
Regelungsstrategien fur die automatische Fahrzeugfuhrung
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Robert Mayr
Regelungsstrategien
fur die
automatische Fahrzeugfuhrung
Langs- und Querregelung,
Spurwechsel- und Oberholmanover
Mit79Abbildungen
, Springer
Professor Dr.-Ing. ROBERT MAYR
Universităt Gesamthochschule Siegen
Institut ftir Regelungs- und Steuerungstechnik
Fachbereich 12 Elektrotechnik und Informatik
Holderlinstr. 3
D-57068 Siegen
e-mail: [email protected]
ISBN 978-3-642-63177-1
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Mayr, Robert:
Regelungsstrategien ftir die automatische Fahrzeugfiihrung: Uings-und Querregelung, Spurwechsel
und Uberholmanover / Robert Mayr. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong;
London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer, 2001
ISBN 978-3-642-63177-1 ISBN 978-3-642-56842-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-56842-8
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2001
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 2001
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Vorwort
Moderne Verfahren der Regelungs- und Automatisierungstechnik besitzen heute in
den Bereichen der Hochtechnologieein sehrvielseitiges Anwendungsspektrum. Hier
bei kommender VerkehrstechniksowiederVerkehrsfiihrungeinezentraleBedeutung
zu. So wird weltweitan der EntwicklungleistungsHihiger und intelligenterVerfahren
zurgleichzeitigenErhohungder Kapazitat der FernstraBennetzesowieder Sicherheit
imStraBenverkehrgearbeitet. Dabei wird zwischenfest installierteninfrastrukturel
len Einrichtungen sowie Modulen, die in das Fahrzeug integriert werden, unter
schieden. Die hier vorgestellte Arbeit widmet sich technischen Methoden, die ein
Fahrzeug, unabhangig von etwaigen infrastrukturellen Gegebenheiten, in die Lage
versetzensollen, imgegebenen Fall selbstandig und somit ohne den aktiven Eingriff
des Fahrers Beschleunigungs-, Abbrems- und Lenkbewegungen auszufiihren. Hier
bei kommen Verfahren der nichtlinearen Regelungstheorie zum Einsatz. Es werden
jedoch keinesfalls bereits fertige Module beschrieben, sondern es wird vielmehr die
Zielsetzung verfolgt, dem Entwickler von sog. Fahrerassistenzsystemen grundlegen
de Entwurfsmethoden, die auf regelungstechnischer Basis erarbeitet wurden, an die
Hand zu geben. Somit wird hier lediglich ein Weg zur Vorgehensweise aufgezeigt,
der dann jedoch unabhangig von Typ und Marke aufeine Vielzahl von Fahrzeugen
angewendet werden kann.
In Kapitel 2wird ein kurzer Uberblickiiber die aufden Gebieten der automatischen
Fahrzeug- und Verkehrsfiihrunginternational vorliegenden Arbeitengegeben. Daran
anschlieBendwird inKapitel3einVerfahrenzur Fahrzeuglangsregelungbeschrieben,
wobei der automatischen Abstandsregelung zu einem vorausfahrenden Fahrzeug ei
ne zentrale Bedeutung zukommt. Die regelungstechnische Behandlung von hiermit
in unmittelbarem Zusammenhang stehenden Randbedingungen, wie z.B. den Stell
groBenbeschrankungen sowie Komfortparametern und der Schlangenstabilitat wird
ebenfalls beschrieben. Da bereits heuteerste Module der Abstandsregelung als Son
derausstattung fiir Fahrzeuge erhaltlich sind, wird dieser Bereich sehr ausfiihrlich
behandelt. 1m anschlieBenden Kapitel 4 wird die Funktionsweise eines Fahrzeug
querregelungssystems aufgezeigt. Solche Verfahren kommen insbesondere bei der
automatischen Spurhaltung eines Fahrzeugs zum Einsatz. Da hier die typischen Ge
gebenheitendesjeweiligenFahrzeugs,dasentsprechendausgeriistet werdensoli,eine
wesentliche Rolle spielen, wurde hier das Hauptgewicht verstarkt auf die Beschrei
bung der grundlegenden Vorgehensweise gelegt. Die Zusammenfiihrung der in den
Kapiteln 3 und 4 beschriebenen Verfahren wird in Kapitel 5 aufgezeigt. In den fol
genden Kapiteln 6 und 7 werden hierauf aufbauend Verfahren zur automatischen
Fiihrung von Spurwechsel- und Uberholmanovern skizziert.
Die in der vorliegenden Arbeit beschriebenen Verfahren sind im wesentlichen
wahrend meinesGastaufenthalts am Centerfor AdvancedTransportation Technolo
gies, welches zur Controls Group des Departmentsfor Electrical Engineeringan der
VI Vorwort
UniversityofSouthern California (USC) in Los Angelesgehort, entstanden. An die
ser Stelle mochteich mich bei allen Kollegen an der USCfur die vielen interessanten
undkritischenwissenschaftlichenDiskussionenbedanken,ohnediediese Arbeitnicht
in der vorliegenden Breiteund Tiefeentstanden ware. Ebenso bedanke ich mich bei
der Deutschen Forschungsgemeinschaft fur die Forderung des Vorhabens tiber ein
Forschungsstipendium. Weiterhin mochte ich mich bei Frau Gabriele Kappenstein
von der FernUniversitat Hagen sowie bei Herrn Dipl.-Ing. Oleg Bauer von der Uni
versitat Siegen fur die kritische Durchsicht des Manuskripts bedanken. Bei meiner
Frau, Frau Dr. Petra Schauerte bedanke ich mich ganz besonders herzlich fur die
vieleGeduld,diesiemitmirwahrendder Niederschriftdes Manuskripts hatte. Letzt
lich gilt mein Dank auch dem Springer-Verlag sowie Herrn Dr. D. Merkle fur die
Annahme des Buchs sowie fUr die sehr angenehme und harmonische Zusammenar
beit.
Siegen, im November2000 Robert Mayr
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Technologien im Stra6enverkehr cler Zukunft 4
2.1 Forschungsaktivitaten in den USA ... 4
2.1.1 Das kalifornische Projekt PATH 6
2.1.2 Die Aktivitaten an der Carnegie Mellon University 9
2.1.3 Das Forschungsprogramm IVHS aufBundesebene 9
2.1.4 Intelligent Cruise Control 14
2.1.5 Verfahren zur Steuerung des Verkehrsfiusses 17
2.2 Forschungsaktivitiiten in Europa . 19
2.2.1 Forschungsaktivitiiten im Rahmen von PROMETHEUS. 21
2.2.2 Forschungsaktivitiiten im Rahmen von DRIVE. 27
2.3 Zielsetzung der vorliegenden Arbeit . 28
3 Verfahren zur FahrzeugHingsregelung 31
3.1 Mathematisches Modell fiir die Langsdynamik 31
3.2 Untersuchung im Hinblick auf die Reglerauswahl . 34
3.3 Verfahren zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit 38
3.4 Verfahren zur Abstandsregelung . 42
3.4.1 Ableitung des nichtlinearen Regelgesetzes . 43
3.4.2 Die Nominalbeschleunigungals Schnittstellezwischenden Re-
gelungsschichten .... 50
3.4.3 Stabilitiit der Regelung . 51
3.4.4 Schlangenstabilitiit . . . 53
3.4.5 Konvergenzeigenschaften 54
3.4.6 Behandlung der StellgroBenbeschriinkungen 56
3.4.7 Einfiihrung von Komfortparametern. . . . . 59
3.4.8 StorgroBenausregelung im Sattigungsbereich 61
VIII Inhaltsverzeichnis
3.4.9 Architektur des Gesamtmoduls der Abstandsregelung 65
3.5 Regelung zur Geschwindigkeitsreduzierung . . . . . 67
3.6 Umschaltstrategiezwischen den Regelungsverfahren 72
3.7 Simulationsuntersuchungen........ 76
3.8 Verhalten bei veranderbaren Parametern 81
4 Verfahren zur Fahrzeugquerregelung 88
4.1 MathematischesModellzurBeschreibungder Fahrzeugquerbewegungen 89
4.2 Verfahren zur Spurregelung 96
4.2.1 Ableitung des nichtlinearen Regelgesetzes . 96
4.2.2 Polvorgabe fur den geschlossenen Regelkreis 99
4.2.3 Konvergenzeigenschaften.... . 101
4.2.4 Modifikation des Regelgesetzes . . 102
4.2.5 Der Lenkwinkeleinschlagals eigentliche Stellgrof3e . 104
4.2.6 Architektur des Gesamtmoduls der Fahrzeugquerregelung. . 105
4.2.7 Simulationsuntersuchungen.................. . 106
4.3 Schatzung des Schwimmwinkels mittelseines Zustandsbeobachters . 108
4.4 Weitere Verbesserung der Storfestigkeit . . 112
4.5 Verhalten bei veranderbaren Parametern . 119
5 Architektur der automatischen Fahrzeugfiihrung 122
6 Spurwechselmanover 126
6.1 Einfluf3 der Fahrbahngeometrie · 126
6.2 Uberprufung auf Kollisionsfreiheit . · 127
6.2.1 Einfluf3 des ruckwartigen Verkehrs . · 128
6.2.2 EinfluB des vorausfahrenden Verkehrs . · 129
6.2.3 Die Freigabe des Spurwechselmanovers · 132
6.3 Sensortechnische Erfassung des Fahrzeugumfelds . · 133
6.4 Bestimmungder erforderlichen Sensorreichweiten · 136
Inhaltsverzeichnis IX
6.4.1 Sensorik zur Erfassung des riickwartigen Verkehrs .. · 136
6.4.2 Sensorik zur Erfassung des vorausfahrenden Verkehrs · 138
6.5 Durchfiihrung des Spurwechselmanovers . · 139
6.5.1 Bestimmungder erforderlichen Querverschiebung · 141
6.5.2 Planung des Quermanovers . · 143
6.5.3 Erweiterung auf veranderliche Fahrspuren · 146
6.6 Simulationsuntersuchungen . · 150
7 Uberholmanover 155
7.1 Uberpriifung auf Kollisionsfreiheit . . 157
7.1.1 Der EinfluB der Manoverzeit . 157
7.1.2 Uberholvorgang mit anschlieBend freier Fahrt . 158
7.1.3 Dieengste Annaherung . . . . . . . . . . . 160
7.2 Bestimmungder erforderlichen Sensorreichweite . 161
7.3 Durchfiihrung des Uberholmanovers . . . . . . . . 162
7.4 Vorzeitige Riickfiihrung in die Ausgangsfahrspur . 163
7.5 Simulationsuntersuchungen............ 164
7.6 Realisierbarkeit der automatischen Fiihrung von Uberholmanovern. 165
8 Zusammenfassung 169
Literaturverzeichnis 172
1 Einleitung
In den letzten Jahrzehnten hat das Kraftfahrzeug bei del' Personen- und del' Giiter
beforderung stetig an Bedeutung zugenommen. Diese Tendenz wird sich auch in del'
Zukunft entsprechend weiterentwickeln. Um mit dem steigenden Verkehrsaufkom
men Schritt halten zu konnen, wurde insbesondere das FernstraBen- und Autobahn
netz stetigerweitert. Damit war man zwar in del' Lage, dem wachsenden Bedarfge
recht zu werden,demebenfallsdrastischen Anstiegdel' Anzahl von Verkehrsunfallen
konnte damit jedoch nicht entgegengewirkt werden. Um trotzdem den Belastungen
eines solch hohen Verkehrsaufkommens begegnen zu konnen, bedarf es zusatzlich
umfangreicher Einrichtungen zur geeigneten Verkehrsfiihrung auf den Autobahnen
und iminnerstadtischen StraBenverkehr. Erste Ansatze hierfiirsindz.B. durch Stau
warnungen iiber den Verkehrsfunk gegeben. Ein mit solchen Einrichtungen ausge
stattetes Verkehrsleitsystem ware in del' Lage, die einzelnen Fahrzeuge unter del'
Beriicksichtigung einer Vielzahl von Umwelteinfliissen, wie z.B. dem vorherrschen
den Verkehrsaufkommen, Witterungseinfliissen etc., auf dem bestmoglichen Weg
zum jeweiligen Fahrziel zu bringen. Hierdurch kann unnotiges Fahren bzw. Warten
reduziert werden, was zu einer Verminderung del' damit verbundenen Belastungen
fiihrt. AusdiesemGrund warebeimEinsatzeinessolchenSystemsaucheineentspre
chende Senkung del' Haufigkeit von Verkehrsunfallen zu erwarten. Jedoch reicht die
Einfiihrung eines Verkehrsleitsystems alleine noch nicht aus, um die hohe Zahl von
Unfallen in einer drastischen Weise zu reduzieren. Aus diesem Grunde wurden ins
besonderein den80 er Jahren weltweitgroBe Programmezur Erforschung, inwieweit
Methoden, die aufmoderner Elektronik und Computertechnikbasieren, in del' Lage
sind, ihren Beitragzur Verbesserungdel'gegenwartigen Verkehrssituationzu leisten,
ohne daB das bestehende StraBennetz noch weitel' ausgebaut werden muB, geschaf
fen. Hierbei wiI'd immer die Zielsetzung verfolgt, ohne die Durchfiihrung baulicher
MaBnahmendie Effizienzdel' vorhandenen StraBenkapazitat vollauszuschopfen bzw.
zuerhohen, wobei gleichzeitigdieSicherheitimStraBenverkehrerhoht und somitdie
Unfallhaufigkeit reduziert werden solI. Hierdurch erhofft man sich, das stetig wach
sende Verkehrsaufkommenbessel' inden Griffzu bekommenund somit Meilensteine
fiir die Fahrzeug- und Verkehrstechnik del' Zukunft zu setzen.
1m Rahmen diesel' Bestrebungen wurden in den USA auf Bundesebene und ebenso
aufeuropaischer Ebene mehrereGroBprojekte gestartet, die sich schwerpunktmaBig
mit diesel' Fragestellung beschaftigen. Bei diesen GroBprojekten, die spateI' noch
ausfiihrlich beschrieben werden, sind im wesentlichen Forschungsgruppen aus Uni
versitaten, GroBforschungseinrichtungen und Entwicklungsteams aus del' Auto
mobilindustrie beteiligt. Zu nennen waren hier als Beispiele das Forschungspro
gramm IVHS, das von del' US-amerikanischen Regierung gefordert wird, sowie die
beiden europaischen Programme DRIVE und PROMETHEUS, die unter del' Auf
sicht del' Europaischen Union in den einzelnen Mitgliedstaaten durchgefiihrt werden
odeI' dort bereits zum AbschluB gebracht wurden. Neben solchen GroBprojekten,
R. Mayr, Regelungsstrategien für die automatische Fahrzeugführung
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001