DE102021105896A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer geschwindigkeit eines fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Ein Fahrzeug mit einem GPS-Sensor (Global Positioning System), einer IMU (Inertial Measurement Unit) und einem ADAS (Advanced Driver Assistance System) wird beschrieben. Der Betrieb des Fahrzeugs umfasst die Bestimmung erster Parameter über den GPS-Sensor, die mit einer Geschwindigkeit, einer Position und einem Kurs verbunden sind, und die Bestimmung zweiter Parameter über die IMU, die mit der Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit verbunden sind. Roll- und Nickparameter werden basierend auf den ersten und zweiten Parametern bestimmt. Ein erster Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor wird basierend auf den Roll- und Nickparametern, den ersten Parametern und den zweiten Parametern bestimmt; und ein zweiter Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor wird basierend auf den Roll- und Nickparametern, dem Reibungskoeffizienten der Straßenoberfläche, der Winkelgeschwindigkeit, den Straßenradwinkeln und dem ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor bestimmt. Ein endgültiger Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor wird basierend auf der Fusion des ersten und zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors bestimmt. Das Fahrzeug wird auf der Grundlage des endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors gesteuert.

Description

• Fahrzeugsteuerungssysteme können von Informationen profitieren, die sich auf die Bedingungen einer Fahrfläche beziehen, und können solche Informationen als Eingabe für die Steuerung eines oder mehrerer Systeme wie Bremsen, Kurvenfahrt und Beschleunigung verwenden.
• Gegenwärtige Verfahren zur Schätzung oder anderweitigen Bestimmung eines Fahrvektors für ein Fahrzeug bieten möglicherweise keine ausreichende Genauigkeit, wenn sie auf hochgradig nichtlineare Fahrzeugmanöver ausgedehnt werden, wie sie auftreten können, wenn ein Fahrzeug auf einer rutschigen Oberfläche fährt und wenn eine Fahroberfläche signifikante Fahrszenarien mit Straßenneigung/Gefälle umfasst, oder hochgradig nichtlineare dynamische Manöver, wie sie bei Fahroberflächenbedingungen auftreten können, die Schnee und/oder Eis umfassen, oder wenn das Fahrzeug bergauf oder bergab fährt.
• Ungenauigkeiten oder Fehler bei der Bestimmung eines Fahrvektors für ein Fahrzeug können die Leistung von Fahrassistenzsystemen wie einem Advanced Driving Assistance System (ADAS) oder einem anderen autonomen Fahrzeugsystem beeinträchtigen.
• BESCHREIBUNG
• Ein Fahrzeug mit einem GPS-Sensor (Global Positioning System), einer IMU (Inertial Measurement Unit) und einem ADAS (Advanced Driver Assistance System) wird beschrieben. Ein Verfahren und zugehöriges System zum Betreiben des Fahrzeugs umfasst das Bestimmen, über den GPS-Sensor, von ersten Parametern, die mit einer Geschwindigkeit, einer Position und einem Kurs für das Fahrzeug verbunden sind, und das Bestimmen, über die IMU, von zweiten Parametern, die mit der Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit für das Fahrzeug verbunden sind. Roll- und Nickparameter werden basierend auf den ersten und zweiten Parametern bestimmt. Ein erster Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor wird basierend auf den Roll- und Nickparametern, den ersten Parametern und den zweiten Parametern bestimmt; und ein zweiter Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor wird basierend auf den zweiten Parametern bestimmt, die mit dem Reibungskoeffizienten der
• Straßenoberfläche, der Winkelgeschwindigkeit, den Straßenradwinkeln für das Fahrzeug und dem ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor verbunden sind. Ein endgültiger Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor wird auf der Grundlage der Fusion des ersten und zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors für das Fahrzeug bestimmt. Der Betrieb des Fahrzeugs wird auf der Grundlage des endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors gesteuert.
• Ein Aspekt der Offenbarung umfasst die Bestimmung der Roll- und Nickparameter auf der Grundlage der synchronisierten ersten und zweiten Parameter durch Ausführen eines ersten Zustandsschätzers, der in Form eines ersten erweiterten Kalman-Filters vorliegen kann, um die Roll- und Nickparameter auf der Grundlage der ersten Parameter und der zweiten Parameter zu bestimmen.
• Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Ausführung des ersten erweiterten Kalman-Filters zur Bestimmung der Roll- und Nickparameter durch Ausführung eines erweiterten Kalman-Filters mit sechs Freiheitsgraden (6-DOF) zur Bestimmung der Roll- und Nickparameter auf der Grundlage der ersten Parameter und der zweiten Parameter.
• Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Bestimmung des ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors auf der Grundlage der Roll- und Nickparameter, der ersten Parameter und der zweiten Parameter durch Ausführen eines zweiten Zustandsschätzers, der in Form eines zweiten erweiterten Kalman-Filters vorliegen kann, um den ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor auf der Grundlage der Roll- und Nickparameter, der ersten Parameter und der zweiten Parameter zu bestimmen.
• Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Ausführung des zweiten erweiterten Kalman-Filters, um den ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor zu bestimmen, indem ein erweiterter Kalman-Filter mit drei Freiheitsgraden, 3-DOF, ausgeführt wird, um den ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor basierend auf den Roll- und Nickparametern, den ersten Parametern und den zweiten Parametern zu bestimmen.
• Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Synchronisierung der ersten und zweiten Parameter und die Bestimmung der Roll- und Nickparameter auf der Grundlage der synchronisierten ersten und zweiten Parameter.
• Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Kompensation der zweiten Parameter, die mit der Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs verbunden sind, und der Roll- und Nickparameter auf der Grundlage der Schwerkraft, um einen Beschleunigungsvektor zu bestimmen, und die Ausführung des zweiten erweiterten Kalman-Filters, um den ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor auf der Grundlage des Beschleunigungsvektors und der ersten Parameter zu bestimmen.
• Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Bestimmung des zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors auf der Grundlage der zweiten Parameter, die mit dem Reibungskoeffizienten der Straßenoberfläche, der Winkelgeschwindigkeit, dem Straßenradwinkel für das Fahrzeug und dem ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor verbunden sind, indem ein dritter Zustandsschätzer ausgeführt wird, der die Form eines dritten erweiterten Kalman-Filters haben kann, um den ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor auf der Grundlage der Roll- und Nickparameter, des Reibungskoeffizienten der Straßenoberfläche, der Winkelgeschwindigkeit, des Straßenradwinkels für das Fahrzeug und des ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors zu bestimmen.
• Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Ausführung des dritten erweiterten Kalman-Filters, um den zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor zu bestimmen, indem ein erweiterter Kalman-Filter des Fahrradmodells ausgeführt wird, um den zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor basierend auf den Roll- und Nickparametern, dem Reibungskoeffizienten der Straßenoberfläche, der Winkelgeschwindigkeit, den Straßenradwinkeln für das Fahrzeug und dem ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor zu bestimmen.
• Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass das Fahrzeug ein fortschrittliches Fahrerassistenzsystem, ADAS, enthält, wobei die Steuerung des Betriebs des Fahrzeugs auf der Grundlage des endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors die Steuerung des ADAS auf der Grundlage des endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors beinhaltet.
• Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst ein Betriebssystem, das eines von einem Antriebssystem, einem Lenksystem oder einem Bremssystem umfasst, wobei die Steuerung des Betriebs des Fahrzeugs auf der Grundlage des endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors die Steuerung eines von dem Antriebssystem, dem Lenksystem oder dem Bremssystem über das ADAS auf der Grundlage des endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors umfasst.
• Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehre sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger der bevorzugten Ausführungsformen und anderer Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehre, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Figuren betrachtet werden.
• Figurenliste
• Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, in denen:
• 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein auf einer Fahrfläche angeordnetes Fahrzeug gemäß der Offenbarung.
• 2 zeigt schematisch eine Zustandsflussroutine, die ein analytisches Verfahren zur dynamischen Bestimmung eines endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors V̂_x, V̂_y in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
• 3 zeigt schematisch zusätzliche Details, die mit der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Zustandsflussroutine gemäß der Offenbarung verbunden sind.
• 4 zeigt schematisch die Eingänge und Ausgänge, die mit der Ausführung eines ersten Zustandsschätzers gemäß der Offenbarung verbunden sind.
• 5 zeigt schematisch die Eingänge und Ausgänge, die mit der Ausführung eines zweiten Zustandsschätzers gemäß der Offenbarung verbunden sind.
• 6 zeigt schematisch die Eingänge und Ausgänge, die mit der Ausführung eines dritten Zustandsschätzers gemäß der Offenbarung verbunden sind.
• Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Figuren nicht unbedingt maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale der vorliegenden Offenbarung darstellen, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. bestimmter Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen. Details, die mit solchen Merkmalen verbunden sind, werden zum Teil durch die jeweilige beabsichtigte Anwendung und Einsatzumgebung bestimmt.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Die Komponenten der offengelegten Ausführungsformen, wie hierin beschrieben und dargestellt, können in einer Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen angeordnet und ausgeführt werden. Daher soll die folgende detaillierte Beschreibung den Umfang der beanspruchten Offenbarung nicht einschränken, sondern ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Darüber hinaus werden in der folgenden Beschreibung zwar zahlreiche spezifische Details aufgeführt, um ein umfassendes Verständnis der hier offengelegten Ausführungsformen zu ermöglichen, doch können einige Ausführungsformen auch ohne einige dieser Details ausgeführt werden. Darüber hinaus wurde aus Gründen der Klarheit auf eine detaillierte Beschreibung bestimmter technischer Sachverhalte, die im verwandten Fachgebiet selbstverständlich sind, verzichtet, um die Offenbarung nicht unnötig zu verschleiern. Darüber hinaus sind die Figuren in vereinfachter Form und nicht maßstabsgetreu dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit und Klarheit können in den Zeichnungen Richtungsbegriffe wie oben, unten, links, rechts, oben, über, oberhalb, unter, unterhalb, hinter und vor verwendet werden. Diese und ähnliche Richtungsbegriffe sind nicht so auszulegen, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Darüber hinaus kann die Offenbarung, wie sie hierin dargestellt und beschrieben ist, auch ohne ein Element, das hierin nicht speziell offenbart ist, ausgeführt werden.
• 1 zeigt in Übereinstimmung mit den hierin offenbarten Ausführungsformen schematisch ein Fahrzeug 100, das auf einer Fahrfläche angeordnet ist, wobei das Fahrzeug 100 Betriebssysteme umfasst, die z. B. ein Antriebssystem 10, ein Lenksystem 16 und ein Radbremssystem 26 einschließen. Das Lenksystem 16 umfasst ein Lenkrad 12 und einen Lenkaktuator 14. Das Fahrzeug 100 umfasst außerdem eine Vielzahl von Rädern 20, Raddrehzahlsensoren 22 und Radbremsen 24, ein Raumüberwachungssystem 30, ein Navigationssystem 32 und ein fortschrittliches Fahrerassistenzsystem (ADAS) 40. Dargestellt ist eine Draufsicht auf das Fahrzeug 100. Das Fahrzeug 100 und die Fahrfläche definieren einen räumlichen Bereich in Form eines dreidimensionalen Koordinatensystems 50, das eine Längsachse (X) 51, eine Querachse (Y) 52 und eine Hochachse (Z) 53 umfasst. Die Längsachse 51 ist durch eine Längsachse des Fahrzeugs 100 definiert, die Querachse 52 ist durch eine Querachse des Fahrzeugs 100 definiert, und die Vertikalachse 53 ist so definiert, dass sie orthogonal zu einer Ebene liegt, die durch die Längsachse 51 und die Querachse 52 definiert ist. Das Fahrzeug 100 kann eine mobile Plattform in Form eines Nutzfahrzeugs, eines Industriefahrzeugs, eines landwirtschaftlichen Fahrzeugs, eines Personenkraftwagens, eines Flugzeugs, eines Wasserfahrzeugs, eines Zugs, eines Geländewagens, eines persönlichen Bewegungsgeräts, eines Roboters und dergleichen umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt, um die Zwecke dieser Offenbarung zu erfüllen.
• Das Navigationssystem 32 verwendet Informationen von einem Global Positioning System (GPS)-Sensor 36 und einer Inertialmesseinheit (IMU) 34. In einer Ausführungsform ist der GPS-Sensor 36 als ein GNSS-Sensor (Global Navigation Satellite System) konfiguriert. Die IMU 34 ist ein elektronisches Gerät, das eine oder mehrere Kombinationen von Beschleunigungsmessern, Gyroskopen und Magnetometern verwendet, um die spezifische Kraft, Winkelgeschwindigkeit, Gier und Ausrichtung des Fahrzeugs 100 zu messen und zu melden. Die IMU 34 ermöglicht die Funktion eines Empfängers des GPS-Sensors 36, wenn die Signale des GPS-Sensors 36 nicht verfügbar sind, z. B. wenn das Fahrzeug 100 in einem Tunnel oder innerhalb eines Gebäudes betrieben wird oder wenn elektronische Störungen vorhanden sind. GPS-Daten können mit einer Rate von 10 Hz abgetastet werden. IMU-Daten können mit einer Rate von 100 Hz abgetastet werden.
• Das ADAS 40 ist so angeordnet, dass es Bedienerunterstützungsfunktionen bereitstellt, indem es eines der Betriebssysteme, d. h. eines oder mehrere des Antriebssystems 10, des Lenksystems 16, des Radbremssystems 26, in Verbindung mit oder ohne direkte Interaktion des Fahrzeugbedieners steuert. Das ADAS 40 umfasst ein Steuergerät und ein oder mehrere Subsysteme, die Bedienerunterstützungsfunktionen bereitstellen, darunter ein oder mehrere Systeme wie ein adaptiver Geschwindigkeitsregler (ACC), ein Spurhaltekontrollsystem (LKY), ein Spurwechselkontrollsystem (LCC), ein autonomes Brems-/Kollisionsvermeidungssystem und/oder andere Systeme, die so konfiguriert sind, dass sie den autonomen Fahrzeugbetrieb getrennt von oder in Verbindung mit Bedieneranforderungen befehlen und steuern.
• Das ADAS 40 kann mit einer fahrzeuginternen Kartendatenbank interagieren und auf diese zugreifen, um eine Routenplanung vorzunehmen und den Betrieb des Fahrzeugs 100 über das Spurhaltesystem, das Spurzentrierungssystem und/oder andere Systeme zu steuern, die für die Steuerung und Kontrolle des autonomen Fahrzeugbetriebs konfiguriert sind. Autonome Betriebsbefehle können erzeugt werden, um das ACC-System, das LKY-System, das LCC-System, das autonome Brems-/Kollisionsvermeidungssystem und/oder die anderen Systeme zu steuern. Der Fahrzeugbetrieb kann als Reaktion auf Bedieneranforderungen und/oder autonome Fahrzeuganforderungen erfolgen. Der Fahrzeugbetrieb umfasst Beschleunigen, Bremsen, Lenken, stationäres Fahren, Ausrollen und Leerlauf. Bedieneranforderungen können auf der Grundlage von Bedienereingaben an einem Gaspedal, einem Bremspedal, einem Lenkrad, einem Getriebewahlschalter, dem ACC-System usw. erzeugt werden.
• Das bordeigene Navigationssystem 32 kann ein computerlesbares Speichergerät oder -medium (Speicher) enthalten, das eine digitalisierte Fahrbahnkarte enthält und mit dem ADAS 40 kommuniziert. Die hier beschriebenen Konzepte können auf verschiedenen Systemen eingesetzt werden, die von Informationen profitieren können, die von einer Ausführungsform des Raumüberwachungssystems 30 in einer hier beschriebenen Weise ermittelt wurden.
• Der Begriff „Steuerung“ und verwandte Begriffe wie Mikrocontroller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder verschiedene Kombinationen von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs), elektronischen Schaltungen, Zentraleinheiten, z. B. Mikroprozessoren und zugehörigen nichttransitorischen Speicherkomponenten in Form von Speicher- und Speichergeräten (Nur-Lese-, programmierbare Nur-Lese-, Direktzugriffs-, Festplattenlaufwerken usw.). Die nichttransitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in Form von einem oder mehreren Software- oder Firmware-Programmen oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltungen, Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -vorrichtungen, Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Zu den Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -geräten gehören Analog/Digital-Wandler und verwandte Geräte, die Eingänge von Sensoren überwachen, wobei solche Eingänge mit einer voreingestellten Abtastfrequenz oder als Reaktion auf ein auslösendes Ereignis überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen von Controllern ausführbare Befehlssätze, einschließlich Kalibrierungen und Look-up-Tabellen (Nachschlage-Tabellen). Jeder Controller führt Steuerroutine(n) aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen. Die Routinen können in regelmäßigen Abständen ausgeführt werden, z. B. alle 100 Mikrosekunden im laufenden Betrieb. Alternativ können die Routinen als Reaktion auf das Auftreten eines auslösenden Ereignisses ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen Controllern, Aktoren und/oder Sensoren kann über eine direkt verdrahtete Punkt-zu-Punkt-Verbindung, eine vernetzte Kommunikationsbusverbindung, eine drahtlose Verbindung oder eine andere geeignete Kommunikationsverbindung erfolgen. Die Kommunikation umfasst den Austausch von Datensignalen in geeigneter Form, z. B. elektrische Signale über ein leitendes Medium, ein elektromagnetisches Signal über Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Die Datensignale können diskrete, analoge oder digitalisierte analoge Signale umfassen, die Eingänge von Sensoren, Aktuatorbefehle und die Kommunikation zwischen Steuerungen darstellen. Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf einen physikalisch wahrnehmbaren Indikator, der Informationen übermittelt, und kann eine geeignete Wellenform sein (z. B. elektrisch, optisch, magnetisch, mechanisch oder elektromagnetisch), wie Gleichstrom, Wechselstrom, Sinuswelle, Dreieckswelle, Rechteckwelle, Vibration und dergleichen, die sich durch ein Medium ausbreiten kann. Ein Parameter ist definiert als eine messbare Größe, die eine physikalische Eigenschaft eines Geräts oder eines anderen Elements darstellt, die mit einem oder mehreren Sensoren und/oder einem physikalischen Modell erkennbar ist. Ein Parameter kann einen diskreten Wert haben, z. B. entweder „1“ oder „0“, oder er kann einen stufenlos veränderlichen Wert haben.
• Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 wird nun eine Methodik und Struktur zur Schätzung eines Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors und des Roll-/Nick-/Gierwinkels des Fahrzeugs in Bezug auf einen Navigationsrahmen Ost-Nord-Auf (ENU) im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des Fahrzeugs 100 von 1 beschrieben, wobei Parameter vom GPS-Sensor 36 und der IMU 34 verwendet werden. Dieser GPS-IMU-basierte Ansatz erweitert die Zustandsschätzung auf hochgradig nichtlineare dynamische Manöver, die z. B. Fahrbahnoberflächen mit Schnee, Eis und Straßenbedingungen mit Steigungen oder Gefällen einschließen. Längs-, Quer- und Vertikalgeschwindigkeiten des Fahrzeugs werden in Bezug auf einen Fahrzeugreferenzrahmen beschrieben, und Gieren, Nicken und Rollen des Fahrzeugs werden in Bezug auf einen Navigationsrahmen beschrieben und bestimmt.
• 2 und 3 zeigen schematisch Details zu einer Ausführungsform einer Zustandsflussroutine 200, die als Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und dergleichen in den fahrzeugseitigen Steuergeräten 60 des mit Bezug auf 1 beschriebenen Fahrzeugs 100 implementiert sein kann. Die Zustandsflussroutine 200 bietet einen analytischen Prozess zur dynamischen Bestimmung eines endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors V̂_x, V̂_y 280 auf der Grundlage von Parametern, die aus den vom GPS-Sensor 36 und der IMU 34 erhaltenen Informationen abgeleitet werden. Der endgültige Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor V̂_x, V̂_y 280 kann vom ADAS 40 verwendet werden, um den Betrieb des Fahrzeugs 100 zu steuern, einschließlich der Steuerung eines oder mehrerer der Antriebssysteme 10, des Lenksystems 16 und des Radbremssystems 26. Der endgültige Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor V̂_x, V̂_y 280 umfasst in einer Ausführungsform eine geschätzte Längsgeschwindigkeit V̂_y und eine geschätzte Quergeschwindigkeit V̂_x .
• Der GPS-Sensor 36 erzeugt einen ersten Satz von Parametern 37, die der Fahrzeuggeschwindigkeit, der geografischen Position und dem Kurs zugeordnet sind. In einer Ausführungsform wird der erste Satz von Parametern 37 unter Bezugnahme auf einen ENU (East-North-Up)-Referenzrahmen und einen Fahrzeugreferenzrahmen beschrieben, bei dem die positive x-Achse des Fahrzeugs zur Vorderseite des Fahrzeugs zeigt, die positive y-Achse oder Nickachse des Fahrzeugs nach links zeigt und die positive z-Achse oder Gierachse nach oben zeigt. Der erste Satz von Parametern 37 umfasst Fahrzeuggeschwindigkeitsparameter, einschließlich V_E, V_N und VU, die sich auf die Geschwindigkeiten in den jeweiligen Achsen Ost (E), Nord (N) und Oben (U) beziehen.
• Die Fahrzeuggeschwindigkeitsparameter einschließlich V_E, V_N und die Gierrate können aus dem Zustandsvektor des Filters gemäß den folgenden Gleichungen bestimmt werden $$\begin{array}{l}{\text{V}}_{\text{E}}={\text{V}}_{\text{x}}\text{cos}\mathrm{\psi }-V_y\text{sin}\mathrm{\psi }-\text{r}\left({\text{x}}_{\text{A}}\text{sin}\mathrm{\psi }+{\text{y}}_{\text{A}}\text{cos}\mathrm{\psi }\right)\\ {\text{V}}_{\text{N}}={\text{V}}_{\text{x}}\text{sin}\mathrm{\psi }+V_y\text{cos}\mathrm{\psi }-\text{r}\left({\text{x}}_{\text{A}}\text{cos}\mathrm{\psi }+{\text{y}}_{\text{A}}\text{sin}\mathrm{\psi }\right)\end{array}$$

  
• Der erste Satz von Parametern 37 umfasst auch die Fahrzeugposition, die in Form von Breitengrad, Längengrad und Höhe definiert ist. Der erste Satz von Parametern 37 umfasst den Fahrzeugkurswinkel γ, der sich auf die Richtung des Geschwindigkeitsvektors des Fahrzeugs 100 bezieht. Der Begriff Heading oder Gieren bezieht sich auf die Richtung, in die ein Fahrzeug zeigt. Die Differenz zwischen dem Heading und dem Kurswinkel eines Fahrzeugs wird als Seitenschiebewinkel bezeichnet.
• Die IMU 34 erzeugt einen zweiten Satz von Parametern 35, einschließlich der Beschleunigung in jeder der x-, y- und z-Achsen (a_xm, a_ym, a_zm) und die Winkelgeschwindigkeit in jeder der x-, y- und z-Achsen (ω_x. ω_y ω_z). Die Winkelbeschleunigungen (A_x, A_y, A_z) können durch numerische Ableitung der Winkelgeschwindigkeiten erhalten werden.
• Wieder Bezug nehmend auf 2 enthält die Zustandsflussroutine 200 einen vorläufigen Signalfilterblock 220, einen Zeitsynchronisationsblock 210, einen Winkelaktualisierungsblock 230, einen ersten Zustandsschätzer 240, einen zweiten oder planaren Zustandsschätzerblock 250 einschließlich eines zweiten Zustandsschätzers 255, einen dritten oder Fahrradmodell-Zustandsschätzer 257 und einen Datenfusionsblock 260. In einer Ausführungsform ist der erste Zustandsschätzer 240 als ein erster erweiterter Kalman-Filter angeordnet, und zwar ein erweiterter Kalman-Filter mit sechs Freiheitsgraden (6-DOF). In einer Ausführungsform umfasst der planare Zustandsschätzerblock 250 einen Schwerkraftkompensationsblock 251 und einen zweiten Zustandsschätzer 255. In einer Ausführungsform kann der zweite Zustandsschätzer 255 als erweiterter Kalman-Filter mit drei Freiheitsgraden (3-DOF) konfiguriert sein. Ein erweiterter Kalman-Filter (EKF) ist eine nichtlineare Version eines Kalman-Filters, die über eine Schätzung des aktuellen Mittelwertes und der Kovarianz linearisiert. Zusätzliche Details in Bezug auf den planaren Zustandsschätzerblock 250 werden unter Bezugnahme auf 3 bereitgestellt. In einer Ausführungsform ist der dritte Zustandsschätzer 257 als erweiterter Kalman-Filter angeordnet, genauer gesagt als erweiterter Kalman-Filter mit Fahrradmodell, um die laterale Geschwindigkeit zu schätzen V̂_yBic 258. Die ersten, zweiten und dritten Zustandsschätzer 240, 250, 257 umfassen analytische Prozesse, die Schätzungen unbekannter Variablen auf der Grundlage parametrischer Messungen bereitstellen, die über die Zeit beobachtet werden, einschließlich der Tatsache, dass es eine oder mehrere Beziehungen zwischen den parametrischen Messungen gibt.
• Wieder Bezug nehmend auf 2 wird der zweite Satz von Parametern 35 dem vorläufigen Signalfilterblock 220 unterzogen, der die rohen Sensordaten von der IMU 34 in Form von rohen linearen Beschleunigungen und Winkelbeschleunigungen vorverarbeitet. Der vorläufige Signalfilterblock 220 prüft die Gültigkeit der Signale, wählt die gültigen Signale von redundanten Sensoren aus und führt eine Tiefpassfilterung und eine Beseitigung von Verzerrungen durch, um unverzerrte, gefilterte Werte für lineare Beschleunigungen und Winkelbeschleunigungen zu erzeugen 222. Der vorläufige Signalfilterblock 220 erzeugt auch gefilterte Werte für a_xm, a_ym,ω_z 223.
• Die unverzerrten, gefilterten linearen Beschleunigungen und Winkelbeschleunigungen 222 und der erste Parametersatz 37 mit den Fahrzeuggeschwindigkeitsparametern, den Fahrzeugpositionsdaten und dem Fahrzeugkurswinkel γ werden dem Zeitsynchronisationsblock 210 unterzogen, um den ersten und zweiten Parametersatz 37, 35 zeitlich zu synchronisieren. Die Daten werden basierend auf der Verfügbarkeit von Informationen für den GPS-Sensor 36 synchronisiert, wobei eine globale Zeituhr verwendet wird. In einer Ausführungsform erfolgt die Datensynchronisation mit 100 Hz.
• Der Fahrzeugkurswinkel γ, die stationäre Neigung θ_ss und stationäres Rollen φ_ss 222, die auf der Grundlage des zweiten Parametersatzes 35 und ihrer Gültigkeit als Näherungswerte für den Gier-, Nick- und Rollwinkel bestimmt werden, werden über den Winkelaktualisierungsblock 230 analysiert, um die Fahrzeugparameter 232 zu bestimmen. Dieser Vorgang wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
• Der Winkelaktualisierungsblock 230 wertet jeden der Fahrzeugkurswinkel γ, Neigung (Nicken) θ und Wanken φ 222, um festzustellen, ob sie als Messwerte für den Gier-, Nick- und Rollwinkel verwendet werden können.
• Der vom GPS-Sensor 36 ermittelte Fahrzeugkurswinkel γ sowie der stationäre Nickwinkel θ_ss und stationärer Rollwinkel φ_ss werden als zusätzliche Messungen verwendet. Der stationäre Nickwinkel θ_ss wird durch die gemessene Längsbeschleunigung und die Ableitung der Längsgeschwindigkeit ausgedrückt. Der stationäre Rollwinkel φ_ss wird in Form der Querbeschleunigung, der Gierrate und der Längsgeschwindigkeit ausgedrückt. Der Kurswinkel ist der Winkel zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Richtung nach Norden. Wenn die Kriterien für die Gieraktualisierung erfüllt sind, ist die Giermessung verfügbar. Wenn die Kriterien für die Neigungsaktualisierung erfüllt sind, ist die Neigungsmessung verfügbar. Wenn die Kriterien für die Roll-Aktualisierung erfüllt sind, ist die Roll-Messung verfügbar. Die Gier-Aktualisierungskriterien erfordern eine im Wesentlichen geradlinige Fahrt, d. h. es gibt keinen Seitenschlupf. Die Roll-Update-Kriterien erfordern eine im Wesentlichen stationäre Bewegung um die Rollachse. Die Nick-Aktualisierungskriterien erfordern eine im Wesentlichen stationäre Bewegung um die Nickachse. Daher kann sich die Menge der verfügbaren Messungen regelmäßig ändern, je nachdem, wann GPS-Updates und/oder stationäre Winkel-Updates empfangen werden.
• Die Kriterien für die Aktualisierung des Gierwinkels sind wie folgt:
• wenn |ω_z| ≤ ω_{z_Thrs1} und |A_z| ≤ A_{z_Thrs1} für ein Zeitintervall von mindestens t_Thrs1 dann verwenden Sie γ als Maß für ψ verwenden, z. B. wenn die Gierrate klein ist.
• Die Kriterien für die Aktualisierung des Neigungswinkels sind wie folgt:
• wenn |ω_y| ≤ ω_{y_Thrs}, |A_y| ≤ A_{y_Thrs}, lω_zl ≤ ω_{z_Thrs2} und |A_z| ≤ A_{z_Thrs2} für ein Zeitintervall von mindestens t_Thrs2 dann verwenden Sie θ_ss als Maß für θ.
• Die Kriterien für die Aktualisierung des Rollwinkels sind wie folgt:
• wenn |ω_z| ≤ ω_{z_Thrs3}, |A_z| ≤ A_{z_Thrs3}, |ω_x| ≤ ω_{x_Thrs} und |A_x| ≤ A_{x_Thrs} für ein Zeitintervall von mindestens t_Thrs3 dann verwenden Sie φ_ss als Maß für φ, beziehungsweise.
• Dieser Vorgang verhindert die Akkumulation von Fehlern im erweiterten Kalman-Filter.
• 4 illustriert die Eingänge und Ausgänge, die mit der Ausführung des ersten Zustandsschätzers 240 verbunden sind. Die Eingaben umfassen den ersten Satz von Parametern 37, einschließlich V_E, V_N, V_U, Winkelbeschleunigungen A_x, A_y, A_z, und Kurs oder Gieren γ. Zu den Eingaben gehört auch der zweite Satz von Parametern 35, einschließlich der Beschleunigung a_xm, a_ym,a_zm, und Winkelgeschwindigkeiten ω_x, ω_y, ω_z. Die Eingaben können auch den Fahrzeugkurswinkel γ, die stationäre Neigung θ_ssund stationäres Rollen φ_ss 232 enthalten, die vom Winkelaktualisierungsblock 230 ausgegeben werden, wenn diese Informationen gültig sind. Wie hier beschrieben, umfasst der vollständige Satz von Ausgaben des ersten Zustandsschätzers 240 Schätzungen von V̂_x, V̂_y, V̂_z, und Schätzungen von φ̂, θ̂,ψ̂, die im Block 250 des Planarzustandsschätzers verwendet werden.
• 5 zeigt die Eingänge und Ausgänge, die mit dem zweiten Zustandsschätzer 255 verbunden sind. Die Eingänge umfassen einige des ersten Satzes von Parametern 37, einschließlich V_E, V_N und einige des zweiten Satzes von Parametern 35, einschließlich ω_z und der Fahrzeugkurswinkel γ, wenn diese Informationen gültig sind. Die Eingaben umfassen auch a_x, a_y die schwerkraftfrei sind, da die Beschleunigungskomponenten a_xm, a_ym entfernt wurden. Die Ausgaben des zweiten Zustandsschätzers 255 umfassen den ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor 256, einschließlich V̂_x, V̂_y, ψ̂, ω̂_z .
• Der synchronisierte erste Satz von Parametern 37 des GPS-Sensors 36, die mit der Geschwindigkeit, der Position und dem Kurs des Fahrzeugs verbunden sind, und der zweite Satz von Parametern 35 der IMU 34, die mit den linearen Beschleunigungen und den Winkelbeschleunigungen 222 verbunden sind und den Fahrzeugkurswinkel γ, die stationäre Neigung θ_ssund stationärem Wanken φ_ss 232 ergeben und als Eingabe für den ersten Zustandsschätzer 240 bereitgestellt werden.
• Der erste Zustandsschätzer 240 enthält die folgenden Beziehungen.
• Die Kinematik der räumlichen Bewegung kann wie folgt ausgedrückt werden: $$\begin{array}{l}{\dot{\text{V}}}_{\text{x}}={\text{a}}_{\text{xm}}+\text{g sin }\mathrm{\theta }-{\mathrm{\omega }}_{\text{y}}{\text{V}}_{\text{z}}+{\mathrm{\omega }}_{\text{z}}{\text{V}}_{\text{y}}\hfill \\ {\dot{\text{V}}}_{\text{y}}={\text{a}}_{\text{ym}}+\text{g cos}\mathrm{\theta }\text{sin}\mathrm{\phi }-{\mathrm{\omega }}_{\text{x}}{\text{V}}_{\text{z}}+{\mathrm{\omega }}_{\text{z}}{\text{V}}_{\text{x}}\hfill \\ {\dot{\text{V}}}_{\text{z}}={\text{a}}_{\text{zm}}-\text{g cos}\mathrm{\theta }\text{cos}\mathrm{\phi }-{\mathrm{\omega }}_{\text{x}}{\text{V}}_{\text{y}}+{\mathrm{\omega }}_{\text{y}}{\text{V}}_{\text{x}}\hfill \\ \dot{\psi }=\left({\mathrm{\omega }}_{\text{y}}\text{sin}\mathrm{\phi }+{\mathrm{\omega }}_{\text{z}}\text{cos}\mathrm{\phi }\right)/\text{cos}\mathrm{\theta }\hfill \\ \dot{\theta }={\mathrm{\omega }}_{\text{y}}\text{cos}\mathrm{\phi }-{\mathrm{\omega }}_{\text{z}}\text{sin}\mathrm{\phi }\hfill \\ \dot{\phi }={\mathrm{\omega }}_{\text{x}}+\left({\mathrm{\omega }}_{\text{y}}\text{sin}\mathrm{\phi }+{\mathrm{\omega }}_{\text{z}}\text{cos}\mathrm{\phi }\right)\text{sin }\mathrm{\theta }/\text{cos }\mathrm{\theta }\hfill \end{array}$$

  
• Die Messungen können wie folgt ausgedrückt werden: $$\left(\begin{array}{c}{\text{V}}_{\text{E}}\\ {\text{V}}_{\text{N}}\\ {\text{V}}_{\text{U}}\end{array}\right)=\text{R}\left(\mathrm{\psi }\mathrm{,\theta },\mathrm{\phi }\right)\left(\begin{array}{c}{\text{V}}_{\text{x}}\\ {\text{V}}_{\text{y}}\\ {\text{V}}_{\text{z}}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{\omega }}_{\text{Z}}& {\mathrm{\omega }}_{\text{Y}}\\ {\mathrm{\omega }}_Z& 0& -{\mathrm{\omega }}_{\text{X}}\\ -{\mathrm{\omega }}_{\text{Y}}& {\mathrm{\omega }}_{\text{X}}& 0\end{array}\right)\text{R}\left(\mathrm{\psi }\mathrm{,\theta },\mathrm{\phi }\right)\left(\begin{array}{c}{\text{x}}_{\text{A}}\\ {\text{y}}_{\text{A}}\\ {\text{z}}_{\text{A}}\end{array}\right)$$

  

  $$\mathrm{\psi }=\mathrm{\gamma }$$

  

  $$\mathrm{\theta }={\mathrm{\theta }}_{\text{ss}}$$

  

  $$\mathrm{\phi }={\mathrm{\phi }}_{\text{ss}}$$

  

  wobei R(ψ, θ, φ) eine Transformationsmatrix aus dem Fahrzeugreferenzrahmen in den Bodenreferenzrahmen (ENU) ist; und
  wobei der Vektor (xA, yA, zA) die Position der GPS-Antenne relativ zum Schwerpunkt im Fahrzeugreferenzrahmen darstellt.
• Die Zustandsvariablen sind wie folgt: $$\text{x}=\left[{\text{V}}_{\text{x}},{\text{V}}_{\text{y}},{\text{V}}_{\text{z}}\mathrm{,\psi }\mathrm{,\theta },\mathrm{\phi }\right]\text{'}$$

  
• Die Steuergrößen in Form von Linear- und Winkelbeschleunigungen umfassen den zweiten Parametersatz 35 und werden wie folgt ausgedrückt: $$\text{u}=\left[{\text{a}}_{\text{xm}},{\text{a}}_{\text{ym}},{\text{a}}_{\text{zm}},{\mathrm{\omega }}_{\text{x}},{\mathrm{\omega }}_{\text{y}},{\mathrm{\omega }}_{\text{z}}\right]\text{'}$$

  
• Die Messungen umfassen den ersten Satz von Parametern 37 und können wie folgt ausgedrückt werden: $$\text{z}=\left[{\text{V}}_{\text{E}},{\text{V}}_{\text{N}},{\text{V}}_{\text{U}}\right]\text{'}$$

  

  oder $$\text{z}=\left[{\text{V}}_{\text{E}},{\text{V}}_{\text{N}},{\text{V}}_{\text{U}},\mathrm{\gamma }\mathrm{,}{\mathrm{\theta }}_{\text{ss}}\mathrm{,}{\mathrm{\phi }}_{\text{ss}}\right]\text{'}$$

  
• Die , stationäre Neigung θ_ssund die stationäre Rolle φ_ss können wie folgt ausgedrückt werden: $${\mathrm{\theta }}_{ss}=si{n}^{-1}\left(\frac{{\dot{V}}_x-a_{xm}}{g}\right),{\phi }_{ss}=si{n}^{-1}\left(\frac{a_{zm}-w_z{V}_x}{g}\right)$$

  
• Die vom ersten Zustandsschätzer 240 verwendete Zustandsraumdarstellung ist wie folgt: $$\dot{\text{x}}=\text{f}\left(\text{x}\text{,u}\right)+\text{w}$$

  

  $$\text{z}=\text{h}\left(\text{x}\text{,u}\right)+\text{v}$$

  

  wobei:

w

stellt das Prozessrauschen dar, und

v

stellt das Beobachtungsrauschen dar.

• Der erste Zustandsschätzer 240 wird rekursiv ausgeführt, indem eine Reihe von Messungen, d. h. der erste Satz von Parametern 37, verwendet wird, die ausgedrückt werden als z = [V_E,V_N,
  V_U, γ, θ_ss, φ_ss]' die im Laufe der Zeit beobachtet werden, um Schätzungen von Variablen in Form der geschätzten Fahrzeugverrollung und -neigung zu erzeugen φ̂, θ̂̂ 242 durch Schätzung einer gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsverteilung über die Variablen für jedes Zeitfenster.
• Wie unter Bezugnahme auf 3 gezeigt, enthält der ebene Zustandsschätzerblock 250 den Schwerkraftkompensationsblock 251, und der zweite Zustandsschätzer 255 kann als erweiterter Kalman-Filter mit drei Freiheitsgraden (3-DOF) konfiguriert sein und enthält die folgenden Beziehungen.
• Die Kinematik der planaren Bewegung kann wie folgt ausgedrückt werden: $$\begin{array}{l}{\dot{\text{V}}}_{\text{x}}={\text{a}}_{\text{x}}+{\text{rV}}_{\text{y}}\\ {\dot{\text{V}}}_{\text{y}}={\text{a}}_{\text{y}}+{\text{rV}}_{\text{x}}\\ \dot{\psi }=\text{r}\\ \dot{\text{r}}={\text{A}}_{\mathrm{\psi }}\end{array}$$

  

  wobei:

V̇x

stellt eine zeitliche Geschwindigkeitsänderung in der X-Dimension dar;

V̇y

stellt eine zeitliche Geschwindigkeitsänderung in der Y-Dimension dar;

ψ̇

stellt eine zeitliche Änderung des Fahrzeugkurses dar; und

r

stellt die Winkelbeschleunigung um die Gierachse dar.

• Die Messungen können wie folgt ausgedrückt werden: $$\begin{array}{l}{\text{V}}_{\text{E}}={\text{V}}_{\text{x}}\text{cos}\mathrm{\psi }-{\text{V}}_{\text{y}}\text{sin}\mathrm{\psi }-\text{r}\left({\text{x}}_{\text{A}}\text{sin}\mathrm{\psi }+{\text{y}}_{\text{A}}\text{cos}\mathrm{\psi }\right)\\ {\text{V}}_{\text{N}}={\text{V}}_{\text{y}}\text{sin}\mathrm{\psi }+{\text{V}}_{\text{y}}\text{cos}\mathrm{\psi }-\text{r}\left({\text{x}}_{\text{A}}\text{cos}\mathrm{\psi }+{\text{y}}_{\text{A}}\text{sin}\mathrm{\psi }\right)\\ \text{r}={\mathrm{\omega }}_{\text{z}}\\ \mathrm{\psi }=\mathrm{\gamma }\end{array}$$

  
• Die Zustandsvariablen sind wie folgt: $$\text{x}=\left[{\text{V}}_{\text{x}},{\text{V}}_{\text{y}}\text{,}\mathrm{\psi },\text{r}\right]\text{'}$$

  
• Steuergrößen (Linear- und Winkelbeschleunigungen): $$\text{u}=\left[{\text{a}}_{\text{xm}},{\text{a}}_{\text{ym}},{\text{A}}_{\mathrm{\psi }}\right]\text{'}$$

  
• Der Schwerkraftkompensationsblock 251 kompensiert die Wirkung der Schwerkraft gemäß den folgenden Beziehungen: $${\text{a}}_{\text{x}}={\text{a}}_{\text{xm}}+\text{g sin }\mathrm{\theta }$$

  

  $${\text{a}}_{\text{y}}={\text{a}}_{\text{ym}}-\text{g cos }\mathrm{\theta }\text{ sin }\phi$$

  
• Die vom zweiten Zustandsschätzer 255 verwendete Zustandsraumdarstellung ist wie folgt: $$\begin{array}{l}\dot{\text{x}}=\text{f}\left(\text{x}\text{,u}\right)+\text{w}\\ \text{z}=\text{h}\left(\text{x}\right)+\text{v}\end{array}$$

  

  wobei:

w

stellt das Prozessrauschen dar, und

v

stellt das Beobachtungsrauschen dar.

• Der Schwerkraftkompensationsblock 251 ermittelt einen Beschleunigungsvektor (a_x, a_y) 252, der in den zweiten Zustandsschätzer 255 eingegeben wird, aus dem der erste Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor (V̂_xP1, V̂_yP1) 256 ermittelt wird.
• Der zweite Zustandsschätzer 255 wird rekursiv ausgeführt, indem eine Reihe der Messungen, d. h. der erste Satz von Parametern 37, einschließlich V_E, V_N; der Fahrzeugkurswinkel γ 233; die gefilterten Werte für a_xm, a_ym,ω_z 223; und die geschätzte Fahrzeugverrollung und -neigung φ̂, θ̂ 242. Die Messungen werden ausgedrückt als z = [V_E,V_N,V_U, γ, θ_ss, φ_ss]', die über die Zeit beobachtet werden, um Schätzungen von Variablen in Form des ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors 256 zu erzeugen, indem eine gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung über die Variablen für jedes Zeitfenster geschätzt wird. Die Längsgeschwindigkeit V̂_xP1 259 des ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors 256 wird direkt in den Datenfusionsblock 260 eingegeben. Der erste Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor (V̂_xP1, V̂_yP1) 256 wird auch in den dritten Zustandsschätzer 257 eingegeben.
• Der dritte Zustandsschätzer 257 enthält die folgenden Beziehungen.
• Das Fahrradmodell mit nichtlinearen Reifenkraftbeziehungen kann wie folgt ausgedrückt werden: $$\begin{array}{l}{\text{M}}_{\dot{\text{V}}}=-{\text{MrV}}_{\text{x}}+{\text{F}}_{\text{yF}}\left({\mathrm{\alpha }}_{\text{F}}\right)\text{cos}\left({\mathrm{\delta }}_{\text{F}}\right)+{\text{F}}_{\text{yR}}\left({\mathrm{\alpha }}_{\text{R}}\right)-\text{Mg cos}\left(\mathrm{\theta }\right)\text{sin}\left(\mathrm{\phi }\right)\\ {\text{I}}_{\text{z}}\dot{\text{r}}={\text{aF}}_{\text{yF}}\left({\mathrm{\alpha }}_{\text{F}}\right)-{\text{bF}}_{\text{yR}}\left({\mathrm{\alpha }}_{\text{R}}\right)\end{array}$$

  

  $$\dot{\mu }=0$$

  

  wobei:
  M steht für die Masse des Fahrzeugs;
  µ stellt den Reibungskoeffizienten der Straßenoberfläche dar;
  F_yF stellt die Seitenkraft an den Vorderreifen dar und ist gegeben durch $$F_{yF}=c_F\mu \text{tanh}\left(\frac{d_F}{\mu }{\alpha }_F\right);$$

  

  F_yR repräsentiert die Seitenkraft an den Hinterreifen und ist gegeben durch $$F_{yR}=c_R\mu \text{tanh}\left(\frac{d_R}{\mu }{\alpha }_R\right);$$

  

  α_F stellt den Schräglaufwinkel an den Vorderrädern dar und ist gegeben durch $${\alpha }_F={\delta }_F-ta{n}^{-1}\left(\frac{V_y+ar}{V_x}\right);$$

  

  und
  α_R stellt den Schräglaufwinkel an den Hinterreifen dar und ist gegeben durch $${\alpha }_R={\delta }_F-{\text{tan}}^{-1}\left(\frac{V_y-br}{V_x}\right).$$

  
• Die Messungen können wie folgt ausgedrückt werden: $${\text{V}}_{\text{y}}={\text{V}}_{\text{yP1}}$$

  

  $$\text{r}={\mathrm{\omega }}_{\text{z}}$$

  

  $$\mu ={\mu }_m$$

  

  wobei µ_m eine Schätzung oder Messung des Reibungskoeffizienten der Straßenoberfläche darstellt.
• Die Zustandsvariablen sind wie folgt: $$\text{x}=\left[{\text{V}}_{\text{y}},\text{r}\text{,}\mu \right]\text{'}$$

  
• Zu den Kontrollvariablen gehören folgende: $$\text{u}=\left[{\mathrm{\delta }}_F,{\delta }_R\right]\text{'}$$

  

  wobei:
• δ_F und δ_R stehen für den vorderen und hinteren Fahrbahnradwinkel.
• Die vom dritten Zustandsschätzer 257 verwendete Zustandsraumdarstellung ist wie folgt: $$\dot{\text{x}}=\text{f}\left(\text{x}\text{,u}\right)+\text{w}$$

  

  $$\text{z}=\text{h}\left(\text{x}\right)+\text{v}$$

  
• Der dritte Zustandsschätzer 257 wird rekursiv ausgeführt, indem er eine Reihe von Messungen verwendet, d. h. Roll- und Nickparameter, Reibungskoeffizient der Fahrbahnoberfläche, Winkelgeschwindigkeit, Straßenradwinkel für das Fahrzeug 100 und den ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor. Diese Messungen werden über die Zeit beobachtet, um Schätzungen von Variablen in Form des zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors 224 zu erzeugen, indem eine gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung über die Variablen für jedes Zeitfenster geschätzt wird.
• 6 zeigt schematisch Eingänge und Ausgänge, die mit der Ausführung des dritten Zustandsschätzers 257 verbunden sind, um die GPS/IMU/Fahrradmodell-basierte seitliche Geschwindigkeit zu schätzen V̂_yBic 258 basierend auf dem ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor (V̂_xP1, V̂_yP1) 256.
• Die Zustandsflussroutine 200 gewährleistet eine genaue Schätzung der Fahrzeuggeschwindigkeit, in Form des endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors V̂_x, V̂_y 280 basierend auf der Kinematik der Fahrzeugbewegung unter Verwendung eines Fahrzeug-/Reifenmodells. Die Winkelaktualisierungslogik ermöglicht die Ausnutzung von stationären Winkeln. Sie ermöglicht auch die Fusion bestehender Ansätze zum Strom auf der Basis der GPS-Verfügbarkeit, was die Robustheit verbessert.
• Der GPS-Kurswinkel und die stationären Nick- und Rollwinkel werden als zusätzliche Messungen verwendet. Der stationäre Nickwinkel wird durch die gemessene Längsbeschleunigung und die Ableitung der Längsgeschwindigkeit ausgedrückt. Der stationäre Rollwinkel wird in Form der Querbeschleunigung, der Gierrate und der Längsgeschwindigkeit ausgedrückt. Der Kurswinkel ist der Winkel zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Richtung nach Osten.
• Wenn die Kriterien für die Gieraktualisierung erfüllt sind, ist die Giermessung verfügbar. Wenn die Aktualisierungskriterien für die Neigung erfüllt sind, ist die Neigungsmessung verfügbar. Wenn die Roll-Update-Kriterien erfüllt sind, ist die Roll-Messung verfügbar. Gier-Update-Kriterium bedeutet nahezu geradliniges Fahren, d. h. kein Seitenschlupf. Roll-Update-Kriterium bedeutet nahezu stationäre Bewegung um die Rollachse. Pitch-Update-Kriterium bedeutet eine nahezu stationäre Bewegung um die Nickachse. Daher kann sich die Menge der verfügbaren Messungen dynamisch ändern, je nachdem, ob es eine GPS-Aktualisierung und/oder stationäre Winkelaktualisierungen gibt. Der erste Zustandsschätzer 240, der z. B. den erweiterten 6-DOF-Kalman-Filter enthält, arbeitet mit einer Wiederholrate von 10 ms. Zustände der Beschleunigungen a_xm, a_ym, a_zm und Winkelgeschwindigkeiten ω_x, ω_y, ω_z werden alle 10ms aktualisiert. GPS-Geschwindigkeiten V_E, V_N, V_U werden alle 100 ms aktualisiert. Aktualisierungen des stationären Winkels werden immer dann empfangen, wenn die entsprechenden Kriterien erfüllt sind. Daher kann es mehrere Unterfälle geben, wobei jeder Unterfall einem bestimmten verfügbaren Messsatz entspricht. Und der Jacobian der Messgleichungen entspricht ebenfalls einem bestimmten Fall oder Messsatz.
• Wenn die Zustandsflussroutine 200 in einer Ausführungsform des Fahrzeugs 100 mit ADAS 40 implementiert ist, stellt sie einen analytischen Prozess zur dynamischen Bestimmung eines endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors V̂_x, V̂_y 280 basierend auf Parametern vom GPS-Sensor 36 und der IMU 34. Dazu gehört die Bestimmung des ersten Satzes von Parametern 37, die mit einer Geschwindigkeit, einer Position und einem Kurs für das Fahrzeug 100 verbunden sind, über den GPS-Sensor 36. Dazu gehört auch, dass über die IMU 34 die zweiten Parameter 35 bestimmt werden, die mit der Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit für das Fahrzeug 100 verbunden sind. Dazu gehört auch die Bestimmung der Roll- und Nickparameter 232 auf der Grundlage des ersten und zweiten Parametersatzes 37, 35, wie unter Bezugnahme auf den Winkelaktualisierungsblock 230 von 2 beschrieben. Dazu gehört auch die Bestimmung des ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors 256 auf der Grundlage der Roll- und Nickparameter 232, des ersten Satzes von Parametern 37 und des zweiten Satzes von Parametern 35, wie unter Bezugnahme auf den ersten Zustandsschätzer 240 und den Block 250 des Planarzustandsschätzers von 2 und 3 beschrieben. Dazu gehört auch das Bestimmen des zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors 224 basierend auf den Roll- und Nickparametern, dem Fahrbahnoberflächen-Reibungskoeffizienten, der Winkelgeschwindigkeit, den Straßenradwinkeln für das Fahrzeug und dem ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor, wie mit Bezug auf den ersten Zustandsschätzer 240, den planaren Zustandsschätzerblock 250 und den Fahrradmodell-Zustandsschätzerblock von 2 und 6 beschrieben. Dazu gehört auch die Bestimmung des zweiten Geschwindigkeitsvektors (V̂_x, V̂_y) 224 basierend auf den zweiten Parametern, die mit der Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs verbunden sind, die wie unter Bezugnahme auf den vorläufigen Signalfilterblock 220 von 2 beschrieben bestimmt werden können. Dazu gehört auch die Bestimmung des endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors 280 auf der Grundlage der Fusion des ersten und zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors für das Fahrzeug, der wie unter Bezugnahme auf den Datenfusionsblock 260 von 2 beschrieben bestimmt werden kann. Der Betrieb des Fahrzeugs 100 kann auf der Grundlage des endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors 280 autonom gesteuert werden, was die Steuerung einer oder mehrerer der Funktionen Lenken, Bremsen und Beschleunigen des Fahrzeugs 100 umfassen kann.
• Die Blockdiagramme in den Flussdiagrammen veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung. In dieser Hinsicht kann jeder Block in den Blockdiagrammen ein Modul, ein Segment oder einen Teil des Codes darstellen, der eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Implementierung der angegebenen logischen Funktion(en) enthält. Es wird auch darauf hingewiesen, dass jeder Block in den Blockdiagrammen und/oder Flussdiagrammdarstellungen und Kombinationen von Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder Flussdiagrammdarstellungen durch Hardware-basierte Systeme mit dedizierter Funktion, die die angegebenen Funktionen oder Handlungen ausführen, oder durch Kombinationen von Hardware mit dedizierter Funktion und Computeranweisungen implementiert werden können. Diese Computerprogrammanweisungen können auch in einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das einen Computer oder ein anderes programmierbares Datenverarbeitungsgerät anweisen kann, in einer bestimmten Weise zu funktionieren, so dass die in dem computerlesbaren Medium gespeicherten Anweisungen einen Herstellungsgegenstand erzeugen, der Befehlsmittel enthält, die die in dem Flussdiagramm und/oder dem Blockdiagrammblock oder den Blöcken angegebene Funktion/Aktion implementieren.
• Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegende Lehre, aber der Umfang der vorliegenden Lehre wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehre im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Durchführung der in den beigefügten Ansprüchen definierten vorliegenden Lehre.

Claims (10)

1. Ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen, , über einen GPS-Sensor, Global Positioning System, von ersten Parametern, die mit einer Geschwindigkeit, einer Position und einem Kurs für das Fahrzeug verbunden sind; Bestimmen, über eine Inertialmesseinheit, IMU, von zweiten Parametern, die mit einer Beschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit für das Fahrzeug verbunden sind; Bestimmen eines Reibungskoeffizienten der Straßenoberfläche und der Radwinkel für das Fahrzeug; Bestimmen von Roll- und Nickparametern basierend auf den ersten und zweiten Parametern; Bestimmen eines ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors basierend auf den Roll- und Nickparametern, den ersten Parametern und den zweiten Parametern; Bestimmen eines zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors basierend auf den zweiten Parametern, die mit dem Reibungskoeffizienten der Straßenoberfläche, der Beschleunigung, der Winkelgeschwindigkeit und den Straßenradwinkeln für das Fahrzeug verbunden sind; Ausführen einer Datenfusion der ersten und zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektoren für das Fahrzeug; Bestimmen eines endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors basierend auf der Datenfusion des ersten und zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors für das Fahrzeug; und Steuern eines Betriebssystems des Fahrzeugs basierend auf dem endgültigen Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Roll- und Nickparameter basierend auf den ersten und zweiten Parametern das Ausführen eines ersten erweiterten Kalman-Filters umfasst, um die Roll- und Nickparameter basierend auf den ersten Parametern und den zweiten Parametern zu bestimmen.
3. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ausführen des ersten erweiterten Kalman-Filters zum Bestimmen der Roll- und Nick-Parameter das Ausführen eines erweiterten Kalman-Filters mit sechs Freiheitsgraden, 6-DOF, umfasst, um die Roll- und Nickparameter basierend auf den ersten Parametern und den zweiten Parametern zu bestimmen.
4. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors basierend auf den Roll- und Nickparametern, den ersten Parametern und den zweiten Parametern das Ausführen eines zweiten erweiterten Kalman-Filters umfasst, um den ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor basierend auf den Roll- und Nickparametern, den ersten Parametern und den zweiten Parametern zu bestimmen.
5. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Ausführen des zweiten erweiterten Kalman-Filters zum Bestimmen des ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors das Ausführen eines erweiterten Kalman-Filters mit drei Freiheitsgraden, 3-DOF, umfasst, um den ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor basierend auf den Roll- und Nickparametern, den ersten Parametern und den zweiten Parametern zu bestimmen.
6. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors basierend auf den Roll- und Nickparametern, dem Straßenoberflächen-Reibungskoeffizienten, der Winkelgeschwindigkeit, den Straßenradwinkeln für das Fahrzeug und dem ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor das Ausführen eines dritten erweiterten Kalman-Filters umfasst, um den zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor basierend auf den Roll- und Nickparametern, dem Straßenoberflächen-Reibungskoeffizienten, der Winkelgeschwindigkeit, den Straßenradwinkeln für das Fahrzeug und dem ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor zu bestimmen.
7. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ausführen des dritten erweiterten Kalman-Filters zum Bestimmen des zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors das Ausführen eines erweiterten Kalman-Filters für ein Fahrradmodell umfasst, um den zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor auf der Grundlage der Roll- und Nickparameter, des Reibungskoeffizienten der Straßenoberfläche, der Winkelgeschwindigkeit, der Straßenradwinkel für das Fahrzeug und des ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors zu bestimmen.
8. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Synchronisieren der ersten und zweiten Parameter; und Bestimmen der Roll- und Nickparameter basierend auf den synchronisierten ersten und zweiten Parametern.
9. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Kompensieren der zweiten Parameter, die mit der Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs verbunden sind, und der Roll- und Nickparameter basierend auf der Schwerkraft, um einen Beschleunigungsvektor zu bestimmen; Ausführen eines zweiten erweiterten Kalman-Filters, um den ersten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor basierend auf dem Beschleunigungsvektor und den ersten Parametern zu bestimmen.
10. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des zweiten Fahrzeuggeschwindigkeitsvektors basierend auf den zweiten Parametern, die mit der Beschleunigung, der Winkelgeschwindigkeit und dem Straßenradwinkel verbunden sind, das Bestimmen von Längs- und Quergeschwindigkeitsschätzungen basierend auf Eingaben der IMU umfasst.

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