Hansen, Tim (2018)
Kombinierte Längs- und Quertrajektorienplanung für automatisierte Fahrstreifenwechsel.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Beschrieben wird ein System, welches automatisiert Fahrstreifenwechsel auf der Autobahn durchführt. Das System setzt hierbei als Sensorik zur Umfelderfassung nur mehrere Radar-sensoren und eine Monokamera voraus. Aufgrund der Zeitabhängigkeit der Umfeldobjekte ist es notwendig, anstatt einer Bahn y(x) eine Trajektorie x(t), y(t) zu planen. Zur Führung des Fahrzeugs besteht das System aus einer Trajektorienplanung und einer unterlagerten Regelung. Durch diese Trennung ist es möglich, die Neuplanungsrate geringer zu wählen, als dies bei einer klassischen Modellprädiktiven Regelung der Fall wäre.

Zur Trajektorienplanung wurden zwei verschiedene Methoden entwickelt. Bei beiden Planungsmethoden ist die Trajektorie Ergebnis eines nichtlinearen Optimierungsproblems. Beide Planungen berücksichtigen durch ihre Gütefunktion die beschränkte Fahrzeugdynamik sowie weitere Komfortgrenzen. Zusätzlich berücksichtigen sie die Kollisionsfreiheit der Trajektorie und den Einfluss auf den rückwärtigen Verkehr.

Bei der „Drei-Segment-Planung“ wird der Fahrstreifenwechsel in drei Segmente unterteilt. Das erste Segment beschreibt die Anfahrt zur Wechsellücke, das zweite den eigentlichen Fahrstreifenwechsel und im dritten findet die Weiterfahrt auf dem Zielfahrstreifen statt. Je nach Situation können einzelne Segmente entfallen. Im ersten und zweiten Segment wird die Trajektorie in Längs- und Querrichtung durch je ein Polynom fünften Grades beschrieben. Im dritten Segment wird die Längsführung durch den Abstandsregeltempomaten (Adaptive Cruise Control ACC) übernommen und die Quertrajektorie, in Form einer Matrix-Exponentialfunktion, sorgt für den Ausgleich der verbliebenen Querablage. Als Optimierungsvariablen dienen hierbei drei Parameter der Längstrajektorie. Die Quertrajektorie ergibt sich indirekt aus der Längstrajektorie. Die optimalen Werte der Optimierungsvariablen werden ohne Gradienteninformation mit Hilfe des Downhill-Simplex-Algorithmus bestimmt.

Beim zweiten Verfahren „Spline-Planung“ besteht die Trajektorie aus vielen Polynomsegmenten dritten Grades. Dadurch ist es möglich, einen stetigen Verlauf der Beschleunigung zu erreichen. Die Nebenbedingungen wurden offline so eliminiert, dass sich die Abtastung auf eine Matrix-Multiplikation reduzieren lässt. Die Trajektorie ist in ihrer Form weitaus flexibler als beim ersten Verfahren, da pro Segment und Richtung eine Optimierungsvariable vorhanden ist. Die Form der Trajektorie wird im Wesentlichen durch die Gütefunktion festgelegt. Diese Gütefunktion ist stetig differenzierbar, so dass sich ein Gradient berechnen lässt. Dieser wird benutzt, um das Optimum mit Hilfe des L-BFGS-Algorithmus zu bestimmen.

Beide Trajektorienplanungen wurden in einem Versuchsfahrzeug implementiert und intensiv getestet. Neben den Testfahrten auf dem August-Euler-Flugplatz in Griesheim wurde das System auch im realen Straßenverkehr erprobt. Beide Trajektorienplanungen ermöglichen komfortable und sichere Fahrstreifenwechsel auch in dichtem Verkehr auf der Autobahn. Sie sind zudem bei Bedarf auch in der Lage, den Fahrstreifenwechsel abzubrechen. Die Trajektorien beider Verfahren wurden von den Fahrern als komfortabel und angenehm beschrieben.

Eine Abschätzung der Rechenzeit hat ergeben, dass beide Planungsmethoden in Echtzeit auf einem herkömmlichen Steuergerät ausführbar sind. Die Spline-Planung ist zwar etwas rechenzeitintensiver, jedoch auch deutlich flexibler und einfacher zu erweitern. Zudem ist es bei der Drei-Segment-Planung notwendig, Fallunterscheidungen durchzuführen, um die Anzahl der Segmente zu bestimmen. Diese Fallunterscheidungen sind ggf. nicht für jede Situation passend. Daher wird die Spline-Planung als langfristig tragfähiger betrachtet.

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