Schucker, Jeremias (2020)
Trajektorienplanung und Fahrzeugführung für hochautomatisiertes Fahren auf der Autobahn.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00012686
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der nächste große Schritt des automatisierten Fahrens ist die vollständige Ersetzung des menschlichen Fahrers durch ein Assistenzsystem. Die zu entwickelnden Systeme müssen demzufolge u. a. in der Lage sein, ihre zukünftige Handlung zu planen und diese zielgerichtet umzusetzen. Hierfür bietet es sich an, das System in zwei Komponenten zu unterteilen: die Trajektorienplanung und die Fahrzeugführung. Die Aufgabe der Trajektorienplanung ist es, einen sicheren Pfad in Abhängigkeit der Zeit, die Trajektorie, zu planen. Die Fahrzeugführung wiederum übernimmt sowohl die Längs- als auch die Querführung des Fahrzeugs und gewährleistet ein sicheres Folgender Trajektorie. In dieser Arbeit werden für beide Komponenten Lösungskonzepte entwickelt und prototypisch in einem Versuchsfahrzeug umgesetzt. Die Betrachtungen beschränken sich dabei auf den Anwendungsfall einer Autobahnfahrt inklusive Auf- und Abfahrmanöver.

Um eine vorausschauende Planung zu ermöglichen, besteht die geplante Trajektorie aus bis zu drei Segmenten. Diese können z. B. bei einem Fahrstreifenwechsel dazu genutzt werden, um im ersten Segment die Lücke gezielt anzufahren, im zweiten Segment den eigentlichen Fahrstreifenwechsel durchzuführen und im letzten Segment die Weiterfahrt zu planen. Innerhalb eines Segments besteht die Trajektorie aus je einem Polynom in Längs- und einem Polynom in Querrichtung. Die Trajektorie ergibt sich als Lösung eines Optimierungsproblems. Um das Optimum zu bestimmen, wird der Lösungsraum diskretisiert, wodurch sich eine diskrete Menge an Lösungstrajektorien ergibt. Aus dieser Menge wird die beste Lösungstrajektorie anhand einer Kostenfunktion ausgewählt. Ergänzt wird das Konzept der Trajektorienplanung durch ein Konzept zum Fahrstreifenwechselabbruch. Dieses entscheidet in kritischen Situationen, ob es sicherer ist, einen Fahrstreifenwechsel abzubrechen oder fortzuführen.

Im Rahmen der Fahrzeugführung wurden zwei Konzepte untersucht. Das erste Konzept, die Exakte Eingangs-Ausgangs-Linearisierung, basiert auf einer nichtlinearen Rückführung, die die Nichtlinearitäten des Systems kompensiert und die Ausgänge voneinander entkoppelt. Dadurch ist es möglich, für jeden Ausgang einen linearen Folgeregler zu entwerfen. Für das zweite Konzept wird das System zunächst entlang der Trajektorie linearisiert, wodurch sich ein zeitvariantes lineares Modell ergibt. Für dieses wird ein zeitvarianter Riccati-Regler entworfen und durch eine inversionsbasierte Vorsteuerung ergänzt.

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