Entwicklung von ACC-Systemen mit Stop&Go-Erweiterung

Im Rahmen eines 2005 beendeten großen Verbundprojekts in Kooperation mit Automobilherstellern und einem Dienstleister wurde die Erweiterung von abstandsgeregelten Tempomaten (Adaptive Cruise Control - ACC) für den Stop&Go-Betrieb erforscht und im Fahrversuch prototypisch zur Anwendung gebracht. Das wesentliche Ziel des Forschungsprojektes bestand darin, eine Regelung für das automatische Fahren im niedrigen Geschwindigkeitsbereich zu entwerfen und damit die Entlastung für den Fahrer, die ACC-Systeme in höheren Geschwindigkeitsbereichen bringen, auch für den besonders anstrengenden Stop&Go-Verkehr zu erreichen. Durch den Einsatz eines modernen Regelungsverfahrens, einer Modellprädiktiven Regelung (MPR), konnte eine Lösung gefunden werden, die strukturell zukünftige Erweiterungen und Anpassungen leicht zulässt und zugleich eine hohe Akzeptanz beim menschlichen Fahrer erreicht, da die menschliche Vorgehensweise vereinfacht nachgebildet werden konnte.

 

Systemstruktur des Stop&Go-ACC

Systemstruktur des Stop&Go-ACC

Der menschliche Entscheidungsprozess wird in vereinfachter im Bild rechts oben dargestellt. Aufbauend auf der Erkennung der Fahrsituation legt der Fahrer für sich ein Wunschverhalten fest, dass er unter Berücksichtigung der zuvor erlernter Fahrzeugdynamik und unter Beachtung eventuell vorhandener Nebenbedingungen (z.B. Geschwindigkeitsbegrenzungen) in eine Betätigung von Gas- oder Bremspedal umsetzt.

 

Die Systemstruktur des Stop&Go-ACC bildet den menschlichen Regelvorgang in abstrahierender Form nach, weshalb als Regelgröße des Stop&Go-ACC ist die Eigengeschwindigkeit verwendet wird. Die durch die Umfeldsensorik ermittelten Informationen wie Abstand und Relativgeschwindigkeit zum vorausfahrenden Fahrzeug sowie durch den Fahrer gewählten Parameter (z.B. Sollzeitlücke) werden mit weiteren Informationen in einen Situationsklassifikator gespeist, der die augenblicklich vorliegende Situation erkennt. Auf der Basis dieser Situationsinformation wird anschließend im Sollwertgenerator ein zukünftig gewünschter Geschwindigkeitsverlauf berechnet. Dieser wird anschließend innerhalb der MPR nach Vergleich mit der aktuell vorhandenen Eigengeschwindigkeit unter expliziter Berücksichtigung eines Fahrzeugmodells und eventuell vorhandener Begrenzungen (z.B. maximal und minimal mögliche Stellgrößenausschläge) zur Ermittlung einer optimalen Stellgröße (Moment) verwendet. Ein als Entscheider bezeichneter Algorithmus legt daraufhin fest, mit welcher Aktorik das Wunschmoment eingestellt werden kann.

 

Modellprädiktive Regelung als Regelungsverfahren

Regelkreis mit Modellprädiktiver Regelung

 

Den Kern des Stop&Go-ACC (Bild rechts unten) bildet die Modellprädiktive Regelung, welche ein Schlüsselfaktor für das Erreichen für ein vom menschlichen Fahrer akzeptiertes Reglerverhalten darstellt. Der Regelkreis mit der MPR bietet dabei zahlreiche Tuningparameter, um das Verhalten des geschlossenen Regelkreises in weiten Bereichen dem vom Fahrer gewünschten Fahrzeugverhalten anzupassen. Neben der Berücksichtigung der als relevant identifizierten Fahrzeuggrößen in der Kostenfunktion kann durch die Anpassung von Prädiktions- und Stellgrößenhorizont insbesondere das vorausschauende Fahren eines menschlichen Fahrers nachempfunden werden. Die Verwendung unterschiedlicher Optimierungsverfahren, von der analytischen Lösung bis hin zu schnellen numerischen Onlineoptimierungen unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen, ermöglicht die angepasste Beachtung von Komfortgrenzen, wie sie vom Fahrer gewünscht werden.