08/9/2023 |
Veröffentlicht am
Dieser Artikel beschreibt die Systemarchitektur eines automatisierten Parkassistenzsystems, das den Fahrer beim Manövrieren des Fahrzeugs in einer vorgegebenen Parklücke unterstützt. Die Forschung umfasst unter anderem die Fusion von Ultraschall- und Kameradaten, die Planung der Parktrajektorie und die Bewegungssteuerung zum Lenken des Fahrzeugs in der Parklücke. Als automatisiertes System ist das Parksystem sicherheitskritisch und weniger komplex in Situationen mit hoher Geschwindigkeit auf Autobahnen oder im Stau. Die präzise Positionierung des Fahrzeugs und die Ausrichtung auf die Parklücke und benachbarte Fahrzeuge stellen jedoch angesichts des Einsatzes kostengünstiger Sensoren zur Wahrnehmung und Situationsanalyse eine große Herausforderung dar. Die Automatisierung des Parksystems beinhaltet ein präzises, berührungsloses Einparken und das automatische Ausparken des temporär geparkten Fahrzeugs auf Befehl des Fahrers über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), ein Tablet oder externe Schnittstellen.
Das Ein- und Ausparksystem umfasst Sensorik und Wahrnehmung, Modus- und Zustandsmanagement, Planung und Fahrzeugbewegungssteuerung. Bei den meisten bestehenden Parksystemlösungen konzentrieren sich Forscher häufig auf die komplexe Pfadplanungsgeometrie oder die Entwicklung präziser Steuerungssysteme für Parkassistenten. Dadurch entsteht oft eine Lücke auf Systemebene, da der Datenfluss von der Sensorik zum Aktorsystem nicht transformiert wird, um ein erfolgreiches Manöver beim konventionellen Parken zu ermöglichen. Dieser Artikel beschreibt eine umfassende Lösung für die Parkassistenz beim Manövrieren des Fahrzeugs in einer Parklücke. Die beengten Platzverhältnisse erfordern oft Parksysteme mit mehreren Aktoren, was die Komplexität der Pfadplanung und Entscheidungsfindung erhöht. Der kombinierte Bewegungssteuerungsmechanismus mit seitlichen und Längshilfen unterstützt das Parkmanöver und bietet Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Ansatz, das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit zu lenken.
Der Entwicklungsansatz des Parkassistenzsystems umfasst:
Im Anschluss an diese Schritte folgen die Komponentenentwicklung, die Modellentwicklung und die Systemvalidierung.
Die Architektur eines Ein- und Ausparksystems bestimmt maßgeblich den Systemablauf des autonomen Fahrsystems. Konzept und Design leiten sich von der Systemarchitektur bis auf die Komponentenebene ab, um die Entwicklung und Modellimplementierung zu unterstützen. Das entwickelte System wurde mittels Simulation und Standard-Fahrzeugdynamikmodellen im Simulationsablauf getestet, um die Robustheit und Leistungsfähigkeit der integrierten Ein- und Ausparkfunktion sicherzustellen.
Der Artikel stellt die Architektur eines automatisierten Systems vor, das den Fahrer beim Einparken des Fahrzeugs in eine zugewiesene Parklücke unterstützt. Die automatische Einparkfunktion nutzt häufig Mechanismen zur Ermittlung der Verfügbarkeit von parallelen und senkrechten Parklücken mithilfe kostengünstiger Sensoren (z. B. Ultraschall- oder Kamerasensoren), um das Fahrzeug unter Berücksichtigung benachbarter Fahrzeuge in der Parklücke zu positionieren. Die Systemarchitektur des Ein- und Ausparksystems ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abb. 1. Systemarchitektur des integrierten Ein- und Ausparksystems
Die wesentlichen Merkmale des Standes der Technik konzentrierten sich entweder auf die Komplexität der Pfadplanung oder die Fahrzeugbewegungssteuerung beim Einparken. Eine durchgängige Lösung für ein Einparkassistenzsystem mit Ausparkfunktion wurde dabei jedoch nicht berücksichtigt. Die hier vorgestellte umfassende Architektur für integriertes paralleles und senkrechtes Einparken stellt den Stand der Technik dar. Sie beinhaltet das anfängliche Vorwärtsfahren des Fahrzeugs zur Ausrichtung für das Einparkmanöver nach erfolgreicher Freiraumermittlung, gefolgt von einem Rückwärtsmanöver, um das Fahrzeug in die ermittelte Parklücke zu positionieren. Darüber hinaus ist die Einparkfunktion mit der Ausparkfunktion verknüpft; der Benutzer kann das Ausparkmanöver erst nach Ablauf einer vordefinierten Zeit nach erfolgreichem Einparken über ein Tablet oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) einleiten.
Die Entwicklung der Systemarchitektur ist nach wie vor ein integraler Bestandteil des Entwicklungszyklus und bietet einen systematischen Ansatz für die automatisierte Funktionsentwicklung. Die Funktion „Ein- und Ausparken mit Unterstützung“ umfasst folgende Hauptfunktionen: Wahrnehmung und Objektfusion, Situationsanalyse, Modusmanagement, Trajektorienplanung sowie laterale und longitudinale Bewegungssteuerung. Die vorgeschlagene logische Architektur, die im Enterprise-Architect-Tool entworfen wurde (siehe Abbildung 2), bietet gegenüber dem herkömmlichen Ansatz Vorteile durch Modularität auf Softwarekomponentenebene bereits in der Entwurfsphase und ermöglicht gleichzeitig einen sequenziellen Datenfluss von den Eingabemodulen der Wahrnehmung zum Ausgabesystem.
Abb. 2. Logische Architektur des Einparkhilfesystems
Die Wahrnehmungsfunktion unterstützt die Eigenbewegungsschätzung und die Fusion von Verkehrsattributen auf Basis von Kamera- und Ultraschallsensorinformationen. Das Situationsbewertungsmodul ermittelt freie Parklücken, analysiert den dynamischen Verkehr (Fahrzeuge und Fußgänger) im Fahrweg und prognostiziert Kollisionen. Anschließend bewertet das Modul zur Bewertung freier Parkplätze die dynamische Gefährdung und die Parkmöglichkeit. Dies ist mit der Trajektorienplanung und der Bewegungssteuerung für das Einparkmanöver verknüpft. Die Trajektorienplanung generiert den optimalen kollisionsfreien Pfad für einzelne oder mehrere Manöver unter Berücksichtigung der Platzverhältnisse. Der Bewegungsregler gewährleistet die Navigation des Fahrzeugs auf der geplanten Parktrajektorie mit minimalem Positionsfehler. Der Modusmanager steuert den Übergang zwischen definierten automatischen Parkmodi und unterstützt die Steuerung der Funktionsmodule während der Änderungen. Der Wahrnehmungs- und Situationsbewertungsblock überwacht und greift auf den benötigten Parkplatz zu. Die Trajektorienplanung und Bewegungssteuerung für Ein- und Ausparken bleiben aktiv, sobald ein geeigneter Parkplatz für das automatische Einparken oder ein kollisionsfreier Pfad für das unterstützte Ausparken gefunden wurde.
Die automatische Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs, gefolgt von einem Rückwärtsmanöver entlang der geplanten Fahrspur vom Parkstreifen zur Parklücke, basierend auf der vom Benutzer aktivierten Einparkhilfe, ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Funktion. Die Entwicklung dieser Funktion umfasst Wahrnehmungs- und Sensorfusionsattribute, Modusmanagement und Entscheidungssteuerung, um die Längs- und Querbewegung des Fahrzeugs im assistierten Modus gleichzeitig zu steuern. Die Architektur des Einparkassistenzsystems wird mittels eines modellbasierten Entwicklungsansatzes in ein Funktionsmodell übersetzt. Die Modularität des Funktionsmodells ermöglicht Flexibilität bei der Gestaltung und Anpassung an verschiedene Varianten von Betriebsattributen und Sensortopologien. Die wichtigsten Merkmale des Funktionentwicklungsprozesses, der eine Komplettlösung für Anwendungsfälle des assistierten Einparkens bietet, werden im Folgenden erläutert:
Abb. 3. Entwicklungsansatz für die Parkassistenzfunktion
Der Lenkaktuator basiert auf dem Konzept einer kombinierten Tracking-Einheit, bei der die Längsbewegungssteuerung die Querbewegungsverfolgung unterstützt. Die Längs- und Querbewegung sind gekoppelt und bilden eine zentrale Einheit für das Parksystem. Sie ermöglicht das präzise Einfahren des geplanten Pfades beim Rückwärtseinparken und trägt so zur genauen Positionierung des Fahrzeugs in der Parklücke bei, wobei die Ausrichtung an benachbarten Fahrzeugen angepasst wird. Der Ansatz der kombinierten Bewegungssteuerung beinhaltet die zeitaufgelöste Verfolgung von Pfadpunkten unter Berücksichtigung der Systemdynamik beim Parkmanöver. Die wichtigsten Leistungsindikatoren der automatischen Parkfunktion werden häufig anhand eines Standard-Fahrzeugdynamikmodells validiert, um die Systemrobustheit sicherzustellen. Die Modularität der Architektur ermöglicht die Nutzung der Komponenten des geplanten Pfades für das Rückwärtseinparken auch für das unterstützte und kollisionsfreie Ausparken mit Vorwärtsbewegung, sofern die Umgebung unverändert bleibt oder die Bewegung benachbarter Objekte den Ausparkvorgang nicht beeinträchtigt. Die Situationsbewertung, der Modusmanager und die Bestimmung der Fahrerüberschreibung bleiben sowohl beim Einparken als auch beim Ausparken in ähnlicher Weise funktionsfähig, und somit bietet diese Modularität des Softwarekomponentendesigns einen Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Ansatz der Funktionsentwicklung.
Lösungsarchitekt – Praxis für autonomes Fahren
KPIT Technologies
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