具体实施方式

下面，对根据本发明所述用于计算多部分轨迹的实施例进行描述。一轨迹将系统状态从其初始值转化为所定义的最终值。所述系统状态通过位置s、速度v、加速度a以及根据系统模型通过加加速度r来描述。对轨迹计算，通过一点群实现车辆建模。通常，将特殊的多级积分器链用作系统模型。在此，轨迹计算表示可根据现有技术分析解决的优化问题。但是，这类解决方案通常通过多项式对系统状态加以描述，其缺点是，它们仅逐点达到加加速度和加速度的最大值，并且无法以逐段方式恒定保持加加速度和加速度的最大值。

图1展示用于驾驶员辅助系统的根据本发明所述的轨迹规划装置的结构的实施例。但是，这类轨迹规划装置也可明确用于其他运输工具(飞行物、水上交通工具及类似交通工具)的辅助系统。所述轨迹规划装置包括协调层面1(或协调层)和规划层面2(或规划层)。规划层面2通常对将车辆从其当前实际状态转化为所需额定/目标状态的轨迹进行优化和计算，而协调层面1为根据情形和功能特殊设定轨迹规划的目标状态、优化标准和优化限制提供一界面。

由于无目标对象(速度轨迹)的自由行驶和具有目标对象的后续行驶/跟随行驶(距离调控)有不同的优化目标，规划层面2由用于速度轨迹的规划装置(速度规划装置9)和一个或多个用于(多目标自适应巡航控制(ACC))距离轨迹的规划装置(间隔距离或路径规划装置10)组成。所谓的自由行驶是指当自身所在车道不存在障碍或没有前方行驶车辆被测定为相关目标对象，并且可以驾驶员设定的目标速度不受阻碍地行驶时的车辆行驶方式。但是，如果通过例如辅助系统测定了阻止自由行驶的前方行驶车辆，则可相应地调控速度并使其调整适配前方行驶车辆的速度。与此相应，在此所述的是所谓的后续行驶，其中，通常根据可相对于前方行驶车辆规定的额定间隔距离对速度进行调整适配。为了在自由行驶轨迹和后续行驶轨迹之间进行切换，在不同规划装置上连接一轨迹选择模块3。在此，可基于当前轨迹加速度进行轨迹选择。作为替代选择，也可根据完整的轨迹进行轨迹选择。

协调层面1优选为模块化设计，并包含例如速度模块4和距离辅助模块5等一个或几个独立模块，用于系统的每个可界定功能。在此，每个模块提供用于各相应功能应用的直观界面。为此，各相应模块将受控轨迹规划装置的大量优化参数(性能指标中的权重、状态限制、搜索空间限制)转换并减少为少数几个参数，以实现各相应功能的目标参数化。在此，也可考虑使用更复杂的算法，对完整场景中的行为进行控制。这些模块也同样可具有模块化结构，并包括从属的功能或模块。如图1中的示例所示，速度模块4包括至少三个其他(子)模块：速度调控模块6、限速辅助模块7以及转弯辅助模块8。由此，各个模块提供直观的界面，用于下级规划装置针对情形的特定应用，并由此提供要生成的轨迹或所需轨迹。在此，由于协调层面1的功能模块先将应用任务转换或减少为少数几个易于理解的参数，用于有的放矢地设定所需轨迹行为，所以不直接为应用程序批准轨迹规划的大量优化参数(例如性能指标中的权重、状态限制、搜索空间的选择等)。

协调层面1还提供了预先在不同功能之间做出决定的可能性，或者协调层面1可承担对不同功能之间做出决定的任务。例如，可预先比较无目标对象情况下用于速度调控的功能要求和目标状态(例如基于驾驶员规定，预测交通标志识别或预测弯道识别)，以便例如仅将速度轨迹最关键的请求转发给速度规划装置9。

安全功能和舒适功能的决定也可以相同方式进行。例如，紧急制动辅助(EBA)请求始终可比自适应巡航控制(ACC)请求占优势，也就是说，从安全至上的角度看，可对各相应功能的优先程度加以考虑。与此相反，在距离调控时，可能有必要并行计算多个距离轨迹或间距轨迹的规划装置，因为在车辆直接相邻的周围环境(在前方或在相邻车道上)经常存在多个目标对象，并且并非总是事先掌握最关键的目标对象而将其选为要进行规划的目标。要防止在自身所在车道和相邻车道具有目标对象的情况下，在“慢车道”上超车(“右车道超车操控”)的场景就是这方面的示例。在此，例如在相关目标越来越多时，为限制资源需求，可能情况下，可将用于距离轨迹的附加规划装置(例如通过搜索空间限制栅格化/较粗栅格化)更简单地设计为被优化的最具舒适度的主规划装置。

图2展示了根据现有技术、用于自由行驶的示例性单一部分轨迹T1的速度v(上部)和加速度a(下部)。在本示例中，速度应从10米/秒提高到20米/秒，其中，2米/秒²的加速度限制是有效的。由于所计算的单一部分轨迹违反了加速度限制，因此根据现有技术将其归类为不允许的并被丢弃。为了更好地利用车辆的加速能力，可使用三部分轨迹。在图2中，除了单一部分轨迹T1外，还展示了这类三部分轨迹T2。其中，第一轨迹区段将加速度引导至最大值或最小值a_cst，第二区段保持加速度恒定，第三区段重新使加速度减小。在此，第一和第三轨迹区段的持续时间保持恒定，而第二区段的持续时间以能达到所需最终速度的方式变化。这样做的结果是，三部分轨迹的持续时间t_e如图2所示通常偏离单一部分轨迹T1的持续时间。由于轨迹长度被包括在性能指标中，因此单一部分轨迹T1和三部分轨迹T2的比较是不一致的。第一和第三轨迹区段持续时间不变导致的另一缺点是，由此不能调整适配具体的情形。

相反，根据本发明提出的三部分速度轨迹计算在保持总持续时间t_e的同时，所有轨迹区段的持续时间都是可变的。通过性能指标得出各相应区段的持续时间。性能指标在区段模型或积分器链的输入端分析评估操纵变量的使用，并在这方面与性能指标的积分份额相对应，以分析评估单一部分的轨迹。由于一致的轨迹持续时间以及单一部分轨迹和三部分轨迹一致的性能指标，可在叠加优化中直接对单一部分轨迹和三部分轨迹进行互换。

为使三部分轨迹达到规定的速度变化v_e-v₀，必须满足以下方程式要求：

总轨迹长度t_e与区段持续时间Δt₁、Δt₂以及Δt₃的总和相对应。第一区段和第三区段中的加速度a₁和a₃通过三阶多项式描述。将a₁和a₃引入上述方程式中可得出Δt₁的二次方程式

如果将Δt₃和t_e假定为参数，也就是说，Δt₁可计算用于合理选择的Δt₃，并且得到的三部分轨迹具有所要求的长度t_e。事实证明，在对Δt₁两个有效的解中，较小的解导致较小的性能指标。持续时间Δt₃的选择方法是，使三部分轨迹的性能指标最小。为此使用一从属优化。在第一步骤中，确定Δt₃可能的解范围。最初，该解范围不能小于零，并且不长于轨迹长度t_e。在求解Δt₁的二次方程式时，只能用到实数解和正数解，由此导致了两个不等式。从Δt₂同样也应为正的进一步要求中得出第三个不等式。为找到最佳的Δt₃，在第二步骤中使用了一种对分法/二分法。由此，经过少数几个计算步骤后，得出与之一致的单一部分轨迹的最佳替代。图3中展示的是对图2中示例而言在本发明意义上的三部分轨迹T3。图4中展示的是另一示例，其中非对称轨迹T5被计算为单一部分轨迹T4的替代。

上述问题也与路径轨迹相关。然而，由于在路径规划中多项式的阶数较高，因此轨迹可能会同时违反加速度上限和下限。在这样一种情况下，替代轨迹最多具有五个轨迹区段，并无法再进行分析计算。实际上使用加速度下限(例如驶入场景)更为重要。对仅使用一个加速度限制的情况，可与速度轨迹相似，计算三部分路径轨迹。

在此，第一轨迹区段a₁和第二轨迹区段a_cst与速度轨迹的情况相同，而第三区段通过五阶多项式将最终状态转化为所需的最终速度v_e。要使三部分轨迹跨越规定的距离s_e-s₀，必须满足下列方程式的要求：

在引入加速度a₁和速度v₃后，得出Δt₂的二次方程

前提是将Δt₁和t_e假定为参数。在路径轨迹的情况下，不再需要预先决定是否在Δt₂的两个有效解中，较小的解也会导致较小的性能指标。因此，必须进一步研究两种解。通过不等式可对Δt₁的解范围加以限制。图5说明了通过三部分轨迹T7(上部路径，中间速度，下部加速度)替代单一部分轨迹T6的实施例：在此，三部分轨迹T7(虚线)在本发明意义上以下列方程式对轨迹进行特性说明

r₀＝0米/秒³

a₀＝0米/秒²

v₀＝8米/秒

r_e＝0米/秒³

a_e＝0米/秒²

v_e＝2米/秒，以及

s_e＝40米。

通过三部分速度轨迹的积分，得出作为规划多部分路径轨迹的一种替代可能性。通过轨迹终止时间的改变以及对由此得出的最终间隔距离的分析评估，可找到近似于单一部分路径轨迹、也就是说近似于单一部分轨迹的轨迹。

此外，还可为轨迹规划指定目标状态。在此，可根据下列方程式确定后续行驶中的额定间隔距离：

d_w＝d_停止+v_t·headway。

其中，d_停止表示静止状态时到目标车辆的间隔距离，v_t表示目标车辆的速度，“headway”表示时间间隔。此外，假设一恒定的加速度a_t,0，则可在将来预测目标车辆的运动：

a_t＝a_t,0

v_t＝v_t,0+a_t,0t

在此，所测得的间隔距离用d₀表示。本车的额定位置s_w由目标车辆的预测位置和额定间距根据以下方程式得出：

s_w＝s_t-d_w＝s_t-d_停止-v_t·headway

通过对该方程式求微分，例如可通过下列方程式计算出其余的额定状态v_w(速度)和a_w(加速度)

v_w＝v_t-a_t·headway

a_w＝a_t。

图6展示了目标车辆的状态(路径或距离(上部)、速度(中间)和加速度(下部))曲线以及由此得出的额定状态。目标车辆状态以黑色实线表示，用于根据间隔距离方程式进行轨迹规划的目标状态用黑色点划线表示，并在用质量—弹簧—阻尼器系统过滤后(虚线)表示。目标车辆加速度发生变化时，预测额定速度跳跃-a_t*headway(时间间隔)。因此，在目标车辆开始制动时(例如从12秒到17秒)，要求突然比目标车辆更高的目标速度。其结果是，轨迹规划找到了使车辆加速以达到该更高速度的解决方案，也就是说，车辆由突然变小的额定间隔距离而加速。相反，如果预测的目标车辆停止时，额定速度跳至零。额定状态预先规定的这种跳跃以不利的方式导致车辆以过高的速度和过小的间隔距离跟随要暂停或停止的目标车辆。当目标车辆从静止状态启动时，额定间距又会增加，从而规划的额定值会在一段时间内为负速度，并由此使要停止的车辆被向后推。

在此，所述方法的一种设计方案变型展示目标车辆上所插入或设置的虚拟质量—弹簧—阻尼器系统(图7)。在此，额定间隔距离d_w与弹簧长度l相对应，其中，c描述了弹簧常数。质量m的状态x_r被用作规划的新额定状态。在此指的是所有状态下目标车辆状态的一致性过滤。图6展示过滤得到的额定状态。在目标车辆制动时(从12秒到17秒)，目标速度无跳跃地稳定升至额定值。由此，指定的间隔距离略大于计算出的额定间隔距离，并且能在不中断额定速度和额定加速度的情况下制动至停车状态。本发明还明确包括未明确提及的弹簧和阻尼器的其他设计方案或总体线路。通过这类过滤可实现车队/编队稳定性。

根据使用目的，还可设定动态搜索空间。通过搜索空间的栅格化确定计算出的轨迹对优化问题精确解的近似程度有多好。精密的栅格化会造成较高的计算要求。但是，在特定情形下，有必要采取非常精密的栅格化，以便在搜索空间中找到有效的解。

固定且粗略栅格化的缺点是，优化参数不能连续影响所找到的轨迹。参数更改不会导致轨迹的任何变化，直至另一栅格点具有低于当前栅格点的性能指标。该行为使应用复杂化，并阻止了直观过程。因此，提出了自适应搜索空间。这可理解为，栅格点的移动方式是，最佳解附近有比距离较远区域更多的栅格点。同样重要的是，栅格点应处于整个搜索空间内，从而可快速响应目标状态的跳跃式突变(例如目标对象变化，强烈的目标对象制动等)。通过多个优化周期栅格点的迭代式调整适配，可在所选定的点周围实现更精密的栅格化，并以此方式接近最佳值。但是，仍可能会发生找不到有效解的情况。当前解周围栅格点的聚焦可静态或动态完成。遗传优化表示了另一种可能性。在此使用的是固体带电粒子和固体自由不带电粒子。固体粒子限制了搜索空间，自由粒子在最佳值方向迭代，带电粒子覆盖了解周围的区域。在此，每个时间步长表示一代。实际上，即使经过几百次迭代后，粒子也不会集中在一个点上。此外，在遗传优化中，还可考虑最优值随时间的移动。

根据本发明另一实用设计方案，可提供“时停时行(Stop-and-go)功能”，尤其用于自适应巡航控制(ACC)。实际上，对这类时停时行功能，车辆可跟随前方行驶的车辆直至停车，并且当前方行驶的车辆启动时，所述车辆再重新启动。在此，通过所定义的“徐徐前行”(即特别缓慢地向前移动)，可将即将停车前的停车过程设计得既舒适，又可重复。

目标车辆状态的先前描述的过滤生成驾驶员优选熟悉的额定状态。基于未过滤目标车辆数据对这类目标状态的预测显示，在跟随一要从静止状态启动的目标车辆时，会有到负目标速度的跳跃，但目前研发的目标车辆数据过滤会不断得出始终具有正目标速度规定和目标路径规定的额定状态。与此相似，在(速度v>0公里/每小时)正常后续行驶时，目标车辆加速度也显示(正或负的)跳跃式突变。

在目标车辆后面制动到停车状态时可能会发生，由于过于粗略的栅格化，在目标点集中不存在合适的目标点。在此，过早的时间需要更强烈的制动，而过迟的时间会导致短暂的倒车行驶。与此相应，不断变化的目标车辆数据以及由此产生的轨迹的调整适配可导致在搜索空间中找不到合适解的时间步长。通常，这发生在制动到即将停车前的最后部分，并且导致紧急情况。为了始终确保优化搜索空间中的有效的目标点，搜索空间的栅格点会例如通过粒子群自适应变化。结合所提出的目标车辆数据过滤，这可提高针对要变化的目标状态的规划鲁棒性，此外还可改善停车行为。

此外，由于缺乏“完全深入”的可能性，停车过程特别难以设置或调控。会出现的调控偏差(所规划的轨迹与实际行驶轨迹之间的偏差)须采取相关措施加以修正，因为这通常需要速度为负的路段(倒车行驶)。为了补偿要出现的调控偏差，可设想不同的扩展方式，并且可例如通过在低速时调整适配轨迹规划的目标状态和/或通过应用恒定加速度的平稳期和/或通过在极低速度时用虚拟保险杠叠化轨迹规划以单独或组合的方式改善停车行为。

在应用加速度平稳期时，针对规划要考虑的是，在最终停车前已到达所定义的中间状态。这通过描述一种缓冲区来确保安全启动，在该缓冲区中可对可能存在的调控偏差、尤其是涉及距目标车辆距离的调控偏差加以补偿。从平稳期目标准确地转化为停车状态例如可通过预控制的加速度曲线实现。这种方法的附加优点是，可将特定的停车行为与一般的轨迹规划分开应用。

虚拟保险杠展示弹簧—阻尼器系统，该系统被虚拟固定或设置在车辆(x_ego)与目标车辆(x_t)之间(如图8中所示)。通过适宜的设计可实现，车辆截至距目标车辆一规定间隔距离时制动，以极低速度跟踪，也可在目标车辆后启动。例如借助弹簧—阻尼器系统对额定间隔距离的事先过滤或前置过滤，可为传输给虚拟保险杠营造适宜的状态。如果主要规划在解决方案空间中找不到轨迹，则虚拟保险杠还可附加提供安全的后备级别。

总而言之，协调层的模块化结构可在使用相同规划装置架构的情况下进行单独的参数化和单一功能的应用，并由此方便系统的扩展，以满足未来功能的要求。基于现有技术，三部分轨迹方案被予以更新或扩展：在迄今为止例如加速度轨迹的边缘已被设定为是固定的同时，通过从属优化对加速度轨迹的边缘进行选择，以匹配轨迹的任意起始和结束条件。此外，轨迹规划被分为两层或两个层面，即协调层或参数化层和规划层，以进一步提高在串联应用中的适用性。规划层实现的是自由行驶和后续行驶轨迹的实际计算以及在这些操作模式之间的切换，而参数化层实现的是例如通过优化参数等增益规划根据相应情形对轨迹特性的调整适配。尤其是在观察人类驾驶特性时，参数化层的高度相关性特别明显。尽管优化提供在性能指标方面的轨迹优化，但在某些情况下，这些轨迹过程有时可能是驾驶人员不熟悉的。这尤其是因为轨迹过程的数学优化和人类所感知的优化之间存在差异。在此，例如可提供“全速范围自适应巡航控制(Full-Speed-Range-ACC)”，其配置方式是，使得在根据本发明所述的轨迹规划装置与另一调控装置(例如虚拟保险杠方案)之间进行切换，以便例如在极低速度时(例如在停车或徐徐行驶时)对车辆进行最佳控制。最重要的是，在低速范围内有良好的阻尼调控性能，以便例如用基于优化的自适应巡航控制(ACC)调控方案确保车队稳定性。此外，各相应辅助系统(例如自适应巡航控制(ACC)、紧急制动辅助(EBA)等)的基本功能也可设定加以扩展，例如阻止“右车道超车操控”或弯道制动。此外，根据本发明所述的方法可独立于各相应运输工具的调控装置结构加以使用，并由此提供考虑运输工具横向运动的可能性，例如可由此将自适应巡航控制(ACC)系统用作自动行驶或自主行驶的出发点。

附图标记列表

T1 单一部分轨迹(根据现有技术)

T2 三部分轨迹(根据现有技术)

T3 三部分轨迹

T4 单一部分轨迹(根据现有技术)

T5 三部分轨迹

T6 单一部分轨迹(根据现有技术)

T7 三部分轨迹

1 协调层面

2 规划层面

3 轨迹选择模块

4 速度模块

5 距离辅助模块

6 速度调控模块

7 限速辅助模块

8 转弯辅助模块

9 速度规划装置

10 距离规划装置