(57)【要約】      （修正有）【課題】自車両の実路走行燃費を低減することができ、自車両が向上した先行車両追従性能を備えることを可能とし、自車両が先行車両に対し最小安全距離を厳密に維持できるように構成されたアダプティブクルーズ制御装置および制御方法を提供する。【解決手段】自車両の車速および／または牽引力を変化させることによって自車両の運転コストが最適化されるように、空間領域におけるモデル予測制御に基づくアダプティブクルーズ制御を使用するように構成された運転コスト最適化手段１６を備え、当該運転コスト最適化手段１６は、ａ）安全距離定義手段１２によって定義される最小安全車間距離が減じられる、車間距離センサ３６によって検出された車間距離と、ｂ）反応時間設定手段１２によって設定された運転者の反応時間との比率として定義される、自車両のための最高速度基準とを使用する。【選択図】図１
2020015492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自車両（Ｈ）の前方を走行する先行車両（Ｐ）の動きに基づいて、自車両（Ｈ）の走行を制御するためのものであって、
自車両（Ｈ）の車速（ｖｈ、ｉ）を受信する自車両速度入力手段と、
先行車両（Ｐ）と自車両（Ｈ）との車間距離を受信する車間距離入力手段と、
最小安全車間距離（ｄｍｉｎ）を定義する安全距離定義手段と、
運転者が好む快適車間距離（ｄｃｏｍｆ）に対する運転者の反応時間（ｈｒ）を設定する反応時間設定手段と、
自車両（Ｈ）の車速および／または牽引力を変化させることによって自車両（Ｈ）の運転コストが最適化されるように、空間領域におけるモデル予測制御に基づくアダプティブクルーズ制御を使用するように構成される運転コスト最適化手段と、を備え、
運転コスト最適化手段は、ａ）安全距離定義手段によって定義される最小安全車間距離（ｄｍｉｎ）だけ減じられる、車間距離センサによって検出される車間距離（ｄｋ＋１）と、ｂ）反応時間設定手段によって設定された運転者の反応時間（ｈｒ）との比率として定義される、自車両（Ｈ）のための最高速度基準（Ｖｒｅｆ）を使用する、車両アダプティブクルーズ制御装置。
【請求項２】
運転コスト最適化手段は、自車速（ｖｈ、ｋ＋１）が最高速度基準（Ｖｒｅｆ）以上である場合、運転コストの最適化において、近すぎる車間距離に対する第１のペナルティ（δ３）として、自車速（ｖｈ、ｋ＋１）と最高速度基準（Ｖｒｅｆ）との差を使用するように構成される、請求項１に記載の車両アダプティブクルーズ制御装置。
【請求項３】
先行車両（Ｐ）の車速（ｖｐ、ｉ）を受信する先行車速入力手段を備え、
運転コスト最適化手段は、遅すぎる自車速に対する第２のペナルティ（δ２）として、自車両（Ｈ）と先行車両（Ｐ）の平均車速の差を使用するように構成される、請求項１または２に記載の車両アダプティブクルーズ制御装置。
【請求項４】
自車両（Ｈ）の牽引力を出力する牽引力出力手段を備え、
運転コスト最適化手段は、自車両（Ｈ）の牽引力（Ｆ）と自車両（Ｈ）の車速（ｖｈ、ｉ）との２次間数を含むエネルギー消費量（Ｊｆｕｅｌ，ｉ（Ｆ，ｖｈ，ｉ））に基づいて運転コストを最適化するように構成される、請求項１乃至３のいずれかに記載の車両アダプティブクルーズ制御装置。
【請求項５】
運転コスト最適化手段は、コストの最適化における厳しい制約として、最高自車速（ｖｈ、ｍａｘ）、最大自車両牽引力（Ｆｄｒｉｖｅ，ｍａｘ）、および安全距離定義手段によって定義される最小安全車間距離（ｄｍｉｎ）を使用するように構成される、請求項１乃至４のいずれかに記載の車両アダプティブクルーズ制御装置。
【請求項６】
安全距離定義手段は、自車速入力手段によって受信される自車速（ｖｈ、ｉ）と最小時間（ｈｍｉｎ）に関する記憶値との積に基づいて、最小安全車間距離（ｄｍｉｎ）を定義するように構成される、請求項１乃至５のいずれかに記載の車両アダプティブクルーズ制御装置。
【請求項７】
安全距離定義手段は、自車両（Ｈ）が停止しているときの先行車両（Ｐ）と自車両（Ｈ）との間の最小距離（ｄｓｔａｎｄｓｔｉｌｌ）に基づいて、最小安全車間距離（ｄｍｉｎ）を定義するように構成される、請求項１乃至６のいずれかに記載の車両アダプティブクルーズ制御装置。
【請求項８】
反応時間設定手段は、反応時間に関する記憶値に基づいて運転者の反応時間（ｈｒ）を設定するように、あるいは、反応時間入力手段によって受信される入力に基づいて運転者の反応時間（ｈｒ）を設定するように構成され、
反応時間（ｈｒ）は、運転者が好む快適車間距離を定義するため、自車速（ｖｈ、ｉ）と最小安全車間距離（ｄｍｉｎ）とともに使用されることができる、請求項１乃至７のいずれかに記載の車両アダプティブクルーズ制御装置。
【請求項９】
運転コスト最適化手段は、自車両（Ｈ）の運転終了まで、空間領域において各ステップの最適化問題を解くことにより、自車両（Ｈ）の運転コストを最適化できるように構成される、請求項１乃至８のいずれかに記載の車両アダプティブクルーズ制御装置。
【請求項１０】
自車両（Ｈ）の前方を走行する先行車両（Ｐ）の動きに基づいて、自車両（Ｈ）の走行を制御するための車両アダプティブクルーズ制御を実行するためのものであって、
自車両（Ｈ）の車速（ｖｈ、ｉ）を受信するステップ、
先行車両（Ｐ）と自車両（Ｈ）との車間距離を受信するステップ、
最小安全車間距離（ｄｍｉｎ）を定義するステップ、
運転者が好む快適車間距離（ｄｃｏｍｆ）に対する運転者の反応時間（ｈｒ）を設定するステップ、
車間距離を変化させることによって自車両（Ｈ）の運転コストが最適化されるように、空間領域におけるモデル予測制御に基づくアダプティブクルーズ制御を使用して、運転コストを最適化するステップ、を備え、
運転コストを最適化する間、自車両（Ｈ）に対する最高速度基準（Ｖｒｅｆ）が使用され、それは、ａ）最小安全車間距離（ｄｍｉｎ）だけ減じられる車間距離（ｄｋ＋１）と、ｂ）運転者の反応時間（ｈｒ）との比率として定義される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実路走行エミッション（ＲＤＥ）を低下させることができる、モデル予測制御（ＭＰＣ）に基づくアダプティブクルーズ制御（ＡＣＣ）装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
予測型アダプティブクルーズ制御（ＰＡＣＣ）が最近開発されており、それはＲＤＥを低減するために将来情報を使用する。非特許文献１では、燃料消費量を削減し、走行距離を延ばすために、シリアルハイブリッド車両に対して運転ストラテジーとパワートレイン制御アルゴリズムとをどのように組み合わせることができるかの新しいアプローチが提案されている。これを行うために、道路標識、交通量、または走行経路の幾何学的形状や地形などの先読み情報に関連するパワートレイン制御のプレビュー情報を使用して、走行速度と推進用の将来の電力需要を予測する。非特許文献１のモデル予測速度および車頭間隔制御（ＭＰＳＨＣ）では、この先読み情報は速度最適化に対する制約を推定するために使用される。非特許文献１は、先行車両を追跡するとともに、先行車両と自車両との間に安全な距離を保ちながら、ＲＤＥを低下させるための具体的な解決策を見出す。非特許文献１のモデル予測制御（ＭＰＣ）では、相反する目標に対する、および非線形制御問題に対する、十分に適切な問題の定式化を見出すことができなかったので、上述の目標に関するトレードオフを受け入れなければならない。
【０００３】
非特許文献２では、ＭＰＣに基づくエレルギー効率の良いアダプティブクルーズ制御が提案され、その目的は、利用可能な環境情報を考慮して、加速と減速が最小化されるように速度プロファイルを滑らかにするべくＭＰＣを使用することによって、自車のエネルギー消費量を低減することである。このアプローチでは、自車両は、安全な最小距離と最大距離で囲まれた車間距離コリドー内を移動できる。非特許文献２の結果は、エネルギー経済性と実時間能力との間の良好な妥協点を有しつつ、従来の自動車および電気自動車にも適用可能である単純化されたエネルギー効率の良いＡＣＣ概念である。信頼性のある制御を確実にするために、速度、安全性、運転の快適性、駆動力および制動力に関する制限が線形制約として見なされ、定式化される。しかしながら、その制御の結果は、まだ十分に納得できるものではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】シリアルハイブリッド車両の運転とパワートレイン制御の最適化、Daliang Shen、Liting Lu、Prof. Dr.-Ing. Steffen Muller、ATZワールドワイド2017年11月
【非特許文献２】モデル予測制御に基づく単純化されたエネルギー効率の高いアダプティブクルーズ制御、Xiaohai Lin、Daniel Gorges、Andreas Weismann、第20回世界大会、国際自動制御連盟、2017年7月、IFAC PapersOnLine 50-1（2017）4794-4799
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、自車両の実路走行燃費を低減することができ、自車両が向上した先行車両追従性能を備えることを可能とし、および自車両が先行車両に対して最小安全距離を厳密に維持することを可能にするように構成される、モデル予測制御に基づくアダプティブクルーズ制御装置および制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１および１０の発明によって解決される。本発明のさらなる態様は従属請求項に定義される。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、自車両の前方を走行する先行車両の動きに基づいて、自車両の走行を制御するための車両アダプティブクルーズ制御装置が提供され、この装置は、自車両の車速を受信する自車両速度入力手段と、先行車両と自車両との車間距離を受信する車間距離入力手段と、最小安全車間距離を定義する安全距離定義手段と、運転者が好む快適車間距離に対する運転者の反応時間を設定する反応時間設定手段と、自車両の車速および／または牽引力を変化させることによって自車両の運転コストが最適化されるように、空間領域におけるモデル予測制御に基づくアダプティブクルーズ制御を使用するように構成される運転コスト最適化手段と、を備え、運転コスト最適化手段は、ａ）安全距離定義手段によって定義される最小安全車間距離だけ減じられた、車間距離センサによって検出される車間距離と、ｂ）反応時間設定手段によって設定された運転者の反応時間との比率として定義される、自車両の最高速度基準を使用する。本発明の最高速度基準は、自車両と先行車両との間の現在の車間距離によって変化する。したがって、最高速度基準はより明確な物理的意味を持つ。先行車両と自車両との車間距離が減少した場合、自車が受ける反発力が大きくなり、その結果、車間距離がより大きくされる。本発明では、車間距離がより合理的な範囲に収まるため、実路走行エミッションが低下される。
【０００８】
第１の態様の特徴を含む本発明の第２の態様によれば、運転コスト最適化手段は、自車速が最高速度基準以上である場合、運転コストの最適化において、近すぎる車間距離に対する第１のペナルティとして、自車速と最高速度基準との差を使用するように構成される。車間距離が最小安全車間距離に近づいたとき、最高速度基準は減少し、その結果、第１ペナルティはより大きくなる。そのような制御の結果として、その後、車間距離は増加する。
【０００９】
第１または第２の態様に依拠する第３の態様によれば、アダプティブクルーズ制御装置は、先行車両の車速を受信する先行車速入力手段を備え、運転コスト最適化手段は、遅すぎる自車速に対する第２のペナルティとして、自車両と先行車両の平均車速の差を使用するように構成される。最小限の燃料消費との要件とは相反する、２台の車両間の距離を遠くなりすぎないように維持するとの要件は、改善された方法において満足される。
【００１０】
本発明の第４の態様によれば、アダプティブクルーズ制御装置は、自車両の牽引力を出力する牽引力出力手段を備え、運転コスト最適化手段は、自車両の牽引力と自車両の車速との２次間数を含むエネルギー消費量に基づいて運転コストを最適化するように構成される。エネルギー消費量を考慮することで、最適化を実行するためのプログラミングの労力が低減される一方で、総運転コストはより適切に近似される。
【００１１】
第５の態様によれば、運転コスト最適化手段は、コストの最適化における厳しい制約として、最高自車速、最大自車両牽引力、および安全距離定義手段によって定義される最小安全車間距離を使用するように構成される。これらの厳しい制約により、周囲の車両に対する実際の交通状況における自車両の予期せぬ挙動を回避しながら、自車両の明確かつ改善された車両挙動が得られる。
【００１２】
第６の態様によれば、安全距離定義手段は、自車速入力手段によって受信される自車速と最小時間に関する記憶値との積に基づいて、最小安全車間距離を定義するように構成される。その結果、自車両の実際の運転状況は、選択された最小安全車間距離を有するものとみなされる。
【００１３】
第７の態様によれば、安全距離定義手段は、自車両が停止しているときの先行車両と自車両との間の最小距離に基づいて、最小安全車間距離を定義するように構成される。そのような最小距離を用いることで、そのような制御装置が適用可能である車両の運転の安全性を高めることができる。
【００１４】
第８の態様によれば、反応時間設定手段は、反応時間に関する記憶値に基づいて運転者の反応時間を設定するように構成され、あるいは反応時間設定手段は、反応時間入力手段によって受信される入力に基づいて運転者の反応時間を設定するように構成され、反応時間は、運転者が好む快適車間距離を定義するため、自車速と最小安全車間距離とともに使用されることができる。最小安全車間距離は、自車速と一緒に線形に増加することが好ましい。その結果、運転者が自分の好みの車間距離に応じて調整できるように、運転者は反応時間を個別に設定することができる。
【００１５】
第９の態様によれば、運転コスト最適化手段は、自車両の運転終了まで、空間領域において各ステップの最適化問題を解くことにより、自車両の運転コストを最適化できるように構成される。その結果、燃料消費量の低減を考慮した最適な車両挙動が得られる。
【００１６】
本発明は、例えば電気自動車および内燃機関車に適用可能である。
【００１７】
本発明の第１０の態様によれば、自車両の前方を走行する先行車両の動きに基づいて、自車両の走行を制御するための車両アダプティブクルーズ制御を実行する方法が提供され、それは、自車両の車速を受信するステップ、先行車両と自車両との車間距離を受信するステップ、最小安全車間距離を定義するステップ、運転者が好む快適車間距離に対する運転者の反応時間を設定するステップ、車間距離を変化させることによって自車両の運転コストが最適化されるように、空間領域におけるモデル予測制御に基づくアダプティブクルーズ制御を使用して、運転コストを最適化するステップ、を備え、運転コストを最適化する間、自車両に対する最高速度基準が使用され、それは、ａ）最小安全車間距離だけ減じられる車間距離と、ｂ）運転者の反応時間との比率として定義される。この方法により、第１の態様に関してすでに明示されているように、実路走行エミッションが低下される。
【００１８】
第１０の態様の方法では、上記の恩恵を得ながら、第２から第９の態様の装置において実行可能なステップをそれぞれ使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
添付の図面および対応する詳細な説明を参照して、本発明の上記の目的が、他の目的、特徴および利点と共により詳細に説明される。
【図１】本発明に係る車両クルーズ制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】自車両と先行車両との距離と速度を図示したものである。
【図３Ａ】自車両の走行距離に対する車間距離を示す。
【図３Ｂ】走行距離に対する先行車両と自車両の速度を示す。
【図３Ｃ】走行距離に対する道路勾配を示す。
【図３Ｄ】走行距離に対する車輪トルクおよび制動トルクを示し、本発明の使用に関するシミュレーション結果が示される。
【図４】本発明の最高速度基準とは異なって定義された自車両に対する最高速度基準を使用しつつ、自車両の走行距離に対する車間距離の比較例１を示す。
【図５】本発明の最高速度基準とは異なって定義された自車両に対する最高速度基準を使用しつつ、自車両の走行距離に対する車間距離の比較例２を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の車両アダプティブクルーズ制御装置を具体化した一実施形態を図面を参照して説明する。本発明に係るクルーズ制御装置は、車両に搭載可能であり、自車両の前方を走行している先行車両の中で、１台の先行車両に追従するための車両追従制御を実行するように構成されている。
【００２１】
図１において、クルーズ制御装置１０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、入出力（Ｉ／Ｏ）などを備えたコンピュータである。この車両クルーズ制御装置１０は、情報入力手段１２、情報出力手段１４、および運転コスト最適化手段１６を備える。運転コスト最適化手段１６は、情報入力手段１２から情報を受信し、情報出力手段１４に送信する。
【００２２】
情報入力手段１２は、車両クルーズ制御装置１０の外部から複数の外部情報と複数の自車両情報とを受信する。情報入力手段１２は、自車両の車速を受信する自車速入力手段、先行車両と自車両との車間距離を受信する車間距離入力手段、最小安全車間距離を定義する安全距離定義手段、運転者によって好まれる快適車間距離ｄｃｏｍｆに関する運転者の反応時間ｈｒを設定する反応時間設定手段、先行車両の車速を受信する先行車両速度入力手段を備える。安全距離定義手段は、さらなる詳細が以下に説明される、最小安全車間距離ｄｍｉｎを定義するように構成される。反応時間設定手段は、運転者の反応時間を設定するように構成される。運転者によって好まれる反応時間ｈｒは、好ましい快適距離ｄｃｏｍｆに影響を及ぼす。反応時間ｈｒの増加は、車間距離を伸ばす運転者の意向を意味する。加えて、反応時間ｈｒの増加は、自車両Ｈが速度を最適化する拡大された自由度を確保する運転者の意向も意味する。
【００２３】
情報出力手段１４は、自車両の牽引力を出力する牽引力出力手段を備える。
【００２４】
検出結果が情報入力手段１２に入力される、自車両情報検出および外部情報検出の例として、図１は、速度センサ２２、物体検出手段３２、アダプティブクルーズ制御スイッチ４２、例えば操舵角およびヨーレートのような追加の自車両情報の検出器４４、および追加の外部情報の検出器４６を示す。本発明は、外部情報および自車両情報が情報入力手段に入力可能でる限り、この情報に限定されない。
【００２５】
自車両情報に関してより具体的には、速度センサ２２は、自車速度を検出する。物体検出手段３２の一例は、撮像装置３４とレーダ装置３６とによって与えられる。
【００２６】
撮像装置３４は、車載カメラとすることができ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）カメラ、イメージセンサ、後方赤外線カメラなどで構成することができる。撮像装置３４は、自車両の走行道路を含む周辺環境の画像を撮像することができ、その撮像画像を示す画像データを生成して、車両クルーズ制御装置１０の情報入力手段１２に順次出力することができる。撮像装置３４は、例えば自車両のフロントガラスの上側近傍に設置することができ、例えば撮像軸を中心として車両の前方に向かって所定の角度範囲に広がる領域の画像を撮像することができる。撮像装置３４は、例えば、単眼カメラまたはステレオカメラとすることができる。カメラを使用している間は、速度標識を認識することができる。自車両の速度を制御範囲内で調整するために、最適化は将来の速度制限を考慮するので、前方道路の速度制限は、有用な入力の１つである。
【００２７】
レーダ装置３６は、電磁波を送信波（サーベイ波）として送信し、その反射波を受信することにより物体を検出する検出装置である。レーダ装置３６は、例えばミリ波レーダとすることができ、自車両の前方部に取り付けることができる。レーダ装置３６のレーダ信号は、レーダ装置３６の光軸を中心として車両の前方に向かって、撮像装置３４の所定の角度範囲よりも小さい可能性がある所定の角度範囲にわたって広がる領域を走査することができる。このレーダ装置３６は、電磁波を車両の前方に送信した後に反射波が受信されるまでの時間に基づいて距離測定データを生成することができ、生成した距離測定データを車両クルーズ制御装置１０の情報入力手段１２に順次出力することができる。距離測定データは、物体が存在する方向、自車両から物体までの距離、およびこの物体の関連速度に関する情報を含む。したがって、レーダ装置３６は車間距離センサとしての機能を有する。
【００２８】
さらに、情報入力手段は、アダプティブクルーズ制御を切り替えるためのアダプティブクルーズ制御スイッチ４２から情報を受信することができる。追加の自車両情報および追加の外部情報も、追加の自車両情報の検出器４４および追加の外部情報の検出器４６を介して、情報入力手段に入力することができる。これらの追加の外部情報は、道路の地形、道路の制限速度、および自車両が走行する経路に関する交通情報、または車々間通信から得られる情報に関するものであり得る。
【００２９】
情報入力手段を介して受信された情報は、車両クルーズ制御装置１０の情報出力手段１４を介して転送され、次いで牽引力ＥＣＵ５２に出力される出力情報を生成するために、空間領域でのモデル予測制御に基づくアダプティブクルーズ制御を使用するように構成される運転コスト最適化手段１６において使用される。この出力情報には、自車両の牽引力に対する制御目標値が含まれる。一例として、牽引力ＥＣＵ５２は、エンジンＥＣＵ５４とブレーキＥＣＵ５６とを備える。
【００３０】
図１に示す例では、エンジンＥＣＵ５４とブレーキＥＣＵ５６とは、情報出力手段１４から別々に情報を取得する。しかし、本発明はこの例に制限されず、例えば電気自動車制御ＥＣＵにも適用することができる。
【００３１】
運転コスト最適化手段１６は、自車両のエネルギー損失を低減し、検出された先行車両との安全距離を保ち、および先行車両の追跡を継続することを目的とする。最も具体的には、運転コスト最適化手段は、先行車両の将来挙動を予測することができるべきであり、道路地形、速度制限、交通量などを含む環境情報のような外部情報を適切に使用するべきであり、高速な数値最適化解決器が得られるように設計されるべきである。
【００３２】
運転コスト最適化手段は相反する目的を有する。一方では、燃料消費量を最小限に抑えるべきであり、他方では、先行車両と同じ平均速度が保たれるべきである。２台の車両間の距離をそれほど離れないように保つとの目的は、燃料消費量を最小化するとの目的と相反し、最小安全距離を保証するとの目的は、自車両を先行車両と同じ平均速度に保つことと相反する。
【００３３】
本発明により、目的、コストおよび環境を数学的関数で記述するための適切な問題の定式化が見出された。
【００３４】
この適切な問題の定式化では、モデル予測制御に基づくアダプティブクルーズ制御が、時間領域と空間領域において定式化され得ることに留意する必要がある。本発明の一態様は、空間領域へ焦点を当てる。より具体的には、適切な緩やかな制約を設計し、適切な方法で最高速度基準を定義することが望ましい。
【００３５】
モデル予測制御が時間領域で使用される場合、制御変数としての牽引力は時間とともに変化する。一方では、将来の牽引力が計算される以前は、将来の自車両の位置は未知である。他方では、将来の最適牽引力を算出するためには、道路勾配抵抗を事前に把握しておく必要がある。この道路勾配抵抗は、車両位置に依存する。したがって、時間領域でのＭＰＣでは、現在の速度に基づいて自車両の将来の位置が推定され、その結果、不正確さが生じ、最適ではない解決策が生じる可能性がある。
【００３６】
空間領域におけるモデル予測制御では、車両の位置は制御変数である。その利点は、道路勾配抵抗が車両の位置に依存するので、道路勾配抵抗が事前に分かることである。空間領域におけるＭＰＣの不利な点は、先行車両と自車両との間の距離間隔の計算が非線形問題であるということである。その結果、最適化問題も非線形となり、したがってオンラインで計算することができない。非線形問題を回避するために、車両の距離が、解析的速度基準を使用することによって間接的に制御され得る。しかしながら、従来技術によるこの速度基準では、自車両と先行車両との間の距離が依然として狭くなりすぎる可能性があり、その結果、コントローラの性能が低下する。空間領域におけるこの不利な点は本発明により克服される。
【００３７】
本発明の運転コスト最適化手段１６では、空間領域におけるモデル予測制御に基づくアダプティブクルーズ制御が使用され、その結果、自車両の運転コストは車間距離を変えることによって最適化される。この最適化の間、牽引力Ｆは、総コストが最小になるように範囲Ｎ内で調整される。総コストは、以下の式に示されるように、いくつかの部分を含む。より具体的には、運転コスト最適化手段１６では、制約される最小距離だけ減じられた、先行車両と自車両との距離間隔と運転者の反応時間の比率として定義される、自車両に対する最高速度基準が使用される。本発明による運転コスト最適化手段１６のコスト最適化について、以下により詳細に説明する。
【００３８】
コスト最適化は次の式に従って行われる。
【数１】
2020015492.tif 000003
これらの式において、Ｊｆｕｅｌ，ｉ（Ｆ、ｖ）は、牽引力Ｆと車速ｖの２次関数としてエネルギー消費量を表す。牽引力Ｆは、駆動力Ｆｄｒｉｖｅと制動力Ｆｂｒａｋｅを含む。
【００３９】
パラメータＰ００、Ｐ０１、Ｐ１０、Ｐ０２、Ｐ２０、Ｐ１１はギアに依存し、エンジン出力マップに対して最も正確な近似を与えるために１つの最適化問題を解くことによって最適化される。
【００４０】
これらのパラメータの例を以下に示す。
【００４１】
【表１】
2020015492.tif 000004
第１のペナルティδ３は、近すぎる車間距離にペナルティを科し、第２のペナルティδ２は、自車両の遅すぎる速度にペナルティを科す。Ｑ２とＱ３は、これらのペナルティに対する対応する重み係数である。
【００４２】
システム方程式は次のように定義される。
【００４３】
【数２】
2020015492.tif 000005
ここで、ｖｋは位置ｋにおける自車両の速度であり、ｖｋ＋１はその次の位置ｋ＋１における自車両の速度である。このシステム方程式において、Ａ、Ｂ、Ｃは、自車両の重量と自車両の動的係数に依存する定数である。
【００４４】
本発明による自車両に対する最高速度基準Ｖｒｅｆは、次のように定義される。
【数３】
2020015492.tif 000006
ここで、ｄｋ＋１は、その次の位置における先行車両と自車両との車間距離、ｄｍｉｎは最小安全距離、およびｈｒは、例えば運転者によってプリセットまたはセットすることができる反応時間である。反応時間の一例は４秒である。
【００４５】
この式において、最小安全距離ｄｍｉｎは、以下の式に示すように、自車両が停止しているときの先行車両と自車両との間の最小距離ｄｓｔａｎｄｓｔｉｌｌ、例えば２秒であり得る交通規制に基づく時間値ｈｍｉｎ、および自車両の速度ｖｈ、ｋに依存する。
【数４】
2020015492.tif 000007
さらに、運転者によって好まれる好ましい快適車間距離ｄｃｏｍｆは、以下の式に示すように、最小安全距離ｄｍｉｎ、運転者の好む快適距離を定義するために使用される反応時間値ｈｒ、および自車両の速度ｖｈ、ｋに依存して定義される。
【００４６】
【数５】
2020015492.tif 000008
距離ｄｍｉｎとｄｃｏｍｆの相互関係が図２に示される。
【００４７】
好ましい快適車間距離ｄｃｏｍｆは、以下のように最高速度基準Ｖｒｅｆについての上記の式で使用される。車間距離ｄｋ＋１が最小距離制約ｄｍｉｎに近づいたとき、速度基準Ｖｒｅｆはゼロに近づく。その結果、自車両の速度が速度基準Ｖｒｅｆに基づいて制限されることにより、その後、車間距離ｄｋ＋１が増加する。好ましい快適車間距離ｄｃｏｍｆに関する上記の式に反映される反応時間ｈｒは、制御の柔軟性の余地を確保するために使用される。
【００４８】
制御の柔軟性の余地を確保することには、次の目的がある。自車両が厳しい制約ｄｍｉｎに非常に接近し、先行車両が強く減速したとき、減速する以外に自車両に選択の余地はない。制御の柔軟性の余地がある場合、先行車両が減速したときに自車両は惰性走行することができる。
【００４９】
自車両の最高速度基準は、上述された第１のペナルティδ３を以下のように緩やかな制約として上記コスト最適化方程式に対して定義される。
【００５０】
【数６】
2020015492.tif 000009
自車両の遅すぎる速度にペナルティを科す第２の緩やかな制約は、次のように定義される。
【００５１】
【数７】
2020015492.tif 000010
言い換えれば、ペナルティは先行車両と自車両との平均速度の差に依存する。つまり、自車両の平均速度は、先行車両の平均速度よりも大幅に低くならないようにする必要がある。その結果、１つの範囲Ｎ内で速度軌跡を自由に計画することができ、同時に、自車両の平均速度は先行車両の平均速度と類似する。
【００５２】
コスト最適化のための追加の制約は、以下を含む。
【００５３】
【数８】
2020015492.tif 000011
これらの制約は、最小と最大値との間に自車両の速度を定め、駆動力をゼロから自車両の速度に依存する最大駆動値までの値に制限し、および制動力を最小制動力からゼロまでの値に制限する。
【００５４】
本発明のコスト最適化のシミュレーションが図３Ａから図３Ｄに示されており、図３Ａは自車両が走行した距離に対する車間距離を示し、図３Ｂは走行距離に対する先行車両および自車両の速度を示し、図３Ｃは走行距離に対する道路勾配を示し、図３Ｄは走行距離に対する車輪トルクおよび制動トルクを示す。このシミュレーションでは、以下の重み係数が使用される。
【数９】
2020015492.tif 000012
図３Ｂから分かるように、本発明による最適化の結果として、自車両の速度ｖｈは先行車両の速度ｖｐに近い。
【００５５】
さらに、図３Ａから分かるように、先行車両と自車両との間の距離ｄｋは、一方では、快適距離ｄｃｏｍｆ（安全制約）に近づき、他方では、安全距離ｄｍｉｎに対して制御の十分な柔軟性の余地を保つ。快適距離ｄｃｏｍｆに近いことは、車間距離ｄｋが大きすぎないことを意味する。快適距離ｄｃｏｍｆは緩やかな制約である。結果として、最適化を行うため、距離ｄｋについて融通が利く余地がある。
【００５６】
シミュレーションの間、図３Ｃに従って変化する道路勾配にかかわらず、図３Ｄによれば最小限の車輪トルクおよび制動トルクが必要なだけである。
【００５７】
シミュレーションの結果、本発明の運転コスト最適化手段１６にて実行される運転コスト最適化により、６．９５％の燃料消費量の削減を得ることができた。
【００５８】
本発明の利点をよりよく例証するために、図４および図５は、比較例１および比較例２を示している。そこでは、数式６に示す本発明の第２の緩やかな制約の代わりに、厳しい制約として、位置ｋ＋１での自車両の最大許容速度ｖｍａｘ、ｋ＋１が、ｖｐ，ｋを含む以下の関数に基づいて計算されている。
【数１０】
2020015492.tif 000013
ｖｐ，ｋを直接検出することができないという状況は、本発明に対するこれら比較例１および２の違いを既に定義している。
【００５９】
図４の比較例１において、本発明の図３Ａ、３Ｂ、３Ｃおよび３Ｄと同じ重み係数（数式９参照）が使用されている。
【００６０】
さらに、図４の比較例１において、最高速度基準は、分析的手法により決定された。
【００６１】
図４から分かるように、自車両が先行車両に接近すると、自車両はより大きな抵抗に遭遇する。しかしながら、一定時間後、図４に示される距離は安全距離に非常に近く、そして快適距離から遠く離れているので、制御の柔軟性の余地はない。図４の比較例１で得られた燃料消費量の削減は５％であり、よって、本発明のものよりも低かった。
【００６２】
図５の比較例２では、最高速度に対する重み係数Ｑ３が１ｅ４に変更され、他の重み係数はＱ２＝１ｅ０に維持されている。
【００６３】
その結果は、車間距離がダンパーのように振舞い、接近プロセスをより遅くするが、自車両の速度が先行車両の速度に近づいたときに自車両を先行車両から遠ざけることはない。図５の比較例２における燃料消費量の削減は２．０７％であり、よって、本発明のものよりはるかに低かった。
【００６４】
図４の比較例１から、自車両が先行車両に接近し過ぎていることが分かる。それで、最高速度基準のための重み係数を意図的に増加した。図５の比較例２から、高い重み係数Ｑ３であっても、自車両は依然として先行車両に徐々に近づき、６ｋｍの走行距離においてではあるが、自車両は先行車両から少し離れる傾向となることが分かる。
【００６５】
図４および５の比較例１、２は、どの重み係数が使用されても、自車両は先行車両に近づき過ぎ、自車両の性能は期待したよりも悪いので、一定の燃料の利点にもかかわらず、古い設計それ自体が不利であることを説明している。
【００６６】
これに対し、本発明では、比較例１と同じ重み係数を用いても、本発明の空間領域におけるＭＰＣに基づくアダプティブクルーズ制御を備えた制御装置は、有益に働く。
【００６７】
上記の構成要素は概念的なものであり、上記の実施形態に記載されたものに限定されない。例えば、一つの構成要素によって実現される機能を複数の構成要素に分割したり、それらの構成要素のうち二つ以上の構成要素によって提供される機能を一つの機能として組み合わせたりすることができる。本開示は、実用的な例示的実施形態であると現在考えられているものに関連して説明されているが、本開示は開示された実施形態、実施例および構成に限定されないことを理解されたい。
【符号の説明】
【００６８】
Ｈ：自車両、Ｐ：先行車両、１０：車両クルーズ制御装置、１２：情報入力手段、１４：情報出力手段、１６：運転コスト最適化手段、２２：速度センサ、３２：物体検出手段、３４：撮像装置、３６：レーダ装置、４２：ＡＣＣスイッチ、４４：追加の自車両情報の検出器、４６：追加の外部情報の検出器、５２：牽引力ＥＣＵ、５４：エンジンＥＣＵ、５６：ブレーキＥＣＵ
【図１】
2020015492.tif 000014
【図２】
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【図３Ａ】
2020015492.tif 000016
【図３Ｂ】
2020015492.tif 000017
【図３Ｃ】
2020015492.tif 000018
【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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