具有交通兼容速度偏移的基于效率的速度控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有交通兼容速度偏移的基于效率的速度控制器。車輛設備包括用于響應于速度設定值調整車輛的車輛動力傳動系統(tǒng)的速度控制器。坡度估計器確定車輛行駛路面的道路坡度。交通密度估計器確定行駛在路面上在車輛附近的交通密度。優(yōu)化器執(zhí)行選擇的控制策略，以定期地產生用于應用至速度設定值的速度調整以便在提高的效率下操作車輛動力傳動系統(tǒng)。該控制策略是基于響應于確定的道路坡度提供成本模型的優(yōu)化解決方案的價值函數，以產生初始速度偏移。優(yōu)化器與確定的交通密度成比例地減小初始速度偏移，以產生速度調整。該系統(tǒng)最大限度地減小對整體交通流的負面影響以及對周邊交通的降低的燃料效率的任何負面貢獻。
【專利說明】具有交通兼容速度偏移的基于效率的速度控制器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般涉及車輛的速度控制系統(tǒng)，并且更具體地涉及優(yōu)化速度受控車輛的能量效率，而無需預先知道沿行駛路線或任何預規(guī)劃的路線的實際道路坡度變化。
【背景技術】
[0002]汽車制造商不斷努力以使用于驅動車輛的能量消耗最小化(例如，使汽油車輛每單位汽油或電驅動車輛每單位電荷所驅動的距離最大化)。對效率的重要影響包括驅動車輛的速度、在驅動路線上的道路坡度的變化以及交通狀況。自動速度控制(即，巡航控制)系統(tǒng)可以通過減少加速車輛花費的時間量而對燃料經濟性產生有益的影響，尤其是在高速公路行駛期間。然而，比起允許車輛改變以便利用道路坡度變化來優(yōu)化燃料消耗來說，在上坡和下坡的道路坡度期間維持單一的速度設定消耗更多燃料。如果在道路坡度上即將到來的變化是預先知道的(例如，從基于GPS的地圖和預先路線)，則可以在速度設定中引入臨時偏移從而相應地改善能量消耗。然而，用于在車輛上實時確定這種偏移的GPS導航裝置和必要的車載地圖數據、計算的和/或遠程的數據通信需求表現很大的成本或在某些地區(qū)難以獲得。因此，期望的是減少用于確定適當的速度偏移的這種需求。
[0003]并入本文作為參考的Kolmanovsky等人的論文，Terrain and TrafficOptimized Vehicle Speed Control, 6TH IFAC SYMPOSIUM ADVANCES IN AUTOMOTIVECONTROL, MUNICH, JULY2010，描述供車輛在特定的地理區(qū)使用的用于最佳平均性能而無需預先知道行駛的路線或正接近的實際即將到來的道路坡度的控制策略的出處?？刂撇呗砸?guī)定車輛速度設定值，以達到預期平均燃料經濟性和預期平均行駛速度之間的最佳折衷。地形和交通特性(即駕駛狀況)匯總為馬爾可夫鏈模型的轉移概率矩陣(TPM)。隨機動態(tài)規(guī)劃產生離線控制策略(即，在車輛的設計階段中使用獨立的地形特征脫離車輛)，然后當其在相應區(qū)域中驅動時將其裝載到車輛以供使用。
[0004]并入本文作為參考的McDonough等人的論文，Modeling of Vehicle DrivingConditions Using Transition Probability Models, 2011IEEE MULT1-CONFERENCE ONCONTROL APPLICATIONS, DENVER, SEPTEMBER2011,公開了馬爾可夫模型的轉移概率矩陣之間的Kullback-Leibeler(KL)散度的使用以在相似或不相似的驅動狀況之間進行區(qū)分?；趯谲囕v的當前驅動狀況的TPM，KL散度可以用于插入為一組離散的典型的驅動周期開發(fā)的控制策略，以便將車輛動力傳動系統(tǒng)操作適應于地形和交通狀況。
[0005]并入本文作為參考的題為“On-Board Real-Time Speed Control SetpointVariation Using Stochastic Optimization” 的共同待決的美國申請序列號(83341069)公開了一種用于選擇由車輛執(zhí)行以便以優(yōu)化能量消耗的方式改變其設定速度的控制策略的魯棒系統(tǒng)。作為不斷應用的可變速度偏移的結果，在主車輛和在其附近的沒有執(zhí)行相同的優(yōu)化策略(例如，以恒定的速度在駕駛)的任何其他車輛之間的相對距離也將不斷變化。
[0006]如果所述控制策略被配置為積極地獲得高水平的效率改善，那么該車輛的速度波動可能大到負面影響周邊的交通流。超過一定的交通密度，其他車輛對主車輛的波動的反應可增加整體減速的可能性，這負面影響所有車輛(包括主車輛)的燃料經濟性。
[0007]本發(fā)明還適用于那些試圖通過基于道路坡度以外的考慮改變車輛速度以優(yōu)化能量消耗或其他車輛參數的其他系統(tǒng)或控制策略。這種其他系統(tǒng)可以包括跳動和滑行、動態(tài)規(guī)劃或啟發(fā)式方法。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明提供一種速度控制系統(tǒng)，其最大限度地減小對周邊交通的影響，同時設法實現可能的最佳燃料經濟性。速度控制系統(tǒng)可配置為基于控制策略(本文稱為高效巡航系統(tǒng))采用恒定速度設定值(例如，恒定巡航控制或自適應巡航控制)或可變速度設定值。在擁擠交通的狀況下，高效巡航系統(tǒng)應遵循恒定速度控制系統(tǒng)(其中，速度變化的幅度是零或非常小)或自適應巡航控制系統(tǒng)，以便與前面的汽車保持預先選擇的跟車距離，從而最大限度地減少對周邊交通的速度的影響。對于從空閑交通上升到擁擠交通的狀況，該系統(tǒng)采用控制策略推薦的從空閑交通的最大值下降到擁擠交通的零(即恒定巡航)的速度偏移的相對比例。當沒有探測到周邊交通(例如，無領先車輛存在)時，該系統(tǒng)使用來自控制策略未修正的偏移。以這種方式，該系統(tǒng)最大限度減小其對整體交通流連續(xù)性的負面影響以及對周邊交通的降低的燃料效率的任何負面貢獻，如果在以上正常的交通流狀況中引起周邊車輛速度的波動，這兩者可能發(fā)生。
[0009]在本發(fā)明的一個方面中，一種車輛設備包括用于響應于速度設定值調整車輛的車輛動力傳動系統(tǒng)的速度控制器。坡度估計器確定車輛行駛路面的道路坡度。交通密度估計器確定行駛在路面上在車輛附近的交通密度。優(yōu)化器執(zhí)行選擇的控制策略，以定期地產生用于應用到速度設定值的速度調整以便在提高的效率下操作車輛動力傳動系統(tǒng)。該控制策略是基于響應于確定的道路坡度提供用于成本模型的優(yōu)化解決方案的價值函數，以產生初始速度偏移。優(yōu)化器與確定的交通密度成比例地減小初始速度偏移，以產生速度調整。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的車輛設備的方框圖。
[0011]圖2是示出主車輛周圍承載交通的路面的圖示。
[0012]圖3是示出根據本發(fā)明的基本模型過程的方框圖。
[0013]圖4是示出由控制策略產生的速度偏移的修正的方框圖。
[0014]圖5是示出基于交通密度階梯式減小的曲線圖。
[0015]圖6是示出使用增益系數確定的修正的速度偏移的曲線圖。
[0016]圖7是示出使用箝位限制確定的修正的速度偏移的曲線圖。
【具體實施方式】
[0017]現在參考圖1，車輛設備10包括用于實現速度建議的各種組件和/或用于達到改進的燃料經濟性的控制系統(tǒng)。傳感器和數據采集方框11使用常用的裝置和互連，以供應和傳送如下所述的各項信息。方框12是道路坡度和速度/交通估計器，其描述車輛的當前的駕駛狀況的特征以供速度設定值計算器(即優(yōu)化器)13使用。道路坡度可以通過GPS測量以及地圖數據庫確定，通過使用其他傳感器(例如傾斜計或俯仰傳感器)確定，或根據加速度計測量值計算，或者通過從其他常用的車輛數據(例如負載和由動力傳動系統(tǒng)控制策略提供的車輛速度信息)估計它來確定。例如，周邊交通的速度或密度可以通過使用雷達或相機來測量，或者可以經由無線數據網絡從非車載信息源來獲得，其中雷達或相機可以被提供作為自適應巡航控制系統(tǒng)或車輛導航系統(tǒng)的一部分。計算器13執(zhí)行控制策略，該控制策略確定速度設定值的周期性變化，其被傳送給自適應巡航控制方框14。方框14將實際車輛速度與速度設定值比較，并發(fā)送相應的命令到節(jié)氣門控制器15。
[0018]圖2描繪了一種驅動情況，其中主車輛10在路面16上在有其他交通18的情況下行駛在領先車輛17后面。在傳統(tǒng)的非自適應巡航控制中，車輛10可以遵循操作者確定的速度設定值，直到其被操作者禁用。在自適應巡航控制中，車輛10可以檢測車輛17的存在，然后減小速度設定值，以防止與領先車輛17非常接近。無論使用哪種類型的傳統(tǒng)巡航控制，都可以遵循特定的速度設定值而無需考慮優(yōu)化在車輛行駛時受道路坡度和/或交通狀況的變化影響的燃料經濟性。
[0019]圖3示出車輛控制的方法，其中可以產生提高燃料效率的優(yōu)化的速度廓線。該方法稱為隨機最優(yōu)控制，其將隨機動態(tài)規(guī)劃(SDP)應用到燃料消耗、行駛時間和距離模型，以及影響效率、時間和距離的各種坡度和交通狀況的模型。因此，在步驟20中，轉移概率模型被形成作為交通速度和特定區(qū)域的道路坡度的可預測模型的描述。燃料消耗(例如，對于車輛的特定制造/模型)和到達目的地的行駛時間的模型基于道路坡度、交通狀況和/或速度在步驟21中構建。利用隨機動態(tài)規(guī)劃(SDP)，該模型被結合，并且優(yōu)化控制策略被計算，其可以控制速度設定值以便獲得燃料效率和行駛時間的最佳平均性能?；诳刂撇呗裕囕v控制系統(tǒng)可以建議駕駛員推薦的速度變化或執(zhí)行巡航控制系統(tǒng)的速度設定值的自動控制。
[0020]這種方法的好處是，它不假定預先知道要行駛的路線，除非車輛正在特定的地理區(qū)域被驅動。目的是確定控制策略，一方面，其僅響應于當前的工況(如用于傳統(tǒng)的動力傳動系統(tǒng)控制策略的情況下)，但在另一方面，當頻繁行駛在該地區(qū)時其提供最佳平均性能。換言之，期望得到實現預期的平均燃料經濟性和預期的平均行駛速度之間的最佳折衷的車輛速度設定值。在該方法中，如上面引用的Kolmanovsky和McDonough論文中所描述的,該區(qū)域的地形和交通特性被表征為馬爾可夫鏈的轉移概率。
[0021]如圖4所示，本發(fā)明的優(yōu)化器包括控制策略計算方框(CP) 25，其接收各種輸入變量，如當前速度設定值、當前道路坡度、交通速度、主車輛的加速度和交通跟車距離，以產生耦合到修正器26的初始速度偏移。初始偏移可以如在共同待決的申請序列號(83341069)中公開的那樣取得，其試圖優(yōu)化燃料經濟性而不考慮對周邊交通的任何影響。修正器26與確定的交通密度成比例地減小初始速度偏移，以產生與交通密度成比例的下一個速度偏移。交通密度可以根據連續(xù)尺度(scale)來確定，或者可以根據離散的種類進行分類(其可以取決于取得交通密度的特定的方式)。交通密度可以使用車載傳感器，如雷達、激光雷達以及光學相機估計，其中光學相機已在車輛上可用作其他系統(tǒng)的一部分，如后備輔助、自適應巡航控制、交叉交通警報系統(tǒng)、車道保持輔助、碰撞預警和盲點監(jiān)測。另外，監(jiān)測交通狀況的非車載源可以經由各種通信通道被查詢，各種通信通道如車輛對車輛的通信系統(tǒng)、互聯網連接和衛(wèi)星/導航系統(tǒng)。
[0022]圖5圖形化地描繪了根據交通密度離散水平改變每個初始速度偏移的階梯式減小。當采用增益系數時，等于I的最大增益在無交通或空閑交通時采用。對于每個先后更大范圍的交通密度，應用到速度偏移的相對增益階梯式減小，直到為高交通密度采用零增益。如果應用絕對限制(例如，初始偏移值的限幅)，所應用的限制從在空閑交通的最大值開始并且階梯式地減小到用于擁擠交通的最小值或零值。
[0023]圖6示出使用增益系數修正的速度偏移。曲線30繪制由控制策略所產生的初始速度偏移的變化值(即，對優(yōu)化能源消耗的速度設定值所做的改變)。在空閑交通和擁擠交通之間的中間交通密度狀況下，中間增益系數被選擇，然后被用于修正初始速度偏移。因此，較小的速度偏移由速度控制器來執(zhí)行，如由虛線31所示。
[0024]圖7表示可替換實施例，其中選擇的截止限制被應用于由曲線30表示的初始偏移。因此，應用的速度偏移被限幅在32處的最大值或在33處的最小值，以減少試圖以恒定速度前進的附近其他車輛的任何干擾。
[0025]圖8示出本發(fā)明的優(yōu)選方法，其以步驟35中的檢查開始以確定駕駛員是否已經激活巡航控制功能。如果沒有，那么系統(tǒng)等待，直到巡航控制在步驟35打開。一旦激活巡航控制，在步驟36中執(zhí)行檢查以確定高效巡航功能是否已經啟用。如果沒有，那么假定駕駛員打算恒定速度操作而不是試圖優(yōu)化燃料經濟性。因此，固定標準或自適應巡航控制功能在步驟37中根據恒定速度設定值執(zhí)行?；谒龊愣ㄔO定值，動力傳動系統(tǒng)變量在步驟38中以傳統(tǒng)方式更新，用于維持恒定設定值(如可以在存在堵塞車輛的情況下通過自適應巡航控制進行修正)。此后，在步驟39中執(zhí)行返回。
[0026]如果高效巡航功能在步驟36開始,則本地交通密度估計在步驟40中獲得。在步驟41中執(zhí)行檢查，以確定交通密度估計是否識別擁擠交通的存在。如果是這樣，那么固定標準或自適應巡航功能在步驟37中執(zhí)行。如果交通不擁擠，則在步驟42中執(zhí)行檢查，以確定無交通或低交通密度的狀況是否存在。如果是這樣，那么與其他交通流干擾不是問題，并且在步驟43中使用全偏移執(zhí)行高效巡航控制?；谶@些偏移，動力傳動系統(tǒng)變量在步驟38中被更新。
[0027]如果在步驟42中交通密度估計不指示低交通量或無交通，那么中間交通密度存在。作為響應，在步驟44中以減小的偏移執(zhí)行高效巡航控制。優(yōu)選地，交通密度估計表示在低交通量和擁擠交通之間的多個值或范圍，并且來自控制策略的初始速度偏移的減小是根據交通密度估計的大小以階梯方式成比例地減少。
【權利要求】
1.一種車輛設備,其包括: 速度控制器，其用于響應于速度設定值調整所述車輛的車輛動力傳動系統(tǒng)； 交通密度估計器，其用于確定在路面上在所述車輛附近行駛的交通密度；以及優(yōu)化器，其用于執(zhí)行選擇的控制策略以定期地產生用于應用到所述速度設定值的速度調整，以便在提高的效率下操作所述車輛動力傳動系統(tǒng)，其中所述控制策略是基于提供用于成本模型的優(yōu)化解決方案的價值函數，以產生初始速度偏移，其中所述優(yōu)化器與確定的交通密度成比例地減小所述初始速度偏移以產生所述速度調整。
2.根據權利要求1所述的設備，其進一步包括: 坡度估計器，其用于確定車輛行駛的路面的道路坡度； 其中所述成本模型的價值函數響應于所述確定的道路坡度提供優(yōu)化的解決方案，以產生所述初始速度偏移。
3.根據權利要求1所述的設備，其中所述優(yōu)化器將所述交通密度與擁擠交通閾值相比較，并且其中如果所述交通密度大于所述擁擠交通閾值，則所述優(yōu)化器不修正所述速度設定值。
4.根據權利要求1所述的設備，其中所述優(yōu)化器將所述交通密度與空閑交通閾值相比較，并且其中如果所述交通密度小于所述空閑交通閾值，則所述優(yōu)化器不減小所述初始速度偏移。
5.根據權利要求1所述的設備，其中所述優(yōu)化器將所述交通密度與空閑交通閾值和擁擠交通閾值相比較，并且其中當所述交通密度在所述空閑交通閾值和所述擁擠交通閾值之間時，所述初始速度偏移以階梯方式按比例減小。
6.根據權利要求1所述的設備，其中所述優(yōu)化器響應于所述交通密度選擇增益系數，以便按比例地減小所述初始速度偏移。
7.根據權利要求1所述的設備，其中所述優(yōu)化器響應于所述交通密度選擇偏移限制，并且其中所述初始速度偏移通過箝位在選擇的偏移限制而被成比例地減小。
8.一種用于控制車輛的速度控制器的速度設定值的方法，其包括以下步驟: 檢索表示用于減小操作所述車輛的成本函數的優(yōu)化值函數的控制策略； 執(zhí)行所述控制策略，以確定在所述速度控制器中的所述速度設定值的偏移； 估計在所述車輛附近的交通密度； 與所述交通密度成比例地減小確定的偏移，以產生調整的偏移；以及 將所述調整的偏移應用至所述速度設定值。
9.根據權利要求8所述的方法，其進一步包括以下步驟: 在車輛常規(guī)操作期間采集道路坡度的數據； 其中，檢索出的控制策略對應于車輛操作的區(qū)域，并且其中所述優(yōu)化值函數響應于所述道路坡度數據減小操作所述車輛的成本函數。
10.根據權利要求8所述的方法，其中減小步驟包括將所述交通密度與擁擠交通閾值相比較，并且其中如果所述交通密度大于所述擁擠交通閾值，則所述確定的偏移被減小到零。
11.根據權利要求8所述的方法，其中減小步驟包括將所述交通密度與空閑交通閾值相比較，并且其中如果所述交通密度小于所述空閑交通閾值，則不減小所述確定的偏移。
12.根據權利要求8所述的方法，其中減小步驟包括: 將所述交通密度與空閑交通閾值相比較； 將所述交通密度與擁擠交通閾值相比較；以及 當所述交通密度在所述空閑交通閾值和所述擁擠交通閾值之間時，所述確定的偏移以階梯方式按比例減小。
13.根據權利要求12所述的方法，其進一步包括響應于所述交通密度選擇增益系數的步驟，用于成比例減小所述確定的偏移。
14.根據權利要求12所述的方法，其進一步包括響應于所述交通密度選擇偏移限制的步驟，其中所述確定的偏移通過箝位在選擇的偏移限制而被成比例地減小。
15.—種設備,其包括: 遵循速度設定值的車輛速度控制器； 確定交通密度的交通密度估計器；和 優(yōu)化器，其用于執(zhí)行控制策略，以定期產生對所述速度設定值的速度調整，以便優(yōu)化車輛操作，其中所述優(yōu)化器與確定的交通密度成比例地減少所述速度調整，以避免與其他車輛干擾。
【文檔編號】B60K31/00GK104002680SQ201410066602
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權日:2013年2月26日
【發(fā)明者】S·J·斯沃波博斯基, D·P·菲萊夫, J·O·米凱利尼, D·燕凱 申請人:福特環(huán)球技術公司