CN101954866B - 加速度控制系统 - Google Patents

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Abstract

加速度控制系统(100)存储通过将下述等式进行变形而得到的目标加速度计算等式,所述等式表示:速度的平方的微分与环境因子αenv的乘积代表加速度的感测值ε。周围环境探测装置(106)探测位于车辆前方和周围的周围物体,环境因子计算单元(110)利用所探测的周围物体的位置来计算环境因子αenv。目标加速度设定单元(114)利用环境因子αenv并依照目标加速度计算等式来接连地设定目标加速度aref。将加速度执行成适应于驾驶员的感觉。

Description

加速度控制系统
本申请是2008年6月25日提交的中国专利申请No.200810125783.0的分案申请。 
技术领域
本发明涉及一种用于对车辆加速度进行控制的加速度控制系统,尤其涉及一种能够对加速度进行控制、以适应于驾驶员的感觉的加速度控制系统。 
背景技术
在一个常规的用于车辆的加速度控制系统中,当设定了车辆行进的目标速度后,将车辆加速度控制执行成自动地呈现目标速度(例如US4,650,020和JP3-76247B)。根据该系统,在紧接着控制开始之后,立刻将目标速度设定在比实际车速高出预定值的值,并且目标速度此后线性地增加。当目标速度如上所述线性地增加时,加速度几乎不变。 
然而,当车辆恒定地加速度到目标速度时,驾驶员通常会感到受控的操作令人恐慌,或者发现受控的加速度让人不舒服。 
在另一个常规的用于车辆的加速度控制系统中,为了实现适应于驾驶员的加速感觉的加速度,根据各个驾驶员的能力和驾驶感觉来选择加速度特性,并且基于所选的加速度特性来执行加速度控制(例如JP6-255393A)。 
当通过根据各个驾驶员的能力和驾驶感觉选择加速度特性来控制加速度时,必须预先调整加速度特性以适应于各个驾驶员的能力和驾驶感觉。该调整操作比较麻烦,另外,必须提供大量的加速度特性。 
发明内容
本发明具有这样的目的:提供一种能够容易地对加速度进行控制、以适应于驾驶员的感觉的加速度控制系统。 
根据研究发现,在视觉上识别出的车辆周围物体的位置变化主要地影响驾驶员察觉到的加速感。通过使用τ理论,驾驶员感觉到的加速感被量化,该理论基于视网膜图像的变化确定目标物体的运动。结果发现,如果驾驶员感测到的加速感发生改变,那么代表时间经过的视觉信息τ(下文中简称为τ)的倒数的微分值也发生改变。另外发现,如果驾驶员感测到的加速感保持不变,那么τ的平方的倒数的微分值也保持不变。 
为了实现上述目的,根据第一方面,一种加速度控制系统接连地探测位于车辆的周围且相对于车辆位于前方的周围物体的位置。该加速度控制系统基于下述(1)到(5)确定目标加速度:(1)下述等式(等式)1,其表示τs、角速度u以及τ之间的关系,τs基于视觉信息代表直到车辆前方的周围物体与驾驶员接触时所经过的时间,角速度u是以驾驶员作为参照物的周围物体的角速度,τ基于视觉信息代表直到所述周围物体经过车辆侧方时所经过的时间;(2)1/τ2的微分与加速度的感测值ε之间的下述等式2,加速度的感测值ε从数字上表示驾驶员的加速感;(3)下述等式3,其表示τs、车辆到周围物体的距离r以及距离r的微分值之间的关系;(4)周围物体探测装置探测到的周围物体的相对位置;和(5)预设的目标加速度的感测值ε0,使用该值作为等式2的输入值ε。 
等式1 
τ = τ s 1 + u 2 τ s 2
等式2 
d dt 1 τ 2 = ϵ
等式3 
τ s = - r r ·
如果驾驶员感测到的加速感发生改变,则τ的平方的倒数的微分值发生改变。因此,为了给予驾驶员期望的加速感,可将加速度控制成使得τ的平方的倒数的微分值呈预定值。因此,将驾驶员感测到的加速度用数值ε表示,并且ε与τ的平方的倒数的微分值之间的等式2用于确定目标加速度。如等式1所示,τ可以进一步由τs和周围物体的角速度u来表示,并且如等式3所示,τs可以使用到达周围物体的距离r和距离r的微分值(即周围物体的相对速度)来表示。因此,通过使用周围物体相对于车辆的位置、上述等式1到3以及目标加速度的感测值ε0来确定目标 加速度。原动件的扭矩被控制成呈目标加速度并能够实现适应于驾驶员的感觉的加速度。另外,不必预先调整加速度特性,并且能够容易地控制加速度。 
除了上述发现之外,还通过几何计算发现:等式2的左边即τ的平方的倒数的微分值等于速度的平方的微分值与环境因子的乘积。 
根据第二方面,一种加速度控制系统探测在以车辆为中心、以车辆的前后方向上的线为初始线的极坐标系中位于车辆的周围且相对于车辆位于前方的周围物体的位置。当关于直到位于车辆前方的周围物体经过车辆侧方时的流过时间(时间流逝)的基于视觉信息的数值用τ表示时,该加速度控制系统确定出环境因子,该环境因子基于周围物体的位置在下述等式4中表示速度的平方的微分的系数,等式4是τ的平方的倒数的微分值与速度的平方的微分值之间的等式。该加速度控制系统存储下述等式5或由等式5变形得到的等式作为目标加速度计算等式,并且通过代入用于目标加速度计算等式的由环境因子计算装置确定的环境因子、预设的目标加速度的感测值ε0以及当前车速来确定目标加速度,等式5是等式4的右边和从数字上表示驾驶员的加速感的加速感测值ε之间的等式。 
等式4 
d dt 1 τ 2 = cos 2 φ r 2 ( 1 + tan 2 φ ) 2 · dv 2 dt
其中r是从车辆到周围物体的距离,φ是周围物体在极坐标系中的角度,v是周围物体的速度并且t是时间, 
等式5 
α env · dv 2 dt = ϵ
其中 
α env = cos 2 φ r 2 ( 1 + tan 2 φ ) 2
通过几何计算将等式4的右边变到左边。从等式2、4推导出等式5。 
对目标加速度的感测值ε0进行不同的设定,以根据驾驶员感测到的加速感来设定目标加速度,并且基于该目标加速度来控制原动件的扭矩。因此,能够实现加速度与驾驶员的感觉相适应。在第二方面的情况下,也不必预先调整加速度特性,并且也能够容易地控制加速度。 
附图说明
在参考附图作出的下述详细描述中,本发明的上述以及其它目的、特征和优点将变得更为明显。在附图中: 
图1是示出在以车辆为中心、以车辆的前后方向上的线为初始线的极坐标系中的物体的示意图; 
图2是从车辆的侧向观察的极坐标系的示意图; 
图3是示出将τ的平方的倒数的微分值变为速度的平方的微分的步骤中的等式的图表; 
图4是示出使得加速感的强度保持不变的驾驶员加速度时间与1/τ2的微分值之间的关系的图表; 
图5是示意性示出在强、中、弱的加速感下,使得加速感保持不变的驱动时间与1/τ2的变化率之间的关系的图表; 
图6是示出根据本发明实施方式的加速度控制系统的框图; 
图7是示出对车辆前方的各个区域计算1/τ2的微分值大小的结果的视图; 
图8是示出在图6中所示的实施方式中使用的行进控制单元的框图;和 
图9是示出在图6中所示的实施方式中所执行的控制的主要内容的流程图。 
具体实施方式
首先参考图1,车辆10和物体12示为存在于以车辆10为中心、以车辆的前后方向上的线为初始线(X轴)的极坐标系(R,θ)中。 
<等式1和3> 
在等式1中,τ(tau)是基于视觉信息代表直到物体12经过车辆侧方时所经过的时间的值,并且该值通常称作经过τ,以便与τs区分开。另一个数值τs是基于视觉信息代表直到物体12接触驾驶车辆10的驾驶员时所经过的时间的值,并且该值通常称作接触τ,以便与经过τ区分开。包含经过τ和接触τ(=τs)的视觉信息代表成像于视网膜上的物体 12的视觉流动性。 
上述等式3表示以穿过物体12的轴线作为R轴时的τs。另外,上述基于τs和物体12的角速度u表示经过τ的等式1是能够从图1的几何位置关系中确定的已知的关系表达式。 
在图2中,车辆10示出为位于从侧向观察的极坐标系(R,θ)中。从图1和2中可以理解,作为极轴的R轴是立体(三维)空间中的轴。 
<等式4> 
从图1可以得知,通过使用距离r、速度V和角度φ,能够用等式6和7表示τs和角速度u, 
等式6 
&tau; s = - r r &CenterDot; = - r V cos &phi;
等式7 
u = &phi; &CenterDot; = V sin &phi; r
通过将等式6和7代入等式1中,能够用下述等式8表示经过τ, 
等式8 
&tau; = &tau; s 1 + u 2 &tau; s 2 = - r V cos &phi; 1 + ( V sin &phi; r ) 2 ( r V cos &phi; ) 2 = - 1 1 + tan 2 &phi; ( r V cos &phi; )
因此,用等式9表示经过τ的平方的倒数, 
等式9 
1 &tau; 2 = - V 2 cos 2 &phi; r 2 ( 1 + tan 2 &phi; ) 2
如果根据等式9计算τ的平方的倒数的微分值,则连续地推导出如图3中定义的变形。结果,推导出上述等式4, 
等式4 
d dt 1 &tau; 2 = cos 2 &phi; r 2 ( 1 + tan 2 &phi; ) 2 &CenterDot; dv 2 dt
在等式4中,速度的平方的微分值(dv2/dt)的系数是环境因子αenv。也就是说,环境因子αenv可以用等式10表示,并且等式4表示的τ的平方的倒数的微分值是根据环境因子αenv而变化的值。 
等式10 
&alpha; env = cos 2 &phi; r 2 ( 1 + tan 2 &phi; ) 2
<等式2> 
图4的图表表示当驾驶员已经自己操作加速度器、使得加速感的强度保持不变时的时间与d(1/τ2)/dt、即1/τ2的微分值之间的关系。在如图4所示将加速度器操作成使得加速感保持不变的状态下,可以得知除了加速度开始时的上升阶段(例如,0到10秒)之外,1/τ2的变化率保持几乎不变。 
如图5所示,1/τ2的变化率、即1/τ2的微分值根据强、中、弱的加速感而改变。然而,如果尽管加速感不同但加速感保持不变,那么1/τ2值的变化率保持不变。可以进一步得知,1/τ2值的变化率根据加速感的强度而变化。 
<实施方式> 
接下来,将参考图6描述加速度控制系统的实施方式。在控制系统100中,可由驾驶员操纵巡航控制开关102来操控巡航控制的打开/关闭。巡航控制用于将车辆自动加速度到目标速度,并且在达到目标速度之后维持该目标速度。当操控控制开关102时,控制信号被输出到目标加速度设定单元114和行进控制单元120,以指令巡航控制打开/关闭。 
加速感设定开关103是用于设定驾驶员期望的加速感强度的开关,并且能够设定例如强、中、弱的加速感。加速感设定开关103的设定值被馈送到目标加速度设定单元114。目标速度设定装置104由驾驶员操纵以设定目标速度Ve,并且将代表所设定的目标速度Ve的信号馈送到目标加速度设定单元114。 
周围环境探测装置106是用于获取位于车辆10的前方附近的物体的信号的信号获取装置,并且定期地接连获取信号。尽管该实施方式使用照相机,但是也可以使用例如毫米波雷达的雷达。通过周围环境探测装置106获得的信号范围可以包括一部分车辆前方区域,并且在理想情况下几乎等于驾驶员的视野。 
极坐标系位置计算单元108分析由周围环境探测装置106获得的信号,并且对位于车辆10的周围且相对于车辆10位于前方的周围物体的 位置进行计算。所计算出的位置位于以车辆10为中心、以车辆10的前后方向上的线为初始线的极坐标系(R,θ)中。 
极坐标系位置计算单元108对位于道路上及其附近的立体物的位置进行计算。另外,在该实施方式中,平面物体的位置也被计算。所述平面物体包括例如绘制在路面上的部分或所有交通标志。另外,路面的部分纹理或者全部纹理可以被认作所述平面物体。 
能够不同地设定应当对其位置进行计算的物体。然而,在该实施方式中,信号获取范围(即成像范围)中的多个部分被预先设定为位置计算区域,并且计算位于多个位置计算区域中的物体的位置。另外,所述多个位置计算区域被设定成均匀地分布在驾驶员的视野内。 
环境因子计算单元110接连地计算等式10表示的环境因子αenv,并且将所计算出的环境因子αenv输出到目标加速度设定单元114。然而,从等式10针对其位置由极坐标系位置计算单元108计算出的多个物体12计算出环境因子αn(n是位置计算区域的数量,即要探测的物体的数量)。使用环境因子αn的平均值即下述等式11作为输出到目标加速度设定单元114的环境因子αenv。 
等式11 
&alpha; env = &Sigma; &alpha; n ( r , &theta; ) N
下面描述为何使用环境因子αn的平均值作为环境因子αenv。图7是对车辆前方的各个区域计算1/τ2的微分值大小的结果。在图7中,方框代表计算1/τ2的微分值的位置。从方框延伸的条形部分根据其长度代表在计算位置处计算出的1/τ2的微分值的大小。从图7中可以理解,在车辆前方的区域中,1/τ2的微分值较小,但是1/τ2的微分值朝周围增大。另一方面,认为驾驶员正从整个视野流察觉加速感。因此在该实施方式中,使用环境因子αn的平均值作为环境因子αenv。 
车辆运动探测装置112是用于探测车辆10的当前速度Vcur的装置,并且操作成通过使用车轮速度传感器或者全球定位系统来接连地探测位置,以便从位置随时间的改变来探测车速。由车辆运动探测装置112探测到的当前车速Vcur被输出到目标加速度设定单元114和行进控制单元120。 
目标加速度设定单元114存储下述等式12作为目标加速度计算等式, 并且在从控制开关102馈送用于指示巡航控制开始的控制信号(控制开始信号)、直到馈送用于指示巡航控制结束的控制信号(控制停止信号)期间设定目标加速度aref。 
首先,使用等式12接连地确定目标加速度aref,直到当前速度Vcur变为等于目标速度设定装置104设定的目标速度Ve。在当前速度Vcur已经变为等于目标速度Ve之后,接连地确定目标加速度aref,以执行恒定的速度控制(例如比例积分微分控制)。 
等式12 
&alpha; ref = &epsiv; 0 2 &alpha; env &CenterDot; v cur
下述等式5从等式2和4中推导出。将等式5展开,得到等式13。等式13中的v点代表加速度。通过将等式13变形成v点的等式,获得等式12。 
等式5 
&alpha; env &CenterDot; dv 2 dt = &epsiv;
其中 
&alpha; env = cos 2 &phi; r 2 ( 1 + tan 2 &phi; ) 2
等式13 
2 &alpha; env &CenterDot; v &CenterDot; v &CenterDot; = &epsiv;
为了确定目标加速度aref,通过使用预先存储的加速感值设定图,将目标加速度的感测值ε0确定为对应于来自于加速感设定开关103的信号的值。所确定的目标加速度的感测值ε0、从环境因子计算单元110馈送的环境因子αenv以及从车辆运动探测装置112馈送的当前速度Vcur被代入等式12中,以确定目标加速度aref。 
行进控制单元120根据目标加速度设定单元114在从控制开关102馈送用于指示巡航控制开始的控制信号(控制开始信号)、直到馈送用于指示巡航控制结束的控制信号(控制停止信号)期间所形成的目标加速度aref来运行扭矩指令值。此后,基于所运行的扭矩指令值来控制原动件(发动机或马达)的扭矩。 
在图8中以功能性框图示出行进控制单元120。目标加速度aref被输 入到乘法器121,目标加速度aref在该乘法器121中被乘以增益KF,以计算目标功率Fref。增益KF是考虑了车辆的重量等之后预先设定的值。实际功率计算单元122通过使用当前速度Vcur和传递函数s·KF来计算车辆10的实际功率。计算出目标功率Fref与实际功率之间的差值作为估算的扰动。在高频部分被低通滤波器123去除之后,上述计算出的估算扰动被添加到目标功率Fref中。添加之后的值作为扭矩指令值被输出。 
接着使用图9中的流程图来描述加速度控制系统100中的控制的主要内容。在图9中,S30在环境因子计算单元110中进行处理,S80和S90在行进控制单元120中进行处理,其它的S在目标加速度设定单元114中进行处理。 
在S10中,首先由控制信号检查是否接收到加速指令。如果馈送了控制开始信号,则巡航控制打开,以执行加速度,直到达到目标速度Ve。因此如果控制开始信号从控制开关102馈送到目标加速度设定单元114,则确定接收到加速指令。如果确定接收到加速指令(是),则流程前进到S20。如果确定出没有接收到加速指令(否),则重复S10中的检查。 
在S20中,从目标速度设定装置104获得目标速度Ve。接下来,如上所述,S30在环境因子计算单元110进行处理,由此从极坐标系位置计算单元108计算出的所述多个物体12的位置计算等式11所表示的环境因子αenv。 
在接下来的S40中,从车辆运动探测装置112获得当前速度Vcur。在S50中,检查在S40中获得的当前速度Vcur是否小于在S20中获得的目标速度Ve。如果判断结果是肯定的(是),那么流程前进到S60,在S60中计算用于恒定的速度控制(巡航控制)的目标加速度aref。恒定的速度控制是根据下述等式14计算目标加速度aref的比例积分微分控制,其中KP、KD和KI是预设的增益, 
等式14 
a ref = ( K P + s K D + K I s ) &CenterDot; ( V e - V cur )
另一方面,如果S50中的判断结果是否定的(否),那么流程前进到S70,在S70中计算用于加速度控制的目标加速度aref。也就是说,目标加速度的感测值ε0被确定为与来自加速感设定开关103的信号相对应的值。这样确定的目标加速度的感测值ε0、在S30中计算出的环境因子αenv 以及在S40中获得的当前速度Vcur被代入上述等式12中,从而计算出目标加速度aref。 
在已经执行了S60或S70之后,执行S80。S80在行进控制单元120中进行处理,行进控制单元120如上所述从目标加速度aref计算出目标功率Fref,并从当前速度Vcur计算出实际功率,将二者的差值作为估算的扰动,并且通过将估算的扰动添加到目标功率Fref来计算扭矩指令值。在S90中,在S80中计算出的扭矩指令值被输出到车辆的原动件,以用于行进控制。 
在S100中,检查是否已发出控制停止指令,也就是说,检查控制停止信号是否已从控制开关102馈送到目标加速度设定单元114。如果判断结果是否定的(否),那么流程返回到上面的S40。因此,在这种情况下,再次获得当前速度Vcur,并且通过使用该再次获得的当前速度Vcur来再次计算目标加速度aref。如果S100中的判断结果是肯定的(是),那么流程结束。在这种情况下,巡航控制结束。 
如上所述,加速度控制系统100存储通过将等式5变形而推导出的目标加速度计算等式(等式12),等式5表示速度的平方的微分与环境因子αen的乘积变为加速度的感测值ε。实际上探测位于车辆的周围且相对于车辆位于前方的周围物体12,并从探测到的周围物体12的位置计算环境因子αenv,通过使用计算出的环境因子αenv并依照目标加速度计算等式(等式12)接连地获得目标加速度aref。因此,加速度能够被控制成适应于驾驶员的感觉。另外,不必预先调整加速度特性,并且能够容易地控制加速度。 
另外,加速度控制系统100探测多个周围物体12的位置,并且基于所述多个周围物体12的位置确定环境因子αenv。因此,加速度能够被控制成进一步适应于驾驶员的感觉。 
应当注意,本发明并不仅限于上述实施方式,并且能够实现多种变型。 
例如,在巡航控制的加速度控制过程中,可以定期地重复计算环境因子αenv,并且可以通过使用最新的环境因子αenv来计算目标加速度aref。 
另外,当确定已发出加速指令时,控制系统100通过利用等式12计算出的目标加速度aref容易地执行加速度控制。然而,在加速度的初始阶段,可以通过使用另外一个目标加速度(例如恒定加速度)来控制加速 度,而不是通过使用目标加速度aref来控制加速度。在这种情况下,在例如从加速度开始已经过去预定时间之后执行通过目标加速度aref的加速度控制。 
另外,尽管上述实施方式的加速度控制系统100从所述多个周围物体12的位置计算环境因子αenv,但是从一个周围物体12的位置计算环境因子αenv也是可以的。 
加速度控制系统100在保持目标加速度的感测值ε不变的同时执行加速度控制。然而,感测到的目标加速度值ε0在加速度过程中可以不同。例如,如果感测到的目标加速度值ε0在加速度的后半段进一步增加,那么驾驶员将感觉到在后半部分迅速加速度。因此,在加速度过程中改变了感测到的目标加速度值ε0之后,驾驶员将感觉到他喜欢的各种加速度。 

Claims (3)

1.一种用于基于目标速度和当前速度在巡航控制中对车辆加速度进行控制的加速度控制系统,该加速度控制系统包括: 
周围物体探测装置(106),其用于接连地探测在以车辆为中心、以车辆的前后方向上的线为初始线的极坐标系中位于车辆的周围且相对于车辆位于前方的周围物体的位置; 
环境因子计算装置(110),当关于直到位于车辆前方的所述周围物体经过车辆侧方时所经过的时间的基于视觉信息的值用τ表示时,该环境因子计算装置(110)确定出环境因子,该环境因子基于所述周围物体探测装置所探测的周围物体的位置在下述等式A中表示速度的平方的微分的系数; 
目标加速度计算装置(114),其存储目标加速度计算等式,并通过代入用于目标加速度计算等式的由所述环境因子计算装置确定出的环境因子、预设的目标加速度的感测值ε0以及当前车速来确定目标加速度,其中,所述目标加速度计算等式被定义为下述等式B或者从等式B变形得到的等式,等式B表示等式A的右边和加速度的感测值ε之间的关系,该加速度的感测值ε从数字上表示驾驶员的加速感;和 
原动件控制装置(120),其用于对车辆原动件的扭矩进行控制,以获得所述目标加速度,其中 
等式A定义为 
等式A表示τ的平方的倒数的微分值与速度的平方的微分之间的关系,其中r是车辆到周围物体的距离,φ是周围物体在极坐标系中的角度,v是周围物体的速度并且t是时间,以及 
等式B被定义为 
Figure FSB00000971411300012
其中 
Figure 2010105071965100001DEST_PATH_IMAGE002
2.如权利要求1所述的加速度控制系统,其中,所述周围物体探测装置(106)探测位于车辆的周围且相对于车辆位于前方的多个周围物体的位置,并且所述环境因子计算装置(110)基于由所述周围物体探测装置探测的所述多个周围物体的位置确定等式A的环境因子。 
3.如权利要求1或2所述的加速度控制系统,其中,所述目标加速度计算装置(114)在保持所述目标加速度的感测值ε0不变的同时接连地确定目标加速度。 
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