CN104002680B - 具有交通兼容速度偏移的基于效率的速度控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有交通兼容速度偏移的基于效率的速度控制器。车辆设备包括用于响应于速度设定值调整车辆的车辆动力传动系统的速度控制器。坡度估计器确定车辆行驶路面的道路坡度。交通密度估计器确定行驶在路面上在车辆附近的交通密度。优化器执行选择的控制策略，以定期地产生用于应用至速度设定值的速度调整以便在提高的效率下操作车辆动力传动系统。该控制策略是基于响应于确定的道路坡度提供成本模型的优化解决方案的价值函数，以产生初始速度偏移。优化器与确定的交通密度成比例地减小初始速度偏移，以产生速度调整。该系统最大限度地减小对整体交通流的负面影响以及对周边交通的降低的燃料效率的任何负面贡献。

Description

具有交通兼容速度偏移的基于效率的速度控制器

技术领域

本发明一般涉及车辆的速度控制系统，并且更具体地涉及优化速度受控车辆的能量效率，而无需预先知道沿行驶路线或任何预规划的路线的实际道路坡度变化。

背景技术

汽车制造商不断努力以使用于驱动车辆的能量消耗最小化(例如，使汽油车辆每单位汽油或电驱动车辆每单位电荷所驱动的距离最大化)。对效率的重要影响包括驱动车辆的速度、在驱动路线上的道路坡度的变化以及交通状况。自动速度控制(即，巡航控制)系统可以通过减少加速车辆花费的时间量而对燃料经济性产生有益的影响，尤其是在高速公路行驶期间。然而，比起允许车辆改变以便利用道路坡度变化来优化燃料消耗来说，在上坡和下坡的道路坡度期间维持单一的速度设定消耗更多燃料。如果在道路坡度上即将到来的变化是预先知道的(例如，从基于GPS的地图和预先路线)，则可以在速度设定中引入临时偏移从而相应地改善能量消耗。然而，用于在车辆上实时确定这种偏移的GPS导航装置和必要的车载地图数据、计算的和/或远程的数据通信需求表现很大的成本或在某些地区难以获得。因此，期望的是减少用于确定适当的速度偏移的这种需求。

并入本文作为参考的Kolmanovsky等人的论文，Terrain and Traffic OptimizedVehicle Speed Control,6TH IFAC SYMPOSIUM ADVANCES IN AUTOMOTIVE CONTROL,MUNICH,JULY 2010，描述供车辆在特定的地理区使用的用于最佳平均性能而无需预先知道行驶的路线或正接近的实际即将到来的道路坡度的控制策略的出处。控制策略规定车辆速度设定值，以达到预期平均燃料经济性和预期平均行驶速度之间的最佳折衷。地形和交通特性(即驾驶状况)汇总为马尔可夫链模型的转移概率矩阵(TPM)。随机动态规划产生离线控制策略(即，在车辆的设计阶段中使用独立的地形特征脱离车辆)，然后当其在相应区域中驱动时将其装载到车辆以供使用。

并入本文作为参考的McDonough等人的论文，Modeling of Vehicle DrivingConditions Using Transition Probability Models,2011 IEEE MULTI-CONFERENCE ONCONTROL APPLICATIONS,DENVER,SEPTEMBER 2011，公开了马尔可夫模型的转移概率矩阵之间的Kullback-Leibeler(KL)散度的使用以在相似或不相似的驱动状况之间进行区分。基于对应于车辆的当前驱动状况的TPM，KL散度可以用于插入为一组离散的典型的驱动周期开发的控制策略，以便将车辆动力传动系统操作适应于地形和交通状况。

并入本文作为参考的题为“On-Board Real-Time Speed Control SetpointVariation Using Stochastic Optimization”的共同待决的美国申请序列号(83341069)公开了一种用于选择由车辆执行以便以优化能量消耗的方式改变其设定速度的控制策略的鲁棒系统。作为不断应用的可变速度偏移的结果，在主车辆和在其附近的没有执行相同的优化策略(例如，以恒定的速度在驾驶)的任何其他车辆之间的相对距离也将不断变化。

如果所述控制策略被配置为积极地获得高水平的效率改善，那么该车辆的速度波动可能大到负面影响周边的交通流。超过一定的交通密度，其他车辆对主车辆的波动的反应可增加整体减速的可能性，这负面影响所有车辆(包括主车辆)的燃料经济性。

本发明还适用于那些试图通过基于道路坡度以外的考虑改变车辆速度以优化能量消耗或其他车辆参数的其他系统或控制策略。这种其他系统可以包括跳动和滑行、动态规划或启发式方法。

发明内容

本发明提供一种速度控制系统，其最大限度地减小对周边交通的影响，同时设法实现可能的最佳燃料经济性。速度控制系统可配置为基于控制策略(本文称为高效巡航系统)采用恒定速度设定值(例如，恒定巡航控制或自适应巡航控制)或可变速度设定值。在拥挤交通的状况下，高效巡航系统应遵循恒定速度控制系统(其中，速度变化的幅度是零或非常小)或自适应巡航控制系统，以便与前面的汽车保持预先选择的跟车距离，从而最大限度地减少对周边交通的速度的影响。对于从空闲交通上升到拥挤交通的状况，该系统采用控制策略推荐的从空闲交通的最大值下降到拥挤交通的零(即恒定巡航)的速度偏移的相对比例。当没有探测到周边交通(例如，无领先车辆存在)时，该系统使用来自控制策略未修正的偏移。以这种方式，该系统最大限度减小其对整体交通流连续性的负面影响以及对周边交通的降低的燃料效率的任何负面贡献，如果在以上正常的交通流状况中引起周边车辆速度的波动，这两者可能发生。

在本发明的一个方面中，一种车辆设备包括用于响应于速度设定值调整车辆的车辆动力传动系统的速度控制器。坡度估计器确定车辆行驶路面的道路坡度。交通密度估计器确定行驶在路面上在车辆附近的交通密度。优化器执行选择的控制策略，以定期地产生用于应用到速度设定值的速度调整以便在提高的效率下操作车辆动力传动系统。该控制策略是基于响应于确定的道路坡度提供用于成本模型的优化解决方案的价值函数，以产生初始速度偏移。优化器与确定的交通密度成比例地减小初始速度偏移，以产生速度调整。

附图说明

图1是本发明的车辆设备的方框图。

图2是示出主车辆周围承载交通的路面的图示。

图3是示出根据本发明的基本模型过程的方框图。

图4是示出由控制策略产生的速度偏移的修正的方框图。

图5是示出基于交通密度阶梯式减小的曲线图。

图6是示出使用增益系数确定的修正的速度偏移的曲线图。

图7是示出使用箝位限制确定的修正的速度偏移的曲线图。

图8是示出本发明的一种示例方法。

具体实施方式

现在参考图1，车辆设备10包括用于实现速度建议的各种组件和/或用于达到改进的燃料经济性的控制系统。传感器和数据采集方框11使用常用的装置和互连，以供应和传送如下所述的各项信息。方框12是道路坡度和速度/交通估计器，其描述车辆的当前的驾驶状况的特征以供速度设定值计算器(即优化器)13使用。道路坡度可以通过GPS测量以及地图数据库确定，通过使用其他传感器(例如倾斜计或俯仰传感器)确定，或根据加速度计测量值计算，或者通过从其他常用的车辆数据(例如负载和由动力传动系统控制策略提供的车辆速度信息)估计它来确定。例如，周边交通的速度或密度可以通过使用雷达或相机来测量，或者可以经由无线数据网络从非车载信息源来获得，其中雷达或相机可以被提供作为自适应巡航控制系统或车辆导航系统的一部分。计算器13执行控制策略，该控制策略确定速度设定值的周期性变化，其被传送给自适应巡航控制方框14。方框14将实际车辆速度与速度设定值比较，并发送相应的命令到节气门控制器15。

图2描绘了一种驱动情况，其中主车辆10在路面16上在有其他交通18的情况下行驶在领先车辆17后面。在传统的非自适应巡航控制中，车辆10可以遵循操作者确定的速度设定值，直到其被操作者禁用。在自适应巡航控制中，车辆10可以检测车辆17的存在，然后减小速度设定值，以防止与领先车辆17非常接近。无论使用哪种类型的传统巡航控制，都可以遵循特定的速度设定值而无需考虑优化在车辆行驶时受道路坡度和/或交通状况的变化影响的燃料经济性。

图3示出车辆控制的方法，其中可以产生提高燃料效率的优化的速度廓线。该方法称为随机最优控制，其将随机动态规划(SDP)应用到燃料消耗、行驶时间和距离模型，以及影响效率、时间和距离的各种坡度和交通状况的模型。因此，在步骤20中，转移概率模型被形成作为交通速度和特定区域的道路坡度的可预测模型的描述。燃料消耗(例如，对于车辆的特定制造/模型)和到达目的地的行驶时间的模型基于道路坡度、交通状况和/或速度在步骤21中构建。利用随机动态规划(SDP)，该模型被结合，并且优化控制策略被计算，其可以控制速度设定值以便获得燃料效率和行驶时间的最佳平均性能。基于控制策略，车辆控制系统可以建议驾驶员推荐的速度变化或执行巡航控制系统的速度设定值的自动控制。

这种方法的好处是，它不假定预先知道要行驶的路线，除非车辆正在特定的地理区域被驱动。目的是确定控制策略，一方面，其仅响应于当前的工况(如用于传统的动力传动系统控制策略的情况下)，但在另一方面，当频繁行驶在该地区时其提供最佳平均性能。换言之，期望得到实现预期的平均燃料经济性和预期的平均行驶速度之间的最佳折衷的车辆速度设定值。在该方法中，如上面引用的Kolmanovsky和McDonough论文中所描述的，该区域的地形和交通特性被表征为马尔可夫链的转移概率。

如图4所示，本发明的优化器包括控制策略计算方框(CP)25，其接收各种输入变量，如当前速度设定值、当前道路坡度、交通速度、主车辆的加速度和交通跟车距离，以产生耦合到修正器26的初始速度偏移。初始偏移可以如在共同待决的申请序列号(83341069)中公开的那样取得，其试图优化燃料经济性而不考虑对周边交通的任何影响。修正器26与确定的交通密度成比例地减小初始速度偏移，以产生与交通密度成比例的下一个速度偏移。交通密度可以根据连续尺度(scale)来确定，或者可以根据离散的种类进行分类(其可以取决于取得交通密度的特定的方式)。交通密度可以使用车载传感器，如雷达、激光雷达以及光学相机估计，其中光学相机已在车辆上可用作其他系统的一部分，如后备辅助、自适应巡航控制、交叉交通警报系统、车道保持辅助、碰撞预警和盲点监测。另外，监测交通状况的非车载源可以经由各种通信通道被查询，各种通信通道如车辆对车辆的通信系统、互联网连接和卫星/导航系统。

图5图形化地描绘了根据交通密度离散水平改变每个初始速度偏移的阶梯式减小。当采用增益系数时，等于1的最大增益在无交通或空闲交通时采用。对于每个先后更大范围的交通密度，应用到速度偏移的相对增益阶梯式减小，直到为高交通密度采用零增益。如果应用绝对限制(例如，初始偏移值的限幅)，所应用的限制从在空闲交通的最大值开始并且阶梯式地减小到用于拥挤交通的最小值或零值。

图6示出使用增益系数修正的速度偏移。曲线30绘制由控制策略所产生的初始速度偏移的变化值(即，对优化能源消耗的速度设定值所做的改变)。在空闲交通和拥挤交通之间的中间交通密度状况下，中间增益系数被选择，然后被用于修正初始速度偏移。因此，较小的速度偏移由速度控制器来执行，如由虚线31所示。

图7表示可替换实施例，其中选择的截止限制被应用于由曲线30表示的初始偏移。因此，应用的速度偏移被限幅在32处的最大值或在33处的最小值，以减少试图以恒定速度前进的附近其他车辆的任何干扰。

图8示出本发明的优选方法，其以步骤35中的检查开始以确定驾驶员是否已经激活巡航控制功能。如果没有，那么系统等待，直到巡航控制在步骤35打开。一旦激活巡航控制，在步骤36中执行检查以确定高效巡航功能是否已经启用。如果没有，那么假定驾驶员打算恒定速度操作而不是试图优化燃料经济性。因此，固定标准或自适应巡航控制功能在步骤37中根据恒定速度设定值执行。基于所述恒定设定值，动力传动系统变量在步骤38中以传统方式更新，用于维持恒定设定值(如可以在存在堵塞车辆的情况下通过自适应巡航控制进行修正)。此后，在步骤39中执行返回。

如果高效巡航功能在步骤36开始，则本地交通密度估计在步骤40中获得。在步骤41中执行检查，以确定交通密度估计是否识别拥挤交通的存在。如果是这样，那么固定标准或自适应巡航功能在步骤37中执行。如果交通不拥挤，则在步骤42中执行检查，以确定无交通或低交通密度的状况是否存在。如果是这样，那么与其他交通流干扰不是问题，并且在步骤43中使用全偏移执行高效巡航控制。基于这些偏移，动力传动系统变量在步骤38中被更新。

如果在步骤42中交通密度估计不指示低交通量或无交通，那么中间交通密度存在。作为响应，在步骤44中以减小的偏移执行高效巡航控制。优选地，交通密度估计表示在低交通量和拥挤交通之间的多个值或范围，并且来自控制策略的初始速度偏移的减小是根据交通密度估计的大小以阶梯方式成比例地减少。

Claims (13)

1.一种车辆设备，其包括：

速度控制器，其用于响应于速度设定值调整所述车辆的车辆动力传动系统；

交通密度估计器，其用于确定在路面上在所述车辆附近行驶的交通密度；以及

优化器，其用于执行选择的控制策略以定期地产生用于应用到所述速度设定值的速度调整，以便在提高的效率下操作所述车辆动力传动系统，其中所述控制策略是基于提供用于成本模型的优化解决方案的价值函数，以产生初始速度偏移，其中所述优化器与确定的交通密度成比例地减小所述初始速度偏移以产生所述速度调整，其中所述优化器将所述交通密度与拥挤交通阈值相比较，并且其中如果所述交通密度大于所述拥挤交通阈值，则所述优化器不修正所述速度设定值。

2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：

坡度估计器，其用于确定车辆行驶的路面的道路坡度；

其中所述成本模型的价值函数响应于所述确定的道路坡度提供优化的解决方案，以产生所述初始速度偏移。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述优化器将所述交通密度与空闲交通阈值相比较，并且其中如果所述交通密度小于所述空闲交通阈值，则所述优化器不减小所述初始速度偏移。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述优化器将所述交通密度与空闲交通阈值和拥挤交通阈值相比较，并且其中当所述交通密度在所述空闲交通阈值和所述拥挤交通阈值之间时，所述初始速度偏移以阶梯方式按比例减小。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述优化器响应于所述交通密度选择增益系数，以便按比例地减小所述初始速度偏移。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述优化器响应于所述交通密度选择偏移限制，并且其中所述初始速度偏移通过限定在选择的偏移限制而被成比例地减小。

7.一种用于控制车辆的速度控制器的速度设定值的方法，其包括以下步骤：

检索表示用于减小操作所述车辆的成本函数的优化值函数的控制策略；

执行所述控制策略，以确定在所述速度控制器中的所述速度设定值的偏移；

估计在所述车辆附近的交通密度；

与所述交通密度成比例地减小确定的偏移，以产生调整的偏移，其中减小步骤包括将所述交通密度与拥挤交通阈值相比较，并且其中如果所述交通密度大于所述拥挤交通阈值，则所述确定的偏移被减小到零；以及

将所述调整的偏移应用至所述速度设定值。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括以下步骤：

在车辆常规操作期间采集道路坡度的数据；

其中，检索出的控制策略对应于车辆操作的区域，并且其中所述优化值函数响应于所述道路坡度数据减小操作所述车辆的成本函数。

9.根据权利要求7所述的方法，其中减小步骤包括将所述交通密度与空闲交通阈值相比较，并且其中如果所述交通密度小于所述空闲交通阈值，则不减小所述确定的偏移。

10.根据权利要求7所述的方法，其中减小步骤包括：

将所述交通密度与空闲交通阈值相比较；

将所述交通密度与拥挤交通阈值相比较；以及

当所述交通密度在所述空闲交通阈值和所述拥挤交通阈值之间时，所述确定的偏移以阶梯方式按比例减小。

11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括响应于所述交通密度选择增益系数的步骤，用于成比例减小所述确定的偏移。

12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括响应于所述交通密度选择偏移限制的步骤，其中所述确定的偏移通过限定在选择的偏移限制而被成比例地减小。

13.一种车辆设备，其包括：

遵循速度设定值的车辆速度控制器；

确定交通密度的交通密度估计器；和

优化器，其用于执行控制策略，以定期产生对所述速度设定值的速度调整，以便优化车辆操作，其中所述优化器与确定的交通密度成比例地减少所述速度调整，以避免与其他车辆干扰，其中所述优化器将所述交通密度与拥挤交通阈值相比较，并且其中如果所述交通密度大于所述拥挤交通阈值，则所述优化器不修正所述速度设定值。