DE102013221662A1 - Systeme und Verfahren zur Geschwindigkeitsregelung von Fahrzeugen - Google Patents

Abstract

Ein beispielhaftes Geschwindigkeitsregelungssystem umfasst eine Anwendung, die eine Geschwindigkeitsregelung beim Kurvenfahren, eine Geschwindigkeitsbegrenzungsreglung und eine adaptive Geschwindigkeitsregelung integriert und ein optimiertes Geschwindigkeitsprofil erzeugt, das zum Steuern des Fahrzeugs verwendet wird.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Das technische Gebiet betrifft allgemein Systeme und Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs und insbesondere Systeme und Verfahren zur Geschwindigkeitsregelung von Fahrzeugen.
• HINTERGRUND
• Aktuelle Geschwindigkeitsregelungssysteme sind nicht dafür ausgelegt, verschiedene Situationen zu handhaben, die das Einfahren in eine Kurve, das Ausfahren aus einer Kurve, das Navigieren in einer Kurve und das Entgegenkommen eines Fahrzeugs umfassen. Beispielsweise lassen bestimmte aktuelle Geschwindigkeitsregelungssysteme eine adaptive Geschwindigkeitsregelung und eine Geschwindigkeitsregelung beim Kurvenfahren parallel ablaufen, wobei ein Entscheidungsmodul zwischen den Regelungen wählt. Derartige Geschwindigkeitsregelungssysteme können während des Wechsels von einem Regelungstyp zu dem anderen ein Ruckeln zeigen.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Die verschiedenen Ausführungsformen überwinden die Mängel des Standes der Technik. Hier beschriebene Systeme und Verfahren stellen ein Geschwindigkeitsregelungssystem bereit, das sich an die verschiedenen Situationen automatisch und optimal anpasst, wobei der Fahrerkomfort beibehalten wird. Verschiedene Situationen umfassen das Navigieren durch eine Kurve und das Entgegenkommen eines Fahrzeugs. Ein beispielhaftes Geschwindigkeitsregelungssystem umfasst allgemein eine Anwendung, die eine Geschwindigkeitsregelung beim Kurvenfahren, eine Geschwindigkeitsbegrenzungsregelung und eine adaptive Geschwindigkeitsregelung zusammenführt und ein optimiertes Geschwindigkeitsprofil erzeugt, das zum Steuern des Fahrzeugs verwendet wird. Beispielsweise ist das Geschwindigkeitsprofil eine Funktion von Stellen entlang einer Fahrstrecke, von Steuerkursen bei den Stellen, von einer Geschwindigkeitsbegrenzung bei den Stellen und vom Abstand zu und von der Geschwindigkeit eines oder mehrerer nahegelegener Fahrzeuge.
• Im Vorstehenden wurden einige der Aspekte und Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen grob skizziert und diese sollen nur als Veranschaulichungen für verschiedene potentielle Anwendungen aufgefasst werden. Andere vorteilhafte Ergebnisse können durch Anwenden der offenbarten Informationen auf eine andere Weise oder durch Kombinieren verschiedener Aspekte der offenbarten Ausführungsformen erhalten werden. Weitere Aspekte und ein umfassenderes Verständnis können durch Bezugnahme auf die genaue Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zusätzlich zu dem Umfang, der durch die Ansprüche definiert wird, erhalten werden.
• GENAUE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 ist eine Draufsicht auf ein Fahrzeug und ein nahegelegenes Fahrzeug, die beide eine Straße entlangfahren, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
• 2 ist eine schematische Ansicht des Fahrzeugs von 1, die ein Geschwindigkeitsregelungssystem darstellt.
• 3 ist eine Draufsicht auf die Straße von 1, die Stellen auf der Straße und Steuerkurse bei den Stellen darstellt.
• 4 ist eine graphische Darstellung des Steuerkurses und der Krümmung an den Stellen von 3.
• 5 ist ein Graph, der verwendet wird, um ein Geschwindigkeitsprofil zu bestimmen, wobei der Graph einen Satz von Geschwindigkeiten für jede der Stellen von 3 enthält.
• 6–8 zeigen den Graphen von 5 mit Schritten eines beispielhaften Verfahrens zum Bestimmen eines Geschwindigkeitsprofils.
• 9 ist eine graphische Veranschaulichung eines beispielhaften Geschwindigkeitsprofils.
• 10 ist ein Diagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Wählen einer Anwendung.
• GENAUE BESCHREIBUNG
• Wie vorgeschrieben werden hier genaue Ausführungsformen offenbart. Es versteht sich, dass die offenbarten Ausführungsformen nur beispielhaft für verschiedene und alternative Formen sind. Das Wort ”beispielhaft” wird, so wie es hier benutzt wird, ausgiebig verwendet, um Ausführungsformen zu bezeichnen, die als Veranschaulichungen, Muster, Modelle oder Vorlagen dienen. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu und einige Merkmale können hervorgehoben oder minimiert sein, um Details von speziellen Komponenten zu zeigen. In anderen Fällen wurden gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, nicht im Detail beschrieben, um ein Verschleiern der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden. Daher sollen spezielle strukturelle und funktionale Details, die hier offenbart sind, nicht als Einschränkung aufgefasst werden, sondern nur als eine Grundlage für die Ansprüche und als eine repräsentative Grundlage zur Unterrichtung des Fachmanns.
• Mit Bezug auf 1–3 enthält ein Fahrzeug 10 ein Geschwindigkeitsregelungssystem 20, das ausgestaltet ist, um die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs 10 an Stellen s entlang einer Straße R, die Kurven X enthält, automatisch zu regeln. Beispielsweise stellt das Geschwindigkeitsregelungssystem 20 einen Befehl für einen Drosselklappen/Bremsencontroller 22 des Fahrzeugs bereit. Der Drosselklappen/Bremsencontroller 22 ist ausgestaltet, um ein Drosselklappensystem 24 des Fahrzeugs 10 und ein Bremsensystem 26 des Fahrzeugs 10 zu steuern.
• Das Geschwindigkeitsregelungssystem 20 enthält einen Geschwindigkeitscontroller 30, der ausgestaltet ist, um einen Befehl für den Drosselklappen/Bremsencontroller 22 zu erzeugen. Zu Erläuterungszwecken wird ein einziger Controller beschrieben. Jedoch werden bei einigen Ausführungsformen mehrere Controller verwendet. Beispielsweise bestimmt ein erster Controller unter Verwendung einer ersten Anwendung einen ersten Befehl, ein zweiter Controller bestimmt unter Verwendung einer zweiten Anwendung einen zweiten Befehl und das Geschwindigkeitsregelungssystem wählt, welcher Befehl an den Drosselklappen/Bremsencontroller 22 weitergeleitet wird. Darüber hinaus ist bei einigen Ausführungsformen der Drosselklappen/Bremsencontroller 22 in das Geschwindigkeitsregelungssystem 20 eingebaut.
• Das Geschwindigkeitsregelungssystem 20 enthält außerdem Sensoren, die ausgestaltet sind, um Daten zu messen und um die Daten in den Geschwindigkeitscontroller 30 einzugeben. Das Geschwindigkeitsregelungssystem 20 enthält auch einen Geschwindigkeits- und Abstandssensor, wie etwa einen Radar-Abstandssensor 32, der ausgestaltet ist, um eine Geschwindigkeit v_t eines oder mehrerer nahegelegener Fahrzeuge 10t und den Abstand dt von diesen zu messen. Bei alternativen Ausführungsformen messen mehrere Sensoren voneinander unabhängig die Geschwindigkeit von und den Abstand zu nahegelegenen Fahrzeugen und liefern Messdaten an einen Prozessor. Der Radar-Abstandssensor 32 weist eine Reichweite auf und ein Abstandsschwellenwert dr wird innerhalb dieser Reichweite gewählt. Beispielsweise kann der Abstandsschwellenwert dr einhundertzwanzig Meter oder die maximale Detektionsreichweite des Radar-Abstandssensors 32 betragen.
• Das Geschwindigkeitsregelungssystem 20 enthält einen Positionsbestimmungssensor, etwa einen Sensor 34 eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS-Sensor) (d. h. ein GPS-Gerät), der ausgestaltet ist, um unter anderem Stellen s, den Steuerkurs θ(s) des Fahrzeugs 10 an den Stellen s auf der Kurve X, die aktuelle Geschwindigkeit v₀ und die aktuelle Stelle so zu bestimmen. Beispielsweise speichert das GPS-Gerät 34 eine digitale Landkarte 36 oder greift über Funk darauf zu, um die Stellen s, die Steuerkurswinkel θ(s), eine Geschwindigkeitsbegrenzung v_L(s) und andere Informationen zu bestimmen (siehe 3 und 4). Als Beispiel ist die Geschwindigkeitsbegrenzung die von der Regierung vorgegebene Geschwindigkeitsbegrenzung für das Gebiet oder ähnliches.
• Bei einigen Ausführungsformen enthält das Geschwindigkeitsregelungssystem 20 einen Längsgeschwindigkeitssensor (z. B. Sensoren der Fahrzeugdynamik oder Radimpulsgeber), der ausgestaltet ist, um die aktuelle Geschwindigkeit v₀ des Fahrzeugs 10 zu messen. Alternativ werden die Funktionen des GPS-Geräts zumindest teilweise von dem Prozessor des Geschwindigkeitsregelungssystems durchgeführt. Zum Beispiel speichert der Speicher 52 die Steuerkurse, auf welche in Übereinstimmung mit der Stelle zugegriffen wird, die von dem GPS-Sensor 34 bestimmt wurde.
• Mit Bezug auf 2 ist der Fahrzeuggeschwindigkeitscontroller 30 allgemein ausgestaltet, um eine Eingabe von den Sensoren 32, 34 zu empfangen und um einen Befehl für den Drosselklappen/Bremsencontroller 22 zu erzeugen, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 zu regeln. Der Controller 30 enthält einen Prozessor 50 und ein konkretes computerlesbares Medium oder einen Speicher 52, der von einem Computer ausführbare Anweisungen zum Durchführen der hier beschriebenen Verfahren speichert. Der Begriff computerlesbare Medien und Varianten desselben bezeichnen, so wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, Massenspeichermedien. Bei einigen Ausführungsformen umfassen Massenspeichermedien flüchtige und/oder nichtflüchtige, austauchbare und/oder nicht austauschbare Medien, wie zum Beispiel Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), Halbleiterspeicher oder eine andere Speichertechnologie, CD ROM, DVD, BLU-RAY oder einen anderen optischen Plattenspeicher, ein Magnetband, einen Magnetscheiben-Massenspeicher oder andere magnetische Massenspeichervorrichtungen.
• Obwohl die hier beschriebenen Verfahren manchmal in einem allgemeinen Kontext mit von einem Computer ausführbaren Anweisungen beschrieben sein können, können die Verfahren der vorliegenden Offenbarung auch in Kombination mit anderen Anwendungen und/oder als eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden. Der Begriff ”Anwendung” oder Varianten desselben wird hier ausgiebig so verwendet, dass er Routinen, Programmmodule, Programme, Komponenten, Datenstrukturen, Algorithmen und dergleichen umfasst. Anwendungen können in verschiedenen Systemkonfigurationen implementiert sein, die Server, Netzwerksysteme, Systeme mit einem oder mehreren Prozessoren, Minicomputer, Mainframe-Computer, Personalcomputer, tragbare Berechnungsvorrichtungen, Mobilgeräte, auf Mikroprozessoren beruhende programmierbare Unterhaltungselektronik, Kombinationen derselben und dergleichen umfassen.
• Der Speicher 52 enthält eine Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60, die ausgestaltet ist, um eine adaptive Geschwindigkeitsregelung, eine Geschwindigkeitsregelung beim Kurvenfahren und eine Geschwindigkeitsbegrenzungsregelung zu koordinieren. Die Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60 verwendet die Eingabe von den Sensoren 32, 34, um das Geschwindigkeitsprofil v(s) auf optimale Weise zu erzeugen und sie erzeugt einen Geschwindigkeitsbefehl auf der Grundlage des Geschwindigkeitsprofils v(s).
• Der Speicher 52 enthält außerdem eine Anwendung 62 zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung, die zur Anwendung einer adaptiven Geschwindigkeitsregelung ausgestaltet ist. Die Anwendung 62 zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung verwendet eine Eingabe vom Radar-Abstandssensor 32, um einen Geschwindigkeitsbefehl als Funktion eines Fahrzeugs 10t, das auf der Strecke am nächsten ist, zu erzeugen. Das Fahrzeug 10t, das auf der Strecke am nächsten ist, ist eines der nahegelegenen Fahrzeuge 10t, ist dem Fahrzeug 10 am nächsten und ist näher als der Abstandsschwellenwert dr.
• Der Speicher 52 enthält auch eine Auswahlanwendung 64, die ausgestaltet ist, um zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl der Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60 und dem Geschwindigkeitsbefehl der Anwendung 62 zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung zu wählen. Der gewählte Geschwindigkeitsbefehl wird an den Drosselklappen/Bremsencontroller 22 gesendet.
• Die adaptive Geschwindigkeitsregelung, die Geschwindigkeitsregelung beim Kurvenfahren und die Geschwindigkeitsbegrenzungsregelung werden nun in weiterem Detail beschrieben. Die adaptive Geschwindigkeitsregelung ist eine Regelung der Geschwindigkeit v des Fahrzeugs 10 relativ zu einem oder mehreren nahegelegenen Fahrzeugen 10t auf der Straße R nahe bei dem Fahrzeug 10 (wie in 1 dargestellt ist). Zum Durchführen der adaptiven Geschwindigkeitsregelung misst der Radar-Abstandssensor 32 oder eine andere Fahrzeugvorrichtung die Geschwindigkeit v_t von und den Abstand dt zu einem oder mehreren nahegelegenen Fahrzeugen 10t. Eine Zielflussgeschwindigkeit v_tf kann aus Messungen von mehreren nahegelegenen Fahrzeugen 10t bestimmt werden, wie nachstehend in weiterem Detail beschrieben ist.
• Die Geschwindigkeitsregelung beim Kurvenfahren ist eine Regelung der Geschwindigkeit v des Fahrzeugs 10, während sich das Fahrzeug 10 durch eine Kurve X hindurch bewegt. Zum Durchführen der Geschwindigkeitsregelung beim Kurvenfahren bestimmt die Vorrichtung 34 des globalen Positionsbestimmungssystems (GPS-Gerät) Stellen s auf der Kurve X und den Steuerkurs θ(s) des Fahrzeugs 10 an den Stellen s auf der Kurve X.
• Die Geschwindigkeitsbegrenzungsregelung ist eine Regelung der Geschwindigkeit v des Fahrzeugs 10 relativ zu der Geschwindigkeitsbegrenzung v_L. Zum Durchführen der Geschwindigkeitsbegrenzungsregelung bestimmt das GPS-Gerät 34 die Geschwindigkeitsbegrenzung v_L(s) an den Stellen s entlang der Straße R.
• Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung
• Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60 von einem Computer ausführbare Anweisungen zum Minimieren des folgenden Ausdrucks:

  

  und zum Erfüllen der folgenden Einschränkungen:

  

  und |ν(s)– ν_L(s)| ≤ ε (Gleichung 3) zum Bestimmen des Geschwindigkeitsprofils v(s) für einen Satz von Stellen s ∊ [0, S] der durch den Bogenlängenparameter S repräsentiert wird. Alternativ kann Gleichung 3 ν(s) ≤ ν_L(s) + ε, sein, was eine Obergrenze setzt.
• Gleichung 1 wird nachstehend in weiterem Detail beschrieben. Im Hinblick auf die Einschränkungen von Gleichung 2 und 3 ist die maximale Beschleunigung am ein Beschleunigungswert, der eine Leistungskapazität des Fahrzeugs 10 darstellt. Beispielsweise beträgt die maximale Beschleunigung am bei einer Ausführungsform vierzig Prozent der Gravitationsbeschleunigung für eine positive Beschleunigung und sechzig Prozent der Gravitationsbeschleunigung für eine Verzögerung. Die Toleranz ε ist eine akzeptable Abweichung von der Geschwindigkeitsbegrenzung v_L. Beispielsweise kann die Toleranz ε auf Autobahnen 16 km/h (zehn Meilen pro Stunde) und auf Landstraßen 8 km/h (fünf Meilen pro Stunde) betragen. Die Toleranz ε ist typischerweise eine relativ kleine positive Zahl.
• Die Gleichung 1 enthält Teilausdrücke (die nachstehenden Gleichungen 4, 5, 6 und 8), welche die relevanten Faktoren darstellen, die den Wunsch zum schnellen Durchfahren der Straße R, den Komfort des Fahrers, das Einhalten der Geschwindigkeitsbegrenzung und den Wunsch, die gleiche Geschwindigkeit wie die erfasste Geschwindigkeit des Verkehrflusses beizubehalten, umfassen. Die Teilausdrücke sind gemäß ihrer relativen Bedeutung durch Konstanten C₁, C₂, C₃ und C₄ gewichtet.
• Die Koeffizienten C₁, C₂, C₃ und C₄ in Gleichung 1 sind Gewichtungsfaktoren, die mit Hilfe von Testläufen kalibriert werden können. Die Koeffizienten C₁, C₂, C₃ und C₄ bestimmen die Gewichtung der Teilausdrücke bei der Minimierung in Gleichung 1. Je größer der Gewichtungsfaktor ist, desto größer ist der Beitrag aus dem entsprechenden Teilausdruck bei der Minimierung von Gleichung 1. In den Teilausdrücken sind sie Koeffizienten C₁, C₂, C₃ und C₄ der Klarheit halber auf Eins gesetzt oder auf andere Weise weggelassen.
• Der erste Teilausdruck

  

  ist die Zeit, um durch den Satz von Stellen s ∊ [0, S], hindurch zu gelangen, welche minimiert wird, indem das Geschwindigkeitsprofil v(s) maximiert wird.
• Der zweite Teilausdruck

  

  ist die akkumulierte Längsbeschleunigung durch den Satz von Stellen s ∊ [0, S], welche minimiert wird, indem eine konstante Geschwindigkeit v aufrechterhalten wird.
• Der dritte Teilausdruck

  

  ist die akkumulierte Querbeschleunigung. Mit Bezug auf 3 und 4 ist die Krümmung k(s) gegeben als

  

  und ist daher eine Funktion des Steuerkurswinkels θ(s). Der Steuerkurswinkel θ(s) ist der Winkel zu der Linie, die eine Tangente an die Straße R an der Stelle s ist. Die vorgegebene legale Geschwindigkeitsbegrenzung v_L(s) wird aus der digitalen Landkarte 36 abgeleitet. Der dritte Teilausdruck ist entlang eines geraden Abschnitts der Straße R Null und wird minimiert, indem die Geschwindigkeit v entlang einer Kurve X bei der vorgegebenen legalen Geschwindigkeitsbegrenzung v_L gehalten wird. Die akkumulierte Längsbeschleunigung und Querbeschleunigung stellen das Unbehagen des Fahrers und aller Fahrgäste des Fahrzeugs 10 entlang der Straße R dar.
• Der vierte Teilausdruck

  

  ist eine akkumulierte Abweichung von der erfassten Verkehrsflussgeschwindigkeit v_tf(s). Hier ist die Abweichung H(s) von der Verkehrsflussgeschwindigkeit definiert als H(s) = |ν(s) – ν_tf(s)| (Gleichung 9).
• Die Verkehrsflussgeschwindigkeit v_tf(s) kann durch den Fahrer eingestellt oder berechnet werden, beispielsweise von dem Prozessor 50, der die Anweisungen 52 ausführt, durch Interpolation von Geschwindigkeiten von einer Liste der nahegelegenen Fahrzeuge 10t, die durch den Radar-Abstandssensor 32 detektiert wurden. Zum Beispiel ist eine Liste der nahegelegenen Fahrzeuge gegeben durch (ν_t(s_j), s_j), j = 1, 2, ..., M.
• Um die Geschwindigkeit aus einer Liste der nahegelegenen Fahrzeuge zu interpolieren, wird die Liste der nahegelegenen Fahrzeuge (v_t(s_j), s_j) zuerst nach dem Abstand zu dem Ego-Fahrzeug (z. B. führenden Fahrzeug) an einer Stelle S_j sortiert. Wenn beispielsweise die Stelle s des betreffenden Fahrzeugs 10 und die Stellen s_j-1, s_j der nahegelegenen Fahrzeuge 10t gegeben sind, wobei s_j-1 ≤ s < s_j, kann die interpolierte Verkehrsflussgeschwindigkeit v_tf(s) wie folgt berechnet werden:

  
• Numerische Techniken
• Numerische Techniken wie etwa die Berechnung von Varianzen können verwendet werden, um das Minimum von Gleichung 1 zu finden, während die Einschränkungen von Gleichung 2 und 3 erfüllt sind. Zur Erläuterung werden die vorstehenden Gleichungen diskretisiert und ein optimales Minimum wird unter Verwendung eines Trellis-Graphen (siehe 4) bestimmt, Die Bogenlängenvariable s wird zu diskretisierten zulässigen Stellen (S₁, s₂, ..., s_N). Die Optimierung bestimmt Geschwindigkeiten v_i für i = 1, ..., N an diesen diskreten Stellen s_j. Die diskretisierte Version der Gleichungen 1, 3 und 7 ist gegeben als

  
• Die diskretisierten Versionen der Einschränkungen von Gleichung 2 und 3 sind gegeben als

  

  und |ν_i – ν_Li| ≤ ε (oder ν_i ≤ ν_Li + ε) (Gleichung 14).
• Der Index i = 1, 2, ..., N stellt jede in Betracht gezogene Stelle s_i, die Geschwindigkeit v_i an jeder Stelle s_i und die Krümmung k_i der Straße an jeder Stelle s_i dar. Die diskretisierten Geschwindigkeiten v_i sind eine diskretisierte Version des Geschwindigkeitsprofils v(s). Eine Interpolation kann verwendet werden, um das Geschwindigkeitsprofil v(s) aus den diskretisierten Geschwindigkeiten v_i zu bestimmen. Die Zahl N ist die Anzahl der Stellen s_idiskretisierten G oder der eschwindigkeiten v_i, die beim Bestimmen des Geschwindigkeitsprofils v(s) herangezogen werden sollen.
• Mit Bezug auf 3 und 5 sind benachbarte Stellen s_i durch einen Segmentabstand Δs = s_i – s_i-1 getrennt. Die Stellen s_i approximieren die Straße R. Steuerkurse θ(s_i) und eine Krümmung k_i approximieren die Kurve X, die aus der digitalen Landkarte 36 abgeleitet wurde. Mit Bezug auf 4 sind Veränderungen bei dem Steuerkurs θ(s_i) und der Krümmung k_i für jede Stelle s_i gezeigt.
• Trellis-Graph
• Mit Bezug auf 5 wird der Trellis-Graph G in weiterem Detail beschrieben. Der Trellis-Graph G enthält eine Matrix aus vertikal getrennten Knoten. Jeder Knoten repräsentiert eine Geschwindigkeit an einer Stelle. Der Begriff ”Knoten” wird verwendet, um hier Geschwindigkeiten, die bei der Optimierung verwendet werden, von den anderen Verwendungen des Begriffs Geschwindigkeit zu unterscheiden.
• Zur Erläuterung repräsentiert mit Bezugnahme auf 5 die Tieferstellung ”i” eines Knotens u einen Satz von Knoten in einer Spalte oder einer ”Scheibe”. Die Knoten u_i mit i = 1, ..., N repräsentieren diskrete Werte für Geschwindigkeiten v_i an den Stellen s_i, die in der Optimierung verwendet werden.
• Das hier beschriebene Verfahren wählt einen der Knoten aus einer Knotenscheibe u_i als die optimale Geschwindigkeit v_i an der entsprechenden Stelle s_i. Zur Erläuterung wird eine Hochstellung verwendet, um eine Teilmenge von Knoten in einer Knotenscheibe zu bezeichnen. Bei der Verwendung hierin wird die Teilmenge der Knoten als ”zulässige” Knoten bezeichnet, da sie die Einschränkungen der Gleichungen 13 und 14 erfüllen. Andere Hochstellungen werden verwendet, um darzustellen, dass die zulässigen Knoten in anderen Knotenscheiben nicht unbedingt die gleichen sind. Beispielsweise bezeichnen die Knoten u j / i (z. B. i = 2, j = 3, 4, 5; siehe auch 5) zulässige Geschwindigkeiten an einer Stelle s_i. Eine optimale Geschwindigkeit v_i an einer Stelle s_i wird aus den zulässigen Knoten u j / i gewählt.
• Die Start- und Endgeschwindigkeiten v₀, v_N an der Start- und Endstelle s₀, s_N des Trellis-Graphen G werden bestimmt, bevor die Geschwindigkeiten v_i an dazwischenliegenden Stellen s_i (z. B. i = 1 ... N – 1) bestimmt werden. Der Wert der aktuellen Geschwindigkeit v₀ kann wie vorstehend beschrieben bestimmt werden, z. B. durch Fahrzeugdynamiksensoren 38 wie etwa Radimpulsgeber oder durch das GPS-Gerät 34. Der Wert der Geschwindigkeit v_N an der Endstelle kann ein beliebiger positiver Wert sein, der die Einschränkungen der Gleichungen 13 und 14 erfüllt. Zum Beispiel kann die Geschwindigkeit v_N an der Endstelle die Geschwindigkeitsbegrenzung v_L an der Endstelle s_N sein.
• Strecken und Kanten
• Mit Bezug auf 5–9 stellen Strecken P durch den Trellis-Graphen G mögliche Geschwindigkeitsprofile v(s) dar. Jede Strecke P enthält einen Knoten u in jeder vertikalen Scheibe und die Knoten u in benachbarten vertikalen Scheiben werden durch Kanten E verbunden.
• Insbesondere werden Knoten in zwei benachbarten vertikalen Scheiben (z. B. u j / i-1 , u k / i ), welche die Bedingungen der Gleichungen 13 und 14 erfüllen, durch eine Kante E gekoppelt (d. h. Kanten verbinden zulässige Knoten in benachbarten vertikalen Scheiben). In 5–8 sind die Bedingungen der Gleichungen 13 und 14 durch gestrichelte Linien gezeigt und die Kanten E sind durch durchgezogene Linien gezeigt.
• In Übereinstimmung mit einem beispielhaften Verfahren werden Kanten E zwischen zulässigen stromaufwärts gelegenen Knoten u in einer vertikalen Scheibe mit niedrigerer Nummerierung (z. B. i – 1) und zulässigen stromabwärts gelegenen Knoten u in einer benachbarten vertikalen Scheibe mit einer höheren Nummerierung (z. B. i), welche die Einschränkungen der Gleichungen 13 und 14 erfüllen, definiert. Dann wird der Schritt auf die nächsten benachbarten vertikalen Scheiben mit einer höheren Nummerierung (z. B. i, i + 1) unter Verwendung zulässiger Knoten u, mit welchen eine Kante E verbunden ist, angewendet. Kanten verbinden keine Knoten in der gleichen vertikalen Scheibe.
• Insbesondere umfasst mit Bezug auf 6 ein beispielhaftes Verfahren das Definieren von Kanten E zwischen der aktuellen Geschwindigkeit v₀ an der Startstelle s₀ und zulässigen stromabwärts gelegenen Knoten u in der vertikalen Scheibe der Stelle s₁, bei denen die Bedingungen der Gleichungen 13 und 14 erfüllt sind. Mit Bezug auf 7 wird der Schritt für einen zulässigen Knoten u in der vertikalen Scheibe der Stelle s₁ wiederholt, so dass Kanten E zwischen dem zulässigen Knoten u in der vertikalen Scheibe der Stelle S₁ und zulässigen stromabwärts gelegenen Knoten u in der vertikalen Scheibe der Stelle s₂ definiert werden. Das beispielhafte Verfahren umfasst, dass die Kanten E zwischen anderen zulässigen Knoten u in der vertikalen Scheibe s₁ definiert werden, welche in dem vorherigen Schritt mit der aktuellen Geschwindigkeit v₀ verbunden wurden, und zulässigen Knoten u in der vertikalen Scheibe der Stelle s₂. Es ist erwähnenswert, dass die Einschränkung von Gleichung 13 relativ zu dem stromaufwärts gelegenen Knoten u angewendet wird. Alle anderen Kanten E werden auf ähnliche Weise definiert, was zu den Verbindungen führt, die in 8 gezeigt sind.
• Die Strecken P zwischen der aktuellen Geschwindigkeit v₀ und der Endgeschwindigkeit v_N enthalten einen zulässigen Knoten u in jeder der vertikalen Scheiben. Die Knoten u einer Strecke P sind einer nach dem anderen durch Kanten E miteinander verbunden. Jede Strecke P repräsentiert einen Satz von diskretisierten Geschwindigkeiten, die gewählt werden können. Zur Erläuterung wird eine Sammlung π von Strecken P durch den Trellis-Graphen G von der Startgeschwindigkeit v₀ zu der Endgeschwindigkeit v_N definiert als

  
• Hier ist eine Strecke, die beim Knoten u₀ startet und beim Knoten U_N endet, ein Satz von Knoten u über die Stellen s₁, s₂, ..., s_N-1 des Trellis-Graphen G nacheinander. Die Notation

  

  ist eine Bedingung, dass zwei Knoten u k / i und u ki+1 / j+1 von benachbarten vertikalen Scheiben (i und i + 1) für i = 0, ..., N – 1 durch eine Kante E gekoppelt sind. Die Notation

  

  ist eine Bedingung, dass der Knoten u ki / i zu der vertikalen Scheibe der Stelle s_i gehört. Alle zulässigen Strecken P enthalten einen Satz von Knoten u, der diese Bedingungen erfüllt.
• Kosten einer Strecke
• Um zu bestimmen, welche Strecke P verwendet werden soll, werden die Kosten jeder Strecke P bestimmt. Die Strecke P mit den geringsten Kosten wird verwendet, um das Geschwindigkeitsprofil v(s) zu erzeugen. Die Kosten jeder Strecke P werden als Funktion der Kosten der Knoten u und der Kosten der Kanten E, die in jeder Strecke P enthalten sind, bestimmt.
• Jeder Knoten u k / i , der der zulässigen Geschwindigkeit v k / i (hier wird Geschwindigkeit verwendet, da der Wert in der Gleichung verwendet wird) in der i-ten vertikalen Scheibe, für i = 0, ..., N – 1 entspricht, weist einen Kostenwert c auf, der definiert ist als

  

  wobei H(ν k / i) = |ν k / i – ν_t(s_i) (Gleichung 17) und v_t(s_i) ist die interpolierte Verkehrsflussgeschwindigkeit bei Abstand s_i. Der Kostenwert c von sowohl der aktuellen Geschwindigkeit v₀ als auch der Endgeschwindigkeit v_N ist Null.
• Der Kostenwert c einer Kante E von Knoten u j / i-1 zu u k / i ist definiert als

  

  und der Index i = 1, ..., N – 1. Jeder Knoten in der vertikalen Scheibe der Stelle s_N-1 weist eine Kante E auf, die mit der Endgeschwindigkeit v_N gekoppelt ist. Der Kostenwert c der Endgeschwindigkeit v_N ist als Null definiert.
• Durch Anwenden der Kostenwerte c der Knoten u und der Kanten E wird dann der Kostenwert c einer Strecke P definiert durch

  
• Hier wird der Satz der Knoten u, die in der Strecke P enthalten sind, verwendet, um den Kostenwert c zu bestimmen. Das Minimum der Gleichung 10 ist die Strecke P mit dem minimalen Kostenwert c.
• Dynamische Programmierung
• I(x) soll die Scheibennummer des Knoten x bezeichnen. Die Strecke P durch den Trellis-Graphen G mit dem minimalen Kostenwert c kann mit Hilfe einer dynamischen Programmierung (DP) herausgefunden werden, indem d(x) rekursiv berechnet wird

  

  was die Strecke mit minimalen Kosten vom Startknoten u₀ zum Knoten x rekursiv bestimmt. Hier ist y ein Satz von Knoten, der die folgenden Bedingungen erfüllt: l(y) = l(x) – 1 und (y, x) ∊ E (d. h. es gibt eine Kante zwischen den Knoten y, x im Trellis-Graphen G).
• Zusammengefasst wird zum Bestimmen des Geschwindigkeitsprofils v(s) das auf den Trellis-Graphen angewendete Verfahren der dynamischen Programmierung verwendet. Beispielsweise können rekursive Verfahren wie etwa der Algorithmus der kürzesten Strecke von Dijkstra verwendet werden, um die Strecke mit minimalen Kosten herauszufinden, welche dem Satz von Geschwindigkeiten v_i bei dem Satz von Stellen s_i entspricht, der den vorstehenden Ausdruck minimiert und die Einschränkungen erfüllt. Mit Bezug auf 9 ist die gewählte Strecke P (Satz von Geschwindigkeiten v_i an Stellen s_i) und das resultierende Geschwindigkeitsprofil v(s) gezeigt.
• Geschwindigkeitsprofil
• Das Geschwindigkeitsprofil v(s) kann hergeleitet werden, indem die diskretisierten Geschwindigkeiten v_i bei dem Satz von Stellen s_i für i = 1, ..., N – 1 interpoliert werden. Wenn das Geschwindigkeitsprofil v(s) bezüglich der Stellen s gegeben ist (z. B. die Bogenlänge s als Parameter), können Profile für die geplante Fahrzeugposition s(t), Geschwindigkeit v(t) und Beschleunigung a(t) bezüglich der Zeit bestimmt werden. Die Fahrzeugposition s(t) wird bestimmt, indem die folgende gewöhnliche Differentialgleichung gelöst wird: ds / dt = ν(s) (Gleichung 21)
• Die Geschwindigkeit v(t) und die Beschleunigung a(t) werden bestimmt, indem die zeitliche Ableitung der Fahrzeugposition s(t) bzw. der Geschwindigkeit v(t) verwendet wird, d. h. ν(t) = ds(t) / dt (Gleichung 22) und a(t) = dν(t) / dt (Gleichung 23)
• Die berechnete Fahrzeugposition s(t), Geschwindigkeit v(t) und Beschleunigung a(t) bezüglich der Zeit kann von dem Fahrzeuglängscontroller leicht verwendet werden.
• Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Anwendung 62 zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung von einem Computer ausführbare Anweisungen zum Erzeugen eines Befehls als Funktion der Geschwindigkeit v_t eines Fahrzeugs 10t, das auf der Strecke am nächsten hegt, welche von dem Radar-Abstandssensor 32 gemessen wird. Das Fahrzeug 10t, das auf der Strecke am nächsten liegt, ist eines der nahegelegenen Fahrzeuge 10t, befindet sich am nächsten beim Fahrzeug 10 und liegt näher als ein Distanzschwellenwert dr (z. B. einhundertzwanzig Meter). Insbesondere wird das Fahrzeug 10 von der Anwendung 62 zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung gesteuert, wenn ein Fahrzeug 10t, das auf der Strecke am nächsten liegt, vom Radar-Abstandssensor 32 detektiert wird und der Abstand (die Spalte zwischen dem CIPV (nächstgelegenes Fahrzeug auf der Strecke) und dem Ego-Fahrzeug) kleiner als der Distanzschwellenwert dr ist.
• Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Auswahlanwendung 64 von einem Computer ausführbare Anweisungen zum Wählen eines Geschwindigkeitsbefehls. Insbesondere wählt die Auswahlanwendung 64 zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl der Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60 und dem Geschwindigkeitsbefehl der Anwendung 62 zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung gemäß einem Verfahren 100 aus. Der ausgewählte Geschwindigkeitsbefehl wird an den Drosselklappen/Bremsencontroller 22 gesendet.
• Mit Bezug auf 10 wird das Verfahren 100 zum Umschalten zwischen einem Befehl, der von der Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60 erzeugt wird, und einem Befehl, der von der Anwendung 62 zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung erzeugt wird, beschrieben. Von einem Startpunkt 101 aus losgehend bestimmt die Auswahlanwendung 64 gemäß einem ersten Schritt 102, ob ein Fahrzeug, das auf der Strecke am nächsten ist, existiert. Wenn Ja, wählt der Geschwindigkeitscontroller 30 gemäß einem zweiten Schritt 104 den Befehl, der von der Anwendung 62 zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung erzeugt wurde. Andernfalls wählt die Geschwindigkeitssteuerung 30 gemäß einem dritten Schritt 106 den Befehl, der von der Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60 erzeugt wurde.
• Beispielszenarien
• Auf einer geraden Straße R und ohne anderen Verkehr erzeugt die Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60 eine konstantes Geschwindigkeitsprofil v(s) gleich der vorgegebenen Geschwindigkeitsbegrenzung v_L oder einer vom Fahrer gewünschten eingestellten Geschwindigkeit. Auf einer geraden Straße mit anderem Verkehr, aber ohne ein Fahrzeug v_t, das auf der Strecke am nächsten ist, erzeugt die Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60 ein Geschwindigkeitsprofil v(s), das der Verkehrsflussgeschwindigkeit v_tf ähnelt. Beim Einfahren in die Krümmung einer Straße R erzeugt die Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60 ein stetiges Geschwindigkeitsprofil v(s), um an der Kurve X zu verlangsamen. Beim Verlassen der Krümmung einer Straße R erzeugt die Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung 60 ein stetiges Geschwindigkeitsprofil v(s), um nach dem Durchfahren der Kurve X zu beschleunigen.
• Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind nur dargestellte Implementierungen, die für ein klares Verständnis von Prinzipien offengelegt sind. Variationen, Modifikationen und Kombinationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können durchgeführt werden, ohne den Umfang der Ansprüche zu verlassen. Alle derartigen Variationen, Modifikationen und Kombinationen sind hier durch den Umfang dieser Offenbarung und der folgenden Ansprüche enthalten.

Claims (10)

1. Geschwindigkeitsregelungssystem, umfassend: einen Positionsbestimmungssensor, der ausgestaltet ist, um einen Satz von Stellen entlang einer Straße zu erhalten; einen Abstandssensor, der ausgestaltet ist, um einen Abstand zu einem oder mehreren nahegelegenen Fahrzeugen zu messen; einen Geschwindigkeitssensor, der ausgestaltet ist, um eine Geschwindigkeit von einem oder mehreren nahegelegenen Fahrzeugen zu messen; einen Prozessor; und einen Speicher mit darin gespeicherten von einem Computer ausführbaren Anweisungen, die umfassen: eine Geschwindigkeitsoptimierungsanwendung, die veranlasst, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt wird, dass der Prozessor ein Geschwindigkeitsprofil bestimmt, wobei das Geschwindigkeitsprofil einen Satz von Geschwindigkeiten umfasst, der dem Satz von Stellen entspricht, wobei das Geschwindigkeitsprofil als das Minimum bestimmt wird aus: einem ersten Teilausdruck, der eine Zeit zum Fahren durch den Satz von Stellen repräsentiert, einem zweiten Teilausdruck, der eine Längsbeschleunigung des Fahrzeugs bei dem Satz von Stellen repräsentiert; einem dritten Teilausdruck, der eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs bei dem Satz von Stellen repräsentiert; und einem vierten Teilausdruck, der eine akkumulierte Abweichung von einer Verkehrsflussgeschwindigkeit repräsentiert.
2. Geschwindigkeitsregelungssystem nach Anspruch 1, das ferner eine Auswahlanwendung umfasst, die von einem Computer ausführbare Anweisungen umfasst, welche veranlassen, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, dass der Prozessor: die Anwesenheit eines nahegelegenen Fahrzeugs, das auf der Strecke am nächsten ist, anzeigt, wenn mindestens ein Abstand zu einem nahegelegenen Fahrzeug, der mit dem Abstandssensor gemessen wurde, kleiner als ein Abstandsschwellenwert ist; und andernfalls die Abwesenheit eines nahegelegenen Fahrzeugs, das auf der Strecke am nächsten ist, anzeigt.
3. Geschwindigkeitsregelungssystem nach Anspruch 1, wobei der erste Teilausdruck eine Funktion des Kehrbruchs der Geschwindigkeit ist.
4. Geschwindigkeitsregelungssystem nach Anspruch 1, wobei der erste Teilausdruck

   

   ist, wobei s eine Stelle ist, S eine Bogenlänge ist und v(s) das Geschwindigkeitsprofil ist.
5. Geschwindigkeitsregelungssystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Teilausdruck eine Funktion der Ableitung der Geschwindigkeit nach der Stelle ist.
6. Geschwindigkeitsregelungssystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Teilausdruck

   

   ist, wobei s die Stelle ist, S die Bogenlänge ist und v(s) das Geschwindigkeitsprofil ist.
7. Geschwindigkeitsregelungssystem nach Anspruch 1, wobei der dritte Teilausdruck eine Funktion der Ableitung eines Kursziels nach der Stelle und der Differenz zwischen dem Quadrat der Geschwindigkeit und dem Quadrat der Geschwindigkeitsbegrenzung ist.
8. Geschwindigkeitsregelungssystem nach Anspruch 1, wobei der dritte Teilausdruck

   

   ist, wobei s eine Stelle ist, S eine Bogenlänge ist und v(s) das Geschwindigkeitsprofil ist, v_L(s) eine Geschwindigkeitsbegrenzung an der Stelle ist und k(s) eine Krümmung ist, die gegeben ist durch

   

   wobei θ(s) ein Kurszielwinkel ist.
9. Geschwindigkeitsregelungssystem nach Anspruch 1, wobei der vierte Teilausdruck eine Funktion der Differenz zwischen einer Verkehrsflussgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist.
10. Geschwindigkeitsregelungssystem nach Anspruch 1, wobei der vierte Teilausdruck

    

    ist, wobei H(s) gegeben ist durch H(s) = |ν(s) – ν_t(s)| wobei v(s) ein Geschwindigkeitsprofil ist und v_t(s) eine Verkehrsflussgeschwindigkeit ist.

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