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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft die automatische Steuerung der Längsführung von Kraftfahrzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die automatische Steuerung der Längsführung von Kraftfahrzeugen anhand von Energieverbrauchswertindikatoren und Zustandswertindikatoren.
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STAND DER TECHNIK
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In der Dissertationsschrift „Prädiktive Antriebsregelung zum energieoptimalen Betrieb von Hybridfahrzeugen“ von M. Back, erschienen 2005 im Universitätsverlag Karlsruhe, wird ein Verfahren zur prädiktiven Antriebsregelung eines Hybridfahrzeuges vorgestellt, in dem die Bestimmung einer energieoptimalen Betriebsstrategie, d. h. die zeitliche Aufteilung des Antriebsmomentes zwischen elektrischem und verbrennungsmotorischem Antrieb, beschrieben wird. Zur Bestimmung der Betriebsstrategie wird das zukünftige Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhalten mittels eines Fahrermodells dargestellt. Die Betriebsstrategie wird mittels eines Modells des Fahrzeuges unter Verwendung der Dynamischen Programmierung nach Bellman bestimmt. Dazu werden der Prädiktionszeitraum und der Zustandsraum in diskrete Werte eingeteilt. Durch eine Reduktion des Fahrzeugmodells auf ein System erster Ordnung und Einschränkung des zu erreichenden Zustandsraumes wird für die echtzeitfähige Steuerung ein Prädiktionshorizont von 50 s bei einer Zeitdiskretisierung von 1 s erreicht. Dabei wird die optimale Betriebsstrategie zyklisch für den Prädiktionshorizont neu berechnet und immer die jeweils erste so berechnete Steuerung für einen Zeitschritt beibehalten.
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In der Dissertationsschrift „Energieoptimale Längsführung von Kraftfahrzeugen durch Einsatz vorausschauender Fahrstrategien“ von T. Radke, erschienen 2013 bei KIT Scientific Publishing, wird ein Verfahren zur energieoptimalen Längsführung verbrennungsmotorisch betriebener Fahrzeuge dargestellt. Darin wird ebenfalls durch Diskretisierung des Zustands- und Prädiktionszeitraumes mittels Dynamischer Programmierung ein energieoptimaler Geschwindigkeitsverlauf des Fahrzeuges über den zukünftigen Streckenverlauf ermittelt. Der zulässige Zustandsraum wird ferner mittels eines „Fahrschlauchs“ eingeschränkt.
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In „Control strategies for hybrid electric vehicles: Evolution, classification, comparison, and future trends“ von F. R. Salmasi, erschienen 2007 in den IEEE Transactions on Vehicular Technology (56(5): 2393-2404), werden unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung einer Betriebsstrategie vorgestellt und klassifiziert. Die Verfahren werden in regelbasierte und Optimierungsverfahren eingeteilt. Die regelbasierten Verfahren unterteilen sich in deterministische und Fuzzy-basierte Verfahren. Die Optimierungsverfahren werden in globale Optimierungsverfahren, zu denen Verfahren der Linearen Programmierung, Regelungstechnische Ansätze, Dynamische Programmierung und Stochastische Dynamische Programmierung zählen, sowie Echtzeitverfahren gegliedert. Es wird darauf hingewiesen, dass die rechnerische Komplexität den größten Nachteil der Dynamischen Programmierung darstellt.
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In „On implementation of dynamic programming for optimal control problems with final state constraints“ von O. Sundström, D. Ambühl und L. Guzzella, erschienen 2009 in der Oil & Gas Science Technology-Revue de l'Institut Francais du Pétrole (65(1): 91-102), wird auf diesen Nachteil eingegangen und die Diskretisierungsschrittweite des Zustands- sowie Prädiktionsraumes untersucht, so dass diese bei gleichbleibender Genauigkeit des Verfahrens so groß wie möglich gewählt werden können. Zudem wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Grenze des reduzierten Zustandsraumes, hier zwischen erreichbarem und nicht erreichbarem Zustandsraum, besser bestimmt werden kann. Das Verfahren führt zu einer deutlich reduzierten Anzahl an benötigten Funktionsauswertungen für das gegebene Problem.
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In „Rapid computation of optimal control for vehicles“ von V. V. Monastyrsky und L. M. Golownykh, erschienen 1993 in Transportation Research Part B: Methodological (27(3): 219-227), wird eine schnell berechenbare Kostenfunktion vorgestellt, um den optimalen Geschwindigkeitsverlauf eines Fahrzeuges mittels Dynamischer Programmierung zu berechnen.
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Aus der
US 2014/0244130 A1 ist das Bestimmen einer hinsichtlich eines geschätzten Kraftstoffverbrauchs und einer geschätzten Fahrzeit optimierten Fahrzeuggeschwindigkeit bekannt. Der Schätzung des Kraftstoffverbrauchs und der Fahrzeit liegt dabei eine Unsicherheit hinsichtlich des unbekannten Streckenverlaufs und des unbekannten Verkehrsaufkommens zu Grunde. Eine gegenwärtige Straßensteigung bzw. ein gegenwärtiges Straßengefälle wird dabei gemessen und daraus wird mittels Übergangswahrscheinlichkeitsmatrizen auf einen zukünftigen Streckenverlauf und ein zukünftiges Verkehrsaufkommen geschlossen. Diese Vorhersage wird dazu genutzt, einen erwarteten Kraftstoffverbrauch unter Berücksichtigung der Fahrzeit zu minimieren.
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Die
US 2009/0259363 A1 lehrt, dass Ladezustandsänderungen und Treibstoffverbrauchswerte im Zusammenhang mit Fahrzykluscharakteristika in Tabellen gespeichert werden können, um die Notwendigkeit einer Echtzeitberechnung zu umgehen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche den rechnerischen Aufwand beim Steuern der Längsführung eines Kraftfahrzeuges reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Steuerung der Längsführung eines Kraftfahrzeuges nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Speichereinrichtung, welche Energieverbrauchswertindikatoren und Zustandswertindikatoren speichert, und eine Recheneinrichtung, wobei jeder Energieverbrauchswertindikator einer Zustandsänderung des Kraftfahrzeuges zugeordnet ist, wobei jeder Zustandsänderung ein Anfangs-Zustand und ein End-Zustand zugeordnet ist, wobei jeder Anfangs-Zustand einen Anfangs-Geschwindigkeitsindikator und jeder End-Zustand einen End-Geschwindigkeitsindikator umfasst, wobei jedem End-Zustand ferner ein Zustandswertindikator zugeordnet ist, wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, ausgehend von einer Ist-Geschwindigkeit, eine Reihe von Zustandsänderungen auf Basis der den Zustandsänderungen zugeordneten Energieverbrauchswertindikatoren und des dem End-Zustand der letzten Zustandsänderung zugeordneten Zustandswertindikators zu bestimmen, wobei der Anfangs-Zustand der ersten Zustandsänderung der Reihe von Zustandsänderungen dem Ist-Zustand entspricht und der Anfangs-Zustand jeder folgenden Zustandsänderung der Reihe von Zustandsänderungen dem End-Zustand der vorhergehenden Zustandsänderung entspricht, und wobei die Recheneinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, die Geschwindigkeit des Fahrzeuges auf Basis eines oder mehrerer der Geschwindigkeitsindikatoren der Anfangs- und/oder End-Zustände zu regeln.
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Durch vorherige Berechnung und Speicherung aller Energieverbrauchswertindikatoren und Zustandswertindikatoren, die von der Recheneinrichtung während der Längsregelung benötigt werden, kann die Berechnung einer optimalen oder zumindest näherungsweise optimalen diskreten Zustandsreihe während der Längsregelung auf das Bestimmen eines kürzesten Weges in einem gerichteten azyklischen Graph vereinfacht werden, wodurch die Berechnungsgeschwindigkeit erhöht und die Berechnungsgeschwindigkeit von der Komplexität der den Energieverbrauchswertindikatoren zugrundeliegenden Funktion unabhängig gemacht werden kann. Zudem kann durch vorherige Berechnung und Speicherung aller Energieverbrauchswertindikatoren das in Betracht Ziehen von Zuständen vermieden werden, die ausgehend vom aktuellen Ist-Zustand nicht erreichbar sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Recheneinrichtung ferner dazu eingerichtet, die Geschwindigkeit des Fahrzeuges auf Basis einer Vielzahl von Geschwindigkeitsindikatoren der End-Zustände der Reihe von Zustandsänderungen zu regeln.
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Durch die Verwendung mehrerer Geschwindigkeitsindikatoren der bestimmten Reihe kann die Geschwindigkeit des Fahrzeuges einem (näherungsweise) optimalen Geschwindigkeitsverlauf angepasst werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner einen Motor, wobei jeder Zustandsänderung ein Motordrehmomentindikator zugeordnet ist und wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, den Motor hinsichtlich des vom Motor zu erzeugenden Drehmoments auf Basis eines oder mehrerer der Motordrehmomentindikatoren, die den Zustandsänderungen der Reihe von Zustandsänderungen zugeordnet sind, zu regeln.
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Durch die Berücksichtigung des Motordrehmoments kann die Auflösung der diskreten Zustände im Zustandsraum verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner ein Automatikgetriebe, welches dazu eingerichtet ist, ein diskretes Übersetzungsverhältnis zwischen einer Motordrehung und einer Radantriebswellendrehung herzustellen, wobei jeder Zustandsänderung ein Übersetzungsverhältnisindikator zugeordnet ist und wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, ein vom Automatikgetriebe herzustellendes Übersetzungsverhältnis auf Basis eines oder mehrerer der Übersetzungsverhältnisindikatoren, die den Zustandsänderungen der Reihe von Zustandsänderungen zugeordnet sind, auszuwählen.
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Durch die Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses kann die Auflösung der diskreten Zustände im Zustandsraum weiter verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder Zustandsänderung ein Streckensteigungsindikator zugeordnet, wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, die Reihe von Zustandsänderungen so zu wählen, dass die der Reihe von Zustandsänderungen zugeordneten Streckensteigungsindikatoren mit Streckensteigungsindikatoren eines von einer Geoinformationseinrichtung bereitgestellten Streckenverlaufs übereinstimmen.
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Durch die Beschränkung der wählbaren Zustandsänderungen auf solche Zustandsänderungen, die einem aktuell befahrenen Streckenverlauf entsprechen, kann der Zustandsraum an die aktuell befahrene Strecke angepasst werden und das Vorhersageergebnis verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Recheneinrichtung dazu eingerichtet, die Reihe von Zustandsänderungen so zu wählen, dass die der Reihe von Zustandsänderungen zugeordneten End-Zustände nur End-Geschwindigkeitsindikatoren umfassen, die Geschwindigkeiten entsprechen, die kleiner oder gleich einer von einer Geoinformationseinrichtung bereitgestellten oder von einem Objekterkennungssensor bestimmten zulässigen Höchstgeschwindigkeit sind.
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Durch die Berücksichtigung von Geschwindigkeitsbeschränkungen kann der Zustandsraum an die aktuell befahrene Strecke angepasst und die Voraussicht der Geschwindigkeitsregelung verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner einen Objekterkennungssensor, wobei der Objekterkennungssensor dazu eingerichtet ist, einen Abstand und eine Geschwindigkeit eines vorausfahrenden Fahrzeuges zu bestimmen und Positions- und Geschwindigkeitsindikatoren der Recheneinrichtung zur Verfügung zu stellen und wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, die Reihe von Zustandsänderungen so zu wählen, dass die der Reihe von Zustandsänderungen zugeordneten End-Zustände nur End-Geschwindigkeitsindikatoren umfassen, die Geschwindigkeiten entsprechen, die im Durchschnitt kleiner oder gleich der bestimmten Geschwindigkeit sind.
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Durch die Berücksichtigung der Geschwindigkeit vorausfahrender Fahrzeuge kann die Vorausschau verbessert und die Sicherheit erhöht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern der Längsführung eines Kraftfahrzeuges umfasst das Berechnen, auf einem Rechengerät, von Energieverbrauchwertindikatoren, wobei jeder Energieverbrauchswertindikator einer Zustandsänderung eines Kraftfahrzeuges zugeordnet ist, wobei jeder Zustandsänderung des Kraftfahrzeuges ein Anfangs-Zustand und ein End-Zustand zugeordnet sind, wobei jeder Anfangs-Zustand einen Anfangs-Geschwindigkeitsindikator und jeder End-Zustand einen End-Geschwindigkeitsindikator umfasst, und das Übertragen der berechneten Indikatoren zu der Speichereinrichtung der Vorrichtung.
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Durch das Berechnen der Energieverbrauchwertindikatoren auf einem separaten Rechengerät, kann die Recheneinrichtung der Vorrichtung allein auf das Berechnen der Reihe von Zustandsänderungen ausgelegt sein, wodurch der in der Vorrichtung benötigte Speicherplatz und die benötigte Rechenkapazität verringert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Übertragen der berechneten Indikatoren zu Speichereinrichtungen einer Vielzahl von Vorrichtungen.
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Durch Übertragen der berechneten Indikatoren zu Speichereinrichtungen einer Vielzahl von Vorrichtungen kann weitere Rechenkapazität eingespart werden, indem die Indikatoren nicht für jede Vorrichtung neu berechnet werden sondern wiederverwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Übertragen aktualisierter berechneter Indikatoren zu der Speichereinrichtung der Vorrichtung.
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Durch das Aktualisieren der Indikatoren können Änderungen am Fahrzeug Rechnung getragen werden.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel wird Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Kommunikation mit einem Rechengerät; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Reihe von Zustandsänderungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 10 umfasst eine Speichereinrichtung 12 und eine Recheneinrichtung 14, welche mit der Speichereinrichtung 12 verbunden ist und dazu eingerichtet ist, Daten aus der Speichereinrichtung 12 auszulesen und Daten in die Speichereinrichtung 12 zu schreiben. Die gezeigte Vorrichtung umfasst ferner einen Motor 16 und ein Automatikgetriebe 18. Die Vorrichtung 10 kann sich in mehreren Betriebszuständen befinden. In einem ersten Betriebszustand ist die Vorrichtung 10 dazu eingerichtet und vorgesehen, Energieverbrauchswertindikatoren in der Speichereinrichtung 12 abzuspeichern.
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Die Energieverbrauchswertindikatoren können dabei von der Recheneinrichtung 14 auf Basis eines Fahrzeugmodells, insbesondere auf Basis eines Energieverbrauchskennfeldes des Motors 16 und der Übersetzungsverhältnisse des Automatikgetriebes 18 berechnet werden. Zudem können die Energieverbrauchswerte für verschiedene Fahrstreckensteigungen berechnet werden. Alternativ zur Berechnung der Energieverbrauchswertindikatoren durch die Recheneinrichtung 14 können, wie in 1 gezeigt, die Energieverbrauchswertindikatoren auf einem von der Vorrichtung 10 unabhängigen Rechengerät 20 berechnet und an die Vorrichtung 10 übertragen werden, beispielsweise mittels einer drahtgebundenen oder drahtlosen Übertragungstechnik.
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Jeder Energieverbrauchswertindikator repräsentiert einen Wert, der einen Energieverbrauch anzeigt, dem ein vorbestimmtes Kraftfahrzeug unterliegt, in das die Vorrichtung eingebaut ist oder einzubauen ist, wenn das Kraftfahrzeug in einem vorgegebenen Zeitintervall von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand wechselt, z. B. beschleunigt wird, oder in einem Zustand verharrt, z. B. mit konstanter Geschwindigkeit fährt. Unter dem Begriff „Zustand“ wird somit ein Satz an Fahrzeugparametern subsummiert, die den Zustand des Kraftfahrzeuges charakterisieren. Somit können je nach Anwendung unter den Begriff „Zustand“ jegliche Fahrzeugparameter fallen, wobei im Sinne der folgenden Beschreibung vor allem solche Parameter gemeint sind, welche einen Bezug zum Energieverbrauch des Kraftfahrzeuges aufweisen, beispielsweise die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges, das Drehmoment des Motors 16, das Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes 18 und dergleichen. Ferner sollen unter den Begriff „Zustand“ auch solche Parameter fallen, die zwar Kraftfahrzeug-unabhängig sind, aber trotzdem einen Einfluss auf den Energieverbrauch des Kraftfahrzeuges haben, beispielsweise eine Streckensteigung einer von dem Kraftfahrzeug befahrenen Strecke.
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In einem zweiten Betriebszustand ist die Vorrichtung 10 dazu eingerichtet und vorgesehen, die Längsführung eines Kraftfahrzeuges zu steuern. Dabei wird aus den Energieverbrauchswertindikatoren eine Energieverbrauchswertindikatoren-Zeitreihe ermittelt, deren Energieverbrauchswertsumme zuzüglich eines Zustandswertes eines End-Zustands der letzten Zustandsänderung, welcher der letzte Energieverbrauchswertindikator der Zeitreihe zugeordnet ist, minimal ist. Zur Ermittlung der Zeitreihe sind nur die Zustände in Betracht ziehen, die von einem Anfangs-Zustand während des Optimierungsintervalls erreichbar sind und zugleich nicht durch Beschränkungen, wie beispielsweise maximal zulässige Höchstgeschwindigkeiten oder Hindernisse auf der Fahrstrecke ausgeschlossen sind. Die Recheneinrichtung 14 kann dazu mit einem Objekterkennungssensor 22 verbunden sein, welcher Geschwindigkeits- und Positionsdaten eines vorausfahrenden Fahrzeuges an die Recheneinrichtung 14 überträgt.
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Somit ergibt sich, wie in 2 für den Fall eines eindimensionalen Zustandes (beispielsweise basierend auf der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit) gezeigt, eine zweidimensionale Zustandsmatrixstruktur, wobei die Zeitachse durch einen horizontalen Pfeil angedeutet ist. Ausgehend von einem Ist-/Anfangs-Zustand 24 und unter Berücksichtigung des vorausfahrenden Fahrzeuges, auf Grund dessen die mit Schachbrettmuster versehenen Zustände nicht erreichbar sind, wird zu jedem Zeitschritt, für jeden erreichbaren Zustand die zum Erreichen des Zustands minimal aufzuwendende Energie bestimmt. Dazu wird iterativ für jeden erreichbaren Zustand aus allen möglichen vorhergehenden Zuständen der vorhergehende Zustand bestimmt, bei dem die zum Erreichen des vorhergehenden Zustands minimal aufzuwendende Energie zuzüglich des mit der Zustandsänderung 26 zwischen dem vorhergehenden Zustand und dem zu erreichenden Zustand verknüpften Energieverbrauchs minimal wird. Am Ende der Iteration, welches durch den Vorhersagehorizont definiert wird, wird für jeden möglichen End-Zustand durch Addition des dem End-Zustand zugeordneten Zustandswertes zu der zum Erreichen des End-Zustands minimal aufzuwendenden Energie ein Reihenwert ermittelt, wobei die Reihe mit dem kleinsten Reihenwert ausgewählt wird.
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Die ausgewählte Geschwindigkeitsreihe, die in dem in 2 gezeigten Beispiel mit dem End-Zustand 28 abschließt, wird dazu verwendet, die Längsführung des Fahrzeuges zu steuern.
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Die Vorrichtung 10 ermöglicht somit eine (näherungsweise) energieverbrauchsoptimale Längsführung von verbrennungsmotorisch und elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere die Aufteilung der Lösung des Optimierungsproblems in einen ersten Teil, der die Berechnung der Energieverbrauchswertindikatoren umfasst und vor der Benutzung der Vorrichtung zur Längsführung des Kraftfahrzeuges durchgeführt wird, und einen zweiten Teil, der während der Benutzung der Vorrichtung zur Längsführung des Kraftfahrzeuges durchgeführt wird.
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Diese Trennung ermöglicht es, die aufwändige Berechnung der Energieverbrauchswertindikatoren vorab durchzuführen. Dadurch kann des Weiteren die Bestimmung einer energieoptimalen Zustandsänderungsreihe ausgehend von einem gegebenen Ist-Zustand auf solche Zustände begrenzt werden, die von dem gegebenen Ist-Zustand tatsächlich erreichbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Speichereinrichtung
- 14
- Recheneinrichtung
- 16
- Motor
- 18
- Automatikgetriebe
- 20
- Rechengerät
- 22
- Objekterkennungssensor
- 24
- Ist-/Anfangs-Zustand
- 26
- Zustandsänderung
- 28
- End-Zustand
