DE102016106273A1

DE102016106273A1 - Verfahren und system für fahrzeuggeschwindigkeitsregelung

Info

Publication number: DE102016106273A1
Application number: DE102016106273.1A
Authority: DE
Inventors: Anthony Mario D'Amato; John Ottavio Michelini; Jaroslav Pekar; Ondrej Santin; Jonathan Thomas Mullen; Dimitar Petrov Filev
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2016-04-06
Publication date: 2016-10-13
Also published as: US20160297435A1; RU2016112972A3; RU2719122C2; CN106043300B; US9849880B2; CN106043300A; RU2016112972A

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme zur Verbesserung des Leistungsverhaltens eines Fahrzeugs dargelegt, das in einem Geschwindigkeitsregelmodus arbeitet, wobei ein Regler eine Drehmomentausgabe von einem Fahrzeug anpasst, um die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb eines gewünschten Bereichs zu halten. Die Verfahren und Systeme umfassen das Anpassen eines Fahrdynamikmodells und eines Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells, die Eingaben an einen nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Regler bereitstellen.

Description

Gebiet
Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme zum Regeln der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, das sich im Geschwindigkeitsregelmodus befindet, in dem ein Fahrzeugführer fordert, dass die Geschwindigkeit automatisch geregelt wird.
Hintergrund/Zusammenfassung
Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs kann über einen Regler mit geringer Eingabe durch einen Fahrzeugführer automatisch auf eine gewünschte Geschwindigkeit geregelt werden. Eine beispielhafte Weise, auf die ein Regler eine Fahrzeuggeschwindigkeit regeln kann, besteht darin, das Fahrzeug in einem Geschwindigkeitsregelmodus zu bedienen. Der Geschwindigkeitsregelmodus kann als ein Fahrzeug-Betriebsmodus beschrieben werden, bei dem die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb eines gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichs gehalten wird, der durch obere und untere Fahrzeuggeschwindigkeitsschwellen begrenzt ist, ohne dass der Fahrer Drehmoment von einer Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs anfordert. Der Regler hält die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb des gewünschten Geschwindigkeitsbereichs, indem er die Drehmomentausgabe der Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs anpasst. So wird die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb eines gewünschten Geschwindigkeitsbereichs gehalten, indem die Drehmomentausgabe der Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs erhöht und verringert wird. Eine Weise, auf die der Regler die Fahrzeuggeschwindigkeit beibehalten kann, besteht darin, die Drehmomentausgabe von der Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs basierend auf einem Fehler der Fahrzeuggeschwindigkeit proportional anzupassen. Der Regler kann einen Proportional/Integral/Differenzial(PID-)Algorithmus oder eine ähnliche Variante anwenden, um die Drehmomentausgabe der Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs anzupassen und die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb des gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichs zu halten. Allerdings sind PID-Fahrzeug-Geschwindigkeitsregelalgorithmen insofern rückständig, als sie vorwiegend auf einem vorhandenen oder aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeitsfehler beruhen, um einen revidierte Fahrzeuggeschwindigkeitsverlauf bereitzustellen. Folglich, und da Fahrzeuge im Geschwindigkeitsregelmodus oft in einem höheren Gang bedient werden, kann der Regler große Änderungen im Drehmoment machen, das er von der Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs anfordert. Die Schwankungen des angeforderten Drehmoments können den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs erhöhen und den Fahrer stören.
Die Erfinder haben hierin das oben angeführte Problem anerkannt und ein Fahrzeugsystem entwickelt, das Folgendes umfasst: ein Fahrzeug, umfassend eine Antriebsdrehmomentquelle; und einen Regler in dem Fahrzeug, wobei der Regler ausführbare Befehle umfasst, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, wobei die Befehle eine adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine umfassen.
Durch das Anpassen von Fahrzeugmodellen und das Bereitstellen von Ausgabe von den angepassten Fahrzeugmodellen an eine nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine kann es möglich sein, das technische Ergebnis des Verringerns von Bedarfsschwankungen des Fahrzeugdrehmoments bereitzustellen, während ein Fahrzeug in einem Geschwindigkeitsregelmodul bedient wird. Die Drehmomentschwankungen können, zumindest teilweise, basierend auf einer A-priori-Information zum Straßengefälle verringert werden. Ferner ermöglicht das Anpassen des Fahrzeugmodells und eines Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells in Echtzeit, während das Fahrzeug sich im Geschwindigkeitsregelmodus befindet, dass der nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelmodus die Drehmomentregelstrategie von einer konstanten Drehmomentausgabe zu einer Impuls- und Gleitdrehmomentausgabe anpasst, wodurch mehrere Drehmomentlösungsstrategien von dem Regler für gleiche Fahrverhältnisse ermöglicht werden, mit Ausnahme von Änderungen eines Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells aufgrund von Kraftstoffeigenschaften oder anderen Änderungen der Motorbetriebseigenschaften. Die optimale Strategie zur Kraftstoffwirtschaftlichkeit wird daher basierend auf der tatsächlichen Charakteristik des Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells automatisch ausgewählt.
Die vorliegende Beschreibung kann mehrere Vorteile bereitstellen. Insbesondere kann die Herangehensweise die Neigung zu größeren Änderungen des angeforderten Fahrzeugdrehmoments verringern, um die Fahrzeuggeschwindigkeit beizubehalten. Zusätzlich dazu kann die Herangehensweise die Betriebskosten eines Fahrzeugs durch Verringern des Kraftstoffverbrauchs verringern. Ferner kann die Herangehensweise den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs weiter verringern, indem ein Getriebeschalten hin zu Neutral aktiv angefordert wird, während das Fahrzeug im Geschwindigkeitsregelmodus betrieben wird.
Die obigen Vorteile und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung erschließen sich sogleich aus der folgenden Detaillierten Beschreibung, für sich genommen oder in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die obige Zusammenfassung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die in der detaillierten Beschreibung näher beschrieben werden. Sie ist nicht dazu bestimmt, wesentliche oder essentielle Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Schutzumfang einzig durch die Patentansprüche definiert wird, die auf die detaillierte Beschreibung folgen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die jegliche oben oder in jeglichem Teil dieser Offenbarung genannten Nachteile lösen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein beispielhaftes Fahrzeug, das in den hierin beschriebenen Systemen und Verfahren enthalten sein kann;
2 zeigt ein beispielhaftes Fahrzeug und seinen elektronischen Horizont;
3 zeigt eine beispielhafte Antriebsleistungsquelle eines Fahrzeugs;
4 zeigt einen beispielhaften Fahrzeugantriebsstrang, einschließlich der Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs;
5 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeuggeschwindigkeitsregelsystems;
6A und 6B zeigen ein beispielhaftes Verfahren für einen adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregler mit Kraftstoffoptimierung und gegebenenfalls mit Neutralwahl;
7 zeigt ein detailliertes beispielhaftes Optimierungsverfahren für nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelung, das bei Iterationen sequenzieller quadratischer Programmierung (SQP) benannt wird;
8 zeigt ein detailliertes beispielhaftes Verfahren für nicht nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitssteuerung mit Kraftstoffoptimierung und mit Neutralwahl;
9A und 9B zeigen beispielhafte Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodelle; und
10 zeigt eine beispielhafte Fahrzeuggeschwindigkeitsregelsequenz mit Neutralwahl.
Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zur Verbesserung des Betriebs eines Fahrzeugs, das in einem Geschwindigkeitsregelmodus bedient wird. 1 zeigt ein nicht einschränkendes beispielhaftes Fahrzeug zum Betrieb in einem Geschwindigkeitsregelmodus, bei dem ein Regler einen nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelalgorithmus mit Kraftstoffoptimierung anwendet. 2 zeigt das beispielhafte Fahrzeug und einen elektronischen Horizont, der dem adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelalgorithmus Eingabe bereitstellt. 3 und 4 zeigen nicht einschränkende Fahrzeugantriebsleistungsquellen innerhalb eines Fahrzeugantriebsstrangs. 5 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeuggeschwindigkeitsregelsystems. Verfahren zum Bedienen eines Fahrzeugs im Geschwindigkeitsregelmodus, einschließlich einer beispielhaften Version des adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelalgorithmus, sind in den 6A–8 bereitgestellt. Beispielhafte Fahrzeugantriebsleistungsquellen-Kraftstoffverbrauchsmodelle sind in den 9A und 9B dargestellt. 10 ist eine beispielhafte Fahrzeuggeschwindigkeitsregelmodus-Betriebssequenz.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 umfasst das Fahrzeug 100 einen Regler 12 zum Empfangen von Sensordaten und zum Anpassen von Aktuatoren. Der Regler 12 kann das Fahrzeug 100 in einem Geschwindigkeitsregelmodus betreiben, in dem die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb eines gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichs gehalten wird, der durch obere und untere Fahrzeuggeschwindigkeitsschwellen begrenzt ist. In manchen Beispielen kann der Regler 12 mit zusätzlichen Reglern zusammenarbeiten, um das Fahrzeug 100 zu betreiben. Das Fahrzeug 100 ist mit einem Global-Positioning-System(GPS)-Empfänger 130 dargestellt. Der Satellit 102 stellt dem GPS-Empfänger 130 zeitgestempelte Informationen bereit, der die Informationen an das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem 140 übermittelt. Das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem 140 übermittelt dem Regler 12 aktuelle und zukünftige Informationen zum Straßengefälle. Das Fahrzeug 100 kann auch mit einer optionalen Kamera 135 zum Überwachen von Straßenverhältnissen auf der Fahrspur des Fahrzeugs 100 ausgestattet sein. Beispielsweise kann die Kamera 135 Straßenverhältnisse von Straßenschildern 166 oder Anzeigen erfassen. Das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem 140 kann alternativ dazu Informationen zum Bestimmen der Fahrzeugposition von einem stationären Funkturm 104 über den Empfänger 132 erfassen. In manchen Beispielen kann das Fahrzeug 100 auch einen Sensor 138 zum Bestimmen der Nähe von Fahrzeugen auf der Fahrspur des Fahrzeugs 100 umfassen. Der Sensor 138 kann Laser-, Schall- oder Radarsignalbasiert sein.
In diesem Beispiel ist das Fahrzeug 100 als ein Passagierfahrzeug dargestellt. In manchen Beispielen kann das Fahrzeug 100 jedoch ein Nutzfahrzeug wie etwa ein frachtbefördernder Sattelanhänger und Lastkraftwagen, ein Zug oder ein Schiff sein.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 sind ein beispielhaftes Fahrzeug 100 und eine Strecke 210, die dem elektronischen Horizont des Fahrzeugs entspricht, dargestellt. Das Fahrzeug 100 erzeugt einen elektronischen Horizont (z. B. als Datenvektor), der aus Informationen zum Straßengefälle für die Straße 214 besteht. Der elektronische Horizont ist aus einer Vielzahl von Blöcken 220 oder Segmenten zusammengesetzt, und die Blöcke weisen ein einzelnes zusammenhängendes oder entsprechendes Straßengefälle oder eine -neigung auf. Die Länge des Blocks kann auf Strecke oder Zeit basieren. Die Informationen zum Straßengefälle werden für eine vorbestimmte Strecke 210 oder eine vorbestimmte Zeitdauer auf der Fahrspur des Fahrzeugs bereitgestellt. Die Informationen zum Straßengefälle können einem in 1 dargestellten Regler 12 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Straßengefälle für eine vorbestimmte Strecke auf der Fahrspur des Fahrzeugs 100, z. B. 1.500 m, bereitgestellt werden. Alternativ dazu kann das Straßengefälle für eine vorbestimmte Zeitdauer in die Zukunft des Fahrwegs des Fahrzeugs bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Straßengefälle für ein Fahrzeug, das mit 110 km/h fährt, 10 Sekunden in die Zukunft oder etwa 1.833 m bereitgestellt werden. Daten zum Straßengefälle können im Speicher des in 1 dargestellten Fahrzeugpositionsbestimmungssystems 140 gespeichert werden, oder sie können basierend auf im Speicher gespeicherten Straßenhöhewerten bestimmt werden. In einem Beispiel können die Straßengefällewerte vom Speicher abgerufen werden, indem der Speicher basierend auf der Fahrzeugposition und -richtung indiziert wird. Werte des Straßengefälles, die über die vorbestimmte Strecke oder Zeit auftreten, können als eine Anordnung oder ein Vektor im Speicher gespeichert werden, und Updates der Anordnung können auf einer First-In-First-Out-Basis bereitgestellt werden, wenn sich das Fahrzeug bewegt. Wenn beispielsweise ein Straßengefällewert für jede 100 Meter Straßenoberfläche bereitgestellt wird, umfasst eine Anordnung, die 1.500 Metern Straßengefälle entspricht, 15 Blöcke und ihre entsprechenden Straßengefällewerte. Die Straßengefällewerte können sich schrittweise zwischen Blöcken ändern.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 ist eine beispielhafte Fahrzeugantriebsleistungsquelle bereitgestellt. In diesem Beispiel ist die Fahrzeugantriebsleistungsquelle ein Ottomotor. Allerdings kann die Fahrzeugantriebsleistungsquelle ein Dieselmotor, eine Turbine oder eine elektrische Maschine sein.
3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Zylinder eines Mehrzylindermotors 330 in einem Motorsystem 300 zeigt. Der Motor 330 kann zumindest teilweise durch ein einen Regler 12 umfassendes Regelungssystem und durch Eingabe von einem Fahrzeugfahrer 382 über eine Eingabevorrichtung 380 gesteuert werden. In diesem Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 380 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 384 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals.
Eine Brennkammer 332 des Motors 330 kann einen Zylinder umfassen, der durch Zylinderwände 334 mit einem darin positionierten Kolben 336 gebildet ist. Der Kolben 336 kann mit einer Kurbelwelle 340 gekoppelt sein, sodass Hin- und Herbewegung des Kolbens in Drehbewegung der Kurbelwelle übersetzt wird. Die Kurbelwelle 340 kann an mindestens ein Antriebsrad eines Fahrzeugs über ein Zwischenübertragungssystem gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlassermotor mit der Kurbelwelle 340 über ein Schwungrad gekoppelt sein, um ein Anlassen des Motors 330 zu ermöglichen.
Die Brennkammer 332 kann Einlassluft von einem Ansaugkrümmer 344 über einen Einlassdurchlass 342 empfangen und kann Verbrennungsgase über einen Auslassdurchlass 348 auslassen. Der Ansaugkrümmer 344 und der Auslassdurchlass 348 können mit der Brennkammer 332 über das jeweilige Einlassventil 352 und Auslassventil 354 selektiv kommunizieren. In manchen Beispielen kann die Brennkammer 332 zwei oder mehr Einlassventile und/oder zwei oder mehr Auslassventile umfassen.
In diesem Beispiel können das Einlassventil 352 und das Auslassventil 354 durch Nockenbetätigung über die jeweiligen Nockenbetätigungssysteme 351 und 353 gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 351 und 353 können jeweils einen oder mehrere Nocken umfassen und können eines oder mehrere von Cam Profile Switching (CPS), Variable Cam Timing (VCT), Variable Valve Timing (VVT) und/oder Variable-Valve-Lift(VVL)-Systeme verwenden, die durch den Regler 12 betrieben werden können, um den Ventilbetrieb zu variieren. Die Position des Einlassventils 352 und des Auslassventils 354 kann jeweils durch die Positionssensoren 355 und 357 bestimmt werden. In alternativen Beispielen können das Einlassventil 352 und/oder Auslassventil 354 durch elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Beispielsweise kann der Zylinder 332 alternativ dazu ein Einlassventil, das über elektrische Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Auslassventil umfassen, das über Nockenbetätigung einschließlich CPS und/oder VCT-Systeme gesteuert wird.
Ein Einspritzventil 369 ist dargestellt, das mit der Brennkammer 332 zum Einspritzen von Kraftstoff in Proportion zur Impulsbreite eines vom Regler 12 empfangenen Signals direkt gekoppelt ist. Auf diese Weise stellt das Einspritzventil 369 sogenanntes direktes Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer 332 bereit. Das Einspritzventil kann zum Beispiel in der Seite der Brennkammer oder in der Oberseite der Brennkammer angebracht sein. Kraftstoff kann dem Einspritzventil 369 durch ein (nicht dargestelltes) Kraftstoffsystem umfassend einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoffzuleitung zugeführt werden. In manchen Beispielen kann die Brennkammer 332 alternativ dazu oder zusätzlich dazu ein Einspritzventil umfassen, das in dem Ansaugkrümmer 344 in einer Konfiguration angeordnet ist, die sogenannte Saugrohreinspritzung von Kraftstoff in die Einlassöffnung stromaufwärts der Brennkammer 332 bereitstellt.
Ein Zündfunke wird der Brennkammer 332 über die Zündkerze 366 bereitgestellt. Das Zündsystem kann ferner eine (nicht dargestellte) Zündspule zum Erhöhen der der Zündkerze 366 zugeführten Spannung umfassen. In weiteren Beispielen wie etwa einem Dieselmotor kann die Zündkerze 366 weggelassen werden.
Der Einlassdurchlass 342 kann eine Drossel 362 umfassen, die eine Drosselklappe 364 umfasst. In diesem spezifischen Beispiel kann die Position der Drosselklappe 364 durch den Regler 12 über ein Signal variiert werden, das einem in der Drossel 362 enthaltenen Elektromotor oder Aktuator bereitgestellt wird, eine Konfiguration, die für gewöhnlich als elektronische Drosselsteuerung (ETC) bezeichnet wird. Auf diese Weise kann die Drossel 362 betrieben werden, um die der Brennkammer 332 bereitgestellte Einlassluft zwischen anderen Motorzylindern zu variieren. Die Position der Drosselklappe 364 kann dem Regler 12 durch ein Drosselpositionssignal bereitgestellt werden. Der Einlassdurchlass 342 kann einen Massenluftstromsensor 320 und einen Saugrohrluftdrucksensor 322 zum Abfühlen einer in den Motor 330 eintretenden Luftmenge umfassen.
Ein Abgassensor 327 ist dargestellt, der mit dem Auslassdurchlass 348 stromaufwärts einer Emissionssteuerungsvorrichtung 370 gemäß einer Richtung eines Auslassstroms gekoppelt ist. Der Sensor 327 kann jeglicher zum Bereitstellen einer Angabe eines Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses geeignete Sensor sein, wie etwa ein linearer Lambda-Sensor oder UEGO(universeller oder Großbereich-Abgas-Sauerstoff)-, ein Zweipunkt-Sauerstoffsensor oder EGO-, ein HEGO(erhitzter EGO)-, ein NO_x-, HC- oder CO-Sensor. In einem Beispiel ist der stromaufwärts angeordnete Abgassensor 327 ein UEGO, der konfiguriert ist, um eine Ausgabe wie etwa ein Spannungssignal bereitzustellen, das proportional zur im Abgas vorhandenen Sauerstoffmenge ist. Der Regler 12 wandelt die Ausgabe des Sauerstoffsensors in ein Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis über eine Sauerstoffsensorübertragungsfunktion um.
Die Emissionssteuerungsvorrichtung 370 ist als entlang des Auslassdurchlasses 348 stromabwärts des Abgassensors 327 angeordnet dargestellt. Die Vorrichtung 370 kann ein Dreiwegekatalysator (TWC), NO_x-Abscheider, verschiedene weitere Emissionssteuerungsvorrichtungen oder Kombinationen davon sein. In manchen Beispielen kann die Emissionssteuerungsvorrichtung 370 während des Betriebs des Motors 330 periodisch zurückgesetzt werden, indem mindestens ein Zylinder des Motors innerhalb eines bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses betrieben wird.
Der Regler 12 ist in 3 als ein Microcomputer dargestellt, umfassend eine Mikroprozessoreinheit 302, Eingabe-/Ausgabeöffnungen 304, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierwerte, das in diesem spezifischen Beispiel als Nur-Lese-Speicherchip 306 (z. B. nichtflüchtiger Speicher) dargestellt ist, Direktzugriffsspeicher 308, Haltespeicher 310 und ein Datenbus. Der Regler 12 kann von mit dem Motor 330 gekoppelten Sensoren zusätzlich zu den oben diskutierten Signalen verschiedene Signale empfangen, einschließlich Messung von induzierter Luftmasse (MAF) vom Massenluftstromsensor 320; Kühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 314 gekoppelten Temperatursensor 323; Motorpositionssignal von einem Hall-Sensor 318 (oder einem anderen Typ), der eine Position der Kurbelwelle 340 abfühlt; Drosselposition von einem Drosselpositionssensor 365; und Saugrohr-Absolutdruck(MAP)-Signal vom Sensor 322. Ein Motordrehgeschwindigkeitssignal kann durch den Regler 12 vom Kurbelwellenpositionssensor 318 erzeugt werden. Ein Saugrohrdrucksignal stellt auch eine Angabe des Vakuums oder Drucks im Ansaugkrümmer 344 bereit. Es gilt anzumerken, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie etwa ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Während des Motorbetriebs kann von der Ausgabe des MAP-Sensors 322 und der Motordrehgeschwindigkeit auf das Motordrehmoment geschlossen werden. Ferner kann dieser Sensor zusammen mit der detektierten Motordrehgeschwindigkeit eine Basis zum Schätzen der in den Zylinder induzierten Ladung (einschließlich Luft) bilden. In einem Beispiel kann der Kurbelwellenpositionssensor 318, der auch als Motordrehgeschwindigkeitssensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl von abstandsgleichen Impulsen bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle erzeugen.
Das Speichermedium Nur-Lese-Speicher 306 kann mit Computer-lesbaren Daten programmiert sein, die nichtflüchtige Befehle darstellen, die durch den Prozessor 302 ausführbar sind, um zumindest Teile der unten beschriebenen Verfahren sowie weitere Varianten, die antizipiert werden, aber nicht spezifisch angeführt sind, durchzuführen.
Während des Betriebs wird jeder Zylinder innerhalb des Motors 330 typischerweise einem Viertaktzyklus unterzogen: Der Zyklus umfasst den Ansaughub, Kompressionshub, Expansionshub und Auslasshub. Während des Ansaughubs schließt sich das Auslassventil 354 im Allgemeinen und das Einlassventil 352 öffnet sich. Luft wird in die Brennkammer 332 über den Ansaugkrümmer 344 eingelassen, und der Kolben 336 bewegt sich zum unteren Ende des Zylinders, um das Volumen innerhalb der Brennkammer 332 zu erhöhen. Die Position, bei der sich der Kolben 336 nahe dem unteren Ende des Zylinders und am Ende seines Hubs befindet (z. B. wenn die Brennkammer 332 ihr größtes Volumen aufweist) wird von Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung typischerweise als unterer Totpunkt (BDC) bezeichnet.
Während des Kompressionshubs sind das Einlassventil 352 und das Auslassventil 354 geschlossen. Der Kolben 336 bewegt sich zum Zylinderkopf hin, um die Luft innerhalb der Brennkammer 332 zu komprimieren. Der Punkt, an dem der Kolben 336 sich am Ende seines Hubs am nächsten zum Zylinderkopf befindet (z. B. wenn die Brennkammer 332 ihr kleinstes Volumen aufweist), wird von Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung typischerweise als oberer Totpunkt bezeichnet (TDC). In einem im Folgenden als Einspritzung bezeichneten Vorgang wird Kraftstoff in die Brennkammer 332 eingebracht. In einem im Folgenden als Zündung bezeichneten Verfahren wird der eingespritzte Kraftstoff durch bekannte Zündungsmittel wie etwa die Zündkerze 366 entzündet, was zu Verbrennung führt.
Während des Expansionshubs drücken die expandierenden Gase den Kolben 336 zurück zum BDC. Die Kurbelwelle 340 wandelt die Kolbenbewegung in Rotationsdrehmoment der rotierenden Welle um. Schließlich öffnet sich während des Auslasshubs das Auslassventil 354, um das Gemisch aus Luft und verbranntem Kraftstoff zum Auslassdurchlass 348 freizusetzen, und der Kolben kehrt zum TDC zurück. Es gilt anzumerken, dass Obiges lediglich als Beispiel dargestellt ist und dass die Zeitpunkte des Öffnens und/oder Schließens des Einlass- und Auslassventils variieren können, beispielsweise um positive oder negative Ventilüberschneidung, spätes Schließen des Einlassventils oder verschiedene weitere Beispiele bereitzustellen.
Wie oben ausgeführt, zeigt 3 nur einen Zylinder eines Mehrzylindermotors, und jeder Zylinder kann gleichermaßen seinen eigenen Satz von Einlass-/Auslassventilen, Einspritzventil, Zündkerze etc. umfassen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugtriebstrangs 400 dargestellt. Der Triebstrang 400 kann durch den Motor 330 angetrieben werden, wie in 3 detaillierter dargestellt ist. In einem Beispiel kann der Motor 330 ein Ottomotor sein. In alternativen Beispielen können weitere Motorkonfigurationen angewendet werden, zum Beispiel ein Dieselmotor. Der Motor 330 kann mit einem (nicht dargestellten) Motoranlassersystem angelassen werden. Ferner kann der Motor 330 über einen Drehmomentaktuator 404, wie zum Beispiel ein Einspritzventil, eine Drossel, eine Nocke etc., Drehmoment erzeugen oder anpassen.
Ein Motorausgabedrehmoment kann zum Drehmomentwandler 406 übertragen werden, um ein Stufen-Automatikgetriebe 408 durch Einrücken einer oder mehrerer Kupplungen, einschließlich der Vorwärtskupplung 410, anzutreiben, wobei der Drehmomentwandler als eine Komponente des Getriebes bezeichnet werden kann. Der Drehmomentwandler 406 umfasst ein Flügelrad 420, das über Hydraulikflüssigkeit Drehmoment an die Turbine 422 überträgt. Eine oder mehrere Getriebekupplungen 424 können eingerückt werden, um Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Motor 310 und den Fahrzeugrädern 414 zu ändern. Die Ausgabe des Drehmomentwandlers 406 kann wiederum durch die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 412 gesteuert werden. Wenn die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 412 vollständig ausgerückt ist, überträgt der Drehmomentwandler 406 als solcher Drehmoment zum Automatikgetriebe 408 über einen Fluidtransport zwischen der Drehmomentwandlerturbine 422 und dem Drehmomentwandlerflügelrad 420, wodurch eine Vervielfachung des Drehmoments ermöglicht wird. Wenn hingegen die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 412 vollständig eingerückt ist, wird das Motorleistungsdrehmoment über die Drehmomentwandler-Kupplung 412 direkt an eine Eingangswelle des Getriebes 408 übertragen. Alternativ dazu kann die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 412 teilweise eingerückt sein, wodurch eine Anpassung der an das Getriebe übermittelten Drehmomentmenge ermöglicht wird. Ein Regler 12 kann konfiguriert sein, die durch den Drehmomentwandler übertragene Drehmomentmenge anzupassen, indem die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung als Antwort auf verschiedene Motorbetriebsbedingungen oder basierend auf einer Fahrer-basierten Bedienungsanforderung angepasst wird.
Drehmomentausgabe vom Automatikgetriebe 408 kann wiederum an die Räder 414 übermittelt werden, um das Fahrzeug anzutreiben. Im Speziellen kann das Automatikgetriebe 408 ein Eingangsantriebsdrehmoment bei der (nicht dargestellten) Eingangswelle als Reaktion auf Fahrverhältnisse des Fahrzeugs vor dem Übertragen eines Ausgangsantriebsdrehmoments zu den Rädern anpassen. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann über den Geschwindigkeitssensor 430 bestimmt werden.
Ferner können die Räder 414 durch Betätigen von Radbremsen 416 blockiert werden. In einem Beispiel können die Radbremsen 416 als Antwort darauf, dass der Fahrer mit seinem Fuß auf ein (nicht dargestelltes) Bremspedal drückt, betätigt werden. Auf ähnliche Weise können die Räder 414 entriegelt werden, indem die Radbremsen 416 als Antwort darauf, dass der Fahrer seinen Fuß vom Bremspedal nimmt, gelöst werden.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 5 ist ein Blockdiagramm für ein beispielhaftes Fahrzeuggeschwindigkeitsregelsystem dargestellt. Das Geschwindigkeitsregelsystem 500 umfasst Fahrzeugsensoren, die als Block 502 dargestellt sind. Die Fahrzeugsensoren können Sensoren zum Bestimmen des Fahrzeugantriebsleistungsquellendrehmoments, der Geschwindigkeit, des Energieverbrauchs oder Kraftstoffverbrauchs, der Umweltumgebungsbetriebsbedingungen, Abstandsmessvorrichtungen, GPS-Signale, Straßenverhältnisse und Fahrereingaben umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Fahrereingaben können eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit, Bremspedalposition, Gaspedalposition, eine höhere Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle und eine niedrigere Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle umfassen. Fahrzeugsensorinformationen können Eingaben für den elektronischen Horizont 510, Reglereinschränkungen 508, das Fahrdynamikmodell 512, den modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregeloptimierer 530, einen Parameteradapter der rekursiven kleinsten Quadrate 504, ein Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell 514, ein Motordrehmomentmodell 516 und ein Modell eines Führungsfahrzeugs 518 sein.
Der Block des elektronischen Horizonts 510 kann im Regler 12 von 1 enthalten sein oder er kann im in 1 dargestellten Fahrzeugpositionsbestimmungssystem 140 enthalten sein. Ein elektronischer Horizont kann aus einer Anordnung von Speicherorten oder einem Datenvektor bestehen und die Anordnung kann eine Vielzahl von Straßengefällewerten umfassen, die das Straßengefälle der Straße, die das Fahrzeug befährt, beschreiben. In einem Beispiel entnimmt der elektronische Horizont Straßengefällewerte aus einer Datenbank, die Straßenverhältnisse (z. B. im Speicher gespeicherte Gefällewerte, die aus einer dreidimensionalen Karte der Erdoberfläche entnommenen Gefällewerte) beschreibt. Die Straßengefällewerte können Straßengefälle an der aktuellen Position des Fahrzeugs sowie Straßengefällewerte vor dem Fahrzeug auf der Fahrspur des Fahrzeugs umfassen. Das Straßengefälle kann in eine Straßenneigung umgewandelt werden. Der Block des elektronischen Horizonts 510 aktualisiert die Anordnung oder den Vektor von Straßengefällewerten zu ausgewählten Zeiten und übermittelt die aktualisierte Anordnung an den Geschwindigkeitsregeloptimierer 530. Die Straßengefällewerte können für eine vorbestimmte Fahrzeit in der Zukunft oder für eine vorbestimmte Strecke vor dem Fahrzeug bereitgestellt werden.
Beim Block 512 umfasst das Geschwindigkeitsregelsystem 500 ein Fahrdynamikmodell. Das Fahrdynamikmodell ist Physik-basiert und kann beschrieben werden als: m dv / dt = F_Trac – F_Aero – F_Roll – F_grad – F_Brake wobei m die Fahrzeugmasse, v die Fahrzeuggeschwindigkeit, F_Trac die Zugkraft ist, die definiert ist als:
F_Aero ist der aerodynamische Widerstand, der definiert ist als: F_Aero = 1 / 2ρC_dAv²
F_Roll ist der Reifenrollwiderstand, der definiert ist als: F_Roll = mg(k₁v² + k₂)cosφ
FGrade ist die Hangabtriebskraft, die definiert ist als: F_Grade = mgsinφ
Die Radbremskraft ist Fbrake, Antriebsstrangverluste sind ξ_DL; der effektive Radradius ist R_WH; das Übersetzungsverhältnis ist γ(G); das gewählte Übersetzungsverhältnis ist G; die Achsantriebsübersetzung des Fahrzeugs ist R_FDR; das Antriebsleistungsquellen-Bremsdrehmoment ist T; die Umgebungsluftdichte ist ρ; die Frontalfläche des Fahrzeugs ist A; der Koeffizient des aerodynamischen Widerstands des Fahrzeugs ist C_d; die Schwerkraftbeschleunigung ist g; die Koeffizienten des Reifenrollwiderstands sind k₁ und k₂; die Straßenneigung ist φ; t ist die Zeit; und die Fahrzeugmasse ist m.
Das Fahrdynamikmodell wird vereinfacht zu: dv / dt = β₁T + β₂v² + β₃φ + β₄ wobei β₁–β₄ adaptive Koeffizienten sind. Die Vereinfachung ermöglicht eine Anpassung der rekursiven kleinsten Quadrate (RLS), oder ein anderes geeignetes Verfahren, der β₁–β₄-Terme. Die angepassten Parameter verbessern die Leistung des Fahrdynamikmodells und die verbesserte Leistung des Fahrdynamikmodells verbessert die Leistung des nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Reglers. Die adaptiven Parameter sind adjustierbar, um Änderungen der Fahrzeugmasse, der Windverhältnisse, des Reifenzustands und weitere Fahrzeugbetriebsbedingungen zu kompensieren. Das Fahrdynamikmodell kann ferner erweitert werden, indem ein Störterm d_v hinzugefügt wird. Der Wert von d_v kann häufiger als die Betaterme geschätzt werden und in einem Beispiel kann er durch ein Erweitertes Kalman-Filter geschätzt werden.
Beim Block 514 umfasst das Geschwindigkeitsregelsystem 500 ein Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell. Das Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell schätzt den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs und stellt Eingaben zur Optimierung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit im Optimierungsblock 530 bereit. Der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs wird als ein Polynom der Form ṁ_Fuel = c₅T³ + c₄T² + c₃T + c₂Tv + c₁v + c₀ ausgedrückt, wobei ṁ_Fuel der Kraftstofffluss zur Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs ist; und c₀–c₅ adaptive Koeffizienten sind. Das Fahrzeugkraftstoffflussmodell ermöglicht eine Anpassung der rekursiven kleinsten Quadrate (RLS), oder ein anderes geeignetes Verfahren, der c₀-c₅-Terme. Die angepassten Parameter verbessern die Leistung des Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells, und eine verbesserte Leistung des Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells verbessert die Leistung des nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Reglers.
Beim Block 504 umfasst das Geschwindigkeitsregelsystem 500 eine Parameter-Schätzeinheit der rekursiven kleinsten Quadrate zur Anpassung der Koeffizienten β und c an das Fahrdynamikmodell und das Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell. Es ist wünschenswert, die Koeffizienten β und c anzupassen, wenn sich die Betriebsbedingungen ändern, sodass ein gewünschtes Ausmaß an Reglerleistung erreicht werden kann. Die Schätzeinheit der rekursiven kleinsten Quadrate passt den Parametervektor x rekursiv an, sodass er dem Satz von Gleichungen (in Matrixform) genügt: y_k = H_kx + v_k.
Die neue Parameterschätzung lautet: x ~_k = x ~_k-1 + K_k(y_k – H_kx ~_k-1) wobei H_k eine m×n-Matrix ist, K_k eine n×m-Schätzeinheitsverstärkung und y_k – H_kx_k-1 ein Korrekturterm ist.
Das Rauschen v_k weist einen Durchschnitt von null und eine Kovarianz R_k auf. Die Schätzeinheitsverstärkung K_k und Kovarianzmatrix P_k werden wie folgt aktualisiert: K_k = P_k-1H T / k(H_kP_k-1H T / k + R_k)^–1 P_k = (I – K_kH_k)P_k-1
Die Schätzeinheit der rekursiven kleinsten Quadrate wird initialisiert durch: x ~₀ = E(x), P₀ = E((x – x ~₀))(x – x ~₀)^T) wobei P₀ = ∞I, wenn x zuvor nicht bekannt ist, und P₀ = 0, wenn x bekannt ist. Tatsächliche Fahrzeugdaten, die im Fahrdynamikmodell und im Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell verwendet werden, werden gesammelt und Modellkoeffizienten werden unter Verwendung rekursiver kleinster Quadrate angepasst.
Beim Block 516 umfasst das Geschwindigkeitsregelsystem 500 ein Motordrehmomentmodell für die Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs. Das Motordrehmomentmodell beschreibt die Verzögerung der Motordrehmomenterzeugung ab einer Zeit, zu der Motordrehmoment angefordert wird. Das Motordrehmomentmodell kann ausgedrückt werden als:
wobei τ eine Zeitkonstante ist, die als eine Funktion der Motordrehgeschwindigkeit N_e und des Bedarfsdrehmoments T_d ausgedrückt wird; und wobei T das Motor- oder Antriebsleistungsquellen-Ausgabedrehmoment ist. Das Bedarfsdrehmoment ist eine Funktion einer Übertragung in einem Neutral-Flag oder einer Integer-Variable im Speicher. Im Speziellen ist eine Motordrehmomentanforderung: T_d = T_in(1 – N_fl) + T_idleN_fl wobei T_in Eingangsdrehmoment ist; N_fl das Neutral-Flag ist (z. B. 1 für Neutral, 0 für in einem Gang); und T_idle Motorleerlaufdrehmoment ist. Motordrehgeschwindigkeit ist auch eine Funktion der Übertragung in einem Neutral-Flag:
wobei N_idle die Motorleerlaufdrehgeschwindigkeit ist, v₁ die Fahrzeuggeschwindigkeit und die anderen Variablen wie oben beschrieben sind.
Beim Block 518 umfasst das Geschwindigkeitsregelsystem 500 ein Modell eines Führungsfahrzeugs oder ein Modell eines Fahrzeugs, das von dem Fahrzeug gefolgt wird, das sich im Geschwindigkeitsregelmodus befindet. Das Modell des Führungsfahrzeugs wird auf Systeme angewandt, die von Fahrzeugen auf der Fahrspur des im Geschwindigkeitsregelmodus befindlichen Fahrzeugs wissen. Das Modell des Führungsfahrzeugs hat wenig Informationen zum Führungsfahrzeug, es wird aber verwendet, um vorherzusagen, wann Fahrzeugbeschleunigung erlaubt ist und wann Fahrzeugverlangsamung erwünscht sein kann. Das Führungsfahrzeug kann abgebildet werden als:
wobei v₁ die tatsächliche Geschwindigkeit des Führungsfahrzeugs ist, a₁ die Beschleunigung des Führungsfahrzeugs ist und τ₁ eine Zeitkonstante ist, die die Zeitkonstante der erwarteten Beschleunigung darstellt. Der Abstand zwischen dem Führungsfahrzeug und dem im Geschwindigkeitsregelmodus befindlichen Fahrzeug kann ausgedrückt werden als:
wobei D₁ der Abstand zwischen dem Führungsfahrzeug und dem im Geschwindigkeitsregelmodus befindlichen Fahrzeug ist und v die Geschwindigkeit des im Geschwindigkeitsregelmodus befindlichen Fahrzeugs ist. Die Geschwindigkeit des Führungsfahrzeugs kann durch ein Radar des folgenden Fahrzeugs oder eine Laserabstandsmessvorrichtung geschätzt werden.
Beim Block 506 umfasst das Fahrzeuggeschwindigkeitsregelsystem 500 eine Kostenfunktion. Die Kostenfunktion beschreibt Regelzielvorgaben oder -ziele für den Optimierer 530. Beispielsweise kann die Kostenfunktion danach streben, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb eines vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichs zu halten, der durch eine obere Fahrzeuggeschwindigkeit und eine untere Fahrzeuggeschwindigkeit begrenzt ist, einen Mindestabstand zwischen Fahrzeugen einzuhalten und die Drehmomentausgabe der Fahrzeugantriebsleistung auf unter ein Schwellendrehmoment zu beschränken. Spezifische Details für eine beispielhafte Kostenfunktion sind bei 708 von 7 beschrieben.
Beim Block 508 werden Betriebseinschränkungen des Geschwindigkeitsregelsystems 500 von Fahrereingaben und/oder von im Speicher gespeicherten Variablen oder Funktionen bestimmt. In einem Beispiel kann der Fahrer eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit eingeben und obere und untere Fahrzeuggeschwindigkeitsschwellen können basierend auf der gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt werden. Beispielsweise kann ein Fahrer eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit von 100 km/h eingeben und eine obere Geschwindigkeitsschwelle von 110 km/h und eine untere Schwelle von 90 km/h können festgelegt werden, indem ein Offsetwert zur gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit hinzugefügt und von ihr abgezogen wird. In weiteren Beispielen kann das Fahrzeugsystem die obere Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit basierend auf einer zulässigen Straßengeschwindigkeit anpassen. Wenn beispielsweise ein Fahrer eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit von 90 km/h auswählt und die Straßengeschwindigkeitsbeschränkung 100 km/h beträgt, kann die obere Fahrzeugschwellengeschwindigkeit auf 100 km/h angepasst werden. Das maximale Antriebsleistungsquellendrehmoment und der Mindestfahrzeugfolgeabstand können vorbestimmt und im Speicher gespeichert werden. Alternativ dazu kann der Fahrer Beschränkungswerte eingeben. Ferner können die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit und Geschwindigkeitsbeschränkungen durch einen Fahrer, der das Gaspedal betätigt, temporär angepasst werden.
Beim Block 530 wendet das Geschwindigkeitsregelsystem 500 Eingaben von den Blöcken 506 bis 518 an, um einen optimalen Drehmomentbefehl oder -bedarf zu bestimmen, der an die Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs ausgegeben werden soll. Ferner kann der Optimierer 530 einen Vorwärtsgang selektiv herausnehmen, indem das Getriebe auf Leerlauf gestellt wird (z. B. keine eingelegten Gänge, wobei die Antriebsleistungsquelle von den Fahrzeugrädern entkoppelt wird), um herbeizuführen, dass das Fahrzeug gleitet, und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs zu erhöhen. Der Optimierer 530 kann einen Vorwärtsgang selektiv einlegen, nachdem das Getriebe zuvor auf Leerlauf gestellt wurde, um die Fahrzeuggeschwindigkeit beizubehalten oder zu erhöhen. Der Optimierer löst das Optimierungsproblem unter Verwendung sequentieller quadratischer Programmierung, siehe 7 für zusätzliche Details. Zusätzliche Details zum Betrieb des Optimierers sind in der Beschreibung der 6A–8 bereitgestellt.
Beim Block 520 kann das Getriebe des Fahrzeugs auf Leerlauf gestellt werden, sodass das Fahrzeug zu gleiten beginnt, oder alternativ dazu kann das Getriebe des Fahrzeugs in einen Vorwärtsgang geschaltet werden, um das Fahrzeug zu beschleunigen. Das Getriebe des Fahrzeugs kann in den Leerlauf geschaltet werden, indem der hydraulische Druck auf eine Getriebekupplung über ein Getriebesteuerungssolenoid verringert wird. Das Getriebe des Fahrzeugs kann in einen Vorwärtsgang (z. B. in den 5. Gang) geschaltet werden, indem hydraulischer Druck auf eine Getriebekupplung über ein Getriebesteuerungssolenoid angelegt wird.
Beim Block 522 kann das Antriebsleistungsquellen-Ausgabedrehmoment des Fahrzeugs angepasst werden. Wenn die Antriebsleistungsquelle ein Motor ist, kann das Motordrehmoment erhöht werden, indem eines oder mehrere von Drosselposition, Zündzeitpunkt, Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und Nockenzeitpunkt- oder -phase angepasst wird. Wenn die Antriebsleistungsquelle eine elektrische Maschine ist, kann das Maschinendrehmoment angepasst werden, indem der der elektrischen Maschine zugeführte Strom variiert wird.
Daher stellt das Geschwindigkeitsregelsystem von 5 einen Drehmomentbefehl an eine Fahrzeugantriebsleistungsquelle und einen Gang- oder neutralen Befehl an ein Getriebe bereit, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs zu optimieren, wenn sich das Fahrzeug in einem Geschwindigkeitsregelmodus befindet. Der Regler löst das Geschwindigkeitsregelproblem durch Anwendung von sequentieller quadratischer Programmierung.
Das System der 1–5 sieht ein Fahrzeugsystem vor, das Folgendes umfasst: ein Fahrzeug, umfassend eine Antriebsdrehmomentquelle; und eine Steuerung im Fahrzeug, wobei die Steuerung ausführbare Befehle umfasst, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, wobei die Befehle eine adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine umfassen. Das Fahrzeugsystem umfasst den Fall, dass die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine ein Fahrdynamikmodell und Befehle zum Anpassen des Fahrdynamikmodells umfasst. Das Fahrzeugsystem umfasst den Fall, dass das Fahrdynamikmodell über rekursive kleinste Quadrate angepasst wird. Das Fahrzeugsystem umfasst den Fall, dass die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine ein Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell und Befehle zum Anpassen des Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells umfasst. Das Fahrzeugsystem umfasst den Fall, dass das Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell durch rekursive kleinste Quadrate angepasst wird. Das Fahrzeugsystem umfasst den Fall, dass die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine ein Fahrdynamikmodell und ein Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell in Echtzeit anpasst, während das Fahrzeug sich auf einer Straße in einem Geschwindigkeitsregelmodus befindet. Das Fahrzeugsystem umfasst den Fall, dass die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine einen Drehmomentbefehl an die Antriebsdrehmomentquelle ausgibt.
Das System von 1–5 sieht auch ein Fahrzeugsystem vor, das Folgendes umfasst: ein Fahrzeug, umfassend eine Antriebsdrehmomentquelle; und eine Steuerung in dem Fahrzeug, wobei die Steuerung ausführbare Befehle umfasst, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, wobei die Befehle eine adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine mit einer Aktivierung des neutralen Getriebezustands umfassen. Das Fahrzeugsystem umfasst ferner ein Getriebe, das mit der Antriebsdrehmomentquelle gekoppelt ist, wobei die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle zum Bewerten des Betriebs des Fahrzeugs mit einem auf Leerlauf gestellten Getriebe umfassen. Das Fahrzeugsystem umfasst den Fall, dass die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle zum Bewerten des Betriebs des Fahrzeugs bei Straßenverhältnissen umfassen, auf die das Fahrzeug erwartungsgemäß zu einem Zeitpunkt in der Zukunft treffen wird.
In manchen Beispielen umfasst das Fahrzeugsystem den Fall, dass die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle zum Bewerten des Betriebs des Fahrzeugs bei Straßenverhältnissen umfassen, auf die das Fahrzeug erwartungsgemäß zu dem zukünftigen Zeitpunkt als Antwort auf einen Vorhersagehorizont, der auf kartierten Straßenverhältnissen basiert, treffen wird. Das Fahrzeugsystem umfasst den Fall, dass die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle zum Ausgeben eines Befehls an die Antriebsdrehmomentquelle umfassen. Das Fahrzeugsystem umfasst auch den Fall, dass die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle zum Anpassen eines Drehmomentbefehls umfassen, der der Antriebsdrehmomentquelle zugeführt wird und auf Daten reagiert, die von einem Führungsfahrzeug abgeleitet sind, das auf derselben Straße wie das Fahrzeug betrieben wird. Das Fahrzeugsystem umfasst auch den Fall, dass die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle zum Bestimmen eines optimalen Geschwindigkeitsprofils und eines entsprechenden Drehmomentprofils basierend auf einem vorhergesagten Straßengefälle vor einer aktuellen Position des Fahrzeugs umfassen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 6A und 6B ist ein beispielhaftes Verfahren 600 zur adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelung mit Kraftstoffoptimierung dargestellt. Zumindest Teile des Verfahrens 600 können in einem wie in 1–5 dargestellten System als ausführbare Befehle, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, enthalten sein. Die Befehle können eine Regelroutine bereitstellen. Ferner kann das Verfahren 600 die Verfahren der 7 und 8 umfassen. Zusätzlich dazu kann das Verfahren der 6A und 6B die in 10 dargestellte Betriebssequenz bereitstellen. Die Verfahren von 6A–8 können in Echtzeit in einem auf einer Straße fahrenden Fahrzeug durchgeführt werden.
Bei 602 initialisiert das Verfahren 600 Regelparameter. In Modellen und Optimierungsroutinen zu initialisierende Regelparameter können die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit, das aktuelle Antriebsleistungsquellen-Ausgabedrehmoment, die aktuelle Antriebsleistungsquellengeschwindigkeit, die aktuelle Antriebsleistungsquellen-Kraftstoffverbrauchsmenge, die aktuelle Neigung der Straße, auf der das Fahrzeug fährt, und eine ausgewählte Übersetzung umfassen, ohne darauf eingeschränkt zu sein. Das Verfahren 600 fährt mit 604 fort, nachdem Regelparameter initialisiert wurden.
Bei 604 entscheidet das Verfahren 600, ob der Geschwindigkeitsregelmodus erwünscht ist. Der Geschwindigkeitsregelmodus kann als Antwort darauf als erwünscht festgelegt werden, dass ein Fahrer einen Knopf, Schalter betätigt oder einen Sprachbefehl erteilt und damit den Wunsch äußert, in den Geschwindigkeitsregelmodus zu schalten. Während des Geschwindigkeitsregelmodus wird die Drehmomentausgabe einer Antriebsleistungsquelle durch den Regler 12 angepasst, um die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb eines gewünschten Geschwindigkeitsbereichs zu halten, der durch eine obere Geschwindigkeitsschwelle (z. B. 100 km/h) und eine untere Geschwindigkeitsschwelle (z. B. 90 km/h) begrenzt ist. So wird die Drehmomentausgabe des Fahrzeugs angepasst, um eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit beizubehalten. Es kann entschieden werden, dass der Geschwindigkeitsregelmodus nicht erwünscht ist, wenn ein Fahrer eine Bremse betätigt, einen Knopf oder Schalter drückt oder einen Sprachbefehl erteilt. Wenn das Verfahren 600 entscheidet, dass der Geschwindigkeitsregelmodus erwünscht ist, lautet die Antwort Ja und das Verfahren 600 fährt mit 606 fort. Andernfalls lautet die Antwort Nein und das Verfahren 600 wird abgebrochen.
Bei 606 empfängt das Verfahren 600 neue Daten von Systemsensoren und vom Speicher. Sensordaten können Fahrzeuggeschwindigkeit, Straßengefälle oder -neigung, Antriebsleistungsquellen-Drehmomentausgabe, Antriebsleistungsquellen-Kraftstoffverbrauch oder -energieverbrauch, Antriebsleistungsquellengeschwindigkeit und den aktuell ausgewählten Gang umfassen, ohne darauf eingeschränkt zu sein. Daten vom Speicher können Geschwindigkeitsregeleinschränkungen, gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit, Mindestfahrzeugfolgeabstand zum Führungsfahrzeug und Regler-Abstimmparameter umfassen, ohne darauf eingeschränkt zu sein. Das Verfahren 600 fährt mit 608 fort, nachdem neue Daten empfangen wurden.
Bei 608 revidiert oder aktualisiert das Verfahren 600 die Koeffizienten β und c für das bei den Blöcken 512 und 514 von 5 beschriebene Fahrdynamikmodell und Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell. Die Koeffizienten β und c werden basierend auf den bei 606 neu empfangenen Daten unter Verwendung von rekursiven kleinsten Quadraten, rekursiven kleinsten Quadraten mit exponentiellem Vergessen oder einem anderen geeigneten Verfahren angepasst. Die revidierten Modelle sind die Basis für Systemzustandsbeobachter, die basierend auf den revidierten Modellen auch aktualisiert oder revidiert werden. Das Verfahren 600 fährt mit 610 fort, nachdem die Modellkoeffizienten revidiert wurden.
Bei 610 wendet das Verfahren 600 nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung an, um einen optimalen Drehmomentverlauf ohne Neutral-Einrückung zu ermöglichen. Die nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung wird auf Gefälleeinträge im elektronischen Horizont angewendet, die sich von der aktuellen Position des Fahrzeugs zu der vordersten Position des elektronischen Horizonts erstrecken. Die nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung gibt basierend auf den Einschränkungen in der bei Block 708 von 7 beschriebenen Kostenfunktion für Einträge im elektronischen Horizont optimale Drehmomentwerte aus. Das Verfahren 600 fährt mit 612 fort, nachdem die nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung ohne Neutralstellung angewandt wurde.
Bei 612 bestimmt das Verfahren 600 den erwarteten Kraftstoffwirtschaftlichkeitswert E0 für den Vorhersagehorizont (z. B. Straßengefälledaten im elektronischen Horizont) für Bedingungen, wenn das Fahrzeug nicht mit einem Getriebe in Neutralstellung betrieben wird. In einem Beispiel beurteilt das Verfahren 600 die Kraftstoffwirtschaftlichkeit für Blöcke (z. B. Intervall zwischen Gefällewerten im elektronischen Horizont) im elektronischen Horizont, indem es ein Modell eines Kraftstoffverbrauchs der Antriebsleistungsquellen oder eines Fahrzeugenergieverbrauchs indiziert, das einen optimalen Drehmomentwert für den bei 610 bestimmten Block und eine Antriebsleistungsquellendrehzahl verwendet. Das Fahrzeugenergieverbrauchsmodell speichert empirisch bestimmte Kraftstoff- oder Energieverbrauchsmengen und gibt die Mengen aus. Der Kraftstoff- oder Energieverbrauch für die Blöcke wird im Speicher gespeichert und das Verfahren 600 fährt mit 614 fort.
Bei 614 bestimmt das Verfahren eine Maximalzeit für Neutral-Einrückung. Die Zeit basiert auf einer Zeit zur Erreichung der unteren Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle. Die Maximalzeit wird bestimmt, indem die aktuellen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs in das beim Block 512 von 5 beschriebene Fahrzeugmodell eingegeben werden und das Motorbremsdrehmoment auf null gesetzt wird und nach einer Zeit aufgelöst wird, die das Fahrzeug benötigt, um hin zur unteren Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle leerzulaufen oder zu gleiten. Das Verfahren 600 fährt mit 616 fort, nachdem die Maximalzeit für Neutral-Einrückung bestimmt wurde.
Bei 616 wendet das Verfahren nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung an, um nach einem optimalen Drehzahlverlauf mit Neutral-Einrückung aufzulösen. In einem Beispiel wird die nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung nur auf einen ersten Gefälleeintrag im elektronischen Horizont vor der aktuellen Position des Fahrzeugs angewandt, um den Rechenaufwand zu limitieren. In anderen Beispielen kann die nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung jedoch auf die Länge des elektronischen Horizonts ausgeweitet werden, indem der Rechenaufwand des Reglers erhöht wird. Die nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung gibt eine Getriebezustandsregelvariable aus, die anfordert, dass das Getriebe basierend auf den Einschränkungen in der bei Block 506 von 5 beschriebenen Kostenfunktion für Einträge im elektronischen Horizont Neutralstellung einnimmt oder einen Vorwärtsgang einlegt. Ferner gibt die nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung ein Motorleerlaufdrehmoment aus, wenn bestimmt wird, dass Neutral ein erwünschter Zustand ist. Für Blöcke im elektronischen Horizont, bei denen Neutral-Einrückung in Betracht gezogen wird, ändert der nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regler Simulationsbedingungen, um zu simulieren, wenn das Getriebe in Neutral ist und die Antriebsleistungsquelle im Leerlauf oder in niedrigeren Leistungsausgabebedingungen ist. Die nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung mit Neutralstellung wird ausführlicher in der Beschreibung von 8 beschrieben. Das Verfahren 600 fährt mit 618 fort, nachdem die nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Regelung mit Neutralstellung angewandt wurde.
Bei 618 bestimmt das Verfahren 600 den erwarteten Kraftstoffwirtschaftlichkeitswert E1 für den Vorhersagehorizont (z. B. Straßengefälledaten im elektronischen Horizont) für Bedingungen, wenn das Fahrzeug mit einem Getriebe in Neutralstellung betrieben wird. In einem Beispiel beurteilt das Verfahren 600 die Kraftstoffwirtschaftlichkeit für Blöcke (z. B. Intervall zwischen Gefällewerten im elektronischen Horizont) im elektronischen Horizont, indem es ein Modell eines Kraftstoffverbrauchs der Antriebsleistungsquellen oder des Fahrzeugenergieverbrauchs indiziert, das die optimalen Drehmomentwerte für die bei 610 bestimmten Blöcke und die Antriebsleistungsquellendrehzahl verwendet. Das Fahrzeugenergieverbrauchsmodell speichert empirisch bestimmte Kraftstoff- oder Energieverbrauchsmengen und gibt die Mengen aus. Der Kraftstoff- oder Energieverbrauch für die Blöcke im elektronischen Horizontvektor wird im Speicher gespeichert und das Verfahren 600 fährt mit 620 fort.
Bei 620 entscheidet das Verfahren 600, ob erwünscht ist, das Fahrzeug mit dem Getriebe in Neutralstellung zu betreiben. In einem Beispiel lautet die Antwort Ja und das Verfahren 600 fährt als Antwort darauf, dass der erwartete Kraftstoffwirtschaftlichkeitswert E1 höher als der erwartete Kraftstoffwirtschaftlichkeitswert E0 ist, mit 622 fort. Anders ausgedrückt, wenn das Betreiben des Fahrzeugs in Neutralstellung eine höhere Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereitstellt, während die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb der oberen und unteren Geschwindigkeitsschwelle liegt, lautet die Antwort Ja und das Verfahren 600 fährt mit 622 fort. Wenn der erwartete Kraftstoffwirtschaftlichkeitswert E1 höher als der erwartete Kraftstoffwirtschaftlichkeitswert E0 ist oder wenn erwartet wird, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb der unteren Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle liegt, wenn das Getriebe des Fahrzeugs in Neutralstellung ist, lautet die Antwort Nein und das Verfahren 600 fährt mit 630 fort.
Bei 622 wählt das Verfahren 600 einen Regelungsverlauf aus, bei dem das Getriebe des Fahrzeugs in Neutralstellung ist. Der Verlauf ist die Ausgabe von Schritt 616 und umfasst einen Vektor oder eine Anordnung, der/die anfordert, dass das Getriebe des Fahrzeugs zumindest in einem Block des elektronischen Horizonts in Neutralstellung arbeitet. Der Verlauf umfasst auch einen Drehmomentbedarfsvektor oder eine Anordnung zum Betreiben der Antriebsleistungsquelle des Fahrzeugs im Leerlauf oder einem anderen Niedrigenergieverbrauchszustand (z. B. Stoppen des Motorbetriebs oder der Motordrehung). Das Verfahren 600 fährt mit 632 fort, nachdem der gewünschte Regelungsverlauf ausgewählt wurde.
Bei 630 wählt das Verfahren 600 einen Regelungsverlauf aus, bei dem das Getriebe des Fahrzeugs in einen Vorwärtsgang geschaltet ist. Der Verlauf ist die Ausgabe von Schritt 610 und umfasst einen Drehmomentbedarf zum Halten der Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb der oberen und unteren Fahrzeuggeschwindigkeitsschwellenwerte. Der Drehmomentbedarf sieht auch eine Minimierung des Fahrzeugkraftstoffverbrauchs vor. Das Verfahren 600 fährt mit 632 fort, nachdem der gewünschte Regelungsverlauf ausgewählt wurde.
Bei 632 wendet das Verfahren 600 Regelvorgänge auf Aktuatoren an und wartet anschließend auf eine nächste Abtastperiode. Die angewandten Regelvorgänge dienen dem Betreiben des Fahrzeugs im elektronischen Horizontblock, der der aktuellen Fahrzeugposition entspricht. Die Regelvorgänge basieren auf dem bei 622 und 630 gewählten Verlauf. Wenn der Regelvorgang das Ändern des Getriebebetriebszustands des Fahrzeugs von Neutral zu einem Vorwärtsgang oder umgekehrt umfasst, kann ein Zustand einer oder mehrerer Getriebekupplungen sich ändern, um das Getriebe in Neutralstellung oder einen Vorwärtsgang zu setzen. Die Antriebsleistungsquellenausgabe des Fahrzeugs kann als Antwort auf eine Änderung des angeforderten Antriebsleistungsquellendrehmoments angepasst werden, indem ein Zustand eines Drehmomentaktuators wie Drosselposition, Nockenzeitgebung, Frühzündung, Kraftstoffeinspritzzeitgebung oder eine Menge von Strom, der einer elektrischen Maschine zugeführt wird, geändert wird. Das Verfahren 600 kehrt zu 604 zurück, nachdem Regelvorgänge auf das Fahrzeug angewandt wurden.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 7 ist ein detailliertes Beispiel für ein numerisches Verfahren für nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelung dargestellt. Das Verfahren verwendet sequenzielle quadratische Programmierung (SQP), um das nichtlineare Optimierungsproblem zu lösen. Eine j-th-Iteration eines SQP-Lösers kann geschrieben werden als:
Die neue Iteration ist gegeben durch: x^j+1 = x^j + α^j·Δx^j, wobei α_j eine geeignete Schrittlänge ist. Die Auswahl von α_j ist wichtig, um eine schnelle Konvergenz des Algorithmus sicherzustellen. Im Allgemeinen kann ein geeigneter Wert durch Anwenden eines Liniensuchalgorithmus gefunden werden. Für Systeme mit relativ milden Nichtlinearitäten kann die Schrittlänge als eine Konstante gewählt werden, sie sollte jedoch auch so gewählt werden, dass die Kostenfunktion in allen vorhersehbaren Szenarios abnimmt.
Bei 704 empfängt das Verfahren 700 neue Daten von 606 von 6A. Alternativ dazu kann das Verfahren 700 Daten vom Speicher und Fahrzeugsensoren abrufen, wie bei 606 von 6A beschrieben. Das Verfahren 700 fährt mit 706 fort, nachdem neue Daten empfangen wurden.
Bei 706 führt das Verfahren 700 Simulationen und Linearisierungen durch. Die Simulationen und Linearisierungen werden auf den bei den Blöcken 512–518 beschriebenen Modellen durchgeführt. Es wird angenommen, dass ein nichtlineares System durch: dx(t) / dt = f(x(t), u(t)) y(t) = g(x(t), u(t)) beschrieben wird, wobei x der Systemzustand ist, u die Systemeingabe ist, y die Systemausgabe ist und f und g Funktionen bezeichnen. Simulieren des Systems über den Vorhersage- oder elektronischen Horizont kann erreicht werden, indem die obige gewöhnliche Differenzialgleichung numerisch durch einen geeigneten Löser gelöst wird, wie etwa ein Euler-Vorwärts-Grundverfahren. Ein Schritt des Euler-Verfahrens zur Zeit t_k = t₀ + kT_k kann geschrieben werden als: x(t_k+1) ≈ x(t_k) + T_s·f(x(t_k), u(t_k))
Die Linearisierung der obigen gewöhnlichen Differenzialgleichung zur Zeit t_k = t₀ + kT_s in einem Punkt x ^(t_k), u ^(t_k) kann geschrieben werden als:
wobei u(t_k) = u ^(t_k) + Δu(t_k) x(t_k) ≈ x ^(t_k) = Δx(t_k) y(t_k) ≈ y ^(t_k) + Δy(t_k)
Das linearisierte System wird diskretisiert, um eine endliche Parametrisierung in der Systemeingabe und Einschrittvorhersage zu erhalten: Δx(t_k+1) = A_kΔx(t_k) + B_kΔu(t_k) Δy(t_k) = C_kΔx(t_k) = D_kΔu(t_k)
Die ungefähre Diskretisierung kann geschrieben werden als:
Die Linearisierung wird bei jeder Abtastperiode für jeden Block im elektronischen oder Vorhersagehorizont bewertet, was das Bilden einer Empfindlichkeitsmatrix H für den vorhergesagten Verlauf zu den Systemeingaben ermöglicht. Die linearisierte Vorhersage der Systemausgabe kann geschrieben werden als: ΔY → = HΔU → wobei
Das Verfahren 700 fährt mit 708 fort, nachdem Simulation und Linearisierung durchgeführt wurden.
Bei 708 bildet das Verfahren 708 das Problem des quadratischen Programms (QP). Das QP-Problem wird basierend auf einer Kostenfunktion und Einschränkungen gebildet. In einem Beispiel kann die Kostenfunktion als:
ausgedrückt werden, wobei J die Kostenfunktionsvariable ist, N der Vorhersagehorizont basierend auf dem Vektor oder der Anordnung des elektronischen Horizonts ist, q_N eine Penalty zum Verfolgen der gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit am Ende des Vorhersagehorizonts ist, q_mavg die Penalty für den durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch auf dem vorhergesagten Horizont ist, q_vavg die Penalty für das Verfolgen der durchschnittlichen Fahrzeuggeschwindigkeit ist und r_T die Drehmomentbedarfsaktivität ist.
Der erste Term in der Kostenfunktion steht für die terminale Penalty (Fahrzeuggeschwindigkeit am Ende des Vorhersagehorizonts N). Der zweite Term ist der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch über den Vorhersagehorizont. Der dritte Term ist die durchschnittliche Fahrzeuggeschwindigkeit über den Vorhersagehorizont. Der vierte Term schließlich ist die Drehmomentaktivitätspenalty δT(t_k) = T(t_k) – T(t_k – 1) oder die Veränderung des Motor- oder Antriebsleistungsquellendrehmoments zwischen k Schritten. Die Kostenfunktionseinschränkungen können als: v_min – ε₁(t_k) ≤ v(t_k) ≤ v_max + ε₁(t_k), k = 1, 2, ..., N_vlim T_min ≤ T(t_k) ≤ T_max, k = 1, 2, ..., N_c D_min + t_pminv(t_k) ≤ D_l(t_k) + ε₂(t_k), k = 1, 2, ..., N_Dlim ausgedrückt werden, wobei N_{v lim} die Anzahl der Punkte des Fahrzeuggeschwindigkeitsgrenzwerts ist, N_{D lim} ein Abstandsgrenzwert eines Führungsfahrzeugs im Vorhersagehorizont ist und wobei ε₁(t_k) und ε₂(t_k) Hilfserweichungsvariablen sind. Die Hilfserweichungsvariablen ε₁(t_k) und ε₂(t_k) stehen für die Machbarkeit des resultierenden nichtlinearen Optimierungsproblems, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeitsgrenzwerte und der Abstandsgrenzwert des Führungsfahrzeugs als weiche Einschränkungen durch Einführen der Hilfserweichungsvariablen ε₁(t_k) und ε₂(t_k) behandelt werden. Es gilt anzumerken, dass der Mindestabstand zum Führungsfahrzeug aus zwei Teilen besteht. Der erste Teil D_min ist der spezifizierte Mindestabstand und der zweite Teil t_pminv(t_k) ist parametrisiert durch die Zeit t_pmin, die die spezifizierte Mindestzeit zum Erreichen des D_min-Abstands zwischen dem Haupt- und dem Führungsfahrzeug darstellt.
Die Optimierungsvariable J ist der Drehmomentverlauf (zusammen mit Erweichungsvariablen) über den Vorhersagehorizont. Ein Blockungsverfahren wird verwendet, um die Anzahl der Optimierungsvariablen mit dem Ziel zu reduzieren, die Echtzeitberechnung und Speicherzuweisung zu verringern. Folglich wird der Regelvorgang des Anpassens des Antriebsleistungsquellendrehmoments nicht in jeder Abtastperiode über den Vorhersagehorizont berechnet. Stattdessen werden mehrere Abtastzeiten geblockt (gruppiert) und es wird angenommen, dass der Regelvorgang innerhalb jedes Blocks fixiert ist (z. B. sich nicht verändert). Dies kann als eine lineare Transformation der Optimierungsvariable (Drehmoment) ausgedrückt werden: T → = B_blT →_bl wobei B_bl eine Transformations(Blockungs-)Matrix ist und Drehmomentverläufe
wobei n_bl die Gesamtanzahl von Blöcken ist und b ein Längenvektor ist, der eine Anzahl von Abtastungen in jedem einzelnen Block spezifiziert. Der Vektor T →_bl wird eine neue Optimierungsvariable, die den ursprünglichen Verlauf T → ersetzt. Das Verfahren 700 fährt mit 710 fort, nachdem das QP-Problem gebildet wurde.
Bei 710 löst das Verfahren 700 das QP-Problem. Die finale QP-Annäherung in der j-th-SQP-Iteration kann als:
beschrieben werden, wobei T → der Verlauf ist, j die Iteration ist, ε j* / v ein Vektor von Erweichungsvariablen für einen Fahrzeuggeschwindigkeitsgrenzwert ist, wobei v_min ≤ ε_v(t_k) ≤ v_max gilt, ε j* / D ein Vektor von Erweichungsvariablen für den Abstandsgrenzwert zum Führungsfahrzeug ist, wobei D_min ≤ ε_D(t_k) gilt, J^j die Kostenfunktions-j-th-Iteration wie oben beschrieben ist,
eine Kostenfunktion ist, die dem erweichten Fahrzeuggeschwindigkeitsgrenzwert zugeordnet ist, die durch
gegeben ist, und
eine Kostenfunktion ist, die dem erweichten Abstandsgrenzwert zum Führungsfahrzeug zugeordnet ist, die durch
gegeben ist. Das Verfahren 700 fährt mit 712 fort, nachdem das QP-Problem gelöst wurde.
Bei 712 aktualisiert oder revidiert das Verfahren 700 die Lösung. Gemäß dem oben beschriebenen SQP-Löser kann der Verlauf revidiert oder aktualisiert werden als: T →^j+1 = T →^j + α^j·ΔT →^j*
Der revidierte Drehmomentverlauf ist der Ausgangspunkt für die nächste (j + 1)-th-SQP-Iteration. Das Verfahren 700 fährt mit 714 fort, nachdem die Lösung revidiert wurde.
Bei 714 entscheidet das Verfahren 700, ob die Lösung zu einer optimalen Lösung konvergiert hat. In manchen Beispielen kann die Lösung mit der Kostenfunktion verglichen werden. Bei Problemen von zurückgehenden Horizonten kann jedoch bestimmt werden, dass die Lösung innerhalb einer vorbestimmten Anzahl von Iterationen (z. B. 1 oder 2) konvergiert. Wenn das Verfahren 700 entscheidet, dass die Lösung zu der optimalen Lösung konvergiert hat, lautet die Antwort Ja und das Verfahren 700 endet oder kehrt zu 610 von 6A zurück.
Daher passt das Verfahren von 7 ein Drehmomentkommando an, das einer Antriebsdrehmomentquelle zugeführt wird, die auf einen Abstand zwischen dem im Geschwindigkeitsregelmodus befindlichen Fahrzeug und einem Führungsfahrzeug vor dem im Geschwindigkeitsregelmodus befindlichen Fahrzeug reagiert, wenn das Fahrzeug in einem Vorwärtsgang arbeitet. Das Verfahren von 7 bestimmt auch ein optimales Fahrzeuggeschwindigkeitsprofil basierend auf Einschränkungen.
Nunmehr Bezug nehmend auf 8 ist ein beispielhaftes Verfahren für nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelung mit Kraftstoffoptimierung und mit Neutralwahl dargestellt. Neutralwahl bezieht sich darauf, dass der Regler die Fähigkeit besitzt, den Betriebszustand des Getriebes des Fahrzeugs von einem Vorwärtsgang zu Neutral oder umgekehrt zu ändern, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit im Geschwindigkeitsregelmodus zu verbessern. Indem befohlen wird, ein Getriebe auf Leerlauf zu stellen, kann es möglich sein, die Fahrzeuggeschwindigkeit auf flachen oder negativen Straßengefällen zu erhöhen oder beizubehalten, da Motorbremsung und manche Antriebsstrangverluste nicht einer teilweisen Gravitationskraft standhalten, die auf das Fahrzeug einwirkt, wenn ein Getriebe auf Leerlauf gestellt wird.
Der Betriebszustand des Getriebes ist eine binäre Variable, die einen Wert von 0 dafür aufweist, dass das Getriebe nicht auf Leerlauf gestellt ist, und einen Wert von 1 dafür aufweist, dass das Getriebe auf Leerlauf gestellt ist. Wenn der elektronische oder Vorhersagehorizont aus N_d Punkten besteht, lautet die Anzahl möglicher Betriebszustandskombinationen des Getriebes zum Betreiben des Getriebes in einem Gang oder Neutral 2^Nd. Daher kann der Algorithmus von 8 2^Nd ausgeführt werden, um zur Mindestkostenfunktion zu gelangen. Um den Rechenaufwand des Reglers zu verringern, kann es jedoch wünschenswert sein, nur einmal für einen ersten Block im elektronischen oder Vorhersagehorizont zu iterieren.
Bei 804 empfängt das Verfahren 800 neue Daten von 606 von 6A. Alternativ dazu kann das Verfahren 800 Daten vom Speicher und Fahrzeugsensoren abrufen, wie bei 606 von 6A beschrieben. Das Verfahren 800 fährt mit 806 fort, nachdem neue Daten empfangen wurden.
Bei 806 wählt das Verfahren 800 einen oder mehrere vorbestimmte Neutral-Verläufe auf dem elektronischen oder Vorhersagehorizont mit geeigneten Kombinationen von Neutral-Einrückung, die eine fixe Dauer und Startposition im elektronischen oder Vorhersagehorizont aufweisen. Alle vorbestimmten Neutral-Verläufe werden zusammen mit entsprechenden berechneten Drehmomentverläufen in Bezug auf Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs und Einschränkungsverletzungen bewertet. Ein Verlauf, der nicht bewertet wurde, wird bei 806 ausgewählt.
Bei 808 wird das bei 706–714 von 7 beschriebene SQP-Verfahren durchgeführt, um einen Drehmomentverlauf zu bestimmen, der dem bei 806 ausgewählten vorbestimmten Neutral-Verlauf entspricht. Ferner wird eine entsprechende Schätzung von Kraftstoffwirtschaftlichkeit Ei auf dem Vorhersagehorizont berechnet und im Speicher gespeichert, wie bei 612 von 6A beschrieben. Es gilt anzumerken, dass zum Bewerten von Neutral-Einrückungen das Antriebsleistungsquellendrehmoment auf einen niedrigen Wert wie etwa null oder ein Motorleerlaufdrehmoment gesetzt wird, wenn Bedingungen der Neutral-Einrückung bewertet werden, sodass der Antriebsleistungsquellenenergieverbrauch oder Kraftstoffverbrauch exakt ist. Das Verfahren 800 fährt mit 810 fort, nachdem das SQP-Verfahren durchgeführt wurde.
Bei 810 entscheidet das Verfahren 800, ob alle Kombinationen von Neutral-Einrückung bewertet wurden. Wenn ja, lautet die Antwort Ja und das Verfahren 800 fährt mit 812 fort. Andernfalls lautet die Antwort Nein und das Verfahren 800 kehrt zu 806 zurück und der nächste Neutral-Verlauf wird bewertet.
Bei 812 wählt das Verfahren 800 einen Neutral-Verlauf und einen entsprechenden Drehmomentverlauf aus, der die beste Kraftstoffwirtschaftlichkeit aus den Kombinationen von Neutral-Verläufen bereitstellt. Das Verfahren 800 wird abgebrochen oder kehrt zu 620 von 6B zurück.
Daher bewertet das Verfahren von 8 den Betrieb eines Fahrzeugs mit einem Getriebe in Neutralstellung, während das Fahrzeug sich in einem Geschwindigkeitsregelmodus befindet, ohne dass das Fahrzeug tatsächlich in Neutralstellung sein muss. Die Bewertung basiert zumindest teilweise auf Straßenverhältnissen, auf die das Fahrzeug erwartungsgemäß zu einem zukünftigen Zeitpunkt trifft, wobei die Straßenverhältnisse zum zukünftigen Zeitpunkt auf einer im Speicher gespeicherten Karte von Straßenverhältnissen basieren.
Das Verfahren von 6A–8 sieht ein Fahrzeuggeschwindigkeitsregelverfahren vor, das Folgendes umfasst: das Empfangen von Fahrzeuginformationen von einem oder mehreren Sensoren an einen Regler; das Bereitstellen eines Drehmomentbefehls, der auf eine Ausgabe einer vom Regler ausgeführten adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine reagiert; und das Anpassen eines Drehmomentaktuators einer Antriebsdrehmomentquelle, die auf den Drehmomentbefehl reagiert. Das Verfahren umfasst den Fall, dass die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine selektives Schalten eines Getriebes in Neutralstellung vorsieht, während sich das Fahrzeug in einem Geschwindigkeitsregelmodus befindet. Das Verfahren umfasst den Fall, dass der Drehmomentbefehl innerhalb eines ersten Schwellenbereichs liegt, der durch eine erste untere Drehmomentschwelle und eine erste obere Drehmomentschwelle begrenzt ist, wenn die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine Daten von einem konvex geformten Fahrzeugverbrauchsmodell empfängt, während das Fahrzeug unter einem ersten Satz von Bedingungen arbeitet. Das Verfahren umfasst den Fall, dass der Drehmomentbefehl innerhalb eines zweiten Schwellenbereichs liegt, der durch eine zweite untere Drehmomentschwelle und eine zweite obere Drehmomentschwelle begrenzt ist, wenn die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine Daten von einem nichtkonvex geformten Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell empfängt, während das Fahrzeug unter dem ersten Satz von Bedingungen arbeitet, wobei der zweite Schwellenbereich eine größere Drehmomentdifferenz zwischen der zweiten unteren Drehmomentschwelle und der zweiten oberen Drehmomentschwelle als die Drehmomentdifferenz zwischen der ersten unteren Drehmomentschwelle und der ersten oberen Drehmomentschwelle aufweist und die zweite untere Drehmomentschwelle niedriger als die erste untere Drehmomentschwelle ist. Das Verfahren umfasst den Fall, dass die Antriebsdrehmomentquelle ein Motor ist, dass der Drehmomentbefehl auf einem Vorhersagehorizont basiert und dass der Vorhersagehorizont Straßengefälledaten umfasst. Das Verfahren umfasst den Fall, dass der Drehmomentbefehl ferner auf einem Zustand eines Führungsfahrzeugs vor einem Fahrzeug, das den Regler umfasst, basiert.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 9A ist ein Diagramm eines beispielhaften konvexen Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells dargestellt. Das Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell kann in manchen Beispielen auch als Abbildung bezeichnet werden. Die vertikale Achse stellt die Kraftstoffdurchflussmenge zu einem Motor dar. Die horizontalte Achse stellt das Motordrehmoment dar. Die in die Zeichnungsebene gerichtete Achse stellt die Drehzahl des Motors dar. Das Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell speichert empirisch bestimmte Werte von Kraftstoffverbrauch oder Verwendungsmenge entsprechend ausgewählten Motordrehzahlen und Drehmomenten. Die Kraftstoffverbrauchswerte bilden eine konvexe Oberfläche, wenn sie wie dargestellt und von einer Perspektive der horizontalen Achse aus betrachtet verbunden sind. Die Form des Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells kann sich mit dem Kraftstofftyp (z. B. Benzin, Alkohol und Benzin, Alkohol), Motorumgebungsbetriebsbedingungen und anderen Bedingungen ändern. Die Form des Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells (z. B. konvex, nichtkonvex, affin) kann die Reglerausgabe beeinflussen, da die optimale Drehmomentlösung auch für den Mindestkraftstoffverbrauch optimiert wird. Die Form des Fahrzeugkraftstoffmodells und die erwartete Reglerausgabe können von Werten von Koeffizienten eines Polynoms bestimmt werden, das das Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell beschreibt. Wenn die Koeffizienten beispielsweise angeben, dass das Fahrzeugkraftstoffmodell konvex ist, stellt der in 6A–8 beschriebene Regler eine Schmalbanddrehmomentanfrage bereit, die zwischen einer oberen Drehmomentschwelle und einer unteren Drehmomentschwelle variiert, wobei die untere Drehmomentschwelle größer als ein Drehmoment von null ist. Die Drehmomentlösungsausgabe durch den Regler von 6A–8 kann als eine konstante Drehmomentlösung für ein konvexes Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell bezeichnet werden, obwohl das angeforderte Drehmoment variiert, um die Fahrzeuggeschwindigkeit beizubehalten. Die Schmalbanddrehmomentanfrage, die durch den Regler für das konvexe Fahrzeugverbrauchsmodell ausgegeben wird, umfasst eine untere Drehmomentschwelle, deren Drehmoment höher ist als eine untere Drehmomentschwelle für ein nichtkonvexes Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell. Ferner umfasst die Schmalbanddrehmomentanfrage, die durch den Regler für das konvexe Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell ausgegeben wird, eine obere Drehmomentschwelle, deren Drehmoment niedriger als eine obere Drehmomentschwelle für das nichtkonvexe Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell ist.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 9B ist ein Diagramm eines beispielhaften nichtkonvexen Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells dargestellt. Das Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell kann in manchen Beispielen auch als Abbildung bezeichnet werden. Die vertikale Achse stellt die Kraftstoffdurchflussmenge zu einem Motor dar. Die horizontale Achse stellt das Motordrehmoment dar. Die in die Zeichnungsebene hinein gerichtete Achse ist die Motordrehzahl. Das Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell speichert empirisch bestimmte Werte von Kraftstoffverbrauch oder Verwendungsmenge entsprechend ausgewählten Motordrehzahlen und Drehmomenten. Die Kraftstoffverbrauchswerte bilden eine nichtkonvexe Oberfläche, wenn sie wie dargestellt und von einer Perspektive der horizontalen Achse aus betrachtet verbunden sind. Die Drehmomentlösungsausgabe vom Regler von den 6A–8 kann als eine Impuls- und Gleitdrehmomentlösung bezeichnet werden. Die Drehmomentanfrage ist impulsförmig und schwingt von einem bei den Rädern angeforderten Drehmoment von null zu höheren Drehmomentwerten, als wenn eine gleiche Route im gleichen Fahrzeug gefahren wird, wenn das Kraftstoffmodell konvex ist. Daher gibt der Regler der 6A–8 für ein gleiches Fahrzeug, das eine gleiche Route unter gleichen Bedingungen mit Ausnahme der Form des Kraftstoffverbrauchsmodells fährt, die konstante Drehmomentlösung für ein konvexes Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell und eine Impuls- und Gleitdrehmomentlösung für ein nichtkonvexes Kraftstoffverbrauchsmodell aus. Die Impuls- und Gleitdrehmomentlösung erfordert ein Drehmoment von null bei den Fahrzeugrädern an Zeiten, zu denen das Fahrzeug gleitet oder leerläuft. Neutral-Einrückung kann besonders nützlich sein für nichtkonvexe Kraftstoffverbrauchsmodelle, da Neutral-Einrückung die Gleit- oder Nulldrehmomentdauer verlängern kann. Die Impuls- und Gleitdrehmomentlösung erfordert auch höhere Drehmomente als die konstante Drehmomentlösung. Daher kann die Reglerdrehmomentlösung (z. B. konstantes Drehmoment oder Impuls und Gleiten) durch die Form des Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells bestimmt werden.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 10 ist eine beispielhafte Fahrzeuggeschwindigkeitsregelsequenz für das System der 1–5 und das Verfahren der 6A–8 dargestellt. Die vertikalen Markierungen zu den Zeitpunkten T1–T4 stehen für Zeitpunkte von Interesse während der Sequenz. Alle Kurven erfolgen zu einer gleichen Zeit und zu gleichen Fahrzeugbetriebsbedingungen. Im Geschwindigkeitsregelmodus wird der Fahrzeugrad-Drehmomentbefehl oder Antriebsleistungsquellendrehmomentbefehl durch einen Regler, der nicht ein Fahrer ist, bereitgestellt. Der Regler weist Zielvorgaben im Geschwindigkeitsregelmodus auf, die die Drehmomentbedarfsausgabe durch den Regler beeinflussen, und die Zielvorgaben können zumindest teilweise durch Einschränkungen wie zum Beispiel Minimieren des Kraftstoffverbrauchs, Halten der Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb der oberen und unteren Schwellengeschwindigkeit, die einen gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich definieren, Neutralverwendungsvorteil, maximale Neutraldauer und maximales Raddrehmoment definiert sein. Der Regler kann den Drehmomentbedarf im Geschwindigkeitsregelmodus variieren, um die Fahrzeuggeschwindigkeit ohne Fahrereingabe an den Regler oder ohne Anforderung von Drehmoment von einer Antriebsleistungsquelle durch den Fahrer innerhalb des gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichs zu halten. Daher kann der Drehmomentbefehl im Geschwindigkeitsregelmodus auf einer gewünschten vom Fahrer angeforderten Fahrzeuggeschwindigkeit basieren. Ein Regler kann Drehmoment einer Antriebsdrehmomentquelle anpassen, um die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit zu erreichen.
Die erste Kurve vom oberen Ende von 10 aus ist eine Kurve einer berechneten maximalen Neutraldauer über Zeit. Die maximale Neutraldauer entspricht einer Dauer, während der ein Getriebe auf Leerlauf gestellt sein kann, während gleichzeitig die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb eines gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichs gehalten wird. Die maximale Neutraldauer kann durch ein Modell geschätzt werden, das im Verfahren der 6A–8 beschrieben ist. Die horizontale Achse steht für die Zeit, und die Zeit nimmt von der linken Seite der Kurve zur rechten Seite der Kurve zu. Die vertikale Achse steht für die maximale Neutraldauer, und die maximale Neutraldauer nimmt in Richtung des Pfeils der vertikalen Achse zu. Die horizontale Linie 1002 steht für eine maximale Schwellenneutraldauer, die zu überschreiten ist, damit das Getriebe in Neutralstellung befohlen werden kann, wenn sich das Getriebe in einem Gang befindet.
Die zweite Kurve vom oberen Ende von 10 aus ist eine Kurve eines berechneten Neutralverwendungsvorteils über Zeit. Der Verwendungsvorteil entspricht der Fahrzeugkraftstoffwirtschaftlichkeit, während das Getriebe des Fahrzeugs auf Leerlauf gestellt ist. Der Neutralverwendungsvorteil kann geschätzt werden, indem die Fahrzeugkraftstoffwirtschaftlichkeit für eine Neutralstellung des Getriebes bestimmt wird. Die horizontale Achse steht für die Zeit, und die Zeit nimmt von der linken Seite der Kurve zur rechten Seite der Kurve zu. Die vertikale Achse steht für den Neutralverwendungsvorteil, und der Vorteil nimmt in Richtung des Pfeils der vertikalen Achse zu. Die horizontale Linie 1004 steht für einen Schwellen-Neutralverwendungsvorteil, der zu überschreiten ist, damit das Getriebe in Neutralstellung befohlen werden kann, wenn sich das Getriebe in einem Gang befindet.
Die dritte Kurve vom oberen Ende von 10 aus ist eine Kurve von Getriebezustand über Zeit. Der Getriebezustand gibt an, ob sich das Getriebe in Neutralstellung oder in einem Gang befindet. Die horizontale Achse steht für die Zeit, und die Zeit nimmt von der linken Seite der Kurve zur rechten Seite der Kurve zu. Die vertikale Achse steht für einen Getriebezustand. Das Getriebe ist in Neutralstellung, wenn die Kurve auf einem höheren Niveau nahe dem Pfeil der vertikalen Achse ist. Das Getriebe ist in einem Gang, wenn die Kurve auf einem niedrigeren Niveau nahe der horizontalen Achse ist.
Die vierte Kurve vom oberen Ende von 10 aus ist eine Kurve von Fahrzeuggeschwindigkeit über Zeit. Die horizontale Achse steht für die Zeit, und die Zeit nimmt von der linken Seite der Kurve zur rechten Seite der Kurve zu. Die vertikale Achse steht für Fahrzeuggeschwindigkeit, und Fahrzeuggeschwindigkeit nimmt in Richtung des Pfeils der vertikalen Achse zu. Die horizontale Linie 1006 steht für eine untere Schwellenfahrzeuggeschwindigkeit. Die Zielvorgabe des Fahrzeuggeschwindigkeitsreglers besteht darin, die Fahrzeuggeschwindigkeit oberhalb der Schwelle 1006 zu halten, während sich das Fahrzeug im Geschwindigkeitsregelmodus befindet.
Zum Zeitpunkt T0 ist das Fahrzeug im Geschwindigkeitsregelmodus. Die maximale Neutraldauer nimmt von einem mittleren Niveau zu und die Fahrzeuggeschwindigkeit nimmt von einem höheren Niveau innerhalb des durch die Geschwindigkeitsregelung gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichs ab. Solche Bedingungen können darauf hindeuten, dass sich das Fahrzeug einer Spitze eines Hügels annähert. Der Neutralverwendungsvorteil nimmt von einem niedrigeren Niveau zu und das Getriebe ist in einem Vorwärtsgang.
Zwischen dem Zeitpunkt T0 und dem Zeitpunkt T1 nimmt die Fahrzeuggeschwindigkeit weiter ab und die maximale Neutraldauer nimmt zu einem Wert oberhalb der Schwelle 1002 zu. Der Neutralverwendungsvorteil bleibt unterhalb der Schwelle 1004 und das Getriebe bleibt in einem Vorwärtsgang. Der Getriebezustand ändert sich nicht, obwohl die maximale Neutraldauer die Schwelle 1002 zeitweise überschreitet, da der Neutralverwendungsvorteil die Schwelle 1004 nicht überschreitet.
Zum Zeitpunkt T1 ändert sich der Getriebezustand von einem Vorwärtsgang zu Neutral. Das Getriebe wird zu Neutral geschaltet, und zwar als Antwort darauf, dass die maximale Neutraldauer größer als die Schwelle 1002 ist und der Neutralverwendungsvorteil größer als die Schwelle 1004 ist. Die Fahrzeuggeschwindigkeit beginnt als Antwort darauf, dass sich das Getriebe in Neutralstellung befindet, langsam abzunehmen.
Zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeitpunkt T2 nimmt die Fahrzeuggeschwindigkeit weiter ab und das Getriebe bleibt in Neutralstellung. Die maximale Neutraldauer fällt unter die Schwelle 1002, und der Neutralverwendungsvorteil fällt unter die Schwelle 1004. Dennoch bleibt das Getriebe in Neutralstellung, um den Fahrzeugkraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteil des Gleitens oder Leerlaufens in Neutralstellung zu verlängern.
Zum Zeitpunkt T2 nimmt die Fahrzeuggeschwindigkeit zum Schwellenniveau 1006 hin ab, und das Getriebe wird als Antwort darauf, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit auf dem oder unterhalb des Schwellenniveaus 1006 ist, in einen Vorwärtsgang geschaltet. Die maximale Neutraldauer ist niedriger als das Schwellenniveau 1002, und der Neutralverwendungsvorteil ist niedriger als das Schwellenniveau 1004.
Zwischen dem Zeitpunkt T2 und dem Zeitpunkt T3 bleibt das Getriebe in einen Vorwärtsgang geschaltet und die Fahrzeuggeschwindigkeit nimmt zu. Die maximale Neutraldauer überschreitet auch die Schwelle 1002. Der Neutralverwendungsvorteil ist niedriger als die Schwelle 1004. Das Getriebe nimmt nicht Neutralstellung ein, da die Schwelle 1004 nicht überschritten wird.
Zum Zeitpunkt T3 ändert sich der Getriebezustand von einem Vorwärtsgang zu Neutral. Das Getriebe wird zu Neutral geschaltet, und zwar als Antwort darauf, dass die maximale Neutraldauer größer als die Schwelle 1002 ist und der Neutralverwendungsvorteil größer als die Schwelle 1004 ist. Die Fahrzeuggeschwindigkeit beginnt als Antwort darauf, dass sich das Getriebe in Neutralstellung befindet, langsam abzunehmen.
Zwischen dem Zeitpunkt T3 und dem Zeitpunkt T4 nimmt die Fahrzeuggeschwindigkeit weiter ab und das Getriebe bleibt in Neutralstellung. Die maximale Neutraldauer fällt unter die Schwelle 1002, und der Neutralverwendungsvorteil fällt unter die Schwelle 1004. Das Getriebe bleibt in Neutralstellung, um den Fahrzeugkraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteil des Gleitens oder Leerlaufens in Neutralstellung zu verlängern.
Zum Zeitpunkt T4 nimmt die Fahrzeuggeschwindigkeit zum Schwellenniveau 1006 hin ab und das Getriebe wird als Antwort darauf, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit auf dem oder unterhalb des Schwellenniveaus 1006 ist, in einen Vorwärtsgang geschaltet. Die maximale Neutraldauer ist niedriger als das Schwellenniveau 1002, und der Neutralverwendungsvorteil ist niedriger als das Schwellenniveau 1004.
Auf diese Weise kann ein Getriebe selektiv in und aus Neutralstellung geschaltet werden, um die Fahrzeugkraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern. Der Fahrzeugregler schaltet selektiv in Neutralstellung, und zwar abhängig von Bedingungen wie Fahrzeugbetriebsbedingungen und einem Straßengefälle- oder Straßenneigungswert im Vorhersage- oder elektronischen Horizont. Der Regler kann arbeiten, um das Getriebe als Antwort auf ein negatives Straßengefälle und andere Fahrzeugbedingungen in Neutralstellung zu schalten. Ferner kann der Regler arbeiten, um das Getriebe als Antwort auf eine Veränderung des Straßengefälles von einem positiven Gefälle zu einem negativen Gefälle oder Gefälle von null, wie vom Vorhersage- oder elektronischen Horizont bestimmt, in Neutralstellung zu schalten.
Es gilt anzumerken, dass die hierin enthaltenen beispielhaften Regel- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Ferner können die hierin beschriebenen Verfahren eine Kombination von Maßnahmen, die von einem Regler in der physischen Welt gesetzt werden, und Befehlen innerhalb des Reglers sein. Die hierin offenbarten Regelverfahren und -routinen können als ausführbare Befehle in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden und können vom Regelsystem einschließlich des Reglers in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und anderer Motor-Hardware ausgeführt werden. Die spezifischen hierin beschriebenen Routinen können für eine oder mehrere jeglicher Anzahl von Verarbeitungsstrategien wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multi-Tasking, mehrgängig und dergleichen stehen. Als solche können verschiedene veranschaulichte Maßnahmen, Operationen und/oder Funktionen in der veranschaulichten Sequenz, parallel, durchgeführt werden oder in manchen Fällen weggelassen werden. Ebenso ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht notwendigerweise erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, sondern sie dient der besseren Veranschaulichung und Beschreibung. Eine oder mehrere der veranschaulichten Maßnahmen, Operationen und/oder Funktionen können wiederholt durchgeführt werden, abhängig von der konkreten verwendeten Strategie. Ferner können die beschriebenen Maßnahmen, Operationen und/oder Funktionen Code graphisch darstellen, der in einen nichtflüchtigen Speicher des Computerlesbaren Speichermediums im Motorregelsystem zu programmieren ist, wenn die beschriebenen Maßnahmen durchgeführt werden, indem die Befehle in einem System ausgeführt werden, das die verschiedenen Motor-Hardwarekomponenten in Kombination mit dem elektronischen Regler umfasst.
Dies beschließt die Beschreibung. Durch die Lektüre derselben werden für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung viele Änderungen und Modifikationen ersichtlich, ohne dabei vom Sinn und Schutzumfang der Beschreibung abzuweichen. Beispielsweise könnten I3-, I4-, I5-, V6-, V8-, V10- und V12-Motoren, die mit Erdgas, Benzin, Diesel oder alternativen Kraftstoffkonfigurationen arbeiten, die vorliegende Erfindung zu ihrem Vorteil nutzen.

Die folgenden Patentansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Subkombinationen auf, die als neuartig und nicht offensichtlich angesehen werden. Diese Patentansprüche können sich auf „ein” Element oder „ein erstes” Element oder dessen Äquivalent beziehen. Solche Patentansprüche sollen so verstanden werden, dass sie die Aufnahme eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen und zwei oder mehr solcher Elemente weder erfordern noch ausschließen. Weitere Kombinationen und Subkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch eine Änderung der vorliegenden Patentansprüche oder durch Vorlage neuer Patentansprüche in dieser oder einer ähnlichen Anwendung beansprucht werden. Solche Patentansprüche, seien sie gegenüber den ursprünglichen Patentansprüchen weiter, enger, gleich oder unterschiedlich im Schutzumfang, werden auch als innerhalb des Gegenstands der vorliegenden Offenbarung enthalten angesehen. Zeichenerklärung Fig. 6A

START	START
INITIALIZE CONTROL PARAMETERS	REGELPARAMETER INITIALISIEREN
CRUISE CONTROL DESIRED?	GESCHWINDIGKEITSREGELUNG ERWÜNSCHT?
NO	NEIN
EXIT	ABBRUCH
YES	JA
RECEIVE NEW DATA	NEUE DATEN EMPFANGEN
ADAPT MODEL PARAMETERS AND UPDATE OBSERVERS	MODELLPARAMETER ANPASSEN UND BEOBACHTER AKTUALISIEREN
NONLINEAR MODEL PREDICTIVE CRUISE CONTROL WITH FUEL OPTIMIZATION	NICHTLINEARE, MODELLBASIERTE, PRÄDIKTIVE GESCHWINDIGKEITSREGELUNG MIT KRAFTSTOFFOPTIMIERUNG
DETERMINE FUEL ECONOMY E0	KRAFTSTOFFWIRTSCHAFTLICHKEIT E0 BESTIMMEN
CONTROLLER WITHOUT NEUTRAL SELECT	REGLER OHNE NEUTRALWAHL
DETERMINE MAXIMUM NEUTRAL ENGAGEMENT TIME TO ACHIEVE LOWER VELOCITY THRESHOLD	MAXIMALE ZEIT VON NEUTRAL-EINRÜCKUNG BESTIMMEN, UM UNTERE GESCHWINDIGKEITSSCHWELLE ZU ERREICHEN
NONLINEAR MODEL PREDICTIVE CRUISE CONTROL WITH FUEL OPTIMIZATION	NICHTLINEARE, MODELLBASIERTE, PRADIKTIVE GESCHWINDIGKEITSREGELUNG MIT KRAFTSTOFFOPTIMIERUNG
DETERMINE FUEL ECONOMY E1	KRAFTSTOFFWIRTSCHAFTLICHKEIT E1 BESTIMMEN
CONTROLLER WITH NEUTRAL SELECT	REGLER MIT NEUTRALWAHL
FROM FIG. 6B	VON FIG. 6B
TO FIG. 6B	ZU FIG. 6B

Claims

Fahrzeugsystem, umfassend: ein Fahrzeug, das eine Antriebsdrehmomentquelle umfasst; und eine Steuerung im Fahrzeug, wobei die Steuerung in einem nichtflüchtigen Speicher gespeicherte ausführbare Befehle umfasst, wobei die Befehle eine adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine umfassen.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine ein Fahrdynamikmodell und Befehle zum Anpassen des Fahrdynamikmodells umfasst.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 2, wobei das Fahrdynamikmodell durch rekursive kleinste Quadrate angepasst ist.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine ein Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell und Befehle zum Anpassen des Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodells umfasst.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 4, wobei das Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell durch rekursive kleinste Quadrate angepasst ist.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei die adaptive, nichtlineare, modellbasierte prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine ein Fahrdynamikmodell und ein Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell in Echtzeit anpasst, während das Fahrzeug auf einer Straße in einem Geschwindigkeitsregelmodus betrieben wird.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine einen Drehmomentbedarf an die Antriebsdrehmomentquelle ausgibt.
Fahrzeugsystem, umfassend: ein Fahrzeug, das eine Antriebsdrehmomentquelle umfasst; und eine Steuerung im Fahrzeug, wobei die Steuerung in einem nichtflüchtigen Speicher gespeicherte ausführbare Befehle umfasst, wobei die Befehle eine adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine mit Getriebeneutralzustandsaktivierung umfassen.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 8, ferner umfassend ein Getriebe, das mit der Antriebsdrehmomentquelle gekoppelt ist, wobei die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle zum Bewerten des Betriebs des Fahrzeugs mit dem Getriebe in Neutralstellung umfassen.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 8, wobei die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle zum Bewerten des Betriebs des Fahrzeugs bei Straßenverhältnissen umfassen, auf die das Fahrzeug erwartungsgemäß zu einem zukünftigen Zeitpunkt trifft.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 10, wobei die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle zum Bewerten des Betriebs des Fahrzeugs bei Straßenverhältnissen umfassen, auf die das Fahrzeug erwartungsgemäß zu dem zukünftigen Zeitpunkt trifft, als Reaktion auf einen Vorhersagehorizont, der auf abgebildeten Straßenverhältnissen basiert.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 8, wobei die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle umfassen, einen Befehl an die Antriebsdrehmomentquelle auszugeben.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 8, wobei die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle umfassen, einen Drehmomentbefehl anzupassen, der der Antriebsdrehmomentquelle zugeführt wird, als Reaktion auf Daten, die von einem Führungsfahrzeug abgeleitet sind, das auf einer gleichen Straße wie das Fahrzeug betrieben wird.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 8, wobei die Befehle der adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine Befehle umfassen, ein optimales Fahrzeuggeschwindigkeitsprofil und entsprechendes Drehmomentprofil basierend auf einem vorhergesagten Straßengefälle vor einer aktuellen Position des Fahrzeugs zu bestimmen.
Fahrzeuggeschwindigkeitsregelverfahren, umfassend: das Empfangen von Fahrzeuginformationen von einem oder mehreren Sensoren an eine Steuerung; das Bereitstellen eines Drehmomentbefehls, der auf die Ausgabe einer durch die Steuerung ausgeführten adaptiven, nichtlinearen, modellbasierten, prädiktiven Geschwindigkeitsregelroutine reagiert; und das Anpassen eines Drehmomentaktuators einer Antriebsdrehmomentquelle, die auf den Drehmomentbefehl reagiert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine das selektive Schalten eines Getriebes eines Fahrzeugs in Neutralstellung vorsieht, während das Fahrzeug in einem Geschwindigkeitsregelmodus arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Drehmomentbefehl innerhalb eines ersten Schwellenbereichs liegt, der durch eine erste untere Drehmomentschwelle und eine erste obere Drehmomentschwelle begrenzt ist, wenn die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine Daten von einem konvex geformten Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell empfängt, während das Fahrzeug unter einem ersten Satz von Bedingungen arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Drehmomentbefehl innerhalb eines zweiten Schwellenbereichs liegt, der durch eine zweite untere Drehmomentschwelle und eine zweite obere Drehmomentschwelle begrenzt ist, wenn die adaptive, nichtlineare, modellbasierte, prädiktive Geschwindigkeitsregelroutine Daten von einem nichtkonvex geformten Fahrzeugkraftstoffverbrauchsmodell empfängt, während das Fahrzeug unter dem ersten Satz von Bedingungen arbeitet, wobei der zweite Schwellenbereich größer als der erste Schwellenbereich ist und die zweite untere Drehmomentschwelle niedriger als die erste untere Drehmomentschwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Antriebsdrehmomentquelle ein Motor ist, wobei der Drehmomentbefehl auf einem Vorhersagehorizont basiert und wobei der Vorhersagehorizont Straßengefälledaten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Drehmomentbefehl ferner auf einem Zustand eines Führungsfahrzeugs vor einem Fahrzeug, das die Steuerung umfasst, basiert.