DE10345319A1

DE10345319A1 - Voraussagende Geschwindigkeitssteuerung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10345319A1
Application number: DE10345319A
Authority: DE
Inventors: Thomas Portland Conolly; Konstantin Dipl.-Ing. Neiss; Stephan Terwen
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2004-06-03
Also published as: US6990401B2; US20040068359A1

Abstract

Ein voraussagendes Tempomatsystem verwendet Informationen über die gegenwärtige Fahrzeugposition wie auch das bevorstehende Gelände, um Kraftstoff zu sparen und den Fahrkomfort zu erhöhen. Eine Fahrzeugbetriebskostenfunktion ist auf Basis mehrerer Umgebungsparameter, Fahrzeugparameter, Fahrzeugbetriebsparameter und Streckenparameter definiert. Während sich das Fahrzeug über eine bestimmte Strecke fortbewegt, für die Streckenparameter wie etwa die Straßenneigung und die Krümmung in einer Straßenkarte gespeichert sind, stellen Sensoren an Bord des Fahrzeugs die Umgebungs- und die Fahrzeugbetriebsparameter, die zumindest die Fahrzeuggeschwindigkeit und seine Position in bezug auf die Straßenkarte beinhalten, fest. Während sich das Fahrzeug fortbewegt, berechnet ein Bordcomputer Fahrzeugsteuerparameter, die die Fahrzeugbetriebskostenfunktion für einen vorherbestimmten Voraussagehorizont entlang der Strecke vor dem Fahrzeug optimieren, iterativ und speichert sie in einem Speicher. Die optimalen Fahrzeugsteuerparameter für den Voraussagehorizont werden dann in einem Speicher gespeichert und fortwährend aktualisiert und durch neue Daten ersetzt, während sich das Fahrzeug fortbewegt, wodurch die "optimalen" Steuerparameter so eingestellt werden, daß sie die tatsächliche fahrzeughistorische Betriebserfahrung während der Reise widerspiegeln. Das Fahrzeug wird dann durch Auslesen der optimierten aktualisierten Fahrzeugsteuerparameter aus dem Speicher entsprechend der gegenwärtigen ...

Description

Die vorliegende Erfindung zielt auf eine Tempomateinheit für ein Kraftfahrzeug ab, die die Fahrzeugbetriebskosten auf Basis einer Analyse von Fahrzeugbetriebsparametern und Streckeninformationen hinsichtlich eines Streckenabschnitts vor dem Fahrzeug minimiert.

Herkömmliche Tempomatsysteme versuchen, die Fahrzeuggeschwindigkeit bei einem voreingestellten Wert zu halten, der gewöhnlich durch einen Betreiber des Fahrzeugs in das System eingegeben wird. Zu diesem Zweck beinhaltet das System Sensoren zum Feststellen der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit, die in eine Steuerung eingegeben und mit der gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit verglichen wird. Die Drossel des Fahrzeugs wird dann auf Basis eines Fehlersignals und eines Steueralgorithmus eingestellt. Derartige geschlossene Steuersysteme, die eine Proportional-, eine Proportional-Integral- oder eine Proportional-Integral-Differential-Regelung verwenden können, sind wohlbekannt. Zusätzlich können derartige Systeme auch Sensoren zum Feststellen von Hindernissen auf dem Weg des Fahrzeugs und zum entsprechenden Einstellen der Fahrzeuggeschwindigkeit beinhalten (müssen dies jedoch nicht).

Ein Nachteil herkömmlicher Tempomatsysteme ist, daß sie versäumen, Umgebungsparameter hinsichtlich der Strecke, die befahren wird, wie etwa die Straßenneigung oder die Straßenkrümmung in Betracht zu ziehen. Somit versucht das herkömmliche Tempomatsystem, eine Fahrzeuggeschwindigkeit unabhängig davon, ob sich das Fahrzeug auf einer Steigung oder einem Gefälle befindet oder sich einer scharfen Kurve der Straße nähert, beim eingestellten Wert zu halten. Wenn ein Fahrzeug jedoch seine Geschwindigkeit an einer Steigung bei einem gewünschten Wert hält, wird es auf dem bergab führenden Abschnitt Geschwindigkeit aufnehmen und die gewünschte Geschwindigkeit möglicherweise überschreiten, so daß der Betreiber des Fahrzeugs eingreifen und die Fahrzeugbremsen betätigen muß. Da das Tempomatsystem die Fahrzeuggeschwindigkeit auch beim Einfahren in eine Kurve beibehält, wird es in gleicher Weise häufig nötig sein, daß der Fahrzeugbetreiber erneut durch Betätigen der Bremsen eingreift, um der Kurve Rechnung zu tragen. Derartige große Schwankungen bei der Fahrzeuggeschwindigkeit wie auch die Notwendigkeit des menschlichen Eingreifens, um die Fahrzeugbremsen zu betätigen, sind unwirtschaftlich.

Demgemäß wäre es vorteilhaft, ein Tempomatsystem bereitzustellen, das Informationen über die gegenwärtige Position des Fahrzeugs wie auch gespeicherte Informationen hinsichtlich des bevorstehenden Geländes entlang der gegenwärtig befahrenen Strecke verwendet, um Kraftstoff zu sparen und den Fahrkomfort zu steigern. In einem derartigen System kann die gegenwärtige Fahrzeugposition beispielsweise mittels eines Globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) bestimmt werden, und können Informationen über das bevorstehende Gelände einem dreidimensionalen digitalen Straßenplan entnommen werden, um den Fahrzeugbetrieb zu steuern.

Ein System dieser allgemeinen Art ist beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 6,370,472 B1 offenbart, in der anfänglich ein optimaler Satz von Fahrzeugsteuerparametern erstellt wird, indem man einen Fahrer mit besonders großer Geschicklichkeit für das Kraftstoffsparen das Fahrzeug über eine vorherbestimmte Strecke fahren läßt. Während der Fortbewegung des Fahrzeugs sammeln Sensoren Drosselspannungsinformationen wie auch Zeitpositions- und Höhendaten von einem GPS-Empfänger. Letztere Informationen werden zusammen mit Fahrzeuggeschwindigkeitsdaten in einer digitalen Karte gespeichert. Wenn das Fahrzeug danach erneut die gleiche Strecke entlang fährt, verwendet ein Bordcomputer das vorher erzeugte optimale Fahrprofil, um die Drosselposition des Fahrzeugs zu steuern. Zu diesem Zweck verwendet der Bordcomputer Informationen, die von einem GPS-Sensor gelesen wurden, um die gegenwärtige Fahrzeugposition und Drosselspannung mit den historischen Daten zu vergleichen, liest die vorher aufgezeichneten "optimalen" Daten aus dem digitalen Plan aus und verwendet adaptive Techniken, um die gegenwärtige Drosselspannung auf Basis der während der optimierenden anfänglichen Fahrt erstellten historischen Daten mit der Drosselspannung an der gleichen Stelle in Übereinstimmung zu bringen.

Zu letzterem Zweck stellt das '472er-System eine Übereinstimmung der Steilheit der historischen (optimalen) Fahrt mit der gegenwärtigen Fahrt bereit. Das heißt, das System "blickt" eine bestimmte Entfernung oder Zeit voraus und bestimmt die Steilheit der "historischen Drosselspannung gegen die Zeit/Entfernungs-Kurve" und wendet diese Steilheit auf die gegenwärtigen Daten an, um die gegenwärtige Drosselposition einzustellen.

Ein Nachteil der bekannten Systeme des Stands der Technik wie etwa des '472er-Patents ist, daß bei ihnen vor dem Betrieb des Systems zumindest eine "Aufzeichnungsfahrt" durchgeführt werden muß. Dies wiederum erfordert, daß jede Strecke im Straßennetzwerk, die innerhalb eines möglichen Betriebsgebiets des Fahrzeugs enthalten ist, zuerst durch einen fachkundigen Fahrer durchfahren werden muß. Darüber hinaus ist die Steuerung der Fahrzeugdrossel auf Basis derartiger historischer fahrererstellter Informationen nur so gut wie der "fachkundige Fahrer", der die Strecke als erster befahren hat und das historische Profil zum Steuern der Drosselposition erstellt hat. In dem Ausmaß, in dem ein solcher Fahrer während der anfänglichen "Aufzeichnungs fahrt" von den tatsächlichen optimalen Betriebsparametern abweicht, werden später Fahrzeuge, die die gleiche Strecke befahren, in einer entsprechenden Weise vom Optimum abweichen.

Zusätzlich sind unvorhersehbare Fahrsituationen, die während des Fahrens mit automatischer Drosselsteuerung aufgetreten sind, im aufgezeichneten historischen Drosselprofil nicht berücksichtigt. Eine derartige Situation könnte beispielsweise auftreten, wenn sich der Fahrer (beispielsweise durch Betätigen der Fahrzeugbremsen) manuell über das Tempomatsystem hinwegsetzt, wenn sich das Fahrzeug einem vorausfahrenden, langsameren Fahrzeug nähert, oder wenn sich ein anderes Fahrsystem wie etwa ein adaptives Tempomatsystem mit Entfernungssteuerung über den Tempomat hinwegsetzt. In derartigen Situationen ist es notwenig, die folgenden Fahrparameter gemäß einem Profil einzustellen, das sich von einem historischen Profil unterscheidet, um doch einen optimalen Fahrzeugbetrieb zu erreichen. Die Systeme des Stands der Technik wie etwa das '472er-Patent beinhalten jedoch keine Vorkehrung zum Rekonfigurieren des Systems, um zum aufgezeichneten/vorgewählten Drosselsteuerprofil zurückzukehren, da die aufgezeichneten Steuerwerte nicht abgeändert werden und sich auf diese Weise nicht selbst an wechselnde Fahrsituationen anpassen.

Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeugsteuersystem bereitzustellen, das die Fahrzeugsteuerparameter auf Basis von laufenden Fahrzeugbetriebsbedingungen wie auch gespeicherten Streckeninformationen unter Verwendung einer analytischen Funktion zum Bestimmen einer optimalen Geschwindigkeit des Fahrzeugs fortwährend auf optimale Werte einstellt.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeugsteuersystem bereitzustellen, das einen hohen Grad von Flexibilität zeigt und fähig ist, die Ge schwindigkeitssteuerung an wechselnde Fahrsituationen anzupassen, die sich aus dem Eingreifen externer Zwänge in das Fahrverhalten ergeben, während das Fahrzeug eine bestimmte Strecke durchfährt.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges System bereitzustellen, das die. Notwendigkeit für eine anfängliche "Aufzeichnungsfahrt" durch einen Fachmann wie auch den menschlichen Fehler, der als ein Ergebnis des Versagens des Fachmanns, während der Aufzeichnungsfahrt optimale Fahrbedingungen zu erreichen, in das System eingebracht wird, beseitigt.

Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeugsteuersystem bereitzustellen, bei dem optimale Fahrzeugsteuerwerte während des Betriebs des Fahrzeugs unter Berücksichtigung der gegenwärtigen Fahrzeuggeschwindigkeit beim Durchfahren einer bestimmten Strecke ununterbrochen on-line berechnet werden.

Schließlich ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeugsteuersystem bereitzustellen, das Straßenkrümmungsinformationen in Betracht zieht, um die Fahrzeugdrosselposition einzustellen.

Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden durch das voraussagende Tempomatsystem nach der Erfindung erfüllt, das Informationen über die gegenwärtige Fahrzeugposition wie auch das bevorstehende Gelände verwendet, um Kraftstoff zu sparen und den Fahrkomfort zu steigern. Die gegenwärtige Position wird durch ein Signal, das von einem globalen Positionsbestimmungssystem (GPS) empfangen wird, und möglichst durch Integration der Fahrzeuggeschwindigkeit über den Verlauf der Reise hinweg bestimmt, und Informationen über das bevorstehende Gelände werden einer dreidimensionalen digitalen Karte entnommen. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird dann auf Basis dieser Informationen gesteuert, um einer analytisch berechneten optimalen Fahrstrategie zu folgen. Daher ist keine vorherige "Aufzeichnungs" fahrt erforderlich.

Beim voraussagenden Tempomatsystem nach der Erfindung wird auf Basis mehrerer Umgebungsparameter, Fahrzeugparameter, Fahrzeugbetriebsparameter und Streckenparameter eine Fahrzeugbetriebskostenfunktion definiert. Während das Fahrzeug eine bestimmte Strecke durchfährt, für die Streckenparameter wie die Straßenneigung und -krümmung in einer Straßenkarte gespeichert sind, stellen Sensoren im Fahrzeug Umgebungs- und Fahrzeugbetriebsparameter einschließlich zumindest der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Position in bezug auf die Straßenkarte fest. Während sich das Fahrzeug fortbewegt, berechnet ein Bordcomputer iterativ Fahrzeugsteuerparameter, die die Fahrzeugbetriebskostenfunktion für eine (als "Voraussagehorizont" bezeichnete) bestimmte Entfernung entlang der Strecke vor dem Fahrzeug optimieren, und speichert diese in einem Speicher. Die optimalen Fahrzeugsteuerparameter für den Voraussagehorizont werden dann in einem Speicher gespeichert und fortwährend aktualisiert und durch neue Daten ersetzt, während sich das Fahrzeug (und somit der Voraussagehorizont) weiterbewegt, wodurch die "optimalen" Steuerparameter so eingestellt werden, daß sie die tatsächliche fahrzeughistorische Betriebserfahrung während der Reise widerspiegeln. Das Fahrzeug wird dann durch das Auslesen der optimierten Fahrzeugsteuerparameter aus dem Speicher entsprechend der gegenwärtigen Position des Fahrzeugs gesteuert.

Andere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung klar werden, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird.
1 ist eine graphische Veranschaulichung des Betriebs des voraussagenden Tempomatsystems nach der Erfindung, das die Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb eines gestatteten Bereichs hält;
2 ist eine graphische Darstellung eines Fahrzeugs, das über einen Hügel fährt;
3 ist eine graphische Darstellung eines Fahrzeugs, das in einer Kurve fährt;
4 zeigt den Aufbau des gesamten voraussagenden Tempomatsystems nach der Erfindung;
5 ist ein Blockdiagramm, das die lineare Steuerung in 4 zeigt;
6 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau des voraussagenden Tempomatmoduls im System nach der Erfindung zeigt;
7 ist eine graphische Veranschaulichung der Kräfte, die auf ein Fahrzeug wirken, das auf einer Neigung fährt;
8 ist eine graphische Darstellung einer Nachschlagetabelle, die die Beziehung zwischen der Motorgeschwindigkeit, dem Kraftstoffverbrauch und dem Motorausgangsdrehmoment definiert;
9 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Motorgeschwindigkeit und der Motorreibung;
10 zeigt das Formatieren der Daten für den Voraussagehorizont nach der Erfindung;
11 veranschaulicht den Ringpufferspeicher, der zum Durchführen der Berechnungen nach der Erfindung verwendet wird;
12a bis c zeigen den Ringpufferspeicherstatus während eines Initialisierungszustands vor dem Betrieb des Fahrzeugs;
13a bis d zeigen den Betrieb des Optimierungsalgorithmus während des Fahrens des Fahrzeugs; und
14 zeigt eine Ausführung des voraussagenden Tempomatsystems nach der Erfindung in einem Fahrzeug.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die grundlegende Idee des voraussagenden Tempomats (PCC) ist, die Einstellgeschwindigkeit eines herkömmlichen Tempomats durch ein Geschwindigkeitsband zu ersetzen oder zu ergänzen. Vorausblickende Geländeinformationen werden verwendet, um eine gewünschte Geschwindigkeit innerhalb des Geschwindigkeitsbands (wie beispielsweise in 1 gezeigt) als eine Funktion der Position zu bestimmen, um die Kraftstoffersparnis zu maximieren. Im Idealfall verlangsamt das Fahrzeug, das mit einem voraussagenden Tempomat ausgerüstet ist, wenn es sich bergauf bewegt, bis es an der höchsten Stelle des Hügels eine Minimalgeschwindigkeit erreicht, und nimmt auf dem Bergabstück wieder Geschwindigkeit auf, wodurch die potentielle Energie vollständig in kinetische Energie umgewandelt wird (siehe 2). Diese Strategie verhindert ein unnotwendiges Bremsen oder verzögert das Bremsen, bis es unvermeidlich ist.
Zusätzlich können auch Straßenkrümmungsinformationen verwendet werden, um die Fahrzeuggeschwindigkeit in Kurven zu verringern, um eine hohe seitliche Beschleunigung zu vermeiden, die zu einem Überschlag des Fahrzeugs führen kann. Während sich das Fahrzeug einer Kurve nähert, kann die Geschwindigkeit wie in 3 gezeigt automatisch verringert werden.
Das voraussagende Tempomatsystem
Ein Blockdiagramm des voraussagenden Tempomatfahrzeugsteuersystems nach der Erfindung ist in 4 gezeigt. Es beinhaltet eine herkömmliche Steuerung 2, die ein geschlossenes Tempomatsystem sein kann (aber nicht sein muß), bei dem die Drossel des Fahrzeugs 1 auf Basis eines Fehlersignals zwischen der tatsächlichen und der gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit gesteuert wird. Derartige Systeme sind wohlbekannt, wie nachstehend in bezug auf 5 besprochen werden wird. Zusätzlich beinhaltet das System nach der Erfindung auch einen voraussagenden Tempomatblock 3, der die folgenden Eingabesignale erhält:

– GPS: Das globale Positionsbestimmungssystem 4 versorgt den voraussagenden Tempomatblock 3 mit Informationen über die gegenwärtige Position des Fahrzeugs.
– Die gegenwärtige Geschwindigkeit: Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird verwendet, um die gegenwärtige Fahrzeugposition zu schätzen, falls kein GPS-Signal verfügbar ist, und wird auch verwendet, um die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit zu aktualisieren.

Der voraussagende Tempomatblock wiederum erzeugt als Ausgangssignale:

– Die gewünschte Geschwindigkeit V_gewünscht
– Die gewünschte Drossel: Die Gaspedalposition steuert die Kraftstoffeinspritzung in den Motor. Dieses Ausgangssignal kann negative Werte annehmen, falls das voraussagende Tempomatsystem eine Verzögerung des Fahrzeugs verlangt.
– Den Steuerungsverstärkungsgrad: Wenn eine lineare Steuerung verwendet wird, um dem Fahrzeug zu gestatten, den optimalen Geschwindigkeitsbahnkurven zu folgen, liefert dieses Ausgangssignal des voraussagenden Tempomats den passenden optimalen Verstärkungswert.

Alle diese Ausgangssignale sind Eingangssignale für die Steuerung 2, die das Fahrzeug so steuert, daß es der berechneten Geschwindigkeitsbahnkurve folgt.
Es sollte in dieser Hinsicht beachtet werden, daß es viele Weisen gibt, auf die die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit durch die Steuerung realisiert werden kann, daß diese jedoch im Grunde alle gleich sind. Letztendlich muß dem Motor ein Befehlssignal gegeben werden, damit dieser versucht, die gewünschte Geschwindigkeit zu erreichen. Dieser Befehl wird hierin als die "Drosselposition" bezeichnet. In Wirklichkeit muß der Befehl keine echte Drosselposition sein. Im allgemeinsten Sinn ist der Vorgang wie folgt: Die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit wird in eine gewünschte Motorgeschwindigkeit umgewandelt, welche zum Motor gesendet wird, und der Motor erreicht sie über seine eigene Steuerung oder unter Verwendung eines gesonderten adaptiven Tempomats. Im Fall eines Dieselmotors bestimmt der Motor, wieviel Kraftstoff einzuspritzen ist (die Menge des eingespritzten Kraftstoffs kann einer Pedal- oder Drosselposition zugeordnet werden, was der Grund für diese Bezeichnung ist). Andererseits könnte der Befehl tatsächlich ein Drosselwinkel sein, falls das System bei einem Benzinmotor ausgeführt ist.
5 zeigt eine lineare Steuerung einer Art, die im System von 4 enthalten sein kann. In der Subtraktionseinheit 21 wird die tatsächliche Fahrzeug geschwindigkeit V_tat mit der gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit V_gew verglichen und in einer Multipliziereinheit 22 mit dem Eingangssignalsteuerungsverstärkungsgrad multipliziert, wodurch ein Drosselfehlersignal Δth erzeugt wird. Letzteres wird dann in einem Addierer 23 zu einem gewünschten Drosseleingangssignal addiert, um ein Drosselsignal th zu erzeugen, das auf die Fahrzeugdrossel und die Bremseigenschaften 24a,b angewendet wird, die verwendet werden, um die Fahrzeugdrossel und die Bremsen zu steuern.
In der Praxis kann die Funktionalität der durch Block 2 in 4 dargestellten linearen Steuerung im Fahrzeug bereits vorhanden sein, so daß dem Fahrzeug eine im voraussagenden Tempomatblock 3 bestimmte Einstellgeschwindigkeit bereitgestellt wird, welches diese unter Verwendung seiner eigenen Steueralgorithmen, die durch seine eigene Motorsteuerung ausgeführt werden, anwendet.
Der grundlegende Aufbau des voraussagenden Tempomatblocks ist in 6 gezeigt. Er enthält vier grundlegende Module:

Positionsauswerter 25: Dieses Modul (das im Fahrzeugnavigationssystem vorhanden sein kann) bestimmt die gegenwärtige Position des Fahrzeugs auf der Straße durch Integrieren der Fahrzeuggeschwindigkeit und Berücksichtigung der eintreffenden GPS-Nachrichten.
Nachschlagetabelle 26: Die Nachschlagetabelle ist ein Speicher, in dem Werte für die gewünschte Geschwindigkeit, das Gaspedal und den Steuerungsverstärkungsgrad für einen Bereich (den Voraussagehorizont) um die gegenwärtige Fahrzeugposition gespeichert sind. Die Ausgangssignale des voraussagenden Tempomatblocks werden durch Auslesen der Werte bestimmt, die zu der Fahrzeugposition gehö ren, welche durch den Positionsauswerter geliefert wird.
Optimierungsalgorithmusmodul 27: Dies ist das Hauptmodul, in dem die optimale Geschwindigkeitsbahnkurve, die optimalen Gaspedalpositionen, und die Steuerungsverstärkungsgrade für die bevorstehende Straße innerhalb des Voraussagehorizonts wie nachstehend beschrieben auf Basis einer Optimierung einer Kostenfunktion berechnet werden. Diese Serien werden dann in der Nachschlagetabelle gespeichert. Der Beginn einer neuen Berechnung wird jedes Mal ausgelöst, wenn das Fahrzeug eine bestimmte Entfernung zurückgelegt hat. Er kann auch durch andere Ereignisse wie etwa das Verändern der eingestellten Fahrzeuggeschwindigkeit durch den Fahrer des Fahrzeugs ausgelöst werden.
Dreidimensionale digitale Straßenkarte 28: Der (nachstehend beschriebene) Optimierungsalgorithmus benutzt Informationen, die aus der digitalen Karte ausgelesen werden, um die Neigungswinkel und Kurvenradien der bevorstehenden Straße zu bestimmen; und das Positionsauswertungsmodul benutzt Informationen über das die gegenwärtige Position umgebende Gebiet, um die wahrscheinlichste Position auf der Straße für eine neue GPS-Nachricht zur Initialisierung seines Integrators zu bestimmen.

Das Fahrzeug-und-Straßen-Modell
Um den Betrieb des Fahrzeug in einer anpassungsfähigen analytischen Weise auf Basis des tatsächlichen gegenwärtigen Fahrzeugbetriebs zu optimieren, während die Reise voranschreitet, ist ein mathematisches Modell eines Fahrzeugs, das auf der Straße fährt, erforderlich. Das Modell kann aus dem Dritten Newtonschen Gesetz
abgeleitet werden, worin Fi die äußeren und inneren Kräfte sind, die das Fahrzeug beeinflussen.
7 zeigt ein Fahrzeug, das auf einer Neigung betrieben wird, wie auch die Kräfte, die darauf wirken. Diese Kräfte beinhalten:

– F_Rollen = –μg cos φ – die Neigung der Straße. (μ – Reibungskoeffizient der Straße, g – die Schwerkraftkonstante, φ – die Neigung der Straße in Radianten gemessen).
– F_Neigung = –g sin φ: Die durch die Schwerkraft verursachte Kraft.
– F_{Luftwiderstand} = –½c_w ρ_Luft Av²: Die Wirbelreibung. (c_w – der charakteristische Formkoeffizient, ρ_Luft – die Dichte der Luft, A – der Oberflächenbereich des Fahrzeugs, v – die Geschwindigkeit).
– F_Motor: Die durch den Motor verursachte Kraft .
– F_Bremse: Die Verzögerungskraft durch die Bremse.

Wenn diese Kräfte kombiniert werden, wird die Gleichung der Bewegung
In der Systemgleichung ist keine zusätzliche Bremskraft berücksichtigt. Dies erfolgt, da die partiellen Ableitungen der Systemgleichung als vorhanden angenommen werden. Um die Verzögerungswirkung der Bremsen in Betracht zu ziehen, wird dem Gaspedal gestattet, negative Positionen anzunehmen, und so ist der Motor fä hig, ein verzögerndes Drehmoment zu erzeugen. Diese negativen Drosselwerte werden durch eine Steuerung, die dem voraussagenden Tempomatsystem folgt, in entsprechende Bremssignale umgewandelt.
Die durch den Motor verursachte beschleunigende oder verzögernde Kraft wird durch Gleichung 3
aus dem Motordrehmoment berechnet, wobei
η die Wirksamkeit des Antriebsstrangs ist,
i_T der Übertragungskoeffizient ist,
i_D der Achsübertragungskoeffizient ist,
r_w der Radius der Räder ist,
T_Motor das ausgeübte Drehmoment durch den Motor ist.
Das Motordrehmoment besteht aus dem verzögernden oder beschleunigenden Drehmoment T_Verwendung und dem Motorreibungsdrehmoment T_Reibung TMotor = TVerwendung – TReibung (Gl. 4)
T_Verwendung wird durch die Motornachschlagetabelle bestimmt, wie etwa in 8, die das Motordrehmoment in bezug zur Motorgeschwindigkeit n und dem in mg gemessenen Kraftstoffverbrauch pro Motorumdrehung zeigt. Die Beziehung zwischen der Gaspedalposition th und dem Kraftstoffwert wird als statisch und linear angenommen. Das heißt, Kraftstoff = Kraftstoffmax·th (Gl. 5)wobei th ≤ 1 ist und Kraftstoff_max der Maximalwert von "Kraftstoff" in der Nachschlagetabelle ist. Wie aus 8 erkennbar ist, ist eine Annäherung an die Nachschlagetabelle durch eine Ebene möglich, wie folgt: TVerwend ung = K1·Kraftstoff + K2·n + K3 (Gl. 6)
Es erfolgt auch eine Annäherung an die charakteristische Kurve der Motorreibung durch eine gerade Linie, wie in 9 gezeigt ist. Das heißt, die Beziehung zwischen dem Reibungsdrehmoment und der Motorgeschwindigkeit ist durch TReibung = R1·n + R2 (Gl. 7)gegeben.
Und schließlich ist die Beziehung für die Motorgeschwindigkeit
Ein Kombinieren der Gleichungen 4 bis 8 ergibt den folgenden Ausdruck für das Motordrehmoment:
Und ein Kombinieren aller vorhergehenden Ergebnisse zusammen in der Bewegungsgleichung (Gleichung 1) ergibt
Es ist günstig, die Gleichung 10 so zu verändern, daß sie anstelle in bezug auf die Zeit vielmehr in bezug auf die Entfernung differenziert wird. Dies wird durch den Ersatz
erreicht, wobei s die gefahrene Entfernung von einem bestimmten Ausgangspunkt auf der gegenwärtigen Straße ist. Wenn die Gleichung 11 auf die Gleichung 10 angewendet wird, ergibt sich
Mit den positionsunabhängigen Koeffizienten A₁, A₂, B und dem positionsabhängigen Koeffizienten A₃(s) wird die Systemgleichung zu
In der praktischen Anwendung wird ein diskretes Modell benötigt. Dieses wird durch die Eulersche Näherung
erhalten, wobei die Konstante h die Integrationsschrittgröße genannt wird.
Die Kostenfunktion
Wenn ein System in einer "optimalen" Weise gesteuert werden soll, ist es zuerst nötig, zu definieren, was optimal bedeutet. Gewöhnlich wird in der Theorie der optimalen Steuerung eine "Kosten" funktion definiert. Ein System wird später optimal genannt, wenn die berechnete Steuerabfolge die Kostenfunktion minimiert. Die Kostenfunktion sollte gewählt werden, um ein Verhalten des Systems in einer gewünschten Weise zu gestatten. Demgemäß wurden zum Zweck des voraussagenden Tempomats nach der Erfindung die folgenden Ziele als "einen optimalen Betrieb" definierend erstellt.

– Das Fahrzeug sollte weniger Kraftstoff verbrauchen und sollte die Bremsen so wenig wie möglich in Betrieb nehmen.
– Das Fahrzeug sollte versuchen, eine bestimmte Geschwindigkeit (Einstellgeschwindigkeit) beizubehalten.
– Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs sollte niemals eine obere Grenze überschreiten oder eine untere Geschwindigkeitsgrenze unterschreiten.
– Die gesamte Reisezeit sollte minimiert werden.
– Die seitliche Beschleunigung während des Fahrens in Kurven sollte nicht so hoch sein, daß sie den Fahrkomfort und die Sicherheit beeinträchtigt.
– Es sollte möglich sein, die oben erwähnten unterschiedlichen Gesichtspunkte einzeln zu betonen.

Diese Anforderungen sind zusammen mit den weiteren Anforderungen, daß der mathematische Ausdruck für die Kostenfunktion

– differenzierbar sein sollte, um einen "stationären" Punkt zu berechnen, an dem ihre Steigung Null beträgt (Minimum/Maximum-Punkt); und
– für einen Computer leicht verarbeitbar sein sollte,

Nachstehend werden diskrete Ausdrücke für die einzelnen Anforderungen abgeleitet.
Kraftstoff und Bremsen
Wie im Vorhergehenden erwähnt werden die Bremsen durch das Gestatten "negativer" Gaspedalpositionen berücksichtigt. So ist es nötig, beim Ableiten eines charakteristischen Ausdrucks für den Kraftstoffverbrauch und die Tätigkeit der Bremse negative Drosselwerte th in Betracht zu ziehen. Der Kraftstoffverbrauch pro Sekunde kann durch
berechnet werden, wobei ρ_Kraftstoff die (in kg/m³ gemessene) Dichte des Kraftstoffs ist. Da negative Werte für die Gaspedalposition ebenfalls vorkommen, ist ein möglicher Ausdruck für die Kostenfunktion
wobei S ein konstanter Gewichtungsfaktor ist. Das Einsetzen der Gleichungen 11 und 15 in die Gleichung 16 ergibt
Für diskrete Berechnungen muß das Integral durch eine Summierung ersetzt werden, was durch die Eulersche Näherung erreicht werden kann.
wobei N die Anzahl von Basispunkten im berücksichtigten Voraussagehorizont ist, und h = S_k+1 – S_k die Integrationsschrittgröße ist.
Einstellgeschwindigkeit
Um Abweichungen von der gewünschten Einstellgeschwindigkeit v_gewünscht zu verringern, ist
ein passendes Glied für die Kostenfunktion, wobei q auch ein konstanter Faktor ist, der das Gewicht dieses Glieds in der gesammelten Kostenfunktion bestimmt. Wiederum ergibt eine Anpassung dieses Ausdrucks für die diskrete Berechnung:
Obere und untere Geschwindigkeitsgrenze
Da das Ziel das Halten der Geschwindigkeit innerhalb bestimmter Grenzen ist, wird ein Kostenfunktionsglied definiert, um ein Überschreiten dieser Grenzen zu bestrafen. Gleichung 21 zeigt eine derartige Straffunktion:
Hier sind Γ_1/2 konstante Gewichtungsfaktoren. Diese Werte sollten in bezug auf die anderen Gewichtungsfaktoren groß sein, um die Geschwindigkeit zwischen der unteren Geschwindigkeitsgrenze v_untere und der oberen Geschwindigkeitsgrenze v_obere verbleiben zu lassen. σ(ξ) ist als
definiert.
Reisezeit
Die gesamte Reisezeit wird durch Tgesamt = ∫dt (Gl. 23) berechnet.
Durch Verändern des gesamten Differentials und Anwenden der Eulerschen Näherung kann dies als
ausgedrückt werden.
Somit ist ein Glied, das die gesamte Reisezeit in der Kostenfunktion in Betracht zieht,
wobei T der Gewichtungsfaktor ist.
Seitliche Beschleunigung
Um den Komfort und die Sicherheit während des Fahrens durch eine Kurve aufrechtzuerhalten, sollte die seitliche Beschleunigung des Fahrzeugs unterhalb eines als sicher betrachteten vorherbestimmten Werts bleiben. Die gleich bleibende seitliche Beschleunigung des Fahrzeugs in der Ebene der Straße kann durch αseitlich = v2·c(s) – gsinΘ(s)angenähert werden.
Für kleine Werte von Θ gilt sinΘ ≈ Θ. Daher kann dieser Ausdruck wie folgt vereinfacht werden: αseitlich = v2·c(s) – gsinΘ(s) (Gl. 26)wobei
c die Krümmung der Straße (Umkehrung des Radius) bei der Entfernung s entlang der Straße ist;
g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft ist; und
Θ die Quersteilheit oder Überhöhung der Straße bei der Entfernung s entlang der Straße ist.
Eine Kostenfunktion, die versucht, die seitliche Beschleunigung unter einem Maximalwert zu halten, ist
wobei
R ein konstanter Gewichtungsfaktor ist;
σ in Gleichung 22 definiert ist; und
a_max die vorherbestimmte maximale annehmbare seitliche Beschleunigung ist.
Kostenfunktion des endgültigen Zustands
Wenn der endgültige Zustand nicht fixiert ist, muß dafür eine zusätzliche Kostenfunktion definiert werden.
M ist erneut ein konstanter Gewichtungsfaktor. Er sollte nicht so klein gewählt werden, daß man in weiteren Berechnungen auf numerische Schwierigkeiten stößt.
Die diskrete Kostenfunktion
Die Kostenfunktion wird durch das Kombinieren der vorhergehenden Ergebnisse in einer Weise gebildet, die vom Verhalten abhängt, welches sie steuern soll. Beispielsweise würde ein System, das alle der obigen Faktoren in Betracht zieht, durch die Gleichung J = Φ + JZeit + JKraftstoff + JGeschwindigkeit + Jseitl Beschl + JStrafe definiert sein.
Die Verwendung dieser Formulierung führt zum folgenden Ausdruck für die Kostenfunktion J, der in der nachstehenden Minimierungsanalyse verwendet wird.
Andererseits ist es innerhalb des Umfangs der Erfindung auch möglich, das Systemverhalten auf andere Weisen einfach durch Nullstellen einiger der Glieder (d.h., Verwenden eines Nullkoeffizienten für einige der Glieder) zu steuern. Beispielsweise ist die Kostenfunktion für einen voraussagenden Tempomat, der sich auf Kraftstoffersparnis aufgrund von Höhenveränderungen (ohne die seitliche Beschleunigung in Betracht zu ziehen) konzentriert, durch J = Φ + JZeit + JKraftstoff + JGeschwindigkeit + JStrafe gegeben.
Andererseits ist die Kostenfunktion, die zur Konzentration auf die Verhinderung von Überschlägen ausgeführt wird, J = Φ + JKraftstoff + JGeschwindigkeit + Jseitl Beschl wobei jedes der obigen Glieder durch die vorher abgeleiteten Ausdrücke gegeben ist.
Funktion zur Minimierung der Kosten
In Anbetracht sowohl der Kostenfunktion J als auch des Fahrzeugmodells von Gleichung 14 ist es zur Minimierung der (wie definierten) Fahrzeugbetriebs"kosten" nötig, eine Abfolge von Steuerwerten th_k (K = 0 ... N – 1) zu berechnen, so daß die Kostenfunktion
wird, während die Gleichheitsbeschränkungen v(sk+1) = f(sk,v(sk),th(sk)) (Gl. 31)und v(s0) = v0 (Anfangsgeschwindigkeit) (Gleichung 32)gewahrt bleiben.
Zum Zweck der Analyse, die folgt, wird v_k = v(x_k), th_k = th (x_k) und φ_k gerade als φ angesetzt.
Optimierungsprobleme mit Gleichheitsbeschränkungen werden häufig durch den Lagrangeschen Multiplikator gelöst, der wie folgt verstanden werden kann: Es wird eine Funktion h(x,y) angenommen, wobei x und y durch g(x,y) = 0 beschränkt sind. Ein Addieren von g, das mit einem Skalarfaktor λ multipliziert wurde, zu h ergibt eine neue Funktion L(x,y,λ) = f(x,y) + λg (x,y) . L und h weisen den gleichen Minimalwert auf, da dieser durch ein Addieren von "Null" nicht verändert wird (g(x,y) = 0). Somit ist ein stationärer Punkt (Steigung = 0) von L auch ein stationärer Punkt von h und werden die Beschränkungen beibehalten, da ∂L/∂λ = g(x,y) = 0 ist.
Das Definieren eines Lagrangeschen Multiplikators für jede Gleichheitsbeschränkung und das Addieren zur Kostenfunktion J führt zum folgenden Ausdruck:
Es ist nützlich, eine Skalarabfolge H_k zu definieren: Hk(xk,vk,thk,λk+1) = L(xk,xk,thk) + λk+1f(xk,vk,thk) (Gl. 34)
Ein Verändern der Inidizes der Summierung im letzten Glied in Gleichung 33 ergibt
Um einen stationären Punkt zu erhalten, muß die erste Ableitung δJ der Kostenfunktion gleich "Null" sein.
Nach dem Berechnen der Teilableitungen wird
erhalten.
Da die anfängliche Geschwindigkeit durch Gleichung 32 bestimmt ist, verschwindet die Ableitung δv₀. Die Ableitung δJ verschwindet für alle möglichen Schwankungen in der Zustandsvariablen, δv_k in der Steuervariablen δth_k, und im Lagrangeschen Multiplikator δλ_k+1, wenn
Derartige Probleme werden Zweipunkt-Randwert-Probleme genannt. Da diese Art von Problem gewöhnlich nicht analytisch gelöst werden kann, ist es nötig, numerische Verfahren anzuwenden. Zu diesem Zweck wurde ein Algorithmus eines Gradienten zweiter Ordnung gewählt. Die Vorteile dieses Algorithmus sind:

– Die Ergebnisse jedes Iterationsschritts verbessern sich.
– Der Algorithmus konvergiert schneller als andere numerische Algorithmen, die auf dieses Problem angewandt werden.
– Zwischenergebnisse sind ebenfalls stabile Bahnkurven.
– Vor dem Beginn des Algorithmus muß kein Anpassungsfaktor gewählt werden (was andernfalls Konvergenzschwierigkeiten erzeugen würde, wenn beispielsweise Verfahren eines Gradienten erster Ordnung angewandt würden).
–Der optimale positionsverschiedene Steuerungsverstärkungsgrad tritt als Nebenprodukt dieses Algorithmus auf.

Der Algorithmus, der ausgeführt wird, kann wie folgt beschrieben werden:

1. Schätze eine Abfolge von Steuerwerten thk und löse die Systemgleichung vk+1 = f(sk,vk,thk), v(x0) = v0, k = 0,...N – 1 (Gl. 43)
In diesem Fall wird die Abfolge der Steuerwerte durch Steuern der Systemgleichung (Gleichung 43) mit einer positionsverschiedenen Steuerung bestimmt:
wobei A₁, A₂, A₃ und B durch Gleichung 12 bestimmt sind und G der Steuerungsverstärkungsgradfaktor ist. Während der Vorwärtsberechung von Gleichung 43 zusammen mit Gleichung 44 müssen die Werte von v_k und th_k aufgezeichnet werden.
2. Bestimme als nächstes die passenden Lagrangeschen Multiplikatoren durch Rückwärtsberechnung der Gleichungen 38 und 41. Da die Abfolgen von v_x und th_k gewöhnlich nicht optimal sind, ist Gleichung 40 nicht erfüllt; daher müssen die Werte von
für weitere Berechnungen aufgezeichnet werden.
3. Löse nun die sogenannten Einflußgleichungen rückwärts:

gewählt, wobei 0 < ∈ ≤ 1 fortwährend mit jedem Iterationsschritt bis zu 1 in der letzten Iteration erhöht wird. Diese Wahl stellt den Einfluß des Gradienten der ersten Ordnung dar, da – H k / th in der Richtung des steilsten Abstiegs der Kostenfunktion liegt.
4. Passe die Abfolge der Steuerwerte th_k durch (thk)neu = (thk)alt + Δthk (Gl. 50)wobei
ist, und Δvk = (vk)neu – (vk)alt (Gl. 52) wobei (v_k)_neu durch Anwenden der angepaßten manipulierenden Variablen th_k–1 auf die Systemgleichung berechnet wird, an.
5. Wiederhole Schritt 1 bis 4, bis die Anzahl der erwünschten Iterationen oder die gewünschte Genauigkeit erreicht ist.

Ausführung des kostenminimierenden Algorithmus
Für ein Gebiet um die gegenwärtige Fahrzeugposition ("Voraussagehorizont") werden die optimale Geschwindigkeit, die optimale Gaspedalposition und die optimalen Steuerungsverstärkungsgrade in einer Nachschlagetabelle gespeichert (die wie nachstehend besprochen in einem Ringpufferspeicher enthalten ist). Die Auflösung dieser Nachschlagetabelle ist daher die Integrationsschrittgröße h (die optimale Geschwindigkeit wird für kurze Entfernungen h als konstant betrachtet). Die Ausgangswerte des voraussagenden Tempomatsystems werden dann durch Auslesen der Werte entsprechend der geschätzten Fahrzeugposition bestimmt.
Die Nachschlagetabellenwerte werden on-line in Echtzeit berechnet, während sich das Fahrzeug entlang der befahrenen Strecke vorwärtsbewegt. Eine derartige on-line-, Echtzeitberechnung paßt die Nachschlagetabelle während der Fahrt an, indem die gegenwärtige Fahrzeuggeschwindigkeit in Betracht gezogen wird. Die Vorteile eines derartigen Systems (verglichen mit einer off-line-Version, bei der die gespeicherten Werte im Voraus bestimmt und unveränderlich sind), sind:

– Es ist weniger Speicher erforderlich.
– Eine on-line-Bestimmung gibt die Gelegenheit, die Strecke während des Fahrens zu verändern.
– Es besteht kein Bedarf an einer vorherigen "Aufzeichnungsfahrt" durch einen fachkundigen Fahrer, und das System kann auf jeder beliebigen Strecke verwendet werden, wenn sie zum ersten Mal befahren wird.
– Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit deutlich von der Geschwindigkeit abweicht, die für die gegenwärtige Position in der Nachschlagetabelle gespeichert ist (was beispielsweise durch ein vorausfahrendes langsameres Fahrzeug verursacht werden kann), können die Geschwindigkeitswerte für die folgenden Positionen in der Nachschlagetabelle nicht länger als optimal betrachtet werden. In diesem Fall kann eine on-Line-Version des Algorithmus diese Werte anpassen, indem sie die gegenwärtige Geschwindigkeit in Betracht zieht.
– Eine on-Line-Version weist den Verteil auf, daß sie fähig ist, die optimalen Bahnkurven an veränderliche Fahrzeugparameter wie etwa die Fahrzeugmasse, die einen bedeutenden Einfluß auf die Dynamik des Fahrzeugs aufweist, anzupassen.

Es ist daher wichtig, den Optimierungsalgorithmus in einer Weise auszuführen, die eine on-line-Anpassung der Nachschlagetabelle gestattet. Obwohl die Optimierungsberechnung für jeden Berechnungszyklus durchgeführt werden könnte, sofern eine ausreichende Berechnungsleistung gegeben ist, wurde diese Annäherung in der vorliegenden Ausführung nicht verwendet. Vielmehr tritt eine neue Optimierungsberechnung nur auf, nachdem das Fahrzeug eine bestimmte Entfernung zurückgelegt hat, die nachstehend als ein "Rahmen" bezeichnet wird, oder wenn die Einstellgeschwindigkeit verändert wird. Zusätzlich ist die Berechnung über mehrere Berechnungszyklen verteilt, um die Berechnungslast zu verringern.
Der gesamte Voraussagehorizont ist in Rahmen aufgeteilt, so daß der Voraussagehorizont ein Vielfaches der Rahmenlänge (die auch in der Anzahl von Integrationsschritten h gemessen wird) sein muß. 10 zeigt diese Aufteilung für einen Voraussagehorizont von 20, die Anzahl der Rahmen beträgt 4, und die sich ergebende Rahmenlänge beträgt 5 (dies ist eine vereinfachte Version nur zur Veranschaulichung). Der Parameter "Anzahl der Rahmen" bestimmt die Rate, mit der die optimale Bahnkurve aktualisiert wird.
Bei der voraussagenden Tempomateinheit nach der Erfindung werden die Werte für die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Drosselposition und den Steuerungsverstärkungsgrad, die wie im Vorhergehenden beschrieben berechnet wurden, zusammen mit den folgenden Variablen, die für die Berechnung des Optimierungsalgorithmus benötigt werden, in einen Ringpufferspeicher eingegeben, der eine Kapazität aufweist, die der Länge (in Rahmen und Integrationsschritten) des Voraussagehorizonts entspricht:

– Der Lagrangesche Multiplikator λ,
– Die Einflußvariablen ξ und P,
– Die Teilableitung des Hamiltonschen Operators durch die Gaspedalposition H_th,
– Die Winkel φ (die die Neigung der Straße darstellen) und die Kurvenradien r.

11 zeigt die sich ergebende Speicheranordnung des Ringpuffers.
Die Abfolge des Optimierungsalgorithmus wird nun unter Bezugnahme auf den beispielhaften Ringpuffer von 11 erklärt. 12a bis c zeigen ein Initialisierungsstadium, in dem der gesamte Voraussagehorizont (außer für den letzten Rahmen) berechnet wird, während 13a bis c den Betrieb des Ringpuffers während der Fahrt des Fahrzeugs zeigen.
Die Initialisierung des Ringpuffers (12a bis c) muß abgeschlossen sein, bevor das Fahrzeug den Ausgangspunkt auf der Straße erreicht, an dem das voraussagende Tempomatsystem ausgelöst wird. Es können zwei Stadien der Initialisierung unterschieden werden:

1. Zuerst wird der Ringpufferspeicher von Zelle Null bis zur letzten Zelle des vorletzten Rahmens mit Winkel- und Radiuswerten gefüllt (12a) (beispielsweise ist der Wert φ_k die Neigung der Straße an der Position, die durch die gefahrene Entfernung seit dem Ausgangspunkt s_k = k·h bestimmt ist (wobei h erneut die wie aus der Straßenkarte (6) ausgelesene Integrationsschrittgröße ist)). Während des Füllens dieser Ringpufferzellen werden auch Ausgangswerte für die Geschwindigkeitsbahnkurve geschätzt und werden die passenden Gaspedalpositionen berechnet, wie in 12b veranschaulicht ist.
2. Im zweiten Schritt werden mehrere Optimierungsiterationen auf den oben beschriebenen Speicherbereich angewandt, bis der Algorithmus konvergiert hat und die Werte somit optimal sind, wie in 12c gezeigt ist.

Der weiße Hintergrund der Geschwindigkeitsspeicherzellen in 12b zeigt an, daß diese Werte Ausgangsschätzungen sind, die durch Anwenden eines herkömmlichen Tempomats erhalten wurden und somit nicht optimal sind. Der dunkle Hintergrund in 12c zeigt an, daß die Geschwindigkeitswerte optimal sind.
Der Betrieb des Optimierungsalgorithmusmoduls weist wie in 14 gezeigt fünf unterschiedliche Zustände auf. Diese Zustände sind die Folgenden:

– BEREIT (Schritt 141): Das Modul verbleibt in diesem Zustand, bis die Anfangsberechnung begonnen wird.
– RAHMEN_INITIALISIERUNG (Schritt 142): Ein Rahmen wird mit Straßendaten gefüllt, und für diesen Rahmen werden geschätzte Ausgangswerte für v und th erstellt.
– RÜCKWÄRTS_BERECHNUNG (Schritt 143): Für einen bestimmten Bereich im Ringpuffer werden die Serien von λ, P, ξ und H_th gleichzeitig berechnet (wie im Vorhergehenden beschrieben) und in den entsprechenden Ringpufferzellen gespeichert.
– VORWÄRTS_BERECHNUNG (Schritt 144): Die Werte für die Geschwindigkeit, die Drossel und den Steuerungsverstärkungsgrad werden gemäß Schritt 4 des Algorithmus angepaßt.
– BERECHNUNG_ABGESCHLOSSEN (Schritt 145): Wenn alle Berechnungen abgeschlossen sind, bevor das Fahrzeug das Ende des gegenwärtigen Rahmens erreicht, verbleibt das Algorithmusmodul in diesem Zustand, bis eine neue Berechnung ausgelöst wird.

Nachdem das Fahrzeug den Ausgangspunkt passiert hat, werden die Ausgangswerte für die entsprechenden Fahrzeugpositionen aus dem ersten Rahmen ausgelesen. In der Zwischenzeit erfolgen keine weiteren Berechnungen. Wenn das Fahrzeug das Ende des ersten Rahmens erreicht, wird eine neue Berechnung ausgelöst:

1. Der Ausgangs- und der Endindex des gegenwärtigen Rahmens, für den die Initialisierung stattfin den soll, und der Ausgangs- und der Endindex des Ringpufferbereichs, für den die Optimierungsiteration stattfinden soll, sind fix. Die Berechnung wird durch Einstellen des Berechnungszustands auf RAHMEN_INITIALISIERUNG begonnen. Im Beispiel in 13 sind die ersten und letzten Indizes von Rahmen Nr. 3 die Randindizes für die Rahmeninitialisierung. Der Ausgangswert für die Geschwindigkeits- und Drosselausgangsschätzungen ist der im letzten Index von Rahmen Nr. 2 gespeicherte Geschwindigkeitswert (13a).
2. Wenn die Rahmeninitialisierung beendet ist, wechselt der Berechnungszustand zu RÜCKWÄRTS_BERECHNUNG und danach zu VORWÄRTS_BERECHNUNG, und dadurch wird eine ganze Optimierungsiteration auf den bestimmten Bereich im Ringpuffer angewandt (13b). Die gegenwärtige Fahrzeuggeschwindigkeit wird als Ausgangsgeschwindigkeit verwendet, um den tatsächlichen Fahrzeugzustand in Betracht zu ziehen. In 13b zeigt der hellgraue Hintergrund der Geschwindigkeitsspeicherzellen von Rahmen Nr. 3 an, daß diese Werte "optimalere" Werte als die Ausgangsschätzungen sind, da ein Optimierungsiterationsschritt auf sie angewandt ist. Alle diese Berechnungen erfolgen, während das Fahrzeug im ersten Rahmen fährt. Die Ausgangswerte des voraussagenden Tempomatsystems (6) werden aus dem ersten Rahmen ausgelesen, der die "Nachschlagetabelle" für diesen Zweck bildet. Die Berechnungen müssen abgeschlossen sein, wenn das Fahrzeug das Ende von Rahmen Nr. 1 erreicht; andernfalls mißlingt die Synchronisierung des Optimierungsalgorithmus und der Fahrzeugbewegung. Wenn dies passiert, wird das voraussagende Tempomatsystem alle Berechnungen einstellen und in den Störungsmodus wechseln.
3. 13c und d zeigen den Zustand des Ringpuffers, wenn das Fahrzeug in Rahmen Nr. 2 fährt. Dieses Mal ist Rahmen Nr. 0 mit Straßendaten und Ausgangswertschätzungen gefüllt (13c) und wird eine Optimierungsiteration auf die Rahmen Nr. 2, 3 und 0 (13d) angewandt. Die Hintergrundfarben der Geschwindigkeitszellen von Rahmen Nr. 3 sind nun dunkler als im vorhergehenden Schritt, was anzeigt, daß nun zwei Optimierungsiterationen für diesen Speicherbereich durchgeführt wurden und sich diese Werte somit den optimalen Werten enger annähern.

Im Beispiel von 12 und 13 sind die Parameter Voraussagehorizont und "Anzahl der Rahmen" sehr klein gewählt, um den grundlegenden Betrieb des Ringpuffers klar zu machen. Realistische Werte für den Voraussagehorizont wären 4000 unter Annahme einer Integrationsschrittgröße von 1 m und 200 für die Anzahl der Rahmen. Somit werden fast 200 Optimierungsiterationsschritte in bezug auf die Werte in einem Rahmen durchgeführt, bevor diese tatsächlich ausgelesen werden. Diese Anzahl ist mehr als genug für den Algorithmus, um zu den optimalen Werten zu konvergieren. Daher ist es ausreichend, eine Optimierung pro Rahmen zu berechnen.
15 zeigt das in einem Fahrzeug ausgeführte voraussagende Tempomatsystem.
Die vorhergehende Offenbarung wurde nur zur Veranschaulichung der Erfindung bekannt gemacht und soll nicht beschränkend sein. Da Fachleuten Abänderungen der offenbarten Ausführungsformen einfallen können, die den Geist und das Wesen der Erfindung enthalten, sollte die Erfindung so aufgefaßt werden, daß sie alles innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche und von Äquivalenten davon beinhaltet.

Claims

Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Fahrzeugs, das Folgendes umfaßt: Definieren einer analytischen Fahrzeugbetriebskostenfunktion auf Basis mehrerer Umgebungsparameter, Fahrzeugparameter, Fahrzeugbetriebsparameter und Streckenparameter; Feststellen der Umgebungs- und Fahrzeugbetriebsparameter, während das Fahrzeug eine Strecke durchfährt, für die Streckenparameter in einer Straßenkarte gespeichert sind, wobei die Fahrzeugbetriebsparameter zumindest die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Fahrzeugposition in bezug auf die Straßenkarte beinhalten; iteratives Berechnen und Speichern von Fahrzeugsteuerparametern, die die Fahrzeugbetriebskostenfunktion für eine vorherbestimmte Entfernung entlang der vor dem Fahrzeug liegenden Strecke als eine Funktion zumindest der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Fahrzeugposition und der in der Straßenkarte gespeicherten Streckenparameter minimieren, in einem Speicher, während das Fahrzeug die Strecke befährt; Auslesen optimierter Fahrzeugsteuerparameter, die einer gegenwärtigen Position des Fahrzeugs entsprechen, aus dem Speicher; und Steuern des gegenwärtigen Fahrzeugbetriebs auf Basis der optimierten Fahrzeugsteuerparameter.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Streckenparameter zumindest die Straßenneigung und den Krümmungsradius beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug ein adaptives Tempomatsystem aufweist; die Fahrzeugsteuerparameter zumindest eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit beinhalten; und die Fahrzeugsteuerparameter zum Steuern des Fahrzeugbetriebs in das adaptive Tempomatsystem eingegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fahrzeugposition auf Basis von Eingangssignalen von einem GPS-System, der Fahrzeuggeschwindigkeit, und in der Straßenkarte gespeicherten Streckendaten bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fahrzeugbetriebskostenfunktion auf einem mathematischen Modell der Fahrzeugdynamik für ein auf einer Straße fahrendes Fahrzeug beruht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das mathematische Modell auf der Beziehung
beruht, wobei m die Masse des Fahrzeugs ist, v die Geschwindigkeit ist, und Fi Längskräfte sind, die den Fahrzeugbetrieb beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei Fi zumindest Kräfte, die durch den Fahrzeugmotor, die Fahrzeugbremsen und den Luftwiderstand ausgeübt werden, und Kräfte, die durch die Straßenneigung und die Reibung ausgeübt werden, umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kostenfunktion einen gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich umfaßt und auf Basis eines Ausmaßes, in dem die Fahrzeuggeschwindigkeit eine obere oder untere Grenze des Geschwindigkeitsbereichs überschreitet, eine Kostenstrafe auferlegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Kostenfunktion einen gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich umfaßt und auf Basis eines Ausmaßes, in dem die Fahrzeuggeschwindigkeit eine obere oder untere Grenze des Geschwindigkeitsbereichs überschreitet, eine Kostenstrafe auferlegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kostenfunktion den Fahrzeugkraftstoffverbrauch als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Straßenneigung und der Drosselposition beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Kostenfunktion den Fahrzeugkraftstoffverbrauch als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Straßenneigung und der Drosselposition beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kostenfunktion J durch
definiert ist, wobei v die Fahrzeuggeschwindigkeit ist; th ein Drosselprozentwert ist; Θ die Straßenneigung ist; r der Straßenkrümmungsradius ist; k ein Indexwert ist; N der Indexwert am Ende des Voraussagehorizonts ist; h ein Iterationsintervall ist; σ ein Parameter ist, dessen Wert 1 beträgt, wenn der Wert der Menge innerhalb der Klammern, die σ folgen, ≥ 0 ist, und 0 ist, wenn der Wert einer derartigen Menge < 0 ist; v_obere eine obere Grenze eines Geschwindigkeitsbereichs ist; v_untere eine untere Grenze eines Geschwindigkeitsbereichs ist; v_gew eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit ist; und M, T, S, Γ_1/2, q und R konstante Werte sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Betriebskostenfunktion eine analytische Berechnung der Fahrzeugbetriebskosten auf Basis der Parameter bereitstellt; und Parameter, die die analytisch berechneten Fahrzeugbetriebskosten für die vorherbestimmte Entfernung minimieren, im Speicher gespeichert sind.
Vorrichtung zum Steuern des Betriebs eines Fahrzeugs, umfassend: Sensoren zum Feststellen von Fahrzeugbetriebsparametern, die zumindest die Fahrzeuggeschwindigkeit und -position beinhalten; und ein voraussagendes Tempomatmodul, das auf Basis der Fahrzeugbetriebsparameter und von Umgebungs- Fahrzeug- und Streckenparametern optimale Fahrzeugsteuerparameter, welche die durch eine analytische Fahrzeugbetriebskostenfunktion definierten Fahrzeugbetriebskosten minimierern, bestimmt und die optimalen Fahrzeugbetriebsparameter zu einer Fahrzeugsteuerung liefert, die zumindest einen Motorbetriebsparameter des Fahrzeugs als eine Funktion davon steuert; wobei die Fahrzeugsteuerparameter für den Betrieb der Steuerung zumindest eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das voraussagende Tempomatmodul Folgendes umfaßt: einen ersten Speicher, in dem eine Straßenkarte gespeichert ist, die Streckenparameter enthält, welche Strecken innerhalb eines Fahrzeugbetriebsgebiets kennzeichnen; einen Datenprozessor, der programmiert ist, auf Basis der Kostenfunktion, den Fahrzeugbetriebsparametern, den Streckenparametern und eines darin gespeicherten Optimierungsalgorithmus die optimalen Fahrzeugsteuerparameter zu berechnen; und einen zweiten Speicher zum Speichern einer Nachschlagetabelle, die optimierende Fahrzeugsteuerparameter enthält, welche durch den Datenprozessor für einen Voraussagehorizont berechnet wurden, der sich entlang einer befahrenen Strecke eine vorherbestimmte Entfernung vor dem Fahrzeug erstreckt, wobei die Nachschlagetabelle als eine Funktion einer geschätzten Position des Fahrzeugs zugänglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Streckenparameter zumindest die Straßenneigung und den Krümmungsradius beinhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der zweite Speicher einen Ringpufferspeicher zum Speichern iterativ berechneter Werte der Fahrzeugsteuerparameter umfaßt, wobei der Ringpufferspeicher eine Kapazität aufweist, um Informationen für mehrere im Voraussagehorizont enthaltene Integrationsintervalle zu speichern.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Ringpufferspeicher in mehrere Rahmen geteilt ist, die gesammelt dem Voraussagehorizont entsprechen, wobei jeder Rahmen eine vorherbestimmte Anzahl von Zellen beinhaltet, die dem Integrationsintervall entsprechen; und der Prozessor in Synchronisation mit einem Anfang jedes Rahmens eine neue Iteration des Optimierungsalgorithmus beginnt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Positionsauswertereinheit die Fahrzeugposition auf Basis von Eingangssignalen von einem GPS-System und der Fahrzeuggeschwindigkeit und den in der Straßenkarte gespeicherten Streckenparametern bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Fahrzeugbetriebskostenfunktion auf einem mathematischen Model der Fahrzeugdynamik für ein auf einer Straße fahrendes Fahrzeug beruht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das mathematische Modell auf der Beziehung
beruht, wobei m die Masse des Fahrzeugs ist, v die Geschwindigkeit ist, und Fi Längskräfte sind, die den Fahrzeugbetrieb beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei Fi zumindest Kräfte, die durch den Fahrzeugmotor, die Fahrzeugbremsen und den Luftwiderstand ausgeübt werden, und Kräfte, die durch die Straßenneigung und die Reibung ausgeübt werden, umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Kostenfunktion einen gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich umfaßt und auf Basis eines Ausmaßes, in dem die Fahrzeuggeschwindigkeit eine obere Grenze oder eine untere Grenze des Geschwindigkeitsbereichs überschreitet, eine Kostenstrafe auferlegt.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Kostenfunktion den Fahrzeugkraftstoffverbrauch als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Straßenneigung und der Drosselposition beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Kostenfunktion J durch
definiert ist, wobei v die Fahrzeuggeschwindigkeit ist; th ein Drosselprozentwert ist; Θ die Straßenneigung ist; r der Straßenkrümmungsradius ist; k ein Indexwert ist; N der Indexwert am Ende des Voraussagehorizonts ist; h ein Iterationsintervall ist; σ ein Parameter ist, dessen Wert 1 beträgt, wenn der Wert der Menge innerhalb der Klammern, die σ folgen, ≥ 0 ist, und 0 ist, wenn der Wert einer derartigen Menge < 0 ist; v_obere eine obere Grenze eines Geschwindigkeitsbereichs ist; v_untere eine untere Grenze eines Geschwindigkeitsbereichs ist; v_gew eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit ist; und M, T, S, Γ_1/2, q und R konstante Werte sind.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Betriebskostenfunktion eine analytische Berechnung der Fahrzeugbetriebskosten auf Basis der Parameter bereitstellt; und Parameter, die die analytisch berechneten Fahrzeugbetriebskosten für die vorherbestimmte Entfernung minimieren, im Speicher gespeichert sind.
Vorrichtung für ein Fahrzeug, das ein adaptives Tempomatmodul, welches zumindest eine Drosselposition des Fahrzeugs als eine Funktion von Fahrzeugsteuerparametern steuert, und Sensoren zum Feststellen der Fahrzeugbetriebsparameter einschließlich zumindest der Fahrzeuggeschwindigkeit und -position aufweist, umfassend: ein voraussagendes Tempomatmodul, das auf Basis der Fahrzeugbetriebsparameter und von Umgebungs-Fahrzeug- und Streckenparametern optimale Fahrzeugsteuerparameter iterativ bestimmt und aktualisiert, welche die durch eine analytische Fahrzeugbetriebskostenfunktion definierten Fahrzeugbetriebskosten minimierern; wobei die Fahrzeugsteuerparameter eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit, eine gewünschte Drosselposition und einen Steuerungsverstärkungsgrad umfassen, wobei die Fahrzeugsteuerparameter in den adaptiven Tempomat eingegeben werden, um zumindest die Drosselposition des Fahrzeugs zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei das voraussagende Tempomatmodul Folgendes umfaßt: eine Positionsauswertereinheit; einen ersten Speicher, in dem eine Straßenkarte gespeichert ist, die Streckenparameter enthält, welche Strecken innerhalb eines Fahrzeugbetriebsgebiets kennzeichnen; einen Datenprozessor, der programmiert ist, auf Basis der Kostenfunktion, den Fahrzeugbetriebsparametern, den Streckenparametern und eines darin gespeicherten Optimierungsalgorithmus die optimierenden Fahrzeugsteuerparameter zu berechnen; und einen zweiten Speicher zum Speichern einer Nachschlagetabelle, die optimierende Fahrzeugsteuerparameter enthält, welche durch den Datenprozessor für einen Voraussagehorizont berechnet wurden, der sich entlang einer befahrenen Strecke eine vorherbestimmte Entfernung vor dem Fahrzeug erstreckt, wobei die Nachschlagetabelle als eine Funktion der durch die Positionsauswertereinheit bestimmten Position des Fahrzeugs zugänglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Streckenparameter zumindest die Straßenneigung und den Krümmungsradius beinhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei der zweite Speicher einen Ringpufferspeicher zum Speichern und fortwährenden Aktualisieren iterativ berechneter Werte der Fahrzeugsteuerparameter umfaßt, wobei der Ringpufferspeicher eine Kapazität aufweist, um Informationen für mehrere im Voraussagehorizont enthaltene Integrationsintervalle zu speichern.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei der Ringpufferspeicher in mehrere Rahmen geteilt ist, die gesammelt dem Voraussagehorizont entsprechen, wobei jeder Rahmen eine vorherbestimmte Anzahl von Zellen beinhaltet, die dem Integrationsintervall entsprechen; und der Prozessor in Synchronisation mit dem Anfang jedes Rahmens oder bei einer Veränderung der Einstellgeschwindigkeit eine neue Iteration des Optimierungsalgorithmus beginnt.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Positionsauswertereinheit die Fahrzeugposition auf Basis von Eingangssignalen von einem GPS-System, der Fahrzeuggeschwindigkeit und den in der Straßenkarte gespeicherten Streckenparametern bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Fahrzeugbetriebskostenfunktion auf einem mathematischen Model der Fahrzeugdynamik für ein auf einer Straße fahrendes Fahrzeug beruht.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei das mathematische Modell auf der Beziehung
beruht, wobei m die Masse des Fahrzeugs ist, v die Geschwindigkeit ist, und Fi Längskräfte sind, die den Fahrzeugbetrieb beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei Fi zumindest Kräfte, die durch den Fahrzeugmotor, die Fahrzeugbremsen und den Luftwiderstand ausgeübt werden, und Kräfte, die durch die Straßenneigung und die Reibung ausgeübt werden, umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Kostenfunktion einen gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich umfaßt und auf Basis eines Ausmaßes, in dem die Fahrzeuggeschwindigkeit eine obere oder untere Grenze des Geschwindigkeitsbereichs überschreitet, eine Kostenstrafe auferlegt.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Kostenfunktion den Fahrzeugkraftstoffverbrauch als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Straßenneigung und der Drosselposition beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Kostenfunktion J durch
definiert ist, wobei v die Fahrzeuggeschwindigkeit ist; th ein Drosselprozentwert ist; Θ die Straßenneigung ist; r der Straßenkrümmungsradius ist; k ein Indexwert ist; N der Indexwert am Ende des Voraussagehorizonts ist; h ein Iterationsintervall ist; σ ein Parameter ist, dessen Wert 1 beträgt, wenn der Wert der Menge innerhalb der Klammern, die σ folgen, ≥ 0 ist, und 0 ist, wenn der Wert einer derartigen Menge < 0 ist; v_obere eine obere Grenze eines Geschwindigkeitsbereichs ist; v_untere eine untere Grenze eines Geschwindigkeitsbereichs ist; v_gew eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit ist; und M, T, S, Γ_1/2, q und R konstante Werte sind.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Betriebskostenfunktion eine analytische Berechnung der Fahrzeugbetriebskosten auf Basis der Parameter bereitstellt; und Parameter, die die analytisch berechneten Fahrzeugbetriebskosten für die vorherbestimmte Entfernung minimieren, im Speicher gespeichert sind.