JP2006232240A - 車両交通量の安定化制御のための方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 マンマシン系として作業を分担させ、車間距離ならびに速度制御機能を運転者に行わせる一方で、車間距離列安定化のための制御量を自動計算し、各車で加算配合して加える方法及び装置を提供する。車間距離の安定化は、先行車からの加減速情報を適切に積算し後方にリレー伝達させる分散制御法で実現される。これにより、車間距離計測そのものを要求せずに車間距離列の安定化が可能になり、装備化も容易で、運転者が局所制御を依然担えるために安全性が確保できる方式が実現できる。本制御は車間制御であり、またその結果として得られる渋滞解消を含む交通量の安定化制御法である。
【選択図】 図4
Description
前記対象車両群のうちの一車両に対する直前の車両において車間及び速度制御に要した加減速度入力要求量を前記一車両で受信する受信段階と、
運転者が前記一車両において車間及び速度を制御するために与えようとする加減速操作量を計測する計測段階と、
前記加減速度入力要求量と前記加減速操作量を加算して車両加減速度要求量を得る加算段階と、
前記車両加減速度要求量に基づいて前記一車両を駆動させるために前記一車両の駆動部に前記車両加減速度要求量を提供する提供段階と、
前記一車両の直後の車両が前記車両加減速度要求量を加減速度入力要求量として受信できるように、前記直後の車両に前記車両加減速度要求量を送信する送信段階と、を備え、
前記一車両に対する前記全段階を前記対象車両群の各車両で実行することを特徴とする方法を提供する。
前記対象車両の直前の車両において車間及び速度制御に要した加減速度入力要求量を前記対象車両で受信する受信手段と、
運転者が前記対象車両において車間及び速度を制御するために与えようとする加減速操作量を計測する計測手段と、
前記加減速度入力要求量と前記加減速操作量を加算して車両加減速度要求量を得る加算手段と、
前記車両加減速度要求量に基づいて前記対象車両を駆動させるために前記対象車両の駆動部に前記車両加減速度要求量を提供する提供手段と、
前記対象車両の直後の車両が前記車両加減速度要求量を加減速度入力要求量として受信できるように、前記直後の車両に前記車両加減速度要求量を送信する送信手段と、を備えることを特徴とする装置を提供する。
前記対象車両群のうちの一車両に対する直前の車両において車間及び速度制御に要した加減速度入力要求量を前記一車両で受信する受信手段と、
運転者が前記一車両において車間及び速度を制御するために与えようとする加減速操作量を計測する計測手段と、
前記加減速度入力要求量と前記加減速操作量を加算して車両加減速度要求量を得る加算手段と、
前記車両加減速度要求量に基づいて前記一車両を駆動させるために前記一車両の駆動部に前記車両加減速度要求量を提供する提供手段と、
前記一車両の直後の車両が前記車両加減速度要求量を加減速度入力要求量として受信できるように、前記直後の車両に前記車両加減速度要求量を送信する送信手段と、を備え、
前記一車両に対する前記全手段を前記対象車両群の各車両で実行することを特徴とするシステムを提供する。
ここで、本発明の数学的解釈について以下に説明する。各車の位置をxiで記し、各車への加減速度入力を ui とする。すなわち
ここで車間距離を yi で
と定義すると、
であり、これを空間について z-変換すると
と書かれる。右辺に z-演算子を含むことが伝達遅れを示していて、これを制御論理上相殺させて消すことが安定な車列制御の本質である。これは、過去にも報告されている点であるが、新しい解釈をここで加えている。
が制御論理である。以下で変数名の上に横棒(バー)を付して当該変数の目標値を示すものとする。
より、
であるので、(負号に注意する。)閉ループ特性は、
にしたがう。ここで、簡単にこの特性を解釈してみる。一般性を失わずに、
とおくことができ、Kv が十分小さく、
と置き換えると、初期条件がyZ0の解は
で与えられる。これを(1/z)で展開し係数を評価すると、各車間距離を求めることができる。第1項は、初期条件と制御目標間の誤差の車列への伝播を与えており、この項による先頭からn番目の車間距離は、(1/z)nの展開係数で与えられ、この簡易モデルでは、
で与えられる。理論的には、各車間ごとに位相が90度異なるはずである。この振幅は、
であり、有限時間内であれば、
であり、車間距離は発散はしない。逆に有限の車列長では、時間の経過とともに発散していく。車間距離列は、結局、振幅が
の振動を後方車列に生じさせていくことになり、これが重畳して渋滞にいたることになる。渋滞を避けるには、
として、車間距離に対して加減速を行わせる感度を下げることが効果的であるといえるが、上述のように後方車列に発散的に伝播する振動を生ずることは本質的に避けられない。したがって、なんらかの車間距離の擾乱が発生すると、従来の運転者が先行車との車間距離をみて制御する方式では、渋滞はかならず発生することになる。実際には、速度フィードバック項がdampingを供給するために、緩和されるほか、後方車は先行車を追い越すことができないという飽和特性が存在するために発散にはいたらないですんでいる。
で与えられるのだが、各車の加減速性能には限界があり、実際に現れる周期はこれよりもずっと長くなる。たとえば、加減速の限界を A [m/s2] とし、そのフルの加減速を行う際の車間距離の目標値との誤差を、D [m] とするならば、等価的な Kx は、A/D となり、出現する周期は
となる。A =1[m/s2], D=100[m] では、約62秒になる。
次に、本発明に係る制御則について以下に説明する。いま、制御則を
とおく。上記と同様に y で書き直すと、
ということになる。閉ループ特性は
で支配される。
このyz に関する制御系は、Kv, Kx >0 、であれば安定であり、最終的に
にいたることになる。このyz に関わる安定性の証明においては、係数の負号だけが問題であり、Kx の時間変化が十分小さければ、すなわち
非線形性にかかわらず安定であることを示すことができる。
各車に求められる巡航速度は、ここでの説明では共通の1つの値としているが、それらは道路標識などから指定値が提供されると考えられ、実際には各車ごとにばらついている。しかし、上式が意味するところは、収束する各車間距離に、若干のばらつきが生ずる結果として現れるだけで、制御応答の安定性という点には影響を与えていないことであり、この制御方式での問題とはならない。
この制御論理は、逆z- 変換を行うと、
と具体的に書くことができる。K*=0 であれば、この制御論理は、ごく普通の運転者の行う車間距離制御に一致する。vi を更新する過程は、各車で行うことができ、その結果のみを後方車両に伝達することで、車列全体の安定化が図られていることになる。これを本論では分散積算型制御方策と呼ぶことにする。実際に加えられる操作量は、移送される情報そのものでない点が、本提案の新しい点である。この積算制御構造は、実は、車間距離誤差フィードバックゲインが一定である場合で、車間距離を全車列にわたって一定にする制御においては、車間距離計測を積算し先頭からの距離を算出する構造に等価である。この極端な場合においては、過去に報告されている方式に一致する。しかし、提案のポイントは、距離で積算するのではなく、制御操作入力 vi で積算を行うことにあり、これが新しい点である。そのメリットは、なによりも車間距離を計測する必要がなく、制御量計算作業を各車の運転者に陰に委ねることができる点にある。
を書き換えると、
となり、速度誤差フィードバックゲインが対角行列 K1, 車間距離誤差フィードバックが対角行列 K2 で与えられ、各運転者毎に異なることを認めたとすると、閉ループ系は、
で記述されることになる。いま線形時不変だと限定して考えると、特性方程式は、
となるが、これは下三角行列であり、特性方程式は、
となる。システム全体の安定性は個々の車間距離制御の安定性が保たれていれば成立することが示される。線形時不変での性質ではあるが、運転者毎に、K1, K2 に相当する技量に差があっても系全体の安定性に影響がないことが示される。
次に、上述の分散制御理論の実装モデルについて以下に説明する。上述の分散制御論理は、優れているものの、実装上に1つ難点が存在する。vi というリレーされるべき操作量の元となる運転者の行った操作量は車間距離制御のために要した加減速量である。しかるに、運転者が行った操作量から車間距離制御のために要した加減速度だけを切り分けて計測することはできない。運転操車者の行うタスクは、車間距離制御と速度制御を同時に行っているのであって、車間制御だけに対して行っている加減速操作量を取り出すことはできないからである。
いま、その運転者が行っている加減速操作量を wi とし、上述の vi を近似した想定の速度制御モデルゲイン
を利用することで、wi から相殺させて vi に相当する量を近似計算する手法を考察してみることにする。実際に利用できる情報とは、結局のところ、運転者の行う加減速操作要求情報だけだからである。これらは数学的に表現すると以下のように記述される。
ここに添え字 i は、各車 i で行うゲインならびに操作を示す。各車毎にゲインの異なる場合には、z 変換での表記には適しないため、これをベクトル書式で表記する。行列 A を
とすると、上述の一連の操作は、
と書かれる。結局、車間距離の運動方程式は、
と記述される。ここに、
である。一般性を失わずに、
はともに対角行列としてよく、また、その結果、
は下三角行列になるため、系の安定性は、Kx対角要素の正定性とその微分値に関する上述の性質と、
の対角要素の正定性とに帰着する。この対角要素の正定性については、容易にわかるように常に成立しており、安定である。もちろん、これまでの議論の結果、
であれば、すなわち想定する速度誤差制御ゲインモデルが実際の各運転者のそれに一致していれば、まさに上述の結果が出現する。ここで、注目すべきは、
の場合で、このとき車間距離列に関する閉ループ系は
となり、車間距離列は、もとの運転者の操作の遅れを改善した、シンプルな形で安定化されることになる。これは、実用上も非常に有利である。
これらを一般化すると、
と書くことができる。前述のように K* は、この分散積算制御を使用するか否かのフラグであり、各車で設定することができる。Kv * の有効化は、既存の自動車に装備されている自動速度制御装置を用いることを意味する。Kv * =0とすると、ここで述べたように自動速度制御は無効になるが、車間の分散制御を組み入れるかどうかには影響を与えず、かつ車間距離制御は安定化されるという特徴をもつ。
平均巡航速度を、30m/sとし、目標車間距離を100mとする制御を例題とした。数値模擬は、[A]巡航中に車間距離列に突然の変化が発生した場合の復帰安定性と、[B]完全な渋滞停止状態から、巡航状態への復帰応答の両面で検討、評価した。車両数は10台としている。各車両の加減速性能や運転手の技量については、最初の例では、同一としているが、後半の例では、まちまちに分布した例を掲げている。すなわち、画一性能、技量の例では、各車の加減速度限界を、1.0m/s2とし、速度誤差フィードバックゲイン Kvを1.0/sec、車間距離誤差フィードバックゲインKx を、0.5/sec2 x {v(m/s)/30}} と、非線形性を導入して模擬した。車間距離制御では、車速が遅くなるほどフィードバックゲインを低下させて運転する(急な加減速は行わない)のがドライバの特性だからである。同様に、各車の加減速性能、運転手技量のばらつきを考慮した例では、各車10台のエンジン性能上の加減速度制限値を、1.0, 0.5, 0.5, 1.0, 2.0, 0.5, 0.5, 1.5, 0.5, 0.5 m/sec2 とした。最大4倍の性能差を想定した。また、速度誤差フィードバックゲインについては、1.0, 1.0, 0.5, 1.0, 0.75, 1.0, 1.5, 1.0, 0.75, 1.0 /sec とし、車間誤差フィードバックゲインを、0.5, 0.375, 0.5, 0.75, 0.5, 0.25, 0.5, 0.5, 0.875 x {v(m/s)/30}} /sec2 と設定した。速度が 30m/s の状態では、
に近い状態になっており、この例題はかなり渋滞が発生しやすい状態を想定している。
の最大値は、各車の加減速度限界であり、十分に
が成立しているため、この非線形性は安定性に影響を与えていない。
を用いた。左括弧内は、各車への加減速度要求が制限値範囲内の場合は上を選択し、制限を越える場合は下の飽和特性を加えるという意である。上述の実装上のアルゴリズムにおいて示した論理との違いは、実際に各車に加えられる段階で、加減速度制限値の制限を導入している点にある。なお、先頭車では、v1=0 ととる。
K* は、新制御則を活かして、分散積算制御を導入するか否かのスイッチである。
また、
はいわゆるオートクルーズ機能(自動速度制御機能)を組み合わせて有効化するかいなかのスイッチである。
10・・・車間制御部
14、44・・・車両加減速度要求量
20・・・リミッタ
22・・・リミッタ加減速度要求量
30・・・車両の走行運動
34・・・自車の速度の情報
40・・・運転者による車間及び速度制御
42・・・加減速操作量
50・・・自動速度制御装置
52、62・・・自動速度制御要求量
60・・・速度制御部
64・・・加減速度出力要求量
Claims (12)
- 対象車両群の車両交通量の安定化制御方法であって、
前記対象車両群のうちの一車両に対する直前の車両において車間及び速度制御に要した加減速度入力要求量を前記一車両で受信する受信段階と、
運転者が前記一車両において車間及び速度を制御するために与えようとする加減速操作量を計測する計測段階と、
前記加減速度入力要求量と前記加減速操作量を加算して車両加減速度要求量を得る加算段階と、
前記車両加減速度要求量に基づいて前記一車両を駆動させるために前記一車両の駆動部に前記車両加減速度要求量を提供する提供段階と、
前記一車両の直後の車両が前記車両加減速度要求量を加減速度入力要求量として受信できるように、前記直後の車両に前記車両加減速度要求量を送信する送信段階と、を備え、
前記一車両に対する前記全段階を前記対象車両群の各車両で実行することを特徴とする方法。 - 前記提供段階は、前記加算段階で得られた車両加減速度要求量が前記一車両の加減速度制限値を超える場合に、前記一車両の加減速度限界値を前記一車両の駆動部に提供することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記一車両がその速度の情報を用いて一定の巡航速度を保つための自動速度制御手段を備える場合に、前記加算段階は、前記加減速度入力要求量、前記加減速操作量、及び自動速度制御手段から算出される自動速度制御要求量を加算して車両加減速度要求量を得ることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 前記加算段階における加減速度入力要求量は、前記受信段階で受信される加減速度入力要求量に任意の割合を乗じた値であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の方法。
- 車両交通量の安定化制御のために前方車両群の加減速度情報を用いて半自動的に対象車両の加減速度を制御する装置であって、
前記対象車両の直前の車両において車間及び速度制御に要した加減速度入力要求量を前記対象車両で受信する受信手段と、
運転者が前記対象車両において車間及び速度を制御するために与えようとする加減速操作量を計測する計測手段と、
前記加減速度入力要求量と前記加減速操作量を加算して車両加減速度要求量を得る加算手段と、
前記車両加減速度要求量に基づいて前記対象車両を駆動させるために前記対象車両の駆動部に前記車両加減速度要求量を提供する提供手段と、
前記対象車両の直後の車両が前記車両加減速度要求量を加減速度入力要求量として受信できるように、前記直後の車両に前記車両加減速度要求量を送信する送信手段と、を備えることを特徴とする装置。 - 前記提供手段は、前記加算手段で得られた車両加減速度要求量が前記対象車両の加減速度制限値を超える場合に、前記対象車両の加減速度限界値を前記対象車両の駆動部に提供することを特徴とする請求項5に記載の装置。
- 前記対象車両がその速度の情報を用いて一定の巡航速度を保つための自動速度制御手段を備える場合に、前記加算手段は、前記加減速度入力要求量、前記加減速操作量、及び自動速度制御手段から算出される自動速度制御要求量を加算して車両加減速度要求量を得ることを特徴とする請求項5又は6に記載の装置。
- 前記加算手段における加減速度入力要求量は、前記受信手段で受信される加減速度入力要求量に任意の割合を乗じた値であることを特徴とする請求項5から7のいずれか1つに記載の装置。
- 対象車両群の車両交通量の安定化制御システムであって、
前記対象車両群のうちの一車両に対する直前の車両において車間及び速度制御に要した加減速度入力要求量を前記一車両で受信する受信手段と、
運転者が前記一車両において車間及び速度を制御するために与えようとする加減速操作量を計測する計測手段と、
前記加減速度入力要求量と前記加減速操作量を加算して車両加減速度要求量を得る加算手段と、
前記車両加減速度要求量に基づいて前記一車両を駆動させるために前記一車両の駆動部に前記車両加減速度要求量を提供する提供手段と、
前記一車両の直後の車両が前記車両加減速度要求量を加減速度入力要求量として受信できるように、前記直後の車両に前記車両加減速度要求量を送信する送信手段と、を備え、
前記一車両に対する前記全手段を前記対象車両群の各車両で実行することを特徴とするシステム。 - 前記提供手段は、前記加算手段で得られた車両加減速度要求量が前記一車両の加減速度制限値を超える場合に、前記一車両の加減速度限界値を前記一車両の駆動部に提供することを特徴とする請求項9に記載のシステム。
- 前記一車両がその速度の情報を用いて一定の巡航速度を保つための自動速度制御手段を備える場合に、前記加算手段は、前記加減速度入力要求量、前記加減速操作量、及び自動速度制御手段から算出される自動速度制御要求量を加算して車両加減速度要求量を得ることを特徴とする請求項9又は10に記載のシステム。
- 前記加算手段における加減速度入力要求量は、前記受信手段で受信される加減速度入力要求量に任意の割合を乗じた値として用いることができるようになっていることを特徴とする請求項9から11のいずれか1つに記載のシステム。
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