JP2008265602A - 車両の速度制御システム、及び速度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の自動速度制御において、道路勾配及び車両質量の両者に配慮した速度制御を行う。
【解決手段】車両の速度制御システムは、車両に加わる力であって車両の安定走行が可能とされる力の限界である限界値を記憶する限界値記憶手段と、道路勾配を算出する勾配算出手段と、車両質量を算出する質量算出手段と、前記道路勾配と前記車両質量と前記限界値とを用いて、車両速度を決定する車両速度決定手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の速度制御技術に関する。

車両の自動速度制御の方法として、道路の勾配を考慮して減速度を決定する技術がある（特許文献１参照）。

特開２００５−２９７９００号公報

しかし、走行速度をより適切に制御するためには、道路の勾配だけでなく、車両の質量も考慮しなければならない。従来の技術では、道路勾配及び車両質量の両者に配慮することは行っておらず、カーブ前や一時停止線前の速度制御が十分達成できるとは言えない。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、道路勾配及び車両質量の両者に配慮した速度制御を行うことにある。

上記課題を解決すべく、本発明は、道路勾配と車両質量とを推定し、速度制御に用いる。

例えば、本発明の車両の速度制御システムは、車両に加わる力であって車両の安定走行が可能とされる力の限界である限界値を記憶する限界値記憶手段と、道路勾配を算出する勾配算出手段と、車両質量を算出する質量算出手段と、前記道路勾配と前記車両質量と前記限界値とを用いて、速度制御に用いる車両速度を決定する車両速度決定手段とを備える。

以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態が適用された車両速度制御システムの概略構成図である。

車両速度制御システムは、車両電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１００と、ナビゲーション装置２００と、勾配・質量計算装置３００と、速度制御装置４００と、を備えて構成される。

ＥＣＵ１００は、エンジン制御を主目的として車両に搭載され、車両内の電子装置の制御を行う装置である。ＥＣＵ１００は、車載ＬＡＮによって、他の装置（ナビゲーション装置２００、勾配・質量計算装置３００）とネットワーク化されており、車両トルクＴや車両速度ｖを、ＥＣＵデータとして出力する。

ナビゲーション装置２００は、現在位置を算出して、ユーザにより設定された目的地までの経路を探索し、液晶ディスプレイ等の表示装置を介して経路誘導情報を出力する装置である。そのため、ＧＰＳ(Global Positioning System)受信装置からＧＰＳ信号（ＧＰＳデータ）を受信する機能を備えている。また、車両の周囲の状況を撮像するカメラ（例えば、車両前方を撮像するフロントビューカメラ）から撮像画像を取得する機能を備えている。また、道路に設置され交通情報を配信するビーコンからのビーコン信号を受信するための機能を備えている。また、ネットワークを通じて、いわゆるテレマティクスにより、天気を配信するセンタサーバ装置から天気情報を取得する機能も備えている。

また、ナビゲーション装置２００は、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ハードディスクなどの記憶装置に、地図上の道路を構成するリンクの始点・終点の座標位置、リンク長などを含むリンクデータが格納された地図データ２０３を記憶している。

ナビゲーション装置２００は、その機能部として、ナビゲーション処理部２０１と、速度プラン生成部２０２とを備える。ナビゲーション処理部２０１は、現在位置算出、経路探索、経路誘導などの、一般的なナビゲーション処理行う。また、ナビゲーション処理部２０１は、カメラ画像を取得して表示装置に表示したり、ビーコンやネットワークを通じて取得した天気情報を表示装置に表示したりする。また、ナビゲーション処理部２０１は、ＧＰＳデータを勾配・質量計算装置３００に送ったり、天気情報を速度プラン生成部２０２に送ったりする。

速度プラン生成部２０２は、勾配・質量計算装置３００から、車両質量Ｍと、路面抵抗（転がり抵抗）μと、道路勾配θとを受信し、これらを用いて、車両の速度制御に用いられる速度プランを生成する。速度プランには、経過時間に対応して車両の達成するべき速度が指定されている。速度プラン生成部２０２は、生成した速度プランを速度制御装置４００に送る。

勾配・質量計算装置３００は、車両トルクＴ及び車両速度ｖを含むＥＣＵデータと、道路高度を含むＧＰＳデータとを受信し、これらに基づいて、車両質量Ｍ、路面抵抗μ、道路勾配θを求め、ナビゲーション装置２００の速度プラン生成部２０２に出力する。そのため、勾配・質量計算装置３００は、同期積分部３０１と、積分値記憶部３０２と、高度差記憶部３０３と、質量推定部３０４と、勾配計算部３０５とを備えている。

同期積分部３０１は、ＥＣＵデータから得られる物理量を、ＧＰＳデータの更新タイミングで積分し、積分値記憶部３０２に蓄積する処理を行う。また、ＧＰＳデータから得られる高度データから、道路の高度差を求め、高度差記憶部３０３に蓄積する処理を行う。

積分値記憶部３０２は、ＥＣＵデータに基づいて同期積分部３０１で生成した所定の物理量の積分値を蓄積する。

高度差記憶部３０３は、ＧＰＳデータに基づいて同期積分部３０１で生成した道路の高度差を蓄積する。

質量推定部３０４は、積分値記憶部３０２に蓄積された値と、高度差記憶部３０３に蓄積された値を用いて、予め定められた連立方程式を解くことにより、車両の質量を算出する処理を行う。

勾配計算部３０５は、ＥＣＵデータから得られる車両トルクＴ、車両速度ｖ、質量推定部３０４で求められた車両質量Ｍ及び路面抵抗μ等と用いて、予め定められた式を解くことにより、道路勾配θを求める。

速度制御装置４００は、ナビゲーション装置２００の速度プラン生成部２０２から速度プランを受信し、受信した速度プランで指定された速度で車両が走行するように、車両のブレーキやアクセルの制御を行う。

これらの、ＥＣＵ１００、ナビゲーション装置２００、勾配・質量計算装置３００、速度制御装置４００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、他の装置とのインターフェース、これらを接続するバス、などからなるコンピュータシステムにより構成される。また、各装置の構成及び機能は、ＣＰＵがメモリにロードしたプログラムを実行することにより達成される。そのため、ＲＯＭには、各処理を行うためのプログラムが記憶されている。

＜動作の説明＞ 次に、上記のように構成される速度制御システムの動作について説明する。

図２は、同期積分部３０１が行う積分値・高度差記憶処理の流れを示すフロー図である。

車両のエンジンが始動後（Ｓ１１）、同期積分部３０１は、各種パラメータを初期化した後、ＥＣＵ１００からのＥＣＵデータの取得と、ナビゲーション装置２００を介したＧＰＳデータの取得とを開始する（Ｓ１２）。

なお、ＧＰＳデータ（道路高度が含まれている）は、１秒毎に更新される。一方、ＥＣＵデータ（トルクＴ、車両速度ｖが含まれている）は、ＧＰＳデータの更新より短い間隔、ここでは１０ミリ秒毎に更新される。勾配・質量計算装置３００は、それぞれのデータを、更新されるたびに受信する。

同期積分部３０１は、ＧＰＳデータ（高度）が更新されるまでの間（Ｓ１５でＮ）、更新周期の短いＥＣＵデータを更新される毎に取得して（Ｓ１３）、次の物理量（１）〜（３）について積分値を求める（Ｓ１４）。
（１）Ｔ／Ｒ−Ｆ
（２）ｖ
（３）ｖ×α
Ｔ：トルク（車輪軸）［Ｎ・ｍ］
ｖ：車両速度［ｍ/ｓ］
α：加速度［ｍ/ｓ^２］＝速度ｖの時間微分値
Ｒ：ギアとタイヤの半径込みの定数［ｍ］
Ｆ：空気抵抗［Ｎ］＝（車両速度ｖ）^２×（空気密度）×（断面積）×（定数Ｃｄ）／２
なお、空気密度、断面積、定数Ｒ、及び定数Ｃｄは、予め定められているものとする。

ＧＰＳデータが更新されると（Ｓ１５でＹ）、同期積分部３０１は、前回のＧＰＳデータの高度と今回のＧＰＳデータの高度との差（高度差）を求めて、高度差記憶部３０３に記憶させる（Ｓ１６）。さらに、上述の物理量（１）〜（３）の積分値を、積分値記憶部３０２に記憶させる（Ｓ１７）。

図３は、高度差記憶部３０３のＧＰＳデータテーブル３０３０の構成を示す図である。高度差記憶部３０３は、ＧＰＳデータテーブル３０３０に、ＧＰＳデータの更新時刻ｔ（１秒毎）３０３１に対応させて、高度差３０３２を格納する。

図４は、積分値記憶部３０２のＥＣＵデータテーブル３０２０の構成を示す図である。積分値記憶部３０２は、ＥＣＵデータテーブル３０２０に、ＧＰＳデータの更新時刻ｔ（１秒毎）３０２１に対応させて、各物理量（Ｔ／Ｒ−Ｆ、ｖ、ｖ×α）の積分値３０２２を格納する。

こうして、ＧＰＳデータテーブル３０３０と、ＥＣＵデータテーブル３０２０への書き込みが終了すると、同期積分部３０１は、Ｓ１３に戻って処理を続ける。

以上、図２の積分値・高度差記憶処理のフローについて説明した。かかるフローにより、ＧＰＳデータテーブル３０３０、及びＥＣＵデータテーブル３０２０には、次々とデータが蓄積される。

次に、道路勾配θと車両質量Ｍを求める処理について説明する。

図５は、勾配・質量計算処理のフロー図である。エンジン始動後（Ｓ２１）、勾配計算部３０５は、ＥＣＵデータを受信するたびに（Ｓ２２でＹ）、下記式により、道路勾配θの計算を行う（Ｓ２３）。このとき、勾配計算部３０５は、質量推定部３０４により推定された最新の車両質量Ｍと路面抵抗μとを用いて道路勾配θを求める。

現在の道路勾配θ：
ｓｉｎθ＝Ｔ／ＭｇＲ−α／ｇ−μ−Ｆ／Ｍｇ
ｇ：重力加速度＝９．８［ｍ/ｓ^２］
Ｍ：車両質量
μ：路面抵抗
（Ｔ,Ｒ，α，及びＦは、上記と同じ意味を表す。）
そして、勾配計算部３０５は、計算した道路勾配θをナビゲーション装置２００に出力する（Ｓ２４）。すなわち、勾配計算分３０５は、ナビゲーション装置２００に、ＥＣＵデータの更新周期である１０ミリ秒ごとに、道路勾配θを出力することになる。

なお、車両質量Ｍと路面抵抗μとが求められていない場合、勾配計算部３０５は、Ｓ２３、Ｓ２４の処理をスキップする。

次に、勾配計算部３０５は、現時点が車両質量Ｍを計算するタイミングであるか否か判定する（Ｓ２５）。なお、車両質量Ｍの計算タイミングは、予め定められており、例えば、エンジン始動後、３０分ごとである。ただし、勾配計算部３０５は、カーブや停止線の所定距離手前（例えば、５００ｍ以内）を、車両質量Ｍの計算タイミングとしないようにしてもよい。

車両質量Ｍの計算タイミングでない場合（Ｓ２５でＮ）、勾配計算分３０５は、Ｓ２２に戻って処理を続行する。

一方、車両質量Ｍの計算タイミングである場合（Ｓ２５でＹ）、勾配計算部３０５は、質量推定部３０４に、車両質量Ｍの推定を行うように指示する。これを受けて、質量推定部３０５は、車両質量Ｍの推定を行う（Ｓ２６）。

質量推定部３０４は、ＧＰＳデータテーブル３０３０及びＥＣＵデータテーブル３０２０に格納されている値を用いて、次の連立方程式を解くことにより、車両質量Ｍ及び路面抵抗μを求める。

かかる連立方程式において、導変数は、ＭとＭμの２つである。したがって、質量推定部３０４は、まず、ＭとＭμを求めた後、μを求める。

なお、上記連立方程式の根拠は、次の通りである。

ＭとＭμを求めるために、上記式に対して最小二乗（質量偏微分と路面抵抗偏微分）を行うと、上記式となる。

こうして、車両質量Ｍと路面抵抗μが求められる。質量推定部３０４は、推定した車両質量Ｍ及び路面抵抗μを、ナビゲーション装置２００の速度プラン生成部２０２に出力する（Ｓ２７）。そして、Ｓ２２に戻って処理が続行されるようにする。

以上、図５のフローについて説明した。

次に、ナビゲーション装置２００が行う速度プランの生成処理について説明する。図６は、かかる処理のフロー図である。速度プラン生成部２０２は、ナビゲーション装置の電源がＯＮされると、かかるフローを開始する。なお、上記の通り、ナビゲーション装置２００の速度プラン生成部２０２は、勾配・質量計算装置２００から、車両質量Ｍ、路面抵抗μ、および道路勾配θを取得するものとする。

速度プラン生成部２０２は、車両の前方に減速ポイントがあるか否かを判定する（Ｓ３１）。具体的には、ナビゲーション処理部２０１から、車両の現在位置を取得し、取得した現在位置の存在するリンクの前方の所定距離（例えば、５００ｍ）内に、減速ポイントがあるか否かにより判定する。なお、減速ポイントは、カーブの開始位置や停止線である。地図データには、減速ポイントの位置とその種類（例えば、カーブ開始位置か、停止線か）が予め格納されている。

前方に減速ポイントがある場合（Ｓ３１でＹ）、速度プラン生成部２０２は、地図データを用いて、現在位置から減速ポイントまでの距離を計算する（Ｓ３２）。

次に、速度プラン生成部２０２は、減速ポイントがカーブの開始位置であるか一時停止線であるかを判定する。

減速ポイントがカーブの開始位置である場合のみ（Ｓ３３でＹ）、速度プラン生成部２０２は、カーブの曲率半径を求める（Ｓ３４）。具体的には、地図データにそのカーブの曲率半径が格納されている場合は、その曲率を取得する。また、ビーコン信号に曲率半径が含まれている場合は、その曲率半径を取得する。また、カメラ画像を取得し、カメラ画像に含まれている前方道路の形から、そのカーブの曲率半径を算出して求めてもよい。なお、カメラ画像からカーブの曲率半径を求める方法は、既存の技術を用いることができる。

次に、速度プラン生成部２０２は、減速ポイントに到達するまでに車両に望まれる速度（目標速度）と、かかる目標速度まで減速する際の減速度の最大限度（最大減速度）を求める（Ｓ３５）。

具体的には、速度プラン生成部２０２は、減速ポイントが一時停止線の場合、目標速度を、０ｋｍ／ｈに設定する。なお、徐行速度（例えば、１０ｋｍ／ｈ）に設定してもよい。

一方、減速ポイントがカーブの開始位置である場合は、速度プラン生成部２０２は、次のようにして目標速度を設定する。

図７は、目標速度を求める方法を説明するための図である。

車両がカーブを走行する場合、カーブの手前までには、車両速度は、カーブをスリップすることなく走行可能な速度まで減速している必要がある。カーブをスリップすることなく走行することが可能な速度は、車両をスリップさせようとする力に対して、タイヤと路面の摩擦力が勝っている場合である。ここで、道路勾配θがある場合、車両には、Ｍｇｓｉｎθ（Ｍ：車両質量、ｇ：重力加速度）の力が加わる。また、カーブを走行するときの遠心力は、Ｍｖ^２／ｒ（ｒ：曲率半径、ｖ：車両速度）である。したがって、車両をスリップさせようとする力は、図７に示すように、縦方向（車両進行方向）の力（Ｍｇｓｉｎθ）と、遠心力（Ｍｖ^２／ｒ）の合力である。

一方、図７に示すように、タイヤがスリップしない限界の力は、半径Ａのスリップ限界円で表すことができる。

すなわち、カーブの開始位置までには、車両の速度ｖは、下記式を満たす必要がある。

Ａ^２＞（Ｍｇｓｉｎθ）^２＋（Ｍｖ^２／ｒ）^２
（Ｍ、ｇ、θ、ｖ、ｒは、上記と同じ意味を表す。）
なお、スリップ限界円の半径Ａは、予め定められている。または、天気に応じて、用いる半径を変更してもよい。例えば、速度プラン生成部２０２は、「晴れ」と「雨」の場合の半径Ａを予め保持している。そして、速度プラン生成部２０２は、ＥＣＵ１００から車両のワイパーの動作状況を取得して、ワイパーが動作していない場合、「晴れ」のスリップ限界円の半径Ａを用いる。一方、ワイパーが動作している場合、「雨」のスリップ限界円の半径Ａを用いる。または、テレマティクスにより、天気情報を配信するセンタサーバ装置からネットワークを通じて天気情報を取得している場合、速度プラン生成部２０２は、その天気情報に基づいて、タイヤスリップ限界円の半径Ａを選択してもよい。

速度プラン生成部２０２は、かかる式を満たす最大の車両速度ｖを求め、目標速度として設定する。

さらに、速度プラン生成部２０２は、ユーザにより予め設定された減速度βから道路勾配により生じる減速度（ｇｓｉｎθ）を引いた値を、最大減速度に設定する。
最大減速度＝β−ｇｓｉｎθ
このように設定するのは、ユーザが体感する減速度（車両の実際の減速度と勾配による影響とを足した減速度）が、ユーザが許容する減速度の範囲を超えないようにするためである。

図６に戻って説明する。次に、速度プラン生成部２０２は、速度プランを用いた速度制御の起動タイミングを決定する（Ｓ３６）。例えば、現在位置が減速ポイントの所定距離（例えば、１００ｍ）手前に移動した時点を、起動タイミングと決定する。なお、かかる所定距離は、起動タイミングを決定する時点の車両速度に応じて定めてもよい。例えば、車両速度が速いほど、速度プランを用いた速度制御が早く起動されるように、上記の所定距離を長く定める。

そして、速度プラン生成部２０２は、起動タイミングとなったか否か監視し、起動タイミングとなった場合（Ｓ３７でＹ）、自動速度制御を行う旨を表示装置に出力するなどして、ユーザへ警告する（Ｓ３８）。

次に、速度プラン生成部２０２は、速度プランを設定する（Ｓ３９）。

図８は、速度プラン生成部２０２が予め保持している速度プランデータ２０２０の構成を示す図である。

速度プランデータ２０２０には、速度プランごとに、レコードが格納されている。各レコードには、現在速度２０２１と、目標速度２０２２と、最大減速度２０２３と、速度プラン２０２４とが格納されている。速度プラン２０２４には、起動タイミングである減速開始地点から減速ポイントに至るまでに車両がとるべき速度の経時変化２０２５が格納されている。速度の経時変化２０２５は、減速開始時点（起動タイミング）において現在の速度であり、減速ポイントにおいて目標速度となる。

速度プラン生成部２０２は、かかる速度プランデータ２０２０の中から、ＥＣＵ１００から取得された最新の現在の車両速度と、Ｓ３５で求めた目標速度と、同じくＳ３５で求めた最大減速度とに対応する、速度プラン２０２４を取得し、速度制御装置４００に送る速度プランとして設定する。そして、速度プラン生成部２０２は、設定した速度プランを速度制御装置４００に送る（Ｓ４０）。

その後、速度プラン生成部２０２は、現在位置が減速ポイントを通過したことを検知した後、Ｓ３１に戻って処理を続ける。

以上、図６の速度プラン生成処理のフローについて説明した。

速度制御装置４００は、速度プラン生成部２０２から受信した速度プランに従って、ブレーキアクチュエータ、スロットルアクチュエータを制御する。すなわち、速度制御装置４００は、車両の速度を、速度プランで規定された速度の経時変化に従うように制御することになる。

以上、本発明の一実施形態について説明した。

上記実施形態によれば、道路勾配と車両質量とに配慮して、カーブ前や停止線前の車両速度の自動制御を行うことができる。

また、道路勾配及び車両質量は、更新周期の異なるデータ（ＥＣＵデータ、ＧＰＳデータ）を用いて、積分処理、及び所定の計算処理によって、求められる。そのため、センサを用いて道路勾配や車両質量を求める場合に比べて、精度が高い。

なお、上記実施形態では、ナビゲーション装置２００が速度プランの生成を行っているが、これに限定されない。速度制御装置４００が速度プランの生成を行ってもよい。また、ナビゲーション装置２００が勾配・質量計算装置３００を兼ねていてもよい。

図１は、本発明の一実施形態が適用された車両速度制御システムの概略構成図である。 図２は、積分値・高度差記憶処理の流れを示すフロー図である。 図３は、ＧＰＳデータテーブルの構成を示す図である。 図４は、ＥＣＵデータテーブルの構成を示す図である。 図５は、勾配・質量計算処理の流れを示すフロー図である。 図６は、速度プラン生成処理の流れを示すフロー図である。 図７は、目標速度の算出方法を説明するための図である。 図８は、速度プランデータの構成を示す図である。

符号の説明

１００…ＥＣＵ、２００…ナビゲーション装置、２０１…ナビゲーション処理部、２０２…速度プラン生成部、２０３…地図データ、３００…勾配・質量計算装置、３０１…同期積分部、３０２…積分値記憶部、３０３…高度差記憶部、３０４…質量推定部、３０５…勾配計算部、４００…速度制御装置

Claims (7)

1. 車両の速度制御システムであって、
   車両に加わる力であって車両の安定走行が可能とされる力の限界である限界値を記憶する限界値記憶手段と、
   道路勾配を算出する勾配算出手段と、
   車両質量を算出する質量算出手段と、
   前記道路勾配と前記車両質量と前記限界値とを用いて、速度制御に用いる車両速度を決定する車両速度決定手段と
   を備えることを特徴とする速度制御システム。
2. 請求項１に記載の速度制御システムであって、
   前記質量算出手段は、
   車両トルクと車両速度に基づく物理量を道路高度の更新周期で積分した値と、前記道路高度から算出される道路高度差とを蓄積し、
   蓄積した値を用いて、前記車両質量と路面抵抗とを算出し、
   前記勾配算出手段は、
   前記質量算出手段により求められた車両質量と路面抵抗とを用いて、前記道路勾配を算出する
   ことを特徴とする速度制御システム。
3. 請求項２に記載の速度制御システムであって、
   前記車両トルクと前記車両速度とを車両の電子制御装置から取得する手段と、
   前記高度差をＧＰＳ（Global Positioning System）データから取得する手段と
   を備える
   ことを特徴とする速度制御システム。
4. 請求項１に記載の速度制御装置であって、
   前記限界値は、タイヤスリップ限界を示すものであり、
   前記車両速度決定手段は、
   カーブの曲率半径と道路勾配と車両質量とを用いて、カーブにおける遠心力と、道路勾配により生じる力とを求め、これらの合力が、タイヤスリップ限界を超えないように、車両の速度を決定する
   ことを特徴とする速度制御システム。
5. 請求項４に記載の速度制御装置であって、
   天気を判定する天気判定手段を備え、
   前記限界値記憶手段は、
   天気に対応したタイヤスリップ限界を記憶しており、
   前記車両速度決定手段は、
   前記天気判定手段で判定された天気に対応した前記限界値記憶手段のタイヤスリップ限界を用いて、前記速度制御に用いる車両速度を決定する
   ことを特徴とする速度制御システム。
6. 請求項１に記載の速度制御装置であって、
   前記車両速度決定手段は、
   予め定められた減速度から、前記道路勾配により生じる減速度を引いて、最大減速度を求め、前記車両の減速度が当該最大減速度を超えないように、前記速度制御に用いる車両速度を決定する
   ことを特徴とする速度制御システム。
7. 車両の速度制御システムの速度制御方法であって、
   前記速度制御システムは、
   車両に加わる力であって車両の安定走行が可能とされる力の限界である限界値を記憶する限界値記憶装置を備え、
   道路勾配とともに車両質量を算出し、
   前記道路勾配と前記車両質量と前記限界値とを用いて、速度制御に用いる車両速度を決定する
   ことを特徴とする速度制御システムの速度制御方法。

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