JP2020117206A - 自動運転車両 - Google Patents

Abstract

【課題】自動運転車両に装備される電子機械式自動変速機および補助ブレーキ装置について「人の操作を必要とする機構部分」を「人が操作しなくても機能できる機構にして、自動運転の必要に応えられる機能を備える。【解決手段】電子機械式自動変速機自体はそのままにして、レバーや、ダイヤルや、ボタンなどによるＡＭＴ操作機構に自動運転ＥＣＵからの指令で作動する電子回路を付加して、その指令を司る制御則を用意する。補助ブレーキ装置自体はそのままにして、レバー操作などによるリターダの作動が自動運転ECUからの指令で作動する電子回路を付加して、その指令を司る制御則を用意する。エンジンの始動停止が遠隔でできる様にする。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機械式自動変速機（以下、ＡＭＴ、Automated Mechanical Transmissionの略）或いは無段変速機、及び補助ブレーキ(リターダ、Retarder)を装備する自動運転車両に関する。

大型車両には、日米欧とも、多段のＡＭＴ及びリターダが使われている。アクセルが踏まれると、エンジン出力が生じ、クラッチを介して変速機の主軸（プライマリーシャフト）に入り、副軸(セカンダリーシャフト)を経て、出力軸（アウトプットシャフト）から、プロペラシャフト、終減速機、後車軸、駆動輪と伝わり路面に至り駆動力になる。アクセルが放されるとエンジンブレーキになり、速度が抑制される。高速域からの減速や下り坂での抑速には、エンジンブレーキが使用される。

大型車両には、エンジンブレーキを有効発揮させるエンジン内蔵のエンジンリターダと変速機出力軸に連接されるミッションリターダの装備が普通になっている。更に、強い減速度を得るために、シフトダウン減速が行われ、最後の最後に主ブレーキ（ファウンデーションブレーキ、サービスブレーキ）が使われる。

ここに、エンジンリターダとは、エンジンの圧縮工程による圧縮空気を抜いてしまうことでエンジンブレーキ効果を高めるものであり、ミッションリターダとは、ミッションの出力軸回転を減速するもので電磁誘導の方式で減速するも方式と流体効果で、減速する方式がある。

大型車両の自動運転には、ＡＭＴ及びリターダの自動化が必要であるが、そこは人の操作によっており、現時点の自動化はアクセル操作とブレーキ操作のみであるので、ＡＭＴの操作レバー等、リターダの操作レバー等を、有人・無人のいずれでも行えるようにすること、無人で行う場合の認知・判断・実行の制御の方法を備える必要がある。

ＡＭＴ本体はそのままで良いのであるが、人の操作を必要としているＰ（駐車ポジション）、Ｎ（ギヤ中立ポジション）、Ｄ（ドライブポジション）、Ｈ（ギヤホールドポジション）、Ｕｐ（シフトアップ）、Ｄｏｗｎ（シフトダウン）の各ポジッションの切替操作、降坂時などの必要に応じてのＵＰ、ＤＯＷＮのギヤ切替操作を“人が操作しなくても機能できる機構”にする必要がある。

操作レバーや、ボタンや、ダイヤルなどによる手動操作機構に自動運転制御が介入できる機構にするハード面の対応が必要である。ここで注意すべきは、手動操作機構が“駐停車ポジション”にある状態を保持したままで、自動運転ＥＣＵからの指令が介入できる回路へスイッチ等によって電子電気的に切替できることであり、レバーを動かしたり、ボタンを押したり、ダイヤルを回したりする操作を自動で実施することを意味しない。

“人が操作しなくても機能できる機構”に「自動運転のための機能」を入れ込む必要がある。自動運転ECUからの指令が介入できる回路へスイッチ等によって電子電気的に切替できたとして、認知、判断、行動にかかわる自動運転機能を入れ込む必要がある。

リターダ本体はそのままで良いのであるが、人の操作を必要としている操作レバーやボタンやダイヤルもそのままに、即ち操作レバー、ボタン、ダイヤルを動かすことなく、自動運転制御が介入できる機構にするハード面の対応と、認知、判断、行動にかかわる自動運転機能を入れ込む必要がある。

自動運転には、車両が単独走行する場合と隊列走行する場合の両方を可能にすることが期待されている。隊列走行は人が運転する先頭車両に人が乗らない後続車両が自動追従システムとしての実現が期待されているので、上述の機構と機能は、有人と無人の両方に適応できる必要がある。

上記のＡＭＴ及びリターダを“有人、無人の両方に適用できる必要”の他に、次のことが必要である。
（１）駐車ブレーキの作動と解除を“有人、無人の両方に適用できる必要”がある。これは、大型トラックに限らず、自動運転車両の共通課題である。
（２）エンジンの始動と停止を“有人、無人の両方に適用できる必要”がある。これも大型トラックに限らず、自動運転車両の共通課題である。

上記（１）の駐車ブレーキについては、特許第６１８４０４５号の発明による。
上記（２）のエンジン始動と停止は、リモートコントロール技術の既存技術の応用で可能になる。

特許第６１８４０４５号公報

「隊列走行トラックの高速道路における走行抵抗・燃費低減効果の検討」 山崎穂高ほか，自動車研究32(3) 2013, p.139-143 「大型トラックの協調型ACCにおける車間距離制御アルゴリズムの開発」大前学ほか，自動車技術論文集，Vol.44, No.6, November 2013, No.20134868, p.1509-1515. 「大型トラックの前後運動の同定とそのモデル手法」籾山冨士男ほか，自動車技術会論文集，Vol.43, No.2, March 2012, No.20124209, p.211-216.

大型車両には、日米欧とも、多段のＡＭＴが使われている。これの自動運転の実用化に向けて次の課題がある。
（１）ＰないしＮレンジからＤレンジへの手動操作の必要がある。これを“手動と自動の両方でできる様にする”必要がある。
（２）Ｄレンジでの自動変速の際にトルク中断があり、そのため速度が変動するため、車間を詰めての隊列走行が困難になる。そのため、隊列走行する際は、ＤレンジからＨ（ギヤホールド）レンジへ切替えて適正なギヤに変速し固定して走行する。これを“手動と自動の両方でできる様にする”必要がある。
（３）Ｄレンジでは降坂時勝手にシフトアップしてしまいエンジンブレーキが効かなくなるので、Ｈレンジへ手動操作して変速阻止（ギヤホールド）する必要がある。これを“手動と自動の両方でできる様にする”必要がある。
（４）登坂や降坂時に，適正な加速度・減速度を得るために、Ｈレンジにして“ＵＰ”“ＤＯＷＮ”のレバー操作ないしボタン操作をしてギヤを選択する必要が生じる。これを“手動と自動の両方でできる様にする”必要がある。
（５）駐停車する際、ＤないしＨレンジから、ＰないしＮレンジへの手動操作が必要になる。これを“手動と自動の両方でできる様にする”必要がある。

以上のＡＭＴの課題に加えて、
（６）上記（３）（４）のエンジンブレーキの効きを高めるエンジンリターダの作動、ミッションリターダの作動の無人化が、併せて必要になる。
（７）そもそも、エンジン始動停止を“手動と自動の両方でできる様にする”必要がある。

特許文献１は、“隊列走行は人が運転する先頭車両に人が乗らない後続車両が自動追随するシステムとしての実現が期待される”としながらも、その文献での発明は駐車ブレーキの範囲に限られている。

非特許文献１は、車間距離を短くして隊列走行することにより空気抵抗が改善され燃費が向上するとして車間短縮の効果を示しながらも車間短縮のためのＡＭＴが備えるべき機能までは言及していない。

非特許文献２は、車間維持の制御則を示すも、隊列を構成する車両の積載量が異なる状況下や道路勾配が変動する状況下、及びギヤ変速を必要とする条件下に適応させる課題を残している。

非特許文献３は、モデルと実車との同定に留まり、隊列走行システムへの適用までは言及していない。自動変速機のギヤ変速に伴い生じる速度変動の指摘に留まり、それを抑制して隊列走行システムへ適用する策までは言及していない。

尚、前記特許文献１には、「シフトレバーが駐車位置か、駐車ブレーキがかかっているか、サービスブレーキがかかっているか、エンジンを始動したか、発進ギヤに入れたか、サービスブレーキは解除されたか、駐車ブレーキは解除されたか、発進したかに至る始動工程」、及び「サービスブレーキがかかっているか、ギヤは中立になっているか、駐車ブレーキがかかっているか、エンジンは止まったか、サービスブレーキは解除されたかに至る駐車工程」の駐車始動の作動制御流れが示されている。この「始動工程」と「駐車工程」の流れの中間に来る「走行工程」で前記した課題が問題になる。

上記の課題を解決するために、ＡＭＴ自体或いはＥＶ車の無段変速装置はそのままにして、レバーや、ダイヤルや、ボタンなどによるＡＭＴ操作機構に自動運転ＥＣＵからの指令で作動する電子回路を付加して、その指令を司る制御則を用意する。リターダ自体はそのままにして、レバー操作などによるリターダの作動が自動運転ＥＣＵからの指令で作動する電子回路を付加して、その指令を司る制御則を用意する。エンジンの始動停止が遠隔でできる様にする。

変速装置自体はそのままにして、レバーや、ダイヤルや、ボタンなどによる操作機構に自動運転ＥＣＵからの指令で作動する回路の一例としては、
ギヤセレクタの手動操作ダイヤルとＡＭＴ_ＥＣＵとをつなぐ回路の途中に自動運転ＥＣＵ介入部を設ける。この自動運転ＥＣＵ介入部には、手動操作が“中立（Ｎ）”になっている時に０から１に切り替わる第１スイッチと、前記第１スイッチが１の状態の時に０から１に切り替わって自動運転介入可能状態とするとともに１から０に戻ることで自動運転介入を終了する第２スイッチと、自動運転ＥＣＵからのギヤ位置信号例えばドライブ“Ｄ”信号をＡＭＴ_ＥＣＵに送る第３スイッチと、“手動操作レバーからの信号が入らないオート（Ａ）”状態を確認して自動運転ＥＣＵからシフトアップ、シフトダウン信号をＡＭＴ_ＥＣＵへ送る第４スイッチが設けられている。

また、リターダ自体はそのままにして、リターダの作動が自動運転ＥＣＵからの指令で作動する回路の一例としては、リターダスイッチ（手動操作部）とリターダＥＣＵとをつなぐ回路の途中に自動運転ＥＣＵ介入部を設ける。この自動運転ＥＣＵ介入部には、リターダスイッチがＯＦＦになっている時に０から１に切り替わる第１スイッチと、前記第１スイッチが１の状態の時に０から１に切り替わって自動運転介入可能状態とするとともに１から０に戻って自動運転介入を終了する第２スイッチと、自動運転ＥＣＵからの制御信号ルートを開とし自動運転ＥＣＵからのリターダ作動段階信号をリターダＥＣＵに送る第３スイッチが設けられている。

本発明によれば、ＡＭＴの操作、エンジンの始動停止、リターダのＯＮ／ＯＦＦが、有人、無人の両方で出来るようになり、ＡＭＴ本体に備わるギヤ変速制御に自動運転ＥＣＵによるギヤ変速制御及びリターダによる減速制御が出来る様になり無人での隊列走行が可能になる。

自動運転車両の前後運動制御にかかわるシステム構成を示す図。 駐車始動の作動制御流れを示す図。 自動運転の始業工程から終業工程までの流れを示す図。 多段ギヤの電子機械式全自動変速機の変速を示す図。 加速度表現での動力性能とエンジン性能を示す図。 動力性能のアクセル％、積載量に対する変化を示す図。 シフトダウン、リターダ、サービスブレーキ併用効果を示す図。 高エンジン回転でシフトアップの場合の速度上昇を示す図。 低エンジン回転でシフトアップの場合の速度上昇を示す図。 車速制御と車間制御を示す図。 道路勾配の検出の方法を示す図。 加速度で表現する加減速特性を示す図。 加速度特性から自重を推定しアクセル開度を求める計算図表を示す図。 エンジンブレーキ、リターダブレーキに主ブレーキを加えた場合の発生減速度を示す図。 ＡＭＴの手動回路へ自動運転ＥＣＵから介入制御する説明図。 リターダの手動回路へ自動運転ＥＣＵから介入制御する説明図。 平地ないし登坂勾配における加速制御の方法の説明図。 降坂勾配における減速制御の方法の説明図。 ギヤホールド巡行制御の方法の説明図。 アクセル％から自重推定する簡単式の説明図。

以下、本発明の実施の形態を図１〜２０に基づいて説明する。
自動運転車両の前後運動にかかわるシステム構成概念を図１に示す。左方を前とする車両側面である。左から、運転室内に装備される“エンジン始動・停止キー又はボタン”、“変速ギヤの自動／手動切替兼リターダ切替レバー”、“変速機のD（ドライブ）／N（ニュートラル）ギヤセレクトダイヤル”、“駐車レバー”、“エンジンリターダを装備する電子制御ディーゼルエンジン”、“ＡＭＴ”、“トランスミッションリターダ”、“プロペラシャフト”、“デファレンシャルギヤ”、“ＥＢＳ”、“駐車ブレーキ”、“後車軸”を概念的に示している。

上記の運転室内に装備される“エンジン始動・停止キー又はボタン、変速ギヤの自動／手動切替（兼）リターダ切替レバー、変速機のＤ（ドライブ）／Ｎ（ニュートラル）ギヤセレクトダイヤル、駐車レバー”は、有人の場合の手動に加え、自動運転ＥＣＵからの電気・電子信号による自動も可能にしている。例えば、自動運転ＥＣＵによる自動運転の場合、駐車レバーは「パーキング」の位置のまま車両は走行する。

これらの運転室内装備の手動部は駐車・停止位置状態のとき自動運転ＥＣＵからの指令を受けて自動運転できる。指令室などからの指示を受信して自動運転ＥＣＵがエンジン始動スイッチを入れる。本件発明とは別に備える周辺認識装置によって移動可能を認識して、Ｄ/ＮギヤセレクトスイッチをＤにして、駐車レバースイッチで駐車ブレーキを解除して、発進ギヤにギヤ入れして、走行開始する。

図２に駐車始動の作動制御の流れ、図３に自動運転の始業工程から終業工程までの流れの説明図を示す。

図２の左側が駐車工程、右側が始動工程を示す。駐車工程の工程１では車両が減速停止する過程でクラッチが切られてサービスブレーキが作動して車両が停止している状態である。その状態をPKG_ECUがEBS_ECUに問うている。工程２ではクラッチ断からギヤ中立にしてクラッチ接になっているかをPKG_ECUがAMT_ECUに問うている。それを確認して工程３でPKG_ECU自身が駐車ブレーキをかけている。工程４でエンジン停止したかをENG_ECUに問うている。工程５では、ここまで車両が動き出さないようにかけ続けいたサービスブレーキを解除することをEBS_ECUに伝えて解除確認する工程である。これで、駐車工程が完了する。

始動の指示をAD_ECUからPKG_ECUが受けて始動工程が開始される。
工程１と工程２は駐車工程で出来ている筈のことを確認する工程である。その確認が出来たら始動工程本来の工程を実行する。

工程３では有人の場合にブレーキペダルを踏んでエンジンを始動することに準じて主ブレーキ（サービスブレーキ）の作動をPKG_ECUがEBS_ECUに問う工程である。そして、工程４でエンジンがかけられる。それをPKG_ECUがENG_ECUに問うている。エンジンがかけられたら発進ギヤに入れたかを工程５でPKG_ECUからAMT_ECUに問うている。

工程６では有人であればブレーキペダルからアクセルペダルに踏みかえられてアクセル踏み込み待ち状態になる。それを無人ではサービスブレーキが解除されたことで確認する。それをPKG_ECUがEBS_ECUに問うている。

工程７で駐車ブレーキを解除する。それをPKG_ECUが実行し、工程８でエンジン回転が上昇してクラッチが接続されて発進する。それをENG_ECUとAMT_ECUが実行する。これで始動工程が完了する。

ここまで、PKG_ECUがENG_ECU等の他のECUに問うと述べてきたところは、自動運転／隊列走行ＥＣＵが各ＥＣＵに問うことでも良い。

図３に自動運転の始業工程から終業工程までの流れを示す。図中左の上部に、“始動工程開始から始動工程終了”、中部に“走行工程開始から走行工程終了”、下部に“駐車工程開始から駐車工程終了”の流れ、即ち、自動運転の始業工程から終業工程までの流れを縦に示している。この縦の流れの、上部と下部は図２に示されている。図中右の点線枠に走行工程開始から終了までを示す。

走行工程について、工程１、２、・・・１８の工程番号に沿って説明する。
先ず、単独走行を開始する。勾配推定（工程１）、自重推定（工程２）、余剰加速度推定（工程３）を繰返し、更新しながら走行する。勾配推定は図１１の式（３）により算出し、自重推定は図１３のX_L、により算出しながら走行する。

隊列走行の場合は、ＩＤ確認を経て隊列参入する。勾配推定（工程７）、自重推定（工程８）、余剰加速度推定（工程９）を繰返し、更新しつつ、それを隊列内で共有しながら走行する。隊列内における自車の序列（先頭、後続、後々続）を認識して、序列減速度設定（工程１０、即ち、図１２の式（５）により後続ほど減速能力を高くする）をして、車間距離（工程１１）を図１０により調整しつつ走行する。工程１２、１３を経て、隊列を離れ単独走行に戻り、単独での任務を遂行して駐車工程へ移行する。

工程４、１７では、単独走行での適正な減速制御、工程１０では、隊列走行での適正な減速制御に備える必要がある。

多段ギヤの電子機械式全自動変速機（AMT）を搭載する自動運転車両のギヤ変速について図４により説明する。この変速機はメインシャフトとカウンタシャフトで構成される最も基本的且つ一般的な副軸式変速機である。入力軸回転（即ち、エンジン回転）を出力軸回転で除した値がギヤレシオであるから、車速とエンジン回転からギヤレシオ（＝エンジン回転÷車輪回転速度÷終減速比）を算出することができこのAMTは12段のギヤであることを知ることができる。

通常、２速発進で使用される。雪路など滑り安い路面条件で１速発進が選択される。変速点を１１００ｒｐｍ（ピークトルクエンジン回転）に設定して（1）（2）（3）（4）・・・（9）（10）と速度を上げて、高速道路の速度域に至る“低エンジン回転でシフトアップの場合（後述図９参照）と、変速点を２０００ｒｐｍに設定して（11）（12）（13）（14）・・・（17）（18）と速度を上げて、高速道路の速度域に至る場合（後述図８参照）を示す。前者は７００ｒｐｍから１１００ｒｐｍの間の４００回転のエンジン回転上下降を繰り返し、後者は１３００ｒｐｍから２０００ｒｐｍまで７００ｒｐｍのエンジン回転上下降を繰り返す。

エンジン回転下降ではエンジントルク伝達が中断して、車速上昇が階段状に変化するので、隊列走行の車間距離制御が困難になるので、隊列巡行する速度域では、その速度域で巡行可能なギヤを選択しそのギヤに固定して巡行することでの隊列走行が求められる。即ち、巡行したい速度域で、巡行できるギヤが複数段用意され、そのいずれかのギヤに固定して巡行できる機構と機能の備えが必要である。図４の「高速道路における大型トラックの速度域」をギヤ変速せずに走行可能なギヤは、１０速、１１速、１２速であるので、この「いずれかのギヤに固定しての走行」が指向される。且つ隊列走行の「車間維持」と車間「追突回避」の保証が指向される。そのためには、「加速が遅れて車間が伸び気味になる傾向」、「減速時にブレーキが遅れて車間が狭まり追突気味になる傾向」を回避できる方向の「ギヤ選択」をしての走行が指向される。

「加速が遅れて車間が伸び気味になる傾向」を対策するには、隊列を構成する各車の余裕牽引力が共有されて、最も余裕が少ない車両の加速能力内で加速制御される必要がある。そのためには、自車の「余裕牽引力を算出できる機能を備える必要」がある。「減速時にブレーキが遅れて車間が狭まり追突気味になる傾向を回避できる方向」を対策するには、「後続車ほど高い減速能力を備える必要」がある。

加速度表現での動力性能とエンジン特性について図５により説明する。図中左に加速度表現での加速抵抗と惰行抵抗を示す。平坦路をアクセル１００％にて、１速ギヤから順次シフトアップして加速すると加速抵抗（加速度）、中立ギヤにて惰性で走行すると惰行抵抗（減速度）が得られる。惰行抵抗は車速の二乗に比例する項ところがり定数項で構成される2次曲線になる。加速抵抗に惰行抵抗をを積み上げると双曲線（ｙ＝ａ/ｘ）になる。
即ち、加速度ｙは双曲線定数ａを車速ｘで除することで、簡単表現でき、この双曲線定数ａを用いて、図１３にて後述する自重推定や要求加速度の制御量の推定が可能になる。図中右に加速度表現でのエンジン特性を示す。この図は、左図の縦横軸をギヤ比（変速機ギヤ比）で除算することで描くことができる。１１００ｒｐｍにピークトルクがあることがわかる。

動力性能のアクセル％、積載量に対する変化を図６に示す。図の上段に空車の場合（車両重量11.7ton）のアクセル100%、50%、40%に対する動力性能の変化を示す。図の下段に定積載（車両総重量23.7ton）のアクセル100%、50%に対する動力性能の変化を示す。この図から動力性能が車両重量に反比例すること、アクセル％に比例するもアクセル２０から３０％未満に遊び代があることが分かる。

シフトダウン、リターダ、サービスブレーキ併用効果を図７に示す。横軸に時間をとり、縦軸に車速をとって、シフトダウンエンジンブレーキ、一段リターダ、二段リターダ、及び、主ブレーキ（サービスブレーキ）による車速低下効果（即ち、減速度の大きさ）の全貌を比較して示す。（1）にシフトダウン段数効果、（2）にリターダ段数効果、（3）にエンジンブレーキの低段ギヤ効果、（4）に主ブレーキ効果を示す。（1）、（2）、（3）、（4）と減速度が増す様子が分かる。

高エンジン回転でシフトアップの場合の速度上昇を図８に示す。図の左に車速に対するエンジン回転を横倒しにして示し、その右に、車速上昇曲線を示す。アクセル１００％にて、エンジン回転２０００ｒｐｍでシフトアップの場合の総度上昇曲線を示す。発生加速度は高いけれども、ギヤ変速に伴うトルク中断のため車速上昇が階段状に変化して、例えば、0−80ｋｍ／ｈ加速時間は５９秒を要している。

低エンジン回転でシフトアップの場合の速度上昇を図９に示す。アクセル１００％にて、エンジン回転１１００ｒｐｍでシフトアップの場合の総度上昇曲線を示す。図１１に比べ、ギヤ変速に伴うトルク中断による車速上昇階段が低くなり、0−80ｋｍ／ｈ加速時間は５０秒（△１５％）に短縮される。図８に比べ発生加速度は低いにも関わらず、低エンジン回転でギヤ変速することによってトルク中断時間が短縮され、加速時間が短縮される。即ち、変速点をエンジンピークトルク回転に設定することによって、ピークトルクへ上り詰めるエンジン回転上昇を有効利用しつつ、ギヤ変速に伴うエンジン回転変化の階段を低く抑え、総じて加速時間を短縮する。

車速制御と車間制御について図１０に示す。図４から図９の要素を組み合わせて車速と車間を制御する。車両の前後運動には登坂抵抗がかかわる。坂路では、重力加速度に勾配％を乗じた大きさの前後加速度が作用するから、道路勾配を検出しながら、或いは、道路勾配データ例えばＧＰＳによる勾配データや地図データを参照しながらの制御が必要になる。
（1）にて車速を取り組み、（2）にて車載する加速度計から前後加速度を取り込み、（3）にて後述する図１１に示す式（１）、（２）、（３）から（４）の自重とアクセル％を算出して実車のアクセル％を制御する。このアクセル％には、図１３に示す目標車速での走行抵抗とその速度を維持するための加速抵抗、及び車間調整のための加速度が含まれる。（5）にてエンジン回転と車速からギヤ位置を算出して加速抵抗に見合うギヤへの選択制御を行う。（6）にて先行車車速（即ち、目標車速）との車速誤差（7）を出す。一方、（8）にて車速を積分して自車距離を出し、（9）にて先行車との車間距離を出し、目標車間との差を出して車間誤差（10）を出す。

アクセル％切替関数を（11）に設けて、（12）の加速、又は（13）の減速を行う。加速（12）は（4）のアクセル％に加算され、減速（13）は（14）での減速制御に入る。（15）のエンジンブレーキで足りるのであれば、アクセルOFFにする。（16）の一段リターダで済むのであれば、一段リターダを制御（17）し、二段リターダで済むのであれば二段リターダを制御（18）し、済まなければ（19）の主ブレーキ（サービスブレーキ）を制御する。リターダ制御（18）にギヤ制御（20）を加えて坂路勾配とのつり合いを得る。主ブレーキ制御（19）にギヤ制御（20）を加えて減速度の最大化制御も必要により対応する。

道路勾配の検出の方法を図１１により説明する。前後加速度を検出する加速度計を装備する。平坦路で静止時の前後加速度はゼロであるが、勾配θの坂道で静止時の加速度Gx(Static)は重力加速度（-9.81m/s²）にSinθを乗じた式（１）になる。走行時の加速度計のよみ値Gx(run)は、駆動輪の周長２πｒに駆動輪の回転速度ωを乗じた式（２）になる。式（１）と式（２）から坂道勾配は式（３）になる。

加速度で表現する加減速特性について図１２により説明する。先に図５において「加速抵抗に惰行抵抗を積み上げると双曲線（ｙ＝ａ/ｘ）になる。即ち、加速度ｙは双曲線定数aを車速ｘで除することで、簡単表現できる」ことを説明した。また、図６において「動力性能が車両重量に反比例すること、アクセル％に比例するもアクセル２０から３０％未満に遊び代がある」ことを説明した。更に、図７において「シフトダウンエンジンブレーキ、一段リターダ、二段リターダ、及び、主ブレーキ（サービスブレーキ）による車速低下効果（即ち、減速度の大きさ）の全貌を比較」して示した。
これらを、重ねて描くと図１２の加減速特性になる。この様に描くことによって、或る車速ｘにおける加速特性は式（４）、減速特性は式（５）になる。

ところで、式（４）、式（５）には、先述した図１１の式（１）の坂路勾配による前後加速度成分（即ち、勾配抵抗）は、含まれていない。式（４）から式（１）の登坂抵抗と式（５）に含まれる惰行抵抗成分（ａ_ｂｘ^２＋ｂ_ｒ）を差し引いた値が、その速度（ｘ）における登坂路での余剰牽引力相当の加速度になる。降坂路では、式（４）に式（１）を加えた値が、その速度（ｘ）における降坂路での余剰牽引力相当の加速度になる。これ以上の減速度が必要であれば、後述図１４により主ブレーキを作動させ補う。また、式（５）に式（１）を加えた値が登り勾配での減速度、差し引いた値が下り勾配での減速度になる。

加速度特性から自重を推定しアクセル開度を求める計算図表を図１３に示す。車両総重量をＸ軸、アクセル開度（％）をＹ軸、双曲線定数をＺ軸にとる。Ｘ−Ｚ座標上の線Ａｐ−Ｂが車両総重量の車両総重量の増加に伴う双曲線定数の変化を示し、Ａ0点がアクセル開度１００％での双曲線定数である。Ｘ−Ｚ座標上の線Ａ0−Ｃがアクセル開度の減少に伴う双曲線定数の変化を示す。線Ａ0−Ｃは車両総重量の増加に伴い線Ａｘ−Ｃｘ更に、線Ｂ−Ｄへと変化する。線ＣＤと線ＥＦの間はアクセル開度の遊び代である。

ＸＹＺ軸上の任意の点Ｚｘｙにおける車両総重量の求め方、双曲線定数の求め方、更に双曲線定数から発生加速度を求めるための計算方法を以下に示す。

任意のアクセルでの自重推定は、式（１０）と（１２）を連立させてＸ_Lについて解く。
式（１０）をＸ_Lの式に変換する。

かくして、式(１９)のＺｘｙに現在の“車速×加速度”を代入し、現在のアクセル開度（％）を代入することにより、自重（車両総重量）ＸLが分かる。

次に、要求加速度に応じるアクセル開度の計算法を示す。
式(１８)をアクセル開度％（y）の式に変換する。

かくして、アクセル開度（％）yは、式(２４)のx1に予め求めた車両総重量（自重）を代入し、Zxyに、“車速(m/s²)×加速度（m/s²）”を代入して求められる。
アクセル開度100％におけるAxから現在のアクセル開度Y％におけるZxyを差し引いた値“Ax-Zxy”が余剰牽引力に相当する余剰加速度になる。尚、この加速度は”実測値＋惰行減速度＋勾配抵抗“相当の加速度である。

ところで、図１０には、勾配抵抗分は、含まれていないので、登坂路においては、式（１）相当の加速度を差引いた値を用い、降坂路では式（１）相当の加速度を加えた値を用いる。

エンジンブレーキ、リターダブレーキに主ブレーキを加えた場合の発生減速度を図１４に示す。図１２の式（５）によるエンジンブレーキ、リターダブレーキによる減速度より強い減速度を必要とする場合は、横軸のブレーキストローク％相当を入力して必要な減速度を得る。

図１５に、ＡＭＴの手動回路へ自動運転ＥＣＵから介入制御する説明を示す。図の左側に、ギヤセレクタの手動操作ダイヤル「Slow,D,N,Push,R,Slow」のスイッチ部、右側にギヤホールドの手動操作レバー部「A/M,↑,↓」を示す。ギヤセレクタが“Ｎ”に位置している時に限り、エンジン始動ができる。これは、誤始動防止のための保安要件である。同じく、手動操作が“中立（Ｎ）”になっている時に限り、図中の（1）にて“0→１”が入り、その状態下に自動運転ＥＣＵからの信号が“0→１”になると、（2）の“0→１”よって、自動運転自体の“介入可能状態”になる。そして、先ず（3）によって、ドライブ“Ｄ”位置信号をＡＭＴ_ＥＣＵへ送り且つアクセル％を制御して発進する。次に、（4）によって“手動操作レバーからの信号が入らないオート（Ａ）”状態を確認して、（5）にて、自動運転ＥＣＵからシフトアップ、シフトダウン信号をＡＭＴ_ＥＣＵへ送りギヤ変速をする。（6）の“１→0” によって、自動運転の介入を終える。なお、（1）、（2）、（6）の要件は、自動運転介入の安全のための必要条件として押さえられなければならない。自動運転介入中でも、ギヤセレクタの手動操作、ギヤホールドの手動操作レバーが操作されれば、自動運転の介入は中止になる。これも、運転者の意図によるものであるから、自動運転介入の安全のための必要条件として押さえられなければならない。
尚、ここではギヤセレクタのＮとＤ、及び手動操作レバーの回路に介入する回路構成にしているが、ギヤセレクタと手動操作レバーの全ての回路に分岐を設けて、自動運転ＥＣＵから範囲を設定して制御することでも良い。

図１６に、リターダの手動信号を自動運転ＥＣＵから介入制御する説明を示す。図の左側に、リターダの手動操作「ＯＦＦ,１段,２段,３段」のスイッチ部、右側にリターダ制御ユニットを示す。手動操作が“ＯＦＦ”に位置しているとき、自動運転ＥＣＵから介入して「ＯＦＦ、１段、２段、３段」のスイッチの切替ができる。これは、保安要件とまではないけれども、始業終業の整備のためすべきである。自動運転ＥＣＵは、（1）によって、“手動操作がＯＦＦ”になっていることを検出して、（2）の“0→１”によって、自動運転自体の“介入可能状態”を確認して、（3）によって、“自動運転ＥＣＵからの制御信号ルート（4）を開通状態”にして、（5）にて、自動運転ECUから“アクセルＯＦＦに遅れを少なく”して要求減速度に応じたリターダ作動段階をリターダＥＣＵに送る。

図１７に、平地ないし登坂勾配における加速制御の方法の説明を示す。前出の図１２の加速度で表現する加減速特性図にもとづき制御する。図中の左にフローチャートを示し、フローチャートの工程に係る数式を図中の右に示す。車両の動力性能が、車速に対する加速度の関係で示せること、その車速と加速度の関係が双曲線になることを、前出の図１２で述べた。フローチャートの工程１では、自重変化による動力性能が自重変化に反比例する補正を式（25）から式（26）の関係で示し、工程２にて式（27）による走行抵抗のころがり抵抗に相当するｂｒが、自重変化に反比例して式（28）になる関係を示す。更に、工程３の勾配路では、式（28）のころがり抵抗に相当する“br×自重変化“の項に勾配補正がかかり式（29）になる。工程４にて式（25）から式（29）を差し引いた式（30）による余裕牽引加速度を得る。工程５で何km/hでこれだけの加速度で走れとの目標が与えられた時のアクセル％は、目標加速度を式（30）で除した値の割合（％）になる。その時のギヤ位置は、工程６に示すところの目標車速相当の車輪回転速度でピークトルクエンジン回転を除算したギヤ比未満になる。このようにして平地ないし登坂勾配における加速制御を行う。

図１８に、降坂勾配における減速制御の方法を示す。前出の図１２の加速度で表現する加減速特性図および図１４のエンジンブレーキ、リターダブレーキに主ブレーキを加えた場合の発生減速度にもとづき制御する。図中の左にフローチャートを示し、フローチャートの工程に係る数式を図中の右に示す。フローチャートの工程１では、式（28）により走行抵抗を空積比倍する。工程２では、式（33）によって、勾配を下る“自重の勾配分力”と、勾配を下るまいと抵抗する式（28）の関係を算出し、工程３にて、エンジンブレーキ、リターダブレーキを式（34）により減速度を加え、それでも足りない減速度を工程４にて車輪ブレーキ（主ブレーキ）で補う降坂制御を行う。

図１９に、自動運転ＥＣＵからの指令に切替えて発進し、巡行走行に至る制御の方法を示す。工程１において前出の図１５の（3）によりＤ位置信号をＡＭＴ_ＥＣＵに送り、工程２においてアクセル％を式(31)により上げて発進する。発進したら工程３により図１５の（5）を実行してMレンジに切り替える。工程４により、２速、４速、６速、８速とスキップシフトして図４の速度域にて、ギヤホールド走行する。大型トラックの場合、高速道路の巡行速度は６０km/hから９０km/hであるから、９速、１０速、１１速、１２速のいずれかのギヤに固定しての巡行できる。ギヤを固定する（ギヤホールドする）ことで、ギヤ変速に伴うトルク中断の影響を省くことができ、隊列の先頭から後続車へ順に１２速、１１速、・・・とギヤ位置を下げることによって、後続車ほど加速応答性に優れ、先頭から後続車へリターダを順に高く設定することによって、後続車ほど減速応答性に優れた隊列編成も可能になり、車間距離制御の安定方向の設定も考慮可能になる。更に、図４の「高速道路における大型トラックの速度域」に至る加速過程、或いは「高速道路における大型トラックの速度域」からの減速過程においても極力車間距離を維持するために、隊列を構成する各車両のエンジン回転を「その場の目標速度（計画速度）相当のエンジン回転」に揃える様に各車通信制御してギヤ位置を合わせて変速点を合わせて走行することによって、車間距離の乱れを極力抑えての隊列走行が可能になる。

図２０に、アクセル％から自重推定する簡単式を説明する。発生加速度は、自重に反比例し、アクセル％に比例する。故に、空車時アクセル１００％の発生加速度（aa/x）が既知で、現在のアクセル％（acs）が既知で、現在の加速度（Gxs）が既知で、勾配（θ）が既知であれば、積載状態である自重（mL）を算出することができる。即ちアクセル％の簡単式は以下の式（35）、（36）及び（3）の様に書ける。

前記式（35）は、前出の式（24）の簡単式、式（36）は、前出の式（19）の簡単式である。式（35）と式（24）の関係、式（36）と式（19）の関係は実車搭載の実務遂行の中で現車適合されるので、いずれの採用も可能である。

以上、車両の動力性能と制動性能を、横軸に車速をとり、縦軸に加速度と減速度で表現する加減速特性図を基軸にして自動運転車両の前後運動を制御する構造と装置について述べた。
この発明の基本は、加速特性は双曲線で、減速特性は２次式で一般化されるので、動力減が、レシプロエンジン、ハイブリッドエンジン、電動モータのいずれにも横展開することができる。

以上によって、ＡＭＴ本体とその操作機構部分、アクセル、エンジンブレーキ、リターダ本体とその操作機構部分はそのままにして、自動運転ＥＣＵからの指令が介入できる回路を付加して、自動運転の必要に応えられる機能の必要を満たすことができる。

Claims (10)

1. 変速装置および補助制動装置を装備する自動運転車両において、変速装置本体、リターダ本体及びそれらの手動操作装置はそのままにして、その手動操作装置に自動運転ＥＣＵからの指令が介入して手動操作装置を作動させなくても機能できる様にするために、前記手動操作装置に自動運転ＥＣＵからの指令で作動する電子回路を付加し、この回路からの指令により自動運転が必要とする変速、変速保持および減速を行うことを特徴とする自動運転車両。
2. 請求項１に記載の自動運転車両において、前記自動運転車両はトラック、バスなどの大型車両であることを特徴とする自動運転車両。
3. 請求項１または２に記載の自動運転車両において、前記変速装置は電子機械式自動変速機であり、この電子機械式自動変速機の手動操作装置の操作レバー或いは操作ダイヤル等が“Ｎ”等のエンジン始動ポジションに位置している時のみ自動運転介入できることを特徴とする自動運転車両。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の自動運転車両において、前後加速度センサ又は勾配センサを備え道路勾配を検出し、アクセル％から自重を推定して、その勾配と自重に応じた加速制御、減速制御をすることを特徴とする自動運転車両。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の「自動運転車両において、横軸に車速をとり縦軸に加速度と減速度をとった座標に「双曲線定数を指標とする加速度特性」「惰行抵抗線にギヤ比倍した補助ブレーキ特性を重畳させた減速特性」を用いて制御する自動運転車両。
   
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の自動運転車両において、自動運転ＥＣＵは以下の式（３）による勾配推定する手段、式（４）による加速能力を求める手段、式（５）による減速能力を求める手段、式（１９）又は、式（３６）による車両総重量を求める手段、及び式（２４）又は、式（３５）による要求アクセル開度を求める手段を備えることを特徴とする自動運転車両。
   

   

   
   
   
7. 請求項１乃至６の何れかに記載の自動運転車両において、自動運転ＥＣＵからの指令に切り替えた後の運転では、ピークトルクエンジン回転数に変速点を設定して変速し、隊列走行するなど先行車後続車との車間と車速が求められる巡行速度域においては、その巡行速度域で、隊列を構成する各車両のエンジン回転を「巡航速度相当のエンジン回転」になるように制御してギヤ位置を合わせ、変速点を合わせて、走行することを特徴とする自動運転車両。
8. 請求項１乃至７の何れかに記載の自動運転車両において、隊列走行するなど先行車後続車との車間と車速が求められる巡行走行をするについては、最も加速能力が低い車両の加速能力内で加速することとし、隊列先頭からの順序に応じて後続車ほど低段ギヤに固定し、後続車ほど補助ブレーキ作動が高くなる設定にして巡行することにより、加速時に車間が拡大し、減速時に車間が縮小する傾向を緩和するとともに緊急制動時の車間追突を回避する設定を特徴とする自動運転車両。
9. 請求項１乃至８の何れかに記載の自動運転車両において、電子機械式自動変速機の手動操作装置の操作レバー或いは操作ダイヤル等が“Ｎ”等のエンジン始動ポジションに位置して自動運転介入状態にある時に、手動操作装置の操作レバー或いは操作ダイヤルを手動操作することにより自動運転の介入が解除され、手動運転状態になることを特徴とする自動運転車両。
10. 請求項１乃至９の何れかに記載の自動運転車両において、リターダの作動と非作動の選択への自動運転介入が、手動操作スイッチ等が“ＯＦＦ”に位置している時のみできることを特徴とする自動運転車両。

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