JP4425302B2

JP4425302B2 - 車両交通管理装置

Info

Publication number: JP4425302B2
Application number: JP2007263147A
Authority: JP
Inventors: 幸夫後藤; 春樹古澤; 宏之熊沢; 雅彦伊川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: JP2008068863A

Description

この発明は、道路を走行する車両の交通管理及び車間・速度制御を行う車両交通管理装置に関するものである。

車両の運転を補助もしくは自動化する試みは古くは１９５０年代から開始されており、車両の自由走行もしくは追従走行を自動化するアダプティブクルーズコントロールなどが一部実用化されている。

従来の車両走行制御方式では、自車速から設定される安全車間や予め決められた一定車間もしくは車速を設定された値に保つように車両速度を制御しており、その例は下記特許文献１等に記載されている。

特開昭６０−２１５４３２号公報

従来の車両走行制御では、安全車間距離が自車両の速度に基づいて設定されているため、前方車の走行速度や車両性能等まで考慮した安全な車間距離を使用したものではなかった。また、前方車両の急ブレーキに対して安全性を保証する車速・車間制御のパラメータの設定方法は明らかにされていなかった。さらに、基本的に一台の車両において前方車両への追従走行を実現するものであったので、多数の車両の走行を管理運用するものではなかった。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、多数の走行車両を安全にかつ高速・高密度に管理・運行・制御する車両交通管理装置を得ることを目的とする。

この発明は、車両の交通動態である車両の位置と速度を検出する交通動態検出部と、当該車両の速度および通常制動時の減速度ならびに当該車両の前方車両の速度および緊急制動時の減速度に基づいて当該車両の目標となる走行間隔を決定する移動閉塞管理部と、この決定された目標となる走行間隔で先行車両に追従するように制御する速度・車間制御部とを備え、前記移動閉塞管理部は車線変更車両が車線変更しようとする車線に存在すると仮定した仮想車両を想定し、仮想車両および仮想車両の前方車両の速度に基づいて算出した車線変更車両の目標となる走行間隔と実際の車線変更車両および実際の車線変更車両の前方車両の速度に基づいて算出した車線変更車両の目標となる走行間隔とを比較し、大きい方を車線変更車両の目標となる走行間隔として採用し、前記車速・車間制御部は閉ループ伝達関数のインパルス応答が非負であるような制御変数を算出し、目標とする車両間隔の階段的変動に対して車両間隔が目標とする車両間隔を行き過ぎることなく制御することを特徴とする車両交通管理装置にある。
また、車両の交通動態である車両の位置と速度を検出する交通動態検出部と、当該車両の速度および通常制動時の減速度ならびに当該車両の前方車両の速度および緊急制動時の減速度に基づいて当該車両の目標となる走行間隔を決定する移動閉塞管理部と、この決定された目標となる走行間隔で先行車両に追従するように制御する速度・車間制御部とを備え、前記移動閉塞管理部は分合流車両が分合流しようとする車線に存在すると仮定した仮想車両を想定し、仮想車両および仮想車両の前方車両の速度に基づいて算出した分合流車両の目標となる走行間隔と実際の分合流車両および実際の分合流車両の前方車両の速度に基づいて算出した分合流車両の目標となる走行間隔とを比較し、大きい方を分合流車両の目標となる走行間隔として採用し、前記車速・車間制御部は閉ループ伝達関数のインパルス応答が非負であるような制御変数を算出し、目標とする車両間隔の階段的変動に対して車両間隔が目標とする車両間隔を行き過ぎることなく制御することを特徴とする車両交通管理装置にある。

この発明は、多数の走行車両を安全にかつ高速・高密度に管理・運行・制御する車両交通管理装置を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による車両交通管理装置を図１に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による車両交通管理装置の構成を示すブロック図である。図において、Ａは走行上における車両の交通動態(車両位置、車両速度、車両加速度、車間距離等)を検出する交通動態検出部、Ｂは道路環境(道路摩擦係数、凍結の有無等)を検出する道路環境検出部、Ｃは先行車両が急停止した場合でも通常の制動手段で安全に停止できる閉塞区間を算出し、車両毎の閉塞距離を管理する移動閉塞管理部、Ｄは個々の車両の速度・車間を制御する速度車間制御部、Ｅは車両の速度・車間に応じて車両駆動或いは車両制動を行う車両駆動・制動部である。

交通動態検出部Ａは車両位置検出部１、車両速度検出部２、車両加速度検出部３より、道路環境検出部Ｂは気象検出部１１、路面状況検出部１２より、移動閉塞管理部Ｃは車線変更管理部２２、分合流管理部２３、通常走行管理部２４で構成される閉塞区間算出部２１及び目標速度算出部２５、道路形状ＤＢ２６より、速度・車間制御部Ｄはフィードフォワード制御手段３１、フィードバック制御部３２、制御変数算出部３３より、車両駆動・制動部Ｅは車両駆動手段４１と、緊急制動手段４３、通常制動手段４４より構成される車両制動手段４２からそれぞれ構成される。

図２はこの実施の形態に係わる車両交通管理装置の動作を説明するフローチャートである。図２において、ステップ１で走行路の交通動態(車両位置、車両速度、車両加速度、車間距離)と道路環境(路面摩擦係数、凍結の有無等)と気象状況(風向・風速、降雨、降雪等)を交通動態検出部Ａの車両位置検出部１、車両速度検出部２、車両加速度検出部３、道路環境検出部Ｂの気象検出部１１、路面状況検出部１２により検出する。

次にステップ２で移動閉塞管理部Ｃの閉塞距離算出部２１によって車両毎の閉塞距離を算出する。ここではまず、車線変更や分合流の必要がない通常走行について説明し、車線変更及び分合流の場合は後述する。

移動閉塞区間は、先行車両の位置、速度に応じ、後続車両が先行車両に衝突することなく安全に停止可能で、しかも衝突を防止するために必要な最小区間である。先行車両が緊急制動手段４３で停止した場合でも後続車両が通常制動範囲内で停止できるために必要な移動閉塞距離Ｌ_ｍｉｎは先行車両の速度ｖｌ、緊急制動時の減速度βｅ、後続車両の速度ｖ_ｆ、通常制動時の減速度βｎ、検知及び通信遅れ時間τ、停止余裕距離ｄ_ｓｔｏｐ(定数)として以下の(１)式より求まる。本実施の形態では、この移動閉塞距離Ｌ_ｍｉｎを車間距離として最低限満足するように車両を管理する。

(１)

次にステップ３で移動閉塞管理部Ｃにおける目標速度算出部２５において車間距離を移動閉塞区間以上に保持するように後続車両の目標速度を算出する。
現在の車間距離をＬとして以下の(２)式を満足するようにする。

Ｌ≧Ｌ_ｍｉｎ (２)

そして、上記(２)式を満足させる場合に最大速度を速度上限ｖ_ｍとすると、ｖ_ｍは以下の(３)式で与えられる。

(３)

また、速度上限ｖ_ｍは、道路環境検出部Ｂにて検知された路面摩擦係数や風向、風速や、道路形状ＤＢ２６から得られる道路形状から安全に走行できるように決定される。

図３は、速度上限、目標速度、実際の速度の関係を示す説明図である。図３の例では、目標速度を速度上限以下になるように段階的に変化させ、実際の速度も速度上限以下に収まるように制御する。このように、実際の速度を限界速度以下にするためには、減速が予測される場合目標速度算出部２５では目標速度を早めに切り替える。

次にステップ４にて、速度・車間制御手段Ｄにおいて個々の車両の速度・車間を制御する。速度・車間距離制御手段Ｄではフィードバック制御手段３１で算出された指令値ｕ₁とフィードフォワード制御手段３２で算出された指令値ｕ₂を使って以下の(４)式より車両の指令値u(t)を求める。

u(t) = u₁(t) + u₂(t) (４)

指令値u₁(t)は速度・車間制御部Ｄのフィードバック制御部３１において、例えば以下の(５)式で示される通常のＰＩＤ制御を通して決まる。
ただし、tは時間、u₁(t)はフィードバック制御部３１による加速度指令値、e(t)は目標値と実際の値の偏差、Ｋ_ｐ;Ｔ_Ｉ; Ｔ_Ｄは制御変数算出手段３３によって算出された制御変数である。

(５)

フィードフォワード制御部３２おいて、指令値u₂(t)は例えば以下の(６)式で示されるＰＤ制御を通して決まる。
ただし、指令値u₂(t)はフィードフォワード制御部３２による加速度指令値、r(t)は目標値、α、βは制御変数である。

(６)

速度・車両制御手段Ｄで算出される指令値uは加速度であるが、車両の車両駆動・制動装置の性能により一般に飽和特性をもつ。飽和特性を有するとき、偏差の積分の影響により過大なオーバーシュートが生じることが多い。この場合、(５)式の代わりにuを実際の加速度、ｕ_ｒを加速度指令値とした以下の(７)式を用いる。この結果、オーバーシュートを防止することができる。このような制御方式の詳細は、例えば、「ＰＩＤ制御則について」、システム/制御/情報、Ｖｏｌ．４２、Ｎｏ. 1，ｐｐ. ２−６、１９９８、システム制御情報学会に記載されている。

(７)

速度・車間制御手段Ｄの制御変数算出手段３３では、閉ループ伝達関数のインパルス応答が非負であるような制御変数を算出する。ここで、閉ループ伝達関数Ｇ_ｙｒ(s)とは、(５)式、(６)式、(４)式をラプラス変換して得られた以下の(８)式、(９)式、(１０)式に基づいて導かれたＵ(s)と伝達関数P(s)より以下の(１１)式から求まる。

Ｕ₁(s) = Ｃ₁(s)Ｅ(s)，Ｅ(s)＝Ｒ(s) − Ｙ(s) (８)
Ｕ₂(s) = Ｃ₂(s)Ｒ(s) (９)
U(s) = U₁(s) + U₂(s) (１０)

Ｙ(s) = Ｐ(s)Ｕ(s) (１１)

故に、閉ループ伝達関数はＧyr(s)は以下の(１２)式から求まる。

Ｙ(s) = Ｇ_yr(s)Ｒ(s), Ｇ_yr(s) =(C1 + C2)/(1 + PC1) (１２)

伝達関数のインパルス応答が非負であるなら目標値の階段的変動に対してオーバーシュートが起きないことが知られており、「ステップ応答にオーバーシュートが起こらないための条件」、第３９回自動制御連合講演会論文集、ｐｐ. ４５-４６、１９９６年に制御変数が満足する条件が記載されている。

ステップ応答にオーバーシュートが起こらないように制御変数が設定されている場合、目標値を階段状に変更しても、出力はオーバーシュートすることなく目標値に収束する。したがって速度制御の場合、図３のように目標速度を算出すれば、実際の速度が速度上限を越えることはなく、安全に走行可能である。

同様に、車間距離制御においても目標車間距離を閉塞区間長を越えないように階段的に変動させ、かつ実際の車間が目標車間に対して行き過ぎなければ、車間が０、つまり衝突することなく安全に走行が可能である。

この実施の形態では速度・車間距離制御を速度・車間距離制御手段Ｄで自動的に実施するように記載したが、車両の運転者が目標速度・車間を満足するようにアクセル・ブレーキを制御して走行することも可能である。

また、この実施の形態では、車両が一台一台独立して走行するように記載したが、複数の車両が車間を詰めて走行する車群を構成する場合にも車群先頭車への目標速度車間距離算出及び先頭車の速度・車間制御として実施できる。

実施の形態２．
図４は、車線変更を実施する場合の閉塞距離算出部２１における車線変更管理部２２の動作を説明するための説明図である。図において、車両Ｃｃが隣接する車線の車両Ａｃと車両Ｄｃの間に車線変更しようとしている。この例の場合、車線変更管理手段２２において、車両Ｃｃに対する移動閉塞距離は、車両Ａｃ，Ｃｃ間の関係から(１)式によって算出されるものと車両Ｂｃ，Ｃｃ間の関係から算出されるものの大きい方を採用する。

また、車両Ｃｃに対する移動閉塞距離は、車両Ａｃ，Ｄｃ間の関係から(式)１によって算出されるものと車両Ｄｃと同じ車線に車両Ｃｃが走行しているものと仮定した仮想車両を想定した車両Ｃｃ，Ｄｃ間の関係から算出されるものの大きい方を採用する。

このように車両Ｃｃ、Ｄｃの移動閉塞距離を算出し、以下通常走行時と同様に目標速度算出、速度・車間制御を実施することにより、安全に車線変更することが可能となる。

実施の形態３．
図５は、合流を実施する場合の閉塞距離算出部２１における分合流管理部２３の動作を説明するための説明図である。図において、本線上を走行する車両Ｅｃと車両Ｇｃの間に、ランプ上を走行する車両Ｆｃが合流しようとしている。この例の場合、分合流管理部２３において、車両Ｆｃに対する移動閉塞距離は、車両Ｆｃと同じ車線に車両Ｅｃが走行しているものと仮定した仮想車両を想定し、車両Ｅｃ，Ｆｃの関係から(１)式によって算出する。また、車両Ｇｃに対する移動閉塞距離は、車両Ｅｃ，Ｇｃ間の関係から(１)式によって算出されるものと車両Ｇｃと同じ車線に車両Ｆｃが走行しているものと仮定した仮想車両を想定した車両Ｆｃ．Ｇｃ間の関係から算出されるものの大きい方を採用する。

このように車両Ｆｃ，Ｇｃの移動閉塞距離を算出し、以下通常走行時と同様に目標速度算出、速度・車間制御を実施することにより、安全に合流することが可能となる。

この発明によれば、道路環境を検出する道路環境検出部と、車両の交通動態である前後の車両の位置と速度を検出する交通動態検出部と、前記検出された道路環境と前記検出された車両の交通動態に基づいて目標となる車両の走行間隔と速度を決定する移動閉塞管理部と、この決定された走行間隔と目標速度で先行車両に追従するように制御する速度・車間制御部を備えたので、多数の走行車両を安全かつ高速に管理・運行・制御することができるという効果がある。

また、移動閉塞管理部は前方車両が緊急停止した場合に通常停止できることを保証する目標速度及び車間距離によって車両走行間隔を保持することで、多数の走行車両を安全かつ高速・高密度に管理・運行・制御することができるという効果がある。

また、移動閉塞管理部は車線変更車両が複数の車線を占有しているものと仮想し、仮想的な前方車両及び実際の前方車両の片方が緊急停止した場合でも通常停止できることを保証する目標速度及び車間距離によって車線変更を管理することで、安全な車線変更を管理できるという効果がある。

また、移動閉塞管理部は分合流車両が複数の車線を占有しているものと仮想し、仮想的な前方車両及び実際の前方車両の片方が緊急停止した時でも通常停止できることを保証する目標速度及び車間距離によって分合流を管理することで、安全な分合流を管理できるという効果がある。

また、車速・車間制御部は目標速度の階段的変動に対して指示速度を超過することなく速度制御することで、速度が速度上限を超えることなく安全に走行できるという効果がある。

また、車速・車間制御部は目標とする車両間隔の階段的変動に対して車間が目標車間を行き過ぎることなく制御することで、車間距離が安全車間距離以下に縮まることなく安全に走行できるという効果がある。

この発明による走行車両交通管理装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態１による車両交通管理装置の動作を示すフロー図である。実施の形態１による速度上限、目標速度、実際の速度の関係を示す説明図である。実施の形態２による車線変更管理手段の動作を説明するための説明図である。実施の形態３による分合流管理手段の動作を説明するための説明図である。

符号の説明

Ａ交通動態検出部、Ｂ道路環境検出部、Ｃ移動閉塞管理部、Ｄ速度車間制御部、Ｅ車両駆動・制動部、１車両位置検出部、２車両速度検出部、３車両加速度検出部、１１気象検出部、１２路面状況検出部、２１閉塞距離算出部、２２車線変更管理部、２３分合流管理部、２４通常走行管理部、２５目標速度算出部、２６道路形状ＤＢ、３１フィードフォワード制御部、３２フィードバック制御部、３３制御変数算出部、４１車両駆動手段、４２車両制動手段、４３緊急制動手段、４４通常制動手段。

Claims

車両の交通動態である車両の位置と速度を検出する交通動態検出部と、当該車両の速度および通常制動時の減速度ならびに当該車両の前方車両の速度および緊急制動時の減速度に基づいて当該車両の目標となる走行間隔を決定する移動閉塞管理部と、この決定された目標となる走行間隔で先行車両に追従するように制御する速度・車間制御部とを備え、
前記移動閉塞管理部は車線変更車両が車線変更しようとする車線に存在すると仮定した仮想車両を想定し、仮想車両および仮想車両の前方車両の速度に基づいて算出した車線変更車両の目標となる走行間隔と実際の車線変更車両および実際の車線変更車両の前方車両の速度に基づいて算出した車線変更車両の目標となる走行間隔とを比較し、大きい方を車線変更車両の目標となる走行間隔として採用し、
前記車速・車間制御部は閉ループ伝達関数のインパルス応答が非負であるような制御変数を算出し、目標とする車両間隔の階段的変動に対して車両間隔が目標とする車両間隔を行き過ぎることなく制御することを特徴とする車両交通管理装置。
車両の交通動態である車両の位置と速度を検出する交通動態検出部と、当該車両の速度および通常制動時の減速度ならびに当該車両の前方車両の速度および緊急制動時の減速度に基づいて当該車両の目標となる走行間隔を決定する移動閉塞管理部と、この決定された目標となる走行間隔で先行車両に追従するように制御する速度・車間制御部とを備え、
前記移動閉塞管理部は分合流車両が分合流しようとする車線に存在すると仮定した仮想車両を想定し、仮想車両および仮想車両の前方車両の速度に基づいて算出した分合流車両の目標となる走行間隔と実際の分合流車両および実際の分合流車両の前方車両の速度に基づいて算出した分合流車両の目標となる走行間隔とを比較し、大きい方を分合流車両の目標となる走行間隔として採用し、
前記車速・車間制御部は閉ループ伝達関数のインパルス応答が非負であるような制御変数を算出し、目標とする車両間隔の階段的変動に対して車両間隔が目標とする車両間隔を行き過ぎることなく制御することを特徴とする車両交通管理装置。