JP5195930B2 - 隊列走行制御システム及び車両 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の車両が隊列を組んで走行するように、車両間の相対関係を制御する隊列走行制御システム、及びそのようなシステムを備える車両に関するものである。
近年では、交通流改善を図り、空気抵抗の低減による燃費向上を図るために、複数の車両を短い車間距離で一列で隊列走行させる技術が注目されている。従来、このような隊列走行の技術として、隊列の各後続車両が、それぞれ前車との車間距離を制御する方式が知られている。この方式では、先頭車両が道路勾配や風等の外乱を受けた際に、車間距離の誤差が後方の車両に伝播されていくといった問題がある。この問題に対して、特開平10−162282号公報のシステムが提案されている。このシステムでは、隊列の各後続車両の各々が、隊列の先頭車両との間の車間距離を制御することで、複数台の車両による隊列走行が実現されている。この方式によれば、車間距離の誤差が後方の車両へ伝播しないと考えられる。
特開平10−162282号公報
この制御システムのように、理論上は車間距離の誤差の伝播が発生しない制御方法も従来から提案されているが、現実に隊列走行を行う場合には、車車間通信の無駄時間、センシングの遅れ、車両の応答遅れといった要因により、誤差の伝播の発生は避け難い。この種のシステムによって現実に複数の車両を隊列走行させる場合、誤差の伝播により後ろの車両ほど安全余裕が下がったり、動きの円滑性が損なわれたりなど、机上では発見出来なかった問題が発生する場合もあるので、隊列走行において、特に後ろの車両ほど、車両間の安全な車間距離を確保しながら隊列走行することが求められる。
そこで、本発明は、安全な車間距離で隊列走行を実現することができる隊列走行制御システム及び車両を提供することを目的とする。
本発明の隊列走行制御システムは、複数の車両が隊列を組んで走行するように前記車両間の相対位置関係を制御する隊列走行制御システムであって、隊列において前後に連続した車両の間の車間距離の各目標値は、前記隊列の走行中において後方の車両に伝播する車間距離の誤差の伝播比である車間誤差伝播比に基づいて決定されることを特徴とする。
現実の隊列走行における車間誤差は、種々の要因によって隊列の後方に伝播されていく場合がある。上記隊列走行制御システムによれば、車間距離の各目標値が車間誤差伝播比に基づいて決定されるので、車間誤差の伝播状態が考慮された車間距離目標値が決定され、車間誤差の伝播状態に対応した安全な車間距離で隊列走行を実現することができる。
またこの場合、前記隊列の前からn番目の車両とn+1番目の車両との間の目標車間距離をLn_tgtとし、前記車間誤差伝播比の最大値をSmaxとしたとき、
決定される前記目標車間距離Ln_tgtは、
n_tgt=Smax n−1・L1_tgt
で表されることとしてもよい。
この構成によれば、隊列の車両間の車間距離が、後方に行くほど指数関数的に大きくなるような隊列走行が実現される。従って、車間距離の誤差が、隊列後方に行くほど指数関数的に増幅される場合でも、後方の車両における安全余裕を確保することができる。すなわち、隊列の車両全体において安全余裕を均一化することができる。
また、前記隊列における先頭の車両の加速度指令値は、前記車間誤差伝播比の周波数特性に基づいて決定されることとしてもよい。隊列走行の車間誤差伝播比は、先頭車両の加速度周波数に依存する周波数特性がある。このような周波数特性を考慮して先頭車両の加速度指令値が決定されるので、車間誤差伝播比を大きくするような先頭車両の加速を抑制することができ、隊列の後方に行くほど車間誤差が増幅するといった現象を抑えることができる。
また、本発明の車両は、上記何れかの隊列走行制御システムを備えたことを特徴とする。この車両は、上記何れかの隊列走行制御システムを備えているので、安全な車間距離で行われる隊列走行を実現することができる。また、この場合、本発明の車両は、隊列の一構成車両になることもできる。
本発明の隊列走行制御システム及び車両によれば、安全な車間距離で隊列走行を実現することができる。
図1は、本発明に係る隊列走行制御システムの第1及び第2実施形態を示すブロック図である。 図2は、図1に示す隊列走行制御システムにより実現される隊列走行を示す図である。 図3は、車両の加速度周波数と車間誤差伝播比との関係の一例を示すグラフである。 図4は、隊列の車間誤差の後続車両への車間誤差過渡特性の一例を示すグラフである。 図5は、隊列走行制御システムによる処理を示すフローチャートである。 図6は、第2実施形態の隊列走行制御システムが備える周波数カットオフフィルタを示す図である。
符号の説明
1,201…隊列走行制御システム、51…周波数カットオフフィルタ、C〜C…車両、C…先頭車両、C〜C…後続車両、L1_tgt〜L5_tgt…目標車間距離。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る隊列走行制御システム及び車両の好適な実施形態について詳細に説明する。
(第1実施形態)
図1に示す隊列走行制御システム1は、複数の車両に隊列を組んで走行させるべく、当該複数の車両の各々の走行状態を制御するシステムである。この隊列走行制御システム1により、複数の車両が比較的狭い車間距離で縦一列に並んで走行する隊列走行が実現される。この隊列走行制御システム1では、任意台数の車両で構成される隊列走行を実現することができるが、ここでは、図2に示すように、5台の車両C,C,C,C,Cで隊列走行が行われる場合を例に挙げて説明する。
なお、以下の説明において、必要な場合には、図2に示されるように、隊列の先頭から数えてn番目(n=1,2,…,5)の車両Cの加速度を「a」で表し、車両Cの速度を「V」で表し、車両Cの加速度指令値を「u」で表す。また、車両Cと車両Cn+1との目標車間距離を「Ln_tgt」で表し、車両Cと車両Cn+1との車間誤差を「L」で表す。なお、車間誤差とは、目標車間距離Ln_tgtと現実の車間距離との誤差を意味する。また、隊列の構成車両C〜Cのうち、先頭を走行する車両Cを「先頭車両」と呼び、これに対して、車両C〜Cを総称し「後続車両」と呼ぶ場合がある。
隊列を構成するすべての車両C〜Cは、それぞれ1つずつ、以下に説明する隊列走行制御システム1を搭載している。
図1に示すように、隊列走行制御システム1は、車両制御ECU(Electronic Control Unit)10を備えている。車両制御ECU10は、隊列走行制御システム1の全体の制御を行う電子制御ユニットであり、例えばCPU、ROM、RAMを含むコンピュータを主体として構成されている。車両制御ECU10は、情報を一時的又は長期的に保存することが可能な情報記憶部10aを有している。
更に、隊列走行制御システム1は、自車両の走行状態を検知するためのセンサ類を備えている。このセンサ類には、前方車間距離センサ21aと、後方車間距離センサ22aと、車速センサ23aと、加速度センサ24aとが含まれている。
前方車間距離センサ21aは、自車両の直ぐ前方を走行する車両との車間距離を検知することができる。同様に、後方車間距離センサ22aは、自車両の直ぐ後方を走行する車両との車間距離を検知することができる。このような前方車間距離センサ21a及び後方車間距離センサ22aとしては、例えば、それぞれ車両の前部及び後部にそれぞれ設けられたミリ波レーダが採用される。前方車間距離センサ21aで得られる信号は、前方センサECU21で処理され、前方車間距離情報として車両制御ECU10に送信される。同様に、後方車間距離センサ22aで得られる信号は、後方センサECU22で処理され、後方車間距離情報として車両制御ECU10に送信される。
車速センサ23aは、自車両の速度を検知することができる。車速センサ23aとしては、例えば、車輪速を検知する電磁ピックアップセンサが用いられる。車速センサ23aで得られる信号は、車速センサECU23で処理され、車速情報として車両制御ECU10に送信される。加速度センサ24aとしては、例えば、ガスレートセンサもしくはジャイロセンサが用いられる。加速度センサ24aで得られる信号は、加速度センサECU24で処理され、加速度情報として車両制御ECU10に送信される。
なお、前方センサECU21と、後方センサECU22と、車速センサECU23と、加速度センサECU24とは、車両内ネットワークとして構築された通信・センサ系CAN20を介して車両制御ECU10に接続されている。
以上のように、隊列走行制御システム1では、上述のセンサ類により、自車両についての前方車間距離情報と、後方車間距離情報と、車速情報と、加速度情報とが得られる。なお、以下の説明では、前方車間距離情報と、後方車間距離情報と、車速情報と、加速度情報とをまとめて「走行状態情報」という場合がある。
更に、システム1は、自車両の加減速・操舵等の操作を行うべく、エンジン制御ECU31と、ブレーキ制御ECU32と、ステアリング制御ECU33とを備えている。エンジン制御ECU31は、車両制御ECU10から送信される加速度指令値情報を受信し、当該加速度指令値に対応する操作量でスロットルアクチュエータ31a等を操作する。また、ブレーキ制御ECU32は、上記加速度指令値情報を受信し、当該加速度指令値に対応する操作量でブレーキアクチュエータ32a等を操作する。また、ステアリング制御ECU33は、車両制御ECU10から送信される操舵指令値情報を受信し、当該操舵指令値に対応する操作量でステアリングアクチュエータ33a等を操作する。
また、隊列走行制御システム1は、隊列の他の構成車両との間で互いの走行状態情報等を交換すべく、無線アンテナ26a及び無線制御ECU26を備えている。隊列内の各車両C〜Cは、この無線アンテナ26a及び無線制御ECU26により互いに車車間通信を行い、他の構成車両すべての車両諸元情報、走行状態情報、及び加速度指令値情報を取得すると共に、自車両の車両諸元情報、走行状態情報、及び加速度指令値情報を他車両に送信する。このような車車間通信により、すべての車両C〜Cの車両制御ECU10において、すべての車両C〜Cの車両諸元情報、走行状態情報、及び加速度指令値情報を共有することができる。なお、無線制御ECU26は、前述の通信・センサ系CAN20を介して車両制御ECU10に接続されている。
続いて、この隊列走行制御システム1による隊列走行制御について説明する。
ここでは、先頭車両Cは運転者により手動で運転され、隊列走行制御システム1は、運転者が手動運転する先頭車両Cに追従するように、4台の後続車両C〜Cの走行状態を制御するものとする。また、4台の後続車両C〜Cにおいては、車車間通信で交換される前方の車両Cn−1の実加速度an−1をフィードフォワードとして、前方の車両Cn−1と自車両Cとの車間距離をPD制御によりフィードバックするタイプの制御が行われるものとする。
このような制御方法によって現実の隊列走行を行う場合、車車間通信の無駄時間、センシングの遅れ、車両の応答遅れといった要因により、車間誤差L〜Lが、隊列の後方に順次伝播していく誤差伝播が発生すると考えられる。そして、後方の車間距離に順次伝播する車間誤差の伝播比、すななち、車間誤差Ln+1と車間誤差Lとの比Ln+1/Lを車間誤差伝播比(ストリングスタビリティ)Sとすると、車間誤差伝播比Sは車両の加速度周波数に依存する。例えば、車間誤差伝播比Sと車両の加速度周波数との間には、図3に示すような関係がある。
この図3の例の場合、車間誤差伝播比Sは、車両の加速度周波数が6・10−2Hz付近になったときに最大となり、車間誤差伝播比の最大値Smaxは1を超えて、約1.2であることが判る。車間誤差伝播比Sが1を超えるような周波数で先頭車Cが加減速を行った場合、図4に示されるように、隊列の後方に行くほど車間誤差が増幅され指数関数的に大きくなってしまう。
このように、現実に複数の車両を隊列走行させる場合、誤差の伝播により後ろの車両ほど安全余裕が下がったり、動きの円滑性が損なわれたりなど、机上では発見出来なかった問題が発生する場合もあるので、隊列走行においては、後ろの車両ほど車両間の安全な車間距離を確保しながら隊列走行することが求められる。そこで、隊列走行制御システム1では、隊列の後方に行くほど車間距離が大きくなるように隊列制御が行われる。具体的には、隊列の構成車両を車両C〜Cm+1とすれば、隊列走行制御における目標車間距離L1_tgt〜Lm_tgtが、下式(1)に基づいて決定される。
m_tgt=Smax・Lm−1_tgt=Smax ・Lm−2_tgt= … =Smax m−1・L1_tgt …(1)
この式(1)で理解されるように、Smaxを1以上の値とすれば、隊列の後方に行くほど指数関数的に目標車間距離が大きくなる。従って、隊列の後方に行くほど車間誤差が指数関数的に増幅されるとしても、同じように車間距離も指数関数的に大きくなるので、後方の車両においても、前方の車両と同様の安全余裕が確保される。すなわち、隊列の各車両C〜Cm+1における安全余裕が均一化される。従って隊列走行制御システム1によれば、隊列全体において安全な車間距離で隊列走行を実現することができる。
このような隊列走行の実現のために、後続車両C〜Cの隊列走行制御システム1は、各々独立して、自車の加減速を制御する。以下、5台の車両C〜Cの隊列のj台目の車両C(j=2,3,4,5)において、隊列走行制御システム1が行う処理の詳細について、図のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、隊列走行制御システム1の車両制御ECU10は、上式(1)が適用された
4_tgt=Smax・L3_tgt=Smax ・L2_tgt=Smax ・L1_tgt
といった演算を行い、自車両Cの前方の目標車間距離Lj−1_tgtを決定する(S101)。車間誤差伝播比の最大値Smaxの値は、車車間通信の無駄時間、センシングの遅れ、車両の応答遅れといった要因を考慮した上で、隊列走行制御システム1の設計者により予め決定され、車両制御ECU10の情報記憶部10aに予め記憶されている。例えば、一般的な車車間通信の無駄時間、センシングの遅れ、車両の応答遅れといった要因を考慮すれば、Smax=1.2程度の数値が想定される。また、目標車間距離L1_tgtの値は、隊列走行の諸条件に応じて自動的に求められてもよく、例えば車両C〜Cの何れかの運転者の手動入力により決定されてもよい。なお、このような目標車間距離Lj−1_tgtを決定する処理S101は、必ずしも毎回行う必要はなく、隊列内における自車両Cの序列(自車両が隊列の何台目であるか)が決定された時点で1回だけ行うこととしてもよい。
次に、車両制御ECU10は、自車両Cと前方の車両Cj−1との間の実際の車間距離をフィードバックとして前方車間距離センサ21aから取得する。そして、実際の車間距離と目標車間距離Lj−1_tgtとの差を算出して自車両Cの前方の車間誤差Lj−1が得られる(S103)。また、車両制御ECU10は、無線アンテナ26aを通じた車車間通信により、前方の車両Cj−1の実加速度aj−1を得る(S105)。なお、このとき、加速度センサ24aで得られた自車両Cの実加速度aを後方の車両Cj+1に送信する処理も併せて行う。そして、得られた実加速度aj−1をフィードフォワードとし(S107)、上記の車間誤差Lj−1を用いたPD制御により自車両Cの加速度指令値uを得る(S109)。
その後、車両制御ECU10は、算出された加速度指令値uをエンジン制御ECU31及びブレーキ制御ECU32に送信する(S111)。そして、エンジン制御ECU31は受信した加速度指令値uに基づいてスロットルアクチュエータ31aを操作し、ブレーキ制御ECU32は受信した加速度指令値uに基づいてブレーキアクチュエータ32aを操作する(S113)。以上のような図5のS101〜S113の処理が各後続車両C〜Cにおいて隊列走行中に繰り返される。そして、このような処理により、4台の後続車両C〜Cの加減速が先頭車両Cに対応して制御され、後方に行くほど車間距離が指数関数的に大きくなる隊列走行が達成される。
(第2実施形態)
続いて、本発明に係る隊列走行制御システムの第2実施形態について説明する。本実施形態の隊列走行制御システム201の物理的な構成は、図1に示すように、隊列走行制御システム1と同様であるので、重複する説明は省略する。
前述のように、この種の隊列走行においては、車間誤差伝播比Sは車両の加速度周波数に依存しており、車間誤差伝播比SをS>1とするような車両の加速度周波数が存在する。例えば、図3の例では、6・10−2Hz付近の周波数がこれに該当する。このように車間誤差伝播比SをS>1とするような車両の加速度周波数を、以下「不適切周波数」という。前述の通り、先頭車両Cが不適切周波数で加減速すると、隊列の後方に行くほど車間誤差が指数関数的に大きくなり、安全上好ましくない。
そこで、本実施形態の隊列走行制御システム201では、上記隊列走行制御システム1の制御に加えて更に、自車両が先頭車Cとなった場合には、自車両が不適切周波数での加減速をしないように制御される。すなわち、自車両が先頭車両Cになった場合には、不適切周波数においてゲインを下げ自車両Cの加速度を抑えるような周波数カットオフフィルタを採用する。具体的には、図6に示すように、例えば運転者のベダル操作に基づいて発生した加速度指令値uは、周波数カットオフフィルタ51を通して加速度指令値u1_filterに変換され、この加速度指令値u1_filterがエンジン制御ECU31及びブレーキ制御ECU32に送信される。
そして、エンジン制御ECU31は受信した加速度指令値u1_filterに基づいてスロットルアクチュエータ31aを操作し、ブレーキ制御ECU32は受信した加速度指令値u1_filterに基づいてブレーキアクチュエータ32aを操作する。その結果、自車両Cは、フィルタが施された加速度a1_filterで加速することになる。このように、周波数カットオフフィルタ51を介することにより、自車両Cが不適切周波数での加減速をしなくなる。従って、隊列の後方に行くほど車間誤差が増幅するといったことが避けられ、より安全性を確保することが可能となる。
このような周波数カットオフフィルタ51は、実際には、隊列走行制御プログラム中で用いられる演算式の一部として存在しており、隊列走行制御プログラムが車両制御ECU10で実行されることで、周波数カットオフフィルタ51の機能が実現される。周波数カットオフフィルタ51に対応する演算式は、車間誤差伝播比Sの周波数特性に基づいて隊列走行制御システム201の設計者により予め決定され、車両制御ECU10の情報記憶部10aに予め記憶されている。なお、不適切周波数においてゲインを下げるような周波数カットオフフィルタ51としては、図6にも示されるように、伝達関数が1/(1+Ts)で示される一次遅れフィルタが好適である。
続いて、後続車両C〜Cにおいて、車車間通信で交換される前方の車両Cn−1の加速度指令値un−1をフィードフォワードとして、前方の車両Cn−1と自車両Cとの車間距離をPD制御によりフィードバックするタイプの制御が行われる場合について考える。この場合、先頭車両Cは、後続車両C〜Cのフィードフォワードのための加速度指令値を車車間通信で送信する必要があるが、先頭車が後続車両C〜Cに送信する加速度指令値は、周波数カットオフフィルタ51による変換後の加速度指令値u1_filterとされる。
このように、先頭車両Cは、車車間通信で後続車両C〜Cに送信する加速度指令値に対してフィルタリングを行うこととしてもよい。このようなフィルタリングによっても、隊列の後方に行くほど車間誤差が増幅するといったことが避けられ、同様に安全性を確保することが可能となる。なお、この場合の先頭車両Cにおいて、エンジン制御ECU31及びブレーキ制御ECU32に送信される加速度指令値は、フィルタリングされていない加速度指令値uであってもよく、フィルタリング後の加速度指令値u1_filterであってもよい。
なお、本発明は上述した第1及び第2実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、先頭車両Cが運転者により手動で運転され、後続車両C〜Cの走行状態が隊列走行制御システムで制御されるが、本発明は、先頭車両Cを含めて隊列の車両全部を制御するタイプの隊列走行制御システムにも適用可能である。また、実施形態では、後続車両C〜Cにおいて、前方の車両Cn−1の実加速度an−1をフィードフォワードとして、前方の車両Cn−1と自車両Cとの車間距離をPD制御によりフィードバックするタイプの制御が行われるが、本発明は、他のタイプの制御で隊列走行が実現される隊列走行制御システムにも適用が可能である。例えば、車間誤差L〜L等を含む状態量に基づいて隊列の車両全部の加減速を最適制御(LQ制御)するタイプの隊列走行制御システムにおいて、目標車間距離L1_tgt〜Lm_tgtを決定する際にも、本発明を適用することができる。
また、実施形態では、5台の車両C〜Cで隊列走行が行われる場合を例として説明しているが、当該実施形態における隊列走行制御に倣えば、5台に限られず任意台数の車両による隊列走行が実現できることは明白である。
本発明は、複数の車両が隊列を組んで走行するように、各車両の走行状態を制御する隊列走行制御システムに関するものであり、安全な車間距離での隊列走行を実現するものである。

Claims (4)

  1. 複数の車両が隊列を組んで走行するように前記車両間の相対位置関係を制御する隊列走行制御システムであって、
    隊列において前後に連続した車両の間の車間距離の各目標値は、
    前記隊列の走行中において後方の車両に伝播する車間距離の誤差の伝播比である車間誤差伝播比に基づいて決定されることを特徴とする隊列走行制御システム。
  2. 前記隊列の前からn番目の車両とn+1番目の車両との間の目標車間距離をLn_tgtとし、前記車間誤差伝播比の最大値をSmaxとしたとき、
    決定される前記目標車間距離Ln_tgtは、
    n_tgt=Smax n−1・L1_tgt
    で表されることを特徴とする請求項1に記載の隊列走行制御システム。
  3. 前記隊列における先頭の車両の加速度指令値は、
    前記車間誤差伝播比の周波数特性に基づいて決定されることを特徴とする請求項1又は2に記載の隊列走行制御システム。
  4. 請求項1〜3の何れか1項に記載の隊列走行制御システムを備えたことを特徴とする車両。
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