KR20210013210A

KR20210013210A - 차량 제어용 컨트롤러, 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20210013210A
Application number: KR1020207037413A
Authority: KR
Inventors: 데니스 야젬스키; 앨론 그린; 샤힌 시루스푸어
Original assignee: 탈레스 캐나다 아이엔씨
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2021-02-03
Also published as: US20190375441A1; CA3101582C; KR102528317B1; WO2020030992A1; CA3101582A1; SG11202011623UA; EP3803528A1; EP3803528A4

Abstract

차량용 컨트롤러는 각 제어반복(control iteration)에서 차량의 출발 위치에서 목표 위치까지의 경로를 따라 복수의 제어반복을 반복적으로 수행하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 제어동작들에는 차량의 현재 상태에 기초하여 최적화 문제를 해결함으로써 차량의 현재 위치에서 목표 위치까지의 나머지 경로에 대한 주행계획을 생성하는 것이 포함된다. 또한 제어동작에는 복수의 제어반복들 중 다음 제어반복을 수행할 때까지 생성된 주행계획을 실행하도록 차량의 구동 및 제동 시스템을 제어하는 것이 더 포함된다.

Description

차량 제어용 컨트롤러, 시스템 및 방법

본 출원은 2018. 6. 8. 미국 특허 가출원 제62/682,537호에 대하여 우선권을 주장하며, 본 발명은 위의 가출원에 기재된 내용 전체를 참고로서 통합하여 설명된다.

통근 열차 교통망은 급속도로 성장하고 있는 대표적인 산업 분야이다. 철도 통근 교통량의 급속한 성장은 열차 운행 자동화(ATO: automatic train operation) 시스템의 연구개발과 함께 발전하고 있다. 이러한 시스템 개발은 에너지 소비 및 전체 차량의 CO2 배출량 감소, 운행시간 준수율 개선, 노후 기관차의 관리 개선, 시스템 고장 감지와 신속한 후속 대응 등의 안전성 대책, 주어진 통근 루트에 대한 에너지 소비 최소화 등을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예를 보여주도록 첨부된 도면들은 그 도면의 표시에 따라 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 단지 본 발명의 예시를 보여주기 위한 것이며, 도시된 구성요소에 병기한 참조번호는 전체적으로 같거나 유사한 구성요소들에 대해 동일한 번호로 표시된다. 표시된 구성들은 반드시 해당 스케일에 맞추어 도시하지 않고 본 기술분야와 업계의 표준적 관행에 따라 발명의 기술적 특징을 보여주도록 하였다는 점에 유의하여야 한다. 실제로 도면에 포함된 구성들에 표시된 크기는 설명을 명확히 하도록 필요에 따라 증감하여 표시한다.
도 1은 하나 또는 그 이상의 실시예에 적용되는 차량 모션 제어부의 전체 다이어그램이다.
도 2는 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 도 1의 모션 제어부의 제어동작들을 보여준다.
도 3은 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 시스템을 보여준다.
도 4는 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 5는 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 6은 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 7은 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 8은 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 컴퓨팅 플랫폼의 블록 다이어그램이다.

이하 본 발명에 관련된 여러 유형의 실시예 또는 예시들을 제시함으로써 본 발명을 이루는 다양한 특징에 대하여 설명한다. 본 발명의 구성요소들과 이들 상호간의 배치에 대하여 구체적인 예시를 이용하여 보다 쉽게 이해할 수 있도록 설명한다. 물론 예시에 따라 설명하지만 이것은 단지 예를 보여주는 것으로서 본 발명을 당해 예시로서 제한하려는 것이 아니다. 예를 들어, 설명 중에 제 1 구성의 위치가 제 2 구성의 위에 형성된다는 것에는 상기 제 1 및 제 2 구성이 직접 접촉하는 실시예의 구성을 의미할 수도 있고, 또한 제 1 및 제 2 구성이 직접 접촉하지 않고 제 1 및 제 2 구성의 중간에 부가적인 구성이 형성되거나 배치되는 경우의 실시예를 포함할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 설명에서 다양한 구성요소들에 대해 반복적으로 참조번호 및/또는 문자표시를 사용하지만, 이러한 반복적 표시는 설명을 단순하고 명확하게 하려는 것일 뿐, 그 자체로 여러 실시예들 및/또는 구성들 상호간에 직접적인 관계를 정의하려는 것이 아님을 유의해야 할 것이다.

또한 "밑으로", "아래로", "낮게", "위로", "높게" 등과 같은 구성 상호간 공간적 관계를 표현하는 용어들은 편의상 도면에 도시된 바에 따라 소정 요소 또는 특징이 다른 요소(들) 또는 특징(들)의 상호관계를 설명하기 위한 것일 수 있다. 공간적 관계를 표현하는 용어들은 도면에서 관찰되는 공간 영역의 좌표에 더하여 장치 또는 사용 또는 동작 중인 대상물, 3차원 공간에서 스캐닝되는 대상들의 상이한 좌표와 방위까지 포함시켜서 설명하기 위한 것이다. 즉, 소정의 장치가 다른 방위로서 배치되는 경우(90도 회전 또는 기타 다른 방위 등), 상기 상대적인 공간적 관계를 표현하는 용어들을 그에 맞추어 해석해야 할 것이다.

일부 실시예에서 가이드웨이(guideway)라고 함은, 트랙, 철도, 도로, 케이블, 일련의 반사체(reflector), 일련의 표지판(sign), 가시적 또는 보이지 않는 경로(path), 투사된 경로, 레이저 유도형 경로, 지구 위치정보 시스템(GPS) 지시 경로, 객체기준적(object-studded) 경로 등, 또는 그밖에 가이드, 경로, 트랙, 도로 등을 표현하는 적정한 포맷이며, 그 위로 또는 그 아래로, 그 옆으로, 그에 따라, 소정의 차량이 주행할 수 있는 것을 통칭한다. 실시예에 따라 상기 차량은 철도용 차량(예컨대 열차) 또는 도로용 차량이다.

일부 실시예의 경우 차량용 온-보드 컨트롤러(VOBC: vehicle on-board controller)와 같은 컨트롤러가 출발 위치에서 목표 위치까지의 소정의 경로를 따라 차량의 이동을 제어하도록 구성된다. 이를 위해 상기 경로에 위치하는 각 노드에서 잔여 트립에 대한 차량의 제어 문제에 대해 솔루션을 얻고, 그 결과 획득한 운전 프로파일(driving profile) 등을 적용하여 차량을 다음 노드로 주행시킨다. 이 과정은 차량이 목표 위치에 도착할 때까지 반복된다. 적어도 하나 이상의 실시예에서 상기 제어 문제(과제)는 컨벡스 2차 원추형 문제이다. 하나 이상의 실시예에서, 앞서가는 차량의 제 1 운전 프로파일이 후행 차량에 전달됨으로써 후행 차량의 컨트롤러가 제 2 운전 프로파일을 생성하도록 하고, 그에 따라 후행 차량이 선행 차량을 뒤따르도록 제어한다. 이같은 실시예의 장점은 글로벌 최적성(global optimality), 상기 솔루션의 확실성(robustness), 동일 경로(예, 동일 트랙) 상에서 선후 차량(예, 열차)간 안전거리 내지 완충구간를 유지시켜주는 장점이 있으며, 이들 예시에 국한되지 않는다.

일부 실시예의 VOBC에서는 모든 활성상태의 머신 상에 안전 무결성 레벨(SIL: safty integrity level) 4의 배경 프로세스를 실행하며, 상기 VOBC 구성 프로파일에 의해 식별되는 통신 트래픽을 청취하고 핵심 데이터를 수집한다. SIL 4는 일부 실시예에서 국제전기기술위원회(IEC) 표준인 IEC 61508에 기초하며, SIL 4는 시간당 장애 확률이 10^-8내지 10^-9대인 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 차량 모션 제어부(100)의 다이어그램이다. 상기 모션 제어부(100)는 컨트롤러(110), 구동 및 제동(motoring and braking) 시스템(120)을 포함한다. 일부 실시예에서 상기 컨트롤러(110)는 도 8에 도시된 것과 같은 적어도 하나의 프로세서 또는 컴퓨팅 플랫폼을 구비한다. 적어도 일 실시예로서, 상기 컨트롤러(110)는 차량(100)의 VOBC(미도시)의 일부로서 구현될 수도 있다. 예를 들어, 상기 컨트롤러(110)는 이하 설명되는 컨트롤러(110)의 동작 또는 기능을 실행하도록 적어도 부분적으로 프로그램된 VOBC의 프로세서에 의해서 구현될 수 있다. 또는 적어도 하나의 실시예에서 컨트롤러(110)는 차량(100)의 VOBC와는 별개의 하드웨어로 구현되기도 한다. 예를 들어, 컨트롤러(110)는 적어도 부분적으로 VOBC 외부의 프로세서로 구현되고 이하 설명되는 컨트롤러(110)의 동작과 기능을 수행하도록 프로그램 된다. 구동 및 제동 시스템(120)은 차량이 경로를 따라 이동하게 만드는 동력 또는 가속을 생성하도록 구성된 추진동력원(propulsion source)을 포함한다. 추진동력원으로 엔진 또는 전기 모터가 있으며 여기에 국한되지 않는다. 상기 구동 및 제동 시스템에는 차량(100)을 감속시키거나 정지시키는 브레이크를 더 구비한다. 여러 실시예에서 차량(100)의 다른 움직임들 역시 상기 구동 및 제동 시스템(120)에 의하여 영향 받도록 한다. 예를 들어 차량(100)이 조향성을 갖는 경우(예건대, 도로주행 차량), 상기 구동 및 제동 시스템(120)에 차량(100)에 대한 조향 메커니즘을 더 포함한다.

일부 실시예에서, 컨트롤러(110)는 최적 제어(optimal control) 기술을 적용하여 차량(100)을 구동하도록 구성된다. 적어도 하나의 실시예에서, 최적 제어는 주어진 제어 문제(과제)를 모델-기반의 최적화 문제로서 다루는 것을 포함하고, 알려진 하나의 프로세스 모델(특정 시스템에 대한 소정의 모델, 에를 들면 제어 대상이 되는 차량 등)에 대하여 하나 또는 그 이상의 제약조건 하에서 주어진 하나의 목표(objective)을 최적화하도록 연산함으로써 제어 지침을 생성한다. 이 경우 상기 컨트롤러(11)는 하나 또는 그 이상의 실시예에서 최적화 컨트롤러(optimal controller)라고 하며, 상기 컨트롤러(110)는 차량(100)에 대한 현재 상태, 적어도 하나의 제어 목표, 그리고 적어도 하나의 제약조건에 근거하여 최적화 문제를 해결하도록 구성된다.

도 1의 예시적 구성에서, 차량(100)의 현재 상태에는 차량(100)의 현재 스피드(또는 속도, V0)와 경로 상에서 차량(100)의 현 위치(X0)를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서 차량(100)의 현재 속도는 상기 구동 및 제동 시스템(120)에 장착된 스피드 센서(미도시)에서 측정하거나, 또는 도플러 레이더, 카메라(영상 주행거리계: video odometry) 및/또는 LiDAR(light detection and ranging) 장비와 같은 독립적인 스피드 결정 시스템으로부터 측정된다. 차량(100)의 현 위치(X0)는 하나 또는 그 이상의 실시예에서, 카메라, 레이더, LiDAR 스캐너 또는 RF 송수신기와 같은 센서(미도시)에 의하여 측정되며, 통신 기반 열차제어(CBTC: communication based train control) 시스템에서, 상기 센서들은 경로를 따라 배치된 표지(sign)에 매립된 상응하는 가시적 정보, 레이더, LiDAR 또는 RF 데이터 등을 판독한다. 앞에 설명한 차량(100)의 현재 상태에 어떤 동작 파라미터들을 더 포함시킬 것인지 및/또는 그러한 동작 파라미터를 어떻게 획득할 것인지에 대한 구성상 변경 역시 본 발명의 다양한 실시예의 범주에 포함된다. 예를 들어, 적어도 하나의 실시예에서 차량(100)의 현재 상태에 차량(100)의 가속도 센서가 획득한 차량(100)의 현재 가속도가 포함된다.

도 1의 예시적 구성에는, 최적화 문제를 수립 및/또는 해결함에 있어서 컨트롤러(110)가 사용하게될 적어도 하나의 제어 목표(control objective)와 적어도 하나의 제약조건(constraint)은, 트립한도 및 목표((trip limit and objective) 데이어베이스(130), 트랙 데이터베이스(140), 그리고 차량 구성 데이터베이스(150)에 포함된다. 이들 트립한도 및 목표 데이터베이스(130), 트랙 데이터베이스(140) 및 차량 구성 데이터베이스(150)들의 하나 또는 그 이상은 컨트롤러(110) 또는 그에 대한 프로세서에 의해 접근 가능하도록 도 8과 같이 컴퓨터 판독가능한 저장매체에 저장된다.

적어도 하나의 제어 목표는 트립한도 및 목표 데이터베이스(130)에 저장된다. 제어 목표의 적어도 하나의 예로서, 출발 위치에서 경로 상의 목표 위치로 차량을 주행하는데 소요되는 최소 시간, 출발 위치에서 목표 위치로 차량을 주행하는 데 필요한 최소 에너지 소비량, 그리고 경로에 대한 과도한 제동의 최소화 등이 포함되며, 이들에 제한되지 않는다. 적어도 하나의 실시예에서 컨트롤러(110)는 시간과 에너지 소비와 같이 조합된 제어 목표에 대하여 최적화 문제를 해결하도록 구성된다. 이 경우 조합된 시간과 에너지 소비 제어 목표를 위하여 트립한도 및 목표 데이터베이스(130)에는 그에 상응하는 시간과 에너지의 가중치들이 포함된다. 나아가 시간, 에너지 및 과도한 제동의 세 가지 혼합된 목표일 경우 그에 상응하는 세 개의 가중치들이 포함된다. 일부 실시예에서 컨트롤러(110)는 차량이 경로를 이동하는 동안 실시간으로 상기 제어 목표를 변경하거나 조정하도록 구성된다. 예를 들어 컨트롤러(110)는 제어 목표를 시간에서 에너지로 변경하거나, 또는 시간 또는 에너지에서 시간과 에너지로 조합된 제어 목표로 변경한다. 다른 예로에서 컨트롤러(110)는 시스템이나 사용자의 새로운 요청에 따라 차량 이동을 적응시키도록 조합된 시간/에너지 목표의 시간 및/또는 에너지의 가중치를 조정한다. 제어 목표의 선택 및/또는 갱신과 관련한 가능한 다른 예시적 구성들 역시 본 발명의 다양한 실시예에 포함된다.

최적화 문제에 주어지는 제약조건에는 트립 제약조건, 트랙 제약조건, 차량 제약조건의 하나 또는 그 이상이 포함된다. 트립 제약조건은 경로를 따라가는 차량(100)의 트립과 관련된 제한이며, 트립한도 및 목표 데이터베이스(130)에 저장된다. 트립 제약조건의 예로는 경로상 소정 위치로의 최대 및 최소 도착시간, 제동에 대한 제한 등이 포함되며 이들에 국한되지 않는다. 트랙 제약조건은 차량(100)이 이동하는 경로에 관한 제한으로, 트랙 데이터베이스(140)에 저장된다. 트랙 제약조건의 예로는 경로의 최대 허용 속도, 마찰, 트랙션(traction) 또는 등급 프로필을 포함하며 이들에 국한되지 않는다. 차량 제약조건은 차량(100)에 관련된 제한이며 차량 구성 데이터베이스(150)에 저장된다. 적어도 하나의 실시예에서 차량 제약조건은 컨트롤러(110)가 최적화 문제를 적용하는 소정의 차량(100) 모델이 갖는 파라미터들이다. 차량 제약조건의 예로는 최대 제동력, 최대 가속력(또는 추진력), 차량 중량, 구동 및 제동 계통의 응답/지연 등이 있으며, 이들에 국한되지 않는다. 제어 목표와 마찬가지로, 하나 또는 그 이상의 제약조건은 차량이 경로를 이동하는 중에 컨트롤러(110)에 의해 실시간으로 변경 및/또는 조정 가능하다. 하나 이상의 제약조건을 선택 및/또는 갱신하는 다른 형태의 구성 역시 본 발명의 다양한 실시예에 포함된다.

컨트롤러(110)는 구동 및 제동 시스템(120) 및/또는 적어도 하나 이상의 센서로부터의 현재 상태, 적어도 하나 이상의 제어 목표와 그에 상응하는 트립한도 및 목표 데이터베이스(130)의 적용 가능한 가중치, 트립한도 및 목표 데이터베이스(130)로부터의 하나 또는 그 이상의 제약조건, 트랙 데이터베이스(140), 그리고 차량 구성 데이터베이스(150)을 사용하여 최적화 문제를 해결하도록 구성된다. 최적화 제어에 따른 하나의 솔루션은 실행가능하거나 최적인 것이다. 실행가능한 솔루션이라 함은 주어진 제약조건을 만족하는 것, 예를 들어 차량을 과속하지 않고 소정 위치에서 다른 위치로 드라이브하는 것이다. 상황에 따라 하나의 제어 문제(과제)에 대해 여러가지 방법들, 즉 다양한 실행가능한 해결이 있게 된다. 최적의 솔루션은 잠정적으로 실현가능할 뿐만 아니라 실현가능한 솔루션들 중에서 최상의 것을 말한다. 최적인 솔루션은 소정의 제어 목표를 최소화 또는 최대화하는 것, 예를 들어 차량을 과속없이 소정 장소에서 다른 장소로 최소시간 내에 주행하는 것과 같은 해결이다. 이것은 제어 문제에 대한 다수의 가능한 솔루션에서 하나의 고품질 솔루션을 정하도록 해준다. 일부 실시예에서는 컨트롤러가 최적의 솔루션에 도달하였을 때 최적화 문제를 해결하였다.

일부 실시예에서는 결과 솔루션의 실현가능성과 최적성을 보장하는 방향으로 최적화 모델들이 구성된다. 이것은 가능한 제약조건들의 집합에서 실현가능하고 최적인 솔루션을 획득하는 것을 보장하도록 컨벡스 표현에서 최적의 제어 지침을 생성함으로서 달성될 수 있다. 또한 컨벡스 최적화(convex optimization) 문제는 비-컨벡스 최적화(non-convex optimizaton) 문제에 비하여 훨씬 빠르고 효율적으로 해결된다. 그럼에도 불구하고, 적어도 하나의 실시예에서 컨트롤러(110)가 해결해야 하는 최적화 문제는 비-컨벡스 최적화 문제이다. 적어도 하나의 실시예의 최적화 문제는 컨벡스 최적화 문제이다. 또 적어도 하나의 실시예에서 컨벡스 최적화 문제는 컨벡스 2차계 원추(convex 2^nd order cone)형 문제이다. 컨벡스 2차 원추형 문제의 수학적 특성으로 인하여 제어 문제가 실현 불가능한(예를 들어, 도착 시간, 속도 제한, 또는 정지점의 달성이 불가능한) 경우, 아주 짧은 1회의 제어반복(control iteration)으로 결정을 내릴 수 있다. 또한 제어 문제가 실현가능한 것으로 결정되면 그 솔루션은 최적이라고 보장할 수 있다. 비-컨벡스 최적화 문제, 컨벡스 최적화 문제 및 컨벡스 2차 원추형 문제 및 이에 상응하는 솔루션의 하나 이상의 예에 대하여는 본 발명의 설명이 그 전체로서 참고하여 인용하고 있는 2018. 6. 8. 미국 특허 가출원 제62/682,537호에 기술되어 있다.

도 1의 예시에서 컨트롤러(110)는 내부 클럭회로(160)의 클럭신호에 따라 타임 도메인에서 최적화 문제를 해결하도록 구성된다. 예를 들어 컨트롤러(110)는 클럭회로(160)의 클럭신호로서 동기화되는 매 제어 사이클마다 최적화 문제를 해결하도록 구성된다. 적어도 하나의 실시예에서 제어주기는 100ms이거나 더 짧다. 따라서, 최적화 문제는 경로를 따라 복수의 이산(discretization) 노드들에서 여러 차례 해결된다. 인접하는 이산 노드들은 상기 클럭신호에 상응하는 미리 설정된 시간 간격에 따라 배치된다. 그러나 인접한 노드들 사이의 물리적 거리는 다양한 요소 및/또는 파라미터의 비선형성으로 인해 반드시 동일하지는 않다. 경우에 따라 이같은 비선형성은 타임 도메인에서 최적화 문제를 해결할 때 주의할 점이 된다.

다른 실시예에서 컨트롤러(110)는 위치 도메인에서 최적화 문제를 해결하도록 구성된다. 예를 들어 컨트롤러(110)는 경로 상에 미리 정해진 거리에 배치된 복수의 이산 노드에 대하여 매 이산 노드마다 최적화 문제를 해결하도록 구성된다. 인접하는 이산 노드는 그에 따라 동일한 간격으로 배치된다. 경우에 따라, 경로를 이산화하는 것과 위치 도메인에서의 최적화 문제의 해결은 타임 도메인에서 최적화 문제를 해결할 때 주의할 점이 된다.

도 2는 하나 이상의 실시예에 따른 도 1의 모션 제어부의 동작 다이어그램(200)이다. 다이어그램(200)은 차량이 출발 위치(204)에서 목표 위치(206)까지 이동하는 경로(202)를 따라 제어반복(control iteration: 210, 220, 230.. 250)들을 포함하는 것을 보여준다. 도 2의 예시에서 경로(202)는 차량인 열차가 이동하는 선로 또는 레일이고, 출발 위치(204)는 출발역이며, 목표 위치(206)은 정차역이다. 그러나 다른 구성 역시 본 발명의 실시예에 포함된다. 예를 들어, 적어도 하나의 실시예에서 출발 위치(204) 및/또는 목표 위치(206)는 차량 이동을 최적화가 수행될 경로(202) 상의 소정 지점(들)이다. 출발 위치(204) 및/또는 목표 위치(206)에서 차량속도가 반드시 0일 필요도 없다. 즉, 차량이 반드시 출발 위치(204) 또는 목표 위치(206)에서 출발하거나 종착하는 것은 아니다. 제어반복들(210, 220, 230... 250)은 본 발명에서 설명하는 타임 도메인 또는 위치 도메인에서 실행된다. 타임 도메인일 경우, 제어반복들(210, 220, 230 … 250)은 클럭회로(160)의 클럭신호(제어 사이클)로서 미리 정해진 시간 간격에 따라 배치되는 여러 이산 노드들에 대응하여 실행된다. 위치 도메인에서는 경로(202)를 따라 미리 정해진 거리를 두고 분포되는 여러 이산 노드들에 대응하여 상기 제어반복들(210, 220, 230 … 250)이 실행된다.

각각의 제어반복들(210, 220, 230.. 250)에서, 컨트롤러(110)는 차량의 현재 상태에 기초하여 차량의 현재 위치에서 목표 위치(206)까지 경로(202)의 나머지 구간에 대하여 이동 계획을 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 출발 위치(204)에서의 첫번째 제어반복(210)에서 도 1에 나타난 것과 같은 현재 속도(V0)와 현재 위치(X0)가 차량의 현재 상태에 포함된다. 현재 상태를 바탕으로 컨트롤러(110)는 도 1에 관하여 설명한 바와 같이 하나 또는 그 이상의 제약조건 하에서 적어도 하나의 제어 목표를 달성하기 위한 최적화 문제를 실행하도록 구성된다. 최적화 문제에 대한 솔루션은 적어도 하나의 운전 프로파일(216)을 포함하며, 여기에는 현재 위치, 즉 출발 위치(204)로부터 목표 위치(204) 사이 나머지 경로(202)에 분포하는 각 이산 노드들(217, 218)에 대하여, 차량의 시간, 위치, 속도 또는 가속도의 적어도 하나를 포함한다. 첫번째 제어반복(210)에서, 차량의 현재 위치는 출발 위치(204)이며 따라서 경로(202)의 나머지 부분은 경로(202) 그 자체에 해당한다. 상기 운전 프로파일(216)에 따른 각 이산 노드들(217, 218)에서의 차량의 시간, 위치, 속도 또는 가속도는 최적화 문제의 하나 이상의 제약조건 하에서 적어도 하나의 제어 목표를 달성하는데 최적인 것이다. 예를 들어, 최적화 문제가 타임 도메인에서 실행된 경우, 운전 프로파일(216)에는 각 이산 노드(즉, 각 제어 사이클)에서 차량의 최적 위치를 포함하는 위치 프로파일이 포함된다. 다른 예로서, 위치 도메인에서 최적화 문제가 실행된 경우, 상기 운전 프로파일(216)에는 각 이산 노드에 차량이 도착하는 최적의 시간을 포함하는 시간 프로파일이 포함된다. 또 다른 예에서, 운전 프로파일(216)에는 각 이산 노드에서 차량의 최적 속도 또는 가속도를 포함하는 속도 또는 가속도 프로파일이 포함될 수 있다. 경로(202)의 나머지 부분에 대하여 위치 프로파일과 속도 프로파일, 가속도 프로파일과 같은 하나 또는 그 이상의 운전 프로파일들이 함께 차량의 주행계획을 정의한다. 설명한 바와 같은 시간 프로파일, 위치 프로파일, 속도 프로파일 및 가속도 프로파일 이외의 다른 운전 프로파일들 역시 본 발명의 실시예에 포함된다.

컨트롤러(110)는 다음 제어반복까지 획득된 주행계획을 실행하기 위하여 차량의 구동 및 제동 시스템(120)을 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 차량의 출발 위치(204)에 대응하는 첫 이산 노드(217)에서 그에 상응하는 운전 프로파일(216)의 제 1 요소, 즉 차량의 적어도 하나의 시간, 위치, 속도 또는 가속도가 적용되고, 컨트롤러(110)는 도 1과 같이 제어벡터(G₁)의 형태로 구동 및 제동 시스템을 제어한다. 적어도 하나의 실시예에서 제어벡터는 운전 프로파일(216)의 제 1 요소인 최적의 시간, 위치, 속도, 또는 가속도에 도달하도록, 구동 및 제동 시스템(120)에 대하여 추진력 또는 제동력을 생성하도록 명령하는 입력강도를 표시한다. 구동 및 제동 시스템(120)은, 다음 제어반복(220) (또는 다음 이산 노드(227))에 도달하여 컨트롤러(110)가 다시 최적화 문제를 해결하도록 구성될 때까지, 상기 추진력 또는 제동력을 그대로 유지한다.

두 번째 제어반복(220)에서는, 특히 차량의 새로운 현재 상태에 새로운 현재 속도와 새로운 현재 위치(X1)가 포함된다. 경로(202)의 나머지 부분이 단축되어 새로운 현재 위치(X1)와 목표 위치(206) 사이의 구간으로 조정된다. 컨트롤러(110)은 새로운 현재 상태와 제어 목표 및/또는 제약조건에 대한 업데이트/조정에 기초하여 최적화 문제를 다시 실행하도록 구성된다. 그 결과 솔루션은 새로운 현재 위치(X1)과 목표 위치(206) 사이의 나머지 경로(202)에 적용되는 새로운 운전 프로파일이다. 그에 따라 컨트롤러(110)는 이산 노드(227)에서 새로운 운전 프로파일의 제 1 요소를 적용하여 구동 및 제동 시스템(120)을 제어하고, 다음 제어반복(230)(또는 다음 이산 노드 237)에 도달할 때 다시 최적화 문제를 해결하도록 구성된다.

세 번째 제어반복(230)에서 차량의 현재 상태가 다시 업데이트되며, 경로(202)의 나머지 부분이 새로운 현재 위치(X2)와 목표 위치(206) 사이의 구간으로 단축되는 것을 포함한다. 컨트롤러(110)은 업데이트된 현재 상태, 제어 목표 및/또는 제약 조건의 업데이트/조정에 기초하여 최적화 문제를 다시 실행하도록 구성된다. 결과 솔루션은 새로운 현재 위치(X2)와 목표 위치(206) 사이의 나머지 경로(202)에 대한 추가적인 운전 프로파일이며, 컨트롤러(110)는 이산 노드(237)에서 획득한 추가적인 운전 프로파일의 제 1 요소를 적용하여 다음 제어반복(또는 다음 이산 노드)에 도달할 때까지 차량을 이동시도록 구동 및 제동 시스템(120)을 제어하고, 다시 컨트롤러(110)에 대한 최적화 문제를 해결하도록 구성된다. 상술한 동작이 차량이 목표 위치(206)에 도달할 때까지 반복적으로 수행된다. 그에 따라 적어도 하나의 실시예에서, 경로(202) 상에 배치되는 모든 이산 노드에서 주행 중 발생할 수 있는 차량에 대한 제어 목표(예로서 시간에서 에너지로), 트립 제약조건(예로서 업데이트된 최대 또는 최소 도착시간), 트랙 제약조건(예로서 제한속도의 갱신) 및/또는 차량 제약조건(예로서 탑승인원의 변화에 따른 차량중량의 변경)의 변화 내지 조정을 반영하면서 최적 주행에 도달할 수 있다.

도 3은 본 발명의 하나 이상의 실시예의 시스템(300)을 보여준다. 시스템(300)은 복수의 차량(310, 320)을 제어하도록 구성되며, 공통 경로(330)을 하나의 차량이 다른 선행 차량을 따라서 후행하는 경우를 보여준다. 도 3에 도시된 주행방향에 따라 경로(330)에서 차량(310)이 선행 차량이고 차량(320)은 선행하는 차량(310)을 따라가는 후행 또는 후속 차량이다. 선행 차량(310)은 제 1 컨트롤러(311), 구동 및 제동 시스템(312), 위치 센서(313), 속도(또는 속력) 센서(314) 및 가속도 센서(315)를 포함한다. 후행 차량(320) 역시 제 2 컨트롤러(321), 구동 및 제동 시스템(322), 위치 센서(323), 속도(또는 속력) 센서(324) 및 가속도 센서(325)를 포함한다. 도 3의 적어도 하나의 실시예에서 제 1 컨트롤러(311)와 제 2컨트롤러(321) 중 적어도 하나는 도 1의 컨트롤러(110)에 해당하고, 구동 및 제동 시스템(312, 322)의 적어도 하나는 도 1의 구동 및 제동 시스템(120)으로, 위치 센서(313), 속도 센서(314), 가속도 센서(315), 위치 센서(323), 속도 센서(324), 가속도 센서(325)는 도 1의 대응하는 각 센서에 해당한다. 제 1 컨트롤러(311)는 본 발명에 설명되는 CBTC 시스템에 포함되는 카메라, 레이더, LiDAR 스캐너 또는 RF 송수신기와 같은 센서(미도시)를 사용하여 경로(330) 상에 배치되는 도로변 표지(wayside sign, 331)와 통신(317)을 구성한다. 제 2 컨트롤러(321) 역시 본 발명의 설명과 같은 CBTC 시스템의 카메라, 레이더, LiDAR 스캐너 또는 RF 송수신기와 같은 센서(미도시)를 사용하여 경로(330) 상의 도로변 표지(332)와 통신(327)할 수 있다.

제 1 컨트롤러(311)는 제 1 통신회로(318)를 포함하고, 제 2 컨트롤러(321)에는 제 2 통신회로(328)를 포함한다. 제 1통신회로(318)와 제 2 통신회로(328)는 상호 교신할 수 있는 통신(340)을 구비하며 그에 따라 제 1 컨트롤러(311)에서 제 2 컨트롤러(321)로 제 1 운전 프로파일을 전송할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서 상기 통신(340)은 동작 부하 및/또는 회로의 복잡성을 줄이도록 단방향 통신이다. 도 3에서 상기 통신(340)은 예를 들어 RF 채널과 같은 공중파 통신이며, 제 1 통신회로(318) 및 제 2 통신회로(328)는 각각 상응하는 RF 송수신 회로 및/또는 안테나를 포함한다. 본 발명의 실시예의 범위 내에서 통신(340) 선로의 다양한 구현이 가능하다. 예를 들어 적어도 하나의 실시예에서 통신(340)은 양방향 통신이다.

선행 차량(310)에 구성되는 제 1 컨트롤러(311)는 제 1 운전 프로파일(316)을 생성하도록 구성되며, 상기 제 1 운전 프로파일(316)에 의하여 경로(330)를 따라 차량(310)의 움직임을 제어하도록 구성된다. 적어도 하나의 실시예에서 제 1 컨트롤러(311)는, 도 1, 2에서 설명한 것과 같은 적어도 하나의 제어 목표와 적어도 하나의 제약조건들과 관련하여, 선행하는 차량(310)의 위치 센서(313), 속도 센서(314), 가속도 센서(315)로부터 획득되는 적어도 하나 현재 상태를 사용하여 최적화 문제를 해결함으로써, 제 1 운전 프로파일(316)을 생성하도록 구성된다. 다양한 형태의 다른 구성이 본 실시예에의 범위 내에서 가능하다. 예를 들어, 제 1 운전 프로파일(316)은 최적화 문제를 해결하는 방식을 사용하는 대신 다른 방식으로, 예를 들어, ATO(automatic train operation) 기술을 이용하여 추정하거나 생성된다. 적어도 하나의 실시예에서, 제 1 컨트롤러(311)는 도 1, 2에 관한 설명과 같이 제 1 운전 프로파일을 적용하여 구동 및 제동 시스템(312)을 제어하여 선행하는 차량(310)을 운전하도록 구성된다.

후행 차량(320)의 제 2 컨트롤러(321)는 통신(340)을 통해 제 1 컨트롤러(311)에 의해 생성된 제 1 운전 프로파일(316)을 수신하도록 구성된다. 제 2 컨트롤러(321)는 수신된 제 1 운전 프로파일(316)에 기초하여 제 2 운전 프로파일(326)을 생성하도록 구성되며, 경로(330)를 따라 선행 차량(310)을 뒤따르도록 생성된 상기 제 2 운전 프로파일(326)에 기초하여 후행하는 차량(320)을 제어한다. 적어도 하나의 실시예에서, 제 2 컨트롤러(321)는 도 1, 2에서 설명한 바와 같은 적어도 하나의 제어 목표와 하나 이상의 제약조건과 관련하여, 후행 차량(320)의 위치 센서(323), 속도 센서(324), 가속도 센서(325)의 적어도 하나로부터 획득한 차량의 현재 상태를 이용하여 최적화 문제를 해결함으로써 제 2 운전 프로파일(326)을 생성하도록 구성된다. 특히 제 2 컨트롤러(321)는, 앞서 설명한 트립한도 및 목표 데이터베이스(130), 트랙 데이터베이스(140) 및 차량 구성 데이터베이스(150) 등과 관련된 하나 이상의 제약조건들에 더하여, 제 1 운전 프로파일(316)까지 제약조건에 포함시켜서 최적화 문제를 해결한다. 제 1 운전 프로파일(316)에는 주어진 시각에 선행 차량(310)의 위치정보를 포함한다. 제 2 컨트롤러(321)는 최적화 문제를 해결함에 있어서 제 1 운전 프로파일(316)의 추가적인 제약조건을 반영함으로써, 주어진 시각에 선행 차량(310)의 위치로부터 최소한 거리(d)만큼 후행 차량(320)이 거리를 유지할 수 있게 된다.

적어도 하나의 실시예에서 제 2 컨트롤러(321)는, 각 제어반복마다 제 1 운전 프로파일(316)을 수신하고, 이것을 제약조건에 부가적으로 사용함으로써 최적화 문제를 해결하고 제 2 운전 프로파일(326)을 생성한다. 적어도 하나의 실시예에서, 각 제어반복마다, 제 1 컨트롤러(311)은 최적화 문제를 해결함으로써 제 1 운전 프로파일(316)을 생성하고, 제 2 컨트롤러(321)에 제 1 운전 프로파일을 전송한다. 일부 실시예에서 제 1 컨트롤러(311)와 제 2 컨트롤러(321)가 해결하는 최적화 문제는 제어 목표 및/또는 하나 이상의 제약조건의 적어도 하나가 상이하다. 예를 들어, 제 1 컨트롤러(311)의 제어 목표가 시간인 반면, 제 2 컨트롤러(321)의 제어 목표는 시간과 에너지 목표의 조합이다. 의도하는 만큼의 소정 간격으로 이격되어 선행 차량(310)을 뒤따라가는 후행 차량(320)의 제 1컨트롤러(311) 및/또는 제 2컨트롤러(321)에 대한 최적화 문제의 예시는, 본 발명의 설명이 전체로서 참고하여 인용하고 있는 2018. 6. 8. 미국 특허 가출원 제62/682,537호에 기술되어 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 경로(330) 상에 2대 이상이 서로 뒤따르는 차량 대열을 이루는 것이 포함된다. 예를 들어, 추가적인 후행 차량(표시되지 않음)이 도시된 후행 차량(320)을 뒤따른다. 추가적인 후행 차량과 관련된 제 3 컨트롤러(표시되지 않음)는 제 2컨트롤러(321)에 의해 생성된 제 2 운전 프로파일(326)을 수신하도록 구성되고, 수신된 제 2 운전 프로파일(326)에 기반하여 제 3 운전 프로파일을 생성하며, 앞서 제 2 컨트롤러(321)에 관한 설명과 같은 방식으로 경로(330)를 따라 후속하는 차량의 이동을 제어하면서 생성된 제 3 운전 프로파일에 기초하여 두 번째 차량(320)을 뒤따르도록 제어한다. 적어도 하나의 실시예에서 선행 차량(310)은 그보다 앞선 선행 차량(표시되지 않음)을 뒤따르면서 후행 차량이 된다. 이 경우 제 1 컨트롤러(311)는 추가적인 선행 차량으로부터 운전 프로파일을 받고, 최적화 문제의 해결에서 상기 수신된 운전 프로파일을 제약조건에 더 포함시키며, 앞서 설명한 제 2 컨트롤러(321)의 동작과 유사한 방식으로 제 1 운전 프로파일을 업데이트할 것이다. 이러한 상황은 경로(330)가 폐루프를 이루어 선행 차량(310)이 맨 앞의 선도 차량으로서 차량 대열의 후미의 차량을 뒤따르면서 후행하게 되는 경우이다. 차량 대열에 속하는 각 차량의 컨트롤러는 바로 앞의 차량으로부터 받은 운전 프로파일을 기반으로 반복적으로 운전 프로파일을 업데이트하고, 업데이트된 운전 프로파일을 바로 뒤의 차량에게 전송한다. 그 결과, 차량 대열에 속하는 차량들은 최적화 방식에 따라 의도된 소정의 이격거리를 유지하면서 서로를 뒤따르게 된다.

지금까지의 설명에 다양한 예시들이 포함되고, 그 밖의 다른 구성들 역시 본 발명의 실시예들의 범위 내에 포함된다.

예를 들어, 일부 실시예의 컨트롤러(110, 311 또는 321)는 각각의 제어반복에서 차량의 특정한 파라미터를 추정하고, 추정된 파라미터를 이용하여 남은 경로에 대한 차량의 이동 계획을 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 차량 구성 데이터베이스(150)에서 추출되는 상수 파라미터를 사용하는 대신, 최적화 문제의 솔루션, 즉 차량의 운전 프로파일에 대한 최적성을 더욱 향상시키도록, 추정 기법을 적용하여 차량 파라미터를 지속적으로 업데이트한다. 적어도 하나의 실시예에서 업데이트될 차량의 파라미터로서 차량의 중량 또는 하중을 포함하며, 예를 들어 승객이 차량에 탑승하거나 내릴 때 변경이 발생한다. 업데이트가 요구되는 차량 파라미터의 다른 예로는 차량의 일상적인 마모와 손실과 같이 노후화에 따라 변화하는 파라미터가 있다. 파라미터 추정 기법의 예시들은, 본 발명의 설명이 전체로서 참고하여 인용하고 있는 2018. 6. 8. 미국 특허 가출원 제62/682,537호에 기술되어 있다.

일부 상황에서는, 구동 및 제동 시스템(120)의 작동에 시간적 지연이 발생한다. 예를 들어, 컨트롤러(110)가 구동 및 제동 시스템(120)으로 제어벡터를 출력되는 경우, 제어벡터를 수신한 시점부터 모터와 같은 추진동력원 또는 브레이크가 제어벡터가 그에 상응하는 구동력 또는 제동력을 발생시킬 때까지의 시간지연이 있게 된다. 추진동력원과 연관된 구동의 시간지연, 그리고 브레이크와 연관된 제동의 시간지연은 서로 유사한 경우도 있지만 상황에 따라 각각 다르게 나타난다. 하나 이상의 실시예에서는 최적화 문제의 솔루션, 즉 최적화를 통해 생성된 운전 프로파일의 최적성을 더욱 개선하도록 이같은 시간지연들을 반영한다. 구동 및 제동 시스템의 시간지연을 고려하는 실시예는 본 발명의 설명이 전체로서 참고하여 인용하고 있는 2018. 6. 8. 미국 특허 가출원 제62/682,537호에 설명되어 있다. 설명된 예시에서, 컨트롤러는 각 제어반복(control iteration)에서 구동 및 제동 시스템의 적어도 하나의 지연에 따라 현재 위치와 목표 위치 사이에 위치할 것으로 예상되는 차량의 예측 위치를 결정한다. 컨트롤러는 다음 최적화 문제를 해결하고 상기 예측 위치와 목표 위치 사이에 대한 제 1 부분의 주행계획을 결정한다. 그런 다음 컨트롤러는 주행계획의 상기 제 1 부분에 기초하여, 예를 들어 보간법(interpolation)에 따라 현재 위치와 예측 위치 사이의 제 2 부분의 주행계획을 결정한다.

일부 실시예에서는 제동 시스템의 마모를 제한하도록, 비상시 또는 모델링 오류에 대비하여 급제동을 유보한다. 예를 들어, 최적화에 사용되는 제약조건을 제 1 브레이크 제약조건과 제 2 브레이크 제약조건으로 구분한다. 제 2 브레이크 제약조건은 제 1 브레이크 제약조건보다 더 강력한 제동 동작(또는 힘)에 해당한다. 적어도 하나의 실시예에서, 제 2 브레이크 제약조건은 제동 시스템의 성능 한도(예: 최대 제동력)에 해당하고, 반면 제 1 브레이크 제약조건은 승객의 편안함을 향상시키기 위한 부드러운 제동 작동(또는 힘)에 해당하며, 모델링 오류가 발생하는 경우 오버슈트 없이 차량을 정지시키거나 제동거리를 더 짧게 조정한다. 컨트롤러는 제 1 (소프트) 브레이크 제약조건으로 제한적인 최적화 문제를 해결하도록 구성된다. 상기 컨트롤러의 목적함수(objective function)는 소프트 제동 제약조건/한도 이상의 제동에 대하여 페널티를 부과한다. 제 1 브레이크 제약조건으로 제한하여 최적화 문제가 실현가능한 것으로 판단하는 것에 응답하여, 컨트롤러는 최적화 문제의 솔루션에 기초하여 차량의 구동 및 제동 시스템을 제어하도록 구성된다. 한편, 제 1 브레이크 제약조건으로 제한시킨 최적화 문제가 실현불가능하다고 판단하는 경우(즉, 모델링 오류가 존재하여 최적화 문제의 제약조건을 충족하기도록 추가적인 제동이 필요한 경우), 컨트롤러는 더 강력한 제동에 해당하는 제 2 브레이크로 제약조건에 따라 최적화 문제를 해결하도록 구성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 최적화 문제가 컨벡스 2차 원추형 문제인 경우 제어 문제가 실현 불가능한지(예를 들어, 도착 시간, 속도 제한 또는 정지점의 달성 불가능한지) 여부에 대하여, 아주 짧은 1회의 제어반복(control iteration)으로써 결정을 내릴 수 있다. 따라서 적시에 비상 브레이크를 작동시키는 것이 가능하고, 제동의 소요시간을 절약하고 안전하게 도착할 가능성을 높일 수 있다.

일부 실시예에서는, 차량 대열의 제어를 최적화함에 있어서 선두 차량부터 후미 차량까지 단방향 통신만으로 전체 차량 대열의 주행을 최적화할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 각 차량은 최적인 자동속도제어(ASC: automatic speed control) 하에서 주행하며, 목표 위치까지 전체 남은 거리에 대해 적어도 하나 이상의 위치, 속력, 속도 등을 포함하는 예상되는 최적 제어 프로파일(예: 운전 프로파일)을 후속하는 바로 뒤의 차량에게 전송한다. 후속 차량의 최적화를 위하여 후속 차량이 수신한 상기 운전 프로파일은 컨트롤러에 대한 제약조건들 세트에 부가된다. 뒤따르는 각각의 차량은 선행 차량이 예상되는 궤도의 어느 지점에서라도 즉시 정지할 수 있다고 가정하며, 그에 따라 차량이 정지할 수 경우(통상의 정지, 충돌 등)에 대비한다. 적어도 하나의 실시예에서, 이것은 기본적인 제어 아키텍처로 전체 차량 대열을 최적으로 제어할 수 있고, 차량들간 주행 간격을 더 줄이고, 승객의 편안함을 더 높이며, 차량의 마모를 줄여준다. 또한 이동폐색 방식(moving-block) CBTC 보다 훨씬 더 많은 에너지를 절약할 수 있다.

일부 실시예들의 실제적인 적용으로, CBTC 시스템 상에서 ATO, 무인주행, 또는 비감시(unattended) 운전모드에서 동작하도록 구성하는 것이고, 이때 VOBC는 차량의 제어 시스템에 대하여 타력주행과 함께 추진 및 제동 시도를 명령한다. 일부 실시예들의 실제적인 적용에는 기존의 속도 제어기에 대한 성능개선을 위하여 오프라인으로 속도 프로파일을 생성하는 것도 포함된다. 적어도 하나의 실시예에서, 컨트롤러는 더 큰 규모의 컨트롤 룸 라우팅(control room routing)과 차량들의 완전한 군체에 적용되고, 또는 그밖의 모바일 물류 계획에도 적용 가능하다. 일부 실시예에서 열차가 실제적인 응용 분야일 수 하지만, 적어도 하나의 실시예는 도로 차량들, 예를 들어 자율주행 차량, 가이드웨이 주행 차량, 특히 본 발명에서 설명한 바와 같이 차량들이 대열을 이루는 형태를 제어하는데 적용될 수 있을 것이다.

실제로 본 발명에서 설명한 적어도 하나의 실시예는, 대안적 접근 방식들에 비해 하나 이상의 장점을 제공한다. 구체적으로, 대안적 접근방식 중에는 특정 차량에 적합하도록 튜닝하는 애드-혹(ad-hoc) 방식들이 포함된다. 기본 아키텍처는 일반적으로 PID(proportional-integral-derivative) 방식이며, 현재의 측정값 세트(속도, 가속도, 위치)로 현재의 제어에 관한 플랜을 결정하여 컨트롤러에 피드백할 뿐 당해 결정에 따른 제어의 미래 결과에 대하여는 고려하지 않는다. PID는 미리 설정된 속도 프로파일을 트래킹하도록 제어신호를 인가하므로, 제어에 관한 현 시점에서의 결정은 시간이 경과하면서 과도한 속력에 도달하게 할 수 있다. 이같이 PID는 선형 컨트롤러이며 비선형 시스템을 위해 설계되는 것이 아니므로, 최신의 비선형 시스템에서는 애드-혹 방식의 패치를 적용하여 허용 가능한 일정 수준의 동작을 얻을 수 있도록 제어한다. 이렇게 컨트롤러의 설계에서 패치 위에 패치를 더하는(patch-on-patch) 모델은 지속성이나 확실성 측면에서 안정적이지 못하다. 컨트롤러를 튜닝하는 관점에 보더라도, 차량의 복잡한 동작과 시스템 상호작용으로 인하여 차량에 맞도록 선형 컨트롤러를 튜닝하는데는 어려움이 크다. 더욱이 이같은 선형 컨트롤러의 제어 특성을 파악한 것을 전제로 디버그하는 것은 더욱 곤란하다. 선형 컨트롤러가 가능한 모든 제어 조건에서 대처할 수 있다고 보장하지 못하는 것은 이러한 제반 요인들 때문이다. 특히 애드-혹 제어 전략은 최적화 기법을 적용하지 않으며, 요구되는 운행시간 준수율 내지 에너지 소비 수준과 같은 제약조건들을 만족시키는 방식의 설계에는 부적합하다. 그러한 컨트롤러는 튜닝에 더욱 크게 의존할 수밖에 없으며, 필요한 튜닝이 기능하도록 차량 모델을 단순화시키는 것에 따라 컨트롤러의 제어가 더욱 제한받게 되는 경우가 발생한다. 결국 대안적인 제어 아키텍처들은 제어 목표와 모델들이 복잡해짐에 따라 제어의 요구조건들을 따라잡지 못하게 되고, 결국 차량제어의 요건들을 완전히 충족시키는 것은 불가능하게 된다.

애드-혹 기법에서 발생하는 하나 이상의 문제를 해결하기 위해, 앞서 설명한 대안적 접근 방식을 보완하는 최적 제어에 기초한 컨트롤러가 제시된다. 그러나 이러한 대안적 접근방식의 최적 컨트롤러는 제어 지침을 빠르게 해결하지 못하는 문제를 갖는 것이 대부분이며, 자동 속도 제어기로 사용하기에도 부적합하다. 이 같은 접근은 컨트롤러에 소요되는 대규모 수치연산 때문에 기존 컨트롤러에 대한 오프라인 플래닝 알고리즘이나 운전자 보조 시스템으로 활용되는 정도이다. 예를 들어, 운전자 보조 시스템은 가속/정속주행/타력주행/제동의 각 상태의 스위칭 포인트를 연산하여 운전자에게 모드를 변경해야 할 시점을 알려준다. ATO 운전의 ASC(automatic speed control)는 10Hz대의 주파수로 작동할 것이 요구되는 반면, 대안적 접근에 따라 스위칭 포인트를 제시하기 위해 스위칭 커브 프로파일(switching curve profile)을 재차 최적화 하는데 수 초 정도의 시간이 소요된다. 이러한 대안적 접근 역시 기본적 차량 모델과 트립 모델을 크게 단순화한 것으로서, 다른 차량을 뒤따르는 주행상황에 대한 제어의 해결책를 제시하지 못한다. 즉, 실시간 작동성이 없고 스스로 차량을 운전하는 것이 아니라 컨트롤러가 제시하는 스위칭 커브들을 운전자가 운전에 반영하는 방식이다.

이와는 대조적으로, 본 발명의 하나 이상의 실시예는, 운영자가 설정한 목표에 도달하도록 차량을 실시간 최적으로, 적응적으로 제어할 수 있음과 동시에, 무인운전 또는 비감시 운전모드에서 정의된 제약조건들을 만족시킬 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 본 발명의 컨트롤러는 각 제어 사이클마다 실시간으로 최적화를 반복하고, 100ms보다 훨씬 빠른 속도로 그 솔루션을 생성한다.

일부 실시예에서 컨트롤러의 유형은 모델 기반이기 때문에, 차량에 대한 가장 최적인 일련의 동작들(예: 운전 프로파일)을 수학적으로 결정할 수 있다. 또한 적어도 하나의 실시예에서는 실체적 제약조건(속도 한도, 도착 시간의 한도, 제어의 한도 등이 포함되며 이들에 국한되지는 않음)을 숫자로 명시할 수 있으며, 제약조건들이 실행가능하다면 당해 제어 법칙은 수학적으로 실체적 제약조건들을 준수할 것임이 보장된다. 따라서 최소 시간 또는 제한된 도착 시간, 에너지 최적 주행 전략과 같은 제어 목표들이 가능하다. 이러한 기능들은 앞서 설명한 대안적 접근법에서는 실현될 수 없는 것들이다.

일부 실시예에서, 매 제어반복(control iteration)마다 실시간으로 목표 위치(예, 다음 정차역)까지의 전체 운전 프로파일을 다시 최적화할 수 있는 기능은, 에너지와 시간을 최소화하는 운전 전략을 가능하게 해준다. 일부 실시예에 따른 컨트롤러는 속도 커브가 제공될 필요가 없으며, 그에 따라 현장에 전개하기가 훨씬 쉽다. 또한, 트립 요구사항의 변경에 대하여 견실성(robustness)을 갖는다(덜 민감하다). 예를 들어 PID 컨트롤러로 동작되는 차량이 어떤 이유로 다음 플랫폼까지의 도착을 지연시켜야 하는 경우, PID 컨트롤러는 차량을 완전히 정지시키고 지연 시간을 기다린 후 주어진 속도 커브을 따라 운전을 재개한다. 이것은 매우 비효율적이고, 승객들에게 불편하며, 철도 운영자의 평판을 떨어드리는 상황이다. 본 발명의 하나 이상의 실시예는 계획된 주행의 나머지 부분에 대해 전체 운전 프로파일을 즉시 다시 최적화하고 새로 연산된 (적응된) 최적의 방식으로 계속 운전함으로써 이 같은 상황을 완화시킬 수 있다.

일부 실시예의 컨트롤러는 모델 기반 컨트롤러로서, 스스로 자신이 제어하고 있는 차량의 전체적 모델을 인지하고 있다. 그러므로, 컨트롤러가 가장 효율적이고 안전한 제어흐름을 계획하지만, 상이한 차량에 이를 적응시키는 것 또한 용이하다. 이를 통해, 앞서 설명한 대체적 접근방식에서의 컨트롤러에 요구되는 애드-혹 방식의 패치-온-패치 제어설계의 필요성이 제거되고, 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 따라 간결하고 편리하게 컨트롤러를 구성하고 이해할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 적어도 하나의 실시예 및/또는 알고리즘적 설계에서, 컨트롤러가 취급하는 최적화 문제의 컨벡스 특성(convexity)은 컨트롤러의 실시간 동작을 실현하게 해준다. 대안적 접근방식에서의 최적 속도 제어방법과 대조적으로, 적어도 하나의 실시예에 따른 컨트롤러는 최소의 하드웨어로 완전한 실시간 동작이 가능하다.

일부 실시예의 컨트롤러는 차량 간 통신 및 최적화 방법을 제시하며 많은 차량들이, 예를 들어 교통량이 높은 시간 중에, 서로 근접하게 뒤따를 수 있도록 제어한다. 일부 실시예의 컨트롤러는 현재 운영 중인 대체적 접근방식의 컨트롤러 보다 훨씬 더 높은 에너지 효율로 유연한 운전을 가능하게 한다.

본 발명의 일부 실시예에 따라 상당한 에너지 절약과, 운행시간 준수율은 물론, 최적 제약조건에서 운전함에 따라 현장 전개를 위한 튜닝 노력과 비용을 크게 줄일 수 있고, 차량에 적응시키도록 컨트롤러에 대한 셀프-튜닝과 내부 최적화 전략을 실행할 수 있게 된다. 또한 차량의 노후화에도 운전 성능을 최적으로 유지할 수 있게 되는 것과 같은 하나 이상의 이점들을 얻을 수 있고, 이같은 장점은 예시들에 국한되지 않는다.

도 4는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 방법(400)의 흐름도이다. 적어도 하나의 실시예에서 이 방법(400)은 컨트롤러(110), 제 1 컨트롤러(311) 및 제 2 컨트롤러(321) 중 하나 이상에서 수행된다.

제어동작 415는 컨벡스 최적화를 수행하여 경로를 따라 차량의 주행계획을 생성하는 동작이다. 컨벡스 최적화는 2차 원추형 문제로 구성된다. 예를 들어, 컨트롤러(110)는 도 1과 관련하여 설명한 2차 원추형 문제인 컨벡스 최적화 문제를 해결한다.

제어동작 425는 차량의 구동 및 제동 시스템을 제어하여 앞서 생성된 주행계획을 실행하여 차량을 경로를 따라 운전하는 동작이다. 예를 들어, 구동 및 제동 시스템(120)은 도 1에 대한 설명과 같이 경로를 따라 차량을 이동시키기 위해 컨트롤러(110)에 의해 생성된 주행계획을 실행하도록 제어된다.

도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 방법(500)의 흐름도이다. 적어도 하나의 실시예에서 상기 방법(500) 역시 컨트롤러(110), 제 1 컨트롤러(311) 및 제 2 컨트롤러(321) 중 하나 이상이 수행된다.

루프 제어동작 505로 표시한 바와 같이, 상기 방법(500)은 동작 515 및 525를 포함하며, 시작 위치에서 목표 위치까지의 경로를 따라 수행되는 복수의 제어반복을 반복적으로 수행한다. 예를 들어, 방법(500)의 각 제어반복들은 도 2에 관한 설명에서의 제어반복들(210, 220, 230,… 250)에 해당하며, 경로(202)를 따라 출발 위치(204)에서 목표 위치(206) 사이에 배치되는 여러 위치들(X0, X1, X2,… XN)에서 실행된다.

제어동작 515에서는 차량의 현재 위치에서 목표 위치까지의 나머지 경로에 대한 이동 계획이 생성된다. 예를 들어, 도 2와 관련하여 설명한 대로 제어반복(220)에서는 차량의 현재 위치(X1)에서 목표 위치(206)까지 경로(202)의 나머지 부분에 대한 주행계획이 생성된다.

제어동작 525에서는 다음 제어반복이 있을 때까지 생성된 주행계획을 실행하기 위해 구동 및 제동 시스템을 제어한다. 예를 들어, 이산 노드(227)에서 주행계획의 제 1 요소가 컨트롤러(110)에 적용되고 다음 제어반복(230)(또는 다음 이산 노드(237))에 도달할 때까지 그에 따라 차량을 주행하도록 구동 및 제동 시스템(120)을 제어한다. 적어도 하나의 실시예에서, 도 2와 관련하여 설명한 바와 같이 차량이 목표 위치(206)에 도달할 때까지 위에 설명한 동작들을 반복적으로 수행한다.

도 6은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 또 다른 방법(600)의 흐름도이다. 적어도 하나의 실시예에서 상기 방법(600)은 제 1 컨트롤러(311)와 제 2 컨트롤러(321)에 의해 수행된다. 도 6의 왼쪽 부분은 도 3의 후행 차량(320)과 같이 뒤따르는 차량에 대한 동작을 포함한다. 도 6의 오른쪽 부분에는 도 3의 선행 차량(310)과 같은 앞선 차량에 대한 동작이 포함된다.

선행 차량의 제어동작 615에서, 선행 차량에 대한 제 1 운전 프로파일이 생성된다. 예를 들어, 도 3과 관련한 설명과 같이 선행 차량(310)의 제 1 컨트롤러(311)가 선행 차량(310)에 대한 제 1 운전 프로파일을 생성한다. 적어도 하나의 실시예에서 제 1 운전 프로파일(316)은 도 1에 관한 설명에 따른 최적화 문제를 해결함으로써 생성된다. 적어도 하나의 실시예에서, 제 1 운전 프로파일(316)이 최적화 문제의 해결 대신 다른 방식으로 생성되기도 한다. 상기 제 1 운전 프로파일(316)은 제어동작 630으로 표시한 것과 같이 후행 차량에게 전송된다.

제어동작 625에서, 선행 차량은 생성된 제 1 운전 프로파일을 기반으로 경로 상에서의 이동을 제어한다. 예를 들어, 제 1 컨트롤러(311)는 도 3에서 설명한 것처럼 경로를 따라 선행 차량(310)을 주행시키도록 선행 차량(310)의 구동 및 제동 시스템을 제어한다.

제어동작 645에서, 후행 차량은 제 1 컨트롤러에 의해 생성된 제 1 운전 프로파일을 수신한다. 예를 들어, 도 3에 관한 설명처럼 후행 차량(320)의 제 2 컨트롤러(321)은 통신(340)을 통해 제 1 운전 프로파일을 수신한다.

제어동작 655에서, 수신된 제 1 운전 프로파일을 기반으로 제 2 운전 프로파일을 생성한다. 예를 들어, 제 2 컨트롤러(321)는 도 3과 관련하여 설명과 같이 제 1 운전 프로파일(316)을 제약조건에 포함시켜 최적화 문제를 해결함으로써 제 2 운전 프로파일(326)을 생성한다.

제어동작 665에서 후행 차량은, 생성된 제 2 운전 프로파일을 기반으로 경로를 따라 선행 차량을 뒤따르도록 제어된다. 예를 들어, 제 2 컨트롤러(321)는 도 3과 관련한 설명과 같이 후행 차량(320)이 경로(330)상에서 선행 차량(310)을 따라 주행하도록 후행 차량(320)의 구동 및 제동 시스템을 제어한다.

도 7은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 다른 방법(700)의 흐름도이다. 적어도 하나의 실시예에서 방법(700)은 제 1 컨트롤러(311)와 제 2 컨트롤러(321)에 의해 수행된다. 도 7의 왼쪽 부분은 도 3의 후행 차량(320)과 같이 뒤따르는 차량에 대한 동작을 포함한다. 도 7의 오른쪽 부분은 도 3의 선행 차량(310)과 같은 앞선 차량에 대한 작동이 포함된다.

선행 차량에 대하여 루프 제어동작 705로 표시한 바와 같이, 상기 방법(700)에 따라 선행 차량은 출발 위치에서 목표 위치까지의 경로를 따라 복수의 제어반복 각각에 대해 반복적으로 수행되는 제어동작 715 및 725를 포함한다. 마찬가지로, 루프 제어동작 735로 표시한 것처럼 방법(700)에 따라 후행 차량은 제어동작 745, 755 및 765를 포함하며, 시작 위치에서 목표 위치까지의 경로를 따라 복수의 제어반복 각각에 대해 반복적으로 수행된다. 적어도 하나의 실시예에서 선행 차량의 제어반복은 후행 차량의 제어반복과 일대일 대응 관계를 갖는다. 다른 방식의 구현 역시 본 발명의 다양한 실시예의 범위 내에 있다. 방법(700)에서 선행 차량(310) 또는 후행 차량(320) 중 하나 이상에 대한 제어반복들은, 예를 들어 도 2에 관한 설명과 같이, 출발 위치(204)에서 목표 위치(206)까지의 여러 위치들(X0, X1, X2,… XN)에서 수행 제어반복들(210, 220, 230,… 250)에 해당한다.

선행 차량의 제어동작 715에서, 앞서 설명한 방법(500)의 제어동작 515와 비슷한 방식으로 제 1 컨트롤러(311)가 선행 차량(310)의 현재 위치에서 목표 위치까지의 나머지 경로에 대한 주행계획을 생성한다.

제어동작 725에서, 앞선 방법(500)의 제어동작 525와 유사한 방식으로 다음 제어반복에 도달할 때까지 생성된 주행계획을 실행하도록 선행 차량(310)의 구동 및 제동 시스템(312)을 제어한다.

제어동작 730에서 선행 차량(310)에 대하여 생성된 주행계획에 상응하는 운전 프로파일을 후행 차량(320)으로 전송한다.

후행 차량의 제어동작 745에서는 제 1 컨트롤러로부터 전송된 운전 프로파일을 수신한다.

제어동작 755는 앞서 방법(500)의 제어동작 515와 같은 방식으로, 제 2 컨트롤러(321)가 수신된 운전 프로파일에 기초하여 후행 차량(320)의 현재 위치에서 목표 위치까지의 나머지 경로에 대한 주행계획을 생성한다.

제어동작 765에서는 방법(500)의 제어동작 525와 같은 방식으로 후행 차량(320)의 제 2 컨트롤러는 다음 제어반복까지 상기 생성된 주행계획에 따라 구동 및 제동 시스템(322)을 제어한다.

본 발명의 시스템(100) 및/또는 시스템(300)에서 컨트롤러(110), 제 1 컨트롤러(311) 및 제 2 컨트롤러(321) 중 하나 이상을 통해서 얻을 수 있는 바람직한 장점들은 본 발명의 방법들(400, 500, 600, 700)에 의해 달성할 수 있게 된다.

앞서 설명한 방법에서 예시적인 제어동작들을 포함시켰지만 반드시 표시된 순서대로 수행될 필요가 없다. 본 발명의 기술적 사상과 범위에 따라 적절하게 제어동작을 추가, 대체하거나, 순서를 변경 및/또는 삭제할 수 있을 것이다. 부가적인 다른 특징 및/또는 다른 요소들을 결합하는 실시 역시 본 발명에서 설명한 범위에 포함되며, 본 발명의 설명을 이해하는 통상의 지식을 가진 자에게 그와 같은 변경이 본 발명의 기술적 범위 내에 있다는 것은 명백할 것이다.

도 8은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 컴퓨팅 플랫폼(800)의 블록 다이어그램이다. 일부 실시예에서 컨트롤러(110), 제 1 컨트롤러(311), 제 2 컨트롤러(321)의 하나 이상, 그리고 차량(100), 선행 차량(310), 후행 차량(320) 중 하나 이상의 VOBC들은 도시된 하나 이상의 컴퓨팅 플랫폼(800)으로 구현된다.

도시된 컴퓨팅 플랫폼(800)에는 특정 목적의 하드웨어 프로세서(802)와 컴퓨터 프로그램 코드(803) 및/또는 데이터(805)를 비일시적(non-transitory)으로 저장하는 컴퓨터 판독가능한 저장매체(804)가 포함된다. 컴퓨터 판독가능한 저장매체(804)는 또한 컴퓨터 플랫폼(800)이 설치된 차량과의 인터페이스에 관한 명령(807)들로 암호화되어있다. 프로세서(802)는 버스(808)를 통해 컴퓨터 판독가능한 저장매체(804)와 전기적으로 연결된다. 또한 프로세서(802)는 버스(808)를 통해I/O 인터페이스(810)와 전기적으로 연결된다. 네트워크 인터페이스(812) 역시 버스(808)를 통해 프로세서(802)와 전기적으로 연결된다. 네트워크 인터페이스(812)는 네트워크(814)에 연결되므로 프로세서(802) 및/또는 컴퓨터 판독가능한 저장매체(804)는 네트워크(814)를 통해 외부 구성요소 및/또는 시스템과 연결될 수 있다.

일부 실시예에서 상기 프로세서(802)는 중앙처리장치(CPU), 멀티프로세서, 분산처리시스템, ASIC 및/또는 적합한 하드웨어 처리장치이다.

일부 실시예에서 프로세서(802)는 컴퓨터 프로그램 코드(803)를 실행하거나 및/또는 컴퓨터 판독가능한 저장매체(804)에 저장된 데이터(805)에 액세스하여, 컴퓨팅 플랫폼(800)이 시스템(100) 및/또는 시스템(300)의 하나 이상의 구성요소로서 적어도 하나의 방법들(400, 500, 600, 700)에 포함된 제어동작들의 일부 또는 전부를 수행하도록 구성된다. 예를 들어, 컴퓨터 프로그램 코드(803)에는 프로세서(802)로 하여금 최적화 문제를 해결하거나 차량의 파라미터를 추정하게 하는 알고리즘이나 모델이 하나 이상 포함되어 있다. 컴퓨터 판독가능한 저장매체(804)에는 하나 이상의 트립한도 및 목표 데이터베이스(130), 트랙 데이터베이스(140) 및 차량 구성 데이터베이스(150)와 함께 최적화 문제 및/또는 파라미터 추정을 위한 적어도 하나의 제어 목표 및 하나 이상의 제약조건들을 포함한다.

일부 실시예에서 프로세서(802)는 하드와이어로(예, ASIC으로) 구성되어 컴퓨팅 플랫폼(800)이 시스템(100) 및/또는 시스템(300)의 하나 이상의 구성요소를 구현하고, 방법들(400, 500, 600, 700)의 적어도 하나에 포함된 제어동작들의 일부 또는 전부를 수행하도록 한다.

일부 실시예에서 컴퓨터 판독가능한 저장매체(804)는 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선 및/또는 반도체 시스템(또는 장치 또는 장치)이다. 예를 들어, 컴퓨터 판독가능한 저장매체(804)에는 반도체 또는 솔리드-스테이트 메모리, 자기 테이프, 소거가능한 컴퓨터 디스켓, RAM(Random Access Memory), ROM(read-only memory), 강성 자기 디스크 및/또는 광 디스크가 포함된다. 일부 실시예에서 광 디스크를 사용하는 컴퓨터 판독가능한 저장매체(804)에는 CD-ROM, CD-R/W 및/또는 DVD가 포함된다.

일부 실시예에서 I/O 인터페이스(810)는 외부회로에 연결된다. 일부 실시예에서 I/O 인터페이스(810)는 프로세서(802)에 정보 및 명령을 전달하도록 키보드, 키패드, 마우스, 트랙볼, 트랙패드 및/또는 커서 방향 키를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서 I/O 인터페이스(810)는 도 3과 관련한 설명과 같이 차량 간 통신을 위한 통신회로에 연결된다.

일부 실시예에서 네트워크 인터페이스(812)는 컴퓨팅 플랫폼(800)이 하나 이상의 다른 컴퓨팅 플랫폼과 연결되도록 네트워크(814)와 통신할 수 있도록 한다. 네트워크 인터페이스(812)는 블루투스, 와이파이, WIMAX, GPRS 또는 WCDMA와 같은 무선 네트워크 인터페이스 또는 이더넷, USB 또는 IEEE-1394와 같은 유선 네트워크 인터페이스를 포함한다. 일부 실시예에서 하나 이상의 방법들(400, 500, 600, 700)이 2개 이상의 컴퓨팅 플랫폼(800) 상에서 구현되고, 다양한 실행 명령들 및/또는 데이터가 네트워크(814)를 통해 서로 다른 컴퓨팅 플랫폼(800)과 상호 교환된다.

컴퓨팅 플랫폼(800)이 도 1 내지 7과 관련하여 설명된 기능 및/또는 동작의 일부 또는 전부를 실행하도록 구성됨으로써, 도 1 내지 7에 따른 하나 이상의 장점 및/또는 효과를 실현할 수 있게 된다.

일부 실시예에서, 차량용 컨트롤러는 차량의 출발 위치에서 목표 위치까지의 경로를 따라 복수의 제어반복들을 실행하는 것으로 포함하며, 매 제어반복 마다 최적화 문제를 해결하도록 구성된 프로세서로 구성된다. 제어동작들은 차량의 현재 상태에 기초하여 차량의 현재 위치에서 목표 위치까지의 나머지 경로에 대한 주행계획을 생성하는 작업을 포함한다. 또한 제어동작들은 복수의 제어반복들 각각에서 다음 제어반복이 실행될 때까지 현재 생성된 주행계획을 실행하도록 차량의 구동 및 제동 시스템을 제어하는 것을 포함한다.

일부 실시예에서, 공통 경로를 따라 주행하는 복수의 차량을 제어하는 시스템의 경우 복수 차량의 선두 차량에 포함된 제 1 컨트롤러와 그를 뒤따르는 후행 차량에 관련된 제 2 컨트롤러로 구성된다. 제 1 컨트롤러는 제 1 운전 프로파일을 생성하고 생성된 제 1 운전 프로파일을 기반으로 경로를 따라 선두 차량의 주행을 제어하도록 구성된다. 제 2 컨트롤러는 제 1 컨트롤러에서 생성된 제 1 운전 프로파일을 수신하도록 구성되고, 수신된 제 1 운전 프로파일을 기반으로 제 2 운전 프로파일을 생성하며, 생성된 제 2 운전 프로파일을 기반으로 경로를 따라 선두 차량을 뒤따르도록 후행 차량을 제어한다.

일부 실시예에서 차량을 제어하는 방법은, 경로를 따라 컨벡스 최적화를 수행함으로써 차량의 주행계획을 생성하는 것과, 생성된 주행계획을 실행하여 차량을 이동시키도록 생성된 주행계획에 따라 차량의 구동 및 제동 시스템을 제어하는 것으로 구성된다. 또한 상기 컨벡스 최적화는 2차 원추형 문제로 구성된다.

본 기술분야의 통상의 기술자라면 지금까지 설명된 실시예를 통해 본 발명의 장점과 효과가 충족될 수 있다는 점을 쉽게 이해할 것이다. 또한 상술한 명세서를 읽는 것으로서, 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명에서 광범위하게 개시된 사항으로부터 다양한 변경, 균등물의 치환 및 다른 실시예를 도출할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명에 대한 특허로서의 보호범위는 설명된 예시에 국한되지 않고 첨부한 청구항들과 그 균등물의 범주로서 해석되어야 할 것이다.

Claims

차량을 위한 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는:
상기 차량의 출발 위치에서 목표 위치까지의 경로를 따라 복수의 제어반복(control iteration)들을 가지며, 상기 제어반복들 각각에 대하여 제어동작들을 반복적으로 수행하도록 구성되는 프로세서를 포함하며, 상기 제어동작들은
상기 차량의 현재 상태에 기초하여 최적화 문제(optimization problem)를 해결하는 것에 의하여, 상기 차량의 현재 위치로부터 상기 목표 위치까지의 남은 경로에 대하여 주행계획(travel plan)을 생성하는 것, 그리고
상기 복수의 제어반복들의 다음 제어반복 때까지 상기 생성된 주행계획을 실행하도록 상기 차량의 구동 및 제동 시스템(motoring and braking system)을 제어하는 것을 포함하는 것인, 컨트롤러.
제 1 항의 컨트롤러에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 차량의 상기 현재 상태,
적어도 하나의 제어 목표(control objective), 그리고
적어도 하나의 제약조건(constraint)들에 기초하여 상기 최적화 문제를 해결하도록 구성되는 것인, 컨트롤러.
제 1 항의 컨트롤러에 있어서,
상기 최적화 문제는 컨벡스 2차 원추형 문제(convex 2^nd order cone problem)를 포함하는 것인, 컨트롤러.
제 1 항의 컨트롤러에 있어서,
상기 프로세서는 상기 차량이 상기 경로를 주행하는 동안,
상기 적어도 하나의 제어 목표, 그리고
상기 적어도 하나의 제약조건을 실시간으로 변경하도록 구성되는 것인, 컨트롤러.
제 1 항의 컨트롤러에 있어서,
상기 적어도 하나의 제약조건은 제 1 브레이크 제약조건 및 제 2 브레이크 제약조건을 포함하고, 상기 제 2 브레이크 제약조건은 상기 제 1 브레이크 제약조건보다 더 강력한 브레이크 동작에 대응하는 것이며,
상기 프로세서는:
상기 제 1 브레이크 제약조건에 의해 제한받는 상기 최적화 문제를 해결하고,
상기 제 1 브레이크 제약조건에 의해 제한받는 상기 최적화 문제가 실현가능하다는 결정에 응답하여, 상기 최적화 문제의 솔루션(solution)에 기초하여 상기 차량의 상기 구동 및 제동 시스템을 제어하며,
상기 제 1 브레이크 제약조건에 의해 제한받는 상기 최적화 문제가 실현가능하지 않다는 결정에 응답하여, 보다 더 강력한 브레이크 동작에 대응하는 상기 제 2 브레이크 제약조건에 의해 제한받는 상기 최적화 문제를 해결하도록 구성되는 것인, 컨트롤러.
제 5 항의 컨트롤러에 있어서,
상기 최적화 문제에는 컨벡스 2차 원추형 문제를 포함하고, 상기 프로세서는 단일의 제어반복으로 상기 컨벡스 2차 원추형 문제의 실현가능 여부를 결정하도록 구성되는 것인, 컨트롤러.
제 1 항의 컨트롤러에 있어서,
추가적인 컨트롤러를 구비하고, 상기 경로를 따라서 상기 출발 위치에서 상기 목표 위치로 상기 차량을 뒤따르는 후행 차량의 상기 추가적인 컨트롤러와 통신을 수행하는 통신회로를 더 포함하고,
여기서 상기 프로세서는 상기 경로를 따라 상기 시작 위치로부터 상기 목표 위치까지의 상기 복수의 제어반복들 각각의 제어반복에서,
상기 통신회로가 상기 제어반복에서 생성된 상기 주행계획에 대응하는 하나의 운전 프로파일(driving profile)을 상기 후행 차량의 상기 추가적인 컨트롤러에게 전송함으로써, 상기 추가적인 컨트롤러가 이것을 하나의 제약조건으로 사용하여 상기 후행 차량에 대한 추가적인 주행계획을 생성하도록 하는 것인, 컨트롤러.
제 1 항의 컨트롤러에 있어서,
선행 차량의 추가적인 컨트롤러와 통신을 수행하도록 구성되는 통신회로를 더 포함하고, 상기 컨트롤러를 가지는 상기 차량은 상기 출발 위치로부터 상기 목표 위치까지의 경로를 뒤따르는 차량이며,
여기서 상기 프로세서는 상기 경로를 따라 상기 시작 위치로부터 상기 목표 위치까지의 상기 복수의 제어반복들 각각의 제어반복에서,
상기 통신회로로 하여금 상기 추가적인 컨트롤러로부터 상기 선행 차량의 추가적인 주행계획을 수신하도록 하고,
상기 컨트롤러를 포함하는 상기 차량의 상기 주행계획을 생성하도록, 수신된 상기 선행 차량의 상기 추가적인 주행계획을 하나의 제약조건으로 사용하는 것을 반복적으로 수행하도록 더 구성되는 것인, 컨트롤러.
제 1 항의 컨트롤러에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 출발 위치로부터 상기 목표 위치까지의 상기 경로를 따라 복수의 제어반복들 각각의 제어반복에 대하여,
상기 차량의 파라미터를 추정하는 것, 그리고
상기 차량의 상기 주행계획을 생성하는데 상기 추정된 파라미터를 사용하는 것을 반복적으로 수행하도록 구성되는 것인, 컨트롤러.
제 1 항의 컨트롤러에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 차량의 상기 현재 위치로부터 상기 목표 위치까지의 상기 경로의 나머지 부분에 대하여,
상기 현재 위치와 상기 목표 위치 사이에서, 상기 구동 및 제동 시스템의 지연에 상응하는 상기 차량의 예측위치를 결정하는 것,
상기 예측위치와 상기 목표 위치 사이의 상기 주행계획의 제 1 부분을 결정하도록 상기 최적화 문제를 해결하는 것, 그리고
상기 주행계획의 제 1 부분에 기초하여 상기 현재 위치와 상기 예측위치 사이에 대한 상기 주행계획의 제 2 부분을 결정하는 것에 의하여, 상기 주행계획의 생성을 수행하도록 더 구성되는 것인, 컨트롤러.
공통 경로를 따라 주행하는 복수의 차량들을 제어하기 위한 시스템으로서,
상기 복수의 차량들 중 하나의 선행 차량에 구비되는 제 1 컨트롤러를 포함하고, 상기 제 1 컨트롤러는,
제 1 운전 프로파일(driving profile)을 생성하고,
생성된 상기 제 1 운전 프로파일에 기초하여 상기 경로를 따라 상기 선행 차량의 이동을 제어하도록 구성되는 것이며, 그리고
상기 복수의 차량들 중 하나의 후행 차량에 구비되는 제 2 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 제 2 컨트롤러는,
상기 제 1 컨트롤러에 의해 생성된 제 1 운전 프로파일을 수신하고,
수신된 상기 제 1 운전 프로파일에 기초하여 제 2 운전 프로파일을 생성하며,
상기 제 2 운전 프로파일에 기초하여 상기 경로를 따라 상기 선행 차량을 뒤따르면서 상기 후행 차량의 이동을 제어하도록 구성되는 것인, 시스템.
제 11 항의 시스템에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 컨트롤러는 각각 제 1 및 제 2 통신회로를 더 포함하며, 상기 제 1 컨트롤러로부터 상기 제 2 컨트롤러로 상기 제 1 운전 프로파일을 전송하는 상호 일방향 통신을 수행하도록 구성되는 것인, 시스템.
제 11 항의 시스템에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 컨트롤러 각각은 출발 위치로부터 목표 위치까지의 경로를 따라 복수의 제어반복(control iteration)들 각각의 제어반복에 대하여,
상기 대응하는 선행 또는 후행 차량의 현재 상태에 기초하여, 상기 대응하는 선행 또는 후행 차량의 현재 위치로부터 상기 목표 위치까지 경로의 나머지 부분에 대하여 상기 대응하는 선행 또는 후행 차량에 대한 주행계획(travel plan)을 생성하는 것, 그리고
상기 복수의 제어반복들 중 다음 제어반복까지 상기 생성된 주행계획을 실행하도록 상기 대응하는 선행 또는 후행 차량의 구동 및 제동 시스템을 제어하는 것을 포함하는 제어동작들을 반복적으로 수행하도록 구성되는 것이고, 그리고
상기 제 2 컨트롤러는, 상기 제 1 컨트롤러로부터 수신된 상기 제 1 운전 프로파일과 상기 선행 차량 및 상기 후행 차량 각각에 대하여 상기 제 1 컨트롤러 및 상기 제 2 컨트롤러 각각에 의해 생성된 상기 주행계획들에 상응하는 상기 제 1 및 제 2 운전 프로파일들에 기초하여, 상기 후행 차량에 대한 상기 주행계획을 생성하도록 더 구성되는 것인, 시스템.
제 11 항의 시스템에 있어서,
상기 제 2 컨트롤러는 수신된 상기 제 1 운전 프로파일을 제약조건으로 사용하여 최적화 문제(optimization problem)를 해결하는 것에 의하여 상기 제 2 운전 프로파일을 생성하도록 구성되는 것인, 시스템.
제 14 항의 시스템에 있어서,
상기 제 1 컨트롤러는 추가적인 최적화 문제를 해결하는 것에 의하여 제 1 운전 프로파일을 생성하도록 구성되고, 그리고
상기 제 2 컨트롤러에 의해 해결된 상기 최적화 문제 및 상기 제 1 컨트롤러에 의해 해결된 상기 추가적인 최적화 문제는 적어도 하나의 공통된 제어 목표(control objective)를 갖는 것인, 시스템.
제 14 항의 시스템에 있어서,
상기 제 1 컨트롤러는 추가적인 최적화 문제를 해결하는 것에 의하여 상기 제 1 운전 프로파일을 생성하도록 구성되고, 그리고
상기 제 2 컨트롤러에 의해 해결되는 상기 최적화 문제와 상기 제 1 컨트롤러에 의해 해결되는 상기 추가적인 최적화 문제는 서로 상이한 제어 목표를 갖는 것인, 시스템.
제 11 항의 시스템에 있어서,
상기 복수의 차량들 중 상기 후행 차량을 추가적으로 뒤따르는 추가적인 후행 차량에 구비되는 제 3 컨트롤러를 더 포함하고,
상기 제 3 컨트롤러는:
상기 제 2 컨트롤러에 의해 생성된 제 2 운전 프로파일을 수신하고,
수신된 상기 제 2 운전 프로파일에 기초하여 제 3 운전 프로파일을 생성하며,
생성된 상기 제 3 운전 프로파일에 기초하여 상기 경로를 따라 상기 추가적인 후행 차량의 이동을 제어하도록 구성되는 것인, 시스템.
차량을 제어하는 방법으로서,
경로를 따라 상기 차량에 대한 주행계획(travel plan)을 생성하도록 컨벡스 최적화(convex optimization)를 수행하는 단계; 그리고
생성된 상기 주행계획을 실행하여 상기 경로를 따라 상기 차량을 이동시키도록 차량의 구동 및 제동 시스템을 제어하는 단계를 포함하며,
여기서 상기 컨벡스 최적화는 2차 원추형(2^nd order cone) 문제로 구성되는 것인, 방법.
제 18 항의 방법에 있어서,
출발 위치와 목표 위치 사이의 경로 상에 복수의 이산 노드(discretization node)를 정의하는 단계; 그리고
상기 복수의 이산 노드들 각각의 이산 노드에서,
상기 차량의 현재 상태에 기초하여, 상기 차량의 현재 위치로부터 목표 위치까지의 상기 경로의 나머지 이산 노드들에 상응하는 제어 요소들을 포함하는 제어벡터를 생성하도록 상기 컨벡스 최적화하는 것, 그리고
상기 경로 상의 나머지 이산 노드들 중에서 다음 이산 노드로 차량을 이동시키기 위하여, 생성된 상기 제어벡터의 상기 제어 요소들 중 제 1 제어 요소를 실행하도록 상기 차량의 구동 및 제동 시스템을 제어하는 것을 반복적으로 수행하는 것인, 방법.
제 19 항의 방법에 있어서,
상기 복수의 이산 노드들을 정의하는 단계는, 상기 복수의 이산 노드에 대하여
각각 서로에 대하여 미리 설정된 거리로서, 또는
각각 서로에 대하여 미리 설정된 시간 인터벌로서 배분하는 것을 포함하는 것인, 방법