CN102282598B

CN102282598B - 队列行驶控制系统及车辆

Info

Publication number: CN102282598B
Application number: CN200980154879.2A
Authority: CN
Inventors: 志田充央
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: EP2390857A4; JP5195930B2; JPWO2010084569A1; EP2390857B1; US8660779B2; WO2010084569A1; EP2390857A1; US20110270514A1; CN102282598A

Abstract

本发明的队列行驶控制系统是以使得多个车辆组成队列进行行驶的方式控制车辆间的相对关系的队列行驶控制系统。在该系统中，基于在队列行驶过程中向后方车辆传播的上述相对关系的误差的传播比即相对关系误差传播比来决定在队列中前后连续的车辆之间的各个相对关系的目标值。

Description

队列行驶控制系统及车辆

技术领域

本发明涉及以使得多个车辆组成队列进行行驶的方式控制车辆间的相对关系的队列行驶控制系统及具备这样的系统的车辆。

背景技术

近年来，为了实现交通流改善，通过降低空气阻力来实现燃油效率的提高，使多个车辆以短的车间距离以一个队列进行队列行驶的技术被关注。以往，作为这样的队列行驶的技术，已知有队列的各后续车辆分别控制与前车之间的车间距离的方式。该方式存在如下的问题：当最前头车辆受到道路坡度和风等干扰时，车间距离的误差被向后方车辆传播下去。对于该问题，提出了日本特开平10-162282号公报的系统。在该系统中，通过队列的各后续车辆的每一个控制与队列的前头车辆之间的车间距离，实现了多台车辆的队列行驶。根据该方式，认为车间距离的误差不向后方车辆传播。

专利文献1：日本特开平10-162282号公报

如该控制系统那样，以往也提出了理论上不产生车间距离误差的传播的控制方法，但实际上在进行队列行驶时，由于车车间通信的传递延迟时间、信号传感的延迟、车辆的响应延迟之类的主要原因，难以避免误差传播的产生。在实际上利用这种系统使多个车辆进行队列行驶时，由于误差的传播，越是后面的车辆其安全余量越下降，或越损害动作的圆滑性等，有时也产生人工不能发现的问题，所以在队列行驶中，特别地是越在后面的车辆，越需要在确保车辆间的安全车间距离的同时来进行队列行驶。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供可以以安全的车间距离实现队列行驶的队列行驶控制系统及车辆。

本发明的队列行驶控制系统，以使得多个车辆组成队列进行行驶的方式控制上述车辆间的相对位置关系，其特征在于，基于在上述队列行驶过程中向后方车辆传播的车间距离的误差的传播比亦即车间误差传播比来决定在队列中前后连续的车辆之间的车间距离的各目标值。

实际的队列行驶中的车间误差，有时由于各种原因被向队列的后方传播下去。根据上述队列行驶控制系统，基于车间误差传播比来决定车间距离的各目标值，所以可以决定考虑了车间误差的传播状态的车间距离目标值，从而以与车间误差的传播状态相对应的安全的车间距离实现队列行驶。

另外，在这种情况下，当将从上述队列的前头开始第n个车辆和第n+1个车辆之间的目标车间距离设为L_{n_tgt}，将上述车间误差传播比的最大值设为S_max时，也可以以L_{n_tgt}＝S_max ^n-1·L_{1_tgt}表示所决定的上述目标车间距离L_{n_tgt}。

根据该构成，实现越是后方则队列的车辆间的车间距离越以指数函数变大那样的队列行驶。从而，即使当越是队列后方则车间距离的误差越按指数函数被放大的情况下，也可以确保后方车辆的安全余量。即可以在队列的车辆整体上将安全余量均等化。

另外，也可以基于上述车间误差传播比的频率特性来决定上述队列中最前头的车辆的加速度指令值。队列行驶的车间误差传播比有依赖于最前头车辆的加速度频率的频率特性。因为考虑这样的频率特性来决定最前头车辆的加速度指令值，所以可以抑制使车间误差传播比增大那样的最前头车辆的加速，可以抑制越是队列的后方则车间误差越被放大之类的现象。

另外，本发明的车辆，其特征在于，具备上述任意一项所述的队列行驶控制系统。该车辆具备上述任意一项的队列行驶控制系统，所以可以实现以安全的车间距离进行的队列行驶。另外，在这种情况下，本发明的车辆也可以成为队列的一个构成车辆。

根据本发明的队列行驶控制系统及车辆，可以以安全的车间距离实现队列行驶。

附图说明

图1是表示本发明的队列行驶控制系统的第1及第2实施方式的方框图。

图2是表示利用图1所示的队列行驶控制系统所实现的队列行驶的图。

图3是表示车辆的加速度频率和车间误差传播比的关系的一例的图。

图4是表示队列的车间误差的针对后续车辆的车间误差过渡特性的一例的图。

图5是表示队列行驶控制系统的处理的流程图。

图6是表示第2实施方式的队列行驶控制系统具备的频率截止滤波器的图。

符号的说明

1、201...队列行驶控制系统、51...频率截止滤波器、C₁～C₅...车辆、C₁...最前头车辆、C₂～C₅...后续车辆、L_1-tgt～L_5-tgt...目标车间距离。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的队列行驶控制系统及车辆的优选的实施方式详细地进行说明。

(第1实施方式)

图1所示的队列行驶控制系统1是为了使多个车辆组成队列进行行驶而控制该多个车辆的各自的行驶状态的系统。利用该队列行驶控制系统1可实现多个车辆以比较狭窄的车间距离纵向排成一列行驶的队列行驶。该队列行驶控制系统1，可以实现由任意台数的车辆所构成的队列行驶，但在此，如图2所示那样，以由5台车辆C₁、C₂、C₃、C₄、C₅进行队列行驶的情况为例进行说明。

此外，在以下的说明中，在必要的情况下，如图2所示那样，用“a_n”表示从队列的最前头开始数第n个(n＝1，2，…，5)的车辆C_n的加速度，用“V_n”表示车辆C_n的速度，用“u_n”表示车辆C_n的加速度指令值。另外，用“L_n-tgt”表示车辆C_n和车辆C_n+1的目标车间距离，用“L_n”表示车辆C_n和车辆C_n+1的车间误差。此外，所谓车间误差是指目标车间距离L_n-tgt和实际的车间距离之间的误差。另外，把队列的构成车辆C₁～C₅之中在最前头行驶的车辆C₁称作“最前头车辆”，与此相对，有时把车辆C₂～C₅总称为“后续车辆”。

构成队列的全部车辆C₁～C₅，分别搭载了一个以下进行说明的队列行驶控制系统1。

如图1所示那样，队列行驶控制系统1具备车辆控制ECU(ElectronicControl Unit)10。车辆控制ECU10是进行队列行驶控制系统1的整体控制的电子控制单元，例如把包含CPU、ROM、RAM的计算机作为主体而构成。车辆控制ECU10具有能够临时或长期保存信息的信息存储部10a。

此外，队列行驶控制系统1具备用于检测出本车辆的行驶状态的传感器类。该传感器类中包含前方车间距离传感器21a、后方车间距离传感器22a、车速传感器23a和加速度传感器24a。

前方车间距离传感器21a可以检测出与在本车辆的正前方行驶的车辆之间的车间距离。同样地，后方车间距离传感器22a可以检测出与在本车辆的正后方行驶的车辆之间的车间距离。作为这样的前方车间距离传感器21a及后方车间距离传感器22a，例如，可采用分别设置于每个车辆的前部及后部的毫米波雷达。由前方车间距离传感器21a所得到的信号，由前方传感器ECU21来处理，被作为前方车间距离信息向车辆控制ECU10发送。同样地，由后方车间距离传感器22a所得到的信号，由后方传感器ECU22来处理，被作为后方车间距离信息向车辆控制ECU10发送。

车速传感器23a可以检测出本车辆的速度。作为车速传感器23a，例如，可使用检测出车轮速度的电磁耦合传感器。利用车速传感器23a所得到的信号由车速传感器ECU23来处理，并被作为车速信息向车辆控制ECU10发送。作为加速度传感器24a，例如，可使用气体流率传感器或陀螺仪传感器。利用加速度传感器24a所得到的信号由加速度传感器ECU24来处理，并被作为加速度信息向车辆控制ECU10发送。

此外，前方传感器ECU21、后方传感器ECU22、车速传感器ECU23和加速度传感器ECU24，借助于作为车辆内网络所构建的通信/传感器系统CAN20与车辆控制ECU10连接。

如以上那样，在队列行驶控制系统1中，利用上述的传感器类，得到针对本车辆的前方车间距离信息、后方车间距离信息、车速信息和加速度信息。此外，在以下的说明中，有时综合前方车间距离信息、后方车间距离信息、车速信息和加速度信息而叫做“行驶状态信息”。

此外，系统1为了进行本车辆的加减速/转向等操作而具备发动机控制ECU31、制动器控制ECU32和转向器控制ECU33。发动机控制ECU31接收由车辆控制ECU10发送的加速度指令值信息，以与该加速度指令值相对应的操作量来操作节气门致动器31a等。另外，制动器控制ECU32接收上述加速度指令值信息，以与该加速度指令值相对应的操作量操作制动器致动器32a等。另外，转向器控制ECU33接收由车辆控制ECU10发送的转向指令值信息，以与该转向指令值相对应的操作量来操作转向器致动器33a等。

另外，队列行驶控制系统1，为了与队列的其他构成车辆之间交换相互的行驶状态信息等，具备无线天线26a及无线控制ECU26。队列内的各车辆C₁～C₅，利用该无线天线26a及无线控制ECU26来相互进行车车间通信，取得其他的构成车辆全部的车辆规格信息、行驶状态信息及加速度指令值信息，并且把本车辆的车辆规格信息、行驶状态信息及加速度指令值信息向其他车辆发送。利用这样的车车间通信，在全部的车辆C₁～C₅的车辆控制ECU10中，可以共有全部的车辆C₁～C₅的车辆规格信息、行驶状态信息、及加速度指令值信息。此外，无线控制ECU26，借助于上述的通信/传感器系统CAN20而与车辆控制ECU10连接。

继而，对基于该队列行驶控制系统1的队列行驶控制进行说明。

在此，最前头车辆C₁由驾驶员手动驾驶，队列行驶控制系统1，以跟随驾驶员手动驾驶的最前头车辆C₁的方式，控制4台后续车辆C₂～C₅的行驶状态。另外，在4台后续车辆C₂～C₅中，进行把通过车车间通信所交换的前方车辆C_n-1的实际加速度a_n-1作为前馈，利用PD控制反馈前方的车辆C_n-1和本车辆C_n之间的车间距离的类型的控制。

在利用这样的控制方法进行实际的队列行驶的情况下，认为由于车车间通信的传递延迟时间、信号传感的延迟、车辆的响应延迟之类的主要原因，而产生车间误差L₁～L₄向队列的后方依次传播的误差传播。而且，若将依次传播到后方的车间距离中的车间误差的传播比即车间误差L_n+1和车间误差L_n的比L_n+1/L_n设为车间误差传播比(队列稳定性)S，则车间误差传播比S依赖于车辆的加速度频率。例如，在车间误差传播比S和车辆的加速度频率之间，有如图3所示那样的关系。

在该图3的例的情况下，车间误差传播比S在车辆的加速度频率成为6·10^-2Hz附近时最大，判断为车间误差传播比的最大值S_max超过1，约为1.2。当最前头车C₁以车间误差传播比S超过1那样的频率进行了加减速的情况下，如图4所示那样，越是队列的后方，车间误差越被放大并按指数函数变大。

这样，在实际上使多个车辆进行队列行驶的情况下，由于误差的传播，越是后面的车辆其安全余量越下降，或越损害动作的圆滑性等，有时产生人工不能发现的问题，所以，对于队列行驶，越是后面的车辆，越需要在确保车辆间的安全车间距离的同时而进行队列行驶。因此，在队列行驶控制系统1中，以越是队列的后方则车间距离越变大的方式进行队列控制。具体来说，如果把队列的构成车辆设为车辆C₁～C_m+1，则基于下式(1)来决定队列行驶控制中的目标车间距离L_1-tgt～L_m-tgt。

L_{m_tgt}＝S_max·L_{m-1_tgt}＝S_max ²·L_{m-2_tgt}＝…＝S_max ^m-1·L_{1_tgt} …(1)

如根据该式(1)所理解的那样，如果将S_max设为1以上的值，则越是队列的后方，目标车间距离越按指数函数变大。从而，即使越是队列的后方车间误差越按指数函数被放大，同样地车间距离也按指数函数变大，所以即使对于后方车辆也可确保与前方的车辆同样的安全余量。即队列的各车辆C₁～C_m+1中的安全余量均等化。从而，根据队列行驶控制系统1，可以在队列整体上以安全的车间距离实现队列行驶。

为了实现这样的队列行驶，后续车辆C₂～C₅的队列行驶控制系统1各自独立地控制本车辆的加减速。以下，关于5台的车辆C₁～C₅的队列的第j台的车辆C_j(j＝2，3，4，5)，对队列行驶控制系统1进行的处理的详细情况，参照附图的流程图进行说明。

首先，队列行驶控制系统1的车辆控制ECU10，进行应用了上式(1)的运算：

L_{4_tgt}＝S_max·L_{3_tgt}＝S_max ²·L_{2_tgt}＝S_max ³·L_{1_tgt}

决定本车辆C_j的前方的目标车间距离L_{j-1_tgt}(S101)。在考虑了车车间通信的传递延迟时间、信号传感的延迟、车辆的响应延迟的主要原因后，由队列行驶控制系统1的设计者预先决定车间误差传播比的最大值S_ma _x的值，并预先存储于车辆控制ECU10的信息存储部10a。例如，如果考虑一般的车车间通信的传递延迟时间、信号传感的延迟、车辆的响应延迟的主要原因，则假定S_max＝1.2左右的数值。另外，对于目标车间距离L_1-tgt的值，也可以根据队列行驶的诸条件自动地求出，例如也可以利用车辆C₁～C₅的任意一个驾驶员的手动输入来决定。此外，未必需要每次进行决定这样的目标车间距离L_{j-1_tgt}的处理S101，也可以在决定队列内的本车辆C_j的顺序(本车辆是队列的第几台)的时间点只进行1次。

接着，车辆控制ECU10，从前方车间距离传感器21a取得本车辆C_j和前方的车辆C_j-1之间的实际的车间距离以作为反馈。而且，通过计算实际的车间距离和目标车间距离L_{j-1_tgt}之间的差而得到本车轴C_j的前方的车间误差L_j-1(S103)。另外，车辆控制ECU10，利用通过无线天线26a的车车间通信得到前方车辆C_j-1的实际加速度a_j-1(S105)。此外，这时，也同时进行将利用加速度传感器24a所得到的本车辆C_j的实际加速度a_j向后方车辆C_j+1发送的处理。而且，将所得到的实际加速度a_j-1作为前馈(S107)，利用使用了上述的车间误差L_j-1的PD控制而得到本车辆C_j的加速度指令值u_j(S109)。

之后，车辆控制ECU10将计算出的加速度指令值u_j向发动机控制ECU31及制动器控制ECU32发送(S111)。而且，发动机控制ECU31基于接收到的加速度指令值u_j来操作节气门致动器31a，制动器控制ECU32基于接收到的加速度指令值u_j来操作制动器致动器32a(S113)。在各后续车辆C₂～C₅中在队列行驶中反复进行以上那样的图5的S101～S113的处理。而且，利用这样的处理，与最前头车辆C₁相对应地控制4台后续车辆C₂～C₅的加减速，实现越是后方则车间距离越按指数函数变大的队列行驶。

(第2实施方式)

接着，对本发明的队列行驶控制系统的第2实施方式进行说明。本实施方式的队列行驶控制系统201的物理构成，如图1所示那样，与队列行驶控制系统1相同，所以省略其重复的说明。

如上述那样，在这种队列行驶中，车间误差传播比S依赖于车辆的加速度频率，存在使车间误差传播比S成为S＞1那样的车辆的加速度频率。例如，在图3的例中，6·10^-2Hz附近的频率与此符合。这样，以下把使车间误差传播比S成为S＞1那样的车辆的加速度频率叫做“不适当频率”。如上述那样，若最前头车辆C₁以不适当频率进行加减速，则越是队列的后方车间误差越按指数函数变大，安全上不优选。

因此，本实施方式的队列行驶控制系统201中，除了上述队列行驶控制系统1的控制以外，还在本车辆成为最前头车辆C₁的情况下，控制本车辆以使得不以不适当频率进行加减速。即，在本车辆成为最前头车辆C₁的情况下，采用在不适当频率处降低增益来抑制本车辆C₁的加速度那样的频率截止滤波器。具体来说，如图6所示那样，例如基于驾驶员的踏板操作而产生的加速度指令值u₁，通过频率截止滤波器51被变换为加速度指令值u_{1_filter}，并将该加速度指令值u_{1_filter}向发动机控制ECU31及制动器控制ECU32发送。

而且，发动机控制ECU31基于接收到的加速度指令值u_{1_filter}来操作节气门致动器31a，制动器控制ECU32基于接收到的加速度指令值u_{1_filter}来操作制动器致动器32a。其结果是，本车辆C₁以施加了滤波的加速度a_{1_filter}进行加速。这样，通过借助于频率截止滤波器51，本车辆C₁不以不适当频率进行加减速。从而，可避免越是队列的后方则车间误差越放大之类的情况，更能够确保安全性。

这样的频率截止滤波器51，实际上，作为在队列行驶控制程序中所使用的运算式的一部分而存在，通过由车辆控制ECU10执行队列行驶控制程序，实现频率截止滤波器51的功能。与频率截止滤波器51相对应的运算式，基于车间误差传播比S的频率特性，由队列行驶控制系统201的设计者预先决定，并预先存储于车辆控制ECU10的信息存储部10a。此外，作为在不适当频率处降低增益那样的频率截止滤波器51，也如图6所示那样，优选是以传递函数1/(1+TS)表示的一次延迟滤波器。

继而，在后续车辆C₂～C₅中，考虑进行把在车车间通信中所交换的前方的车辆C_n-1的加速度指令值u_n-1作为前馈并利用PD控制来反馈前方的车辆C_n-1和本车辆C_n之间的车间距离的类型的控制的情况。在这种情况下，最前头车辆C₁需要通过车车间通信发送用于后续车辆C₂～C₅的前馈的加速度指令值，但是，将最前头车辆向后续车辆C₂～C₅发送的加速度指令值，设为利用频率截止滤波器51变换后的加速度指令值u_{1_filter}。

这样，最前头车辆C₁，也可以对通过车车间通信向后续车辆C₂～C₅发送的加速度指令值进行滤波。利用这样的滤波，也能够避免越是队列的后方则车间误差越放大的情况，从而同样地确保安全性。此外，在这时的最前头车辆C₁中，向发动机控制ECU31及制动器控制ECU32所发送的加速度指令值，也可以是未被滤波的加速度指令值u₁，还可以是滤波后的加速度指令值u_{1_filter}。

此外，本发明不限定于上述的第1及第2实施方式。例如，在实施方式中，最前头车辆C₁由驾驶员手动驾驶，后续车辆C₂～C₅的行驶状态由队列行驶控制系统来控制，但本发明也能够应用于包含最前头车辆C₁控制队列的全部车辆的类型的队列行驶控制系统。另外，在实施方式中，在后续车辆C₂～C₅中，进行把前方的车辆C_n-1的实际加速度a_n-1作为前馈，利用PD控制来反馈前方的车辆C_n-1和本车辆C_n之间的车间距离的类型的控制，但本发明也能够应用于以其他类型的控制来实现队列行驶的队列行驶控制系统。例如，在基于包含车间误差L₁～L_m等的状态量对队列的全部车辆的加减速进行最优控制(LQ控制)的类型的队列行驶控制系统中，在决定目标车间距离L_{1_tgt}～L_{m_tgt}时，也可以应用本发明。

另外，在实施方式中，以利用5台车辆C₁～C₅进行队列行驶的情况为例进行了说明，但若仿效该实施方式中的队列行驶控制，则显然不限定于5台，可以实现基于任意台数的车辆的队列行驶。

产业上的利用可能性

本发明涉及以使得多个车辆组成队列进行行驶的方式控制各车辆的行驶状态的队列行驶控制系统，可实现安全的车间距离下的队列行驶。

Claims

1.一种队列行驶控制系统，以使得多个车辆组成队列进行行驶的方式控制上述车辆间的相对位置关系，其特征在于，具备：

前方车间距离传感器和后方车间距离传感器，取得在队列中前后连续的车辆之间的车间距离；和

车辆控制ECU，基于车间误差传播比来决定上述车间距离的各目标值，且该车间误差传播比是在上述队列行驶过程中向后方车辆传播的车间距离的误差之比，

上述车间距离的误差是车间距离的目标值与实际的车间距离之间的差值，

在将从上述队列的前头开始第n个车辆与第n+1个车辆之间的车间距离的误差设为L_n时，上述车间误差传播比由L_n+1/L_n表示。

2.根据权利要求1所述的队列行驶控制系统，其特征在于，

在将从上述队列的前头开始第n个车辆和第n+1个车辆之间的目标车间距离设为L_{n_tgt}，将上述车间误差传播比的最大值设为S_max时，以L_{n_tgt}＝S_max ^n-1·L_{1_tgt}表示所决定的上述目标车间距离L_{n_tgt}。

3.根据权利要求1或2所述的队列行驶控制系统，其特征在于，

按照不以使车间误差传播比S成为S＞1的加速度频率进行加减速的方式来控制上述队列中最前头车辆的加速度指令值。

4.一种车辆，其特征在于，具备权利要求1～3的任意一项所述的队列行驶控制系统。