JP4198227B2

JP4198227B2 - 車両の速度制御装置

Info

Publication number: JP4198227B2
Application number: JP08456898A
Authority: JP
Inventors: 慎二郎遠藤; 洋鵜川; 能北川; 一志眞田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2018-03-30
Also published as: JPH11278098A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両の速度制御装置に関し、特に定速走行制御や自車と前方車両（以下、先行車と言う）との車両間距離を制御する為の車両の速度制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ドライバーがアクセルペダル操作をしなくても自車の速度が一定に保つことが出来るよう自動的にエンジン出力制御手段としてのスロットル弁の開度などを調整する定速走行装置（オートクルーズ）を搭載した車両が普及して来ている。
【０００３】
この様な定速走行装置では道路の混雑状況により先行車に追突する可能性があり、この様な追突を防止する目的で、自車に搭載したレーザレーダや電波レーダ等の距離測定装置により先行車との車間距離を測定し追突を防止する機能を有した車両の速度制御装置が開発され実用化されている。
また、障害物への、或いは走行車両への衝突を防止する機能についての開発も進んでいる。
【０００４】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、個々の制御技術は独自の検討が進められていることから、車両への追突防止や高速道路への加速・合流までを統一的に扱った自動運転に必要な加減速時の速度制御則が無かった。
【０００５】
従って本発明は、一連の速度制御に対応できる簡明で実用化可能な加減速時の統一的な速度制御則を有する車両の速度制御装置を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明に係る車両の速度制御装置における加減速時の統一された速度制御則の導出過程を以下に説明する。
【０００７】
１．加減速度制御則の導出
ある時刻tに車速Vで走行している自車と車速V_tで走行している相手車である先行車との車間距離がdである場合に、時刻t+Tに目標車速V_tまで加速して、同時に目標車間距離d_tを実現することを考える。なお、L₁は自車走行距離、L₂は先行車走行距離を示す。
この状況を図１に示す。また、自車の車速Vが一定加速度で目標車速V_tに到達するまでの時間変化を図２に示す。
【０００８】
図１において、車間距離と走行距離の関係から次式が成り立つ。
【数１】

【０００９】
ここで、走行距離L₁, L₂は次式で表される。
【数２】

【００１０】
これを式（1）に代入すると次式が得られる。
【数３】

【００１１】
この式（3）から加速時間Tを求めると次式を得る。
【数４】

【００１２】
一方、一定加速度V'は次式
【数５】

で表されるから、これに式（4）を代入すると、一定加速度V'は次式で与えられる。
【数６】

【００１３】
ところで、加速時間Tは正数であるから、式（4）より、以下の制御則（Ａ）または（Ｂ）のいずれかの制約条件が成り立つ必要がある。言い換えれば、制御則（Ａ）または（Ｂ）のいずれかの条件が成り立つ場合のみ、式（6）で表される一定加速度の式が有効となる。
（Ａ）d＞ｄ_tかつV＞V_t
（Ｂ）d＜ｄ_tかつV＜V_t
【００１４】
制御則（Ａ）と（Ｂ）の物理的な意味はそれぞれ以下のように解釈できる。
（Ａ）車間距離dが目標車間距離d_tより広く、
かつ、自車車速Vが目標車速V_tより速い場合
（Ｂ）車間距離dが目標車間距離d_tより狭く、
かつ、自車車速Vが目標車速V_tより遅い場合
【００１５】
それぞれの場合に応じて、式（6）の符号が以下のように異なる。
（Ａ）の場合：V'＜０：一定減速度制御
（Ｂ）の場合：V'＞０：一定加速度制御
すなわち、式（6）は、制御則（Ａ）と（Ｂ）に応じて、図１及び図２に示した一定減速度制御だけでなく、図３及び図４に示した一定加速度制御にも対応した式であることがわかる。
【００１６】
２．制御則の分類
2.1 前車追従制御則
上記の式（6）は制約条件（Ａ）または（Ｂ）が成り立つ場合にのみ有効な一定加減速度制御則であるが、さらに、その他の場合の前車追従制御則を考える。
そこで、車間距離と車速に応じて必要な制御則を場合分けして考える。図５にその場合分けを示す。
【００１７】
図５において、横軸は車間距離dを、縦軸は車速Vを表している。車間距離dと自車車速Vの、目標車間距離d_tおよび目標車速V_tに対する大小関係によって、制御則を（Ａ）から（Ｆ）に分類している。（Ａ）と（Ｂ）は既に説明した制約条件（Ａ）及び（Ｂ）に対応した制御則である。
【００１８】
条件（Ａ）から（Ｄ）は自車が先行車より後方を走行しており、目標車間距離と目標車速を実現するための前車追従制御則である。
なお、d=d_tの線上は一定車間距離クルーズの場合に相当する。
【００１９】
2.11 制御則（Ｃ）：d<d_tかつV>V_t
図６に状況を示す。目標車間距離 d_tより接近しており、かつ車速Vも速いので減速する必要がある。時刻t+Tに、目標車間距離d_tになり、その時の自車速度が目標車速V_tより遅いαV_tになるための一定減速度を求める。
【００２０】
図６において、車間距離と走行距離の関係から上記式（１）が成り立つので、走行距離は式（2）より次式が得られる。
【数７】

【００２１】
これを式（1）に代入すると次式になる。
【数８】

【００２２】
この式（8）から減速時間Tを求めると次式を得る。
【数９】

【００２３】
ここで、減速時間Tは正数であり、d<d_tの場合であるから、
【数１０】

となり、従って、
【数１１】

の条件が必要で、この条件を満たすように係数αを設定する必要がある。
【００２４】
V＞V_tの場合なので、式（11）から係数αは１より小さな正数であることがわかる。これは、目標車速をV_tより遅いαV_tとして強く減速しなければ先行車に近づき過ぎ、目標車間距離d_tを実現できないことを意味している。
【００２５】
一定減速度（−V'）は式（5）より、
【数１２】

となるので、式（9）を代入すると次式で表わされる。
【数１３】

【００２６】
2.12 制御則（Ｄ）：d>ｄ_tかつV<V_t
図８に状況を示す。目標車間距離d_tより離れており、かつ車速Vが遅いので加速する必要がある。時刻t+Tに、目標車間距離d_tになり、その時の自車速度が目標車速V_tより速いαV_tになるための一定加速度を求める。
【００２７】
図８においても、車間距離と走行距離の関係から式（７）〜（９）が成り立つ。ここで、減速時間Tは正数であり、d>d_tの場合であるから：
【数１４】

であり、従って、
【数１５】

の条件が必要であり、この条件を満たすように係数αを設定する必要がある。
【００２８】
V<V_tの場合なので、式（15）からαは１より大きな正数であることがわかる。これは、目標車速をV_tより速いαV_tとしなければ、車間距離を狭めて目標車間距離d_tを実現することができないことを意味している。
【００２９】
従って、一定加速度V'は制御則（Ｃ）の場合と同様にして式（5）より
【数１６】

となるので、式（9）を代入すると次式が求められる。
【数１７】

【００３０】
2.2 合流制御則
図５において、制御則（Ｅ）と（Ｆ）は合流制御の領域を表している。すなわち、上記の各制御則（Ａ）〜（Ｄ）は常に相手車が先行車であったが、図１０に示すように、本線を車速V_tで走行する相手車に対して、目標車間距離d_tで合流する場合、車間距離が０になる時点（相手車の後端と自車の前端が横並び状態になる時）までは、相手車＝後方車であり、その後は相手車＝先行車に切り替わる状況を想定している。
【００３１】
2.21 制御則（Ｅ）：V>V_t
車速Vが本線車速V_tより速い場合であり、αV_tまで減速して、目標車間距離d_tを実現することを考える。
【００３２】
図１０においても、車間距離と走行距離の関係から次式が成り立つ。
【数１８】

【００３３】
ここで、走行距離は式（7）で表されるから、式（7）を式（1）に代入すると次式が得られる。
【数１９】

【００３４】
この式（19）から減速時間Tを求めると次式を得る。
【数２０】

【００３５】
ここで、減速時間Tは正数であるから、
【数２１】

となり、
【数２２】

の条件が必要で、この条件を満たすように係数αを設定する必要がある。
【００３６】
V＞V_tの場合なので、式（22）からαは１より小さな正数であることがわかる。これは、目標車速を本線車速V_tより遅いαV_tとして強く減速しなければならないことを意味している。
【００３７】
従って、一定減速度（−V'）は
【数２３】

で表されるので、これに式（20）を代入すると次式が得られる。
【数２４】

【００３８】
2.22 制御則（Ｆ）：V<V_t
車速Vが本線車速V_tより遅い場合であり、加速して合流する。その状況を図１２に示す。
【００３９】
図１３において、車間距離と走行距離の関係から式（18）が成り立つが、走行距離は次式で表される。
【数２５】

【００４０】
これを式（18）に代入すると次式が得られる。
【数２６】

【００４１】
この式（26）より減速時間Tを求めると次式を得る。
【数２７】

【００４２】
従って一定加速度V'は、
【数２８】

で表されるので、これに式（27）を代入すると次式が得られる。
【数２９】

【００４３】
３．制御則の統一的表現
以上の制御則（Ａ）から（Ｆ）を整理して表すことを考える。これらの制御則の式の上での違いは係数αの有無であるが、係数αのない制御則（Ａ），（Ｂ），（Ｆ）の場合の一定加減速度V'の式は、係数αを利用している制御則（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）の場合の式でαを１と置いた式と全く同じである。
【００４４】
これらのことを考慮すると、前車追従制御則と合流制御則は、下記の表１に示すように統一的に表すことができる。
【表１】

【００４５】
４．係数αの算出
係数αの値によっては加減速時間Tが必要以上に長くなり過ぎる場合がある。そこで、予め加減速時間T（例えば100s）を与えておき、αを加減速時間Tから逆算して用いる。
【００４６】
すなわち、表１に示した加減速時間Tの式をαについて解けば次式が得られることになる。
【数３０】

【００４７】
そして、この式(30)で求めた係数αを式(13)又は(17)に代入すれば、加減速度V'を求めることができる。
【００４８】
したがって、制御手段は、この加減速度V'を加速制御手段又は減速制御手段に与えることにより上記の各制御則に対応した加速又は減速制御を行うことが可能となる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
図１４は、本発明に係る車両の速度制御装置の一実施例を示したものであり、１はレーダ装置等の車間距離センサ、２は車速センサ、３は制御手段としてのコントローラ、４及び５は加速制御手段をそれぞれ構成するスロットル弁駆動装置及びスロットル弁、６及び７は減速制御手段をそれぞれ構成するブレーキ駆動装置及びフットブレーキ弁である。
なお、上記の加速制御手段４，５は、スロットル弁に限定されるものではなく、ディーゼルエンジンに適用する場合であれば燃料噴射ポンプのコントロールラック等の燃料噴射量制御手段でもよく、また減速制御手段６，７は、フットブレーキ弁に限定されるものではなく、排気ブレーキやリターダ等の補助ブレーキを使用してもよい事は言うまでもない。
【００５０】
このような実施例において上記の表１に示した制御則（Ａ）〜（Ｆ）の有効性を確認するために以下に車速制御シミュレーションによる検証を行った。
（１）シミュレーション条件
ここでは、減速制御である制御則（Ａ），（Ｃ），（Ｅ）及び、加速制御である制御則（Ｂ），（Ｄ），（Ｆ）のシミュレーションの例を示す。
【００５１】
車両の加速性能、減速性能によっては目標速度に到達した時点でも、目標車間まで車間距離をつめられるとは限らない。下記の表２では、あくまでも例を示す意味で、実現可能な適当な計算条件を設定した。
【００５２】
【表２】

【００５３】
（２）シミュレーション結果
図１５及び図１６にそれぞれ減速モード及び加速モードでのシミュレーション結果（時間対自車速V及び車間距離d）を示す。また、図１７には自車速Vと各シミュレーション結果車間距離dとの相対関係が示されている。
【００５４】
同図（ａ）に制御則（Ａ）のシミュレーション結果を示す。
ここでは、車間距離が初期の３００ｍから目標の２５０ｍに詰める間にほぼ一定の加速度で減速し、目標車間距離で目標車速に達している（図１７のグラフＡ参照）。
【００５５】
図１５（ｂ）に制御則（Ｃ）のシミュレーション結果を示す。
ここでは、減速制御開始時の自車両と先行車両との相対速度から、車間距離dは一度減少し、自車両が先行車両の車速より遅い速度になった時点から増加して、最終的には目標車間２５０ｍで目標速度V_tに到達している（図１７のグラフＣ参照）。
【００５６】
図１５（ｃ）に制御則（Ｅ）のシミュレーション結果を示す。
ここでは、加速制御開始時の自車と相手の車両との前後関係が制御則（Ｃ）とは逆で、自車両が先行する。
【００５７】
減速制御開始時の自車と先行車（この時点では、相手車両は自車の後方を走行している）との相対速度から、車間距離ｄは一度減少（実際は車間距離は増大する。ここでは、自車を原点とし、進行方向を正方向と定義することにより、制御開始時の車間距離を負の値として扱っている）し、自車が先行車の車速より遅い速度になった時点から増加（dがプラスの方向に向かう）して、最終的には目標車間２５０ｍで目標速度V_tに到達している（図１７のグラフＥ参照）。
【００５８】
図１６（ａ）に制御則（Ｂ）のシミュレーション結果を示す。
ここでは、車間距離が初期の８０ｍから目標の２５０ｍに広がる間に一定の加速度で加速し、目標車間距離で目標車速に達している（図１７のグラフＢ参照）。
【００５９】
図１６（ｂ）に制御則（Ｄ）のシミュレーション結果を示す。
ここでは、加速制御開始時の自車と先行車との相対速度から、車間距離ｄは一度増加し、自車が先行車の車速より速い速度になった時点から減少して、最終的には目標車間２５０ｍで目標速度V_tに到達している（図１７のグラフＤ参照）。
図１６（ｃ）に制御則（Ｆ）のシミュレーション結果を示す。
ここでは、加速制御開始時の自車と相手車両との前後関係が制御則Ｂとは逆で、自車両が先行する。しかし、制御則（Ｂ）の場合と同様に、一定の加速度で加速し、目標車間距離で目標車速に到達している（図１７のグラフＦ参照）。
【００６０】
以上の結果から、制御則（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）とも、目標車間距離で目標車速に到達する機能が確認された。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る車両の速度制御装置によれば、車間距離と車速から相手車（先行車又は後方車）の速度を求めて所定時間経過後の自車の目標車速とし、該所定時間での一定の加減速度を所定演算式により求めて加速／減速制御を行うように構成したので、目標位置あるいは目標車間距離で目標車速に達する一定加減速度制御則を適用でき、相手車に追従する制御及び合流時の制御まで拡張することができる。この結果、次の特有の効果が得られる。
【００６２】
▲１▼加減速時の速度制御則を統一的に表現するものであるため、自動運転に必要な一連の速度制御全般に対応できる、簡明で実装し易い、自動運転の速度制御の基本となる制御則が得られる。
▲２▼独立した複数の制御則を状況に応じて切り替えて用いる従来の方法と異なり、状況が変化しても一貫して継続的な加減速制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車両の速度制御装置における一定加速度制御による前車追従（制御則Ｂ）の状態を示す図である。
【図２】本発明に係る車両の速度制御装置における加速パターン（制御則Ｂ）を示す図である。
【図３】本発明に係る車両の速度制御装置における一定減速度制御による前車追従（制御則Ａ）の状態を示す図である。
【図４】本発明に係る車両の速度制御装置における制御則（Ａ）における減速パターンを示す図である。
【図５】本発明に係る車両の速度制御装置における車間距離と車速による制御則の分類を示した図である。
【図６】本発明に係る車両の速度制御装置における制御則（Ｃ）の状況を示す図である。
【図７】本発明に係る車両の速度制御装置における制御則（Ｃ）における減速パターンを示す図である。
【図８】本発明に係る車両の速度制御装置における制御則（Ｄ）の状況を示す図である。
【図９】本発明に係る車両の速度制御装置における制御則（Ｄ）における加速パターンを示す図である。
【図１０】本発明に係る車両の速度制御装置における制御則（Ｅ）の状況を示す図である。
【図１１】本発明に係る車両の速度制御装置における制御則（Ｅ）における減速パターンを示す図である。
【図１２】本発明に係る車両の速度制御装置における制御則（Ｆ）の状況を示す図である。
【図１３】本発明に係る車両の速度制御装置における制御則（Ｅ）における加速パターンを示す図である。
【図１４】本発明に係る車両の速度制御装置の一実施例を示したブロック図である。
【図１５】本発明に係る車両の速度制御装置の一実施例による減速モード時のシミュレーション結果を示したグラフ図である。
【図１６】本発明に係る車両の速度制御装置の一実施例による加速モード時のシミュレーション結果を示したグラフ図である。
【図１７】図１５及び図１６におけるシミレーション結果を車間距離と車速との関係で示したグラフ図である。
【符号の説明】
１レーダ装置
２車速センサ
３コントローラ
４スロットル弁駆動装置
５スロットル弁
６ブレーキ駆動装置
７フットブレーキ弁
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims

相手車と自車との車間距離検出手段と、自車の車速検出手段と、加速制御手段と、減速制御手段と、該車間距離dと該車速Vから該相手車の速度を求めて所定時間T経過後の自車の目標車速V_ｔとするとともに目標車間距離をd_ｔとして係数αを次式、

により求め、さらに該係数αでの一定の加減速度V’を次式、

により求めて該加速制御手段又は該減速制御手段を制御する制御手段とを備え、
該相手車が、該前車追従制御時は常に先行車であり、該合流制御時は車間距離が 0 になる時点を境に後方車から先行車に替わることを特徴とした車両の速度制御装置。