用于接近和行驶在弯道上的车辆的速度控制方法

1.一种速度控制系统，适用于具有方向盘和操作员的车辆，所述系统包括：
具有至少一个记录的地图数据库，其中所述记录给出至少一个路线，所述路线给出多个位置点，其中一部分位置点给出定义弯道的邻近弯道点；
通信地耦合到所述数据库的定位设备，被配置成确定车辆的位置，并当车辆位于该路线上时将该位置与路线上所述点中的第一个相匹配；
通信耦合到所述设备和数据库的控制器，被配置成识别接近的弯道点并且确定允许的弯道点管理速度；和
通信耦合到控制器的转向角模块，被配置成确定方向盘的当前旋转角度并将其传递给控制器，
所述控制器还被配置成部分基于允许的弯道点管理速度和操作员偏好或车辆特性输入来确定想要的弯道点管理速度，并且还被配置成确定当前车辆速度，所述控制器包括估计模块，该估计模块被配置成基于当前车辆速度和旋转角度来估计车辆的将来状况，并且所述控制器呈现了闭合环路系统，其中控制器被配置成将估计的将来状况与对应的实际将来状况进行比较，并由此修改估计模块。
2.如权利要求1中所述的系统，
所述数据库包括允许的弯道点管理速度表，其中每个弯道点关联于允许的弯道点管理速度，
所述控制器还被配置成从所述表中检索关联的弯道点管理速度。
3.如权利要求1中所述的系统；和
通信耦合到控制器的制动模块，被配置成按命令减速车辆，
所述控制器还被配置成达到当前车辆速度，并且在当前速度大于想要的弯道点管理速度时，发送减速命令信号到制动模块。
4.如权利要求1中所述的系统；和
通信耦合到控制器的加速模块，被配置成按命令加速车辆，
所述控制器还被配置成确定当前车辆速度，并且在当前速度小于想要的弯道点管理速度时，发送加速命令信号到加速模块。
5.如权利要求4中所述的系统，
所述车辆包括具有燃料进口的内燃机，
所述加速模块被通信耦合并被配置成修改燃料进口，以便修改由发动机消耗的燃料的量或组成。
6.如权利要求1中所述的系统，
利用语音请求/语音响应或按钮按压/语音响应机制来致动所述控制器。

用于接近和行驶在弯道上的车辆的速度控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及弯道速度控制系统，并且更具体地涉及速度控制系统，被配置成便于通过自动加速或减速车辆来对弯道进行适当的操作员管理。
背景技术
[0002] 特别参考汽车，操作员错误管理弯道是引发事故因素中最普遍的一个因素。在这些事故中，应理解的是，在车辆速率超过车辆能够安全地或舒适地管理弯道时的速率时产生过大的横向力。还进一步理解的是，当以过大的速度接近弯道时，操作员通常启动过大的制动和转向的不稳定循环，以解决转弯困难。
[0003] 历史上，有执照的平民工程师已经通过选择多个弯道模板之一来设计道路弯道，所述弯道模板即圆形、螺旋形以及更可能的它们的组合，所选择的模板最合适现有的地形并且避免被认为移除会花费巨大的障碍。弯道的开始通常设置在给定的站点，并且另外的标记，比如弯道开始和结束半径，也通常在计划中注释。计算机辅助设计技术和软件提供了典型站点偏移处的横截面，其中表示了弯道的高程点和倾斜角。这些计划由勘察和施工队伍在场地内精确的打桩划界。最后，道路速度限制被确定，使得驾驶员和车辆的典型组合能够经受住由作用在车辆上的离心力所引起的横向加速度，所述组合产生最小法向力，以及与表面的横向摩擦系数。
[0004] 更特别地，离心力Fc(＝mac＝mv2/R)在弯道管理期间作用在车辆上，以实现向外的横向加速度。为了保持车辆路线的弯曲，即恒定的半径，这个力必须正比于相等且相反的离心力。对于汽车行驶，轮胎和道路表面之间的摩擦力提供了离心力。为了适应摩擦不足的情况(例如在潮湿的道路、冰面、油面上等)，弯道优选地倾斜角度θ，使得至少部分的离心力替代地由法向力FN(＝mg)来提供。在摩擦力设定为1的正常道路条件下使Fc和FN相
2
等，最大的允许速度与重力的关系是v ＝g R tanθ，其中g是由重力引起的加速度，并且R是曲率半径。
[0005] 因此，当车辆加速且摩擦力不足时，操作者通常难以安全地围绕弯道操纵。为了解决弯道的错误管理，已经开发出系统来识别靠近的弯道或修改弯道期间或接近弯道时的车辆性能的一些方面。这些系统中的一些给出了用于在弯道管理期间选择和实现最佳的传动齿轮，并且定义和估计接近的弯道的机制和控制逻辑。其它系统确定所检测节点的稳定运行速度并减速或加速车辆，以便实现在给定点的稳定速度。
[0006] 但是，这些传统系统是刚性的对所有情况都是同一大小的模型，这些模型不能由于操作员的偏好或车辆的特性而进行修改。这些系统也不提供用于正确解决特定条件的装置，这些特定条件可能修改在期望之处的允许的弯道速度剖面。又进一步的考虑，这些系统不适合曲率半径的瞬间变化，这样的变化可以在圆形弯道终止点处发生，也不提供反馈来对性能进行优化，因此可以当存在弯道时产生误差或快速的加速度。
发明内容
[0007] 响应于这些和其它由传统弯道速度控制系统所引起的考虑，本发明涉及改进的弯道速度控制系统，该系统利用改进的因数来改进操作员的弯道管理。尤其，该系统在接近弯道时如必要则降低车速，这就将消除操作员在弯道上的过多制动，并且由此降低了转弯努力和事故的危险。本发明的系统还足够智能得来朝着弯道尽头加速，使得改进所涉及的性能。
[0008] 本发明的第一方面涉及速度控制系统，适用于具有方向盘和操作员的车辆。该系统包括具有至少一个记录的地图数据库，其中所述记录给出至少一个路线。该路线给出多个位置点，其中一部分位置点给出定义弯道的邻近弯道点。定位设备通信地耦合到所述数据库，并且被配置成确定车辆的位置并将该位置与路线上所述点中的第一个相匹配。该系统还包括通信耦合到所述设备和数据库的控制器。该控制器被配置成识别接近的弯道点并且确定允许的弯道点管理速度。最后，该控制器还配置成部分地基于允许的弯道点管理速度和操作员偏好和/或车辆特性输入来确定期望的弯道点管理速度。
[0009] 本发明的第二方面涉及通过控制器进行车辆弯道管理的方法，其中车辆包括具有地图数据库的导向系统。该方法包括访问和定位数据库中路线上的当前车辆位置。路线上弯道的接近弯道点被识别。弯道点半径和允许的弯道点管理速度被确定。与操作员偏好或车辆特性有关的输入被接收。最后，基于允许的弯道点管理速度和输入来确定想要的弯道点管理速度。更优选地，该系统还包括基于预定加速度剖面来产生加速或减速命令，并且在控制环路下提供恒定反馈，以便最优化该命令。
[0010] 将会理解和知道的，本发明提供相对于现有技术的许多优点，例如包括提供更灵活的用户规定的系统。该系统随后被配置成按照精确的道路感测能力、期望的速度计算和控制策略来实现最佳弯道速度。该系统通信地耦合到车辆，以便不断接收感测的反馈，并且便于通过车辆来进行自动弯道速度控制。
[0011] 根据随后优选实施例的详细描述和附图，本发明的其它方面和优点将很清楚。
附图说明
[0012] 下面参考附图详细描述本发明的优选实施例。
[0013] 图1是根据本发明的车辆的平面图，特别图示了优选的弯道速度控制系统的部件；
[0014] 图2是根据本发明的优选实施例的导航系统、车辆和操作员的正视图；
[0015] 图3是图2所示的车辆的仪表板和导航系统的正视图，特别图示了监视器和地图记录；
[0016] 图4是在具有接近圆形弯道的道路上行驶的车辆的平面图；
[0017] 图5是在具有接近非圆形弯道的道路上行驶的车辆的平面图；
[0018] 图6是根据本发明的弯道速度控制系统的优选实施例的方框图；
[0019] 图7是根据本发明的弯道命令生成模块的优选实施例的方框图；
[0020] 图8是根据本发明的车辆位置估计模块的优选实施例的方框图；和[0021] 图9是根据本发明的弯道管理的优选方法的流程图。
具体实施方式
[0022] 如图1所示，本发明涉及改进的弯道速度控制系统10，该系统适用于车辆12并由操作员14操作。系统10被配置成识别多个弯道点(即节点)，每个弯道点优选地与接近弯道的人行道的边缘相距相等的距离。如这里进一步描述的，系统10被配置成确定允许的(即临界或最大范围)弯道速度剖面，确定车辆条件、比如偏航角速度、速度和地理位置，并且基于允许的弯道速度剖面和操作员偏好或车辆特性输入来确定想要的弯道速度剖面。在这里参考诸如汽车、SUV、卡车等来图示和描述系统10。但是，还可以将其与空运和船只机器一起使用，或者只要期望导航和弯道管理的时候。
[0023] 系统10的优选实施例包括数据库16，具有由多个位置点组成的至少一个地图记录16a，其中每个位置点对应于地球或其它行星物体上的位置(参看图2和3)。更优选地，数据库16包括使用GPS数据的多个增强的数字(ED)地图。这些点优选地呈现多个路线
18，以便形成道路地图。至少一部分的点优选地包括ID链接，这些ID链接能够使给定的点和与在对应位置上的实际状况相对应的标记数据之间相关。更优选地，标记数据可以由操作员14或第三方输入或修改。最后，可以通过传统存储装置，比如CD-ROM、内部硬盘、或可移除存储卡来将数据库16存储在系统10中。
[0024] 系统10包括定位设备20，该定位设备20被配置成确定优选在三维坐标系统下车辆的地理位置。如图1所示，优选的定位器20使用GPS来确定车辆的经度、纬度和高度坐标，并且通常还包括位于车辆12内的GPS接收器22，和随时通信耦合到接收器22的至少四个地图卫星24、26、28、30。可替换地，位于控制点的其它信号源可以通信耦合到接收器
22，并且根据本发明可以利用基于各种大地基准点、单位、投影、和基准的其它坐标系统，比如军用网格基准系统(MGRS)或ECEF X，Y，Z。最后，定位设备20通信耦合到数据库16，并且两者协同地被配置成随时间将车辆12的实际位置与地图记录16a上的第一位置点32相关。如图3所示，优选系统10还包括监视器34，该监视器34被配置成把地图记录16a和车辆位置显示给操作员14。
[0025] 系统10还包括创新的控制器36，该控制器36被配置成当车辆12与多个弯道点
38中的第一个相距最小距离且朝着该点行使时，识别车辆路线18内的接近弯道的18a。每个弯道点38优选地可由归因于它的标记数据来确认，该标记数据表示设计的曲率半径。可以根据如所设计的对应站点偏移来识别一组邻近的弯道点的开始。如图4和图5所示，弯道18a可以呈现圆形、非圆形(例如螺旋形)、或组合弯道。因此，优选系统10被配置成直接从ED地图读取将来的道路几何信息。
[0026] 可替换地，由前述现有系统描述的多个方法可以用于识别弯道点38。例如，弯道点
38可以由之前和之后点的三角测量并通过将由这些点定义的角度与阈值比较来识别。因此，在该配置中，控制器36被配置成初始地执行弯道点识别算法。但是可以理解，在沿着路线的每个位置点与曲率半径的值关联的情况下，控制器36不需要被配置成初始地识别特殊的弯道点。
[0027] 一旦弯道点38被识别，控制器36还被配置成便于由车辆正确地管理弯道。控制器36被配置成确定当前速度Vx，并且更优选地，通信耦合到速度计40或配置成基于GPS数据计算速度。控制器36还被配置成直接计算或从离线计算的表格中获取在该位置处的想要的弯道速度剖面。基于当前速度和想要的弯道速度剖面，控制器36确定加速度剖面，并生成加速或减速命令。最后，控制器36被配置成接着接收实际速度反馈，并由此修改命令，以便呈现接近最优弯道速度的闭合回路系统。
[0028] 为了自发控制弯道速度，优选的控制器36通信耦合到车辆的制动模块42和加速模块44，以便能够使车辆12加速或减速(参看图6)。制动模块42优选地被配置成当前车辆速度被认为大于弯道点想要的弯道点管理速度时，从控制器36接收电子减速命令并且机械地减速车辆12。制动模块42的优选实施例包括与制动器的液压管线相互耦合的至少一个电动机械阀门(未示出)。在另一个实施例中，制动模块42被配置成旁路或抑制(dampen)车辆12至少一部分的加速部件，比如气动踏板，以便允许风和发动机阻力使车辆
12减速。
[0029] 相反，加速模块44优选地被配置成当前车速被认为小于或等于想要的弯道点管理速度时，从控制器36接收电子加速度命令并机械地控制车辆12至少一部分的加速部件。
例如，加速模块44可以被互连并被配置成修改内燃机的性能。更特别地，加速模块44可以被配置成修改燃料/空气混合物的量或组成(constituency)。在电驱动的车辆中，加速模块44可以被配置成调整传递到电动机的电流。
[0030] 用于完成这些任务的控制器36的创新算法和功能的优选实施例如下将更特别地进行描述：
[0031] I.允许的弯道速度剖面
[0032] 对于多个弯道点，初始地确定允许的弯道速度剖面，其中控制器36根据以下公式对于每个点计算允许的或最大的弯道点速度或临界速度Vx_critical：
[0033]
[0034] 并且，θ是在弯道点处弯道的倾斜角，g是重力引起的加速度(9.81m/s2)，R是在弯道点处弯道的曲率半径，并且μ是在弯道点处表面和车辆之间的摩擦系数。
[0035] 可替换地，控制器36可以计算接近弯道18a的曲率剖面并且使用离线生成的临界速度数据库，以获得允许的弯道速度剖面。在该配置中，控制器36可以从表中或从先前直接存储在地图记录16a中的与弯道点关联的标记中检索允许的弯道速度剖面数据。
[0036] II.想要的弯道速度剖面
[0037] 如前所述，本发明的创新方面是修改允许的弯道速度剖面以基于操作员偏好和/或车辆特性输入来确定想要的弯道速度剖面。在通过方程式(1)计算允许的弯道点管理速度的情况下，输入可以由至少一个可变因素表示，并且更优选地由操作员(或驾驶员)因素Kd和单独的车辆因素Kv的乘积来表示。Kd因素尤其可以受到驾驶员的年龄、视力、舒适级别、或驾驶风格和能力、以及车辆所载的乘客和负载重量的影响。Kv因素尤其受到重心高度、轨道宽度、车辆滚动特性、轮胎的成分和结构、道路表面和状况、标出的速度限制、和/或车辆重量的影响。可以理解的是，这些系数可以基于驾驶员的验收标准被示例地调整。最后，想要的弯道点管理速度或舒适速度还通过用降低的最大横向加速度因素Ay(例如0.3g)替换由重力常数所引起的加速度来获得，使得
[0038]
[0039] 更一般地说，想要的弯道速度可以是随后参数的函数；如以下方程式中所示的倾斜角、道路摩擦系数、道路弯曲半径、车辆因素和驾驶员因素。
[0040] Vx_comfort＝F(R，θ，μ，Kv，Kd) (2A)
[0041] 对于每个弯道点执行这个计算以确定想要的弯道速度剖面，其中所述剖面由以下矩阵表示：
[0042]
[0043] 将理解的是，在弯道18a是如图4所示的圆形，并且所有弯道点呈现相同的半径的情况下，想要的弯道速度剖面是常量，并且为第一弯道点计算的想要的弯道点管理速度可以用于整个弯道。
[0044] 在弯道18a是非圆形(参看图5)时，控制器36为多个弯道点的每一个确定单独的所想要的弯道点管理速度，以生成想要的弯道速度剖面。优选地以预定间隔比如150m执行弯道点采样，预定的间隔部分取决于弯道18a的长度。更优选地，间隔可由操作员14来修改，以便在期望的情况下增加精确性或降低混乱。最后类似于允许的弯道点管理速度，可以从所计算值的预先生成的表中检索给定点的想要的弯道点管理速度。
[0045] III.车辆位置确定
[0046] 可以理解的是，精确车辆定位对于实现系统10的正确功能是必须的。使用方程式(2)或想要的弯道点管理速度查找表来确定速度和全局坐标中的当前车辆位置，优选的控制器36被配置成按如下随时间生成想要的位置剖面：
[0047] ddesired＝[d(0)d(1)…d(N)]＝[0d…Nd] (4)
[0048] 想要的位置剖面对应于方程式(3)中的弯道速度剖面点，其中d是用于每个等间距弯道点的步进。但是，可以理解的是，控制器36即使对非等间距的点也正确工作。但是，在GPS信息变得不可靠的情况下，即在所有高的桥、建筑物或其它障碍中变得不可靠的情况下，系统10优选地包括之后在部分(VI)中描述的估计模块。
[0049] IV.加速度剖面
[0050] 基于当前车辆速度Vx和想要的弯道速度剖面来生成加速或减速命令。对于如方程式(3)中所示的想要的速度剖面和方程式(4)中所示的车辆位置，可以根据随后公式为给定弯道点i计算车辆固定坐标中的加速度剖面：
[0051]
[0052] 其中d(i)＝(i-1)d是从当前位置到想要的弯道速度点的距离。因此，对于给定的多个弯道点，想要的弯道速度剖面、当前车辆速度和采样距离可用于确定加速度剖面：
[0053]
[0054] V.弯道速度命令
[0055] 如图7所示，通过应用最小速度差(以预期的传统车辆速度)或最小加速/减速率(其中车辆不能够在弯道点之间的给定距离上实现速度差)控制来到达最优弯道速度(即Vxcmd，Dcmd，Axcmd)，其中最小速度差是给定的弯道点的想要的弯道点管理速度和估计的最优速度之间的差。为来自想要的加速度剖面(6)的最小值选择加速命令。在其它实施例中，使用所述差以及仔细调整的加权因子来修改该命令。更优选地，根据以下公式和算法从最小差来确定加速命令：
[0056] Vx(i)＝Vx(0)+Ax×Δt×i (7)
[0057] W＝[w(o)w(1)…w(N)] (8)
[0058]
[0059]
[0060] 公式(7)提供用加速度Ax通过时间的测量来确定估计的速度的优选方法。矩阵(8)提供适当的加权矢量以供计算使用。公式(9)提供基于想要的(目标)速度和估计的速度之间的差与给定点处加权因子的相乘来为每个弯道点i，从1到N，确定性能指数的优选方法。最后，通过对于Ax偏微分公式(9)，从公式(10)中生成最优命令。公式(10)提供确定最优加速率Ax使得性能指数随最优加速率变化的变化为零的优选方法。
[0061] 可以理解的是，与单个的弯道点分析相反，为实现最优弯道速度剖面而使用控制环路，通过降低点到点的突然制动和迅速加速而显著改善了操作员的舒适性和安全性。在邻近曲率半径中存在大的差异的情况下，如通常在弯道终止点所发现的，最优加速度剖面可以进一步降低错误、故障、和/或事故的可能性。
[0062] 可替换地，可以直接从允许的弯道速度剖面中生成想要的弯道速度剖面、命令和最优速度剖面，其中其它操作员控制的装置被提供用来抑制控制信号。例如，如图3所示的操纵盘46可以被提供用于在由模块42、44接收之前降低所生成加速/减速命令的幅度，而不是周期或循环。当朝着最小响应设置来调整操纵盘46时，系统10在弯道点实现更低的速度，同时维持了正确的位置。
[0063] VI.定位估计模块
[0064] 在系统10的另一个方面，控制器36优选地包括估计模块48，该模块使车辆12能够基于车辆12的当前状况，比如当前车辆速度、转向角、偏航角速度或其组合，来估计将来的位置和车辆速度。在说明的实施例中，系统10包括连接到车辆12并操作用于感测车辆的偏航角速度(即旋转速率)的偏航角速度传感器50、和具有传感器的转向角模块52(参看图1)。转向角模块52被配置成检测方向盘54的正时钟旋转的当前度数并将其传递给控制器
36(参看图3)，其中零度表示可由在路线18大致直的部分上行驶期间的方向盘位置来校准。
[0065] 更优选地，并且如图8所示，当前速度Vx和转向角δf由控制器36来识别并用于确定车辆12在时间n的将来位置Y(n)。在时间n，传感器50，52和定位设备20提供车辆Yx的实际位置。车辆12的实际位置和估计位置之间的差提供了误差测量ΔY(＝Y(n)-Yx)，将该误差测量与基于RLS的参数估计子模块56例程中的阈值控制值进行比较。
[0066] VII.系统反馈和控制
[0067] 在差ΔY超过阈值的情况下，估计模块46被修改，以便提供闭合和反馈控制系统。
在差ΔY在阈值内的情况下，模块46提供精确的方法来预测在运动学模型中定位的车辆。
控制器36和传感器50、52还被配置成在修改命令时提供恒定车辆速度反馈以达到最优弯道速度。换句话说，优选控制器36还被配置成将弯道点38处的实际车辆速度与先前确定的想要的弯道点速度进行比较，并且基于给定弯道点的修正当前速度来修改加速/减速命令。
[0068] 传感器信息的另一个用途是激活和去激活系统性能而不干扰操作员14控制车辆。在优选实施例中，当车辆12在预定期间(对于当前车辆速度)从接近弯道18a的第一弯道点38开始时，系统10被自动激活。系统10还可以被配置成通过视觉、听觉或触觉装置(比如加速器踏板力反馈)来对命令进行操作。例如当想要弯道管理帮助时，语音请求/语音响应或按键按压/语音响应机制可以由操作员14致动。优选加速和减速率可以被编程到系统10中作为离线的校准常量，或更优选地由操作员14输入和修改。
[0069] 由包括具有地图数据库的导航系统的车辆进行弯道管理的优选方法由控制器执行并且包括在第一步骤100，将数据库中的车辆(参看图9)定位在接近的弯道18a之前。在第二步骤102，当前车辆速度被确定并且弯道的第一接近弯道点被识别。在第三步骤104，为接近的弯道点确定弯道点半径和允许的弯道点管理速度。一旦允许的弯道点管理速度被确定，并且在步骤106，进一步接收操作员偏好或车辆特性输入以确定想要的弯道点管理速度。
[0070] 在步骤108，将想要的弯道点管理速度存储足够的时期，并且为多个后续弯道点重复步骤102到106，以便确定弯道18a的想要的弯道速度剖面。在步骤110，基于想要的弯道速度剖面和当前车辆速度来确定加速度剖面。在步骤112，加速命令被生成并被传递到制动模块或加速模块。在步骤114，在弯道点实际达到的车辆速度被反馈给控制器，并且最小差或最小加速度控制以及调整的加权因子被用于不断地更新加速/减速命令，以便达到最优弯道速度。最后，在步骤116，该方法在随后的弯道点从步骤110开始重复，直到该方法通过离开现有的弯道18a而终止。
[0071] 上述的本发明的优选形式被只用作为说明，且不应当用来在限制方面来解释本发明的范围。对这里所述的示例实施例和操作方法的显然修改可以很容易地由本领域技术人员做出而不会偏离本发明的精神。本发明由此阐明了其旨在依赖于等效原则来确定和评定本发明的合理范围，即关于本质上未偏离随后权利要求所述的本发明的文字范围但在其之外的任何系统或方法。