用于車輛巡航控制的方法和系統的制作方法

用于車輛巡航控制的方法和系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及用于車輛巡航控制的方法和系統。提供了用于改善在巡航控制模式下運轉的車輛的性能的方法和系統，其中控制器調整來自車輛的扭矩輸出以將車輛速度維持在期望的范圍內。所述方法和系統包括使向非線性模型預測控制器提供輸入的車輛動態模型和車輛燃料消耗模型自適應。
【專利說明】
用于車輛巡航控制的方法和系統
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2015年4月13日提交的標題為"METHOD AND SYSTEM FOR VEHICLE CRUISE CONTROL"的美國臨時專利申請號62/146，880的優先權，為了所有目的，其整個內容 被并入本文以供參考。
技術領域
[0003] 本發明涉及用于控制在車輛駕駛員請求車輛速度被自動控制的巡航控制模式下 運轉的車輛的速度的方法和系統。
【背景技術】
[0004] 車輛可以在幾乎沒有來自車輛駕駛員的輸入的情況下經由控制器使其速度被自 動控制到期望的速度。控制器調整車輛速度的一種示例方式是使車輛在巡航控制模式下運 轉。巡航控制模式可以被描述為在駕駛員沒有從車輛動力源請求扭矩的情況下車輛速度被 維持在經由上限和下限車輛速度閾值限定的期望的車輛速度范圍內的車輛運轉模式。控制 器經由調整車輛的動力源的扭矩輸出而將車輛速度維持在期望的速度范圍內。因此，車輛 速度經由增加和降低車輛動力源的扭矩輸出而被維持在期望的速度范圍內。控制器維持車 輛速度的一種方式是基于車輛速度的誤差成比例地調整來自車輛動力源的扭矩輸出。控制 器可以應用比例/積分/微分(PID)算法或一些類似的變體，以調整車輛動力源的扭矩輸出 并將車輛速度維持在期望的車輛速度范圍內。然而，PID車輛速度控制算法是保守的，因為 它們主要依賴于目前或當前車輛速度誤差來提供經修正的車輛速度軌跡。因此并且因為車 輛在巡航控制模式下通常在更高擋位運轉，控制器可以在它從車輛的動力源請求的扭矩方 面作出較大改變。請求的扭矩的擺動會增加車輛燃料消耗并且干擾駕駛員。

【發明內容】

[0005] 發明人在此已經認識到上面提到的問題，并且已經開發了一種車輛系統，其包含： 車輛，其包括動力扭矩源；以及在車輛中的控制器，控制器包括被存儲在非臨時性存儲器中 的可執行指令，指令包括自適應非線性模型預測巡航控制程序。
[0006] 通過使車輛模型自適應并且向非線性模型預測巡航控制程序提供來自自適應的 車輛模型的輸出，當使車輛在巡航控制模式下運轉時提供降低車輛扭矩需求擺動的技術效 果可以是可能的。基于推測的道路坡度信息可以至少部分地降低扭矩擺動。另外，當車輛在 巡航控制模式下時使車輛模型和車輛燃料消耗模型實時自適應允許非線性模型預測巡航 控制模式將扭矩控制策略從恒定扭矩輸出調整為脈沖滑行扭矩輸出，由此允許來自控制器 的多個扭矩解策略用于相同的行駛狀況，除了由于燃料性質的車輛燃料消耗模型的改變或 發動機運轉特性的其他改變。燃料經濟性最佳策略因此基于車輛燃料消耗模型的實際特性 被自動選擇。
[0007] 本發明可以提供若干優點。具體地，該方法可以降低在請求的車輛扭矩方面的更 大改變的傾向以維持車輛速度。此外，該方法可以經由降低燃料消耗來降低車輛的運轉成 本。另外，該方法可以通過當使車輛在巡航控制模式下運轉時主動請求變速器換擋為空擋 進一步降低車輛燃料消耗。
[0008] 當單獨或參考附圖閱讀以下【具體實施方式】時，本發明的上述優點和其他優點以及 特征將是顯而易見的。
[0009] 應當理解，提供以上概述是為了以簡化的形式介紹一些概念，這些概念在具體實 施方式中被進一步描述。這并不意味著確定所要求保護的主題的關鍵或基本特征，要求保 護的主題的范圍隨附于【具體實施方式】的權利要求唯一地限定。此外，要求保護的主題不限 于解決在上面或在本公開的任何部分中提及的任何缺點的實施方式。
【附圖說明】
[001 0]圖1示出了可以被包括在本文中描述的系統和方法中的示例車輛；
[0011] 圖2示出了示例車輛及其電子視野；
[0012] 圖3示出了示例車輛動力源；
[0013]圖4示出了包括車輛動力源的示例車輛傳動系；
[0014] 圖5示出了示例車輛巡航控制系統的框圖；
[0015] 圖6A和圖6B示出了用于具有燃料優化并且可能具有空擋選擇的自適應非線性模 型預測巡航控制的示例方法；
[0016] 圖7示出了用于非線性模型預測巡航控制（即在序列二次規劃(SQP)迭代處）的優 化的詳細的示例方法；
[0017] 圖8示出用于具有燃料優化并且具有空擋選擇的非線性模型預測巡航控制的詳細 的示例方法；
[0018] 圖9A和圖9B示出了示例車輛燃料消耗模型；以及
[0019] 圖10示出了具有空擋選擇的示例車輛巡航控制順序。
【具體實施方式】
[0020] 以下描述涉及用于改善在巡航控制模式下運轉的車輛的運轉的系統和方法。圖1 示出了用于在巡航控制模式下運轉的非限制性示例車輛，其中控制器應用具有燃料優化的 非線性模型預測巡航控制算法。圖2示出了示例車輛和向自適應非線性模型預測巡航控制 算法提供輸入的電子視野。圖3和圖4示出了在車輛傳動系內的非限制性車輛動力源。圖5是 示例車輛巡航控制系統的框圖。在圖6A-圖8中提供了用于使車輛在巡航控制下運轉的方法 (包括自適應非線性模型預測巡航控制算法的一種示例變體）。在圖9A和圖9B中示出了示例 車輛動力源燃料消耗模型。圖10是示例車輛巡航控制模式運轉順序。
[0021] 現在參照圖1，車輛100包括用于接收傳感器數據并且調整致動器的控制器12。控 制器12可以使車輛100在巡航控制模式下運轉，其中車輛速度被維持在由上限車輛速度閾 值和下限車輛速度閾值限定的期望的車輛速度范圍內。在一些示例中，控制器12可以與額 外的控制器協作以使車輛100運轉。車輛100被示為具有全球定位系統(GPS)接收器130。衛 星102向GPS接收器130提供時間標記信息，所述GPS接收器130向車輛位置確定系統140傳遞 該信息。車輛位置確定系統140向控制器12傳遞當前和未來的道路坡度數據。車輛100還可 以配備有用于觀察車輛135的路徑中的道路狀況的可選攝像機135。例如，攝像機135可以從 道路側符號166或顯示采集道路狀況。車輛位置確定系統140可以替代地經由接收器132從 靜止廣播塔104采集用于確定車輛位置的信息。在一些示例中，車輛100還可以包括用于確 定車輛100的行進路徑中的車輛的接近度的傳感器138。傳感器138可以是基于激光、聲音或 雷達信號的。
[0022] 在該示例中，車輛100被示為乘用車輛。然而，在一些示例中，車輛100可以是商用 車輛，諸如貨運半掛車和卡車、火車或船舶。
[0023] 現在參照圖2,其示出了示例車輛100和對應于車輛的電子視野的距離210。車輛 100產生由道路214的道路坡度信息構成的電子視野(例如，數據向量）。電子視野由多個塊 220或段組成，并且塊具有單個相關的或對應的道路坡度或斜率的信號。塊的長度可以基于 距離或時間。道路坡度信息針對車輛的行進路徑中的預定距離210或預定時間量來提供。道 路坡度信息可以被提供給在圖1中示出的控制器12。例如，道路坡度可以針對車輛100的路 徑中的預定距離(例如1500米)來提供。替代地，可以為車輛的進行路徑未來的預定時間量 提供道路坡度。例如，可以為以I l〇Km/hr行進的車輛未來的10秒或大約1833米提供道路坡 度。道路坡度數據可以被存儲在圖1中示出的車輛位置確定系統140的存儲器中，或它可以 基于被存儲在存儲器中的道路海拔高度值來確定。在一個示例中，可以通過基于車輛位置 和航向為存儲器編索引而從存儲器檢索道路坡度值。在預定距離或時間內發生的道路坡度 值可以作為陣列或向量被存儲在存儲器中，并且當車輛在先進先出的基礎上移動時可以提 供對該陣列的更新。例如，如果道路坡度值針對每100米的道路表面來提供，那么對應于 1500米的道路坡度數據的陣列包括15個塊和其對應的道路坡度值。道路坡度值可以在塊之 間逐步改變。
[0024]現在參照圖3,示出了示例車輛動力源。在該示例中，車輛動力源是火花點火發動 機。然而，車輛動力源可以是柴油發動機、渦輪機或電動機器。
[0025]圖3是示出發動機系統300中的多缸發動機330的一個汽缸的示意圖。發動機330可 以至少部分地由包括控制器12的控制系統控制以及經由輸入裝置380來自車輛操作者382 的輸入控制。在這個示例中，輸入裝置380包括加速器踏板和用于產生成比例的踏板位置信 號PP的踏板位置傳感器384。
[0026]發動機330的燃燒室332可以包括由汽缸壁334形成的汽缸，活塞336被設置在汽缸 中。活塞336可以被耦接至曲軸340,使得活塞的往復運動被轉換為曲軸的旋轉運動。曲軸 340可以經由中間變速器系統耦接至車輛的至少一個驅動輪。另外，啟動機馬達可以經由飛 輪被耦接至曲軸340，以實現發動機330的啟動運轉。
[0027]燃燒室332可以經由進氣通道342從進氣歧管344接收進氣空氣，并且可以經由排 氣通道348排出燃燒氣體。進氣歧管344和排氣通道348能夠經由各自的進氣門352和排氣門 354與燃燒室332選擇性地連通。在一些示例中，燃燒室332可以包括兩個或更多個進氣門 和/或兩個或更多個排氣門。
[0028]在該示例中，可以經由各自的凸輪驅動系統351和353通過凸輪驅動控制進氣門 352和排氣門354。凸輪驅動系統351和353均可以包括一個或多個凸輪，并且可以使用可以 由控制器12運轉的凸輪廓線變換系統(CPS )、可變凸輪正時(VCT )、可變氣門正時(VVT)和/ 或可變氣門升程(VVL)系統中的一個或多個，以改變氣門運轉。進氣門352和排氣門354的位 置可以分別由位置傳感器355和357確定。在可替代的示例中，進氣門352和/或排氣門354可 以由電動氣門驅動控制。例如，汽缸332可以可替代地包括通過電動氣門驅動控制的進氣門 和通過包括CPS和/或VCT系統的凸輪驅動控制的排氣門。
[0029]燃料噴射器369被示為直接耦接至燃燒室332,以便與自控制器12接收的信號的脈 沖寬度成比例地將燃料直接噴射進燃燒室。以此方式，燃料噴射器369提供到燃燒室332內 的所謂的燃料直接噴射。例如，燃料噴射器可以被安裝在燃燒室的側面中或在燃燒室的頂 部中。燃料可以通過包括燃料箱、燃料栗和燃料軌道的燃料系統(未示出）輸送至燃料噴射 器369。在一些示例中，可替代地或額外地，燃燒室332可以包括以如下構造布置在進氣歧管 344中的燃料噴射器，所述構造提供了到燃燒室332上游的進氣道的所謂的燃料進氣道噴 射。
[0030] 火花經由火花塞366被提供給燃燒室332。點火系統可以進一步包含用于增加向火 花塞366供應的電壓的點火線圈（未示出）。在諸如柴油機的其他示例中，火花塞366可以被 省略。
[0031] 進氣通道342可以包括具有節流板364的節氣門362。在該特定示例中，控制器12可 以通過提供給被包括在節氣門362內的電動馬達或致動器改變節流板364的位置，這種構造 通常被稱為電子節氣門控制(ETC)。以此方式，節氣門362可以被運轉以改變提供給其他發 動機汽缸的燃燒室332的進氣空氣。節流板364的位置可以通過節氣門位置信號提供給控制 器12。進氣通道342可以包括質量空氣流量傳感器120和歧管空氣壓力傳感器322,用于感測 進入發動機330的空氣量。
[0032] 排氣傳感器327被示為耦接至根據排氣流方向在排放控制裝置370上游的排氣通 道348。傳感器327可以是用于提供排氣空燃比指示的任何合適的傳感器，諸如線性氧傳感 器或UEGO(通用或寬域排氣氧傳感器）、雙態氧傳感器或EG0、HEG0(加熱型EGO)、N0x、HC或CO 傳感器。在一個示例中，上游排氣傳感器327是被配置為提供輸出的UEG0,輸出諸如為與存 在于排氣中的氧氣量成比例的電壓信號。控制器12經由氧傳感器傳遞函數將氧傳感器輸出 轉換為排氣空燃比。
[0033]排放控制裝置370被示為沿著排氣傳感器327下游的排氣通道348布置。裝置370可 以是三元催化劑(TWC)、Ν0χ捕集器、各種其他排放控制裝置或其組合。在一些示例中，在發 動機330的運轉期間，排放控制裝置370可以通過使發動機的至少一個汽缸在特定空燃比內 運轉而被周期性地重置。
[0034]控制器12在圖3中被示為微型計算機，其包括微處理單元(CPU)302、輸入/輸出端 口（1/0)304、在這個具體示例中作為只讀存儲器芯片(R0M)306(例如，非臨時性存儲器)示 出的用于可執行程序和校準數值的電子存儲介質、隨機存取存儲器(RAM)308、保活存取器 (KAM)310和數據總線。控制器12可以接收來自耦接至發動機330的傳感器的各種信號，除了 之前所討論的那些信號外，還包括：來自質量空氣流量傳感器320的進氣質量空氣流量 (MAF)的測量值;來自耦接至冷卻套筒314的溫度傳感器323的發動機冷卻液溫度(ECT);來 自感測曲軸340的位置的霍爾效應傳感器318(或其他類型）的發動機位置信號;來自節氣門 位置傳感器365的節氣門位置；以及來自傳感器322的歧管絕對壓力(MAP)信號。發動機轉速 信號可以由控制器12根據曲軸位置傳感器318產生。歧管壓力信號還提供進氣歧管344內的 真空或壓力的指示。注意，可以使用上述傳感器的各種組合，例如有MAF傳感器而沒有MAP傳 感器，或反之亦然。在發動機運轉期間，發動機扭矩可以根據MAP傳感器322的輸出和發動機 轉速來推測。另外，該傳感器連同所檢測的發動機轉速可以是用于估計被吸入汽缸內的充 氣(包括空氣）的基礎。在一個示例中，也用作發動機轉速傳感器的曲軸位置傳感器318可以 在曲軸的每次旋轉產生預定數量的等間距脈沖。
[0035]存儲介質只讀存儲器306能夠用計算機可讀數據編程，該計算機可讀數據表示可 由處理器302執行的非臨時性指令，用于實現以下所述方法的至少一些部分以及預期但沒 有具體列出的其他變體。
[0036]在運轉期間，發動機330內的每個汽缸通常經歷四行程循環:循環包括進氣行程、 壓縮行程、膨脹行程和排氣行程。一般來說，在進氣行程期間，排氣門354關閉，而進氣門352 打開。空氣經由進氣歧管344引入燃燒室332,并且活塞336移動至汽缸的底部，以便增加燃 燒室332內的容積。活塞336靠近汽缸的底部并在其行程結束的位置(例如，當燃燒室332處 于其最大容積時)通常被本領域技術人員稱為下止點(BDC)。
[0037]在壓縮行程期間，進氣門352和排氣門354關閉。活塞336朝向汽缸蓋移動，以便壓 縮燃燒室332內的空氣。活塞336在其行程結束并最靠近汽缸蓋的點（例如，當燃燒室332處 于其最小容積時）通常被本領域技術人員稱為上止點（TDC)。在下文中被稱為噴射的過程 中，燃料被引入燃燒室。在下文中被稱為點火的過程中，被噴射的燃料通過已知的點火手段 (如火花塞366)點燃，從而導致燃燒。
[0038]在膨脹行程期間，膨脹的氣體將活塞336推回至BDC。曲軸340將活塞運動轉換為旋 轉軸的旋轉扭矩。最后，在排氣行程期間，排氣門354打開，以便將已燃燒的空氣-燃料混合 物釋放至排氣歧管348,并且活塞返回至TDC。注意，上述內容僅作為示例示出，并且進氣門 和排氣門打開和/或關閉正時可以改變，諸如以提供正或負氣門重疊、進氣延遲關閉或各種 其他示例。
[0039]如在上面描述的，圖3僅示出了多缸發動機的一個汽缸，并且每個汽缸可以類似地 包括其自身組的進氣門/排氣門、燃料噴射器、火花塞等。
[0040]現在參照圖4,其示出了車輛動力傳動系統400的示意圖。動力傳動系統400可以由 如在圖3中更詳細地示出的發動機330提供動力。在一個示例中，發動機330可以是汽油發動 機。在替代示例中，其他發動機構造可以被采用，例如柴油發動機。發動機330可以用發動機 啟動系統（未示出）來啟動。另外，發動機330可以經由扭矩致動器404(諸如燃料噴射器、節 氣門、凸輪等)來產生或調整扭矩。
[0041]發動機輸出扭矩可以被傳輸至液力變矩器406,以通過接合一個或多個離合器(包 括前進離合器410)驅動多級自動變速器（step-ratio automatic transmission)408,其中 液力變矩器可以稱為變速器的一個部件。液力變矩器406包括經由液壓流體向渦輪422傳輸 扭矩的葉輪420。一個或多個齒式離合器424可以被接合，以改變發動機310與車輪414之間 的齒輪比。液力變矩器406的輸出轉而可以由液力變矩器鎖止離合器412控制。因此，當液力 變矩器鎖止離合器412完全分離時，液力變矩器406經由液力變矩器渦輪422與液力變矩器 葉輪420之間的流體轉移將扭矩傳輸至自動變速器408，由此實現扭矩倍增。相比之下，當液 力變矩器鎖止離合器412完全接合時，發動機輸出扭矩經由液力變矩器離合器412被直接轉 移至變速器408的輸入軸。可替代地，液力變矩器鎖止離合器412可以部分接合，由此使傳遞 至變速器的扭矩量能被調整。控制器12可以被配置為，響應于各種發動機工況或基于駕駛 員的發動機運轉請求，通過調整液力變矩器鎖止離合器來調整通過液力變矩器傳輸的扭矩 量。
[0042]從自動變速器408輸出的扭矩轉而可以被傳遞至車輪414，以推動車輛。具體地，在 將輸出驅動扭矩傳輸至車輪之前，響應于車輛行進條件，自動變速器408可以在輸入軸(未 示出）處調整輸入驅動扭矩。車輛速度可以經由速度傳感器430確定。
[0043]另外，車輪414可以通過接合車輪制動器416來鎖定。在一個示例中，車輪制動器 416可以響應于駕駛員將其足部壓在制動器踏板(未示出）上而被接合。以類似的方式，車輪 414可以通過響應于駕駛員從制動器踏板釋放其足部而分離車輪制動器416來解除鎖定。
[0044] 現在參照圖5,示出了示例車輛巡航控制系統的框圖。巡航控制系統500包括如在 框502處示出的車輛傳感器。車輛傳感器可以包括但不限于用于確定車輛動力源扭矩、速 度、能量消耗或燃料消耗、周圍環境工況、距離測量裝置、GPS信號、道路狀況和駕駛員輸入 的傳感器。駕駛員輸入可以包括期望的車輛速度、制動器踏板位置、加速器踏板位置、更高 的車輛速度閾值和更低的車輛速度閾值。車輛傳感器信息可以被輸入到電子視野510、控制 器約束條件508、車輛動態模型512、模型預測巡航控制優化器530、遞歸最小二乘參數適配 器504、車輛燃料消耗模型514、發動機扭矩模型516和領頭車輛模型518。
[0045] 電子視野框510可以被包括在圖1的控制器12中，或它可以被包括在圖1中示出的 車輛位置確定系統140中。電子視野可以由存儲器位置或數據的向量的陣列構成，并且該陣 列可以包括描述車輛正在行進的道路的道路坡度的多個道路坡度值。在一個示例中，電子 視野從描述道路狀況的數據庫提取道路坡度值(例如，被存儲在存儲器中的坡度值，從地球 的表面的三維地圖提取的坡度值）。道路坡度值可以包括在車輛的當前位置處的道路坡度 以及在車輛的行進路徑中在車輛前面的道路坡度值。道路坡度可以被轉換為道路角度。電 子視野框510在選定的時間更新道路坡度值的陣列或向量，并且向巡航控制優化器530發送 更新的陣列。道路坡度值可以針對未來的預定行進時間或針對在車輛前面的預定距離被提 供。
[0046]在框512處，巡航控制系統500包括車輛動態模型。車輛動態模型是基于物理的，并 且可以被描述為：
[0047]
[0048] I由Π1縣主無席量.V縣主無諫度，FTrac是牽引力，該牽引力被定義為：
[0049]
[0050] FAer。是空氣動力阻力，其被定義為：
[0051]
[0052] ?1?。11是輪胎滾動阻力，其被定義為：
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]其中車輪制動力是Fbrake,傳動系損失是Idl;有效車輪半徑是Rra;變速器齒輪比是 γ (G);選定的齒輪比是G;車輛的最終傳動比是Rfdr;動力源制動扭矩是T;環境空氣密度是 Ρ;車輛的迎風面積是Α;車輛的空氣動力阻力系數是Dd;重力加速度是g;輪胎滾動阻力系數 是ki和k2;道路角度是爐;1:是時間；以及車輛質量是m。
[0057] 車輛動態模型被簡化為：
[0058]
[0059] 其中扮-如是自適應系數。該簡化允許βι_β4項的遞歸最小二乘(RLS)自適應或另一 合適的方法。自適應參數改善了車輛動態模型性能，并且改善的車輛動態模型性能改善了 非線性模型預測控制器性能。自適應參數是可調整的，以補償車輛質量、風、輪胎狀況以及 其他車輛工況的改變。車輛動態模型可以通過添加干擾項d v被進一步擴大。dv的值可以比β 項更頻繁地被估計，并且在一個示例中，它可以經由擴展卡爾曼濾波器來估計。
[0060] 在框514處，巡航控制系統500包括車輛燃料消耗模型。車輛燃料消耗模型估計車 輛燃料消耗，并且它為優化器框530中的優化車輛燃料經濟性提供輸入。車輛燃料消耗被表 示為多項式的形式：
[0061]
[0062]其中以^是到車輛的動力源的燃料流；以及Co-C5是自適應系數。車輛燃料流模型 允許Co-C5項的遞歸最小二乘(RLS)自適應或另一合適的方法。自適應參數改善了車輛燃料 消耗模型性能，并且改善的車輛燃料消耗模型性能改善了非線性模型預測控制器性能。 [0063]在框504處，巡航控制系統500包括用于調整用于車輛動態模型和車輛燃料消耗模 型的β和c系數的遞歸最小二乘參數估計器。期望隨著車輛工況改變而調整β和c系數，使得 期望水平的控制器性能可以被實現。遞歸最小二乘估計器使參數向量X遞歸地適應于滿足 方程組（以矩陣形式）：
[0064] yk = Hkx+vk。
[0065]新參數估計為：
[0066]
[0067] 其中Hk是mxn矩陣，Kk是nxm估計器增益，并且yk-HkXk-1是修正項。
[0068]其中噪聲Vk具有零均值和協方差Rk。估計器增益Kk和協方差矩陣Pk被更新為如下：
[0069]
[0070] Pk=(I-KkHk)Pk-I
[0071] 遞伯最小二垂估計器誦忖以下夾初始化：
[0072]
[0073]
[0074] 其中，當X未知時，Po= 01，而當X已知時，Po = 0。在車輛動態模型和車輛燃料消耗 模型中使用的實際車輛數據被收集，并且模型系數利用遞歸最小二乘被調整。
[0075]在框516處，巡航控制系統500包括用于車輛的動力源的發動機扭矩模型。發動機 扭矩模型描述了自發動機扭矩被請求以后發動機扭矩產生的延遲。發動機扭矩模型可以被 表示為：
[0076]
[0077] 其中τ是被表示為發動機轉速Ne和需求扭矩Td的函數的時間常數;并且其中T是發 動機或動力源輸出扭矩。需求扭矩是處于空擋標志的變速器或存儲器中的積分變量的函 數。具體地，發動機扭矩需求為：
[0078] Td = Tin(l-Nfi)+TidieNfi
[0079] 其中Tin是輸入扭矩;Nn是空擋標志（例如，對于處于空擋來說為1，對于處于某一 擋位來說為0);并且T ldle是發動機怠速扭矩。發動機轉速也是處于空擋標志的變速器的函 數：
[0080]
[0081]其中Nidie是發動機怠速轉速，V1是車輛速度，并且其他變量是如之前描述的。
[0082]在框518處，巡航控制系統500包括領頭車輛模型、或正由在巡航控制模式下運轉 的車輛跟隨的車輛的模型。領頭車輛模型應用于知曉在巡航控制模式下運轉的車輛的路徑 中的車輛的系統。領頭車輛模型幾乎沒有領頭車輛信息，但是它被用來預測車輛加速何時 被允許和車輛減速何時可以被期望。領頭車輛可以被建模為：
[0083]
[0084] 其中V1是領頭車輛的實際速度，ai是領頭車輛的加速度，并且^是表示預期的加速 度的時間常數的時間常數。領頭車輛與在巡航控制模式下運轉的車輛之間的距離可以被表 示為：
[0085]
[0086] 其中D1是領頭車輛與在巡航控制模式下運轉的車輛之間的距離，并且V是在巡航 控制模式下運轉的車輛的速度。領頭車輛的速度可以根據跟隨車輛的雷達或激光距離測量 裝置來估計。
[0087]在框506處，車輛巡航控制系統500包括成本函數。成本函數描述了用于優化器530 的控制目的或目標。例如，成本函數可以試圖最小化燃料消耗，將車輛速度保持在由上限車 輛速度和下限車輛速度限定的預定的車輛速度范圍內，維持車輛之間的最小距離，以及將 車輛動力的扭矩輸出限制為小于閾值扭矩。一個示例成本函數的具體細節在圖7的708處進 行描述。
[0088]在框508處，巡航控制系統500運轉約束條件根據駕駛員輸入和/或根據被存儲在 存儲器中的變量或函數來確定。在一個示例中，駕駛員可以輸入期望的車輛速度，并且上限 車輛速度閾值和下限車輛速度閾值可以基于期望的車輛速度來確定。例如，駕駛員可以輸 入IOOKPH的期望的車輛速度，并且11OKPH的上限速度閾值和90ΚΡΗ的下限閾值可以通過從 期望的車輛速度添加和減去偏移值來確定。在另一些示例中，車輛系統可以基于張貼的道 路速度調整上限閾值車輛速度。例如，如果駕駛員選擇90ΚΡΗ的期望的車輛速度而道路速度 限制是100ΚΡΗ，那么上限車輛閾值速度可以被調整為100ΚΡΗ。最大動力源扭矩和最小車輛 跟隨距離可以被預先確定，并且被存儲在存儲器中。替代地，駕駛員可以輸入約束條件值。 另外，期望的車輛速度和速度約束條件可以經由駕駛員作用加速器踏板而被暫時地調整。
[0089] 在框530處，巡航控制系統500應用來自框506至518的輸入，以確定輸出到車輛的 動力源的最佳的扭矩命令或需求。另外，優化器530可以選擇性地分離變速器前進齒輪，從 而使變速器處于空擋(例如，未接合的變速器齒輪使動力源與車輪分離），以引起車輛滑行 并且增加車輛燃料經濟性。在變速器先前被換擋為空擋之后，優化器530可以選擇性地接合 前進變速器齒輪，以維持或增加車輛速度。優化器使用序列二次規劃(參見用于額外細節的 圖7)來求解優化問題。關于優化器的運轉的額外細節被提供在圖6A-圖8的描述中。
[0090] 在框520處，車輛的變速器可以被換擋為空擋使得車輛啟動或滑行，或替代地，車 輛的變速器可以被換擋為前進擋位以使車輛加速。車輛的變速器可以通過經由齒輪控制螺 線管釋放齒式離合器上的液壓壓力而被換擋為空擋。車輛的變速器可以通過經由齒輪控制 螺線管將液壓流體壓力作用于變速器齒式離合器而被換擋為前進擋位(例如，第5個擋位）。
[0091] 在框522處，車輛的動力源輸出扭矩可以被調整。如果動力源是發動機，那么發動 機扭矩可以經由調整節氣門位置、火花正時、燃料噴射正時和凸輪正時或相位中的一個或 多個來增加。如果動力源是電動機器，那么機器扭矩可以經由改變向該電動機器供應的電 流來調整。
[0092] 因此，圖5的巡航控制系統向車輛動力源提供扭矩命令并且向變速器提供某一擋 位或空擋命令，以當車輛正在巡航控制模式下運轉時優化車輛燃料經濟性。控制器通過應 用序列二次規劃解決了巡航控制問題。
[0093] 圖1-5的系統提供了一種車輛系統，其包含:車輛，其包括動力扭矩源；以及在車輛 中的控制器，所述控制器包括被存儲在非臨時性存儲器中的可執行指令，所述指令包括自 適應非線性模型預測巡航控制程序。所述車輛系統包括，其中自適應非線性模型預測巡航 控制程序包括車輛動態模型和用于使車輛動態模型自適應的指令。所述車輛系統包括，其 中車輛動態模型經由遞歸最小二乘自適應。所述車輛系統包括，其中自適應非線性模型預 測巡航控制程序包括車輛燃料消耗模型和用于使車輛燃料消耗模型自適應的指令。所述車 輛系統包括，其中車輛燃料消耗模型經由遞歸最小二乘來進行自適應。所述車輛系統包括， 其中當車輛在道路上正在巡航控制模式下運轉時，自適應非線性模型預測巡航控制程序使 車輛動態模型和車輛燃料消耗模型實時自適應。所述車輛系統包括，其中自適應非線性模 型預測巡航控制程序向動力扭矩源輸出扭矩需求。
[0094] 圖1-圖5的系統還提供了一種車輛系統，其包含:車輛，其包括動力扭矩源；以及在 車輛中的控制器，所述控制器包括被存儲在非臨時性存儲器中的可執行指令，所述指令包 括具有變速器空擋狀態激活的自適應非線性模型預測巡航控制程序。所述車輛系統進一步 包含，被耦接到動力扭矩源的變速器，并且其中自適應非線性模型預測巡航控制程序指令 包括用于評估使車輛在變速器處于空擋的情況下運轉的指令。所述車輛系統包括，其中自 適應非線性模型預測巡航控制程序指令包括用于評估使車輛在預期車輛在未來的時間遇 到的道路狀況下運轉的指令。
[0095] 在一些示例中，所述車輛系統包括，其中自適應非線性模型預測巡航控制程序指 令包括用于響應于預測視野(prediction horizon)而基于映射的道路狀況評估使車輛在 預期車輛在未來的時間遇到的道路狀況下運轉的指令。所述車輛系統包括，其中自適應非 線性模型預測巡航控制程序指令包括向動力扭矩源輸出命令的指令。所述車輛系統還包 括，其中自適應非線性模型預測巡航控制程序指令包括響應于從在與車輛相同的道路上運 轉的領頭車輛獲得的數據而調整向動力扭矩源供應的扭矩命令的指令。所述車輛系統包 括，其中自適應非線性模型預測巡航控制程序指令包括基于在車輛的當前位置前面的預測 的道路坡度確定最佳車輛速度分布圖和對應的扭矩分布圖的指令。
[0096]現在參照圖6A和圖6B，示出了用于具有燃料優化的自適應非線性模型預測巡航控 制的示例方法600。方法600的至少某些部分可以作為存儲在非臨時性存儲器中的可執行指 令被包括在如在圖1-圖5示出的系統中。指令可以提供控制程序。另外，方法600可以包括圖 7和圖8的方法。此外，圖6A和圖6B的方法可以提供在圖10中示出的運轉順序。圖6A-圖8的方 法可以在在道路上行駛的車輛中被實時執行。
[0097]在602處，方法600初始化控制參數。要在模型和優化程序中被初始化的控制參數 可以包括但不限于當前車輛速度、當前動力源輸出扭矩、當前動力源速度、當前動力源燃料 消耗率、車輛正在行進的當前道路角度和選定的變速器擋位。在控制參數被初始化之后，方 法600進入到604。
[0098]在604處，方法600判斷巡航控制模式是否被期望。響應于駕駛員作用按鈕、開關、 或發出指示進入巡航控制模式的期望的語音命令，可以確定巡航控制模式被期望。在巡航 控制模式期間，動力源的扭矩輸出經由控制器12調整，以將車輛速度維持在由上限速度閾 值(例如，IOOKPH)和下限速度閾值(例如，90KPH)限定的期望的速度范圍內。因此，車輛扭矩 輸出被調整以維持期望的車輛速度。如果駕駛員作用制動器、操作按鈕、開關、或發出語音 命令，則可以判斷巡航控制模式不被期望。如果方法600判斷巡航控制模式被期望，那么回 答為是并且方法600進入到606。否則，回答為否并且方法600退出。
[0099] 在606處，方法600從系統傳感器和存儲器接收新數據。傳感器數據可以包括但不 限于車輛速度、道路坡度或斜率、動力源扭矩輸出、動力源燃料消耗或能量消耗、動力源速 度和當前選定的變速器擋位。來自存儲器的數據可以包括但不限于巡航控制約束條件、期 望的車輛速度、到領頭車輛的最小車輛跟隨距離和控制器調整參數。在新數據被接收之后， 方法600進入到608。
[0100] 在608處，方法600修正或更新用于在圖5的框512和514處描述的車輛動態模型和 車輛燃料消耗模型的β和c系數。β和c系數基于在606處接收的新數據利用遞歸最小二乘或 另一合適的方法來調整，所述遞歸最小二乘具有指數遺忘。經修正的模型是用于系統狀態 觀察器的基礎，所述系統狀態觀察器同樣基于該經修正的模型來更新或修正。在模型系數 被修正之后，方法600進入到610。
[0101]在610處，方法600應用非線性模型預測控制，以求解沒有空擋接合的最佳扭矩軌 跡。非線性模型預測控制應用于電子視野中的坡度入口，所述坡度入口從車輛的當前位置 延伸到電子視野的最前位置。非線性模型預測控制針對電子視野中的入口基于在圖7的框 708處描述的成本函數中的約束條件輸出最佳扭矩值。在沒有空擋的非線性模型預測控制 被應用之后，方法600進入到612。
[0102] 在612處，方法600針對當車輛未在變速器處于空擋的情況下運轉時的情況確定用 于預測視野(例如，電子視野中的道路坡度數據)的預期的燃料經濟性值Ε0。在一個示例中， 方法600通過利用在610處確定的用于塊的最佳扭矩值和動力源速度給動力源燃料或車輛 能量消耗模型編索引來估計用于電子視野中的塊(例如，電子視野中的坡度值之間的間隔） 的燃料經濟性。車輛能量消耗模型存儲經驗確定的燃料或能量消耗率，并且輸出該速率。用 于塊的燃料或能量消耗被存儲到存儲器，并且方法600進入到614。
[0103] 在614處，方法確定空擋接合的最大時間。該時間基于實現更低的車輛速度閾值的 時間。最大時間通過將車輛的當前工況輸入在圖5的框512處描述的車輛模型、將發動機制 動扭矩設定為零并且求解車輛滑行或滑行到更低的車輛速度閾值花費的時間來確定。在空 擋接合的最大時間被確定之后，方法600進入到616。
[0104] 在616處，應用非線性模型預測控制，以求解在空擋接合情況下的最佳扭矩軌跡。 在一個示例中，非線性模型預測控制僅被應用于在車輛的當前位置前面的電子視野中的第 一坡度入口，以限制計算負荷。然而，在另一些示例中，非線性模型預測控制可以通過增加 控制器的計算負荷被延伸至電子視野的長度。非線性模型預測控制針對電子視野中的入口 基于在圖5的框506處描述的成本函數中的約束條件輸出請求變速器進入空擋或接合前進 變速器齒輪的變速器狀態控制變量。另外，當空擋被確定為期望的狀態時，非線性模型預測 控制輸出發動機怠速扭矩。對于電子視野中的空擋接合被考慮的塊中，非線性模型預測控 制器改變模擬條件，以模擬變速器何時處于空擋以及動力源何時處于怠速或更低的動力輸 出狀況。具有空擋的非線性模型預測控制在圖8的描述中被更詳細地描述。在具有空擋的非 線性模型預測控制被應用之后，方法600進入到618。
[0105] 在618處，方法600針對當車輛在變速器處于空擋的情況下運轉時的情況確定用于 預測視野(例如，電子視野中的道路坡度數據)的預期的燃料經濟性值E1。在一個示例中，方 法600通過利用在610處確定的用于塊的最佳扭矩值和動力源速度給動力源燃料或車輛能 量消耗模型編索引來而估計用于電子視野中的塊(例如，電子視野中的坡度值之間的間隔） 的燃料經濟性。車輛能量消耗模型存儲經驗確定的燃料或能量消耗率，并且輸出該消耗率。 用于電子視野向量中的塊的燃料或能量消耗被存儲到存儲器，并且方法600進入到620。
[0106] 在620處，方法600判斷是否期望使車輛在車輛的變速器處于空擋的情況下運轉。 在一個示例中，響應于預期的燃料經濟性值El大于預期的燃料經濟性EO，回答為是并且方 法600進入到622。換言之，如果當車輛速度在上限速度閾值和下限速度閾值內使車輛在空 擋下運轉提供更高的燃料經濟性，那么回答為是并且方法600進入到622。如果預期的燃料 經濟性值El大于預期的燃料經濟性值E0,或如果當車輛的變速器處于空擋時車輛速度被預 期為小于下限閾值車輛速度，那么回答為否并且方法600進入到630。
[0107] 在622處，方法600選擇車輛的變速器處于空擋的控制軌跡。該軌跡是來自步驟616 的輸出，并且它包括至少在電子視野的一個塊中的請求車輛的變速器在空擋下運轉的向量 或陣列。該軌跡還包括用于使車輛的動力源在怠速或另一低能量消耗狀態(例如，停止發動 機運轉或馬達旋轉）下運轉的扭矩需求向量或陣列。在選擇期望的控制軌跡之后，方法600 進入到632。
[0108]在630處，方法600選擇車輛的變速器被接合在前進擋位中的控制軌跡。該軌跡是 來自步驟610的輸出，并且它包括用于將車輛速度維持在上限車輛速度閾值和下限車輛速 度閾值內的扭矩需求。該扭矩需求還提供用于最小化車輛燃料消耗。在選擇期望的控制軌 跡之后，方法600進入到632。
[0109]在632處，方法600將控制動作應用于致動器，并且等待下一個采樣階段。被采取的 控制動作是用于使車輛在對應于當前車輛位置的電子視野塊中運轉。控制動作基于在622 或630處選擇的軌跡。如果控制動作包括將車輛的變速器運轉狀態從空擋改變為前進擋位 或反之亦然，那么一個或多個變速器離合器的狀態可以改變以將變速器換擋為空擋或前進 擋位。車輛的動力源輸出可以響應于被請求的動力源扭矩的改變而經由改變扭矩致動器的 狀態(諸如節氣門位置、凸輪正時、火花提前、燃料噴射正時、或被應用于電動機器的電流 量)來調整。在控制動作被應用于車輛之后，方法600返回到604。
[0110] 現在參照圖7,示出了用于非線性模型預測巡航控制的數值方法的詳細示例。該方 法使用序列二次規劃(SQP)來求解非線性優化問題。SQP求解器的第j個迭代可以被表示為：
[0111]
[0112] 新迭代由以下給出：
[0113] χ」+1 = χ」+α」· Δ X」，
[0114] 其中是合適的步長。(^的選擇是重要的，以確保算法的快速收斂。一般來說，合適 的值能夠通過應用線搜索算法來發現。對于具有相對溫和的非線性的系統，步長可以被選 擇為常數，但是它還應當被選擇為使得成本函數在所有可預見到的情況下都降低。
[0115] 在704處，方法700從圖6Α的606接收新數據。替代地，方法700可以從存儲器和車輛 傳感器接收數據，如在圖6Α的606處描述的。在新數據被接收之后，方法700進入到706。
[0116] 在706處，方法700執行模擬和線性化。在框512-框518處描述了對模型執行的模擬 和線性化。假設非線性系統通過以下來描述：
[0117]
[0118] y(t)=g(x(t)，u(t))
[0119] 其中x是系統狀態，u是系統輸入，y是系統輸出，并且f和g表示函數。模擬在預測或 電子視野內的系統可以通過由合適的求解器(諸如基本前向歐拉方法)求解以上常微分方 程來完成。歐拉方法在時間tk=to+kT s處的一個步驟可以被表示為：
[0120] x(tk+i)^x(tk)+Ts · f (x(tk) ,u(tk))
[0121] 以上常微分方程在tk = t〇+kT^在點地),機沖的線性化可以被表示為：
[0122]
[0123]
[0124]
[0125]
[0126]
[0127]
[0128] 被線性化的系統被離散化，以在系統輸入并且一步預測中獲得有限參數化：
[0129] Δ x(tk+i) = Ak A x(tk)+Bk A u(tk)
[0130] A y(tk) = Ck A x(tk) =Dk A u(tk)
[0131] 近似的離散化可以被表示為：
[0132]
[0133]
[0134] 線性化在每個采樣階段針對電子或預測視野中的使用于預測的軌跡的靈敏度矩 陣H能形成為系統輸入的每個塊進行評估。系統輸出的被線性化的預測可以被表示為：
[0135]
[0136]
[0137]
[0138] 在模擬和線性化被執行之后，方法700進入到708。
[0139] 在708處，方法708建立二次規劃(QP)問題。QP問題基于成本函數和約束條件建立。 在一個示例中，成本函數可以被表示為：
[0140]
L〇141j 具中J是成本凼數雙重，N是基t電于視野的冋重或陣列的預測視野，qN是用于跟 蹤在預測視野的末端處的期望的車輛速度的懲罰，qmavg是在預測的視野上的用于平均燃料 消耗的懲罰，qvavg是用于平均車輛速度跟蹤的懲罰，并且rT是扭矩命令活動。
[0142] 成本函數中的第一項表示終端懲罰（在預測視野N的末端處的車輛速度）。第二項 是在預測視野內的平均燃料消耗。第三項是在預測視野內的平均車輛速度。最后，第四項是 扭矩活動懲罰δΤ(tk) = T(tk)-T(tk_l)、或發動機或動力源扭矩在k個步驟之間的改變。成本 函數約束條件可以被表示為：
[0143] Vmin-El (tk)^v(tk) ^ Vmax+ε? (tk) Λ= 1,2,··· ,Nvlim
[0144] Tmin$T(tkKTmax，k=l，2，."，Nc
[0145] Dmin+tPminV(tkXDl(tk) + e2(tk)，k=l，2，···，NDlim
[0146] 其中隊^是車輛速度限制的點的數量，NDlim是在預測視野中的領頭車輛距離限制， 并且其是輔助軟化變量。輔助軟化變量 ￡1(^)和￡2仏)確保因而產生的非 線性優化問題的可行性，車輛速度限制和到領頭車輛限制的距離通過引入輔助軟化變量^ (t kWPe2(tk)被處理為軟約束條件。注意，到領頭車輛的最小距離包括兩部分。第一部分D min 是指定的最小距離，而第二部分tpminv(tk)被表示到達主車輛與領頭車輛之間的D min間隙的 指定的最小時間的時間tpmin參數化。
[0147] 優化變量J是在預測視野內的扭矩軌跡（以及軟化變量）。分塊技術被用來減少優 化變量的數量，具有減少實時計算和存儲分配的目的。因此，調整動力源扭矩的控制動作未 在預測視野內的每個采樣階段中進行計算。替代地，若干采樣時間被分塊(被分組），并且在 每個塊內的控制動作被假設為固定的（例如，未改變）。這可以被表示為優化變量(扭矩）的 線性變I
[0148]
[0149] 其中Bm是變換（分塊)矩陣和相 1矩軌跡
[0150]
[0151]
[0152] 其中nbl是塊的總數量，并且b是指定每個單個塊中的采樣的數量的長度的向量。向 量t成為替代原始軌跡f的新的優化變量。在QP問題被建立之后，方法700進入到710。
[0153] 在710處，方法700求解QP問題。第j個SQP迭代中的最終QP近似可以被描述為：
[0154]
[0155] 其中f是軌跡，j是迭代，4是車輛速度限制的軟化變量的向量，其中VminSev(tk) 彡Vmax，4#是用于到領頭車輛的距離限制的軟化變量的向量，其中D_<eD(t k)，P是如上所 述的成本函數第j個迭代，
是與由
給出的被軟化的車輛速 度限制相關的成本函數，并上
是與由
出的 到領頭車輛的被軟化的距離限制相關的成本函數。在QP問題被求解之后，方法700進入到 712。
[0156]在712處，方法700更新或修正解。根據上述SQP求解器，軌跡可以被修正或被更新 為：
[0157]
[0158]經修正的扭矩軌跡是用于下一個第（j+Ι)個SQP迭代的開始點。在解被修正之后， 方法700進入到714。
[0159] 在714處，方法700判斷解是否已經收斂到最佳解。在一些示例中，解可以與成本函 數進行比較。然而，對于逐漸遠離視野問題，解可以被確定為在預定的迭代數量(例如，1或 2)內收斂。如果方法700判斷解已經收斂到最佳解，那么回答為是并且方法700退出或返回 到圖6A的610。
[0160] 因此，當車輛在在前進擋位下運轉時，圖7的方法響應于在巡航控制模式下運轉的 車輛與在巡航控制模式下運轉的車輛前面的領頭車輛之間的距離而調整向動力扭矩源供 應的扭矩命令。圖7的方法還基于約束條件確定最佳車輛速度分布圖。
[0161] 現在參照圖8,示出了用于具有燃料優化并且具有空擋選擇的非線性模型預測巡 航控制的示例方法。空擋選擇指的是控制器具有將車輛的變速器運轉狀態從前進擋位改變 為空擋或反之亦然以改善在巡航控制模式下的車輛燃料經濟性的能力。通過將變速器命令 為空擋，在平坦或負道路坡度上增加或維持車輛速度會是可能的，因為當變速器被換擋為 空擋時，發動機制動和一些傳動系損失不抵抗作用在車輛上的一部分重力。
[0162] 變速器運轉狀態是具有用于變速器未正在處于空擋的0值和用于變速器正在處于 空擋的1值的二進制變量。如果電子或預測視野包括Nd個點，用于使變速器在某一擋位或空 擋下運轉的可能的變速器運轉狀態組合的數量是2力^。因此，圖8的算法可以被執行Z a^次 以達到最小成本函數。然而，為了降低控制器上的計算負荷，可以期望對于電子或預測視野 中的第一塊僅迭代一次。
[0163] 在804處，方法800從圖6A的606接收新數據。替代地，方法800可以從數據存儲器和 車輛傳感器接收數據，如在圖6A的606處描述的。在新數據被接收之后，方法800進入到806。
[0164] 在806處，方法800在電子或預測視野上選擇一個或多個預定的空擋軌跡，其中空 擋接合的合適的組合在電子或預測視野中具有固定的持續時間和開始位置。所有預定的空 擋軌跡連同對應的計算的關于車輛燃料經濟性和約束違反的扭矩軌跡一起被評估。還未被 評估的軌跡在806處被選擇。
[0165] 在808處，如在圖7的706-714處描述的SQP過程被執行，以確定對應于在806處選擇 的預定的空擋軌跡的扭矩軌跡。另外，在預測視野上的燃料經濟性Ei的對應估計如在圖6A 的612處描述的那樣被計算并且存儲到存儲器。應當注意，對于評估空擋接合，當評估空擋 接合狀況時，動力源扭矩被設定為低值(諸如零)或發動機怠速扭矩，使得動力源能量消耗 或燃料消耗是準確的。在SQP過程被執行之后，方法800進入到810。
[0166] 在810處，方法800判斷是否空擋接合的所有組合都已經被評估。如果這樣的話，那 么回答為是并且方法800進入到812。否則，回答為否并且方法800返回到806,并且下一個空 擋軌跡被評估。
[0167] 在812處，方法800選擇空擋軌跡和從空擋軌跡的組合提供最佳燃料經濟性的對應 的扭矩軌跡。方法800退出或返回到圖6B的620。
[0168] 因此，當車輛正在巡航控制模式下而車輛實際上未必處于空擋時，圖8的方法評估 變速器處于空擋的車輛的運轉。評估至少部分地基于預期到在未來的時間車輛遇到的道路 狀況、在未來的時間的道路狀況基于被存儲在存儲器中的道路狀況的映射圖。
[0169] 圖6A-圖8的方法提供了一種車輛巡航控制方法，其包含:將車輛信息從一個或多 個傳感器接收到控制器;響應于由控制器執行的自適應非線性模型預測巡航控制程序的輸 出而提供扭矩命令；以及響應于扭矩命令而調整動力扭矩源的扭矩致動器。該方法包括，其 中當車輛正在巡航控制模式下運轉時，自適應非線性模型預測巡航控制程序提供了選擇性 地將車輛的變速器換擋為空擋。該方法包括，其中當車輛正在第一組狀況下運轉時，如果自 適應非線性模型預測巡航控制程序從凸形形狀的車輛燃料消耗模型接收數據，則扭矩命令 在由第一下限扭矩閾值和第一上限扭矩閾值限定的第一閾值范圍內。該方法包括，其中當 車輛正在第一組狀況下運轉時，如果自適應非線性模型預測巡航控制程序從非凸形形狀的 車輛燃料消耗模型接收數據，則扭矩命令在由第二下限扭矩閾值和第二上限扭矩閾值限定 的第二閾值范圍內，第二閾值范圍具有比在第一下限扭矩閾值與第一上限扭矩閾值之間的 扭矩差更大的在第二下限扭矩閾值與第二上限扭矩閾值之間的扭矩差，第二下限扭矩閾值 小于第一下限扭矩閾值。該方法包括，其中動力扭矩源是發動機，其中扭矩命令基于預測視 野，并且其中預測視野包括道路坡度數據。該方法包括，其中扭矩命令進一步基于在包括控 制器的車輛前面的領頭車輛的狀態。
[0170] 現在參照圖9A，示出了示例凸形車輛燃料消耗模型的曲線圖。在一些示例中，車輛 燃料消耗模型也可以被稱為映射圖。豎直軸線表示到發動機的燃料流率。水平軸線表示發 動機扭矩。指向紙內的軸線是發動機轉速。車輛燃料消耗模型存儲對應于選定的發動機轉 速和扭矩的燃料消耗或使用率的經驗確定值。當如圖所示的那樣被連在一起并且從水平軸 線的角度觀察時，燃料消耗值形成凸形表面。車輛燃料消耗模型形狀可以隨著燃料類型(例 如，汽油、醇和汽油、醇）、發動機環境工況以及其他狀況而改變。車輛燃料消耗模型形狀(例 如，凸形、非凸形、仿射)能夠影響控制器輸出，因為最佳扭矩解也針對最小燃料消耗進行優 化。車輛燃料模型形狀和預期的控制器輸出可以根據描述車輛燃料消耗模型的多項式的系 數的值來確定。例如，如果系數表明車輛燃料模型為凸形，那么在圖6A-圖8中描述的控制器 提供在上限扭矩閾值與下限扭矩閾值之間變化的窄帶扭矩請求，所述下限扭矩閾值大于零 扭矩。盡管請求的扭矩的確發生改變以維持車輛速度，但是由圖6A-圖8的控制器輸出的扭 矩解可以被稱為用于凸形車輛燃料消耗模型的恒定扭矩解。由控制器輸出的用于凸形車輛 消耗模型的窄帶扭矩請求包括下限扭矩閾值，該下限扭矩閾值是比用于非凸形車輛燃料消 耗模型的下限扭矩閾值更大的扭矩。另外，由控制器輸出的用于凸形車輛燃料消耗模型的 窄帶扭矩請求包括上限扭矩閾值，該上限扭矩閾值是比用于非凸形車輛燃料消耗模型的上 限扭矩閾值更低的扭矩。
[0171] 現在參照圖9B，示出了示例非凸形車輛燃料消耗模型的曲線圖。在一些示例中，車 輛燃料消耗模型也可以被稱為映射圖。豎直軸線表示到發動機的燃料流率。水平軸線表示 發動機扭矩。指向紙內的軸線是發動機轉速。車輛燃料消耗模型存儲對應于選定的發動機 轉速和扭矩的燃料消耗或使用率的經驗確定值。當如圖所示的那樣被連在一起并且從水平 軸線的角度觀察時，燃料消耗值形成非凸形表面。來自圖6A-圖8的控制器的扭矩解輸出可 以被稱為脈沖滑行(pulse-and-glide)扭矩解。扭矩請求是脈沖形狀，從被請求的在車輪處 的零扭矩請求擺動到比在當燃料模型為凸形時相同車輛行駛相同路線的情況下更高的扭 矩值。因此，對于在燃料消耗模型形狀之外的相同狀況下行駛相同路線的相同車輛，圖6A-圖8的控制器輸出用于凸形車輛燃料消耗模型的恒定扭矩解和用于非凸形燃料消耗模型的 脈沖滑行扭矩解。脈沖滑行扭矩解有時需要在車輪處的零扭矩，使得車輛滑行或怠速滑行。 空擋接合可以對非凸形燃料消耗模型尤其有用，因為空擋接合可以延長滑行或零扭矩持續 時間。脈沖滑行扭矩解還請求比恒定扭矩解更大的扭矩。因此，控制器扭矩解(例如，恒定的 扭矩或脈沖滑行)可以經由車輛燃料消耗模型形狀來確定。
[0172] 現在參照圖10，示出了用于圖1 -圖5的系統和圖6 A -圖8的方法的示例車輛巡航控 制順序。在時間T1-T4處的豎直標記表示在順序期間感興趣的時間。所有曲線都發生在相同 時間和相同車輛工況下。在巡航控制模式下，車輪扭矩命令或動力源扭矩需求經由除駕駛 員之外的控制器來提供。控制器具有在巡航控制模式下的影響由控制器輸出的扭矩需求的 目的，并且該目的可以由約束條件(諸如最小化燃料消耗、將車輛速度維持在限定期望的車 輛速度范圍、空擋使用效益、最大空擋持續時間和最大車輪扭矩的上限閾值速度和下限閾 值速度內）至少部分地限定。控制器可以改變在巡航控制模式下的扭矩需求，以在沒有到控 制器的駕駛員輸入的情況下或在駕駛員沒有從動力源請求扭矩的情況下將車輛速度保持 在期望的車輛速度范圍內。因此，在巡航控制模式下的扭矩命令可以基于由駕駛員請求的 期望的車輛速度。控制器可以調整動力扭矩源的扭矩以實現期望的車輛速度。
[0173] 自圖10頂部的第一曲線是計算的最大空擋持續時間隨著時間變化的曲線。最大空 擋持續時間對應于變速器可以處于空擋同時將車輛速度保持在期望的車輛速度范圍內的 時間量。最大空擋持續時間可以經由如在圖6A-圖8的方法中描述的模型來估計。水平軸線 表示時間，并且時間從曲線的左側向曲線的右側增加。豎直軸線表示最大空擋持續時間，并 且最大空擋持續時間沿豎直軸線箭頭的方向增加。水平線1002表示在變速器處于某一擋位 的情況下要被命令為空擋的變速器將要超過的閾值最大空擋持續時間。
[0174] 自圖10的頂部的第二曲線是計算的空擋使用效益隨著時間變化的曲線。使用效益 對應于當車輛的變速器被換擋為空擋時的車輛燃料經濟性。空擋使用效益可以通過針對變 速器何時處于空擋確定車輛燃料經濟性來估計。水平軸線表示時間，并且時間從曲線的左 側向曲線的右側增加。豎直軸線表示空擋使用效益，并且效益沿豎直軸線箭頭的方向增加。 水平線1004表示在變速器處于某一擋位的情況下要被命令為空擋的變速器將要超過的閾 值空擋使用效益。
[0175] 自圖10頂部的第三曲線是變速器狀態隨著時間變化的曲線。變速器狀態表明變速 器是處于空擋還是處于某一擋位。水平軸線表示時間，并且時間從曲線的左側向曲線的右 側增加。豎直軸線表示變速器狀態。當軌跡處于靠近豎直軸線箭頭的更高水平時，變速器處 于空擋。當軌跡處于靠近水平軸線的更低水平時，變速器處于某一擋位。
[0176] 自圖10頂部的第四曲線是車輛速度隨著時間變化的曲線。水平軸線表示時間，并 且時間從曲線的左側向曲線的右側增加。豎直軸線表示車輛速度，并且車輛速度沿豎直軸 線箭頭的方向增加。水平線1006表示下限閾值車輛速度。當車輛在巡航控制模式下，車輛巡 航控制器的目的是將車輛速度維持在閾值1006之上。
[0177] 在時間TO處，車輛在巡航控制模式下。最大空擋持續時間正在從中等水平增加，并 且車輛速度正在從在巡航控制期望的車輛速度范圍內的更高水平降低。此類狀況可以表明 車輛接近上坡的頂部。空擋使用效益正在從更低水平增加，并且變速器處于前進擋位。
[0178] 在時間TO與時間Tl之間，車輛速度繼續降低，并且最大空擋持續時間增加至在閾 值1002之上的值。空擋使用效益保持在閾值1004之下，并且變速器保持處于前進擋位。即使 最大空擋持續時間在自空擋使用效益不超過閾值1004以后的時間超過閾值1002,變速器狀 態也不改變。
[0179] 在時間Tl處，變速器將狀態從前進擋位改變為空擋。響應于最大空擋持續時間大 于閾值1002并且空擋使用效益大于閾值1004,變速器被換擋為空擋。響應于變速器處于空 擋，車輛速度開始緩慢降低。
[0180] 在時間Tl與時間T2之間，車輛速度繼續降低，并且變速器保持處于空擋。最大空擋 持續時間降至閾值1002之下，并且空擋使用效益降至閾值1004之下。然而，變速器保持處于 空擋，以延長處于空擋滑行或怠速滑行的車輛燃料經濟性效益。
[0181] 在時間T2處，車輛速度降至閾值水平1006,并且響應于車輛速度處于閾值水平 1006或在閾值水平1006之下，變速器被換擋為前進擋位。最大空擋持續時間小于閾值水平 1002,并且空擋使用效益小于閾值水平1004。
[0182] 在時間T2與時間T3之間，變速器保持接合在前進擋位中，并且車輛速度增加。最大 空擋持續時間也超過閾值1002。空擋使用效益小于閾值1004。變速器不進入空擋，因為閾值 1004未被超過。
[0183] 在時間T3處，變速器將狀態從前進擋位改變為空擋。響應于最大空擋持續時間大 于閾值1002并且空擋使用效益大于閾值1004,變速器被換擋為空擋。響應于變速器處于空 擋，車輛速度開始緩慢降低。
[0184] 在時間T3與時間T4之間，車輛速度繼續降低，并且變速器保持處于空擋。最大空擋 持續時間降至閾值1002之下，并且空擋使用效益降至閾值1004之下。變速器保持處于空擋， 以延長處于空擋滑行或怠速滑行的車輛燃料經濟性效益。
[0185] 在時間T4處，車輛速度降至閾值水平1006,并且響應于車輛速度處于閾值水平 1006或在閾值水平1006之下，變速器被換擋為前進擋位。最大空擋持續時間小于閾值水平 1002,并且空擋使用效益小于閾值水平1004。
[0186] 以此方式，變速器可以選擇性被換擋為空擋或從空擋進行換擋，以延長車輛燃料 經濟性。取決于車輛工況和道路坡度或在預測或電子視野中的道路斜率值，車輛控制器選 擇性地換擋為空擋。響應于負道路坡度和其他車輛狀況，控制器可以將變速器換擋為空擋。 另外，響應于根據預測或電子視野確定的道路坡度從正坡度到負坡度或零坡度的改變，控 制器可以動作以將變速器換擋為空擋。
[0187] 注意，本文中包括的示例控制和估計程序能夠與各種發動機和/或車輛系統配置 一起使用。另外，在此描述的方法可以是物理世界的控制器采取的動作和控制器內的指令 的組合。在本文中所公開的控制方法和程序可以作為可執行指令存儲在非臨時性存儲器中 并且可以由包括控制器的控制系統與各種傳感器、致動器和其他發動機硬件結合執行。在 本文中所描述的具體程序可以代表任意數量的處理策略中的一個或多個，諸如事件驅動、 中斷驅動、多任務、多線程等。因此，所描述的各種動作、操作和/或功能可以所示順序、并行 地被執行，或者在一些情況下被省略。同樣，實現在本文中所描述的示例實施例的特征和優 點不一定需要所述處理順序，但是為了便于圖釋和說明而提供了所述處理順序。取決于所 使用的特定策略，所示出的動作、操作和/或功能中的一個或多個可以被重復執行。另外，所 描述的動作、操作和/或功能可以圖形地表示被編入發動機控制系統中的計算機可讀存儲 介質的非臨時性存儲器的代碼，其中通過配合電子控制器執行包括各種發動機硬件部件的 系統中的指令而使所描述的動作得以實現。
[0188] 在此結束本說明書。本領域技術人員閱讀本說明書將會想到不違背本發明的精神 實質和范圍的許多變化和修改。例如，以天然氣、汽油、柴油或可替代的燃料配置運行的13、 14、15,6、￥8、￥10和￥12發動機可以利用本說明書以受益。
[0189] 本申請的權利要求具體地指出某些被認為是新穎的和非顯而易見的組合和子組 合。這些權利要求可能涉及"一個"元件或"第一"元件或其等同物。這些權利要求應當被理 解為包括一個或多個這種元件的結合，既不要求也不排除兩個或多個這種元件。所公開的 特征、功能、元件和/或特性的其他組合和子組合可通過修改現有權利要求或通過在這個或 關聯申請中提出新的權利要求而要求保護。這些權利要求，無論與原始權利要求范圍相比 更寬、更窄、相同或不相同，都被認為包括在本公開的主題內。
【主權項】
1. 一種車輛系統，其包含： 車輛，其包括動力扭矩源；以及 在所述車輛中的控制器，所述控制器包括被存儲在非臨時性存儲器中的可執行指令， 所述指令包括自適應非線性模型預測巡航控制程序。2. 根據權利要求1所述的車輛系統，其中所述自適應非線性模型預測巡航控制程序包 括車輛動態模型和用于使所述車輛動態模型自適應的指令。3. 根據權利要求2所述的車輛系統，其中所述車輛動態模型經由遞歸最小二乘被自適 應。4. 根據權利要求1所述的車輛系統，其中所述自適應非線性模型預測巡航控制程序包 括車輛燃料消耗模型和用于使所述車輛燃料消耗模型自適應的指令。5. 根據權利要求4所述的車輛系統，其中所述車輛燃料消耗模型經由遞歸最小二乘被 自適應。6. 根據權利要求1所述的車輛系統，其中當所述車輛在道路上正在巡航控制模式下運 轉時，所述自適應非線性模型預測巡航控制程序使車輛動態模型和車輛燃料消耗模型實時 自適應。7. 根據權利要求1所述的車輛系統，其中所述自適應非線性模型預測巡航控制程序向 所述動力扭矩源輸出扭矩需求。8. -種車輛系統，其包含： 車輛，其包括動力扭矩源；以及 在所述車輛中的控制器，所述控制器包括被存儲在非臨時性存儲器中的可執行指令， 所述指令包括具有變速器空擋狀態激活的自適應非線性模型預測巡航控制程序。9. 根據權利要求8所述的車輛系統，其進一步包含被耦接到所述動力扭矩源的變速器， 并且其中所述自適應非線性模型預測巡航控制程序指令包括用于評估所述車輛在所述變 速器處于空擋的情況下運轉的指令。10. 根據權利要求8所述的車輛系統，其中自適應非線性模型預測巡航控制程序指令包 括用于評估所述車輛在預期所述車輛在未來的時間遇到的道路狀況下運轉的指令。11. 根據權利要求10所述的車輛系統，其中所述自適應非線性模型預測巡航控制程序 指令包括用于響應于預測視野而基于映射的道路狀況評估使所述車輛在預期所述車輛在 未來的時間遇到的道路狀況下運轉的指令。12. 根據權利要求8所述的車輛系統，其中所述自適應非線性模型預測巡航控制程序指 令包括向所述動力扭矩源輸出命令的指令。13. 根據權利要求8所述的車輛系統，其中所述自適應非線性模型預測巡航控制程序指 令包括響應于從在與所述車輛相同的道路上運轉的領頭車輛獲得的數據而調整向所述動 力扭矩源供應的扭矩命令的指令。14. 根據權利要求8所述的車輛系統，其中所述自適應非線性模型預測巡航控制程序指 令包括基于在所述車輛的當前位置前面的預測的道路坡度確定最佳車輛速度分布圖和對 應的扭矩分布圖的指令。15. -種車輛巡航控制方法，其包含： 將車輛信息從一個或多個傳感器接收到控制器； 響應于由所述控制器執行的自適應非線性模型預測巡航控制程序的輸出而提供扭矩 命令;以及 響應于所述扭矩命令而調整動力扭矩源的扭矩致動器。16. 根據權利要求15所述的方法，其中當所述車輛正在巡航控制模式下運轉時，所述自 適應非線性模型預測巡航控制程序提供選擇性地將車輛的變速器換擋為空擋。17. 根據權利要求15所述的方法，其中當所述車輛在第一組狀況下運轉時，如果所述自 適應非線性模型預測巡航控制程序從凸形形狀的車輛燃料消耗模型接收數據，則所述扭矩 命令在由第一下限扭矩閾值和第一上限扭矩閾值限定的第一閾值范圍內。18. 根據權利要求17所述的方法，其中當所述車輛在所述第一組狀況下運轉時，如果所 述自適應非線性模型預測巡航控制程序從非凸形形狀的車輛燃料消耗模型接收數據，則所 述扭矩命令在由第二下限扭矩閾值和第二上限扭矩閾值限定的第二閾值范圍內，所述第二 閾值范圍大于所述第一閾值范圍，所述第二下限扭矩閾值小于所述第一下限扭矩閾值。19. 根據權利要求15所述的方法，其中所述動力扭矩源是發動機，其中所述扭矩命令基 于預測視野，并且其中所述預測視野包括道路坡度數據。20. 根據權利要求19所述的方法，其中所述扭矩命令進一步基于在包括所述控制器的 車輛前面的領頭車輛的狀態。
【文檔編號】B60W10/10GK106043300SQ201610226717
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月13日 公開號201610226717.7, CN 106043300 A, CN 106043300A, CN 201610226717, CN-A-106043300, CN106043300 A, CN106043300A, CN201610226717, CN201610226717.7
【發明人】A·M·達馬托, D·P·費列弗, J·O·米歇里尼, J·佩卡爾, O·桑廷, J·T·馬倫
【申請人】福特環球技術公司