技术领域
[0001] 本
发明涉及车队列队行进的控制系统，车队包括引导车辆以及自动跟随引导车辆的一辆或多辆跟随车辆。本发明进一步涉及共同时基在车队中的使用方法以及控制车队行进的方法。
背景技术
[0002] 驾驶车队中自推进车辆一般要求每辆车一个驾驶员。作为替代，可以使用所谓的车队。车队包括引导车辆和至少一辆跟随车辆。当车队移动时，引导车辆利用车辆间通信控制跟随车辆的移动。通过使用车队可以排除驾驶跟随车辆的需要。另外，车队中车辆之间的距离，即车辆间距离与正常交通量时车辆之间的距离相比可以缩短，从而增加例如道路的运输能
力。车队中车辆之间的短距离也已经证明减少了
空气阻力，从而降低了
燃料消耗。
[0003] Farwell和Caldwell的文献US6,640,164B1公开了用于自推进车辆，尤其是车队中车辆的远程控制的系统。引导车辆获取沿途的连续GPS坐标
位置，并且将坐标位置向跟随车辆广播，以便引导车辆能够经过与引导车辆相同的路程。
[0004] 由于在US6,640,164B1公开的系统的引导车辆发送其所通过的道路点的GPS坐标，所以控制跟随车辆是基于过去的事件，尽管为最近的过去。
[0005] 期望能够使得车辆间距离比现有车队中甚至更短，以便加强以上提及的
正面效果。所以期望用于车队行进的改进的控制系统。
发明内容
[0006] 本发明的目的是克服或改善
现有技术的缺点中的至少一个，或者提供有用的替代。
[0007] 期望提供一种控制系统，允许车队的车辆之间的短距离。
[0008] 进一步期望提供控制系统，它能够在控制点之前作出反应。
[0009] 根据
权利要求1的本发明可以实现一个或多个目的。
[0010] 在本发明的第一方面，提供了用于车队行进的控制系统。车队包括引导车辆以及自动跟随引导车辆的一辆或多辆跟随车辆。引导车辆控制跟随车辆的运动。每一辆跟随车辆和引导车辆都包括通信装置。控制系统包括共同时基，它允许在控制点之前从引导车辆向跟随车辆中的至少一辆传送提议一个动作的控制命令。
[0011] 车队中车辆之间的距离短，以便能够使用减小空气阻力从而降低燃料消耗的优点。不过，车辆不以机械方式连接。
[0012] 控制命令包括控制点tc和动作。控制点tc是时间点，而伴随动作试图在该特定时间点被执行。
[0013] 期望短的车辆间距离对共同时基提出了
精度要求。时基越精确，控制系统就越精确。这使得更短的车辆间距离成为可能，引起空气阻力降低从而改进了燃料经济性。对车队的车辆使用共同时基促进了短的车辆间距离。
[0014] 不仅如此，通过在控制点tc之前传送所提议的动作，车辆就有可能准备若干动作，比如预加载
制动器，而不是反应，这是之后进行的动作。
[0015] 在
实施例中，共同时基具有的精度是至少10ms，优选情况下至少是1ms并且最优选情况下至少是100μs。
[0016] 如上，优选情况下车辆间距离应当保持为短。在某实施例中，车辆间距离对应于两个车辆之间小于0.6秒的时间间隔。以这样短的时间间隔，难以或甚至不可能手工地驾驶跟随车辆。所以，与单独地驾驶跟随车辆相比，车队使得有可能具有更短的车辆间距离，尤其是在如本发明公开的那样使用共同时基时。
[0017] 在优选实施例中，共同时基是基于来自外部时钟的
信号，比如全球导航卫
星系统（GNSS）如全球
定位系统（GPS）的时钟、世界协调时（UTC）时间或基于
原子时的时钟。通过使用外部时钟，车队的全部车辆都可以同时收到时间信号。优选情况下可以使用GPS时间，因为车辆可能无论如何都要使用GPS确定它们的位置。使用对于在车队的全部车辆是共同的外部时基，使得有可能使个别车辆的时钟与车队的其他车辆尤其是与引导车辆的时钟同步，即设置这台特定车辆的时基。
[0018] 如果由于某种原因，无法收到外部时钟的信号，如在隧道中驾驶时，每辆车的时基可以基于从外部时钟最后收到的信号。引导车辆可以对跟随车辆的时钟保持
跟踪，并且如果跟随车辆中的至少一个的差异比预定量大，引导车辆就可以发出
同步信号或重复的同步信号，例如每秒一次。作为替代，只要与外部时钟的联系一断开，引导车辆就可以开始发出时间信号。然后其他车辆可以将其时钟与引导车辆的时钟同步。
[0019] 作为对外部时钟的替代或补充，共同时基可以基于引导车辆的时钟，其中时钟的时间信号从引导车辆被传送到跟随车辆。
[0020] 优选情况下，控制命令适于补偿至少一辆跟随车辆的动力属性。通过对跟随车辆的实际动力属性和/或车队内的时间延迟采用控制命令，可以优化车辆间距离。应当考虑对该特定动作动力属性最差的车辆的动力性。
[0021] 在本发明的实施例中，所提议的动作可以包括表示为对跟随车辆随时间的状态控制的动作。然后控制命令被提供为表示为随时间而变的提议动作，比如随时间
加速、随时间减速、随时间达到目标速度、随时间达到车辆间距离、随时间达到
转弯半径或随时间达到位置。控制命令可以以参数化形式传送，即以数学公式的形式或者作为曲线对比时间。这些类型的控制命令为了起作用对时基的精度提出了高要求。如果引导车辆改为发送与其各自控制点tc链接的一组后续命令，跟随车辆将可能不理解引导车辆的意图。不仅如此，通信系统的负载也可能更高，尤其是在使用了确认和执行命令时，正如以下的介绍。
[0022] 在实施例中，要求向引导车辆确认接收到控制命令。作为选择，可以在跟随车辆已经收到由引导车辆发送的执行命令后才执行所提议的动作。
[0023] 在控制系统的一个实施例中，跟随车辆可以在从引导车辆收到控制命令后，通知引导车辆跟随车辆能够还是不能够执行根据控制命令的提议的动作。如果通知不能够，跟随车辆可以另外地向引导车辆提议一种可能受限的状态动作代替根据从引导车辆发送的控制命令的提议的动作。引导车辆然后可以根据受限的状态动作发送新的控制命令。作为替代，引导车辆可以在首先已经发送了控制命令增大车辆间距离之后决定解散车队。
[0024] 控制系统可以进一步包括协商过程，用于候选跟随车辆想要连接到车队时。协商过程包括发送候选跟随车辆状态控制的界限。如果候选跟随车辆的状态控制能力太受限，可以拒绝候选跟随车辆连接到车队。不仅如此，协商过程不限于连同权利要求的控制系统一起使用，而是可以在任何车队控制系统中使用。
[0025] 在本发明的第二方面，提供了在包括引导车辆以及自动跟随引导车辆的一辆或多辆跟随车辆的车队中使用共同时基。引导车辆控制跟随车辆的运动。每一辆跟随车辆和引导车辆都包括通信装置。共同时基的使用方法允许在控制点之前从引导车辆向跟随车辆中的至少一辆传送提议一个动作的控制命令。
[0026] 在本发明的第三方面，提供了控制车队行进的方法。车队包括引导车辆以及自动跟随引导车辆的一辆或多辆跟随车辆。引导车辆控制跟随车辆的运动。每一辆跟随车辆和引导车辆都包括通信装置。
[0027] 方法包括以下步骤：
[0028] a)建立共同时基。
[0029] b)在控制点之前从引导车辆向跟随车辆中的至少一辆传送提议一个动作的控制命令。
[0030] 共同时基促进了在控制点之前从引导车辆向跟随车辆中的至少一辆传送提议一个动作的控制命令。
[0031] 步骤a)典型情况下定期地进行，但是优选情况下在执行步骤b)之前应当已经进行了至少一次。
[0032] 此外，方法可以包括步骤：
[0033] c)跟随车辆中的至少一辆在收到了控制命令后向引导车辆确认；
[0034] 以及可选步骤：
[0035] d)引导车辆发送执行命令。
[0036] 优选情况下，恰好在步骤c)之前、恰好在步骤c)之后、连同或代替步骤c)，方法可以进一步包括步骤：
[0037] e)跟随车辆中的至少一辆向引导车辆传送消息，通知它跟随车辆能够还是不能够执行根据控制命令的提议的动作。
[0038] 方法可以在该情况下跳过步骤d）。
[0039] 在通知能够的情况下，方法可以进一步包括步骤：
[0040] f)引导车辆根据步骤b)传送执行命令。
[0041] 在通知不能够的情况下，方法可以进一步包括步骤：
[0042] g)跟随车辆中的至少一辆向引导车辆传送可能的受限的状态动作；
[0043] 以及可选步骤：
[0044] h)方法返回步骤b)以及引导车辆根据受限的状态动作传送新的控制命令，或者作为替代引导车辆解散车队。
附图说明
[0045] 后文将参考附图利用非限制实例进一步讲解本发明，其中：
[0046] 图1展示了根据本发明由控制系统控制的车队；
[0047] 图2展示了在控制命令期间的事件过程；
[0048] 图3展示了表示为随时间而变的控制命令；
[0049] 图4展示了根据本发明的方法；
[0050] 图5展示了图4的方法中的车辆间通信；
[0051] 图6展示了图4中展示的方法的时间控制图；
[0052] 图7展示了根据本发明的另一个方法；
[0053] 图8展示了图7中展示的方法的时间控制图。
具体实施方式
[0054] 以下将通过若干实施例示范本发明。不过应当认识到，包括这些实施例是为了讲解本发明的原理，而不是限制由附带的权利要求书所界定的本发明的范围。来自两个或更多实施例的细节可以彼此结合。
[0055] 图1示意地展示了由根据本发明的控制系统控制的车队1。引导车辆L由n辆跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn跟随。所述车辆以行列行进。跟随车辆数量n是整数{1,2,3,4,5,6…}。数字i是从1到n的计数。引导车辆L具有驾驶员或者在人的监督下运行，而跟随车辆不是由驾驶员主动地驾驶。车队的引导车辆L利用车辆间通信控制车队的跟随车辆。车队的车辆例如可以是小客车、大客车、
卡车或货车。
[0056] 每个车辆在自身与其紧随的
前方车辆之间都具有一定的距离。跟随车辆F1到所述引导车辆L具有距离x1，跟随车辆F2到恰好在前的跟随车辆F1具有距离x2，而跟随车辆Fi到恰好在前的跟随车辆Fi-1具有距离xi，依此类推。车辆间距离xi在整个车队中可以相同，它们也可以变化。优选情况下，车辆间距离xi适应于各个车辆的特征，如加速或制动的动力表现。另外，车辆间距离可以取决于若干因素，比如车队的速度、道路的状况、四周的交通量等。引导车辆L，或者更精确地说引导车辆的控制系统，即第一
控制器，可以确定所述车辆间距离xi。在根据本发明的控制系统的优选实施例中，每个车辆都具有其自己的控制器──次级控制器，它控制与恰好在前车辆的距离xi以及其他事物。车辆间距离xi可以利用通常使用的距离
传感器确定，比如由激光测距，和/或利用各自车辆的GPS单元。
[0057] 引导车辆L利用控制命令控制跟随车辆。控制命令包括控制点tc和动作。控制点tc是时间点，而在这个特定的时间点试图执行伴随动作。引导车辆L能够向各辆跟随车辆Fi发送各自控制命令。作为替代，它还可以发送通用命令，包括对两辆或更多跟随车辆的控制命令。在该情况下，控制命令还包括有关哪辆跟随车辆被计划的信息，例如通过对每辆车使用唯一的标识。控制命令可以被连续更新。
[0058] 车队的车辆都配备了通信装置，在此以发射机10和接收机12的形式。引导车辆L可以经由发射机10向跟随车辆Fi发送控制命令提议某动作。跟随车辆Fi经由其接收机12接收该控制命令。车辆之间的通信可以遵循专用短程通信即DSRC，或IEEE802.11p，p表示适合于车辆的变量。也可以利用蜂窝通信实现车辆之间的通信。
[0059] 作为选择，跟随车辆Fi可以另外具有发射机10，以使得其自身能够向车队的另一辆车发送消息，如向在该情况下应当具有接收机12以便能够接收消息的引导车辆L。跟随车辆Fi可以使用这种选项，以便确认收到了由引导车辆L发送的控制命令。如果某车辆既有发射机10也有接收机12，就可以将它们结合为一个发射机-接收机单元。
[0060] 本发明的控制系统进一步包括共同时基。在图1的第一个实施例中，这由使用GPS时间3被示范，GPS=全球定位系统。引导车辆和跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn因此具有GPS接收机14。每辆车从而可以对共同时基保持跟踪。也有可能使用其他外部时钟，比如UTC，即世界协调时。优选情况下，应当使用外部时钟，其时间信号可以被车队中的全部车辆同时收到。使用GPS时间可能有利，因为这些车辆无论如何都可以使用GPS单元确定其位置。接收机12和GPS接收机14可以被结合为一个接收机，也可能与发射机10结合。
[0061] 使用对车队中的全部车辆是共同的外部时基，使得各个车辆的时钟与车队中其他车辆的时钟同步，尤其与引导车辆。优选情况下，各个车辆的时钟精度是至少10ms，优选情况下至少是1ms并且最优选情况下至少是100μs。
[0062] 上述的GPS时间和UTC时间都使用PPS，即每秒脉冲，并且每秒发送一个脉冲。这些脉冲的
频率被明确界定，使其有可能实现皮秒或纳秒级的精度。
[0063] 各个车辆时钟的同步也可以按照由引导车辆所确定的频度发生。如果车辆中某一时钟的不确定性已知，该时钟的同步频度就可以与之适应，使得变化更大的时钟比对更稳定的时钟更频繁地执行同步。在这种情况下可以由引导车辆或由跟随车辆本身初始化同步。
[0064] 图1进一步展示了车队1走近控制点tc，在此由X展示，标注了引导车辆L在控制点的时间tc的对应空间位置5。一般来说，在跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn已经收到了控制命令后，期望它们采取遵循该控制命令所要求的行动。典型情况下，控制命令从引导车辆L发送并且在执行前的几百秒至一秒期间被接收。
[0065] 图2展示了发出控制命令时所发生的情况。纯粹作为实例，假设与控制点tc相关联的控制命令规定车队的车辆应当在控制点时间tc开始调整其速度，以便达到所期望的速度vdesired。在车辆能够实际开始调整其速度前，应当考虑到一定的时间延迟，比如引导车辆驾驶员的反应时间、控制命令传播到跟随车辆的握手时间以及制动准备如创建制动压力的时间。这种准备时间在图2中被表示为Δtprep并且对应于车队驾驶图1中由d表示的距离。控制命令最迟应当在时间tc-Δtprep被传送以便允许时间延迟。在执行该动作期间的时间区间被表示为Δtaction，并且其长度受各个车辆的动力表现影响。在时间tc+Δtaction应当达到所期望的速度。选择Δtaction时应当考虑各个车辆对具体期望调整所需的最长时间，否则在车队中的这些车辆将有彼此碰撞的
风险。
[0066] 从引导车辆L向任何跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn发送的控制命令可以包括表示为随时间的状态控制的动作，比如随时间加速、随时间减速、随时间达到目标速度、随时间达到车辆间距离、随时间达到转弯半径或随时间达到去的位置。在这方面对图3进行了参考，其中x轴代表在控制点tc之后以毫秒计的时间。距离涉及到恰好在前车辆的车辆间距离。
[0067] 如果不同的控制命令彼此冲突，例如一条命令规定一定的车辆间距离而另一条控制命令规定期望的速度提高，对安全最重要的控制命令将被优先考虑，在这个实例中，是车辆间距离。
[0068] 如果由于某种原因，无法收到外部时钟的信号，如在隧道中驾驶时，每辆车的时基可以基于从外部时钟收到的最后信号。引导车辆L可以对跟随车辆的时钟保持跟踪，并且如果它们中的至少一个的差异比预定量大，引导车辆就可以发出同步信号或重复的同步信号，例如每秒一次。作为替代，只要与外部时钟的联系一断开，引导车辆就可以开始发出时间信号。然后其他车辆可以将其时钟与引导车辆的时钟同步。
[0069] 在根据本发明的控制系统的第二个实施例中，形成共同时基的时间信号从引导车辆L发送，例如每秒一次，消除了对外部时钟的需求。优选情况下，各个车辆的时钟精度是至少10ms，优选情况下至少是1ms并且最优选情况下至少是100μs。如果由于某种原因来自引导车辆L的时间信号变模糊或阻塞，每辆跟随车辆Fi的时基就可以基于从引导车辆L收到的最后信号。
[0070] 本发明的另一方面提供了控制车队行进的方法，如图4所示。本方法包括以下步骤，其中某些是可选的，如以下讲解并示为虚线框：
[0071] 100:a)建立共同时基；
[0072] 110:b)在控制点之前从引导车辆L向至少一辆跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn传送控制命令，包括控制点tc和提议的动作；
[0073] 120:c)所述至少一辆跟随车辆向引导车辆L确认收到该控制命令；
[0074] 130:d)所述引导车辆发送执行命令。
[0075] 在最一般的形式中，根据本发明提议的方法仅仅包括步骤100:a)和110:b)。由于共同时基，在这种情况下的动作在适宜的时刻被执行。如以上讲解，步骤a)典型情况下定期地进行，但是在执行步骤b)之前它应当已经进行了至少一次。
[0076] 本方法可以由步骤120:c)扩展，跟随车辆Fi收到了控制命令后向引导车辆L回答。在某实施例中，所期望的是全部跟随车辆都确认其各自的控制命令。作为选择，可以在跟随车辆Fi也已经收到了执行命令之后再执行提议的动作，在这种情况下执行命令在130:d)发送。
[0077] 图5把图4中所示的方法步骤展示为车辆间通信：110:从引导车辆L向跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn发送控制命令（细线）。控制命令包括控制点tc和向至少一辆跟随车辆提议的动作。如所展示的那样，可以向每辆跟随车辆发送控制命令。作为替代，可以发送通用的控制命令，包括用于不止一台，优选情况下全部车辆的控制命令。在这种情况下，各车辆应当能够识别出哪条控制命令计划用于某特定车辆。
[0078] 120：跟随车辆向引导车辆L确认收到了控制命令后（虚线）。
[0079] 130：引导车辆向每辆跟随车辆发送执行命令，不是向各辆跟随车辆的单独命令（粗线）就是通用的执行命令，包括用于不止一台，优选情况下全部车辆的执行命令。
[0080] 图6是图5中展示方法的时间控制图。时间轴在图中指向下方。步骤a）独立于其他步骤并可以定期地被重复，如以上讲解。控制命令在步骤b）被分别地传送到每辆跟随车辆并在步骤c）被确认。在步骤d）发送执行命令。在时间tc执行所提议的动作。
[0081] 在本方法的替代实施例中，见图7，本方法可以包括进一步的步骤代替步骤c）或作为对步骤c）的补充。步骤a）和步骤b）正如以上：
[0082] 100:a)建立共同时基；
[0083] 110:b)在控制点之前从引导车辆L向至少一辆跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn传送控制命令，包括控制点tc和提议的动作；
[0084] 可选步骤120:c)所述至少一辆跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn向引导车辆L确认收到该控制命令；
[0085] 140:e)所述至少一辆跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn向引导车辆L传达消息：跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn“能够”150或“不能够”170执行根据该控制命令提议的动作。
[0086] 160:f)在步骤e）中传达“能够”150的情况下，引导车辆可以发送基于步骤b）的执行命令。
[0087] 在步骤e）中传达“不能够”170的情况下，可以发生以下步骤：
[0088] 180:g）所述至少一辆跟随车辆F1、F2、…、Fi-1、Fi、…、Fn向引导车辆L传达可能受限的状态动作。
[0089] 190:h）本方法返回到步骤b）并且该引导车辆L发送新的基于该可能受限的状态动作的控制命令。
[0090] 引导车辆L能够在任何时间决定解散车队。典型的情况是从一辆跟随车辆传达“不能够”时。该解散可以是总体的或者是部分的。总体解散意味着该车队被分离为其各个车辆。该解散可以开始于尾端，通常这是优选的，也可以在车队的任何位置，在特殊情况下这是优选的，比如某物体从旁边进入车队，例如跑到公路上的麋鹿。在部分解散中，该车队可以被分离为一个或多个子车队，每个子车队然后形成新的车队。在解散车队时，车辆间距离增大，状态控制被转交到被解散的跟随车辆并向其驾驶员发送了警报。也有可能赋予车队中任何车辆在期望或需要时解散该车队的权限。
[0091] 在以上介绍的情况下，如果在步骤e）传达了“不能够”170，所以到步骤190解散该车队可以是替代方案。
[0092] 图8是图6中展示方法的时间控制图。时间轴在图中指向下方。步骤a）独立于其他步骤并可以被重复，如以上讲解。控制命令在步骤b）被传送并在步骤c）被确认。跟随车辆F1、F2和Fi在步骤e）传达它们“能够”执行所提议的动作，而一辆跟随车辆Fi-1传达“不能够”。这辆车还发送了可能受限的状态动作，步骤g）。在步骤h）本方法返回步骤b）并且引导车辆发送新的控制命令，包括考虑了受限状态的新提议的动作。跟随车辆确认该接收，步骤c）。这次全部跟随车辆都“能够”执行控制命令，步骤e），并且在步骤f）引导车辆发送基于新提议的动作的执行命令。在时间tc执行新提议的动作。
[0093] 车队的全部车辆都可以可选性地能够转发控制命令并用作车辆之间发送消息的发射应答器。
[0094] 在本发明的另一方面，本发明的控制系统还包括把候选跟随车辆连接到车队的协商过程。候选跟随车辆可以沿着车队进入车队的任何位置，但是优选情况下，它被添加到车队的尾端。协商过程可以或者由引导车辆L启动或者由候选跟随车辆启动。在包括协商过程的控制系统的优选实施例中，每辆车都有唯一的标识。另外，每辆车都有其自己的控制器──次级控制器，它比如控制与恰好在前车辆的距离xi。
[0095] 协商过程利用车辆之间的通信进行。因而识别出引导车辆L和恰好在候选跟随车辆前面的车辆。引导车辆L知道在车队中的其他车辆是什么。另外，优选情况下，每辆跟随车辆都至少知道恰好在其前面和恰好在其后面的车辆是什么。候选跟随车辆还传达其当前的驾驶数据，比如位置、速度和加速度。
[0096] 协商过程进一步包括向引导车辆发送候选跟随车辆状态控制的界限。由于引导车辆知道已经连接的跟随车辆状态控制的界限，所以在该候选车辆被接受时车队的控制能够适于新包括的车辆。如果引导车辆L发现该候选跟随车辆的状态控制能力太受限，不适应在车队中，或者如果跟随车辆的数量太多，引导车辆L可以拒绝候选跟随车辆的连接。
[0097] 以上协商过程适合于本发明权利要求的控制系统。不过，以上协商过程，有可能包括对允许连接与否的决定使用上述的
基础，当连接新的候选者时，也可以用于车队驾驶的其他控制系统。因此协商过程不限于连同权利要求的控制系统使用，而是在任何车队控制系统中都可以使用。
[0098] 优选情况下，使引导车辆L位于车队的前方，正如在展示的实施例中，但是引导车辆在原则上可以是车队中的任何车辆。
[0099] 在附带的权利要求书的范围内对本发明的进一步
修改是可行的。因此，不应当认为本发明受到本文介绍的实施例和附图的限制。相反，本发明的完全范围应当参考说明和附图由附带的权利要求书确定。
