DE102010027172B4 - Method and device for determining a minimum energy route - Google Patents
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- G01C21/3469—Fuel consumption; Energy use; Emission aspects
Abstract
Verfahren zur Bestimmung einer energieminimalen Route, wobei die energieminimale Route aus einer Anzahl (M) von möglichen Routen zwischen einer Startposition und einer Zielposition bestimmt wird, wobei die energieminimale Route eine Route ist, für welche ein Energieverbrauch (E) eines Fahrzeugs minimal ist, wobei der Energieverbrauch in Abhängigkeit eines Geschwindigkeitsverlaufs und eines Beschleunigungsverlaufs über einer Reisezeit bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitsverlauf und der Beschleunigungsverlauf als harmonische Schwingungen approximiert werden, wobei der Energieverbrauch als Summe eines geschwindigkeitsabhängigen Anteils und eines beschleunigungsabhängigen Anteils approximiert wird, wobei der geschwindigkeitsabhängige Anteil in Abhängigkeit einer Reisezeit und einer mittleren Geschwindigkeit und der beschleunigungsabhängige Anteil in Abhängigkeit der Reisezeit, der mittleren Geschwindigkeit und einer mittleren Beschleunigung bestimmt wird.A method of determining an energy minimum route, wherein the minimum energy route is determined from a number (M) of possible routes between a start position and a destination position, wherein the minimum energy route is a route for which power consumption (E) of a vehicle is minimum the energy consumption is determined as a function of a speed curve and an acceleration curve over a travel time, characterized in that the speed profile and the acceleration curve are approximated as harmonic oscillations, the energy consumption being approximated as the sum of a speed-dependent component and an acceleration-dependent component, wherein the speed-dependent component in Depending on the travel time, the average speed and an average acceleration wi determines the dependence of a travel time and a medium speed and the acceleration-dependent portion approx.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer energieminimalen Route, insbesondere einer energieminimalen Fahrtroute zwischen einer Startposition und einer Zielposition.The invention relates to a method and a device for determining a minimum energy route, in particular a minimum energy route between a start position and a target position.
Auf derzeit im Handel befindlichen Navigationsendgeräten ist in fast allen Fällen eine Routensuche implementiert, die entweder Reisezeiten oder eine Länge einer Reisestrecke zwischen einer gewünschten Startposition und einer gewünschten Zielposition eines Fahrzeugs minimiert. Bei einfacheren Geräten erfolgt diese Routensuche anhand von festen Reisezeiten und/oder Weglängen für einzelne Teilabschnitte, insbesondere Straßenabschnitte, einer Fahrtroute, wobei die Teilabschnitte als Kanten eines Graphes aufgefasst werden und die Bestimmung der Route mit bekannten Suchverfahren, z. B. einem Dijkstra-Algorithmus, gefunden werden. Besser ausgestattete Geräte können die Bestimmung der Route mit variablen Kantengewichten, z. B. tageszeit- oder wochentagsabhängigen Reisezeiten oder Reisegeschwindigkeiten, durchführen, wobei Kanten einzelnen Teilabschnitten einer Route entsprechen. Dies führt dazu, dass unter Umständen eine Route um Mitternacht sich deutlich von einer Route am frühen Morgen unterscheidet. Eine Bestimmung einer Route, die einen Energieverbrauch des Fahrzeugs minimiert, benötigt vor allem eine aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs und eine Angabe über eine Beschleunigung des Fahrzeuges, da dies die wesentlichen Kenngrößen zur Bestimmung des Energieverbrauchs sind.On currently marketed navigation terminals, in almost all cases a route search is implemented that minimizes either travel times or a length of travel distance between a desired start position and a desired target position of a vehicle. For simpler devices this route search is based on fixed travel times and / or path lengths for individual sections, especially road sections, a route, the sections are considered as edges of a graph and the determination of the route with known search methods, eg. As a Dijkstra algorithm can be found. More well-equipped devices can determine the route with variable edge weights, eg. B. Daytime or weekday dependent travel times or travel speeds, perform, wherein edges correspond to individual sections of a route. As a result, a midnight route may differ significantly from an early morning route. A determination of a route that minimizes energy consumption of the vehicle requires above all a current speed of the vehicle and an indication of an acceleration of the vehicle, since these are the essential parameters for determining the energy consumption.
Die
Aus der
Aus der
Aus der
Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer energieminimalen Route zu schaffen, welche möglichst einfach zu implementieren ist, möglichst wenig Speicherbedarf aufweist und eine möglichst energieminimale Route bestimmt, um z. B. einen Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu minimieren.It raises the technical problem of providing a method and a device for determining a minimum energy route, which is as simple as possible to implement, has as little storage space and determines a minimum possible energy route to z. B. to minimize fuel consumption of the vehicle.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Gegenständen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem arises from the objects with the features of
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bestimmung einer energieminimalen Route, wobei die energieminimale Route aus einer Anzahl von möglichen Routen zwischen einer Startposition und einer Zielposition bestimmt wird. Die energieminimale Route bezeichnet hierbei eine Route zwischen der Start- und der Zielposition, für welche das die Route befahrende Fahrzeug im Vergleich zu alternativen Routen am wenigsten Energie benötigt. Beispielsweise kann sich dies durch einen minimalen Kraftstoffverbrauch ausdrücken.A method is proposed for determining an energy minimum route, wherein the minimum energy route is determined from a number of possible routes between a start position and a destination position. The minimum energy route here denotes a route between the start and the destination position for which the vehicle traveling the route requires the least energy compared to alternative routes. For example, this can be expressed by a minimum fuel consumption.
Die energieminimale Route ist also eine Route, für welche ein Energieverbrauch des Fahrzeugs minimal ist.The minimum energy route is thus a route for which energy consumption of the vehicle is minimal.
Erfindungsgemäß wird der Energieverbrauch in Abhängigkeit eines Geschwindigkeitsverlaufs und eines Beschleunigungsverlaufs über einer Reisezeit bestimmt. Hierbei bezieht sich der Geschwindigkeitsverlauf auf einen zeitlichen Verlauf einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs für die gesamte Route oder Teilabschnitte der Route. Analog bezieht sich der Beschleunigungsverlauf auf einen zeitlichen Verlauf der Beschleunigung des Fahrzeugs über die gesamte Route oder einen oder mehrere Teilabschnitte der Route. Die Reisezeit bezeichnet hierbei eine Zeitdauer, in welcher das Fahrzeug die gesamte Route oder einen oder mehrere Teilabschnitte der Route durchfährt.According to the invention, the energy consumption is determined as a function of a speed curve and an acceleration curve over a travel time. Here, the speed course refers to a time course of a speed of the vehicle for the entire route or sections of the route. Similarly, the acceleration curve refers to a time course of the acceleration of the vehicle over the entire route or one or more sections of the route. The travel time here denotes a period in which the vehicle passes through the entire route or one or more sections of the route.
Der Energieverbrauch eines Fahrzeugs hängt maßgeblich von einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung des Fahrzeugs beim Befahren der Route ab. Beispielsweise ergibt sich durch häufiges Bremsen und Beschleunigen ein höherer Energieverbrauch als bei einer gleichmäßigen Fahrweise. Ebenso ergibt sich für höhere Geschwindigkeiten ein höherer Energieverbrauch als für niedrigere Geschwindigkeiten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also vorteilhaft ermöglicht, einen Energieverbrauch in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Beschleunigung zu bestimmen, wobei dann eine den Energieverbrauch minimierende Route ausgewählt werden kann.The energy consumption of a vehicle depends significantly on a speed and an acceleration of the vehicle when driving on the route. For example, frequent braking and accelerating results in higher energy consumption than in a uniform driving style. Likewise higher energy consumption results in higher energy than lower speed. The method according to the invention therefore makes it advantageously possible to determine an energy consumption as a function of speed and acceleration, in which case a route minimizing the energy consumption can then be selected.
Dabei werden ein Geschwindigkeitsverlauf und ein Beschleunigungsverlauf als harmonische Schwingungen approximiert. Hierbei kann eine Beschleunigung beispielsweise wie folgt approximiert werden:
Hierbei bezeichnet A eine Amplitude der harmonischen Schwingung, die einen Beschleunigungsverlauf a(t) approximiert. T bedeutet wiederum die vorzugsweise vorbekannte Reisezeit der gesamten Route oder des Teilabschnitts der Route. Analog kann ein Geschwindigkeitsverlauf wie folgt berechnet werden:
Hierbei drückt A, also die Amplitude der harmonischen Schwingung, eine allgemeine mittlere Beschleunigung des Fahrzeugs über die gesamte Route oder Teilabschnitte der Route aus. Der Parameter A kann als Kalibrationsparameter behandelt werden, in welchem verschiedene Charakteristika eines Verkehrsnetzes wiedergespiegelt werden. Typische Werte für A liegen im Bereich zwischen 0,5 und 1,0 m/s2. Durch die Approximation als harmonische Schwingungen ergibt sich in vorteilhafter Weise ein einfach zu bestimmender Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverlauf, wobei die Approximation eine im Mittel gute Annäherung an tatsächliche Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverläufe darstellt.In this case, A, ie the amplitude of the harmonic oscillation, expresses a general average acceleration of the vehicle over the entire route or partial sections of the route. The parameter A can be treated as a calibration parameter in which various characteristics of a traffic network are reflected. Typical values for A are in the range between 0.5 and 1.0 m / s 2 . The approximation as harmonic oscillations advantageously results in an easily determinable velocity and acceleration profile, whereby the approximation represents a mean good approximation to actual velocity and acceleration characteristics.
Weiter wird der Energieverbrauch als Summe eines geschwindigkeitsabhängigen Anteils und eines beschleunigungsabhängigen Anteils approximiert. Hierbei wird der geschwindigkeitsabhängige Anteil in Abhängigkeit einer Reisezeit und einer mittleren Geschwindigkeit und der beschleunigungsabhängige Anteil in Abhängigkeit der Reisezeit, der mittleren Geschwindigkeit und einer mittleren Beschleunigung bestimmt. Die mittlere Beschleunigung kann hierbei die vorhergehend erwähnte Amplitude A der harmonischen Schwingung sein. Die Reisezeit kann hierbei vorzugsweise vorbekannt sein. Hierbei beziehen sich die Größen Reisezeit, mittlere Geschwindigkeit und mittlere Beschleunigung auf die gesamte Route oder einen Teilabschnitt der Route. Der gesamte Energieverbrauch kann sich beispielsweise als
Hierbei bezeichnet E den gesamten Energieverbrauch, E0 den geschwindigkeitsabhängigen Anteil des Energieverbrauchs und E1 den beschleunigungsabhängigen Anteil des Energieverbrauchs. Um die Formel 6 auszuwerten, wird lediglich die aktuelle Reisezeit T und die aktuelle Reisegeschwindigkeit V benötigt. Beide sind mit einer vorbekannten Länge des betrachteten Abschnitts über
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Route in Teilabschnitte unterteilt, wobei ein Energieverbrauch pro Teilabschnitt in Abhängigkeit eines Geschwindigkeitsverlaufs und eines Beschleunigungsverlaufs in dem jeweiligen Teilabschnitt über einer dem entsprechenden Teilabschnitt zugeordneten Reisezeit bestimmt wird. Die Teilabschnitte können hierbei z. B. als Kanten eines Graphes aufgefasst werden. Der Energieverbrauch kann dann als einer Kante zugehörig und z. B. für eine Bestimmung der Route mittels bekannter Graphensuchverfahren, z. B. Dijkstra-Algorithmus oder A-Stern-Algorithmus, als Gewicht der jeweiligen Kante aufgefasst werden. Der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverlauf wird hierbei nur für ein Zeitintervall bestimmt, für welches das Fahrzeug einen aktuellen Teilabschnitt befährt. Eine Reisezeit für Teilabschnitte, z. B. Straßenabschnitte, kann vorbekannt sein. Hierbei werden Erfahrungswerte für Reisezeiten auf bestimmten Teilabschnitten einer Route gespeichert und sind im erfindungsgemäßen Verfahren abrufbar. Die Reisezeiten repräsentieren hierbei mittlere Reisezeiten, die für das Befahren entsprechender Teilabschnitte benötigt werden. Selbstverständlich gelten die Ausführungen zu den Teilabschnitten auch für eine gesamte Route, falls Informationen über z. B. eine Reisezeit über die gesamte Route vorliegen.In a further embodiment, a route is subdivided into subsections, energy consumption per subsection being determined as a function of a speed profile and an acceleration profile in the respective subsection over a travel time associated with the corresponding subsection. The sections can hereby z. B. be considered as edges of a graph. The energy consumption can then be associated with an edge and z. B. for a determination of the route by means of known graph search method, z. As Dijkstra algorithm or A-star algorithm, be considered as the weight of each edge. The speed and acceleration curve is determined here only for a time interval for which the vehicle is driving a current section. A travel time for subsections, z. B. road sections, may be previously known. In this case, empirical values for travel times are stored on specific subsections of a route and can be retrieved in the method according to the invention. The travel times represent here average travel times, which are needed for driving on corresponding subsections. Of course, the comments on the subsections also apply to an entire route, if information about z. B. have a travel time over the entire route.
Durch die Aufteilung der Route in Teilabschnitte ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass auch zum Bestimmen einer energieminimalen Route bekannte Graphensuchverfahren verwendet werden können, wobei ein Energieverbrauch als Gewicht einer Kante, also eines Teilabschnitts, aufgefasst werden kann.By dividing the route into subsections results in an advantageous manner that even for determining a minimum energy route known graph search methods can be used, with energy consumption as the weight of an edge, ie a subsection, can be construed.
In einer weiteren Ausführungsform werden ein Geschwindigkeitsverlauf und/oder ein Beschleunigungsverlauf in Abhängigkeit von vorbekannten Verkehrsdaten berechnet.In a further embodiment, a speed profile and / or an acceleration profile are calculated as a function of previously known traffic data.
Hierbei kann der Geschwindigkeitsverlauf v(t) und der Beschleunigungsverlauf a(t) z. B. in Abhängigkeit von einer Verkehrsdichte, Warteschlangenlängen, Stauzuständen und weiteren Verkehrsdaten bestimmt werden. Diese können dezentral oder zentral erfasst werden und dem Fahrzeug beispielsweise über Car-to-X-Kommunikation übermittelt werden. Auch ist vorstellbar, z. B. über Internet oder weitere Übertragungsarten an das Fahrzeug übertragene Verkehrsdaten auszuwerten, um einen Geschwindigkeitsverlauf und einen Beschleunigungsverlauf für die gesamte Route oder Teilabschnitte der Route zu bestimmen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Geschwindigkeitsverlauf und ein Beschleunigungsverlauf an eine aktuelle Verkehrslage angepasst werden kann.Here, the speed curve v (t) and the acceleration curve a (t) z. B. depending on a traffic density, queue lengths, congestion conditions and other traffic data can be determined. These can be detected decentrally or centrally and transmitted to the vehicle, for example via Car-to-X communication. It is also conceivable, for. B. via the Internet or other types of transmission transmitted to the vehicle traffic data to determine a speed profile and an acceleration curve for the entire route or sections of the route. This results in an advantageous manner that a speed curve and an acceleration curve can be adapted to an actual traffic situation.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Energieverbrauch als Integration einer Energiefunktion über eine Reisezeit bestimmt, wobei die Energiefunktion in Abhängigkeit des Geschwindigkeitsverlaufs und des Beschleunigungsverlaufs bestimmt wird. Eine Energiefunktion kann hierbei wie folgt formelmäßig ausgedrückt werden:
Hierbei beschreibt e(t) den Energieverbrauch zum Zeitpunkt t als Funktion eines Geschwindigkeitsverlaufs v(t) und eines Beschleunigungsverlaufs a(t), wobei die in Formel 1 ausgedrückte Energiefunktion eine gute Annäherung an einen tatsächlichen Energieverbrauch eines Fahrzeugs ist. Die Konstanten c0, c1, c2, cav1, cav2 sind hierbei vom jeweiligen Fahrzeugtyp abhängig und können vor dem erfindungsgemäßen Verfahren parametriert bzw. kalibriert werden. Die Konstanten c1, c2, c3, cav1, cav2 sind also vorbekannte Größen im erfindungsgemäßen Verfahren. Die Berechnung des gesamten Energieverbrauchs für einen Teilabschnitt oder die gesamte Route ergibt sich dann gemäß Here, e (t) describes the energy consumption at time t as a function of a velocity curve v (t) and an acceleration curve a (t), the energy function expressed in
Hierbei bezeichnet T die Reisezeit für die gesamte Route oder einen Teilabschnitt der Route. Bei der Integration ist zu beachten, dass für den Term cav1a(t)v(t) eine Integration nur über Zeiten erfolgt, in denen die Beschleunigung a(t) positiv ist. Ansonsten würde sich in Bereichen mit negativer Beschleunigung ein entsprechender Energiegewinn ergeben, der einen entsprechenden Energieverlust gerade wieder ausgleicht, was mit aktuellen rein mit Verbrennungskraftmaschinen angetriebenen Fahrzeugen nicht möglich ist. Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen ist dies jedoch möglich und die negative Beschleunigung a(t) entsprechend zu berücksichtigen. Durch die Berechnung eines Energieverbrauchs als Integration einer Energiefunktion lässt sich in vorteilhafter Weise ein Energieverbrauch für die gesamte Route oder einen Teilabschnitt der Route berechnen, wobei T eine vorbekannte Reisezeit der Route oder des Energieverbrauchs sein kann, die sich z. B. aus Erfahrungswerten bestimmt.Here, T denotes the travel time for the entire route or a partial section of the route. In the integration, it should be noted that for the term c av1 a (t) v (t), integration takes place only over times in which the acceleration a (t) is positive. Otherwise, in areas with negative acceleration, a corresponding energy gain would result, which just compensates for a corresponding energy loss, which is not possible with current vehicles driven purely by internal combustion engines. In the case of electric or hybrid vehicles, however, this is possible and the negative acceleration a (t) must be taken into account accordingly. By calculating energy consumption as an integration of an energy function, energy consumption for the entire route or a partial section of the route can be calculated advantageously, where T may be a known travel time of the route or energy consumption, which may be e.g. B. determined from experience.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Reisezeit und die Länge der Route vorbekannt oder sind eine einem Teilabschnitt der Route zugeordnete Reisezeit und eine Länge des Teilabschnitts vorbekannt, wobei die mittlere Geschwindigkeit in Abhängigkeit der vorbekannten Reisezeit und Länge bestimmt wird. Dies wurde vorhergehend in Formel 8 erläutert. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein einfach zu bestimmender Energieverbrauch für die Gesamtroute bzw. Teilabschnitte der Gesamtroute.In a further embodiment, the travel time and the length of the route are previously known or are known as a travel time associated with a subsection of the route and a length of the subarea, the mean speed being determined as a function of the previously known travel time and length. This was previously explained in Formula 8. This results in an easy to be determined energy consumption for the entire route or sections of the overall route in an advantageous manner.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Amplitude des Beschleunigungsverlaufs oder eine mittlere Beschleunigung in Abhängigkeit einer Tageszeit und/oder weiterer Routenparameter bestimmt. Hierbei kann also die Amplitude des Beschleunigungsverlaufs aus Formel 3 bzw. der beschleunigungsabhängige Anteil aus Formel 7 z. B. tageszeitabhängig berechnet werden. Hierdurch kann auch ein Energieverbrauch eines Fahrzeugs auf einer gesamten Route oder einem Teilabschnitt der Route in Abhängigkeit einer Tageszeit bestimmt werden. Alternativ oder kumulativ ist möglich, die Amplitude der harmonischen Schwingungen oder die mittlere Beschleunigung in Abhängigkeit weiterer Routenparameter zu bestimmen. Beispielsweise können diese in Abhängigkeit einer aktuellen Verkehrslage bestimmt werden, wobei Daten zur aktuellen Verkehrslage beispielsweise mittels einer Car-to-X-Kommunikation an das Fahrzeug bzw. das Navigationsendgerät übermittelt werden. Auch können weitere Routenparameter, wie z. B. eine Kurvigkeit der Route, eine Windstärke und Windrichtung in Teilabschnitten der Route und weitere äußere Randbedingungen in eine Bestimmung der Amplitude der harmonischen Schwingungen oder der mittleren Beschleunigung einbezogen werden.In a further embodiment, an amplitude of the acceleration profile or an average acceleration is determined as a function of a time of day and / or further route parameters. In this case, therefore, the amplitude of the acceleration curve of
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Energieverbrauch verbessert an eine aktuelle Verkehrslage und/oder aktuelle Randbedingungen der Route angepasst werden kann. Nachteilig ergibt sich ein höherer Berechnungsaufwand sowie ein höherer Speicheraufwand, z. B. für tageszeitabhängige vorbestimmte mittlere Beschleunigungen oder Amplituden der harmonischen Schwingungen.This results in an advantageous manner that an energy consumption improved to an actual traffic situation and / or current boundary conditions of the route can be adjusted. The disadvantage is a higher computational effort and a higher memory overhead, z. B. for daytime-dependent predetermined average accelerations or amplitudes of the harmonic oscillations.
Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bestimmung einer energieminimalen Route, wobei die Vorrichtung mindestens eine Auswerteeinheit umfasst. Mittels der Auswerteeinheit ist in vorteilhafter Weise eines der vorhergehend erläuterten Verfahren durchführbar. Die Vorrichtung kann hierbei beispielsweise ein mobiles Navigationsgerät oder ein in einem Fahrzeug fest installiertes Navigationsgerät sein.Further proposed is a device for determining a minimum energy route, wherein the device comprises at least one evaluation unit. By means of the evaluation unit, one of the previously explained methods can be carried out in an advantageous manner. In this case, the device can be, for example, a mobile navigation device or a navigation device permanently installed in a vehicle.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer energieminimalen Route.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. The single figure shows a schematic flow diagram of a method for determining a minimum energy route.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- erster Schrittfirst step
- 22
- zweiter Schrittsecond step
- 33
- dritter SchrittThird step
- 44
- vierter Schrittfourth step
- kk
- aktueller Teilabschnittcurrent section
- NN
- Anzahl der TeilabschnitteNumber of sections
- Ee
- Energieverbrauchpower consumption
Claims (8)
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