JP2008224290A - 車両走行仮想試験システム及び方法並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】実走行用のテストコース及び大規模な試験装置の必要がなく、構造が確定される前に各部品をモデル化し車両モデルを構築して車両及びその走行を検証し得る車両走行仮想試験システムを提供する。
【解決手段】車両走行の仮想試験を行う車両走行仮想試験システムにおいて、車両を構成する要素として所定機能毎に独立して設定された複数の部品を、該各部品に加わるエネルギーの瞬時値を構成する２種類の状態量である位差量と流動量とを入出力状態量の対とし、該入出力状態量が加わる部品の内部特性のパラメータが、行が出力状態ベクトル，列が入力状態ベクトルとなる行列形式で配置されることで、位差量及び流動量に対応した内部行列を構成するシステム方程式でモデル化し、モデル化されたモデルを入出力状態量を介して結合することで、車両モデルを構築し、該車両モデルの仮想試験を実行する。
【選択図】図３

Description

この発明は、車両を構成する部品をシステム要素としてモデル化し、該システム要素から車両モデルを構築しつつ、車両走行の仮想試験（シミュレーション）を行うための車両走行仮想試験システム及び方法並びにプログラムに関する。

従来、車両の走行性、操作性、騒音・振動測定等のために、平坦路や凹凸のあるラフロードで車両を実走行させてテストを行うこと、若しくは、例えば特開平３−１１０４４０号公報に開示されるようなローラ式シャシーダイナモメータを用いて走行試験を行うことが知られている。ところが、前者の場合には、実走行用の広いテストコースが必要であり、また、各テストドライバの運転特性等によってテスト結果に差異が生じるおそれがあった。他方、後者の場合には、試験装置自体が大規模となり、コスト増大が避けられないという問題があった。

ところで、近年では、製品開発の短期化を目的として、工業製品の設計・開発工程を支援するコンピュータ支援エンジニアリング（CAE:Computer Aided Engineering）を利用したシステム（以下、単に「コンピュータ支援システム」という）が一般的に用いられるようになってきた。このコンピュータ支援システムによれば、従来では試作品を用いた実試験により行われていた性能や機能の評価や確認を、シミュレーションによって開発の初期段階で行うことができ、開発スピードの向上やコストの低減を期待することができる。また、従来、試作・実験のために使っていた資源を他の部分に配分できるようになることで、最終的な品質の向上を図ることも可能となる。

特開平３−１１０４４０号公報

そこで、本出願人は、かかるコンピュータ支援システムを利用することで、実走行用のテストコースや大規模な試験装置の必要がなく従来の問題を回避し得る車両走行試験が可能になると考えた。しかしながら、従来のコンピュータ支援システムでは、形状設計のツールであるＣＡＤ及び構造解析のための有限要素法（FEM:Finite Element Method）が主流であり、試験対象の構造や形状が確定しなければその使用ができないように構成されている。現状では、試験対象の構造や形状が確定する前の製品の構想・企画段階で利用し得る仮想試験ツールが未開拓であり、かかるツールの開拓は、コンピュータ支援システムを用いた製品開発の有用性向上を図る上で、重要な課題である。

この発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、実走行用のテストコース及び大規模な試験装置の必要がなく、構造が確定される前に各部品をモデル化し車両モデルを構築して車両及びその走行を検証し得る車両走行仮想試験システム及び方法並びにプログラムを提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る発明は、車両走行の仮想試験を行うための車両走行の仮想試験を行う車両走行仮想試験システムであって、車両を構成する要素として所定機能毎に独立して設定された複数の部品を、該各部品に加わるエネルギーの瞬時値を構成する２種類の状態量である位差量と流動量とを入出力状態量の対とし、該入出力状態量が加わる部品の内部特性のパラメータが、行が出力状態ベクトル，列が入力状態ベクトルとなる行列形式で配置されることで、上記位差量及び流動量に対応した内部行列を構成するシステム方程式でモデル化する部品モデル化手段と、該モデル化手段によりモデル化されたモデルを上記入出力状態量を介して結合することで、車両モデルを構築する車両モデル構築手段と、該車両モデル構築手段により構築された車両モデルに基づき、車両走行の仮想試験を実行する車両モデル実行手段と、を有していることを特徴としたものである。

また、本願の請求項２に係る発明は、車両走行の仮想試験を行うための車両走行の仮想試験を行う車両走行仮想試験方法であって、車両を構成する要素として所定機能毎に独立して設定された複数の部品を、該各部品に加わるエネルギーの瞬時値を構成する２種類の状態量である位差量と流動量とを入出力状態量の対とし、該入出力状態量が加わる部品の内部特性のパラメータが、行が出力状態ベクトル，列が入力状態ベクトルとなる行列形式で配置されることで、上記位差量及び流動量に対応した内部行列を構成するシステム方程式でモデル化するステップと、モデル化されたモデルを上記入出力状態量を介して結合することで、車両モデルを構築するステップと、構築された車両モデルに基づき、車両走行の仮想試験を実行するステップと、を有していることを特徴としたものである。

更に、本願の請求項３に係る発明は、車両走行の仮想試験を行うための車両走行の仮想試験を行う車両走行仮想試験システムに、車両を構成する要素として所定機能毎に独立して設定された複数の部品を、該各部品に加わるエネルギーの瞬時値を構成する２種類の状態量である位差量と流動量とを入出力状態量の対とし、該入出力状態量が加わる部品の内部特性のパラメータが、行が出力状態ベクトル，列が入力状態ベクトルとなる行列形式で配置されることで、上記位差量及び流動量に対応した内部行列を構成するシステム方程式でモデル化する手順と、モデル化されたモデルを上記入出力状態量を介して結合することで、車両モデルを構築する手順と、構築された車両モデルに基づき、車両走行の仮想試験を実行する手順と、を実行させる車両走行仮想試験プログラムである。

本願発明によれば、製品の構想・企画段階で、すなわち、試験対象の構造や形状が確定される前に、部品をモデル化して車両モデルを構築し、それに基づき仮想試験を実行することで、実走行用のテストコース及び大規模な試験装置の必要がなく、車両及びその走行を検証することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１及び２は、それぞれ、本発明の実施形態に係る車両走行仮想試験システム（以下、単に「仮想試験システム」という）の基本構成を示す図及びより具体的な構成を示す図である。この仮想試験システム１０は、例えば車両を駆動輪が駆動可能であるように台上に設置した上で車両の走行テストを行う従来方法に対し、車両を複数の部品からなる実体として扱い、車両を構成する部品をシステム要素としてモデル化し、システム要素から車両モデルを構築した上で、その車両モデルに基づき車両の走行テストを仮想的に行うものである。

本実施形態では、仮想試験システム１０の基本構成として、気圧，路面状態，温度等の環境条件を反映した信号（以下、環境信号という）に基づき、車両モデルの仮想試験の実行環境を設定するための環境系１１と、舵角をあらわす信号，アクセル開度をあらわす信号，ブレーキ踏込み量をあらわす信号等、ドライバの各種運転操作を反映した信号（以下、操作信号という）に基づき、車両モデルの運転操作条件を設定するための操作系１２と、複数の部品モデルが組み合わされて構築された仮想試験対象となる車両モデル（図２中の符号ｅ）に対応した車両系１３Ａ、及び、車両モデルを制御する制御モデル（図２中の符号ｄ）に対応した制御系１３Ｂを備えた仮想原型１３と、環境系１１（図３中の環境入力部ａに対応）及び操作系１２（図２中の操作量入力部ｂに対応）による仮想試験の実行環境や運転操作条件の設定下で、各種情報信号や車両系１３Ａに与えられる車種毎に異なるパラメータに基づき、仮想試験に関する演算処理を実行する演算系１４（図２中の演算処理部ｆに対応）と、仮想試験結果に基づき、例えば車速に応じて変化する揺れや悪路走行時に揺れをもたらす周波数を求めるなど、仮想試験結果を解析する解析系１５（図２中のデータ解析部ｌに対応）と、仮想試験結果を観測しつつ、観測結果をリアルタイムでモニタに出力する観測系１６（図２中のデータ観測部ｋに対応）と、が設けられている。

なお、かかる基本構成を備えた仮想試験システム１０は、その基本構成としての各系に対応した処理をコンピュータ上で実行するソフトウェアとして構成されても、若しくは、ハードウェアとして構成されてもよい。

仮想原型１３の制御系１３Ｂで使用される制御モデルｄは、例えば各種制御に対応したモデルの入出力端子が結合され、各モデルに対応した数式が統合されて構成される。また、同様に、仮想原型１３の車両系１３Ａで使用される車両モデルｅは、車両の各種部品にそれぞれ対応した部品モデルの入出力端子が結合され、各部品モデルに対応した数式が統合されて構成される。なお、かかる制御モデルや車両モデルを構築する上では、本願出願人による特開２００６−３０２１８６号公報に開示されるようなモデル構築技術が適用可能である。概略的に説明すれば、車両を構成する要素として所定機能毎に独立して設定された複数の部品を、該各部品に加わるエネルギーの瞬時値を構成する２種類の状態量である位差量と流動量とを入出力状態量の対とし、該入出力状態量が加わる部品の内部特性のパラメータを、行が出力状態ベクトル，列が入力状態ベクトルとなる行列形式で配置することで、上記位差量及び流動量に対応した内部行列を構成するシステム方程式でモデル化され、モデル化されたモデルが入出力状態量を介して結合されることで、車両モデルが構築される。

本実施形態に係る仮想試験システム１０では、このように構築された車両モデルｅがブロック線図としてモニタｎ上に表示されるようになっている。図３は、モニタｎ上に表示される車両モデルｅの一例に対応したブロック線図である。ここでは、車両を構成する部品として、エンジン，トルクコンバータ，トランスミッション，タイヤ，ブレーキ，車体がそれぞれモデル化され、これら部品に対応したモデルが統合されることで、車両モデルｅが構成されている。実際には、各モデルに対応したブロック線図以外にも、各モデル特性，内部パラメータが表示される。

更に、仮想試験システム１０では、必要に応じて、非線形モデルのパラメータ，マップパラメータ，制御モデル，観測モデルに関する解説資料が表示され得る。なお、モデル化は、最初に標準化された基本要素を使い、部品内部の機能に沿ってモデル化（線形モデル）、次に非線形モデルを有する機能についてモデル化（機構モデル）する。機構モデルについては、非線形特性毎に用意された標準機構モデルを利用することができる。

また、図２に示すように、仮想試験システム１０では、環境系１１（環境入力部ａに対応）及び操作系１２（操作量入力部ｂに対応）を介して入力された環境信号及び操作信号に対して、仮想原型１３に基づいた演算系１４（演算処理部ｆに対応）による演算処理前に、入力データ処理部（符号ｃ）により単位変換，補間計算，マップ処理等の処理が施されるようになっている。このとき、パラメータ，マップデータ，オフセット量を含む仮想試験用データ（符号ｏ）が入力される。加えて、入力データ処理部（符号ｃ）による単位変換，補間計算，マップ処理の結果は、データベース（符号ｇ）として蓄積され、演算系１４による演算処理に際して用いられる。

更に、演算系１４にて得られた仮想試験結果は、所定の共有メモリ（符号ｈ）に保存されて記録され、必要に応じて出力され、異なるアプリケーション間で通信可能に使用されてもよい（符号ｐ）。また、更に、演算系１４にて得られた仮想試験結果は、データ出力部（符号ｊ）を介して解析系１５（データ解析部ｌに対応）に送られ、その後、観測系１６（データ観測部ｋに対応）からのリアルタイムデータと同様にモニタ（符号ｎ）へ出力されても、若しくは、別個に出力されてもよい。加えて、車両モデルは、車種毎に異なるデータを含む車両データベース（符号ｍ）から特定のパラメータファイルが提供されることで変更され得る。

図４は、仮想試験システム１０のツール構成及びその関係を概念的にあらわす説明図である。仮想試験システム１０は、概して、図１中の仮想原型１３に対応した仮想原型ツール２１と、図１中の環境系１１及び操作系１２に対応した仮想試験実行環境ツール２２と、図１中の演算系１４，解析系１５及び観測系１６に対応した仮想試験実行管理ツール２３とから構成されている。そして、仮想試験実行管理ツール２３に対し、環境系１１及び操作系１２による仮想試験の実行環境や運転操作に応じて、仮想試験実行環境ツール２２が取り外し可能に（つまり変更可能に）設定され、また、車種毎に異なる仮想原型ツール２１が取り外し可能に設定されるようになっている。

仮想試験実行管理ツール２３は、仮想試験実行環境ツール２２に対して、例えばシステムのオペレータにより入力デバイスを介して入力された気圧，路面状態，温度等の環境条件若しくは舵角，アクセル開度，ブレーキ踏込み量等の運転操作条件を反映させるべく提供する。また、仮想原型１３における車両モデルに基づく仮想試験の実行に伴い、共有メモリを介して他のツール２１，２２とデータをやり取りしつつ、仮想試験システム１０のリアルタイム制御を行ったり、仮想試験システム１０に接続される外部ハードウェアデバイスのインターフェース制御を行ったりする。加えて、仮想試験実行管理ツール２３は、車両モデルに基づく仮想試験の実行に伴い、試験結果の観測や解析を行う。

また、仮想試験実行環境ツール２２は、仮想試験実行管理ツール２３から提供された環境条件及び運転操作条件を仮想原型ツール２１に対して設定する。更に、仮想原型ツール２１は、例えば車種が変更される場合に、車両モデルに対して、車種毎に異なるデータを含む車両データベースから特定のパラメータファイルが提供されることで変更される。

なお、仮想試験システム１０では、図４を参照して前述したツールに加えて、仮想試験対象となる車両に対応したモデルを構築するモデル構築ツールが設けられてもよい。

また、運転操作条件は、試験毎に設定されても、あるいは、時間とアクセル開度やブレーキ操作量等の各種パラメータとの関係をあらわす予め登録された運転操作マップとして設定されてもよい。図５には、運転操作マップとして利用される時間と各種パラメータとの関係の一例を示す。ここでは、パラメータとして、アクセル開度（％），ブレーキ踏込み量（％），路面傾斜（°）が取り上げられている。仮想試験システム１０は、かかる時間と各種パラメータとの関係を反映した運転操作マップが用いられる場合に、外部より入力されるこれらパラメータに基づき、車両走行の仮想試験を実行する。

図６は、仮想試験システム１０により実行される基本的な処理の流れを示すフローチャートである。この処理においては、まず、部品モデルが組み合わせられるにより車両モデルが構築される（＃１１）。この車両モデル構築ステップの詳細については、図７を参照しながら後述する。次に、環境系１１を介して、気圧，路面状態，温度等の環境条件が読み込まれ（＃１２）、また、操作系１２を介して、舵角，アクセル開度，ブレーキ踏込み量等の運転操作条件が読み込まれる（＃１３）。

ステップ＃１３の後、標本時間が設定される（＃１４）。ここでは、ステップ＃１２及び＃１３で読み込まれた環境条件及び運転操作条件に基づき、サンプリングタイム，演算終了時間及び割り込み処理に関する設定が行われる。また、標本時間は、それ以降の車両モデルに基づく仮想試験の実行、すなわちモデル統合方程式の演算処理に伴い行われるリアルタイム制御に応じて設定されてもよい。

ステップ＃１４の後、車両モデルに基づく仮想試験、すなわち、モデル統合方程式の演算が実行される（＃１５）。ここでは、仮想試験用データ（図２中の符号ｏ）として各演算毎にパラメータが提供される。また、この演算毎に、観測系１６を介して、仮想試験結果がモニタへ表示されてもよい。

次に、全演算が終了したか否かが判断され（＃１６）、その結果、全演算が終了していないと判断された場合には、ステップ＃１５へ戻り、それ以降の処理が繰り返され、他方、全演算が終了したと判断された場合には、続いて、全演算結果に基づき結果ファイルが作成される（＃１７）。その後、作成された結果ファイルが、必要に応じて出力される（＃１８）。以上で、処理が終了される。

更に、図７は、車両仮想試験の実行に先立って行われる車両モデル構築ステップ（図６中の＃１１）の詳細に関するフローチャートである。まず、このステップでは、車両モデルを構成する部品モデルが読み込まれる（＃２１）。次に、各部品モデルの入出力情報及びモデル接続条件が設定される（＃２２）。

ステップ＃２２の後、モデル方程式の数式処理が実行される（＃２３）。ここでは、各部品モデルの入出力方程式，内部状態方程式，観測方程式等の各方程式が数式処理される。続いて、パラメータが初期設定される（＃２４）。ここでは、仮想試験用データ（図２中の符号ｏ）として提供されるパラメータが初期設定される。その後、複数の部品モデルが組み合わされて構築された仮想試験対象となる車両モデルに対応したモデル統合方程式が作成される（＃２５）。以上で、図６のメインフローにリターンされる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る仮想試験システム１０によれば製品の構想・企画段階で、すなわち、試験対象の構造や形状が確定される前に、部品をモデル化して車両モデルを構築し、それに基づき仮想試験を実行することで、実走行用のテストコース及び大規模な試験装置の必要がなく、車両及びその走行を検証することができる。

なお、本発明は、例示された実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施形態に係る車両走行仮想試験システムの基本構成を概略的に示す図である。 仮想試験システムのより具体的な構成をあらわす図である。 上記車両走行仮想試験システムにおいてモデル化されモニタ上に表示される車両モデルの一例に対応したブロック線図である。 上記車両走行仮想試験システムのツール構成及びその関係を概念的にあらわす説明図である。 上記車両走行仮想試験システムにて運転操作マップとして利用される時間と各種パラメータとの関係の一例を示すテーブルである。 上記車両走行仮想試験システムによる基本的な処理についてのフローチャートである。 図６中のモデル構築ステップ（＃１１）を詳細にあらわすフローチャートである。

符号の説明

１０…車両走行仮想試験システム，１１…環境系，１２…操作系，１３…仮想原型，１３Ａ…車両系，１３Ｂ…制御系，１４…演算系，１５…解析系，１６…観測系，２１…仮想原型ツール，２２…仮想試験実行環境ツール，２３…仮想試験実行管理ツール。

Claims (3)

1. 車両走行の仮想試験を行うための車両走行仮想試験システムであって、
   車両を構成する要素として所定機能毎に独立して設定された複数の部品を、該各部品に加わるエネルギーの瞬時値を構成する２種類の状態量である位差量と流動量とを入出力状態量の対とし、該入出力状態量が加わる部品の内部特性のパラメータが、行が出力状態ベクトル，列が入力状態ベクトルとなる行列形式で配置されることで、上記位差量及び流動量に対応した内部行列を構成するシステム方程式でモデル化する部品モデル化手段と、
   上記部品モデル化手段によりモデル化されたモデルを上記入出力状態量を介して結合することで、車両モデルを構築する車両モデル構築手段と、
   上記車両モデル構築手段により構築された車両モデルに基づき、車両走行の仮想試験を実行する仮想試験実行手段と、を有していることを特徴とする車両走行仮想試験システム。
2. 車両走行の仮想試験を行うための車両走行の仮想試験を行う車両走行仮想試験方法であって、
   車両を構成する要素として所定機能毎に独立して設定された複数の部品を、該各部品に加わるエネルギーの瞬時値を構成する２種類の状態量である位差量と流動量とを入出力状態量の対とし、該入出力状態量が加わる部品の内部特性のパラメータが、行が出力状態ベクトル，列が入力状態ベクトルとなる行列形式で配置されることで、上記位差量及び流動量に対応した内部行列を構成するシステム方程式でモデル化するステップと、
   モデル化されたモデルを入出力状態量を介して結合することで、車両モデルを構築するステップと、
   構築された車両モデルに基づき、車両走行の仮想試験を実行するステップと、を有していることを特徴とする車両走行仮想試験方法。
3. 車両走行の仮想試験を行うための車両走行の仮想試験を行う車両走行仮想試験システムに、
   車両を構成する要素として所定機能毎に独立して設定された複数の部品を、該各部品に加わるエネルギーの瞬時値を構成する２種類の状態量である位差量と流動量とを入出力状態量の対とし、該入出力状態量が加わる部品の内部特性のパラメータが、行が出力状態ベクトル，列が入力状態ベクトルとなる行列形式で配置されることで、上記位差量及び流動量に対応した内部行列を構成するシステム方程式でモデル化する手順と、
   モデル化されたモデルを入出力状態量を介して結合することで、車両モデルを構築する手順と、
   構築された車両モデルに基づき、車両走行の仮想試験を実行する手順と、を実行させる車両走行仮想試験プログラム。

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