JP2008536223A - トラック軌道および速度を最適化するように車両のシャシーおよびパワートレインを設定するツール - Google Patents

Abstract

実際に計算された車両性能に基いて性能目標を得ることによって運転者モデルを不要にするツールが開示されている。本ツールは、操舵コントローラの如き制御装置に送る経路目標点を決定して、道路区間の最短走行時間の如き性能目標を得るオプチマイザを有している。設計パラメータおよび目標横座標は、共通の車両動的コードで閉ループ操舵コントローラに入力される。本発明は、離散点を用いて経路目標および速度目標を記述し、最適化ツールを有効に活用するようになっている。最適解は、実際に計算された車両性能に基づいている。したがって、車両による追従経路は目標点によって記述された経路とは異なる場合がある。目標経路は最高性能を得るために簡単に変更される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に車両がトラックまたはサーキットを走行する走行時間の最適化を可能とするツールに関するものである。

本出願は２００５年４月８日に出願された米国仮出願第６０/６６９，４７０号の利益を主張するものである。

自動車の開発において、多様な条件下で車両のシャシーおよびパワートレインのさまざまな設計の試験を行って最適性能を導き出すために、コンピュータ車両モデルが用いられる場合がある。従来から行われているような、事前に定義された車両モデルを用いてトラック上の車両の最適性能シミュレーションを導き出すことに代えて、本発明にかかるツールは、性能目標を得るために、目標パラメータおよび設計パラメータを複数の車両システムコントローラおよび較正モジュールへの入力として生成するようになっている。

既存の技術よりも優れた利点は、本ツールは、操舵コントローラ、制動コントローラ、スロットルコントローラ、エンジン較正モジュール、パワートレインモジュールおよび車両較正モジュールに接続されて協働して、性能目標に基づいた出力を生成することにより車両システムシミュレーションを作成する最適化装置を提供しているということである。

既存の技術よりも優れた他の利点は、本ツールは運転者モデルに依存することなく軌道の最適化を提供することである。

車両システムを形成するための最新の既知の技術は、車両の事前に定義された経路および「最大能力」のマップを組み入れる準定常状態モデル最適化手法（ｑｕａｓｉ−ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ ｍｏｄｅｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）である。このモデルは、マニュアルまたは運転者モデルをベースにしたトラック周りの軌跡の最適条件を用いて、経路周りの積分を行い、ラップタイムを求めるようになっている。このツールの欠点としては、仮定経路が最適ではない場合があること、シミュレーション前またはシミュレーション中において、車両への何らかの変更またはエンジン変更の際の予測不能のエンジン動作が最適経路への変更を伴うこと、定常状態シミュレーションが、減衰装置、路面粗さ、動的な負荷伝達の影響を考慮に入れていないことが挙げられる。

他のシミュレーションシステムは、ユーザが経路を指定し、閉ループ制御を用いて経路を追従することを可能とする中間運転者モデルを提供している。この運転者モデルの欠点は、ユーザが決定した経路が決して最適とはならずまた現実的でもないことである。さらに、閉ループ制御は正確に経路を追従しようとするものの、通常、そうはならない。

さらに他のシミュレーションシステムは、複雑さを軽減した車両動的モデル、準定常状態マップおよびユーザが指定する運転者挙動（「攻撃性」）に関する情報を用いて、「ほぼ最適な」経路および１組の開ループ制御入力を規定する、高度運転者モデルを提供している。閉ループ制御は、制御入力を調整して実際の動的性能と推定された動的性能との差を考慮して車両への変更を可能にするようになっている。この運転者モデルの欠点は、アルゴリズムが融通の利かない動作の仮定を含んでおり、これらの仮定が正確にいって決して正しくはないことである。

従来、最適化の試みがなされてきた。最適化ツールは、離散パラメータ値を求めるには有効であるものの、車両制御入力は、連続的であって、円滑でなければならないために困難が生じていた。通常、連続的な情報を生成するために最適化を用いるとき、最適化による実際の出力がわずかな数の離散係数となりうるように、連続的な情報は曲線または多項式によって記述される。

本発明にかかる装置および方法は、実際に計算された車両性能に基づいて性能目標を得ることで、運転者モデルを用いる必要性を排除するツールを提供することによって上述の欠点を克服している。

好ましい第一の実施形態では、本発明にかかるツールは、トラックの周りの軌動目標点を最適化することによって、車両がトラックまたはサーキットを走行する走行時間の最適化を可能としている。本ツールは、操舵コントローラの如き制御装置に送る経路目標点を決定して、道路区間の最短走行時間の如き性能目標を得るオプチマイザを有している。設計パラメータおよび目標横座標は、共通の車両動的コードで閉ループ操舵コントローラに入力される。得られた軌道は車両シャシーおよびパワートレインの物理的制限によってのみ制限される。本発明は、離散点を用いて経路目標および速度目標を記述し、最適化ツールを有効に活用する。本最適化ツールは、実際に計算された車両性能に基づいている。したがって、車両の追従経路は目標点によって記述される経路とは異なる場合がある。目標経路は最高性能を得るために簡単に変更される。

上述の利点ならびに本発明の他の利点は、添付図面を参照した以下の好適な実施例の詳細な説明によって、当業者には容易に明らかとなるであろう。

２００５年４月８日に出願された米国仮出願第６０/６６９，４７０号を本明細書において参照することにより援用するものとする。

図１に示されているのは、トラック軌道および速度の最適化のために車両シャシーおよびパワートレインを設定するためのツール１０である。ツール１０は、性能目標を得るために、複数の車両コントローラおよび較正モジュールへの入力として、目標パラメータおよび設計パラメータを生成する。本ツールは、操舵コントローラ１２と、制動コントローラ１３と、スロットルコントローラ１４と、エンジン較正モジュール１５と、パワートレインモジュール１６と、車両較正モジュール１７とに接続されているオプチマイザ１１を備えている。これらのコントローラおよびモジュール１２〜１７は、オプチマイザ１１と協働して、性能目標に基づく車両システムシミュレーション１８を作成するための出力を生成するようになっている。

たとえば、オプチマイザ１１は、操舵コントローラ１２に接続されており、操舵コントローラ１２向けの軌道設計パラメータを生成し、車両の操舵を制御するようになっている。オプチマイザ１１は、制動コントローラ１３に接続されており、制動コントローラ１３向けの速度目標設計パラメータを生成し、車両の制動を制御するようになっている。オプチマイザ１１は、スロットルコントローラ１４に接続されており、スロットルコントローラ１４向けの速度目標設計パラメータを生成し、車両の加速度を制御するようになっている。オプチマイザ１１は、エンジン較正モジュール１５に接続されており、エンジン較正モジュール１５向けのエンジン設計パラメータを生成し、車両のエンジン性能を規定するようになっている。オプチマイザ１１は、パワートレイン較正モジュール１６に接続されており、パワートレイン較正モジュール１６向けのドライブライン設計パラメータを生成し、車両のドライブトレイン性能を規定するようになっている。オプチマイザ１１は、車両較正モジュール１７に接続されており、車両較正モジュール１７向けのシャシー/車両設計パラメータを生成し、車両のシャシーおよび関連部品の性能を規定するようになっている。

コントローラおよびモジュール１２〜１７の各々は、オプチマイザ１１へのフィードバックとして性能応答を生成する車両システムシミュレーション１８に接続されている。車両システムシミュレーション１８は、目標経路と、制動モデルと、スロットルモデルと、エンジン性能モデルと、パワートレインモデルと、車両動的モデルとを備えている。

ツール１０は、トラックの周りの軌跡目標点を最適化することにより、車両がトラックまたはサーキットを走行する走行時間の最適化を可能とする。設計パラメータおよび目標横座標は、共通の車両動的コードで、閉ループ操舵コントローラ１２に入力される。したがって、運転者モデルを必要としない。得られた軌道は、車両シャシーおよびパワートレインの性能によってのみ制限される。したがって、これらの制限は、システムをベースとしているというよりもむしろ物理的性質をベースとしている。経路目標および速度目標を記述するために離散点を用いることによって、本最適化ツールが有効活用される。オプチマイザ１１は、経路目標点を求め、制御装置に送り、道路区間の最短走行時間の如きいくつかの性能目標を得る。本最適化ツールは、実際に計算された性能に基づいているので、実際の追従経路が目標点によって指定された経路とは異なっていても問題はない。目標経路は最高性能を得るために簡単に変更される。

ツール１０によって、トラックに沿った制動点および加速点を最適化することが首尾よく行われている。制動距離および加速点は、車両の制動性能および加速性能の範囲内で最適化されている。設計パラメータは、スロットルコントローラモデル１４および制動コントローラモデル１３に入力され、共通の車両動的コードパワートレインモジュール１５にリンクされている。スロットルコントローラおよび制動コントローラは、相互に独立しているので、たとえばスロットルの開放中でも制動が可能である。このことによって、本速度コントローラの機能をレーシング用途にも適用することができる。

ツール１０は、エンジンの熱力学的特性および形状、変速比および変速シフトスケジュール、最終減速比、空気動力学、シャシー、サスペンションならびに重量配分の如き、パワートレインおよび車両の設定パラメータの最適化を可能とする。汎用エンジン性能シミュレーションモデルは物理的性質が基礎となっているので、非定常状態シミュレーション（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）中のガス交換過程の完全な解析が可能となる。このことによって、エンジンの形状およびバルブトレイン動作の変化によって生じるエンジン性能を予測することができる。さらに、最新の技術およびコンセプト設計を取り入れることも可能となる。可変バルブ駆動における本ツールの性能、たとえば非定常動作時のカムレス動作、可変式カムタイミング動作および可変式マニホールド動作は、本ツールによって利用可能なエンジン技術の範囲を広げる。このエンジンモデルはリアルタイム処理も可能である。パワートレインモデルは、容易にカスタム化が可能なため、いかなるタイプのトランスミッション、ハイブリッド技術、および、ギアシフト時のエンジン点火装置の停止（モータースポーツ）、クラッチ/自動変速機などの如き制御を取り入れることが可能となる。

ツール１０は、汎用オプチマイザ１１が異なるコントローラおよびモジュール１２〜１７にリンクし、設計パラメータおよび応答のフローを制御できるようにする。最適化コードは、広い設計空間を対象とすることができ、最短時間で収束可能である。

ツール１０の出力は、車両の走行時間を最小限に抑えるための、１組の車両設計パラメータを利用して達成可能な最適軌道および速度目標である。与えられたトラックに対する最適な車両の設定を設計するために、最適な経路およびパワートレインの変更がトラックの各セクションの最適化に与える影響が、オプチマイザ内におけるトレードオフ解析を行うために用いられる。

既存の技術に較べて優れた利点は、本ツールは運転者モデルに依存することなく軌道の最適化を提供することである。それどころか、提案されている本ツールの最適目標経路は、運転者モデル較正ではなく、車両性能のみに限定される。

他の利点としては、現実的な非定常挙動を得られない準定常エンジンマップの排除が挙げられる。

さらなる他の利点としては、物理的性質を基礎にしているために、外部ループを用いることもなければ主要な最適化プロセスの中断を受けることもなく、エンジンパラメータをオンザフライで最適化することが可能な汎用エンジン性能モデルを備えていることである。これに加えて、シミュレーション中にエンジンパラメータを変更できるので、あらゆる種類のエンジン技術を調査することが可能となる。

本発明にかかるオプチマイザは、各コードが相互にリンクすることを可能にし、軌道最適化フェイズと車両最適化フェイズとの間でのユーザによる入力を必要としない連続プロセスを提供する。

準定常シミュレーションとは異なり、スロットルインパルスに対するエンジン応答、ひいては車両挙動全体が現実的である。したがって、実際のシミュレーション出力の後処理、または修正をすることなく、最適なソリューションを直接車両に実施可能である。

車両およびエンジンモデルは、リアルタイム処理が可能であるため、オプチマイザ内で用いられるものとまったく同一かつ実際的なモデルを用いて制御およびＨｉＬタスクを実行することを可能としている。

コントローラ、パワートレインモデルおよびエンジンモデル、車両動的コードならびにオプチマイザの間のリンクは、レーシング用のみならず、あらゆるタイプの車両用途に適している。

実行時間は、準定常状態におけるマップベースのモデルと比較すると、モデル、特にエンジンモデルのより高い精度および解像度によって増大するが、実際に実施可能な出力を提供する。

本発明にかかるツールは、限定するわけではないが、モータースポーツ、家庭用車両の較正および制御の開発、ならびに、特殊車両の所定の走行サイクルのためのパワートレイン最適化において使用できる。

特許法の規定に従い、本発明の好ましい実施例を示すと考えられるものについて記載した。しかしながら、いうまでもなく、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、本発明は特に説明し記載したものとは別の方法で実施できる。

本発明にかかる設定ツールを示すブロック図である。

Claims (20)

1. 車両のトラック軌道および速度を最適化するための装置であって、
   車両システムコントローラ向けの目標値を生成するオプチマイザと、
   前記オプチマイザに接続され、軌道設計パラメータを受け取る操舵コントローラと、
   前記オプチマイザに接続され、速度目標設計パラメータを受け取る制動コントローラと、
   前記オプチマイザに接続され、速度目標設計パラメータを受け取るスロットルコントローラと
   を備えてなる、装置。
2. 前記オプチマイザに接続され、エンジン設計パラメータを受け取るエンジン較正モジュールを備えてなる、請求項１記載の装置。
3. 前記オプチマイザに接続され、ドライブライン設計パラメータを受け取るパワートレイン較正モジュールを備えてなる、請求項１記載の装置。
4. 前記オプチマイザに接続され、シャシー/車両設計パラメータを受け取る車両較正モジュールを備えてなる、請求項１記載の装置。
5. 車両のトラック軌道および速度を最適化する方法であって、
   ａ．オプチマイザから車両システムコントローラおよび較正モジュールに向けてパラメータを生成するステップと、
   ｂ．前記車両システムコントローラおよび前記較正モジュールからの入力に基いて、車両システムシミュレーションを実行するステップと、
   ｃ．前記車両システムシミュレーションからの性能応答を前記オプチマイザに提供するステップと
   を有する、方法。
6. 前記車両システムコントローラに、軌道設計パラメータおよび速度目標設計パラメータを提供するステップを有する、請求項５記載の方法。
7. 前記モジュールに、エンジン設計パラメータ、ドライブラインパラメータおよびシャシー/車両設計パラメータを提供するステップを有する、請求項５記載の方法。
8. 最適化された性能目標を得るために車両の動作をシミュレーションするためのシミュレーションシステムであって、
   設計パラメータを受け取るための少なくとも１つの車両コントローラと少なくとも１つの車両較正モジュールとに接続されたオプチマイザを有している車両シャシーおよびパワートレイン設定ツールを備えており、
   前記オプチマイザが、前記コントローラおよび前記較正モジュールに応答して出力を生成し、前記性能目標に基いて車両システムシミュレーションを生成するように構成されてなる、シミュレーションシステム。
9. 前記オプチマイザに接続され、軌道設計パラメータを受け取る操舵コントローラを備えてなる、請求項８記載のシミュレーションシステム。
10. 前記オプチマイザに接続され、速度目標設計パラメータを受け取る制動コントローラを備えてなる、請求項８記載のシミュレーションシステム。
11. 前記オプチマイザに接続され、速度目標設計パラメータを受け取るスロットルコントローラを備えてなる、請求項８記載のシミュレーションシステム。
12. 前記オプチマイザに接続され、エンジン設計パラメータを受け取るエンジン較正モジュールを備えてなる、請求項８記載のシミュレーションシステム。
13. 前記オプチマイザに接続され、ドライブライン設計パラメータを受け取るパワートレインモジュールを備えてなる、請求項８記載のシミュレーションシステム。
14. 前記オプチマイザに接続され、シャシー/車両設計パラメータを受け取る車両較正モジュールを備えてなる、請求項８記載のシミュレーションシステム。
15. 車両のトラック軌道および速度を最適化する方法であって、
    性能目標を得るために、目標パラメータおよび設計パラメータを複数の車両システムコントローラおよび較正モジュールに入力するステップと、
    前記車両システムコントローラおよび前記較正モジュールにオプチマイザを接続するステップと、
    車両システムシミュレーションを生成するための出力を生成するステップと
    を有する、方法。
16. 前記車両システムコントローラおよび前記較正モジュールからの入力に基いて、車両システムシミュレーションを実行するステップを有する、請求項１５記載の方法。
17. 前記車両システムシミュレーションからの性能応答を前記オプチマイザに提供するステップを有する、請求項１５記載の方法。
18. 前記車両システムコントローラが、操舵コントローラ、制動コントローラおよびスロットルコントローラのうちの少なくとも１つを有してなる、請求項１５記載の方法。
19. 前記較正モジュールが、パワートレイン較正モジュール、車両較正モジュールおよびエンジン較正モジュールのうちの少なくとも１つを有してなる、請求項１５記載の方法。
20. 前記スロットルコントローラから独立して前記制動コントローラを実行させることによって、前記スロットルが開放中であっても制動を可能とするステップを有する、請求項１５記載の方法。

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