JP2009208587A - 四輪車両及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】横風などの外乱の抑制だけでなく全体のバランスの向上をはかった操舵制御をする四輪車両を提供すること。
【解決手段】前輪及び後輪の撃心の目標軌道と実際の走行軌道との軌道偏差に基づいて前輪及び後輪を独立にスライディングモード制御する。後輪の軌道偏差に基づいて後輪を、スライディングモード制御するが、その際の非線形ゲインを前輪操舵より小さく同方向に後輪を操舵するように設定する。これにより、外乱の抑制だけでなく全体のバランスの向上をはかることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、四輪車両に関し、特に、横風などの外乱を受けても、その影響を抑制するように車輪の操舵を自動制御する四輪車両及びプログラムに関する。

四輪操舵の車両において横風などの外乱を抑制するように前輪と後輪を独立に制御することが提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。
熊本博光、外、「低次元化スライディングモードと特異注視点による自動車の操舵制御」、計測自動制御学会論文集、１９９８年、第３４巻、第５号、ｐ．３９３−３９９ 熊本博光、外、「円弧接続コース上のロバスト自動操舵」、計測自動制御学会論文集、１９９９年、第３５巻、第３号、ｐ．３４０−３４８

しかし、従来提案されている手法は外乱を抑制するものではあっても、制御の安定性が十分に考慮されていなかった。

本発明は、上記問題点に鑑み、外乱の抑制だけでなく全体のバランスの向上をはかった操舵制御をする四輪車両及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る四輪車両は、前輪の撃心の所定の目標軌道と実際の走行軌道との前輪偏差を検出する前輪偏差検出手段と、後輪の撃心の所定の目標軌道と実際の走行軌道との後輪偏差を検出する後輪偏差検出手段と、前記前輪偏差に基づき前輪の操舵を前記目標軌道にスライディングモード制御する前輪制御手段と、前輪操舵より小さく同方向に後輪の操舵を制御するように非線形ゲインを設定して、前記後輪偏差に基づき後輪の操舵を前記目標軌道にスライディングモード制御する後輪制御手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る四輪車両は、前記前輪制御手段及び後輪制御手段は、（ε1,ε2）座標面上（ここで、ε1：偏差距離、ε2：偏差速度）の原点を通る曲線（この曲線は直線を含む。）を切換面とするスライディングモード制御することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、コンピュータを、前輪の撃心の所定の目標軌道と実際の走行軌道との前輪偏差を検出する前輪偏差検出手段と、後輪の撃心の所定の目標軌道と実際の走行軌道との後輪偏差を検出する後輪偏差検出手段と、前記前輪偏差に基づき前輪の操舵を前記目標軌道にスライディングモード制御する前輪制御手段と、前輪操舵より小さく同方向に後輪の操舵を制御するように非線形ゲインを設定して、前記後輪偏差に基づき後輪の操舵を前記目標軌道にスライディングモード制御する後輪制御手段とを備える四輪車両として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、四輪車両において、外乱の抑制だけでなく全体のバランスの向上をはかった操舵制御をすることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例による四輪車両の構成を示す図である。図は特に制御系に関する構成を示している。本実施例の四輪車両は、前輪偏差検出手段１１、後輪偏差検出手段１２、前輪スライディングモード制御手段１３、及び後輪スライディングモード制御手段１４から成る。前輪偏差検出手段１１、後輪偏差検出手段１２は、前輪偏差及び後輪偏差を検出する。前輪偏差及び後輪偏差は、それぞれ、前輪及び後輪の撃心の目標軌道と実際の走行軌道との軌道偏差である。この軌道偏差を検出するには具体的には例えば２次元加速度センサ及び角速度センサによる車両の位置検出によって実現すれば良い。前輪スライディングモード制御手段１３は、前輪偏差検出手段１１が検出した前輪の軌道偏差に基づいて前輪を目標軌道に戻すようにスライディングモード制御する。スライディングモード制御に関しては後述する。後輪スライディングモード制御手段１４は、後輪偏差検出手段１２が検出した後輪の軌道偏差に基づいて後輪を、前輪制御とは独立してスライディングモード制御するが、その際の非線形ゲインを前輪操舵より小さく同方向に後輪を操舵するように設定する。これにより、外乱の抑制だけでなく全体のバランスの向上をはかることができる。

以下、本発明の動作を説明する。

図２は、四輪車両モデルを示す図である。まず、四輪操舵で制御対象として取り扱う４輪車両モデルを記述する。
車線位置保持に関わる車両の運動方程式

回転方向の運動方程式

ここで、
Ｉ：車両の慣性モーメント
γ：ヨーレート（ｚ軸周りの回転の角速度）
ｍ：車両質量
β：車両の横滑り角（車両の姿勢方向と進行方向のなす角）
Ｆflx,Ｆfrx,ＦRlx,ＦRrx：各車輪に働く制駆動力
Ｆfly,Ｆfry,ＦRly,ＦRry：各車輪で発生する横力
Ｇ：重心
ｖ：速度

（１）式の各車輪で発生する横力はコーナリングフォースとの関係を考慮して次式で設定する。

前後輪タイヤのそれぞれの横滑り角は、

ここで、
ｕfr,ｕfl,ｕRr,ｕRl：前後輪の操舵角
Ｋfr,Ｋfl,ＫRr,ＫRl：前後輪のコーナリングパワー
となる。

４輪モデルのままでは非線形システムのため、制御器の設計する際に線形化を行う。以下に近似による線形化した二輪車両の状態方程式を述べ、線形方程式を元に制御器を設計する。

二輪車両の運動を考慮して線形化した車両状態方程式は（１１）式となる。

ここで、
Ｋf,Ｋr：前後輪コーナリングパワー（四輪車両の前輪の左右がＫf、後輪の左右もそれぞれＫrとみなす）
ｗ：車速に垂直に入る横風などの外乱
ただし、横滑り角β、前輪操舵角ｕf、後輪操舵角ｕr、ヨーレートγが微小であると仮定した。

操舵制御の目的は車線位置保持と姿勢の安定化である。車線位置の基準点は車両重心位置ではなく，（１２）式の前後注視点を用いる。

この点は撃心と呼ばれ、偏差を抑制するための前後輪操舵角の制御則がお互い干渉せずに決定可能な点として知られている。後輪に対応する撃心を前方基準点Ｐ、後輪に対応する撃心を前方基準点Ｑとする。

Ｐ、Ｑ点を基準にすることで目標車線位置への保持を図る。

つぎに、図３を参照して、車線位置保持を目的とするため車両を地上に固定した場合の車両方程式を設定する。前後基準点の目標軌道と実際の走行軌道との軌道偏差をεp,εqとする。

ここで、
ｙp,ｙq：前後基準点の走行軌道のｙ軸方向の距離
ｚp,ｚq：前後基準点の目標軌道のｙ軸方向の距離

この軌道偏差を０にすることによって車両を目標位置に保持できる。前後輪の軌道偏差は重心点を考慮して次式に書き換えられる。

ここで（１５），（１６）式を考慮して（１１）式の車両状態方程式を変換すると、軌道偏差の状態方程式（１７），（１８）式となる。

ここで、
ｌw：横風の影響によって車体に力が加わる地点と車体の中心から距離差
（１７），（１８）式よりこのシステムは前方軌道偏差と後方軌道偏差のそれぞれの状態システムに分割する事が可能なため、前輪と後輪の操舵角はお互い干渉せずに独立して制御できることがわかる。

この軌道偏差方程式にスライディングモード制御を適用する。パラメータ変動としてコーナリングパワーの不確かさを利用し、外乱として横風を与える。（１７）式（１８）式はマッチング条件を考慮すると次のようにまとめられる。

この状態方程式に対応する切換関数を次に定義する。

ここで、
Ｓ＝（Ｓp1,q1,Ｓp2,q2）：切換面
例えばＳp＝［−０.８ −０.８］、このときσp＝０として切換面はεp2＝−(−０.８／−０.８)εp1、すなわち、εp2＝−εp1、また、例えばＳq＝［−０.８ −０.５］。ここでは、切換面が（ε1,ε2）座標面上の直線の例を示したが、原点を通り車両の状態を原点に移動させることができる任意の曲線とすることができる。
εp1,εq1：偏差の距離
εp2,εq2：偏差の速度

このときのスライディングモード制御による入力は（２４）式（２５）式となる。

ここで、ηDp，ηDq：前後輪用のチャタリング抑制値
ただし、非線形ゲインρp,qは切換面の到達条件としてリアプノフ関数Ｖ＝σσ^T／２の関係より、

ここで、ｌ＝ｌf＋ｌr
を選択する。ただし、φはパラメータ変動、外乱の上界値である。

ゲインの設定は上記の値を考慮して調整すれば誤差を抑制することが可能である。しかし上記の条件内で設定したとしても選択値は幅広く前後輪のゲインのバランスによっては良い誤差抑制および安定性を得ることはできない。よってよりバランスの良い結果を得るための前後輪のゲイン関係を考える。（２４），（２５）式と（１５），（１６）式を考慮すると前後輪操舵角（１９）式は次のように書き換えられる。

ここで、Ｓp2＝ｎ＊ｌr／Ｋf、Ｓq2＝ｎ＊ｌf／Ｋr、Ｓq1＝Ｓp1（ｎ：任意の定数）とおくと前輪操舵角と後輪操舵角の間には次の関係が得られる。

後輪を前輪より小さく同方向に操舵することを考慮すると、

の関係が成り立てば後輪は前輪より小さく操舵できる。なおσp,σqがどちらも負の場合は

σp,σqがどちらも正の場合は、

が成り立ち、かつ（２６）式で定めた範囲のゲインを選択すればよい。

シミュレーションで用いる軌道は次のように設定する。車両はｙ＝３１０［ｍ］の地点からスタートするとし、ｙ＝３００［ｍ］の軌道に追従させる。コーナリングパワーには不確かさを含み、途中、ｔ＝８［ｓ］からｔ＝１５［ｓ］の間ｗ＝３０００［Ｎ］の横風外乱を与える。

前後輪の切換面はＳp＝［−０.８ −０.８］，Ｓq＝［−０.８ −０.５］、非線形入力のチャタリング対策にη＝０.９、非線形ゲインとしてρp＝０.３，ρq＝０.２と設定した。このシミュレーションの場合，切換関数はσ＜０であり、γ＝０のため（３０）式よりρp＞ρqと（２６）を満たすゲインが成り立てばよい。図４は上記を満たしている。この場合、目標値誤差は緩やかに減少し、外乱やパラメータの変動の影響を抑制し安定している。ここで（２６）式を満たすが（３０）式は満たしていない非線形ゲインとしてρp＝０.３，ρq＝０.４を与えた場合、発散はしないものの安定性は保たれていない結果が得られている。
表１ シミュレーションパラメータ

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

本発明の四輪車両は、コンピュータを本四輪車両として機能させるためのプログラムでも実現される。このプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に格納されていてもよい。

このプログラムを記録した記録媒体は、図１に示される四輪車両のＲＯＭそのものであってもよいし、また、外部記憶装置としてＣＤ−ＲＯＭドライブ等のプログラム読取装置が設けられ、そこに記録媒体を挿入することで読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭ等であってもよい。

また、上記記録媒体は、磁気テープ、カセットテープ、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ等、又は半導体メモリであってもよい。

本発明の一実施例による四輪車両の構成を示す図である。 四輪車両モデルを示す図である。 地上に固定した車両システムを示す図である。 本発明のシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１１ 前輪偏差検出手段
１２ 後輪偏差検出手段
１３ 前輪スライディングモード制御手段
１４ 後輪スライディングモード制御手段

Claims (3)

1. 前輪の撃心の所定の目標軌道と実際の走行軌道との前輪偏差を検出する前輪偏差検出手段と、
   後輪の撃心の所定の目標軌道と実際の走行軌道との後輪偏差を検出する後輪偏差検出手段と、
   前記前輪偏差に基づき前輪の操舵を前記目標軌道にスライディングモード制御する前輪制御手段と、
   前輪操舵より小さく同方向に後輪の操舵を制御するように非線形ゲインを設定して、前記後輪偏差に基づき後輪の操舵を前記目標軌道にスライディングモード制御する後輪制御手段と
   を備えることを特徴とする四輪車両。
2. 前記前輪制御手段及び後輪制御手段は、（ε1,ε2）座標面上（ここで、ε1：偏差距離、ε2：偏差速度）の原点を通る曲線（この曲線は直線を含む。）を切換面とするスライディングモード制御することを特徴とする請求項１記載の四輪車両。
3. コンピュータを、
   前輪の撃心の所定の目標軌道と実際の走行軌道との前輪偏差を検出する前輪偏差検出手段と、後輪の撃心の所定の目標軌道と実際の走行軌道との後輪偏差を検出する後輪偏差検出手段と、前記前輪偏差に基づき前輪の操舵を前記目標軌道にスライディングモード制御する前輪制御手段と、前輪操舵より小さく同方向に後輪の操舵を制御するように非線形ゲインを設定して、前記後輪偏差に基づき後輪の操舵を前記目標軌道にスライディングモード制御する後輪制御手段とを備える四輪車両
   として機能させるためのプログラム。
   

Images