JP2011152812A - Vehicle motion control device - Google Patents

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一郎 萩原
Naoto Fukushima
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vehicle motion control device which controls motion of a vehicle so as to secure optimal motion performance, even when a motion range of a control object is large. <P>SOLUTION: This vehicle motion control device is composed of a yaw moment generating mechanism 10, a state sensor 20 and a control unit 30. The yaw moment generating mechanism 10 generates a yaw moment in the vehicle by determining a target state quantity of the vehicle. The state sensor measures or estimates a present state quantity and the present yaw moment of the vehicle by the yaw moment generating mechanism. The control unit 30 executes feedback control using a control rule U which takes into consideration virtual power (g) for multiplying a deviation between the target state quantity and the present state quantity of the vehicle by the present yaw moment. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、車両運動制御装置に関し、特に、車両にヨーモーメントを発生させる機構を有する車両運動制御装置に関する。   The present invention relates to a vehicle motion control device, and more particularly to a vehicle motion control device having a mechanism for generating a yaw moment in a vehicle.

一般に、車両の運動を制御する場合は、操縦性(ドライバのハンドル操作に車両がきびきびと応答良く動くようにさせる)を向上させるためヨーレートフィードバックが用いられ、さらにスピンを防止して安定した走行ができるように横すべり角フィードバックが用いられることが多い。   In general, when controlling the movement of a vehicle, yaw rate feedback is used to improve maneuverability (make the vehicle move responsively and responsively to the driver's steering wheel operation). Side slip angle feedback is often used to do this.

このような一般的な車両の運動制御では、横すべり角はヨーレートや横加速度から演算した推定値が用いられており、しかも積分演算が主体になるためドリフトが生じやすく、このドリフトを低減しようとフィルタを用いると位相誤差が生じ得る。このため、横すべり角フィードバックを行う場合はドリフト等のノイズを含んでいることを前提としており、フィードバックゲインの大きさも制限されるため、大きな効果は期待できないのが実態である。   In such general vehicle motion control, an estimated value calculated from the yaw rate and lateral acceleration is used for the side slip angle, and since the integral calculation is the main component, drift tends to occur. Can cause a phase error. For this reason, when performing side slip angle feedback, it is assumed that noise such as drift is included, and since the magnitude of the feedback gain is limited, the actual effect is that a great effect cannot be expected.

このような横すべり角を制御に用いる場合の問題点を解決しようとするものとして、本願発明者のうちの1人は、制御システムを発明している(特許文献1)。これによれば、横すべり角推定時のドリフト項に対するロバスト性を高め、また単純に横すべり角フィードバックを行った場合に比べ位相を改善させることが可能となる。   One of the inventors of the present application has invented a control system as an attempt to solve the problem in the case of using such a side slip angle for control (Patent Document 1). According to this, the robustness with respect to the drift term at the time of side slip angle estimation can be improved, and the phase can be improved as compared with the case of simply performing side slip angle feedback.

さらに、本願発明者らは、エネルギ最適制御理論による車両運動制御装置を発明している(特許文献2)。特許文献1では、ヨーモーメントを発生させる機構を有する車両に対する制御についてはなんら開示されていなかったが、特許文献2では、各輪の駆動力を独立に制御できる電気自動車やアクティブサスペンションの制御装置に適用した例を挙げて、具体的な車両の運動制御について開示されている。   Furthermore, the inventors of the present application have invented a vehicle motion control device based on energy optimum control theory (Patent Document 2). Patent Document 1 does not disclose any control for a vehicle having a mechanism for generating a yaw moment. However, Patent Document 2 discloses a control device for an electric vehicle or an active suspension that can independently control the driving force of each wheel. A specific vehicle motion control is disclosed with an applied example.

一方、ステアバイワイヤによりドライバの意図を考慮しながら前輪の舵角を制御できれば、運転操作性や操舵応答性が向上する等、メリットが大きいため、既に多くの研究例が存在する(非特許文献1、非特許文献2)。ところで、近年は自動車等の車両の環境対応方策として、電気駆動車やハイブリッド車だけでなく、超軽量化車両の開発も進められている。超軽量化車両では、緊急回避運転のときや横風を受けたときや、旋回制動時等の安定性に関して、通常の重量の車両と比べて、応答性や安定性等、走行性能が悪化することが知られている。そこで、このような走行性能の悪化をステアバイワイヤによりリカバリさせることができれば、環境対応に大きな貢献が可能となる。   On the other hand, if the steering angle of the front wheels can be controlled with the steer-by-wire in consideration of the driver's intention, the driving operability and the steering responsiveness are improved, and thus there are many research examples (Non-Patent Document 1). Non-Patent Document 2). By the way, in recent years, not only electric drive vehicles and hybrid vehicles but also ultra-lightweight vehicles have been developed as environmental measures for vehicles such as automobiles. With ultra-lightweight vehicles, the driving performance, such as responsiveness and stability, will be worse when compared to a normal weight vehicle in terms of stability during emergency avoidance driving, crosswinds, and turning braking. It has been known. Therefore, if such deterioration in running performance can be recovered by steer-by-wire, it is possible to make a great contribution to environmental measures.

特開2007−233985号公報JP 2007-233985 A 特開2008−049996号公報JP 2008-049996 A

中野史郎、高松孝修、西原修、熊本博光著「ステアバイワイヤにおける操舵制御に関する研究」自動車技術会論文集Vol.31 No.2、2000年4月、p.53−58Shiro Nakano, Takaharu Takamatsu, Osamu Nishihara, Hiromitsu Kumamoto, “Study on Steering Control in Steer-by-Wire” Vol. 31 No. 2, April 2000, p. 53-58 佐野彰一、大山泰晴、小平和仙著「ステア・バイ・ワイヤを活かす最適な制御則の開発(第1報)」学術講演会前刷集 No.148−07、2007年10月、p.1−6Sano Shoichi, Oyama Yasuharu, Kohei Sen, "Development of Optimal Control Law Utilizing Steer-by-Wire (1st Report)" Academic Lecture Preprints No. 148-07, October 2007, p. 1-6

上述のように、ステアバイワイヤによりドライバの意図を考慮しながら、例えば4輪自動車の前輪の舵角を最適制御することができれば、車両の運動性能は飛躍的に向上する。しかしながら、ステアバイワイヤにより制御する場合、前輪は±30deg程度の操舵角範囲を有しており、ドライバの操舵と独立してこのような大舵角の制御変数域を合理的に制御する手法を見出すことは容易ではなかった。   As described above, if, for example, the steering angle of the front wheels of a four-wheeled vehicle can be optimally controlled while considering the driver's intention by steer-by-wire, the motion performance of the vehicle is dramatically improved. However, when controlling by steer-by-wire, the front wheels have a steering angle range of about ± 30 deg, and find a method for rationally controlling the control variable range of such a large steering angle independently of the driver's steering. That was not easy.

例えば、ドライバの操舵のフィードフォアード制御と比例制御を組み合わせた制御手法(非特許文献1)や、非線形モデル予測制御(非特許文献2)により、ステアバイワイヤの運動制御を行うことが研究されている。しかしながら、このような制御手法では、±2deg程度の操舵角範囲を有する後輪の舵角制御であれば実現し得るが、前輪の舵角制御に対しては、操舵範囲が±30degと大きいため、運動性能を向上させることは難しかった。したがって、前輪のような操舵範囲の大きい制御対象に対しても、操舵範囲をフル活用することが可能な車両運動制御装置の開発が望まれていた。   For example, research on motion control of steer-by-wire using a control method (Non-Patent Document 1) that combines feed-forward control and proportional control of driver steering or non-linear model predictive control (Non-Patent Document 2) has been studied. . However, with such a control method, the rear wheel steering angle control having a steering angle range of about ± 2 deg can be realized. However, for the steering angle control of the front wheels, the steering range is as large as ± 30 deg. It was difficult to improve athletic performance. Therefore, it has been desired to develop a vehicle motion control device that can fully utilize the steering range even for a control target having a large steering range such as a front wheel.

本発明は、斯かる実情に鑑み、制御対象の運動範囲が大きい場合であっても、最適な運動性能となるように車両の運動を制御する車両運動制御装置を提供しようとするものである。   In view of such circumstances, the present invention intends to provide a vehicle motion control device that controls the motion of a vehicle so as to achieve optimum motion performance even when the motion range of a controlled object is large.

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による車両運動制御装置は、車両の目標状態量を決定し車両にヨーモーメントを発生させるヨーモーメント発生機構と、ヨーモーメント発生機構による車両の現状態量及び現ヨーモーメントを計測又は推定する状態センサと、目標状態量と車両の現状態量の偏差に現ヨーモーメントを乗算する仮想パワーgを考慮する制御則Uを用いてフィードバック制御を行う制御部と、を具備するものである。   In order to achieve the above-described object of the present invention, a vehicle motion control device according to the present invention determines a target state quantity of a vehicle and generates a yaw moment in the vehicle, and a current state of the vehicle by the yaw moment generation mechanism. Control that performs feedback control using a state sensor that measures or estimates the state quantity and the current yaw moment, and a control law U that takes into account virtual power g that multiplies the deviation between the target state quantity and the current state quantity of the vehicle by the current yaw moment A part.

ここで、制御部は、その制御則Uに次式の仮想パワーgの状態量による偏微分項が含まれれば良い。即ち、
但し、Rは重み係数、rは目標状態量、rは車両の現状態量、Mは現ヨーモーメントである。
Here, the control unit only needs to include the partial differential term based on the state quantity of the virtual power g in the following equation in the control law U. That is,
However, R 1 is the weighting coefficient, r d the target state quantity, r is the current state of the vehicle, M is a current yaw moment.

また、目標状態量及び車両の現状態量は、ヨーレートであれば良い。   Further, the target state quantity and the current state quantity of the vehicle may be any yaw rate.

また、ヨーモーメント発生機構は、操舵アクチュエータであれば良い。   The yaw moment generation mechanism may be a steering actuator.

また、制御部は、その制御則Uが次式のスカラ関数Lを用いて求められれば良い。即ち、
但し、R,Rは重み係数、Pは制御入力パワー、Pは散逸パワーである。
Moreover, the control part should just obtain | require the control law U using the scalar function L of following Formula. That is,
However, R a and R b are weighting factors, P u is control input power, and P is dissipated power.

ここで、制御部は、その制御則Uが次式で与えられれば良い。即ち、
但し、制御則Uは、Lをrで偏微分し、これを0にすることにより得られる。
Here, the control part should just have the control law U given by the following Formula. That is,
However, the control law U can be obtained by partially differentiating L by r and making it zero.

本発明の車両運動制御装置には、制御対象の運動範囲が大きい場合であっても、最適な運動性能となるように車両の運動を制御することが可能であるという利点がある。   The vehicle motion control device according to the present invention has an advantage that it is possible to control the motion of the vehicle so as to achieve an optimal motion performance even when the motion range of the controlled object is large.

図1は、本発明の車両運動制御装置を適用したステアバイワイヤによる車両制御ブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of vehicle control by steer-by-wire to which a vehicle motion control device of the present invention is applied. 図2は、本発明の車両運動制御装置における3自由度車両運動モデルである。FIG. 2 is a three-degree-of-freedom vehicle motion model in the vehicle motion control device of the present invention. 図3は、緊急回避レーンチェンジにおける横変位の時間変化のシミュレーション結果を表すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the simulation result of the temporal change of the lateral displacement in the emergency avoidance lane change. 図4は、緊急回避レーンチェンジにおける横速度の時間変化のシミュレーション結果を表すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a simulation result of the temporal change of the lateral speed in the emergency avoidance lane change. 図5は、緊急回避レーンチェンジにおけるヨーレートの時間変化のシミュレーション結果を表すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the simulation result of the time change of the yaw rate in the emergency avoidance lane change. 図6は、緊急回避レーンチェンジにおける前輪舵角横の時間変化のシミュレーション結果を表すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a simulation result of the time change beside the front wheel steering angle in the emergency avoidance lane change. 図7は、緊急回避レーンチェンジにおける制御指令の時間変化のシミュレーション結果を表すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a simulation result of the time change of the control command in the emergency avoidance lane change. 図8は、旋回制動安定性におけるヨーレートの時間変化のシミュレーション結果を表すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the simulation result of the time change of the yaw rate in the turning braking stability. 図9は、旋回制動安定性における横速度の時間変化のシミュレーション結果を表すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a simulation result of the temporal change of the lateral speed in the turning braking stability.

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図1は、本発明の車両運動制御装置を適用したステアバイワイヤによる車両制御ブロック図である。図示の通り、本発明の車両運動制御装置は、ヨーモーメント発生機構10と、状態センサ20と、制御部30とから主に構成される。状態センサ20の出力が制御部30に接続されている。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described together with illustrated examples. FIG. 1 is a block diagram of vehicle control by steer-by-wire to which a vehicle motion control device of the present invention is applied. As shown in the figure, the vehicle motion control device of the present invention mainly includes a yaw moment generation mechanism 10, a state sensor 20, and a control unit 30. The output of the state sensor 20 is connected to the control unit 30.

また、図示のように、ステアバイワイヤのハンドル側は、ステアリングホイール41と、ステアリングホイール41に連結されたステアリングシャフト42と、ステアリングシャフト42に設けられた操舵反力発生機構43と、操舵反力発生機構43のトルクコントローラ44とからなる。   As shown in the figure, the steering side of the steer-by-wire has a steering wheel 41, a steering shaft 42 connected to the steering wheel 41, a steering reaction force generating mechanism 43 provided on the steering shaft 42, and a steering reaction force generation. And a torque controller 44 of the mechanism 43.

また、ステアバイワイヤの操舵前車輪側は、ヨーモーメント発生機構10に制御信号を与えるステアリングコントローラ51と、ヨーモーメント発生機構10に接続されたタイヤ52とからなる。   The steer-by-wire wheel side before steering includes a steering controller 51 that gives a control signal to the yaw moment generation mechanism 10 and a tire 52 connected to the yaw moment generation mechanism 10.

ヨーモーメント発生機構10は、車両の目標状態量を決定し車両にヨーモーメントを発生させるためのものである。より具体的には、ヨーモーメント発生機構10は、例えばタイヤ52の角度を変化させる操舵アクチュエータであれば良い。操舵アクチュエータは、例えば、油圧式や電動式等、従来の又は今後開発されるべきあらゆる操舵アクチュエータが適用可能である。ヨーモーメント発生機構10によりタイヤ52の角度を可変し、車両の運動、即ち、車両の操舵を行う。   The yaw moment generation mechanism 10 is for determining a target state quantity of the vehicle and generating a yaw moment in the vehicle. More specifically, the yaw moment generation mechanism 10 may be a steering actuator that changes the angle of the tire 52, for example. As the steering actuator, for example, any conventional or later-developed steering actuator such as a hydraulic type or an electric type can be applied. The yaw moment generation mechanism 10 changes the angle of the tire 52 to move the vehicle, that is, steer the vehicle.

状態センサ20は、ヨーモーメント発生機構10による車両の現状態量及び現ヨーモーメントを計測又は推定するものである。状態センサ20は、例えば、ステアリングシャフト42に生ずるトルクを検出する操舵トルクセンサ、ステアリングホイール41の操舵角を検出する操舵角センサ、車両の速度や加速度を検出する車速度センサ、車両に生ずるヨーレートを検出するヨーレートセンサ等からなる。状態センサ20は、現状態量をセンサにより実測するものだけでなく、他のセンサから演算等により推定するものも含まれる。   The state sensor 20 measures or estimates the current state quantity and the current yaw moment of the vehicle by the yaw moment generation mechanism 10. The state sensor 20 includes, for example, a steering torque sensor that detects torque generated in the steering shaft 42, a steering angle sensor that detects the steering angle of the steering wheel 41, a vehicle speed sensor that detects vehicle speed and acceleration, and a yaw rate generated in the vehicle. It consists of a yaw rate sensor to detect. The state sensor 20 includes not only a sensor that actually measures the current state quantity but also a sensor that estimates from other sensors by calculation or the like.

制御部30は、目標状態量と車両の現状態量の偏差に現ヨーモーメントを乗算する仮想パワーgを考慮する制御則Uを用いてフィードバック制御を行うための制御機構である。なお、仮想パワーgや制御則Uについては後に詳細に説明する。   The control unit 30 is a control mechanism for performing feedback control using a control law U that takes into account a virtual power g that multiplies the deviation between the target state quantity and the current state quantity of the vehicle by the current yaw moment. The virtual power g and the control law U will be described later in detail.

制御部30には、状態センサ20の出力が入力される。また、制御部30の出力が、ステアリングコントローラ51に入力される。また、制御部30の出力は、操舵反力発生機構43のトルクコントローラ44にも入力される。制御部30は、入力される状態センサ20の出力に応じて、最適な操舵パターンとなるように車両の運動を制御する制御則に基づき、車両をフィードバック制御するものである。   The output of the state sensor 20 is input to the control unit 30. Further, the output of the control unit 30 is input to the steering controller 51. The output of the control unit 30 is also input to the torque controller 44 of the steering reaction force generating mechanism 43. The control unit 30 performs feedback control of the vehicle based on a control law for controlling the movement of the vehicle so as to obtain an optimum steering pattern in accordance with the output of the state sensor 20 that is input.

さて、このようなステアバイワイヤによる車両制御機構に本発明の車両運動制御装置を適用した場合の、制御部30による制御則について、より詳細に説明する。図2は、本発明の車両運動制御装置における3自由度車両運動モデルである。なお、同図は簡略化のためにロールとピッチを無視した車体の3自由度の車両モデルである。図示例の車両モデルはローリング運動、ピッチ運動は考慮していないが、車両の重心に働く加速度により各輪に働く荷重移動は考慮してある。また、図示中、mは車両質量、Iは車両のヨー慣性モーメント、lは車両重心と前輪の距離、lは車両重心と後輪の距離、lはトレッド、Vは車両の前後速度、Vは車両の横滑り速度、rはヨーレート、βは横滑り角、δは前輪舵角、Vは車速をそれぞれ表している。 Now, the control law by the control unit 30 when the vehicle motion control device of the present invention is applied to such a steer-by-wire vehicle control mechanism will be described in more detail. FIG. 2 is a three-degree-of-freedom vehicle motion model in the vehicle motion control device of the present invention. For the sake of simplification, this figure is a vehicle model with three degrees of freedom of the vehicle body ignoring roll and pitch. The vehicle model in the illustrated example does not consider rolling motion and pitch motion, but considers load movement acting on each wheel due to acceleration acting on the center of gravity of the vehicle. In the figure, m is the vehicle mass, I z is the vehicle yaw moment of inertia, l f is the distance between the vehicle center of gravity and the front wheels, l r is the distance between the vehicle center of gravity and the rear wheels, l t is the tread, and V x is the vehicle The longitudinal speed, V y is the side slip speed of the vehicle, r is the yaw rate, β is the side slip angle, δ is the front wheel steering angle, and V is the vehicle speed.

舵角を制御することで発生する横力をUとすると、非線形車両運動方程式は次式で表される。
ここで、X、Yは以下に表されるように、各輪タイヤ前後力の総和である。
また、各輪タイヤの散逸パワーP(走行中のタイヤのスリップにより発生する単位時間当たりの熱損失)の総和を次式で表す。
そして、制御入力パワーPを次式で表す。
When the lateral force generated by controlling the rudder angle is U, the nonlinear vehicle motion equation is expressed by the following equation.
Here, X and Y are the total sum of the front and rear forces of each wheel tire, as shown below.
Further, the sum of the dissipative power P (heat loss per unit time generated by slipping of the running tire) of each wheel tire is expressed by the following equation.
The control input power P u is expressed by the following equation.

ここで、本発明の車両運動制御装置の制御部では、追従性に関する評価関数として、目標状態量である目標ヨーレートと現状態量である現在のヨーレートの偏差に現在のヨーモーメントを乗算した、次式で表される仮想パワーgを導入する。
但し、Rは重み係数、rは目標ヨーレート、rは車両の現在のヨーレート、Mは現在のヨーモーメントである。
そして、評価関数を次式で表す。
ここで、スカラ関数Lは、次式で表される。
但し、R,Rは重み係数、Pは散逸パワーである。
即ち、Lは数4と数6から以下のように表される。
Here, in the control unit of the vehicle motion control device of the present invention, as an evaluation function related to followability, the deviation of the target yaw rate that is the target state quantity and the current yaw rate that is the current state quantity is multiplied by the current yaw moment, The virtual power g expressed by the formula is introduced.
However, R 1 is the weighting coefficient, r d is the target yaw rate, r is the current yaw rate of the vehicle, M is the current yaw moment.
The evaluation function is expressed by the following equation.
Here, the scalar function L is expressed by the following equation.
However, R a and R b are weighting factors, and P is dissipated power.
That is, L is expressed as follows from Equations 4 and 6.

数7に対して、最適制御の必要条件であるオイラの式を満たすように、以下のようにLをrで偏微分し、これをゼロとする。
これにより、次式の最適制御則Uが導ける。
ここで、右辺第1項が操舵応答能力を高めるgの偏微分項である応答性向上項Uである。また、右辺第2項が安定性をもたらす散逸パワーPの偏微分項である安定性向上項Uである。
For Equation 7, L is partially differentiated by r as follows so as to satisfy Euler's formula, which is a necessary condition for optimal control, and is set to zero.
Thereby, the optimal control law U of the following formula can be derived.
Here, the first term on the right side is a partial differential term is responsive improving section U p of g increasing the control response capability. The second term on the right side is the stability improvement term U m that is a partial differential term of the dissipated power P that brings about stability.

なお、この入力は横力なので、舵角入力に換算するために、その時刻でのコーナリングスティフネスで除算すれば良い。また、横力やヨーモーメントのヨーレートによる偏微分を求めるために、Magic Formulaによるタイヤ特性式から、タイヤが発生する横力を以下のように近似しても良い。
但し、D=a−a 、Wはタイヤ荷重、a,a,B,Cはタイヤ特性から定まる定数である。
Since this input is a lateral force, in order to convert it into a steering angle input, it may be divided by the cornering stiffness at that time. Further, in order to obtain the partial differential of the lateral force and yaw moment due to the yaw rate, the lateral force generated by the tire may be approximated as follows from the tire characteristic equation based on Magic Formula.
However, D i = a 1 W i -a 2 W i 2, W i is a tire load, a 1, a 2, B , C are constants determined from the tire characteristic.

ここで、目標状態量の決定について説明する。目標状態量及び状態センサにより計測される車両の現状態量がヨーレートの場合、目標ヨーレートは定常円旋回時の定常ヨーレート相当量を用いるのが妥当である。この場合、タイヤ特性の非線形性を考慮した値にすることが望ましいため、以下のようにMagic Formulaを流用して記述する。
但し、
である。
このKを、目標とするヨーレートrの応答を実舵角δの一次遅れとした次式に代入する。
但し、Tは制御系設計者によって決められる定数、sはラプラス演算子である。
このrが、最終的な目標ヨーレートとなる。
Here, determination of the target state quantity will be described. When the current state quantity of the vehicle measured by the target state quantity and the state sensor is the yaw rate, it is appropriate to use the equivalent amount of the steady yaw rate at the time of steady circle turning as the target yaw rate. In this case, since it is desirable to set the value in consideration of the nonlinearity of the tire characteristics, the description is made by diverting the Magic Formula as follows.
However,
It is.
This K d is substituted into the following equation in which the response of the target yaw rate r d is the first order delay of the actual steering angle δ.
However, Td is a constant determined by the control system designer, and s is a Laplace operator.
This r d becomes the final target yaw rate.

本発明の車両運動制御装置では、制御部において上述の数8に示される制御則Uを用いてヨーモーメント発生機構をフィードバック制御すれば良い。なお、状態量については、ヨーレートに限らず、横すべり速度や横すべり角であっても良い。   In the vehicle motion control device of the present invention, the control unit may perform feedback control of the yaw moment generation mechanism using the control law U expressed by the above equation (8). The state quantity is not limited to the yaw rate, and may be a side slip speed or a side slip angle.

以下、本発明の車両運動制御装置を、車体6自由度、車輪4自由度の車両運動モデルに適用して、緊急回避レーンチェンジ及び旋回制動安定性のシミュレーション結果について説明する。一例として、2リッター1ボックス車の容積はそのままで重量を半減させた車両諸元を基準車とし、本発明の車両運動制御装置による制御と、従来の非線形モデル予測制御及び制御無しの場合の効果について比較した。その結果をそれぞれ以下に示す。   Hereinafter, simulation results of emergency avoidance lane change and turning braking stability will be described by applying the vehicle motion control device of the present invention to a vehicle motion model having 6 degrees of freedom for the vehicle body and 4 degrees of freedom for the wheels. As an example, the vehicle specifications in which the volume of a 2-liter 1-box vehicle remains the same while the weight is reduced by half are used as a reference vehicle, and the control by the vehicle motion control device of the present invention and the effect of the conventional nonlinear model predictive control and no control are performed. Compared. The results are shown below.

緊急回避レーンチェンジは、高速走行時に前方の障害物を発見したドライバが、急激なハンドル操作によって障害物を回避するという状況を想定したものである。シミュレーション条件としては以下の通りである。即ち、車速100km/hの直進状態から振幅120degの正弦波状の操舵を2秒間行い、再び直進状態に戻すものとする。また、アクセルやブレーキの操作は行わないものとする。このときのシミュレーション結果のグラフを図3−図7に示す。   The emergency avoidance lane change assumes a situation in which a driver who finds an obstacle ahead in a high speed travel avoids the obstacle by a sudden steering operation. The simulation conditions are as follows. That is, sine wave-like steering with an amplitude of 120 deg is performed for 2 seconds from a straight traveling state at a vehicle speed of 100 km / h, and the straight traveling state is restored again. In addition, the accelerator and brake are not operated. Graphs of simulation results at this time are shown in FIGS.

図3は横変位、図4は横速度、図5はヨーレート、図6は前輪舵角、図7は制御指令の各時間変化のシミュレーション結果を表している。図中、実線が本発明の制御、一点鎖線が非線形モデル予測制御、細線が制御無しの場合の変化をそれぞれ示している。   3 shows the lateral displacement, FIG. 4 shows the lateral velocity, FIG. 5 shows the yaw rate, FIG. 6 shows the front wheel rudder angle, and FIG. 7 shows the simulation result of each time change of the control command. In the figure, the solid line shows the control of the present invention, the alternate long and short dash line shows the nonlinear model predictive control, and the thin line shows the change when there is no control.

これらのシミュレーション結果より、制御無しの場合では、横すべりが大きくなりヨー角がゼロの状態に戻っていない。また、非線形モデル予測制御の場合、ヨーレートが飽和している。しかしながら、本発明の制御では目標値以上のヨーレートが発生しており、回避性能の目安となる1sec時の横変位が大きく発生するため、緊急回避性能が高いことが分かる。これは、本発明の制御では、数8の右辺第1項であるgの偏微分項の中にヨーモーメントMが入っており、この項が目標値よりも大きいヨーレートを発生させているためである。一方、横速度については、本発明の制御のほうが非線形モデル予測制御に比べて多少大きいが、制御無しの場合と比べると小さい。これは、図6に示されるように、初期の大舵角により目標値よりも大きいヨーレートを発生させた後、舵角が横速度に大きい影響を与える前に逆操舵されるため、横速度が過大に発生することを防止できるからである。つまり、本発明の制御では、緊急回避レーンチェンジ時に大きい横変位を発生させながらも、車両安定性を向上できることが、これらのシミュレーションにより確認できた。   From these simulation results, in the case of no control, the side slip increases and the yaw angle does not return to zero. In the case of nonlinear model predictive control, the yaw rate is saturated. However, in the control of the present invention, the yaw rate exceeding the target value is generated, and the lateral displacement at 1 sec, which is a standard of avoidance performance, is greatly generated, so it can be understood that the emergency avoidance performance is high. This is because in the control of the present invention, the yaw moment M is included in the partial differential term of g, which is the first term on the right side of Formula 8, and this term generates a yaw rate larger than the target value. is there. On the other hand, with respect to the lateral speed, the control of the present invention is somewhat larger than the nonlinear model predictive control, but is smaller than the case without control. As shown in FIG. 6, after the yaw rate larger than the target value is generated by the initial large steering angle, the steering angle is reversely steered before the steering angle has a large influence on the lateral speed. It is because it can prevent generating excessively. That is, it was confirmed by these simulations that the control of the present invention can improve the vehicle stability while generating a large lateral displacement at the time of emergency avoidance lane change.

本発明の制御において、図6に示されるような創発ともいえる操舵が可能となるのは、第1に数6で示されるL関数の中に、数4に示される仮想パワーgというパワー形式の仮想物理量を導入したことによる。仮想パワーは、現在のヨーレートを目標ヨーレートに変化させるためのパワーであるが、このときのヨーモーメントは、現在の値から変化しないと仮定しているため、現実のパワーではなく仮想的なパワーである。これにより、現在生じているタイヤのヨーモーメントに対抗して目標値に近づける作用が生ずることになる。このようなL関数の設定自在性が、本発明の制御の特徴でもある。第2の理由は、本発明の制御では、安定性をもたらす散逸パワーPの偏微分項である安定性向上項Uと操舵応答能力を高めるgの偏微分項である応答性向上項Uを拮抗させていることによる。 In the control of the present invention, the steering that can be said to be emergent as shown in FIG. 6 is possible in the power form of virtual power g shown in Equation 4 in the L function shown in Equation 6 first. This is due to the introduction of virtual physical quantities. The virtual power is the power to change the current yaw rate to the target yaw rate, but since the yaw moment at this time is assumed not to change from the current value, it is not the actual power but the virtual power. is there. As a result, an effect of approaching the target value against the yaw moment of the tire that is currently occurring occurs. Such L function setting flexibility is also a feature of the control of the present invention. The second reason is that in the control of the present invention, the stability improvement term U m that is a partial differential term of the dissipated power P that brings about stability and the response improvement term U p that is a partial differential term of g that increases the steering response capability. By antagonizing.

次に、旋回制動安定性のシミュレーション結果について説明する。旋回制動安定性は、車両が旋回中にアクセルを急激に閉じた場合や緩ブレーキを効かせた場合等の安定性である。車両旋回中のこのような動作では、前輪に荷重が移動することによって前輪のタイヤ横力が増加し、オーバステアが助長され、車両が急激に切れ込んでしまう減少が生じ得る。このような一般的にタックインと呼ばれる現象を再現するシミュレーションを行った。シミュレーション条件は以下の通りである。即ち、初期値が車速100km/h、横加速度8m/sでシミュレーションをスタートし、ヨーレートが安定する6秒後の時点で前輪に300Nm、後輪に200Nmの制動力をそれぞれ与える。このときのシミュレーション結果のグラフを図8、図9に示す。 Next, the simulation result of turning braking stability will be described. The turning braking stability is the stability when the accelerator is suddenly closed while the vehicle is turning, or when the gentle brake is applied. In such an operation during turning of the vehicle, a load is moved to the front wheel, and thus the tire lateral force of the front wheel is increased, oversteering is promoted, and the vehicle is suddenly cut off. A simulation was performed to reproduce such a phenomenon generally called tuck-in. The simulation conditions are as follows. That is, the simulation is started with an initial value of a vehicle speed of 100 km / h and a lateral acceleration of 8 m / s 2. A braking force of 300 Nm is applied to the front wheels and a braking force of 200 Nm is applied to the rear wheels at 6 seconds after the yaw rate is stabilized. The graph of the simulation result at this time is shown in FIGS.

図8はヨーレート、図9は横速度の各時間変化のシミュレーション結果を表している。図中、実線が本発明の制御、一点鎖線が非線形モデル予測制御、細線が制御無しの場合の変化をそれぞれ示している。   FIG. 8 shows a yaw rate, and FIG. 9 shows a simulation result of each time change of the lateral velocity. In the figure, the solid line shows the control of the present invention, the alternate long and short dash line shows the nonlinear model predictive control, and the thin line shows the change when there is no control.

これらのシミュレーション結果より、制御無しの状態では、タックインが発生し車両がスピンに近い状態になっているのに対し、本発明の制御や非線形モデル予測制御では、タックインが抑制できており、本発明の制御のほうがより効果が大きいことが分かる。本発明の制御では、安定性向上項の効果によりタックイン時の車両挙動の安定化効果(横速度を抑える効果)が優れている。   From these simulation results, in the absence of control, tack-in occurs and the vehicle is in a state close to spin, whereas in the control of the present invention and the nonlinear model predictive control, tack-in can be suppressed. It can be seen that the control is more effective. In the control of the present invention, the effect of stabilizing the vehicle behavior at the time of tuck-in (the effect of suppressing the lateral speed) is excellent due to the effect of the stability improvement term.

このように、本発明の車両運動制御装置によれば、制御無しの場合だけでなく、従来技術として知られている非線形モデル予測制御と比べても、より高安定で且つ応答性能の高い制御が可能となる。   As described above, according to the vehicle motion control device of the present invention, control with higher stability and higher response performance is possible not only in the case of no control but also in comparison with the nonlinear model predictive control known as the prior art. It becomes possible.

なお、本発明の車両運動制御装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。上述の図示例では、本発明の車両運動制御装置をステアバイワイヤによる車両制御機構に適用した例を説明したが、本発明の車両運動制御装置はこれに限定されず、車両のアクティブサスペンション制御や各輪ブレーキ制御、左右駆動力配分制御等への適用も可能である。   Note that the vehicle motion control device of the present invention is not limited to the illustrated examples described above, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the scope of the present invention. In the illustrated example described above, the example in which the vehicle motion control device of the present invention is applied to a steer-by-wire vehicle control mechanism has been described. However, the vehicle motion control device of the present invention is not limited to this, and the vehicle active suspension control and each Application to wheel brake control, left and right driving force distribution control, etc. is also possible.

10 ヨーモーメント発生機構
20 状態センサ
30 制御部
41 ステアリングホイール
42 ステアリングシャフト
43 操舵反力発生機構
44 トルクコントローラ
51 ステアリングコントローラ
52 タイヤ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Yaw moment generation mechanism 20 State sensor 30 Control part 41 Steering wheel 42 Steering shaft 43 Steering reaction force generation mechanism 44 Torque controller 51 Steering controller 52 Tire

Claims (6)

車両の運動を制御する車両運動制御装置であって、該車両運動制御装置は、
車両の目標状態量を決定し車両にヨーモーメントを発生させるヨーモーメント発生機構と、
前記ヨーモーメント発生機構による車両の現状態量及び現ヨーモーメントを計測又は推定する状態センサと、
目標状態量と車両の現状態量の偏差に現ヨーモーメントを乗算する仮想パワーgを考慮する制御則Uを用いてフィードバック制御を行う制御部と、
を具備することを特徴とする車両運動制御装置。
A vehicle motion control device for controlling the motion of a vehicle, the vehicle motion control device comprising:
A yaw moment generating mechanism for determining a target state quantity of the vehicle and generating a yaw moment in the vehicle;
A state sensor for measuring or estimating a current state quantity and a current yaw moment of the vehicle by the yaw moment generation mechanism;
A control unit that performs feedback control using a control law U that takes into account a virtual power g that multiplies the deviation between the target state quantity and the current state quantity of the vehicle by the current yaw moment;
A vehicle motion control device comprising:
請求項1に記載の車両運動制御装置において、前記制御部は、その制御則Uに次式の仮想パワーgの状態量による偏微分項が含まれる、即ち、
但し、Rは重み係数、rは目標状態量、rは車両の現状態量、Mは現ヨーモーメントである、
ことを特徴とする車両運動制御装置。
2. The vehicle motion control apparatus according to claim 1, wherein the control unit includes a partial differential term based on a state quantity of virtual power g of the following equation in its control law U:
Where R 1 is a weighting factor, r d is a target state quantity, r is a current state quantity of the vehicle, and M is a current yaw moment.
A vehicle motion control device.
請求項1又は請求項2に記載の車両運動制御装置において、前記目標状態量及び車両の現状態量は、ヨーレートであることを特徴とする車両運動制御装置。   3. The vehicle motion control device according to claim 1 or 2, wherein the target state quantity and the current state quantity of the vehicle are yaw rates. 請求項1乃至請求項3の何れかに記載の車両運動制御装置において、前記ヨーモーメント発生機構は、操舵アクチュエータであることを特徴とする車両運動制御装置。   4. The vehicle motion control device according to claim 1, wherein the yaw moment generation mechanism is a steering actuator. 5. 請求項1乃至請求項4の何れかに記載の車両運動制御装置において、前記制御部は、その制御則Uが次式のスカラ関数Lを用いて求められる、即ち、
但し、R,Rは重み係数、Pは制御入力パワー、Pは散逸パワーである、
ことを特徴とする車両運動制御装置。
5. The vehicle motion control device according to claim 1, wherein the control unit obtains the control law U using a scalar function L of the following equation:
Where R a and R b are weighting factors, P u is the control input power, and P is the dissipated power.
A vehicle motion control device.
請求項5に記載の車両運動制御装置において、前記制御部は、その制御則Uが次式で与えられる、即ち、
但し、制御則Uは、Lをrで偏微分し、これを0にすることにより得られる、
ことを特徴とする車両運動制御装置。
6. The vehicle motion control apparatus according to claim 5, wherein the control unit has a control law U given by the following equation:
However, the control law U is obtained by partially differentiating L with r and setting this to 0.
A vehicle motion control device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020183214A (en) * 2019-05-08 2020-11-12 株式会社福島研究所 Steering control device

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