JP2016085705A - Track follow-up controller - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、車輪式の移動体を目標軌道に追従させるための軌道追従制御装置に関するものである。 The present invention relates to a trajectory tracking control device for causing a wheel-type moving body to follow a target trajectory.
予め設定された目標軌道、もしくは周辺環境情報の取得によりオンラインで生成された軌道に移動体を追従させる技術は、自動車の自動運転あるいは自動駐車や、自律移動ロボットに用いられる。このような移動体の多くでは移動方式として車輪が用いられるが、車輪は横方向に移動できないことから非ホロノミック拘束を有する制御対象となる。非ホロノミック拘束を有する制御対象の軌道追従制御において、従来の方法は複雑なものが多い一方、ＩＥＥＥ ＩＣＲＡ， ｐｐ．３８４−３８９，１９９０．（非特許文献１）ではシンプルな方法が提案され、理論的に目標軌道への追従を保証するとともに、実験においてもその有効性を示している。 A technique for causing a moving body to follow a preset target trajectory or a trajectory generated online by acquiring surrounding environment information is used for automatic driving or automatic parking of an automobile or an autonomous mobile robot. In many of such moving bodies, wheels are used as the moving system, but the wheels cannot be moved in the lateral direction, and thus are controlled objects having nonholonomic constraints. In the trajectory tracking control of a controlled object having nonholonomic constraints, the conventional methods are often complicated, but IEEE ICRA, pp. 384-389, 1990. (Non-Patent Document 1) proposes a simple method, which theoretically guarantees the follow-up to the target trajectory and shows its effectiveness in experiments.
さらに、特開２００６ー９２４２４号公報（特許文献１）では、非特許文献１の方法に対して横方向速度指令値を追加することで追従性能をさらに向上させることを提案している。 Furthermore, Japanese Patent Laying-Open No. 2006-92424 (Patent Document 1) proposes that the tracking performance is further improved by adding a lateral speed command value to the method of Non-Patent Document 1.
しかしながら、前記非特許文献１の方法では移動体の目標速度が正値（前進）のときのみ目標軌道への追従を保証するため、目標速度を負値（後退）とする軌道追従制御は実現できない問題があった。移動体の後方向を速度が正の方向として座標系を取り直して非特許文献１の方法を適用することはできるが、この方法では移動したい方向が前方か後方かによって座標系を切り替えて移動体への指令値を計算しなければならない問題がある。 However, since the method of Non-Patent Document 1 guarantees the follow-up to the target trajectory only when the target speed of the moving body is a positive value (forward), the trajectory follow-up control in which the target speed is a negative value (reverse) cannot be realized. There was a problem. It is possible to apply the method of Non-Patent Document 1 by taking the backward direction of the moving body as a positive speed direction and applying the method of Non-Patent Document 1, but in this method, the moving body is switched by switching the coordinate system depending on whether the moving direction is forward or backward. There is a problem that the command value to be calculated.
また、特許文献１に開示された方法における横方向速度指令には４輪操舵車両であれば従うことができるが、一般的な前輪操舵の自動車は横方向に移動的できないため適用できない問題があった。 Further, the lateral speed command in the method disclosed in Patent Document 1 can be followed by a four-wheel steering vehicle, but there is a problem that it cannot be applied because a general front-wheel steering automobile cannot move laterally. It was.
この発明は、前記のような問題を解決するためになされたものであり、一般的な前輪操舵の自動車を含めた車輪式の移動体において、前進と後退のどちらの場合でも目標軌道への追従を実現する軌道追従制御装置を得ることを目的とするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In a wheeled mobile body including a general front-wheel-steered vehicle, the vehicle follows a target trajectory in both cases of forward movement and backward movement. It is an object of the present invention to obtain a trajectory tracking control device that realizes the above.
この発明に係る軌道追従制御装置は、目標軌道に追従させて移動体の移動を制御する軌道追従制御装置であって、目標速度、目標回転速度、目標位置、目標姿勢角度を生成する目標軌道生成部と、前記移動体の位置と姿勢角度を検出する状態検出部と、前記目標軌道生成部と前記状態検出部の出力に基づき軌道追従誤差を計算する誤差計算部と、前記誤差計算部の出力に基づき前記移動体への指令値を計算する指令値計算部と、を備え、
姿勢角度誤差を目標姿勢角度から前記移動体の姿勢角度を差し引いたものとし、前記指令値計算部において、前記指令値の計算に用いる前記姿勢角度誤差の正弦値、もしくは前記姿勢角度誤差の正弦値をテイラー展開で近似したものの係数を常に正値とするものである。
A trajectory tracking control device according to the present invention is a trajectory tracking control device that controls movement of a moving body by following a target trajectory, and generates a target trajectory for generating a target speed, a target rotation speed, a target position, and a target posture angle. A state detection unit that detects the position and orientation angle of the moving body, an error calculation unit that calculates a trajectory tracking error based on outputs of the target trajectory generation unit and the state detection unit, and an output of the error calculation unit A command value calculation unit that calculates a command value to the moving body based on
The posture angle error is obtained by subtracting the posture angle of the moving body from the target posture angle, and the command value calculation unit uses the sine value of the posture angle error or the sine value of the posture angle error used for calculating the command value. Is a positive value that is always approximated by Taylor expansion.
この発明に係る軌道追従制御装置によれば、目標速度、目標回転速度、目標位置、目標姿勢角度を生成する目標軌道生成部と、前記移動体の位置と姿勢角度を検出する状態検出部と、前記目標軌道生成部と前記状態検出部の出力に基づき軌道追従誤差を計算する誤差計算部と、前記誤差計算部の出力に基づき前記移動体への指令値を計算する指令値計算部と、を備え、姿勢角度誤差を目標姿勢角度から前記移動体の姿勢角度を差し引いたものとし、前記指令値計算部において、前記指令値の計算に用いる前記姿勢角度誤差の正弦値、もしくは前記姿勢角度誤差の正弦値をテイラー展開で近似したものの係数を常に正値とすることにより、一般的な前輪操舵の自動車を含めた車輪型の移動体において、前進と後退のどちらの場合でも目標軌道への追従を実現する軌道追従制御装置が得られる。 According to the trajectory tracking control device according to the present invention, a target trajectory generation unit that generates a target speed, a target rotation speed, a target position, and a target posture angle, a state detection unit that detects a position and a posture angle of the moving body, An error calculation unit that calculates a trajectory tracking error based on the outputs of the target trajectory generation unit and the state detection unit, and a command value calculation unit that calculates a command value to the moving body based on the output of the error calculation unit, A posture angle error is obtained by subtracting the posture angle of the mobile body from a target posture angle, and the command value calculation unit uses a sine value of the posture angle error used to calculate the command value or the posture angle error. By always setting the coefficient of sine value approximated by Taylor expansion to a positive value, it is possible to move to the target trajectory in both forward and backward movements in a wheel type moving body including a general front-wheel steering vehicle. Tracking Control device for implementing the follow-up is obtained.
以下、この発明に係る軌道追従制御装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、それぞれの実施の形態において、同一符号は、同一または相当部分を示すものである。 A preferred embodiment of a trajectory tracking control device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In each embodiment, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る軌道追従制御装置を説明するブロック線図である。図１において、目標軌道生成部１０は、目標速度ｖｒ、目標回転速度ωｒ、目標位置ｘｒ、ｙｒ、目標姿勢角度θｒを生成する。誤差計算部１１は、目標軌道生成部１０の出力と状態検出部１２の出力から軌道追従誤差を計算する。状態検出部１２は、移動体１３の位置ｘｃ、ｙｃ、姿勢角度θｃを検出する。姿勢角度θｃは移動体１３の前方方向とｘ軸のなす角度とする。検出方法としては、移動体１３に搭載した車輪速センサ、ロータリーエンコーダやヨーレートセンサなどに基づき状態を推定する方法、移動体１３に搭載したカメラ、超音波センサ、レーザレンジセンサなどを用いた周辺環境認識により状態を推定する方法、もしくは路面や壁面などインフラ側に設置したセンサから検出する方法などを用いることができる。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram for explaining a trajectory tracking control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the target trajectory generation unit 10 generates a target speed vr, a target rotation speed ωr, target positions xr, yr, and a target posture angle θr. The error calculator 11 calculates a trajectory tracking error from the output of the target trajectory generator 10 and the output of the state detector 12. The state detection unit 12 detects the positions xc and yc and the posture angle θc of the moving body 13. The posture angle θc is an angle formed by the forward direction of the moving body 13 and the x axis. As a detection method, a method for estimating a state based on a wheel speed sensor, a rotary encoder, a yaw rate sensor, or the like mounted on the moving body 13, a surrounding environment using a camera, an ultrasonic sensor, a laser range sensor, or the like mounted on the moving body 13. A method of estimating the state by recognition or a method of detecting from a sensor installed on the infrastructure side such as a road surface or a wall surface can be used.
指令値計算部１４は、誤差計算部１１の出力に基づき移動体１３への指令値を計算する。指令値計算部１４は速度指令値計算部１５と回転速度指令値計算部１６からなる。速度指令値計算部１５は、目標速度ｖｒを用いたフィードフォワード制御部１５ａと、位置誤差ｘｅを用いたフィードバック制御部１５ｂからなる。回転速度指令値計算部１６は、目標回転速度ωｒを用いたフィードフォワード制御部１６ａと、位置誤差ｙｅを用いたフィードバック制御部１６ｂ、および姿勢角度誤差θｅの正弦であるｓｉｎθｅを用いたフィードバック制御部１６ｃからなる。前記特許文献1および非特許文献1ではｓｉｎθｅの係数はｖｒ＊Ｋθであり、係数の符号は目標速度ｖｒの符号に伴い変化する。しかし、実施の形態１に係る軌道追従制御装置はｓｉｎθｅの係数をα＊Ｋθ（αは正値）とすることで、目標速度ｖｒの符号によらずｓｉｎθｅの係数を正値とすることを特徴とする。 The command value calculation unit 14 calculates a command value for the moving body 13 based on the output of the error calculation unit 11. The command value calculation unit 14 includes a speed command value calculation unit 15 and a rotation speed command value calculation unit 16. The speed command value calculation unit 15 includes a feedforward control unit 15a using the target speed vr and a feedback control unit 15b using the position error xe. The rotation speed command value calculation unit 16 includes a feedforward control unit 16a using the target rotation speed ωr, a feedback control unit 16b using the position error ye, and a feedback control unit using sin θe which is a sine of the attitude angle error θe. 16c. In Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the coefficient of sin θe is vr * Kθ, and the sign of the coefficient changes with the sign of the target speed vr. However, the trajectory tracking control apparatus according to the first embodiment is characterized in that the coefficient of sin θe is set to a positive value regardless of the sign of the target speed vr by setting the coefficient of sin θe to α * Kθ (α is a positive value). And
以下、この特徴により得られる効果を説明する。図２は実施の形態１に係る移動体１３の軌道追従制御の基本的なモデルを表す。図２において移動体１３は一例として２輪車両を示し、この車両は左右輪の回転速度を独立に制御できるものとする。左右輪の回転速度を同期させることで前進と後退ができる。左右輪の回転数に差を与えることで旋回ができる。２輪車両の位置をｘｃ、ｙｃ、姿勢角度をθｃとし、走行速度をｖｃ、回転速度をωｃとする。走行速度ｖｃと回転速度ωｃは車両への指令値に対応する。車輪は横方向に速度を発生することができないという幾何学的な非ホロノミック拘束に基づき、２輪車両の運動に関して次式（１）を得る。 Hereinafter, effects obtained by this feature will be described. FIG. 2 shows a basic model of the trajectory tracking control of the moving body 13 according to the first embodiment. In FIG. 2, the moving body 13 shows a two-wheel vehicle as an example, and this vehicle can control the rotational speed of the left and right wheels independently. It is possible to move forward and backward by synchronizing the rotation speeds of the left and right wheels. You can turn by giving a difference in the number of rotations of the left and right wheels. The position of the two-wheeled vehicle is xc, yc, the posture angle is θc, the traveling speed is vc, and the rotational speed is ωc. The traveling speed vc and the rotational speed ωc correspond to the command value to the vehicle. Based on the geometric nonholonomic constraint that the wheels cannot generate speed in the lateral direction, the following equation (1) is obtained for the motion of the two-wheeled vehicle.
図２おいて、移動体１３が各瞬間に追従する目標点は、目標軌道に沿って目標速度ｖｒで移動する。目標速度ｖｒは移動体１３の操作者が与えることや、移動体１３が自律的に判断して決定することができる。目標速度ｖｒの向きは目標点が軌道上を移動するに従って変化し、その回転速度を目標回転速度ωｒとする。目標軌道の与え方としては、予めメモリに保存したものを用いる方法、路面に磁気テープや白線などで敷設して走行ラインとして与える方法、あるいは移動体１３が周辺環境を認識して得た情報や外部との通信により得た情報に基づきオンラインで生成したものを用いる方法などがある。 In FIG. 2, the target point that the moving body 13 follows at each moment moves along the target trajectory at the target speed vr. The target speed vr can be given by the operator of the mobile body 13 or can be determined by the mobile body 13 autonomously judging. The direction of the target speed vr changes as the target point moves on the trajectory, and the rotation speed is set as the target rotation speed ωr. As a method for giving the target trajectory, a method using a memory previously stored in a memory, a method of laying a magnetic tape or white line on the road surface and giving it as a travel line, or information obtained by the mobile unit 13 recognizing the surrounding environment, There is a method using information generated online based on information obtained by communication with the outside.
目標点の位置をｘｒ、ｙｒ、姿勢をθｒとする。図２に示すように、移動体１３の前後方向と横方向を基準に考えると、移動体１３と目標点の位置誤差ｘｅ、ｙｅ、姿勢角度誤差θｅは次式（２）で得られる。 The position of the target point is xr, yr, and the orientation is θr. As shown in FIG. 2, when considering the front-rear direction and the lateral direction of the moving body 13, the position errors xe and ye and the attitude angle error θe between the moving body 13 and the target point are obtained by the following equation (2).
両辺を時間微分して式変形することで、軌道追従誤差に関する次式（３）の方程式を得る。 By differentiating both sides with respect to time and transforming the equation, the following equation (3) relating to the trajectory tracking error is obtained.
上式（４）において、係数Ｋｘ、ＫｙおよびＫθは全て正値とする。実施の形態１とは異なり、上式（４）ではｓｉｎθｅの係数がｖｒ＊Ｋθであり、目標速度ｖｒの符号により（つまり目標とする進行方向が前進か後退かにより）係数の符号は変化する。軌道追従制御を達成できるかを検証するため、非特許文献１で示されているものと同様のリアプノフ関数Ｖを次式（５）でおく。 In the above equation (4), the coefficients Kx, Ky, and Kθ are all positive values. Unlike the first embodiment, in the above equation (4), the coefficient of sin θe is vr * Kθ, and the sign of the coefficient changes depending on the sign of the target speed vr (that is, depending on whether the target traveling direction is forward or backward). . In order to verify whether or not the trajectory tracking control can be achieved, a Lyapunov function V similar to that shown in Non-Patent Document 1 is given by the following equation (5).
リアプノフ関数Ｖの時間微分は計算を進めると次式（６）となる。 When the time differentiation of the Lyapunov function V proceeds, the following equation (6) is obtained.
ゆえに、目標速度ｖｒを負とした場合、リアプノフ関数の時間微分は準負定（０以下）ではない。つまり、前記（３）式で示す軌道追従誤差に関する方程式の原点ｘｅ＝０、ｙｅ＝０、θｅ＝０の安定性は保証されず、非特許文献１の方法では後退による目標軌道への追従は保証されない。一方、実施の形態１に係る軌道追従制御装置においては、移動体１３への速度指令ｖｃと回転速度指令ωｃを次式（７）で与える。 Therefore, when the target speed vr is negative, the time derivative of the Lyapunov function is not quasi-negative (0 or less). That is, the stability of the origin xe = 0, ye = 0, and θe = 0 in the equation relating to the trajectory tracking error expressed by the above equation (3) is not guaranteed, and the method of Non-Patent Document 1 does not follow the target trajectory due to the backward movement. Not guaranteed. On the other hand, in the trajectory tracking control device according to the first embodiment, the speed command vc and the rotational speed command ωc to the moving body 13 are given by the following equation (7).
αは正値で与えるため、非特許文献１とは異なり、上式ではｓｉｎθｅの係数の符号は目標速度ｖｒの符号によらず（つまり目標とする進行方向が前進か後退かによらず）常に正値である。Ｖの時間微分は計算を進めると次式（８）となる。 Since α is given as a positive value, unlike the non-patent document 1, in the above formula, the sign of the coefficient of sin θe does not depend on the sign of the target speed vr (that is, regardless of whether the target traveling direction is forward or backward). Positive value. When the time differentiation of V proceeds, the following equation (8) is obtained.
従って、リアプノフ関数Ｖの時間微分は準負定（０または負）となることから、前記（３）式で示す軌道追従誤差に関する方程式の原点ｘｅ＝０、ｙｅ＝０、θｅ＝０は安定な平衡点となる。ただし、リアプノフ関数Ｖの時間微分は負定（０未満）ではないことから、前記リアプノフ関数Ｖを用いた解析では原点の漸近安定性までは保証されない。つまり追従誤差が時間経過とともに拡大することはないが、十分時間が経過したときに追従誤差が０に収束することまでは保証されない。原点の漸近安定性を少なくとも原点近傍で検証するため、前記（３）式で示す軌道追従誤差に関する方程式を原点近傍で線形近似することで次式（９）を得る。 Accordingly, since the time derivative of the Lyapunov function V is quasi-negative (0 or negative), the origins xe = 0, ye = 0, and θe = 0 of the equation relating to the trajectory tracking error expressed by the above equation (3) are stable. It becomes an equilibrium point. However, since the time derivative of the Lyapunov function V is not negative (less than 0), the asymptotic stability of the origin is not guaranteed in the analysis using the Lyapunov function V. That is, the tracking error does not increase with time, but it is not guaranteed until the tracking error converges to 0 when sufficient time has passed. In order to verify the asymptotic stability of the origin at least in the vicinity of the origin, the following equation (9) is obtained by linearly approximating the equation relating to the trajectory tracking error shown in the equation (3) near the origin.
追従誤差ベクトル（ｘｅ、ｙｅ、θｅ）の係数行列の特性多項式は次式（１０）である。 The characteristic polynomial of the coefficient matrix of the tracking error vector (xe, ye, θe) is the following expression (10).
多項式の全ての係数は、目標速度ｖｒ、目標回転速度ωｒの符号によらず正値である。加えて、次式（１１）が成立する。 All the coefficients of the polynomial are positive values regardless of the signs of the target speed vr and the target rotational speed ωr. In addition, the following equation (11) is established.
ゆえに、ラウス・フルビッツの安定性判別に基づき、原点ｘｅ＝０、ｙｅ＝０、θｅ＝０は漸近安定な平衡点であることが保証される。 Therefore, the origin xe = 0, ye = 0, and θe = 0 are guaranteed to be asymptotically stable equilibrium points based on the stability determination of Rous-Fluwitz.
以上に基づき、実施の形態１に係る軌道追従制御装置を用いることで、前進と後退の両方の場合において移動体１３の目標軌道への追従を実現できる。実用上の観点では、速度指令ｖｃと回転速度指令ωｃの計算におけるｃｏｓθｅとｓｉｎθｅはテイラー展開により近似したものを用いてもよい。また、図２に示す２輪車両モデルは一般的な自動車である前輪操舵の４輪車両に対応させて扱うことができる。 Based on the above, by using the trajectory tracking control device according to the first embodiment, tracking of the moving body 13 to the target trajectory can be realized in both cases of forward movement and backward movement. From a practical viewpoint, cos θe and sin θe in the calculation of the speed command vc and the rotational speed command ωc may be approximated by Taylor expansion. The two-wheel vehicle model shown in FIG. 2 can be handled in correspondence with a front-wheel steering four-wheel vehicle that is a general automobile.
図３は、４輪車両のモデルを表し、車両の位置ｘｃ、ｙｃは後輪軸の中心点とする。また、前輪軸と後輪軸の距離をＬとし、前輪の操舵角度をφｃとすると、４輪車両の運動に関して次式（１２）を得る。 FIG. 3 represents a model of a four-wheel vehicle, and the vehicle positions xc and yc are the center points of the rear wheel shaft. Further, when the distance between the front wheel shaft and the rear wheel shaft is L and the steering angle of the front wheel is φc, the following equation (12) is obtained for the motion of the four-wheel vehicle.
従って、ωｃを次式（１３）とすることで４輪車両と２輪車両の運動を前記（１）式で示す共通の式を用いて考えることができる Therefore, by setting ωc to the following equation (13), the motion of the four-wheel vehicle and the two-wheel vehicle can be considered using a common equation represented by the equation (1).
なお、後輪操舵車両など他の操舵方法の車両や、図１と図２で説明した車両と車輪の数が異なる３輪車両なども、同様に前式（１）を用いて運動を表現できる。ゆえに、この発明に係る軌道追従制御装置は前式（１）で運動を表現できる移動体１３を対象として広く適用できる。 It should be noted that a vehicle using another steering method such as a rear wheel steering vehicle, or a three-wheeled vehicle having a different number of wheels from the vehicle described in FIGS. 1 and 2 can similarly express the motion using the above equation (1). . Therefore, the trajectory follow-up control device according to the present invention can be widely applied to the mobile body 13 that can express motion according to the previous equation (1).
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る軌道追従制御装置について説明する。
図４は、実施の形態２に係る軌道追従制御装置を説明するブロック線図である。図４に示すように、実施の形態２に係る軌道追従制御装置は、指令値計算部１４と移動体１３の間に指令値を変換する指令値変換部１７を設けることで、制御対象とする移動体１３の種類に応じた制御を実行できる。なお、その他の部分は実施の形態１と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
Next, a trajectory tracking control apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described.
FIG. 4 is a block diagram illustrating the trajectory tracking control apparatus according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, the trajectory tracking control device according to the second embodiment is controlled by providing a command value conversion unit 17 that converts a command value between the command value calculation unit 14 and the moving body 13. Control according to the type of the moving body 13 can be executed. The other parts are the same as those in the first embodiment, and the description is omitted by giving the same reference numerals.
例えば、前輪操舵の４輪車両であれば指令値計算部１４から与えられる回転速度指令値を、次式（１４）により操舵角指令値φｃに変換できる。 For example, in the case of a four-wheel vehicle with front wheel steering, the rotational speed command value given from the command value calculation unit 14 can be converted into the steering angle command value φc by the following equation (14).
ただし、速度指令値ｖｃの値が０のときは０による割り算が発生するため、速度指令値ｖｃの絶対値がε以下のときは、操舵角指令値φｃの計算に用いる速度指令値ｖｃの値を次式（１５）に置き換えてもよい。 However, since the division by 0 occurs when the value of the speed command value vc is 0, the value of the speed command value vc used to calculate the steering angle command value φc when the absolute value of the speed command value vc is equal to or less than ε. May be replaced by the following equation (15).
式（１５）において、ｓｇｎ（）は符号関数であり、括弧内の値の符号を取り出す。εは０による割り算を防止するための正値のパラメータである。 In Expression (15), sgn () is a sign function, and the sign of the value in parentheses is taken out. ε is a positive parameter for preventing division by zero.
以上により、実施の形態２に係る軌道追従制御装置は、指令値変換部１７を導入することにより、指令値計算部１４から得られる回転速度指令値を、２輪車両以外の移動体１３に適した形に変更することができるため、適切な形で移動体１３に実装できる。 As described above, the trajectory tracking control device according to the second embodiment introduces the command value conversion unit 17 so that the rotational speed command value obtained from the command value calculation unit 14 is suitable for the moving body 13 other than the two-wheeled vehicle. Therefore, it can be mounted on the moving body 13 in an appropriate form.
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る軌道追従制御装置について説明する。
図５は、実施の形態３に係る軌道追従制御装置を説明するブロック線図である。図５に示すように、実施の形態３に係る軌道追従制御装置は、実施の形態１あるいは２に対し、移動体１３の前に指令値を制限する指令値制限部１８を導入することで、移動体１３の物理的制約や乗員の乗り心地などを考慮して指令値に飽和処理などを施すことができる。なお、その他の部分は実施の形態１あるいは２と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。
Embodiment 3 FIG.
Next, a track tracking control apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described.
FIG. 5 is a block diagram illustrating the trajectory tracking control apparatus according to the third embodiment. As shown in FIG. 5, the trajectory tracking control device according to the third embodiment introduces a command value limiter 18 that limits the command value before the moving body 13 with respect to the first or second embodiment. The command value can be subjected to saturation processing or the like in consideration of the physical restrictions of the moving body 13 and the ride comfort of the occupant. Other parts are the same as those in the first or second embodiment, and the description thereof is omitted by giving the same reference numerals.
例えば、実施の形態２において制御対象を前輪操舵の４輪車両とするとき、操舵角度φｃの指令値を移動体１３の機械的な制約に基づき制限できるため、現実の制御対象に則した形で実施の形態３に係る軌道追従制御装置を実装できる。また、電動パワーステアリングに用いられるモータの性能や、車輪の接地荷重により変化するステアリングまわりの負荷状態に基づき、操舵角度φｃの角速度や角加速度に制限を設けることで、機器への過度な負荷や破損を防止した軌道追従制御を実現できる。 For example, in the second embodiment, when the control target is a four-wheel vehicle with front wheel steering, the command value of the steering angle φc can be limited based on the mechanical constraints of the moving body 13, so The trajectory tracking control device according to the third embodiment can be implemented. In addition, by limiting the angular velocity and acceleration of the steering angle φc based on the performance of the motor used in the electric power steering and the load state around the steering that changes due to the ground contact load of the wheel, excessive load on the equipment and Trajectory tracking control that prevents breakage can be realized.
また、指令値制限部１８において移動体１３への速度指令値ｖｃに上限を設けることで、移動体１３が目標軌道との誤差を縮小するときに過度な速度で移動することを防ぐことができる。 In addition, by providing an upper limit for the speed command value vc to the moving body 13 in the command value limiting unit 18, it is possible to prevent the moving body 13 from moving at an excessive speed when reducing the error from the target trajectory. .
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４に係る軌道追従制御装置について説明する。
図６は、実施の形態４に係る軌道追従制御装置を説明するブロック線図である。図６に示すように、実施の形態４に係る軌道追従制御装置は、実施の形態２、３に係る軌道追従制御装置に対し、回転速度指令値計算部１６を構成するフィードバック制御部１６ｃの調整パラメータであるαを、α＝｜ｖｒ｜とすることにより、車両の速度に応じて軌道追従性能を変化させることができる。なお、その他の部分は実施の形態２あるいは３と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。
Embodiment 4 FIG.
Next, a track tracking control apparatus according to Embodiment 4 of the present invention will be described.
FIG. 6 is a block diagram for explaining the trajectory tracking control apparatus according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 6, the trajectory tracking control device according to the fourth embodiment is adjusted with respect to the trajectory tracking control device according to the second and third embodiments by adjusting a feedback control unit 16 c constituting the rotational speed command value calculation unit 16. By setting the parameter α to α = | vr |, the trajectory tracking performance can be changed according to the speed of the vehicle. The other parts are the same as those in the second or third embodiment, and the description is omitted by giving the same reference numerals.
回転速度指令値の計算では位置誤差ｙｅの係数にｖｒがあり、制御の効果が車両の速度に依存する。従って、回転速度指令値を構成するｓｉｎθｅの係数にもｖｒを付与することで、位置誤差ｙｅと姿勢角度誤差θｅによる制御の効果が車両の速度に対してともに線形に変化する。これにより、制御装置のパラメータの調整が直感的に行いやすくなる。 In the calculation of the rotational speed command value, there is vr in the coefficient of the position error ye, and the control effect depends on the speed of the vehicle. Therefore, by adding vr to the coefficient of sin θe constituting the rotational speed command value, the control effect by the position error ye and the attitude angle error θe changes linearly with respect to the vehicle speed. This makes it easy to intuitively adjust the parameters of the control device.
なお、ｖｒが正値のとき、実施の形態４に係る指令値計算部１４は前記非特許文献１と同じものとなるが、ｖｒが負値のときは異なるものとなる。ｓｉｎθｅの係数にｖｒを導入しつつも、ｖｒの符号によらずｓｉｎθｅの係数の符号を正値に保つことで、前進と後退のどちらの場合でも目標軌道への追従を実現することができる。 In addition, when vr is a positive value, the command value calculation unit 14 according to Embodiment 4 is the same as that of Non-Patent Document 1, but is different when vr is a negative value. While introducing vr to the coefficient of sin θe, keeping the sign of the coefficient of sin θe at a positive value regardless of the sign of vr, it is possible to achieve tracking of the target trajectory in both forward and backward directions.
実施の形態１、２、３、４について、それぞれの実施の形態に係る軌道追従制御装置を用いて前輪操舵の４輪車両を制御したシミュレーション結果を図７に示す。比較のため、同一条件で指令値計算部１４として非特許文献１の方法を用いたシミュレーション結果も併せて示した。図７において、符号Ａは実施の形態１、２、３、４のそれぞれの実施の形態に係る軌道追従制御装置を用いたシミュレーション結果を示し、符号Ｂは非特許文献１の方法を用いたシミュレーション結果を示している。 FIG. 7 shows the simulation results of controlling the front wheel steering four-wheel vehicle for the first, second, third, and fourth embodiments using the track following control device according to each embodiment. For comparison, a simulation result using the method of Non-Patent Document 1 as the command value calculation unit 14 under the same conditions is also shown. In FIG. 7, symbol A indicates a simulation result using the trajectory tracking control device according to each of the first, second, third, and fourth embodiments, and symbol B indicates a simulation using the method of Non-Patent Document 1. Results are shown.
目標点は目標軌道上を一定速度ｖｒで移動し、軌道追従制御装置は車両の後輪軸の中点を目標点に追従させつつ、車両の前後方向が目標点における軌道の接線と一致するように制御を行う。シミュレーションでは後退しながらの軌道追従を検証するためｖｒを負値に設定した。車両の初期位置と初期姿勢は目標軌道からずれた状態とした。 The target point moves on the target trajectory at a constant speed vr, and the trajectory tracking control device makes the vehicle front-rear direction coincide with the tangent of the trajectory at the target point while causing the midpoint of the rear wheel axle to follow the target point. Take control. In the simulation, vr was set to a negative value in order to verify the trajectory tracking while retreating. The initial position and initial posture of the vehicle were deviated from the target trajectory.
結果として、非特許文献１の制御方法では移動体１３は目標軌道から外れた走行となった。これは非特許文献１の方法はｖｒが負値の場合に軌道追従を理論的に保証していないことに起因する。一方、実施の形態１、２、３、４のそれぞれの実施の形態に係る軌道追従制御装置を用いた場合は時間経過とともに車両は軌道上の目標点へと収束しており、その効果がわかる。 As a result, in the control method of Non-Patent Document 1, the moving body 13 traveled out of the target track. This is because the method of Non-Patent Document 1 does not theoretically guarantee the trajectory tracking when vr is a negative value. On the other hand, when the trajectory tracking control device according to each of the first, second, third, and fourth embodiments is used, the vehicle converges to the target point on the trajectory as time passes, and the effect can be seen. .
実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５に係る軌道追従制御装置について説明する。
図８は、実施の形態４に係る軌道追従制御装置を説明するブロック線図である。図８に示すように、実施の形態１、２、３、４に係る軌道追従制御装置において、目標軌道生成部１０を、目標速度設定部１０ａ、目標速度制限部１０ｂ、停車位置・姿勢設定部１０ｃ、残り距離計算部１０ｄ、目標軌道幾何情報処理部１０ｅにより構成する。なお、その他の部分は実施の形態１、２、３、４と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。
Embodiment 5 FIG.
Next, a track tracking control apparatus according to Embodiment 5 of the present invention will be described.
FIG. 8 is a block diagram for explaining the trajectory tracking control device according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 8, in the track following control apparatus according to the first, second, third, and fourth embodiments, the target track generation unit 10 includes a target speed setting unit 10a, a target speed limit unit 10b, a stop position / posture setting unit. 10c, a remaining distance calculation unit 10d, and a target trajectory geometric information processing unit 10e. The other parts are the same as those of the first, second, third, and fourth embodiments, and the description thereof is omitted by giving the same reference numerals.
停車位置・姿勢設定部１０ｃには、最終的な停車位置・姿勢を設定できる。これは、例えば自動駐車の場合であれば、移動体１３がセンサや外部機器との通信により取得した駐車スペースの情報に基づき設定する。 The final stop position / posture can be set in the stop position / posture setting unit 10c. For example, in the case of automatic parking, the moving body 13 is set based on information on a parking space acquired by communication with a sensor or an external device.
目標速度設定部１０ａには、移動体１３が軌道に沿って移動する目標速度を設定する。これをｖｒ０とする。目標速度制限部１０ｂは、目標速度設定部１０ａと残り距離計算部
１０ｄの出力に基づき、最終的に目標軌道生成部１０から出力する目標速度ｖｒを決定する。残り距離計算部１０ｄは、目標軌道幾何情報処理部１０ｅから出力される目標位置・姿勢と、停車位置・姿勢設定部１０ｃの情報に基づき、軌道上を移動する目標点の最終的な停車位置・姿勢までの距離を計算して出力する。
In the target speed setting unit 10a, a target speed at which the moving body 13 moves along the trajectory is set. This is vr0. The target speed limiter 10b finally determines the target speed vr output from the target trajectory generator 10 based on the outputs of the target speed setter 10a and the remaining distance calculator 10d. Based on the target position / posture output from the target trajectory geometric information processing unit 10e and the information of the stop position / posture setting unit 10c, the remaining distance calculation unit 10d calculates the final stop position / target of the target point moving on the track. Calculate and output the distance to the posture.
目標軌道幾何情報処理部１０ｅには、予めメモリに保存した軌道、路面に磁気テープや白線などで敷設して走行ラインとして与えた軌道、あるいは移動体１３が周辺環境を認識して得た情報や外部との通信により得た情報に基づきオンラインで生成した軌道の幾何情報を格納することができる。また、目標軌道幾何情報処理部１０ｅは、目標速度制限部１０ｂからの出力である目標速度ｖｒを受け取り、格納された軌道に沿って目標速度ｖｒで移動する目標点の位置・姿勢・回転速度を出力する。 In the target trajectory geometric information processing unit 10e, a trajectory stored in a memory in advance, a trajectory laid on a road surface with a magnetic tape or a white line as a travel line, or information obtained by the moving body 13 recognizing the surrounding environment, It is possible to store trajectory geometric information generated online based on information obtained by communication with the outside. Further, the target trajectory geometric information processing unit 10e receives the target speed vr that is an output from the target speed limiting unit 10b, and determines the position / posture / rotation speed of the target point that moves at the target speed vr along the stored trajectory. Output.
以上の構成を採用した上で、例えば目標速度制限部１０ｂにおける処理を次に示す形で構成することで得られる効果について説明する。 The effects obtained by configuring the processing in the target speed limiting unit 10b in the following manner, for example, after adopting the above configuration will be described.
図９に示すのは、目標速度制限部１０ｂにおいて、ｖｒ０に掛けるゲインである。ゲインは残り距離計算部１０ｄからの出力を横軸として値が変化する。図９では一例として、残り距離３ｍ以上ではゲインを１とし、３ｍ以下では０に向かって線形に減少するように設定した。従って、目標軌道幾何情報処理部１０ｅに格納された軌道に沿って、目標点は目標速度ｖｒで移動するが、停車位置に近付くにつれてｖｒの絶対値は減少する。最終的にｖｒは０となり、それに応じてωｒも０になるとともに、目標点は停車位置・姿勢設定部１０ｃの通りに停止する。 FIG. 9 shows a gain multiplied by vr0 in the target speed limiter 10b. The value of the gain changes with the output from the remaining distance calculation unit 10d as the horizontal axis. In FIG. 9, as an example, the gain is set to 1 when the remaining distance is 3 m or more, and linearly decreases toward 0 when the distance is 3 m or less. Therefore, the target point moves at the target speed vr along the trajectory stored in the target trajectory geometric information processing unit 10e, but the absolute value of vr decreases as it approaches the stop position. Eventually, vr becomes 0, ωr also becomes 0 accordingly, and the target point stops according to the stop position / posture setting unit 10c.
このときの指令値計算部１４の動作を考える。目標速度ｖｒが０に収束することに伴い、速度指令値計算部１５におけるｖｒ＊ｃｏｓθｅの項も０に収束する。従って、最終的にＫｘ＊ｘｅの項のみが残り、位置誤差のみに依存する制御に連続的に切り替わる。回転速度指令値計算部１６においても、最終的に残る項はα＊Ｋθ＊ｓｉｎθｅであることから、姿勢角度誤差のみに依存する制御に連続的に切り替わる。 Consider the operation of the command value calculation unit 14 at this time. As the target speed vr converges to 0, the term vr * cos θe in the speed command value calculation unit 15 also converges to 0. Accordingly, only the term of Kx * xe finally remains, and the control is continuously switched to the control depending only on the position error. In the rotational speed command value calculation unit 16 as well, since the last remaining term is α * Kθ * sin θe, the control is continuously switched to control depending only on the attitude angle error.
自動駐車などでは、停車位置に近付くにつれて、目標速度で移動することよりも所望の位置に正確に移動体１３を停止させることの重要度が増していく。しかしながら、目標速度を維持する制御と、目標位置での移動体１３を停止させる制御を２種類用意して単純に切り替える方法では、切り替え時の指令値の急激な変化による衝撃で、移動体１３の故障や乗員の乗り心地悪化につながる。 In automatic parking or the like, as the vehicle approaches the stop position, the importance of stopping the moving body 13 at a desired position more accurately than moving at the target speed increases. However, in the method of simply switching by preparing two types of control for maintaining the target speed and the control for stopping the moving body 13 at the target position, the impact of the moving body 13 due to an abrupt change in the command value at the time of switching. It will lead to breakdown and deterioration of passenger comfort.
そこで実施の形態５に係る軌道追従制御装置を用いることで、指令値計算部１４に示す制御系だけを用いながら、目標速度を重視する制御から目標位置へ移動体１３を停止させる制御へと連続的に切り替えることができる。 Therefore, by using the trajectory tracking control device according to the fifth embodiment, from the control that places importance on the target speed to the control that stops the moving body 13 at the target position while using only the control system shown in the command value calculation unit 14. Can be switched automatically.
実施の形態６．
次に、この発明の実施の形態６に係る軌道追従制御装置について説明する。
前記非特許文献１の軌道追従制御方法では、目標速度ｖｒを負とした場合に目標軌道への追従が保証されないが、前輪操舵の４輪車両では以下の措置をとることで、非特許文献１における速度指令値ｖｃと回転速度指令値ωｃの計算を用いても、後退の場合に目標軌道への追従を達成することができる。
Embodiment 6 FIG.
Next, a track tracking control apparatus according to Embodiment 6 of the present invention will be described.
In the track tracking control method of Non-Patent Document 1, the tracking to the target track is not guaranteed when the target speed vr is negative. However, the following measures are taken for a four-wheel vehicle with front wheel steering. Even when the calculation of the speed command value vc and the rotational speed command value ωc at is used, it is possible to achieve tracking of the target trajectory in the case of reverse.
図１０は、この発明の実施の形態６に係る軌道追従制御装置を説明する図で、２輪車両と後退時の４輪車両の関係のモデル図である。
図１０に示すように、前輪操舵の４輪車両において、車両の後方向への速度を正値とするとともに、後方向とｘ軸とのなす角度を車両の姿勢角度とするように定義を切り替える
。このとき、幾何学的な条件から次式（１６）が成立する。
FIG. 10 is a diagram for explaining a trajectory tracking control apparatus according to Embodiment 6 of the present invention, and is a model diagram of the relationship between a two-wheel vehicle and a four-wheel vehicle when reversing.
As shown in FIG. 10, in a four-wheel vehicle with front wheel steering, the definition is switched so that the speed in the rearward direction of the vehicle is a positive value and the angle between the rearward direction and the x-axis is the vehicle attitude angle. . At this time, the following equation (16) is established from geometrical conditions.
従って、ωｃを次式（１７）とすることで、後退の場合でも４輪車両と２輪車両の運動を共通の式（１）を用いて考えることができる。 Therefore, by setting ωc to the following equation (17), the motion of the four-wheel vehicle and the two-wheel vehicle can be considered using the common equation (1) even in the case of reverse.
以上より、前進と後退に応じて速度の符号と姿勢角度の取り方を切り替えることで、前進と後退の両方の場合において軌道追従を実現できる。なお、このような切り替えを用いる場合でも、実施の形態１に係る式（７）による指令値計算はそのまま用いることができる。 As described above, the trajectory tracking can be realized in both the forward and backward directions by switching the sign of the speed and the way of taking the attitude angle according to the forward and backward movements. Even when such switching is used, the command value calculation according to Equation (7) according to Embodiment 1 can be used as it is.
以上、この発明の実施の形態１から６について詳述したが、この発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内にて種々の設計変更を行うことが可能である。 As mentioned above, although Embodiment 1 to 6 of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various design change is possible within the scope of this invention. .
１０ 目標軌道生成部、１０ａ 目標速度設定部、１０ｂ 目標速度制限部、１０ｃ 停車位置・姿勢設定部、１０ｄ 残り距離計算部、１０ｅ 目標軌道幾何情報処理部、１１ 誤差計算部、１２ 状態検出部、１３ 移動体、１４ 指令値計算部、１５ 速度指令値計算部、１５ａ、１６ａ フィードフォワード制御部、１５ｂ、１６ｂ、１６ｃ フィードバック制御部、１６ 回転速度指令値計算部、１７ 指令値変換部、１８ 指令値制限部。 10 target trajectory generation unit, 10a target speed setting unit, 10b target speed limit unit, 10c stop position / posture setting unit, 10d remaining distance calculation unit, 10e target trajectory geometric information processing unit, 11 error calculation unit, 12 state detection unit, 13 moving body, 14 command value calculation unit, 15 speed command value calculation unit, 15a, 16a feedforward control unit, 15b, 16b, 16c feedback control unit, 16 rotation speed command value calculation unit, 17 command value conversion unit, 18 command Value limiter.
Claims (8)
目標速度、目標回転速度、目標位置、目標姿勢角度を生成する目標軌道生成部と、
前記移動体の位置と姿勢角度を検出する状態検出部と、
前記目標軌道生成部と前記状態検出部の出力に基づき軌道追従誤差を計算する誤差計算部と、
前記誤差計算部の出力に基づき前記移動体への指令値を計算する指令値計算部と、
を備え、
姿勢角度誤差を目標姿勢角度から前記移動体の姿勢角度を差し引いたものとし、
前記指令値計算部において、前記指令値の計算に用いる前記姿勢角度誤差の正弦値、もしくは前記姿勢角度誤差の正弦値をテイラー展開で近似したものの係数を常に正値とすることを特徴とする軌道追従制御装置。 A trajectory tracking control device that controls the movement of a moving body by following a target trajectory,
A target trajectory generator for generating a target speed, a target rotation speed, a target position, and a target posture angle;
A state detection unit for detecting the position and posture angle of the moving body;
An error calculator that calculates a trajectory tracking error based on the outputs of the target trajectory generator and the state detector;
A command value calculation unit that calculates a command value to the moving body based on the output of the error calculation unit;
With
The posture angle error is obtained by subtracting the posture angle of the moving body from the target posture angle,
A trajectory characterized in that, in the command value calculation unit, a sine value of the attitude angle error used for calculation of the command value or a coefficient obtained by approximating the sine value of the attitude angle error by Taylor expansion is always a positive value. Tracking control device.
前記目標速度をｖｒ、前記目標回転速度をωｒ、位置誤差をｘｅ、ｙｅ、前記姿勢角度誤差をθｅとした場合、係数Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋθ、αをそれぞれ正値とし、
前記速度指令値計算部は、前記移動体への速度指令値ｖｃを、ｖｃ＝ｖｒ＊ｃｏｓθｅ＋Ｋｘ＊ｘｅで計算し、
前記回転速度指令値計算部は、前記移動体への回転速度指令値ωｃを、ωｃ＝ωｒ＋ｖｒ＊Ｋｙ＊ｙｅ＋α＊Ｋθ＊ｓｉｎθｅで計算することを特徴とする請求項１に記載の軌道追従制御装置。 The command value calculation unit includes a speed command value calculation unit and a rotation speed command value calculation unit,
When the target speed is vr, the target rotational speed is ωr, the position error is xe, ye, and the posture angle error is θe, the coefficients Kx, Ky, Kθ, α are positive values,
The speed command value calculation unit calculates a speed command value vc to the moving body by vc = vr * cos θe + Kx * xe,
2. The trajectory tracking control device according to claim 1, wherein the rotational speed command value calculation unit calculates a rotational speed command value ωc to the moving body by ωc = ωr + vr * Ky * ye + α * Kθ * sin θe. .
前記車両を前進させるときは、前記車両の前方向を速度の正値とし、前記車両の姿勢角
度をｘ軸と前記車両の前方向のなす角度とし、
前記車両を後退させるときは、前記車両の後方向を速度の正値とし、前記車両の姿勢角度をｘ軸と前記車両の後方向のなす角度とするように速度と座標の取り方を切り替えることを特徴とする、請求項１から７の何れか一項に記載の軌道追従制御装置。 For four-wheel vehicles with front wheel steering, the center point of the rear wheel axle is the vehicle coordinates,
When moving the vehicle forward, the forward direction of the vehicle is a positive value of speed, and the attitude angle of the vehicle is an angle formed by the x-axis and the forward direction of the vehicle,
When the vehicle is moved backward, the speed and coordinates are switched so that the rear direction of the vehicle is a positive value of the speed and the attitude angle of the vehicle is an angle formed by the x axis and the rear direction of the vehicle. The trajectory tracking control device according to any one of claims 1 to 7, characterized by:
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