JP2024126695A - パラメータ調整装置及びパラメータ調整方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】フィードバック制御器及びフィードフォワード制御器の制御パラメータを容易に調整できるようにする。
【解決手段】パラメータ調整装置10は、フィードバック制御器5が出力する第1操舵角とフィードフォワード制御器6が出力する第2操舵角とを加算して操舵部に入力された入力操舵角と、入力操舵角の入力に対して操舵部から出力された出力データとを取得する取得部33と、フィードバック制御器5の第1規範モデルと、一組の入力操舵角及び出力データとに基づいて、フィードバック制御器5の第1制御パラメータを調整する第1調整部34と、フィードフォワード制御器6の第2規範モデルと、一組の入力操舵角及び出力データとに基づいて、フィードフォワード制御器6の第2制御パラメータを調整する第2調整部35とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】パラメータ調整装置10は、フィードバック制御器5が出力する第1操舵角とフィードフォワード制御器6が出力する第2操舵角とを加算して操舵部に入力された入力操舵角と、入力操舵角の入力に対して操舵部から出力された出力データとを取得する取得部33と、フィードバック制御器5の第1規範モデルと、一組の入力操舵角及び出力データとに基づいて、フィードバック制御器5の第1制御パラメータを調整する第1調整部34と、フィードフォワード制御器6の第2規範モデルと、一組の入力操舵角及び出力データとに基づいて、フィードフォワード制御器6の第2制御パラメータを調整する第2調整部35とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、パラメータ調整装置及びパラメータ調整方法に関する。
特許文献1には、フィードバック制御とフィードフォワード制御を併用して、車両が目標軌道を追従するように操舵角の自動制御を行う自動操舵制御装置が開示されている。
上記の技術において、望ましい操舵制御を行うためには、フィードバック制御器の制御パラメータとフィードフォワード制御器の制御パラメータとを調整する必要がある。しかし、従来では、パラメータを調整するために実験を繰り返したり、高精度なモデリングを行ったりする必要があり、パラメータの調整に要する作業負担が増大していた。
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、フィードバック制御器及びフィードフォワード制御器の制御パラメータを容易に調整できるようにすることを目的とする。
本発明の第1の態様においては、車両の操舵部をフォードバック制御するフィードバック制御器が出力する第1操舵角と前記操舵部をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御器が出力する第2操舵角とを加算して前記操舵部に入力された入力操舵角と、前記入力操舵角の入力に対して前記操舵部から出力された出力データとを取得する取得部と、前記フィードバック制御器の第1規範モデルと、一組の前記入力操舵角及び前記出力データとに基づいて、前記フィードバック制御器の第1制御パラメータを調整する第1調整部と、前記フィードフォワード制御器の第2規範モデルと、一組の前記入力操舵角及び前記出力データとに基づいて、前記フィードフォワード制御器の第2制御パラメータを調整する第2調整部と、を備える、パラメータ調整装置を提供する。
また、前記第1調整部は、前記第1規範モデルの逆伝達関数への前記出力データの入力値から前記出力データを減算した第1参照信号を前記フィードバック制御器に入力することで前記フィードバック制御器が出力する制御器出力値と、前記取得部が取得した前記入力操舵角と、の差の絶対値を示す第1評価関数の出力値が最小になるように、前記第1制御パラメータを求めることとしてもよい。
また、前記第2調整部は、前記入力操舵角及び前記出力データから導かれる制御目標値を示す第2参照信号を前記第2規範モデルに入力することで前記第2規範モデルが出力するモデル出力値と、前記取得部が取得した前記出力データと、の差の絶対値を示す第2評価関数の出力値が最小になるように、前記第2制御パラメータを求めることとしてもよい。
また、前記取得部は、前記車両が所定の車速で走行中に検出された、前記入力操舵角と前記出力データを取得することとしてもよい。
また、前記フィードバック制御器の前記第1規範モデルを設定し、前記フィードフォワード制御器の前記第2規範モデルを設定する設定部を更に備えることとしてもよい。
また、前記取得部は、前記出力データとして前記車両のヨーレートを取得することとしてもよい。
本発明の第2の態様においては、プロセッサが実行する、車両の操舵部をフォードバック制御するフィードバック制御器が出力する第1操舵角と前記操舵部をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御器が出力する第2操舵角とを加算して前記操舵部に入力された入力操舵角と、前記入力操舵角の入力に対して前記操舵部から出力された出力データとを取得するステップと、前記フィードバック制御器の第1規範モデルと、一組の前記入力操舵角及び前記出力データとに基づいて、前記フィードバック制御器の第1制御パラメータを調整するステップと、前記フィードフォワード制御器の第2規範モデルと、一組の前記入力操舵角及び前記出力データとに基づいて、前記フィードフォワード制御器の第2制御パラメータを調整するステップと、を有する、パラメータ調整方法を提供する。
本発明によれば、フィードバック制御器及びフィードフォワード制御器の制御パラメータを容易に調整できるという効果を奏する。
<車両Sの概要>
図1は、本実施形態に係る車両Sの概要を説明するための図である。車両Sは、設定された設定経路に沿って走行するための操舵角を算出し、旋回時の車両Sを自動操舵する機能を有する。車両Sは、センサ部1と、状態特定部2と、フィードバック制御器5と、フィードフォワード制御器6と、パラメータ調整装置10を備える。
図1は、本実施形態に係る車両Sの概要を説明するための図である。車両Sは、設定された設定経路に沿って走行するための操舵角を算出し、旋回時の車両Sを自動操舵する機能を有する。車両Sは、センサ部1と、状態特定部2と、フィードバック制御器5と、フィードフォワード制御器6と、パラメータ調整装置10を備える。
センサ部1は、例えば操舵角センサ及びヨーレートセンサを有しており、走行中の車両Sの操舵角及びヨーレートを検出する。
状態特定部2は、GNSS(Global Navigation Satellite System)等の外部の測位システムから車両Sの位置を示す電波を受信する受信装置と、加速度センサ及び角速度センサを含むIMU(Inertial Measurement Unit)とを有する。状態特定部2は、受信装置及びIMUを用いて、例えば設定経路を走行するための目標ヨーレートを特定する。
フィードバック制御器5は、車両Sの制御対象をフィードバック制御し、フィードフォワード制御器6は、制御対象をフィードフォワード制御する。フィードバック制御器5及びフィードフォワード制御器6は、ここでは、車両Sのヨーレートが目標ヨーレートになるように制御する。具体的には、フィードバック制御器5及びフィードフォワード制御器6は、目標ヨーレートに対応した操舵角を制御対象に入力して、ヨーレートを制御する。
図2は、ヨーレート制御のブロック図である。図2に示すCFFがフィードフォワード制御器6であり、CFBがフィードバック制御器5である。rは目標ヨーレートであり、yは実ヨーレート(単に、ヨーレートと呼ぶ)である。Tdは規範モデルであり、Pは制御対象の伝達関数である。制御対象は、ここでは車両S(具体的には、車両Sの操舵部)である。操舵部は、車両Sを自動操舵する機能を有する。操舵部は、フィードバック制御器5及びフィードフォワード制御器6から入力された操舵角uに基づいて、操舵用モータ等によりステアリング軸を回転させ、走行中の車両Sを左又は右に旋回させる。制御対象Pに入力される操舵角uは、フィードバック制御器5が出力した第1操舵角とフィードフォワード制御器が出力した第2操舵角とを加算した操舵角である。
図3は、制御対象の車両Sのダイナミクスを示す模式図である。図3には、車両Sが車速vで走行した際の横滑り角β及び車両Sのヨーレートyが示されている。また、lfは、車両Sの重心から前輪までの距離であり、lrは、重心から後輪までの距離であり、uはタイヤの操舵角である。
左右輪のタイヤ特性が一致していれば、操舵角uからヨーレートyまでの応答syは、下記の式(1)のように表現できる。
式(1)の各係数は、下記の式(2)~式(4)のように与えられる。
式(2)~式(4)におけるCfは前輪のコーナリング係数であり、Crは後輪のコーナリング係数である。
式(2)~式(4)におけるCfは前輪のコーナリング係数であり、Crは後輪のコーナリング係数である。
ここで、フィードフォワード制御器6を簡易化するために、滑り角βと係数b21の少なくとも一方が十分に小さく、b21β≒0とみなせると仮定する。以上の仮定から、操舵角uからヨーレートyまでの応答syを、下記の式(5)のように表現できる。
式(5)から、車両Sの伝達関数を下記の式(6)のように一次遅れ系で表現できる。
式(6)において、T=1/b23であり、K=-b22/b23である。
式(6)において、T=1/b23であり、K=-b22/b23である。
パラメータ調整装置10は、フィードバック制御器5の第1制御パラメータと、フィードフォワード制御器6の第2制御パラメータとを調整する。パラメータ調整装置10は、詳細は後述するが、フィードバック制御器5の第1規範モデルと、一組の入力操舵角及びヨーレートとに基づいて、フィードバック制御器5の第1制御パラメータを調整する。また、パラメータ調整装置10は、フィードフォワード制御器6の第2規範モデルと、一組の入力操舵角及びヨーレートとに基づいて、フィードフォワード制御器6の第2制御パラメータを調整する。上記のように第1制御パラメータ及び第2制御パラメータを調整することで、繰り返し実験を行うことなく、かつ高精度なモデリングを行うことなく、容易に第1制御パラメータ及び第2制御パラメータを調整できる。
<パラメータ調整装置の詳細構成>
パラメータ調整装置10は、図1に示すように、記憶部20と制御部30を有する。
パラメータ調整装置10は、図1に示すように、記憶部20と制御部30を有する。
記憶部20は、コンピュータのBIOS(Basic Input Output System)等を格納するROM(Read Only Memory)、作業領域となるRAM(Random Access Memory)を含む。また、記憶部20は、OS(Operating System)やアプリケーションプログラム、当該アプリケーションプログラムの実行時に参照される種々の情報を格納するHDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)等の大容量記憶装置である。
制御部30は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等のプロセッサである。制御部30は、記憶部20に記憶されたプログラムを実行することによって、設定部32、取得部33、第1調整部34及び第2調整部35として機能する。なお、制御部30は、1つのプロセッサで構成されていてもよいし、複数のプロセッサ又は1以上のプロセッサと電子回路との組み合わせにより構成されていてもよい。
設定部32は、フィードバック制御器5の第1規範モデルである規範モデルTFBを設定する。また、設定部32は、フィードフォワード制御器6の第2規範モデルである規範モデルTdを設定する。規範モデルTFB及び規範モデルTdは、例えば設計者によって設定される。
設定部32は、設定した規範モデルTdと上述した式(6)の逆モデルとを用いて、式(7)のようにフィードフォワード制御器6を設定する。
なお、式(6)に示すTとKが、フィードフォワード制御器6の制御パラメータである。
なお、式(6)に示すTとKが、フィードフォワード制御器6の制御パラメータである。
また、設定部32は、PI制御器であるフィードバック制御器5を、式(8)のように設定する。
なお、KPはPゲインであり、KIはIゲインである。KPとKIが、フィードバック制御器5の制御パラメータである。
なお、KPはPゲインであり、KIはIゲインである。KPとKIが、フィードバック制御器5の制御パラメータである。
取得部33は、フィードバック制御器5の第1制御パラメータ(具体的には、KPとKI)とフィードフォワード制御器6の第2制御パラメータ(具体的には、TとK)を調整するために、実験データとして、車両Sの操舵部への一組の入力データ及び出力データを取得する。一組の入力データ及び出力データは、時系列データである。入力データは、車両Sの操舵部に入力された入力操舵角であり、出力データは、入力操舵角の入力に対して操舵部から出力されたヨーレートである。
取得部33は、車両Sが所定の車速で走行中に検出された、一組の入力操舵角とヨーレートを取得する。具体的には、取得部33は、車両Sが一定速度で走行中にセンサ部1及び状態特定部2によって検出された入力操舵角とヨーレートを取得する。このように車両Sが一定速度で走行している際の実験データを取得することで、フィードバック制御器5の第1制御パラメータとフィードフォワード制御器6の第2制御パラメータを望ましい値に調整しやすくなる。
第1調整部34は、フィードバック制御器5の規範モデルTFBと、一組の入力操舵角及びヨーレートに基づいて、フィードバック制御器5の第1制御パラメータを調整する。すなわち、第1調整部34は、設定部32が設定した規範モデルTFBと、取得部33が取得した入力操舵角及びヨーレートに基づいて、第1制御パラメータを調整する。
第1調整部34は、データ駆動型制御器調整法であるVRFT(Virtual Reference Feedback Tuning)によって、フィードバック制御器5の第1制御パラメータを調整する。VRFTは、一回の実験データで得た開ループにおける入出力データを用いて制御器を調整する手法である。VRFTを用いた第1制御パラメータの調整は、以下の手順で行われる。
まず、第1調整部34は、規範モデルTFBの逆伝達関数への出力データの入力値から出力データを減算した第1参照信号である擬似誤差信号を求める。擬似誤差信号は、式(9)のように定義される。
式(9)のFは、プレフィルタである。プレフィルタは、設計工数を少なくする観点から、式(10)のように設定されている。
式(9)のFは、プレフィルタである。プレフィルタは、設計工数を少なくする観点から、式(10)のように設定されている。
式(9)のy0は、取得部33が取得したヨーレートである。このため、第1調整部34は、取得部33が取得したヨーレートy0を式(9)に入力することで、擬似誤差信号efを求めることができる。
次に、第1調整部34は、擬似誤差信号efを用いる第1評価関数によって、第1制御パラメータを求める。第1評価関数は、擬似参照信号efをフィードバック制御器5に入力することでフィードバック制御器5が出力する制御器出力値と、取得部33が取得した入力操舵角u0と、の差の絶対値を示す関数である。第1評価関数は、式(11)のように定義される。
式(11)のu0は、取得部33が取得した入力操舵角である。
数Nは時間信号wのデータ点数、変数Tはサンプリングタイムである。
数Nは時間信号wのデータ点数、変数Tはサンプリングタイムである。
第1調整部34は、第1評価関数の出力値が最小になるように、第1制御パラメータを求める。すなわち、第1調整部34は、取得部33が取得した入力操舵角u0及びヨーレートy0を入力した第1評価関数を最小化することで、第1制御パラメータを求める。第1調整部34は、第1制御パラメータとして、式(8)に示すKPとKIを求める。
ここで、式(11)の第1評価関数の意味について説明する。
取得部33が取得したヨーレートy0に含まれるノイズの外乱の影響が十分に小さければ、式(12)が成り立つ。
取得部33が取得したヨーレートy0に含まれるノイズの外乱の影響が十分に小さければ、式(12)が成り立つ。
式(12)を式(11)に代入して整理すると、式(13)に変形できる。
式(13)のCdは、式(14)を満たす理想的な制御器である。
式(13)のCdは、式(14)を満たす理想的な制御器である。
式(13)は、一巡伝達関数と理想的な一巡伝達関数の相対誤差を評価していることを意味する。つまり、式(11)の第1評価関数を最小化することにより、望ましいフィードバック制御器5を獲得することができる。
第2調整部35は、フィードフォワード制御器6の規範モデルTdと、一組の入力操舵角及びヨーレートに基づいて、フィードフォワード制御器6の第2制御パラメータを調整する。すなわち、第2調整部35は、設定部32が設定した規範モデルTdと、取得部33が取得した入力操舵角及びヨーレートに基づいて、第2制御パラメータを調整する。
第2調整部35は、データ駆動型制御器調整法であるFRIT(Fictitious Reference Iterative Tuning)によって、フィードフォワード制御器6の第2制御パラメータを調整する。FRITは、一回の実験で得た閉ループ応答データを用いて制御器を調整する手法である。FRITを用いた第2制御パラメータの調整は、以下の手順で行われる。
まず、第2調整部35は、入力操舵角及びヨーレートから導かれる制御目標値を示す第2参照信号である擬似参照信号を求める。すなわち、第2調整部35は、取得部33が取得した操舵角u0とヨーレートy0に基づいて、擬似参照信号を求める。擬似参照信号は、図2のブロック図から式(15)のように定義される。
式(15)のCFBは、式(11)の第1評価関数を最小化することで得たものである。第2調整部35は、取得部33が取得した入力操舵角u0とヨーレートy0を式(15)に入力することで、擬似参照信号rcを求めることができる。
次に、第2調整部35は、擬似参照信号rcを用いる第2評価関数によって、第2制御パラメータを求める。第2評価関数は、擬似参照信号rcを規範モデルTdに入力することで規範モデルTdが出力するモデル出力値と、取得部33が取得したヨーレートyoと、の差の絶対値を示す関数である。第2評価関数は、下記の式(16)のように定義される。
式(16)のv0は、入力操舵角uoとヨーレートyoを取得する際の車両Sの速度(一定速度)である。
式(16)のv0は、入力操舵角uoとヨーレートyoを取得する際の車両Sの速度(一定速度)である。
第2調整部35は、第2評価関数の出力値が最小になるように、第2制御パラメータを求める。すなわち、第2調整部35は、取得部33が取得した入力操舵角u0及びヨーレートy0を入力した第2評価関数を最小化することで、第2制御パラメータを求める。第2調整部35は、第2制御パラメータとして、式(6)に示すTとKを求める
ここで、式(16)の第2評価関数の意味について説明する。
二自由度制御系の閉ループ伝達関数は、式(17)のようになることが知られている。
二自由度制御系の閉ループ伝達関数は、式(17)のようになることが知られている。
式(12)と式(15)を式(16)に代入して整理すると、式(18)に変形できる。
式(18)は、閉ループ伝達関数Tryと規範モデルTdの相対誤差を評価していることを意味する。第2評価関数の出力値が0になることにより、TryとTdが同じ値となる。つまり、式(16)の第2評価関数を最小化することは、閉ループ伝達関数Tryと規範モデルTdの相対誤差を低減することを意味する。
なお、上記では、出力データが車両のヨーレートであることとしたが、これに限定されない。例えば、取得部33は、出力データとして、ヨーレートの代わりにヨー角を取得してもよい。
<制御パラメータの調整の流れ>
図4は、制御パラメータの調整の流れを示すフロチャートである。第1制御パラメータ及び第2制御パラメータの調整は、ここでは車両Sが停止中に行われる。
図4は、制御パラメータの調整の流れを示すフロチャートである。第1制御パラメータ及び第2制御パラメータの調整は、ここでは車両Sが停止中に行われる。
まず、設定部32は、フィードバック制御器5の第1規範モデルと、フィードフォワード制御器6の第2規範モデルを設定する(ステップS102)。例えば、設計者等が入力した値に基づいて、設定部32は、第1規範モデルである規範モデルTFBと、第2規範モデルである規範モデルTdを設定する。
次に、取得部33は、車両が停止する前に走行した際に検出した、一組の入力操舵角とヨーレートを取得する(ステップS104)。ここでは、取得部33は、車両が定速で走行している際に検出した、一組の入力操舵角u0とヨーレートy0を取得する。
次に、第1調整部34は、規範モデルTFBと、一組の入力操舵角u0とヨーレートy0に基づいて、フィードバック制御器5の第1制御パラメータを調整する(ステップS106)。すなわち、第1調整部34は、式(11)の第1評価関数を最小化することで、第1制御パラメータであるKPとKIを求める。そして、第1調整部34は、求めた第1制御パラメータに更新する。
次に、第2調整部35は、規範モデルTdと、一組の入力操舵角u0とヨーレートy0に基づいて、フィードフォワード制御器6の第2制御パラメータを調整する(ステップS108)。すなわち、第2調整部35は、式(16)の第2評価関数を最小化することで、第2制御パラメータであるTとKを求める。そして、第2調整部35は、求めた第2制御パラメータに更新する。
<本実施形態における効果>
上述した実施形態のパラメータ調整装置10は、フィードバック制御器5の規範モデルTFBと、一組の入力操舵角u0及び出力データであるヨーレートy0とに基づいて、フィードバック制御器5の第1制御パラメータを調整する。また、パラメータ調整装置10は、フィードフォワード制御器6の規範モデルTdと、一組の入力操舵角u0及びヨーレートy0とに基づいて、フィードフォワード制御器6の第2制御パラメータを調整する。
これにより、繰り返し実験を行うことなく、かつ高精度なモデリングを行うことなく、容易に第1制御パラメータ及び第2制御パラメータを調整できる。
上述した実施形態のパラメータ調整装置10は、フィードバック制御器5の規範モデルTFBと、一組の入力操舵角u0及び出力データであるヨーレートy0とに基づいて、フィードバック制御器5の第1制御パラメータを調整する。また、パラメータ調整装置10は、フィードフォワード制御器6の規範モデルTdと、一組の入力操舵角u0及びヨーレートy0とに基づいて、フィードフォワード制御器6の第2制御パラメータを調整する。
これにより、繰り返し実験を行うことなく、かつ高精度なモデリングを行うことなく、容易に第1制御パラメータ及び第2制御パラメータを調整できる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。
5 フィードバック制御器
6 フィードフォワード制御器
10 パラメータ調整装置
32 設定部
33 取得部
34 第1調整部
35 第2調整部
S 車両
6 フィードフォワード制御器
10 パラメータ調整装置
32 設定部
33 取得部
34 第1調整部
35 第2調整部
S 車両
Claims (7)
- 車両の操舵部をフォードバック制御するフィードバック制御器が出力する第1操舵角と前記操舵部をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御器が出力する第2操舵角とを加算して前記操舵部に入力された入力操舵角と、前記入力操舵角の入力に対して前記操舵部から出力された出力データとを取得する取得部と、
前記フィードバック制御器の第1規範モデルと、一組の前記入力操舵角及び前記出力データとに基づいて、前記フィードバック制御器の第1制御パラメータを調整する第1調整部と、
前記フィードフォワード制御器の第2規範モデルと、一組の前記入力操舵角及び前記出力データとに基づいて、前記フィードフォワード制御器の第2制御パラメータを調整する第2調整部と、
を備える、パラメータ調整装置。 - 前記第1調整部は、
前記第1規範モデルの逆伝達関数への前記出力データの入力値から前記出力データを減算した第1参照信号を前記フィードバック制御器に入力することで前記フィードバック制御器が出力する制御器出力値と、前記取得部が取得した前記入力操舵角と、の差の絶対値を示す第1評価関数の出力値が最小になるように、前記第1制御パラメータを求める、
請求項1に記載のパラメータ調整装置。 - 前記第2調整部は、
前記入力操舵角及び前記出力データから導かれる制御目標値を示す第2参照信号を前記第2規範モデルに入力することで前記第2規範モデルが出力するモデル出力値と、前記取得部が取得した前記出力データと、の差の絶対値を示す第2評価関数の出力値が最小になるように、前記第2制御パラメータを求める、
請求項1に記載のパラメータ調整装置。 - 前記取得部は、前記車両が所定の車速で走行中に検出された、前記入力操舵角と前記出力データを取得する、
請求項1に記載のパラメータ調整装置。 - 前記フィードバック制御器の前記第1規範モデルを設定し、前記フィードフォワード制御器の前記第2規範モデルを設定する設定部を更に備える、
請求項1に記載のパラメータ調整装置。 - 前記取得部は、前記出力データとして前記車両のヨーレートを取得する、
請求項1に記載のパラメータ調整装置。 - プロセッサが実行する、
車両の操舵部をフォードバック制御するフィードバック制御器が出力する第1操舵角と前記操舵部をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御器が出力する第2操舵角とを加算して前記操舵部に入力された入力操舵角と、前記入力操舵角の入力に対して前記操舵部から出力された出力データとを取得するステップと、
前記フィードバック制御器の第1規範モデルと、一組の前記入力操舵角及び前記出力データとに基づいて、前記フィードバック制御器の第1制御パラメータを調整するステップと、
前記フィードフォワード制御器の第2規範モデルと、一組の前記入力操舵角及び前記出力データとに基づいて、前記フィードフォワード制御器の第2制御パラメータを調整するステップと、
を有する、パラメータ調整方法。
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