JP4548587B2 - ヨーレイト推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、左右に対をなす前輪および後輪をそれぞれ操舵して走行駆動される車両における旋回中心、旋回半径、およびヨーレイトを、高価なヨーレイトセンサを用いることなく一意に求めることのできるヨーレイト推定方法に関する。

目標軌道に追従させて車両を操舵制御するような場合、旋回運動に伴う車両のヨーレイト（旋回速度）を正確に把握することが重要である。このような制御系におけるヨーレイトの検出は、専ら、車両に搭載したヨーレイトセンサを用いて行われる。しかしヨーレイトセンサは高価であり、設備コストの増加の要因となる。そこで車両における操舵角と車輪速とを検出し、ニューラルネットワークを用いて上記車両のヨーレイトを推定することが提唱されている（例えば特許文献１を参照）。
特開平８−４３４２２号公報

しかしながら上述した特許文献１に紹介されるヨーレイトの推定手法は、高精度にヨーレイトを推定し得る反面、その推定手順が複雑であり、推定エンジン（推定処理用の演算装置）が高価である等の問題がある。しかも左右に対をなす前輪および後輪を備えた、いわゆる４輪型の車両においては、一般的にその内輪側と外輪側とにおいて旋回中心や旋回半径が異なって求められることが多い。しかもヨーレイトを推定するには、車両の速度や姿勢の影響を受けて変化する不確定要素、例えば内外輪の滑りを考慮して旋回中心を決定する必要があるので、車両の挙動によってヨーレイトの推定値が変化すると言う問題がある。これ故、例えば軌道追従制御のように比較的低い精度でヨーレイトを求めれば十分な場合であっても、その制御に必要なヨーレイトを適切に得ることが困難であった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、高価なヨーレイトセンサを用いることなく、例えば軌道追従制御に必要・十分なヨーレイトを簡易に、しかも適切に得ることのできるヨーレイト推定方法を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係るヨーレイト推定方法は、左右に対をなす前輪および後輪を備え、軌道追従制御により上記前輪および後輪をそれぞれ操舵して走行駆動される車両、いわゆる４輪操舵型の車両における旋回動作時のヨーレイトを簡易に求めるものであって、
前記車両の旋回時における前記前輪および後輪を操舵角をそれぞれ検出すると共に、前記車両の走行速度を検出し、
検出した前記前輪および後輪の各操舵角から前記左右に対をなす前輪および後輪をそれぞれ前記車両の中心線上における前輪および後輪に置き換えた等価モデルにおける前輪および後輪の操舵角をそれぞれ求め、
更に前記前輪及び後輪が同じ角度で逆位相に操舵されていると仮定して前記等価モデルにおける前輪および後輪の各操舵角から前記車両の操舵角を求め、
前記等価モデルにおける前記前輪と後輪との距離および前記車両の操舵角から幾何学的に求められる前記車両の旋回半径Ｒoと、前記検出された前記車両の走行速度Ｖとから前記車両の旋回速度γを（γ＝Ｖ／Ｒo）として推定することを特徴としている。

尚、前記前輪および後輪の各操舵角については、ステアリング装置を駆動するモータの回転数やシリンダのストローク長とをセンサを用いて検出するようにすれば十分である。或いは操舵輪そのものに角度センサ等を取り付けてその操舵角を検出するようにしても良い。また車速については、例えばその車輪速やその回転数を検出して求めたり、ＧＰＳ等を用いて計測される複数点での車両位置とその間の移動時間とから求めるようにすれば良い。

即ち、本発明に係るヨーレイト推定方法は、左右に対をなす前輪および後輪を備えた４輪型の車両における前輪および後輪を、その車両の中心線上における前輪および後輪に置き換えて２輪型の等価モデル（２輪モデル）として捉え、この２輪型の等価モデルにおける車両の操舵角を前記前輪および／または後輪の操舵角から求める。そしてこの２輪型の等価モデルにおける前記車両の操舵角から該車両の旋回半径Ｒoを幾何学的に求め、この旋回半径Ｒoと前記車両の走行速度Ｖとから前記車両の旋回速度γを一意に推定することを特徴としている。

好ましくは請求項２に記載するように前記等価モデルにおける前記前輪および後輪の操舵角を、左右に対をなす左側前輪の操舵角と右側前輪の操舵角との平均を等価モデルにおける前輪の操舵角として求めると共に、左右に対をなす左側後輪の操舵角と右側後輪の操舵角との平均を等価モデルにおける後輪の操舵角として求め、前記車両の操舵角については、前記前輪および後輪が同じ角度で逆位相に操舵されていると仮定して前記等価モデルにおける前輪の操舵角と後輪の操舵角の差に基づいて求めるようにすれば良い。

また請求項３に記載するように前記車両の旋回半径Ｒoについては、前輪と後輪との距離を２Ｌfとし、等価モデルにおける車両の操舵角をδとしたとき、その旋回中心との幾何学的関係から
Ｒo＝Ｌf・cosδ／sinδ
として求めるようにすれば良い。

本発明によれば、左右に対をなす前輪および後輪を備えた４輪型車両における前輪Ｗ_FL,Ｗ_FRおよび後輪Ｗ_RL,Ｗ_RRを、その車両の中心線上における前輪Ｗ_fおよび後輪Ｗ_rにそれぞれ置き換えて２輪型の等価モデル（２輪モデル）として捉えている。そしてこの２輪モデルにおいてその操舵角δから幾何学的に一意に決定される前記車両の旋回中心Ｏとその旋回半径Ｒoとを求めた上で、上記旋回半径Ｒoと車両の走行速度Ｖとから該車両のヨーレイト（旋回速度）νを求めるので、簡単な代数演算だけで車両の旋回時におけるヨーレイトのみならず、その旋回中心や旋回半径を一意に求めることが可能となる。

特に４輪型車両を等価的に２輪モデルとして捉えるので、例えば内外輪の滑りを考慮することなく車両の旋回時におけるヨーレイト、旋回中心、および旋回半径を、その操舵角と走行速度とに基づいて簡易に求めることができる。従って目標軌道に追従させて無人搬送車を走行させるような軌道追従制御を行う場合等、高価なヨーレイトセンサを用いる必要がなく、またニューラルネットワークを用いた推定処理装置を用いることなく、必要十分な精度で上記制御に必要なヨーレイトを求めることができるので、その実用的利点が多大である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るヨーレイト推定方法について、４輪操舵型の車両（無人搬送車）を予め設定された走行ラインＬに沿って追従走行制御する場合を例に説明する。
図１は４輪操舵型の無人搬送車の概略構成を示している。この無人搬送車は、車両本体１の前後に左右一対の前輪Ｗ_FL,Ｗ_FRおよび左右一対の後輪Ｗ_RL,Ｗ_RRを備えたもので、これらの各車輪Ｗ_FL,Ｗ_FR,Ｗ_RL,Ｗ_RRは、例えばモータの回転速度を制御する速度制御部２の制御の下で走行駆動されると共に、操舵角を決定する操舵制御部３の制御の下でそれぞれ操舵制御されるようになっている。また上記車両本体１の前輪側および後輪側には、走行ラインＬに対する前記車両本体１の幅方向へのずれ量ｅを検出する為の前後一対のセンサ４_f,４_rがそれぞれ設けられている。

これらのセンサ４_f,４_rは、例えば複数のセンシング素子を車両本体１の幅方向に所定のピッチｐで直線状に配列したライン型センサアレイからなる。そして上記各センサ４_f,４_rは車両本体１の前輪側および後輪側において、上記ライン型センサアレイのどの位置のセンシング素子にて前記走行ラインＬを検出し得るかを判定することで、上記走行ラインＬからの幅方向へのずれ量ｅを検出するものとなっている。

例えばマイクロコンピュータによって構成される走行制御部５は、上記センサ４_f,４_rによってそれぞれ検出される車両本体１の前後における走行ラインＬからの幅方向へのずれ量ｅに従って該車両本体１の幅方向のずれ量と向きのずれ角とを求めている。そして走行制御部５は、前記速度制御部２によって制御されている走行速度Ｖの下で操舵制御部３を作動させ、走行ラインＬに沿って車両本体１を走行させるに必要な操舵角を求めて操舵制御を実行している。このような車両本体１の走行速度の制御と操舵角の制御とにより、図２に示すように車両本体１が走行ラインＬに沿って走行駆動されることになる。特に走行ラインＬに対して幅方向にずれを生じた場合には、そのずれを補正するべく操舵制御しながら、例えば図２に示すように蛇行軌跡を描きながら前記走行ラインＬに沿って走行するものとなっている。

さて上述した軌道追従制御を行う場合、走行ライン（軌道）Ｌの向きと車両本体１の向きとを合わせることが必要であり、基本的には車両本体１の旋回時における旋回速度（ヨーレイト）νを把握することが必要となる。しかし一般的にヨーレイトセンサは高価である。そこでこの無人搬送車においては、次のようなヨーレイト推定方法を採用して車両本体１のヨーレイトを求め、その軌道追従制御に用いるようにしている。

４輪型の車両の挙動を解析する場合、図３に示すように左右に対をなす前輪および後輪を、それぞれ前記車両の中心線上における前輪および後輪に置き換えた２輪等価モデルとして捉えることができる。即ち、４輪型車両における左右一対の前輪Ｗ_FL,Ｗ_FRをその車両の中心線上における前輪Ｗ_fとして等価変換し、また左右一対の後輪Ｗ_RL,Ｗ_RRを、その車両の中心線上における後輪Ｗ_rとして等価変換することにより、４輪型の車両を２輪型の車両（２輪モデル）として等価変換することができる。

そしてこれらの各車輪の操舵角がさほど大きくない場合には、図３に示すように２輪モデルにおける前輪Ｗ_fの操舵角δ_fは、前記左右一対の前輪Ｗ_FL,Ｗ_FRの各操舵角δ_FL,δ_FRの平均
δ_f＝（δ_FL＋δ_FR）／２
として等価変換することができ、同様に２輪モデルにおける後輪Ｗ_rの操舵角δ_rは、前記左右一対の後輪Ｗ_RL,Ｗ_RRの各操舵角δ_RL,δ_RRの平均
δ_r＝（δ_RL＋δ_RR）／２
として等価変換することができる。但し、上記操舵角は、ここでは車両本体１の進行方向に対して左側に操舵したときを正としている。

即ち、操舵角が小さい場合には、車輪の操舵によって発生する横方向の力（横力）はその操舵角に比例する。従って左右一対の車輪が発生する全ての横力をその中央の１つの車輪で発生させるものとすれば、左右一対の車輪の操舵角の平均値に相当する角度だけ中央の車輪を操舵すれば良いことになる。しかし左右の車輪での滑り率が異なったり、拘束旋回時や遠心力により左右対称な特性を示さない場合には、上述した等価変換条件が成立しない場合がある。このような場合には、予め実験等により４輪モデルを２輪モデルに等価変換し得る条件での変換式を求めておき、その変換式に基づいて２輪モデルへの等価変換を行うようにすれば良い。

ところで前輪Ｗ_fおよび後輪Ｗ_rが同じ角度で逆位相に操舵されているとするならば、図４に示すように車両本体１は前輪Ｗ_f（または後輪Ｗ_r）の操舵角δにより規定される旋回半径Ｒoにて旋回する。尚、前輪Ｗ_fおよび後輪Ｗ_rが同位相に操舵された場合、或いは前輪Ｗ_fまたは後輪Ｗ_rの一方だけが操舵された場合には、その旋回半径Ｒoは前輪Ｗ_fの操舵角δ_fと後輪Ｗ_rの操舵角δ_rとの差によって決定されるので、前輪Ｗ_fおよび後輪Ｗ_rの各操舵角を
δ_f’＝（δ_f−δ_r）／２
δ_r’＝（δ_r−δ_f）／２
としてそれぞれ置き換えれば、実質的に前輪Ｗ_fおよび後輪Ｗ_rが同じ角度で逆位相に操舵されていると看做すことができる。

そして上記前輪Ｗ_f（または後輪Ｗ_r）の操舵角δにより規定される車両本体１の旋回半径Ｒoとその旋回中心Ｏは、車両本体１における前輪Ｗ_FL,Ｗ_FRおよび後輪Ｗ_RL,Ｗ_RRの幾何学的位置、ひいては２輪モデルにおける前輪Ｗ_fおよび後輪Ｗ_rの幾何学的位置に従って一義的に決定される。具体的には前記前輪Ｗ_fと後輪Ｗ_rとの距離が２Ｌ_fであり、その中心位置に車両本体１の重心Ｇがあるものとすれば、その重心Ｇの旋回半径Ｒoは、図４に示すように前輪Ｗ_f（または後輪Ｗ_r）の操舵角をδとして
Ｒ₁＝Ｌ_f／sinδ
Ｒ₀＝Ｒ₁cosδ＝Ｌ_f・cosδ／sinδ
として幾何学的に決定される。但し、上記Ｒ₁は前輪Ｗ_f（または後輪Ｗ_r）と旋回中心Ｏとの距離を示している。ちなみに上式において［sinδ］にて除する項は、操舵角δが小さい程その旋回半径Ｒoが大きく、操舵角δが［０］ならば旋回半径Ｒoは無限大、つまり直進運動であることを示している。

そして微小時間においては、旋回運動による速度とその進行速度（車両の走行速度）とが一致すると看做し得るので、車両本体１の走行速度をＶとしたときの旋回速度（ヨーレイト）γを
γ＝Ｖ／Ｒ₀
として推定することができる。尚、このようにしてヨーレイト（旋回速度）γを推定する場合に必要となる操舵角δについては、例えば前述したように車輪を操舵するシリンダのストローク長から求めるようにしたり、ストローク長指令に適当な制御遅れ要素を加味して求めるようにすれば良い。

かくして上述したようにして車両の旋回時におけるヨーレイトを推定する本方法によれば、前述した２輪モデルにおける幾何学的関係に基づく代数演算だけでヨーレイトを算出することができる。特に従来のヨーレイト推定手法のように微積分処理を伴うことがないので、その推定処理を簡単に行うことができる。また計算処理負担を少なくすることができる上、積分処理のためのメモリ機能が不要であり、更には微分処理に伴うノイズ成分の増大等の不具合がないので、簡易にして必要十分な精度でヨーレイトを求めることが可能となる。また前述した推定処理によれば、そのヨーレイトに操舵角や車速のサンプリング時間や、サンプリングに伴うノイズがそのまま含まれることになる。従って逆に軌道追従制御等に必要なヨーレイトの仕様から、センサを用いて取得する上記操舵角や車速の質、つまりサンプリング時間やノイズの許容レベル等を容易に決定することが可能となる。これ故、与えられた仕様の下で必要な精度のヨーレイトを適切に求めることができ、そのシステム設計の容易化を図ることが可能となる等の二次的な効果も奏せられる。

特に本方法によれば、車両本体の１の挙動を２輪モデルで等価的に表現してその旋回時における旋回中心、旋回半径、そしてヨーレイト（旋回速度）を求めるので、内輪側と外輪側との旋回移動距離が異なる場合でも、或いは内輪側と外輪側との操舵角が異なるような場合であっても、上記旋回中心、旋回半径、そしてヨーレイトを一意に、しかも容易に決定することができる等の優れた特徴を有する。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは左右一対の前輪Ｗ_FL,Ｗ_FRおよび左右一対の後輪Ｗ_RL,Ｗ_RRをそれぞれ操舵する４輪操舵型の車両を例に説明したが、前輪側または後輪側の一方だけを操舵する２輪操舵型の車両についても同様に適用することができる。また走行駆動輪についても、上記前輪Ｗ_FL,Ｗ_FRおよび後輪Ｗ_RL,Ｗ_RRの双方、或いはその一方だけであっても良い。

更には前輪および／または後輪がその前後方向に複数の車輪をタンデム配列した、いわゆる多軸輪型のものとして実現される場合であっても、その多軸輪型の車輪を等価的に１つの車輪（１軸）として捉えることができるので同様に本発明を適用することができる。また左右一対の前輪Ｗ_FL,Ｗ_FRおよび左右一対の後輪Ｗ_RL,Ｗ_RRをその車輪軸に複数の車輪を同軸に装着した、いわゆるダブルタイヤ等として実現される場合であっも、これらの多重に装着された複数の車輪を等価的に１つの車輪として看做すことができるので、この場合にも本発明を適用可能なことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

４輪操舵型の無人搬送車の概略構成を示す図。 無人搬送車の走行ラインに対する追従走行軌跡の例を示す図。 ４輪モデルと２輪モデルとにおける操舵角の関係を示す図。 本発明に係るヨーレイト推定方法で用いられる操舵角δと旋回中心Ｏおよび旋回半径Ｒoとの幾何学的関係を示す図。

符号の説明

１ 車両本体
２ 速度制御部
３ 操舵制御部
５ 走行制御部
Ｌ 走行ライン
Ｗ_FL,Ｗ_FR 前輪
Ｗ_RL,Ｗ_RR 後輪

Claims (3)

1. 左右に対をなす前輪および後輪を備え、軌道追従制御により上記前輪および後輪をそれぞれ操舵して走行駆動される車両において、
   前記車両の旋回時における前記前輪および後輪の操舵角をそれぞれ検出すると共に、前記車両の走行速度を検出し、
   検出した前記前輪および後輪の各操舵角から前記左右に対をなす前輪および後輪をそれぞれ前記車両の中心線上における前輪および後輪に置き換えた等価モデルにおける前輪および後輪の操舵角をそれぞれ求め、
   更に前記前輪および後輪が同じ角度で逆位相に操舵されていると仮定して前記等価モデルにおける前輪および後輪の各操舵角から前記車両の操舵角を求め、
   前記等価モデルにおける前記前輪と後輪との距離および前記車両の操舵角から幾何学的に求められる前記車両の旋回半径Ｒoと、前記検出された前記車両の走行速度Ｖとから前記車両の旋回速度γを
   γ＝Ｖ／Ｒo
   として推定することを特徴とするヨーレイト推定方法。
2. 前記等価モデルにおける前記前輪および後輪の操舵角は、左右に対をなす左側前輪の操舵角と右側前輪の操舵角との平均を等価モデルにおける前輪の操舵角として求めると共に、左右に対をなす左側後輪の操舵角と右側後輪の操舵角との平均を等価モデルにおける後輪の操舵角として求め、
   前記車両の操舵角は、等価モデルにおける前輪の操舵角と後輪の操舵角との差に基づいて、前記前輪および後輪が同じ角度で逆位相に操舵されていると仮定したときの前輪または後輪の操舵角として求められるものである請求項１に記載のヨーレイト推定方法。
3. 前記車両の旋回半径Ｒoは、前輪と後輪との距離を２Ｌfとし、等価モデルにおける車両の操舵角をδとしたとき、その旋回中心との幾何学的関係から
   Ｒo＝Ｌf・cosδ／sinδ
   として求められるものである請求項１に記載のヨーレイト推定方法。

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