JP5265717B2 - 車両の運動制御装置 - Google Patents
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Description
また、自動運転を想定した場合、もはや運転者の意思は、移動する地点情報のみとなり、ナビゲーションシステムなどの情報を用いて、自律走行を行うことになる。このとき、例えばコーナーを曲がるときにどのようなタイミングでブレーキ、操舵を開始し、どのようなタイミングで加速するかという課題が生じる。
また、上記の目的を達成するために、本発明は、車両の加減速を制御する装置を有する車両の運動制御装置において、少なくとも車両の横方向の加加速度情報を用いて、車両の加減速を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、操舵を行っている際に、少なくとも横方向の加加速度の値がゼロ近傍にある期間中に、加速を開始するように制御するようにしたものである。
かかる構成により、ドライバが自己の運転操作に対する指針を得られるようになる。
最初に、図1を用いて、本発明において検討する運転動作,車両運動について説明する。
図1は、本発明において検討する運転動作,車両運動の説明図である。
<タイヤ力を運動状況に応じて効率よく使う方法(車両運動力学的アプローチ)>
タイヤの発生力は、粘着領域にて発生するタイヤ変形力と、すべり領域における摩擦力とに分類できる。タイヤを効率よく使うということは、単位横すべり角、あるいはスリップ率に対する横力、前後力(ゲイン)が大きいこと、発生する力の応答性が高い(位相遅れが少ない)こと、さらにはタイヤ磨耗を少なくすることと考えることができる。またゲインが高いということは、同じタイヤ力を発生するために舵角、ブレーキ踏力などの操作量が少なくても良いことを示しており、これは「無駄の無い運転操作」に直結することになる。
以上をまとめると、効率よくタイヤ力を発生させるためには、接地荷重を高く、かつ変化率を小さくする必要があることがわかる。
図3は、荷重移動の解析モデルの説明図である。
(1)あるコーナーに進入する場合、想定される回転半径から旋回時の遠心力を勘案して、進入速度(Vc)を決定する。
(2)現在の速度(Vp)がVcよりも高ければ減速のためにブレーキングする。
(3)減速中のあるタイミングで操舵を開始する。
減速により後輪から前輪に荷重移動が発生し、前輪の接地荷重が増加し、後輪の荷重が減少する。操舵を開始するときに、回頭のための正のヨーモーメントとなる前輪横力は効率良く、大きく発生する。負のヨーモーメント(ヨーを止める方向)となる後輪横力を発生するポテンシャルは小さくなる。
(4)ブレーキを緩めながら操舵角を増加する。
これは、ヨーモーメントを過大とならないように調整しながら定常円旋回へ切り替えるための緩和動作であると考えられる。
(5)操舵角一定の定常円旋回
この状態が最も車両挙動が安定した状態である。
(6)旋回から加速をしながら直線運動へと脱出する。
これは、前輪横力を減少させるとともに、加速により後輪に正の荷重移動を発生させ、後輪横力を増加させ、つりあい状態(定常円旋回)から見て負のモーメントを発生させることにより、旋回を終了させ、直線走行へと切り替えるための緩和動作であると考えられる。
図4は、4輪の車両を等価的な前後2輪の車両の平面運動で考えた前後2輪モデルの説明図である。
(i)減速による前輪荷重増加(後輪荷重減少)
(ii)横加速度による旋回外側輪荷重の増加(内側輪荷重の減少)
(iii)減速緩めによる後輪荷重の回復(前輪荷重の減少)
を経て、定常円旋回に到達することになる。このときに「滑らか」かつ「効率よくタイヤを使う」理想的な運動について考えてみる。ここでは、旋回外側のタイヤについて注目する。(i)、(ii)を考えるために、まず前輪旋回外側について考えてみる。図1に示す右側旋回を考えると、前輪旋回外側は図3のインデックス1の左前輪となる。左前輪が(i)(ii)の間になすべき主たる仕事を考えると、自転運動(ヨー応答)の立ち上げである。このためには(図3のマイナス方向ではあるが)FY1を「効率よく」発生させることである。
図5は、減速→旋回時の車両の状態変数の説明図である。
図6は、(6)の状態である旋回から加速をしながら直線運動へと脱出する際の車両の状態変数の説明図である。
(iv) 横加速度による外輪荷重増加(内輪荷重減少)から、
(v) 加速による後輪荷重の増加(前輪荷重の減少)
(vi)舵角緩めによる横加速度減少による外輪荷重の減少(内輪荷重増加)
を経て、等加速度直線運動に到達することになる。このときに「滑らか」かつ「効率よくタイヤを使う」理想の運動について説明する。
ここでは、横力を低下していくので、タイヤ力を効率よく使うということは、接地荷重の変化率を小さくしながら、減少させる必要がある。結局、図6の前輪外側荷重が単調に減少するように各方向の加速度を制御することが最適となる。こ れは図5の減速→旋回と同じ理由による。このためには、式(17)でK<0としてこれを一定とする制御を行う必要がある。この制御は、アクセルを一定(全開を含む)にして、ステアリングで微調整を加えていくことが現実的である。このときには、前後方向と横方向の加加速度を検出する必要がある。
(3)減速中操舵を開始するタイミング
これは、前後方向の加加速度がゼロとなるタイミングである。
(4)ブレーキを緩めながら操舵角を増加する。
(6)加速をしながら操舵角を戻す。
横加加速度がゼロのタイミング(t3)で加速が開始される。前輪外側荷重が単調に減少するように制御する必要がある。具体的には、式(11)(右旋回時)あるいは式(12)(左旋回時)が負で一定となるように、操舵角、アクセルを制御する必要がある。また、(4)のブレーキを緩め終わるタイミングは横加加速度がゼロのタイミングである。したがって、(5)定常円旋回の状態を飛ばして(4)と(6)のタイミングが重なる場合もありうる。
<ドライバの運転ストラテジの抽出(実験的アプローチ)>
次に、図7を用いて、アクセル,ステア,ブレーキ操作について上述の力学的検討の正当性を検証するための実車試験の結果について説明する。
図7は、実車試験の説明図である。
図8は、実車試験の実験Iの結果の説明図である。
図9は、実験I、II両方の結果として、操舵開始のタイミングを取り出した結果の説明図である。
図10は、実験I、II両方の結果として、ブレーキを緩め終わるタイミング、加速を開始するタイミングを取り出した結果の説明図である。
図11は、実験I、II両方の結果として、各輪の垂直荷重の説明図である。
図12は、実車試験の車両と同等に定数を調整されたモデルを用いた車両運動シミュレーションの結果の説明図である。
図13は、本発明の車両の運動制御装置の概念説明図である。
最初に、図14を用いて、本実施形態による車両の運動制御装置を用いる車両システムのシステム構成について説明する。
図14は、本発明の一実施形態による車両の運動制御装置を用いる車両システムのシステム構成を示すシステムブロック図である。
図15は、本発明の一実施形態による車両の運動制御装置における制御入出力の関係を示すシステムブロック図である。
制御開始時:ブレーキ、あるいは加速を開始した時点(前後加加速度発生)
制御終了時:定常旋回、あるいは直進となったとき(横加加速度ゼロ)
よって、加加速度の各成分を検出しておき、任意の規定値と比較することにより制御開始、終了を自動的に決定する構成となっている。
最初に、図16を用いて、本実施形態による車両の運動制御装置における自動運転モード時の制御内容について説明する。
図16は、本発明の一実施形態による車両の運動制御装置における自動運転モード時の制御内容の説明図である。
次に、図17を用いて、本実施形態による車両の運動制御装置におけるドライバモード時の制御内容について説明する。
図17は、本発明の一実施形態による車両の運動制御装置におけるドライバモード時の制御内容の説明図である。
さらに、先に示した実験結果を示す図11(E),(F)の結果を見ると、以下のような現象が確認できる。
図18は、本発明の一実施形態による車両の運動制御装置におけるドライバモード時の制御内容を示すフローチャートである。
ステップS01)車両の前後加加速度Jx[i]、横加加速度Jy[i]とを計測する。このとき、前後加加速度Jx[i-1],横加加速度Jy[i-1]と比較して、加加速度がゼロに近づいているか否かを判定する。
ステップS02)加加速度J[i](i番目の加加速度ベクトルの大きさ)を求める。
ステップS03)加加速度の前後,横成分比率Ix[i],Iy[i]を求める。
ステップS04)加加速度J[i]とスレッシュホールドレベルIgshと比較し、
J[i]<Igshの場合:定常状態→ステップS01に)
J[i]>Igshの場合:減速or操舵開始→ステップS05に)。
ステップS06)目標荷重移動変化率Kdは設定されているか判定し、
設定されていない場合→ステップS07に)
すでに設定されている場合→ステップS10に)。
ステップS07)加加速度の前後,横成分比率Ix[i]とIy[i]と比較し、
Ix[i]>Iy[i]の場合→ステップS08に)
Ix[i]<Iy[i]の場合→ステップS09に)。
ステップS08)目標荷重移動変化率Kdを前後加加速度により決定する。
ステップS09)目標荷重移動変化率Kdを横加加速度により決定する。
ステップS11)タイヤ力補正量の振り分け計算する。ステップS010で決定されたタイヤ力補正量を現在の前後加加速度と横加加速度の構成比率に基づいて、横すべり角度βと縦すべり率(スリップ率)sに分配する。それぞれの補正量を実現するために、横すべり角度βについては、舵角で、縦すべり率(スリップ率)sについてはブレーキ制動力にて補正することになる。この比率については、例えば、Ix[i]が大きいときには、ドライバが積極的に制動力を制御している状況として、補正は舵角のみとしたり、Iy[i]が大きいときには、ドライバが積極的に操舵角を制御している状況として、補正は制動力のみとしたり変化をもたせるべきである。
Jy[i]>Jsth:減速旋回中である。→ステップS01に)
Jy[i]<Jsth:定常円旋回に達している。→ステップS13に)。
ステップS13)目標荷重移動変化率Kdをリセット→ステップS01に戻る。
・ブレーキング→コーナリング状況を検出し、前後加加速度から目標荷重移動変化率を設定するか、横加加速度から設定するかを決定する、
・その後の車両挙動を補正するためのタイヤ力補正量を決定し、車両運動に補正を加える、
・旋回初期の緩和動作が終了し、定常円旋回となると目標加重変化率をゼロに戻す、
が繰り返され、理想的な運動が実現されることになる。
図19は、本発明の一実施形態による車両の運動制御装置における「間接制御」であるドライバアシスト時の制御内容を示すフローチャートである。
1…エンジン
2…電子制御ミッション
7…パワーステアリング
10…アクセルペダル
11…ブレーキペダル
16…ステアリング
21…横加速度センサ
22…前後加速度センサ
23,24…微分回路
31…アクセルセンサ
32…ブレーキセンサ
33…舵角センサ
38…ヨーレートセンサ
39…外界センサ
40…中央コントローラ
41…自動運転制御部
42…理想運動制御部
43…ドライバ運転制御部
44…ステアリングコントローラ
46…パワートレインコントローラ
451,452…ブレーキコントローラ
48…ペダルコントローラ
51…アクセル反力モータ
52…ブレーキ反力モータ
53…ステアリング反力モータ
55…HVI(Human Vehicle Interface)
61…左前輪
62…右前輪
63…左後輪
64…右後輪
Claims (8)
- 車両の加減速を制御する装置を有する車両の運動制御装置において、
少なくとも車両の横方向の加加速度情報を用いて、車両の加減速を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、減速しながら操舵を行っている際に、横方向の加加速度の値がゼロ近傍にある期間中に減速を終了することを特徴とする車両の運動制御装置。 - 請求項1記載の車両の運動制御装置において、
運転者と独立した自動減速機構を備え、
前記制御手段は、減速を終了するタイミングを制御することを特徴とする車両の運動制御装置。 - 請求項1記載の車両の運動制御装置において、
運転者に減速を止めるか、あるいは減速度を一定とするタイミング決定のための情報を提示する情報提示手段を備え、
前記情報提示手段により提示される情報に基づいて、運転者により前記減速を終了するタイミングが制御されることを特徴とする車両の運動制御装置。 - 請求項3記載の車両の運動制御装置において、
前記情報提示手段は、視覚情報,聴覚情報,あるいは減速装置への反力入力の少なくとも一つの情報を提示することを特徴とする車両の運動制御装置。 - 車両の加減速を制御する装置を有する車両の運動制御装置において、
少なくとも車両の横方向の加加速度情報を用いて、車両の加減速を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、操舵を行っている際に、少なくとも横方向の加加速度の値がゼロ近傍にある期間中に、加速を開始するように制御することを特徴とする車両の運動制御装置。 - 請求項5記載の車両の運動制御装置において、
運転者と独立した自動加速機構を備え、
前記制御手段は、加速を開始するタイミングを制御することを特徴とする車両の運動制御装置。 - 請求項5記載の車両の運動制御装置において、
運転者に加速を開始するタイミング決定のための情報を提示する情報提示手段を備え、
前記情報提示手段により提示される情報に基づいて、運転者により前記加速するタイミングが制御されることを特徴とする車両の運動制御装置。 - 請求項7記載の車両の運動制御装置において、
前記情報提示手段は、視覚情報,聴覚情報,あるいはアクセルペダルなどの加速装置への反力入力の少なくとも一つの情報を提示することを特徴とする車両の運動制御装置。
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