JP7414169B1 - パラメータ調整装置及びパラメータ調整方法 - Google Patents

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

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。

特開２０２１－１４２８８９号公報

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。

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。 ヨーレート制御のブロック図である。 制御対象の車両Ｓのダイナミクスを示す模式図である。 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。

＜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。

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Ｃ_ＦＦがフィードフォワード制御器６であり、Ｃ_ＦＢ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。Ｔ_ｄ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、ｌ_ｆは、車両Ｓの重心から前輪までの距離であり、ｌ_ｒ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Ｃ_ｆは前輪のコーナリング係数であり、Ｃ_ｒ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ｂ_２１の少なくとも一方が十分に小さく、ｂ_２１β≒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／ｂ_２３であり、Ｋ＝－ｂ_２２／ｂ_２３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。

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Ｔ_ＦＢ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Ｔ_ｄを設定する。規範モデルＴ_ＦＢ及び規範モデルＴ_ｄ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Ｔ_ｄ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。

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、Ｋ_ＰはＰゲインであり、Ｋ_ＩはＩゲインである。Ｋ_ＰとＫ_Ｉ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、Ｋ_ＰとＫ_Ｉ）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Ｔ_ＦＢ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Ｔ_ＦＢ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Ｔ_ＦＢ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ｙ_０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ｙ_０を式（９）に入力することで、擬似誤差信号ｅ_ｆ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ｅ_ｆ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ｅ_ｆ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ｕ_０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ｕ_０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。

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ｕ_０及びヨーレートｙ_０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Ｋ_ＰとＫ_Ｉ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ｙ_０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Ｃ_ｄ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Ｔ_ｄ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Ｔ_ｄ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ｕ_０とヨーレートｙ_０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Ｃ_ＦＢ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ｕ_０とヨーレートｙ_０を式（１５）に入力することで、擬似参照信号ｒ_ｃ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ｒ_ｃ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ｒ_ｃを規範モデルＴ_ｄに入力することで規範モデルＴ_ｄ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ｙ_ｏ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ｖ_０は、入力操舵角ｕ_ｏとヨーレートｙ_ｏ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ｕ_０及びヨーレートｙ_０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。

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Ｔ_ｒｙと規範モデルＴ_ｄ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、Ｔ_ｒｙとＴ_ｄ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Ｔ_ｒｙと規範モデルＴ_ｄ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。

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Ｔ_ＦＢと、第２規範モデルである規範モデルＴ_ｄ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ｕ_０とヨーレートｙ_０を取得する。

次に、第１調整部３４は、規範モデルＴ_ＦＢと、一組の入力操舵角ｕ_０とヨーレートｙ_０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Ｋ_ＰとＫ_Ｉ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Ｔ_ｄと、一組の入力操舵角ｕ_０とヨーレートｙ_０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Ｔ_ＦＢと、一組の入力操舵角ｕ_０及び出力データであるヨーレートｙ_０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Ｔ_ｄと、一組の入力操舵角ｕ_０及びヨーレートｙ_０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

Claims (4)

1. 検出部が検出した、車両の操舵部をフィ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、前記フィードバック制御器の第１制御パラメータを求める第１調整部と、
   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２参照信号を前記フィードフォワード制御器の第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、前記フィードフォワード制御器の第２制御パラメータを求める第２調整部と、
   を備える、パラメータ調整装置。
2. 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。
3. 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。
4. プロセッサが実行する、
   検出部が検出した、車両の操舵部をフィ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、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、前記フィードバック制御器の第１制御パラメータを求めるステップと、
   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２参照信号を前記フィードフォワード制御器の第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、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、前記フィードフォワード制御器の第２制御パラメータを求めるステップと、
   を有する、パラメータ調整方法。