WO2023286446A1 - 車両の運動制御装置、車両の運動制御方法 - Google Patents

車両の運動制御装置、車両の運動制御方法 Download PDF

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vehicle motion
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勝 山崎
健太 前田
修治 大下
健太郎 上野
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日立Astemo株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W30/00—Purposes of road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub-unit, e.g. of systems using conjoint control of vehicle sub-units
    • B60W30/10—Path keeping
    • B60W30/12—Lane keeping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G17/00—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W30/00—Purposes of road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub-unit, e.g. of systems using conjoint control of vehicle sub-units
    • B60W30/02—Control of vehicle driving stability

Definitions

  • the present invention relates to the configuration of a control device that controls the motion of a vehicle and its control method, and in particular to a technology that is effective in improving the ride comfort and steering stability of a vehicle.
  • Automobiles are required not only as a means of transportation, but also for safety and comfort.In addition to improving fuel efficiency and driving performance, there are expectations for ride comfort such as smooth running and steering stability such as easy driving. very high.
  • Patent Document 1 is known as a conventional technology for controlling the suspension actuator to control the vehicle body attitude.
  • Patent Document 1 it is possible to maintain at least one of ride comfort and steering stability by adjusting the damping force of the shock absorber and to suppress the temperature rise of the hydraulic oil inside the shock absorber when the vehicle is running. Therefore, the temperature of the hydraulic oil inside the shock absorber is measured or estimated, and the damping amount that maintains at least one of ride comfort and steering stability and the temperature of the hydraulic oil inside the shock absorber are determined according to the temperature. A method of adjusting the attenuation amount between the attenuation amount that suppresses the temperature rise is described.
  • Patent Document 1 does not take into consideration the future limitation due to the temperature rise of the hydraulic oil in the shock absorber. It may become impossible to keep it in the middle of the run.
  • an object of the present invention is to provide a vehicle motion control device and a vehicle motion control method capable of highly accurate vehicle motion control in consideration of limitations that will occur in the actuator in the future.
  • the present invention provides an actuator characteristic change estimator for estimating a characteristic change of an actuator from a current time to a future time, a characteristic change calculated by the actuator characteristic change estimator, and a vehicle target a controllable range estimating unit that calculates a controllable range of vehicle motion from the trajectory and the current vehicle state; a vehicle motion planning unit that creates a motion plan within the controllable range calculated by the controllable range estimating unit; an evaluation value calculation unit that calculates an evaluation value based on the motion plan created by the vehicle motion planning unit; and a determination unit that determines whether the evaluation value calculated by the evaluation value calculation unit is the minimum,
  • the controllable range estimating unit refers to the target trajectory of the vehicle and estimates the range of controllable vehicle motion at a future time in consideration of characteristics including at least the output range of the actuator with respect to the motion of the vehicle from the current time.
  • the vehicle motion planning unit creates a motion plan by referring to a predetermined evaluation function within the controllable vehicle motion range calculated by the
  • the present invention refers to the target trajectory of the vehicle and obtains the range of controllable vehicle motion at a future time in consideration of characteristics including at least the output range of the actuator with respect to the motion of the vehicle from the current time, Within that range, a motion plan is created with reference to a predetermined evaluation function.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a vehicle according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1 is a functional block diagram of a vehicle motion control device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. It is a figure which shows the appearance of a vehicle and its running surface.
  • FIG. 4 is a diagram showing changes in roll angle that occur in a vehicle when actuators of the vehicle are not operated;
  • FIG. 4 is a diagram showing a controllable roll angle range;
  • FIG. 4 is a diagram showing characteristics of operating speed and thrust of a suspension actuator;
  • FIG. 10 is a diagram showing the upper and lower limits of roll angles that can actually be realized in consideration of actuator characteristics; It is a figure which shows transition of an instantaneous evaluation value.
  • FIG. 7 is a diagram showing a flow for determining a roll angle that minimizes an evaluation value;
  • FIG. 5 is a diagram showing a roll angle plan that minimizes the evaluation value calculated by the method of the present invention;
  • FIG. 1 A vehicle motion control device and its control method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
  • FIG. 1 A vehicle motion control device and its control method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
  • FIG. 1 A vehicle motion control device and its control method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
  • FIG. 1 A vehicle motion control device and its control method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a vehicle 1 equipped with a vehicle motion control device 2 of this embodiment.
  • the vehicle 1 of this embodiment has wheels 11, a motor 12, a suspension actuator 13, a steering mechanism 14, a brake mechanism 15, and a stabilizer 16 mounted on a vehicle body 10.
  • the vehicle 1 is equipped with a vehicle motion control device 2 and a host controller 3 for controlling the vehicle motion control device 2 .
  • the longitudinal direction of the vehicle 1 is the x-axis (the forward direction is positive), the lateral direction is the y-axis (the left direction is positive), and the vertical direction is the z-axis (the upward direction is positive).
  • FL is a symbol indicating a configuration corresponding to the front left
  • Fr the front right RL the rear left
  • Rr the rear right
  • 11 Rr are the left front wheel, the right front wheel, the left rear wheel, and the right rear wheel, respectively.
  • F and R when used alone, it indicates that F corresponds to the front side and R corresponds to the rear side.
  • Motors 12 ( 12FL , 12Fr , 12RL , 12Rr ), which are in-wheel motors, are attached to each of the wheels 11, and these motors 12 independently drive and brake the wheels 11. of torque is applied.
  • Suspension actuators 13 (13 FL , 13 Fr , 13 RL , 13 Rr ) are provided between each wheel 11 and the vehicle body 10 via the casing of the in-wheel motor. It absorbs vibrations and shocks received by each of the wheels 11 and adjusts the positions of the vehicle body 10 and the wheels 11 to control the posture of the vehicle body 10 .
  • Suspension actuators include, for example, semi-active suspensions that combine dampers and coil springs that can change viscosity, and full-active suspensions that can adjust viscosity and spring constant using electromagnetic linear actuators that generate thrust.
  • suspension actuator 13 is a full active suspension.
  • the steering mechanism 14 is a device for steering the wheels 11 to change the traveling direction of the vehicle 1.
  • the front wheels are steered by the front wheel steering mechanism 14F
  • the rear wheels are steered by the rear wheel steering mechanism 14R . steer.
  • the brake mechanism 15 is a device for braking the rotation of the wheels 11, and in this embodiment, the brake 15 FL for the front left wheel 11 FL , the brake 15 Fr for the front right wheel 11 Fr , and the rear left wheel 11 RL . and a brake 15 Rr for the right rear wheel 11 Rr .
  • the stabilizer 16 is a device that suppresses the relative motion of the left and right wheels 11 in the vertical direction to suppress the amount of roll of the vehicle 1.
  • the stabilizer 16 of this embodiment is a control stabilizer that can electrically adjust the torsion angle.
  • the stabilizer 16F for the front and the stabilizer 16R for the rear are provided.
  • FIG. 2 is a functional block diagram showing connection and control of signal lines in the vehicle as a whole, with respect to components related to the present invention and the motion control device 2 for the vehicle.
  • the vehicle motion control device 2 receives commands (such as a target trajectory) from the driver's operation and the host controller 3, and the vehicle motion from a combined sensor (not shown) mounted on the vehicle body 10 and the like.
  • Motor 12, suspension actuator 13, steering mechanism 14, brake mechanism 15, It is configured to operate each actuator such as the stabilizer 16 .
  • the functions of the vehicle motion control device 2 include a vehicle motion control unit 21, an actuator control unit 22, and a future limit calculation unit 23 for the actuator. Input to part 22 .
  • the actuator control unit 22 generates individual instructions for each actuator from the input operation instructions.
  • the actuator future limit calculator 23 is configured to calculate the future limit of the actuator from the actuator operation information and the target trajectory and transmit it to the vehicle motion control unit 21 .
  • FIG. 3 is a diagram showing the state of the vehicle 1 and its running surface. The vehicle 1 travels along the road surface 5 and turns to the left in the traveling direction.
  • FIG. 4 shows changes in the roll angle that occur in the vehicle 1 especially when the actuators of the vehicle 1 are not operated.
  • the roll angle is plotted as a dimensionless quantity with a maximum value of 1. It should be noted that the figures of this embodiment relating to the roll angle are all plotted as dimensionless quantities.
  • the vehicle 1 advances to the center of the corner while gradually turning the rudder so as to run along the road surface 5, and from there, turns the rudder gradually in the reverse direction toward the corner exit.
  • the vehicle starts turning at 0 seconds, goes through the center of the corner at 5 seconds, and goes straight through the corner at 10 seconds.
  • the lateral acceleration acting on the vehicle 1 is approximately proportional to the steering angle, and becomes convex between 0 and 10 seconds. Further, since the roll angle is approximately proportional to the lateral acceleration, the roll angle of the vehicle 1 similarly takes a convex shape from time 0 to 10 seconds, as shown in FIG. .
  • the controllable roll angle is between the upper limit of the controllable roll angle and the lower limit of the controllable roll angle. range of angles.
  • Fig. 5 shows the range of controllable roll angles in which the upper and lower limits are plotted with dashed lines. If the roll angle is planned to minimize a predetermined evaluation function within the controllable roll angle range, the vehicle motion suitable for the evaluation can be realized.
  • the target of roll angle control is 0 degrees, and the sum of the squares of the roll angles is used as the evaluation function. As a result, the roll angle that minimizes the planned evaluation value is shown in FIG.
  • FIG. 6 shows the operating speed and thrust characteristics of the suspension actuator 13 used in this embodiment.
  • This actuator is a type that uses electromagnetic force to generate thrust, and has instantaneous characteristics and rated characteristics.
  • a large amount of electric power can be applied and a large thrust force can be produced. Therefore, when the coil temperature rises, it is necessary to reduce the applied power, and the thrust decreases.
  • the former characteristic when it is cold is the instantaneous characteristic
  • the latter characteristic when the power is reduced to prevent excessive temperature rise is the rated characteristic.
  • the maximum thrust of the instantaneous characteristics can be operated for about 5 seconds.
  • Fig. 7 is a diagram showing the upper and lower limits of the roll angle that can actually be realized with the characteristics of the actuator taken into consideration. As shown in FIG. 7, rather than the upper and lower limits of the controllable roll angle obtained from the maximum thrust indicated by the dashed line, the actually achievable upper and lower limits that take into account the characteristics of the actuator are respectively the actuators of the vehicle 1. The direction of the roll angle that would occur in the vehicle 1 if it were not turned on would be approached, and the controllable range would become smaller.
  • Fig. 8 shows the transition of the instantaneous evaluation value when the vehicle cannot be controlled to the planned roll angle due to deviation. Compared to the evaluation value when the roll angle can be controlled as planned indicated by the dashed line, the evaluation value rises sharply from the time of failure, 4 seconds in FIG. 8, and a discontinuity occurs. Understand. This means that the occupant of the vehicle 1 experiences a phenomenon in which the roll angle changes abruptly and feels uncomfortable, resulting in deterioration of ride comfort.
  • the roll angle is controlled according to the flow shown in FIG.
  • the actuator characteristic change estimator 91 estimates changes in the output characteristic of the suspension actuator 13 at future times from the current time.
  • the future temperature of the coil is estimated from the estimated current temperature of the actuator coil and the required thrust of the actuator assumed to run on the target trajectory, and the change in output characteristics is estimated from that temperature.
  • a vehicle motion controllable range estimating unit 92 can control the vehicle motion based on the estimated value of the actuator (change in output characteristics calculated by the actuator characteristic change estimating unit 91), the target trajectory, and the current vehicle state. Find the range.
  • the output characteristic of the suspension actuator 13 at a future time calculated by the actuator characteristic change estimator 91 corresponds to the roll angle that occurs in the vehicle 1 when the actuator of the vehicle 1 is not operated.
  • the upper limit of the roll angle that can be controlled and the lower limit of the roll angle that can be controlled are determined in consideration of the change in .
  • the vehicle motion planning unit 93 makes a motion plan within the controllable range calculated by the vehicle motion controllable range estimating unit 92 .
  • the evaluation value calculation unit 94 calculates the evaluation value C*.
  • the sum of squares of the difference between the ideal roll angle ⁇ i and the actual roll angle ⁇ is obtained.
  • the determination unit 95 determines whether or not the evaluation value C* calculated by the evaluation value calculation unit 94 is the minimum. If it is not the minimum (NO), it returns to the vehicle motion planner 93 and re-plans. If it is the minimum (YES), the motion plan is taken as the decision value.
  • the vehicle is controlled by the vehicle control unit 96 based on the determined motion plan.
  • the sum of the squares of the difference between the ideal roll angle ⁇ i and the actual roll angle ⁇ , the ideal pitch angle ⁇ i and the actual pitch angle ⁇ may be obtained.
  • Equation (3) the evaluation values of the motion of the vehicle 1 in the six degrees of freedom may be calculated, and the motion of the vehicle 1 may be planned so that these values are minimized.
  • the evaluation function is MSI (motion sickness incidence), G (acceleration), Jerk (jerk), or the weighted addition value of G (acceleration) and Jerk (jerk), or these It may be a weighted addition value.
  • the evaluation function may be a function that determines the outside of the controllable range from the vehicle motion range.
  • FIG. 10 shows a roll angle plan that minimizes the evaluation value calculated by the method of the present invention shown in FIG.
  • the roll angle motion plan can be set taking into account future changes in the output characteristics of the actuators, which can prevent control failure, prevent deterioration of ride comfort, and control the roll angle to the optimum level. .
  • the vehicle motion control device 2 of the present embodiment includes the actuator characteristic change estimating section 91 for estimating the actuator characteristic change from the current time to the future time, and the actuator characteristic change estimating section 91.
  • a controllable range estimator 92 that calculates a controllable range of vehicle motion from characteristic changes, a target trajectory of the vehicle, and the current vehicle state;
  • a vehicle motion planning unit 93 that creates an evaluation value calculation unit 94 that calculates an evaluation value based on the motion plan created by the vehicle motion planning unit 93. A determination is made as to whether the evaluation value calculated by the evaluation value calculation unit 94 is the minimum.
  • the controllable range estimating unit 92 refers to the target trajectory of the vehicle and estimates the motion of the vehicle from the current time to the future time in consideration of characteristics including at least the output range of the actuator.
  • a vehicle motion planning unit 93 refers to a predetermined evaluation function within the controllable vehicle motion range calculated by the controllable range estimating unit 92 to formulate a motion plan. create.
  • the motion of the vehicle is the motion of the vehicle 1 with six degrees of freedom, namely acceleration in the longitudinal direction, acceleration in the lateral direction, acceleration in the vertical direction, roll angle, pitch angle, and yaw rate.
  • it is the vehicle motion with six degrees of freedom of the longitudinal acceleration, lateral acceleration, vertical position, roll angle, pitch angle, and yaw rate of the vehicle 1 .
  • the characteristics including at least the output range of the actuator are the future characteristics of the output range and movable range of the actuator on the time axis.
  • controllable vehicle motion at the future time and the motion by the vehicle motion planning unit 93 are calculated based on the state.
  • the controllable range of motion of the vehicle is defined as the margin of motion of the vehicle for traveling on the target trajectory without using the plan.
  • the vehicle motion planning unit 93 creates a motion plan that minimizes a predetermined evaluation function within the range of controllable vehicle motion.
  • the predetermined evaluation function is a function that obtains a controllable range from the range of vehicle motion when considering characteristics including at least the output range of the actuator, and maximization of this function is evaluated.
  • the motion plan is the posture angle of the vehicle body 10 such as roll angle and pitch angle.
  • an operation command for each actuator is issued in consideration of temperature rise caused by operation of the actuator and limitations that will occur in the future due to depletion of the power source. can be calculated to maintain good ride comfort and steering stability.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • Steering mechanism 15 (15 FL , 15 Fr , 15 RL , 15 Rr ) Brake mechanism 16 (16 F , 16 R ) Stabilizer 21 Vehicle motion control unit 22 Actuator control unit 23 Actuator future limit calculation unit 91 Actuator characteristic change estimation unit 92 Vehicle motion controllable range estimation unit 93 Vehicle motion planning unit 94 Evaluation value calculation unit 95 Judgment unit 96 Vehicle control unit

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  • Transportation (AREA)
  • Vehicle Body Suspensions (AREA)
  • Control Of Driving Devices And Active Controlling Of Vehicle (AREA)

Abstract

アクチュエーターに将来発生する制限を考慮した高精度な車両の運動制御が可能な車両の運動制御装置を提供する。現在の時刻から将来の時刻におけるアクチュエーターの特性変化を推定するアクチュエーター特性変化推定部と、前記アクチュエーター特性変化推定部で算出した特性変化と、車両の目標軌道と、現在の車両状態から、車両運動の制御可能範囲を算出する制御可能範囲推定部と、前記制御可能範囲推定部で算出した制御可能範囲内で運動計画を作成する車両運動計画部と、前記車両運動計画部で作成した運動計画に基づいて評価値を算出する評価値計算部と、前記評価値計算部で算出した評価値が最小か否かを判別する判断部と、を備え、前記制御可能範囲推定部は、前記車両の目標軌道を参照して、現在の時刻から車両の運動についてアクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性を考慮して将来の時刻における制御可能な車両の運動の範囲を算出し、前記車両運動計画部は、前記制御可能範囲推定部で算出した制御可能な車両の運動の範囲内で所定の評価関数を参照して運動計画を作成することを特徴とする。

Description

車両の運動制御装置、車両の運動制御方法
　本発明は、車両の運動を制御する制御装置の構成とその制御方法に係り、特に、車両の乗り心地と操縦安定性の向上に有効な技術に関する。
　自動車には、単なる移動手段としてだけではなく、安全性・快適性も求められており、燃費や駆動の性能向上と共に、スムーズに走れるといった乗り心地や楽に運転できるといった操縦安定性への期待度が非常に高い。
　しかしながら、自動車では、鉄道と異なり軌道や目的地が定まっていないことが多く、一般道路走行時には様々な曲率・傾斜のカーブや坂道、凹凸のある路面を走行するため、サスペンションアクチュエーターなどのアクチュエーターの駆動範囲に制限がある中で、車両の姿勢を適切に制御し、良好な乗り心地となるように車両の運動を制御することが重要な課題となっている。
　サスペンションアクチュエーターを制御して車体姿勢を制御する従来技術として、例えば、特許文献１のような技術が知られている。
　特許文献１には、ショックアブソーバの減衰力の調整によって乗り心地と操縦安定性の少なくとも一つを良好に保つことと、車両走行時のショックアブソーバ内部の作動油の温度上昇を抑えることを両立させるため、ショックアブソーバの内部の作動油の温度を測定あるいは推定して求め、その温度に応じて、乗り心地と操縦安定性の少なくとも一つを良好に保つ減衰量とショックアブソーバの内部の作動油の温度上昇を抑える減衰量との間の減衰量に調整する手法が記載されている。
特開２００４－１７５１２５号公報
　しかしながら、上記特許文献１の手法では、ショックアブソーバの将来の作動油の温度上昇による制限を考慮していないため、内部の作動油の温度上昇が大きい場合には、乗り心地や操縦安定性を良好に保つことが走行の途中でできなくなる可能性がある。
　このため、当初は良い乗り心地や操縦安定性であるが、それが突然喪失することになり、かえって車両の特性を良く感じられない場合がある。
　そこで、本発明の目的は、アクチュエーターに将来発生する制限を考慮した高精度な車両の運動制御が可能な車両の運動制御装置および車両の運動制御方法を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明は、現在の時刻から将来の時刻におけるアクチュエーターの特性変化を推定するアクチュエーター特性変化推定部と、前記アクチュエーター特性変化推定部で算出した特性変化と、車両の目標軌道と、現在の車両状態から、車両運動の制御可能範囲を算出する制御可能範囲推定部と、前記制御可能範囲推定部で算出した制御可能範囲内で運動計画を作成する車両運動計画部と、前記車両運動計画部で作成した運動計画に基づいて評価値を算出する評価値計算部と、前記評価値計算部で算出した評価値が最小か否かを判別する判断部と、を備え、前記制御可能範囲推定部は、前記車両の目標軌道を参照して、現在の時刻から車両の運動についてアクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性を考慮して将来の時刻における制御可能な車両の運動の範囲を算出し、前記車両運動計画部は、前記制御可能範囲推定部で算出した制御可能な車両の運動の範囲内で所定の評価関数を参照して運動計画を作成することを特徴とする。
　また、本発明は、車両の目標軌道を参照して、現在の時刻から車両の運動についてアクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性を考慮して将来の時刻における制御可能な車両の運動の範囲を求め、その範囲内で、所定の評価関数を参照して運動計画を作成することを特徴とする。
　本発明によれば、アクチュエーターに将来発生する制限を考慮した高精度な車両の運動制御が可能な車両の運動制御装置および車両の運動制御方法を実現することができる。
　これにより、作動油の温度上昇や動力源の枯渇など、アクチュエーターの駆動に制限がある中で、車両の姿勢を適切に制御し、良好な乗り心地と操縦安定性を維持することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例１に係る車両の概略構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る車両の運動制御装置の機能ブロック図である。 車両とその走行面の様子を示す図である。 車両のアクチュエーターを稼動させなかった場合に車両に発生するロール角の変化を示す図である。 制御可能なロール角の範囲を示す図である。 サスペンションアクチュエーターの作動速度と推力の特性を示す図である。 アクチュエーターの特性を加味した実際に実現可能なロール角の上限と下限を示す図である。 瞬時評価値の推移を示す図である。 評価値を最小とするロール角を決定するフローを示す図である。 本発明の手法で計算した評価値を最小とするロール角の計画を示す図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
　図１から図１０を参照して、本発明の実施例１に係る車両の運動制御装置とその制御方法について説明する。
　図１は、本実施例の車両の運動制御装置２を搭載した車両１の概略構成を示す平面図である。本実施例の車両１は、図１に示すように、車体１０に、車輪１１、モーター１２、サスペンションアクチュエーター１３、ステアリング機構１４、ブレーキ機構１５、及び、スタビライザー１６を搭載したものである。また、車両１には、車両の運動制御装置２と共に、車両の運動制御装置２を制御する上位コントローラー３が搭載されている。
　なお、これ以外の構成部品については通常の車両と同様に搭載しているが、本発明の実施例の説明には不要であるため、図示および説明を割愛する。
　また、車両１の前後方向をｘ軸（前方向を正）、左右方向をｙ軸（左方向を正）、上下方向をｚ軸（上方向を正）の座標系とする。
　図１において、ＦＬは左前、Ｆｒは右前、ＲＬは左後、Ｒｒは右後に対応する構成であることを示す符号であり、車輪１１を例にすれば、１１ＦＬ、１１Ｆｒ、１１ＲＬ、１１Ｒｒはそれぞれ、左前輪、右前輪、左後輪、右後輪である。また、ＦとＲを単独に用いた場合、Ｆは前側、Ｒは後側に対応する構成であることを示す。
　車輪１１の各々には、インホイールモーターであるモーター１２（１２ＦＬ、１２Ｆｒ、１２ＲＬ、１２Ｒｒ）が取り付けられており、これらのモーター１２によって車輪１１の各々には独立して駆動と制動のトルクが与えられる。
　車輪１１の各々と車体１０との間には、インホイールモーターのケーシングを介してサスペンションアクチュエーター１３（１３ＦＬ、１３Ｆｒ、１３ＲＬ、１３Ｒｒ）が設けられており、これらのサスペンションアクチュエーター１３により、車輪１１の各々が受ける振動や衝撃を吸収したり、車体１０と車輪１１の位置を調整して車体１０の姿勢を制御したりする。
　なお、サスペンションアクチュエーターには、例えば、粘性を変更可能なダンパーとコイルスプリングを組み合わせたセミアクティブサスペンションや、推力を発生する電磁リニアアクチュエーターなどにより、その粘性とばね定数を調節可能なフルアクティブサスペンションなどがあるが、以下では、サスペンションアクチュエーター１３はフルアクティブサスペンションであるものとして説明する。
　ステアリング機構１４は、車輪１１を操舵し車両１の進行方向を変更するための装置であり、本実施例では、前輪を前輪ステアリング機構１４Fで操舵し、後輪を後輪ステアリング機構１４Ｒで操舵する。
　ブレーキ機構１５は、車輪１１の回転を制動するための装置であり、本実施例では、左前輪１１ＦＬ用のブレーキ１５ＦＬと、右前輪１１Ｆｒ用のブレーキ１５Ｆｒと、左後輪１１ＲＬ用のブレーキ１５ＲＬと、右後輪１１Ｒｒ用のブレーキ１５Ｒｒの４つを備えている。
　スタビライザー１６は、左右の車輪１１の上下方向の相対運動を抑制して車両１のロール量を抑える装置であり、本実施例のスタビライザー１６は、そのねじれ角を電気式に調整できる制御スタビライザーである。なお、本実施例では、前方用のスタビライザー１６Ｆと、後方用のスタビライザー１６Ｒの２つを備えている。
　図２は、本発明に関わる構成部品と車両の運動制御装置２について、車両全体での信号線の接続と制御を示した機能ブロック図である。
　図２に示すように、車両の運動制御装置２は、運転者の操作や上位コントローラー３からの指令（目標軌道など）、及び車体１０に搭載されたコンバインドセンサ（図示せず）などからの車両の運動と姿勢に関わる車両情報（車両速度、前後・左右・上下の各加速度、及びロールレート、ピッチレート、ヨーレートなど）に応じて、モーター１２、サスペンションアクチュエーター１３、ステアリング機構１４、ブレーキ機構１５、スタビライザー１６等の各アクチュエーターを操作するように構成されている。
　車両の運動制御装置２の機能としては、車両運動制御部２１と、アクチュエーター制御部２２と、アクチュエーターの将来の制限計算部２３があり、車両運動制御部２１では、操作指令を生成し、アクチュエーター制御部２２へ入力する。
　また、アクチュエーター制御部２２では、入力された操作指令から、それぞれのアクチュエーターへの個別指令を生成する。
　アクチュエーターの将来の制限計算部２３では、アクチュエーターの稼動情報と目標軌道からアクチュエーターの将来の制限を計算し、車両運動制御部２１へ伝える構成となっている。
　本実施例による具体的な動作について、車両１が直進状態から左旋回の走行を行い、再び直進に戻る走行を例に取り説明する。図３は、車両１とその走行面の様子を示した図である。車両１は、路面５に沿って進行し、進行方向左側へ旋回する走行を行う。
　先ず、特に車両１のアクチュエーターを稼動させなかった場合に、車両１に発生するロール角の変化を図４に示す。図４では、ロール角は最大値を１とする無次元量でプロットしている。なお、ロール角に関する本実施例の図は、いずれも無次元量でプロットしている。
　車両１は、路面５に沿って走行するように舵を次第に切り増しながらコーナーの中央まで進み、そこから、舵を逆に次第に切戻しながらコーナー出口へ向かう。図４では、時刻０秒で旋回を始め、時刻５秒でコーナーの中央、時刻１０秒でコーナーを抜け直進状態に戻る走行となっている。
　この間、車両１の速度は一定であるとすると、車両１に働く横加速度は、ほぼ舵角に比例する量となり、時刻０秒から１０秒の間で、凸型となる。また、ロール角は、ほぼ横加速度に比例する角度となるので、車両１のロール角は、同様に時刻０秒から１０秒の間で凸型の形状となり、図４に示すような形状となる。
　ここで、アクチュエーターとして、サスペンションアクチュエーター１３を作動させて、ロール角を変化させようとした場合、サスペンションアクチュエーター１３はコーナリング中に常に最大の推力を出せると仮定すると、図４に示したロール角に対して、ロール角を増す方向と、ロール角を減らす方向にその推力に見合った幅を持った角度まで制御でき、この制御できるロール角の上限と制御できるロール角の下限の間が制御可能なロール角の範囲となる。
　図５に、この上限と下限を破線でプロットした制御可能なロール角の範囲を示す。この制御可能なロール角の範囲内でロール角を所定の評価関数を最小とするように計画すれば、その評価にあった車両運動を実現できる。ここでは、評価関数は、フラットな車両モーションが乗り心地を良くするという観点から、ロール角制御の目標として０度に制御することを目標とし、ロール角の２乗和とした。この結果、計画された評価値を最小とするロール角を図５に示す。
　ここで、サスペンションアクチュエーター１３の出力特性を考えてみる。図６は、本実施例に用いたサスペンションアクチュエーター１３の作動速度と推力の特性を示したものである。
　本アクチュエーターは、電磁力を用いて推力を発生するタイプであり、瞬時特性と定格特性を持つ。すなわち、アクチュエーターのコイルが十分に冷えている場合には、大きな電力印加し、大推力を出すことができるが、通電によりコイル温度が上昇し、その温度が限界点を超えるとコイルが損傷してしまうため、コイル温度が上昇した場合は印加する電力を下げる必要があり推力が減少する。
　前者の冷えている場合の特性が瞬時特性であり、後者の温度の過剰上昇を防ぐために電力を下げた場合の特性が定格特性となる。このアクチュエーターを用いる場合には、おおむね、瞬時特性の最大推力で運用できるのは５秒程度である。
　このサスペンションアクチュエーター１３の特性から、サスペンションアクチュエーター１３が仕事をした場合、温度が上昇し、温度上昇が大きい場合には保護のため推力を落として使用する必要がある。このことを加味して、制御可能なロール角の範囲を求める。
　図７は、アクチュエーターの特性を加味した実際に実現可能なロール角の上限と下限を示す図である。図７に示すように、破線で示す最大の推力から求めた制御可能なロール角の上限と下限よりもアクチュエーターの特性を加味した実際に実現可能な上限と下限はそれぞれ、車両１のアクチュエーターを稼動させなかった場合に車両１に発生するロール角の方向に近づき、制御可能な範囲は小さくなる。
　図７から、計画した評価値を最小とするロール角は、サスペンションアクチュエーター１３の実際に実現可能な制御可能範囲から逸脱しており、制御が破綻することがわかる。
　逸脱によって、計画したロール角に制御できなくなった状態を瞬時評価値の推移でみると図８のようになる。破線で示す計画通りにロール角を制御できた場合の評価値に比べて、破綻した場合は破綻した時刻、図８では４秒から評価値が急上昇し、不連続点が発生していることがわかる。これは、車両１の乗員からすると急激にロール角が変化し違和感を感じる現象が起きていることになり、乗り心地が悪化する結果となる。
　そこで、本発明では、図９に示すフローにより、ロール角の制御を実施する。
　先ず、アクチュエーター特性変化推定部９１で、現在の時刻から、将来の時刻におけるサスペンションアクチュエーター１３の出力特性の変化を推定する。ここでは、アクチュエーターのコイルの現在の温度推定値と、目標の軌道を走行する場合に想定されるアクチュエーターの必要推力から将来のコイルの温度推定を行い、その温度から、出力特性の変化を見積る。
　次に、車両運動の制御可能範囲推定部９２で、アクチュエーターの推定値（アクチュエーター特性変化推定部９１で算出した出力特性の変化）と、目標軌道と、現在の車両状態から、車両運動の制御可能範囲を求める。これは、図７で示したように、特に車両１のアクチュエーターを稼動させなかった場合に車両１に発生するロール角にアクチュエーター特性変化推定部９１で算出した将来の時刻におけるサスペンションアクチュエーター１３の出力特性の変化を加味して制御できるロール角の上限と制御できるロール角の下限を求める。
　次に、車両運動計画部９３において、車両運動の制御可能範囲推定部９２で算出した制御可能範囲内で、運動計画を立てる。
　次に、車両運動計画部９３において作成した運動計画に基づいて、評価値計算部９４で評価値C*を計算する。ここでは、式（１）で示すように、理想的なロール角φiと実ロール角φの差の二乗和を求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　次に、判断部９５において、評価値計算部９４で算出した評価値C*が最小か否かを判別する。最小でない場合（ＮＯ）は、車両運動計画部９３に戻り、再計画する。最小である場合（ＹＥＳ）は、運動計画を決定値とする。
　次に、決定された運動計画に基づいて、車両制御部９６で車両を制御する。
　なお、本実施例では、発明の原理を簡単化して説明するため、ロール角の１自由度のみを制御する内容で説明した。従って、評価する対象はロール角だけであったが、２自由度以上の制御を行う場合には、評価関数を用いてその評価値が最小となるように車両の運動を計画する。
　例えば、式（２）で示すように、理想的なロール角φiと実ロール角φの差と、理想的なピッチ角θiと実ピッチ角θとの二乗和を求めても良い。
　さらに、式（３）で示すように、車両１の運動の６自由度での評価値を算出し、これが最小となるように車両１の運動を計画しても良い。
　なお、評価関数は、この他に、MSI（動揺病発症率），G（加速度），Jerk（加加速度）、あるいは、G（加速度）とJerk（加加速度）の重み付け加算値、また、これらの重み付け加算値であっても良い。また、評価関数は、車両運動の範囲から制御可能な範囲外を求める関数であっても良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図９に示す本発明の手法により計算した、評価値を最小とするロール角の計画を、図１０に示す。アクチュエーターの将来の出力特性の変化を加味してロール角の運動計画が設定できており、制御の破綻を防止でき、乗り心地の悪化を防ぎ、かつ最良のロール角に制御することができている。
　以上説明したように、本実施例の車両の運動制御装置２は、現在の時刻から将来の時刻におけるアクチュエーターの特性変化を推定するアクチュエーター特性変化推定部９１と、アクチュエーター特性変化推定部９１で算出した特性変化と、車両の目標軌道と、現在の車両状態から、車両運動の制御可能範囲を算出する制御可能範囲推定部９２と、制御可能範囲推定部９２で算出した制御可能範囲内で運動計画を作成する車両運動計画部９３と、車両運動計画部９３で作成した運動計画に基づいて評価値を算出する評価値計算部９４と、評価値計算部９４で算出した評価値が最小か否かを判別する判断部９５を備えており、制御可能範囲推定部９２は、車両の目標軌道を参照して、現在の時刻から車両の運動についてアクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性を考慮して将来の時刻における制御可能な車両の運動の範囲を算出し、車両運動計画部９３は、制御可能範囲推定部９２で算出した制御可能な車両の運動の範囲内で所定の評価関数を参照して運動計画を作成する。
　なお、車両の運動とは、車両１の前後方向の加速度、横方向の加速度、上下方向の加速度、ロール角、ピッチ角、ヨーレートの６自由度の車両運動である。或いは、車両１の前後方向の加速度、横方向の加速度、上下方向の位置、ロール角、ピッチ角、ヨーレートの６自由度の車両運動である。
　また、アクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性とは、アクチュエーターの出力範囲および可動範囲について時間軸で将来にわたる特性である。
　また、車両１が目標軌道を追従しており、その追従に必要なアクチュエーターの出力が決定している場合、その状態から将来の時刻における制御可能な車両の運動と、車両運動計画部９３による運動計画を用いずに目標軌道を走行するための車両の運動との余裕範囲を、制御可能な車両の運動の範囲とする。
　また、車両運動計画部９３は、制御可能な車両の運動の範囲内で、所定の評価関数を最小にする運動計画を作成する。
　また、所定の評価関数は、車両運動の範囲から、アクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性を考慮した場合に制御が可能な範囲を求める関数であり、これを最大化することを評価とする。
　また、運動計画は、ロール角やピッチ角などの車体１０の姿勢角である。
　以上で説明したように、本実施例の車両の運動制御装置によれば、アクチュエーターの操作に伴い発生する温度上昇や、動力源の枯渇により将来発生する制限を考慮して、各アクチュエーターの操作指令を計算し、良好な乗り心地と操縦安定性を維持することができる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１…車両、２…車両の運動制御装置、３…上位コントローラー、５…路面、１０…車体、１１（１１ＦＬ，１１Ｆｒ，１１ＲＬ，１１Ｒｒ）…車輪、１２（１２ＦＬ，１２Ｆｒ，１２ＲＬ，１２Ｒｒ）…モーター、１３（１３ＦＬ，１３Ｆｒ，１３ＲＬ，１３Ｒｒ）…サスペンションアクチュエーター、１４（１４Ｆ，１４Ｒ）…ステアリング機構、１５（１５ＦＬ，１５Ｆｒ，１５ＲＬ，１５Ｒｒ）…ブレーキ機構、１６（１６Ｆ，１６Ｒ）…スタビライザー、２１…車両運動制御部、２２…アクチュエーター制御部、２３…アクチュエーターの将来の制限計算部、９１…アクチュエーター特性変化推定部、９２…車両運動の制御可能範囲推定部、９３…車両運動計画部、９４…評価値計算部、９５…判断部、９６…車両制御部

Claims (15)

  1. 　現在の時刻から将来の時刻におけるアクチュエーターの特性変化を推定するアクチュエーター特性変化推定部と、
    　前記アクチュエーター特性変化推定部で算出した特性変化と、車両の目標軌道と、現在の車両状態から、車両運動の制御可能範囲を算出する制御可能範囲推定部と、
    　前記制御可能範囲推定部で算出した制御可能範囲内で運動計画を作成する車両運動計画部と、
    　前記車両運動計画部で作成した運動計画に基づいて評価値を算出する評価値計算部と、　前記評価値計算部で算出した評価値が最小か否かを判別する判断部と、を備え、
    　前記制御可能範囲推定部は、前記車両の目標軌道を参照して、現在の時刻から車両の運動についてアクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性を考慮して将来の時刻における制御可能な車両の運動の範囲を算出し、
    　前記車両運動計画部は、前記制御可能範囲推定部で算出した制御可能な車両の運動の範囲内で所定の評価関数を参照して運動計画を作成する車両の運動制御装置。
  2. 　請求項１に記載の車両の運動制御装置において、
    　前記車両の運動は、前後方向の加速度、横方向の加速度、上下方向の加速度、ロール角、ピッチ角、ヨーレートの６自由度の車両運動である車両の運動制御装置。
  3. 　請求項１に記載の車両の運動制御装置において、
    　前記車両の運動は、前後方向の加速度、横方向の加速度、上下方向の位置、ロール角、ピッチ角、ヨーレートの６自由度の車両運動である車両の運動制御装置。
  4. 　請求項１に記載の車両の運動制御装置において、
    　前記アクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性は、出力範囲および可動範囲について時間軸で将来にわたる特性である車両の運動制御装置。
  5. 　請求項１に記載の車両の運動制御装置において、
    　前記車両が前記目標軌道を追従しており、その追従に必要なアクチュエーターの出力が決定している場合、その状態から将来の時刻における制御可能な車両の運動と、前記車両運動計画部による運動計画を用いずに目標軌道を走行するための車両の運動との余裕範囲を、制御可能な車両の運動の範囲とする車両の運動制御装置。
  6. 　請求項５に記載の車両の運動制御装置において、
    　前記制御可能な車両の運動の範囲内で、所定の評価関数を最小にする運動計画を作成する車両の運動制御装置。
  7. 　請求項１に記載の車両の運動制御装置において、
    　前記所定の評価関数は、MSI（動揺病発症率），G（加速度），Jerk（加加速度）、または、GとJerkの重み付け加算値、または、これらの重み付け加算値の計算を基にする関数である車両の運動制御装置。
  8. 　請求項１に記載の車両の運動制御装置において、
    　前記所定の評価関数は、車両運動の範囲から、アクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性を考慮した場合に制御が可能な範囲を求める関数であり、これを最大化することを評価とする車両の運動制御装置。
  9. 　請求項１に記載の車両の運動制御装置において、
    　前記運動計画は、車体の姿勢角である車両の運動制御装置。
  10. 　車両の目標軌道を参照して、現在の時刻から車両の運動についてアクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性を考慮して将来の時刻における制御可能な車両の運動の範囲を求め、
    　その範囲内で、所定の評価関数を参照して運動計画を作成する車両の運動制御方法。
  11. 　請求項１０に記載の車両の運動制御方法において、
    　前記車両の運動は、前後方向の加速度、横方向の加速度、上下方向の加速度、ロール角、ピッチ角、ヨーレートの６自由度の車両運動である車両の運動制御方法。
  12. 　請求項１０に記載の車両の運動制御方法において、
    　前記車両の運動は、前後方向の加速度、横方向の加速度、上下方向の位置、ロール角、ピッチ角、ヨーレートの６自由度の車両運動である車両の運動制御方法。
  13. 　請求項１０に記載の車両の運動制御方法において、
    　前記アクチュエーターの少なくとも出力範囲を含む特性は、出力範囲および可動範囲について時間軸で将来にわたる特性である車両の運動制御方法。
  14. 　請求項１０に記載の車両の運動制御方法において、
    　前記車両が前記目標軌道を追従しており、その追従に必要なアクチュエーターの出力が決定している場合、その状態から将来の時刻における制御可能な車両の運動と、前記車両の運動制御方法による運動計画を用いずに目標軌道を走行するための車両の運動との余裕範囲を、制御可能な車両の運動の範囲とする車両の運動制御方法。
  15. 　請求項１４に記載の車両の運動制御方法において、
    　前記制御可能な車両の運動の範囲内で、所定の評価関数を最小にする運動計画を作成する車両の運動制御方法。
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