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JP7695845B2 - Vehicle control device and vehicle control method - Google Patents
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Description

本発明は、車両制御装置の構成とその制御に係り、特に、乗り心地の向上に有効な技術に関する。 The present invention relates to the configuration of a vehicle control device and its control, and in particular to technology that is effective in improving ride comfort.

自動車の自動運転技術開発において、従来は、経路追従など自動運転に必要不可欠な技術の開発に主眼が置かれていたが、自動運転技術の発展に伴い、移動空間に求める価値が多様化し、乗り心地向上の要求が高まっている。 Traditionally, the focus of autonomous driving technology development has been on developing essential technologies for autonomous driving, such as route following. However, as autonomous driving technology advances, the value people place on moving spaces has become more diverse, and there is an increasing demand for improved ride comfort.

そこで、近年、複数かつ異種のアクチュエータを最適に統合制御することで、ドライバーや乗員の快適性を向上する車両制御技術の開発が進められている。 As a result, in recent years, there has been progress in the development of vehicle control technologies that improve the comfort of drivers and passengers by optimally integrating and controlling multiple, heterogeneous actuators.

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には「車体のロール角加速度を検出するロール角加速度検出装置と、車体に付与するロールモーメントを発生するアクチュエータと、アクチュエータを制御する制御ユニットと、を有し、制御ユニットは車両のロール慣性モーメント、ロール減衰係数及び等価ロール剛性を記憶する車両用ロール振動制振制御装置」が開示されている。 As background technology in this technical field, for example, there is technology such as that in Patent Document 1. Patent Document 1 discloses "a roll vibration damping control device for a vehicle that has a roll angular acceleration detection device that detects the roll angular acceleration of the vehicle body, an actuator that generates a roll moment to be applied to the vehicle body, and a control unit that controls the actuator, and the control unit stores the roll moment of inertia, roll damping coefficient, and equivalent roll stiffness of the vehicle."

また、特許文献2には「自車両の走行計画に従って走行する時の車両の挙動を予測し、走行計画に基づき、予測された車両の挙動に対する評価値を算出し、評価値に基づき、車両を制御するアクチュエータの制御量を算出する走行支援方法」が開示されている。 Patent Document 2 also discloses a driving support method that "predicts the behavior of a vehicle when driving according to a driving plan of the vehicle, calculates an evaluation value for the predicted vehicle behavior based on the driving plan, and calculates the control amount of an actuator that controls the vehicle based on the evaluation value."

特開2020-59477号公報JP 2020-59477 A 特開2020-26189号公報JP 2020-26189 A

上記特許文献1によれば、車両のロール運動の動特性の変化を来すことなく車体のロール振動を効果的に制振することができるとしている。 According to the above-mentioned patent document 1, it is possible to effectively suppress the roll vibration of the vehicle body without causing any change in the dynamic characteristics of the roll motion of the vehicle.

しかしながら、特許文献1では、各実施形態で説明されているように、同種のアクチュエータを制御してロール振動を抑制するものでしかなく、異種のアクチュエータを併用する場合に、各種アクチュエータをどのように制御してロール振動を抑制するかについては具体的に説明されていない。 However, in Patent Document 1, as explained in each embodiment, the roll vibration is suppressed by controlling the same type of actuator, and there is no specific explanation of how the various actuators are controlled to suppress roll vibration when different types of actuators are used in combination.

また、上記特許文献2によれば、車両の挙動が動的に変化する場合でも、車両の制御の遅れを軽減することができるとしている。 In addition, according to the above-mentioned Patent Document 2, it is possible to reduce delays in vehicle control even when the vehicle's behavior changes dynamically.

しかしながら、特許文献2では、状態予測器で車両運動を予測することによって、複数のアクチュエータを最適に制御して経路追従性を向上する制御技術について言及しているが、乗り心地に影響することが知られている加速度や加速度変化であるジャークに関する具体的な制御手法については説明がない。 However, although Patent Document 2 mentions a control technology that improves path tracking by optimally controlling multiple actuators by predicting vehicle motion using a state predictor, it does not explain any specific control techniques related to acceleration or jerk, which is a change in acceleration that is known to affect ride comfort.

そこで、本発明の目的は、異種のアクチュエータを統合的に制御する車両制御装置において、経路の追従性を向上しつつ、乗り心地に影響する加速度およびジャークを所望の動きに制御可能な高性能な車両制御装置及び車両制御方法を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a high-performance vehicle control device and vehicle control method that can control the acceleration and jerk that affect ride comfort to the desired movement while improving path tracking in a vehicle control device that controls different types of actuators in an integrated manner.

上記課題を解決するために、本発明は、複数のアクチュエータを操作して車両の運動を制御する車両制御装置であって、車両の運動予測モデルとアクチュエータ指令予測値に基づき未来の車両運動を予測する予測器と、任意の運動目標値と前記予測器による予測値である前記未来の車両運動との差を最小化する前記アクチュエータ指令予測値を反復演算により算出する最適化器と、を備え、前記予測器は、車両のダイナミクスを1階以上微分して得られる第一の運動予測状態を算出する第一の運動予測器を有し、前記最適化器は、前記第一の運動予測器で算出した前記第一の運動予測状態に基づいて、前記運動目標値と前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を算出することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a vehicle control device that controls vehicle motion by operating a plurality of actuators, the vehicle control device comprising: a predictor that predicts future vehicle motion based on a vehicle motion prediction model and an actuator command predicted value; and an optimizer that calculates, by iterative calculation, the actuator command predicted value that minimizes a difference between an arbitrary motion target value and the future vehicle motion that is a predicted value by the predictor, wherein the predictor has a first motion predictor that calculates a first motion predicted state obtained by differentiating vehicle dynamics one or more times, and the optimizer calculates, based on the first motion predicted state calculated by the first motion predictor, the actuator command predicted value that minimizes the difference between the motion target value and the future vehicle motion .

また、本発明は、複数のアクチュエータを操作して車両の運動を制御する車両制御方法であって、(a)車両の運動予測モデルとアクチュエータ指令予測値に基づき未来の車両運動を予測するステップと、(b)任意の運動目標値と前記(a)ステップで予測した予測値である前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を反復演算により算出するステップと、を有し、前記(a)ステップにおいて、車両のダイナミクスを1階以上微分して得られる第一の運動予測状態を算出し、前記(b)ステップにおいて、前記(a)ステップで算出した前記第一の運動予測状態に基づいて、前記運動目標値と前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を算出することを特徴とする。 Moreover, the present invention is a vehicle control method for controlling vehicle motion by operating a plurality of actuators, comprising: (a) a step of predicting future vehicle motion based on a vehicle motion prediction model and an actuator command prediction value; and (b) a step of calculating, by iterative calculation, an actuator command prediction value that minimizes a difference between an arbitrary motion target value and the future vehicle motion that is the prediction value predicted in the step (a), wherein in the step (a), a first motion prediction state obtained by differentiating vehicle dynamics one or more times is calculated, and in the step (b), an actuator command prediction value that minimizes the difference between the motion target value and the future vehicle motion is calculated based on the first motion prediction state calculated in the step (a ).

本発明によれば、異種のアクチュエータを統合的に制御する車両制御装置において、経路の追従性を向上しつつ、乗り心地に影響する加速度およびジャークを所望の動きに制御可能な高性能な車両制御装置及び車両制御方法を実現することができる。 The present invention provides a vehicle control device that controls different types of actuators in an integrated manner, and realizes a high-performance vehicle control device and vehicle control method that can improve path tracking while controlling the acceleration and jerk that affect ride comfort to the desired movement.

これにより、自動車の自動運転に必要な経路追従性を担保しつつ、ドライバーや乗員の乗り心地向上が図れる。 This will ensure the route tracking capabilities necessary for autonomous driving while improving the ride comfort for drivers and passengers.

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。 Problems, configurations, and advantages other than those described above will become clear from the description of the embodiments below.

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。1 is a diagram showing a schematic configuration of a vehicle according to a first embodiment of the present invention; 図1の車両を制御する制御システムの概略構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing a schematic configuration of a control system for controlling the vehicle shown in FIG. 1 . 一般的なモデル予測制御を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a general model predictive control. 本発明の実施例1に係る車両制御装置の制御構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a control configuration of a vehicle control device according to a first embodiment of the present invention; 図4の車両制御装置の効果を示す波形図である。5 is a waveform diagram showing the effect of the vehicle control device of FIG. 4. 本発明の実施例2に係る車両制御装置の制御構成を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing a control configuration of a vehicle control device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施例3に係る車両制御装置の制御構成を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing a control configuration of a vehicle control device according to a third embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、同様の説明は繰り返さない。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings. Similar components are given similar reference numerals and similar descriptions will not be repeated.

図1から図5を参照して、本発明の実施例1に係る車両制御装置及び車両制御方法について説明する。図1は、本実施例の車両の概略構成を示す図である。 A vehicle control device and a vehicle control method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 1 to 5. Figure 1 is a diagram showing a schematic configuration of a vehicle according to this embodiment.

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12、サスペンション13、ステアリング14、ブレーキ15、及び、スタビライザ16を搭載したものである。 As shown in FIG. 1, the vehicle 1 of this embodiment is equipped with wheels 11, a motor 12, a suspension 13, a steering wheel 14, a brake 15, and a stabilizer 16 on a vehicle body 10.

なお、以下では、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)とする。 In the following, the fore-and-aft direction of vehicle 1 is the x-axis (forward direction is positive), the left-right direction is the y-axis (left direction is positive), and the up-down direction is the z-axis (upward direction is positive).

車輪11は、車体10を支持し、路面に接してグリップ力を発揮するものであり、本実施例では、左前輪11FL、右前輪11FR、左後輪11RL、右後輪11RRの4輪を備えている。 The wheels 11 support the vehicle body 10 and exert grip on the road surface. In this embodiment, there are four wheels: a left front wheel 11FL, a right front wheel 11FR, a left rear wheel 11RL, and a right rear wheel 11RR.

なお、以下では、左前輪11FLに対応する構成の符号にはFLを付し、右前輪11FRに対応する構成の符号にはFRを付し、左後輪11RLに対応する構成の符号にはRLを付し、右後輪11RRに対応する構成の符号にはRRを付すこととする。また、左前輪11FLと右前輪11FRの双方に対応する構成の符号にはFを付し、左後輪11RLと右後輪11RRの双方に対応する構成の符号にはRを付すこととする。 In the following, the reference numerals corresponding to the left front wheel 11FL will be marked with FL, the reference numerals corresponding to the right front wheel 11FR will be marked with FR, the reference numerals corresponding to the left rear wheel 11RL will be marked with RL, and the reference numerals corresponding to the right rear wheel 11RR will be marked with RR. Furthermore, the reference numerals corresponding to both the left front wheel 11FL and the right front wheel 11FR will be marked with F, and the reference numerals corresponding to both the left rear wheel 11RL and the right rear wheel 11RR will be marked with R.

車輪11の各々には、インホイール型のモータ12(12FL,12FR,12RL,12RR)が取り付けられており、これらのモータ12によって車輪11の各々が独立して回転(正転,逆転)することができる。 Each of the wheels 11 is fitted with an in-wheel motor 12 (12FL, 12FR, 12RL, 12RR), and these motors 12 allow each of the wheels 11 to rotate (forward and reverse) independently.

モータ12の各々と車体10の間には、サスペンション13(13FL,13FR,13RL,13RR)が設けられており、これらのサスペンション13により、車輪11の各々に発生する振動や衝撃を吸収し、車体10の安定性、乗り心地を良くしている。 Suspensions 13 (13FL, 13FR, 13RL, 13RR) are provided between each of the motors 12 and the vehicle body 10. These suspensions 13 absorb vibrations and shocks generated in each of the wheels 11, improving the stability and ride comfort of the vehicle body 10.

なお、これらのサスペンション13は、例えば、粘性を変更可能なダンパ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、ストロークを調節可能なアクチュエータとダンパとコイルスプリングを組み合わせたフルアクティブサスペンション、また、リニアモータや回転モータと回転直動機構の組み合わせを用いた電気式のものなどがある。 These suspensions 13 include, for example, semi-active suspensions that combine a damper with adjustable viscosity and a coil spring, fully active suspensions that combine an actuator with adjustable stroke, a damper and a coil spring, and electric suspensions that use a combination of a linear motor or a rotary motor and a rotary-linear mechanism.

ステアリング14は、車輪11を操舵し、車両1の進行方向を決定するための装置であり、本実施例では、左前輪11FLを操舵するステアリング14FLと、右前輪11FRを操舵するステアリング14FRと、左後輪11RLおよび右後輪11RRを操舵するステアリング14Rの3つを備えている。 The steering wheel 14 is a device for steering the wheels 11 and determining the direction of travel of the vehicle 1. In this embodiment, the steering wheel 14 is provided with three wheels: a steering wheel 14FL for steering the left front wheel 11FL, a steering wheel 14FR for steering the right front wheel 11FR, and a steering wheel 14R for steering the left rear wheel 11RL and the right rear wheel 11RR.

ブレーキ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。 The brakes 15 are devices for braking the rotation of the wheels 11, and in this embodiment, there are four brakes: a brake 15FL for the left front wheel 11FL, a brake 15FR for the right front wheel 11FR, a brake 15RL for the left rear wheel 11RL, and a brake 15RR for the right rear wheel 11RR.

スタビライザ16は、左右の車輪の上下運動と連動して動き、車両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は、そのねじれ角を電気式で調整できる制御スタビライザである。車両1の旋回時等に車体10をx軸周りの回転運動であるロール方向に傾け、ロール量を調節するための装置であり、本実施例では、前方用のスタビライザ16Fと、後方用のスタビライザ16Rの2つを備えている。 The stabilizer 16 is a device that moves in conjunction with the up and down movement of the left and right wheels to suppress the amount of roll of the vehicle. In this embodiment, the stabilizer is a controlled stabilizer whose torsion angle can be adjusted electrically. It is a device that tilts the body 10 in the roll direction, which is the rotational movement around the x-axis, when the vehicle 1 turns, etc., to adjust the amount of roll. In this embodiment, there are two stabilizers: a front stabilizer 16F and a rear stabilizer 16R.

図2は、図1の車両1を制御する制御システムの概略構成を示すブロック図である。 Figure 2 is a block diagram showing the schematic configuration of a control system that controls the vehicle 1 in Figure 1.

車両1に搭載される車両制御装置2は、マップ情報や自己位置の情報と、目標とする乗り心地の指標に基づいて上位のコンピュータで演算された車両の運動指令値を受信する。また、車両制御装置2は、受信した運動指令値と、加速度センサなどから得られる現在の運動情報との誤差を低減するように複数のアクチュエータ指令を演算し、各アクチュエータに操作指令値を送信する機能を備える。 The vehicle control device 2 mounted on the vehicle 1 receives vehicle motion command values calculated by a higher-level computer based on map information, self-position information, and a target ride comfort index. The vehicle control device 2 also has a function of calculating multiple actuator commands to reduce the error between the received motion command values and current motion information obtained from an acceleration sensor or the like, and transmitting operation command values to each actuator.

図2では、運動指令値として、前後指令値,左右指令値,上下指令値,ロール指令値,ピッチ指令値,ヨー指令値を車両制御装置2に入力し、駆動用アクチュエータ,ブレーキ用アクチュエータ,アクティブサスペンション用アクチュエータ,ステアリング用アクチュエータ等の操作指令値を出力する例を示している。 Figure 2 shows an example in which forward/backward command values, left/right command values, up/down command values, roll command values, pitch command values, and yaw command values are input to the vehicle control device 2 as motion command values, and operation command values for the drive actuator, brake actuator, active suspension actuator, steering actuator, etc. are output.

ここで、図2に示す目標運動と現在値の誤差を最適に制御する手段としてモデル予測制御と呼ばれる技術がある。 There is a technology called model predictive control that can optimally control the error between the target motion and the current value shown in Figure 2.

図3に、車両制御装置2に組み込まれ、車両の運動予測に基づき最適なアクチュエータ制御を行う一般的なモデル予測制御技術に関する概略構成図を示す。 Figure 3 shows a schematic diagram of a general model predictive control technology that is incorporated into the vehicle control device 2 and performs optimal actuator control based on vehicle motion prediction.

モデル予測制御では、運動予測器21に車両運動を模擬するため車両ダイナミクスのモデルを備え、複数のアクチュエータの操作指令に基づいて車両運動の予測を行う。また、最適化器22は、上位コンピュータ41から受信した運動指令値と、運動予測器21から得られる運動予測値を比較し、運動指令値に対して一定区間だけ未来の運動予測値の誤差が最小となるように、アクチュータ42の操作指令値を反復演算により最適化する。 In model predictive control, the motion predictor 21 is equipped with a vehicle dynamics model to simulate vehicle motion, and predicts vehicle motion based on operation commands for multiple actuators. The optimizer 22 compares the motion command value received from the host computer 41 with the motion prediction value obtained from the motion predictor 21, and optimizes the operation command value for the actuator 42 by iterative calculation so that the error of the future motion prediction value for a certain interval is minimized relative to the motion command value.

この時、複数の車両運動において、任意の運動を制御可能とするように、評価重み設定部23で最適化する際の評価関数の重みが調整可能である。例えば、車両1の経路追従誤差よりも、車両1の姿勢角変化の抑制を優先するなどの制御の調整が可能である。 At this time, the weight of the evaluation function used for optimization by the evaluation weight setting unit 23 can be adjusted so that any of a number of vehicle movements can be controlled. For example, it is possible to adjust the control so that suppression of changes in the attitude angle of the vehicle 1 is given priority over the path following error of the vehicle 1.

また、制約条件設定部24は、最適化器22の最適化演算において、任意の運動状態またはアクチュエータの操作指令が、予め設定された上下限値を超過しないように制約したうえで最適化演算を可能にする。例えば、経路追従誤差が常に10m以下となるように制約しながら走行させることが可能である。 The constraint condition setting unit 24 also enables the optimization calculation by the optimizer 22 after constraining any motion state or actuator operation command so that it does not exceed a preset upper or lower limit. For example, it is possible to run the vehicle while constraining the path tracking error to always be 10 m or less.

このようにして、一般的なモデル予測制御では、車両ダイナミクスの予測に基づいて、目標値との誤差を最小化するように、かつ種々の制約を超えないように最適化して、好適にアクチュエータを動作させる操作指令値を演算し、アクチュエータ42に送信する。 In this way, typical model predictive control calculates operation command values that optimally operate the actuators based on predictions of vehicle dynamics, optimizing to minimize the error with respect to the target value and not exceeding various constraints, and transmits these values to the actuators 42.

図4に、本実施例における車両制御装置2の制御ブロック図を示す。本実施例においても、図3と同様に、最適化器22、評価重み設定部23、制約条件設定部24を備える。そして、運動予測器21には、第一の運動予測器31及び第二の運動予測器32を備える。第一の運動予測器31では、車両運動の加速度変化を計算する一般的な車両運動モデルを二階微分した車両運動モデルを備える。 Figure 4 shows a control block diagram of the vehicle control device 2 in this embodiment. As in Figure 3, this embodiment also includes an optimizer 22, an evaluation weight setting unit 23, and a constraint condition setting unit 24. The motion predictor 21 includes a first motion predictor 31 and a second motion predictor 32. The first motion predictor 31 includes a vehicle motion model that is a second-order derivative of a general vehicle motion model that calculates the acceleration change of the vehicle motion.

ここで、車両運動の加速度変化を計算する一般的な車両運動モデルの前後x、上下z、及びy軸周りの回転運動であるピッチθの運動モデルは、例えば式(1)~式(3)に示す運動モデルである。 Here, the motion model of a general vehicle motion model that calculates the change in acceleration of vehicle motion, i.e., the forward/backward x, upward/downward z, and pitch θ, which is the rotational motion around the y-axis, is, for example, the motion model shown in equations (1) to (3).

Figure 0007695845000001
Figure 0007695845000001

Figure 0007695845000002
Figure 0007695845000002

Figure 0007695845000003
Figure 0007695845000003

ここで、mは車両全体の質量、msはばね上の質量、hpはピッチセンターと車両重心位置の偏差、ρは各種運動の影響を表す係数、fは各種アクチュエータ入力であり、最適制御するためには、これらの運動方程式に従えば、式(4)で示す線形状態方程式として表現される。 Here, m is the mass of the entire vehicle, ms is the sprung mass, hp is the deviation between the pitch center and the vehicle's center of gravity, ρ is a coefficient expressing the influence of various motions, and f is the input to various actuators. In order to achieve optimal control, these equations of motion are followed and expressed as the linear state equation shown in equation (4).

Figure 0007695845000004
Figure 0007695845000004

但し、XとUはそれぞれ状態と入力であり、AとBはそれぞれ状態ベクトルの係数行列及び入力ベクトルの係数行列である。式(4)には、例えば、状態に車両の位置と速度または車両姿勢の角度と角速度を含む。 where X and U are the state and input, respectively, and A and B are the coefficient matrix of the state vector and the coefficient matrix of the input vector, respectively. In equation (4), for example, the state includes the position and velocity of the vehicle or the angle and angular velocity of the vehicle attitude.

ここで、本実施例の第一の運動予測器31では、式(4)を二階微分した式(5)を車両運動予測モデルとして備える。 Here, the first motion predictor 31 in this embodiment has equation (5), which is the second derivative of equation (4), as the vehicle motion prediction model.

Figure 0007695845000005
Figure 0007695845000005

このとき、式(5)には、式(1)~式(3)で示したような運動方程式を二階微分しているため、その状態に加速度とジャーク、及び姿勢の角加速度、角加加速度の状態が含まれている。 At this time, because equation (5) is the second derivative of the equations of motion shown in equations (1) to (3), it includes the acceleration and jerk, as well as the angular acceleration and angular jerk of the attitude.

また、二階微分により、状態方程式が扱う入力は、アクチュエータ指令変化の変化率(Uの二階微分値)を入力として与える。 In addition, by using second-order differentiation, the input handled by the state equation is given as the rate of change of the actuator command change (the second-order differential value of U).

次に、式(5)によって予測された状態を二階積分することにより、第二の運動予測状態を得る。ここで得られる状態は、式(4)の状態Xと同種である。 Then, we obtain a second predicted motion state by integrating the state predicted by equation (5) twice. The state obtained here is the same as state X in equation (4).

さらに、予測状態結合器33によって、第一の運動予測モデルと第二の運動予測モデル、及びアクチュエータの入力Uを同時に最適化可能な形式に変換する。具体的には、式(6)の拡大系を構成する。 Furthermore, the predicted state combiner 33 converts the first and second motion prediction models, and the actuator input U, into a form that can be simultaneously optimized. Specifically, an extended system of equation (6) is constructed.

Figure 0007695845000006
Figure 0007695845000006

但し、実際には、入力ベクトルに含まれるUは、式(5)のUの二階微分の入力の積分により一意に決まるものであるため、独立した制御入力として扱うことは適切ではない。そこで、Uを状態ベクトルに包含させた式(7)を新たな拡大系として定義する。 However, in reality, U included in the input vector is uniquely determined by the integral of the input of the second derivative of U in equation (5), so it is not appropriate to treat it as an independent control input. Therefore, we define equation (7), which includes U in the state vector, as a new extended system.

Figure 0007695845000007
Figure 0007695845000007

このようにして得られる式(8)には、状態に位置、速度、加速度、ジャーク、角度、角速度、角加速度、角加加速度、種々のアクチュエータ指令などを同時に含んでいるため、これらの変化を予測し、最適化器22で、それらを同時に最適に制御することが可能となる。 Since the equation (8) obtained in this way simultaneously includes the state of position, velocity, acceleration, jerk, angle, angular velocity, angular acceleration, angular jerk, various actuator commands, etc., it is possible to predict these changes and simultaneously optimally control them using the optimizer 22.

Figure 0007695845000008
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このとき、最適化の結果として算出される値は、アクチュエータ指令の二階微分値となるため、実際にアクチュエータ42に送信する信号は、その二階積分した値(アクチュエータ指令値)となる。 At this time, the value calculated as the result of optimization is the second-order differential value of the actuator command, so the signal actually sent to the actuator 42 is the second-order integrated value (actuator command value).

なお、最適化器22では、評価重み設定部23による重み設定値Qと、式(9)に示す目標運動と運動予測値の誤差Eに基づく最適化関数である式(10)が定義され、式(8)で表した拡大系の状態と入力に関する制約条件を不等式制約条件として定式化した式(11)及び式(12)に基づいて制約付き最適化演算が実行される。 In the optimizer 22, the weight setting value Q by the evaluation weight setting unit 23 and the equation (10) which is an optimization function based on the error E between the target motion and the motion prediction value shown in equation (9) are defined, and a constrained optimization calculation is performed based on equations (11) and (12) which formulate the constraint conditions on the state and input of the augmented system represented in equation (8) as inequality constraint conditions.

Figure 0007695845000009
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Figure 0007695845000010
Figure 0007695845000010

Figure 0007695845000011
Figure 0007695845000011

Figure 0007695845000012
Figure 0007695845000012

ここで、Hpは予測区間、GxとGuはそれぞれ状態、入力の制約に関する係数行列である。 Here, Hp is the prediction interval, and Gx and Gu are the coefficient matrices for the state and input constraints, respectively.

以上の構成によって、本実施例では、車両1の経路追従制御と同時に、アクチュエータの作動限界を超えないように、ドライバーや乗員の乗り心地に影響する加速度、ジャークの運動状態も同時に制御することが可能となる。 With the above configuration, in this embodiment, it is possible to simultaneously control the path following control of the vehicle 1 and the acceleration and jerk motion states that affect the ride comfort of the driver and passengers so as not to exceed the actuator operating limits.

図5を用いて、本実施例の効果を説明する。図5には、上から車速、インホイールモータの駆動トルク、前後ジャーク、ピッチ角加速度、ピッチ角速度の波形を示している。車速の波形には、破線で速度指令値を示し、従来技術の制御波形を点線、本発明の制御波形を実線で示している。 The effect of this embodiment will be explained using Figure 5. Figure 5 shows, from the top, the waveforms of vehicle speed, in-wheel motor drive torque, longitudinal jerk, pitch angular acceleration, and pitch angular velocity. In the vehicle speed waveform, the dashed line shows the speed command value, the dotted line shows the control waveform of the conventional technology, and the solid line shows the control waveform of the present invention.

従来技術では、速度追従制御と同時に、前後ジャークやピッチ角加速度を抑制するように制御することはできず、乗り心地の観点で設定される前後ジャークやピッチ角加速度の許容値(破線)を超過してしまう。一方で、本発明によると、速度追従制御を行いながら、駆動トルクの限界を考慮しつつ、さらに前後ジャークやピッチ角加速度を同時に抑制した走りを実現できるため、乗り心地が向上した車両運転制御が可能となる。 Conventional technology cannot simultaneously perform speed tracking control and suppress longitudinal jerk and pitch angular acceleration, resulting in the longitudinal jerk and pitch angular acceleration exceeding the allowable values (dashed lines) set from the perspective of ride comfort. On the other hand, the present invention can achieve driving that simultaneously suppresses longitudinal jerk and pitch angular acceleration while performing speed tracking control and taking into account the limits of the drive torque, thereby enabling vehicle driving control with improved ride comfort.

以上説明したように、本実施例の車両制御装置2は、車両1の運動予測モデルとアクチュエータ指令値に基づき未来の車両運動を予測する運動予測器21と、任意の運動目標値と運動予測器21による予測値との差を最小化するアクチュエータ指令値を反復演算により算出する最適化器22を備えており、運動予測器21は、車両1のダイナミクスを1階以上微分して得られる第一の運動予測状態を算出する第一の運動予測器31を有している。 As described above, the vehicle control device 2 of this embodiment includes a motion predictor 21 that predicts future vehicle motion based on a motion prediction model of the vehicle 1 and actuator command values, and an optimizer 22 that calculates actuator command values that minimize the difference between an arbitrary motion target value and a value predicted by the motion predictor 21 through iterative calculations. The motion predictor 21 has a first motion predictor 31 that calculates a first motion prediction state obtained by differentiating the dynamics of the vehicle 1 by one or more orders of magnitude.

また、運動予測器21は、第一の運動予測状態を1階以上積分して得られる第二の運動予測状態を算出する第二の運動予測器32を有している。 The motion predictor 21 also has a second motion predictor 32 that calculates a second motion predicted state by integrating the first motion predicted state to one or more orders.

また、車両制御装置2は、第一の運動予測状態および第二の運動予測状態を結合する予測状態結合器33を備えている。 The vehicle control device 2 also includes a predicted state combiner 33 that combines the first motion prediction state and the second motion prediction state.

予測状態結合器33は、アクチュエータ指令値の変化量の積分に基づき予測されるアクチュエータ指令予測値をさらに結合する。 The predicted state combiner 33 further combines the actuator command predicted values, which are predicted based on the integral of the change in the actuator command values.

最適化器22は、車両1のダイナミクスを1階以上微分して得られるアクチュエータ指令値の変化量に基づき最適化結果を算出する。 The optimizer 22 calculates the optimization result based on the amount of change in the actuator command value obtained by differentiating the dynamics of the vehicle 1 by one or more orders of magnitude.

そして、第一の運動予測器31および第二の運動予測器32は、車両1の前後、上下、左右の並進運動、および各軸周りの回転運動であるロール、ピッチ、ヨーの計6自由度の運動のうち1つ以上を予測する。 The first motion predictor 31 and the second motion predictor 32 predict one or more of the six degrees of freedom of motion of the vehicle 1, including the translational motion in the forward/backward, up/down, and left/right directions, and the rotational motions around each axis, namely roll, pitch, and yaw.

また、第一の運動予測器31は、車両1の並進運動の加速度またはジャーク、車両1の回転運動の角加速度または角加加速度のうち1つ以上を予測する。 The first motion predictor 31 also predicts one or more of the acceleration or jerk of the translational motion of the vehicle 1, and the angular acceleration or angular jerk of the rotational motion of the vehicle 1.

また、第二の運動予測器32は、車両1の並進運動の位置または速度、回転運動の角度または角速度のうち1つ以上を予測する。 The second motion predictor 32 also predicts one or more of the position or velocity of the translational motion of the vehicle 1, and the angle or angular velocity of the rotational motion.

また、最適化器22は、第一の運動予測状態および第二の運動予測状態と、アクチュエータ指令値の変化量の積分に基づき予測されるアクチュエータ指令予測値と、からなる1つ以上の予測値が任意の制限値を超えないように制限する。 The optimizer 22 also limits one or more predicted values consisting of the first and second motion predicted states and the actuator command predicted value predicted based on the integral of the change in the actuator command value so that they do not exceed an arbitrary limit value.

これにより、自動車の自動運転に必要な経路追従制御と同時に、ドライバーや乗員の乗り心地に影響する加速度、ジャークの運動状態を許容値以下に制限して好適に制御できる。 This allows for optimal control of the path following control required for autonomous driving of automobiles, while at the same time limiting the acceleration and jerk motion states that affect the ride comfort of the driver and passengers to within allowable values.

図6を参照して、本発明の実施例2に係る車両制御装置及び車両制御方法について説明する。図6は、本実施例の車両制御装置2の制御構成を示すブロック図である。 A vehicle control device and a vehicle control method according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6. FIG. 6 is a block diagram showing the control configuration of the vehicle control device 2 of this embodiment.

本実施例の車両制御装置2は、図6に示すように、予測状態結合器33によって、第一の運動予測モデルと第二の運動予測モデルを最適化可能な形式に変換する際、アクチュエータ指令値を用いない点において、実施例1(図4)とは異なっている。その他の構成は、実施例1(図4)と同様である。 As shown in FIG. 6, the vehicle control device 2 of this embodiment differs from the first embodiment (FIG. 4) in that the predicted state combiner 33 does not use actuator command values when converting the first and second motion prediction models into an optimizable format. The other configurations are the same as those of the first embodiment (FIG. 4).

モデル予測制御では、しばしば演算コストが課題となる。そして、演算コストは、状態ベクトルの次元を削減することで低減できる。 In model predictive control, computational cost is often an issue. It can be reduced by reducing the dimensionality of the state vector.

そこで、乗り心地の向上という制御目的においては、アクチュエータの限界性能まで使うことは無いことを想定し、アクチュエータ指令値を予測状態結合器33に含めない構成が考えられる。 Therefore, for the control purpose of improving ride comfort, it is assumed that the actuator performance limit will not be used, and a configuration is considered in which the actuator command value is not included in the predicted state combiner 33.

このようにすることで、取り扱うアクチュエータの数だけ最適化演算に掛かる次元を削減することができるため、演算コストの低減効果が見込め、車両に搭載するコンピュータのコストを下げることができる。 By doing this, the number of dimensions required for the optimization calculation can be reduced by the number of actuators being handled, which is expected to reduce calculation costs and the cost of computers to be installed in vehicles.

図7を参照して、本発明の実施例3に係る車両制御装置及び車両制御方法について説明する。図7は、本実施例の車両制御装置2の制御構成を示すブロック図である。 A vehicle control device and a vehicle control method according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a block diagram showing the control configuration of the vehicle control device 2 of this embodiment.

本実施例の車両制御装置2は、図7に示すように、運動予測器21によって車両運動の予測を行う際、第二の運動予測器32を用いず、さらに、予測状態結合器33による第一の運動予測モデルの形式の変換も行わない点において、実施例1(図4)とは異なっている。その他の構成は、実施例1(図4)と同様である。 As shown in FIG. 7, the vehicle control device 2 of this embodiment differs from the first embodiment (FIG. 4) in that when the motion predictor 21 predicts the vehicle motion, the second motion predictor 32 is not used, and further, the predicted state combiner 33 does not convert the format of the first motion prediction model. The other configurations are the same as those of the first embodiment (FIG. 4).

本実施例は、さらに乗り心地の制御のみに着目した制御構成である。本実施例では、状態として加速度、ジャークおよび姿勢の角加速度、角加加速度のみを制御可能とする。 This embodiment is a control configuration that focuses only on controlling the ride comfort. In this embodiment, only the acceleration, jerk, and angular acceleration and angular jerk of the attitude can be controlled as states.

このようにすることで、更なる演算コストの低減が可能となる。 By doing this, it is possible to further reduce computational costs.

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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modified examples. For example, the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. It is also 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. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.

1…車両、2…車両制御装置、10…車体、11…車輪、12…モータ、13…サスペンション、14…ステアリング、15…ブレーキ、16…スタビライザ、21…運動予測器、22…最適化器、23…評価重み設定部、24…制約条件設定部、31…第一の運動予測器、32…第二の運動予測器、33…予測状態結合器、41…上位コンピュータ、42…アクチュータ。 1...vehicle, 2...vehicle control device, 10...vehicle body, 11...wheels, 12...motor, 13...suspension, 14...steering, 15...brakes, 16...stabilizer, 21...motion predictor, 22...optimizer, 23...evaluation weight setting unit, 24...constraint condition setting unit, 31...first motion predictor, 32...second motion predictor, 33...predicted state combiner, 41...host computer, 42...actuator.

Claims (15)

複数のアクチュエータを操作して車両の運動を制御する車両制御装置であって、
車両の運動予測モデルとアクチュエータ指令予測値に基づき未来の車両運動を予測する予測器と、
任意の運動目標値と前記予測器による予測値である前記未来の車両運動との差を最小化する前記アクチュエータ指令予測値を反復演算により算出する最適化器と、を備え、
前記予測器は、車両のダイナミクスを1階以上微分して得られる第一の運動予測状態を算出する第一の運動予測器を有し、
前記最適化器は、前記第一の運動予測器で算出した前記第一の運動予測状態に基づいて、前記運動目標値と前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を算出する車両制御装置。
A vehicle control device that controls a vehicle's motion by operating a plurality of actuators,
a predictor for predicting future vehicle motion based on a vehicle motion prediction model and an actuator command prediction value;
an optimizer that calculates, by iterative calculation, the actuator command predicted value that minimizes a difference between an arbitrary motion target value and the future vehicle motion that is a predicted value by the predictor;
The predictor includes a first motion predictor that calculates a first motion predicted state obtained by differentiating the dynamics of the vehicle by one or more orders of magnitude;
The optimizer calculates an actuator command predicted value that minimizes a difference between the motion target value and the future vehicle motion based on the first motion predicted state calculated by the first motion predictor .
請求項1に記載の車両制御装置であって、
前記予測器は、前記第一の運動予測状態を1階以上積分して得られる第二の運動予測状態を算出する第二の運動予測器を有し、
前記最適化器は、前記第一の運動予測状態と、前記第二の運動予測器で算出した前記第二の運動予測状態とに基づいて、前記運動目標値と前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を算出する車両制御装置。
The vehicle control device according to claim 1,
The predictor has a second motion predictor that calculates a second motion predicted state obtained by integrating the first motion predicted state by one or more orders,
The optimizer calculates an actuator command predicted value that minimizes a difference between the motion target value and the future vehicle motion based on the first motion predicted state and the second motion predicted state calculated by the second motion predictor .
請求項2に記載の車両制御装置であって、
前記第一の運動予測状態および前記第二の運動予測状態を結合する予測状態結合器を備え
前記最適化器は、前記予測状態結合器により前記第一の運動予測状態と前記第二の運動予測状態とを結合した運動予測値に基づいて、前記運動目標値と前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を算出する車両制御装置。
The vehicle control device according to claim 2,
a prediction state combiner for combining the first motion prediction state and the second motion prediction state ;
The optimizer calculates an actuator command predicted value that minimizes a difference between the motion target value and the future vehicle motion based on a motion predicted value obtained by combining the first motion predicted state and the second motion predicted state by the predicted state combiner .
請求項3に記載の車両制御装置であって、
前記予測状態結合器は、前記アクチュエータ指令予測値の変化量の積分値をさらに結合し、
前記最適化器は、前記予測状態結合器により前記第一の運動予測状態と前記第二の運動予測状態と前記アクチュエータ指令予測値の変化量の積分値とを結合した運動予測値に基づいて、前記運動目標値と前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を算出する車両制御装置。
The vehicle control device according to claim 3,
The predicted state combiner further combines an integral value of the change amount of the actuator command predicted value ,
the optimizer calculates an actuator command predicted value that minimizes a difference between the motion target value and the future vehicle motion, based on a motion predicted value obtained by combining the first motion predicted state, the second motion predicted state, and an integral value of an amount of change in the actuator command predicted value by the predicted state combiner.
請求項3に記載の車両制御装置であって、
前記最適化器は、車両のダイナミクスを1階以上微分して得られるアクチュエータ指令予測値の変化量に基づき最適化結果を算出
前記算出した最適化結果に基づいてアクチュエータ指令値を生成し、出力する車両制御装置。
The vehicle control device according to claim 3,
the optimizer calculates an optimization result based on a change amount of an actuator command prediction value obtained by differentiating the vehicle dynamics by one or more orders of magnitude;
A vehicle control device that generates and outputs actuator command values based on the calculated optimization results .
請求項3に記載の車両制御装置であって、
前記第一の運動予測器および前記第二の運動予測器は、車両の前後、上下、左右の並進運動、および各軸周りの回転運動であるロール、ピッチ、ヨーの計6自由度の運動のうち1つ以上を予測する車両制御装置。
The vehicle control device according to claim 3,
A vehicle control device in which the first motion predictor and the second motion predictor predict one or more of the vehicle's forward/backward, up/down, and left/right translational motions, and roll, pitch, and yaw, which are rotational motions around each axis, for a total of six degrees of freedom.
請求項3に記載の車両制御装置であって、
前記第一の運動予測器は、車両の並進運動の加速度またはジャーク、車両の回転運動の角加速度または角加加速度のうち1つ以上を予測する車両制御装置。
The vehicle control device according to claim 3,
A vehicle control device wherein the first motion predictor predicts one or more of an acceleration or jerk of a translational motion of the vehicle, and an angular acceleration or angular jerk of a rotational motion of the vehicle.
請求項3に記載の車両制御装置であって、
前記第二の運動予測器は、車両の並進運動の位置または速度、回転運動の角度または角速度のうち1つ以上を予測する車両制御装置。
The vehicle control device according to claim 3,
A vehicle control device, wherein the second motion predictor predicts one or more of a position or a velocity of a translational motion of a vehicle, and an angle or an angular velocity of a rotational motion.
請求項8に記載の車両制御装置であって、
前記最適化器は、前記第一の運動予測状態および前記第二の運動予測状態と、前記アクチュエータ指令予測値の変化量の積分値と、からなる1つ以上の予測値が任意の制限値を超えないように制限する車両制御装置。
The vehicle control device according to claim 8,
The optimizer limits one or more predicted values, consisting of the first motion predicted state, the second motion predicted state, and an integral value of the amount of change in the actuator command predicted value, so as not to exceed an arbitrary limit value.
複数のアクチュエータを操作して車両の運動を制御する車両制御方法であって、
(a)車両の運動予測モデルとアクチュエータ指令予測値に基づき未来の車両運動を予測するステップと、
(b)任意の運動目標値と前記(a)ステップで予測した予測値である前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を反復演算により算出するステップと、
を有し、
前記(a)ステップにおいて、車両のダイナミクスを1階以上微分して得られる第一の運動予測状態を算出し、
前記(b)ステップにおいて、前記(a)ステップで算出した前記第一の運動予測状態に基づいて、前記運動目標値と前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を算出する車両制御方法。
A vehicle control method for controlling a motion of a vehicle by operating a plurality of actuators, comprising:
(a) predicting future vehicle motion based on a vehicle motion prediction model and an actuator command prediction value;
(b) calculating, by iterative calculation, an actuator command prediction value that minimizes a difference between an arbitrary motion target value and the future vehicle motion that is the prediction value predicted in the (a) step;
having
In the step (a), a first motion prediction state is calculated by differentiating the dynamics of the vehicle by one or more orders of magnitude ;
In the step (b), an actuator command predicted value that minimizes a difference between the motion target value and the future vehicle motion is calculated based on the first motion predicted state calculated in the step (a) .
請求項10に記載の車両制御方法であって、
前記(a)ステップにおいて、前記第一の運動予測状態を1階以上積分して得られる第二の運動予測状態を算出し、
前記(b)ステップにおいて、前記第一の運動予測状態と、前記第二の運動予測状態とに基づいて、前記運動目標値と前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を算出する車両制御方法。
The vehicle control method according to claim 10,
In the step (a), a second motion predicted state is calculated by integrating the first motion predicted state by one or more orders;
a step (b) of calculating an actuator command predicted value that minimizes a difference between the motion target value and the future vehicle motion based on the first motion predicted state and the second motion predicted state ;
請求項11に記載の車両制御方法であって、
前記(a)ステップにおいて、前記第一の運動予測状態および前記第二の運動予測状態を結合し、
前記(b)ステップにおいて、前記第一の運動予測状態と前記第二の運動予測状態とを結合した運動予測値に基づいて、前記運動目標値と前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を算出する車両制御方法。
The vehicle control method according to claim 11,
In the step (a) , the first motion prediction state and the second motion prediction state are combined;
a step (b) of calculating an actuator command predicted value that minimizes a difference between the motion target value and the future vehicle motion based on a motion predicted value that combines the first motion predicted state and the second motion predicted state .
請求項12に記載の車両制御方法であって、
前記(a)ステップにおいて、前記アクチュエータ指令予測値の変化量の積分値をさらに結合し、
前記(b)ステップにおいて、前記第一の運動予測状態と前記第二の運動予測状態と前記アクチュエータ指令予測値の変化量の積分値とを結合した運動予測値に基づいて、前記運動目標値と前記未来の車両運動との差を最小化するアクチュエータ指令予測値を算出する車両制御方法。
The vehicle control method according to claim 12,
In the step (a) , an integral value of the change amount of the actuator command prediction value is further combined;
the step (b) calculating an actuator command predicted value that minimizes a difference between the motion target value and the future vehicle motion, based on a motion predicted value that combines the first motion predicted state, the second motion predicted state, and an integral value of an amount of change in the actuator command predicted value .
請求項12に記載の車両制御方法であって、
前記(b)ステップにおいて、車両のダイナミクスを1階以上微分して得られるアクチュエータ指令予測値の変化量に基づき最適化結果を算出し、
前記算出した最適化結果に基づいてアクチュエータ指令値を生成し、出力する車両制御方法
The vehicle control method according to claim 12,
In the step (b), an optimization result is calculated based on a change amount of an actuator command prediction value obtained by differentiating the vehicle dynamics by one or more orders of magnitude ;
A vehicle control method , comprising generating and outputting actuator command values based on the calculated optimization results .
請求項12に記載の車両制御方法であって、
前記第一の運動予測状態および前記第二の運動予測状態は、車両の前後、上下、左右の並進運動、および各軸周りの回転運動であるロール、ピッチ、ヨーの計6自由度の運動のうち1つ以上を予測する車両制御方法。
The vehicle control method according to claim 12,
A vehicle control method in which the first motion prediction state and the second motion prediction state predict one or more of the vehicle's forward/backward, up/down, and left/right translational motions, and roll, pitch, and yaw, which are rotational motions around each axis, for a total of six degrees of freedom.
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