JP2010155528A - 選択的非線形最適化演算による車輌運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子制御装置のコンピュータに高負荷をかける非線形最適化演算制御等の評価関数制御を、電子制御装置によるその他の車輌運転制御を損なうことなく、且つ電子制御装置のコンピュータのグレードアップに頼ることなく実現する。
【解決手段】車輌の走行性能に関与する複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御を、前記複数のパラメータの少なくとも一つがそれについて設定された閾値の一方の側にあるときのみ行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車等の車輌の運転制御方法に係り、特にコンピュータによる制御演算により車輌の運転を制御する方法に係る。

自動車等の車輌の走行安定性を高める運転制御に当っては、車輪のタイヤが路面に対し摩擦により如何に良好に取り付いているか（グリップしているか）が重要である。車輌には、走行に伴って、車体の縦方向に作用する縦方向力と、これに対し直角に車体の横方向に作用する横方向力とが作用するので、タイヤと路面の間には、これらの縦方向力と横方向力とに抗する縦方向力と横方向力の合力が作用し、この合力の作用方向は車体に作用する縦方向力と横方向力の相互の割合に応じてタイヤと路面の接触中心より色々に変化する方向へ向かう。タイヤと路面の間に作用するこの合力の最大値はタイヤにかかる荷重とタイヤと路面の間の摩擦係数の積である。タイヤには種々の模様のタイヤ溝が付されてので、タイヤと路面の間の摩擦係数はタイヤの縦方向と横方向とで多少異なるが、通常この差を無視し、タイヤと路面の接触中心を中心とし、半径が前記合力の最大値に等しい円を想定し、この円がタイヤと路面の接触に於ける摩擦円と称されている。タイヤと路面の間に実際に作用する前記合力が摩擦円内であれば、タイヤは路面に対し摩擦的に取りついて（グリップして）おり、該合力が摩擦円の半径を超えれば、タイヤは路面上をスリップする。タイヤと路面の間に実際に作用する前記合力が摩擦円の半径に対しなす割合が摩擦円利用率と称されている。

摩擦円利用率を制御パラメータの一つとして車輌の挙動制御を行うことについては、例えば下記の特許文献１に、車輌の挙動制御と運転支援制御とを統合化してこれらの協調制御を効率よく安定して行うことを目的として、制御ユニットにより主に自車輌に対するドライバ操作から推定される目標挙動（目標前後力、目標ヨーモーメント）を演算し、予め設定したΔｔ秒後の自車輌の摩擦円利用率と判定対象とする全立体物に対する接触確率の統計と目標挙動の修正量とを含んで最小値を現出する目的関数を予め設定し、この目的関数を最小とする目標挙動修正量を演算し、目標挙動と目標挙動修正量とを基に制御量を決定し、この制御量により具体的な車輌挙動制御のアクチュエータの一例としての自動ブレーキ制御を実行することが記載されている。また下記の特許文献２には、所定の車体運動を得るための所望のヨーモーメントおよび前後力を実現するように各車輪毎にタイヤと路面との間の前後方向の摩擦係数の利用率である前後方向摩擦係数利用率を最小化し、該最小化された前後方向摩擦係数利用率に基づいて該車体運動を実現する車体運動実現方法が記載されている。
特開２００７-９９１６６ 特開２００５-１４５２５６

車体およびその積載物の荷重の合計は全ての車輪により分担して支えられ、この合計荷重は車輌の走行中には一定であるので、路面に対するタイヤのグリップをできるだけ良好にして車輌の旋回走行に於ける挙動の安定性を高める一つの対策として、上記の摩擦円利用率を車輪間にて均等化することが考えられる。４輪ないしそれ以上の数の車輪を有する自動車等の車輌に於いては、各車輪のタイヤと路面の間に作用する縦方向力は、当該車輪が駆動輪であれば駆動力または制動力の調整により、また当該車輪が従動輪であれば制動力の調整により、車輌の全体としての運転状態を運転者の運転意図に従った状態に維持しつつ、或る程度の範囲にて変更可能である。この場合、各車輪の駆動力或いは制動力を変更することにより車体には新たなヨーモーメントが生ずる恐れがあるが、これは操舵角の調整により相殺可能である。タイヤと路面の間に作用する横方向力は、主として車輌の旋回走行時に車体に作用する遠心力によるものであるので、調整は困難であるが、タイヤと路面の間に作用する力は縦方向力と横方向力の合力であるので、縦方向力のみによっても調整される。

ところで、或る特定の装置について、その或る特定の作動性能をその作動に関与する複数のパラメータの最適調整により最適化することが最適化の手法として種々開発されている。タイヤと路面の間に作用する前記の合力は、縦方向力の２乗と横方向力の２乗の和の平方根であるので、これは非線形のパラメータである。非線形パラメータについての最適化は、例えばSequential Conjugate Gradient and Restoration Algorithm （略してＳＣＧＲＡ）等の、非線形最適化法として種々開発されている。現今の車輌にはかなり高性能のコンピュータによる電子制御装置（ＥＣＵ）が装備されているので、この種の非線形最適化法により複数の車輪に於ける摩擦円利用率を均等化する車輌運転制御を行えば、車輌の旋回に於ける挙動性能を高めることができると考えられる。

しかし、上記の通りタイヤと路面の間に作用する前記の合力は、縦方向力の２乗と横方向力の２乗の和の平方根であり、その非線形度はかなり高いので、四輪車に於ける４つのタイヤについてそれらの摩擦円利用率を均等化する非線形最適化演算は、電子制御装置のコンピュータにとって大きな負担となり、かかる最適化制御を車輌に組み込むには、電子制御装置のコンピュータの処理能力を増大させる必要があり、コストが増加してしまう。

本発明は、上記の事情に着目し、電子制御装置のコンピュータに高負荷をかける非線形最適化演算等の高負荷の評価関数の演算を行なわせて車輌の旋回走行性能を向上させることを、電子制御装置のコンピュータのグレードアップに頼ることなく実現することのできる車輌運転制御方法を提供することを課題としている。

上記の課題を解決すべく、本発明は、車輌の走行性能に関与する複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に制御を行う車輌運転制御方法にして、前記複数のパラメータの少なくとも一つについて閾値を設定し、前記評価関数の演算により得られた値にて前記複数のパラメータを制御するのは前記の閾値を設定されたパラメータが該閾値の一方の側にあるときとされることを特徴とする車輌運転制御方法を提案するものである。

前記複数のパラメータは車輌の複数の車輪に於けるタイヤの摩擦円利用率であり、前記閾値を設定される少なくとも一つのパラメータは車輌の複数の車輪の少なくとも一つに於けるタイヤの摩擦円利用率であり、前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に制御を行うのは、前記閾値を設定された車輪のタイヤの摩擦円利用率が該閾値以上のときとされてよい。この場合、前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御は、タイヤの摩擦円利用率を車輪間にて均等化する制御であってよい。

前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御は、先行車輌により検出され車間通信手段により先行車輌より送信されてきた路面摩擦係数に基づいて行われてよい。

前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御は、ナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路に沿って行われてよく、更にナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路はＲＴＫ．ＧＰＳにより得られる車輌前方の走路上にある物体に応じて修正されてもよい。

前記閾値を設定されたパラメータが該閾値の一方の側とは反対の他方の側にあるときには、評価関数の演算によらない簡便な演算による制御が行われるようになっていてよい。かかる評価関数の演算によらない簡便な演算による制御は、ナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路に沿って車輌を走行させる操舵制御であってよく、更にナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路はＲＴＫ．ＧＰＳにより得られる車輌前方の走路上にある物体に応じて修正されてよい。

前記の車輌の走行性能に関与する複数のパラメータについての評価関数の演算は、複数のパラメータについて車輌の走行性能を最適化する最適値を非線形最適化演算により求める演算であってよい。

上記の如く、車輌の走行性能に関与する複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に制御を行う車輌運転制御方法に於いて、前記複数のパラメータの少なくとも一つについて閾値を設定し、前記評価関数の演算により得られた値にて前記複数のパラメータを制御するのは前記の閾値を設定されたパラメータが該閾値の一方の側にあるときとされれば、前記の閾値を適当に設定しておくことにより、評価関数の演算が一例として車輌の電子制御装置のコンピュータに大きな負荷がかかる非線形最適化演算のような演算であっても、その必要度が高く従ってまたその効果が特に大きい限られた期間に於いてのみ実施し、評価関数の演算のためにコンピュータをグレードアップしなくても、車輌の運転中常時行われる電子制御装置の作動を実質的に妨げることなく、評価関数演算制御の効果を上げることができる。

前記複数のパラメータが車輌の複数の車輪に於けるタイヤの摩擦円利用率であり、前記閾値を設定される少なくとも一つのパラメータが車輌の複数の車輪の少なくとも一つに於けるタイヤの摩擦円利用率であり、前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に制御を行うのは、前記閾値を設定された車輪のタイヤの摩擦円利用率が該閾値以上のときとされれば、そもそもタイヤの摩擦円利用率についての例えば最適化制御のような評価関数演算制御を行うのは、タイヤの摩擦円利用率が高く、タイヤにスリップが生じやすいときそれを回避するための制御であるので、評価関数演算制御の実施をその必要性が高いときに限って行うようにすることができる。この場合、前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御が、タイヤの摩擦円利用率を車輪間にて均等化する制御であれば、路面に対するタイヤのグリップ性能を最大限に高めることができる。

前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御が、先行車輌により検出され車間通信手段により先行車輌より送信されてきた路面摩擦係数に基づいて行われるようになっていれば、走路の前方にある路面の摩擦係数を予め知ることによってタイヤ摩擦円利用率に対する評価関数演算制御を早めに開始することができるので、評価関数演算に要する時間を長くすることができ、それだけ評価関数演算の密度を薄めてコンピュータに対する負荷を低減することができる。

前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御が、ナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路に沿って行われれば、走路の前方に於ける曲率を予め知ることによってタイヤ摩擦円利用率に対する評価関数演算制御を早めに開始することができ、このことによっても評価関数演算に要する時間を長くし、それだけ評価関数演算の密度を薄めてコンピュータに対する負荷を低減することができる。更にナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路がＲＴＫ．ＧＰＳにより得られる車輌前方の走路上にある物体に応じて修正されれば、評価関数演算制御の質は一層高められる。

前記閾値を設定されたパラメータが該閾値の一方の側とは反対の他方の側にあるときには、評価関数の演算によらない簡便な演算による制御が行われるようになっていえば、電子制御装置のコンピュータに大きな負荷をかけることなく、評価関数演算制御の実施時間が限られることによる制御不足を補うことができる。かかる評価関数演算によらない簡便な演算による制御が、ナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路に沿って車輌を走行させる操舵制御であれば、そもそも評価関数演算制御によりタイヤの摩擦円利用率を車輪間にて均等化するのは、車輌の急旋回時にタイヤスリップを抑えるためであるから、タイヤスリップの虞れの低い旋回時にはそれ相当の操舵制御を行うことにより、評価関数演算制御が実施されなくても、車輌の旋回走行性能を良好に確保することができる。この場合にも、更にナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路がＲＴＫ．ＧＰＳにより得られる車輌前方の走路上にある物体に応じて修正されれば、簡便な演算による制御の質を更に向上させることができる。

図１は、本発明による車輌運転制御方法を実施するための車輌運転制御装置のハードウエア的構成の一例をブロック線図にて示す図である。但し、本発明による車輌運転制御方法は、上記の通り非線形最適化演算制御等の評価関数演算制御の選択的実施に特徴を有するものであり、それを実施する車輌運転制御装置のハードウエア的構成は、図１に示す如き構成の他にこの技術の分野に於いて公知の範囲にて任意の構成とされてよいものである。

図１に示す車輌運転制御装置は、特に、車輌の前方にあってこれから車輌の走行環境となる事項に関する情報を予め取得して運転計画を作成する電子制御装置として作動するプレビュー情報ＥＣＵ（運転計画生成ＥＣＵ）と、これにプレビュー情報を提供するカメラ、ＲＴＫ．ＧＰＳ、レーダー、道路状況発信インフラからの信号等その他の情報取得手段を備えている。プレビュー情報ＥＣＵには、これによって生成された運転計画に基づいて車輌の運動を制御する運動制御ＥＣＵが連結されている。運動制御ＥＣＵは、操舵制御部を経てステアリングを制御し、制動制御部を経てブレーキを制御し、エンジン制御部を経てエンジンを制御するようになっている。プレビュー情報ＥＣＵおよび運動制御ＥＣＵには、各種のセンサよりそれらの作動に有用な情報が供給されるようになっている。

図２は、本発明による車輌運転制御方法の実施に於ける情報処理の構成の一例をブロック線図にて示す図である。この場合にも、本発明による車輌運転制御方法は、上記の通り非線形最適化演算制御等の評価関数演算制御の選択的実施に特徴を有するものであるので、図２に示す情報処理の構成は、本発明を表すその一部を除いて、図２に示す如き構成の他にこの技術の分野に於いて公知の範囲にて任意の構成とされてよいものである。

図２に示す情報処理構成に於いては、先ず運転者のハンドル操作による操舵入力と、運転者のアクセルペダルおよびブレーキペダルの操作によるペダル入力と、運転者の動作を監視するセンサからのドライバ監視信号に基づいて、運転者の運転意図を表すドライバ希望推定が行われ、それに基づく運転拘束条件が生成され、制御演算ブロックへ入力される。

またこれと並行して、ナビ通信センサにより得られる情報に基づいて走行可能な範囲を推定し、また車輌間通信手段により先行車輌から送られてくる路面の摩擦係数に関する情報に基づいて路面の摩擦係数分を推定し、これらに基づいて走路拘束条件を生成する走路拘束条件設定ブロックより、走路拘束条件が制御演算ブロックへ入力される。

また同じく上記と並行して、ＲＴＫ．ＧＰＳおよび各種のセンサにより車輌の位置、走行方向、速度、加速度等の車輌の運転状態を示す車輌状態量の推定が行われ、それが車輌状態条件として制御演算ブロックへ入力される。

制御演算ブロックに於いては、上記の走路拘束条件、運転拘束条件、車輌状態条件に基づき、曲がり角を素早く通り抜ける手法の一つであるOut-in-Outの如き任意の運転セオリーを用いて暫定運転計画が作成される。次いで、それに基づいて各車輪の摩擦円利用率が算出される。次いで、暫定運転計画に基づいて算出された各車輪の摩擦円利用率に所定の閾値を越えているものがあるか否かの判定が行なわれる。そして、この判定結果に基づいて、摩擦円利用率が所定の閾値を越えている車輪があるときには、走路拘束条件、運転拘束条件、車輌状態条件に車輌の力学特性を加えた条件に基づいて各車輪の摩擦円利用率を均等化する各車輪の制駆動力の目標値Ｆti（i＝fl，fr，rl，rr）とそれを補う操舵角の目標値θtがＳＣＧＲＡの如き非線形最適化演算により収束演算されるか、車輌を走路に対し最適の経路に沿って走行せしめる操舵角の目標値θtのみが、非線形最適化演算等の評価関数演算ではなく、簡便な制御演算により算出される。

かくして制御演算ブロックにて算出された各車輪の制駆動力目標値Ｆti（i＝fl, fr, rl, rr）および操舵角目標値θt、または操舵角目標値θtのみの値は、車輌運転ブロックへ入力される。車輌運転ブロックに於いては、Ｆti（i＝fl,
fr, rl, rr）およびθtまたはθtのみに基づいて、図１に示した操舵制御部、制動制御部、エンジン制御部を経てそれぞれステアリング、ブレーキ、エンジンを制御するための各アクチュエータへの指示信号の指示値が算出される。次いで、これらのアクチュエータ指示値は、手動／計画調停部にて運転者のハンドル操作による操舵入力、運転者のアクセルペダルおよびブレーキペダルの操作によるペダル入力、運転者の動作を監視するセンサからのドライバ監視信号を勘案して調停された後、図１に示した運動制御ＥＣＵへ送られ、操舵制御部を経てステアリングが制御され、制動制御部を経てブレーキが制御され、エンジン制御部を経てエンジンが制御される。

図３は、図１および図２に示した車輌運転制御装置を用いて本発明により評価関数制御の例として非線形最適化演算制御を選択的に実施して車輌の運転制御を行う要領を示すフローチャートである。かかるフローチャートに沿った制御は、車輌の運転中、数十ミリセカンド程度の周期にて繰り返されてよい。

制御が開始されると、ステップ（Ｓ）１０にて、車輌の電子制御装置に於いて所定時間内に所定の高負荷演算の実行が予想されるか否かが判断される。そして答がノーであれば、制御はステップ２０へ進む。

ステップ２０に於いては、各車輪の摩擦円利用率αiが算出される。ここでiは順次fl、fr、lr、rrに変えられ、前後左右の４輪についての摩擦円利用率が算出される。

次いで制御はステップ３０へ進み、αiのうちの最大のものの値が予め定められた或る閾値αo以下であるか否かが判断される。答がノーであれば、制御はステップ４０へ進み、上記の走路拘束条件、運転拘束条件、車輌状態条件、車輌力学特性より、運転者による運転意図を尊重しつつこれに好ましい自動修正を加えた運転状態の範囲内で、各車輪の摩擦円利用率を均等化する各車輪の制駆動力（即ち制動力または駆動力）および操舵角の非線形最適化演算が行われる。

次いで制御はステップ６０へ進み、上に算出された各車輪の制駆動力目標値および操舵角目標値に基づいて操舵制御、制動制御、エンジン制御が行われる。

一方、ステップ１０の答がイエスであるとき、或いはステップ３０の答がイエスであるときには、制御はステップ５０へ進み、上記の走路拘束条件、運転拘束条件、車輌状態条件、車輌力学特性に基づいて、非線形最適化演算ではない任意の簡便な制御演算により車輌を好ましい走行経路に沿って走行せしめる操舵角の目標値が算出される。この場合には、次のステップ７０に於いて操舵制御のみが行われる。

以上に於いては本発明を一つの実施の形態について詳細に説明したが、かかる実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

本発明による車輌運転制御方法を実施するための車輌運転制御装置のハードウエア的構成の一例を示すブロック線図。 本発明による車輌運転制御方法の実施に於ける情報処理の構成の一例を示すブロック線図。 図１および図２に示す車輌運転制御装置を用いて本発明により非線形最適化演算制御を選択的に実施して車輌の運転制御を行う要領を示すフローチャート。

Claims (10)

1. 車輌の走行性能に関与する複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に制御を行う車輌運転制御方法にして、前記複数のパラメータの少なくとも一つについて閾値を設定し、前記評価関数の演算により得られた値にて前記複数のパラメータを制御するのは前記の閾値を設定されたパラメータが該閾値の一方の側にあるときとされることを特徴とする車輌運転制御方法。
2. 前記複数のパラメータは車輌の複数の車輪に於けるタイヤの摩擦円利用率であり、前記閾値を設定される少なくとも一つのパラメータは車輌の複数の車輪の少なくとも一つに於けるタイヤの摩擦円利用率であり、前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に制御を行うのは、前記閾値を設定された車輪のタイヤの摩擦円利用率が該閾値以上のときとされることを特徴とする請求項１に記載の車輌運転制御方法。
3. 前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御は、タイヤの摩擦円利用率を車輪間にて均等化する制御であることを特徴とする請求項２に記載の車輌運転制御方法。
4. 前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御は、先行車輌により検出され車間通信手段により先行車輌より送信されてきた路面摩擦係数に基づいて行われることを特徴とする請求項２または３に記載の車輌運転制御方法。
5. 前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御は、ナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路に沿って行われることを特徴とする請求項３または４に記載の車輌運転制御方法。
6. 前記複数のパラメータについて評価関数の演算により得られた値にて時系列的に行う制御は、ナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路をＲＴＫ．ＧＰＳにより得られる車輌前方の走路上にある物体に応じて修正した車輌走行経路に沿って行われることを特徴とする請求項３または４に記載の車輌運転制御方法。
7. 前記閾値を設定されたパラメータが該閾値の一方の側とは反対の他方の側にあるときには、評価関数の演算によらない簡便な演算による制御が行われるようになっていることを特徴とする請求項１〜６にいずれかに記載の車輌運転制御方法。
8. 前記の評価関数の演算によらない簡便な演算による制御は、ナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路に沿って車輌を走行させる操舵制御であることを特徴とする請求項７に記載の車輌運転制御方法。
9. 前記の評価関数の演算によらない簡便な制御は、ナビ通信センサより得られる走路情報に基づいて設定される車輌走行経路をＲＴＫ．ＧＰＳにより得られる車輌前方の走路上にある物体に応じて修正した車輌走行経路に沿って車輌を走行させる操舵制御であることを特徴とする請求項７に記載の車輌運転制御方法。
10. 前記の車輌の走行性能に関与する複数のパラメータについての評価関数の演算は、複数のパラメータについて車輌の走行性能を最適化する最適値を非線形最適化演算により求める演算であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の車輌運転制御方法。

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