JP7466796B2 - 最適演算装置 - Google Patents
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Description
予測期間の各時点の入力変数の初期値を設定する初期値設定部と、
演算周期毎に、2つ以上の評価要素を有する最適化問題を解くように、前記入力変数を入力とし、状態変数を演算する状態方程式を用い、前記入力変数を前記初期値から繰り返し演算により更新し、前記予測期間の各時点の前記状態変数及び前記入力変数の最適値を演算する最適値演算部と、を備え、
前記初期値設定部は、前記最適値演算部における前記初期値を用いた初期の演算において、前記最適化問題から、特定種類の前記入力変数に関連する対象種類の前記評価要素を除外できるように、複数の設定方式を切り替えて、前記特定種類の入力変数の前記初期値を設定し、
前記最適値演算部は、前記初期値を用いた前記初期の演算において、前記最適化問題から、前記特定種類の入力変数に関連する前記対象種類の評価要素を除外して、演算を行い、
前記対象種類の前記評価要素は、前記特定種類の入力変数に応じて変化する前記状態変数である特定影響の状態変数を、正の上限値により上限制限すると共に負の下限値により下限制限するための評価要素であり、
前記初期値設定部は、前回の前記演算周期において演算された前記特定種類の入力変数の前記最適値の正負と、前回の前記演算周期において演算された前記特定影響の状態変数の前記最適値の正負とが一致するか否かを判定し、
2つの正負が一致しない場合は、前記特定種類の入力変数の前記初期値を、前回の前記演算周期において演算された前記特定種類の入力変数の前記最適値に設定し、
2つの正負が一致する場合は、前記特定種類の入力変数の前記初期値を、前記特定影響の状態変数が前記上限値又は前記下限値を超過しないような切替値に設定する前記設定方式を用いるものである。
実施の形態1に係る最適演算装置について図面を参照して説明する。本実施の形態では、最適演算装置は、自車両に搭載されており、自車両の制御の最適演算を行う。最適演算装置は、車両制御装置50に組み込まれている。車両システム1及び車両制御装置50は、自車両に搭載されている。
車両制御装置50は、周辺状況取得部51、走行状態取得部52、目標走行状態設定部53、初期値設定部54、最適値演算部55、及び車両制御部56等の機能部を備えている。車両制御装置50の各機能は、車両制御装置50が備えた処理回路により実現される。具体的には、図2に示すように、車両制御装置50は、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90、記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入出力する入出力装置92等を備えている。
周辺状況取得部51は、自車両の周辺状況を取得する。例えば、周辺状況取得部51は、自車両の周囲に存在する他車両等を検知する。周辺状況取得部51は、周辺監視装置32から取得した検知情報、及び位置検出装置33から取得した自車両の位置情報に基づいて、他車両の位置、移動方向、移動速度などを検知する。また、周辺状況取得部51は、他車両以外にも、道路区画線等の車線形状、障害物、歩行者、標識なども検知する。
走行状態取得部52は、自車両の走行状態を取得する。走行状態取得部52は、車両状態検出装置31から、自車両の走行状態として、自車両の車両速度V、加速度α、自車両のロール角速度、ピッチ角速度、及びヨー角速度γを取得する。また、走行状態取得部52は、位置検出装置33から取得した自車両の位置情報に基づいて、自車両の位置、移動方向などを取得する。また、走行状態取得部52は、周辺状況取得部51から取得した車線の形状に基づいて、車線に対する自車両の走行位置の情報を取得する。また、走行状態取得部52は、車両制御部56から操舵角δ、内燃機関等の動力機の出力、及びブレーキの動作状態などの運転操作状態を取得する。
目標走行状態設定部53は、自車両の目標走行状態を設定する。目標走行状態設定部53は、周辺状況取得部51により検知された自車両の周辺の他車両、道路形状、障害物、及び歩行者等の状態に合わせた、目標走行状態を生成する。本実施の形態では、目標走行状態は、目標走行軌道であり、将来の各時点における自車両の位置、自車両の進行方向、及び自車両の速度等の時系列の走行計画である。目標走行軌道の生成には、公知の各種の方法が用いられる。
車両制御部56は、後述する最適値演算部55により設定された車両制御量の目標値に基づいて、自車両を制御する。本実施の形態では、車両制御量の目標値は、各時点の操舵角δの目標値、各時点の加速度αの目標値である。
初期値設定部54は、予測期間の各時点kの入力変数u(k)の初期値u0(k)を設定する。最適値演算部55は、演算周期毎に、2つ以上の評価要素を有する最適化問題を解くように、入力変数uを入力とし、状態変数xを演算する状態方程式を用い、入力変数uを初期値u0から繰り返し演算により更新し、予測期間の各時点kの入力変数の最適値u*(0)を演算する。
次式に示すように、状態変数xの状態方程式は、各時点kの状態変数の時間微分dx/dt(k)が、各時点kの状態変数x(k)及び入力変数u(k)を入力とする関数fで表される。状態変数が複数の場合は、xはベクトルになり、入力変数が複数の場合は、uはベクトルになる。ここで、kは、予測期間の各時点を表し、k=0が、現在であり、k=Nが予測期間の終点であり、ホライズンと呼ばれる。
有効制約法では、式(4)から式(6)が満たされる状態変数x*及び入力変数u*を繰り返し生成し、式(7)が満たされた時点で生成を終了し、式(7)が満たされたときの状態変数x*及び入力変数u*を最終的な最適値として算出する。
そこで、初期値設定部54は、最適値演算部55における入力変数の初期値u0を用いた初期の演算において、最適化問題から、特定種類の入力変数に関連する対象種類の評価要素(本例では、制約条件)を除外できるように、複数の設定方式を切り替えて、特定種類の入力変数の初期値を設定する。
本実施の形態では、状態方程式として、車両制御に係る入力変数uを入力とし、自車両の挙動を表す状態変数xを演算する車両モデルの状態方程式を用いる。車両モデルに、二輪モデルを用いる。車両モデルの状態方程式は、次式に示すように、自車両の挙動を表す各状態変数の微分方程式で表せられる。なお、車両モデルの状態方程式として、公知の各種の状態方程式が用いられてもよい。
本実施の形態では、車両挙動の望ましさを評価する評価関数Jとして2次式の次式が用いられる。評価関数Jは、目標走行状態(目標走行軌道)と予測走行状態との差が小さくなるほど評価が高くなる(本例では、値が小さくなる)評価要素である。なお、評価関数Jには、式(9)から変形されたものが用いられてもよい。
本実施の形態では、第1及び第2の制約条件g1、g2として、次式に示すように、加速度αを、正の上限値αHにより上限制限すると共に、負の下限値αLにより下限制限する。乗り心地をよくするためである。
上述したように、初期値設定部54は、最適値演算部55における入力変数の初期値u0を用いた初期の演算において、最適化問題から、特定種類の入力変数に関連する対象種類の制約条件を除外できるように、複数の設定方式を切り替えて、特定種類の入力変数の初期値を設定する。
式(10)に示したように、第1及び第2の制約条件g1、g2(対象種類の評価要素)は、加加速度j(特定種類の入力変数)に応じて変化する状態変数である加速度α(特定影響の状態変数)を、正の上限値αHにより上限制限すると共に負の下限値αLにより下限制限するための評価要素である。
第2の特定種類の入力変数は、操舵角速度ωに設定されており、第2の特定種類の入力変数に関連する第2の対象種類の評価要素は、式(11)に示した第3及び第4の制約条件g3、g4に設定されている。
操舵角速度ωが正である場合は、操舵角δが増加し、車両の進行方向が左側に変化し、横方向の位置Xが正の方向(左側)に変化する。一方、操舵角速度ωが負である場合は、操舵角δが減少し、車両の進行方向が右側に変化し、横方向の位置Xが負の方向(右側)に変化する。
次に、実施の形態2に係る最適演算装置について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る最適演算装置の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、初期値設定部54の処理が実施の形態1と異なる。
本実施の形態でも、第1の特定種類の入力変数は、加加速度jに設定されており、第1の特定種類の入力変数に関連する第1の対象種類の評価要素は、式(10)に示した第1及び第2の制約条件g1、g2に設定されている。第1及び第2の制約条件g1、g2(対象種類の評価要素)は、加加速度j(特定種類の入力変数)に応じて変化する状態変数である加速度α(特定影響の状態変数)を、正の上限値αHにより上限制限すると共に負の下限値αLにより下限制限するための評価要素である。
第2の特定種類の入力変数は、操舵角速度ωに設定されており、第2の特定種類の入力変数に関連する第2の対象種類の評価要素は、式(11)に示した第3及び第4の制約条件g3、g4に設定されている。第3及び第4の制約条件g3、g4(対象種類の評価要素)は、操舵角速度ω(特定種類の入力変数)に応じて変化する状態変数である横方向の位置X(特定影響の状態変数)を、正の上限値XHにより上限制限すると共に負の下限値XLにより下限制限するための評価要素である。
次に、実施の形態3に係る最適演算装置について説明する。上記の実施の形態1又は2と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る最適演算装置の基本的な構成は実施の形態1又は2と同様であるが、初期値設定部54の処理が実施の形態1又は2と異なる。
本実施の形態でも、第1の特定種類の入力変数は、加加速度jに設定されており、第1の特定種類の入力変数に関連する第1の対象種類の評価要素は、式(10)に示した第1及び第2の制約条件g1、g2に設定されている。第1及び第2の制約条件g1、g2(対象種類の評価要素)は、加加速度j(特定種類の入力変数)に応じて変化する状態変数である加速度α(特定影響の状態変数)を、正の上限値αHにより上限制限すると共に負の下限値αLにより下限制限するための評価要素である。
第2の特定種類の入力変数は、操舵角速度ωに設定されており、第2の特定種類の入力変数に関連する第2の対象種類の評価要素は、式(11)に示した第3及び第4の制約条件g3、g4に設定されている。第3及び第4の制約条件g3、g4(対象種類の評価要素)は、操舵角速度ω(特定種類の入力変数)に応じて変化する状態変数である横方向の位置X(特定影響の状態変数)を、正の上限値XHにより上限制限すると共に負の下限値XLにより下限制限するための評価要素である。
上記の各実施の形態では、状態方程式に車両モデルが用いられ、車両制御の最適化問題が解かれる場合を例に説明した。しかし、状態方程式に、各種の制御対象の式が用いられてよく、最適演算装置は、各種の制御対象の最適化問題に適用されてもよい。
Claims (9)
- 予測期間の各時点の入力変数の初期値を設定する初期値設定部と、
演算周期毎に、2つ以上の評価要素を有する最適化問題を解くように、前記入力変数を入力とし、状態変数を演算する状態方程式を用い、前記入力変数を前記初期値から繰り返し演算により更新し、前記予測期間の各時点の前記状態変数及び前記入力変数の最適値を演算する最適値演算部と、を備え、
前記初期値設定部は、前記最適値演算部における前記初期値を用いた初期の演算において、前記最適化問題から、特定種類の前記入力変数に関連する対象種類の前記評価要素を除外できるように、複数の設定方式を切り替えて、前記特定種類の入力変数の前記初期値を設定し、
前記最適値演算部は、前記初期値を用いた前記初期の演算において、前記最適化問題から、前記特定種類の入力変数に関連する前記対象種類の評価要素を除外して、演算を行い、
前記対象種類の前記評価要素は、前記特定種類の入力変数に応じて変化する前記状態変数である特定影響の状態変数を、正の上限値により上限制限すると共に負の下限値により下限制限するための評価要素であり、
前記初期値設定部は、前回の前記演算周期において演算された前記特定種類の入力変数の前記最適値の正負と、前回の前記演算周期において演算された前記特定影響の状態変数の前記最適値の正負とが一致するか否かを判定し、
2つの正負が一致しない場合は、前記特定種類の入力変数の前記初期値を、前回の前記演算周期において演算された前記特定種類の入力変数の前記最適値に設定し、
2つの正負が一致する場合は、前記特定種類の入力変数の前記初期値を、前記特定影響の状態変数が前記上限値又は前記下限値を超過しないような切替値に設定する前記設定方式を用いる最適演算装置。 - 予測期間の各時点の入力変数の初期値を設定する初期値設定部と、
演算周期毎に、2つ以上の評価要素を有する最適化問題を解くように、前記入力変数を入力とし、状態変数を演算する状態方程式を用い、前記入力変数を前記初期値から繰り返し演算により更新し、前記予測期間の各時点の前記状態変数及び前記入力変数の最適値を演算する最適値演算部と、を備え、
前記初期値設定部は、前記最適値演算部における前記初期値を用いた初期の演算において、前記最適化問題から、特定種類の前記入力変数に関連する対象種類の前記評価要素を除外できるように、複数の設定方式を切り替えて、前記特定種類の入力変数の前記初期値を設定し、
前記最適値演算部は、前記初期値を用いた前記初期の演算において、前記最適化問題から、前記特定種類の入力変数に関連する前記対象種類の評価要素を除外して、演算を行い、
前記対象種類の前記評価要素は、前記特定種類の入力変数に応じて変化する前記状態変数である特定影響の状態変数を、正の上限値により上限制限すると共に負の下限値により下限制限するための評価要素であり、
前記初期値設定部は、前回の前記演算周期において演算された前記特定種類の入力変数の前記最適値の正負と、前回の前記演算周期において演算された前記特定影響の状態変数の前記最適値の正負とが一致するか否かを判定し、
2つの正負が一致しない場合は、前記特定種類の入力変数の前記初期値を、前回の前記演算周期において演算された前記特定種類の入力変数の前記最適値に設定し、
2つの正負が一致する場合は、前記特定種類の前記初期値を、前回の前記演算周期において演算された前記特定種類の入力変数の前記最適値に設定した場合に、前記特定影響の状態変数が、前記上限値又は前記下限値を超過するか否かを判定し、超過しないと判定した場合は、前記特定種類の前記初期値を、前回の前記演算周期において演算された前記特定種類の入力変数の前記最適値に設定する前記設定方式を用い、超過すると判定した場合は、前記特定種類の前記初期値を、前記特定影響の状態変数が前記上限値又は前記下限値を超過しないような切替値に設定する前記設定方式を用いる最適演算装置。 - 予測期間の各時点の入力変数の初期値を設定する初期値設定部と、
演算周期毎に、2つ以上の評価要素を有する最適化問題を解くように、前記入力変数を入力とし、状態変数を演算する状態方程式を用い、前記入力変数を前記初期値から繰り返し演算により更新し、前記予測期間の各時点の前記状態変数及び前記入力変数の最適値を演算する最適値演算部と、を備え、
前記初期値設定部は、前記最適値演算部における前記初期値を用いた初期の演算において、前記最適化問題から、特定種類の前記入力変数に関連する対象種類の前記評価要素を除外できるように、複数の設定方式を切り替えて、前記特定種類の入力変数の前記初期値を設定し、
前記最適値演算部は、前記初期値を用いた前記初期の演算において、前記最適化問題から、前記特定種類の入力変数に関連する前記対象種類の評価要素を除外して、演算を行い、
前記対象種類の前記評価要素は、前記特定種類の入力変数の積算により変化する状態変数である特定影響の状態変数を、上限値により上限制限すると共に下限値により下限制限するための評価要素であり、
前記初期値設定部は、前記特定種類の前記初期値を、前回の前記演算周期において演算された前記特定種類の入力変数の前記最適値に設定した場合に、前記特定影響の状態変数が、前記上限値又は前記下限値を超過するか否かを判定し、
超過しないと判定した場合は、前記特定種類の前記初期値を、前回の前記演算周期において演算された前記特定種類の入力変数の前記最適値に設定し、
超過すると判定した場合は、前記特定種類の前記初期値を、前記特定影響の状態変数が前記上限値又は前記下限値を超過しないような切替値に設定する前記設定方式を用いる最適演算装置。 - 前記初期値設定部は、前記切替値として0を用いる請求項1、2、及び3のいずれか一項に記載の最適演算装置。
- 前記初期値設定部は、前記上限値又は前記下限値に応じた値に基づいて、前記切替値を設定する請求項1、2、及び3のいずれか一項に記載の最適演算装置。
- 自車両の周辺状態を取得する周辺状態取得部と、
自車両の走行状態を取得する走行状態取得部と、
自車両の目標走行状態を設定する目標走行状態設定部と、
車両制御量の目標値に基づいて、自車両を制御する車両制御部と、を備え、
前記最適値演算部は、演算周期毎に、少なくとも、前記目標走行状態と前記状態方程式を用いて予測される予測走行状態との差が小さくなるほど評価が高くなる前記評価要素としての評価関数と、前記特定種類の入力変数に関連する前記対象種類の評価要素とを有する前記最適化問題を解くように、車両制御に係る前記入力変数を入力とし、自車両の挙動を表す前記状態変数を演算する前記状態方程式を用い、前記入力変数を前記初期値から繰り返し演算により更新し、前記予測期間の各時点の前記入力変数の最適値を演算し、前記最適値に基づいて、前記車両制御量の目標値を設定する請求項1から5のいずれか一項に記載の最適演算装置。 - 前記対象種類の前記評価要素は、前記特定種類の入力変数に応じて変化する前記状態変数である特定影響の状態変数を、制限値により制限するための評価要素であり、
前記特定種類の入力変数は、自車両の加加速度であり、
前記特定影響の状態変数は、自車両の加速度であり、
前記車両制御量の目標値は、自車両の加速度である請求項6に記載の最適演算装置。 - 前記対象種類の前記評価要素は、前記特定種類の入力変数に応じて変化する前記状態変数である特定影響の状態変数を、制限値により制限するための評価要素であり、
前記特定種類の入力変数は、自車両の操舵角速度であり、
前記特定影響の状態変数は、自車両の横方向の位置であり、
前記車両制御量の目標値は、自車用の操舵角である請求項6又は7に記載の最適演算装置。 - 前記最適化問題は、2つ以上の前記評価要素の勾配をラグランジュ乗数で線形結合した、前記最適値が満たすべき最適条件であるカルーシュ・クーン・タッカー条件を有する請求項1から8のいずれか一項に記載の最適演算装置。
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