特開 2023-184130 操舵角算出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023184130

(43)【公開日】2023-12-28

(54)【発明の名称】操舵角算出方法

(51)【国際特許分類】

   B60W 30/02 20120101AFI20231221BHJP

   B60L 15/20 20060101ALI20231221BHJP

   B62D 6/00 20060101ALI20231221BHJP

【ＦＩ】

B60W30/02

B60L15/20 S

B62D6/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022098096

(22)【出願日】2022-06-17

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松元 勇磨

【テーマコード（参考）】

3D232

3D241

5H125

【Ｆターム（参考）】

3D232CC20

3D232DA03

3D232DA23

3D232DA92

3D232DA93

3D232EB04

3D232EB22

3D232EC22

3D232FF05

3D241BA18

3D241BC01

3D241BC02

3D241CA09

3D241CA16

3D241CC03

3D241CC17

3D241DA13Z

3D241DA52Z

3D241DA54Z

3D241DB02Z

3D241DB13Z

3D241DB15Z

3D241DB16Z

3D241DB24Z

5H125AA01

5H125AC12

5H125BA00

5H125BA07

5H125CA02

5H125EE42

5H125EE52

(57)【要約】

【課題】最適化精度を維持しつつ計算量の増加を抑制すること。
【解決手段】操舵角算出方法であって、車両の目標速度に基づいて、車両に設けられた複数の操舵輪に対する各車輪の操舵角を算出する第１算出ステップと、第１算出ステップで算出した各車輪の操舵角と、車両の目標駆動力とに基づいて、最適化手法を用いて各車輪で発生させる駆動力を算出する分配ステップと、分配ステップで算出した各車輪で発生させる駆動力に基づいて、各車輪の目標横力を実現する操舵角となるように、最終的な各車輪の操舵角を算出する第２算出ステップと、を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両の目標速度に基づいて、前記車両に設けられた複数の操舵輪に対する各車輪の操舵角を算出する第１算出ステップと、
前記第１算出ステップで算出した各車輪の操舵角と、前記車両の目標駆動力とに基づいて、最適化手法を用いて前記各車輪で発生させる駆動力を算出する分配ステップと、
前記分配ステップで算出した各車輪で発生させる駆動力に基づいて、前記各車輪の目標横力を実現する操舵角となるように、最終的な前記各車輪の操舵角を算出する第２算出ステップと、を含む
ことを特徴とする操舵角算出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、操舵角算出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、車両の姿勢を制御する姿勢制御を実行する際、姿勢制御の性能を低下させることなく、姿勢制御による消費電力を小さくするために、車両の各車輪に設けられたモータとアクティブサスペンションとの出力を制御することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－０４７７６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の構成は、高速域で使用する前提の技術であるため、車両の駆動力を各車輪に分配する際、車輪の操舵角を無視して、すなわち現在の操舵角をゼロに近似する前提で最適化計算式が立てられている。しかしながら、操舵機構を備えたモビリティ、例えば小型モビリティのように小回りの利く車両では操舵角を無視できないため、この技術を適用できない。

【0005】

そこで、操舵機構を備えたモビリティに適用するために、最適な操舵角を含めた最適化計算式を立式することが考えられる。しかしながら、この場合には、非線形最適化問題となる。非線形最適化問題として最適化計算を行うことも可能ではあるが、計算量は爆発的に増加し、制御負荷は大幅に増加するため、リアルタイム性が求められる走行制御での使用には適さない虞がある。

【0006】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、最適化精度を維持しつつ計算量の増加を抑制することができる操舵角算出方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る操舵角算出方法は、車両の目標速度に基づいて、前記車両に設けられた複数の操舵輪に対する各車輪の操舵角を算出する第１算出ステップと、前記第１算出ステップで算出した各車輪の操舵角と、前記車両の目標駆動力とに基づいて、最適化手法を用いて前記各車輪で発生させる駆動力を算出する分配ステップと、前記分配ステップで算出した各車輪で発生させる駆動力に基づいて、前記各車輪の目標横力を実現する操舵角となるように、最終的な前記各車輪の操舵角を算出する第２算出ステップと、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明では、最適化対象に操舵角を含めないことにより計算量の増加を抑制しつつ最適化精度を維持することができる。また、車輪の数を増やした場合にもそのまま制御を適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態における車両を説明するための図である。

【図2】図２は、走行制御部を説明するための図である。

【図3】図３は、左前輪を制御する場合を説明するための図である。

【図4】図４は、目標速度ベクトルを説明するための図である。

【図5】図５は、タイヤ８分力を求める式を説明するための図である。

【図6】図６は、タイヤ８分力を説明するための図である。

【図7】図７は、タイヤ横力と横滑り角との関係を示す図である。

【図8】図８は、仮タイヤ角と最終的なタイヤ角との誤差を説明するための図である。

【図9】図９は、制御構造の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における操舵角算出方法について具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

【0011】

図１は、実施形態における車両を説明するための図である。車両１は、走行制御部１０と、モータドライバ２０と、操舵アクチュエータ３０とを備えている。

【0012】

車両１は、走行用モータを搭載した小型モビリティである。この車両１は、走行用モータに電力を供給するバッテリを備える。小型モビリティは用途が多岐にわたるため、構造の自由度や使用条件の自由度が高いことを特徴とする。小型モビリティの使用域は低速である。また、小型モビリティが備える操舵機構は、車輪の操舵角を３６０ｄｅｇ自由に操舵できる場合もある。さらに、小型モビリティは自律制御により走行可能な場合もある。

【0013】

車両１は、全部で四つの車輪（左前輪、右前輪、左後輪、右後輪）を備え、各車輪はいずれも操舵輪である。車両１は、複数の操舵輪を備え、各車輪の操舵角を走行制御部１０により制御する。なお、この説明では、操舵角とタイヤ角とは同義である。車輪の操舵角は操舵輪のタイヤ角である。

【0014】

走行制御部１０は、車両１の走行を制御する電子制御装置である。走行制御部１０には車両１に搭載された各種センサからの信号が入力される。各種センサから入力された信号に基づいて走行制御部１０は走行制御を実行する。走行制御部１０は走行制御中、指令信号をモータドライバ２０と操舵アクチュエータ３０とに出力して各車輪の駆動力と操舵角とを制御する。

【0015】

走行制御部１０は、駆動力算出部１１と、タイヤ角仮算出部１２と、駆動力分配部１３と、トルク算出部１４と、タイヤ角算出部１５とを備える。

【0016】

駆動力算出部１１は、自律制御による目標速度や、ユーザの操作による操作量に基づいて、車両駆動力（車両６分力）の目標値を算出する。ユーザの操作は、車両１の運転者による操作であり、アクセルペダルの操作であるアクセル操作や、ブレーキペダルの操作であるブレーキ操作や、ステアリングの操作であるステアリング操作を含む。車両６分力は、前方向駆動力Ｆx、横方向駆動力Ｆy、上下方向駆動力Ｆz、ロール方向モーメントＭx、ピッチ方向モーメントＭy、ヨー方向モーメントＭzである。車両１が自律制御により走行可能な場合、駆動力算出部１１は自律制御からの速度指令を受信し、その速度指令に基づいて車両１の目標駆動力（車両駆動力の目標値）を算出する。

【0017】

タイヤ角仮算出部１２は、自律制御による目標速度や、ユーザの操作による操作量に基づいて、車両１に設けられた複数の操舵輪に対する各車輪の操舵角を仮決めする。タイヤ角仮算出部１２は、目標速度を実現するための速度指示や、ステアリング操作などのユーザ操作に応じて、幾何学計算によって各車輪の操舵角を算出する。

【0018】

駆動力分配部１３は、車両１の目標駆動力を複数の駆動輪に分配し、各駆動輪で発生させる駆動力を算出する。車両１では四つの操舵輪がいずれも駆動輪である。駆動力分配部１３は、駆動力算出部１１からの車両駆動力と、タイヤ角仮算出部１２からの各車輪の操舵角とを受信し、最適化手法を用いて、各接地点（各車輪）で発生させる駆動力を算出する。

【0019】

トルク算出部１４は、駆動力分配部１３による演算の結果（駆動力分配結果）から、実際に指令するトルク（指示トルク）を決定する。トルク算出部１４は、駆動力分配部１３からの各車輪の駆動力を受信し、その駆動力を実現するためのモータトルクを算出する。

【0020】

タイヤ角算出部１５は、駆動力分配部１３による演算の結果（駆動力分配結果）から、実際に指令する操舵角（指示舵角）を決定する。タイヤ角算出部１５は、駆動力分配部１３からの各車輪の駆動力を受信し、各車輪の目標横力を実現することができる操舵角を算出する。

【0021】

モータドライバ２０は、トルク算出部１４からの指示トルクを受信して、その指示トルクを出力するようにモータを制御する。

【0022】

操舵アクチュエータ３０は、タイヤ角算出部１５からの指示舵角を受信して、その指示舵角となるように操舵機構を制御する。

【0023】

例えば、走行制御部１０がモータドライバ２０および操舵アクチュエータ３０に指令信号を出力して車両１の左前輪を制御する場合、図３に示すように、左前輪は駆動力Ｆxlf、操舵角θlfに制御される。この操舵角θlfにより左前輪には横力Ｆylfが発生する。

【0024】

このように構成された走行制御部１０は、最適化精度を維持しつつ計算量の増加を抑制することが可能な制御構造となるよう、図１および図２に示すように、タイヤ角仮算出部１２とタイヤ角算出部１５とを備え、各車輪の操舵角の算出を２段階に分けている。第１段階は、操舵角の仮算出である。第２段階は、最終的な操舵角の算出である。

【0025】

第１段階である操舵角の仮算出では、ユーザ操作による操作量や自律走行機能からの目標速度に応じて、幾何学的に求めた操舵角を算出する。この操舵角は、車両１が目標速度で走行した際に車輪の横滑りがゼロとなる角度である。つまり、タイヤ角仮算出部１２は、目標速度で走行時に横滑りが発生しない操舵角を仮算出する。

【0026】

第２段階である最終的な操舵角の算出では、駆動力分配結果から、各車輪で発生すべき横力（目標横力）が分かるため、この目標横力を出すための操舵角を算出する。タイヤ角算出部１５は、車輪の目標横力を実現できる操舵角を算出し、その操舵角を指示舵角とする。

【0027】

例えば、車輪の横力は横滑り角５°程度で最大となる。そのため、第１段階の操舵角仮算出と第２段階の操舵角算出との差は５°以内になるはずである。このとき、最適化計算で生じる誤差（出せない出力を指令してしまう度合）は、１－cos５°＝０．００３となり、０．３％と計算されるため無視できるほど小さい。この制御構造によれば、駆動力分配内の計算が線形最適化となるため、高速に解を計算できる。よって、最適化精度を維持しつつ計算コストも少ない制御構造となる。

【0028】

ここで、走行制御部１０の制御構造をより詳細に説明する。この制御構造は、第１算出ステップであるタイヤ角仮算出、分配ステップである分配計算、第２算出ステップであるタイヤ角算出を含む。

【0029】

まず、タイヤ角仮算出について説明する。タイヤ角仮算出では、車両１の目標速度に基づいて、複数の操舵輪に対する各車輪の操舵角を算出する。タイヤ角仮算出部１２は、車輪の目標速度ベクトルを求める。目標速度（ｖx，ｖy，ｖz）の要求があるとき、図４に示すように、車両座標上で（ｘn，ｙn）の位置にある車輪の目標速度ベクトルｖn＝（ｖxn，ｖyn）は、下式（１）により表される。

【0030】

【数1】

【0031】

そして、タイヤ角仮算出部１２は、上式（１）を用いて、横滑りゼロで車輪が転がるための操舵角θnを求めることができる。操舵角θnは、下式（２）により表される。

【0032】

【数2】

【0033】

上式（２）において、atan2は、tanθn＝ｖyn／ｖxnの逆関数である。通常のatan関数の場合、－９０～９０ｄｅｇまでしかとれないため、この算出方法では、atan2（－１８０～１８０ｄｅｇ）を使用する。

【0034】

次に、分配計算について説明する。分配計算では、タイヤ角仮算出で求めた各車輪の操舵角と、車両１の目標駆動力とに基づいて、最適化手法を用いて各車輪で発生させる駆動力を算出する。車両１が全部で四つの車輪を備え、各車輪がいずれも操舵輪である場合について説明する。この場合、図５に示すように、タイヤＺ方向の力は無視して、車両６分力をタイヤ８分力に変換する式を立てる。

【0035】

車両６分力は、駆動力算出部１１により算出される。タイヤ８分力は、駆動力分配部１３により算出される。タイヤ８分力は、左前輪Ｘ方向駆動力Ｆxlf、左前輪Ｙ方向駆動力Ｆylf、右前輪Ｘ方向駆動力Ｆxrf、右前輪Ｙ方向駆動力Ｆyrf、左後輪Ｘ方向駆動力Ｆxlr、左後輪Ｙ方向駆動力Ｆylr、右後輪Ｘ方向駆動力Ｆxrr、右後輪Ｙ方向駆動力Ｆyrrである。タイヤ８分力の一例が図６に示されている。そして、駆動力分配部１３は、車両６分力を用いてタイヤ８分力を算出する。

【0036】

タイヤ８分力と車両６分力との関係式ｙ＝Ａｘは、下式（３）により表せる。

【0037】

【数3】

【0038】

このとき、操舵角θは、タイヤ角仮算出で求めたものである。ｒは、車両中心から左右車輪までのＹ方向距離［ｍ］である。ｌfは、車両中心から前輪までのＸ方向距離［ｍ］である。ｌrは、車両中心から後輪までのＸ方向距離［ｍ］である。なお、Ｘ方向は車両１の幅方向、Ｙ方向は車両１の前後方向である。また、Ｚ方向およびタイヤＺ方向は車両１の高さ方向である。

【0039】

また、制約条件として、モータトルク上下限によるＹ方向の力の制約と、タイヤ横力上下限によるタイヤＹ方向の力の制約と、バッテリ電力上下限による制約とを設定する。

【0040】

モータトルク上下限によるＹ方向の力の制約は、下式（４），（５）により表される。

【0041】

【数4】

【0042】

タイヤ横力上下限によるタイヤＹ方向の力の制約は、下式（６），（７）により表される。

【0043】

【数5】

【0044】

バッテリ電力上下限による制約は、下式（８）により表される。

【0045】

【数6】

【0046】

そして、駆動力分配部１３は、これらの制約条件を設定すると、最後に評価関数ｆncを設定する。評価関数ｆncは、下式（９）により表される。

【0047】

【数7】

【0048】

上式（９）において、右辺の第１項は、６分力との誤差を表し、右辺の第２項は、２乗ノムル最小を表す。駆動力分配部１３は、この評価関数ｆncを用いて、最適化ソルバー（有効制約法など）で分配計算を解く。この分配計算では、制約条件を満たす中で評価関数ｆncが最小となるｘ（タイヤ８分力）が算出され、分配が完了する。

【0049】

このように、分配計算では、タイヤ８分力を最適化計算（反復計算）により求める。その際、最適化ソルバーを利用する。また、満たすべき制約条件と評価関数とを与えることで、この問題は２次計画問題に分類されるため、有効制約法を用いて高速に解を求めることができる。評価関数ｆncを用いることにより、レート制限やグリップ最適などの任意の要件を設定できるようになる。

【0050】

次に、タイヤ角算出について説明する。タイヤ角算出では、分配計算により求めた各車輪で発生させる駆動力に基づいて、各車輪の目標横力を実現する操舵角となるように、最終的な各車輪の操舵角を算出する。タイヤ角算出部１５は、分配計算で求めたタイヤ８分力を用いて、最終的な各車輪の操舵角を算出する。

【0051】

具体的には、タイヤＹ方向の力を操舵によるタイヤ横力で実現する。タイヤ横力はタイヤ横滑り角によって実現できる。そのために、タイヤ接地点の速度ベクトルの角度に、目的のタイヤ横力を実現するための横滑り角を加算したものを最終的な操舵角とする。

【0052】

タイヤ角算出部１５は、車輪の速度ベクトルを求める。車両実速度（ｖxreal，ｖyreal，ωzreal）が測定または推定されているとき、車両座標上で（ｘn，ｙn）の位置にある車輪の速度ベクトルｖnreal＝（ｖxnreal，ｖynreal）は、下式（１０）により表される。

【0053】

【数8】

【0054】

また、タイヤ角算出部１５は、上式（１０）を用いて、速度ベクトルの角度θnrealを求めることができる。速度ベクトルの角度θnrealは、下式（１１）により表される。

【0055】

【数9】

【0056】

さらに、タイヤ角算出部１５は、タイヤ特性に基づいて、車輪の目標横力を実現するための横滑り角θnslipを算出する。タイヤ特性は、図７に示すように、車輪の横力と横滑り角との関係により表されるものである。つまり、目標となるタイヤ横力が定めることにより、その横力を実現するための横滑り角を特定することができる。

【0057】

そして、タイヤ角算出部１５は、速度ベクトルの角度θnrealと横滑り角θnslipとを用いて、最終的な第ｎ輪の操舵角θntagを算出する。最終的な第ｎ輪の操舵角θntagは、下式（１２）により表される。

【0058】

【数10】

【0059】

このようにしてタイヤ角算出部１５は指示舵角を求めることができる。この場合、駆動力分配で制約として使用したタイヤ角（最初のタイヤ角仮算出で求めたもの）と、最後に実際に指令したタイヤ角とが異なる。その結果、モータによって実現するタイヤＸ方向の力Ｆnxが想定よりも出せなくなる場合がある（図８参照）。しかし、タイヤ横力と横滑り角との関係上（５ｄｅｇ程度で横力が飽和するため、５ｄｅｇ以上横滑りさせない）、仮タイヤ角と指示タイヤ角とのずれは最大５ｄｅｇ程度となる。５ｄｅｇのずれの場合、タイヤＸ方向の力Ｆnxは駆動力分配で想定した制約のcos５°倍までしか出力できないことになるが、cos５°は９９．７％程度であり、誤差は０．３％である。そのため、この誤差を無視することができる。

【0060】

以上説明した通り、実施形態によれば、車輪の操舵角を算出する際に、最適化対象に操舵角を含めないことにより計算量の増加を抑制しつつ最適化精度を維持することができる。また、車輪の数を増やした場合にもそのまま制御を適用することができる。

【0061】

なお、車両１の複数の操舵輪のうち、左前輪の駆動力および操舵角を制御する例について説明したが、その制御は、いずれの操舵輪に対しても適用可能である。つまり、走行制御部１０は車両１の左前輪、右前輪、左後輪、右後輪の四輪すべてに対して駆動力および操舵角を制御することが可能である。

【0062】

また、車両１が備える車輪の個数は４個の場合に限定されず、車輪は任意の個数、任意の位置に設置されていてもよい。

【0063】

また、車両１が備える車輪は全て操舵輪でなくてもよい。すなわち、車両１は操舵できない車輪を含んでいてもよい。この場合、走行制御部１０はタイヤ角算出を常に０にすることで対応可能である。

【0064】

また、車両１は駆動できない車輪を含んでもよい。この場合、駆動力分配でＦnxの上下限制約を０に固定すればよい。

【0065】

また、車両１が備える車輪は、オムニホイール、メカナムホイールなどの特殊な車輪を含んでいてもよい。この場合、タイヤ角算出の結果を常に０にすることで対応可能である。

【0066】

また、各車輪駆動力、制動力を制御できるのであれば、動力源はモータである必要はない。また、１輪につき１モータを設置する構造に限定されない。例えば、エンジンとトルク分配比率を制御可能なデフと各輪独立で制御できるブレーキを備える。

【0067】

また、タイヤ角仮算出結果の代わりに、現在のタイヤ角を用いてもよく、あるいは前回のタイヤ角指令値を用いてもよい。

【0068】

また、目標速度の代わりに、ユーザ操作（アクセル、ブレーキ、ジョイスティックなど）を直接入力し、タイヤ角仮算出部１２で目標速度を算出してもよい。

【0069】

また、トルク算出とタイヤ角算出とを連成（連立方程式を立てる。２入力２出力なので解ける）し、より正確に指示トルクと指示舵角とを算出できる。

【0070】

また、駆動力分配部１３とタイヤ角算出部１５の処理において、横力Ｆnyの算出を行わず（Ｆnyに関する式を抜いて最適化）、タイヤ角算出を行わず、タイヤ角仮算出の結果をそのまま指示タイヤ角として使用することも可能である（図９参照）。この場合、精度が落ちるものの処理負荷は軽減される。

【符号の説明】

【0071】

１ 車両
１０ 走行制御部
１１ 駆動力算出部
１２ タイヤ角仮算出部
１３ 駆動力分配部
１４ トルク算出部
１５ タイヤ角算出部
２０ モータドライバ
３０ 操舵アクチュエータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】