Microsoft PowerPoint ZMPフォーラム簡易版

永井

永井

正夫

正夫

東京農工大学

東京農工大学

第3回「ZMPフォーラム」

2011年11月29日開催 13:00～18:00

カー･ロボティクス概説

超小型電気自動車

の運動制御と自動運転の事例紹介

Crash 事故発生 危険が顕在化していない 危険が顕在化している 衝突が 避けられない アクティブセーフティ (Active Safety) プリクラッシュ セーフティ (Pre‐Crash Safety) 衝突安全システム (Passive Safety) 衝突までの時間 [s] 0 情報提供 追突警報 衝突被害軽減 ブレーキ 横すべり防止装置(ESC) 周辺視界情報提供装置 車線逸脱警報 アクティブ4WS シートベルト エアバッグ 衝撃吸収車体 ABS Brake Assist 車間距離自動維持支援(ACC) 車線維持支援装置 (LKAS) 統合制御(VDIM) Crash 事故発生 危険が顕在化していない 危険が顕在化している 衝突が 避けられない アクティブセーフティ (Active Safety) プリクラッシュ セーフティ (Pre‐Crash Safety) 衝突安全システム (Passive Safety) 衝突までの時間 [s] 0 情報提供 追突警報 衝突被害軽減 ブレーキ 横すべり防止装置(ESC) 周辺視界情報提供装置 車線逸脱警報 アクティブ4WS シートベルト エアバッグ 衝撃吸収車体 ABS Brake Assist 車間距離自動維持支援(ACC) 車線維持支援装置 (LKAS) 統合制御(VDIM)

図１ 予防安全技術の現状

ぶつからない車

予防安全技術の現状

ロボットと違って自動車は衝突時のダメージは桁外れに大きい． 時速6キロ以下の車椅子が壁にぶつかる時と，時速60キロで自動 車がぶつかる時とでは，速度の二乗比で100倍，質量比10倍とする と合計1000倍の運動エネルギーの差。

PCS (Pre-Crash Safety)、 CMS （Collision Mitigation System）

衝突が避けられないと判断した時に「予想される衝突速度」を低下 させて，被害を軽減させる衝突被害軽減ブレーキである．

ACC（Adaptive Cruise Control） LKAS (Lane Keeping Assist System)

ドライバの運転負荷を軽減させることを目的とし，運転操作の一部 を自動化していると考えることができる。制御までするまでもなく， 前車に接近し過ぎたり，車線から逸脱しそうになった時に警報を出 すシステムとセットで実現している． トラクションコントロールシステム (第4章） Traction Control System (TCS) 車間距離自動追従制御系 (第8章） Adaptive Cruise Control (ACC) 直接ヨーモーメント制御系 （第5章） Direct Yaw Moment Control (DYC) 前輪アクティブ操舵制御系 (第6章） Active Front Steering (AFS) 車線自動追従制御系（第7章） Automatic Lane Keeping System (LKS) 経路自動追従制御系（第9章） Path Tracking Control System 障害物回避のための自動操舵（第10章） Obstacle Avoidance by Auto‐Steering Maneuver 障害物回避のための自動ブレーキ（第10章） Obstacle Avoidance by Auto‐Braking Maneuver 前後運動制御（加速） 横運動制御 前後運動制御（減速） 走る 曲がる 止まる トラクションコントロールシステム (第4章） Traction Control System (TCS) 車間距離自動追従制御系 (第8章） Adaptive Cruise Control (ACC) 直接ヨーモーメント制御系 （第5章） Direct Yaw Moment Control (DYC) 前輪アクティブ操舵制御系 (第6章） Active Front Steering (AFS) 車線自動追従制御系（第7章） Automatic Lane Keeping System (LKS) 経路自動追従制御系（第9章） Path Tracking Control System 障害物回避のための自動操舵（第10章） Obstacle Avoidance by Auto‐Steering Maneuver 障害物回避のための自動ブレーキ（第10章） Obstacle Avoidance by Auto‐Braking Maneuver 前後運動制御（加速） 横運動制御 前後運動制御（減速） 走る 曲がる 止まる

図２ 「カー・ロボティクス」の車両運動制御システム

ABS(Anti-lock Braking System)、(Brake Assist, BA)

ブレーキペダルの急操作において最大のブレーキ力と走行安定性 を維持する技術であり，ドライバ操作による危険回避能力を高める 支援システム

ESC (Electronic Stability Control)

車体横滑り防止装置が，米国で義務付けられたことを契機として 急速に普及し始めている．横滑りを抑えることにより，ドライバの危 険回避を支援する技術といえる．

４ＷＳ (Four Wheel Steering)は，急な操舵によってもふらつくことな く衝突を回避できる装置であり，操縦安定性を向上

車両運動統合制御システム

VDIM （Vehicle Dynamics Integrated Management）

代表的な車両運動制御システム

Introduction and Perspectives of

Vehicle Dynamics and Chassis Control

車両運動モデリングの基本

永井正夫

Fig.11886 Benz “Patent Motor Car”First high-speed single-cylinder four-stroke engine.

Modeling and Simulation

for Vehicle Dynamics

x

f

cV

V

m







V

x

f

m

V

m

c

V









1

Vehicle Dynamics Expressions I

Vehicle Dynamics Expressions I

Longitudinal motion

Longitudinal motion

State Space Equation

State Space Equation

Application

• Traction control (TCS) • Braking control (ABS)

• Powertrain control (EV, HEV) • Platoon control, ACC

z

f

kz

z

c

z

m



 





z

u

m

z

z

m

c

m

k

z

z

































































1

0

1

0

2 1 2 1





Vehicle Dynamics Expressions II

Vehicle Dynamics Expressions II

Vertical motion

Vertical motion

State Space Equation

State Space Equation

Application

• Active suspension control (Rail / Road vehicles,

MAGLEV, etc. )





f

_y

y

m







_



N

I









ur

f

_y

v

m

(



)





N

_

r

I



V

u



v

r

Vehicle Dynamics Expressions III

Vehicle Dynamics Expressions III

Planar motion

Planar motion

Handling and Stability

Handling and Stability

Earth Earth--fixed fixed

coordinate coordinate

system system

Vehicle Vehicle--fixed fixed

coordinate coordinate

system system

Lane keeping system Handling and stability

Driver Steering System Brake, Accelerator Vehicle Disturbances Road conditions ahead of vehicle Steering feedback Angle Torque Position Heading angle Speed Road position

車両工学入門

・衝突安全

衝撃を吸収して人間のダメージを軽減

ASV : Advanced Safety Vehicle

先進安全自動車

・

予防安全

事故を未然に防ぐ、事故を起こさない車

１．自動車の運動と制御に関する研究

○ タイヤHILSの開発と応用 ○ EPSのHILSの開発と評価 ○ 車両運動の統合制御（DYC,AFS,ARS） ○ EPS、X-By-WIREの研究 ○ 電気自動車の運動制御

先端モビリティ研究室 紹介

２．ITSと予防安全に関する研究

○ 車線追従支援システムの開発 ・・・ ○ 高度運転支援システム（合流支援） ・・・・（AHS） ○ 地震時の運転挙動のモデル化 ○ HV車の燃費向上に向けた運転挙動のモデル化 （燃費ばらつき、個人差の研究） 

ドライブレコーダ

急ブレーキによる事故回避

車両工学と力学①

前後運動、直進運動



予防安全装置

エアバッグ、シートベルト

→ PCS (Pre-Crash Safety) 、

被害軽減ブレーキ

車両工学入門



ドライブレコーダ

横滑りヒヤリ、皇居前道路

、雪道ABS



車両工学と力学②

よこすべり運動、タイヤの摩擦特性



予防安全装置

安定性の向上

ブレーキ力のコントロール

ABS = Anti-Skid Brake System DYC = Direct Yaw-moment Control

車両運動はタイヤ摩擦力で決まる

★慣性摩擦（クーロン摩擦）

★タイヤ路面間の摩擦力

前後力・左右力はタイヤのすべりで決まる

★雨や雪で摩擦係数が低下

車両工学入門

Micro-EV NOVEL-II NOVEL-I

Steer-By-Wire DYC by In-Wheel Motors

超小型電気自動車のX-by-Wire化研究

マイクロEV

特色 ・車輪とモータが一体 効果 ・小型化、軽量化 ・運動性能の安定化 ・安全システム 社会的ニーズ ・環境にやさしく ・安全な乗り物 ・IT化と快適性 ・高齢者

電気自動車の研究 → ASVの研究

駆動・制動の制御

・車輪の空転防止

TCS／ABS

・横すべりの制御

制駆動力差DYC

ステア系の制御

・駐車場での小回り

ギヤ比の変更

・不安定化の防止

ステア系の制御

自動運転

・車線維持の制御LKS、

・車間距離の制御ACC

車両工学入門

イン・ウィール・モータのコントロール

・車輪の空転防止制御 TCS／ABS

非制御

制御

電気自動車の研究 → ASVの研究

駆動・制動の制御

・車輪の空転防止

TCS／ABS

・横すべりの制御

制駆動力差DYC

ステア系の制御

・駐車場での小回り

ギヤ比の変更

・不安定化の防止

ステア系の制御

自動運転

・車線維持の制御LKS、

・車間距離の制御ACC

車両工学入門

Experiment Study on DYC by micro EV

In Wheel Motor

Double Inverter for Torque Control

W/O Control

DYC

Yaw moment

V



Side slip angle

(skidding)

Past Studies

M.Shino and M.Nagai : “Motion Control of Electric Vehicles Considering Vehicle Stability” AVEC2000 in Michigan

D

irect

Y

aw

C

ontrol

In-Wheel-motor

NOVEL-I

_{Sideslip angle observer}

_{Sideslip angle observer}

F F C C 1 s 1 s + + － + － ˆ   Observer D D U

Measured yaw rate

Estimated yaw rate

Estimated State ˆ       F_p(s) F_p(s) F_p(s) F_p(s)

Low pass filter Low pass filter

Electric vehicle

G G

V

Chassis velocity

To implement DYC system on EV, it is necessary to measure or estimate sideslip angle in real time.

Sideslip angle observer

Sideslip angle observer

F F C C 1 s 1 s + + － + － ˆ   Observer D D U

Measured yaw rate

Estimated yaw rate

Estimated State ˆ       Fp(s) Fp(s) Fp(s) Fp(s)

Low pass filter Low pass filter

Electric vehicle G G V Chassis velocity Chassis velocity [km/h] Time [sec]

Front steer angle [rad]

Yaw rate [rad/sec]

side slip angle

[rad] 0 2 4 6 8 10 0 10 20 30 40 0 2 4 6 8 10 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0 2 4 6 8 10 -0.5 0 0.5 実値 実値 ˆ 推定値ˆ 推定値 0 2 4 6 8 10 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02  Time [sec] Time [sec] Time [sec]

Double Lane-change Test at V=35 km/h

With DYC

W/O DYC

Control effect of DYC on Lane

Control effect of DYC on Lane

-

-

Change maneuver

Change maneuver

Experiment Results

Experiment Results

Single Lane change maneuver at V=35 km/h

Time [sec] Time [sec] Time [sec] 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 F ront s te e ri ng an g le [ rad ] Ya w ra te [ra d /s e c ] -1 -0.5 0 0.5 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 S id e s lip an g le [ rad ] -0.02 -0.01 0 0.01 0.02



f



ˆ



/ W O Control / W O Control / W O Control DYC DYC DYC Time [sec] Time [sec] Time [sec] 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 F ront s te e ri ng an g le [ rad ] Ya w ra te [ra d /s e c ] -1 -0.5 0 0.5 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 S id e s lip an g le [ rad ] -0.02 -0.01 0 0.01 0.02



f



ˆ



/ W O Control / W O Control / W O Control DYC DYC DYC

電気自動車の研究 → ASVの研究

駆動・制動の制御

・車輪の空転防止

TCS／ABS

・横すべりの制御

制駆動力差DYC

ステア系の制御

・駐車場での小回り

ギヤ比の変更

・不安定化の防止

ステア系の制御

自動運転

・車線維持の制御LKS、

・車間距離の制御ACC

車両工学入門

可変ギアによる駐車場の操作性向上

固定ゲイン 可変ゲイン To Front Tires Electromagnetic clutch Steering Torque Control Steering Angle Control

Motor steering angle Yaw Rate

Controller

Yaw Rate Vehicle speed

Steering wheel angle

Desired Steering Angle

Desired Model

Desired steering reaction torque

To Front Tires Electromagnetic clutch Steering Torque Control Steering Angle Control

Motor steering angle Yaw Rate

Controller

Yaw Rate Vehicle speed

Steering wheel angle

Desired Steering Angle

Desired Model

Desired steering reaction torque

Steer-by-Wire System (SBW)

Steering Control

(Human-Machine Interface)

Vehicle Control (Handling and Stability)

Steer-by-Wire for handling and stability control

Front steering angle

G

_ff

(s)

P(s)

Disturbance observer





_{sw +} +



_f

Steering wheel angle _{Yaw rate}

Vehicle SBW controller

ˆ

f





Front steering angle

G

_ff

(s)

P(s)

Disturbance observer





_{sw +} +



_f

Steering wheel angle _{Yaw rate}

Vehicle SBW controller

ˆ

f





Yaw rate control

2 controllers

Feedforward compensator : variable steering gear, yaw response control Feedback compensator : disturbance rejection

1 input – 1 output control problem

Steer-by-Wire for handling and stability control

(1) Feedforward compensator design

Front steering angle

G_ff(s) P(s) 

_sw _f

Steering wheel angle _{Yaw rate}

Vehicle

G_d(s) 

_sw

Steering wheel angle _{Yaw rate}

1

( )

( )

( )

( )

( )

( )

d ff ff d

G s



P s G

s



G

s



P



s G s

Desired model 2 1

( )

1

ff

K s

G

s

K

s









Steering gear ratio

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Velocity [km/h] Ya w r a te g a in t o st eer in g w h eel an g le [ 1 /s

ec] W/O control

Desired model k_c k_d 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Velocity [km/h] Ya w r a te g a in t o st eer in g w h eel an g le [ 1 /s

ec] W/O control

Desired model

k_c

k_d

Steer-by-Wire for handling and stability control

Desired model : Zero-sideslip 4WS response

High gain Low gain 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 8 10 12 14 16 18 20 22 Velocity [km/h]

Steering Gear Ratio [-]

SBW

Conventional Speed-dependent Steering Gear Ratio

Steer-by-Wire for handling and stability control

10-2 10-1 100 101 0.1 0.2 0.3 0.4 10-2 ₁₀-1 ₁₀0 ₁₀1 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Frequency [Hz] Frequency [Hz]

Yaw rate gain [1/sec]

Phase delay [deg]

sw





Desired model _{W/O control}

W/O control

Desired model

Dynamic characteristics

Phase delay is improved

-150 -100 -50 0 50 100 150 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

Steering wheel angle [deg]

Y aw rat e [ra d /s ec] W/O control SBW Desired model

Effect of SBW control on yaw rate response

Lissajous figure from lane-change test at V=30km/h

電気自動車の研究 → ASVの研究

駆動・制動の制御

・車輪の空転防止

TCS／ABS

・横すべりの制御

制駆動力差DYC

ステア系の制御

・駐車場での小回り

ギヤ比の変更

・不安定化の防止

ステア系の制御

自動運転

・車線維持の制御LKS、

・車間距離の制御ACC

車両工学入門

Steer-by-Wire

外乱オブザーバ

NOVEL-Ⅱ

非制御 固定ゲイン 制御 外乱安定

Steer-by-Wire for handling and stability control

(2) Feedback compensator design

Front steering angle

P(s)





_f Yaw rate Vehicle Disturbance observer _ ₊ _ + From feedforward controller ₊ + Disturbance

d

ˆ

f





1 1 ( ) 1P s Ts   1 1 Ts

Steer-by-Wire

外乱オブザーバ

電気自動車の研究 → ASVの研究

駆動・制動の制御

・車輪の空転防止

TCS／ABS

・横すべりの制御

制駆動力差DYC

ステア系の制御

・駐車場での小回り

ギヤ比の変更

・不安定化の防止

ステア系の制御

自動運転

・車線維持の制御LKS、

・車間距離の制御ACC

車両工学入門

NOVEL - I: Image processing

Real-time image processing logic

Image processing

board Lane-marker detection

ハンドルを固定、左右駆動力差を利用 Front view Vehicle speed Driver Steering 実験条件: 車体速度 35 km/h

直線における自動追従走行（ＤＹＣ）

ハンドルを固定、左右駆動力差を利用 Front view Vehicle speed Driver Steering 実験条件: 旋回半径 100 m 車体速度 35 km/h

曲線路における自動追従走行（ＤＹＣ）

車間距離維持制御（ACC）

事故を起こさない自動車

ひとに優しい自動車

ひとに合わせた運転支援

車両工学入門

予防安全自動車の研究

予防安全自動車の研究

ハンドルが左右にある Laser Radar DSP D-GPS New Cockpit Existing Cockpit Steering actuator Brake actuator

The speaker for warning & display for the information

service.

Lane-Keeping Assist System

Driver Desired Course a

T

sw T yc







Vehicle Driver 0  sd y T Weight function  L







, ,y_c, ,   _  

Steering Assist Controller

Wind Force

Vehicle lateral displacement of preview point

System Desired Course 0  hd y





F

wT

_a Driver Desired Course a

T

sw T yc







Vehicle Driver 0  sd y T Weight function  L







, ,y_c, ,   _  

Steering Assist Controller

Wind Force

Vehicle lateral displacement of preview point

System Desired Course 0  hd y





F

wT

_a

Cooperative steering model

between controller and driver.

Controller Driver Controller

予防安全自動車の研究

④画像同期レコーダ ①カメラ / 画像合成部 ②GPS / 測位部 車両後方 6画面 合成器 パケット・ G合成 ③拡張用ADコンバータ AD変換器 フローティング レーザレーダ 追加OP（CANプローブ部） ハンドル角，アクセル量，ブレーキランプ， ウインカランプ CANプローブ 車両前方，右前方，左前方，顔，足 年月日，緯度経度，時分秒，速度，高度， 方位，オドメータ，速度・方位変化量 OBDコネクタ NTSC/DV 変換 RS/USB 変換 RS/USB 変換 USB/HUB 右前 左前 足 後 ドラ イバ 前 ブレーキストローク ④画像同期レコーダ ①カメラ / 画像合成部 ②GPS / 測位部 車両後方 6画面 合成器 パケット・ G合成 ③拡張用ADコンバータ AD変換器 フローティング レーザレーダ 追加OP（CANプローブ部） ハンドル角，アクセル量，ブレーキランプ， ウインカランプ CANプローブ 車両前方，右前方，左前方，顔，足 年月日，緯度経度，時分秒，速度，高度， 方位，オドメータ，速度・方位変化量 OBDコネクタ NTSC/DV 変換 RS/USB 変換 RS/USB 変換 USB/HUB 右前 左前 足 後 ドラ イバ 前 ブレーキストローク ①カメラ / 画像合成部 ②GPS / 測位部 車両後方 6画面 合成器 パケット・ G合成 ③拡張用ADコンバータ AD変換器 フローティング レーザレーダ 追加OP（CANプローブ部） ハンドル角，アクセル量，ブレーキランプ， ウインカランプ CANプローブ 車両前方，右前方，左前方，顔，足 年月日，緯度経度，時分秒，速度，高度， 方位，オドメータ，速度・方位変化量 OBDコネクタ NTSC/DV 変換 RS/USB 変換 RS/USB 変換 USB/HUB 右前 左前 足 後 ドラ イバ 前 ブレーキストローク 農工大実験車で データ収集中（Ｈ１８～） 予防安全装置の作動状況取得 ○実路における予防安全装置の評価 ○個別適合支援の設計にフィードバック ★常時記録型ドライブレコーダの開発 実車 走行実験

予防安全自動車の研究

自動車班 ★危険場面の再現シミュレータと運転評価

予防安全自動車の研究

◎ ドライブレコーダ

事故を見る

◎ 電気自動車

環境にやさしい車

◎ 予防安全車

事故を起こさない車

まとめ