ACCによる車両制御システムの設計とシミュレーション 服部有里子,中川悠樹 筑波技術大学 産業技術学部 産業情報学科 要旨:ACC(Adaptive Cruise Control:車間距離制御装置)は自動運転の運転操作(アクセル,ブレーキ,ハンドル)のうち,アクセル,ブレーキの自動運転技術である。ACCは運転者が設定した速度を上限として,前方車に追従するように自車の速度を自動的に調節するシステムである。前方車が減速すれば自動でブレーキをかけて減速して一定の車間距離をキープし,前方車が加速すればそれに合わせて自動で加速する。センサーやカメラで計測される前方車との車間距離や相対速度に基づいて車間を一定に保つ制御を行っていることは知られているが,その制御アルゴリズムの詳細は公開されていない。本研究では,ACC車両の車両挙動を高精度で再現可能な車両制御モデルを設計し,シミュレーションによりACC車両の車両挙動を検証・評価した。 キーワード:車両制御システム,ACC,車間距離制御装置,自動運転制御,自動走行システム 1.はじめに 交通事故死者削減・渋滞低減のため,自動車の自動走行・高度運転支援技術の開発が進められている。自動車メーカ各社から,自動車の縦方向の自動運転制御であるACC(Adaptive Cruise Control:車間距離制御装置)を搭載した車両が市販されている。 ACCは自動運転の運転操作(アクセル,ブレーキ,ハンドル)のうち,アクセル,ブレーキの自動運転技術である。ACCは運転者が設定した速度を上限として,前方車に追従するように自車の速度を自動的に調節する装置である。前方車が減速すれば自動でブレーキをかけて減速して一定の車間距離をキープし,前方車が加速すればそれに合わせて自動で加速する。センサーやカメラで計測される前方車との車間距離や相対速度に基づいて車間を一定に保つ制御を行っていることは知られているが,その制御アルゴリズムの詳細は公開されていない。 本研究では,ACC車両の車両挙動を高精度で再現可能な車両制御モデルを設計し,シミュレーションによりACC車両の車両挙動を検証・評価した。 ACCにより高速域での追突回避,渋滞低減のため,車間距離を最低限に短くすることができるかどうか求めることを本研究の目的としている。本研究の課題は以下の3点である。 ・ACCによる車両制御システムを解析することにより,相対速度や目標加速度等の計測データを取り出し,制御パラメータ値を設定すること。 ・車両の相対速度を動的に計算し,車間距離はどれくらいまでが安全であるか,最短の車間距離を探索すること。 ・高速域の車両に対しても,ACCにより車間の変化を最小限に抑え,追突を回避できる速度と車間との関係を探索すること。  以下,2章で関連研究,3章で問題設定と要求条件について述べたのち,4章で一般の車両制御モデル,5章でACCによる車両制御システムについて解説する。6章でシミュレーションによる検証・評価について説明し,最後に7章で本稿をまとめる。 2.関連研究  既存研究として,CACC(Cooperative Adaptive Cruise Control:通信利用協調型車間距離制御装置)を搭載したトラック4台を車間距離4mで隊列走行させる実証実験がエネルギーITS推進事業で行われ,安全なCACC走行が実現できることが確認された [4] [5]。  また,下り坂から上り坂に変わる道路上の地形の一つである「サグ部」での無意識な減速が原因で後続車両に速度の低下が伝わり発生する渋滞の対策として,ACCを活用したサグ部の交通流円滑化の可能性について研究が進められている [1] [7]。  既存研究では実際のACCを必ずしも模擬できておらず,高速域の車両に対して車間距離がどれくらいまでが安全であるかについての検証は行われていない。本研究では,ACC車両の車両挙動を高精度で再現可能な車両制御モ デルを設計し,車両制御システムを解析することにより,制御パラメータ値を設定し,高速域の車両に対しても追突を回避できる速度と車間との関係を探索した。 3.問題設定と要求条件 3.1 車間時間  車間距離制御では,車載センサーで計測した同一車線上の前方車との車間距離や相対速度を用いて,目標加速度を決定することを考える。  ここで,目標車間距離 Ldes は,以下の式のように,  Ldes=hv0+Lsafe 一定値+速度比例値とし,その比例定数hを「車間時間」という。車間時間は,自車の速度で前方車の位置に何秒後に到達するかを示す時間である [3]。 3.2 制御パラメータ  自車の目標加速度は,目標車間距離との誤差と前方車との速度の誤差(相対誤差)からフィードバック制御により算出する。自車の目標加速度の式は,  a0des=K1(r-Ldes)+K2(v1-v0) となる。ここで,K1は車間距離誤差のフィードバックゲイン,K2は速度の誤差に対するフィードバックゲインである。実際の車両では,車両の加速度は制御システムの目標加速度の指令に対して遅れをもつ。この遅れは普通車では0.2秒程度である [3]。  本研究では,ACCによる車両制御システムを解析することにより,相対速度や目標加速度等の計測データを取り出し,制御パラメータ(K1, K2)の値を設定した。 3.3 要求条件  本研究で構築するACCによる車両制御システムでは,ACC車両の車両挙動を高精度で再現するための車間距離制御アルゴリズムが要求される。ここで,システムが満たすべき要求条件を以下にまとめる。 ① 車両速度の範囲は,25~120 km/hとする。 ② 制御システムの目標加速度の指令に対する遅れは,0.2秒程度とする。 ③ 車間時間は,1.3~2.4秒の範囲を推移する。 ④ 安全のための車間距離は,7 mとする。 4.一般の車両制御モデル  ACCによる車両制御システムを設計する前に,まず,一般の車両制御モデルを作成する。車両制御モデルは,エンジン・トルクコンバータ(T/C)・車両側・変速制御の4つのサブシステムから構成される。  エンジンにて,ペダル開度と現在のエンジン回転数を入力としてエンジントルクを計算する。エンジントルクはT/Cにて出力トルクとして伝達され,余った余剰トルクはエンジン回転数の回転上昇に使用される。T/Cにて計算した出力トルクから回転角加速度を計算し,回転角速度から速度に変換し,それを変速制御に送り込む。変速制御は,適切なタイミングでどのギヤ段を使うかを判断する装置である。一般の車両制御モデルを図1に示す。 4.1 エンジン  エンジントルク[Nm]は,シミュレーションスタート後はデータマップと無関係に0.2秒間,100[Nm]のトルクを発生する。0.2秒経過した後はデータから計算した値に切り替える。  ペダル開度[%]と現在のエンジン回転数Ne[rpm]を入力として,2次元関数を近似するブロックでエンジントルク[Nm]を出力する。 図1 一般の車両制御モデル 4.2 トルクコンバータ 4.2.1 釣り合いトルク・出力トルクの計算  エンジン回転数Ne [rpm],出力回転数Nout [rpm]として,以下の数式を計算する。 駆動側速度比: e = Nout / Ne [0~1] 被駆動側速度比: e' = Ne / Nout [0~1]  ただし,Nout = 0のとき,e' は0とする。 容量係数: c = f1(e) [Nm/rpm2] トルク増幅比: T = f2(e) [Nm] 釣り合いトルク駆動側: Tout1 = c × Neの二乗 [Nm] 釣り合いトルク被駆動側: Tout1' = -c × Noutの二乗 [Nm] 出力トルク: Tout2 = Tout1 × T [Nm] 4.2.2 トルクコンバータ(イナーシャ考慮)のモデル  エンジン回転数Ne[rpm]は, T/Cに入力されるトルクTe[Nm]と釣り合いトルクTout1[Nm]との差を使用して計算する。入力トルクTeは出力トルクとして伝達され,余った余剰トルクはエンジン回転数Neの回転上昇に使用される。Neは次の式で計算する。  Ne=∫((Te-Tout1)/Ine)dt[rpm]  Ine:入力イナーシャ[kg平方メートル](Ineを0.2[kg平方メートル]とする) 4.3 車両側  車両側サブシステムは,入力トルク[Nm],ギヤ段,車両重量[kg],タイヤ半径[m],勾配[rad]の5つの入力から入力軸回転数[rpm]と速度[km/h]を算出する。 4.3.1 走行抵抗の計算  走行抵抗R [N]には,空気抵抗R1 [N],勾配抵抗R2 [N],道路抵抗R3 [N]の3つの抵抗がある。  R = R1 + R2 + R3  R1= 抵抗力×車両速度の二乗   = k×S×ρ×(v×1000/3600)の二乗×1/2 k:空気抵抗係数 S:前面投影面積[平方メートル] ρ:空気密度[kg/立方メートル]  R2 = m × g × sinθ  R3 = m × g × cosθ × Crr  m:車両重量[kg] g:重力加速度[m/平方セカンド] θ:勾配[rad]  Crr:転がり抵抗係数(アスファルトの場合は0.01)     4.3.2 出力軸回転数の計算  車両重量 m [kg],タイヤ半径 r [m],走行抵抗 R [N],入力トルク T [Nm]から出力軸回転数 n [rpm]を計算する。車両重量,タイヤ半径から回転慣性モーメントであるイナーシャI [kg平方メートル]を求め,イナーシャとトルクから出力回転数を割り出すことができる。   イナーシャ I [kg平方メートル]の式は次のとおりである。  I = m × rの二乗 m:車両重量[kg] r:タイヤ半径[m]  走行抵抗によって,外からタイヤにトルクがかかり,損失トルクが発生する。よって,車両からタイヤに入るトルクから損失トルクを考慮して,タイヤにかかる正味のトルク(損失込みトルク)を計算する必要がある。  損失込みトルクTout [Nm]の式は,  Tout = T − Tr  T:タイヤに入るトルク[Nm] Tr:損失トルク[Nm]  次にイナーシャIと損失込みトルクToutから回転角加速度 a [rad/平方セカンド]を求める。式は次のとおりである。  a=Tout/I  図2 車両側モデル  回転角加速度a [rad/s2]を積分して角速度[rad/sec]を求め,出力軸回転数n [rpm]を計算する。式は次のとおりである。  n=∫a dt×1/(2π)×60[rpm]   4.3.3 速度計算  出力軸回転数n [rpm]とタイヤ半径r [m]から速度V [km/h]を計算する。式は次のとおりである。  V=n×(2×π×r)×1/1000×60[km/h] 4.3.4 車両側モデル  これまで計算したモデルを組み合わせることで,図2に示す車両側モデルが構築できる。 4.4 変速制御  変速制御は,速度などに応じてシフトアップ・シフトダウンするかを判断する制御である。  前回のギヤ段やペダル開度,車両速度を基に新たなギヤ段へシフトする(図3)。ペダルを踏み込み速度が上がるとき,shift1-2UP線を通過するとギヤ段が1から2へと変わる(①)。同様にshift2-3UP線を通過するとギヤ段が2から3へと変わる(②)。shift3-4UP線を通過するとギヤ段が3から4へと変わる(③)。ペダルを緩めると速度が下がってくるため,shift4-3DOWN線を通過するとギヤ段が4から3へと変わる(④)という構造である。 図3 変速制御のギヤ段シフト 5.ACCによる車両制御システム  車間距離制御アルゴリズム [2] [3] の出力である車間距離と,自車の目標加速度の2つの制御パラメータ(K1, K2)の値を用いて,ACC車両の車両挙動を高精度で再現可能なACCの車両制御モデルを設計した。  ACCの車両制御アルゴリズムを図4に示す。ACCの制御アルゴリズムを一般の車両制御システムに加えることで,ACCによる車両制御システムを構築した(図4)。 図4 ACCによる車両制御システム 5.1 自車の目標加速度の算出  自車の目標加速度は,目標車間距離との誤差と前方車との速度の誤差からフィードバック制御により算出する。  自車の目標加速度の式は,  a0des=K1(r-Ldes)+K2(v1-v0)  ここで,r:前方車との車間距離,Ldes:目標車間距離,v1:前方車の速度,v0:自車の速度,K1, K2:フィードバックゲインである。  文献[1]では市販車のACCの制御パラメータ値を実走により K1 = 0.025, K2 = 0.41 と推定している。今回はこれらのパラメータ値を用いて自車の目標加速度を求めるものとする。 図5 アクセル開度・ブレーキ制御システム 5.2 車間距離の算出  車間距離は前方車の加減速度により求まると考える。 (1)前方車が加速の場合( a1 > 0 )  車両制御モデルを用いて,速度120km/hに向けて最大加速度を近似により求める。  a1amax=4.91  前方車の加速度の範囲は,  0