SA・PS統合制御技術の研究

技術紹介

SA・PS統合制御技術の研究
佐々木工 藤１

朋啓之・・綱久

井保秀
大

はじめに

２

将来，自動運転の普及が進み，2040年には新車の約30％がレベル ３ 以上の自動運転車になると予測されている１）．これに伴って自動運転時の安全・安心と快適さのニーズは拡大・多様化すると予想される．
このニーズに応えるため，ショックアブソーバー（以下SA）とパワーステアリング（以下PS）の両製品を扱うKYBの強みを活かして車両挙動を自在に制御するSA・PS統合制御技術の研究に取り組んでいる．自動運転時の安全・安心の向上には，正確でふらつかない走行が不可欠であり，路面凹凸の影響を抑えて目標軌道へ追従する技術が必要である．
そこで本研究ではSA・PS統合制御技術の一環として，主に上下振動に伴うSAの情報を電動パワーステアリング（以下EPS）の制御に活用した，図 １に示す軌道追従制御と横揺れ抑制制御の ２ つの制御開発に取り組んだので紹介する．
軌道追従制御はSA・PS統合制御の要素技術であり，自動運転時の情報を活用して目標軌道に正確に追従するためのEPSの制御技術である．横揺れ抑制

軌道追従制御

金菅子
原周
央平
道

システム概要定したテストコース内の経路データ（地図データ上に設定されたデジタルレーン）に対して自動で追従することが可能となっている．そのため，テストコー
ス内の走行に限られる．なお，ステアリングの操舵のみ自動化しているため，本稿では自動操舵車両と分類している．
なお，ブレーキとアクセルは手動で，車速維持などは標準装備のクルーズコントロール機能を用いた．
2. 1 実験車両の機材の構成
実験車両の機材の構成概要を図 ２ に示す．実験車
両は市販車両をベースに，サスペンションのストローク（変位）を計測するセンサ（以下サスストロークセンサ）や加速度センサなどの各種センサの他，高精度な自己位置の測位が可能なGPSセンサを追加した．また，制御用に汎用コントローラ，自動操舵用のPCを車内に搭載した．
電流（トルク指令）

EPS
セミアクティブダンパ
サスストロークセンサ

目標軌道従来制御（ふらつきあり）提案制御（ふらつき低減）

加速度センサ
車載CAN（車速，舵角など）

道路・車線（経路）

横揺れ抑制制御・・

本研究では，SAとPSの制御の研究開発のために構築した実験車両を利用した．この車両は事前に設

制御は上下振動時のSAの情報を利用してEPSを制御することで，上下振動に伴う横揺れを抑える技術である．

電流（減衰特性）
電圧
（変位）
電圧
（加速度）

車内積載

汎用コントローラ
軌道追従制御横揺れ抑制制御その他（SA制振制御など）

CAN

自動操舵用PC
高精度GPSセンサ

従来制御（横揺れあり）

Ethernet

地図データ
経路データ

提案制御
（横揺れ低減）図１

樹和SA・PS統合制御技術の概要― 36 ―

図２

実験車両の機材の構成概要

KYB技報第63号

操舵の自動化に伴い当社製の試作EPSを利用しており，汎用コントローラと接続することで制御可能

2021―10ら車両までの伝達の遅れを抑制する必要がある．
応答の遅れを解消する手法としてモデル予測制御があり，化学プラントなど比較的遅いプロセスを持つシステムで多く採用されている２）．しかし，制約になっている．その他，当社製の電子制御のセミアクティブダンパを搭載して，こちらも汎用コントローラと接続して制御可能にした．

や最適化の計算に比較的複雑な手続きを要し，処理

2. 2 システム構成
システム構成を図 ３ に示す．本稿で紹介する ２ つの制御は主にEPSを扱うため，図 ３ 中ではEPSとの時間が長いといった課題がある．近年はプロセッサやアルゴリズムで解決しつつあるが，技術的なハードルは高い．

接続について記載している．
自 動 操 舵 用PCに は 自 動 運 転 ソ フ ト ウ ェ ア のAutoware®注１）を搭載した．また，事前に計測・設計したテストコースの経路データも搭載している．

そこで本研究では，なるべく簡潔な方法での実装を目指し，図 ４ に示す軌道追従制御を開発した．この制御では，まず車両の応答予測にて経路への追従自動操舵用PCはこの経路データとGPSの測位情報を利用して，経路追従に必要な近傍の目標経路の情報を汎用コントローラに送っている．
汎用コントローラにはMATLAB®/Simulink®で作成した制御モデルを組み込んでいる．汎用コント
ローラでは経路の追従に必要なEPSへの制御指令（トルク指令）の計算まで行っている．
Autoware®では本来，経路情報と自己位置から経路の追従に必要な舵角も算出できるが，本研究ではその機能を汎用コントローラに移植して改良を行った．

時の車両の位置と姿勢の応答を予測する．そして，ヨーレート制御では予測される車両の応答の遅れ分だけ未来の目標値を参照して遅れを抑制する．
ここで，舵角制御はEPSの伝達関数の逆関数を利用し，EPSの伝達特性を打ち消す ２ 自由度制御を取り入れて応答の遅れの抑制を行った．逆関数を扱う上で正確な微分値が必要となるため，舵角制御では目標舵角の ２ 階微分までを入力として受け取っている．

車両
応答予測

®

注 １ ）Autoware ：名古屋大学，長崎大学，産総研による共同成果の一部として，自動運転の研究開発用途

経路追従アルゴリズムで公開されているLinuxとROSをベースとした自動運
転システム用オープンソースソフトウェア．
自動操舵用PC汎用コントローラ

ヨーレート制御
予測の参照

舵角制御

2自由度制御

高精度微分
規範モデル
追従制御

車体

図４

軌道追従制御の構成概要

EPS
地図データ

軌道追従制御GPSセンサ

経路データ

横揺れ抑制制御

ストロークセンサ

3. 1 経路追従と目標軌道
本研究では，経路は地図上に事前に線路のように設定されたルートと定義し，目標軌道はこの経路に車両CAN追従させる際に車両に実際に走行させたいルートと定義している．目標軌道は自動運転の設計思想やア

車速・舵角ルゴリズムで様々で，特にカーブやレーンチェンジなどでは経路に対してどのように目標軌道を描くかで乗り心地や安全性などが異なってくる．
本研究ではAutoware®でも採用されているPurepursuit法３）と呼ばれる経路追従アルゴリズムを採用し，このアルゴリズムで経路追従する際の軌道を目サスストローク量
位置・ヨー角

図３３

システム構成概要

軌道追従制御の設計狙った軌道への正確な追従に必要なことの一つとして，ヨーレートの応答の遅れの抑制が挙げられる．
ヨーレートの応答の遅れは，ステアリングを操舵してから車両が旋回を始めるまでに伝達する際の標軌道と定義した．
経路追従のアルゴリズムの概要を図 ５ に示す．
Pure pursuit法では前方注視点と呼ばれる車両前方諸々の機械的・物理的な特性によって発生する．この応答の遅れを解消するためには，その伝達特性にの一定距離先の点と経路との誤差から目標ヨーレー
トを算出し，車両特性に基づき操舵角を決定して経路追従するアルゴリズムである．

基づいて位相が進むように動かし，ステアリングか性能評価では，経路追従アルゴリズムで評価路の― 37 ―

SA・PS統合制御技術の研究

経路データに対する車両の軌跡を事前に計算し，目標軌道として利用した．

似値を中心差分により高い精度で算出可能になった．
目標ヨーレートの制御には，車両特性に基づく車両のスタビリティファクタ４）を考慮した車速可変ゲインで舵角を決定するフィードフォワード制御と，

Y

目標経路t + 2nΔt

誤差ゲインを乗じて目標ヨーレート算出

目 標 ヨ ー レ ー ト と 実 ヨ ー レ ー ト と の 差 分 によるフィードバック制御を組み合わせて行った．
3. 4 舵角制御―予測を利用した ２ 自由度制御と規t + 3nΔt

範モデル追従制御
応答遅れを抑制するための手法として ２ 自由度制
御がある． ２ 自由度制御は制御対象に対して，その目標軌道

t + nΔt

前方注視点

時刻: t

図５

3. 2

伝達特性の逆の特性を持つ逆関数を介して制御することで伝達特性を打ち消す手法である．しかし，逆関数を厳密に扱うには高精度な微分値が必要であり，さX

経路追従アルゴリズムと目標軌道

らにEPSの特性は複雑なため逆関数の扱いが難しい．
そこで，本研究では図 ７ に示す ２ 自由度制御と規範モデル追従制御を組み合わせて舵角を制御した．

車両の応答予測

車両の未来の位置・姿勢は，現在位置と経路の位置関係が分かる場合には，精度に限度はあるが経路追従アルゴリズムに基づいて応答を計算して予測できる．本研究では，計算量の削減と簡素な実装を目指し，平面上での ２ 自由度車両モデルを利用して車両の応答を予測した．経路追従アルゴリズムには3. 1
節でも述べたPure pursuit法を利用し，離散モデルに基づく単位時間当たりの車両の位置・姿勢の変化を逐次計算して，最大 １ 秒先までの未来のヨーレートを予測し，目標ヨーレートを算出した．
3. 3 ヨーレート制御―予測の参照と制御
車両のヨーレートの応答遅れは，車両の特性や実際の車両の応答から，どれだけ応答が遅れるかを事前に予測することができる．そこで，図 ６ に示す予測した目標値の参照方法のように，応答が遅れる時間分だけ，予測した未来の目標値を用いることで，応答の遅れを抑制することを狙った．

ヨーレート

過去の応答

現在未来の予測
応答遅れに応じて未来の目標値参照

時間後退差分で微分（誤差大）図６

さらに目標値前後の過去・未来の値を利用することで，舵角制御において必要な ２ 階微分値までの近中心差分で微分（誤差小）予測した目標値の参照方法

2自由度制御
（逆関数）

規範モデル
追従制御

1( )

( )′( )

図７EPS

( )

EPSの舵角応答遅れ抑制制御の構成概要

EPSの伝達関数をP（s）とすると，まず規範モデ
ル追従制御によってEPSの応答特性を任意の伝達関数G（s）（規範モデル）に近づけた．この時，EPSの伝達関数を線形化して近似した伝達関数P′（s）を利用している．
そして ２ 自由度制御では，3. 3節で算出した高精度な微分値を使用して逆関数を演算することで，全体として次の式⑴が成立して，入力X≒出力Yとなるように制御した．
1 G（s）
YP（s）
≒1
 ＝⑴
（s）
X G（s）P′
この時，逆関数1/P′（s）のみではEPSの特性P（s）が変動した場合に性能が悪化するため，フィードバック制御で規範モデルG（s）に近づける規範モデ
ル制御を利用することで，外乱に対するロバスト性を向上させることを狙っている．
開発した舵角制御の応答のシミュレーション結果
を図 ８ に示す．「従来」は当社試作EPSに搭載され― 38 ―

KYB技報第63号

2021―10た舵角制御で，「提案」は本研究の舵角制御である． の制御では，路面の凹凸の種類，例えば前後輪がロールする場合と，前輪・後輪が単独でロールする場合常用域の応答試験の一つでもある台形波応答（ ４ 秒
で，異なる推定ロジックを組み合わせることで予測で90度変化）では従来と比較すると提案の応答が早精度を向上させている．
く，オーバーシュートも抑えられて，収束も早いこ
特に前輪と後輪の横揺れの差分の微分を取ることとが分かる．また，ステップ応答でも応答・収束は早くなっている．一方で，ステップ応答ではややオーバーシュートが大きくなった．この要因として規範
モデル制御のモデルへの追従誤差や逆関数の微分精度の影響が挙げられる．

で，片輪が段差に乗り上げた場合の車体のねじれによる横揺れを予測することができるようになった．

車速

台形波：4 秒で 90 度 = 22.5[deg/s]

位相調整 位相調整項
テーブル

前輪右サスストローク
前輪左サスストローク

後輪右サスストローク
後輪左サスストローク

前輪
横揺れ
推定

後輪
横揺れ推定

図９

図８４＋ トルク指令

位相調整

ゲイン

微分

ゲイン＋－＋

横揺れ抑制制御の構成概要

4. 2 評価路面での応答と予測
路面凹凸に伴う横揺れの検証・評価のために ２ 種類の評価路面を選定した．この評価路面の概要を図10に示す．両輪周期振動路は，路面がサイン波状になっており左右のタイヤが交互に上下する路面である．また，単発振動路は約10㎝の段差に片輪側に乗り上げる段差路である．

EPSの舵角制御の応答

横揺れ抑制制御の設計

車両が路面の凹凸によって上下に揺れたとき，サスペンションジオメトリ構造によってキャンバ角が変化してキャンバスラストが発生５）し，車体が横に揺られてヨーレートが発生することがある．
本研究では，このような路面凹凸によって発生す車速60km/hるヨーレートを横揺れとして，SAに搭載したストロークセンサから事前に横揺れを予測して，EPSを用いて修正舵を行ことで横揺れを抑える横揺れ抑制制御を開発した．
4. 1 ストロークから横揺れの予測
路面の凹凸により発生する車体のヨーレートは，車速30km/h

IMUなどのセンサでも計測できるが，これはすでに車体で発生した後の振動であるため，横揺れを素図10

横揺れの評価路面早く抑制することは難しい．
そこで，路面凹凸に対してタイヤが乗った瞬間の４ 輪のサスペンションのストロークの動きから横揺れを事前に予測して，足回りから車体へと振動が伝

路面の凹凸によるヨーレートの発生と，横揺れの予測精度を確認するため，横揺れ抑制制御は行わず，路面凹凸上を直進した．このときのヨーレートの実達して横揺れが発生するその前にステアリングで横揺れを抑制する．

応答と予測の結果を図11に示しており，ストロークの動きからヨーレートの応答を比較的精度良く事前設計した横揺れ抑制制御の構成を図 ９ に示す．こに予測することができている．

― 39 ―

SA・PS統合制御技術の研究

従来比として算出して性能を比較した．
試験では図13に示す平坦な路面での車速60㎞/hのスラロームと，アップダウンがある周回路で車速40㎞/hで走行して計測した．計測では車速を一定に保ち，自動操舵で走行して実施した．
車速 60km/h

200m3m

車速 40km/h

図11

周回方向
（時計回り）

上り道

評価路面走行時のヨーレートの応答と予測

4. 3 予測に基づく横揺れの抑制
横揺れ抑制制御の指令をEPSに入力する際の構成

下り道

一周約 800m

図13

軌道追従性能の評価路を図12に示す．予測した横揺れ量にゲインをかけてトルク指令に換算し，EPSのトルク指令に加算して5. 2 性能評価結果行う．応答速度の速いトルク指令に加算することで，走行試験の結果として，各評価路での総走行距離横揺れの予測から抑制までの猶予に対応することがに対する目標軌道との追従誤差を図14に示す．提案できた．
制御の結果，スラロームでは従来比で最大35％まで軌道追従誤差を低減できた．周回路ではカーブで発生する誤差を低減できており，低速での走行ではあ
目標経路＋
トルク指令
舵角位置・ヨー角
軌道追従るものの，上り下りがあり外乱要素の多いコースでEPS制御も効果を確認できた．
＋
車速
サスストローク

横揺れ抑制制御

誤差最大 0.95m
誤差最大 0.33m

図12５

横揺れ抑制制御指令の加算

軌道追従性能の評価

本研究で提案した軌道追従制御の軌道への追従性能を評価するため，テストコースで試験を実施した．

誤差最大0.50m
誤差最大0.23m

比較対象の従来手法は，3. 3節に述べた目標ヨーレートの指令に対して車速可変ゲインで舵角を決定するフィードフォワード制御を行う手法とした．
5. 1 性能評価条件

図14

目標軌道は，前述3. 1節で述べた通り，地図上に設定された経路データに対して，経路追従アルゴリ
ズムPure pursuit法で横滑りなしで理想的に追従した際の軌跡とした．
軌道追従誤差は車両の重心から左右方向に対して伸ばした垂線と目標軌道との交点との距離と定義して評価に利用した．性能は軌道追従誤差の最大値を比較し，従来制御に対する提案制御の誤差の比率を６

軌道追従性能の評価結果

横揺れ抑制性能の評価提案した横揺れ抑制制御の路面凹凸に伴う車両の横揺れの抑制性能を評価するため，テストコースで試験を実施した．比較対象の従来制御は，横揺れ抑制制御をしない場合とした．

― 40 ―

KYB技報第63号

2021―10

6. 1 性能評価条件搭載したIMUセンサで計測したヨーレートのPP揺れを抑えた結果，上下やロール方向の振動への官能に影響も出ることが明らかになった．

値（最大値と最小値の差）で評価した．従来制御でのPP値に対する提案制御でのPP値との比率を従来比として算出して性能を比較した．

一方で，「横揺れが抑えられ，上下振動が気になるようになった」「（上下揺れが激しいとき）横揺れの変化が分かりにくい」といったコメントもあった．

試験における路面と車速の条件は4. 2節で述べた内容と同じで，両輪周期振動路を60㎞/h，片輪単発振動路を30㎞/hで直進してその時のヨーレート上下振動との兼ね合いも併せて制御と官能を設計・調整していく必要があるという課題を確認した．

を計測した．
6. 2 性能評価結果
性能評価試験の結果を図15に示す．横揺れは従来比で最大46％に低減した．また，両輪周期振動路での中間地点付近では，従来と比べるとさらにヨーレートが小さく抑えられていることが分かる．

７

おわりに自動運転時の安全・安心と快適性の向上に向けた
SA・PS統合制御技術として，目標軌道に正確に追従可能な軌道追従制御と，路面凹凸による横揺れを抑制する横揺れ抑制制御を開発した．結果，目標軌道への追従誤差が従来比で最大35％に低減し，横揺れは従来比で最大46％に低減した．また，横揺れ抑制制御の官能評価では，制御による一定の改善効果を確認したが，上下振動との兼ね合いという点で課題が残った．
今後は，上下振動に連成して発生する横揺れ以外にも，操舵によって連成する上下振動にも着目して，SA・PS統合制御の改良を進める予定である．

最大-0.008rad/s 最大 0.015rad/s

最大 0.038rad/s

参
最大-0.018rad/s

考文献１ ）富士キメラ総研：2019 次世代カーテクノロジーの本命
予測と未来自動車像，（2019年）．

図15２ ）Jan M. Maciejowsk著／足立修一・菅野政明訳：モデル

横揺れ抑制性能の評価結果

予測制御

制約のもとでの最適制御，pp. 1- ３（2015年）

３ ）R. Craig Conlter：Implementation of the Pure pursuit

横揺れ抑制制御の効果を確認するため，当社実験部のドライバが試乗して官能評価を実施した．結果，「横への揺られ感が改善した」「ロールがきびきびと動く印象になった」「上下のショック感が改善しPath Tracking Algorithm, Technical Report CMU-RITR-92-01,（1992）.
４ ）阿部正人：自動車の運動と制御，pp. 72（2009年）
５ ）KYB株式会社編：自動車のサスペンションた」といったポジティブなコメントが得られた．横― 41 ―

評価，pp. 123（2013年）

構造・理論・SA・PS統合制御技術の研究

著者 佐々木啓綱井秀樹

2012年入社，技術本部基盤技術研

2010年入社，技術本部基盤技術研

究所運動制御研究室．自動車向け

究所運動制御研究室．自動車向け

運動制御システムの研究開発に従

先進運転支援システムのソフト

事．

ウェアの研究開発に従事．

金子周平

工藤朋之

2011年入社，技術本部基盤技術研

2012年入社，技術本部基盤技術研

究所運動制御研究室．自動車向け

究所運動制御研究室．自動車向け

運動制御システムの研究開発に従アクティブサスペンションの研究事．

開発に従事．

久保大和

菅原央道

2013年入社，技術本部基盤技術研2017年入社，技術本部基盤技術研

究所運動制御研究室．電動パワー

究所運動制御研究室．自動車向け

ステアリングの解析業務を経て，の先進運転支援システムの研究開

自動車向けアクティブサスペン

発に従事．

ションの研究開発に従事．

― 42 ―