Mechanical Simulation

Mechanical Simulation
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Chassis control
simulation
hassis
controlprocesses
Mechanical Simulation の CarSim を使って、GM の
技術者達は試作車が完成する遥か前にラボ試験を実施
RIC MOUSSEAU 氏 (ゼネラルモーターズ社 性能試験担当)
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全ての車のシャシー制
CarSim GUI とシミュレーションのアニメーション画面の例
御システムが「安全、信頼、違
和感無く」機能するように、
General Motors の Milford
テストコース (Milford
Proving Ground;MPG) と各
遠隔の冬季テストコースでは、
大規模な車両試験を行ってい
ます。これには「制動、加速、
旋回、それらの組み合わせ」
走行時の、「ABS、トラクショ
ン制御、ESC (Electronic
Stability Control)」の性能を計
測する車両テストが含まれま
す。これらの実車テストは、
「ドライ、ウェット、スノー、
アイス」の各路面で実施しま
す。他のテストに、ESC 性能
を計測する「FMVSS-126 正
弦波デゥェル (SWD)」走行と、
過激な緊急車線変更時のタイ
ヤの浮き上がり (tire liftoff)
を定量化する「NHTSAフィッシュフック試験 (fishhook test)」があります。GM は、この高度な試験の
為に、「施設、装置、人的資源、教育訓練」に多額の投資を行いました。
GMでは、車の安全性と性能を最大化しつつ、試験車両のコスト低減のあらゆる可能性を検討しました。
車両運動シミュレーションの能力は、実車試験の一部を置き換えられる信頼レベルに達しています。世
界に散らばる GM の複数の施設で、技術者が Mechanical Simulation の「CarSim」と呼ばれる製品を
広範囲に渡る車両開発と試験業務に使っています。シミュレーションが、「コスト低減、品質改善、開発期
間短縮」の機会を提供します。車両走行はラボに置かれたコンピュータが実行し、技術者達は試験車両
が完成する数ヶ月も前にシステム性能を評価する事が出来ます。
シミュレーションでは、テストの度に高価なデータ収録装置を搭載しないので、実車テストよりもコス
ト安になります。最後に、動力学シミュレーションが生成する試験レポートを、テストコースでの実車
テストと同じ形にする事が出来ます。GM の車両開発技術者に馴染み深い、このテストレポート形式が、
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シミュレーション・モデルの有効性確認を容易にします。
「Hardware-in-the-loop (HIL)」を GM の MPG 技術者が広範囲に利用して、シャシー制御のシステム統
合化を図っています。HIL の基本的な考えは、高い信頼度でモデル化出来る車両部分にはシミュレーシ
ョンを利用し、リアルタイム・ソフトによるモデル化が難しい部分を実際の車両部品を使う事です。例
えばABS の HIL シミュレーションのハードウェアには、バキューム・アシストとマスター・シリンダ
を装着した実際の基本ブレーキ装置の「ブレーキ制御装置と調節装置」が入る事があります。この装置
は、油圧装置の性能が複雑な非線形温度依存性を持つ為に、ソフトウェアによるモデル化が困難です。
しかし残りの車両部分は信頼性の高いモデル化が出来るので、シミュレーションに適しています。この
例は油圧装置が入るので、「ウェット・ベンチ (wet bench)」と呼ばれます。別の方法として、基本ブレ
ーキ装置だけをモデル化し、ブレーキ調節装置をソフトで実現する事例は「ドライベンチ (dry bench)」
と呼ばれます。
GM MPG が「ウェット・ベンチ」を最も良く使うのは、物理テストに近い結果が得られるからです。HIL
システムの構成は、「CarSim-RT
車両動力学シミュレーションプロ
グラム、ブレーキ・バック (brake
buck)、リアルタイム・コンピュー
タ」です。データ入力とプログラ
ムの実行をコントロールする
CarSim GUI は、ホスト機に駐在
します。車両動力学シミュレーシ
ョンを実行する CarSim ソルバ
ーは、リアルタイム・シミュレー
タに在中します。図に、「計測ラ
HIL シミュレーションと信号の流れ
イン圧、CANbus メッセージ、ブ
レーキ・バック (brake buck) と
シミュレータ間の各種信号」が授受される様子を示します。
「CarSimは GM の開発
環境と同じデータ形式な
ので、車両性能シミュレ
ーションに理想的です」
CarSim のデータ仕様が GM の車両開発環境と互換性があるので、
理想的に車両性能シミュレーションに適しています。車両モデルに
は「10自由度 (DOF)」あり、そのうち「6 自由度」でばね上質量
の位置と姿勢角を定義し、残りの「4自由度」でばね下質量のジャ
ウンス位置を定義します。それ以外にも、各タイヤの回転、操舵系
の回転、ブレーキ系の各自由度があります。
サスペンションのトー角やキャンバ角等の、ばね下質量の他の動き
は、拘束条件式を使って定義します。CarSim モデルは、特性定数と多次元参照表 (lookup table) の組
み合わせで定義します。通常は、車両設計データや車両全体および/または各部品の計測データを使用し
ます。車両データには、「ばね上質量、重心位置、ロール・ピッチ・ヨー慣性モーメント、ショックアブ
ソーバの力・速度データ、サスペンションのキネマティックスとコンプライアンス」等が含まれます。
その他の重要なパラメータに、「荷重、スリップ、キャンバ角」毎に計測する「タイヤ力とモーメント・
データ」があります。これらの全データが、GM の社内データベースに格納されて CarSim のデータ構
造と連動するので、車両のモデル化を効率的に行う事が出来ます。世界の別地域の GM 技術者は、この
共通データベースから CarSim にデータをインポートして、シミュレーションを実施出来ます。車両運
動モデルを標準操安テストで確認すると、HIL シミュレータに統合する準備が整います。
ブレーキ・バック (brake buck) には、「バキューム・アシスト、マスター・シリンダ、ロータ、キャリ
パー、配管長」等のブレーキ部品が全て含まれます。油圧アクチュエータがペダル踏力を模擬して、マ
スター・シリンダの入力ロッドに力を加えます。ロータは当然ながら回転しませんが、ブレーキ・コン
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プライアンスを表現する重要要素です。圧力変換器が、各輪のブレーキ・キャリパ圧を計測します。信
号が CarSimのブレーキモデルに送り返されて、表を使ってブレーキ・トルクの推定値に換算されます。
ブレーキ・バックに付属する「ブレーキ制御 ECU」が、ブレーキ圧調整装置をコントロールします。実
際の車のように、ブレーキ・フルードから性能を低下させるエアを抜きます。
リアルタイム・コンピュータがリアルタイムで CarSim モデルを実行し、ブレーキ・バックとやり取り
します。ブレーキのライン圧のアナログ信号をデジタル化して、車両モデルのブレーキ・トルクを推定
します。リアルタイム・シミュレータは、ブレーキ ECU への CANbus 信号と、重要な車両センサ群
のデジタル I/O のやり取りを行います。また、ECU が正常に機能するように、診断メッセージ
(diagnostic messages) も送り出します。
シミュレーション走行の多くがブレーキを使用し、スロット
ルは殆ど使用しません。この種類の走行にCarSim のパワー
トレイン・モデルは適していますが、トラクション・コント
ロールが有効な走行では、CarSim シミュレーションと並列
に別のプロセッサーで実行する、Simulink で開発した詳細な
パワートレイン・モデルが必要になります。
GM MPG の HIL に良く使われる車両運動シミュレーショ
ンが、
「MVSS-126 正弦波デゥェル試験走行 (Sine with Dwell
(SWD) test maneuver)」です。この走行は非常に激しく、ESC
を搭載する全ての車がオーバーステア挙動を示します。2011
年にレギュレーションが完全実施されると、米国内で販売さ
れるGVWR が「4,545kg (10,000 lb)」以下の車は、全てこの
テストに合格する必要があります。このテストでは、わずか
な例外を除いて ESC を搭載しない車はコントロールを失
ってスピンアウトします。
Simulink 画面の例
「FMVSS 126 レギュレーション」の「SWD 操舵プロファイ
ル」は、図のように 0.7 Hz 正弦波の 3/4 部分に時刻1.07秒
の「0.5 sec 間のデゥウェル」が付いた形をしています。こ
れに正弦波の最後の「1/4」を付けてプロファイルを終了しま
す。ステアリング・プロファイルが非対称形なので、ステア
角が大きくなると車がスピンしやすくなります。
「SWD テスト」では、ランプ操舵試験の横加速度が「0.3g」
に相当する計測操舵角を「基準操舵角」とする乗数で比例換
算したプロファイルで車を操舵します。試験は、操舵乗数
(steering multiplication factor)「1.5」で始まり、「操舵振幅が
基準操舵角の6.5倍」を越すか「操舵角が270度」に達すると
終わります。試験データから求める指標 (metrics) には、
「1.0
秒後と1.75 秒後のヨーレート比 (yaw rate ratios) (車両スピ
ン計測)」と「操舵サイクルの「3/4」サイクルにおける側方
SWD 操舵プロファイルと評価指標
変位 (車両走破性計測値)」があります。「FMVSS-126 レギ
ュレーション」では、走行時の最低側方変位が「1.83 m」で、
「1.0 sec のヨーレート」が走行ピーク値の「35 %以下」、「1.75 sec のヨーレート」がピークの「20% 以
下」に収まる必要があります。
テスト指標が (test metric) が、開発車両とテスト路面に影響される大きさを理解する事が検定の重要部
分になります。車両操縦性テスト指標 (vehicle handling test metric) を支配するモデル・パラメータに、
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「タイヤのコーナリング特性、荷重配
分、サスペンション剛性とダンピン
グ、テスト入力車速」があります。
CarSim HIL シミュレーションを使
って、車両パラメータをランダムに
変化させるモンテカルロ法が、車両
制御システムのロバスト分析に有効
である事が分かっています。この分
析では通常、1,000回以上の「HIL シ
ミュレーション」を実行し、24 時間
前後で終わります。
結果をヒストグラム・グラフに描く
と、「1.0 秒ヨーレート」と「側方変
位」要件への変数の影響が理解出来
ます。ばらつきはありますが、ヨー
レート比は常に「35% 限界」よりも
小さく、側方変位は常に「1.83m」要
件を余裕で上まっています。これら
のテストから、制御システムがレギ
ュレーションを満たしてロバストで
ある事が証明されます。
「1.0 秒ヨーレート比」の棒グラフ
シミュレーション環境で、これらの
試験を実施出来るので、車両開発の
基礎としての CarSim 等の車両動力
学の価値が理解
「横移動距離」の棒グラフ
出来ます。CarSim は、車両開発工程
に上手く適合し、実車テストを補完するものです。HIL シミュレーションは、大量な計算を必要とする
車両試験が必要な広範囲のロバストネス検討に極めて有効なツールである事が示されてきました。また
CarSim は、実車試験による再現が難しい問題を切り出したり、テストで問題になる車両形態を特定し
たりするのにも使われています。以上まとめて、HILシミュレーションは車両性能試験を最適化する強力
なツールであり、コストを抑えて品質を改善出来る事を見てきました。
Contact Ric Mousseau or Tom Klingler, GM Proving Ground
Email: cedric.mosseau@gm.com
Email: thomas.klingler@gm.com
Web: www.carsim.com