車の運転とDriver Model Bio-Motion Control Equation 運動方程式 車の運転のモデル化 Driving Examples 強US車両の挙動 運転行為/Weber則関連 バイモ研 弱US車両の挙動 車の運転の物理 Bio-Motion Equation の環境対応、具体的なパラメータ例 Human-Motion Control Model Skilled 逆モデルによるドライバーモデル
生き物の運動制御と車の運転

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リバースステア時の


AIドライバのステアリング操作 


アンダーステア・オーバーステア



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強US車のAI ドライバ-ハンドル捌き

Simulation of Driver/Excessive-Understeer-Vehicle Interaction

 車 の運動は人が乗って初めて成り立つもので、その運動のシミュレーションには車両単体の物理方程式と合わせてドラ イバの物理方程式も必要とします。 
 今回前のページ(車の運転のモデル化)で作成した、車両特性等を取り込んだ人の運動制御方程式を使って、人が運転する車両の運動シミュレーションを行い、アンダー特性に付いての解析を少し行います。
 一般的にはアンダーの強い車は運転が難しいのですが、なぜ難しいのかを車の動きおよび前輪の動きを見ながら理解できるよう努めましたので、是非ご覧下さ い。


用語について:
・アンダーステア・オーバーステア

 
車の横方向の運動は、タイヤが進行方向に対してある角度を持って横滑りする・横にずれる時に、その角度に応じてタイヤの 軸方向に発生する力によって行われる。車の操縦特性を示すのに、アンダーステア/オーバース テアと言う表現を使います。 カーブ走行中はフロントおよびリヤタイヤは進行方向に対して角度を持って横滑りすることにより求心方向に力が働いて旋回運動を行っている。 
フロントタイヤの横滑り角がリヤタイヤのそれより大きい状態がアンダーステア、逆のリヤタイヤの横滑り角がフロントタイヤのそれより大きい状態がオーバーステ アと言われる。 
・リバースステア

  旋回中に前後タイヤの横滑り角の状態 がアンダーステア状態からオーバーステア状態に変化すること、これをリバースステアと言う。

・ニュートラルステア

  もう一つニュートラルステエアーというのがあって、これは前後輪の横滑り角が同じ状態で旋回するもので、前輪も 後輪と一緒の車体の方向を向いた状態、舵を全く切らない状態での旋回になります。




リ バースステア時のハンドル捌きをシミュレーション




 ラリーでは難しい局面でもスピンとは無縁の横滑り自在の走り、しかしサーキットレースでは単調なコースでプロ のレーサーが簡単にスピンしてコースアウトしているのを見受けます。 
 USの設定レベルがハンドル捌きにどう影響するのか等、アンダーステア(US)、オーバーステア(OS)関わる運転行為の物理的な説明を目にする機会がほとんどありません。 プロでもデータが取れない強アンダー車両のハンドル捌き。 アンダーステア(US)の設定レベルがハンドル捌きにどう影響するのか、AIドライバのシミュレーションで調べてみました。
 弱USの3レベル、アンダーを感じる強USの3レベルの6段階のアンダーステアのレベルに設定された6台の車両が、同一速度で路面ミュー1.0の大きなコーナーに進入し、摩擦限度一杯の1G旋回した時のそれぞれの車両のハンドル捌きを、ミュレーションしました。結果を図1に示します。 

シミュレーション概要
・路面μ1.0、300Rの左カーブに旋回可能な最高速度で進入(アクセル開度一定)
・旋回時の球心加速度は全てての車両同一のパターンで滑らかに1G達成
・シミュレーション環境および車はCarSim(米国Mechanical Simulation 社)を使用
・運転者は擬似AI(推定内部モデル)ドライバー(MATLAB/Simulinkで作成) 

 結果(図1): 縦軸は左旋回中のステアリング操舵角(deg)、プラス方向が左への切り込み側操舵角、マイナス方向が左旋回中の右への逆ハン側操舵角、横軸は時間(sec)。 各車両のハンドル捌きは6本の線で表示され、一番下の青の線および赤の2本の線が弱いUS車両の穏やかなハンドル捌き、一番上の黒の線および2本の緑の線が強いUS側車両の突然の素早い切り戻しと素速い忙しいハンドル捌きを示しています。厳しいコーナリングではUS車は過度的にOSになり、OSに近い弱US程穏やかにOSに移行、OSから離れた強USでは抵抗の末唐突急激に移行している。
 
  図1の説明
 縦軸はステアリング操舵角、プラス方向が切り込み側操舵角、マイナス方向が逆ハン側操舵角、横軸は時間で単位は sec。 各車両のハンドル捌きは6本の線で表示され、一番下の青の線が一番弱いUS車両の穏やかなハンドル捌 き、一番上の黒の線が一番強いUS車の急な切り増しと突然切り戻すと言う忙しいハンドル捌きが示されています。



 車が旋回中は求心力が働くようリヤタイヤは進行方向に対して横滑り状態にあるので、旋回中は高速か低速かに関わらずリヤタイヤと一体の車体も進行方向に対して横滑り状態の姿勢を取ります。 図1-1に前後輪の方向と横滑り角の関係を示しますが、前輪の横滑り角は操舵方向によって増減しますが、横滑り状態でハンド ル真っ直ぐの前輪舵角ゼロの状態では前後輪の横滑り角が同一のニュートラルステア状態です。 左に切り増している状態なら前輪の横滑り角は切り増し分後輪のそれより大きくアンダーステア、右に切り戻している状態なら前輪の横滑り角がその分後輪の横滑り角より小さくオーバーステア状態になります。 
 図1のグラフの上半分は旋回中の切り込み側の操舵角を示しますので、切り込み角度分前輪の横滑り角が後輪のそれより大きくアンダーステア領域、図1の下半分のマイナスの舵角は切り戻した分減少するので、逆ハン状態のオー バーステア領域。
 最後までアンダーの1台を除いてすべての車の操舵角がアンダーステア領域からオーバーステア領域に入っているので、一般的にUSレベルを問わずほとんどの車がリバースステアすることが分かります。 弱US設定車両3台 (青、赤、橙の線)のリバースステアは比較的ゆっくり・緩やか、USレベルがある値以上となる強US設定車両 (濃い緑、薄い緑、黒の線)ではステアリングを切り増している(通常アンダーが出ると言われる状態)時に突然で急激な戻しとリバースステアしていることが分かります。
 強USの薄い緑の線の場合は、ステアリング2回転近くを0.4秒位の瞬間的な速さで戻していて、ヒトで はこれに応答遅れが重なって対応が困難(今回ギヤ比18:1、10:1でも応答遅れで対応困難と思われる)。 

 厄介な強US特性も高速コーナーでの高速維持には必須: 
 強US車両では特性上リヤタイヤに生じる 摩擦力の余裕分の範囲で駆動力をかけることが可能。アクセルとステアリングによる合わせ技で余裕分の摩擦力を使い切ってニュートラルステア状態まで持ち込めれば、ハイスピードコーナーでの高速維持が可能となる能力を秘めています。 
 
サーキットでの強US設定車の走りの実例:
 後輪の摩擦力に余裕のある後輪駆動の強US設定車で、後輪に駆動力をかけて高速維持を計っている実際の場面を見ました。 第2回日本グランプリでホンダS800を運転するF1レーサーのロニー・バックナムが鈴鹿の第1,第2連続コーナーをニュートラルステアの前輪はまっすぐ向けたまま、アクセルコントロールで4輪ドリフト状態で サーカスのように毎回安定して周回していたのを今でも覚えています。 確かにアンダーステア分を駆動でタイヤの 能力を丁度使い切ればニュートラルステアになります。 今思えば、強US車の運転はこうだったのかと腑に落ちま した。

 図2に6台の車両が同一の走りであることを示す求心加速度の時間的変化を示します。
 図3に6台の車両の車体の横滑り角の時間的変化を示します。



 以上ですが、これはあくまでもシミュレーションの単なる1例で実車での計測ではありません。 ご参考にしていただければと思います。
 実車での経験でも、弱US車はリバースするも容易に運転できること、通常アンダーが出ると言われるほどの強 US車では一寸した油断でステアリング操作が間に合わずスピンに至ってしまうことなど、このシミュレーションの 結果は実車での運転経験に矛盾しない納得できるものと思われ、当たらずといえども遠からずではないかと思っています。
 アンダーが出て危険な状態でリバースするまで運転を仕切ることは中々経験できることでは無く、そのハンドル捌 きはシミュレーションでしか分かりません。

 図1の赤色の線の弱US車両の穏やかなステアリング操作の例の動画(シミュレーション動画はCarSim)

 図1の薄緑色の線の強US車両のステアリングの急激な切り増しと戻し例の動画(シミュレーション動画はCarSim)


ステアリング操作速度に制限を設けた戻しが間に合わない場合の車両挙動(シミュレーション動画はCarSim)


  一部の車を除けば、一般的に市販車はアンダーステアが強いので、リバースが起こる直前の危険な運動状態を保ったまま走らざるを得ず、その間非常な緊張を強いられることになることはよく経験されていると思います。

 AI ドライバーによるシミュレーションで分かったことは、余程の強いアンダーステアで無い限り、アンダーステアの強弱に関わらずリバースステアは必ず起こると言うことです。 アンダーが弱い車両の場合はラリー車のようにコーナー進入初期から穏やかに リバースし、その為一寸練習すれば 比較的容易に対応可能でスピンはしません。 強アンダーに恐怖を感じているなら、サスペンションに手を入れて、アンダー を弱めに修正すれば限界まで攻めてもスピンとは無縁で居られる。 私の場合フロントスタビ強すぎの強アンダーのエアサスのマジェスタに乗っていますが、減衰力が9段階のコンピュータ制御アブソーバーを手動にして、フロント1段目、リヤ5段目に固定ですぐリバースするので、いきなりのリバースとは無縁の、快適なコーナリングを楽しんでいます。 ばねと違ってストロークでなく変化速度で効くアブソーバで合わせると、タイミングも早まりより穏やかなリバースになり、ばねだけで合わせるより運転はさらに容易になる。

弘 法筆を選ばずと言うように、どんな車に乗っても、何度でも全く同じ運転結果を出せる運転の名人「弘法」を考えま す。 どんな筆を使っても繰り 返し何度でも同じ上手な字を書ける弘法は書くときの努力具合によって筆の善し悪しが、車の場合は同じコーナリング中のハンドルさばきの違いによって車の良し悪しが判断でき ます。 
 
 シミュレーションはMATLAB/Simulink上に作成したドライバモデル+車両モデルで行った。 車両は、ばね 及びアブソーバなどサスペンション特性を任意に設定出来る米国Mechanical Simulation社の CarSimを使用した。 今回は前後のスタビライザーの設定を変更することによって、前後のロール剛性配分を変えて車両のアンダーステアステアのレベルを調整した。 

 

      

 
強US:
Excessive Understeer車 の運転例 追加


CarSim動画で 見てみましょう


                   
弱US(弱いアンダーステア)車の 運転はここをクリック
強US車の横滑り角と操舵角の推移も示す





カーブ進入例


最初の3つは弘法の運転で,4つ目は制限をか けられた弘法の運転例


急速な操舵を要求する強US(アンダーステアの強い)車の運転例で、
途中から後輪が滑るリバースステエア時のステアリング戻し操舵例と、
同じ車で最後までアンダーが出て前輪滑りが続いた後のステアリング戻し操舵例。
さらには、リバースした後のリバースステアからの戻し操舵の例。 全て速い大きな戻しに注目。
 
最後の例は、腕の動きを少し制限されてた弘法の運転、

一般的なドライバの運転を模擬したもので前輪が大きく滑った後に、戻し遅れで今度は後輪がすべり、 何回かの修正操舵後に最終的にスピンに至っている。
 修正操舵の速度が遅いので、遅れた分必要な逆ハンの量が大きくなる、そうすると今度はこの大きく戻したところから逆に 戻すことになってしまうが、如何せん操舵速度が遅いのでさらに遅れると言う最悪の循環に入る。




強US車両のリバースステア時の急速な大きな戻し操舵例:    CarSim(Mechanical Simulation社)



上と全く同じ車両でリバースせず強USのまま切り込んだ場合の急速な大 きな戻し操舵例: CarSim  


強US車のリバース後の急激な戻し操舵例: CarSim  


ステアリングギヤ比の大きな強US車両は上手なドライバでもスピンは免 れない: CarSim
ステアリングギヤ比18、弘法の運転だがステアリング最大操舵速度1000度/秒に制限
---CPU能力でギクシャクする場合は上の動画を止めてみてください--- 



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