JP2005343359A - 推定装置およびそれを用いた車両運動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両に関する各種値をリアルタイム処理で精度良く推定する。
【解決手段】検出部２２は、車両に設けられた車輪５に作用する作用力を検出する。推定部２１ａは、作用力のうちのある分力方向に作用する作用力と、分力方向における車両の加速度とに基づいて、例えば、車両質量ｍの現在値を推定する。具体的には、推定部２１ａは、前後方向の加速ａxと前後力Ｆxとに基づいて、或いは、横方向の加速度ａyと横力Ｆyとに基づいて、車両質量ｍの現在値を推定する。また、推定部は、例えば、検出された上下力の変化量と検出された前後力とに基づいて、車両の重心高さの現在値を推定することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、推定装置およびそれを用いた車両運動制御装置に係り、特に、車両に関する各種の値を推定する手法に関する。

従来より、車両の操安性の向上を目的として、車両の運動状態を制御する制御装置が知られている。例えば、特許文献１には、コーナリング中に車両にかかる力の関係から、適切な車輪に対して選択的に制動力を与える制御装置や、車両の走行状態に応じて、後輪の操舵角を制御する制御装置などが開示されている。コーナリング中の車両の力関係、或いは、車両の走行状態は、予め定められた車両に関する各種の値、いわゆる、諸元等に基づいて推定することができる。
特開２００２−２９３２２６号公報

しかしながら、予め定められた諸元等は、搭乗者の数、積載物の有無により、実際の値とは異なっているケースがある。制御の信頼性を向上させるためには、車両に関する各種の値を、実際の値と対応させることが重要である。

そこで、本発明の目的は、車両に関する各種値をリアルタイム処理で精度良く推定することである。

また、本発明の別の目的は、車両に関する各種値の推定演算に基づいて、車両運動制御の信頼性の向上を図ることである。

かかる課題を解決するために、第１の発明は、車両に設けられた車輪に作用する作用力を検出する第１の検出部と、作用力のうちのある分力方向に作用する作用力と、分力方向における車両の加速度とに基づいて、車両質量の現在値を推定する推定部とを有する推定装置を提供する。

ここで、第１の発明において、車両の前後方向の加速度または車両の横方向の加速度を検出する第２の検出部をさらに有し、第１の検出部は、検出された加速度の方向に対応する作用力として、前後力または横力を検出していてもよい。この場合、推定部は、検出された前後方向の加速度と検出された前後力とに基づいて、または、検出された横方向の加速度と検出された横力とに基づいて、車両質量の現在値を推定することが好ましい。

また、第１の発明において、第１の検出部は、ある値を基準とした上下力の変化量と前後力とを作用力として検出していてもよい。この場合、推定部は、検出された上下力の変化量と検出された前後力とに基づいて、車両の重心高さの現在値を推定することが望ましい。

また、第１の発明において、第１の検出部は、横力を作用力として検出していることが好ましい。この場合、推定部は、推定された重心高さの現在値と、検出された上下力の変化量と、検出された横力とに基づいて、車両の重心と車軸との間の距離の現在値を推定することが好ましい。

また、第１の発明において、推定部は、推定された車両質量の現在値と、推定された重心高さの現在値と、推定された車両の重心と車軸との間の距離の現在値と、検出された前後力と、検出された横力とに基づいて、上下力の絶対値を推定することが好ましい。

また、第２の発明は、車両に設けられた車輪に作用する作用力として、ある値を基準とした上下力の変化量と前後力とを検出する第１の検出部と、推定部は、検出された上下力の変化量と検出された前後力とに基づいて、車両の重心高さの現在値を推定する推定部とを有する推定装置を提供する。

さらに、第３の発明は、上述した第１の発明または第２の発明にかかる推定装置と、推定装置によって推定された推定結果に基づいて、車両の運動状態を制御する制御部とを有する車両運動制御装置を提供する。

本発明によれば、搭乗者数が変更したり、積載物が積載された場合であっても、それによって変更する車両に関する各種の値をリアルタイムで推定することができる。また、検出部により、作用力が直接的に検出されるので、その値を正確に特定することが可能となる。そのため、この作用力に基づいて、各種の値を推定することにより、その推定精度の向上を図ることができる。また、本発明によれば、この推定結果を車両制御に適用することで、車両運動制御における信頼性の向上を図ることができる。

図１は、本実施形態にかかる車両運動制御装置が適用された車両の概略図である。この車両は、前後四輪で駆動する四輪駆動車である。エンジン１のクランクシャフト（図示せず）からの動力は、自動変速機２を介し、センタディファレンシャル装置３に伝達される。センタディファレンシャル装置３に伝達された動力は、前輪側および後輪側の駆動軸（車軸）４へとそれぞれ伝達される。各車軸４へ動力が伝達されると、左右前輪５fl，５frおよび左右後輪５rl，５rrに対して回転トルクが加えられ、これにより、４つの車輪５fl〜５rrに駆動力が発生する。なお、本明細書では、車輪５fl〜５rrを総括する場合、或いは、単独の車輪であっても特定の車輪を指す意味で用いない場合には、「車輪５」という用語を用いる。

車両の運動状態を制御する車両運動制御装置１０は、推定装置２０と、制御部３０とを主体に構成されている。推定装置２０は、車両に関する各種値の現在値を推定する装置であり、具体的な構成については後述する。推定装置２０が推定する値としては、車両質量ｍ、車両の重心高さｈ（以下「重心高」という）、車軸４と重心Ｇとの間の距離ｌ、および、車輪５に作用する上下力Ｆzの絶対値（無荷重状態を０とする値）が挙げられる。制御部３０は、推定装置２０によって推定された推定結果に基づいて、各種アクチュエータ類を制御する。制御部３０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。

図２は、推定装置２０のブロック構成図である。推定装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等で構成されたマイクロコンピュータ２１を主体に構成されている。マイクロコンピュータ２１は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、各種値の現在値推定に関する演算を行う。このマイクロコンピュータ２１には、各種値を推定するために、作用力検出部２２および加速度検出部２３からの検出信号がそれぞれ入力されている。

図３は、車輪５に作用する作用力の説明図である。作用力検出部２２は、各車輪５の車軸４にそれぞれ取付けられており、個々の車輪５に作用する作用力をそれぞれ検出する。この作用力検出部２５は、車輪５に作用する三方向の分力、具体的には、前後力Ｆx、横力Ｆyおよび上下力Ｆzを個別の作用力として検出する。前後力Ｆxは、車輪５の接地面に発生する摩擦力のうち車輪中心面に平行な方向（ｘ軸）に発生する分力であり、横力Ｆyは、車輪中心面に直角な方向（ｙ軸）に発生する分力である。一方、上下力Ｆzは、鉛直方向（ｚ軸）に作用する力、いわゆる、垂直荷重である。

作用力検出部２２は、ひずみゲージと、このひずみゲージから出力される電気信号を処理し、作用力に応じた検出信号を生成する信号処理回路とを主体に構成されている。作用力検出部２２は、車軸４に生じる応力は作用力に比例するという知得に基づき、ひずみゲージを車軸４内に埋設し、作用力を直接的に検出する。なお、作用力検出部２５の具体的な構成については、例えば、特開平０４−３３１３３６号公報および特開平１０−３１８８６２号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

温度ドリフトの影響を抑制するといった観点から、作用力検出部２２からの検出信号は、ハイパスフィルタ２４によってフィルタリング処理された後、マイクロコンピュータ２１に入力される。温度ドリフトは、作用力検出部２２の検出値が本来検出すべき値からオフセットする現象であり、車両走行時のタイヤの温度上昇およびブレーキパッドの発熱により、車軸４が加熱された際に発生する。フィルタリング処理により、検出信号において低周波成分が除去されるので、マイクロコンピュータ２１に入力される検出信号は、車両静止時の値を基準とした作用力の変化量となる。前後力Ｆxおよび横力Ｆxは、車両静止時の値を基準とした力の変化量であるため、フィルタリング処理が行われたとしても、その検出値は変わらない。これに対して、上下力Ｆzは、車両静止時における車両の自重を基準とした力の変化量であるため、フィルタリング処理が行われることにより、その値が相対化される。換言すれば、作用力検出部２２は、ある値（本実施形態では、静止時の上下力Ｆz0）を基準とした上下力Ｆyの変化量ΔＦy（Ｆz−Ｆz0）を作用力として検出する。なお、以下、本明細書では、この変化量ΔＦyを単に「上下力ΔＦy」といい、無荷重状態を０とする上下力Ｆzを「上下力の絶対値Ｆz」という。

加速度検出部２３は、車両の前後方向の加速度ａx（以下「縦加速度」という）を検出する縦Ｇセンサ２３ａと、車両の横方向の加速度ａy（以下「横加速度」という）を検出する横Ｇセンサ２３ｂとで構成されている。各Ｇセンサ２３ａ，２３ｂとしては、周知の加速度センサを用いることができる。なお、加速度を検出する手法は、車両に取付けられたＧセンサ２３ａ，２３ｂを用いる手法に限定されない。例えば、加速度検出部２３は、車両の車速を検出し、単位時間あたりの車速の変化量を縦加速度ａxとして特定してもよい。また、横Ｇセンサ２３ｂにはロール運動による誤差成分が含まれ易いとの観点から、横Ｇセンサ２３ｂによる検出値と、予め求めておいた車両のロール特性とに基づいて、車両に実際に生じている横加速度ａyを特定してもよい。

マイクロコンピュータ２１は、これを機能的に捉えた場合、第１から第４の推定部２１ａ〜２１ｄを有する。第１の推定部２１ａは、前後力Ｆxと縦加速度ａxとに基づいて、または、横力Ｆyと横加速度ａyとに基づいて、車両質量ｍの現在値を算出する。第２の推定部２１ｂは、上下力ΔＦzと前後力Ｆxとに基づいて、重心高ｈの現在値を算出する。第３の推定部２１ｃは、重心高ｈの現在値と、上下力ΔＦzと、横力Ｆyとに基づいて、距離ｌの現在値を推定する。第４の推定部２１ｄは、車両質量ｍの現在値と、重心高ｈの現在値と、距離ｌの現在値と、前後力Ｆxと、横力Ｆyとに基づいて、上下力の絶対値Ｆzの現在値を推定する。

図４は、本実施形態にかかる車両運動制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定の間隔で呼び出され、マイクロコンピュータ２１によって実行される。まず、ステップ１において、各車輪５の作用力Ｆx，Ｆy，ΔＦzと、縦加速度ａxおよび横加速度ａyとが取得される。

ステップ２において、車両質量ｍの現在値が推定される。この車両質量ｍは、以下に示す（１）式または（２）式に基づいて推定される。なお、下式において、Ｆは作用力であり、アルファベットＦに付された添字fl，fr，rl，rrにより、その作用力が作用している車輪５fl，５fr，５rl，５rrが区別される。また、下線に続く添字ｘ，ｙ，ｚにより、その作用力が作用する分力方向が区別される（後述する数式においても同様）。例えば、Ｆfl_xは、左前輪５flのｘ軸方向に作用する作用力、すなわち、左前輪４flの前後力Ｆxを示すといった如くである。

（１）式によれば、車両質量ｍは、各車輪５の前後力Ｆxの総和から縦加速度ａxを除算した値であり、一方、（２）式によれば、車両質量ｍは、各車輪５の横力Ｆyの総和から横加速度ａyを除算した値である。車両質量ｍは、（１）式もしくは（２）式の一方を用いて算出すればよく、走行状況に応じて各式を使い分けることが好ましい。例えば、車両の加減速中、すなわち、縦Ｇセンサ２３ａから検出値が得られている場合には（１）式を用い、車両の旋回運動中、すなわち、横Ｇセンサ２３ａから検出値が得られている場合には（２）式を用いるといった如くである。

ステップ３において、重心高ｈの現在値が推定される。この重心高ｈは、下式に基づいて推定される。

同数式において、Ｆx_sumは、各車輪５における前後力Ｆxの総和であり、Ｌは、ホイールベースである。重心高ｈは、左右後輪５rl，５rrの上下力ΔＦrl_z，ΔＦrr_zの和と、左右前輪５fl，５frの上下力ΔＦfl_z，ΔＦfr_zの和との差から、前後力Ｆxの総和Ｆx_sumを除算した値に、車両に応じた比例定数（Ｌ/2）を乗算した値として算出される。

ステップ４において、重心Ｇと車軸５との距離ｌの現在値が推定される。この距離ｌは、下式に基づいて推定される。

ｌfは、前輪側の車軸４と重心Ｇとの間の距離（以下「前輪距離」という）であり、ｌrは、後輪側の車軸４と重心Ｇとの間の距離（以下「後輪距離」という）である。同数式において、Ｆy_sumは、各車輪５における横力Ｆyの総和であり、ｄfは、前輪トレッド、ｄrは、後輪トレッドである。前輪距離ｌfは、左右後輪５rl，５rrの上下力ΔＦrl_z，ΔＦrr_zの差から、横力Ｆyの総和Ｆy_sumと重心高ｈとの積を除算した値に、車両に応じた比例定数（Ｌ・ｄr/2）を乗じることによって算出される。これに対して、後輪距離ｌrは、左右前輪５fl，５frの上下力ΔＦfl_z，ΔＦfr_zの差から、横力Ｆyの総和Ｆy_sumと重心高ｈとの積を除算した値に、車両に応じた比例定数（Ｌ・ｄf/2）を乗じることによって算出される。なお、このステップ４において、前輪距離ｌfおよび後輪距離ｌrは、各々の値を同数式に基づいて算出する必要はない。なぜならば、（１）式または（２）式に基づいて、一方の距離ｌを推定すれば、この一方の距離ｌをホイールベースＬから減算した値として、他方の距離ｌが推定されるからである。

ステップ５において、上下力の絶対値Ｆzの現在値が推定される。上下力の絶対値Ｆzは、下式に基づいて一義的に算出される。

同数式において、ｇは、重力加速度である。前輪５fl，５frに関する上下力の絶対値Ｆfl_z，Ｆfr_zは、車両質量ｍと、重心高ｈと、後輪距離ｌrと、前後力Ｆx（総和Ｆx_sum）と、横力Ｆy（総和Ｆy_sum）とに基づいて、それぞれ算出される。また、後輪５rl，５rrに関する上下力の絶対値Ｆrl_z，Ｆrr_zは、車両質量ｍと、重心高ｈと、前輪距離ｌfと、前後力Ｆx（総和Ｆx_sum）と、横力Ｆy（総和Ｆy_sum）とに基づいて、それぞれ算出される。

ステップ６において、ステップ２〜５の推定結果に基づいて、車両の運動状態が制御される。車両制御では、推定された各種の値のうち、特定の値を単独で用いて車両制御を行ってもよいし、また、複数の値を組合わせて車両制御を行ってもよい。車両制御の一例としては、スタビリティファクタを用いた手法が挙げられる。スタビリティファクタは、車両のステア特性を示す評価値であり、コーナリング時の車両の挙動（すなわち、安定性）の目安となる。この値が正の場合、車両はアンダーステア傾向となり、この値が負の場合、車両はオーバーステア傾向となる。スタビリティファクタの最適値は、車両によって異なっており、設計段階等において設定される。走行時の車両のスタビリティファクタが、この最適値となるように車両制御を行うことにより、操舵特性および旋回性能を良好に保つことができる。車両制御の一手法としては、例えば、センタディファレンシャル装置３のクラッチの締結力を調整し、前後輪のトルク配分を制御することが挙げられる。なお、車両制御の手法の詳細については、例えば、特開平０８−００２２７４号公報に開示されているので必要ならば参照されたい。

このように本実施形態では、車輪５に作用する作用力に基づいて、車両に関する種々の値を算出することができる。まず、車両質量ｍは、物理法則に則り、周知の運動方程式に基づいて算出される。車両が前後方向に加速度運動を行っている場合、車両の前後方向の荷重移動量ΔＷxは、各車輪５の上下力ΔＦzを用いることにより、或いは、車両質量ｍ、縦加速度ａx、重心高ｈおよびホイールベースＬを用いることにより、下式によって表現される。

車両質量ｍと縦加速度ａxとの積は、各車輪５の前後力Ｆxの総和Ｆx_sumと置換することができるので、未知数ｈ、すなわち、重心高ｈは、上述した数式２に基づいて一義的に算出することができる。

また、車両が旋回運動中の場合、この車両に関する横方向の荷重移動量は、下式によって表現される。

ΔＷf_yは、前輪側の横方向の荷重移動量であり、ΔＷr_yは、後輪側の横方向の加重移動量である。ここで、ｍfは、車両質量ｍと後輪距離ｌrとの積から、ホイールベースＬを除算した値であり、ｍrは、車両質量ｍと前輪距離ｌfとの積から、ホイールベースＬを除算した値である。同数式を展開すると、重心高ｈは、上述した数式２以外にも、以下の数式によって表現することができる。

（３）式によれば、後輪距離ｌrが既知であれば、重心高ｈは、左右前輪５fl，５frの上下力ΔＦzの差から、横力Ｆyの総和Ｆ_sumを除算した値に、車両に応じた比例定数（（Ｌ・df）/（2・ｌr））を乗算することにより算出することができる。一方、（４）式によれば、前輪距離ｌfが既知であれば、重心高ｈは、左右後輪５rl，５rrの上下力ΔＦzの差から、横力Ｆxの総和Ｆy_sumを除算した値に、車両に応じた比例定数（（Ｌ・dr）/（2・ｌf））を乗算することにより算出することができる。

同数式によれば、上述した数式２により重心高ｈの現在値が推定されている場合、前輪距離ｌfの現在値または後輪距離ｌrの現在値は、一義的に推定することができる（数式３参照）。

車両質量ｍと、前輪距離ｌfまたは後輪距離ｌrとが推定されると、各車輪５にかかる静止加重を推定することができる。静止加重に、前後方向への荷重移動量ΔＷxと、横方向への荷重移動量ΔＷf_y（またはΔＷr_y）とを考慮することにより、各車輪５における上下力の絶対値Ｆzは、推定することができる（数式８参照）。

なお、上述した数式４は、数式８において、前後方向への荷重移動量ΔＷxを数式５によって展開し、横方向への荷重移動量ΔＷf_y（またはΔＷr_y）を数式６によって展開することにより、導出することができる。

本実施形態によれば、搭乗者数が変更したり、積載物が積載された場合においても、それによって変更する車両質量ｍ、重心高ｈ、前輪距離ｌf、後輪距離ｌrの値をリアルタイムで検出することができる。また、本実施形態では、作用力検出部２２により直接的に作用力を検出している関係上、その値を正確に特定することが可能となる。そのため、この作用力に基づいて、各種の値を推定することにより、その推定精度の向上を図ることができる。その結果、現在の車両状態が反映された推定値を用いて制御を実行することにより、車両運動制御の信頼性の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、推定された値に基づいて、上下力の絶対値Ｆzが推定される。温度ドリフトを抑制するといった観点から、フィルタリング処理が施される関係上、作用力検出部２２の検出値は、相対的な値、すなわち、車両静止時の値を基準とした作用力の変化量となる。このため、上下力の絶対値Ｆzが得られにくい。そこで、本実施形態では、作用力検出部２２によって検出された値と、推定された値とを用いることにより、自重を基準に荷重移動量を考慮することにより、上下力の絶対値Ｆzを推定することができる。上下力の絶対値Ｆzが推定可能となることにより、適用可能な制御の幅を拡大することができる。また、上下力の絶対値Ｆzを車両運動制御に適用することにより、制御の信頼性の向上を図ることができる。なお、上下力の絶対値Ｆzを推定するために用いられる値は、現在の車両状態が反映されているため、絶対値Ｆz推定の精度向上を図ることができる。

本実施形態において、作用力検出部２２は、三方向に作用する作用力を検出する構成であるが、本発明は、これに限定されるのもではなく、必要となる分力方向に作用する作用力を検出可能であれば足りる。また、三方向の分力成分のみならず、この三方向回りのモーメントをも含む六分力を検出する六分力計であってもよい。かかる構成であっても、推定において必要となる作用力は少なくも検出することができるので、当然ながら問題はない。なお、車輪に作用する六分力を検出する手法については、例えば、特開２００２−０３９７４４号公報、特開２００２−０２２５７９号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

また、本実施形態では、作用力検出部２２を車軸４に埋設するケースを説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他のバリエーションも考えられる。作用力を検出するという観点でいえば、例えば、車輪を保持する部材、例えば、ハブやハブキャリア等に作用力検出部２２を設けてもよい。なお、作用力検出部２２をハブに設ける手法については、特開２００３−１０４１３９号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

本実施形態にかかる車両運動制御装置が適用された車両の概略図 推定装置のブロック構成図 車輪に作用する作用力の説明図 本実施形態にかかる車両運動制御ルーチンを示すフローチャート

符号の説明

１ エンジン
２ 自動変速機
３ センタディファレンシャル装置
４ 車軸
５ 車輪
１０ 車両運動制御装置
２０ 推定装置
２１ マイクロコンピュータ
２１ａ〜２１ｄ 第１〜第４の推定部
２２ 作用力検出部
２３ 加速度検出部

Claims (7)

1. 推定装置において、
   車両に設けられた車輪に作用する作用力を検出する第１の検出部と、
   前記作用力のうちのある分力方向に作用する作用力と、当該分力方向における前記車両の加速度とに基づいて、車両質量の現在値を推定する推定部と
   を有することを特徴とする推定装置。
2. 前記車両の前後方向の加速度または前記車両の横方向の加速度を検出する第２の検出部をさらに有し、
   前記第１の検出部は、前記検出された加速度の方向に対応する前記作用力として、前後力または横力を検出しており、
   前記推定部は、前記検出された前後方向の加速度と前記検出された前後力とに基づいて、または、前記検出された横方向の加速度と前記検出された横力とに基づいて、前記車両質量の現在値を推定することを特徴とする請求項１に記載された推定装置。
3. 前記第１の検出部は、ある値を基準とした上下力の変化量と前後力とを前記作用力として検出しており、
   前記推定部は、前記検出された上下力の変化量と前記検出された前後力とに基づいて、前記車両の重心高さの現在値を推定することを特徴とする請求項１に記載された推定装置。
4. 前記第１の検出部は、横力を前記作用力として検出しており、
   前記推定部は、前記推定された重心高さの現在値と、前記検出された上下力の変化量と、前記検出された横力とに基づいて、前記車両の重心と車軸との間の距離の現在値を推定することを特徴とする請求項３に記載された推定装置。
5. 前記推定部は、前記推定された車両質量の現在値と、前記推定された重心高さの現在値と、前記推定された車両の重心と車軸との間の距離の現在値と、前記検出された前後力と、前記検出された横力とに基づいて、前記上下力の絶対値を推定することを特徴とする請求項４に記載された推定装置。
6. 推定装置において、
   車両に設けられた車輪に作用する作用力として、ある値を基準とした上下力の変化量と前後力とを検出する第１の検出部と、
   推定部は、前記検出された上下力の変化量と前記検出された前後力とに基づいて、前記車両の重心高さの現在値を推定する推定部と
   を有することを特徴とする推定装置。
7. 車両運動制御装置において、
   請求項１から６のいずれかに記載された前記推定装置と、
   前記推定装置によって推定された推定結果に基づいて、車両の運動状態を制御する制御部と
   を有することを特徴とする車両運動制御装置。

Images