JP2009078758A - 車両用サスペンション制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車輪３に付与する制御力によって、旋回中の自動車Ａの内外輪の接地荷重配分を適切に変化させ、これにより旋回挙動を最適に制御できるようにする。
【解決手段】旋回中に生じるヨーレイトφ′及び横滑り量Ｖ_ｙの目標値からの偏差が最小となるように、所定の制御則に則って各車輪３毎の電磁アクチュエータ２を制御する。その制御則として、少なくとも、ヨーレイト偏差の大きさを表す項と、横滑り量偏差の大きさを表す項と、電磁アクチュエータ２から制御対象である車体Ｂ及び車輪３への伝達エネルギを表す項と、該車体Ｂ及び車輪３の全エネルギ収支を表す項とを、有する関数Ｌの積分を最小化する最適制御則を用いる。自動車Ａの走行状態に基づき、最適制御則に含まれる操縦性及び安定性の重み係数κの値を変更して、挙動制御の特性を補正する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車体に懸架した車輪に制御力を付与し、これにより内外輪の荷重配分を変化させて、車両の旋回挙動を制御するようにしたサスペンション制御装置に関する。

従来より、この種のサスペンション制御装置としては、例えば特許文献１に開示される電磁サスペンション装置のように、車体と車輪との間に配置したアクチュエータ（リニアモータやボールねじ機構等）によってサスペンションをストロークさせるようにしたものが知られている。

また、特許文献２に記載の車両懸架装置では、車両の旋回中に各車輪のショックアブソーバの減衰力を可変制御して、ロール剛性を高めるとともに、その際に前輪側と後輪側とでロール剛性の変更度合いを異ならせて、前後輪のコーナーリングフォースに差を付けることで、車両のヨー方向の挙動を制御するようにしている。
特開２００７−０８３８１３号公報 特開平９−１０９６４１号公報

ところで、前者の従来例（特許文献１）のようなアクチュエータを用いて車輪に制御力を付与し、その接地荷重を増減することにより、車両の前輪側及び後輪側でそれぞれ内外輪の接地荷重配分を調整すれば、後者の従来例（特許文献２）のように前輪側及び後輪側のロール剛性を異ならせてコーナーリングフォースに差を付けることができ、車両のヨー方向の挙動を制御することができる。

しかしながら、前記後者の従来例では、ショックアブソーバの減衰力制御において車両の旋回中に制御定数ｋ1を高めの値ｋ2に切り換えるようにしており、単なる２段切換えに過ぎないので、車両の挙動を適切に制御できるものとは言い難い。すなわち、制御によって車両に作用するヨーモーメントが不十分であれば、操舵に対する追従性（操縦性）を十分に高めることができず、一方でヨーモーメントが大き過ぎれば挙動が乱れる虞れがあるからである。

斯かる点に鑑みて本発明の目的は、車輪に付与する少なくとも上下方向の制御力によって車両旋回中の内外輪の接地荷重配分を適切に変化させ、これにより当該車両の操縦性及び挙動安定性を両立した最適な旋回挙動制御を実現することにある。

前記の目的を達成するために、本発明では、車両旋回中にヨーレイト及び横滑り量の目標値からの偏差がいずれも最小となるように、所定の評価関数を最小化する最適制御則に則ってアクチュエータを制御するようにした。

すなわち、請求項１の発明は、車体に懸架した車輪にアクチュエータによって少なくとも上下方向の制御力を付与するようにした車両用サスペンション制御装置を対象として、前記アクチュエータを所定の制御則に則って制御し、その制御力によって車輪の接地荷重を増減することにより旋回中の内外輪の接地荷重配分を変化させて、車両の旋回挙動を制御する挙動制御手段を備える場合に、前記制御則は、少なくとも、車両のヨーレイトの目標値からの偏差の大きさを表す項と、車両横滑り量の目標値からの偏差の大きさを表す項と、有する関数の積分である評価関数を最小化するような最適制御則としたものである。

前記構成の車両用サスペンション制御装置では、車両の旋回中に挙動制御手段により、所定の制御則に則ってアクチュエータの制御が行われ、１つ以上の車輪に少なくとも上下方向の制御力が付与されて、その接地荷重が増減変化するようになる。これにより、旋回中の車両において内外輪の接地荷重配分を変化させることができ、前輪側及び後輪側の少なくとも一方のコーナーリングフォースを調整して、車両の旋回挙動を制御することが可能になる。

その際、前記所定の制御則が車両のヨーレイト偏差及び横滑り量偏差を最小化するような最適制御則であれば、これに則って決定される制御力が車輪へ付与されることにより、車両の旋回挙動は、ヨーレイト及び横滑り量がいずれも運転操作に相応しいものとなり、操縦性及び安定性を両立した最適な挙動制御が実現できる。

ところで、一般に最適制御則を解析的に導くことは難しく、前記のような制御を実際に行うためには実時間で最適制御問題を解かなくてはならないから、車両への適用は困難であると考えられていた。この点、本願の発明者は、詳細は後述するが、制御対象のエネルギ収支に着目して、システムを漸近安定させる最適制御則を解析的に導く手法を提案しており、こうして導かれた最適制御則を用いれば、前記のような制御を実現できる。

すなわち、例えば、最適制御則は、ヨーレイト偏差及び横滑り量偏差のそれぞれの大きさを表す項に加えて、少なくとも、アクチュエータから制御対象である車体及び車輪への伝達エネルギを表す項と、該車体及び車輪の全エネルギ収支を表す項とを、有する関数の積分を最小化するものとして求められ、以下の式(A)で表される。

但し、Ｕは、制御力による車輪の接地荷重変化量の目標値であり、Ｕ_Ａは、制御力の加わらないときに車輪の横力によって車両に作用するヨーモーメント、Ｕ_Ｂは、単位制御入力を加えたときに車輪の横力によって車両に作用するヨーモーメントである。また、φ′はヨーレイトであってヨーレイトセンサにより検出可能である。^tarφ′は目標ヨーレイトであって、例えば車速及びステアリング操舵角等から求められる。さらに、κ、ｒ_１、ｒ_３は、それぞれ、制御の重み係数であり、望ましい制御特性になるように予め実験、解析等によって設定される。

より具体的に、式(A)のＵ_Ａは、例えば以下の式(B)で表され、Ｕ_Ｂは式(C)で表される。
Ｕ_Ａ ＝ ｌ_ｆ［（μＷ_１−ａＷ_１ ²）Γ_１＋（μＷ_２−ａＷ_２ ²）Γ_２］ ・・・ (B)
Ｕ_Ｂ ＝ ｌ_ｆ［（μ−２ａＷ_１）Γ_１−（μ−２ａＷ_２）Γ_２］
−ｌ_ｒ［−（μ−２ａＷ_３）Γ_３＋（μ−２ａＷ_４）Γ_４］ ・・・ (C)
式(B)，(C)においてｌ_ｆ，ｌ_ｒは、それぞれ、車体重心から前車輪及び後車輪までの前後方向の距離、ａはタイヤの特性によって決まる定数であり、それらは車両やタイヤの諸元に基づいて設定される。路面摩擦係数μは例えば車速及びエンジン出力等から従来周知の手法により推定される。また、Ｗ_１，Ｗ_２，…は、各車輪の接地荷重を表し、例えば車速及びステアリング操舵角等から推定される。さらに、Γ_１，Γ_２，…は、それぞれ、各車輪の横力の最大値に対する比率を表し、例えばマジックフォーミュラ等のタイヤモデルを用いて推定される。

前記のような最適制御により制御力を付与して接地荷重を増減させる車輪は、例えば旋回内方の前車輪等、最低１輪であってもよいが、好ましいのは前輪或いは後輪のいずれかにおいて内外輪の一方の接地荷重を増大させ、他方は減少させることであり（請求項３，４）、こうすれば、効率良く内外輪の接地荷重配分を変更することができる。その際、制御演算の高速化の観点からは内外輪の接地荷重の増減変化量を同じにするのが好ましい。

より好ましいのは、車両前側の内外輪の一方の接地荷重が増大し、他方は減少するとともに、車両後側の内外輪の前記一方の接地荷重は減少し、他方は増大するようにアクチュエータを制御することであり（請求項５）、こうすれば、内外輪の接地荷重変化の向きが車両の前側及び後側で逆向きになるので、車両に作用するロール・モーメントも逆向きになり、挙動制御に起因する車両のロール軸周りの振動を抑制することができる。尚、この場合にも各輪の接地荷重の増減変化量は同じにするのが好ましい（請求項６）。

以上、説明したように、本発明に係る車両用のサスペンション制御装置によると、アクチュエータにより車輪に少なくとも上下方向の制御力を付与して、車両の旋回中に内外輪の接地荷重配分を変化させることにより、その旋回挙動を制御するようにしたものにおいて、前記アクチュエータの制御を、ヨーレイト偏差及び横滑り量偏差がいずれも最小化するような最適制御則に則って行うことで、車両の最適な旋回挙動制御を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（サスペンション制御装置の概略構成）
図１には、本発明に係るサスペンション制御装置Ｓを搭載した自動車Ａ（車両）を模式的に示し、この例では、図(a)に示すように、前後左右のサスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，１_ＲＲ，１_ＲＬにそれぞれ電磁アクチュエータ２，２，…を設けている。各サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…は、それぞれ、車輪３（タイヤ３ａ、ホイール３ｂ）及びそれを支持するホイールサポート等のサスペンション部材（図示せず）を含めた所謂ばね下の部材を、例えばコイルばね４（板ばねやトーションバー或いは空気ばね等でもよい）及びショックアブソーバ５を介して車体Ｂに連結するものであり、そのコイルばね４等と並列に車体Ｂとの間に設けた電磁アクチュエータ２によって、車輪３に少なくとも上下方向の制御力を付与するようになっている。

同図(b)に模式的に示すように、サスペンション１は、力学的には車輪３等がコイルばね４及びショックアブソーバ５によってばね上の部材６（主に車体Ｂの分担質量分）に連結されてなる２自由度の振動系とみなすことができる。図の例では、ばね下の質量をＭ_１、タイヤ３ａのばね定数をＫ_１、コイルばね４のばね定数をＫ_２、ショックアブソーバ５の減衰係数をＣと表し、ばね上の質量はＭ_２と表している。

また、車輪３の接地する路面の凹凸、即ち上下方向変位をｑ_０、ばね下の上下方向変位をｑ_１、ばね上の上下方向変位をｑ_２と表し、電磁アクチュエータ２に入力される制御量はｕと表している。この制御量ｕに対応して駆動される電磁アクチュエータ２は、ばね下に上下方向の制御力を付与する一方、それとは逆向きの反力をばね上に付与することになる。電磁アクチュエータ２の発生する制御力は、ばね下及びばね上を互いに押し離す向きを正値とし、両者を引き寄せる向きを負値とする。

尚、電磁アクチュエータ２としては、一例としてリニアモータが用いられ、ばね下に連結したロッドには永久磁石が、また、それを囲むようにばね上には駆動用コイルが、それぞれ配置されている。駆動用コイルへの給電制御によってロッドの進退駆動力が制御されて、ばね下、ばね上へそれぞれ制御力が付与される。勿論、ロッドをばね上に連結してもよい。

そして、各車輪３，３，…毎の電磁アクチュエータ２，２，…の制御がコントローラ１０によって行われる。図２に模式的に示すように、自動車Ａの車体Ｂには、各車輪３，３，…毎のサスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…の取付部位（ばね上）に対応して上下方向の加速度ｑ_２″を検出する加速度センサ１１，１１，…と、サスペンション１のストロークｑ_ｓ（＝ｑ_２−ｑ_１）を検出するストロークセンサ１２，１２，…とが備えられている。

また、自動車Ａの走行速度（車速）Ｖ_ｘを検出する車速センサ１３と、同横加速度Ｖ_ｙ′を検出する横加速度センサ１４と、同ヨーレイトφ′を検出するヨーレイトセンサ１５と、同ステアリング操舵角δを検出する舵角センサ１６と、が備えられている。但し、センサの種類は前記のものに限定されず、例えば周知の車輪速センサからの出力に基づいて車速Ｖ_ｘを演算するのであれば、前記車速センサ１３はなくてもよい。尚、この実施形態では前記センサ１３〜１６が、後述するコントローラ１０の走行状態量検出部１０ｂとともに、自動車Ａの走行状態量を検出する走行状態量検出手段を構成する。

コントローラ１０は、前記各センサ１１〜１６等からの信号を受けて各車輪３，３，…毎、即ち各サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…毎の電磁アクチュエータ２，２，…を制御し、それらの発生する制御力によってサスペンション１のストロークを積極的に変更する。具体的には路面の凹凸等による入力を吸収して、車体Ｂへの振動伝達を軽減するとともに、慣性力による車両の姿勢変化を抑えるようにして、乗り心地及び運動性能を高次元で両立させる。

また、コントローラ１０は、前記各サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…毎の電磁アクチュエータ２，２，…を所定の制御則に則って制御し、それらの発生する制御力にによって車輪３の接地荷重を増減させることにより、自動車Ａの旋回中に内外輪の接地荷重配分を変化させて、その旋回挙動を制御するようになっている。

すなわち、この実施形態では、自動車Ａの前後左右４車輪３，３，…の接地荷重Ｗ_ｉ（ｉ＝１，２，…）をそれぞれ変更するようにしており、図３(a)に模式的に示すように、例えば左旋回中の自動車Ａの操縦性を高めるのであれば、前輪側では旋回内輪である左側前輪で接地荷重Ｗ_１が増大（図に斜線を入れて示す摩擦円半径が拡大）し、旋回外輪である右側前輪では減少するとともに、後輪側では旋回内輪（左側後輪）では接地荷重Ｗ_３が減少し、旋回外輪（右側後輪）では増大するように、各サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…毎の電磁アクチュエータ２，２，…を制御する。その際、制御に係る演算量をできるだけ少なくして応答性を高めるために、各車輪３，３，…毎の接地荷重Ｗ_１，Ｗ_２，…の増減量は全て同じ大きさＵになるようにしている。

そうして前輪側において旋回内輪の接地荷重Ｗ_１が増大し、旋回外輪の接地荷重Ｗ_２が減少すると、タイヤ３ａのグリップ力の非線形性から、同図(b)に示すように旋回内輪の横力の増分が同外輪の横力の減少分よりも大きくなるので、内外輪３，３を合わせた前輪側の横力が増大してコーナリングフォースが大きくなる。一方、後輪側においては、前輪側とは反対に接地荷重配分が旋回外方寄りに変化し、図示は省略するが内外輪を合わせた横力は減少して、コーナリングフォースも小さくなる。よってヨーモーメント（図の例では反時計周りのヨーモーメントφ）が増大し、ステアリング操舵に追従する自動車Ａの操縦性が高くなるのである。

尚、詳しい説明は省略するが、前記と反対の向きに制御力を加えて各車輪３，３，…の接地荷重Ｗ_１，Ｗ_２，…をそれぞれ前記とは逆向きに変化させると、前輪側のコーナリングフォースが小さくなる一方、後輪側のコーナリングフォースは大きくなるので、ヨーモーメントが減少し、自動車Ａの旋回挙動は安定寄りに変化することになる。

より具体的に、コントローラ１０には、加速度センサ１１，１１，…及びストロークセンサ１２，１２，…からの信号に基づいて各サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…毎のばね下の上下方向変位ｑ_１、その速度ｑ_１′及び加速度ｑ_１″、並びにばね上の上下方向変位ｑ_２及びその速度ｑ_２′、即ちサスペンション１の作動状態を表すサスペンション状態量を演算するサスペンション状態量検出部１０ａが備えられている。

また、コントローラ１０は、車速センサ１３、横加速度センサ１４、ヨーレイトセンサ１５、舵角センサ１６等からの信号に基づいて、それぞれ、車速Ｖ_ｘ、横加速度Ｖ_ｙ′、ヨーレイトφ′、ステアリング操舵角δ等を検出するとともに、路面摩擦係数μや各車輪３，３，…の接地荷重Ｗ_１，Ｗ_２，…、横滑り角β_１，β_２，…、或いは横力Ｙ_１，Ｙ_２，…等を演算する、即ち自動車Ａの走行状態を表す種々の走行状態量を検出する走行状態量検出部１０ｂを備えている。

さらに、コントローラ１０には、前記２つの状態量検出部１０ａ，１０ｂによる演算結果に基づいて電磁アクチュエータ２，２，…への制御出力を演算する２つの制御量演算部１０ｃ、１０ｄが備えられている。第１の制御量演算部１０ｃは、前記の如く電磁アクチュエータ２，２，…の作動によりサスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…を積極的にストロークさせて、路面の凹凸等による入力を吸収し、車輪や車体Ｂの振動を抑えるように電磁アクチュエータ２，２，…を駆動するための制御量を演算する。

一方、第２の制御量演算部である挙動制御量演算部１０ｄは、前記図３を参照して説明したように旋回中の自動車Ａの内外輪の接地荷重配分を変化させて、操縦性及び安定性が両立するようにその旋回挙動を制御するための制御量ｕを演算する。そして、それら２つの制御量演算部１０ｃ、１０ｄによりそれぞれ演算された制御量同士が所定の協調ロジックに従って合算されて、各サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…毎の電磁アクチュエータ２，２，…に出力される（ｕ_opt）。

加えて、この実施形態のコントローラ１０には、前記のように検出される自動車Ａの現在の走行状態に基づいてその挙動制御の特性、具体的には挙動制御における操縦性及び安定性のバランスを補正する補正制御部１０ｅも備えられている。尚、前記サスペンション状態量検出部１０ａ、走行状態量検出部１０ｂ、第１及び第２の制御量演算部１０ｃ，１０ｄ、補正制御部１０ｅのそれぞれの機能は、コントローラ１０のＣＰＵによって所定のプログラムが実行されることにより、実現するものであり、その意味でコントローラ１０は、前記各部１０ａ〜１０ｅをソフトウエア・プログラムの態様で備えている。

特に、本発明の特徴として、第２の制御量演算部である挙動制御量演算部１０ｄには、前記の如き自動車Ａの旋回挙動制御においてヨーレイトφ′及び横滑り量（車両の横方向速度Ｖ_ｙによって表される）がそれぞれ運転操作に相応しい最適なものとなり、操縦性と安定性とが両立するように電磁アクチュエータ２，２，…を制御するとともに、そのアクチュエータ駆動のためのエネルギ消費は極力、抑えるような制御則が設定されている。換言すれば、前記の制御則は、以下に詳述するような最適制御則である。

（最適制御則の求め方）
次に、前記のようにコントローラ１０の挙動制御量演算部１０ｄに設定されている制御則について、特に、そのような最適制御則を導く手法、つまり、最適制御問題の解法について詳細に説明する。

−基本的な考え方−
まず、基本的な考え方から説明する。一般的に最適制御問題では、制御対象の特性を運動方程式で記述し、これを制御する系について種々の観点から定義した評価関数を最大、或いは最小にするような制御則を求めるものであるが、通常、そのような制御則を解析的に導くことは容易ではない。

この点につき本願の発明者らは、機械力学系システムの非線形系を含む比較的広範囲の最適制御問題を解析的に解く方法として、制御対象のエネルギ収支に着目し、システムを漸近安定させる制御則を簡単に導くことのできる手法を考案している。

この手法では、制御対象の特性を運動方程式で記述するのではなく、以下のように制御対象の全入出力パワーの収支の式(1)を用いる。この式(1)は、システムの各自由度毎の運動方程式をベクトル表示し、これに速度ベクトルを乗じたものである。入力パワーには制御入力だけでなく外乱入力も含まれる。尚、制御対象は受動要素だけとは限らないため、内部にエネルギ源があり、これが運動に影響を与えていれば、外乱入力として取り扱う。

前記式(1)において、ｄ，ｅ，ｑ，ｕ，ν，ｚ∈Ｒⁿ、Ｍ∈Ｒ^n×nは正定対称な慣性マトリックス、ｎは制御対象の自由度である。ｑは一般化座標、ｕは制御入力で、独立なアクチュエータの数はｎとする。νは力入力の外乱、ｚは変位入力の外乱である。ｕとνは直接、慣性に作用し、ｚはばね下を介して慣性に作用するものとする。ｄはコリオリ力や遠心力やダンピング力等、ｅはポテンシャル力である。

制御対象が非線形であっても、制御装置を合理的に設計すれば、式(1)のようにｕを直接、Ｍに作用させることができる。このように合理的に設計された機械力学系システムを想定し、このシステムに対して以下の評価関数Ｊを考える。

前記式(2)においてｇは、制御性能の評価を与えるスカラー関数であり、ｕ^Tｑ′は、制御装置のアクチュエータから制御対象に加えられるパワー、即ちアクチュエータから伝達されるエネルギである。ｒは重み係数で正定値である。また、この手法では実時間制御を対象とし、有限評価区間を前提としている。前記式(2)を最小化する制御量ｕ(t)を求めることが最適制御問題である。

まず、最適制御の必要条件を求めるために、以下の式(3)のようなスカラー関数Ｌを定義する。この式においてκは未定定数である。右辺の｛｝内は、式(1)の左辺と同じで制御対象の全パワー収支であるから、エネルギ保存則を満たし常にゼロである。従って、式(3)で表される関数Ｌの積分（汎関数）を最小化する条件は、式(2)をも最小化する条件を与える。

よって、Ｌの積分にｑを変数とする変分原理を適用した次式(4)は、制御入力ｕに関する最適制御のための必要条件を与える。Ｌはｕに関して１次式であるから、∂Ｌ／∂ｕには意味がなく、次式(4)に制御に関する全ての情報が含まれることになる。但し、Ｌにはｑの２回の導関数が含まれるため、次式においては、一般的なオイラーの方程式に第３項が追加されている。

前記式(4)を積分し、積分定数をゼロとすると以下の式(5)が得られ、この式(5)に前記式(3)を代入して左辺第１〜３項を順に第１〜３行として記すと、以下の式(6)のようになる。そして、その式(6)から以下の式(7)のように制御則が求まる。

こうして、評価関数Ｊを最小化するｑとｕとの関係を直接、導くことができるため、従来一般的な手法のように２点境界値問題を最適性の原理を用いて解くプロセスは不用になる。κは未定定数であるが、κ＝０のときにｕは、評価関数のパラメータのみで定まることになり、一方、κ＝∞のときにｕは、制御対象のパラメータのみで定まることになるから、ｕが最適であるためのκはゼロでない有限値でなければならない。

前記式(7)の第１行は外力ν及び慣性のｑ依存性に対する制御、第２行はコリオリ力や遠心力やダンピング力に対する制御、第３行はポテンシャル力とそのｑ依存性及び外力ｚに対する制御、第４行は評価関数を低減させる制御である。式(7)には未実行の微積分項が含まれているが、全ての外力及び状態量の検出或いは推定が可能とすれば、これらの実時間での実行は可能である。

尚、前記式(5)においては積分定数をゼロとしたが、前記の結果より積分定数は制御則に一定のバイアスを与えることになるため、ゼロとすることが妥当であることが分かる。これは式(7)中の積分についても同様である。

また、前記式(7)ではアクチュエータの数と系の自由度とが同じであることを想定しており、アクチュエータの数が少ない場合には次のような処理が必要となる。例えばアクチュエータが２つの独立な慣性の間に置かれるような場合は、制御ベクトルにその拘束条件を含めておき、最適制御則は、２つの制御則にそれぞれ重み付けをして加算したものとすればよい。

すなわち、ｕ_ｉ，ｕ_ｉ＋１を、それぞれが独立な制御として導いた場合の最適制御則とし、ρ_ｉ，ρ_ｉ＋１を重み係数とすれば、制御出力 ｕ_ｏｐｔ ＝ ρ_ｉｕ_ｉ＋ρ_ｉ＋１ｕ_ｉ＋１ となる。尚、重み係数ρ_ｉ，ρ_ｉ＋１の値は理論的に導かれるものではなく、制御対象の構造的特徴に依るものである。

−サスペンション・システムの場合−
以上のような考え方に従って、この実施形態のサスペンション制御装置Ｓにおける自動車Ａの挙動制御のための制御量ｕの求め方、即ち最適な挙動制御を実現するための制御則を導出する。まず、図４に示す車両モデルの運動方程式は以下の式(8)〜(10)のように表される。式(8)は、自動車Ａの運動座標系における前後力の釣り合いを、また、式(9)は同横力の釣り合いを表し、式(10)はヨーモーメントの釣り合いを表している。

前記式(8)〜(10)においてｍは車両の質量、Ｉは重心周りの慣性モーメントであり、Ｖ_ｘは車速、即ち自動車Ａの前後方向速度、Ｖ_ｙは同横方向速度である。また、Ｘ_ｉ（ｉ＝１，２，…），Ｙ_ｉ（ｉ＝１，２，…）は、それぞれ旋回中の自動車Ａの各車輪３，３，…における前後力及び横力であり、ｉ＝１，２，…の順に、旋回内側の前車輪３、旋回外側の前車輪３、旋回内側の後車輪３、旋回外側の後車輪３に対応している。さらに、ｌ_ｆ，ｌ_ｒは、それぞれ、車体重心から前車輪３，３及び後車輪３，３までの前後方向の距離を表している。

前記各自由度毎の運動方程式(8)〜(10)に速度成分を乗じて、前記式(1)に相当するパワー収支式を作成する。すなわち、式(8)に前後方向速度Ｖ_ｘを乗じ、式(9)に横方向速度Ｖ_ｙを乗じ、式(10)にはヨーレイトφ′を乗じ、それらを足し合わせることで以下の式(11)を得る。

ここで、この実施形態の旋回挙動制御の目標は、旋回中に自動車Ａに生じるヨーレイトφ′の目標値^tarφ′からの偏差（ヨーレイト偏差）と、横滑り量、即ち横方向速度Ｖ_ｙの目標値^tarＶ_ｙからの偏差（横滑り量偏差）とをそれぞれ最小化することなので、前記式(2)の評価関数Ｊにおいて制御性の評価を与える関数ｇは以下の式(12)によって表される。そして、前記式(3)のスカラー関数Ｌは、前記式(11)のパワー収支式を用いて以下の式(13)によって表される。

前記式(12)、(13)において定数κは、後述のように制御特性を変更するための重み係数として機能する。また、ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３は、それぞれ、望ましい制御特性になるように予め設定される重み係数であり、ｒ_１，ｒ_２は、それぞれヨーレイト偏差、横滑り量偏差に乗算されていて、評価関数Ｊにおいてそれらの重みを変更する意味を持つ。一方、ｒ_３は、式(13)の右辺第３項、即ち電磁アクチュエータ２からの伝達エネルギを表す項の重み係数に相当し、評価関数Ｊにおける消費エネルギの重みを変更する意味を持つ。

そして、前記式(12)の評価関数Ｊを最小化する条件を求めるためには、上述したように式(13)の関数Ｌの積分（汎関数）を最小化する条件を求めればよい。式(13)には、各車輪３，３，…の横力Ｙ_ｉ（ｉ＝１，２，…）が含まれているので、この実施形態では周知のマジックフォーミュラ・モデルを用いて、以下の式(14)のように車輪横力を推定する。

尚、各車輪３，３，…の接地荷重Ｗ_１，Ｗ_２，…は、例えば車速Ｖ_ｘ及びステアリング操舵角δ等から推定することができ、加速度センサ１１，１１，…やストロークセンサ１２，１２，…の検出値に基づいて推定することもできる。同様に各車輪３，３，…の横滑り角β_１，β_２，…は、例えばヨーレイトφ′を積分して求めた自動車Ａの進行方向とステアリング操舵角δとから推定できる。また、ａ，Ｂ（Stiffness Factor），Ｃ（Shape Factor）は、それぞれタイヤの特性によって決まる定数であり、その適値は探索的手法によって求められる。

そして、前記式(13)の関数Ｌの積分を最小化する条件を求めるためには、その式(13)に前記式(14)を代入した上で、前記(4)に相当する以下の式(15)を適用する。これにより前記式(7)のように積分を含まない解析解の制御則（必要条件）を求めることができる。

ここで、前記図３を参照して上述したように、この実施形態では各車輪３，３，…毎の接地荷重の増減量Ｕが同じ大きさになるように、各電磁アクチュエータ２，２，…を制御する。こうすると各車輪３，３，…の接地荷重は、旋回内側の前車輪３においてＷ_１＋Ｕ、旋回外側の前車輪３においてＷ_２−Ｕ、旋回内側の後車輪３においてＷ_３−Ｕ、旋回外側の後車輪においてはＷ_４＋Ｕとなるから、制御則は、全ての車輪３，３，…に共通の接地荷重変化量Ｕを決定するものであればよい。

そこで、詳しい説明は省略するが、前記のように式(13)〜(15)から求められる制御則を接地荷重変化量Ｕについて整理して、以下の式(16)〜(18)を得る。尚、式(17)(18)においてΓ_１，Γ_２，…は、それぞれ、各車輪３，３，…の横力Ｙ_１，Ｙ_２，…の最大値Ｄ_１，Ｄ_２，…に対する比率を表している。また、Ｄ_１，Ｄ_２，…は、Ｄ_ｉ＝（μＷ_ｉ−ａＷ_ｉ ²）と表され、θ_ｉ＝（１／Ｄ_ｉ）×（∂Ｙ_ｉ／∂φ_ｉ′）と表される（ｉ＝１，２，…）。

前記式(17)の右辺第１〜４項を比較すると、その第１項に比べて第２〜４項の値は十分に小さく、無視することができる。同様に式(18)の右辺第３、４項も無視することができるので、前記式(17)、(18)は、簡略化して以下の式(19)、(20)のように表せる。式(19)のＵ_Ａは、制御入力のないときに前車輪３，３の横力によって生じるヨーモーメントを表し、式(20)のＵ_Ｂは、単位制御入力を加えたときに全ての車輪３，３，…の横力によって生じるヨーモーメントを表している。Ｕ_Ａ、Ｕ_Ｂは、サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…の素のロール剛性や現在のロールの大きさ等によって変化する。

本手法による制御則の導出は前記式(16)、(19)、(20)までであり、これは最適制御の必要条件を与える。式(16)における未定定数κ、ｒ_１，ｒ_３は、上述したようにそれぞれ制御特性に影響を与える重み係数であり、ｒ_１，ｒ_３については、望ましい制御特性になるような、即ち評価関数Ｊが最小となるような値を予め実験、解析等を用いた探索的手法により求めればよい。上述したが、ｒ_１の値を大きくすればヨーレイト偏差の重みが大きくなり、ｒ_３の値を大きくすれば、エネルギ消費の重みが大きくなる。

そうして導出された制御則は、式(3)、(13)の関数Ｌ、即ち、自動車Ａのヨーレイト偏差及び横滑り量偏差のそれぞれの大きさを表す項と、電磁アクチュエータ２から制御対象（車体Ｂ及び車輪３）への伝達エネルギを表す項と、該制御対象の全エネルギ収支を表す項とを、有する関数Ｌの積分を最小化するような最適制御則であり、式(16)の接地荷重変化量Ｕとなるように各車輪３，３，…の電磁アクチュエータ２，２，…を制御すれば、エネルギ消費を抑えつつ、自動車Ａのステアリング操舵に対する追従性と挙動安定性とを両立する適切な旋回挙動制御を実現できる。

さらに、この実施形態では、以下に具体的に述べるように、ステアリング操舵角δの変化率に基づいて前記式(16)における重み係数κの値を変更するようにしており、これにより、自動車Ａの走行状態まで加味して挙動制御の特性（具体的には操縦性及び安定性のバランス）を変更し、より適切な制御を行うことができる。

すなわち、前記式(20)から明らかなように、Ｕ_Ｂは主に、単位制御入力に応じて自動車Ａに作用するヨーモーメントを表している。式(16)では、このＵ_Ｂに重み係数κが乗算されているから、κを大きくすると見かけ上、制御入力によるヨーモーメントが増大することになるが、同式(16)の制御則は操縦性及び安定性を両立するものなので、この制御則に則って求められる接地荷重変化量Ｕは、ヨーモーメントが減少する向きに変化する（つまり、接地荷重変化量Ｕは小さめの値になる。

ところが、重み係数κを大きくしても、Ｕ_Ｂの値が変化するわけではないから、制御によって実際に自動車Ａに作用するヨーモーメントの大きさは変わらない。このため、前記のように制御される接地荷重変化量Ｕが小さめになれば、実際に自動車Ａに作用するヨーモーメントが小さめになって、ステアリング操舵に対する追従性が低下するとともに、自動車Ａの挙動の安定性は高くなるのである。

つまり、前記式(16)における重み係数κの値を大きくすれば、自動車Ａの旋回挙動制御の特性は、ステアリング操舵に対する追従性よりも挙動安定性を重視するものに変更され、反対に重み係数κの値を小さくすれば、安定性よりも操縦性を重視するものに変更されることになる。

（サスペンション制御の具体例）
次に、コントローラ１０による電磁アクチュエータ２，２，…の制御、特に、挙動制御量演算部１０ｄにおける制御量ｕの演算について、図５に示すフローチャートに基づいて具体的に説明する。

まず、図示のフローのスタート後のステップＳ１では、主にセンサ１３〜１６からの信号を入力して、少なくとも、車速Ｖ_ｘ、横加速度Ｖ_ｙ′、ヨーレイトφ′、ステアリング操舵角δ等の走行状態量を検出し、続くステップＳ２では、例えば車速Ｖ_ｘ及びエンジン出力等から路面摩擦係数μの推定演算を行うとともに、例えば車速Ｖ_ｘ及びステアリング操舵角δ等から各車輪３，３，…の接地荷重Ｗ_１，Ｗ_２，…の推定演算を行う。

続いてステップＳ３において、例えば車速Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙやステアリング操舵角δ等から各車輪３，３，…の横滑り角β_１，β_２，…を推定し、前記路面摩擦係数μや接地荷重Ｗ_１，Ｗ_２，…の推定値とともに、前記した式(14)を用いて各車輪３，３，…の横力Ｙ_１，Ｙ_２，…を推定する。続くステップＳ４では、前記各車輪３，３，…の横力Ｙ_１，Ｙ_２，…の推定値とその最大値Ｄ_１，Ｄ_２，…とに基づいてΓ_１，Γ_２，…を算出し、式(19)、(20)を用いてＵ_Ａ、Ｕ_Ｂを算出する。

続いてステップＳ５において、例えば車速Ｖ_ｘ及びステアリング操舵角δ等から目標ヨーレイト^tarφ′を算出し、実ヨーレイトφ′との偏差（ヨーレイト偏差^tarφ′−φ′）を求める。また、ステップＳ６では、車両の走行状態、具体的には例えばステアリング操舵角δの変化率に基づいて、予め設定したテーブルから重み係数κの値を読み出し、前記の式(16)に設定する。

一例を図６に示すように、重み係数κの値は、ステアリング操舵角δの変化率Δδ（時間当たりの変化量）に対応付けて、変化率Δδが低いほど大きな値になり、変化率Δδが高いほど小さな値になるように設定されている。すなわち、ステアリング操舵角δの変化率Δδが低いということは、例えば緩いカーブをゆったりと走行しているような状況であり、自動車Ａの挙動の安定性は高いことが好ましいとともに、操舵に対する追従性はむしろ低い方が乗り心地等の観点で有利になるからである。

一方、例えば衝突回避のために運転者がステアリングを急操舵したときには、その操舵に対する自動車Ａの挙動変化の追従性を十分に高くして、障害物との衝突を回避することが最優先であり、この場合には少々、挙動安定性が損なわれても構わないから、舵角変化率Δδが高いほど重み係数κの値は小さくなるように設定している。尚、前記テーブルにおいて重み係数κの値は、舵角変化率Δδの変化に応じて連続的に変化するように設定しなくてもよく、例えばステップ状に変化するようにしてもよい。

前記ステップＳ６に続いてステップＳ７では、前記ステップＳ４で算出したＵ_Ａ、Ｕ_Ｂと、ステップＳ５で求めたヨーレイト偏差（^tarφ′−φ′）とを式(16)に代入して、各車輪３，３，…に共通の接地荷重変化量Ｕ（目標値）を演算する。そして、その接地荷重変化量Ｕと各車輪３，３，…の現在の接地荷重Ｗ_１，Ｗ_２，…とに基づいて、ステップＳ８では各車輪３，３，…毎の電磁アクチュエータ２，２，…の制御量ｕを算出する。

そうして算出した挙動制御のためのアクチュエータ制御量ｕに、別途、第１制御量演算部１０ｃにより算出された振動抑制等のための制御量を合算し、ステップＳ９では各車輪３，３，…の電磁アクチュエータ２，２，…への給電量を演算する。そして、その給電量に対応する制御信号ｕ_optを出力して、リターンする。

前記ステップＳ１〜Ｓ３の手順は、コントローラ１０の走行状態量検出部１０ｂによって行われ、ステップＳ４〜Ｓ８の手順は同挙動制御量演算部１０ｄによって行われる。特にステップＳ６において舵角変化率Δδに応じて重み係数κを変更する処理は、同補正制御部１０ｅによって行われる。

（作用・効果）
したがって、この実施形態の車両用サスペンション制御装置によると、自動車Ａの旋回走行中には、上述したようにコントローラ１０の挙動制御量演算部１０ｄにより演算される制御量ｕに基づいて、前後左右の各車輪３，３，…毎の電磁アクチュエータ２，２，…の制御が行われ、該各車輪３，３，…に所要の制御力が付与されて、それらの接地荷重Ｗ_１，Ｗ_２，…が増減変化するようになる。

例えば、ステアリング操舵に対する車体の挙動変化が遅れ気味であれば、旋回内側の前車輪３の接地荷重Ｗ_１を増大させるとともに、旋回外側の前車輪３では接地荷重Ｗ_２を減少させることで、接地荷重配分が効率良く旋回内方寄りに変化して、コーナリングフォースが大きくなる。一方、旋回内側の後車輪３では接地荷重Ｗ_３を減少させ、旋回外側の後車輪３では接地荷重Ｗ_４を増大させることで、接地荷重配分は効率良く旋回外方寄りに変化し、コーナリングフォースが小さくなる。よって、旋回方向のヨーモーメントが増大し操舵への追従性が高くなる。

反対に、ステアリング操舵に対する挙動変化が大きめであれば、電磁アクチュエータ２，２，…の制御力は前記とは反対の向きに加えられ、各車輪３，３，…の接地荷重Ｗ_１，Ｗ_２，…がそれぞれ前記とは逆向きに変化することで、ヨーモーメントが減少し、自動車Ａの挙動安定性が高くなる。

そして、そのような電磁アクチュエータ２，２，…の制御は、この実施形態では、ヨーレイト偏差及び横滑り量偏差を最小化して、自動車Ａの操縦性と安定性とを両立するような最適制御則に則って行われるので、それら電磁アクチュエータ２，２，…の制御力によって制御される自動車Ａの旋回挙動は、ヨーレイト及び横滑り量がいずれも運転操作に相応しいものとなり、操縦性と安定性とが両立するようになる。

そのような最適制御則は、予め解析的に導出されて制御演算式の態様でコントローラ１０のメモリに格納されているので、従来までと異なり、自動車Ａのサスペンション制御に十分な応答性を確保できる。特にこの実施形態では、制御目標値である接地荷重変化量Ｕを全ての車輪３，３，…に共通とすることで、制御に係る演算量をできるだけ少なくしており、このことによっても制御応答性を確保し易い。

そうして最適制御によって、基本的に自動車Ａの挙動制御における操縦性及び安定性の両立を図った上で、さらに、この実施形態では、最適制御則における制御の重み係数κの値をステアリング操舵角δの変化率Δδに基づいて補正するようにしており、例えば急操舵時には操舵応答を特に高くする、というように走行状態に応じて操縦性及び安定性のバランスをより適切なものに変更できる。

加えて、この実施形態の旋回挙動制御では、前記したように自動車Ａの前車輪３，３及び後車輪３，３において、それぞれ内外輪の一方では接地荷重を増大させ、他方では減少させて接地荷重配分を変化させるとともに、そのような内外輪間の接地荷重配分の変化を前輪側及び後輪側では逆向きにしている。このことで、前後輪３，３のコーナーリングフォースを逆向きに変化させて、より効率良くヨーモーメントを作用させることができる上に、それに伴い車体Ｂに作用するロール・モーメントも前後で逆向きになるので、挙動制御に起因するロール軸周りの振動を抑制する効果もある。

（他の実施形態）
尚、本発明に係るサスペンション制御装置の構成は前記の実施形態には限定されず、それ以外の種々の構成も包含する。すなわち、例えば前記の実施形態では、サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…のそれぞれに電磁アクチュエータ２，２，…を設けているが、これに限らず、例えば前２輪、後２輪のいずれか一方のみに電磁アクチュエータ２，２を設けてもよい。

また、アクチュエータとして例示したリニアモータ以外にも例えば、油空圧シリンダや圧電素子等を用いることもでき、電動モータとボールねじ機構とを組み合わせてアクチュエータとすることも可能である。

また、前記したように、自動車の前車輪３，３及び後車輪３，３において、それぞれ内外輪の一方では接地荷重を増大させ、他方では減少させて接地荷重配分を効率良く変化させるとともに、そのような内外輪間の接地荷重配分の変化を前輪側及び後輪側では逆向きにしているが、これに限るものではない。

すなわち、例えば前車輪３，３又は後車輪３，３のいずれか一側のみにおいて、内外輪の一方の接地荷重を増大させ、他方は減少させるようにしてもよいし、或いは、前車輪３等の旋回内側の１輪のみにおいて接地荷重を変化させるようにしてもよい。複数の車輪３，３，…の接地荷重を変化させる場合に、それらの変化量を同じにする必要もない。

さらに、サスペンション制御の具体的な内容についても前記の実施形態は一例に過ぎず、例えば、式(19)、(20)で表されるＵ_Ａ、Ｕ_Ｂを、それぞれ、式(17)、(18)によって表してもよいし、式(19)、(20)とは異なる近似式によって表すことも可能である。

また、前記の実施形態では、制御則において操縦性及び安定性の重み付けを変化させる係数κの値を、舵角変化率Δδに応じて変更設定するようにしているが、これは舵角変化率Δδのみに限定されず、例えば車速Ｖ_ｘ、横加速度Ｖ_ｙ′、ヨーレイトφ′、路面摩擦係数μ、或いは各車輪３，３，…の接地荷重Ｗ_１，Ｗ_２，…、横滑り角β_１，β_２，…、横力Ｙ_１，Ｙ_２，…等、自動車Ａの走行状態を表す種々の走行状態量に応じて変更することができる。

また、式(16)の制御則も一例であり、例示した評価関数Ｊ以外にも種々の観点から定義した評価関数を最小化するような制御則を用いることができる。但し、そういった制御則は、前記実施形態と同様に評価関数の項に制御対象の全エネルギ収支を表す項を加えた関数（式(3)、(13)の関数Ｌ）の積分を最小化するようなものとするのが好ましい。

さらにまた、本発明に係るサスペンション制御装置は、自動車以外の車両にも適用することができる。

本発明に係るサスペンション制御装置は、所謂アクティブ・サスペンションに用いられるアクチュエータを所定の最適制御則に則って制御し、車両の内外輪の接地荷重配分を適切に変更することで、その旋回挙動の操縦性及び安定性を両立する最適な制御を実現できるので、自動車への搭載に好適なものである。

本発明に係るサスペンション制御装置を搭載した自動車(a)と、サスペンション(b)とを模式的に示す図である。 サスペンション制御装置の概略構成を示すブロック図である。 接地荷重配分の変化による挙動制御の概念図(a)と、内外輪の接地荷重配分の増減により横力が変化する説明図(b)である。 制御則の導出に用いる車両モデルの構成図である。 挙動制御量の演算手順を示すフローチャート図である。 舵角変化率に対応付けて重み係数の値を設定したテーブルの概念図である。

符号の説明

Ａ 自動車（車両）
Ｂ 車体
Ｓ サスペンション制御装置
１ サスペンション
２ 電磁アクチュエータ
３ 車輪
３ａ タイヤ
３ｂ ホイール
４ コイルばね
５ ショックアブソーバ
１０ コントローラ
１０ａ サスペンション状態量検出部
１０ｂ 走行状態量検出部（走行状態量検出手段）
１０ｃ 第１の制御量演算部
１０ｄ 第２の制御量演算部（挙動制御手段）
１０ｅ 補正制御部（制御特性補正手段）
１１ 車体上下加速度センサ
１２ サスペンションストロークセンサ
１３ 車速センサ（走行状態量検出手段）
１４ 横加速度センサ（走行状態量検出手段）
１５ ヨーレイトセンサ（走行状態量検出手段）
１６ 舵角センサ（走行状態量検出手段）

Claims (6)

1. 車体に懸架した車輪にアクチュエータによって少なくとも上下方向の制御力を付与するようにした車両用のサスペンション制御装置であって、
   前記アクチュエータを所定の制御則に則って制御し、その制御力によって車輪の接地荷重を増減することにより旋回中の内外輪の接地荷重配分を変化させて、車両の旋回挙動を制御する挙動制御手段を備え、
   前記制御則は、少なくとも、車両のヨーレイトの目標値からの偏差の大きさを表す項と、車両横滑り量の目標値からの偏差の大きさを表す項と、有する関数の積分である評価関数を最小化する最適制御則である
   ことを特徴とする車両用サスペンション制御装置。
2. 車両の旋回挙動制御の制御則は、ヨーレイト偏差及び横滑り量偏差のそれぞれの大きさを表す項に加えて、少なくとも、アクチュエータから制御対象である車体及び車輪への伝達エネルギを表す項と、該車体及び車輪の全エネルギ収支を表す項とを、有する関数の積分を最小化するものとして求められ、以下の式（Ａ）で表される
   

   

   但し、Ｕは、制御力による車輪の接地荷重変化量の目標値であり、Ｕ_Ａは、制御力の加わらないときに車輪の横力によって車両に作用するヨーモーメント、Ｕ_Ｂは、単位制御入力を加えたときに車輪の横力によって車両に作用するヨーモーメント、さらに、φ′はヨーレイト、^tarφ′は目標ヨーレイトであって、κ、ｒ_１、ｒ_３は、それぞれ、制御の重み係数である、請求項１に記載の車両用サスペンション制御装置。
3. 挙動制御手段は、車両前側の内外輪の一方の接地荷重が増大し、他方は減少するとともに、その増減量が同じになるようにアクチュエータを制御する、請求項１又は２のいずれかに記載の車両用サスペンション制御装置。
4. 挙動制御手段は、車両後側の内外輪の一方の接地荷重が増大し、他方は減少するとともに、その増減量が同じになるようにアクチュエータを制御する、請求項１又は２のいずれかに記載の車両用サスペンション制御装置。
5. 挙動制御手段は、車両前側の内外輪の一方の接地荷重が増大し、他方は減少するとともに、車両後側の内外輪の前記一方の接地荷重は減少し、他方は増大するようにアクチュエータを制御する、請求項１又は２のいずれかに記載の車両用サスペンション制御装置。
6. 挙動制御手段は、全車輪の接地荷重の増減量が同じになるようにアクチュエータを制御する、請求項５に記載の車両用サスペンション制御装置。

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