JP2009113515A - 車両の制振制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の制振制御装置は、先行車からの情報を受信する情報受信部と、その情報を用いて自車の車体振動の振幅を抑制するよう算定された車輪トルク補償成分を用いて車輪トルクを制御する制振制御部と、制振制御部が車両の車速又は車輪径と先行車の車速又は車輪径に基づいて車輪トルク補償成分を補正する補償成分補正部を含むことを特徴とする。
【選択図】 図2
Description
図1は、本発明の制振制御装置の好ましい実施形態が搭載される自動車等の車両を模式的に示している。同図に於いて、左右前輪12FL、12FRと、左右後輪12RL、12RRを有する車両10には、通常の態様にて、運転者によるアクセルペダル14の踏込みに応じて後輪に駆動力又は駆動トルクを発生する駆動装置20が搭載される。駆動装置20は、図示の例では、駆動トルク或いは回転駆動力が、エンジン22から、トルクコンバータ24、自動変速機26、差動歯車装置28等を介して、後輪12RL、12RRへ伝達されるよう構成される。しかしながら、駆動装置は、エンジン22に代えて電動機が用いられる電気式、或いは、エンジンと電動機との双方を有するハイブリッド式の駆動装置であってもよい。また、車両は、四輪駆動車又は前輪駆動車であってもよい。なお、簡単のため図示していないが、車両10には、通常の車両と同様に各輪に制動力を発生する制動系装置と前輪又は前後輪の舵角を制御するためのステアリング装置が設けられる。
(a)GPS情報による検出:GPS装置72からの各車両の位置情報の時間微分値から絶対車速Vsを算出する。
(b)ソナー装置、レーダー装置74等(例えば、ミリ波センサを採用したFMCW方式レーダー装置)又はビデオカメラ画像により取得される自車両前方の停止物、路面マーカー、先行車との相対速度から絶対車速Vxを算出する(先行車との相対速度が検出される場合には、先行車との車車間通信により先行車の車速が取得される。)。
(c)Gセンサ等の前後加速度の車両発進時から時間積分値より絶対車速Vsを決定する。
(i)ピッチ・バウンス制振制御
上記の構成に於いて、図2のフィードフォワード制振制御部52a及びフィードバック制振制御部52bによるピッチ・バウンス制振制御は、以下の如き態様にて行われてよい。
車両に於いて、運転者の駆動要求に基づいて駆動装置が作動して車輪トルクの変動が生ずると、図3(A)に例示されている如き車体10に於いて、車体の重心Cgの鉛直方向(z方向)のバウンス振動と、車体の重心周りのピッチ方向(θ方向)のピッチ振動が発生し得る。また、車両の走行中に路面状態の変化や風の影響により車輪上に力又はトルク(外乱)が作用すると、その外乱が車両に伝達され、やはり車体にバウンス方向及びピッチ方向の振動が発生し得る。そこで、ここに例示するピッチ・バウンス振動制振制御に於いては、車体のピッチ・バウンス振動の運動モデルを構築し、そのモデルに於いて要求駆動トルク(を車輪トルクに換算した値)又は現在の車輪トルク推定値(若しくは、先行車車輪速から推定される将来の車輪トルク)を入力した際の車体の変位z、θとその変化率dz/dt、dθ/dt、即ち、車体振動の状態変数を算出し、モデルから得られた状態変数が0に収束するように、即ち、ピッチ/バウンス振動が抑制されるよう駆動装置(エンジン)の駆動トルクが調節される(要求駆動トルクが修正される。)。なお、要求駆動トルクを入力した場合に算出される駆動トルクの調節量がフィードフォワード制振制御部からの補償成分であり、現在の車輪トルクを入力した場合に算出される駆動トルクの調節量がフィードバック制振制御部からの補償成分である。
dX(t)/dt=A・X(t)+B・u(t) …(2a)
ここで、X(t)、A、Bは、それぞれ、
a1=-(kf+kr)/M、a2=-(cf+cr)/M、
a3=-(kf・Lf-kr・Lr)/M、a4=-(cf・Lf-cr・Lr)/M、
b1=-(Lf・kf-Lr・kr)/I、b2=-(Lf・cf-Lr・cr)/I、
b3=-(Lf2・kf+Lr2・kr)/I、b4=-(Lf2・cf+Lr2・cr)/I
である。また、u(t)は、
u(t)=T
であり、状態方程式(2a)にて表されるシステムの入力である。従って、式(1b)より、行列Bの要素p1は、
p1=h/(I・r)
である。
u(t)=−K・X(t) …(2b)
とおくと、状態方程式(2a)は、
dX(t)/dt=(A−BK)・X(t) …(2c)
となる。従って、X(t)の初期値X0(t)をX0(t)=(0,0,0,0)と設定して(トルク入力がされる前には振動はないものとする。)、状態変数ベクトルX(t)の微分方程式(2c)を解いたときに、X(t)、即ち、バウンス方向及びピッチ方向の変位及びその時間変化率、の大きさを0に収束させるゲインKが決定されれば、ピッチ・バウンス振動を抑制するトルク値u(t)が決定されることとなる。かかるトルク値u(t)をエンジン駆動トルクの単位に変換した値が制振制御によりエンジンに与えられる補償成分である。
J=1/2・∫(XTQX+uTRu)dt …(3a)
(積分範囲は、0から∞)
の値が最小になるとき、状態方程式(2a)に於いてX(t)が安定的に収束し、評価関数Jを最小にする行列Kは、
K=R−1・BT・P
により与えられることが知られている。ここで、Pは、リカッティ方程式
-dP/dt=ATP+PA+Q−PBR−1BTP
の解である。リカッティ方程式は、線形システムの分野に於いて知られている任意の方法により解くことができ、これにより、ゲインKが決定される。
上記のピッチ・バウンス制振制御のための補償成分Uを算出するフィードフォワード制振制御部52aとフィードバック制振制御部52bの制御構成は、それぞれ、図4(A)及び(B)に示されている。まず、図4(A)を参照して、図2のフィードフォワード制振制御部52aに於いては、要求駆動トルク決定部51からの要求駆動トルク値が、車輪トルクTwoに換算された後、車輪トルク入力Tとして、運動モデルへ入力され(ブレーキ操作量又はステアリング操作量に対応する車輪トルク推定値も合わせて入力されてよい。)、運動モデルに於いて、そのトルク入力値Twoを用いて式(2a)の微分方程式を解くことにより、状態変数ベクトルX(t)が算出される。次いで、その状態ベクトルX(t)に、上記の如く状態変数ベクトルX(t)を0又は最小値に収束させるべく決定されたゲインKを乗じた値u(t)が算出され、そのu(t)がエンジンの駆動トルク単位の補償成分U(t)に換算されて加算器a1へ送信される。そして、加算器a1に於いて、要求駆動トルク値から補償成分U(t)が差し引かれる。式(1a)及び(1b)からも理解される如く、車体のピッチ・バウンス振動システムは、共振システムであり、任意の入力に対して状態変数ベクトルの値は、実質的には、システムの固有振動数(1〜5Hz程度)を概ね中心とした或るスペクトル特性を有する帯域の周波数成分のみとなる。かくして、U(t)が要求駆動トルクから差し引かれるよう構成することにより、要求駆動トルクのうち、システムの固有振動数の成分、即ち、車体に於いてピッチ・バウンス振動を引き起こす成分が低減又は除去され、車体に於けるピッチ・バウンス振動が抑制されることとなる。
図4(B)に於いて入力される車輪トルクの値は、外乱の作用が反映された値であるので、かかる車輪トルクは、理想的には、各輪にトルクセンサを設け、実際に検出されればよいが、通常の車両の各輪にトルクセンサを設けることは困難である。そこで、図示の例では、車輪トルクの外乱入力として、走行中の車両に於けるその他の検出可能な値から車輪トルク推定器52c(図2)にて推定された車輪トルク推定値が用いられる。車輪トルク推定値Twは、典型的には、駆動輪の車輪速センサから得られる車輪回転速ω又は車輪速値r・ωの時間微分を用いて、
Tw=M・r2・dω/dt …(5)
と推定することができる。ここに於いて、Mは、車両の質量であり、rは、車輪半径である。[駆動輪が路面の接地個所に於いて発生している駆動力の総和が、車両の全体の駆動力M・G(Gは、加速度)に等しいとすると、車輪トルクTwは、
Tw=M・G・r …(5a)
にて与えられる。車両の加速度Gは、車輪速度r・ωの微分値より、
G=r・dω/dt …(5b)
で与えられるので、車輪トルクは、式(5)の如く推定される。]なお、車輪トルク推定値は、車輪速ではなく、エンジン回転速、変速機回転速、タービン回転速など、駆動輪に作動的に連結した駆動系の回転軸の回転速から推定されるようになっていてよい。駆動装置のエンジン又はモータの出力軸の回転速neを用いる場合には、駆動輪の車輪回転速は、
ωe=ne×トランスミッション(変速機)ギア比×デフ(差動装置)ギア比 …(6)
により与えられる。また、変速機の出力軸の回転速noを用いる場合には、
ωo=no×デフギア比 …(7)
により与えられる。そして、式(6)又は(7)の駆動輪の車輪回転速ωの推定値は、式(5)に代入され、車輪トルク推定値が算出される。
図5(A)を参照して、同図に示されている如く、自車両の前方の距離L(厳密には、駆動輪間の距離である。)の位置に先行車が走行している場合、先行車に路面の凹凸等による車輪トルクの変動が生ずるとすると、自車両が、時間τ移動(=L/Vs:Vsは、自車両の車速)後にかかる車輪トルクの変動が生じた位置に到達したとき、自車両に於いても同様の路面の凹凸等による車輪トルクの変動が生ずると予想される。即ち、概して述べれば、先行車に現に作用している外乱は将来に於いて自車両に作用する、或いは、先行車の状態は自車の将来の状態であると予想することができる。そこで、先行車プレビュー制御では、自車にその将来に作用する外乱が自車両の前方を走行する先行車に既に作用しているとの仮定の下、先行車との車車間通信、先行車等との相対距離・速度を検出するレーダー又はソナー装置、GPSといった近年急速に発達しつつある車両の情報化技術又は知能化技術を用いて先行車の位置及び車輪速等を取得し、先行車の車輪速等の変動から自車両に作用する外乱の発生を自車両がその外乱の発生位置に到達する前に予測することにより、その外乱の発生時期に合わせて外乱の起振力としての作用又はそれによる振動を抑制するよう車輪トルク又は制駆動力の制御が実行される(図5(B))。
先行車プレビュー制御実行可否判定は、上記の如く、プレビュー判定部54bにて実行されるようになっていてよい。図6は、プレビュー判定部に於ける作動をフローチャートの形式にて表したものである。同図を参照して、プレビュー判定部では、まず、車両の走行中、図5(A)に例示されている如き、先行車が存在するか否かが判定され(ステップ100)、先行車が存在する場合には、先行車の軌跡に自車が追従して走行しているか否か及び/又は自車の車輪速の位相が、先行車が自車の位置にいたときの先行車の車輪速の位相に概ね一致しているか否かが検出される(ステップ120)。そして、自車が先行車の軌跡に追従して走行していること及び/又は自車と先行車の車輪速の位相が一致していることが判定されれば、プレビュー可能と判定され(ステップ130)、プレビュー制御の実行が指示される(ステップ140)。一方、先行車が存在しないか或いは存在してもプレビュー可能でないと判定されるときには、プレビュー制御の不実行又は中止が指示される(ステップ110)。
既に述べた如く、先行車に於いて発生した外乱は、その発生後、
τ移動=L/Vs …(8)
により与えられる時間の経過後に、自車両に於いて発生するものと推測される。従って、概して述べれば、自車両に於いては、先行車からの車輪速等の発生時又は検出時からτ移動時間後に車輪トルクに於いて車輪トルク補償成分が実現されるように駆動装置に対し制御指令を与えることにより、自車両に於ける外乱の発生に合わせて車輪トルクを補償し、良好に制振が達成されることが期待される。そこで、本発明の制御装置に於いては、先行車からの車輪速等を用いて算出された車輪トルク補償成分は、出力遅延器54aへ送られ、先行車プレビュー制御が実行される場合、出力遅延器54aは、受容した車輪トルク補償成分を、車輪トルク補償成分の実現時期が外乱の発生時に一致するよう下記の態様により決定される制御遅延時間τ遅延だけ遅延させてエンジン制御指令決定部53へ送信する。
τ遅延=τ移動−τ送信−τ信号処理−τ応答 …(9)
により与えられる時間だけ、エンジン制御指令決定部への車輪トルク補償成分の送信を遅延させる。
τ送信=A/K …(10)
により与えられる。Kの値は、送受信中に得ることができ、Aの値は、送受信の完了時に得られる。
τ残り=τ移動−(τ送信+τ信号処理) …(11)
を算定する。かかる残り時間τ残りは、算定後、時間とともに減少する時間値であり、即時のエンジン回転数とエンジントルク値とから与えられる実現系応答時間τ応答と比較され、
残り時間τ残り≦実現系応答時間τ応答 …(12)
が成立した時点で、車輪トルク補償成分が(制御ゲイン乗算器52d)を経て、エンジン制御指令決定部53へ送信される。かくして、式(9)で与えられる制御遅延時間にて、車輪トルク補償成分が遅れてエンジン制御指令決定部53へ送信されることとなる。
残り時間τ残り/Tc<実現系応答時間τ応答/Tc+1 …(12a)
が成立したときに車輪トルク補償成分が送出されるようになっていてもよい。右辺に1が加算されているのは、両辺が整数となるためである。
出力遅延器54aから送出される車輪トルク補償成分は、加算器a2にて要求駆動トルクに重畳される前に、制御ゲイン乗算器52dに通されて、その寄与の調節が行われる(図示していないが、フィードフォワード制振制御の出力にも同様の制御ゲイン乗算器が設けられていてよい。)。かかる制御ゲイン調節器52dでは、制振制御の補償成分Uに、制御ゲインλが乗算され、
λ・U …(13)
が加算器a2へ送出される。制御ゲインλの値は、通常、駆動装置に無理な要求を送出しないように出力を制限するために調節される。しかしながら、本発明に於いて、先行車プレビュー制御が実行される場合には、更に、先行車の車輪速等を用いて与えられる車輪トルク補償成分を自車両の制振制御に適合するために、制御ゲイン調節器54cにより、下記の態様にて制御ゲインλが算定され、その結果の制御ゲインλが式(13)の制御ゲイン乗算器52dに於ける乗算処理に用いられる。
λ=λ車速差・λ車輪径・λo …(14)
により与えられる。ここで、λoは、基本値であり、通常は、λo=1に設定されるが、任意の理由により、λo<1に設定されてもよい。
λ車速差=νv(自車)/νv(先行車) …(15)
により与えられてよい。ここで、νv(自車)、νv(先行車)は、それぞれ、自車両及び先行車の車速の関数として決定される「制御ゲイン係数」であり、図8のマップにより与えられる。同図のマップの制御ゲイン係数νvは、要すれば、車両に或る外乱を作用させたときに生ずる車輪トルク補償成分の大きさであり、実験的に又は理論的に与えられてよい。制振制御の実行中に於いては、制御ゲイン調節器54cでは、自車の車速Vsと、送出されるべき車輪トルク補償成分の基となる先行車の車輪速等の発生時の先行車の車速、即ち、時間(τ遅延+τ送信+τ信号処理)前の車速が参照され、それぞれの車速に対応する制御ゲイン係数νv(自車)、νv(先行車)がマップから選択される。そして、制御ゲインλ車速差が上記の式(15)により与えられてよい。
λ車輪径=νr(自車)/νr(先行車) …(16)
により与えられてよい。ここで、νs(自車)、νs(先行車)は、それぞれ、自車両及び先行車の車輪径の関数として決定される制御ゲイン係数であり、図9(A)のマップにより与えられる。同図のマップの制御ゲイン係数νsは、要すれば、車両に或る外乱を作用させたときに生ずる車輪トルク補償成分の大きさであり、実験的に又は理論的に与えられてよい。ただし、車輪径は、車速の如く、時々刻々と変化する値ではない。従って、基本的には、先行車プレビュー制御の実行が指示された段階で、先行車の車輪径は、先行車との車車間通信より、自車の車輪径は、電子制御装置内に記憶されている諸元の値を取得し、それぞれの車輪径の値を入力として図9(A)のマップより制御ゲイン係数νsを決定することにより、制御ゲインλ車輪径が決定されてよい。
r[m]=Vs[km/hours]/(3.6[k・hour/sec]×2πF[Hz]) …(17)
として与えられる。そして、自車両と先行車とのそれぞれについて、式(17)により車輪径が算出されると、上記の図9(A)のマップを用いて、制御ゲイン係数がそれぞれ決定され、式(16)により、制御ゲインλ車輪径が決定される。
12FL、FR、RL、RR…車輪
14…アクセルペダル
20…駆動装置
30FL、FR、RL、RR…車輪速センサ
32…Gセンサ
50…電子制御装置
70…車車間通信システム
72…GPS装置
74…車載レーダー装置又はソナー装置
Claims (12)
- 車両の車輪と路面との接地個所に於いて発生する車輪トルクを制御することにより前記車両の車体振動を抑制する車両の制振制御装置であって、前記車両の前方を走行する先行車から該先行車の車輪速若しくは車輪回転速、エンジン回転数、タービン回転速又は変速機回転速の値を表す情報のうちの少なくとも一つを受信する情報受信部と、前記情報を用いて前記車両の車輪トルク推定値を推定し、前記車輪トルク推定値に基づいて前記車体振動の振幅を抑制するよう前記車両の車輪トルクを補償する車輪トルク補償成分を算定して該車輪トルク補償成分を用いて前記車輪トルクを制御する制振制御部とを含み、前記制振制御部が前記車両の車速又は車輪径と前記先行車の車速又は車輪径に基づいて前記車輪トルク補償成分を補正する補償成分補正部を含むことを特徴とする装置。
- 請求項1の装置であって、前記車体振動が前記車体のピッチ又はバウンス振動、前記車両の駆動系振動又は前記車両のエンジンのシェーク振動であることを特徴とする装置。
- 請求項1の装置であって、前記情報受信部が前記車両と前記先行車との車車間通信により前記先行車からの前記情報を受信することを特徴とする装置。
- 請求項1の装置であって、前記制振制御部が、前記車輪トルク補償成分の算定に用いた前記先行車の情報の発生時の前記先行車の位置に前記車両が到達するときに前記情報により推定された前記車輪トルク推定値に基づいて算定された前記車輪トルク補償成分が前記車輪に於いて反映されるよう前記車輪トルクの制御を実行することを特徴とする装置。
- 請求項1の装置であって、前記補償成分補正部が、前記車両の車速と前記先行車の車速とに基づいて前記車輪トルク補償成分のための制御ゲインを決定し、前記車輪トルク補償成分に前記制御ゲインを乗じた値により前記車輪トルクの制御が実行されることを特徴とする装置。
- 請求項5の装置であって、前記補償成分補正部が、車速の関数として前記車輪トルク補償成分の制御ゲイン係数を決定するゲイン係数決定部を含み、前記車輪トルク補償成分のための制御ゲインが前記車両の車速に対応して前記ゲイン係数決定部により決定された制御ゲイン係数と、前記先行車の車速に対応して前記ゲイン係数決定部により決定された制御ゲイン係数とに基づいて決定されることを特徴とする装置。
- 請求項6の装置であって、前記制御ゲイン係数が前記車両を所定の路面上で任意の車速にて走行させた際に与えられる前記車体振動の振幅を抑制する車輪トルク補償成分に基づいて決定された値であることを特徴とする装置。
- 請求項1の装置であって、前記補償成分補正部が、前記車両の車輪径と前記先行車の車輪径とに基づいて前記車輪トルク補償成分のための制御ゲインを決定し、前記車輪トルク補償成分に前記制御ゲインを乗じた値により前記車輪トルクの制御が実行されることを特徴とする装置。
- 請求項8の装置であって、前記車両の車輪径が前記車両の車輪速から推定され、前記先行車の車輪径が前記先行車の車輪速から推定されることを特徴とする装置。
- 請求項8の装置であって、前記車両の車速と前記先行車の車速との差が略同一であるときに前記車輪トルク補償成分のための制御ゲインが決定されることを特徴とする装置。
- 請求項8の装置であって、前記補償成分補正部が、車輪径の関数として前記車輪トルク補償成分の制御ゲイン係数を決定するゲイン係数決定部を含み、前記車輪トルク補償成分のための制御ゲインが前記車両の車輪径に対応して前記ゲイン係数決定部により決定された制御ゲイン係数と、前記先行車の車輪径に対応して前記ゲイン係数決定部により決定された制御ゲイン係数とに基づいて決定されることを特徴とする装置。
- 請求項11の装置であって、前記制御ゲイン係数が任意の車輪径を有する前記車両を所定の路面上で走行させた際に与えられる前記車体振動の振幅を抑制する車輪トルク補償成分に基づいて決定された値であることを特徴とする装置。
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