JP2009514721A - 乗員保護装置のためのロール角算出の方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は乗員保護装置のためのロール角算出方法および関連する装置に関する。本発明によれば、車両の横加速度（ａ_y）と垂直加速度（ａ_z）が検出され、検出された横加速度（ａ_y）と検出された垂直加速度（ａ_z）に基づいて車両のロール角（α）が推定され、その際に、さらに車両速度（ｖ）、ヨー角（ψ）および横滑り角（β）を含む他の走行動特性値が求められ、ロール角（α）の推定を改善するために、前記走行動特性値から向心加速度（ｖ²／ｒ）が計算される。

Description

本発明は、独立請求項１の上位概念に従った乗員保護装置のためのロール角算出の方法および関連する装置に関する。

車両横転の際の受動的安全性の重要性はアメリカ合衆国からの数字によって証明されている。１９９８年には、すべての致死的な単独車両事故の半分は横転に起因するものであった。すべての事故発生のうち、車両横転はほぼ２０パーセントの割合を占めている。

横転検出のための従来のシステムは横揺れ運動と車両のｘ、ｙ、ｚ軸方向の加速度を観察する。これを基に車両横転の確実な検出が可能となる。しかしながら、横転が生じるか否かの判定は横転回転の後期にならなければ下されない。高動特性運転に続く特定の車両横転では、乗員は大きな横加速度を経験する。このような運転は例えばいわゆるソイルトリップ横転につながる。これに関して、トリガ動作の点については、将来の乗員保護システムにはなお潜在的可能性がある。

公知の方法は、例えば、回転速度センサと中央エアバッグ制御装置の中に組み込まれた２つの加速度センサの評価に基づいている。回転速度センサはジャイロの原理に従って車両ロール軸回りの回転速度を求め、加速度センサはさらにピッチ軸及びヨー軸方向の車両加速度を測定する。主アルゴリズムでは回転速度が評価される。加速度センサの測定値は一方では横転の態様の識別を可能にし、他方では妥当性検査に使用される。回転速度アルゴリズムによって横転が認識された場合、妥当性検査により予防安全装置は同時トリガの場合にのみ活動化される。

また別の公知の方法では、車両の横滑り角と横速度を取り入れることによって、横加速度の大きな横転の際の適時のトリガ決定を可能にしている。拡張された横転検出のための公知の方法では、横加速度を考慮した上で、ヨーレートと縦方向の車両速度から横速度の推定が行われる。なお、この横速度は、緑地帯へと側方ドリフトした際に、車両の横転確率の尺度となる。また、横速度を求めるために、いわゆる横滑り角も考慮される。

一般に、横転の際には、例えばウィンドウエアバッグなどの乗員保護手段の早期のトリガ決定が重要かつ不可欠である。それゆえ、このような横転過程の初期には、横転発生の事前計算にとって、車両横速度の他にロール角も重要な値である。とりわけ、不可逆的な乗員保護手段のトリガ決定の場合には、ロール角が重要な役割を果たす。というのも、ロール角が知られれば、トリガ決定を相応して早く行うことができるからである。

従来公知の技術的解決手段では、横加速度センサと垂直加速度センサの信号は、横転の種類の識別と、ロールレートセンサにより測定されたロールレートおよびこのロールレートから計算されたロール角の妥当性検査とにしか使用されない。例えばＷＯ２００１／０４４０２０には、水平軸の回りを回転する物体の絶対回転角を求める方法が記載されており、この方法では、垂直加速度センサとロールレートセンサを用いて、車両の絶対回転角を限られた期間内に求めることができる。

ロールレートセンサは理想的にはロールレートの時間積分により独立した角度推定を出すべきであるが、公知の方法では、ロール角の推定はロールレートセンサから独立しては行われない。さらに、ロールレートセンサのセンサ雑音のため非常に小さなロール角（＜５°）を求めることは非常に難しい。

発明の利点
独立請求項１に記載の特徴を備えた本発明による乗員保護装置のためのロール角算出方法の利点は、ロールレートセンサから独立して、しかもロール角範囲を狭めることなく、ロール角を横加速度センサと垂直加速度センサの信号から連続的に求めることができ、例えば早い時点で乗員保護手段の少なくとも１つのトリガ手続きが利用可能となることにある。本発明の方法によれば、向心加速度の計算のために、車両速度、ヨー角および横滑り角を含む走行動特性値が求められ、これによりロール角の推定が有利に改善される。これらの補助的な走行動特性センサデータは、例えば電子安定プログラムシステム（ＥＳＰシステム）などの別のセンサユニットが利用することもできる。全体的に、本発明の方法によれば、有利なことに、より正確で安定した直接的なロール角推定が得られる。このことは特にロール角が小さい場合に該当する。より正確で安定したロール角が与えられることにより、乗員保護システムの以降のトリガ手続きは車両横転を早期に認識することができる。これにより、安全ベルト、頭部エアバッグ、ウィンドウエアバッグおよびロールバーのような安全装置が適時に活動化され、乗員の負傷危険度が低下することが保証される。このため、有利なことに、本発明のロール角算出方法によって、乗員保護システムのトリガ決定の計算の改善が可能となる。

本発明のロール角算出方法の別の利点として、とりわけ低ロール角領域で、後に続くトリガ手続きのロバストネスが向上し、リセット特性が改善される。これにより、有利なことに、トリガ性能の改善が達成され、安定した走行状態と誤用の識別が改善され、不可逆的な拘束手段の誤ったトリガが防止される。ここで、すでに車両に組み込まれているセンサシステムとの組合せにより、トリガ手続きの安定性とロバストネスに関して多目的利用が可能となる。これにより、特にオフロード車の場合の横転検出が非常にロバストなトリガ手続きのおかげで改善される。オフロード向けに車両設計されているため、トリガ手続きのロバストネスに関して、通常の道路交通の場合よりも高い誤用識別の要求が考慮されなければならない。

さらに、ロールレートセンサに加えて本発明のロール角推定方法を使用することにより、有利には、代替的な手段として、ロールレートセンサを介したロール角推定をサポートする、ないしは、トリガ決定の妥当性検査を行うことができる。したがって、ロール角を求めるこの補助的な方策により、乗員保護システムのトリガ手続きのトリガ特性とリセット特性がさらに改善される。

独立請求項１０に記載の特徴を備えた本発明による乗員保護装置のためのロール角算出装置の利点は、横加速度を検出するための加速度センサと垂直加速度を検出するための加速度センサの２つの加速度センサを使用し、評価ユニットが検出された横加速度と検出された垂直加速度に基づいて車両のロール角を推定することにより、ロール角センサを使用せずに済むということにある。ロール角推定を改善するために、評価ユニットは車両内の少なくとも１つの別のセンサユニットからのデータを評価する。なお、この別のセンサユニットは別の走行動特性データを求めて向心加速度の計算に提供するものである。走行動特性データは車両速度、ヨー角および横滑り角を含む。ロール角を推定するためのロールレートセンサがもはや不要となるため、ロールレートセンサを使用しないことで関連する制御装置のコストを低減させることができる。ロールレートセンサによるロール角計算をサポートするために代替的な手段として本発明による装置を使用した場合、有利には、ロール角を求める２つの代替的な手段が利用可能となるので、乗員保護装置のトリガ手続きのロバストネスを高めることができる。

独立請求項に示された乗員保護装置のためのロール角算出方法の有利な改善は従属請求項において実施される措置と発展形態とにより可能となる。

現在の横加速度と垂直加速度を求める際、したがってまたロール角を推定する際に、操舵運動に起因する加速および／または車道の凹凸に起因するロール運動をはっきりと補正量として考慮すると、特に有利である。ロール運動の補正量を計算するために、ロール運動は第一近似では中央センサ系の仮想的な回転中心の回りの回転と見なしうるものと仮定される。垂直加速度センサは付加的な「遠心力成分」を「見」、横加速度センサは付加的な接線成分を検出する。垂直加速度と横加速度の補正量は測定されたロールレートを用いて決定することができる。それゆえ、車道の凹凸を補償するために、補正量として例えば第１の付加的な横加速度成分と付加的な垂直加速度成分を計算するようにしてよい。第１の付加的な横加速度成分Δａ_y1は例えば式

に従って計算することができ、付加的な垂直加速度成分Δａ_zは例えば式

に従って計算することができる。

操舵運動の補正量を計算するためには、通常走行時の操舵運動はリヤアクスルの近傍に回転中心を有するものと仮定される。なぜならば、横加速度センサは第２の付加的な横加速度成分として計算される付加的な接線方向の加速度成分を被るからである。垂直加速度センサは操舵プロセスには関わらない。付加的な遠心力を受けるであろうｘ方向のセンサは本考察では考慮されない。第２の付加的な横加速度成分Δａ_y2は例えば式

に従って計算することができる。

本発明による乗員保護装置のためのロール角算出方法および装置は、中央センサ系の測定値を補正量を介して改善するために、あるいは、向心加速度のようなロール角計算のための方程式系の物理量を計算するために、付加的なセンサ情報を用いる場合に、ロール角の直接計算を大幅に改善する。それゆえ、特にロール角の値が小さい場合、および、凹凸の上を走行するときに車両ばね系が振動しているとき、もしくは運転者によって操舵運動が行われるときのロール角推定の精度が改善される。さらに、低ロール角領域において付加的なセンサデータを介して推定される向心加速度の精度も改善される。これにより、推定される絶対ロール角の変動を小さくすることができる。

図面
以下の説明では、図面に示されている本発明の実施例をより詳しく解説する。

図１は、乗員保護装置のためのロール角算出装置の概略的に示すブロック図であり、
図２は、車道の凹凸が少ないときのモデル表現を概略的に示す図であり、
図３は、操舵運動のときのモデル表現を概略的に示す図であり、
図４は、急旋回時のロール角を推定する種々の方法の流れを概略的に示す図であり、
図５は、急旋回時に急カーブから出るときに操舵運動を伴う場合のロール角推定の種々の方法の流れを概略的に示す図であり、
図６は、図５に示されているロール角推定の種々の方法の流れを高分解で示した図である。

実施例の説明
一般に、横転の際には、例えば安全ベルト、頭部エアバッグ、ウィンドウエアバッグおよびロールバーなどの乗員保護手段の早期のトリガ決定が重要かつ不可欠である。それゆえ、このような横転過程の初期には、横転発生の事前計算にとって、車両横速度の他にロール角も重要な値である。しかし、従来公知の技術的解決手段では、横加速度センサと垂直加速度センサの信号は、横転の種類の識別と、ロールレートセンサにより測定されたロールレートおよびこのロールレートから計算されたロール角の妥当性検査とにしか使用されない。

さらに、出願人の以前の出願には、乗員保護システムの相応するサブモジュールにおけるトリガ決定の計算を改善するために、安定走行時の横加速度センサと垂直加速度センサの信号を初期ロール角として車両の絶対ロール角を連続的に計算する方法が記載されている。

本発明が提供する乗員保護装置のためのロール角算出方法および関連する装置は、車両の横加速度と垂直加速度を検出し、検出された横加速度と検出された垂直加速度に基づいて車両のロール角を推定する際に、車両速度、ヨー角および横滑り角をむくむ他の走行動特性値も求め、これらの走行動特性値からのロール角の推定を改善するために向心加速度を計算する。

図１から分かるように、車両１は乗員保護装置２００のロール角を求める本発明による装置を有している。この装置は、横加速度ａ_yを検出する第１の加速度センサ１０、垂直加速度ａ_zを検出する第２の加速度センサ２０、車両速度ｖ、ヨー角ψおよび横滑り角βを含む他の走行動特性値を求めるセンサユニット３０、および、検出された横加速度ａ_yと検出された垂直加速度ａ_zに基づいて車両のロール角αを推定し、これら走行動特性値からのロール角αの推定を改善するために向心加速度ｖ²／ｒを計算する評価ユニット１００を備えている。図示の実施例では、第１および第２の加速度センサ１０，２０は中央センサ系２に組み込まれている。

以下では、数学的基礎とそこから導かれる式について説明する。これらの式は評価ユニット１００がその時その時のロール角を連続的に求めるために使用するものである。加速度は、ロール軸の近傍にある車両重心においてセンサにより測定することができるが、評価ユニット１００では、式（１）による同次変換により車両にかかる外部加速度から計算される。

外部加速度ベクトルは、例えば車両の加速またはブレーキに影響されるｘ方向の加速度成分と、特にカーブ走行時または周回走行時に生じるｙ方向の向心加速度成分と、ｚ方向の重力加速度成分とからなる。縦軸回りのロール角αだけの車両の回転は式（２）に従って外部加速度ベクトルと３×３行列との乗算として表される。

第１の加速度センサ１０は車両の横加速度ａ_y、すなわちｙ成分しか検出せず、第２の加速度センサ２０は車両の垂直加速度ａ_z、すなわちｚ成分しか検出しないので、上記行列乗算に従い、以下では、車両加速度のｘ成分とｙ成分に関する関係式（３）および（４）のみを考察する。

式（３）および（４）では、ロール角αの他に向心加速度ｖ²／ｒも未知である。ここで、加速度成分ａ_yおよびａ_zは測定値として、重力加速度ｇは定数として用いられている。以降の手続きでは、車両速度ｖまたは曲率半径ｒを知ることは必ずしも必要でないため、向心加速度ｖ²／ｒは単独の値として求めてよい。従来的には、向心加速度ｖ²／ｒは例えば式（３）および（４）から求められる。式（３）および（４）の平方とそれに続く加算により、向心加速度ｖ²／ｒは例えば式（５）に従って求められる。

向心加速度ｖ²／ｒのこの計算方式は特に垂直加速度ａ_zのわずかな変動に対して非常に敏感に反応するので、式（６）に従ってロール角を計算する際に、低ロール角領域に大きな変動を生じかねない。

これは、向心加速度ｖ²／ｒを式（５）ではなく、代わりの方式で計算することにより、改善することができる。評価ユニット１００は、求められた車両速度ｖとヨー角ψと横滑り角βに基づき、式（７）に従って向心加速度ｖ²／ｒを計算する。

これらの走行動特性値を車両内の他のセンサ系から得ることができれば、これによってまさに低ロール角領域における直接的なロール角推定が決定的に改善される。図４には、このことが、急旋回時のロール角を推定するための種々の方法の流れを概略的に示す図により示されている。ロール角曲線α_Hは基準センサ系により求められたロール角αの推移を表す。点線で表示されたロール角曲線α_Hは、式（５）で向心加速度ｖ²／ｒを求めた場合に式（６）で計算されるロール角αの推移を表す。太線で表示されたロール角曲線α_E1は、式（７）で向心加速度ｖ²／ｒを求めた場合に式（６）で計算されるロール角αの推移を表す。式（７）により向心加速度ｖ²／ｒの推定が改善されることにより、ロール角曲線α_E1の低ロール角領域に生じる変動は、従来のように式（５）により向心加速度ｖ²／ｒを推定した場合のロール角曲線α_Hに比べて明らかに小さい。

車両１の小さなロール運動は操舵運動と車道の凹凸により生じる。車道の凹凸に起因するロール運動はロール角の直の値の推定を誤らせ兼ねないので、この車道の凹凸に起因するロール運動の補正量を計算するために、ロール運動は第一近似では中央センサ系２の仮想的な回転中心３の回りの回転と見なしうるものと仮定される。それゆえ、図２には、付加的なローリングの原因となりかねない車道凹凸が少ない場合のモデル表現が概略的に示されている。垂直加速度ａ_zと横加速度ａ_yに対する補正量Δａ_y1，Δａ_y2，Δａ_zは、例えば回転速度センサにより測定されたロールレートを用いて求めることができる。横加速度ａ_yを求める第１の加速度センサ１０は、ロール運動に起因してロールレートが変化した場合に、第１の付加的な接線成分Δａ_y1を求める。なお、Δａ_y1は式（８）により求めることができる。

垂直加速度ａ_zを求める第２の加速度センサ２０は、ロール運動に起因してロールレートが変化した場合に、第２の付加的な遠心力成分Δａ_zを求める。なお、Δａ_zは式（９）により求めることができる。

さらに、式（７）により得られた向心加速度ｖ²／ｒも同様に適合させられる。第１の付加的な横加速度成分Δａ_y1と付加的な垂直加速度成分Δａ_zを求めることにより、垂直加速度ａ_zと横加速度ａ_yとに対するこのロール運動の影響を補正することができる。

運転者による操舵運動に関しても同様である。操舵運動に起因するロール運動はロール角の直の値の推定を誤らせかねないので、操舵運動に起因するロール運動の補正量を計算するために、操舵過程は中央センサ系２の仮想的な回転中心４の回りの回転と見なしうるものと仮定される。なお、仮想回転中心４は通常走行状態ではリヤアクスルの近傍に位置する。それゆえ、図３には、操舵過程のモデル表現が概略的に示されている。図３から明らかなように、横加速度ａ_yを求める第１の加速度センサ１０を備えた中央センサ系２は第２の付加的な接線加速度成分を受け、第２の付加的な横加速度成分Δａ_y2を求める。このことは、式（５）および（７）により計算された向心加速度ｖ²／ｒの値に関しても該当する。この場合、式（５）および（７）により計算された向心加速度ｖ²／ｒの値も同様に適合させられる。横加速度成分ａ_yへの付加的な影響に関しては、式（１０）により第２の付加的な横加速度成分が得られる。

垂直加速度ａ_zを求める第２の加速度センサ２０は操舵過程には関わらない。付加的な遠心力を受けるであろうｘ方向のセンサは本考察では考慮されない。

式（３）および（４）を式（８）、（９）および（１０）による補正と組み合わせれば、式（１１）および（１２）による新しい方程式系が得られる。

同様の補正は式（５）および（７）において向心加速度ｖ²／ｒを求めるためにも考慮される。

図５には、急旋回時に急カーブから出るときに操舵運動を伴う場合のロール角推定の種々の方法の流れが概略的に示されている。図４と同様に、ロール角曲線α_Rは基準センサ系により求められたロール角αの推移を表す。点線で表示されたロール角曲線α_E1は、式（７）で向心加速度ｖ²／ｒを求めた場合に式（６）で計算されるロール角αの推移を表す。急カーブから出るときに運転者が操作運動を実施すると、それにより加速度信号が影響を受け、点線で表示されたロール角計算関数α_E1が基準測定値α_Rに比べてオーバーシュートする。

図６には、図５のロール角推定の種々の方法の流れが高分解で示されている。図６には、さらに、向心加速度ｖ²／ｒを式（７）で求め、横加速度ａ_yを式（９）で求め、垂直加速度ａ_zを式（１０）で求めた場合に式（６）で計算されるロール角αの推移を表す太線で表示されたロール角曲線α_E2が示されている。図６から分かるように、付加的なロール運動と操舵運動に起因するロール角曲線α_E1の基準曲線α_Rからの偏差は、ロール角曲線α_E2で考慮される補正量によりほぼ完全に補償することができる。ロール角推定は高ロール角領域ではより正確であり、操舵運動による変動はほぼ完全に補償される。

本発明による方法とその関連する装置は、加速度信号と他のセンサ系からのさらなる走行動特性信号を利用することにより、正確かつロバストにロール角を求めることができるため、オーバーシュートを確実に検出することができる。それゆえ、横転検出の際にロール角を推定する本発明による方法とその関連する装置は、例えば代替的に、ロール角計算の補助またはトリガ決定の妥当性検査に使用することができる。ロール角センサを省くことで関連する制御装置のコストが低下するので、低価格帯の車種にも制御装置を装備することができる。この場合、既に車両に組み込まれているセンサ系との組合せにより、トリガ手続きの安定性とロバストネスに関する多目的利用が可能となる。このことは特にオフロード車の分野において当てはまる。というのも、車両がオフロード向けに設計されているため、トリガ手続きのロバストネスに関して、通常の道路交通の場合よりも高い誤用の識別に対する要求が考慮されなければならないからである。

乗員保護装置のためのロール角算出装置の概略的に示すブロック図である。 車道の凹凸が少ないときのモデル表現を概略的に示す図である。 操舵運動のときのモデル表現を概略的に示す図である。 急旋回時のロール角を推定する種々の方法の流れを概略的に示す図である。 急旋回時に急カーブから出るときに操舵運動を伴う場合のロール角推定の種々の方法の流れを概略的に示す図である。 図５に示されているロール角推定の種々の方法の流れを高分解で示した図である。

Claims (10)

1. 乗員保護装置のためのロール角算出方法において、車両の横加速度（ａ_y）と垂直加速度（ａ_z）を検出し、検出した横加速度（ａ_y）と検出した垂直加速度（ａ_z）に基づいて車両のロール角（α）を推定する際に、車両速度（ｖ）、ヨー角（ψ）および横滑り角（β）を含む他の走行動特性値も求め、ロール角（α）の推定を改善するために、前記走行動特性値から向心加速度（ｖ²／ｒ）を計算することを特徴とする、乗員保護装置のためのロール角算出方法。
2. 操舵運動に起因する加速および／または車道の凹凸に起因するロール運動を求め、現在の横加速度（ａ_y）と現在の垂直加速度（ａ_z）を求める際に、したがってまたロール角（α）を推定する際に、補正量（Δａ_y1，Δａ_y2，Δａ_z）として考慮する、請求項１記載の方法。
3. 通常走行時の車道凹凸に起因するロール運動を仮想的な回転中心（３）の回りの回転と見なし、第１の付加的な横加速度成分（Δａ_y1）として、ならびに、付加的な垂直加速度成分（Δａ_z）として計算する、請求項２記載の方法。
4. 第１の付加的な横加速度成分（Δａ_y1）を式
   

   

   に従って計算し、付加的な垂直加速度成分（Δａ_z）を式
   

   

   に従って計算する、請求項３記載の方法。
5. リヤアクスルの近傍に回転中心（４）を有する通常走行時の操舵運動に起因する加速を第２の付加的な横加速度成分（Δａ_y2)として計算する、請求項２から４のいずれか１項記載の方法。
6. 第２の付加的な横加速度成分（Δａ_y2)を式
   

   

   に従って計算する、請求項５記載の方法。
7. 向心加速度（ｖ²／ｒ）を式
   

   

   に従って計算する、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
8. 現在の横加速度（ａ_y）を式a_y=cosα*v²/r-sinα*g+Δa_y1+Δa_y2に従って計算し、現在の垂直加速度（ａ_z）を式a_z=sinα*v²/r+cosα*g+Δa_zに従って計算する、請求項７記載の方法。
9. ロール角（α）を式
   

   

   に従って計算する、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
10. 乗員保護装置のためのロール角算出装置であって、特に請求項１から９のいずれか１項記載の方法を実行するロール角算出装置において、車両の横加速度（ａ_y）を求める第１の加速度センサ（１０）と、車両の垂直加速度（ａ_z）を求める第２の加速度センサ（２０）と、車両速度（ｖ）、ヨー角（ψ）および横滑り角（β）を含む他の走行動特性値を求め、供給する別のセンサ系（３０）と、検出された横加速度（ａ_y）と検出された垂直加速度（ａ_z）に基づいて車両のロール角（α）を推定する評価ユニット（１００）が設けられており、該評価ユニット（１００）が車両速度（ｖ）、ヨー角（ψ）および横滑り角（β）の値から向心加速度（ｖ²／ｒ）を計算することによりロール角の推定を改善することを特徴とする、乗員保護装置のためのロール角算出装置。

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