JP2010143378A - Vehicle attitude angle estimation device and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両姿勢角推定装置及びプログラムにかかり、特に、ピッチ角速度の推定値を利用してオブザーバによって車両物理量としての鉛直軸に対する車両の姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する車両姿勢角推定装置及びプログラムに関する。 The present invention relates to a vehicle attitude angle estimation device and program, and in particular, a vehicle attitude for estimating a roll angle and a pitch angle, which are vehicle attitude angles with respect to a vertical axis as a vehicle physical quantity, by an observer using an estimated value of a pitch angular velocity. The present invention relates to an angle estimation device and a program.
剛体運動の加速度及び角速度とオイラー角で記述される車両の姿勢角との関係は、非特許文献１等で知られており、この関係に基づいて積分演算を行うことによって、車両の姿勢角を導出することができる。しかしながら、単純な積分演算ではセンサドリフト誤差が蓄積されて正確な姿勢角を導出することはできない。このような積分演算での誤差の蓄積を回避するためには、他のセンサ信号の出力と比較し、略一致するように出力を補正するオブザーバを構成する必要がある。 The relationship between the acceleration and angular velocity of the rigid body motion and the posture angle of the vehicle described by the Euler angle is known in Non-Patent Document 1, etc., and by performing an integral operation based on this relationship, the posture angle of the vehicle is determined. Can be derived. However, a simple integration operation accumulates sensor drift errors, and an accurate posture angle cannot be derived. In order to avoid such accumulation of errors in the integration calculation, it is necessary to configure an observer that corrects the output so that it substantially matches the output of other sensor signals.
また、車体の鉛直軸に対するロール角を推定する従来技術として、スピン等の影響を受けない低周波数領域の車両運動の横方向の成分と車両の姿勢角の影響との関係からロール角を推定する技術が知られている（特許文献１）。
しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術では、姿勢角は小さいという仮定の下で、姿勢角＝０の原点周りで線形化したシステムの安全性を確保するようにオブザーバゲインが設定されており、姿勢角が大きくなる急坂路などにおいて、推定精度が劣化してしまう、という問題がある。 However, in the technique described in Patent Document 1, the observer gain is set so as to ensure the safety of the system linearized around the origin of the posture angle = 0 under the assumption that the posture angle is small. There is a problem that the estimation accuracy deteriorates on a steep slope where the attitude angle becomes large.
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、姿勢角が大きくなる急坂路であっても、精度よく姿勢角を推定することができる車両姿勢角推定装置及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a vehicle attitude angle estimation device and program capable of accurately estimating an attitude angle even on a steep slope where the attitude angle increases. For the purpose.
上記目的を達成するために本発明の車両姿勢角推定装置は、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後速度推定手段と、車両横方向の車体速度である横車体速度を推定する横速度推定手段と、ピッチ角速度を推定するピッチ角速度推定手段と、車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値に応じたセンサ信号、前記前後車体速度の推定値、並びに前記ピッチ角速度の推定値に基づいて、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、を含む車両姿勢角推定装置であって、前記姿勢角推定手段は、前記センサ信号、前記前後車体速度の推定値、及び前記横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量と、前記ロール角の推定値及び前記ピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量とに基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算すると共に、前記ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる鉛直加速度状態量に基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、鉛直加速度状態量の偏差を演算する状態量偏差演算手段を備え、前記演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、前記ロール角及びピッチ角を推定し、前記ロール角の推定値の絶対値及び前記ピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定するようにしたものである。 In order to achieve the above object, a vehicle attitude angle estimation device according to the present invention includes a longitudinal speed estimation means for estimating a longitudinal vehicle body speed, which is a vehicle body speed in the vehicle longitudinal direction, based on the wheel speed of each wheel, and a vehicle body in a vehicle lateral direction. Depending on the detected values of lateral velocity estimation means for estimating the lateral vehicle body speed, pitch angular velocity estimation means for estimating the pitch angular velocity, and longitudinal and lateral acceleration, lateral acceleration, vertical acceleration, roll angular velocity, and yaw angular velocity of the vehicle motion A vehicle attitude including a posture angle estimating means for estimating a roll angle and a pitch angle, which are posture angles with respect to a vertical axis of the vehicle body, based on a sensor signal, an estimated value of the front and rear vehicle body speed, and an estimated value of the pitch angular velocity. In the angle estimation device, the posture angle estimation means includes a front-rear acceleration state quantity and an estimated value of the front-rear vehicle body speed, and an estimated value of the lateral vehicle body speed. A longitudinal acceleration state quantity that has been subjected to low-pass filter processing based on a lateral acceleration state quantity, and a longitudinal acceleration state quantity and a lateral acceleration state quantity that are obtained by using the estimated value of the roll angle and the estimated value of the pitch angle. Vertical acceleration state in which low-pass filter processing is performed based on the vertical acceleration state amount obtained using the roll angle estimation value and the pitch angle estimation value. A state quantity deviation calculating means for calculating a quantity deviation, and feeding back the calculated longitudinal acceleration state quantity deviation, lateral acceleration state quantity deviation, and vertical acceleration state quantity deviation, and the roll angle and pitch angle; As the absolute value of the estimated value of the roll angle and the absolute value of the estimated value of the pitch angle are larger, the deviations of the longitudinal acceleration state quantity and the lateral acceleration state quantity deviation are larger. It is obtained so as to set larger the absolute value of the-back gain.
本発明のプログラムは、コンピュータを、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後速度推定手段、車両横方向の車体速度である横車体速度を推定する横速度推定手段、ピッチ角速度を推定するピッチ角速度推定手段、及び車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値に応じたセンサ信号、前記前後車体速度の推定値、並びに前記ピッチ角速度の推定値に基づいて、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段として機能させるためのプログラムであって、前記姿勢角推定手段は、前記センサ信号、前記前後車体速度の推定値、及び前記横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量と、前記ロール角の推定値及び前記ピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量とに基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算すると共に、前記ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる鉛直加速度状態量に基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、鉛直加速度状態量の偏差を演算する状態量偏差演算手段を備え、前記演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、前記ロール角及びピッチ角を推定し、前記ロール角の推定値の絶対値及び前記ピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定するようにしたものである。 The program of the present invention uses a computer to estimate a longitudinal vehicle body speed that is a longitudinal vehicle body speed that is a longitudinal vehicle body speed that estimates a longitudinal vehicle body speed that is a vehicle body speed in the vehicle longitudinal direction based on a wheel speed of each wheel. Lateral velocity estimating means, pitch angular velocity estimating means for estimating pitch angular velocity, sensor signals corresponding to detected values of longitudinal acceleration, lateral acceleration, vertical acceleration, roll angular velocity, and yaw angular velocity of vehicle motion, estimation of the longitudinal vehicle body speed A posture angle estimating means for estimating a roll angle and a pitch angle, which are posture angles with respect to the vertical axis of the vehicle body, based on the value and the estimated value of the pitch angular velocity. A longitudinal acceleration state quantity and a lateral acceleration state obtained by using the sensor signal, the estimated value of the longitudinal vehicle body speed, and the estimated value of the lateral vehicle body speed. And the longitudinal acceleration state quantity and the lateral acceleration state quantity obtained using the roll angle estimation value and the pitch angle estimation value, and the longitudinal acceleration state quantity deviation and lateral The deviation of the acceleration state quantity is calculated, and the deviation of the vertical acceleration state quantity subjected to the low-pass filter processing based on the vertical acceleration state quantity obtained using the estimated value of the roll angle and the estimated value of the pitch angle is calculated. State amount deviation calculating means for calculating, feeding back the calculated deviation of the longitudinal acceleration state quantity, the deviation of the lateral acceleration state quantity, and the deviation of the vertical acceleration state quantity, to estimate the roll angle and the pitch angle, As the absolute value of the estimated value of the roll angle and the estimated value of the pitch angle are larger, the feedback gain of the deviation of the longitudinal acceleration state quantity and the deviation of the lateral acceleration state quantity is larger. In which the it was to set an absolute value significantly.
本発明の車両姿勢角推定装置には、車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ヨー角速度、及びロール角速度の各々を検出して検出値に応じたセンサ信号を出力するセンサを設けることができる。 The vehicle attitude angle estimation device of the present invention may include a sensor that detects each of the longitudinal acceleration, lateral acceleration, vertical acceleration, yaw angular velocity, and roll angular velocity of the vehicle motion and outputs a sensor signal corresponding to the detected value. it can.
本発明では、センサ信号、前後車体速度の推定値、及び横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量と、ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量とに基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算すると共に、ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる鉛直加速度状態量に基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、鉛直加速度状態量の偏差を演算する。そして、演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、ロール角及びピッチ角を推定する。 In the present invention, the longitudinal acceleration state quantity and the lateral acceleration state quantity obtained by using the sensor signal, the estimated value of the longitudinal vehicle body speed, and the estimated value of the lateral vehicle body speed, the estimated value of the roll angle, and the estimated value of the pitch angle are used. On the basis of the longitudinal acceleration state quantity and the lateral acceleration state quantity obtained in this manner, the deviation of the longitudinal acceleration state quantity and the lateral acceleration state quantity subjected to the low-pass filter processing are calculated, and the estimated value and pitch of the roll angle are calculated. Based on the vertical acceleration state quantity obtained using the estimated angle value, the deviation of the vertical acceleration state quantity subjected to the low-pass filter processing is calculated. Then, the roll angle and the pitch angle are estimated by feeding back the calculated deviation of the longitudinal acceleration state quantity, the deviation of the lateral acceleration state quantity, and the deviation of the vertical acceleration state quantity.
ここで、ロール角の推定値の絶対値及びピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定する。 Here, the absolute value of the feedback gain of the deviation of the longitudinal acceleration state quantity and the deviation of the lateral acceleration state quantity is set to be larger as the absolute value of the estimated value of the roll angle and the absolute value of the estimated value of the pitch angle are larger.
本発明では、ロール角の推定値の絶対値及びピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定しているので、姿勢角が大きくなる急坂路であっても、精度よく姿勢角を推定することができる。 In the present invention, the absolute value of the feedback gain of the deviation of the longitudinal acceleration state quantity and the deviation of the lateral acceleration state quantity is set to be larger as the absolute value of the estimated value of the roll angle and the absolute value of the estimated value of the pitch angle are larger. Therefore, the posture angle can be accurately estimated even on a steep slope where the posture angle increases.
また、ピッチ角速度は、前後車体速度の推定値、横車体速度の推定値、上下加速度の検出値、ロール角速度の検出値、姿勢角推定手段で推定されたロール角の前回推定値、及び姿勢角推定手段で推定されたピッチ角の前回推定値に基づいて、推定することができる。これによって、車体の上下方向運動の釣り合いからピッチ角速度を推定し、ピッチ角速度の推定値を利用して車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定しているので、上下加速度が増加するバンク走行時においても精度良くロール角及びピッチ角を推定することができる。 Further, the pitch angular velocity includes an estimated value of the longitudinal vehicle body speed, an estimated value of the lateral vehicle body speed, a detected value of vertical acceleration, a detected value of the roll angular velocity, a previous estimated value of the roll angle estimated by the attitude angle estimating means, and an attitude angle. The pitch angle estimated by the estimating means can be estimated based on the previous estimated value. As a result, the pitch angular velocity is estimated from the balance of the vertical movement of the vehicle body, and the roll angle and the pitch angle, which are posture angles with respect to the vertical axis of the vehicle body, are estimated using the estimated value of the pitch angular velocity. The roll angle and pitch angle can be estimated with high accuracy even when the bank is running.
以上説明したように本発明によれば、ロール角の推定値の絶対値及びピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定しているので、姿勢角が大きくなる急坂路であっても、精度よく姿勢角を推定することができる、という効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the absolute value of the feedback gain of the deviation of the longitudinal acceleration state quantity and the deviation of the lateral acceleration state quantity increases as the absolute value of the estimated value of the roll angle and the estimated value of the pitch angle increase. Since the value is set to be large, an effect is obtained that the posture angle can be estimated accurately even on a steep slope where the posture angle becomes large.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態は、鉛直軸に対する車両の姿勢角であるピッチ角及びロール角を推定する車両姿勢角推定装置に本発明を適用したものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, the present invention is applied to a vehicle attitude angle estimation device that estimates a pitch angle and a roll angle, which are attitude angles of a vehicle with respect to a vertical axis.
図１に示すように、第１の実施の形態の車両姿勢角推定装置には、車両横方向の車体速度である横車体速度Ｖを推定する横速度推定手段１０、及び各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度Ｕを推定する前後速度推定手段１２が設けられている。 As shown in FIG. 1, the vehicle attitude angle estimation device of the first embodiment includes a lateral speed estimation means 10 that estimates a lateral vehicle body speed V that is a vehicle body speed in the lateral direction of the vehicle, and a wheel speed of each wheel. A longitudinal speed estimation means 12 for estimating a longitudinal vehicle body speed U, which is a vehicle body speed in the longitudinal direction of the vehicle, is provided.
横車体速度Ｖは、カルマンフィルタ等を用いて推定したり、横加速度センサの検出値から推定したりすることができる。 The lateral vehicle body speed V can be estimated using a Kalman filter or the like, or can be estimated from the detection value of the lateral acceleration sensor.
各輪の車輪速度は、各輪に対応して設けられた車輪速センサにより検出することができ、前後車体速度Ｕは各輪の車輪速度、または各輪の車輪速度及び車輪速度の微分値から推定することができる。例えば、制動時には、４輪の車輪速度の最大値を前後車体速度Ｕとして出力し、駆動時には、従動輪の車輪速度の平均値を前後車体速度Ｕとして出力することができる。 The wheel speed of each wheel can be detected by a wheel speed sensor provided corresponding to each wheel, and the front and rear vehicle body speed U is determined from the wheel speed of each wheel or the wheel speed of each wheel and the differential value of the wheel speed. Can be estimated. For example, the maximum value of the wheel speeds of four wheels can be output as the front and rear vehicle body speed U during braking, and the average value of the wheel speeds of the driven wheels can be output as the front and rear vehicle body speed U during driving.
また、本実施の形態の車両姿勢角推定装置には、車両運動のｘｙｚ３軸の加速度である上下加速度Ｇｚ、横加速度Ｇｙ、前後加速度Ｇｘの各々を検出する上下加速度センサ１４、横加速度センサ１６、及び前後加速度センサ１８が設けられている。図２に示すように、ｘ軸は車両前後方向、ｙ軸は車両幅方向（横方向）、ｚ軸は車両上下方向に対応している。 In addition, the vehicle attitude angle estimation device according to the present embodiment includes a vertical acceleration sensor 14, a lateral acceleration sensor 16, and a vertical acceleration sensor 16 that detect vertical acceleration Gz, lateral acceleration Gy, and longitudinal acceleration Gx, which are xyz 3-axis accelerations of vehicle motion. A longitudinal acceleration sensor 18 is also provided. As shown in FIG. 2, the x axis corresponds to the vehicle longitudinal direction, the y axis corresponds to the vehicle width direction (lateral direction), and the z axis corresponds to the vehicle vertical direction.
また、本実施の形態の車両姿勢角推定装置には、ロール角速度Ｐを検出するロール角速度センサ２０、及びヨー角速度Ｒを検出するヨー角速度センサ２２が設けられている。 Further, the vehicle attitude angle estimation device of the present embodiment is provided with a roll angular velocity sensor 20 that detects the roll angular velocity P and a yaw angular velocity sensor 22 that detects the yaw angular velocity R.
横速度推定手段１０、前後速度推定手段１２、上下加速度センサ１４、及びロール角速度センサ２０は、ピッチ角速度Ｑを推定するピッチ角速度推定手段２４に接続されている。 The lateral speed estimation means 10, the longitudinal speed estimation means 12, the vertical acceleration sensor 14, and the roll angular speed sensor 20 are connected to a pitch angular speed estimation means 24 that estimates the pitch angular speed Q.
横速度推定手段１０、前後速度推定手段１２、横加速度センサ１６、前後加速度センサ１８、及びヨー角速度センサ２２は、着目すべき運動のみを通過させるローパスフィルタ処理が施された、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差の各々のローパスフィルタ処理値を演算する状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６に接続されている。 The lateral velocity estimation means 10, the longitudinal velocity estimation means 12, the lateral acceleration sensor 16, the longitudinal acceleration sensor 18, and the yaw angular velocity sensor 22 are subjected to a low-pass filter process for passing only a motion to be noticed. It is connected to state quantity deviation low-pass filter value calculation means 26 for calculating the low-pass filter processing values of the deviation, the deviation of the lateral acceleration state quantity, and the deviation of the vertical acceleration state quantity.
状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６は、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角φ及びピッチ角θを推定する姿勢角推定手段２８に接続されている。姿勢角推定手段２８には、更に、上下加速度センサ１４、横加速度センサ１６、前後加速度センサ１８、ロール角速度センサ２０、ヨー角速度センサ２２、及びピッチ角速度推定手段２４が接続されている。 The state quantity deviation low-pass filter value calculation means 26 is connected to a posture angle estimation means 28 for estimating a roll angle φ and a pitch angle θ, which are posture angles with respect to the vertical axis of the vehicle body. The posture angle estimating means 28 is further connected with a vertical acceleration sensor 14, a lateral acceleration sensor 16, a longitudinal acceleration sensor 18, a roll angular velocity sensor 20, a yaw angular velocity sensor 22, and a pitch angular velocity estimating means 24.
また、姿勢角推定手段２８には、更に、前後、横、鉛直加速度状態量の偏差のローパスフィルタ値のフィードバックゲインを設定するフィードバックゲイン設定手段３０が接続されている。 Further, the posture angle estimating means 28 is further connected with a feedback gain setting means 30 for setting a feedback gain of a low-pass filter value of the deviation of the front / rear, lateral and vertical acceleration state quantities.
姿勢角推定手段２８は、ローパスフィルタ処理された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差を、フィードバックゲインを用いてフィードバックすると共に、車両運動の前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、上下加速度Ｇｚ、ロール角速度Ｐ、及びヨー角速度Ｒの各検出値に応じたセンサ信号と、ピッチ角速度Ｑの推定値とに基づいて、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角φ及びピッチ角θを推定する。また、姿勢角推定手段２８は、ロール角φ及びピッチ角θの推定値を前回値として、ピッチ角速度推定手段２４、及びフィードバックゲイン設定手段３０に入力するように、ピッチ角速度推定手段２４及びフィードバックゲイン設定手段３０に接続されている。また、姿勢角推定手段２８は、オブザーバから出力される、ローパスフィルタ処理された前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６に入力するように、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６に接続されている。 The posture angle estimating means 28 feeds back the deviation of the longitudinal acceleration state quantity, the deviation of the lateral acceleration state quantity, and the deviation of the vertical acceleration state quantity subjected to the low-pass filter using a feedback gain, and the longitudinal acceleration Gx of the vehicle motion. Roll angle, which is a posture angle with respect to the vertical axis of the vehicle body, based on sensor signals corresponding to the detected values of lateral acceleration Gy, vertical acceleration Gz, roll angular velocity P, and yaw angular velocity R, and an estimated value of pitch angular velocity Q Estimate φ and pitch angle θ. Further, the posture angle estimation unit 28 inputs the estimated values of the roll angle φ and the pitch angle θ to the pitch angular velocity estimation unit 24 and the feedback gain setting unit 30 as previous values, and inputs them to the pitch angular velocity estimation unit 24 and the feedback gain. It is connected to setting means 30. Further, the posture angle estimation means 28 inputs the low-pass filter processed longitudinal acceleration state quantity, lateral acceleration state quantity, and vertical acceleration state quantity output from the observer to the state quantity deviation low-pass filter value calculation means 26. In addition, the state quantity deviation low-pass filter value calculation means 26 is connected.
横速度推定手段１０、前後速度推定手段１２、ピッチ角速度推定手段２４、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６、姿勢角推定手段２８、フィードバックゲイン設定手段３０は、各手段の機能を実現する１つまたは複数のコンピュータ、または１つまたは複数の電子回路で構成することができる。 The lateral speed estimation means 10, the longitudinal speed estimation means 12, the pitch angular speed estimation means 24, the state quantity deviation low-pass filter value calculation means 26, the attitude angle estimation means 28, and the feedback gain setting means 30 are one for realizing the functions of the respective means. Or it can consist of a plurality of computers or one or more electronic circuits.
次に、ピッチ角速度の推定について説明する。剛体に固定された３軸加速度及び３軸角速度を検出する３軸センサから出力されるセンサ信号と運動状態量との関係を表す剛体の運動方程式は、以下のように記述することができる。 Next, estimation of the pitch angular velocity will be described. The equation of motion of the rigid body that expresses the relationship between the sensor signal output from the three-axis sensor that detects the three-axis acceleration and the three-axis angular velocity fixed to the rigid body and the motion state quantity can be described as follows.
ただし、 Ｇｘ：前後加速度、Ｇｙ：横加速度、Ｇｚ：上下加速度、Ｐ：ロール角速度、Ｑ：ピッチ角速度、Ｒ：ヨー角速度、Ｕ：前後速度、Ｖ：横速度、Ｗ：上下速度、φ：ロール角、θ：ピッチ角、g：重力加速度である。 However, Gx: longitudinal acceleration, Gy: lateral acceleration, Gz: vertical acceleration, P: roll angular velocity, Q: pitch angular velocity, R: yaw angular velocity, U: longitudinal velocity, V: lateral velocity, W: vertical velocity, φ: roll Angle, θ: Pitch angle, g: Gravitational acceleration.
本実施の形態において車両を剛体とした場合、前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、上下加速度Ｇｚ、ロール角速度Ｐ、及びヨー角速度Ｒの各々は、前後加速度センサ１８、横加速度センサ１６、上下加速度センサ１４、ロール角速度センサ２０、及びヨー角速度センサ２２によって検出される。横速度Ｖは、上記で説明したように横速度推定手段１０で推定することができ、前後速度Ｕは、各輪の車輪速に基づいて上記で説明したように前後速度推定手段１２で推定することができる。 When the vehicle is a rigid body in the present embodiment, the longitudinal acceleration Gx, the lateral acceleration Gy, the vertical acceleration Gz, the roll angular velocity P, and the yaw angular velocity R are respectively the longitudinal acceleration sensor 18, the lateral acceleration sensor 16, and the vertical acceleration sensor 14. , And a roll angular velocity sensor 20 and a yaw angular velocity sensor 22. The lateral speed V can be estimated by the lateral speed estimating means 10 as described above, and the longitudinal speed U is estimated by the longitudinal speed estimating means 12 as described above based on the wheel speed of each wheel. be able to.
なお、本実施の形態では、図２に示すように車体の上向きをｚ軸の正方向とする右手系で座標を記述すると共に角度はオイラー角で表現している。 In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the coordinates are described in a right-hand system with the upward direction of the vehicle body as the positive direction of the z axis, and the angles are expressed by Euler angles.
バンク走行中は、遠心力によって上下加速度Ｇｚが増加する。上下加速度Ｇｚの増加は、上記（３）式において左辺の−ＱＵが大きくなることと対応しており、この性質を利用し、（３）式において上下速度Ｗの変化を無視（Ｗ＝０とする）すると共に、ロール角及びピッチ角の各々の前回値、及び横速度の推定値、前後速度Ｕとして前後車体速度の推定値Ｖｓ０を用いることによりことにより、ピッチ角速度の推定値を以下の式から求めることができる。ピッチ角速度推定手段２４は、下記（６）式の演算を実行することによりピッチ角速度の推定値を求める。 While the bank is running, the vertical acceleration Gz increases due to centrifugal force. The increase in the vertical acceleration Gz corresponds to an increase in -QU on the left side in the above equation (3). By utilizing this property, the change in the vertical velocity W is ignored in the equation (3) (W = 0) while) to the previous value of a roll angle and a pitch angle, and the estimated value of the lateral speed, by the use of the estimated value V s0 of the longitudinal vehicle body speed as longitudinal speed U, the following estimates of the pitch angular velocity It can be obtained from the formula. The pitch angular velocity estimating means 24 obtains an estimated value of the pitch angular velocity by executing the calculation of the following equation (6).
ピッチ角速度が上記のように推定されると、ピッチ角もロール角と同時に姿勢角オブザーバによって推定することができる。姿勢角オブザーバを用いた場合の自動車固有の運動の拘束条件について説明する。上記の運動方程式を利用して、姿勢角オブザーバを構成する場合、積分演算によって推定される速度及び角度の状態量が発散しないように、測定できる物理量のフィードバックが必要となる。本実施の形態では、自動車運動固有の特徴を以下のようにフィードバックする物理量に利用する。なお、以下の式では、ロール角及びピッチ角として各々の前回推定値、横速度として横車体速度の推定値、前後速度Ｕとして前後車体速度の推定値Ｖｓ０を各々用いている。 When the pitch angular velocity is estimated as described above, the pitch angle can be estimated simultaneously with the roll angle by the attitude angle observer. A description will be given of the constraint condition of the motion unique to the automobile when the attitude angle observer is used. When a posture angle observer is configured using the above equation of motion, feedback of a physical quantity that can be measured is required so that the state quantities of the speed and angle estimated by the integral calculation do not diverge. In the present embodiment, characteristics unique to automobile motion are used as physical quantities to be fed back as follows. In the following formulas, each of the previous estimate the roll angle and pitch angle, estimated value of the lateral vehicle body speed as the horizontal velocity is used respectively estimate V s0 of the longitudinal vehicle body speed as longitudinal speed U.
前後車体速度の推定値Ｖｓ０を微分して上記（１）式に代入し、自動車運動固有の特徴として、車体の前後方向に関しては「車輪のスリップは長時間増加し続けない」という性質を利用すると、上記（１）式から、上下速度の変化を無視したフィードバックに利用する以下の（７）式に示す条件が得られる。 The estimated value V s0 of the longitudinal vehicle body is differentiated and substituted into the above equation (1), and the characteristic that “the wheel slip does not continue to increase for a long time” is used in the longitudinal direction of the vehicle body as a characteristic characteristic of the vehicle motion. Then, from the above equation (1), the condition shown in the following equation (7) used for feedback ignoring the change in the vertical speed is obtained.
上記（７）式は、車輪速度から推定される加速度（前後車体速度の推定値Ｖｓ０の微分値）と前後加速度Ｇｘとの差と、ピッチ角θとの関係を記述している。 The above equation (7) describes the relationship between the pitch angle θ and the difference between the acceleration estimated from the wheel speed (the differential value of the estimated value Vs0 of the longitudinal vehicle body speed) and the longitudinal acceleration Gx.
また、車体の横方向に関しては、「スリップ角は長時間増加し続けない」という性質からロール角速度及び横加速度が無視できることから、上記（２）式から、フィードバックに利用する以下の（８）式に示す条件が得られる。 Further, regarding the lateral direction of the vehicle body, the roll angular velocity and the lateral acceleration can be ignored due to the property that “the slip angle does not continue to increase for a long time”. From the above equation (2), the following equation (8) used for feedback: The following conditions are obtained.
さらに、一般的な道路勾配を考慮すると、「鉛直方向の加速度は、重力加速度に略一致している」とみなすことができる。この条件は前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、上下加速度Ｇｚ、ピッチ角θ、及びロール角φを用いて、以下の（９）式に示す代数方程式によって記述することができる。 Furthermore, in consideration of a general road gradient, it can be regarded that “the acceleration in the vertical direction substantially matches the acceleration of gravity”. This condition can be described by the algebraic equation shown in the following equation (9) using the longitudinal acceleration Gx, the lateral acceleration Gy, the vertical acceleration Gz, the pitch angle θ, and the roll angle φ.
次に、基本的な非線形オブザーバの構成について説明する。ここでは、センサから出力されるセンサ信号、及びピッチ角速度の推定値を含む値ｕを下記（１０）式のように表現している。 Next, the configuration of a basic nonlinear observer will be described. Here, the value u including the sensor signal output from the sensor and the estimated value of the pitch angular velocity is expressed as the following equation (10).
また、対象となる車両運動を下記（１１）式のように表現し、オブザーバを構成するために測定できる物理量を（１２）式のように表現すると、非線形オブザーバは、以下の（１３）式及び（１４）式の非線形運動方程式によって記述することができる。 Further, if the target vehicle motion is expressed as the following equation (11) and the physical quantity that can be measured to constitute the observer is expressed as the equation (12), the nonlinear observer is expressed by the following equation (13) and It can be described by the nonlinear equation of motion of equation (14).
ただし、ｘのチルダ、ｙのチルダは、それぞれｘ、ｙの推定値を表わし、ｋ（ｘのチルダ、ｕ）は設計するオブザーバゲインを表わしている。 However, the tilde of x and the tilde of y represent the estimated values of x and y, respectively, and k (tilde of x, u) represents the observer gain to be designed.
上記（７）式〜（９)式は、何れもある程度長い時間を考慮したときに満足する条件であることから、オブザーバの測定量のフィードバックには、上記（７）〜（９）式の両辺の各々をローパスフィルタでローパスフィルタ処理した値を利用する。 Since the above equations (7) to (9) are all satisfied when a certain amount of time is taken into consideration, both sides of the above equations (7) to (9) are used for feedback of the measured amount of the observer. A value obtained by low-pass filtering each of the above is used.
以下の（１５）〜（１７）式に示す微分方程式を解くことにより、上記（７）〜（９）式の右辺、すなわち、ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を、ローパスフィルタでローパスフィルタ処理した値を演算する。 By solving the differential equations shown in the following equations (15) to (17), the right side of the above equations (7) to (9), that is, before and after obtained using the estimated value of the roll angle and the estimated value of the pitch angle A value obtained by subjecting the acceleration state quantity, the lateral acceleration state quantity, and the vertical acceleration state quantity to low-pass filter processing is calculated.
ただし、τx、 τy、 τgは各々（７）〜（９）式で考慮するローパスフィルタの数秒から数十秒以上の時定数を表している。 However, τ x , τ y , and τ g represent time constants of several seconds to several tens of seconds or more of the low-pass filter considered in the equations (7) to (9).
上記（４）式、（５）式の角度に関する状態方程式には、速度の状態量が含まれていないことから、速度の推定と分離して、角度としてロール角φ及びピッチ角θを推定することができる。 Since the state equation regarding the angle in the above equations (4) and (5) does not include the speed state quantity, the roll angle φ and the pitch angle θ are estimated as angles separately from the speed estimation. be able to.
このため、まず、上記のローパスフィルタによって得られる前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を含め、ロール角及びピッチ角を推定するためのオブザーバを構成する。本実施の形態では、オブザーバの状態量を下記（１８）式で表す。 For this reason, first, an observer for estimating the roll angle and the pitch angle is configured including the longitudinal acceleration state quantity, the lateral acceleration state quantity, and the vertical acceleration state quantity obtained by the low-pass filter. In the present embodiment, the state quantity of the observer is expressed by the following equation (18).
また、フィードバックに用いるオブザーバ出力としての状態量は、下記（１９）式で表わされる。 The state quantity as the observer output used for feedback is expressed by the following equation (19).
さらに、センサ信号等から演算される、車両出力としての前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量からなる状態量ｙは、以下の（２０）式で表わされる。 Further, a state quantity y calculated from the sensor signal or the like and comprising the longitudinal acceleration state quantity, the lateral acceleration state quantity, and the vertical acceleration state quantity as the vehicle output is expressed by the following equation (20).
ただし、 However,
なお、（２１）式右辺第２項の分子は、上記（７）式の左辺、すなわち、前後車体速度の推定値Ｖｓ０の微分値から、３軸センサで検出されたヨー角速度値Ｒと横車体速度の推定値との積と、３軸センサで検出された前後加速度値Ｇｘとの和を減算した前後加速度状態量である。また、（２２）式右辺第２項の分子は、上記（７）式の左辺、すなわち、３軸センサで検出されたヨー角速度値Ｒと前後車体速度の推定値Ｖｓ０との積から３軸センサで検出された横加速度値Ｇｙを減算した横加速度状態量である。 The numerator of the second term on the right side of the equation (21) is the left side of the equation (7), that is, the yaw angular velocity value R detected by the three-axis sensor and the lateral value from the differential value of the estimated value V s0 of the longitudinal vehicle body speed. This is a longitudinal acceleration state quantity obtained by subtracting the sum of the product of the estimated vehicle speed and the longitudinal acceleration value Gx detected by the three-axis sensor. The numerator of the second term on the right side of equation (22) is the left side of equation (7), that is, the three-axis from the product of the yaw angular velocity value R detected by the three-axis sensor and the estimated value Vs0 of the front and rear vehicle body speed. This is a lateral acceleration state quantity obtained by subtracting the lateral acceleration value Gy detected by the sensor.
上記（２１）式、（２２）式に示す微分方程式を解くことにより、センサ信号、前後車体速度の推定値、及び横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量を、ローパスフィルタでローパスフィルタ処理した値が演算される。また、上記（２０）式におけるｇは、鉛直加速度状態量である。 The longitudinal acceleration state quantity and the lateral acceleration state quantity obtained using the sensor signal, the estimated value of the longitudinal vehicle body speed, and the estimated value of the lateral vehicle body speed by solving the differential equations shown in the above equations (21) and (22). Is subjected to low-pass filter processing with a low-pass filter. Further, g in the above equation (20) is a vertical acceleration state quantity.
上記（１５）式〜（１７）式から演算される前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量の各々のローパスフィルタ処理値と、上記（２０）式が表わす前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量の各々のローパスフィルタ処理値とに基づいて、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差の各々のローパスフィルタ処理値が求められる。 The low-pass filter processing values of the longitudinal acceleration state quantity, the lateral acceleration state quantity, and the vertical acceleration state quantity calculated from the expressions (15) to (17), and the longitudinal acceleration state quantity represented by the expression (20), Based on the low-pass filter processing values of the lateral acceleration state quantity and the vertical acceleration state quantity, the low-pass filter processing values of the longitudinal acceleration state quantity deviation, the lateral acceleration state quantity deviation, and the vertical acceleration state quantity deviation, respectively. Is required.
状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６は、上記（２０）式に示すローパスフィルタ処理が行われた前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を演算し、演算した前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量と、姿勢角オブザーバにおいて上記（１５）式〜（１７）式に従って演算された、ローパスフィルタ処理が行われた前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量とに基づいて、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差の各々のローパスフィルタ処理値を演算する。 The state quantity deviation low-pass filter value computing means 26 computes the longitudinal acceleration state quantity, the lateral acceleration state quantity, and the vertical acceleration state quantity subjected to the low-pass filter processing shown in the above equation (20), and the computed longitudinal acceleration state quantity. , The lateral acceleration state quantity, the vertical acceleration state quantity, and the longitudinal acceleration state quantity, the lateral acceleration state quantity, which are calculated by the posture angle observer according to the above formulas (15) to (17) and subjected to the low-pass filter processing, and Based on the vertical acceleration state quantity, low-pass filter processing values of the longitudinal acceleration state quantity deviation, the lateral acceleration state quantity deviation, and the vertical acceleration state quantity deviation are calculated.
また、本実施の形態では、適切なオブザーバゲインｋ（ｘのチルダ，ｕ）を設定することによって、ロール角及びピッチ角を推定する姿勢角オブザーバを構成している。 In the present embodiment, an appropriate observer gain k (x tilde, u) is set to constitute a posture angle observer that estimates a roll angle and a pitch angle.
次に、本実施の形態におけるオブザーバゲインを設定する原理について説明する。 Next, the principle of setting the observer gain in this embodiment will be described.
まず、オブザーバゲインの一例として、オブザーバの安定性を確保するため、線形化を行ったときの対角成分が負の係数を持つように、下記（２３）式のように表されるオブザーバゲインを設定する。 First, as an example of the observer gain, the observer gain expressed by the following equation (23) is set so that the diagonal component when linearized has a negative coefficient in order to ensure the stability of the observer. Set.
ただし、Ｋφｙ、 Ｋφg、 Ｋθｘ、 Ｋθg、 Ｋx、 Ｋy、 Ｋgは適切な正の定数である。 However, a K φy, K φg, K θx , K θg, K x, K y, K g is proper positive constant.
この場合には、ロール角及びピッチ角を推定する非線形オブザーバは、以下の（２４）式に示す運動方程式で記述される。 In this case, the nonlinear observer for estimating the roll angle and the pitch angle is described by the equation of motion shown in the following equation (24).
ただし、ｘのチルダは、以下の（２５）式で表される。 However, the tilde of x is represented by the following formula (25).
ここで、上記（２４）式に示す非線形オブザーバを動作点周りで線形化し、線形化されたシステムの安定性を解析する。上記（２４）式を線形化した（ｄｘのチルダ／ｄｔ＝Ａｘ＋Ｂｕと表わした）ときのＡ行列は、以下の（２６）式で表される。 Here, the nonlinear observer shown in the equation (24) is linearized around the operating point, and the stability of the linearized system is analyzed. The A matrix when the above equation (24) is linearized (represented as tilde of dx / dt = Ax + Bu) is represented by the following equation (26).
上記（２６）式で、各変数の添え字の０は、動作点での値を表現している。 In the above equation (26), the subscript 0 of each variable represents the value at the operating point.
また、ロール角、ピッチ角、ピッチ角速度、ヨー角速度、前後加速度、横加速度に関して、車両運動の想定されうる領域を設定し、この領域内の任意の点での安定性を調査した結果について説明する。 In addition, regarding a roll angle, a pitch angle, a pitch angular velocity, a yaw angular velocity, a longitudinal acceleration, and a lateral acceleration, a region in which vehicle motion can be assumed is set, and the results of examining the stability at an arbitrary point in this region will be described. .
図３に、この安定性の解析結果を示す。図３では、ピッチ角を横軸に、ロール角を縦軸に表示しており、その他のすべてのパラメータを想定範囲内で探索し、１点でも不安定な動作点が存在した場合に＋の記号を表示している。また、図３には、不安定極の最大実部の値を等高線で示している。上記（２３）式に示すオブザーバゲインを用いた場合には、姿勢角の増大に伴い、オブザーバの不安定化の可能性のある領域が生じていることがわかる。 FIG. 3 shows the analysis result of this stability. In FIG. 3, the pitch angle is displayed on the horizontal axis and the roll angle is displayed on the vertical axis, and all other parameters are searched within the assumed range. The symbol is displayed. In FIG. 3, the value of the maximum real part of the unstable pole is indicated by contour lines. When the observer gain shown in the above equation (23) is used, it can be seen that an area in which the observer may become unstable is generated as the posture angle increases.
鉛直加速度状態量の偏差のフィードバックゲインに相当する上記（２３）式の１行３列、２行３列における前後加速度及び横加速度は、それぞれのセンサ信号の符号に応じたゲイン設定を目的としているが、これに対し、本実施の形態では、不安定領域を安定化するため、以下の（２７）式に示すように、オブザーバゲインを設定する。 The longitudinal acceleration and lateral acceleration in the first row, third column, and second row, third column in the above equation (23) corresponding to the feedback gain of the deviation of the vertical acceleration state quantity are intended to set the gain according to the sign of each sensor signal. On the other hand, in this embodiment, in order to stabilize the unstable region, the observer gain is set as shown in the following equation (27).
ただし、鉛直加速度状態量の偏差のフィードバックゲインに相当する上記（２７）式の１行３列、２行３列におけるＫφｇ（Ｇｙ）、Ｋθｇ（Ｇｘ）について、以下の（２８）式、（２９）式に示すように、並進加速度（前後加速度、横加速度）に対する飽和特性を持たせて、オブザーバゲインが過大となることを防止する。 However, with regard to K φg (G y ) and K θg (G x ) in the first row and the third column and the second row and the third column of the above equation (27) corresponding to the feedback gain of the deviation of the vertical acceleration state quantity, the following (28) As shown in the equations (29), saturation characteristics with respect to translational acceleration (longitudinal acceleration and lateral acceleration) are provided to prevent the observer gain from becoming excessive.
なお、Ｋφｇ０、Ｋθｇ０は定数ゲインであり、Ｇｙｍ、Ｇｘｍは、ゲインの増大を抑制するための前後加速度の上限、横加速度の上限である。 K φg0 and K θg0 are constant gains, and G ym and G xm are the upper limit of the longitudinal acceleration and the upper limit of the lateral acceleration for suppressing an increase in gain.
さらに、前後、横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインを、姿勢角に応じて変化させることによって、姿勢角の大きな領域のオブザーバ安定性が確保できることに着目し、図４に示すように、ピッチ角の推定値の絶対値、ロール角の推定値の絶対値が大きいほど、前後、横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインに相当する上記（２７）式の２行１列、１行２列におけるＫφｘ、Ｋθｙを増大させて、前後、横加速度状態量偏差信号のフィードバックゲインの絶対値を増加させる。これによって、上記図３の不安定領域でＫφｘ、Ｋθｙの制御ゲインを大きく設定して安定化を図ることができ、図５に示すように、広い範囲で、オブザーバの安定化が可能である。 Furthermore, focusing on the fact that the observer stability in a region with a large posture angle can be ensured by changing the feedback gain of the deviation of the longitudinal and lateral acceleration state quantities according to the posture angle, as shown in FIG. The larger the absolute value of the estimated value and the estimated value of the roll angle, the larger the absolute value of the estimated value of the roll angle, the K in the 2nd row, 1st column, 1st row, 2nd column of the above equation (27) corresponding to the feedback gain of the deviation of the lateral acceleration state quantity .phi.x, it increases the K [theta] y, the front and rear, to increase the absolute value of the feedback gain of the lateral acceleration state variable deviation signal. As a result , the control gains of K φx and K θy can be set large in the unstable region of FIG. 3 to stabilize the observer, and the observer can be stabilized in a wide range as shown in FIG. is there.
フィードバックゲイン設定手段３０は、鉛直加速度状態量の偏差のフィードバックゲインにおけるＫφｇ（Ｇｙ）、Ｋθｇ（Ｇｘ）について、前後加速度に対する飽和特性及び横加速度に対する飽和特性を持たせるように設定すると共に、ピッチ角の推定値の絶対値、ロール角の推定値の絶対値が大きくなるほど、前後、横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きくようにＫφｘ、Ｋθｙを設定する。 The feedback gain setting means 30 sets K φg (G y ) and K θg (G x ) in the feedback gain of the deviation of the vertical acceleration state quantity so as to have a saturation characteristic for the longitudinal acceleration and a saturation characteristic for the lateral acceleration. At the same time, K φx and K θy are set so that the absolute value of the feedback gain of the deviation of the lateral acceleration state quantity increases as the absolute value of the estimated value of the pitch angle and the estimated value of the roll angle increases.
次に、本実施の形態で用いるロール角φ及びピッチ角θを推定する非線形オブザーバについて説明する。ロール角及びピッチ角を推定する非線形オブザーバは、以下の（３０）式に示す運動方程式で記述される。 Next, a nonlinear observer for estimating the roll angle φ and the pitch angle θ used in the present embodiment will be described. The nonlinear observer for estimating the roll angle and the pitch angle is described by the equation of motion shown in the following equation (30).
姿勢角推定手段２８は、上記（３０）式を用いることにより、車体鉛直方向に対する姿勢角であるロール角の微分量ｄφのチルダとピッチ角の微分量ｄθのチルダとを算出し、算出したロール角の微分量ｄφのチルダ及びピッチ角の微分量ｄθのチルダの各々を積分することにより、ロール角φのチルダ及びピッチ角θのチルダを算出することができる。また、姿勢角推定手段２８は、上記（３０）式を用いることにより、ローパスフィルタ処理が行われた前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を算出する。 The posture angle estimating means 28 calculates the tilde of the roll angle differential amount dφ and the tilde of the pitch angle differential amount dθ, which is the posture angle with respect to the vertical direction of the vehicle body, by using the equation (30). By integrating the tilde of the angular differential amount dφ and the tilde of the pitch angle differential amount dθ, the tilde of the roll angle φ and the tilde of the pitch angle θ can be calculated. Further, the posture angle estimation means 28 calculates the longitudinal acceleration state quantity, the lateral acceleration state quantity, and the vertical acceleration state quantity subjected to the low-pass filter process by using the above equation (30).
コンピュータを、横速度推定手段１０、前後速度推定手段１２、ピッチ角速度推定手段２４、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６、姿勢角推定手段２８、及びフィードバックゲイン設定手段３０の各手段として機能させるプログラムによる情報処理は、図６のフローチャートに示す姿勢角推定処理ルーチンで実現することができる。コンピュータは、相互にバスによって接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ、並びに必要に応じて接続されたＨＤＤで構成され、これらのプログラムは、コンピュータのＣＰＵに接続されているＲＯＭまたはＨＤＤ等の記録媒体に記録される。 A program that causes a computer to function as each means of lateral speed estimation means 10, longitudinal speed estimation means 12, pitch angular speed estimation means 24, state quantity deviation low-pass filter value calculation means 26, attitude angle estimation means 28, and feedback gain setting means 30 The information processing by can be realized by the posture angle estimation processing routine shown in the flowchart of FIG. The computer includes a CPU, a ROM, and a RAM connected to each other by a bus, and an HDD connected as necessary. These programs are recorded on a recording medium such as a ROM or an HDD connected to the CPU of the computer. To be recorded.
この姿勢角推定処理ルーチンを説明すると、ステップ１００で、上記で説明したように横車体速度を推定し、ステップ１０２において各輪の車輪速度に基づいて前後車体速度を推定する。 Explaining this attitude angle estimation processing routine, in step 100, the lateral vehicle body speed is estimated as described above, and in step 102, the front and rear vehicle body speeds are estimated based on the wheel speed of each wheel.
ステップ１０４において、最初の演算か否かを判断し、最初の演算の場合には、ロール角及びピッチ角の前回値が存在しないので、ステップ１０６でロール角及びピッチ角の前回値として予め定められた初期値を設定し、ステップ１１０において、上記で説明したように上記（６）式を用いてピッチ角速度Ｑの推定値を演算する。 In step 104, it is determined whether or not this is the first calculation. In the case of the first calculation, since the previous values of the roll angle and the pitch angle do not exist, the previous values of the roll angle and the pitch angle are predetermined in step 106. In step 110, an estimated value of the pitch angular velocity Q is calculated using the above equation (6) as described above.
一方、２回目以降の演算の場合には、後述するステップ１１６でロール角及びピッチ角の推定値が演算されるので、ステップ１０８においてロール角及びピッチ角の値として前回演算された前回値を設定し、ステップ１１０において、上記で説明したように上記（６）式を用いてピッチ角速度Ｑの推定値を演算する。 On the other hand, in the second and subsequent calculations, the estimated values of the roll angle and pitch angle are calculated in step 116, which will be described later. Therefore, in step 108, the previous values calculated previously are set as the roll angle and pitch angle values. In step 110, the estimated value of the pitch angular velocity Q is calculated using the above equation (6) as described above.
ステップ１１２において、上記で説明したように、車両運動の前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、及びヨー角速度Ｒの検出値に応じたセンサ信号、前後車体速度Ｕの推定値Ｖｓ０に基づいて、上記（２１）、（２２）式に従って、前後加速度状態量及び横加速度状態量の各々のローパスフィルタ処理値を演算する。 In step 112, as described above, based on the sensor signal corresponding to the detected values of the longitudinal acceleration Gx, the lateral acceleration Gy, and the yaw angular velocity R of the vehicle motion, and the estimated value Vs0 of the longitudinal vehicle body velocity U, 21) and the low-pass filter processing value of each of the longitudinal acceleration state quantity and the lateral acceleration state quantity is calculated according to the equations (22).
次のステップ１１４では、上記で説明したように、前後加速度Ｇｘ及び横加速度Ｇｙに対して飽和特性を持たせると共に、ロール角及びピッチ角の前回推定値の絶対値に応じて、フィードバックゲインを設定する。 In the next step 114, as explained above, saturation characteristics are given to the longitudinal acceleration Gx and the lateral acceleration Gy, and the feedback gain is set according to the absolute values of the previous estimated values of the roll angle and the pitch angle. To do.
そして、ステップ１１６において、上記ステップ１１０で演算されたピッチ角速度Ｑの推定値、上記ステップ１１２で演算されたローパスフィルタ処理値、及び上記ステップ１１４で設定されたフィードバックゲインを用いて、上記（３０）式にしたがって車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角φ及びピッチ角θを推定し、ロール角φ及びピッチ角θの推定値をコンピュータのメモリに記憶して、上記ステップ１００へ戻る。また、上記ステップ１１６では、上記（３０）に従って、前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量の各々のローパスフィルタ処理値を算出して、コンピュータのメモリに記憶する。 Then, in step 116, using the estimated value of pitch angular velocity Q calculated in step 110, the low-pass filter processing value calculated in step 112, and the feedback gain set in step 114, the above (30) The roll angle φ and the pitch angle θ, which are the posture angles with respect to the vertical axis of the vehicle body, are estimated according to the equation, the estimated values of the roll angle φ and the pitch angle θ are stored in the memory of the computer, and the process returns to step 100. In step 116, the low-pass filter processing values of the longitudinal acceleration state quantity, the lateral acceleration state quantity, and the vertical acceleration state quantity are calculated and stored in the memory of the computer according to (30).
次に、本実施の形態のオブザーバゲインを姿勢角推定値に応じて変更する方法による推定結果について説明する。なお、オブザーバゲインを変更する方法の効果を確認するため、所定の勾配の坂路を走行したときの姿勢角推定を行った。本実施の形態で説明したようにオブザーバゲインを姿勢角推定値に応じて変更する場合と、上記（２７）式で示したオブザーバゲインを設定した場合との各々について、姿勢角の推定を行った。 Next, an estimation result by a method of changing the observer gain according to the present embodiment in accordance with the posture angle estimated value will be described. In addition, in order to confirm the effect of the method of changing the observer gain, the posture angle when traveling on a slope with a predetermined gradient was estimated. As described in the present embodiment, the posture angle is estimated for each of the case where the observer gain is changed according to the posture angle estimated value and the case where the observer gain shown in the above equation (27) is set. .
図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、上記（２７）式で示したオブザーバゲインを設定した場合には、坂路走行時（５〜１０秒付近）でのピッチ角の推定値が、真値（坂路の設計勾配に近い値）から大きくずれてしまっている。これに対し、オブザーバゲインを姿勢角推定値に応じて変更する場合には、坂路走行時（５〜１０秒付近）でのピッチ角の推定が正確に行われていると共に、その後の平坦路走行時にも正確に推定できている。 As shown in FIGS. 7A and 7B, when the observer gain shown in the above equation (27) is set, the estimated value of the pitch angle when traveling on a slope (around 5 to 10 seconds) is It has deviated significantly from the true value (value close to the slope design slope). On the other hand, when the observer gain is changed according to the estimated posture angle value, the pitch angle is accurately estimated when traveling on a slope (around 5 to 10 seconds), and thereafter, traveling on a flat road. Sometimes it can be estimated accurately.
以上説明したように、第１の実施の形態に係る車両姿勢角推定装置によれば、ロール角の推定値の絶対値及びピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定しているので、姿勢角が大きくなる急坂路であっても、精度よくロール角及びピッチ角を推定することができる。 As described above, according to the vehicle attitude angle estimation device according to the first embodiment, the larger the absolute value of the estimated value of the roll angle and the estimated value of the pitch angle, the larger the deviation of the longitudinal acceleration state quantity. Since the absolute value of the feedback gain of the deviation of the lateral acceleration state quantity is set large, the roll angle and the pitch angle can be accurately estimated even on a steep slope where the attitude angle becomes large.
また、車体の上下方向運動の釣り合いからピッチ角速度を推定し、ピッチ角速度の推定値を利用してロール角及びピッチ角を推定しているので、上下加速度が増加するバンク走行時においても精度良くロール角及びピッチ角を推定することができる。 In addition, since the pitch angular velocity is estimated from the balance of the vertical movement of the vehicle body and the roll angle and pitch angle are estimated using the estimated value of the pitch angular velocity, the roll can be accurately rolled even during banking where the vertical acceleration increases. The angle and pitch angle can be estimated.
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第２の実施の形態に係る車両姿勢角推定装置の構成は、第１の実施の形態と同様の構成であるため、同一符号を付して説明を省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, since the structure of the vehicle attitude angle estimation apparatus which concerns on 2nd Embodiment is the structure similar to 1st Embodiment, it attaches | subjects the same code | symbol and abbreviate | omits description.
第２の実施の形態では、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差を演算した後に、ローパスフィルタ処理を行っている点が、第１の実施の形態と主に異なっている。 In the second embodiment, the low-pass filter processing is performed after calculating the deviation of the longitudinal acceleration state quantity, the deviation of the lateral acceleration state quantity, and the deviation of the vertical acceleration state quantity. And mainly different.
第２の実施の形態では、姿勢角推定手段２８において、フィードバックに用いる状態量として、上記（７）式〜（９）式の右辺で表わされる、前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を算出する。 In the second embodiment, in the posture angle estimation means 28, as the state quantities used for feedback, the longitudinal acceleration state quantity, the lateral acceleration state quantity, and the vertical quantity represented by the right side of the above expressions (7) to (9) are used. The acceleration state quantity is calculated.
また、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６は、上記（７）式〜（９）式の左辺で表わされる、前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を算出すると共に、姿勢角推定手段２８によって算出された前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を用いて、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差を演算する。また、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６は、以下の（３１）式〜（３３）式に従って、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差に対してローパスフィルタ処理を行い、前後加速度状態量の偏差のローパスフィルタ処理値ｇｘｄｆ−ｇｘｄｆのチルダ、横加速度状態量の偏差のローパスフィルタ処理値ｇｙｄｆ−ｇｙｄｆのチルダ、及び鉛直加速度状態量の偏差のローパスフィルタ処理値ｇｚｄｆ−ｇｚｄｆのチルダを演算する。 Further, the state quantity deviation low-pass filter value calculating means 26 calculates the longitudinal acceleration state quantity, the lateral acceleration state quantity, and the vertical acceleration state quantity represented by the left side of the expressions (7) to (9), and the attitude. Using the longitudinal acceleration state quantity, lateral acceleration state quantity, and vertical acceleration state quantity calculated by the angle estimation means 28, the longitudinal acceleration state quantity deviation, lateral acceleration state quantity deviation, and vertical acceleration state quantity deviation are calculated. To do. Further, the state quantity deviation low-pass filter value calculation means 26 is adapted to the longitudinal acceleration state quantity deviation, the lateral acceleration state quantity deviation, and the vertical acceleration state quantity deviation according to the following equations (31) to (33). performs low-pass filtering, low-pass filtered value g xdf -g xdf deviation of the longitudinal acceleration state quantity tilde, the low-pass filtered value g YDF -g YDF lateral acceleration state amount of the deviation tilde, and vertical acceleration state quantity of The tilde of the low pass filter processing value g zdf -g zdf of the deviation is calculated.
第２の実施の形態に係る車両姿勢角推定装置の他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。 Other configurations and operations of the vehicle attitude angle estimation device according to the second embodiment are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
なお、上記の実施の形態では、各推定値の前回値を用いて、ピッチ角速度やロール角及びピッチ角を推定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、各推定値の前々回値を用いて、ピッチ角速度やロール角及びピッチ角を推定するようにしてもよい。 In the above embodiment, the case where the pitch angular velocity, the roll angle, and the pitch angle are estimated using the previous value of each estimated value has been described as an example. The pitch angular velocity, the roll angle, and the pitch angle may be estimated by using the previous value.
１０ 横速度推定手段
１２ 前後速度推定手段
１４ 上下加速度センサ
１６ 横加速度センサ
１８ 前後加速度センサ
２０ ロール角速度センサ
２２ ヨー角速度センサ
２４ ピッチ角速度推定手段
２６ 状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段
２８ 姿勢角推定手段
３０ フィードバックゲイン設定手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Lateral velocity estimation means 12 Longitudinal speed estimation means 14 Vertical acceleration sensor 16 Lateral acceleration sensor 18 Longitudinal acceleration sensor 20 Roll angular velocity sensor 22 Yaw angular velocity sensor 24 Pitch angular velocity estimation means 26 State quantity deviation low-pass filter value calculation means 28 Attitude angle estimation means 30 Feedback gain setting means
Claims (4)
車両横方向の車体速度である横車体速度を推定する横速度推定手段と、
ピッチ角速度を推定するピッチ角速度推定手段と、
車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値に応じたセンサ信号、前記前後車体速度の推定値、並びに前記ピッチ角速度の推定値に基づいて、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、
を含む車両姿勢角推定装置であって、
前記姿勢角推定手段は、前記センサ信号、前記前後車体速度の推定値、及び前記横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量と、前記ロール角の推定値及び前記ピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量とに基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算すると共に、前記ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる鉛直加速度状態量に基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、鉛直加速度状態量の偏差を演算する状態量偏差演算手段を備え、前記演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、前記ロール角及びピッチ角を推定し、
前記ロール角の推定値の絶対値及び前記ピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定することを特徴とする車両姿勢角推定装置。 Front-rear speed estimation means for estimating front-rear vehicle body speed, which is a vehicle body speed in the vehicle front-rear direction, based on the wheel speed of each wheel;
Lateral speed estimation means for estimating a lateral vehicle body speed which is a vehicle body speed in the lateral direction of the vehicle;
Pitch angular velocity estimation means for estimating the pitch angular velocity;
Based on the sensor signals corresponding to the detected values of longitudinal acceleration, lateral acceleration, vertical acceleration, roll angular velocity, and yaw angular velocity of the vehicle motion, the estimated value of the longitudinal vehicle body velocity, and the estimated value of the pitch angular velocity, Posture angle estimating means for estimating a roll angle and a pitch angle, which are posture angles with respect to an axis;
A vehicle attitude angle estimation device including:
The posture angle estimating means includes a longitudinal acceleration state quantity and a lateral acceleration state quantity obtained using the sensor signal, the estimated value of the longitudinal vehicle body speed, and the estimated value of the lateral vehicle body speed, an estimated value of the roll angle, and Based on the longitudinal acceleration state quantity and the lateral acceleration state quantity obtained by using the estimated value of the pitch angle, the low-pass filter processing is performed, and the longitudinal acceleration state quantity deviation and the lateral acceleration state quantity deviation are calculated. And a state quantity deviation calculating means for calculating a deviation of the vertical acceleration state quantity subjected to the low-pass filter processing based on the vertical acceleration state quantity obtained using the roll angle estimation value and the pitch angle estimation value. Feedback of the calculated longitudinal acceleration state quantity deviation, lateral acceleration state quantity deviation, and vertical acceleration state quantity deviation to estimate the roll angle and pitch angle,
The absolute value of the feedback gain of the deviation of the longitudinal acceleration state quantity and the deviation of the lateral acceleration state quantity is set to be larger as the absolute value of the estimated value of the roll angle and the estimated value of the pitch angle are larger. A vehicle attitude angle estimation device.
各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後速度推定手段、
車両横方向の車体速度である横車体速度を推定する横速度推定手段、
ピッチ角速度を推定するピッチ角速度推定手段、及び
車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値に応じたセンサ信号、前記前後車体速度の推定値、並びに前記ピッチ角速度の推定値に基づいて、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段
として機能させるためのプログラムであって、
前記姿勢角推定手段は、前記センサ信号、前記前後車体速度の推定値、及び前記横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量と、前記ロール角の推定値及び前記ピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量とに基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算すると共に、前記ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる鉛直加速度状態量に基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、鉛直加速度状態量の偏差を演算する状態量偏差演算手段を備え、前記演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、前記ロール角及びピッチ角を推定し、
前記ロール角の推定値の絶対値及び前記ピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定するプログラム。 Computer
Front-rear speed estimating means for estimating front-rear vehicle body speed, which is a vehicle body speed in the vehicle front-rear direction, based on the wheel speed of each wheel;
Lateral speed estimation means for estimating a lateral vehicle body speed which is a vehicle body speed in the lateral direction of the vehicle,
Pitch angular velocity estimating means for estimating the pitch angular velocity, sensor signals corresponding to detected values of longitudinal acceleration, lateral acceleration, vertical acceleration, roll angular velocity, and yaw angular velocity of vehicle motion, estimated values of the front and rear vehicle body speeds, and the pitch A program for functioning as a posture angle estimating means for estimating a roll angle and a pitch angle, which are posture angles with respect to a vertical axis of a vehicle body, based on an estimated value of angular velocity,
The posture angle estimating means includes a longitudinal acceleration state quantity and a lateral acceleration state quantity obtained using the sensor signal, the estimated value of the longitudinal vehicle body speed, and the estimated value of the lateral vehicle body speed, an estimated value of the roll angle, and Based on the longitudinal acceleration state quantity and the lateral acceleration state quantity obtained using the estimated value of the pitch angle, the low-pass filter processing is performed to calculate the longitudinal acceleration state quantity deviation and the lateral acceleration state quantity deviation. And a state quantity deviation calculating means for calculating a deviation of the vertical acceleration state quantity subjected to the low-pass filter processing based on the vertical acceleration state quantity obtained using the roll angle estimation value and the pitch angle estimation value. Feedback of the calculated longitudinal acceleration state quantity deviation, lateral acceleration state quantity deviation, and vertical acceleration state quantity deviation to estimate the roll angle and pitch angle,
A program for setting the absolute value of the feedback gain of the deviation of the longitudinal acceleration state quantity and the deviation of the lateral acceleration state quantity as the absolute value of the estimated value of the roll angle and the estimated value of the pitch angle are larger.
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