JP2021070377A

JP2021070377A - 車両の重心位置推定システム

Info

Publication number: JP2021070377A
Application number: JP2019197016A
Authority: JP
Inventors: 籾山　冨士男; Fujio Momiyama; 冨士男籾山; 賢治江尻; Kenji Ejiri; ▲かつ▼之張; Katsuyuki Cho; 尚亮畠山; Naoaki Hatakeyama; 博学椋本; Hirotaka Mukumoto
Original assignee: Advanced Smart Mobility Co Ltd
Current assignee: Advanced Smart Mobility Co Ltd
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: JP6905566B2

Abstract

【課題】車両構造に限定されず任意の車両に対して重心位置を推定できるシステムを提供する。【解決手段】諸元の全てが把握されている「空車時横運動のつり合い式」と、乗員ないし積荷が変化した「積載時横運動のつり合い式」との連立方程式から導出される「重心位置変化の式」を用意して、この式に含まれる未知数である前軸横すべり角と後軸横すべり角を、前軸位置に装備したＧＰＳおよび後軸位置に装備したＧＰＳによって実測して、「重心位置変化長」を求める。求めた「重心位置変化長」を「空車時重心位置」に加えて、積車時重心位置を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、荷物や乗客によって変化する車両の重心位置を、ＧＰＳユニット（ＧＮＳＳ受信機を含む）などの位置情報取得手段からの信号を処理することで推定するシステムに関する。

車体の重心位置は、荷物や乗客がない空車状態であれば常に一定位置になるが、実際の走行では荷物の積載量や積載位置により重心位置は変化する。

自動運転車両が走行するためには、車両制御装置が目標となる移動軌跡を計算し、前記車両が前記移動軌跡を追従するように制御する必要がある。前記移動軌跡は、前記車両の車両重心位置が辿るべき軌跡として計算される。しかし前記したように、前記車両への旅客の乗車や積載によって、前記車両の車両重量および車両重心位置が変化してしまうため、その変化を把握する手段が重要となる。

重心位置を検出する方法として、フルエアサスペンション車両であれば各軸の空気ばねの空気圧を検出する方法、各軸の懸架ばね定数から固有振動数を算出して各軸ばね上質量から検出する方法、更に各軸にロードセルを装備する方法が考えられる。しかしながら、フルエアサスペンションによる方法、固有振動数による方法、ロードセルによる方法ともに構造上の制約を伴い。汎用性に欠ける。汎用性があり簡便に装備できる方法が求められる。

特許文献１には、アクセル開度と発生する前後加速度から車両重量を推定し、かつ後軸のエアサスペンションの空気圧から後軸荷重を推定し、車両重量から後軸荷重を差し引いて前軸荷重を推定する方法が示されている。

特許文献２には、後輪軸重に応じて後輪ブレーキ圧を変更する後輪ブレーキ圧変更手段と、前輪のブレーキ圧を検出する前輪ブレーキ圧検出手段と、前記後輪ブレーキ圧変更手段よりも下流側における前記後輪のブレーキ圧を検出する後輪ブレーキ圧検出手段と、制動時における検出された前後のブレーキ圧の関係と、前記後輪ブレーキ圧変更手段の後輪軸重特性とに基づいて後輪軸重を推定する後輪軸重推定手段とを備え、前記推定された後輪軸重に基づいて車両幅方向における車両重心状態を判定することが開示されている。

非特許文献１には、バウンシングとピッチングの固有振動数が計測され乗心地モデルの固有振動数に照して積載量が判定され、更にばね上質量，慣性モーメント，重心位置及び各軸重も乗心地モデル式によって推定されることが記載されている。

特許第６２０２７００号公報ＷＯ２０１４／１２２７８６

"自動運転大型トラックのための横運動モデルの積載状態推定," 籾山冨士男ほか, 自動車技術開論文集, Vol.44, No.6, November 2013, No.2020134847, pp.1377-1382

特許文献１によれば、前軸荷重と後軸荷重の比をホイールベースに乗算することで、車両重心位置を推定することができる。しかしながら、車両がエアサスペンションを装備していることを前提とするため、適用できる車両構造が限定されてしまうという課題を残している。

特許文献２に開示される方法にあっては、ブレーキ圧を検出することが前提条件となるので、適用範囲が極めて狭い問題がある。また、非特許文献１ではバウンシングとピッチングの固有振動数を算出するための制御ＥＣＵの負担が大きくなる。

諸元の全てが把握されている「空車時横運動のつり合い式」と、乗員ないし積荷が変化した「積載時横運動のつり合い式」との連立方程式から導出される「重心位置変化の式」を用意して、この式に含まれる未知数である前軸横すべり角と後軸横すべり角を、前軸位置に装備したＧＰＳおよび後軸位置に装備したＧＰＳによって実測して、「重心位置変化長」を求める。求めた「重心位置変化長」を「空車時重心位置」に加えて、積車時重心位置を求めるようにした。

既知の値として、荷物の積載や人が乗っていない空車で且つ静止状態における重心位置を基準とし、ＧＰＳユニットからの信号により当該既知の空車重心位置からの距離を算出し、この算出した値を既知の空車重心位置に加えることで走行時の重心位置を推定する。

具体的には、前輪位置を検出する第１ＧＰＳユニットと、後輪位置を検出する第２ＧＰＳユニットと、これらＧＰＳユニットからの信号に基づいて車両の重心位置を計算するコンピュータとを備え、このコンピュータは、前記各ＧＰＳユニットによる前輪位置横すべり角、後輪位置横すべり角、車両重量、車速およびヨーレイトに基づいて空車時の重心位置からの走行時の重心位置の変化量を算出し、この変化量を既知の空車時の重心位置に足すようにした。
ここで、位置横すべり角は各ＧＰＳユニット内で計算して出力されるものに限らず、ＧＰＳユニットなどの位置情報取得手段からの信号に基づいてコンピュータで計算するものも含まれる。

本発明によれば、車両前軸と車両後軸に設置した二つのＧＰＳユニット（ＧＮＳＳ受信機を含む）を用いることで、特定の車両構造に依存せず、容易に、重心位置の変化を推定することができる。

自動運転車両の開発が盛んに行われており、ＧＰＳユニットの需要が増していることから、ＧＰＳユニットの価格は逓減することが予期され、また制御装置の冗長性の観点からも、将来的にはＧＰＳユニットの一台の自動運転車両に対して複数のＧＮＳＳ受信機を搭載されることが予想される。本発明は、ＧＰＳユニットの配置を特に前軸と後軸の鉛直上方とすることで、容易に車両重心位置を推定することを可能とする。

旋回時の車両状態量の説明図である。前軸の実舵角を推定する方法の説明図である。

本発明に係る車両の重心位置推定システムは２つのＧＰＳユニットとコンピュータを必須の構成要素とする。車体中心線上の前軸位置車屋上と後軸位置車屋上に第１ＧＰＳユニット及び第２ＧＰＳユニットを備えて、各ＧＰＳ位置での車体中心線に対する速度ベクトルの大きさと方向角、遍揺角速度（ヨーレイト）を把握できる形態を備える。
またコンピュータは本システム専用のコンピュータを搭載してもよいが、運転制御用に既に搭載しているコンピュータやＧＰＳ内に内蔵しているコンピュータを利用することで足りる。

また、上記の他に前軸に車輪速センサを備えて「前軸車輪回転方向の移動距離及び速度」を検出可能にし、後軸に車輪速センサを備えて「後軸車輪回転方向の移動距離及び速度」を検出可能にして、その両者の余弦から前輪実舵角を把握できる様にしている。

以下図１により装備の形態と状態量から、課題とする重心位置検出について説明する。
図１は左右二つのタイヤを中央にまとめて簡略化した力学モデルである。モデル諸元の符号の説明は図中に示す通りである。添字の無い符号は空車の諸元を示し、添字Ｌ付の符号は積車の諸元を示す。

諸元の全てが把握されている「空車時旋回運動の式」と、その車両総重量変化が把握されている「積載時旋回運動の式」を連立させることで、積載に伴う重心位置の変化（Δｌ）を計算できる。

空車時旋回運動の式は以下の式（１）、式（２）及び式（３）で表される。

積車時旋回運動の式は以下の式（４）、式（５）、式（６）で表される。

ｍは車両質量、ｖは重心位置の速度、γは遍揺角速度（ヨーレイト）、βは車両横すべり角、βf,βrは前軸及び後軸タイヤの横すべり角、Ccf、Ccrは前軸及び後軸タイヤのコーナリング係数（摩擦係数の概念）、Nf,Nrは前軸及び後軸荷重、ｇは重力の加速度、ｌf,ｌrは前軸及び後軸から車両重心までの距離、Δｌは、積載に伴う重心位置の変化距離である。

式（４）に式（５）、式（６）を代入することで式（７）、式（８）が導かれる。尚、式（８）〜（９）は式（８）の説明のために記載した。

上記においてβ_fGPS,β_rGPSは、前軸及び後軸位置に設置したGPSによって検出される横すべり角、δは前輪実舵角、ｖ_xは後軸タイヤの回転センサから求められる前後速度、
ｖ_fwheelは前軸タイヤの回転センサから求められる前輪速度である。

尚、上記の式（９）は、前輪の位置横すべり角の以下の式（13）と後輪の位置横すべり角の式(14)から次の様にして導かれる。

図２は前軸実舵角の検出方法の説明図である。実舵角の検出に併せて検出される前輪横すべり角と後輪横すべり角についても説明する。図１と同じく、左右二つのタイヤを中央にまとめて簡略化した力学モデルである。ｖ_fwheelは、前軸車輪の回転方向速度である。ｖ_xは後輪の回転方向速度且つ車両ｘ軸の前後移動速度であるから、ｖ_fwheel/ｖ_xの余弦は、前軸車輪の実舵角δに等しくなる。即ち、以下の式（１２）になる。

併せて、前軸位置に装備したGPSから出力されるｖ_ｆと前軸車輪回転センサから出力されるｖ_fwheelから、前輪位置横すべり角式（１９）が検出できる。同様に、後輪の横すべり角式（２０）が検出できる。

Claims

前輪位置を検出するＧＰＳユニットなどの第１位置情報取得手段と、後輪位置を検出するＧＰＳユニットなどの第２位置情報取得手段と、これら位置情報取得手段からの信号に基づいて車両の重心位置を計算するコンピュータとからなる車両の重心位置推定システムであって、
前記コンピュータは、前記第１位置情報取得手段による前輪位置横すべり角、前記第２位置情報取得手段による後輪位置横すべり角、車両重量、車速、ヨーレイトに基づいて空車時の重心位置からの走行時の重心位置の変化量を算出し、この変化量を既知の空車時の重心位置に足すことで走行時の重心位置を推定する事を特徴とする車両の重心位置推定システム。
請求項１に記載の車両の重心位置推定システムにおいて、前記第１位置情報取得手段としてのＧＰＳユニットは前軸鉛直上方に設置され、前記第２位置情報取得手段としてのＧＰＳユニットは後軸鉛直上方に設置されることを特徴とする車両の重心位置推定システム。
請求項１または２に記載の車両の重心位置推定システムにおいて、空車時の重心位置からの走行時の重心位置の変化量（Δｌ）は以下の式を用いて算出することを特徴とする車両の重心位置推定システム。
請求項１乃至３の何れかに記載の車両の重心位置推定システムにおいて、前記前輪位置横すべり角は、第１位置情報取得手段としてのＧＰＳユニットから出力される前軸位置速度ベクトルと前軸車輪センサから検出される車輪速から算出し、前記後輪位置横すべり角は、第２位置情報取得手段としてのＧＰＳユニットから出力される後軸位置速度ベクトルと後軸車輪センサから検出される車輪速から算出することを特徴とする車両の重心位置推定システム。