JP4021185B2 - ヨーモーメントフィードバック制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は駆動制動力配分を用いたヨーモーメントフィードバック制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、目標ヨーレート追従制御や目標スリップ角追従制御などの方法が種々提案されている。目標ヨーレートは、検出容易なヨーレート、舵角、車速などから設定することができるので、システム設計が比較的容易であるという利点がある。しかしながら、車両の状態量としてのヨーレートは、ヨーモーメントが積分された結果であることから、運転者の舵角入力に対して遅れが大きいため、応答性に難があることが知られている。
【0003】
そこで、規範ヨーモーメントに基づき、左右駆動制動力配分を用いて、車両の実ヨーモーメントをフィードバック制御することが考えられる。しかしながら、このような制御は、特にタイヤ特性のように、実用域でもかなり非線形の強い要素が含まれることに伴い、このような非線形性を考慮した妥当な目標特性を設定することが困難であるという問題がある。例えば、特開昭2000−25594号には、そのような制御の一例が開示されているが、目標ヨーモーメントを、仮想的(理想的)なタイヤ特性から計算しているため以下の点で問題がある。
(1)仮想的なタイヤ特性の前後バランスを指定する方法が示されていない。
(2)目標の過渡応答を直接指定できない。また、定常特性と過渡特性を独立して指定できない。
(3)制御系の安定性が検討されていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術の問題点及び発明者の知見に鑑み、本発明の主な目的は、タイヤ特性のような非線形性の強い要素が関与しても、高い精度をもって規範ヨーモーメントを設定可能なヨーモーメントフィードバック制御方法を提供することにある。
【0005】
本発明の第2の目的は、定常特性と過渡特性を独立して指定できるなど、設定自由度の高いヨーモーメントフィードバック制御方法を提供することにある。
【0006】
本発明の第3の目的は、制御系の安定性を確保し得るようなヨーモーメントフィードバック制方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、本発明によれば、規範ヨーモーメントに基づき、左右駆動制動力配分を用いて、車両の実ヨーモーメントをフィードバック制御するための方法であって、重心点の横運動及びヨー運動が拘束された車両モデルについての車体スリップ角、ヨーモーメント及び前輪舵角の関係と、車体スリップ角、横力及び前輪舵角の関係を設定する過程と、車体スリップ角、前輪舵角、ヨーレート及び実ヨーモーメントを実測値又は推定値として得る過程と、所定のスタティックマージンを指定して、前記車体スリップ角及び前輪舵角を前記両関係に適用することにより規範ヨーモーメントを計算する過程と、前記規範ヨーモーメントに対する実ヨーモーメントの偏差に基づき左右駆動制動力配分を決定する過程とを有することを特徴とするヨーモーメントフィードバック制御方法を提供することにより達成される。
【0008】
この構成によれば、線形領域から非線形領域までの定常状態での目標ヨーモーメント特性を、βメソッドによって得られるβ−ヨーモーメント線図、β−サイドフォース線図(これら2つはベース車両に対して一意に計算できる)と目標スタティックマージンを指定することにより車体スリップ角βと前輪舵角δから計算できる。
【0009】
特に、前記規範ヨーモーメントが更に、規範ヨーモーメントの過渡特性として、前記車体スリップ角の微分値のフィードバック及び前記前輪舵角の微分値のフィードフォワードから計算される動的ヨーモーメントを含むものであれば、定常状態のみならず過渡領域でも、それぞれ独立に適切な目標ヨーモーメント特性が指定できる。
【0010】
また、この手法によれば、制御系の安定性を確保しつつ、応答性を向上することが可能である。特に、規範ヨーモーメントとして、静的ヨーモーメントのみを考慮した場合には、前輪舵角δ*のフィードフォワード及び車体スリップ角βのフィードバックから計算可能であり、更に動的ヨーモーメントを考慮した場合でも、前輪舵角δ*の微分値のフィードフォワード及び車体スリップ角βの微分値のフィードバックから計算可能であることから、制御系の構成がシンプルである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面に示された具体例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0012】
車両のヨー運動及び横運動は、線形から非線形領域を含め式(1)、(2)の運動方程式で表される。
【0013】
【数1】
但し、IZ:ヨー慣性モーメント、γ;ヨーレイト、L1,L2:前(後)輪軸から重心までの距離、Y1、Y2:前後輪タイヤの横力、α1、α2:前後輪タイヤのスリップ角、TSA1〜4:各輪のセルフアライニングトルク、M:質量、y:横方向変位である。
【0014】
しかし、非線形領域では、線形領域のように式(1)、(2)を解析的に解くことはできない。そこで、(1)、(2)のモーメント及び力の値を算出し、車両の基本的な安定性及び運動特性を、以下に説明するβメソッドにより、解析するものとする。
【0015】
ここで、重心点の横運動及びヨー運動が拘束され、直進走行する車両モデルについて考える(図1)。ここで前輪舵角δ*=0のときの車体スリップ角βに対する前輪及び後輪のサスペンション及びステアリング系とタイヤ自身の特性を含めた横力の特性が、図2に示されている。
【0016】
これらにより、つりあいのために必要な復元ヨーモーメントMS及び横力FSは、以下の式(3)(4)により表され、更に図3及び4のグラフにより示されるように表される。
【0017】
【数2】
車両の全ての運動状態は、α1及びα2の組み合わせで表現できることを考えると、図1の拘束条件下に於けるδ*及びβをパラメータとした図3のグラフにより、旋回抵抗を無視すれば、線形、非線形、定常及び過渡状態を含む全ての車両の特性が1つのグラフにより表されることがわかる。
【0018】
図3のグラフに於いて、曲線の傾きΔMSはスタティックマージンに対応する。従って、 図3の曲線が右上がりであれば、車両がアンダステアであることを示している。これが右下がりであれば、車両がオーバステアであることを示しており、限界速度以上になると、車両が不安定になることを示している。従って、図3のグラフで、βが増えるに従って、ΔMSが減少し、車両の旋回横加速度の限界に近付くにつれて、安定性が低下することがわかる。
【0019】
この関係を横加速度に対して求めるには、図4のFSを車両の質量Mで除しYGとし、YGとMSとの関係を調べれば良い(図5)。図3でも同一の関係があるが、図5に於いては、定常旋回状態は、MS=0の横軸上にある。従って、対応する車両について復元ヨーモーメント係数を知るには、図5の横軸上のYGに於けるΔMSを調べれば良い。また、式(5)、(6)から、式(7)が得られ、旋回半径Rと、実走中のタイヤの切れ角δ、スリップ角α1,α2の関係から、R≫Lとすれば、式(8)が得られる。
【0020】
【数3】
このように、図1のモデルに於ける車体すべり角を基準とする解析方法により、非線形及び過渡状態を含む全ての運転状態の安定性及び運動特性を把握することができる。上記したβメソッドについては、芝端らによる「ヨーモーメント制御による車両運動性能の向上について」、自動車技術,1993年,Vol.47,No.12,pp54−60を参照されたい。
【0021】
このように、重心点の横運動及びヨー運動が拘束された車両モデルについての車体スリップ角、ヨーモーメント及び前輪舵角の関係と、車体スリップ角、横力及び前輪舵角の関係を設定することができる。そこで、所定のスタティックマージンを指定して、前記車体スリップ角及び前輪舵角を前記両関係に適用することにより規範ヨーモーメントを計算することができる。
【0022】
図6は、このような着想に基づくヨーモーメントフィードバック制御方法を実施するための制御装置の一実施例を示している。車両には、前後輪のそれぞれについて設けられた横加速度センサ及び重心に配置されたヨーレートセンサ及び前輪舵角センサが備えられている。また、スリップ角オブザーバが制御装置内に設けられ、各時点に於ける横加速度、ヨーレート及び前輪舵角に基づいて、車体スリップ角を推定する。推定車体スリップ角、前輪舵角及びヨーレートから、実ヨーモーメントを計算する。更に、線形領域から非線形領域で線形近似した車両モデルのδ*からβまでの伝達関数の形(具体的にはダンピング項と零点)を指定することにより、制御系の安定性を確保した上で応答性や収敏性を向上させ、かつ上記定常特性に影響を及ぼすことのない目標ヨーモーメントの過渡特性を指定することができる。これは車体スリップ角βの微分値のフィードバック(FB)と前輪舵角δ*の微分値のフィードフォワード(FF)から計算できる。この車両モデルから得られた規範ヨーモーメントと実ヨーモーメントとの間の偏差に応じた制動又は駆動トルクを車両に加え、所望の運動特性を得ることができる。
【0023】
このような制御構造を更に詳しく以下に説明する。
1.ヨーモーメント偏差のフィードバック
非線形車両モデルが以下の運動方程式で表されものと想定する。
【0024】
【数4】
を制御入力とするヨーモーメントFB制御系を構成する。但し、β:車体スリップ角、V:車速、MZ:ヨーモーメント制御入力である。式(11)を式(10)に代入するとヨーモーメントの釣り合い式は以下のようになる。
【0025】
【数5】
2.βメソッドによる静的な規範ヨーモーメントの設定
MZ=0のときのNSP及びスタティックマージンを、それぞれLN、SM(=LN/L)とすると、式(10)の重心点拘束モデルのヨーモーメント釣り合い式は
【数6】
ここで、u0はuの定常項である。一方このヨーモーメント制御車両の新しいNSP、スタティックマージンをLN *、SM *とする釣り合い式は
【数7】
となる。式(11)、(12)により指定されたスタティックマージンSMとなるヨーモーメント制御入力u0は次式のようになる。(L:ホイールベース)
【数8】
ここで、2L1Y1(β−δ*)−2L2Y2(β)は、図3のグラフから、SMは、図5の曲線の傾きからグラフから、Y1(β−δ*)+Y2(β)は、図4のグラフから、それぞれ求められる。従って、ヨーモーメント制御入力MZは、
【数9】
となる。第1項は実ヨーモーメントであり、第2項は、図3及び4のグラフ及びスタティックマージンから決まる規範ヨーモーメントである。
3.動特性の解析
式(9)の両辺を時間tで微分して整理すると
【数10】
但し、K1=−(∂Y1/∂α1)[β+(L1/V)γ−δ*]、K2=−(∂Y2/∂α2){β−(L2/V)γ}である。
【0026】
動特性の解析、設計を行うため、式(15)の非線形タイヤ特性を以下のように線形近似する。
【0027】
【数1】
但し、K10=−(∂Y1/∂α1)(β−δ*)、K20=−(∂Y2/∂α2)(β)とする。なお、式(18)から静的な規範ヨーモーメントはβのFBとδのFFで構成されていることが分かる。
【0028】
uの過渡項をu1(すなわちu=u0+u1)として、式(12)、(18)を式(17)に代入すると、参照入力がδ*、制御入力がu1、出力がβの線形化された伝達特性が得られる。
【0029】
【数12】
上式から分かるように式(18)の静的な制御では、βとδ*の定常項を変えることはできるが、βとδ*の1次微分係数は変えることはできない。これはスタティックマージンを小さくした場合車両の動特性が悪化することになる。そこで規範モーメントの過渡項u1を用いて動特性の改善を図る。
4.動的FB+FFによる過渡応答の解析
式(19)の過渡応答を改善するために、規範ヨーモーメントの過渡項u1を、βの微分及びδの微分の線形結合で表す。
【0030】
【数13】
式(20)を式(19)に代入すると、
【数14】
となる。ここで、δ*からβまでの伝達関数の減衰係数×固有角周波数(ξ*ωn*)と零点zβ *を指定すると、
【数15】
より
【数16】
以上より最終的なヨーモーメント制御入力は次のようになる。
【数17】
ここで、
【数18】
【0031】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、線形領域から非線形領域までの定常状態での目標ヨーモーメント特性を、βメソッドによって得られるβ−ヨーモーメント線図及びβ−サイドフォース線図(これら2つはベース車両に対して一意に計算できる)と目標スタティックマージンを指定することにより車体スリップ角βと前輪舵角δ*から計算できる。また、線形領域のみならず非線形領域でも、また定常状態のみならず過渡領域でも、それぞれ独立に適切な目標ヨーモーメント特性が指定できる。また、この手法によれば、制御系の安定性を確保しつつ、応答性を向上することが可能である。更に、この目標ヨーモーメントは車体スリップ角βとその微分値のフィードバックと前輪舵角δ*とその微分値のフィードフォワードから計算可能であるため、制御系の構成がシンプルである。
【図面の簡単な説明】
【図1】βメソッドの基礎となる、重心点の横運動及びヨー運動が拘束された車両モデルを示すダイヤグラム図。
【図2】前記車両モデルに於いてスリップ角と横力との関係を示すグラフ。
【図3】前記車両モデルに於いて様々な前輪舵角について車体スリップ角と復元ヨーモーメントとの関係を示すグラフ。
【図4】前記車両モデルに於いて車体スリップ角と横力との関係を示すグラフ。
【図5】前記車両モデルに於いて様々な前輪舵角について横加速度と復元ヨーモーメントとの関係を示すグラフ。
【図6】本発明に基づくヨーモーメントフィードバック制御方法を実施するための制御装置の一実施例を示すブロック図。
Claims (3)
- 規範ヨーモーメントに基づき、左右駆動制動力配分を用いて、車両の実ヨーモーメントをフィードバック制御するための方法であって、
重心点の横運動及びヨー運動が拘束された車両モデルについての車体スリップ角、ヨーモーメント及び前輪舵角の関係と、車体スリップ角、横力及び前輪舵角の関係を設定する過程と、
車体スリップ角、前輪舵角、ヨーレート及び実ヨーモーメントを実測値又は推定値として得る過程と、
所定のスタティックマージンを指定して、前記車体スリップ角及び前輪舵角を前記両関係に適用することにより規範ヨーモーメントを計算する過程と、
前記規範ヨーモーメントに対する実ヨーモーメントの偏差に基づき左右駆動制動力配分を決定する過程とを有し、
前記規範ヨーモーメントが更に、規範ヨーモーメントの過渡特性として、前記車体スリップ角の微分値のフィードバック及び前記前輪舵角の微分値のフィードフォワードから計算される動的ヨーモーメントを含むことを特徴とするヨーモーメントフィードバック制御方法。 - 横加速度を実測値又は推定値として得る過程を更に有し、前記車体スリップ角を、前記前輪舵角、ヨーレート及び横加速度を入力とするスリップ角オブザーバにより得ることを特徴とする請求項1に記載のヨーモーメントフィードバック制御方法。
- 前記実ヨーモーメントを、前記前輪舵角、ヨーレート及び車体スリップ角に基づき計算することを特徴とする請求項1に記載のヨーモーメントフィードバック制御方法。
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