JP4694820B2 - バンク角推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、バンク角推定装置に関する。

近年、車両には、操安性を考慮した運動性能の向上、或いはドライバーの運転操作のアシストといった観点から、車両の状態を制御する種々の制御装置が搭載されている。この類の制御装置としては、例えば、前後輪の駆動力配分比を調整する駆動力制御装置、ブレーキ力を調整するブレーキ制御装置、車輪の操舵角を調整する操舵角制御装置が挙げられる。ところで、このような制御装置では、その制御精度の向上を図るために、車両が走行している路面の状態を推定することが重要となる。推定が必要な路面状態としては、例えば、車輪と路面との間の摩擦係数が挙げられるが、これ以外にも、路面のバンク角もまた重要である。例えば、特許文献１には、車速、ヨーレート、横加速度といった車両の状態量に基づいて、路面のバンク角を推定する手法について開示されている。
特開平１０−１０３９３５号公報

ヨーレートまたは横加速度は、センサ等で検出可能な状態量であり、ある程度の検出精度を確保することができる。しかしながら、これらの状態量だけでなく、別の状態量を用いてバンク角を推定することができるのであれば、技術の豊富化といった点で有益である。

そこで、本発明の目的は、ヨーレートや横加速度を用いることなく、路面のバンク角を推定することである。

また、本発明の別の目的は、路面のバンク角に基づいて、車両の状態を制御することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、バンク角推定装置を提供する。このバンク角推定装置は、検出部と第１の推定部とを有する。検出部は、車輪に作用する横力と上下力とを直接的に検出する。第１の推定部は、車輪に作用する横力に基づいて、車両の横方向に作用する車両横力を推定し、車輪に作用する上下力に基づいて、車両の上下方向に作用する車両上下力を推定する。そして、車両横力と車両上下力とを演算パラメータとして用いて、車両横力に対する車両の遠心力と重力とのオフセット量と、車両上下力に対する車両の遠心力と重力とのオフセット量とに基づいて、路面のバンク角を第１のバンク角として推定する。

ここで、本発明において、検出部は、車両に設けられている車輪のそれぞれを検出対象として横力と上下力とを直接的に検出しており、第１の推定部は、車輪のそれぞれにおける横力の総和として車両横力を推定するとともに、車輪のそれぞれにおける上下力の総和として車両上下力を推定することが好ましい。

また、本発明において、車速、ヨーレートおよび横加速度を検出する状態量センサと、車速と、ヨーレートと、横加速度とを演算パラメータとして用いて、車両の横方向に作用する遠心力に対する、車両の水平方向に作用する遠心力のオフセット比に基づいて、路面のバンク角を第２のバンク角として推定する第２の推定部と、第１のバンク角と第２のバンク角とを比較することにより、検出部および状態量センサの一方を診断対象として、診断対象が故障しているか否かを判断する診断部とをさらに有することが好ましい。

診断部は、第２のバンク角を基準値に設定し、第１のバンク角が基準値に対応していない場合、診断対象としての検出部が故障していると判断することが好ましい。

診断部は、加速度に基づいて車両横力を推定することにより、検出部によって検出された横力の値が異常であるか否かを判断することを特徴することが好ましい。

診断部は、車速と、ヨーレートと、第２のバンク角とに基づいて車両上下力を推定することにより、検出部によって検出された上下力の値が異常であるか否かを判断することが好ましい。

本発明によれば、車輪に作用する横力を直接的に検出しているため、車両横力を推定することができる。また、車輪に作用する上下力を直接的に検出しているため、車両上下力を推定することができる。車両横力と車両上下力とには、車両に作用する遠心力と重力とがバンク角相当だけオフセットしてそれぞれ作用しているため、このオフセット量を考慮することにより、路面のバンク角を推定することが可能となる。また、本発明によれば、直接的な手法により車輪の作用力が検出されているので、車両横力と車両上下力との推定精度の向上を図ることができる。その結果、これらの値を用いてバンク角を推定することにより、その値を精度よく推定することが可能となる。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態にかかる制御装置が適用された車両の説明図である。この車両は、前後左右の四輪がそれぞれ駆動される四輪駆動車である。エンジン１のクランクシャフト（図示せず）からの動力は、自動変速機２、センタディファレンシャル装置３を介して、前輪側および後輪側の駆動軸（車軸）４へとそれぞれ伝達される。車軸４に動力が伝達されると、各車輪５には駆動トルクが与えられ、これにより、車輪５に駆動力が加えられる。

車両の状態を制御する制御装置１０は、バンク角推定装置２０と、制御部３０とを主体に構成されている。図２は、バンク角推定装置２０のブロック構成図である。バンク角推定装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等で構成されたマイクロコンピュータ２１を主体に構成されている。マイクロコンピュータ２１は、これを機能的に捉えた場合、路面のバンク角θを推定する推定部２１ａを有する。このマイクロコンピュータ２１には、バンク角θを推定するために、検出部２２を含む各種のセンサからの検出信号が入力されている。

図３は、車輪５に作用する作用力の説明図である。検出部２２は、車輪５に作用する作用力を検出する。説明の便宜上、図２には、検出部２２相当のブロックを一つのみ示しているが、実際には、個々の車輪５に対応して検出部２２が設けられている。検出部２２が検出し得る作用力は、前後力Ｆx、横力Ｆyおよび上下力Ｆzである。前後力Ｆxは、車輪５の接地面に発生する摩擦力のうち車輪中心面に平行な方向（ｘ軸）に発生する分力であり、横力Ｆyは、車輪中心面に直角な方向（ｙ軸）に発生する分力である。一方、上下力Ｆzは、鉛直方向（ｚ軸）に作用する力、いわゆる、垂直荷重である。これらの作用力Ｆx，Ｆy，Ｆzのうち、本実施形態では、横力Ｆyと上下力Ｆzとが重要となる。個々の検出部２２は、ひずみゲージと、このひずみゲージから出力される電気信号を処理し、作用力に応じた検出信号を生成する信号処理回路とを主体に構成されている。車軸４に生じる応力は作用力に比例するという知得に基づき、ひずみゲージを車軸４に埋設することにより、作用力が直接的に検出される。なお、検出部２２の具体的な構成については、例えば、特開平０４−３３１３３６号公報および特開平１０−３１８８６２号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

一方、制御装置１０のもう一つの構成要素である制御部３０は、バンク角推定装置２０によって推定された推定結果に基づいて、各種のアクチュエータを制御し、車両の状態を制御する。制御部３０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。

図４は、本実施形態にかかる制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定間隔毎に呼び出され、マイクロコンピュータ２１によって実行される。まず、ステップ１において、それぞれの車輪５において検出された横力Ｆyと、それぞれの車輪５において検出された上下力Ｆzとが読み込まれる。そして、ステップ２において、車両の横方向（車幅方向）に作用する力（以下「車両横力」という）ＦYと、車両の上下方向（車高方向）に作用する力（以下「車両上下力」という）ＦZとが推定される。具体的には、車両横力ＦYは、それぞれの車輪５に関して検出された横力Ｆyの総和として推定され、車両上下力ＦZは、それぞれの車輪に関して検出された上下力Ｆzの総和として推定される。

図５は、車両に作用する各種の力を示す説明図である。ステップ３では、車両横力ＦYと車両上下力ＦZとを演算パラメータとして用いて、路面のバンク角θが推定される。バンク角θを有する路面（バンク路面）を走行する車両（或いは、停止している車両）には、鉛直方向に重力が作用し、その水平方向に遠心力が作用する（停止時には遠心力は「0」）。この場合、Ｙ軸方向に作用する車両横力ＦYには、遠心力と重力とがバンク角θ相当オフセットして作用しており、また、Ｚ軸方向に作用する車両上下力ＦZにも、遠心力と重力とがバンク角θ相当オフセットして作用している。それ故に、このオフセット量に基づいて、路面のバンク角θが推定可能となる。ここで、バンク角θについて分析すると、車両横力ＦY、車両上下力ＦZ、遠心力および重力の間には、以下に示す関係が成立する。

ここで、ｍは車両質量、ｍａは遠心力、ｍｇは重力である。同数式から分かるように、遠心力ｍａに関するバンク角相当の余弦成分（ｍａ・cosθ）は、車両横力ＦYに、重力ｍｇに関するバンク角相当の正弦成分（ｍｇ・sinθ）を加算した値となる。一方、遠心力ｍａに関するバンク角相当の正弦成分（ｍａ・sinθ）は、車両上下力ＦZから、重力ｍｇに関するバンク角相当の余弦成分（ｍｇ・cosθ）を減算した値となる。したがって、数式１をバンク角θについて解くことにより、バンク角θは、下式により一義的に算出される。

ステップ４において、推定されたバンク角θに基づいて、車両の状態が制御される。本実施形態では、バンク角θを考慮した制御手法の一例として、車輪５の操舵角を制御する手法について説明する。この制御手法では、前方のカーブ形状に応じて操舵角制御が行われる。具体的には、車両に搭載され、前方の状況を撮像するカメラ（図示せず）から得られる情報に基づいて、自車両前方のカーブ半径が推定される。つぎに、路面のバンク角θおよび重力ｍｇにより車両に生じる横力に基づいて、補正舵角が算出される。そして、この補正舵角に基づいて、前方のカーブ半径に応じた車輪５の操舵角が制御される。なお、バンク角θを考慮に入れた操舵角制御の詳細については、例えば、特開平１０−１０３９３５号公報に開示されているので必要ならば参照されたい。

このように本実施形態によれば、車両横力ＦYと車両上下力ＦZとには、車両に作用する遠心力と重力とがバンク角相当だけオフセットして作用しているとの知得に基づき、このオフセット量から路面のバンク角θを推定することが可能となる。また、本実施形態によれば、直接的な検出手法により車輪５の作用力を検出しているため、その値を精度よく検出することができる。これにより、車両横力ＦYと車両上下力ＦZとの推定精度が向上するとともに、ひいては、バンク角θの推定精度の向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、車両横力ＦYまたは車両上下力ＦZを推定する際に、各車輪５の横力Ｆyの総和または上下力Ｆzの総和としてその値を推定した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、ある特定の車輪５に関する検出値に基づいて、車両横力ＦY、車両上下力ＦZを推定してもよい。例えば、左右後輪に関する横力Ｆy（または、上下力Ｆz）の和を２倍した値を、車両横力ＦY（または、車両上下力ＦZ）として推定するといった如くである。

また、制御部３０は、操舵角制御以外にも、バンク角θに応じた駆動力配分制御や、バンク角θに応じたブレーキ制御などを行ってもよい。さらに、これらの制御以外にも、ヨーレート制御、ロール角制御といったように車両の運動状態をバンク角θを考慮した上で制御することも可能である。また、これらの運動状態制御では、バンク路面を想定外として制御則が決定されていることもあるので、誤制御を防止するといった観点から、バンク角θが判定値以上となった場合には、現在実行されている運動状態の制御を中止するといった手法も有効である。

図６は、バンク角θの概念説明図である。本実施形態におけるバンク角θとは、単に路面の傾斜角のみでなく、路面に対する車両の傾斜角も含む。この車両の傾斜角は、例えば、同図に示すように、路面上の突起等の轍、段差、物体等を乗越えて走行する際に生じる車両の傾斜角といったように、水平面を基準とした車両の傾斜を広く含む。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態にかかるバンク角推定装置２０のブロック構成図である。第２の実施形態が第１の実施形態と相違する点は、バンク角推定装置２０が故障診断機能を有している点である。具体的には、バンク角推定装置２０は、車輪５の作用力ベースで推定されたバンク角θを判定値と比較することにより、検出部２２が故障しているか否かが判断される。なお、第２の実施形態において、第１の実施形態で説明した構成要素と同じ要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、マイクロコンピュータ２１に対して、状態量センサ２３からの検出信号がさらに入力されている。状態量センサ２３は、車両の状態を示す各種情報（車両状態量）を検出するセンサである。この状態量センサ２３が検出する車両状態量としては、車速Ｖ、車両の横方向（車幅方向）の加速度（以下「横加速度」という）ａy、ヨーレートωが挙げられる。なお、状態量センサ２３は、これ自体が各種の車両状態量を単独で検出可能である必要はなく、車速センサ、横加速度センサ、ヨーレートセンサ等の周知のセンサを複合的に用いてもよい。

マイクロコンピュータ２１は、これを機能的に捉えた場合、上述した推定部２１ａ（以下「第１の推定部」という）に加え、第２の推定部２１ｂと、診断部２１ｃとをさらに有する。第２の推定部２１ｂは、状態量センサ２３によって検出された車両状態量に基づいて、路面のバンク角θを推定する。ここで、各推定部２１ａ，２１ｂによって推定される推定値を区別すべく、以下、第１の推定部２１ａによる推定結果を第１のバンク角θ1といい、第２の推定部２１ｂによる推定結果を第２のバンク角θ2という。診断部２１ｃは、両推定部２１ａ，２１ｂの推定結果に基づいて、検出部２２が故障しているか否かを判断する。

図８は、第２の実施形態にかかる故障診断手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定間隔毎に呼び出され、マイクロコンピュータ２１によって実行される。ステップ１１からステップ１３までの処理は、第１の実施形態におけるステップ１からステップ３までの処理に対応するので、ここでの説明は省略する。ただし、ステップ１１では、状態量センサ２３の検出値である車速Ｖ、横加速度ａy、ヨーレートωもさらに取得される。

ステップ１４において、検出された車両状態量Ｖ，ａy，ωを演算パラメータとして用いて、第２のバンク角θ2が推定される。車両の横方向（車幅方向）に作用する遠心力は、車両の水平方向に作用する遠心力ｍａに対してバンク角θに応じた値相当オフセットする。それ故に、このオフセット量に基づいてバンク角θが推定可能となる。ここで、バンク角θについて分析すると、車速Ｖ、車両質量ｍ、ヨーレートωの積算値である横方向の遠心力ｍＶωと、水平方向の遠心力ｍａとの間には、以下に示す関係が成立する。

横方向の遠心力（ｍＶω）は、車両横力ＦYと、重力ｍｇに関するバンク角相当の正弦成分（ｍｇ・sinθ）との加算値であり、横力Ｆyは、横加速度ａyと車両質量ｍとの積算値である。したがって、数式３をバンク角θについて解くことにより、第２のバンク角θ2は、下式により一義的に推定される。

ステップ１５では、まず、第２のバンク角θ2が基準値θsに設定される。そして、第１のバンク角θ1が基準値θsに対応しているか否か、すなわち、第１のバンク角θ1と基準値θsとの差（絶対値）が判定値θthよりも大きいか否か判断される。この判定値θthは、第１のバンク角θ1と基準値θsとが実質的に同一と見なるせる誤差の最大値として、実験やシミュレーションを通じて所定の値が予め設定されている。このステップ１５において肯定判定された場合、すなわち、第１のバンク角θ1が基準値θsに対応していない場合には（θ1−θs＞θth）、ステップ１６に進む。一方、ステップ１５において否定判定された場合、すなわち、第１のバンク角θ1が基準値θsに対応している場合には（θ1−θs≦θth）、ステップ１６をスキップして本ルーチンを抜ける。

ステップ１６において、診断処理が実行される。この診断処理では、第１のバンク角θ1の推定要素である検出部２２の検出値Ｆy，Ｆzを対象として、どの値が異常であるか否かが判断される。具体的には、まず、状態量センサ２３によって検出される横加速度ａyと、車両質量ｍとの積算値として車両横力Ｆyが推定される。また、状態量センサ２３によって検出された車速Ｖおよびヨーレートωと、第２のバンク角θ2とに基づいて、車両上下力Ｆzが推定される（数式５参照）。

つぎに、車輪５の作用力（横力Ｆy）をベースに算出された車両横力ＦYと、車両状態量をベースに算出された車両横力ＦYとが比較される。また、車輪５の作用力（上下力Ｆz）をベースに算出された車両上下力ＦZと、車両状態量をベースに算出された車両上下力ＦZとが比較される。これらの比較において、作用力ベースの車両横力ＦYが車両状態量ベースの車両横力Ｆyに対応していない場合、例えば、両者の差が所定のしきい値以上である場合には、検出値である横力Ｆyの値に異常があると判断される。また、車両横力Ｆyと同様に、作用力ベースの車両上下力ＦZが車両状態量ベースの車両上下力ＦZに対応していない場合には、検出値である上下力Ｆzの値に異常があると判断される。

なお、ここでは詳述しないが、診断結果は、バンク角推定装置２０のバックアップＲＡＭにストアされる診断フラグに反映される（例えば、診断フラグ＝０のとき正常、１のとき異常）。そして、バンク角推定装置２０の図示しない外部接続コネクタに携帯型故障診断装置（シリアルモニタ）を接続し、診断フラグの値を読み出すことで診断結果を知ることができる。また、異常判定時は、インストルメントパネルに配設されバンク角推定装置２０の出力ポートに接続された警報ランプを点灯することでドライバーに異常を報知してもよい。

このように本実施形態によれば、検出部２２に生じる異常を有効に判断することができる。すなわち、作用力ベースの第１のバンク角θ1と、車両状態量ベースの第２のバンク角θ2とは、原則として値的に対応する。したがって、これらの値θ1，θ2は、厳密に一致するか、または、許容可能な誤差の範囲内に収束する。そこで、本実施形態では、状態量センサ２３の検出結果を信頼した上で、第２のバンク角θ2が基準値θsに設定される。そして、第１のバンク角θ1と基準値θsとを比較することにより、検出部２２に異常が生じているか否かが判断可能となる。

また、本実施形態によれば、状態量センサ２３の検出値に基づいて、車両横力ＦYと車両上下力ＦZとを推定することにより、検出部２２による横力Ｆyの値または上下力Ｆzの値に異常が生じているのか否かを個別に判断することができる。これにより、検出部２２の異常をより詳細に特定することが可能となる。

なお、上述した実施形態では詳述していないが、例えば、検出部２２の検出値に異常が認められた場合には、検出部２２の検出値Ｆy，Ｆzを補正してもよい。例えば、車両状態量ベースの車両横力ＦY（または車両上下力ＦZ）と、作用力ベースの車両横力ＦY（または車両上下力ＦZ）との誤差の割合程度だけ、検出値を補正するといった如くである。また、制御の信頼性といった観点から、検出部２２に異常があると判断された場合には、検出部２２の検出結果を用いる制御の実行を中止することも有効である。

また、本実施形態では、状態量センサ２３の検出値を信頼した上で、第２のバンク角θ2を基準値θsに設定し、第１のバンク角θ1と基準値θsとを比較し、検出部２２の故障診断を行った。しかしながら、本発明の故障診断において、検出部２２および状態量センサ２３のどちらの検出値を信頼するかは択一的である。すなわち、検出部２２の検出値に信頼性をおいた上で、第１のバンク角θ1を基準値θsに設定し、第２のバンク角θ2と基準値θsとを比較し、状態量センサ２３の故障診断を行ってもよい。このような二値の比較による故障診断では、検出部２２または状態量センサ２３の取付精度などといったように、その検出値の信頼の程度を考慮した上で、故障診断の対象となる部位を決定すれば足りる。

本実施形態において、検出部２２は、作用力として、三方向に作用する作用力を検出する構成であるが、本発明は、これに限定されるものではなく、必要となる分力方向に作用する作用力を検出可能であれば足りる。また、この三方向回りのモーメントをも含む六分力を検出する六分力計であってもよい。かかる構成であっても、制御において必要となる作用力は少なくも検出することができるので、当然ながら問題はない。なお、車輪５に作用する六分力を検出する手法については、例えば、特開２００２−０３９７４４号公報、特開２００２−０２２５７９号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

また、本実施形態では、検出部２２を車軸４に埋設するケースを説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他のバリエーションも考えられる。作用力を検出するという観点でいえば、例えば、車輪５を保持する部材、例えば、ハブやハブキャリア等に検出部２２を設けてもよい。なお、検出部２２をハブ等に設ける手法については、特開２００３−１０４１３９号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

第１の実施形態にかかる制御装置が適用された車両の説明図 第１の実施形態にかかる推定装置のブロック構成図 車輪に作用する作用力の説明図 本実施形態にかかる車両運動制御手順を示すフローチャート 車両に作用する遠心力と重力との釣り合いを示す説明図 バンク角の概念説明図 第２の実施形態にかかる推定装置のブロック構成図 故障診断手順を示すフローチャート

符号の説明

１ エンジン
２ 自動変速機
３ センタディファレンシャル装置
４ 車軸
５ 車輪
１０ 制御装置
２０ バンク角推定装置
２１ マイクロコンピュータ
２１ａ 推定部（第１の推定部）
２１ｂ 第２の推定部
２１ｃ 診断部
２２ 検出部
２３ 状態量センサ
３０ 制御部

Claims (6)

1. バンク角推定装置において、
   車輪に作用する横力と上下力とを直接的に検出する検出部と、
   前記車輪に作用する前記横力に基づいて、車両の横方向に作用する車両横力を推定し、前記車輪に作用する前記上下力に基づいて、前記車両の上下方向に作用する車両上下力を推定するとともに、前記車両横力と前記車両上下力とを演算パラメータとして用いて、前記車両横力に対する前記車両の遠心力と重力とのオフセット量と、前記車両上下力に対する前記車両の遠心力と重力とのオフセット量とに基づいて、路面のバンク角を第１のバンク角として推定する第１の推定部と
   を有することを特徴とするバンク角推定装置。
2. 前記検出部は、前記車両に設けられている前記車輪のそれぞれを検出対象として前記横力と上下力とを直接的に検出しており、
   前記第１の推定部は、前記車輪のそれぞれにおける前記横力の総和として前記車両横力を推定するとともに、前記車輪のそれぞれにおける前記上下力の総和として前記車両上下力を推定することを特徴とする請求項１に記載されたバンク角推定装置。
3. 車速と、ヨーレートと、横加速度とを検出する状態量センサと、
   前記車速と、前記ヨーレートと、前記横加速度とを演算パラメータとして用いて、前記車両の横方向に作用する遠心力に対する、前記車両の水平方向に作用する遠心力のオフセット比に基づいて、前記路面のバンク角を第２のバンク角として推定する第２の推定部と、
   前記第１のバンク角と前記第２のバンク角とを比較することにより、前記検出部および前記状態量センサの一方を診断対象として、当該診断対象が故障しているか否かを判断する診断部と
   をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載されたバンク角推定装置。
4. 前記診断部は、前記第２のバンク角を基準値に設定し、前記第１のバンク角が前記基準値に対応していない場合、診断対象としての前記検出部が故障していると判断することを特徴とする請求項３に記載されたバンク角推定装置。
5. 前記診断部は、前記加速度に基づいて前記車両横力を推定することにより、前記検出部によって検出された前記横力の値が異常であるか否かを判断することを特徴する請求項４に記載されたバンク角推定装置。
6. 前記診断部は、前記車速と、前記ヨーレートと、前記第２のバンク角とに基づいて前記車両上下力を推定することにより、前記検出部によって検出された前記上下力の値が異常であるか否かを判断することを特徴とする請求項４に記載されたバンク角推定装置。