JP5096725B2

JP5096725B2 - 車両の路面摩擦係数推定装置

Info

Publication number: JP5096725B2
Application number: JP2006298083A
Authority: JP
Inventors: 勝小暮
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: JP2008114663A

Description

本発明は、路面摩擦係数を精度良く推定する車両の路面摩擦係数推定装置に関する。

近年、車両においては、様々な制御装置が搭載されており、特に、ブレーキ関連の制御や、駆動力配分の制御等では、路面情報として路面摩擦係数を入力パラメータとして用いるものがある。

この路面摩擦係数の推定装置として、本出願人は、特開２０００−７１９６８号公報において、高μ路での車両運動モデルにより高μ路基準車体すべり角を演算するとともに、低μ路での車両運動モデルにより低μ路基準車体すべり角を演算し、実際の車両の挙動をフィードバックしつつ、車両運動モデルによって推定車体すべり角をオブザーバにより演算して、これら高μ路基準車体すべり角，低μ路基準車体すべり角，推定車体すべり角の関係により、路面摩擦係数を推定する技術を提案している。
特開２０００−７１９６８号公報

上述の特許文献１に開示される技術のように、路面摩擦係数は車体すべり角と密接な関係があり、一般に、路面摩擦係数と車体すべり角のどちらか一方の値が求められれば、他方の値も求められることが知られている。しかしながら、路面摩擦係数を推定するに際し、車体すべり角を求めようとすると、センサ分解能や、演算における累積誤差の影響等により、精度良く推定することが困難であり、従って、路面摩擦係数の推定も、その精度が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、特に新たなセンサ等を用いることなく、従来から精度良く得られるパラメータを用いて路面摩擦係数と車体すべり角の両方を、同時に、精度良く推定することができる車両の路面摩擦係数推定装置を提供することを目的としている。

本発明は、ヨーレートと横加速度に基づいて目標とするタイヤの横力を第１のタイヤ横力として推定する第１のタイヤ横力推定手段と、予め設定した２次式近似モデルにより車体すべり角と路面摩擦係数に基づいて前回のタイヤの横力を第２のタイヤ横力として推定する第２のタイヤ横力推定手段と、上記第１のタイヤ横力と上記第２のタイヤ横力との偏差を最小にする路面摩擦係数と車体すべり角の値を最適化計算により同時に推定する推定手段とを備えたことを特徴としている。

本発明による車両の路面摩擦係数推定装置によれば、特に新たなセンサ等を用いることなく、従来から精度良く得られるパラメータを用いて路面摩擦係数と車体すべり角の両方を、同時に、精度良く推定することが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１、及び、図２は本発明の実施の一形態を示し、図１は路面摩擦係数推定装置の構成を示す機能ブロック図、図２は路面摩擦係数推定のフローチャートである。

図１において、符号１は車両に搭載され、路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定装置を示し、この路面摩擦係数推定装置１の制御部２には、横加速度センサ３、ヨーレートセンサ４、車速センサ５、舵角センサ６が接続され、それぞれ、横加速度（ｄ^２ｙ／ｄｔ^２）、ヨーレート（ｄψ／ｄｔ）、車速Ｖ、前輪実舵角δｆが入力される。

また、制御部２には、エンジン制御部７が接続され、エンジン出力トルクＴｅ、及び、エンジン回転数Ｎｅが入力されると共に、トランスミッション制御部８が接続され、トルクコンバータのタービン回転数Ｎｔ、及び、自動変速機（図示せず）のギヤ比ｉが入力される。

制御部２は、目標タイヤ力演算部２ａ、収束演算部２ｂ、メモリ部２ｃから主要に構成されており、後述の路面摩擦係数推定のプログラムに従って、上述の各入力信号を基に、路面摩擦係数μと車体すべり角βとを同時に推定して出力するように構成されている。

目標タイヤ力演算部２ａは、横加速度センサ３から横加速度（ｄ^２ｙ／ｄｔ^２）が入力され、ヨーレートセンサ４からヨーレート（ｄψ／ｄｔ）が入力されて、これら入力信号に基づいて、前輪と後輪の目標タイヤ横力推定値Ｆ’f_y、Ｆ’r_yを要素とする第１のタイヤ横力としての目標タイヤ力Ｆ’ｖ（尚、以下、添字「ｖ」はベクトル量であることを示す）を演算して収束演算部２ｂに出力するように構成される。

収束演算部２ｂは、車速センサ５から車速Ｖが入力され、舵角センサ６から前輪実舵角δｆが入力され、エンジン制御部７からエンジン出力トルクＴｅ、エンジン回転数Ｎｅが入力され、トランスミッション制御部８からトルクコンバータのタービン回転数Ｎｔ、自動変速機のギヤ比ｉが入力され、目標タイヤ力演算部２ａから目標タイヤ力Ｆ’ｖが入力される。

そして、前輪と後輪のタイヤ力推定値Ｆf_y、Ｆr_yを要素とする第２のタイヤ横力としてのタイヤ力推定値Ｆｖを予め設定した２次式近似モデルに基づいて繰り返し演算しながら、目標タイヤ力Ｆ’ｖとタイヤ力推定値Ｆｖとの偏差を最小にする路面摩擦係数μと車体すべり角βの値を最適化計算により同時に推定して出力する。この最適化計算における路面摩擦係数μと車体すべり角βの前回値や、最終的に設定される路面摩擦係数μと車体すべり角βの値は、適宜、メモリ部２ｃに記憶され、或いは、メモリ部２ｃから読み込まれる。このように、収束演算部２ｂは、第２のタイヤ横力推定手段、及び、推定手段としての機能を有して構成されている。

次に、制御部２で実行される路面摩擦係数推定のプログラムを図２のフローチャートで説明する。
まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で、前回設定した、路面摩擦係数μｎと車体すべり角βｎを要素とする要素ベクトルｘvnを読み込み、この要素ベクトルｘvnを前回の値ｘvn-1とする。

次いで、Ｓ１０２に進み、目標タイヤ力Ｆ’ｖを以下の式により演算する。

ここで、前輪の目標タイヤ横力推定値Ｆ’f_yは、以下の（２）式により演算され、後輪の目標タイヤ横力推定値Ｆ’r_yは、以下の（３）式により演算される。
Ｆ’f_y＝（ｌｒ・ｍ・（ｄ^２ｙ／ｄｔ^２）＋Ｉｚ・（ｄ^２ψ／ｄｔ^２））
／（２・（ｌｆ＋ｌｒ）） …（２）
Ｆ’r_y＝（ｌｆ・ｍ・（ｄ^２ｙ／ｄｔ^２）−Ｉｚ・（ｄ^２ψ／ｄｔ^２））
／（２・（ｌｆ＋ｌｒ）） …（３）
ここで、ｌｆは前軸−重心間距離、ｌｒは後軸−重心間距離、ｍは車両質量、Ｉｚは車両ヨー慣性モーメント、（ｄ^２ψ／ｄｔ^２）はヨー角加速度である。

次に、Ｓ１０３に進み、予め設定した２次式近似モデルにより、以下の式により、前回のタイヤ力推定値Ｆvn-1を演算する。

ここで、前輪のタイヤ力推定値Ｆf_yn-1は、以下の（５）式により演算され、後輪のタイヤ力推定値Ｆr_yn-1は、以下の（６）式により演算される。

Ｆf_yn-1＝−ｋｆ・βｆ＋sign（βｆ）・（ｋｆ^２／（４・μn-1・Ｆf_z））・βｆ^２
…（５）
Ｆr_yn-1＝−ｋｒ・βｒ＋sign（βｒ）・（ｋｒ^２／（４・μn-1・Ｆr_z））・βｒ^２
…（６）
ここで、ｋｆは前輪等価コーナリングパワ、ｋｒは後輪等価コーナリングパワ、βｆは前輪すべり角、βｒは後輪すべり角、Ｆf_zは前輪の接地荷重、Ｆr_zは後輪の接地荷重であり、前輪すべり角βｆ、後輪すべり角βｒ、前輪接地荷重Ｆf_z、後輪接地荷重Ｆr_zは、それぞれ以下の（７）、（８）、（９）、（１０）式により演算される。

βｆ＝βn-1＋（ｌｆ／Ｖ）・（ｄψ／ｄｔ）−δｆ …（７）
βｒ＝βn-1−（ｌｒ／Ｖ）・（ｄψ／ｄｔ） …（８）
Ｆf_z＝Ｗｆ−（ｍ・Ａｘ・ｈ／ｌ） …（９）
Ｆr_z＝Ｗ−Ｆf_z …（１０）
また、（９）、（１０）式において、Ｗは車両重量（＝ｍ・ｇ）、Ｗｆは前輪の静荷重、ｈは重心高さ、ｌはホイールベース、Ａｘは前後加速度であり、前後加速度Ａｘは、以下の（１１）式により、演算される。
Ａｘ＝Ｆｘ／ｍ …（１１）
ここで、Ｆｘは総駆動力であり、トランスミッション出力トルクＴｔ、駆動系伝達効率η、ファイナルギヤ比ｉｆ、タイヤ半径Ｒｔを用いて、以下の（１２）式により演算される。
Ｆｘ＝Ｔｔ・η・ｉｆ／Ｒｔ …（１２）
尚、トランスミッション出力トルクＴｔは、以下の（１３）式により演算される。
Ｔｔ＝Ｔｅ・ｔ・ｉ …（１３）
ここで、ｔはトルクコンバータのトルク比であり、予め設定されている、トルクコンバータの回転速度比ｅ（＝Ｎｔ／Ｎｅ）とトルクコンバータのトルク比とのマップを参照することにより求められる。

次いで、Ｓ１０４に進み、以下の（１４）式により、ヤコビアン行列Ｊを演算する。

ここで、ヤコビアン行列の各要素は、以下の（１５）式〜（１８）式の通りである。
（∂Ｆf_y／∂β）＝−ｋｆ＋（ｋｆ^２
／（２・μn-1・Ｆf_z））・｜βｆ｜ …（１５）
（∂Ｆf_y／∂μ）＝−sign（βｆ）・（（ｋｆ^２・βｆ^２）／（４・Ｆf_z））
・（１／μn-1^２） …（１６）
（∂Ｆr_y／∂β）＝−ｋｒ＋（ｋｒ^２
／（２・μn-1・Ｆr_z））・｜βｒ｜ …（１７）
（∂Ｆr_y／∂μ）＝−sign（βｒ）・（（ｋｒ^２・βｒ^２）／（４・Ｆr_z））
・（１／μn-1^２） …（１８）

次いで、Ｓ１０５に進み、路面摩擦係数μ及び車体すべり角βそれぞれの変化量である、要素ベクトル変化量δｘｖを、以下の（１９）式により演算する。
δｘｖ＝（Ｊ^Ｔ・ＷＦ・Ｊ＋Ｗδｘ）^−１・Ｊ^Ｔ・ＷＦ・（Ｆ’ｖ−Ｆvn-1）
…（１９）
ここで、ＷＦ、Ｗδｘは、重み関数であり、以下の（２０）式、（２１）式で定義される。すなわち、後述するように目的関数Ｌｎは２次形式なので、最適解近傍でその微分値が０となる。従って、上述の（１９）式は、目的関数Ｌｎが最小となる要素ベクトル変化量δｘｖを、（∂Ｌｎ／∂δｘｖ）＝０を条件に導出したものである。

尚、（２０）式における、ＷFf_y、ＷFr_y、及び、（２１）式における、Ｗδβ、Ｗδμは、予め設定する一定値である。
次いで、Ｓ１０６に進み、目的関数Ｌｎを、以下の（２２）式により演算する。
Ｌｎ＝[Ｆ’ｖ−（Ｆvn-1＋Ｊ・δｘｖ）]^Ｔ・ＷＦ
・[Ｆ’ｖ−（Ｆvn-1＋Ｊ・δｘｖ）]＋δｘｖ^Ｔ・Ｗδｘ・δｘｖ …（２２）

次に、Ｓ１０７に進み、以下の（２３）式により、今回の路面摩擦係数μｎ、今回の車体すべり角βｎを要素とする今回の要素ベクトルｘvnを演算する。

そして、Ｓ１０８に進み、今回の目的関数Ｌｎと前回の目的関数Ｌn-1との差が、予め設定しておいた収束判定閾値εより小さいか否か（Ｌｎ−Ｌn-1＜εか否か）判定し、Ｌｎ−Ｌn-1＜εとなり、収束している場合は、Ｓ１０９に進んで、今回の路面摩擦係数μｎ、今回の車体すべり角βｎを、それぞれ最終的な路面摩擦係数μ、車体すべり角βとして出力してプログラムを抜ける。

また、Ｌｎ−Ｌn-1≧εで収束していない場合は、Ｓ１１０に進み、今回の目的関数Ｌｎ、及び、今回の要素ベクトルｘvnを、前回の目的関数Ｌn-1、及び、前回の要素ベクトルｘvn-1として、Ｓ１０３からの処理を繰り返す。

すなわち、

このように、本発明の実施の形態によれば、横加速度（ｄ^２ｙ／ｄｔ^２）、及び、ヨーレート（ｄψ／ｄｔ）に基づいて、前輪と後輪の目標タイヤ横力推定値Ｆ’f_y、Ｆ’r_yを要素とする目標タイヤ力Ｆ’ｖを演算し、前輪と後輪のタイヤ力推定値Ｆf_y、Ｆr_yを要素とするタイヤ力推定値Ｆｖを予め設定した２次式近似モデルに基づいて繰り返し演算しながら、目標タイヤ力Ｆ’ｖとタイヤ力推定値Ｆｖとの偏差を最小にする路面摩擦係数μと車体すべり角βの値を最適化計算により同時に推定して出力する。このため、特に新たなセンサ等を用いることなく、従来から精度良く得られるパラメータを用いて路面摩擦係数μと車体すべり角βの両方を、同時に、精度良く推定することができる。

路面摩擦係数推定装置の構成を示す機能ブロック図路面摩擦係数推定のフローチャート

符号の説明

１路面摩擦係数推定装置
２ａ目標タイヤ力演算部（第１のタイヤ横力推定手段）
２ｂ収束演算部（第２のタイヤ横力推定手段、推定手段）
２ｃメモリ部
３横加速度センサ
４ヨーレートセンサ
５車速センサ
６舵角センサ
７エンジン制御部
８トランスミッション制御部

Claims

ヨーレートと横加速度に基づいて目標とするタイヤの横力を第１のタイヤ横力として推定する第１のタイヤ横力推定手段と、
予め設定した２次式近似モデルにより車体すべり角と路面摩擦係数に基づいて前回のタイヤの横力を第２のタイヤ横力として推定する第２のタイヤ横力推定手段と、
上記第１のタイヤ横力と上記第２のタイヤ横力との偏差を最小にする路面摩擦係数と車体すべり角の値を最適化計算により同時に推定する推定手段と、
を備えたことを特徴とする車両の路面摩擦係数推定装置。
上記推定手段は、予め設定したヤコビアン行列に上記路面摩擦係数及び上記車体すべり角それぞれの変化量を乗算し、該乗算した値に上記第２のタイヤ横力の前回値を加算して、該加算した値と上記第１のタイヤ横力との偏差を求め、該偏差を二乗した項を含む目的関数を用いて上記路面摩擦係数と上記車体すべり角の値を同時に推定することを特徴とする請求項１記載の車両の路面摩擦係数推定装置。