JP5289995B2

JP5289995B2 - 車両用アクティブサスペンションの制御方法及び装置

Info

Publication number: JP5289995B2
Application number: JP2009032791A
Authority: JP
Inventors: こずえ小林; 隆佐々木; 栄治上原; 文英上妻; 伊藤　　隆; 義大須田; 公彦中野; 勝彦平山; 啓祐鈴木
Original assignee: Hino Motors Ltd; University of Tokyo NUC; KYB Corp
Current assignee: Hino Motors Ltd; University of Tokyo NUC; KYB Corp
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: JP2010188772A

Description

本発明は、車両用アクティブサスペンションの制御方法及び装置に関するものである。

一般的に車両に用いられるサスペンションの主な役割は、タイヤを適正に接地させると共に、路面の凹凸に追従して上下へ変位するタイヤの動きを受け止め、荷台や車室の振動を小さくすることにあり、リーフスプリングやエアスプリング等のサスペンションスプリングを介して各車軸上にフレームを懸架すると共に、各車軸とフレームとの間をショックアブソーバで連結して振動減衰を図るようにしてある。

更に、近年においては、ショックアブソーバをアクチュエータに置き換え、該アクチュエータの伸縮作動により各車軸とフレームとを積極的に近接離間し得るようにしたアクティブサスペンションが検討されており、車両状態の変化に応じて乗心地や操縦安定性の向上を図り得る技術として期待されている。

尚、本発明に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２００８−９４２９８号公報特開２００８−１１５９８６号公報

しかしながら、これまでに提案されているアクティブサスペンションの制御では、基本的にフレームを剛体として扱い、各車軸ごとに当該位置での上下振動やロールを抑制する手法が採られていたにすぎず、走行中に発生するフレームのねじれについては全く考慮されていなかったため、この種のフレームのねじれに起因した弾性振動や操縦安定性への悪影響を改善する有効な手法は未だ提案されていないのが実情である。

特に全長の長いトラック等の大型車両にあっては、走行中にフレームのねじれが現れ易く、側方から見てフレームが波打つようにねじれることで弾性振動が生じ、該弾性振動により更なる上下振動が誘発されたり、フレームのねじれによりロール制御の前後バランスや追従性、復元性が不適切なものとなり、運転者に車両の腰振り感や腰砕け感が強く意識されたりすることがあった。

尚、フレームのねじれを物理的に抑制しようとすれば、フレーム剛性を高めることが考えられるが、単純にフレーム剛性を高めてフレームのねじれを抑制しようとすれば、大幅な車両重量の増加が避けられなくなってしまうため、車両重量の増加を招くことなくフレームのねじれを抑制できる対策が望まれている。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、車両重量の増加を招くことなくフレームのねじれを抑制し、該フレームのねじれに起因した弾性振動や操縦安定性への悪影響を改善することを目的とする。

本発明は、各車軸上にフレームをサスペンションスプリングを介して懸架すると共に、少なくとも一部の車軸とフレームとの間に両者を近接離間し得るよう上下方向に拡縮作動するアクチュエータを装備した車両用アクティブサスペンションの制御方法であって、フレームに対する各車軸の左右位置での相対変位とフレーム側の上下加速度とに基づき、フレームのねじれまで考慮して表現された車両モデルの状態方程式により走行中のフレームのねじれを前記状態方程式の状態変数の一要素として時々刻々推定し、その推定されたフレームのねじれと他の状態変数とで制御則を決めるためのパラメータとし且つ該各パラメータが小さくなるように前記各アクチュエータをリアルタイムで制御することを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、これまで全く考慮されてこなかったフレームのねじれを考慮して表現された車両モデルの状態方程式を使用し、該状態方程式により走行中のフレームのねじれを状態変数の一要素として時々刻々推定することが可能となるので、その推定されたフレームのねじれを他の状態変数と適宜に組み合わせて制御則を決めるためのパラメータとし、該各パラメータが小さくなるように各アクチュエータをリアルタイムで制御すれば、フレームのねじれが他の状態変数と共に抑制されて前記フレームのねじれに起因した弾性振動や操縦安定性への悪影響が改善されることになる。

しかも、フレーム剛性を高めなくても、各アクチュエータを適切に制御するだけでフレームのねじれを抑制することが可能となるため、車両重量の増加を招かなくて済み、寧ろフレーム剛性を従来よりも下げることで車両重量の軽減化を図ることが可能となる。

尚、各パラメータが小さくなるように各アクチュエータをリアルタイムで制御するにあたっては、重視したい制御対象に応じ各パラメータに重み付けを施して制御を行うことが可能であり、更には、各パラメータを評価指標とする評価関数を使用し、この評価関数を極小とする最適制御出力を算出して制御を行うことも可能である。

また、前述の如き本発明の制御方法を具体的に実施するに際しては、各車軸上にフレームをサスペンションスプリングを介して懸架すると共に、少なくとも一部の車軸とフレームとの間に両者を近接離間し得るよう上下方向に拡縮作動するアクチュエータを装備した車両用アクティブサスペンションの制御装置であって、フレームに対する各車軸の左右位置での相対変位を検出する変位検出手段と、フレーム側の上下加速度を検出する加速度検出手段と、これら変位検出手段及び加速度検出手段の検出値を入力し且つ該検出値に基づきフレームのねじれまで考慮して表現された車両モデルの状態方程式により走行中のフレームのねじれを前記状態方程式の状態変数の一要素として時々刻々推定する状態変数推定装置と、該状態変数推定装置により推定されたフレームのねじれと他の状態変数とで制御則を決めるためのパラメータとし且つ該各パラメータが小さくなるように前記各アクチュエータをリアルタイムで制御する制御出力計算装置とを備えたことを特徴とする車両用アクティブサスペンションの制御装置を用いれば良い。

更に、このように構成した車両用アクティブサスペンションの制御装置にあっては、アクチュエータのドライバから車軸とフレームとの相対変位を読み出すことで前記アクチュエータを変位検出手段として流用することも可能である。

尚、前記制御出力計算装置は、重視したい制御対象に応じ各パラメータに重み付けを施して制御を行うように構成されていることが好ましく、更には、各パラメータを評価指標とする評価関数を使用し且つこの評価関数を極小とする最適制御出力を算出して制御を行うように構成されていることが好ましい。

上記した本発明の車両用アクティブサスペンションの制御方法及び装置によれば、車両重量の増加を招くことなくフレームのねじれを抑制することができるので、該フレームのねじれに起因した弾性振動や操縦安定性への悪影響を改善することができ、更には、フレーム剛性を従来よりも下げることで車両重量の軽減化を図ることもできる等種々の優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１のアクチュエータの詳細を示す断面図である。本形態例の全体構成を示す模式図である。１５自由度の車両モデルを示す模式図である。フレームねじれに関する説明図である。図３のアクチュエータの制御系の詳細図である。図３の演算システムの詳細を示すブロック図である。評価関数Ｊを極小とする最適制御出力の算出イメージを示すグラフである。図３の演算システムにおける制御手順を示すフローチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図９は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１に示す如く、本形態例においては、各車軸１上にフレーム２をエアスプリング３（サスペンションスプリング）を介して懸架すると共に、各車軸１とフレーム２との間に両者を近接離間し得るよう上下方向に拡縮作動するアクチュエータ４を装備したアクティブサスペンションが採用されており、ここで用いられるアクチュエータ４には、例えば、先に先行技術文献情報として挙げた特許文献２に開示されている電磁ショックアブソーバと同様のものを採用することが可能である。

即ち、前記アクチュエータ４の概要は、図２に示す通りであり、上下方向に延びる外筒５内に内筒６を摺動自在に嵌挿したテレスコピック状の伸縮機構を備え、前記外筒５内の軸心部に回転自在に具備されているネジ軸７に、前記内筒６の上端に装着されたボールネジナット８を螺合し、二つのモータ９，１０を駆動して歯車１１，１２，１３を介し前記ネジ軸７を回転駆動することで前記ボールネジナット８を昇降させ、これにより外筒５に対し内筒６を摺動させて上下方向の拡縮作動を行わしめるようにしてある。

そして、図３に示す如く、斯かるアクチュエータ４を制御するにあたり、フレーム２のねじれまで考慮して表現された車両モデルの状態方程式により走行中のフレーム２のねじれを前記状態方程式の状態変数の一要素として時々刻々推定することが可能な演算システム１４を備え、該演算システム１４により推定されたフレーム２のねじれを他の状態変数と適宜に組み合わせて制御則を決めるためのパラメータとし且つ該各パラメータが小さくなるように前記各アクチュエータ４を制御信号１４ａによりリアルタイムで制御するようにしてある。

即ち、アクティブサスペンションを採用した大型車両は、例えば、図４に示す如き１５自由度の車両モデルとして表すことが可能であり（図４中１５は前記エアスプリング３とアクチュエータ４とから成る懸架装置、１６はタイヤ、１７はキャブ、１８はキャブ懸架装置を示しており、ここに図示している車両モデルでは、後輪二軸の大型車両を対象としたものとしてある）、この車両モデルにおける１５自由度とは、１次モード（単純に一箇所だけでひねった一節ねじれのモード）のフレームねじれＷ₁、２次モード（二箇所でひねった二節ねじれのモード）のフレームねじれＷ₂、３次モード（三箇所でひねった三節ねじれのモード）のフレームねじれＷ₃、一軸目の車軸１の右側位置における上下変位ｚ_1R、二軸目の車軸１の右側位置における上下変位ｚ_2R、三軸目の車軸１の右側位置における上下変位ｚ_3R、一軸目の車軸１の左側位置における上下変位ｚ_1L、二軸目の車軸１の左側位置における上下変位ｚ_2L、三軸目の車軸１の左側位置における上下変位ｚ_3L、フレーム上下変位ｚ_f、フレームピッチ角θ_f、フレームロール角φ_f、キャブ上下変位ｚ_c、キャブピッチ角θ_c、キャブロール角φ_cのことを指している。

ここで、フレームねじれＷ₁〜Ｗ₃は、同時に起こる１次〜３次のモードごとに分けた時のフレームフロントとフレームリヤとの相対的なねじれ角（図５参照）を示すものであるが、各モードの寄与率は車両状況に応じて様々に変化するので、何れかのモードが支配的になったり、何れかのモードのフレームねじれが起こらなかったりすることもあり、ここでは１次〜３次のモードの場合を例示しているが、車両モデルによっては、４次以降のモードを想定しなければならないケースもある。

また、フレームピッチ角θ_f、フレームロール角φ_fは、車両重心位置での鉛直方向を基準とする絶対ピッチ角、絶対ロール角を夫々示しており、キャブピッチ角θ_c、キャブロール角φ_cは、キャブ重心位置での鉛直方向を基準とする絶対ピッチ角、絶対ロール角を夫々示している。

これらの１５自由度は、車軸１の重さやサスペンションのバネ定数等といった車両側の固有の条件に基づき一義的に１５の運動方程式で表すことができるものであるが、これらの運動方程式相互の関連性については、下記の式１に示す状態方程式として行列を用いて表現することができる。

そして、このような状態方程式を用いれば、後で詳述する如く、フレーム２に対する各車軸１の左右位置での相対変位とフレーム２側の上下加速度とに基づき、前記１５自由度に係る１５項目の状態変数（状態方程式の未知変数）を推定することが可能となるので、先の図３に示されている通り、各アクチュエータ４自体を変位検出手段として該各アクチュエータ４から計六ヶ所のサスストロークの情報４ａを演算システム１４に信号入力させると共に、フレーム２の適宜位置に取り付けた加速度計１９（加速度検出手段）からフレーム上下加速度の情報１９ａを演算システム１４に信号入力させるようにしている。

ここで、各アクチュエータ４自体を変位検出手段として流用することについて補足説明しておくと、図６に示す如く、アクチュエータ４の各モータ９，１０と駆動電源２０との間には、前記各モータ９，１０のトルク制御を担うドライバ２１が介在しているので、このドライバ２１からサスストロークに係る情報４ａ（変位速度）を信号として抜き出して前記演算システム１４にてフレーム２と車軸１との相対変位を算出することができ、フレーム２に対する各車軸１の左右位置での相対変位を検出するための変位検出手段を新たに設けなくても済む。

また、図７に示す如く、前記演算システム１４において、１５項目の状態変数の推定は、状態変数推定装置２２（オブザーバ）で行われるようになっており、この状態変数推定装置２２では、計測できない位置の情報を、カルマンフィルタを用いて、その時々の車両の状態に応じ時々刻々推定するようにしているが、実測のセンサ出力（各車軸１の左右位置におけるサスストローク及びフレーム上下加速度）を利用して推定した値の補正を行い、しかも、推定した状態変数を使って状態フィードバックをかけるようになっている。

即ち、この状態変数推定装置２２では、時刻が離散的に規定されているとして、そのタイムステップが進むたびに、前のステップで出力された状態変数の推定値を演算部２３に取り込んで現在の状態変数を算出する一方、前のステップで出力された各アクチュエータ４への制御出力を演算部２４に取り込んで制御出力を算出するようになっており、これら各演算部２３，２４からの出力にカルマンゲイン２５からの補正値を加えて補正したものを演算部２６で積分し、これを現在の状態変数の推定値として出力するようにしている。

ここで、前記演算部２６から出力される状態変数の推定値は、演算部２７にも導かれるようになっていて、前記推定値を使った仮想センサ出力（各車軸１の左右位置におけるサスストローク及びフレーム上下加速度）を算出し、この仮想センサ出力と実測のセンサ出力との偏差を求め、この偏差に前記カルマンゲイン２５をかけて前記補正値を算出するようにしている。

即ち、前記状態変数推定装置２２では、走行中のフレーム２のねじれが前記状態方程式の状態変数の一要素として時々刻々推定されるようになっており、その推定されたフレーム２のねじれが他の状態変数と共に次の制御出力計算装置２８に導かれ、該制御出力計算装置２８において、前記推定されたフレーム２のねじれが他の状態変数と適宜に組み合わされて制御則を決めるためのパラメータとして活用され、各アクチュエータ４に向けた最適な制御出力が算出されるようになっている。

この制御出力計算装置２８では、ＬＱ理論（Linear Quadratic Theory）を基本とした最適制御（ＬＱ最適制御）が用いられており、下記の式２に示す如き前記各パラメータを評価指標とする評価関数Ｊを採用し、この評価関数Ｊを極小とする最適制御出力ｕ（ｕ＝−Ｆｘ）が算出されるようになっている（その算出イメージを図８のグラフに示す）。

ここで、評価関数ＪにおけるＲ₁は、状態変数の各要素ごとの重み付けを表しており、例えば、操縦安定性を向上することを目的として、走行中のフレーム２のねじれをロールと共に制御したい場合には、下記の式３の如き重み付けが成される（パラメータとして採用しないものは重み付けを零とする）。

即ち、制御対象によりＲ₁内の要素の値を変更することで様々な状況に対応することができるので、例えば、高速道路走行中のレーンチェンジ等の状況を検知する機構を構築すれば、評価関数ＪにおけるＲ₁を操縦安定性を制御対象として重視した重み付けに変更するような車両状況に臨機応変に対応し得るシステムとすることが可能である。

尚、評価関数ＪにおけるＲ₂は、制御出力ｕの各要素に対する重み付けを表しており、出力レベルを小さく抑えたい場合は大きくすることになるが、その数値はＲ₁とのバランスで決める必要があり、例えば、経験則やパラメータスタディで決定すれば良い。

ただし、このようにして制御出力計算装置２８で算出された最適な制御出力は、各アクチュエータ４の出力制限まで考慮したものではないため、各アクチュエータ４へ出力する前に出力制限装置２９を通して各アクチュエータ４の出力制限を超えないように該各アクチュエータ４へ向け出力する必要がある。

而して、図９にフローチャートで示す如く、状態変数推定装置２２にて車両モデルの状態方程式により１５項目の状態変数を時々刻々推定し（Ｓ１）、次に、制御出力計算装置２８にて制御出力を算出し（Ｓ２）、この制御出力をアクチュエータ４の出力制限を超えないように各アクチュエータ４のドライバ２１へ出力すると（Ｓ３〜Ｓ５）、これまで全く考慮されてこなかったフレーム２のねじれが他の状態変数と共に抑制されて前記フレーム２のねじれに起因した弾性振動や操縦安定性への悪影響が改善されることになる。

しかも、フレーム剛性を高めなくても、各アクチュエータ４を適切に制御するだけでフレーム２のねじれを抑制することが可能となるため、車両重量の増加を招かなくて済み、寧ろフレーム剛性を従来よりも下げることで車両重量の軽減化を図ることが可能となる。

従って、上記形態例によれば、車両重量の増加を招くことなくフレーム２のねじれを抑制することができるので、該フレーム２のねじれに起因した弾性振動や操縦安定性への悪影響を改善することができ、更には、フレーム剛性を従来よりも下げることで車両重量の軽減化を図ることもできる。

尚、本発明の車両用アクティブサスペンションの制御方法及び装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示では全ての車軸にアクチュエータを装備した場合を例示しているが、例えば、後輪の車軸にのみアクチュエータを装備して実施することも可能であること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１車軸
２フレーム
３エアスプリング（サスペンションスプリング）
４アクチュエータ（変位検出手段）
４ａ情報
１９加速度計（加速度検出手段）
１９ａ情報
２２状態変数推定装置
２８制御出力計算装置

Claims

各車軸上にフレームをサスペンションスプリングを介して懸架すると共に、少なくとも一部の車軸とフレームとの間に両者を近接離間し得るよう上下方向に拡縮作動するアクチュエータを装備した車両用アクティブサスペンションの制御方法であって、フレームに対する各車軸の左右位置での相対変位とフレーム側の上下加速度とに基づき、フレームのねじれまで考慮して表現された車両モデルの状態方程式により走行中のフレームのねじれを前記状態方程式の状態変数の一要素として時々刻々推定し、その推定されたフレームのねじれと他の状態変数とで制御則を決めるためのパラメータとし且つ該各パラメータが小さくなるように前記各アクチュエータをリアルタイムで制御することを特徴とする車両用アクティブサスペンションの制御方法。
各パラメータが小さくなるように各アクチュエータをリアルタイムで制御するにあたり、重視したい制御対象に応じ各パラメータに重み付けを施して制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の車両用アクティブサスペンションの制御方法。
各パラメータが小さくなるように各アクチュエータをリアルタイムで制御するにあたり、各パラメータを評価指標とする評価関数を使用し、この評価関数を極小とする最適制御出力を算出して制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用アクティブサスペンションの制御方法。
各車軸上にフレームをサスペンションスプリングを介して懸架すると共に、少なくとも一部の車軸とフレームとの間に両者を近接離間し得るよう上下方向に拡縮作動するアクチュエータを装備した車両用アクティブサスペンションの制御装置であって、フレームに対する各車軸の左右位置での相対変位を検出する変位検出手段と、フレーム側の上下加速度を検出する加速度検出手段と、これら変位検出手段及び加速度検出手段の検出値を入力し且つ該検出値に基づきフレームのねじれまで考慮して表現された車両モデルの状態方程式により走行中のフレームのねじれを前記状態方程式の状態変数の一要素として時々刻々推定する状態変数推定装置と、該状態変数推定装置により推定されたフレームのねじれと他の状態変数とで制御則を決めるためのパラメータとし且つ該各パラメータが小さくなるように前記各アクチュエータをリアルタイムで制御する制御出力計算装置とを備えたことを特徴とする車両用アクティブサスペンションの制御装置。
アクチュエータのドライバから車軸とフレームとの相対変位を読み出すことで前記アクチュエータを変位検出手段として流用したことを特徴とする請求項４に記載の車両用アクティブサスペンションの制御装置。
制御出力計算装置が、重視したい制御対象に応じ各パラメータに重み付けを施して制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の車両用アクティブサスペンションの制御装置。
制御出力計算装置が、各パラメータを評価指標とする評価関数を使用し且つこの評価関数を極小とする最適制御出力を算出して制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項４、５又は６に記載の車両用アクティブサスペンションの制御装置。