JP5492186B2 - 個別の駆動機構を備えた車両用のトラクション制御方法および装置 - Google Patents

Description

[0001]本発明は、作業機械に関し、特に車輪に個別の駆動機構が連結されている車両のトラクションを制御する方法および装置に関する。

[0002]ローダ等の作業機械は、後輪の後方のエンジンと前輪を越えて延在するローダ部とを有するように構成されることが多い。この構成により、エンジンの重量によって、ローダ部のバケットに積載される荷重を相殺することができる。こうした構成により、アクセルの各々が支持する重量の著しい変動が可能となる。これは、車輪の可変有効径と、各車輪に個別に付与される、ローダを移動させるために必要なトルクと、によって表される。

[0003]従来の四輪駆動ローダにおけるパワートレインは、原動機と、原動機をさまざまな車輪に機械的に結合する装置と、を有している。従来のパワートレイン構成は、車輪を側方にまたは横切る方向にもしくは両方に、機械的に制約することによって、過度な車輪空転（ホイールスピン）を制御する。これは、車輪の回転を、ディファレンシャルを係止し、回転している車輪を制動することにより（米国特許第６，６３１，３２０号）、またはスリップしている車輪とディファレンシャルとの間でクラッチを滑らせることにより（米国特許第５，２６５，７０５号）、車輪の回転を強制することによって行われる。環境によっては、車輪は、たとえば車両が方向転換している間、またはタイヤの半径が異なる場合、異なる速度で回転する。トラクション制御に対するディファレンシャル係止法の不都合は、過度な車輪空転を低減するとともに車輪を異なる速度で回転させることはできないということである。車輪空転を低減するためにブレーキを使用する不都合は、効率が低下し、ブレーキに余分な摩耗がもたらされ、ブレーキ系統を個別に作動させる必要があるということである。スリップしている車輪に対するトルクを低減するためにクラッチを用いる不都合は、クラッチの追加の初期費用および維持費が必要であり、クラッチが、滑る際に摩耗するということである。

[0004]ＬｅＴｏｕｒｎｅａｕ社は、個別の電動車輪を備えたローダを有し、各車輪速度を、最も低速の車輪速度に対し、または平均車輪速度に対して比較するトラクション制御システムを採用している（米国特許出願第２００７０１９３７９４号）。自動車業界では、トラクションは、ブレーキおよび／またはエンジントルク低減方法を用いて制御される（米国特許第５，０２５，８８２号）。トラクション制御力は、車輪速度と基準速度との差と、スリップの速度変化（米国特許第５，０２５，８８２号）と、さらには道路摩擦特性の推定値（米国特許第５，５０４，６８０号）と、の関数であり得る。自動車業界には、車両速度を予測する方法があり、それには、加速度計の使用（米国特許第４，８８４，６５０号）、非駆動タイヤとの比較による（米国特許第５，４９２，１９２号および同第５，４２９，４２８号）、ステアリングの変化に合わせて調節すること（米国特許第５，４２９，４２８号）、またはさらには車輪速度およびエンジン情報を用いるモデルベースの予測器（米国特許第６，５６０，５３９号）がある。各センサには費用がかかりかつ故障の可能性があるため、基準速度を推定するために使用するセンサは少ない方が好都合である。モデルベースの方法は、タイヤ半径および車両重量等、無限のモデルパラメータの所定推定値を使用する。タイヤの摩耗またはペイロードの変化を考慮するように、タイミングがとられる所定パラメータを調整するアルゴリズムが採用される場合もある。自動車と異なり、ローダのタイヤ径およびペイロードは、動作の過程の間に著しくかつ動的に変化し、それによりパラメータ推定が非常に困難になる。

[0005]本技術分野において必要なのは、個別の駆動機構を備えたローダの車輪のトラクションを制御する方法および装置である。

[0006]本発明は、個別の従動車輪を備えた車両においてトラクションを制御する方法および装置を提供する。
[0007] 本発明は、その一形態では、フレームシステム、複数の車輪、複数の駆動ユニットおよびコントローラを有するローダ車両に関する。複数の車輪には、急速に変化する荷重がかかり、それら車輪は、フレームシステムに関連する。複数の駆動ユニットは、各々、複数の車輪のうちの対応する１つに関連する。コントローラは、複数の車輪のうちの１つに対するスリップ偏差を、複数の車輪のうちの少なくとも１つの他のものの車輪速度から導出される積分項に応じて計算するように構成される。コントローラは、１つの車輪に対するスリップ目標値を計算する。コントローラは、さらに、スリップ偏差およびスリップ目標値を用いて、１つの車輪に対応する駆動ユニットに与えられる命令を得る。

[0008]本発明は、そのさらに別の形態では、ローダ車両の地面係合車輪にトルクを付与する方法であって、スリップ偏差を計算するステップと、スリップ目標値を計算するステップと、トルクを付与するステップと、を含む方法に関する。スリップ偏差を計算するステップは、車輪のうちの少なくとも１つに対するスリップ偏差を、少なくとも２つの他の車輪の速度情報を用いて計算する。スリップ目標値を計算するステップは、関節角および車輪速度に応じてスリップ目標値を計算する。トルクを付与するステップは、各車輪に関連するスリップ偏差およびスリップ目標値に応じて車輪にトルクを付与することを含む。

[0009]本発明の実施形態による例示的な作業機械の側面図である。 [0010]図１に示すローダのトラクションを制御する方法を示すフローチャートである。 [0010]図１に示すローダのトラクションを制御する方法を示すフローチャートである。 [0010]図１に示すローダのトラクションを制御する方法を示すフローチャートである。 [0011]図１〜図４で利用される本発明の説明を助けるために利用するグラフである。 [0012]本発明の機能を示す図式化した制御回路の図である。 [0013]図１〜図６のローダおよび方法で利用する駆動システムの概略図である。 [0014]図１のローダ等、連結式車両の概略図である。

[0015]ここで図面を参照すると、本発明の実施形態による作業機械１０が示されている。作業機械１０は、たとえば農業、工業、建設、林業の作業および／または採掘作業を行うために用いられることが可能であり、連結式車輪駆動ローダ１０であり得る。作業機械１０は、ペイロード運搬車両であり、一般に、自然の力に晒され、急激に変化しかつ／または荷運搬部で一様でなく予測できない方法で分配され得る荷であるペイロードを、何らかの方法で運搬する。本出願の目的で、ローダ車両は、ローダ、スキップステアローダ、バックホー、フォークリフト、ダンプトラック、丸太スキッダ、フェラーバンチャ、丸太ハーベスタ、丸太フォワーダ、および地面から荷を拾い上げることができる装置を有する車両を含む、少なくとも２つの駆動ユニットを有する車両を含むものとする。

[0016]ローダ１０は、運転台１２を有し、そこで、オペレータがローダ１０の機能を制御する制御装置とともに収容される。ローダ１０は、ローダ部１４として示す前方部分と、動力部１６として示す後方部と、を有している。ローダ部１４および動力部１６は、連接点で連結され、連接部１８によってこの点を中心に互いに対して移動する。

[0017]ローダ１０は、車輪２０、２２、２４および２６を有し、それらは各々、モータ３２等、別個の駆動機構によって駆動される。駆動システム２８は、モータ３２およびセンサ３４に接続されるコントローラ３０を有する。モータ３２は電動駆動ユニットであってもよく、それらは各々、個々の車輪２０、２２、２４および２６に関連している。センサ３４は、特に、車輪２０、２２、２４および２６の各々の回転速度を検出する。

[0018]車輪２０は軸３６を中心に回転し、車輪２２は軸３８を中心に回転し、車輪２４は軸４０を中心に回転し、車輪２６は軸４２を中心に回転する。軸３８および４０は同軸であってもよく、同様に、軸３６および４２も同軸であってもよい。図８に示すように、角度４４を、同軸の軸の間に存在するものとして説明することができる。ローダ部１４中心線４６と動力部１６の中心線４８とは、ローダ部１４と動力部１６との間の関節角として知られる角度５０を形成し、それは角度４４に対応する。

[0019]本発明の一実施形態では、動力部１６は、車輪２０、２２、２４および２６の各々の駆動ユニットに電気的にまたは油圧式に結合され得るエンジンを含む。駆動ユニットはいかなるタイプであってもよいが、説明を簡単にするために、電動モータであるものとし、それらは、命令されるトルクで個別に駆動され、命令はコントローラ３０から発行される。本発明は、感知される車輪スリップに応じて各車輪に付与されるトルクを直接調整することにより、過度のエネルギー損失なしに、過度の車輪スリップを防止するとともに、運動学的に最適な車輪速度差を可能にする、トラクション制御システムを提供する機会を与える。

[0020]方法１００として示す本発明の方法の一実施形態では、ステップ１０２において、車輪速度ｗおよび関節角（ａｒｔ）をセンサ３４によって検出し、コントローラ３０に通信する。ステップ１０４において、関節角を用いて、オペレータが命令する関節角に対して調整される車輪速度を計算する。関節角の関数に測定された車輪速度を掛け、それを用いて、ステアリング角に対して調整される車輪速度（ｗ＿ａｒｔ）を計算する。

[0021]ステップ１０６において、オペレータからトルク命令（ｃｍｄ＿ｉｎ）を受け取り、ステップ１０８においてトルク命令が０以上でない場合、方法１００はステップ１１０に進み、その場合、車両速度基準（ｗ＿ｒｅｆ）を、車輪速度関節値の最大値に等しく設定する。命令されたトルクが０以上である場合、方法１００はステップ１１２に進み、そこで、車輪速度基準を車輪関節速度の最小値に等しく設定する。これらステップは、車両速度を推定し、ここではこれをｗ＿ｒｅｆと呼ぶ。ステップ１１４において、スリップ目標値を、ｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＩおよびｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＰの形態で計算する。これらを、ｗ＿ｒｅｆの関数として計算する。ｓｌｉｐＴａｒｇｅｔ値は、図５に示すように、所定の最小値および最大値に従って制限される。この時点で、方法１００は、引き続き方法２００、３００、４００および５００により車輪の各々に対するゲインを計算する。方法３００、４００および５００は実質的に方法２００と同様であるため、本明細書では方法２００のみを説明する。図３に示すように、方法２００において、左前輪ゲインを計算する。ステップ２０２に示すように、スリップ偏差（ｅｒ）は、命令された方向（ｃｍｄＤｉｒ）（ｓｉｇｎｕｍ（ｃｍｄ＿ｉｎ）に等しい）に、左前輪の速度から左後輪および右後輪の平均速度を引いたものを掛けた値に等しい。この時点で、偏差ｅｒをｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＩと比較する。負の偏差がｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＩ以上である場合、方法はステップ２１０に進み、このステートメントが偽である場合、方法２００はステップ２０８に進む。正の偏差もまたｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＩと比較し、ｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＩ以上である場合、方法２００はステップ２１４に進み、そうでない場合、ステップ２１２に進む。ステップ２０８、２１０、２１２および２１４において、偏差１（ｅｒ１）および偏差２（ｅｒ２）を選択的に計算する。ステップ２１６において、作用力の増大が一方のゲインによって制御され、作用力の低減が第２ゲインによって制御されるように、偏差の大きさに応じて、２つのゲインのうちの一方を適用する際の基準としてｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＩを用いることにより、ｅｆｆｏｒｔＩを計算する。ステップ２１８において、ｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＰを偏差ｅｒに対し不感帯として適用し、次いでｅｆｆｏｔＰを、偏差ｅｒにＫＰを掛けたものに等しく設定する。この比例作用力（ｅｆｆｏｔＰ）の計算は、偏差ｅｒのｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＰを上回る部分の関数（ｅｒ＞０である場合）か、またはｅｒ＜−ｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＰの部分の関数である（ｅｒ＜０である場合）。ステップ２２０において、作用力を、ｅｆｆｏｔＩおよびｅｆｆｏｒｔＰの和として計算する。左前輪に関連するべき正のゲインは、１から作用力を引いたものに等しく、負のゲインは、１に作用力を加えてトルクシフトゲインで割った値に等しい。ここで、トルクシフトゲインは、システムにおけるトルク再配分を制御する所定値である。ステップ２２２において、正のゲインＬＦおよび負のゲインＬＦに対し、それらを所定最小値および所定最大値に制限することにより、限界を与える。この時点で、方法２００はステップ２２４に進み、そこで左前輪ゲインを適用する。このシーケンスを、方法２００に示すように、他の車輪速度に適切に関連して、他の車輪に対して方法３００、４００および５００において繰り返す。

[0022]ステップ１１６（図４参照）において、車輪の各々のゲインを、その車輪の正のゲインに、反対のアクセルの車輪の負のゲインを掛け、反対のアクセルの他方の車輪の負のゲインを掛けた積として計算する。ステップ１１８において、ゲインは可変コーナー一次ローパスフィルタを用いてフィルタリングし、その場合、極は下限値を有し、フィルタの極位置は、入力の変化の速度の関数である。ステップ１２０において、車輪の各々に対するモータの各々に与えられるべき命令を、命令入力にそれぞれの車輪の各々のゲインを掛けることによって計算し、車輪に関連する駆動ユニットの各々に発行すべき命令をもたらす。

[0023]各車輪に対し命令を発行するものとして説明した上記方法を、各車輪に対して駆動機構がない場合に、関連する車輪に同様に適用することができる。たとえば、２つの駆動機構、すなわち車輪の前方セットに対して１つおよび車輪の後方セットに対して１つがある場合、本方法を採用して、２つの駆動機構の各々に命令を発行することができ、各駆動機構は、車輪のすべてのうちのサブセットに関連する。

[0024]本発明の方法の挙動を、さまざまなパラメータの値を変更することによって調整することができる。スリップ目標値のサイズおよび下限は、特に低速で、許容されるスリップの量を決定する。２つの積分ゲインおよび積分ｓｌｉｐＴａｒｇｅｔの相対的な大きさにより、スリップが発生した場合にいかに迅速に駆動力が再適用されるかが確定する。可変コーナーフィルタパラメータは、駆動力自体がいかに迅速に適用されるかを決定する。各計算に関連する正のゲインおよび負のゲインの限界およびゲインの選択により、アルゴリズムが、駆動力全体を維持する目的で、スリップしていない車輪に対し駆動力を再配分するか否かおよびどの程度再配分するかが確定する。比例ゲインおよび積分ゲインの大きさと、前輪および後輪に与えられる際のこれらゲインの相対的な大きさと、により、単一のスリップしている車輪から駆動力が主に長手方向に再配分されるかまたは横方向に再配分されるかが決定する。

[0025]本発明のアルゴリズムの利点は、基準速度を推定する追加の方法が不要であり、従来技術では一般的であるように、車両の質量または車輪の半径が徐々に変化するという仮定を行わない、ということである。最も低速な車輪速度または平均車輪速度に基づく方法に優る本方法の利点は、過度なスリップなしに、いずれの車輪が増大した駆動力を適用することができるかを推定する、ということである。本方法により、車輪のサブセットの駆動能力が車両の所望の総駆動能力を超えることが可能になり、それにより、車輪のサブセットがその駆動限界に達した場合であっても、所望の総駆動能力を達成することができ、過度の駆動力の適用は、各車輪の駆動状態によって決定する、その車輪の所望の駆動力と利用可能な駆動力との関数である。本方法はまた、１つまたは２つのタイヤのスリップに応じてトルクを望ましい方法で有利に再配分する。この方式の積分要素の利点は、車両スリップのより厳密な制御と、スリップを防止するために駆動力がいかに迅速に取り除かれ、かつ最大駆動力を得るために再適用されるかを制御する方法と、が可能になるということである。

[0026]上記でかつ図面で使用した変数の多くの定義を、参照の目的で以下に示す。
ａｒｔ 関節角またはステアリング角
ｃｍｄ＿ｉｎ トラクション制御調整が適用される前のトルク命令
ｃｍｄＬＦ 左前輪に対するトラクション制御調整されたトルク命令
ｃｍｄＲＦ 右前輪に対するトラクション制御調整されたトルク命令
ｃｍｄＬＲ 左後輪に対するトラクション制御調整されたトルク命令
ｃｍｄＲＲ 右後輪に対するトラクション制御調整されたトルク命令
ｅｆｆｏｒｔＩ 制御力の積分成分
ｅｆｆｏｒｔＰ 制御力の比例成分
ｅｒ 車輪速度と基準車輪速度との差
ｇａｉｎＬＦ 左前輪に対してトルク命令を低減するために用いる乗数
ｇａｉｎＬＲ 左後輪に対してトルク命令を低減するために用いる乗数
ｇａｉｎＲＦ 右前輪に対してトルク命令を低減するために用いる乗数
ｇａｉｎＲＲ 右後輪に対してトルク命令を低減するために用いる乗数
ＫＩ１ 速度差ｅｒの大きさが基準速度差ｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＩを上回る場合に用いる積分ゲイン
ＫＩ２ 速度差ｅｒの大きさが基準速度差ｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＩを下回る場合に用いる積分ゲイン
ｎｅｇＧａｉｎＬＦ 左前輪がスリップしている場合に、他の車輪に対してトルク命令の大きさを増大させるために用いる乗数
ｐｏｓＧａｉｎＬＦ 左前輪がスリップしている場合に、それに対してトルク命令の大きさを低減するために用いる乗数
基準車輪速度 車輪スリップの程度を確定するために用いる１つまたは複数の車輪速度から計算される速度
ｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＩ 積分制御計算で用いる基準速度差
ｓｌｉｐＴａｒｇｅｔＫＰ 比例制御計算で用いる基準速度差
ｗ まとめて、測定される車輪速度
ｗ＿ａｒｔ まとめて、ステアリング角に対して調整された車輪速度、等価の中心線速度または等価の狭い走行速度
ｗ＿ＬＦ 左前輪中心線（ステアリング調整された）速度
ｗ＿ＬＲ 左後輪中心線速度
ｗ＿ｒｅｆ 車輪スリップを確定するために用いる、１つまたは複数の車輪速度から計算される基準車輪速度
ｗ＿ＲＦ 右前輪中心線速度
ｗ＿ＲＲ 右後輪中心線速度
[0027]好ましい実施形態について説明したが、添付の特許請求の範囲において定義されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を行うことができることが明らかとなろう。

Claims (12)

1. フレームシステムと、
   急速に変化する荷重がかかり、前後の対の車軸に各々個別に装着される一対の前輪と一対の後輪であって、前記フレームシステムに関連する、前記一対の前輪及び一対の後輪と、
   前後の対の駆動ユニットであって、各々が、前記前後の対の車輪に関連する、駆動ユニットと、
   前記前後の対の車輪の各々に対するスリップ偏差を計算するコントローラであって、各計算は、前記前後の対の車輪のうち一方の車輪対における一方の車輪に向けられたオペレータからのトルク命令に、前記一方の車輪の測定された車輪速度から前記前後の対の車輪の他方の車輪対の平均速度を引いたものを掛けた値から導出される積分項に応じてなされ、また前記一方の車輪に対するスリップ目標値を計算するようになされ、前記コントローラは更に前記スリップ偏差および前記スリップ目標値を用いて、前記一方の車輪に関連する前記駆動ユニットの前記前後の対の前記一方に与えられる調整されたトルク命令を得る、コントローラと、
   を具備するローダ車両。
2. 前記車軸の前側の対が同軸であり、前記車軸の後側の対が同軸である、請求項１に記載のローダ車両。
3. 前記コントローラが、前記車軸の前側の対が配置されている第１の軸線と前記車軸の後側の対が配置されている第２の軸線との角度差に対応する関節角に応じて前記スリップ目標値の各々を計算するように構成される、請求項１に記載のローダ車両。
4. 前記一方の車輪の前記スリップ目標値が、前記コントローラが前記トルク命令を変更しない不感帯を含む、請求項１に記載のローダ車両。
5. 前記コントローラが、前記スリップ偏差が前記不感帯外である場合に新たなトルク命令を得る、請求項４に記載のローダ車両。
6. 左右の前輪と左右の後輪とを有するローダ車両用の駆動システムであって、
   各々が前記左右の前輪と関連する左右の前駆動ユニットと、各々が前記左右の後輪と関連する左右の後駆動ユニットと、
   前記左右の前輪と左右の後輪の各々に対するスリップ偏差を計算するコントローラであって、前記各計算は、前記左右の前輪または左右の後輪のいずれかの車輪対における一方の車輪に向けられたオペレータからのトルク命令に、前記一方の車輪の測定された車輪速度から前記前輪と後輪の他方の車輪対における左右の車輪の平均速度を引いたものを掛けた値から導出される積分項に応じてなされ、また前記一方の車輪に対するスリップ目標値を計算するようになされ、前記コントローラは更に前記スリップ偏差および前記スリップ目標値を用いて、前記一方の車輪に関連する前記駆動ユニットの前記前後の対の前記左右の車輪の一方に与えられる調整されたトルク命令を得る、コントローラと、
   を具備するローダ車両用の駆動システム。
7. 前記左右の前輪が、第１回転軸に関連し、前記左右の後輪が、第２回転軸に関連する、請求項６に記載のローダ車両用の駆動システム。
8. 前記コントローラが、前記第１軸と前記第２軸との角度差に対応する関節角に応じて前記スリップ目標値を計算するように構成される、請求項７に記載のローダ車両用の駆動システム。
9. 前記調整されたトルク命令の各々が、対応する駆動ユニットによる所望のトルクの付与に対応する、請求項８に記載のローダ車両用の駆動システム。
10. 前記スリップ目標値が、前記コントローラが前記トルク命令を変更しない不感帯を含む、請求項６に記載のローダ車両。
11. 前記コントローラが、前記スリップ偏差が前記不感帯外である場合に新たなトルク命令を得る、請求項１０に記載のローダ車両用の駆動システム。
12. ローダ車両の地面係合車輪にトルクを付与する方法であって、前記ローダ車両は、
    第１の横断軸の周囲で個々の回転のためにフレームの前側に取り付けられた１対の前側の左右車輪と、第２の横断軸の周囲で個々の回転のためにフレームの後側に取り付けられた１対の後ろ側の左右車輪とを有し、前記フレームの前側と後側とが直立の連結軸の周囲で互いに対して選択された関節のために一緒に結合されており、前記方法は、
    設定可能なコントローラを使用して各車輪のスリップ偏差を計算するステップであって、前記計算が、前側の車輪対または後ろ側の車輪対のいずれかの車輪対における一方の車輪に対するオペレータからのトルク命令に、前記一方の車輪の速度に等しい値から前記前後の対の車輪のうち他方の車輪対の平均速度を引いたものを掛けるステップを含む、前記計算するステップと、
    前記第１の軸線と第２の軸線のなす関節角および車輪速度に応じて、前記設定可能なコントローラを使用して各車輪のスリップ目標値を計算するステップと、
    前記一方の車輪に関連する前記スリップ偏差および前記スリップ目標値に応じて、前記一方の車輪に対しトルクを付与するステップと、
    を含む方法。

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