JP6589428B2

JP6589428B2 - 重心高推定装置

Info

Publication number: JP6589428B2
Application number: JP2015141517A
Authority: JP
Inventors: 修一矢作
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2035-07-15
Also published as: JP2017026320A

Description

本発明は、車両の走行中の重心高を推定する重心高推定装置に関する。

従来、車両の走行中の重心高を推定し、推定した重心高に基づいて各種警報や、車両の制御等を行っていた。車両の重心高を推定する方法としては、例えば、車両のピッチ方向の運動を利用して推定する方法、ロール方向の静的なつり合いを用いて推定する方法等が知られている。

ピッチ方向の運動を利用して推定する方法としては、例えば、ピッチ角の最大値から、ピッチ中心と重心との距離を推定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００８−５２２８８６号公報

特許文献１に開示された技術では、ピッチ角の最大値を特定する必要があり、このため、ピッチ角及びピッチ角速度を把握する必要がある。例えば、ジャイロセンサによりピッチ角速度を得られる場合には、ピッチ角速度を積分してピッチ角を得ることができるが、ノイズが重畳されてピッチ角の精度がよくない場合がある。また、車両のサスペンションのハイトセンサ等によってピッチ角が算出できる場合には、ピッチ角を微分してピッチ角速度を得ることができるが、ノイズの影響によってピッチ角速度の精度がよくない場合がある。

一方、ロール方向の静的なつり合いを用いる場合においては、車両が旋回しなければ重心高を推定できない問題がある。

本発明は、車両の走行中の重心高を容易且つ適切に推定することのできる技術を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の一観点に係る重心高推定装置は、車両の前後方向の加速度を検出する前後方向加速度検出手段と、車両のピッチ角又はピッチ角速度を検出するピッチ情報検出手段と、車両のピッチ運動モデルに対応する状態方程式について、前後方向の加速度と、ピッチ角又はピッチ角速度とを入力し、非線形カルマンフィルタを適用することにより、状態方程式のパラメータの値を推定するパラメータ推定手段と、パラメータの値と、車両のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数と、車両のばね上質量とに基づいて、車両の重心高を推定する重心高推定手段と、を有する。

上記重心高推定装置において、状態方程式は、車両のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数、及びピッチ方向の慣性モーメントを含む第１パラメータと、車両のばね上質量、重心高、及びピッチ方向の慣性モーメントを含む第２パラメータとを有し、パラメータ推定手段は、第１パラメータと、第２パラメータの値を推定し、重心高推定手段は、第１パラメータの値と、既知のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数とに基づいて、ピッチ方向の慣性モーメントの値を特定し、第２パラメータの値と、ピッチ方向の慣性モーメントの値と、車両のばね上質量とに基づいて、重心高を推定するようにしてもよい。

また、上記重心高推定装置において、車両のばね上質量を測定する質量検出手段をさらに備え、重心高推定手段は、測定されたばね上質量に基づいて、重心高を推定するようにしてもよい。

また、上記重心高推定装置において、質量検出手段は、車両に積載された積載物を含む車両のばね上質量を検出するようにしてもよい。

また、上記重心高推定装置において、質量検出手段は、車両の走行前に、車両のばね上質量を検出するようにしてもよい。

本発明によれば、車両の走行中の重心高を容易且つ適切に推定することができる。

本発明の一実施形態に係る車両を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係る重心高推定装置を構成する電子制御ユニット及び関連する構成要素を示す機能ブロック図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る重心高推定装置が搭載される車両を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両を示す模式的な全体構成図である。エンジン１０の図示しないクランクシャフトには、変速機１２の図示しないインプットシャフトがクラッチ１１を介して断接可能に接続されている。変速機１２の図示しないアプトプットシャフトには、プロペラシャフト１３、差動装置１４、左右のドライブシャフト１５Ｌ、１５Ｒを介して駆動輪（左右後輪）１６Ｌ，１６Ｒが接続されている。車両１は、左右前輪（操舵輪）２２Ｌ，２２Ｒを有する。

また、車両１は、左右の駆動輪１６Ｌ，１６Ｒにそれぞれ対応して設けられた左右一対のエアスプリング１８Ｌ，１８Ｒと、エアスプリング１８Ｌ，１８Ｒにそれぞれ対応して設けられた左右一対の内圧センサ１９Ｌ，１９Ｒと、を有する。内圧センサ１９Ｌ，１９Ｒは、質量検出手段の一部を構成する。

エアスプリング１８Ｌ、１８Ｒは、ドライブシャフト１５Ｌ，１５Ｒとフレーム（不図示）との間に介設されている。これら左右のエアスプリング１８Ｌ，１８Ｒには、図示しないエア供給源からエアが供給されている。

内圧センサ１９Ｌは、エアスプリング１８Ｌよりも上流側のエア配管に設けられており、エアスプリング１８Ｌの内圧（エアスプリング圧）を検出する。内圧センサ１９Ｒは、エアスプリング１８Ｒよりも上流側のエア配管に設けられており、エアスプリング１８Ｒの内圧（エアスプリング圧）を検出する。これら内圧センサ１９Ｌ，１９Ｒで検出されるエアスプリング圧は、電気的に接続されたＥＣＵ５０にそれぞれ送信される。各エアスプリング圧は、車両１のばね上の本体及び車両１に積載されている積載物との質量に応じて変化するので、これらエアスプリング圧によると、車両１の本体及び積載物の質量を特定することができる。

また、車両１は、ピッチ情報検出手段の一例としてのジャイロセンサ２１、前後方向加速度検出手段の一例としての前後加速度センサ２２、車速センサ２３、表示装置２４、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）５０を備える。

ジャイロセンサ２１は、車両１におけるピッチ方向の角速度（ピッチ角速度）を検出する。前後加速度センサ２２は、例えば、振り子式や歪ゲージ式の加速度センサであり、自身に加わる力に基づいて車両１の前後方向の加速度（前後方向加速度ａ_ｘ）を検出する。車速センサ２３は、プロペラシャフト１３の回転速度から車両１の走行速度（車速）を検出する。表示装置２４は、例えば、運転者の視認可能な位置に配置され、各種情報を表示する。これら各種センサ２０〜２３のセンサ値は、電気的に接続されたＥＣＵ５０に送信される。また、表示装置２４には、電気的に接続されたＥＣＵ５０から送信されるデータに基づいて、情報が表示される。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０、クラッチ１１、変速機１２等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備える。

図２は、本発明の一実施形態に係る重心高推定装置を構成する電子制御ユニット及び関連する構成要素を示す機能ブロック図である。

重心高推定装置５は、ジャイロセンサ２１、前後加速度センサ２２、内圧センサ１９Ｌ，１９Ｒ、車速センサ２３、ＥＣＵ５０、表示装置２４を有する。ＥＣＵ５０は、パラメータ推定手段の一例としてのパラメータ推定部５１と、質量検出手段の一部を構成する質量検出部５２と、記憶部５３と、重心高推定手段の一例としての重心高推定部５４と、速度警報部５５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

記憶部５３は、車両１のピッチ方向の剛性Ｋ_ｐ（Ｎ／ｒａｄ）、又は、車両１のピッチ方向における粘性減衰係数Ｃ_ｐ（Ｎｓ／ｍ）を記憶する。剛性Ｋ_ｐ、粘性減衰係数Ｃ_ｐは、車両１の設計値であってもよく、車両１を用いて実験的に検出した値であってもよい。

パラメータ推定部５１は、車両のピッチ方向の運動モデル（ピッチ運動モデル）の運動方程式に基づいて導出された状態空間モデル（状態方程式）に対して、非線形カルマンフィルタ（ＥＫＦ（拡張カルマンフィルタ），ＵＫＦ（アンセンテッドカルマンフィルタ）等）のアルゴリズムを適用することにより、状態方程式のパラメータの値を逐次推定し、重心高推定部５４に渡す。

次に、パラメータ推定部５１の処理に関する、車両１におけるピッチ運動に関する運動方程式、及びその運動方程式に基づいて導出される状態方程式について詳細に説明する。

車両１のピッチ運動は、車体姿勢変化であることから、車体（ばね上）を考慮したモデルで近似することができ、ピッチ運動モデルの運動方程式は、式（１）に示すようになる。

ここで、Ｊ_ｐは、ピッチ方向の慣性モーメントを示し、Ｃ_ｐは、ピッチ方向の粘性減衰係数を示し、Ｋ_ｐは、ピッチ方向の剛性を示し、θ_ｐは、ピッチ角を示し、θ^・ _ｐ（式（１）では、θの上にドット（・）、説明では便宜的にこのように表記する）は、ピッチ角速度を示し、θ^・・ _ｐ（式（１）では、θの上に２つのドット（・・）、説明では便宜的にこのように表記する）は、ピッチ角加速度を示す。また、Ｗ_ｆは、静止時の車両１の前輪に作用する荷重（Ｎ）を示し、Ｗ_ｒは、静止時の車両１の後輪に作用する荷重（Ｎ）を示し、Ｌ_ｆは、静止時の重心位置から前輪までの水平方向の長さ（ｍ）を示し、Ｌ_ｒは、静止時の重心位置から後輪までの水平方向の長さ（ｍ）を示す。また、ｍは、車体のばね上質量（ｋｇ）を示し、ａ_ｘは、前後方向の加速度（ｍ／ｓ^２）を示し、ｈ_ＣＧは、重心高を示す。

このピッチ運動モデルの運動方程式における右辺の第一項及び第二項は、静止時のモーメントを表しており、静止時には釣り合っているので、ゼロである。

式（１）に示すピッチ運動モデルの運動方程式から、非線形カルマンフィルタを適用するための状態方程式を導出すると、状態方程式は、式（２）に示すようになる。

ここで、式（２）に示す状態方程式における行列Ａ、Ｂ、Ｃ、変数ｘ、ｕは、式（２）の下に示したようになる。本例においては、行列Ｃの値は、ピッチ角速度を検出するジャイロセンサ２１を用いる場合の例となっている。行列Ｃの値は、ピッチに関する情報（ピッチ情報）を検出するセンサの種類に応じて異なる。行列ｗ，ｖは、それぞれシステム雑音及び観測雑音である。

パラメータ推定部５１は、ｕ（＝ａ_ｘ：前後加速度）と、ｙ（式（２）の例では、θ^・ _ｐ（ピッチ角速度））との入力を逐次受けて、非線形カルマンフィルタを適用して（すなわち、非線形カルマンフィルタのアルゴリズムを用いて）、状態方程式におけるパラメータを逐次推定する。なお、ｙとして、ピッチ角度のみを入力するようにしてもよく、ピッチ角度及びピッチ角速度を入力するようにしてもよい。

本実施形態では、パラメータ推定部５１は、式（３）、式（４）、式（５）に示すように、−Ｋ_ｐ／Ｊ_ｐ（第１パラメータの一例），−Ｃ_ｐ／Ｊ_ｐ（第１パラメータの一例），−ｍａ_ｘｈ_ＣＧ（第２パラメータの一例）の値ａ_１、ａ_２、ｂ_１（明細書の説明においては、便宜的にこのように表記する）をそれぞれ推定する。パラメータ推定部５１は、推定したパラメータの値ａ_１、ａ_２、ｂ_１を重心高推定部５４に通知する。

質量検出部５２は、例えば、車両１が停止している際に、内圧センサ１９Ｌ，１９Ｒにより検出されたエアスプリング圧に基づいて、車両１の本体及び車両１に積載された積載物の合計のばね上質量ｍを検出し、重心高推定部５４に通知する。

重心高推定部５４は、パラメータ推定部５１から通知された各パラメータの値ａ_１、ａ_２、ｂ_１、質量検出部５２から通知されたばね上質量ｍ、記憶部５３に記憶されたピッチ方向の剛性Ｋ_ｐ（又は、ピッチ方向における粘性減衰係数Ｃ_ｐ）に基づいて、車両１の重心高ｈ_ＣＧを逐次推定し、その結果を速度警報部５５に通知する。

ここで、重心高推定部５４の重心高ｈ_ＣＧの推定方法を具体的に説明する。

重心高ｈ_ＣＧを含む式（５）を変形すると、式（６）に示すようになる。

式（６）において、ばね上質量ｍと、パラメータ値ｂ_１とは、すでに値が特定されているので、ピッチ方向の慣性モーメントＪ_ｐが決まれば、重心高ｈ_ＣＧを求めることができる。

ここで、慣性モーメントＪ_ｐは、剛性Ｋ_ｐを用いると、式（７）に示すようになる。この式（７）を式（６）に代入すると、重心高ｈ_ＣＧは、式（８）に示すように剛性Ｋ_ｐを用いて表される。式（８）では、ばね上質量ｍ、パラメータ値ａ_１，ｂ_１は、すでに値が特定されているので、記憶部５３に、剛性Ｋ_ｐが格納されている場合には、その値を用いて重心高ｈ_ＣＧを推定することができる。そこで、記憶部５３に剛性Ｋ_ｐが格納されている場合には、重心高推定部５４は、式（８）を用いて、重心高ｈ_ＣＧを推定する。

一方、慣性モーメントＪ_ｐは、粘性減衰係数Ｃ_ｐを用いると、式（９）に示すようになる。この式（９）を式（６）に代入すると、重心高ｈ_ＣＧは、式（１０）に示すように粘性減衰係数Ｃ_ｐを用いて表される。式（１０）では、ばね上質量ｍ、パラメータ値ａ_２，ｂ_１は、すでに値が特定されているので、記憶部５３に、粘性減衰係数Ｃ_ｐが格納されている場合には、その値を用いて重心高ｈ_ＣＧを推定することができる。そこで、重心高推定部５４は、記憶部５３に、粘性減衰係数Ｃ_ｐが格納されている場合には、式（１０）を用いて、重心高ｈ_ＣＧを推定する。なお、剛性Ｋ_ｐ又は粘性減衰係数Ｃ_ｐの一方により重心高ｈ_ＣＧを推定することができるので、いずれか一方のみを記憶部５３に格納させるようにしてもよいが、値の特定が容易である点では、剛性Ｋ_ｐを記憶部５３に格納させる方が好ましい。

速度警報部５５は、車速センサ２３からの車速と、重心高推定部５４から通知される重心高ｈ_ＣＧとに基づいて、車両１が旋回した場合に、横転等の発生の危険性が高い速度であるか否かを判定し、危険性が高い速度であると判定した場合には、表示装置２４に横転等の危険性が高い速度である旨の警報を表示する。

以上説明したように、本実施形態に係る重心高推定装置５によると、ピッチ角度又はピッチ角速度の少なくとも一方のみで、重心高を推定することができるので、それらを検出する複数のセンサを用意する必要性がなく、また、一方のみのセンサを有する場合において、ピッチ角度に基づいてピッチ角速度を算出したり、ピッチ角速度に基づいてピッチ角度を算出したりする必要がなく、算出時のノイズの混入を適切に防止することができ、重心高を高精度に推定することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、推定した重心高ｈ_ＣＧを用いて、速度警報を行う例を示していたが、本発明はこれに限られず、例えば、推定した重心高ｈ_ＣＧに基づいて、車両１の前輪側又は後輪側の少なくとも一方のサスペンションの高さ位置を制御することにより、車両１のピッチングにおける振動を抑制するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ジャイロセンサ２１によりピッチ角速度を測定し、そのピッチ角速度を用いてパラメータを推定するようにしていたが、例えば、前輪側及び後輪側のそれぞれのサスペンションの高さを測定するハイトセンサを備えるようにし、前輪側及び後輪側のハイトセンサによる検出値に基づいて車両１のピッチ角度を検出し、そのピッチ角度を用いてパラメータを推定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、内圧センサ１９Ｌ，１９Ｒで検出されるエアスプリング圧に基づいて、車両１のばね上の本体及び車両１に積載されている積載物との質量を検出するようにしていたが、本発明はこれに限られず、サスペンションの変位量を検出するセンサを設け、その変位量に基づいて、車両１のばね上の本体及び車両１に積載されている積載物との質量を検出するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、プロペラシャフト１３の回転速度から車両１の走行速度（車速）を検出するようにしていたが、本発明はこれに限られず、例えば、変速機１２のアウトプットシャフト、又は車輪等の回転速度を検出するセンサを備え、検出された回転速度から車速を検出するようにしてもよい。

１車両
５重心高推定装置
１０エンジン
１１クラッチ
１２変速機
１３プロペラシャフト
１４差動装置
１５Ｌ，Ｒドライブシャフト
１６Ｌ，Ｒ駆動輪
１８Ｌ，Ｒエアスプリング
１９Ｌ，Ｒ内圧センサ
２１ジャイロセンサ
２２前後加速度センサ
２３車速センサ
２４表示装置
５０ＥＣＵ
５１パラメータ推定部
５２質量検出部
５３記憶部
５４重心高推定部

Claims

車両の前後方向の加速度を検出する前後方向加速度検出手段と、
前記車両のピッチ角又はピッチ角速度を検出するピッチ情報検出手段と、
前記車両のピッチ運動モデルに対応する状態方程式について、前記前後方向の加速度と、前記ピッチ角又はピッチ角速度とを入力し、非線形カルマンフィルタを適用することにより、前記状態方程式のパラメータの値を推定するパラメータ推定手段と、
前記パラメータの値と、前記車両のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数と、前記車両のばね上質量とに基づいて、前記車両の重心高を推定する重心高推定手段とを有し、
前記状態方程式は、前記車両のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数、及びピッチ方向の慣性モーメントを含む第１パラメータと、前記車両のばね上質量、重心高、及びピッチ方向の慣性モーメントを含む第２パラメータとを有し、
前記パラメータ推定手段は、前記第１パラメータと、前記第２パラメータの値を推定し、
前記重心高推定手段は、前記第１パラメータの値と、既知のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数とに基づいて、ピッチ方向の慣性モーメントの値を特定し、前記第２パラメータの値と、前記ピッチ方向の慣性モーメントの値と、前記車両のばね上質量とに基づいて、前記重心高を推定する
重心高推定装置。
前記車両のばね上質量を測定する質量検出手段をさらに備え、
前記重心高推定手段は、前記ばね上質量に基づいて、前記重心高を推定する
請求項１に記載の重心高推定装置。
前記質量検出手段は、前記車両に積載された積載物を含む前記車両のばね上質量を検出する
請求項２に記載の重心高推定装置。
前記質量検出手段は、前記車両の走行前に、前記車両のばね上質量を検出する
請求項３に記載の重心高推定装置。