WO2016051942A1 - 車両の運動制御方法、装置、および、それを搭載した車両 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a vehicle motion control method and device for controlling a vehicle driving force, a braking force, or a distribution ratio of both driving force and braking force to front and rear wheels, and a vehicle equipped with the same.
- the first generation EV (Electric IV Vehicle) is equipped with a motor as an alternative to the internal combustion engine, and there is only one motor per vehicle.
- EV / HEV Hybrid Electric Vehicle
- the number of vehicles equipped with multiple motors is expected to increase.
- the front / rear twin motor-equipped vehicle having a front wheel motor and a rear wheel motor is a four-wheel drive system due to its configuration, and the start / acceleration performance is improved. Further, since the kinetic energy at the time of deceleration can be regenerated by the front and rear wheels even during turning, it is easy to increase the regenerative amount. In particular, by distributing the regenerative torque according to the load, the regenerative amount can be maximized (deceleration and regenerative operation can be performed with a stable posture in the same manner as the front and rear distribution of the brake torque).
- the inner ring has a lower turning speed than the outer ring, and can generate power only at a voltage lower than the counter electromotive voltage on the outer ring side. Therefore, regenerative power generation can be performed on the inner ring, but substantially electric energy is taken out from the battery and supplied to the outer ring side, and the vehicle as a whole can hardly regenerate when turning.
- the front and rear twin motor arrangement vehicles are all-wheel drive
- another motor is required for all-wheel drive, resulting in an increase in cost and weight.
- the advantages of the left and right twin motor arrangement are that the differential gear can be omitted and DYC can be performed.
- DYC a roll moment is generated due to an unbalance between the left and right link half forces generated by the braking / driving force, and natural training of the yaw motion and the roll motion is often impaired.
- this method of dynamically controlling the front / rear distribution ratio is not limited to EV / HEV, but even a vehicle having a front / rear distribution function among conventional four-wheel drive vehicles that realizes four-wheel drive with one prime mover. Applicable.
- front and rear wheel driving force distribution control system that controls the distribution of driving force to front and rear wheels according to a predetermined vehicle state, and driving to left and right wheels according to a predetermined vehicle state.
- Left and right wheel driving force distribution control system that controls force distribution and oversteer that detects when an oversteer moment is generated or is expected to occur during turning due to control on the left and right wheel driving force distribution control system side
- a first integrated control means for causing the front and rear wheel driving force distribution control system to perform correction control in which a front wheel distribution amount corresponding to the oversteer moment detection amount is added when an oversteer moment is detected.
- a technology of a driving force distribution integrated control device for front and rear wheels and left and right wheels is disclosed, and the front and rear wheel driving force distribution control during turning is disclosed.
- Understeer moment detection means that detects when an understeer moment is generated or is expected to occur due to control on the stem side, and when the understeer moment is detected, the turning outer ring distribution amount according to the amount of understeer moment detected
- a second total control means for performing correction control with the right and left wheel driving force distribution control system side a technology of a driving force distribution total control device for front and rear wheels and left and right wheels is disclosed. ing.
- the lateral jerk (Gy_dot) of the input vehicle is determined from the speed (V) and the lateral acceleration (Gy) and multiplied by a prestored gain (KGyV).
- a vehicle motion control method is disclosed that generates a control command for controlling the longitudinal acceleration of a vehicle based on the value and outputs the generated control command.
- the locus of the combined acceleration vector (G) of longitudinal acceleration and lateral acceleration is oriented so as to draw a smooth curve in a coordinate system with a fixed vehicle center of gravity (Vectoring).
- G-Vectoring control G-Vectoring control (GVC: G-Vectoring-Control).
- Patent Document 1 when turning on a low ⁇ road or the like, during turning, when the understeer moment is generated or expected due to the control that increases the driving force distribution to the front wheel side on the front and rear wheel driving force distribution control system side is expected.
- the understeer moment detection means detects the understeer moment state. Then, when the understeer moment is detected, the second comprehensive control means performs correction control on the side of the left and right wheel driving force distribution control system by adding the turning outer wheel distribution amount corresponding to the understeer moment detection amount.
- the understeer control requires a driving force distribution control device for the left and right wheels, and attempts to solve the problem by performing DYC, which cannot be realized in a vehicle with front and rear twin motors.
- the present invention appropriately distributes the driving force / braking force to the front and rear wheels to optimize the steering characteristics and achieve both improved maneuverability and stability (Distribution plus, D + It is an object of the present invention to provide a vehicle motion control method, apparatus, and a vehicle including them.
- a vehicle motion control apparatus of the present invention and a vehicle equipped with the same have means for controlling braking / driving distribution of the front wheels and rear wheels of the vehicle, and the absolute value of the lateral acceleration of the vehicle is determined.
- the absolute value of the lateral acceleration of the vehicle is determined.
- Front / rear braking drive distribution control (D +) that realizes both improved handling and stability of the vehicle has been realized, and the vehicle motion control device and the vehicle equipped with it (transfer type four-wheel drive, front / rear twin motor arrangement) Vehicle). Further, considering only the braking side, the present invention is also applicable to a brake device that can change the front-rear distribution and a vehicle in which the brake device is mounted.
- the present invention relates to a technique of how to distribute driving force / braking force back and forth.
- driving force / braking force is generated along with acceleration / deceleration, but there is no particular limitation on the type of acceleration / deceleration.
- the driver may distribute the driving force / braking force back and forth according to the accelerator / brake operation optionally performed during cornering, or acceleration / deceleration from the controller based on the G-Vectoring control of Non-Patent Document 1.
- the driving force / braking force may be distributed back and forth.
- GVC G-Vectoring control
- Non-Patent Document 1 discloses a method for improving the maneuverability and stability of a vehicle by generating load movement between the front wheels and the rear wheels by automatically accelerating and decelerating in conjunction with the lateral movement by the steering wheel operation. It is shown.
- the specific acceleration / deceleration command value (target longitudinal acceleration Gxc) is as shown in Equation 1 below.
- Gy is the vehicle lateral acceleration
- Gy_dot is the vehicle lateral jerk
- Cxy is the gain
- T is the first-order lag time constant
- s is the Laplace operator
- Gx_DC is the acceleration / deceleration command not linked to the lateral motion, for example, pre-crash braking as described later And so on.
- Non-Patent Document 1 It has been confirmed in Non-Patent Document 1 that it is possible to simulate a part of the linkage control strategy of the expert driver's side and back-and-forth movement and to improve the maneuverability and stability of the vehicle.
- G Gx_DC in this equation is a deceleration component (offset) that is not linked to lateral motion. This term is required when there is a foreseeable deceleration when there is a corner ahead or when there is a section speed command.
- the sgn (signum) term is a term provided so that the above operation can be obtained for both the right corner and the left corner. Specifically, the vehicle decelerates when turning in at the start of steering, and can stop when decelerating (because the lateral jerk becomes zero), and can perform an operation of accelerating when exiting the corner at the start of steering return.
- G the combined acceleration of longitudinal acceleration and lateral acceleration
- G-Vectoring control This is called “G-Vectoring control” because it is directed to make a transition (Vectoring).
- Fig. 1 assumes general driving scenes of entering and exiting a corner, such as straight path A, transition section B, steady turning section C, transition section D, and straight section E. At this time, the acceleration / deceleration operation by the driver is not performed.
- FIG. 2 is a time calendar waveform showing the steering angle, lateral acceleration, lateral jerk, acceleration / deceleration command calculated by Equation 1, braking of the four wheels, and driving force.
- the braking force and driving force are distributed so that the front outer wheel and the front inner wheel, the rear outer wheel and the rear inner wheel have the same value on the left and right (inner and outer).
- the braking / driving force is a general term for the force generated in the vehicle front-rear direction of each wheel
- the braking force is a force in the direction of decelerating the vehicle
- the driving force is defined as a force in the direction of accelerating the vehicle.
- the lateral acceleration Gy of the vehicle increases as the driver gradually increases steering.
- the lateral jerk Gy_dot takes a positive value while the lateral acceleration in the vicinity of the point 2 is increasing (returns to zero at the time point 3 at which the lateral acceleration increase ends).
- a deceleration (Gxc is negative) command is issued to the controlled vehicle as the lateral acceleration Gy increases.
- a braking force (minus sign) having substantially the same magnitude is applied to each of the front outer, front inner, rear outer, and rear inner wheels.
- the lateral acceleration Gy of the vehicle decreases due to the driver's steering return operation.
- the lateral jerk Gy_dot of the vehicle is negative, and the acceleration command Gxc is generated in the control vehicle from Equation 1.
- a driving force (plus sign) having substantially the same magnitude is applied to the front outer, front inner, rear outer, and rear inner wheels.
- the lateral jerk Gy is 0 and the lateral jerk Gy_dot is also zero, so acceleration / deceleration control is not performed.
- the vehicle decelerates from the turn-in at the start of steering (point 1) to the clipping point (point 3), stops during a steady circular turn (points 3 to 5), and starts steering return (points). Accelerate when exiting the corner from 5) (point 7).
- G-Vectoring control is applied to the vehicle, the driver can realize acceleration / deceleration motion linked to lateral motion only by steering for turning.
- the longitudinal acceleration is plotted on the horizontal axis and the horizontal acceleration is plotted on the vertical axis, it is a characteristic that transitions into a smooth curve (draws a circle). It becomes a kind of exercise.
- the acceleration / deceleration command of the present invention is generated in this diagram so as to make a curved transition with the passage of time.
- the curved transition is a clockwise transition as shown in FIG. 1, and the right corner is a transition path inverted with respect to the Gx axis, and the transition direction is counterclockwise.
- the GVC described above is a basic control guide for linking the longitudinal motion according to the lateral motion, but when the longitudinal motion occurs, load movement occurs between the front and rear wheels.
- load movement occurs between the front and rear wheels.
- These phenomena are gains that generate the lateral force of the front and rear wheels, and change the cornering stiffness that governs the steering characteristics of the vehicle.
- moving back and forth with GVC also affects lateral movement.
- the applied point of the resultant force of the lateral force generated on the front and rear wheels by the side slip angle is in front of the center of gravity of the vehicle. In the case of 2), it coincides with the center of gravity. Become.
- the applied point of the resultant cornering force of the front and rear wheels is called a neutral steer point (NSP).
- Most production vehicles are designed to have a SM> 0 of 1). For example, if vehicle 1 is SM1 and vehicle 2 is SM2 and SM1> SM2, both vehicle 1 and vehicle 2 are US, but vehicle 2 has a higher US than vehicle 1. Can be considered weak.
- Equation (5) when the cornering stiffness K f , K r of the front and rear wheels changes due to the influence of the nonlinearity of the cornering force, the vertical load on the tire, or the braking / driving force, SM will change.
- ISM Instantaneous SM
- a method can be considered in which the vertical load on the tire is controlled by acceleration / deceleration, or the ISM is suitably controlled by controlling the longitudinal distribution ratio of the braking / driving force in conjunction with the lateral motion.
- W f l r ⁇ mg / l / 2.
- Instantaneous static margin ISM NL subtracts the product of positive constants C> 0, D> 0 and yaw angular acceleration (r> 0) from the denominator and adds them to the numerator. Indicates that the US will become stronger. Conversely, when returning straight from turning, the yaw angular acceleration is negative, the denominator is large, the numerator is small, and the US is relatively weak. Therefore, the influence of the nonlinearity of the tire characteristics varies to some extent, and when the US becomes stronger when entering a corner and the US becomes relatively weak when exiting a corner, it says that ⁇ understeer is strong and stability is poor. '' It can be said that it is the cause of the bad characteristics as shown. Also, assuming that the side slip angular velocity is very small,
- the yaw angular acceleration information includes lateral jerk information.
- the vehicle is operated so as not to increase the steering speed so as not to increase the yaw angular acceleration (lateral jerk).
- the yaw angular acceleration (lateral jerk) becomes zero, that is, when the lateral acceleration stabilizes due to steady turning, the instantaneous static margin ISM NL returns to the original SM 0. Please be careful.
- the cornering force has a load dependency as well known.
- these have primary load dependency (proportional coefficient C 1 ) with respect to the tire vertical load W i .
- the number (25) indicates that when the vehicle accelerates (G x > 0), the static margin increases and U.S. becomes stronger. Conversely, when the vehicle decelerates (G x ⁇ 0), the static margin decreases and the US becomes weaker. Is shown. GVC weakens the US by decelerating at the beginning of the turn when the lateral acceleration increases, accelerates at the end of the turn when the lateral acceleration decreases and returns to the straight state, strengthens the US, and improves the stability. Yes. That is, it has a function to compensate for the deterioration of the maneuverability and stability caused by the tire nonlinear characteristics described in the previous section.
- the resultant force of the forces in all directions in the horizontal plane acting between the tire and the ground cannot be more than the value obtained by multiplying the vertical load at that time by the friction coefficient, and the resultant force vector remains within a circle of radius ⁇ W. .
- This circle is called a friction circle. If the driving force or braking force of X is acting in the longitudinal direction of the tire, the maximum cornering force Y max that can be reached with a large side slip angle is expressed by the following equation (for simplicity here) In addition, we focus only on the longitudinal force dependency that achieves acceleration / deceleration that realizes acceleration / deceleration, and do not consider load movement due to acceleration / deceleration).
- Equation (35) when the driving force or braking force is distributed in proportion to the load on the front and rear wheels, acceleration / deceleration can be performed without changing the steering characteristics due to the driving force or braking force.
- the front-rear distribution of the braking force by the brake is designed to be almost proportional to the load. Therefore, when realizing GVC by brake control, it is possible to obtain only the improvement effect of the steer characteristic using load movement by deceleration as described in the previous section.
- Equation (22) and Equation (23) showing the change in cornering stiffness due to load movement before and after accel / deceleration
- the driving force can be obtained at any lateral slip angle as shown in Equation (28).
- the reduction rate of the cornering force due to (power) is the same, the following equation is established.
- the second term of the formula (44) indicates that by decelerating according to the lateral jerk, the increase in the instantaneous static margin IS M. that increases according to the lateral jerk (which tends to understeer) can be mitigated. That is.
- the third term the deceleration is squared and the concept of sign is lost. Therefore, the following control law (Distribution Plus: D +) is introduced in order to give the front and rear distribution offset D p (H ⁇ d p ) the same sign characteristic as the second term.
- FIG. 7 shows how the distribution ratio changes due to D + as in the case of FIG.
- Dp is negative
- the front-rear distribution ratio R FR of the deceleration force for generating deceleration by GVC is the initial set value R
- the initial value is R FR0 and can be expressed by the following formula.
- FIG. 8 is a diagram showing the degree of freedom / outline of the full vehicle model.
- the 11-DOF full vehicle model can calculate not only yaw motion but also roll motion and pitch motion.
- the tire model is a brush model.
- the influence of 1) non-linearity, 2) load dependency, 3) braking force or driving force of the tire cornering force can be calculated analytically for each calculation step.
- Steering used a “fixed steer” model in which the steering angle input was determined in advance.
- the instantaneous static margin (I.S.M.) was evaluated using the instantaneous equivalent cornering stiffness calculated as an internal variable of the tire model. Examine whether there is an improvement trend as shown in Figure 4.
- FIGS. 9 and 10 are simulation results.
- the upper part of FIG. 9 shows the steering angle. Steering starts from 0.5 seconds to 35 degrees and settles to 35 degrees in 1.5 seconds. As it is, the steering is maintained until 3.5 seconds and the turn is continued, and then the steering angle is returned to zero in 4.5 seconds.
- the middle part of FIG. 9 is a time series calculation result of the lateral acceleration G y and the longitudinal acceleration G x
- the lower part is a so-called “gg” diagram showing the Lissajous waveforms of the longitudinal acceleration G x and the lateral acceleration G y .
- a lateral jerk G y_dot is generated by steering during 0.5 to 1.5 seconds at the start of steering. Therefore, GVC is activated based on the formula (1) (the control command is not zero). To 3.5 seconds 1.5 seconds steering is stopped, since the lateral acceleration G y is substantially constant (lateral jerk is zero), the longitudinal acceleration G x of GVC does not occur.
- GVC is an acceleration command.
- the composite acceleration vector of the lateral acceleration G y and longitudinal acceleration G x generated will be vectored to the smooth curve shape as shown in the lower part of "gg" diagram. Therefore, as described above, the front wheel load increases due to deceleration at the start of turning, and the rear wheel load increases due to acceleration when escaping.
- the upper part of FIG. 10 is a graph showing the steering angle again, and the middle part is a graph showing the front-rear distribution by D +.
- the distribution offset of the front and rear wheels is calculated based on the equation (45).
- the initial front wheel distribution setting is 0.6 (rear wheel: 0.4).
- deceleration is generated by GVC, so the deceleration force must be covered by the front and rear wheels.
- positive lateral jerk is generated, so that the offset amount is negative and the distribution of the front wheels is smaller than 0.6 according to Equation (45). This indicates that the braking force distribution of the front wheels is moved to the rear wheels, and more braking force is being borne by the rear wheels.
- Fig. 10 shows the instantaneous static margin (ISM) described above (1) No control (Without_Control), and (2) GVC acceleration / deceleration realized with braking force and driving force with fixed front and rear distribution (Without_D +), (3) Three cases of GVC realized with braking / driving force with controlled front / rear distribution by D + control (With_D +) are shown.
- ISM instantaneous static margin
- I.S.M. increases at the start of steering, that is, U.S. increases
- I.S.M. decreases, that is, transitions to the OS direction. It can be seen that when the steering wheel is started to be turned, it is difficult to bend, and when it is returned, the maneuverability and stability are deteriorated.
- r vehicle yaw rate
- r_dot vehicle yaw angular acceleration.
- yaw angular acceleration does not require counter-steering, etc., and in the normal driving range, there is a direct relationship with the steering angular velocity, so ⁇ : steering angle, ⁇ _dot: steering angular velocity,
- the rear wheel distribution ratio is made larger than the initial ratio
- the rear wheel distribution ratio is changed to be smaller than the initial ratio.
- Formula (48) is the same as in formula (47).
- the distribution ratio of the front wheels is changed to be small and the distribution ratio of the rear wheels is increased, so that the absolute yaw rate is increased.
- the distribution ratio is changed so that the distribution ratio of the front wheels is increased and the distribution ratio of the rear wheels is decreased.
- Formula (49) is the same as that in Formula (47).
- the front wheel distribution ratio is changed to be smaller and the rear wheel distribution ratio is increased to obtain the steering angle.
- the absolute value of is reduced, the distribution ratio of the front wheels is changed to be large and the distribution ratio of the rear wheels is changed to be small.
- FIG. 11 shows the overall configuration of a first embodiment of a vehicle using the vehicle motion control apparatus of the present invention.
- the vehicle 0 drives a left front wheel 11 and a right front wheel 12 by a front motor 21, and drives a left rear wheel 13 and a right rear wheel 14 by a rear motor 22.
- a two-motor front-rear arrangement EV / HEV four-wheel drive vehicle (In FIG. 11, the description of battery components such as a battery is omitted).
- the steering amount of the driver's steering wheel 40 is detected by a steering angle sensor 53, and calculation processing such as calculation of a steering angular velocity is performed by an ADAS (Advanced driver assistance system) controller 30.
- the depression amount of the accelerator pedal 41 of the driver is detected by the accelerator sensor 54 and is calculated by the ADAS controller 30.
- the depression amount of the brake pedal 42 of the driver is detected by the brake sensor 55 and is calculated by the ADAS controller 30.
- the ADAS controller 30 performs power control and torque control by an inverter or the like (not shown) for the front motor 21 and the rear motor 22 according to these amounts.
- a deceleration action can be generated based on a longitudinal motion command such as a deceleration and a target speed command obtained by GVC.
- the lateral acceleration sensor 51 and the yaw rate sensor 52 are disposed in the vicinity of the center of gravity.
- the logic for obtaining the lateral jerk information by differentiating the output of the lateral acceleration sensor 51 and the logic for obtaining the yaw angular acceleration by differentiating the output of the yaw rate sensor 52 are incorporated in the ADAS controller 30 as shown in FIG. Yes.
- lateral jerk or yaw angular acceleration may be obtained by using estimated yaw rate / lateral acceleration using a vehicle speed, a steering angle, and a vehicle motion model. For example, they may be used in combination by processing such as select high.
- the stereo camera 56 is mounted on the vehicle 0.
- the stereo camera 56 is composed of a CCD camera that is two image sensors in the left-right direction.
- the two CCD cameras are arranged, for example, in such a manner as to sandwich a room mirror (not shown) in the vehicle interior, individually image the object in front of the vehicle from different coordinates of the vehicle fixed system, and stereo the two pieces of image information.
- the image is output to an image processing apparatus (installed in the stereo camera 56).
- a CCD camera is used here, a CMOS camera may be used.
- the stereo image processing apparatus receives image information from the stereo camera 56 and a vehicle speed V via the ADAS controller 30. Based on these pieces of information, the stereo image processing apparatus recognizes forward information such as three-dimensional object data and white line data ahead of the vehicle 0 based on image information from the stereo camera 56, and estimates the own vehicle traveling path.
- GVC and D + control is explicitly performed by the ADAS controller 30 to control the front motor 21 and the rear motor 22.
- both control logics have a very small amount of computation, stereo control is performed. You may mount in the stereo image processing apparatus in the camera 56. FIG. This makes it possible to share a controller with a stereo camera or the like already installed in the vehicle in order to constitute a collision damage reducing brake system, leading to cost reduction.
- FIG. 12 shows a signal transmission configuration of the ADAS controller 30, the front motor 21, and the rear motor 22 of the present invention.
- ADAS controller 30 receives vehicle lateral movement information such as steering angle, yaw rate, and lateral acceleration, and driver information such as accelerator and brake.
- the lateral motion information is subjected to signal processing such as differentiation, and the steering angular velocity, the yaw angular velocity, and the lateral jerk are obtained (in FIG. 12, the physical quantity is represented by the lateral jerk).
- the lateral jerk is multiplied by the gain C xy in the same manner as in Equation (1) to calculate a GVC acceleration / deceleration command value.
- An acceleration command from the driver and a deceleration command from the brake are added to this to calculate an acceleration / deceleration command.
- the ADAS controller 30 calculates the distribution offset D p based on the lateral jerk, the yaw angular velocity, and the steering angular velocity as shown in the equations (45), (48), (49), and the initial distribution R FR0.
- the front / rear distribution ratio RFR may be calculated by adding or subtracting from the above, or the horizontal axis may be stored as a map of steering angular velocity, yaw angular velocity, and lateral jerk as shown in FIG. In such a case, the inclination of the two-dimensional map is C dp .
- the previous acceleration / deceleration command is distributed to the front / rear distribution ratio R FR , and the regeneration / power running power of the front motor 21 that drives the front two wheels and the rear motor 22 that drives the rear two wheels is controlled to be close to the acceleration / deceleration command. Controlled.
- FIG. 13 illustrates an embodiment of the present invention based on a cornering scenario.
- Equation (1) When entering the left corner along the traveling direction, positive lateral acceleration rises and jerk becomes positive. Therefore, a deceleration command by GVC is generated according to Equation (1). Along with the positive jerk generated on the basis of a map of the equation (45) or ADAS controller 30, R FR is reduced, the braking force distributed to the rear wheels is increased as a result (FIG. 13 (a), ( b) Each wheel braking force arrow).
- the front-rear driving force and the braking force can be changed so that the braking force of the rear wheels is increased at the start of turning and the driving force of the front wheels is increased when escaping.
- the analysis content based on the tire characteristics in the first half of the embodiment is not limited to this, and has a front and rear torque distribution device, and an internal combustion engine It is possible to improve the handling performance even in a vehicle equipped with one or one electric motor. Further, if the acceleration control is not performed and only the deceleration control is specialized, the present invention can be applied as the friction brake front-rear distribution control.
- the front / rear braking / drive distribution control (D +) that realizes improvement in both the maneuverability and stability of the vehicle is embodied, and the vehicle motion control device and the vehicle equipped with the same are implemented.
- the vehicle motion control device and the vehicle equipped with the same are implemented.
- Transfer type four-wheel drive, two-motor front-rear arrangement vehicle can be provided.
- the present invention is also applicable to a brake device that can change the front-rear distribution and a vehicle in which the brake device is mounted.
- the case where GVC is applied exclusively has been mentioned. However, as shown in FIG.
- the front and rear brake hydraulic pressure, transfer fastening force, or wheel 6 component force measurement reduces the deceleration force generated by the front wheels when entering, and the driving force generated by the front wheels when exiting. It becomes possible to determine whether or not the vehicle is equipped with the present invention.
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Abstract
駆動力・制動力を前輪、後輪に適正に配分することにより、ステア特性を好適とし、操縦性と安定性の両方を向上する車両の運動制御方法、装置、および、その運動制御方法、装置が搭載された車両を提供すること。 車両の前輪と後輪の制動・駆動配分を制御する手段を有し、該車両の横加速度の絶対値が増加するときには前輪への配分を小さくし、該車両の横加速度の絶対値が減少するときは、前輪への配分を大きくする。
Description
本発明は、車両の駆動力、制動力、あるいは駆動力と制動力の両方の、前後輪への配分比率を制御する車両の運動制御方法、装置、および、それを搭載した車両に関する。
量産第一世代のEV(Electric Vehicle)は、内燃機関の代替としてモータが搭載されており、車両1台に対して、モータは一つとなっている。今後のより価格帯の高いEV/HEV(Hybrid Electric Vehicle)においては、差別化を図るためにも複数のモータを搭載する車両が増加すると思われる。
前輪用モータと後輪用モータを有する前後ツインモータ配置車両は、その構成上、4輪駆動方式となり、発進・加速性能が向上する。そして、旋回時においても減速時の運動エネルギーを前後輪で回生することができるため、回生量を大きくしやすい。特に荷重に応じて回生トルクを配分することにより、回生量を最大化することができる(ブレーキトルクの前後配分と同様に安定した姿勢で減速・回生できる)。
これに対し、左右ツインモータ配置においては、旋回時に内輪で回生して減速力と電気エネルギーを得るとともに、このエネルギーを用いて外輪を力行することにより加速力を得て、Direct Yaw-moment Control(DYC)を行う。ところが内輪は外輪に比べて旋回速度が低く、外輪側の逆起電圧に対して低い電圧でしか発電できない。したがって、内輪にて回生発電はできるが、実質的にはバッテリから電気エネルギーを持ち出して、外輪側に供給することになり、車両全体としては旋回時にはほとんど回生ができない。
また、前後ツインモータ配置車両は全輪駆動であるが、左右ツインモータ配置の場合、全輪駆動化には、もう一つモータが必要となり、コストと重量増を招く。このように、左右ツインモータ配置のメリットはディファレンシャルギアの省略と、DYCができることが挙げられる。しかしながらDYCにおいては、制駆動力により発生する左右のリンク半力のアンバランスから、ロールモーメントが発生し、ヨー運動とロール運動の自然な練成が損なわれる場合が多い。
以上のような背景から、前後ツインモータ配置車両の旋回性能(操縦性・安定性)を向上させる前後配分制御コンテンツを見出すことにより、左右ツインモータ配置車両と同等以上の旋回性能を得ることが望まれている。また、この前後配分比率を動的に制御する方法は、EV/HEVのみではなく、1つの原動機で四輪駆動を実現する、これまでの四輪駆動車のうち、前後配分機能を有する車両でも適用可能である。
この課題に対し、例えば、特許文献1では、所定の車両状態に応じて前後輪への駆動力配分を制御する前後輪駆動力配分制御システムと、所定の車両状態に応じて左右輪への駆動力配分を制御する左右輪駆動力配分制御システムと、旋回中、前記左右輪駆動力配分制御システム側での制御によりオーバステアモーメントが発生する時あるいは発生が予期される状態にある時を検出するオーバステアモーメント検出手段と、オーバステアモーメントが検出された時、オーバステアモーメント検出量に応じた前輪配分量を加えた補正制御を前後輪駆動力配分制御システム側で行なわせる第1総合制御手段と、を備えていることを特徴とする前後輪と左右輪の駆動力配分総合制御装置の技術が開示されており、旋回中、前記前後輪駆動力配分制御システム側での制御によりアンダーステアモーメントが発生する時あるいは発生が予期される状態にある時を検出するアンダーステアモーメント検出手段と、アンダーステアモーメントが検出された時、アンダーステアモーメント検出量に応じた旋回外輪配分量を加えた補正制御を左右輪駆動力配分制御システム側で行なわせる第2総合制御手段と、を備えていることを特徴とする前後輪と左右輪の駆動力配分総合制御装置の技術が開示されている。
また、特許文献2においては、入力された車両の横方向の加加速度(Gy_dot)に、速度(V)及び横加速度(Gy)から決定され、予め記憶されたゲイン(KGyV)を乗じ、乗じた値に基づいて、車両の前後加速度を制御する制御指令を生成し、生成された前記制御指令を出力することを特徴とする車両の運動制御方法が開示されている。この方法によると非特許文献1に述べられているとおり、前後加速度と横加速度の合成加速度ベクトル(G)の軌跡が車両重心固定の座標系において、なめらかな曲線を描くように方向づけられ(Vectoring)、G-Vectoring制御(GVC:G-Vectoring Control)と呼ばれている。
Improvement in vehicle agility and stability by G-Vectoring controlM. Yamakado, J. Takahashi, S. Saito, A. Yokoyama & M. Abe,Vehicle System Dynamics, Volume 48, Supplement 1, December 2010, pages 231-254
M. Abe, Vehicle Handling Dynamics, Butterworth-Heinemman, Oxford, 2009.
特許文献1では、横加速度が大で差動制限トルク大の時、または横加速度が大で差動制限トルクの増大変化が大の時にオーバステアモーメントがでやすいことで、オーバステアモーメントのでやすさに応じて差動制限トルク感応ゲインKgdを高い値として与えるようにしている。しかしながら、このような方法では、システムの稼動自体に起因するオーバーステアの予兆を示すものであるとともに、なぜオーバーステアとなりやすいのかが明確にされておらず、結果として車両の各状態での走りこみ→チューニングが必要となり、汎用的な設計方法が確立されているとはいえない。したがってこの技術により、システムを構成する場合、高コストのシステムとなってしまうことが懸念される。
さらに特許文献1では、低μ路旋回時等であって、旋回中、前後輪駆動力配分制御システム側で前輪側への駆動力配分を増す制御によりアンダーステアモーメントが発生する時あるいは発生が予期される状態にある時、アンダーステアモーメント検出手段によりアンダーステアモーメント状態が検出される。そして、アンダーステアモーメントが検出された時、第2総合制御手段において、アンダーステアモーメント検出量に応じた旋回外輪配分量を加えた補正制御が左右輪駆動力配分制御システム側で行なわれる。すなわち、アンダーステア制御では、左右輪の駆動力配分制御装置が必要となり、前後ツインモータ配置車両では、実現できないDYCを行うことにより解決を図ろうとしている。
また、特許文献2のGVCにおいては、車両の横運動に連係して、前後加速度を制御することにより、加減速に起因する荷重移動がステア特性に好適に働き、DYCを行わなくても、操縦性と安定性の向上を図れることは実証されてはいるが、加減速指令値を実現するための駆動力・制動力を前輪・後輪にどのように配分すれば良いかということに関して、開示しているものではなかった。
本発明は、駆動力・制動力を前輪、後輪に適正に配分することにより、ステア特性を好適とし、操縦性と安定性の両方の向上を実現する前後制駆動配分制御(Distribution plus、 D+と命名)を実行する車両の運動制御方法、装置、およびそれらを備えた車両を提供することを目的とする。
上記目的を達成させるために、本発明の車両の運動制御装置およびそれを搭載した車両は、車両の前輪と後輪の制動・駆動配分を制御する手段を有し、該車両の横加速度の絶対値が増加するときには前輪への配分を小さくし、該車両の横加速度の絶対値が減少するときは、前輪への配分を大きくすることを特徴とする。
車両の操縦性と安定性の両方の向上を実現する前後制駆動配分制御(D+)が具現化され、車両の運動制御装置およびそれを搭載された車両(トランスファー方式四輪駆動、前後ツインモータ配置車両)を提供することができる。また、制動側のみを考えると、前後配分を変更できるブレーキ装置、およびそれが搭載される車両に対しても適用可能である。
まず、課題を解決するための手段について、その基本的な考え方を説明し、その構成、実施形態について述べていく。
本発明は、駆動力・制動力をいかに前後に配分するかという技術に関するものである。もちろん、加減速を発生させることに伴い、駆動力・制動力が発生するのであるが、どのような加減速かという部分に関しては、特に限定はない。例えばドライバが、コーナリング中に随意に行うアクセル・ブレーキ操作に応じて、駆動力・制動力を前後に配分しても良いし、非特許文献1のG-Vectoring制御に基づく、コントローラからの加減速制御指令に基づいて、駆動力・制動力を前後に配分しても良い。ここでは、熟練ドライバの横運動連係動作を再現できるG-Vectoring制御(以下、GVC)に基づいて決定された加減速を実現するための駆動力・制動力を前後に配分することを考える。
以下、まず、GVCについて概要を述べる。次に、非特許文献2に基づいて車両のタイヤ特性に関する基本的な考え方について論じる。ここでは、タイヤのコーナリングフォースの1)横滑り角に対する非線形特性、2)荷重依存性、3)駆動力・制動力依存性について論じ、本発明における課題を解決するための手段を導出する。そして最後に、その構成、実施形態について述べていく。
<横運動に連係した前後加速度制御(G-Vectoring)>
ハンドル操作による横運動に連係して自動的に加減速することにより、前輪と後輪の間に荷重移動を発生させて車両の操縦性と安定性の向上を図る方法が、非特許文献1に示されている。具体的な加減速指令値(目標前後加速度Gxc)は、以下数1に示す通り、
<横運動に連係した前後加速度制御(G-Vectoring)>
ハンドル操作による横運動に連係して自動的に加減速することにより、前輪と後輪の間に荷重移動を発生させて車両の操縦性と安定性の向上を図る方法が、非特許文献1に示されている。具体的な加減速指令値(目標前後加速度Gxc)は、以下数1に示す通り、
基本的に横加加速度Gy_dotにゲインCxyを掛け、一次遅れを付与した値を前後加減速指令にするというシンプルな制御則である。
なお、Gyは車両横加速度、Gy_dotは車両横加加速度、Cxyはゲイン、Tは一次遅れ時定数、sはラプラス演算子、Gx_DCは横運動に連係しない加減速度指令、例えば後に述べるようなプリクラッシュブレーキなどに対応するものである。
これによりエキスパートドライバの横と前後運動の連係制御ストラテジの一部が模擬でき、車両の操縦性・安定性の向上が実現できることが、非特許文献1で確認されている。
この式のGx_DCは横運動に連係していない減速度成分(オフセット)である。前方にコーナーがある場合の予見的な減速、あるいは区間速度指令がある場合に必要となる項である。また、sgn(シグナム)項は、右コーナー、左コーナーの両方に対して上記の動作が得られるように設けた項である。具体的には、操舵開始のターンイン時に減速し、定常旋回になると(横加加速度がゼロとなるので)減速を停止し、操舵戻し開始時のコーナー脱出時に加速する動作が実現できる。
このように制御されると、前後加速度と横加速度の合成加速度(Gと表記)が、横軸に車両の前後加速度、縦軸に車両の横加速度をとるダイアグラムで、時間の経過とともに曲線的な遷移をするように方向付けられる(Vectoring)のため、「G-Vectoring制御」と呼ばれている。
数1の制御を適用した場合の車両運動に関して、具体的な走行を想定して説明する。
図1は、直進路A、過渡区間B、定常旋回区間C、過渡区間D、直進区間Eという、コーナーへの進入、脱出の一般的な走行シーンを想定している。このとき、ドライバによる加減速操作は行わないものとする。
また、図2は、操舵角、横加速度、横加加速度、数1にて計算した加減速指令、そして四輪の制動、駆動力について時刻暦波形として示した図である。後で詳細に説明するが、前外輪と前内輪、後外輪と後内輪は、左右(内外)それぞれ同じ値と成るように制動力・駆動力が配分されている。ここで制駆動力とは各輪の車両前後方向に発生する力の総称で、制動力は車両を減速する向きの力であり、駆動力は車両を加速する向きの力と定義する。まず直進路区間Aから車両がコーナーに進入する。過渡区間B(点1~点3)では、ドライバが徐々に操舵を切増すに従い、車両の横加速度Gyが増加していく。横加加速度Gy_dotは、点2近辺の横加速度が増加している間、正の値をとることになる(横加速度増加が終了する3の時点ではゼロに戻る)。このとき、数1より、制御車両には横加速度Gyの増加に伴い、減速(Gxcは負)指令が発生する。これに伴い、前外、前内、後外、後内の各輪に略同じ大きさの制動力(マイナス符号)が加わることになる。
その後、車両が定常旋回区間C(点3~点5)に入ると、ドライバは操舵の切増しを止め、操舵角を一定に保つ。このとき、横加加速度Gy_dotは0となるため、加減速指令Gxcは0となる。よって、各輪の制動力・駆動力もゼロとなる。
次に、過渡区間D(点5~7)では、ドライバの操舵の切戻し操作によって車両の横加速度Gyが減少していく。このとき車両の横加加速度Gy_dotは負であり、数1より制御車両には加速指令Gxcが発生する。これに伴い、前外、前内、後外、後内の各輪に略同じ大きさの駆動力(プラス符号)が加わることになる。
また直進区間Eでは横加加速度Gyが0となり横加加速度Gy_dotもゼロとなるため加減速制御は行われない。以上のように、操舵開始のターンイン時(点1)からクリッピングポイント(点3)にかけて減速し、定常円旋回中(点3~点5)には減速を止め、操舵切戻し開始時(点5)からコーナー脱出時(点7)には加速する。このように、車両にG-Vectoring制御を適用すれば、ドライバは旋回のための操舵をするだけで、横運動に連係した
加減速運動を実現することが可能となる。
加減速運動を実現することが可能となる。
また、この運動を前後加速度を横軸、横加速度を縦軸にとり、車両に発生している加速度様態を示す“g-g”ダイアグラムに表すと、滑らかな曲線状(円を描くよう)に遷移する特徴的な運動になる。本発明の加減速指令は、このダイアグラムで、時間の経過とともに曲線的な遷移をするように生成される。この曲線状の遷移は左コーナーについては、図1に示すように時計回りの遷移となり、右コーナーについては、Gx軸について反転した遷移経路となり、その遷移方向は半時計回りとなる。このように遷移すると前後加速度により車両に発生するピッチング運動と、横加速度により発生するロール運動が好適に連係し、ロールレイト、ピッチレイトのピーク値が低減される。
この制御は、図1に示すとおり、一次遅れ項、左右の運動に対する符号関数を省略して考えると、車両横加加速度にゲイン-Cxyを掛け合わせた値を前後加速度指令にしているので、ゲインを大きくすることにより、同一横加加速度に対して、減速度、あるいは加速度を大きくすることが出来る。
以下では、GVC適用を前提として、タイヤのコーナリングフォースの力学的特性をレビューすることにより、本発明で対象とする制動力・駆動力の前後配分指針の導出を進める。
<車両のステア特性に関する考察>
先に述べたGVCは、横運動に応じて前後運動を連係させるための基本的な制御指針であるが、前後運動が発生すると前後輪間に荷重移動が発生する。また、そもそも前後運動を発生させるためには、制動力・駆動力を発生させる必要がある。これらの現象は、前後輪の横力を発生させるゲインであり、かつ車両のステア特性を司るコーナリングスティフネスを変化させる。結果的にはGVCにより前後運動をすることが、横運動にも影響を与える。本章では、横運動への影響、特にステア特性に焦点を合わせて検討を進め、ステア特性を好適にする前後力(トルク)配分の導出のための準備を行う。
先に述べたGVCは、横運動に応じて前後運動を連係させるための基本的な制御指針であるが、前後運動が発生すると前後輪間に荷重移動が発生する。また、そもそも前後運動を発生させるためには、制動力・駆動力を発生させる必要がある。これらの現象は、前後輪の横力を発生させるゲインであり、かつ車両のステア特性を司るコーナリングスティフネスを変化させる。結果的にはGVCにより前後運動をすることが、横運動にも影響を与える。本章では、横運動への影響、特にステア特性に焦点を合わせて検討を進め、ステア特性を好適にする前後力(トルク)配分の導出のための準備を行う。
(1)車両のステア特性
アンダーステア(U.S.)、オーバーステア(O.S.)、ニュートラルステア(N.S.)という概念は、車両の運動特性を論じるうえで、きわめて重要な概念である。いま車両が操舵角ゼロのもとでなんらかの原因で重心点に横すべり角が生じたとすれば、前後輪にも同じ横すべり角βが生じ、横力が発生する。この横力は重心点周りのモーメントとなり、ヨーイング運動はよく知られているように、
アンダーステア(U.S.)、オーバーステア(O.S.)、ニュートラルステア(N.S.)という概念は、車両の運動特性を論じるうえで、きわめて重要な概念である。いま車両が操舵角ゼロのもとでなんらかの原因で重心点に横すべり角が生じたとすれば、前後輪にも同じ横すべり角βが生じ、横力が発生する。この横力は重心点周りのモーメントとなり、ヨーイング運動はよく知られているように、
βが正であれば、この式により、車両の重心点には、以下のようなヨーイングモーメントが働く。
1) lfKf-lrKrが正のときは、負。
2) lfKf-lrKrがゼロのときは、ゼロ。
3) lfKf-lrKrが負のときは、正。
1)の場合、横すべり角によって前後輪に発生する横力の合力の着力点が車両の重心点より前方になり、2)の場合は、重心点に一致し、3)の場合は、後方になる。この前後輪のコーナリングフォースの合力の着力点をニュートラルステアポイント(NSP: :Neutral-Steer-Point)と呼ぶ。
車両の重心点が横すべり角βを生じたとすれば、前後輪に働く横力は2Kfβ、 2Krβとなる。図3のように、NSPと車両重心点間の距離をlnとすると、NSP回りの2Kfβと2Krβによるモーメントはつりあわねばならないから
1) S.M.>0 → U.S.
2) S.M.=0 → N.S.
3) S.M.<0 → O.S.
生産車両のほとんどは、1)のS.M.>0となるように設計されている。たとえば車両1がS. M.1で、車両2がS.M.2として、S.M.1>S.M.2の場合、車両1も車両2もU.S.であることには変わりがないが、車両2のほうが、車両1に比べてよりU.S.が弱いと考えることができる。
さらに、数式(5)からわかるように、前輪、後輪のコーナリングスティフネスKf、 Krがコーナリングフォースの非線形性、タイヤへの垂直荷重、あるいは制・駆動力の影響を受けて変化した場合、SMは変化することになる。次節以降で考えるように瞬時のS.M.(Instantaneous S.M.、 以下I.S.M.と書く)を考える場合、一台の車両においても、上記諸条件によってU.S.が強い瞬間やU.S.が弱くなる瞬間があり、あるいはこれを逆手にとってタイヤへの垂直荷重を加減速により制御をしたり、あるいは制・駆動力の前後配分比を横運動に連係して制御することによりI.S.Mを好適に制御したりする方法を考えることができる。
図4に示すようにドライバが操舵を開始する状況(図4中1~3、図1と同様)においては、U.S.を相対的に弱くすることにより、操縦性を改善し必要な操舵角を少なくしたり、逆に、操舵を戻して直線状態へ戻るとき(5~7)には、相対的にU.S.が強くなると安定性が向上したりする。ドライバから見ると、「ハンドリング性能が高い車」と感じることができる。これに対し、コーナー進入時にU.S.が強くなり、コーナー脱出時にU.S.が相対的に弱くなると、「アンダーステアが強く、安定性も悪い」というような評価となってしまう。次節以降ではI.S.M.に影響を与える諸因子、横すべり角、荷重、制・駆動配分について順に示していくことにする。
(2)タイヤ特性の非線形性の影響
これまでは、タイヤに働く横力がその横すべり角に比例するという前提の下にS.M.を考えてきた。ここでは、タイヤの横すべり角が大きくなり、横力が必ずしも横すべり角に比例しなくなったとき、それがS.M.にどのような影響を与えるかを考えてみることにする。
これまでは、タイヤに働く横力がその横すべり角に比例するという前提の下にS.M.を考えてきた。ここでは、タイヤの横すべり角が大きくなり、横力が必ずしも横すべり角に比例しなくなったとき、それがS.M.にどのような影響を与えるかを考えてみることにする。
タイヤの横力Yと横すべり角βの間の関係として、ここでは簡単のために、横すべり角0におけるコーナリングスティフネスがK0で、横力が摩擦力μW(W:タイヤ垂直荷重)で飽和するとして、これを横すべり角の2次式で近似すると、
したがって、ヨー角加速度(横加加速度)を大きくしないように、具体的には操舵速度を大きくしないような運転をすることが肝要である。また逆に、ヨー角加速度(横加加速度)がゼロとなり、すなわち定常旋回となって横加速度が安定すると、瞬時スタティックマージンI.S.M.NLは、元のS.M.0に戻るという、特性を具備していることに注意されたい。
(3)加減速による荷重依存性の影響
前節で、横すべり角に対して非線形特性を有するタイヤにおいては、制御を加えないと操縦しにくい特性となるメカニズムを内包していることがわかった。本節では、加減速を行うことにより、この特性を緩和するメカニズムについて考えるために、まずコーナリングフォースの荷重依存性について精査していく。
前節で、横すべり角に対して非線形特性を有するタイヤにおいては、制御を加えないと操縦しにくい特性となるメカニズムを内包していることがわかった。本節では、加減速を行うことにより、この特性を緩和するメカニズムについて考えるために、まずコーナリングフォースの荷重依存性について精査していく。
加減速を行うと、タイヤの垂直荷重が移動する。例えば、減速中は後輪から前輪に、加速中は前輪から後輪に荷重が移動する。一方、コーナリングフォースは良く知られているように荷重依存性を有する。ここで、コーナリングスティフネスをKiw(i=f、 r、f:フロント、r:リア)として、これらがタイヤ垂直荷重Wiに対して1次の荷重依存性(比例係数C1)を持つとすると、
(4)加減速を実現する前後力依存性の影響先の節では、加減速による荷重移動に起因するステア特性変化について論じた。一方、加減速するためには4輪のタイヤで前後力を発生させる必要がある。この力がタイヤのコーナリングフォースに影響を与える。古典的なクーロン摩擦の法則に従えば、図6に示すように、タイヤが発生するコーナリングフォースYと駆動力(または制動力)Xは、どのような場合にも、次式を満足しなければならない。
まず、前後加速度Gxで加減速している車両の前後輪の垂直荷重(Wf、 Wr)を考えると、
数式(35)のように、駆動力あるいは制動力を前後輪の荷重に比例して配分すると、駆動力あるいは制動力によるステア特性の変化なしに、加減速を行えることになる。一般に、ブレーキによる制動力の前後配分は、ほぼ荷重比例となるように設計されている。従って、ブレーキ制御にてGVCを実現する場合、前節で述べた、減速による荷重移動を用いたステア特性の改善効果のみを得ることができる。
本章では、タイヤのコーナリングフォースの1)非線形性、2)荷重依存性、3)制動力あるいは駆動力の影響を瞬時スタティックマージン(I.S.M.)で評価した。これにより、1)による操舵開始時のヨー角加速度(加加速度)に起因する操縦・安定性の悪化メカニズムを内包していること、2)GVCによる好適な荷重移動による操縦・安定性の補償メカニズムが形成されること、3)制動力あるいは駆動力を前後荷重比率で配分すると、ステア特性に影響を及ぼさないことを確認することができた。次章では、さらなるステア特性の改善効果を目指し、駆動力あるいは制動力の動的な配分制御(Distribution plus, D+)についての検討を進めていく。
<前後輪配分制御(D+)>
本章では、ステア特性を好適にする前後力(トルク)配分の導出を行う。まず、前章の前後荷重比率配分からから次のような配分オフセットdpを、前輪には加え、後輪には減ずることにする。
本章では、ステア特性を好適にする前後力(トルク)配分の導出を行う。まず、前章の前後荷重比率配分からから次のような配分オフセットdpを、前輪には加え、後輪には減ずることにする。
D+制御を採用した最終的な前後配分比RFRを考えると、初期値をRFR0として、以下のような式で表せる。
これまで解析的に検討した内容を元に数式(45)で定式化したD+制御について、11自由度のフルビークルモデルを用いて検討する。図8は、フルビークルモデルの自由度・概要を示す図である。11自由度のフルビークルモデルではヨー運動だけではなくロール運動、ピッチ運動も計算できる。タイヤモデルはブラッシュモデルを採用している。これにより、タイヤのコーナリングフォースの1)非線形性、2)荷重依存性、3)制動力あるいは駆動力の影響を演算ステップ毎に解析的に計算することができる。操舵は、あらかじめ舵角入力が決定された、「フィクスドステア」モデルを用いた。左コーナーへの進入を模擬し、(1)制御なし、 (2)GVC加減速を前後固定配分の制動力・駆動力で実現、(3)GVCをD+制御による前後配分を制御した制動力・駆動力で実現した、3つのケースについて評価した。(2)については、GVC指令を実現する制動力、駆動力をほぼ前後荷重比の0.6(前:0.6、後:1-0.6=0.4)に固定し、(3)については、0.6に数式(45)で得られる前後オフセットを足し合わせることで配分比を決定した。なお、加加速度ゲインCdpは1.0で計算した。図8の下に記した表は、諸パラメータ一覧である。
タイヤモデルの内部変数として計算される瞬時等価コーナリングスティフネスを用いて瞬時スタティックマージン(I.S.M.)を評価した。図4に示したような改善傾向が見られるか否かを精査する。
図9、10はシミュレーション結果である。図9上段は、操舵角である。時刻0.5秒から35度に向けて操舵を開始し、1.5秒で35度に落ち着く。そのまま、3.5秒まで操舵を維持して旋回を続け、その後4.5秒に操舵角をゼロに戻している。ちょうど図1、2と同様な操舵状態を示している。
図9中段は、それぞれ、横加速度Gy、前後加速度Gxの時系列計算結果であり、下段は、前後加速度Gxと横加速度Gyのリサージュ波形を示す、いわゆる”g-g”ダイアグラムである。操舵開始時の0.5秒から1.5秒の間は、操舵により横加加速度Gy_dotが発生する。したがって、数式(1)に基づきGVCが発動する(制御指令がゼロではなくなる)。操舵が停止している1.5秒から3.5秒までは、横加速度Gyがほぼ一定(横加加速度がゼロ)であるため、GVCの前後加速度Gxは発生しない。3.5秒から4.5秒にわたって横加速度Gyが減少する、すなわち負の横加加速度が発生するため、GVCは加速指令となる。以上のようなプロセスで、発生する横加速度Gyと前後加速度Gxの合成加速度ベクトルは、下段の”g-g”ダイアグラムに示すように滑らかな曲線状にベクタリングすることになる。よって、先に示したように旋回開始時には減速により前輪荷重が増し、脱出時には加速により後輪の荷重が増えることになる。
さて、図10の上段は、再び操舵角、中段はD+による前後配分を示すグラフである。図9のGVC同様、横加加速度Gy_dotが発生している場合、数式(45)に基づいて、前後輪の配分オフセットが計算される。この計算例では、初期前輪配分設定は0.6(後輪:0.4)となっている。操舵開始時の0.5秒から1.5秒の間は、GVCによる減速度を発生するため減速力を前後輪で賄う必要がある。この期間では、正の横加加速度が発生するので数式(45)に従って、オフセット量は負になり、前輪の配分は0.6より小さくなる。これは前輪の制動力配分が、後輪に移動し、より多くの制動力を後輪で負担しているということを示している。
また、操舵が停止している1.5秒から3.5秒までは、横加速度Gyがほぼ一定(横加加速度Gy_dotがゼロ)であるため、オフセット量もゼロとなり、初期前輪配分設定0.6に戻る。3.5秒から4.5秒にわたって横加速度Gyが減少する、すなわち負の横加加速度が発生するため、数式(45)に従って、オフセット量は正となる。するとGVCの加速指令を実現するための駆動力のうち前輪で負担する割合が増加する。
さて、図10下段は、前に述べた瞬時スタティックマージン(I.S.M.)を、(1)制御なし(Without_Control)、 (2)GVC加減速を前後固定配分の制動力・駆動力で実現(Without_D+)、(3)GVCをD+制御による前後配分を制御した制動力・駆動力で実現したもの(With_D+)の、3つのケースについて示したものである。
(1)では、タイヤのコーナリングフォースの1)非線形性により、操舵開始と同時にI.S.M.が増加、すなわちU.S.が強くなり、操舵終了時に、I.S.M.が減少、すなわち、OS方向に遷移する。ハンドルを切り始めると曲がりにくく、戻すときにはふらつく等、結果として操縦性、安定性ともに劣化していることが見て取れる。
これに対して、(2)のGVCのみでは、コーナリングフォースの2)荷重依存性により、減速による荷重移動が発生し、コーナー進入時の、U.S.が低減され操縦性が向上する。一方、脱出時にはGVCに基づいた加速により後輪に荷重が移動するが、後輪での加速力の負担があるため、3)制動力あるいは駆動力の影響を受けて、若干のU.S.方向へのシフト(安定性の向上)に留まっている。
本発明を適用した(3)においては、GVCのみの(2)に比べて、旋回開始時のU.S.の低減と、旋回脱出時のO.S.方向への変化を食い止める効果が大幅に改善できている。この結果から、本発明で開示した数式(45)によるD+制御は、駆動力・制動力を前輪、後輪に適正に配分することにより、ステア特性を好適とし、操縦性と安定性の両方を向上が可能であることが示された。
<D+制御の抽象化による拡張>
数式(45)で基本概念を示したD+制御であるが、数式(16)に示すように、ヨー角加速度が大きくなると、車両はU.S.が強くなるという知見から考えると、情報量として横加加速度以外の量も適用することが可能である。まず、ヨー角加速度を使うと、
<D+制御の抽象化による拡張>
数式(45)で基本概念を示したD+制御であるが、数式(16)に示すように、ヨー角加速度が大きくなると、車両はU.S.が強くなるという知見から考えると、情報量として横加加速度以外の量も適用することが可能である。まず、ヨー角加速度を使うと、
さて、以上のように定式化された本発明を、文章により定義すると以下のようになる。
数式(45)については、
横加加速度Gy_dotがゼロの場合の前輪の配分比率を初期比率と定義し、
横加加速度Gy_dotが正のときには、前輪の配分比率を初期比率よりも小さくし、
横加加速度Gy_dotが負のときには、前輪の配分比率を初期比率よりも大きくするように変更する。
別の言い方をすれば、
横加加速度Gy_dotがゼロの場合の後輪の配分比率を初期比率と定義し、
横加加速度Gy_dotが正のときには、後輪の配分比率を初期比率よりも大きくし、
横加加速度Gy_dotが負のときには、後輪の配分比率を初期比率よりも小さくするように変更する。
更に別の言い方をすれば、
横加速度の絶対値が増加するときには、前輪の配分比率を小さくし、後輪の配分比率を大きくするように変更し
横加速度の絶対値が減少するときには、前輪の配分比率を大きく、後輪の配分比率を小さくするように変更するということである。
横加加速度Gy_dotがゼロの場合の前輪の配分比率を初期比率と定義し、
横加加速度Gy_dotが正のときには、前輪の配分比率を初期比率よりも小さくし、
横加加速度Gy_dotが負のときには、前輪の配分比率を初期比率よりも大きくするように変更する。
別の言い方をすれば、
横加加速度Gy_dotがゼロの場合の後輪の配分比率を初期比率と定義し、
横加加速度Gy_dotが正のときには、後輪の配分比率を初期比率よりも大きくし、
横加加速度Gy_dotが負のときには、後輪の配分比率を初期比率よりも小さくするように変更する。
更に別の言い方をすれば、
横加速度の絶対値が増加するときには、前輪の配分比率を小さくし、後輪の配分比率を大きくするように変更し
横加速度の絶対値が減少するときには、前輪の配分比率を大きく、後輪の配分比率を小さくするように変更するということである。
数式(48)については、式(47)の場合と同様であり、ヨーレイトの絶対値が増加するときには、前輪の配分比率を小さく、後輪の配分比率を大きくするように変更し、ヨーレイトの絶対値が減少するときには、前輪の配分比率を大きく、後輪の配分比率を小さくするように変更するということである。
数式(49)については、式(47)の場合と同様であり、操舵角の絶対値が増加するときには、前輪の配分比率を小さく、後輪の配分比率を大きくするように変更し、操舵角の絶対値が減少するときには、前輪の配分比率を大きく、後輪の配分比率を小さくするように変更するということである。
さて、ここまでは、駆動力・制動力を前輪、後輪に適正に配分することにより、ステア特性を好適とし、操縦性と安定性の両方を向上する制御方法について述べた。以下では、その制御方法を用いた制御装置および車両について構成を述べる。
本発明の車両の運動制御装置を用いた車両の第一の実施例の全体構成を図11に示す。本実施例において車両0はフロントモータ21により左前輪11、右前輪12を駆動し、リアモータ22により、左後輪13、右後輪14を駆動する、2モータ前後配置EV/HEV四輪駆動車である(また、図11ではバッテリなどの電池部品についての記載は省略している)。
ドライバのステアリング40の操舵量は、操舵角センサ53により検出され、ADAS(Advanced driver assistance system)コントローラ30で操舵角速度の計算など、演算処理される。ドライバのアクセルペダル41の踏み込み量は、アクセルセンサ54により検出され、ADASコントローラ30で演算処理される。ドライバのブレーキペダル42の踏み込み量は、ブレーキセンサ55により検出され、ADASコントローラ30で演算処理される。そしてADASコントローラ30は、これらの量に応じて、フロントモータ21、リアモータ22に関して、図示しないインバータ等による電力制御、トルク制御を実施する。ADASコントローラ30から出力される、速度上昇(加速)、速度低下(減速)指令に基づいて、力行駆動および回生制動が可能となる。例えば、GVCで求められる減速度、目標速度指令などの前後運動指令に基づいて減速作用を発生させることができる。
つぎに本発明のセンサ群について述べる。
図11に示すように、横加速度センサ51とヨーレイトセンサ52は重心点近辺に配置されている。横加速度センサ51の出力を微分して横加加速度情報を得るロジック、およびヨーレイトセンサ52の出力を微分して、ヨー角加速度を得るロジックは、図12に示すように、ADASコントローラ30に内蔵されている。
また、特開2011-7353号公報に示されるように、車両速度、操舵角、車両運動モデルを用いた推定ヨーレイト・横加速度を用いて横加加速度あるいはヨー角加速度を得てもよいし、これらを例えばセレクト・ハイなどの処理により組み合わせて用いてもよい。
さらに、車両0には、ステレオカメラ56が搭載されている。ステレオカメラ56は、左右方向に2つの撮像素子であるCCDカメラで構成されている。
2つのCCDカメラは、たとえば車室内のルームミラー(図示せず)を挟むような形で配置され、車両前方の対象物を車両固定系の異なる座標から個別に撮像し、2つの画像情報をステレオ画像処理装置(ステレオカメラ56内に搭載)に出力する。なお、ここではCCDカメラを用いたが、CMOSカメラを用いても良い。
ステレオ画像処理装置には、ステレオカメラ56から画像情報が入力されるとともにADASコントローラ30を経由して車速Vが入力される。これらの情報に基づき、ステレオ画像処理装置は、ステレオカメラ56からの画像情報に基づいて車両0前方の立体物データや白線データ等の前方情報を認識し、自車走行路を推定する。本実施例においては、明示的にADASコントローラ30にてGVCおよびD+制御を実施し、フロントモータ21、リアモータ22を制御する構成としているが、両制御ロジックは演算量が非常に少ないために、ステレオカメラ56内のステレオ画像処理装置に搭載してもよい。これにより、衝突被害軽減ブレーキシステムを構成するために、すでに車両に搭載されているステレオカメラなどでコントローラを共有でき、コスト低減につながる。
図12に、本発明のADASコントローラ30とフロントモータ21と、リアモータ22の信号伝達構成を示す。
ADASコントローラ30には、操舵角、ヨーレイト、横加速度などの車両横運動情報、アクセル、ブレーキなどのドライバ情報が入力される。横運動情報は、それぞれ微分などの信号処理がなされ、操舵角速度、ヨー角速度、横加加速度が求められる(図12では、物理量として横加加速度で代表)。この横加加速度に対し、数式(1)同様にゲインCxyを掛けて、GVC加減速指令値を算出する。これにドライバからのアクセルによる加速指令、ブレーキによる減速指令を加えて、加減速指令を算出する。一方、ADASコントローラ30には、数式(45)、数式(48)数式(49)に示すように、横加加速度、ヨー角速度、操舵角速度に基づいて、配分オフセットDpを演算し、初期配分RFR0から加減算することにより、前後配分比RFRを計算しても良いし、図12に示すように、横軸が操舵角速度、ヨー角速度、横加加速度のマップとして、記憶しておいても良い。このような場合、2次元マップの傾きがCdpとなる。先の、加減速指令を前後配分比RFRに振り分け、前2輪を駆動するフロントモータ21とリア2輪を駆動するリアモータ22の回生・力行電力を制御して、加減速指令と近くなるように制御される。
図13は、本発明の実施形態をコーナリングシナリオに基づいて図示したものである。
進行方向に沿って左コーナーに進入すると、正の横加速度が立ち上がり、加加速度も正となる。よって、数式(1)にしたがってGVCによる減速指令が発生する。また、正の加加速度発生に伴い、数式(45)あるいはADASコントローラ30のマップに基づいて、RFRが小さくなり、結果として後輪への制動力配分が大きくなる(図13(a)、(b)の各輪制動力の矢印)。
次に、クリッピングポイント、あるいは定常旋回になると加加速度がゼロとなるために、加減速度指令もゼロとなり、制動/駆動力は発生しない(図13(c))。
さらに、左コーナーから脱出すると、正の横加速度が低下するということで、加加速度が負となる。よって、数式(1)にしたがってGVCによる加速指令が発生する。また、負の加加速度発生に伴い、数式(45)あるいはADASコントローラ30のマップに基づいて、RFRが大きくなり、結果として前輪への駆動力配分が大きくなる(図13(d)、(e))。
以上のように、本発明においては、旋回開始時に、後輪の制動力が大きくなり、脱出時に前輪の駆動力が大きくなるように、前後駆動力、制動力を変化させることができる。
本実施例においては、2モータ前後配置車両について言及したが、もちろん実施例前半でのタイヤ特性に基づいた解析内容は、これに限定されるものではなく、前後トルク配分装置を有し、内燃機関を1台搭載、あるいは電気モータを1台搭載した車両においてもハンドリング性能の向上が可能である。また、加速制御を行わず、減速制御のみに特化すると、摩擦ブレーキの前後配分制御としても適用が可能である。
以上のように、本発明によると、車両の操縦性と安定性の両方の向上を実現する、前後制駆動配分制御(D+)が具現化され、車両の運動制御装置およびそれを搭載された車両(トランスファー方式四輪駆動、2モータ前後配置車両)を提供することができる。また、制動側のみを考えると、前後配分を変更できるブレーキ装置、およびそれが搭載される車両に対しても適用可能である。また、本実施例においては、もっぱらGVCを適用した場合について言及したが、図12にあるように、ドライバのアクセル、ブレーキ情報のみに基づき、すなわちGVCゲインCxy=0の状態で、ドライバの加減速要求に基づいて、D+制御を行っても、ドライバが熟練運転者のように、的確な加減速を行っている前提においては、車両の操縦性と安定性の両方の向上を実現できる。
さて、最後に本発明を適用した車両と、適用していない車両の特徴について図14を用いて、述べておく(ただし、2モータ前後配置EV/HEVについて記載)。
まず、低速走行条件で、図1、2あるいは図13のようなコースを走行することを想定する。フロントモータ21とリアモータ22の電力(Pf、Pr)を計測し、フロントモータの電力比(Pf/(Pf+Pr))を計算する。本発明を適用した車両では、コーナー進入時にフロントモータの電力比がコーナー進入前に比べ低下する。またコーナー脱出時には、フロントモータ21の電力比が増加する。
次に同一コーナーを高速で走行した場合のフロントモータの電力比と、低速で走行した場合のフロントモータの電力比とを比較することを考える。同一コーナーを高速走行して辿るためには、必然的に操舵速度、ヨー角速度、横加加速度が低速走行する場合と比べて大きくなる。すると、数式(45)、数式(48)、数式(49)、あるいはマップなどの情報に従って、電力比のオフセット自体が大きくなり、図14(2)に示すように、本発明の低速条件での走行時に比べて、コーナー進入時にはよりフロントモータの電力比が小さくなり、コーナー脱出時にはよりフロントモータの電力比が大きくなる。これが本発明を搭載した車両の特徴である。
EV/HEVでない場合でも、同等な観点で、前後ブレーキ油圧、トランスファー締結力、あるいは、ホイール6分力計測にて、進入時には前輪が発生する減速力が小さくなり、脱出時には前輪が発生する駆動力が大きくなることで、本発明を搭載した車両か否かを判別することができる。
0 車両
11 左前輪
12 右前輪
13 左後輪
14 右後輪
21 フロントモータ
22 リアモータ
30 ADASコントローラ
40 ステアリング
41 アクセルペダル
42 ブレーキペダル
51 横加速度センサ
52 ヨーレイトセンサ
53 操舵角センサ
54 アクセルセンサ
55 ブレーキセンサ
56 ステレオカメラ
11 左前輪
12 右前輪
13 左後輪
14 右後輪
21 フロントモータ
22 リアモータ
30 ADASコントローラ
40 ステアリング
41 アクセルペダル
42 ブレーキペダル
51 横加速度センサ
52 ヨーレイトセンサ
53 操舵角センサ
54 アクセルセンサ
55 ブレーキセンサ
56 ステレオカメラ
Claims (15)
- 車両の横方向の運動に関連する入力値に基づいて、車両の前後方向の駆動力或いは制動力を制御する車両の制御方法において、
前記駆動力或いは制動力のうち前輪が担う前輪配分比率を前記入力値に基づいて変化させることを特徴とする車両の制御方法。 - 前記前輪配分比率を
前記入力値が増加するときには、前記入力値がゼロの場合の前輪配分比率よりも小さくなるように制御し、
前記入力値が減少するときは、前記入力値がゼロの場合の前輪配分比率よりも大きくなるように制御することを特徴とする車両の制御方法。 - 前記入力値は、車両の横加速度の絶対値であることを特徴とする請求項2に記載の車両の制御方法。
- 前記入力値は、車両のヨーレイトの絶対値であることを特徴とする請求項2に記載の車両の制御方法。
- 前記入力値は、操舵角の絶対値であることを特徴とする請求項2に記載の車両の制御方法。
- 前記入力値に応じた前記前輪配分比率の値が予め記憶されたマップを用いて、前記前輪配分比率を制御することを特徴とする請求項2に記載の車両の制御方法。
- 前記入力値が増加する時は、車両が減速するように制御し、前記入力値が減少する時は、車両が加速するように制御することを特徴とする請求項1乃至9の何れかに記載の車両の制御方法。
- 車両の前後加速度をx軸、車両の横加速度をy軸とし、車両の前方向をx軸の正、車両の操舵方向をy軸の正、とする車両固定座標系で、車両に操舵入力があった場合、あるいは車両がy方向に正である旋回を開始した場合に、車両の横加速度が正の方向に発生すると共に、車両の前後加速度が負の方向に発生することにより、前後加速度と横加速度を表示した座標の軌跡が、原点近傍から第II象限に向けて、時計回りのなめらかな曲線となることを特徴とする請求項10に記載の車両の制御方法。
- 制動力の前輪配分比率を小さくするということが、
前輪が発生する制動力、及び/又は、制動トルクを減らし、
制動力の前輪配分比率を大きくするということが、
前輪が発生する制動力、及び/又は、制動トルクを増やし、
駆動力の前輪配分比率を小さくすることが、
前輪が発生する駆動力、及び/又は、駆動トルクを減らし、
駆動力の前輪配分比率を大きくすることが、
前輪が発生する駆動力、及び/又は、駆動トルクを増やす、
ことである請求項2に記載の車両の制御方法。 - 前輪を駆動するフロントモータと、後輪を駆動するリアモータと、請求項1乃至13の何れかに記載の車両の制御方法を実行する制御装置と、を有し、前記フロントモータへの供給電圧を制御することにより、前記前輪の配分比率を変化させることを特徴とする車両制御システム。
- ステレオカメラを有し、前記制御装置がステレオカメラに内包されていることを特徴とする請求項13に記載の車両制御システム。
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