JP2002116080A - 車両質量の推定演算装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】車両安定化制御装置の演算に必要な車両質量を
ハードウエアによる計測を行うことなく推定する。 【解決手段】車速ｖで車両が走行中に運転操作により操
舵が行われたとき、その操舵角δに対する車両の反応を
ヨーレイト（ｄγ／ｄｔ）として検出し、これを時間積
分することによりヨーγを得る。これから自己回帰法に
より運動方程式を微分演算子ｓの二次式として導出す
る。一方、車両質量Ｍを係数の中に含む車両の力学的な
モデルの運動方程式を微分演算子ｓの二次式として得
る。二つの運動方程式の各次数の係数の値は互いに等し
いものとして、車両質量Ｍを推定演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両の動特性から
車両質量を推定演算する装置に関する。本発明は、車両
の姿勢安定制御の演算入力パラメタとなる車両質量（お
よび重心位置）を推定演算する装置に関する。本発明
は、バス・トラックなど商業車両の車両安定化制御装置
（ＶＳＣ、Vehicle Stability Control)に利用するため
に開発された装置であるが、その他の車両または装置に
も広く利用することができる。この明細書では車両自体
の質量に加えて、その車両に搭載される積み荷および搭
乗者の質量を含む総質量を車両質量ということにする。

【０００２】

【従来の技術】車両安定化制御装置の演算要素として、
車両質量は重要な要素である。特にバス・トラックなど
の商業車両では、乗客の搭乗状態あるいは積み荷の搭載
状態などにより車両質量が大きく変化する。従来の車両
安定化制御装置では、車両質量は、車両が停車している
静的な状態で計測する、または操作により設定入力する
などの方法が利用されている。

【０００３】車両質量を計測する方法としては、車体の
サスペンションの変位を利用する方法がある。これは、
ちょうどバネ秤により重量を計測する方法と同等であ
る。すなわち、車両に乗客または積み荷などの搭載物が
まったくないときの車体質量を工場出荷時の計測記録ま
たは製造仕様から知る。そしてこの積み荷がないときの
各サスペンションの変位（零荷重時）を記録しておく。
サスペンションの変位は車軸と車台との間に設けられた
車高センサにより電気信号として得られる。つぎに積み
荷などが搭載され、車両が発進する直前の各サスペンシ
ョンの変位（搭載荷重時）を測定値として記録する。こ
の二つの変位の差分は、その時点の車両の搭載物の質量
に相当する値であり、搭載物のないときの車体質量にこ
れを加えることにより車両質量を知ることができる。

【０００４】さらに簡便な方法として操作入力によるも
のが知られている。これは、積み荷がないときの車体質
量は製造仕様から知られているから、これに積み荷を
大、中、小、無し、の４段階程度の区分にして運転者が
ボタン操作により入力するものである。各段階に相当す
る質量をあらかじめ設定しておき、これを積み荷の質量
として車体質量に加算して車両質量とするものである。
なおしばしば車両重量と表現されるが、車両重量は〔車
両質量×重力加速度〕であり、この場合には重力加速度
は地上どこでも一定であるとして扱う。

【０００５】一般に、車両走行中の車両質量の変化は燃
料消費分のみでありこれは僅かである。したがって、車
両が停車している状態から、次に停車状態になるまでに
車両質量には変化がないとしても車両安定化制御のため
には実質的に問題はない。

【０００６】一方、本願出願人は、走行中の車両の挙動
に基づいて動的に、車両の重心高さを演算により推定す
る装置に関する発明を開示した（特開平 11-304663号公
報参照、以下「先願発明」という) 。この先願発明は、
積み荷などにより変化する車両の重心高さを走行中の車
両挙動から演算推定し、これを車両安定化制御装置の入
力パラメタとして利用するものである。この先願発明
は、走行中の車両が走行車線の変更などにより操舵を行
ったときに、操舵角（δ）、ロール（φ）および車速
（ｖ）を実測により観測し、この実測値から得られる操
舵角に対するロールの伝達関数を求め、これを車両の力
学モデルの伝達関数と対応させることにより、車両安定
化制御装置のパラメタとして必要な重心高さを求めるも
のである。

【０００７】さらにこの先願発明を簡単に説明すると、
直線走行中の車両に運転操作により操舵角（δ）を与え
ると、そのときの車速（ｖ）に応じて車体にロールが発
生する。ロールは車両の進行方向に対して垂直な平面内
における車両の重心まわりに生じる回転である。このと
きのロールレイトは車両に装備された加速度センサによ
りこれを観測することができる。ロールの量はロールレ
イトの時間積分値である。これに対して、車両安定化制
御装置には、車両の力学モデルが伝達関数として設定さ
れている。そのモデルに対して入力パラメタとして操舵
角（δ）を与えると、そのモデルの出力にはそのときの
車速（ｖ）に対応してロールが出力される。これはその
モデルに設定された伝達関数を利用した演算によるもの
である。このモデルに設定された伝達関数は微分演算子
（ｓ）の二次式として表すことができる。一方、実測に
よる入力に対応して得られる出力をＡＲ法（自己回帰
法）により同様に伝達関数として微分演算子（ｓ）の二
次式で表すことができる。この実測による伝達関数はそ
の係数値が実測値から一つに定まる。そしてこの実測に
よる伝達関数（二次式）は、上述のモデルによる伝達関
数（二次式）と等しいはずである。したがって、二つの
二次式の各次数（ｓの二乗、一乗、零乗）の係数は、二
つの伝達関数について等しいとすることにより複数の方
程式が成立する。ここで、上記力学モデルによる伝達関
数の係数には、車両の重心高さのパラメタが含まれてい
る。したがって、この方程式を連立方程式として車両の
重心高さについて解くことにより車両の重心高さを演算
により推定することができる。

【０００８】上記先願では、このようにして重心高さを
求める方法と、その試験結果を詳しく説明した。そし
て、このようにして求めた重心高さは、車両安定化制御
装置の入力パラメタとして有効に利用できることを説明
した。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上で説明した車両のサ
スペンションから車両質量を求める手法は、原理的であ
り明解な方法であるが、車軸と車台との距離、すなわち
車高を実測することが必要である。エアサスペンション
を装備した車両では、エアスプリングの空気圧を自動調
節するために車高センサを備えているが、板ばねによる
サスペンションを装備した車両には、車両安定化制御の
ために車高センサを別に設けることが必要である。ま
た、エアサスペンションを装備した車両でも、前輪車軸
が板ばねによるサスペンションを利用するものがあり、
このような車両では前輪車軸については別に車高センサ
を配備することが必要になる。

【００１０】本願発明者は、停車中の車両のサスペンシ
ョンの変位から車両質量を静的に求めるほかに、上で説
明した先願と同様な手法により、測定用のハードウエア
を装備することなく車両質量を動的に求めることができ
るのではないかに着眼した。

【００１１】すなわち本発明は、車両にハードウエアを
装備することなく現在の車両質量を演算により推定する
ことができる装置を提供することを目的とする。本発明
は、車両のサスペンションの変位を取り込むことができ
ない場合にも、現状の車両質量を推定演算することがで
きる装置を提供することを目的とする。本発明は、トラ
ックやバスなど、運用状況により車両質量が変化する車
両でも、車両安定化制御装置の内部演算により、車両質
量を推定演算することができる装置を提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、車両走行中に
運転操作により入力される操舵角に対応して発生する車
両のヨー（本発明の場合は先願と異なりロールではな
い）に着目し、演算装置内部に設定された力学的モデル
により得られるヨーと、実際に車両に装備されたヨーレ
イトセンサから得られるヨーとが等しいものとして連立
方程式を立て、これを車両質量について解くことにより
車両質量を推定演算するものである。

【００１３】ヨーとは、重心を含む垂直軸を想定すると
この垂直軸まわりに生じる車両回転である。ヨーレイト
はヨーの時間微分値である。ヨーレイトは車体に装備し
た加速度センサ（ヨーレイトセンサともいう）により観
測し、電気信号として得ることができる。ヨーレイトセ
ンサの出力を時間積分することによりヨーが得られる。

【００１４】すなわち本発明は、走行中に運転者が入力
する操舵角（δ）に対してヨー（γ）を出力する力学モ
デルによる伝達関数と、実車より採取されるデータから
ＡＲ法（自己回帰法）を用いて求められる操舵角（δ）
に対するヨー（γ）の伝達関数との各次数の係数が互い
に等しいものとして成立する方程式を解き、車両質量を
導出する手段を備えたことを特徴とする。

【００１５】さらに詳しくは、車両には自己回帰法（Ａ
Ｒ法）により走行状態でリアルタイムに自動更新される
車両応答特性を含む演算回路を備え、前記導出する手段
は、車両が走行している状態で運転操作により入力され
る操舵角を微分演算子ｓの関数δ（ｓ）として表すとと
もに、その操舵角により当該車両に発生するヨーを微分
演算子ｓの関数γ（ｓ）とするとき、操舵角に対するヨ
ーレイトの伝達関数（γ（ｓ）／δ（ｓ））は車両質量
がＭである車両の運動方程式から演算される値を微分演
算子ｓの二次式として表し、一方、前記演算回路により
演算される操舵角に対するヨーレイト伝達関数（φ
（ｓ）／δ（ｓ））を微分演算子ｓの二次式として表
し、前記二つの微分演算子ｓの二次式の各次数項の係数
がそれぞれ互いに等しいとする方程式により車両質量を
推定演算する手段を含む構成とすることができる。

【００１６】ここで、ＡＲ法とは、現在のデータを得る
ために、過去のデータに重み係数をかけて逆上って演算
を行う方法である。同様の手法に高速フーリエ演算法
（ＦＦＴ）がある。一般にＡＲ法とＦＦＴを比較する
と、ＦＦＴでは汎用のアナライザが簡単に入手できるこ
と、計算が開始されると演算は短時間で完結すること、
などの利点があるが、周波数の低い（周期の長い）成分
に対して適正な分解能を得るためには、その周期の２倍
ほどの時間にわたるデータが必要である。例えば大型車
両の挙動データには、百分の１ヘルツ（周期百秒）とい
うような周波数成分が含まれているので、実時間により
演算ができないことになる。これに対してＡＲ法では、
過去のデータに重み係数をかけて逆上って演算を行うの
で、相応の結果が逐一得られることになり実時間制御の
ための演算として適している。また、ＦＦＴ法ではデー
タの数が２の冪乗、すなわち２ⁿ でなければならない
が、ＡＲ法ではデータの数に制約がなくその時点毎に保
持するデータを用いて演算できるから自由度が大きくな
る。またＦＦＴ法ではクローズド・ループ、すなわち演
算結果が挙動データに直ちに帰還されるループ制御を行
うような場合の演算が原理的に不可能であるが、ＡＲ法
ではクローズド・ループ演算に適するものであり、自動
車の姿勢制御のようにつねにループ制御が行われている
装置では有利である。

【００１７】このような装置により推定演算により車両
質量を求めることにより、車両が走行している状態で車
両質量を推定することが可能になるとともに、車両質量
を計測するためのハードウエアをいっさい必要としない
ことになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明実施の形態の演算手
順を示すフローチャートである。車速ｖで走行中の車両
で車線変更のために操舵角δの操舵入力があったものと
する。車両にはその操舵入力に反応してヨー（γ）が発
生し、ヨーレイトセンサにこれがヨーレイト（ｄγ／ｄ
ｔ）として検出される。この実データ（ｖ，δ，γ）か
らＡＲ法（自己回帰法）により微分演算子ｓの二次式と
して運動方程式

【数１】 を得る。一方、車両安定化装置の内部に設定された力学
的な車両モデルから運動方程式を得る。この力学的な車
両モデルは微分演算子ｓの二次式として設定され、各次
数の係数には車両質量Ｍが含まれる。

【００１９】二つの運動方程式は互いに等しいはずであ
るから、微分演算子ｓの各次数の係数が等しい。いま微
分演算子ｓの二乗の項についてその係数が等しいとする
ことにより、

【数２】 を得る。

【００２０】上記［数２］の導出過程をさらに説明する
と、車両の平面２自由度運動方程式は、

【数３】 となり、これから伝達関数を求めると、

【数４】 のようになる。この式［数４］をＡＲ法で推定した伝達
関数

【００２１】

【数５】 となり、この式［数５］の係数ｂ₀ 、ｂ₁ について係数
比較し、ｍ（質量）および〔ｌｒ／ｌδ〕（重心位置）
について並びかえると、重心位置は、

【数６】 質量は、

【数７】 として導きだされる。

【００２２】上記数式の各記号は次のとおりである。 ｍ:車両質量 Ｖ：車両速度 ｋｆ：フロントコーナリングフォース ｆｒ：リアコーナリングフォース ｌｆ：フロント車軸から重心までの距離 ｌｒ：リア車軸から重心までの距離 ｌｆ＋ｌｒ：ホイールベース Ｉ：ヨー慣性モーメント β：横すべり角 γ：ヨーレイト δ：蛇角

【００２３】ここで、係数ａ₁ 、ａ₂ 、ｂ₀ およびｂ₁
はＡＲ法により定まる値であり、演算が実行されている
過程では演算装置の中にすでに保持されている値である
から、この保持されている値を用いて上記式［数７］を
演算することにより車両質量を推定演算することができ
る。

【００２４】この車両質量の値は、車体および積み荷を
含む値であり、走行中に大きい変動はないから、走行開
始から数分の時間が経過し、操舵が行われた直後の適当
な時にこの演算を実行し、この演算結果を保持してお
く。そしてこの演算結果は、車両の姿勢制御装置の一つ
のパラメタとして利用することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明により、車両
質量を計測するためのハードウエアはいっさい不要であ
り、車両安定化制御装置の内部で演算により車両質量を
求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例装置の演算手順を説明する図。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走行中に運転者が入力する操舵角（δ）
   に対してヨー（γ）を出力する力学モデルによる伝達関
   数と、実車より採取されるデータからＡＲ法（自己回帰
   法）を用いて求められる操舵角（δ）に対するヨー
   （γ）の伝達関数との各次数の係数が互いに等しいもの
   として成立する方程式を解き、車両質量を導出する手段
   を備えたことを特徴とする車両質量の推定演算装置。
2. 【請求項２】 車両には自己回帰法（ＡＲ法）により走
   行状態でリアルタイムに自動更新される車両応答特性を
   含む演算回路を備え、 前記導出する手段は、車両が走行している状態で運転操
   作により入力される操舵角を微分演算子ｓの関数δ
   （ｓ）として表すとともに、その操舵角により当該車両
   に発生するヨーを微分演算子ｓの関数γ（ｓ）とすると
   き、操舵角に対するヨーレイトの伝達関数（γ（ｓ）／
   δ（ｓ））は車両質量がＭである車両の運動方程式から
   演算される値を微分演算子ｓの二次式として表し、 一方、前記演算回路により演算される操舵角に対するヨ
   ーレイト伝達関数（φ（ｓ）／δ（ｓ））を微分演算子
   ｓの二次式として表し、 前記二つの微分演算子ｓの二次式の各次数項の係数がそ
   れぞれ互いに等しいとする方程式により質量Ｍを推定演
   算する手段を含む請求項１記載の車両質量の推定演算装
   置。