JP2005231417A

JP2005231417A - 車両状態量推定装置

Info

Publication number: JP2005231417A
Application number: JP2004040413A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Masushige; 浩之増茂
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】車輪に対応した基準車速を精度良く設定することを可能とした車両状態量推定装置を提供する。
【解決手段】車輪速センサで検出した車輪速ωと、車輪に働く３軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚとを読込み（ステップＳ１）、制動または駆動中か否かを判定し（ステップＳ３、Ｓ５）、制動中でも駆動中でもない場合には、車輪速ωを基にして基準車速Ｖｘｉを算出し（ステップＳ７）、制動中または駆動中の場合には、作用力センサの出力Ｆｘ、Ｆｚを基にして車輪の運動方程式を解くことにより、基準車速Ｖｘｉを算出する（ステップＳ１３）。さらに、操舵中の場合には、スリップ角βｉも作用力センサの出力Ｆｙ、Ｆｚを基にして算出することができる（ステップＳ１７）。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両状態量を推定する装置に関し、特に、制動・駆動制御等で用いる車輪ごとの基準車速を推定する機能を有する車両状態量推定装置に関する。

制動時に車輪（タイヤ）がスリップしないように制動力を制御することで制動時の車両の操縦性を維持するＡＢＳ（Anti lock Braking System）制御や、発進、加速時にタイヤがスリップしないように駆動力を制御することで駆動時の操縦性を維持するトラクション制御装置の普及が進んでいる。

ＡＢＳ制御やトラクション制御においては、制御の基準として車輪位置における車両速度である車速を判定する必要がある（以下、この車速を基準車速と称する）。特許文献１、特許文献２は、いずれも基準車速を精度良く判定することを目的とした技術を開示している。

特許文献１の技術は、ＡＢＳ制御装置において、車輪を選択的に惰走させて車輪速度と車速が等しくなった状態を検知し、その際の車輪速度を車速と設定する。

また、特許文献２では、ブレーキ液圧と車輪速度からグリップ状態の車輪を推定し、その車輪速度を基にして基準車速を設定するものである。
特開平７−１６５０５４号公報特開平１０−１８１５６４号公報

これらの技術では、全車輪のトレッド面が車両速度と同一の速度で移動していることが前提となっている。しかしながら、車輪と車体とは剛体で接続されているわけではなく、さらに、非直進時には左右の車輪で移動速度が異なってくる。このため、車両速度と各車輪のトレッド面の進行速度はずれが生ずるが、上記各文献の技術ではこのずれを考慮して基準車速を設定することができない。

そこで、本発明は、各車輪に対応した基準車速を精度良く設定することを可能とした車両状態量推定装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る車両状態量推定装置は、車両の各車輪に配置した車輪速センサの出力を基にして各車輪に適用する基準車速を推定する機能を有する車両状態量推定装置において、各車輪に作用する力の三軸方向の成分値を測定可能な作用力センサと、車輪が制動・駆動中であるかを判定する判定手段をさらに備えており、非制動中でかつ非駆動中である場合には、各車輪速センサの値から推定した車体速度を基準車速と推定し、制動中または駆動中の場合には、作用力センサの出力から求めた加減速度から基準車速を推定することを特徴とする。

車輪が非制動中でかつ非駆動中の状態、つまり車輪が惰走している状態では、車輪速度＝車体速度と判定できるため、基準車速として車体速度を採用する。一方、制動中または駆動中の場合には、車輪速度と車体速度とが一致するとは限らない。そこで、作用力センサの出力を基にして車輪の加減速度を求め、これを基にして車輪の移動速度（トレッド面の進行速度）を算出し、基準車速に設定する。

この判定手段は、車輪が操舵中であるか否かを判定する機能をさらに備えており、少なくとも操舵中の場合に、作用力センサの出力から求めた車輪の鉛直方向に作用する力成分と、車輪の左右方向に作用する力成分との比と基準車速を基にして車輪の向きと進行方向のなす角度であるスリップ角を算出するとよい。

操舵中に車輪がスリップすると、進行方向と車輪の向きとが一致しなくなる。その角度がスリップ角であり、ＶＳＣ（Vehicle Stability Control：車両安定性制御システム）等の制御量として用いられる。個々の車輪に作用する力から個々の車輪についてその運動方程式を解くことによりスリップ角を算出する。

本発明によれば、制御中に個々の車輪についてその基準車速を精度良く算出することができる。ＡＢＳ、ＶＳＣ、トラクション制御等の制御において、この基準車速を用いることにより、個々の車輪のスリップ状態、スリップ率を精度良く判定することができるため、各車輪に制動力、駆動力を適切に配分することができ、車両挙動の制御性が向上し、操縦性が向上する。

また、スリップ角についても精度良く算出することが可能となるため、操舵時に車両挙動を安定化させて、操縦性を確保することが可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る車両状態量推定装置を備える車両挙動制御装置の概略構成図である。この車両は、前輪１_ＦＬ、１_ＦＲを駆動する前輪駆動式の車両であり、エンジン２０と前輪１_ＦＬ、１_ＦＲは、変速系２２を挟んで接続されている。各車輪１（前輪１_ＦＬ、１_ＦＲと後輪１_ＲＬ、１_ＲＲ、以下、特に区別する必要がない場合には、添字_ＦＬ〜_ＲＲを省略する。）には、制動装置であるブレーキ３２（３２_ＦＬ〜３２_ＲＲ）と車輪の回転速度を検出する車輪速センサ１２（１２_ＦＬ〜１２_ＲＲ）が取り付けられており、車輪１内には、作用力センサ１５（１５_ＦＬ〜１５_ＲＲ）が配置されている。

図２は、車輪１の概略図である。車輪１は、ホイール１１の周囲にタイヤ１０が配置されており、作用力センサ１５は、ホイール１１内部に取り付けられている。作用力センサ１５は、少なくとも３軸方向の力を検出するものであり、この３軸は、タイヤ中心から鉛直下向きをｚ軸、車軸方向をｙ軸、これらに直交して車両前方に向かう方向をｘ軸とする。さらに、各軸回りのモーメントを測定可能なセンサを用いてもよい。この作用力センサ１５の出力は、有線または無線方式で車体に伝送される。

各車輪速センサ１２と、作用力センサ１５の出力は、車両挙動制御ＥＣＵ４内の車両状態量推定部４０に入力されている。この車両状態量推定部４０が、本発明に係る車両状態量推定装置の本体部分にあたる。車両挙動制御ＥＣＵ４は、エンジン２０を制御するエンジンＥＣＵ２１と、ブレーキアクチュエータ３０を制御するブレーキＥＣＵ３１を制御することで各車輪１に付与する制動力、駆動力のバランスを制御する。エンジンＥＣＵ２１には、アクセルペダル（図示せず）に取り付けられたアクセル開度センサ２３の出力が入力されており、ブレーキＥＣＵ３１には、ブレーキペダル（図示せず）に取り付けられたブレーキ開度センサ３３の出力が入力されている。

各ＥＣＵ４、２１、３１は、いずれもＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等によって構成されている。各ＥＣＵ４、２１、３１はハード的に分離されていてもよいし、ハード的にその一部または全部を共有し、ソフト的に区分されていてもよい。

この装置では、車輪速センサ１２と、作用力センサ１５の出力から各車輪における基準車速、スリップ角を算出する。以下、この算出動作について具体的に説明する。図３は、算出動作の処理フローチャートである。この算出動作は、車両状態量推定部４０においてエンジン２０が始動されてから停止されるまでの間、所定のタイミングで繰り返し実行される。以下の説明では、車輪ごとに区別することなく説明するが、実際の処理においては、個々の車輪ごとに同様の計算を行う。

まず、ステップＳ１では、車輪速センサ１２と、作用力センサ１５の出力値をそれぞれ読み込む。次に、ステップＳ３、Ｓ５では、制動中か、駆動中かをそれぞれ判定する。この判定は、ブレーキＥＣＵ３１、エンジンＥＣＵ２１から車両挙動制御ＥＣＵ４へと送信されるそれぞれの制御状態情報を基に判定することができる。あるいは、作用力センサの出力を基にして判定することもできる。

ステップＳ３、Ｓ５の判定の結果、制動中でも駆動中でもないと判定された場合には、ステップＳ７へと移行する。この場合は、全ての車輪が惰走状態であり、車輪外周面の転がり速度とトレッド面の進行速度とが一致する。この車輪外周面の転がり速度は車輪速センサ１２の出力から求めることができるから、基準車速は、車輪速センサ１２の出力のみから設定することができる。具体的には、車輪速センサ１２から求めた車輪回転数をω_ｉ（回転角／ｓ。以下、ｉは、対応する車輪を表す添字である）とすると、基準車速Ｖｘ_ｉ（ｋｍ／ｈ）は以下の式で表せる。

Ｖｘ_ｉ＝３．６×Ｒ_ｉ×ω_ｉ
ここで、Ｒ_ｉはタイヤ半径（ｍ）である。この場合、横方向へのタイヤの滑りは無視できるからスリップ角β_ｉは０に設定できる（ステップＳ９）。そして、算出したＶｘ_ｉと、β_ｉを出力して処理を終了する（ステップＳ１１）。

ステップＳ３またはＳ５で制動中または駆動中と判定された場合には、スリップしている可能性もあるため、車輪１の外周面の転がり速度とトレッド面の移動速度とが一致しない可能性がある。そこで、ステップＳ１３へと移動し、作用力センサ１５の出力を基にして基準車速を求める。

ここで、ある車輪１について、運動方程式を考える。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の力をそれぞれＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚとし、車輪１の質量をｍ_ｉとする（ｍ_ｉにはタイヤ、ホイールだけでなく、バネ下重量も含まれる）。このとき、ｘ軸方向の加速度をａ_ｉとすると、Ｆｘ_ｉ、Ｆｚ_ｉについて次式が成立する。
Ｆｘ_ｉ＝ｍ_ｉ×ａ_ｉ
Ｆｚ_ｉ＝ｍ_ｉ×ｇ
ここで、ｇは重力加速度である。これらの式からｍ_ｉを消去すると、ｘ軸方向の加速度ａ_ｉは、ａ_ｉ＝（Ｆｘ_ｉ／Ｆｚ_ｉ）×ｇで表せる。したがって、加速度ａ_ｉを積分すると、速度Ｖｘ_ｉが得られる。

実際の計算においては、差分法を用いるとよい。加速度ａ_ｉの時間変化に対して本演算のタイムステップΔｔが十分に小さい場合、前回のタイムステップにおける基準速度Ｖｘ_ｉ'に、今回求めた加速度ａ_ｉとタイムステップΔｔの積を加えることで今回のタイムステップにおける基準速度Ｖｘ_ｉを求めることができる。つまり、

Ｖｘ_ｉ＝Ｖｘ_ｉ'＋（Ｆｘ_ｉ／Ｆｚ_ｉ）×ｇ×Δｔ
となる。

次に、操舵中であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。例えば、舵角センサ４５の出力がハンドルの遊びの量を超えたときに操舵中と判定すればよい。

操舵中でない場合には、横方向への車輪のスリップは考慮しなくてもよいため、ステップＳ９へと移動して処理を終了する。操舵中の場合には、さらに、スリップ角β_ｉの算出を行う（ステップＳ１７）。

車輪１のｙ軸方向（車軸方向）への加速度をｂ_ｉとすると、Ｆｙ_ｉ、Ｆｚ_ｉについて次式が成立する。
Ｆｙ_ｉ＝ｍ_ｉ×ｂ_ｉ
Ｆｚ_ｉ＝ｍ_ｉ×ｇ
これらの式からｍ_ｉを消去すると、ｙ軸方向の加速度ｂ_ｉは、ｂ_ｉ＝（Ｆｙ_ｉ／Ｆｚ_ｉ）×ｇで表せる。さらに、スリップ角速度ｄβ_ｉ／ｄｔは、
ｄβ_ｉ／ｄｔ＝ｂ_ｉ／Ｖｘ_ｉ
で表せるから、このスリップ角速度を積分することにより、スリップ角β_ｉが得られる。

この場合も、実際の計算においては、差分法を用いるとよい。加速度ｂ_ｉの時間変化に対して本演算のタイムステップΔｔが十分に小さい場合、前回のタイムステップにおけるスリップ角β_ｉ'に、今回求めた加速度ｂ_ｉと基準速度Ｖｘ_ｉの比にさらにタイムステップΔｔを乗じた値を加えることで今回のタイムステップにおけるスリップ角β_ｉを求めることができる。つまり、

β_ｉ＝β_ｉ'＋（１／Ｖｘ_ｉ）×（Ｆｙ_ｉ／Ｆｚ_ｉ）×Δｔ
となる。

スリップ角β_ｉを求めたら、ステップＳ１１へと移行して、処理を終了する。

本実施形態では、車輪に働く作用力を検知し、その作用力から基準速度、スリップ角を推定するので、車輪ごとに基準速度、スリップ角を精度良く推定することができる。このため、個々の車輪がグリップ状態にあるか、スリップ状態にあるかも精度良く推定することができる。

さらに、この基準車速を用いてＡＢＳ、ＶＳＣ、トラクション制御等を行うと、各制御の制御精度が向上し、車両の操縦性、安定性が向上する。

ＡＢＳ制御では、車両挙動制御ＥＣＵ４は、各車輪１の車輪速センサ１２から検出した車輪速と、求めた基準車速とを比較することで、車輪１のスリップ状態を検出し、車輪１がスリップしない適切な制動力を付与するようブレーキＥＣＵ３１に指示してブレーキアクチュエータ３０からブレーキ３２に付与するブレーキ油圧を調整する。

ＶＳＣ制御では、車両挙動制御ＥＣＵ４は、スリップ角情報を基にして、車両の旋回中の挙動を判定し、タイヤの横滑りを検知した場合には、検知した車輪に応じてエンジンＥＣＵ２１およびブレーキＥＣＵ３１に指示して、駆動力、制動力を調整することで、横滑りを抑制して、車両の道路からの逸脱を防止する。

トラクション制御では、車両挙動制御ＥＣＵ４は、各車輪１の車輪速センサ１２から検出した車輪速と、求めた基準車速とを比較することで、車輪１のスリップ状態を検出し、車輪１がスリップしない適切な駆動力を付与するようエンジンＥＣＵ２１に指示して駆動輪に付与する駆動力を調整する。この際、ブレーキＥＣＵ３１に指示して各車輪１に付与する制動力を調整することで、駆動輪に付与される実駆動力（駆動力−制動力）を調整してもよい。

ここでは、基準車速、スリップ角の両方を求める場合を説明したが、スリップ角情報が必要でない場合等には、基準車速のみを求めてこれにより制御を行ってもよい。

本発明に係る車両状態量推定装置を備える車両挙動制御装置の概略構成図である。図１の車輪１の概略図である。図１の装置における基準車速算出動作の処理フローチャートである。

符号の説明

１…車輪、４…車両挙動制御ＥＣＵ、１０…タイヤ、１１…ホイール、１２…車輪速センサ、１５…作用力センサ、２０…エンジン、２１…エンジンＥＣＵ、２２…変速系、２３…アクセル開度センサ、３０…ブレーキアクチュエータ、３１…ブレーキＥＣＵ、３２…ブレーキ、３３…ブレーキ開度センサ、４０…車両状態量推定部、４５…舵角センサ。

Claims

車両の各車輪に配置した車輪速センサの出力を基にして各車輪に適用する基準車速を推定する機能を有する車両状態量推定装置において、
各車輪に作用する力の三軸方向の成分値を測定可能な作用力センサと、
車輪が制動・駆動中であるかを判定する判定手段をさらに備えており、
非制動中でかつ非駆動中である場合には、各車輪速センサの値から推定した車体速度を基準車速と推定し、制動中または駆動中の場合には、作用力センサの出力から求めた加減速度から基準車速を推定することを特徴とする車両状態量推定装置。
前記判定手段は、車輪が操舵中であるか否かを判定する機能をさらに備えており、少なくとも操舵中の場合に、前記作用力センサの出力から求めた車輪の鉛直方向に作用する力成分と、車輪の左右方向に作用する力成分との比と基準車速を基にして車輪の向きと進行方向のなす角度であるスリップ角を算出することを特徴とする請求項１記載の車両状態量推定装置。