JP2013241076A - サスペンション制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブルブル感を抑制することができるサスペンション制御装置を提供する。
【解決手段】 スケジューリングパラメータ演算器１４は、ばね上加速度a_2ijに基づいて、スケジューリングパラメータｐ_iを算出する。ゲインスケジュールドＨ∞制御器１５は、ばね上速度ｖ_2ijとスケジューリングパラメータｐ_iとに基づいて、制御器出力ｕ_ij′を出力する。カルマンフィルタ１６は、ばね上加速度a_2ij、ばね下加速度a_1ijおよび指令電流ｉ_ijに基づいて、推定ピストン速度ｖp_ijとばね下速度ｖ_1ijを出力する。グランドフック制御器１７は、ばね下速度ｖ_1ijに応じたばね下制振力ｕ_ij″を出力する。目標減衰力算出器１８は、制御器出力ｕ_ij′とばね下制振力ｕ_ij″とを加算して目標減衰力ｕ_ijを算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動車等の車両に搭載され、車両の振動を制御するサスペンション制御装置に関する。

一般に、自動車等の車両に搭載されたサスペンション制御装置として、車体と各車軸との間に減衰力を調整可能な制御ダンパ（緩衝器）を設けると共に、制御器を用いて制御ダンパによる減衰力特性を調整する構成としたものが知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。特許文献１には、ロバストゲインスケジュールド制御器を用いて制御ダンパの減衰力を調整し、路面に対する乗り心地を向上させる構成が開示されている。非特許文献１には、アクティブスタビライザを用いて車体のロール振動を抑制する構成が開示されている。

特開２０１１−２４０８２４号公報

山本敬一、西村秀和，「操舵安定性改善のためのアクティブスタビライザと電動パワーステアリングの分散制御系設計」，日本機械学会論文集，Ｃ編，２０１０年５月，第７６巻，第７６５号，ｐ．１２７１−１２７９

ところで、特許文献１には、ロバストゲインスケジュールド制御器によって、ばね上の振幅の大きさに応じて利得を調整し、ばね上共振付近の周波数領域での振動（以下、フワフワ感という）とばね上共振とばね下共振間の周波数領域での振動（以下、ヒョコヒョコ感という）の抑制を両立させる構成が開示されている。しかし、この構成では、ばね下共振が不動点のため、ばね下共振付近の周波数領域での振動（以下、ブルブル感という）を抑制することができないという問題がある。また、非特許文献１にも、ブルブル感を抑制する構成については開示されていない。

本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、ブルブル感を抑制することができるサスペンション制御装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る発明は、車体と車輪との間に介装され、前記車体と前記車輪との間に減衰力を発生させることにより前記車体の振動を抑制するサスペンション制御装置であって、指令信号に応じて前記減衰力を発生させる制御ダンパと、前記車体の運動を検出する運動検出手段と、検出された車体運動に基づいて制御器出力を算出するフィードバック制御器と、前記検出された車体運動と前記指令信号とに基づいて前記制御ダンパの推定ピストン速度とばね下速度とを算出するオブザーバと、該オブザーバによるばね下速度に応じたばね下制振力を算出するグランドフック制御器と、前記フィードバック制御器による制御器出力と該グランドフック制御器によるばね下制振力とに基づいて目標減衰力を算出する目標減衰力算出器と、該目標減衰力算出器による目標減衰力と前記オブザーバによる推定ピストン速度とに基づいて前記指令信号を出力する信号出力器とを備える構成としている。

本発明によれば、ブルブル感を抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態によるサスペンション制御装置を示すブロック図である。 ゲインスケジュールドＨ∞制御器の設計に用いる車両モデルを示す説明図である。 図３中のスタビライザモデルを示す説明図である。 １輪２自由度モデルにおける振動利得の周波数応答を示す特性線図である。 グランドフックダンパを適用した１輪２自由度モデルを示す説明図である。 第１の実施の形態によるゲインスケジュールドＨ∞制御器を設計するための車両モデルの拡大系を示すブロック図である。 第１の実施の形態によるゲインスケジュールドＨ∞制御器を設計するための一般化プラントを示すブロック図である。 周波数重み関数およびモデル化誤差の周波数特性を示す特性線図である。 路面速度からばね上速度までの閉ループ系の周波数応答を示す特性線図である。 第１の実施の形態によるカルマンフィルタを設計するための車両モデルを示す説明図である。 全状態量にプロセスノイズを考慮した状態空間ブロック線図である。 実際のピストン速度と推定ピストン速度との間のコヒーレンスの周波数特性を示す特性線図である。 横加速度および指令電流の時間変化を示す特性線図である。 ばね上加速度、ばね下加速度および指令電流の時間変化を示す特性線図である。 ばね上加速度のパワースペクトラム密度の周波数特性を示す特性線図である。 ばね下加速度のパワースペクトラム密度の周波数特性を示す特性線図である。 本発明の第２の実施の形態によるサスペンション制御装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態によるサスペンション制御装置を例えば４輪自動車に適用した場合を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。

なお、説明の煩雑化を避けるために、前，後を示す添字ｉと左，右を示す添字ｊとを符号に付して説明する。前，後を総称するときには添字ｉはそのままとし、前側を示すときには添字ｉはｆとし、後側を示すときには添字ｉはｒとする。また、左，右を総称するときには添字ｊはそのままとし、左側を示すときには添字ｊはｌとし、右側を示すときには添字ｊはｒとする。従って、右前（ｆｒ）、左前（ｆｌ）、右後（ｒｒ）、左後（ｒｌ）を総称するときには符号に添字ｉｊを付して説明する。また、使用する記号の一覧は、以下の表１に示す通りである。

図１は本発明の第１の実施の形態によるサスペンション制御装置を示している。第１の実施の形態では、図２および図３に示す車両モデル１を用いて後述のＧＳＨ∞制御器１５を設計する。

車両モデル１は自動車全体を前側と後側で２つに分けた左右２輪モデルである。車体２は、車両のボディを構成する。車体２の下側には、前，後，左，右の車輪３_ij（左前輪３_fl、右前輪３_fr、左後輪３_rl、左後輪３_rr）が設けられ、この車輪３_ijはタイヤ４_ijを含んで構成されている。このとき、タイヤ４_ijは、路面の細かい凹凸を吸収するばねとして作用する。また、左側の車輪３_ilと右側の車輪３_irとの間には、スタビライザ５が設けられる。このスタビライザ５は、左右に離間した一対の取付ブッシュ５Ａを介して車体２に取付けられる。そして、スタビライザ５は、ロールもしくは、左側の車輪３_ilと右側の車輪３_irとの間で上下動の差が発生することによって、ねじれ剛性Ｋ_stbi（Ｋ_stbr，Ｋ_stbr）によるスタビライザ反力Ｆ_stbi（Ｆ_stbr，Ｆ_stbr）を発生する。このとき、スタビライザ反力Ｆ_stbiは、以下の数１の式で表される。

サスペンション装置６_ijは、車体２と車輪３_ijとの間に介装して設けられる。このサスペンション装置６_ijは、懸架ばね７_ij（以下、ばね７_ijという）と、ばね７_ijと並列になって車体２と車輪３_ijとの間に設けられた制御ダンパとしての減衰力調整式ダンパ（以下、ダンパ８_ijという）とにより構成されている。

ここで、サスペンション装置６_ijのダンパ８_ijは、例えばセミアクティブダンパ等の減衰力調整式の油圧緩衝器を用いて構成される。このダンパ８_ijは、発生減衰力の特性（減衰力特性）をソフトな特性に固定するための固定部８Ａと、ソフトとハードとの間で変化させるための可変部８Ｂとを備えている。このため、ダンパ８_ijは、発生減衰力の特性（減衰力特性）をハードな特性（硬特性）からソフトな特性（軟特性）に調整するため、減衰力調整バルブ等からなるアクチュエータ（図示せず）を備えている。

また、ダンパ８_ijは、車体２と車輪３_ij間の推定ピストン速度ｖp_ijおよび目標減衰力ｕ_ijに応じてその減衰力特性が調整される。そして、ダンパ８_ijは、後述するコントローラ１１から出力される指令電流ｉ_ij（指令信号）に応じた減衰力を発生させる。

路面速度ｖ_0ijを外乱とし、状態変数を以下の数２に示すものとする。このとき、２輪モデルの状態方程式は数３の式で表される。

ばね上加速度センサ９は、車体２に設けられる。ばね上加速度センサ９は、所謂ばね上側となる車体２側で上，下方向の振動加速度（以下、ばね上加速度ａ_2ijという）を検出するため、例えばダンパ８_ijの近傍となる位置で車体２に取付けられている。そして、ばね上加速度センサ９は、ばね上加速度ａ_2ijを検出し、その検出信号を後述のコントローラ１１に出力する。なお、ばね上加速度センサ９は、４個の車輪３_ijに対応して４箇所に設ける構成としてもよく、４輪のうちいずれか３個に対応した位置に設け、残余の１箇所は幾何学的に算出する構成としてもよい。また、ばね上加速度ａ_2ijを直接的に検出する加速度センサでもよく、ＧＰＳ等を用いて間接的に検出するものでもよい。

ばね下加速度センサ１０は、車輪３_ij側に設けられる。ばね下加速度センサ１０は、所謂ばね下側となる車輪３_ij側で上，下方向の振動加速度（以下、ばね下加速度ａ_1ijという）を検出し、その検出信号を後述のコントローラ１１に出力する。

コントローラ１１は、マイクロコンピュータ等により構成される。コントローラ１１は、その入力側が加速度センサ９，１０等に接続され、出力側がダンパ８_ij等に接続されている。

図１に示すように、コントローラ１１は、フィードバック信号演算器１２（以下、ＦＢＳ演算器１２という）を備えている。このＦＢＳ演算器１２は、例えば積分器によって構成され、ばね上加速度センサ９からの検出信号を積分することによって、車体運動として、車体２の上，下方向に対する速度となるばね上速度ｖ_2ijを演算する。このため、ばね上加速度センサ９およびＦＢＳ演算器１２は、車体２の運動を検出する運動検出手段としての運動検出装置１３を構成し、フィードバック信号としてのばね上速度ｖ_2ijを出力する。

また、コントローラ１１は、後述するスケジューリングパラメータ演算器１４（以下、ＳＰ演算器１４という）と、フィードバック制御器となるゲインスケジュールドＨ∞制御器１５（以下、ＧＳＨ∞制御器１５という）と、カルマンフィルタ１６と、グランドフック制御器１７（以下、ＧＨ制御器１７という）と、非線形制御器２０とを備えている。

ＳＰ演算器１４は、車体運動となるばね上加速度ａ_2ijに基づいて路面状態に応じたパラメータｐ_iを算出する変動パラメータ算出手段を構成し、変動パラメータとしてのスケジューリングパラメータｐ_i（以下、パラメータｐ_iという）を演算する。このＳＰ演算器１４は、ばね上加速度ａ_2ijに基づいてばね上共振成分およびロール共振成分を取り出し、これらの共振成分に応じたパラメータｐ_iを算出する。

ＳＰ演算器１４は、例えば特許文献１と同様に構成される。このため、ＳＰ演算器１４は、バウンスレイトＢＲに基づく第１のパラメータｐ_biと、ピッチレイトＰＲに基づく第２のパラメータｐ_piと、ロールレイトＲＲに基づく第３のパラメータｐ_riとをそれぞれ演算し、これら第１〜第３のパラメータｐ_bi，ｐ_pi，ｐ_riのうち最大値を抽出し、この最大値をパラメータｐ_iとして出力する。

ＧＳＨ∞制御器１５は、後述するように図７に示す一般化プラントＧ_ghi（ｐ_i）に基づいて設計され、運動検出装置１３から出力されるばね上速度ｖ_2ijと、ＳＰ演算器１４から出力されるパラメータｐ_iとに基づいて、第１目標減衰力となる制御器出力ｕ_ij′を演算する。具体的には、ＧＳＨ∞制御器１５は、ばね上加速度ａ_2ijのうちばね上共振とロール共振に近い周波数成分に対しては利得が大きく、これら以外の周波数成分に対しては利得が小さくなるような周波数特性をもった制御器出力ｕ_ij′を出力する。

また、ＧＳＨ∞制御器１５は、パラメータｐ_iが最大値（ｐ_i＝１）に近付くに従って制御器出力ｕ_ij′の利得を上昇させ、最小値（ｐ_i＝０）に近付くに従って制御器出力ｕ_ij′の利得を低下させる。即ち、ＧＳＨ∞制御器１５は、ばね上共振付近やロール共振付近の振幅が大きいときには利得を上げてダンパ８_ijの減衰力をハード特性側にし、ばね上共振付近やロール共振付近の振幅が小さいときには利得を下げてダンパ８_ijの減衰力をソフト特性側にする。これにより、ＧＳＨ∞制御器１５は、ばね上の振幅の大きさに応じて利得を調整し、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させると共に、左右の振られ感の低減を図っている。

さらに、ＧＳＨ∞制御器１５は、制御器出力ｕ_ij′に加えて、制御器出力ｕ_ij′の時間微分に応じた時間微分出力Δｕ_ij′も出力する。

カルマンフィルタ１６は、ダンパ８_ijの非線形ダイナミクスを考慮して減衰特性可変部に対する推定処理を行うオブザーバを構成する。カルマンフィルタ１６は、ばね上加速度ａ_2ij、ばね下加速度ａ_1ijおよび指令電流ｉ_ijに基づいて、推定ピストン速度ｖp_ijとばね下速度ｖ_1ijを出力する。このとき、推定ピストン速度ｖp_ijは、車体２と車輪３_ijとの間の上，下方向の相対速度に対応している。また、カルマンフィルタ１６は、後述するように、全状態量分のプロセスノイズｗ_pnijを考慮して、オブザーバゲインＬ_ijが設計されている。

ＧＨ制御器１７は、以下の数４に示すように、カルマンフィルタ１６から出力されるばね下速度ｖ_1ijに応じたばね下制振力ｕ_ij″を出力する。このとき、Ｃ_ghijはＧＨ制御器１７のゲインを示している。このとき、ばね下制振力ｕ_ij″は、ばね下共振を抑制するように作用する。

また、ＧＨ制御器１７は、ばね下制振力ｕ_ij″に加えて、ばね下速度ｖ_1ijとばね下加速度ａ_1ijとに基づいてばね下制振力ｕ_ij″の時間微分に応じた時間微分出力Δｕ_ij″を演算し、出力する。

目標減衰力算出器１８は、ＧＳＨ∞制御器１５による制御器出力ｕ_ij′と、ＧＨ制御器１７によるばね下制振力ｕ_ij″とに基づいて目標減衰力ｕ_ijを算出する。具体的には、目標減衰力算出器１８は、加算器によって構成され、以下の数５の式に示すように、制御器出力ｕ_ij′とばね下制振力ｕ_ij″とを加算した目標減衰力ｕ_ijを出力する。

時間微分目標減衰力算出器１９は、ＧＳＨ∞制御器１５による時間微分出力Δｕ_ij′と、ＧＨ制御器１７による時間微分出力Δｕ_ij″とに基づいて目標減衰力ｕ_ijを時間微分した時間微分目標減衰力Δｕ_ijを算出する。具体的には、時間微分目標減衰力算出器１９は、加算器によって構成され、以下の数６の式に示すように、時間微分出力Δｕ_ij′と時間微分出力Δｕ_ij″とを加算した時間微分目標減衰力Δｕ_ijを出力する。

非線形制御器２０は、カルマンフィルタ１６から出力される推定ピストン速度ｖp_ijと、目標減衰力算出器１８から出力される目標減衰力ｕ_ijとに基づいて指令信号となる指令電流ｉ_ijを出力する信号出力器を構成している。ここで、非線形制御器２０は、推定ピストン速度ｖp_ijおよび目標減衰力ｕ_ijに加えて、時間微分目標減衰力算出器１９から出力される時間微分目標減衰力ｕ_ijに基づいて、ダンパ８_ijの非線形ダイナミクスを補償した指令電流ｉ_ijを生成する。この非線形制御器２０は、例えばバックステッピング法を適用することによって、加速度の過渡特性を改善してジャークを低減すると共に、ダンパ８_ijの時間遅れを抑制している。

次に、ＧＳＨ∞制御器１５の設計方法について、図４ないし図８を参照しつつ説明する。

図４に１輪２自由度モデルにおける周波数応答を示す。図４中の破線、一点鎖線、二点鎖線は、このような車両モデルにおいて、減衰力の制御を行わないとき、減衰力の制御ゲインをミドルゲインにしたとき、減衰力の制御ゲインをハイゲインにしたときをそれぞれ示している。図４に示すように、ばね下共振のゲイン特性は、車両モデルのタイヤ−路面間の減衰がないと仮定すると、１輪２自由度モデルの周波数応答では、制御サスペンションでは改善できない不動点が存在する。

これに対し、図４中の実線に示すように、ブルブル成分を低減するには、ばね下速度に依存して減衰力を発生するグランドフックダンパＧＨが有効である（図５参照）。但し、図４中の実線は、理想的なグランドフックダンパＧＨを適用した場合を示している。

今回用いる２輪モデルＰ_i（車両モデル１）にグランドフックダンパＧＨを導入すると、そのゲイン分だけモデル化誤差が大きくなる。このため、図６に示すように、予めグランドフックダンパＧＨのゲインＣ_ghi＝diag（ｃ_ghir，ｃ_ghil）を導入した拡大系Ｐ_ghiに対して、ＧＳＨ∞制御器１５となる制御器Ｋ_i（ｐ_i）を設計する。

まず、数５の式に示したように、目標減衰力ｕ_i＝［ｕ_ir，ｕ_il］^Ｔを、制御器出力ｕ_i′＝［ｕ_ir′，ｕ_il′］^Ｔとばね下制振力ｕ_i″＝［ｕ_ir″，ｕ_il″］^Ｔとを加算したものに変更する。このとき、制御器出力ｕ_i′は制御器Ｋ_i（ｐ_i）の出力である。次に、制御器Ｋ_i（ｐ_i）を設計するための２輪モデルＰ_iに入力する数３の式中の目標減衰力ｕ_ijに、数５の式を代入して、制御器出力ｕ_ij′を制御器Ｋ_i（ｐ_i）の出力とし、ばね下制振力ｕ_ij″を２輪モデルＰ_iのシステム行列内に押し込めて拡大系Ｐ_ghiを構築する（図６参照）。

制御器Ｋ_i（ｐ_i）を設計するために、拡大系Ｐ_ghiに基づく一般化プラントをパラメータｐ_iに依存した線形パラメータ変動システム（ＬＰＶシステム）に変換する。このとき、線形パラメータ変動システムは、車体２およびダンパ８_ijに基づく線形システムであって、路面状況のパラメータｐ_iに応じて変動する要素を有している。これにより、図７に示すように、パラメータｐ_iを導入した一般化プラントＧ_ghi（ｐ_i）を構築する。但し、拡大系Ｐ_ghiのままでは制御器Ｋ_i（ｐ_i）を設計できる条件を満たしていないので、平衡実現による低次元化手法を用いて９次から８次へ２輪モデルＰ_iの動特性を損なわないように低次元化モデルＰ_rghiを導出する。その上で、制御器出力ｕ_ij′に係る重み関数Ｗ_Tiをパラメータｐ_iに依存させ、ばね上振動状態やロール振動状態に応じてパラメータｐ_iを変動させる。

なお、この一般化プラントＧ_ghi（ｐ_i）では、例えば車体２および車輪３_ijに対して理想的なアクティブダンパが取り付けられたものを仮定している。この理想的なアクティブダンパは、例えば時間遅延することなく目標減衰力ｕ_ijに応じた減衰力を発生させることができるものである。

また、一般化プラントＧ_ghi（ｐ_i）は、制御器出力ｕ_i′に応じた制御入力と、路面外乱ｄ_w2iおよび観測ノイズｗ_niに応じた外乱入力ｗと、制御入力（制御器出力ｕ_i′）に周波数重み関数Ｗ_Ti(p_i)を乗じた制御量ｒ_uiを含む評価出力ｒと、車体運動に応じた制御出力（観測出力）とを有している。これに加え、評価出力ｒは、制御性能およびモデル変動を評価するための出力ｙ_Siとして、低次元化モデルＰ_rghiのばね上加速度、ロールレイト等に周波数重み関数Ｗ_Siを乗じた制御量ｒ_Siも含んでいる。

ここで、路面外乱ｄ_w2iは低次元化モデルＰ_rghiに作用し、観測ノイズｗ_niは低次元化モデルＰ_rghiの出力ｙ_iに加わる。また、図７中でｙ_i，ｙ_Siは、以下の数７の式に示す通りである。

一例として、図７に示す一般化プラントＧ_ghi（ｐ_i）を用いてフロントの制御器Ｋ_i（ｐ_i）を設計する際の重み関数Ｗ_Sf，Ｗ_Tfを図８に示す。ここで、重み関数Ｗ_Sf，Ｗ_Tfは、以下の数８の式に示す通りである。

図８に示すように、周波数重み関数Ｗ_Tf(p_f)は、パラメータｐ_fに応じて利得が全体的に上昇または下降する。即ち、パラメータｐ_fが１に近付くに従って、周波数重み関数Ｗ_Tf(p_f)は、全体的に目標減衰力ｕ_fjがハイゲインとなり、ハードな特性となるように設定される。これに対し、パラメータｐ_fが０に近付くに従って、周波数重み関数Ｗ_Tf(p_f)は、全体的に目標減衰力ｕ_fjがローゲインとなり、ソフトな特性となるように設定される。

また、Ｗ_sf1はばね上加速度ａ_2ijに係る重み関数であり、Ｗ_sf2はロール角θ_riに係る重み関数であり、Ｗ_sf4，Ｗ_sf5は定数重みである。なお、図８中に記載されたＷ_sf3はばね下加速度ａ_1ijに係る重み関数であるが、グランドフックダンパＧＨを導入せずに重み関数のみでばね下制振を試みた場合の一例を示したものであり、本発明では用いていない。図８中のＥrrorはグランドフックダンパＧＨの有無によるモデル化誤差を示したものである。

以上のような一般化プラントＧ_ghi（ｐ_i）に対してＨ_∞制御問題を解くことによって、ＧＳＨ∞制御器１５を求める。即ち、一般化プラントＧ_ghi（ｐ_i）が内部安定化し、以下の数９の式に示すように、外乱入力ｗから評価出力ｒまでの伝達関数ＧrwのＨ_∞ノルムが定数γ未満になるように、ＧＳＨ∞制御器１５を設計する。

具体的には、Ｈ_∞制御問題の解が存在するように、定数γの値を十分に大きな値を設定し、例えば線形行列不等式（ＬＭＩ）に基づく可解条件を調べる。２分法等のアルゴリズムを用いて、このような操作を繰り返し、Ｈ_∞制御問題の解が存在する定数γの最小値を求める。定数γの最小値に対して、ＧＳＨ∞制御器１５を例えばMatlab等の設計ＣＡＤを用いて数値計算により求める。これにより、ＧＳＨ∞制御器１５は、路面外乱ｄ_w2iおよび観測ノイズｗ_niに対してロバスト安定となる。

以上の操作を、パラメータｐ_iが最小となるとき（ｐ_i＝０）と最大となるとき（ｐ_i＝１）について行い、それぞれのＧＳＨ∞制御器１５の利得（Ｋ_i(ｐ_i)）を求める。これにより、ＧＳＨ∞制御器１５は、パラメータｐ_iの変動に対してロバスト安定となる。また、ＧＳＨ∞制御器１５の利得はパラメータｐ_iに応じて変化し、パラメータｐ_iはばね上の振動に応じて変化する。このため、ＧＳＨ∞制御器１５の利得は、ばね上の振動に応じて変化することになる。

以上のように設計したＧＳＨ∞制御器１５の効果を確認するために、路面速度ｖ_0ijからばね上速度ｖ_2ijまでの閉ループ系の周波数応答を調べた。その結果を図９に示す。なお、図９は、アクティブサスペンションと仮定した場合において、路面速度ｖ_0ijからばね上速度ｖ_2ijまでの閉ループ系の周波数応答を示している。

例えば、図９中の一点鎖線は、特許文献１と同様に、グランドフックダンパＧＨのゲインを０として制御器を設計した場合を示している。この場合、ばね下共振を抑制できていない。また、図９中の二点鎖線は、グランドフックダンパＧＨが無く、ばね下加速度ａ_1ijに係る重み関数Ｗ_Sf3を用いてばね下共振を抑制する制御器を設計した場合を示している。この場合、重み関数Ｗ_Sf3によりばね下共振を抑制するものの、斜線で示す部分が膨らんでしまいブルブル感を低減することが困難である。これらに対し、図９中に実線で示すように、グランドフックダンパＧＨを適用した本実施の形態では、ばね下共振を抑制してブルブル感を低減している。

次に、カルマンフィルタ１６の設計方法について、図１０ないし図１２を参照しつつ説明する。

まず、図１０に示す、１輪２自由度の車両モデル２１にダンパ応答遅れを考慮した拡大系を考える。この拡大系の状態方程式および出力方程式は、以下の数１０の式で表される。なお、数１０の式において、Ａ_ij，Ｂ_wij，Ｂ_uijは、以下の数１１の式に示す通りであり、Ｆ_uijはダンパ８_ijの可変部８Ｂによる減衰力を示し、Ｔ_ijは時定数を示している。

この系のオブザーバは、以下の数１２の式のように構成される。ここで、Ｌ_ijはオブザーバゲイン（カルマンゲイン）である。

観測誤差を数１３の式に示されるものとすると、数１４の式を得る。

右辺の括弧内の固有値が全て負となるように、オブザーバゲインＬ_ijを定常カルマンフィルタによる方法を用いて求める。いま、数１０の式において外乱を無視した系がガウス性白色雑音ｗ_ij(t)，ｖ_ij(t)を受けるとすると、以下の数１５の式を得る。

このとき、雑音ｗ_ij(t)，ｖ_ij(t)の平均値と共分散行列は、以下の数１６の式に示すものとする。ここで、Ｅ｛・｝は期待値を示し、δはデルタ関数である。

このとき、オブザーバゲインＬ_ijは、以下の数１７に示すリカッチ方程式の非負定対称行列解Ｐ_ijによって、数１８の式のように決定される。

センサによる雑音を観測値に含まれる雑音として、Ｒを数１９の式に示すものとする。但し、ｎ_rijは定数であり、mrは観測数である。このため、Ｉ_mrは、mr次の単位行列である。

外乱ｖ_0ijを入力値に含まれる雑音として、Ｑを数２０の式に示すものとする。但し、ｎ_qijは定数であり、ｎは全状態量の次数であり、数１１の式の場合は５次である。このため、Ｉ_nは、ｎ次の単位行列である。これらに基づいて、オブザーバゲインＬ_ijを得る。

サスペンション制御の場合、ノイズ成分については路面外乱ｄ_w2i（ｄ_w2i∝ｖ_0ij）のみを考慮して、オブザーバゲインを設計する場合が多い。これに対し、本実施の形態では、全状態量分のプロセスノイズｗ_pnijを考慮して、図１１に示す状態空間ブロック図に示すように、Ｂ_opijを加える。

解析による悪路走行時において、路面外乱ｄ_w2iのみを考慮した場合と本実施の形態とについて、実際のピストン速度と推定ピストン速度とのコヒーレンスを調べた。その結果を図１２に示す。

なお、路面外乱ｄ_w2iのみを考慮した場合には、Ｑを数２１に示したものとして、オブザーバゲインＬ_ijを求めた。この場合、図１２中に破線で示すように、ばね上共振とばね下共振との間のヒョコヒョコ感の周波数領域でコヒーレンスが低下している。これに対し、図１２中に実線で示すように、本実施の形態では、ヒョコヒョコ感の周波数領域で９０％以上のコヒーレンスが確保されており、この領域での推定精度が改善されている。

本実施の形態によるサスペンション制御装置は、上述の如き構成を有するもので、次に、コントローラ１１を用いてダンパ８_ijの減衰力特性を可変に制御する処理について説明する。

まず、コントローラ１１には、車両の走行時に図１および図２に示すように、ばね上加速度センサ７からばね上（車体２）側の上，下方向の振動加速度の検出信号が入力される。このとき、コントローラ１１に設けられたＦＢＳ演算器１２は、ばね上加速度センサ９による振動加速度の検出信号を積分し、車体２の上，下方向の速度をばね上速度ｖ_2ijとして算出する。また、コントローラ１１に設けられたＳＰ演算器１４は、４輪のばね上加速度ａ_2ijに基づいてばね上共振成分やロール共振付近に応じたパラメータｐ_iを算出する。そして、ＧＳＨ∞制御器１５は、パラメータｐ_iおよびばね上速度ｖ_2ijに基づいて制御器出力ｕ_ij′を演算する。

また、カルマンフィルタ１６は、ばね上加速度ａ_2ij、ばね下加速度ａ_1ijおよび指令電流ｉ_ijに基づいて、推定ピストン速度ｖp_ijとばね下速度ｖ_1ijを出力する。ＧＨ制御器１７は、ばね下速度ｖ_1ijに応じたばね下制振力ｕ_ij″を出力する。目標減衰力算出器１８は、ＧＳＨ∞制御器１５による制御器出力ｕ_ij′と、ＧＨ制御器１７によるばね下制振力ｕ_ij″とを加算して、目標減衰力ｕ_ijを算出する。これにより、コントローラ１１は、目標減衰力ｕ_ijに基づいてダンパ８_ijの減衰力を調整し、ダンパ８_ijを用いて車体２のバウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイト等の運動をフィードバック制御する。

ここで、ＧＳＨ∞制御器１５は、ばね上共振を抑制する制御器出力ｕ_ij′を演算する。また、ＧＳＨ∞制御器１５は、スタビライザ５を含む左右２輪モデルに基づいて設計され、スタビライザ反力Ｆ_stbiを考慮してロール共振を抑制する制御器出力ｕ_ij′を演算する。これに加え、ＧＨ制御器１７は、ばね下共振を抑制するばね下制振力ｕ_ij″を演算する。このため、制御器出力ｕ_ij′とばね下制振力ｕ_ij″とを加算した目標減衰力ｕ_ijに基づいてダンパ８_ijの減衰力を調整するから、制御器出力ｕ_ij′によってフワフワ感、ヒョコヒョコ感、左右の振られ感をいずれも低減することができると共に、ばね下制振力ｕ_ij″によってブルブル感を低減することができる。

本実施の形態の有効性を検証するために、実車による走行試験を行った。その結果を図１３ないし図１６に示す。

図１３は、ロールを励起する路面を走行した場合について、左右方向の加速度（横加速度）および指令電流ｉ_ijの時間変化を示している。図１３中の破線は、スタビライザ５を考慮しない１輪モデルを用いて制御器を設計した場合を示している。この場合、スタビライザ５を考慮していないため、ロール共振が低減されていない。これに対し、図１３中の実線に示すように、左右２輪モデル（車両モデル１）を用いた本実施の形態では、ロール共振を低減しており、１輪モデルを用いて場合に比べて、ロール共振の低減効果が例えば３８％程度向上している。

図１４は、ばね下共振を励起する突起を乗り越した場合について、ばね上加速度ａ_2ij、ばね下加速度ａ_1ijおよび指令電流ｉ_ijの時間変化を示している。図１４中の破線は、ＧＨ制御器１７を省いた場合を示し、図１４中の実線は、ＧＨ制御器１７を適用した本実施の形態を示している。本実施の形態とＧＨ制御器１７を省いた場合とを比較すると、両者のばね上加速度ａ_2ijの制振効果はほぼ同程度であるが、本実施の形態では、ＧＨ制御器１７を省いた場合に比べて、ばね下を制振して、ピークを抑えると共に、ばね下振動の収束も早くなっている。

図１５および図１６は、乗り心地試験用のコースを走行した場合について、ばね上加速度ａ_2ijおよびばね下加速度ａ_1ijのパワースペクトラム密度（ＰＳＤ）を示している。図１５および図１６中の破線は、従来技術（特許文献１）としてＧＨ制御器１７を省いた場合を示し、図１５および図１６中の実線は、本実施の形態を示している。本実施の形態では、ＧＨ制御器１７を省いた従来技術に比べて、フワフワ感、ヒョコヒョコ感、ブルブル感がいずれも低減している。

かくして、本実施の形態では、ＧＳＨ∞制御器１５による制御器出力ｕ_ij′と、ＧＨ制御器１７によるばね下制振力ｕ_ij″とに基づく目標減衰力ｕ_ijに応じて、制御ダンパ８_ijが発生する減衰力を制御した。このため、ＧＳＨ∞制御器１５による制御器出力ｕ_ij′に応じて、フワフワ感とヒョコヒョコ感を抑制することができると共に、ＧＨ制御器１７によるばね下制振力ｕ_ij″に応じて、ブルブル感を抑制することができる。

また、車体２および制御ダンパ８_ijに基づく車両モデル１にＧＨ制御器１７を適用した拡大系Ｐ_ghiを構築し、ＧＳＨ∞制御器１５は、該拡大系Ｐ_ghiから導出された一般化プラントＧ_ghi（ｐ_i）に基づいて設計した。このため、ＧＳＨ∞制御器１５による制御器出力ｕ_ij′と、ＧＨ制御器１７によるばね下制振力ｕ_ij″とに基づいて目標減衰力ｕ_ijを算出するときでも、ＧＨ制御器１７を考慮してＧＳＨ∞制御器１５を設計することができる。この結果、ＧＨ制御器１７の適用に伴うモデル化誤差を吸収して、サスペンション制御装置のロバスト性を確保することができる。

また、全状態量分のプロセスノイズｗ_pnijを考慮してオブザーバゲインＬ_ijを設計したカルマンフィルタ１６によってオブザーバを構成した。このため、例えば路面速度ｖ_0ijの外乱のみを考慮してオブザーバゲインを設計した場合に比べて、推定ピストン速度ｖp_ijやばね下速度ｖ_1ijの推定精度を高めることができる。この結果、ＧＨ制御器１７によって算出されるばね下制振力ｕ_ij″の精度も高めることができ、ブルブル感等の抑制効果を高めることができる。

さらに、ＧＳＨ∞制御器１５の設計に用いる車両モデル１は、左右の車輪３_il，３_ir間にスタビライザ５を設けた左右２輪モデルであるから、ＧＳＨ∞制御器１５は、スタビライザ反力Ｆ_stbiを考慮して制御器出力ｕ_ij′を演算することができ、ロール共振を抑制して、左右の振られ感を低減することができる。

次に、図１７は本発明の第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、目標減衰力と推定ピストン速度に基づいて指令電流を出力する指令電流マップによって信号出力器を構成したことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

第２の実施の形態によるコントローラ３１は、第１の実施の形態によるコントローラ１１と同様に構成され、ＦＢＳ演算器１２、ＳＰ演算器１４、ＧＳＨ∞制御器１５、カルマンフィルタ１６、グランドフック制御器３２（以下、ＧＨ制御器３２という）、目標減衰力算出器１８および指令電流マップ３３を備えている。

ＧＨ制御器３２は、数４の式を演算し、カルマンフィルタ１６から出力されるばね下速度ｖ_1ijに応じたばね下制振力ｕ_ij″を出力する。但し、ＧＨ制御器３２には、ばね下加速度ａ_1ijは入力されず、ばね下制振力ｕ_ij″の時間微分も演算しない。この点で、ＧＨ制御器３２は、第１の実施の形態によるＧＨ制御器１７とは異なっている。

指令電流マップ３３は、信号出力器を構成し、カルマンフィルタ１６から出力される推定ピストン速度ｖp_ijと、目標減衰力算出器１８から出力される目標減衰力ｕ_ijとに基づいて指令信号となる指令電流ｉ_ijを出力する。具体的には、指令電流マップ３３は、推定ピストン速度ｖp_ijおよび目標減衰力ｕ_ijが特定されたときに、これらに応じた指令電流ｉ_ijを決定するマップによって構成される。そして、ダンパ８_ijは、指令電流マップ３３から出力された指令電流ｉ_ijに応じた減衰力を発生させる。

かくして、このように構成される本実施の形態によるコントローラ３１を用いた場合でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。

なお、前記第１の実施の形態では、一般化プラントＧ_ghi（ｐ_i）の評価出力には、制御入力（目標減衰力ｕ_ij）に周波数重み関数Ｗ_Ti(ｐ_i)を乗じた制御量ｒ_uiに加えて、ばね上加速度等に周波数重み関数Ｗ_Siを乗じた制御量ｒ_Siを含む構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、一般化プラントは、制御量ｒ_Siを省き、制御入力に周波数重み関数Ｗ_Ti(ｐ_i)を乗じた制御量ｒ_uiだけを評価出力とする構成としてもよい。

前記各実施の形態では、ロバストゲインスケジュールド制御器としてＧＳＨ∞制御器１５を例に挙げて説明した。しかし、ロバストゲインスケジュールド制御器は、例えばゲインスケジューリング型スライディングモード制御器のように、安定性や制御性能の理論的な保証を与えるものであり、かつ観測値を用いて制御器のゲインをリアルタイムに調整できる制御器であればよい。

前記各実施の形態では、左右２輪モデルからなる車両モデル１に基づいてＧＳＨ∞制御器１５を設計したが、例えば１輪モデルからなる車両モデルに基づいてＧＳＨ∞制御器を設計してもよい。

前記各実施の形態では、ロバスト制御器としてＧＳＨ∞制御器１５を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えばＳＰ演算器１４を省いたＨ∞制御器でもよい。

前記各実施の形態では、全状態量分のプロセスノイズを考慮してオブザーバゲインを設計したカルマンフィルタによってオブザーバを構成したが、従来技術と同様に、路面外乱に基づいてオブザーバゲインを設計してもよい。

前記各実施の形態では、制御ダンパがセミアクティブダンパからなる減衰力調整式ダンパ８_ijである場合を例に説明したが、これに代えて、アクティブダンパ（電気アクチュエータ、油圧アクチュエータのいずれか）を用いるようにしてもよい。

次に、前記各実施の形態に含まれる発明について記載する。本発明によれば、検出された車体運動に基づいて制御器出力を算出するフィードバック制御器と、オブザーバによるばね下速度に応じたばね下制振力を算出するグランドフック制御器とを備える構成とした。このため、フィードバック制御器による制御器出力とグランドフック制御器によるばね下制振力とに基づく目標減衰力に応じて、制御ダンパが発生する減衰力を制御することができる。この結果、フィードバック制御器による制御器出力に応じて、フワフワ感とヒョコヒョコ感を抑制することができると共に、グランドフック制御器によるばね下制振力に応じて、ブルブル感を抑制することができる。

また、本発明によれば、前記車体および前記制御ダンパに基づく車両モデルに前記グランドフック制御器を適用した拡大系を構築し、前記フィードバック制御器は、該拡大系から導出された一般化プラントに基づいて設計され、路面外乱および観測ノイズに対してロバスト安定となるロバスト制御器によって構成した。このため、フィードバック制御器による制御器出力とグランドフック制御器によるばね下制振力とに基づいて目標減衰力を算出するときでも、グランドフック制御器を考慮してロバスト制御器を設計することができる。この結果、サスペンション制御装置のロバスト性を確保することができる。

また、本発明によれば、前記オブザーバは、全状態量分のプロセスノイズを考慮してオブザーバゲインを設計したカルマンフィルタによって構成した。このため、例えば路面外乱のみを考慮してオブザーバゲインを設計した場合に比べて、推定ピストン速度やばね下速度の推定精度を高めることができる。この結果、グランドフック制御器によって算出されるばね下制振力の精度も高めることができ、ブルブル感等の抑制効果を高めることができる。

また、本発明によれば、前記ロバスト制御器の設計に用いる前記車両モデルは、左右の車輪間にスタビライザを設けた左右２輪モデルである。このため、ロバスト制御器は、スタビライザ反力を考慮して制御器出力を演算することができ、ロール共振を抑制して、左右の振られ感を低減することができる。

また、本発明によれば、前記車両モデルは、線形システムであって、路面状況に応じて変動する要素を有する線形パラメータ変動システムからなり、前記ロバスト制御器は、該線形パラメータ変動システムと前記グランドフック制御器とに基づいて設計されたゲインスケジュールドＨ∞制御器によって構成し、前記運動検出手段によって検出された車体運動に基づいて路面状態に応じた変動パラメータを算出する変動パラメータ算出手段を備え、前記ゲインスケジュールドＨ∞制御器は、該変動パラメータ算出手段によって算出された変動パラメータに応じて前記制御器出力の利得を変化させる構成とした。これにより、例えばばね上共振成分やロール共振成分の大きさに応じて変動パラメータを変化させると共に、この変動パラメータに応じて制御器出力の利得を変化させることができる。この結果、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させることができる。

また、本発明によれば、前記信号出力器は、バックステッピング法を用いて前記制御ダンパの非線形ダイナミクスを補償する前記指令信号を出力する非線形制御器である。これにより、制御ダンパの非線形ダイナミクスを補償した状態で制御ダンパの減衰力を発生させることができ、ジャーク（加速度の微分）を低減することができる。

また、本発明によれば、前記制御ダンパは、前記推定ピストン速度および前記目標減衰力に応じてその減衰力特性が調整される減衰力調整式ダンパである。これにより、例えば減衰力が推定ピストン速度および目標減衰力に依存するセミアクティブダンパにも適用することができる。

１ 車両モデル
２ 車体
３_ij 車輪
４_ij タイヤ
５ スタビライザ
６_ij サスペンション装置
７_ij 懸架ばね
８_ij 減衰力調整式ダンパ（制御ダンパ）
９ ばね上加速度センサ
１０ ばね下加速度センサ
１１，３１ コントローラ
１２ フィードバック信号演算器（ＦＢＳ演算器：積分器）
１３ 運動検出装置（運動検出手段）
１４ スケジューリングパラメータ演算器（ＳＰ演算器）
１５ ゲインスケジュールドＨ∞制御器（ＧＳＨ∞制御器）
１６ カルマンフィルタ
１７，３２ グランドフック制御器（ＧＨ制御器）
１８ 目標減衰力算出器
２０ 非線形制御器（信号出力器）
３３ 指令電流マップ（信号出力器）

Claims (7)

1. 車体と車輪との間に介装され、前記車体と前記車輪との間に減衰力を発生させることにより前記車体の振動を抑制するサスペンション制御装置であって、
   指令信号に応じて前記減衰力を発生させる制御ダンパと、
   前記車体の運動を検出する運動検出手段と、
   検出された車体運動に基づいて制御器出力を算出するフィードバック制御器と、
   前記検出された車体運動と前記指令信号とに基づいて前記制御ダンパの推定ピストン速度とばね下速度とを算出するオブザーバと、
   該オブザーバによるばね下速度に応じたばね下制振力を算出するグランドフック制御器と、
   前記フィードバック制御器による制御器出力と該グランドフック制御器によるばね下制振力とに基づいて目標減衰力を算出する目標減衰力算出器と、
   該目標減衰力算出器による目標減衰力と前記オブザーバによる推定ピストン速度とに基づいて前記指令信号を出力する信号出力器とを備えたサスペンション制御装置。
2. 前記車体および前記制御ダンパに基づく車両モデルに前記グランドフック制御器を適用した拡大系を構築し、
   前記フィードバック制御器は、該拡大系から導出された一般化プラントに基づいて設計され、路面外乱および観測ノイズに対してロバスト安定となるロバスト制御器によって構成してなる請求項１に記載のサスペンション制御装置。
3. 前記オブザーバは、全状態量分のプロセスノイズを考慮してオブザーバゲインを設計したカルマンフィルタによって構成してなる請求項２に記載のサスペンション制御装置。
4. 前記車両モデルは、左右の車輪間にスタビライザを設けた左右２輪モデルである請求項２または３に記載のサスペンション制御装置。
5. 前記車両モデルは、線形システムであって、路面状況に応じて変動する要素を有する線形パラメータ変動システムからなり、
   前記ロバスト制御器は、該線形パラメータ変動システムと前記グランドフック制御器とに基づいて設計されたゲインスケジュールドＨ∞制御器によって構成し、
   前記運動検出手段によって検出された車体運動に基づいて路面状態に応じた変動パラメータを算出する変動パラメータ算出手段を備え、
   前記ゲインスケジュールドＨ∞制御器は、該変動パラメータ算出手段によって算出された変動パラメータに応じて前記制御器出力の利得を変化させてなる請求項２ないし４のいずれかに記載のサスペンション制御装置。
6. 前記信号出力器は、バックステッピング法を用いて前記制御ダンパの非線形ダイナミクスを補償する前記指令信号を出力する非線形制御器である請求項１ないし５のいずれかに記載のサスペンション制御装置。
7. 前記制御ダンパは、前記推定ピストン速度および前記目標減衰力に応じてその減衰力特性が調整される減衰力調整式ダンパである請求項１ないし６のいずれかに記載のサスペンション制御装置。

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