JP4724163B2 - 車体速度推定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、車体速度推定装置に係り、特に、前後車体速度及び横車体速度を状態量とみなすと共にヨー角速度を状態量とは無関係な時間に応じて変化する時変パラメータとみなした剛体の運動方程式が、横車体速度 または前後車体速度及び横車体速度を出力とした場合に観測可能な制御対象になることに着目し、時変パラメータを含むオブザーバによって横車体速度 または前後車体速度及び横車体速度を推定する車体速度推定装置に関する。
車体横速度に対応する車体スリップ角の推定は、従来、タイヤの横力をタイヤのスリップ角の関数として記述した横方向の車両運動モデルに基づいて行われている。この車両運動モデルは、ヨー角速度と横速度またはスリップ角を状態量とした運動方程式を用いており、多くの場合、ヨー角速度や横加速度を出力としたオブザーバを構成している。
しかしながら、実際の車両運動モデルは、タイヤのスリップ角と横力との関係をモデルとして含むものである。従って、実際の車両モデルと使用する車両モデルとが一致しない非線形領域では、パラメータであるコーナリングパワーを補正したり（特許文献１）、モデルを用いない積分手法に切り替えたり（特許文献２）する等、補正手段による複雑な補正が必要となる。
また、車体の前後方向と横方向との運動に基づいてスリップ角を推定する従来技術として、車両不安定挙動推定手法（非特許文献１）が知られている。この技術は、車体に発生する加速度が遠心加速度と一致するという仮定から、車体の前後方向加速度の値と横方向加速度の値とから遠心加速度の方向を推定し、この推定した遠心加速度の方向からスリップ角を推定する手法である。
特開昭６２−８３２４７号公報
特開平８−３３２９３４号公報
「車両不安定挙動推定手法の開発」塩澤ほか：自動車技術会学術講演会２００６５７０８
しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２の技術では、上記の複雑な補正を適切に行うことは容易な問題ではなく、また、積分手法を長時間継続すると、車載センサのドリフト誤差の影響を受け、推定精度が劣化する等の問題が発生する。
また、上記非特許文献１の技術では、車両運動モデルを利用する必要がないことから、走行路面の影響を受けないという利点がある一方、車体に発生する加速度が遠心加速度と一致すると仮定しているため、車両の加減速時等、遠心加速度以外の加速度が発生する状況では、正確にスリップ角を推定できない、という問題がある。
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、走行する路面の影響を受ける車両運動モデルを用いることなく、車体の剛体運動としての前後車体速度と横車体速度とを状態量とする運動方程式に基づいて車体速度を推定することにより走行する路面の変化に関係なく常に正確な推定を可能とした車体速度推定装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために第１の発明は、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、前記前後車体速度及び車両横方向の車体速度である横車体速度を車両運動の状態量として、車両運動の前後加速度、横加速度、及びヨー角速度の各検出値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、並びに前記前後車体速度の演算値と前記ヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積に基づいて、前記横車体速度を推定する車体速度推定手段と、を含んで構成したものである。
また、第２の発明は、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、前記前後車体速度及び車両横方向の車体速度である横車体速度を車両運動の状態量とすると共に、前記前後車体速度の演算値と前後車体速度の推定値との偏差とヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積をフィードバック量として、車両運動の前後加速度、横加速度、及びヨー角速度の各検出値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、並びに前記偏差とヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積に基づいて、前記前後車体速度及び前記横車体速度を推定する車体速度推定手段と、を含んで構成したものである。
第１の発明及び第２の発明は、前後車体速度及び横車体速度を状態量と見なすとともに、ヨー角速度を状態量とは無関係な時変のパラメータと見なした剛体の運動方程式が、前後車体速度または横車体速度を出力とした場合、観測可能な制御対象となることに着目し、状態量と無関係な時変パラメータとしてヨー角速度を含む車体速度推定手段としてのオブザーバを構成するようにしたものである。
このオブザーバは、走行する路面の影響を受ける車両運動モデルを用いずに、車体の剛体運動としての前後車体速度と横車体速度とを状態量とする運動方程式に基づいて構成しているため、タイヤ特性などの変動を受けることなく、走行する路面の変化に関係なくどのような走行状態でも常に正確な車体速度の推定が可能となる。
さらに、前後車体速度を出力としたオブザーバを構成した場合、車輪速から演算される前後車体速度の演算値とオブザーバで推定される前後車体速度の推定値との偏差をフィードバック量とすることで、車載センサのドリフトによる積分誤差の影響に対してロバストに推定することができる。
また、前後車体速度の演算値と前後車体速度の推定値との偏差にヨー角速度の絶対値から得られる値、例えばヨー角速度の絶対値に比例したゲイン（絶対値の所定倍の値）を乗じた積をフィードバック量とすることにより、オブザーバの極配置を時変パラメータであるヨー角速度の値に依存することなく、常に適切に行うことが可能となる。
第１の発明及び第２の発明においては、車両運動は長時間タイヤ非線形領域に留まらない、という自動車固有の特徴を用いて、車体速度推定手段を以下のように構成することができる。
すなわち、第１の発明の車体速度推定手段は、前記横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を前記状態量に加えると共に、前記横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値及び車両操舵角の検出値を加えて、前記横車体速度を推定するように構成することができる。
また、第２の発明の車体速度推定手段は、前記横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を前記状態量に、前記横加速度の検出値をローパスフィルタ処理した値と該ローパスフィルタ処理した値の推定値との偏差を前記フィードバック量に各々加えると共に、前記ローパスフィルタ処理して得られる値と該ローパスフィルタ処理した値の推定値との偏差、及び車両操舵角の検出値を加えて、前記前後車体速度及び前記横車体速度を推定するように構成することができる。
車両運動は長時間タイヤ非線形領域に留まらない、という自動車固有の特徴を用いて、すなわち横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を用いてオブザーバを構成することにより、オブザーバ出力が線形モデルの出力にゆっくり追従するようにフィードバックが働くため、車体スリップ角の線形モデルの値から発散する現象が抑制され、ヨー角速度が略０となる車両直進状態においても正確な横車体速度、または前後車体速度及び横車体速度を推定することができる。
また、第３の発明は、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、前記前後車体速度、車両横方向の車体速度である横車体速度、及び横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を車両運動の状態量として、車両運動の前後加速度、横加速度、ヨー角速度、及び車両操舵角の各検出値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、前記前後加速度の検出値から推定される路面に対するピッチ角の推定値に応じて補正した前記前後車体速度の演算値の補正値、前記ピッチ角の推定値に応じて前記前後車体速度の演算値を補正して得られた上下車体速度の演算値、前記前後車体速度の演算値の補正値と前記ヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積、横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値、ロール角速度の検出値または推定値、並びにピッチ角速度の検出値または推定値に基づいて、横車体速度を推定する車体速度推定手段と、を含んで構成したものである。
そして、第４の発明は、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、前記前後車体速度、車両横方向の車体速度である横車体速度、及び横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を車両運動の状態量とすると共に、前記前後加速度の検出値から推定される路面に対するピッチ角の推定値に応じて補正した前記前後車体速度の演算値の補正値と前後車体速度の補正値の推定値との偏差である第１の偏差とヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積、及び横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値と該ローパスフィルタ処理して得られる値の推定値との偏差である第２の偏差をフィードバック量として、車両運動の前後加速度、横加速度、ヨー角速度、及び車両操舵角の各検出値、前記積、前記第２の偏差、前記ピッチ角の推定値に応じて前記前後加速度の検出値を補正して得られた上下車体速度の演算値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、ロール角速度の検出値または推定値、並びにピッチ角速度の検出値または推定値に基づいて、前記前後車体速度及び前記横車体速度を推定する車体速度推定手段と、を含んで構成したものである。
第３の発明及び第４の発明では、前後加速度の検出値から推定される路面に対するピッチ角の推定値に応じて補正した前後車体速度の演算値の補正値、及びこの路面に対するピッチ角の推定値に応じて補正した上下車体速度の演算値の補正値を用いているため、上下車体速度が車体の前後方向及び横速度方向に及ぼす影響をオブザーバ内で考慮することができ、これによって、上り坂の加速時の走行等、対地ピッチ角が大きくなる領域においても推定精度を向上させて精度良く、横車体速度、または前後車体速度及び横車体速度を推定することができる。
本発明は、コンピュータを以下のように機能させるプログラムで構成することができる。
第１のプログラムは、コンピュータを、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、前記前後車体速度及び車両横方向の車体速度である横車体速度を車両運動の状態量として、車両運動の前後加速度、横加速度、及びヨー角速度の各検出値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、並びに前記前後車体速度の演算値と前記ヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積に基づいて、前記横車体速度を推定する車体速度推定手段と、して機能させるものである。
第１のプログラムは、コンピュータを、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、前記前後車体速度及び車両横方向の車体速度である横車体速度を車両運動の状態量として、車両運動の前後加速度、横加速度、及びヨー角速度の各検出値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、並びに前記前後車体速度の演算値と前記ヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積に基づいて、前記横車体速度を推定する車体速度推定手段と、して機能させるものである。
第２のプログラムは、コンユータを、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、前記前後車体速度、車両横方向の車体速度である横車体速度、及び横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を車両運動の状態量として、車両運動の前後加速度、横加速度、ヨー角速度、及び車両操舵角の各検出値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、前記前後加速度の検出値から推定される路面に対するピッチ角の推定値に応じて補正した前記前後車体速度の演算値の補正値、前記ピッチ角の推定値に応じて前記前後加速度の検出値を補正して得られた上下車体速度の演算値、前記前後車体速度の演算値の補正値と前記ヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積、横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値、ロール角速度の検出値または推定値、並びにピッチ角速度の検出値または推定値に基づいて、横車体速度を推定する車体速度推定手段と、して機能させるものである。
第３のプログラムは、コンユータを、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、前記前後車体速度及び車両横方向の車体速度である横車体速度を車両運動の状態量とすると共に、前記前後車体速度の演算値と前後車体速度の推定値との偏差とヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積をフィードバック量として、車両運動の前後加速度、横加速度、及びヨー角速度の各検出値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、並びに前記偏差とヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積に基づいて、前記前後車体速度及び前記横車体速度を推定する車体速度推定手段と、して機能させるものである。
そして、第４のプログラムは、コンピュータを、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、前記前後車体速度、車両横方向の車体速度である横車体速度、及び横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を車両運動の状態量とすると共に、前記前後加速度の検出値から推定される路面に対するピッチ角の推定値に応じて補正した前記前後車体速度の演算値の補正値と前後車体速度の補正値の推定値との偏差である第１の偏差とヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積、及び横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値と該ローパスフィルタ処理して得られる値の推定値との偏差である第２の偏差をフィードバック量として、車両運動の前後加速度、横加速度、ヨー角速度、及び車両操舵角の各検出値、前記積、前記第２の偏差、前記ピッチ角の推定値に応じて前記前後加速度の検出値を補正して得られた上下車体速度の演算値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、ロール角速度の検出値または推定値、並びにピッチ角速度の検出値または推定値に基づいて、前記前後車体速度及び前記横車体速度を推定する車体速度推定手段と、して機能させるものである。
また、本発明は、上記のプログラムの少なくとも１つを記憶した記録媒体として構成することもできる。
以上説明したように本発明によれば、走行する路面の影響を受ける車両運動モデルを用いずに、車体の剛体運動としての前後速度と横速度とを状態量とする運動方程式に基づいてオブザーバを構成しているため、走行する路面の変化に関係なく常に正確な車体速度を推定することできる、という効果が得られる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１に示すように、第１の実施の形態の車体速度推定装置には、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段１０、及び各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度Ｕを演算する前後速度演算手段１２が設けられている。
姿勢角推定手段１０は、各輪の車輪速度に基づいて前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、車両運動の前後加速度、横加速度、及び上下加速度の３軸加速度、並びに車両運動のロール角速度、ピッチ角速度、及びヨー角速度の３軸角速度の検出値に応じたセンサ信号、及び前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前後・横加速度状態量偏差演算手段と、前後加速度状態量の偏差を表す信号及び横加速度状態量の偏差を表す信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、センサ信号、ローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表す信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量の偏差を表す信号に基づいて姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、を含んで構成することができる。
また、各輪の車輪速度は、各輪に対応して設けられた車輪速センサにより検出することができ、前後車体速度Ｕは各輪の車輪速度、または各輪の車輪速度及び車輪速度の微分値から推定することができる。例えば、制動時には、４輪の車輪速度の最大値を前後車体速度Ｕとして出力したり、駆動時には従動輪の車輪速度の平均値を前後車体速度Ｕとして出力することができる。車輪速から車両前後方向の車体速を推定するアルゴリズムは、ＡＢＳで既に確立されており、一般にこの信号は、Ｖs0と表現されている。この信号を利用すると、車両前後方向の車体速度である前後車体速度ＵはＶs0で表すことができる。
また、本実施の形態の車体速度推定装置には、車両運動のｘｙ軸の加速度である横加速度Ｇｙ、及び前後加速度Ｇｘの各々を検出する前後・横加速度センサで構成された前後・横加速度検出手段１４、及びヨー角速度Ｒを検出するヨー角速度センサ１６が設けられている。図２に示すように、ｘ軸は車両前後方向、ｙ軸は車両幅方向（横方向）、ｚ軸は車両上下方向に対応している。
姿勢角推定手段１０、前後・横加速度検出手段１４、及びヨー角速度センサ１４は、後述する運動方程式に従って横車体速度の推定値及び前後車体速度の推定値を推定して出力する車体速度推定手段としての車体速度オブザーバ１８に接続されている。
ヨー角速度センサ１４は、車体速度オブザーバ１８に接続されると共に、ヨー角速度の絶対値を演算する絶対値演算手段２０に接続されている。前後速度演算手段１２は、前後車体速度の演算値から前後車体速度の推定値を減算した偏差を演算する減算器２４に接続されている。減算器２４は、絶対値演算手段２０で演算されたヨー角速度の絶対値と減算器２４で演算された偏差との積を演算する乗算器２２に接続され、乗算器２２は、ヨー角速度の絶対値と減算器２４で演算された偏差との積をフィードバック量としてフィードバックするように車体速度オブザーバ１８に接続されている。
姿勢角推定手段１０、前後速度演算手段１２、絶対値演算手段２０、乗算器２２、減算器２４、及び車体速度オブザーバ１８は、各手段及びオブザーバ等の機能を実現する１つまたは複数のコンピュータ、または１つまたは複数の電子回路で構成することができる。
次に、車体速度オブザーバによる車体速度（前後車体速度及び横車体速度）の推定について説明する。剛体に固定された３軸加速度及び３軸角速度を検出する３軸センサから出力されるセンサ信号と運動状態量との関係を表す剛体の運動方程式は、以下のように記述することができる。
ただし、 Ｇｘ：前後加速度、Ｇｙ：横加速度、Ｇｚ：上下加速度、Ｐ：ロール角速度、Ｑ：ピッチ角速度、Ｒ：ヨー角速度、Ｕ：前後車体速度、Ｖ：横車体速度、Ｗ：上下車体速度、φ：ロール角、θ：ピッチ角、g：重力加速度である。なお、ここでは、車体の上向きをｚ軸の正方向とする右手系で座標を記述するとともに角度はオイラー角で表現している（図２参照）。
本実施の形態では、車体の姿勢角、すなわち鉛直軸に対する車体のロール角及びピッチ角は姿勢角推定手段１０によって推定され、これらの姿勢角は既知という仮定の下で、前後車体速度Ｕ及び横車体速度Ｖを推定している。前後車体速度Ｕ及び横車体速度Ｖの関係から次の（６）式に基づいて車体スリップ角βを導出することができる。
次に、従来の車体スリップ角の推定について説明する。従来、オブザーバによって車体スリップ角を推定する場合、前後車体速度の動特性は無視すると共に、上下車体速度も０と仮定した以下の（７）式及び(８)式の車両運動モデルを利用することが一般的となっている。
ただし、ｍ：車両質量、ｃｆ、 ｃｒ：前後輪コーナリングパワー、ｌｆ、 ｌｒ：前後軸−重心間距離、δｆ：前輪実舵角、Ｉｚ：ヨー慣性モーメントである。
(７)式は、(２)式の横加速度Ｇｙをコーナリングフォースのモデルに置き換えて記述した運動方程式であり、(８)式は、コーナリングフォースのモデルを利用して記述したヨー角速度に関する運動方程式である。
このように、コーナリングフォースの特性を含むモデルで記述することによって、ヨー角速度Ｒを出力とした可観測なシステムとして記述でき、横車体速度を推定するオブザーバが構成できる。
しかしながら、ここで推定される横車体速度は、(７)式及び(８)式が成立することを前提としており、スリップ角が大きな非線形領域やコーナリングパワーが変化する低μ路面では、正確な推定ができないという課題がある。
この課題を解決するために、非線形判定を行い、擬似積分法に切り替えるなどの手法も考えられているが、本実施の形態では、以下で説明するようにタイヤ発生力に関するモデルを利用しないオブザーバの構成について考える。
従来、動特性を無視していた上記(１)式には、横車体速度Ｖの項が含まれており、この横車体速度を利用することによってオブザーバが構成できる。ここでは、ヨー角速度を独立したパラメータとみなして、(１)式及び(２)式を以下のように整理する。なお、上下車体速度Ｗに関しては、従来と同様に０と仮定している。
また、システムの出力を前後車体速度Ｕ、すなわち下記（１０）式で表わされると考えると、(９)式及び(１０)式は可観測なシステムとなる。
なお、前後車体速度Ｕは、上記で説明したようにＡＢＳの推定車体速Ｖｓ０によって得られる。このため、例えば、オブザーバゲインＫは、ヨー角速度の絶対値から得られる値を含む下記（１１）式で表わされる。
オブザーバゲインを上記のように表わすと、オブザーバは以下の運動方程式で表される。
図１に示す第１の実施の形態は、上記（１２−１)式を用いて前後車体速度及び横車体速度を推定するものである。本実施の形態では、前後車体速度及び横車体速度をオブザーバの状態量とし、前後車体速度の演算値から前後車体速度の推定値（オブザーバ出力）を減算した偏差、ヨー角速度Ｒの絶対値、姿勢角推定手段１０で推定されたロール角φ及びピッチ角θ、前後・横加速度検出手段１４で検出された前後加速度Ｇｘ及び横加速度Ｇｙ、並びにヨー角速度検出手段１６で検出されたヨー角速度Ｒを用いて、前後車体速度及び横車体速度を推定している。
次に、上記のオブザーバによるスリップ角推定の効果を実験データに基づいて説明する。図３はオーバステア時の推定結果、図４はアンダーステア時の推定結果を各々表している。図３のオーバステア時の推定結果では、旋回中にスリップ角が増大すると共に、前後方向の速度が減速している。このような前後方向の速度変化を伴う状況においても本実施の形態では、前後車体速度及び横車体速度が正確に推定されていることから、正確な車体スリップ角が推定されている。
本実施の形態では、車体の剛体運動を記述する前後方向と横方向との二つの運動方程式に基づいてオブザーバを構成しているため、前後方向の加減速の状態量である前後速度の加減速と横方向の状態量である横速度の増減とを切り分けて推定することができるため、加減速を伴う車両運動時にも正確に横速度を推定することができる。
次に、上記第１の実施の形態の変形例について説明する。この変形例は、上記（１２−５)式を用いて横車体速度を推定するようにしたものである。このため、第１の実施の形態を示す図１において、フィードバック量を演算するための減算器２４が省略され、図５に示すように前後速度演算手段１２が直接乗算器２２に接続されている。乗算器２２では、ヨー角速度Ｒの絶対値と前後車体速度Ｕの演算値との積が演算され、車体速度オブザーバ１８において上記（１２−５)式に従って横車体速度が推定される。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上記の第１の実施の形態のアルゴリズムは、剛体の前後方向及び横方向の運動方程式に前後方向速度（前後車体速度）を出力としたオブザーバを構成することを特徴としているが、本実施の形態では、特に時変パラメータとしてのヨー角速度が小さいときの精度向上を目的として、「車両運動は長時間タイヤ非線形領域に留まらない」という自動車固有の特徴をオブザーバのフィードバック出力に利用するようにしたものである。
ここでは「車両運動は長時間タイヤ非線形領域に留まらない」という自動車固有の特徴をオブザーバの拘束条件に加えるため、「横方向のタイヤ発生力計測値＝モデル値」という以下の（１３）式で示される式の両辺をローパスフィルタ処理した関係をシステムに加えている。
ただし、ｇｙｆは、横加速度Ｇｙを以下のフィルタ処理した後の値である。
ただし、τｙは、上記（１３）で考慮するローパスフィルタの数秒から数十秒以上の時定数を表わしている。
また、オブザーバゲインは、以下の（１８）式で表わされる。
ただし、Ｋｖ、Ｋｇは定数である。
従って、上記（１４）式の運動方程式に従って前後車体速度及び横車体速度を推定するオブザーバを用いた第２の実施の形態は、図６に示すように構成することができる。
以下、第２の実施の形態について説明する。なお、図６において図１と対応する部分には同一符号を付して説明を省略する。
本実施の形態では、上記（１３）式に従って横加速度の検出値をローパスフィルタ処理するために、第１の実施の形態の前後・横加速度検出手段１４に代えて、前後加速度を検出する前後加速度センサで構成された前後加速度検出手段１４Ａ、及び横加速度を検出する横加速度センサで構成された横加速度検出手段１４Ｂを用い、横加速度検出手段１４Ｂには横加速度Ｇｙの検出値をローパスフィルタ処理するためにローパスフィルタ２６が接続されている。
ローパスフィルタ２６は、横加速度Ｇｙの検出値をローパスフィルタ処理したローパスフィルタ処理値からローパスフィルタ処理値の推定値（横加速度をローパスフィルタ処理した値の推定値）を減算した偏差を演算する減算器２８に接続されている。減算器２８は、ローパスフィルタ処理値からローパスフィルタ処理値の推定値を減算した偏差をフィードバック量として入力するように車体速度オブザーバ１８に接続されている。
また、車体速度オブザーバ１８には、前輪実操舵角δｆを検出する操舵角センサで構成された操舵角検出手段２９が接続されている。
この車体速度オブザーバ１８は、（１４）式に従って、横車体速度の推定値、前後車体速度の推定値、及びローパスフィルタ処理値の推定値を演算する。
図７は、第２の実施形態の効果を示すために、レーンチェンジ走行時の車体スリップ角推定結果を第１の実施の形態の推定結果をと比較して示したものである。
ヨー角速度が大きな値となるレーンチェンジ中は、第１の実施の形態及び第２の実施の形態のいずれも精度良く車体スリップ角が推定できている。しかしながら、ヨー角速度が略０となる直進状態では、第１の実施の形態では、オブザーバのフィードバックが働かず、推定値の誤差が徐々に増大していることが理解できる。
これに対し、第２の実施の形態では、「車両運動は長時間タイヤ非線形領域に留まらない」という自動車固有の特徴を用いて、オブザーバ出力が線形モデルの出力にゆっくり追従するようにフィードバックが働く結果、車体スリップ角の線形モデルの値から発散する現象が抑制され、直進状態においても車体スリップ角の正確な値が出力されている。
次に、第２の実施の形態の変形例を図８を参照して説明する。
(１８)式を考慮すると、(１４)式は、以下の（１９）式ように記述することできる。
この変形例は、上記（１９)式を用いて横車体速度を推定するようにしたものであり、第２の実施の形態を示す図６において減算器２４及び減算器２８を省略し、図８に示すように、前後速度演算手段１２を乗算器２２に接続すると共に、ローパスフィルタ２６を直接車体速度オブザーバ１８に接続したものである。車体速度オブザーバ１８では、上記（１９)式に従って横車体速度を推定する。
次に、本発明の第３実施の形態を説明する。上記の第２の実施の形態のアルゴリズムは、加減速が伴う状況でも正確な車体前後速度及び横車体速度が推定されることから正確な車体スリップ角の推定が可能であるが、上り坂の加速時等、対地ピッチ角が大きい領域で推定精度が劣化する懸念がある。これは、図９に示すように、対地ピッチ角θｅが大きくなると、上下車体速度Ｗが増加し、(１)式のＱＷ、及び(２)式のＰＷが無視できなくなることに起因している。
ここで、サスペンションのピッチ剛性をｋｐとすると共にピッチ運動に関する動特性を無視すると、ピッチモーメントに対する以下の釣り合いの方程式が導出される。
ここで、ｍ：車両質量、ｈ：重心高、Ｇｘ：前後加速度の検出値のセンサ信号であり、タイヤの前後力で発生するピッチモーメントを表す（２０）式の左辺が、サスペンション上下力から生じるピッチモーメントを表す右辺と釣り合っていることを記述している。(２０)式から地面に対するピッチ角は、下記（２１）式で記述できる。
また、前後車体速度Ｕ、及び上下車体速度Ｗは、対地ピッチ角θｅを用いて各々下記（２２）式及び（２３）式で記述するように補正することができる。
ここでは、第２の実施の形態と同様に、「車両運動は長時間タイヤ非線形領域に留まらない」という自動車固有の特徴を拘束条件に加えるため、「横方向のタイヤ発生力計測値＝モデル値」という下記（２４）式の両辺をローパスフィルタ処理した関係をシステムに加える。
ただし、ｇｙｆは、Ｇｙを以下のフィルタ処理した後の値である。
また、オブザーバゲインは、以下の（２９）式で表わされる。
ただし、Ｋｖ、Ｋｇは定数である。
第３の実施の形態は、上記（２５）式に従って車体前後速度及び車載横速度を推定するオブザーバを用いたものであり、図１０を参照して第３の実施の形態を説明する。なお、図１０において図６と対応する部分には同一符号を付して説明を省略する。
本実施の形態の車体速度オブザーバ１８には、車両のロール角速度を検出するロール角速度センサで構成されたロール角速度検出手段３０、及び車両のピッチ角速度を検出するピッチ角速度センサで構成されたピッチ角速度検出手段３２が接続されている。なお、ロール角速度検出手段に代えてロール角速度を推定するロール角速度推定手段、ピッチ角速度検出手段に代えてピッチ角速度を推定するピッチ角速度推定手段を用いてもよい。
本実施の形態では、上記の実施の形態と異なり上下車体速度の検出値を用いるオブザーバを構成しているため、対地ピッチ角と前後車体速度とから上下車体速度演算する演算手段が設けられている。
また、前後加速度検出手段１４Ａは、上記（２１）式に従って対地ピッチ角θｅを推定する対地ピッチ角推定手段３４を介して、前後速度演算手段１２で演算された前後車体速度Ｖｓ０と対地ピッチ角θｅとに基づいて上記（２２）式に従って前後車体速度の補正値を演算すると共に上記（２３）式に従って上下車体速度を演算する補正値演算手段３６に接続されている。
補正値演算手段３６は、前後車体速度から演算された上下車体速度を車体速度オブザーバ１８に入力するように車体速度オブザーバ１８に接続されると共に、前後車体速度の補正値から前後車体速度の補正値の推定値を減算した偏差を演算する減算器３８に接続されている。減算器３８は、ヨー角速度Ｒの絶対値と減算器３８で演算された偏差との積を演算する乗算器２２に接続されている。
本実施の形態では、上記（２５）式に従って前後車体速度及び横車体速度が推定される。
図１１は、対地ピッチ角が大きくなり、上下車体速度が正の値となる下り坂で切り増し操舵を行ったときの車体スリップ角の推定結果を示した図である。比較のため、第１の実施形態による推定結果も示している。この走行状態では、ロール角速度、及び上下車体速度ともに正の値であることから、これらの値の積も正の値となる。第３の実施の形態では、横車体速度の推定式が第１の実施の形態での推定式と比較してロール角速度と上下車体速度の積を考慮する分、正の方向に大きな値として演算される。この結果、真値に近い推定値が演算できていることが理解できる。
次に、第３の実施の形態の変形例に図１２を参照して説明する。上記(２９)式を考慮すると、(２５)式は、以下のように記述できる。
この変形例は、上記（３０)式を用いて車体横速度を推定するようにしたものであり、第３の実施の形態を示す図１０において減算器３８及び減算器２８を省略し、図１２に示すように、補正値演算手段３６を乗算器２２に接続して前後車体速度の演算値の補正値を乗算器２２に入力すると共に、ローパスフィルタ２６を直接車体速度オブザーバ１８に接続したものである。車体速度オブザーバ１８では、上記（３０)式に従って横車体速度が推定される。
上記第１の実施の形態では、姿勢角推定手段１０、前後速度演算手段１２、絶対値演算手段２０、乗算器２２、減算器２４、及び車体速度オブザーバ１８を、各手段及びオブザーバ等の機能を実現する１つまたは複数のコンピュータ、または１つまたは複数の電子回路で構成することができることを説明したが、第２の実施の形態及び第３の実施の形態においても第１の実施の形態と同様に、ローパスフィルタ、対地ピッチ演算手段、及び補整値演算手段を含めて各手段及びオブザーバの機能を実現する１つまたは複数のコンピュータ、または１つまたは複数の電子回路で構成することができるものである。
上記の第３の実施の形態において、コンピュータを、姿勢角推定手段１０、前後速度演算手段１２、絶対値演算手段２０、対ピッチ角推定手段３４、補正値演算手段３６、及び車体速度オブザーバ１８の各手段として機能させ、横車体速度及び前後車体速度を演算により推定するプログラムによる情報処理は図１３のフローチャートに示す手順で実現することができる。
なお、コンピュータを第１〜第３の実施の形態の各手段、または第１〜第２の実施の形態の変形例の各手段として機能させるプログラムも図１３のフローチャートに示す手順と同様の手順で実現することができるので、説明は省略する。
コンピュータは、相互にバスによって接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ、並びに必要に応じて接続されたＨＤＤで構成され、横車体速度及び前後車体速度を演算により推定するプログラムは、コンピュータのＣＰＵに接続されているＲＯＭまたはＨＤＤ等の記録媒体に記録されている。
この手順を説明すると、ステップ１００で、上記で説明したように、前後加速度検出手段１４Ａ、横加速を検出手段１４Ｂ、ヨー角速度検出手段１６、ロール角速度検出手段３０、ピッチ角速度検出手段３２、及び操舵角検出手段２９の各々で検出された前後加速度、横加速度、３軸角速度（ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度）、及び操舵角を取り込む。次のステップ１０２では、姿勢角推定手段１０と同様の演算を行うことのよりロール角及びピッチ角各々の推定値を推定し、ステップ１０４において前後速度演算手段１２と同様の演算を行うことにより前後車体速度を演算する。
次のステップ１０６では、前後加速度の検出値を用いて上記（２１）式に従って対地ピッチ角θｅを演算し、ステップ１０８において演算した対地ピッチ角θｅを用いて上記（２２）式に従って前後車体速度の検出値を補正すると共に、(２３)式に従って上下車体速度の検出値を演算する。
次のステップ１１０では、横加速度検出手段１４Ｂで検出された横加速度の検出値のローパスフィルタ処理を行い、次のステップ１１２では、ステップ１００で取り込まれた検出値及び上記の各ステップで演算された値を用いて、上記（２５）式に従って前後車体速度、横車体速度、及び横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値各々の推定値を演算する。
なお、前後車体速度の演算値と前後車体速度の推定値との偏差は、現在の前後車体速度の演算値と前回の前後車体速度の推定値とを用いて演算することができる。
また、上記図５、図８、及び図１２は各々図１、図６、図１０を変形したものであり、図５、図８、及び図１２においても同様に前後速度をフィードバック量として利用している。
１０ 姿勢角推定手段
１２ 前後速度演算手段
１４Ａ 前後加速度検出手段
１４Ｂ 横加速度検出手段
１６ ヨー角速度検出手段
１８ 車体速度オブザーバ
２０ 絶対値演算手段
１２ 前後速度演算手段
１４Ａ 前後加速度検出手段
１４Ｂ 横加速度検出手段
１６ ヨー角速度検出手段
１８ 車体速度オブザーバ
２０ 絶対値演算手段
Claims (6)
- 車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、
各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、
前記前後車体速度及び車両横方向の車体速度である横車体速度を車両運動の状態量として、車両運動の前後加速度、横加速度、及びヨー角速度の各検出値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、並びに前記前後車体速度の演算値と前記ヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積に基づいて、前記横車体速度を推定する車体速度推定手段と、
を含む車体速度推定装置。 - 前記車体速度推定手段は、前記横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を前記状態量に加えると共に、前記横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値及び車両操舵角の検出値を加えて、前記横車体速度を推定する請求項１記載の車体速度推定装置。
- 車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、
各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、
前記前後車体速度、車両横方向の車体速度である横車体速度、及び横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を車両運動の状態量として、車両運動の前後加速度、横加速度、ヨー角速度、及び車両操舵角の各検出値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、前記前後加速度の検出値から推定される路面に対するピッチ角の推定値に応じて補正した前記前後車体速度の演算値の補正値、前記ピッチ角の推定値に応じて前記前後加速度の検出値を補正して得られた上下車体速度の演算値、前記前後車体速度の演算値の補正値と前記ヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積、横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値、ロール角速度の検出値または推定値、並びにピッチ角速度の検出値または推定値に基づいて、横車体速度を推定する車体速度推定手段と、
を含む車体速度推定装置。 - 車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、
各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、
前記前後車体速度及び車両横方向の車体速度である横車体速度を車両運動の状態量とすると共に、前記前後車体速度の演算値と前後車体速度の推定値との偏差とヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積をフィードバック量として、車両運動の前後加速度、横加速度、及びヨー角速度の各検出値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、並びに前記偏差とヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積に基づいて、前記前後車体速度及び前記横車体速度を推定する車体速度推定手段と、
を含む車体速度推定装置。 - 前記車体速度推定手段は、前記横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を前記状態量に、前記横加速度の検出値をローパスフィルタ処理した値と該ローパスフィルタ処理した値の推定値との偏差を前記フィードバック量に各々加えると共に、前記ローパスフィルタ処理して得られる値と該ローパスフィルタ処理した値の推定値との偏差、及び車両操舵角の検出値を加えて、前記前後車体速度及び前記横車体速度を推定する請求項４記載の車体速度推定装置。
- 車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、
各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を演算する前後速度演算手段と、
前記前後車体速度、車両横方向の車体速度である横車体速度、及び横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値を車両運動の状態量とすると共に、前記前後加速度の検出値から推定される路面に対するピッチ角の推定値に応じて補正した前記前後車体速度の演算値の補正値と前後車体速度の補正値の推定値との偏差である第１の偏差とヨー角速度の検出値の絶対値から得られる値との積、及び横加速度の検出値をローパスフィルタ処理して得られる値と該ローパスフィルタ処理して得られる値の推定値との偏差である第２の偏差をフィードバック量として、車両運動の前後加速度、横加速度、ヨー角速度、及び車両操舵角の各検出値、前記積、前記第２の偏差、前記ピッチ角の推定値に応じて前記前後加速度の検出値を補正して得られた上下車体速度の演算値、前記ロール角及び前記ピッチ角の各推定値、ロール角速度の検出値または推定値、並びにピッチ角速度の検出値または推定値に基づいて、前記前後車体速度及び前記横車体速度を推定する車体速度推定手段と、
を含む車体速度推定装置。
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