JP4946888B2

JP4946888B2 - 車両状態量推定装置

Info

Publication number: JP4946888B2
Application number: JP2008012518A
Authority: JP
Inventors: 史朗高木; 章仁竹家; 正彦栗重; 知之井上; 宏司藤岡; 敏英佐竹
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: JP2009173112A

Description

この発明は、自動車の車体および車輪の横すべり角を推定する装置に関するものである。

従来の横すべり角推定装置では、車体全体の横加速度に基づいて演算することで推定を行っていた。この方式ではタイヤの前輪または後輪の一方でも横力が飽和すると精度が低下するため、限界走行の判定処理や、横すべり角速度フィードバックによる補正処理を行う必要があった。（特許文献１参照）

特開平９−３１１０４２号公報（６頁）

このような横すべり角推定装置において種々の補正処理を必要とする所以は、同公報中で限界走行時と称される状況において、車両タイヤモデルの演算から求める横すべり角の推定精度が低下するためである。そのため複雑な補正処理を必要として、演算量が膨大となる。このため、高価なマイコンが必要になるなどの問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、安価なマイコン、あるいは同種の製品で高精度な前輪または車体の横すべり角推定値を得ることを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の車両状態量推定装置は
舵角を検出する舵角検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、車体のヨーレイトを検出するヨーレイト検出手段と、車体の横加速度を検出する横加速度検出手段と、を含む車両運動検出手段と、
前記ヨーレイト検出手段で検出されたヨーレイト、および前記横加速度検出手段で検出された横加速度から、後輪に働く後輪横力を演算する後輪横力演算手段と、
前記後輪横力と予め定められた後輪タイヤ特性とにより後輪横すべり角を演算する後輪横すべり角演算手段と、
前記後輪横すべり角を車両２輪モデルに基づいて第１の前輪横すべり角に換算する前輪横すべり角換算手段と、
を有するものである。

また、本発明の車両状態量推定装置は、
舵角を検出する舵角検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、車体のヨーレイトを検出するヨーレイト検出手段と、車体の横加速度を検出する横加速度検出手段と、を含む車両運動検出手段と、
前記ヨーレイト検出手段で検出されたヨーレイト、および前記横加速度検出手段で検出された横加速度から、後輪に働く後輪横力を演算する後輪横力演算手段と、
前記後輪横力と予め定められた後輪タイヤ特性とにより後輪横すべり角を演算する後輪横すべり角演算手段と、
前記後輪横すべり角を車両２輪モデルに基づいて第１の前輪横すべり角に換算する前輪横すべり角換算手段と、
前記ヨーレイト検出手段で検出されたヨーレイト、および前記横加速度検出手段で検出された横加速度から、前輪に働く前輪横力を演算する前輪横力演算手段と、
前記前輪横力と予め定められた前輪タイヤ特性とにより第２の前輪横すべり角を演算する前輪横すべり角演算手段と、
前記前輪横すべり角換算手段により求めた第１の前輪横すべり角と、前記前輪横すべり角演算手段により求めた前記第２の前輪横すべり角とを比較照合することにより、前輪横すべり角を求める前輪横すべり角照合手段と、
を有するものである。

本発明の車両状態量推定装置は、前輪タイヤ特性または後輪タイヤ特性のうち片方のみを選択的に用いるだけで車体および車輪横すべり角を求めることが出来る。このため、必ずしもタイヤの前輪と後輪両方の特性を用いる必要がないゆえに、前輪または後輪のいずれかのタイヤ特性を用いると推定精度が低下する状況下においても、従来例（例えば特開平９−３１１０４２号公報参照）より車両状態量の推定精度が向上するという効果を有する。

実施の形態を説明するに先立ち、以下にタイヤ特性とタイヤの飽和について説明する。以下では横すべり角について、車両の重心位置での横すべり角を車体横すべり角と呼び、タイヤの横すべり角をタイヤ横すべり角と呼んで区別する。また、タイヤ横すべり角のうち、特に前輪のものを前輪横すべり角と呼び、後輪のものを後輪横すべり角と呼んで区別する。
図１に示すように、通常、タイヤ横すべり角が増加するにつれて、横力が増加する関係がある。このようなタイヤ横すべり角と横力との対応関係（タイヤ特性）を用いることによって、横力からタイヤ横すべり角を求めることができる。なおこのタイヤ特性の原点での勾配をコーナリングパワーと言う。
このタイヤ特性は、タイヤ横すべり角の増加に伴い横力増加は鈍ってゆき、増加が止まるあるいは減少する（タイヤの飽和）。この度合いを以下では飽和度合いと呼ぶ。このとき、コーナリングパワーで近似される特性は、実際のタイヤ特性と上記近似特性でもって横力からタイヤ横すべり角を求める精度が低下する。
また、近似した特性ではタイヤ横すべり角を求める精度が低下することは言うまでもないが、正確なタイヤ特性を用いたとしても、飽和度合いが大きい場合は、タイヤ横すべり角が求まる精度が低下する。このことを次に、図２を用いて説明する。

図２において、横力にある一定の誤差が含まれる状況で、タイヤ横すべり角を求めることを考える。まず、飽和度合いが小さい場合、図に示すとおりタイヤ特性を用いて横力からタイヤ横すべり角をもとめても誤差は比較的小さいままである。一方、飽和度合いが大きい状況では、先ほどと同量の誤差が横力にあると、タイヤ横すべり角では大きな誤差となる。
よって、横力にわずかの誤差が存在すれば、飽和度合いが小さい場合に比して飽和度合いが大きい場合は、タイヤ横すべり角を求める際に誤差が大きくなる。

以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１
図３は、本発明の実施の形態１による車両状態量推定装置を示す構成図である。図３において、車両運動検出手段１は、車両の横加速度、ヨーレイト、車速、舵角(一般的には特に前輪の舵角をいう。以下同様)を検出する。このうちの横加速度とヨーレイトとにより、後輪横力演算手段２は後輪横力を演算する。この演算された後輪横力を基にして、所定のタイヤモデルを有する後輪横すべり角演算手段３により後輪横すべり角を演算する。この後輪横すべり角と、前記ヨーレイト、前記車速、前記舵角とにより、前輪横すべり角換算手段４は第１の前輪横すべり角を求める。

また、図３の車両運動検出手段１は、図４に示すとおり、車両の横加速度を検出する横加速度検出手段１０１と、車両のヨーレイトを検出するヨーレイト検出手段１０２と、車速を検出する車速検出手段１０３と、舵角を検出する舵角検出手段１０４から構成される。

次に本装置の動作について図６により説明する。まず、車両運動検出手段１によって検出された車両運動量に基づき、後輪に働く横力を後輪横力演算手段にて算出する（Ｓ１０１）。次に、前記後輪横力から後輪タイヤ特性を用いて後輪横すべり角を算出し（Ｓ１０２）、前輪横すべり角換算手段にて前記後輪横すべり角を第１の前輪横すべり角へ換算する（Ｓ１０３）。

以下では、上記の詳細について述べる。
まず図３の後輪横力演算手段２の動作について説明する。
車両の運動を取り扱うに際して、車両二輪モデルとして下記の式（２−１）が公知であるので、ここでは、この式を利用する。

ただし、ａ_ｙ:横加速度、γ：ヨーレイト（ｄ／ｄｔは時間微分を示し、ｄ／ｄｔ・γはヨー角加速度）、ｍ：車両質量、Ｆ_ｆ：前輪横力（左右輪の和）、Ｆ_ｒ：後輪横力（左右輪の和）、Ｉ：車両ヨー慣性モーメント、Ｌ_ｍ：車両重心位置から前輪車軸までの距離、Ｌ_ｒ：車両重心位置から後輪車軸までの距離である。

ここで、車両質量ｍおよび車両ヨー慣性モーメントＩは予め設定された既知の値であり、横加速度ａ_ｙおよびヨー角加速度ｄ／ｄｔ・γはそれぞれ前記検出手段の値、あるいはその微分によって得られるものを用いると、式（２−１）から下記の式（２−２）により、前輪横力Ｆ_ｆおよび後輪横力Ｆ_ｒが求まる。

このような関係を利用して、後輪横力演算手段２は後輪横力を演算する。なお、ここで横加速度については、センサオフセット補正などを目的としてハイパスフィルタに通してもよく、また、車両ヨー角加速度を得るに際して、ノイズ低減等を目的として微分演算をハイパスフィルタによって代用してもよい。

次に、後輪横すべり角演算手段３について説明する。この後輪横すべり角演算手段３では、図１に示すタイヤ横すべり角と横力の関係を用いて、図に矢印で示すように後輪横力の値から対応する後輪横すべり角を求める。
特に本実施の形態１においては、図１に曲線で示すタイヤ特性について、破線で示す原点での傾き（コーナリングパワー）でもって近似する。このように近似し、後輪横力をコーナリングパワーで除することによって、後輪横すべり角を求める。

ここで、α_ｆは前輪横すべり角、Ｃ_ｆは前輪コーナリングパワー、α_ｒは後輪横すべり角、Ｃ_ｒは後輪コーナリングパワーである。なお付記すれば、必ずしもコーナリングパワーで近似する必要はなく、精度向上のため、より詳細なタイヤモデル（図１の曲線）によって後輪横すべり角を求めてもよい。

次に、前輪横すべり角換算手段４について説明する。この前輪横すべり角換算手段４は、次の公知の関係を用いて、後輪横すべり角を前輪横すべり角に換算する。

ここで、α_ｆは前輪横すべり角、Ｖは車速、δは舵角、Ｌはホイールベース（前輪車軸から後輪車軸までの距離であり、Ｌ＝Ｌ_ｆ＋Ｌ_ｒである）を示す。

本実施の形態１において上記のように、後輪横力から後輪横すべり角を求めてこれを前輪横すべり角に換算した。これにより、後輪の飽和度合いに比して前輪の飽和度合いが高い場合において、前輪横力から直接に前輪横すべり角を求めるよりも推定精度が向上する。
すなわち、上記図１および図２の説明（段落０００９および００１０参照）で述べたとおり、横力からタイヤ横すべり角を求める際に、飽和度合いが大きいほど精度が低下するので、飽和度合いが大きい前輪から直接に前輪横すべり角を求めるよりも、飽和度合いが小さい後輪から後輪横すべり角を求めて前輪横すべり角に換算したほうが、前輪横すべり角の推定精度が向上する。
例えば、後輪の飽和度合いに比して前輪の飽和度合いが高い場合の典型例として、アンダーステア状態と呼ばれる状況があり、本実施例に拠ればこのような状況でも前輪横すべり角を良好に推定することが可能となる。

なお、車体横すべり角が必要な場合（例えば、車両横すべり防止装置に対して本発明を適用する場合）においては、前輪横すべり角換算手段に代えて車体横すべり角換算手段（図示せず）を備えて、下記の式（２−５）により後輪横すべり角を車体横すべり角に換算するとして実施してもよい。

ここで、βは車体横すべり角である。
なお補記すれば、上記のように、式（２−５）で実施する場合においては、舵角は用いる必要がないゆえに、車両運動量検出手段１において舵角検出手段１０４は必須の構成要件ではない。このような場合においては、後輪の飽和度合いに比して前輪の飽和度合いが高い場合でも車体横すべり角を良好に推定することが可能となる。
以上、本実施の形態１に拠れば、アンダーステア状況でも前輪横すべり角および車体横すべり角、又は、前輪横すべり角あるいは車体横すべり角を良好に推定することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による車両状態量推定装置を示す構成図である。
図５において、車両運動検出手段１、後輪横力演算手段２、後輪横すべり角演算手段３、および、前輪横すべり角換算手段４については前述の実施の形態１と同様である。ただし本実施例においては、前輪横すべり角換算手段４で得られる前輪横すべり角について、これを第１の前輪横すべり角と呼ぶ。後述する第２の前輪横すべり角と区別するためである。
また、前輪横力演算手段５は、車両運動検出手段１によって得られる横加速度とヨーレイトにより前輪横力を演算する。この前輪横力と上述のタイヤモデル、及び前輪横すべり角演算手段６とにより、第２の前輪横すべり角を求める。前輪横すべり角照合手段７は、前記前輪横すべり角換算手段によって得られる第１の前輪横すべり角と、前記前輪横すべり角演算手段によって得られる前輪横すべり角とを照合し、第１の前輪横すべり角および第２の前輪横すべり角の中から適切な前輪横すべり角を選択、出力する。

次に、本装置の動作について図７を用いて説明する。まず、車両運動検出手段１によって検出された横加速度等の車両運動量に基づき、前輪に働く横力および後輪に働く横力をそれぞれ前輪横力演算手段５および後輪横力演算手段２にて算出する（ステップＳ２０１）。次に、前輪横すべり角演算手段６にて前記前輪横力から前輪タイヤ特性を用いて第２の前輪横すべり角を算出し、また後輪横すべり角演算手段３にて前記後輪横力から後輪タイヤ特性を用いて後輪横すべり角を算出する（ステップＳ２０２）。さらに前輪横すべり角換算手段にて前記後輪横すべり角から第１の前輪横すべり角を算出する（ステップＳ２０３）。次いで、第１の前輪横すべり角と第２の前輪横すべり角を比較照合し（ステップＳ２０４）、第１の前輪横すべり角と第２の前輪横すべり角とから、両者のうち実際の前輪横すべり角により近い前輪横すべり角を選択する（ステップＳ２０５あるいはステップＳ２０６）。

以下では、図５について、さらに説明を加える。
図５の車両運動検出手段１、後輪横力演算手段２、後輪横すべり角演算手段３、前輪横すべり角換算手段４については、実施の形態１におけるものと同様であるから、説明を省略する。図５の前輪横力演算手段５については、前記式（２−２）によって前輪横力を求める。前輪横すべり角演算手段６については、前記式（２−３）によって前輪横すべり角を求める。

次に図５の前輪横すべり角照合手段７について説明する。
この前輪横すべり角照合手段７は、前輪の飽和度合いと後輪の飽和度合いのいずれが高いかの判定を行い、前輪の飽和度合いのほうが高い場合は第１の前輪横すべり角を選択し、そうでなければ、第２の前輪横すべり角を選択する。この飽和度合い判定法として、例えば、第１の前輪横すべり角と第２の前輪横すべり角の大小を比較する手法を用いる。その原理を以下に述べる。
図８、図９、図１０は、それぞれ飽和度合いが小、中、大の場合の横力とタイヤ横すべり角の関係を示している。これらの図において、タイヤ横すべり角の真値をａ、そのとき発生している横力をＦ、この横力から式（２−３）により求まるタイヤ横すべり角をｂで示す。飽和度合いが小さい場合（図８）には、ａとｂがほぼ一致するのに対し、飽和度合いが高まるにつれて（図９・図１０）これらａとｂの乖離は広がり、かつ、ａよりｂのほうが小さくなる。
よって、後輪飽和度合いが大きければ大きい分だけ、後輪横すべり角演算手段３において、式（２−３）により演算される後輪横すべり角は、真の後輪横すべり角よりも小さな値となる。ゆえに、前輪横すべり角換算手段４において式（２−４）により換算される第１の後輪横すべり角もまた真値よりも小さな値となる。
同様に、前輪飽和度合いが大きければ大きい分だけ、前輪横すべり角演算手段６において式（２−４）により演算される第２の前輪横すべり角は、真値よりも小さな値となる。
よって、第１の前輪横すべり角と第２の前輪横すべり角の大きさを比較し、第１の前輪横すべり角のほうが小さければ、後輪の飽和度合いが前輪の飽和度合いに比して大きいと判定できる。
例えば、前輪の状況が図１０のようになっているとする。このとき前輪横すべり角の真値がaであり、第２の前輪横すべり角がｂである。もし、後輪の飽和度合いが前輪の飽和度合いよりも高ければ、第１の前輪横すべり角はｄのところ（ｂより小さいところ）に位置し、逆に後輪飽和度合いが低ければ、ｃのところ（ｂより大きいところ）に位置する。
本実施例に拠れば、後輪の飽和度合いに比して前輪の飽和度合いが高い場合でも前輪横すべり角を良好に推定することができることに加え、逆に、前輪の飽和度合いに比して後輪の飽和度合いが高い場合でも前輪横すべり角を良好に推定することができる。

なお実施の形態１でも述べたように、車体横すべり角が必要な場合（例えば、車両横すべり防止装置に対して本発明を適用する場合）においては、車体横すべり角換算手段（図示せず）を備えて実施してもよい。
この際、前輪横すべり角照合手段で出力される前輪横すべり角を式（２−５）によって車体横すべり角に換算するとして実施してもよいし、前輪または後輪のうち飽和度合いの小さいタイヤ側のタイヤ横すべり角から車体横すべり角換算に換算するとして実施してもよい。
このような場合には、後輪の飽和度合いに比して前輪の飽和度合いが高い場合でも前輪横すべり角を良好に推定することができることに加え、逆に、前輪の飽和度合いに比して後輪の飽和度合いが高い場合でも車体横すべり角を良好に推定することができる。

本実施の形態２においては、上述のように必ずしもタイヤの前輪と後輪の両方の特性を同時に用いる必要がないゆえに、前輪と後輪のうち、片側のみが飽和している場合について、従来例（例えば特開平９−３１１０４２号公報）にくらべ、推定精度が向上する。従って、例えば、氷盤路のようなμ（摩擦係数）の低い路面においてドライバが舵角を必要以上に切って、前輪が飽和しアンダーステア状態となった際、本実施の形態２においては飽和していない後輪のタイヤ特性から前輪横すべり角あるいは車体横すべり角を求めるために、簡易に良好な推定精度を得ることが可能となる。

以上のように、本発明の車両状態量推定装置は、例えばアンダーステア状態において、飽和していない後輪のタイヤ特性を用いることにより、前輪横すべり角あるいは車体横すべり角を精度良く求めることが出来るという効果がある。

一般的なタイヤ特性を示す図である。一般的なタイヤ特性に基づくと、横力が飽和に近いとき、横力からタイヤ横すべり角を求める精度が低下することを説明する図である。本発明実施の形態１による車両状態量推定装置の構成図である。本発明実施の形態１による車両運動検出手段の一例を示す構成図である。本発明実施の形態２による車両状態量推定装置の構成図である。本発明実施の形態１による車両状態量推定装置の動作を示す流れ図である。本発明実施の形態２による車両状態量推定装置の動作を示す流れ図である。飽和度合いが小の場合のタイヤ特性の一例を示す図である。飽和度合いが中の場合のタイヤ特性の一例を示す図である。飽和度合いが大の場合のタイヤ特性の一例を示す図である。

符号の説明

１車両運動検出手段、２後輪横力演算手段、３後輪横すべり角演算手段、４前輪横すべり角換算手段、５前輪横力演算手段、６前輪横すべり角演算手段、７前輪横すべり角照合手段、１０１横加速度検出手段、１０２ヨーレイト検出手段、１０３車速検出手段、１０４舵角検出手段。

Claims

舵角を検出する舵角検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、車体のヨーレイトを検出するヨーレイト検出手段と、車体の横加速度を検出する横加速度検出手段と、を含む車両運動検出手段と、
前記ヨーレイト検出手段で検出されたヨーレイト、および前記横加速度検出手段で検出された横加速度から、後輪に働く後輪横力を演算する後輪横力演算手段と、
前記後輪横力と予め定められた後輪タイヤ特性とにより後輪横すべり角を演算する後輪横すべり角演算手段と、
前記後輪横すべり角を車両２輪モデルに基づいて第１の前輪横すべり角に換算する前輪横すべり角換算手段と、
を有することを特徴とする車両状態量推定装置。
舵角を検出する舵角検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、車体のヨーレイトを検出するヨーレイト検出手段と、車体の横加速度を検出する横加速度検出手段と、を含む車両運動検出手段と、
前記ヨーレイト検出手段で検出されたヨーレイト、および前記横加速度検出手段で検出された横加速度から、後輪に働く後輪横力を演算する後輪横力演算手段と、
前記後輪横力と予め定められた後輪タイヤ特性とにより後輪横すべり角を演算する後輪横すべり角演算手段と、
前記後輪横すべり角を車両２輪モデルに基づいて第１の前輪横すべり角に換算する前輪横すべり角換算手段と、
前記ヨーレイト検出手段で検出されたヨーレイト、および前記横加速度検出手段で検出された横加速度から、前輪に働く前輪横力を演算する前輪横力演算手段と、
前記前輪横力と予め定められた前輪タイヤ特性とにより第２の前輪横すべり角を演算する前輪横すべり角演算手段と、
前記前輪横すべり角換算手段により求めた第１の前輪横すべり角と、前記前輪横すべり角演算手段により求めた前記第２の前輪横すべり角とを比較照合することにより、前輪横すべり角を求める前輪横すべり角照合手段と、
を有することを特徴とする車両状態量推定装置。
前輪の飽和度合いが後輪の飽和度合いよりも大きい場合には前記第１の前輪横すべり角を車体あるいは車輪の横すべり角とし、前輪の飽和度合いが後輪の飽和度合いよりも小さい場合には前記第２の前輪横すべり角を車体あるいは車輪の横すべり角とすることを特徴とする請求項２に記載の車両状態量推定装置。