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JP5137792B2 - 車両横力外乱推定装置 - Google Patents

車両横力外乱推定装置 Download PDF

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JP5137792B2
JP5137792B2 JP2008299815A JP2008299815A JP5137792B2 JP 5137792 B2 JP5137792 B2 JP 5137792B2 JP 2008299815 A JP2008299815 A JP 2008299815A JP 2008299815 A JP2008299815 A JP 2008299815A JP 5137792 B2 JP5137792 B2 JP 5137792B2
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弘明 北野
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Description

この発明は、車両に加わる横方向の外乱を推定する車両横力外乱推定装置に関するものである。
従来の横力外乱推定装置では、各センサにより検出した実ヨーレート、操舵角、車速および横加速度を用いて、4次のオブザーバにより、車両の横方向に加わる外乱のうち、横力によって車両を横方向に移動させようとする横力外乱と、路面の横傾斜によって車両に作用する横勾配外乱と、を分離して推定している(たとえば、特許文献1参照)。
また、他の従来装置では、各センサにより検出した実ヨーレート、操舵角、車速、横加速度、および、操舵系に付与される操舵アシストトルクを用いて、7次のオブザーバにより、車両の横方向に加わる外乱のうち、横力によって車両を横方向に移動させようとする横力外乱と、車両を回転させようとするヨーモーメント外乱と、路面の横傾斜によって車両に作用する横勾配外乱と、を分離して推定している(たとえば、特許文献2参照)。
特開2005−239010号公報 特開2005−239012号公報
従来の車両横力外乱推定装置では、横力外乱を4次オブザーバまたは7次オブザーバによって推定しているので、高次のオブザーバでは計算量が多くなることから、実装には高価なプロセッサが必要になるという課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、横勾配外乱検出手段により検出された路面横勾配を、オブザーバへの入力情報とすることにより、オブザーバの次数を少なくして、計算量を軽減した車両横力外乱推定装置を得ることを目的とする。
この発明による車両横力外乱推定装置は、車両の操舵角を検出する操舵角検出手段と、車両の横加速度を検出する横加速度検出手段と、車両のヨーレートを検出するヨーレート検出手段と、車両の車速を検出する車速検出手段と、車両が走行している路面の路面横勾配を検出する路面横勾配検出手段と、車両に発生している横力外乱を推定する横力外乱推定手段と、を備えた車両横力外乱推定装置であって、横力外乱推定手段は、車両に発生しているヨーモーメント外乱と横力外乱との関係式またはテーブルがあらかじめ記憶されているヨーモーメント外乱係数記憶部と、ヨーモーメント外乱を演算するヨーモーメント外乱演算部と、を有し、操舵角、横加速度、ヨーレート、車速および路面横勾配の各検出値と、ヨーモーメント外乱係数記憶部から与えられたヨーモーメント外乱係数とを用いて、横力外乱を推定するとともに、ヨーモーメント外乱演算部により、横力外乱の推定値とヨーモーメント外乱係数とを用いて、ヨーモーメント外乱を演算するものである。
この発明によれば、路面横勾配検出手段により検出した路面横勾配を、オブザーバへの入力情報として用いることにより、オブザーバの次数を下げることができ、横力外乱を推定するために必要な計算量を軽減することができる。
実施の形態1.
以下、図1〜図6を参照しながら、この発明の実施の形態1について説明する。
図1はこの発明の実施の形態1に係る車両横力外乱推定装置の概略構成を示すブロック図である。
図1において、車両12は、左前輪10a、右前輪10b、左後輪10cおよび右後輪10dと、ステアリングホイール11とを備えており、車両12の転舵輪となる左右前輪10a、10bは、ステアリングホイール11が運転者によって回転操作されることにより操舵される。
車両12には、ステアリングホイール11の操舵角θを検出する操舵角センサ21と、車両12の横加速度Ayを検出する横加速度センサ22と、車両12の実ヨーレートγを検出するヨーレートセンサ23と、車両12の速度(以下、「車速」という)Vを検出する車速センサ24と、車両12が走行する路面の路面横勾配φbを演算する路面横勾配演算部25とが設けられている。
また、車両12には、各センサ21〜24および路面横勾配演算部25と関連して、横力外乱推定手段30が設けられている。
路面横勾配演算部25は、車両12の横加速度Ayと、車両12の実ヨーレートγと、車速Vとを用いて、路面横勾配φb(=γV−Ay)を演算するとともに、さらに路面横勾配φbの演算値にローパスフィルタ処理を施す。
ここで、図2の説明図を参照しながら、車両12が走行する路面の路面横勾配φbの検出原理について説明する。
図2に示すように、路面横勾配により車両12が傾いている場合に、車両重心(2重丸参照)に重力がかかり、重力の横方向成分が横加速度センサ22の検出値として表れる。よって、実ヨーレートγと車速Vとの積算値(運転挙動による横加速度)から実際の横加速度Ayを減算した値(γV−Ay)を用いて、路面横勾配φb(重力の横成分に対応)を検出することができる。
図1において、操舵角センサ21により検出された操舵角θ、横加速度センサ22により検出された横加速度Ay、ヨーレートセンサ23により検出された実ヨーレートγ、車速センサ24により検出された車速V、および、路面横勾配演算部25により演算された路面横勾配φbは、横力外乱推定手段30に入力される。
横力外乱推定手段30は、車両12の横方向に加わる外乱を推定するために、ヨーモーメント外乱係数記憶部31と、オブザーバ32と、ヨーモーメント外乱演算部33とを備えている。
ヨーモーメント外乱係数記憶部31は、車両12に加わる横力の外乱(以下、「横力外乱」という)φwと、車両に加わるヨーモーメントの外乱(以下、ヨーモーメント外乱)φmとの関係を記憶しており、ヨーモーメント外乱係数lwを出力情報としている。
オブザーバ32は、横力外乱推定手段30に入力された各検出値および演算値(θ、Ay、γ、V、φb)と、ヨーモーメント外乱係数記憶部31に記憶されているヨーモーメント外乱係数lwとを用いて、横力外乱φwを推定演算する。
ヨーモーメント外乱演算部33は、オブザーバ32により推定された横力外乱φwと、ヨーモーメント外乱係数記憶部31に記憶されているヨーモーメント外乱係数lwとを用いて、ヨーモーメント外乱φmを横力外乱推定値として演算する。
次に、図3〜図6を参照しながら、図1に示したこの発明の実施の形態1による処理動作について説明する。
図3は横力外乱推定手段30の動作を示すフローチャートであり、車両12に加わる横力外乱を推定するための処理手順を示している。
図3において、まず、横力外乱推定手段30は、各センサ21〜24および演算部25からの入力信号を読み込み(ステップS10)、入力信号(検出値および演算値)をオブザーバ32に入力する。
また、ヨーモーメント外乱係数記憶部31からヨーモーメント外乱係数lwを読み込み(ステップS20)、オブザーバ32に入力する。
図4は車両12が横方向から受ける横力外乱Fwを示す説明図であり、具体例として、車両12が横風を受けた場合を示している。この場合、車両重心(2重丸参照)に実ヨーモーメント外乱Nwも発生する。
このとき、車両12が受ける横力外乱Fwおよび実ヨーモーメント外乱Nwは、車両12の空力横力係数Cyおよび空力ヨーモーメント係数Cnと、ホイールベースL、空気密度ρおよび風速ωとを用いて、以下の式(1)で表される。
Figure 0005137792
一般に、横力外乱Fwが発生した際には、横力外乱Fwの発生位置と車両重心位置との不一致によって、ヨーモーメント外乱Nwが発生する。
たとえば、図4においては、横力外乱Fwの発生位置と車両重心との距離がlw(ヨーモーメント外乱係数に相当)であったとすると、横力外乱Fwによって発生する実ヨーモーメント外乱Nwは、以下の式(2)で表される。
Figure 0005137792
したがって、式(1)を式(2)に代入すると、距離lw(ヨーモーメント外乱係数)は、以下の式(3)で表される。
Figure 0005137792
図5(a)、(b)は、空力横力係数Cyおよび空力ヨーモーメント係数Cnの対気横滑り角に対する特性を示す説明図である。
図5から明らかなように、同じ対気横滑り角に対して、空力横力係数Cyと空力ヨーモーメント係数Cnとの比(=Cn/Cy)は、ほぼ一定であることが分かる。
また、ホイールベースLも一定であることから、式(3)から明らかなように、空力中心と車両重心との距離lwは、車両12によって固有の係数(ヨーモーメント外乱係数)であると見なせることが分かる。
この結果、オブザーバ32およびヨーモーメント外乱演算部33においては、実ヨーモーメント外乱Nwを推定せずに、推定演算された横力外乱φwに対してヨーモーメント外乱係数lwを乗算することのみにより、横力外乱推定値としてのヨーモーメント外乱φmを算出可能なことが分かる。
したがって、ステップS20において、横力外乱推定手段30内のヨーモーメント外乱係数記憶部31は、あらかじめ記憶されているヨーモーメント外乱係数lwを、オブザーバ32に入力する。
続いて、オブザーバ32は、操舵角センサ21、横加速度センサ22、ヨーレートセンサ23、車速センサ24、路面横勾配演算部25でそれぞれ得られた操舵角θ、横加速度Ay、実ヨーレートγ、車速V、路面横勾配φbを入力情報とし、また、ヨーモーメント外乱係数記憶部31から与えられたヨーモーメント外乱係数lwを用いて、横力外乱φwを演算するとともに、その他のパラメータ(実ヨーレートγ、横速度v)を推定し、ヨーモーメント外乱演算部33に入力する(ステップS30)。
ここで、図6に示した2輪モデルの説明図を参照しながら、オブザーバ32による推定演算について、詳細に説明する。
オブザーバ32は、図6に示す車両12に対する2輪モデルに基づいて構築される。
図6において、前輪舵角δfは、ハンドル角θとステアリングギア比Grから、以下の式(4)で表される。
Figure 0005137792
図6の2輪モデルにおいて、前輪舵角δfおよび路面横勾配φbを入力情報とし、また、前輪コーナリングパワーKfおよび後輪コーナリングパワーKrと、前輪から車両重心までの距離lfと、後輪から車両重心までの距離lrと、車両12の質量mおよびヨー慣性Iとを用いて、以下の式(5)、式(6)のように車両運動方程式を記述することができる。
Figure 0005137792
ただし、式(5)、式(6)において、横力外乱φwおよびヨーモーメント外乱φmは、それぞれ、以下のように表される。
Figure 0005137792
よって、式(2)、式(5)、式(6)から、以下の式(7)からなる状態方程式が得られる。
Figure 0005137792
ただし、式(7)において、各変数a11、a12、a21、a22、b、bは、それぞれ以下のように表される。
Figure 0005137792
ここで、未知の状態量νおよび横力外乱φwを推定するオブザーバ32を設計すると、以下の式(8)、式(9)のようになる。
Figure 0005137792
式(8)、式(9)は可観測であり、未知の状態量νと未知の外乱φwとをオブザーバ32によって推定することが可能となる。
ヨーモーメント外乱演算部33は、オブザーバ32によって推定された横力外乱φwと、ヨーモーメント外乱係数記憶部31に記憶されているヨーモーメント外乱係数lwとを用いて、ヨーモーメント外乱φmを推定演算により求める(ステップS40)。
以上のように、オブザーバ32において横力外乱φwが推定され、ヨーモーメント外乱係数lwと乗算することにより、ヨーモーメント外乱φmを求めることが可能となる。この結果、車両12に加わる横力外乱φwおよびヨーモーメント外乱φmを求めることができる。
なお、上記構成において、路面横勾配演算部25は、路面横勾配φbを加速度の次元で求めてオブザーバ32への入力情報としたが、勾配の角度や力などの次元で入力情報として求め、オブザーバ32の構成をそれに合わせて変更してもよい。
また、路面横勾配検出手段として路面横勾配演算部25を用いたが、この構成に限られることはなく、たとえば、路面横勾配演算部25に代えて、カーナビゲーション情報や車載カメラなどを用いて路面横勾配を検出してもよい。
また、前輪タイヤの実舵角(前輪舵角)δfを式(4)のように求めたが、直接タイヤの実舵角を測定可能なタイヤ実舵角センサを用いてもよく、また、ステアリングホイール11にかかるハンドルトルク(ドライバトルク)Thを検出可能なトルクセンサを設け、トーションバー剛性Ktを用いて、以下の式(10)のように求めてもよい。
Figure 0005137792
さらに、オブザーバ32に用いる車両モデルは、2輪モデルに限定されるものではなく、4輪モデルや非線形車両モデルなどを用いてオブザーバ32を構築してもよい。
以上のように、この発明の実施の形態1に係る車両横力外乱推定装置は、車両12の操舵角θを検出する操舵角センサ21と、車両12の横加速度Ayを検出する横加速度センサ22と、車両12のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ23と、車両12の車速Vを検出する車速センサ24と、車両12が走行している路面の路面横勾配φbを検出する路面横勾配演算部(路面横勾配検出手段)25と、車両12に発生している横力外乱φwを推定する横力外乱推定手段30とを備えている。
横力外乱推定手段30は、操舵角θ、横加速度Ay、ヨーレートγ、車速Vおよび路面横勾配φbの各検出値を用いて、横力外乱φwを推定するためのオブザーバ32を有する。
路面横勾配演算部25は、ヨーレートγと車速Vとの積算値と、横加速度Ayとの差分(γV−Ay)を用いて、路面横勾配φbを求める。
横力外乱推定手段30は、車両12に発生しているヨーモーメント外乱Nwと横力外乱Fwとの関係式(または、テーブル)があらかじめ記憶されているヨーモーメント外乱係数記憶部31と、ヨーモーメント外乱φmを推定演算するヨーモーメント外乱演算部33とを有し、操舵角θ、横加速度Ay、ヨーレートγ、車速Vおよび路面横勾配φbの各検出値と、ヨーモーメント外乱係数記憶部31から与えられたヨーモーメント外乱係数lwとを用いて、横力外乱φwを推定演算するとともに、ヨーモーメント外乱演算部33により、横力外乱φwの推定値とヨーモーメント外乱係数lwとを用いて、ヨーモーメント外乱φmを演算する。
ヨーモーメント外乱係数lwは、車両12の重心と、車両12に空力が作用する空力中心との間の距離であり、車両12の空力横力係数Cyおよび空力ヨーモーメント係数Cnと、ホイールベースLとを用いて、(Cn/Cy)×Lとして演算により設定される。
このように、この発明の実施の形態1によれば、路面横勾配演算部25により検出した路面横勾配φbを、オブザーバ32への入力情報として用いるので、オブザーバ32の次数を下げることができ、横力外乱を推定するために必要な計算量を軽減することができる。
実施の形態2.
なお、上記実施の形態1(図1)では、横力外乱の推定演算に用いられる各種パラメータの補正条件について言及しなかったが、図7のように、各車輪10a〜10dに加わる輪荷重W1〜W4に応じて各種パラメータを補正するように構成してもよい。
以下、図7および図8を参照しながら、この発明の実施の形態2について説明する。
図7はこの発明の実施の形態2に係る車両横力外乱推定装置を示すブロック図であり、前述(図1参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「A」を付して詳述を省略する。
図7において、車両12には、前述の各センサ21〜24および路面横勾配演算部25に加えて、輪荷重センサ26を備えている。
輪荷重センサ26は、左前輪荷重W1、右前輪荷重W2、左後輪荷重W3、右後輪荷重W4を検出し、横力外乱推定手段30A内のオブザーバ32Aに入力する。
横力外乱推定手段30Aは、検出された各車輪荷重W1〜W4に基づき、前輪コーナリングパワーKf、後輪コーナリングパワーKr、前輪から車両重心までの距離lf、後輪から車両重心までの距離lr、車両12の質量mおよびヨー慣性Iなどの車両パラメータを補正する。
たとえば、距離lf、lrは、以下の式(11)、式(12)のように補正される。
Figure 0005137792
また、各コーナリングパワーKf、Krは、図8のテーブルデータにより補正される。以下、前述の実施の形態1と同様の処理手順(図3)により、推定演算が行われる。
これにより、車両12の荷重バランスが変化して、車両重心の位置が変化した場合や、前輪コーナリングパワーKfや後輪コーナリングパワーKrが変化した場合においても、式(11)、式(12)および図8のテーブルにより、そのパラメータ値を補正することにより、横力外乱φwヨーモーメント外乱φbを高精度に推定演算することができる。
なお、上記構成において、必ずしも4輪のすべてに輪荷重センサ26を設けなくてもよく、たとえば前2輪、後2輪それぞれの荷重のみを検出してもよい。
また、各コーナリングパワーKf、Krの補正は、必ずしも図8のテーブルで行う必要はなく、あらかじめ定められた近似式を用いてもよい。
また、各距離lf、lrの値により、車両12のヨー慣性Iを補正してもよい。たとえば、ヨー慣性Iは、車両12の質量mおよび各距離lf、lrを用いて、以下のように求められる。
Figure 0005137792
したがって、各距離lf、lrを補正することにより、ヨー慣性Iも補正されることが分かる。
以上のように、この発明の実施の形態2によれば、車両12の各車輪10a〜10dにかかる荷重W1〜W4を検出する車輪荷重センサ26をさらに備え、横力外乱推定手段30は、車輪荷重センサ26により検出された各車輪荷重W1〜W4に基づいて、横力外乱の推定演算に用いられるパラメータのうちの少なくとも1つのパラメータを補正するので、横力外乱φwおよびヨーモーメント外乱φmを高精度に推定演算することができる。
実施の形態3.
なお、上記実施の形態2(図7)では、輪荷重センサ26を設けたが、図9のように、空気圧センサ27を設け、各車輪10a〜10dの空気圧P1〜P4に応じて各種パラメータを補正するように構成してもよい。
以下、図9および図10を参照しながら、この発明の実施の形態3について説明する。
図9はこの発明の実施の形態3に係る車両横力外乱推定装置を示すブロック図であり、前述(図7参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「B」を付して詳述を省略する。
図9において、車両12には、前述(図7)の輪荷重センサ26に代えて、空気圧センサ27が設けられている。
空気圧センサ27は、各車輪10a〜10dの空気圧P1〜P4を検出して横力外乱推定手段30Bに入力する。
横力外乱推定手段30Bは、検出された各空気圧P1〜P4に基づき、各種パラメータを補正する。たとえば、各コーナリングパワーKf、Krは、図10のテーブルデータにより補正され、以下、前述の実施の形態1と同様の処理手順(図3)により、推定演算が行われる。
なお、各コーナリングパワーKf、Krの補正は、必ずしも図10のテーブルで行う必要はなく、あらかじめ定められた近似式を用いてもよい。
また、前述(図7)の輪荷重センサ26に加えて、さらに空気圧センサ27を設けてもよい。この場合、オブザーバ32Bは、各荷重W1〜W4および各空気圧P1〜P4の両方を用いて、各種パラメータを補正するので、さらに高精度に推定演算を実現することができる。
以上のように、この発明の実施の形態3によれば、車両12の各車輪10a〜10dの空気圧P1〜P4を検出する空気圧センサ27をさらに備え、横力外乱推定手段30Bは、空気圧センサ27により検出された各車輪10a〜10dの空気圧P1〜P4に基づいて、横力外乱の推定演算に用いられるパラメータのうちの少なくとも1つのパラメータを補正するので、前述の実施の形態2と同様に、横力外乱φwおよびヨーモーメント外乱φmを高精度に推定演算することができる。
この発明の実施の形態1に係る車両横力外乱推定装置を車両とともに示すブロック図である。 一般的な車両に加わる重力と路面横勾配との関係を模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態1による演算処理手順を示すフローチャートである。 一般的な車両に加わる横力外乱とヨーモーメント外乱との関係を模式的に示す説明図である。 一般的な対気横滑り角と横力外乱係数およびヨーモーメント外乱係数との関係をグラフで示す説明図である。 この発明の実施の形態1に係るオブザーバに用いられる車両モデルを模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態2に係る車両横力外乱推定装置を車両とともに示すブロック図である。 この発明の実施の形態2における輪荷重とコーナリングパワーとの関係をグラフで示す説明図である。 この発明の実施の形態3に係る車両横力外乱推定装置を車両とともに示すブロック図である。 この発明の実施の形態3における空気圧とコーナリングパワーとの関係をグラフで示す説明図である。
符号の説明
10a 左前輪、10b 右前輪、10c 左後輪、10d 右後輪、11 ステアリングホイール、12 車両、21 操舵角センサ、22 横加速度センサ、23 ヨーレートセンサ、24 車速センサ、25 路面横勾配演算部(路面横勾配検出手段)、26 輪荷重センサ、27 空気圧センサ、30、30A、30B 横力外乱推定手段、31 ヨーモーメント外乱係数記憶部、32、32A、32B オブザーバ、33 ヨーモーメント外乱演算部、lw ヨーモーメント外乱係数、P1〜P4 空気圧、W1〜W4 輪荷重、θ 操舵角、Ay 横加速度、γ ヨーレート、V 車速、φb 路面横勾配、φw 横力外乱(推定値)、φm ヨーモーメント外乱(推定値)。

Claims (7)

  1. 車両の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
    前記車両の横加速度を検出する横加速度検出手段と、
    前記車両のヨーレートを検出するヨーレート検出手段と、
    前記車両の車速を検出する車速検出手段と、
    前記車両が走行している路面の路面横勾配を検出する路面横勾配検出手段と、
    前記車両に発生している横力外乱を推定する横力外乱推定手段と、
    を備えた車両横力外乱推定装置であって
    前記横力外乱推定手段は、
    前記車両に発生しているヨーモーメント外乱と前記横力外乱との関係式またはテーブルがあらかじめ記憶されているヨーモーメント外乱係数記憶部と、
    前記ヨーモーメント外乱を演算するヨーモーメント外乱演算部と、を有し、
    前記操舵角、前記横加速度、前記ヨーレート、前記車速および前記路面横勾配の各検出値と、前記ヨーモーメント外乱係数記憶部から与えられたヨーモーメント外乱係数とを用いて、前記横力外乱を推定するとともに、
    前記ヨーモーメント外乱演算部により、前記横力外乱の推定値と前記ヨーモーメント外乱係数とを用いて、前記ヨーモーメント外乱を演算することを特徴とする車両横力外乱推定装置。
  2. 前記横力外乱推定手段は、
    前記操舵角、前記横加速度、前記ヨーレート、前記車速および前記路面横勾配の各検出値を用いて、前記横力外乱を推定するためのオブザーバを有することを特徴とする請求項1に記載の車両横力外乱推定装置。
  3. 前記路面横勾配検出手段は、
    前記ヨーレートと前記車速との積算値と、前記横加速度との差分を用いて、前記路面横勾配を求めることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両横力外乱推定装置。
  4. 前記ヨーモーメント外乱係数は、前記車両の重心と、前記車両に空力が作用する空力中心との間の距離であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の車両横力外乱推定装置。
  5. 前記ヨーモーメント外乱係数は、前記車両の空力横力係数Cyおよび空力ヨーモーメント係数Cnと、ホイールベースLとを用いて、(Cn/Cy)×Lとして演算により設定されることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の車両横力外乱推定装置。
  6. 前記車両の各車輪にかかる荷重を検出する車輪荷重検出手段をさらに備え、
    前記横力外乱推定手段は、
    前記車輪荷重検出手段により検出された各車輪荷重に基づいて、
    前記横力外乱の推定演算に用いられる各種パラメータのうちの少なくとも1つのパラメータを補正することを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の車両横力外乱推定装置。
  7. 前記車両の各車輪の空気圧を検出する空気圧検出手段をさらに備え、
    前記横力外乱推定手段は、
    前記空気圧検出手段により検出された各車輪の空気圧に基づいて、
    前記横力外乱の推定演算に用いられる各種パラメータのうちの少なくとも1つのパラメータを補正することを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の車両横力外乱推定装置。
JP2008299815A 2008-11-25 2008-11-25 車両横力外乱推定装置 Active JP5137792B2 (ja)

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