JP5137872B2 - 車両横外乱推定装置 - Google Patents

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外乱推定装置に関するものである。

従来の車両横外乱推定装置は、センサにより検出される実ヨーレート、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、横力により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１参照）。

また、他の車両横外乱推定装置においては、運転者の操作による操舵角が、直進と見なせる所定範囲内である場合に、横力を直接的に検出するセンサ手段を用いて、横力の検出値を横外乱として推定している（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００５−２３９０１２号公報 特開２００６−１６０１８０号公報

しかしながら、上記従来技術においては、特許文献１の場合、各横外乱を高次（７次）のオブザーバによって推定しているので、計算量が多くなり、実装時に高価なＥＣＵが必要になるという課題があった。

また、特許文献２の場合には、ほぼ直進と見なせる操舵角の範囲内のみで横力外乱を推定しているので、横力外乱の推定領域が限定されるうえ、操舵角が「０」でない場合には、推定誤差が生じて、横外乱の推定精度が悪化す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、タイヤ横力センサによる検出値（タイヤに発生している横力）を、横力外乱推定器の入力情報とすることにより、オブザーバを用いずに、少ない計算量で、横勾配による成分を除く横外乱を高精度に推定することのできる車両横外乱推定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る車両横外乱推定装置は、車両の横加速度を検出する横加速度センサと、車両の各車輪に作用するタイヤ横力を検出するタイヤ横力センサと、車両に作用する横力外乱を推定する横力外乱推定器と、を備え、横力外乱推定器は、横加速度センサにより検出された横加速度と、タイヤ横力センサにより検出されたタイヤ横力と、車両の仕様に対応した車両モデルとを用いて、路面の横勾配によるカント外乱を除いた横外乱を推定するものである。

この発明によれば、タイヤ横力センサにより検出したタイヤ横力を用いることにより、オブザーバを用いることなく、横外乱を高精度に推定するために必要な計算量の軽減を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る車両横外乱推定装置の概略構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による横力外乱推定器の動作を示すフローチャートである。 カント外乱および横力外乱が無い場合の車両に加わる重力を模式的に示す説明図である。 カント外乱が加わり横力外乱が無い場合の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。 カント外乱および横力外乱が加わった場合の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によるヨーモーメント外乱推定器の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る車両横外乱推定装置の概略構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２による外乱作用点推定器の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る車両横外乱推定装置の概略構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の好適な実施の形態について説明する。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１１は、４輪のタイヤ（左前輪１０ａ、右前輪１０ｂ、左後輪１０ｃ、右後輪１０ｄ）と、車両１１の横加速度Ａｙを検出する横加速度センサ２１と、各タイヤ１０ａ〜１０ｄに発生する横方向の力を検出するタイヤ横力センサ２２と、ヨー角加速度センサ２３とを備えている。

タイヤ横力センサ２２は、各タイヤ１０ａ〜１０ｄに発生する横方向の力、すなわち、タイヤ１０ａに発生するタイヤ横力Ｆｙａと、タイヤ１０ｂに発生するタイヤ横力Ｆｙｂと、タイヤ１０ｃに発生するタイヤ横力Ｆｙｃと、タイヤ１０ｄに発生するタイヤ横力Ｆｙｄとを検出する。

ヨー角加速度センサ２３は、車両１１のヨーレートγを検出するヨーレートセンサと、ヨーレートγを微分してヨー角加速度ｄγを生成する微分手段（たとえば、ハイパスフィルタなど）とを有し、ヨー角加速度ｄγを検出値として出力する。

横外乱推定装置３０は、車両１１の横方向に加わる外乱を推定するために、横力外乱推定器３１と、ヨーモーメント外乱推定器３２とを備えている。
横力外乱推定器３１およびヨーモーメント外乱推定器３２は、車両１１からの各種検出値を用いて、車両１１の仕様に対応した車両モデルに基づく推定演算を行い、車両１１に作用する横力外乱φｙおよびヨーモーメント外乱φｍを検出する。

横力外乱推定器３１は、横加速度センサ２１により検出された横加速度Ａｙと、タイヤ横力センサ３２により検出されたタイヤ横力Ｆｙａ〜Ｆｙｄとを用いて、車両１１が走行する路面の横勾配によるカント外乱（車両１１に加わる路面横勾配による外乱）を除いた横力外乱φｙを推定する。

ヨーモーメント外乱推定器３２は、横加速度センサ２１により検出された横加速度Ａｙと、タイヤ横力センサ３２により検出されたタイヤ横力Ｆｙａ〜Ｆｙｄとを用いて、車両１１が走行する路面の横勾配によるカント外乱を除いたヨーモーメント外乱φｍを推定する。

図１に示したように、横外乱推定装置３０には、横加速度センサ２１により検出された横加速度Ａｙと、タイヤ横力センサ２２により検出された各タイヤに発生しているタイヤ横力Ｆｙａ〜Ｆｙｄと、ヨー角加速度センサ２３により検出されたヨー角加速度ｄγとが入力される。

次に、図１とともに、図２のフローチャートおよび図３〜図５の説明図を参照しながら、この発明の実施の形態１による横力外乱推定器３１の処理動作について説明する。
図３〜図５は車両１１の走行路を後方から見た状態で示す説明図であり、車両１１に加わる重力とカント外乱および横力外乱との関係を模式的に示している。

図３はカント外乱φｒおよび横力外乱φｙが無い場合（φｒ＝０、φｙ＝０）を示し、図４はカント外乱φｒが加わりかつ横力外乱φｙが無い場合（φｒ≠０、φｙ＝０）を示し、図５はカント外乱φｒおよび横力外乱φｙが加わった場合（φｒ≠０、φｙ≠０）の場合を示す。たとえばカーブ路においては、車両１１の走行をスムーズにするために、図４、図５のように、路面にカント設けられている場合が多い。

図２において、横力外乱推定器３１は、まず、車両１１から各種入力信号を読み込み（ステップＳ１０）、続いて、車両モデルに含まれる車両１１の質量ｍと、各種センサ２１〜２３からの入力信号とを用いて、以下の式（１）により、横力外乱φｙを推定演算する（ステップＳ２０）。

ただし、式（１）において、横加速度センサ２１により検出された横加速度Ａｙは、たとえば図５の場合には、実際の横加速度（横力外乱φｙ）と、カント外乱φｒ（カントにより発生する重力の横成分）との和である。
また、式（１）の右辺に示すように、横加速度Ａｙに車両１１の質量ｍを乗算することにより、式（１）は、カントによる横力（カント外乱φｒ）を含む横力ｍ×Ａｙの釣合い式となる。

ここで、説明を簡便にするために、車両１１の直進状態を例に取ると、図３のように、カントが無く、かつ横力外乱φｙが作用していない場合（カント外乱φｒ＝０、横力外乱φｙ＝０）には、式（１）の右辺括弧内の値は「０」となり、横加速度Ａｙの検出値も「０」となるので、式（１）から、横力外乱φｙ＝０となる。

一方、図４のように、車両１１の走行路面が傾斜してカント外乱φｒ≠０の場合は、横力ｍ×Ａｙ＝カント外乱φｒとなり、また、式（１）の右辺括弧内の値もカント外乱φｒとなるので、式（１）から、横力外乱φｙ＝０となる。

さらに、図５のように、カント外乱φｒ（≠０）と横力外乱φｙ＝φｙ１（≠０）との両方が作用する場合には、横力ｍ×Ａｙ＝φｒ、右辺括弧内の値が「φｒ−φｙ１」となるので、横力外乱φｙ＝φｙ１となる。
これにより、たとえばカーブ路に設けられたカントを横力外乱として誤推定しまうことを防ぐことができる。

次に、図６のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１によるヨーモーメント外乱推定器３２の処理動作について説明する。
図６において、ヨーモーメント外乱推定器３２は、まず、入力信号を読み込み（ステップＳ３０）、続いて、車両モデルに含まれる車両１１のヨー慣性Ｉと、各種センサ２１〜２３からの入力信号とを用いて、以下の式（２）により、ヨーモーメント外乱φｍを推定演算する（ステップＳ４０）。

このように、車両１１にタイヤ横力センサ２２を設けることにより、横外乱推定装置３０内の横力外乱推定器３１およびヨーモーメント外乱３２において、路面の横勾配によるカント外乱φｒ以外の横力外乱φｙおよびヨーモーメント外乱φｍを、少ない計算量で推定する推定することができる。
また、図１においては、横外乱推定装置３０内にヨーモーメント外乱推定器３２を設けたが、ヨーモーメント外乱推定器３２を省略することもできる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１）では、横力外乱φｙの推定演算に用いられる車両モデル（車両パラメータ）の変化について考慮しなかったが、図７のように、横外乱推定装置３０Ａ内に外乱作用点推定器３３を追加し、車両パラメータの変化を検出できるように構成してもよい。

以下、図７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に係る車両横外乱推定装置の概略構成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、外乱作用点推定器３３は、横力外乱推定器３１により推定された横力外乱φｙと、ヨーモーメント外乱推定器３２により推定されたヨーモーメント外乱φｍとを用いて、発生している外乱の合力が作用する外乱作用点を推定し、車両１１の重心と外乱作用点との距離ｌｗを検出値として出力する。

次に、図７とともに、図８のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態２による外乱作用点推定器３３の処理動作について説明する。
図８は車両１１に加わる横外乱の合力の作用点を推定する手順を示している。

図８において、外乱作用点推定器３３は、まず、横力外乱推定器３１で推定された横力外乱φｙと、ヨーモーメント外乱推定器３２で推定されたφｍとを、入力信号として読み込む（ステップＳ５０）。
続いて、以下の式（３）により、車両１１の重心と外乱作用点との距離ｌｗを推定する（ステップＳ６０）。

このように、外乱作用点推定器３３を設けることにより、車両１１の重心と外乱の合力が作用する外乱作用点との距離ｌｗを推定することができる。
ただし、路面の横勾配による外乱以外の横外乱は、主に横風であり、横風の作用点は、車両１１の横方向の形状によって決定するので一定である。

ここで、外乱作用点推定器３３により推定された距離ｌｗと、横風の作用点とが異なる場合には、式（１）における車両１１の質量ｍ、または、式（２）におけるヨー慣性Ｉが変化していることを示している。
したがって、距離ｌｗの推定値を用いることにより、車両パラメータの変化を検出することが可能となる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２（図１、図７）では、横力外乱φｙの推定演算に用いられる各種の車両パラメータの補正条件について言及しなかったが、図９のように、車両１１Ｂに輪荷重センサ２４を追加し、各車輪１０ａ〜１０ｄに加わる荷重（以下、「輪荷重」という）Ｗａ〜Ｗｄの検出値に応じて、各種の車両パラメータを補正するように構成してもよい。

以下、図９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に係る車両横外乱推定装置の概略構成を示すブロック図であり、前述（図１、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１１Ｂは、前述の横加速度センサ２１、タイヤ横力センサ２２およびヨー角加速度センサ２３に加えて、輪荷重センサ２４を備えている。
輪荷重センサ２４は、タイヤごとの荷重として、左前輪荷重Ｗａ、右前輪荷重Ｗｂ、左後輪荷重Ｗｃおよび右後輪荷重Ｗｄを検出し、横外乱推定装置３０Ｂ内の横力外乱推定器３１Ｂおよびヨーモーメント外乱推定器３２Ｂに入力する。

横力外乱推定器３１Ｂおよびヨーモーメント外乱推定器３２Ｂは、輪荷重センサ２４により検出された各車輪荷重Ｗａ〜Ｗｄに基づき、たとえば、以下の式（４）、式（５）で表される車両パラメータｌｆ、ｌｒを補正する。

ただし、式（４）は車両の重心から前輪までの距離ｌｆを示し、式（５）は車両の重心から後輪までの距離ｌｒを示している。
また、式（５）において、Ｌはホイルベース（前輪から後輪までの距離）である。

このように、輪荷重センサ２４を設けることにより、車両１１Ｂの荷重バランスが変化し、車両１１Ｂ重心の位置が変化した場合においても、その値を補正することにより、横外乱を高精度に推定することができる。
また、図９においては、すべてのタイヤに対して輪荷重センサ２４を設けたが、必ずしも４輪のすべてに輪荷重センサを設ける必要はなく、たとえば、２つの前輪、または２つの後輪の荷重のみを検出してもよい。

また、補正された車両パラメータｌｆ、ｌｒの値を用いて、たとえば、車両１１Ｂのヨー慣性Ｉを、Ｉ＝ｍ×ｌｒ×ｌｆから求めることにより、ヨー慣性Ｉを補正してもよい。
したがって、車両パラメータｌｆ、ｌｒを補正することにより、ヨー慣性Ｉも補正することができる。

１０ａ 左前輪、１０ｂ 右前輪、１０ｃ 左後輪、１０ｄ 右後輪、１１、１１Ｂ 車両、２１ 横加速度センサ、２２ タイヤ横力センサ、２３ ヨー角加速度センサ、２４ 輪荷重センサ、３０、３０Ａ、３０Ｂ 横外乱推定装置、３１、３１Ｂ 横力外乱推定器、３２、３２Ｂ ヨーモーメント外乱推定器、３３、３３Ｂ 外乱作用点推定器。

Claims (4)

1. 車両の横加速度を検出する横加速度センサと、
   前記車両の各車輪に作用するタイヤ横力を検出するタイヤ横力センサと、
   前記車両に作用する横力外乱を推定する横力外乱推定器と、を備え、
   前記横力外乱推定器は、前記横加速度センサにより検出された前記横加速度と、前記タイヤ横力センサにより検出された前記タイヤ横力と、前記車両の仕様に対応した車両モデルとを用いて、路面の横勾配によるカント外乱を除いた前記横力外乱を推定することを特徴とする車両横外乱推定装置。
2. 前記車両のヨー角加速度を検出するヨー角加速度センサと、
   前記車両に作用するヨーモーメント外乱を推定するヨーモーメント外乱推定器と、を備え、
   前記ヨーモーメント外乱推定器は、前記ヨー角加速度センサにより検出された前記ヨー角加速度と、前記タイヤ横力センサにより検出された前記タイヤ横力と、前記車両の仕様に対応した車両モデルとを用いて、路面の横勾配によるカント外乱を除いた前記ヨーモーメント外乱を推定することを特徴とする請求項１に記載の車両横外乱推定装置。
3. 発生している外乱の合力が作用する外乱作用点を推定する外乱作用点推定器を備え、
   前記外乱作用点推定器は、
   前記横力外乱推定器により推定された前記横力外乱と、前記ヨーモーメント外乱推定器により推定された前記ヨーモーメント外乱とを用いて、前記外乱作用点を推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両横外乱推定装置。
4. 前記車両の各車輪にかかる輪荷重を検出する輪荷重センサをさらに備え、
   前記横力外乱推定器は、前記輪荷重センサにより検出された前記輪荷重を用いて、前記横力外乱の推定演算に用いられる各種の車両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３までのいずれか１項に記載の車両横外乱推定装置。

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