JP5794624B2 - 自動二輪車のピッチ角推定装置及びピッチ角推定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、自動二輪車の車体のピッチ角を推定する技術に関し、特に、自動二輪車の車速のみからピッチ角を推定するピッチ角推定装置及びピッチ角推定方法に関する。このピッチ角推定装置を使用することで、自動二輪車に搭載された前照灯（ヘッドライト）の光軸方向を制御すること等が行われる。

従来、自動二輪車における前照灯光軸方向制御装置として、ポテンションメータ、角速度センサ、舵角センサ、車速センサで車体のピッチ角を検出し、走行中にピッチ角、バンク角、舵角などが変化しても前照灯の照射範囲を安定的に確保する構造が特許文献１に提案されている。

また、四輪車における前照灯光軸方向制御装置として、車速を微分した加速度から推定される車体のピッチ角と、車両に配設される傾斜センサの絶対傾斜角とから求められる推定路面傾斜角によって算出される制御角に基づいてアクチュエータを駆動し、ヘッドライトの光軸方向を制御する技術が特許文献２に提案されている。

特開平１０−３２４１９１号公報 特開２００１−３４１５７８号公報

しかしながら、特許文献１のピッチ角検出方法によれば、ピッチ角を算出するための各種センサが必要となるため、装置が複雑化するとともに高価になるという課題が存在する。

また、特許文献２のピッチ角検出方法によれば、車速の微分値である加速度のみを車体のピッチ角演算に用いるため、車体の加速度の大きな変化部分（過度状態）ではピッチ角の制御結果が敏感になり過ぎる傾向があるため実際の値より大きくなることや、サスペンションの減衰力が考慮されていないため、実際より大きく変化した値となることが考えられる。このため車両の加速度をそのまま制御値として使用するのは、ブレーキ操作時や加速時におけるノーズダイブやノーズリフトによる車体変化が大きな二輪車には不向きであると考えられる。
更に、ピッチ角検出のシステムとしては、傾斜センサも必要となるため、コストが嵩むという課題も考えられる。

本発明は上記事情に鑑みて提案されたもので、自動二輪車の車体のピッチ角を算出するに際して、傾斜センサ等の専用のセンサを使用することなく、車速センサで検出した車速のみでピッチ角が推定可能なピッチ角推定装置、ピッチ角推定方法、更には光軸方向制御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請求項１の自動二輪車のピッチ角推定装置は、自動二輪車のピッチ角推定装置において、前記自動二輪車の車速を検出する車速検出手段（１）から検出された車速ｖを基に、車体加速度項（１階微分項ｄｖ／ｄｔ）に車体加速度の微分項（２階微分項ｄ²ｖ／ｄｔ²）を加えた関数で表わされる前記自動二輪車のサスペンションストローク変化を基にして車体ピッチ角θを推定するピッチ角算出手段（３）を備えて成ることを特徴としている。

請求項２は、請求項１の自動二輪車のピッチ角推定装置において、前記車速ｖから前記車体加速度項（１階微分項ｄｖ／ｄｔ）及び車体加速度の微分項（２階微分項ｄ²ｖ／ｄｔ²）を求める微分項算出手段（２）を備え、前記ピッチ角算出手段（３）は、前記微分項算出手段（２）で求めた１階微分項ｄｖ／ｄｔ及び２階微分項ｄ²ｖ／ｄｔ²から、Ａ，Ｂを係数として、ピッチ角θ＝Ａｄｖ／ｄｔ＋Ｂｄ²ｖ／ｄｔ²を算出することを特徴としている。

請求項３は、請求項２の自動二輪車のピッチ角推定装置において、前記係数Ａ，Ｂは、前記自動二輪車のバネ上質量をｍ、バネ上質量高さをｈ、ホイールベースをｌ_wbとし、重力加速度をｇとし、ａ，ｃを前輪及び後輪のサスペンションの仕様により設定された値とし、ｂ，ｄを前輪及び後輪のサスペンションストローク変化に対して予め実験で求められる係数とした場合に、
Ａ＝ｍｇｈ（ｃ−ａ）／(ｌ_wb)²
Ｂ＝ｍｇｈ（ｂ−ｄ）／(ｌ_wb)²
で算出した値であることを特徴としている。

請求項４は、請求項１の自動二輪車のピッチ角推定装置において、前記ピッチ角算出手段（３）で算出したピッチ角を基に、前記自動二輪車の前照灯（６）の光軸方向を制御する光軸方向制御手段を備えたことを特徴としている。

請求項５の自動二輪車のピッチ角推定方法は、自動二輪車の前輪サスペンションのストロークの変化量をｌf´、後輪サスペンションのストロークの変化量をｌr´、ホイールベースをｌ_wbとした場合に、前記自動二輪車のピッチ角θは、前輪サスペンションのストロークの変化量ｌf´と後輪サスペンションのストロークの変化量ｌr´の差（ｌf´−ｌr´）をホイールベースｌ_wbで除算して推定することで、前記自動二輪車に搭載した車速センサで検出した車速から前記車体加速度項及び車体加速度の微分項を求めて前記ピッチ角θを算出することを特徴としている。

請求項６は、請求項５の自動二輪車のピッチ角推定方法において、前記前輪サスペンションのストロークの変化量ｌf´は、前輪接地荷重変化量（ｗf）に前記前輪接地荷重変化量の微分項（ｄｗf／ｄｔ）を加算して求め、前記後輪サスペンションのストロークの変化量ｌr´は、後輪接地荷重変化量（ｗr）に前記後輪接地荷重変化量の微分項（ｄｗr／ｄｔ）を加算して求めることを特徴としている。

請求項７は、請求項６の自動二輪車のピッチ角推定方法において、前記自動二輪車のバネ上質量をｍ、バネ上質量高さをｈ、ホイールベースをｌ_wbとし、重力加速度をｇとした場合に、
前輪の接地荷重変化量（ｗf）は、
ｗf＝−｛ｍｇｈ／(ｌ_wb)｝｛ｄｖ／ｄｔ｝で求め、
後輪の接地荷重変化量（ｗr）は、
ｗr＝｛ｍｇｈ／(ｌ_wb)｝｛ｄｖ／ｄｔ｝で求める
ことを特徴としている。

請求項８は、請求項５の自動二輪車のピッチ角推定方法において、前記ピッチ角θは、車体重心位置を中心として反時計回りの動きを負とし、前記各サスペンションのストローク変化量は、前記自動二輪車の車体上方向への動きを正として設定することを特徴としている。

本発明のピッチ角推定装置及びピッチ角推定方法によれば、自動二輪車の前後のサスペンションストローク変化を表わす式を基に、微分項算出手段（２）で検出された車速ｖの車体加速度項（１階微分項ｄｖ／ｄｔ）及び車体加速度の微分項（２階微分項ｄ²ｖ／ｄｔ²）を用いてサスペンションストロークの変化量を推定して車体のピッチ角を推定することで、車速センサ（１）からの車速信号のみでピッチ角を算出することができ、計算負荷を低くして処理速度を速くすることができる。
また、推定されたピッチ角は、車速ｖの２階微分項ｄ²ｖ／ｄｔ²を含むことで、自動二輪車において実際のピッチ角に近い値を得ることができる。

自動二輪車の前照灯（６）の光軸方向を制御する光軸方向制御手段を備えたピッチ角推定装置によれば、車速センサ（１）からの車速信号のみでピッチ角を推定し前照灯（６）の光軸制御を可能とするので、安価な構造で自動二輪車におけるピッチ角の変化に適した光軸制御を行うことができる。

本発明のピッチ角推定装置が搭載された自動二輪車の側面説明図である。 本発明の一実施形態に係るピッチ角推定装置のブロック図である。 ピッチ角推定装置におけるピッチ角の推定に必要な各値を説明するための自動二輪車の簡略側面説明図である。 （ａ）（ｂ）はピッチ角を推定して計算した場合のグラフである。 光軸方向制御手段を備えたピッチ角推定装置のブロック図である。

以下、本発明のピッチ角推定装置の実施形態の一例について、図面を参照しながら説明する。本発明のピッチ角推定装装置は、例えば、図１に示すような自動二輪車６０に搭載される。

自動二輪車６０は車体フレーム６１を備え、車体フレーム６１の前端部には、ステアリングステム６２を回動自在に軸支するヘッドパイプ６３が結合されている。ステアリングステム６２の上部には左右一対の操向ハンドル６４が取り付けられている。操向ハンドル６４の中央位置には、スピードメータ（速度計）、タコメータ（エンジン回転計）、燃料計、距離計及び各種インジケータ等が配置されたメータ部６５が配設されている。

ヘッドパイプ６３の下部には、前輪ＷＦを回転自在に軸支する左右一対のフロントフォーク（前輪サスペンション）６６が取り付けられている。フロントフォーク６６には、前輪ＷＦを覆うフロントフェンダ６７が取り付けられている。
車体フレーム６１には、前輪ＷＦの後方位置にエンジン６８が支持され、エンジン後方にはスイングアーム６９を介して駆動輪である後輪ＷＲが支持されている。車体フレーム６１の左右後端側と後輪ＷＲの左右軸部側との間には、後輪サスペンション７０がそれぞれ装着されている。前輪サスペンション６６及び後輪サスペンション７０は、サスペンションのダンパー効果により、荷重の動的変化に対して伸縮する。

また、操向ハンドル６４の後方位置には、車体フレーム６１に支持される燃料タンク７１及びその後方位置に配置された乗員用シート７２が設けられている。
乗員用シート７２の下側には、メータ部６５等の電装品について制御やエンジンの点火装置や燃料噴射装置等を制御するＥＣＵ４が配設されている。

ヘッドパイプ６３の前方には、前照灯（ヘッドライト）６が取り付けられている。前照灯（ヘッドライト）６は、ステップモータ（不図示）により車体変化（自動二輪車のブレーキ操作時や加速時におけるノーズダイブ、ノーズリフトに伴う車体の変化）に対してピッチ角方向に回動可能とすることで光軸が制御可能に構成されている。
また、前輪ＷＦの軸部近傍位置には、車輪の回転速度によって車速を検出する車速センサ１が装着されている。

ピッチ角推定装置は、図２に示すように、自動二輪車の車速ｖを検出する車速センサ（車速検出手段）１と、車速ｖの加速度項（１階微分項ｄｖ／ｄｔ）及び加速度項の微分項（２階微分項ｄ²ｖ／ｄｔ²）を求める微分項算出手段２と、車速ｖの加速度項（１階微分項ｄｖ／ｄｔ）及び加速度項の微分項（２階微分項ｄ²ｖ／ｄｔ²）から車体のピッチ角θを推定するピッチ角算出手段３から構成されている。

車速センサ１は、車輪の回転速度によって車速ｖを検出する一般的なもので構成されている。
微分項算出手段２は、車速センサ１で検出された車速ｖを基に、単位時間当たりの速度の変化量（加速度）である１階微分項ｄｖ／ｄｔを算出するとともに、単位時間当たりの加速度の変化量である２階微分項ｄ²ｖ／ｄｔ²を算出する。
ピッチ角算出手段３は、微分項算出手段２で検出された１階微分項ｄｖ／ｄｔ及び２階微分項ｄ²ｖ／ｄｔ²から、Ａ，Ｂを係数として、ピッチ角θ＝Ａｄｖ／ｄｔ＋Ｂｄ²ｖ／ｄｔ²を計算することでピッチ角θを算出する。すなわち、車速検出手段１から検出された自動二輪車の車速ｖを基に、車体加速度項（１階微分項ｄｖ／ｄｔ）に車体加速度の微分項（２階微分項ｄ²ｖ／ｄｔ²）を加えた関数で車体ピッチ角θを推定する。
微分項算出手段２及びピッチ角算出手段３は、自動二輪車の電装品についての各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）４内に構成されている。

以下、ピッチ角算出手段３における係数Ａ，Ｂの算出の仕方について、図３を参照しながら説明する。
図３は自動二輪車のモデル図（簡略外観説明図）であり、図１と同じ部位には同一符号を付している。
自動二輪車は、車速ｖで走行し、実際の路面に対する車体の前後方向における傾斜角度をピッチ角θとする。ここで、サスペンションのストロークは上方向が（＋）、ピッチ角は反時計回りが（−）に設定する。この場合において、前輪ＷＦの前輪サスペンション６６による鉛直方向のストローク変化量ｌf´は、前輪ＷＦの接地荷重をｗf ，後輪の接地荷重をｗr ，バネ上質量をｍ，バネ上質量高さをｈ，重力加速度をｇとした場合、数１で表すことができる。

数１において、ｗf´は前輪接地荷重変化量、ａ及びｂは係数である。
同様に、後輪ＷＲの後輪サスペンション７０による鉛直方向のストローク変化量ｌr´は、数２で表すことができる。

数２において、ｗr´は後輪接地荷重変化量、ｃ及びｄは係数である。
数１及び数２においる係数ａ，ｃはサスペンションの仕様により設定される値であり、ｂ，ｄは、実際に試験機で加振状態とした時の、サスペンション荷重変化とストローク変化のデータから数１，数２に当てはめて求めた係数である。

前輪接地荷重変化量ｗf´は、バネ上質量をｍ，バネ上質量高さをｈ，重力加速度をｇとした場合、数３で表すことができる。

同様に、後輪接地荷重変化量ｗr´は、数４で表すことができる。

図３のモデル図において、自動二輪車のホイールベースをｌ_wbとした場合、ピッチ角θは、ｔａｎθから数５で表わすことができる。

そして、数５は、ピッチ角θのとり得る範囲においては、三角関数（ｔａｎ）を省略した数６に近似することができる。

ここで、数６に、数１、数２、数３、数４を代入すると、数７が得られる。

数７における係数Ａ，Ｂは、それぞれ
Ａ＝ｍｇｈ（ｃ−ａ）／(ｌ_wb)²
Ｂ＝ｍｇｈ（ｂ−ｄ）／(ｌ_wb)²
であり、ｍｇｈ／(ｌ_wb)²を基に係数（ｃ−ａ）又は係数（ｂ−ｄ）を乗じた値となる。

実際値であるピッチ角基準値に対して、数７を使用してピッチ角の推定値を算出した場合の計算結果の例を図４（ａ）に示す。比較のため、数７における２階微分項（Ｂｄ²ｖ／ｄｔ²）を省略して計算したピッチ角の推定値を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）（ｂ）における点線はピッチ角基準値であり、ピッチ角推定値がピッチ角基準値に対して変動することなく近い値となるのが好ましい。
図４（ｂ）における矢印Ｐ及び矢印Ｑでは、車体が振動的にピッチ運動した場合、推定されるピッチ角変化が大きくなるのに対し、図４（ａ）の同じ箇所においてはピッチ角推定値の変化が少ないことが確認できる。

また、サスペンションストロークと接地荷重変化量が動的に比例関係にあるとした場合、加速度の変化が大きい場合には、図４（ｂ）の矢印Ｒのように、サスペンションのストロークが実際より大きく計算されるため、ピッチ角推定値が大きくなる。
これに対して、数７により推定されるピッチ角推定値は、図４（ａ）において図４（ｂ）の矢印Ｒと同じ箇所である加速度の大きな変化を伴う部分でも、サスペンションのストローク変化（サスペンションのダンパー効果により、荷重の動的変化に対し、ストロークは比例的に増加しない）が実際に近い値に計算されるため、ピッチ角推定値についてもピッチ角基準値から大きく離れる部分が少なくなり、実際値に近い値を推定することができる。
その結果、加速度に大きな変化がある場合でも、ピッチ角が極端に大きくならないため制御性の向上を図ることができる。したがって、ブレーキ操作時や加速時におけるノーズダイブやノーズリフトに伴う車体変化が大きい自動二輪車のピッチ角算出に適した手法となる。

上述したピッチ角推定装置によれば、車速センサ１から得られた車速ｖのみでピッチ角θを推定できるため、ピッチ角算出用の特別なセンサを付加することなく、安価なシステムでピッチ角θを算出することができる。
また、ピッチ角算出手段３では、車速のみで推定ピッチ角を計算し、さらに三角関数を用いていないため、計算負荷を低くして処理速度を速くすることができる。また、従来に比較して計算能力の低いＣＰＵを使用してピッチ角の算出を可能とするので、安価なシステムとすることができる。

次に、光軸方向制御手段を備えたピッチ角推定装置について、図５を参照して説明する。
光軸方向制御手段を備えたピッチ角推定装置は、車速ｖを検出する車速センサ１と、車体のピッチ角方向に前照灯６の光軸を回動するアクチュエータとしてのステップモータ５と、車速センサ１から推定されるピッチ角θに基づきピッチ角方向補正量を算出し、ステップモータ５を介してピッチ角方向における光軸の角度を補正する光軸方向制御手段を有する制御部４とを備えている。
車速センサ１は、車輪の回転速度によって車速ｖを検出する一般的なものである。制御部４（光軸方向制御手段）は、光軸制御用のプログラムを内蔵したマイクロコンピュータから構成され、ピッチ角算出手段３で算出したピッチ角を基に、自動二輪車の前照灯６の光軸方向を制御する。ステップモータ５は、制御部４から出力されたパルス信号に応じて所定の角度だけ車体のピッチ角方向において正逆に回動するものである。

光軸方向制御手段を備えたピッチ角推定装置によれば、車速センサ１からの車速信号のみでピッチ角を推定し前照灯６の光軸制御を可能とするので、安価な構造で自動二輪車におけるピッチ角の変化に適した光軸制御を行うことができる。

１…車速センサ（車速検出手段）、 ２…微分項算出手段、 ３…ピッチ角算出手段、 ４…制御部（ＥＣＵ）、 ５…ステップモータ、 ６…前照灯（ヘッドライト）、 ６０…自動二輪車、 ６６…フロントフォーク（前輪サスペンション）、 ７０…後輪サスペンション。

Claims (8)

1. 自動二輪車のピッチ角推定装置において、
   前記自動二輪車の車速を検出する車速検出手段（１）から検出された車速ｖを基に、
   車体加速度項（１階微分項ｄｖ／ｄｔ）と車体加速度の微分項（２階微分項ｄ2ｖ／ｄｔ2）との和からなる関数で表わされる前記自動二輪車のサスペンションストローク変化を基にして車体ピッチ角θを推定するピッチ角算出手段（３）を備えた制御部（４）を含む
   ことを特徴とする自動二輪車のピッチ角推定装置。
2. 前記車速ｖから前記車体加速度項（１階微分項ｄｖ／ｄｔ）及び車体加速度の微分項（２階微分項ｄ2ｖ／ｄｔ2）を求める微分項算出手段（２）を備え、
   前記ピッチ角算出手段（３）は、前記微分項算出手段（２）で求めた１階微分項ｄｖ／ｄｔ及び２階微分項ｄ2ｖ／ｄｔ2から、Ａ，Ｂを係数として、ピッチ角θ＝Ａｄｖ／ｄｔ＋Ｂｄ2ｖ／ｄｔ2を算出する
   請求項１に記載の自動二輪車のピッチ角推定装置。
3. 前記係数Ａ，Ｂは、前記自動二輪車のバネ上質量をｍ、バネ上質量高さをｈ、ホイールベースをｌwbとし、重力加速度をｇとし、
   ａ，ｃを前輪及び後輪のサスペンションの仕様により設定された値とし、
   ｂ，ｄを前輪及び後輪のサスペンションストローク変化に対して予め実験で求められる係数とした場合に、
   Ａ＝ｍｇｈ（ｃ−ａ）／(ｌwb)2
   Ｂ＝ｍｇｈ（ｂ−ｄ）／(ｌwb)2
   で算出する
   請求項２に記載の自動二輪車のピッチ角推定装置。
4. 前記ピッチ角算出手段（３）で算出したピッチ角を基に、前記自動二輪車の前照灯（６）の光軸方向を制御する光軸方向制御手段（４）を備えた請求項１に記載の自動二輪車のピッチ角推定装置。
5. 自動二輪車の前輪サスペンションのストロークの変化量をｌf´、後輪サスペンションのストロークの変化量をｌr´、ホイールベースをｌwbとした場合に、
   前記自動二輪車のピッチ角θは、
   前輪サスペンションのストロークの変化量ｌf´と後輪サスペンションのストロークの変化量ｌr´の差（ｌf´−ｌr´）をホイールベースｌwbで除算して推定することで、
   前記自動二輪車に搭載した車速センサで検出した車速から前記車体加速度項及び車体加速度の微分項を求めることで、制御部（４）に前記ピッチ角θを算出させる
   ことを特徴とする自動二輪車のピッチ角推定プログラム。
6. 前記前輪サスペンションのストロークの変化量ｌf´は、前輪接地荷重変化量（ｗf）に前記前輪接地荷重変化量の微分項（ｄｗf／ｄｔ）を加算して求め、
   前記後輪サスペンションのストロークの変化量ｌr´は、後輪接地荷重変化量（ｗr）に前記後輪接地荷重変化量の微分項（ｄｗr／ｄｔ）を加算して求める
   請求項５に記載の自動二輪車のピッチ角推定プログラム。
7. 前記自動二輪車のバネ上質量をｍ、バネ上質量高さをｈ、ホイールベースをｌwbとし、重力加速度をｇとした場合に、
   前輪の接地荷重変化量（ｗf）は、
   ｗf＝−｛ｍｇｈ／(ｌwb)｝｛ｄｖ／ｄｔ｝で求め、
   後輪の接地荷重変化量（ｗr）は、
   ｗr＝｛ｍｇｈ／(ｌwb)｝｛ｄｖ／ｄｔ｝で求める
   請求項６に記載の自動二輪車のピッチ角推定プログラム。
8. 前記ピッチ角θは、車体重心位置を中心として反時計回りの動きを負とし、前記各サスペンションのストローク変化量は、前記自動二輪車の車体上方向への動きを正として設定する請求項５に記載の自動二輪車のピッチ角推定プログラム。