CN1058938C - 随车辆转弯而变化的运动状态量的推断方法 - Google Patents

Abstract

本发明根据车辆的转弯运动模型假设观测仪，用该观测仪高精度地推断车辆的侧滑角。假设包含车辆的转弯运动模型并以偏转率作为参照输入的观测仪。用根据观测仪状态方程式计算出的推断侧滑角及推断偏转率和检测前后方向行进速度，计算推断横向加速度，并且，以检测横向加速度与上述计算出的推断横向加速度之比作为修正系数进行计算。用该修正系数乘观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子。根据该观测仪的状态方程式推断侧滑角时，由于对偏转刚度值进行正确的修正，侧滑角的推断精度高。

Description

随车辆转弯而变化的运动状态量的推断方法

本发明涉及随车辆转弯而变化的运动状态量的推断方法。该方法中假设了包含车辆转弯运动模型、并以若干运动状态量中的至少一个作为参照输入的观测仪，上述车辆转弯运动模型，是以转向角、转向角速度等表示车辆转向角变化的物理量作为输入变量，以侧滑角、偏转率、横向加速度等随车辆转弯而变化的若干运动状态量作为状态变量；根据该观测仪的状态方程式，与上述的一个运动状态量一起推断其它的运动状态量。

在本说明书中，将车辆的转向操纵角度简称为转向角，将操纵方向盘转向的旋转速度简称为转向角速度，将车辆的前后方向上的行进速度简称为前后方向行进速度。

以往，日本专利公报特开平2-45802号揭示了一种推断偏转率及横向加速度的方法。该方法是：检测车辆的转向角及侧滑角加速度，用该检测出的转向角及侧滑角加速度构成车辆运动方程式，根据该车辆运动方程式的构成观测仪，利用这种观测仪的方法推断偏转率及横向加速度。另外，日本专利公报特开昭62-83247号也揭示了一种车辆运动状态量的推断方法。该方法是：检测车速及转向角，同时用运算方法推断横向加速度、偏转率等，所说运算是基于采用了该检测出的车速及转向角的车辆模型，在上述车辆运动状态量的推断方法中，再检测横向加速度及偏转率，同时用检测出的偏向加速度、车速及偏转率来计算侧滑角，当上述推断的偏转率与实际检测出的偏转率的偏差为一定值以上时；以及车辆定常转弯中当上述计算出的侧滑角相对于检测偏转率之比与推断侧滑角相对于推断偏转率之比的偏差在一定值以上时；对车辆转弯运动模型中的偏转刚度值进行预定固定量的增减修正。

通常，当轮胎的侧滑角增大而使得相对于该侧滑角的偏转刚度值进行入非线性区域，轮胎经历长时间而变化、轮胎与路面的摩擦系数降低、或者轮胎的接地荷重分配产生极大变化时，轮胎的偏转刚度值也相应于上述情形连续地变化。但是，在上述特开平2-45802号的观测仪中，由于车辆运动方程式中所采用的偏转刚度值是固定的，所以，不能高精度地推断随车辆转弯而变化的运动状态量即偏转率和横向加速度。另外，特开昭62-83247号的车辆运动状态量推断方法中，是采用古典的运算方法来计算车辆的运动状态，该古典运算方法中基本上仅用了车速及转向角，所以，当轮胎打滑或车辆发生异常情况时，所推断的车辆运动状态量会有很大误差。

在该推断法中，虽然进行轮胎偏转刚度值的修正，但该修正是根据上述的一定条件，只是定性地对轮胎偏转刚度值进行预定的固定量的增减，所以，不能正确修正轮胎的偏转刚度值。因此，即使进行了修正，也不能高精度地推断随车辆转弯而变化的运动状态量。

本发明是鉴于上述问题而作出的，所要解决的课题是，即使轮胎的偏转刚度值因各种原因而变化，也能准确地检测出随车辆转弯而变化的运动状态量。

为了解决上述课题，首先，如图1、2所示、假设包含车辆转弯运动模型1a的观测仪1(オブザ-バ)。该车辆转弯运动模型1a是以转向角、转向角速度等表示车辆转向角变化的物理量作为输入变量U(u₁，u₂)，以随转弯而变化的若干运动状态量作为状态变量X(x₁，x₂)。将一个状态变量x₁选定为参照输入，与该状态变量x₁一起推断其它的状态变量x₂。从该种运动状态量随轮胎的偏转刚度值而变化可知，该观测仪的系统矩阵包含着随轮胎偏转刚度值变化的因子。

本发明的第1原理如图1所示，设置推断值运算器2，该推断值运算器2采用由上述观测仪1推断的状态变量x₁，x₂中的至少一个，计算与对应于上述状态变量x₁，x₂的运动状态量不同的其它运动状态量z*，并且，用传感器等实际检测与该推断出的运动状态量z*相同的运动状态量z并输入。根据两运动状态量z*，z的差别计算连续变化的修正值α，用该修正值α对上述系统矩阵内的随偏转刚度值变化的因子进行修正。这时可知，如果选定随车辆转弯而变化的两个运动状态量为z*，z，则运动状态量z随偏转刚度值进行变化；实际的偏转刚度值与系统矩阵内的偏转刚度值的相关因子之间的关系，应反映在两运动状态量z*，z上。因此，修正值运算器3可以计算用于修正偏转刚度值的恰当的修正值α。

本发明的第2原理如图2所示，该原理中，不是象第1原理那样检测及推断不对应于状态变量x₁，x₂的运动状态量z*，z，而是由修正运算器3根据参照输入即状态变量(运动状态量)x₁和运动状态量x₁*计算修正值α，该运动状态量x₁*与上述状态变量x₁对应，是由观测仪1推断的。因此，这种情形下，修正值运算器3也能计算用于修正偏转刚度值的恰当的修正值α。

本发明采用上述第1或第2原理，连续且恰当地对观测仪内的偏转刚度值的相关因子进行修正，目的在于提供一种高精度地推断随车辆转弯而变化的运动状态量的方法，而这种运动状态量是检测不出或不能简单检测出的。

为了实现上述目的，本发明第1构成上的特征(本发明权利要求1的构成上的特征)在于：利用上述本发明的第1原理，设定包含车辆转弯运动模型并以第1运动状态量作为参照输入的观测仪，该车辆转弯运动模型，是以转向角、转向角速度等表示车辆转向角变化的物理量作为输入变量，以随车辆的转弯运动而变化的至少第1及第2运动状态量作为状态变量，根据该观测仪的状态方程式推断第1及第2运动状态量，在上述随车辆的转弯而变化的运动状态量的推断方法中，检测上述物理量、第1运动状态量、以及与第1及第2运动状态量不同并且随车辆的转弯而变化的第3运动状态量，用根据观测仪的状态方程式推断出的第1及第2运动状态量中的至少一个，来推断运算与上述检测出的第3运动状态量相同的运动状态量；根据上述检测出的第3运动状态量与上述推断运算出的第3运动状态量的差别，计算用于偏转刚度值的连续修正量；根据该计算得到的修正量，对上述观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子定量地进行修正。

从这样构成的本发明的第一特征来看，如上述的第1原理中也作过说明，由于随车辆的转弯运动而变化的运动状态量要受到轮胎偏转刚度值的影响，所以，根据上述两第3运动状态量的差别计算出的修正量，可作为连续量计算得到，该连续量表示观测仪状态方程式中的偏转刚度值的相关因子的变化量。根据该修正量，观测仪状态方程式中的偏转刚度值的相关因子能得到定量而高精度的修正。其结果，从该第1特征来看，由观测仪推断的第1及第2运动状态量能被高精度地推断出，随车辆的转弯运动而变化的运动状态量、即检测不出或不能简单检测出的运动状态量经常能被高精度地推断出。

本发明的第2构成上的特征(本发明权利要求2的构成上的特征)在于：是将上述第1构造上的特征更具体化，即，作为上述观测仪，采用包含车辆转弯运动模型并将偏转率作为参照输入的观测仪，该车辆转弯运动模型，是以转向角作为输入变量，以侧滑角及偏转率作为状态变量；作为上述物理量，检测车辆的转向角；作为上述第1运动状态量和第3运动状态量，分别检测随车辆转弯而变化的偏转率及横向加速度，并检测车辆的前后方向行进速度；根据上述观测仪的状态方程式计算出推断侧滑角和推断偏转率，并根据该推断侧滑角和推断偏转率、以及检测出的车辆前后方向行进速度，计算推断横向加速度；作为上述修正量，计算根据上述检测出的横向加速度与上述计算出的推断横向加速度之比所规定的修正系数；用该计算出的修正系数乘观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子。

在这样构成的第2构成上的特征的车辆转弯运动模型中，以前轮及后轮的各偏转刚度值Ff、Fr作为中间变量，侧滑角β、偏转率γ、前轮转向角δf、后轮转向角δr及前后方向行进速度Vx如下式1～4所示。

【式1】

dβ/dt＝(Ff+Fr)/MVx-γ

【式2】

dγ/dt＝(a_fFf-a_rFr)/Iz

【式3】

Ff＝cf(δf-β-a_fγ/Vx)

【式4】

Fr＝cr(δr-β+a_rγ/Vx)

在上述式1～4中，M表示车体质量，Iz表示车体偏转惯性矩，a_f、a_r表示从车辆重心到前轮车轴和后轮车轴的各水平距离，cf、cr表示前轮及后轮的各偏转刚度值。车辆的横向加速度Gy与前轮及后轮的各侧滑力Ff、Fr的关系，如下式5所示。

【式5】

Ff+Fr＝MGy

在该第2构成上的特征中的观测仪中，偏转率是作为参照输入，根据状态方程式推断侧滑角β*和偏转率γ*。从该第2构成上的特征来看，用推断侧滑角β*、推断偏转率γ*和检测前后方向行进速度Vx计算推断横向加速度Gy*，以检测横向加速度Gy与上述推断横向加速度Gy*之比作为修正系数α(＝Gy/Gy*)进行计算。从上述式5可解出，该修正系数α可表示为实际前轮及后轮侧滑力Ff、Fr之和(Ff+Fr)与观测仪推断出的推断前轮及后轮侧滑力Ff*、Fr*之和(Ff*+Fr*)的比(因为α＝MGy/MGy*＝(Ff+Fr)/(Ff*+Fr*))。

在上述第2构成上的特征中，是用修正系数α乘观测仪的状态方程式中的偏转刚度值cf、cr的相关因子。从式3、4可知，这相当于把推断前轮侧滑力Ff*和推断后轮侧滑力Fr*变为α倍。这样上述侧滑力的两个和(Ff+Fr)、(Ff*+Fr*)成为相等，所以，能正确地修正观测仪内的偏转刚度值cf、cr的相关因子，即使该偏转刚度值cf、cr发生变化，也能正确地计算推断侧滑角β*。尤其是，在这种情况下，修正系数α通用于前轮和后轮，也可以不具体地计算作为中间变量的侧滑力，所以，在前轮及后轮的各偏转刚度值cf、cr(＝c_p)相同的情况下，可以简单而高精度地计算推断侧滑角β*。

本发明的第3构成上的特征(本发明权利要求3的构成上的特征)也在于：将上述第1构造上的特征更具体化，即，根据与上述第2构造上的特征同样的观测仪的状态方程式推断侧滑角及偏转率，在这样的随车辆转弯而变化的运动状态量的推断方法中，作为上述物理量，检测车辆的转向角；作为上述第1运动状态量和第3运动状态量，分别检测随车辆转弯而变化的偏转率及横向加速度，并检测车辆的前后方向行进速度；根据检测出的前后方向行进速度、偏转率及横向加速度，计算实际侧滑力；根据上述观测仪的状态方程式计算出的推断侧滑角及推断偏转率根据该推断侧滑角和推断偏转率、以及上述检测出的前后方向行进速度，计算推断侧滑力；作为上述修正量，计算根据该计算出的实际侧滑力与推断测滑力之比所规定的修正系数；用该计算出的修正系数乘观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子。

在这样构成的第3构成上的特征中，用检测前后方向行进速度Vx、检测偏转率γ和检测横向加速度Gy计算实际侧滑力Ff、Fr，并且用推断侧滑角β*、推断偏转率γ*及检测前后方向行进速度Vx计算推断侧滑力Ff*、Fr*；以实际侧滑力Ff、Fr与推断侧滑力Ff*、Fr*的各比值作为修正系数αf、αr进行计算。从式3、4可解出，这些修正系数αf、αr可以分别表示为实际前轮及后轮的侧滑力Ff、Fr与由观测仪推断出的推断前轮及后轮的侧滑力Ff*、Fr*的各比值(因为αf＝Fr/Ff*，αr＝Fr/Fr*)。

在第3构成上的特征中，修正系数αf、αr与观测仪的状态方程式的偏转刚度值cf、cr的相关因子相乘。从上述式3、4可知，这相当于把推断前轮侧滑力Ff*及推断后轮侧滑力Fr*分别变为αf、αr倍。这样，推断前轮侧滑力Ff*等于实际前轮侧滑力Ff，推断后轮侧滑力Fr*等于实际后轮侧滑力Fr，所以，能正确地修正观测仪内前轮及后轮的各偏转刚度值cf、cr的相关因子，即使该偏转刚度值cf、cr发生变化也能正确地计算出推断侧滑角β*。尤其是，在这种情况下，由于修正系数αf、αr是分别用于前轮和后轮，即使前轮和后轮的各偏转刚度值cf、cr不同，也能高精度地计算出推断测滑角β*。

本发明的第4构成上的特征(本发明的权利要求4的构成上的特征)在于：是利用上述发明的第2原理，在根据与上述第1构成上的特征同样的观测仪状态方程式，推断随车辆转弯而变化的若干运动状态量的推断方法中，检测表示车轮转向角变化的物理量及第1运动状态量；根据上述检测的第1运动状态量与基于观测仪的状态方程式推断出的第1运动状态量的差别，计算用于修正偏转刚度值的连续的修正量；用该算出的修正量对上述观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子进行定量修正。

在这样构成的本发明的第4特征中，随车辆的转弯运动而变化的运动状态量也受轮胎的偏转刚度值影响。因此，由作为参照输入的运动状态量的检测值和推断值的差别算出的修正量，可以作为连续量算出，该连续量表示观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子的变化量。用该修正量，可对观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子进行定量并高精度地修正。其结果，在该第4特征中，也能高精度地推断出由观测仪推断的运动状态量，能高精度地推断随车辆转弯而变化的运动状态量，这种运动状态量通常是检测不出或不能简单检测出的。

本发明的第5构成上的特征(本发明的权利要求5的构成上的特征)在于：是将上述第4构成上的特征更具体化，即，作为上述观测仪，采用包含车辆转弯运动模型、并以横向加速度作为参照输入的观测仪，该车辆转弯运动模型以转向角速度作为输入变量，并至少以横向加速度作为状态变量；作为上述物理量和第1运动状态量，分别检测车辆的转向角速度及横向加速度；作为上述修正量，计算根据上述检测出的横向加速度与由观测仪的状态方程式推断出的推断横向加速度之比所规定的修正系数；用该计算出的修正系数乘上述观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子。

从这样构成的本发明的第5特征来看，修正系数是作为实际检测出的横向加速度与根据观测仪推断出的推断横向加速度之比来计算。如上述本发明的第2特征中所述，该修正系数表示偏转刚度值的恰当的修正值。因此，能高精度地推断除横向加速度以外的随车辆转弯而变化的运动状态量。

图1是说明本发明第1原理的框图。

图2是说明本发明第2原理的框图。

图3是根据本发明第1实施例的车辆转弯运动模型假设的观测仪和用于修正该观测仪内的偏转刚度值的修正电路框图。

图4是本发明第1～第3具体的实施例的随车辆转弯而变化的运动状态量的推断装置框图。

图5是有关本发明的第1实施例，表示用图4的微机所执行的程序的流程图。

图6是根据本发明第2实施例的车辆转弯运动模型假设的观测仪和用于修正该观测仪内的偏转刚度值的修正电路框图。

图7是有关本发明的第2实施例，表示用图4的微机所执行的程序的流程图。

图8是根据本发明第3实施例的车辆转弯运动模型假设的观测仪和用于修正该观测仪内的偏转刚度值的修正电路框图。

图9是有关本发明的第3实施例，表示用图4的微机所执行的程序的流程图。

图10是表示因轮胎特性变化而引起的偏转刚度值变化的状态的曲线图。

图11是表示因路面摩擦系数变化而引起的偏转刚度值变化的状态的曲线图。

图中，1a-车辆的转弯运动模式，1-观测仪，2，推断值计算器，3-修正值计算器，10-车辆的转弯运动模式，11-增益计算器，12-偏差计算器，13-微分器，14-加法器，15-乘法器，16-除法器，21-车速传感器，22-前轮转向角传感器，23-后轮转向角传感器，24-偏转率传感器，25-横向加速度传感器，30-微机，40-车辆的转弯运动模式，41-增益计算器，42-偏差计算器、43、44、47-微分器，45-推断侧滑力计算器，46-实际测滑力计算器，48-侧滑角速度计算器，51-修正系数计算器。

下面参照附图说明本发明的实施例。

a，第1实施例

首先，说明基于上述本发明第1原理的第1实施例。

<基本理论>

在具体地说明本发明第1实施例之前，先说明该实施例中所用的基本理论。在车辆的转弯运动中，设前轮转向角为δf，后轮转向角为δr，车辆的侧滑角为β，偏转率为γ，这些变量δf、δr、β、γ具有下述式6～式9的公知关系。

【式6】

dβ/dt＝(Ff+Fr)/MVx-γ

【式7】

dγ/dt＝(a_fFf-a_rFr)/Iz

【式8】

Ff＝c_p(δf-β-a_rγ/Vx)

【式9】

Fr＝c_p(δr-β+a_rγ/Vx)

在上述式6～式9中，M表示车体质量，Iz表示车体偏转惯性矩，a_f、ar分别表示从车辆重心到前轮车轴及后轮车辆的水平距离，c_p表示前轮及后轮共同的偏转刚度值。Ff、Fr分别表示前轮及后轮的侧滑力，Vx表示车辆的前后方向行进速度。从上述数式6～式9中消去侧滑力Ff、Fr，则车辆转弯运动模型的状态方程式如下列式10所示，该方程中，将前轮转向角δf及后轮转向角δr作为输入变量，将侧滑角β及偏转率γ作为状态变量。

【式10】 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{d\&beta;}/\mathrm{dt}\\ \mathrm{d\&gamma;}/\mathrm{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}\\ \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;f}\\ \mathrm{\&delta;r}\end{array}\right]$

式中，系统矩阵的各因子a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂以及控制矩阵的各因子b₁₁、b₁₂、b_21、22如下列式11、12所示。

【式11】 $\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{{2c}_p}{\mathrm{MVx}}& -1-\frac{a_f{c}_p-a_r{c}_p}{\mathrm{MV}{x}^2}\\ -\frac{a_f{c}_p-a_r{c}_p}{I_z}& -\frac{{a_f}^2{c}_p+{a_r}^2{c}_p}{I_z\mathrm{Vx}}\end{array}\right]$

【式12】 $\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{c_p}{\mathrm{MVx}}& \frac{c_p}{\mathrm{MVx}}\\ \frac{a_f{c}_p}{I_z}& -\frac{a_r{c}_p}{I_z}\end{array}\right]$

因此，根据式10的状态方程式，构成以偏转率γ作为可观测状态变量(参照输入)的观测仪，把车辆各因素M、Iz、a_f、a_r、c_p作为由车辆决定的常数处理，检测出前后方向行进速度Vx、前轮转向角δf、后轮转向角δr及偏转率γ，就可以与偏转率γ一起推断侧滑角β。以下，把由该观测仪推断的变量命名为推断变量，并在各变量上注以*标记来表示。

当把偏转刚度值c_p作为常数处理时是没有问题的，但是，当由于下列原因该偏转刚度值c_p(相对于侧滑角的侧滑力变化率)如图10、11那样变化时，就不能高精度地推断侧滑角。这些原因是：轮胎的侧滑角变大且相对于该侧滑角的侧滑力进行入非线性区域、轮胎经长时间而发生变化、轮胎与路面的摩擦系数降低、轮胎的接地荷载分配极端地变化等。因此，相对于偏转刚度值c_p设想修正系数α，把观测仪中的偏转刚度值表示为αc_p。其结果，由观测仪推断的前轮及后轮的各侧滑力成为αFf*、αFr*。对此，把实际的前轮及后轮的各侧滑力表示为Ff、Fr时，如果能找到Ff＝αFf*、Fr＝αFr*的修正系数α，则就可以用上述观测仪高精度地推断侧滑角及偏转率。如果采用该修正系数α，则在上述推断侧滑力αFf*、αFr*与实际侧滑力Ff、Fr之间，有下列式13的关系。

【式13】

Ff+Fr＝αFf*+αFr*

另外，检测车辆的实际横向加速度Gy，同时设想观测仪中的推断横向加速度Gy*时，则下列式14、15成立。

【式14】

Ff+Fr＝MGy

【式15】

Ff*+Fr*＝MGy*

从这些式13～式15中消去推断侧滑力αFf*、αFr*及实际侧滑力Ff、Fr，则如下列式16所示，修正系数α可以表示为实际横向加速度Gy与推断横向加速度Gy*之比。

【式16】

α＝Gy/Gy*

因此，把该计算得到的修正系数α反馈到构成观测仪的车辆转弯运动模型中，用修正系数α乘该观测仪内的偏转刚度值c_p，以对该偏转刚度值c_p进行修正，就可以高精度地算出推断侧滑角β*及推断偏转率γ*。

<观测仪的结构>

现在说明根据上述基本理论构成的观测仪。如图3所示，该观测仪包含车辆转弯运动模型10，并具有用于偏转率γ作为参照输入的增益运算器11及偏差运算器12。车辆的转弯运动模型10的状态方程式dX/dt＝AX+BU用下列式17～19表示，输出方程式Y＝CX用下列式20表示。

【式17】 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{d\&beta;}*/\mathrm{dt}\\ \mathrm{d\&gamma;}*/\mathrm{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}*\\ \mathrm{\&gamma;}*\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;f}\\ \mathrm{\&delta;r}\end{array}\right]$

【式18】 $\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{{2\mathrm{\&alpha;c}}_p}{\mathrm{MVx}}& -1-\frac{\mathrm{\&alpha;}{c}_p(a_f-a_r)}{\mathrm{MV}{x}^2}\\ -\frac{{\mathrm{\&alpha;c}}_p-(a_f-a_r)}{I_z}& -\frac{\mathrm{\&alpha;}{c}_p+{(a_t}^2+{a_r}^2)}{I_z\mathrm{Vx}}\end{array}\right]$

【式19】 $\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\&alpha;}{c}_p}{\mathrm{MVx}}& \frac{\mathrm{\&alpha;}{c}_p}{\mathrm{MVx}}\\ \frac{{\mathrm{\&alpha;a}}_f{c}_p}{I_z}& -\frac{{\mathrm{\&alpha;a}}_r{c}_p}{I_z}\end{array}\right]$

【式20】 $Y=\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{cc}0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}*\\ \mathrm{\&gamma;}*\end{array}\right]$

增益运算器11用下列式21所规定的增益K乘偏差运算器12算出的偏差γ-γ*并反馈到转弯运动模型10中。

【式21】 $K=\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\end{array}\right]$

在车辆转弯运动模型10中，设有反馈电路。该反馈电路由微分器13、加法器14、乘法器15、除法器16、低通滤波器17和限幅器18构成，用于修正该模型10内偏转刚度值c_p的相关因子。微分器13、加法器14和乘法器15用于计算可由下列式22计算的推断横向加速度Gy*。

【式22】

               Gy*＝(dβ*/dt+γ*)Vx

除法器16执行上述式16的运算，用于算出修正系数α。低通滤波器17用于除去修正系数α的高频干扰，由下列式23的传递函数进行规定。式23中将截止角频率设为ωc(例如约为20rad/s)。

【式23】 $F_{\mathrm{LP}}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\&omega;c}}{s+\mathrm{\&omega;c}}$

式23中的s是拉普拉斯算子。限幅器18用于防止推断值的分散，把修正系数α保持在下限值αmin(例如0.2)及上限值αmax(例如1.2)之间。

这样构成的观测仪的状态方程式(微分方程式)如下式24所示。

【式24】

           dX*/dt＝(A-KC)X*+Kγ+BU

用上述各式17～21规定的因子来具体地表示该式24时，则如下列式25所示。

【式25】 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{d\&beta;}*/\mathrm{dt}\\ \mathrm{d\&gamma;}*/\mathrm{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}-k_1\\ a_{21}& a_{22}-k_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}*\\ \mathrm{\&gamma;}*\end{array}\right]$ $+\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\end{array}\right]\mathrm{\&gamma;}+\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;f}\\ \mathrm{\&delta;r}\end{array}\right]$

其中，如果把观测仪的极P₁、P₂选定为适当的值(例如约为-20)，则推断侧滑角β*及推断偏转率γ*收敛。上式25中的反馈增益K的要素k1、k2为下式26、27表示的值。

【式26】 $K_1=\frac{p_1{p}_2-a_{11}(a_{11}+p_1+p_2)}{a_{21}}+a_{12}$

【式27】

                  k₂＝a₁₁+a₂₂-P₁-P₂

在这样构成的观测仪中，检测车辆的前后方向行进速度Vx(即车速)、前轮转向角δf、后轮转向角δr、偏转率γ及横向加速度Gy并输入该观测仪，解出上述式25的状态方程式，就可以算出推断侧滑角β*及偏转率γ*。该计算中，通过微分器13、加法器14、乘法器15、除法器16、低通滤波器17及限幅器18的作用，根据实际横向加速度Gy与推断横向加速度Gy*之比，计算出修正系数α。因此，利用该观测仪，采用由修正系数α修正了的偏转刚度值αc_p，可高精度地计算车体的推断侧滑角β*及偏转率γ*。

<具体实施例>

下面，说明用程序处理实现上述观测仪并适用于车辆的具体实施例。如图4所示，该实施例中，备有装在车辆上的用于检测车辆前后方向行进速度Vx的车速传感器21、检测前轮转向角δf的前轮转向角传感器22、检测后轮转向角δr的后轮转向角传感器23、检测偏转率γ的偏转率传感器24以及检测横向加速度Gy的横向加速度传感器25。上述各传感器21～25与微机30相连，该微机30在内藏定时器的作用下，按每预定时间T(运算周期T)反复执行与图5流程对应的程序。

该程序从图5的步骤100开始，在步102，向微机30输入各传感器21～25测出的前后方向行进速度Vx、前轮转向角δf、后轮转向角δr、偏转率γ及横向加速度Gy，在步104，判断前后方向行进速度Vx是否为预定车速Vmin(例如5Km/h)以上。如果该前后方向行进速度Vx未达到预定车速Vmin，则在步104判断为“NO”，程序进入步130。在步130，把这次的推断侧滑角β*i设定为“0”，把这次的推断偏转率γ*i设定为上述输入的检测偏转率γ，把这次的推断横向加速度Gy*i设定为“0”，把这次的修正系数αi设定为“1”。然后，在步128，将前次的推断侧滑角β*i-1、推断偏转率γ*i-1、推断横向加速度Gy*i-1和修正系数αi-1分别更新为这次的推断侧滑角β*i、推断偏转率γ*i、推断横向加速度Gy*i和修正系数αi，在步134结束程序。

如果前后方向行进速度Vx为预定车速Vmin以上，则在步104判断为“YES”，在步106执行采用前后方向行进速度Vx的上述式18、19的运算，算出因子a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂、b₁₁、b₁₂、b₂₁、b₂₂，在步108，判断a₁₁a₂₂-a₁₂a₂₁是否为“0”。这是为了避免在a₁₁a₂₂-a₁₂a₂₁为“0”时的推断侧滑角β*或推断偏转率γ*的分散。因此，在这种情况下，在步108判断为“YES”时，在步132把这次的推断侧滑角β*i、推断偏转率γ*i、推断横向加速度Gy*i和修正系数αi设定为前次的推断侧滑角β*i-1、推断偏转率γ*i-1、推断横向加速度Gy*i-1和修正系数αi-1，经过步128的更新处理后结束程序。另外，在这种情况下，也可以省略步128的更新处理。

如果a₁₁a₂₂-a₁₂a₂₁不为“0”，则在步108判断为“NO”，在步110执行式26、27的运算(式26、27中采用了预先决定的极P₁、P₂和上述计算出的各因子a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂)，计算反馈增益K的各因子k₁、k₂。接着，在步112，用这些计算出的各要素a₁₁～a₂₂、b₁₁～b₂₂、k₁、k₂及上述输入的δf、δr、γ，解式25的状态方程式，计算出这次的推断侧滑角β*i和推断偏转率γ*i。在该计算中，可采用双一次变换(タステイン变换)等手法，考虑微机30的计算周期T，把上述式25的状态方程式变换为离散值系，利用前次的推断侧滑角β*i-1及推断偏转率γ*i-1，逐次计算这次的推断侧滑角β*i和推断偏转率γ*i。

在上述步112的处理后，在步114计算推断侧滑角β*的这次的微分值dβ*i/dt，同时，执行上述式22的运算(式22中采用了该计算出的微分值dβ*i/dt、上述计算出的这次的推断偏转率γ*i及上述输入的前后速度Vx)，计算这次的推断横向加速度Gy*i。然后，在步116执行式16的计算(式16中采用了上述计算的这次的推断横向加速度Gy*i和上述输入的检测横向加速度Gy)，计算出这次的修正系数αi。在步118，对上述计算出的这次的修正系数αi进行低通滤波处理，该低通滤波处理是由上述式23的传递函数定义的。在步120～126，把经过低通滤波处理的这次的修正系数αi限制在下限值αmin与上限值αmax之间。在步128，如前所述，把前次的推断侧滑角β*i-1、推断偏转率γ*i-1、推断横向加速度Gy*i-1和修正系数αi-1分别更新为这次的推断侧滑角β*i、推断偏转率γ*i、推断横向加速度Gy*i和修正系数αi，在步134结束程序。

根据该第1具体实施例，即使因侧滑角变大、轮胎经过长时间发生变化、轮胎与路面的摩擦系数降低或轮胎的接地荷载分配发生极端变化等原因，使前轮及后轮的偏转刚度值c_p发生变化，该偏转刚度值c_p的变化也能由修正系数α进行修正，能用该修正后的偏转刚度值αc_p计算出推断侧滑角β*和偏转率γ*。其结果，能高精度地计算推断侧滑角β*和推断偏转率γ*，可将其中的推断侧滑角β*用于各种车辆的控制。另外，也可将上述计算出的推断侧滑角β*乘以前后方向行进速度Vx，算出车体的横向速度Vy＝β*Vx，将该横向速度Vy利用在各种车辆的控制上。

b，第2实施例

下面，说明第2实施例。第1实施例中，是把前轮和后轮的偏转刚度值设为共同的c_p进行处理的，而第2实施例中，是把前轮和后轮的偏转刚度值分别设为cf、cr进行处理。该第2实施例也是基于上述本发明的第1原理。

<基本理论>

在该第2实施例中，对于车辆的转弯运动，第1实施例的式6、7也成立。但第1实施例中的式8、9变为下列式28、29。

【式28】

                 Ff＝cf(δf-β-a_fγ/Vx)

【式29】

                 Fr＝cr(δf-β+a_rγ/Vx)

从上列式6、7和式28、29中消去侧滑力Ff、Fr，则车辆转弯运动模式的状态方程式如下式30所示。该方程式中，把前轮转向角δf和后轮转向角δr作为输入变量，把侧滑角β和偏转率γ作为状态变量。

【式30】 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{d\&beta;}/\mathrm{dt}\\ \mathrm{d\&gamma;}/\mathrm{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}\\ \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;f}\\ \mathrm{\&delta;r}\end{array}\right]$

式中，系统矩阵的各因子a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂以及控制矩阵的各因子b₁₁、b₁₂、b₂₁、b₂₂如下列式31、32所示。

【式31】 $\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{c_f+c_r}{\mathrm{MVx}}& -1-\frac{a_f{c}_f-a_r{c}_r}{\mathrm{MV}{x}^2}\\ -\frac{a_f{c}_f-a_r{c}_r}{I_z}& -\frac{{a_f}^2{c}_f+{a_r}^2{c}_r}{I_z\mathrm{Vx}}\end{array}\right]$

【式32】 $\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{c_f}{\mathrm{MVx}}& \frac{c_r}{\mathrm{MVx}}\\ \frac{a_f{c}_f}{I_z}& -\frac{a_r{c}_r}{I_z}\end{array}\right]$

因此，该情况也是基于式30的状态方程式，构成以偏转率γ作为可观测状态变量的观测仪，并把车辆各因素M、Iz、a_f、a_r、c_f、c_r作为取决于车辆的常数处理，只要检测出前后方向行进速度Vx、前轮转向角δf、后轮转向角δr和偏转率γ，就可以推断偏转率γ和侧滑角β。

在这种情况下，把偏转刚度值c_f、c_r作为常数处理是没有问题的。但是，由于上述的种种原因，偏转刚度值c_f、c_r根据各种状况进行变化时(图10、图11)，就不能高精度地推断侧滑角β。因此，对于偏转刚度值c_f、c_r分别设定修正系数α_f、α_r，把观测仪中的偏转刚度值表示为α_fc_f、α_rc_r。其结果，观测仪中的推断的前轮和后轮侧滑力成为α_fFf*、α_rFr*。因此，这种情况下，把实际的前轮和后轮侧滑力用Ff、Fr表示时，如能找到Ff＝α_fFr*、Fr＝α_rFr*的修正系数α_f、α_r，则用上述观测仪能高精度地推断侧滑角及偏转率。

在包含车辆转弯运动模型的观测仪中，从车体横向合力和车体力矩的平衡中，下列式33、34成立。

【式33】

          Ff*+Fr*＝MGy*＝M(dβ*/dt+γ*)Vx

【式34】

          afFf*-arFr*＝Iz(dγ*/dt)

根据式33、34，推断前轮侧滑力Ff*和推断后轮侧滑力Fr*分别如下式35、36所示。

【式35】

          Ff*＝{afMVx(dβ*/dt+γ*)+Iz(dγ*/dt)}/(af+ar)

【式36】

          Fr*＝{afMVx(dβ*/dt+γ*)-Iz(dγ*/dt)}/(af+ar)

式35、36也与实际的车辆同样，如果设实际车辆的前轮和后轮侧滑力为Ff、Fr，则下式37、38成主。

【式37】

          Ff＝{afMVx(dβ/dt+γ)+Iz(dγ/dt)}/(af+ar)

【式38】

          Fr＝{afMVx(dβ/dt+γ)-Iz(dr/dt)}/(af+ar)

实际的侧滑角速度dβ/dt，用检测出的横向加速度Gy、前后方向行进速度Vx及偏转率γ表示为下式39。

【式39】

            dβ/dt＝Gy/Vx-γ

因此，从Ff＝α_fFf*、Fr＝α_rFr*的关系中，以及从式35-39中，可以求出修正系数αf、αr。把计算得到的修正数α_f、α_r反馈到构成观测仪的车辆转弯模型中，对该模型内的偏转刚度值c_f、c_r分别乘以修正系数af、ar，就可高精度地算出推断侧滑角β*和推断偏转率γ*。

<观测仪的结构>

下面说明基于上述基本理论构成的观测仪。如图6所示，该观测仪也包含车辆的转弯运动模型40，同时还备有用于把偏转率γ作为参照输入的增益运算器41和偏差运算器42。车辆的转弯运动模型40的方程式dX/dt＝AX+BU可表示成为下式40～42。

【式40】 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{d\&beta;}*/\mathrm{dt}\\ \mathrm{d\&gamma;}*/\mathrm{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}*\\ \mathrm{\&gamma;}*\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;f}\\ \mathrm{\&delta;r}\end{array}\right]$

【式41】 $\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_f{c}_r+{\mathrm{\&alpha;}}_r{c}_r}{\mathrm{MVx}}& -1-\frac{a_f{\mathrm{\&alpha;}}_f{c}_f-a_r{\mathrm{\&alpha;}}_r{c}_r}{\mathrm{MV}{x}^2}\\ -\frac{a_f{{\mathrm{\&alpha;}}_{f}c}_f-a_r{\mathrm{\&alpha;}}_r{c}_r}{I_z}& -\frac{{a_f}^2{\mathrm{\&alpha;}}_f{c}_f+{a_r}^2{\mathrm{\&alpha;}}_r{c}_r}{I_z\mathrm{Vx}}\end{array}\right]$

【式42】 $\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_f{c}_f}{\mathrm{MVx}}& \frac{{\mathrm{\&alpha;}}_r{c}_r}{\mathrm{MVx}}\\ \frac{a_f{\mathrm{\&alpha;}}_f{c}_f}{I_z}& -\frac{a_r{\mathrm{\&alpha;}}_r{c}_r}{I_z}\end{array}\right]$

与上述第1实施例同样，输出方程式Y＝CX可由上述式20表示，增益运算器41的增益K值可由上述式21表示。

通过车辆转弯运动模型40计算得出的推断侧滑角β*是通过微分器43供给到推断侧滑力运算器45内，同时，计算得出的推断偏转率γ*是直接和通过微分器44供给到推断侧滑力计算器45内。推断侧滑力运算器45再将检测出的前后方向行进速度Vx输入，用上述式35、36分别计算推断前轮侧滑力Ff*和推断后轮侧滑力Fr*并供给到修正系数运算器51内。

在该修正系数运算器51中，也将从实际侧滑力运算器46得出来的实际前轮侧滑力Ff和实际后轮侧滑力Fr输入。实际侧滑力运算器46将检测偏转率γ、由微分器47对该偏转率γ进行微分得出的偏转率微分值dγ/dt、实际侧滑角速度dβ/dt和检测前后方向行进速度Vx输入，分别用式37、38计算实际前轮侧滑力Ff和实际后轮侧滑力Fr。实际侧滑角速度dβ/dt是由侧滑角速度运算器48根据上述式39进行计算。该侧滑角速度运算器48内输入有检测偏转率γ、检测前后方向行进速度Vx和检测横向加速度Gy。

修正系数运算器51根据Ff＝α_fFf*、Fr＝α_rFr*的关系，分别计算修正系数α_f、α_r。这些修正系数α_f、α_r通过与上述第1实施例的情形同样构成的低通滤波器52、53和限幅器54、55反馈到车辆的转弯运动模型40中。该滤波器52、53用于除去高频干扰；该限幅器54、55是为了防止推断值的分散而将上述修正系数α_f、α_r限制在下限值α_fmin、α_rmin(例如0.2)与上限值α_fmax、α_rmax(例如1.2)之间。

这样构成的观测仪的状态方程式(微分方程式)也如式24、25所示，把观测仪的极P₁、P₂选定为适当的值(例如约-20)，用上述式26、27决定反馈增益K的要素k₁、k₂时，则推断侧滑角β*及推断偏转率γ*收敛。

因此，该观测仪中，检测车辆的前后方向行进速度Vx(即车速)、前轮转向角δf、后轮转向角δr、偏转率γ及横向加速度Gy并输入该观测仪，与上述第1实施例同样地解出式25的微分方程式，就可以算出推断侧滑角β*及偏转率γ*。该计算中，通过各运算器45、46、48、51的作用，根据实际前轮侧滑力Ff及实际后轮侧滑力Fr对于推断前轮侧滑力Ff*及推断后轮侧滑力Fr*的各比值，分别计算出修正系数α_f、α_r。因此，利用该观测仪，用经修正系数α_f、α_r修正了的前轮及后轮的各偏转刚度值α_fc_f、α_rc_r就可以高精度地算出车体的推断侧滑角β*及偏转率γ*。另外，在该第2实施例中，由于是独立地修正前轮及后轮用偏转刚度值c_f、c_r，所以即使前轮和后轮的各偏转刚度值不同，与上述第1实施例相比，也能精度更高地推断车体的侧滑角及偏转率。

<具体实施例>

下面，说明用程序处理实现上述观测仪并适用于车辆的具体实施例。如图4所示，该实施例与上述第1实施例在硬件方面是同样构成的。微机30在内藏定时器的作用下，按每预定时间T(计算周期T)反复执行与图7流程对应的程度。

该程序从图7的步200开始，在步202向微机30输入各传感器21～25测出的前后方向行进速度Vx、前轮转向角δf、后轮转向角δr、偏转率γ及横向加速度Gy。然后，与上述实施例1同样，如果前后方向行进速度Vx未达到预定车速Vmin，则在步204判断为“NO”，在步242，把这次的推断侧滑角β*i设定为“0”，把这次的推断偏转率γ*i设定为上述输入的检测偏转率γ，把这次的推断前轮侧滑力Ff*i及推断后轮侧滑力Fr*i都设定为“0”，把这次的修正系数αfi、αri都设定为“1”。然后，在步240，将前次的推断测滑角β*i-1、推断偏转率γ*i-1、推断前轮侧滑力Ff*i-1、推断后轮侧滑力Fr*i-1和修正系数α_fi-1、α_ri-1分别更新为这次的推断侧滑角β*i、推断偏转率γ*i、推断前轮侧滑力Ff*i、推断后轮侧滑力Fr*i和修正系数α_fi、α_ri，在步246结束程序。

如果前后方向行进速度Vx在预定车速Vmin以上，则在步204判断为“YES”，在步206执行上述式41、42(式41、42中采用了前后方向行进速度Vx)的运算，算出因子a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂、b₁₁、b₁₂、b₂₁、b₂₂，在步骤208，与上述第1实施例同样，判断a₁₁a₂₂-a₁₂a₂₁是否为“0”。如果a₁₁a₂₂-a₁₂a₂₁为“0”，在步208判断为“YES”，在步244，把这次的推断侧滑角β*i、推断偏转率γ*i、推断前轮侧滑力Ff*i、推断后轮侧滑力Fr*i和修正系数α_fi、α_ri分别设定为前次的推断侧滑角β*i-1、推断偏转率γ*i-1、推断前轮侧滑力Ff*i-1、推断后轮侧滑力Fr*i-1和修正系数α_fi-1、α_ri-1，经过步240的更新处理后结束程序。另外，在这种情况下，与上述第1实施例同样，也可以省略步240的更新处理。

如果a₁₁a₂₂-a₁₂a₂₁不为“0”，则在步208判断为“NO”，在步210、212进行与上述第1实施例同样的上述式25～27的运算，运算出反馈增益K的各要素k₁、k₂、这次的推断侧滑角β*i及推断偏转率γ*i。接着，在步214，计算推断侧滑角β*及推断偏转率γ*的这次的微分值dβ*i/dt、dγ*i/dt，并执行上述式35、36(该式35、36采用了所计算出的微分值dβ*i/dt、dγ*i/dt及上述计算的这次的推断偏转率γ*i、上述输入的前后方向行进速度Vx)的运算，分别算出这次的推断前轮侧滑力Ff*i和推断后轮侧滑力Fr*i。

经过了上述步214的处理后，在步216，执行式39(该式39采用了上述输入的横向加速度Gy、前后方向行进速度Vx和偏转率γ)的运算，算出实际侧滑角速度dβ/dt。接着在步218，计算上述输入的偏转率γ的微分值dγ/dt，并执行上述式37、38(该式37、38采用了所计算的微分值dγ/dt、上述计算出的实际侧滑角速度dβ/dt、上述输入的前后方向行进速度Vx及偏转率γ)的运算，算出这次的实际前轮及后轮的侧滑力Ffi、Fri。然后，在步220，以实际前轮及后轮侧滑力Ffi、Fri对于推断前轮及后轮侧滑力Ff*i、Fr*i的各比值Ffi/Ff*i、Fri/Fr*i作为这次的修正系数α_fi、α_ri进行计算。

计算了该修正系数α_fi、α_ri后，在步222，对上述所计算的修正系数α_fi、α_ri分别施行由上述式23的传递函数所定义的低通滤波处理。在步224～238，把经过低通滤波处理后的修正系数α_fi、α_ri限制在下限值α_fmin、α_rmin与上限值α_fmax、α_rmax之间。在步240，如前述那样，把前次的推断侧滑角β*i-1、推断偏转率γ*i-1、推断前轮侧滑力Ff*i-1、推断后轮侧滑力Fr*i-1和修正系数α_fi-1、α_ri-1分别更新为这次的推断侧滑角β*i、推断偏转率γ*i、推断前轮侧滑力Ff*i、推断后轮侧滑力Fr*i和修正系数α_fi、α_ri，步246结束程序。

该第2具体的实施例中，当因与第1实施例同样的车辆的各种状况的变化而使前轮及后轮的各偏转刚度值c_f、c_r发生变化时，该偏转刚度值c_f、c_r的变化也能用修正系数α_fi、α_ri进行修正，用该修正的偏转刚度值α_fic_f、α_ric_r能计算推断侧滑角β*及推断偏转率γ*。其结果，能高精度地算出推断侧滑角β*及推断偏转率γ*，可将其中的推断侧滑角β*用于各种车辆的控制。另外，这种情况下，也可以用前后方向行进速度Vx乘推断侧滑角β*而算出车体的横向速度Vy＝β*Vx，将该横向速度Vy用于各种车辆的控制。

c，第3实施例

下面，说明基于上述第2解决原理的第3实施例。

<基本理论>

在说明本发明的第3具体实施例之前，先说明用于该实施例的基本理论。在这种情况下是利用下述的关系，即：车辆的转弯运动时，前轮转向角δf、后轮转向角δr、偏转率γ及横向加速度Gy具有下列各式43～46的关系。在该第3实施例中，也与上述第1实施例的情形同样，前轮和后轮有共同的偏转刚度值cp。

【式43】

             dGy/dt＝(dFf/dt+dFr/dt)/M

【式44】

         d²γ/dt²＝{a_f(dFf/dt)-a_r(Fr/dt)}/I_Z

【式45】

         dFf/dt＝c_p{(dδf/dt)-Gy/Vx+γ-a_f(dγ/dt)/Vx}

【式46】

         dFr/dt＝c_p{(dδr/dt)-Gy/Vx+γ+a_r(dγ/dt)/Vx}

从上述式43～46中消去侧滑力Ff、Fr，则车辆转弯运动模型的状态方程式如下式47所示。该方程式中，以前轮转向角速度dδf/dt和后轮转向角速度dδr/dt作为输入变量，以横向加速度Gy、偏转加速度(偏转率γ的时间微分值)dγ/dt及偏转率γ作为状态变量。

【式47】 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{dGy}/\mathrm{dt}\\ d^2\mathrm{\&gamma;}/{\mathrm{dt}}^2\\ \mathrm{d\&gamma;}/\mathrm{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Gy}\\ \mathrm{d\&gamma;}/\mathrm{dt}\\ \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\\ b_{31}& b_{32}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{d\&delta;f}/\mathrm{dt}\\ \mathrm{d\&delta;r}/\mathrm{dt}\end{array}\right]$

式中，系统矩阵的各因子a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₂₁、a₂₂、a₂₃、a₃₁、a₃₂、a₃₃以及控制矩阵的各因子b₁₁、b₁₂、b₂₁、b₂₂、b₃₁、b₃₂如下列式48～58所示。

【式48】

                a₁₁＝-2c_p/MVx

【式49】

                a₁₂＝-(a_fc_p-a_rc_p)/MVx

【式50】

                a₁₃＝2c_p/M

【式51】

              a₂₁＝-(a_fc_p-a_rc_p)/I_ZVx

【式52】

              a₂₂＝-(a_f ²c_p+a_r ²c_p)/I_ZVx

【式53】

              a₂₃＝(a_fc_p-a_rc_p)/I_Z

【式54】

              a₃₁＝0 a₃₂＝1 a₃₃＝0

【式55】

              b₁₁＝b₁₂＝c_p/M

【式56】

              b₂₁＝a_fc_p/Iz

【式57】

              b₂₂＝-a_rc_p/Iz

【式58】

              b₃₁＝b₃₂＝0

因此，基于式47的状态方程式，构成以横向加速度Gy为可观测状态变量(参照输入)的观测仪，将车辆的各因素M、I_Z、a_f、a_r、c_p作为取决于车辆的常数处理，并检测出前后方向行进速度Vx、前轮转向角速度dδf/dt、后轮转向角速度dδr/dt及横向加速度Gy，就可以与横向加速度Gy一起推断偏转加速度dγ/dt及偏转率γ。这种情况下，也把该观测仪推断的变量命名为推断变量，并在各变量上注以*号来表示。

该情况也与上述第1实施例同样，在把偏转刚度值c_p作为常数处理时是没有问题的，但是，当该偏转刚度值c_p发生变化(图10、图11)时，就不能高精度地推断偏转加速度及偏转率。因此，在该第3实施例中也要设定相对于偏转刚度值c_p的修正系数α，并将观测仪中的偏转刚度值表示为αc_p。如第1实施例中说明的那样，该修正系数α表示为α＝Gy/Gy*。其结果，把该计算出的修正系数α反馈到构成观测仪的车辆转弯运动模型中，用修正系数α乘该观测仪内的偏转刚度值c_p，修正该偏转刚度值c_p，就可以高精度地算出推断横向加速度Gy*、推断偏转加速度dγ/dt*及推断偏转率γ*。

<观测仪的结构>

下面，说明基于上述基本理论构成的观测仪。如图8所示，该观测仪包含车辆的转弯运动模型60，并备有用于把横向加速度Gy作为参照输入的增益运算器61和偏差运算器62。作为输入变量的前轮转向角速度dδf/dt和后轮转向角速度dδr/dt是通过微分器63、64供给到车辆的转弯运动模型60。该微分器63、64分别对前轮转向角δf及后轮转向角δr进行时间微分。车辆的转弯运动模型60的状态方程式dX/dt＝AX+BU可由下列各式59～70表示，输出方程式Y＝CX可由下式71表示。

【式59】 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{dGy}*/\mathrm{dt}\\ d^2\mathrm{\&gamma;}*/{\mathrm{dt}}^2\\ \mathrm{d\&gamma;}*/\mathrm{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Gy}*\\ \mathrm{d\&gamma;}*/\mathrm{dt}\\ \mathrm{\&gamma;}*\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\\ b_{31}& b_{32}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{d\&delta;f}/\mathrm{dt}\\ \mathrm{d\&delta;r}/\mathrm{dt}\end{array}\right]$

【式60】

                  a₁₁＝-2αc_p/MVx

【式61】

              a₁₂＝-αc_p(a_f-a_r)/MVx

【式62】

              a₁₃＝2αc_p/M

【式63】

              a₂₁＝-αc_p(a_f-a_r)/I_ZVx

【式64】

              a₂₂＝-αc_p(a_f ²+a_r ²)/I_ZVx

【式65】

              a₂₃＝αc_p(a_f-a_r)/I_Z

【式66】

              a₃₁＝0  a₃₂＝1  a₃₃＝0

【式67】

              b₁₁＝b₁₂＝αc_p/M

【式68】

              b₂₁＝a_fαc_p/Iz

【式69】

              b₂₂＝-a_rαc_p/Iz

【式70】

              b₃₁＝b₃₂＝0

【71】 $Y=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\end{array}\right]\end{array}\left[\begin{array}{c}\mathrm{Gy}*\\ \mathrm{d\&gamma;}/\mathrm{dt}*\\ \mathrm{\&gamma;}*\end{array}\right]$

增益运算器61用下式72所规定的增益K乘偏差运算器62计算出的偏差Gy-Gy*，并反馈到转弯运动模型60中。

【式72】 $K=\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\\ k_3\end{array}\right]$

另外，在车辆的转弯运动模型60中，设有反馈电路。该反馈电路由除法器16、低通滤波器17及限幅器18构成，用于对该模型60内的偏转刚度值c_p的相关因子进行修正。除法器16是用转弯运动模型60中所推断出的推断横向加速度Gy*除检测出的横向加速度Gy，以算出修正系数α。低通滤波器17和限幅器18与上述第1实施例完全相同。

这样构成的观测仪的状态方程式(微分方程式)如下式73所示。

【式73】

           dX*/dT＝(A-KC)X*+KGy+BU

用上列各式59～72所规定的因子具体表示该式73时，则如下式74所示。

【式74】 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{dGy}*/\mathrm{dt}\\ d^2\mathrm{\&gamma;}*/{\mathrm{dt}}^2\\ \mathrm{d\&gamma;}*/\mathrm{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}-k_1& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}-k_2& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}-k_3& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Gy}*\\ \mathrm{d\&gamma;}*/\mathrm{dt}\\ \mathrm{\&gamma;}*\end{array}\right]$ $\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\\ k_3\end{array}\right]\mathrm{Gy}+\left[\begin{array}{cc}{b}_{11}& b_{12}\\ b_{21}& b_{22}\\ b_{31}& b_{32}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{d\&delta;f}/\mathrm{dt}\\ \mathrm{d\&delta;r}/\mathrm{dt}\end{array}\right]$

如将观测仪的极P₁、P₂、P₃选定为适当的值(例如约-20)，则推断横向加速度Gy*、推断偏转加速度dγ/dt*及推断偏转率γ*收敛。其中，式74中的反馈增益K的要素k₁、k₂、k₃是由下述式75～78所表示的值。

【式75】

         k₁＝a₁₁+a₂₂+a₃₃-p₁-p₂-p₃

【式76】

         k₂＝a₂₁+

           [(a₁₂a₂₃-a₁₃a₂₂){(a₂₂+a₃₃)(a₂₂+a₃₃-p₁-p₂-p₃)

           -a₂₂a₃₃+a₂₃a₃₂+p₁p₂+p₂p₃+p₃p₁}

           +a₁₃{(a₂₂a₃₃-a₂₃a₃₂)(a₂₂+a₃₃-p₁-p₂-p₃)

           +p₁p₂p₃}]/Kb

【式77】

         k₃＝a₃₁+

           [(a₁₂a₃₃-a₃₂a₁₃){(a₂₂+a₃₃)(a₂₂+a₃₃-p₁-p₂-p₃)

           -a₂₂a₃₃+a₂₃a₃₂+p₁p₂+p₂p₃+p₃p₁}

           -a₂₁{(a₂₂a₃₃-a₂₃a₃₂)(a₂₂+a₃₃-p₁-p₂-p₃)

           +p₁p₂p₃}]/Kb

【式78】

         Kb＝a₁₂ ²a₂₃-a₁₃ ²a₃₂-a₁₂a₁₃a₂₂+a₁₂a₁₃a₃₃

式中、a₃₁＝a₃₃＝0，a₃₂＝1

式中，这样构成的观测仪中，检测出车辆的前后方向行进速度Vx(即车速)、前轮转向角速度dδf/dt、后轮转向角速度dδr/dt及横向加速度Gy并输入该观测仪内，解出上述式74的状态方程式，就可以计算推断横向加速度Gy*、推断偏转加速度dγ/dt*及推断偏转率γ*。该计算中，通过除法器16、低通滤波器17及限幅器18的作用，根据实际横向加速度Gy与推断横向加速度Gy*之比算出修正系数α。因此，根据该观测仪，采用由修正系数α修正的偏转刚度值αc_p，可以高精度地计算车体的推断横向加速度Gy*、推断偏转加速度dγ/dt*及推断偏转率γ*。

<具体实施例>

下面，说明用程序处理实现上述观测仪并适用于车辆的具体实施例。该实施例如图4所示，在硬件方面除了偏转传感器24以外，其余的与上述第1实施例是同样构成的。微机30在内藏计时器的作用下，按每预定时间T(运算周期T)反复地执行与图9的流程对应的程序。

该程序从图9的步300开始，在步302向微机30输入各传感器21～23、25测出的前后方向行进速度Vx、前轮转向角δf、后轮转向角δr及横向加速度Gy，在步303分别对前轮转向角δf和后轮转向角δr进行时间微分，计算前轮转向角速度dδf/dt和后轮转向角速度dδr/dt。然后，与第1实施例同样，如果前后方向行进速度Vx未达到预定车速Vmin，在步304判断为“NO”，在步328，把这次的横向加速度Gy*i设定为上述输入的横向加速度Gy，把这次的推断偏转加速度dγ/dt*i设定为“0”，把这次的推断偏转率γ*i设定为“0”，把这次的修正系数αi设定为“1”。然后，在步326，分别把前次的推断横向加速度Gy*i-1、推断偏转加速度dγ/dt*i-1、推断偏转率γ*i-1和修正系数αi-1更新为这次的推断横向加速度Gy*i、推断偏转加速度dγ/dt*i、推断偏转率γ*i和修正系数αi，在步332结束程序。如果前后方向行进速度Vx为预定车速Vmin以上，则在步304判断为“YES”，在步306执行上述式60～70(该式60～70采用了前后方向行进速度Vx)的运算，算出各因子a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₂₁、a₂₂、a₂₃、a₃₁、a₃₂、a₃₃、b₁₁、b₁₂、b₂₁、b₂₂、b₃₁、b₃₂。其中，对a₃₁、a₃₂、a₃₃、b₃₁、b₃₂只设定“0”或“1”。经过上述步306的处理后，在步308判断值Kb(见式78)是否为“0”。如果值Kb为“0”，在步308判断为“YES”，在步330分别把这次的推断横向加速度Gy*i、推断偏转加速度dγ/dt*i、推断偏转率γ*i和修正系数αi设定为前次的推断横向加速度Gy*i-1、推断偏转加速度dγ/dt*i-1、推断偏转率γ*i-1和修正系数αi-1。经过步326的更新处理后结束程序。另外，这种情况下，与第1实施例同样地，也可以省略步326的更新处理。如果值Kb不为“0”，则在步308判断为“NO”，在步310、312通过上述式74～77的运算，计算出反馈增益K的各要素k₁、k₂、k₃、这次的推断横向加速度Gy*i、推断偏转加速度dγ/dt*i及推断偏转率γ*i。接着，与第1实施例同样，在步314计算这次的修正系数αi，在步316进行低通滤波处理，在步318～324对修正系数αi进行上下限的限制处理，在步326对前次的各推断值Gy*i-1、dγ/dt*i-1、γ*i-1和修正系数αi-1进行更新处理后，在步332结束程序。

在该第3具体的实施例中，当因与第1实施例同样的各种车辆状况变化而使前轮及后轮的偏转刚度值c_p发生变化时，该偏转刚度值c_p的变化可由修正系数αi进行修正，用该修正过的偏转刚度值α_fc_pi计算推断横向加速度Gy*、推断偏转加速度dγ/dt*和推断偏转率γ*。其结果，推断横向加速度Gy*、推断偏转加速度dγ/dt*和推断偏转率γ*被高精度地算出，可将其中的推断侧滑角β*用于各种车辆的控制。

在该第3实施例中，是用前轮转向角传感器22和后轮转向角传感器23分别检测前轮转向角δf和后轮转向角δr，用步303的处理对各转向角δf、δr进行时间微分，计算出前轮转向角速度dδf/dt和后轮转向角速度dδr/dt。但是，也可以不采用上述的传感器22、23，而分别采用直接检测前轮转向角速度dδf/dt和后轮转向角速度dδr/dt的前轮转向角速度传感器和后轮转向角速度传感器。这种情况下，只要在步302分别输入前轮转向角速度传感器和后轮转向角速度传感器检测出的前轮转向角速度dδf/dt和后轮转向角速度dδr/dt即可，这样，可省略步303的处理。

d，其它的变形例

在上述第1～第3实施例中，是以操纵后轮为前提，在不操纵后轮的车辆中，后轮转向角δr和后轮转向角速度dδr/dt总是“0”，这种情况下，可把上述第1～第3实施例的后轮转向角δr或后轮转向角速度dδr/dt作为固定值“0”来处理，也不需要后轮转向角传感器23。

另外，在上述第1～第3实施例中，是把车辆的侧滑角β、偏转率γ、横向加速度Gy、偏转加速度dγ/dt等作为观测仪的状态变量；但是，只要是随车辆转弯而变化的运动状态量都可以作为状态变量，例如也可以把车辆的横向速度、侧滑角速度等其它运动状态量作为上述的状态变量。

Claims (5)

1.一种推断随车辆转弯而变化的运动状态量的推断方法，设定包含车辆转弯运动模型、并以第1运动状态量作为参照输入的观测仪，该车辆转弯运动模型以表示车轮转向角变化的物理量作为输入变量，并将随车辆转弯而变化的至少第1及第2运动状态量作为状态变量，根据该观测仪的状态方程式推断上述第1及第2运动状态量；其特征在于：

检测上述物理量、上述第1运动状态量、以及与上述第1及第2运动状态量不同且随车辆转弯而变化的第3运动状态量；

用根据上述观测仪的状态方程式推断出的第1及第2运动状态量中的至少一个，推断运算与上述检测出的第3运动状态量相同的运动状态量；

根据上述检测出的第3运动状态量与上述推断运算出的第3运动状态量的差别，计算用于偏转刚度值的连续的修正量；

根据该计算出的修正量，对上述观测仪状态方程式中的偏转刚度值的相关因子定量地进行修正。

2.如权利要求1所述的推断随车辆转弯而变化的运动状态量的推断方法，其特征在于：作为上述观测仪，采用包含车辆转弯运动模型并以偏转率作为参照输入的观测仪，该车辆转弯运动模型以转向角作为输入变量，以侧滑角及偏转率作为状态变量；

作为上述物理量，检测车辆的转向角；作为上述第1运动状态量和第3运动状态量，分别检测随车辆转弯而变化的偏转率及横向加速度，并检测车辆的前后方向行进速度；

根据上述观测仪的状态方程式计算出推断侧滑角和推断偏转率，并根据该推断侧滑角和推断偏转率、以及检测出的车辆前后方向行进速度，计算推断横向加速度；

作为上述修正量，计算根据上述检测出的横向加速度与上述计算出的推断横向加速度之比所规定的修正系数；

用上述计算出的修正系数乘上述观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子。

3.如权利要求1所述的推断随车辆转弯而变化的运动状态量的推断方法，其特征在于：

作为上述观测仪，采用包含车辆转弯运动模型并以偏转率作为参照输入的观测仪，该车辆转弯运动模型以转向角作为输入变量，以侧滑角及偏转率作为状态变量；

作为上述物理量，检测车辆的转向角；作为上述第1运动状态量和第3运动状态量，分别检测随车辆转弯而变化的偏转率及横向加速度，并检测车辆的前后方向行进速度；

根据检测出的车辆前后方向加速度、偏转率和横向加速度，计算实际侧滑力；

根据上述观测仪的状态方程式计算出推断侧滑角和推断偏转率，根据该推断侧滑角和推断偏转率、以及上述检测出的车辆前后方向行进速度，计算推断侧滑力；

作为上述修正量，计算根据上述计算出的实际侧滑力与推断侧滑力之比所规定的修正系数；

用计算出的修正系数，乘上述观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子。

4.一种推断随车辆转弯而变化的运动状态量的推断方法，设定包含车辆转弯运动模型并以第1运动状态量作为参照输入的观测仪，该车辆转弯运动模型以表示车轮的转向角变化的物理量作为输入变量，并以随车辆转弯而变化的至少第1及第2运动状态量作为状态变量，根据该观测仪的状态方程式推断上述第1及第2运动状态量；其特征在于：

检测上述物理量及上述第1运动状态量；

根据上述检测出的第1运动状态量与由上述观测仪的状态方程式推断出的第1运动状态量的差别，计算用于偏转刚度值的连续的修正量；

用上述计算出的修正量，对上述观测仪状态方程式中的偏转刚度值的相关因子定量地进行修正。

5.如权利要求4所述的推断随车辆转弯而变化的运动状态量的推断方法，其特征在于：作为上述观测仪，采用包含车辆转弯运动模型并以横向加速度作为参照输入的观测仪，该车辆转弯运动模型以转向角速度作为输入变量，并至少以横向加速度作为状态变量；

作为上述物理量和第1运动状态量，分别检测车辆的转向角速度及横向加速度；

作为上述修正量，计算上述检测出的横向加速度与由上述观测仪的状态方程式推断出的推断横向加速度之比所规定的修正系数；

用该计算出的修正系数乘上述观测仪的状态方程式中的偏转刚度值的相关因子。

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