CN111918806A - 坡度估算装置及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种坡度估算装置(120)，对车辆行驶的行驶道路的坡度进行估算，其具备：输入部(120a)，获取对车辆的前后方向上的加速度进行检测的加速度传感器(40a)的检测值；向心力检测部(120c)，其检测由于车辆的转弯运动而作用于加速度传感器(40a)的向心力；以及坡度计算部(120b)，其基于加速度传感器(40a)的检测值计算车辆行驶的行驶道路的坡度，坡度计算部(120b)在车辆进行转弯运动时，基于车辆的转弯中心位置(P1)、车辆的重心位置(P2)和加速度传感器(40a)的设置位置(P3)求出叠加于加速度传感器(40a)的检测值中的向心力的分量，并从加速度传感器(40a)的检测值中减去向心力的分量，在此基础上，计算行驶道路的坡度。

Description

坡度估算装置及车辆
技术领域
本发明涉及坡度估算装置及车辆。
背景技术
以往，已知这样的坡度估算装置，其使用搭载在车辆上的、检测前后方向上的加速度的加速度传感器，对该车辆行驶的路面(以下称为“行驶道路”)的坡度进行估算。
例如，在专利文献1中记载有：通过提取因行驶道路的坡度而作用于该加速度传感器的重力分量，进行该行驶道路的坡度估算(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-125888号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在专利文献1等的现有技术中，存在以下问题：在拐弯行驶时，由于向心力(即，离心力)的影响，向心力造成的分量叠加在坡度造成的重力分量上，从而估算的坡度变得不精确。尤其是，在是像大型卡车那样全长较长的车辆的情况下，重心位置与加速度传感器的设置位置之间的偏移比较大，因此向心力分量的影响较大。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够进行更高精度的坡度估算的坡度估算装置和车辆。
解决问题的方案
解决上述问题的本发明的主要内容是一种坡度估算装置，对车辆行驶的行驶道路的坡度进行估算，其具备：
输入部，获取对所述车辆的前后方向上的加速度进行检测的加速度传感器的检测值；
向心力检测部，检测由于所述车辆的转弯运动而作用于所述加速度传感器的向心力；以及
坡度计算部，基于所述加速度传感器的检测值，计算所述行驶道路的坡度，
所述坡度计算部在所述车辆进行转弯运动时，基于所述车辆的转弯中心位置、所述车辆的重心位置和所述加速度传感器的设置位置，求出叠加于所述加速度传感器的检测值中的所述向心力的分量，并从所述加速度传感器的检测值中减去所述向心力的分量，在此基础上，计算所述行驶道路的坡度。
另外，本发明的另一方式中，提供一种具备上述坡度估算装置的车辆。
发明效果
根据本发明的坡度估算装置，能够实现更高精度的坡度估算。
附图说明
图1是表示实施方式的车辆的结构的一例的图。
图2是表示实施方式的坡度估算装置所具备的功能结构的一例的图。
图3是说明实施方式的坡度估算装置中的坡度估算方法的图。
图4是说明实施方式的坡度估算装置中的坡度估算方法的图。
图5是说明实施方式的坡度估算装置中的坡度估算方法的图。
图6是表示实施方式的坡度估算装置的动作的一例的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的一个实施方式的车辆和搭载在该车辆上的坡度估算装置的结构的一例进行说明。
图1是表示本实施方式的车辆U的结构的一例的图。此外，图1中的虚线表示控制装置100发送的控制信号或控制装置100接收的检测信号的信号路径。
本实施方式的车辆U具备：例如，车辆驱动装置10、防振支撑装置20、操作信息获取装置30、车辆信息获取装置40(加速度传感器40a、横摆角传感器40b和车速传感器40c)、以及控制装置100(车辆控制ECU(车辆控制Electronic Control Unit：车辆控制电子控制单元)110和坡度估算装置120)等。
车辆驱动装置10是使车辆U行驶的驱动部，其构成为，包括例如发动机、自动变速器、动力传递机构、制动机构和转向装置等。车辆驱动装置10例如利用发动机生成动力，经由自动变速器和动力传递机构(传动轴、差动齿轮和驱动轴等)将该动力传递到车轮上，使车辆U行驶。此外，由车辆控制ECU 110对本实施方式的车辆驱动装置10的动作进行控制。
防振支撑装置20例如配置在该车辆U的车身和各车轮之间，从下方支撑该车辆U的车身。例如使用空气悬架等主动悬架作为防振支撑装置20，对与各车轮对应地设置的空气弹簧供给压缩空气，以使由电位器等检测出的车身高度成为合适的车身高度。本实施方式的防振支撑装置20还向控制装置100发送与向空气弹簧供给的压缩空气量有关的信息，并且还作为检测车辆U的货物的装载量的部件发挥作用。
操作信息获取装置30是检测表示驾驶员的操作内容的操作信息的传感器，其构成为，包括例如加速器传感器、制动器传感器和变速杆传感器等。操作信息获取装置30将与由自身检测出的检测值有关的传感器信息向控制装置100输出。
车辆信息获取装置40是检测车辆U的行驶状态的各种传感器。本实施方式的车辆信息获取装置40例如具备加速度传感器40a、横摆角传感器40b和车速传感器40c等。加速度传感器40a、横摆角传感器40b和车速传感器40c分别向控制装置100(坡度估算装置120)发送与由自身检测出的检测值有关的传感器信息(以下简称为“传感器信息”)。
加速度传感器40a从应变仪、压电元件和静电容量等的变化量，检测车辆U的前后方向上的加速度。此外，本实施方式的加速度传感器40a是仅对车辆U的前后方向上的一个轴的加速度进行检测的传感器。
横摆角传感器40b检测围绕通过车辆U的转弯中心的铅直轴旋转的旋转角速度。但是，作为车辆U的旋转角速度的检测方法，除了根据横摆角传感器40b的检测值直接检测的方法以外，还可以采用以下方法：使用检测车辆U的左右车轮间(例如前轮间)的旋转速度差的车轮速差传感器(未图示)的检测值的方法，或者，使用检测车辆U的方向盘转角(例如前轮的转角)的方向盘转角传感器(未图示)的检测值的方法等。
车速传感器40c例如根据车辆U的车轮的转速，检测车辆U的行驶速度。
控制装置100是对车辆U的各部分进行总括控制的电子控制单元。本实施方式的控制装置100构成为，包括：进行车辆驱动装置10的控制的车辆控制ECU(车辆控制ElectronicControl Unit，车辆控制电子控制单元)110、以及对车辆U行驶的行驶道路的坡度进行估算的坡度估算装置120。
车辆控制ECU 110和坡度估算装置120分别构成为，包括例如CPU(CentralProcessing Unit，中央处理单元)、ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(RandomAccess Memory，随机存取存储器)、输入端口和输出端口等。此外，车辆控制ECU 110和坡度估算装置120各自具有的功能例如通过由CPU参考在ROM或RAM中保存的控制程序或各种数据来实现。但是，该功能不仅限于利用软件进行的处理，当然也可以通过专用的硬件电路实现。
此外，车辆驱动装置10、防振支撑装置20、操作信息获取装置30、车辆信息获取装置40(加速度传感器40a、横摆角传感器40b和车速传感器40c)以及控制装置100(车辆控制ECU 110和坡度估算装置120)，通过车载网络(例如，基于CAN(Controller Area Network，控制器局域网总线)通信协议的通信网络)相互连接，可以相互收发所需的数据和控制信号。
(坡度估算装置的结构)
下面，参照图2至图5对本实施方式的坡度估算装置120的结构的一例进行说明。
图2是表示本实施方式的坡度估算装置120所具备的功能结构的一例的图。图3至图5是说明本实施方式的坡度估算装置120中的坡度估算方法的图。
本实施方式的坡度估算装置120具备：输入部120a、坡度计算部120b、向心力检测部120c和重心位置检测部120d。
(关于输入部120a的结构)
输入部120a获取加速度传感器40a、横摆角传感器40b和车速传感器40c等各种传感器的检测值。
此外，输入部120a的结构既可以是从各传感器直接获取它们的检测值，也可以是经由其它装置间接地从各传感器获取它们的检测值。
(关于坡度计算部120b的结构)
坡度计算部120b从由输入部120a获取的加速度传感器40a的检测值中提取由行驶道路的坡度造成的重力分量，由此来计算行驶道路的坡度。
图3示出了车辆U在具有坡度的路面上行驶时，作用于加速度传感器40a的重力加速度。此外，在图3中，β表示行驶道路的坡度，g表示重力加速度，a表示加速度传感器40a的检测分量(即检测值)。
本实施方式的加速度传感器40a是检测车辆U的前后方向上的一个轴的加速度的传感器。因此，当车辆U在具有坡度的路面上行驶时，加速度传感器40a检测由行驶道路的坡度造成的重力分量g×sinβ。坡度计算部120b例如使用以下的式(1)，从加速度传感器40a的检测值中包含的重力分量，计算行驶道路的坡度β。
a＝g×sinβ…式(1)
(其中，a：加速度传感器40a的检测值，g：重力加速度，β：行驶道路的坡度)。
但是，在加速度传感器40a的检测值中，除了由行驶中的路面的坡度造成的重力分量之外，还包含由行驶中的转弯运动造成的向心力分量、以及由车辆U的加速、减速造成的加速度分量、减速度分量等。因此，若不考虑转弯时作用于加速度传感器40a的向心力等，则坡度计算部120b算出的行驶道路的坡度会比实际更大，而且会算出好像该坡度在急剧变化似的结果。
此外，例如，在由车辆控制ECU 110进行车辆U的自动变速器的变速控制时，要参考行驶道路的坡度信息。因此，若如以上那样算出了错误的坡度信息，车辆控制ECU 110会错认为坡度阻力在急剧变化，从而使车辆U的自动变速器错误变速，或者出现忙于换挡(频繁变速)的状态。
从这样的观点出发，坡度计算部120b从加速度传感器40a的检测值中减去向心力分量等，在此基础上，计算行驶道路的坡度。
图4是表示车辆U进行转弯运动时作用于加速度传感器40a的向心力的图。此外，在图4中，a表示加速度传感器40a的检测分量，α表示重心位置处的向心力，α′表示加速度传感器40a的设置位置处的向心力，P1表示车辆U进行转弯运动时的转弯中心位置，P2表示车辆U的前后方向上的重心位置，P3表示加速度传感器40a的设置位置，θ表示从转弯中心位置P1观察到的重心位置P2与加速度传感器40a的设置位置P3之间的角度、X表示偏移、R表示转弯半径。
在车辆U的车身较短的情况下，由于车辆U的前后方向上的加速度传感器40a的设置位置P3和重心位置P2大致一致，所以车辆U进行转弯运动时的向心力作用在与加速度传感器40a的检测方向(即车辆U的前后方向)垂直的方向上。因此，在车身较短的车辆U中，该向心力对加速度传感器40a的检测值的影响比较小。
但是，在像大型卡车那样车身较长的车辆U中，加速度传感器40a通常配置在车辆U的车身内的前方区域，如图4所示那样，在车辆U的前后方向上的加速度传感器40a的设置位置P3和重心位置P2之间，存在一定程度的偏移X。因此，在这样的车辆U中，进行转弯运动时作用于加速度传感器40a的向心力α′的方向是从与加速度传感器40a的检测方向(即车辆U的前后方向)垂直的方向倾斜了的方向。结果，作用于加速度传感器40a的向心力α′对加速度传感器40a的检测值有比较大的影响。
具体而言，在图4中，进行转弯运动时作用于加速度传感器40a的向心力α′中的α′sinθ会叠加到加速度传感器40a的检测值中。
因此，本实施方式的坡度计算部120b通过使用由向心力检测部120c检测出的“作用于加速度传感器40a的向心力α′”的信息、以及如下的位置关系的信息，来检测叠加于加速度传感器40a的检测值中的向心力分量α′sinθ。该位置关系的信息是基于由重心位置检测部120d检测出的重心位置P2的、“车辆U进行转弯运动时的转弯中心位置P1、车辆U的前后方向上的重心位置P2和加速度传感器40a的设置位置P3这三个点之间的位置关系(例如，从转弯中心位置P1观察到的重心位置P2与加速度传感器40a的设置位置P3之间的角度θ)”的信息。
坡度计算部分120b例如使用以下的式(2)，从加速度传感器40a的检测值中减去进行转弯运动时作用于加速度传感器40a的向心力α′的分量，在此基础上，计算行驶道路的坡度β。
a＝g×sinβ+α'sinθ…式(2)
(其中，a：加速度传感器40a的检测值，g：重力加速度，β：行驶道路的坡度，α′：向心力，θ：从转弯中心位置P1观察到的重心位置P2与加速度传感器40a的设置位置P3之间的角度)。
在此，例如，从转弯半径R与偏移X的关系，通过tanθ＝偏移X/转弯半径R，求出“从转弯中心位置P1观察到的重心位置P2与加速度传感器40a的设置位置P3之间的角度θ”。
可以通过表示车辆U的转弯行为的传感器信息求出转弯半径R。例如，可以从车辆U的旋转角速度(例如，横摆角传感器40b的检测值)与车速(例如，车速传感器40c的检测值)之间的关系，根据R＝车速v[m/s]/旋转角速度ω[θ/s]，求出转弯半径R。
关于偏移X，在车辆U的前后方向上的重心位置P2没有变化的情况下，只要使用预先求出的重心位置P2的信息即可。但是，在大型卡车等中，重心位置P2随着车辆U装载的货物的量而变化。因此，优选根据由后述的重心位置检测部120d求出的重心位置P2的信息来求出偏移X。
此外，由于是公知技术，所以在此省略说明，但是坡度计算部120b也可以进一步从加速度传感器40a的检测值中减去由车辆U的加速、减速造成的分量以及由车辆U的俯仰动作造成的分量，在此基础上，计算行驶道路的坡度。
(关于向心力检测部120c的结构)
向心力检测部120c基于输入部120a获取的各种传感器(例如横摆角传感器40b和车速传感器40c)的检测值等，检测由车辆U的转弯运动造成的作用于加速度传感器40a的向心力α′。此外，作用于加速度传感器40a的向心力α′与重心位置P2处的向心力α的大小相同。
向心力检测部120c根据力学定律，例如，根据当前时刻的车辆U的旋转角速度(例如，横摆角传感器40b的检测值)和车辆U的车速(例如，车速传感器40c的检测值)的积(v[m/s]×ω[θ/s])，检测作用于加速度传感器40a的向心力α′。
此外，关于车辆U的车速等的信息，坡度计算部120b和向心力检测部120c也可以使用由车辆控制ECU等决定的车速的目标值来代替各种传感器的传感器信息。
(关于重心位置检测部120d的结构)
重心位置检测部120d检测与车辆U的货物的装载量相应的重心位置P2。
图5是表示车辆U的前后方向上的重心位置P2的图。此外，在图5中，WF表示施加到前轴的负荷，WR表示施加到后轴的负荷，X表示加速度传感器40a的设置位置P3与重心位置P2之间的距离，LS表示加速度传感器40a的设置位置P3与前轴之间的距离，LWB表示轴距(wheelbase)。
在像大型卡车那样的车辆U中，车辆U的前后方向上的重心位置P2随着装载量发生变化。这样的重心位置P2的变化通常是由于对前轴施加的负荷WF与对后轴施加的负荷WR之间的平衡随着装载量发生变化而产生的。
从这样的观点出发，重心位置检测部120d使用与支撑车辆U的车身的防振支撑装置20的动作状态有关的信息来检测重心位置P2。重心位置检测部120d例如基于与在防振支撑装置20中分别向前轴和后轴的空气弹簧供给的压缩空气量有关的信息，检测施加到前轴的负荷WF与施加到后轴的负荷WR之间的平衡，由此检测重心位置P2。
重心位置检测部120d例如通过以下的式(3)，检测车辆U的前后方向上的重心位置P2。
Figure BDA0002704097620000081
(其中，X：加速度传感器40a的设置位置P3与重心位置P2之间的距离，LS：加速度传感器40a的设置位置P3与前轴之间的距离，LWB：轴距，WF：前轴负荷，WR：后轴负荷)。
此外，对于重心位置检测部120d检测车辆U的前后方向上的重心位置P2的方法，可以进行各种改变。例如，也可以是，预先将重心位置P2与装载量相关联地存储于坡度估算装置120的ROM等中，重心位置检测部120d基于当前时刻的装载量，检测重心位置P2。但是，从高精度地检测重心位置P2的观点出发，优选使用与防振支撑装置20的动作状态有关的信息。
[坡度估算装置的动作]
接着，参照图6对坡度估算装置120的动作的一例进行说明。
图6是表示坡度估算装置120的动作的一例的流程图。此外，图6是坡度估算装置120根据计算机程序，以规定间隔(例如，以1秒的间隔)执行的流程。
在步骤S1中，坡度估算装置120(输入部120a)首先获取包括加速度传感器40a的检测值在内的各种传感器的传感器信息。
在步骤S2中，坡度估算装置120(向心力检测部120c)检测作用于加速度传感器40a的向心力α′。此时，坡度估算装置120(向心力检测部120c)例如使用横摆角传感器40b的检测值和车速传感器40c的检测值等，基于当前时刻的车辆U的旋转角速度和车辆U的车速之积(v[m/s]×ω[θ/s])，检测作用于加速度传感器40a的向心力α′。
在步骤S3中，坡度估算装置120(重心位置检测部120d)检测车辆U的前后方向上的重心位置P2。此时，坡度估算装置120(重心位置检测部120d)例如获取表示防振支撑装置20的动作状态的信息，并使用上述式(3)，检测车辆U的前后方向上的重心位置P2。
在步骤S4中，坡度估算装置120(坡度计算部120b)使用在步骤S2中检测出的作用于加速度传感器40a的向心力α′和在步骤S3中检测出的重心位置P2，基于上述式(2)，对由输入部120a获取的加速度传感器40a的检测值进行修正。此时，坡度估算装置120(坡度计算部120b)例如从在步骤S3中检测出的重心位置P2，计算从转弯中心位置P1观察到的重心位置P2和加速度传感器40a的设置位置P3之间的角度θ(tanθ＝偏移X/转弯半径R)，并从加速度传感器40a的检测值中减去叠加于该检测值中的向心力分量α′sinθ。
此外，在该步骤S4中，坡度估算装置120(坡度计算部120b)也可以从加速度传感器40a的检测值中减去叠加于加速度传感器40a的检测值中的由车辆U的加速、减速造成的分量、以及由车辆U的俯仰动作造成的分量等。
在步骤S5中，坡度估算装置120(坡度计算部分120b)基于上述式(1)计算行驶道路的坡度β。
[效果]
如上所述，本实施方式的坡度估算装置120具备：输入部120a，获取对车辆U的前后方向上的加速度进行检测的加速度传感器40a的检测值；向心力检测部120c，检测由于车辆U的转弯运动而作用于加速度传感器40a的向心力；以及坡度计算部120b，基于加速度传感器40a的检测值，计算车辆U行驶的行驶道路的坡度，坡度计算部120b在车辆U进行转弯运动时，从车辆U的转弯中心位置P1、车辆U的重心位置P2和加速度传感器40a的设置位置P3这三个点之间的位置关系，求出叠加于加速度传感器40a的检测值中的向心力分量，并从加速度传感器40a的检测值中减去该向心力分量，在此基础上，计算行驶道路的坡度。
因此，根据本实施方式的坡度估算装置120，能够对加速度传感器40a的检测值进行修正，以减去由于车辆U的转弯运动造成的向心力的分量。由此，能够更高精度地基于加速度传感器40a的检测值估算行驶道路的坡度。另外，由此，例如能够高精度地估算作用于车辆U的行驶阻力(尤其是坡度阻力)。
另外，本实施方式的坡度估算装置120构成为，还具备检测与车辆U装载的货物的量相应的重心位置的重心位置检测部120d，且坡度计算部120b基于该检测出的重心位置计算行驶道路的坡度。由此，能够更高精度地算出行驶道路的坡度。
(其它实施方式)
本发明不限于上述实施方式，可以考虑各种变形方式。
在上述实施方式中，作为坡度估算装置120的一例，记载了输入部120a、坡度计算部120b、向心力检测部120c和重心位置检测部120d的功能由一台计算机实现的情况，但是，当然也可以由多台计算机实现。例如，坡度计算部120b和重心位置检测部120d也可以由单独的计算机实现。另一方面，当然也可以采用作为车辆控制ECU 110等的一部分被组装在内的方式。
另外，在上述实施方式中，作为坡度估算装置120的一例，示出了在一连串的流程中执行输入部120a、坡度计算部120b、向心力检测部120c和重心位置检测部120d的处理的情况，但也可以是，将这些处理的一部分并行地执行。
以上，对本发明的具体例进行了详细说明，但这些不过是例示，并非对权利要求进行限定。权利要求所述的技术中包括对以上所例示的具体例进行的各种变形、变更。
本申请基于在2018年3月28日提交的日本专利申请(特愿2018-062848)，其内容在此作为参照而引入。
工业实用性
根据本发明的坡度估算装置，能够实现更高精度的坡度估算。
附图标记说明
U：车辆
10：车辆驱动装置
20：防振支撑装置
30：操作信息获取装置
40：车辆信息获取装置
40a：加速度传感器
40b：横摆角传感器
40c：车速传感器
100：控制装置
110：车辆控制ECU(车辆控制电子控制单元)
120：坡度估算装置
120a：输入部
120b：坡度计算部
120c：向心力检测部
120d：重心位置检测部

Claims (5)

1.一种坡度估算装置，对车辆行驶的行驶道路的坡度进行估算，其特征在于，具备：
输入部，获取对所述车辆的前后方向上的加速度进行检测的加速度传感器的检测值；
向心力检测部，检测由于所述车辆的转弯运动而作用于所述加速度传感器的向心力；以及
坡度计算部，基于所述加速度传感器的检测值，计算所述行驶道路的坡度，
所述坡度计算部在所述车辆进行转弯运动时，基于所述车辆的转弯中心位置、所述车辆的重心位置和所述加速度传感器的设置位置，求出叠加于所述加速度传感器的检测值中的所述向心力的分量，并从所述加速度传感器的检测值中减去所述向心力的分量，在此基础上，计算所述行驶道路的坡度。
2.如权利要求1所述的坡度估算装置，其中，
还具备检测所述重心位置的重心位置检测部。
3.如权利要求2所述的坡度估算装置，其中，
所述重心位置检测部基于支撑所述车辆的车身的防振支撑装置的动作状态，检测所述重心位置。
4.如权利要求1所述的坡度估算装置，其中，
所述向心力检测部基于所述车辆的旋转角速度和所述车辆的车速，检测所述向心力。
5.一种车辆，其特征在于，具备权利要求1所述的坡度估算装置。
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