CN113226881A - 车辆运动状态推断装置、车辆运动状态推断方法以及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种通过考虑作用于车轮的前后方向或横向的摩擦力因悬架的几何结构而作用于车体的上下方向的力而能够高精度地推断上下运动状态量的车辆运动状态推断装置及方法。本发明为一种车辆运动状态推断装置，它是车轮与车体通过悬架结合在一起的车辆上的车辆运动状态推断装置，其特征在于，具备：上下运动起因轮速分量推断部，其推断因车辆的上下运动而产生的轮速分量；上下力推断部，其算出因车辆的运动而产生的车轮的摩擦力因悬架的几何结构而作用于车体的上下方向的力；以及上下运动推断部，其推断车辆的上下运动的状态量，上下运动推断部根据来自上下运动起因轮速分量推断部的轮速分量和来自上下力推断部的作用于车体的上下方向的力来推断车辆的上下运动的状态量。

Description

车辆运动状态推断装置、车辆运动状态推断方法以及车辆
技术领域
本发明涉及推断车辆运动的状态量，尤其涉及推断车辆的上下运动状态量的车辆运动状态推断装置、车辆运动状态推断方法以及车辆。
背景技术
作为获取车辆的上下运动状态量的方法，除了使用车高传感器、上下加速度传感器等专用传感器来直接进行检测的方法以外，还有例如像专利文献1记载的那样利用轮速传感器等通常车载的传感器、使用车辆动态模型而在不使用专用传感器的情况下进行推断的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2012-47553号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献1记载的上下运动状态量的推断方法中，没有考虑到作用于车轮的前后方向或横向的摩擦力因悬架的几何结构而作用于车体的上下方向的力，因此在加减速时或转弯时等作用于车轮的前后方向或横向的摩擦力增大的状况下可能无法高精度地推断上下运动状态量。
本发明是用于解决所述问题的发明，其目的在于提供一种通过考虑作用于车轮的前后方向或横向的摩擦力因悬架的几何结构而作用于车体的上下方向的力而能够高精度地推断上下运动状态量的车辆运动状态推断装置、车辆运动状态推断方法以及车辆。
解决问题的技术手段
根据以上内容，本发明为“一种车辆运动状态推断装置，它是车轮与车体通过悬架结合在一起的车辆上的车辆运动状态推断装置，其特征在于，具备：上下运动起因轮速分量推断部，其推断因车辆的上下运动而产生的轮速分量；上下力推断部，其算出因车辆的运动而产生的车轮的摩擦力因悬架的几何结构而作用于车体的上下方向的力；以及上下运动推断部，其推断车辆的上下运动的状态量，上下运动推断部根据来自上下运动起因轮速分量推断部的轮速分量和来自上下力推断部的作用于车体的上下方向的力来推断车辆的上下运动的状态量”。
此外，本发明为“一种车辆，其具备车辆运动状态推断装置，其特征在于，借助得到车辆运动状态推断装置推断出的状态量的输入的悬架控制装置，根据推断出的状态量来控制悬架产生的力”。
此外，本发明为“一种车辆运动状态推断方法，它是车轮与车体通过悬架结合在一起的车辆上的车辆运动状态推断方法，其特征在于，根据因车辆的上下运动而产生的轮速分量和因车辆的运动而产生的车轮的摩擦力因悬架的几何结构而作用于车体的上下方向的力来推断车辆的上下运动的状态量”。
发明的效果
根据本发明，不论恒速、加减速、直线前进、转弯等行驶条件如何，都能高精度地推断车辆运动状态。
附图说明
图1为表示实施例1的搭载有车辆运动状态推断装置50的车辆构成例的图。
图2为表示实施例1的车辆运动状态推断装置50的概念构成例的图。
图3为表示实施例1的四轮车平面模型的图。
图4为表示实施例1的减速中产生的抗俯倾力和抗举升力的图。
图5为表示实施例1的左转弯中产生的顶升力和降下力的图。
图6为表示实施例1的前后加速度、抗俯倾力、抗举升力以及抗尾倾力的关系的图。
图7为表示实施例1的横向加速度、顶升力以及降下力的关系的图。
图8为表示实施例1的四轮整车模型的图。
图9为表示实施例1的因车体纵倾而产生的轮速的图。
图10为表示实施例1的因悬架的位移而产生的轮速的图。
图11为表示实施例1的因接地载重变动而产生的轮速的图。
图12为表示实施例1的接地载重与轮胎有效旋转半径的关系的图。
图13为表示实施例1的车辆上下运动量推断装置50的处理结果的时间变化的图。
图14为表示实施例2的搭载有车辆运动状态推断装置50的车辆构成例的图。
图15为表示实施例2的悬架控制单元81的概念构成例的图。
具体实施方式
下面，使用附图，对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1
使用图1至图13，对实施例1的车辆运动状态推断装置50、车辆运动状态推断方法以及车辆进行说明。
图1展示了搭载有车辆运动状态推断装置50的车辆10的构成例图。
车辆运动状态推断装置50搭载于车辆10上，连接到轮速传感器1、加速度传感器2、陀螺仪传感器3、操舵角传感器4、制驱动控制单元5、操舵控制单元6。
上述车辆10上搭载的传感器(轮速传感器1、加速度传感器2、陀螺仪传感器3、操舵角传感器4)是通常搭载的传感器，不是所谓的专用传感器。
轮速传感器1检测车体8前后左右4个部位的车轮7的转速，加速度传感器2检测作用于车体8重心的加速度，陀螺仪传感器4检测绕车体8重心的旋转角速度即横摆率，操舵角传感器4检测因驾驶车辆10的驾驶员的操舵而产生的方向盘的旋转角或者车轮7的舵角。
此处，轮速传感器1例如由检测设置在车轴毂或制动鼓等上的旋转部与设置在转向节或制动器挂架等上的固定部之间的相对转速的传感器构成，检测到的转速有的是制驱动力所引起的，有的是车辆的上下运动所引起的。
车辆的上下运动是因路面上下位移、驾驶员的操舵、加减速操作而产生，将该车辆的上下运动所引起的转速乘以轮胎半径算出的值称为上下运动起因轮速分量。
制驱动控制单元5是根据驾驶员的操作、车辆运动状态推断装置50的输出等来控制内燃机、电动机、制动钳等产生的制驱动力的单元。
操舵控制单元6是根据驾驶员的操作、车辆运动状态推断装置50的输出等来控制车轮7的操舵角的单元。
此处，可在制驱动控制单元5或操舵控制单元6或者这两方中配备有平面运动推断部，所述平面运动推断部以前文所述的传感器(轮速传感器1、加速度传感器2、陀螺仪传感器3、操舵角传感器4)检测到的值为输入来推断、输出车轮7的前后方向的车轮滑移即滑移率、横向的车轮滑移即侧滑角、车辆的前后方向的速度等平面运动所引起的状态量。
此外，车辆10可配备有向制驱动控制单元5、操舵控制单元6发送控制指令、推断值的上位控制器，上位控制器可为根据车辆运动状态推断装置50的输出来生成控制指令、推断值的构成。
后面将前文所述的传感器(轮速传感器1、加速度传感器2、陀螺仪传感器3、操舵角传感器4)检测到的值和制驱动控制单元5或操舵控制单元6或者这两方推断、输出的值称为行驶状态信息。
接着，使用图2，对该车辆运动状态推断装置50的概念构成例进行说明。
图2的车辆运动状态推断装置50以前文所述的行驶状态信息为输入来推断后文叙述的上下运动状态量x并将其结果输出至制驱动控制单元5等，由推断上下运动起因轮速分量y的上下运动起因轮速分量推断部51、推断上下力u的上下力推断部52、以及推断上下运动状态量x的上下运动推断部53构成。
在本发明的实施例1的图2的车辆运动状态推断装置50及方法中，若极为简便地加以叙述，则在具备出于摩擦力的观点而推断上下力的上下力推断部52这一点上具有特征。上下运动推断部53将来自上下力推断部52的输出加以考虑地推断上下运动。
上下运动起因轮速分量推断部51以行驶状态信息为输入来推断、输出上下运动起因轮速分量y。
上下力推断部52以行驶状态信息为输入来推断、输出因车辆的运动而产生的作用于车轮的前后方向或横向或者这两方向的摩擦力因悬架的几何结构而作用于车体的上下方向的力(平面运动起因上下力u(Fzab))。
上下运动推断部53以行驶状态信息、上下运动起因轮速分量y、平面运动起因上下力u(Fzab)、以及后文叙述的接地载重变动起因轮速u(Vwzc)为输入来推断、输出上下运动状态量x。
此处，上下运动起因轮速分量推断部51和上下力推断部52也可为输入上下运动状态量x的构成。
以上总而言之，图2所示的车辆运动状态推断装置可以说是“一种车轮与车体通过悬架结合在一起的车辆上的车辆运动状态推断装置，其具备：上下运动起因轮速分量推断部，其推断因车辆的上下运动而产生的轮速分量；上下力推断部，其算出因车辆的运动而产生的车轮的摩擦力因悬架的几何结构而作用于车体的上下方向的力；以及上下运动推断部，其推断车辆的上下运动的状态量，上下运动推断部根据来自上下运动起因轮速分量推断部的轮速分量和来自上下力推断部的作用于车体的上下方向的力来推断车辆的上下运动的状态量”。
接着，使用图3，对上下运动起因轮速分量推断部51中的上下运动起因轮速y的推断方法的具体例进行说明。在上下运动起因轮速分量推断部51中的上下运动起因轮速y的推断方法中，使用后文叙述的式(1)至式(5)。再者，这些公式的一部分包含替代公式。
图3为表示从上方观察左转弯中的前轮操舵四轮车的四轮车平面模型的图。
四轮车平面模型使用的是固定在车辆10上的以簧上重心9为原点的坐标系，以车辆前后方向为x轴，以车辆的左右方向为y轴，以车辆的上下方向为z轴。
此处，将车轮7的操舵角即实际舵角设为δ，将车辆的行进方向的速度设为V，将车辆的前后方向的速度设为Vx，将车辆的左右方向的速度设为Vy，将陀螺仪传感器4检测到的绕z轴的旋转角速度即横摆率设为r，将车辆的行进方向与前后方向所成的角设为车体侧滑角β，将车轮7的行进方向与旋转面所成的角设为车轮侧滑角βfl、βfr、βrl、βrr，将轮速Vws设为Vwsfl、Vwsfr、Vwsrl、Vwsrr，将前轮轴与后轮轴的距离即轴距设为l，将前后轮轴起到簧上重心为止的车辆前后方向的距离设为lf、lr，将前后轮的轮距设为df、dr。
再者，上述符号显示中的尾标中的f表示前轮，r表示后轮，fl表示左前轮，fr表示右后轮，rl表示左后轮，rr表示右后轮。
此外，轮速Vwsfl、Vwsfr、Vwsrl、Vwsrr是车轮7的转速乘以轮胎半径算出的车轮的移动速度，是可以利用轮速传感器1来检测的值。
该轮速Vws(Vwsfl、Vwsfr、Vwsrl、Vwsrr)由因车辆的上下运动而产生的上下运动起因轮速分量和因伴随驾驶员的操舵或加减速操作而来的车辆的平面运动而产生的平面运动起因轮速分量构成。
因而，上下运动起因轮速分量推断部51中推断的上下运动起因轮速分量是从轮速Vws(Vwsfl、Vwsfr、Vwsrl、Vwsrr)减去平面运动起因轮速分量来求出，以式(1)表示。
[式1]
Figure BDA0003116691190000071
此处，式(1)的Vwzfl、Vwzfr、Vwzrl、Vwzrr为上下运动起因轮速分量，Vwfl、Vwfr、Vwrl、Vwrr是将轮速Vwsfl、Vwsfr、Vwsrl、Vwsrr换算为簧上重心9的位置上的车辆的前后方向的速度后的轮速。
式(1)的换算为簧上重心9的位置上的车辆的前后方向的速度后的轮速Vwfl、Vwfr、Vwrl、Vwrr是通过对轮速加减基于因转弯运动而产生的实际舵角δ和横摆率r的各轮的速度差来求出，以式(2)表示。
[式2]
Figure BDA0003116691190000072
此外，式(1)的车辆的前后方向的速度Vx是对车辆的前后方向的加速度Gx进行积分来求出，以式(3)表示。
[式3]
Vx＝∫Gxdt…(3)
此处，式(3)的车辆的前后方向的加速度Gx虽然可使用加速度传感器2检测到的作用于车体8重心的前后加速度Gxse，但通过去除前后加速度Gxse中包含的伴随车体纵倾而来的重力加速度分量，能够高精度地求出车辆的前后方向加速度Gx，因此也可使用式(4)来求出。
[式4]
Figure BDA0003116691190000081
进而，通过去除前后加速度Gxse中包含的伴随车体侧滑而来的横向加速度分量，能够更高精度地求出式(4)的车辆的前后方向的加速度Gx，因此也可使用式(5)来求出。
[式5]
Figure BDA0003116691190000082
此处，式(4)和式(5)中，Gyse为作用于车体8重心的横向加速度，g为重力加速度，θx和θy为侧倾角和纵倾角，例如，横向加速度Gyse使用加速度传感器2检测到的值，侧倾角θx和纵倾角θy使用上下运动推断部53推断出的值。
再者，式(1)的车辆的前后方向的速度Vx也可为前文所述的制动控制单元6等控制器推断出的平面运动状态量或者对使用GPS检测到的位置信息作时间微分算出的值，车辆的前后方向的速度Vx的获取方法不作限定。
此外，式(4)和式(5)的侧倾角θx和纵倾角θy也可为前文所述的制动控制单元6等控制器推断出的值或者使用摄像机等检测到的值，侧倾角θx和纵倾角θy的获取方法不作限定。
此外，式(5)的车体侧滑角β也可为前文所述的制动控制单元6等推断出的平面运动状态量、使用GPS检测到的值、或者在车辆运动状态推断装置50中设置未图示的平面运动推断部而由其推断出的平面运动状态量，车体侧滑角β的获取方法不作限定。
根据以上内容，在上下运动起因轮速分量推断部51中，以作为行驶状态信息的轮速传感器1检测到的轮速Vwsfl、Vwsfr、Vwsrl、Vwsrr、陀螺仪传感器4检测到的绕z轴的旋转角速度即横摆率r等为输入来推断、输出上下运动起因轮速分量Vwzfl、Vwzfr、Vwzrl、Vwzrr。再者，在本说明书中或者图2等当中，有时将推断出的上下运动起因轮速分量Vwzfl、Vwzfr、Vwzrl、Vwzrr统称记作上下运动起因轮速分量y。
以上总而言之，图2的上下运动起因轮速分量推断部51推断因车辆的上下运动而产生的轮速分量。
接着，使用图4至图7，对上下力推断部52中的平面运动起因上下力u的推断方法的具体例进行说明。在上下力推断部52中的平面运动起因上下力u的推断方法中，使用后文叙述的式(6)至式(15)。再者，这些公式的一部分包含替代公式。
首先，对因轮胎前后力而产生的平面运动起因上下力进行说明。
图4为从右侧观察减速中的车辆10的图，示意性地展示了减速中产生的轮胎前后力因悬架的几何结构而作为车体上下方向的力发挥作用的情形。
沿车轮7的水平轴方向产生的轮胎前后力Fxfl、Fxfr、Fxrl、Fxrr因处于车轮7接地面上的轮胎前后力的作用点和车辆10悬架的瞬间旋转中心11，而作为在连结该作用点与瞬间旋转中心11的线上拉扯车体8的力Fxafl、Fxafr、Fxarl、Fxarr发挥作用。
该拉扯的力的垂直轴方向的力Fzafl、Fzafr、Fzarl、Fzarr是作用于车体8的上下力、也就是因轮胎前后力而产生的平面运动起因上下力。
因而，上下力推断部52推断的因轮胎前后力而产生的平面运动起因上下力是对车轮7的水平轴方向上产生的轮胎前后力Fxfl、Fxfr、Fxrl、Fxrr乘以水平轴与连结悬架的瞬间旋转中心11和处于车轮7接地面上的轮胎前后力的作用点的线所成的角的正切来求出，以式(6)表示。
[式6]
Figure BDA0003116691190000101
此处，式(6)的afl、afr、arl、arr是水平轴与连结悬架的瞬间旋转中心11和处于车轮7接地面上的轮胎前后力的作用点的线所成的角。
再者，将图4所示的减速中的前轮侧产生的朝上的力Fzafl、Fzafr称为抗俯倾力，将后轮侧产生的朝下的力Fzarl、Fzarr称为抗举升力。
此外，虽未图示，但在加速中，轮胎前后力的朝向将前后颠倒，因此产生上下方向与抗俯倾力和抗举升力相颠倒的力，将该力称为抗尾倾力。
此外，式(6)的轮胎前后力Fxfl、Fxfr、Fxrl、Fxrr是通过根据作用于后轮的驱动力或制动力相对于作用于前轮的驱动力或制动力的比例将车辆的质量与车辆的前后方向的加速度的积即作用于车辆前后方向的力分给前后轮来求出，以式(7)表示。
[式7]
Figure BDA0003116691190000102
此处，式(7)的ε为作用于前轮和后轮的驱动力或制动力的比例，m2为簧上质量，m1fl、m1fr、m1rl、m1rr为簧下质量。
图6为表示前轮驱动车的情况下的前后加速度与抗俯倾、抗举升、抗尾倾力的关系的图。展示了式(7)的前后加速度Gx与式(6)的Fzafl、Fzafr以及抗举升力Fzarl、Fzarr之间的关系。
接着，对因轮胎横力而产生的平面运动起因上下力进行说明。
图5为从后方观察左转弯中的车辆10的图，示意性地展示了左转弯中产生的轮胎横力因悬架的几何结构而作为车体的上下方向的力发挥作用的情形。
车轮7的水平轴方向上产生的轮胎横力Fyfl、Fyfr、Fyrl、Fyrr因处于车轮7接地面上的轮胎横力的作用点和车辆10悬架的瞬间旋转中心11，而作为在连结该作用点与瞬间旋转中心11的线上拉扯车体8的力Fybfl、Fybfr、Fybrl、Fybrr发挥作用。
该拉扯的力的垂直轴方向的力Fzbfl、Fzbfr、Fzbrl、Fzbrr是作用于车体8的上下力也就是因轮胎横力而产生的平面运动起因上下力。
因而，上下力推断部52推断的因轮胎横力而产生的平面运动起因上下力是对车轮7的水平轴方向上产生的轮胎横力Fyfl、Fyfr、Fyrl、Fyrr乘以水平轴与连结悬架的瞬间旋转中心11和处于车轮7接地面上的轮胎横力的作用点的线所成的角的正切来求出，以式(8)表示。
[式8]
Figure BDA0003116691190000111
此处，式(8)的bfl、bfr、brl、brr是水平轴与连结悬架的瞬间旋转中心11和处于车轮7接地面上的轮胎横力的作用点的线所成的角。
再者，将图5所示的左转弯中的左轮侧产生的朝下的力Fzbfl、Fzbrl称为降下力，将右轮侧产生的朝上的力Fzbfr、Fzbrr称为顶升力。
再者，在式(6)及式(8)中，正切项总而言之为常数，该常数是基于水平轴与连结悬架的瞬间旋转中心和处于车轮接地面上的摩擦力的作用点的线所成的角的比例系数。
此外，式(8)的轮胎横力Fyfl、Fyfr、Fyrl、Fyrr是根据前后轮轴起到簧上重心为止的车辆前后方向的距离与轴距的比将车辆的质量与车辆的横向加速度的积即作用于车辆横向的力分给前后轮、进而加减横摆力矩来求出，以式(9)表示。
[式9]
Figure BDA0003116691190000121
此处，式(9)的Gy为车辆的横向加速度，Iz为车辆10的横摆惯性力矩。
图7为表示常数增益βf、βr相同的情况下的横向加速度、顶升力以及降下力的关系的图。展示了式(9)的横向加速度Gy与式(8)的顶升力Fzbfr、Fzbrr以及降下力Fzbfl、Fzbrl之间的关系。
再者，式(6)的轮胎前后力Fxfl、Fxfr、Fxrl、Fxrr和式(8)的轮胎横力Fyfl、Fyfr、Fyrl、Fyrr可以通过使用前文所述的制动控制单元6等控制器推断出的值、未图示但设置在车辆运动状态推断装置50中的平面运动推断部推断出的值、或者检测轮胎上产生的x轴、y轴、z轴方向的力和绕各轴的力矩的六分力计等各种方法来获取。
此外，式(6)和式(8)的水平轴与连结悬架的瞬间旋转中心11和车轮7接地面的轮胎力的作用点的线所成的角afl、afr、arl、arr、bfl、bfr、brl、brr可以将根据前文所述的上下运动推断部53推断出的上下运动状态量以几何学方式求出的值或者车辆静止的状态下的值用作近似值等来获取。
上下力推断部52在实现式(6)和式(7)的关系时，也可使用以车辆的前后加速度或横向加速度或者这两方为输入而输出车体上产生的上下方向的力的特性线图来推断车体上产生的上下方向的力。同样地，在实现式(8)和式(9)的关系时，上下力推断部52也可使用以作用于车轮的前后方向或横向或者这两方向的摩擦力为输入而输出车体上产生的上下方向的力的特性线图来推断车体上产生的上下方向的力。进而，这些特性线图可由基于水平轴与连结悬架的瞬间旋转中心和处于车轮接地面上的摩擦力的作用点的线所成的角的线性或非线性的图谱构成。
根据以上内容，可以使用式(6)和式(8)来推断上下力。总而言之，这些式(6)至式(8)是通过对车辆的前后加速度或横向加速度或者这两方乘以常数来推断车体上产生的上下方向的力，或者，是通过对作用于车轮的前后方向或横向或者这两方向的摩擦力乘以常数来推断车体上产生的上下方向的力。此外，此处的常数是基于水平轴与连结悬架的瞬间旋转中心和处于车轮接地面上的摩擦力的作用点的线所成的角的比例系数。
另一方面，因轮胎前后力而产生的平面运动起因上下力Fzafl、Fzafr、Fzarl、Fzarr也可使用式(10)来算出，因轮胎横力而产生的平面运动起因上下力Fzbfl、Fzbfr、Fzbrl、Fzbrr也可使用式(11)来算出。
[式10]
Figure BDA0003116691190000131
[式11]
Figure BDA0003116691190000132
此处，式(10)的Af、Ar是假定因轮胎前后力而产生的平面运动起因上下力Fzafl、Fzafr、Fzarl、Fzarr与车辆的前后方向的加速度Gx成比例的情况下的比例系数，式(11)的Bf、Br是假定因轮胎前后力而产生的平面运动起因上下力Fzbfl、Fzbfr、Fzbrl、Fzbrr与车辆的横向加速度Gy成比例的情况下的比例系数。
该比例系数Af、Ar、Bf、Br可为根据作用有一定的车辆的前后方向的加速度或车辆的横向加速度时的纵倾力矩或侧倾力矩的平衡算出的值，或者根据上下运动推断部53推断出的上下运动状态量算出的值，比例系数Af、Ar、Bf、Br的算出方法不作限定。
此处，式(7)和式(10)的车辆前后方向的Gx可直接使用加速度传感器2检测到的值，此外，也可使用前文所述的式(4)或式(5)，车辆的前后方向的加速度Gx的获取方法不作限定。
此外，式(9)和式(11)的车辆的横向加速度Gy虽然可直接使用加速度传感器2检测到的值，但通过去除横向加速度Gyse中包含的伴随车体侧倾而来的重力加速度分量，能够高精度地求出横向加速度Gy，因此也可使用式(12)来求出。
[式12]
Figure BDA0003116691190000141
进而，通过去除横向加速度Gyse中包含的伴随车体侧滑而来的前后加速度分量，能够更高精度地求出式(9)和式(11)的车辆的横向加速度Gy，因此也可使用式(13)来求出。
[式13]
Figure BDA0003116691190000142
再者，根据式(4)、(5)、(12)、(13)，车辆的前后方向的加速度Gx、车辆的横向加速度Gy可以说是根据上下运动推断部53的输出即侧倾角θx、纵倾角θy加以修正得到的。
此外，车辆转弯时产生的横向加速度Gy可像式(14)所示那样以转弯的圆的切线方向的速度与角速度的积来求出，因此也可以在不使用检测横向加速度Gy的加速度传感器的情况下进行推断。根据式(14)，横向加速度Gy可以根据车辆的前后方向的速度Vx和横摆率r来加以推断。
[式14]
Gy＝Vxr…(14)
根据以上内容，可以使用式(10)和式(11)来简易地推断上下力。
如此，根据行驶状态信息，可以推断出因轮胎前后力而产生的平面运动起因上下力Fzafl、Fzafr、Fzarl、Fzarr和因轮胎横力而产生的平面运动起因上下力Fzbfl、Fzbfr、Fzbrl、Fzbrr，所以能算出它们的和也就是式(15)所示的平面运动起因上下力Fzabfl、Fzabfr、Fzabrl、Fzabrr。
[式15]
Figure BDA0003116691190000151
再者，在本说明书中或者图2等当中，有时将推断出的平面运动起因上下力Fzabfl、Fzabfr、Fzabrl、Fzabrr统称记作平面运动起因上下力u(Fzab)。
以上总而言之，图2的上下力推断部52算出因车辆的运动而产生的车轮的摩擦力因悬架的几何结构而作用于车体的上下方向的力。再者，摩擦力是作用于车轮的前后方向或横向或者这两方向的力。
接着，使用图8至图12，对上下运动推断部53中的上下运动状态量x的推断方法的具体例进行说明。在上下运动推断部53中的上下运动状态量x的推断方法中，使用后文叙述的式(16)至式(36)。再者，这些公式的一部分包含替代公式。
通常而言，在将测定输出设为y、将控制输入设为u时，根据测定输出y和控制输入u来推断状态变量x的是观测器。
本实施例的上下运动推断部53可以说是以上下运动起因轮速分量y、平面运动起因上下力u(Fzab)、后文叙述的接地载重变动起因轮速u(Vwzc)为输入来推断上下运动状态量x的观测器。例如，在将上下运动推断部53构成为由时不变的常数构成的线性观测器时，对该状态方程所需的运动方程和观测方程进行说明。
首先，使用图8，对上下运动推断部53中的上下运动状态量x的推断中使用的运动方程进行说明。在上下运动推断部53中的上下运动状态量x的推断中使用的运动方程中，使用后文叙述的式(16)至式(21)。
图8为从左斜上方观察伴有路面上下位移的车辆10的图，是展示以质点来表示车体8和车轮7等、以弹簧或减震器来连接各质点的四轮整车模型的图。再者，图8中的符号标注等是按照图3的四轮车平面模型的例子来进行的。
另外，在图8的四轮整车中，进一步将簧上重心9的上下位移记作z2cg，将各轮上的簧上上下位移记作z2fl、z2fr、z2rl、z2rr，将簧下上下位移记作z1fl、z1fr、z1rl、z1rr，将路面上下位移记作z0fl、z0fr、z0rl、z0rr，将簧上重心9的侧倾角、纵倾角分别记作θx、θy，将悬架弹簧常数记作ksfl、ksfr、ksrl、ksrr，将悬架阻尼系数记作csfl、csfr、csrl、csrr，将稳定弹簧常数记作kstf、kstr，将簧上重心9的高度记作h。
根据该图来展示式(16)至式(21)的关系。
[式16]
Figure BDA0003116691190000161
[式17]
Figure BDA0003116691190000162
[式18]
Figure BDA0003116691190000163
[式19]
Figure BDA0003116691190000171
[式20]
Figure BDA0003116691190000172
[式21]
Figure BDA0003116691190000173
式(16)为作用于簧上重心9的上下方向的力相关的运动方程式，式(17)为作用于簧下的上下方向的力相关的运动方程式，式(18)为绕侧倾轴的力矩相关的运动方程式，式(19)为绕纵倾轴的力矩相关的运动方程式，式(20)为作用于簧上与簧下之间的上下方向的力的平衡式，式(21)为簧上与簧下的上下方向的相对位移的关系式。
此处，式(18)的hxc为车体8的侧倾方向的旋转中心即侧倾轴到簧上重心9的长度，式(19)的hyc为车体8的纵倾方向的旋转中心即纵倾轴到簧上重心9的长度。
在式(16)至式(21)这一系列关系式中，最终求解的簧上与簧下的上下方向的相对位移的关系式即式(21)中反映了式(16)至式(20)，其中使用了上下力推断部52求出的式(15)的平面运动起因上下力Fzabfl、Fzabfr、Fzabrl、Fzabrr。
接着，使用图9至图12，对构成上下运动起因轮速分量y的车体纵倾起因轮速Vwza、悬架位移起因轮速Vwzb、以及接地载重变动起因轮速Vwzc进行说明。
再者，图9至图12中，由于在各轮上通用，因此省略表示右左轮的fl等尾标。
首先，对车体纵倾起因轮速Vwza的具体例进行说明。再者，车体纵倾起因轮速Vwza的说明是使用图9、图10以及式(22)至式(29)来进行。
图9展示了车体8的纵倾与车轮7的位移的几何学关系。
此处，O为车轮7的中心，h为簧上重心9的高度，R为轮胎半径，Lp为簧上重心9起到车轮7的中心O为止的长度，Lp1为车体8发生了纵倾时的簧上重心9起到车轮7的中心O为止的长度，Φp为簧上重心9、车轮7的中心O以及水平面所成的角，θy为车体纵倾角，θw为车轮7的旋转角。
车体纵倾角θy较小时，Lp与Lp1大致相等，因此车轮7的水平方向的位移Rθw是根据簧上重心9起到车轮7的中心O为止的长度Lp、车体纵倾角θy还有簧上重心9、车轮7的中心O以及水平面所成的角Φp而以式(22)表示。
[式22]
Figure BDA0003116691190000181
进而，式(22)的sinΦp是根据簧上重心9的高度h、轮胎半径R以及簧上重心9起到车轮7的中心O为止的长度Lp而以式(23)表示。
[式23]
Figure BDA0003116691190000182
因而，车体纵倾起因轮速Vwza是对车体纵倾角θy的微分值与车轮7的旋转角θw的微分值的和乘以轮胎半径R得到的，以式(24)表示。
[数式24]
Figure BDA0003116691190000191
接着，对悬架位移起因轮速Vwzb的具体例进行说明。图10展示了悬架位移与车轮7的位移的几何学关系。
此处，Os为悬架的瞬间旋转中心，Og为车轮7与路面的接触点，O为车轮7的中心，R为轮胎半径，Ls为悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的长度，Ls1为发生了悬架位移时的悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的长度，L为悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的水平方向的长度，θ0为悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的与水平面所成的角，θ为悬架的瞬间旋转中心Os到车轮7与路面的接触点Og和水平面所成的角，θt为车轮的旋转角，θr为轮速传感器的固定部的旋转角。此外，z21为悬架位移，称为相对位移。
车轮7的水平方向的位移Rθt是根据相对位移z21和悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的与水平面所成的角θ0而以式(25)表示。
[式25]
Rθt＝22itanθo…(25)
轮速传感器的固定部的旋转角θr较小时，Ls与Ls1大致相等，因此绕悬架的瞬间旋转中心Os的轮速传感器的固定部的旋转位移Lsθr是根据相对位移z21和悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的与水平面所成的角θ0而以式(26)表示。
[式26]
Figure BDA0003116691190000192
此处，悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的长度Ls是根据悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的水平方向的长度L和悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的与水平面所成的角θ0而以式(27)表示。
[式27]
Figure BDA0003116691190000201
进而，悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的水平方向的长度L是根据悬架的瞬间旋转中心Os到车轮7与路面的接触点Og和水平面所成的角θ、悬架的瞬间旋转中心Os起到车轮7的中心O为止的与水平面所成的角θ0、以及轮胎半径R而以式(28)表示。
[式28]
L tanθ＝Ltanθo+R…(28)
因而，悬架位移起因轮速Vwzb是对轮速传感器的固定部的旋转角θr的微分值与车轮7的固定部的旋转角速度与车轮7的旋转角θt的微分值的和乘以轮胎半径R得到的，以式(29)表示。
[式29]
Figure BDA0003116691190000202
接着，对接地载重变动起因轮速Vwzc的具体例进行说明。再者，接地载重变动起因轮速Vwzc的说明是使用图11、图12以及式(30)至式(33)来进行。
图11为表示作用接地载重Fz的速度Vx的旋转车轮的图，示意性地展示了随着作用于车轮7的接地载重的变动Fzd的增加而轮胎有效旋转半径R减少、由此使得车轮7的转速ωzc增加这一情形。
此处，在将轮胎有效旋转半径的变动量设为Rd的情况下，接地载重变动起因的车轮转速ωzc是根据车辆的前后方向的速度Vx和轮胎有效旋转半径R而以式(30)表示。
[式30]
Figure BDA0003116691190000211
图12为表示接地载重Fz与轮胎有效旋转半径R的关系的特性线图。
在接地载重的变动Fzd较小的情况下，接地载重的变动Fzd与轮胎有效旋转半径的变动Rd的关系大致呈线性。
因此，在将接地载重Fz与轮胎有效旋转半径R的近似斜率设为η的情况下，轮胎有效旋转半径的变动Rd是根据轮胎上下弹簧常数kt和接地载重的变动Fzd而以式(31)表示。
[式31]
Figure BDA0003116691190000212
此处，接地载重的变动Fzd是根据轮胎上下弹簧常数kt、路面上下位移z0、簧下上下位移z1或簧下质量m1、簧下上下位移z1的二阶微分值、作用于簧上与簧下之间的上下方向的力Fs、以及平面运动起因上下力Fzab而以式(32)表示。
[式32]
Figure BDA0003116691190000213
因而，接地载重变动起因轮速Vwzc是在式(30)中代入式(31)并乘以轮胎半径R得到的，以式(33)表示。
[式33]
Figure BDA0003116691190000214
此处，式(33)的车辆的前后方向的速度Vx时时刻刻都在变化，因此，在像前文所述那样使用由时不变的常数构成的线性观测器的情况下，须考虑车辆的前后方向的速度的变动。
因此，在上下运动推断部53中，以车辆的前后方向的速度Vx等为输入、根据式(33)来推断接地载重变动起因轮速Vwzc，并作为接地载重变动起因轮速u(Vwzc)输入至观测器。
使用以上的式(22)至式(33)所示的轮速分量、以式(34)表示上下运动起因轮速分量Vwzfl、Vwzfr、Vwzrl、Vwzrr。式(34)对应于图2的上下运动起因轮速分量推断部51内的式(1)。
[式34]
Figure BDA0003116691190000221
在上下运动推断部53中，根据上下运动起因轮速分量y、平面运动起因上下力u(Fzd)、接地载重变动起因轮速u(Vwzc)、上下运动状态量x，将式(16)至式(34)的方程式加以状态方程化，借助基于该状态方程式的观测器而根据上下运动起因轮速分量y、平面运动起因上下力u(Fzab)以及接地载重变动起因轮速u(Vwzc)来推断、输出上下运动状态量x。
状态方程式以式(35)表示。
[式35]
Figure BDA0003116691190000222
此处，式(35)的A为状态矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，D为直达矩阵，Gv为系统噪声项，Hw为观测噪声项。
式(35)所示的状态方程式的各要素当中，上下运动状态量x、上下运动起因轮速分量y、平面运动起因上下力u(Fzab)和接地载重变动起因轮速u(Vwzc)以式(36)表示。
[式36]
Figure BDA0003116691190000231
再者，状态矩阵A、输入矩阵B等由各状态量和u、v等系数的排列体构成。
以上总而言之，图2的上下运动推断部53根据来自上下运动起因轮速分量推断部的轮速分量和来自上下力推断部的作用于车体的上下方向的力来推断车辆的上下运动的状态量。
以上是本发明中的车辆的上下运动状态量的推断方法的一例，通过使用这样的构成的车辆运动状态推断装置50，不论恒速、加减速、直线前进、转弯等行驶条件如何，都能使用轮速传感器等通常车载的传感器和车辆动态模型来高精度地推断高精度的上下运动状态量。
接着，使用图13，对车辆运动状态推断装置50的处理结果的一例进行说明。
图13是从上往下依序展示进行绕桩行驶时的前后加速度、横向加速度、顶升力、降下力、左前轮和左后轮的相对位移的时间变化的一例的图。
图13所示的前后加速度和横向加速度是使用加速度传感器等检测到的实测值，顶升力和降下力是本发明的车辆运动状态推断装置50的推断值。
此外，图13所示的相对位移的实线是使用车高传感器等专用传感器检测到的实测值，双点划线是通过未考虑顶升力等平面运动起因上下力的现有方法得到的推断值，虚线是考虑了顶升力等平面运动起因上下力的本发明的车辆运动状态推断装置50的推断值。
图13所示的未考虑顶升力等平面运动起因上下力的现有方法得到的相对位移的推断值与实测值的振幅误差较大。
相对于此，考虑了顶升力等平面运动起因上下力的本发明的相对位移的推断值与实测值大致相等，能够实现精度比现有方法高的推断。
实施例2
在实施例2中，主要说明与实施例1的不同点，与实施例1相同的部分的说明从略。
再者，实施例2与实施例1的主要差异在于，构成的是追加了悬架控制单元81和受控悬架装置82的车辆10，使用图14和图15而主要对实施例2中的悬架控制单元81的处理概要进行说明。
图14展示了实施例2中的搭载有车辆运动状态推断装置50的车辆10的构成图。
图14是对图1追加悬架控制单元81和受控悬架装置82得到的构成。
受控悬架装置82是可以调整阻尼特性的阻尼力调整式减震器或者可以调整车体与车轮之间的上下方向的力的主动悬架。
悬架控制单元81根据加速度传感器2、陀螺仪传感器3等的检测值和车辆运动状态推断装置50推断出的簧上上下速度等推断值来生成对受控悬架装置82的阻尼特性或者上下方向的力进行控制的控制指令值。
此处，在对受控悬架装置82运用车辆运动状态推断装置50的情况下，由于悬架阻尼系数csfl、csfr、csrl、csrr可变，因此在上下运动推断部53为由时不变的常数构成的线性观测器的情况下，须考虑阻尼力的变化。
将实施例1的式(20)的悬架阻尼系数下的阻尼力项分离为恒定阻尼系数csf、csr下的阻尼力项和因其差分而产生的阻尼力变化量Fcdfl、Fcdfr、Fcdrl、Fcdrr项，所得结果以式(37)表示。
[式37]
Figure BDA0003116691190000251
即，在上下运动推断部53中，以相对位移z21的微分值为输入、根据式(37)来推断阻尼力变化量Fcd，并作为阻尼力变化量u(Fcd)输入至观测器。
再者，对实施例1的式(36)的u追加阻尼力变化量u(Fcd)，所得结果以式(38)表示。
[式38]
u＝[Fzabfl Fzabfr Fzabrl Fzubrr Vwzcfl Vwzcfr Vwzcrl Vwzcrr Fcdfl Fcdfr Fccrl Fcdrr]T
…(38)
通过使用以上那样的构成的车辆运动状态推断装置50，可以降低车辆运动状态推断装置50的计算负荷，从而能以更廉价的计算机来实现车辆的运动状态的推断。
接着，作为悬架控制81进行的控制的一例，使用图15对减震控制的处理概要进行说明。
图15为实施例2中的进行受控悬架装置82的一功能即减震控制的悬架控制单元81的概念图。
加速度传感器2、陀螺仪传感器3等检测或推断出的行驶状态信息和车辆运动状态推断装置50推断出的上下运动状态量被输入至悬架控制单元81。
悬架控制单元81具备目标阻尼力算出部81a和阻尼力图谱81b。
目标阻尼力算出部81a根据行驶状态信息和上下运动状态量来算出受控悬架装置82的目标阻尼力。
阻尼力图谱81b是预先存储的受控悬架装置82的特性的图谱信息，以目标阻尼力算出部81a算出的目标阻尼力、行驶状态信息以及上下运动状态量为输入来导出、输出对受控悬架装置82进行控制的控制指令值。
借助以上构成，即便是配备有可以调整阻尼特性或者可以调整车体与车轮之间的上下方向的力的悬架的车辆，也能实现高精度的上下运动状态量的推断和使用上下运动状态量的高性能的减震控制。
符号说明
1…轮速传感器、2…加速度传感器、3…陀螺仪传感器、4…操舵角传感器、5…制驱动控制单元、6…操舵控制单元、7…车轮、8…车体、9…簧上重心、10…车辆、11…瞬间旋转中心、50…车辆运动状态推断装置、51…上下运动起因轮速分量推断部、52…上下力推断部、53…上下运动推断部、81…悬架控制单元、81a…目标阻尼力算出部、81b…阻尼力图谱、82…受控悬架装置。

Claims (11)

1.一种车辆运动状态推断装置，它是车轮与车体通过悬架结合在一起的车辆上的车辆运动状态推断装置，其特征在于，具备：
上下运动起因轮速分量推断部，其推断因所述车辆的上下运动而产生的轮速分量；上下力推断部，其算出因所述车辆的运动而产生的所述车轮的摩擦力因所述悬架的几何结构而作用于所述车体的上下方向的力；以及上下运动推断部，其推断车辆的上下运动的状态量，
所述上下运动推断部根据来自所述上下运动起因轮速分量推断部的轮速分量和来自所述上下力推断部的作用于所述车体的上下方向的力来推断所述车辆的上下运动的状态量。
2.根据权利要求1所述的车辆运动状态推断装置，其特征在于，
所述上下力推断部通过对所述车辆的前后加速度或横向加速度或者这两方乘以常数来推断车体上产生的上下方向的力。
3.根据权利要求1或2所述的车辆运动状态推断装置，其特征在于，
所述上下力推断部通过对作用于所述车轮的前后方向或横向或者这两方向的摩擦力乘以常数来推断车体上产生的上下方向的力。
4.根据权利要求2或3所述的车辆运动状态推断装置，其特征在于，
所述常数是基于水平轴与连结悬架的瞬间旋转中心和处于车轮接地面上的摩擦力的作用点的线所成的角的比例系数。
5.根据权利要求1所述的车辆运动状态推断装置，其特征在于，
所述上下力推断部使用以所述车辆的前后加速度或横向加速度或者这两方为输入而输出车体上产生的上下方向的力的特性线图来推断车体上产生的上下方向的力。
6.根据权利要求1所述的车辆运动状态推断装置，其特征在于，
所述上下力推断部使用以作用于所述车轮的前后方向或横向或者这两方向的摩擦力为输入而输出车体上产生的上下方向的力的特性线图来推断车体上产生的上下方向的力。
7.根据权利要求5或6所述的车辆运动状态推断装置，其特征在于，
所述特性线图是基于水平轴与连结悬架的瞬间旋转中心和处于车轮接地面上的摩擦力的作用点的线所成的角的线性或非线性的图谱。
8.根据权利要求2、4或6中任一项所述的车辆运动状态推断装置，其特征在于，
所述车辆的前后加速度或横向加速度或者这两方是根据所述上下运动推断部的输出加以修正得到的值。
9.根据权利要求2、4或6中任一项所述的车辆运动状态推断装置，其特征在于，
所述车辆的横向加速度是根据所述车辆的前后方向的速度和横摆率来推断。
10.一种车辆，其具备根据权利要求1至9中任一项所述的车辆运动状态推断装置，其特征在于，
借助得到车辆运动状态推断装置推断出的状态量的输入的悬架控制装置，根据推断出的所述状态量来控制悬架产生的力。
11.一种车辆运动状态推断方法，它是车轮与车体通过悬架结合在一起的车辆上的车辆运动状态推断方法，其特征在于，
根据因所述车辆的上下运动而产生的轮速分量和因所述车辆的运动而产生的所述车轮的摩擦力因所述悬架的几何结构而作用于所述车体的上下方向的力来推断所述车辆的上下运动的状态量。
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