JP2005181067A - ３次元路面走行環境モデルおよび同モデルを備えた車両挙動制御システムの評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３次元路面を走行した時の車両走行状態を十分に再現でき、かつ、高速の演算速度を確保することができる３次元路面走行環境モデルおよび同モデルを備えた車両挙動制御システムの評価装置を提供すること。
【解決手段】 ３次元路面を走行した時の車両走行状態をシミュレーションにより再現するために用いられる３次元路面走行環境モデルにおいて、３次元路面を走行する車両の走行軌跡を、バンク角に応じた２次元平面での車両の走行軌跡に置き換え、さらに、車両重心点に働く外力を仮想的に加えることで２次元平面での直線状走行軌跡に置き換えた。車両挙動制御システムの評価装置は、リアルタイムシミュレーションで用いるモデルとしてバーチャル車両モデルと３次元路面走行環境モデルを備え、リアルタイムに車両の３次元路面走行動作を再現する構成とした。
【選択図】 図７

Description

本発明は、カント付き路面やバンク路面、また、登坂路面や降坂路面等の傾斜している３次元路面を走行した時の車両走行状態をシミュレーションにより再現するための３次元路面走行環境モデルおよび３次元路面走行環境モデルを備えた車両挙動制御システムの評価装置に関する。

近年、エレクトロニクスの進歩や社会の安全性・環境に対する要求から、車両制御システムは、加速度的に高機能化、および複雑化が進んでいる。併せて、タイムリーに商品を提供してゆくための開発期間の短縮も課題である。これらを解決する可能性を持った手段として、ＨＩＬＳ（Hardware In the Loop Simulation）があり、評価・検証ツールとして注目されてきている。

ＨＩＬＳとは、評価対象となる制御システムには実物を用い、それ以外の車両要素についてはモデル化し、これらを組み合わせて評価装置を構築することで、実際の制御システムを仮想世界にて評価できる。

この装置を、ＶＤＣ（Vehicle Dynamics Control）等の車両横滑り防止システムの開発に使用する場合、センサにて検知して得るヨーレイトや横加速、操舵角、車輪速等の運動状態量が、高速の演算速度を確保した上で、如何に実際の車両を再現しているかがカギとなる。

実際の車両の運動再現性を、車両モデルを用いて確保する手段として、タイヤの非線形性部分を考慮したモデリング手法（例えば、特許文献１参照）や、実車データへの車両モデル同定・補正手法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
特開２０００−３２９６５７号公報 特開２００１−３４９８０８号公報

しかしながら、これらの従来公報に記載されている技術は、２次元平面を車両が走行していることを前提にしているため、例えば、車両がカント付きの路面やバンク路面、また、登坂路面や降坂路面等の傾斜している３次元路面を走行した時の車両走行状態を十分に再現できない。

もちろん、大規模な３次元の路面モデルを組み込むことで、３次元路面を走行したときの車両走行状態を再現することも可能であるが、モデル規模が大きくなり過ぎ、高速の演算時間が確保できず、ＨＩＬＳが成り立たない。

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、３次元路面を走行した時の車両走行状態を十分に再現でき、かつ、高速の演算速度を確保することができる３次元路面走行環境モデルを提供することを第１の目的とする。併せて、３次元路面を実車にて走行する前に、部品特性が変更された場合でも、高速の演算処理により、３次元路面走行での車両挙動制御の早期作動と２次元路面走行での車両挙動制御とのトレードオフ確認を含め、車両挙動制御システムと評価対象車両との適合性を精度良く評価することができる車両挙動制御システムの評価装置を提供することを第２の目的とする。

上記第１の目的を達成するため、本発明では、３次元路面を走行した時の車両走行状態をシミュレーションにより再現するために用いられる３次元路面走行環境モデルにおいて、前記３次元路面を走行する車両の走行軌跡を、路面傾斜角に応じた２次元平面での車両の走行軌跡に置き換え、さらに、車両重心点に働く外力を仮想的に加えることで２次元平面での直線状走行軌跡に置き換えた。

上記第２の目的を達成するため、本発明では、評価対象となる車両挙動制御システムには実物を用い、それ以外の車両要素についてはモデル化し、車両挙動制御システムをリアルタイムに作動させたときのデータベースを取得するリアルタイムシミュレータを備えた車両挙動制御システムの評価装置において、評価対象車両の部品特性をパラメータ化して構築した車両モデルと、３次元路面を車両がトレースする３次元の曲線軌跡を１次元の直線走行軌跡に置き換え、リアルタイムに車両の３次元路面走行動作を再現する３次元路面走行環境モデルと、を設け、前記リアルタイムシミュレータは、前記車両モデルと３次元路面走行環境モデルを用い、評価対象である車両挙動制御システムを決められた手順によりリアルタイムに作動させるシミュレーションを実行し、このシミュレーションにより時系列で得られるシミュレーション出力データに基づいて、評価対象の車両挙動制御システムと評価対象車両との適合性を評価する。

よって、本発明の３次元路面走行環境モデルにあっては、車両重心点に働く外力を仮想的に加えることで３次元路面走行環境モデルとしたため、必要最低限の部分についての置き換えにより必要とされるモデル精度が確保される。そして、２次元平面での直線状走行軌跡に置き換えられることにより、路面形状を３次元座標化する場合等に比べ、モデルに含まれるデータは非常に少なくて済む。この結果、カント付きの路面やバンク路面、また、登坂路面や降坂路面等の傾斜している３次元路面を走行した時の車両走行状態を十分に再現でき、かつ、高速の演算速度を確保することができる。

本発明の車両挙動制御システムの評価装置にあっては、リアルタイムシミュレーションで用いるモデルとして、車両モデルと３次元路面走行環境モデルを備え、リアルタイムに車両の３次元路面走行動作を再現する構成としたため、カント付きの路面やバンク路面、また、登坂路面や降坂路面等の傾斜している３次元路面を実車にて走行する前に、部品特性が変更された場合でも、高速の演算処理により、３次元路面走行での車両挙動制御の早期作動と２次元路面走行での車両挙動制御とのトレードオフ確認を含め、車両挙動制御システムと評価対象車両との適合性を精度良く評価することができる。

以下、本発明のシミュレーション用車両モデルおよび車両挙動制御システムの評価装置を実現する実施例１を、図面に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１の車両挙動制御システムの評価装置を示すハードウェア及びソフトウェアの構成図、図２は実施例１の車両挙動制御システムの評価装置で実行される評価処理の流れ概要図である。
この実施例１は、既に車両に搭載されているビークルダイナミクスコントロールシステム（評価対象の車両挙動制御システムの一例）の実物を用い、それ以外の車両要素についてはモデル化し（例えば、評価対象車両のバーチャル車両モデルや３次元走行環境モデル等）、評価対象車両を開発予定車両とするリアルタイムシミュレーション（ＲＴＳ）の実行により開発支援のためのシステム適合評価を行った例である。

なお、以下の文章中で用いる「ＶＤＣ」はビークルダイナミクスコントロールシステム（Vehicle Dynamics Control System）の略称であり、「ＴＣＳ」はトラクションコントロールシステム（Traction Control System）の略称であり、「ＡＢＳ」はアンチロックブレーキシステム（Anti-lock Brake System）の略称である。

実施例１の車両挙動制御システムの評価装置は、図１に示すように、パーソナルコンピュータ１、リアルタイムシミュレータ２、入出力ボックス３、ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット４、マスタシリンダ５、ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳアクチュエータ６、第１ホイールシリンダ７、第２ホイールシリンダ８、第３ホイールシリンダ９、第４ホイールシリンダ１０、ブレーキ踏力発生装置１１、ブースタ１２、第１ホイールシリンダ圧センサ１３、第２ホイールシリンダ圧センサ１４、第３ホイールシリンダ圧センサ１５、第４ホイールシリンダ圧センサ１６、電源３０、リレーボックス３１を備えている。

前記パーソナルコンピュータ１には、ソフトウェアとして、評価プログラム、バーチャル車両モデル（ＡＣＳＹＳ）、マトラボ／シムリンク（以下、ＭＡＴＬＡＢ／simulink）、ウィンドウズ（登録商標）等が設定されている。

前記評価プログラムは、車両性能・機能とビークルダイナミクスコントロールシステム動作を特定のデータにて代用する代用特性化すると共に、予めシステム適合性が評価されている車両とビークルダイナミクスコントロールシステムによるマスターデータと、評価しようとする開発予定車両とビークルダイナミクスコントロールシステムによる評価対象システムデータとの比較により、開発予定車両とビークルダイナミクスコントロールシステムとの適合性を評価するプログラムである。つまり、リアルタイムシミュレーションの環境設定として、３次元シミュレーションの場合に３次元走行環境モデルを設定し、図２に示すように、開発予定車両のバーチャル車両モデルと既存車両のバーチャル車両モデルとを用いたリアルタイムシミュレーションをそれぞれ実行し、このリアルタイムシミュレーション実行によりデータベースを蓄積し、データベースが必要量蓄積されると、これを代用特性化してそれぞれの特性について２つの比較データとし、この比較データを用いてシステム適合性の評価・判断を行うプログラムである。

前記バーチャル車両モデルは、設計検討項目である部品特性をパラメータ化して構築することでリアルタイムに車両動作を再現する車両モデルである。このバーチャル車両モデルは、例えば、操縦安定性・乗り心地の解析評価用に活用している車両モデル（サスペンション・ステアリング・シャシー等を要素モデルとして設定）に対し、車両運動制御システム開発専用に、エンジン・ドライブトレイン・ブレーキ及びタイヤの各要素モデルを追加し、各要素モデルに必要な特性値を入力することで設定される。なお、バーチャル車両モデルは、各要素モデルをスイッチにより選択可能であり、リアルタイムシミュレーションの実行時に必要なモデル（マスターデータを得る既存車両モデルと評価対象システムデータを得る開発予定車両モデル）を得るように各要素モデルが切り替えられる。

前記ＭＡＴＬＡＢ／simulinkは、汎用モデリングプログラムであり、車両のモデリングおよび各種環境設定に用いられる。この各種環境設定には、３次元走行環境モデルの設定も含まれていて、この３次元走行環境モデルは、３次元路面を走行する車両の３次元の曲線軌跡を、１次元の直線走行軌跡に置き換えた走行環境モデルである。なお、「３次元走行環境モデル」の詳しい内容については後述する。

前記リアルタイムシミュレータ２は、パーソナルコンピュータ１にＰＰＣで動作する形式によりコンパイルされているバーチャル車両モデルをダウンロードし、刻み時間１msによりリアルタイムでシミュレーションを実行する。例えば、ＶＤＣが作動するレーンチェンジ時や旋回時のバーチャル車両モデルの動きは、ドライバーのハンドル操舵角を入力すると、このハンドル操作角が各輪の実舵角に変換され、タイヤに伝達される。

前記入出力ボックス３は、ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット４の起動に必要な車輪速、ヨーレイト、横加速度、操舵角の各センサ信号（バーチャル車両モデルを基にリアルタイムシミュレータ２で計算された値）を、Ｄ／Ａボードを介しアナログ信号として、または、ＣＡＮボードを介してＣＡＮ信号としてＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット４に入力する。なお、実施例１でのブレーキ液圧系は、実ユニットを使用しているため、圧力は圧力センサ値をそのまま入力する。車輪速、ヨーレイト、横加速度、圧力の各センサ値は１ms毎、操舵角センサ値は10ms毎にＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット４に入力される。また、システムが正常に作動しているかどうかは、警告灯が点灯しているか否かで判断する。

前記ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット４は、後述するように実機として搭載されているユニットであって、入出力ボックス３からのセンサ信号を受け、ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳアクチュエータ６を駆動制御する。

前記マスタシリンダ５とＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳアクチュエータ６と第１ホイールシリンダ７と第２ホイールシリンダ８と第３ホイールシリンダ９と第４ホイールシリンダ１０は、後述するように実機として搭載されている実ブレーキ液圧ユニットである。

前記第１〜第４ホイールシリンダ７，８，９，１０のそれぞれの上流位置には、第１〜第４ホイールシリンダ圧センサ１３，１４，１５，１６が設けられ、それぞれホイールシリンダ圧を検出し、その検出値を入出力ボックス３に送出する。

図３は実車に搭載されたビークルダイナミクスコントロールシステムを示す図である。図３において、４はＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット、５はマスタシリンダ、６はＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳアクチュエータ、１２はブースタ、１７は右前輪回転センサ、１８は左前輪回転センサ、１９は右後輪回転センサ、２０は左後輪回転センサ、２１は圧力センサ、２２はヨーレイト／横Ｇセンサ、２３は舵角センサ、２４はＶＤＣオフスイッチ、２５はＶＤＣオフ表示灯、２６はスリップ表示灯、２７はＡＢＳ警告灯である。

ビークルダイナミクスコントロールシステムは、例えば、滑りやすい路面でのレーンチェンジ時や旋回時に、車両の横滑りを４輪独立のブレーキ制御により軽減し、これにより制動・発進・旋回性能を高度に両立させ、走行安定性の向上を図るシステムである。

図４はブレーキ液圧制御系を示す図で、図４において、２８はブレーキペダル、１２はブースタ、５はマスタシリンダ、６はＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳアクチュエータ、７は前輪左ホイールシリンダ、８は前輪右ホイールシリンダ、９は後輪左ホイールシリンダ、１０は後輪右ホイールシリンダである。

前記ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳアクチュエータ６は、図４に示すように、マスタシリンダ５と各ホイールシリンダ７，８，９，１０との間に装着され、１個のモータ６ａと、１個のポンプ６ｂと、２個のリザーバ６ｃと、２個のインレットバルブ６ｄと、２個のアウトレットバルブ６ｅと、２個のダンパー室６ｆと、４個のアウトレットソレノイドバルブ６ｇと、４個のインレットソレノイドバルブ６ｈと、４個のリターンチェックバルブ６ｉと、２個のフロントＶＤＣ切換バルブ６ｊと、２個のチェックバルブ６ｋと、２個のリアＶＤＣ切換バルブ６ｍと、２個のチェックバルブ６とを有する。

このＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳアクチュエータ６は、ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット４からの信号により各ソレノイドバルブ６ｇ，６ｈ，６ｊ，６ｍを切り換え、各ホイールシリンダ７，８，９，１０の液圧を制御する。このブレーキ液圧制御は、通常ブレーキモード、保持モード（ＶＤＣ作動中）、減圧モード（ＶＤＣ作動中）、増圧モード（ＶＤＣ作動中）により行われる。

ＶＤＣ制御は、舵角センサ１８、圧力センサ９がドライバーのステアリング操作量、ブレーキ操作量を検出し、併せて、ヨーレイト／横Ｇセンサ１７や各車輪回転センサ１３，１４，１５，１６等から送られてくる情報により車両の走行状態（例えば、アンダーステアの程度、オーバーステアの程度）を判断する。そして、走行状態の判断により、車両がアンダーステア傾向の場合やオーバーステア傾向の場合には、４輪ブレーキ制御（必要に応じてエンジン出力制御を併用）により車両の安定性を向上させる。

例えば、図５に示すように、滑りやすい路面でのレーンチェンジ時において、オーバーステア傾向が大きいと判断されると、その程度に応じてエンジン出力を制御すると共にブレーキ力を制御し、オーバーステア抑制モーメントを発生させて、オーバーステア傾向を軽減する。ここで、オーバーステア抑制モーメント（オーバーステアを抑制する力）は、旋回外輪側の前輪と後輪とにブレーキ力を与えることで発生する。

また、図６に示すように、滑りやすい路面での旋回時において、アンダーステア傾向が大きいと判断されると、その程度に応じてブレーキ力を制御し、アンダーステア抑制モーメントを発生させて、アンダーステア傾向を軽減する。ここで、アンダーステア抑制モーメント（アンダーステアを抑制する力）は、旋回内輪側の後輪にブレーキ力を与えることで発生する。

つまり、ＶＤＣ機能とは、滑りやすい路面でのレーンチェンジ時や旋回時において、ヨーレイト／横Ｇセンサ１７や各車輪回転センサ１３，１４，１５，１６等の情報による車両の横滑り量を、舵角センサ１８、圧力センサ９等の情報から得られるドライバーのステアリング操作量、ブレーキ操作量による目標滑り量に一致させる機能をいう。

次に、作用を説明する。

［３次元走行環境モデルの設定］
実施例１のＭＡＴＬＡＢ／simulinkに対する３次元走行環境モデルの設定について、以下説明する。

図７はバンク路面での３次元走行環境モデルの設定手順を示す図である。バンク路面の走行実験では、バンクコース内に引かれている設計線の上を5km/hの間隔で走行する。従って、本モデルでは、走行レーンの設計線上のみの路面データを取り扱い、車両の走行距離からコース状での現在位置を決め、路面の勾配や車両速度等から車両に及ぼす力を計算し出力する。

３次元走行環境モデルは、図７(a)に示すように、３次元路面を走行する車両の３次元の曲線軌跡（設計線）を、図７(b)に示すように、バンク角に応じて２次元平面での車両の２次元の曲線軌跡に置き換える。つまり、真上から見た設計線に対し、バンクを走行したときの実際の軌跡（設計線）を平面状に変換する。さらに、車両がトレースする軌跡を直線と仮定し、図７(c)に示すように、車両重心点に働く外力（遠心力と斜面下方向の重力）を仮想的に加え、かつ、外力によって車両が直線と仮定した軌跡から逸脱するのを防止するために、操舵角Θをコントロールすることで車両の直進を保持させる１次元の直線走行軌跡に置き換える。

なお、車両に働く遠心力成分は、下記のように算出される（図８）。
Ｆy＝（ｍ*Ｖ²/ｒ）＊cosθ
Ｆz＝（ｍ*Ｖ²/ｒ）＊sinθ (1)

また、路面傾斜による力の成分は以下のように算出される（図９）。
Ｋx＝ｍ*ｇ*sin{atan(ykoubai)}＝ｍ*ｇ*sinθ
Ｋy＝ｍ*ｇ*sin{atan(xkoubai)}＝ｍ*ｇ*sinτ
Ｋz＝ｍ*ｇ*cos{atan(xkoubai)}*cos{atan(ykoubai)}＝ｍ*ｇ*cosτ*cosθ (2)

ｍ：車両質量、ｒ：旋回半径、Ｖ：車速、θ：バンク角、Ｆy：バンク走行時に車両に働く横成分、Ｆz：バンク走行時に車両に働く上下方向成分、Ｋx,Ｋy,Ｋz：路面傾斜により各軸に働く力成分、xkoubai：前後方向路面傾斜角、ykoubai：横方向路面傾斜角
これらの力をバーチャル車両モデルにフィードバックし、運動方程式を算出する。

［シミュレーション入力データ作成処理］
図１０は実施例１のリアルタイムシミュレータ２にて実行されるシミュレーション入力データ作成処理の流れを示すフローチャートである。以下、各ステップについて説明する。

ステップＳ１では、評価対象車両の車両諸元を読み込み、次のステップＳ２では、評価対象車両の走行条件を設定し、ステップＳ３へ移行する。走行条件としては、例えば、３次元シミュレーションによりバンクコース内に引かれている設計線の上を5km/hの間隔で走行するという条件を設定する。

ステップＳ３では、ステップＳ２で設定された走行条件が３次元シミュレーションか否かが判断され、YESの場合はステップＳ４へ移行し、NOの場合はステップＳ１５へ移行する。

ステップＳ４では、ステップＳ３での走行条件が３次元シミュレーションであるとの判断に基づき、３次元コースデータが読み込まれ、ステップＳ５では、ステップＳ４で読み込まれた３次元コースデータを、バンク角に基づいて２次元コースデータへ変換し、ステップＳ６へ移行する。

ステップＳ６では、ステップＳ４で読み込まれた３次元コースデータに基づき、横勾配（横方向路面傾斜角ykoubai）と前後勾配（＝前後方向路面傾斜角xkoubai）とを算出し、ステップＳ７では、評価対象車両のステップＳ５で変換された２次元コースデータ上での走行を開始し、ステップＳ８では、走行開始からの車速と時間に基づいて走行距離を算出し、ステップＳ９では、車両に働く遠心力成分を上記(1)式により算出し、ステップＳ１０では、路面傾斜による力の成分を上記(2)式により算出し、ステップＳ１１へ移行する。

ステップＳ１１では、ステップＳ９とステップＳ１０で算出された車両に働く遠心力成分と路面傾斜による力の成分と直進走行を確保するための操舵角により１次元コースデータ（＝３次元路面走行環境モデル）へ変換し、この１次元コースデータをバーチャル車両モデルにフィードバックして運動方程式を計算し、ステップＳ１２へ移行する。

ステップＳ１２では、ステップＳ１１で計算された運動方程式により取得されたヨーレイト・横加速度を後述のように補正し、次のステップＳ１３では、ステップＳ１１で計算された運動方程式により取得された操舵角Θを後述のように補正し、次のステップＳ１４では、ステップＳ１１で計算された運動方程式により取得された車輪速を後述のように補正し、ステップＳ１６へ移行する。

ステップＳ１５では、ステップＳ３にて２次元シミュレーションであるとの判断に基づき、２次元コースにより運動方程式を計算し、補正をすることなくリアルタイムシミュレーションの入力データ（ヨーレイト・横加速度・操舵角・車輪速）を作成し、ステップＳ１６へ移行する。

ステップＳ１６では、３次元シミュレーション時は、前記ステップＳ１２で補正されたヨーレイト・横加速度と、前記ステップＳ１３で補正された操舵角と、前記ステップＳ１４で補正された車輪速と、を入出力ボックス３およびリレーボックスを介し、リアルタイムシミュレーションの入力データとしてＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット４へ出力し、リターンへ移行する。２次元シミュレーション時は、前記ステップＳ１５で作成されたリアルタイムシミュレーションの入力データ（ヨーレイト・横加速度・操舵角・車輪速）を、入出力ボックス３およびリレーボックスを介し、ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット４へ出力し、リターンへ移行する。

［ＲＴＳ入力データ補正処理］
リアルタイムシミュレーションの入力データ（ヨーレイト・横加速度・操舵角・車輪速）の補正処理について説明する。

(1) ヨーレイト・横加速度補正
バンク勾配により、少ない操舵量で平面上と同等の旋回をすることが可能であり、バンクを走行したときに車両が感知するヨーレイト、横加速度は、cosθ（θ：バンク角）に比例する。
例えば、バンク角が90度に近い場合は、ほとんど操舵量ゼロで旋回できることになる。勾配が増加することによって、ヨーレイトは減少するため、バンクの軌跡を真上から見たラインより、バンクを走行する車両の描くラインは緩やかになる（図７(b)）。つまり、旋回半径は大きくなる。なお、旋回半径＝速度／ヨーレイトという式からも明かである。
よって、これらの横方向運動状態量（ヨーレイト・横加速度）の補正分は、以下のように補正する必要がある。なお、路面情報によりある単位走行距離に対して、車両の姿勢角であるヨー角がどのくらい変化するかのマップを作成（△ψ算出）し、車速Ｖを掛けることでバンク走行に伴うヨーレイトωiを算出する。
ωi'＝ωi*cosθ（ωi＝△ψ*Ｖ）
Gy'＝Gy*cosθ
ωi：バンク走行に伴うヨーレイト、ωi'：バンク走行補正後のヨーレイト
Gy：横加速度、Gy'：バンク走行補正後の横加速度

(2) 操舵角補正
バンク内の軌跡に沿って走行するには、さらにステアリングを切る必要がある。なぜなら、図７(b)の直進走行をさせる概念で求めた操舵角Θ（外力との釣り合いを保のに必要な操舵量≒０）では、車両の進行方向は軌跡に対して平行になるため、車両が任意の半径を持つ旋回円を走行していると考えると、車両の進行方向はその旋回円の接線方向になる（直進運動を前提にしているため）。従って、車両を軌跡に沿って旋回させるには、さらに、任意の操舵角δ（旋回分）を加えた上で、ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット４へ信号を出力する必要がある。操舵角の補正は以下のように算出する。
δ＝α*Ｌ／ｒ（幾何学的補正のみ）
δ＝α*Ｌ*(１＋Ａ*Ｖ²)／ｒ（車両の動特性を考慮した補正）
Ａ：スタビリティファクタ（車両のステア特性を示す指標であり、車両質量・重心点から前後の車軸までの距離、タイヤ力によって決まる。）、α：ステアリングギヤ比

(3) 車輪速補正
車輪速度についても、操舵角と同様に内外輪の速度差を補正する必要がある。よって、バンク旋回円の半径と、車両重心から各車輪までの距離から、幾何学的に車輪速差を求め、ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット４へ信号を出力する必要がある。車輪速の補正は以下のように算出する。
a)各輪毎の走行半径を算出し、それにヨーレイトをかけ、接線方向の速度としている。
Vwfl'＝√{(r-Df)²+L1²}*ωi
Vwfr'＝√{(r+Df)²+L1²}*ωi
Vwrl'＝√{(r-Dr)²+L2²}*ωi
Vwrr'＝√{(r-Dr)²+L2²}*ωi
b)車両重心点速度に対する内外輪の補正分を算出する。
△Vwfl＝Vwfl'−Vcar
△Vwfr＝Vwfr'−Vcar
△Vwrl＝Vwrl'−Vcar
△Vwrr＝Vwrr'−Vcar
c)車両モデル側で算出している車輪速に補正分を加える。
Vwfl＝Vwfl＋△Vwfl
Vwfr＝Vwfr＋△Vwfr
Vwrl＝Vwrl＋△Vwrl
Vwrr＝Vwrr＋△Vwrr
但し、Df：トレッド前、Dr：トレッド後、L1：重心点〜前軸、L2：重心点〜後軸、ωi：バンク走行中のヨーレイト、Vcar：車両重心点速度（車体速）

［ＶＤＣ性能予測作用］
バンク走行時は、路面の勾配影響により、操舵角に対する発生ヨーレイト、横加速度の関係が平坦路と異なるため、ＶＤＣが早期作動を起こしやすく、一方、この対策を行うと通常のＶＤＣ性能（車両の安定性確保）とトレードオフとなる。

すなわち、ＶＤＣ制御は、滑りやすい路面でのレーンチェンジ時や旋回時において、ヨーレイト／横Ｇセンサ１７や各車輪回転センサ１３，１４，１５，１６等の情報による車両の横滑り量を、舵角センサ１８、圧力センサ９等の情報から得られるドライバーのステアリング操作量、ブレーキ操作量による目標滑り量に一致させる制御であり、少ない操舵量で平面上と同等の旋回をすることが可能なバンク走行時には、目標滑り量に対し車両の実横滑り量が大きくなり、横滑り量偏差が設定しきい値を超えることで、ＶＤＣが早期作動を起こしやすい。そこで、横滑り量偏差のしきい値を大きな値に設定し、バンク走行時においてもＶＤＣ制御の介入感度を下げると、平坦路でのレーンチェンジ時等において、目標滑り量と車両の実横滑り量との偏差が相当に大きくなってもＶＤＣ制御の作動が遅れるおそれがある。

これに対し、従来は低μ路での車両走行安定性の確保を図った上でバンク走行を行い、ＶＤＣ早期作動の有無を確認していた。または、事前に実車でバンク走行を行い、ＶＤＣが早期作動を起こさない領域（走行条件、走行状態）を確認した上で、低μ路での車両安定性の確保を図っていた。

しかしながら、この従来手法では、第１に、車両の基本性能（仕様）が、サスペンションやタイヤやエンジン等の車両要素特性の変更により変化すると、その都度、低μ路での車両安定性確保と、ＶＤＣ制御の早期作動を実車で確認する必要がある。第２に、バンク走行を模擬する環境モデルが無く、バンク走行を模擬できないため、常に実車での確認が強いられる。第３に、オープンループでバンク走行時相当のセンサ信号を入力することも可能であるが、ある特定の車両に対する制御の適合性しか判断できず、様々な車両の適合性をみることができない。という問題点があった。

そこで、バンク走行を模擬する環境モデル案として、図１１に示す３通りのモデル案をを考えた。(1)は路面形状を３次元座標化し、車両があらゆる位置の勾配データを得られるモデル、(2)はコースの全路面を三角形の平面で構成される複合多面体とするモデル、(3)は実車実験での評価項目が、高速レーンを5km/h刻みでトレースする走行を行うことから、車両は走行線を正確にトレースすることを前提とするモデル、である。

これらのモデル案を評価すると、(1)のモデルは、モデルの精度は最も高いが、モデルのサイズが非常に大きく、リアルタイムシミュレーションに適用することが不可であり、演算速度が遅すぎて仕様する関数がリアルタイムシミュレーションに対応していないことで、評価できないという判断を下した。(2)のモデルは、モデルのサイズは大きく、しかも、モデルの精度は連続性が悪く、リアルタイムシミュレーションに適用することが不可であり、平面間の境界を超える判断が複雑化し、路面の連続性に乏しいため、評価できないという判断を下した。 (3)のモデルは、走行線上のみモデル精度が高いものの、モデルのサイズが小さく、リアルタイムシミュレーションに適用することが可能であり、高速レーンについての情報が多く、路面を正確に表現することができ、連続性に優れているし、必要最小限路面データのみであるため、複雑な計算を必要とせず、演算時間が大幅に短縮できるという理由で、評価できると判断を下した。

そこで、(3)のモデル案をベースにして、実施例１における３次元路面走行環境モデルとして、車両がトレースする軌跡を直線と仮定し、車両に働く外力（遠心力、斜面下方向の重力）を仮想的に加えるモデル構成とした。３次元路面走行環境モデルを用いる場合、バンク走行時に車両センサが感知するヨーレイト・横加速度を、バンク勾配に基づき補正し、バンクを旋回するために必要な操舵量及び各輪の車輪速差を、幾何学的あるいは車両動特性を考慮して補正する。なお、車両モデルは、実際の設計検討項目である各部品特性を基に構築したバーチャル車両モデルを用いる。

この結果、リアルタイムシミュレーションにより、実車走行前にＶＤＣ早期作動と通常のＶＤＣ作動とのトレードオフを確認することができ、部品特性が変更された場合にも、容易に前記トレードオフを確認することができる。さらに、シミュレーション結果を踏まえて、各車両の部品や要素へ特性割り付けを行うことができる。
さらに、バンクを旋回するために必要な操舵量及び各輪の車輪速差を、車両動特性を考慮して補正した場合、幾何学的な補正に比べ、シミュレーションでの現象再現性が向上し、かつ、車両動特性をベースに３次元路面走行環境モデルを構築することができる。

次に、各車両（Ａ車、Ｂ車、Ｃ車、Ｄ車）での実車データとシミュレーションデータとの比較と、ＶＤＣ介入速度域の比較によるコリレーション結果を、図１２に示す。
図１２において、Ａ車とＤ車については、実車とシミュレーションのデータはほぼ一致し、実車データと同様にＶＤＣの介入は見られなかった。Ｂ車とＣ車については、横加速度とヨーレイトは実車データとほぼ一致している。また、ＶＤＣの介入は見られるが、実車データに比べ、介入する速度域が狭いことが判った。

図１３は車両がバンク路面のうち勾配の最も大きな部分を走行しているときのヨーレイトと横加速度を車速に対してプロットした、実車とシミュレーションのヨーレイトと横加速度の比較を示す図である。この図１３の比較図から明らかなように、シミュレーションの結果は、実車データのバラツキ範囲内に収まっており、実車とシミュレーションのヨーレイトと横加速度はよく一致していることが判る。

次に、効果を説明する。
実施例１の３次元路面走行環境モデルおよび同モデルを備えた車両挙動制御システムの評価装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1) ３次元路面を走行した時の車両走行状態をシミュレーションにより再現するために用いられる３次元路面走行環境モデルにおいて、前記３次元路面を走行する車両の走行軌跡を、バンク角に応じた２次元平面での車両の走行軌跡に置き換え、さらに、車両重心点に働く外力を仮想的に加えることで２次元平面での直線状走行軌跡に置き換えたため、３次元路面を走行した時の車両走行状態を十分に再現でき、かつ、高速の演算速度を確保することができる。

(2) 前記シミュレーションの対象車両がトレースする走行軌跡を直線と仮定し、３次元路面を走行する車両の３次元の曲線軌跡を、バンク角に応じて２次元平面での車両の２次元の曲線軌跡に置き換え、さらに、遠心力と斜面下方向の重力を仮想的に加え、かつ、操舵角をコントロールすることで車両の直進を保持させる１次元の直線走行軌跡に置き換えたため、３次元路面走行環境モデルのサイズが小さく、必要最小限の路面データのみとなり、複雑な計算を必要とせず、演算時間を大幅に短縮させることができる。

(3) 評価対象となる車両挙動制御システムには実物を用い、それ以外の車両要素についてはモデル化し、車両挙動制御システムをリアルタイムに作動させたときのデータベースを取得するリアルタイムシミュレータ２を備えた車両挙動制御システムの評価装置において、評価対象車両の部品特性をパラメータ化して構築したバーチャル車両モデルと、３次元路面を車両がトレースする３次元の曲線軌跡を１次元の直線走行軌跡に置き換え、リアルタイムに車両の３次元路面走行動作を再現する３次元路面走行環境モデルと、を設け、前記リアルタイムシミュレータ２は、前記バーチャル車両モデルと３次元路面走行環境モデルを用い、評価対象である車両挙動制御システムを決められた手順によりリアルタイムに作動させるシミュレーションを実行し、このシミュレーションにより時系列で得られるシミュレーション出力データに基づいて、評価対象の車両挙動制御システムと評価対象車両との適合性を評価するため、３次元路面を実車にて走行する前に、部品特性が変更された場合でも、高速の演算処理により、３次元路面走行での車両挙動制御の早期作動と２次元路面走行での車両挙動制御とのトレードオフ確認を含め、車両挙動制御システムと評価対象車両との適合性を精度良く評価することができる。

(4) 前記リアルタイムシミュレータ２は、３次元路面走行環境モデルとバーチャル車両モデルを用いた運動方程式により演算される車両横運動状態量を、バンク角が大きな角度であるほど小さな値となるように補正してシミュレーション入力データとするため、３次元シミュレーションを実行する場合、精度の高い３次元シミュレーションを実行できる車両横運動状態量データを得ることができる。

(5) 前記リアルタイムシミュレータ２は、３次元路面走行環境モデルとバーチャル車両モデルを用いた運動方程式により演算される操舵角を、旋回半径が小さいほど大きな値となるように補正してシミュレーション入力データとするため、３次元シミュレーションを実行する場合、精度の高い３次元シミュレーションを実行できる操舵角データを得ることができる。

(6) 前記リアルタイムシミュレータ２は、３次元路面走行環境モデルとバーチャル車両モデルを用いた運動方程式により演算される車輪速を、旋回半径が小さいほど大きな旋回内外輪速差となるように補正してシミュレーション入力データとするため、３次元シミュレーションを実行する場合、精度の高い３次元シミュレーションを実行できる車輪速データを得ることができる。

(7) 前記リアルタイムシミュレータ２は、３次元路面走行環境モデルとバーチャル車両モデルを用いた運動方程式により演算される操舵角または車輪速を、旋回半径と車両の動特性により補正してシミュレーション入力データとするため、幾何学的な補正に比べ、シミュレーションでの現象再現性が向上し、かつ、車両動特性をベースに３次元路面走行環境モデルを構築することができる。

以上、本発明の３次元路面走行環境および同モデルを備えた車両挙動制御システムの評価装置を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この実施例１に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

実施例１では、「車両挙動制御システム」として、ブレーキ液圧により制動力を付与することで車両挙動の安定を確保するビークルダイナミクスコントロールシステムの例を示したが、アンチロックブレーキシステムも車両挙動制御システムに含まれるし、さらに、ブレーキ液圧以外の他の制動力（回生制動力やエンジンブレーキ力等）を用いて車両挙動の安定を確保する車両挙動制御システムでも良い。また、駆動力配分や制動力配分や制駆動力制御により車両挙動の安定を確保する車両挙動制御システムでも良い。

本発明の実施例１では、開発予定車両に既存のビークルダイナミクスコントロールシステムを搭載する開発プロセスで用いる車両挙動制御システムの評価装置の例を示したが、開発予定車両に新規開発の車両挙動制御システムを搭載する開発プロセスで用いる評価装置としても適用することができるし、既存車両に新規開発の車両挙動制御システムを搭載する開発プロセスで用いる評価装置としても適用することができる。

実施例１の車両挙動制御システムの評価装置を示す全体システム図である。 実施例１の車両挙動制御システムの評価装置での処理流れの概要を示す図である。 実車に搭載されたビークルダイナミクスコントロールシステムを示す図である。 実車に搭載されたビークルダイナミクスコントロールシステムのブレーキ液圧系を示す図である。 ＶＤＣ制御によるオーバーステア傾向緩和作用の説明図である。 ＶＤＣ制御によるアンダーステア傾向緩和作用の説明図である。 実施例１の３次元路面走行環境モデルの概念図である。 バンク走行時において車両に働く遠心力成分を示す図である。 バンク走行時において路面傾斜による力の成分を示す図である。 実施例１のリアルタイムシミュレータ２にて実行されるシミュレーション入力データ作成処理の流れを示すフローチャートである。 バンク走行を模擬する環境モデルとして提案された各モデル案の評価を示す図である。 各車両（Ａ車、Ｂ車、Ｃ車、Ｄ車）での実車データとシミュレーションデータとの比較と、ＶＤＣ介入速度域の比較によるコリレーション結果を示す図である。 車両がバンク路面のうち勾配の最も大きな部分を走行しているときのヨーレイトと横加速度を車速に対してプロットした実車とシミュレーションのヨーレイトと横加速度の比較を示す図である。

符号の説明

１ パーソナルコンピュータ
２ リアルタイムシミュレータ
３ 入出力ボックス
４ ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳコントロールユニット
５ マスタシリンダ
６ ＶＤＣ／ＴＣＳ／ＡＢＳアクチュエータ
７ 第１ホイールシリンダ
８ 第２ホイールシリンダ
９ 第３ホイールシリンダ
１０ 第４ホイールシリンダ
１１ ブレーキ踏力発生装置
１２ ブースタ
１３ 第１ホイールシリンダ圧センサ
１４ 第２ホイールシリンダ圧センサ
１５ 第３ホイールシリンダ圧センサ
１６ 第４ホイールシリンダ圧センサ

Claims (7)

1. ３次元路面を走行した時の車両走行状態をシミュレーションにより再現するために用いられる３次元路面走行環境モデルにおいて、
   前記３次元路面を走行する車両の走行軌跡を、路面傾斜角に応じた２次元平面での車両の走行軌跡に置き換え、さらに、車両重心点に働く外力を仮想的に加えることで２次元平面での直線状走行軌跡に置き換えたことを特徴とする３次元路面走行環境モデル。
2. 請求項１に記載された３次元路面走行環境モデルにおいて、
   前記シミュレーションの対象車両がトレースする走行軌跡を直線と仮定し、３次元路面を走行する車両の３次元の曲線軌跡を、路面傾斜角に応じて２次元平面での車両の２次元の曲線軌跡に置き換え、さらに、遠心力と斜面下方向の重力を仮想的に加え、かつ、操舵角をコントロールすることで車両の直進を保持させる１次元の直線走行軌跡に置き換えたことを特徴とする３次元路面走行環境モデル。
3. 評価対象となる車両挙動制御システムには実物を用い、それ以外の車両要素についてはモデル化し、車両挙動制御システムをリアルタイムに作動させたときのデータベースを取得するリアルタイムシミュレータを備えた車両挙動制御システムの評価装置において、
   評価対象車両の部品特性をパラメータ化して構築した車両モデルと、３次元路面を車両がトレースする３次元の曲線軌跡を１次元の直線走行軌跡に置き換え、リアルタイムに車両の３次元路面走行動作を再現する３次元路面走行環境モデルと、を設け、
   前記リアルタイムシミュレータは、前記車両モデルと３次元路面走行環境モデルを用い、評価対象である車両挙動制御システムを決められた手順によりリアルタイムに作動させるシミュレーションを実行し、このシミュレーションにより時系列で得られるシミュレーション出力データに基づいて、評価対象の車両挙動制御システムと評価対象車両との適合性を評価することを特徴とする車両挙動制御システムの評価装置。
4. 請求項３に記載された車両挙動制御システムの評価装置において、
   前記リアルタイムシミュレータは、３次元路面走行環境モデルと車両モデルを用いた運動方程式により演算される車両横運動状態量を、バンク角が大きな角度であるほど小さな値となるように補正してシミュレーション入力データとすることを特徴とする車両挙動制御システムの評価装置。
5. 請求項３に記載された車両挙動制御システムの評価装置において、
   前記リアルタイムシミュレータは、３次元路面走行環境モデルと車両モデルを用いた運動方程式により演算される操舵角を、旋回半径が小さいほど大きな値となるように補正してシミュレーション入力データとすることを特徴とする車両挙動制御システムの評価装置。
6. 請求項３に記載された車両挙動制御システムの評価装置において、
   前記リアルタイムシミュレータは、３次元路面走行環境モデルと車両モデルを用いた運動方程式により演算される車輪速を、旋回半径が小さいほど大きな旋回内外輪速差となるように補正してシミュレーション入力データとすることを特徴とする車両挙動制御システムの評価装置。
7. 請求項５または請求項６に記載された車両挙動制御システムの評価装置において、
   前記リアルタイムシミュレータは、３次元路面走行環境モデルと車両モデルを用いた運動方程式により演算される操舵角または車輪速を、旋回半径と車両の動特性により補正してシミュレーション入力データとすることを特徴とする車両挙動制御システムの評価装置。

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