JP2005239071A - 制動力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 適切な制動力を付与して制動距離の短縮を可能とした制動力制御装置を提供する。
【解決手段】 車輪に作用する前後力Ｆｘ_ｉと上下力Ｆｚ_ｉとを読み込み（ステップＳ１）、制動初期のスリップ率Ｓ１時点での前後力Ｆｘ_ｉと上下力Ｆｚ_ｉとを基にしてブレーキングスティフネスＫ_Ｓを算出する（ステップＳ５）。こうして推定したＫ_Ｓを基にしてスリップ限界Ｓｐ０を推定し（ステップＳ６）、推定したスリップ限界と現在のスリップ値とを比較する（ステップＳ８、Ｓ１６）とともに、このスリップ限界とスリップ値との差が大きく、前後力の時間変化量が小さい場合（ステップＳ９、Ｓ１７）には、判定結果に応じて制動力を増大（ステップＳ１８）・減少（ステップＳ１０）させることで適切な制動力を各車輪に付与する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、車両において車輪に付与する制動力を制御する制動力制御装置に関し、特に、車輪のロックを抑制するよう付与する制動力を制御する制動力制御装置に関する。

制動時に車輪がロックしてスリップ状態となるのを抑制し、車両の操縦性を確保する技術であるＡＢＳ（Antilock Braking System）制御技術が知られている。ところで、タイヤ特性、路面状態に応じてタイヤと路面間の摩擦力特性が変化し、これにより制動特性も変化することから、タイヤと路面間の摩擦力特性に応じて適切な制動制御を行う必要がある。特許文献１〜４はそうした制動制御方法について開示している。

特許文献１の技術では、車輪速度に基づいてブレーキ剛性（ブレーキングスティフネス）を推定し、推定したブレーキ剛性に基づいて制御パラメータの調整を行う。特許文献２の技術では、車輪速センサの出力からブレーキングスティフネスを求め、各車輪の静的荷重を推定して制動力制御を行っている。特許文献３の技術では、タイヤ作用力センサと車体Ｇセンサの出力を基にしてスリップ状態を推定し、制御を行うものである。また、特許文献４の技術では、路面摩擦係数と横力から最大縦力を推定して、これを基にして駆動力、制動力を制御している。
特開２００１−１８７８０号公報 特開２００３−２９１７９０号公報 特開２００３−１６５４００号公報 特開平１１−５９３６６号公報

ところで、制動中の路面摩擦係数は実際には一定ではなく、最大減速度を得るためには最大摩擦係数のスリップ率近傍で制動を行うことが好ましい。しかしながら、この最大摩擦係数となるスリップ率はタイヤの状態や、路面の状態によって変化するため、最大摩擦係数に到達する前に予測することが困難である。ブレーキングスティフネスを、タイヤモデル（ブラッシュモデル）から求める手法もあるが、複雑な計算を必要とするため、制動時に車両においてこれをリアルタイムに求めるのは困難である。

そこで本発明は、適切な制動力を付与して制動距離の短縮を可能とした制動力制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る制動力制御装置は、制動時に車輪に付与する制動力を制御する制動力制御装置において、各車輪に作用する前後力と上下力とを測定する作用力センサと、各車輪のスリップ率を算出するスリップ率算出手段と、制動開始初期時点において、スリップ率が所定のスリップ率しきい値Ｓ１を超えた時点における車輪に作用する前後力、上下力からブレーキングスティフネスＫｓを推定し、このＫｓと前後力から初期スリップ限界Ｓｐ０を推定して、求めたスリップ限界に基づいて車輪のスリップ率が所定範囲となるよう車輪に付与する制動力を調整することを特徴とする。

ブレーキングスティフネスＫｓは、式（１）により、初期スリップ限界Ｓｐ０は式（２）より求めるとよい。

ただし、ａとｃ_１〜ｃ_３はいずれも車両に依存する定数であり、Ｆ_ｘ＿Ｓ１、Ｆ_ｚ＿Ｓ１はスリップ率Ｓ１のときの前後力および上下力である。

ここで、Ｆxは、算出時点での前後力である。

ブラッシュモデル（詳細は後述する。）を解くのに必要とされるタイヤ−路面間の摩擦係数の最大値は、制動初期においては不明である。また、同モデルにおけるブレーキングスティフネスもタイヤの接地幅、接地長、タイヤの剛性に依存するものであるが、接地幅、接地長は、荷重やタイヤの状態によって変化するうえ、タイヤの剛性も、タイヤが単純な剛体ではないことから定数として取り扱うことはできない。このため、制動初期にこれらを求めるのは困難とされている。

本発明者は、初期制動時におけるスリップ率とタイヤ作用力の関係からブレーキングスティフネスを精度良く推定することが可能な簡易式を見出した。このような簡易式を用いてブレーキングスティフネスを推定し、路面摩擦係数が最大、つまり、最大制動力が得られるスリップ率の限界値を推定し、スリップ率がその近傍値になるよう制動力を制御して、最大に近い制動力を得る。

本発明によれば、最大制動力が得られるスリップ率を制動初期において精度良く推定することができるため、スリップ率が最大制動力が得られるスリップ率を越えるのを抑制することができ、車輪速の復帰が遅れてロックに至るケースの発生を抑制でき、適切な制動力を付与することができる。このため、制動距離を短縮することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る車両状態量推定装置を備える車両挙動制御装置の概略構成図である。この車両は、前輪１_ＦＬ、１_ＦＲを駆動する前輪駆動式の車両であり、エンジン２０と前輪１_ＦＬ、１_ＦＲは、変速系２２を挟んで接続されている。各車輪１（前輪１_ＦＬ、１_ＦＲと後輪１_ＲＬ、１_ＲＲ、以下、特に区別する必要がない場合には、添字_ＦＬ〜_ＲＲを省略する。）には、制動装置であるブレーキ３２（３２_ＦＬ〜３２_ＲＲ）と車輪の回転速度を検出する車輪速センサ１２（１２_ＦＬ〜１２_ＲＲ）が取り付けられており、車輪１内には、作用力センサ１５（１５_ＦＬ〜１５_ＲＲ）が配置されている。

図２は、車輪１の概略図である。車輪１は、ホイール１１の周囲にタイヤ１０が配置されており、作用力センサ１５は、ホイール１１内部に取り付けられている。作用力センサ１５は、少なくとも３軸方向の力を検出するものであり、この３軸は、タイヤ中心から鉛直下向きをｚ軸、車軸方向をｙ軸、これらに直交して車両前方に向かう方向をｘ軸とする。さらに、各軸回りのモーメントを測定可能なセンサを用いてもよいが、最低限ｘ軸方向とｚ軸方向、つまり前後力と上下力が測定できればよい。この作用力センサ１５の出力は、有線または無線方式で車体に伝送される。

ブレーキアクチュエータ３０は、各ブレーキ３２のホイールシリンダへ供給する油圧を独立に調整する機能を有している。ブレーキアクチュエータ３０には、マスタシリンダ３６の出力油圧が入力されている。このマスタシリンダ３６は、運転者のブレーキペダル３５の操作量に応じて増圧された油圧を出力している。

各車輪速センサ１２と、作用力センサ１５の出力は、ＡＢＳ制御ＥＣＵ４に入力されている。このＡＢＳ制御ＥＣＵ４が、本発明に係る制動力制御装置のスリップ率算定手段を含む本体部分にあたる。ＡＢＳ制御ＥＣＵ４は、ブレーキアクチュエータ３０を制御することで各車輪１に付与する制動力の大きさおよびそれらのバランスを制御する。また、ブレーキアクチュエータ３０からＡＢＳ制御ＥＣＵ４へは、マスタシリンダ３６の油圧情報と各ホイールシリンダへ供給している油圧情報（制動力に対応する。）が送られている。

このＡＢＳ制御ＥＣＵ４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等によって構成されている。ＡＢＳ制御ＥＣＵ４は、専用のユニットとして構成されていてもよいし、また、複数のユニットを組み合わせて構成されていてもよい（例えば、通常のブレーキ制御ＥＣＵと、ＡＢＳ制御部とを別個に備える）。あるいは、他のＥＣＵの一部またはメモリ等一部を共有する構成であってもよい。

図３は、この装置によるＡＢＳ制御方法の制御処理を示すフローチャートである。この処理は、運転者のブレーキペダル３５踏み込み量が所定値以上で踏み込み時の踏み込み速度が所定速度以上に達した時点から、踏み込み量が所定値以下になるまでの間、つまり、急制動を開始してから制動終了までの間、所定のタイミングで繰り返し実行されるものである。以下、特に記載のない限り、この処理はＡＢＳ制御ＥＣＵ４によって実行されるものとする。また、以下の説明では、車輪１を特定せずに説明するが、実際の制御においては、個々の車輪１ごとに制御を行う。

まず、車輪速センサ１２の出力ω_ｉと、各作用力センサ１５の前後力出力Ｆｘ_ｉと、上下力出力Ｆｚ_ｉとを読み込む（ステップＳ１）。次に、ＡＢＳ制御状態に移行しているか否かを判定する（ステップＳ２）。これは、ＡＢＳ制御フラグの値を制御開始時にはオフにし、移行した時点（後述する減圧制御の開始時点）でオンにすることとし、このＡＢＳ制御フラグの値により判定すればよい。

制御移行前と判定した場合には、さらに、車輪１のスリップ率Ｓ_ｉとしきい値Ｓ１とを比較する（ステップＳ３）。図４は、スリップ率と路面−タイヤ間の摩擦係数の対応を示す図である。路面−タイヤ間の摩擦係数は、スリップ率Ｓｐまでは、スリップ率が大きくなるほど大きくなるが、スリップ率がＳｐを越えると、スリップ率が大きくなるほど小さくなる。しきい値Ｓ１は、低μ路を含む一般的な路面において予想されるＳｐの値より小さいスリップ率として設定される。

スリップ率Ｓ_ｉがＳ１に達していない場合には、ステップＳ５１に移行し、ブレーキアクチュエータ３０にマスタシリンダ３６の出力油圧に応じた油圧をブレーキ３２のホイールシリンダへと供給する通常ブレーキ制御を行うよう指示し、当該タイムステップの処理を終了する。

スリップ率Ｓ_ｉがＳ１以上の場合には、さらに、ブレーキングスティフネスＫ_Ｓを設定ずみか否かを判定する（ステップＳ４）。設定ずみでない場合には、ステップＳ５においてブレーキングスティフネスＫ_Ｓを下記の式（１）に基づいて算出する。

ここで、ａとｃ_１〜ｃ_３はいずれも車両に依存する定数であり、Ｆ_ｘ＿Ｓ１、Ｆ_ｚ＿Ｓ１はスリップ率Ｓ１のときの前後力および上下力である。

式（１）により求めるＫ_Ｓは、簡略化した式に基づいて求まる近似値である。この近似の妥当性について以下に述べる。図５は、ブラッシュモデルにおける車輪に作用する力の状態を説明する図である。ブラッシュモデルにおいては力の釣り合いから以下の式が導かれる。

ここで、μ_maxは、路面−タイヤ間の最大摩擦係数であり、Ｆ_{ｚ_max}はそのときのタイヤに係る上下荷重であり、Ｂ、Ｌは、それぞれタイヤの接地幅と接地長であり、Ｃｘは、タイヤトレッド方向の単位面積あたりの剛性を表している。

制動初期には、μ_maxは不明であり、また、接地長、接地幅は定数でなく、車両の荷重によって変化するため特定することが難しい。また、Ｃｘについても、タイヤは単純なゴムではなく、また、空気量、タイヤ表面の溝の状態等によっても変化するため、その値を特定することは難しい。そこで、本実施形態の装置においては、（１）式に基づいて算出を行っている。

図６は、ブラッシュモデルに基づくＫ_Ｓと（１）式によるＫ_Ｓとを比較したグラフである。破線はブラッシュモデルにより求めたＫ_Ｓであり、実線は（１）式により求めたＫ_Ｓの値である。各定数の値を適宜設定することによって、（１）式による算出結果がブラッシュモデルによく合致していることがわかる。

ステップＳ５でＫ_Ｓを算出した後はステップＳ６へと移行する。また、ステップＳ４で既にＫ_Ｓを算出済みと判定した場合と、ステップＳ２でＡＢＳ制御状態に移行済みと判定した場合には、直接ステップＳ６へと移行する。

ステップＳ６では、スリップ限界Ｓｐ０を以下の（２）式により求める。

ここで、Ｆxは、当該タイムステップで求めた前後力Ｆｘ_ｉである。この（２）式では、（３）式におけるμ_maxＦｚに代えてＦｘを用いている。これは、最大摩擦係数μ_maxは制動初期においては、未知であるが、最大摩擦係数μmaxのときには、力の釣り合いからμ_maxＦｚ＝Ｆｘとなる。その結果、（２）式により算出が可能となる。

図７は、（３）式で求めたＳｐと、（２）式で求めたＳｐ０とを比較した図である。ここでは、最大摩擦係数μmax時点での前後力、上下力を用いている。なお、（２）式の計算においては、（１）式で求めたＫ_Ｓ値を用いている。図中で黒三角はブラッシュモデルで求めたＳｐを示しており、白丸が（２）式によって推定したＳｐ０を示している。両者がよく合致していることがわかる。

次に、Ｓｐ^*を求める（ステップＳ７）。ＡＢＳ制御移行前の場合には、Ｓｐ^*＝Ｓｐ０に設定し、移行後は、Ｓｐ^*は後述するＳｐ１とＳｐ０のうち小さい値が設定される。

次に現在のスリップ率Ｓと求めたＳｐ^*を比較する（ステップＳ８）。スリップ率ＳがＳｐ^*以上の場合には、さらに、前後力Ｆｘ_ｉの時間変化量ｄＦｘ_ｉ／ｄｔとしきい値α１とを比較する（ステップＳ９）。この時間変化量ｄＦｘ_ｉ／ｄｔは、タイムステップ間隔をΔｔ、今回のタイムステップにおける前後力をＦｘ_ｉ（ｎ）、前回のタイムステップにおける前後力をＦｘ_ｉ（ｎ−１）とすると、｛Ｆｘ_ｉ（ｎ）−Ｆｘ_ｉ（ｎ−１）｝／Δｔにより求めることができる。このしきい値α１は、例えば負の所定の数値に設定されている。

前後力Ｆｘ_ｉの時間変化量がしきい値α１より小さい場合には、実際に車輪に付与される制動力が減少している場合であり、図４に示されるＳｐよりスリップ率が大きい状態と推定される。そこで、アクチュエータ３０に指示してブレーキ３２のホイールシリンダに供給する油圧の減圧を指示し（ステップＳ１０）、ＡＢＳ制御移行を示す制御フラグをオンに切り替え（ステップＳ１１）、この状態におけるスリップ率Ｓを変数Ｓｐ１に格納して（ステップＳ１２）、当該タイムステップの処理を終了する。

ステップＳ８でスリップ率ＳがＳｐ^*未満と推定された場合と、ステップＳ９で前後力Ｆｘ_ｉの時間変化量がしきい値α１より大きいと推定された場合には、ステップＳ１５へと移行して、ＡＢＳ制御フラグの値を判定する。制御フラグがオンの場合には、現在のスリップ率Ｓと求めたＳｐ^*との差としきい値βとを比較する（ステップＳ１６）。Ｓｐ^*−Ｓがβより大きい場合には、さらに、前後力Ｆｘ_ｉの時間変化量ｄＦｘ_ｉ／ｄｔとしきい値α２とを比較する（ステップＳ１７）。このしきい値α２は、例えば負の所定の数値に設定されており、α１と同じ値でも異なる値であってもよい。

前後力Ｆｘ_ｉの時間変化量がしきい値α２より小さい場合には、実際に車輪に付与される制動力が減少している場合であり、図４に示されるＳｐよりスリップ率が小さい状態と推定される。そこで、アクチュエータ３０に指示してブレーキ３２のホイールシリンダに供給する油圧の増圧を指示して（ステップＳ１８）、当該タイムステップの処理を終了する。

ステップＳ１５でＡＢＳ制御フラグがオフの場合には、ステップＳ５１へと移行して、通常のブレーキ油圧制御を行い、当該タイムステップの処理を終了する。ステップＳ１６でＳｐ^*−Ｓがβより小さいと判定された場合と、前後力Ｆｘ_ｉの時間変化量がしきい値α２より大きいと判定された場合には、ブレーキ３２のホイールシリンダに供給する油圧を増圧または減圧することなく当該タイムステップの処理を終了する。つまり、この場合には、ホイールシリンダに供給される油圧は前回タイムステップの油圧のまま維持されることになる。

このように、スリップ限界Ｓｐを推定し、推定結果と現在のスリップ率Ｓとに応じて最適な制動力が得られるよう制動力を制御することにより、車輪のロックを予防して車両の操縦性を確保するとともに、効率よく制動を行うことができるため、制動距離を短縮することが可能となる。

また、ブレーキングスティフネスＫ_Ｓ、スリップ限界Ｓｐ０を簡単な式で精度良く近似しているため、制御ＥＣＵの計算負荷を軽くすることができるため、計算能力の高いＣＰＵ等を用いずともリアルタイムにＫ_Ｓ、Ｓｐ０を求めることができるため、精度良く制御を行うことができる。

以上の説明では、油圧ブレーキを用いる場合を例に説明してきたが、例えば、回生ブレーキを併用または回生ブレーキのみを用いる場合においても本発明は適用可能である。また、油圧ブレーキを用いる場合においても、ホイールシリンダの供給油圧を個々にポンプ等により制御する形式であってもよい。

本発明に係る車両状態量推定装置を備える車両挙動制御装置の概略構成図である。 図１の装置の車輪の概略図である。 図１の装置によるＡＢＳ制御方法の制御処理を示すフローチャートである。 スリップ率と路面−タイヤ間の摩擦係数の対応を示す図である。 ブラッシュモデルにおける車輪に作用する力の状態を説明する図である。 ブラッシュモデルに基づくＫｓと本発明に係る推定式によるＫｓとを比較したグラフである。 ブラッシュモデルに基づくＳｐと本発明に係る推定式によるＳｐとを比較したグラフである。

符号の説明

１…車輪、４…ＡＢＳ制御ＥＣＵ、１０…タイヤ、１１…ホイール、１２…車輪速センサ、１５…作用力センサ、２０…エンジン、２２…変速系、３０…ブレーキアクチュエータ、３２…ブレーキ、３５…ブレーキペダル、３６…マスタシリンダ。

Claims (2)

1. 制動時に車輪に付与する制動力を制御する制動力制御装置において、
   各車輪に作用する前後力と上下力とを測定する作用力センサと、
   各車輪のスリップ率を算出するスリップ率算出手段と、
   制動開始初期時点において、スリップ率が所定のスリップ率しきい値Ｓ１を超えた時点における車輪に作用する前後力、上下力からブレーキングスティフネスＫｓを推定し、このＫｓと前後力から初期スリップ限界Ｓｐ０を推定して、求めたスリップ限界に基づいて車輪のスリップ率が所定範囲となるよう車輪に付与する制動力を調整することを特徴とする制動力制御装置。
2. 前記ブレーキングスティフネスＫｓを、次の式
   

   

   （ただし、ａとｃ_１〜ｃ_３はいずれも車両に依存する定数であり、Ｆ_ｘ＿Ｓ１、Ｆ_ｚ＿Ｓ１はスリップ率Ｓ１のときの前後力および上下力）により求め、初期スリップ限界Ｓｐ０は、次式
   

   

   により求める（Ｆxは、算出時点での前後力）ことを特徴とする請求項１記載の制動力制御装置。

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