JP2005306120A - 車両姿勢情報検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両姿勢に応じて変化するヨーレートなどの車両姿勢情報を遅延なく検出することができる車両姿勢情報検出装置を提供する。
【解決手段】各タイヤＷのサイドウォール部５２の内部には、たとえば、１６個の応力センサ１４が円周上にほぼ等しい角度間隔で配置されている。各応力センサ１４は、サイドウォール部５２において当該応力センサ１４が配置されている部分に作用する応力を検出する。各応力センサ１４の検出信号は、ヨーレート検出装置１６に無線伝送されるようになっている。ヨーレート検出装置１６は、たとえば、マイクロコンピュータを含む構成であって、各応力センサ１４によって検出される応力に基づいて、各タイヤＷに作用している摩擦力の方向および大きさＦを求め、さらに、その求めた各摩擦力の方向および大きさＦに基づいて、車両に生じているヨーレートγを検出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、車両姿勢に応じて変化するヨーレートなどの車両姿勢情報を検出する車両姿勢情報検出装置に関する。

たとえば、ステアリングホイールと舵取り用の車輪を転舵するための舵取り機構とを機械的に切り離し、ステアリングホイールの操作角を検出するとともに、その検出結果に基づいて、操舵アクチュエータからのトルクを舵取り機構に与えることにより、舵取り用の車輪の転舵を達成するようにしたシステム（いわゆるステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）システム）が提案されている。

このような構成の車両用操舵装置においては、ステアリングホイールの操作と舵取り機構との動作の関係を、電気的制御によって自由に変更することができるので、車両の運動性能を飛躍的に向上できるものと期待されている。たとえば、ステアリングホイールの操作角に対応する目標ヨーレートを求めて、車両姿勢に応じて変化するヨーレートを目標ヨーレートに近づけるように、舵取り機構の動作を制御することにより、舵取り機構による車両姿勢制御（ステアリング姿勢制御）を行うことができ、操舵に対する車両の運動特性を最適化できる。
特開２００３−１６５３１７号公報

ヨーレートは、たとえば、ヨーレートセンサによって検出することができる。ところが、ヨーレートセンサの出力は、車両姿勢の変化（実際のヨーレートの変化）に遅れて変化するため、そのヨーレートセンサの出力に基づく車両姿勢制御では、車両姿勢の変化に対して良好な応答性で制御が行われないという問題があった。
そこで、この発明の目的は、車両姿勢に応じて変化するヨーレートなどの車両姿勢情報を遅延なく検出することができる車両姿勢情報検出装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、車両の各車輪（５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ）に装着されたタイヤ（Ｗ）に作用する応力を検出する応力検出手段（１４；１４０）と、この応力検出手段によって検出される応力に基づいて、車両の姿勢に応じて変化する車両姿勢情報を検出する車両姿勢情報検出手段（１６）とを含むことを特徴とする車両姿勢情報検出装置である。

なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
請求項１記載の発明によれば、タイヤに作用する応力に基づいて、車両姿勢情報が検出される。
タイヤに作用する応力は、車両姿勢とほぼ同時に変化するので、応力検出手段によって検出される応力に基づいて求められる車両姿勢情報は、車両姿勢の変化に対して遅れることなく変化する。言い換えれば、車両姿勢情報検出手段は、車両姿勢に応じて変化する車両姿勢情報を遅延なく検出することができる。

上記応力検出手段は、タイヤの周方向の各部に作用する応力を検出できるものであれば、たとえば、請求項２に記載のように、各タイヤのサイドウォール部にほぼ等角度間隔で配設され、それぞれの配設位置に作用する応力を検出する複数のセンサ部を備えたものであってもよいし、請求項３に記載のように、各タイヤのサイドウォール部に車輪を取り囲むように配設された円環状のセンサ部を備えたものであってもよい。

また、上記車両姿勢情報検出手段は、車両姿勢情報として車両に生じているヨーレートを検出するものである場合、請求項４に記載のように、上記応力検出手段によって検出される応力に基づいて、各タイヤに作用する摩擦力の方向および大きさを演算する摩擦力演算手段（１６４）と、この摩擦力演算手段による演算結果に基づいて、車両に生じているヨーレートを演算するヨーレート演算手段（１６４）とを含むものであってもよい。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る車両姿勢情報検出装置が備えられた車両用操舵装置の構成を説明するための概念図である。この車両用操舵装置は、ステアリングホイール１と舵取り機構との機械的な結合をなくし、ステアリングホイール１の回転操作に応じて駆動される操舵アクチュエータ２の動作を、ハウジング３に支持された転舵軸４の車幅方向の直線運動に変換し、この転舵軸４の直線運動を舵取り用の前部左右車輪５ＦＬ，５ＦＲの転舵運動に変換することにより操舵を達成するようにした、いわゆるステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）システムである。

操舵アクチュエータ２は、たとえば、ブラシレスモータ等の電動モータを含む構成である。この操舵アクチュエータ２の駆動力（出力軸の回転力）は、転舵軸４に関連して設けられた運動変換機構（たとえば、ボールねじ機構）により、転舵軸４の軸方向（車幅方向）の直線運動に変換される。この転舵軸４の直線運動は、転舵軸４の両端から突出して設けられたタイロッド６に伝達され、さらにタイロッド６を介してキングピンＰに連結されたナックルアーム７の回動を引き起こす。これにより、ナックルアーム７に支持された車輪５ＦＬ，５ＦＲの転舵が達成される。転舵軸４、タイロッド６およびナックルアーム７などにより、舵取り用の車輪５ＦＬ，５ＦＲを転舵するための舵取り機構が構成されている。

ステアリングホイール１は、車体に対して回転可能に支持された回転シャフト８に連結されている。この回転シャフト８には、ステアリングホイール１に操作反力を与えるための反力アクチュエータ９が付設されている。反力アクチュエータ９は、回転シャフト８と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータを含む。
回転シャフト８のステアリングホイール１とは反対側の端部には、渦巻きばね等の弾性部材１０が車体との間に結合されている。この弾性部材１０は、反力アクチュエータ９がステアリングホイール１にトルクを付加していないときに、その弾性力によって、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させる。

ステアリングホイール１の操作入力値を検出するために、回転シャフト８に関連して、ステアリングホイール１の操作角を検出するための操作角センサ１１が設けられている。また、回転シャフト８には、ステアリングホイール１に加えられた操作トルクを検出するためのトルクセンサ１２が設けられている。
一方、操舵アクチュエータ２の出力値を検出するために、転舵軸４に関連して、舵取り用の車輪５ＦＬ，ＦＲの転舵角（タイヤ角）を検出するための転舵角センサ１３が設けられている。この転舵角センサ１３は、操舵アクチュエータ２による転舵軸４の作動量を検出するポテンショメータなどで構成することができる。

さらに、前部左右の車輪５ＦＬ，５ＦＲおよび後部左右の車輪５ＲＬ，５ＲＲに装着された各タイヤＷの内部には、応力検出手段としての複数の応力センサ１４が設けられている。具体的には、図２に示すように、タイヤＷは、路面に接触するトレッド部５１と、このトレッド部５１の両側部に結合された一対のサイドウォール部５２とを備えている。そして、一方のサイドウォール部５２（たとえば、外側のサイドウォール部５２）の内部には、たとえば、１６個の応力センサ１４が円周上にほぼ等しい角度間隔（中心角２２．５度）で配置されている。

各応力センサ１４は、サイドウォール部５２において当該応力センサ１４が配置されている部分に作用する応力を検出するものであって、歪みゲージ等のセンサ部と、このセンサ部の検出信号を無線伝送するためのトランスポンダ部と、タイヤＷの回転運動を電気エネルギーに変換して蓄電する蓄電部とを備えており、この蓄電部に蓄積された電気エネルギーによって動作するようになっている。

各応力センサ１４が無線伝送する検出信号は、アンテナ１５を介して、車両姿勢に応じて変化する車両姿勢情報としてのヨーレートを検出するヨーレート検出装置１６（車両姿勢情報検出手段）に受信されるようになっている。このヨーレート検出装置１６は、たとえば、マイクロコンピュータを含む構成であって、後述するように、各応力センサ１４によって検出される応力に基づいて、各タイヤＷに作用している横力（タイヤＷの進行方向に直交する左右方向の力）Ｆxおよび制駆動力（駆動方向または制動方向の力）Ｆyを検出する。そして、その検出した横力Ｆxおよび制駆動力Ｆyに基づいて、各タイヤＷに作用している摩擦力の方向および大きさＦを求め、さらに、その求めた各摩擦力の方向および大きさＦに基づいて、車両に生じているヨーレートγを検出する。

ヨーレート検出装置１６が検出するヨーレートγは、マイクロコンピュータを含む構成の電子制御ユニット（ＥＣＵ）からなるステアリング系制御装置１７に入力されるようになっている。ステアリング系制御装置１７には、さらに、操作角センサ１１、トルクセンサ１２および転舵角センサ１３の各検出信号ならびに車速を検出するための車速センサ１８の検出信号が入力されるようになっている。

ステアリング系制御装置１７は、操作角センサ１１によって検出される操作角および／またはトルクセンサ１２によって検出される操作トルク、ならびに後述する制御量配分に基づいて、目標ヨーレートを求め、さらに、この目標ヨーレートとヨーレート検出装置１６によって検出されるヨーレートγとの偏差に基づいて、目標転舵角を演算する。そして、転舵角センサ１３によって検出される転舵角が目標転舵角に近づくように、駆動回路１９を介して操舵アクチュエータ２を制御することによって、車両の姿勢制御（ステアリング姿勢制御）を行う。

また、ステアリング系制御装置１７は、操作角センサ１１によって検出される操作角、トルクセンサ１２によって検出される操作トルク、および車速センサ１８によって検出される車速に基づいて、ステアリングホイール１の操作方向と逆方向の適当な反力が発生されるように、駆動回路２０を介して、反力アクチュエータ９を制御する。
ブレーキペダル２１の踏力に応じた制動圧は、マスターシリンダ２２によって発生され、この制動圧は、制動圧制御ユニット２３によって増幅されるとともに、各車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲの各ブレーキ装置２４に分配されて、各ブレーキ装置２４が各車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲに制動力を作用させるようになっている。そして、制動圧制御ユニット２３が、マイクロコンピュータを含む構成の走行系制御装置２５によって制御されることにより、各車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲの制動圧が個別に制御されるようになっている。

走行系制御装置２５には、各ブレーキ装置２４による各車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲの制動圧を個別に検出する制動圧センサ２６と、各車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲの各回転速度（車輪速）を個別に検出する車輪速センサ２７とが接続されている。
また、走行系制御装置２５は、ライン２８を介して、ステアリング系制御装置１７に接続されている。

走行系制御装置２５は、ライン２８を介して、ステアリング系制御装置１７からヨーレートγおよび車速の各検出値を取得し、その取得したヨーレートγおよび車速の検出値、各車輪速センサ２７によって検出される車輪速、ならびに後述する制御量配分に基づいて、各車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲの目標制動圧を求める。そして、各制動力センサ２６によって検出される各制動圧が各目標制動圧に近づくように、制動圧制御ユニット２３を制御し、各車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲの制動圧を個別に制御することによって、車両の姿勢制御（ブレーキ姿勢制御）を行う。なお、制動圧制御ユニット２３は、ブレーキペダル２１の操作がなされていない場合でも、内蔵のポンプにより制動圧を発生することができるように構成されている。

また、ヨーレート検出装置１６が検出する各タイヤＷに作用している摩擦力の方向および大きさＦは、マイクロコンピュータを含む構成の制御量配分装置２９に入力されるようになっている。制御量配分装置２９は、所定のタイヤＷに作用している摩擦力の方向および大きさＦに基づいて、ステアリング系制御装置１７のステアリング姿勢制御による制御量と走行系制御装置２５のブレーキ姿勢制御による制御量との配分を決定する。そして、ステアリング系制御装置１７および走行系制御装置２５は、それぞれ制御量配分装置２９によって決定された制御量の配分に応じた目標ヨーレートおよび目標制動圧を求める。

図３は、ヨーレート検出装置１６の構成を示すブロック図である。ヨーレート検出装置１６は、各応力センサ１４から無線伝送される検出信号を受信する受信部１６１と、この受信部１６１で受信した検出信号に基づいて、各タイヤＷに作用している横力Ｆxを検出する横力検出部１６２と、受信部１６１で受信した検出信号に基づいて、各タイヤＷに作用している制駆動力Ｆyを検出する制駆動力検出部１６３と、横力検出部１６２によって検出される横力Ｆxおよび制駆動力検出部１６３によって検出される制駆動力Ｆyに基づいて、車両に生じているヨーレートγを演算するヨーレート演算部１６４（摩擦力演算手段、ヨーレート演算手段）とを備えている。

横力検出部１６２および制駆動力検出部１６３は、各タイヤＷに配置されている各応力センサ１４によって検出される応力に基づいて、各タイヤＷごとに、それぞれタイヤＷに作用している横力Ｆxおよび制駆動力Ｆyを求める。
ヨーレート演算部１６４は、各タイヤＷごとに、横力検出部１６２によって検出される横力Ｆxと制駆動力検出部１６３によって検出される制駆動力Ｆyとに基づいて、タイヤＷに作用している摩擦力の方向および大きさＦを求め、さらに、各タイヤＷに作用している摩擦力の大きさＦに基づいて、車両に生じているヨーレートγを求める。

すなわち、タイヤＷに作用している摩擦力は、タイヤＷの進行方向に直交する左方向または右方向の横力ＦxのベクトルとタイヤＷの進行方向または後退方向の制駆動力Ｆyのベクトルとの合成ベクトルとなるので、図４に示すように、横力Ｆxを横軸にとり、制駆動力Ｆyを縦軸にとって、横力Ｆxの右方向および制駆動力Ｆyの進行方向（駆動方向）をそれぞれ正方向とし、横力Ｆxの左方向および制駆動力Ｆyの後退方向（制動方向）をそれぞれ負方向とすると、タイヤＷに作用している摩擦力が横軸正方向に対して反時計回りになす角度θは、
Ｆy＞０： θ＝ｔａｎ^-1（Ｆy／Ｆx）＜１８０° ・・・(1-1)
Ｆy＜０： θ＝ｔａｎ^-1（Ｆy／Ｆx）＞１８０° ・・・(1-2)
Ｆy＝０，Ｆx＞０： θ＝０ ・・・(1-3)
Ｆy＝０，Ｆx＜０： θ＝１８０° ・・・(1-4)
に従って求めることができる。また、摩擦力の大きさＦは、
Ｆ＝（Ｆx²＋Ｆy²）^1/2 ・・・(2)
に従って求めることができる。ヨーレート演算部１６４では、上記式(1-1)〜(1-4)，(2)に従って、各タイヤＷに作用している摩擦力の方向および大きさＦが求められる。そして、下記式(3)に従って、車両に生じているヨーレートγが求められる。

γ＝[Ｌf（Ｆ₁＋Ｆ₂）−Ｌr（Ｆ₃＋Ｆ₄）]／Ｉ ・・・(3)
ここで、図５に示すように、Ｌfは、前部左右の車輪５ＦＬ，５ＦＲの回転中心と車両の重心Ｇとの間の車両進行方向に沿った距離であり、Ｌrは、後部左右の車輪５ＲＬ，５ＲＲの回転中心と車両の重心Ｇとの間の車両進行方向に沿った距離である。また、Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃，Ｆ₄は、それぞれ車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲに装着されたタイヤＷに作用している摩擦力の大きさである。Ｉは、ヨーモーメントである。

以上のように、この実施形態によれば、タイヤＷのサイドウォール部５２に配置された複数の応力センサ１４によって検出される応力に基づいて、車両に生じているヨーレートγがヨーレート検出装置１６によって求められ、その求められたヨーレートγに基づいて、ステアリング系制御装置１７によるステアリング姿勢制御が行われる。
タイヤＷに作用する応力は、車両姿勢とほぼ同時に変化するので、応力センサ１４によって検出される応力に基づいて求められるヨーレートγは、車両姿勢の変化に対して遅れることなく変化する。言い換えれば、ヨーレート検出装置１６は、車両姿勢に応じて変化するヨーレートγを遅延なく検出することができる。よって、車両姿勢の変化に対する応答性に優れたステアリング姿勢制御を実現することができる。

図６は、制御量配分装置２９の機能を説明するための図である。制御量配分装置２９は、たとえば、ヨーレート検出装置１６から、前部車輪５ＦＬまたは５ＦＲに装着されているタイヤＷに作用している摩擦力の方向θおよび大きさＦを取得し、これに基づいて、横力余裕量ΔＦxおよび制動力余裕量ΔＦyを求める。
具体的には、タイヤＷに加わる荷重とタイヤＷの限界力（路面に対してタイヤＷが滑り始める時の力）Ｆmaxとの関係が予め求められて、制御量配分装置２９を構成しているマイクロコンピュータの内蔵メモリに記憶されている。制御量配分装置２９では、前部車輪５ＦＬまたは５ＦＲに装着されているタイヤＷの荷重に応じた限界力Ｆmaxが読み出され、それぞれ下記式(4)，(5)に基づいて、横力余裕量ΔＦxおよび制動力余裕量ΔＦyが求められる。

ΔＦx＝Ｆmax・ｃｏｓθ−Ｆ・ｃｏｓθ（＝Ｆmax・ｃｏｓθ−Ｆx） ・・・(4)
ΔＦy＝Ｆmax・ｓｉｎθ−Ｆ・ｓｉｎθ（＝Ｆmax・ｓｉｎθ−Ｆy） ・・・(5)
このようにして求めた横力余裕量ΔＦxおよび制動力余裕量ΔＦyに基づいて、制御量配分装置２９は、ステアリング系制御装置１７のステアリング姿勢制御による制御量と走行系制御装置２５のブレーキ姿勢制御による制御量との配分を決定する。たとえば、ブレーキ装置２４による制動中であるために、制動力余裕量ΔＦyが小さく（たとえば、タイヤＷに作用している制動力（タイヤＷの後退方向の制駆動力）ＦyがタイヤＷの限界制動力Ｆmax・ｓｉｎθの７０％以上）、一方で横力余裕量ΔＦxが大きい場合（たとえば、タイヤＷに作用している横力ＦxがタイヤＷの限界横力Ｆmax・ｃｏｓθの２０％未満）には、ステアリング姿勢制御による制御量がブレーキ姿勢制御による制御量よりも大きくなるように（たとえば、ステアリング姿勢制御による制御量とブレーキ姿勢制御による制御量との比が６：４となるように目標制御量×０．６，０．４として）制御量を配分する。

このように、横力余裕量ΔＦxおよび制動力余裕量ΔＦyに基づいて、ステアリング姿勢制御による制御量とブレーキ姿勢制御による制御量との配分が決定されることにより、タイヤＷのグリップ性能を十分に利用した良好な姿勢制御を実現することができる。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、他の形態で実施することもできる。たとえば、複数の応力センサ１４に代えて、図７に示すように、円環状の歪みゲージを有する応力センサ１４０（応力検出手段）を車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲを取り囲むようにタイヤＷのサイドウォール部５２に配置し、この応力センサ１４０の出力に基づいて、タイヤＷに作用している横力Ｆxおよび制駆動力Ｆy、ひいては車両に生じているヨーレートγを検出するようにしてもよい。

また、タイヤＷに作用する応力に限らず、車両姿勢とほぼ同時に変化する物理量を検出するセンサを車両姿勢が変化する要因の発生源であるタイヤＷの近傍に設けて、そのセンサの出力に基づいてステアリング姿勢制御を行ってもよい。
さらに、上記の実施形態では、横力余裕量ΔＦxおよび制動力余裕量ΔＦyに基づいて、ステアリング姿勢制御による制御量とブレーキ姿勢制御による制御量との配分が決定されるとしているが、たとえば、横力余裕量ΔＦxおよび制動力余裕量ΔＦyに基づいて、ステアリング姿勢制御とブレーキ姿勢制御とが切り替えられて、より有効な姿勢制御のみが選択的に行われるようにしてもよい。すなわち、ブレーキ装置２４による制動中であるために、制動力余裕量ΔＦyが小さく、横力余裕量ΔＦxが大きい場合には、ステアリング系制御装置１７によるステアリング姿勢制御を行い、車両がコーナリング中であるために、横力余裕量ΔＦxが小さく、制動力余裕量ΔＦyが大きい場合には、走行系制御装置２５によるブレーキ姿勢制御を行うようにしてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係る車両姿勢情報検出装置が備えられた車両用操舵装置の構成を説明するための概念図である。 応力センサの配置を説明するための図である。 ヨーレート検出装置の構成を示すブロック図である。 タイヤに作用している摩擦力の方向および大きさの求め方を説明するための図である。 ヨーレートの演算手法を説明するための図である。 横力余裕量および制動力余裕量の演算手法を説明するための図である。 応力センサの他の構成を示す図である。

符号の説明

５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ 車輪
１４ 応力センサ
１６ ヨーレート検出装置
１７ ステアリング系制御装置
５２ サイドウォール部
１４０ 応力センサ
１６４ ヨーレート演算部
Ｗ タイヤ

Claims (4)

1. 車両の各車輪に装着されたタイヤに作用する応力を検出する応力検出手段と、
   この応力検出手段によって検出される応力に基づいて、車両の姿勢に応じて変化する車両姿勢情報を検出する車両姿勢情報検出手段とを含むことを特徴とする車両姿勢情報検出装置。
2. 上記応力検出手段は、各タイヤのサイドウォール部にほぼ等角度間隔で配設され、それぞれの配設位置に作用する応力を検出する複数のセンサ部を備えていることを特徴とする請求項１記載の車両姿勢情報検出装置。
3. 上記応力検出手段は、各タイヤのサイドウォール部に車輪を取り囲むように配設された円環状のセンサ部を備えていることを特徴とする請求項１記載の車両姿勢情報検出装置。
4. 上記車両姿勢情報検出手段は、上記応力検出手段によって検出される応力に基づいて、各タイヤに作用する摩擦力の方向および大きさを演算する摩擦力演算手段と、この摩擦力演算手段による演算結果に基づいて、車両に生じているヨーレートを演算するヨーレート演算手段とを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の車両姿勢情報検出装置。

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