JP2006076403A - 車両の重心高演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両の前軸と後軸とが同相で振動している場合であっても、車両の重心高さを正確に算出することができる車両制御装置を提供する。
【解決手段】 車両制御装置は、制御装置１０を有しており、制御装置１０には、加速度センサ１１、横加速度センサ１２、および各輪に設けられたストロークセンサ１３〜１６が接続されている。制御装置１０には、加速度センサ１１から前後加速度が出力され、横加速度センサ１２から横加速度が出力される。また、各ストロークセンサ１３〜１６から出力されたサスペンションストロークから、前輪および後輪にそれぞれ掛かる荷重を算出する。制御装置は、前後加速度から求められる水平方向の力によって発生する第一モーメントと、前輪に掛かる荷重によって発生する第二モーメントと、後輪に掛かる荷重によって発生する第三モーメントとに基づいて、車両の重心高を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両の重心高を算出する車両の重心高演算装置に係り、特に、車両の姿勢安定のために用いて好適な車両の重心高演算装置に関する。

車両の姿勢安定制御を行うためには、車両の重心高さを求めることが要求されることがある。このように、車両の重心高さを求めるものとして、従来、ロール角センサや横加速度センサなどを用いた重心高演算装置がある。この重心高演算装置では、ロール中心を求める必要があるが、ロール中心は車両の荷物積載量によって変化してしまうので、正確な重心高を算出するのが困難であった。

また、車両の重心高さを求めるものとしては、特開２０００−２９２３１６号公報に開示された車両の重心高さの推定演算装置もある。この重心高さの推定演算装置は、車両の前後方向の加速度センサで検出した制動時加速度と、左右車輪をそれぞれ支持する複数のエアサスペンションに設けた圧力センサで検出した制動時の後軸荷重変化量などに基づいて、車両の重心高さを求めるものである。さらに説明すると、車両の制動時、車両における前輪周りの重心の移動により発生するモーメントと、後輪が取り付けられた後軸の荷重の増加により発生するモーメントが等しいことを用いて車両の重心高を算出するものである。
特開２０００−２９２３１６号公報

しかし、上記特許文献１に開示された重心高さの推定演算装置においては、前軸周りの重心の移動により発生するモーメントと、後軸の荷重の増加により発生するモーメントが等しいことを用いて車両の重心高を算出している。このため、車両の前軸と後軸とが同相で振動している場合、後軸の荷重の増加量を正確に検出することができず、この場合には、正確な重心高さを求めることができないという問題があった。

そこで、本発明の課題は、車両の前軸と後軸とが同相で振動している場合であっても、車両の重心高さを正確に算出することができる車両の重心高演算装置を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る車両の重心高演算装置は、複数の車輪が設けられた車両の重心高求める車両の重心高演算装置であって、車両の重心に加わる水平方向の力を検出する水平方向力検出手段と、重心から見て、水平方向の力が作用する側に位置する車輪に加わる荷重の変化量を検出する第一荷重変化量検出手段と、重心から水平方向の力の作用する側と逆側に位置する車輪に加わる荷重の変化量を検出する第二荷重変化量検出手段と、水平方向の力によって発生する第一モーメントと、第一荷重検出手段により検出された荷重変化によって発生する第二モーメントと、第二荷重検出手段により検出された荷重変化によって発生する第三モーメントと、を用いて、車両の重心高を演算する重心高演算手段と、を備えるものである。

本発明に係る車両の重心高演算装置においては、水平方向の力によって発生する第一モーメントのほか、第一荷重検出手段により検出された荷重変化によって発生する第二モーメントと、第二荷重検出手段により検出された荷重変化によって発生する第三モーメントと、を用いて、車両の重心高を演算する。これにより、重心に加わる水平方向の力によるモーメントとそれぞれの車輪の荷重変化によって発生するモーメントから重心高を正確に演算することができる。

ここで、重心高演算手段は、第一モーメントに対して逆方向を向いた第二モーメントと、第一モーメントに対して同方向を向いた第三モーメントと、を用いて、車両の重心高を算出する態様とすることができる。

このように、第一モーメントに対して逆方向を向いた第二モーメントと、第一モーメントに対して同方向を向いた第三モーメントとを用いて、車両重心高を算出するので、第二モーメントを発生させる荷重の増加・減少分は、第三モーメントを発生させる荷重の増加・減少分と同等となる。このため、前輪に接続された前軸と後輪に接続された後軸が同相で振動すると、たとえば、上方向に振動しているときに前輪および後輪の荷重を検知した場合、実際より前輪および後輪の荷重増加量は小さく検出される。このとき、前輪の荷重増加によるモーメントが実際より小さく演算されるが、後輪の荷重増加分によるモーメントに関しても小さく演算される。よって、同相で振動しても精度よく重心高を演算することができる。

また、水平方向検出手段は、水平方向の力として、車両の前後方向を検出し、第一荷重変化量検出手段は、車両の前輪に加わる荷重を検出し、第二荷重変化量検出手段は、車両の後輪に加わる荷重を検出する、態様とすることもできる。

車両では、たとえば制動時において、重心に前後方向の加速度が加わり、前輪に加わる荷重は増加し、後輪に加わる荷重は減少する。このときに発生する重心におけるモーメントと、前後輪における荷重変化を検出することにより、重心高を正確に算出することができる。

本発明に係る車両の重心高演算装置によれば、車両の前軸と後軸とが同相で振動している場合であっても、車両の重心高さを正確に算出することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部材等について、重複する記載は省略することがある。図１は、本発明の第一の実施形態に係る車両の重心高さ演算装置を含む車両制御装置のブロック構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係る重心高演算装置を含む車両制御装置は、制御装置１０、加速度センサ１１、および横加速度センサ１２を備えており、加速度センサ１１および横加速度センサ１２は、制御装置１０に電気的に接続されている。加速度センサ１１は、車両の加速度を検出しており、横加速度センサ１２は、車両の横加速度を検出している。これらの加速度センサ１１および横加速度センサ１２は、検出した加速度や横加速度を制御装置１０に出力している。

また、車両の重心高さ演算装置は、右前輪ストロークセンサ１３、左前輪ストロークセンサ１４、右後輪ストロークセンサ１５、および左後輪ストロークセンサ１６を備えている。右前輪ストロークセンサ１３は、車両の右前輪を支持するエアサスペンションに取り付けられており、右前輪のサスペンションストロークを検出している。左前輪ストロークセンサ１４は、車両の左前輪を支持するエアサスペンションに取り付けられており、左前輪のサスペンションストロークを検出している。

右後輪ストロークセンサ１５は、車両の右後輪を支持するエアサスペンションに取り付けられており、右後輪のサスペンションストロークを検出している。左後輪ストロークセンサ１６は、車両の左後輪を支持するエアサスペンションに取り付けられており、左後輪のサスペンションストロークを検出している。これらの各ストロークセンサ１３〜１６は、それぞれ制御装置１０に電気的に接続されており、検出したサスペンションストロークをそれぞれ制御装置１０に出力している。

制御装置１０は、センサ１１，１２から出力された加速度および横加速度、並びにストロークセンサ１３〜１６からそれぞれ出力された各車輪に対応するサスペンションストロークに基づいて、車両の重心高さを算出している。また、制御装置１０は、車両が制動状態や急加速状態状態でない定常状態で走行を行っているか否かを判定するための定常判定しきい値を記憶している。さらに、制御装置１０は、車両がカーブを走行することなく、直進走行を行っているか否かを判定するための直進判定しきい値を記憶している。加えて、制御装置１０は、ホイールベースやトレッド幅などの車両の諸元を記憶している。

また、制御装置１０は、ブレーキ１７に接続されており、ブレーキの自動制御を行っている。ブレーキの自動制御では、横加速度センサ１２で検出した横加速度が、算出した重心高さを用いて決定された車両の挙動安定性の限界しきい値以上となったときに、ブレーキを自動的にかける制御を行っている。

以上の構成を有する本実施形態に係る車両の重心高さ演算装置を含む車両制御装置の制御手順について説明する。図２は、車両制御装置の制御手順を示すフローチャートである。

図２に示すように、本実施形態に係る車両制御装置においては、重心高さを求めるにあたり、まず横加速度センサ１２によって車両の横加速度を検出する（Ｓ１）。横加速度センサ１２は、検出した車両の横加速度を制御装置１０に出力する。横加速度センサ１２で車両の横加速度を検出するとともに、加速度センサ１１では、車両のブレーキなどに伴う車両の前後方向（進行方向）加速度を検出する（Ｓ２）。加速度センサ１１は、検出した車両の前後方向加速度を制御装置１０に出力する。

また、各車輪に対応するエアサスペンションに取り付けられたストロークセンサ１３〜１６では、それぞれ各輪に対応するサスペンションのサスペンションストローク値を検出する（Ｓ３）。これらの各ストロークセンサ１３〜１６は、検出したサスペンションストローク値を制御装置１０に出力する。

続いて、制御装置１０では、定常判定を行う（Ｓ４）。定常判定では、加速度センサ１１から出力された車両の前後加速度Ｇｘと、予め記憶している定常判定しきい値とを比較する。定常判定の結果、前後加速度Ｇｘが定常判定しきい値以下である場合には、車両は制動状態にはない、定常状態にあると判断する。このように、制動状態ではなく定常状態にある判断した場合には、ブレーキの自動制御を行うことはなく、車両の挙動安定性の限界しきい値を求めるためのデータとして、車両重量および車両重量の配分を計算するとともに、これらの平均を求める（Ｓ５）。車両重量は、車両への荷物の搭載量や乗員数などの要因によって変動するので、下記（１）式を用いて現在の車両重量ｍを求める。

ｍ＝（Ｗ_ＦＲ＋Ｗ_ＦＬ＋Ｗ_ＲＲ＋Ｗ_ＲＬ）／ｇ ・・・（１）
ここで、Ｗ_ＦＲ：右前車輪に掛かる輪荷重
Ｗ_ＦＬ：左前車輪に掛かる輪荷重
Ｗ_ＲＲ：右後車輪に掛かる輪荷重
Ｗ_ＲＬ：右後車輪に掛かる輪荷重
ｇ：重力加速度
各ストロークセンサ１３〜１６では、それぞれの車輪におけるサスペンションストロークを検出しているが、サスペンションストロークＳｉと輪加重Ｗｉとの間には、前後方向の加速度および速度が０の状態で、図３に示すグラフの関係がある。図３に示すサスペンションストロークＳｉと輪加重Ｗｉとの間の関係を示すグラフは、ストロークセンサ１３〜１６の取り付け状況などによって異なり、たとえば車両の停止時や定常直進状態のときに、各輪ごとに予め求めておく。このグラフを参照することにより、各ストロークセンサ１３〜１６が検出したサスペンションストロークに基づいて、各車輪の輪荷重を求める。また、図３に示すグラフから、各輪におけるサスペンションストロークに対する輪荷重の変化勾配Ｋｉを求める。

重量配分計算では、車両の重心に対する車両の重量配分を求める。車両の重量配分は、重心から前輪または後輪までの距離の比で表されるので、ここでは、重心から前輪または後輪までの距離を、車両の重量配分に代用して求める。重心から前輪までの距離ｌ_ｆは、下記（２）式を用いて求めることができる。また、重心から後輪までの距離ｌ_ｒは、下記（３）式を用いて求めることができる。

ｌ_ｆ＝ＷＢ・（Ｗ_ＦＲ＋Ｗ_ＦＬ）／（Ｗ_ＦＲ＋Ｗ_ＦＬ＋Ｗ_ＲＲ＋Ｗ_ＲＬ） ・・・（２）
ここで、ＷＢ：ホイールベース
ｌ_ｒ＝ＷＢ−ｌ_ｆ ・・・（３）
制御装置１０では、このようにして求めた車両重量および重量配分を逐一記憶しており、車両の挙動安定性の限界しきい値がリセットされるまでの間に記憶された車両重量および重量配分の平均を算出している。このようにして車両重量および重量配分の計算、並びにこれらの平均を求めたら、制御を終了する。

また、ステップＳ４において、前後加速度Ｇｘが定常判定しきい値以下でなく、制動状態にあると判断した場合には、続いて直進判定を行う（Ｓ６）。直進判定では、横加速度センサ１２から出力された車両の横加速度Ｇｙと、予め記憶している直進判定しきい値とを比較する。直進判定の結果、車両の横加速度Ｇｙが直進判定しきい値以下であると判断したときには、定常状態でなく、直進状態である。

したがって、車両は、たとえば直進走行中にブレーキをかけた状態となっている。直進走行中にブレーキをかけると、横加速度Ｇｙがほとんど生じない状態で、前後方向の加速度が生じているので、前後方向の加速度から車両の重心高さを求めることができ、精度よく重心高を算出することができる。そこで、直進判定の結果車両の横加速度Ｇｙが直進判定しきい値以下のときに、車両の重心高Ｈを算出する（Ｓ７）。重心高Ｈの算出は、下記（４）式を用いて行うことができる。

Ｈ＝（ΔＳ_ｆ・Ｋ_ｆ・ｌ_ｆ−ΔＳ_ｒ・Ｋ_ｒ・ｌ_ｒ）／ｍ・Ｇｘ ・・・（４）
ここで、ΔＳ_ｆ ：前輪のサスペンションストローク変化（右前輪のサスペンションストロークＳ_ｆｒと左前輪のサスペンションストロークＳ_ｆｌの平均値）
Ｋ_ｆ ：前輪におけるサスペンションストロークに対する輪荷重の変化勾配
ΔＳ_ｒ ：後輪のサスペンションストローク変化（右後輪のサスペンションストロークＳ_ｒｒと左後輪のサスペンションストロークＳ_ｒｌの平均値）
Ｆ_ｒ ：後輪におけるサスペンションストロークに対する輪荷重の変化勾配
ｍ：車両重量（＝Ｗ_ＦＲ＋Ｗ_ＦＬ＋Ｗ_ＲＲ＋Ｗ_ＲＬ）
上記（４）について、車両における力関係を示した図４を参照して説明する。いま、車両の制動時、車両に影響するモーメントを考えると、前後の水平方向の力によって発生する重心Ｘ周りのモーメント（以下「第一モーメント」という）と、前輪側のストロークセンサ１３，１４で検出される前輪ＦＷ周りの第二モーメント（以下「第二モーメント」という）と、後輪側のストロークセンサ１５，１６で検出される後輪ＲＷ周りのモーメント（以下「第三モーメント」という）とがある。

ここで、重心Ｘ周りの第一モーメントおよび後輪ＲＷ周りの第三モーメントは、時計回りに作用し、前輪ＦＷ周りの第二モーメントは反時計回りに作用する。したがって、第二モーメントは、第一モーメントに対して逆方向を向いており、第三モーメントは、第一モーメントに対して同方向を向いている。

第一モーメントはｍ・Ｇｘ・Ｈ、第二モーメントはΔＳ_ｆ・Ｋ_ｆ・ｌ_ｆ、第三モーメントはΔＳｒ・Ｋｒ・ｌｒでそれぞれ表される。したがって、これらの第一モーメントから第三モーメントの釣り合いを考えると、下記（５）式が成り立つ。

ｍ・Ｇｘ・Ｈ＝ΔＳ_ｆ・Ｋ_ｆ・ｌ_ｆ＋ΔＳ_ｒ・Ｋ_ｒ・ｌ_ｒ ・・・（５）
この（５）式を変形することにより、（４）式が得られる。

このように、水平方向に掛かる力のモーメント（第一モーメント）と、前後の車輪に加わる荷重のモーメント（第二モーメントおよび第三モーメント）に基づいて車両の重心高Ｈを求めているので、重心高Ｈを正確に求めることができる。また、第一モーメントに対して逆向きの第二モーメントおよび同じ向きの第三モーメントを用いて重心高Ｈを求めているので、前輪の支持する前軸と後輪を支持する後軸とが同相で上下動した場合でも、正確に重心高Ｈを求めることができる。

また、直進制動中は、各輪におけるストロークセンサ１３〜１６と、車両の前後加速度Ｇｘとは比例関係にある。このため、図５に示すように、各輪におけるストロークセンサ１３〜１６のサスペンションストロークＳ_ｉと、前後加速度Ｇｘとの関係を求めておき、この関係と、車両重量ｍ、サスペンションストロークに対する輪荷重の変化勾配Ｋ、および重心から前輪、後輪までの距離ｌ_ｆ、ｌ_ｒは、を用いて重心高さＨを求めることもできる。

こうして、車両の重心高Ｈを求めたら、車両の挙動安定性の限界しきい値ＴＨＲを算出する（Ｓ８）。車両の挙動安定性の限界しきい値ＴＨＲを求める。車両の挙動安定性の限界しきい値ＴＨＲは、下記（６）式によって求めることができる。

ＴＨＲ＝２・α・Ｔ／Ｈ ・・・（６）
ここで、Ｔ：トレッド幅
α：安全係数（＜１）
このようにして車両の挙動安定性の限界しきい値ＴＨＲを求めたら、車両のドアが開いたか否かを判断する（Ｓ９）。車両のドアが開いたか否かの判断は、たとえばドアの開閉スイッチが操作されたか否かにより判断する。その結果、ドアが開いていないと判断した場合には、車両における荷物の積載量や乗員数には変化がなく、車両重量ｍには変化がないとして制御を終了する。一方、ドアが開いたと判断した場合には、荷物の積載量や乗員数に変化があった可能性があるため、車両の挙動安定性の限界しきい値をリセットする（Ｓ１０）。こうして、制御を終了する。

また、ステップＳ５において、横加速度Ｇｙが直進判定しきい値以下ではないと判断した場合には、車両は、制動状態でありかつ直進状態でない、たとえばカーブを走行している状態にある。このときには、車両の挙動が不安定となることが懸念されるので、車両の挙動判定を行う。車両の挙動判定は、横加速度センサ１２で検出した横加速度Ｇｙが、ステップＳ８で算出した車両の挙動安定性の限界しきい値ＴＨＲ以下となっているか否かによって行う（Ｓ１１）。

車両の挙動判定の結果、横加速度Ｇｙが車両の挙動安定性の限界しきい値ＴＨＲ以下ではないと判断した場合には、ブレーキ１７の自動制御を行い、車両にブレーキ１７をかけて（Ｓ１２）、車両の挙動の安定化を図る。一方、横加速度Ｇｙが車両の挙動安定性の限界しきい値以下である場合には、ブレーキ１７の自動制御を行うことなく走行を継続する。そして、制御を終了する。

このように、本実施形態に係る車両制御装置では、車両の重心高を求めて、この車両の重心高を利用して車両挙動の不安定さの低減を図っている。このとき、車両の重心高を求める際、水平前後方向に加わる力による第一モーメントのほか、前輪周りの第二モーメントおよび後輪周りの第三モーメントを利用している。このため、たとえば前輪と後輪とが同相で振動している場合であっても、車両の重心高を正確に求めることができる。したがって、確実に車両挙動の不安定さの低減を図ることができる。

次に、第二の実施形態に係る車両制御装置について説明する。本実施形態に係る車両制御装置における上記第一の実施形態との主な相違点は、上記第一の実施形態では車両の前後方向の加速度を検出するのに対して、本実施形態では走行路面の平均斜度を求めている点である。

図６に示すように、本実施形態に係る車両制御装置では、上記第一の実施形態で設けられていた加速度センサ１１に代えて、ＧＰＳ装置２０が設けられている。その他の点については、上記第一の実施形態と同様の構成を有している。ＧＰＳ装置２０は、現在における車両の走行位置を検出している。また、ＧＰＳ装置２０には、走行路面の標高情報を記憶しており、現在車両が走行している路面の標高を検出することができる。

本実施形態に係る車両制御装置においては、車両が一定速度で走行している間、所定の時刻ｔにおける車両が位置する路面の標高ＧＰＳ_ｔと、時刻ｔ−１における車両が位置する路面の標高ＧＰＳ_ｔ−１とから、路面の平均斜度θを求める。平均斜度θは、下記（７）式によって求めることができる。

θ＝（ＧＰＳ_ｔ−ＧＰＳ_ｔ−１）／Ｌ ・・・（７）
ここで、Ｌ：車両の時刻ｔ−１〜ｔまでの走行距離
平均斜度が求められると、車両における力関係は、図７に示すように表すことができる。重心Ｘに水平方向に係る力のモーメントは、ｍｇsinθ・Ｈで表すことができる。また、前輪ＦＷに加わるモーメントおよび後輪ＲＷに加わるモーメントは、上記第一の実施形態と同様、それぞれΔＳ_ｆ・Ｋ_ｆ・ｌ_ｆ、ΔＳ_ｒ・Ｋ_ｒ・ｌ_ｒ表すことができる。したがって、図７に示す状態を参照してこれらのモーメントの釣り合いを考えると、平均斜度θおよび各車輪のサスペンションストロークを用いた下記（８）式の関係が成り立つ。

ｍｇsinθ・Ｈ＝ΔＳ_ｆ・Ｋ_ｆ・ｌ_ｆ−ΔＳ_ｒ・Ｋ_ｒ・ｌ_ｒ ・・・（８）
したがって、（８）式を変形した下記（９）式によって、車両の重心高を算出することができる。

Ｈ＝ΔＳ_ｆ・Ｋ_ｆ・ｌ_ｆ−ΔＳ_ｒ・Ｋ_ｒ・ｌ_ｒ／ｍｇsinθ ・・・（９）
このように、前後方向の加速度を検出する加速度センサを用いることなく、ＧＰＳ装置を用いて検出した標高から平均斜度を求める方法によっても、車両の重心高を求めることができる。この場合でも、水平前後方向に加わる力による第一モーメントのほか、前輪周りの第二モーメントおよび後輪周りの第三モーメントを利用している。このため、たとえば前輪と後輪とが同相で振動している場合であっても、車両の重心高を正確に求めることができる。

また、走行路面の平均斜度を求める際には、ＧＰＳ装置の代わりに、気圧計や標高計などを用いることもできる。気圧計を用いる場合には、一定速度で走行中における時刻ｔにおける気圧Ｐ_ｔと、時刻ｔ−１における気圧Ｐ_ｔ−１とから、下記（１０）式により平均斜度θを算出する。

θ＝（Ｐ_ｔ−Ｐ_ｔ−１）／Ｌ ・・・（１０）
こうして求めた平均斜度と、各車輪のサスペンションストロークとを用いて、上記（９）式によって車両の重心高さを求めることもできる。

第一の実施形態に係る車両制御装置のブロック構成図である。 車両制御装置による制御手順を示すフローチャートである。 サスペンションストロークと輪加重との関係を示すグラフである。 車両における力関係を模式的に示した説明図である。 サスペンションストロークと前後加速度との関係の例を示すグラフである。 第二の実施形態に係る車両制御装置のブロック構成図である。 車両における力関係を模式的に示した説明図である。

符号の説明

１０…制御装置、１１…加速度センサ、１２…横加速度センサ、１３…右前輪ストロークセンサ、１４…左前輪ストロークセンサ、１５…右後輪ストロークセンサ、１６…左後輪ストロークセンサ、１７…ブレーキ、２０…ＧＰＳ装置、ＦＷ…前輪、ＲＷ…後輪。

Claims (3)

1. 複数の車輪が設けられた車両の重心高を求める車両の重心高演算装置であって、
   車両の重心に加わる水平方向の力を検出する水平方向力検出手段と、
   前記重心から見て、前記水平方向の力が作用する側に位置する車輪に加わる荷重の変化量を検出する第一荷重変化量検出手段と、
   前記重心から前記水平方向の力の作用する側と逆側に位置する車輪に加わる荷重の変化量を検出する第二荷重変化量検出手段と、
   前記水平方向の力によって発生する第一モーメントと、前記第一荷重検出手段により検出された荷重変化によって発生する第二モーメントと、第二荷重検出手段により検出された荷重変化によって発生する第三モーメントと、を用いて、前記車両の重心高を演算する重心高演算手段と、
   を備えることを特徴とする車両の重心高演算装置。
2. 前記重心高演算手段は、前記第一モーメントに対して逆方向を向いた前記第二モーメントと、前記第一モーメントに対して同方向を向いた前記第三モーメントと、を用いて、前記車両の重心高を算出する請求項１に記載の車両の重心高演算装置。
3. 前記水平方向検出手段は、前記水平方向の力として、前記車両の前後方向を検出し、
   前記第一荷重変化量検出手段は、前記車両の前輪に加わる荷重を検出し、
   前記第二荷重変化量検出手段は、前記車両の後輪に加わる荷重を検出する、
   請求項２に記載の車両の重心高演算装置。

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