JP2006248314A - 車両運動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の操安性の向上を図る。
【解決手段】車両の運動状態を表す状態方程式としてのシステム行列Ｘを構成するそれぞれの要素ａ11〜ａ22が、車輪６の線形性を要因として変化する線形項ａ11_L〜ａ22_Lと、車輪６の非線形性を要因として変化する非線形項ａ1_NL1〜ａ22_NLとの和で表される。算出部１０ａは、このシステム行列Ｘに基づいて、それぞれの要素ａ11〜ａ22の非線形項ａ11_NL〜ａ22_NLによって構成される非線形行列Ａ_NLの行列式｜Ａ_NL｜を算出する。設定部１０ｂは、算出された行列式｜Ａ_NL｜に基づいて、それぞれの車輪に対する駆動力配分比ｒの目標値ｒ*を設定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両運動制御装置に関する。

従来より、それぞれの車輪に対する駆動力配分比（または荷重配分比）を制御することにより、車両の運動状態を制御する技術が知られている。例えば、コーナリングといった走行状況では、車両の運動状態が適切となるように駆動力配分比を制御することで、操安性の向上を図ることができる。このような技術の一つに、車輪摩擦力利用率を用いて車両の運動状態を制御する手法がある（例えば、特許文献１参照）。この手法では、それぞれの車輪の車輪摩擦力利用率を求め、この車輪摩擦力利用率が目標車輪摩擦力利用率に近づくように、それぞれの車輪の車輪状態が制御される。また、車両の運動状態を表す状態方程式において、この状態方程式のシステム行列を構成する各要素は車両の運動状態に影響を与えるという知得に基づいて、この要素に着目して車両の運動状態を制御する手法もある（例えば、特許文献２参照）。
特許第３１３２１９０号公報 特開平１１−１０２４９９号公報

ところで、車両挙動は、車両に設けられた車輪の運動と高い相関を有しているため、車輪の非線形性に起因して車両の応答性が低下するという問題がある。すなわち、操安性の向上を図るためには、車輪の非線形性に着目して車両の運動状態を制御することが好ましい。

本発明の目的は、車両の運動状態を制御する新規な手法を提供することである。

また、本発明の別の目的は、車両の操安性の向上を図ることである。

かかる課題を解決するために、第１の発明は、車両運動制御装置を提供する。この制御装置は、算出部と、設定部とを有する。車両の運動状態を表す状態方程式のシステム行列を構成する要素のそれぞれが、車輪の線形性を要因として変化する線形項と、車輪の非線形性を要因として変化する非線形項との和で表されており、算出部は、システム行列に基づいて、要素のそれぞれの非線形項によって構成される非線形行列の行列式を算出する。設定部は、算出された行列式に基づいて、車輪のそれぞれに対する駆動力配分比または荷重配分比の目標値を設定する。

ここで、第１の発明において、要素のそれぞれは、車両の安定性に影響を与える一対の対角要素と、車両の応答性に影響を与える一対の連成要素とを含むことが好ましい。この場合、算出部は、一対の対角要素に関する非線形項の積算値から、一対の連成要素に関する非線形項の積算値を減算した減算値を、行列式として算出することが望ましい。

また、第１の発明において、車両運動制御装置は、車輪のそれぞれを検出対象として、車輪に作用する上下力を検出する検出部と、車両の状態に基づいて、車輪と路面との間の摩擦係数を推定するとともに、車輪のそれぞれに与えられる駆動力の総和を総駆動力として推定する推定部とをさらに有していてもよい。この場合、算出部は、車輪のそれぞれの上下力と、摩擦係数と、総駆動力とに基づいて、それぞれが異なる駆動力配分比に応じた複数の行列式を算出し、設定部は、算出された複数の行列式に基づいて、行列式が現在の値よりも小さくなる駆動力配分比を目標値として設定することが好ましい。また、車両運動制御装置は、車輪のそれぞれを検出対象として、車輪に作用する前後力と上下力とを検出する検出部と、車両の状態に基づいて、車輪と路面との間の摩擦係数を推定する推定部とをさらに有していてもよい。この場合、算出部は、車輪のそれぞれの前後力と、車輪のそれぞれの上下力と、摩擦係数とに基づいて、それぞれが異なる荷重配分比に応じた複数の行列式を算出し、設定部は、算出された複数の行列式に基づいて、行列式が現在の値よりも小さくなる荷重配分比を目標値として設定することが望ましい。

第２の発明は、車両運動制御装置を提供する。この制御装置は、算出部と、設定部とを有する。算出部は、車両の運動状態を表す状態量を軸とするベクトル場で表現される状態面において、車両の運動状態を線形的に表現した第１の車両モデルによって規定される第１のベクトルと、車輪の非線形性を考慮した車両の運動状態を表現する第２の車両モデルによって規定される第２のベクトルとの対応関係を評価する評価値を算出する。設定部は、算出された評価値に基づいて、第２のベクトルが第１のベクトルに対応するように、車輪のそれぞれに対する駆動力配分比の目標値または荷重配分比の目標値を設定する。

ここで、第２の発明において、算出部は、車両の運動状態を表す状態方程式のシステム行列に基づいて、評価値を算出していることが好ましい。この場合、システム行列は、車両の安定性に影響を与える一対の対角要素と、車両の応答性に影響を与える一対の連成要素とを含んでもよく、要素のそれぞれは、車輪の線形性を要因として変化する線形項と、車輪の非線形性を要因として変化する非線形項との和で表されてもよい。評価値は、一対の対角要素に関する非線形項の積算値から、一対の連成要素に関する非線形項の積算値を減算した減算値であることが好ましい。

本発明によれば、状態面におけるベクトル変化を抑制するといった観点から、駆動力配分比または荷重配分比の目標値が設定される。そのため、設定された目標値に基づいて、それぞれの車輪に対する駆動力配分比または荷重配分比を制御することで、例えば、車輪の非線形性を要因とする車両の応答変化を抑制することができる。その結果、走行環境に拘わらず安定した車両応答を得ることが可能となり、操安性の向上を図ることができる。

本実施形態にかかる車両運動制御装置に関するシステム構成およびシステム処理の説明に先立ち、まず、制御概念を明確にすべく、状態方程式におけるシステム行列について説明する。なお、制動力は、駆動力の逆方向成分（マイナス成分）と考えることができるので、本実施形態では、駆動力という用語を制動力も含む意味で用いる。

図１は、車両モデルの説明図である。同図に示す車両モデルは、車両の運動状態を前後輪の二輪で表現した二輪モデルである。この車両モデルでは、車両の運動状態が、鉛直軸（Ｚ軸）まわりの回転運動（ヨー運動）と、横方向（Ｙ軸方向）への並進運動とで表現される。車両の運動状態は、以下に示す状態方程式で表される。

図２は、数式１の状態方程式を示すブロック図である。ブロック図は、「１／ｓ」で示す積分を要素とするブロックを含み、この状態方程式（車両の運動状態）の時系列的な変化を示している。βbは車体のすべり角（以下「車体すべり角」という）、γはヨーレート、δfは前輪の操舵角（以下「前輪舵角」という）である。また、本明細書では、「'」によって時間微分を表すこととし、βb'は車体すべり角βbの時間微分としての車体すべり角速度であり、γ'はヨーレートγの時間微分としてのヨー角加速度である。同数式において、ａ11〜ａ22およびｂ1，ｂ2を要素とする各行列は、状態方程式のシステム行列と呼ばれている。

一対の要素ａ11，ａ22は、車両の安定性（挙動の収束し易さ）に影響を与えるパラメータであり、システム行列の対角要素と呼ばれる。特に、要素ａ11は、横運動を自律的に安定させ、要素ａ22は、ヨー運動を自律的に安定させる。また、一対の要素ａ12，ａ21は、車両の応答性（挙動の振動し易さ）に影響を与えるパラメータであり、システム行列の連成要素と呼ばれる。要素ａ11，ａ22に対して要素ａ12，ａ21が相対的に小さい場合、高速走行時における車両の安定性が向上する。これに対して、要素ａ11，ａ22に対して要素ａ12，ａ21が相対的に大きい場合、操舵に対する車両の応答性が向上する。一方、要素ｂ1，ｂ2は、ドライバーの操舵に対する車両挙動のゲインであり、ステアリングギヤ比などにより調整可能である。システム行列の個々の要素ａ11〜ｂ2は、以下に示す各式で表すことができる。

同数式において、Ｖは車速、Ｍは車両質量、ｌfは前輪軸と重心との間の距離、ｌrは後輪軸と重心との間の距離、ＩzはＺ軸回りの車両の慣性モーメント、ｋaは車輪の非線形性を考慮したコーナリングパワーである。本明細書では、前輪を表す「ｆ」および後輪を表す「ｒ」のアルファベットを用いることにより、必要に応じて、各状態量が示す車輪（前後輪）を明示的に区別する。例えば、ｋf_aは前輪のコーナリングパワーｋaを示し、ｋr_aは後輪のコーナリングパワーｋaを示すといった如くである。なお、四輪車を想定した場合、アルファベット「ｆ」（または「ｒ」）によって示される前輪（または後輪）の状態量は、例えば、左右前輪（または左右後輪）の状態量の平均値と考えることができる。

コーナリングパワーｋaは、車輪のすべり角（以下「車輪すべり角」という）βwの微小変化に対するコーナリングフォースの変化率である。コーナリングフォースは、ある車輪すべり角βwで旋回する時に、車輪の接地面に発生する摩擦力のうち車輪進行方向に直角な方向に発生する分力である。換言すれば、コーナリングパワーｋaは、ある車輪すべり角βwにおけるコーナリングフォースの微分値である。このコーナリングパワーｋaは車両の操安性に大きな影響を与えるパラメータであり、この値が大きい場合には挙動変化の応答性が速くなり、この値が小さい場合には挙動変化の応答性が遅くなる。

図３は、車輪に作用する作用力の説明図である。車輪に作用する作用力としては、上述したコーナリングフォースの他にも、前後力Ｆx、横力Ｆy、上下力Ｆzなどが挙げられる。前後力Ｆxは、車輪すべり角βwで旋回するときに、接地面に発生する摩擦力のうち車輪中心面に平行な方向に発生する分力であり、横力Ｆyは、接地面に発生する摩擦力のうち車輪中心面に直角な方向に発生する分力である。また、上下力Ｆzは、垂直方向の荷重、いわゆる、垂直荷重である。作用力として挙げられるこれらの力のうち、コーナリングフォースと横力Ｆyとは、類似した力として扱うことができる。これらの力は、値的に厳密に一致することはないが、車両がとり得る車輪すべり角βwの範囲内において、近似する傾向となる。本明細書では、コーナリングフォースと横力Ｆyとを実質的に同じ値と見なし、横力Ｆyをベースとしてコーナリングパワーｋaを考える。

横力Ｆyは、車輪の力学特性を示すタイヤモデル、例えば、車輪の非線形性の影響を考慮できるフィアラ（fiala）のタイヤモデル（二次式近似モデル）を用いることにより、車輪すべり角βwの二次式で表される。車輪のコーナリングパワーｋaは、車輪すべり角βwの微小変化に対する横力Ｆyの変化率（微分値）であり、以下に示す関係を満たす。

同数式において、係数ｋは、実験的に求めることができる定数であり、以下、基準コーナリングパワーと呼ぶ。基準コーナリングパワーｋは、車輪の特性を示す値であり、路面と車輪との間の摩擦係数μ、上下力Ｆxなどに依存して変化する。具体的には、この値ｋが大きい場合には、車輪の剛性が高いことを意味し、この値ｋが小さい場合には、車輪の剛性が低いことを意味する。基準コーナリングパワーｋは、車輪すべり角βwが「0」における横力Ｆyの微分値として定義される。

車輪の非線形性を考慮した場合、要素ａ11〜ｂ2は、下式で書き換えることができる。

同数式において、ｋfは前輪の基準コーナリングパワーｋにサスペンションの弾性変形を考慮した等価コーナリングパワーであり、ｋrは後輪の基準コーナリングパワーｋにサスペンションの弾性変形を考慮した等価コーナリングパワーである。また、βfは前輪のすべり角βw、例えば、左右前輪のすべり角βwの平均値であり、βrは後輪のすべり角βw、例えば、左右後輪のすべり角βwの平均値である。

車輪の非線形性に影響される車両の運動状態のように、制御入力が不連続的に変化する非線形制御系には、状態面と呼ばれる解析手法が有効である。二輪モデルベースの状態方程式によって運動状態を表す本実施形態において、その状態面は、例えば、車体すべり角βbとヨーレートγとを軸とするベクトル場Ｓ（βb'（βb，γ），γ'（βb，γ））で表現される。このベクトル場Ｓでは、ベクトルが外側に向かう程、状態面（車両挙動）が発散傾向にあると考えられ、ベクトルが内側に向かう程、状態面（車両挙動）が安定傾向にあると考えられる。

この状態面において、数式１および数式４に示す車両モデル、すなわち、車輪の非線形性を考慮した車両モデルを用いて状態面の変化を検討する。具体的には、それぞれの車輪（本実施形態では、前後輪）に対する駆動力配分比ｒを「0.00」から「1.00」の間でステップ的に変化させ、駆動力配分比毎に状態面を設け、それぞれにベクトルを描画する。その際、車両モデルとの比較といった観点から、車両の運動状態を線形的に表現した車両モデル（以下「線形車両モデル」という）も状態面に記述する。

このような状態面において、各種の走行場面において実験的に或いは経験的に適当と考えられている駆動力配分比ｒは、線形車両モデルと車両モデルとの間のベクトル変化が比較的に少ないことが考察された。したがって、状態面のベクトル変化を抑制することにより、すなわち、車両モデルによって規定されるベクトルを線形車両モデルによって規定されるベクトルに対応させることにより、ドライバーにとってコントロールしやすい駆動力配分比ｒを特定することができる。

数式１に示す車両モデルにおいて、前輪舵角δfが「0」の場合、状態面はシステム行列の要素ａ11〜ａ22に依存するので、以下、これらの要素ａ11〜ａ22に着目する。数式４から分かるように、個々の要素ａ11〜ａ22は、車輪の線形性を要因として変化する線形項ａ11_L〜ａ22_Lと、車輪の非線形性を要因として変化する非線形項ａ11_NL〜ａ22_NLとの和で表される。具体的には、個々の線形項ａ11_L〜ａ22_Lは、車両諸元および等価コーナリングパワーｋf，ｋrに依存し、個々の非線形項ａ11_NL〜ａ22_NLは、車輪すべり角βf，βr、垂直荷重Ｆz、摩擦係数μに依存する。状態面において、車両モデルのベクトルＸは、その向きと大きさとがシステム行列によって決まり、具体的には、以下に示す関係を満足する。

同数式において、Ａ_Lは、各要素ａ11〜ａ22の線形項ａ11_L〜ａ22_NLによって構成される行列（以下「線形行列」という）である。Ａ_NLは、各要素ａ11〜ａ22の非線形項ａ11_NL〜ａ22_NLによって構成される行列（以下「非線形行列」という）である。

図４は、状態面におけるベクトルの説明図である。ベクトルＸ_Lは、その向きと大きさとが線形行列Ａ_Lによって決まるベクトルであり（以下「線形ベクトル」という）、線型モデルによって規定されるベクトルと一致する。ベクトルＸ_NLは、その向きと大きさとが非線形行列Ａ_NLによって決まるベクトルである（以下「非線形ベクトル」という）。同図および数式５から分かるように、車両モデルのベクトルＸは、線形ベクトルＸ_Lと、非線形ベクトルＸ_NLとの合成ベクトル（ベクトル和）となる。すなわち、ベクトル変化の抑制は、非線形ベクトルＸ_NLの大きさを最小化することにより可能となる。なお、本明細書では、「最小化」という用語を、ベクトルＸの大きさを最小値（好ましくは「0」）にする意味で用いるばかりでなく、少なくとも、現在の大きさよりも小さくすることを含む意味で用いる。

非線形ベクトルＸ_NLの大きさは、非線形行列Ａ_NLの行列式｜Ａ_NL｜を算出することで評価可能であり、この行列式｜Ａ_NL｜はその値が大きいほど非線形ベクトルＸ_NLの大きさが大きいことを意味する。非線形ベクトルＸ_NLの行列式|Ａ_NL|は、下式によって算出される。

行列式｜Ａ_NL｜は、システム行列を構成する各要素ａ11〜ａ22において、一対の対角要素ａ11，ａ22に関する非線形項ａ11_NL，ａ22_NLの積算値から、一対の連成要素ａ12，ａ21に関する非線形項ａ12_NL，ａ21_NLの積算値を減算した減算値となる。この行列式｜Ａ_NL｜を最小化するためには、平方根の中の分母を最大化すればよい。

各車輪に加えられる駆動力の総和である総駆動力をＦa、この総駆動力Ｆaの前輪に対する駆動力配分比をｒとした場合、前輪の前後力Ｆf_x（例えば、左右前輪の前後力Ｆxの平均値）と、後輪の前後力Ｆr_x（例えば、左右後輪の前後力Ｆxの平均値）とは、以下に示す数式で表すことができる。

行列式｜Ａ_NL｜を最小化する、すなわち、行列式｜Ａ_NL｜における平方根の中の分母を最大化する駆動力配分比ｒは、下式を最小にするような駆動力配分比ｒとして特定可能である。

以上の概念説明を踏まえた上で、本実施形態にかかる車両運動制御装置のシステム構成について説明する。図５は、本実施形態にかかる車両運動制御装置が適用された車両の説明図である。この車両運動制御装置１が適用された車両は、前後四輪で駆動する四輪駆動車である。駆動源であるエンジン２のクランクシャフト（図示せず）からの動力は、自動変速機３、後述するセンタディファレンシャル装置４を介して、前輪側および後輪側の駆動軸（車軸）５へとそれぞれ伝達される。駆動軸５に動力が伝達されると、前輪６ｆおよび後輪６ｒのそれぞれに回転トルクが加えられ、前後輪６ｆ，６ｒが回転し、これにより、前後輪６f，６ｒに駆動力が与えられる。なお、本明細書において、前輪６ｆ、後輪６ｒを総称する場合には、単に「車輪６」という用語を用いる。

センタディファレンシャル装置４は、複合プラネタリギヤ式の差動装置である。このセンタディファレンシャル装置４の２つの出力要素、すなわち、前輪側の出力部材（キャリア４ａ）と、後輪側の出力部材（サンギヤ４ｂ）との間には、油圧多板クラッチ４ｃが設けられている。この油圧多板クラッチ４ｃは、自己の係合状態が、ソレノイドバルブ４ｄの油圧調整（例えば、増圧、保持および減圧）を行うことにより、制御可能となっている。油圧多板クラッチ４ｃが係合していない状態では、前後輪の駆動軸５が互いに差動するため、駆動力配分比ｒは予め設定された装置４に依存した値となる（例えば、r=0.35）。一方、油圧多板クラッチ４ｃが完全に係合した状態では、前後輪の駆動軸５の差動が制限されるため、前後直結状態の駆動力配分比ｒとなる。すなわち、油圧多板クラッチ４ｃの係合状態により、駆動力配分比ｒが可変に設定されることとなる。

図６は、車両運動制御装置１の全体構成を示したブロック図である。車両運動制御装置１は、制御部１０を主体に構成されている。制御部１０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。制御部１０は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従い、非線形行列Ａ_NLの行列式｜Ａ_NL｜の最小化に関する演算を行う。具体的には、この制御部１０としてのマイクロコンピュータを機能的に捉えると、制御部１０は、算出部１０ａと、設定部１０ｂとを有する。算出部１０ａは、システム行列に基づいて、非線形行列Ａ_NLの行列式｜Ａ_NL｜を算出する。設定部１０ｂは、算出された行列式｜Ａ_NL｜に基づいて、駆動力配分比ｒの目標値ｒ*を設定する。このような演算を行うために、制御部１０には、検出部１１を含む各種センサからの検出信号が入力されているとともに、推定部１２（図５では省略）によって推定された各種の演算値（本実施形態では、摩擦係数μ、総駆動力Ｆa）も入力されている。

検出部１１は、車輪６に作用する作用力を検出するセンサである。図６では、説明の便宜上、検出部１１に該当するブロックを一つのみ示しているが、この検出部１１は、４つの車輪６にそれぞれ設けられている。個々の検出部１１は、作用力として、前後力Ｆx、横力Ｆyおよび上下力Ｆzを個別の力として検出可能である。検出部１１は、ひずみゲージと、このひずみゲージから出力される電気信号を処理し、作用力に応じた検出信号を生成する信号処理回路とを主体に構成されている。検出部１１は、駆動軸（車軸）５に生じる応力は作用力に比例するという知得に基づき、ひずみゲージを車軸５内に埋設することにより、作用力を直接的に検出する。なお、検出部１１の具体的な構成については、例えば、特開平０４−３３１３３６号公報および特開平１０−３１８８６２号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。推定部１２は、後述するように、図示しない各種センサからの検出結果に基づいて、摩擦係数μ、総駆動力Ｆaを推定する。

図７は、本実施形態にかかる車両運動制御手順を示したフローチャートである。このフローチャートに示した処理は、所定間隔毎に呼び出され、車両運動制御装置１によって実行される。まず、ステップ１において、各種の検出信号が読み込まれる。このステップ１において読み込まれる検出値としては、各車輪６に作用する作用力（本実施形態では、横力Ｆy）等が挙げられる。

ステップ２において、摩擦係数μと、総駆動力Ｆaとが推定される。摩擦係数μの推定方法としては、例えば、車両モデルを用いた手法が周知である。この手法では、実際の車両の運動状態（一例として、運動状態を表す状態量の一つである車体すべり角）に基づいて、高μ路を想定した車両運動モデルの運動状態と、低μ路を想定した車両運動モデルの運動状態とを比較する。そして、この比較結果に基づいて、現在の摩擦係数μが推定される。このような摩擦係数μの推定手法の詳細については、例えば、特開２０００−０７１９６８号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。また、これ以外にも、例えば、特開２００３−２３７５５８号公報に開示されているように、２つの車輪６の速度差と、加速度とに基づいて摩擦係数μを推定してもよい。さらに、例えば、特開２００２−２７８８２号公報に開示されているように、車両の運動状態に、カメラから得られた道路の路面状況を検出した検出結果を考慮した上で摩擦係数μを推定してもよい。このように、本実施形態では、車両の状態に基づいて摩擦係数を推定する手法を広く用いることができる。ここで、車両の状態は、上述したように、すべり角、ヨーレートといった車両の運動状態や車輪速度といった状態量ばかりでなく、車輪６と接する路面の状態をも広く含む。

一方、総駆動力Ｆaは、エンジン回転数に応じたエンジン２の出力トルクと、シフトポジション等に応じた自動変速機３の出力トルクとに基づいて算出される。具体的には、まず、自動変速機３におけるトルクコンバータのタービン回転数と、エンジン回転数とに基づいて、トルクコンバータの速度比が算出される。これにともない、トルクコンバータの速度比と、ポンプ容量係数との対応関係を示すマップが参照され、算出された速度比に対応するポンプ容量係数が特定される。一方、トルクコンバータの速度比と、トルクコンバータの入力側のトルクとトルクコンバータの出力側のトルクとの比（以下「トルク比」という）との対応関係を示すマップに基づいて、トルクコンバータの速度比に対応するトルク比が特定される。

つぎに、特定されたポンプ容量係数と、エンジン回転数とに基づいて、ポンプトルクが算出され、このポンプトルクと、トルク比とに基づいて、タービンから出力されるタービントルクが算出される。そして、このタービントルクに、現在のギヤポジションに相当するギヤ比を乗算することにより、自動変速機３の出力トルクが算出される。最後に、自動変速機３の出力トルクに自動変速機３のファイナルギヤ比を乗算することにより、駆動トルクが算出される。これにより、車輪半径と駆動トルクとに基づいて、総駆動力Ｆaが算出される。

ステップ３において、駆動力配分比ｒの目標値ｒ*が算出される。具体的には、駆動力配分比ｒを「0.00」から「1.00」までの間で段階的に変化させ、摩擦係数μ、総駆動力Ｆa、前輪６ｆおよび後輪６ｒの上下力Ｆf_zＦr_zに基づいて、行列式｜Ａ_NL｜の値を順次算出する。ここで、前輪６ｆの上下力Ｆf_zは、左右前輪６ｆの検出値（上下力Ｆz）の平均値として、後輪６ｒの上下力Ｆr_zは左右後輪６ｒの検出値（上下力Ｆz）の平均値として、それぞれの車輪６の上下力Ｆzに基づいて特定可能である。上述したように、行列式｜Ａ_NL｜は、この値自体を厳密に算出しなくとも、例えば、その傾向は数式６における平方根の中の分母（数式８）によって特定される。そのため、本実施形態では、数式８に示す分母の算出（或いは、これと類似する演算）を、行列式｜Ａ_NL｜の算出と同じ意味で用いる。そして、算出された行列式｜Ａ_NL｜の中でその値が最も小さくなる駆動力配分比ｒ、すなわち、算出された分母（数式８）の中でその値が最も大きくなる駆動力配分比ｒが、目標値ｒ*として設定される。

ステップ４において、駆動力配分比ｒの現在値ｒcと目標値ｒ*とが比較され、両者の差が判定値ｒthよりも大きいか否かが判断される。判定値ｒthは、制御のハンチングを抑制するといった観点から、制御の必要がないとみなせる程度の現在値ｒcと目標値ｒ*との差（絶対値）の最大値として、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。このステップ４において肯定判定された場合、すなわち、両者の差が判定値ｒthよりも大きい場合には（｜ｒc−ｒ*｜＞ｒth）、ステップ４に続くステップ５に進む。一方、このステップ４において否定判定された場合、すなわち、両者の差が判定値ｒth以下の場合には（｜ｒc−ｒ*｜＜ｒth）、ステップ５をスキップして本ルーチンを抜ける。

ステップ５では、駆動力配分比ｒと係合状態（締結トルク）との対応関係が記述されたマップ、計算式等を参照することにより、設定された目標値ｒ*に応じた制御信号（締結トルクの指示値）Ｓigrがソレノイドバルブ４ｄに対して出力され、本ルーチンを抜ける。制御信号Ｓigrに応じてソレノイドバルブ４ｄのデューティ比が制御され、油圧多板クラッチ４ｃの係合状態が調整される。これにより、駆動力配分比ｒが、現在値ｒcから目標値ｒ*に変更される。

このように本実施形態によれば、非線形行列Ａ_NLの行列式｜Ａ_NL｜に基づいて、この行列式｜Ａ_NL｜が最小となる駆動力配分比ｒが目標値ｒ*として設定される。そして、この決定された目標値ｒ*に基づいて、前輪６ｆと後輪６ｒとに対する駆動力配分比を可変に設定するセンタディファレンシャル装置４（具体的には、ソレノイドバルブ４ｄ）が制御される。これにより、車両モデルのベクトルＸが線形車両モデルのベクトル（線形ベクトルＸ_L）に対応し、状態面のベクトル変化が抑制される。そのため、車輪６の非線形性を要因とする車両の応答変化を抑制することができる。その結果、走行環境に拘わらず、安定した車両応答を実現することができ、操安性の向上を図ることができる。

また、検出部１１は、車輪６に作用する作用力を直接的に検出している。このため、例えば、限界コーナリングといった走行状況であったとしても、或いは、摩擦係数が低い路面といった走行状況であったとしても、その作用力を精度よく特定することができる。その結果、非線形行列Ａ_NLの行列式｜Ａ_NL｜の算出精度の向上を図ることができるので、より有効に車両の運動状態を制御することができる。

なお、上述の実施形態では、行列式｜Ａ_NL｜の最小化を目的として、その値が最小となる駆動力配分比ｒを一義的に目標値ｒ*として用いた。しかしながら、制御の安定性といった観点では、行列式｜Ａ_NL｜が現在の値よりも小さくなるように、目標値ｒ*を設定すれば足りる。例えば、現在の駆動力配分比ｒを基準とした行列式｜Ａ_NL｜が、その値（現在値）よりも小さくなるように、ステップ値だけ駆動力配分比ｒを変化させた値を目標値ｒ*として用いるといった如くである。この手法であっても、車輪６に作用する非線形的な要素が現在の状態よりも抑制されるため、安定した車両の応答性を得ることができる。

なお、上述したように、車両モデルのベクトルＸは、線形車両モデルのベクトルＸ_Lと、非線形行列Ａ_NLによって規定されるベクトルＸ_NLとのベクトル和となる。すなわち、非線形行列Ａ_NLの行列式｜Ａ_NL｜の値が小さい程、両ベクトルＸ，Ｘ_Lが対応していることを意味し、その値｜Ａ_NL｜が大きい程、両ベクトルＸ，Ｘ_Lが対応していないことを意味する。したがって、この非線形行列Ａ_NLの行列式｜Ａ_NL｜は、車両モデルのベクトルＸと線形車両モデルのベクトルＸ_Lとの対応関係を評価する評価値と考えることができる。したがって、本制御は、評価値としての行列式｜Ａ_NL｜を算出し、この評価値｜Ａ_NL｜に基づいて、車両モデルのベクトルＸが線型モデルのベクトルＸ_Lに対応するように（すなわち、その評価値が小さくなるように）、駆動力配分比ｒの目標値ｒ*を決定する手法であると言い換えることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態が、上述した第１の実施形態と相違する点は、前後輪に対する荷重配分比ｒ’を制御することにより、非線形行列Ａ_NLの行列式｜Ａ_NL｜の最小化を行う点である。荷重配分制御の概念については、上述した駆動力配分制御と同様であり、本実施形態では、その相違点を中心に説明する。

各車輪の荷重の総和である総荷重をＷ、前後輪に対する荷重配分比をｒ’とする。前輪の平均上下力Ｆf_zと、後輪の上下力Ｆｒ_xとは、以下に示す数式で表すことができる。

行列式｜Ａ_NL｜を最小化する荷重配分比ｒ’は、第１の実施形態における説明の数式９を数式２２に変更することにより、数式６，７，２２に基づいて、下式より一義的に特定可能である。

具体的には、荷重配分比ｒ’を「0.00」から「1.00」までの間で段階的に変化させ、摩擦係数μ、総荷重Ｗ、前輪および後輪の平均前後力Ｆf_x，Ｆr_xに基づいて、平方根の中の分母（数式１０）を順次算出する。そして、算出された分母の中で、その値が最も大きい荷重配分比ｒ’が目標値ｒ*として設定される。総荷重Ｗは、各輪６に作用する荷重の総和であり、各輪６に関する検出値（上下力Ｆz）の総和として特定可能である。また、前輪６ｆの前後力Ｆf_xは、左右前輪６ｆの検出値（前後力Ｆx）の平均値として、後輪６ｒの前後力Ｆr_xは、左右後輪６ｒの検出値（前後力Ｆx）の平均値として、それぞれの車輪６の前後力Ｆxに基づいて特定可能である。

上述した各実施形態と同様の効果を奏するとともに、制御手法に多様性を具備することができる。これにより、本制御を広く種々の車両に適用することができる。なお、それぞれの車輪に対する荷重配分は、例えば、電子制御式のサスペンション装置を用いることにより動的に変化させることができる。

なお、上述した各実施形態では、前後輪６ｆ，６ｒに対する配分比制御について説明を行ったが、本発明はこれに限定されない。例えば、前後輪のみならず、左右輪の配分比制御といったように、それぞれの車輪６に対する駆動力配分制御または荷重配分制御を行ってもよい。また、二輪モデルをベースとした状態方程式との関連性で、状態面を表現するベクトル場の軸に、車体すべり角βbおよびヨーレートγの状態量を用いている。しかしながら、横力Ｆzおよびヨーモーメント、車体すべり角βbおよび車体すべり角速度βb’といったように、車両の運動状態を表す状態量を用いる限り、その軸として取り得るパラメータは任意に設定することができる。

上述した各実施形態では、エンジン２を駆動源とする四輪駆動車について説明したが、駆動源としては、モータを用いることもできる。この場合、エンジン２と同様に、自動変速機３、センタディファレンシャル装置４を介して、単一のモータによって四輪を駆動してもよいし、各輪、或いは前後輪に対してそれぞれモータを設けてもよい。かかる手法であっても、システム行列の要素の非線形項に着目して、センタディファレンシャル装置４、或いは、モータの出力を直接的に制御することにより、配分比ｒを達成する。これにより、上述した各実施形態と同様の効果を奏することができる。また、制動時に制御を行うためには、配分比ｒに応じて、エンジン２の出力制御およびアンチロックブレーキシステム等を用いることも可能である。

さらに、上述した各実施形態において、検出部１１は、三方向に作用する作用力を検出する構成であるが、本発明は、これに限定されるものではなく、必要となる分力方向に作用する作用力を検出可能であれば足りる。また、三方向の分力成分のみならず、この三方向回りのモーメントをも含む六分力を検出する六分力計であってもよい。かかる構成であっても、必要となる作用力は少なくも検出することができるので、当然ながら問題はない。なお、車輪６に作用する六分力を検出する手法については、例えば、特開２００２−０３９７４４号公報、特開２００２−０２２５７９号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

また、検出部１１を車軸５に埋設するケースを説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他のバリエーションも考えられる。作用力を検出するという観点でいえば、車輪６を保持する部材、例えば、ハブやハブキャリア等に検出部１１を設けてもよい。なお、検出部１１をハブに設ける手法については、例えば、特開２００３−１０４１３９号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

三方向に作用する作用力を直接的に検出することにより、上下力Ｆz、前後力Ｆxを検出しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、上下力Ｆzは、垂直荷重の荷重移動量を推定することによって特定してもよいし（すなわち、間接的に検出する）、前後力Ｆxは、前後方向に働く加速度、総駆動力等から特定してもよい（すなわち、間接的に検出する）。この推定手法では、各車輪６の車輪速を検出する車輪速センサ、車両重心位置に設けられた横加速度センサおよび前後加速度センサ、ヨーレートセンサ等が検出部１１として用いられる。

車両モデルを示す説明図 車両運動の状態方程式を示すブロック図 車輪に作用する作用力の説明図 状態面におけるベクトルの説明図 車両運動制御装置が適用された車両の説明図 車両運動制御装置１の全体構成を示したブロック図 車両運動制御手順を示したフローチャート

符号の説明

１ 車両運動制御装置
２ エンジン
３ 自動変速機
４ センタディファレンシャル装置
４ａ キャリア
４ｂ サンギヤ
４ｃ 油圧多板クラッチ
５ 駆動軸
６ 車輪
６ｆ 前輪
６ｒ 後輪
７ ソレノイドバルブ
１０ 制御部
１０ａ 算出部
１０ｂ 設定部
１１ 検出部
１２ 推定部

Claims (6)

1. 車両運動制御装置において、
   車両の運動状態を表す状態方程式のシステム行列を構成する要素のそれぞれが、車輪の線形性を要因として変化する線形項と、前記車輪の非線形性を要因として変化する非線形項との和で表されており、当該システム行列に基づいて、前記要素のそれぞれの非線形項によって構成される非線形行列の行列式を算出する算出部と、
   前記算出された行列式に基づいて、前記車輪のそれぞれに対する駆動力配分比または荷重配分比の目標値を設定する設定部と
   を有することを特徴とする車両運動制御装置。
2. 前記要素のそれぞれは、前記車両の安定性に影響を与える一対の対角要素と、前記車両の応答性に影響を与える一対の連成要素とを含み、
   前記算出部は、前記一対の対角要素に関する前記非線形項の積算値から、前記一対の連成要素に関する前記非線形項の積算値を減算した減算値を、前記行列式として算出することを特徴とする請求項１に記載された車両運動制御装置。
3. 前記車輪のそれぞれを検出対象として、前記車輪に作用する上下力を検出する検出部と、
   前記車両の状態に基づいて、前記車輪と路面との間の摩擦係数を推定するとともに、前記車輪のそれぞれに与えられる駆動力の総和を総駆動力として推定する推定部とをさらに有し、
   前記算出部は、前記車輪のそれぞれの上下力と、前記摩擦係数と、前記総駆動力とに基づいて、それぞれが異なる前記駆動力配分比に応じた複数の前記行列式を算出し、
   前記設定部は、前記算出された複数の行列式に基づいて、前記行列式が現在の値よりも小さくなる前記駆動力配分比を前記目標値として設定することを特徴とする請求項１または２に記載された車両運動制御装置。
4. 前記車輪のそれぞれを検出対象として、前記車輪に作用する前後力と上下力とを検出する検出部と、
   前記車両の状態に基づいて、前記車輪と路面との間の摩擦係数を推定する推定部とをさらに有し、
   前記算出部は、前記車輪のそれぞれの前後力と、前記車輪のそれぞれの上下力と、前記摩擦係数とに基づいて、それぞれが異なる前記荷重配分比に応じた複数の前記行列式を算出し、
   前記設定部は、前記算出された複数の行列式に基づいて、前記行列式が現在の値よりも小さくなる前記荷重配分比を前記目標値として設定することを特徴とする請求項１または２に記載された車両運動制御装置。
5. 車両運動制御装置において、
   車両の運動状態を表す状態量を軸とするベクトル場で表現される状態面において、車両の運動状態を線形的に表現した第１の車両モデルによって規定される第１のベクトルと、車輪の非線形性を考慮した前記車両の運動状態を表現する第２の車両モデルによって規定される第２のベクトルとの対応関係を評価する評価値を算出する算出部と、
   前記算出された評価値に基づいて、前記第２のベクトルが前記第１のベクトルに対応するように、前記車輪のそれぞれに対する駆動力配分比の目標値または荷重配分比の目標値を設定する設定部と
   を有することを特徴とする車両運動制御装置。
6. 前記算出部は、前記車両の運動状態を表す状態方程式のシステム行列に基づいて、前記評価値を算出しており、
   前記システム行列は、前記車両の安定性に影響を与える一対の対角要素と、前記車両の応答性に影響を与える一対の連成要素とを含み、
   前記要素のそれぞれは、前記車輪の線形性を要因として変化する線形項と、前記車輪の非線形性を要因として変化する非線形項との和で表され、
   前記評価値は、前記一対の対角要素に関する前記非線形項の積算値から、前記一対の連成要素に関する前記非線形項の積算値を減算した減算値であることを特徴とする請求項５に記載された車両運動制御装置。

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