JP2007182209A - 車両物理量推定装置及びプロブラム - Google Patents

車両物理量推定装置及びプロブラム Download PDF

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Abstract

【課題】スピン等の影響を受けない比較的低周波数領域の車両運動における前後方向の成分及び横方向の成分と車両の姿勢角の影響との関係から姿勢角をオブザーバに基づいて推定する。
【解決手段】各輪の車輪速度に基づいて車両の前後方向の車体速度を推定する前後車体速度推定手段１０と、車両運動の３軸加速度及び３軸角速度を検出して検出値に応じたセンサ信号を出力するセンサ１２から出力されたセンサ信号、及び推定された前後車体速度に基づいて、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前後・横加速度状態量偏差演算手段１４と、前後・横加速度状態量偏差演算手段１４の信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させるためのローパスフィルタ１８と、センサ信号及びローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表す信号及び横加速度状態量偏差を表す信号から姿勢角を推定する姿勢角推定手段１８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両物理量推定装置及びプログラムにかかり、特に、車両物理量としての鉛直軸に対する車両の姿勢角または前後方向の車体速度及び横方向の車体速度を推定する車両物理量推定装置及びプログラムに関する。
剛体運動の加速度及び角速度とオイラー角で記述される車両の姿勢角との関係は、非特許文献１等で知られており、この関係に基づいて積分演算を行うことによって、車両の姿勢角を導出することができる。しかしながら、単純な積分演算ではセンサドリフト誤差が蓄積されて正確な姿勢角を導出することはできない。このような積分演算での誤差の蓄積を回避するためには、他のセンサ信号の出力と比較し、略一致するように出力を補正するオブザーバを構成する必要がある。
このような補正法を用いて自動車の加速度信号、及び角速度信号から姿勢角を推定する従来技術としては、他のセンサ信号として車速を示す信号を利用し、車速と前後加速度及び重力加速度との関係からセンサの傾斜角、すなわちピッチ角を推定する技術が知られている（特許文献１）。この技術では、車速を微分した値と前後加速度の値との偏差がピッチ角に応じて生じるものであるという仮定に基づいてピッチ角を推定している。
また、車体横速度に対応する車体スリップ角を推定する従来技術としては、車速とヨー角速度との積から横加速度を減算して差を求め、さらにこの差と車両運動モデルから演算される推定横速度変化率との和をカント推定値とし、このカント推定値の低周波数成分を路面カント成分として補正することによって、路面カントの影響を受けないスリップ角推定手法が知られている（特許文献２）。
航空機力学入門（p12、加藤、大屋、柄沢：東京大学出版会、1982） 特開２００２−２４３４９４号公報 特開平８−３３２９３４号公報
しかしながら、車速は、各車輪に対応して設けられた車輪速センサで検出された各車輪の車輪速から推定演算する値であることから加減速に伴いタイヤがスリップ状態になると推定誤差が生じてしまう。このため、他のセンサ信号として車速を利用する上記特許文献１の技術に基づいて単純に車速を微分した値と前後加速度の値との偏差からピッチ角の推定演算を行うと、タイヤスリップを伴う加減速時にピッチ角推定値の誤差が増大する、という問題点がある。
また、カント推定値はスピン発生時の車体スリップ角の増加に伴っても増加する値である。このため、上記特許文献２の従来技術では、低μ路面で発生する速度がゆっくりとしたスピン発生時には、低周波数成分にも影響するため路面カント成分と見なされ、車体スリップ角の演算が補正されてしまう結果、スピンを推定できない、という問題点がある。
また、予め設定された周波数以上の路面カントが存在する場合には、カントの補正が遅れるため、車体スリップ角の推定値が増大することから、スピンを誤判定するという問題点もある。
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、スピンやタイヤスリップが車両運動に及ぼす影響は、比較的高周波数領域に限定される、すなわち、長時間持続する現象ではないことに着目し、スピンやタイヤスリップの影響を受けない比較的低周波数領域の車両運動における前後方向の成分及び横方向の成分と車両の姿勢角の影響との関係から姿勢角をオブザーバに基づいて推定する車両物理量推定装置及びプログラムを提供することを目的とする。
さらに、推定された姿勢角を利用して、重力加速度成分が各軸の加速度のセンサ値に及ぼす影響を相殺演算することによって高精度な車両前後方向の新たな車体速度を推定することができる車両物理量推定装置及びプログラムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の車両物理量推定装置は、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、車両運動の前後加速度、横加速度、及び上下加速度の３軸加速度、並びに車両運動のロール角速度、ピッチ角速度、及びヨー角速度の３軸角速度の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前後・横加速度状態量偏差演算手段と、前後加速度状態量の偏差を表す信号及び横加速度状態量の偏差を表す信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、前記センサ信号、ローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表す信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量の偏差を表す信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、を含んで構成したものである。
また、本発明のプロブラムは、コンピュータを、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、車両運動の前後加速度、横加速度、及び上下加速度の３軸加速度、並びに車両運動のロール角速度、ピッチ角速度、及びヨー角速度の３軸角速度の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前後・横加速度状態量偏差演算手段と、前後加速度状態量の偏差を表す信号及び横加速度状態量の偏差を表す信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、前記センサ信号、ローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表す信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量の偏差を表す信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、して機能させるためのものである。
本発明では、３軸センサで検出された３軸角速度及び３軸角速度、並びに前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算し、ローパスフィルタによって前後加速度状態量の偏差を表す信号及び横加速度状態量の偏差を表す信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行い、センサ信号及びローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表す信号及び横加速度状態量の偏差を表す信号から姿勢角を推定している。
車両の姿勢角は、車両の鉛直軸に対するロール角、及びピッチ角の少なくとも１つとすることができる。
ローパスフィルタによって通過させる着目すべき運動に対応する信号の領域は、時定数が数秒から数十秒以上の車両運動の影響を受けない低周波数領域とすることができる。この低周波数領域では、前後方向の車体速度は、車輪速から演算される前後車体速度の推定値と一致し、車体横速度の微分値が０という自動車固有の特性を有するので、この特性を拘束条件として積分演算の発散抑制に利用することができる。このため、スピンやタイヤスリップといった車両運動が発生する周波数領域では、加速度及び角速度を積分演算した姿勢角が推定演算されると共に、車両運動の影響を受けない比較的低周波数領域では、センサドリフトに伴う積分誤差を抑制するための自動車固有の拘束条件が働くオブザーバが構成され、全周波数帯で高精度な姿勢角の推定を行うことができる。
また、本発明の車両物理量推定装置は、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、車両運動の挙動量の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる横加速度状態量の偏差を演算する横加速度偏差演算手段と、横加速度状態量の偏差を表わす信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、前記センサ信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量の偏差を表わす信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、を含んで構成したり、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、車両運動の挙動量の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前・横加速度偏差演算手段と、前後加速度状態量の偏差を表わす信号及び横加速度状態量の偏差を表わす信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、前記センサ信号、ローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表わす信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量を表わす信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、を含んで構成することができる。
また、本発明のプログラムは、コンピュータを、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、車両運動の挙動量の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる横加速度状態量の偏差を演算する横加速度偏差演算手段と、横加速度状態量の偏差を表わす信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、
前記センサ信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量の偏差を表わす信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、して機能させるようにしてもよく、コンピュータを、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、車両運動の挙動量の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前後・横加速度偏差演算手段と、前後加速度状態量の偏差を表わす信号及び横加速度状態量の偏差を表わす信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、前記センサ信号、ローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表わす信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量を表わす信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、して機能させるようにしてもよい。
本発明では、上記車両運動の挙動量の検出値を、横加速度及びヨー角速度の各検出値、前記横加速度状態量の偏差を、前記ヨー角速度値の検出値と前後車体速度の推定値との積から前記横加速度の検出値を減算した値、前記姿勢角推定手段で推定する姿勢角を、ロール角とすることができる。また、車両運動の挙動量の検出値を、前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値とし、前記前後加速度状態量の偏差を、前後車体速度の推定値の微分値から前記前後加速度を減算した値とし、前記横加速度状態量の偏差を、前記ヨー角速度値と前記前後車体速度の推定値との積から前記横加速度を減算した値とすることができる。
これによって、一般的な車両運動を想定した場合、ピッチ角はロール角に比較して小さいことから、ピッチ角を０と仮定した場合のロール角を推定することができる。
また、車両運動の挙動量の検出値を、前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、ピッチ角速度、及びヨー角速度の各検出値とすることにより、３軸加速度及び３軸角速度とし、前記前後加速度状態量の偏差を、前後車体速度の推定値の微分値から前記前後加速度を減算した値とし、前記横加速度状態量の偏差を、前記ヨー角速度値と前記前後車体速度の推定値との積から前記横加速度を減算した値とすることにより、上記で説明したように３軸角速度及び３軸角速度、並びに前後車体速度の推定値に基づいて、姿勢角（ピッチ角及びロール角の少なくとも一方）を推定することができる。
本発明では、前記姿勢角推定手段によって推定された姿勢角の推定値、前記センサによって検出された車両運動の３軸加速度及び３軸角速度、前記前後車体速度推定手段によって推定された車両の前後方向の車体速度の推定値、及び操舵角に基づいて、車両物理量としての前後方向の新たな車体速度、及び横方向の車体速度を推定する車体速度推定手段、または前記姿勢角推定手段によって推定された姿勢角の推定値、前記車両運動の挙動量の検出値、前記前後車体速度推定手段によって推定された前後車体速度の推定値、及び操舵角に基づいて、車両物理量としての車両前後方向の新たな車体速度、及び車両横方向の車体速度を推定する車体速度推定手段を更に設けることができる。
これにより、前後方向の新たな車体速度及び横方向の車体速度が高精度に推定され、スピン抑制やタイヤスリップ抑制に必要な車体スリップ角や各輪のスリップ速度推定を高精度に行うことが可能となる。
本発明では、前後加速度状態量の偏差を、前後速度推定値の微分値から前記センサで検出された前後加速度値を減算した値とし、前記横加速度状態量の偏差を、前記センサで検出されたヨー角速度値と前後車体速度の推定値との積から前記センサで検出された横加速度値を減算した値とすることができる。
以上説明したように本発明によれば、高精度な車両姿勢角を推定することができるので、スピン抑制やタイヤスリップ抑制に必要な車体スリップ角及び各輪のスリップ速度の少なくとも一方を推定することができる、という効果が得られる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１を参照して、鉛直軸に対する車両の姿勢角であるピッチ角及びロール角を推定する姿勢角推定装置に本発明を適用した第１の実施の形態について説明する。
図１に示すように、本実施の形態の姿勢角推定装置には、各輪の車輪速度に基づいて車両の前後方向の車体速度を推定する前後速度推定手段１０が設けられている。各輪の車輪速度は、各輪に対応して設けられた車輪速センサにより検出することができ、車体速度は各輪の車輪速度、または各輪の車輪速度及び車輪速度の微分値から推定することができる。例えば、制動時には、４輪の車輪速度の最大値を車体速度として出力したり、駆動時には従動輪の車輪速度の平均値を車体速度として出力する方法が考えられる。
また、本実施の形態の姿勢角推定装置には、車両運動の挙動量であるｘｙｚ３軸の加速度及び３軸角速度を検出して検出値に応じたセンサ信号を出力する車両に固定された３軸センサ１２が設けられている。図２に示すように、ｘ軸は車両前後方向、ｙ軸は車両幅方向、ｚ軸は車両上下方向に対応している。
前後速度推定手段１０及び３軸センサ１２は、前後速度推定手段１０により推定された前後車体速度の推定値及び３軸センサ１０から出力されるセンサ信号に基づいて、鉛直軸に対する車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前後・横加速度状態量偏差演算手段１４に接続されている。
前後・横加速度状態量偏差演算手段１４は、前後加速度状態量の偏差を表す信号及び横加速度状態量の偏差を表す信号から着目すべき運動に対応する信号のみ、すなわち時定数が数秒から数十秒以上のスピン及びタイヤスリップ等の車両運動の影響を受けない低周波数領域のみの信号を通過させるためのローパスフィルタ１６に接続されている。ローパスフィルタ１６は、３軸センサ信号、ローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表す信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量の偏差を表す信号から車両の鉛直軸に対する姿勢角を推定する姿勢角推定手段１８に接続されている。
前後速度推定手段１０、前後・横加速度状態量偏差演算手段１４、ローパスフィルタ１６、及び姿勢角推定手段１８は、各手段の機能を実現する１つまたは複数のコンピュータ、または１つまたは複数の電子回路で構成することができる。
次に、本実施の形態のオブザーバについて説明する。剛体に固定された３軸加速度及び３軸角速度を検出する３軸センサから出力されるセンサ信号と運動状態量との関係を表す剛体の運動方程式は、以下のように記述することができる。
ただし、 Ｇｘ：前後加速度、Ｇｙ：横加速度、Ｇｚ：上下加速度、Ｐ：ロール角速度、Ｑ：ピッチ角速度、Ｒ：ヨー角速度、Ｕ：前後速度、Ｖ：横速度、Ｗ：上下速度、φ：ロール角、θ：ピッチ角、g：重力加速度である。
本実施の形態において車両を剛体とした場合、前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、及び上下加速度Ｇｚの３軸加速度、並びにロール角速度Ｐ、ピッチ角速度Ｑ、及びヨー角速度Ｒの３軸角速度の各々は、３軸センサ１２によって検出され、前後速度Ｕは各輪の車輪速に基づいて前後速度推定手段１０で推定することができる。
なお、本実施の形態では、図２に示すように車体の上向きをｚ軸の正方向とする右手系で座標を記述すると共に角度はオイラー角で表現している。
次に、オブザーバを用いた場合の自動車固有の運動の拘束条件について説明する。上記の運動方程式を利用して図３に示すオブザーバ２０を構成する場合、積分演算によって推定される速度及び角度の状態量が発散しないように測定できる物理量のフィードバックが必要となる。図３において車両運動を示すブロック２２は、図１の前後速度推定手段１０、前後・横加速度状態量推定手段１４、ローパスフィルタ１６、及び姿勢角推定手段１８からなる部分に対応している。
本実施の形態では、「前後方向速度は車輪速から推定できる」など自動車運動固有の特徴をフィードバックする物理量として利用する。車輪速から車両前後方向の車体速を推定するアルゴリズムは、ＡＢＳで既に確立されており、一般にこの信号は、Ｖs0と表現されている。この信号を利用すると、車両前後方向の車体速度である前後速度Ｕは以下の代数方程式で表すことができる。
また、上記(６)式を微分して上記(１)式に代入することによって、下記（７）式が得られる。
より計測される値であることを考慮すると、上記(７)式は、運動状態の拘束条件と捉えることができる。さらに、ある程度長い時間の運動のみを考慮すると、ピッチ角速度Ｑと上下速度Ｗとの積、及びヨー角速度Ｒと横速度Ｖとの積は微小であり無視できるので、(７)式は、次の(８)式のように近似することも可能である。
また、同様にスピン等の車両の不安定運動が無視できるある程度長い時間の運動を考慮する場合、横加速度、ロール角速度、及び横加速度は無視できるので、(２)式は、次の(９)式のように近似することができる。
さらに、一般的な道路勾配を考慮すると鉛直軸方向の加速度は、重力加速度に略一致していると考えられる。この条件は、前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、上下加速度前後加速度Ｇｚ、ピッチ角θ、及びロール角φを用いて次式の代数方程式によって記述できる。
また、ある程度長い時間の運動を考慮する場合には、前後、横、及び上下の速度ベクトルは、平均すると略水平面内に存在すると考えられるので、前後速度Ｕ、横速度Ｖ、上下速度Ｗ、ピッチ角θ、及びロール角φを用いて次式の代数方程式が与えられる。
この代数方程式は、鉛直軸方向の速度が水平面内の速度に比較して無視できるという自動車運動固有の拘束条件を表している。
次に、図３に示した、基本的な非線形オブザーバの構成について説明する。ここでは、３軸センサから出力されるセンサ信号ｕを下記（１２）式のように表現している。
また、対象となる車両運動を下記（１３）式のように表現し、オブザーバを構成するために測定できる物理量を（１４）式のように表現すると、非線形オブザーバは、以下の（１５）式及び（１６）式の非線形運動方程式によって記述することができる。
上記(６)、(８)〜(１１)式は、何れもある程度長い時間を考慮したときに満足する条件であることから、オブザーバの測定量のフィードバックには、下記（１７）〜（２１）式に示す(６)、(８)〜(１１)式の両辺をローパスフィルタ１６でローパスフィルタ処理した値を利用する。
ただし、τU、 τx、 τy、 τg、 τVはそれぞれ(６)、 (８)、 (９) 、 (１０)、(１１)式で考慮するローパスフィルタの数秒から数十秒以上の時定数を表している。
次に、上記の基本的な非線形オブザーバを用いてロール角φ及びピッチ角θを推定する本実施の形態のロール角φ及びピッチ角θのオブザーバについて説明する。上記(４)、(５)式の角度に関する状態方程式には、速度の状態量が含まれていないことから、角度としてロール角φ及びピッチ角θを独立して推定することができる。
このため、まず、上記のローパスフィルタによって生じる状態量を含め、ロール角及びピッチ角を推定するためのオブザーバを構成する。本実施の形態では、オブザーバの状態量を下記（２２）式で表し、
フィードバックに用いるオブザーバ出力を下記（２３）式で表し、
ただし、
である。
なお、（２５）式右辺第２項の分子は、前後車体速度の推定値Ｖs0の微分値から３軸センサで検出された前後加速度値Ｇｘを減算した前後加速度状態量の偏差であり、（２６）式右辺第２項の分子は、３軸センサで検出されたヨー角速度値Ｒと前後車体速度の推定値Ｖs0との積から３軸センサで検出された横加速度値Ｇｙを減算した横加速度状態量の偏差である。
オブザーバゲインの一例として、本実施の形態では、オブザーバの安定性を確保するため、線形化を行ったときの対角成分が負の係数を持つように、下記（２７）式のように表す。
ただし、Ｋφy、 Ｋφg、 Ｋθx、 Ｋθg、 Ｋx、 Ｋy、 Ｋgは適切な正の
定数である。したがって、ロール角及びピッチ角を推定する本実施の形態の非線形オブザーバは、以下の運動方程式で記述される。
ただし、
である。
上記のオブザーバを用いることにより車両鉛直方向に対する姿勢角であるロール角φ及びピッチ角θを推定することができる。
図４は、Ｋφy＝０．５、 Ｋφg＝０．２、 Ｋθ x＝０．５、 Ｋθg＝０．２、 Ｋx＝１．０、 Ｋy＝１．０、 Ｋg＝１．０、 τx＝１０ [s]、 τy＝２０ [s]、 τg=１０ [s]としたときのロール角φ及びピッチ角θの推定結果を示したものである。なお、実験条件は、１００ｋｍ／ｈでのシングルレーンチェンジであり、推定結果の発散の有無を確認するためにデータを４回繋いで、(４)式及び(５)式の単純な積分結果との比較を行っている。積分結果は、ロール角及びピッチ角共に積分誤差の影響を受けて発散傾向にあるのに対し、オブザーバによる推定結果は、(８)式、(９)式、及び(１０)式の拘束条件の効果によって発散せず、時間が経過しても略一定の結果を繰り返し出力している。
以上説明したように本実施の形態によれば、スピン及びタイヤスリップの影響を受けない比較的低周波数領域の車両運動における前後、横方向成分と車両の鉛直軸に対する姿勢角の影響との関係から姿勢角をオブザーバに基づいて推定しているため、従来技術で問題となるタイヤスリップを伴う加減速時におけるピッチ角推定値の誤差は生じない。また、スピン及びタイヤスリップが発生する比較的高周波数領域では、加速度や角速度の積分演算に基づく推定が支配的となり、高精度、高応答な姿勢角推定を実現できる。
また、本実施の形態では、路面カントは、鉛直軸に対する車体のロール角として高精度、高応答に推定されており、この推定値を利用して車体速度を推定しているため、車体スリップ角も路面カントの影響に対しロバストに推定ができる。
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図５に示すように、図１に示す姿勢角推定装置に、姿勢角推定手段１８によって推定されたピッチ角及びロール角の姿勢角、３軸センサ１２によって検出された車両運動の３軸加速度及び３軸角速度、前後車体速度推定手段１０によって推定された車両の前後方向の車体速度の推定値、及び操舵角を検出する操舵角センサ２６によって検出された操舵角である前輪実舵角に基づいて、前後方向の新たな車体速度及び横方向の車体速度を推定する車体速度手段２４を設け、車体速度推定装置を構成したものである。
本実施の形態の車体速度を推定する車体速度オブザーバについて説明する。速度に関する拘束条件は、上記(６)式及び(１０)式で示されているが、この２つの条件のみでは、オブザーバの安定化は困難である。このため、車両運動の線形モデルを利用し、横加速度のモデル演算値が実測値に等しいという下記（２９）式で示される条件を拘束条件として利用する。
ただし、ｍ：車両質量、ｃf、 ｃr：前後輪コーナリングパワー、ｌf、 ｌr：前後軸と重心との間の距離、δf：前輪実舵角である。なお、上記(２９)式は、タイヤ特性に余裕のある線形領域のみで成立するものであることから、下記（３０）式で表される出力の偏差の絶対値に応じてフィードバックゲインを小さくし、限界領域でモデルの影響を小さくしていくことが必要となる。
本実施の形態では、オブザーバの状態量を下記（３１）式で表し、
フィードバックに用いるオブザーバ出力を下記（３２）式で表し、
ただし、
である。オブザーバゲインの一例として、ここでは、オブザーバの安定性を確保するため、線形化を行ったときの対角成分が負の係数を持つように、下記（３５）式で表す。
したがって、車体速度を推定する非線形オブザーバは、姿勢角推定手段によって推定された姿勢角であるピッチ角θ及びロール角φ、３軸センサによって検出された車両運動の３軸加速度及び３軸角速度、前後車体速度推定手段によって推定された車両の前後方向の車体速度の推定値、及び操舵角を用いた次の（３６）式の運動方程式によって記述される。
ただし、出力の偏差及びオブザーバの状態量は、上記（３０）式及び（３１）式で示したように、下記のように表される。
本実施の形態では、車体前後速度推定値及び車体横速度推定値が求まるので、車体速度推定手段２４において、車体スリップ角β及びスリップ速度ｓを以下のようにして演算することができる。
車体スリップ角βは、オブザーバで上記のように推定された状態量を用いて下記（３７）式として求めることができ、
また、各輪の前後方向のスリップ、すなわちスリップ速度sは、下記（３８）式のように演算することができる。
ただし、rtは各輪のタイヤ半径、ωは各輪回転角速度である。
上記の第２の実施の形態において、前後速度推定手段１０、前後・横加速度状態量偏差演算手段１４、ローパスフィルタ１６、姿勢角推定手段１８、及び車体速度推定手段２４を、これらの手段の機能を実現するコンピュータで構成し、更にスリップ角及びスリップ速度を演算するようにすると、コンピュータを用いたプログラムによる情報処理は図７に示す手順で実行される。この手順を説明すると、ステップ１００で上記で説明したように各輪の車輪速度に基づいて前後車体速度を推定し、ステップ１０２において、上記で説明したように推定した前後車体速度の推定値、並びに検出された３軸加速度及び３軸角速度に基づいて前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算し、ステップ１０４において上記で説明したように前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差の比較的低周波成分を通過させるローパスフィルタ処理を実行し、ステップ１０６において、上記で説明したようにローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差、並びに検出された３軸加速度及び３軸角速度に基づいてロー角及びピッチ角を姿勢角として推定し、ステップ１０８において、上記で説明したように推定された姿勢角の推定値、検出された３軸加速度及び３軸角速度、及び検出された操舵角に基づいて車両前後方向の新たな車体速度及び横方向速度を演算し、ステップ１１０において演算された前後方向の新たな車体速度及び横方向速度を用いて上記で説明したようにスリップ角及びスリップ速度を演算する。
なお、本実施の形態では、車体スリップ角β及びスリップ速度ｓのいずれかを推定するようにしてもよい。
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は、一般的な車両運動を想定した場合、姿勢角の中でピッチ角はロール角に比較して大きさが小さいことに着目し、ピッチ角θを０と仮定して、ロール角φを推定するようにしたものである。
本実施の形態では、ピッチ角速度Ｑを検出せずにロール角φを推定することができる。本実施の形態で検出する車両運動の挙動量の検出値は、前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、上下加速度Ｇｚ、ロール角速度Ｐ、及びヨー角速度Ｒの各検出値であるので、センサ１２に代えて、３軸加速度、並びにロール角速度Ｐ及びヨー角速度Ｒの２軸角速度を検出するセンサを使用する。また、オブザーバも以下のように構成する。その他の構成については、図1と同様であるので説明を省略する。
具体的には、上記（２８）式におけるピッチ角速度Ｑとピッチ角推定値を常に０とした下記（３９）式で表わされるオブザーバを用いた演算を行うことにより、ピッチ角θを０と仮定したときのロール角φを推定する。
なお、（３９）式には、ｇxdf、ｇydfが含まれているので、前後車体速度の推定値Ｖs0の微分値から３軸センサで検出された前後加速度値Ｇｘを減算した前後加速度状態量の偏差、及び３軸センサで検出されたヨー角速度値Ｒと前後車体速度の推定値Ｖs0との積から３軸センサで検出された横加速度値Ｇｙを減算した横加速度状態量の偏差が用いられる。
本実施の形態においても、操舵角を検出する操舵角センサ２６によって検出された操舵角である前輪実舵角に基づいて、前後方向の新たな車体速度及び横方向の車体速度を推定する車体速度手段２４を設け図５に示すように構成することにより、前後方向の新たな車体速度及び横方向の車体速度を推定すると共に、車体スリップ角β及びスリップ速度ｓを上述のように演算することができる。
図８に、車速４０ｋｍ／ｈでのバンクを含む路面走行のシミュレーション結果から、ロール角の推定演算を実施した結果を示す。シミュレーション演算で計算されるロール角の真値は破線に重なった灰色実線で、ピッチ角速度を含む３軸角速度及び３軸加速度の信号を用いて推定したロール角を破線で、ピッチ角速度を除く信号に基づいて推定したロール角を実線で示している。
なお、ピッチ角速度を除く信号に基づいた推定の場合、ピッチ角は０と仮定しているので、図のピッチ角も０としている。この図から、バンク走行時においてピッチ角速度を推定に用いなくても、ロール角は、誤差±５ｄｅｇ以内で推定できていることがわかる。
次に本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、スピンが車両運動に及ぼす影響は、比較的高周波数領域に限定される、すなわち、長時間持続する現象ではなく、また上記で説明したように一般的な車両運動を想定した場合、姿勢角の中でピッチ角はロール角に比較して大きさが小さいことに着目し、上下加速度Ｇｚ及びピッチ角θを０と仮定して、ロール角φを推定するようにしたものである。本実施の形態で検出する車両運動の挙動量の検出値は、横加速度Ｇｙの２軸加速度、ロール角速度Ｐ、及びヨー角速度Ｒの２軸角速度の各検出値であるので、センサ１２に代えて、２軸加速度及び２軸角速度を検出するセンサを使用する。また、オブザーバも以下のように構成し、前後・横加速度状態偏差演算手段１４に代えて、下記(４３)式右辺第２項の分子で表わされた横加速度状態偏差を演算する横加速度状態偏差演算手段を設ける。その他の構成については、図1と同様であるので説明を省略する。
本実施の形態のロール角を推定するオブザーバについて説明する。本実施の形態では、オブザーバの状態量を次の（４０）式で表し、
フィードバックに用いるオブザーバ出力を次の（４１）式で表し、
さらに、センサ信号等から演算される車両出力を次の（４２）式で表す。
ただし、
とする。このとき、ロール角を推定する非線形オブザーバは、以下の運動方程式で記述される。
ただし、Ｋφy， Ｋyは適切な正の定数である。
本実施の形態においても、操舵角を検出する操舵角センサ２６によって検出された操舵角である前輪実舵角に基づいて、前後方向の新たな車体速度及び横方向の車体速度を推定する車体速度手段２４を設け図５に示すように構成することにより、前後方向の新たな車体速度及び横方向の車体速度を推定すると共に、車体スリップ角β及びスリップ速度ｓを上述のように演算することができる。
本発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。 本実施の形態の座標系を示す説明図である。 本発明の各実施の形態におけるオブザーバを示すブロック図である。 第１の実施の形態におけるロール角及びピッチ角の推定結果を示す線図である。 本発明の第２の実施の形態を示すブロック図である。 出力の偏差に対するオブザーバゲインを定める定数の１つの変化を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態の処理を示す流れ図である。 第３の実施の形態におけるロール角の推定結果を示す線図である。
符号の説明
１０ 前後速度推定手段
１２ ３軸センサ
１４ 前後・横加速度状態量偏差演算手段
１６ ローパスフィルタ
１８ 姿勢角推定手段
２０ オブザーバ

Claims (16)

  1. 各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、
    車両運動の前後加速度、横加速度、及び上下加速度の３軸加速度、並びに車両運動のロール角速度、ピッチ角速度、及びヨー角速度の３軸角速度の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前後・横加速度状態量偏差演算手段と、
    前後加速度状態量の偏差を表す信号及び横加速度状態量の偏差を表す信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、
    前記センサ信号、ローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表す信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量の偏差を表す信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、
    を含む車両物理量推定装置。
  2. 車両運動の前後加速度、横加速度、及び上下加速度の３軸加速度、並びに車両運動のロール角速度、ピッチ角速度、及びヨー角速度の３軸角速度を検出して検出値に応じたセンサ信号を出力するセンサを更に含む請求項１記載の車両物理量推定装置。
  3. 前記姿勢角推定手段によって推定された姿勢角の推定値、前記車両運動の３軸加速度及び３軸角速度、前記前後車体速度推定手段によって推定された前後車体速度の推定値、及び操舵角に基づいて、車両物理量としての車両前後方向の新たな車体速度、及び車両横方向の車体速度を推定する車体速度推定手段を更に含む請求項１または請求項２記載の車両物理量推定装置。
  4. 前記前後加速度状態量の偏差は、前後車体速度の推定値の微分値から前記前後加速度を減算した値であり、前記横加速度状態量の偏差は、前記ヨー角速度値と前後車体速度の推定値との積から前記横加速度を減算した値である請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の車両物理量推定装置。
  5. 前記車体速度推定手段は、車両前後方向の新たな車体速度の推定値、及び車両横方向の車体速度の推定値を用いてスリップ角及びスリップ速度の少なくとも一方を車両物理量として推定する請求項３または請求項４記載の車両物理量推定装置。
  6. コンピュータを、
    各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、
    車両運動の前後加速度、横加速度、及び上下加速度の３軸加速度、並びに車両運動のロール角速度、ピッチ角速度、及びヨー角速度の３軸角速度の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前後・横加速度状態量偏差演算手段と、
    前後加速度状態量の偏差を表す信号及び横加速度状態量の偏差を表す信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、
    前記センサ信号、ローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表す信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量の偏差を表す信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、
    して機能させるためのプロブラム。
  7. 前記姿勢角推定手段によって推定された姿勢角の推定値、前記車両運動の３軸加速度及び３軸角速度、前記前後車体速度推定手段によって推定された前後車体速度の推定値、及び操舵角に基づいて、車両物理量としての車両前後方向の新たな車体速度、及び車両横方向の車体速度を推定する車体速度推定手段を更に含む請求項６記載のプログラム。
  8. 各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、
    車両運動の挙動量の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる横加速度状態量の偏差を演算する横加速度偏差演算手段と、
    横加速度状態量の偏差を表わす信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、
    前記センサ信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量の偏差を表わす信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、
    を含む車両物理量推定装置。
  9. 車両運動の挙動量の検出値は、横加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値であり、前記横加速度状態量の偏差は、前記ヨー角速度値の検出値と前後車体速度の推定値との積から前記横加速度の検出値を減算した値であり、前記姿勢角推定手段で推定する姿勢角はロール角である請求項８記載の車両物理量推定装置。
  10. 各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、
    車両運動の挙動量の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前後・横加速度偏差演算手段と、
    前後加速度状態量の偏差を表わす信号及び横加速度状態量の偏差を表わす信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、
    前記センサ信号、ローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表わす信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量を表わす信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、
    を含む車両物理量推定装置。
  11. 車両運動の挙動量の検出値は、前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値であり、前記前後加速度状態量の偏差は、前後車体速度の推定値の微分値から前記前後加速度を減算した値であり、前記横加速度状態量の偏差は、前記ヨー角速度値と前記前後車体速度の推定値との積から前記横加速度を減算した値である請求項１０記載の車両物理量推定装置。
  12. 車両運動の挙動量の検出値は、前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、ピッチ角速度、及びヨー角速度の各検出値であり、前記前後加速度状態量の偏差は、前後車体速度の推定値の微分値から前記前後加速度を減算した値であり、前記横加速度状態量の偏差は、前記ヨー角速度値と前記前後車体速度の推定値との積から前記横加速度を減算した値である請求項１０記載の車両物理量推定装置。
  13. 前記姿勢角推定手段によって推定された姿勢角の推定値、前記車両運動の挙動量の検出値、前記前後車体速度推定手段によって推定された前後車体速度の推定値、及び操舵角に基づいて、車両物理量としての車両前後方向の新たな車体速度、及び車両横方向の車体速度を推定する車体速度推定手段を更に含む請求項８〜請求項１２のいずれいか１項記載の車両物理量推定装置。
  14. 前記車体速度推定手段は、車両前後方向の新たな車体速度の推定値、及び車両横方向の車体速度の推定値を用いてスリップ角及びスリップ速度の少なくとも一方を車両物理量として推定する請求項１３記載の車両物理量推定装置。
  15. コンピュータを、
    各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、
    車両運動の挙動量の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる横加速度状態量の偏差を演算する横加速度偏差演算手段と、
    横加速度状態量の偏差を表わす信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、
    前記センサ信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量の偏差を表わす信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、
    して機能させるためのプロブラム。
  16. コンピュータを、
    各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後車体速度推定手段と、
    車両運動の挙動量の検出値に応じたセンサ信号、及び前記前後車体速度の推定値に基づいて、車両の姿勢角に応じて生じる前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算する前後・横加速度偏差演算手段と、
    前後加速度状態量の偏差を表わす信号及び横加速度状態量の偏差を表わす信号から着目すべき運動に対応する信号のみを通過させる処理を行うローパスフィルタと、
    前記センサ信号、ローパスフィルタ処理後の前後加速度状態量の偏差を表わす信号、及びローパスフィルタ処理後の横加速度状態量を表わす信号に基づいて車両物理量としての前記姿勢角を推定する姿勢角推定手段と、
    して機能させるためのプロブラム。
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