JP2008024233A - 車両横すべり角演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パラメータ数の少ない簡素で精度の高い旋回運動モデルによって横すべり角を演算できる横すべり角演算装置を提供する。
【解決手段】車両の質量，重心−前輪車軸間距離，重心−後輪車軸間距離，後輪コーナリングパワーをパラメータとして有する車両旋回運動モデルのヨーレートγに対する横すべり角βの伝達関数を横すべり角の演算に用いることで，前記伝達関数に実ヨーレートを入力することにより，横すべり角を推定する。該伝達関数には前輪コーナリングパワーが含まれないため，前輪コーナリングパワーと後輪コーナリングパワーをパラメータに含む従来のモデルに対して，同定すべきパラメータを削減し、さらに該伝達関数にヨーレート目標値を入力し，横すべり角目標値を演算することで，線形域における推定値と目標値の一致性を確保しながら，更に横すべり角目標値の演算についての特別なチューニング工程を不要することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は，ヨーレート，横加速度などの車両の状態変化を表す物理量に基づいて横すべり角を演算する車両横すべり角演算装置に関するものである。

従来から，例えば特許文献１に示されているように，舵角を入力するとともに横すべり角及びヨーレートを状態変数とする車両の旋回運動モデルを含み，ヨーレートを参照入力とするオブザーバを想定し，車両の前後速度，舵角，ヨーレート及び横加速度を検出し，オブザーバの状態方程式に基づいて横すべり角を推定するもの，また，横すべり角を推定する際，車両の運動状態に応じて前輪，後輪のコーナリングパワーを補正することにより，その精度向上を図るものは知られている。

特許第２８８５１２５号公報

上記の従来技術におけるオブザーバを有する横すべり角演算方法においては，推定の精度と応答性，推定演算の安定性を確保するために，適切なオブザーバのゲインを設定する必要があるが，そのために，ソフトウェア設計が複雑になる場合がある。さらに，旋回運動モデルは車速に応じて状態方程式の係数が変化し，それに応じて前記旋回運動モデルの特性方程式の根も変化することが知られている。それゆえ，演算精度の安定性を向上させるためには，上記の従来技術のオブザーバのゲインを車速に応じて変化させる必要があり，ソフトウェア設計が複雑になる場合がある。

また，上記の従来技術のように舵角を入力とする運動状態量推定方法では，旋回運動モデルのパラメータに，前輪コーナリングパワーと後輪コーナリングパワーという２つのパラメータを含んでいるので，これら２つのコーナリングパワーを車種に応じて設定する必要があり，ソフトウェア設計が複雑になる場合がある。

本発明は，上記の従来技術とその問題点を背景として，設計すべきパラメータを低減することができ，かつオブザーバを必要とすることのない，簡素で精度の高い横すべり角演算装置を提供することを課題とした。

上記の目的は，請求項１の記載によれば，車両の質量，重心−前輪車軸間距離，重心−後輪車軸間距離，後輪コーナリングパワーをパラメータとして有する車両旋回運動モデルから導かれ，ヨーレートを入力変数，横すべり角を出力変数とする伝達関数を備え，該伝達関数に対して，検出された実ヨーレートの値を入力変数として与えることにより，車両に生ずる横すべり角を推定することにより達成される。

これにより，車両旋回運動モデルから前輪コーナリングパワーを省略でき，オブザーバも不要となるので，簡素な横すべり角演算装置を提供することができる。

また，上記の目的は，請求項２の記載によれば，前記車両旋回運動モデルが車速に応じて変化する可変パラメータを有し，モデル同定走行試験によって予め計測した実ヨーレートと横すべり角のデータに基づいて該可変パラメータが設計され，走行中の横すべり角を推定する場合に，走行中の車速に応じて該可変パラメータを変更することにより達成される。

これにより，車速毎の走行試験に沿ったモデルパラメータを適用できるので，簡素で精度の高い横すべり角演算装置を提供することができる。

また，上記の目的は，請求項３の記載によれば，検出される実横加速度とは無関係に設定される線形後輪コーナリングパワーと，検出される実横加速度に応じて変化する非線形後輪コーナリングパワーとをモデルパラメータとして有し，上記２つの後輪コーナリングパワーのうち小さい後輪コーナリングパワーを旋回運動モデルのパラメータとして用いることにより，車両に生ずる横すべり角を推定することにより達成される。

これにより，横すべり角が大きいときに生じる後輪コーナリングパワーの減少をモデルに反映することができるので，簡素で精度の高い横すべり角演算装置を提供することができる。

また，上記の目的は，請求項４の記載によれば，前記伝達関数に車両挙動安定化のためのヨーレート目標値を入力することにより，横すべり角目標値を演算すると共に，該横すべり角目標値と前記横すべり角推定値との偏差によって車両挙動の不安定度合いを検出することにより達成される。

これにより，同じ伝達関数にヨーレート目標値と検出値を入力することで，横すべり角目標値と推定値を演算できるので，目標値と推定値との間に不適切なモデル誤差が混入することを防ぐことができ，より精度の高い横すべり角演算装置を提供することができる。

上記した本発明の解決手段によって，パラメータ数の少ない簡素で精度の高い旋回運動モデルによって横すべり角を演算できる横すべり角演算装置を提供することができる。

（基本的な理論式）
まず、本発明の実施例に用いた基本的な理論について説明する。車両の旋回運動において，前輪舵角をδとし，車両の横すべり角をβとし，ヨーレートをγとすると，これらの変数δ,β,γは次に示す数１〜数４の式の関係にあることは当業者に広く知られている。

なお，上記の数１〜４の式において，ｍは車体質量，Ｉ_z は車体ヨーイング慣性モーメント，Ｌ_fは重心−前輪車軸間距離，Ｌ_rは重心−後輪車軸間距離，Ｋ_ｆは左右合計の前輪コーナリングパワー，Ｋ_ｒは左右合計の後輪コーナリングパワーである。また，Ｆ_fは左右合計の前輪コーナリングフォース，Ｆ_rは左右合計の後輪コーナリングフォースであり，Ｖは車体速度である。上記の数１〜４から前輪コーナリングフォースＦ_f，後輪コーナリングフォースＦ_rを消去すると，前輪舵角δに対する，横すべり角β及びヨーレートγの運動方程式は，次に示す数５，数６の式となる。

横すべり角β，ヨーレートγ及び前輪舵角δのラプラス変換をそれぞれβ(s)，γ(s)，δ(s)とし，数５，数６の式をラプラス変換すると，横すべり角β，ヨーレートγの伝達関数は，それぞれ次に示す数７，数８の式となる。

ここでω_nは固有振動数，ζは減衰率である。また，Ａはスタビリティファクタであって，次に示す数９の式のとおりである。

上記の従来技術のオブザーバを有する横すべり角演算方法では，数７，数８の式に示すような舵角に対するヨーレート，横すべり角の関係を用いて，横すべり角の推定および横すべり角目標値の演算を行っている。

本発明では数７の式を数８の式で除算することにより，ヨーレートγに対する横すべり角βの伝達関数である次に示す数１０の式を導出する。

ただし，数１０のＶ_β ²は次に示す数１１のとおりである。

また，数１０においてG_γ ^β(0)は直流ゲイン，Ｔ_β, Ｔ_γは時定数であり，それぞれ次に示す数１２〜１４のとおりである。

数１０〜１４に示すように，線形モデルのヨーレートγに対する横すべり角βの伝達関数を導出したことで，数１０に示す伝達関数に実ヨーレートを入力することにより，横すべり角を推定することができる。また，数１０に示す伝達関数にヨーレート目標値を入力することにより，横すべり角目標値を算出することができる。ここで，時間遅れを無視し，時定数Ｔ_β＝０，Ｔ_γ＝０とすれば，ヨーレートγに対する横すべり角βは，直流ゲインＧ_γ ^β(0)のみから推定できる。この時，車両の旋回モデルを構成する最低限必要なパラメータは，車体質量ｍ，重心−前輪車軸間距離Ｌ_f，重心−後輪車軸間距離Ｌ_r，左右合計の後輪コーナリングパワーＫ_ｒである。ここで，数１０に示す伝達関数には前輪コーナリングパワーＫ_fが含まれない。したがって，前輪コーナリングパワーＫ_fと後輪コーナリングパワーＫ_rをパラメータに含む従来のモデル（例えば特許文献１の図４）に対して，同定すべきパラメータを削減することができる。

（具体的実施例）
数１０に示したヨーレートγによる横すべり角βの推定を利用した本願発明の具体的実施例の制御ロジック構成とチューニング方法について，以下に示す。

図１は数１０に示したヨーレートγによる横すべり角βの推定を利用した制御ロジック構成図である。後輪コーナリングパワー推定部１では，車速Ｖ，車体の実ヨーレートγ，車体の実横加速度a_y，横すべり角βに基づいて後輪コーナリングパワーＫ_rの推定を行う。横すべり角推定値演算部２では，数１０に示す伝達関数に実ヨーレートγを入力することにより，横すべり角推定値β^*を演算する。

横すべり角目標値演算部３では，数１０に示す伝達関数に車両挙動安定化のためのヨーレート目標値γ_cを入力することにより，目標横すべり角β_cの演算を行う。ここでヨーレート目標値γ_cとしては，例えば前輪舵角δに基づいて作成された値であっても，カメラやレーダ等により得られる外界情報に基づいて作成された値であってもよく，本発明ではヨーレート目標値γ_cの作成方法は限定されない。

図１に示す構成では，横すべり角推定値β^*を演算するにあたり，舵角情報を必要とせず，また，オブザーバのような帰還信号も用いない構成となっている。帰還信号が不要となるため，オブザーバゲインのチューニング工程を省くことができる。

また，横すべり角目標値演算部３での横すべり角目標値β_cの演算においても，横すべり角推定値演算部２で用いた伝達関数と同一のものを使用する。これにより線形域における推定値と目標値の一致性が高く，センサノイズなどの外乱に対するロバスト性向上が期待できる。さらに、横すべり角目標値β_cの演算についての特別なチューニング工程が不要となる。

後輪コーナリングパワーＫ_rの推定方法について，以下に示す。
タイヤは線形域では横すべり角に比例してコーナリングフォースが増加するが，非線形域では比例値よりも少ないコーナリングフォースしか発生できなくなることが知られている。そのため，線形域のコーナリングパワーは固定値だが，非線形域では横すべり角が増大するにつれて減少することになる。非線形域における横すべり角推定の精度を確保するためには，このコーナリングパワーの非線形性を考慮する必要がある。

後輪コーナリングパワーＫ_rの推定方法を説明する。
線形域で通常使用する後輪コーナリングパワーとして線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_i}を設定する。また，コーナリングパワーの非線形性を反映するための変数として，非線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_n}を算出する。

前記の線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_i}の作成方法について，以下に示す。
車速Ｖを固定した走行試験により，実ヨーレートγ，実横加速度a_y，実横すべり角β_actを取得する。ここで車速Ｖの検出手段として，車輪速度から推定することで車速を検出する手段であっても，外界センサ等を用いて絶対車速を測定する手段であってもよく，本発明では車速Ｖの検出手段に特に限定されるものではない。また，実ヨーレートγとしては，ヨーレートセンサによる手段であっても，外界センサ等を用いてヨーレートを測定する手段であってもよく，本発明では実ヨーレートγの検出手段は特に限定されるものではない。また，実横加速度a_yの検出手段として加速度センサによる手段であっても，外界センサ等を用いて絶対速度の時間変化を測定する手段であってもよく，本発明では実横加速度a_yの検出手段は特に限定されるものではない。また，前記実横すべり角β_actの検出手段としては，次の数１５に示す横すべり角速度β´を時間積分する手段であっても，外界センサ等を用いて実横すべり角を測定する手段であってもよく，その検出手段は特定されない。

走行試験により得られた前記実ヨーレートγと前記実横すべり角β_actから，数１０の伝達関数の直流ゲインＧ_γ ^β(0)を，車速毎に算出する。数１２より，前記線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_i}は次の数１６のように表すことができ，前記線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_i}以外のモデルパラメータに設計値を適用し，前記直流ゲインＧ_γ ^β(0)を決定することで，前記線形域後輪コーナリングパワーＫ_{r_i} を車速毎に同定することが可能となる。

車速毎に同定された前記線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_i}を基に，図２に示すような車速Ｖを入力とした前記線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_i}のテーブルを作成する。図２では，プロット“○”が車速毎の同定結果であり，実線は前記プロットを基に補間したテーブル関数である。これにより，車速毎の走行試験に沿ったモデルパラメータを適用できるので，簡単な設計手法によって，精度の高い横すべり角を推定できる。

次に前記の非線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_n}の演算方法について，以下に示す。
前記の実横加速度a_yと前輪コーナリングフォースＦ_fおよび後輪コーナリングフォースＦ_rには，次に示す数１７の関係式が成り立つ。

数１〜４と数１７から，前記の非線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_n}は，次に示す数１８の式で表される。

ここで入力される横すべり角βとしては，前記横すべり角推定値β^*に基づいて作成された横すべり角であればよく，図１に示すように，横すべり角推定値演算部２により得られた横すべり角推定値β^*の前回値β^**を用いても，前記横すべり角推定値β^*に時間変化補正を行った値であってもよい。数１８に示すように，実横加速度ａ_yを用いて非線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_n}を推定することにより，横すべり角βが過大となって減少する後輪コーナリングパワーＫ_rを精度よく求めることができる。

線形域において上記の非線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_n}が，前記の線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_i}よりも大きめになるようにチューニングしておく。前記の非線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_n}を大きめにチューニングする方法としては，例えば前記の非線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_n}に補正ゲインを乗ずるような方法があげられるが，本発明ではこのチューニング方法は特に限定されるものではない。

後輪コーナリングパワーＫ_rは，図３に示すように，前記の線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_i}と，前記の非線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_n}のうち，小さい方を選択する。これにより，線形域では前記の線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_i}が，非線形域では前記の非線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_n}が採用される。

前記の横すべり角推定値演算部２では，上記の方法で得られた後輪コーナリングパワーＫ_rを数１０の伝達関数に用いることにより，精度の高い横すべり角推定値β^*を得ることができる。

また，前記の横すべり角目標値演算部３では，後輪コーナリングパワーとして前記の線形後輪コーナリングパワーＫ_{r_i}を数１０の伝達関数に用い，前記の横すべり角目標値β_cの演算を行う。

上記のとおり，横すべり角推定値β^*と横すべり角目標値β_cは，同じ伝達関数により演算されている。そのため，横すべり角推定値β^*と横すべり角目標値β_cとの偏差によって車両挙動の不安定度合いを検出することにより，不適切なモデル誤差が混入することを防ぎ，より精度の高い車両挙動の不安定度合いの検出をすることができる。

また，横すべり角推定値β^*の演算に前輪舵角δを用いていないため，例えばヨーレートが小さいスロースピン時に舵角センサが故障した場合であっても，前記横すべり角推定値β^*の演算ができ，車両挙動の不安定度合いの検出をすることができる。

なお，前記の実施の形態においてはコーナリングパワーＫ_rを車速に応じて可変としたが，別のパラメータを変化させてもよい。例えば前記の重心−前輪車軸間距離Ｌ_fを変化させるようにしてもよい。

本発明の実施例を説明するための制御ロジック構成図である。 本発明の線形域での後輪コーナリングパワー同定例である。 本発明の後輪コーナリングパワーの推定方法を表す概念図である。 従来技術のオブザーバを有する横すべり角演算の構成図である。

符号の説明

１…後輪コーナリングパワー推定部，２…横すべり角推定値演算部，３…横すべり角目標値演算部，４…コーナリングパワー補正部，５…ヨーレート推定値，横すべり角推定値演算部

Claims (4)

1. 車両の質量，重心−前輪車軸間距離，重心−後輪車軸間距離，後輪コーナリングパワーをパラメータとして有する車両旋回運動モデルから導かれて，ヨーレートを入力変数，横すべり角を出力変数とする伝達関数を備え，該伝達関数に対し，検出された実ヨーレートの値を入力変数として与えることにより，車両に生ずる横すべり角を推定する車両横すべり角演算装置。
2. 請求項１の車両横すべり角演算装置において，
   前記車両旋回運動モデルが車速に応じて変化する可変パラメータを有し，モデル同定走行試験によって予め計測した実ヨーレートと横すべり角のデータに基づいて該可変パラメータが設計され，
   走行中の横すべり角を推定する場合に，走行中の車速に応じて該可変パラメータを変更することを特徴とする車両横すべり角演算装置。
3. 請求項１の車両横すべり角演算装置において，
   検出される実横加速度とは無関係に設定される線形後輪コーナリングパワーと，検出される実横加速度に応じて変化する非線形後輪コーナリングパワーとをモデルパラメータとして有し，
   上記２つの後輪コーナリングパワーのうち小さい後輪コーナリングパワーを旋回運動モデルのパラメータとして用いることにより，車両に生ずる横すべり角を推定することを特徴とする車両横すべり角演算装置。
4. 請求項１の車両横すべり角演算装置において，
   前記伝達関数に車両挙動安定化のためのヨーレート目標値を入力することにより，横すべり角目標値を演算すると共に，該横すべり角目標値と前記横すべり角推定値との偏差によって車両挙動の不安定度合いを検出する車両横すべり角演算装置。

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