JP2008241462A

JP2008241462A - 車輪半径推定装置

Info

Publication number: JP2008241462A
Application number: JP2007082578A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Miyake; 隆文三宅; Koki Hayashi; 弘毅林
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】乗員や積載物等の重量等により変化する車輪半径を推定する。
【解決手段】倒立振り子の姿勢制御を利用した車両を対象とする。本実施形態では、車輪の角速度を検出する車輪角速度センサと、車両の旋回方向の動きを検出するヨーレイトセンサを配置し、両センサの検出値を、数式１に代入することで、タイヤ半径ｒを算出（推定）する。Ｙ＝（ω_R−ω_L）ｒ／Ｗ…（数式１）
【選択図】図４

Description

本発明は、車輪半径推定装置に係り、例えば、デッドレコニング走行を行う場合の車輪半径の推定に関する。

自動車や移動ロボットなどの車輪を備えた移動体において、車輪の回転距離から、位置や速度を推定するデッドレコニング走行が行われている。
例えば、特許文献１では、デッドレコニング走行により目標位置に向かって走行する無人搬送車が提案されている。
特開２００２−７３１７１

このようなデッドレコニング走行では、車輪の回転距離を求める際に、車輪半径の値を使用するが、この車輪半径は、設計上の値や予め計測した値などの固有値が使用されている。
しかし、車輪半径は、搭乗物による車両重量の変動、タイヤの空気圧の変動、タイヤの摩耗による変動等の各種影響によって変化する。
このため、固定値の車輪半径を使用した場合には、車輪の回転距離が正確に算出できず、移動距離、車両位置や車速Ｖを正確に推定することができなくなる。

そこで本発明は、乗員や積載物等の重量等により変化する車輪半径を推定することを目的とする。

（１）前記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、車両のヨー角速度を検出するヨー角速度検出手段と、一軸上に並列に配置された２つの車輪におけるそれぞれの車輪角速度を検出する車輪角速度検出手段と、前記検出したヨー角速度と両車輪角速度とから前記車輪の車輪半径を算出する半径算出手段と、を具備したことを特徴とする車輪半径推定装置を提供する。
（２）請求項２記載の発明では、前記半径算出手段は、前記検出したヨー角速度が所定の閾値以上の場合に前記車輪半径を算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の車輪半径推定装置を提供する。
（３）請求項３記載の発明では、車速を検出する車速検出手段を備え、前記半径算出手段は、前記検出した車速が、前記検出したヨー角速度に対応する限界車速以下の場合に前記車輪半径を算出する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車輪半径推定装置を提供する。
（４）請求項４記載の発明では、前記車輪がスリップしないで走行する限界車速を前記ヨー角速度に対応して規定した限界車速マップを備え、前記半径算出手段は、前記検出したヨー角速度に対応する限界車速を前記限界車速マップにより決定する、ことを特徴とする請求項３に記載の車輪半径推定装置を提供する。
（５）請求項５記載の発明では、前記車両は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１の請求項に記載の車輪半径推定装置を提供する。

本発明では、検出したヨー角速度と両車輪角速度とから車輪の車輪半径を算出するので、重量変化等により変化した車輪半径であっても推定することができ、これによりデッドレコニング走行において正確な移動距離や車速を計測することができる。

以下、本発明の車両における好適な実施の形態について、図１から図４を参照して詳細に説明する。
（１）実施形態の概要
本実施形態では、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両を対象とする。
例えば横二輪の、倒立制御を行なう差動操舵車両の場合、車体の旋回方向角速度（ヨー角速度）Ｙは、車輪の車輪角速度ω_R、ω_L、車輪半径ｒ、トレッド（車輪間距離）Ｗから、次の数式１により求まる。
本実施形態では、車輪の角速度を検出する車輪角速度センサと、車両の旋回方向の動きを検出するヨーレイトセンサを配置し、両センサの検出値を、数式１に代入することで、タイヤ半径ｒを算出（推定）する。

（数式１）
Ｙ＝（ω_R−ω_L）ｒ／Ｗ

車輪半径を算出する場合、車両が直進している場合にはヨー角速度がほとんど発生せず、正確な車輪半径ｒを算出できないので、所定閾値Ｔ_Y以上のヨー角速度Ｙが検出された場合に車両半径ｒの算出を行う。
また、速度とヨー角速度の関係次第では、タイヤのすべり量が大きくなることがある。そこで、旋回時に車輪のグリップ限界を超えたスリップ旋回時には、車輪半径ｒの算出（推定）結果が不正確であるため、ヨー角速度に対する車両速度の上限値（スリップが発生しない限界車速Ｔ_V）以下の車速である場に車輪半径ｒを算出する。

本実施形態により、車輪半径を逐次正確に把握することができ、そのときの車両の移動距離や速度を正確に求めることができる。
特に、車両重量やタイヤ空気圧が設計値から変動していても、実際の車輪半径を算出（推定）することができる。

（２）実施形態の詳細
図１は、本実施形態における車輪半径推定装置が適用される車両の外観構成を例示したものである。本実施形態では、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両を例に説明する。
図１に示されるように、車両は、同軸上に配置された２つの車輪１１Ｒ、１１Ｌを備えている。
両車輪１１Ｒ、１１Ｌは、それぞれ駆動モータ１２で駆動されるようになっている。

車輪１１Ｒ、１１Ｌ（両車輪１１Ｒと１１Ｌを指す場合には車輪１１という。以下他の構成も同じ）及び駆動モータ１２の上部には、重量体である荷物や乗員等が搭乗する搭乗する搭乗部１３（シート）が配置されている。
搭乗部１３は、運転者が座る座面部１３１、背もたれ部１３２、及びヘッドレスト１３３で構成されている。
搭乗部１３は、駆動モータ１２が収納されている駆動モータ筐体１２１に固定された支持部材１４により支持されている。

搭乗部１３の左脇には入力装置３０が配置されている。この入力装置３０は、運転者の操作により、車両の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の指示を行う為のものである。
本実施形態における入力装置３０は、座面部１３１に固定されているが、有線又は無線で接続されたリモコンにより構成するようにしてもよい。また、肘掛けを設けその上部に入力装置３０を配置するようにしてもよい。

また、本実施形態の車両には、入力装置３０が配置されているが、予め決められた走行指令データに従って自動走行する車両の場合には、入力装置３０に代えて走行指令データ取得部が配設される。走行指令データ取得部は、例えば、半導体メモリ等の各種記憶媒体から走行指令データを読み取る読み取り手段で構成し、または／及び、無線通信により外部から走行指令データを取得する通信制御手段で構成するようにしてもよい。

なお、図１において、搭乗部１３には人が搭乗している場合について表示しているが、必ずしも人が運転する車両には限定されず、荷物だけを乗せて外部からのリモコン操作等により走行や停止をさせる場合、荷物だけを乗せて走行指令データに従って走行や停止をさせる場合、更には何も搭乗していない状態で走行や停止をする場合であってもよい。

本実施形態において、入力装置３０の操作により出力される操作信号によって加減速等の制御が行われるが、例えば、運転者が車両に対する前傾きモーメントや前後方向の傾斜角を変更することで、その傾斜角に応じた車両の姿勢制御及び走行制御を行うようにしてもよい。また、両方式を切り替え可能にしてもよい。
搭乗部１３と車輪１１との間には、図示しないが後述するバランサ（重量体）１３４が配置されている。このバランサ１３４は、バランサ駆動アクチュエータ６２によって前後方向（車体直立時に車軸と水平面上で直交する方向）に移動可能に構成されている。

搭乗部１３と車輪１１との間には制御ユニット１６が配置されている。
本実施形態において制御ユニット１６は、搭乗部１３の座面部１３１の下面に取り付けられているが、支持部材１４に取り付けるようにしてもよい。

図２は、制御ユニット１６の構成を表したものである。
制御ユニット１６は、制御ＥＣＵ（電子制御装置）２０、加減速指令装置３１、車体傾斜角センサ４１、ヨーレイトセンサ４２、車輪回転角度計５１、車輪アクチュエータ５２、バランサの位置センサとして機能するバランサ駆動モータ回転角度計（位置センサ）６１、バランサ駆動アクチュエータ６２、車速センサ７０、その他の装置を備えている。

制御ユニット１６は、その他の装置としてバッテリを備えている。バッテリは、駆動モータ１２、駆動アクチュエータ５２、バランサ駆動アクチュエータ６２、制御ＥＣＵ２０等に駆動用及び制御用の電力を供給するようになっている。

制御ＥＣＵ２０は、主制御ＥＣＵ２１、制御ＥＣＵ２２、及びバランサ制御ＥＣＵ２３を備えており、車輪制御、車体制御、バランサ制御等により、車両の走行、姿勢制御等の各種制御を行うようになっている。
制御ＥＣＵ２０は、本実施形態における車輪１１の半径ｒを算出する半径算出処理プログラム等の各種プログラムやデータが格納されたＲＯＭ、作業領域として使用されるＲＡＭ、外部記憶装置、インターフェイス部等を備えたコンピュータシステムで構成されている。

主制御ＥＣＵ２１には、加減速指令装置３１、車輪回転角度計５１、車体傾斜角センサ４１、ヨーレイトセンサ４２、バランサ駆動モータ回転角度計６１、車速センサ７０が接続されている。

主制御ＥＣＵ２１には、入力装置３０として加減速指令装置３１が接続されている。
加減速指令装置３１は、搭乗者による入力装置３０の操作に基づく加減速指令を主制御ＥＣＵ２１に供給する。
入力装置３０は、ジョイスティックを備えている。ジョイスティックは直立した状態をニュートラル位置とし、前後方向に傾斜させることで加減速を指示し、左右に傾斜させることで左右方向の旋回を指示するようになっている。傾斜角度に応じて、要求加減速度、旋回曲率が大きくなる。

主制御ＥＣＵ２１は、車体傾斜角センサ４１と共に車体制御システム４０として機能し、倒立車両の姿勢制御として、車体傾斜状態に基づき、車輪の反トルクで車体の姿勢制御を行う。
なお、本実施形態では、車体傾斜角センサ４１とヨーレイトセンサ４２を備えるが、例えば、３次元ジャイロセンサを配置し、その出力信号から車体傾斜角、ヨーレイト、車速等を取得するようにしてもよい。

主制御ＥＣＵ２１は、車輪制御ＥＣＵ２２、車輪回転角度計５１、車輪アクチュエータ５２と共に車輪制御システム５０として機能する。
車輪回転角度計５１は、車輪１１の回転角を主制御ＥＣＵ２１に供給し、主制御ＥＣＵ２１は、車輪制御ＥＣＵ２２に駆動トルク指令値を供給し、車輪制御ＥＣＵ２２は車輪アクチュエータ５２に駆動指令値としての駆動電圧を供給する。
車輪動アクチュエータ５２は、指令値に従って、両車輪１１Ｒ、１１Ｌを各々独立して駆動制御するようになっている。

主制御ＥＣＵ２１は、バランサ制御ＥＣＵ２３、バランサ駆動モータ回転角度計６１、バランサ駆動アクチュエータ６２と共にバランサ制御システム６０として機能するようになっている。
バランサ駆動モータ回転角度計６１は、バランサ位置に対応したモータ回転角を主制御ＥＣＵ２１に供給し、主制御ＥＣＵ２１は、駆動推力指令値をバランサ制御ＥＣＵ２３に供給し、バランサ制御ＥＣＵ２３は、駆動推力指令値として駆動電圧をバランサ駆動アクチュエータ６２に供給する。

主制御ＥＣＵ２１は、半径算出手段として機能する。
主制御ＥＣＵ２１は、車輪回転角度計５１から供給される車輪回転角θ_R、θ_Lを時間微分することで車輪１１Ｒ、１１Ｌの車輪角速度ω_R、ω_Lを取得し、ヨーレイトセンサ４２から車体のヨー角速度Ｙを取得し、車速センサ７０から車速Ｖを取得する。
そして、本実施形態の主制御ＥＣＵ２１は、ＲＯＭ等の記憶手段に、車輪１１Ｒと車輪１１Ｌの中心間の距離（トレッド）Ｗの値（図１参照）、ヨー角速度の閾値Ｔ_Y、ヨー角速度Ｙから限界車速Ｔ_Vを決定する限界車速マップ等がデータとして記憶され、又は本実施形態の車輪半径算出処理プログラムにおいて規定されている。

図３は、車輪半径ｒの算出を行う、ヨー角速度Ｙと車速Ｖの範囲について表したものである。
この図に示されるように、主制御ＥＣＵ２１は、斜線で示すヨー角速度Ｙと車速Ｖの範囲において、車輪半径ｒを算出する。
主制御ＥＣＵ２１は、所定閾値Ｔ_Y以上のヨー角速度Ｙに対して車輪半径ｒを算出する。すなわち、検出したヨー角速度Ｙが所定閾値Ｔ_Y未満である場合には、上記数式１を満たす安定的な旋回状態には至っていないので、車輪半径ｒの算出は行わない。

また、所定のヨー角速度Ｙに対応して、車輪１１がグリップできる限界車速Ｔ_V以下の範囲で車輪半径ｒを算出する。
すなわち、検出されたヨー角速度Ｙが閾値Ｔ_Y以上であっても、車輪１１がグリップする限界以上の車両速度で旋回している場合は、車輪１１がスリップしながら旋回する。このような場合、ヨーレイトセンサ４２から検出されるヨー角速度Ｙと、車輪１１の回転から求められるヨー角速度（数式１の右辺）とが一致しない。このため、スリップしながら旋回しているような状態から車輪半径ｒを算出しても、不正確な値となるため、このような状態では、車輪半径ｒの算出を行わない。
ヨー角速度Ｙに対する車両速度の上限値をマップとして保持し、速度が上限値以下の場合のみ車輪半径ｒの算出を行う。

以上のように構成された車両（車輪半径推定装置）による、車輪半径算出処理について次に説明する。
図４は、本実施形態における車輪半径算出処理の内容を表したフローチャートである。
主制御ＥＣＵ２１は、車両ヨー角速度Ｙをヨーレイトセンサ４２で計測する（ステップ１０）。
そして主制御ＥＣＵ２１は、車輪角速度ω_R、ω_Lを車輪角速度センサで計測する（ステップ１１）。すなわち、車輪回転角度計５１から供給される両車輪１１Ｒ、１１Ｌの車輪回転角θ_R、θ_L、を時間微分することで車輪角速度ω_R、ω_Lを取得する。

そして、主制御ＥＣＵ２１は、計測した車両ヨー角速度Ｙの値が閾値Ｔ_Y以上か否かを判断する（ステップ１２）。
車両ヨー角速度Ｙが閾値Ｔ_Y未満である場合（ステップ１２；Ｎ）、主制御ＥＣＵ２１は、車両は直進に近い状態であり旋回状態になく数式１が成立する状態にないと判断し、車輪半径ｒの算出を行わずにステップ１０に戻る。
これにより、外乱（乗員のゆれなど）によってヨーレイトセンサ４２が検出するヨー角速度Ｙに基づいて車輪半径ｒが算出されることを回避できる。

一方、車両ヨー角速度Ｙが閾値Ｔ_Y以上である場合（ステップ１２；Ｙ）、主制御ＥＣＵ２１は、スリップ状態の可能性について判断するため、検出したヨー角速度Ｙに対応する限界車速Ｔ_Vを限界車速マップに従って算出する（ステップ１３）。

そして車速センサ７０から供給される車両速度Ｖが、算出した限界車速（上限値）Ｔ_V以下か否かを判断する（ステップ１４）。
車速Ｖが限界車速Ｔ_Vを超えている場合（ステップ１４；Ｎ）、主制御ＥＣＵ２１は、車輪はスリップ状態の可能性があり正確な車輪半径を算出できないと判断して、ステップ１０に戻る。
一方、車速Ｖが限界車速Ｔ_V以下である場合（ステップ１４；Ｙ）、主制御ＥＣＵ２１は、数式１に従って、計測したヨー角速度Ｙ、計測した車輪角速度ω_R、ω_L、及びＲＯＭに格納されているトレッドＷを使用して、車輪半径ｒを算出（推定）し（ステップ１５）、処理を終了する。
算出（推定）した車輪半径ｒは、例えば、デッドレコニング走行における走行距離の算出や、タイヤ（車輪）の空気圧状態の検出等に使用される。

以上、本発明の車輪半径推定装置における１実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種変形をすることが可能である。
以上説明した実施形態では、計測したヨー角速度Ｙが所定閾値Ｔ_Yを超え、かつ、車速Ｖが限界車速Ｔ_V以下の場合に、車輪半径ｒを算出する場合について説明したが、いずれか一方を満たした場合に車輪半径ｒを算出するようにしてもよい。
また、計測したヨー角速度Ｙについて、ある時点において過去の一定時間に計測されたヨー角速度Ｙの平均値が閾値Ｔ_Yを超えた場合に車輪半径ｒを算出するようにしてもよい。

車速センサ７０を備えたが、他の装置で代用するようにしてもよい。例えば、ヨーレイトセンサ４２をジャイロセンサで構成し、このジャイロセンサで加速度を検出して積分することで車速Ｖを得るようにしてもよい。
また、車輪回転角度計５１から車輪各速度ω_R、ω_Lから車速Ｖを算出してもよい。この場合の車速Ｖは車輪角速度ω_R、ω_Lと車輪半径から算出することになるが、この場合の車輪半径は固定値を使用し、又は最初だけ固定値（設計値）を使用して車輪半径を算出し２回目移行は前回算出した車輪半径ｒを使用する。
車輪半径として固定値を使用した場合、車輪精度が落ちるが、車速Ｖに対する限界車速Ｔ_Vを、想定される車輪半径の変動範囲に対応させて低めに設定しておくか、又は、固定値を設計値よりよりも想定範囲で大きな値を使用するようにしてもよい。

説明した実施形態及び変形例による車輪半径ｒの算出は、車両の走行中、特に旋回中において車輪半径ｒを算出するが、車輪半径ｒ
の算出については、所定時間間隔で常時算出するようにしてもよく、走行開始の際に１度算出するようにしてもよい。

本実施形態における車輪半径推定装置が適用される車両の外観構成図である。制御ユニットの構成を表したものである。車輪半径ｒの算出を行う、ヨー角速度Ｙと車速Ｖの範囲を示したマップである。車輪半径算出処理の内容を表したフローチャートである。

符号の説明

１１車輪
１２駆動モータ
１３搭乗部
１６制御ユニット
２０制御ＥＣＵ
２１主制御ＥＣＵ
３１加減速指令装置
４１車体傾斜角センサ
４２ヨーレイトセンサ
５１車輪回転角度計
５２車輪アクチュエータ
６１バランサ駆動モータ回転角度計
６２バランサ駆動アクチュエータ
７０車速センサ

Claims

車両のヨー角速度を検出するヨー角速度検出手段と、
一軸上に並列に配置された２つの車輪におけるそれぞれの車輪角速度を検出する車輪角速度検出手段と、
前記検出したヨー角速度と両車輪角速度とから前記車輪の車輪半径を算出する半径算出手段と、
を具備したことを特徴とする車輪半径推定装置。
前記半径算出手段は、前記検出したヨー角速度が所定の閾値以上の場合に前記車輪半径を算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の車輪半径推定装置。
車速を検出する車速検出手段を備え、
前記半径算出手段は、前記検出した車速が、前記検出したヨー角速度に対応する限界車速以下の場合に前記車輪半径を算出する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車輪半径推定装置。
前記車輪がスリップしないで走行する限界車速を前記ヨー角速度に対応して規定した限界車速マップを備え、
前記半径算出手段は、前記検出したヨー角速度に対応する限界車速を前記限界車速マップにより決定する、
ことを特徴とする請求項３に記載の車輪半径推定装置。
前記車両は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１の請求項に記載の車輪半径推定装置。