JP2008254729A - 自動車のステアリング装置における周期的外乱の検出方法、及びその周期的外乱の補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車のステアリング装置における周期的外乱を、低い演算処理能力であっても安定確実に検出できるようにする。
【解決手段】自動車の車速を検出する工程と、操舵力及び/又は操舵トルクの時系列データを検出する工程と、車速に対応する判定用周波数を決定する工程と、上限及び/又は下限が判定用周波数に依存する少なくとも一つの所定周波数帯域内において、上記操舵力及び/又は操舵トルクの時系列データをフーリエ解析する工程と、少なくともフーリエ解析の結果からステアリング装置における周期的外乱を検出する工程と、を有し、フーリエ解析においては所定周波数帯域外を考慮しないことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自動車のステアリング装置における周期的外乱の検出方法に関し、特に車速を検出する工程と、操舵力及び/又は操舵トルクの時系列データ(特性)を検出する工程と、を備えたものに係る。

また、本発明は、上記の検出された周期的外乱をパワー・ステアリング装置によって補償する方法に関し、更にはその方法を実行するステアリング装置に関する。

従来より一般に、自動車において前車輪のバランスが取れていないときやブレーキ・ディスクの厚みにばらつきがあるとき等に、種々の周期的外乱がステアリング装置に発生することが知られている。このような周期的外乱がステアリング・ホイールにおいて顕著に現れると、運転者は不快に感じることになる。

ステアリング装置のパワー・アシスト量を調整することによって、そのような外乱を常時減衰させることは可能であるが、これは操舵フィーリングに悪影響を及ぼす。外乱は周期的に発生するので、これに応じて、即ち実際に外乱が起きたときにのみ、ステアリング装置に減衰を付与することが考えられる。

そのような電動パワー・ステアリング装置の制御方法は特許文献１に記載されており、ここでは、ステアリング装置における異常振動に関する情報を運転者に提供することが意図されている。具体的には、まず、車速とステアリング装置の操舵トルクとを検出し、その後、所定数の操舵トルク検出値からなる時系列データに対して高速フーリエ変換を施して、周波数スペクトルを生成する。それから所定の判定用周波数帯域(バネ下共振の周波数である15〜20Hz)のスペクトル強度を求めて、これが閾値以上であれば異常ありと判定する。
特開2004-161073号公報

ところが、前記従来例の方法では、比較的広い周波数帯域に亘って高速フーリエ変換を実行することから、演算量がかなり多くなってしまい、自動車の制御系におけるマイクロ・プロセッサ・システムに多大な負荷をかけることになる。

本発明の目的は、低い演算処理能力であっても、自動車のステアリング装置における周期的外乱を安定確実に検出できる方法を提供し、オプションとしてその周期的外乱を補償する方法を提供し、さらに、その方法を実行可能なステアリング装置を提供することにある。

上記目的は、請求項１及び請求項８に記載の方法、並びに請求項９に記載の装置によって達成され、それらに従属する請求項の主題として有益な改良が示される。

本発明によれば、ステアリング装置における所定の周期的外乱を検出するために、まず、車速に基づいて判定用周波数を決定し、この判定用周波数に関連づけて操舵力及び/又は操舵トルクの時系列データをフーリエ解析する。すなわち、その判定用周波数に上限及び/又は下限が依存する少なくとも一つの所定周波数帯域内においてのみフーリエ解析を行い、その帯域外は考慮しないことで、必要とされる演算時間や演算処理能力を軽減することができる。

具体的にはフーリエ解析において、車速によって決まる（一次の）判定用周波数及び/又は複数次（二次以上）の判定用周波数のみを考慮するようにしてもよい。例えば一次及び二次の判定用周波数のみを考慮するのであれば、０以上で且つ一次の判定用周波数未満、この一次の判定用周波数より高く且つその２倍の周波数（二次の判定用周波数）未満、及び、その２倍の周波数より高い全ての周波数、言い換えれば一次及び二次の判定用周波数を除いた全ての周波数域を考慮しないことになり、こうすれば解析のための演算量が著しく少なくなる。

本発明の方法では、比較的少ない演算量で所定の周期的外乱を検出できるので、この方法は、パワー・ステアリング装置用、特に電動パワーステアリング装置用の通常の制御ユニットによって実行され得る。

本発明の方法で検出される好ましくない外乱は、ステアリング装置における周期的な力の変動によってもたらされ、その周期は自動車の前車輪の回転速度、ひいては車速によって決まる。

周期的な外乱を検出するために、まず、例えば自動車のステアリングコラム内に一体化されたトルク・センサーによって操舵トルクを検出するか、或いは、例えばステアリング・リンクの力センサーを用いて操舵力を検出する。また、所定のセンサーを用いて車速を検出する。こうして検出された車速に基づいて、即ち前車輪の回転速度からフーリエ解析のための判定用周波数を算出することができる。

本発明の一態様として、異なる車速に対してその都度、フーリエ解析を行い、操舵力及び/又は操舵トルクの時系列データから判定用周波数(或いは判定用周波数の倍数)における振幅を求めて、この振幅の値を車速に対応づけてプロットする。それから、少なくとも一つの適応パラメータを備えたモデル曲線を、上記車速毎の振幅値のデータに適応させることによって、その適応パラメータの値を求める。

そうして求めたモデル曲線の適応パラメータの少なくとも一つに基づいて、外乱の生じる原因を推定することができ、場合によってはその外乱を抑制するための適切な対策を講じることも可能になる。

従って、例えば前車輪のアンバランスに起因する外乱の場合に、ステアリング装置のパワー・アシスト量を調整して、好ましくは周期的外乱の起きたときにのみ、それを減衰させることが可能になる。

尚、当然ながら、上述の如きモデル曲線の適応は、先行技術にも開示されているように、フーリエ解析において連続的なスペクトルが算出されるときにも実行され得る。この場合には判定用周波数又はその複数次の周波数における振幅値のみを後で使用すればよい。

また、本発明において好ましいのは、フーリエ解析において下記の式(1)、(2)の被積分関数に代えて、簡略化した下記式(3)を用いることである。尚、ωは角周波数[1/s]であり、τは微小変数であり、Ｃは車輪全周の長さの逆数[1/m]であり、ｖ(t)はその時点での車速[m/s]である。また、ｋは考慮される外乱の次数であり、Ｔ_C(τ)は、その時点で計測された操舵トルク[Nm]である。

そうして上記式(3)によって上記式(1)、(2)を大幅に簡略化し、短時間で演算することができる。この簡略化は、車速の変化が外乱によってもたらされる操舵力や操舵トルクの変化に比べて遙かに小さいという仮定に基づいている。

さらに、本発明において好ましいのは、フーリエ係数の積分を台形法による近似を用いて行うことであり、その際に積分区間の分割数Ｎは、サンプリング間隔Ｔ_s 及び最大積分時間Ｔ_max の関数として以下の式に従って選択すればよい。

尚、台形法は、周知の如く、曲線の下方の面積を当該曲線の下方に配置した複数の台形によって近似する手法であり、正確度は僅かに劣るものの、迅速な面積測定が可能になる。つまり、台形法を使用することによって、周期的外乱の検出のための演算の更なる簡略化が図られる。

本発明の一態様として、車速に対応づけてプロットした複数の振幅値の近似を、下記式(4)のモデル式に基づいて実行することができる。尚、Ωは、パラメータｖ_k 、ｄ_k を用いた下記式（5）にて表わされる。

上記パラメータｖ_k 、ｄ_k は、個々の自動車に固有のパラメータであって予め定義可能であり、外乱の状態には関わらず、同じ自動車であれば実質的に一定に設定され得ることが証明されている。具体的にｖ_k は、最大の外乱が発生し得る車速を表し、ｄ_k は、その外乱の最大値から離れるときに、どの程度早く外乱が減衰するかを表す。これらのパラメータは、ステアリング装置の動特性に大きく依存するもので、それ故に別途、計算したり、或いは検出したりする必要がなく、ステアリング装置の制御ユニットのメモリ等にマップやテーブルの態様で格納すればよい。

これに対し、もう一つのパラメータα_k は、ＬＳＱ(Least Squares with a Single Quadratic Constraint)の推定アルゴリズムを用いて算出された外乱の振幅Ａ_k(t_i)との比較によって決定される。このＬＳＱ推定アルゴリズムによれば、特に上記式(4)においてパラメータα_k が単純に、線形的に含まれていることから、その値を容易に算出することができる。

尚、多次元的に回帰分析を実行して、物理的な測定値から非線形のパラメータｖ_k 、ｄ_k を算出することも考えられる。前述したように、外乱に依らずパラメータｖ_k 、ｄ_k の値は実質的に一定であるものの、他のパラメータの一つは直接的に外乱の影響を受けることもあり得る。また、前記とは異なる態様のモデル関数を用いることも可能であることは言うまでもない。

別の観点から本発明は、請求項１〜９のいずれかに記載の方法を実行するための制御ユニットを備えたパワー・ステアリング装置である。このようなステアリング装置によれば、周期的な外乱を比較的少ない演算量にて検出し、同様に少ない演算量で操舵アシスト量を周期的に変えることにより、その外乱の減衰と外乱のない状況での良好な操舵フィーリングとを高いレベルで両立することができる。

本発明に係る検出方法によると、フーリエ解析のための演算量が非常に少なくなり、自動車の制御系におけるマイクロ・プロセッサ・システムの処理能力があまり高くなくても、ステアリング装置における周期的外乱を安定確実に検出することができる。よって、これに基づき、同様に少ない演算量で操舵アシスト量を適切に変更して、周期的外乱を効果的に減衰させることができ、その外乱のない状況での良好な操舵フィーリングとも高いレベルで両立できる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

この実施形態で述べる自動車のステアリング装置における周期的外乱の検出方法は、周期的に起こる外乱の検出に関して、以下の二つの手法に分けられる。第一の手法は、周期的に生じる外乱の検出に関連し、一方、第二の手法は、その外乱の区分に関連する。

以下に、まず第一の手法について説明すると、最初に自動車の車速、即ち前車輪の回転速度を(一例として、二つの前車輪の個々の車輪速センサーの値を平均化することによって)測定する。通常の自動車において前車輪は、ステアリング装置によって転舵されるように構成されており、両者の間では振動が伝達するから、例えば前車輪のアンバランスやブレーキ・ディスクの歪みがあると、前車輪自体に振動が発生するのみならず、ステアリング装置、特にステアリング・ホイールにおいて振動が引き起こされることがある。

そこで、前記のように測定した前車輪の回転速度に基づき下記式(6)に従って、その回転速度に関連する外乱の周波数を検出することが可能であり、その周波数は、図１に示されるスペクトログラムにおいて、一次外乱周波数としてのライン10（若しくは、そこからトルクの尾根に向かって垂直に立ち上がる平断面）や二次外乱周波数としてのライン20のように図示され得る。

ここで、ｆは周波数[1/s]であり、ｋは考慮される外乱の次数(=1,2,…,ｎ)であり、Ｃは車輪全周の長さの逆数[1/m]である。車速ｖ(t)は時間の経過とともに変化するから、上記式(6)により決まる周波数ｆは時間に依存し、下記式(6.1)にて表される。

そして、周波数ｆ(t)に関する外乱の振幅は、その時点で計測された操舵トルクＴ_C(t)[Nm］から算出される。具体的には振幅の算出のために、最初にフーリエ係数が下記式(7.1)、(7.2)に基づいて決定される

その決定を早期に行うために、車速の変化が、外乱により引き起こされる操舵力又は操舵トルクの変化よりも著しく小さいものと仮定して、上記の積分(7.1)、(7.2)の被積分関数ωτを下記式(8)のように近似することができる。尚、ωは角周波数[1/s]であり、τは微小変数であり、Ｃは車輪全周の長さの逆数[1/m]であり、ｖ(t)はその時点での車速[m/s]である。

また、測定時間区分Ｔ_s[s]毎の平均間隔s(τ)[m]は、下記式(9.1)を用いて表し得る。

よって、下記式(9.2)を用いて、フーリエ解析の第一係数を下記式(9.3)のように近似することができる。

同様にフーリエ解析の第二係数に関して、上記式(9.2)、(9.3)に対応する下記式(9.4)、(9.5)を用いることができる。

そして、フーリエ係数の積分は台形法による近似を用いて行い、その際に積分区間の分割数Ｎは下記式(10)のように算出する。尚、積分時間Ｔ[s]＝１/ｆ＝１/(Ｃ・ｖ(t))であり、最大積分時間Ｔ_max [s]＝ １/(Ｃ・ｖ_min)である。また、Ｔ_s [s]はサンプリング間隔であり、ｖ_min[m/s]は、外乱が依然として検出される最小車速である。

上記式から、下記式(11)に示すように、対応する周波数に関してｋ次の外乱の振幅を算出することができる。

上述のような近似を行うことによって仮想的に、所定の周波数帯域に関するサイン(正弦)及びコサイン(余弦)の演算が事前に行われることになり、それ故に、一つの演算ステップにおいてはコサイン及びサインの計算が一度ずつしか必要とされない。もしもそのような近似を行わなければ、各ステップにおいて連続する全ての周波数に関してコサイン及びサインの計算を(繰り返し)行うことが必要になり得る。よって、上述の近似を用いることで、完全なフーリエ解析(完全解析)に対して、演算量を百分の一に低減することが可能となる。

図２には、一次及び二次のそれぞれの周波数に関する振幅の値が車速ｖ(t)に対応づけてプロットされて、各々グラフ30、40として示されている。

図３は、Simulinkによるブロック図において、上記式(9.1)〜(9.5)、(10)、(11)による計算処理(calculation guidelines)の可能な実施例を示す。尚、Simulinkは、アメリカ合衆国マサチューセッツ州Natick市に所在するMathWorks Inc.の登録商標である。

上記の如く振幅値を算出した後に、第二の手法として、車速に依存する外乱の振幅特性(図２参照)の近似を、例えば下記式(12.1)、(12.2)のような適切な近似方程式又はモデル式に基づいて行う。尚、式(12.1)のパラメータｖ_k は、最大の外乱が起こる車速(個々の自動車に固有の値であり、外乱の状態に依らず実質的に一定になる)を表し、式(12.2)のパラメータｄ_k は、その最大値からどの程度早く外乱が減衰するか(個々の自動車に固有の値であり、外乱の状態に依らず実質的に一定になる)を表す。そして、α_k は、上記式(11)による外乱の振幅Ａ_k(t_i)から決定されるパラメータである。

前記図２には、一次及び二次の各周波数に関するグラフ30、40の近似曲線が、それぞれ、グラフ50、60として示されている。例えば一次の外乱のみを考慮する場合、上記式(12.2)のパラメータα₁（α_kにおいてk=1）は、前車輪のアンバランスと線形の(比例的な)相関関係を持っており、それ故に外乱の状態をパラメータα₁ に基づいて直接的に知ることができる。

上述したように、本発明の方法は、新たに計測した時間領域(time domain)の複数のデータを、それぞれ周波数領域(frequency domain)のデータに変換するような従来までの解析方法とは異なる。これは、以下の簡略化の仮定に基づく。すなわち、
a) 車速が外乱に比べて緩やかに変化するという仮定の下で十分に正確な結果が得られ、
b) 車速への依存状態が、位置への依存状態に変換され得て、そして、
c) 一定時間にわたる積分が十分に正確に行われる。

本発明の方法によると、上述の如き近似によって演算量が著しく少なくなり、高速フーリエ変換(FFT)の演算負荷が抑えられて、現在の制御コンピュータによるリアルタイム演算が可能になる。また、アルゴリズムが、各ステップにおいて、振幅Ａ_k(t_i)及びパラメータα_kに関して新規な(かつ改善された)評価をもたらし得る。

また、外乱の振幅を車速に関してのみ(線形的及び/又は比例的に)考慮することで、固定された周波数帯域を考慮する他の解決策よりも更に安定確実に周期的外乱を検出することができる。上記式(12.2)に基づく外乱の更なる分類によって、外乱の検出は、パラメータや周囲条件の影響に関して非常にロバストである。

周期的外乱のスペクトログラムを示す図である。 周期的外乱の一次及び二次の各周波数に関する振幅値を、計算値及び近似値のそれぞれについて車速に対応づけてプロットしたグラフ図である。 本発明の実施形態に係る周期的外乱検出の演算処理例の説明図である。

符号の説明

10、一次外乱周波数
20、二次外乱周波数
30、一次振幅
40、二次振幅
50、一次振幅の近似曲線
60、二次振幅の近似曲線

Claims (9)

1. 自動車のステアリング装置における周期的外乱の検出方法であって、
   自動車の車速を検出する工程と、
   操舵力及び/又は操舵トルクの時系列データを取得する工程と、
   上記車速に基づいて判定用周波数を決定する工程と、
   上記判定用周波数に上限及び/又は下限が依存する少なくとも一つの所定周波数帯域内において、前記操舵力若しくは操舵トルクの時系列データをフーリエ解析する工程と、
   少なくとも上記フーリエ解析の結果からステアリング装置における周期的外乱を検出する工程と、を有し、
   上記フーリエ解析においては上記所定周波数帯域外を考慮しない、ことを特徴とする周期的外乱の検出方法。
2. 上記フーリエ解析においては、一次の上記判定用周波数、及び/又は一次以上の上記判定用周波数のみを考慮する、請求項１に記載の方法。
3. 上記周期的外乱を検出する工程では、異なる車速に対してその都度、フーリエ解析を行って、上記周期的外乱の振幅を求める、請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
4. 少なくとも一つの適応パラメータを有し且つ車速に依存するモデル式を、少なくとも一つ設定しておき、
   上記周期的外乱を検出する工程では、複数の上記車速毎の振幅値から回帰分析の手法によって上記適応パラメータの値を求め、少なくともその適応パラメータに基づいて周期的外乱の範囲、及び/又はタイプを算出する、
   請求項３に記載の方法。
5. 上記フーリエ解析は角周波数ω、微少変数τ、車輪全周長さの逆数Ｃ、車速ｖ(t)、及び、測定時間区分の平均間隔ｓ(t)を用いて、以下の簡略式により行う
   

   

   請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. 上記フーリエ解析においては、台形法に従った近似を用いてフーリエ係数の積分を行い、
   その際、積分区間の分割数Ｎは、サンプリング間隔Ｔ_s 及び最大積分時間Ｔ_max の関数として以下の式に従って選択する
   

   

   請求項５に記載の方法。
7. 上記周期的外乱を検出する工程では、自動車に固有のパラメータｖ_k ，ｄ_k と、上記車速毎の複数の振幅値Ａ_k(t_i)から少なくとも最小二乗法によって求めたパラメータα_k と、を用い、上記適応パラメータの値を以下のモデル式に従って求める
   

   

   請求項３又は４のいずれかに記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法によって、自動車のステアリング装置における周期的外乱を検出し、
   上記ステアリング装置に付設されたパワーステアリング装置を用いて、上記検出された周期的外乱に基づき、これを補償するように上記ステアリング装置のパワー・アシスト制御を実行する、周期的外乱の補償方法。
9. 請求項８に記載の方法を実行するためのパワーステアリング装置と、制御ユニットとを備えることを特徴とする自動車のステアリング装置。

Images