JP2009227114A - 車両運動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】左右転舵時の走行性の走行感度向上と安定性向上を図る上で、より制御精度の高い車両運動制御装置を提供する。
【解決手段】前輪舵角が制御可能な前輪転舵装置４と、後輪トー角が制御可能な後輪トー角変更装置６Ｌ，６Ｒとを有する車両において、前輪舵角と後輪トー角とを協調制御する車両運動制御装置１Ａであり、少なくとも操舵ハンドル角θ_h及びヨーレートγの信号を受け、擬似ヨーモーメントコマンドを算出し出力する制御部３と、擬似ヨーモーメントコマンドに対して擬似逆行列を用いて前輪転舵角と後輪トー角に分配する分配演算部５Ａと、各車輪の車輪荷重に応じた前記擬似逆行列の重みを算出して取得する重み係数演算部５ａと、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクティブ・フロントステアリング装置と、後輪トー角が制御可能な後輪トー角変更装置とを有する車両において、前輪舵角と後輪トー角とを協調制御する車両運動制御装置に関する。

特許文献１では、所望の車体合力方向とヨーモーメントを実現する中で、車体合力を最大化する４輪独立操舵、独立制駆動制御を提示している。ここでは、各車輪のタイヤと路面との間の路面摩擦係数μの利用率は一定としてタイヤ発生力方向を操作量と考えてμの利用率を最小とする最適な制御則を導出している。
特開２００５−１４５２５２号公報

しかしながら、前記従来の技術では、路面状況の変化や各車輪の接地荷重の変動によるタイヤ効きの変化を反映できず、適切なヨーモーメントが得られない場合があった。また、カウンタステアリングを行った場合に、接地荷重抜けにより摩擦円が小さくなったタイヤのコーナリングフォースが低下して、車両の挙動が不安定になるおそれがあった。

本発明は前記の事情に鑑みてなされたもので、左右転舵時の走行性の走行感度向上と安定性向上を図る上で、より制御精度の高い車両運動制御装置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、前輪舵角が制御可能なアクティブ・フロントステアリング装置と、後輪トー角が制御可能な後輪トー角変更装置とを有する車両において、前記前輪舵角と前記後輪トー角とを協調制御して車両の旋回運動を制御する車両運動制御装置であって、少なくとも操舵ハンドルからのコマンド信号及びセンサからのフィードバック信号を受け、擬似ヨーモーメントコマンドを算出し出力する擬似コマンド出力手段と、前記出力された擬似ヨーモーメントコマンドに擬似逆行列を用いて前記前輪転舵角と前記後輪トー角に分配する分配手段と、各車輪の車輪荷重に応じた前記擬似逆行列の重みを取得する重み取得手段と、を備え、前記取得された重みにより前記擬似逆行列の重みを設定して前記前輪転舵角と前記後輪トー角の分配を行うことを特徴とする。

本発明によれば、前輪転舵角と後輪トー角を車輪荷重に応じて擬似逆行列の重みを設定して、容易に前輪転舵角と後輪トー角との分配変更を行うことができるので、車両の旋回運動中の各車輪への荷重の配分の変化に応じた適切な前輪転舵角と後輪トー角の分配ができる。

また、前記重みは、車輪荷重の変動に応じたものとするため、各車輪のサスペンションに設けられた車輪荷重センサからの荷重信号にもとづいて算出して取得することが望ましい。
若しくは、車両に設けられた車両の前後方向の加速度を検出する前後加速度センサからの前後加速度信号と、車両の横方向の加速度を検出する横加速度センサによる横加速度信号にもとづいて車輪荷重を算出し、重みを算出して取得することが望ましい。

本発明によれば、左右転舵時の走行性の走行感度向上と安定性向上を図る上で、より制御精度の高い車両運動制御装置を提供することができる。

《第１の実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第１の実施形態に係る車両運動制御装置について説明する。
図１は本実施形態に係る車両運動制御装置の機能ブロック図である。

本実施形態の車両運動制御装置１Ａが適用される車両は、４輪操舵車両であり、図１に示すように車両の速度を検出する車速センサＳ_Vからの車速Ｖを示す信号（以下、車速信号と称する）や、図示しない運転操作装置である操舵ハンドルに設けられた操舵ハンドル角センサＳ_Hからのハンドル操作角θ_hを示す信号（以下、ハンドル操作角信号と称する）等にもとづいて、旋回運動に必要なヨーモーメントを算出し、前輪転舵角δ_fを制御するステアバイワイヤ式の前輪操舵装置（アクティブ・フロントステアリング装置）４と、前記した車速信号や、ハンドル操作角信号にもとづいて左右の後輪の後輪トー角δ_rl，δ_rrを制御する後輪トー角変更装置６Ｌ，６Ｒと、を含んでいる。
ここで、前記した車速信号やハンドル操作角信号は、請求項に記載の「コマンド信号」に対応する。

車両運動制御装置１Ａは、車両運動制御ＥＣＵ（Electric Control Unit）２Ａ、前輪操舵装置４の制御部であって前輪操舵装置４の駆動力源である電動モータ９を駆動制御する前輪転舵制御ＥＣＵ７、左右の後輪それぞれに設けられる後輪トー角変更装置６Ｌ、６Ｒの制御部であって後輪トー角変更装置６Ｌ、６Ｒの駆動力源である電動モータ１０Ｌ，１０Ｒをそれぞれ駆動制御する後輪トー角変更制御ＥＣＵ８Ｌ，８Ｒ、その他各種のセンサ、例えば、前記した操舵ハンドル角センサＳ_H、車速センサＳ_V、車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサＳ_Yaw、各車輪のサスペンションに設けられ各車輪の荷重を検出する荷重センサＳ_fl，Ｓ_fr，Ｓ_rl，Ｓ_rr等を備えている。
ここで、前輪転舵角δの添え字“ｆ”は前輪を意味し、後輪トー角δの添え字の“ｒｌ”は左後輪を、“ｒｒ”は右後輪を意味し、荷重センサＳの添えの“ｆｌ”は左前輪を、“ｆｒ”は右前輪を、“ｒｌ”は左後輪を、“ｒｒ”は右後輪を意味する。

車両運動制御ＥＣＵ２Ａは、操舵ハンドルの操作による車両の旋回運動制御のために、前輪転舵制御ＥＣＵ７を介して前輪転舵角δ_fを制御したり、左右の後輪トー角δ_rl，δ_rrを後輪トー角変更制御ＥＣＵ８Ｌ，８Ｒを介して制御したりする。

（前輪操舵装置）
次に、本実施形態における前輪操舵装置４の構成を説明する。
この前輪操舵装置４は、ステアバイワイヤを実現するものであり、図示省略の操舵ハンドルと、図示省略のステアリング機構と、前輪転舵制御ＥＣＵ７と、図示省略の前輪転舵角センサとを含んでなる。

前輪転舵制御ＥＣＵ７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び所定の電気回路を備え、図１に示すように、車両運動制御ＥＣＵ２Ａとは信号伝達ケーブルを介して電気的に連結されているとともに、電動モータ９とは電力線を介して電気的に連結されている。
前輪転舵制御ＥＣＵ７は、車両運動制御ＥＣＵ２Ａからの目標前輪転舵角δ_Tfを示す目標前輪転舵角信号を受け取り、それに追随させるように、前記図示省略の前輪転舵角センサからの、例えば、電動モータ９の回転角、回転角速度、又は電動モータ９で左右に駆動される図示省略のステアリング機構のタイロッドの左右位置にもとづいて現在の前輪転舵角δ_fを算出し、目標前輪転舵角δ_Tfと現在の前輪転舵角δ_fとの偏差に応じて、フィードバックして電動モータ９を駆動制御し、前輪転舵角δ_fを制御する。

（後輪トー角変更装置）
次に、本実施形態における後輪トー角変更装置６Ｌ，６Ｒの構成を説明する。
後輪トー角変更装置６Ｌは、図１に示すように後輪トー角変更制御ＥＣＵ８Ｌと図示省略のアクチュエータの駆動源である電動モータ１０Ｌと図示省略の後輪トー角センサを備えている。同様に、後輪トー角変更装置６Ｒは、後輪トー角変更制御ＥＣＵ８Ｒと図示省略のアクチュエータの駆動源である電動モータ１０Ｒと図示省略の後輪トー角センサを備えている。

後輪トー角変更制御ＥＣＵ８Ｌ，８Ｒは、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び所定の電気回路を備え、図１に示すように、車両運動制御ＥＣＵ２Ａとは信号伝達ケーブルであるハーネスを介して電気的に連結されているとともに、電動モータ１０Ｌ，１０Ｒとは電力線で電気的に連結されている。

後輪トー角変更制御ＥＣＵ８Ｌは、車両運動制御ＥＣＵ２Ａからの目標後輪トー角δ_Trlを示す目標後輪トー角信号を受け取り、それに追随させるように前記図示省略の後輪トー角センサからの、例えば、電動モータ１０Ｌの回転角、回転角速度、又は電動モータ１０Ｌで左右に駆動される前記図示省略のアクチュエータのストローク位置にもとづいて現在の後輪トー角δ_rlを算出し、目標後輪トー角δ_Trlと現在の後輪トー角δ_rlとの偏差に応じてフィードバックして電動モータ１０Ｌを駆動制御し、後輪トー角δ_rlを制御する。

後輪トー角変更制御ＥＣＵ８Ｒも同様に、車両運動制御ＥＣＵ２Ａと通信回線で接続されており、車両運動制御ＥＣＵ２Ａからの目標後輪トー角δ_Trrを示す目標後輪トー角信号を受け取り、それに追随させるように前記図示省略の後輪トー角センサからの、例えば、電動モータ１０Ｒの回転角、回転角速度、又は電動モータ１０Ｒで左右に駆動される前記図示省略のアクチュエータのストローク位置にもとづいて現在の後輪トー角δ_rrを算出し、目標前輪転舵角δ_Trrと現在の後輪トー角δ_rrとの偏差に応じてフィードバックして電動モータ１０Ｒを駆動制御し、後輪トー角δ_rrを制御する。

（車両運動制御ＥＣＵの構成）
車両運動制御ＥＣＵ２Ａは、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び所定の電気回路を備えて構成されている。
車両運動制御ＥＣＵ２Ａは、機能ブロックとして制御部（擬似コマンド出力手段）３、分配演算部（分配手段）５Ａを有する。制御部３には、操舵ハンドル角センサＳ_Hからのハンドル角θ_h、車速センサＳ_Vからの車速Ｖ、ヨーレートセンサＳ_Yawからのヨーレートγが入力され、前記した必要なヨーモーメントである擬似ヨーモーメントコマンドＭを演算して分配演算部５Ａに入力する。
ここで、ヨーレートセンサＳ_Yawが、請求項に記載の「センサ」に対応し、ヨーレートγが請求項に記載の「フィードバック信号」に対応する。
（センサ）

分配演算部５Ａは、制御部３から出力された擬似ヨーモーメントコマンドＭに対して擬似逆行列を用いて、目標前輪転舵角δ_Tf、目標後輪トー角δ_Trl，δ_Trrを分配演算するが、この擬似逆行列の重みとして荷重センサＳ_fl，Ｓ_fr，Ｓ_rr，Ｓ_rlからの信号にもとづいて重みの対角行列を重み係数演算部（重み取得手段）５ａにおいて生成し、重みの対角行列を分配演算に用いる。

（制御モデル）
次に、制御部３で擬似ヨーモーメントコマンドＭを演算するときに用いる制御モデルについて説明する。左右の後輪トー角δ_rl,δ_rrが独立に変更可能な場合の車両の運動方程式は次式（１）のように表わされる。

そして、この運動方程式は正規化表現に書き直すと次式（２）のように表わされる。

このように表わされた運動方程式から、ハンドル角θ_h、車速Ｖ等を示すコマンド信号とヨーレートγ等のフィードバック信号に対応する必要なヨーモーメント、つまり擬似ヨーモーメントコマンドＭを求める制御モデルの方程式は次式（３）のように表わされる。

ここで、前記した必要なヨーモーメントを擬似ヨーモーメントコマンドＭとして次式（４）のように定義する。

そして、分配演算部５Ａにおいて、求まった擬似ヨーモーメントコマンドＭから擬似逆行列を用いて目標前輪舵角δ_Tfと目標後輪トー角δ_Trl，δ_Trrとに分配演算するときに、重み係数演算部５ａにおいて（５）式のように対角行列の重みｗ_rl，ｗ_rrを設定する。

式（６Ａ），（６Ｂ）における係数αは、目標後輪トー角δ_Trl，δ_Trrが大きくなり過ぎないように重みｗ_rl，ｗ_rrを低減させるための補正係数である。また、式（６Ａ），（６Ｂ）のように補正係数αを乗じる代わりに、車輪荷重から算出された重みｗ_rl，ｗ_rrに対して、リミットを掛けて、重みｗ_rl，ｗ_rrの値を所定値以上にならないように制御しても良い。

ちなみに、運動方程式の運動モデルを用いて擬似コマンド（ここでは、擬似ヨーモーメントコマンドＭ）を算出する方法は、公知の方法であり、例えば、特開２００３−２３７６９５号公報の式（１）〜（３）にその例が記載されている。

次に、分配演算部５Ａでは、制御部３で得られた擬似ヨーモーメントコマンドＭに対して、擬似逆行列を用いて、次式（７）のように分配演算をすると、目標前輪舵角δ_Tfと目標後輪トー角δ_Trl，δ_Trrが式（８）となるように分配されることになる。つまり、同じヨーモーメントを実現するとしてもヨーモーメントに対する寄与が大きくなるような接地荷重の大きな車輪に対する目標前輪舵角δ_Tf、目標後輪トー角δ_Trl、又は目標後輪トー角δ_Trrが大きくなるように分配する。

例えば、右旋回の擬似ヨーモーメントコマンドＭが制御部３から分配演算部５Ａに出力されている場合は、旋回外側の左後輪の接地荷重Ｆ_rlが増大し、旋回内側の右後輪の接地荷重Ｆ_rrが低下するので、左後輪の目標後輪トー角δ_Trlを右後輪の目標後輪トー角δ_Trrよりも絶対値の大きい左トー角とするように分配する。
逆に、左旋回の擬似ヨーモーメントコマンドＭが制御部３から分配演算部５Ａに出力されている場合は、旋回外側の右後輪の接地荷重Ｆ_rrが増大し、旋回内側の左後輪の接地荷重Ｆ_rlが低下するので、右後輪の目標後輪トー角δ_Trrを左後輪の目標後輪トー角δ_Trlよりも絶対値の大きい右トー角とするように分配する。

また、減速しながらの旋回運動では、前輪接地荷重（Ｆ_fl＋Ｆ_fr）が定速旋回時よりも増大するので、同じヨーモーメントを実現するとしてもヨーモーメントに対する寄与が大きい前輪の目標前輪舵角δ_Tfが定速旋回時のそれよりも大きくなるように分配される。
逆に、加速しながらの旋回運動では、逆に前輪接地荷重（Ｆ_fl＋Ｆ_fr）が定速旋回時よりも減少するので、同じヨーモーメントを実現するとしてもヨーモーメントに対する寄与が小さい前輪の目標前輪舵角δ_Tfが定速旋回時よりも小さくなるように分配される。

本実施例によれば、接地荷重変動によるタイヤ効きの変化を反映した目標前輪舵角δ_Tfや、目標後輪トー角δ_Trl，δ_Trrの分配演算において、車両運動制御ＥＣＵ２ＡのＣＰＵの計算負荷の小さな方法で各車輪の接地荷重の変化を反映することができる。
その結果、タイヤ摩擦を有効利用でき、車両の旋回運動において車両が不安定になる可能性を小さくできる。

《第２の実施形態》
次に、図２を参照しながら本発明の第２の実施形態に係る車両運動制御装置について説明する。図２は本実施形態に係る車両運動制御装置の機能ブロック図である。

本実施形態における車両運動制御装置１Ｂと第１の実施形態の車両運動制御装置１Ａとの変更点は以下の通りである。第１の実施形態においては、分配演算部５Ａの重み係数演算部５ａが荷重センサＳ_fr，Ｓ_fl，Ｓ_rl，Ｓ_rrからの信号を用いて式（５）の重みを演算取得していた代わりに、本実施形態では分配演算部（分配手段）５Ｂの重み係数演算部（重み取得手段）５ｂが横加速度センサＳ_Gsからの車両の横方向の加速度（以下、横加速度Ｇｓと称する）を示す横加速度信号と前後加速度センサＳ_Gaxからの車両の前後方向の加速度（以下、前後加速度Ｇａｘと称する）を示す前後加速度信号を用いて重みを演算取得する点である。
他は、第１の実施形態と同じ構成であり、第１の実施形態と同じ構成については同じ符号を付して重複する説明を省略する。

左前輪の静荷重をＷ_Mfl、右前輪の静荷重をＷ_Mfr、左後輪の静荷重をＷ_Mrl、右後輪の静荷重をＷ_Mrrとすると、前後加速度Ｇａｘ及び横加速度Ｇｓを用いて、車両が走行中の各車輪の接地荷重Ｆ_fl，Ｆ_fr，Ｆ_rl，Ｆ_rrは次式（９Ａ）〜（９Ｄ）のように表わされ、重み係数演算部５ｂで演算取得される。
なお、各車輪の静荷重Ｗ_Mfl，Ｗ_Mfr，Ｗ_Mrl，Ｗ_Mrrは、例えば、車両の停止時に各車輪のサスペンションに設けられたストロークセンサ等から得られるストロークから、車輪荷重に換算して車両運動制御ＥＣＵ２Ｂで取得され、それを重み係数演算部５ｂで用いるものとする。

そして、重み係数演算部５ｂは、式（５）の重みを前記（６Ａ），（６Ｂ）に従って算出する。

本実施形態においても第１の実施形態と同様に、接地荷重変動によるタイヤ効きの変化を反映した目標前輪舵角δ_Tfや、目標後輪トー角δ_Trl，δ_Trrの分配演算において、車両運動制御ＥＣＵ２ＡのＣＰＵの計算負荷の小さな方法で各車輪の接地荷重の変化を反映することができる。
その結果、タイヤ摩擦を有効利用でき、車両の旋回運動において車両が不安定になる可能性を小さくできる。

《第２の実施形態の変形例》
次に、図３、図４を参照しながら分配演算部５Ｂの重み係数演算部５ｂにおける重みの算出方法の変形例を説明する。図３は、第２の実施形態に係る車両運動制御装置における重み係数演算部の変形例の詳細な機能ブロック構成図であり、図４の（ａ）は、横加速度にもとづいて右後輪の重みｗ_rrを設定する方法を説明する図あり、（ｂ）は、横加速度にもとづいて左後輪の重みｗ_rlを設定する方法を説明する図あり、（ｃ）は、前後加速度にもとづいて補正係数αを設定する方法を説明する図である。

本変形例では、右後輪に係る重みｗ_rrは、図３に示すように右後輪重み演算部１１において横加速度センサＳ_Gsからの横加速度Ｇｓにもとづいて設定される（図４の（ａ）参照）。左後輪に係る重みｗ_rlは、左後輪重み演算部１３において横加速度センサＳ_Gsからの横加速度Ｇｓにもとづいて設定される（図４の（ｂ）参照）。
また、補正係数αは、図３に示すように補正係数演算部１５において前後加速度センサＳ_Gaxからの前後加速度Ｇａｘにもとづいて設定される（図４の（ｃ）参照）。
そして、更に、右後輪重み演算部１１で設定された右後輪に係る重みｗ_rrに乗算器１２において補正係数αを乗じて、分配演算部５Ｂで用いる重みｗ_rrとする。同様に、左後輪重み演算部１３で設定された左後輪に係る重みｗ_rlに乗算器１４において補正係数αを乗じて、分配演算部５Ｂで用いる重みｗ_rlとする。

これら、図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したデータは、予め車両運動制御ＥＣＵ２ＢのＲＯＭに関数又はルックアップテーブル等の形で記憶されている。
図４の（ａ）は、右後輪に係る重みｗ_rrは、左旋回により横加速度Ｇｓが正の方向に大きくなるほど、大きくなり、右旋回により横加速度Ｇｓが負の方向に大きくなるほど小さくなることを示している。
図４の（ｂ）は、左後輪に係る重みｗ_rlは、左旋回により横加速度Ｇｓが正の方向に大きくなるほど、小さくなり、右旋回により横加速度Ｇｓが負の方向に大きくなるほど大きくなることを示している。
図４の（ｃ）は、補正係数αは、加速により前後加速度Ｇａｘが正の方向に大きくなるほど、大きくなり、減速により前後加速度Ｇａｘが負の方向に大きくなるほど小さくなることを示している。

本変形例によっても、接地荷重変動によるタイヤ効きの変化を反映した目標前輪舵角δ_Tfや、目標後輪トー角δ_Trl，δ_Trrの分配演算において、車両運動制御ＥＣＵ２ＢのＣＰＵの計算負荷の小さな方法で各車輪の接地荷重の変化を反映することができる。
その結果、タイヤ摩擦を有効利用でき、車両の旋回運動において車両が不安定になる可能性を小さくできる。

第１の実施形態に係る車両運動制御装置の機能ブロック図である。 第２の実施形態に係る車両運動制御装置の機能ブロック図である。 第２の実施形態に係る車両運動制御装置における重み係数演算部の変形例の詳細な機能ブロック構成図である。 （ａ）は、横加速度にもとづいて右後輪に係る重みｗ_rrを設定する方法を説明する図あり、（ｂ）は、横加速度にもとづいて左後輪に係る重みｗ_rlを設定する方法を説明する図あり、（ｃ）は、前後加速度にもとづいて補正係数αを設定する方法を説明する図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 車両運動制御装置
２Ａ，２Ｂ 車両運動制御ＥＣＵ
３ 制御部（擬似コマンド出力手段）
４ 前輪操舵装置（アクティブ・フロントステアリング装置）
５Ａ，５Ｂ 分配演算部（分配手段）
５ａ，５ｂ 係数演算部（重み取得手段）
６Ｌ，６Ｒ 後輪トー角変更装置
７ 前輪転舵制御ＥＣＵ
８Ｌ，８Ｒ 後輪トー角変更制御ＥＣＵ
９，１０Ｌ，１０Ｒ 電動モータ
１１ 右後輪重み演算部
１２，１４ 乗算器
１３ 左後輪重み演算部
１５ 補正係数演算部
Ｓ_H 操舵ハンドル角センサ
Ｓ_V 車速センサ
Ｓ_fl，Ｓ_fr，Ｓ_rl，Ｓ_rr 荷重センサ
Ｓ_Gs 横加速度センサ
Ｓ_Gax 前後加速度センサ
Ｓ_Yaw ヨーレートセンサ

Claims (3)

1. 前輪舵角が制御可能なアクティブ・フロントステアリング装置と、後輪トー角が制御可能な後輪トー角変更装置とを有する車両において、前記前輪舵角と前記後輪トー角とを協調制御して車両の旋回運動を制御する車両運動制御装置であって、
   少なくとも操舵ハンドルからのコマンド信号及びセンサからのフィードバック信号を受け、擬似ヨーモーメントコマンドを算出し出力する擬似コマンド出力手段と、
   前記出力された擬似ヨーモーメントコマンドに対して擬似逆行列を用いて前記前輪転舵角と前記後輪トー角に分配する分配手段と、
   各車輪の車輪荷重に応じた前記擬似逆行列の重みを取得する重み取得手段と、を備え、
   前記取得された重みにより前記擬似逆行列の重みを設定して前記前輪転舵角と前記後輪トー角の分配を行うことを特徴とする車両運動制御装置。
2. 前記重み取得手段は、車両の各車輪のサスペンションに設けられた荷重センサからの荷重信号にもとづいて前記重みを算出して取得することを特徴とする請求項１に記載の車両運動制御装置。
3. 前記重み取得手段は、車両に設けられた車両の前後方向の加速度を検出する前後加速度センサからの前後加速度信号と、車両の横方向の加速度を検出する横加速度センサからの横加速度信号にもとづいて前記車輪荷重を算出し、前記重みを算出して取得することを特徴とする請求項１に記載の車両運動制御装置。

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