JP2010216856A - 重量勾配推定装置、及びそれを用いた車両制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重量変化に追従可能で正確でリアルタイムに車両重量及び路面勾配を推定することが可能な重量勾配推定装置を提供すること。
【解決手段】第１時刻における第１の所定情報と、第１時刻から所定時間経過後の第２時刻における第２の所定情報と、に基づいて高度変位を演算する高度演算部１１と、高度演算部１１により演算された前記高度変位と、第１時刻から第２時刻までの間の車両の移動距離と、に基づいて路面勾配を演算する勾配演算部１２と、勾配演算部１２により演算された路面勾配と、車両の加速度と、車両の速度と、車両の出力トルクと、に基づいて車両重量を演算する重量演算部１３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両重量及び路面勾配を推定する重量勾配推定装置、及びそれを用いた車両制御装置に関する。

従来、車両の走行性を向上させるために、車両において、車両重量及び路面勾配を推定し、その推定値に基づいて自動変速機やブレーキ等を制御する車両制御装置を搭載したものがある。車両重量及び路面勾配の推定においては正確性や精度が求められており、様々な推定手法が提案されている。

例えば、特許文献１では、加速度センサを用いて道路勾配を推定する際、前記加速度センサの出力が急変する過渡状態では、勾配推定値を前記急変発生時の値にホールドする手法が開示されている。

また、特許文献２では、エンジンへの吸入空気量及びエンジン回転数に基づいて第１のエンジン出力推定トルクを算出し、算出した第１のエンジン出力推定トルクより自動変速機に伝達されないトルク分を補正した第２のエンジン出力推定トルクを算出し、算出した第２のエンジン出力推定トルクに基づいて平地走行推定加速度を算出し、算出した第２のエンジン出力推定トルクに基づいてメインシャフトへの入力軸推定トルクを算出し、算出した入力軸推定トルクに基づいてドライブシャフトへのドライブシャフト推定トルクを算出し、算出したドライブシャフト推定トルクに基づいて車輪の駆動力を算出し、算出した駆動力に基づいて車両の平地走行での平地走行推定加速度を算出し、車両の速度に基づいて、実加速度を算出し、平地走行推定加速度と実加速度の差から走行道路の勾配を推定する手法が開示されている。

また、特許文献３では、車両に大気圧センサを搭載して路上走行させ、その路上走行における短時間の大気圧変化から高度の変化分を算出し、走行距離ごとの高度の変化分から走行距離に対する路面の勾配を推定する手法が開示されている。

特開２００４−４５４２３号公報 特開２００６−３２２５８８号公報 特開２００１−１０８５８０号公報

しかしながら、特許文献１の手法では、加速度センサからの情報は車両の振動や加速度による外乱を受けるため、演算タイミングが限られる。また、この手法では、重量変化の大きい車両、例えば、トラックや牽引車においては、重量変化に追従できないために、正確な勾配を推定することができない。また、特許文献２の手法でも、平地走行推定加速度と実加速度の差から勾配を推定しているため、重量変化に追従できない。

一方、特許文献３の手法では、車両重量に左右されず、また加速度の急変時にも正確な勾配を求めることが可能である。ところが、シミュレーションで用いるための勾配データの採取が目的であるため、求めた高度の値からリアルタイムで勾配を推定することができないため、勾配の推定値を車両の制御に用いることができないという問題がある。

本発明の主な課題は、重量変化に追従可能で正確でリアルタイムに車両重量及び路面勾配を推定することが可能な重量勾配推定装置、及びそれを用いた車両制御装置を提供することである。

本発明の第１の視点においては、車両重量及び路面勾配を推定する重量勾配推定装置において、第１時刻における第１の所定情報と、前記第１時刻から所定時間経過後の第２時刻における第２の所定情報と、に基づいて高度変位を演算する高度演算部と、前記高度演算部により演算された前記高度変位と、前記第１時刻から前記第２時刻までの間の車両の移動距離と、に基づいて路面勾配を演算する勾配演算部と、前記勾配演算部により演算された前記路面勾配と、前記車両の加速度と、前記車両の速度と、前記車両の出力トルクと、に基づいて、前記車両の重量を演算する重量演算部と、を備えることを特徴とする。

本発明の前記重量勾配推定装置において、大気圧を検出する大気圧センサを備え、前記高度演算部は、前記大気圧センサにより検出された前記第１時刻における第１大気圧と、前記大気圧センサにより検出された前記第２時刻における第２大気圧と、に基づいて前記高度変位を演算することが好ましい。

本発明の前記重量勾配推定装置において、外気温を検出する外気温センサを備え、前記高度演算部は、前記外気温センサにより検出された前記第２時刻における外気温に基づいて前記高度変位を演算することが好ましい。

本発明の前記重量勾配推定装置において、衛星送信機からの信号を受信することにより、前記車両の標高に関する情報を取得可能な測位装置を備え、前記高度演算部は、前記測位装置により取得された前記第１時刻における前記車両の標高と、前記第２時刻における前記車両の標高と、の間の差異に基づいて、前記高度変位を演算することが好ましい。

本発明の前記重量勾配推定装置において、前記第１時刻から前記第２時刻までの間の前記車両の移動距離を計測する距離計を備え、前記勾配演算部は、前記高度演算部により演算された前記高度変位と、前記距離計により計測された前記移動距離と、に基づいて前記路面勾配を演算することが好ましい。

本発明の前記重量勾配推定装置において、前記車両の速度を検出する車速センサと、前記車両の加速度を検出する加速度センサと、動力源出力軸又は変速機出力軸の出力トルクを検出するトルクセンサと、を備え、前記重量演算部は、前記勾配演算部により演算された前記路面勾配と、前記加速度センサにより検出された前記第２時刻における前記車両の加速度と、前記車速センサにより検出された前記第２時刻における車速と、前記トルクセンサにより検出された前記第２時刻における前記車両の出力トルクと、に基づいて前記車両の重量を演算することが好ましい。

本発明の前記重量勾配推定装置において、前記車両の速度を検出する車速センサと、動力源出力軸又は変速機出力軸の出力トルクを検出するトルクセンサと、を備え、前記重量演算部は、前記車速センサにより検出された前記第２時刻における車速を微分して演算された前記車両の加速度と、前記勾配演算部により演算された前記路面勾配と、前記車速センサにより検出された前記第２時刻における前記車両の速度と、前記トルクセンサにより検出された前記第２時刻における前記車両の出力トルクと、に基づいて前記車両の重量を演算することが好ましい。

本発明の第２の視点においては、車両制御装置において、前記重量勾配推定装置と、前記勾配演算部により演算された前記路面勾配と、前記重量演算部により演算された前記車両の重量と、に基づいて被制御部の動作を制御する車両制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、車両の形体（乗用車・商用車・牽引車）および車両の挙動（加減速状態・旋回状態）や加速度の外乱に左右されることなく常に正確でリアルタイムに勾配・重量を得ることができる。また、得られた勾配・重量勾配・重量を利用して、エンジン、モータジェネレータ、自動変速機、ブレーキ等の被制御部の制御を行うことで、最適な走行性能を得ることが可能となる。例えば、ブレーキ制御に用いる変速制御と協調し、降坂時における制動力を最適化することができ、エンジンが燃料噴射カットを行う領域で運転することで優れた走行性能と燃費性能を得ることができる。

本発明の実施例１に係る車両制御装置の構成を模式的に示したブロック図である。 本発明の実施例１に係る車両制御装置において推定される高度ｈ及び勾配θを示したイメージ図である。 本発明の実施例１に係る車両制御装置を搭載した車両の走行時の力学的な状態を示したイメージ図である。

本発明の実施形態１に係る重量勾配推定装置では、第１時刻における第１の所定情報と、前記第１時刻から所定時間経過後の第２時刻における第２の所定情報と、に基づいて高度変位を演算する高度演算部（図１の１１）と、前記高度演算部により演算された前記高度変位と、前記第１時刻から前記第２時刻までの間の車両の移動距離と、に基づいて路面勾配を演算する勾配演算部（図１の１２）と、前記勾配演算部により演算された前記路面勾配と、前記車両の加速度と、前記車両の速度と、前記車両の出力トルクと、に基づいて、前記車両の重量を演算する重量演算部（図１の１３）と、を備える。

本発明の実施形態２に係る車両制御装置では、前記重量勾配推定装置と、前記勾配演算部（図１の１２）により演算された前記路面勾配と、前記重量演算部（図１の１３）により演算された前記車両重量と、に基づいて被制御部（図１の３０）の動作を制御する車両制御部（図１の１４）と、を備える。

本発明の実施例１に係る車両制御装置について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る車両制御装置の構成を模式的に示したブロック図である。図２は、本発明の実施例１に係る車両制御装置において推定される高度ｈ及び勾配θを示したイメージ図である。図３は、本発明の実施例１に係る車両制御装置を搭載した車両の走行時の力学的な状態を示したイメージ図である。

図１を参照すると、車両制御装置１は、車両重量及び路面勾配を推定し、その推定値に基づいて自動変速機やブレーキ等の被制御部３０を制御する装置である。車両制御装置1は、被制御部３０と通信可能に接続されたコンピュータユニット１０と、コンピュータユニット１０と通信可能に接続された各種センサ・計測器２１〜２６と、を有する。

コンピュータユニット１０は、所定のプログラム（データベース、マップ等を含む）に基づいて情報処理を行うユニットである。コンピュータユニット１０は、プログラムの実行によって実現される主な構成部として、高度演算部１１と、勾配演算部１２と、重量演算部１３と、車両制御部１４と、を有する。

高度演算部１１は、車両の走行時の高度変位［ｍ］を演算する部分である。高度演算部１１は、下記［数１］に基づいて、時刻Ｔ_０（第１時刻）における大気圧Ｐ_０［Ｐａ］と、時刻Ｔ_０から一定時間経過後の時刻Ｔ（第２時刻）における大気圧Ｐ［Ｐａ］及び外気温ｔ［℃］と、に応じて高度変位ｈ［ｍ］を演算する（図２参照）。高度演算部１１は、時刻Ｔ_０において大気圧センサ２１から大気圧Ｐ_０に係る情報を取得し、時刻Ｔにおいて大気圧センサ２１から大気圧Ｐに係る信号を取得するとともに外気温センサ２２から外気温ｔに係る情報を取得する。高度演算部１１は、演算された高度変位ｈに係る情報を勾配演算部１２に向けて出力する。なお、ここでは、高度演算部１１は大気圧センサ２１及び外気温センサ２２からの情報に応じて演算しているが、標高ＧＰＳ（Global Positioning System；測位装置）を搭載している場合にはＧＰＳからの時刻Ｔ_０における標高と時刻Ｔにおける標高とを取得して高度変位（標高差）を演算するようにしてもよい。なお、ＧＰＳは、ＧＰＳ衛星送信機からの信号を受信することにより現在位置の標高を取得可能なものである。

勾配演算部１２は、車両の走行時の路面勾配θ［ｄｅｇ］を演算する部分である。勾配演算部１２は、下記［数２］に基づいて、高度変位ｈ［ｍ］と、時刻Ｔ_０から時刻Ｔにおける移動距離Ｄ［ｍ］と、に応じて路面勾配［ｄｅｇ］を演算する。勾配演算部１２は、時刻Ｔ_０において距離計２３から距離Ｌ_０に係る情報を取得し、時刻Ｔにおいて距離計２３から距離Ｌに係る情報を取得するとともに高度演算部１１から高度変位ｈに係る情報を取得する。勾配演算部１２は、取得した距離Ｌ_０と距離Ｌとの差から移動距離Ｄを求める。勾配演算部１２は、演算された路面勾配θに係る情報を重量演算部１３及び車両制御部１４に向けて出力する。

重量演算部１３は、車両重量［ｋｇ］を演算する部分である。重量演算部１３は、下記［数３］に基づいて、時刻ＴにおけるエンジントルクＴ_ｅ［Ｎｍ］と、時刻Ｔにおける車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］と、時刻Ｔにおける加速度ａ［ｍ／ｓ^２］と、路面勾配θ［ｄｅｇ］と、に応じて車両重量ｍ［ｋｇ］を演算する。重量演算部１３は、時刻Ｔにおいてエンジントルクセンサ２６からエンジントルクＴ_ｅに係る情報を取得し、時刻Ｔにおいて車速センサ２４から車速Ｖに係る情報を取得し、時刻Ｔにおいて加速度センサ２５から加速度ａに係る情報を取得するとともに勾配演算部１２から路面勾配θに係る情報を取得する。重量演算部１３は、演算された車両重量ｍに係る情報を車両制御部１４に向けて出力する。なお、ここでは、重量演算部１３は、加速度センサ２５からの加速度ａに係る情報を用いているが、加速度センサ２５を用いないで車速センサ２４からの車速Ｖを微分して得られた加速度を用いてもよい。また、重量演算部１３は、エンジントルクセンサ２６からのエンジントルクＴ_ｅに係る情報を用いているが、変速機出力軸用トルクセンサを搭載している場合には、変速機出力軸用トルクセンサから取得したアウトプットトルクＴ_ｏをギヤρ_Ｇで割って得られたエンジントルク値を用いてもよい。

ここで、ρ_Ｇはギヤ比［−］を表し、ρ_Ｄは最終減速比［−］を表し、ｒはタイヤ外半径［ｍ］を表し、μ_ａは空気抵抗係数［−］を表し、Ａは前面投影面積［ｍ^２］を表し、μ_ｒは転がり抵抗係数［−］を表し、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ^２］を表し、これらは定数である。

なお、上記［数３］は、走行時における車両の力学的な状態（図３参照）の運動方程式（［数４］〜［数６］）と、走行抵抗Ｒに関する方程式［数７］〜［数１０］）に基づいて、車両重量ｍについて整理することで得られる。

なお、［数４］において、ａは加速度［ｍ／ｓ^２］を表し、Ｆは駆動力［Ｎ］を表し、Ｒは走行抵抗［Ｎ］を表し、ｍ：車両重量［ｋｇ］を表す。

なお、［数５］において、Ｆは駆動力［Ｎ］を表し、Ｔ_０はアウトプットトルク［Ｎｍ］を表し、ρ_Ｄは最終減速比［−］を表し、ｒはタイヤ外半径［ｍ］を表す。

なお、［数６］において、Ｔ_０はアウトプットトルク［Ｎｍ］を表し、Ｔ_ｅはエンジントルク［Ｎｍ］を表し、ρ_Ｇはギヤ比［−］を表す。

なお、［数７］において、Ｒは走行抵抗［Ｎ］を表し、Ｒ_ｒは転がり抵抗［Ｎ］を表し、Ｒ_ａｉｒは空気抵抗［Ｎ］を表し、Ｒ_Ｓは登坂抵抗［Ｎ］を表す。

なお、［数８］において、Ｒ_ｒは転がり抵抗［Ｎ］を表し、μ_ｒは転がり抵抗係数［−］を表し、ｍ：車両重量［ｋｇ］を表し、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ^２］を表す。

なお、［数９］において、Ｒ_ａｉｒは空気抵抗［Ｎ］を表し、Ａは前面投影面積［ｍ^２］を表し、Ｖは車速［ｋｍ／ｈ］を表す。

なお、［数１０］において、Ｒ_Ｓは登坂抵抗［Ｎ］を表し、ｍ：車両重量［ｋｇ］を表し、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ^２］を表し、θは路面勾配［ｄｅｇ］を表す。

車両制御部１４は、エンジン、モータジェネレータ、自動変速機、ブレーキ等の被制御部３０の動作を制御する部分である。車両制御部１４は、勾配演算部１２からの路面勾配に係る情報と、重量演算部１３からの車両重量と、に応じて制御モードを切り替えて制御する。なお、車両制御部１４は、図１では、高度演算部１１、勾配演算部１２、及び重量演算部１３を含むコンピュータユニット１０内に存在するが、車両制御部１４だけをコンピュータユニット１０とは別体のコンピュータユニットに存在するようにしてもよい。

車両制御部１４は、エンジンの制御では、例えば、路面勾配が上りで大きくなるにつれて燃料供給量を多くする制御モードとし、路面勾配が下りで大きくなるにつれて燃料供給量を少なくする制御モードとし、車両重量が大きくなるにつれて燃料供給量を多くする制御モードとしてもよい。車両制御部１４は、モータジェネレータの制御では、例えば、路面勾配が上りで大きくなるにつれて電力供給量を多くする制御モードとし、路面勾配が下りで大きくなるにつれて電力供給量を少なくする或いは回生する制御モードとし、車両重量が大きくなるにつれて電力供給量を多くする制御モードとしてもよい。車両制御部１４は、自動変速機の制御では、例えば、路面勾配が上りで大きくなるにつれて低速側の変速段を多く用いる制御モードとし、路面勾配が下りで大きくなるにつれて高速側の変速段を多く用いる制御モードとし、車両重量が大きくなるにつれて低速側の変速段を多く用いる制御モードとしてもよい。車両制御部１４は、ブレーキの制御では、例えば、路面勾配が上りで大きくなるにつれて制動量を多くする制御モードとし、路面勾配が下りで大きくなるにつれて制動量を少なくする制御モードとし、車両重量が大きくなるにつれて制動量を多くする制御モードとしてもよい。

大気圧センサ２１は、大気圧を検出するセンサであり、車両の所定の位置に取り付けられており、コンピュータユニット１０と通信可能に接続されている。

外気温センサ２２は、外気温を検出するセンサであり、車両の所定の位置に取り付けられており、コンピュータユニット１０と通信可能に接続されている。なお、高度変位の演算において、外気温センサ２２の情報は用いなくてもよいが、外気温センサ２２の情報を用いれば、高度変位の精度が向上する。高度変位の演算において、外気温センサ２２の情報を用いない場合、常温（２５℃）等に固定した温度値を用いることになる。

距離計２３は、走行距離を検出する計測器であり、車両の所定の位置に取り付けられており、コンピュータユニット１０と通信可能に接続されている。

車速センサ２４は、車速を検出するセンサであり、車両の所定の位置に取り付けられており、コンピュータユニット１０と通信可能に接続されている。

加速度センサ２５は、加速度を検出するセンサであり、車両の所定の位置に取り付けられており、コンピュータユニット１０と通信可能に接続されている。

エンジントルクセンサ２６は、エンジントルクを検出するセンサであり、車両の所定の位置に取り付けられており、コンピュータユニット１０と通信可能に接続されている。

被制御部３０は、車両制御部１４によって制御されるエンジン、モータジェネレータ、自動変速機、ブレーキ等である。被制御部３０では、車両制御部１４からの制御信号に応じて、内蔵されたアクチュエータ等が動作する。

実施例１によれば、車両の形体（乗用車・商用車・牽引車）および車両の挙動（加減速状態・旋回状態）や加速度の外乱に左右されることなく常に正確でリアルタイムに勾配・重量を得ることができる。また、得られた勾配・重量勾配・重量を利用して、エンジン、モータジェネレータ、自動変速機、ブレーキ等の被制御部３０の制御を行うことで、最適な走行性能を得ることが可能となる。例えば、ブレーキ制御に用いる変速制御と協調し、降坂時における制動力を最適化することができ、エンジンが燃料噴射カットを行う領域で運転することで優れた走行性能と燃費性能を得ることができる。

１ 車両制御装置
１０ コンピュータユニット
１１ 高度演算部
１２ 勾配演算部
１３ 重量演算部
１４ 車両制御部
２１ 大気圧センサ
２２ 外気温センサ
２３ 距離計
２４ 車速センサ
２５ 加速度センサ
２６ エンジントルクセンサ（トルクセンサ）
３０ 被制御部

Claims (8)

1. 第１時刻における第１の所定情報と、前記第１時刻から所定時間経過後の第２時刻における第２の所定情報と、に基づいて高度変位を演算する高度演算部と、
   前記高度演算部により演算された前記高度変位と、前記第１時刻から前記第２時刻までの間の車両の移動距離と、に基づいて路面勾配を演算する勾配演算部と、
   前記勾配演算部により演算された前記路面勾配と、前記車両の加速度と、前記車両の速度と、前記車両の出力トルクと、に基づいて、前記車両の重量を演算する重量演算部と、
   を備えることを特徴とする重量勾配推定装置。
2. 大気圧を検出する大気圧センサを備え、
   前記高度演算部は、前記大気圧センサにより検出された前記第１時刻における第１大気圧と、前記大気圧センサにより検出された前記第２時刻における第２大気圧と、に基づいて前記高度変位を演算することを特徴とする請求項１記載の重量勾配推定装置。
3. 外気温を検出する外気温センサを備え、
   前記高度演算部は、前記外気温センサにより検出された前記第２時刻における外気温に基づいて前記高度変位を演算することを特徴とする請求項２記載の重量勾配推定装置。
4. 衛星送信機からの信号を受信することにより、前記車両の標高に関する情報を取得可能な測位装置を備え、
   前記高度演算部は、前記測位装置により取得された前記第１時刻における前記車両の標高と、前記第２時刻における前記車両の標高と、の間の差異に基づいて、前記高度変位を演算することを特徴とする請求項１記載の重量勾配推定装置。
5. 前記第１時刻から前記第２時刻までの間の前記車両の移動距離を計測する距離計を備え、
   前記勾配演算部は、前記高度演算部により演算された前記高度変位と、前記距離計により計測された前記移動距離と、に基づいて前記路面勾配を演算することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の重量勾配推定装置。
6. 前記車両の速度を検出する車速センサと、
   前記車両の加速度を検出する加速度センサと、
   動力源出力軸又は変速機出力軸の出力トルクを検出するトルクセンサと、
   を備え、
   前記重量演算部は、前記勾配演算部により演算された前記路面勾配と、前記加速度センサにより検出された前記第２時刻における前記車両の加速度と、前記車速センサにより検出された前記第２時刻における車速と、前記トルクセンサにより検出された前記第２時刻における前記車両の出力トルクと、に基づいて前記車両の重量を演算することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の重量勾配推定装置。
7. 前記車両の速度を検出する車速センサと、
   動力源出力軸又は変速機出力軸の出力トルクを検出するトルクセンサと、
   を備え、
   前記重量演算部は、前記車速センサにより検出された前記第２時刻における車速を微分して演算された前記車両の加速度と、前記勾配演算部により演算された前記路面勾配と、前記車速センサにより検出された前記第２時刻における前記車両の速度と、前記トルクセンサにより検出された前記第２時刻における前記車両の出力トルクと、に基づいて前記車両の重量を演算することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の重量勾配推定装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一に記載の重量勾配推定装置と、
   前記勾配演算部により演算された前記路面勾配と、前記重量演算部により演算された前記車両の重量と、に基づいて被制御部の動作を制御する車両制御部と、
   を備えることを特徴とする車両制御装置。

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