JP2011521607A - 個別の駆動機構を備えた車両用のトラクション制御方法および装置 - Google Patents

個別の駆動機構を備えた車両用のトラクション制御方法および装置 Download PDF

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Abstract

フレームシステム、複数の車輪、複数の駆動ユニットおよびコントローラを有するローダ車両である。複数の車輪には急速に変化する荷重がかかり、それら車輪はフレームシステムに関連する。複数の駆動ユニットは、各々、複数の車輪のうちの少なくとも1つの対応するサブセットに関連する。コントローラは、複数の車輪のうちの1つに対するスリップ偏差を、複数の車輪のうちの少なくとも1つの他のものの車輪速度から導出される積分項に応じて計算するように構成される。コントローラは、1つの車輪に対するスリップ目標値を計算する。コントローラは、さらに、スリップ偏差およびスリップ目標値を用いて、1つの車輪に対応する駆動ユニットに与えられる命令を得る。

Description

[0001]本発明は、作業機械に関し、特に車輪に個別の駆動機構が連結されている車両のトラクションを制御する方法および装置に関する。
[0002]ローダ等の作業機械は、後輪の後方のエンジンと前輪を越えて延在するローダ部とを有するように構成されることが多い。この構成により、エンジンの重量によって、ローダ部のバケットに積載される荷重を相殺することができる。こうした構成により、アクセルの各々が支持する重量の著しい変動が可能となる。これは、車輪の可変有効径と、各車輪に個別に付与される、ローダを移動させるために必要なトルクと、によって表される。
[0003]従来の四輪駆動ローダにおけるパワートレインは、原動機と、原動機をさまざまな車輪に機械的に結合する装置と、を有している。従来のパワートレイン構成は、車輪を側方にまたは横切る方向にもしくは両方に、機械的に制約することによって、過度な車輪空転(ホイールスピン)を制御する。これは、車輪の回転を、ディファレンシャルを係止し、回転している車輪を制動することにより(米国特許第6,631,320号)、またはスリップしている車輪とディファレンシャルとの間でクラッチを滑らせることにより(米国特許第5,265,705号)、車輪の回転を強制することによって行われる。環境によっては、車輪は、たとえば車両が方向転換している間、またはタイヤの半径が異なる場合、異なる速度で回転する。トラクション制御に対するディファレンシャル係止法の不都合は、過度な車輪空転を低減するとともに車輪を異なる速度で回転させることはできないということである。車輪空転を低減するためにブレーキを使用する不都合は、効率が低下し、ブレーキに余分な摩耗がもたらされ、ブレーキ系統を個別に作動させる必要があるということである。スリップしている車輪に対するトルクを低減するためにクラッチを用いる不都合は、クラッチの追加の初期費用および維持費が必要であり、クラッチが、滑る際に摩耗するということである。
[0004]LeTourneau社は、個別の電動車輪を備えたローダを有し、各車輪速度を、最も低速の車輪速度に対し、または平均車輪速度に対して比較するトラクション制御システムを採用している(米国特許出願第20070193794号)。自動車業界では、トラクションは、ブレーキおよび/またはエンジントルク低減方法を用いて制御される(米国特許第5,025,882号)。トラクション制御力は、車輪速度と基準速度との差と、スリップの速度変化(米国特許第5,025,882号)と、さらには道路摩擦特性の推定値(米国特許第5,504,680号)と、の関数であり得る。自動車業界には、車両速度を予測する方法があり、それには、加速度計の使用(米国特許第4,884,650号)、非駆動タイヤとの比較による(米国特許第5,492,192号および同第5,429,428号)、ステアリングの変化に合わせて調節すること(米国特許第5,429,428号)、またはさらには車輪速度およびエンジン情報を用いるモデルベースの予測器(米国特許第6,560,539号)がある。各センサには費用がかかりかつ故障の可能性があるため、基準速度を推定するために使用するセンサは少ない方が好都合である。モデルベースの方法は、タイヤ半径および車両重量等、無限のモデルパラメータの所定推定値を使用する。タイヤの摩耗またはペイロードの変化を考慮するように、タイミングがとられる所定パラメータを調整するアルゴリズムが採用される場合もある。自動車と異なり、ローダのタイヤ径およびペイロードは、動作の過程の間に著しくかつ動的に変化し、それによりパラメータ推定が非常に困難になる。
[0005]本技術分野において必要なのは、個別の駆動機構を備えたローダの車輪のトラクションを制御する方法および装置である。
[0006]本発明は、個別の従動車輪を備えた車両においてトラクションを制御する方法および装置を提供する。
[0007] 本発明は、その一形態では、フレームシステム、複数の車輪、複数の駆動ユニットおよびコントローラを有するローダ車両に関する。複数の車輪には、急速に変化する荷重がかかり、それら車輪は、フレームシステムに関連する。複数の駆動ユニットは、各々、複数の車輪のうちの対応する1つに関連する。コントローラは、複数の車輪のうちの1つに対するスリップ偏差を、複数の車輪のうちの少なくとも1つの他のものの車輪速度から導出される積分項に応じて計算するように構成される。コントローラは、1つの車輪に対するスリップ目標値を計算する。コントローラは、さらに、スリップ偏差およびスリップ目標値を用いて、1つの車輪に対応する駆動ユニットに与えられる命令を得る。
[0008]本発明は、そのさらに別の形態では、ローダ車両の地面係合車輪にトルクを付与する方法であって、スリップ偏差を計算するステップと、スリップ目標値を計算するステップと、トルクを付与するステップと、を含む方法に関する。スリップ偏差を計算するステップは、車輪のうちの少なくとも1つに対するスリップ偏差を、少なくとも2つの他の車輪の速度情報を用いて計算する。スリップ目標値を計算するステップは、関節角および車輪速度に応じてスリップ目標値を計算する。トルクを付与するステップは、各車輪に関連するスリップ偏差およびスリップ目標値に応じて車輪にトルクを付与することを含む。
[0009]本発明の実施形態による例示的な作業機械の側面図である。 [0010]図1に示すローダのトラクションを制御する方法を示すフローチャートである。 [0010]図1に示すローダのトラクションを制御する方法を示すフローチャートである。 [0010]図1に示すローダのトラクションを制御する方法を示すフローチャートである。 [0011]図1〜図4で利用される本発明の説明を助けるために利用するグラフである。 [0012]本発明の機能を示す図式化した制御回路の図である。 [0013]図1〜図6のローダおよび方法で利用する駆動システムの概略図である。 [0014]図1のローダ等、連結式車両の概略図である。
[0015]ここで図面を参照すると、本発明の実施形態による作業機械10が示されている。作業機械10は、たとえば農業、工業、建設、林業の作業および/または採掘作業を行うために用いられることが可能であり、連結式車輪駆動ローダ10であり得る。作業機械10は、ペイロード運搬車両であり、一般に、自然の力に晒され、急激に変化しかつ/または荷運搬部で一様でなく予測できない方法で分配され得る荷であるペイロードを、何らかの方法で運搬する。本出願の目的で、ローダ車両は、ローダ、スキップステアローダ、バックホー、フォークリフト、ダンプトラック、丸太スキッダ、フェラーバンチャ、丸太ハーベスタ、丸太フォワーダ、および地面から荷を拾い上げることができる装置を有する車両を含む、少なくとも2つの駆動ユニットを有する車両を含むものとする。
[0016]ローダ10は、運転台12を有し、そこで、オペレータがローダ10の機能を制御する制御装置とともに収容される。ローダ10は、ローダ部14として示す前方部分と、動力部16として示す後方部と、を有している。ローダ部14および動力部16は、連接点で連結され、連接部18によってこの点を中心に互いに対して移動する。
[0017]ローダ10は、車輪20、22、24および26を有し、それらは各々、モータ32等、別個の駆動機構によって駆動される。駆動システム28は、モータ32およびセンサ34に接続されるコントローラ30を有する。モータ32は電動駆動ユニットであってもよく、それらは各々、個々の車輪20、22、24および26に関連している。センサ34は、特に、車輪20、22、24および26の各々の回転速度を検出する。
[0018]車輪20は軸36を中心に回転し、車輪22は軸38を中心に回転し、車輪24は軸40を中心に回転し、車輪26は軸42を中心に回転する。軸38および40は同軸であってもよく、同様に、軸36および42も同軸であってもよい。図8に示すように、角度44を、同軸の軸の間に存在するものとして説明することができる。ローダ部14中心線46と動力部16の中心線48とは、ローダ部14と動力部16との間の関節角として知られる角度50を形成し、それは角度44に対応する。
[0019]本発明の一実施形態では、動力部16は、車輪20、22、24および26の各々の駆動ユニットに電気的にまたは油圧式に結合され得るエンジンを含む。駆動ユニットはいかなるタイプであってもよいが、説明を簡単にするために、電動モータであるものとし、それらは、命令されるトルクで個別に駆動され、命令はコントローラ30から発行される。本発明は、感知される車輪スリップに応じて各車輪に付与されるトルクを直接調整することにより、過度のエネルギー損失なしに、過度の車輪スリップを防止するとともに、運動学的に最適な車輪速度差を可能にする、トラクション制御システムを提供する機会を与える。
[0020]方法100として示す本発明の方法の一実施形態では、ステップ102において、車輪速度wおよび関節角(art)をセンサ34によって検出し、コントローラ30に通信する。ステップ104において、関節角を用いて、オペレータが命令する関節角に対して調整される車輪速度を計算する。関節角の関数に測定された車輪速度を掛け、それを用いて、ステアリング角に対して調整される車輪速度(w_art)を計算する。
[0021]ステップ106において、オペレータからトルク命令(cmd_in)を受け取り、ステップ108においてトルク命令が0以上でない場合、方法100はステップ110に進み、その場合、車両速度基準(w_ref)を、車輪速度関節値の最大値に等しく設定する。命令されたトルクが0以上である場合、方法100はステップ112に進み、そこで、車輪速度基準を車輪関節速度の最小値に等しく設定する。これらステップは、車両速度を推定し、ここではこれをw_refと呼ぶ。ステップ114において、スリップ目標値を、slipTargetKIおよびslipTargetKPの形態で計算する。これらを、w_refの関数として計算する。slipTarget値は、図5に示すように、所定の最小値および最大値に従って制限される。この時点で、方法100は、引き続き方法200、300、400および500により車輪の各々に対するゲインを計算する。方法300、400および500は実質的に方法200と同様であるため、本明細書では方法200のみを説明する。図3に示すように、方法200において、左前輪ゲインを計算する。ステップ202に示すように、スリップ偏差(er)は、命令された方向(cmdDir)(signum(cmd_in)に等しい)に、左前輪の速度から左後輪および右後輪の平均速度を引いたものを掛けた値に等しい。この時点で、偏差erをslipTargetKIと比較する。負の偏差がslipTargetKI以上である場合、方法はステップ210に進み、このステートメントが偽である場合、方法200はステップ208に進む。正の偏差もまたslipTargetKIと比較し、slipTargetKI以上である場合、方法200はステップ214に進み、そうでない場合、ステップ212に進む。ステップ208、210、212および214において、偏差1(er1)および偏差2(er2)を選択的に計算する。ステップ216において、作用力の増大が一方のゲインによって制御され、作用力の低減が第2ゲインによって制御されるように、偏差の大きさに応じて、2つのゲインのうちの一方を適用する際の基準としてslipTargetKIを用いることにより、effortIを計算する。ステップ218において、slipTargetKPを偏差erに対し不感帯として適用し、次いでeffotPを、偏差erにKPを掛けたものに等しく設定する。この比例作用力(effotP)の計算は、偏差erのslipTargetKPを上回る部分の関数(er>0である場合)か、またはer<−slipTargetKPの部分の関数である(er<0である場合)。ステップ220において、作用力を、effotIおよびeffortPの和として計算する。左前輪に関連するべき正のゲインは、1から作用力を引いたものに等しく、負のゲインは、1に作用力を加えてトルクシフトゲインで割った値に等しい。ここで、トルクシフトゲインは、システムにおけるトルク再配分を制御する所定値である。ステップ222において、正のゲインLFおよび負のゲインLFに対し、それらを所定最小値および所定最大値に制限することにより、限界を与える。この時点で、方法200はステップ224に進み、そこで左前輪ゲインを適用する。このシーケンスを、方法200に示すように、他の車輪速度に適切に関連して、他の車輪に対して方法300、400および500において繰り返す。
[0022]ステップ116(図4参照)において、車輪の各々のゲインを、その車輪の正のゲインに、反対のアクセルの車輪の負のゲインを掛け、反対のアクセルの他方の車輪の負のゲインを掛けた積として計算する。ステップ118において、ゲインは可変コーナー一次ローパスフィルタを用いてフィルタリングし、その場合、極は下限値を有し、フィルタの極位置は、入力の変化の速度の関数である。ステップ120において、車輪の各々に対するモータの各々に与えられるべき命令を、命令入力にそれぞれの車輪の各々のゲインを掛けることによって計算し、車輪に関連する駆動ユニットの各々に発行すべき命令をもたらす。
[0023]各車輪に対し命令を発行するものとして説明した上記方法を、各車輪に対して駆動機構がない場合に、関連する車輪に同様に適用することができる。たとえば、2つの駆動機構、すなわち車輪の前方セットに対して1つおよび車輪の後方セットに対して1つがある場合、本方法を採用して、2つの駆動機構の各々に命令を発行することができ、各駆動機構は、車輪のすべてのうちのサブセットに関連する。
[0024]本発明の方法の挙動を、さまざまなパラメータの値を変更することによって調整することができる。スリップ目標値のサイズおよび下限は、特に低速で、許容されるスリップの量を決定する。2つの積分ゲインおよび積分slipTargetの相対的な大きさにより、スリップが発生した場合にいかに迅速に駆動力が再適用されるかが確定する。可変コーナーフィルタパラメータは、駆動力自体がいかに迅速に適用されるかを決定する。各計算に関連する正のゲインおよび負のゲインの限界およびゲインの選択により、アルゴリズムが、駆動力全体を維持する目的で、スリップしていない車輪に対し駆動力を再配分するか否かおよびどの程度再配分するかが確定する。比例ゲインおよび積分ゲインの大きさと、前輪および後輪に与えられる際のこれらゲインの相対的な大きさと、により、単一のスリップしている車輪から駆動力が主に長手方向に再配分されるかまたは横方向に再配分されるかが決定する。
[0025]本発明のアルゴリズムの利点は、基準速度を推定する追加の方法が不要であり、従来技術では一般的であるように、車両の質量または車輪の半径が徐々に変化するという仮定を行わない、ということである。最も低速な車輪速度または平均車輪速度に基づく方法に優る本方法の利点は、過度なスリップなしに、いずれの車輪が増大した駆動力を適用することができるかを推定する、ということである。本方法により、車輪のサブセットの駆動能力が車両の所望の総駆動能力を超えることが可能になり、それにより、車輪のサブセットがその駆動限界に達した場合であっても、所望の総駆動能力を達成することができ、過度の駆動力の適用は、各車輪の駆動状態によって決定する、その車輪の所望の駆動力と利用可能な駆動力との関数である。本方法はまた、1つまたは2つのタイヤのスリップに応じてトルクを望ましい方法で有利に再配分する。この方式の積分要素の利点は、車両スリップのより厳密な制御と、スリップを防止するために駆動力がいかに迅速に取り除かれ、かつ最大駆動力を得るために再適用されるかを制御する方法と、が可能になるということである。
[0026]上記でかつ図面で使用した変数の多くの定義を、参照の目的で以下に示す。
art 関節角またはステアリング角
cmd_in トラクション制御調整が適用される前のトルク命令
cmdLF 左前輪に対するトラクション制御調整されたトルク命令
cmdRF 右前輪に対するトラクション制御調整されたトルク命令
cmdLR 左後輪に対するトラクション制御調整されたトルク命令
cmdRR 右後輪に対するトラクション制御調整されたトルク命令
effortI 制御力の積分成分
effortP 制御力の比例成分
er 車輪速度と基準車輪速度との差
gainLF 左前輪に対してトルク命令を低減するために用いる乗数
gainLR 左後輪に対してトルク命令を低減するために用いる乗数
gainRF 右前輪に対してトルク命令を低減するために用いる乗数
gainRR 右後輪に対してトルク命令を低減するために用いる乗数
KI1 速度差erの大きさが基準速度差slipTargetKIを上回る場合に用いる積分ゲイン
KI2 速度差erの大きさが基準速度差slipTargetKIを下回る場合に用いる積分ゲイン
negGainLF 左前輪がスリップしている場合に、他の車輪に対してトルク命令の大きさを増大させるために用いる乗数
posGainLF 左前輪がスリップしている場合に、それに対してトルク命令の大きさを低減するために用いる乗数
基準車輪速度 車輪スリップの程度を確定するために用いる1つまたは複数の車輪速度から計算される速度
slipTargetKI 積分制御計算で用いる基準速度差
slipTargetKP 比例制御計算で用いる基準速度差
w まとめて、測定される車輪速度
w_art まとめて、ステアリング角に対して調整された車輪速度、等価の中心線速度または等価の狭い走行速度
w_LF 左前輪中心線(ステアリング調整された)速度
w_LR 左後輪中心線速度
w_ref 車輪スリップを確定するために用いる、1つまたは複数の車輪速度から計算される基準車輪速度
w_RF 右前輪中心線速度
w_RR 右後輪中心線速度
[0027]好ましい実施形態について説明したが、添付の特許請求の範囲において定義されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を行うことができることが明らかとなろう。

Claims (20)

  1. フレームシステムと、
    急速に変化する荷重がかかる複数の車輪であって、前記フレームシステムに関連する車輪と、
    複数の駆動ユニットであって、各々が、前記複数の車輪のうちの少なくとも1つの対応するサブセットに関連する、駆動ユニットと、
    前記複数の車輪のうちの1つに対するスリップ偏差を、前記複数の車輪のうちの少なくとも1つの他のものの車輪速度から導出される積分項に応じて計算し、前記複数の車輪のうちの前記1つに対するスリップ目標値を計算するように構成されたコントローラであって、前記スリップ偏差および前記スリップ目標値を用いて、前記複数の車輪のうちの少なくとも1つの前記サブセットに対応する前記駆動ユニットに与えられる命令を得るようにさらに構成されたコントローラと、
    を具備するローダ車両。
  2. 前記コントローラが、前記複数の車輪のうちの1つに対する前記スリップ偏差を、前記複数の車輪のうちの少なくとも2つの他のものの車輪速度から導出される積分項に応じて計算するようにさらに構成される、請求項1に記載のローダ車両。
  3. 前記複数の車輪のうちの前記1つが、第1回転軸に関連する第1車輪であり、前記複数の車輪のうちの前記少なくとも2つの他のものが、第2車輪および第3車輪を含み、前記第2車輪が第2回転軸に関連し、前記第3車輪が第3回転軸に関連し、前記第1軸が前記第2軸および前記第3軸のうちの少なくとも一方とは異なる、請求項2に記載のローダ車両。
  4. 前記第2軸および前記第3軸が実質的に同軸である、請求項3に記載のローダ車両。
  5. 前記コントローラが、前記複数の車輪の各々に対してスリップ偏差を計算し、前記複数の車輪の各々に対してスリップ目標値を計算するように構成され、前記コントローラが、前記スリップ偏差および前記スリップ目標値を用いて、前記複数の車輪の各々に対応する前記複数の駆動ユニットの各々に対する命令を得るようにさらに構成される、請求項4に記載のローダ車両。
  6. 前記コントローラが、前記第1軸と前記第2軸との角度差に対応する関節角に応じて前記スリップ目標値を計算するように構成される、請求項5に記載のローダ車両。
  7. 前記命令の各々が、対応する駆動ユニットによる所望のトルクの付与に対応する、請求項6に記載のローダ車両。
  8. 前記スリップ目標値が、前記コントローラが前記命令を変更しない不感帯を含む、請求項1に記載のローダ車両。
  9. 前記コントローラが、前記スリップ偏差が前記不感帯外である場合に新たな命令を得る、請求項8に記載のローダ車両。
  10. 複数の車輪を有するローダ車両用の駆動システムであって、
    複数の駆動ユニットであって、各々が前記複数の車輪のうちの少なくとも1つの対応するサブセットに関連する、駆動ユニットと、
    前記複数の車輪のうちの1つに対するスリップ偏差を、前記複数の車輪のうちの少なくとも1つの他のものの車輪速度から導出される積分項に応じて計算し、前記複数の車輪のうちの前記1つに対するスリップ目標値を計算するように構成されたコントローラであって、前記スリップ偏差および前記スリップ目標値を用いて、前記複数の車輪のうちの少なくとも1つの前記サブセットに対応する前記駆動ユニットに与えられる命令を得るようにさらに構成されたコントローラと、
    を具備する駆動システム。
  11. 前記コントローラが、前記複数の車輪のうちの1つに対する前記スリップ偏差を、前記複数の車輪のうちの少なくとも2つの他のものの車輪速度から導出される積分項に応じて計算するようにさらに構成される、請求項10に記載のローダ車両。
  12. 前記複数の車輪のうちの前記1つが、第1回転軸に関連する第1車輪であり、前記複数の車輪のうちの前記少なくとも2つの他のものが、第2車輪および第3車輪を含み、前記第2車輪が第2回転軸に関連し、前記第3車輪が第3回転軸に関連し、前記第1軸が前記第2軸および前記第3軸のうちの少なくとも一方とは異なる、請求項11に記載のローダ車両。
  13. 前記第2軸および前記第3軸が実質的に同軸である、請求項12に記載のローダ車両。
  14. 前記コントローラが、前記複数の車輪の各々に対してスリップ偏差を計算し、前記複数の車輪の各々に対してスリップ目標値を計算するように構成され、前記コントローラが、前記スリップ偏差および前記スリップ目標値を用いて、前記複数の車輪の各々に対応する前記複数の駆動ユニットの各々に対する命令を得るようにさらに構成される、請求項13に記載のローダ車両。
  15. 前記コントローラが、前記第1軸と前記第2軸との角度差に対応する関節角に応じて前記スリップ目標値を計算するように構成される、請求項14に記載のローダ車両。
  16. 前記命令の各々が、対応する駆動ユニットによる所望のトルクの付与に対応する、請求項15に記載のローダ車両。
  17. 前記スリップ目標値が、前記コントローラが前記命令を変更しない不感帯を含む、請求項10に記載のローダ車両。
  18. 前記コントローラが、前記スリップ偏差が前記不感帯外である場合に新たな命令を得る、請求項17に記載のローダ車両。
  19. ローダ車両の地面係合車輪にトルクを付与する方法であって、
    前記車輪のうちの少なくとも1つに対するスリップ偏差を、少なくとも2つの他の車輪の速度情報を用いて計算するステップと、
    関節角および車輪速度に応じてスリップ目標値を計算するステップと、
    前記車輪に関連する前記スリップ偏差および前記スリップ目標値に応じて、車輪に対しトルクを付与するステップと、
    を含む方法。
  20. スリップ偏差を計算する前記ステップ、スリップ目標値を計算する前記ステップおよび前記付与するステップが、前記地面係合車輪の各々に対して行われる、請求項19に記載の方法。
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