JP2014162260A - Stability evaluation system and stability evaluation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、走行面を走行中の車両の安定性を評価する安定性評価システム及び安定性評価方法に関するものである。 The present invention relates to a stability evaluation system and a stability evaluation method for evaluating the stability of a vehicle traveling on a traveling surface.
従来、自転車に代表される二輪車については、重心が常に前後輪の接地線上となるように操縦することで倒れることなく直進走行できると考えられてきた(例えば、非特許文献1参照)。接地線は自転車の操縦状態に従って経時的に変化するが、各時点において常に接地線上に重心がくるようにすることで、自転車を転倒させることなく操縦することが可能になる。 2. Description of the Related Art Conventionally, it has been considered that a two-wheeled vehicle represented by a bicycle can travel straight without being tilted by maneuvering so that the center of gravity is always on the ground line of the front and rear wheels (see, for example, Non-Patent Document 1). Although the ground line changes with time according to the steering state of the bicycle, it is possible to steer the bicycle without falling down by always having the center of gravity on the ground line at each time point.
また、自動二輪車のモデルを開発して、シミュレーションで得られた結果から固有値解析を実施して自動二輪車の走行時の力学的安定性を評価する方法が提案されてきた(例えば、非特許文献2参照)。非特許文献2に記載の手法によれば、自動二輪車の走行時の固有振動と走行速度との関係に基づいて走行時の自動二輪車の力学的安定性を解析することができる。 In addition, a method has been proposed in which a motorcycle model is developed and eigenvalue analysis is performed from the results obtained by simulation to evaluate the mechanical stability of the motorcycle during travel (for example, Non-Patent Document 2). reference). According to the method described in Non-Patent Document 2, it is possible to analyze the mechanical stability of the motorcycle during traveling based on the relationship between the natural vibration during traveling of the motorcycle and the traveling speed.
しかしながら、非特許文献1に記載の方法では、走行中の車両の接地点の位置を把握することが困難であった。また、非特許文献2記載の方法では、車両操縦主体の挙動は近似的にモデル化してシミュレーションモデルに入力しており、車両操縦主体の実際の挙動を考慮して、走行中の車両の安定性を評価することはできなかった。
However, with the method described in
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、走行中の車両の接地点の位置を把握するとともに、車両の操縦主体の挙動を考慮して、走行中の車両の安定性を評価することができる、安定性評価システム及び安定性評価方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention made in view of such circumstances is to grasp the position of the grounding point of the traveling vehicle and to evaluate the stability of the traveling vehicle in consideration of the behavior of the driving subject of the vehicle. An object of the present invention is to provide a stability evaluation system and a stability evaluation method.
上記目的を達成する本発明に係る安定性評価システムは、走行面を走行中の車両の安定性を評価する安定性評価システムであって、前記車両および該車両を操縦する操縦主体の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサと、前記車両の車輪が前記走行面に接する点である接地点を特定可能な接地点センサであって、前記車輪の回転中心を含む回転面と、該回転中心を通り前記回転面に対して垂直な中心軸線とを検出可能に配置された、接地点センサと、前記重心センサによる計測データに基づいて前記合成重心位置を算出し、且つ、前記接地点センサによる計測データに基づいて前記接地点を算出して、少なくとも前記合成重心位置および前記接地点を前記車両の安定性評価指標として提供する安定性評価装置と、を備えることを特徴とするものである。 A stability evaluation system according to the present invention that achieves the above object is a stability evaluation system for evaluating the stability of a vehicle that is traveling on a traveling surface, wherein the combined center of gravity position of the vehicle and the control subject that controls the vehicle is provided. A center-of-gravity sensor arranged so as to be able to identify, a grounding point sensor capable of identifying a grounding point that is a point where a wheel of the vehicle is in contact with the traveling surface, a rotating surface including a center of rotation of the wheel, and the rotation A grounding point sensor disposed so as to be able to detect a central axis perpendicular to the rotation plane through the center, and calculating the composite barycentric position based on measurement data by the barycentric sensor, and the grounding point sensor And a stability evaluation device that calculates the ground contact point based on measurement data obtained by the above and provides at least the combined center of gravity position and the ground contact point as a stability evaluation index of the vehicle. It is intended to.
本発明による安定性評価システムにより、走行中の車両の接地点の位置を把握するとともに、車両の操縦主体の挙動を考慮して、走行中の車両の安定性を評価することができる。 With the stability evaluation system according to the present invention, it is possible to grasp the position of a grounding point of a traveling vehicle and to evaluate the stability of the traveling vehicle in consideration of the behavior of the subject of the vehicle.
本発明によれば、走行中の車両の接地点の位置を把握するとともに、車両の操縦主体の挙動を考慮して、走行中の車両の安定性を評価することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while grasping | ascertaining the position of the grounding point of the vehicle during driving | running | working, the stability of the vehicle during driving | running can be evaluated in consideration of the behavior of the control subject of a vehicle.
以下、本発明による安定性評価システム及び安定性評価方法の実施形態について、図面を参照して詳細に例示説明する。 Hereinafter, embodiments of a stability evaluation system and a stability evaluation method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態による安定性評価システムを説明するための図である。本実施形態では、車両を自転車として、また、操縦主体を操縦者(ヒト)として説明する。図1に示す安定性評価システム1は、自転車2の前輪3に取り付けられた前輪接地点センサ4、後輪5に取り付けられた後輪接地点センサ6、ハンドル舵角センサ7、安定性評価装置8、自転車2および操縦者9の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサを構成する、操縦主体重心センサ10及び車両重心センサ11を備える。
FIG. 1 is a diagram for explaining a stability evaluation system according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the vehicle will be described as a bicycle, and the control subject will be described as a driver (human). A
操縦主体重心センサ10は、操縦主体の重心位置を特定可能に配置される。具体的には、操縦主体重心センサ10は、既知の人体特性理論に基づいて、操縦者9の頭部、胸部、腰部、上腕部、前腕部、手部、大腿部、下腿部、足部等に付されている(例えば、阿江、湯、横井、「日本人アスリートの身体部分慣性特性の推定」、バイオメカニズム11(1992)23-33参照)。自転車2において、車両重心センサ11は、車両の重心位置を特定可能に配置される。例えば、車両重心センサ11は、自転車2のハンドル、フレーム、および静止状態(ハンドルがまっすぐの状態)における自転車2の重心位置に付されている。図1では明確のため、操縦主体重心センサ10は、頭部に付した操縦主体重心センサ10についてのみ、車両重心センサ11は、静止状態における自転車2の重心位置に付した車両重心センサ11についてのみ、参照符号を付して図示する。
The steering subject center-of-
前輪接地点センサ4及び後輪接地点センサ6は、位置特定可能であり、車輪の回転中心を含む仮想の回転面と、該回転中心を通り回転面に対して垂直な仮想の中心軸線と、を検出することができるように、それぞれ、前輪3および後輪5に取り付けられている。具体的な取り付け態様は、図3を参照して後に詳述する。
The front wheel grounding point sensor 4 and the rear wheel grounding point sensor 6 are position-identifiable, and include a virtual rotation surface including the rotation center of the wheel, and a virtual center axis line passing through the rotation center and perpendicular to the rotation surface. Are attached to the front wheel 3 and the
ハンドル舵角センサ7は、自転車2のハンドル舵角を検出可能なように、例えば、自転車2のステアリング軸(ハンドルを傾ける際の軸)の動き(例えば、回転)に連動するように取り付けられる。
The steering wheel
前輪接地点センサ4及び後輪接地点センサ6、操縦主体重心センサ10及び車両重心センサ11、並びに、ハンドル舵角センサ7は、各センサの取り付け位置における、3軸の加速度及び角速度を感知するセンサである。具体的には、安定性評価システム1は、3軸(XYZ軸、あるいは、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸)の加速度を感知し、感知された加速度を2回時間積分することで、走行中の各時点における初期状態からの3方向の変位量を算出することができる。安定性評価システム1は、角速度を感知し、感知された角速度を時間積分することで、走行中の各時点における初期状態からの3方向の角度変化量を算出することができる。好ましくは、安定性評価システム1は、加速度及び角速度に加えて、地磁気を感知して、感知された地磁気の計測データから、加速度及び角速度を感知するセンサによる計測データに基づいて得られた変位量及び角度変化量を補正することができる。これらのセンサは、走行中の自転車2についての加速度及び角速度を、好ましくは、地磁気の変動を感知して、事前に計測しておいた各センサの初期位置に合算することで、走行中の自転車2における各センサの取り付け位置の位置情報を得ることができる。
The front wheel grounding point sensor 4 and the rear wheel grounding point sensor 6, the steering main
安定性評価装置8は、操縦主体重心センサ10及び車両重心センサ11からの情報に基づいて、自転車2及び操縦者9の合成重心位置を算出し、前輪接地点センサ4及び後輪接地点センサ6からの情報に基づいて自転車2の接地点を算出する。具体的には、安定性評価装置8は、前輪接地点センサ4及び後輪接地点センサ6からの情報に基づいて、図3に示すような、前輪3および後輪5の中心軸線15および回転面16を算出し、該回転面16と走行面12に対して鉛直投影した投影中心軸線13とが交差する点を、接地点14として算出する。さらに、安定性評価装置8は、前輪3および後輪5のそれぞれについての接地点を結んだ直線を接地線として算出する。
The
図2は、本発明の一実施形態による安定性評価方法を説明するためのフローチャートである。先ず、前輪接地点センサ4及び後輪接地点センサ6、並びに、操縦主体重心センサ10及び車両重心センサ11により、計測データを取得する計測ステップを実施する(ステップS01)。そして、安定性評価装置8は、操縦主体重心センサ10及び車両重心センサ11の計測データに基づいて、合成重心位置を算出し、且つ、前輪接地点センサ4及び後輪接地点センサ6センサの計測データから接地点を算出して、少なくともこれら合成重心位置および接地点を自転車2の安定性評価指標として提供する評価指標提供ステップを実施する(ステップS02)。
FIG. 2 is a flowchart for explaining a stability evaluation method according to an embodiment of the present invention. First, a measurement step of acquiring measurement data is performed by the front wheel contact point sensor 4 and the rear wheel contact point sensor 6, as well as the steering
安定性評価装置8は、ステップS01及びS02を、計測開始後から所定時間間隔で繰り返すことで、走行中の自転車2および操縦者9の合成重心位置、接地点、および接地線の経時変化を簡易に取得・提供することができる。
The
以下、上述のステップS02における安定性評価装置8による計算処理についてより詳細に説明する。
Hereinafter, the calculation process by the
[接地点計算処理]
図3は、図2のステップS02における接地点計算処理の一例を説明するための図である。本例では、後輪接地点センサ6は、後輪5に対して、車輪の中心軸線15が通る位置を含んで取り付ける。最も好ましくは、前輪接地点センサ4及び後輪接地点センサ6は、それぞれ前輪3及び後輪5の車軸中心(回転中心)に配置される。好ましくは、前輪接地点センサ4及び後輪接地点センサ6は、車輪の回転中心から前輪3および後輪5のそれぞれの両側に向かって回転面に対して垂直に等距離で突出している取付部材(図示しない)上に取り付けられる。この場合、回転面から前輪接地点センサ4及び後輪接地点センサ6までの距離は予め計測しておく。なお、後輪接地点センサ6の取り付け態様はこの限りではなく、自転車2の走行時に後輪5の回転軸である中心軸線15、及び後輪5の回転面16との位置関係が固定されており、中心軸線15及び回転面16に追従して(中心軸線15及び回転面16に伴って)変位する位置に取り付けられていれば良い。なお、前輪3の前輪接地点センサ4についても同様に配置されている。
[Contact point calculation processing]
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the contact point calculation process in step S02 of FIG. In this example, the rear wheel ground contact point sensor 6 is attached to the
安定性評価装置8は、後輪5の中心軸線15及び回転面16と、後輪接地点センサ6との位置関係を予め把握している。そして、安定性評価装置8は、接地点14を算出するにあたって、走行中の各時点において後輪接地点センサ6から取得した計測データから、各時点における後輪5の中心軸線15及び回転面16の空間的位置情報を算出する。さらに、安定性評価装置8は、回転面16と、地面等の走行面12に対して中心軸線15を鉛直投影した投影中心軸線13とが交差する点を、接地点14として算出する。安定性評価装置8は、図3には示さない前輪接地点センサ4についても、同様の計算処理を実施して、前輪3の接地点を算出することができる。そして、算出した前輪3および後輪5の両接地点を通る直線を接地線として算出することができる。
The
[合成重心計算処理]
安定性評価装置8は、まず、操縦主体重心センサ10による計測データに基づいて操縦者9の重心位置を特定し、車両重心センサ11による計測データに基づいて自転車2(車両)の重心位置を特定する。操縦者9の重心位置は、人体特性に基づく各体節の重心位置の計測結果を合成することにより特定する。自転車2の重心位置は、例えば、懸垂法や秤量法(大矢多喜雄、「自転車に対する運動力学について」、自振協技術研究所報告、p.1−8、1978年、No.2)により求めた静止状態における自転車2の重心位置と、走行中の車両重心センサ11による計測データと、に基づいて特定する。
[Composite centroid calculation processing]
First, the
そして、安定性評価装置8は、操縦者9(操縦主体)の重心位置および自転車2の重心位置と、操縦者9および自転車2の各質量に基づいて、合成重心位置を計算する。具体的な計算原理の一例を以下に説明する。まず、操縦者9の質量(体重)をMa(kg)、および任意に設定したXYZ平面における重心位置座標を(Xa,Ya,Za)、自転車2の質量(重量)をMb(kg)、重心位置座標を(Xb,Yb,Zb)とする。この場合、合成重心位置座標を(Xg,Yg,Zg)とすると、かかる合成重心位置において、X,Y,Z方向のモーメントは0となるはずである。よって、自転車2および操縦者9の合成重心位置のX座標について、
Ma・g・Xa+Mb・g・Xb−(Ma+Mb)・g・Xg=0 (g:重力加速度)
が満たされるはずである。したがって、合成重心位置のX座標は、
Xg=(Ma・Xa+Mb・Xb)/(Ma+Mb)
として算出することができる。
同様にして、Yg,Zgも下式により算出することができる。
Yg=(Ma・Ya+Mb・Yb)/(Ma+Mb)
Zg=(Ma・Za+Mb・Zb)/(Ma+Mb)
Then, the
Ma.g.Xa + Mb.g.Xb- (Ma + Mb) .g.Xg = 0 (g: gravitational acceleration)
Should be satisfied. Therefore, the X coordinate of the composite centroid position is
Xg = (Ma · Xa + Mb · Xb) / (Ma + Mb)
Can be calculated as
Similarly, Yg and Zg can also be calculated by the following equations.
Yg = (Ma · Ya + Mb · Yb) / (Ma + Mb)
Zg = (Ma · Za + Mb · Zb) / (Ma + Mb)
次に、安定性評価装置8によって算出された、接地点(接地線)および合成重心の位置関係について図4を参照して説明する。図4は、安定性評価装置8で取得した各センサ、合成重心位置、および接地線の位置関係について説明するための図である。操縦主体重心センサ10は、操縦者9の頭部、胸部、腰部、上腕部、前腕部、手部、大腿部、下腿部、及び足部等に装着される。前輪接地点14Aおよび後輪接地点14Bを通る直線は、接地線18である。操縦者および自転車の合成重心位置は合成重心位置Gとして図示し、かかる合成重心位置Gを走行面に対して投影した位置を投影合成重心位置Gpとして図示する。投影合成重心位置Gpと接地線18との位置関係に着目すると、操縦者が自転車により直進する場合には、接地線18に対して左右に投影合成重心位置Gpが変動する。
Next, the positional relationship between the ground point (ground line) and the combined center of gravity calculated by the
操縦者は、自転車を安定して走行させるために、投影合成重心位置Gpが接地線18上にくるように重心移動やハンドル制御を実施している。そこで、本発明者らは、接地線18−投影合成重心位置Gp間の距離(重心変位量)の変動と、自転車のハンドル舵角、バンク角、スリップアングル、走行面反力のような走行中の自転車において変動しうる種々の安定性評価指標との関係に着目した。以下、本実施形態による安定性評価システム1における種々の安定性評価指標の算出方法について説明する。
In order to make the bicycle run stably, the operator performs center of gravity movement and handle control so that the projected combined center of gravity position Gp is on the
[ハンドル舵角]
ハンドル舵角とは、ハンドルを切った角度を言う。安定性評価装置8は、ハンドル舵角を、ステアリング軸の回転挙動に連動するハンドル舵角センサ7により計測することができる。安定性評価装置8は、初期状態の角度を0度として、走行中の角時点において、ハンドル舵角センサ7から取得した角速度を時間積分することで、ハンドル舵角を算出する。
[Steering wheel steering angle]
The steering angle is the angle at which the steering wheel is turned. The
[バンク角]
バンク角とは、車両を垂直状態から傾けた時の角度を言う。本実施形態では、バンク角を自転車の後輪の傾きに基づいて算出するものとする。安定性評価装置8は、自転車2の後輪5について図2のステップ02で算出した回転面16の空間的位置情報と、走行面12に対して垂直な面とがなす角を、バンク角として算出することができる。すなわち、安定性評価装置8は、90度から回転面16と走行面12とが成す鋭角側の角度を減じて、バンク角を算出する。このようにして、本実施形態による安定性評価システム1は、安定性評価指標の一つとしてバンク角を算出および提供することができる。車両を直線走行させる際には、バンク角が生じることにより車体が不安定になると考えられるため、バンク角を算出することは、車両の安定性を評価する上で重要である。
[Bank corner]
The bank angle is an angle when the vehicle is tilted from a vertical state. In the present embodiment, the bank angle is calculated based on the inclination of the rear wheel of the bicycle. The
[スリップアングル]
スリップアングルとは、走行面上における車両の前輪の向きと車両の進行方向とのずれの角度を言う。安定性評価装置8は、走行中の自転車2の進行方向と前輪3の回転面とが成す角度を、スリップアングルとして算出することができる。安定性評価装置8は、走行中のある時点における自転車2の進行方向を、当該時点における接地点と、その前後何れかの任意の時点の前輪3の接地点とを結んだ直線の方向として取得する。そして、安定性評価装置8は、取得した自転車2の進行方向と、上記の時点における前輪3の回転面とが成す角度を、当該時点における自転車2のスリップアングルとして取得する。このようにして、本実施形態による安定性評価システムは、従来は算出することが非常に難しかった走行中の車両のスリップアングルを、安定性評価指標の一つとして算出することができる。車両のスリップアングルを算出することにより、走行中の車両に生じるコーナリングフォースを推測できると共に、当該コーナリングフォースに起因する車両挙動を予測することも可能となる。
[Slip angle]
The slip angle refers to an angle of deviation between the direction of the front wheel of the vehicle and the traveling direction of the vehicle on the traveling surface. The
[走行面反力]
走行面反力とは、車両に対して走行面から作用する力を言う。そして、走行面反力のうち、走行面上で車両の進行方向に対して垂直な方向の力の成分は、車両の横転に寄与し、走行中の車両の安定性評価に影響を及ぼすことが考えられる。安定性評価装置8は、バンク角および接地線18に基づいて、走行面反力のうち進行方向に対して垂直な方向に作用する力(以下、進路垂直反力という)、を算出することができる。走行面反力の算出方法は、既知の方法に従う。具体的には、車両の走行面とするプレートの四隅に歪ゲージ、又は圧電素子を配置し、これらの歪ゲージ又は圧電素子により感知された力に基づいて、プレートに係る3軸(ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸)の力及びモーメントを出力する。
[Running reaction force]
The traveling surface reaction force refers to a force acting on the vehicle from the traveling surface. Of the traveling surface reaction force, the force component in the direction perpendicular to the traveling direction of the vehicle on the traveling surface contributes to the rollover of the vehicle and may affect the stability evaluation of the traveling vehicle. Conceivable. Based on the bank angle and the
そして、安定性評価装置8は、このようにして算出した走行面反力から、図5Aおよび図5Bを参照して説明する方法によって、進路垂直反力を算出する。図5Aおよび図5Bは、進路垂直反力を算出するための方法の一例を説明するための図であり、図5Aは後輪5を後輪5の正面から見た図であり、図5Bは、上から見た図である。そして、進路垂直反力は、上述の通り走行面から作用する力を分解することによって得られる、進行方向に対して垂直に作用する力をいう。かかる進路垂直反力の影響により、自転車2が走行中に横転する恐れがある。
Then, the
上述のようにして算出した走行面反力μについて、図5Aに示すように、安定性評価装置8は、まず、バンク角θBAを用いて走行面に対して平行な力μsinθBAに分解する。次に、安定性評価装置8は、図5Bに示すような力μsinθBAと進行方向線19とが成す角θTを算出して、進路垂直反力μsinθBA・sinθTに分解する。このようにして、安定性評価装置8は、進路垂直反力μsinθBA・sinθTを算出する。安定性評価装置8は、進路垂直反力μsinθBA・sinθTを安定性評価指標の一つとして算出することで、走行中の自転車2に対して進行方向に向かって横方向にどの程度の力が印加されているかを数値的に示すことができる。そして、安定性評価システム1は、進路垂直反力を用いて、例えば、走行中の自転車2がどの時点で横方向に倒れる蓋然性が高いかということを解析することができる。
For running surface reaction force calculated as described above mu, as shown in FIG. 5A,
このように、本実施形態による安定性評価システムは、走行中の車両の安定性に寄与する様々な指標を算出し提供することができる。そして、かかる安定性評価システムは、そのような指標を用いて、走行中の車両の安定性を数値的に評価することができる。以下、図6を参照して、上述のようにして算出された指標に基づく評価結果の一例を説明する。 As described above, the stability evaluation system according to the present embodiment can calculate and provide various indexes that contribute to the stability of the running vehicle. Such a stability evaluation system can numerically evaluate the stability of a running vehicle using such an index. Hereinafter, an example of an evaluation result based on the index calculated as described above will be described with reference to FIG.
図6は、本発明の一実施形態による安定性評価システムによる走行時の車両の安定性評価結果の一例を示す図であり、図4を参照して説明した投影合成重心位置の接地線に対する変位量(重心変位量)と、ハンドル舵角の変動と、バンク角の変動を示す。それぞれについて、接地線上を0、自転車の進行方向に向かって接地線の右側方向の変位をマイナス、左側方向の変位をプラスとして図示した。走行時間の経過に伴う、各安定性評価指標の値の時系列変化から、各安定性評価指標の時系列波形が得られた。 FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a vehicle stability evaluation result during travel by the stability evaluation system according to the embodiment of the present invention, and the displacement of the projected composite gravity center position described with reference to FIG. 4 with respect to the ground line The amount (the center of gravity displacement amount), the steering wheel steering angle fluctuation, and the bank angle fluctuation are shown. For each of them, 0 is shown on the ground line, the displacement in the right direction of the ground line toward the traveling direction of the bicycle is minus, and the displacement in the left direction is shown as plus. The time series waveform of each stability evaluation index was obtained from the time series change of the value of each stability evaluation index with the passage of travel time.
例えば、図6に基づいて、走行時の自転車の安定性について以下のように評価することができる。まず、時刻t1の時点で何らかの外的要因により重心が進行方向に向かって右側に変位することに伴い、一定の遅延をはさんで時刻t2の時点で自転車に傾きが生じてバンク角の数値に影響が現れる。そして、時刻t2の時点で自転車の傾きを補正するために操縦者がハンドルを逆方向に切ると、それに追従して重心が接地線に対して逆方向に移動する。その後、重心の移動に追従してバンク角が小さくなり自転車の傾きが緩和される。 For example, based on FIG. 6, the stability of the bicycle during traveling can be evaluated as follows. First, for some external factor at time t 1 with the center of gravity is displaced to the right side in the traveling direction, the bank angle occurs tilt the bicycle at time t 2 across a fixed delay The numerical value is affected. Then, the operator to correct the tilt of the bicycle at time t 2 is the cut handle in the reverse direction, the center of gravity and follows it to move in the opposite direction to the ground line. Then, following the movement of the center of gravity, the bank angle is reduced, and the inclination of the bicycle is relaxed.
このように、本実施形態による安定性評価システムによれば、自転車の走行時の車両の安定性を保持するための自転車および操縦者の挙動を数値的に表すことができる。さらに、本実施形態による安定性評価システムは、図6に示すような時系列波形に基づいて、自転車の安定性を評価するための、更なる安定性評価指標を提供することもできる。以下、図7を参照して時系列波形に基づく、更なる安定性評価指標の算出方法を説明する。 As described above, according to the stability evaluation system of the present embodiment, the behavior of the bicycle and the driver for maintaining the stability of the vehicle when the bicycle is running can be numerically expressed. Furthermore, the stability evaluation system according to the present embodiment can also provide a further stability evaluation index for evaluating the stability of the bicycle based on the time series waveform as shown in FIG. Hereinafter, a further method for calculating the stability evaluation index based on the time-series waveform will be described with reference to FIG.
図7は、本発明の一実施形態による安定性評価システムにより提供される安定性評価指標の算出方法の一例を説明するための図である。図7に示す時系列波形は、例えば、重心変位量についての時系列波形である。ここでは、時刻t1〜tnまでの平均振幅をAave、時刻tkにおける振幅値をAkとし、図8に示す時系列波形を代表する振幅値Aは下式で与える。
このようにして算出した、重心変位量、ハンドル舵角、バンク角、進路垂直反力、スリップアングル等についての時系列波形の振幅値を走行中の自転車の安定性評価指標の一つとして用いることができる。 Use the amplitude value of the time-series waveform for the displacement of the center of gravity, steering wheel steering angle, bank angle, course vertical reaction force, slip angle, etc., calculated as described above, as one of the stability evaluation indices of the running bicycle. Can do.
また、本実施形態による安定性評価装置8は、図6に示したような各安定性評価指標の時系列波形について位相差を算出することで、更なる安定性評価指標を算出することもできる。以下、位相差の算出方法の一例を図8および図9を参照して説明する。図8は、正規化した重心変位量およびバンク角の時系列波形を示す図である。
Further, the
図8に示す時系列波形は、それぞれ、図6に示したような重心変位量およびバンク角の時系列波形について、それぞれ、中心が0となるように平行移動して、ピークトゥーピークの値が1となるように正規化したものである。ここでは、バンク角の時系列波形y1および重心変位量の時系列波形y2をそれぞれ、下式によって表す。
y1=A1sinωt
y2=A2sin(ωt+δ)
ここで、A1はバンク角振幅値、A2は重心変位振幅値、ωは角周波数、tは時間、δは位相差である。例えば、A1及びA2は、それぞれ、任意区間を走行した際のバンク角振幅値及び重心変位振幅値の最大振幅値として与えることができる。
The time-series waveforms shown in FIG. 8 are respectively translated in such a way that the center-of-gravity displacement amount and bank angle time-series waveforms as shown in FIG. It is normalized to be 1. Here, each time-series waveform y 2 of the time-series waveform y 1 and the center of gravity displacement of the bank angle, represented by the formula.
y 1 = A 1 sin ωt
y 2 = A 2 sin (ωt + δ)
Here, A 1 is a bank angular amplitude value, A 2 is a gravity center displacement amplitude value, ω is an angular frequency, t is time, and δ is a phase difference. For example, A 1 and A 2 can be given as the maximum amplitude values of the bank angle amplitude value and the centroid displacement amplitude value when traveling in an arbitrary section, respectively.
そして、上述の式より下式を得て、図9に示すリサージュ図形を得る。
y1/A1=sinωt
y2/A2=sin(ωt+δ)
ここで、リサージュ図形により定義される楕円面積Sについて平均化処理を行うことは困難であるため、本実施形態による安定性評価装置8では、例えば、y1=y2からの距離xiの平均値を下式により算出して、位相差PDとする。
y 1 / A 1 = sinωt
y 2 / A 2 = sin (ωt + δ)
Here, since it is difficult to perform the averaging process on the elliptical area S defined by the Lissajous figure, in the
このようにして、本実施形態による安定性評価システム1によれば、重心変位量、ハンドル舵角、バンク角、進路垂直反力、スリップアングル等から選択した2つの安定性評価指標の時系列波形について、位相差を算出して、更なる安定性評価指標として提供することができる。以下、図10を参照して、本実施形態による安定性評価システム1による安定性評価結果の一例を説明する。
Thus, according to the
図10は、本発明の一実施形態による安定性評価システム1により提供される安定性評価結果の一例を示す図である。横軸は、重心変位量の振幅値を示し、縦軸は重心変位量―バンク角位相差を示す。ここでは、4種の自転車A〜Dについて一の操縦者が直線走行したデータに基づいて算出した安定性評価指標を示す。重心変位量の振幅値は、走行面に対して投影した合成重心位置と接地線との距離の振幅値(mm)であり、この値が小さいほど、直進走行が容易な、すなわち、進路保持性が良好な自転車であるといえる。重心変位量−バンク角位相差は、自転車の操作性を表す指標である。すなわち、この値が大きいほど、重心移動の影響がバンク角の変化に及ぶまでの時間が長く、応答がゆっくりとした自転車であるといえる。逆に、重心変位量−バンク角位相差の値が小さいほど、応答が速い自転車であるといえる。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a stability evaluation result provided by the
すなわち、自転車Aは進路保持性が高く応答がゆっくりとした自転車である。一方、自転車Dは、進路保持性が比較的低いが、操作に対する応答が速い自転車である。自転車BおよびCは、自転車AおよびDの間の特性を示す自転車である。これらの自転車の操作性は、実際に操縦者が自転車A〜Dで直線走行した場合の操作の体感ともよく一致していた。 That is, the bicycle A is a bicycle that has a high course holding ability and a slow response. On the other hand, the bicycle D is a bicycle that has a relatively low course retention but has a quick response to operations. Bicycles B and C are bicycles that exhibit characteristics between bicycles A and D. The operability of these bicycles was in good agreement with the experience of operation when the driver actually traveled straight on bicycles A to D.
このように、本実施形態による安定性評価システム1によれば、自転車の走行安定性に関して評価指標となる数値データを提供することができる。これにより、従来なら官能評価に頼っていた自転車の走行安定性評価を、センサにより取得された計測データに基づく客観的な数値を用いて実施することが可能になる。さらに、本実施形態による安定性評価システム1によれば、走行安定性評価に当たって、撮像装置を必要としない。撮像装置を利用した安定性評価装置及び方法では撮像装置の撮像範囲内でしか走行中の車両の安定性を評価できなかったが、本実施形態による安定性評価システム1によれば、適用範囲の制限なく、走行中の車両の安定性を評価することができるようになる。
Thus, according to the
なお、図10における縦軸は、重心変位量−バンク角位相差に限定されるものではなく、重心変位量およびバンク角に加えて、ハンドル舵角、スリップアングル、および進路垂直反力から選択した2つの安定性評価指標について、位相差を算出して図10のようなチャートの縦軸として適用することももちろん可能である。図10における横軸についても同様に、重心変位量の振幅値の他の安定性評価指標をとることも可能である。 The vertical axis in FIG. 10 is not limited to the center-of-gravity displacement amount-bank angle phase difference, but is selected from the steering wheel steering angle, slip angle, and course vertical reaction force in addition to the center-of-gravity displacement amount and bank angle. Of course, it is also possible to calculate the phase difference for the two stability evaluation indexes and apply it as the vertical axis of the chart as shown in FIG. Similarly, for the horizontal axis in FIG. 10, it is also possible to take another stability evaluation index of the amplitude value of the centroid displacement amount.
本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換ができることは当業者に明らかである。従って、本発明は、上述の実施形態によって制限されるものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。 It will be apparent to those skilled in the art that many changes and substitutions can be made within the spirit and scope of the invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited by the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the claims.
例えば、上記実施形態では操縦主体が操縦者(ヒト)であるものとして説明したが、操縦主体を、車両に推進力を与えることができるあらゆる対象で置き換えて上述の安定性評価システムを構築することももちろん可能である。これにより、例えば、ロボットなどによる車両の走行安定性を評価することが可能となる。 For example, in the above-described embodiment, it has been described that the control subject is a driver (human), but the above-described stability evaluation system is constructed by replacing the control subject with any object capable of giving a driving force to the vehicle. Of course it is possible. Thereby, for example, it becomes possible to evaluate the running stability of the vehicle by a robot or the like.
例えば、上記実施形態では車両が自転車であるものとして説明したが、車両として、一輪車や自動二輪車を用いることももちろん可能である。これにより、一輪車や自動二輪車の走行安定性を評価することが可能となる。 For example, although the above embodiment has been described on the assumption that the vehicle is a bicycle, it is of course possible to use a unicycle or a motorcycle as the vehicle. This makes it possible to evaluate the running stability of a unicycle or a motorcycle.
1:安定性評価システム、2:自転車、3:前輪、4:前輪接地点センサ、5:後輪、6:後輪接地点センサ、7:ハンドル舵角センサ、8:安定性評価装置、9:操縦者、10:操縦主体重心センサ、11:車両重心センサ、12:走行面、13:投影中心軸線、14:接地点、15:中心軸線、16:回転面、18:接地線、19:進行方向線 1: stability evaluation system, 2: bicycle, 3: front wheel, 4: front wheel contact point sensor, 5: rear wheel, 6: rear wheel contact point sensor, 7: steering wheel angle sensor, 8: stability evaluation device, 9 : Pilot, 10: pilot center of gravity sensor, 11: vehicle center of gravity sensor, 12: traveling plane, 13: projection center axis, 14: ground point, 15: center axis, 16: rotation plane, 18: ground line, 19: Direction line
Claims (11)
前記車両および該車両を操縦する操縦主体の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサと、
前記車両の車輪が前記走行面に接する点である接地点を特定可能な接地点センサであって、前記車輪の回転中心を含む回転面と、該回転中心を通り前記回転面に対して垂直な中心軸線とを検出可能に配置された、接地点センサと、
前記重心センサによる計測データに基づいて前記合成重心位置を算出し、且つ、前記接地点センサによる計測データに基づいて前記接地点を算出して、少なくとも前記合成重心位置および前記接地点を前記車両の安定性評価指標として提供する安定性評価装置と、
を備えることを特徴とする、安定性評価システム。 A stability evaluation system for evaluating the stability of a vehicle traveling on a running surface,
A center-of-gravity sensor arranged so as to be able to specify a combined center-of-gravity position of the vehicle and a steering subject who controls the vehicle;
A grounding point sensor capable of specifying a grounding point that is a point where a wheel of the vehicle is in contact with the traveling surface, and a rotation surface including a rotation center of the wheel, and a perpendicular to the rotation surface through the rotation center A grounding point sensor arranged to detect the central axis line;
The composite centroid position is calculated based on measurement data from the centroid sensor, and the contact point is calculated based on measurement data from the contact point sensor, so that at least the combination centroid position and the contact point are determined for the vehicle. A stability evaluation device provided as a stability evaluation index;
A stability evaluation system comprising:
前記安定性評価装置は、前記車両重心センサおよび前記操縦主体重心センサによる計測データに基づいて、前記合成重心位置を算出する、
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の安定性評価システム。 The center-of-gravity sensor includes a vehicle center-of-gravity sensor capable of specifying a center-of-gravity position of the vehicle, and a steering main body center-of-gravity sensor capable of specifying a center of gravity position of the steering main body,
The stability evaluation device calculates the composite gravity center position based on measurement data obtained by the vehicle gravity sensor and the steering subject gravity sensor.
The stability evaluation system according to claim 1 or 2, wherein
前記安定性評価装置は、
前記二輪車の前輪および後輪についてそれぞれ算出した前記接地点を結ぶ直線を接地線として算出し、該接地線と、前記走行面に対して投影した前記合成重心位置との距離である重心変位量を算出し、または、
90度から前記回転面と前記走行面とが成す角度を減じた角度である、前記車両のバンク角を算出して、
前記重心変位量または前記バンク角を前記車両の安定性評価指標として提供する、
ことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の安定性評価システム。 The vehicle is a motorcycle;
The stability evaluation apparatus includes:
A straight line connecting the grounding points calculated for the front wheel and the rear wheel of the two-wheeled vehicle is calculated as a grounding line, and a center-of-gravity displacement amount that is a distance between the grounding line and the combined center of gravity projected onto the traveling surface is calculated. Calculate or
Calculating a bank angle of the vehicle, which is an angle obtained by subtracting an angle formed by the rotating surface and the traveling surface from 90 degrees;
Providing the displacement of the center of gravity or the bank angle as a stability evaluation index of the vehicle;
The stability evaluation system according to any one of claims 1 to 4, wherein
前記重心変位量の時系列変化および前記バンク角の時系列変化を算出し、
前記重心変位量の時系列変化から重心変位量時系列波形を取得して、該重心変位量時系列波形に基づいて重心変位量の振幅値を算出し、
前記バンク角の時系列変化からバンク角時系列波形を取得して、該バンク角時系列波形と前記重心変位量時系列波形との位相差を算出して、
前記重心変位量の振幅値および前記位相差を前記車両の安定性評価指標として提供する、
ことを特徴とする、請求項5に記載の安定性評価システム。 The stability evaluation apparatus includes:
Calculate the time series change of the center of gravity displacement amount and the time series change of the bank angle,
Obtain a centroid displacement amount time series waveform from the centroid displacement amount time series change, and calculate an amplitude value of the centroid displacement amount based on the centroid displacement amount time series waveform,
Obtain a bank angle time series waveform from the time series change of the bank angle, calculate the phase difference between the bank angle time series waveform and the centroid displacement amount time series waveform,
Providing the amplitude value of the center-of-gravity displacement amount and the phase difference as a stability evaluation index of the vehicle;
The stability evaluation system according to claim 5, wherein:
前記安定性評価装置は、前記ハンドル舵角センサによる計測データから、ハンドル舵角を算出して、該ハンドル舵角を前記車両の安定性評価指標として提供する、
ことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の安定性評価システム。 A steering wheel steering angle sensor arranged to detect a steering wheel steering angle of the vehicle;
The stability evaluation device calculates a steering angle from measurement data obtained by the steering angle sensor, and provides the steering angle as a stability evaluation index of the vehicle.
The stability evaluation system according to any one of claims 1 to 6, wherein
前記二輪車および該二輪車を操縦する操縦主体の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサと、
前記二輪車の車輪が前記走行面に接する点である接地点を特定可能な接地点センサであって、前記車輪の回転中心を含む回転面と、該回転中心を通り前記回転面に対して垂直な中心軸線とを検出可能に配置された、接地点センサと、
前記二輪車のハンドル舵角を検出可能に配置された、ハンドル舵角センサと、
前記重心センサによる計測データに基づいて、前記合成重心位置を算出し、且つ、前記接地点センサによる計測データに基づいて前記接地点を算出して、少なくとも前記合成重心位置および前記接地点を前記二輪車の安定性評価指標として提供する安定性評価装置と、
を備え、
前記安定性評価装置は、
前記二輪車の前輪および後輪についてそれぞれ算出した前記接地点を結ぶ直線を接地線として算出し、該接地線と、前記走行面に対して投影した前記合成重心位置との距離である重心変位量を算出し、さらに、
90度から前記回転面と前記走行面とが成す角度を減じた角度である、前記二輪車のバンク角、
前記ハンドル舵角センサによる計測データから算出される、ハンドル舵角、
走行中の前記二輪車に対して前記走行面から作用する走行面反力のうち、前記二輪車の進行方向に対して垂直方向に作用する走行面反力、または
前記二輪車の進行方向と前記回転面とが成す角度である、走行中の前記二輪車のスリップアングル
を算出して、算出結果に基づき、
前記重心変位量の時系列変化から重心変位量時系列波形を取得して、該重心変位量時系列波形に基づいて重心変位量の振幅値を算出し、および、
前記バンク角、前記ハンドル舵角、前記二輪車の進行方向に対して垂直方向に作用する走行面反力、および前記スリップアングルのうちの1つまたは2つの時系列変化から時系列波形を取得して、該1つまたは2つの時系列波形および前記重心変位量時系列波形のうちの2つの時系列波形について位相差を算出して、
少なくとも前記振幅値および前記位相差を含む前記二輪車の安定性評価指標として提供する、
ことを特徴とする、安定性評価システム。 A stability evaluation system for evaluating the stability of a motorcycle running on a running surface,
A center-of-gravity sensor arranged so as to be able to specify a composite center-of-gravity position of a steering subject that controls the motorcycle and the motorcycle;
A grounding point sensor capable of specifying a grounding point that is a point where a wheel of the two-wheeled vehicle is in contact with the traveling surface, and a rotation surface including a rotation center of the wheel, and a perpendicular to the rotation surface through the rotation center A grounding point sensor arranged to detect the central axis line;
A steering wheel steering angle sensor arranged to detect a steering wheel steering angle of the two-wheeled vehicle;
The composite centroid position is calculated based on the measurement data from the centroid sensor, and the contact point is calculated based on the measurement data from the contact point sensor, so that at least the combined centroid position and the contact point are the two-wheeled vehicle. A stability evaluation device provided as a stability evaluation index of
With
The stability evaluation apparatus includes:
A straight line connecting the grounding points calculated for the front wheel and the rear wheel of the two-wheeled vehicle is calculated as a grounding line, and a center-of-gravity displacement amount that is a distance between the grounding line and the combined center of gravity projected onto the traveling surface is calculated. Calculate, and
A bank angle of the two-wheeled vehicle, which is an angle obtained by subtracting an angle formed by the rotating surface and the traveling surface from 90 degrees;
Steering wheel steering angle calculated from data measured by the steering wheel steering angle sensor,
Of the traveling surface reaction force acting on the two-wheeled vehicle from the traveling surface, the traveling surface reaction force acting perpendicularly to the traveling direction of the two-wheeled vehicle, or the traveling direction of the two-wheeled vehicle and the rotating surface Calculate the slip angle of the two-wheeled vehicle that is running, based on the calculation result,
Obtaining a centroid displacement amount time-series waveform from the centroid displacement amount time-series change, calculating an amplitude value of the centroid displacement amount based on the centroid displacement amount time-series waveform; and
A time series waveform is obtained from one or two time series changes of the bank angle, the steering wheel steering angle, the traveling surface reaction force acting in a direction perpendicular to the traveling direction of the two-wheeled vehicle, and the slip angle. Calculating a phase difference for two time-series waveforms of the one or two time-series waveforms and the centroid displacement amount time-series waveform;
Providing as a stability evaluation index of the two-wheeled vehicle including at least the amplitude value and the phase difference;
A stability evaluation system.
前記車両および該車両を操縦する操縦主体の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサ、及び
前記車両の車輪が前記走行面に接する点である接地点を特定可能な接地点センサであって、前記車輪の回転中心を含む回転面と、該回転中心を通り前記回転面に対して垂直な中心軸線とを検出可能に配置された、接地点センサ、
により計測データを取得する計測ステップと、
前記重心センサの計測データに基づいて前記合成重心位置を算出し、且つ、前記接地点センサの計測データに基づいて前記接地点を算出して、少なくとも前記合成重心位置および前記接地点を前記車両の安定性評価指標として提供する評価指標提供ステップと、
を含むことを特徴とする、安定性評価方法。 A stability evaluation method for evaluating the stability of a vehicle traveling on a running surface,
A center-of-gravity sensor disposed so as to be able to specify a combined center-of-gravity position of the vehicle and a control subject who controls the vehicle, and a ground-point sensor capable of specifying a ground point that is a point where a wheel of the vehicle is in contact with the traveling surface, A grounding point sensor disposed so as to be able to detect a rotation surface including a rotation center of the wheel and a central axis passing through the rotation center and perpendicular to the rotation surface;
A measurement step for acquiring measurement data by
The composite barycentric position is calculated based on the measurement data of the barycentric sensor, and the grounding point is calculated based on the measurement data of the grounding point sensor, and at least the synthetic barycentric position and the grounding point are determined for the vehicle. An evaluation index providing step provided as a stability evaluation index;
The stability evaluation method characterized by including.
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-
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