JP2015190861A - 車両の運動性能解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の加速度センサの出力信号に基づいて走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する運動性能解析方法であって、精度良くかつ速やかに解析することを目的とする。【解決手段】本発明に係る車両の運動性能解析方法は、車両に設けられた複数のＤＣ応答型の加速度センサの出力信号に基づいて、車両の走行時における挙動を解析するものであって、走行中の加速度センサの出力信号を時系列信号として取得するデータ取得工程と、取得した時系列信号に対し、時間微分及び時間積分するオフセット除去工程と、このオフセット除去工程を経た時系列信号を用いて、走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する剛体モード算出工程と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、車両の運動性能解析方法に関する。より詳しくは、車両に設けられた複数のＤＣ応答型加速度センサの出力信号に基づいて、走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する車両の運動性能解析方法に関する。

非特許文献１には、剛体の拘束方程式と最小二乗法の技術によって、車両に取り付けられた加速度センサの出力信号から、当該車両の並進自由度と回転自由度とを含めた剛体モードを推定する剛体モード強調法が開示されている。この剛体モード強調法を用いることにより、車両に設けられた複数の加速度センサの出力信号から、車両の任意の点に設定された座標原点の６自由度の剛体モードを算出し、これによって車両挙動を解析したりアニメーション表示したりすることが可能となっている。

"Rigid Body Mode Enhancement and Rotational DOF Estimation for Experimental Modal Analysis", Proceedings of the 4th International Modal Analysis Conference, 1986. p. 1149-1159

また、このような剛体モード強調法を利用した車両の運動性能解析では、低周波数の振動を解析するために直流成分を含めたＤＣ応答型の加速度センサが用いられる。しかしながらこのようなＤＣ応答型の加速度センサを用いる場合、計測前に信号のオフセット調整を行い、加速度センサのゼロ点ドリフトを除去する必要がある。加速度センサの出力信号に不必要なオフセット成分が含まれたまま上記剛体モード強調法を適用すると、推定精度が低下するため、得られる結果は矛盾を含んだ不自然なものとなってしまい、正確な解析が困難となる。

従来における加速度センサのオフセット調整では、例えば、静的な状態における任意の時間にわたって取得した信号を平均化したものをオフセット補正値としている。しかしながら、平均値を取得するために要する時間は、その都度作業者が判断しているため、従来のオフセット調整方法では、結果にばらつきが生じやすい。また、対象とする車両が例えば四輪である場合、６自由度を含む剛体モードを算出するためには、少なくとも２つの３軸の加速度センサが必要となる。また、計測精度及び推定精度を向上するため、実際にはさらに多くの加速度センサが用いられる。したがってオフセット調整は、加速度センサの数×３だけ、車両に加速度センサを設ける度に行う必要があり、手間がかかる。

本発明は、複数の加速度センサの出力信号に基づいて走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する運動性能解析方法であって、精度良くかつ速やかに解析することを目的とする。

（１）車両に設けられた複数のＤＣ応答型の加速度センサの出力信号に基づいて、当該車両の走行時における挙動を解析する車両の運動性能解析方法であって、前記車両の走行中に前記加速度センサの出力信号を時系列信号として取得するデータ取得工程と、前記時系列信号に対し、時間微分及び時間積分するオフセット除去工程と、前記オフセット除去工程を経た時系列信号を用いて、前記走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する剛体モード算出工程と、を備えることを特徴とする。

（２）車両に設けられた複数のＤＣ応答型の加速度センサの出力信号に基づいて、当該車両の走行時における挙動を解析する車両の運動性能解析方法であって、前記車両の走行中に前記加速度センサの出力信号を時系列信号として取得するデータ取得工程と、前記時系列信号にフーリエ変換を施し周波数軸信号を取得するフーリエ変換工程と、前記周波数軸信号から直流成分を除去するオフセット除去工程と、前記オフセット除去工程を経た周波数軸信号に逆フーリエ変換を施し時系列信号を取得する逆フーリエ変換工程と、前記逆フーリエ変換工程によって得られた時系列信号を用いて、前記走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する剛体モード算出工程と、を備えることを特徴とする。

（３）車両に設けられた複数のＤＣ応答型の加速度センサの出力信号に基づいて、当該車両の走行時における挙動を解析する車両の運動性能解析方法であって、前記車両の走行中に前記加速度センサの出力信号を時系列信号として取得するデータ取得工程と、前記時系列信号にフーリエ変換を施し周波数軸信号を取得するフーリエ変換工程と、前記周波数軸信号に対し、周波数軸上で微分及び積分するオフセット除去工程と、前記オフセット除去工程を経た周波数軸信号に逆フーリエ変換を施し時系列信号を取得する逆フーリエ変換工程と、前記逆フーリエ変換工程によって得られた時系列信号を用いて、前記走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する剛体モード算出工程と、を備えることを特徴とする。

（４）車両に設けられた複数のＤＣ応答型の加速度センサの出力信号に基づいて、当該車両の走行時における挙動を解析する車両の運動性能解析方法であって、前記車両の走行中に前記加速度センサの出力信号を時系列信号として取得するデータ取得工程と、前記時系列信号にフーリエ変換を施し周波数軸信号を取得するフーリエ変換工程と、前記周波数軸信号に対し、少なくとも０Ｈｚを遮断する機能を備えたフィルタを施すオフセット除去工程と、前記オフセット除去工程を経た周波数軸信号に逆フーリエ変換を施し時系列信号を取得する逆フーリエ変換工程と、前記逆フーリエ変換工程によって得られた時系列信号を用いて、前記走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する剛体モード算出工程と、を備えることを特徴とする。

（１）の発明によれば、加速度センサからの出力信号を時系列信号として取得し、この時系列信号から不要なオフセットを除去し、オフセットが除去された信号を用いて車両の６自由度の剛体モードを算出する。これにより、試験を行うために加速度センサを車両に設ける度にオフセットを除去する必要がないので、その分だけ解析を速やかに行うことができる。また、（１）の発明によれば、オフセットの除去に作業者の技能や判断が入り込む余地がないので、精度の良い解析を行うことができる。また、（２）〜（４）の発明によれば、オフセットを除去する方法が（１）と異なるものの、何れも（１）も同等の効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る運動性能解析方法が適用された車両の試験システムの構成を示す図である。 加速度センサの出力信号の一例である。 運動性能解析方法の具体的な手順を示すフローチャートである。 加速度センサの時系列信号について、オフセット除去工程を経たものと経ていないものとを比較する図である。 剛体モード強調法に基づいて生成した複数の節点の例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る運動性能解析方法の具体的な手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る運動性能解析方法の具体的な手順を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る運動性能解析方法の具体的な手順を示すフローチャートである。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る運動性能解析方法が適用された車両Ｖの試験システム１の構成を示す図である。試験システム１は、試験対象とする車両Ｖに設けられた複数の加速度センサ２と、これら加速度センサ２からの出力信号を処理するコンピュータ３と、を含んで構成される。試験システム１は、車両Ｖに設けられた複数の加速度センサ２の出力信号に基づいて、この車両Ｖの任意の点に設定された座標原点の６自由度の剛体モード（ｘ，ｙ，ｚ軸方向に沿った３つの並進自由度と、ｘ，ｙ，ｚ軸を回転軸とした３つの回転自由度とから成る６自由度の変位情報）を算出し、車両Ｖの走行時における挙動の解析結果をコンピュータ３の表示装置３１に表示するものである。

加速度センサ２は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿った加速度を検出可能な三軸のものが用いられる。また加速度センサ２は、図２に例示するように直流成分も含めた計測が可能となるように、ＤＣ応答型のものが用いられる。なお、１台の車両Ｖに設ける加速度センサ２の数は任意であるが、車両Ｖの座標原点の６自由度を含んだ剛体モードを精度良く算出するためには２つ以上であることが好ましい。以下では、４つの加速度センサ２を設ける場合について説明するが、本発明はこれに限るものではない。また、加速度センサ２を設ける場所も任意であるが、互いに離れた位置に設けることが好ましい。以下では、２つを車両Ｖのエンジンルーム内に設け、２つを車両Ｖのトランクルーム内に設けた場合について説明するが、本発明はこれに限るものではない。

コンピュータ３には、少なくとも、加速度センサ２の出力信号を所定の周期でサンプリングする機能と、取得した信号に対し後述の微分、積分、フーリエ変換、逆フーリエ変換、及び剛体モード強調法等の演算処理を行う機能と、この演算処理結果を表示装置３１に解析結果として表示する機能とを備えたプログラムがイントールされている。

図３は、試験システム１における運動性能解析方法の具体的な手順を示すフローチャートである。
Ｓ１では、車両の所定の位置に４つの加速度センサを設ける。
Ｓ２では、車両を実際に走行させ、走行中における各加速度センサの軸毎の出力信号を時系列信号ｈ_ｋｌ（ｎ）として、これをコンピュータによって取得する（データ取得工程）。ここで、“ｋ”は、１〜４の整数であり、ｋ番目の加速度センサを示す添え字である。“ｌ”は、１〜３の整数であり、ｌ番目の軸を示す添え字である。また“ｎ”は、サンプリングタイミングを示す整数（１，２，…，Ｎ）である。サンプリング周期は“τ”とする。

Ｓ３では、Ｓ２で取得した時系列信号ｈ_ｋｌ（ｎ）に対し、時間微分を施し、さらに時間積分を施すことによって、時系列信号ｈ_ｋｌ（ｎ）に含まれていたオフセット成分を除去する（オフセット除去工程）。なお、離散データ信号である上記時系列信号ｈ_ｋｌ（ｎ）に対する時間微分としては、前進差分、後退差分、中央差分等が定義されるが、どれを用いてもよい。例えば、最初のデータｈ_ｋｌ（１）と最後のデータｈ_ｋｌ（Ｎ）に対しては、それぞれ前進差分及び後退差分を用い、これ以外のデータに対しては中央差分を用いてもよい。

図４は、加速度センサの時系列信号ｈ_ｋｌ（ｎ）について、オフセット除去工程を経たものと経ていないものとを比較する図である。図４に示すように、時間微分を施し、さらに時間積分を施すことにより、取得した信号に含まれていた余分なオフセットを除去することができる。

図３に戻って、Ｓ４では、オフセットに加えて不必要な高周波数のノイズ成分を除去すべく、オフセット除去工程を経た信号に、除去したい周波数帯域を遮断する機能を備えたローパスフィルタを施す（ノイズ除去工程）。以下では、これらオフセット除去工程及びノイズ除去工程を経た時系列信号をｈ_ｋｌ´（ｎ）とする。

Ｓ６では、時系列信号ｈ_ｋｌ´（ｎ）を用い、以下で説明する剛体モード強調法（下記式（１）〜（４）参照）によって車両の座標原点の６自由度の剛体モードを算出する。Ｓ７では、図５に例示するように、算出した剛体モードに従属する複数の節点１〜２４を創生し、運動性能解析を行う。なお図５には、４つの加速度センサは、四角印で示す。

以下、剛体モード強調法によって、６自由度の剛体モードを示す６成分の座標原点の独立自由度ベクトルφ＝（ｘ０，ｙ０，ｚ０，ｘθ，ｙθ，ｚθ）を算出する手順について説明する。ここで、成分ｘ０，ｙ０，ｚ０は、それぞれ座標原点のｘ、ｙ、ｚ軸方向への並進を示し、成分ｘθ，ｙθ，ｚθは、それぞれ座標原点のｘ、ｙ、ｚ軸を回転軸とした回転を示す。

初めに、剛体の拘束方程式を用いて、下記式（１−１）によって強調並進モードベクトルΨを定義する。ベクトルΨは、各加速度センサのｘ、ｙ、ｚ方向に沿った変位に相当する、ｍ（４（センサの数）×３（軸の数））成分のベクトルである。行列Ｃは、下記式（１−２）に示すように、ｍ×６成分の行列である。また下記式（１−２）において、係数Ｃ_ｉｊは、ｉ番目の加速度センサの、車両静止状態におけるｊ軸の座標値である。

次に、オフセット除去工程を経た加速度センサの時系列信号ｈ_ｋｌ´（ｎ）を用いて、各加速度センサのｘ、ｙ、ｚ方向に沿った信号を算出し、これを成分とした測定ベクトルｐを算出する。この測定ベクトルｐは、上記強調並進モードベクトルΨと同様に、ｍ（４（センサの数）×３（軸の数））成分のベクトルである。すると、測定ベクトルｐと強調並進モードベクトルΨとの偏差ベクトルεは、下記式（２−１）で定義される。また、この偏差ベクトルεと、任意の重み行列ｗとを用いると、重みづけされた二乗誤差Ｅは、下記式（２−２）で定義される。

非特許文献１に開示された剛体モード強調法では、座標原点の独立自由度ベクトルφは、二乗誤差Ｅを最小にする恒等式（下記式（３）参照）を用いて決定される。

式（３）より、座標原点の独立自由度ベクトルφは、下記式（４−２）で定義される６×６の行列Ａの逆行列と、下記式（４−３）で定義される６成分のベクトルＲとを用いて、下記式（４−１）で与えられる。

上記式（４）によって算出される座標原点の独立自由度ベクトルφを用いると、これに従属する節点１〜２４の座標は、剛体の拘束方程式を用いて、下記式（５）によって算出される。下記式（５）において、ｘｉ，ｙｉ，ｚｉは、それぞれｉ番目の節点の座標値である。Ｄｉｊは、ｉ番目の節点の車両静止状態における座標値であり、予め定められた値が用いられる。下記式（５）によって、剛体の節点１〜２４の挙動（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉの時間変化）を算出することができる。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。本実施形態によれば、加速度センサからの出力信号を時系列信号として取得し、この時系列信号から不要なオフセットを除去し、オフセットが除去された信号を用いて座標原点の６自由度の剛体モードを算出する。これにより、試験を行うために加速度センサを車両に設ける度にオフセットを除去する必要がないので、その分だけ解析を速やかに行うことができる。また、本実施形態によれば、オフセットの除去に作業者の技能や判断が入り込む余地が無いので、精度の良い解析を行うことができる。また、本実施形態では、前処理によって得られた信号を上記式（１）〜（５）で示すような剛体モード強調法に用いることにより、Ｓ／Ｎ比や直角方向感度等によって歪んでいる加速度センサの信号を是正しながら、車両の剛体モードを精度良く算出することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明では、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図６は、本実施形態に係る運動性能解析方法の具体的な手順を示すフローチャートである。図６に示すように、本実施形態は、加速度センサの出力信号の前処理の手順が異なる。より具体的には、第１実施形態では、加速度センサの出力信号からオフセットを除く処理を時間領域で行ったが、本実施形態では周波数領域で行う点で第１実施形態と異なる。

Ｓ３´では、Ｓ２で取得した時系列信号ｈ_ｋｌ（ｎ）にフーリエ変換（ＤＦＴ又はＦＦＴ）を施し、虚数の周波数軸信号Ｈ_ｋｌ（２πｆ_ｉ）を取得する（フーリエ変換工程）。ここで、“ｆ_ｉ”は、ｉ番目のサンプル信号の周波数である。また、ｉ＝１，２，…，Ｎ／２である。

Ｓ４´では、取得した周波数軸信号Ｈ_ｋｌ（２πｆ_ｉ）から、周波数ｆ_ｉ＝０の直流成分のみを強制的にゼロとし（Ｈ_ｋｌ（０）＝０）、直流成分のみを除去する（オフセット除去工程）。Ｓ５´では、加速度センサの出力信号から不必要な高周波数のノイズ成分を除去すべく、オフセット除去工程を経た信号に、除去したい周波数帯域を遮断する機能を備えたローパスフィルタを施す（ノイズ除去工程）。Ｓ６´では、上記オフセット除去工程及びノイズ除去工程を経た周波数軸信号に逆フーリエ変換（ＩＤＦＴ又はＩＦＦＴ）を施し、時系列信号を取得する（逆フーリエ変換工程）。これ以降の処理は、第１実施形態と同じであるので、詳細な説明を省略する。本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について、詳細に説明する。以下の説明では、第２実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。以下の説明では、第２実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図７は、本実施形態に係る運動性能解析方法の具体的な手順を示すフローチャートである。図７に示すように、本実施形態は、Ｓ４´´のオフセット除去工程の手順のみ、上記第２実施形態と異なる。例えば第１実施形態では、時間軸上で微分及び積分することによって、オフセットを除去したが、第３実施形態では、これと同じ操作を周波数軸上で行う。

より具体的には、Ｓ４´´では、Ｓ３´で取得した周波数軸信号Ｈ_ｋｌ（２πｆ_ｉ）に、微分及び積分をこの順序で施すことにより、周波数ｆ_ｉ＝０の直流成分のみを除去する（オフセット除去工程）。なお、周波数軸上での微分及び積分は、下記式（６）に示すように、乗算及び除算を行うことと等価である。下記式（６）において、“ｊ”は虚数である。これ以降の処理は、第２実施形態と同じであるので、詳細な説明を省略する。本実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果を奏する。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について、詳細に説明する。以下の説明では、第２実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。以下の説明では、第２実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図８は、本実施形態に係る運動性能解析方法の具体的な手順を示すフローチャートである。図８に示すように、本実施形態は、Ｓ４´´´のオフセット除去工程の手順のみ、上記第２実施形態と異なる。

より具体的には、Ｓ４´´´では、Ｓ３´で取得した周波数軸信号Ｈ（２πｆ_ｉ）に、少なくとも０Ｈｚを遮断する機能を備えたフィルタを施すことにより、直流成分のみを除去する（オフセット除去工程）。なお、図６のＳ５´に示すノイズ除去工程と同じ機能を持たせるため、Ｓ４´´´において用いられるフィルタは、０Ｈｚに加えて、除去したい周波数帯域を遮断する機能を備えたハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタを用いることが好ましい。これ以降の処理は、第２実施形態と同じであるので、詳細な説明を省略する。本実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果を奏する。

１…試験システム
２…加速度センサ
３…コンピュータ

Claims (4)

1. 車両に設けられた複数のＤＣ応答型の加速度センサの出力信号に基づいて、当該車両の走行時における挙動を解析する車両の運動性能解析方法であって、
   前記車両の走行中に前記加速度センサの出力信号を時系列信号として取得するデータ取得工程と、
   前記時系列信号に対し、時間微分及び時間積分するオフセット除去工程と、
   前記オフセット除去工程を経た時系列信号を用いて、前記走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する剛体モード算出工程と、を備えることを特徴とする車両の運動性能解析方法。
2. 車両に設けられた複数のＤＣ応答型の加速度センサの出力信号に基づいて、当該車両の走行時における挙動を解析する車両の運動性能解析方法であって、
   前記車両の走行中に前記加速度センサの出力信号を時系列信号として取得するデータ取得工程と、
   前記時系列信号にフーリエ変換を施し周波数軸信号を取得するフーリエ変換工程と、
   前記周波数軸信号から直流成分を除去するオフセット除去工程と、
   前記オフセット除去工程を経た周波数軸信号に逆フーリエ変換を施し時系列信号を取得する逆フーリエ変換工程と、
   前記逆フーリエ変換工程によって得られた時系列信号を用いて、前記走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する剛体モード算出工程と、を備えることを特徴とする車両の運動性能解析方法。
3. 車両に設けられた複数のＤＣ応答型の加速度センサの出力信号に基づいて、当該車両の走行時における挙動を解析する車両の運動性能解析方法であって、
   前記車両の走行中に前記加速度センサの出力信号を時系列信号として取得するデータ取得工程と、
   前記時系列信号にフーリエ変換を施し周波数軸信号を取得するフーリエ変換工程と、
   前記周波数軸信号に対し、周波数軸上で微分及び積分するオフセット除去工程と、
   前記オフセット除去工程を経た周波数軸信号に逆フーリエ変換を施し時系列信号を取得する逆フーリエ変換工程と、
   前記逆フーリエ変換工程によって得られた時系列信号を用いて、前記走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する剛体モード算出工程と、を備えることを特徴とする車両の運動性能解析方法。
4. 車両に設けられた複数のＤＣ応答型の加速度センサの出力信号に基づいて、当該車両の走行時における挙動を解析する車両の運動性能解析方法であって、
   前記車両の走行中に前記加速度センサの出力信号を時系列信号として取得するデータ取得工程と、
   前記時系列信号にフーリエ変換を施し周波数軸信号を取得するフーリエ変換工程と、
   前記周波数軸信号に対し、少なくとも０Ｈｚを遮断する機能を備えたフィルタを施すオフセット除去工程と、
   前記オフセット除去工程を経た周波数軸信号に逆フーリエ変換を施し時系列信号を取得する逆フーリエ変換工程と、
   前記逆フーリエ変換工程によって得られた時系列信号を用いて、前記走行中の車両の６自由度の剛体モードを算出する剛体モード算出工程と、を備えることを特徴とする車両の運動性能解析方法。