JP2016068649A - 車両の運動制御方法、装置、および、それを搭載した車両 - Google Patents
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Abstract
Description
<横運動に連係した前後加速度制御(G-Vectoring)>
ハンドル操作による横運動に連係して自動的に加減速することにより、前輪と後輪の間に荷重移動を発生させて車両の操縦性と安定性の向上を図る方法が、非特許文献1に示されている。具体的な加減速指令値(目標前後加速度Gxc)は、以下数1に示す通り、
まず直進路区間Aから車両がコーナーに進入する。過渡区間B(点1〜点3)では、ドライバが徐々に操舵を切増すに従い、車両の横加速度Gyが増加していく。横加加速度Gy_dotは、点2近辺の横加速度が増加している間、正の値をとることになる(横加速度増加が終了する3の時点ではゼロに戻る)。このとき、数1より、制御車両には横加速度Gyの増加に伴い、減速(Gxcは負)指令が発生する。これに伴い、前外、前内、後外、後内の各輪に略同じ大きさの制動力(マイナス符号)が加わることになる。
先に述べたGVCは、横運動に応じて前後運動を連係させるための基本的な制御指針であるが、前後運動が発生すると前後輪間に荷重移動が発生する。また、そもそも前後運動を発生させるためには、制動力・駆動力を発生させる必要がある。これらの現象は、前後輪の横力を発生させるゲインであり、かつ車両のステア特性を司るコーナリングスティフネスを変化させる。結果的にはGVCにより前後運動をすることが、横運動にも影響を与える。本章では、横運動への影響、特にステア特性に焦点を合わせて検討を進め、ステア特性を好適にする前後力(トルク)配分の導出のための準備を行う。
アンダーステア(U.S.)、オーバーステア(O.S.)、ニュートラルステア(N.S.)という概念は、車両の運動特性を論じるうえで、きわめて重要な概念である。いま車両が操舵角ゼロのもとでなんらかの原因で重心点に横すべり角が生じたとすれば、前後輪にも同じ横すべり角βが生じ、横力が発生する。この横力は重心点周りのモーメントとなり、ヨーイング運動はよく知られているように、
βが正であれば、この式により、車両の重心点には、以下のようなヨーイングモーメントが働く。
1) lfKf-lrKrが正のときは、負。
2) lfKf-lrKrがゼロのときは、ゼロ。
3) lfKf-lrKrが負のときは、正。
1)の場合、横すべり角によって前後輪に発生する横力の合力の着力点が車両の重心点より前方になり、2)の場合は、重心点に一致し、3)の場合は、後方になる。この前後輪のコーナリングフォースの合力の着力点をニュートラルステアポイント(NSP: :Neutral-Steer-Point)と呼ぶ。
1) S.M.>0 → U.S.
2) S.M.=0 → N.S.
3) S.M.<0 → O.S.
生産車両のほとんどは、1)のS.M.>0となるように設計されている。たとえば車両1がS.M.1で、車両2がS.M.2として、S.M.1>S.M.2の場合、車両1も車両2もU.S.であることには変わりがないが、車両2のほうが、車両1に比べてよりU.S.が弱いと考えることができる。
これまでは、タイヤに働く横力がその横すべり角に比例するという前提の下にS.M.を考えてきた。ここでは、タイヤの横すべり角が大きくなり、横力が必ずしも横すべり角に比例しなくなったとき、それがS.M.にどのような影響を与えるかを考えてみることにする。
ここで、数式(6)をβで偏微分し形式的に横すべり角βにおける等価コーナリングスティフネスを求めると、
前節で、横すべり角に対して非線形特性を有するタイヤにおいては、制御を加えないと操縦しにくい特性となるメカニズムを内包していることがわかった。本節では、加減速を行うことにより、この特性を緩和するメカニズムについて考えるために、まずコーナリングフォースの荷重依存性について精査していく。
先の節では、加減速による荷重移動に起因するステア特性変化について論じた。一方、加減速するためには4輪のタイヤで前後力を発生させる必要がある。この力がタイヤのコーナリングフォースに影響を与える。古典的なクーロン摩擦の法則に従えば、図6に示すように、タイヤが発生するコーナリングフォースYと駆動力(または制動力)Xは、どのような場合にも、次式を満足しなければならない。
本章では、ステア特性を好適にする前後力(トルク)配分の導出を行う。まず、前章の前後荷重比率配分からから次のような配分オフセットdpを、前輪には加え、後輪には減ずることにする。
ドライバが操舵を開始する状況(図7中1〜3、図1と同様)においてはDpが負となり、GVCによる減速度を発生させるための減速力の前後配分比RFRが、初期設定値RFR0後輪寄りとなり、U.S.を相対的に弱くすることにより、操縦性を改善し必要な操舵角を少なくすることができる。また、逆に、操舵を戻して直線状態へ戻るとき(図7中5〜7、図1と同様)には、Dpが正となり、GVCによる加速度を発生させるための駆動力の前後配分比RFRが、前輪寄りとなり、相対的にU.S.が強くなると安定性が向上する。これを、数式(44)に代入すると、
これまで解析的に検討した内容を元に数式(45)で定式化したD+制御について、11自由度のフルビークルモデルを用いて検討する。図8は、フルビークルモデルの自由度・概要を示す図である。11自由度のフルビークルモデルではヨー運動だけではなくロール運動、ピッチ運動も計算できる。タイヤモデルはブラッシュモデルを採用している。これにより、タイヤのコーナリングフォースの1)非線形性、2)荷重依存性、3)制動力あるいは駆動力の影響を演算ステップ毎に解析的に計算することができる。操舵は、あらかじめ舵角入力が決定された、「フィクスドステア」モデルを用いた。左コーナーへの進入を模擬し、(1)制御なし、 (2)GVC加減速を前後固定配分の制動力・駆動力で実現、(3)GVCをD+制御による前後配分を制御した制動力・駆動力で実現した、3つのケースについて評価した。(2)については、GVC指令を実現する制動力、駆動力をほぼ前後荷重比の0.6(前:0.6、後:1-0.6=0.4)に固定し、(3)については、0.6に数式(45)で得られる前後オフセットを足し合わせることで配分比を決定した。なお、加加速度ゲインCdpは1.0で計算した。図8の下に記した表は、諸パラメータ一覧である。
<D+制御の抽象化による拡張>
数式(45)で基本概念を示したD+制御であるが、数式(16)に示すように、ヨー角加速度が大きくなると、車両はU.S.が強くなるという知見から考えると、情報量として横加加速度以外の量も適用することが可能である。まず、ヨー角加速度を使うと、
横加加速度Gy_dotがゼロの場合の前輪の配分比率を初期比率と定義し、
横加加速度Gy_dotが正のときには、前輪の配分比率を初期比率よりも小さくし、
横加加速度Gy_dotが負のときには、前輪の配分比率を初期比率よりも大きくするように変更する。
別の言い方をすれば、
横加加速度Gy_dotがゼロの場合の後輪の配分比率を初期比率と定義し、
横加加速度Gy_dotが正のときには、後輪の配分比率を初期比率よりも大きくし、
横加加速度Gy_dotが負のときには、後輪の配分比率を初期比率よりも小さくするように変更する。
更に別の言い方をすれば、
横加速度の絶対値が増加するときには、前輪の配分比率を小さくし、後輪の配分比率を大きくするように変更し
横加速度の絶対値が減少するときには、前輪の配分比率を大きく、後輪の配分比率を小さくするように変更するということである。
ヨーレイトの絶対値が増加するときには、前輪の配分比率を小さく、後輪の配分比率を大きくするように変更し、
ヨーレイトの絶対値が減少するときには、前輪の配分比率を大きく、後輪の配分比率を小さくするように変更するということである。
操舵角の絶対値が増加するときには、前輪の配分比率を小さく、後輪の配分比率を大きくするように変更し、
操舵角の絶対値が減少するときには、前輪の配分比率を大きく、後輪の配分比率を小さくするように変更するということである。
本実施例において車両0はフロントモータ21により左前輪11、右前輪12を駆動し、リアモータ22により、左後輪13、右後輪14を駆動する、2モータ前後配置EV/HEV四輪駆動車である(また、図11ではバッテリなどの電池部品についての記載は省略している)。
そしてADASコントローラ30は、これらの量に応じて、フロントモータ21、リアモータ22に関して、図示しないインバータ等による電力制御、トルク制御を実施する。ADASコントローラ30から出力される、速度上昇(加速)、速度低下(減速)指令に基づいて、力行駆動および回生制動が可能となる。例えば、GVCで求められる減速度、目標速度指令などの前後運動指令に基づいて減速作用を発生させることができる。
本発明の低速条件での走行時に比べて、コーナー進入時にはよりフロントモータの電力比が小さくなり、コーナー脱出時にはよりフロントモータの電力比が大きくなる。これが本発明を搭載した車両の特徴である。
脱出時には前輪が発生する駆動力が大きくなることで、本発明を搭載した車両か否かを判別することができる。
11 左前輪
12 右前輪
13 左後輪
14 右後輪
21 フロントモータ
22 リアモータ
30 ADASコントローラ
40 ステアリング
41 アクセルペダル
42 ブレーキペダル
51 横加速度センサ
52 ヨーレイトセンサ
53 操舵角センサ
54 アクセルセンサ
55 ブレーキセンサ
56 ステレオカメラ
Claims (15)
- 車両の横方向の運動に関連する入力値に基づいて、車両の前後方向の駆動力或いは制動力を制御する車両の制御方法において、
前記駆動力或いは制動力のうち前輪が担う前輪配分比率を前記入力値に基づいて変化させることを特徴とする車両の制御方法。 - 前記前輪配分比率を
前記入力値が増加するときには、前記入力値がゼロの場合の前輪配分比率よりも小さくなるように制御し、
前記入力値が減少するときは、前記入力値がゼロの場合の前輪配分比率よりも大きくなるように制御することを特徴とする車両の制御方法。 - 前記入力値は、車両の横加速度の絶対値であることを特徴とする請求項2に記載の車両の制御方法。
- 前輪配分比率RFRは、
(但し、Gy:車両横加速度、Gy_dot:車両横加加速度、Cdp:横加加速度ゲイン、T:一次遅れ時定数、s:ラプラス演算子、RFR0:初期配分比率)で生成されることを特徴とする請求項3に記載の車両の制御方法。 - 前記入力値は、車両のヨーレイトの絶対値であることを特徴とする請求項2に記載の車両の制御方法。
- 前輪配分比率RFRは、
(但し、r:車両ヨーレイト、r_dot:車両ヨー角加速度、Cdpr:ヨー角加速度ゲイン、T:一次遅れ時定数、s:ラプラス演算子、RFR0:初期配分比率)で生成されることを特徴とする請求項4に記載の車両の制御方法。 - 前記入力値は、操舵角の絶対値であることを特徴とする請求項2に記載の車両の制御方法。
- 前輪配分比率RFRは、
(但し、δ:操舵角、δ_dot:操舵角速度、Cdpδ:操舵角速度ゲイン、T:一次遅れ時定数、s:ラプラス演算子、RFR0:初期配分比率)で生成されることを特徴とする請求項7に記載の車両の制御方法。 - 前記入力値に応じた前記前輪配分比率の値が予め記憶されたマップを用いて、前記前輪配分比率を制御することを特徴とする請求項2に記載の車両の制御方法。
- 前記入力値が増加する時は、車両が減速するように制御し、前記入力値が減少する時は、車両が加速するように制御することを特徴とする請求項1乃至9の何れかに記載の車両の制御方法。
- 車両の加減速制御は前後加速度指令値に基づいて行われ、
前記前後加速度指令値Gxcは、
(但し、Gy:車両横加速度、Gy_dot:車両横加加速度、Cxy:横加加速度ゲイン、T:一次遅れ時定数、s:ラプラス演算子)で生成されることを特徴とする請求項10に記載の車両の制御方法。 - 車両の前後加速度をx軸、車両の横加速度をy軸とし、車両の前方向をx軸の正、車両の操舵方向をy軸の正、とする車両固定座標系で、車両に操舵入力があった場合、あるいは車両がy方向に正である旋回を開始した場合に、車両の横加速度が正の方向に発生すると共に、車両の前後加速度が負の方向に発生することにより、前後加速度と横加速度を表示した座標の軌跡が、原点近傍から第II象限に向けて、時計回りのなめらかな曲線となることを特徴とする請求項10に記載の車両の制御方法。
- 制動力の前輪配分比率を小さくするということが、
前輪が発生する制動力、及び/又は、制動トルクを減らし、
制動力の前輪配分比率を大きくするということが、
前輪が発生する制動力、及び/又は、制動トルクを増やし、
駆動力の前輪配分比率を小さくすることが、
前輪が発生する駆動力、及び/又は、駆動トルクを減らし、
駆動力の前輪配分比率を大きくすることが、
前輪が発生する駆動力、及び/又は、駆動トルクを増やす、
ことである請求項2に記載の車両の制御方法。 - 前輪を駆動するフロントモータと、後輪を駆動するリアモータと、請求項1乃至13の何れかに記載の車両の制御方法を実行する制御装置と、を有し、前記フロントモータへの供給電圧を制御することにより、前記前輪の配分比率を変化させることを特徴とする車両制御システム。
- ステレオカメラを有し、前記制御装置がステレオカメラに内包されていることを特徴とする請求項13に記載の車両制御システム。
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