JP2017101987A - 車両重心推定システムおよび車両重心推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バネ上の質量変化が変化する場合であっても、バネ上の重心高さを高精度で推定できる車両重心推定システムを提供すること。
【解決手段】車両重心推定システム１０は、左右のエアスプリング４Ｌ、４Ｒの支持力Ｐ_Ｌ、Ｐ_Ｒに基づいて、バネ上５のロールモーメントＭ_ｘを算出するロールモーメント算出部１２と、車両１の横方向の加速度Ｇ_ｙを測定する横加速度測定部１３と、横加速度Ｇ_ｙに対するバネ上のロールモーメントＭ_ｘの比例係数Ｄをバネ上の質量ｍ_ｓｍで除した値を、車両１のロール中心ＲＣからバネ上５の重心Ｑまでの高さｈ_ｓｍとして算出する重心高さ算出部１５と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、商用車などの車両の重心の位置を推定するシステムおよび方法に関する。

従来より、車両の横転を防ぐため、車両の重心高さを推定することが重要となっている。特に商用車では、積荷の状態によって車両全体の重心の位置が大きく変化するため、積荷を積載した状態の重心高さを推定することが重要となる。

車両の重心高さを推定する技術に関して、例えば、以下のような提案がされている（特許文献１参照）。
すなわち、特許文献１では、ロールセンタ高さを調整可能なサスペンション装置を設けておき、積載条件が変化した場合には、前後輪のロールセンタ高さを調整することで、ロール挙動を一定とする。
具体的には、前後輪の目標とするロールセンタ高さを求めて、この目標とするロールセンタ高さとなるように、サスペンション装置のアクチュエータを制御する。

ここで、前後輪の目標とするロールセンタ高さは、以下の手順で求められる（特許文献１の段落番号［００１６］〜［００１７］を参照）。
すなわち、乗員が乗車した状態における乗員の重心高さが一定であると考えて、この乗員が乗車した状態におけるバネ上車体の質量変化と、空車状態におけるバネ上車体の重心高さおよび質量とに基づいて、乗員が乗車した状態におけるバネ上車体の重心高さを求める。その後、旋回横加速度に応じたロールモーメントを基準状態に維持するのに必要な、目標ロールセンタの高さを求めて、この目標ロールセンタ高さを前後輪に配分する。

特開２００７−２２２８７号公報

しかしながら、特許文献１では、乗員が乗車した状態における乗員の重心高さを一定としているが、実際の商用車では、特許文献１の乗員に相当する積荷の配置や質量は、物流拠点などに立ち寄るたびに大きく変化するので、積荷の重心高さを一定とすることはできない。

本発明は、積荷の配置や質量が様々に変化し、積荷の重心高さが変化する場合であっても、バネ上の重心の高さを高精度で推定できる車両重心推定システムおよび車両重心推定方法を提供することを目的とする。

本発明の車両重心推定システム（例えば、後述の車両重心推定システム１０）は、バネ下（例えば、後述のバネ下２）と、当該バネ下上に設けられた左右のサスペンション（例えば、後述のエアスプリング４Ｌ、４Ｒ）と、当該サスペンションに支持されるバネ上（例えば、後述のバネ上５）と、を備える車両（例えば、後述の車両１）について、前記バネ上の重心の高さを推定する車両重心推定システムであって、前記左右のサスペンションの支持力に基づいて、前記バネ上のロールモーメントを算出するロールモーメント算出部（例えば、後述のロールモーメント算出部１２）と、前記車両の幅方向の加速度である横加速度を測定する横加速度測定部（例えば、後述の横加速度測定部１３）と、前記横加速度に対する前記バネ上のロールモーメントの比例係数を算出し、当該比例係数を前記バネ上の質量で除した値を、前記車両のロール中心から前記バネ上の重心までの高さとして算出する重心高さ算出部（例えば、後述の重心高さ算出部１５）と、を備えることを特徴とする。

本発明の車両重心推定方法は、バネ下と、当該バネ下上に設けられた左右のサスペンションと、当該サスペンションに支持されるバネ上と、を備える車両について、前記バネ上の重心の高さを推定する車両重心推定方法であって、前記左右のサスペンションの支持力を測定し、当該支持力に基づいて、前記バネ上のロールモーメントを算出する第１ステップ（例えば、後述のステップＳ１、Ｓ２、Ｓ４）と、前記車両の幅方向の加速度である横加速度を測定する第２ステップ（例えば、後述のステップＳ３、Ｓ４）と、前記横加速度に対する前記バネ上のロールモーメントの比例係数を算出し、当該比例係数を前記バネ上の質量で除した値を、前記車両のロール中心から前記バネ上の重心までの高さとして算出する第３ステップ（例えば、後述のステップＳ５〜Ｓ７）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、横加速度に対するバネ上のロールモーメントの比例係数を算出し、この比例係数をバネ上の質量で除した値を、車両のロール中心からバネ上重心までの高さとして算出する。
よって、物流拠点などに立ち寄ることで積荷の配置や質量が様々に変化し、積荷の重心高さが変化する場合であっても、サスペンションの支持力および横加速度を測定するだけで、車両のロール中心からバネ上の重心までの高さを推定できる。また、外部の特別な設備を必要とせず、通常の走行中に、車両のロール中心からバネ上の重心までの高さを容易に推定できる。

本発明の車両重心推定システムでは、前記重心高さ算出部は、複数の時刻について、前記横加速度と前記バネ上のロールモーメントとを求めて、当該横加速度およびバネ上のロールモーメントに最小二乗法を適用して求めた近似値を、前記比例係数として用いることを特徴とする。

本発明の車両重心推定方法は、前記第３ステップでは、複数の時刻について、前記横加速度と前記バネ上のロールモーメントとを求めて、当該横加速度およびバネ上のロールモーメントに最小二乗法を適用して求めた近似値を、前記比例係数として用いることを特徴とする。

この発明によれば、最小二乗法により横加速度に対するロールモーメントの比例係数を求めたので、横加速度およびロールモーメントの測定値にばらつきがあっても、車両のロール中心からバネ上の重心の高さを高精度で推定できる。

本発明の車両重心推定システムは、前記重心高さ算出部で算出した前記車両のロール中心から前記バネ上の重心までの高さに、前記車両のロール中心の高さを加えることで、地上から前記バネ上の重心までの高さを算出する地上重心高さ算出部（例えば、後述の地上重心高さ算出部１６）をさらに備えることを特徴とする。

本発明の車両重心推定方法は、前記第３ステップで算出した前記車両のロール中心から前記バネ上の重心までの高さに、前記車両のロール中心の高さを加えることで、地上から前記バネ上の重心までの高さを算出する第４ステップ（例えば、後述のステップＳ８）をさらに備えることを特徴とする。

この発明によれば、地上からバネ上の重心までの高さを推定できる。

本発明によれば、積荷の配置や質量が様々に変化し、積荷の重心高さが変化する場合であっても、走行中にロールモーメントおよび横加速度を測定するだけで、車両のロール中心からバネ上の重心までの高さ、さらに、地上からバネ上の重心までの高さを推定できる。

本発明の一実施形態に係る車両重心推定システムが設けられた車両を進行方向側から視た模式図である。 前記実施形態に係る車両に作用する力を示す模式図である。 前記実施形態に係る車両重心推定システムの構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係る車両重心推定システムの動作を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る車両の横加速度とロールモーメントとの関係を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両重心推定システム１０が設けられた車両１を車両後方から視た模式図である。
車両１は、バネ下２と、バネ下２に取り付けられた左後輪３Ｌおよび右後輪３Ｒと、バネ下２の上に設けられた左右のサスペンションとしてのエアスプリング４Ｌ、４Ｒと、左右のエアスプリング４Ｌ、４Ｒに支持されたバネ上５と、を備える。バネ上５には、積荷６が積載されている。

車両１については、図２に示すように、ロール中心ＲＣまわりのモーメントについて、以下の式（１）が成立する。式（１）中、Ｍ_ｘは、バネ上５のロールモーメントであり、ｈ_ｓｍは、ロール中心ＲＣからバネ上５の重心Ｑまでの高さであり、Ｆ_ｙは、バネ上５に作用する遠心力である。また、ｍ_ｓｍはバネ上５の質量であり、Ｇ_ｙは、車両１の幅方向の加速度である横加速度であり、Ｍ_{ｃｏｎｓｔ}は積荷６が側方にずれて積載されることなどによる、バネ上５のロールモーメントのオフセット量である。

バネ上５に作用する遠心力Ｆｙについて、以下の式（２）が成立する。式（２）中、ｍ_ｓｍはバネ上５の質量であり、Ｇｙは、車両１の幅方向の加速度である横加速度である。

上記の式（１）に式（２）を代入することで式（３）が得られる。

上記の式（３）の時刻aにおいて成立する式を、時間により変化する記号に添え字aを付けて表すと、式（４）となる。また、時刻aとは異なる時刻bにおいて成立する式を、時間により変化する記号に添え字bを付けて表すと、式（５）となる。ここで、物流拠点間の走行中であれば、積荷６の配置および質量は変化しないと考えられるので、車両１のロール中心ＲＣからバネ上５の重心Ｑまでの高さｈ_ｓｍ、バネ上５の質量ｍ_ｓｍ、バネ上５のロールモーメントのオフセット量Ｍ_{ｃｏｎｓｔ}は一定であると考えられる。

以上の式（４）および式（５）の辺々差分をとり、ｈ_ｓｍについて変形すると、以下の式（６）となり、ロール中心ＲＣからバネ上５の重心Ｑまでの高さｈ_ｓｍを求めることができる。式（６）中のＤは、横加速度Ｇ_ｙの変化量に対する車両１のロールモーメントＭ_ｘの変化量で表される比例係数である。

後軸のサスペンションにエアスプリングを用いる場合、ロールモーメントＭ_ｘは、後軸エアスプリングの変位および圧力から、以下の式（７）を用いても求めることができる。
すなわち、ロールモーメントＭ_ｘについて、以下の式（７）が成立する。

式（７）中、Ｋ_φ１３は、エアスプリング以外の前後のサスペンションロール剛性の和である統合ロール剛性であり、車両に固有の一定の値である。式（７）中のＭ_Ｓは、後輪３Ｌ、３Ｒのエアスプリング４Ｌ、４Ｒが支持するロールモーメントである。また、φ２は、サスロール角であり、左右のエアスプリング４Ｌ、４Ｒ間の距離と左右のエアスプリング４Ｌ、４Ｒの上下方向の相対変位ｈｄから求めることができる。

ここで、式（７）中のＭ_Ｓは、左右のエアスプリング４Ｌ、４Ｒ間の距離Ｔｒｄ_２とそれぞれのエアスプリングの支持力Ｐ_Ｌ、Ｐ_Ｒから式（８）を用いて求めることができる。

また、前後のサスペンションにエアスプリングを用いず、リーフスプリングあるいはコイルスプリングなどの機械式ばねを用いた場合、式（７）中のＭ_Ｓを０として、式（９）を用いてバネ上のロールモーメントＭ_ｘを求めることができる。

また、前後のサスペンションにエアスプリングを用いず、リーフスプリングあるいはコイルスプリングなどの機械式ばねを用いており、かつ、前後左右のサスペンションの変位が分かる場合、式（１０）を用いてバネ上のロールモーメントＭ_ｘを求めることもできる。

式（１０）は、車両が四輪の場合である。式（１０）中、Ｆ_Ｚ１Ｌは前軸左側サスペンションのばね上の支持力であり、Ｆ_Ｚ１Ｒは前軸右側サスペンションのバネ上の支持力であり、Ｆ_Ｚ２Ｌは後軸左側サスペンションのバネ上の支持力であり、Ｆ_Ｚ２Ｒは後軸右側サスペンションのバネ上の支持力である。これらサスペンションの支持力Ｆzは、各サスペンションの変位から、予め生成したマップなどに従って求められる。

なお、式（１０）は、車両が四輪の場合としたが、車両が六輪あるいは八輪の場合についても、式（１０）と同様の式を用いて求めることができる。

車両１には、バネ上５の重心の高さを推定する車両重心推定システム１０が設けられる。
図３は、車両重心推定システム１０の構成を示すブロック図である。
車両重心推定システム１０は、支持力測定部１１と、ロールモーメント算出部１２と、横加速度測定部１３と、質量測定部１４と、重心高さ算出部１５と、地上重心高算出部１６と、を備える。

支持力測定部１１は、左右のエアスプリング４Ｌ、４Ｒの支持力Ｐ_Ｌ、Ｐ_Ｒを測定する。
ロールモーメント算出部１２は、エアスプリング４Ｌ、４Ｒ間の距離Ｔｒｄ_２および左右のエアスプリング４Ｌ、４Ｒの支持力Ｐ_Ｌ、Ｐ_Ｒに基づいて、バネ上５のロールモーメントＭ_ｘを算出する。
横加速度測定部１３は、車両の横加速度Ｇ_ｙを測定する。
質量測定部１４は、バネ上５の質量ｍ_ｓｍを測定する。

重心高さ算出部１５は、横加速度Ｇ_ｙに対するバネ上５のロールモーメントＭ_ｘの比例係数Ｄを算出し、この比例係数Ｄをバネ上５の質量ｍ_ｓｍで除した値を、車両１のロール中心ＲＣからバネ上５の重心Ｑまでの高さｈ_ｓｍとして算出する。

地上重心高さ算出部１６は、重心高さ算出部１５で算出した車両１のロール中心ＲＣからバネ上５の重心Ｑまでの高さｈ_ｓｍに、地上からロール中心ＲＣまでの高さＨ_ＲＣを加算し、地上からバネ上５の重心Ｑまでの高さＨ_ＣＧを算出する。

次に、この車両重心推定システム１０の動作を、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ステップＳ１では、支持力測定部１１が、左右のエアスプリング４Ｌ、４Ｒの支持力Ｐ_Ｌ、Ｐ_Ｒを測定するとともに、左右のエアスプリング４Ｌ、４Ｒの上下方向の相対変位ｈｄを測定する。

ステップＳ２では、ロールモーメント算出部１２が、エアスプリング４Ｌ、４Ｒの支持力Ｐ_Ｌ、Ｐ_Ｒを用いてエアスプリング４Ｌ、４Ｒが支持するロールモーメントＭ_Ｓを算出するとともに、エアスプリング４Ｌ、４Ｒの相対変位ｈｄを用いてサスロール角φ_２を算出し、上述の式（７）に従い、バネ上５のロールモーメントＭ_ｘを算出する。
ステップＳ３では、横加速度測定部１３が、車両１の横加速度Ｇ_ｙを測定する。

ステップＳ４では、重心高さ算出部１４が、ステップＳ１〜Ｓ３を繰り返す。つまり、停車中あるいは走行中の時刻ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３・・・ｔ_ｎにおいて、ステップＳ１〜Ｓ３を実行し、各時刻ｔ_１〜ｔ_ｎにおける、ロールモーメントＭ_ｘ１、Ｍ_ｘ２、Ｍ_ｘ３・・・Ｍｘ_ｎ、および横加速度Ｇ_ｙ１、Ｇ_ｙ２、Ｇ_ｙ３・・・Ｇ_ｙｎを求める。

ステップＳ５では、重心高さ算出部１４が、図５に示すように、横加速度Ｇ_ｙを横軸とし、ロールモーメントＭ_ｘを縦軸とするグラフを生成し、このグラフ上に、ステップＳ４で求めた値をプロットして、最小二乗法によりＭ_ｘ／Ｇ_ｙの近似直線を求める。この近似直線の傾きを比例係数Ｄとする。

ステップＳ６では、質量測定部１４が、車両１の質量を測定する。
ステップＳ７では、重心高さ算出部１４が、式（３）に従い、車両のロール中心ＲＣからバネ上重心Ｑまでの高さｈ_ｓｍを算出する。

ステップＳ８では、地上重心高さ算出部１６が、車両１のロール中心ＲＣからバネ上５の重心Ｑまでの高さｈ_ｓｍを用いて、地上からバネ上５の重心Ｑまでの高さＨ_ＣＧを算出する。

［本実施形態における効果］
以上説明したように、本実施形態における車両重心推定システム１０によれば、横加速度Ｇ_ｙに対するバネ上５のロールモーメントＭ_ｘの比例係数Ｄを算出し、この比例係数Ｄをバネ上５の質量ｍ_ｓｍで除した値を、車両１のロール中心からバネ上５の重心Ｑまでの高さｈ_ｓｍとして算出する。
よって、物流拠点などに立ち寄って積荷の配置や質量が様々に変化し、積荷の重心高さが変化した場合であっても、左右のエアスプリング４Ｌ、４Ｒの支持力Ｐ_Ｌ、Ｐ_Ｒ、相対変位ｈｄ、および横加速度Ｇ_ｙを測定するだけで、車両のロール中心ＲＣからバネ上５の重心Ｑまでの高さを推定できる。また、外部の特別な設備を必要とせず、通常の走行中に、車両のロール中心ＲＣからバネ上５の重心Ｑまでの高さを容易に推定できる。

また、最小二乗法により横加速度Ｇ_ｙに対するロールモーメントＭ_ｘの比例係数Ｄを求めたので、横加速度Ｇ_ｙおよびロールモーメントＭ_ｘの測定値にばらつきがあっても、バネ上５の重心高さを高精度で推定できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

ｔ 時刻
Ｍ_ｘ バネ上のロールモーメント
Ｇ_ｙ 横加速度
Ｄ Ｇ_ｙに対するＭ_ｘの比例係数
Ｐ_Ｌ 左側のエアスプリングの支持力
Ｐ_Ｒ 右側のエアスプリングの支持力
Ｆ_ｙ バネ上に作用する遠心力
ｈ_ｓｍ ロール中心からバネ上の重心までの高さ
ｍ_ｓｍ バネ上の質量
φ２ サスロール角
１ 車両
２ バネ下
３Ｌ 左後輪
３Ｒ 右後輪
４Ｌ、４Ｒ エアスプリング
５ バネ上
６ 積荷
１０ 車両重心推定システム
１１ 支持力測定部
１２ ロールモーメント算出部
１３ 横加速度測定部
１４ 質量測定部
１５ 重心高さ算出部
１６ 地上重心高さ算出部

Claims (6)

1. バネ下と、当該バネ下上に設けられた左右のサスペンションと、当該サスペンションに支持されるバネ上と、を備える車両について、前記バネ上の重心の高さを推定する車両重心推定システムであって、
   前記左右のサスペンションの支持力に基づいて、前記バネ上のロールモーメントを算出するロールモーメント算出部と、
   前記車両の幅方向の加速度である横加速度を測定する横加速度測定部と、
   前記横加速度に対する前記バネ上のロールモーメントの比例係数を算出し、当該比例係数を前記バネ上の質量で除した値を、前記車両のロール中心から前記バネ上の重心までの高さとして算出する重心高さ算出部と、を備えることを特徴とする車両重心推定システム。
2. 前記重心高さ算出部は、複数の時刻について、前記横加速度と前記バネ上のロールモーメントとを求めて、当該横加速度およびバネ上のロールモーメントに最小二乗法を適用して求めた近似値を、前記比例係数として用いることを特徴とする請求項１に記載の車両重心推定システム。
3. 前記重心高さ算出部で算出した前記車両のロール中心から前記バネ上の重心までの高さに、前記車両のロール中心の高さを加えることで、地上から前記バネ上の重心までの高さを算出する地上重心高さ算出部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の車両重心推定システム。
4. バネ下と、当該バネ下上に設けられた左右のサスペンションと、当該サスペンションに支持されるバネ上と、を備える車両について、前記バネ上の重心の高さを推定する車両重心推定方法であって、
   前記左右のサスペンションの支持力を測定し、当該支持力に基づいて、前記バネ上のロールモーメントを算出する第１ステップと、
   前記車両の幅方向の加速度である横加速度を測定する第２ステップと、
   前記横加速度に対する前記バネ上のロールモーメントの比例係数を算出し、当該比例係数を前記バネ上の質量で除した値を、前記車両のロール中心から前記バネ上の重心までの高さとして算出する第３ステップと、を備えることを特徴とする車両重心推定方法。
5. 前記第３ステップでは、複数の時刻について、前記横加速度と前記バネ上のロールモーメントとを求めて、当該横加速度およびバネ上のロールモーメントに最小二乗法を適用して求めた近似値を、前記比例係数として用いることを特徴とする請求項４に記載の車両重心推定方法。
6. 前記第３ステップで算出した前記車両のロール中心から前記バネ上の重心までの高さに、前記車両のロール中心の高さを加えることで、地上から前記バネ上の重心までの高さを算出する第４ステップをさらに備えることを特徴とする請求項４または５に記載の車両重心推定方法。