JP2019119380A - 車両、車両運動状態推定装置および車両運動状態推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非線形なサスペンション特性を有する車両のバウンス運動の状態量を高精度に推定できる車両、車両運動状態推定装置、および車両運動状態推定方法を提供する。【解決手段】車輪と車体がサスペンションを介して結合された車両における車両運動状態推定装置であって、車両の走行状態情報に基づいて車両のバウンス運動の状態量を推定し出力するバウンス運動推定部と、バウンス運動推定部の出力に基づいて、バウンス運動推定部の出力を補正する補正値を算出する補正値推定部を有し、補正値推定部はサスペンションの非線形特性を考慮して補正値を算出する車両運動状態推定装置。【選択図】図２

Description

本発明は、車両運動状態量を推定することに係り、特にバウンス運動状態量を推定する車両、車両運動状態推定装置および車両運動状態推定方法に関する。

車両のバウンス運動状態量を取得する方法として、車高センサや上下加速度センサなどの専用センサを用いて直接検出する方法の他に、例えば特許文献１に記載されているように車輪速センサなどの一般的に車載されるセンサから車両ダイナミクスモデルを用いて専用センサを用いずに推定する方法が知られている。

特開２０１２−４７５５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたバウンス運動状態量の推定方法では、サスペンションの特性、特に車体と車輪の上下方向の相対変位と車輪の前後変位の関係を線形と仮定しており、前記の関係が非線形な車両に適用した場合にはバウンス運動状態量の推定精度が大幅に低下する可能性がある。

本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、車体と車輪の上下方向の相対変位と車輪の前後変位の関係が非線形な車両において、バウンス運動状態量を高精度に推定できる車両、車両運動状態推定装置および車両運動状態推定方法を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、「車輪と車体がサスペンションを介して結合された車両における車両運動状態推定装置であって、車両の走行状態情報に基づいて車両のバウンス運動の状態量を推定し出力するバウンス運動推定部と、バウンス運動推定部の出力に基づいて、バウンス運動推定部の出力を補正する補正値を算出する補正値推定部を有し、補正値推定部はサスペンションの非線形特性を考慮して補正値を算出する車両運動状態推定装置」としたものである。

また本発明においては、「車輪と車体がサスペンションを介して結合された車両における車両運動状態推定装置であって、車両の走行状態情報に基づいて車両の上下運動の状態量を推定し出力する上下運動推定部と、上下運動推定部の出力に基づいて、上下運動推定部の出力を補正する補正値を算出する補正値推定部を有し、補正値推定部はサスペンションの非線形特性を考慮して補正値を算出する車両運動状態推定装置」としたものである。

また本発明においては、「車輪と車体がサスペンションを介して結合され、制駆動を制御する制駆動制御ユニット、車輪の操舵角を制御する操舵制御ユニット、並びに制駆動制御ユニットおよび操舵制御ユニットに出力を与える車両運動状態推定装置を搭載した車両であって、
車両運動状態推定装置は、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の車両運動状態推定装置であることを特徴とする車両」としたものである。

また本発明においては、「車輪と車体がサスペンションを介して結合された車両における車両運動状態推定方法であって、車両の走行状態情報に基づいて車両の上下運動の状態量を推定し、車両の上下運動の状態量に基づいて、その補正値を算出するとともに、補正値はサスペンションの非線形特性を考慮した補正値であることを特徴とする車両運動状態推定方法」としたものである。

また本発明においては、「車輪と車体がサスペンションを介して結合された車両における車両運動状態推定方法であって、車両の走行状態情報から車両の回転運動状態量を求め、走行状態情報と回転運動状態量から車輪速変動量を求め、回転運動状態量と車輪速変動量から車両のバウンス運動量を求め、バウンス運動量と回転運動状態量を車両の上下運動状態量とするとともに、走行状態情報と、バウンス運動量または上下運動状態量とから、バウンス運動量または上下運動状態量の補正値を求め、補正値はサスペンションの非線形特性を考慮した補正値であることを特徴とする車両運動状態推定方法」としたものである。

本発明によれば、サスペンション特性の線形、非線形に関わらず、車両運動状態を高精度に推定できる。

実施例１に係る車両運動状態推定装置５０を搭載した車両構成例を示す図。 実施例１に係る車両運動状態推定装置５０の概念構成例を示す図。 実施例１に係る４輪車平面モデルを示す図。 実施例１に係る４輪フルビークルモデルを示す図。 実施例１に係る車体ピッチングによって生じる車輪速変動を示す図。 実施例１に係るサスペンションの変位によって生じる車輪速変動を示す図。 実施に係る相対変位と前後変位の線形な関係を示す図。 実施に係る接地荷重変動によって生じる車輪速変動を示す図。 実施に係る接地荷重とタイヤ有効回転半径の関係を示す図。 実施例１に係る車両上下運動量推定装置５０による処理結果の時間変化を示す図。 実施例２に係る車両運動状態推定装置５０の概念構成例を示す図。 実施例３に係る車両運動状態推定装置５０を搭載した車両構成例を示す図。 実施例３に係るサスペンション制御ユニット８１の概念構成例を示す図。 実施例３に係るサスペンション制御ユニット８１による処理結果の時間変化を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。

実施例１に係る車両運動状態推定装置５０について、図１から図１０を用いて、説明する。

図１は、車両運動状態推定装置５０を搭載した車両１０の構成例図を示したものである。

車両運動状態推定装置５０は、車両１０に搭載されており、車輪速センサ１、加速度センサ２、ジャイロセンサ３、操舵角センサ４、制駆動制御ユニット５、操舵制御ユニット６に接続されている。

上述の車両１０に搭載されるセンサ（車輪速センサ１、加速度センサ２、ジャイロセンサ３、操舵角センサ４）は、一般的に搭載されているセンサであり、所謂専用センサというものではない。

車両運動状態推定装置５０は、車輪速センサ１により斜体８の前後左右４か所の車輪７の回転速度を検出し、加速度センサ２により車体８の重心に作用する加速度を検出し、ジャイロセンサ４により車体８の重心周りの回転角速度であるヨーレイトを検出し、操舵角センサ４により車両１０を運転するドライバの操舵によって生じるステアリングホイールの回転角あるいは車輪７の舵角を検出している。

また車両運動状態推定装置５０は、上記のセンサを用いて処理した結果に基づいて、制駆動制御ユニット５、操舵制御ユニット６に対して、直接あるいは間接的に制御出力を与えている。なお図１は直接的に制御出力を与えている構成例を示しており、間接的に行う場合には例えば上位コントローラを介して行うことができる。

このうち制駆動制御ユニット５は、ドライバの操作や車両運動状態推定装置５０の出力などに基づいて内燃機関や電動機、ブレーキキャリパなどで発生させる制駆動を制御するユニットである。また、操舵制御ユニット６は、ドライバの操作や車両運動状態推定装置５０の出力などに基づいて車輪７の操舵角を制御するユニットである。

ここで制駆動制御ユニット５、もしくは操舵制御ユニット６、もしくはその両方には、前述のセンサ（車輪速センサ１、加速度センサ２、ジャイロセンサ３、操舵角センサ４）で検出した値を入力として、車輪７の前後方向の車輪スリップであるスリップ率、横方向の車輪スリップである横すべり角などの平面運動状態量を推定、出力する平面運動推定部を備えていても良い。

また、車両１０は、制駆動制御ユニット５や操舵制御ユニット６に対して、制御指令や推定値を送信する上位コントローラを備えていても良く、上位コントローラは、車両運動状態推定装置５０の出力である上下運動状態量を入力として、制御指令や推定値を生成する構成であっても良い。

以降では、前述のセンサ（車輪速センサ１、加速度センサ２、ジャイロセンサ３、操舵角センサ４）で検出された値と、制駆動制御ユニット５あるいは操舵制御ユニット６、またはその両方で推定、出力された値を、走行状態情報と称することにする。

車両運動状態推定装置５０は、前述の走行状態情報を入力として、相対速度やピッチレイトなどの車両１０の上下運動状態量を推定し、その結果を制駆動制御ユニット５などに出力する。

次に図２を用いて、図１の車両１０に搭載される車両運動状態推定装置５０の概念構成例を説明する。

図２は、前述の走行状態情報に基づいて相対変位や相対速度などの上下運動状態量を推定、出力する車両運動状態推定装置５０の概念図である。

走行状態情報（車輪速センサ１、加速度センサ２、ジャイロセンサ３、操舵角センサ４の出力、及び制駆動制御ユニット５あるいは操舵制御ユニット６、またはその両方で推定、出力された値）を入力とする車両運動状態推定装置５０は、回転運動状態量を推定する回転運動推定部５１と、上下運動起因の車輪速変動を推定する車輪速変動推定部５２と、バウンス運動状態量を推定するバウンス運動推定部５３と、補正値を推定する補正値推定部５４と、出力部５６から構成され、回転運動状態量と、バウンス運動状態量を纏めて出力するものである。なお、以降ではこの出力を上下運動状態量と称することにする。

このうち車両運動状態推定装置５０の回転運動推定部５１では、走行状態情報を入力として、運動方程式やフィルタ、ゲインに基づいて、車体８の重心周りの回転角であるロール角θｘとピッチ角θｙと、回転角速度であるロールレイトθｘ／ｄｔとピッチレイトθｙ／ｄｔを推定し、これらを回転運動状態量推定値ｙ（θ）として出力する。

なおここで、回転運動推定部５１を車両運動状態推定装置５０に含めず、制駆動制御ユニット５などの車両運動状態推定装置５０に接続されているユニットに搭載し、推定した回転運動状態量推定値を車両運動状態推定装置５０に入力する構成であっても良く、車両運動状態推定装置５０における回転運動状態量推定値の取得方法は限定しない。

車両運動状態推定装置５０の車輪速変動推定部５２では、走行状態情報と回転運動状態量推定値ｙ（θ）を入力として、路面上下変位や車両の上下運動によって生じる上下運動起因の車輪速変動を推定し、車輪速変動推定値ｙ（Ｖ）を出力する。

バウンス運動推定部５３は、走行状態情報と、回転運動状態量推定値ｙ（θ）と、上下運動起因の車輪速変動推定値ｙ（Ｖ）と、後述する補正値ｕを入力として、相対変位や相対速度などのバウンス運動状態量を推定し、バウンス運動状態量推定値ｘを出力する。

補正値推定部５４は、走行状態情報と、バウンス運動状態量推定値ｘを入力として、補正値ｕを推定し、出力する。

以下、更に詳細に車輪速変動推定部５２と、バウンス運動推定部５３と、補正値推定部５４を説明する。

まず図３を用いて、車輪速変動推定部５２における上下運動起因の車輪速変動推定値ｙ（Ｖ）の推定方法の具体例を説明する。図３は、４輪車平面モデルを示す図である。

実施例１では、４輪車平面モデルについて、ばね上重心９を原点とし、車両の前後方向をｘ軸、車両の左右方向をｙ軸、車両の上下方向をｚ軸とする。

なお図３では、旋回中の前輪操舵の４輪車の運動を示している。

ここで車輪７の操舵角である実舵角をδ、車両の進行方向の速度をＶ、車両の前後方向の速度をＶｘ、車両の左右方向の速度をＶｙ、ジャイロセンサ４で検出したｚ軸周りの回転角速度であるヨーレイトをｒ、車両の進行方向と前後方向のなす角を車体横すべり角β、車輪７の進行方向と回転面のなす角を車輪横すべり角βｆｌ、βｆｒ、βｒｌ、βｒｒ、車輪速センサ１で検出した車輪速をＶｗｓｆｌ、Ｖｗｓｆｒ、Ｖｗｓｒｌ、Ｖｗｓｒｒ、前輪軸と後輪軸の距離であるホイールベースをｌ、前後輪軸からばね上重心までの車両前後方向の距離をｌｆ、ｌｒ、前後輪のトレッドをｄｆ、ｄｒとする。

なお上記記号表示における、添え字のｆは前輪、ｒは後輪、ｆｌは左前輪、ｆｒは右後輪、ｒｌは左後輪、ｒｒは右後輪を示している。

この図３を用いて、車輪速変動推定部５２で推定される上下運動起因の車輪速変動は、以下の（１）式で表される。

ここで（１）式のＶｚｆｌ、Ｖｚｆｒ、Ｖｚｒｌ、Ｖｚｒｒは上下運動起因の車輪速変動、Ｖｗｘｆｌ、Ｖｗｘｆｒ、Ｖｗｘｒｌ、Ｖｗｘｒｒはばね上重心位置換算の車輪速、ＧｘとＧｙは加速度センサ２で検出した車体８の重心に作用する前後加速度と横加速度、ｇは重力加速度、θｘとθｙは回転運動推定部５１で推定したロール角とピッチ角、である。

なお、（１）式の車両の前後方向の速度Ｖｘは、前述のブレーキ制御ユニット６などのコントローラで推定された平面運動状態量や、ＧＰＳを用いて検出した位置情報を時間微分して算出した値や、図示しないが車両運動状態推定装置５０に設けた平面運動推定部で推定された平面運動状態量であっても良く、車両の前後方向の速度Ｖｘの取得方法は限定しない。

また、（１）式の車輪横すべり角βｆｌ、βｆｒ、βｒｌ、βｒｒは、前述のブレーキ制御ユニット６などのコントローラで推定された平面運動状態量や、ＧＰＳを用いて検出した車体横すべり角βに基づいて算出した値や、図示しないが車両運動状態推定装置５０に設けた平面運動推定部で推定された平面運動状態量であっても良く、車輪横すべり角βｆｌ、βｆｒ、βｒｌ、βｒｒの取得方法は限定しない。

また、（１）式のロール角θｘとピッチ角θｙは、前述のブレーキ制御ユニット６などのコントローラで推定された値や、ステレオカメラなどを用いて検出した値であっても良く、ロール角θｘとピッチ角θｙの取得方法は限定しない。

以上から、車輪速変動推定部５２では、走行状態情報である車輪速センサ１で検出した車輪速Ｖｗｓｆｌ、Ｖｗｓｆｒ、Ｖｗｓｒｌ、Ｖｗｓｒｒや、ジャイロセンサ４で検出したｚ軸周りの回転角速度であるヨーレイトｒなどを入力として、上下運動起因の車輪速変動Ｖｚｆｌ、Ｖｚｆｒ、Ｖｚｒｌ、Ｖｚｒｒを推定し、出力する。なお、本明細書中、または図２などでは、推定した上下運動起因の車輪速変動Ｖｚｆｌ、Ｖｚｆｒ、Ｖｚｒｌ、Ｖｚｒｒを総称して、車輪速変動推定値ｙ（Ｖ）と表記することがある。

次に図４〜図９を用いて、図２のバウンス運動推定部５３におけるバウンス運動状態量ｘの推定方法と、補正値推定部５４における補正値ｕの推定方法の具体例を説明する。

バウンス運動推定部５３では、検出あるいは推定される観測量を出力ベクトルｙ、バウンス運動状態量を状態ベクトルｘとして、車両運動を状態方程式化し、その状態方程式に基づくオブザーバによって、出力ベクトルｙと入力ベクトルｕから状態ベクトルｘを推定し、出力する。

したがって、以下の（２）式で表されるような状態方程式を導出する必要がある。

以下、（２）式の状態方程式の導出について説明する。

図４は、４輪フルビークルモデルを示す図である。図４は、路面上下変位を伴う４輪車の運動を示したものである。なお、図４での記号表記などは図３の４輪車平面モデルの例に準じておこなわれている。

そのうえでさらに図４の４輪フルビークルモデルにおいては、ばね上質量をｍｂｆ、ｍｂｒ、ばね下質量をｍｗｆ、ｍｗｒ、ばね上上下変位をｚ２ｆｌ、ｚ２ｆｒ、ｚ２ｒｌ、ｚ２ｒｒ、ばね下上下変位をｚ１ｆｌ、ｚ１ｆｒ、ｚ１ｒｌ、ｚ１ｒｒ、路面上下変位をｚ０ｆｌ、ｚ０ｆｒ、ｚ０ｒｌ、ｚ０ｒｒ、ばね上重心９のロール角、ピッチ角をそれぞれθｘ、θｙ、サスペンションばね定数をｋｓｆ、ｋｓｒ、サスペンション減衰係数をｃｓｆｌ、ｃｓｆｒ、ｃｓｒｌ、ｃｓｒｒ、スタビライザばね定数をｋｓｔｆ、ｋｓｔｒとして表記している。

路面上下変位を伴う車両の上下運動は、（３）式〜（７）式で表される。

（３）式はばね上に作用する上下方向の力Ｆ_Ｓに関する運動方程式、（４）式はばね下に作用する上下方向の力Ｆ_Ｓ、ｋ_ｔ（ｚ）に関する運動方程式、（５）式はばね上とばね下の間に作用する上下方向の力に関する運動方程式、（６）式はばね上とばね下の上下方向の相対変位ｚ_２１、（７）式はｘ軸周りの回転角であるロール角θｘとｙ軸周りの回転角であるピッチ角θｙの関係式である。

次に図５〜図９を用いて、前述の車輪速変動推定部５２で推定し、出力された上下運動起因の車輪速変動Ｖｚを構成する車体ピッチング起因の車輪速変動Ｖｚａと、サスペンション変位起因の車輪速変動Ｖｚｂと、接地荷重変動起因の車輪速変動Ｖｚｃを説明する。

なお、図５〜図９においては、各輪で共通のため、右左輪を示すｆｌなどの添え字は省略する。

まず、車体ピッチング起因の車輪速変動Ｖｚａの具体例を説明する。

図５は、車体ピッチングによって生じる車輪速変動を示す図であり、うねり路などを走行中に生じた車体８と車輪７の相対角速度によって車輪速変動Ｖｚａが生じる様子を模式的に表したものである。

この車体ピッチング起因の車輪速変動Ｖｚａは、ピッチ角θｘの時間微分であるピッチレイトをｄθｘ／ｄｔ、ばね上重心８の高さをｈとして、以下の（８）式で表される。

次に、サスペンション変位起因の車輪速変動Ｖｚｂの具体例を説明する。

図６は、サスペンションの変位によって生じる車輪速変動を示す図であり、うねり路などを走行中に生じた車体８と車輪７の上下方向の相対変位ｚ２１に伴い、車輪７の中心Ｏｗがサスペンションの瞬間回転中心Ｏｓ周りに変位することで、車輪７に前後変位Ｘｚｂが生じる様子を模式的に表したものである。

図７は、図６の車体８と車輪７の上下方向の相対変位ｚ２１と、車輪７の前後変位Ｘｚｂの関係を表す特性線図である。

ここで図７は、車両１０が水平面に静止している時を原点とした特性線図であり、図７に示すσは、特性線図の原点における線形近似勾配である。

この車輪７の前後変位Ｘｚｂの時間微分であるサスペンション変位起因の車輪速変動Ｖｚｂ１は、車体８と車輪７の上下方向の相対変位ｚ２１の時間微分である相対速度をｄｚ２１／ｄｔとして、以下の（９）式で表される。

なお、（９）式は前述の線形近似勾配σを用いているため、線形で近似可能な範囲ではＶｚｂとＶｚｂ１は等しくなる。

一方、図７に示す車輪７の前後変位Ｘｚｂおよび車体８と車輪７の上下方向の相対変位ｚ２１が大きい領域において、（９）式では推定精度が悪化するという課題がある。

そのため本発明では、補正値推定部５４においてバウンス運動状態量推定値ｘを入力として、この非線形な特性に基づく補正値を推定、出力し、バウンス運動推定部５３に入力することで前述の課題を解決する。

図２の補正値推定部５４における補正値の推定方法の具体例を説明する。

一例として図７に示す特性線図は、以下の（１０）式で表される２次関数で近似できる。

ここでα１は車体８と車輪７の上下方向の相対変位ｚ２１の２次の係数、α２は車体８と車輪７の上下方向の相対変位ｚ２１の１次の係数、α３は切片、ｚ２１ｏは車両１０が水平面に静止している時の相対変位である。

なお、実施例１では２次関数で近似しているが、３次以上の関数などで近似しても良く、特性線図の近似方法を限定しない。

補正の対象は速度項であるため、この（１０）式を時間微分したサスペンション変位起因の車輪速変動Ｖｚｂ２は、以下の（１１）式で表される。

以上の（９）式と（１１）式に基づいて、補正値推定部５４で推定するサスペンション変位起因の車輪速変動の変化分Ｖｚｂｄｆｌ、Ｖｚｂｄｆｒ、Ｖｚｂｄｒｌ、Ｖｚｂｄｒｒは、以下の（１２）式で表される。

なお、（１２）式は前後サスペンション共に相対変位ｚ２１と前後変位Ｘｚｂの関係が非線形であることを想定した式であり、例えば前輪側が線形特性、後輪側が非線形特性の場合には（１２）式のＶｚｂｄｆｌ、Ｖｚｂｄｆｒには０を定義することで線形特性と非線形特性の両方に対応可能である。

また、（１２）式のサスペンション変位起因の車輪速変動の非線形成分は、特性線図などを用いて算出しても良く、サスペンション変位起因の車輪速変動の非線形成分の算出方法は限定しない。

また、（１２）式で用いている線形近似勾配σを０とし、補正値推定部５４においてサスペンション変位起因の車輪速変動Ｖｚｂを推定、出力し、バウンス運動推定部５３に入力する方法であっても良い。

また、（１２）式の車両１０が水平面に静止している時の相対変位ｚ２１ｏｆｌ、ｚ２１ｏｆｒ、ｚ２１ｏｒｌ、ｚ２１ｏｒｒは、乗車人数の増減や荷物の積載に伴う質量増減などによって変化する。

そのため、高精度なバウンス運動状態量の推定を実現するには、ステレオカメラなどの外界認識センサや加速度センサ２などの検出値から、車両１０が水平面に静止している時の相対変位ｚ２１ｏｆｌ、ｚ２１ｏｆｒ、ｚ２１ｏｒｌ、ｚ２１ｏｒｒを推定することが望ましい。

また、（１２）式の車両１０が水平面に静止している時の相対変位ｚ２１ｏｆｌ、ｚ２１ｏｆｒ、ｚ２１ｏｒｌ、ｚ２１ｏｒｒを０とした上で、ロバスト性の高いバウンス運動状態量の推定を実現するには、使用頻度が最も高い質量などの条件におけるｚ２１の２次の係数α１と、ｚ２１の１次の係数α２と、切片α３と、線形近似勾配σを用いることが望ましい。

また、（１２）式は、車両１０が水平面に静止している時の相対変位ｚ２１ｏｆｌ、ｚ２１ｏｆｒ、ｚ２１ｏｒｌ、ｚ２１ｏｒｒと、車体８と車輪７の上下方向の相対変位ｚ２１ｆｌ、ｚ２１ｆｒ、ｚ２１ｒｌ、ｚ２１ｒｒと、車体８と車輪７の上下方向の相対変位の時間微分であるｄｚ２１ｆｌ／ｄｔ、ｄｚ２１ｆｒ／ｄｔ、ｄｚ２１ｒｌ／ｄｔ、ｄｚ２１ｒｒ／ｄｔを入力として、車両１０が水平面に静止している時の相対変位ｚ２１ｏｆｌ、ｚ２１ｏｆｒ、ｚ２１ｏｒｌ、ｚ２１ｏｒｒと、サスペンション変位起因の車輪速変動の変化分Ｖｚｂｄｆｌ、Ｖｚｂｄｆｒ、Ｖｚｂｄｒｌ、Ｖｚｂｄｒｒを出力するマップであっても良く、サスペンション変位起因の車輪速変動の変化分Ｖｚｂｄｆｌ、Ｖｚｂｄｆｒ、Ｖｚｂｄｒｌ、Ｖｚｂｄｒｒの推定方法を限定しない。

次に、接地荷重変動起因の車輪速変動Ｖｚｃの具体例を説明する。

図８は、接地荷重変動によって生じる車輪速変動を示す図であり、車輪７に作用する接地荷重の変動Ｆｚｄの増加に伴い、タイヤ有効回転半径Ｒが減少し、それによって車輪速変動Ｖｚｃが増加する様子を模式的に表したものである。

図９は、接地荷重Ｆｚとタイヤ有効回転半径Ｒの関係を表す特性線図である。

この接地荷重変動起因の車輪速変動Ｖｚｃは、図９に示す特性線図の線形近似勾配をη、タイヤ有効回転半径の変化量をＲｄ、タイヤ上下ばね定数をｋｔ、車輪速をＶｗｘ、ばね下上下変位をｚ１、路面上下変位をｚ０として、以下の（１３）式で表される。

ここで（１３）式の線形近似勾配ηを用いたタイヤ有効回転半径の変化量Ｒｄの導出方法は一例であり、図９に示す特性線図や特性線図の近似式を用いても良く、タイヤ有効回転半径の変動量の導出方法を限定しない。

以上の（８）式〜（１３）式で表される車輪速変動と、サスペンション変位起因の車輪速変動の変化分を用いて、上下運動起因の車輪速変動Ｖｚｆｌ、Ｖｚｆｒ、Ｖｚｒｌ、Ｖｚｒｒは、以下の（１４）式で表される。

ここで車輪速Ｖｗｘｆｌ、Ｖｗｘｆｒ、Ｖｗｘｒｌ、Ｖｗｒｒは時々刻々変化するため、バウンス運動推定部５３が後述の時不変の定数で構成された線形オブザーバである場合、車輪速の変動を考慮する必要がある。

（１４）式の接地荷重変動起因の車輪速変動Ｖｚｃｆｌ、Ｖｚｃｆｒ、Ｖｚｃｒｌ、Ｖｚｃｒｒを、定常車輪速Ｖｗｓによる接地荷重変動起因の車輪速変動の項と、接地荷重変動起因の車輪速変動の変化分Ｖｚｃｄｆｌ、Ｖｚｃｄｆｒ、Ｖｚｃｄｒｌ、Ｖｚｃｄｒｒによる項に分離したものを、以下の（１５）式で表す。

すなわち、補正値推定部５４では、相対変位ｚ２１や相対速度ｄｚ２１／ｄｔなどのバウンス運動状態量推定値を入力とし、（１２）式と（１５）式に基づいて、サスペンション変位起因の車輪速変動の変化分Ｖｚｂｄｆｌ、Ｖｚｂｄｆｒ、Ｖｚｂｄｒｌ、Ｖｚｂｄｒｒと、（１５）式に示す接地荷重変動起因の車輪速変動の変化分Ｖｚｃｄｆｌ、Ｖｚｃｄｆｒ、Ｖｚｃｄｒｌ、Ｖｚｃｄｒｒを推定し、補正値推定値ｕとして出力する。

上述の（２）式に示す状態方程式の各要素の内、状態ベクトルｘと出力ベクトルｙ、入力ベクトルｕは、以下の（１６）式で表される。

なお、入力ベクトルｕを構成するのは、前述の補正値推定部５４の出力であるサスペンション変位起因の車輪速変動の変化分Ｖｚｂｄｆｌ、Ｖｚｂｄｆｒ、Ｖｚｂｄｒｌ、Ｖｚｂｄｒｒと、（１４）式に示す接地荷重変動起因の車輪速変動の変化分Ｖｚｃｄｆｌ、Ｖｚｃｄｆｒ、Ｖｚｃｄｒｌ、Ｖｚｃｄｒｒで構成される。

この（１６）式によれば、状態ベクトルｘは、図２の車両運動量推定装置５０におけるバウンス運動状態量推定値であり、出力ベクトルｙの各項の内車輪速Ｖに係る項が図２の車両運動量推定装置５０における車輪側変動推定値ｙ（Ｖ）であり、出力ベクトルｙの各項の内角度θに係る項が図２の車両運動量推定装置５０における回転運動推定値ｙ（θ）であり、入力ベクトルｕが図２の車両運動量推定装置５０における補正値推定値ｕをそれぞれ示している。

これにより、状態行列Ａや入力行列Ｂなどを時不変の定数とした線形オブザーバにより、低い計算負荷で、相対変位ｚ２１や相対速度ｄｚ２１／ｄｔなどのバウンス運動状態量である状態ベクトルｘを推定可能となる。なお、状態行列Ａや入力行列Ｂなどの詳細は省略する。

以上が本発明における車両の上下運動状態量の推定方法の一例であり、このような構成の車両運動状態推定装置５０を用いることで、非線形なサスペンション特性を有する車両であっても、車輪速センサなどの一般的に車載されているセンサと車両ダイナミクスモデルを用いて上下運動状態量の推定が可能である。

次に、図１０を用いて、車両運動状態推定装置５０の処理結果の一例を説明する。

図１０は、相対変位ｚ２１と前後変位Ｘｚｂの関係が非線形な車両の相対速度、ばね上上下速度の時間変化の一例を示す図である。

図１０に示す実線は車高センサや上下加速度センサなどの専用センサを用いて検出、推定した真値、一点鎖線はサスペンションの非線形性を考慮していない従来方法による推定値、破線はサスペンションの非線形性を考慮した本発明の車両運動状態推定装置５０の推定値である。

図１０に示す非線形性を考慮していない従来方法による推定値は、相対速度は主に真値との位相差、ばね上上下速度は真値との振幅誤差や位相差が大きい。

それに対して、非線形性を考慮した本発明の推定値は、相対速度とばね上上下速度共に真値と概ね等しく、従来方法より高精度な推定ができる。

なお、図１０に示す処理結果は、車両運動状態推定装置５０に入力される走行状態情報の更新周期が２０ｍｓの値を用いて処理した結果であり、前述より短い更新周期の走行状態情報が取得可能であれば、走行状態情報の更新周期が短いほど高い周波数帯域の上下運動状態量を高精度に推定することが可能である。

実施例２では、実施例１と相違する点について主に説明し、実施例１と同様の部分についての説明は省略する。

なお、実施例２と実施例１の主な違いは、実施例１の回転運動推定部５１と、バウンス運動推定部５３を、上下運動推定部５５に集約した車両運動状態推定装置５０を構成したことであり、図１１を用いて主に上下運動推定部５５の処理概要を説明する。

図１１は、前述の車輪速センサ１や加速度センサ２などで検出あるいは推定した走行状態情報に基づいて相対速度やピッチ角などの上下運動状態量を推定、出力する車両運動状態推定装置５０の概念図である。

車両運動状態推定装置５０は、車輪速変動推定部５２と、補正値推定部５４と、上下運動推定部５５を備える。

車輪速変動推定部５２は、走行状態情報と後述する上下運動状態量推定値（ｙ（θ）、ｘ）を入力として、路面上下変位や車両の上下運動によって生じる上下運動起因の車輪速変動を推定し、車輪側変動推定値ｙ（Ｖ）を出力する。

補正値推定部５４は、走行状態情報と後述する上下運動状態量推定値（ｙ（θ）、ｘ）を入力として、補正値ｕを推定し、出力する。

上下運動推定部５５は、走行状態情報と上下運動起因の車輪速変動ｙ（Ｖ）と補正値ｕを入力として、相対速度やピッチ角などの上下運動状態量（ｙ（θ）、ｘ）を推定し、出力する。

この上下運動推定部５５は、実施例１の車両運動状態推定装置５０を構成するバウンス運動推定部５３と同じオブザーバであり、上下運動状態量を推定するにあたって、以下の（１７）式で表される車体８のｘ軸周りのロールモーメントと、ｙ軸周りのピッチモーメントに関する運動方程式を考慮する必要がある。

ここで、Ｉｘはロール慣性モーメント、Ｉｙはピッチ慣性モーメントである。

更に状態方程式の各要素の内、状態ベクトルｘと出力ベクトルｙ、入力ベクトルｕは、実施例１の（１６）式から、以下の（１８）式に変更される。

以上のような構成の上下運動推定部５５を用いることで、車両運動状態推定装置５０の計算負荷を下げることができ、より安価な計算機で車両の運動状態の推定を実現できる。

実施例３では、実施例１や実施例２と相違する点について主に説明し、実施例１や実施例２と同様の部分についての説明は省略する。

なお、実施例３と実施例１や実施例２の主な違いは、サスペンション制御ユニット８１と制御サスペンション装置８２を追加した車両１０を構成したことであり、図１２〜図１４を用いて主に実施例３におけるサスペンション制御ユニット８１の処理概要を説明する。

図１２は、実施例３における車両運動状態推定装置５０を搭載した車両１０の構成図を示したものである。

図１２は、図１に対してサスペンション制御ユニット８１と制御サスペンション装置８２を追加した構成になっている。

制御サスペンション装置８２は、減衰特性を調整可能な減衰力調整式のショックアブソーバ、あるいは車体と車輪の間の上下方向の力を調整可能なアクティブサスペンションである。

サスペンション制御ユニット８１は、加速度センサ２やジャイロセンサ３などの検出値と、車両運動状態推定装置５０で推定したばね上上下速度などの推定値に基づいて、制御サスペンション装置８２の減衰特性あるいは上下方向の力を制御する制御指令値を生成する。

ここで制御サスペンション装置８２に車両運動状態推定装置５０を適用する場合、サスペンション減衰係数ｃｓｆｌ、ｃｓｆｒ、ｃｓｒｌ、ｃｓｒｒが可変になるため、バウンス運動推定部５３が時不変の定数で構成された線形オブザーバである場合、減衰力の変化を考慮する必要がある。

実施例１の（４）式のサスペンション減衰係数による減衰力の項を、定常減衰係数ｃｓｆ、ｃｓｒによる減衰力の項と、その差分によって生じる減衰力変化分Ｆｃｄｆｌ、Ｆｃｄｆｒ、Ｆｃｄｒｌ、Ｆｃｄｒｒの項に分離したものを、以下の（１９）式で表す。

この（１９）式に示す減衰力変化分Ｆｃｄｆｌ、Ｆｃｄｆｒ、Ｆｃｄｒｌ、Ｆｃｄｒｒを、補正値推定部５４において走行状態情報とバウンス運動状態量推定値を入力として推定、出力し、減衰力変化分Ｆｃｄｆｌ、Ｆｃｄｆｒ、Ｆｃｄｒｌ、Ｆｃｄｒｒを含む入力ベクトルｕを構成したバウンス運動推定部５３に入力することで、減衰力の変化を考慮することができる。

次に、サスペンション制御８１による制御の一例として、図１３を用いて乗心地制御の処理概要を説明する。

図１３は、実施例２における制御サスペンション装置８２の一機能である乗心地制御を行うサスペンション制御ユニット８１の概念図である。

サスペンション制御ユニット８１には、加速度センサ２やジャイロセンサ３などで検出あるいは推定した走行状態情報と、車両運動状態推定装置５０で推定した上下運動状態量推定値が入力される。

サスペンション制御ユニット８１は、目標減衰力算出部８１ａと、減衰力マップ８１ｂを備える。

目標減衰力算出部８１ａは、走行状態情報と、上下運動状態量推定値に基づいて、制御サスペンション装置８２の目標減衰力を算出する。

減衰力マップ８１ｂは、予め記憶された制御サスペンション装置８２の特性のマップ情報であり、目標減衰力算出部８１ａで算出した目標減衰力と、車両運動状態量検出値を入力として、制御サスペンション装置８２を制御する制御指令値を導出し、出力する。

次に、図１４を用いて、サスペンション制御ユニット８１の処理結果の一例を説明する。

図１４は、相対変位ｚ２１と前後変位Ｘｚｂの関係が非線形な車両に対して、実施例２のサスペンション制御ユニット８１を適用した結果の一例である。

図１４に示す実線は車高センサや上下加速度センサなどの専用センサを用いて検出、推定した上下運動状態量に基づいて制御サスペンション装置８２を制御した結果、本発明の車両運動状態推定装置５０で推定した上下運動状態量に基づいて制御サスペンション装置８２を制御した結果である。

図１４に示す本発明の専用センサレス制御のフロア上下変位、ロール角、ピッチ角は、専用センサ付制御と概ね等しく、専用センサ付制御と同等の乗心地を実現できる。

以上の構成により、サスペンションが非線形特性を有する車両であっても、相対速度やばね上上下速度などのバウンス運動状態量を推定、推定値に基づいてサスペンションを制御する指令電流を生成できるため、従来の非線形特性を考慮していない方法より高性能なサスペンション制御を実現できる。

なお、図１４に示す処理結果は、車両運動状態推定装置５０と、サスペンション制御ユニット８１に入力される走行状態情報の更新周期が２０ｍｓの値を用いて処理した結果であり、前述より短い更新周期の走行状態情報が取得可能であれば、走行状態情報の更新周期が短いほど高い周波数帯域の上下運動状態量を高精度に推定でき、より高性能なサスペンション制御を実現することが可能である。

１：車輪速センサ
２：加速度センサ
３：ジャイロセンサ
４：操舵角センサ
５：制駆動制御ユニット
６：操舵制御ユニット
７：車輪
８：車体
９：ばね上重心
１０：車両
５０：車両運動状態推定装置
５１：回転運動推定部
５２：車輪速変動推定部
５３：バウンス運動推定部
５４：補正値推定部
５５：上下運動推定部
５６：出力部
８１：サスペンション制御ユニット
８１ａ：目標減衰力算出部
８１ｂ：減衰力マップ
８２：制御サスペンション装置

Claims (15)

1. 車輪と車体がサスペンションを介して結合された車両における車両運動状態推定装置であって、
   車両の走行状態情報に基づいて車両のバウンス運動の状態量を推定し出力するバウンス運動推定部と、前記バウンス運動推定部の出力に基づいて、前記バウンス運動推定部の出力を補正する補正値を算出する補正値推定部を有し、前記補正値推定部はサスペンションの非線形特性を考慮して前記補正値を算出する車両運動状態推定装置。
2. 車輪と車体がサスペンションを介して結合された車両における車両運動状態推定装置であって、
   車両の走行状態情報に基づいて車両の上下運動の状態量を推定し出力する上下運動推定部と、前記上下運動推定部の出力に基づいて、前記上下運動推定部の出力を補正する補正値を算出する補正値推定部を有し、前記補正値推定部はサスペンションの非線形特性を考慮して前記補正値を算出する車両運動状態推定装置。
3. 請求項１に記載の車両運動状態推定装置であって、
   前記補正値を前記バウンス運動推定部に入力することで前記バウンス運動推定部の出力を補正することを特徴とする車両運動状態推定装置。
4. 請求項２に記載の車両運動状態推定装置であって、
   前記補正値を前記上下運動推定部に入力することで前記上下運動推定部の出力を補正することを特徴とする車両運動状態推定装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに１項に記載の車両運動状態推定装置であって、
   前記補正値推定部は、前記バウンス運動の状態量あるいは前記上下運動の状態量を入力として、前記サスペンションの非線形特性である車体と車輪の上下方向の相対変位と車輪の前後変位の関係に基づく補正値を出力することを特徴とする車両運動状態推定装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに１項に記載の車両運動状態推定装置であって、
   前記バウンス運動推定部あるいは前記上下運動推定部は、前記サスペンションの非線形特性である車体と車輪の上下方向の相対変位と車輪の前後変位の関係を線形特性と仮定し、前記補正値推定部は、前記バウンス運動の状態量あるいは前記上下運動の状態量を入力として、前記サスペンションの非線形特性と、前記バウンス運動推定部あるいは前記上下運動推定部で仮定した線形特性との差に基づく補正値を出力することを特徴とする車両運動状態推定装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに１項に記載の車両運動状態推定装置であって、
   前記走行状態情報は、車輪の回転速度と、車体の前後方向および横方向の加速度と、ヨーレイトと、操舵角であることを特徴とする車両運動状態推定装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに１項に記載の車両運動状態推定装置であって、
   前記車両運動状態推定装置は、車両周辺の環境情報を検出する外界認識センサを備え、前記環境情報に基づいて、車両が水平面に静止している時の相対変位を推定することを特徴とする車両運動状態推定装置。
9. 車輪と車体がサスペンションを介して結合され、制駆動を制御する制駆動制御ユニット、車輪の操舵角を制御する操舵制御ユニット、並びに前記制駆動制御ユニットおよび前記操舵制御ユニットに出力を与える車両運動状態推定装置を搭載した車両であって、
   前記車両運動状態推定装置は、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の車両運動状態推定装置であることを特徴とする車両。
10. センサとして、車輪速センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、操舵角センサを備えた請求項９に記載の車両であって、
    前記車両の走行状態情報は、前記センサの出力であることを特徴とする車両。
11. サスペンションを制御するサスペンション制御装置を備えた請求項９または請求項１０に記載の車両であって、
    前記車両運動状態推定装置で推定された状態量に基づいて、サスペンションで発生する力を制御することを特徴とする車両。
12. 車輪と車体がサスペンションを介して結合された車両における車両運動状態推定方法であって、
    車両の走行状態情報に基づいて車両の上下運動の状態量を推定し、前記車両の上下運動の状態量に基づいて、その補正値を算出するとともに、前記補正値は前記サスペンションの非線形特性を考慮した補正値であることを特徴とする車両運動状態推定方法。
13. 請求項１２に記載の車両運動状態推定方法であって、
    前記車両の上下運動の状態量は、前記車両の走行状態情報に基づいて求めた車両のバウンス運動の状態量を用いて求められており、前記車両のバウンス運動の状態量に基づいて、前記車両のバウンス運動の状態量の補正値を算出するとともに、前記補正値は前記サスペンションの非線形特性を考慮した補正値であることを特徴とする車両運動状態推定方法。
14. 車輪と車体がサスペンションを介して結合された車両における車両運動状態推定方法であって、
    車両の走行状態情報から車両の回転運動状態量を求め、前記走行状態情報と前記回転運動状態量から車輪速変動量を求め、前記回転運動状態量と前記車輪速変動量から車両のバウンス運動量を求め、前記バウンス運動量と前記回転運動状態量を車両の上下運動状態量とするとともに、
    前記走行状態情報と、前記バウンス運動量または前記上下運動状態量とから、前記バウンス運動量または前記上下運動状態量の補正値を求め、前記補正値は前記サスペンションの非線形特性を考慮した補正値であることを特徴とする車両運動状態推定方法。
15. 請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の車両運動状態推定方法であって、
    前記走行状態情報は、車輪の回転速度と、車体の前後方向および横方向の加速度と、ヨーレイトと、操舵角であることを特徴とする車両運動状態推定方法。

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