JP2020001473A - 車両制御装置、および、特性推定方法 - Google Patents

車両制御装置、および、特性推定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 トレーラの重心位置や慣性モーメントを推定し、これを連結車両の制御に供することで、連結車両の走行時の姿勢をより安定化できるようにすることを目的とする。【解決手段】 トレーラを牽引するトラクタに搭載される車両制御装置であって、ドライバによる操舵とは独立して前記トラクタの車輪の舵角を制御する舵角制御部と、該舵角制御部による車輪操舵時の前記トラクタの挙動に基づき前記トレーラの特性を推定するトレーラ特性推定部と、を具備することを特徴とする車両制御装置。【選択図】 図2

Description

本発明は、車両の運動を制御する車両制御装置と、その車両制御装置で用いられる特性推定方法に関し、特に、牽引するトレーラの特性を推定し、これを車両制御に用いることで、トレーラ牽引時の連結車両の運動をより安定化させる車両制御装置、および、特性推定方法に関する。
トレーラを牽引したトラクタ(以下、「連結車両」と称する)の姿勢を安定化させるための従来技術として、例えば、特許文献1が知られている。
同文献の請求項1には、「ブレーキの流体圧力を検出するブレーキ圧センサと、車輪回転速度を検出する車輪回転センサと、この車輪回転センサの出力を基に得た車速の時間微分値を演算することにより車両の加速度および減速度を演算する手段と、ブレーキ流体圧力に対する車両の減速度の関係を車両質量をパラメータとしてあらかじめ記録したマップとを備え、前記時間微分値が減速状態を示すとき、前記ブレーキ圧センサにより計測されたブレーキの流体圧力に対して前記演算する手段により算出された減速度の特徴から前記マップ上で該当する質量を推定する手段を備えたことを特徴とする車両の質量推定装置」が記載されている。
特開2000−19002号公報
特許文献1では、トラクタとトレーラからなる連結車両の質量を推定するが、連結車両の横方向運動に影響のある重心位置や慣性モーメントを推定していないため、積載する荷物の影響でトレーラの重心位置や慣性モーメントが変化した場合には、連結車両の旋回時の姿勢が安定しないこともあった。
そこで、本発明では、トレーラの重心位置や慣性モーメントを推定し、これを連結車両の制御に供することで、連結車両の旋回時の姿勢をより安定化できるようにすることを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明の車両制御装置は、トレーラを牽引するトラクタに搭載されるものであって、ドライバによる操舵とは独立して前記トラクタの車輪の舵角を制御する舵角制御部と、該舵角制御部による車輪操舵時の前記トラクタの挙動に基づき前記トレーラの特性を推定するトレーラ特性推定部と、を具備するものとした。
また、本発明の特性推定方法は、トラクタに牽引されるトレーラの特性を推定する特性推定方法であって、ドライバによる操舵とは独立して前記トラクタの車輪の舵角を制御する舵角制御ステップと、該舵角制御ステップによる車輪操舵時の前記トラクタの挙動に基づき、前記トレーラの特性を推定する特性推定ステップと、を有するものとした。
本発明によれば、トレーラの重心位置や慣性モーメントを推定し、これを連結車両の制御に供することで、連結車両の走行時の姿勢をより安定化させることができる。
実施例1の連結車両の概略図である。 実施例1の連結車両の主要部のブロック図である。 後輪舵角を0.5Hzの周波数で微小に変化させた場合のトラクタヨーレートのゲインと、トレーラ慣性モーメントまたは重心位置の関係を示す図である。 後輪舵角を1Hzの周波数で微小に変化させた場合のトラクタヨーレートのゲインと、トレーラ慣性モーメントまたは重心位置の関係を示す図である。 実施例1で推定したトレーラ特性を用いて連結車両を制御する状況を説明するブロック図である。 実施例2の連結車両の主要部のブロック図である。
以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。
本発明の実施例1を、図1から図7を参照して説明する。
図1は、実施例1の連結車両100の構成を示した概略図である。ここに示すように、本実施例の連結車両100は、ドライバが乗車するトラクタ10と、荷物を積載するトレーラ20を、紙面垂直方向を回転軸にした回転を許容する接続部21で連結したものである。以下では、トラクタ10の車輪8の前輪軸と後輪軸の距離をトラクタ車軸距離L、接続部21からトレーラ20の重心位置22までの距離をトレーラ重心距離Lとする。
トラクタ10には、本実施例に係る車両制御装置1の他、ハンドル4等の従来トラクタ同等の機器が搭載されている。なお、車両制御装置1は、CPU等の演算装置、半導体メモリ等の主記憶装置、ハードディスク等の補助記憶装置、および、通信装置などのハードウェアを備えた計算機である。そして、補助記憶装置に記録されたデータベースを参照しながら、主記憶装置にロードされたプログラムを演算装置が実行することで、後述する各機能を実現するが、以下では、このような周知技術を適宜省略しながら説明する。
また、トラクタ10は、加速度を制御する駆動系(図示しない、エンジン、トランスミッション、ブレーキ装置等)、および、この駆動系を制御する制御ユニット(図示しない、ECU、ATCU、ブレーキ制御装置3等)を搭載している。また、トラクタ10は、各制御ユニットに指令を伝達する車両制御装置1、車両運動状態情報を取得する車両状態センサ2、前輪パワーステアリング装置6、後輪パワーステアリング装置7、および、これらを接続する通信ラインを備えている。車両状態センサ2は、トラクタ10のヨーレート、前後方向の加速度、左右方向の加速度、各車輪の車輪速等を取得するセンサであり、実際には複数のセンサで構成される。
前輪パワーステアリング装置6は、ハンドル4と、ドライバがハンドル4を操舵する際の操舵トルク、操舵角を検出する操舵センサ5、前輪にリンクを介して接続される前輪ラック軸6a、前輪ラック軸6aに推力を与える前輪パワーステアリングモータ6b、操舵センサ5での検出値を基に前輪パワーステアリングモータ6bに対する指令を与える前輪舵角制御ユニット6cを有している。この前輪パワーステアリング装置6は、ドライバがハンドル4を操舵したことによって発生し操舵センサ5で検出されるトルク(と/あるいは操舵角)を基に前輪パワーステアリングモータ6bで推力を発生し、ドライバの操作をアシストする。
同様に、後輪パワーステアリング装置7は、後輪にリンクを介して接続される後輪ラック軸7a、後輪ラック軸7aに推力を与えるための後輪パワーステアリングモータ7b、車両制御装置1からの指令に基づき後輪パワーステアリングモータ7bに対する指令を与える後輪舵角制御ユニット7cを有している。この後輪パワーステアリング装置7は、ドライバのハンドル4の操作とは独立に、車両制御装置1の指令に基づき、後輪パワーステアリングモータ7bで推力を発生し後輪を操舵できるようにしている。
つぎに、図2から図4を用いて、本実施例によるトレーラ特性の推定方法について説明する。
図2は、トラクタ10の車両制御装置1が、トレーラ20の特性(重心位置、慣性モーメント)を推定する際に用いられる構成の主要部のブロック図であり、車両制御装置1と後輪パワーステアリング装置7の各要素の関係や、車両制御装置1内にトレーラ特性推定部1aが配置される構成を示している。なお、トレーラ特性推定部1aによる特性推定は、連結車両100が略一定速度で略直進走行している場合に実施されるため、図2では、ハンドル4の操舵によって制御される前輪パワーステアリング装置6の図示は省略している。
ここに示すように、トレーラ20の特性を推定する場合、車両制御装置1は、ドライバによる操舵とは独立した、所定の舵角指令を後輪舵角制御ユニット7cに与え、後輪舵角制御ユニット7cはその舵角指令に基づくトルク指令を後輪パワーステアリングモータ7bに与える。車両制御装置1から後輪舵角制御ユニット7cに与えられる舵角指令は、例えば、特定の周波数、振幅の正弦波であり、それによってトラクタ10の後輪の舵角が正弦波状に変化する。なお、この際、トラクタ10の後輪の舵角の変化が大きいと、直進走行しているつもりのドライバに違和感を与えるため、トラクタ10の横方向加速度が人に感知できない程度の大きさ(例えば0.2m/s以下)となるように振幅を制限した微小な舵角となるような舵角指令を用いるとよい。
この舵角指令に基づく操舵により、トラクタ10ではヨー回転運動が発生し、また横方向加速度が発生するため、車両状態センサ2により、ヨーレートや横加速度振動を検知することができる。この際、一定周波数で変化する後輪舵角δに対してトラクタ10のヨーレートや横加速度振動の振幅からヨーレートのゲインや、時間遅れによる位相を検出することができる。
このゲインや位相はトレーラ20の慣性モーメントや重心位置に応じて変化することから、車両運動制御部1のトレーラ特性推定部1aでは、観測されたゲインや位相を基にトレーラの特性(重心位置や慣性モーメント等のパラメータ)を推定する。その方法の詳細について、図3、図4を参照しながら説明する。
図3は、ある条件下の連結車両100において、車両制御装置1が、後輪舵角を0.5Hzの周波数で微小に変化させた場合のトラクタヨーレートのゲインとトレーラ特性の関係を示す図である。
図3(a)は、トレーラ20の荷物の積載位置等を変更した結果、他のパラメータを維持したまま、トレーラ20の慣性モーメントIが基準値(破線で示す基準慣性モーメント)から変化した場合の、後輪舵角に対するヨーレートのゲインを示すグラフである。この例では、両者は略比例関係にあり、慣性モーメントIの増加減少に伴い、ゲインが増加減少することがわかる。
また、図3(b)は、トレーラ20の荷物の積載位置等を変更した結果、他のパラメータを維持したまま、トレーラ重心距離Lが基準値(破線で示す基準重心位置)から変化した場合の、後輪舵角に対するヨーレートのゲインを示すグラフである。この例では、両者は略比例関係にあり、トレーラ重心距離Lの増加減少に伴い、ゲインが増加減少することがわかる。
一方、図4は、図3と同条件下の連結車両100において、車両制御装置1が、後輪舵角を1Hzの周波数で微小に変化させた場合のトラクタヨーレートのゲインとトレーラ特性の関係を示す図である。
図4(a)、(b)と、図3(a)、(b)を比較すれば明らかなように、後輪舵角を1Hzの周波数で微小に変化させた場合には、後輪舵角を0.5Hzの周波数で微小に変化させた場合とは大きく異なる応答が観測される。これは、一般に、舵角の周波数が違えば、パラメータが変化した際のゲインや位相の応答が異なるからである。
トラクタ10の後輪を0.5Hzの周波数で微小に操舵させたときのゲインの基準値からの変化量ΔGは、変化の要因が複数ある場合は、おおむねその要因ごとのゲインの変化量の和で表されることから、たとえば上記の慣性モーメントとトレーラ重心距離の2つが変化の要因であれば、ΔGは慣性モーメントの変化が原因の変化量とトレーラ重心距離の変化が原因の変化量の和であると推定できる。
同様に、トラクタ10の後輪舵角を1Hzの周波数で微小に操舵させたときのゲインの基準値からの変化量ΔGは、慣性モーメント変化が起因の変化量とトレーラ重心距離変化が起因の変化量の和であると推定できる。
そこで、ΔG、ΔGを1次近似式で表せると仮定すると、各々は(式1)、(式2)で表される。
Figure 2020001473
Figure 2020001473
ここで、ΔIは、トレーラ20の慣性モーメントの基準値からの変化量、ΔLは、トレーラ重心距離の基準値からの変化量、AIは、0.5Hzの周波数で後輪を微小に操舵させたときのΔIの変化に対するゲインの変化を一次式で近似したときの傾き、ALは、0.5Hzの周波数で後輪を微小に操舵させたときのΔLの変化に対するゲインの変化を一次式で近似したときの傾き、AIは、1Hzの周波数で微小に後輪を操舵させたときのΔIの変化に対するゲインの変化を一次式で近似したときの傾き、ALは、1Hzの周波数で微小に後輪を操舵させたときのΔLの変化に対するゲインの変化を一次式で近似したときの傾き、である。
ここで
Figure 2020001473
Figure 2020001473
Figure 2020001473
とおくと、
Figure 2020001473
としてΔI、ΔLを求めることができる。すなわち、トレーラ特性推定部1aでは、以上の式1から式6を用いて、トレーラ20の慣性モーメントIと重心距離Lを推定することができる。
以上で説明したように、トレーラ20に積載する荷物の重量に変化がなく、積載位置のみを変更する場合、トレーラ特性推定部1aは、式1から式6により、トレーラ20の所望の特性を推定することができる。しかしながら、トレーラ20に積載する荷物の重量に変化がある場合は、別の推定方法を用いる必要がある。
そこで、以下では、トラクタヨーレートのゲインの変化の要因が、慣性モーメントと、トレーラ重心距離と、トレーラ質量の3つであった場合の、トレーラ20の特性の推定方法を説明する。
この場合、ゲインの変化量は慣性モーメント変化が起因の変化量とトレーラ重心距離変化が起因の変化量とトレーラ質量起因の変化量の和であると推定できる。そこで、3つの周波数(例えば、0.5Hz、1Hz、1.5Hz)でのゲインの変化量を式7から式9で表す。
ここで、ΔGは、n個目の周波数のゲイン変化量、AIは、慣性モーメントの変化に対するゲイン変化量を一次式で近似した場合の傾き、ALは、トレーラ重心距離の変化に対するゲイン変化量を一次式で近似した場合の傾き、Amは、トレーラ質量の変化に対するゲイン変化量を一次式で近似した場合の傾き、Δmは、トレーラ質量の基準値からの変化量、である。
Figure 2020001473
Figure 2020001473
Figure 2020001473
ここで、
Figure 2020001473
Figure 2020001473
Figure 2020001473
とおくと、
Figure 2020001473
としてΔI、ΔL、Δmを求めることができる。すなわち、トレーラ特性推定部1aでは、式7から式13に基づき、トレーラ20の慣性モーメントI、重心距離L、質量を推定することができる。
以上から、後輪舵角を微小に入力させ、その応答を見ることで追加のセンサを付加することなく、安価にかつドライバには違和感を与えずトレーラ20の慣性モーメント、質量、重心位置を推定することができる。
なお、ここでは変化量を一次式であると仮定し、連立方程式を解いたが一次式である必要はなく高次の式やマップ等を用いて推定してもよい。また、複数数の周波数でヨーレートゲインを測定する例を示したが、複数の速度での応答から推定してもよい。またヨーレートではなく横加速度、ゲインではなく、位相から推定してもよい。さらに、正弦波を複数に分けて入力する方法を示したが複数の周波数が重畳するような入力を後輪舵角に与えて、その応答からトレーラ20のパラメータを推定してもよく、たとえば後輪舵角にインパルス応答を入力し、その応答から推定してもよい。また、直進走行時と記載したが前輪を操舵しているときとしてもよい。この場合、前輪操舵による影響を差し引いてゲインを求めることで同様に推定が可能である。
次に、以上で説明した、トレーラ20の特性の推定結果を基に、各アクチュエータに指令を与える具体例を、図5を用いて説明する。すなわち、ドライバ操作に基づく前輪舵角制御ユニット6cからのトルク指令で前輪パワーステアリングモータ6bで推力が発生すると、連結車両100には転回方向の力が発生する。なお、ここではモータを用いた電動パワーステアリング装置を示したが、ドライバ操作に基づき推力をアシストする油圧パワーステアリング方式でもよい。車両運動制御部1では前述したトレーラパラメータ推定部1aでの推定結果と、車両運動状態、ドライバの操舵情報をもとに後輪舵角制御ユニット7cへの舵角指令を演算する。この後輪舵角制御ユニット7cではこの指令を元に後輪パワーステアリングのモータ28へのトルク指令を発生する。
具体的な車両運動制御部1での指令の算出方法の一例を以下に示す。
前輪と後輪の舵角をそれぞれδ、δとすると、舵角が大きくない線形の範囲で、速度が一定とみなせる範囲では旋回半径は(式14)で示される。
Figure 2020001473
ここで、Ksfはスタビリティファクタと呼ばれ、トレーラ質量、トレーラ重心距離の関数である。また、Vは車両の速度である。
トレーラ質量、トレーラ重心距離が基準値だった場合のスタビリティファクタをKsf0とし、後輪操舵しない場合の旋回半径Rは次式で示される。
Figure 2020001473
つぎに、トレーラ質量、トレーラ重心距離が基準値から変化した場合のスタビリティファクタをKsfとすると旋回半径Rは式16で示される。
Figure 2020001473
ここで、後輪舵角δを次の式17で示す値となるように制御する。
Figure 2020001473
すなわち前輪舵角δに応じた後輪舵角指令として後輪舵角δを与える。この後輪舵角δを式14に代入すると、RがRに一致させることができる。ここでRはKsfの関数、すなわちトレーラ質量、トレーラ重心距離、車速の関数であり、トレーラパラメータ推定部での推定結果および車両状態センサ2から得られる車速を用いて算出可能である。
このように、車両制御装置1では、トレーラ特性推定部1aで推定したトレーラ20の特性と、式14から式17を利用することにより、トレーラ20のパラメータが基準値から変化した際も、変化前と同じ前輪舵角で同じ旋回半径で連結車両100を旋回させることが可能となり、安定性向上や操作性向上が可能となる。すなわち、トレーラ20の推定した慣性モーメントI、重心距離L、重量を用いることで、車両制御装置1は、トレーラ20の現状に即した操舵、および、加速度制御を実現することができ、旋回時などの姿勢の安定性を高めることができる。
なお、制御の方法はこれには限らず、種々の方法が考えられる。例えば、ここではステアリングを操作した例を示したが、ブレーキ制御装置3に指令を与えて、左右輪に異なるブレーキ圧を与えて回転方向のトルクを発生させるようにしてもよい。
このように本実施例においては、追加のセンサを付加することなくトレーラ20の重心位置や慣性モーメントなどのパラメータの推定が可能となり、これらを用いて連結車両100を制御することで、連結車両100の走行時(特に旋回時)の安定性、操作性の向上を図ることが可能となる。
次に、図8を参照して、本発明の実施例2を説明する。なお、実施例1との共通点は、重複説明を省略する。
上述した実施例1では、前輪パワーステアリング装置6として、ドライバのハンドル操作力が直接伝達されるものを用いたが、本実施例では、ドライバのハンドル操作力が伝達されない、いわゆるステアバイワイヤ方式の前輪パワーステアリング装置6を用いる。
このため、実施例1の車両制御装置1では、所定の舵角指令を後輪パワーステアリング装置7に与えていたのに対し、本実施例では、所定の舵角指令を前輪パワーステアリング装置6に与える。本実施例では、ステアバイワイヤ方式であるので、ドライバのハンドル操作とは独立して、前輪に操舵指令を与えることができる。前輪パワーステアリング装置6に与える舵角指令は、例えば特定の周波数、振幅の正弦波であり、それによって前輪の舵角が正弦波となって発生する。
この際、トラクタ10には横方向の加速度が発生するがその加速度が人に感知できない程度の大きさ(例えば0.2m/s以下)となるように操舵角度の振幅を制限するとよい。このような操舵により、トラクタ10ではヨー運動が発生し、また横方向の加速度が発生するため、車両状態センサ2により、ヨーレートや横加速度振動を検知する。この際、一定の周波数での後輪舵角δに対してトラクタ10のヨーレートや横加速度の振動の振幅からゲイン、時間遅れによる位相を検出する。
以下、ゲインまたは位相からトレーラ20の慣性モーメント、重心位置、質量を推定する方法は実施例1と同様の方法で求める。また、この推定結果を基にした制御も前輪パワーステアリング装置6に実施することが可能である。
また、後輪パワーステアリング装置7を備えた装置であれば、後輪を制御してもよい。またパワーステアリング装置ではなく、ブレーキや駆動装置の制御に活用してもよい。
以上から本実施例においては、前輪だけの操舵でパラメータ推定が可能となり、後輪のパワーステアリング装置が不要となるためより簡易なシステムとすることが可能である。
なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
100 連結車両、
1 車両制御装置、
2 車両状態センサ、
3 ブレーキ制御装置、
4 ハンドル、
5 操舵センサ、
6 前輪パワーステアリング装置、
6a 前輪ラック軸、
6b 前輪パワーステアリングモータ、
6c 前輪舵角制御ユニット、
7 後輪パワーステアリング装置、
7a 後輪ラック軸、
7b 後輪パワーステアリングモータ、
7c 後輪舵角制御ユニット、
8 車輪、
10 トラクタ、
20 トレーラ、
21 接続部、
22 トレーラ重心位置、
L トラクタ車軸間距離、
トレーラ重心距離、
δ 前輪舵角、
δ 後輪舵角

Claims (15)

  1. トレーラを牽引するトラクタに搭載される車両制御装置であって、
    ドライバによる操舵とは独立して前記トラクタの車輪の舵角を制御する舵角制御部と、
    該舵角制御部による車輪操舵時の前記トラクタの挙動に基づき前記トレーラの特性を推定するトレーラ特性推定部と、
    を具備することを特徴とする車両制御装置。
  2. 前記トレーラ特性推定部は、前記車輪を異なる周波数で操舵した時の前記トラクタ側のそれぞれの挙動に基づき、前記トレーラの特性を推定することを特徴とする請求項1に記載の車両制御装置。
  3. 前記トレーラ特性推定部は、前記トレーラの旋回運動時の挙動から前記トレーラの特性を推定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両制御装置。
  4. 前記トレーラ特性推定部は、前記トレーラの横運動時の挙動から前記トレーラの特性を推定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両制御装置。
  5. 前記舵角制御部による前記トラクタの車輪操舵時に発生する横方向加速度は、0.2m/s以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両制御装置。
  6. 前記舵角制御部が舵角を制御する車輪は後輪であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両制御装置。
  7. 前記舵角制御部は、略直進走行中に、ドライバによる操舵とは独立した操舵を実施することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両制御装置。
  8. さらに、前記トラクタの駆動系またはパワーステアリングモータを制御する制御ユニットを備えており、
    該制御ユニットは、前記トレーラ特性推定部が推定した特性に基づいて、前記駆動系または前記パワーステアリングモータを制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両制御装置。
  9. トラクタに牽引されるトレーラの特性を推定する特性推定方法であって、
    ドライバによる操舵とは独立して前記トラクタの車輪の舵角を制御する舵角制御ステップと、
    該舵角制御ステップによる車輪操舵時の前記トラクタの挙動に基づき、前記トレーラの特性を推定する特性推定ステップと、
    を有することを特徴とする特性推定方法。
  10. 前記舵角制御ステップでは、前記トラクタの車輪の舵角を複数の異なる周波数で制御し、
    前記特性推定ステップでは、前記車輪を異なる周波数で操舵した時の前記トラクタ側のそれぞれの挙動に基づき、前記トレーラの特性を推定することを特徴とする請求項9に記載の特性推定方法。
  11. 前記特性推定ステップでは、前記トレーラの旋回運動時の挙動から前記トレーラの特性を推定することを特徴とする請求項9または請求項10に記載の特性推定方法。
  12. 前記特性推定ステップでは、前記トレーラの横運動時の挙動から前記トレーラの特性を推定することを特徴とする請求項9または請求項10に記載の特性推定方法。
  13. 前記舵角制御ステップでは、前記トラクタの車輪操舵時に発生する横方向加速度は、0.2m/s以下であることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の特性推定方法。
  14. 前記舵角制御ステップで舵角を制御する車輪は後輪であることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の特性推定方法。
  15. 前記舵角制御ステップは、略直進走行中に実施されることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の特性推定方法。
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