JP2020117196A - Vehicle motion state estimation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば車両走行時の運動状態を推定できるようにした車両運動状態推定装置に関する。 The present invention relates to a vehicle motion state estimation device capable of estimating a motion state when a vehicle is running, for example.
一般に、4輪自動車等の車両には、走行時の振動を緩衝するためセミアクティブサスペンション等の減衰力可変ダンパが搭載されている。この種の従来技術による減衰力可変ダンパの制御装置として、各車輪の車輪速を検出する車輪速センサと、前記車輪速センサが検出した車輪速検出値に基づいて車輪速変動量を算出する車輪速変動量算出手段と、前記車輪速変動量に基づいて車両の状態量(車体のばね上速度またはサスペンションのストローク速度)を算出する状態量算出手段と、前記状態量算出手段が算出した前記ばね上速度またはストローク速度に基づいて減衰力可変ダンパの減衰力を制御する制御手段と、を備えた装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Generally, a vehicle such as a four-wheeled vehicle is equipped with a damping force variable damper such as a semi-active suspension in order to absorb vibration during traveling. As a control device for a damping force variable damper according to this type of conventional technology, a wheel speed sensor that detects a wheel speed of each wheel, and a wheel that calculates a wheel speed fluctuation amount based on a wheel speed detection value detected by the wheel speed sensor A speed variation amount calculating means, a state amount calculating means for calculating a state amount of the vehicle (a sprung speed of the vehicle body or a stroke speed of the suspension) based on the wheel speed variation amount, and the spring calculated by the state amount calculating means. A device including a control unit that controls the damping force of the damping force variable damper based on the upper speed or the stroke speed is known (see, for example, Patent Document 1).
ところで、従来技術では、例えば加速度センサや車高センサ等を用いないセンサレス制御を行うため、車輪速度から車両の上下方向運動に起因する車輪速変化を抽出することで制御を行っている。車輪速度を測定する車輪速センサは、回転部品と固定部品に分かれているため、その測定信号は車体ピッチングやサスペンション変位、接地荷重変動、制駆動トルクの4つの因子で変化する、と想定されている。 By the way, in the prior art, for example, sensorless control that does not use an acceleration sensor, a vehicle height sensor, or the like is performed, and therefore control is performed by extracting a wheel speed change caused by vertical movement of the vehicle from the wheel speed. Since the wheel speed sensor that measures the wheel speed is divided into rotating parts and fixed parts, it is assumed that the measurement signal changes due to four factors: vehicle body pitching, suspension displacement, ground load fluctuation, and braking/driving torque. There is.
この中で、制駆動トルクによって変化する車輪速は、車両の制駆動トルク、車両加速度、走行抵抗力(空気抵抗力、転がり抵抗力、勾配抵抗力)を考慮して推定していた。しかし、従来技術では、サスペンションのストローク変化に起因した車体にかかる前後力が考慮されていない。このため、車両の各車輪における実車輪速を必ずしも高い精度で推定することはできないという問題がある。 Among them, the wheel speed that changes depending on the braking/driving torque is estimated in consideration of the braking/driving torque of the vehicle, the vehicle acceleration, and the running resistance force (air resistance force, rolling resistance force, gradient resistance force). However, the prior art does not consider the longitudinal force applied to the vehicle body due to the stroke change of the suspension. Therefore, there is a problem that the actual wheel speed of each wheel of the vehicle cannot be estimated with high accuracy.
本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、前,後輪トルク、車両加速度、走行抵抗力に加え、ストローク変化による力を考慮することで制駆動トルクによって発生する車輪速を高い精度で推定することができるようにした車両運動状態推定装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to consider a force due to a stroke change in addition to front and rear wheel torque, a vehicle acceleration, a running resistance force, and a braking/driving torque. An object of the present invention is to provide a vehicle motion state estimating device capable of estimating the wheel speed generated by the vehicle with high accuracy.
上述した課題を解決するため、本発明は、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、車輪速センサによる車輪速検出値と、前記車両の上下運動に起因する車輪速変化と、から前記車輪の実車輪速を推定する構成とし、前記車両の上下運動に起因する車輪速変化は、前記車両の制駆動トルクと、車両加速度と、車両の走行抵抗力と、前記サスペンションのストローク変化とをパラメータとして推定演算により求められ、さらに、前記サスペンションのストローク変化は、ストローク起因の前後力を考慮して求められることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a vehicle motion state estimation device in a vehicle in which wheels and a vehicle body are coupled via a suspension, and a wheel speed detection value by a wheel speed sensor and a vertical motion of the vehicle. The configuration is such that the actual wheel speed of the wheel is estimated from the resulting wheel speed change, and the wheel speed change resulting from the vertical movement of the vehicle includes braking/driving torque of the vehicle, vehicle acceleration, and running resistance of the vehicle. And the stroke change of the suspension as parameters, and the stroke change of the suspension is obtained in consideration of the longitudinal force caused by the stroke.
本発明によれば、前,後輪トルク(即ち、車両の制駆動トルク)、車両加速度、走行抵抗力に加え、ストローク変化による力を考慮することで制駆動トルクによって変化する車輪速を高い精度で推定することができる。 According to the present invention, in addition to the front and rear wheel torques (that is, braking/driving torque of the vehicle), vehicle acceleration, and traveling resistance force, the force due to the stroke change is taken into consideration to obtain a highly accurate wheel speed that changes with the braking/driving torque. Can be estimated at.
以下、本発明の実施の形態による車両運動状態推定装置を、4輪自動車に適用した場合を例に挙げ、図1ないし図15を参照しつつ詳細に説明する。なお、説明の煩雑化を避けるため、車両の各車輪位置等については、左前(fl),右前(fr),左後(rl),右後(rr)を示す添字を、符号に付して説明する。左前、右前、左後、右後を総称するときには、符号から添字を省いて説明する。同様に、前(f),後(r)を示す添字を、符号に付して説明する。前、後を総称するときには、符号から添字を省いて説明するものとする。 Hereinafter, the vehicle motion state estimating device according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In addition, in order to avoid complication of the description, subscripts indicating left front (fl), right front (fr), left rear (rl), and right rear (rr) are attached to the reference numerals of the vehicle wheels. explain. When collectively referring to left front, right front, left rear, and right rear, the subscripts will be omitted from the reference numerals for explanation. Similarly, subscripts indicating front (f) and rear (r) are attached to the reference numerals for description. When collectively referring to front and rear, the subscripts will be omitted from the reference numerals for explanation.
図において、車体1は車両(自動車)のボディを構成している。車体1の下側には、左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rl、右後輪2rr(以下、総称して車輪2という)が設けられている。各車輪2は、例えば図2に示す模式図のように、タイヤ3を含んで構成されている。タイヤ3は、例えば路面の細かい凹凸を吸収するばねとして作用する。車両の車体1と各車輪2とは、例えば前輪側のサスペンション装置5と後輪側のサスペンション装置8とを介して結合されている。
In the figure, a
また、左前輪2flと右前輪2frとの間には、例えば図5に示すように、車体1のロール抑制等を行うために前側のスタビライザ4Fが設けられている。左後輪2rlと右後輪2rrとの間にも、同様に後側のスタビライザ4Rが設けられている。このスタビライザ4は、車両に設けられたスタビライザ機構である。スタビライザ4は、左右に離間した一対の取付ブッシュ等を介して車体1に取付けられている。前側のスタビライザ4Fは、ロールもしくは、左前輪2flと右前輪2frとの間で上下動の差が発生することによって、ねじれ剛性によるスタビライザ反力を発生する。同様に、後側のスタビライザ4Rは、ロールもしくは、左後輪2rlと右後輪2rrとの間で上下動の差が発生することによって、ねじれ剛性によるスタビライザ反力を発生する。
A
図2に示すように、前輪側のサスペンション装置5は、車体1と車輪2(左前輪2fl、右前輪2fr)との間に介装されている。サスペンション装置5は、懸架ばねとしてのスプリング6と、該スプリング6と並列になって車体1と2つの車輪2(左前輪2fl、右前輪2fr)との間にそれぞれ介装された減衰力調整式緩衝器としての減衰力可変ダンパ(以下、ダンパ7という)と、により構成されている。後輪側のサスペンション装置8は、車体1と車輪2(左後輪2rl、右後輪2rr)との間に介装されている。サスペンション装置8は、懸架ばねとしてのスプリング9と、該スプリング9と並列になって車体1と車輪2(左後輪2rl、右後輪2rr)との間に設けられたダンパ7とを備えている。
As shown in FIG. 2, the front wheel suspension device 5 is interposed between the
ここで、前,後輪側のサスペンション装置5,8は夫々のダンパ7が、例えばセミアクティブダンパ等の減衰力調整式の油圧緩衝器を用いて構成されている。これらのダンパ7には、発生減衰力の特性(減衰特性)をハードな特性(硬特性)からソフトな特性(軟特性)に調整するため、減衰力調整バルブ等からなるアクチュエータ(図示せず)が付設されている。各ダンパ7は、外部からの指令により前記アクチュエータが駆動され、作動流体の流れが可変に制御されることによって減衰特性が変化する。具体的には、ダンパ7は、車体1と車輪2間の相対速度および目標減衰係数(補正減衰係数)に応じてその減衰力特性(即ち、減衰特性)が調整される。即ち、コントローラ(例えば、後述の車両運動状態推定装置10)は、相対速度および目標減衰係数に応じた指令電流を出力する。ダンパ7は、前記コントローラから出力される指令電流に応じて可変に調整された減衰力を発生することができる。
Here, the
なお、前,後輪側のサスペンション装置5,8は、懸架ばねとしてのスプリング6,9に替えて、例えばエアサスペンションのエアスプリング(図示せず)を用いる構成であってもよい。この場合は、左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rl、右後輪2rr側の各エアスプリングに対して、作動流体(圧縮エア)を供給または排出することによって、車輪2と車体1との間の距離である車高を調整することができる。
The front and rear wheel suspension devices 5 and 8 may be configured to use air springs (not shown) of an air suspension, for example, instead of the
図1に示す車両の車体1には、車両運動状態推定装置10が搭載されている。この車両運動状態推定装置10は、その入力側が各車輪2側の車輪速センサ11、加速度センサ12、ジャイロセンサ13、操舵角センサ14、制駆動制御ユニット15および操舵制御ユニット16に接続され、出力側には、制駆動制御ユニット15および操舵制御ユニット16が接続されている。
A vehicle motion
各車輪速センサ11、加速度センサ12、ジャイロセンサ13および操舵角センサ14は、一般的に車両に搭載されているセンサである。4個の車輪速センサ11は、車輪2(即ち、左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rlおよび右後輪2rr)の回転速度を夫々の車輪速度として個別に測定し検出する。加速度センサ12は、車体1の重心G(図4、図5参照)に作用する加速度(例えば、前後加速度Gx、横加速度Gy)を検出する。ジャイロセンサ13は、車体1の重心G周りの回転角速度であるヨーレイトを検出する。操舵角センサ14は、車両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操舵角(回転角)、または車輪2の舵角を検出するセンサである。
The
制駆動制御ユニット15は、ドライバのハンドル操作や車両運動状態推定装置10の出力等に基づいて車両の原動機(例えば、エンジンとしての内燃機関や電動機)で発生する駆動力、および/またはブレーキ装置(図示せず)等で発生する制動力を制御する制御ユニットである。また、操舵制御ユニット16は、ドライバのハンドル操作や車両運動状態推定装置10の出力等に基づいて車輪2(例えば、左前輪2flと右前輪2fr)の操舵角を制御する制御ユニットである。
The braking/
ここで、制駆動制御ユニット15と操舵制御ユニット16との何れか一方、または両方には、前述のセンサで検出した信号を入力として、車輪2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等の平面運動状態量を推定し、出力する平面運動推定部を備えていてもよい。また、車体1は、制駆動制御ユニット15や操舵制御ユニット16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(図示せず)を備えていてもよく、この上位コントローラは、車両運動状態推定装置10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よい。
Here, to one or both of the braking/
なお、以下の説明では、前述のセンサ(車輪速センサ11、加速度センサ12、ジャイロセンサ13および操舵角センサ14)で検出された信号値と、制駆動制御ユニット15あるいは操舵制御ユニット16、またはその両方で推定し出力された値とを、走行状態情報として記載する。そして、車両運動状態推定装置10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等の車体1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15等に出力する。
In the following description, the signal values detected by the above-described sensors (
次に、車両運動状態推定装置10の具体的構成について、図3を参照して説明する。図3は、前述した車両の走行状態情報に基づいて、車体1と車輪2との相対変位や相対速度等の上下運動状態量を推定し、出力する車両運動状態推定装置10の構成を概念図として示している。
Next, a specific configuration of the vehicle motion
車両運動状態推定装置10は、回転運動状態量を推定する回転運動推定部21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22と、バウンス運動状態量を推定するバウンス運動推定部23と、補正値を推定する補正値推定部24とから構成されている。車両運動状態推定装置10は、図3に示すように、回転運動状態量とバウンス運動状態量とを纏めて出力するものである。なお、以下の説明では、この出力(回転運動状態量とバウンス運動状態量)を上下運動状態量として述べる。
The vehicle motion
回転運動推定部21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1の重心G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とピッチレイトとを推定し、回転運動状態量推定値を出力する。ここで、回転運動推定部21を車両運動状態推定装置10に含めずに、車両運動状態推定装置10に接続されている他のユニット(例えば、制駆動制御ユニット15等)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10に入力する構成であってもよい。このため、車両運動状態推定装置10における回転運動状態量推定値の取得方法は、図3に示す構成に限定されるものではない。
The rotational
車輪速変動推定部22は、走行状態情報と回転運動状態量推定値とを入力として、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する。そして、車輪速変動推定部22は、このように推定した上下運動起因の車輪速変動をバウンス運動推定部23に出力する。
The wheel speed
バウンス運動推定部23は、前記走行状態情報と、前記回転運動状態量推定値と、前記上下運動起因の車輪速変動と、後述の補正値とを入力として、車体1と車輪2との相対変位や相対速度等のバウンス運動状態量を推定する。そして、バウンス運動推定部23は、このように推定したバウンス運動状態量を出力する。補正値推定部24は、前記走行状態情報と、バウンス運動状態量推定値とを入力として、補正値を推定し、この推定値をバウンス運動推定部23に出力する。
The bounce
次に、前記車輪速変動推定部22、バウンス運動推定部23および補正値推定部24について、さらに詳細に説明する。まず、車輪速変動推定部22における上下運動起因の車輪速変動の推定方法について、図4を参照し、具体例を挙げて説明する。
Next, the wheel speed
図4は、4輪自動車の平面モデルを示す図である。車体1のばね上の重心G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。図4は、前輪操舵の4輪自動車による旋回中の運動を示したものである。
FIG. 4 is a diagram showing a plane model of a four-wheeled vehicle. The center of gravity G on the spring of the
図4、図5に示すように、車輪2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13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2(左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rlおよび右後輪2rr)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11で検出した車輪速Vwsを、それぞれVwsfl,Vwsfr,Vwsrl,Vwsrrとし、前輪軸と後輪軸と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Gまでの車両前後方向の距離をLf,Lrとし、前,後輪のトレッドをdf,drとする。なお、添え字の「f」は前輪、「r」は後輪、「fl」は左前輪、「fr」は右前輪、「rl」は左後輪、「rr」は右後輪を表している。また、添え字の「z」は、上下方向のz軸に関連した表記であり、「Vz」は、各車輪2の上下運動起因の車輪速変動を表している。
As shown in FIGS. 4 and 5, the actual steering angle that is the steering angle of the
車輪速変動推定部22で推定演算される上下運動起因の車輪速変動Vzfl,Vzfr,Vzrl,Vzrrは、下記の数1式で求められる。ここで、数1式の上下運動起因の車輪速変動Vzfl,Vzfr,Vzrl,Vzrrは、ばね上重心位置換算の車輪速Vwxfl,Vwxfr,Vwxrl,Vwxrrと、加速度センサ12で検出した車体1の重心Gに作用する前後加速度Gx、横加速度Gyと、重力加速度gと、回転運動推定部21で推定したロール角θxとピッチ角θy等とに基づいて算出される。
The wheel speed fluctuations Vzfl, Vzfr, Vzrl, Vzrr due to the vertical movement estimated and calculated by the wheel speed
なお、数1式の車両の前後方向の速度Vxは、前述の制駆動制御ユニット15等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10に設けた前記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よい。このために、車両の前後方向の速度Vxの取得方法は、前述の構成に限定されるものではない。
The vehicle speed Vx in the front-rear direction of the
また、数1式の車輪横すべり角βfl、βfr、βrl、βrrは、制駆動制御ユニット15等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10に設けた前記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よい。このため、車輪横すべり角βfl、βfr、βrl、βrrの取得方法は、前述の構成に限定されるものではない。
Further, the wheel side slip angles βfl, βfr, βrl, and βrr of the
また、数1式のロール角θxとピッチ角θyは、前述の制駆動制御ユニット15等のコントローラで推定された値や、ステレオカメラ等を用いて検出した値であってもよい。このため、ロール角θxとピッチ角θyの取得方法は、前述の構成に限定されるものではない。
Further, the roll angle θx and the pitch angle θy in the
以上から、車輪速変動推定部22は、走行状態情報である車輪速センサ11で検出した車輪速Vwsfl,Vwsfr,Vwsrl,Vwsrrと、ジャイロセンサ13で検出したz軸周りの回転角速度であるヨーレイトr等とを入力として、上下運動起因の車輪速変動Vzfl,Vzfr,Vzrl,Vzrrを推定演算する。そして、車輪速変動推定部22は、数1式のように推定した上下運動起因の車輪速変動Vzfl,Vzfr,Vzrl,Vzrrをバウンス運動推定部23に出力する。
From the above, the wheel speed
次に、バウンス運動推定部23におけるバウンス運動状態量の推定方法と、補正値推定部24における補正値の推定方法とを、図5〜図11に示す具体例を挙げて説明する。
Next, a method for estimating the bounce motion state quantity in the bounce
バウンス運動推定部23では、検出あるいは推定される観測量を出力ベクトルyとし、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。従って、以下の数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。
In the bounce
そこで、数2式の状態方程式の導出について以下に説明する。
図5は、4輪自動車のフルビークルモデルを示す図であり、路面上下変位を伴う4輪自動車の運動を示している。ここで、車体1側のばね上質量をmbf,mbrとし、車輪2側のばね下質量をmwf,mwrとする。そして、車輪2(左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rlおよび右後輪2rr)毎のばね上の上下変位をZ2fl,Z2fr,Z2rl,Z2rrとし、ばね下の上下変位をZ1fl,Z1fr,Z1rl,Z1rrとし、路面上下変位をZ0fl,Z0fr,Z0rl,Z0rrとする。また、ばね上の重心Gのロール角θx、ピッチ角θyとし、スプリング6,9のサスペンションばね定数をKsf,Ksrとし、ダンパ7のサスペンション減衰係数をCsfl,Csfr,Csrl,Csrrとし、スタビライザ4F,4Rのばね定数をKstf,Kstrとする。
Therefore, the derivation of the state equation of
FIG. 5 is a diagram showing a full-vehicle model of a four-wheeled vehicle, showing the motion of the four-wheeled vehicle with vertical displacement of the road surface. Here, the sprung masses on the
路面上下変位を伴う車両の上下運動は、下記の数3式〜数7式で求められる。数3式は、車体1側のばね上に作用する上下方向の力に関する運動方程式であり、数4式は、車輪2側のばね下に作用する上下方向の力に関する運動方程式である。数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である。数6式は、ばね上とばね下との上下方向の相対変位Z21fl,Z21fr,Z21rl,Z21rrを、車輪2(左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rlおよび右後輪2rr)毎に求める演算式である。数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との関係式である。
The vertical movement of the vehicle that accompanies the vertical displacement of the road is obtained by the following equations (3) to (7).
次に、前述の車輪速変動推定部22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と、制駆動トルクによる車輪速変動Vzdとについて、例えば図6〜図11を参照して説明する。なお、図6、図7、図10、図11に示す車輪2は、各輪で共通のため、例えば左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rlおよび右後輪2rrの添え字を省略し、車輪2として総称する。車体1側は、ばね上質量mbであり、車輪2側は、ばね下質量mwである。
Next, the wheel speed
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6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、うねり路等を走行中に生じた車体1と車輪2(タイヤ3)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θyの時間微分であるピッチレイト(dθy/dt)を、ばね上重心Gの高さをhとして、以下の数8式で求められる。
First, a specific example of the wheel speed fluctuation Vza due to vehicle body pitching will be described. FIG. 6 is a diagram showing wheel speed fluctuations caused by vehicle body pitching, and schematically shows how wheel speed fluctuations Vza occur due to the relative angular velocities of the
次に、サスペンション変位起因の車輪速変動Vzbについて説明する。図7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、うねり路等を走行中に生じた車体1と車輪2(タイヤ3)の上下方向の相対変位Z21に伴い、車輪2(タイヤ3)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2(タイヤ3)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。
Next, the wheel speed fluctuation Vzb due to suspension displacement will be described. FIG. 7 is a diagram showing wheel speed fluctuations caused by displacement of the suspension. The
図8に点線で示す特性線31は、図6の車体1と車輪2(タイヤ3)の上下方向の相対変位Z21と、車輪2(タイヤ3)の前後変位Xzbとの関係を表す特性線図である。ここで、図8は、車両(車体1)が水平面に静止しているときを原点とした特性線図であり、図8に示す角度σは、特性線31の原点における線形近似勾配である。下記の数9式のように、車輪2(タイヤ3)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1と車輪2(タイヤ3)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、求められる。なお、数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。
A
一方、図8に示す車輪2(タイヤ3)の前後変位Xzbおよび車体1と車輪2(タイヤ3)の上下方向の相対変位Z21が大きい領域において、数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24においてバウンス運動状態量推定値を入力として、この非線形な特性に基づく補正値を推定して出力し、バウンス運動推定部23に入力することで前述の課題を解決する。
On the other hand, in the region where the longitudinal displacement Xzb of the wheel 2 (tire 3) and the relative vertical displacement Z21 of the
次に、補正値推定部24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8に示す特性線31(前後変位Xzb)は、以下の数10式で表される2次関数で近似することができる。ここで、α1は上下方向の相対変位Z21の2次の係数、α2は相対変位Z21の1次の係数、α3は切片、Z21oは車両(車体1)が水平面に静止しているときの相対変位である。なお、本実施の形態では2次関数で近似しているが、3次以上の関数等で近似してもよく、特性線図の近似方法は、限定されるものではない。
Next, a specific example of the method of estimating the correction value in the correction
補正の対象は速度項であるため、この数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、以下の数11式で求められる。
Since the object of correction is the speed term, the wheel speed fluctuation Vzb2 due to suspension displacement obtained by differentiating the
以上の数9式と数11式に基づいて、補正値推定部24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、以下の数12式で求められる。
Based on the
なお、数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、数12式のVzbdfl、Vzbdfrは、夫々の値を零(0)と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、数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、特性線図等を用いて算出してもよく、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されるものではない。
また、数12式で用いている線形近似勾配σを、σ=0とし、補正値推定部24においてサスペンション変位起因の車輪速変動Vzbを推定して出力し、バウンス運動推定部23に入力する方法であってもよい。また、数12式の車両(車体1)が水平面に静止しているときの相対変位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等によって変化する。
Further, the linear approximation gradient σ used in
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、ステレオカメラ等の外界認識センサや加速度センサ12等の検出信号から、車両(車体1)が水平面に静止しているときの相対変位Z21ofl,Z21ofr,Z21orl,Z21orrを推定することが望ましい。
Therefore, in order to realize highly accurate estimation of the bounce motion state quantity, relative displacement when the vehicle (body 1) is stationary on a horizontal plane is detected from detection signals of the external environment recognition sensor such as a stereo camera or the
また、数12式の車両(車体1)が水平面に静止しているときの相対変位Z21ofl,Z21ofr,Z21orl,Z21orrを、零(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演算を実現するには、使用頻度が最も高い質量等の条件における上下方向の相対変位Z21の2次の係数α1と、相対変位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。 In addition, the relative displacements Z21ofl, Z21ofr, Z21orl, and Z21orr when the vehicle of Formula 12 (the vehicle body 1) is stationary on the horizontal plane are set to zero (0), and the estimation of the bounce motion state quantity with high robustness is performed. In order to realize the calculation, the second-order coefficient α1 of the relative displacement Z21 in the vertical direction, the first-order coefficient α2 of the relative displacement Z21, the intercept α3, and the linear approximation gradient σ under the condition of the most frequently used mass or the like. Is preferred.
また、数12式は、車両(車体1)が水平面に静止しているときの相対変位Z21ofl,Z21ofr,Z21orl,Z21orrと、車体1と車輪2(タイヤ3)の上下方向の相対変位Z21fl,Z21fr,Z21rl,Z21rrと、車体1と車輪2(タイヤ3)の上下方向の相対変位の時間微分(dZ21fl/dt),(dZ21fr/dt),(dZ21rl/dt),(dZ21rr/dt)とを入力として、車両(車体1)が水平面に静止しているときの相対変位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よく、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の推定方法は、前述のものに限定されるものではない。
Further, the
次に、接地荷重変動起因の車輪速変動Vzcについて、図9、図10を参照して説明する。図10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2(タイヤ3)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。また、図9に示す特性線32は、接地荷重Fzとタイヤ有効回転半径Rの関係を表している。
Next, the wheel speed fluctuation Vzc due to the ground load fluctuation will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. 10 is a diagram showing wheel speed fluctuations caused by ground load fluctuations. The tire effective rotation radius R decreases as the ground load fluctuation Fzd acting on the wheels 2 (tires 3) increases, and as a result, the wheel speeds are reduced. It is a schematic representation of how the variation Vzc increases. A
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32の線形近似勾配をη、タイヤ有効回転半径R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、以下の数13式で求められる。ここで、数13式の線形近似勾配ηを用いたタイヤ有効回転半径Rの変化量Rdの導出方法は一つの例であり、図9に示す特性線図や特性線図の近似式を用いてもよく、タイヤ有効回転半径Rの変動量の導出方法は、上記のものに限定されるものではない。
The wheel speed fluctuation Vzc due to the ground load fluctuation is η as a linear approximation gradient of the
次に、トルク接地荷重変動起因の車輪速変動Vzdについて説明する。図11は車両を側面から見た車両モデルを示している。この図11では、例えば車両の左側に位置する二輪しか図示していないが、実際には四輪分を考慮している。各車輪2(左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rl、右後輪2rr)には、それぞれ制駆動トルクTfl,Tfr,Trl,Trrが作用している。 Next, the wheel speed variation Vzd due to the torque ground load variation will be described. FIG. 11 shows a vehicle model of the vehicle viewed from the side. Although only two wheels located on the left side of the vehicle are shown in FIG. 11, for example, four wheels are actually taken into consideration. Braking/driving torques Tfl, Tfr, Trl, and Trr are applied to the respective wheels 2 (left front wheel 2fl, right front wheel 2fr, left rear wheel 2rl, right rear wheel 2rr).
ここで、車体1の前後方向速度Vbと、車輪2(左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rl、右後輪2rr)の前後方向速度Vfl,Vfr,Vrl,Vrrと、車輪座標系からみた車輪2毎の前後力Fxfl,Fxfr,Fxrl,Fxrrと、同じく車輪座標系からみた車輪2のストローク変化により生じる横力Fsfl,Fsfr,Fsrl,Fsrrとは、車両のジオメトリとタイヤの特性によって決まる。
Here, the longitudinal velocity Vb of the
車輪2(左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rl、右後輪2rr)のトー角αfl,αfr,αrl,αrrと、車体1の質量mbと、各車輪2の質量mfl,mfr,mrl,mrrと、前,後輪の慣性モーメントIfl,Ifr,Irl,Irrとの関係は、車両の総質量mtとした場合に、mt=mb+mfl+mfr+mrl+mrrとなり、これによる車両の運動方程式は、下記の数14〜数18式で求められる。
Toe angles αfl, αfr, αrl, αrr of wheels 2 (left front wheel 2fl, right front wheel 2fr, left rear wheel 2rl, right rear wheel 2rr), mass mb of
ここで、空気抵抗力Fa は、空気密度ρ、車両の前方投影面積A、空気抵抗係数Cd として、下記の数19に式より求められる。勾配抵抗力Fθ は、車両の総質量mtotal(即ち、mt)、路面勾配θ、重力加速度g、前,後の路面上下入力Z0f,Z0rとして、下記の数20式により求められる。
Here, the air resistance force Fa is obtained from the following equation 19 using the air density ρ, the front projected area A of the vehicle, and the air resistance coefficient Cd. The gradient resistance force Fθ is calculated by the following
また、図12は、車両の前輪(左前輪2fl、右前輪2fr)側を上方からみた図である。左前輪2flはトー角が角度αflとなっている。この際、トー角による横力とキャンバー角による横力が発生しており、これらの合力をFsflとしている。また、右前輪2frはトー角が角度αfrとなっている。この際、トー角による横力とキャンバー角による横力が発生しており、これらの合力をsfrとしている。ダンパ7のストローク(即ち、車高)とトー角、キャンバー角との間には、図13に示す特性線33,34のような関係がある。トー角とキャンバー角の変化が小さいとき、タイヤに発生する横力はそれぞれの角度に比例することが知られているので、図14に示す演算を行うことで車高変化による横力Fsを求めることができる。
FIG. 12 is a view of the front wheels (left front wheel 2fl, right front wheel 2fr) of the vehicle as viewed from above. The left front wheel 2fl has a toe angle of αfl. At this time, a lateral force due to the toe angle and a lateral force due to the camber angle are generated, and the resultant force is defined as Fsfl. Further, the toe angle of the right front wheel 2fr is the angle αfr. At this time, a lateral force due to the toe angle and a lateral force due to the camber angle are generated, and the resultant force between them is sfr. There is a relationship between the stroke (that is, the vehicle height) of the
ここで、図14中に示す第1のマップ演算部35は、車高に対するトー角をマップ演算する機能を有し、車高信号が入力されると、このときのトー角を演算結果の信号(即ち、演算信号)として出力する。第2のマップ演算部36は、車高に対するキャンバー角をマップ演算する機能を有し、車高信号が入力されると、このときのキャンバー角を演算結果の信号(即ち、演算信号)として出力する。第1のゲイン演算部37は、第1のマップ演算部35から出力されるトー角の演算信号に対しゲインを積算し、トー角の変化による横力の信号を出力する。第2のゲイン演算部38は、第2のマップ演算部36から出力されるキャンバー角の演算信号に対しゲインを積算し、キャンバー角の変化による横力の信号を出力する。
Here, the first
次に、加算器39は、第1のゲイン演算部37から出力される横力の信号と、第2のゲイン演算部38から出力される横力の信号とを加算し、加算した信号を車高変化による横力Fsとして出力する。図14に示す第1,第2のマップ演算部35,36、第1,第2のゲイン演算部37,38および加算器39は、例えば図3に示す車両運動状態推定装置10の一部を構成している。なお、前述の数18式は車両直進状態を対象としているが、車両操舵による転舵角を考慮する演算としてもよい。
Next, the
次に、車輪2(左前輪2fl、右前輪2fr、左後輪2rl、右後輪2rr)のスリップを考慮する場合、それぞれのスリップ比λfl,λfr,λrl,λrrは、下記の数21〜24式により求められる。 Next, when the slip of the wheel 2 (left front wheel 2fl, right front wheel 2fr, left rear wheel 2rl, right rear wheel 2rr) is considered, the respective slip ratios λfl, λfr, λrl, λrr are expressed by the following formulas 21-24. It is calculated by the formula.
以上により、制駆動トルクによる車輪速変動Vzdfl,Vzdfr,Vzdrl,Vzdrrは、下記の数25〜28式で求められる。 From the above, the wheel speed fluctuations Vzdfl, Vzdfr, Vzdrl, Vzdrr due to the braking/driving torque can be obtained by the following equations 25 to 28.
以上の数8〜28式で表される車輪速変動を用いて、上下運動起因の車輪速変動Vzfl,Vzfr,Vzrl,Vzrrは、以下の数35〜38式により求めることができる。
The wheel speed fluctuations Vzfl, Vzfr, Vzrl, and Vzrr due to the vertical movement can be obtained by the following
ここで、車輪速Vzfl,Vzfr,Vzrl,Vzrrは、時々刻々変化するため、バウンス運動推定部23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。
Here, the wheel speeds Vzfl, Vzfr, Vzrl, and Vzrr change from moment to moment. Therefore, when the
前記数35〜38式における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、以下の数39〜42式で表す。
The wheel speed fluctuations Vzcfl, Vzcfr, Vzcrl, and Vzcrr due to the ground load fluctuations in the
即ち、補正値推定部24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、数12式と数39〜42式とに基づいて、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、数39〜42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、出力する。
That is, the correction
上述の数2式に示す状態方程式を下記の数43式により求める。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、相対変位Z21や相対速度(dZ21/dt)等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などの詳細については省略する。
The state equation shown in the
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であり、このような構成の車両運動状態推定装置10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、車輪速センサ等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。
The above is the method for estimating the vertical motion state quantity of the vehicle in the present invention, and by using the vehicle motion
一方、図16に示す比較例(例えば、特許文献1の従来技術)では、車輪速演算部47において、制駆動トルクによって変化する車輪速を推定演算の結果として出力部48へと出力するのに、車両の制駆動トルク(即ち、第1の入力情報部42)と、車両加速度(即ち、第2の入力情報部43)と、走行抵抗力(即ち、第3の入力情報部44)とからの入力情報を考慮して推定演算を行っていた。第3の入力情報部44は、例えば空気抵抗力、転がり抵抗力、勾配抵抗力を含む走行抵抗力を入力情報としている。しかし、図16に示す比較例では、サスペンションのストローク変化に起因した車体にかかる前後力が考慮されていないため、車両の各車輪における実車輪速を必ずしも高い精度で推定することができない。
On the other hand, in the comparative example shown in FIG. 16 (for example, the prior art of Patent Document 1), the wheel
そこで、本実施の形態では、図15に示す車輪速演算部40で出力部41へと推定演算の結果(即ち、制駆動トルクにより変化する車輪速)を出力するのに、第1,第2,第3の入力情報部42,43,44に加えて、第4の入力情報部45からの入力情報を考慮する構成としている。即ち、第1の入力情報部42は、車両の制駆動トルクを推定演算のパラメータとして車輪速演算部40に出力し、第2の入力情報部43は、車両加速度を推定演算のパラメータとして車輪速演算部40に出力する。
Therefore, in the present embodiment, the wheel
また、第3の入力情報部44は、走行抵抗力(例えば、空気抵抗力、転がり抵抗力、勾配抵抗力)を推定演算のパラメータとして車輪速演算部40に出力し、第4の入力情報部45は、ダンパ7(即ち、サスペンション)のストローク変化を推定演算のパラメータとしてストローク起因前後力演算部46に出力する。そして、このストローク起因前後力演算部46は、車輪座標系からみた車輪2毎の前後力Fxfl,Fxfr,Fxrl,Fxrrを推定演算のパラメータとして車輪速演算部40に出力する構成としている。
In addition, the third
このように、本実施の形態では、車両の上下運動に起因する車輪速変化を推定演算するのに、前記車両の制駆動トルクTfl,Tfr,Trl,Trr、車両加速度、車両の走行抵抗力およびサスペンションのストローク変化を用いる構成とし、この上で、前記サスペンションのストローク変化は、ストローク起因の前後力Fxfl,Fxfr,Fxrl,Fxrrを考慮して求める構成としている。これにより、前,後輪トルク(即ち、車両の制駆動トルク)、車両加速度、走行抵抗力に加え、ストローク変化による力を考慮することで制駆動トルクによって変化する車輪速を高い精度で推定することができる。 As described above, in the present embodiment, the braking/driving torques Tfl, Tfr, Trl, Trr of the vehicle, the vehicle acceleration, the running resistance of the vehicle, and the vehicle running resistance and The suspension stroke change is used, and the suspension stroke change is determined in consideration of the stroke-induced longitudinal forces Fxfl, Fxfr, Fxrl, and Fxrr. Thus, in addition to the front and rear wheel torques (that is, the braking/driving torque of the vehicle), the vehicle acceleration, and the running resistance force, the wheel speed that changes with the braking/driving torque is estimated with high accuracy by considering the force due to the stroke change. be able to.
次に、上記実施の形態に含まれる車両運動状態推定装置として、例えば、以下に述べる態様のものが考えられる。 Next, as the vehicle motion state estimation device included in the above-described embodiment, for example, the following modes are conceivable.
第1の態様としては、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、車輪速センサによる車輪速検出値と、前記車両の上下運動に起因する車輪速変化と、から前記車輪の実車輪速を推定する構成とし、前記車両の上下運動に起因する車輪速変化は、前記車両の制駆動トルクと、車両加速度と、車両の走行抵抗力と、前記サスペンションのストローク変化とをパラメータとして推定演算により求められ、さらに、前記サスペンションのストローク変化は、ストローク起因の前後力を考慮して求められることを特徴としている。 As a first aspect, there is provided a vehicle motion state estimating device for a vehicle in which wheels and a vehicle body are connected via a suspension, wherein a wheel speed detection value by a wheel speed sensor and a wheel speed change caused by the vertical movement of the vehicle. And the actual wheel speed of the wheel is estimated from the above, and the wheel speed change caused by the vertical movement of the vehicle includes braking/driving torque of the vehicle, vehicle acceleration, running resistance of the vehicle, and suspension of the vehicle. It is characterized in that it is obtained by an estimation calculation using the stroke change as a parameter, and that the stroke change of the suspension is obtained in consideration of the longitudinal force due to the stroke.
1 車体
2 車輪
3 タイヤ
5,8 サスペンション装置
6,9 スプリング(懸架ばね)
7 ダンパ(減衰力調整式緩衝器)
10 車両運動状態推定装置
11 車輪速センサ
12 加速度センサ
13 ジャイロセンサ
14 操舵角センサ
15 制駆動制御ユニット
16 操舵制御ユニット
21 回転運動推定部
22 車輪速変動推定部
23 バウンス運動推定部
24 補正値推定部
40 車輪速演算部
41 出力部(制駆動トルクにより変化する車輪速)
42 第1の入力情報部(車両の制駆動トルク)
43 第2の入力情報部(車両加速度)
44 第3の入力情報部(走行抵抗力)
45 第4の入力情報部(サスペンションのストローク変化)
46 ストローク起因前後力演算部
1
7 damper (damping force adjustment type shock absorber)
10 Vehicle Motion
42 First Input Information Section (Vehicle Braking/Driving Torque)
43 Second input information section (vehicle acceleration)
44 Third input information section (running resistance)
45 4th input information section (stroke change of suspension)
46 Stroke-induced longitudinal force calculation unit
Claims (1)
車輪速センサによる車輪速検出値と、前記車両の上下運動に起因する車輪速変化と、から前記車輪の実車輪速を推定する構成とし、
前記車両の上下運動に起因する車輪速変化は、前記車両の制駆動トルクと、車両加速度と、車両の走行抵抗力と、前記サスペンションのストローク変化とをパラメータとして推定演算により求め、
さらに、前記サスペンションのストローク変化は、ストローク起因の前後力を考慮して求めることを特徴とする車両運動状態推定装置。 A vehicle motion state estimating device in a vehicle in which wheels and a vehicle body are coupled via a suspension,
A configuration for estimating the actual wheel speed of the wheel from the wheel speed detection value by the wheel speed sensor and the wheel speed change caused by the vertical movement of the vehicle,
The wheel speed change caused by the vertical movement of the vehicle is obtained by an estimation calculation using the braking/driving torque of the vehicle, the vehicle acceleration, the running resistance of the vehicle, and the stroke change of the suspension as parameters.
Further, the vehicle motion state estimating device is characterized in that the stroke change of the suspension is obtained in consideration of the longitudinal force caused by the stroke.
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