JP2023513853A - 個別に動かされる車輪を用いてアクティブサスペンションを実現するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

車輪を有する車両の動きを制御するための制御システムを提供する。制御システムは、スロットルによって制御される複数のモーターによってそれぞれ駆動される車輪を支持するように構成された複数のサスペンションユニットと、車両の動きを検出するように構成された一連のセンサーとを備える。車両の動きは、車両のリフト値、ピッチ値、およびロール値によって表される。制御システムは、さらに、一連のセンサーと接続された割り当てモジュールを備え、割り当てモジュールは、割り当てスロットル信号を生成してスロットルに送信し、動きに関する最適化問題を解くことによって動きを最小限に抑えるように構成される。制御システムは、さらに、割り当てスロットル信号に従うスロットルによってモーターの各々を駆動するように構成されたモーター制御部を備える。

Description

本発明は、概して、追加のアクチュエータ、すなわち、追加のアクティブサスペンションなしで、個別に動かされる車輪を用いて、シャーシが動くのを抑えることを実現するための方法に関する。

アクティブサスペンションとは、でこぼこした路面によって車両のシャーシが動いてしまうのを抑えるための車用サスペンションの一種である。アクティブサスペンションでは、路面に応じてサスペンションを再構成するアクチュエータが使われる。たとえば、アクティブサスペンションは、リニアモーターを用いて車輪を上下に動かして、ポットホール上を走ったときの衝撃を抑えることができる。アクティブサスペンションによって乗り心地が改善されるが、専用のアクチュエータハードウェアが必要になり、これには費用がかかる。

アンチリフトサスペンションおよびアンチスクオートサスペンションとは、車両の加速および／または減速によって車両のシャーシが動いてしまうのを抑えるための車用サスペンションの種類である。車両が加速すると、慣性によって車両が前後に傾き（ピッチ）、前部が持ち上がって（リフト）、後部が沈む（スクオート：squat）。後輪駆動車の場合、アンチスクオートサスペンションは、角度が付いたサスペンションバーを用いて、後輪によって生じたトラクション力（traction force）の一部を別の方向に向けて、後部のスクオートに対抗する上下の力にする。したがって、「アンチスクオート」サスペンションという名前が付けられている。前輪駆動車の場合、アンチリフトサスペンションは、角度が付いたサスペンションバーを用いて、加速時の前部の自然なリフティングに対抗する。したがって、「アンチリフト」サスペンションという名前が付けられている。サスペンションのアンチリフト機能／アンチスクオート機能は、サスペンション設計の形状の結果得られる機能であり、標準（パッシブ）ハードウェアしか必要としない。アンチリフト機能／アンチスクオート機能のために設計されたサスペンションは、商用車では一般的である。

本願のいくつかの実施の形態は、将来の（たとえば、電気）車両が、２つまたは４つの車輪をあわせて駆動する１つのモーター／エンジンではなく、（たとえば、４つの）個別のモーターを採用して各車輪を個別に駆動するようになるであろうという認識に基づく。本発明では、車両のサスペンションのアンチリフト機能／アンチスクオート機能と、個別に駆動される車輪とを提供して、（各車輪を個別に動かす個別のモーター以外の）追加のハードウェアなしで、アクティブサスペンションの効果をもたらすことができる。本発明は、車輪が個別に駆動されたときのアンチリフト／アンチスクオートサスペンションの力を通して、車両のシャーシ上にかかる上下の力を操作できるという認識に基づく。たとえば、ポットホール上を走行する車両は、前輪がポットホールに入ると先ず前方に傾く。前輪にトラクション力を加え、かつ後輪に制動力を加えることによって後方への傾きを生じさせることにより、この前方への傾きに対抗できるようになる。後輪がポットホールに入ると、互いに反対の力が加えられ得る。車用サスペンションにおいてすでに存在するハードウェア機能（アンチリフト／アンチスクオート）と、今後採り入れられると我々が予測する別のハードウェア機能（個別に駆動される車輪）とを使うことによって、本発明は、追加のハードウェアを必要とすることなく、アクティブサスペンションが与える乗り心地を改善させることができる。

本開示の実施の形態によると、複数の車輪を有する車両の動きを制御するための制御システムが提供される。この制御システムは、スロットルによって制御される複数のモーターによってそれぞれ駆動される複数の車輪を支持するように構成された複数のサスペンションユニットと、車両の動きを検出（測定）するように構成された一連のセンサーとを備える。動きは、車両のリフト値、ピッチ値、およびロール値によって表される。制御システムは、さらに、一連のセンサーと接続された割り当てモジュールを備え、割り当てモジュールは、割り当てスロットル信号を生成／計算してスロットルに送信し、動きに関する最適化問題を解くことによって動きを最小限に抑えるように構成される。制御システムは、さらに、割り当てスロットル信号に従うスロットルによって複数のモーターの各々を駆動するように構成されたモーター制御部を備えてもよい。

さらには、いくつかの実施の形態は、複数の車輪を有する車両の動きを制御するための方法を提供できる。この場合、複数のサスペンションユニットは、複数の車輪を支持するように構成される。方法は、スロットルによって制御される複数のモーターによって複数の車輪をそれぞれ駆動するステップと、一連のセンサーを用いて車両の動きを測定するステップとを含む。動きは、車両のリフト値、ピッチ値、およびロール値によって表される。方法は、さらに、割り当てスロットル信号を計算してスロットルに送信し、動きに関する最適化問題を解くことによって動きを最小限に抑えるステップと、割り当てスロットル信号に従うスロットルによって複数のモーターの各々を駆動するステップとを含む。

添付の図面を参照しながら、今回開示した実施の形態をさらに説明する。図面は必ずしも縮尺通りを示しておらず、代わりに、全体的に今回開示した実施の形態の原理を説明することに重点を置いている。

本開示の実施の形態に係る、車両の動きの定義を説明するための説明図である。 本開示の実施の形態に係る、アクチュエータ制御システムを示す図である。 本開示の実施の形態に係る、車両のフロントサスペンションの自由体図である。 本開示の実施の形態に係る、車両のフロントサスペンションの自由体図である。 本開示の実施の形態に係る、車両のリアサスペンションの自由体図である。 本開示の実施の形態に係る、車両のリアサスペンションの自由体図である。 本開示の実施の形態に係る、トラクション力割り当てがどのように車両の持ち上がり（リフト）を引き起こすのかを説明するための模式図である。 本開示の実施の形態に係る、トラクション力割り当てがどのように車両の前後の傾き（ピッチ）を引き起こすのかを説明するための模式図である。 本開示の実施の形態に係る、道路のバンプ上を走行したときにシャーシが動くのを回避するためにどのようにトラクション力割り当てが行われるかについての例を示す図である。 本開示の実施の形態に係る、ピッチ運動、ロール運動、またはヨー運動なしでリフト運動を生じさせるトラクション力割り当てを示す図である。 本開示の実施の形態に係る、リフト運動、ロール運動、またはヨー運動なしでピッチ運動を生じさせるトラクション力割り当てを示す図である。 本開示の実施の形態に係る、リフト運動、ピッチ運動、またはヨー運動なしでロール運動を生じさせるトラクション力割り当てを示す図である。 本開示の実施の形態に係る、リフト運動、ロール運動、またはピッチ運動なしでヨー運動を生じさせるトラクション力割り当てを示す図である。 本開示の実施の形態に係る、スロットル割り当てシステムのブロック図である。 本開示の実施の形態に係る、スロットル割り当て方法を説明するためのブロック図である。 本開示の実施の形態に係る、車両のアクチュエータ制御方法を説明するための図である。 本開示の実施の形態に係る、車両のアクチュエータ制御方法を説明するための図である。

上記図面では、今回開示する実施の形態が説明されているが、説明において指摘するように、その他の実施の形態も考えられる。本開示は、代表として例示的な実施の形態を提示しており、限定ではない。数多くのその他の変形例およびその他の実施の形態が当業者によって考案され得るが、今回開示する実施の形態の原理の範囲および要旨にこれらも含まれる。
＜実施の形態の説明＞

以下の説明は、例示的な実施の形態を提供しているに過ぎず、本開示の範囲や、利用可能性や、構成を限定しない。むしろ、以下の例示的な実施の形態の説明により、１つ以上の例示的な実施の形態を実現するための、実施を可能にする説明を当業者に提供する。添付の請求の範囲に記載された主題の趣旨および範囲を逸脱することなく、要素の機能および配置に様々な変更を行ってもよいと考えられる。

実施の形態を十分に理解してもらうために、具体的な詳細を以下の説明に記載する。しかしながら、当業者であれば、これらの具体的な詳細がなくても実施の形態を実施することができると理解するであろう。不必要に詳細を説明して実施の形態を曖昧にしてしまわないように、たとえば、開示した主題のシステム、プロセス、およびその他の要素は、ブロック図の形で構成要素として図示している場合がある。他の場合、実施の形態を曖昧にしてしまわないように、周知のプロセス、構造、および技術について、不必要に詳細を説明することなく図示している場合がある。さらには、様々な図面において、同じ要素を同じ参照番号、同じ記号で示している。

個々の実施形態をプロセスとして説明している場合もあり、当該プロセスは、フローチャート、フロー図、データフロー図、構造図、またはブロック図として示されている。フローチャートは、動作を逐次プロセスとして示し得るが、動作の多くは平行してまたは同時に実行できる。これに加えて、動作の順序を並び替えてもよい。プロセスは、その動作が完了したときに終了させてもよいが、図面に説明されていなかったり含まれていなかったりするステップをさらに有してもよい。さらには、具体的に説明したプロセスに含まれる動作のすべてがすべての実施の形態において発生しなくてもよい。プロセスは、方法、関数、プロシージャ、サブルーチン、サブプログラムなどに相当し得る。プロセスが関数に相当する場合、当該関数の終了は、この関数が呼び出し関数またはメイン関数にリターンすることに相当し得る。

さらには、開示する主題の実施の形態の少なくとも一部が手動または自動的に実現されてもよい。手動または自動的な実現は、機械、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、もしくはそれらの任意の組合せを用いることによって行われてもよく、あるいは少なくとも支援されてもよい。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、またはマイクロコードで実現された場合、必要なタスクを実行するためのプログラムコードまたはコードセグメントが、機械読み取り可能な媒体に格納されてもよい。プロセッサが当該必要なタスクを実行してもよい。
＜本開示の実施の形態＞

図１は、車両１００（たとえば、車）の例を示す図であり、車両１００は、本開示において使われる用語を定義するために図に含まれている。車両１００は、サスペンションシステム（図示せず）を通してシャーシに取り付けられた（少なくとも）４つの車輪を備え得る。図では、３つの軸（Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸）が示されており、それぞれの軸を中心とした車両１００の回転（１０２、１０３、１０４））を記述している。

車両に付した座標フレームのＸ軸１０１を、長手方向と呼ぶ。長手方向の動きは、この方向のシャーシの位置、速度、加速、ジャークなどを含む。Ｘ軸１０１を中心としたシャーシの回転１０４を、ロール（横揺れ）と呼ぶ。ロール運動は、この方向のシャーシの角度、角速度、角加速度などを含む。

車両に付した座標フレームのＹ軸１０２を、横方向と呼ぶ。横方向の動きは、この方向のシャーシの位置、速度、加速、ジャークなどを含む。Ｙ軸１０２を中心としたシャーシの回転１０５を、ピッチ（前後の傾き）と呼ぶ。ピッチ運動は、この方向のシャーシの角度、角速度、角加速度などを含む。

車両に付した座標フレームのＺ軸１０３を、リフト方向と呼ぶ。リフト運動は、この方向のシャーシの位置、速度、加速、ジャークなどを含む。Ｚ軸１０３を中心としたシャーシの回転１０６をヨー（偏揺れ）と呼ぶ。ヨー運動は、この方向のシャーシの角度、角速度、角加速度などを含む。

本発明の実施の形態によると、車両のシャーシが動くのを抑えることによって同乗者の快適性を改善することが可能になる。たとえば、自動運転車では、同乗者は通勤通学中に本を読みたいのに、シャーシが不必要に動くことで乗り物酔いしてしまう場合がある。

しかしながら、車両の目的はシャーシ（およびその中身）を場所間で動かすことなので、本発明がシャーシが動くのをすべてなくしてしまわないことは重要である。車両がどのように運転されるか、および車両が走行する路面の質という、車両のシャーシが動かされる主要な要因が２つある。本発明は、車両がどのように運転されるかを変えることなく、道路の凹凸によってシャーシが動くのを抑える。対照的に、本発明の特徴の１つは、車両のドライバビリティを維持することである。ドライバビリティとは、車両がドライバー（人間または自動運転）の指令に予測可能かつ反復可能な方法で応えることを意味する。結局、揺動が多い乗り心地を解消する最もシンプルな方法は車両を停止することであるが、これは正しい解決策ではない。本発明がドライバビリティを維持することは、ドライバーが安全かつ実用的に車両を操作できるようになるためにも、とても重要である。

ドライバーは、長手方向およびヨー方向の車両（およびそのシャーシ）の動きを制御する。ガスペダル／ブレーキペダルは、前方加速（したがって、速度および位置）を制御し、ハンドルは、ヨーレート（したがって、ヨー方向）を制御する。快適性を改善するために、本発明は、車輪の各々にトラクション力を割り当て、操舵角を設定し、リフト方向、ピッチ方向、およびロール方向にシャーシが動くのを抑えつつ、ドライバー指定の加速およびヨーレートを実現する。よって、本開示では、快適性は、シャーシのリフト運動、ピッチ運動、およびロール運動と同義である。本発明によると、ドライバビリティを犠牲にすることなくシャーシのリフト運動、ピッチ運動、およびロール運動を抑えることが可能である。その理由は、本発明が個別に動かされる車輪を有する車両にのみ適用可能であるためであり、これにより、ドライバビリティを維持する際に３つのさらなる自由度が与えられる。すなわち、個別に駆動される車輪を有する車両には、「スロットル」が１つではなく、４つある。また、本発明は、タイヤのスリップによって左右される車両の横方向の動きを抑えて、車両タイヤの摩耗を減らすことができる。

図２は、本開示の実施の形態に係る、車両１００に配置されたアクチュエータ制御システム２００を示す図である。アクチュエータ制御システム２００は、車両センサー１２０１および道路凹凸センサー１３０２に接続されたＩ／Ｏ（入／出力）インターフェース２１０と、１つ以上のプロセッサ２２０と、道路凹凸予測プログラム２３１、アクチュエータ制御プログラム２３２、およびスロットル割り当てプログラム２３３を含むコンピュータ（プロセッサ）により実現されるプログラムを格納した記憶装置２３０とを備え得る。

インターフェース２１０は、車両の有線ネットワークまたは車両１００のワイヤレスネットワークを形成して、アクチュエータ制御システム２００と、車両センサー１２０１と、道路凹凸センサー１３０２と、車両１００の車輪のモーター１～４との間でデータ通信を行うように構成される。プロセッサ２２０は、インターフェース２１０を経由した車両センサー１２０１および道路凹凸センサー１３０２からのセンサーデータに応じて、道路凹凸予測プログラム２３１と、アクチュエータ制御プログラム２３２と、スロットル割り当てプログラム２３３とを実行するように構成される。さらには、プロセッサ２２０は、車両センサー１２０１および道路凹凸センサー１３０２からの信号（データ）に応じて道路凹凸予測プログラム２３１、アクチュエータ制御プログラム２３２、およびスロットル割り当てプログラム２３３を実行しつつ、インターフェース２１０を経由してアクチュエータコントローラ１４０２に制御データを送信するように構成される。アクチュエータコントローラ１４０２は、モーター１～４にスロットル割り当てを行い、モーター１～４の各々に対するスロットル割り当ておよびプロセッサ２２０からのステアリング制御についての制御データに基づいて、車両１００のステアリング制御を行う。

記憶装置２３０は、１つ以上の記憶装置であり得る。１つ以上の記憶装置は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（読み取り専用メモリ）および不揮発性メモリのうち１つまたはそれらの組合せと、ハードドライブとを含み得る。さらには、システム２００は、アクチュエータコントローラ１４０２を備え得る。アクチュエータコントローラ１４０２は、インターフェース２１０を介してプロセッサ２２０から出力データ（信号）を受信し、受信した出力データ信号に基づいて車輪のスロットルコントローラ／ブレーキコントローラ（トルク割り当てモジュール）１２０３（１２０３－１、１２０３－２、１２０３－３、および１２０３－４）を用いて４つのモーター１～４の各々のステアリング制御およびスロットル／制動制御を行うように構成される。

本発明によると、アクチュエータ制御システム２００は、ドライバビリティを維持しつつ、車輪の各々にトラクション力を割り当てて操舵角を設定し、道路の凹凸によってシャーシが動くのを抑えることができる。本発明の一実施の形態において、道路凹凸センサー１３０２によって道路の凹凸が測定され、これらの測定値を用いて車両１００のトラクション力および操舵角が計算される。本発明の別の実施の形態では、道路凹凸は測定されないが、車両１００上のセンサー１２０１（車両モーションセンサー１２０１）およびアクチュエータ制御システム２００と通信する車両上／内に配置された外部センサー（図示せず）を用いて、結果として生じるシャーシの動きが測定される。この実施の形態では、車両１００のトラクション力および操舵角を計算するためにモーションセンサー１２０１が使われる。本発明のさらに別の実施の形態は、車両モーションセンサー１２０１と道路凹凸センサー１３０２とを用いた道路の凹凸およびシャーシの動きの両方の測定値を使用して、シャーシが動くのを抑えてドライバビリティを維持するトラクション力および操舵角を計算する。

本発明のいくつかの実施の形態によると、モーター１～４に対して配置された少なくとも４つの個別に動かされる車輪を有する車両（たとえば、車）を取り扱うことが可能になる。この場合、動かされる車輪の各々は、各車輪によってそれぞれ個別に生じるスロットルおよび制動力の両方を制御するように構成される。

また、本発明は、４つよりも多い個別に動かされる車輪または４つよりも多い個別に動かされる車輪の群を有する車両にも適用可能である。個別に動かすことは、たとえば、各車輪に位置する「ハブモーター」を利用することによって実現できる。しかしながら、本発明は、個別のモーターが車両の外部にあっても適用可能である。

従来の車両は、車両を運転するために使われる２つのアクチュエータ：（１）スロットル／制動と、（２）たとえばフロントタイヤの操舵角とを有する。これらのアクチュエータは、ドライバー（人間または自動運転システムであり得る）が指定する所望の加速およびヨーレートに追従するために使われる。人間のドライバーの場合、ガスペダル／ブレーキペダルの位置と操舵角とによって所望の加速および所望のヨーレートが指定される。自動運転ドライバーの場合、所望の加速および所望のヨーレートは、異なる方法によって指定される。なお、従来の車両は、２つの運転目的を実現するために使われる２つのアクチュエータを有する。すなわち、スロットル／制動およびハンドルが所望の加速および所望のヨーレートに追従する。

本発明の実施の形態は、個別にスロットルが絞られる／制動される車輪を有する車両が３つのさらなる自由度を有する、すなわち、４つのスロットル／制動と１つの操舵角とを有するという認識に基づく。これらのさらなる自由度を用いて車両のシャーシのリフト運動、ピッチ運動、およびロール運動を抑えることによって同乗者の快適性を改善できるということをさらに認識した。

なお、スロットル／制動および操舵角が車両のシャーシのリフト運動、ピッチ運動、およびロール運動にどのような影響を与えるかは明らかでない。本発明のいくつかの実施の形態は、車用サスペンションの設計の仕方により、車輪によって生じる長手方向の力および横方向の力によってシャーシにかかる上下の力が生じるという認識に基づく。よって、関連する車用サスペンションの特徴について、以下に説明する。

図３Ａおよび図３Ｂは、トレーリングアーム式フロントサスペンションを示す図である。その他のサスペンション設計がトレーリングアーム式サスペンションと力学上等価であることが知られているので、本発明のいくつかの実施の形態はその他のサスペンション設計にも適用可能であるが、わかりやすくするために、我々の説明は、この種類のサスペンションに注目した説明とする。トレーリングアーム式サスペンションの主要機能は、回転軸を中心に回転するサスペンションアームである。よって、サスペンションアームの回転により、車輪は、縦方向に動かずに横方向（すなわち、長手方向または横方向）に動くことはできない。

図３Ａおよび図３Ｂは、フロントサスペンションにかかる力を示し、フロントサスペンションの自由体図を例示している。フロントサスペンションは、車両のシャーシに対して４つの種類の力を作用させる（ａが左の力であり、ｂが右の力である）。

長手方向の反力３０３ａおよび３０３ｂ：左タイヤおよび右タイヤは、車両が加速／減速するために駆動力（driving force）３０１ａおよび３０１ｂを生じさせなければならない。サスペンションは、これらの駆動力３０１ａおよび３０１ｂを車両のシャーシに伝えて、長手方向の力３０３ａおよび３０３ｂを生じさせる。

横方向の反力３０５ａおよび３０５ｂ：左タイヤおよび右タイヤは、車両が転回するとき、すなわち、車輪が道路をグリップしているときに摺動力３０９ａおよび３０９ｂをそれぞれ生じさせる。サスペンションは、これらのタイヤの摺動力３０９ａおよび３０９ｂをシャーシに伝えて、横方向の力３０５ａおよび３０５ｂをそれぞれ生じさせる。

バネ・ダンパー力３０８ａおよび３０８ｂ：サスペンションにおけるバネの変形およびダンパーの移動は、シャーシに対して力３０８ａおよび３０８ｂを生じさせる。バネ／ダンパーの変形／移動は、車両のシャーシが道路に相対的に移動することによって、または、道路の高さが車両に相対的に「移動する」、すなわち、車両がバンプ上を走行することによって引き起こされる。バネ・ダンパー力は、シャーシと道路との相対的な動きを減衰させて規定の位置に戻す、すなわち、道路に対してシャーシをフラットにする。

縦方向の反力３０４ａおよび３０４ｂ：サスペンションアームには角度３０２ａ／ｂおよび３１０ａ／ｂがついているので、長手方向３０３ａ／ｂおよび横方向３０５ａ／ｂの力がサスペンションアームにかかるトルクを生じさせる。準定常状態では、このトルクは、縦方向の反力３０４ａ／ｂによって均衡が保たれている。前輪のうち１つにスロットル力３０２ａ／ｂを加えることで、負の縦方向の反力３０４ａ／ｂがサスペンションにかかることになる。図３はフロントサスペンションを示しているので、これらの縦方向の反力３０４ａ／ｂは、加速中に車両の前部がフロントリフトにならないようにするアンチリフト力である。本発明のいくつかの実施の形態は、これらの縦方向の反力３０４ａ／ｂは作動される駆動力３０３ａ／ｂによって異なるため、これらを操作してシャーシのリフト運動、ピッチ運動、およびロール運動を制御できるという認識に基づく。

図４Ａおよび図４Ｂは、リアサスペンションアセンブリのうちの１つの自由体図を示す。フロントサスペンションアセンブリと同様に、車用サスペンションにかかる正の縦方向の反力を、後輪にかかるスロットル力がどのように生じさせるかを導き出すことができる。この力は、加速中に車両の後部が「パワースクオート（power squatting）」しないようにするので、アンチスクオート力と呼ぶ。

アクチュエータ制御システム２００は、これらのアンチリフト力およびアンチスクオート力を用いて、車両のシャーシが動くのを操作し得る。たとえば、図５は、前輪および後輪にかかるスロットル力／制動力が車両リフトにどのように影響を与えるのかを示す図である。矢印５０１および５０２は、フロントタイヤおよびリヤタイヤによって生じたそれぞれの駆動力を表す。わかりやすくするために、図５では、ピッチ面における車両の動きのみを示している。よって、図５におけるフロントの左タイヤおよび右タイヤにかかる力は、リヤの左タイヤおよび右タイヤにかかる力と同じまたは同様である。たしかに、シャーシが動くのを３Ｄ制御するためには、車両の左と右にそれぞれ異なる力を加える必要がある。トラクション力５０１および５０２は、互いに反対方向の力である、すなわち、前輪はスロットルを絞っていて、後輪は制動している。これにより、車輪は、規定の位置５０３および５０４から位置５０５および５０６までそれぞれ回転する。これにより、図示したようにシャーシ５０７の位置が低くなる（負のリフト方向に動く）。

ピッチ面におけるリフト運動およびピッチ運動の別の例を図６に示す。図６では、前輪および後輪に同じトラクション力６０１および６０２が加えられている。前輪は、規定の位置６０３から６０５まで前方に回転し、後輪は、規定の位置６０４から６０６まで後方に回転する。これにより、図に示すように、シャーシ６０７が前方に傾く。なお、前方に傾くことは、車両が加速時に受ける自然な後方への傾きとは反対である。これは、アンチピッチ現象と呼ばれる。

類似した現象は、３つの次元で発生する（すなわち、ピッチ面に限定されない）。しかしながら、スロットル力／制動力はもはやタイヤに作用する唯一の力ではないため、車両運動力学はもっと複雑である。その代わりに、ここで、我々は、横方向に移動するタイヤによって生じる摺動力について考えなければならない。それでもやはり、スロットル力／制動力および操舵角をシャーシのリフト運動、ピッチ運動、およびロール運動に関連付けるモデルを導出することができる。たとえば、以下の通りである。

（１）
ここで、バネ・ダンパー力は、以下によって与えられる。

スロットル力／制動力および操舵角をシャーシのリフト運動、ピッチ運動、およびロール運動に関連付けるモデルを、設計用に使用できる。しかしながら、実装にこのモデルは必要なく、モデルも式（１）を必要としない。たしかに、より正確な物理ベースのモデルまたは機械学習モデルがモデル（１）に取って代わり得る。モデルの変数を表１および表２にまとめた。

モデル（１）を使用して、図５および図６に示す３次元の動きと類似した３次元の動きを生じさせるスロットル力／制動力の割り当てと操舵角とを決定することが可能である。

図８は、ピッチ運動、ロール運動、またはヨー運動なしでシャーシを持ち上げるスロットル力／制動力割り当ての例を示す図である。左側リアタイヤおよび右側リアタイヤはともに、正の（すなわち、スロットル）力８０１および８０２を有し、アンチスクオート力により後部を持ち上げる。左側フロントタイヤおよび右側フロントタイヤは、負の（すなわち、制動）力８０３および８０４を有し、結果として生じるアンチリフト力が負の力であるため、車両の前部を持ち上げる。この力のパターンは、図５と同様である。力８０１～８０４の相対的な大きさは、モデルのパラメータの数値によって異なる。

図９は、リフト運動、ロール運動、またはヨー運動なしでシャーシを前後に傾けるスロットル力／制動力割り当ての例を示す図である。すべてのタイヤは同じ方向に力９０１～９０４を有し、車両を後方に傾ける。この力のパターンは、図６と同様である。力９０１～９０４の相対的な大きさは、モデルのパラメータの数値によって異なる。

図１０は、リフト運動、ピッチ運動、ヨー運動なしでシャーシを横揺れさせるスロットル力／制動力割り当ての例を示す図である。車両の右側のタイヤは、図５と同じパターンの力１００２および１００４を生じさせて、車両の右側の位置を低くする（すなわち、負のリフト方向に動かす）。車両の左側のタイヤは、図５とは反対のパターンの力１００１および１００３を生じさせて、車両の左側を持ち上げる。最終的な結果では、車両は横揺れするが、車両の重心は定常を維持する。力１００１～１００４の相対的な大きさは、モデルのパラメータの数値によって異なる。

図１１は、リフト運動、ピッチ運動、またはロール運動なしで車両を偏揺れさせるスロットル力／制動力割り当ての例を示す図である。この力の割り当てはより複雑である。その理由は、車両を偏揺れ／転回させることによって求心力が生じ、これにより車両がロール（横揺れ）するためである。したがって、このロール運動を取り除かなければならない。力１１０１～１１０４は、加えられる差動力によって車両の左側および右側にヨー運動を生じさせる。すなわち、左側では、力１１０１および１１０３は正の力であり、右側では、力１１０２および１１０４は負の力である。結果として生じるヨー運動により、車両はロールする。図１０の力１００１～１００４を加えることによって、このロール運動を相殺できる。これらの力（１１０１＋１００１、１１０２＋１００２、１１０３＋１００３、１１０４＋１００４）を加算すると、力１１０５および１１０６が得られる。この割り当てでは、左のリアタイヤ１１０５および右のリアタイヤ１１０６に差動駆動力が加えられるが、フロントタイヤには力が加えられない。これにより、車両は、ロールすることなく転回する。実際には、力１００１～１００４および１１０１～１１０６の相対的な大きさは、モデルのパラメータの数値によって異なる。

本発明の別の実施の形態を図１３に示す。アクチュエータ制御システム２００は、シャーシが動くことへの道路凹凸の将来の影響を予測する追加モジュール１３０１を備えてもよい。モジュール１３０１は、センサーサブモジュール１３０２および予測サブモジュール１３０３という、２つのサブモジュールを備える。センサーサブモジュール１３０２は、車両前方の道路を検知する。サブモジュール１３０２は、たとえば、車両前方の路面を測定するカメラ、またはレーダー、またはＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）、またはソナーから構成され得る。予測サブモジュール１３０３は、これらの道路にあるバンプが車両の各タイヤにいつ到達するか、およびバンプが車両に与える影響を予測する。たとえば、予測サブモジュール１３０３は、車両の現在の速度およびバンプまでの距離を用いてバンプがいつ各タイヤの下を通るかを判断する簡単なモデルから構成され得る。トルク割り当てモジュール１２０２を改良してこの予測情報を使うようにし、同乗者の快適性をさらに改善できる。たとえば、トルク割り当てモジュールが最適化アルゴリズムを実行するコンピュータプロセッサを備える場合、予測した道路凹凸を最適化問題に含めて、バンプを和らげることができる。

アクチュエータ制御システム２００が予測情報をどのように使用してバンプを和らげるかについての例を図７に示す。図７は、道路上のバンプ７０１にぶつかる車両の４つのスナップショットを示す図である。第１のスナップショットでは、車両がバンプ７０１に接近している。アクチュエータ制御システム２００は、前輪タイヤにスロットル７０２を加えて、バンプ７０１の上で前輪タイヤ７０３を持ち上げる。次のスナップショットでは、アクチュエータ制御システム２００は、スロットルを停止して、バンプ７０１を超えた後に前輪７０４を地面の高さまで戻す。第３のスナップショットでは、アクチュエータ制御システム２００は、後輪タイヤに制動力７０５を加えて、バンプ７０１の上でタイヤ７０６を持ち上げる。最後に、制動力が緩められて、バンプ７０１を超えた後に後輪タイヤがそれぞれ元の位置７０７に戻る。

図１４は、車両の制御／ソフトウェアスタックによってアクチュエータ制御システム２００がどのように改良され得るかについて示した図である。現在のスタックには、ドライバー１４０１（人間または自動運転）と、下位のアクチュエータコントローラ１４０２という２つの層が含まれ得る。現在、ドライバー１４０１（人間または自動運転）は、ガスペダル／ブレーキペダルおよびハンドルを用いて所望の加速／減速および所望の転回／ヨーレートを示しており、アクチュエータコントローラ１４０２がこれらの所望の挙動を実現する。なお、古い車両では、下位のアクチュエータコントローラ１４０２は、単純なフィードスルーであってもよい。すなわち、ドライバーがケーブルによってスロットルを直接制御し、空気圧シリンダによって制動を直接制御し、機械的リンク機構によって操舵角を直接制御する。最近の車両では、下位のアクチュエータコントローラがより高度な情報処理能力を搭載している場合が多い。しかしながら、本発明に係るアクチュエータ制御システム２００は、いずれの種類の下位のアクチュエータコントローラにも互換性がある。

本発明に係るアクチュエータ制御システム２００は、ドライバーとアクチュエータコントローラとの間に新しいコントローラ層１４０３を追加してもよい。新しいコントローラ層１４０３は、同乗者の快適性を改善しつつ、ドライバーが期待する運転特性（すなわち、所望の加速およびヨー／転回を実現する）を維持するアクチュエータのそれぞれの設定値を決定するトルク割り当てモジュールである。本発明のいくつかの実施の形態によると、車輪ごとに個別に動かされるスロットル／制動を有する車両に適用されるため、これらのさらなるメリットをもたらすことは可能である。よって、所望の運転プロファイルを実現するための自由度が追加で３つある。トルク割り当てモジュールは、これらの追加の自由度を用いて、同乗者の快適性を改善する。

また、本明細書において概要を説明した様々な方法またはプロセスは、様々なオペレーティングシステムまたはプラットフォームのいずれか１つを採用する１つ以上のプロセッサ上で実行可能なソフトウェアとしてコーディングされてもよい。これに加えて、このようなソフトウェアは、複数の適したプログラミング言語および／もしくはプログラミングツールもしくはスクリプティングツールのいずれかを用いて書かれてもよく、または、フレームワークもしくは仮想マシン上で実行される実行可能な機械言語コードもしくは中間コードとしてコンパイルされてもよい。通常、プログラムモジュールの機能は、様々な実施の形態において所望されるように組み合わせたり分散させたりしてもよい。

さらには、本開示の実施の形態は、方法として実装されてもよく、その例を説明した。方法の一部として実行される動作を、適切に順序付けしてもよい。したがって、例示的な実施の形態において連続した動作として例示されていたとしても、実施の形態は、例示した順序とは異なる順序で動作を実行するように構成されてもよく、これは、いくつかの動作を同時に行うことを含み得る。さらには、添付の特許請求の範囲においてクレーム要素を修飾するために第１、第２などの序数が使用されていることについては、それ自体が一方のクレーム要素が他方のクレーム要素よりも優先されること、先行されること、または順番を先にするという意味ではなく、方法に含まれている動作を実行する時間的順序を意味するわけでもなく、特定の名称のあるクレーム要素を同じ名称の別のクレーム要素と区別するためのラベルとして（序数の使用に限って）用いてクレーム要素を区別しているに過ぎない。

特定の好ましい実施の形態を例に本開示を説明したが、本開示の要旨および範囲内で様々なその他の改作および変更を行ってもよいことを理解されたい。そのため、添付の特許請求の範囲には、すべてのこのような変形例および変更例は本開示の趣旨および範囲に含まれる、という側面がある。

Claims (14)

1. 複数の車輪を有する車両の動きを制御するための制御システムであって、
   スロットルによって制御される複数のモーターによってそれぞれ駆動される前記複数の車輪を支持するように構成された複数のサスペンションユニットと、
   前記車両の動きを検出するように構成された一連のセンサーとを備え、前記動きは、前記車両のリフト値、ピッチ値、およびロール値によって表され、前記制御システムは、さらに、
   前記一連のセンサーと接続された割り当てモジュールを備え、前記割り当てモジュールは、割り当てスロットル信号を生成して前記スロットルに送信し、前記動きに関する最適化問題を解くことによって前記動きを最小限に抑えるように構成され、前記制御システムは、さらに、
   前記割り当てスロットル信号に従う前記スロットルによって前記複数のモーターの各々を駆動するように構成されたモーター制御部を備える、制御システム。
2. 前記割り当てスロットル信号は、前記複数のモーターを駆動して、検出した前記動きに応じて前記複数の車輪のうち前側の車輪と後ろ側の車輪との距離を変化させる、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記割り当てスロットル信号は、前記複数のモーターを駆動して、右側の車輪を互いに近づけるように移動させ、左側の車輪を互いから離れるように移動させて、検出された反対方向のロール運動に応じたロール運動を生じさせる、請求項１に記載の制御システム。
4. 前記一連のセンサーは、カメラである、請求項１に記載の制御システム。
5. 前記一連のセンサーは、角度センサーである、請求項１に記載の制御システム。
6. 前記一連のセンサーは、カメラと角度センサーとの組合せである、請求項１に記載の制御システム。
7. 前記複数のサスペンションユニットは、トーションバーサスペンションを含む、請求項１に記載の制御システム。
8. 複数の車輪を有する車両の動きと、前記複数の車輪を支持するように構成された複数のサスペンションユニットとを制御するための方法であって、
   スロットルによって制御される複数のモーターによって前記複数の車輪をそれぞれ駆動するステップと、
   前記車両の動きを一連のセンサーを用いて測定するステップとを含み、前記動きは、前記車両のリフト値、ピッチ値、およびロール値によって表され、前記方法は、さらに、
   割り当てスロットル信号を計算して前記スロットルに送信し、前記動きに関する最適化問題を解くことによって前記動きを最小限に抑えるステップと、
   前記割り当てスロットル信号に従う前記スロットルによって前記複数のモーターの各々を駆動するステップとを含む、方法。
9. 前記割り当てスロットル信号は、前記複数のモーターを駆動して、検出した前記動きに応じて前記複数の車輪のうち前側の車輪と後ろ側の車輪との距離を変化させる、請求項８に記載の方法。
10. 前記割り当てスロットル信号は、前記複数のモーターを駆動して、右側の車輪を互いに近づけるように移動させ、左側の車輪を互いから離れるように移動させて、検出された反対方向のロール運動に応じたロール運動を生じさせる、請求項８に記載の方法。
11. 前記一連のセンサーは、カメラである、請求項８に記載の方法。
12. 前記一連のセンサーは、角度センサーである、請求項８に記載の方法。
13. 前記一連のセンサーは、カメラと角度センサーとの組合せである、請求項８に記載の方法。
14. 前記複数のサスペンションユニットは、トーションバーサスペンションを含む、請求項８に記載の方法。
    

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