JP3880555B2 - 車両の運転挙動をシミュレートする方法 - Google Patents

Description

本発明は、テストスタンド上で車両の運転挙動をシミュレートするための方法であって、前記テストスタンド上で前記車両のエンジンは電子制御可能なブレーキ装置に接続され、シミュレーションモデルが車両の運転状態を表す変数のシミュレーション値を算出し、ここで、エンジンの挙動に対する車両の反応と、その直前に決定される前記変数の値とが算出され、少なくとも車両速度と駆動輪に発生するスリップとが変数として算出される方法に関する。

自動車の挙動はテストスタンド上でシミュレーション可能である。通常、車両に配設される内燃エンジンと同一の内燃エンジンを、動的なテストスタンド上で電気ブレーキ装置に接続する。後述する様々なシミュレーションモデルに基づいて制動トルクが決定されて、この制動トルクが電気ブレーキ装置に設定され、内燃エンジンに対する負荷となる。システム的には、これらのシミュレーションモデルは以下のように区別することができる。

−駆動トレインモデルＭＯＤ_Dは、駆動トレインの質量、弾性、及び減衰、更に変速ギアの増速率を反映する。
−車両モデルＭＯＤ_Vでは、実質的に、空気抵抗と車両速度に依存する車両の転がり抵抗とが反映され、駆動輪に発生するスリップが考慮に加えられる。更に、車両の質量も反映される。
−車輪モデルＭＯＤ_Wでは、発生するスリップが、車両速度と駆動輪に付与されるモーメントとに依存して決定される。
上述した部分モデルは、もちろん、一体化された総合モデルの各部分を構成できる。以下の記載では、明瞭化のために、これらの個々のモデルを別々に説明する。

テストスタンドを、スリップを無視した単純化されたモデル（以下、単純化モデルと呼ぶ）によって操作することが知られている。当然ながらこのようなモデルでは、スリップに大きく依存する作用は反映出来ない。そこから生じる誤差を最小限にする目的で、テストスタンド上でシミュレートされる車両の挙動が実車に出来る限り対応するように、一般にモデル内での車両の空気抵抗または転がり抵抗を僅かに変化させている。
現在の技術水準における拡張モデルでは、車両速度を決定するための算出されたスリップが、計算上正確な方法で使用される。その結果、静止または静止に近い車両状態で、テストスタンド上の車両を極めて良好に表現することが可能である。しかし、スリップ制御システムに関しては、スリップ制御に基づく振動を適切に反映できないという上述の問題が生じる。

車両のエンジン制御は種々の方法で行うことができる。第１の方法（運転−判定システム）では、エンジン制御は主として運転者によって行われる。すなわち、運転者がスロットルバルブの位置、または、その他の関連するパラメータに対して、実質的に直接的な方法で働きかける。かくして、この場合の自動車システムは、オープン制御システムを構成する。すなわち、車両挙動が単にクランク軸の速度を介してのみエンジンにフィードバック作用し、その他のいかなる反応も提供されない。

別の操作モードでは、エンジン制御は、アクセルペダルの位置として表される運転者の意図によってだけではなく、車両自身の挙動に依存する変数からも作用を受ける。そのようなエンジン制御の具体例は、クルーズコントロール（定速走行制御）とスリップ制御システムである。スリップ制御システムでは、駆動輪に存在するスリップが、駆動輪と非駆動輪との間の速度差から決定される。このスリップに応じてエンジン制御が行われる。これは、スロットルバルブの位置の変化、噴射燃料量の変化、噴射時間、または、一時的なシリンダの遮断によって生じ得る。このようにして、レーシングスポーツでは、カーブに於ける駆動輪の最大推進力または最適側方案内力を確保する最適範囲内にスリップを維持することが可能である。

スリップ制御プログラムを使用する場合の特徴は、スリップ制御が応答する時に、スリップ制御プログラムの制御アルゴリズムによって引き起こされる振動が駆動トレインに発生することである。これらの振動は例えば２０ヘルツの周波数を有する。
たとえテストスタンドが極めて動的なものであり、且つ、駆動トレインのための正確なモデルを使用した場合でも、これらの振動を実車の挙動と対応するように表すことは不可能であることが判明している。その理由は、テストスタンド上の電気ブレーキ装置の慣性モーメントが、駆動輪と駆動トレインの慣性モーメントよりも遥かに大きいことによる。レース用エンジン用のテストスタンドの電気ブレーキ装置の慣性モーメントは、通常、駆動輪の慣性モーメントより遥かに大きい。したがって、テストスタンド上でのこの大きなモーメントに起因して、スリップ制御に基づく振動は表現できず、そのため、この操作状態で車両の挙動の現実的な状況を得ることは不可能である。

シリーズで製造される車両であって、スリップ制御が例外的な運転状況においてのみ介入するような車両のシミュレーションにおいてさえ、駆動トレイン内での衝撃などの、従来の方法で行われるシミュレーションでは表すことの出来ない、あるいは、不適切にしか表すことの出来ない作用が頻繁に発生する。
また、テストスタンドにおける機械的な負荷の下では、電気ブレーキ装置の慣性モーメントを実車との対応が得られる程度まで低減することも、特殊な手段無しでは不可能である。

したがって、本発明の目的は、上述した従来技術の問題を解決し、たとえスリップ制御またはそれに類似のプログラムが存在する場合においても、車両の挙動を十分に現実に対応したシミュレーションとしてシミュレート可能な方法と装置を提供することにある。

本発明に拠れば、ブレーキ装置を制御するために、スリップに依存する補正値によって変動する仮想車両速度が使用される。
ここで、スリップＳは、下記の式（１）によって、車輪の周部の速度Ｖ_Wと車両速度Ｖ_Vの間の差と、車輪周部の速度Ｖ_Wとの比として表される。

Ｓ＝（Ｖ_W−Ｖ_V）／Ｖ_W （１）

車輪周度Ｖ_Wは、下記の式（２）によって、車輪円周ｎ_Wと車輪の回転速度Ｕ_Wとの積から得られる。

Ｖ_W＝ｎ_W・Ｕ_W （２）

仮想車両速度は、従来モデルによって計算される車両速度から決定され、これはスリップの関数であるファクターｋによって補正される。

スリップは、この方法においては、駆動輪と非駆動輪との間の速度差から、または、エンジン速度に駆動スタンドの各速度伝達比（トランスミッション比）を掛けた積と非駆動輪の速度との差から決定できる。上述した駆動輪と非駆動輪の速度は、もちろん、シミュレーションモデルから得られる計算値である。

エンジンの電子システムに、実際に発生するスリップを正確に表すデータが供給されることが重要である。特に、スリップ制御プログラムによって発生するスリップの変動の高周波部分が表されることが重要である。速度信号は、車両速度等の他のデータの入力方法に応じて、補正するようにできるし、或いは、補正しないようにもできる。

スリップは、従来の手段ではテストスタンド上で表せない高周波成分による現象を引き起こすので、本発明の好適実施例においては、前記補正値を主としてスリップの短期変動に基づくものとすることが提案される。

本発明の一つの変形例においては、加速によるスリップは正の補正値によって表され、駆動輪を遅延または阻止（ブロック）することによるスリップは負の補正値によって表されるように構成すると有利である。更に、側方のスリップは、別のシミュレーションモデルによって考慮されるまたは補正されるように構成すると好適である。このように構成することによって、車両のオーバーステアリングまたはアンダーステアリングを適切に反映することが可能である。

車両シャーシの傾斜を考慮に入れると精度の更に大きな改善を達成できる。これにより、片揺れ（ヨーイング）または縦揺れ（ピッチング）によって引き起こされる接触面の応力変化が、計算モデルに適切に含まれることになる。

スリップ制御プログラムは、通常、車両の前輪と後輪との間の速度差からスリップを計算し、（左右の車輪間での）異なる走行経路を考慮に入れるために、操舵角に基づく補正が行われる。しかしながら、レーシングにおいては、スリップは、多くの場合、非駆動輪の速度を、エンジン速度と駆動トレインの伝達比率とから決定される仮想速度と比較することから計算される。このようにすることで、より迅速なレスポンス挙動を示すスリップ制限プログラムを実現できる。そのようなスリップ制限プログラムにおいて、シミュレーションモデルによって計算された車両の非駆動輪の速度が、スリップに依存する別の補正値によって変化されると好適である。その結果、前記スリップ制限プログラムの補正機能を、テストスタンド上においても得ることができる。

さらに、前記シミュレーションモデルによって計算された速度、または、前記シミュレーションモデルによって計算されたスリップを、電子車両制御または電子エンジン制御（ＥＣＵ）に利用することも可能である。
本発明によるその他の特徴および利点は、以下図面を用いた実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１はテストスタンドの典型的な構成を示し、ここで、内燃エンジン１は軸３を介して電気ブレーキ装置２に接続されている。前記軸上において以下の値を測定することができる。
Ｍ_M：エンジンの被駆動軸上におけるモータトルク
ｎ_M：前記被駆動軸上のエンジン速度
尚、角加速度も計算に使用される。角加速度は、回転速度に比例する角速度の時間微分から直接得ることができるので、以下の説明においてこれについては別途説明しない。
内燃エンジン１はエンジン制御ユニットＣ_Mによって制御され、電気ブレーキ２はブレーキ制御ユニットＣ_EBによって制御される。このブレーキ制御ユニットＣ_EBでは、駆動トレインモデルＭＯＤ_Dと車両モデルＭＯＤ_Vと車輪モデルＭＯＤ_Wとが適切にリンクされている。

図２は、シミュレートされる車両の関連コンポーネントをブロック図の形式で示している。内燃エンジン１は、駆動トレイン４を介して駆動輪５を駆動し、この駆動輪５が車両の面との接触を通じて車両６の挙動に影響を与える。上述したモータトルクＭ_Mとエンジン速度ｎ_Mに加えて、以下の変数も関連する。
Ｍ_W：駆動輪トルク
ｎ_W：駆動輪速度
Ｖ_V：車両速度

駆動トレインモデルＭＯＤ_Dでは、変数Ｍ_W、ｎ_W、Ｍ_M、ｎ_Mは関数Ｆ₁によってリンクされる。この関数Ｆ₁は、駆動トレインと各ギアのギアトランスミッションの質量、弾性、及び減衰を反映する複数のパラメータを含む。
車両モデルＭＯＤ_Vは、車両速度とスリップとの関数として駆動輪に作用するトルクＭ_Wを決定する。
車両モデルＭＯＤ_Vは、実質的に、空気抵抗、転がり抵抗、及び、変速中の車両の慣性に起因する車両の挙動を反映する。
車輪モデルＭＯＤ_Wは、スリップの算出に使用され、主として車両速度Ｖ_Vと駆動輪トルクＭ_Wとを含む関数Ｆ₃を有する。現実のモデルでは、精度を高めるために、追加的なパラメータと追加的な変数を使用することができる。従って、駆動輪のスリップは、実質的には、たとえば、主としてそれ以前に発生したスリップ経過の結果であるタイヤの温度に依存する。

本発明の第１実施例では、駆動輪の角速度ω_Wから車両速度を計算するための等式（３）が車両モデルＭＯＤ_Vに使用され、その速度はスリップを無視したものである。

Ｖ_V ^*＝Ｕ_w・ｎ_W （３）

Ｖ_V ^*は、仮想の（すなわち、人為的に作った）車両速度を表す。エンジン制御Ｃ_Mのために、車両速度Ｖは下記の等式（４）によってスリップＳを考慮に入れることによって正確に計算される。

Ｖ_V＝（１−Ｓ）・Ｕ_W・ｎ_W （４）

驚くべきことに、このようにすることによって、スリップ制御によるシステムの振動が、非常に良好な近似値で反映され得ることが判明した。これに関連して、特に、全てのパラメータについて適切な選択が行われた時に、振動周波数は現実に発生する振動周波数に実質的に対応するものとなる。単に、振動の振幅のみが、ある種の条件下において、実車においてよりも僅かに小さくなる。従来の単純化モデルと同様、車両速度は完全に正確には反映されず、これによって僅かな誤差が生じる。しかし、これは、モデルを較正する際にパラメータを適当に適合させることによって殆ど補償できる。

一般化された形態では、仮想車両速度Ｖ_V ^*は下記の形式で表すことができる。

Ｖ_V ^*＝Ｖ_V・ｋ （５）

補正値は、ｋ＝（１−Ｓ）として、または、スリップＳの関数としての他の適当な形態として選択できる。

本発明の別実施例では、スリップを一部無視することによって生じる誤差を大幅に排除できる。車両モデルＭＯＤ_Vにおける車両速度Ｖ_Vの計算に下記の等式（６）を使用できるのである。
Ｖ_V ^*＝（１−Ｓ_int)・Ｕ_W・ｎ_W （６）
現在のスリップＳの代わりに、スリップＳの値をある時間に渡って積分して得られる値Ｓ_intが使用される。すなわち、車両モデルに対して、平均化された値がスリップとして使用されていおり、従って、テストスタンドに振動を起こさせない。この振動は、電気ブレーキの質量によって引き起こされるのであって、現実には存在しない。エンジン制御Ｃ_M用には上述した等式（４）が使用される。

本発明に拠れば、その種の振動に実際に追従するほど十分に動的でないテストスタンド上においてスリップ制御プログラムによって引き起こされる、車輪速度の高周波数変動などの過渡的現象を反映することも可能となる。

テストスタンドの概略構成 シミュレートされる車両の関連コンポーネントを使用されるモデルに基づいて示したブロック図

符号の説明

１ 内燃エンジン
２ 電気ブレーキ
３ 軸
４ 駆動トレイン
５ 駆動輪
６ 車両
Ｃ_M エンジン制御ユニット
Ｃ_EB ブレーキ制御ユニット
Ｍ_M エンジンの被駆動軸上におけるモータトルク
ｎ_M 前記被駆動軸上のエンジン速度
Ｍ_W 駆動輪トルク
ｎ_W 駆動輪速度
ＭＯＤ_D 駆動トレインモデル
ＭＯＤ_V 車両モデル
ＭＯＤ_W 車輪モデル

Claims (5)

1. テストスタンド上で車両の運転挙動をシミュレートするための方法であって、前記テストスタンド上で前記車両のエンジンは電子制御可能なブレーキ装置に接続され、シミュレーションモデルが車両の運転状態を表す変数のシミュレーション値を算出し、ここで、エンジンの挙動に対する車両の反応と、その直前に決定される前記変数の値とが算出され、少なくとも車両速度と駆動輪に発生するスリップとが変数として算出される方法において、
   前記シミュレーションモデルは相違する車両速度である、スリップが考慮された車両速度と、当該車両速度と比較して補正値によって変化された仮想の車両速度とを算出し、
   前記エンジンを制御するために前記スリップが考慮された車両速度が使用され、前記ブレーキ装置を制御するために前記仮想の車両速度が使用されることを特徴とする方法。
2. 前記補正値は、主としてスリップの短期変動に依存することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 加速によるスリップは正の補正値によって反映され、駆動輪を遅延またはブロックすることによるスリップは負の補正値によって反映されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 側方のスリップは別のシミュレーションモデルによって考慮または補正されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 車両シャーシの傾斜が考慮に入れられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。

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