JP4140720B2 - 車両挙動再現システム - Google Patents

Description

この発明は、たとえば交通事故の予兆解析などの改善を目的として、自動車の挙動解析精度を運転状況に応じて改善するための車両挙動再現システムに係り、特に、コーナリング・スティフネスを運転状況に適合させるように演算して、車両運動を安定限界まで正確に記述可能にした車両挙動再現システムに関するものである。

近年、車両の運動制御システムを改善するためには、車両モデルが利用されている。
これら車両モデルは、車両運動力学よって車両挙動を記述しており、特に、非線形状態空間モデルや非線形状態オブザーバの設定については、詳細な技術が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
また、車両運動力学による従来のシステムは、主に線形２輪モデルで記述されており、車両のロールやピッチ運動を無視している（たとえば、非特許文献２参照）。
さらに、簡単化を用いた従来システムとしては、タイヤ横滑り角と車輪の横力の関係が「コーナリング・スティフネス」と呼ばれる一定の比例要素を仮定したシステムも提案されている（たとえば、特許文献１、２参照）。

ＤＥ １９８ １２ ２３７ Ｃ１ ＤＥ １９８ ５１ ９７８ Ａ１ Ｕ．Ｋｉｅｎｃｋｅ ａｎｄ Ｌ．Ｎｉｅｌｓｅｎ「Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ」Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，ＮｅｗＹｏｒｋ，２０００． Ｍ．Ｍｉｔｓｃｈｋｅ「Ｄｙｎａｍｉｋ ｄｅｒ Ｋｒａｆｔｆａｈｒｚｅｕｇｅ」Ｂａｎｄ Ｃ：Ｆａｈｒｖｅｒｈａｌｔｅｎ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，ＮｅｗＹｏｒｋ，２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，１９９０．

従来の簡単化を適用した運動制御システムにおける車両挙動再現システムは、比較的大きな加速度の場合には、タイヤの挙動が非線形になることから、もはやの線形（比例）の関係を仮定できなくなって再現結果の信頼性が非常に低下するので、車両に発生する横方向の加速度が小さい状態（たとえば、２乗を「＾２」で表記すれば、４ｍ／ｓ＾２以下の運転状態）のみでしか車両モデルの適用した記述を行うことができないという課題があった。

この発明は、車輪の垂直力およびタイヤ横滑り角を計算するために、車載センサからの各種情報や推定値から比較的簡単な非線形近似方程式を用いて車輪の横力を計算し、横力およびタイヤ横滑り角を各車輪におけるコーナリング・スティフネス適合用の基本として、適合済コーナリング・スティフネス（適合するように演算されたコーナリング・スティフネス）とともに他の入力情報を利用することにより、車両運動を安定限界まで正確に記述することのできる車両挙動再現システムを得ることを目的とする。

この発明による車両挙動再現システムは、車載センサからの各種情報に基づき、車両の運転状況にかかわらず車両の挙動を正確に記述するために、コーナリング・スティフネスを運転状況に適合させるように演算する車両挙動再現システムであって、車両の各車輪に印加される荷重を垂直力として求める垂直力演算手段と、垂直力及びタイヤ横滑り角演算手段で求めるタイヤ横滑り角を用いて各車輪に作用する横力を求める横力演算手段と、横力及びタイヤ横滑り角演算手段で求めるタイヤ横滑り角を用いて各車輪におけるコーナリング・スティフネスを適合させるように演算するコーナリング・スティフネス適合手段と、車両の運動理論に関連する変数を計算するために運動理論に関連した連立微分方程式の解を求める状態空間モデル／オブザーバーユニットであって、適合手段において演算されたコーナリング・スティフネスを用いた状態空間モデル／オブザーバーユニットと、状態空間モデル／オブザーバーユニットから生成される解信号のうちタイヤ横滑り角を選択するセレクタと、特定信号に対して所定時間単位で遅延させる遅延手段と、運転状況及び遅延手段の出力とに応じて各車輪におけるタイヤ横滑り角を求めるタイヤ横滑り角演算手段とを備え、横力演算手段は、垂直力をＦ _Ｚ 、タイヤ横滑り角をα、タイヤ特有の定数パラメータをｋ _１ 、ｋ _２ 、ｋ _３ として、各車輪における横力Ｆ _Ｙ を、以下の式、Ｆ _Ｙ ＝（ｋ _１ −Ｆ _Ｚ ／ｋ _２ ）・ａｒｃｔａｎ（ｋ _３ ・α）により近似し、状態空間モデル／オブザーバーユニットは、直接測定できない変数を求める状態空間オブザーバを含むものである。

この発明によれば、車両運動を安定限界まで記述することができるので、従来システムと比べて適用範囲を著しく拡張することができる。すなわち、まず、車輪の横力を比較的単純で容易な非線形近似方程式を用いて求め、次に、これら車輪の横力およびタイヤ横滑り角を利用して、コーナリング・スティフネスを運転状況にしたがい各計算ステップ毎に適合させて適合済コーナリング・スティフネスとすることにより、非線形的な運転状況についても、横方向の車両運動を正確に記述することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明中、各変数の添字「ｉｊ」は車両の各車輪位置を示しており、たとえば、「ＦＬ」であれば左前輪（Ｆｒｏｎｔ Ｌｅｆｔ ｗｈｅｅｌ）、「ＦＲ」であれば右前輪（Ｆｒｏｎｔ Ｒｉｇｈｔ ｗｈｅｅｌ）、「ＲＬ」であれば左後輪（Ｒｅａｒ Ｌｅｆｔ ｗｈｅｅｌ）、「ＲＲ」であれば右後輪（Ｒｅａｒ Ｒｉｇｈｔ ｗｈｅｅｌ）を意味する。

図１はこの発明の実施の形態１を示すブロック図である。
図２はこの発明の実施の形態１におけるタイヤ横滑り角α_ｉｊおよび垂直力（車輪荷重）Ｆ_Ｚｉｊに依存した車輪の横力Ｆ_Ｙｉｊの特性曲線を示す説明図である。
図３はこの発明の実施の形態１におけるタイヤ横滑り角α_ｉｊおよび垂直力Ｆ_Ｚｉｊに依存した横力Ｆ_Ｙｉｊの特性曲線および適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊの実行プロセスを示す説明図である。

図１において、適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊを用いた車両挙動再現システム１０は、車両の運動制御システムを車両の運転状況に応じて改善するために、少なくとも１つのマイクロプロセッサ上で実行されるアルゴリズムにより実現されている。

車両挙動再現システム１０は、車両の各車輪に印加される荷重を垂直力Ｆ_Ｚｉｊとして求める垂直力演算手段１０５と、各車輪に作用する横力Ｆ_Ｙｉｊを求める横力演算手段１１０と、各車輪におけるコーナリング・スティフネスを適合させて適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊとするコーナリング・スティフネス適合手段１１５と、車両の運動理論に関連した変数を計算するための状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０と、運転状況に応じて各車輪におけるタイヤ横滑り角α_ｉｊを求めるタイヤ横滑り角演算手段１２５と、状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０から生成される解信号Ａのうち、要求された特定信号（車体横滑り角β）を選択するセレクタ１３０と、車体横滑り角βに対して所定時間単位で遅延処理してタイヤ横滑り角演算手段１２５に入力する遅延手段１３５とを備えている。

状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０は、運動理論に関連した連立微分方程式の解信号Ａを車両の状態空間ベクトル（車速Ｖｃ、車体横滑り角β、ヨーレートψ'_Ｍを含む３つの算出値）として求めるために、微分方程式のセットからなる状態空間モデルと、直接測定できない変数を求めるための状態空間オブザーバとを備えている。
状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０内の状態空間モデルは、車両の動的な挙動を記述している。
また、状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０内の状態空間オブザーバは、ヨーレート算出値ψ'_Ｍとヨーレートセンサ検出値ψ'_Ｓとの偏差が０となるように状態空間モデルのパラメータを調整する。
これにより、状態空間モデルは、実際の車両を表現した数式となる。また、状態空間モデル（微分方程式）に存在する変数のうち、車両上にセンサが搭載されていないことから測定不可能な変数（この場合では、車体横滑り角β）であっても、正確な値として算出することができる。

車両挙動再現システム１０内の各構成要素（サブシステム）１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０および１３５に関連する各入出力信号は、他の構成要素内の処理手順を明確化するために、個々の構成要素を接続する矢印によって示されている。
車載センサ（図示せず）から取得可能な各種情報（横方向の加速度ａｙ、前後方向の加速度ａｘ、車輪舵角δｗおよびヨーレートψ'ｓの検出値）は、適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊを用いた車両挙動再現システム１０に入力される。

垂直力演算手段１０５は、車輪の垂直力Ｆ_Ｚｉｊを計算する際に、各加速度ａｙ、ａｘを入力情報として、運転状況に応じた個々の車輪荷重（垂直力）Ｆ_Ｚｉｊの変化を考慮する。
たとえば、急ブレーキ状態においては、荷重移動によってフロント車軸における車輪の垂直力Ｆ_Ｚｉｊが増加し、カーブ運転状態においては、遠心力によって内側の車輪よりも外側の車輪の方が垂直力Ｆ_Ｚｉｊが大きくなる。

こうして、各運転状態に応じて算出された各車輪の垂直力Ｆ_Ｚｉｊのセットは、垂直力演算手段１０５から出力される。
なお、車輪の垂直力Ｆ_Ｚｉｊを求める方程式は、たとえば、前述の非特許文献１に参照されるように、トルクのつりあいの方程式に基づいて得られる。

タイヤ横滑り角演算手段１２５は、車輪の舵角δｗ、ヨーレートψ'ｓおよび車体横滑り角βを処理する。
車体横滑り角βは、状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０内で観測され、その後、セレクタ１３０で選択された後、遅延手段１３５を介して導出される。
なお、タイヤ横滑り角演算手段１２５で用いられる２輪モデルに基づく基本方程式は、前述の非特許文献１に説明されている。

遅延手段１３５は、車体横滑り角βの観測値を第１タイムステップ（所定時間単位）だけ遅延させて、タイヤ横滑り角演算手段１２５に入力する。
遅延手段１３５により、車体横滑り角βの最初の観測値は、測定の第２タイムステップ（次の所定時間単位）までは有効化されないので、タイヤ横滑り角演算手段１２５には、車体横滑り角βの時刻ｔ_１（最初の所定時間単位）における適切な初期値が設定される。

タイヤ横滑り角演算手段１２５は、センサ情報（車輪の蛇角δｗ、ヨーレートψ'_Ｓ）を入力情報とし、車体横滑り角βをフィードバック情報として、個々の車輪におけるタイヤ横滑り角α_ｉｊを出力する。これらのタイヤ横滑り角α_ｉｊは、横力演算手段１１０およびコーナリング・スティフネス適合手段１１５に対する入力情報となる。

横力演算手段１１０は、横力Ｆ_Ｙｉｊを算出するために、各車輪の荷重に依存した垂直力Ｆ_Ｚｉｊとタイヤ横滑り角α_ｉｊとを入力情報として、演算処理を実行する。
車輪の横力Ｆ_Ｙｉｊは、横力演算手段１１０から出力されて、コーナリング・スティフネス適合手段１１５に入力される。
なお、横力Ｆ_Ｙｉｊは、非線形近似方程式によって計算されるが、これについては、図２を参照しながら後述する。

コーナリング・スティフネス適合手段１１５は、複数の車輪の横力Ｆ_Ｙｉｊおよび複数のタイヤ横滑り角α_ｉｊを入力情報として、時刻ｔ_ｋ（ｋ＝１〜Ｎ）毎の適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊを算出し、これらの演算結果を出力する。
なお、コーナリング・スティフネスの導出方法やコーナリング・スティフネスの適合処理（適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊの導出処理）については、図３を参照しながら後述する。

状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０は、適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊと、舵角センサから取得される車輪の舵角δｗと、エンジントルク（通常、エンジン制御ユニット内で推定される）から求まる各車輪の前後力Ｆ_Ｌｉｊとを入力情報として、車輪の前後力Ｆ_Ｌｉｊを処理し、車体横滑り角βを含む解信号Ａを出力する。
状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０に含まれる状態空間モデルは、主に、解信号Ａ（Ｖｃ、β、ψ'_Ｍ）を算出するための微分方程式のセットにより構成されている。

車体横滑り角βは、車両運動理論において不可欠で重要なキー変数であるが、直接検出するためには、たとえば標準的な車両に対して高価な測定器を用いる必要がある。そこで、図１においては、コストアップを回避するために、状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０に含まれる状態空間オブザーバを用いて車体横滑り角βを算出している。
なお、状態空間オブザーバの設計は、制御理論に長けた当業者にとっては既知であり、非線形状態空間モデルや非線形状態オブザーバの設定については、前述の非特許文献１に詳述されている。

状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０は、車速Ｖｃ、車体横滑り角βおよびヨーレートψ'_Ｍを解信号Ａとして出力する。
また、状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０の出力値は、適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊを用いた車両挙動再現システム１０の処理結果として外部に出力される。

セレクタ１３０は、状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０の出力値から車体横滑り角βを選択する。選択された車体横滑り角βは、遅延手段１３５を介して遅延され、最終的にタイヤ横滑り角演算手段１２５にフィードバックされる。

次に、この発明の実施の形態１における適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊの導出原理について、図２に示した横力Ｆ_Ｙｉｊの特性曲線を参照しながら説明する。
図２内の特性曲線は、車輪の横力演算手段１１０において基本的な方程式が実行されていることを示している。
図２の特性曲線から明らかなように、タイヤ横滑り角α_ｉｊおよび垂直力Ｆ_Ｚｉｊから横力演算手段１１０によって算出される個々の車輪の横力Ｆ_Ｙｉｊは、各タイヤ横滑り角α_ｉｊおよび各垂直力Ｆ_Ｚｉｊに対して非線形の関係にある。

横力Ｆ_Ｙｉｊは、コーナリング・スティフネス適合手段１１５で実行されるコーナリング・スティフネスの適合の元として適用される。
横力Ｆ_Ｙｉｊは、図２に基づく上記非線形の関係を適用して、以下の近似方程式（１）により算出される。

ただし、式（１）において、パラメータｋ_１、ｋ_２およびｋ_３は定数であり、各定数ｋ_１、ｋ_２およびｋ_３の値は、車両に搭載されるタイヤの仕様に応じて選択される。
式（１）によれば、定常運転状態以外の極端な運転状況においても、車輪の横力Ｆ_Ｙｉｊを近似することができる。
横力Ｆ_Ｙｉｊは、横力演算手段１１０によってシミュレーション・ステップ毎に計算される。

こうして、車輪毎の垂直力Ｆ_Ｚｉｊおよびタイヤ横滑り角α_ｉｊから横力演算手段１１０により算出された各車輪の横力Ｆ_Ｙｉｊは、タイヤ横滑り角α_ｉｊとともに、コーナリング・スティフネス適合手段１１５に入力される。
次に、図３を参照しながら、コーナリング・スティフネス適合手段１１５内で処理される基本的な方程式について説明する。

図３において、各時刻ｔ_ｋ（ｋ＝１、２、・・・Ｎ）での横力Ｆ_Ｙｉｊ（ｔ_ｋ）およびタイヤ横滑り角α_ｉｊ（ｔ_ｋ）からなる各算出値のペアは、以下のように、各時刻ｔ_ｋにおける適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊ（ｔ）の方程式（２）により処理される。

式（２）は、時刻ｔ_ｋ毎に運転状況に応じて新しい適合済コーナリング・スティフネスＣ_ｉｊ（ｔ_ｋ）の値が計算されることを意味する。
こうして算出された適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊを用いることにより、非線形曲線の線形近似を、状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０に適用することができる。

上記のように、車両挙動再現システム１０は、タイヤ横滑り角α_ｉｊおよび車輪の横力Ｆ_Ｙｉｊを用いて各車輪におけるコーナリング・スティフネスを適合させるコーナリング・スティフネス適合手段１１５と、車両運動理論における重要な変数（車体横滑り角β）を計算するために連立微分方程式の解信号Ａを求める状態空間オブザーバを含む状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０と、特定信号（車体横滑り角β）を選択するセレクタ１３０と、特定信号に対して所定時間単位の遅延をもたせる遅延手段１３５と、各種の車載センサ情報（舵角δｗ、ヨーレートψ'_Ｓ）と、車両の状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０から出力される車体横滑り角βをフィードバック入力として各車輪におけるタイヤ横滑り角α_ｉｊを求めるタイヤ横滑り角演算手段１２５とを備えている。

すなわち、垂直力演算手段１０５は、車輪荷重に依存した垂直力Ｆ_Ｚｉｊの時間変化を考慮するために、加速度センサからの横方向および前後方向の加速度ａｙ、ａｘから、時刻ｔ_ｋにおける実際の垂直力Ｆ_Ｚｉｊ（ｔ_ｋ）を算出する。一方、タイヤ横滑り角演算手段１２５は、時刻ｔ_ｋにおけるタイヤ横滑り角α_ｉｊ（ｔ_ｋ）を算出し、垂直力Ｆ_Ｚｉｊ（ｔ_ｋ）とともに横力演算手段１１０に入力する。
横力演算手段１１０により算出された横力Ｆ_Ｙｉｊ（ｔ_ｋ）は、タイヤ横滑り角α_ｉｊ（ｔ_ｋ）とともにコーナリング・スティフネス適合手段１１５に入力され、コーナリング・スティフネス適合手段１１５は、適合処理後の適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊ（ｔ_ｋ）を出力する。

車輪の舵角δｗ、車輪の前後力Ｆ_Ｌｉｊ（ｔ_ｋ）および適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊ（ｔ_ｋ）は、状態空間モデル／オブザーバーユニット１２０内の状態空間モデルに入力される。状態空間モデルから生成される解信号Ａは、セレクタ１３０に入力されるとともに、車両挙動再現システム１０の出力信号として外部機器に入力される。
セレクタ１３０は、解信号Ａから車体横滑り角βを選択し、選択された車体横滑り角βは、遅延手段１３５を介して所定時間単位の時刻ステップ（ｔ_ｋ）の遅延後に、タイヤ横滑り角演算手段１２５にフィードバック入力される。

車両挙動再現システム１０においては、各種の車載センサ情報（加速度ａｙ、ａｘ、舵角δｗ、ヨーレートψ'_Ｓ、前後力Ｆ_Ｌｉｊ）を入力情報とするとともに、車体横滑り角βをフィードバック情報として、まず、横力演算手段１１０の近似演算により、単純で容易な非線形近似方程式（１）を用いて車輪の横力Ｆ_Ｙｉｊを求める。
次に、コーナリング・スティフネス適合手段１１５により、車輪の横力Ｆ_Ｙｉｊとタイヤ横滑り角α_ｉｊとを用いて、適合方程式（２）により個々の車輪におけるコーナリング・スティフネスを、運転状況に応じて計算ステップ（所定時間単位）毎に適合させ、適合済コーナリング・スティフネスｃ_ｉｊを生成する。

これにより、非線形な運転状況についても、横方向の車両運動を正確に記述することができる。非線形な運転状況は、平均的な運転者にとっては、運転者のステアリング入力に対して車両が期待した反応を示さないため、異常状態として捉えられるものである。
この発明の実施の形態１によれば、交通事故の予兆として、しばしば発生する典型的な不適正な運転挙動を、正確に記述することができる。
また、車両挙動再現システム１０は、状態空間モデルの機能を用いた非線形手法による正確さも兼ね備えており、状態空間モデルによる記述は、完全な制御装置の設計理論が存在することから、制御に適用するのに有用である。
また、図１の車両挙動再現システム１０によれば、車両運動を安定限界まで記述することができるので、従来システムと比べて、適用範囲を著しく拡張することができる。

この発明の実施の形態１を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１におけるタイヤ横滑り角および車輪荷重に依存した横力の特性曲線を表す説明図である。 この発明の実施の形態１におけるタイヤ横滑り角および車輪荷重に依存した横力の特性曲線および適合済コーナリング・スティフネスの実行プロセスを示す説明図である。

符号の説明

１０ 車両挙動再現システム、１０５ 垂直力演算手段、１１０ 横力演算手段、１１５ コーナリング・スティフネス適合手段、１２０ 状態空間モデル／オブザーバーユニット、１２５ タイヤ横滑り角演算手段、１３０ セレクタ、１３５ 遅延手段、ａｘ 前後方向の加速度、ａｙ 横方向の加速度、ｃ_ｉｊ コーナリング・スティフネス、Ｆ_Ｌｉｊ 車輪の前後力、Ｆ_Ｚｉｊ 垂直力、Ｆ_Ｙｉｊ 横力、α_ｉｊ タイヤ横滑り角、β 車体横滑り角、δｗ 車輪の舵角、ψ'ｓ、ψ'_Ｍ ヨーレート。

Claims (1)

1. 車載センサからの各種情報に基づき、車両の運転状況にかかわらず前記車両の挙動を正確に記述するために、コーナリング・スティフネスを前記運転状況に適合させるように演算する車両挙動再現システムであって、
   前記車両の各車輪に印加される荷重を垂直力として求める垂直力演算手段と、
   前記垂直力及びタイヤ横滑り角演算手段で求めるタイヤ横滑り角を用いて前記各車輪に作用する横力を求める横力演算手段と、
   前記横力及びタイヤ横滑り角演算手段で求めるタイヤ横滑り角を用いて前記各車輪におけるコーナリング・スティフネスを適合させるように演算するコーナリング・スティフネス適合手段と、
   前記車両の運動理論に関連する変数を計算するために前記運動理論に関連した連立微分方程式の解を求める状態空間モデル／オブザーバーユニットであって、前記適合手段において演算されたコーナリング・スティフネスを用いた状態空間モデル／オブザーバーユニットと、
   前記状態空間モデル／オブザーバーユニットから生成される解信号のうちタイヤ横滑り角を選択するセレクタと、
   前記特定信号に対して所定時間単位で遅延させる遅延手段と、
   前記運転状況及び前記遅延手段の出力とに応じて各車輪におけるタイヤ横滑り角を求めるタイヤ横滑り角演算手段とを備え、
   前記横力演算手段は、前記垂直力をＦ _Ｚ 、タイヤ横滑り角をα、タイヤ特有の定数パラメータをｋ _１ 、ｋ _２ 、ｋ _３ として、前記各車輪における横力Ｆ _Ｙ を、以下の式、
   

   

   により近似し、
   前記状態空間モデル／オブザーバーユニットは、直接測定できない変数を求める状態空間オブザーバを含むことを特徴とする車両挙動再現システム。

Images