JP4242134B2 - 車両用加速度及び角速度検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載される加速度及び角速度検出装置に関し、特に異なる方向の加速度を検出する複数のセンサを備えた加速度及び角速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両が勾配のある道路を走行しているときは、加速度センサにより検出される車両の前後方向の加速度は、勾配の影響により、真の値からずれる。このため、特許文献１及び２には、勾配の影響をなくす補正を行う手法が示されている。
【０００３】
特許文献１に示された第１の手法によれば、勾配センサにより道路の勾配が検出され、検出された勾配に応じて検出加速度の補正が行われる。また、勾配センサを用いることなく、検出加速度の補正を行う第２及び第３の手法が示されている。第２の手法によれば、車両の走行速度がほぼ一定であるときの、加速度センサ出力が加速度補正値とされる。第３の手法によれば、車輪の駆動力、転がり・空気抵抗、及び車両の質量に基づいて、加速度補正値が算出される。
【０００４】
また特許文献２に示された手法では、エンジン出力トルクに基づいて、走行中の道路が平坦路であるかいなかが判定され、平坦路でないと判定されたときに検出加速度の補正が行われる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１３３６９９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２８１６７２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に示された第１の手法では、勾配センサを用いることが必要となるので、製造コストが上昇するという課題がある。また第２の手法では、車速がほぼ一定とならない限り補正値が得られないという課題がある。さらに第３の手法では、演算が複雑であるにも拘わらず、空気抵抗や車両質量などの変動要因があるため、正確な補正ができないという課題がある。
【０００７】
また特許文献２に示された手法では、走行中の道路が平坦路であるか否かに応じておおまかな補正が行われるだけであるので、補正の精度が低いという課題がある。
また最近は、車両の前後方向及び左右方向の加速度や、ヨーレートを検出し、これらの検出値を用いるナビゲーションシステムや横滑り制御システムなどが車両に搭載されるようになってきているため、複数の加速度センサや回転角速度センサを設けて、正確な検出データを各システムに供給することが必要となってきている。
【０００８】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、異なる方向の加速度及び角速度を検出する複数のセンサを備え、正確な加速度検出値及び角速度検出値を得ることができる車両用加速度及び角速度検出装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、車体の前後軸方向の加速度を検出する前後加速度センサ（１１）と、車体の左右軸方向の加速度を検出する左右加速度センサ（１２）と、車体の上下軸方向の加速度を検出する上下加速度センサ（１３）と、前記前後軸まわりの角速度を検出するロールレートセンサ（１５）と、前記左右軸まわりの角速度を検出するピッチレートセンサ（１４）と、前記上下軸まわりの角速度を検出するヨーレートセンサ（１６）と、前記ロールレートセンサ（１５）、ピッチレートセンサ（１４）及びヨーレートセンサ（１６）の、車体に固定された車体座標系における検出値（ω、φ、θ）を車体が傾斜していない状態に対応した基準座標系における検出値（ωｒ、φｒ、θｒ）に座標変換を行う座標変換手段（１１３）と、該座標変換手段（１１３）により座標変換されたロールレート（φｒ）及びピッチレート（θｒ）を積分することにより、ロール角（Φ）及びピッチ角（Θ）を算出する積分手段（１１４，１１５）と、前記積分手段により算出されるロール角（Φ）に基づいて、前記左右加速度センサの検出値（ｂ）からロール角成分を除去する左右加速度補正手段（１０７）と、前記積分手段により算出されたピッチ角（Θ）に基づいて、前記前後加速度センサの検出値（ａ）からピッチ角成分を除去する前後加速度補正手段（１０３）と、車両の前後速度（Ｕｃ，ＶＰ）を演算する前後速度演算手段とを備え、前記座標変換手段（１１３）は、前記積分手段（１１４，１１５）により算出された１サンプル周期前のロール角（Φ）及びピッチ角（Θ）に基づいて、前記座標変換を行い、さらに、前記上下加速度センサの検出値に基づいて全傾斜角（γ）を算出する全傾斜角算出手段と、車両停止時の前記前後加速度センサ及び前記左右加速度センサの検出値に基づいて算出したピッチ角及びロール角に基づいて静止全傾斜角（γ’）を算出する静止全傾斜角算出手段と、前記静止全傾斜角（γ’）を初期値として使用し、前記積分手段により算出されたピッチ角及びロール角から積分全傾斜角（Γ）を算出する積分全傾斜角算出手段と、前記全傾斜角（γ）と前記積分全傾斜角（Γ）との比較により、前記上下加速度センサ、前記ピッチレートセンサ、または前記ロールレートセンサの何れかが故障したと判定する第１監視部（１２１）と、前記左右加速度補正手段で補正された左右加速度（Ｂ）と、前記ヨーレートセンサの検出値に前後速度を乗じて算出される左右加速度（Ｒ）との比較により、前記左右加速度センサ、前記ロールレートセンサ、または前記ヨーレートセンサの何れかが故障したと判定する第２監視部（１２２，１２３ａ）と、前記車両の停止時において、前記全傾斜角（γ）と前記静止全傾斜角（γ’）との比較により、前記上下加速度センサ、前記前後加速度センサ、または前記左右加速度センサの何れかが故障したと判定する比較部（１２３）とを備えることを特徴とする車両用加速度及び角速度検出装置を提供する。
【００１０】
この構成によれば、積分手段により算出された１サンプル周期前のロール角及びピッチ角に基づいて、ロールレートセンサ、ピッチレートセンサ及びヨーレートセンサの検出値の、車体座標系から基準座標系への座標変換が行われ、より正確なロールレート、ピッチレート及びヨーレートが得られる。また積分手段により算出されたロール角に基づいて、左右加速度センサの検出値からロール角成分を除去する補正が行われ、さらに積分手段により算出されたピッチ角に基づいて、前後加速度センサの検出値からピッチ角成分を除去する補正が行われるので、車体の前後軸まわり及び左右軸まわりの傾きがあっても、正確な左右加速度及び前後加速度が得られる。また上下加速度センサの検出値に基づいて全傾斜角が算出され、車両停止時の前後加速度センサ及び左右加速度センサの検出値に基づいて算出したピッチ角及びロール角に基づいて静止全傾斜角が算出されるとともに、静止全傾斜角を初期値として使用して、積分手段により算出されたピッチ角及びロール角から積分全傾斜角が算出され、全傾斜角と積分全傾斜角との比較により、上下加速度センサ、ピッチレートセンサ、またはロールレートセンサの何れかが故障したと判定され、左右加速度補正手段で補正された左右加速度と、ヨーレートセンサの検出値に車両の前後速度を乗じて算出される左右加速度との比較により、左右加速度センサ、ロールレートセンサ、またはヨーレートセンサの何れかが故障したと判定され、車両の停止時において、全傾斜角と静止全傾斜角との比較により、上下加速度センサ、前後加速度センサ、または左右加速度センサの何れかが故障したと判定されるので、上下加速度センサ、前後加速度センサ、左右加速度センサ、ピッチレートセンサ、ロールレートセンサ、及びヨーレートセンサの動作が相互に監視され、故障を迅速に検出することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の車両用加速度及び角速度検出装置において、前記車両の複数の車輪の車輪速度をそれぞれ検出する複数の車輪速度センサ（２１〜２４）と、前記複数の車輪速度センサの故障を個別に判断する車輪速度センサ故障判断手段（１２３ａ）とを備え、前記前後速度演算手段は、前記複数の車輪速度センサにより検出された複数の車輪速度に基づいて前記前後速度（ＶＰ）を演算し、前記第２監視部（１２３ａ）は、前記車輪速度センサが故障と判断されていないことを条件として、前記前後速度演算手段により演算された前後速度（ＶＰ）を用いて前記故障の判定を実行することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、複数の車輪速度センサにより検出された複数の車輪速度に基づいて前後速度が演算されるとともに、複数の車輪速度センサの故障が個別に判断され、車輪速度センサが故障と判断されていないことを条件として複数の車輪速度に基づいて演算された前後速度を用いて、第２監視部による故障の判定が実行されるので、車輪速度センサの故障による誤判定を防止することができる。
【００２７】
なお、上記座標変換は、より具体的には、車体に固定された座標系から、車体に傾きがない状態に対応する基準座標系への変換である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる車両用加速度検出装置、及びその周辺装置の構成を示すブロック図である。本実施形態においては、加速度検出装置は、慣性測定ユニット（ＩＭＵ：Inertia Measurement Unit）１と、これとは別に車両の各車輪の速度を検出する第１〜第４車輪速度センサ２１〜２４によって構成される。慣性測定ユニット１は、図２に示すように、車両１０の重心位置付近に配置される。図２に示されるように、車体の前後方向に延びる軸をＸ軸とし、車体の左右方向に延びる軸をＹ軸とし、車体の上下方向に延びる軸をＺ軸とする。
【００２９】
慣性測定ユニット１は、車体の前後軸（Ｘ軸）方向の加速度を検出する前後加速度センサ１１と、車体の左右軸（Ｙ軸）方向の加速度を検出する左右加速度センサ１２と、車両の上下軸（Ｚ軸）方向の加速度を検出する上下加速度センサ１３と、前記左右軸まわりの角速度であるピッチレートθを検出するピッチレートセンサ１４と、前記前後軸まわりの角速度であるロールレートφを検出するロールレートセンサ１５と、前記上下軸まわりの角速度であるヨーレートωを検出するを検出するヨーレートセンサ１６と、演算部１７とを備えている。
【００３０】
第１及び第２車輪速度センサは、それぞれ右駆動輪速度ＶＤＲ及び左駆動輪速度ＶＤＬを検出し、第３及び第４車輪速度センサは、それぞれ右従動輪速度ＶＶＲ及び左従動輪速度ＶＶＬを検出する。
【００３１】
横滑り制御等で直接制御に用いるヨーレートωを検出するヨーレートセンサ１６は、中点電位（静止時）の安定性が重要な因子なので、従来から横滑り制御に用いられている様な比較的高価で±１ｄｅｇ／ｓｅｃ程度の安定性を確保できるセンサが採用されている。一方、車両の場合、ロールレートφ及びピッチレートθは、常時継続的に発生することが無いので、検出信号にハイパスフィルタを施して使用することできる。したがって、ピッチレートセンサ１４及びロールレートセンサ１５としては、中点電位の安定性がそれほど高くない、比較的安価な製品が採用されている。また加速度センサ１１，１２，及び１３は、９．８ｍｍ／ｓｅｃ2程度の分解能を有する車載用の一般的な低加速度センサが採用されている。このような構成とすることにより、ヨーレートセンサと加速度センサをそれぞれを２つずつ設ける構成より、コストを低減することができる。
【００３２】
慣性測定ユニット１は、ＬＡＮ（Local Area Network）２５を介して、各車輪速度センサ２１〜２４、ナビゲーションシステム３１、横滑り制御システム３２、アダプティブクルーズ制御システム３３、及び表示システム３５に接続されている。
ナビゲーションシステム３１は、人工衛星からの信号により得られる位置データと、上記加速度センサ及び角速度センサの出力を積分することにより、得られる位置データと、予め蓄積されている地図情報とに基づいて、当該車両の位置を地図情報とともに、表示システム３５に表示する。
【００３３】
横滑り制御システム３２は、車両のオーバステア状態、アンダーステア状態等の挙動を、操舵角や車速から定まる目標値と、ヨーレートや横加速度等の検出値との比較により判定し、その判定結果に基づいてオーバステアやアンダーステアを打ち消すように（検出値が目標値に近づくように）、旋回外側の車輪にブレーキをかけたり、旋回内側の車輪にブレーキをかけたりする制御を行う。
【００３４】
アダプティブクルーズ制御システム３３は、車間距離センサ（図示せず）を備え、オートクルーズの一定車速制御に加えて、車間距離が安全車間距離以下になると、シフトダウンや自動ブレーキ制御を行う。
表示システム３５は、液晶表示装置（図示せず）を含み、ナビゲーションシステム３１からの情報、及びその他の情報を液晶表示装置上に表示する。
【００３５】
演算部１７は、図３に示すように、上述したセンサの出力信号が入力され、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換素子５１，後述する各種演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）５２，演算プログラムなどを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）及び演算データを格納するＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ回路５３と、ＬＡＮ２５を介して他のシステムとの間でデータの伝送を行うインターフェース回路５４と、表示システム３５に信号を供給する表示出力回路５５と、車両走行中の検出データを記録するデータ記録装置５６とを備えている。
【００３６】
ＣＰＵ５２は、図１に示すセンサにより検出される検出データに基づいて、前後方向の加速度、前後方向の速度、左右方向の加速度、左右方向の速度、上下方向の加速度、上下方向の速度、及び車体の前後軸（Ｘ軸）まわりの傾斜角であるロール角Φ、車体の左右軸（Ｙ軸）まわりの傾斜角であるピッチ角Θ、及び車体の上下軸（Ｚ軸）まわりの回転角であるヨー角Ωを算出し、算出した各種データを、ＬＡＮ２５を介して他のシステムに供給する。
【００３７】
車両１０の車体に固定された車体座標系の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）で表し、車体の前後軸（Ｘ軸）まわりの傾斜角であるロール角Φ及び車体の左右軸（Ｙ軸）まわりの傾斜角であるピッチ角Θがともに「０」である状態、すなわち車体が傾斜していない状態に対応した基準座標系の座標を（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）で表すこととすると、車体座標系の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、下記式（１）〜（３）により、基準座標系の座標（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）に変換される。
ｘｒ＝ｘ・cosΘ −ｚ・sinΘ （１）
ｙｒ＝ｘ・sinΘ・sinΦ＋ｙ・cosΦ＋ｚ・cosΘ・sinΦ （２）
ｚｒ＝ｘ・sinΘ・cosΦ−ｙ・sinΦ＋ｚ・cosΘ・cosΦ （３）
【００３８】
各軸まわりの角速度も同様に座標変換できるので、車体座標系におけるロールレートφ、ピッチレートθ、及びヨーレートωは、下記式（４）〜（６）により、基準座標系におけるロールレートφｒ、ピッチレートθｒ、及びヨーレートωｒに変換される。
φｒ＝φ・cosΘ −ω・sinΘ （４）
θｒ＝φ・sinΘ・sinΦ＋θ・cosΦ＋ω・cosΘ・sinΦ （５）
ωｒ＝φ・sinΘ・cosΦ−θ・sinΦ＋ω・cosΘ・cosΦ （６）
【００３９】
式（４）〜（６）による座標変換では、回転の順序によって、実際の基準座標系の角速度と一致しない結果が得られる場合がある。回転角が小さい場合には、下記式（７）〜（９）が成り立つので、これらを式（５）及び（６）に適用することにより、下記式（５ａ）及び（６ａ）が得られる。
【００４０】
sinΘ・sinΦ≒０ （７）
sinΘ・cosΦ≒sinΘ （８）
cosΘ・sinΦ≒sinΦ （９）
θｒ＝ θ・cosΦ＋ω・sinΦ （５ａ）
ωｒ＝φ・sinΘ−θ・sinΦ＋ω・cosΘ・cosΦ （６ａ）
上記式（４）、（５ａ）及び（６ａ）による座標変換は、実際のデータとよく一致することが確認されている。サンプリング間隔はできるだけ短くすることが望ましいので、演算式はできるだけ簡単な方がよい。そのような点も考慮し、本実施形態では、近似式（５ａ）及び（６ａ）を用いた座標変換を行っている。
【００４１】
ロール角Φ及びピッチ角Θは、座標変換後のロールレートφｒ及びピッチレートθｒを積分することにより算出される。したがって、実際には、下記式（１０）〜（１２）に示すように、１サンプル周期前のロール角Φ(n-1)及びピッチ角Θ(n-1)を用いて、座標変換演算を行い、下記式（１３）〜（１５）により、積分演算（積算演算）を行う。
φｒ(n)＝φ(n)・cosΘ(n-1)−ω(n)・sinΘ(n-1) （１０）
θｒ(n)＝θ(n)・cosΦ(n-1)＋ω(n)・sinΦ(n-1) （１１）
ωｒ(n)＝φ(n)・sinΘ(n-1)−θ(n)・sinΦ(n-1)
＋ω(n)・cosΘ(n-1)・cosΦ(n-1) （１２）
Φ(n)＝Φ(n-1)＋Δｔ・φ(n) （１３）
Θ(n)＝Θ(n-1)＋Δｔ・Θ(n) （１４）
Ω(n)＝Ω(n-1)＋Δｔ・ω(n) （１５）
ここで、Δｔはサンプリング周期であり、例えば１０ミリ秒に設定される。またｎは、サンプリング周期Δｔで離散化されたサンプリング時刻である。
【００４２】
図４（ａ）は、走行中の車体の実際の全傾斜角（重力加速度の方向と、車体に固定したＺ軸とのなす角）と、積分全傾斜角Γと対比して示すタイムチャートである。積分傾斜角Γは、ロールレートセンサ１５及びピッチレートセンサ１４により検出されるロールレートφ及びピッチレートθをそのまま積分してロール角Φ及びピッチ角Θを算出し、これらのロール角Φ及びピッチ角Θを下記式（１６）に適用して算出される。
Γ＝ａｃｏｓ（ｃｏｓΘ×ｃｏｓΦ） （１６）
ここでａｃｏｓは、コサイン（ｃｏｓ）の逆関数である。
図４（ａ）の破線が実際の全傾斜角を示し、実線が積分全傾斜角Γを示す。この図から明らかなように、積分全傾斜角Γは、実際の全傾斜角から大きくずれることがある。
【００４３】
図４（ｂ）は、実際の全傾斜角と、上記座標変換演算により得られる変換ロールレートφｒ及び変換ピッチレートθｒを積分することにより算出されるロール角Φ及びピッチ角Θを式（１６）に適用して算出される積分全傾斜角Γとを対比して示すタイムチャートである。この図から、実際の全傾斜角（破線）と、積分全傾斜角（実線）とがよく一致していることが確認される。すなわち、上記座標変換を行うことにより、より正確なロール角Φ及びピッチ角Θが得られる。
【００４４】
図５は、ＣＰＵ１７による演算処理を説明するためのブロック図である。同図に示す機能ブロック１０１〜１２３の演算処理、及びこれらの演算処理に関連する処理がＣＰＵ１７で実行される。
前後加速度センサ１１、左右加速度センサ１２及び上下加速度センサ１３により、前後加速度ａ、左右加速度ｂ及び上下加速度ｃが検出される。また、ピッチレートセンサ１４、ロールレートセンサ１５、及びヨーレートセンサ１６により、ピッチレートθ、ロールレートφ、及びヨーレートωが検出される。
【００４５】
座標変換部１１３は、上述した座標変換演算を実行し、変換ピッチレートθｒ、変換ロールレートφｒ及び変換ヨーレートωｒを算出する。ピッチ角算出部１１４は、変換ピッチレートθｒを積分することにより、積分ピッチ角Θを算出する。ロール角算出部１１５は、変換ロールレートφｒを積分することにより、積分ロール角Φを算出する。ヨー角算出部１１５は、変換ヨーレートωｒを積分することにより、積分ヨー角Ωを算出する。
【００４６】
前後速度算出部１０１は、検出前後加速度ａを積分することにより、前後速度Ｕを算出する。ピッチ角算出部１０２は、下記式（２１）により、ピッチ角αを算出する。
α＝ａｓｉｎ（ａ／ｇ） （２１）
ここで、ａｓｉｎはサイン（ｓｉｎ）の逆関数であり、ｇは重力加速度である。
【００４７】
純前後加速度算出部１０３は、下記式（２２）に検出前後加速度ａ及び積分ピッチ角Θを適用し、純前後加速度Ａを算出する。式（２２）により、車両の左右軸（Ｙ軸）まわりの傾きに起因する前後加速度の検出誤差が補正される。
Ａ＝ａ−ｇ×ｓｉｎ（Θ） （２２）
純前後速度算出部１０４は、純前後加速度Ａを積分することにより、純前後速度Ｕｃを算出する。
【００４８】
左右速度算出部１０５は、検出左右加速度ｂを積分することにより、左右速度Ｖを算出する。ロール角算出部１０６は、下記式（２３）により、ロール角βを算出する。
β＝ａｓｉｎ（ｂ／ｇ） （２３）
純左右加速度算出部１０７は、下記式（２４）に検出左右加速度ｂび積分ロール角Φを適用し、純左右加速度Ｂを算出する。式（２４）により、車両の前後軸（Ｘ軸）まわりの傾きに起因する左右加速度の検出誤差が補正される。
Ｂ＝ｂ−ｇ×ｓｉｎ（Φ） （２４）
【００４９】
純左右速度算出部１０８は、純左右加速度Ｂを積分することにより、純左右速度Ｖｃを算出する。上下速度算出部１０９は、検出上下加速度ｃを積分することにより、上下速度Ｗを算出する。
【００５０】
全傾斜角算出部１１０は、下記式（２５）に検出上下加速度ｃを適用し、全傾斜角γを算出する。
γ＝ａｃｏｓ（ｃ／ｇ） （２５）
静止全傾斜角算出部１１２は、車両の停車時に検出されるピッチ角α及びロール角βを下記式（２６）に適用し、静止全傾斜角γ’を算出する。車両の停止状態は、例えば純前後速度Ｕｃが「０」であることにより検出される。
γ’＝ａｃｏｓ（ｃｏｓα×ｃｏｓβ） （２６）
【００５１】
積分全傾斜角算出部１１１は、下記式（１６ａ）に静止全傾斜角γ’、積分ピッチ角Θ及び積分ロール角Φを適用し、積分全傾斜角Γを算出する。
Γ＝γ’＋ａｃｏｓ（ｃｏｓΘ×ｃｏｓΦ） （１６ａ）
ここで、静止全傾斜角γ’を適用するのは初期値補正を行うためである。ピッチレートセンサ１４及びロールレートセンサ１５は、車両の停止時は出力が「０」であるため、車両停止時において路面が傾斜している場合には、積分全傾斜角Γは、正確な全傾斜角とならない。そこで、静止全傾斜角γ’を加算することにより、初期値補正が行われる。これにより、正確な積分全傾斜角を得ることができる。
【００５２】
監視部１２１は、全傾斜角γと積分全傾斜角Γとの比較を常時行い、両者の差（γ−Γ）の絶対値が所定閾値ＤＧＡＭＭＡ１を超えたとき、上下加速度センサ１３、ピッチレートセンサ１４またはロールレートセンサ１５のいずれかが故障したと判定する。
【００５３】
比較部１２３は、車両の停止時において、全傾斜角γと静止全傾斜角γ’との比較を行い、両者の差（γ−γ’）の絶対値が所定閾値ＤＧＡＭＭＡ２を超えたとき、上下加速度センサ１３、前後加速度センサ１１、または左右加速度センサ１２のいずれかが故障したと判定する。
【００５４】
左右加速度算出部１１７は、ヨーレートω及び純前後速度Ｕｃを下記式（２７）に適用し、左右加速度Ｒを算出する。
Ｒ＝ω×Ｕｃ （２７）
監視部１２２は、純左右加速度Ｂと左右加速度Ｒとの比較を常時行い、両者の差（Ｂ−Ｒ）の絶対値が所定閾値ＤＢＲを超えたとき、左右加速度センサ１２、前後加速度センサ１１、ロールレートセンサ１５、またはヨーレートセンサ１６のいずれかが故障したと判定する。
【００５５】
図６は、センサがすべて正常である場合における左右加速度Ｒと、純左右加速度Ｂとを対比して示すタイムチャートである。この図から明らかなように、センサが正常であれば、左右加速度Ｒと純左右加速度Ｂとの差（Ｂ−Ｒ）の絶対値が所定閾値ＤＢＲ以下となる。
【００５６】
なお、図７に示すように、純上下加速度算出部１３１及び純上下速度算出部１３２を設けるようにしてもよい。純上下加速度算出部１３１は、下記式（２８）に検出上下加速度ｃ、ピッチ角Θ及びロール角Φを適用し、純上下加速度Ｃを算出する。純上下速度算出部１３２は、純上下加速度Ｃを積分することにより、純上下速度Ｗｃを算出する。これにより、正確な上下加速度Ｃ及び上下速度Ｗｃを得ることができる。
Ｃ＝ｃ×ｃｏｓ（ａｃｏｓ（ｃｏｓΘ×ｃｏｓΦ）） （２８）
【００５７】
以上のように本実施形態では、座標変換部１１３を設け、車体に固定された車体座標系から車体に傾斜がない状態に対応する基準座標系への座標変換を行うようにしたので、ピッチレートセンサ出力、ロールレートセンサ出力及びヨーレートセンサ出力から、正確なピッチ角Θ、ロール角Φ及びヨー角Ωを得ることができる。
【００５８】
またピッチ角Θに応じて検出前後加速度ａを補正し、純前後加速度Ａを算出するようにしたので、正確な前後加速度を得ることができる。またロール角Φに応じて検出左右加速度ｂを補正し、純左右加速度Ｂを算出するようにしたので、正確な左右加速度を得ることができる。
【００５９】
また監視部１２１を設け、全傾斜角γと積分全傾斜角Γとを常時比較することにより、上下加速度センサ１３、ピッチレートセンサ１４またはロールレートセンサ１５の故障を判定するようにした。さらに監視部１２２を設け、純左右加速簿Ｂと左右加速度Ｒとを常時比較することにより、左右加速度センサ１２、前後加速度センサ１１、ロールレートセンサ１５、またはヨーレートセンサ１６の故障を判定するようにした。したがって、複数のセンサ出力に基づく相互監視により、故障を迅速に検出することができる。
【００６０】
（変形例）
図８は、上述した実施形態の変形例を示すブロック図である。この変形例は、車速演算部１４１が新たに設けられ、図５の左右加速度算出部１１７及び監視部１２３に代えて、左右加速度算出部１１７ａ及び監視部１２３ａが設けられている。
【００６１】
車速演算部１４１は、車輪速度センサ２１〜２４により検出される右駆動輪速度ＶＤＲ、左駆動輪速度ＶＤＬ、右従動輪速度ＶＶＲ、及び左従動輪速度ＶＶＬの平均値として、車速ＶＰを算出する。なお、車速演算部１４１は、右従動輪速度ＶＶＲ及び左従動輪速度ＶＶＬの平均値として、車速ＶＰを算出するようにしてもよい。
【００６２】
左右加速度算出部１１７ａは、下記式（２７ａ）に車速ＶＰ及びヨーレートωを適用して、左右加速度Ｒ’を算出する。
Ｒ’＝ω×ＶＰ （２７ａ）
監視部１２３ａは、純左右加速度Ｂと左右加速度Ｒ’との比較を常時行い、両者の差（Ｂ−Ｒ’）の絶対値が所定閾値ＤＢＲを超えたとき、左右加速度センサ１２、ロールレートセンサ１５、またはヨーレートセンサ１６のいずれかが故障したと判定する。
【００６３】
また監視部１２３ａは、車輪速度センサ２１〜２４のそれぞれの故障診断を行い、何れかの車輪速度センサの故障が検出されたときは、上記純左右加速度Ｂと左右加速度Ｒ’との比較による故障判定を実行しないようにする。車輪速度センサの出力がないとき、または車輪速度センサ出力の変化量の絶対値、例えば右従動輪速度ＶＶＲの今回値ＶＶＲ(n)と前回値ＶＶＲ(n-1)との差（ＶＶＲ(n)−ＶＶＲ(n-1)）の絶対値が、判定閾値ＤＶを超えたとき、車輪速度センサは故障していると判定される。判定閾値ＤＶは、通常ではあり得ないような加速度（減速度）に対応した値に設定される。
【００６７】
上述した実施形態では、演算部１７が、座標変換手段、積分手段、左右加速度補正手段、前後加速度補正手段、上下加速度補正手段、及び車輪速度センサ故障判断手段を構成する。
【００６８】
より具体的には、図５の座標変換部１１３が座標変換手段に相当し、ピッチ角算出部１１４及びロール角算出部１１５が積分手段に相当し、純左右加速度算出部１０７が左右加速度補正手段に相当し、純前後加速度算出部１０３が前後加速度補正手段に相当する。
【００６９】
また、図７の純上下加速度算出部１３１が上下加速度補正手段に相当し、図８の車速算出部１４１が前後速度演算手段に相当する。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１に記載の発明によれば、積分手段により算出された１サンプル周期前のロール角及びピッチ角に基づいて、ロールレートセンサ、ピッチレートセンサ及びヨーレートセンサの検出値の、車体座標系から基準座標系への座標変換が行われ、より正確なロールレート、ピッチレート及びヨーレートが得られる。また積分手段により算出されたロール角に基づいて、左右加速度センサの検出値からロール角成分を除去する補正が行われ、さらに積分手段により算出されたピッチ角に基づいて、前後加速度センサの検出値からピッチ角成分を除去する補正が行われるので、車体の前後軸まわり及び左右軸まわりの傾きがあっても、正確な左右加速度及び前後加速度が得られる。また上下加速度センサの検出値に基づいて全傾斜角が算出され、車両停止時の前後加速度センサ及び左右加速度センサの検出値に基づいて算出したピッチ角及びロール角に基づいて静止全傾斜角が算出されるとともに、静止全傾斜角を初期値として使用して、積分手段により算出されたピッチ角及びロール角から積分全傾斜角が算出され、全傾斜角と積分全傾斜角との比較により、上下加速度センサ、ピッチレートセンサ、またはロールレートセンサの何れかが故障したと判定され、左右加速度補正手段で補正された左右加速度と、ヨーレートセンサの検出値に車両の前後速度を乗じて算出される左右加速度との比較により、左右加速度センサ、ロールレートセンサ、またはヨーレートセンサの何れかが故障したと判定され、車両の停止時において、全傾斜角と静止全傾斜角との比較により、上下加速度センサ、前後加速度センサ、または左右加速度センサの何れかが故障したと判定されるので、上下加速度センサ、前後加速度センサ、左右加速度センサ、ピッチレートセンサ、ロールレートセンサ、及びヨーレートセンサの動作が相互に監視され、故障を迅速に検出することができる。
【００７１】
請求項２に記載の発明によれば、複数の車輪速度センサにより検出された複数の車輪速度に基づいて前後速度が演算されるとともに、複数の車輪速度センサの故障が個別に判断され、車輪速度センサが故障と判断されていないことを条件として複数の車輪速度に基づいて演算された前後速度を用いて、第２監視部による故障の判定が実行されるので、車輪速度センサの故障による誤判定を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態にかかる車両用加速度検出装置、及びその周辺装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 車体に固定された座標軸を説明するための図である。
【図３】 演算部（１７）の構成を示すブロック図である。
【図４】 積分演算により算出される全傾斜角及び実際の全傾斜角の推移を示すタイムチャートである。
【図５】 演算部（１７）で実行される演算処理を説明するための機能ブロック図である。
【図６】 左右加速度の推移を示すタイムチャートである。
【図７】 図５のブロック図に示されていない他の演算処理を説明するための機能ブロック図である。
【図８】 図５に示した実施例の変形例を説明するための機能ブロック図である。
【符号の説明】
１ 慣性測定ユニット
１１ 前後加速度センサ
１２ 左右加速度センサ
１３ 上下加速度センサ
１４ ピッチレートセンサ
１５ ロールレートセンサ
１６ ヨーレートセンサ
１７ 演算部（座標変換手段、積分手段、左右加速度補正手段、前後加速度補正手段、上下加速度補正手段、前後速度演算手段、車輪速度センサ故障判断手段）
２１ 第１車輪速度センサ
２２ 第２車輪速度センサ
２３ 第３車輪速度センサ
２４ 第４車輪速度センサ
１２１ 監視部
１２２ 監視部
１２３ 比較部
１２３ａ 監視部
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載される加速度及び角速度検出装置に関し、特に異なる方向の加速度を検出する複数のセンサを備えた加速度及び角速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両が勾配のある道路を走行しているときは、加速度センサにより検出される車両の前後方向の加速度は、勾配の影響により、真の値からずれる。このため、特許文献１及び２には、勾配の影響をなくす補正を行う手法が示されている。
【０００３】
特許文献１に示された第１の手法によれば、勾配センサにより道路の勾配が検出され、検出された勾配に応じて検出加速度の補正が行われる。また、勾配センサを用いることなく、検出加速度の補正を行う第２及び第３の手法が示されている。第２の手法によれば、車両の走行速度がほぼ一定であるときの、加速度センサ出力が加速度補正値とされる。第３の手法によれば、車輪の駆動力、転がり・空気抵抗、及び車両の質量に基づいて、加速度補正値が算出される。
【０００４】
また特許文献２に示された手法では、エンジン出力トルクに基づいて、走行中の道路が平坦路であるかいなかが判定され、平坦路でないと判定されたときに検出加速度の補正が行われる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１３３６９９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２８１６７２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に示された第１の手法では、勾配センサを用いることが必要となるので、製造コストが上昇するという課題がある。また第２の手法では、車速がほぼ一定とならない限り補正値が得られないという課題がある。さらに第３の手法では、演算が複雑であるにも拘わらず、空気抵抗や車両質量などの変動要因があるため、正確な補正ができないという課題がある。
【０００７】
また特許文献２に示された手法では、走行中の道路が平坦路であるか否かに応じておおまかな補正が行われるだけであるので、補正の精度が低いという課題がある。
また最近は、車両の前後方向及び左右方向の加速度や、ヨーレートを検出し、これらの検出値を用いるナビゲーションシステムや横滑り制御システムなどが車両に搭載されるようになってきているため、複数の加速度センサや回転角速度センサを設けて、正確な検出データを各システムに供給することが必要となってきている。
【０００８】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、異なる方向の加速度及び角速度を検出する複数のセンサを備え、正確な加速度検出値及び角速度検出値を得ることができる車両用加速度及び角速度検出装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、車体の前後軸方向の加速度を検出する前後加速度センサ（１１）と、車体の左右軸方向の加速度を検出する左右加速度センサ（１２）と、車体の上下軸方向の加速度を検出する上下加速度センサ（１３）と、前記前後軸まわりの角速度を検出するロールレートセンサ（１５）と、前記左右軸まわりの角速度を検出するピッチレートセンサ（１４）と、前記上下軸まわりの角速度を検出するヨーレートセンサ（１６）と、前記ロールレートセンサ（１５）、ピッチレートセンサ（１４）及びヨーレートセンサ（１６）の、車体に固定された車体座標系における検出値（ω、φ、θ）を車体が傾斜していない状態に対応した基準座標系における検出値（ωｒ、φｒ、θｒ）に座標変換を行う座標変換手段（１１３）と、該座標変換手段（１１３）により座標変換されたロールレート（φｒ）及びピッチレート（θｒ）を積分することにより、ロール角（Φ）及びピッチ角（Θ）を算出する積分手段（１１４，１１５）と、前記積分手段により算出されるロール角（Φ）に基づいて、前記左右加速度センサの検出値（ｂ）からロール角成分を除去する左右加速度補正手段（１０７）と、前記積分手段により算出されたピッチ角（Θ）に基づいて、前記前後加速度センサの検出値（ａ）からピッチ角成分を除去する前後加速度補正手段（１０３）と、車両の前後速度（Ｕｃ，ＶＰ）を演算する前後速度演算手段とを備え、前記座標変換手段（１１３）は、前記積分手段（１１４，１１５）により算出された１サンプル周期前のロール角（Φ）及びピッチ角（Θ）に基づいて、前記座標変換を行い、さらに、前記上下加速度センサの検出値に基づいて全傾斜角（γ）を算出する全傾斜角算出手段と、車両停止時の前記前後加速度センサ及び前記左右加速度センサの検出値に基づいて算出したピッチ角及びロール角に基づいて静止全傾斜角（γ’）を算出する静止全傾斜角算出手段と、前記静止全傾斜角（γ’）を初期値として使用し、前記積分手段により算出されたピッチ角及びロール角から積分全傾斜角（Γ）を算出する積分全傾斜角算出手段と、前記全傾斜角（γ）と前記積分全傾斜角（Γ）との比較により、前記上下加速度センサ、前記ピッチレートセンサ、または前記ロールレートセンサの何れかが故障したと判定する第１監視部（１２１）と、前記左右加速度補正手段で補正された左右加速度（Ｂ）と、前記ヨーレートセンサの検出値に前後速度を乗じて算出される左右加速度（Ｒ）との比較により、前記左右加速度センサ、前記ロールレートセンサ、または前記ヨーレートセンサの何れかが故障したと判定する第２監視部（１２２，１２３ａ）と、前記車両の停止時において、前記全傾斜角（γ）と前記静止全傾斜角（γ’）との比較により、前記上下加速度センサ、前記前後加速度センサ、または前記左右加速度センサの何れかが故障したと判定する比較部（１２３）とを備えることを特徴とする車両用加速度及び角速度検出装置を提供する。
【００１０】
この構成によれば、積分手段により算出された１サンプル周期前のロール角及びピッチ角に基づいて、ロールレートセンサ、ピッチレートセンサ及びヨーレートセンサの検出値の、車体座標系から基準座標系への座標変換が行われ、より正確なロールレート、ピッチレート及びヨーレートが得られる。また積分手段により算出されたロール角に基づいて、左右加速度センサの検出値からロール角成分を除去する補正が行われ、さらに積分手段により算出されたピッチ角に基づいて、前後加速度センサの検出値からピッチ角成分を除去する補正が行われるので、車体の前後軸まわり及び左右軸まわりの傾きがあっても、正確な左右加速度及び前後加速度が得られる。また上下加速度センサの検出値に基づいて全傾斜角が算出され、車両停止時の前後加速度センサ及び左右加速度センサの検出値に基づいて算出したピッチ角及びロール角に基づいて静止全傾斜角が算出されるとともに、静止全傾斜角を初期値として使用して、積分手段により算出されたピッチ角及びロール角から積分全傾斜角が算出され、全傾斜角と積分全傾斜角との比較により、上下加速度センサ、ピッチレートセンサ、またはロールレートセンサの何れかが故障したと判定され、左右加速度補正手段で補正された左右加速度と、ヨーレートセンサの検出値に車両の前後速度を乗じて算出される左右加速度との比較により、左右加速度センサ、ロールレートセンサ、またはヨーレートセンサの何れかが故障したと判定され、車両の停止時において、全傾斜角と静止全傾斜角との比較により、上下加速度センサ、前後加速度センサ、または左右加速度センサの何れかが故障したと判定されるので、上下加速度センサ、前後加速度センサ、左右加速度センサ、ピッチレートセンサ、ロールレートセンサ、及びヨーレートセンサの動作が相互に監視され、故障を迅速に検出することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の車両用加速度及び角速度検出装置において、前記車両の複数の車輪の車輪速度をそれぞれ検出する複数の車輪速度センサ（２１〜２４）と、前記複数の車輪速度センサの故障を個別に判断する車輪速度センサ故障判断手段（１２３ａ）とを備え、前記前後速度演算手段は、前記複数の車輪速度センサにより検出された複数の車輪速度に基づいて前記前後速度（ＶＰ）を演算し、前記第２監視部（１２３ａ）は、前記車輪速度センサが故障と判断されていないことを条件として、前記前後速度演算手段により演算された前後速度（ＶＰ）を用いて前記故障の判定を実行することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、複数の車輪速度センサにより検出された複数の車輪速度に基づいて前後速度が演算されるとともに、複数の車輪速度センサの故障が個別に判断され、車輪速度センサが故障と判断されていないことを条件として複数の車輪速度に基づいて演算された前後速度を用いて、第２監視部による故障の判定が実行されるので、車輪速度センサの故障による誤判定を防止することができる。
【００２７】
なお、上記座標変換は、より具体的には、車体に固定された座標系から、車体に傾きがない状態に対応する基準座標系への変換である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる車両用加速度検出装置、及びその周辺装置の構成を示すブロック図である。本実施形態においては、加速度検出装置は、慣性測定ユニット（ＩＭＵ：Inertia Measurement Unit）１と、これとは別に車両の各車輪の速度を検出する第１〜第４車輪速度センサ２１〜２４によって構成される。慣性測定ユニット１は、図２に示すように、車両１０の重心位置付近に配置される。図２に示されるように、車体の前後方向に延びる軸をＸ軸とし、車体の左右方向に延びる軸をＹ軸とし、車体の上下方向に延びる軸をＺ軸とする。
【００２９】
慣性測定ユニット１は、車体の前後軸（Ｘ軸）方向の加速度を検出する前後加速度センサ１１と、車体の左右軸（Ｙ軸）方向の加速度を検出する左右加速度センサ１２と、車両の上下軸（Ｚ軸）方向の加速度を検出する上下加速度センサ１３と、前記左右軸まわりの角速度であるピッチレートθを検出するピッチレートセンサ１４と、前記前後軸まわりの角速度であるロールレートφを検出するロールレートセンサ１５と、前記上下軸まわりの角速度であるヨーレートωを検出するを検出するヨーレートセンサ１６と、演算部１７とを備えている。
【００３０】
第１及び第２車輪速度センサは、それぞれ右駆動輪速度ＶＤＲ及び左駆動輪速度ＶＤＬを検出し、第３及び第４車輪速度センサは、それぞれ右従動輪速度ＶＶＲ及び左従動輪速度ＶＶＬを検出する。
【００３１】
横滑り制御等で直接制御に用いるヨーレートωを検出するヨーレートセンサ１６は、中点電位（静止時）の安定性が重要な因子なので、従来から横滑り制御に用いられている様な比較的高価で±１ｄｅｇ／ｓｅｃ程度の安定性を確保できるセンサが採用されている。一方、車両の場合、ロールレートφ及びピッチレートθは、常時継続的に発生することが無いので、検出信号にハイパスフィルタを施して使用することできる。したがって、ピッチレートセンサ１４及びロールレートセンサ１５としては、中点電位の安定性がそれほど高くない、比較的安価な製品が採用されている。また加速度センサ１１，１２，及び１３は、９．８ｍｍ／ｓｅｃ2程度の分解能を有する車載用の一般的な低加速度センサが採用されている。このような構成とすることにより、ヨーレートセンサと加速度センサをそれぞれを２つずつ設ける構成より、コストを低減することができる。
【００３２】
慣性測定ユニット１は、ＬＡＮ（Local Area Network）２５を介して、各車輪速度センサ２１〜２４、ナビゲーションシステム３１、横滑り制御システム３２、アダプティブクルーズ制御システム３３、及び表示システム３５に接続されている。
ナビゲーションシステム３１は、人工衛星からの信号により得られる位置データと、上記加速度センサ及び角速度センサの出力を積分することにより、得られる位置データと、予め蓄積されている地図情報とに基づいて、当該車両の位置を地図情報とともに、表示システム３５に表示する。
【００３３】
横滑り制御システム３２は、車両のオーバステア状態、アンダーステア状態等の挙動を、操舵角や車速から定まる目標値と、ヨーレートや横加速度等の検出値との比較により判定し、その判定結果に基づいてオーバステアやアンダーステアを打ち消すように（検出値が目標値に近づくように）、旋回外側の車輪にブレーキをかけたり、旋回内側の車輪にブレーキをかけたりする制御を行う。
【００３４】
アダプティブクルーズ制御システム３３は、車間距離センサ（図示せず）を備え、オートクルーズの一定車速制御に加えて、車間距離が安全車間距離以下になると、シフトダウンや自動ブレーキ制御を行う。
表示システム３５は、液晶表示装置（図示せず）を含み、ナビゲーションシステム３１からの情報、及びその他の情報を液晶表示装置上に表示する。
【００３５】
演算部１７は、図３に示すように、上述したセンサの出力信号が入力され、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換素子５１，後述する各種演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）５２，演算プログラムなどを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）及び演算データを格納するＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ回路５３と、ＬＡＮ２５を介して他のシステムとの間でデータの伝送を行うインターフェース回路５４と、表示システム３５に信号を供給する表示出力回路５５と、車両走行中の検出データを記録するデータ記録装置５６とを備えている。
【００３６】
ＣＰＵ５２は、図１に示すセンサにより検出される検出データに基づいて、前後方向の加速度、前後方向の速度、左右方向の加速度、左右方向の速度、上下方向の加速度、上下方向の速度、及び車体の前後軸（Ｘ軸）まわりの傾斜角であるロール角Φ、車体の左右軸（Ｙ軸）まわりの傾斜角であるピッチ角Θ、及び車体の上下軸（Ｚ軸）まわりの回転角であるヨー角Ωを算出し、算出した各種データを、ＬＡＮ２５を介して他のシステムに供給する。
【００３７】
車両１０の車体に固定された車体座標系の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）で表し、車体の前後軸（Ｘ軸）まわりの傾斜角であるロール角Φ及び車体の左右軸（Ｙ軸）まわりの傾斜角であるピッチ角Θがともに「０」である状態、すなわち車体が傾斜していない状態に対応した基準座標系の座標を（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）で表すこととすると、車体座標系の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、下記式（１）〜（３）により、基準座標系の座標（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）に変換される。
ｘｒ＝ｘ・cosΘ −ｚ・sinΘ （１）
ｙｒ＝ｘ・sinΘ・sinΦ＋ｙ・cosΦ＋ｚ・cosΘ・sinΦ （２）
ｚｒ＝ｘ・sinΘ・cosΦ−ｙ・sinΦ＋ｚ・cosΘ・cosΦ （３）
【００３８】
各軸まわりの角速度も同様に座標変換できるので、車体座標系におけるロールレートφ、ピッチレートθ、及びヨーレートωは、下記式（４）〜（６）により、基準座標系におけるロールレートφｒ、ピッチレートθｒ、及びヨーレートωｒに変換される。
φｒ＝φ・cosΘ −ω・sinΘ （４）
θｒ＝φ・sinΘ・sinΦ＋θ・cosΦ＋ω・cosΘ・sinΦ （５）
ωｒ＝φ・sinΘ・cosΦ−θ・sinΦ＋ω・cosΘ・cosΦ （６）
【００３９】
式（４）〜（６）による座標変換では、回転の順序によって、実際の基準座標系の角速度と一致しない結果が得られる場合がある。回転角が小さい場合には、下記式（７）〜（９）が成り立つので、これらを式（５）及び（６）に適用することにより、下記式（５ａ）及び（６ａ）が得られる。
【００４０】
sinΘ・sinΦ≒０ （７）
sinΘ・cosΦ≒sinΘ （８）
cosΘ・sinΦ≒sinΦ （９）
θｒ＝ θ・cosΦ＋ω・sinΦ （５ａ）
ωｒ＝φ・sinΘ−θ・sinΦ＋ω・cosΘ・cosΦ （６ａ）
上記式（４）、（５ａ）及び（６ａ）による座標変換は、実際のデータとよく一致することが確認されている。サンプリング間隔はできるだけ短くすることが望ましいので、演算式はできるだけ簡単な方がよい。そのような点も考慮し、本実施形態では、近似式（５ａ）及び（６ａ）を用いた座標変換を行っている。
【００４１】
ロール角Φ及びピッチ角Θは、座標変換後のロールレートφｒ及びピッチレートθｒを積分することにより算出される。したがって、実際には、下記式（１０）〜（１２）に示すように、１サンプル周期前のロール角Φ(n-1)及びピッチ角Θ(n-1)を用いて、座標変換演算を行い、下記式（１３）〜（１５）により、積分演算（積算演算）を行う。
φｒ(n)＝φ(n)・cosΘ(n-1)−ω(n)・sinΘ(n-1) （１０）
θｒ(n)＝θ(n)・cosΦ(n-1)＋ω(n)・sinΦ(n-1) （１１）
ωｒ(n)＝φ(n)・sinΘ(n-1)−θ(n)・sinΦ(n-1)
＋ω(n)・cosΘ(n-1)・cosΦ(n-1) （１２）
Φ(n)＝Φ(n-1)＋Δｔ・φ(n) （１３）
Θ(n)＝Θ(n-1)＋Δｔ・Θ(n) （１４）
Ω(n)＝Ω(n-1)＋Δｔ・ω(n) （１５）
ここで、Δｔはサンプリング周期であり、例えば１０ミリ秒に設定される。またｎは、サンプリング周期Δｔで離散化されたサンプリング時刻である。
【００４２】
図４（ａ）は、走行中の車体の実際の全傾斜角（重力加速度の方向と、車体に固定したＺ軸とのなす角）と、積分全傾斜角Γと対比して示すタイムチャートである。積分傾斜角Γは、ロールレートセンサ１５及びピッチレートセンサ１４により検出されるロールレートφ及びピッチレートθをそのまま積分してロール角Φ及びピッチ角Θを算出し、これらのロール角Φ及びピッチ角Θを下記式（１６）に適用して算出される。
Γ＝ａｃｏｓ（ｃｏｓΘ×ｃｏｓΦ） （１６）
ここでａｃｏｓは、コサイン（ｃｏｓ）の逆関数である。
図４（ａ）の破線が実際の全傾斜角を示し、実線が積分全傾斜角Γを示す。この図から明らかなように、積分全傾斜角Γは、実際の全傾斜角から大きくずれることがある。
【００４３】
図４（ｂ）は、実際の全傾斜角と、上記座標変換演算により得られる変換ロールレートφｒ及び変換ピッチレートθｒを積分することにより算出されるロール角Φ及びピッチ角Θを式（１６）に適用して算出される積分全傾斜角Γとを対比して示すタイムチャートである。この図から、実際の全傾斜角（破線）と、積分全傾斜角（実線）とがよく一致していることが確認される。すなわち、上記座標変換を行うことにより、より正確なロール角Φ及びピッチ角Θが得られる。
【００４４】
図５は、ＣＰＵ１７による演算処理を説明するためのブロック図である。同図に示す機能ブロック１０１〜１２３の演算処理、及びこれらの演算処理に関連する処理がＣＰＵ１７で実行される。
前後加速度センサ１１、左右加速度センサ１２及び上下加速度センサ１３により、前後加速度ａ、左右加速度ｂ及び上下加速度ｃが検出される。また、ピッチレートセンサ１４、ロールレートセンサ１５、及びヨーレートセンサ１６により、ピッチレートθ、ロールレートφ、及びヨーレートωが検出される。
【００４５】
座標変換部１１３は、上述した座標変換演算を実行し、変換ピッチレートθｒ、変換ロールレートφｒ及び変換ヨーレートωｒを算出する。ピッチ角算出部１１４は、変換ピッチレートθｒを積分することにより、積分ピッチ角Θを算出する。ロール角算出部１１５は、変換ロールレートφｒを積分することにより、積分ロール角Φを算出する。ヨー角算出部１１５は、変換ヨーレートωｒを積分することにより、積分ヨー角Ωを算出する。
【００４６】
前後速度算出部１０１は、検出前後加速度ａを積分することにより、前後速度Ｕを算出する。ピッチ角算出部１０２は、下記式（２１）により、ピッチ角αを算出する。
α＝ａｓｉｎ（ａ／ｇ） （２１）
ここで、ａｓｉｎはサイン（ｓｉｎ）の逆関数であり、ｇは重力加速度である。
【００４７】
純前後加速度算出部１０３は、下記式（２２）に検出前後加速度ａ及び積分ピッチ角Θを適用し、純前後加速度Ａを算出する。式（２２）により、車両の左右軸（Ｙ軸）まわりの傾きに起因する前後加速度の検出誤差が補正される。
Ａ＝ａ−ｇ×ｓｉｎ（Θ） （２２）
純前後速度算出部１０４は、純前後加速度Ａを積分することにより、純前後速度Ｕｃを算出する。
【００４８】
左右速度算出部１０５は、検出左右加速度ｂを積分することにより、左右速度Ｖを算出する。ロール角算出部１０６は、下記式（２３）により、ロール角βを算出する。
β＝ａｓｉｎ（ｂ／ｇ） （２３）
純左右加速度算出部１０７は、下記式（２４）に検出左右加速度ｂび積分ロール角Φを適用し、純左右加速度Ｂを算出する。式（２４）により、車両の前後軸（Ｘ軸）まわりの傾きに起因する左右加速度の検出誤差が補正される。
Ｂ＝ｂ−ｇ×ｓｉｎ（Φ） （２４）
【００４９】
純左右速度算出部１０８は、純左右加速度Ｂを積分することにより、純左右速度Ｖｃを算出する。上下速度算出部１０９は、検出上下加速度ｃを積分することにより、上下速度Ｗを算出する。
【００５０】
全傾斜角算出部１１０は、下記式（２５）に検出上下加速度ｃを適用し、全傾斜角γを算出する。
γ＝ａｃｏｓ（ｃ／ｇ） （２５）
静止全傾斜角算出部１１２は、車両の停車時に検出されるピッチ角α及びロール角βを下記式（２６）に適用し、静止全傾斜角γ’を算出する。車両の停止状態は、例えば純前後速度Ｕｃが「０」であることにより検出される。
γ’＝ａｃｏｓ（ｃｏｓα×ｃｏｓβ） （２６）
【００５１】
積分全傾斜角算出部１１１は、下記式（１６ａ）に静止全傾斜角γ’、積分ピッチ角Θ及び積分ロール角Φを適用し、積分全傾斜角Γを算出する。
Γ＝γ’＋ａｃｏｓ（ｃｏｓΘ×ｃｏｓΦ） （１６ａ）
ここで、静止全傾斜角γ’を適用するのは初期値補正を行うためである。ピッチレートセンサ１４及びロールレートセンサ１５は、車両の停止時は出力が「０」であるため、車両停止時において路面が傾斜している場合には、積分全傾斜角Γは、正確な全傾斜角とならない。そこで、静止全傾斜角γ’を加算することにより、初期値補正が行われる。これにより、正確な積分全傾斜角を得ることができる。
【００５２】
監視部１２１は、全傾斜角γと積分全傾斜角Γとの比較を常時行い、両者の差（γ−Γ）の絶対値が所定閾値ＤＧＡＭＭＡ１を超えたとき、上下加速度センサ１３、ピッチレートセンサ１４またはロールレートセンサ１５のいずれかが故障したと判定する。
【００５３】
比較部１２３は、車両の停止時において、全傾斜角γと静止全傾斜角γ’との比較を行い、両者の差（γ−γ’）の絶対値が所定閾値ＤＧＡＭＭＡ２を超えたとき、上下加速度センサ１３、前後加速度センサ１１、または左右加速度センサ１２のいずれかが故障したと判定する。
【００５４】
左右加速度算出部１１７は、ヨーレートω及び純前後速度Ｕｃを下記式（２７）に適用し、左右加速度Ｒを算出する。
Ｒ＝ω×Ｕｃ （２７）
監視部１２２は、純左右加速度Ｂと左右加速度Ｒとの比較を常時行い、両者の差（Ｂ−Ｒ）の絶対値が所定閾値ＤＢＲを超えたとき、左右加速度センサ１２、前後加速度センサ１１、ロールレートセンサ１５、またはヨーレートセンサ１６のいずれかが故障したと判定する。
【００５５】
図６は、センサがすべて正常である場合における左右加速度Ｒと、純左右加速度Ｂとを対比して示すタイムチャートである。この図から明らかなように、センサが正常であれば、左右加速度Ｒと純左右加速度Ｂとの差（Ｂ−Ｒ）の絶対値が所定閾値ＤＢＲ以下となる。
【００５６】
なお、図７に示すように、純上下加速度算出部１３１及び純上下速度算出部１３２を設けるようにしてもよい。純上下加速度算出部１３１は、下記式（２８）に検出上下加速度ｃ、ピッチ角Θ及びロール角Φを適用し、純上下加速度Ｃを算出する。純上下速度算出部１３２は、純上下加速度Ｃを積分することにより、純上下速度Ｗｃを算出する。これにより、正確な上下加速度Ｃ及び上下速度Ｗｃを得ることができる。
Ｃ＝ｃ×ｃｏｓ（ａｃｏｓ（ｃｏｓΘ×ｃｏｓΦ）） （２８）
【００５７】
以上のように本実施形態では、座標変換部１１３を設け、車体に固定された車体座標系から車体に傾斜がない状態に対応する基準座標系への座標変換を行うようにしたので、ピッチレートセンサ出力、ロールレートセンサ出力及びヨーレートセンサ出力から、正確なピッチ角Θ、ロール角Φ及びヨー角Ωを得ることができる。
【００５８】
またピッチ角Θに応じて検出前後加速度ａを補正し、純前後加速度Ａを算出するようにしたので、正確な前後加速度を得ることができる。またロール角Φに応じて検出左右加速度ｂを補正し、純左右加速度Ｂを算出するようにしたので、正確な左右加速度を得ることができる。
【００５９】
また監視部１２１を設け、全傾斜角γと積分全傾斜角Γとを常時比較することにより、上下加速度センサ１３、ピッチレートセンサ１４またはロールレートセンサ１５の故障を判定するようにした。さらに監視部１２２を設け、純左右加速簿Ｂと左右加速度Ｒとを常時比較することにより、左右加速度センサ１２、前後加速度センサ１１、ロールレートセンサ１５、またはヨーレートセンサ１６の故障を判定するようにした。したがって、複数のセンサ出力に基づく相互監視により、故障を迅速に検出することができる。
【００６０】
（変形例）
図８は、上述した実施形態の変形例を示すブロック図である。この変形例は、車速演算部１４１が新たに設けられ、図５の左右加速度算出部１１７及び監視部１２３に代えて、左右加速度算出部１１７ａ及び監視部１２３ａが設けられている。
【００６１】
車速演算部１４１は、車輪速度センサ２１〜２４により検出される右駆動輪速度ＶＤＲ、左駆動輪速度ＶＤＬ、右従動輪速度ＶＶＲ、及び左従動輪速度ＶＶＬの平均値として、車速ＶＰを算出する。なお、車速演算部１４１は、右従動輪速度ＶＶＲ及び左従動輪速度ＶＶＬの平均値として、車速ＶＰを算出するようにしてもよい。
【００６２】
左右加速度算出部１１７ａは、下記式（２７ａ）に車速ＶＰ及びヨーレートωを適用して、左右加速度Ｒ’を算出する。
Ｒ’＝ω×ＶＰ （２７ａ）
監視部１２３ａは、純左右加速度Ｂと左右加速度Ｒ’との比較を常時行い、両者の差（Ｂ−Ｒ’）の絶対値が所定閾値ＤＢＲを超えたとき、左右加速度センサ１２、ロールレートセンサ１５、またはヨーレートセンサ１６のいずれかが故障したと判定する。
【００６３】
また監視部１２３ａは、車輪速度センサ２１〜２４のそれぞれの故障診断を行い、何れかの車輪速度センサの故障が検出されたときは、上記純左右加速度Ｂと左右加速度Ｒ’との比較による故障判定を実行しないようにする。車輪速度センサの出力がないとき、または車輪速度センサ出力の変化量の絶対値、例えば右従動輪速度ＶＶＲの今回値ＶＶＲ(n)と前回値ＶＶＲ(n-1)との差（ＶＶＲ(n)−ＶＶＲ(n-1)）の絶対値が、判定閾値ＤＶを超えたとき、車輪速度センサは故障していると判定される。判定閾値ＤＶは、通常ではあり得ないような加速度（減速度）に対応した値に設定される。
【００６７】
上述した実施形態では、演算部１７が、座標変換手段、積分手段、左右加速度補正手段、前後加速度補正手段、上下加速度補正手段、及び車輪速度センサ故障判断手段を構成する。
【００６８】
より具体的には、図５の座標変換部１１３が座標変換手段に相当し、ピッチ角算出部１１４及びロール角算出部１１５が積分手段に相当し、純左右加速度算出部１０７が左右加速度補正手段に相当し、純前後加速度算出部１０３が前後加速度補正手段に相当する。
【００６９】
また、図７の純上下加速度算出部１３１が上下加速度補正手段に相当し、図８の車速算出部１４１が前後速度演算手段に相当する。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１に記載の発明によれば、積分手段により算出された１サンプル周期前のロール角及びピッチ角に基づいて、ロールレートセンサ、ピッチレートセンサ及びヨーレートセンサの検出値の、車体座標系から基準座標系への座標変換が行われ、より正確なロールレート、ピッチレート及びヨーレートが得られる。また積分手段により算出されたロール角に基づいて、左右加速度センサの検出値からロール角成分を除去する補正が行われ、さらに積分手段により算出されたピッチ角に基づいて、前後加速度センサの検出値からピッチ角成分を除去する補正が行われるので、車体の前後軸まわり及び左右軸まわりの傾きがあっても、正確な左右加速度及び前後加速度が得られる。また上下加速度センサの検出値に基づいて全傾斜角が算出され、車両停止時の前後加速度センサ及び左右加速度センサの検出値に基づいて算出したピッチ角及びロール角に基づいて静止全傾斜角が算出されるとともに、静止全傾斜角を初期値として使用して、積分手段により算出されたピッチ角及びロール角から積分全傾斜角が算出され、全傾斜角と積分全傾斜角との比較により、上下加速度センサ、ピッチレートセンサ、またはロールレートセンサの何れかが故障したと判定され、左右加速度補正手段で補正された左右加速度と、ヨーレートセンサの検出値に車両の前後速度を乗じて算出される左右加速度との比較により、左右加速度センサ、ロールレートセンサ、またはヨーレートセンサの何れかが故障したと判定され、車両の停止時において、全傾斜角と静止全傾斜角との比較により、上下加速度センサ、前後加速度センサ、または左右加速度センサの何れかが故障したと判定されるので、上下加速度センサ、前後加速度センサ、左右加速度センサ、ピッチレートセンサ、ロールレートセンサ、及びヨーレートセンサの動作が相互に監視され、故障を迅速に検出することができる。
【００７１】
請求項２に記載の発明によれば、複数の車輪速度センサにより検出された複数の車輪速度に基づいて前後速度が演算されるとともに、複数の車輪速度センサの故障が個別に判断され、車輪速度センサが故障と判断されていないことを条件として複数の車輪速度に基づいて演算された前後速度を用いて、第２監視部による故障の判定が実行されるので、車輪速度センサの故障による誤判定を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態にかかる車両用加速度検出装置、及びその周辺装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 車体に固定された座標軸を説明するための図である。
【図３】 演算部（１７）の構成を示すブロック図である。
【図４】 積分演算により算出される全傾斜角及び実際の全傾斜角の推移を示すタイムチャートである。
【図５】 演算部（１７）で実行される演算処理を説明するための機能ブロック図である。
【図６】 左右加速度の推移を示すタイムチャートである。
【図７】 図５のブロック図に示されていない他の演算処理を説明するための機能ブロック図である。
【図８】 図５に示した実施例の変形例を説明するための機能ブロック図である。
【符号の説明】
１ 慣性測定ユニット
１１ 前後加速度センサ
１２ 左右加速度センサ
１３ 上下加速度センサ
１４ ピッチレートセンサ
１５ ロールレートセンサ
１６ ヨーレートセンサ
１７ 演算部（座標変換手段、積分手段、左右加速度補正手段、前後加速度補正手段、上下加速度補正手段、前後速度演算手段、車輪速度センサ故障判断手段）
２１ 第１車輪速度センサ
２２ 第２車輪速度センサ
２３ 第３車輪速度センサ
２４ 第４車輪速度センサ
１２１ 監視部
１２２ 監視部
１２３ 比較部
１２３ａ 監視部
Claims (2)
- 車体の前後軸方向の加速度を検出する前後加速度センサと、
車体の左右軸方向の加速度を検出する左右加速度センサと、
車体の上下軸方向の加速度を検出する上下加速度センサと、
前記前後軸まわりの角速度を検出するロールレートセンサと、
前記左右軸まわりの角速度を検出するピッチレートセンサと、
前記上下軸まわりの角速度を検出するヨーレートセンサと、
前記ロールレートセンサ、ピッチレートセンサ及びヨーレートセンサの、車体に固定された車体座標系における検出値を車体が傾斜していない状態に対応した基準座標系における検出値に座標変換を行う座標変換手段と、
該座標変換手段により座標変換されたロールレート及びピッチレートを積分することにより、ロール角及びピッチ角を算出する積分手段と、
前記積分手段により算出されるロール角に基づいて、前記左右加速度センサの検出値からロール角成分を除去する左右加速度補正手段と、
前記積分手段により算出されたピッチ角に基づいて、前記前後加速度センサの検出値からピッチ角成分を除去する前後加速度補正手段と、
車両の前後速度を演算する前後速度演算手段と
を備え、
前記座標変換手段は、前記積分手段により算出された１サンプル周期前のロール角及びピッチ角に基づいて、前記座標変換を行い、
さらに、
前記上下加速度センサの検出値に基づいて全傾斜角を算出する全傾斜角算出手段と、
車両停止時の前記前後加速度センサ及び前記左右加速度センサの検出値に基づいて算出したピッチ角及びロール角に基づいて静止全傾斜角を算出する静止全傾斜角算出手段と、
前記静止全傾斜角を初期値として使用し、前記積分手段により算出されたピッチ角及びロール角から積分全傾斜角を算出する積分全傾斜角算出手段と、
前記全傾斜角と前記積分全傾斜角との比較により、前記上下加速度センサ、前記ピッチレートセンサ、または前記ロールレートセンサの何れかが故障したと判定する第１監視部と、
前記左右加速度補正手段で補正された左右加速度と、前記ヨーレートセンサの検出値に前記前後速度を乗じて算出される左右加速度との比較により、前記左右加速度センサ、前記ロールレートセンサ、または前記ヨーレートセンサの何れかが故障したと判定する第２監視部と、
前記車両の停止時において、前記全傾斜角と、前記静止全傾斜角との比較により、前記上下加速度センサ、前記前後加速度センサ、または前記左右加速度センサの何れかが故障したと判定する比較部と
を備えることを特徴とする車両用加速度及び角速度検出装置。 - 前記車両の複数の車輪の車輪速度をそれぞれ検出する複数の車輪速度センサと、
前記複数の車輪速度センサの故障を個別に判断する車輪速度センサ故障判断手段とを備え、
前記前後速度演算手段は、前記複数の車輪速度センサにより検出された複数の車輪速度に基づいて前記前後速度を演算し、
前記第２監視部は、前記車輪速度センサが故障と判断されていないことを条件として、前記前後速度演算手段により演算された前後速度を用いて前記故障の判定を実行する
ことを特徴とする請求項１に記載の車両用加速度及び角速度検出装置。
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