JP4541839B2

JP4541839B2 - 路面の傾斜判定システム

Info

Publication number: JP4541839B2
Application number: JP2004322280A
Authority: JP
Inventors: 隆徳松永; マーカス・ヒーマー; ヨルグ・バルオ
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-11-05
Also published as: JP2006133076A; US20060100767A1; US7680578B2

Description

この発明は、一般的な車両運動システムおよびナビゲーションシステムに関連した路面の傾斜判定システムに関し、特にパラメータ観測のためのモデル・ベースシステムを用いた新規な技術に関するものである。

たとえば、近年のナビゲーションシステムにおいては、大都市によく見られるような、互いに階層的に重なった道路を見分けることが重要であり、平面上の位置情報に加えて、路面の傾斜に関連した信頼性の高い情報が要求されている。また、この場合、ある階層の道路から他階層の道路への車両の推移を検出することが必要となる。
従来より、路面の傾斜判定システムとしては、種々提案されている。（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開平６−２４９６５５号公報特開平１１−３５１８６４号公報

従来のナビゲーションシステムなどに適用される路面の傾斜判定システムでは、道路の各エリアに対して十分に正確な位置情報を提供することができないので、正確に傾斜判定を実行することができないという課題があった。

この発明は、車両モデルに慣性センサを組合せて必要な情報を得ることにより、線形状態空間オブザーバを提供して十分に実用的な路面の傾斜判定システムを得ることを目的とする。

この発明による路面の傾斜判定システムは、線形化手段と、加算ユニットと、状態空間モデル兼オブザーバ手段と、を備え、車両が走行する路面の傾斜を判定するシステムであって、加算ユニットは、車両の各車輪に作用する前後方向の車輪作用力を加算して総和車輪作用力を算出し、線形化手段は、非線形近似式を用いて車両の速度から空気抵抗力を算出する空気抵抗算出部と、非線形近似式を用いて車両の速度から転がり抵抗力を算出する転がり抵抗算出部と、総和車輪作用力から空気抵抗力および転がり抵抗力を減算して線形化した総和力を算出する減算ユニットと、を備え、状態空間モデル兼オブザーバ手段は、総和力に対して線形制御理論の手法を適用するための状態空間モデルと、状態空間モデルを用いて総和力から算出された車両のモデル化された速度と、実際に測定された車両の速度との速度差に基づいて、路面の傾斜を観測するオブザーバユニットと、を備えたものである。

この発明によれば、線形化された総和力信号に基づいて、線形状態空間オブザーバを有する線形モデルを用いてモデル化した車速を求め、実測された車速との速度差に基づいて路面の傾斜情報を高精度に算出することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る路面の傾斜判定システム１０を示すブロック図である。
図１において、路面の傾斜判定システム１０は、線形化手段２０と、加算ユニット４５と、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０と、を備えている。

路面の傾斜判定システム１０は、車速ｖＣｏＧを示す車速信号１と、センサ（図示せず）から得られる複数の車輪作用力信号２（前後方向の車輪作用力ＦＬｉｊを示す）とを入力情報として、路面の傾斜χＲｏａｄを示す傾斜情報１１を生成する。

車輪作用力ＦＬｉｊにおいて、添え字ｉｊは個々の車輪を表し、「ｉ」は前後（Ｆ、Ｒ）輪に対応し、「ｊ」は左右（Ｌ、Ｒ）輪に対応する。
つまり、「ｉ、ｊ」が「Ｆ、Ｌ」であれば「左前輪」、「Ｆ、Ｒ」であれば「右前輪」、「Ｒ、Ｌ」であれば「左後輪」、「Ｒ、Ｒ」であれば「右後輪」、をそれぞれ表すことになる。

車速信号１は、空気抵抗算出部３０、転がり抵抗算出部４０および状態空間モデル兼オブザーバ手段５０に入力され、車輪作用力信号２は、加算ユニット４５に入力される。
加算ユニット４５は、個々の車輪作用力ＦＬｉｊの総和をとって、総和車輪作用力信号４６を生成する。

線形化手段２０は、車速ｖＣｏＧに基づいて空気抵抗力ＦＷを算出する空気抵抗算出部３０と、車速ｖＣｏＧに基づいて転がり抵抗力ＦＲを算出する転がり抵抗算出部４０と、総和車輪作用力ΣＦＬｉｊから空気抵抗力ＦＷおよび転がり抵抗力ＦＲを減算して線形化した総和力ＦＳｕｍを算出する減算ユニット４２、４３と、を備えている。

線形化手段２０において、空気抵抗算出部３０は、空気抵抗力ＦＷを示す空気抵抗力信号３１を生成し、転がり抵抗算出部４０は、転がり抵抗力ＦＲを示す転がり抵抗力信号４１を生成する。
減算ユニット４２は、総和車輪作用力ΣＦＬｉｊから転がり抵抗力ＦＲを減算する。
減算ユニット４３は、減算ユニット４２の出力値から、さらに空気抵抗力ＦＷを減算する。

すなわち、線形化手段２０は、加算ユニット４５からの総和車輪作用力信号４６に対して、空気抵抗力信号３１および転がり抵抗力信号４１による減算処理を実行し、線形化した総和力ＦＳｕｍ（＝ΣＦＬｉｊ−ＦＲ−ＦＷ）を示す総和力信号２１を生成する。
総和力信号２１は、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０に入力される。

状態空間モデル兼オブザーバ手段５０は、状態空間モデル６０と、オブザーバユニット７０とを備えている。
オブザーバユニット７０は、車速（ｖＣｏＧ）信号１および総和力（ＦＳｕｍ）信号２１を入力情報として、状態空間モデル６０を用いて路面の傾斜χＲｏａｄを算出し、傾斜情報１１を生成する。

すなわち、オブザーバユニット７０は、路面の傾斜χＲｏａｄを得るために、線形の状態空間モデル６０と関連して、線形状態空間オブザーバを構成している。
状態空間モデル兼オブザーバ手段５０から生成される傾斜情報１１は、たとえば、ある階層の道路から他階層の道路への車両の推移を検出するために用いられる。

状態空間モデル兼オブザーバ手段５０は、状態空間モデル６０に基づいて、地上を走る車両に作用する前後方向の力のつりあいや、モデル車速を求めるとともに、路面の傾斜χＲｏａｄを算出する。

このとき、線形状態空間オブザーバを構成する線形の状態空間モデル６０が用いられるので、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０への入力信号を線形化する必要がある。したがって、車速ｖＣｏＧに対して非線形性を示す空気抵抗力ＦＷや転がり抵抗力ＦＲは、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０の上流側の線形化手段２０において、総和車輪作用力ΣＦＬｉｊから減算される。

これにより、線形化手段２０から生成される総和力信号２１は、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０に対する線形の入力信号となり、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０において、線形制御理論に基づく状態空間オブザーバの設計に寄与することが可能となる。

状態空間モデル兼オブザーバ手段５０内において、状態空間モデル６０でモデル化された車速は、実際に測定された車速ｖＣｏＧと比較される。
オブザーバユニット７０は、測定された車速ｖＣｏＧとモデル化された車速との偏差に基づいて、路面の傾斜χＲｏａｄを推定演算する。
このように、路面の傾斜χＲｏａｄを示す傾斜情報（路面状況についての変数情報）を提供することは、たとえば、最新のナビゲーションシステムの精度向上に寄与することになる。

なお、路面の傾斜判定システム１０に入力される車速データおよび各車輪作用力データは、公知の車載ネットワーク（センサなど）から取得可能である。
状態空間モデル兼オブザーバ手段５０は、入力信号（車速ｖＣｏＧおよび総和力ＦＳｕｍ）を、状態空間モデル６０および状態空間オブザーバ７０における測定信号として、制御工学の熟練者にとって周知のオブザーバ手法を用いて路面の傾斜χＲｏａｄを観測し、傾斜情報１１として出力する。

ここで、具体的な数式を参照しながら、車速ｖＣｏＧおよび車輪作用力ＦＬｉｊに基づく路面の傾斜判定システム１０の処理について説明する。
線形化手段２０内の空気抵抗算出部３０は、非線形近似式からなる以下の式（１）を用いて、車速ｖＣｏＧに対応した空気抵抗力ＦＷを算出する。

ただし、式（１）において、ｃＸは空気摩擦係数（定数）であり、Ａは車両の前面投影面積、ρは空気密度である。
式（１）は車速ｖＣｏＧに対する空気抵抗力ＦＷを表す公知の２次式であり、式（１）のように算出された空気抵抗力ＦＷは、空気抵抗力信号３１として減算ユニット４３に入力される。

また、転がり抵抗算出部４０は、非線形近似式からなる以下の式（２）を用いて、車速ｖＣｏＧに対応した転がり抵抗力ＦＲを算出する。

ただし、式（２）において、各係数「ｆＲ，０」、「ｆＲ，１」、「ｆＲ，４」は、関係する車輪に依存した定数パラメータである。
一方、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０においては、前述のように、車両に作用する前後方向の力のつりあいについての処理が実行される。

このため、加算ユニット４５は、複数の車輪作用力信号２から、個々の車輪に作用する力の総和を算出して、総和車輪作用力信号４６を生成する。
また、減算ユニット４２、４３は、総和車輪作用力（ΣＦＬｉｊ）信号４６から、転がり抵抗力（ＦＲ）信号４１を減算するとともに、空気抵抗力（ＦＷ）信号３１を減算する。

総和車輪作用力ΣＦＬｉｊから空気抵抗力ＦＷおよび転がり抵抗力ＦＲを減算することは、前述のように、車速ｖＣｏＧに対する非線形性を除去することを意味する。
したがって、線形化手段２０から状態空間モデル兼オブザーバ手段５０に入力される総和力（ＦＳｕｍ）信号２１は、線形となり、以下の式（３）のように表される。

図２は、上り坂を走行する車両に作用する前後方向の力を表す説明図である。
図２において、ＦＨは車両にかかる下り方向の作用力、ＦＡ（＝ｍａ）は車両にかかる上り方向の作用力である。
傾斜χＲｏａｄの路面を上り方向に走行する車両は、総和力ＦＳｕｍから下り方向の作用力を減算した作用力ＦＡにより、上り方向に走行する。
このとき、各作用力ｍａ、ＦＳｕｍ、ＦＨのつりあい関係は、以下の式（４）で表される。

ここで、路面の傾斜χＲｏａｄがそれほど急な角度でないものと仮定すれば、式（４）は、以下の近似式（５）のように線形化される。

式（５）は、前後方向の力のつりあいに関する状態空間モデル６０の基本式であり、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０において演算される。

次に、図３を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る状態空間モデル兼オブザーバ手段５０について、さらに詳細に説明する。
図３は状態空間モデル兼オブザーバ手段５０の機能構成を示すブロック図である。

図３において、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０は、総和力（ＦＳｕｍ）信号２１に内部フィードバック係数（後述する）を加算する加算器５１と、加算器５１の出力信号を積分して速度信号（モデル車速）および傾斜信号（モデル傾斜）を生成する積分器５２と、積分器５２の出力信号に所定の係数を乗算する係数ブロックＣ５３と、車速（ｖＣｏＧ）信号１からモデル車速信号を減算して車速差信号を生成する比較器５４と、積分器５２の出力信号に所定の係数Ａを乗算する係数ブロックＡ５５と、比較器５４からの車速差信号に基づいて選択されたオブザーバ行列Ｌを生成する係数ブロックＬ５６と、を備えている。

加算器５１には、総和力（ＦＳｕｍ）信号２１のみならず、各ブロック５５、５６から出力される係数（オブザーバ行列Ｌを含む）が入力され、総和力ＦＳｕｍおよび内部フィードバック係数に基づいて、積分器５２により、モデル化された車速信号および傾斜信号が推定（観測）演算される。

ここで、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０を構成する状態空間モデル６０およびオブザーバユニット７０について説明する。
オブザーバユニット７０とは、実際には測定が困難な情報を「モデル演算」によって推定する「観測器」のことである。
また、「モデル」とは、現実の「車両」をコンピュータ上で再現して演算可能にするために、各種係数や変数（状態を示す）を用いた「状態方程式」で表した数式であり、状態空間モデル６０は、「車両モデル」を広い意味で称したものである。

図３において、車速（ｖＣｏＧ）信号１は、実際の車載センサによって測定された車速値であり、各演算ブロック５１〜５６を介して出力されたモデル車速は、車両モデル演算によって得られる。

状態空間モデル兼オブザーバ手段５０は、実際の車速ｖＣｏＧとモデル車速とを比較器５４によって比較し、係数ブロックＬ５６は、速度差が「０」になるようにオブザーバ行列Ｌ（係数）を変化させることによって、車両モデルを実際の車両に近づけるようになっている。

このとき、状態空間モデル６０（車両モデル）内では、モデル車速のみでなく、モデル路面傾斜も「状態を表す変数」として演算される。
したがって、オブザーバユニット７０で実行される処理によれば、「車両モデルから生成されるモデル車速が実際に観測される車速ｖＣｏＧと同一値」になれば、「車両モデル内で演算されているモデル路面傾斜も、実際の傾斜値と同一のはず」という考え方で、実際にはセンサが存在しない傾斜値を観測（推定）することができる。

すなわち、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０は、モデル車速を演算するという意味では状態空間モデル６０（車両モデル）であり、モデル車速自身を係数ブロックＬ５６によって補正し、モデル演算中のモデル路面傾斜を推定値として出力するという意味では、オブザーバユニット７０でもあることになる。

係数ブロックＬ５６は、比較器５４で算出された速度差が「０」になるようにオブザーバ行列Ｌを選択し、積分器５２は、加算器５１の出力信号を積分してモデル化されたモデル車速およびモデル傾斜を求める。
そして、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０は、速度差が十分に小さい（たとえば、ほぼ「０」を示す）ときに、積分器５２から出力されるモデル傾斜を最終的な路面の傾斜χＲｏａｄとして出力するようになっている。

比較器５４は、測定された車速ｖＣｏＧと、状態空間モデル６０でモデル化された車速とを比較して両者の速度差を算出し、係数ブロックＬ５６に入力する。
以下、係数ブロックＬ５６を介してオブザーバ行列Ｌをフィードバックすることにより、速度差に基づいて、路面の傾斜χＲｏａｄが推定演算される。
状態空間モデル兼オブザーバ手段５０内において、上記基本式（５）は、以下の式（６）、（７）のように、状態空間モデル６０に変換することができる。

なお、状態空間理論の詳細については、制御工学の熟達者によく知られているので、ここでは説明を省略する。
状態空間モデル６０は、路面の傾斜χＲｏａｄを推定するオブザーバユニット７０において実行される状態空間オブザーバの設計に用いられる。

係数ブロックＬ５６は、状態空間モデル６０によって算出されたモデル車速ｖ＾ＣｏＧと実際に測定された車速ｖＣｏＧとの車速差（＝ｖ＾ＣｏＧ−ｖＣｏＧ）に基づいて、オブザーバ行列Ｌを適切に選択する。
オブザーバ行列Ｌの要素の適切な選択により、積分器５２からは、傾斜（χＲｏａｄ）情報１１が出力される。

次に、図４のフローチャートを参照しながら、路面の傾斜判定システム１０により実行される演算処理について説明する。
図４の処理ルーチンはサンプリングステップごとに実行され、各処理ステップＳ１〜Ｓ６の基本的なアルゴリズムは、１つ以上のマイクロプロセッサ（図示せず）において実行される。

図４において、まず、各種センサ（車速センサ、加速度センサなど）から車速ｖＣｏＧおよび車輪作用力ＦＬｉｊをデータとして読み込み（ステップＳ１）、加算ユニット４５により、前後方向の車輪作用力の総和をとる（ステップＳ２）。

次に、線形化手段２０において、以下の処理ステップＳ３〜Ｓ５を実行する。
すなわち、空気抵抗算出部３０により、前述の近似式（１）を用いて、空気抵抗力ＦＷを算出し（ステップＳ３）、同様に、転がり抵抗算出部４０により、近似式（２）を用いて、転がり抵抗力ＦＲを算出する（ステップＳ４）。

続いて、減算ユニット４２、４３により、前述の式（３）を用いて、前後方向の総和車輪作用力ΣＦＬｉｊから上記２つの力ＦＷ、ＦＲを減算し、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０への入力信号２１を線形化する（ステップＳ５）。

最後に、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０において、前述の式（６）、（７）で表される状態空間モデルを実行し、状態空間モデル６０に基づいて設計された線形オブザーバ（オブザーバユニット７０）により、演算ステップ毎に、路面の傾斜を算出し（ステップＳ６）、図４の処理ルーチンを終了してリターンする。

このように、この発明による路面の傾斜判定システム１０は、線形化手段２０と、加算ユニット４５と、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０と、を備えている。
状態空間モデル兼オブザーバ手段５０は、線形オブザーバ（状態空間モデル６０およびオブザーバユニット７０）により、車速（ｖＣｏＧ）信号１と線形化手段２０からの総和力（Ｆｓｕｍ）信号２１とを用いて、路面の傾斜（または、別の上り面や下り面）を観測し、路面の傾斜χＲｏａｄを示す情報１１を生成する。

加算ユニット４５は、慣性センサからの検出信号（各車輪の前後方向に作用する車輪作用力ＦＬｉｊ）を加算し、総和車輪作用力ΣＦＬｉｊを算出して線形化手段２０に入力する。
線形化手段２０は、空気抵抗算出部３０と、抵抗算出部４０と、減算ユニット４２、４３とを含み、空気抵抗算出部３０および抵抗算出部４０は、非線形近似式（１）、（２）を用いて、車速ｖＣｏＧから空気抵抗力ＦＷおよび転がり抵抗力ＦＲの近似値を算出し、減算ユニット４２、４３は、総和車輪作用力ΣＦＬｉｊから空気抵抗力ＦＷおよび転がり抵抗力ＦＲを減算して総和力ＦＳｕｍを算出する。
これにより、状態空間モデル６０への入力信号２１を線形化して、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０において線形制御理論の手法を適用できるようにする。

状態空間モデル兼オブザーバ手段５０においては、状態空間モデル６０に基づいて、地上を走る車両に作用する前後の力ＦＬｉｊのつりあいや、車速ｖＣｏＧ、路面の傾斜χＲｏａｄが算出される。
すなわち、測定された車速ｖＣｏＧと状態空間モデルでモデル化された車速と比較し、両者の速度差に基づいて路面の傾斜を推定する。

このとき、上述したように、線形状態空間オブザーバを有する線形モデルを利用するため、線形化手段２０においては、車輪作用力ＦＬｉｊから空気抵抗力ＦＷおよび転がり抵抗力ＦＲ（車速ｖＣｏＧに対して非線形性を示す）を減算し、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０への入力信号２１を線形化する。これにより、線形のシステム入力２１が得られ、線形制御理論の方法による状態空間オブザーバを設計することができる。

すなわち、車速ｖＣｏＧおよびセンサの検出信号（車輪作用力ＦＬｉｊ）から必要な線形化情報（総和力ＦＳｕｍ）を取得し、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０内の状態空間モデル６０（車両モデル）およびオブザーバユニット７０において、線形状態空間オブザーバを形成することにより、路面の傾斜χＲｏａｄを高い信頼性で判定することができる。

また路面の傾斜χＲｏａｄを正確に検出することは、路面状況についての変数情報を正確に提供することになり、たとえば最新のナビゲーションシステムの精度を向上させることができる。
たとえば、判定された傾斜情報１１を使用することにより、ＧＰＳを搭載した車両に関して、他階層の道路への推移を正確に検出することができる。
さらに、図３に示すように、状態空間モデル兼オブザーバ手段５０は、適切なオブザーバ行列Ｌを備えており、路面の傾斜（または、別の上り面や下り面）を適切に判定することができる。

この発明の実施の形態１に係る路面の傾斜判定システムを示すブロック図である。この発明の実施の形態１が適用される傾斜路面上の車両に作用する力を示す説明図であり、上り坂を走行する際の車両に前後に作用する力のつりあいを示している。図１内の状態空間モデル兼オブザーバ手段の機能構成例を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係る路面の傾斜判定システムにより実行される演算処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１車速信号、２車輪作用力信号、１０路面の傾斜判定システム、１１傾斜情報、２０線形化手段、２１総和力信号、３０空気抵抗算出部、３１空気抵抗力信号、４０転がり抵抗算出部、４１転がり抵抗力信号、４２、４３減算ユニット、４５加算ユニット、４６総和車輪作用力信号、５０状態空間モデル兼オブザーバ手段、５１加算器、５２積分器、５４比較器、５６係数ブロックＬ、６０状態空間モデル、７０オブザーバユニット、ＦＬｉｊ車輪作用力、ΣＦＬｉｊ総和車輪作用力、ＦＷ空気抵抗力、ＦＲ転がり抵抗力、ＦＳｕｍ総和力、Ｌオブザーバ行列、ｖＣｏＧ車速、χＲｏａｄ傾斜。

Claims

線形化手段と、加算ユニットと、状態空間モデル兼オブザーバ手段と、を備え、車両が走行する路面の傾斜を判定するシステムであって、
前記加算ユニットは、前記車両の各車輪に作用する前後方向の車輪作用力を加算して総和車輪作用力を算出し、
前記線形化手段は、
非線形近似式を用いて前記車両の速度から空気抵抗力を算出する空気抵抗算出部と、
非線形近似式を用いて前記車両の速度から転がり抵抗力を算出する転がり抵抗算出部と、
前記総和車輪作用力から前記空気抵抗力および前記転がり抵抗力を減算して線形化した総和力を算出する減算ユニットと、を備え、
前記状態空間モデル兼オブザーバ手段は、
前記総和力に対して線形制御理論の手法を適用するための状態空間モデルと、
前記状態空間モデルを用いて前記総和力から算出された前記車両のモデル化された速度と、実際に測定された前記車両の速度との速度差に基づいて、前記路面の傾斜を観測するオブザーバユニットと、
を備えたことを特徴とする路面の傾斜判定システム。
前記オブザーバユニットは、
前記速度差を算出する比較器と、
前記速度差が０になるようにオブザーバ行列を選択する係数ブロックと、
前記車両の速度ｖＣｏＧ、前記路面の傾斜χＲｏａｄ、前記車両の重量ｍ、および重力加速度ｇをパラメータとして用い、前記総和力Ｆｓｕｍを係数ブロックＢを介して変換した以下の式

中のＢ＊ｕに対応する値と、前記オブザーバ行列Ａ＊ｘとを加算する加算器と、
前記加算器の出力信号を積分して前記モデル化された速度値および傾斜値を求める積分器と、を備え、
前記速度差が十分に小さいときに、前記積分器から出力される傾斜値を前記路面の傾斜として出力することを特徴とする請求項１に記載の路面の傾斜判定システム。