JP4830550B2 - 車両の運動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、運転者が操作する操作部材の操作量に基づいて、車両を制御する運動制御装置に関する。

特許文献１には、アクセルペダルの踏み込み速度が大きいときには、小さいときに比べて、車両の前後加速度の変化量が大きくなるように、内燃機関の出力トルクを制御する内燃機関の出力トルク制御装置が記載されている。
特開２００５−１５５４１２号公報

ところで、上記従来の制御装置は、実質的にアクセル操作量に目標加速度或いは目標トルクを割り当てるシステムであった。
従って、アクセル操作速度と目標躍度或いは目標トルク変化との関係は、アクセル操作量と目標加速度との関係の時間微分値として略一対一の関係となる。
ここで、例えば、ガソリンエンジンの場合は、アクセル操作量に対する加速度が、車両速度やギヤ比や吸気の輸送遅れなどの運転条件によって変化するために、結果的に、アクセル操作速度と目標躍度との関係が不安定になっていた。

このため、運転者は所望の加速を行うためには、車両の特性を理解して複雑なアクセルワークをしなければならず、一般の運転者にとってはもちろん、熟練者であっても思い通りの加速を実現させることは難しいという問題があった。
また、アクセル操作量と目標加速度との関係と、アクセル操作速度と目標躍度との関係は、微分・積分の関係にあるため、どちらか一方の特性を決めると他方の特性も決まってしまう。

このため、アクセル操作量に基づいて目標加速度を決定する場合、アクセル操作量の変化に対する加速度の傾きを大きくすると、力強く加速するように感じるようになるが、躍度が大きくなり過ぎて不快になってしまう場合があり、逆に、アクセル操作量の変化に対する加速度の傾きを小さくすると、車両の動きが滑らかになるものの、ある程度アクセル操作速度を速くしないと加速を感じなくなってしまう場合があった。

このように、アクセル操作量に目標加速度を割り当てる従来のシステムでは、力強さと滑らかさとをバランスさせることが困難で、どちらか一方を優先させた設定になったり、どっちつかずの中途半端な設定になってしまったり、或いは、特定条件だけで適度なバランスを保つことができる設定になってしまうという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、運転者が所望の加速を容易に実現させることができる扱い易い操作性を実現できる車両の運動制御装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明に係る車両の運動制御装置は、運転者が車両の運動を制御すべく操作する操作部材の操作量を検出し、前記操作量の変化速度を演算する一方、前記操作量の変化速度と目標躍度との相関を予め記憶し、前記相関に基づいて前記操作量の変化速度に対して車両速度とギヤ比と吸気の輸送遅れによって変化しない目標躍度を演算し、車両の実躍度が目標躍度となるように駆動源の出力を制御することを特徴とする。

上記構成によると、運転者による操作量（例えばアクセル操作量）の変化速度と目標躍度との関係が予め設定されているので、操作量の変化速度（例えばアクセル操作速度）に対して一定の目標躍度が設定されることになり、目標躍度に従って車両の運動が制御されれば、運転条件によらずに加速フィーリングが安定し、運転者が扱い易い操作特性にすることができる。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る車両の運動制御装置が適用される車両用内燃機関のシステム図である。
図１に示す内燃機関１は、図示省略した自動車に搭載され、前記内燃機関１のクランク軸から取り出される機関発生トルクが、変速機を介して駆動輪に伝達されるようになっている。

前記内燃機関１は、多気筒からなる４サイクルガソリンエンジンであり、各気筒には、エアクリーナ２を通過した空気が、吸気ダクト３，吸気コレクタ４，吸気マニホールド５，吸気バルブ６を介して吸引される。
内燃機関１の吸入空気量は、前記吸気ダクト３に介装される電制スロットル７によって調整される。

前記電制スロットル７は、バタフライ式のスロットルバルブ７ａをスロットルモータ（スロットルアクチュエータ）７ｂで開閉駆動する機構である。
各気筒の吸気ポート部には、燃料噴射弁９がそれぞれ設けられ、各気筒の吸気ポート内に燃料（ガソリン）を噴射する。
但し、燃料噴射弁９が燃焼室１０内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関であっても良い。

前記燃料噴射弁９から噴射された燃料は、燃焼室１０内で点火プラグ１５による火花点火によって着火燃焼する。
前記点火プラグ１５それぞれには、パワートランジスタを内蔵する点火コイル１６が直付けされており、前記点火コイル１６への通電を制御することで、前記点火プラグ１５の点火時期及び点火エネルギーが調整される。

前記燃焼室１０内の燃焼排気は、排気バルブ１１，排気マニホールド１２，排気ダクト１３を介して大気中へ排出される。
前記排気ダクト１３には、排気中の有害成分を浄化するための触媒コンバータ１４が介装される。
前記スロットルモータ８、燃料噴射弁９、及び、点火コイル１６への通電を制御するパワートランジスタは、マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２１によって制御される。

前記エンジンコントロールユニット２１には、各種センサからの検出信号が入力される。
前記各種センサとしては、前記電制スロットル７の上流側で内燃機関１の吸入空気流量Ｑａ（質量流量）を検出するエアフローメータ２２、前記触媒コンバータ１４の上流側で排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサ２３、内燃機関１の回転速度Ｎｅ（rpm）を検出する回転速度センサ２４、運転者が操作するアクセルペダル２５の踏み込み量（アクセル開度）ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ２６、前記スロットルバルブ７ａの開度ＴＶＯ（deg）を検出するスロットルセンサ２７、内燃機関１が搭載される車両の走行速度（車速）ＶＳＰ（km/h）を検出する車速センサ２８などが設けられている。

尚、アクセル操作は、アクセルペダル２５の踏み込みによるものに限定されず、レバー操作、グリップ操作などによるものであっても良い。
前記エンジンコントロールユニット２１は、前記燃料噴射弁９による燃料噴射量を以下のようにして制御する。
まず、エアフローメータ２２で検出される吸入空気流量Ｑａと、回転速度センサ２４で検出される機関回転速度Ｎｅとから、そのときのシリンダ吸入空気量において目標空燃比の混合気を形成するための基本燃料噴射量Ｔｐを算出する。

また、内燃機関１の冷却水温度等に基づいて各種補正係数ＣＯを算出し、更に、空燃比センサ２３で検出される空燃比が目標空燃比に近づくように空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを算出し、これら補正係数ＣＯ，ＡＬＰＨＡで前記基本燃料噴射量Ｔｐを補正して最終的な燃料噴射量Ｔｉを設定する。
そして、前記最終的な燃料噴射量Ｔｉに相当するパルス幅の噴射パルス信号を、各気筒の行程に合わせてそれぞれの燃料噴射弁９に出力する。

前記燃料噴射弁９が、その開弁時間に比例する量の燃料を噴射するように、燃料噴射弁９に供給される燃料の圧力が調整されるようになっており、前記噴射パルス信号のパルス幅、即ち、燃料噴射弁９の開弁時間に比例する量の燃料が噴射される。
また、前記エンジンコントロールユニット２１は、前記基本燃料噴射量Ｔｐ（機関負荷）及び機関回転速度Ｎｅから点火時期（点火進角値）を算出し、該点火時期及び所定の通電時間に基づいて前記点火コイル１６に内蔵されたパワートランジスタのオン・オフを制御する。

更に、前記エンジンコントロールユニット２１は、以下のようにして、前記電制スロットル７の開度を制御することで、内燃機関１の吸入空気量（出力トルク）を制御する。
図２のフローチャートは、前記スロットル開度制御のメインルーチンを示す。
まず、ステップＳ１では、アクセル開度ＡＰＯから車両の目標加速度（後述する第２の目標加速度Ａtg２）を演算する。

ステップＳ２では、車両の重量や走行抵抗（勾配抵抗、空気・転がり抵抗など）から、前記ステップＳ１で演算した目標加速度（第２の目標加速度Ａtg２）を得るための目標タイヤトルクを演算する。
ステップＳ３では、前記目標タイヤトルク、減速比、駆動軸・エンジンのフリクション、駆動軸・エンジンの慣性モーメント、補機負荷などから、前記目標タイヤトルクを得るための目標エンジントルクを演算する。

ステップＳ４では、前記目標エンジントルクとするための目標平均有効圧（ＩＭＥＰ）を演算する。
ステップＳ５では、前記目標平均有効圧とするために必要な吸入空気量を得るための目標吸気圧力を演算する。
尚、前記ステップＳ４を省略し、目標エンジントルクから直接的に目標吸気圧力を求めることができる。

ステップＳ６では、前記目標吸気圧力とするための目標スロットル通過吸気流量を演算する。
ステップＳ７では、前記目標スロットル通過吸気流量とするための目標スロットル開口面積を、前記目標吸気圧力或いは吸気圧の検出値、大気圧等から演算する。
ステップＳ８では、予め記憶されているスロットル開口面積とスロットル開度との相関から、前記目標スロットル開口面積に対応する目標スロットル開度を演算する。

ステップＳ９では、スロットルセンサ２７で検出されるスロットルバルブ７ａの開度が前記目標スロットル開度に近づくように、スロットルモータ（スロットルアクチュエータ）７ｂをフィードバック制御する（制御手段）。
上記ステップＳ９でのスロットルバルブ開度の制御によって、ステップＳ１で設定された目標加速度（第２の目標加速度Ａtg２）が実現される。

ここで、前記ステップＳ１における目標加速度の演算を、図３のフローチャートに従って詳細に説明する。
ステップＳ１１では、アクセル開度センサ２６で検出されたアクセル開度ＡＰＯ（deg）を入力する。
ここで、アクセルペダル２５が、運転者が車両の運動を制御すべく操作する操作部材に相当し、前記アクセル開度ＡＰＯが、前記操作部材の操作量に相当し、アクセル開度センサ２６が操作量検出手段に相当する。

次のステップＳ１２では、前記アクセル開度ＡＰＯに基づいて第１の目標加速度Ａtg１（m/s²）を演算する（第１の目標加速度演算手段）。
前記第１の目標加速度Ａtg１は、図４に示すように、予め記憶されたアクセル開度ＡＰＯ（アクセル操作量）と加速度との相関から求められる。
尚、前記第１の目標加速度Ａtg１は、アクセル開度ＡＰＯとトルクとの特性から演算することもでき、また、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転速度或いは車速から、第１の目標加速度Ａtg１を演算させることもできる。

ステップＳ１３では、前記第１の目標加速度Ａtg１の今回値と前回値との差（第１の目標加速度Ａtg１の時間微分値）から第１の目標躍度Ｊtg１を演算する。
ステップＳ１４では、前記アクセル開度ＡＰＯの今回値と前回値との差（アクセル開度ＡＰＯの時間微分値）から、アクセル操作速度ｄＡＰＯ（deg/s）を演算する（操作速度演算手段）。

ステップＳ１５では、前記アクセル操作速度ｄＡＰＯから目標躍度Ｊtg（m/s³）を演算する（目標躍度演算手段）。
ここでは、例えば図５に示すように、前記アクセル操作速度ｄＡＰＯと目標躍度Ｊtgとの相関が予め記憶されており、該相関に基づいてそのときのアクセル操作速度ｄＡＰＯに対応する目標躍度Ｊtgを求める。

前記図５に示す前記アクセル操作速度ｄＡＰＯと目標躍度Ｊtgとの相関は、両対数グラフ上において直線で表される特性であり、前記アクセル操作速度ｄＡＰＯと目標躍度Ｊtgとの相関は非線形である。
人間の加速フィーリングは車両の躍度に対して非線形の特性を示すことが本願の発明者によって確かめられており、アクセル操作速度ｄＡＰＯに対して目標躍度Ｊtgを非線形の特性として与えることが好ましいが、上記のように両対数グラフを用いれば、前記非線形の特性を直線の特性として割り当てることができ、アクセル操作速度ｄＡＰＯに対する目標躍度Ｊtgの適切な設定を簡便に行わせることができる。

但し、前記アクセル操作速度ｄＡＰＯと目標躍度Ｊtgとの相関は線形であっても良く、また、図５に示すようなテーブルを用いずに、アクセル操作速度ｄＡＰＯを変数とする関数から目標躍度Ｊtgを算出するようにできる。
更に、運転者の好み，運転履歴，走行環境などに応じて前記アクセル操作速度ｄＡＰＯと目標躍度Ｊtgとの相関を任意に或いは自動的に切り換えられるようにすることができる。

ステップＳ１６では、前記第１の目標躍度Ｊtg１、前記目標躍度Ｊtg、前記第１の目標加速度Ａtg１、後述する第２の目標加速度Ａtg２の前回値Ａtg２_zに基づいて、運動制御の最終的な目標値としての第２の目標加速度Ａtg２を演算する（第２の目標加速度演算手段）。
前記ステップＳ１では、上記のようにして、前記第２の目標加速度Ａtg２を演算・出力し、前記ステップＳ２〜Ｓ９では、前記第２の目標加速度Ａtg２が得られるような目標スロットル開度が最終的に演算されて、スロットルバルブ７ａの開度（吸入空気量）が制御される。

ここで、前記ステップＳ１６における、前記第１の目標躍度Ｊtg１，前記目標躍度Ｊtg，前記第１の目標加速度Ａtg１，第２の目標加速度Ａtg２の前回値Ａtg２_zに基づく、第２の目標加速度Ａtg２の演算処理を、図６のフローチャートに従ってより詳細に説明する。
ステップＳ１０１では、前記第１の目標躍度Ｊtg１及び前記目標躍度Ｊtgから延長時間Δｔを演算する。

前記第１の目標躍度Ｊtg１は、アクセル開度ＡＰＯと第１の目標加速度Ａtg１との相関に対応する値であるが、目標躍度Ｊtgはアクセル操作速度ｄＡＰＯに基づいて個別に設定される値であり、Ｊtg１＝Ｊtgとは限らない。
そして、Ｊtg１≧Ｊtgであるとすると、図７に示すように、第１の目標躍度Ｊtg１に従って目標加速度を変化させる場合に比べて、目標躍度Ｊtgに従って目標加速度を変化させる場合には、同じ加速度に到達するのに余分な過渡運転時間Δｔを要することになり、これを本願では、過渡運転の延長時間として演算するものである。

次のステップＳ１０２では、前記延長時間Δｔを積分して累積延長時間ΔＴを演算する。

上記数２において、ｄｔはサンプリング周期（演算周期）を示し、Δｔ_zは延長時間Δｔの前回値を示し、延長時間Δｔの積分値からサンプリング周期ｄｔを引くことで、経過時間分が毎回減算されるようにしてある。
尚、車両の加速度を制御する場合には、Δｔ≧０或いはＪtg１≧Ｊtgとなるように制限を加えるようにしても良く、ΔＴが所定値（０又はｄｔ）以下にならないようにしても良い。

また、ブレーキ制御により車両の減速度を制御する場合には、Ｊtg１≦Ｊtgとなるように制限を加えるようにしても良い。
ステップＳ１０３では、前記第１の目標加速度Ａtg１と第２の目標加速度Ａtg２の前回値Ａtg２_zとの偏差（加速度偏差）ΔＡtgを演算する。

ステップＳ１０４では、前記加速度偏差ΔＡtgを累積延長時間ΔＴで除算して、第３の目標躍度Ｊtg２を演算する。

前記累積延長時間ΔＴは、目標躍度Ｊtgで第１の目標加速度Ａtg１に追い付くのに要する時間であるから、結果的には、目標躍度Ｊtg≒第３の目標躍度Ｊtg２となり、上記第３の目標躍度Ｊtg２に従って第２の目標加速度Ａtg２を変化させれば、第２の目標加速度Ａtg２を、目標躍度Ｊtgで第１の目標加速度Ａtg１に追従変化させることになる。
そこで、ステップＳ１０５では、前記第３の目標躍度Ｊtg２を積分することで、第２の目標加速度Ａtg２を演算する。

上記のように、本実施形態では、予め記憶された変換特性に基づいてアクセル操作量ＡＰＯから第１の目標加速度Ａtg１を演算する一方、前記第１の目標加速度Ａtg１の時間微分値として、第１の目標躍度Ｊtg１を演算する。
また、アクセル操作量ＡＰＯと第１の目標加速度Ａtg１との相関とは個別に、アクセル操作速度ｄＡＰＯと目標躍度Ｊtgとの相関を予め記憶し、アクセル操作速度ｄＡＰＯから目標躍度Ｊtgを演算する。

そして、前記目標躍度Ｊ t gで第１ の目標加速度Ａ t g１ に追従変化する第２ の目標加速度Ａ t g２ を演算し、前記第２ の目標加速度Ａ t g２ が実現されるように、車両の駆動力を発生する内燃機関のスロットル開度を制御する。
上記のようにして算出される第２ の目標加速度Ａ t g２ は、アクセル操作速度ｄ Ａ Ｐ Ｏ に対して一定の躍度で第１ の目標加速度Ａ t g１ に追従するから、アクセル操作量に対応する加速度と、操作速度に対する安定した躍度とを両立させることができ、力強くかつショックのない滑らかな加速フィーリングを運転者に与えることができ、運転者に扱い易い操作性を実現できる。

尚、本実施形態では、前記第２の目標加速度Ａtg２を実現するために内燃機関のスロットル開度を制御したが、第２の目標加速度Ａtg２を実現するための手段をスロットル開度制御（吸気量制御）に限定するものでなく、ディーゼルエンジンであれば、燃料量の制御によって第２の目標加速度Ａtg２を実現させることができ、内燃機関の発生トルクを制御する手段としては公知の種々の手段を適用できる。

また、制御対象を内燃機関に限定するものではなく、また、減速度を制御することにも適用することができる。
即ち、力学的な作用・反作用を発揮するものであって、例えば発動機や発電機、摩擦力を用いたブレーキやクラッチを制御対象とすることができ、更に、発動機として、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンと各種トランスミッションとの組み合わせ、ハイブリッド車やモータのみを備えた電気自動車や燃料電池車であっても良い。

また、車両は、４輪車・２輪車をはじめ、人間が搭乗する車両であれば良く、更に、車両における横方向或いは角運動系の加速度制御にも本願の運動制御装置を適用できる他、航空機においても、加速度（躍度）ベクトル或いはモーメントの方向によらずに、本願の運動制御装置を適用することができる。

実施形態における車両用内燃機関のシステム図。 実施形態におけるスロットル制御のメインルーチンを示すフローチャート。 実施形態における目標加速度の演算処理を示すフローチャート。 実施形態におけるアクセル操作量に対する目標加速度の特性を示す線図。 実施形態におけるアクセル操作速度に対する目標躍度の特性を示す線図。 実施形態における目標躍度に基づく第２の目標加速度の演算処理を示すフローチャート。 実施形態における延長時間Δｔを説明するためのタイムチャート。

符号の説明

１…内燃機関，２…エアクリーナ，３…吸気ダクト，４…吸気コレクタ，５…吸気マニホールド，６…吸気バルブ，７…スロットルバルブ，８…スロットルモータ，９…燃料噴射弁，１０…燃焼室，１１…排気バルブ，１２…排気マニホールド，１３…排気ダクト，１４…触媒コンバータ，２１…エンジンコントロールユニット，２２…エアフローメータ，２３…空燃比センサ，２４…回転速度センサ，２５…アクセルペダル，２６…アクセル開度センサ，２７…スロットルセンサ，２８…車速センサ

Claims (8)

1. 運転者が車両の運動を制御すべく操作する操作部材の操作量を検出する操作量検出手段
   と、
   前記操作量の変化速度を演算する操作速度演算手段と、
   前記操作量の変化速度と目標躍度との相関を予め記憶し、前記相関に基づいて前記操作
   量の変化速度に対して車両速度とギヤ比と吸気の輸送遅れによって変化しない目標躍度を
   演算する目標躍度演算手段と、
   を含んで構成され、車両の実躍度が目標躍度となるように駆動源の出力を制御すること
   を特徴とする車両の運動制御装置。
2. 前記操作量から第１の目標加速度を演算する第１の目標加速度演算手段と、
   前記目標躍度で前記第１の目標加速度に追従する第２の目標加速度を演算する第２の目標加速度演算手段と、
   を設けたことを特徴とする請求項１記載の車両の運動制御装置。
3. 前記第２の目標加速度演算手段が、
   前記第１の目標加速度から第１の目標躍度を演算する手段と、
   前記目標躍度と第１の目標躍度とから第２の目標加速度を演算する手段と、
   を含むことを特徴とする請求項２記載の車両の運動制御装置。
4. 前記第２の目標加速度演算手段が、
   前記第１の目標加速度から第１の目標躍度を演算する手段と、
   前記目標躍度と前記第１の目標躍度との差による過渡運転の延長時間を演算する手段と、
   前記延長時間を累積して累積延長時間を求める手段と、
   前記第１の目標加速度と前記第２の目標加速度の前回値との偏差を演算する手段と、
   前記偏差と累積延長時間とから第２の目標躍度を演算する手段と、
   前記第２の目標躍度と前記第２の目標加速度の前回値とから第２の目標加速度を演算する手段と、
   を含むことを特徴とする請求項２記載の車両の運動制御装置。
5. 前記第２の目標加速度に追従するように、車両の加速度を制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の車両の運動制御装置。
6. 前記目標躍度演算手段において予め記憶される相関が、前記操作量の変化速度に対して目標躍度が非線形となる相関であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の車両の運動制御装置。
7. 前記目標躍度演算手段において予め記憶される相関が、前記操作量の変化速度と目標躍度とが、両対数グラフ上で略直線になる相関であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の車両の運動制御装置。
8. 前記操作量検出手段で検出される操作量が、アクセル操作量であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の車両の運動制御装置。

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