JP4911945B2 - 車両運動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両運動制御装置に関する。

従来より、車両の運動状態を制御する車両運動制御装置が知られている。この制御装置は、例えば、コーナリングといった走行状況において、各種のアクチュエータを制御し、ドライバーの操作に起因する車両の運動状態の変化を抑制する或いは助長することにより、操安性の向上を図ることができる。例えば、特許文献１には、車両の運動状態を示す状態方程式のシステム行列を構成する各要素基づいて、車両の運動状態を制御する手法が開示されている。システム行列を構成する各要素は、車両の運動状態に影響を与えるゲインとして機能するため、この要素に着目することにより適切な走行制御を行うことができる。また、特許文献２には、摩擦力利用率に基づいて、車輪の作用力を最適化する車両制御方法が開示されている。
特開平１１−１０２４９９号公報 特開２００４−２４９９７１号公報

摩擦力利用率に着目した制御は、個々の車輪の作用力を最適化することはできるものの、車両全体としては挙動が発散的になってしまうという不都合がある。一方、システム行列に着目した場合、車両の運動状態を種々の観点から制御することができるので、車両挙動が発散的になることを抑制することも可能である。しかしながら、個々の要素に着目し、それをどのような形で制御に反映させるかといった点については未だ検討の余地があり、制御則の確立が望まれている。

本発明の目的は、車両の運動状態を制御する新規な手法を提供することである。

また、本発明の別の目的は、システム行列を構成する要素に基づいて、車両の運動状態の最適化を図ることである。

かかる課題を解決するために、第１の発明は、車両運動制御装置を提供する。この車両運動制御装置は、車両に加えられる運転操作量を検出する第１の検出部と、車両の状態を示す車両状態量を検出する第２の検出部と、検出された運転操作量に基づいて、車両の運動状態を示す状態方程式のシステム行列を構成する行列要素であって車両の運動状態の特性を示す特性値の目標値を設定する設定部と、検出された車両状態量に基づいて、特性値の現在値を算出し、設定された特性値の目標値と算出された特性値の現在値とに基づいて、車両の鉛直軸回りのヨーモーメントである付加モーメントを車両に付加するための制御量を算出する演算部と、算出された制御量に基づいて、ヨーモーメントを調整可能なアクチュエータを制御する制御部とを有する。この場合、システム行列は、車体すべり角の時系列応答に影響を与えるゲイン及びヨーレートの時系列応答に影響を与えるゲインを行列要素に含んで構成され、特性値は、システム行列を構成するゲインのうち、ヨーレートの時系列応答に影響を与えるゲインを含む。

ここで、第１の発明において、演算部は、特性値の目標値と特性値の現在値との差が小さくなるように、制御量を算出することが好ましい。

また、第１の発明において、特性値は、操舵に対する車両の応答性に影響を与える第１のゲインを含むことが好ましい。この場合、特性値は、車両のヨー運動の収束性に影響を与える第２のゲインを含むことが好ましい。

また、第１の発明において、演算部は、特性値の現在値から制御量だけ変化した特性値の推定値が目標値となるような制御量を、最適化演算を用いて算出することが好ましい。この場合、演算部は、制御量が微少量であることを拘束条件として、最適化演算を行うことが好ましい。また、演算部は、検出された車両状態量としての車体速度、車両諸元、車輪の非線形性を考慮したコーナリングパワーに基づいて、ゲインの現在値を算出することが好ましい。

さらに、第１の発明において、アクチュエータは、記車輪のそれぞれに与えられる駆動力または制動力を設定する第１のアクチュエータと、車輪の操舵角を設定する第２のアクチュエータとを有していてもよい。この場合、演算部は、制御量として、車輪のそれぞれの駆動力制御量と、操舵車輪の操舵角制御量とを算出しており、制御部は、算出された制御量に基づいて、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとを統合的に制御することが好ましい。

第２の発明は、車両運動制御装置を提供する。この車両運動制御装置は、車両に加えられる運転操作量を検出する第１の検出部と、車両の状態を示す車両状態量を検出する第２の検出部と、検出された運転操作量に基づいて、車両の運動状態の特性を示す特性値の目標値を設定する設定部と、検出された車両状態量に基づいて、特性値の現在値を算出し、設定された特性値の目標値と算出された特性値の現在値とに基づいて、車両の制御量を算出する演算部とを有する。このとき、特性値は、車両の運動状態のうち操舵に対する車両の応答性に係わる操舵ゲインと、車両のヨー運動の収束性に係わる減衰を含む。

ここで、第２の発明において、設定された特性値の目標値と算出された特性値の現在値とに基づいて、車両の鉛直軸回りのヨーモーメントである付加モーメントを車両に付加するための制御量を算出し、算出したヨーモーメントを調整可能なアクチュエータを制御することが好ましい。

本発明によれば、システム行列を構成する各要素が車両の運動状態に影響を与えるゲインであることを考慮して、付加モーメントを与えることにより、このゲインを補っている。付加モーメントによってゲインが補填されることにより、例えば、車両の特性を示す特性値を目標値へ近づけることができるので、これにより、車両の運動状態の最適化を図ることができる。

本実施形態にかかる車両運動制御装置に関するシステム構成およびシステム処理の説明に先立ち、まず、その制御概念について説明する。以下、本明細書では、制動力を駆動力の逆方向成分（マイナス成分）と考え、駆動力という用語を制動力も含む意味で用いる。また、必要に応じて、前輪を表す「ｆ」および後輪を表す「ｒ」のアルファベットを用いて、各状態量が示す車輪（前後輪）を明示的に区別する。この場合、一般的な四輪車両において、前輪（または後輪）の状態量は、例えば、左右前輪（または左右後輪）の状態量の平均値といったように、前輪（または後輪）の一輪あたりの状態量を示すこととする。さらに、必要に応じて、左前輪を表す「ｆｌ」、右前輪を表す「ｆｒ」、左後輪「ｒｌ」および右後輪を表す「ｒｒ」のアルファベットを用いて、各状態量が示す車輪（前後左右）を明示的に区別する。

図１は、車両モデルの説明図である。同図に示す車両モデルは、車両の運動状態を前後輪の二輪で表現した二輪モデルである。この車両モデルでは、車両の運動状態が、鉛直軸（Ｚ軸）まわりの回転運動（ヨー運動）と、横方向（Ｙ軸方向）への並進運動とで表現される。車両の運動状態は、以下に示す状態方程式で表される。

ここで、βbは車体すべり角、γはヨーレート、δfは操舵輪である前輪の操舵角である。また、ΔＭzは、車両のＺ軸回りに付加されるヨーモーメント（以下「付加モーメント」という）であり、ＩzはＺ軸回りの車両の慣性ヨーモーメント（以下単に「慣性モーメント」という）である。本明細書では、記号「'」によって状態量の時間微分を表す。βb'は車体すべり角βbの時間微分としての車体すべり角速度であり、γ'はヨーレートγの時間微分としてのヨー角加速度である。

ａ11〜ａ22およびｂ1，ｂ2を要素とする各行列は、状態方程式のシステム行列と呼ばれている。システム行列の要素ａ11〜ｂ2は、車速Ｖ、車両諸元（車両質量Ｍ、前輪軸と重心との間の距離ｌf、後輪軸と重心との間の距離ｌrなど）、車輪のコーナリングパワーｋaに基づいて算出される。コーナリングパワーｋaは、車輪のすべり角（以下「車輪すべり角」という）βwの微少変化に対するコーナリングフォースＦcの変化率であり、コーナリングフォースＦcを車体すべり角βwによって偏微分することで算出される。コーナリングフォースＦcは、ある車輪すべり角βwで旋回する時に、車輪の接地面に発生する摩擦力のうち車輪進行方向に直角な方向に発生する分力である。ところで、横力Ｆyは、車輪の接地面に発生する摩擦力のうち車輪中心面に直角な方向（ｙ軸）に発生する分力であるが、実用上車輪が取り得る車輪すべり角βwの範囲内において、両者の力Ｆc，Ｆyは値的に類似する。そこで、本実施形態では、コーナリングパワーｋaを横力Ｆyをベースに算出する。

横力Ｆyは、車輪の力学特性を示すタイヤモデル、例えば、車輪の非線形性の影響を考慮できるフィアラ（fiala）のタイヤモデル（二次式近似モデル）を用いることにより、車輪すべり角βwの二次式で表される。車輪一輪あたりのコーナリングパワーｋaは、数式２に示すように、車輪と路面との間の摩擦係数μ、前後力Ｆx、上下力Ｆz、車輪すべり角βwに基づいて算出される。ここで、前後力Ｆxは車輪の接地面に発生する摩擦力のうち車輪中心面に平行な方向（ｘ軸）に発生する分力であり、上下力Ｆzは車輪の鉛直方向（ｚ軸）に作用する力、いわゆる、垂直荷重である。

車輪の非線形性を考慮したコーナリングパワーｋaの算出式である同数式において、係数ｋは、実験的に求めることができる定数であり、以下、基準コーナリングパワーと呼ぶ。基準コーナリングパワーｋは、一般に、車輪すべり角βwが「0」における横力Ｆy（コーナリングフォースＦc）の微分値として定義されており、車輪の特性を示す値である。具体的には、基準コーナリングパワーｋは、その値が大きい程車輪の剛性が高いことを意味し、その値が小さい程車輪の剛性が低いことを意味する。このような車輪の非線形性を考慮したコーナリングパワーｋaに関する算出手法の詳細については、特開２００４−１４９１０７号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

図２は、数式１の状態方程式を示すブロック図である。このブロック図は、「１／ｓ」で示す積分を要素とするブロックを含み、車体すべり角βbおよびヨーレートγの時系列応答を示している。すなわち、システム行列を構成する各要素ａ11〜ｂ2は、車両の運動状態の時系列応答に影響を与える、車両の運動状態の特性を示す特性値として機能する。

要素ａ11，ａ22は、車両の安定性（挙動の収束し易さ）に影響を与えるゲインであり、システム行列の対角要素と呼ばれる。特に、要素ａ11は、横運動を自律的に安定させ、要素ａ22は、ヨー運動を自律的に安定させる。また、要素ａ12，ａ21は、車両の応答性（挙動の振動し易さ）に影響を与えるゲインであり、システム行列の連成要素と呼ばれる。要素ａ11，ａ22に対して要素ａ12，ａ21が相対的に小さい場合、高速走行時における車両の安定性が向上する。これに対して、要素ａ11，ａ22に対して要素ａ12，ａ21が相対的に大きい場合、操舵に対する車両の応答性が向上する。また、要素ｂ1，ｂ2は、操舵に対する車両の応答性に影響を与えるゲインである。要素ｂ1，ｂ2は、その値が大きい程操舵に対する車両の応答性が向上し、その値が小さい程操舵に対する車両の応答性が低下する。

また、この状態方程式によって運動状態が表現される車両は、２次遅れ系となる１自由度の振動系と同視することができる。この振動系は、減衰（ダンパー）を考慮した自由振動でモデル化することができ、その系の収束性（安定性）は、角固有振動数および減衰比の２つの状態量の積算値（以下「減衰」という）によって評価可能である。車両をこのような振動系と捉えた場合、車両の収束性を示す状態量としての減衰は、対角要素ａ11，ａ22の和に比例し、具体的には、対角要素ａ11，ａ22の平均値となる。減衰は、その値が大きい程車両の収束性が高く、その値が小さい程車両の収束性が低いことを意味する。すなわち、減衰は、その値が大きい程車両の姿勢変化（車体すべり角βb）が小さくなり、その値が小さい程車両の姿勢変化が大きくなる。

車両運動制御では、収束性の向上、応答性の向上、および、定常走行時における車両の姿勢制御といった点に着目することが重要である。車両の安定性の向上といった観点からは、減衰（すなわち、要素ａ11，ａ22）を大きくすることが好ましく、車両の応答性の向上といった観点からは、要素ａ12，ａ21、或いは、要素ｂ1，ｂ2を大きくすることが好ましい。しかしながら、要素ａ12，ａ21を大きくした場合には車両挙動が振動的になる可能性があるので、応答性の向上を図るためには、要素ｂ1，ｂ2を大きくすることが望ましい。さらに、車両の挙動制御といった観点では、例えば、コーナリングといった走行状況において、車体すべり角βbは小さな値に抑えておくことが好ましく、減衰（すなわち、要素ａ11，ａ22）を大きくすることが好ましい。

再び数式１を参照する。付加モーメントΔＭzは、例えば、操舵角を制御する、或いは、各車輪に与えられる駆動力を制御することで、車両に付加的に与えることのできるヨーモーメントである。数式１から理解されるように、この付加モーメントΔＭzは、システム行列中の要素ａ21，ａ22，ｂ2と同様に、ヨーレートγの時系列応答に影響を与える要素であり、この値によって要素ａ21，ａ22，ｂ2のいずれかの値を補う補填機能を担う。例えば、要素ａ22に着目してこの付加モーメントΔＭを与えることにより、要素ａ22の値があたかも大きくなるように作用し、車両の安定性の向上を図ることができる。そこで、本実施形態では、付加モーメントΔＭzによって補填可能な要素ａ21，ａ22，ｂ2のうち、安定性と応答性との向上、および姿勢制御といった観点から要素ａ22，ｂ2に着目し、車両に付加モーメントΔＭを与える。

付加モーメントΔＭを与える上で目標となる特性値、すなわち、操舵角ゲインである要素ｂ2の目標値（以下「目標操舵角ゲイン」という）をｂ2*、ヨーレートγのネガティブフィードバックゲインである要素ａ22の目標値（以下「目標ヨーレートゲイン」という）をａ22*とする。以下、これらのゲインｂ2*，ａ22*をまとめ、ベクトル化したものを目標特性値λ*と呼ぶ。目標特性値λ*は、例えば、数式３で示される。

同数式は、図１に示す二輪モデルに基づいて、これを線形領域内で拡張した式である。具体的には、操舵角ゲインｂ2は、前輪に関する重心距離lfと、前輪一輪あたりの基準コーナリングパワーｋfとを積算し、この積算値を2倍した値を慣性モーメントＩzで除算した値である。また、ヨーレートゲインａ22は、前輪に関する重心距離lrの二乗値と前輪一輪あたりの基準コーナリングパワーｋfとの積算値に、後輪に関する重心距離lfの二乗値と後輪一輪あたりの基準コーナリングパワーｋrとの積算値を加算し、この加算値を2倍した値を、慣性モーメントＩzと車速Ｖとでそれぞれ除算した値である。

また、本実施形態では、後述する最適化演算において、解が不定となることを回避すべく、さらに、車両の挙動を評価する状態量としての挙動値Ｆを設定する。この挙動値Ｆは、車両のヨーモーメントＭzと、各輪の駆動力の総和である総駆動力Ｆa_xとを含む。ヨーモーメントＭzの目標値（以下「目標ヨーモーメント」という）Ｍz*と、総駆動力Ｆa_xの目標値（以下「目標総駆動力」という）Ｆa_x*とをまとめて目標挙動値Ｆ*とした場合、この目標挙動値Ｆ*は数式４で示される。

同数式において、δdはドライバー操舵角である。目標ヨーモーメントＭz*は、目標操舵角ゲインｂ2*とドライバー操舵角δdとの積算値から、目標ヨーレートゲインａ22*とヨーレートγとの積算値を減算した値となる。

つぎに、付加モーメントΔＭzによって、このような目標特性値λ*、および、目標挙動値Ｆ*を得るための制御量δFの算出概念について説明する。付加モーメントΔＭzを車両に与える手法としては、駆動力制御および操舵角制御が考えられる。そこで、最適化演算により、四輪駆動力制御量δＦfl_x〜δＦrr_x（本実施形態では、各輪駆動力の現在値Ｆfl_x〜Ｆrr_xからの変化量）、および、操舵角制御量δc（本実施形態では、操舵角の絶対値）を要素とするベクトルδFを求める。

ここで、現在の特性値λから制御量δFだけ変化した後の特性値λ^は、テーラー展開を用いることにより、数式５で推定される。

ここで、特性値λとしての操舵角ゲインｂ2およびヨーレートゲインａ22の現在値は、数式６より算出される。

操舵角ゲインｂ2は、前輪軸に関する重心間距離lfと、非線形性を考慮した前輪一輪あたりのコーナリングパワー（以下「前輪コーナリングパワー」という）ｋf_aとを積算し、この積算値を2倍した値を慣性モーメントＩzで除算した値である。また、ヨーレートゲインａ22は、前輪軸に関する重心間距離ｌfの二乗値と前輪コーナリングパワーｋf_aとの積算値を、後輪軸に関する重心間距離lrの二乗値と非線形性を考慮した後輪一輪あたりのコーナリングパワー（以下「後輪コーナリングパワー」という）ｋr_aとの積算値に加算し、この加算値を2倍した値を慣性モーメントＩzと車速Ｖとでそれぞれ除算した値である。各ゲインｂ2，ａ22の算出式のそれぞれにおいて、下段に示す式は、各ゲインｂ2，ａ22を車輪の非線形性を考慮したコーナリングパワーｋa（数式２）によって展開した式である。ここで、ｒ_fl〜ｒ_rrは、数式７よりそれぞれ求められる値である。

なお、各ゲインｂ2，ａ22を展開する際には、数式２に示すように、車輪すべり角βwを用いる必要がある。しかしながら、車輪すべり角βwが小さい範囲では、基準コーナリングパワー（等価コーナリングパワー）ｋと車輪すべり角βwとの積算値は、横力Ｆyと見なすことができる。そこで、本実施形態では、車輪すべり角βwを横力Ｆyで置換した上で、各ゲインｂ2，ａ22を展開している。

一方、現在の挙動値Ｆから制御量δFだけ変化した後の挙動値Ｆ^は、テーラー展開を用いることにより、数式８で推定される。

ここで、挙動値ＦとしてのヨーモーメントＭzの現在値（以下「実ヨーモーメント」という）は、数式９で求められる。

数式９において、ΔＭzは、制御によって付加される制御ヨーモーメントである。実ヨーモーメントＭzは、操舵角ゲイン（現在値）ｂ2とドライバー操舵角δdとの積算値から、ヨーレートゲイン（現在値）ａ22とヨーレートγとの積算値を減算し、この減算値に制御ヨーモーメントΔＭzを加算した値である。また、δcは、制御によって付加される操舵角（以下「制御操舵角」という）である（それ故に、実際の車輪の操舵角δfは、ドライバー操舵角δdと制御操舵角δcとの和となる）。Ｍz_xは、各輪に与えられる駆動力によって生じるヨーモーメントである。したがって、制御ヨーモーメントΔＭzは、操舵角ゲインｂ2に制御操舵角δcを積算した積算値と、駆動力によるヨーモーメントＭz_xから慣性モーメントＩzを減算した減算値との和である。一方、駆動力によるヨーモーメントＭz_xは、各輪の前後力Ｆfl_x〜Ｆrr_x、前輪のトレッドｄf、後輪のトレッドｄｒに基づいて、例えば、数式１０で与えられる。

また、挙動値Ｆとしての総駆動力Ｆa_xの現在値（以下「実総駆動力」という）は、例えば、数式１１に示すように、各輪の前後力Ｆfl_x〜Ｆrr_xの総和として算出される。

求めるべき制御量δFは、数式５に示す推定特性値λ^と目標特性値λ*との差が最小、かつ、数式８に示す推定挙動値Ｆ^と目標挙動値Ｆ*との差が最小となるような値となる。そこで、最小二乗法を利用して、特性値λおよび挙動値Ｆに関するそれぞれの目的値と推定値との差を考慮した目的関数Ｌを設定し（数式１２）、この目的関数Ｌが最小となる制御量δFを決定する。

ここで、Ｗλは、操舵ゲインｂ2の重み係数Ｗb2とヨーレートゲインａ22の重み係数Ｗa22とを含む重み関数であり、ＷFは、ヨーモーメントＭzの重み係数ＷMzと総駆動力Ｆa_xの重み係数ＷFa_xとを含む重み関数である。また、ＷδFは、各輪駆動力（前後力）Ｆfl_x〜Ｆrr_xに対する重み係数ＷFfl_x〜Frr_xと、制御操舵角δcの重み係数Ｗδcとを含む重み関数である。これらの重み関数Ｗλ〜ＷδFは、走行条件または運転操作量操作量などにより変化する。走行条件は、例えば、車速Ｖおよび摩擦係数μなどが該当し、運転操作量は、例えば、ハンドル角、アクセル開度、ブレーキ開度などが該当する。

なお、制御量δFの最適化を求める場合、一般には、推定値（特性値λ^、挙動値Ｆ^）と目標値（特性値λ*、挙動値Ｆ*）との差を考慮して、目的関数Ｌを設定すれば足りる。具体的には、目的関数Ｌは、数式１２の右辺における、左側の第一項（特性値λに関する目的関数）と、中央の第二項（挙動値Ｆに関する目的関数）との和であればよい。しかしながら、数式５，８は、制御量δFが十分に小さい場合に成立する式であるため、第一項と第二項との和だけでは最適解が得られにくい。そこで、本実施形態では、第一および第二項に、第三項（制御量δFに関する目的関数）を加えることにより、制御量δFが微少量であることを拘束条件とした目的関数Ｌが設定されている。

目的関数Ｌが最小となる制御量δFは、二次関数である目的関数Ｌの変化量が「0」となることを条件として（∂Ｌ/∂Ｆ＝0）、数式１３で算出される。

以上の概念説明を踏まえた上で、本実施形態にかかる車両運動制御装置のシステム構成について説明する。図３は、本実施形態にかかる車両運動制御装置が適用された車両の説明図である。駆動源であるエンジン１のクランクシャフト（図示せず）からの動力は、自動変速機２を介し、センターディファレンシャル（以下「センターデフ」という）３に伝達される。センターデフ３に伝達された動力は、一方の駆動系を介して前輪４ｆに伝達されるとともに、これとは異なる他方の駆動系を介して後輪４ｒに伝達される。

センターデフ３は、複合プラネタリギヤ式の差動装置であり、その２つの出力要素、すなわち、サンギヤ３ａとキャリア３ｂとの間には、油圧多板式のセンタークラッチが設けられている。このセンタークラッチには、ソレノイドバルブ５が介装された流路を介して油圧装置（図示せず）が連結されており、ソレノイドバルブ５のデューティ制御を行うことにより、センタークラッチの係合力が調整される。センターデフ３の差動は、このセンタークラッチの係合力に応じて制限され、これにより、前輪４ｆと後輪４ｒとに対する駆動力の配分比が可変に設定される。

センターデフ３からの動力は、後輪側の駆動系において、ドライブ軸等を介してリヤディファレンシャル（以下単に「リヤデフ」という）６に伝達される。リヤデフ６は、ベベルギヤ式の差動装置である。このリヤデフ６の２つの出力要素、すなわち、デフケース６ａと一方のサイドギヤ６ｂとの間には、油圧多板式のリヤクラッチが設けられている。このリヤクラッチ用のソレノイドバルブ７のデューティ制御を行うことにより、リヤクラッチの係合力が調整される。リヤデフ６の差動は、このリヤクラッチの係合力に応じて制限され、これにより、左右の後輪４ｒに対する駆動力の配分比が可変に設定される。そして、リヤデフ６からの動力は、車軸８を介して左右の後輪４ｒにそれぞれ伝達される。

一方、センターデフ３からの動力は、前輪側の駆動系において、ドライブ軸等を介してフロントディファレンシャル（以下「フロントデフ」という）９に伝達される。フロントデフ９は、図１において省略して記載されているが、上述したリヤデフ６と同様、ベベルギヤ式の差動装置である。フロントクラッチ用のソレノイドバルブ１０のデューティ制御を行うことにより、フロントクラッチの係合力が調整される。フロントデフ９の差動は、このフロントクラッチの係合力に応じて制限され、これにより、左右の前輪４ｆに対する駆動力の配分比が可変に設定される。そして、フロントデフ９からの動力は、車軸８を介して左右の前輪４ｆにそれぞれ伝達される。

ドライバーによってハンドル１１が操作された場合、操舵輪である前輪４ｆは、ステアバイワイヤ機構を用いたステアリング装置によって操舵される。このステアバイワイヤ機構では、ハンドル１１から前輪４ｆへと至る操舵系が機械的に分離されており、ハンドル角Ｈa、すなわち、ドライバー操舵角δdと、前輪４ｆの操舵角δfとの関係が任意に設定される。通常、操舵角δfの目標値（以下「目標操舵角」という）は、ドライバー操舵角δdと対応した値になるが、後述する制御の必要性に応じて、ドライバー操舵角δdと制御操舵角δcとの和に対応した値になる。そして、この目標操舵角に基づいて、第１の電動モータ１２の出力制御が行われ、前輪４ｆの操舵角が目標操舵角に調整される。また、現在の車速Ｖに対応したトルク係数、ドライバー操舵角δd等に基づいて、第２の電動モータ１３の出力制御が行われ、これにより、ドライバー操舵角δdと車速Ｖとに対応した操舵反力がハンドル１１に付与される。

図４は、車両運動制御装置２０の全体構成を示したブロック図である。車両運動制御装置２０は、制御ユニット２１を主体に構成されており、この制御ユニット２１としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。制御ユニット２１は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従い、車両運動制御に関する演算を行う。この演算を行うために、制御ユニット２１には、各種の検出部２２，２３（図２には図示せず）からの検出信号が入力されている。

第１の検出部２２は、車両の運動状態を変化させる要因となる、ドライバーの運転操作量を検出する。第１の検出部２２によって検出される運転操作量としては、例えば、ハンドル角Ｈa、アクセル開度Ａc、ブレーキ開度Ｂrが挙げられる。ハンドル角Ｈaはハンドル１１の回転角であり、アクセル開度Ａcはアクセルペダルの踏み込み量であり、ブレーキ開度Ｂrはブレーキペダルの踏み込み量である。第２の検出部２３は、車両の状態量を検出する。第２の検出部１２によって検出される状態量としては、例えば、車速Ｖ、ヨーレートγ、車輪に作用する作用力（すなわち、前後力Ｆx、横力Ｆy、上下力Ｆz）が挙げられる。第２の検出部２３によって検出される状態量は、車両の運動状態を直接的に表す状態量（車速、ヨーレート、作用力など）のみならず、車両の運動状態に影響する外的な状態を表す状態量をも含む。この外的な状態量としては、例えば、車輪と路面との間の摩擦係数μが挙げられる。これら第１および第２の検出部２２，２３は、各々が単体で該当する値を検出可能である必要はなく、個別のセンサの複合体であってよい。

マイクロコンピュータである制御ユニット２１を機能的に捉えると、この制御ユニット２１は、設定部２１ａと、演算部２１ｂと、制御部２１ｃとを有する。設定部２１ａは、第１の検出部２２の検出結果である運転操作量に基づいて、目標特性値λ*と、目標挙動値Ｆ*とを設定し、設定した目標特性値λ*と目標挙動値Ｆ*とを演算部２１ｂに出力する。

演算部２１ｂは、第２の検出部２３の検出結果である車両の状態量に基づいて、特性値λの現在値と、挙動値Ｆの現在値とを算出する。そして、目標特性値λ*と特性値λの現在値とに基づいて、さらには、目標挙動値Ｆ*と挙動値Ｆの現在値とに基づいて、付加モーメントΔＭzを車両に付加するための制御量δFが算出される。算出された制御量δFが制御部２１ｃに出力されると、制御部２１ｃは、この制御量δFに基づいて、ヨーモーメントＭzを調整可能な各種のアクチュエータ（例えば、ソレノイドバルブ５，８，１０、電動モータ１２，１３）を制御する。

つぎに、本実施形態にかかる車両制御ルーチンを説明する。この制御ルーチンは、所定間隔毎に呼び出され、制御ユニット２１によって実行される。まず、ステップ１において、各種の検出信号が読み込まれる。このステップ１において読み込まれる検出値としては、運転操作量Ｈa，Ａc，Ｂr、および、各種の状態量Ｖ，γ、Ｆx，Ｆy，Ｆz，μが挙げられる。

ステップ２において、目標特性値λ*および目標挙動値Ｆ*が設定される。目標特性値λ*は、基本的に、運転操作量（本実施形態では、ドライバー操舵角δd、アクセル開度Ａc、ブレーキ開度Ｂr）に基づいて決定される値であり、両者の対応関係が設定されたマップ等を参照することにより、一義的に特定される。このようなマップは、実験やシミュレーションを通じ、運転操作に応じた特性値λの適切値を予め対応付けておくことにより設定される。

このマップは、例えば、以下のような手法を用いて予め設定されている。まず、車両の運動状態が線形的に表現される車両モデルを用いて、システム行列の要素ａ22，ｂ2から目標特性値λ*を設定する（数式３参照）。そして、線形ベースの目標特性値λ*は、例えば、運転操作量に応じて修正される。例えば、ドライバーの危険回避のサポートといった観点から、ハンドル角Ｈaの時間微分であるハンドル角速度Ｈa’（絶対値）が大きい程、操舵角ゲインｂ2の目標値ｂ2*を線形ベースの値よりも大きくするといった如くである。また、別の一例としては、同様の観点より、アクセル開度Ａcまたはブレーキ開度Ｂrの増加に応じて、目標ヨーレートゲインｂ22の目標値ｂ22*が線型ベースの値よりも小さく設定してもよい。

目標特性値λ*が設定されると、これに応じて、目標挙動値Ｆ*に含まれる目標ヨーモーメントＭz*も一義的に設定される（数式４参照）。一方、目標挙動値Ｆ*に含まれるもう一つのパラメータである、目標総駆動力Ｆa_x*は、例えば、アクセル開度Ａc或いはブレーキ開度Ｂrに応じて設定される。具体的には、アクセル開度Ａcが全開時における総駆動力Ｆa_xを予め取得しておき、アクセル開度Ａcが50％であれば、この目標値Ｆa_x*は、全開時の総駆動力Ｆの50％に設定される。

ステップ３において、特性値λと挙動値Ｆとを処理対象として、現在値から制御量δFだけ変化した値が目標値となるような制御量δＦが、最適化演算を用いて算出される。具体的には、この制御量δFは、上述した目的関数Ｌ（数式１２）が最小値となるような制御量δFであり、数式１３に基づいて算出される。なお、上述した目的関数Ｌは、制御量δFが微少量であることを拘束条件として成立する関数であり、換言すれば、制御量が微少量であることを拘束条件として、最適化演算が行われる。また、重み関数Ｗλ，ＷF，ＷδFは、第１および第２の検出部２２，２３によって検出される走行条件および運転操作量に基づいて一義的に決定することができる。重み関数Ｗλ，ＷδFと走行条件および運転操作量との対応関係は、シミュレーション或いは実験等を通じて作成された、マップにより予め設定されている。

制御量δFが算出されると、この制御量δFによって制御された後の車両の特性値λおよび挙動値Ｆが算出される。そして、この算出された特性値λおよび挙動値Ｆに基づいて目的関数Ｌを算出し、この値を、従前の演算において算出された制御量δFをベースに算出される目的関数Ｌと比較する。そして、両者の差の絶対値が所定の判定値よりも小さくなった場合に、収束したと判断し、この時の制御量δFを最適値として決定する。

ステップ４では、算出された制御量δF、すなわち、この制御量δFを構成する個々のパラメータδＦfl_x〜δＦrr_x，δcに基づいて、各種アクチュエータが制御される。具体的には、各ソレノイドバルブ５，８，１０に対して、駆動力制御量δＦfl_x〜δＦrr_xを考慮した制御信号（締結トルクの指示値）ＳigＦが出力される。また、第１の電動モータに対して、算出された制御操舵角δcとドライバー操舵角δdとを考慮した制御信号（前輪操舵角δfの指示値）Ｓigδが出力される。これにより、各輪の駆動力Ｆfl_x〜Ｆrr_xが、算出された制御量δＦfl_x〜δＦrr_xだけ変化されるとともに、前輪の操舵角δfがドライバー操舵角δfと制御操舵角δcとの和に応じて変化させられる。なお、駆動力制御において、制御部２１ｃは、必要に応じて、エンジン１の出力制御、或いは、ＡＢＳ１４を用いた制動力制御も行う。

このように本実施形態によれば、システム行列を構成する各要素が車両の運動状態の時系列応答に影響を与えるゲインであることに着目し、付加モーメントΔＭzを与えることによりゲインを補っている。これにより、車両の運動状態を付加モーメントによって制御することができ、これにより、運動状態の最適化を図ることができる。操舵ゲインｂ2、減衰に着目した本実施形態では、このような付加モーメントΔＭの補填効果により、車両の安定性を確保しながらも、応答性の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、車輪の非線形性を考慮した上で、各種の値の演算を行っている。そのため、現在の車両の運動状態を精度よく特定することができ、制御の信頼性の向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、特性値λとして操舵角ゲインｂ2とヨーレートゲインａ22を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、特性値λとしては、車両の特性を示すゲインを含んでいればよく、所望とする車両応答に応じて適宜選択すればよい。例えば、特性値λには、上述した減衰を用いてもよい。また、前後輪操舵可能な車両であれば、システム行列に新たに含まれる要素、すなわち、後輪の操舵角ゲインを特性値λに含めてもよい。なお、減衰は、対角要素ａ11，ａ22の平均値であり、単一の要素（ヨーレートゲイン）ａ22に着目しても、この値を大きくすることは、減衰を大きくすることであり、本実施形態では、これと同様の効果を奏する。

また、本実施形態では、運転操作量をドライバーの操作として説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、先行車に追従して自動的に走行する、或いは、設定された経路を自動的に走行するような自動操縦機能を備えた車両にも適用することができる。すなわち、第１の検出部２２が検出する運転操作量は、自動操縦機能における制御量であってもよい。

また、本実施形態では、エンジン１を駆動源とする四輪駆動車について説明したが、駆動源としてモータを用いてもよい。この場合、上述したエンジン１と同様に、センターデフ３、リヤデフ６、フロントデフ９を介して、単一のモータによって四輪を駆動してもよい。また、各輪、或いは前後輪に対してそれぞれモータを設けてもよく、この場合、各モータの出力制御を行うことにより、駆動力制御を行うことができる。

なお、第２の検出部２３が検出する状態量の一つに、摩擦係数μがある。この摩擦係数μは、直接的な計測手法を用いるのみならず、種々の推定手法を用いた間接的な検出であってもよい。摩擦係数μの推定演算としては、例えば、車両の運動理論に基づいて車両の挙動をモデル化した車両モデル（例えば、二輪モデル）を用いた手法を用いることができる。この手法では、実際の車両の運動状態（例えば、車体すべり角βb）に基づいて、例えば、高μ路を想定した車両モデルの運動状態と、低μ路を想定した車両モデルの運動状態とを比較することにより、現在の摩擦係数μを推定する。このような車両モデルベースの推定手法の詳細については、例えば、特開２０００−０７１９６８号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。これ以外にも、例えば、特開２００３−２３７５５８号公報に開示されているように、２つの車輪の速度差と、加速度とに基づいて摩擦係数μを推定してもよい。さらに、例えば、特開２００２−２７８８２号公報に開示されているように、車両の運動状態に、カメラから得られた道路の路面状況を検出した検出結果を考慮した上で摩擦係数μを推定してもよい。

また、第２の検出部２３が検出する状態量の一つに、作用力がある。作用力の検出は、例えば、ひずみゲージと、このひずみゲージから出力される電気信号を処理し、作用力に応じた検出信号を生成する信号処理回路とを主体に構成した周知のセンサを用いることができる。車軸８に生じる応力は作用力に比例するという知得に基づき、ひずみゲージを個々の車軸８に埋設することにより、各々の車輪に関する作用力が直接的に検出される。なお、作用力の検出手法の具体的な構成については、例えば、特開平０４−３３１３３６号公報、特開平１０−３１８８６２号公報、特開２００２−０３９７４４号公報または特開２００３−１０４１３９号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。なお、作用力は、直接的に検出する以外にも、推定手法によって間接的に検出してもよい。例えば、横力Ｆyは、コーナリングフォースを推定することによって特定してもよいし（すなわち、間接的に検出する）、上下力Ｆzは、垂直荷重を推定することによって特定してもよい（すなわち、間接的に検出する）。

車両モデルの説明図 状態方程式を示すブロック図 本実施形態にかかる車両運動制御装置が適用された車両の説明図 車両運動制御装置の全体構成を示したブロック図

符号の説明

１ エンジン
２ 自動変速機
３ センターデフ
４ｆ 前輪
４ｒ 後輪
５，７，１０ ソレノイドバルブ
６ リヤデフ
８ 車軸
９ フロントデフ
１１ ハンドル
１２ 第１の電動モータ
１３ 第２の電動モータ
１４ ＡＢＳ
２０ 車両運動制御装置
２１ 制御ユニット
２２ 第１の検出部
２３ 第２の検出部

Claims (10)

1. 車両運動制御装置において、
   車両に加えられる運転操作量を検出する第１の検出部と、
   前記車両の状態を示す車両状態量を検出する第２の検出部と、
   前記検出された運転操作量に基づいて、前記車両の運動状態を示す状態方程式のシステム行列を構成する行列要素であって前記車両の運動状態の特性を示す特性値の目標値を設定する設定部と、
   前記検出された車両状態量に基づいて、前記特性値の現在値を算出し、前記設定された特性値の目標値と前記算出された特性値の現在値とに基づいて、前記車両の鉛直軸回りのヨーモーメントである付加モーメントを車両に付加するための制御量を算出する演算部と、
   前記算出された制御量に基づいて、前記ヨーモーメントを調整可能なアクチュエータを制御する制御部とを有し、
   前記システム行列は、車体すべり角の時系列応答に影響を与えるゲイン及びヨーレートの時系列応答に影響を与えるゲインを行列要素に含んで構成され、
   前記特性値は、前記システム行列を構成するゲインのうち、前記ヨーレートの時系列応答に影響を与えるゲインを含むことを特徴とする車両運動制御装置。
2. 前記演算部は、前記特性値の目標値と前記特性値の現在値との差が小さくなるように、前記制御量を算出することを特徴とする請求項１に記載された車両運動制御装置。
3. 前記特性値は、操舵に対する前記車両の応答性に影響を与える第１のゲインを含むことを特徴とする請求項１または２に記載された車両運動制御装置。
4. 前記特性値は、前記車両のヨー運動の収束性に影響を与える第２のゲインを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された車両運動制御装置。
5. 前記演算部は、前記特性値の現在値から前記制御量だけ変化した前記特性値の推定値が前記目標値となるような前記制御量を、最適化演算を用いて算出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された車両運動制御装置。
6. 前記演算部は、前記制御量が微少量であることを拘束条件として、前記最適化演算を行うことを特徴とする請求項５に記載された車両運動制御装置。
7. 前記演算部は、前記検出された車両状態量としての車体速度、車両諸元、前記車輪の非線形性を考慮したコーナリングパワーに基づいて、前記ゲインの現在値を算出することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載された車両運動制御装置。
8. 前記アクチュエータは、前記車輪のそれぞれに与えられる駆動力または制動力を設定する第１のアクチュエータと、前記車輪の操舵角を設定する第２のアクチュエータとを有し、
   前記演算部は、前記制御量として、前記車輪のそれぞれの駆動力制御量と、操舵車輪の操舵角制御量とを算出しており、
   前記制御部は、前記算出された制御量に基づいて、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとを統合的に制御することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載された車両運動制御装置。
9. 車両運動制御装置において、
   車両に加えられる運転操作量を検出する第１の検出部と、
   前記車両の状態を示す車両状態量を検出する第２の検出部と、
   前記検出された運転操作量に基づいて、前記車両の運動状態の特性を示す特性値の目標値を設定する設定部と、
   前記検出された車両状態量に基づいて、前記特性値の現在値を算出し、前記設定された特性値の目標値と前記算出された特性値の現在値とに基づいて、前記車両の制御量を算出する演算部と、を有し、
   前記特性値は、前記車両の運動状態のうち操舵に対する車両の応答性に係わる操舵ゲインと、車両のヨー運動の収束性に係わる減衰を含むことを特徴とする車両運動制御装置。
10. 前記設定された特性値の目標値と前記算出された特性値の現在値とに基づいて、前記車両の鉛直軸回りのヨーモーメントである付加モーメントを車両に付加するための制御量を算出し、算出したヨーモーメントを調整可能なアクチュエータを制御することを特徴とする請求項９に記載された車両運動制御装置。

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