JP5640887B2

JP5640887B2 - 車両姿勢制御装置

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Publication number: JP5640887B2
Application number: JP2011107877A
Authority: JP
Inventors: 篠原　昭憲; 昭憲篠原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: JP2012236546A

Description

本発明は、自動車等の車両の姿勢制御装置の分野に係り、より詳細には、車体の一部から噴出される空気流の作用によって車両の姿勢を制御する装置に係る。

自動車等の車両に於いて、車体の周囲に流れる空気流の力によって、車両の姿勢は影響を受ける。そこで車体周囲の空気流を制御して、車両の姿勢制御を行う手法が提案されている。例えば、特許文献１に於いては、車体の側面に設けられた空気噴出ノズルから空気を噴出して車体表面の空気流を剥離させることによりよどみ点を形成して、車体にヨーモーメントを生成する負圧部を生成し、これにより、横風等により発生するヨーモーメントを低減する方法が開示されている（図４）。また、特許文献２には、車輪の前方に空気流を制御するスパッツ板を設け、車両の操舵状態に応じてスパッツ板の向きを変更して車両に発生したヨーモーメントを制御するスパッツ装置が提案されている。

特開平０６−２８６６７０特開２００９−０１２７６３

特許文献１の制御手法の場合、空気噴射と車体表面の空気流の剥離という二段階の過程を経て、車体に作用する空気力の釣り合いを変更することとなるので、制御指示が発せられてから、車体に発生する空気力の制御効果が出るまでの時間的な遅れが比較的長い。また、その制御機構は、空気噴流により、その近傍の物体表面の境界層を誘引して物体表面からの空気流の剥離を発生する間接的な剥離発生機構であり、剥離発生装置として機能する空気噴出ノズルが大気にむき出しに設置されていることから、ノズル近傍に、方向及び大きさの変動する外乱風が作用すると、境界層の誘引力と、誘引される側の車体表面の空気流の境界層の状態とが不安定となり、従って、空気流の剥離の制御は相当に困難と成り得る。一方、特許文献２の構成は、スパッツ板は、車輪の前方に設けられているので、車体の下部の空気流のみが制御対象となり、車両の姿勢制御の対象は、主としてヨー方向に於いてのみである。

かくして、本発明の一つの目的は、空気力を利用した車両の姿勢制御装置であって、従前の装置よりも迅速に制御効果を発揮できるよう構成された装置を提供することである。

また、本発明の一つの目的は、上記の如き装置であって、車両のヨー方向以外の方向の姿勢の修正も可能な装置を提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、車両の姿勢制御装置であって、車体上に設けられ選択された方向に空気流を噴出可能な空気噴出ノズルと、車体の姿勢情報に基づいて決定される方向に空気噴出ノズルから噴出される空気流の反力によるモーメントが車体に作用するよう空気噴出ノズルから噴出させる空気流を制御する手段とを有することを特徴とする装置によって達成される。

上記の構成に於いては、車体上に、例えば、車体の後端に選択された方向に空気流を噴出可能な空気噴出ノズルを設け、その空気噴出ノズルから噴出される空気流の反力により車体に力のモーメントを発生させ、これにより、車体の姿勢の制御が達成される。空気噴出ノズルは、例えば、空気流が上下方向、左右方向、角度方向を向くように複数個設けられてよく、空気量は、各方向についてそれぞれ独立に制御可能であることが好ましい。噴出空気については、車両に空気供給装置が搭載され、これにより、噴出空気が供給されるようになっていてよい。この点に関し、空気供給装置の軽量化及び／又はコンパクト化の目的のため、特に、電気自動車の場合には、電池充電システムのレンジエクステンダーの動力源として、ガスタービンエンジンを搭載し（ガスタービンエンジンを電池充電用に用いる。）、空気流の噴出時には、ガスタービンエンジンの出力を電池充電用の発電機から空気供給装置へ切り換えて、ガスタービンの出力を空気流噴出の動力源として用いられるようになっていてよい。

また、空気流の制御手段に於いては、典型的には、常時、車速、３軸（ｘ、ｙ、ｚ軸）加速度、ヨーレート等を監視し、空気流による姿勢制御の必要性の有無が判定されるようになっていてよい。空気流による姿勢制御が必要であると判定されたときには、上記の監視データと空気噴出ノズルの各々に設けられる流量制御弁の上流の圧力とに基づいて、空気噴出ノズルの各々に於ける必要流量並びに流量制御弁の開度が決定され、各制御弁に開度制御信号が送信され、各制御弁に於いて、決定された空気量が噴出され、これにより、車体に力のモーメントが作用されるようになっていてよい。

かくして、上記の本発明によれば、空気噴出流の反力が直接に車体の姿勢を制御するモーメントを発生するので、制御指示からの車体に発生する空気力の制御効果が出るまでの時間を比較的短くすることができる。また、空気噴出流の反力は、ノズルから噴出する空気の流量と流速とに依存するので、ノズルに外乱風が当たってもその影響は、空気噴出流の反力により生ずるモーメントに顕著に現れず、安定的な制御が期待される。更に、ノズルの向きを任意に設定しておくことにより、空気噴出流の向きは任意に設定できるので、車両の姿勢制御は、ヨー方向だけではなく、ピッチ方向、ロール方向についても可能である。そして、電気自動車等の電池充電システムが搭載されている車両に於いては、空気供給装置の動力源として、レンジエクステンダーの動力源を用いることにより、空気供給装置は専用の動力源を持つ必要はなくなり、装置の軽量化、コンパクト化が達成される。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１は、本発明による車両の姿勢制御の原理を説明する模式的な平面図である。図２は、本発明による車両用姿勢制御装置が搭載された車両を模式的に表した側面図（Ａ）及び後方図（Ｂ）である。図３は、本発明による車両用姿勢制御装置の構成をブロック図の形式で表した図である。図４は、従来の技術に於ける車両周囲の空気流の制御を通じて実行される車両の姿勢制御の態様の例を模式的に示している。

１０…車両
１２Ｆ、１２Ｒ…車輪
１４…空気噴射ノズル
１５…流量制御弁
１６…空気配管
１８…空気供給装置
２０…ギヤ
２２、２５…クラッチ
２４…小型ガスタービン
２６…発電機
２８…電池
３０…放風弁
５０…電子制御装置

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

本発明の原理
既に述べた如く、走行中の自動車等の車両に於いて、車体の周囲に流れる空気流の力は、車両の姿勢を変更させる力のモーメントを発生し得る。そこで、例えば、特許文献１では、図４に示されている如く、車体１０の側部に空気を噴射するノズル１４’を設け、車体の周囲の空気流を制御することによって、車両の姿勢を制御する構成が提案されている。かかる構成に於いては、端的に述べれば、車両１０が図示の如く左前方から横風Ｆを受け、これにより、重心Ｇ周りにヨーモーメントＩが生ずると、車体左側の空気噴射ノズル１４’から空気流Ｊが噴射される。そうすると、空気流Ｊの内側の車体表面に於ける空気流が剥離されてよどみ点となる。そして、よどみ点となった空間Ｈは、その周囲に比して圧力が相対的に低い負圧領域となるため、車体が引き寄せられ、重心Ｇ周りのヨーモーメントＫが生じ、ヨーモーメントＩの作用を相殺することとなる。

しかしながら、図４に例示の機構でヨーモーメントＫを発生させる場合、空気噴射と車体表面の空気流剥離との二段階の過程を経ることとなるので、制御指示の発信後からヨーモーメントＫの発生までの時間的な遅れが比較的長い。また、図示の如く横風（外乱風）Ｆの一部が空気噴射ノズル１４’に当たると、空気噴射流による車体表面の空気流の境界層の誘引力と、誘引される側の境界層自体の状態とが不安定となり、従って、空気流の剥離の制御は相当に困難と成り得る。

そこで、本発明に於いては、上記の如き従前の技術に於ける問題点が生じない新規な原理による空気流の力を利用した姿勢制御装置が提案される。本発明の姿勢制御装置に於いては、図１に模式的に示されている如く、車体１０の重心Ｇから離れた位置、例えば、車体の後端に空気噴射ノズル１４が設けられる。そして、車体に外乱により力のモーメントＩが発生したときには、その外乱による力のモーメントＩを相殺する方向に力のモーメントＫが発生するように空気噴射ノズル１４から空気流Ｊが噴出される。ここで理解されるべきことは、空気流Ｊにより発生される力のモーメントＫは、空気流Ｊの噴出に対する反力に依るものであるということである。かかる構成によれば、空気流Ｊの噴出に即座に対応して力のモーメントＫが発生するので、制御指示の発信後からヨーモーメントＫの発生までの時間的な遅れは比較的短くなる。また、空気流Ｊの反力の大きさは、空気噴射ノズル１４からの空気の時間当たりの噴出量によって決定されるため、空気噴射ノズル１４に外乱風が当たっても、その、空気流Ｊの反力に対する影響は比較的少なくなる。

なお、図１では、車体のヨー方向の姿勢を変化する外乱風Ｆに対して、そのヨーモーメントＩを相殺する方向に、空気流Ｊの噴出による力のモーメントＫを生成するべく、空気流Ｊは、車体の側方に噴出するよう記載されている。しかしながら、車体に於いて、ピッチ方向又はロール方向に姿勢を変化させる外乱による力のモーメントが発生したときには、外乱の力のモーメントの方向に対応して、かかる力のモーメントを相殺する方向に力のモーメントが生ずるように、空気流Ｊは、車体の上下方向又は角度方向に選択的に噴出できるようになっていることが好ましい（図２（Ｂ）参照）。

装置の構成
図２を参照して、本発明による車両用姿勢制御装置の搭載される自動車等の車両１０は、任意の自動車等の車両であってよい。車両１０には、通常の態様にて、各輪１２Ｆ、１２Ｒに制駆動力を発生する動力装置と、ステアリング装置と、各輪に制動力を発生する制動装置とが搭載される（図示せず）。図示の例では、電気自動車であり、車体底部に電池２８を搭載しているが、これに限定されず、エンジン車両、ハイブリッド車両であってもよい。

本発明の車両用姿勢制御装置は、基本的な構成として、空気流を噴出する空気噴射ノズル１４と、空気噴射ノズル１４へ空気流を供給する空気供給装置１８及び配管１６とを含む。空気噴射ノズル１４は、空気流の噴出の反力による力のモーメントが大きくなるように、車両の重心からできるだけ離れた位置に、典型的には、図示の如く車体の後端に配置される。また、空気噴射ノズル１４は、より詳細には、図２（Ｂ）に模式的に描かれている如く、車体のヨー方向に力を発生できるように、車体の左右方向を向いたノズル１４ａ、１４ｂと、車体のピッチ方向及びロール方向に力を発生できるように、車体の上下方向を向いたノズル１４ｃ〜ｆとから構成されてよい。各ノズルには、流量が調節可能な態様にて、配管１６から送られてくる空気流の噴出を許す流量制御弁１５が設けられ、各弁の開度は、後に説明される態様にて、電子制御装置５０の制御下、互いに独立に制御され、対応するノズルから空気流が選択的に噴出できるよう構成される。

空気供給装置１８は、典型的には、一方の端（前方端）から外部から空気を取り込んで他方の端（後方端）へ空気流を圧送できる任意の型式の圧縮機等であってよい。空気供給装置１８の動力源は、任意の回転式駆動装置であってよいところ、空気供給装置１８の軽量化、コンパクト化の目的で、車両に於いて既存の回転式駆動装置の回転駆動力が空気供給装置１８の駆動力としても利用できるよう構成されていることが好ましい。特に、車両１０が電気自動車であり、小型のレンジエクステンダー（車両内で燃料を用いて発電して電池２８を充電するシステム）を搭載させる場合には、レンジエクステンダーの動力源としてガスタービンエンジン２４を採用し（ガスタービンエンジンを採用する理由は、重量当たりの出力が最小であるためである。）、電池の充電のための発電機２６の駆動と空気流噴射のための空気供給装置（圧縮機）１８の駆動との双方に利用できるようになっていてよい。その場合、電池充電時には、ガスタービンエンジン２４から空気供給装置へ回転力を伝達するクラッチ２２をＯＦＦ状態（断続）にし、ガスタービンエンジン２４から発電機２６へ回転力を伝達するクラッチ２５をＯＮ状態（接続）にすることにより、発電機２６を駆動して、電気の充電が実行される。一方、車両の姿勢制御の実行時には、クラッチ２５をＯＦＦ状態とされ、クラッチ２２をＯＮ状態とすることによって、回転力が、ガスタービンエンジン２４からギヤ２０を経て空気供給装置（圧縮機）１８へ伝達される。なお、クラッチ２２及びクラッチ２５のＯＮ−ＯＦＦ状態の切換は、電子制御装置５０の制御の下、任意の型式のアクチュエータを駆動することにより達成されてよい。

ところで、車両の姿勢制御を実行する際に、制御開始の指示に応答して空気供給装置１８の駆動を開始し、ノズル１４への空気流の供給を実行する場合には、実際に空気流がノズルから噴出されるまでに時間を要し、制御の応答が遅くなることとなる。そこで、好適には、空気供給装置１８を常時運転しておき、配管１６へ空気流を供給し、ノズル１４からの空気流噴出の必要の無いときには、放風弁３０から空気流を逃すことができるよう構成されていてもよい。その場合、ノズル１４からの空気流噴出が必要なときには、放風弁３０からの空気流の逃げ道を封鎖して、ノズル１４から所望の方向に空気流が噴出されるよう対応する流量制御弁１５が開弁される。かかる構成によれば、車両の姿勢制御のための力のモーメントが制御指示に応答して迅速に発生され、速やかに制御効果が現れることが期待される。なお、放風弁３０から空気流を逃す際には、車体の姿勢に影響を与えない方向、例えば、車体の後方に空気流が放出されるようになっていてよい。放風弁３０の位置は、応答性を高めるために、ノズル１４にできるだけ近い位置であることが好ましい。

車両の姿勢制御装置の各部の作動は、既に触れた如く、電子制御装置５０により制御される。電子制御装置５０は、通常の形式の、双方向コモン・バスにより相互に連結されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力ポート装置を有するマイクロコンピュータ及び駆動回路を含んでいてよい。電子制御装置５０には、図３に示されている如く、任意のセンサによって検出される姿勢制御に必要なパラメータ、例えば、車速（又は車輪速）、３軸（ｘ，ｙ，ｚ軸）加速度、ヨーレート等の値が入力される。また、ノズル１４ａ〜ｆに設けられた各流量制御弁１５に於ける圧力を監視するために、各弁の上流の圧力値も入力されてよい。そして、電子制御装置５０は、記憶装置（図示せず）に記憶されたプログラムに従って、入力された検出値に基づいて、姿勢制御の要否の判定及び空気流の噴出方向と噴出量の決定を実行し、クラッチ、放風弁３０及び／又は各流量制御弁１５のアクチュエータに対して制御指示を与え、これにより、空気供給装置１８、流量制御弁１５の作動が制御される。

装置の作動
本発明による車両の姿勢制御装置の作動に於いて、車両の走行中、例えば、車速が所定速度を超えると、空気供給装置１８の駆動が開始されるようになっていてよい。そして、電子制御装置５０は、図３にて模式的に描かれている如く、車速、３軸加速度、ヨーレート等を参照して、任意の態様にて、車両のヨー方向、ピッチ方向、ロール方向の姿勢状態を表す指標値（姿勢状態指標値）を算出し、各方向に於いて、姿勢を修正するためのヨーモーメントの付加が必要か否か、即ち、車体の空気流噴出による姿勢制御（車体空気力制御）の要否を決定する。なお、ここで、姿勢制御が必要と判定されない限り、全流量制御弁１５に対して、弁を全閉にする制御信号（全閉信号）が各弁のアクチュエータに与えられ、放風弁３０に空気流を逃すよう弁を設定する信号が与えられる。

一方、例えば、横風Ｆ（図１参照）、或いは、その他の某かの要因により、車体の姿勢が悪化し、姿勢状態指標値に基づいて姿勢制御が必要であると判定されると、任意の態様にて、姿勢状態指標値に基づいて、ヨー方向、ピッチ方向及び／又はロール方向について姿勢を修正するために要求される力のモーメントが算出され、かかる力のモーメントを達成するための空気の噴出量が算定され、かかる空気の噴出量と、各流量制御弁の上流の圧力とに基づいて、各流量制御弁の開度の要求値が演算される。そして、かかる各流量制御弁の開度の要求値を達成するよう、流量制御弁１５のアクチュエータへ制御信号が送信され、対応する流量制御弁１５に於いて開弁作動が実行されて、これにより、空気流の噴出により、姿勢を修正するための力のモーメントが生成されることとなる。

上記の姿勢制御に於いて、ヨー方向のモーメントの生成が要求されるときには、ノズル１４ａ又は１４ｂが流量を調節しながら開弁され、空気流が噴出される。そうすると、車体の左右方向に於いて空気流の噴出方向と反対の方向に力が作用し、これにより、ヨーモーメントが生成されることとなる。また、ピッチ方向のモーメントの生成が要求されるときには、ノズル１４ｄ及びｆ又はノズル１４ｃ及びｅが流量を調節しながら開弁され、空気流が噴出される（ノズル１４ｄ及び１４ｆと、ノズル１４ｃ及び１４ｅとは、それぞれ、同時に開弁される。）。そうすると、車体の後端の上下方向に於いて空気流の噴出方向と反対の方向に力が作用し、これにより、ピッチ方向に力のモーメントが生成されることとなる。更に、ロール方向のモーメントの生成が要求されるときには、ノズル１４ｃ及びｆ又はノズル１４ｄ及びｅが流量を調節しながら開弁され、空気流が噴出される（ノズル１４ｃ及び１４ｆと、ノズル１４ｄ及び１４ｅとは、それぞれ、同時に開弁される。）。そうすると、車体の前後方向軸周りの角度方向に於いて、空気流の噴出方向と反対の方向に力が作用し、これにより、ロール方向に力のモーメントが生成されることとなる。それぞれの場合に噴出される空気流量は、姿勢状態指標値に基づいて、例えば、実験的に又は理論的に予め準備されたマップ等を利用して決定されてよい。

空気流の噴出による姿勢制御の実行後、姿勢制御の必要が無くなったときには、再び、全流量制御弁１５に対して、全閉信号が各弁のアクチュエータに与えられ、放風弁３０に空気流を逃すよう弁を設定する信号が与えられる。なお、姿勢制御の必要の無い場合に於いて、放風弁３０にて配管１６内の空気流を逃すことに代えて、全流量制御弁１５を開弁するようになっていてもよい。その場合、上記の各方向のモーメントの発生が要求されるときには、要求された力のモーメントを与える空気流を噴射するよう選択された流量制御弁１５以外の弁を閉弁される。

かくして、上記の構成によれば、制御指示が与えられた後、ノズルから空気流噴出と同時に車体に力のモーメントが作用することとなるので、迅速に姿勢制御の効果が現れることが期待される。なお、理解されるべきことは、本発明による制御手法は、従前のタイヤ力の制御による姿勢制御とは異なり、車両のタイヤが路面に接していない状態でも姿勢の修正が可能なことである。従って、本発明は、「飛行可能モビリティ」の姿勢制御にも適用可能である。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims

車両の姿勢制御装置であって、車体上の前記車体の重心から離れた位置に設けられ前記車体の左右方向及び上下方向のうちの選択された方向に空気流を噴出可能な空気噴出ノズルと、前記車体のヨー方向、ピッチ方向及びロール方向のうちの前記車体の姿勢情報に基づいて決定される方向に前記空気噴出ノズルから噴出される空気流の反力によるモーメントが前記車体に作用するよう前記空気噴出ノズルから噴出させる空気流を制御する手段と、前記空気噴出ノズルへ空気を供給する空気供給装置と、前記空気供給装置と前記空気噴出ノズルとの間の配管に設けられて前記空気供給装置から前記空気噴出ノズルへの空気流の必要のないときには前記車体の姿勢に影響を与えない方向に空気流を逃し、前記空気流の噴出の必要なときに前記空気供給装置から前記空気噴出ノズルへ空気流を流通させる放風弁とを有することを特徴とする装置。