JP5733924B2 - トレーラと牽引車両との間の測定距離を用いたトレーラの揺れ軽減方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、トレーラの揺れ軽減に関する。より詳細には、本発明は、トレーラの揺れ軽減における超音波センサ又はレーダセンサの使用に関する。

車両の背後でトレーラを牽引することは、多くの場合、車両及びトレーラのいずれに関しても安定性の問題を提示する。トレーラは車両の背後で引っ張られるとき、横方向において行ったり来たりするように振動する、すなわち揺れやすい。振動は、過剰な運転速度及び極端な方向変更を含む複数の状況によって引き起こされ得る。たとえば、車両の運転者は、高速道路のランプから合流する車両に道を譲るために急ハンドルを切る場合がある。急なハンドル操作運動がトレーラに伝わり、トレーラは振動し始める場合がある。適切な抑制がなければ振動は大きくなり続ける場合がある。振動が減少しない場合、車両及びトレーラは不安定になる可能性がある。

車両及びトレーラを安定した動作状態に戻すためにトレーラ振動の周波数及び大きさを抑制し且つ実質的に減少させるいくつかの方法が開発されてきた。たとえば、車両におけるトレーラの揺れ軽減（「ＴＳＭ」）が、２００６年８月１１日に出願された特許文献１（参照により本明細書に援用される）に記載されている。しかしながら、多くの現在のトレーラの揺れ軽減方法は、単に車両特性を検出するセンサを用いる。トレーラの位置及び振動作用は直接測定されない。その結果、現在の方法は、トレーラが存在していないときに誤起動するようなエラーを起こしやすい。加えて、実際のトレーラの位置及び振動挙動の評価が、その評価自体の精度を確かめる方法がないまま行われるため、現在の方法の精度は低い。

米国特許出願第１１／５０３，８７５号明細書

本発明は、車両の後端からトレーラまでの距離を直接且つ正確に測定し、トレーラの揺れ軽減を実施する電子制御ユニットに正確な測定値を提供することによって、トレーラの揺れを軽減する方法を提供する。したがって、本方法は、トレーラが存在するときにのみ有効になる。さらに、本方法は、実際のトレーラの距離が測定されて本方法への入力として用いられるため、より正確である。

一実施の形態では、本発明は、車両及びトレーラを制御する方法を提供する。車両は前端及び後端を有しており、トレーラは後端に連結されている。本方法は、複数の車両特性を感知すること、車両の後端に位置付けられているセンサによって、車両とトレーラとの間の距離を感知すること、感知された距離に基づいてトレーラの振動作用を求めること、並びに振動作用に応答して、車両の少なくとも１つの車輪にブレーキ力を加えることを含む。

別の実施の形態では、本発明は、車両及びトレーラを制御するためのシステムを提供する。車両は前端及び後端を有しており、トレーラは後端に連結されている。本システムは、複数の車両特性センサと、少なくとも１つの距離センサと、電子制御ユニット（「ＥＣＵ」）とを備える。複数の車両特性センサはそれぞれ、センサ信号を出力するように構成されている。距離センサは、車両の後端に連結されており、後端とトレーラとの間の距離を感知し、感知された距離を示す信号を出力する。ＥＣＵは、センサ信号及び距離信号を受信し、センサ信号に基づいて複数の目標特性を求める。ＥＣＵは、センサ信号を目標特性と比較し、その比較に基づいてエラー信号を生成する。エラー信号に応答して、ブレーキ力が車両の車輪に加えられる。

本発明の他の態様は、詳細な説明及び添付の図面を考慮することによって明らかとなるであろう。

車両及びトレーラの概略図である。 センサ及び測定パラメータを示す図１と同様の概略図である。 図１及び図２において用いられる制御システムの概略図である。 １つのセンサを有するシステムを含む、図１及び図２と同様の概略図である。

本発明のいずれの実施形態も詳細に説明する前に、本発明は、その用途を、以下の説明に明記されるか又は添付の図面に示される構成の細部及び構成要素の構造に限定されることがないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態を実施することができ、また様々な方法で実施又は実行することができる。

図１は、前端１２と、後端１４と、右側１６と、左側１８と、４つの車輪２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、及び２０Ｄとを有する車両１０を示す。前輪２０Ａ及び２０Ｂは前車軸２２に連結されており、後輪２０Ｃ及び２０Ｄは後車軸２４に連結されている。車両１０は、エンジン２６及び電子制御ユニット（「ＥＣＵ」）２８を備える。車両１０の運転者は運転手席（「左ハンドル」の国では左側にある）に位置付けられるものとする。運転者は、車両を矢印３０の方向のような所望の方向に方向付けるようにハンドルを回す。

車両１０は、ＥＣＵ２８に情報を提供する複数のセンサを備える。センサは、操舵角センサ３２と、エンジントルクセンサ３４と、各車輪に対応する車輪速度センサ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、及び３６Ｄと、ブレーキ系統のマスタシリンダ圧力センサ３８と、横加速度センサ４０と、ヨーレートセンサ４２と、右距離センサ４４と、左距離センサ４６とを含む。当然ながら、他の実施形態では、車両１０は、センサの数がより多くても少なくてもよい。車両１０は、長手方向車両軸４８を画定する。

トレーラ５０が、連結装置（hitch）５２によって車両の後端に連結されている。トレーラ５０は、前端５４と、後端５６と、右側５８と、左側６０と、４つの車輪６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、及び６２Ｄとを備える。前輪６２Ａ及び６２Ｂは前車軸６４に連結されており、後輪６２Ｃ及び６２Ｄは後車軸６６に連結されている。より多くの又は少ない数の車軸を有するトレーラを本発明の実施形態と共に用いることができる。トレーラ５０はまた、長手方向トレーラ軸６８と、ブレーキ信号及び方向転換信号（turn signal）のような車両１０からの運転者入力に応答して動作する後部テールライトとを有する。車両１０とは異なり、トレーラ５０は電子制御ユニットを備えていない。

上述のように、トレーラ５０は、牽引されるときに振動し始める場合があり、この振動は車両１０に影響を与え得る。車両運転者は、車両１０の運動を補償しようとして、操縦するか又はブレーキペダルを踏むことによって振動に応答し得る。しかしながら、運転者は、オーバーステアをして車両を制御できなくなる場合がある。

車両１０は、トレーラ５０を牽引するときに車両１０の安定性を増大させるためのトレーラの揺れ軽減（「ＴＳＭ」）機能を備えており、ＴＳＭ機能のロジックが図３に示される。ＴＳＭ機能は、電子安定制御（「ＥＳＣ」）アプリケーション又はモジュール７０を用いる。モジュール７０は、ＥＣＵ２８によって実行されるソフトウェアプログラムである。ＥＣＵ２８は、車両センサ（たとえば、操舵角センサ３２、エンジントルクセンサ３４、車輪速度センサ３６、マスタシリンダ圧力センサ３８、横加速度センサ４０、及びヨーレートセンサ４２）から車両特性に対応する信号７２を受信する。加えて、ＥＳＣモジュール７０はまた、超音波又はレーダベースのセンサとすることができる右距離センサ４４及び左距離センサ４６から入力７４を受信する。

一般的には、ＴＳＭは、ブレーキ（又は、より広範には車輪トルク）が指定通りに制御されるようにすることによって車両１０の安定性を増大させる。対称ブレーキ及び非対称ブレーキ（又は、より広範にはトルク制御）を車両の車輪２０に加えてトレーラ振動を抑制する。対称ブレーキ力は、通常は４つの車輪すべて（すなわち２つの前輪及び２つの後輪）である車両の複数の車輪に均等に加えられる。非対称ブレーキ力は、車輪のうちの１つ又は複数に不均等に加えられる。たとえば、右前輪のみ（又は右後輪のみ、又は右前輪及び右後輪）にブレーキ力が加えられる場合がある。ここでは、同様のブレーキ力が、左前輪のみ（又は左後輪のみ、又は左前輪及び左後輪）に加えられる場合がある。トレーラ振動が減少するまで様々な非対称ブレーキが実行され得る。

ＥＳＣモジュール７０は、車両速度及び車両ヨーレートに基づいて利得値Ｋを求める。図２に示されるように、車両の路面車輪角ψ（ｔ）は、車両運転者すなわち運転手からのハンドル操舵入力の関数である（入力ｌｗｓ）。車両の路面車輪角ψ（ｔ）は、図２に視覚的に示されており、方程式１を用いて計算される。

ψ（ｔ）＝ｆ（ｌｗｓ） （方程式１）
右距離センサ４４及び左距離センサ４６は、車両１０の後端１４に取り付けられ、互いに離間している。示されるように、右センサ４４は長手方向軸４８から距離ｌ_１を置いて位置しており、左センサ４６は長手方向軸４８から距離ｌ_２を置いて位置している。距離ｌ_１及びｌ_２は変化することなく、ｌ_１及びｌ_２の値（メートル単位）はＥＣＵ２８のメモリに記憶される。

動作中、目標のトレーラ位置が計算される。たとえば、運転者がハンドルを回すとき、目標のトレーラの揺れ角θ_ｓｏ（ｔ）によって画定される目標のトレーラ位置が、操舵角入力ｌｗｓに基づいて方程式２を用いて求められる。

θ_ｓｏ（ｔ）＝Ｋ^＊ψ（ｔ） （方程式２）
目標のトレーラの揺れ角θ_ｓｏ（ｔ）は、長手方向車両軸４８と長手方向トレーラ軸６８との関係を表す（describe）。トレーラ５０が車両１０と一列になると、長手方向車両軸４８及び長手方向トレーラ軸６８は互いに平行になり、θ（ｔ）は０度に等しい。

右の目標距離ｄ_１ｓｏ（ｔ）及び左の目標距離ｄ_２ｓｏ（ｔ）が方程式３を用いて計算される。右の目標距離ｄ_１ｓｏ（ｔ）は、右センサ４４に隣接した車両１０の後端１４からトレーラ５０の前端５４までの距離である。同様に、左の目標距離ｄ_２ｓｏ（ｔ）は、長手方向車両軸４８に実質的に平行である線に沿った、左センサ４６に隣接した車両１０の後端１４からトレーラ５０の前端５４までの距離である。車両１０の後端１４に平行な線７６を延長し且つトレーラ５０の前端５４に平行な線７８を延長すると、これらの線は点８０で交差する。線７６と７８との間の角度は、トレーラの揺れ角θ（ｔ）に等しい。長さｌ（ｔ）が、図２に示されるように左センサ４６から点８０までの距離として画定される。したがって、変数間の関係は同様の直角三角形を用いて表すことができ、目標距離ｄ_１ｓｏ（ｔ）及びｄ_２ｓｏ（ｔ）は方程式３を用いて計算される。

ｔａｎθ_ｓｏ（ｔ）＝ｄ_２ｓｏ（ｔ）／ｌ（ｔ）＝ｄ_１ｓｏ（ｔ）／（ｌ（ｔ）＋ｌ_１＋ｌ_２） （方程式３）
実際の右距離ｄ_１（ｔ）及び実際の左距離ｄ_２（ｔ）は、右距離センサ４４及び左距離センサ４６によって生成及び受信される信号を解析することによって求められる。右距離センサ４４及び左距離センサ４６は、超音波センサ、レーダセンサ等とすることができる。右距離センサ４４は、トレーラ５０の方向に信号８２を発する。信号８２の少なくとも一部が反射して右センサ４４に向かって戻り、センサ４４は経過時間の長さに基づいて右距離ｄ_１（ｔ）を求める。左距離センサ４６は、トレーラ５０の方向に信号８４を発し、信号８４がトレーラの前端５４に達してから反射し左距離センサ４６に戻るまでの時間の長さを求める。

目標の右距離ｄ_１ｓｏ（ｔ）及び左距離ｄ_２ｓｏ（ｔ）が計算され、実際の右距離ｄ_１（ｔ）及び左距離ｄ_２（ｔ）が距離センサから受信されると、右エラー信号ε_１（ｔ）８６及び左エラー信号ε_２（ｔ）８８が、方程式４及び５を用いてそれぞれ計算される。

ε_１（ｔ）＝ｄ_１（ｔ）−ｄ_１ｓｏ（ｔ） （方程式４）
ε_２（ｔ）＝ｄ_２（ｔ）−ｄ_２ｓｏ（ｔ） （方程式５）
加算ノード９０が、方程式４及び５を用いてＥＳＰによって計算されたエラー信号８６及び８８を加算して、その合計（制御器入力）９２を比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御器９４に出力する。ＥＳＰセンサ３２、３４、３６、３８、４０及び４２もまた、帯域フィルタ９８を用いてフィルタリングされる出力９６を提供し、これがＰＩＤ制御器９４に提供される。ＰＩＤ制御器９４はエラー信号９２、及びフィルタリングされたＥＳＰセンサ出力１００を用いて油圧ユニット１０４に提供される制御信号１０２を生成する。油圧ユニット１０４は、対称ブレーキ、非対称ブレーキ、又はその両方を車両１０に加えるための出力１０６を生成する。このプロセスは、トレーラ振動が所定の閾値を下回るまで繰り返される。

油圧ユニット１０４の出力１０６も、特定の閾値の解析に応じて決まる。たとえば、θ（ｔ）は、（１）θ_ｓｏ（ｔ）、すなわち、｜θ（ｔ）−θ_ｓｏ（ｔ）｜＜３°、及び（２）ｄ（θ（ｔ））／ｄｔ＜０に収束する。実際の、すなわち測定された揺れ角θ（ｔ）と目標の揺れ角θ_ｓｏ（ｔ）との差の絶対値が３度よりも大きい場合、ブレーキが加えられる。対称ブレーキは、ｄ（θ（ｔ））／ｄｔ≦０であるときに加えられる。非対称ブレーキは、ｄ（θ（ｔ））／ｄｔ＞０であるときに加えられる。実際の揺れ角θ（ｔ）が負である場合、ブレーキは左の前輪及び後輪に加えられる。θ（ｔ）が正である場合、ブレーキは右の前輪及び後輪に加えられる。

図４は、１つの距離センサ１１４のみを有する、図１及び図２の車両１０と同様の車両１１２の平面図を概略的に示す。車両は、前端１１６と、後端１１８と、右側１２０と、左側１２２と、４つの車輪１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、及び１２４Ｄとを備える。車両はまた、長手方向軸１２６を画定する。トレーラ１２８が、連結装置１３０によって車両１１２に連結されている。トレーラ１２８は、前端１３２と、後端１３４と、右側１３６と、及び左側１３８とを有する。トレーラ１２８は、長手方向トレーラ軸１４０を有する。

距離センサ１１４は、連結装置１３０に隣接して位置付けられており、長手方向車両軸１２６に実質的に平行な線に沿ってトレーラ１２８の方向を向いている。図３のロジックはまた、１つのエラー信号しかＥＳＣモジュール７０によって計算されないことを除いて図４のシステムにも適用される。したがって、図４のシステムに加算ノードは必要ではない。ＥＳＰセンサは、車両特性を求めて、センサ出力７２をＥＳＣモジュール７０及びＰＩＤ制御器９４に提供する。距離センサは、車両１１２の後端１１８からトレーラ１２８の前端１３２までの距離ｄ（ｔ）を表す信号７４を出力する。センサ出力７４から、ＥＳＣモジュール７０は、方程式１に関して上述したような車両の路面車輪角ψ（ｔ）を計算する。ＥＳＣモジュール７０は、車両速度及び車両ヨーレートに基づいて利得値Ｋを求め、上記の方程式２を用いて目標のトレーラの揺れ角θ_ｓｏ（ｔ）を計算するために、車両の路面車輪角ψ（ｔ）に対する利得値Ｋを用いる。

目標距離ｄ_ｓｏ（ｔ）は、方程式６を用いて計算される。

ｄ_ｓｏ（ｔ）＝ｄ_０／ｃｏｓθ_ｓｏ（ｔ） （方程式６）
ｄ_０は、θ＝０である（すなわち、トレーラは車両と位置合わせされている）ときの車両とトレーラとの間の距離である。ＥＳＣモジュール７０は、感知された距離ｄ（ｔ）を受信し、感知された距離ｄ（ｔ）を目標距離ｄ_ｓｏ（ｔ）と比較して方程式７を用いてエラー信号ε（ｔ）を求める。

ε（ｔ）＝ｄ（ｔ）−ｄ_ｓｏ（ｔ） （方程式７）
対称ブレーキ、非対称ブレーキ、又はその両方を車輪に加えるか否かを判断するために、エラー信号９２がＰＩＤ制御器９４によって用いられる。ブレーキ力を車両１１２の車輪に加えるために、ＰＩＤ制御器９４によって生成される制御信号１０２が油圧ユニット１０４に提供される。したがって、トレーラ振動が減少し、車両１１２及びトレーラ１２８の両方の安定性が増大する。

したがって、本発明は、特に、トレーラの揺れ軽減制御システムを用いて車両及びトレーラを制御する方法を提供する。本発明の種々の特徴及び利点が、特許請求の範囲に規定される。

Claims (16)

1. 車両及びトレーラを制御する方法であって、該車両は前端及び後端を有しており、該トレーラは該後端に連結されており、該方法は、
   前記車両の操舵角を感知すること、
   車両の運転中に、前記車両の前記後端に位置付けられているセンサによって、前記車両と前記トレーラとの間の距離を感知すること、
   車両の運転中に、前記車両の前記感知された操舵角に基づいて、前記車両の後端と前記トレーラとの間の目標距離を計算すること、
   前記感知された距離及び前記目標距離に基づいてエラー信号を求めること、並びに
   車両の方向転換中に、前記エラー信号に応答して、前記車両の少なくとも１つの車輪にブレーキ力を加えること、
   を含む、方法。
2. 前記センサは超音波センサを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記車両と前記トレーラとの間の距離を感知することは、前記車両の前記後端に連結されている前記超音波センサから超音波パルスを発すること、前記超音波センサによって前記超音波パルスの反射を受信すること、該反射を受信するまでの時間の長さを計算すること、及び該時間の長さに基づいて前記距離を求めることをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記センサはレーダセンサを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記目標距離を計算することは、前記操舵角、車両速度、及び車両ヨーレートに基づいて前記目標距離を計算することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記トレーラの揺れ角を求めることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記車両と前記トレーラとの間の第２の距離を感知すること、
   前記車両の後端と前記トレーラとの間の第２の目標距離を計算すること、
   前記感知された第２の距離及び前記第２の目標距離に基づいて第２のエラー信号を求めること、並びに
   前記第２のエラー信号に応答して前記ブレーキ力を加えることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記ブレーキ力を加えることは、対称ブレーキ力及び非対称ブレーキ力の一方を加えることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記トレーラの測定された揺れ角の変化がゼロ度よりも大きい場合、前記非対称ブレーキ力を加えることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 車両及びトレーラを制御するためのシステムであって、該車両は前端及び後端を有しており、該トレーラは該後端に連結されており、該システムは、
    前記車両の操舵角を出力するように構成されているセンサと、
    前記車両の前記後端に連結されている少なくとも１つの距離センサであって、前記後端と前記トレーラとの間の距離を感知し、該感知された距離を示す距離信号を出力するように構成されている、少なくとも１つの距離センサと、
    前記車両に連結され且つ前記車両の操舵角及び前記距離信号を受信するように構成されている電子制御ユニットであって、車両の運転中に、前記車両の操舵角に基づいて目標トレーラ距離を計算し、前記感知された距離及び前記目標トレーラ距離に基づいてエラー信号を求め、車両の方向転換中に、前記エラー信号に応答して前記車両の少なくとも１つの車輪にブレーキ力を加えるように構成されている、電子制御ユニットと、
    を備える、システム。
11. 前記距離センサは超音波センサである、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記距離センサはレーダセンサである、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記システムは、第１の距離センサから離間している、前記後端に連結されている第２の距離センサをさらに備え、前記電子制御ユニットは、前記第１の距離センサからの第１の距離信号及び前記第２の距離センサからの第２の距離信号を受信し、前記車両の操舵角に基づいて第２の目標トレーラ距離を計算し、第２の感知された距離及び前記第２の目標トレーラ距離に基づいて第２のエラー信号を求め、前記第２のエラー信号に応答して前記ブレーキ力を加えるように構成される、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記電子制御ユニットは、前記操舵角、車両速度及び車両ヨーレートに基づいて前記目標トレーラ距離を計算するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記ブレーキ力を加えることは、前記車両の前記車輪に、対称ブレーキ力を加えること及び非対称ブレーキ力を加えることの一方を含む、請求項１０に記載のシステム。
16. 前記電子制御ユニットは、前記エラー信号が第１の閾値を上回るときに前記対称ブレーキ力を加え、前記エラー信号が前記第１の閾値以下であり且つ第２の閾値を上回るときに非対称ブレーキ力を加える、請求項１５に記載のシステム。

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