JP6278392B2

JP6278392B2 - 車輪スリップのシミュレーションシステムおよび方法

Info

Publication number: JP6278392B2
Application number: JP2013546413A
Authority: JP
Inventors: ブライスジョンソン，ドナルド; マルコムニューバーガー，ノーマン; コーエンアンセルモ，イサック
Original assignee: Horiba Instruments Inc
Current assignee: Horiba Instruments Inc
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: US20120166154A1; US8631693B2; EP2656275B1; ES2716978T3; WO2012088393A1; EP2656275A1; JP2014505243A; EP2656275A4

Description

試験台を用いて、駆動軸に取り付けられた電気負荷機械により車輪の転がり抵抗および車両の加速性能をシミュレートすることにより、車両の動力伝達系の試験を行なうことができる。

コントローラは、路面に対してスリップする車輪−タイヤアセンブリをシミュレートする動力計に関する速度およびトルク情報を受信すべく構成されていてもよい。コントローラは更に、シミュレーション対象車輪−タイヤアセンブリの所望の速度をトルク情報に基づいて決定し、速度情報および所望の速度に基づいて所望の回転慣性特性を動力計に表示させる要求を動力計に対して生成すべく構成されていてもよい。

図１は、車両用試験台のブロック図である。図２は、図１の動力計コントローラ、駆動部、およびモーターを示すブロック図である。図３は、タイヤ力対車輪スリップのプロット図である。図４は、いくつかの車輪コントローラのブロック図である。図５は、図２のタイヤシミュレーションのブロック図である。

必要に応じて、本発明の詳細な実施形態を本明細書に開示する。開示する実施形態は単に本発明を例示するに過ぎず、各種の代替的な形式で具体化できる点を理解されたい。図面は必ずしも一定比率に描かれている訳ではなく、特定の構成要素の詳細を示すためにいくつかの特徴が誇張または矮小化されている場合がある。従って、本明細書に開示する特定の構造および機能に関する詳細は限定的でなく、当業者に本発明を様々に利用することを教示するための代表的な基礎に過ぎないものとして解釈されたい。

動力伝達系の試験台への負荷装置として用いられる動力計は、比較的大きい慣性（例：５〜１０ｋｇｍ^２）を有していてもよい。いわゆる高慣性／低ダイナミック動力計は産業界で一般的である。これらの動力計は、例えばタイヤ−車輪アセンブリをシミュレートする際に比較的小さい慣性（例：１ｋｇｍ^２）を代替する。しかし、適切な車輪スリップシミュレーションでは、駆動系の固有振動数、車輪力、車軸トルク、速度、減衰および振幅を再現するために、車両から見える慣性が、シミュレーション対象タイヤ−車輪アセンブリで同一であることが必要とされる。（車輪スリップおよびタイヤスリップという用語は本明細書では入れ替え可能に用いる）。駆動系の固有振動数が正しいことを保証するために適切な車輪およびタイヤ慣性が必要とされる。慣性と合わせて、タイヤおよび駆動系の特性により生じる減衰は、固有振動数の減衰を決定する。タイヤモデルにより、適切なタイヤ力が生じることが保証される。車輪スリップを適切にシミュレートするには、適切なタイヤ力、タイヤおよび車輪の慣性（またはそのシミュレーション）および結果的に生じる固有振動数の減衰が必要とされる場合がある。

特定の従来の車輪スリップシミュレーション技術では、高慣性／低ダイナミック動力計が車輪のスピン事象の最中に車輪スリップシミュレーション用に充分急激な加速および／または減速を行なうことができないため、低慣性／高ダイナミック動力計を用いる必要がある。しかし、低慣性／高ダイナミック動力計は比較的高価で一般に入手が容易でない。従って、車輪スリップアルゴリズムを実行するために高慣性／低ダイナミック動力計を使用することが望ましいであろう。本明細書で考察する特定の技術／システム／アルゴリズムは、車輪スリップシミュレーションに高慣性動力計の使用を可能にする。

従来の車輪スリップシミュレーション技術により、動力計慣性に対し、シミュレーション対象タイヤ−車輪アセンブリの慣性と同様に振る舞うように促すべく、スリップ事象の最中に動力計の速度およびトルク制御の喪失を可能になる（この効果的な制御喪失が生じるのは、車両トルクがシミュレーション対象タイヤ力の反発を受けたトルクを超えた場合、または車両トルクが運転要求に課される締め付けトルクを超えた場合である）。適切な駆動系固有振動数を出現させたい場合、スリップ事象の最中に動力計速度制御を喪失させるために、動力計の実際の慣性とシミュレーション対象タイヤ−車輪アセンブリの慣性が等しくなければならない。しかし、タイヤのバネおよび減衰特性が適切にシミュレートされない恐れがあるため、問題が生じる場合がある。補正器により減衰がいくらか調整可能になるが、当該補正器では固有振動数の制御または調整が可能でない場合がある。本明細書に開示する特定の実施形態は、スリップ事象の最中でも動力計速度の制御を保持することができる。従って、駆動系固有振動数およびその減衰の制御および調整可能性を実現することができる。

従来の車輪スリップシミュレーション技術では、カーブでの回転または通り抜けをシミュレートするために異なる車輪に異なる速度を与えることが困難な場合がある。例えばステアリング角による横方向／長手方向Ｐａｃｅｊｋａモデルを用いて車輪速度を決定してもよい（しかし任意の適当な／公知のタイヤモデルを用いてもよい）。しかし、Ｐａｃｅｊｋａモデルは複雑であり、パラメータが取得できない場合がある。例えば、スリップ制御を形成する利得の運動学計算が困難な場合がある。本明細書で考察する特定の実施形態は、デルタ速度を適用してステアリング入力を車両速度に合わせることにより、ステアリング計算を運動学計算に簡略化することができる。

図１を参照するに、動力計１０は、コントローラ１２、駆動部１４、およびモーター１６を含んでいてよい。駆動部１４は、コントローラ１２と通信状態にあるかまたはその制御下にあってモーター１６を駆動する。モーター１６と車両駆動系２０の間にトルクセンサ１８が軸系２２を介して機械的に接続されていてもよい。トルクセンサ１８は、コントローラ１２と通信状態にあってよい。モーター１６のいずれかの側に動力計１０の速度センサ２４が機械的に接続されていてもよい。当該センサ２４を用いてモーター１６の速度制御を行なうことができる。トルクセンサ１８からのトルク測定値は、タイヤシミュレーション３０に従いタイヤ力（例：タイヤと路面の間を伝達される力）により生じたトルクことを表す。トルク測定値には、シミュレーション対象タイヤの慣性および車輪の慣性を加速させる力を含んでいる（測定されたトルク＝タイヤ力＊タイヤ半径＋タイヤ加速度＊タイヤおよび車輪の慣性、ここにタイヤ半径、およびタイヤと車輪の慣性（所望の回転慣性特性）は所与であって、タイヤ加速度はシミュレーション対象タイヤ速度から導かれる）。タイヤシミュレーション３０はこれらの力を分離してタイヤ力およびスリップ速度（例：タイヤと道路の間の速度差）を計算する。これらのシミュレーション対象力（タイヤ力およびタイヤ加速力）は、モーター１６により生じた動力計力に、モーター１６の慣性に掛かる加速力を加算した値に等しい。

モーター１６の回転慣性と、センサ１８、２４および軸系２２の回転慣性との組合せにより試験台の回転慣性が得られる。当該回転慣性は、シミュレーション対象構成要素の回転慣性に等しくない場合には補償する必要がある（すなわち、車両から除外された構成要素の回転慣性に等しくない場合である）。以下に説明するように、コントローラ１２は、試験台の回転慣性が、例えば、スリップする車輪およびタイヤアセンブリ（無論他の構成要素もシミュレート可能）の回転慣性を模倣するように、駆動部１４／モーター１６を制御することができる。駆動部１４に対する要求信号（要求）は、大多数の動力計試験台で典型的なように、典型的にトルク要求である。代替的に、要求は駆動部１４に対する電流（アンペア）要求等であってもよい。

図１は車両駆動系２０への入力が１個である単一動力計構成だけを示しているが、このような構成が任意の数の車輪（例：１０個の車輪）を含む車両の各車輪ハブに取り付け可能であることを理解されたい。

図２を参照するに、駆動部１４およびモーター１６は、速度コントローラ２６による速度フィードバックループにより制御することができる。速度コントローラ２６のセットポイント（所望の速度）は、（当該タイヤの）スリップ速度と車両速度の和として計算される車輪速度である。そのような速度制御により、慣性シミュレーションの手段を提供することができる。しかし、高ダイナミック事象では、スリップの変化に対する高帯域幅応答を提供すべく速度コントローラ２６内にフィードフォワード要素を必要とする場合がある。当該フィードフォワード要素はまた、慣性シミュレーションの手段、従って、駆動系固有振動数の制御手段を提供することができる。フィードフォワード要素の利得が増大すれば有効慣性が減少し、その結果より高い駆動系固有振動数が得られる。フィードフォワード利得が減少すれば有効慣性が増大し、その結果より低い駆動系固有振動数が得られる。減衰は、速度ループ内の比例および微分要素により効果的に制御することができる。

車両速度は、車両シミュレーション２８における公知の道路負荷方程式とタイヤシミュレーション３０で計算されたタイヤ力の組み合せに基づく計算の結果得られた力が車両慣性３２に作用した結果生じる車両の加速度を積分３４することにより得られる。ブロック２８、３２、３４を組み合せて、公知の道路負荷計算ブロック３８を生成することができる。このような計算には、傾斜、風速および制動計算等の追加的な公知の計算が含まれるが、これに限定されない。タイヤ力は、車両を加速する力が表し、車両の力は加速に抵抗する力を表す。従って、速度コントローラ２６は、車輪スリップシミュレーションのための速度制御の当該特定の適用に際していかなるスリップ事象の最中においても無効にする必要がない。

タイヤシミュレーション３０は、各種のタイヤモデル（例：Ｐａｃｅｊｋａ長手方向タイヤモデル、簡略化タイヤモデル等）を用いてよい。特定の実装において、反復的アルゴリズムを用いて独立変数がスリップである関数をスリップについて解くことができる。一例として、Ｐａｃｅｊｋａ方程式はタイヤ力をスリップの関数として記述する。しかし、条件に応じて、スリップをタイヤ力から計算する場合もある。当該方程式が非可逆的であるため、スリップについてＰａｃｅｊｋａ方程式の閉形式解は存在しない。従って、スリップはタイヤ力の関数として反復的に解くことができる。

公知のＰａｃｅｊｋａ方程式は次式で与えられる。
ＴｉｒｅＦｏｒｃｅ＝Ｄ＊ｓｉｎ（ｂ０＊ａｔａｎ（Ｓｌｉｐ＊Ｂ＋Ｅ＊（ａｔａｎ（Ｓｌｉｐ＊Ｂ）−Ｓｌｉｐ＊Ｂ）））
ここに、Ｄ、ＢおよびＥは当該技術分野で公知であるようにＰａｃｅｊｋａパラメータから計算され、ｂ０はＰａｃｅｊｋａパラメータである。Ｐａｃｅｊｋａ方程式は、スリップについて非可逆的である。上式から、反復される少なくとも４個の方程式を記述することができる。しかし、試験により、４個の方程式のうち１個だけが大域的に収束することが分かっている。スリップの方程式は次式で与えられる。
Ｓｌｉｐ＝（ｔａｎ（１／ｂ０＊ａｓｉｎ（ＴｉｒｅＦｏｒｃｅ／Ｄ））−Ｅ＊ａｔａｎ（Ｓｌｉｐ_−１＊Ｂ））／（Ｂ−Ｅ＊Ｂ）
これはスリップが若何らかの閾値内に収束するまで反復的に解かれる。

タイヤシミュレーション３０は、図３に示すように、スリップを力の関数として決定する車輪スリップモデルを含んでいてよい。当該モデルは、単純なモデルの代表例であって、Ｐａｃｅｊｋａタイヤモデル等、任意の数の公知の／適切なタイヤモデルで代替することができる。

試験技師は、車輪スリップシミュレーションのＰａｃｅｊｋａパラメータを利用できない場合がある。従って本明細書で考察する特定の実装では、試験技師がトラックデータに基づいて単純化されたモデルを定義できるように上述のものと同様の単純化されたモデルを使用する。従来の解は、最大タイヤ力および各タイヤのスリップを表す利得係数を表すべく駆動要求に制約を課すことにより単純なモデルを実装できたであろう。しかし、そのような解は、スリップを力の関数として生成せず、且つクランプを超えた場合に動力計制御の損失が生じる恐れがある。

図４に、タイヤ間の速度差（例：デルタ速度）の計算を可能にする簡略化された手段を示す。例えば、カーブを通り抜ける４輪駆動車両は、車両速度を維持しながら、異なる車輪速度を経験する。デルタ速度計算ブロック３６が、車両速度計算３８と車輪速度コントローラ２６の間に挿入されている。デルタ速度計算ブロック３６の出力は、車輪スリップが無い場合に予想される所望の個々の車輪速度である（車輪速度要求＝車輪速度＋デルタ速度（すなわち、道路の曲率等に起因するシミュレーション対象車輪速度間の差））。外部自動化プラットフォームまたは車両およびステアリング角の物理的寸法に従うシミュレーションを用いてデルタ速度を調整することにより、ステアリングに起因する速度差が吸収される。従って、上述のように、デルタ速度を適用してステアリング入力を車両速度に合わせることにより、ステアリング計算を運動学的な計算に簡略化することができる。代替的に、車両寸法と共にステアリング角を実際に計算することにより、コントローラ内で動作する統一的な解を与えることができる。

再び図３を参照するに、車輪スリップは論理的に２個の領域に分けられる。第１の（スリップ）領域は、スリップとタイヤ力の１対１関数に基づいて車輪がスリップする条件を記述している。この領域では、タイヤ力の各値に対して１個のスリップ値しか存在せず、その逆も成り立つ（一般にスリップ領域として知られる）。第２の（スピン）領域は、所与のタイヤ力に対してスリップの値が複数個存在し得る条件を記述している（一般にスリップ領域として知られる）。スピン領域において、タイヤの加速度は、タイヤの慣性に作用した結果生じた力だけにより決定される。この加速に起因するタイヤ速度は、上述のように計算可能である。

車輪スリップをシミュレートする特定の従来技術では、動力計の回転慣性がタイヤ−車輪アセンブリの回転慣性に等しいことが必要である。更に、これらの技術は、車輪のスピン事象の最中に、慣性が等しいため動力計が車輪の速度と同様の速度で回転することに期待して、車輪速度の制御を効果的に喪失する恐れがある。そのようなシステムでは、定義から、回転慣性をシミュレートするのに必要な力を生じるために常時動力計の制御を有している必要があるため、制御技術を介した車輪の回転慣性のシミュレーションが排除される恐れがある。しかし、本明細書で考察するシステム／技術／アルゴリズムは、スピンおよびスリップ領域の両方において車両のスピンしているタイヤおよび車輪に合わせるように、車輪の加速を保証すべく動力計の速度制御を保持することができる。

図５を参照するに、タイヤシミュレーション３０は、２個の構成要素、すなわちタイヤスリップ速度を定義するタイヤモデル４０およびスピン領域における追加的なスピン速度を定義するスピン計算４２（上述の）を含んでいてよい。タイヤモデル４０（タイヤモデルは当該技術分野において公知）は、タイヤ力をトルクフィードバック、正規化されたｍｕ_ｎおよび法線力の関数として計算することができる。タイヤモデル４０は次いで、スリップをタイヤ力の関数として、上述のような反復的な方法または単純なタイヤモデルを用いて計算することができる。タイヤ力を超えるトルクフィードバックからの任意の追加的な力が、スピン計算４２におけるタイヤ−車輪アセンブリの回転慣性を加速すべく作用する場合がある。この計算により、スピン事象の最中における車輪速度の適切な制御を可能にすることができる。

本明細書に開示するアルゴリズムは、任意の既存の電子制御装置または専用の電子制御装置を含む処理装置へ配信可能であってよく、ＲＯＭ装置等の書き込み不能な記憶媒体に永久的に記憶された情報、および代替的にフロッピーディスク、磁気テープ、ＣＤ、ＲＡＭ装置および他の磁気および光媒体等の書き込み可能な記憶媒体に保存された情報を含むがこれに限定されない多くの形式であってよい。当該アルゴリズムはまた、ソフトウェア実行可能オブジェクトに実装されていてもよい。代替的に、アルゴリズムは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、状態機械、コントローラまたは他ハードウェア要素または装置等の適切なハードウェア要素あるいはハードウェア、ソフトウェアおよびファームウェア要素の組合せを用いて全体的にまたは部分的に実装することができる。

例示的な実施形態について上に述べてきたが、これらの実施形態で本発明の全ての可能な形式を記述することは意図していない。むしろ、本明細書で使用する語句は限定的ではなく記述的語句であり、本発明の概念および範囲から逸脱することなく各種の変型を行なうことができる点を理解されたい。また、各種の実装的実施形態の特徴を組み合せて本発明の更なる実施形態を形成することができる。

Claims

コントローラを具える車両の車輪スリップシミュレーションシステムにおいて、前記コントローラが、
車両駆動系に軸系を介して直接連結されたモータを有する動力計であって、路面に対してスリップする車輪−タイヤアセンブリをシミュレートする動力計に関する速度情報と、当該動力計に関するトルク情報を受信し、
シミュレーション対象の前記車輪−タイヤアセンブリのシミュレーション対象タイヤ力およびセットポイント速度を前記トルク情報に基づいて決定し、
車輪スリップの発生を前記シミュレーション対象タイヤ力に基づいて決定し、
前記動力計に関する速度情報および前記セットポイント速度に基づいて、前記動力計に対する要求を生成し、前記動力計が前記要求を満たすことで、シミュレーション対象の前記車輪−タイヤアセンブリと前記車両駆動系との固有振動数が生じるように、スピン事象中に前記セットポイント速度と等しい速度で前記動力計のモータが回転するよう制御するように構成されており、
前記セットポイント速度を決定することが、前記車輪スリップの発生から得られる車輪スリップ速度と、道路を走行している車両を表すシミュレーション対象速度であって、前記シミュレーション対象タイヤ力および道路負荷による車両力から算出されたシミュレーション対象速度とを合算するステップを含むことを特徴とする車両の車輪スリップシミュレーションシステム。
請求項１に記載のシステムにおいて、前記シミュレーション対象タイヤ力に基づく前記車輪スリップの発生の決定が、前記シミュレーション対象タイヤの数学モデルを反復的に解くステップを含むことを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムにおいて、前記シミュレーション対象タイヤ力に基づく前記車輪スリップの発生の決定が、前記シミュレーション対象タイヤの数学モデルを代数的に解くステップを含むことを特徴とするシステム。
路面に対してスリップする車輪−タイヤアセンブリの回転慣性特性をシミュレートすべく構成され、シミュレーション対象前記車輪−タイヤアセンブリの回転慣性特性とは異なる回転慣性特性を有する動力計を具えるテストシステムであって、
前記動力計が、駆動部と、車両駆動系に軸系を介して直接連結されたモータと、コントローラであって、（ｉ）前記モータに関する速度情報および前記モータに関するトルク情報を受信し、（ｉｉ）前記トルク情報に基づいて、シミュレーションされる車輪−タイヤアセンブリのシミュレーション対象タイヤ力およびセットポイント速度を決定し、（ｉｉｉ）車輪スリップの発生を前記シミュレーション対象タイヤ力に基づいて決定し、（ｉｖ）前記モータに関する速度情報および前記セットポイント速度に基づいて、前記駆動部に対する要求を生成し、前記要求を満たすことで前記モータが、シミュレーションされる前記車輪−タイヤアセンブリと前記車両駆動系とのシミュレーション対象固有振動数が生じるように、スピン事象中に前記セットポイント速度と等しい速度で前記動力計のモータが回転するよう制御するように構成されたコントローラと、を含み、
前記セットポイント速度を決定することが、前記車輪スリップの発生から得られる車輪スリップ速度と、道路を走行している車両を表すシミュレーション対象速度であって、前記シミュレーション対象タイヤ力および道路負荷による車両力から算出されたシミュレーション対象速度とを合算するステップを含むことを特徴とするテストシステム。
実行時に、処理装置に対し、以下のステップを実行させる指示を格納しているコンピュータ可読記憶媒体であって、
車両駆動系に軸系を介して直接連結されたモータを有する動力計に関する速度情報と、前記動力計に関するトルク情報とを受信するステップであって、前記動力計が、路面に対してスリップする車輪−タイヤアセンブリをシミュレートするステップと、
前記トルク情報に基づいてシミュレーション対象の前記車輪−タイヤアセンブリのシミュレーション対象タイヤ力およびセットポイント速度を決定するステップと、
車輪スリップの発生を前記シミュレーション対象タイヤ力に基づいて決定するステップと、
前記動力計に関する速度情報および前記セットポイント速度に基づいて、前記動力計に対する要求を生成し、前記動力計が前記要求を満たすことで、シミュレーション対象の前記車輪−タイヤアセンブリと前記車両駆動系との固有振動数が生じるように、スピン事象中に前記セットポイント速度と等しい速度で前記動力計のモータが回転するように制御するステップと、を実行させる指示を含み、
前記セットポイント速度を決定するステップが、前記車輪スリップの発生から得られる車輪スリップ速度と、道路を走行している車両を表すシミュレーション対象速度であって、前記シミュレーション対象タイヤ力および道路負荷による車両力から算出されたシミュレーション対象速度とを合算するステップを含むことを特徴とするコンピュータ可読記憶媒体。