JP7121690B2 - 車両運動状態推定装置、および、車両運動状態推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両の上下運動状態量を推定し、推定した上下運動状態量に応じてサスペンションの減衰力の出力範囲を設定する車両運動状態推定装置、および、車両運動状態推定方法に関する。

車両の上下運動状態量を取得する方法として、車高センサや上下加速度センサなどの専用センサを用いて直接検出する方法の他に、車輪速センサなどの一般的に車載されるセンサから車両ダイナミクスモデルを用いて専用センサを用いずに推定する方法が知られている。

後者の推定方法は、車輪速センサの信号から抽出した上下運動に起因する車輪速に基づいて上下運動状態量を推定しているが、車輪にスリップが生じると抽出した車輪速が、上下運動起因かスリップ起因かを区別できず、上下運動状態量の推定精度が低下する課題がある。

本課題に対して、特許文献１には、ローパスフィルタ処理した各輪の車輪速にばらつきが生じる場合にはスリップによって上下運動状態量の推定確度が低下していると判断する推定確度低下の判断基準に基づき推定確度低下フラグをオンとし、車速とスリップ率に基づいて定めた減衰力制御量に基づいてサスペンションの減衰力を制御することで操縦安定性を確保する方法が記載されている。

特開２０１５－１５５２１４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法は、推定確度低下フラグのオンオフでサスペンションの減衰力制御量の生成方法を切り替える方式であるため、推定確度低下の判断基準を少しでも下回れば場合には、それほどスリップが大きくない場合でも制振性が低下するなど所望の減衰力を出力できない可能性があり、またそれを回避するため推定確度低下の判断基準を高くした場合には、推定精度が悪いにも関わらず適切な判断ができないために操縦安定性や制振性が低下する可能性がある。

そこで、本発明では、車輪がスリップするなど上下運動状態量の推定確度が低下する走行状況においても操縦安定性や制振性の低下を抑制可能な、車両運動状態推定装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の車両運動状態推定装置は、車両の車輪と車体を結合するサスペンションの減衰力を設定するものであって、前記車両の走行状態情報に基づいて前記車両の上下運動に起因する車輪速成分を推定する上下運動起因車輪速成分推定部と、前記車輪速成分に基づいて前記車両の上下運動状態量を推定する上下運動推定部と、前記走行状態情報に基づいて前記上下運動状態量の推定確度を演算する推定確度演算部と、前記上下運動状態量と前記推定確度に基づいて、前記サスペンションの減衰力の出力範囲の上限と下限を設定する減衰力制御部と、を具備するものとした。

本発明の車両運動状態推定装置によれば、車輪がスリップするなど上下運動状態量の推定確度が低下する走行状況においても操縦安定性や制振性の低下を抑制することができる。

一実施例に係るサスペンション制御システムを搭載した車両構成例を示す図。 一実施例に係る車両運動状態推定装置５０の機能ブロック図。 一実施例に係るサスペンション制御ユニット８１の機能ブロック図。 一実施例に係る四輪車平面モデルを示す図。 一実施例に係る四輪フルビークルモデルを示す図。 一実施例に係る車体ピッチングによって生じる車輪速を示す図。 一実施例に係るサスペンションの変位によって生じる車輪速を示す図。 一実施例に係る接地荷重変動によって生じる車輪速を示す図。 一実施例に係る接地荷重とタイヤ有効回転半径の関係を示す図。 一実施例に係る加速度と推定確度の関係の一例を示す図。 一実施例に係る加速度と推定確度の関係の一例を示す図。 一実施例に係る推定確度と制御指令値の関係の一例を示す図。 一実施例に係る推定確度と制御指令値の関係の一例を示す図。 一実施例に係る推定確度と制御指令値の関係の一例を示す図。 一実施例に係る推定確度と制御指令値の関係の一例を示す図。 一実施例に係る車両上下運動量推定装置５０とサスペンション制御ユニット８１による処理結果の一例を示す図。 一実施例に係る車両上下運動量推定装置５０とサスペンション制御ユニット８１による処理結果の一例を示す図。

以下、本発明の一実施例に係るサスペンション制御システムについて、図１～図１６を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施例の車両運動状態推定装置５０を搭載した車両１０の構成例図を示したものである。ここに示すように、車両１０は、車輪速センサ１、加速度センサ２、ジャイロセンサ３、操舵角センサ４、制駆動制御ユニット５、操舵制御ユニット６、車輪７、車体８、車両運動状態推定装置５０、サスペンション制御ユニット８１、サスペンション装置８２を備えている。

本実施例では、本発明を理解しやすくするために、制駆動制御ユニット５、操舵制御ユニット６、車両運動状態推定装置５０、サスペンション制御ユニット８１が分離した構成を例示しているが、本発明を実車両に採用する際には、上位コントローラであるＥＣＵ（Electronic Control Unit）でそれらの機能を実現しても良い。なお、ＥＣＵは、ＣＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の主記憶装置、補助記憶装置、および、通信装置などのハードウェアを備えた、車両を統括制御する計算機であり、主記憶装置にロードされたプログラムを演算装置が実行することで、様々な機能を実現するものであるが、以下では、このような周知技術を適宜省略しながら説明する。

サスペンション制御ユニット８１の制御対象である、サスペンション装置８２は、減衰特性を調整可能な減衰力調整式のショックアブソーバ、あるいは車体と車輪の間の上下方向の減衰力を調整可能なアクティブサスペンションである。

上述の車両１０に搭載されるセンサ（車輪速センサ１、加速度センサ２、ジャイロセンサ３、操舵角センサ４）は、一般的に搭載されているセンサであり、所謂専用センサというものではない。

車輪速センサ１は、車体８の前後左右四か所の車輪７の回転速度を検出する。加速度センサ２は、車体８の重心に作用する加速度を検出する。ジャイロセンサ３は、車体８の重心周りの回転角速度であるヨーレイトｒを検出する。操舵角センサ４は、車両１０を運転するドライバの操舵によって生じるステアリングホイールの回転角あるいは車輪７の舵角を検出する。

ここで、車輪速センサ１は、例えば、車軸ハブやブレーキドラムなどに設置された回転部と、ナックルやブレーキキャリアなどに設置された固定部との間の相対回転速度を検出するもので構成され、検出される回転速度は制駆動力に起因するものと車両の上下運動に起因するものがある。

車両１０の上下運動は、路面上下変位や、ドライバまたは制御ユニットの操舵や加減速操作によって生じ、この車両１０の上下運動に起因する回転速度にタイヤ半径を乗じて算出した値を、上下運動起因車輪速成分と称することにする。

制駆動制御ユニット５は、ドライバの操作や車両運動状態推定装置５０の出力などに基づいて内燃機関や電動機、ブレーキキャリパなどで発生させる制駆動力を制御するユニットである。

操舵制御ユニット６は、ドライバの操作や車両運動状態推定装置５０の出力などに基づいて車輪７の操舵角を制御するユニットである。

ここで、制駆動制御ユニット５や操舵制御ユニット６には、前述のセンサ（車輪速センサ１、加速度センサ２、ジャイロセンサ３、操舵角センサ４）で検出した値を入力として、車輪７の前後方向の車輪スリップであるスリップ率、横方向の車輪スリップである横すべり角、車両の前後方向の速度などの平面運動に起因する状態量を推定、出力する平面運動推定部を備えていても良い。

また、車両１０は、制駆動制御ユニット５や操舵制御ユニット６に対して、制御指令や推定値を送信する上位コントローラを備えていても良く、上位コントローラは、車両運動状態推定装置５０の出力に基づいて、制御指令や推定値を生成する構成であっても良い。

以降では、前述のセンサ（車輪速センサ１、加速度センサ２、ジャイロセンサ３、操舵角センサ４）で検出された値と、制駆動制御ユニット５あるいは操舵制御ユニット６、またはその両方で推定、出力された値を、走行状態情報と称することにする。
＜車両運動状態推定装置５０＞
次に、図２を用いて、車両運動状態推定装置５０の機能ブロック図を概説する。

車両運動状態推定装置５０は、前述の走行状態情報を入力として、後述の上下運動状態量ｘを推定し、さらにその推定確度εを算出し、その結果をサスペンション制御ユニット８１などに出力するものであり、上下運動起因車輪速成分ｙを推定する上下運動起因車輪速成分推定部５１と、上下運動状態量ｘを推定する上下運動推定部５２と、推定確度εを算出する推定確度演算部５３から構成される。各部の詳細は後述するが、概説すると次の通りである。

上下運動起因車輪速成分推定部５１は、走行状態情報を入力として、上下運動起因車輪速成分ｙを推定し、その推定値を出力する。

上下運動推定部５２は、走行状態情報と、上下運動起因車輪速成分ｙと、後述する減衰力変化分Ｆｃｄと、接地荷重変動起因車輪速Ｖｗｚｃとを併せた入力ベクトルuを入力として、上下運動状態量ｘを推定し、その推定値を出力する。

ここで、上下運動起因車輪速成分推定部５１は、上下運動推定部５２で推定した上下運動状態量ｘの推定値を入力する構成であっても良い。

推定確度演算部５３は、走行状態情報を入力として、上下運動推定部５２から出力される上下運動状態量ｘの推定確度εを演算し、出力する。
＜サスペンション制御ユニット８１＞
次に、図３を用いて、サスペンション制御ユニット８１の機能ブロック図を概説する。

サスペンション制御ユニット８１は、走行状態情報、車両運動状態推定装置５０で出力した上下運動状態量ｘの推定値と、推定確度εに基づいて、サスペンション装置８２の減衰特性あるいは上下方向の力を制御する制御指令値を生成するものであり、目標減衰力算出部８１ａと、減衰力マップ８１ｂと、出力制限部８１ｃから構成される。各部の詳細は後述するが、概説すると次の通りである。

目標減衰力算出部８１ａは、走行状態情報と、上下運動推定部５２で推定した上下運動状態量ｘを入力として、サスペンション装置８２の目標減衰力を算出し、出力する。

減衰力マップ８１ｂは、予め記憶されたサスペンション装置８２の特性のマップ情報であり、目標減衰力算出部８１ａで算出した目標減衰力と、走行状態情報と、上下運動状態量ｘを入力として、サスペンション装置８２を制御する制御指令値の暫定値である暫定制御指令値を導出し、出力する。

出力制限部８１ｃは、減衰力マップ８１ｂで導出した暫定制御指令値と、推定確度演算部５３で算出した推定確度εを入力として、推定確度εに基づく出力許可範囲内の制御指令値を導出し、出力する。
＜上下運動起因車輪速成分推定部５１＞
次に、図４を用いて、上下運動起因車輪速成分推定部５１における上下運動起因車輪速ｙの推定方法の具体例を説明する。上下運動起因車輪速成分推定部５１における上下運動起因車輪速ｙの推定方法においては、後述する（式１）から（式８）を用いる。図４は、左旋回中の前輪操舵の四輪車を上から見た四輪車平面モデルを示す図である。

四輪車平面モデルは、車両１０に固定したばね上重心９を原点とする座標系を用いており、車両の前後方向をｘ軸、車両の左右方向をｙ軸、車両の上下方向をｚ軸とする。

ここで、車輪７の操舵角である実舵角をδ、車両の進行方向の速度をＶ、車両の前後方向の速度をＶｘ、車両の左右方向の速度をＶｙ、ジャイロセンサ３で検出したｚ軸周りの回転角速度であるヨーレイトをｒ、車両の進行方向と前後方向のなす角を車体横すべり角β、車輪７の進行方向と回転面のなす角を車輪横すべり角βｆｌ、βｆｒ、βｒｌ、βｒｒ、車輪速ＶｗｓをＶｗｓｆｌ、Ｖｗｓｆｒ、Ｖｗｓｒｌ、Ｖｗｓｒｒ、前輪軸と後輪軸の距離であるホイールベースをｌ、前後輪軸からばね上重心までの車両前後方向の距離をｌｆ、ｌｒ、前後輪のトレッドをｄｆ、ｄｒとする。

なお、上記記号表示における添え字のｆは前輪、ｒは後輪、ｆｌは左前輪、ｆｒは右後輪、ｒｌは左後輪、ｒｒは右後輪を示している。

また、車輪速Ｖｗｓｆｌ、Ｖｗｓｆｒ、Ｖｗｓｒｌ、Ｖｗｓｒｒは、車輪７の回転速度にタイヤ半径を乗じて算出した車輪の移動速度であり、車輪速センサ１で検出できる値である。

この車輪速Ｖｗｓ（Ｖｗｓｆｌ、Ｖｗｓｆｒ、Ｖｗｓｒｌ、Ｖｗｓｒｒ）は、車両の上下運動によって生じる上下運動起因車輪速成分と、操舵や加減速操作に伴う車両の平面運動によって生じる平面運動起因車輪速成分で構成される。

したがって、上下運動起因車輪速成分推定部５１で推定される上下運動起因車輪速成分Ｖｗｚｆｌ、Ｖｗｚｆｒ、Ｖｗｚｒｌ、Ｖｗｚｒｒは、車輪速Ｖｗｓｆｌ、Ｖｗｓｆｒ、Ｖｗｓｒｌ、Ｖｗｓｒｒをばね上重心９の位置における車両の前後方向の速度に換算した車輪速であるＶｗｆｌ、Ｖｗｆｒ、Ｖｗｒｌ、Ｖｗｒｒから平面運動起因車輪速の前後方向成分である車両の前後方向の速度Ｖｘを減算して求められ、（式１）で表される。

ここで、（式１）のＶｗｚｆｌ、Ｖｗｚｆｒ、Ｖｗｚｒｌ、Ｖｗｚｒｒは、上下運動起因車輪速成分、Ｖｗｆｌ、Ｖｗｆｒ、Ｖｗｒｌ、Ｖｗｒｒは車輪速Ｖｗｓｆｌ、Ｖｗｓｆｒ、Ｖｗｓｒｌ、Ｖｗｓｒｒをばね上重心９の位置における車両の前後方向の速度に換算した車輪速である。

（式１）のばね上重心９の位置における車両の前後方向の速度に換算した車輪速Ｖｗｆｌ、Ｖｗｆｒ、Ｖｗｒｌ、Ｖｗｒｒは、車輪速に旋回運動によって生じる実舵角δやヨーレイトｒに基づく各輪の速度差を加減算することで求められ、（式２）で表される。

また、（式１）の車両の前後方向の速度Ｖｘは、車両の前後方向の加速度Ｇｘを積分して求められ、（式３）で表される。

ここで、（式３）の車両の前後方向の加速度Ｇｘは、加速度センサ２で検出した車体８の重心に作用する前後加速度Ｇｘｓｅを用いても良いが、前後加速度Ｇｘｓｅに含まれる車体ピッチングに伴う重力加速度成分を除去することで高精度に求められることから、（式４）を用いて求めても良い。

さらに、（式４）の車両の前後方向の加速度Ｇｘは、前後加速度Ｇｘｓｅに含まれる車体横すべりに伴う横加速度成分を除去することでより高精度に求められることから、（式５）を用いて求めても良い。

ここで、（式４）と（式５）において、ｇは重力加速度、θｘとθｙはロール角とピッチ角であり、例えば、ロール角θｘとピッチ角θｙは上下運動推定部５２で推定した値を用いる。

また、（式５）の車両の横方向の加速度Ｇｙは、加速度センサ２で検出した値をそのまま用いても良いが、横加速度Ｇｙｓｅに含まれる車体ローリングに伴う重力加速度成分を除去することで高精度に求められることから、（式６）を用いて求めても良い。

さらに、（式５）の車両の横方向の加速度Ｇｙは、横加速度Ｇｙｓｅに含まれる車体横すべりに伴う前後加速度成分を除去することでより高精度に求められることから、（式７）を用いて求めても良い。

ここで、（式７）の車両の前後方向の加速度Ｇｘは、前述の（式４）を用いて求めた値や、（式５）を用いて求めた値であっても良く、車両の前後方向の加速度Ｇｘの取得方法は限定しない。

なお、（式４）～（式７）によれば、車両の前後方向の加速度Ｇｘ、車両の横方向の加速度Ｇｙは、上下運動推定部５２の出力であるロール角θｘ、ピッチ角θｙに基づいて補正されたものであるということができる。

また、車両が旋回している時に生じる横方向の加速度Ｇｙは、（式８）に示すように旋回している円の接線方向の速度と角速度の積で求められることから、横方向の加速度Ｇｙを検出する加速度センサを用いずに推定することも可能である。（式８）によれば、横方向の加速度Ｇｙは、車両の前後方向の速度Ｖｘとヨーレイトｒから推定することができる。

なお、（式１）の車両の前後方向の速度Ｖｘは、前述の制駆動制御ユニット５などのコントローラで推定された平面運動状態量や、ＧＰＳを用いて検出した位置情報を時間微分して算出した値であっても良く、車両の前後方向の速度Ｖｘの取得方法は限定しない。

また、（式４）～（式７）のロール角θｘとピッチ角θｙは、前述の制駆動制御ユニット５などのコントローラで推定された値や、カメラなどを用いて検出した値であっても良く、ロール角θｘとピッチ角θｙの取得方法は限定しない。

また、（式５）と（式７）の車体横すべり角βは、前述の制駆動制御ユニット５などで推定された平面運動状態量や、ＧＰＳを用いて検出した値や、車両運動状態推定装置５０に図示しないが平面運動推定部を設け、そこで推定された平面運動状態量であっても良く、車体横すべり角βの取得方法は限定しない。

以上から、上下運動起因車輪速成分推定部５１では、走行状態情報である車輪速センサ１で検出した車輪速Ｖｗｓｆｌ、Ｖｗｓｆｒ、Ｖｗｓｒｌ、Ｖｗｓｒｒや、ジャイロセンサ３で検出したｚ軸周りの回転角速度であるヨーレイトｒなどを入力として、上下運動起因車輪速成分Ｖｗｚｆｌ、Ｖｗｚｆｒ、Ｖｗｚｒｌ、Ｖｗｚｒｒを推定し、出力する。なお、本明細書中、または図２などでは、推定した上下運動起因車輪速成分Ｖｗｚｆｌ、Ｖｗｚｆｒ、Ｖｗｚｒｌ、Ｖｗｚｒｒを総称して、上下運動起因車輪速成分ｙと表記することがある。
＜上下運動推定部５２＞
次に、図５から図９を用いて、上下運動推定部５２における上下運動状態量ｘの推定方法の具体例を説明する。上下運動推定部５２における上下運動状態量ｘの推定方法においては、後述する（式９）から（式３０）を用いる。なお、これら数式の一部には、代替式を含む。

一般的には観測量をｙ、制御入力をｕとした時、観測量ｙと制御入力ｕから状態変数ｘを推定するのがオブザーバである。

従って、本実施例の上下運動推定部５２は、上下運動起因車輪速成分を観測量ｙとし、後述する減衰力変化分Ｆｃｄと、接地荷重変動起因車輪速Ｖｗｚｃとを併せた入力ベクトルuを入力として、上下運動状態量ｘを推定するオブザーバということができる。これを導くための状態方程式を以下に示す。

状態方程式に必要な運動方程式と観測方程式について説明する。

まず、図５を用いて、上下運動推定部５２での上下運動状態量ｘの推定に用いている運動方程式を説明する。上下運動推定部５２での上下運動状態量ｘの推定に用いている運動方程式においては、後述する（式９）から（式１５）を用いる。

図５は、路面上下変位を伴う車両１０を左斜め上から見た図であり、車体８や車輪７などを質点で表し、各質点をばねやショックアブソーバで接続した四輪フルビークルモデルを示す図である。なお、図５での記号表記などは図４の四輪車平面モデルの例に準じて行われている。

その上で更に図５の四輪フルビークルにおいては、ばね上重心９の上下変位をｚ２ｃｇ、各輪上のばね上上下変位をｚ２ｆｌ、ｚ２ｆｒ、ｚ２ｒｌ、ｚ２ｒｒ、ばね下上下変位をｚ１ｆｌ、ｚ１ｆｒ、ｚ１ｒｌ、ｚ１ｒｒ、路面上下変位をｚ０ｆｌ、ｚ０ｆｒ、ｚ０ｒｌ、ｚ０ｒｒ、ばね上重心９のロール角、ピッチ角をそれぞれθｘ、θｙ、サスペンションばね定数をｋｓｆｌ、ｋｓｆｒ、ｋｓｒｌ、ｋｓｒｒ、サスペンション減衰係数をｃｓｆｌ、ｃｓｆｒ、ｃｓｒｌ、ｃｓｒｒ、スタビライザばね定数をｋｓｔｆ、ｋｓｔｒ、ばね上重心９の高さをｈとして表記している。

この図を基に、（式９）から（式１４）の関係が示される。

（式９）はばね上重心９に作用する上下方向の力に関する運動方程式、（式１０）はばね下に作用する上下方向の力に関する運動方程式、（式１１）はロール軸回りのモーメントＩｘに関する運動方程式、（式１２）はピッチ軸回りのモーメントＩｙに関する運動方程式、（式１３）はばね上とばね下の上下方向の相対変位の関係式、（式１４）はばね上とばね下の間に作用する上下方向の力の釣り合い式である。

ここで、サスペンション装置８２に車両運動状態推定装置５０を適用する場合、サスペンション減衰係数ｃｓｆｌ、ｃｓｆｒ、ｃｓｒｌ、ｃｓｒｒが可変になる。

上下運動推定部５２が時不変の定数で構成された線形オブザーバとする場合には、後述する状態方程式の行列Ａから行列Ｄが時不変である必要がある。

そこで、（式１４）のサスペンション減衰係数による減衰力の項を、定常減衰係数ｃｓｆ、ｃｓｒによる減衰力の項と、その差分によって生じる減衰力変化分Ｆｃｄｆｌ、Ｆｃｄｆｒ、Ｆｃｄｒｌ、Ｆｃｄｒｒの項に分離して、（式１５）で表す。

また、（式１１）のｈｘｃは車体８のロール方向の回転中心であるロール軸とばね上重心９の長さ、（式１２）のｈｙｃは車体８のピッチ方向の回転中心であるピッチ軸とばね上重心９の長さである。

（式９）から（式１５）の一連の関係式において、最終的に求められるばね上とばね下の上下方向の相対変位の関係式である（式１３）には、（式９）から（式１２）および（式１４）あるいは（式１５）が反映されている。

次に図６から図９を用いて、観測方程式について説明する。観測量は上下運動起因車輪速成分ｙである。上下運動起因車輪速成分ｙを構成する車体ピッチング起因車輪速Ｖｗｚａと、サスペンション変位起因車輪速Ｖｗｚｂと、接地荷重変動起因車輪速Ｖｗｚｃを説明する。なお、図６から図９は、各輪で共通のため、右左輪を示すｆｌなどの添え字は省略する。
＜車体ピッチング起因車輪速Ｖｗｚａの具体例＞
まず、車体ピッチング起因車輪速Ｖｗｚａの具体例を説明する。なお、車体ピッチング起因車輪速Ｖｗｚａの説明は、図６、並びに（式１６）から（式１８）を用いて行う。

図６は、車体８のピッチングと車輪７の変位の幾何学的な関係を表したものである。

ここで、Ｏは車輪７の中心、ｈはばね上重心９の高さ、Ｒはタイヤ半径、Ｌｐはばね上重心９から車輪７の中心Ｏまでの長さ、Ｌｐ１は車体８にピッチングが生じている時のばね上重心９から車輪７の中心Ｏまでの長さ、Φｐはばね上重心９と車輪７の中心Ｏと水平面のなす角、θｙは車体ピッチ角、θｗは車輪７の回転角である。

車体ピッチ角θｙが小さい時、ＬｐとＬｐ１は概ね等しくなるため、車輪７の水平方向の変位Ｒθｗは、ばね上重心９から車輪７の中心Ｏまでの長さＬｐと、車体ピッチ角θｙと、ばね上重心９と車輪７の中心Ｏと水平面のなす角Φｐに基づいて、（式１６）で表される。

さらに、（式１６）のｓｉｎΦｐは、ばね上重心９の高さｈと、タイヤ半径Ｒと、ばね上重心９から車輪７の中心Ｏまでの長さＬｐに基づいて、（式１７）で表される。

ここで、車輪速センサ１で検出される回転速度は、図は省略するがナックルやブレーキキャリアなどの車体側に設置された固定部品と、車軸ハブやブレーキドラムなど車輪側に設置された回転部品の相対回転速度であり、車体のピッチングに伴う固定部品の回転速度であるθｙの微分値と、車輪自体の回転速度であるθｗの微分値の和で表される。したがって車体ピッチング起因車輪速Ｖｗｚａは、その回転速度の和にタイヤ半径Ｒを乗じたものであり、（式１８）で表される。ここで、最右辺は（式１６）の微分と（式１７）を代入することで求められる。

＜サスペンション変位起因車輪速Ｖｗｚｂの具体例＞
次に、サスペンション変位起因車輪速Ｖｗｚｂの具体例を説明する。なお、サスペンション変位起因車輪速Ｖｗｚｂの説明は、図７、並びに（式１９）から（式２３）を用いて行う。

図７は、サスペンション変位と車輪７の変位の幾何学的関係を表したものである。

ここで、Ｏｓはサスペンションの瞬間回転中心、Ｏｇは車輪７と路面の接触点、Ｏは車輪７の中心、Ｒはタイヤ半径、Ｌｓはサスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの長さ、Ｌｓ１はサスペンション変位が生じている時のサスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの長さ、Ｌはサスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの水平方向の長さ、θ０はサスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの水平面のなす角、θはサスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７と路面の接触点Ｏｇと水平面のなす角、θｔは車輪７の固定座標系に対する車輪の回転角、θｒはサスペンションの瞬間回転中心Ｏｓに対する車輪速センサ１の固定部の回転角である。また、ｚ２１はサスペンション変位であり、相対変位と称する。

車輪７のタイヤ半径と固定座標系に対する回転角の積と等しい水平方向の変位Ｒθｔは、相対変位ｚ２１と、サスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの水平面のなす角θ０に基づいて、（式１９）で表される。

車輪速センサ１の固定部の回転角θｒが小さい時、ＬｓとＬｓ１は概ね等しくなるため、サスペンションの瞬間回転中心Ｏｓ周りの車輪速センサ１の固定部の回転変位Ｌｓθｒは、相対変位ｚ２１と、サスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの水平面のなす角θ０に基づいて、（式２０）で表される。

ここで、サスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの長さＬｓは、サスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの水平方向の長さＬと、サスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの水平面のなす角θ０に基づいて、（式２０）で表される。

さらに、サスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの水平方向の長さＬは、サスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７と路面の接触点Ｏｇと水平面のなす角θと、サスペンションの瞬間回転中心Ｏｓから車輪７の中心Ｏまでの水平面のなす角θ０と、タイヤ半径Ｒに基づいて、（式２２）で表される。

ここで、車輪速センサ１で検出される回転速度は、サスペンションの瞬間回転中心Ｏｓ周りの車輪速センサ１の固定部品の回転速度であるθｒの微分値と、固定座標系周りの車輪速センサ１の回転部品の回転速度θｔの微分値の和で表される。したがってサスペンション変位起因車輪速Ｖｗｚｂは、その回転速度の和にタイヤ半径Ｒを乗じたものであり、（式２３）で表される。

＜接地荷重変動起因車輪速Ｖｗｚｃの具体例＞
次に、接地荷重変動起因車輪速Ｖｗｚｃの具体例を説明する。なお、接地荷重変動起因車輪速Ｖｗｚｃの説明は、図８、図９、並びに（式２４）から（式２７）を用いて行う。

図８は、接地荷重Ｆｚが作用する速度Ｖｘの回転車輪を示す図であり、車輪７に作用する接地荷重の変動Ｆｚｄの減少に伴い、タイヤ有効回転半径Ｒが増加し、それによって車輪７の回転速度ωｚｃが減少する様子を模式的に表したものである。

ここで、接地荷重変動起因の車輪回転速度ωｚｃは、タイヤ有効回転半径の変動量をＲｄとした場合、タイヤ有効回転半径がＲの時の回転速度と、タイヤ有効回転半径がＲ＋Ｒｄの時の回転速度の差から求められる。さらに、タイヤ有効回転半径の変動量Ｒｄが小さいと仮定して整理すると、接地荷重変動起因の車輪回転速度ωｚｃは、車両の前後方向の速度Ｖｘと、タイヤ有効回転半径Ｒと、タイヤ有効回転半径の変動量Ｒｄに基づいて、（式２４）で表される。

図９は、接地荷重Ｆｚとタイヤ有効回転半径Ｒの関係を表す特性線図である。

接地荷重の変動Ｆｚｄが小さい場合、接地荷重の変動Ｆｚｄとタイヤ有効回転半径の変動Ｒｄの関係は概ね線形になる。

そのため、接地荷重Ｆｚとタイヤ有効回転半径Ｒの近似勾配をηとした場合、タイヤ有効回転半径の変動Ｒｄは、タイヤ上下ばね定数ｋｔと、接地荷重の変動Ｆｚｄに基づいて、（式２５）で表される。

ここで、接地荷重の変動Ｆｚｄは、タイヤ上下ばね定数ｋｔと、路面上下変位ｚ０と、ばね下上下変位ｚ１、あるいはばね下質量ｍ１と、ばね下上下変位ｚ１の二階微分値と、ばね上とばね下の間に作用する上下方向の力Ｆｓに基づいて、（式２６）で表される。

したがって接地荷重変動起因車輪速Ｖｗｚｃは、（式２４）に（式２５）を代入し、さらに、（式２６）を代入してタイヤ半径Ｒを乗じたものであり、（式２７）で表される。

以上の（式１６）から（式２７）で表される車輪速成分を用いて、上下運動起因車輪速成分Ｖｗｚｆｌ、Ｖｗｚｆｒ、Ｖｗｚｒｌ、Ｖｗｚｒｒは、（式２８）で表される。

ここで、接地荷重変動起因車輪速Ｖｗｚｃは、（式２７）の車両の前後方向の速度Ｖｘが時々刻々変化するため、オブザーバの出力であるばね下上下速度などの上下運動状態量ｘと車両の前後方向の速度Ｖｘに基づいて求め、前述の減衰力変化分Ｆｃｄと併せて入力ベクトルuとしてオブザーバに入力する。

上下運動推定部５２では、前述の通り上下運動起因車輪速成分ｙ、入力ベクトルｕ、上下運動状態量ｘに基づいて、（式９）から（式２８）の方程式を状態方程式化し、その状態方程式に基づくオブザーバによって、上下運動起因車輪速成分ｙと入力ベクトルｕから上下運動状態量ｘを推定し、出力する。したがって上下運動状態量ｘ、観測量ｙ、入力ベクトルｕが（式２９）で表されるものとすると、状態方程式は（式３０）で表される。

ここで、（式３０）のＡは状態行列、Ｂは入力行列、Ｃは出力行列、Ｄは直達行列、Ｇｖはシステム雑音の項、Ｈｗは観測雑音の項である。なお、状態行列Ａや入力行列Ｂなどは、各状態量やｕ、ｖなどの係数を並べたもので構成される。
＜推定確度演算部５３＞
次に、図１０と図１１を用いて、推定確度演算部５３における推定確度εの演算方法の具体例を説明する。

まず、推定確度εが低下する要因について説明する。（式１）に示す上下運動起因車輪速成分の算出方法は、車輪速に含まれる車輪のスリップに起因する車輪速成分がゼロと仮定したものである。車輪のスリップは、車両の加減速や旋回によって生じる走行抵抗力に釣り合う前後力や横力を発生するためタイヤと路面の間に生じる。発生する車輪のスリップの大きさは、タイヤ特性や路面摩擦係数μの大きさによって異なるが、前後加速度Ｇｘｓｅや横加速度Ｇｙｓｅが大きいほど大きく、路面摩擦係数μが小さいほど大きくなる傾向がある。

そのため、前後加速度Ｇｘｓｅや横加速度Ｇｙｓｅは大きいほど、また、路面摩擦係数μが小さいほど、車輪速に含まれるスリップ起因車輪速成分が大きくなり、（式１）を用いて算出した上下運動起因車輪速成分の誤差が大きくなる。そこで、推定誤差が小さいと考えられる場合に数値が大きくなり、推定誤差が大きいと考えられる場合に数値が小さくなる推定確度εという指標を導入する。この推定確度εは、たとえば、横軸に前後加速度Ｇｘｓｅ、縦軸に推定確度εを表すと、図１０に示すような関係で表される。

そこで、前後加速度Ｇｘｓｅ、横加速度Ｇｙｓｅ、路面摩擦係数μに応じた推定確度εを求めることとする。

前後加速度Ｇｘｓｅと推定確度εの間に線形の関係があると仮定した場合、推定確度εは（式３１）で表すことができる。

ここで、α１は重み係数であり、あらかじめ車高センサなどの専用センサを搭載した車両を用いて、前後加速度Ｇｘｓｅの大きさと、上下運動状態量ｘと専用センサを用いずに推定した上下運動状態量ｘの推定誤差に基づいて決めればよい。例えば、重み係数α１を０．２とした場合、前後加速度Ｇｘｓｅと推定確度εの関係は図１１で表される。

次に、横加速度Ｇｙｓｅと推定確度εの間に線形の関係があると仮定した場合、推定確度εを（式３２）で表す。

ここで、α２は重み係数であり、α１と同様な方法に基づいて決めればよい。

次に、路面摩擦係数μと推定確度εの間に線形の関係があると仮定した場合、推定確度εを（式３３）で表す。ここで、α３は重み係数であり、α１と同様な方法で決めればよい。

なお、（式３３）の路面摩擦係数μは前後加速度Ｇｘｓｅと横加速度Ｇｙｓｅを用いて求められ、（式３４）で表される。

また、推定確度εは（式３１）から（式３３）では、複合要因が考慮できないため、たとえば、（３１）から（式３３）の積で推定確度εを算出するようにしてもよい。また、これらを足し合わせた（式３５）を用いて推定確度εを求めても良い。

また、推定確度εは線形の関係だけではなく、二次関数や任意の関数としても良く、推定確度εの算出方法は限定しない。
＜出力制限部８１ｃ＞
次に図１２から図１５を用いて、出力制限部８１ｃの出力である制御指令値を説明する。

図１２は、推定確度εと制御指令値の出力許可範囲の関係を表す特性線図の一例である。この例では、出力許可範囲を、図中のハッチングで示す上辺と右辺が直交する直角三角形の領域に設定している。

出力制限部８１ｃは、減衰力マップ８１ｂから入力された暫定制御指令値が、出力許可範囲に収まる場合には暫定制御指令値を制御指令値としてそのまま出力し、出力許可範囲の範囲外となる場合には出力許可範囲の上限値または下限値を制御指令値として出力する。

出力許可範囲は、推定確度εの低下による操縦安定性の低下を抑制するためのものであるので、推定確度εが大きければ範囲が広く、小さければ範囲が狭いものにする必要がある。図１２では、この一態様として、推定確度ε＝１であれば暫定制御指令値をそのまま出力でき、推定確度ε＝０であれば暫定制御指令値に拘わらず最もハードな減衰力をサスペンション装置８２に設定する制御指令値を出力するように、減衰力の出力許可範囲をハード側に狭くした。図１２の出力許可範囲が設定された場合、入力された推定確度εが例えばε_１であれば、入力された暫定制御指令値が図中の一点鎖線で示すレベルであったとしても、白丸で示す出力許可範囲外の暫定制御指令値ではなく、黒丸で示す出力許可範囲の下限値を制御指令値として出力する。

また、図１３に示すように、推定確度ε＝０の制御指令値を図１２よりソフト側にした出力許可範囲を設定することで制振性を考慮しつつ操縦安定性を低下させない出力許可範囲を定めても良い。

さらに、図１４や図１５に示すように、推定確度εが１より小さい場合でも暫定制御指令値をそのまま出力できるようにしたり、図１５に示すように、推定確度εが０より大きい場合でも一定の制御指令値を出力したりするようにしても良く、推定確度εに対する制御指令値の出力許可範囲は限定しない。例えば、推定確度εが小さくなるにつれ、出力許可範囲の幅（図１２～図１５における出力許可範囲の高さ）を段階的（ステップ状に）に狭くすることとしても良い。

以上が本発明における車両の上下運動状態量ｘの推定方法と制御サスペンション装置を制御する制御指令値の生成方法の一例であり、このような構成の車両運動状態推定装置５０と図３に示すサスペンション制御ユニットを用いることで、車輪速センサ１などの一般的に車載されているセンサと車両ダイナミクスモデルを用いて推定した上下運動状態量ｘと、その上下運動状態量ｘと推定確度εに基づく制御指令値により、車輪がスリップし、上下運動状態量ｘの推定確度εが低下する走行状況においても操縦安定性や制振性の低下を抑制できる。
＜本実施例の効果＞
次に、図１６と図１７を用いて、以上で説明した車両運動状態推定装置５０とサスペンション制御ユニット８１により達成される効果の一例を説明する。

図１６は、うねり路を一定の速度Ｖで直進通過した時の本実施例の効果を示すグラフであり、図１７は、うねり路を一定の前後加速度Ｇｘｓｅで直進通過した時の本実施例の効果を示すグラフである。両図は、上から順に、（ａ）前後加速度Ｇｘｓｅ、（ｂ１）従来方法により推定したばね上上下速度、（ｂ２）本実施例により推定したばね上上下速度、（ｃ）推定確度、（ｄ）減衰力、（ｅ）上下加速度を示している。

両図の（ｂ１）（ｂ２）に示すばね上上下速度において、破線は真値、従来方法による推定値、実線は本実施例による推定値である。また、両図の（ｄ）（ｅ）に示す減衰力と上下加速度において、一転鎖線は従来方法を用いた場合の減衰力または上下加速度、実線は本発明を用いた場合の減衰力または上下加速度である。

図１６は、一定速度で走行中の車両１０における本実施例の効果を示すものである。この状況下では、（ｃ）に示すように、推定確度εが上限値１であり、また、（ｂ１）（ｂ２）に示すように、従来方法と本発明のばね上上下速度の推定値は真値と概ね等しい。このため、（ｅ）に示すように、従来方法と本発明の何れを用いても、上下加速度は同等になる。

一方、図１７は、一定の前後加速度Ｇｘｓｅで加速中の車両１０における本実施例の効果を示すものである。この状況下では、（ｃ）に示すように、推定確度εは上限値１より小さく、また、（ｂ１）（ｂ２）に示すように、従来方法と本実施例の何れによる推定値も、ばね上上下速度の真値よりも振幅が小さくなっている。

この場合、推定確度εを考慮しない従来方法では、真値よりも振幅の小さい推定値の影響を受け、本来必要なものよりも小さな制御指令値が出力され、サスペンション装置８２には本来必要なものよりソフト側の減衰力が設定される。その結果、（ｅ）に示すように、車両１０には大きな上下加速度が発生してしまう。

これに対し、本実施例では、推定確度εの小ささを考慮して、よりハード側の減衰力を発生させる制御指令値を出力する。その結果、本実施例では、サスペンション装置８２の減衰力を本来必要な減衰力に近づけることができるため、（ｅ）に示すように、従来方法に比べ、車両１０に発生する上下加速度を小さくし、制振性の低下を抑制することができる。

以上で説明したように、本実施例の車両運動状態推定装置によれば、車輪がスリップするなど上下運動状態量の推定確度が低下する走行状況においても、推定確度εの小ささを考慮してサスペンション装置の減衰力を設定することができるので、操縦安定性や制振性の低下を抑制することができる。

１：車輪速センサ
２：加速度センサ
３：ジャイロセンサ
４：操舵角センサ
５：制駆動制御ユニット
６：操舵制御ユニット
７：車輪
８：車体
９：ばね上重心
１０：車両
５０：車両運動状態推定装置
５１：上下運動起因車輪速成分推定部
５２：上下運動推定部
５３：推定確度演算部
８１：サスペンション制御ユニット
８１ａ：目標減衰力算出部
８１ｂ：減衰力マップ
８１ｃ：出力制限部
８２：サスペンション装置

Claims (11)

1. 車両の車輪と車体を結合するサスペンションの減衰力を設定する車両運動状態推定装置であって、
   前記車両の走行状態情報に基づいて前記車両の上下運動に起因する車輪速成分を推定する上下運動起因車輪速成分推定部と、
   前記車輪速成分に基づいて前記車両の上下運動状態量を推定する上下運動推定部と、
   前記走行状態情報に基づいて前記上下運動状態量の推定確度を演算する推定確度演算部と、
   前記上下運動状態量と前記推定確度に基づいて、前記サスペンションの減衰力の出力範囲の上限と下限を設定する減衰力制御部と、
   を具備することを特徴とする車両運動状態推定装置。
2. 請求項１に記載の車両運動状態推定装置において、
   前記推定確度演算部は、前記車両の走行状態情報に定数を乗じることで推定確度を算出することを特徴とする車両運動状態推定装置。
3. 請求項１に記載の車両運動状態推定装置において、
   前記推定確度演算部は、前記車両の走行状態情報に基づいて算出した複数の推定確度の和を出力することを特徴とする車両運動状態推定装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の車両運動状態推定装置において、
   前記推定確度演算部は、前記車両の前後加速度に定数を乗じることで推定確度を算出することを特徴とする車両運動状態推定装置。
5. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の車両運動状態推定装置において、
   前記推定確度演算部は、前記車両の横加速度に定数を乗じることで推定確度を算出することを特徴とする車両運動状態推定装置。
6. 請求項５に記載の車両運動状態推定装置において、
   前記車両の横加速度は、車両の前後方向の速度とヨーレイトに基づく演算値であることを特徴とする車両運動状態推定装置。
7. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の車両運動状態推定装置において、
   前記推定確度演算部は、路面摩擦係数に定数を乗じることで推定確度を算出することを特徴とする車両運動状態推定装置。
8. 請求項７に記載の車両運動状態推定装置において、
   前記路面摩擦係数は、車両の前後加速度と横加速度に基づく演算値であることを特徴とする車両運動状態推定装置。
9. 請求項１から請求項８の何れか一項に記載の車両運動状態推定装置において、
   前記減衰力制御部は、前記推定確度に基づいて段階的な制御指令値を出力する
   ことを特徴とするに記載の車両運動状態推定装置。
10. 請求項１から請求項８の何れか一項に記載の車両運動状態推定装置において、
    前記減衰力制御部は、前記推定確度が小さいほど制御指令値の出力範囲を狭くする
    ことを特徴とする車両運動状態推定装置。
11. 車両の運動状態を推定し、前記車両の車輪と車体を結合するサスペンションの減衰力を設定する車両運動状態推定方法であって、
    前記車両の走行状態情報に基づいて前記車両の上下運動に起因する車輪速成分を推定する車輪速成分推定ステップと、
    前記車輪速成分に基づいて前記車両の上下運動状態量を推定する上下運動推定ステップと、
    前記走行状態情報に基づいて前記上下運動状態量の推定確度を演算する推定確度演算ステップと、
    前記上下運動状態量と前記推定確度に基づいて、前記サスペンションの減衰力の出力範囲の上限と下限を制御する減衰力制御ステップと、
    を有することを特徴とする車両運動状態推定方法。

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