WO2012124358A1 - 慣性センサ - Google Patents

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WO2012124358A1
WO2012124358A1 PCT/JP2012/050390 JP2012050390W WO2012124358A1 WO 2012124358 A1 WO2012124358 A1 WO 2012124358A1 JP 2012050390 W JP2012050390 W JP 2012050390W WO 2012124358 A1 WO2012124358 A1 WO 2012124358A1
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acceleration
vehicle
control amount
band
vehicle control
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PCT/JP2012/050390
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English (en)
French (fr)
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前田　大輔
希元 鄭
雅秀 林
山門　誠
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Astemo Ltd
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Hitachi Automotive Systems Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5776—Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00—Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W2050/0001—Details of the control system
    • B60W2050/0043—Signal treatments, identification of variables or parameters, parameter estimation or state estimation
    • B60W2050/0052—Filtering, filters
    • B60W2050/0054—Cut-off filters, retarders, delaying means, dead zones, threshold values or cut-off frequency
    • B60W2050/0055—High-pass filters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00—Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W2050/0001—Details of the control system
    • B60W2050/0043—Signal treatments, identification of variables or parameters, parameter estimation or state estimation
    • B60W2050/0052—Filtering, filters
    • B60W2050/0054—Cut-off filters, retarders, delaying means, dead zones, threshold values or cut-off frequency
    • B60W2050/0056—Low-pass filters

Definitions

  • the present invention relates to an inertial sensor for detecting a physical quantity, for example, a sensor for use in vehicle travel control.
  • Non-Patent Document 1 By controlling the acceleration in the traveling direction of the vehicle according to the steering wheel operation of the automobile, it is possible to suppress a sudden change in the inertial force applied to the vehicle and the occupant and to obtain a strong cornering force due to the load movement of the vehicle.
  • Non-Patent Document 1 Japanese Patent Document 1
  • equation (1) indicating the target value of the traveling direction acceleration according to the lateral acceleration and jerk (differential value of acceleration).
  • G xc is a target acceleration in the traveling direction of the vehicle (vehicle traveling direction acceleration) and represents a vehicle control amount.
  • G y is vehicle lateral acceleration
  • G ′ y is vehicle lateral acceleration (acceleration differential)
  • sgn is a function that returns a positive or negative sign
  • C xv is a gain constant
  • T is a time constant
  • G x_DC is a bias constant. is there.
  • Each constant varies depending on the vehicle type, such as mass, center of gravity, or vehicle length, and also varies depending on the control adjustment amount (so-called tuning).
  • the traveling direction applied to the vehicle is shown in a diagram in which the horizontal axis represents the lateral acceleration G y of the vehicle and the vertical axis represents the traveling direction acceleration G x.
  • the time transition is curved. This curvilinear transition indicates that there is little sudden change in the inertial force, and thus there is no poor ride comfort and unnecessary acceleration / deceleration.
  • this control is called “G-Vectoring control” in order to appropriately control the resultant acceleration.
  • the G-Vectoring control is mainly vehicle control in a steady state of the vehicle, that is, in a state where the side steering is not occurring and the steering operation of the vehicle is effective, and intervenes in almost all situations when the vehicle is driven. Is. For this reason, a slight time delay or control amount error that occurs in the control gives the driver or the passenger an uncomfortable acceleration, which deteriorates the ride comfort.
  • Patent Document 1 discloses a technique for estimating jerk from the state of a vehicle in order to detect jerk with little error while suppressing delay.
  • VDC Vehicle Dynamics Control
  • ESC Electronic Stability Control
  • the acceleration in the traveling direction and the lateral direction of the vehicle and the angular velocity (yaw rate) with respect to the vehicle traveling plane are constantly measured, and the lateral acceleration obtained from the vehicle speed v and the angular velocity r and the acceleration obtained from the sensor are calculated.
  • a skid state is detected, and a deceleration force is applied in a direction to reduce the error, thereby stabilizing the vehicle.
  • G-Vectoring control is mainly steady-state control
  • VDC control is mainly non-steady-state control. Both controls can coexist on-vehicle.
  • the control amount calculation and the sensor are configured as different modules as in the technique described in Patent Document 1, which has the following problems.
  • a sensor since a sensor generally has a low-pass filter that suppresses a desired out-of-band, a delay occurs in the phase even for a desired in-band signal.
  • a communication delay due to communication arbitration generally occurs, so that the transmission of sensor information is delayed.
  • the present invention has been made for the purpose of solving such problems, and aims to provide a highly accurate inertial sensor with less delay.
  • the present application includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems.
  • an acceleration detection element for detecting at least one axis or more of the vehicle and an acceleration detection signal are limited to the first band.
  • a sensor signal output unit that outputs an acceleration detection signal limited to the first band and a vehicle control amount.
  • the inertial sensor of the present invention can provide a highly accurate inertial sensor with less delay. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an inertial sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of a communication frame in the first embodiment.
  • 1 is an overall configuration diagram of a vehicle control system in Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an inertial sensor in Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a communication frame in the second embodiment.
  • FIG. 3 is an overall configuration diagram of a vehicle control system in Embodiment 2.
  • FIG. 5 is an overall configuration diagram of a vehicle control system in Embodiment 3.
  • the present embodiment realizes brake and throttle control called G-Vectoring control described above for the purpose of suppressing a sudden change in vehicle inertia force in a steady state where no side slip occurs in the vehicle. It is related with the inertial sensor for.
  • a brake control called VDC control for controlling an unsteady state in which the vehicle is skidding is known.
  • G-Vectoring control and VDC control coexist.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the inertial sensor according to the first embodiment.
  • the inertial sensor 1 includes an acceleration detection element 2, an amplifier unit 3, an ADC (Analogue to Digital Converter) 4, a signal processing unit 5, a first low-pass filter (first filter) 6,
  • the sensor module includes a second low-pass filter (second filter) 7, a vehicle control amount calculator 8, and a communication frame generator 9.
  • the acceleration detection element 2 that detects acceleration from the outside is an element called a capacitance type so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) that captures displacement of the mass generated by application of acceleration, for example, by capacitance change.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • capacitance change is converted to voltage signal by C / V (Capacitance to Voltage) conversion.
  • the acceleration detection element 2 has a first axis set to extend in the front-rear direction of the vehicle, a second axis set to extend in the vehicle width direction of the vehicle, and extends in the vertical direction of the vehicle.
  • the third axis is set as described above, the vehicle traveling direction acceleration that is the acceleration in the axial direction of the first axis, the vehicle lateral acceleration that is the acceleration in the axial direction of the second axis, and the axis of the third axis A vertical acceleration that is a direction acceleration is detected.
  • the acceleration detecting element 2 is individually provided corresponding to each axis, and a total of three acceleration detecting elements 2 are provided.
  • one acceleration detecting element 2 is provided in all axial directions from the first axis to the third axis. An element that detects acceleration may be used. Moreover, it is not necessary to have all the detection capabilities in the axial direction.
  • the amplifier unit 3 has a configuration for converting the electrical signal output from the acceleration detection element 2 to an appropriate level. However, if the range of acceleration required for coexisting G-Vectoring control and VDC control is different, the range of the amplifier 3 may be variable so that the range can be changed according to the application to be applied. There are the following advantages.
  • Vectoring control can detect small fluctuations in acceleration finely, VDC control can appropriately detect large fluctuations in acceleration, and a single sensor can satisfy a plurality of different specifications.
  • the level constantly varies by time division For example, when processing is performed 100 times per second, 50 times is set as a gain that allows a narrow range to be input, and the remaining 50 times are switched to a gain that allows a wide range to be input without determining the state of the vehicle. Can detect both wide range and narrow range.
  • a configuration may be adopted in which two or more amplifier units 3 having different gains are provided in parallel.
  • the signal from the acceleration detection element 2 is divided into two and the subsequent circuits are provided in parallel by G-Vectoring control and VDC control, so that optimum detection according to each control can be performed. .
  • the voltage level of the voltage signal output from the amplifier unit 3 is converted into a digital value by the ADC 4.
  • the signal processing unit 5 in the subsequent stage can be digitized, and low-cost and high-accuracy signal processing can be realized.
  • the ADC 4 may have any configuration, and so-called flash type, pipeline type, successive approximation type, and delta sigma type are not limited. Further, it is not always necessary to provide the digital signal by the ADC, and the subsequent processing can be performed by an analog circuit.
  • the digital signal that has passed through the ADC 4 is sent to the signal processing unit 5 and processed into an appropriate form as a sensor output value.
  • demodulation is performed here.
  • the signal processing unit 5 performs synchronous detection of the carrier signal and demodulates it to a baseband signal.
  • output signal shaping such as compensation for temperature change, zero point correction, and sensitivity correction is performed.
  • the signal processing described above may be constituted by a dedicated LSI, or may be constituted by a DSP and rewritable software corresponding to the DSP.
  • a first low-pass filter 6 indicated by LPF (Low Pass Filter) 1 in FIG. 1 performs a filtering process for limiting the signal processed by the signal processing unit 5 to a band for VDC control (first band). And cut unnecessary noise components.
  • the second low-pass filter 7 indicated by LPF 2 in FIG. 2 constitutes a filter having a frequency characteristic different from the band for VDC control indicated by the low-pass filter 6, that is, a different cutoff characteristic. Then, a filtering process for limiting the signal processed by the signal processing unit 5 to a band (second band) for G-Vectoring control is performed.
  • the signal from the acceleration detection element 2 can be used in a free band regardless of the output frequency characteristic as a sensor defined by the low-pass filter 6.
  • the second low-pass filter 7 may have a cut-off characteristic lower than that of the first low-pass filter 6, and vice versa to ensure responsiveness. It is good.
  • the second low-pass filter 7 has an infinitely high cut-off characteristic, that is, a structure that does not have any low-pass characteristic, and the acceleration signal before the control amount calculation by the vehicle control amount calculation unit 8 is performed. It is also possible to prevent the occurrence of the phase delay as much as possible. For example, even if the baseband signal is directly transmitted to the vehicle control amount calculation unit 8 to be described later in the next stage, noise removal should be performed separately or indirectly realized by the responsiveness of the actuator. This is because it is possible.
  • the band of the second low-pass filter 7 is set to a band wider than the band of the first low-pass filter 6.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the vehicle control amount calculation unit.
  • the vehicle control amount calculation unit 8 calculates the equation (1) shown in the background art, that is, the lateral acceleration and the lateral jerk (transverse acceleration) by, for example, the configuration of the circuit 10 shown in FIG. A control amount of the traveling direction acceleration according to the differential value) is obtained.
  • FIG. 3 is an image of a diagram showing an example of the resultant acceleration applied to the vehicle during cornering.
  • FIG. 3A shows the synthesized acceleration of a general driver when there is no G-Vectoring control
  • FIG. b) shows the resultant acceleration when G-Vectoring control is applied.
  • the horizontal axis of the diagram represents the lateral acceleration G y of the vehicle
  • the vertical axis represents the traveling direction acceleration G x .
  • the curve time transition of the resultant acceleration when G-Vectoring control shown in Fig. 3 (b) is applied indicates that there is little sudden change in inertial force, and there is no poor ride comfort and unnecessary acceleration / deceleration. Show that.
  • the circuit 10 in FIG. 2A is constituted by a digital circuit or DSP software.
  • the expression (1) is not necessarily limited to the form, and is not necessarily limited to the configuration of the circuit 10, but it is necessary to be an expression indicating acceleration control in the traveling direction in conjunction with the lateral inertia amount. .
  • the acceleration signal derived from the signal of the acceleration detection element 2 mounted on the inertial sensor 1 there may be another input.
  • the error can be corrected by inputting the steering angle signal in addition to the acceleration signal, improving the accuracy of the sensor value and increasing the reliability. Can increase the sex.
  • the constants of the vehicle control amount calculation unit 8 are held in a state written at the time of shipment by PROM (Programmable Read Only Memory) or Flash ROM (Read Only Memory). However, as will be described later, the constants may be held in RAM (Random Access Memory) in order to dynamically change them.
  • the acceleration detection element 2 and the vehicle control amount calculation unit 8 are closed, that is, the acceleration detection element 2 and the vehicle control amount calculation unit 8 are integrally formed as a module, and a signal is generated in the module.
  • the acceleration Ac given as a target is calculated with respect to the actual acceleration Aa in the vehicle direction, and the acceleration Aa after passing through the control delay and the vehicle dynamics delay.
  • 'Is equal to the difference between the actual acceleration Aa and the target acceleration Ac (Aa-Ac), and adjustment is made to dynamically change the gain and bias of the vehicle control amount so that this is correct be able to.
  • the weight and the balance differed when the vehicle type was different, the number of passengers in the car changed, the road surface and the state of the vehicle (whether it was a slope, whether it was raining, etc.) Therefore, the appropriate operation amount of the brake and the throttle opening with respect to the desired acceleration change amount changes.
  • the inertial sensor 1 can be mounted on any vehicle without special prior adjustment regardless of the vehicle type, and Even in situations where the number of occupants changes drastically from 1 to 8 people, it is possible to give an appropriate acceleration in the vehicle traveling direction (vehicle control amount) without making adjustments, reducing adjustment costs Is effective.
  • the fact that the acceleration detection element 2 and the vehicle control amount calculation unit 8 are closed in the inertial sensor 1 is utilized separately, and the current vehicle inclination state is added to the acceleration sensor bias component without additional hardware.
  • the brake operation amount and the throttle opening gain are adjusted in advance.
  • the acceleration detection element 2 in the vehicle traveling direction has g ⁇ sin ( ⁇ ) Appears, and the gravitational acceleration applied to the acceleration detection element 2 in the vertical direction of the vehicle decreases to g ⁇ cos ( ⁇ ). That is, it is possible to determine the slope by analyzing the signal component of at least the uniaxial acceleration detection element 2.
  • the brake control amount is increased and the throttle opening control amount is decreased on the downhill, and vice versa on the uphill.
  • Inertia change caused by additional vehicle control applied to correct the error after vehicle control by adjusting in advance to reduce the brake control amount and increase the throttle opening control amount Can be reduced and deterioration of ride comfort can be prevented.
  • the detection of the acceleration, the processing, the estimation of the vehicle state in the inertial sensor 1, and the adjustment amount corresponding to the situation are all closed so that the vehicle control amount changes like a slope. Even in a difficult situation, an appropriate vehicle control amount can be given, which is effective for improving the ride comfort.
  • the change amount of the acceleration detection element caused by the control can be constantly calculated without adding any other hardware.
  • the control amount may fall within a certain range.
  • the circuit 13 shown in FIG. 2D has a configuration in which the acceleration change amount measuring unit 13a measures the acceleration change amount and the limiter 13b limits the vehicle control amount G xc based on the acceleration change amount.
  • the user can set the desired maximum control amount by himself / herself, or set the maximum control amount according to the vehicle type when the vehicle is shipped so that the driver and passengers do not experience such control as to feel danger or fear.
  • the maximum value of the appropriate control amount can be provided at a low cost.
  • the feedback configuration shown in the circuit 11, the slope detection configuration shown in the circuit 12, and the configuration with limiter shown in the circuit 13 can all coexist, and a circuit combining all the configurations of the circuits 11 to 13 is made.
  • a circuit in which two configurations are selected from each configuration and combined can be provided.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an example of the structure of a communication frame in the present embodiment.
  • the communication frame generation unit 9 has a configuration (sensor signal output unit) that generates a communication frame having acceleration and a vehicle control amount and outputs it as a sensor signal.
  • the vehicle traveling direction acceleration 1 and the vehicle lateral direction acceleration 2 filtered by the first low-pass filter 6 and limited to the band (first band) for VDC control, and the vehicle control.
  • the amount is transmitted in the same frame.
  • Fig. 4 as an example, frames are assigned to different information every 2 bytes.
  • the communication frame generation unit 9 outputs an acceleration of at least one axis and a vehicle control amount.
  • the frames are not necessarily the same, but frame division is not appropriate from the viewpoint of reducing delay time.
  • CRC Cyclic Redundancy Check
  • CRC Cyclic Redundancy Check
  • FIG. 5 is an overall configuration diagram of a vehicle control system using the inertial sensor shown in FIG.
  • the vehicle control system 20 includes an inertial sensor 1, an angular velocity sensor 21, an ECU (Electric Control Unit) 23, and a brake unit 24.
  • the angular velocity sensor 21 has a configuration equivalent to the configuration of reference numerals 2 to 6 of the inertial sensor 1 shown in FIG. 1, and includes an angular velocity detection element 38, an amplifier unit, an ADC, a signal processing unit, and a low-pass filter. It consists of modules (not shown).
  • the inertial sensor 1 and the angular velocity sensor 21 are connected to the ECU 23 via communication lines 22, respectively.
  • the communication line 22 is a communication unit that realizes communication between the inertial sensor 1 and the angular velocity sensor 21 and the ECU 23, and uses, for example, a digital communication method called SPI (Serial Peripheral Interface) communication.
  • SPI Serial Peripheral Interface
  • the ECU 23 receives the acceleration, the angular velocity, and the vehicle control amount from the inertial sensor 1 and the angular velocity sensor 21, and in order to actually perform VDC control and G-Vectoring control of the vehicle accordingly, the brake unit 24 and the throttle opening degree Activate (not shown).
  • VDC control since control is performed using steering angle and vehicle speed information together, such information is input to the ECU 23, but is not shown here.
  • the vehicle control amount output from the inertial sensor 1 does not include a delay generating element, and therefore suppresses a delay until the braking force or the acceleration force is generated by the control, and further the dynamic condition An appropriate control amount corresponding to the change can be output without delay. For this reason, the vehicle control which suppresses the unnatural inertia force given to a driver and a passenger, and maintains favorable riding comfort irrespective of conditions is realized. Furthermore, since additional hardware is not required for coexistence with VDC control, it is advantageous in terms of cost in that it does not require hardware addition from a vehicle equipped with VDC control.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the inertial sensor according to the second embodiment.
  • the inertial sensor 31 includes an acceleration detection element 32, an amplifier unit 33, an ADC 34, a signal processing unit 35, a first low-pass filter (first filter) 36, and a second low-pass filter. (Second filter) 37, angular velocity detection element 38, amplifier unit 39, ADC 40, signal processing unit 41, third low-pass filter (third filter) 42, fourth low-pass filter (fourth filter)
  • the sensor module includes a filter 43, a vehicle control amount calculation unit 44, and a communication frame generation unit 45.
  • At least one axis or more angular velocity detection element 38 and its associated circuit are provided in the inertial sensor 31 to form a sensor module.
  • the configurations of reference numerals 32 to 37 are the same as the configurations of reference numerals 2 to 7 of the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
  • the mounting form of the angular velocity detection element 38 and the acceleration detection element 32 may be a single chip or may be divided into multiple chips. However, with respect to the circuit mounting form at the subsequent stage, the communication frame generation unit 45 is made a consistent single chip configuration rather than a multi-chip configuration, thereby reducing communication delay.
  • the angular velocity detection element 38 is a capacitance type detection element that captures, for example, displacement of a mass mass caused by Coriolis force generated by application of angular velocity by a capacitance change, and converts the capacitance change into a voltage signal by C / V conversion.
  • the angular velocity detection element 38 calculates the angular velocity in the roll direction that is the angular velocity around the axis of the first axis, the angular velocity in the pitching direction that is around the axis of the second axis, and the angular velocity in the yaw direction that is around the axis of the third axis. To detect.
  • the angular velocity detecting element 38 is provided for each axis, and a total of three angular velocity detecting elements 38 are provided.
  • one angular velocity detecting element 38 is capable of measuring angular velocities around all axes from the first axis to the third axis. What is to be detected may be used.
  • the configurations of the amplifier unit 39, the ADC 40, and the signal processing unit 41 are the same as those of the amplifier unit 3, the ADC 4, and the signal processing unit 5 of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
  • the angular velocity detection signal processed by the signal processing unit 41 is limited to the band for VDC control (third band). Filtering process to cut unnecessary noise components. At this time, the frequency characteristics may be the same as or different from those of the first low-pass filter 36 indicated by LPF1.
  • the fourth low-pass filter 43 (fourth filter) indicated by LPF4 has a frequency characteristic different from the band for VDC control indicated by the third low-pass filter 42, that is, a different cutoff characteristic.
  • a filter is configured to perform a filtering process for limiting the angular velocity detection signal processed by the signal processing unit 41 to a band (fourth band) for G-Vectoring control. This means that the signal from the angular velocity detecting element 38 can be used in a free band regardless of the output frequency characteristic as a sensor defined by the low-pass filter 42.
  • the fourth low-pass filter 43 may have a cut-off characteristic lower than that of the third low-pass filter 42, and in order to ensure responsiveness, The reverse is also possible.
  • the fourth low-pass filter 43 may have an infinitely high cut-off characteristic, that is, a structure that does not have any low-pass characteristic.
  • This configuration is a configuration in which the baseband signal is transmitted directly to the vehicle control amount calculation unit 44 in the next stage in order not to cause a phase delay of the angular velocity signal until the control amount calculation, and noise removal is performed separately. It can be realized indirectly by the responsiveness of the actuator.
  • the band of the fourth low-pass filter 43 is set to a wider band than the band of the third low-pass filter 42.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the vehicle control amount calculation unit.
  • the vehicle control amount calculation unit 44 calculates the control amount of the traveling direction acceleration according to the calculation of the above-described equation (1), that is, the lateral acceleration and the lateral jerk of the vehicle, for example, by the configuration of the circuit 50 shown in FIG. obtain.
  • the angular velocity around the first axis that is the angular velocity around the axis of the first axis of the vehicle, that is, the angular velocity in the roll direction of the vehicle is used.
  • a circuit configuration for estimating jerk is provided.
  • the lateral jerk is the transfer function expressed by the following equation (2). Can be estimated.
  • a (s) is the transfer function that converts the angular velocity in the roll direction into lateral jerk
  • T1 and T2 are appropriate time constants
  • Kx is the roll stiffness
  • ms is the sprung mass
  • g is the gravitational acceleration
  • h is the roll
  • the height from the center to the center of gravity, p (s), is the angular velocity in the roll direction.
  • the lateral jerk can be integrated to obtain the lateral acceleration, so that the consistency with the signal is judged from the acceleration detecting element 32, or the G-Vectoring control is performed without using the signal of the acceleration detecting element 32. It can also be realized.
  • acceleration and angular velocity are necessary sensor information for VDC control, so both controls can be realized with one sensor, dedicated for G-Vectoring control and VDC control respectively. It is not necessary to provide this sensor, and the installation cost can be further reduced.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an example of the structure of a communication frame in the present embodiment.
  • the communication frame generation unit 45 has a configuration (sensor signal output unit) that generates a communication frame having acceleration, angular velocity, and vehicle control amount and outputs it as a sensor signal.
  • the vehicle traveling direction acceleration 1 and the vehicle lateral acceleration 2 filtered by the first low-pass filter 36 and limited to the band for VDC control (first band), and the third low-pass filter 36 are used.
  • the roll direction angular velocity 1 and the pitching direction angular velocity 2 filtered by the pass filter 42 and limited to the band for VDC control (third band) and the vehicle control amount G xc are transmitted in the same frame.
  • frames are assigned to different information every 2 bytes.
  • the communication frame generation unit 45 outputs an angular velocity of at least one axis, an acceleration of one axis or more, and a vehicle control amount.
  • the frames are not necessarily the same, but frame division is not appropriate from the viewpoint of reducing delay time.
  • CRC Cyclic Redundancy Check
  • CRC Cyclic Redundancy Check
  • FIG. 9 is an overall configuration diagram of a vehicle control system using the inertial sensor shown in FIG.
  • the vehicle control system 60 includes an inertial sensor 31, an ECU 62, and a brake unit 63.
  • the inertial sensor 31 is connected to the ECU 62 via the communication line 61.
  • the communication line 61 is a communication unit that realizes communication between the inertial sensor 31 and the ECU 62, and uses, for example, a digital communication method called SPI communication.
  • the ECU 62 receives the acceleration, angular velocity, and vehicle control amount from the inertial sensor 31, and in order to actually give VDC control and G-Vectoring control to the vehicle accordingly, the brake operation amount and throttle valve (see FIG. (Not shown) to control the throttle opening.
  • VDC control since control is performed using steering angle and vehicle speed information together, such information is input to the ECU 62, but it is not shown here.
  • the vehicle control amount output from the inertial sensor 31 omits the delay generating element as described above, and therefore suppresses the delay until the generation of the braking force or the acceleration force due to the control. It is possible to output an appropriate control amount corresponding to a general change in conditions without delay. For this reason, the vehicle control which suppresses the unnatural inertia force given to a driver and a passenger, and maintains favorable riding comfort irrespective of conditions is realized. Furthermore, since additional hardware is not required for coexistence with VDC control, it is advantageous in terms of cost in that it does not require hardware addition from a vehicle equipped with VDC control.
  • FIG. 10 is an overall configuration diagram of the vehicle control system according to the third embodiment. What is characteristic in the present embodiment is that the driver is notified that G-Vectoring control is being executed.
  • the vehicle control system 70 includes an inertial sensor 31, a vehicle control ECU 72, a brake unit 73, a communication bus 74, an entertainment system ECU 75, and a monitor 76.
  • the inertial sensor 31 is connected to the vehicle control ECU 72 via the communication line 71.
  • the communication line 71 is a communication unit that realizes communication between the inertial sensor 31 and the vehicle control ECU 72, and uses, for example, SPI communication.
  • the vehicle control ECU 72 controls the brake operation amount of the brake unit 73 and the throttle opening of a throttle valve (not shown).
  • the communication bus 74 is a communication bus to which a large number of terminals can be connected, such as a CAN (Controller-Area-Network) bus.
  • the vehicle control ECU 72 notifies the entertainment system ECU 75 of the acceleration and the vehicle control amount via the communication bus 74.
  • the monitor 76 is set at a position where the driver can visually recognize the vehicle interior, and displays the acceleration on the horizontal plane applied to the vehicle.
  • the monitor 76 shows a diagram image in which the horizontal axis represents the lateral acceleration of the vehicle and the vertical axis represents the traveling direction acceleration, and further, the vehicle control amount is also illustrated.

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Abstract

　本発明は、より遅延の少なく、高精度な慣性センサを提供することを課題とする。本発明の慣性センサ１は、車両の少なくとも１軸以上の加速度を検出する加速度検出エレメント２と、加速度の検出信号を第１の帯域に制限する第１のフィルタ６と、加速度の検出信号を第２の帯域に制限する第２のフィルタ７と、第２の帯域に制限された加速度の検出信号に基づいて車両制御量Ｇxcを計算する車両制御量計算部８と、第１の帯域に制限された加速度の検出信号と車両制御量を出力するセンサ信号出力部９を有する。

Description

慣性センサ
　本発明は、物理量を検出する慣性センサに関し、例えば車両の走行制御を用途とするセンサに関する。
　自動車のハンドル操作に応じて車両の進行方向加速度を制御することで、車両や乗員にかかる慣性力の急変を抑えたり、車両の荷重移動による強いコーナリングフォースを得たりすることが可能となることが知られている(例えば非特許文献1参照)。
　この制御の基本概念は、横方向加速度および加加速度(加速度の微分値)に応じた進行方向加速度の目標値を示す式（１）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｇxcは車両の進行方向の目標加速度(車両進行方向加速度)であり、車両制御量を示す。Ｇyは車両横方向加速度、Ｇ’y は車両横方向の加加速度(加速度の微分)、sgnは正負の符号を返す関数、Ｃxvはゲイン定数、Ｔは時定数、Ｇx_DCはバイアス定数である。各定数は質量、重心、ないし車両長等、車種に依存して変化し、また制御の調整量(いわゆるチューニング)にも依存して変化する。
　前述の式（１）に従った車両進行方向の制御を行った場合、横軸に車両の横方向加速度Ｇy、縦軸に進行方向加速度Ｇxを示すダイアグラムに、車両に印加される進行方向加速度と横方向加速度の合成加速度を図示すると、その時間遷移が曲線的になる。この曲線的遷移は、慣性力の急激な変化が少ないことを示し、ひいては乗り心地の悪さや不要な加減速がないことを示す。このように、本制御は合成加速度を適切に制御するため「G-Vectoring制御」と呼ばれる。
　ところで、G-Vectoring制御は、車両の定常状態、すなわち横滑りの発生していない、車両のステアリング操作が効いている状態での車両制御が主であり、車両運転時のほぼ全ての状況において介入するものである。このため、制御に発生するわずかな時間的遅延や制御量の誤差がドライバーや乗員に違和感のある加速度を与えることになり、これによって乗り心地が悪化する。
　そこで、例えば特許文献１では、遅延を抑えつつ誤差の少ない加加速度を検出するため、車両の状態から加加速度を推定する技術が開示されている。
　これに対して、非定常状態、すなわち車両の横滑りを抑える制御は、VDC(Vehicle Dynamics Control)制御や、ESC(Electric Stability Control)制御と呼ばれる。
　VDC制御においては、例えば、車両の進行方向および横方向の加速度、および車両走行平面に対する角速度（ヨーレート）を常時測定し、車速vと角速度rから得られる横加速度と、センサから得られる加速度との誤差を計算することで横滑り状態を検出し、この誤差を減らす方向に減速力を与え、車両の安定化を図る。
　G-Vectoring制御は定常状態制御を主とし、VDC制御は非定常状態制御を主とする制御であり、両制御は共存して車載され得るものである。
特開2007-280808号公報
M. Yamakado, M. Abe: Improvement of Vehicle Agility and Stability by G-Vectoring Control, Proc. of AVEC2008-080420
　G-Vectoring制御において、特許文献１に記載の技術のように、制御量計算とセンサが異なるモジュールとして構成されることには、次のような問題がある。すなわち、一般にセンサは所望の帯域外を抑圧する低域通過フィルタを有しているため、所望の帯域内信号であっても位相には遅延が発生する。また、センサ情報の伝達がCAN(Controller Area Network)バスのような多数の端末が接続されるメディアを通じて行われる場合、一般に通信調停に起因する通信遅延が発生するため、センサ情報の伝達が遅れる。これらの遅延は制御量計算開始までの制御量発生の遅延を意味するため、ドライバーや乗員に違和感のある加速度の印加を引き起こし、乗り心地の悪化を招く。
　さらに、上記した式（１）に従ったG-Vectoring制御では、計算される進行方向加速度を適切にスロットル開度やブレーキ制動力に変換することが肝要であるが、車種、乗員数、路面の抵抗や傾斜状態等の状況に応じて、この変換量が変化するため、適切な制動力を与えることは困難である。
　本発明は、このような問題点を解決することを目的としてなされたものであり、より遅延の少なく、高精度な慣性センサを提供することを目的とするものである。
　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、車両の少なくとも１軸以上の加速度 を検出する加速度検出エレメントと、加速度の検出信号を第１の帯域に制限する第１のフィルタと、加速度の検出信号を第２の帯域に制限する第２のフィルタと、第２の帯域に制限された加速度の検出信号に基づいて車両制御量を計算する車両制御量計算部と、第１の帯域に制限された加速度の検出信号と車両制御量とを出力するセンサ信号出力部とを有することを特徴としている。
　本発明の慣性センサによれば、より遅延の少なく、高精度な慣性センサを提供しうる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例1における慣性センサの構成を示す図。 車両制御量計算部の回路構成の例を示す図。 コーナリング時に車両に印加される合成加速度の例を示すダイアグラム。 実施例1における通信フレームの構造を説明する図。 実施例1における車両制御システムの全体構成図。 実施例2における慣性センサの構成を示す図。 車両制御量計算部の回路構成の例を示す図。 実施例2における通信フレームの構成を示す図。 実施例2における車両制御システムの全体構成図。 実施例3における車両制御システムの全体構成図。
　次に、本実施の形態について図面を用いて以下に詳細に説明する。
　本実施の形態は、先に示したG-Vectoring制御と呼ばれる、車両に横滑りの発生していない定常状態にある車両慣性力の急激な変化を抑えることを目的としたブレーキやスロットル制御を実現するための慣性センサに関するものである。この他に、車両が横滑りしている非定常状態を制御するVDC制御と呼ばれるブレーキ制御が知られている。以下の例ではG-Vectoring制御とVDC制御が共存する車両を用いて実施形態を説明する。
［実施例１］
　図１は、実施例１における慣性センサの構成を示す図である。
　慣性センサ１は、図１に示すように、加速度検出エレメント２、アンプ部３、ADC（Analogue to Digital Convertor）４、信号処理部５、第１の低域通過フィルタ（第１のフィルタ）６、第２の低域通過フィルタ（第２のフィルタ）７、車両制御量計算部８、通信フレーム生成部９を有するセンサモジュールからなる。
　本実施例において外部からの加速度を検知する加速度検出エレメント２は、例えば加速度の印加によって発生する質量マスの変位を容量変化で捉える静電容量型のいわゆるMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）と呼ばれるエレメントであり、容量変化をC/V(Capacitance to Voltage)変換によって電圧信号に変換する。
　加速度検出エレメント２は、例えば車両の前後方向に延在するように第１軸が設定され、車両の車幅方向に延在するように第２軸が設定され、車両の鉛直方向に延在するように第３軸が設定されている場合に、第１軸の軸方向の加速度である車両進行方向加速度と、第２軸の軸方向の加速度である車両横方向加速度と、第３軸の軸方向の加速度である鉛直方向加速度を検出する。加速度検出エレメント２は、本実施例では各軸に対応して個々に設けられており、合計で３個が設けられているが、１個で第１軸から第３軸の全ての軸方向の加速度を検出するエレメントを用いてもよい。また、すべての軸方向の検出性能を有していなくともよい。
　アンプ部３は、加速度検出エレメント２から出力された電気信号を適切なレベルに変換する構成を有する。ただし、共存するG-Vectoring制御とVDC制御で要求される加速度のレンジが異なる場合、適用するアプリケーションに応じてレンジを変更できるように、アンプ３のレンジが可変できる構成としてもよく、かかる構成によって以下の利点がある。
　例えば、定常状態ではG-Vectoring制御のために狭いレンジを入力できるようゲインを上げておき、非定常状態ではVDC制御のために広いレンジを入力できるようゲインを下げる構成とすることにより、G-Vectoring制御では加速度の小さな変動を細かく検出することができ、VDC制御では加速度の大きな変動を適切に検出することができ、異なる複数の仕様を一つのセンサで満たすことができる。
　また、時分割によって常時レベルが変動する構成とすることもできる。例えば、１秒間で１００回の処理が行われる場合に、５０回分を狭いレンジが入力できるゲインとし、残りの５０回分を広いレンジが入力できるゲインに切り替えることによって、車両の状態を判別することなく、広いレンジと狭いレンジの両方を検出することができる。
　そしてさらに、異なるゲインを持つアンプ部３を２つ以上並列に設ける構成としてもよい。例えば、加速度検出エレメント２からの信号を２つに分配して以降の回路をG-Vectoring制御とVDC制御で並列に設ける構成とすることで、各制御に応じた最適な検出を行うことができる 。
　次に、アンプ部３から出力された電圧信号は、ADC４によって信号レベルをデジタル値に変換する。これによって、後段の信号処理部５をデジタル化することができ、低コストかつ高精度な信号処理を実現可能にする。このとき、ADC４はどのような構成であってもよく、いわゆるフラッシュ型、パイプライン型、逐次比較型、デルタシグマ型とアーキテクチャは問わない。また、必ずしもADCによるデジタル信号化を設ける必要はなく、以降の処理がアナログ回路で行われる構成とすることもできる。
　次に、ADC４を経たデジタル信号は信号処理部５に送られ、センサ出力値として適切な形に処理される。まず、ADC４を経た信号が何らかの変調を受けている場合は、ここで復調を行う。例えば、キャリア信号が重畳されている場合は、この信号処理部５においてキャリア信号の同期検波を行い、ベースバンド信号に復調する。次に、温度変化に対する補償、ゼロ点の補正、および感度の補正等の出力信号整形を実施する。以上の信号処理は、専用のLSIで構成されていてもよく、DSPとそれに対応した書き換え可能なソフトウェアから成っていてもよい。
　図１にLPF(Low Pass Filter)１で示される第１の低域通過フィルタ６は、信号処理部５で処理された信号をVDC制御向けの帯域（第１の帯域）に制限するフィルタリング処理を行い、不要なノイズ成分をカットする。そして、図２にLPF２で示される第２の低域通過フィルタ７は、低域通過フィルタ６で示されたVDC制御向けの帯域とは異なる周波数特性、すなわち異なるカットオフ特性を有するフィルタを構成し、信号処理部５で処理された信号をG-Vectoring制御向けの帯域（第２の帯域）に制限するフィルタリング処理を行う。
　このことは、低域通過フィルタ６によって定義されるセンサとしての出力周波数特性にとらわれず、加速度検出エレメント２からの信号を自由な帯域で使用できることを意味する。例えば、低い帯域だけを制御に用いる場合は、第２の低域通過フィルタ７を第１の低域通過フィルタ６よりも低いカットオフ特性とすればよく、応答性を確保するために、その逆としてもよい。
　また、第２の低域通過フィルタ７が無限大に高いカットオフ特性を有する構成、すなわち一切の低域通過特性を有さない構成とし、車両制御量計算部８による制御量計算までに加速度信号の位相遅延を極力発生させないようにすることもできる。例えばベースバンド信号を次段の後述される車両制御量計算部８に直接伝送する構成にしたとしても、ノイズ除去は別段で実施したり、アクチュエータが持つ応答性によって間接的に実現したりすることが可能なためである。なお、本実施例では、第２の低域通過フィルタ７の帯域の方が、第１の低域通過フィルタ６の帯域よりも広い帯域に設定されている。
　図２は、車両制御量計算部の回路構成の一例を示す図である。
　車両制御量計算部８は、例えば図２（ａ）に示す回路１０の構成によって、上記背景技術に示した式（１）の演算、すなわち、横方向加速度および横方向加加速度(横方向加速度の微分値)に応じた進行方向加速度の制御量を得る。
　図３は、コーナリング時に車両に印加される合成加速度の例を示すダイアグラムのイメージ図であり、図３(a)はG-Vectoring制御が無い時の一般的なドライバーの合成加速度を示し、図３(b)はG-Vectoring制御を適用した場合の合成加速度を示す。ダイアグラムの横軸は、車両の横方向加速度Ｇy、縦軸は、進行方向加速度Ｇxを示す。図３(b)に示すG-Vectoring制御を適用した場合の合成加速度の曲線的な時間遷移は、慣性力の急激な変化が少ないことを示し、ひいては乗り心地の悪さや不要な加減速がないことを示す 。
　図２（ａ）の回路１０は、デジタル回路もしくはDSPソフトウェアで構成される。ただし、式（１）は必ずしもその形を限定するものではなく、回路１０の構成に限定する必要はないが、横方向の慣性量に連動した進行方向の加速度制御を示す式である必要がある。また、慣性センサ１に搭載された加速度検出エレメント２の信号を由来とする加速度信号の他に、別の入力があっても良い 。例えば、ステアリングの舵角に基づいて横加加速度を算出することができるので、加速度信号の他に舵角信号を加えて入力することによって、誤差を補正でき、センサ値の精度を向上させて、信頼性を高めることができる。
　また、車両制御量計算部８が持つ定数は、PROM(Programmable Read Only Memory）やFlash ROM(Read Only Memory)によって出荷時に書き込まれた状態で保持される。ただし、後述のように定数を動的に変更するためにRAM(Random Access Memory)で保持してもよい。
　また、慣性センサ１内で、加速度検出エレメント２と車両制御量計算部８が閉じていること、すなわち、加速度検出エレメント２と車両制御量計算部８がモジュールとして一体に形成されてモジュール内で信号のやりとりが行われることを活用すると、別段のハードウェアの追加なしで制御が適切に効いているかどうかをフィードバック構成によって確認し、動的に調整することが可能となる。
　例えば、図２（ｂ）に示す回路１１の構成とすることで、車両方向にかかる実際の加速度Aaに対し、目標として与える加速度Acを計算し、制御遅延と車両ダイナミクス遅延を経た後の加速度Aa’が、実際の加速度Aaと目標加速度Acとの差(Aa-Ac)と等しいか否かを確認し、これが正しくなるように、車両制御量のゲインやバイアスを動的に変更する調整を行うことができる。
　一般に、車種が異なったり、自動車に乗っている乗員数が変わったり、路面および車両の状態(斜面であるか否か、降雨状態か否か等)が異なったりすると、重量やそのバランスは異なったものになり、所望の加速度変化量に対するブレーキやスロットル開度の適切な作動量は変化する。
　したがって、回路１１の構成とし、この動的なゲイン調整の機能を搭載することによって、例えば、車種を問わずに慣性センサ１を特段の事前調整なく任意の自動車に搭載することを可能にし、また乗員数が1名から8名へと極端に変化するような状況においても調整を実施することなく、適切な車両進行方向加速度（車両制御量）を与えることができるようになり、調整コストの削減において有効である。
　このように、慣性センサ１内で、加速度の検出、処理、車両制御の計算、さらにそのフィードバック調整をすべて閉じている構成にすることは、遅延量の削減に 有効であるばかりか、システム構築コストの削減においても有効である 。
　また、慣性センサ１内で加速度検出エレメント２と、車両制御量計算部８が閉じていることを別に活用し、別段のハードウェアの追加なしで、現状の車両の傾斜状態を加速度センサのバイアス成分から確認し、あらかじめブレーキ作動量やスロットル開度のゲインを調整しておく構成が実現できる。
　例えば、車両にかかる重力加速度g(=9.8m/s^2)に対し、下り坂が水平面に対してθの角度であるとき、車両進行方向の加速度検知エレメント２には、g・sin(θ)のバイアスが現れ、また、車両鉛直方向の加速度検知エレメント２にかかる重力加速度は、g・cos(θ)に減少する。つまり、少なくとも1軸の加速度検知エレメント２の信号成分を解析すること
で、斜面判定が可能となる。
　これを用いて、単純には、図２(ｃ)に示す回路１２の調整部１２ａにおいて、下り坂ではブレーキ制御量を大きく、かつスロットル開度制御量を小さくし、また、上り坂ではその逆にブレーキ制御量を小さく、かつスロットル開度制御量を大きくするように、予め調整することで、車両制御の発生後、その誤差の補正のため発生する追加の車両制御印加によって発生する慣性量変化を減らすことができ、乗り心地の悪化を防ぐことができる。
　このように、慣性センサ１内で加速度の検出、処理、車両状態の推定、さらにその状況に応じた調整量をすべて閉じられた構成にすることは、斜面のように車両制御量が変化するような状況においても、適切な車両制御量を与えられるため、乗り心地向上に有効である。
　また、慣性センサ１内で加速度検出エレメント２と、車両制御量計算部８が閉じていることを別に活用して、別段のハードウェアの追加なしで、制御によって生じる加速度検出エレメントの変化量を常時検知し、変化量がある一定の閾値を超えるような急激な制御が発生した場合、制御量を一定範囲内に収める構成としていても良い。
　例えば図２（ｄ）に示す回路１３は、加速度変化量測定部１３ａで加速度変化量を測定し、その加速度変化量に基づいてリミッタ１３ｂで車両制御量Ｇｘｃを制限する構成を有している。この場合、運転者や同乗者が危険や恐怖を感じるほどの制御が発生しないように、ユーザが所望の最大制御量を自ら設定したり、車両の出荷時に車種に応じた最大制御量を設定したりすることができ、適切な制御量の最大値を低コストに設けることができる。
　また、回路１１に示したフィードバック構成と、回路１２に示した斜面検知構成、および回路１３に示したリミッタ付き構成は全て共存可能であり、回路１１～１３の各構成を全て組み合わせた回路とすることもでき、また、各構成の中から二つの構成を選択して組み合わせた回路とすることもできる。このように、回路１１～１３の各構成の少なくとも二以上を組み合わせた回路とすることで、回路数を増大させることなく、一つの回路で組み合わせた構成に相当する分の効果を得ることができる。
　なお、回路１１～１３を互いに組み合わせず、いずれか一つのみを単独で用いた場合でも、G-Vectoring制御に有効な車両制御量は得られており、さらに、フィードバック構成などの、各回路特有の構成による効果が付加的に得られるので、回路１０の構成よりも多くの効果を得ることができ、有益である。
　図４は、本実施例における通信フレームの構造の一例を説明する図である。
　通信フレーム生成部９は、加速度と車両制御量を有する通信フレームを生成し、センサ信号として出力する構成（センサ信号出力部）を有している。これにより、例えば、第１の低域通過フィルタ６でフィルタリング処理されてVDC制御向けの帯域（第１の帯域）に制限された車両進行方向の加速度１及び車両横方向の加速度２と、車両制御量とが同一フレームで送信される。
　図４では、例としてフレームを2バイト毎に異なる情報に割り当てている。通信フレーム生成部９は、少なくとも1軸以上の加速度と車両制御量を出力する。このとき、必ずしも同一フレームである必要はないが、遅延時間削減の観点からフレームの分割は適当でない。また、ブレーキ制御を行うという安全面に重要なシステムであるので、同一フレーム内に、ビット誤りを検出するためのCRC(Cyclic Redundancy Check)コードや、センサ自身の故障を検出し通知する自己診断結果を示すビットを含んでいてもよい。
　図５は、図１に示す慣性センサを用いた車両制御システムの全体構成図である。
　車両制御システム２０は、慣性センサ１、角速度センサ２１、ＥＣＵ(Electric Control Unit)２３、ブレーキユニット２４を有している。角速度センサ２１は、図１に示す慣性センサ１の符号２～６の構成と同等の構成を有しており、角速度検出エレメント３８、アンプ部、ADC、信号処理部、低域通過フィルタを有するセンサモジュールからなる（図示せず）。
　慣性センサ１と角速度センサ２１は、それぞれ通信線２２を介してＥＣＵ２３に接続されている。通信線２２は、慣性センサ１及び角速度センサ２１とＥＣＵ２３との間の通信を実現する通信手段であり、例えばSPI(Serial Peripheral Interface)通信と呼ばれるデジタル通信方式を用いる。このとき、通信フレームの衝突等による通信遅延を防ぐため、統計的多重や時間的多重を用いていない方式が望ましい。
　ＥＣＵ２３は、慣性センサ１および角速度センサ２１から、加速度、角速度、および車両制御量を受信し、それに応じて車両のVDC制御およびG-Vectoring制御を実際に行うために、ブレーキユニット２４やスロットル開度(図示せず)を作動させる。なお、一般にVDC制御においては、ステアリングの舵角や車速情報を併用して制御を行うため、これらの情報がＥＣＵ２３に入力されるが、ここでは図示しない。
　以上のように、慣性センサ１から出力された車両制御量は、遅延の発生要素が省かれているため、制御による制動力ないしは加速力の発生までの遅延を抑制し、さらに、動的な条件変化にも対応した適切な制御量を遅延なく出力することができる。このため、ドライバーや同乗者に与える不自然な慣性力を抑え、条件によらずに良い乗り心地を維持する車両制御を実現する。さらに、VDC制御との共存においても特段のハードウェアの追加を必要としないため、VDC制御搭載車からのハードウェア的追加を必要としないという点で、コスト的にも有利である。
［実施例２］
　図６は、実施例２における慣性センサの構成を示す図である。
　慣性センサ３１は、図６に示すように、加速度検出エレメント３２、アンプ部３３、ADC３４、信号処理部３５、第１の低域通過フィルタ（第１のフィルタ）３６、第２の低域通過フィルタ（第２のフィルタ）３７、角速度検出エレメント３８、アンプ部３９、ADC４０、信号処理部４１、第３の低域通過フィルタ（第３のフィルタ）４２、第４の低域通過フィルタ（第４のフィルタ）４３、車両制御量計算部４４、通信フレーム生成部４５を有するセンサモジュールからなる。
　本実施例では、上記した実施例１に加え、少なくとも1軸以上の角速度検出エレメント３８およびそれに付随する回路が、慣性センサ３１内に設けられており、センサモジュールを形成している。ここで、符号３２～３７の構成については、実施例１の符号２～７の構成と同様であるのでその詳細な説明は省略する。
　角速度検出エレメント３８と、加速度検出エレメント３２の実装形態は、シングルチップであっても多チップに分かれていても良い。ただし、後段の回路実装形態については、多チップであるよりも、通信フレーム生成部４５までを一貫したシングルチップ構成とし、通信遅延を削減する。
　角速度検出エレメント３８は、例えば角速度の印加によって発生するコリオリ力がもたらす質量マスの変位を、容量変化で捉える静電容量型検出エレメントであり、容量変化をC/V変換によって電圧信号に変換する。
　角速度検出エレメント３８は、第１軸の軸回りの角速度であるロール方向角速度と、第２軸の軸回りの角速度であるピッチング方向角速度と、第３軸の軸回りの角速度であるヨー方向角速度を検出する。角速度検出エレメント３８は、本実施例では各軸に対してそれぞれ設けられており、合計で３個が設けられているが、１個で第１軸から第３軸の全ての軸回りの角速度を検出するものを用いてもよい。
　アンプ部３９、ADC４０、信号処理部４１の構成については、実施例１のアンプ部３、ADC４、信号処理部５と同様の構成であるため、説明を省略する。
　図６にLPF３で示された第３の低域通過フィルタ４２（第３のフィルタ）では、信号処理部４１で処理された角速度の検出信号をVDC制御向けの帯域（第３の帯域）に制限するフィルタリング処理を行い、不要なノイズ成分をカットする。このとき、周波数特性はLPF1で示される第１の低域通過フィルタ３６と同じであっても、異なっていても良い。
　LPF４で示される第４の低域通過フィルタ４３（第４のフィルタ）では、第３の低域通過フィルタ４２で示されたVDC制御向けの帯域とは異なる周波数特性、すなわち異なるカットオフ特性を有するフィルタを構成し、信号処理部４１で処理された角速度の検出信号をG-Vectoring制御向けの帯域（第４の帯域）に制限するフィルタリング処理を行う。このことは、低域通過フィルタ４２によって定義されるセンサとしての出力周波数特性にとらわれず、角速度検出エレメント３８からの信号を自由な帯域で使用できることを意味する。
　例えば、低い帯域だけを制御に用いる場合は、第４の低域通過フィルタ４３を第３の低域通過フィルタ４２よりも低いカットオフ特性とすればよいし、応答性を確保するために、その逆としてもよい。
　また、第４の低域通過フィルタ４３が無限大に高いカットオフ特性を有する構成、すなわち一切の低域通過特性を有さない構成であっても良い。この構成は、制御量計算までに角速度信号の位相遅延を発生させないために、ベースバンド信号を直接次段の車両制御量計算部44に伝送する構成であって、ノイズ除去は別段で実施したり、アクチュエータが持つ応答性によって間接的に実現したりすることが可能である。なお、本実施例では、第４の低域通過フィルタ４３の帯域の方が、第３の低域通過フィルタ４２の帯域よりも広い帯域に設定されている。
　図７は、車両制御量計算部の回路構成の一例を示す図である。
　車両制御量計算部４４は、例えば図7に示す回路５０の構成によって、上記した式（１）の演算、すなわち、車両の横方向加速度および横方向加加速度に応じた進行方向加速度の制御量を得る。このとき、特許文献1に示されるように、角速度検出エレメント３８のうち、車両の第１軸の軸回りの角速度である第１軸回り角速度、すなわち、車両のロール方向角速度を用いて、横方向加加速度を推定する回路構成を備える。横方向加加速度は、下記の式（２）で示される伝達関数
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 により推定可能である。
　ここでA(s)はロール方向角速度を車両横方向加加速度に変換する伝達関数，T1およびT2は適当な時定数、Kxはロール剛性、msはばね上質量、gは重力加速度、hはロールセンターから重心までの高さ、p(s)はロール方向角速度である。
　このような構成により、加速度の微分によるノイズの増大を抑えつつ、フィルタや通信による遅延を含まない横方向加加速度を得ることができ、遅延による制御発生までの遅れの抑制効果を更に得ることができる。なお、横方向加加速度は積分することで横方向加速度を得られるので、加速度検出エレメント３２から信号との整合性を判断したり、加速度検出エレメント３２の信号を利用せずにG-Vectoring制御を実現したりすることも可能である。
　また、VDC制御を併用する場合、加速度および角速度はVDC制御においても必要なセンサ情報であるので、一つのセンサで両制御を実現することができ、G-Vectoring制御用とVDC制御用にそれぞれ専用のセンサを設ける必要がなく、より設置コストを低減しうる。
　図８は、本実施例における通信フレームの構造の一例を説明する図である。
　通信フレーム生成部４５は、加速度と、角速度と、車両制御量とを有する通信フレームを生成し、センサ信号として出力する構成（センサ信号出力部）を有している。これにより、例えば、第１の低域通過フィルタ３６でフィルタリング処理されてVDC制御向けの帯域（第１の帯域）に制限された車両進行方向加速度１及び車両横方向加速度２と、第３の低域通過フィルタ４２でフィルタリング処理されてVDC制御向けの帯域（第３の帯域）に制限されたロール方向角速度１及びピッチング方向角速度２と、車両制御量Ｇxcとが同一フレームで送信される。
　図８では、例としてフレームを2バイト毎に異なる情報に割り当てている。通信フレーム生成部４５は、少なくとも1軸以上の角速度と、1軸以上の加速度と、車両制御量を出力する。このとき、必ずしも同一フレームである必要はないが、遅延時間削減の観点からフレームの分割は適当でない。また、ブレーキ制御を行うという安全面に重要なシステムであるので、同一フレーム内に、ビット誤りを検出するためのCRC(Cyclic Redundancy Check)コードや、センサ自身の故障を検出し通知する自己診断結果ビットを含ませて、通信精度の向上を図る構成としてもよい。また、角速度検出エレメントを備えていても、実施例1に示した各種フィードバック補正、状態推定補正、リミッタ補正を利用可能である。
　図９は、図６に示す慣性センサを用いた車両制御システムの全体構成図である。
　車両制御システム６０は、慣性センサ３１、ＥＣＵ６２、ブレーキユニット６３を有している。慣性センサ３１は、通信線６１を介してＥＣＵ６２に接続されている。通信線６１は、慣性センサ３１とＥＣＵ６２との間の通信を実現する通信手段であり、例えばSPI通信と呼ばれるデジタル通信方式を用いる。
　ＥＣＵ６２は、慣性センサ３１から加速度、角速度、および車両制御量を受信し、それに応じてVDC制御およびG-Vectoring制御を車両に実際に与えるために、ブレーキユニット63のブレーキ作動量やスロットルバルブ（図示せず）のスロットル開度を制御する。なお、一般にVDC制御においては、ステアリングの舵角や車速情報を併用して制御を行うため、これらの情報がＥＣＵ６２に入力されるが、ここでは図示しない。
　以上のように、慣性センサ３１から出力された車両制御量は、前述の通り、遅延の発生要素を省いているため、制御による制動力ないしは加速力の発生までの遅延を抑制し、さらに、動的な条件変化にも対応した適切な制御量を遅延なく出力することができる。このため、ドライバーや同乗者に与える不自然な慣性力を抑え、条件によらずに良い乗り心地を維持する車両制御を実現する。さらに、VDC制御との共存においても特段のハードウェアの追加を必要としないため、VDC制御搭載車からのハードウェア的追加を必要としないという点で、コスト的にも有利である。
［実施例３］
　図１０は、実施例３における車両制御システムの全体構成図である。
　本実施例において特徴的なことは、G-Vectoring制御が実行中であることを運転者に報知する構成としたことである。車両制御システム７０は、慣性センサ３１と、車両制御ＥＣＵ７２と、ブレーキユニット７３と、通信バス７４と、エンタメ系ＥＣＵ７５と、モニタ７６を有している。
　慣性センサ３１は、通信線７１を介して車両制御ＥＣＵ７２に接続されている。通信線７１は、慣性センサ３１と車両制御ＥＣＵ７２との間の通信を実現する通信手段であり、例えばSPI通信を用いる。車両制御ＥＣＵ７２は、ブレーキユニット７３にブレーキ作動量や、スロットルバルブ(図示せず)のスロットル開度を制御する。通信バス７４は、CAN(Controller Area Network)バスのような、多数の端末が接続可能な通信バスである。
　車両制御ＥＣＵ７２は、通信バス７４を介して、エンタメ系ＥＣＵ７５に、加速度と車両制御量を通知する。モニタ７６は、例えば車室内で運転者が視認可能な位置に設定されており、車両に印加されている水平面上の加速度を表示する。モニタ７６には、例えば図３に示すような、横軸に車両の横方向加速度、縦軸に進行方向加速度を示すダイアグラムイメージが図示され、さらに、車両制御量も合わせて図示される。
　これにより、運転者は、G-Vectoring制御の効果を視覚的に確認でき、また、G-Vectoring制御の制御量が小さくなるように運転することで、 運転技術を向上し得る。このことは、万一G-Vectoring制御が故障した際も、運転時に意図していたよりも車両が曲がらない、というような違和感を大きく与えることなく、運転継続を実現するものである。
　なお、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
１、３１　慣性センサ
２、３２　加速度検出エレメント
６、３６　第１の低域通過フィルタ（第１のフィルタ）
７、３７　第２の低域通過フィルタ（第２のフィルタ）
８、４４　車両制御量計算部
９、４５　通信フレーム生成部（センサ信号出力部）
３８　角速度検出エレメント
４２　第３の低域通過フィルタ（第３のフィルタ）
４３　第４の低域通過フィルタ（第４のフィルタ）

Claims (13)

  1. 　車両の少なくとも1軸以上の加速度を検出する加速度検出エレメントと、 
    　前記 加速度の検出信号を 第１の帯域に制限する第１のフィルタと、
    　前記加速度の検出信号を第２の帯域に制限する第２のフィルタと、
    　前記第２の帯域に制限された前記加速度の検出信号に基づいて、前記車両の車両制御量を計算する車両制御量計算部と、
    　前記第１の帯域に制限された前記加速度の検出信号と、前記車両制御量とを 出力するセンサ信号出力部と、
    　を有することを特徴とする慣性センサ。
  2. 　前記加速度検出エレメントは、第１軸方向加速度と第２軸方向加速度を検出し、
    　前記第１のフィルタは、前記各加速度の検出信号を前記第１の帯域に制限し、
    　前記第２のフィルタは、前記第２軸方向加速度の検出信号を前記第２の帯域に制限し、
    　前記車両制御量計算部は、前記第２の帯域に制限された前記第２軸方向加速度の検出信号に基づいて、前記車両制御量を計算することを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
  3. 　前記第２の帯域は、前記第１の帯域よりも広いことを特徴とする請求項１又は２に記載の慣性センサ。
  4. 　前記加速度検出エレメントは、前記車両の横方向加速度を検出し、
    　前記車両制御量計算部は、前記車両の横方向加速度と、前記横方向加速度の微分値である横方向加加速度を用いて前記車両制御量を計算することを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
  5. 　前記加速度検出エレメントは、前記車両の進行方向加速度を検出し、
    　前記車両制御量計算部は、前記車両制御量として計算した前記車両の進行方向加速度との差に基づいて、前記車両制御量のゲインないしバイアスを動的に変更することを特徴とする請求項４に記載の慣性センサ。
  6. 　前記車両制御量計算部は、前記加速度検出エレメントに印加されている信号成分に応じて前記車両制御量のゲインないしバイアスを動的に変更することを特徴とする請求項４に記載の慣性センサ。
  7. 　少なくとも1以上の角速度を検出する角速度検出エレメントと、
    　前記角速度の検出信号を第３の帯域に制限する第３のフィルタと、
    　前記角速度の検出信号を第４の帯域に制限する第４のフィルタと、を有し、
    　前記車両制御量計算部は、前記第２の帯域に制限された前記加速度の検出信号と、前記第４の帯域に制限された前記角速度の検出信号に基づいて、前記車両制御量を計算し、
    　前記センサ信号出力部は、前記第１の帯域に制限された前記加速度の検出信号と、前記第３の帯域に制限された前記角速度の検出信号と、前記車両制御量とを出力することを特徴とする請求項１の記載の慣性センサ。
  8. 　前記第４の帯域は、前記第３の帯域よりも広いことを特徴とする請求項６に記載の慣性センサ。
  9. 　前記加速度検出エレメントは、前記車両の横方向加速度を検出し、
    　前記角速度検出エレメントは、前記車両のロール方向角速度を検出し、
    　前記車両制御量計算部は、前記車両の横方向加速度と、前記車両のロール方向角速度を用いて前記車両制御量を計算することを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
  10. 　前記車両制御量計算部は、前記加速度検出エレメントで検出した前記車両の進行方向加速度と、前記車両制御量として計算した前記車両の進行方向加速度に基づいて、前記車両制御量のゲインないしバイアスを動的に変更することを特徴とする請求項９に記載の慣性センサ。
  11. 　前記車両制御量計算部は、前記角速度検出エレメントに印加されている信号成分に応じて前記車両制御量のゲインないしバイアスを動的に変更することを特徴とする請求項９に記載の慣性センサ。
  12. 　前記センサ信号出力部は、前記第１の帯域に制限された前記加速度の検出信号と、前記第３の帯域に制限された前記角速度の検出信号と、前記車両制御量計算部によって計算された車両制御量とを同一の通信フレームで出力することを特徴とする請求項７に記載の慣性センサ。
  13. 　前記車両の前後方向加速度と横方向加速度をそれぞれ平面上の２軸としたダイアグラムを表示する表示部を有し、
    　請求項１に記載の前記慣性センサから出力される前後方向加速度と横方向加速度を前記表示部に表示することを特徴とするセンサシステム。
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