(57)【要約】【課題】姿勢角が大きくなる急坂路であっても、精度よく姿勢角を推定することができるようにする。【解決手段】状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６は、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差を演算する。フィードバックゲイン設定手段３０は、ロール角の推定値の絶対値及びピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定する。姿勢角推定手段２８は、演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、ロール角及びピッチ角を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後速度推定手段と、
車両横方向の車体速度である横車体速度を推定する横速度推定手段と、
ピッチ角速度を推定するピッチ角速度推定手段と、
車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値に応じたセンサ信号、前記前後車体速度の推定値、並びに前記ピッチ角速度の推定値に基づいて、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、
を含む車両姿勢角推定装置であって、
前記姿勢角推定手段は、前記センサ信号、前記前後車体速度の推定値、及び前記横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量と、前記ロール角の推定値及び前記ピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量とに基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算すると共に、前記ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる鉛直加速度状態量に基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、鉛直加速度状態量の偏差を演算する状態量偏差演算手段を備え、前記演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、前記ロール角及びピッチ角を推定し、
前記ロール角の推定値の絶対値及び前記ピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定することを特徴とする車両姿勢角推定装置。
【請求項２】
前記ピッチ角速度推定手段が、前記前後車体速度の推定値、前記横車体速度の推定値、前記上下加速度の検出値、前記ロール角速度の検出値、前記姿勢角推定手段で推定された前記ロール角の前回推定値、及び前記姿勢角推定手段で推定された前記ピッチ角の前回推定値に基づいて、前記ピッチ角速度を推定する請求項１記載の車両姿勢角推定装置。
【請求項３】
車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ヨー角速度、及びロール角速度の各々を検出して検出値に応じたセンサ信号を出力するセンサを更に含む請求項１又は２記載の車両姿勢角推定装置。
【請求項４】
コンピュータを、
各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後速度推定手段、
車両横方向の車体速度である横車体速度を推定する横速度推定手段、
ピッチ角速度を推定するピッチ角速度推定手段、及び
車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値に応じたセンサ信号、前記前後車体速度の推定値、並びに前記ピッチ角速度の推定値に基づいて、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段
として機能させるためのプログラムであって、
前記姿勢角推定手段は、前記センサ信号、前記前後車体速度の推定値、及び前記横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量と、前記ロール角の推定値及び前記ピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量とに基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算すると共に、前記ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる鉛直加速度状態量に基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、鉛直加速度状態量の偏差を演算する状態量偏差演算手段を備え、前記演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、前記ロール角及びピッチ角を推定し、
前記ロール角の推定値の絶対値及び前記ピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定するプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両姿勢角推定装置及びプログラムにかかり、特に、ピッチ角速度の推定値を利用してオブザーバによって車両物理量としての鉛直軸に対する車両の姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する車両姿勢角推定装置及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
剛体運動の加速度及び角速度とオイラー角で記述される車両の姿勢角との関係は、非特許文献１等で知られており、この関係に基づいて積分演算を行うことによって、車両の姿勢角を導出することができる。しかしながら、単純な積分演算ではセンサドリフト誤差が蓄積されて正確な姿勢角を導出することはできない。このような積分演算での誤差の蓄積を回避するためには、他のセンサ信号の出力と比較し、略一致するように出力を補正するオブザーバを構成する必要がある。
【０００３】
また、車体の鉛直軸に対するロール角を推定する従来技術として、スピン等の影響を受けない低周波数領域の車両運動の横方向の成分と車両の姿勢角の影響との関係からロール角を推定する技術が知られている（特許文献１）。
【非特許文献１】航空機力学入門（p12、加藤、大屋、柄沢：東京大学出版会、1982）
【特許文献１】特開２００８−９４３７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術では、姿勢角は小さいという仮定の下で、姿勢角＝０の原点周りで線形化したシステムの安全性を確保するようにオブザーバゲインが設定されており、姿勢角が大きくなる急坂路などにおいて、推定精度が劣化してしまう、という問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、姿勢角が大きくなる急坂路であっても、精度よく姿勢角を推定することができる車両姿勢角推定装置及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の車両姿勢角推定装置は、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後速度推定手段と、車両横方向の車体速度である横車体速度を推定する横速度推定手段と、ピッチ角速度を推定するピッチ角速度推定手段と、車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値に応じたセンサ信号、前記前後車体速度の推定値、並びに前記ピッチ角速度の推定値に基づいて、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段と、を含む車両姿勢角推定装置であって、前記姿勢角推定手段は、前記センサ信号、前記前後車体速度の推定値、及び前記横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量と、前記ロール角の推定値及び前記ピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量とに基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算すると共に、前記ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる鉛直加速度状態量に基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、鉛直加速度状態量の偏差を演算する状態量偏差演算手段を備え、前記演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、前記ロール角及びピッチ角を推定し、前記ロール角の推定値の絶対値及び前記ピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定するようにしたものである。
【０００７】
本発明のプログラムは、コンピュータを、各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度を推定する前後速度推定手段、車両横方向の車体速度である横車体速度を推定する横速度推定手段、ピッチ角速度を推定するピッチ角速度推定手段、及び車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ロール角速度、及びヨー角速度の各検出値に応じたセンサ信号、前記前後車体速度の推定値、並びに前記ピッチ角速度の推定値に基づいて、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定する姿勢角推定手段として機能させるためのプログラムであって、前記姿勢角推定手段は、前記センサ信号、前記前後車体速度の推定値、及び前記横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量と、前記ロール角の推定値及び前記ピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量とに基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算すると共に、前記ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる鉛直加速度状態量に基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、鉛直加速度状態量の偏差を演算する状態量偏差演算手段を備え、前記演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、前記ロール角及びピッチ角を推定し、前記ロール角の推定値の絶対値及び前記ピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定するようにしたものである。
【０００８】
本発明の車両姿勢角推定装置には、車両運動の前後加速度、横加速度、上下加速度、ヨー角速度、及びロール角速度の各々を検出して検出値に応じたセンサ信号を出力するセンサを設けることができる。
【０００９】
本発明では、センサ信号、前後車体速度の推定値、及び横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量と、ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量とに基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差を演算すると共に、ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる鉛直加速度状態量に基づいて、ローパスフィルタ処理が行われた、鉛直加速度状態量の偏差を演算する。そして、演算された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差をフィードバックして、ロール角及びピッチ角を推定する。
【００１０】
ここで、ロール角の推定値の絶対値及びピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定する。
【００１１】
本発明では、ロール角の推定値の絶対値及びピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定しているので、姿勢角が大きくなる急坂路であっても、精度よく姿勢角を推定することができる。
【００１２】
また、ピッチ角速度は、前後車体速度の推定値、横車体速度の推定値、上下加速度の検出値、ロール角速度の検出値、姿勢角推定手段で推定されたロール角の前回推定値、及び姿勢角推定手段で推定されたピッチ角の前回推定値に基づいて、推定することができる。これによって、車体の上下方向運動の釣り合いからピッチ角速度を推定し、ピッチ角速度の推定値を利用して車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角及びピッチ角を推定しているので、上下加速度が増加するバンク走行時においても精度良くロール角及びピッチ角を推定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明によれば、ロール角の推定値の絶対値及びピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定しているので、姿勢角が大きくなる急坂路であっても、精度よく姿勢角を推定することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態は、鉛直軸に対する車両の姿勢角であるピッチ角及びロール角を推定する車両姿勢角推定装置に本発明を適用したものである。
【００１５】
図１に示すように、第１の実施の形態の車両姿勢角推定装置には、車両横方向の車体速度である横車体速度Ｖを推定する横速度推定手段１０、及び各輪の車輪速度に基づいて車両前後方向の車体速度である前後車体速度Ｕを推定する前後速度推定手段１２が設けられている。
【００１６】
横車体速度Ｖは、カルマンフィルタ等を用いて推定したり、横加速度センサの検出値から推定したりすることができる。
【００１７】
各輪の車輪速度は、各輪に対応して設けられた車輪速センサにより検出することができ、前後車体速度Ｕは各輪の車輪速度、または各輪の車輪速度及び車輪速度の微分値から推定することができる。例えば、制動時には、４輪の車輪速度の最大値を前後車体速度Ｕとして出力し、駆動時には、従動輪の車輪速度の平均値を前後車体速度Ｕとして出力することができる。
【００１８】
また、本実施の形態の車両姿勢角推定装置には、車両運動のｘｙｚ３軸の加速度である上下加速度Ｇｚ、横加速度Ｇｙ、前後加速度Ｇｘの各々を検出する上下加速度センサ１４、横加速度センサ１６、及び前後加速度センサ１８が設けられている。図２に示すように、ｘ軸は車両前後方向、ｙ軸は車両幅方向（横方向）、ｚ軸は車両上下方向に対応している。
【００１９】
また、本実施の形態の車両姿勢角推定装置には、ロール角速度Ｐを検出するロール角速度センサ２０、及びヨー角速度Ｒを検出するヨー角速度センサ２２が設けられている。
【００２０】
横速度推定手段１０、前後速度推定手段１２、上下加速度センサ１４、及びロール角速度センサ２０は、ピッチ角速度Ｑを推定するピッチ角速度推定手段２４に接続されている。
【００２１】
横速度推定手段１０、前後速度推定手段１２、横加速度センサ１６、前後加速度センサ１８、及びヨー角速度センサ２２は、着目すべき運動のみを通過させるローパスフィルタ処理が施された、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差の各々のローパスフィルタ処理値を演算する状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６に接続されている。
【００２２】
状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６は、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角φ及びピッチ角θを推定する姿勢角推定手段２８に接続されている。姿勢角推定手段２８には、更に、上下加速度センサ１４、横加速度センサ１６、前後加速度センサ１８、ロール角速度センサ２０、ヨー角速度センサ２２、及びピッチ角速度推定手段２４が接続されている。
【００２３】
また、姿勢角推定手段２８には、更に、前後、横、鉛直加速度状態量の偏差のローパスフィルタ値のフィードバックゲインを設定するフィードバックゲイン設定手段３０が接続されている。
【００２４】
姿勢角推定手段２８は、ローパスフィルタ処理された前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差を、フィードバックゲインを用いてフィードバックすると共に、車両運動の前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、上下加速度Ｇｚ、ロール角速度Ｐ、及びヨー角速度Ｒの各検出値に応じたセンサ信号と、ピッチ角速度Ｑの推定値とに基づいて、車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角φ及びピッチ角θを推定する。また、姿勢角推定手段２８は、ロール角φ及びピッチ角θの推定値を前回値として、ピッチ角速度推定手段２４、及びフィードバックゲイン設定手段３０に入力するように、ピッチ角速度推定手段２４及びフィードバックゲイン設定手段３０に接続されている。また、姿勢角推定手段２８は、オブザーバから出力される、ローパスフィルタ処理された前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６に入力するように、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６に接続されている。
【００２５】
横速度推定手段１０、前後速度推定手段１２、ピッチ角速度推定手段２４、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６、姿勢角推定手段２８、フィードバックゲイン設定手段３０は、各手段の機能を実現する１つまたは複数のコンピュータ、または１つまたは複数の電子回路で構成することができる。
【００２６】
次に、ピッチ角速度の推定について説明する。剛体に固定された３軸加速度及び３軸角速度を検出する３軸センサから出力されるセンサ信号と運動状態量との関係を表す剛体の運動方程式は、以下のように記述することができる。
【００２７】
【数１】
2010143378.tif 000003
【００２８】
ただし、 Ｇｘ：前後加速度、Ｇｙ：横加速度、Ｇｚ：上下加速度、Ｐ：ロール角速度、Ｑ：ピッチ角速度、Ｒ：ヨー角速度、Ｕ：前後速度、Ｖ：横速度、Ｗ：上下速度、φ：ロール角、θ：ピッチ角、g：重力加速度である。
【００２９】
本実施の形態において車両を剛体とした場合、前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、上下加速度Ｇｚ、ロール角速度Ｐ、及びヨー角速度Ｒの各々は、前後加速度センサ１８、横加速度センサ１６、上下加速度センサ１４、ロール角速度センサ２０、及びヨー角速度センサ２２によって検出される。横速度Ｖは、上記で説明したように横速度推定手段１０で推定することができ、前後速度Ｕは、各輪の車輪速に基づいて上記で説明したように前後速度推定手段１２で推定することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、図２に示すように車体の上向きをｚ軸の正方向とする右手系で座標を記述すると共に角度はオイラー角で表現している。
【００３１】
バンク走行中は、遠心力によって上下加速度Ｇｚが増加する。上下加速度Ｇｚの増加は、上記（３）式において左辺の−ＱＵが大きくなることと対応しており、この性質を利用し、（３）式において上下速度Ｗの変化を無視（Ｗ＝０とする）すると共に、ロール角及びピッチ角の各々の前回値、及び横速度の推定値、前後速度Ｕとして前後車体速度の推定値Ｖｓ０を用いることによりことにより、ピッチ角速度の推定値を以下の式から求めることができる。ピッチ角速度推定手段２４は、下記（６）式の演算を実行することによりピッチ角速度の推定値を求める。
【００３２】
【数２】
2010143378.tif 000004
【００３３】
ピッチ角速度が上記のように推定されると、ピッチ角もロール角と同時に姿勢角オブザーバによって推定することができる。姿勢角オブザーバを用いた場合の自動車固有の運動の拘束条件について説明する。上記の運動方程式を利用して、姿勢角オブザーバを構成する場合、積分演算によって推定される速度及び角度の状態量が発散しないように、測定できる物理量のフィードバックが必要となる。本実施の形態では、自動車運動固有の特徴を以下のようにフィードバックする物理量に利用する。なお、以下の式では、ロール角及びピッチ角として各々の前回推定値、横速度として横車体速度の推定値、前後速度Ｕとして前後車体速度の推定値Ｖｓ０を各々用いている。
【００３４】
前後車体速度の推定値Ｖｓ０を微分して上記（１）式に代入し、自動車運動固有の特徴として、車体の前後方向に関しては「車輪のスリップは長時間増加し続けない」という性質を利用すると、上記（１）式から、上下速度の変化を無視したフィードバックに利用する以下の（７）式に示す条件が得られる。
【００３５】
【数３】
2010143378.tif 000005
【００３６】
上記（７）式は、車輪速度から推定される加速度（前後車体速度の推定値Ｖｓ０の微分値）と前後加速度Ｇｘとの差と、ピッチ角θとの関係を記述している。
【００３７】
また、車体の横方向に関しては、「スリップ角は長時間増加し続けない」という性質からロール角速度及び横加速度が無視できることから、上記（２）式から、フィードバックに利用する以下の（８）式に示す条件が得られる。
【００３８】
【数４】
2010143378.tif 000006
【００３９】
さらに、一般的な道路勾配を考慮すると、「鉛直方向の加速度は、重力加速度に略一致している」とみなすことができる。この条件は前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、上下加速度Ｇｚ、ピッチ角θ、及びロール角φを用いて、以下の（９）式に示す代数方程式によって記述することができる。
【００４０】
【数５】
2010143378.tif 000007
【００４１】
次に、基本的な非線形オブザーバの構成について説明する。ここでは、センサから出力されるセンサ信号、及びピッチ角速度の推定値を含む値ｕを下記（１０）式のように表現している。
【００４２】
【数６】
2010143378.tif 000008
【００４３】
また、対象となる車両運動を下記（１１）式のように表現し、オブザーバを構成するために測定できる物理量を（１２）式のように表現すると、非線形オブザーバは、以下の（１３）式及び（１４）式の非線形運動方程式によって記述することができる。
【００４４】
【数７】
2010143378.tif 000009
【００４５】
ただし、ｘのチルダ、ｙのチルダは、それぞれｘ、ｙの推定値を表わし、ｋ（ｘのチルダ、ｕ）は設計するオブザーバゲインを表わしている。
【００４６】
上記（７）式〜（９)式は、何れもある程度長い時間を考慮したときに満足する条件であることから、オブザーバの測定量のフィードバックには、上記（７）〜（９）式の両辺の各々をローパスフィルタでローパスフィルタ処理した値を利用する。
【００４７】
以下の（１５）〜（１７）式に示す微分方程式を解くことにより、上記（７）〜（９）式の右辺、すなわち、ロール角の推定値及びピッチ角の推定値を用いて得られる前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を、ローパスフィルタでローパスフィルタ処理した値を演算する。
【００４８】
【数８】
2010143378.tif 000010
【００４９】
ただし、τx、 τy、 τgは各々（７）〜（９）式で考慮するローパスフィルタの数秒から数十秒以上の時定数を表している。
【００５０】
上記（４）式、（５）式の角度に関する状態方程式には、速度の状態量が含まれていないことから、速度の推定と分離して、角度としてロール角φ及びピッチ角θを推定することができる。
【００５１】
このため、まず、上記のローパスフィルタによって得られる前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を含め、ロール角及びピッチ角を推定するためのオブザーバを構成する。本実施の形態では、オブザーバの状態量を下記（１８）式で表す。
【００５２】
【数９】
2010143378.tif 000011
【００５３】
また、フィードバックに用いるオブザーバ出力としての状態量は、下記（１９）式で表わされる。
【００５４】
【数１０】
2010143378.tif 000012
【００５５】
さらに、センサ信号等から演算される、車両出力としての前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量からなる状態量ｙは、以下の（２０）式で表わされる。
【００５６】
【数１１】
2010143378.tif 000013
【００５７】
ただし、
【００５８】
【数１２】
2010143378.tif 000014
【００５９】
なお、（２１）式右辺第２項の分子は、上記（７）式の左辺、すなわち、前後車体速度の推定値Ｖｓ０の微分値から、３軸センサで検出されたヨー角速度値Ｒと横車体速度の推定値との積と、３軸センサで検出された前後加速度値Ｇｘとの和を減算した前後加速度状態量である。また、（２２）式右辺第２項の分子は、上記（７）式の左辺、すなわち、３軸センサで検出されたヨー角速度値Ｒと前後車体速度の推定値Ｖｓ０との積から３軸センサで検出された横加速度値Ｇｙを減算した横加速度状態量である。
【００６０】
上記（２１）式、（２２）式に示す微分方程式を解くことにより、センサ信号、前後車体速度の推定値、及び横車体速度の推定値を用いて得られる前後加速度状態量及び横加速度状態量を、ローパスフィルタでローパスフィルタ処理した値が演算される。また、上記（２０）式におけるｇは、鉛直加速度状態量である。
【００６１】
上記（１５）式〜（１７）式から演算される前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量の各々のローパスフィルタ処理値と、上記（２０）式が表わす前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量の各々のローパスフィルタ処理値とに基づいて、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差の各々のローパスフィルタ処理値が求められる。
【００６２】
状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６は、上記（２０）式に示すローパスフィルタ処理が行われた前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を演算し、演算した前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量と、姿勢角オブザーバにおいて上記（１５）式〜（１７）式に従って演算された、ローパスフィルタ処理が行われた前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量とに基づいて、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差の各々のローパスフィルタ処理値を演算する。
【００６３】
また、本実施の形態では、適切なオブザーバゲインｋ（ｘのチルダ，ｕ）を設定することによって、ロール角及びピッチ角を推定する姿勢角オブザーバを構成している。
【００６４】
次に、本実施の形態におけるオブザーバゲインを設定する原理について説明する。
【００６５】
まず、オブザーバゲインの一例として、オブザーバの安定性を確保するため、線形化を行ったときの対角成分が負の係数を持つように、下記（２３）式のように表されるオブザーバゲインを設定する。
【００６６】
【数１３】
2010143378.tif 000015
【００６７】
ただし、Ｋφｙ、 Ｋφg、 Ｋθｘ、 Ｋθg、 Ｋx、 Ｋy、 Ｋgは適切な正の定数である。
【００６８】
この場合には、ロール角及びピッチ角を推定する非線形オブザーバは、以下の（２４）式に示す運動方程式で記述される。
【００６９】
【数１４】
2010143378.tif 000016
【００７０】
ただし、ｘのチルダは、以下の（２５）式で表される。
【００７１】
【数１５】
2010143378.tif 000017
【００７２】
ここで、上記（２４）式に示す非線形オブザーバを動作点周りで線形化し、線形化されたシステムの安定性を解析する。上記（２４）式を線形化した（ｄｘのチルダ／ｄｔ＝Ａｘ＋Ｂｕと表わした）ときのＡ行列は、以下の（２６）式で表される。
【００７３】
【数１６】
2010143378.tif 000018
【００７４】
上記（２６）式で、各変数の添え字の０は、動作点での値を表現している。
【００７５】
また、ロール角、ピッチ角、ピッチ角速度、ヨー角速度、前後加速度、横加速度に関して、車両運動の想定されうる領域を設定し、この領域内の任意の点での安定性を調査した結果について説明する。
【００７６】
図３に、この安定性の解析結果を示す。図３では、ピッチ角を横軸に、ロール角を縦軸に表示しており、その他のすべてのパラメータを想定範囲内で探索し、１点でも不安定な動作点が存在した場合に＋の記号を表示している。また、図３には、不安定極の最大実部の値を等高線で示している。上記（２３）式に示すオブザーバゲインを用いた場合には、姿勢角の増大に伴い、オブザーバの不安定化の可能性のある領域が生じていることがわかる。
【００７７】
鉛直加速度状態量の偏差のフィードバックゲインに相当する上記（２３）式の１行３列、２行３列における前後加速度及び横加速度は、それぞれのセンサ信号の符号に応じたゲイン設定を目的としているが、これに対し、本実施の形態では、不安定領域を安定化するため、以下の（２７）式に示すように、オブザーバゲインを設定する。
【００７８】
【数１７】
2010143378.tif 000019
【００７９】
ただし、鉛直加速度状態量の偏差のフィードバックゲインに相当する上記（２７）式の１行３列、２行３列におけるＫφｇ（Ｇｙ）、Ｋθｇ（Ｇｘ）について、以下の（２８）式、（２９）式に示すように、並進加速度（前後加速度、横加速度）に対する飽和特性を持たせて、オブザーバゲインが過大となることを防止する。
【００８０】
【数１８】
2010143378.tif 000020
【００８１】
なお、Ｋφｇ０、Ｋθｇ０は定数ゲインであり、Ｇｙｍ、Ｇｘｍは、ゲインの増大を抑制するための前後加速度の上限、横加速度の上限である。 
【００８２】
さらに、前後、横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインを、姿勢角に応じて変化させることによって、姿勢角の大きな領域のオブザーバ安定性が確保できることに着目し、図４に示すように、ピッチ角の推定値の絶対値、ロール角の推定値の絶対値が大きいほど、前後、横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインに相当する上記（２７）式の２行１列、１行２列におけるＫφｘ、Ｋθｙを増大させて、前後、横加速度状態量偏差信号のフィードバックゲインの絶対値を増加させる。これによって、上記図３の不安定領域でＫφｘ、Ｋθｙの制御ゲインを大きく設定して安定化を図ることができ、図５に示すように、広い範囲で、オブザーバの安定化が可能である。
【００８３】
フィードバックゲイン設定手段３０は、鉛直加速度状態量の偏差のフィードバックゲインにおけるＫφｇ（Ｇｙ）、Ｋθｇ（Ｇｘ）について、前後加速度に対する飽和特性及び横加速度に対する飽和特性を持たせるように設定すると共に、ピッチ角の推定値の絶対値、ロール角の推定値の絶対値が大きくなるほど、前後、横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きくようにＫφｘ、Ｋθｙを設定する。
【００８４】
次に、本実施の形態で用いるロール角φ及びピッチ角θを推定する非線形オブザーバについて説明する。ロール角及びピッチ角を推定する非線形オブザーバは、以下の（３０）式に示す運動方程式で記述される。
【００８５】
【数１９】
2010143378.tif 000021
【００８６】
姿勢角推定手段２８は、上記（３０）式を用いることにより、車体鉛直方向に対する姿勢角であるロール角の微分量ｄφのチルダとピッチ角の微分量ｄθのチルダとを算出し、算出したロール角の微分量ｄφのチルダ及びピッチ角の微分量ｄθのチルダの各々を積分することにより、ロール角φのチルダ及びピッチ角θのチルダを算出することができる。また、姿勢角推定手段２８は、上記（３０）式を用いることにより、ローパスフィルタ処理が行われた前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を算出する。
【００８７】
コンピュータを、横速度推定手段１０、前後速度推定手段１２、ピッチ角速度推定手段２４、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６、姿勢角推定手段２８、及びフィードバックゲイン設定手段３０の各手段として機能させるプログラムによる情報処理は、図６のフローチャートに示す姿勢角推定処理ルーチンで実現することができる。コンピュータは、相互にバスによって接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ、並びに必要に応じて接続されたＨＤＤで構成され、これらのプログラムは、コンピュータのＣＰＵに接続されているＲＯＭまたはＨＤＤ等の記録媒体に記録される。
【００８８】
この姿勢角推定処理ルーチンを説明すると、ステップ１００で、上記で説明したように横車体速度を推定し、ステップ１０２において各輪の車輪速度に基づいて前後車体速度を推定する。
【００８９】
ステップ１０４において、最初の演算か否かを判断し、最初の演算の場合には、ロール角及びピッチ角の前回値が存在しないので、ステップ１０６でロール角及びピッチ角の前回値として予め定められた初期値を設定し、ステップ１１０において、上記で説明したように上記（６）式を用いてピッチ角速度Ｑの推定値を演算する。
【００９０】
一方、２回目以降の演算の場合には、後述するステップ１１６でロール角及びピッチ角の推定値が演算されるので、ステップ１０８においてロール角及びピッチ角の値として前回演算された前回値を設定し、ステップ１１０において、上記で説明したように上記（６）式を用いてピッチ角速度Ｑの推定値を演算する。
【００９１】
ステップ１１２において、上記で説明したように、車両運動の前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙ、及びヨー角速度Ｒの検出値に応じたセンサ信号、前後車体速度Ｕの推定値Ｖｓ０に基づいて、上記（２１）、（２２）式に従って、前後加速度状態量及び横加速度状態量の各々のローパスフィルタ処理値を演算する。
【００９２】
次のステップ１１４では、上記で説明したように、前後加速度Ｇｘ及び横加速度Ｇｙに対して飽和特性を持たせると共に、ロール角及びピッチ角の前回推定値の絶対値に応じて、フィードバックゲインを設定する。
【００９３】
そして、ステップ１１６において、上記ステップ１１０で演算されたピッチ角速度Ｑの推定値、上記ステップ１１２で演算されたローパスフィルタ処理値、及び上記ステップ１１４で設定されたフィードバックゲインを用いて、上記（３０）式にしたがって車体の鉛直軸に対する姿勢角であるロール角φ及びピッチ角θを推定し、ロール角φ及びピッチ角θの推定値をコンピュータのメモリに記憶して、上記ステップ１００へ戻る。また、上記ステップ１１６では、上記（３０）に従って、前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量の各々のローパスフィルタ処理値を算出して、コンピュータのメモリに記憶する。
【００９４】
次に、本実施の形態のオブザーバゲインを姿勢角推定値に応じて変更する方法による推定結果について説明する。なお、オブザーバゲインを変更する方法の効果を確認するため、所定の勾配の坂路を走行したときの姿勢角推定を行った。本実施の形態で説明したようにオブザーバゲインを姿勢角推定値に応じて変更する場合と、上記（２７）式で示したオブザーバゲインを設定した場合との各々について、姿勢角の推定を行った。
【００９５】
図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、上記（２７）式で示したオブザーバゲインを設定した場合には、坂路走行時（５〜１０秒付近）でのピッチ角の推定値が、真値（坂路の設計勾配に近い値）から大きくずれてしまっている。これに対し、オブザーバゲインを姿勢角推定値に応じて変更する場合には、坂路走行時（５〜１０秒付近）でのピッチ角の推定が正確に行われていると共に、その後の平坦路走行時にも正確に推定できている。
【００９６】
以上説明したように、第１の実施の形態に係る車両姿勢角推定装置によれば、ロール角の推定値の絶対値及びピッチ角の推定値の絶対値が大きいほど、前後加速度状態量の偏差及び横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインの絶対値を大きく設定しているので、姿勢角が大きくなる急坂路であっても、精度よくロール角及びピッチ角を推定することができる。
【００９７】
また、車体の上下方向運動の釣り合いからピッチ角速度を推定し、ピッチ角速度の推定値を利用してロール角及びピッチ角を推定しているので、上下加速度が増加するバンク走行時においても精度良くロール角及びピッチ角を推定することができる。
【００９８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第２の実施の形態に係る車両姿勢角推定装置の構成は、第１の実施の形態と同様の構成であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００９９】
第２の実施の形態では、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差を演算した後に、ローパスフィルタ処理を行っている点が、第１の実施の形態と主に異なっている。
【０１００】
第２の実施の形態では、姿勢角推定手段２８において、フィードバックに用いる状態量として、上記（７）式〜（９）式の右辺で表わされる、前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を算出する。
【０１０１】
また、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６は、上記（７）式〜（９）式の左辺で表わされる、前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を算出すると共に、姿勢角推定手段２８によって算出された前後加速度状態量、横加速度状態量、及び鉛直加速度状態量を用いて、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差を演算する。また、状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段２６は、以下の（３１）式〜（３３）式に従って、前後加速度状態量の偏差、横加速度状態量の偏差、及び鉛直加速度状態量の偏差に対してローパスフィルタ処理を行い、前後加速度状態量の偏差のローパスフィルタ処理値ｇｘｄｆ−ｇｘｄｆのチルダ、横加速度状態量の偏差のローパスフィルタ処理値ｇｙｄｆ−ｇｙｄｆのチルダ、及び鉛直加速度状態量の偏差のローパスフィルタ処理値ｇｚｄｆ−ｇｚｄｆのチルダを演算する。
【０１０２】
【数２０】
2010143378.tif 000022
【０１０３】
第２の実施の形態に係る車両姿勢角推定装置の他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１０４】
なお、上記の実施の形態では、各推定値の前回値を用いて、ピッチ角速度やロール角及びピッチ角を推定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、各推定値の前々回値を用いて、ピッチ角速度やロール角及びピッチ角を推定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態の座標系を示す説明図である。
【図３】姿勢角オブザーバの安定性の解析結果を示す図である。
【図４】（Ａ）ピッチ角及びロール角と、前後加速度状態量の偏差のフィードバックゲインにおけるＫθｘとの関係を示すグラフ、及び（Ｂ）ピッチ角及びロール角と、横加速度状態量の偏差のフィードバックゲインにおけるＫθｘとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施の形態で用いる姿勢角オブザーバの安定性の解析結果を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の処理を示す流れ図である。
【図７】第１の実施の形態におけるロール角及びピッチ角の推定結果を示す線図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１０   横速度推定手段
１２   前後速度推定手段
１４   上下加速度センサ
１６   横加速度センサ
１８   前後加速度センサ
２０   ロール角速度センサ
２２   ヨー角速度センサ
２４   ピッチ角速度推定手段
２６   状態量偏差ローパスフィルタ値演算手段
２８   姿勢角推定手段
３０   フィードバックゲイン設定手段
【図１】
2010143378.tif 000023
【図３】
2010143378.tif 000024
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
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