(57)【要約】【課題】積荷の状態に応じた車両の重心位置及び慣性モーメントを推定する重心位置及び慣性モーメント推定装置を提供すること。【解決手段】重心位置及び慣性モーメント推定装置は、車両１の駆動輪９Ｌ、９Ｒを懸架するサスペンション３０Ｌ、３０Ｒと、その垂直変位ｌ、ｒを車高情報として計測する車高センサ３２Ｌ、３２Ｒと、車高情報を取得し、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒを制御すると共に、車両１に積荷を積載したことに伴う車高情報に基づいて、車体の垂直変位ｙ及びロール方向の傾斜角θを算出し、車体の重心位置Ｘｍ及び積荷の重量Ｍを算出する車両ＥＣＵ２０と、を備え、車両ＥＣＵ２０は、車体をロール方向へ傾動させ、車高情報を時系列データとして取得し、車体の運動方程式と時系列データとを最適化アルゴリズムに適用して車体の重心位置Ｙｍ及び慣性モーメントＪを算出する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の一対の駆動輪を懸架する一対のサスペンションと、
前記一対のサスペンションの各垂直変位を車高情報として計測する一対の車高センサと、
前記一対の車高センサから前記車高情報を取得し、前記一対のサスペンションを制御すると共に、前記車両に積荷を積載したことに伴う前記車高情報に基づいて、前記車体の垂直変位及びロール方向の傾斜角を算出し、前記車体の水平方向の重心位置及び前記積荷の重量を算出する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記車体をロール方向へ傾動させ、前記車体の傾動過程における前記車高情報を時系列データとして取得し、前記車体についての運動方程式と前記時系列データとを最適化アルゴリズムに適用して前記車体の垂直方向の重心位置及び慣性モーメントを算出する、重心位置及び慣性モーメント推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の重心位置及び慣性モーメントを推定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の走行時において、過剰な速度でカーブに進入すると横転（ロールオーバ）する可能性があるため、カーブにおいては速度を限界速度以下に落とす必要がある。このような限界速度は、一般的に車両の重心位置等によって算出できることが知られている。しかし、積荷が積載されたトラックの場合には、車両の重心位置は、積荷の重量や配置等の状態に応じて変化する。そのため、トラック等の車両は、積荷の積載状態に応じて重心位置を算出する必要がある。
【０００３】
積荷が積載されたトラックの重心位置を測定する方法として、例えば特許文献１には、エアサスペンションにより車体の傾斜を調整し、各駆動輪にかかる重量から重心位置を推定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−９９６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、積荷が積載された上記のようなトラックが、例えばＳ字カーブのような連続するカーブを走行する場合には、先のカーブで車両に生じる回転慣性が後のカーブを走行する際に影響を与える。そのため、連続するカーブをトラックがより安全に走行するためには、トラックの限界速度は、車両の重心位置だけでなく、慣性モーメントも考慮して算出される必要がある。そして、そのためには、積荷の状態に応じて変化する車両の重心位置及び慣性モーメントを推定する必要がある。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、積荷の状態に応じた車両の重心位置及び慣性モーメントを推定する重心位置及び慣性モーメント推定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明に係る重心位置及び慣性モーメント推定装置は、車両の一対の駆動輪を懸架する一対のサスペンションと、前記一対のサスペンションの各垂直変位を車高情報として計測する一対の車高センサと、前記一対の車高センサから前記車高情報を取得し、前記一対のサスペンションを制御すると共に、前記車両に積荷を積載したことに伴う前記車高情報に基づいて、前記車体の垂直変位及びロール方向の傾斜角を算出し、前記車体の水平方向の重心位置及び前記積荷の重量を算出する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記車体をロール方向へ傾動させ、前記車体の傾動過程における前記車高情報を時系列データとして取得し、前記車体についての運動方程式と前記時系列データとを最適化アルゴリズムに適用して前記車体の垂直方向の重心位置及び慣性モーメントを算出する。
【０００８】
上記の構成によれば、制御装置は、車両に積荷を積載したことに伴う車体の垂直変位及びロール方向の傾斜角と、車体の水平方向の重心位置及び前記積荷の重量とを、一対のサスペンションの各垂直変位から算出することができる。また、制御装置は、一対のサスペンションによって車体をロール方向へ傾動させる傾動過程において、一対のサスペンションの各垂直変位を時系列データとして取得し、車体についての運動方程式と共に最適化アルゴリズムに適用する。それによって、本発明に係る重心位置及び慣性モーメント推定装置は、車両の重心位置だけでなく、積荷の状態に応じた慣性モーメントを推定することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、積荷の状態に応じた車両の重心位置及び慣性モーメントを推定する重心位置及び慣性モーメント推定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る重心位置及び慣性モーメント推定装置を備えた車両の駆動系を示す概略構成図である。
【図２】車両の前後方向に垂直な断面をモデル化したモデル図である。
【図３】車両ＥＣＵが実行する制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る重心位置及び慣性モーメント推定装置を備えた車両１の駆動系を示す概略構成図である。
【００１３】
車両１は、本実施例ではディーゼルエンジントラックとして構成されているが、所謂ハイブリッド車両のトラックでも、電気車両のトラックであってもよい。車両１には走行用動力源としてディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２が搭載されている。エンジン２の出力軸にはクラッチ４が連結され、クラッチ４には自動変速機５の入力側が連結されている。自動変速機５の出力側にはプロペラシャフト６を介して差動装置７が連結され、差動装置７には駆動軸８を介して一対の駆動輪９Ｌ、９Ｒが連結されている。
【００１４】
自動変速機５は、一般的な手動変速機をベースとしてクラッチ４の断接操作及び変速段の切換操作を自動化したものであり、本実施形態では、前進１２速後退２速の変速段を有している。当然ながら、自動変速機５の構成は、これに限るものではなく任意に変更可能であり、例えば手動式変速機として具体化してもよいし、２系統の動力伝達系を備えた所謂デュアルクラッチ式自動変速機として具体化してもよい。
【００１５】
エンジン２が発生した駆動力は自動変速機５で変速された後に駆動輪９Ｌ、９Ｒに伝達されて車両１を走行させる。
【００１６】
車両ＥＣＵ（制御装置）２０は、車両１の全体を統合制御するための制御回路である。そのために車両ＥＣＵ２０には、アクセルペダル１２の操作量を検出するアクセルセンサ２１、ブレーキペダル１３の踏込操作を検出するブレーキスイッチ２２、車両１の速度（車速）を検出する車速センサ２３、エンジン２の回転速度を検出するエンジン回転速度センサ２４等の各種センサ・スイッチ類が接続されている。
【００１７】
また、車両ＥＣＵ２０には、図示はしないがクラッチ４を断接操作するアクチュエータ、及び自動変速機５を変速操作するアクチュエータ等が接続されると共に、エンジン制御用のエンジンＥＣＵ２６、エアサス制御用のエアサスＥＣＵ３１が接続されている。
【００１８】
一対のサスペンション３０Ｌ、３０Ｒは、それぞれ一対の駆動輪９Ｌ、９Ｒの周辺に設置されるエアサスペンションであり、駆動輪９Ｌ、９Ｒを懸架する。サスペンション３０Ｌ、３０Ｒは、車両１の車体を駆動輪９Ｌ、９Ｒに対して上昇させる場合には、圧縮空気が供給され、車両１の車体を駆動輪９Ｌ、９Ｒに対して下降させる場合には、圧縮空気が開放される。また、一対のサスペンション３０Ｌ、３０Ｒは、それぞれ独立して制御されることにより、車体をロール方向に傾動させることができる。
【００１９】
エアサスＥＣＵ３１は、車両ＥＣＵ２０の制御に基づいて、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒをそれぞれ制御するコントローラである。エアサスＥＣＵ３１は、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒを駆動させるために必要な図示しないエアコンプレッサやエアタンク等も制御する。
【００２０】
一対の車高センサ３２Ｌ、３２Ｒは、それぞれサスペンション３０Ｌ、３０Ｒの周辺に設置され、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒの垂直変位を計測する。車高センサ３２Ｌ、３２Ｒが計測した各垂直変位は、車高情報として、エアサスＥＣＵ３１を介して車両ＥＣＵ２０へ伝送される。
【００２１】
次に、車体１の力学モデルについて説明する。本実施例では、説明の簡素化のため、車体１のロール方向の２次元モデルを例示するが、適宜、３次元モデルに拡張することも可能である。
【００２２】
図２は、車両１の前後方向に垂直な断面をモデル化したモデル図である。より詳しくは、図２（ａ）は、積荷を積載していない状態における車両１の断面を模式的に示し、図２（ｂ）は、積荷を積載した状態における車両１の断面を模式的に示す。
【００２３】
図２（ａ）において、車両１のシャーシ４０は、上面側に荷台４１が固定され、下面側が一対のサスペンション３０Ｌ、３０Ｒをそれぞれ介して一対の駆動輪９Ｌ、９Ｒによって支持されている。車両１が積荷を積載していない通常の状態では、シャーシ４０は、地面に対して水平状態である。ここで、シャーシ４０の下面において、車幅方向中央の位置を車両１のロール中心ＣｏＲとする。また、一対の駆動輪９Ｌ、９Ｒの間隔をＬとする。
【００２４】
荷台４１に重量Ｍの積荷を積載した場合、シャーシ４０は、積荷の配置によっては、図２（ｂ）に示すように地面に対して傾斜（傾斜角θ０）する。また、シャーシ４０は、図２（ａ）に示す状態と比較して、積荷の重量Ｍにより垂直方向下方にｙ０だけ変位する。ここで、積荷の重心位置ＣｏＭは、ロール中心ＣｏＲを基準としてＸ座標をＸｍ、Ｙ座標をＹｍとする。また、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒとシャーシ４０とのそれぞれの接続点の垂直変位をロール中心ＣｏＲ’を基準としてそれぞれｌ、ｒとする。このとき、シャーシ４０の垂直変位を含めたサスペンション３０Ｌ、３０Ｒの垂直変位δｌ、δｒは、式（１）及び式（２）で表され、また、これらは車高センサ３２Ｌ、３２Ｒにより車高情報として計測される。
【数１】
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【数２】
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【００２５】
ここで、ロール中心ＣｏＲ’を中心とした垂直方向の対称性からｌとｒとは等しいため、シャーシ４０の垂直変位ｙ０は、式（１）及び式（２）を利用して式（３）により算出される。また、シャーシ４０の傾斜角θ０は、同じく式（１）及び式（２）を利用して式（４）により算出される。さらに、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒの剛性係数をＫとした場合、積荷の重量Ｍは、垂直方向に対する重力とサスペンション３０Ｌ、３０Ｒによる力との釣り合いから、重力加速度をｇとして式（５）で算出される。そして、重心位置ＣｏＭのＸ座標であるＸｍは、ロール中心ＣｏＲ’を軸としたロール方向に対するサスペンション３０Ｌ、３０Ｒによる力の釣り合いから式（６）で算出される。
【数３】
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【数４】
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【数５】
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【数６】
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【００２６】
また、車両１の当該力学モデルから、垂直方向及びロール方向のそれぞれに対する運動方程式を記述することができる。車両１の運動方程式は、種々の導出方法が考えられるが、例えば位置エネルギー及び運動エネルギーをそれぞれ定義してオイラーラグランジュ方程式を計算する一般的な方法により導出することが可能である。ここで、慣性モーメントをＪ、図示しないダンパーのダンピング係数をＣ、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒの剛性係数をそれぞれＫ１、Ｋ２とした場合、ロール方向及び垂直方向に対する運動方程式は、それぞれ例えば式（７）及び式（８）で表される。これらの運動方程式の取り扱いについては後述する。
【数７】
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【数８】
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【００２７】
続いて、車両ＥＣＵ２０が車両１の車体の重心位置及び慣性モーメントを推定する手順について、図３を参照しながら説明する。図３は、車両ＥＣＵ２０が実行する制御を示すフローチャートである。より具体的には、図３は、車両１に荷物が積載された状態でキーオンされることにより、車両ＥＣＵ２０が車体の重心位置及び慣性モーメントを推定するプログラムの実行手順を示すフローチャートである。
【００２８】
車両ＥＣＵ２０は、車両１のキーオンによって、以下のプログラムを開始する。当該プログラムが開始されると、まず車両ＥＣＵ２０は、車両１の運転を制限し（ステップＳ１）、重心位置及び慣性モーメントの推定が完了するまで車両１の発進を禁止する。これは、後述するように当該推定においてサスペンション３０Ｌ、３０Ｒを作動させるためであり、当該推定のためのサスペンション３０Ｌ、３０Ｒの制御が車両１の運転中において行われることを防止するためである。
【００２９】
次に、車両ＥＣＵ２０は、車高センサ３２Ｌ、３２Ｒから車高情報を取得する（ステップＳ２）。ここで、車高センサ３２Ｌ、３２Ｒは、荷物が積載されたことに伴うシャーシ４０の左右の垂直変位δｌ、δｒの値を車高情報として計測する。また、車両ＥＣＵ２０は、車高情報を取得した後、車高情報を上記の式（３）及び式（４）に代入することにより、シャーシ４０自体の垂直変位ｙ０及び傾斜角θ０を算出する。
【００３０】
続いて、車両ＥＣＵ２０は、算出したシャーシ４０の垂直変位ｙ０、及び車高センサ３２Ｌ、３２Ｒが計測した車高情報を上記の式（５）及び式（６）に代入することにより、積載した荷物の重量Ｍ、及び重心位置ＣｏＭのＸ座標であるＸｍをそれぞれ算出する（ステップＳ３）。
【００３１】
このように、車両ＥＣＵ２０は、ステップＳ３までの処理により、荷物が積載された車両１の静的な状態おける車高センサ３２Ｌ、３２Ｒの計測値に基づいて、荷物の重量Ｍ及び重心位置ＣｏＭのＸ座標Ｘｍを算出することができる。
【００３２】
ステップＳ３までの処理が終わると、車両ＥＣＵ２０は、エアサスＥＣＵ３１を介して、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒの機能をＯＮにする（ステップＳ４）。本実施例においては、荷台４１に荷物を積載したことによりシャーシ４０が傾斜角θだけ傾斜していることを想定しているため、車両ＥＣＵ２０は、この傾斜角θをゼロにするように、エアサスＥＣＵ３１を介して、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒを制御する。
【００３３】
車両ＥＣＵ２０は、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒの傾動過程（ステップＳ５）において、逐次、車高センサ３２Ｌ、３２Ｒから車高情報を取得する。そして、車両ＥＣＵ２０は、ステップＳ２における計算と同様に、逐次取得された車高情報を式（３）及び式（４）に代入することにより、垂直変位ｙ及び傾斜角θについての時系列データ（（ｙ１、θ１）、（ｙ２、θ２）、…、（ｙｎ、θｎ））を取得する（ステップＳ６）。
【００３４】
本実施例においては、上記のようにシャーシ４０の傾斜角θがゼロになるまで（θｎ＝０）、車体の傾動と車高情報の取得を継続する（ステップＳ６でＮｏ）。ここで、荷台４１に荷物を積載しているにも関わらずシャーシ４０の傾斜角θがゼロである場合（θ０＝０）には、傾斜角θをゼロから所定の傾斜角まで傾斜させるように、サスペンション３０Ｌ、３０Ｒを制御する。
【００３５】
車両ＥＣＵ２０は、垂直変位ｙ及び傾斜角θについての時系列データの取得が完了すると（ステップＳ６でＹｅｓ）、それらの時系列データを利用して、車体の重心位置ＣｏＭのＹ座標Ｙｍ、及び慣性モーメントＪを推定する（ステップＳ７）。
【００３６】
具体的には、車両ＥＣＵ２０は、例えば式（７）及び式（８）で表される運動方程式から、式（９）で表される最小二乗法等の最適化アルゴリズムに適用することにより、（Ｙｍ、Ｊ）の組を探索する。すなわち、上記の運動方程式
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し、ステップＳ６で取得された垂直変位ｙ及び傾斜角θについての時系列データとしての実験値（ｙ、θ）との誤差ｅが最小となるときの（Ｙｍ、Ｊ）の数値を推定結果として算出する。
【数９】
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【００３７】
ここで、荷台４１に荷物を積載していないときの車両１の慣性モーメントＪ０、及び荷台４１の高さＨを事前に測定をしておくことにより、（Ｙｍ、Ｊ）についての初期条件を例えば（Ｈ／２、Ｊ０）として、上記の最適化アルゴリズムの計算を開始することができる。
【００３８】
ステップＳ７において、車両１の重心位置ＣｏＭのＹ座標Ｙｍ、及び慣性モーメントＪが推定されると、次に、車両ＥＣＵ２０は、それらの推定結果が妥当か否かを判定する（ステップＳ８）。より具体的には、車両ＥＣＵ２０は、推定されたＹｍの値が０からＨまでの範囲内であること、及び、推定されたＪの値がＪ０よりも大きいことを確認する。
【００３９】
ここで、車両ＥＣＵ２０は、ステップＳ８で（Ｙｍ、Ｊ）の推定結果が妥当でないと判定した場合には（ステップＳ８でＮｏ）、再度ステップＳ７における推定を行う。
【００４０】
そして、車両ＥＣＵ２０は、ステップＳ８で（Ｙｍ、Ｊ）の推定結果が妥当であると判定した場合には（ステップＳ８でＹｅｓ）、運転制限を終了して、車両１の発進を許可する（ステップＳ９）。
【００４１】
以上のように、車両ＥＣＵ２０は、車両１のキーオンの後、車高センサ３２Ｌ、３２Ｒからの車高情報を取得しながら車体をロール方向に傾動させることにより、垂直変位ｙ及び傾斜角θについての時系列データを取得する。また、
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を車体の運動方程式に対する数値計算により算出する。そして、車両ＥＣＵ２０は、例えば最小二乗法等の最適化アルゴリズムを適用して、車体の傾動過程
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との誤差が最小となるように、車両１の重心位置ＣｏＭのＹ座標Ｙｍ、及び慣性モーメントＪを推定する。これにより本発明に係る重心位置及び慣性モーメント推定装置は、積荷の状態に応じた車体の重心位置Ｙｍ及び慣性モーメントＪを推定することができる。そして、当該推定手法は、車両１に積載する積荷の配置や重量の積載情報をその都度定義して入力する等の作業が不要であるため、上記の重心位置Ｙｍ及び慣性モーメントＪを簡単に求めることができる。
【００４２】
以上で本発明に係る車両１の車体の重心位置及び慣性モーメント推定装置の実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば上記の実施形態では、水平な地面に駐車した状態でキーオンする例を説明したが、傾斜した地面に駐車した場合であっても、車両１全体の傾斜角を計測するジャイロセンサを別途備えることにより、そのジャイロセンサの計測値を考慮して重心位置Ｙｍ及び慣性モーメントＪを推定してもよい。
【００４３】
また、上記の実施形態では、車体の静的な状態おける車高センサ３２Ｌ、３２Ｒの計測値に基づいて、重心位置ＣｏＭのＸ座標Ｘｍを算出する例を説明したが、計算の複雑さの増大を許容できるのであれば、重心位置ＣｏＭのＸ座標Ｘｍと共にＹ座標Ｙｍを算出してもよい。
【００４４】
さらに、上記の実施形態では、車両１の車高情報を車高センサ３２Ｌ、３２Ｒにより取得する例を説明したが、車高センサ３２Ｌ、３２Ｒに替えてサスペンション３０Ｌ、３０Ｒの空気圧センサによって代用してもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１  車両
２  エンジン
４  クラッチ
５  自動変速機
６  プロペラシャフト
７  差動装置
８  駆動軸
９Ｌ、９Ｒ  駆動輪
１２  アクセルペダル
１３  ブレーキペダル
２０  車両ＥＣＵ
２１  アクセルセンサ
２２  ブレーキスイッチ
２３  車速センサ
２４  エンジン回転速度センサ
２６  エンジンＥＣＵ
３０Ｌ、３０Ｒ  サスペンション
３１  エアサスＥＣＵ
３２Ｌ、３２Ｒ  車高センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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