(57)【要約】【課題】  車両の運動性能評価のためのＨＩＬＳ装置に於いて、誤差要因の多いタイヤ特性については、モデルを用い、モデル化が困難なシャーシ又はサスペンション特性については、実機を用いることによって、装置の演算精度及び評価精度の向上を図ること。【解決手段】  本発明のＨＩＬＳ装置は、車両が載置され車体と各輪とに独立に変位を与えることが可能な支持部と、車体及び各輪の変位及び／又は作用力を計測する計測器とを有する架台装置と、車体及び各輪の支持部の各々の変位を制御する制御器とを有し、制御器が車両の走行条件、タイヤ特性のモデル及び／又は車体及び各輪にて計測された変位及び／又は作用力に基づいて算出される車体及び各輪の変位を実現するよう支持部の各々の変位を制御することにより走行中の車両の運動状態をシミュレーションする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の運動状態をシミュレーションする装置であって、
前記車両が載置され車体と各輪とに独立に変位を与えることが可能な支持部と、前記車体及び前記各輪の変位及び／又は前記車体及び前記各輪に作用する力を計測する計測器とを有する架台装置と、
前記架台装置の前記車体及び前記各輪の支持部の各々の変位を制御する制御器と
を有し、
前記制御器が前記車両の走行条件、タイヤ特性のモデル及び／又は前記車体及び前記各輪にて計測された変位及び／又は前記車体及び前記各輪に作用する力に基づいて算出される前記車体及び前記各輪の変位を実現するよう前記支持部の各々の変位を制御することにより走行中の車両の運動状態をシミュレーションする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の車両の運動性能評価のためのシミュレーション装置に係り、より詳細には、車両の運動性能評価のために有利に用いられるＨＩＬＳ（Hardware-In-the-Loop  Simulation）装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両の運動性能や特性を評価するために、実際の車両の走行試験を行うのではなく、車両の各部の構成の特性（シャーシ特性、タイヤ特性など）を数学的にモデル化し、車両の運動・挙動をコンピュータによる演算によって再現するシミュレーション試験が実行されるようになってきている。シミュレーション試験では、当然に、種々の走行条件に於ける実車走行のための試験設備を要せず、従って、車両の運動性能の向上を図る場合や新たな車両の構成や制御技術の開発のための条件の絞り込みや試行錯誤などの試験に於いて、そのコストを大幅に削減できる点で有利である。かかる車両の運動性能評価のためのシミュレーション試験に於いては、具体的には、車両の各部の構成の全体をモデル化して実行される場合もあるが、試験の対象となる構成又はその他の構成については、実際の装置又は部品（実機）を用い、コンピュータから入力の与えられた実機の応答出力をシミュレーション演算に組み込む所謂「ＨＩＬＳ」装置も利用されている。そのようなＨＩＬＳ装置として、例えば、特許文献１では、車体及びタイヤの特性の数学モデルと、実機として、制動用油圧系部品及びＡＢＳ装置とを組み合わせてＡＢＳ制動シミュレーションを実行する装置が提案されている。また、特許文献２では、コンピュータからの入力が与えられた車両の安定性制御装置の実機の出力に対する車両運動を車両運動の数学モデルにより算出する装置に於いて、数学モデルの出力結果と実車走行試験の結果とを整合させるために、数学モデルのパラメータを実車走行試験の結果に基づいて補正する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−９４２４１
【特許文献２】特開２００１−３４９８０８
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】アンソニー・ベスト・ダイナミクス社（Anthony  Best  Dynamics,  England）のホームページ（http://www.abd.uk.com/en/kinematics_&_compliance/spmm4000）  ＳＰＭＭ４０００カタログ  ２０１１年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
既に触れた如く、車両運動性能の評価のための実走行試験の場合、コストがかかり、準備にも相当の労力と時間とを要することとなる。また、実走行試験では、路面の状態や温度、気温、気圧等の環境条件の変化を制御することは困難であること、そして、タイヤの摩耗の程度も変化することなどから、タイヤの特性、特に、タイヤと路面との相互作用に関連した特性に於いて、誤差要因が多く存在する。従って、定量的な評価を行うために、繰り返し試験を実行してデータの計測・解析を行うと、反って、評価結果にばらつきが大きくなり、良好な評価精度が得られない場合が起き得る。一方、シミュレーション試験又はＨＩＬＳ試験の場合、評価結果にばらつきは少ないところ、シャーシ特性、タイヤ特性などの車両の全ての構成を高精度にモデル化することは困難であり、モデルの精度に起因して評価精度を高くすること難しい場合がある。この点に関し、特に、シャーシ及びサスペンションのモデル化は一般に困難である。例えば、サスペンションの場合、入力パラメータが比較的多く（上下荷重、横荷重、前後荷重、ねじりトルク、ストローク、ステア、左右輪の干渉など）、部品まで分解してモデル化する場合にも、サスペンション・アセンブリとしてモデル化する場合にも、一般に、高精度のモデル化は難しいことが見出されている。
【０００６】
かくして、本発明の一つの課題は、車両運動性能の評価のためのＨＩＬＳ装置であって、モデル化の困難なサスペンション又はシャーシ入出力については、実機を用い、誤差要因の制御の困難なタイヤ特性については、数学的モデルを用いて、車両運動性能に関するデータの取得・解析を行い、評価精度の向上された装置を提供することである。
【０００７】
ところで、自動車等の車両の各部構造の特性や性能の評価試験に関する技術分野に於いて、実際の車両に搭載されたサスペンション特性又はシャーシ特性の計測可能な試験装置が既に実用されている（例えば、非特許文献１参照）。かかるシャーシ・サスペンション特性を計測するための試験装置に於いては、車両が架台上に載置され、車体と各輪とがそれぞれ、独立に運動可能なテーブル又はパッド上に固定される。そして、車体又は各輪を固定したテーブル又はパッドを任意の力にて変位させて、各輪又は車体の変位（応答）を計測し、シャーシ・サスペンションの各部の外力又は外的な変位に対する応答特性が計測されることとなる。もし、このようなシャーシ・サスペンション特性計測試験装置に於いて、テーブル又はパッドから与えられる各輪又は車体に与える変位を、シミュレーション演算を通じて得られる実走行と同様の変位にすれば、車両に於いて実走行に近い状態がシミュレーション（再現）できると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明に於いては、上記の如き車両の各輪と車体とを独立に運動させることのできる試験装置の構成を利用した車両運動性能の評価のためのＨＩＬＳ装置が提案される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、上記の課題は、車両の運動状態をシミュレーションする装置であって、車両が載置され車体と各輪とに独立に変位を与えることが可能な支持部と車体及び各輪の変位及び／又は車体及び各輪に作用する力を計測する計測器とを有する架台装置と、架台装置の車体及び各輪の支持部の各々の変位を制御する制御演算器とを有し、制御演算器が車両の走行条件、タイヤ特性のモデル及び／又は車体及び各輪にて計測された変位及び／又は車体及び各輪に作用する力に基づいて算出される車体及び各輪の変位を実現するよう支持部の各々の変位を制御することにより走行中の車両の運動状態をシミュレーションする装置によって達成される。
【００１０】
上記の本発明の構成に於いては、要すれば、ＨＩＬＳ装置に於いて、実機として車両を用い、タイヤ特性、特に、タイヤと路面との相互作用に関する特性については、数学的なモデルを用いて、走行中の車両の運動状態がシミュレーションされることとなる。即ち、上記の装置では、端的に述べれば、車両を架台に載置した状態に於いて、車両に操舵角や制動力（又は制駆動力）が付与（入力）され、これらの付与入力に対する車体及び各輪の応答変位と、任意に設定されてよい走行条件、例えば、車速、加減速力（慣性力）、重心高、路面摩擦状態、タイヤ特性等とを用いて、車両の運動方程式やタイヤ力の関数式等を用いた演算により、車体及び各輪の変位が算出される。そして、算出された変位が車体及び各輪に於いて実現するよう更に車体及び各輪が変位させられ、更に、その変位に対する実機の応答を用いて、車両の運動方程式やタイヤ力の関数式等を用いた演算を行い、走行中の車両の運動状態のシミュレーション演算が実行されることとなる。即ち、実機としての車両の応答と演算とを組み合わせることにより、走行中の車両の運動のシミュレーションが達成されることとなる。かかる構成によれば、モデル化の難しい車両のシャーシ・サスペンション部分については、実機が用いられる一方、実走行試験では、誤差要因の多いタイヤ特性の部分については、数学的モデルが利用されることとなるので、従前の車両の運動のシミュレーションに比して、より精度よい車両運動の再現の達成が期待される。
【００１１】
なお、上記の構成に於いて、架台装置は、車体及び各輪の相対的な位置が変位可能な装置であれば、任意のものであってよい。典型的には、車体及び各輪の変位の向きに関して、車体及び各輪の各部に於いて、前後・左右・上下方向、或いは、ピッチ・ロール・ヨー方向が任意に実現できるようになっていることが好ましい。更に、各輪の支持部に於いては、各輪タイヤのキャンバ角、トー角、舵角が制御及び計測できるようになっていることが好ましい。また、検査される車両は、典型的には、実際に使用される車両であってよいが、車体は、支持部に固定され能動的に変位させられ、実機としての入出力応答特性を利用する部分は、シャーシであるので、車体は、実際に使用される車両の物でなくてもよい（車重や重心高は、演算に於いて任意に設定されるパラメータである。）。車体及び各輪に対する変位制御と車両の運動方程式やタイヤ力の関数式等を用いた演算により車体及び各輪の変位を算出する制御演算器は、任意のコンピュータであってよい。
【発明の効果】
【００１２】
かくして、上記の本発明によれば、車両運動のシミュレーションに於いて、モデル化の困難なシャーシ・サスペンション特性については実機の特性を利用し、実走行試験に於いて走行環境に起因する誤差要因の多いタイヤ特性については数学的モデルを利用するので、従前に比してモデル化誤差、環境起因誤差の影響を低減したシミュレーション結果が得られることが期待される。そして、かかるシミュレーション結果を参照することにより、車両の走行中の種々の特性（旋回特性、ロール・ピッチ・ヨー方向の変位又は振動特性など）や、車両の走行中の各部（特に、シャーシ・サスペンション部分）の動的特性についての、より精度の高い見積又は評価の達成が可能となる。これらの評価結果は、車両運動の研究・車両構造の改良・開発に利用されてよい。
【００１３】
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明によるＨＩＬＳ装置の実施形態の模式図である。
【図２】図２は、本発明によるＨＩＬＳ装置の実施形態に於ける信号の流れを表したブロック図である。
【符号の説明】
【００１５】
１…車両
２ｆ、ｒ…車輪
３…車体
５…ハンドル
５…レール
１０…架台装置（サスペンション特性計測装置）
１２ｆＬ、ｆＲ、ｒＬ、ｒＲ…車輪用支持台
１２ａ…パッド
１４…車体用支持台
１４ａ…センタ・テーブル
２０…コンピュータ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。
【００１７】
図１を参照して、本発明によるＨＩＬＳ装置の一つの実施形態に於いては、架台装置（サスペンション特性計測装置）１０上に、自動車等の車両１が載置される。架台装置１０（例えば、アンソニー・ベスト・ダイナミクス社（Anthony  Best  Dynamics  Ltd.,  England）のＳＰＭＭ（サスペンション特殊計測装置））には、典型的には、車両１の前後左右輪２ｆ、２ｒの各々に対応して、これらを支持する支持台１２ｆＬ、ｆＲ、ｒＬ、ｒＲと、車両１の車体３に固定されこれを支持する支持台１４とが設けられ、より詳細には、支持台１２ｆＬ〜ｒＲの上部の車輪２ｆ、２ｒ（タイヤ）との接触面のそれぞれには、パッド１２ａが設けられ、支持台１４に於いては、その上部に於いてセンタ・テーブル１４ａが車体３に対して固定される。支持台１２ｆＬ〜ｒＲの各パッド１２ａと支持台１４のセンタ・テーブル１４ａは、コンピュータ２０の制御の下、それぞれ、独立に、任意の力及び距離にて変位可能に構成され、典型的には、各パッド１２ａは、車両の前後・左右・上下方向及びピッチ・ロール・ヨー方向に変位可能となっていてよく、センタ・テーブル１４ａは、車両の前後・左右・上下方向及びピッチ・ロール方向に変位可能となっていてよい。また、架台装置１０には、任意の形式のアクチュエータによって、任意の操舵トルクにて車両のステアリングホイール（ハンドル）５を駆動して車輪の舵角を制御する機構が設けられていてよい。更に、架台装置１０に於いては、各パッド１２ａ及びセンタ・テーブル１４ａに作用する力と変位量とを計測する計測器（図示せず）と、各輪のキャンバ角、トー角、舵角を計測する計測器（図示せず）と、車軸に作用する力又はトルクを計測する計測器（図示せず）、サスペンションのストローク・作用力を計測する計測器（図示せず）等が設けられ、それらの値がコンピュータ２０へ送信され、コンピュータ２０に於ける演算処理に利用できるようになっていてよい。
【００１８】
コンピュータ２０は、車両のＨＩＬＳ装置に於いて使用可能な任意の形式のコンピュータであってよい。コンピュータ２０は、コンピュータ内のメモリ等の記憶装置に予め記憶されたプログラムに従ったＣＰＵ及びその他の要素の処理作動により、架台装置１０の各部への制御指令の送信と架台装置１０に備えられた計測器群からの計測データの取得とを適宜調整されたインタフェースを介して実行するとともに、適宜設定される車両の仮想的な走行条件の下、計測器群からの計測データを用いて、車両の各部の運動状態を演算によりシミュレーションするよう構成される。
【００１９】
上記の車両のＨＩＬＳ装置に於いて実機として使用される車両は、任意の車両であってよい。特に、上記の実施形態の構成に於いては、車体は、センタ・テーブル１４ａと一体的に変位させられるので、実際に使用される車両の車体でなくてもよい。また、車両の各輪は、実質的に回転しないように、例えば、車両の制動装置を作動させた状態で保持される一方、パッド１２ａとの接触面に於いては、タイヤに於いて車両の走行中に発生し得る（仮想的な摩擦状態の設定の下での演算により得られた）前後力、横力又はコーナリングフォース或いはスリップ率又はスリップ角の発生が実現できるように摺動可能であってよい。本実施形態の構成に於いて重要なことは、車両運動の数学的な演算によるシミュレーションに於いて使用される車体とタイヤとの間のシャーシ・サスペンション部分の入出力値として、実機の入出力値が利用されるということである。
【００２０】
上記の車両のＨＩＬＳ装置の作動に於いては、図２のＨＩＬＳ装置に於ける信号の流れを参照して、架台装置１０上に車両１を載置した後、コンピュータ２０より、車両に操舵角若しくは操舵トルク及び／又は制（駆）動力を付与する制御指令が架台装置１０へ送信される。操舵角若しくは操舵トルクは、車両のハンドル５を、任意に設定された角速度、トルク、変位量にて回転することにより与えられてよい。また、制（駆）動力の付与は、各輪２ｆ、２ｒの直下のパッド１２ａを前後方向に変位させ、タイヤに有意なスリップ率を発生させることにより達成される。なお、車輪に於いて発生させる力（路面反力）の制御は、パッド１２ａに装備されたロードセルに於ける作用力（パッド力）及び変位量を参照してフィードバック制御により行われてよい。かくして、車両に操舵角・トルク及び／又は制（駆）動力が付与されると、架台装置１０上の車両１のシャーシ・サスペンション特性に応じて、車輪に於いて種々の変位及び力・トルク、例えば、舵角、トー角、キャンバ角、車軸に各方向に作用する力・トルク、が発生するので、それらの変位及び力・トルクが計測され、計測値がコンピュータ２０へ送られる。
【００２１】
一方、コンピュータ２０に於いては、車両に与えられた操舵角・角速度・トルク及び／又は制（駆）動力と、それらに対する応答である実機にて計測された計測データと、任意に設定される仮想的な車両条件及び走行条件、例えば、車両の質量、慣性特性、重心高、車速、車輪速、路面摩擦状態、タイヤ特性（路面反力−スリップ率・スリップ角特性など）の情報とを用いて、車両運動とタイヤ力のシミュレーション演算が実行される。かかるシミュレーション演算に於いては、車両運動及びタイヤ特性を数学的にモデル化して得られた（前後・横・上下・ヨー・ロール・ピッチ方向の）車両運動の運動方程式及び／又はタイヤ力の運動方程式を前記の一連の値を用いて解くことによって、車体及び各輪の前後・横・上下・ヨー・ロール・ピッチ方向のそれぞれの加速度（又は力若しくはモーメント）、速度又は角速度、変位量が算出される。ここで、使用される運動方程式は、車両運動の分野で通常使用されているものであってよい。
【００２２】
かくして、シミュレーション演算の結果が得られると、車体の変位・変位速度・作用力、各輪タイヤの作用力・変位・向き等が決定され、これらを、架台装置１０上の車両１に於いて実現するべく、センタ・テーブル１４ａとパッド１２ａを変位させる制御指令がコンピュータ２０から架台装置１０へ送信される。そうすると、かかる制御指令に応答してセンタ・テーブルの変位制御及びパッドの水平方向変位制御が実行され、これにより、架台装置１０上の車両１の各部の状態が、シャーシ・サスペンション特性に応じて変化することとなる。そこで、それらの状態の変化（車輪に於いて種々の変位及び力・トルク、例えば、舵角、トー角、キャンバ角、車軸に各方向に作用する力・トルク等）が、コンピュータ２０へ伝えられ、コンピュータ２０に於いては、新たに得られた計測値と、仮想的な走行条件及び／又は前回のシミュレーション演算結果とを用いて車両運動とタイヤ力のシミュレーション演算が繰り返し実行される。そして、かかる架台装置１０への制御指令の送信、架台装置１０からの計測値の取得及びシミュレーション演算を反復して実行することにより、走行中の車両運動のシミュレーションが達成されることとなる。
【００２３】
上記の車両運動のシミュレーションによれば、実走行試験の場合と同様に、種々の車両の運動特性、車両の各部の動的な特性（例えば、車体スリップ角、スタビリティファクタ、ロール剛性、ピッチ剛性など）が算出されることとなるので、それらの算出結果を適時参照して、車両及びその各部の特性・性能の評価が可能となる。
【００２４】
上記の実施形態に於いて、理解されるべきことは、本発明の車両運動のシミュレーションでは、シャーシ・サスペンション特性については実機の特性を利用し、タイヤ特性については数学的モデルを利用しているので、実走行試験に於いて走行環境に起因する誤差要因が排除され、また、シミュレーション演算に於けるモデル化誤差を大幅に低減した状態にて車両運動のシミュレーションが達成されるということである。また、実走行試験の場合のように、実走行のための設備を必要とせずに、走行中の車両の動的特性・性能の試験及び評価ができる点で有利である。
【００２５】
以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。
【図１】
2015040762.tif 000003
【図２】
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