(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両挙動制御における車体スリップアングルの演算方法であって、
車両のタイヤの運動特性の非線型性を評価する過程と、
車両の挙動特性の実測値から車体横加速度を検出する過程と、
検出された車体横加速度に基づき車体スリップアングルを算出する過程とを有し、
車体横加速度を検出する前記過程が、車両のタイヤの運動特性の評価結果が非線型性を示さない場合には、車両のタイヤの力学モデルに基づいて、ヨーレイトの実測値から車体横加速度を算出する過程からなり、車両のタイヤの運動特性の評価結果が非線型性を示す場合には、車体横加速度を実測する過程からなり、
前記非線型性評価過程に於いて、非線型性の評価基準が、
│（ＹF＋ＹR）／ｍ│＜│αRL・ＹG│
但し、ＹF、ＹR：前輪及び後輪のコーナリングフォース（左右和）
ｍ：車両質量
αRL：ロール等を考慮した補正係数
ＹG：車両横加速度の実測値
からなることを特徴とする車両挙動制御における車体スリップアングルの演算方法。
【請求項２】
車両挙動制御における車体スリップアングルの演算方法であって、
車両のタイヤの運動特性の非線型性を評価する過程と、
車両の挙動特性の実測値から車体横加速度を検出する過程と、
検出された車体横加速度に基づき車体スリップアングルを算出する過程とを有し、
車体横加速度を検出する前記過程が、車両のタイヤの運動特性の評価結果が非線型性を示さない場合には、車両のタイヤの力学モデルに基づいて、ヨーレイトの実測値から車体横加速度を算出する過程からなり、車両のタイヤの運動特性の評価結果が非線型性を示す場合には、車体横加速度を実測する過程からなり、
前記非線型性評価過程に於いて、非線型の評価基準が、
│（ＹF＋ＹR）／ｍ│＜│αRL・ＹG│、
│αF│＞αF0かつ│αR│＞αR0
但し、ＹF、ＹR：前輪及び後輪のコーナリングフォース（左右和）
ｍ：車両質量
αRL：ロール等を考慮した補正係数
ＹG：車両横加速度
αF、αR：前輪及び後輪のスリップアングル
αF0、αR0：定数
からなることを特徴とする車両挙動制御における車体スリップアングルの演算方法。
【請求項３】
前記非線型性の評価基準に於けるロール等を考慮した補正係数αRLを、定常旋回のときに
│αRL・ＹG│≧│γＶx│
但し、γ：ヨーレート
Ｖx：車両前後方向速度
となるように調整したことを特徴とする請求項１若しくは２に記載の車両挙動制御における車体スリップアングルの演算方法。
【請求項４】
車両挙動制御における車体スリップアングルの演算装置であって、
ヨーレイトセンサと、
車体の重心位置に設けられた横加速度センサと、
車両のタイヤの運動特性の非線型性を評価する手段と、
車両のタイヤの力学モデルに基づいて、前記ヨーレイトセンサの出力から車体横加速度を算出する車体横加速度算出手段と、
車両のタイヤの運動特性の評価結果が非線型性を示さない場合には、前記車体横加速度算出手段の出力を選択し、車両のタイヤの運動特性の評価結果が非線型性を示す場合には、前記横加速度センサの出力を選択する切替手段と、
前記切替手段の出力に基づき車体スリップアングルを算出する過程とを有することを特徴とする車両挙動制御における車体スリップアングルの演算装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両のより一層高い応答性及び安定性が得られるように運転者の運転操作を支援するための車両挙動制御における車体スリップアングルβの演算方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
制動力や駆動力を前後もしくは左右各輪で個々に制御することによって車両の旋回性を向上させる技術がこれまでに種々提案されてきているが、これら従来技術の多くは、ヨーレイトのごとき車体の運動状態量を検出し、これをフィードバックして所望の車両挙動が得られるように制御するものである。しかしながら、車両がタイヤを介して接地している以上は、車両の運動性はタイヤの力学特性に支配され、特にコーナリングフォースが飽和する領域では、車体の運動状態量のみに基づいて所期の旋回性を車両に与えるように制御することはきわめて困難である。
【０００３】
そこで本出願人は、タイヤの力学特性が線形領域を外れている走行条件下にあっても、車両の応答性、安定性を好ましい状態にすることのできる車両挙動制御方法およびその装置を、同一出願人による特願平１０‐２３５４１５号及び特願平１０‐２３５４１７号明細書で提案した。この技術は、制動（または駆動）を伴う操舵に対し、タイヤの力学特性が非線形領域であっても好ましい応答を示すヨーイングモーメントを、スライディングモード制御（コロナ社刊・スライディングモード制御参照）でタイヤの前後力を制御して発生させるものであり、以下にその制御の概要を述べる。
【０００４】
この制御の基礎となる車体重心回りのヨーイングモーメントを考慮した車両の平面運動の基本的な運動方程式は次式で与えられる。
ｍＶ（ｄβ／ｄｔ＋γ）＝ＹF＋ＹR        …（１）
Ｉ（ｄγ／ｄｔ）＝ＬFＹF−ＬRＹR＋Ｍｚ  …（２）
但し、ｍ：車両質量、Ｖ：車速、γ：ヨーレイト、ＹF：前輪のコーナリングフォース（左右和）、ＹR：後輪のコーナリングフォース（左右和）、Ｉ：慣性モーメント、ＬF：前車軸〜重心間距離、ＬR：後車軸〜重心間距離、Ｍｚ：駆動力又は制動力によって発生する重心回りのヨーイングモーメント、とする（図８参照）。
【０００５】
この場合の最終的に実現したい好ましい応答を定義するスライディング面Ｓは、次式で表される。
0004072254.tif 000002
（３）式は車体スリップアングルβを０に収束させるものであり、これを実現するスライディング条件は次式で表される。
ｄＳ／ｄｔ＝−ｋＳ  …（４）
ここで、ｃ、ａ、ｋは、適宜に定められた定数であり、これらの値によって制御の質が左右される。
【０００６】
（３）式と（４）式とより、
0004072254.tif 000003
となる。
【０００７】
ここで（１）（２）式を用いて（５）式を満足するヨーイングモーメントＭｚが現実性を考慮した合理的な形で得られれば、それを制御則とすることができるので、先ず（１）式より、
【０００８】
0004072254.tif 000004
を得る。
【０００９】
これを（５）式に代入すると、
0004072254.tif 000005
となる。
【００１０】
次に（２）式より、
ｄγ／ｄｔ＝（ＬFＹF−ＬRＹR＋Ｍｚ）／Ｉ  …（２−２）
を得る。
【００１１】
これを（６）式に代入すると、
0004072254.tif 000006
となる。
【００１２】
この（７）式より、基本的制御則として次式が求まる。
0004072254.tif 000007
【００１３】
上式より、前後輪のコーナリングフォースＹF、ＹR、ヨーレイトγ、車速Ｖ並びに車体スリップアングルβの各パラメータを求めれば、好ましい応答を実現するためのヨーイングモーメントＭｚが求まる。ここでトレッド寸法ＬTRは固定値なので、ヨーイングモーメントＭｚが求まれば、最終的に制御するべきタイヤの前後力Ｘ、即ち制動力（或いは駆動力）の左右比は次式から決定される。
Ｍｚ＝（ＸR−ＸL）ＬTR  …（９）
【００１４】
そして左右のタイヤの前後力ＸR、ＸLを公知手段（制動力制御：特開平７−６９１９０号公報参照、駆動力制御：特開平７−１７２７７号公報参照）で個々に制御することにより、タイヤの力学特性が線形領域を外れた走行条件下において車両の応答性、安定性を高めることが可能となる。
【００１５】
さて、上記アルゴリズムにおいては、少なくともタイヤと路面間の摩擦係数μ、および車体スリップアングルβの値が既知であることが前提にある。摩擦係数μを適当な推定値に固定しても、ある程度車両の応答性及び安定性を高めることができ、或いは車両の挙動から推定される路面摩擦係数μを用いて良好な結果を得ることができることについて、前記出願明細書中に示した。車体スリップアングルβの値についても、前記出願明細書中で、ヨーレイトγと車速Ｖと初期値又は前回計算値としての車体スリップアングルβと車輪舵角δとからタイヤスリップアングルαを演算し、少なくとも前記タイヤスリップアングルαからタイヤ力学モデルに基づいてコーナリングフォースＹを演算し、前記コーナリングフォースＹと車速Ｖとヨーレイトγとから仮想車体スリップアングルβを演算することが提案されている。
【００１６】
しかるに、発明者の行ったシミュレーション及び理論的解析によれば、車両のタイヤの運動特性が線型な領域に於いては、タイヤ力学モデルに基づいて車体スリップアングルを高精度に推定できるが、車両のタイヤの運動特性が非線型な領域では、車体スリップアングルの推定誤差が大きくなり、これが車両挙動制御に少なからず影響を及ぼすことを見出した。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
このような発明者の知見及び先行技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、車両のタイヤの運動特性が非線型な領域であっても、高精度に車体スリップアングルを推定し、常に車両挙動制御を安定に、かつ応答性良く行うことができるような、車体スリップアングルの演算方法およびその装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明は、車両挙動制御における車体スリップアングルの演算方法であって、車両のタイヤの運動特性の非線型性を評価する過程と、車両の挙動特性の実測値から車体横加速度を検出する過程と、検出された車体横加速度に基づき車体スリップアングルを算出する過程とを有し、車体横加速度を検出する前記過程が、車両のタイヤの運動特性の評価結果が非線型性を示さない場合には、車両のタイヤの力学モデルに基づいて、ヨーレイトの実測値から車体横加速度を算出する過程からなり、車両のタイヤの運動特性の評価結果が非線型性を示す場合には、車体横加速度を実測する過程からなることを特徴とする車両挙動制御における車体スリップアングルの演算方法を提供する。
【００１９】
これによると、車両挙動制御を応答性良く行うことができ、しかも限界的な走行状態に於いても、安定に制御を行うことができる。特に、実測車体横加速度に基づき車体スリップアングルを算出した場合には、車両の応答特性が安定化する傾向が見出された。したがって、当初、タイヤの運動特性が非線型な領域にあっても、車両挙動制御が有効に機能し、タイヤの運動特性が遅滞なく線型な領域に移り、車両のタイヤの力学モデルに基づく車体横加速度の算出過程に連続的に移行することができ、常に車両挙動を安定に、しかも応答性良く制御することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に図１及び図２に示すフロー図並びに図３に示すブロック図を参照して、本発明の本発明の好適実施態様に於ける制御アルゴリズムについて詳細に説明する。
【００２１】
まず、ステアリングホイールの操舵角θSWが前輪操舵装置１および後輪操舵装置２に伝達されて前輪舵角δFおよび後輪舵角δRに変換される。この時の各種車両状態量（ヨーレイトγ、車速Ｖ、車輪の舵角δ、横加速度ＹG）を検出する（ステップ１）。次に舵角情報および車速情報に基づいてタイヤスリップアングル演算器３・４に内蔵された次式により前後輪のタイヤスリップアングルαを求める（ステップ２）。
【００２２】
αF＝βe＋（ＬF／Ｖ）γ−δF（前輪）  …（１０−１）
αR＝βe−（ＬR／Ｖ）γ−δR（後輪）  …（１０−２）
【００２３】
但し、αF：前輪スリップアングル、αR：後輪スリップアングル、βe：仮想車体スリップアングル、δF：前輪舵角、δR：後輪舵角、とする。ここでタイヤスリップアングルαおよび仮想車体スリップアングルβeの初期値は、舵角δ＝０、ヨーレイトγ＝０の時に共に０にリセットされるものとする。
【００２４】
次にコーナリングフォース演算器５・６に内蔵されたタイヤ力学モデルの式（１１）にタイヤスリップアングルαを代入して前後輪のコーナリングフォースＹを求める（ステップ３）。
【００２５】
【数１】
0004072254.tif 000008
0004072254.tif 000009
【００２６】
但し、μ：タイヤと路面間の摩擦係数、Ｃ：コーナリングパワー、Ｗ：接地荷重、Ｘ：前後力、とする。またμは１近傍の適宜な固定値あるいは公知の手段で求めた推定値であり、ＣはμおよびＷの関数として予め設定されたマップから求めた値であり、Ｗは設計値を前後および左右加速度で補正した値あるいは懸架装置に設けたロードセルの出力から求めた値であり、Ｘは加速度（減速度）から推定するか、あるいは制動液圧またはエンジン出力から求めた値である。
【００２７】
次に、車体スリップアングルの演算を行う（ステップ４）。その際に、図２に示されるように、車両のタイヤの運動特性の非線型性を評価する。良く知られているように、タイヤスリップアングルが小さい間は、タイヤコーナリングフォースは、タイヤスリップアングルにほぼ比例するが、タイヤスリップアングルがある程度大きくなると、タイヤコーナリングフォースが飽和し、これらの関係が非線型となる。本実施例の場合、以下の基準に基づいて非線型性の評価を行うものとする。
【００２８】
│（ＹF＋ＹR）／ｍ│＜│αRL・ＹG│            …（１２）
│αF│＞αF0かつ│αR│＞αR0              …（１３）
但し、ＹF、ＹR：前輪及び後輪のコーナリングフォース（左右和）
ｍ：車両質量
αRL：ロール等を考慮した補正係数
ＹG：車両横加速度の実測値
αF、αR：前輪及び後輪のスリップアングル
αF0、αR0：定数
【００２９】
αRLは、例えば、次のように定めることができる。図４に示されるように、車両に横加速度が作用して、ロール角φが発生したとする。加速度実測値は、通常車体に固定された加速度計により得られるから、加速度計の測定値がＹGであれば、φが小さいことを条件として、真の横加速度ＹG’は次の式により与えられる。
【００３０】
0004072254.tif 000010
但し、ｇ：重力加速度
Ｋp：車両のロールコンプライアンス（φ／ＹG’）
したがって、
ＹG’＝〔１／（１＋ｇ・Ｋp）〕・ＹG、
αRL＝１／（１＋ｇ・Ｋp）          …（１３）
を得る。通常の車両の場合、αRLは概ね０．９程度の値が適当である。
αRLは、（１３）式で示されるように１よりも僅かに小さい値をとるが、車両の真の横加速度（αRL・ＹG）は、真のヨーレートγ／ｃｏｓφとの間に
│αRL・ＹG│＝│γＶx／ｃｏｓφ│
の関係が成立する。従って、αRLの設定方法として
│αRL・ＹG│≧│γＶx│
を選択することができる。
【００３１】
ここで、│αF│＞αF0であって（ステップ１１）、│αR│＞αR0であれば（ステップ１２）、ステップ１３で│（ＹF＋ＹR）／ｍ│＜│αRL・ＹG│か否かを判定し、判定結果がｙｅｓ、即ち車両のタイヤの運動特性が非線型の範囲であれば、実測ヨーレート及び実測横加速度に基づく以下の積分式に基づき、車体スリップアングル値βeを求める（ステップ１４）。
Ｖy＝∫｛ＹG−γＶx｝ｄｔ                  …（１４）
βe＝ｔａｎ-1（Ｖy／Ｖx）                  …（１５）
【００３２】
│αF│＞αF0（ステップ１１）、│αR│＞αR0（ステップ１２）、或いは│（ＹF＋ＹR）／ｍ│＜│αRL・ＹG│（ステップ１３）のいずれか１つの条件が満たされていない場合、即ち車両のタイヤの運動特性が線型の範囲であれば、上記のようにして求めた前輪コーナリングフォースＹFおよび後輪コーナリングフォースＹRに基づいて仮想車体スリップアングル演算器７で仮想車体スリップアングルβeを得る（ステップ１５）。なお、ここでは次式から仮想車体スリップアングルの微分値を求め、かつこれを積分して仮想車体スリップアングルβeを得る。
【００３３】
ｄＶy／ｄｔ＝（ＹF＋ＹR）／ｍ−γＶx            …（１６）
Ｖy＝∫｛〔（ＹF＋ＹR）／ｍ〕−γＶx｝ｄｔ        …（１７）
βe＝ｔａｎ-1（Ｖy／Ｖx）                        …（１８）
但し、Ｖx：車両の前後速度（≒車速Ｖ）
Ｖy：車両の横すべり速度
【００３４】
この仮想車体スリップアングルβeをタイヤスリップアングル演算器３・４に帰還することにより、結果として実用上十分な擬似的車体スリップアングル値が得られるので、これを上記（８）式で定義されるスライディングモード演算器８に入力することにより、車体スリップアングルを０に収束させる制御の基礎となるヨーイングモーメントＭｚが得られる（ステップ５）。この値から従来の技術の項で述べたのと同様に左右のタイヤの前後力ＸR・ＸLを決定し（ステップ６）、車両９を制御する。
【００３５】
以下に、本実施態様により実現される車両挙動のいくつかの例を、シミュレーションによって検証する。
【００３６】
＜実施例１＞
車速４０ｋｍ／ｈｒで、比較的大きな横加速度ＹG（約１０ｍ／ｓ2）を伴う旋回運動を行った場合を図５に示す。車体スリップアングルの実測値と推定値が良く一致し、車両挙動についても操舵角に良く追従する安定な特性を示している。
【００３７】
＜実施例２＞
車速４０ｋｍ／ｈｒで、スラローム運動を行った場合を図６に示す。この場合も、車体スリップアングルの実測値と推定値が良く一致し、車両挙動についても操舵角に良く追従する安定な特性を示している。
【００３８】
＜実施例３＞
比較的大きな横加速度ＹG（約１０ｍ／ｓ2）を伴い、しかも車速が６０ｋｍ／ｈｒから９０ｋｍ／ｈｒの範囲で激しく変動させた場合を図７に示す。この場合も、車体スリップアングルの実測値と推定値が良く一致し、車両挙動についても操舵角に良く追従する安定な特性を示している。
【００３９】
車両のタイヤの運動特性の非線型性の評価基準は上記に限定されない。例えば、│（ＹF＋ＹR）／ｍ│＜│αRL・ＹG│のみを条件とすることもできる。その場合、車体スリップアングル値βeの演算プロセスは、図９に示されるように単純化される。
【００４０】
車両のタイヤの運動特性の非線型性の評価基準として、│αF│＞αF0かつ│αR│＞αR0のみを条件とすることもできる。その場合、車体スリップアングル値βeの演算プロセスは、図１０に示されるように単純化される。
【００４１】
更に別の、車両のタイヤの運動特性の非線型性の評価基準として、│ＹG│＞ＹG0を条件とすることもできる。但し、ＹG0は定数である。その場合の車体スリップアングル値βeの演算プロセスが図１１に示されている。
【００４２】
また、車体スリップアングルβを、移行領域を設けて徐々に変化させるようにしても良い。即ち、図１３に示すように、│ＹG│＜ＹG1（但し、ＹG1は定数）のときは、図１１のステップ１３、１４と同様に、また│ＹG│＞ＹG2（但し、ＹG2は定数、ＹG2＞ＹG1）のときは、図１１のステップ１２、１４と同様に車体スリップアングルβを求める。そしてＹG1＜│ＹG│＜ＹG2（移行領域）のときは、図１１のステップ１２、１３と同様に、求めた各々の値をＹGの値により重み付けして求める。尚、この考え方は、図２、９、１０の実施例にも適用できる。
【００４３】
ところで、本制御アルゴリズムにおいては、タイヤと路面間の摩擦係数μを変数とせずに例えば１に固定しても車両挙動制御の安定性が確保される。また、上記では、４輪操舵車両に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は前輪のみを操舵する車両にも適用できる。その場合は、図１２に示すように、単純に後輪舵角に関する項がなくなり、つまり後輪舵角を０（δR＝０）とおくだけで他は全く同様に扱うことができる。
【００４４】
【発明の効果】
このように本発明によれば、車両挙動制御において、車両のタイヤの運動特性が非線型となるような限界的な走行条件でも、車体スリップアングルの値を高精度に求めることができ、常に安定で応答性の良い車両挙動制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による制御の基本的フローチャート。
【図２】図１に於ける車体スリップアングル値βeの演算の詳細を示すフローチャート。
【図３】本発明の４輪操舵車両についての実施態様に於ける制御系のブロック図。
【図４】横加速度の補正値を求める要領の説明図。
【図５】本発明の第１実施例の車両挙動特性線図。
【図６】本発明の第２実施例の車両挙動特性線図。
【図７】本発明の第３実施例の車両挙動特性線図。
【図８】車両の平面運動を表す説明図。
【図９】図１に於ける車体スリップアングル値βeの演算の変形実施例の詳細を示すフローチャート
【図１０】図１に於ける車体スリップアングル値βeの演算の別の変形実施例の詳細を示すフローチャート
【図１１】図１に於ける車体スリップアングル値βeの演算の更に別の変形実施例の詳細を示すフローチャート
【図１２】本発明の前輪操舵車両についての実施態様に於ける制御系のブロック図。
【図１３】図１に於ける車体スリップアングル値βeの演算の更に別の変形実施例の詳細を示すフローチャート
【符号の説明】
１・２  操舵装置
３・４  タイヤスリップアングル演算器
５・６  コーナリングフォース演算器
７  車体スリップアングル演算器
８  スライディングモード演算器
９  車両
【図１】
0004072254.tif 000011
【図２】
0004072254.tif 000012
【図３】
0004072254.tif 000013
【図４】
0004072254.tif 000014
【図５】
0004072254.tif 000015
【図６】
0004072254.tif 000016
【図７】
0004072254.tif 000017
【図８】
0004072254.tif 000018
【図９】
0004072254.tif 000019
【図１０】
0004072254.tif 000020
【図１１】
0004072254.tif 000021
【図１２】
0004072254.tif 000022
【図１３】
0004072254.tif 000023