(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に周波数の異なる複数の正弦波入力を順次与えて、この正弦波入力に対応した複数の応答出力信号を得るとともに、測定対象物に前記正弦波入力を与えた際の複数の正弦波入力信号を得、
この複数の正弦波入力信号を連続的に接続して１つの接続入力信号を生成するとともに、前記複数の応答出力信号を前記正弦波入力信号の接続順序に対応して連続的に接続して１つの接続出力信号を生成し、
前記接続入力信号に対する前記接続出力信号の周波数伝達関数を求めることにより、測定対象物の周波数応答特性を予測するものであり、
前記測定対象物は、走行車両であり、前記正弦波入力は、走行車両を操舵する操舵角入力であることを特徴とする周波数応答特性の予測方法。
【請求項２】
前記複数の正弦波入力は、前記周波数伝達関数の周波数分解能と同じ刻み幅の周波数で正弦波入力される請求項１に記載の周波数応答特性の予測方法。
【請求項３】
前記接続入力信号を生成する際、前記複数の正弦波入力信号は、周波数の低い順に、あるいは高い順に接続される請求項１または２に記載の周波数応答特性の予測方法。
【請求項４】
前記正弦波入力の周波数の刻み幅は、０．２Ｈｚ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の周波数応答特性の予測方法。
【請求項５】
前記正弦波入力の最高周波数は、少なくとも２Ｈｚ以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の周波数応答特性の予測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物に入力を与えて測定対象物の周波数応答特性を予測する方法であって、特に、走行車両に操舵入力を与えて走行車両の周波数応答特性を精度良く予測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、乗用車等の車両は高速高性能化されて、車両のハンドル操舵に対する応答や挙動の良し悪しは、車両の運動性能を決定付ける要因の１つとなっている。そのため、車両の開発においては、所定の操舵入力に対する車両の挙動を予測計算でき、所望の車両挙動が得られるように、車両の操舵入力に対する車両挙動の周波数応答特性、特に周波数伝達関数を精度良くかつ信頼性高く求めることが重要である。
【０００３】
ところで、車両挙動の周波数応答特性の予測のための車両の操舵入力は、一般的に、パルス入力法やランダム入力法を用いて行われている。
パルス入力法は、自動車規格（ＪＡＳＯ）Ｚ１１０−８３「乗用車のパルス操舵過渡応答試験方法」において規格化されている。
一方、ランダム入力法は、「パラメータ同定による車両ヨーレート応答特性の計測」（日産技報論文集（１９９１年）、２１頁〜２５頁）に記載されており、公知の方法として、周波数応答特性の予測のために用いられている。
【０００４】
例えば、図５に示すように、ドライバーのハンドル１０２の操舵によって走行車両１００が旋回する時、横向加速度Ｇが発生すると同時に、走行車両１００の重心点Ｘの周りにヨー角速度ｒz が発生するが、ドライバーがハンドル１０２を操舵した操舵角入力に対する横向加速度Ｇや操舵角入力に対するヨー角速度ｒz の周波数伝達関数を求めることによって、走行車両１００の周波数応答特性を予測する。
【０００５】
ランダム入力法では、０Ｈｚ近傍の低周波成分から略５Ｈｚの高周波成分が含まれるように、時間と共に周波数成分が変化する操舵角入力を２回行い、図６（ａ）のような操舵角入力信号Ｉs を得、これを５回行って連続的に接続して１つの信号を生成し、これを、横向加速度Ｇやヨー角速度ｒz の周波数伝達関数における入力信号Ｉc としている。すなわち、１回の操舵角入力で、低周波から高周波までの周波数成分を含むように行う。これにより、比較的短時間に伝達関数を算出して、車両の周波数応答特性を予測することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では、図６（ｃ）に入力信号Ｉc の周波数スペクトルが示されているように、０．５Ｈｚ以下で大きな周波数成分を持つ一方、１〜３Ｈｚの帯域で周波数成分が少ない、周波数成分の不均一な操舵角入力となる。このように操舵角入力に周波数成分の分布に偏りが生じるため、操舵角入力に対するヨー角速度ｒz や横向加速度Ｇ等の伝達関数を求める度に伝達関数の波形がばらつき、信頼性が低く、走行車両１００の周波数応答特性を精度良く予測することができないといった問題があった。そのため、このような伝達関数を用いて任意の操舵角入力に対する車両の応答を予測しても、精度の高い予測を行うことはできない。
このような問題は、操舵角にパルス的な入力信号を入れるパルス入力法においても同様に、操舵角入力が不均一な周波数成分を持つため、ヨー角速度ｒz や横向加速度Ｇ等の信頼性のある伝達関数を求めることができないといった問題があった。
【０００７】
さらには、このような問題は、実際に測定対象物に与える入力の周波数成分が均一となるように入力の制御ができない場合にも同様に発生する。
【０００８】
そこで、上記問題を解決するために、本発明は、測定対象物に入力を与えて周波数応答特性を予測する際、従来に比べて、入力の周波数成分が均一化され、測定対象物の周波数応答特性を精度良く予測することのできる周波数応答特性の予測方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、測定対象物に周波数の異なる複数の正弦波入力を順次与えて、この正弦波入力に対応した複数の応答出力信号を得るとともに、測定対象物に前記正弦波入力を与えた際の複数の正弦波入力信号を得、
この複数の正弦波入力信号を連続的に接続して１つの接続入力信号を生成するとともに、前記複数の応答出力信号を前記正弦波入力信号の接続順序に対応して連続的に接続して１つの接続出力信号を生成し、
前記接続入力信号に対する前記接続出力信号の周波数伝達関数を求めることにより、測定対象物の周波数応答特性を予測することを特徴とする周波数応答特性の予測方法によって解決される。
【００１０】
前記複数の正弦波入力は、前記周波数伝達関数の周波数分解能と同じ刻み幅の周波数で正弦波入力されるのが好ましく、また、前記接続入力信号を生成する際、前記複数の正弦波入力信号は、周波数の低い順に、あるいは高い順に接続されるのが好ましい。
【００１１】
特に、前記測定対象物は、走行車両であり、前記正弦波入力は、走行車両を操舵する操舵角入力とするのがよい。
この場合、前記正弦波入力の周波数の刻み幅は、０．２Ｈｚ以下であるのが好ましく、前記正弦波入力の最高周波数は、少なくとも２Ｈｚ以上であるのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の周波数応答特性の予測方法について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の周波数応答特性の予測方法を実施する波形処理装置１０の構成の一例を示している。波形処理装置１０は、測定対象物１２の信頼性のある伝達関数を算出し、測定対象物１２の周波数応答特性を予測する装置であって、正弦波入力信号や応答出力信号を記録保存する記録部１４と、正弦波入力信号や応答出力信号の波形接続を行う信号処理部１６と、伝達関数を求める解析部１８を備えて構成される。このような波形処理装置１０は、プログラムによって処理されるパーソナルコンピュータで構成してもよいし、専用の波形解析処理装置で構成してもよい。
【００１４】
なお、本発明で用いられる測定対象物は、構造体等いかなるものであっても良く、入力の周波数成分を調整することが困難な場合に好適に用いることができる。例えば、走行車両の運動性能を調べるために、ドライバーが操舵角入力を行う場合等が挙げられる。
【００１５】
記録部１４は、測定対象物１２に入力を順次与えて実測された複数の正弦波入力信号Ｉn （ｎ＝１，２・・・）からなる入力信号群２０や、この正弦波入力信号Ｉn に対応した測定対象物１２の応答出力信号Ｏn （ｎ＝１，２・・・）からなる応答出力信号群２２を記録保持する部分である。
信号処理部１６は、記録部１４に記録保持された入力信号群２０および、この入力信号群２０に対応した出力信号群２２を呼び出し、正弦波入力信号Ｉn や応答出力信号Ｏn の波形の接続を行う部分である。
【００１６】
ここで、入力信号群２０は、測定対象物１２に周波数の異なる複数の正弦波入力を順次与えた際に、測定対象物１２に取り付けられたセンサ２４で計測して得られる正弦波入力信号であって、正弦波入力を入力した際の周波数の異なる複数の正弦波入力信号Ｉn を有する。また、正弦波入力は、正弦波入力の周波数によらず一定の時間、例えば５秒間、測定対象物１２に入力される。また、正弦波入力信号Ｉn は、後述する伝達関数Ｔの周波数分解能と同じ刻み幅の周波数を持つのが好ましい。例えば、後述する伝達関数Ｔの周波数分解能を０．１Ｈｚとする場合、正弦波入力の周波数は、例えば０．１Ｈｚ、０．２Ｈｚ、０．３Ｈｚ、・・・のように、０．１Ｈｚの刻み幅を持つのが好ましい。本発明においては、正弦波入力は、必ずしも周波数分解能と同じ刻み幅を持つ必要はなく、例えば、正弦波入力の周波数の刻み幅が、後述する伝達関数Ｔの周波数分解能より小さくても、正弦波入力が、伝達関数Ｔの有する構成周波数と同じ周波数を有していればよい。
また、出力信号群２２は、測定対象物１２に周波数の異なる複数の正弦波入力を順次与えた際に、センサ２６で計測して得られる応答出力信号であって、複数の正弦波入力に対応した応答出力信号Ｏn を有する。
【００１７】
信号処理部１６は、記録部１４に記録された入力信号群２０や出力信号群２２を呼び出し、正弦波入力信号Ｉn や応答出力信号Ｏn の波形接続を行う部分である。
例えば、正弦波入力信号Ｉ1 の正弦波形の終端とＩ2 の正弦波形の始端をつなぎ、正弦波入力信号Ｉ2 の正弦波形の終端とＩ3 の正弦波形の始端をつなぎ、正弦波正弦波入力信号Ｉ3 の正弦波形の終端とＩ4 の正弦波形の始端をつなぎ、・・・、最終的にすべての正弦波入力信号を連続的に接続し、１つの接続入力信号Ｉを生成するとともに、この接続順序に対応して、応答出力信号Ｏ1 の終端と応答出力信号Ｏ2 の始端をつなぎ、・・・、最終的にすべての応答出力信号を連続的に接続し、接続出力信号Ｏを生成する。ここで、正弦波入力信号Ｉn の接続方法や接続順序は、特に限定されないが、正弦波入力信号Ｉn の周波数の低い順に、あるいは高い順に接続するのがよい。
【００１８】
解析部１８は、信号処理部１６で求められた接続入力信号Ｉに対する接続出力信号Ｏの伝達関数Ｔ、すなわち、測定対象物１２の周波数伝達関数を求める部分で、例えば、周知のＦＦＴ（Fast Fourier Transformation)法等を用いて、所定の周波数分解能で伝達関数Ｔを求める。
【００１９】
このような波形処理装置１０を用いて測定対象物１２の周波数伝達関数の算出を行う。以降では、より具体的に、走行車両１００の操舵角入力に対する車両の周波数伝達関数を算出する場合を例として説明する。
【００２０】
まず、図５に示す走行車両１００において、ドライバーがハンドル１０２を操舵して正弦波による操舵角入力を行う。操舵角入力は、後述する伝達関数Ｔの周波数分解能を０．１Ｈｚとする場合、０．１Ｈｚの周波数の刻み幅で０．１Ｈｚから３．５Ｈｚまで、正弦波による操舵角入力を順次行う。また、この操舵角入力は、一定周期を刻むメトロノームを用いて、最大操舵角を約３０度として５秒間行う。その際、ハンドル１０２のシャフトには、操舵角に対応した信号を出力する操舵角計を取り付けており、操舵角入力時に操舵角入力信号を計測し、０．１Ｈｚから３．５Ｈｚまで、０．１Ｈｚ刻み幅の周波数の操舵角入力を与えて、図２（ａ）に示すように３５個の操舵角入力信号Ｉs1〜Ｉs35 を取得する。
【００２１】
これに対応して、走行車両１００の重心点Ｘあるいはその極近傍に、加速度計およびジャイロメータを取り付け、横向加速度Ｇおよびヨー角速度ｒz の出力信号を応答出力信号として取得する。これら操舵角入力信号Ｉs1〜Ｉs35 と図示されない、操舵角入力信号Ｉs1〜Ｉs35 に対応した３５個の横向加速度Ｇおよびヨー角速度ｒz の応答出力信号は、走行中、携帯用記録媒体に記録され、走行終了後、この携帯用記録媒体から呼び出され、３５個の操舵角入力信号Ｉs1〜Ｉs35 と３５個の応答出力信号がデジタル信号として記録部１４に記録保存される。以降では、簡便的に、横向加速度Ｇおよびヨー角速度ｒz の一方を応答出力信号として説明する。
【００２２】
このように操舵角入力において、後述する伝達関数Ｔの周波数分解能と同じ刻み幅の周波数を持つように操舵角入力を行うのは、滑らかな伝達関数Ｔが得られるようにするためである。上記例では、操舵角入力における刻み幅を０．１Ｈｚとするものであるが、本発明においては、これに限定されず、０．２Ｈｚ以下であるとよい。０．２Ｈｚより大きいと、滑らかな伝達関数Ｔを得ることができず、特に後述するように、走行車両１００の運動特性を知る上で重要な要因となるヨー角速度の伝達関数Ｔにおける共振ピークの共振ピーク周波数や共振ピークレベルを正確に取り出すことができないからである。好ましくは０．１Ｈｚ以下であるとよい。
【００２３】
また、本実施例の操舵角入力の最大周波数は、３．５Ｈｚであるが、本発明においては、少なくとも２Ｈｚ以上であることが好ましく、より好ましくは、３Ｈｚ以上である。操舵角入力の最大周波数を２Ｈｚ以上とするのは、例えば、最大操舵角度を３０度とする操舵角入力において、ドライバーの入力できる最大周波数は略５Ｈｚであり、操舵角入力の最大周波数を２Ｈｚより低くすると、入力可能であるにもかかわらず、走行車両１００の周波数伝達関数を十分に広い範囲で算出することができないからである。特に、最大周波数が２Ｈｚより低いと、後述するようにヨー角速度の伝達関数Ｔには、２Ｈｚ付近に走行車両１００の共振点があり、この共振点の共振ピーク周波数と共振ピークレベルを取り出すことができないからである。一方、操舵角入力として４〜５Ｈｚの周波数で操舵角入力を行った場合、最大操舵角を３０度とする一定振幅の操舵角入力を行うことが難しくなり、最大操舵角は乱れやすく、操舵角入力の周波数成分を一定にすることが難しくなる。それ故、より好ましい操舵角入力の最大周波数は、３Ｈｚ以上４Ｈｚ以下の範囲にあることが好ましい。
【００２４】
従って、操舵角入力は、周波数が０．１〜０．２Ｈｚの刻み幅で、最大周波数を２〜５Ｈｚとする１０種以上５０種以下の正弦波の入力によって行われ、１０個以上５０個以下の操舵角入力信号および応答出力信号を得るのが好ましい。１０個より少ない場合、周波数の刻み幅が大きくなりすぎ、５０個より多い場合、刻み幅が小さくなり、ドライバの操舵入力可能な周波数の精度を超えてしまい現実的に操舵角入力を行うことはできない。また、後述するように、周波数分解能を０．２Ｈｚ以下とする伝達関数を得るために行うＦＦＴ等の処理において、伝達関数Ｔの精度向上の点から、一つの周波数の操舵角入力信号を少なくとも含むサンプリング時間でＦＦＴ等の処理を行うのが好ましく、そのために、操舵角入力の入力時間を少なくとも５秒以上とするのが好ましい。
【００２５】
このような操舵角入力信号Ｉs1〜Ｉs35 と図示されない応答出力信号は、信号処理部１６において記録部１４から呼び出され、操舵角入力信号Ｉs1の終端と操舵角入力信号Ｉs2の始端、操舵角入力信号Ｉs2の終端と操舵角入力信号Ｉs3の始端、・・・等図２（ｂ）に示されるように連続して接続され、１７５秒（５秒×３５）の接続入力信号Ｉを生成する。（なお、図２（ｂ）では、周波数が高くなるほど操舵角の振幅が乱れている。）一方、同様に、応答出力信号も、操舵角入力信号Ｉs1に対応する応答出力信号の終端と操舵角入力信号Ｉs2に対応する応答出力信号の始端、操舵角入力信号Ｉs2に対応する応答出力信号の終端と操舵角入力信号Ｉs3に対応する応答出力信号の始端、・・・等が接続され、１７５秒（５秒×３５）の接続出力信号Ｏを生成する。生成された接続入力信号Ｉと接続出力信号Ｏは、解析部１８に送られる。
【００２６】
このような接続入力信号Ｉの周波数成分は、図２（ｃ）にその周波数スペクトルが示されているように、図６（ｃ）に示される従来の方法による周波数成分に比べて、０．５〜３．５Ｈｚの帯域の周波数成分が増え、周波数成分が均一化されていることがわかる。
【００２７】
解析部１８では、接続入力信号Ｉと接続出力信号Ｏから、周波数分解能を０．１ＨｚとしてＦＦＴ法により伝達関数Ｔがオーバーラップサンプリングによって算出される。応答出力信号がヨー角速度ｒz の応答出力信号である場合、操舵角入力に対するヨー角速度ｒz の伝達関数Ｔのゲイン特性が図３（ａ）に、ヨー角速度ｒz の伝達関数Ｔの位相特性が図３（ｂ）に、ヨー角速度ｒz の伝達関数Ｔのコヒーレンスが図３（ｃ）に示される。なお、図３（ａ）〜（ｃ）には、図６（ａ）〜（ｃ）に示す従来の方法で得られるゲイン特性、位相特性およびコヒーレンスを重ねて記載している。実線は、本発明による特性やコヒーレンスを、破線は、従来の方法による特性やコヒーレンスを示している。
【００２８】
図３（ａ）に示すヨー角速度の伝達関数Ｔのゲイン特性では、周波数２Ｈｚ付近に共振ピークを持つことがわかる。この共振ピークは、走行車両１００の後輪装着タイヤのコーナリングスティッフネス（コーナリングパワー）、走行速度、車両重心位置、ホイールベース、あるいは走行車両１００の前後輪の重量配分等の走行車両１００の各種パラメータによって決定され、走行車両１００のステア特性（アンダーステア特性やオーバーステア特性の程度）、走行車両１００の旋回中の安定性等と対応付けられるもので、共振ピーク周波数や共振ピークレベルは走行車両の運動性能を知る上で重要な情報である。従って、共振ピーク周波数や共振ピークレベルを正確に取り出すことは極めて重要なことである。従来の方法（破線）では、共振ピーク近傍の伝達関数Ｔの一部分が欠けており、正確な共振ピーク周波数を求めることができないばかりか、正確な共振ピークレベルも取り出すことができない。しかし、本発明による方法では、伝達関数Ｔの共振ピーク近傍が部分的に欠けることはなく、しかも、接続入力信号Ｉと接続出力信号Ｏの信号の相関の強さを表し、測定精度や測定における信頼性の指標となるコヒーレンスが、共振ピーク付近で１に近い値を示す。しかも、従来の方法では０．９８７であった、０．１Ｈｚ〜３Ｈｚの帯域における平均コヒーレンスが、本発明の方法では０．９９７に向上する。このように、本発明では、ヨー角速度ｒz の伝達関数Ｔの波形が部分的に欠けたりせず、走行車両１００の周波数応答特性を正確に予測することができる。
【００２９】
一方、応答出力信号が横向加速度Ｇの応答出力信号である場合、操舵角入力に対する横向加速度Ｇの伝達関数Ｔのゲイン特性が図４（ａ）に、横向加速度Ｇの伝達関数Ｔの位相特性が図４（ｂ）に、横向加速度Ｇの伝達関数Ｔのコヒーレンスが図４（ｃ）に示される。なお、図４（ａ）〜（ｃ）には、図３（ａ）〜（ｃ）と同様に、図６に示される従来の方法で得られるゲイン特性、位相特性やコヒーレンスを重ねて記載している。実線は、本発明の特性やコヒーレンスを、破線は、従来の方法による特性やコヒーレンスを示している。
【００３０】
図４（ａ）に示す横向加速度Ｇの伝達関数Ｔにおいて、本発明の方法と従来の方法との明確な差異が示されないが、図４（ｃ）に示す横向加速度Ｇの伝達関数Ｔのコヒーレンスによれば、従来に比べて高い周波数の帯域まで、コヒーレンスが１に近いことがわかる。実際、０．１〜３Ｈｚの帯域における平均コヒーレンスは、従来の方法では０．９２６であったのが、本発明の方法では０．９９０に向上する。
このように、本発明では、従来より高い周波数までコヒーレンスが１に近く、走行車両１００の伝達関数Ｔを従来よりも精度良く、しかも信頼性高く求めることができ、走行車両１００の周波数応答特性を正確に予測することができる。従って、得られた伝達関数Ｔを用いて、任意の操舵入力に対する走行車両１００の挙動を正確に予測することができる。
【００３１】
以上、本発明の周波数応答特性の予測方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、周波数の異なる複数の正弦波入力を測定対象物に順次与え、複数の正弦波入力信号を得、この複数の正弦波入力信号を連続的に接続して１つの接続入力信号を生成するので、従来の方法に比べて、周波数成分が均一化され入力のばらつきが少なくなり、伝達関数におけるコヒーレンスが向上する。さらに、複数の正弦波入力に、伝達関数の周波数分解能と同じ刻み幅の周波数を持たせることで、周波数伝達関数をより精度良くしかも信頼性高く算出することができる。特に、測定対象物が走行車両であり、入力が走行車両を操舵する操舵角入力である場合、精度が高く信頼性の高いヨー角速度や横向加速度の伝達関数を求めて走行車両の周波数応答特性を予測することができる。従って、得られた信頼性の高い伝達関数を用いて、任意の操舵角入力に対する走行車両の挙動を正確に予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の周波数応答特性の予測方法を実施する波形処理装置の一例の構成を示す図である。
【図２】  （ａ）は、本発明の周波数応答特性の予測方法における入力信号の一例を示す図であり、（ｂ）は、本発明の周波数応答特性の予測方法における接続入力信号の一例を示す図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示す接続入力信号の周波数成分のスペクトルを示す図である。
【図３】  （ａ）は、本発明の周波数応答特性の予測方法を走行車両のヨー角速度の伝達関数に適用した際のヨー角速度の伝達関数のゲイン特性を示す図であり、（ｂ）は、ヨー角速度の伝達関数の位相特性を示す図であり、（ｃ）は、ヨー角速度の伝達関数のコヒーレンスを示す図である。
【図４】  （ａ）は、本発明の周波数応答特性の予測方法を走行車両の横向加速度の伝達関数に適用した際の横向加速度の伝達関数のゲイン特性を示す図であり、（ｂ）は、横向加速度の伝達関数の位相特性を示す図であり、（ｃ）は、横向加速度の伝達関数のコヒーレンスを示す図である。
【図５】  走行車両を説明する図である。
【図６】  （ａ）は、従来の方法による入力信号の一例を示す図であり、（ｂ）は、従来の方法によりつなぎ合わせた入力信号の一例を示す図であり、（ｃ）は、従来の方法により得られる入力信号の周波数成分のスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１０  波形処理装置
１２  測定対象物
１４  記録部
１６  信号処理部
１８  解析部
２０  入力信号群
２２  出力信号群
２４，２６  センサ
【図１】
0004219099.tif 000002
【図２】
0004219099.tif 000003
【図３】
0004219099.tif 000004
【図４】
0004219099.tif 000005
【図５】
0004219099.tif 000006
【図６】
0004219099.tif 000007