(57)【要約】【課題】車両が速い動作をする場合であっても、乗員に感じる体感加速度を抑制して乗り心地を向上させる。【解決手段】体感加速度低減装置は、  車両の水平方向に生じる車体加速度を検出する加速度センサ１と、加速度センサ１により検出された車体加速度から前記車両の乗員が感じる加速度までの伝達関数を最小化するような座面回転角を演算する電子制御ユニット２と、電子制御ユニット２により演算された座面回転角に基づいて、前記車両に作用する慣性力に対抗するようにシート座面または車体を、乗員の座面より下の位置を中心に回転させる座面回転機構５と、を備えている。【選択図】図１２
2009137398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の水平方向に生じる車体加速度を検出する車体加速度検出手段と、
前記車体加速度検出手段により検出された車体加速度から前記車両の乗員が感じる加速度までの伝達関数を最小化するような座面回転角を演算する座面回転角演算手段と、
前記座面回転角演算手段により演算された座面回転角に基づいて、前記車両に作用する慣性力に対抗するようにシート座面または車体を、乗員の座面より下の位置を中心に回転させる回転機構と、
を備えた体感加速度低減装置。
【請求項２】
前記座面回転角演算手段は、車体加速度から、座面に平行な方向に前記乗員をモデル化した人体モデルに生じる加速度のうち所定周波数以下の周波数の加速度を前記車両の乗員が感じる加速度としたときの伝達関数を最小化するような座面回転角を演算する
請求項１に記載の体感加速度低減装置。
【請求項３】
前記人体モデルは、シートに固定された乗員の下半身と、前記下半身に設けられた回転軸に対して一端が回転自在に構成されたものであって他端がバネで座面の法線方向の軸に結合されかつ前記回転軸に対する回転角速度に比例する粘性抵抗を有する上半身と、を有する
請求項２に記載の体感加速度低減装置。
【請求項４】
車両の水平方向に生じる車体加速度を検出する車体加速度検出手段と、
前記車体加速度検出手段により検出された車体加速度から前記車両の乗員が感じる加速度までの伝達関数の周波数特性が、乗員運動に対応した1次共振周波数帯におけるゲインが他の周波数帯に比較して小さくなるように、座面回転角を演算する座面回転角演算手段と、
前記座面回転角演算手段により演算された座面回転角に基づいて、前記車両に作用する慣性力に対抗するようにシート座面または車体を、乗員の座面より下の位置を中心に回転させる回転機構と、
を備えた体感加速度低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体感加速度低減装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
乗員の感じる横加速度を低減するためのシートまたは車体を傾ける従来技術としては、例えば特許文献１がある。この技術は、車体の加速度に応じて座席の角度を変更する、すなわち車両の加速度に比例した角度をシート座面に設定することにより、重力と車両の慣性力との合力の方向が座面に垂直にすることで、乗員の負荷低減を図る技術である。
【０００３】
また、特許文献２では、車両に加速度を発生させる前に上記角度のシート座面を傾斜させることで比較的速い動きのときにも乗員の負荷低減を図っている。特許文献２の技術は、旋回時に車体を傾けてから横力を発生させる２輪車の原理を応用した技術である。
【特許文献１】特開２００１−１６３０９８号公報
【特許文献２】特開２００７−９９２１８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、特許文献１の技術では、シート座面を傾斜させることによって乗員に生じる加速度が考慮されていない。このため、車両が比較的速い動きをする場合には乗り心地が悪化するという問題がある。また、特許文献２の技術は、横力発生前に車体を傾ける必要がある。このため、車両が速い動きをする場合であっても、それに対応してすばやく車体を傾ける動作ができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、車両が速い動作をする場合であっても、乗員に感じる体感加速度を抑制して乗り心地を向上させることができる体感加速度低減装置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】
請求項１の発明である体感加速度低減装置は、車両の水平方向に生じる車体加速度を検出する車体加速度検出手段と、前記車体加速度検出手段により検出された車体加速度から前記車両の乗員が感じる加速度までの伝達関数を最小化するような座面回転角を演算する座面回転角演算手段と、前記座面回転角演算手段により演算された座面回転角に基づいて、前記車両に作用する慣性力に対抗するようにシート座面または車体を、乗員の座面より下の位置を中心に回転させる回転機構と、を備えている。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の体感加速度低減装置であって、前記座面回転角演算手段は、車体加速度から、座面に平行な方向に前記乗員をモデル化した人体モデルに生じる加速度のうち所定周波数以下の周波数の加速度を前記車両の乗員が感じる加速度としたときの伝達関数を最小化するような座面回転角を演算する。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項２に記載の体感加速度低減装置であって、前記人体モデルは、シートに固定された乗員の下半身と、前記下半身に設けられた回転軸に対して一端が回転自在に構成されたものであって他端がバネで座面の法線方向の軸に結合されかつ前記回転軸に対する回転角速度に比例する粘性抵抗を有する上半身と、を有する。
【０００９】
請求項４の発明である体感加速度低減装置は、車両の水平方向に生じる車体加速度を検出する車体加速度検出手段と、前記車体加速度検出手段により検出された車体加速度から前記車両の乗員が感じる加速度までの伝達関数の周波数特性が、乗員運動に対応した1次共振周波数帯におけるゲインが他の周波数帯に比較して小さくなるように、座面回転角を演算する座面回転角演算手段と、前記座面回転角演算手段により演算された座面回転角に基づいて、前記車両に作用する慣性力に対抗するようにシート座面または車体を、乗員の座面より下の位置を中心に回転させる回転機構と、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１及び４の発明によれば、車両が速い動作をする場合であっても、乗員に感じる体感加速度を抑制して乗り心地を向上させることができる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、全周波数帯域の伝達関数の特性を低減させる手間を省くことができる。
【００１２】
請求項３の発明によれば、シート座面または車体の回転中心が車両の乗員の座面よりも下になることを考慮して、乗員に感じる体感加速度を抑制して乗り心地を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
［発明の原理］
図１は、車両の並進方向の加速度から乗員の感じる人体加速度までのモデル、車両並進加速度に応じて座面の回転角を与えるコントローラ、さらに座面回転角から乗員加速度までのモデルを含む制御系の構成を示す図である。
過渡状態における人体加速度を低減するためには、車両の加速度から乗員の感じる加速度までの伝達関数をキャンセルするようにコントローラを設計すればよいと考えられる。この伝達関数は、（１）式となることは、容易に推測される。
【００１５】
【数１】
2009137398.tif 000003
【００１６】
なお、Ｇｗ（ｓ）は後述する（４）（５）式中のｕの項を除いた系に対応する伝達関数であり、Ｇｕ（ｓ）は後述する（４）（５）式中のｇｙの項を除いた系に対応する伝達関数である。
【００１７】
ところが、ここで扱う制御対象は、制御する座面の回転中心が乗員の重心より低い位置にあることから、座面回転角から乗員加速度までのモデルＧｕ（ｓ）が非最小位相推移系となり、負のゼロ点を有している。このため、（１）式の逆ダイナミクス演算は、負の極をもつ不安定系となり、実装することができない。これは、車両運動の過渡状態まで考慮して常に人体加速度の発生を０とするコントローラが存在しないことを意味している。
【００１８】
そこで、制御系が非最小位相推移系となることを勘案し、図１の制御系を伝達特性の最小化問題として定式化できることに着目するとともに、乗員は高周波領域の運転操作を行わないという特性から考えて、車両の並進方向加速度には周波数帯域における制約があり、伝達特性の周波数整形が可能なＨ∞制御理論を適用することによってコントローラ設計を行う。
【００１９】
このように本発明は、乗員の人体力学モデルを考慮するとともに、車両運動として考慮すべき周波数帯域における車両横加速度から乗員の加速度までの伝達特性を最小化することを特徴としている。
【００２０】
（人体モデルの構成）
車両の横並進運動時にシート座面をロールさせて乗員の感じる横加速度を低減する体感加速度低減装置について説明する。
【００２１】
図２は、乗員の体幹（胴）下部に体幹上部および頭部がバネで結合されている１自由度人体モデルに生じる横加速度ｇｂを示す図である。下半身および体幹下部はシートに固定であるとし、ここでは体幹上部および頭部を上半身と呼ぶ。ロール回転中心はヒップポイント（ＨＰ，静止している乗員のシート座面上での荷重中心点）とする。すると、横加速度ｇｂは、（２）式で表される。
【００２２】
【数２】
2009137398.tif 000004
【００２３】
ただし、ｇｙ：車両の横加速度、ｇ：重力加速度，φｂ：ＨＰを通り鉛直上向きの軸と上半身がなすロール角，ｌ：ＨＰから上半身重心までの距離である。また、乗員上半身固定座標系における横方向運動方程式は、（３）式となる。
【００２４】
【数３】
2009137398.tif 000005
【００２５】
ただし、ｍ：上半身質量、ｋ：体幹上部と体幹下部の間のロール方向バネ定数、ｃ：体幹上部と体幹下部の間のロール方向人体粘性定数（人体のロール角速度に比例すると仮定）である。すなわち、上半身は、下半身に設けられた回転軸に対して一端が回転自在に構成され、他端がバネで座面の法線方向の軸に結合され、その回転軸に対する回転角速度に比例する粘性抵抗を有するようにモデル化されている。
【００２６】
（２）式を線形化し（３）式に代入することによって、（４）及び（５）式のように定式化できる。
【００２７】
【数４】
2009137398.tif 000006
これらの式から
【００２８】
【数５】
2009137398.tif 000007
となる定常状態では、（６）式とすることで、ｇｂ＝０となることがわかる。
【００２９】
【数６】
2009137398.tif 000008
【００３０】
また、（５）式の操作量ｕに対する直達項は負であることから、操作量ｕから評価量ｇｂまでの伝達関数は、非最小位相推移系（伝達関数が負のゼロ点を有する系）となっていることがわかる。これは、逆ダイナミクスが不安定になり、任意のｇｙに対し、常にｇｂ＝０とするｕが存在しないことを表している。
【００３１】
このため、本実施形態では、任意のｇｙに対し、評価量ｇｂを最小化する制御問題として定式化してコントローラの導出を図る。なお、（４）及び（５）式は、図３に示すように、以下の（７）〜（９）式のような標準問題形式で記述できる。
【００３２】
【数７】
2009137398.tif 000009
ただし、
【００３３】
【数８】
2009137398.tif 000010
であり、
【００３４】
【数９】
2009137398.tif 000011
である。
【００３５】
（Ｈ∞制御によるコントローラ設計）
この問題における外乱に相当する車両の横加速度は、運転者の操舵特性を考慮すると、ある程度低周波数領域に限定でき、全域でｗからｚまでの伝達特性を低減させる必要はない。このため、ここでは、周波数重みとして、（１０）式の伝達関数を考慮したＨ∞制御の定式化を行う。
【００３６】
【数１０】
2009137398.tif 000012
（１０）式の状態方程式表現を、（１１）及び（１２）式と記述できる。
【００３７】
【数１１】
2009137398.tif 000013
【００３８】
この周波数重みを含めた系は図４のように表現できる。なお、図４におけるｚからｚｗｂを抽出する周波数重みフィルタは、図５に示す伝達特性を有している。
【００３９】
さらに、ｗからｚｗｂまでの拡大された系も、図６に示すように、標準問題形式で記述できる。
【００４０】
【数１２】
2009137398.tif 000014
ただし、
【００４１】
【数１３】
2009137398.tif 000015
であり、
【００４２】
【数１４】
2009137398.tif 000016
である。
【００４３】
この拡大系にＨ∞制御を適用することによって、外乱から周波数整形後の評価量までの伝達特性（Ｈ∞ノルム）を最小化するコントローラが設計できる。
【００４４】
（シミュレーション検討）
制御対象のパラメータとして、ｌ＝０．５［ｍ］、ｃ＝１００［Ｎｓ／ｍ］、ｋ＝５０００［Ｎ／ｍ］、ｍ＝４０［ｋｇ］、また周波数重みのパラメータとして、ω１＝０．５×（２π）、ω２＝１．８×（２π）、ζ１＝０．２、ζ２＝０．７と設定し、Ｈ∞コントローラを設計する。
【００４５】
図７は、観測量ｙ＝ｇｙから、操作量ｕまでのコントローラのボード線図を、定常横加速度を０とするゲインのコントローラ（５）式、官能によるチューニングで（１６）式のように導出されたゲインコントローラと比較した図である。
【００４６】
【数１５】
2009137398.tif 000017
【００４７】
なお、Ｃｇは実験により得られた定数である。Ｈ∞コントローラは、低周波数領域において「定常横Ｇ＝０ゲイン」と「官能チューニングゲイン」の中間値となるとともに、人体の共振周波数である１．５Ｈｚ付近でコントローラのゲインが他の周波数帯と比較して小さくなるという特徴を有していることがわかる。また、位相に着目すると１Ｈｚ付近で位相を１８０ｄｅｇから遅らせるコントローラとなっていることがわかる。  
【００４８】
図８に外乱ｗ＝ｇｙから乗員の横加速度ｇｂまでの閉ループ系ボード線図を示す。図７に比較対象として示した「定常横Ｇ＝０ゲイン」と「官能チューニングゲイン」の制御時のほか、制御なしの場合の人体の伝達特性も示している。この図から、「定常横Ｇ＝０ゲイン」を用いた場合、０．７Ｈｚ以上の領域で「制御なし」の状態よりも乗員の感じる横加速度は大きくなってしまうことがわかる。また、「官能チューニングゲイン」を用いた場合、０．４Ｈｚ以下の低周波領域では、「定常横Ｇ＝０ゲイン」より性能が劣っているものの、これ以上の周波数領域では、「定常横Ｇ＝０ゲイン」より乗員の感じる横加速度を小さく抑制できていることがわかる。
【００４９】
これに対して、Ｈ∞コントローラは、「官能チューニングゲイン」の評価の悪かった低周波数領域において十分に乗員の感じる横加速度を抑制するとともに、「官能チューニングゲイン」や「定常横Ｇ＝０ゲイン」を用いた制御によって生じる１．５Ｈｚ付近の共振ピークもこの周波数領域のコントローラゲインを小さくすることで、抑制できていることがわかる。
【００５０】
図９（Ａ）及び（Ｂ）は、０．１Ｈｚのサイン関数状の外乱に対する時間応答を示す図である。Ｈ∞コントローラは、「官能チューニングゲイン」に比較して乗員横加速度を小さく抑制できていることがわかる。図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、外乱に対する応答の初期の部分を拡大した図である。「定常横Ｇ＝０ゲイン」や「官能チューニングゲイン」による制御では乗員の感じる横加速度が応答初期に振動的になっているが、Ｈ∞コントローラは加速度変動の少ないスムースな制御となっている。
【００５１】
また、図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、０．６Ｈｚのサイン関数状の外乱応答を示している。この周波数領域ではＨ∞コントローラは、「官能チューニングゲイン」に比較して定常的な乗員横加速度は大きい。しかしながら、Ｈ∞コントローラは、１．５Ｈｚ付近の共振ピークが抑制されている結果、外乱入力初期の振動特性が「官能チューニングゲイン」に比較して抑制されている。
【００５２】
なお、ここでは、横方向の加速度に対し、シートをロールさせる制御について記載したが、横加速度を前後加速度、ロールをピッチに置き換えるなど容易に可能であり、本発明は、水平面内の任意の方向からの加速度に対し、その加速度に対抗する座面回転角を演算する手法となっている。
【００５３】
次に、上述したように構成されたＨ∞コントローラを適用した体感加速度低減装置を説明する。
【００５４】
［実施形態］
図１２は、本実施形態に係る体感加速度低減装置の構成を示すブロック図である。体感加速度低減装置は、車両に生じる加速度に応じた信号を生成する加速度センサ１と、加速度センサ１からの信号に基づいて座面回転角を演算する電子制御ユニット２と、後述のアクチュエータ４を駆動するドライバ３と、後述の座面回転機構５を回転させるアクチュエータ４と、シートの座面または車体を乗員の座面より下の位置を中心に回転可能な座面回転機構５と、を備えている。
【００５５】
加速度センサ１は、車両に加わる水平方向の加速度（車体加速度）に応じた信号を発生し、この信号を電子制御ユニット２へ供給する。
【００５６】
電子制御ユニット２は、上述した図４又は図５に示したゲインコントローラを適用したものである。ここで、制御対象のパラメータとしては、例えば上述したように、ｌ＝０．５［ｍ］、ｃ＝１００［Ｎｓ／ｍ］、ｋ＝５０００［Ｎ／ｍ］、ｍ＝４０［ｋｇ］を用いて、また周波数重みのパラメータとして、ω１＝０．５×（２π）、ω２＝１．８×（２π）、ζ１＝０．２、ζ２＝０．７を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００５７】
そして、電子制御ユニット２は、加速度センサ１の信号に基づく車体加速度から、乗員の感じる座面と平行な方向であって周波数フィルタを介して得られる評価加速度までの伝達関数を最小化するような、座面回転角を演算する。
【００５８】
ドライバ３は、電子制御ユニット２の演算結果に基づいてアクチュエータ４を駆動して、電子制御ユニット２で演算された座面回転角になるように、シート座面を傾斜させる。なお、シート座面の代わりに車体を傾斜させてもよい。
【００５９】
以上のように、本発明の実施形態に係る体感加速度低減装置は、シート座面または車体の回転中心が車両の乗員の座面よりも下になるため、人体の振動特性や制御系が非最小位相推移系すなわち操作初期の応答が逆応答になることを考慮したものである。
【００６０】
すなわち、上記体感加速度低減装置は、シートに固定された乗員の下半身と、前記下半身に設けられた回転軸に対して一端が回転自在に構成されたものであって他端がバネで座面の法線方向の軸に結合されかつ前記回転軸に対する回転角速度に比例する粘性抵抗を有する上半身と、を有する人体モデルを用いている。そして、体感加速度低減装置は、乗員の体感加速度がゼロにならないことから、その代わりに、任意の車体加速度に対して乗員の体感加速度が最小になるような座面回転角を演算し、その座面回転角になるようにシート座面または車体を回転させる。これにより、車両が比較的速く動くときでも、乗員の体感加速度を抑制して、高い乗り心地性能を確保することができる。
【００６１】
また、上記体感加速度低減装置は、操舵特性を考慮すると乗員の体感加速度をある程度の低周波領域に限定できるので、周波数重みフィルタを用いることにより、全周波数帯域で乗員の体感加速度を低減させることを回避して、演算負荷を低減させている。
【００６２】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。本発明は、車両旋回時の横運動による乗り心地を向上させる場合に限らず、前後方向の乗り心地を向上させる場合にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】車両の並進方向の加速度から乗員の感じる人体加速度までのモデル、車両並進加速度に応じて座面の回転角を与えるコントローラ、さらに座面回転角から乗員加速度までのモデルを含む制御系の構成を示す図である。
【図２】乗員の体幹（胴）下部に体幹上部および頭部がバネで結合されている１自由度人体モデルに生じる横加速度ｇｂを示す図である。
【図３】標準問題形式で記述された伝達特性を示す図である。
【図４】周波数重みを考慮した伝達特性を示す図である。
【図５】周波数重みフィルタの伝達特性を示す図である。
【図６】拡大形の標準問題形式で記述された伝達特性を示す図である。
【図７】（Ａ）はコントローラの周波数ゲイン特性を示す図であり、（Ｂ）は周波数位相特性を示す図である。
【図８】（Ａ）は外乱ｗ＝ｇｙから乗員の横加速度ｇｂまでの閉ループ系ボード線図であり、（Ｂ）は周波数位相特性を示す図である。
【図９】（Ａ）は０．１Ｈｚのサイン関数状の外乱を示す図であり、（Ｂ）はその外乱に対する時間応答を示す図である。
【図１０】（Ａ）は０．１Ｈｚのサイン関数状の外乱の初期の部分を拡大した図であり、（Ｂ）はその外乱の初期に対する時間応答を示す図である。
【図１１】（Ａ）は０．６Ｈｚのサイン関数状の外乱を示す図であり、（Ｂ）はその外乱に対する時間応答を示す図である。
【図１２】本実施形態に係る体感加速度低減装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  加速度センサ
２  電子制御ユニット
３  ドライバ
４  アクチュエータ
５  座面回転機構
【図１】
2009137398.tif 000018
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009137398.tif 000024
【図８】
2009137398.tif 000025
【図９】
2009137398.tif 000026
【図１０】
2009137398.tif 000027
【図１１】
2009137398.tif 000028
【図１２】
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