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図面 (14)

課題

車両の横転防止制御に必要な車両の重心高さの推定演算式単純化して演算高速化する。また、姿勢制御演算の基本となる車両総質量を車両を加速させるときの燃料流量から求めることにより合理化する。

解決手段

車両の発進加速中の時刻t1からt2までの車速の変化とその間の燃料消費量とを用いて車両総質量を演算し、車両総質量、制動時の後軸荷重変化量、ホイールベースバネ下質量、制動時のエアサスペンションの圧力および制動時の減速加速度により車両重心高さをリアルタイム推定演算する。

概要

背景

走行中の車両のヨーあるいはロールなどの挙動に基づいて、車両の姿勢を安定な方向に自動的に制御する装置が実用化されようとしている。車両が走行中に横すべり状態になる可能性があることをプログラム演算回路により自動的に推定演算して、一部(または全部)の車輪ブレーキ圧力を自動的に制御することにより、その車両を横すべりが生じる可能性の小さい状態に回復させることができる。たとえば高速走行中の大きいハンドル操作など、車両の特性を越える運転操作により車両が運転者の意図しない挙動に達したときに、自動的にこれを検知して、ロール軌跡の外側になる側の後輪ブレーキをかけることにより、安定な状態を回復させることができる。

本願出願人は、走行中の車両の姿勢安定制御のために自己回帰法(AR法)により、車両姿勢の安定制御を行う装置を特許出願した(特開平10−315940号公報参照)。

この装置は、横すべりあるいはホイールリフトの状態などの車両の挙動を実時間演算により合理的に推定し、高速走行中の大きいハンドル操作など、車両の特性を越える運転操作により、車両が運転者の意図しない挙動に達したときに自動的に安定した状態に回復させる装置である。さらに具体的には、その車両の運転操作入力をデータとして取込み、その車両の物理特性数値として保持する数値モデルを参照し、伝達関数によりその車両の応答推測演算する。伝達関数に与える車両の挙動に係るデータは、k時点のデータX(k)がそのM時点前までの過去のデータに各時点毎重み係数A(m)を乗じた値で表される自己回帰法(AR法)により求めて車両の応答を演算し、積荷の状態や乗客位置が変更になったときに車両モデルを自己回帰法により更新する。

この装置を車両に実装することにより、少ないサンプル数のデータで実時間演算が可能になり、その推定値は従来のフーリエ展開による方法に比べて高い精度の推定値を短時間で得ることができることを実験的にも証明した。

また、本願出願人は、特願平10−115601号(本願出願時において未公開)を出願した。この先願には、姿勢安定制御を行うために不可欠な車両の重量を演算推定するための装置を開示した。

この先願は、車両の重心高さをリアルタイムに演算し、横すべりあるいはホイール・リフトの状態などの車両の挙動を実時間演算により合理的に推定して、車両の姿勢を自動的に安定させるものである。すなわち、車両にかかる重量を測定する軸重計と、進行方向に対する傾斜を測定する勾配センサとを実装し、車体総重量Wおよび前軸にかかる重量wfを軸重計により測定するとともに、傾斜角度αを勾配センサにより測定することにより、車両が運行中であっても所定の測定条件が満たされた時点で、次式により重心高さHを
H=(W・Lr−Wf・L)/W tanα
W=Wf+Wr(変数
L=Lf+Lr(定数
ただし、Wr:後軸にかかる重量
L:ホイールベース
Lf:前軸から重心位置までの距離
Lr:重心位置から後軸までの距離
として演算するものである。この演算は、車両の車速になりかつ傾斜角度αが所定値を越える毎に行い、算出された値はその都度更新し保持する。この装置を実装することにより、挙動データに低い周波数成分が多く含まれる大型車両適応した姿勢制御を高い精度で行うことができる。

概要

車両の横転防止制御に必要な車両の重心高さの推定演算式単純化して演算を高速化する。また、姿勢制御演算の基本となる車両総質量を車両を加速させるときの燃料流量から求めることにより合理化する。

車両の発進加速中の時刻t1からt2までの車速の変化とその間の燃料消費量とを用いて車両総質量を演算し、車両総質量、制動時の後軸荷重変化量、ホイールベース、バネ下質量、制動時のエアサスペンションの圧力および制動時の減速加速度により車両重心高さをリアルタイムに推定演算する。

目的

本発明はこのような背景に行われたものであって、演算式をきわめて単純化して、車両の重心高さ(H)をきわめて短い時間に推定演算することができるように改良することを目的とする。本発明は、従来から車両に搭載されている簡単かつ安価な演算装置によりリアルタイム演算および制御を実行することができる装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、姿勢制御の基本となる車両の総質量(M)を車両を加速するときの燃料流量を観測することにより、正確かつ短時間で推定演算することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、単純かつ安価なソフトウエアにより高速に演算動作を行うことができる実用的な重心高さ推定演算装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
5件
牽制数
4件

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請求項1

車両前後方向の加速度センサと、左右車軸をそれぞれ支持する複数のエアサスペンションに設けた圧力センサと、これらセンサの出力を入力情報として路面からの車両重心高さHをH=k(ΔWr×L)/((M−J)×G) (1)としてリアルタイム演算する演算手段とを備えたことを特徴とする車両の重心高さの推定演算装置。ただし、ΔWrは制動時の後軸荷重変化量、Lはホイールベース、Mは車両総質量、Jはバネ下質量、Gは制動時加速度、kは補正係数車種毎に設定される)である。

請求項2

前記制動時の後軸荷重変化量ΔWrを前記圧力センサの出力からΔWr=(B×B×π)×D×E×C (2)として推定演算する手段を備えた請求項1記載の車両の重心高さの推定演算装置。ただし、Bは前記エアサスペンションのエアベローズ有効半径、Dは前記圧力センサにより検出される制動時圧力変化量、Eはエアベローズの個数であり、C=(m+n)/m (3)であり、mは後軸中心からリーフ目玉中心までの距離、nは後軸中心からエアベローズ中心までの距離とする。

請求項3

前記車両総質量Mを操作により入力する手段を備えた請求項1記載の車両の重心高さの推定演算装置。

請求項4

前記車両総質量Mをその車両の発進加速中の時刻t1 から時刻t2 までの車速の変化(v2 −v1 )と、その時刻t1 から時刻t2 までの燃料消費量とから演算する手段を備えた請求項1記載の車両の重心高さの推定演算装置。

技術分野

0001

本発明は自動車姿勢安定制御に利用する。本発明は、バストラックなど商業車両の横転防止に利用するために開発された装置であるが、商業車両以外にも同様に実施することができる。本発明は、車両の重心高さを車両の進行方向加速度センサおよび左右の車軸サスペンション圧力センサからの情報をもとに、簡便かつ短時間に演算推定する装置に関する。本発明は、さらにこの演算推定のために必要な車両総重量を簡便に演算する装置に関する。

背景技術

0001

0002

0002

走行中の車両のヨーあるいはロールなどの挙動に基づいて、車両の姿勢を安定な方向に自動的に制御する装置が実用化されようとしている。車両が走行中に横すべり状態になる可能性があることをプログラム演算回路により自動的に推定演算して、一部(または全部)の車輪ブレーキ圧力を自動的に制御することにより、その車両を横すべりが生じる可能性の小さい状態に回復させることができる。たとえば高速走行中の大きいハンドル操作など、車両の特性を越える運転操作により車両が運転者の意図しない挙動に達したときに、自動的にこれを検知して、ロール軌跡の外側になる側の後輪ブレーキをかけることにより、安定な状態を回復させることができる。

0003

0003

本願出願人は、走行中の車両の姿勢安定制御のために自己回帰法(AR法)により、車両姿勢の安定制御を行う装置を特許出願した(特開平10−315940号公報参照)。

0004

発明が解決しようとする課題

0004

この装置は、横すべりあるいはホイールリフトの状態などの車両の挙動を実時間演算により合理的に推定し、高速走行中の大きいハンドル操作など、車両の特性を越える運転操作により、車両が運転者の意図しない挙動に達したときに自動的に安定した状態に回復させる装置である。さらに具体的には、その車両の運転操作入力をデータとして取込み、その車両の物理特性数値として保持する数値モデルを参照し、伝達関数によりその車両の応答推測演算する。伝達関数に与える車両の挙動に係るデータは、k時点のデータX(k)がそのM時点前までの過去のデータに各時点毎重み係数A(m)を乗じた値で表される自己回帰法(AR法)により求めて車両の応答を演算し、積荷の状態や乗客位置が変更になったときに車両モデルを自己回帰法により更新する。

0005

0005

この装置を車両に実装することにより、少ないサンプル数のデータで実時間演算が可能になり、その推定値は従来のフーリエ展開による方法に比べて高い精度の推定値を短時間で得ることができることを実験的にも証明した。

0006

課題を解決するための手段

0006

また、本願出願人は、特願平10−115601号(本願出願時において未公開)を出願した。この先願には、姿勢安定制御を行うために不可欠な車両の重量を演算推定するための装置を開示した。

0007

0007

この先願は、車両の重心高さをリアルタイムに演算し、横すべりあるいはホイール・リフトの状態などの車両の挙動を実時間演算により合理的に推定して、車両の姿勢を自動的に安定させるものである。すなわち、車両にかかる重量を測定する軸重計と、進行方向に対する傾斜を測定する勾配センサとを実装し、車体総重量Wおよび前軸にかかる重量wfを軸重計により測定するとともに、傾斜角度αを勾配センサにより測定することにより、車両が運行中であっても所定の測定条件が満たされた時点で、次式により重心高さHを
H=(W・Lr−Wf・L)/W tanα
W=Wf+Wr(変数
L=Lf+Lr(定数
ただし、Wr:後軸にかかる重量
L:ホイールベース
Lf:前軸から重心位置までの距離
Lr:重心位置から後軸までの距離
として演算するものである。この演算は、車両の車速になりかつ傾斜角度αが所定値を越える毎に行い、算出された値はその都度更新し保持する。この装置を実装することにより、挙動データに低い周波数成分が多く含まれる大型車両適応した姿勢制御を高い精度で行うことができる。

0008

本願発明者らは、上記先願に開示した技術について試験研究を行った結果、さらに計算パラメタを少なくし、演算式を簡略化して、高速リアルタイム演算を行うことが望ましいことがわかった。すなわち、車両の姿勢が不安定になる状態はしばしばきわめて短い時間のうちに発生し、しかもその姿勢制御は不安定な状態が拡大する前に行うことが必要であることから、車両の重心高さの変動をさらに短い時間のうちに推定演算することが望ましいことがわかった。

0008

0009

先願に開示したAR法による推定演算は、原理的にこれにより求められた値は正確である。しかし、一つの演算の結果を使ってさらに次の演算を実行する回帰的演算処理を行うので、推定精度を高くするにはこの回帰演算回数を大きくしなければならない。回帰演算の回数が大きくなると演算時間が長くなり、姿勢回復のための制御が遅れることになる。これに対応するためには、高速演算の可能な高価な演算装置を必要とすることになる。

0009

発明の効果

0010

実際に、車両の重心高さは、いったん計測または推定されると積み荷が変化しないかぎりその変化は小さいものであるが、車両の横転などの事故は、走行中に発生する搭載貨物の荷くずれなどが原因となることが知られている。荷くずれが発生した後に荷くずれが発生する前の値を利用して演算を実行していることは、実用的に意味がないことになる。また、定期バスなどでは停留所で車両を停車させる毎にその重量および重心位置が変動する。したがって、走行中にも車両の重心高さを計測または推定演算して、その保持している値を常に更新しておくことができるならきわめて有効である。

0010

0011

本発明はこのような背景に行われたものであって、演算式をきわめて単純化して、車両の重心高さ(H)をきわめて短い時間に推定演算することができるように改良することを目的とする。本発明は、従来から車両に搭載されている簡単かつ安価な演算装置によりリアルタイム演算および制御を実行することができる装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、姿勢制御の基本となる車両の総質量(M)を車両を加速するときの燃料流量を観測することにより、正確かつ短時間で推定演算することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、単純かつ安価なソフトウエアにより高速に演算動作を行うことができる実用的な重心高さ推定演算装置を提供することを目的とする。

0011

0012

本発明の第一の特徴は、重心高さの推定演算をきわめて単純化するものである。すなわち、車両の前後方向加速度センサと、左右車軸をそれぞれ支持する複数のエアサスペンションの圧力センサと、これらセンサの出力を入力情報として路面からの車両重心高さHを
H=k(ΔWr×L)/((M−J)×G) (1)
としてリアルタイムに演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。

0012

0013

ただし、ΔWrは制動時の後軸荷重変化量、Lはホイールベース、Mは車両総質量、Jはバネ下質量、Gは制動時加速度、kは補正係数車種毎に設定される)である。

0013

0014

ここで、制動時の後軸荷重変化量ΔWrは、
ΔWr=(B×B×π)×D×E×C (2)
として求めることが望ましい。

0014

図面の簡単な説明

0015

Bは前記エアサスペンションのエアベローズ有効半径、Dは前記圧力センサにより検出される制動時圧力変化量、Eはエアベローズの個数であり、
C=(m+n)/m (3)
であり、mは後軸中心からリーフ目玉中心までの距離、nは後軸中心からエアベローズ中心までの距離とする。

--

0015

0016

車両の総質量Mは、その大略の推定値を操作入力により与えることもできる。この場合には、積み荷などの大きさを数段階に区分されたいずれかを運転者が入力操作により指定することができるような入力手段を設けることが望ましい。車両の総質量Mを演算推定する手段についてはさらに後から説明する。

0016

0017

上記(1)式について説明する。制動時に車両に作用する質量は総質量Mからバネ下質量Jを差引いた値M−Jとなり、この値に制動時の加速度Gを乗じた値
(M−J)×G
が制動時に車両の進行方向にかかる荷重となる。

0017

車両総質量Mの車両が進行方向の左側に横方向加速度Gyを受けたとすると、点aまわりには、
(T/2)×M×Gy
モーメントが作用する。一方、重力の加速度gにより重心位置には路面に向けて、
M×g×H
の荷重が作用する。したがって、重心位置からの垂直線が路面に直交する点oから点aまでの距離T/2と重心高さHとの比が横方向に作用する力M×Gyと重心位置から重力方向に作用する力M×gとの比よりも小さいとき、すなわち
T/2×H<(M×Gy)/M×g
のときにロールオーバが発生する。

0018

したがって、車両には図1に示すように進行方向にこの荷重に車両重心高さHを乗じたモーメント
Mo1=(M−J)×G×H
が作用する。

0018

0019

一方、同図に示すように、前軸の中心と後軸の中心を通る水平線上の前軸の中心から車両重心の位置までの距離をLf、この車両重心の位置から後軸の中心までの距離をLrとし、制動時に後軸に生じる荷重変化量をΔWrとすると、車両にかかるモーメントは、
Mo2=ΔWr×Lf+ΔWr×Lr=ΔWr(Lf+Lr)
となる。さらに、ホイールベースは、
L=Lf+Lr
であるので、
Mo2=ΔWr×L
となる。このモーメントMo1とMo2とは等しくなるはずであり、
(M−J)×G×H=ΔWr×L
となり、これから車両重心高さHは、
H=(ΔWr×L)/(M−J)×G
となる。これに補正係数kを設けて、
H=k(ΔWr×L)/(M−J)×G (1)
が得られる。補正係数kは原理的には「1」であるが、センサ誤差その他により発生する誤差を配慮したものであり、いったん設計された後に、実験的にこれを適当に設定することが望ましい。実用的には車種によりこの補正係数kを設定することができる。

0019

0020

制動時の加速度Gは前後方向加速度センサにより検出する。制動時の後軸荷重変化量ΔWrは、エアサスペンションのエアベローズ有効半径Bおよびエアベローズの個数Eが既知の値であり、エアベローズの制動時圧力変化量Dは圧力センサにより検出することができる。したがって、エアベローズの有効面積に制動時の圧力変化量を乗じた
ΔWr=(B×B×π)×D×E×C (2)
により演算することができる。

0021

この(2)式中のCはリーフスプリングとエアベローズが受ける荷重の分担比である。この分担比は図3に示すように、後軸中心からリーフスプリングの目玉中心までの距離をm、後軸中心からエアベローズ中心までの距離をnとすると、
C=(m+n)/m (3)
となる。

0022

上記(1)〜(3)式の演算はきわめて単純な演算であり、プログラム演算回路によりきわめて短時間に実行することができる。

0023

次に、本発明の第二の特徴である車両の総質量Mの推定演算について説明する。すなわち、本発明の第二の特徴は、総質量Mの推定演算についてであって、前記車両総質量Mをその車両の発進加速中の時刻t1から時刻t2までの車速の変化(v2−v1)と、その時刻t1からt2までの燃料消費量とから演算する手段を備えたことを特徴とする。車両は加速走行することにより仕事をしたことになる。時刻t1から時刻t2までの間に総質量Mの車両が行った仕事ΔUは、
ΔU={M×(v2 )2 }/2−{M×(v1 )2}/2=M×{(v2 )2−(v1 )2}/2
となる。したがって、車両の総質量Mは、
M=2×ΔU/{(v2 )2−(v1 )2} (4)
により求めることかできる。

0024

車両がΔUの仕事を行うためにはエネルギを必要とする。このエネルギは燃料燃焼により供給される。したがって、時刻t1から時刻t2までに消費した燃料の消費量をQとすれば、その仕事量ΔUは、
ΔU=K×Q ただしKは比例定数(5)
となるので、車両の総質量Mはこの(4)式および(5)式から
M=2×K×Q/{(v2 )2−(v1 )2} (6)
で表すことができ、これにより、燃料消費量Qから車両総質量Mを推定演算することができる。

0025

この車両総質量Mの演算はあらかじめ定められた質量推定条件が成立したときに行う。その推定条件として、まず、車両が平坦路上で停止状態にあるか否かを確認する。勾配のある路上で停止しているときはその勾配抵抗分を加味しなければならないので演算を行わないようにする。次の推定条件として、勾配のない平坦路上での停止状態から車両の発進加速操作が行われたときに、この発進加速操作によってエンジン回転速度が1000rpmから2000rpmの範囲に上昇したか否かを確認する。

0026

エンジン回転速度が1000rpmに達していなければクラッチが完全にミートした状態になく、発進仕方によって燃料噴射量が変動するので演算を行わないようにする。エンジン回転速度が1000rpmを越え2000rpmまでの範囲にあれば、その次の条件としてアクセルストロークが60%を越えているか否か確認する。60%を越えていなければアクセル踏込み操作の仕方によって燃料噴射量が大きく変動するので演算を行わないようにする。アクセルストロークが60%を越えていれば質量推定条件のすべてが成立しているので、時刻t1から時刻t2までの車速の変化(v2 −v1 )およびその間の燃料消費量Qにより車両の総質量Mの演算を行い記憶保持する。

0027

この平坦路上からの発進後に制動が行われたときに、この記憶保持した車両総質量Mおよびエアベローズの圧力変化量Dにより演算した後軸荷重変化量ΔWrを用いて(1)式による車両の重心高さHを演算する。

0028

このように、本発明によれば、きわめて単純化した演算式を用いて、姿勢制御の基本となる車両の重心高さHを正確かつ短時間に演算することができる。これはハードウエア増設することなく、ソフトウエアを変更するだけで簡単に実現することができる。

0029

図1本発明実施例にかかわる制動時の車両に作用するモーメントを説明する図。
図2本発明実施例装置のハードウエア・システム構成図。
図3本発明実施例における後軸荷重の分担比を説明する図。
図4本発明実施例装置の制御回路による質量推定動作の流れを示すフローチャート
図5本発明実施例装置による質量推定を説明する図。
図6本発明実施例装置によりGVWが10トンの車両を平坦路上から実路走行させて実測したデータを示す図。
図7本発明実施例装置によりGVWが15トンの車両を平坦路上から実路走行させて実測したデータを示す図。
図8本発明実施例装置によりGVWが20トンの車両を平坦路上から実路走行させて実測したデータを示す図。
図9本発明実施例装置によりGVWが25トンの車両を平坦路上から実路走行させて実測したデータを示す図。
図10本発明実施例装置によりGVWが25トンの車両を下り勾配路上から実路走行させて実測したデータを示す図。
図11本発明実施例装置の制御回路による車両の重心高さ推定動作の流れを示すフローチャート。
図12(a)は本発明実施例装置により推定演算された高荷および平荷での重心高さの推定値を示す図、(b)はそのときの減速加速度を示す図。
図13ロールオーバの条件を説明する図。

0030

1制御回路
2前後方向加速度センサ
車輪回転センサ
4クラッチ・スイッチ
ガバナ制御回路
6エアベローズ圧力センサ
横方向加速度センサ
ロールレイトセンサ
ヨーレイトセンサ
10操舵ハンドル
11操舵角センサ
12ブレーキ・ブースタアクチュエータ
13 ブレーキ圧センサ

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