JP2009050077A

JP2009050077A - ヨーレート制御装置および制御方法

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Publication number: JP2009050077A
Application number: JP2007213185A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujimoto; 博志藤本; Takeshi Karino; 岳史狩野
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: JP4925455B2

Abstract

【課題】ヨーレート制御のみでは車体の姿勢を制御できない路面においても安定に走行することが可能な、車輪速度制御に基づくスリップ率制御とヨーレート制御の協調制御を行うスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置及びその方法を提供すること。
【解決手段】ＹＭＯを用いたヨーレート制御器を含む走行安定化制御系にスリップ率制御器を組み込み、上位のヨーレート制御系から与えられた駆動力指令を、低μ路のドライビングスティフネスを用いてスリップ率の指令値に換算し、下位のスリップ率制御系に与える。ドライビングスティフネスは、リアルタイムに推定しスリップ率制御に用いることにより、路面変化に対してよりロバストなスリップ率制御を行うことができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、スリップ率制御に基づくヨーレート制御装置および制御方法に関し、より詳細には、スリップ率を適切に保つことで車輪の空転を防ぎ、車両の旋回能力を高めるスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置および制御方法に関する。

電気自動車（ＥＶ）の特徴はモータを動力とする点である。モータには内燃機関に比べて、トルク応答が速い、発生するトルクが正確に把握できる、小型軽量であるため分散配置して独立駆動できるなどの利点がある（非特許文献１参照）。これまでに、インホイールモータを持つ電気自動車に対して、低μ路において安定して走行するためのトラクション制御（アンチスリップコントロール：ＡＳＣ）や、走行中のヨー外乱の影響を抑圧するヨーレート制御（ヨーモーメントオブザーバ：ＹＭＯ）が提案され、シミュレーションや実験により、その有効性が確認されている（非特許文献２参照）。またＹＭＯに基づいたコーナリングスティフネス推定法が提案され、さらにＡＳＣと組み合わせることで低μ路においても外乱の影響を抑えられることも確認されている（非特許文献３参照）。さらに、車両の前後輪のコーナリングスティフネスの独立推定に基づいた車体横滑り角推定法なども提案されている（非特許文献４参照）。

低μ路においては、車輪が空転しやすいため、ＹＭＯの要求するヨーモーメントが左右のインホイールモータの駆動力差により充分に発生できない状況が考えられ、このような時ではＡＳＣによる空転抑制が効果的となる。しかし空転の可能性の低い高μ路においては、ＡＳＣにより瞬発的な駆動力を削がれることで速やかなヨーモーメント生成を妨げ、ヨーレート制御に悪影響をもたらすことが考えられる。このように、ＹＭＯとＡＳＣを組み合わせた場合、ＹＭＯの要求する駆動力指令にＡＳＣが干渉する、すなわち、ＹＭＯの要求する駆動力に対してＡＳＣがスリップ防止のために駆動力を抑制することで、ヨーレート制御の性能が低下することについては、ＹＭＯとＡＳＣの干渉の影響を軽減する手法が提案されている（非特許文献５参照）。さらに、路面状況に応じてＡＳＣのゲインをチューニングし乾燥路でのヨーレート制御性能の低下を抑制する方法も提案されている（非特許文献６参照）。

Y. Hori: "Future Vehicle Driven by Electricity and Control-Research on Four-Wheel-Motored: UOT Electric March II", IEEE Trans. IE, Vol. 51, No. 5, 2004. Y. Hori、 "Future Vehicle Driven by Electricity and Control-Research on Four-Wheel-Motored: UOT Electric March II"、 IEEE Trans. IE、 Vol. 51、 No. 5、 2004. T. Saito、 H. Fujimoto、 T. Noguchi、 "Traction and Steering Stabilization Control for Electic Vehicle Based on Slip and Yaw-Moment Observers"、 Proc. IEEE of Japan、 Technical Meeting Record、 IIC-03-52、 pp. 41-46、 2003. (in Japanese) A. Tsumasaka、 H. Fujimoto、 T. Noguchi、 "Running Stabilization Control of Electric Vehicle Based on Cornering Stiffness Estimation"、 IEEE Trans. IA、 Vol. 126、 No. 7、 pp. 996-1002、 2006. (in Japanese) N. Takahashi、 H. Fujimoto、 A. Tsumasaka、 T. Noguchi、 "Proposal of Body Slip Angle Estimation for Electric Vehicle Based on Identification of Front and Rear cornering Stiffness Coefficients"、 IIC-05-73、 pp. 89-94、 2005. (in Japanese) T. Kanou、 H. Fujimoto、 "Experimental Study on Cooperative Traction Control with Yaw-rate Control for Electric Vehicle"、 IIC-07-83、 pp. 77-82、 2007. (in Japanese) K. Fujii, H. Fujimoto, "Slip ratio Control Based on Wheel Speed Control without Detection Vehicle Speed for Electric Vehicle", VT-07-05, pp. 27-32, 2007. (in Japanese) Hideo Sado, Shin-ichiro Sakai and Yoichi Hori: "Road ConditionEstimation for Traction Control in Electic Vehicle", In Proc. 1999 IEEE International Symposium on Industrial Electronics,pp.973-978, 1999.

しかしながら、従来のＡＳＣでは低μ路におけるトラクション制御には限界があり、ＹＭＯとＡＳＣの干渉を軽減できてもヨーレート制御が大きく阻害されるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ヨーレート制御のみでは車体の姿勢を制御できない路面においても安定に走行することが可能な、車輪速度制御に基づくスリップ率制御とヨーレート制御の協調制御を行うスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置及びその方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、トルク指令に基づき第１および第２のモータを制御するモータ制御手段を有した、前記第１および第２モータで第１および第２の駆動輪をそれぞれ駆動する自動車のヨーレートを制御するスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置において、所与の舵角から所定のヨーレート指令値を算出するヨーレート演算手段と、入力されたヨーレートからモーメントを算出するモーメント演算手段と、外乱を抑圧するヨーレートオブザーバ（ＹＭＯ）であって、計測されたヨーレートと前記モーメントからヨー軸周りのモーメントである駆動力モーメントを生成するＹＭＯと、前記駆動力モーメントと前記第１および第２の駆動輪に対する駆動力指令の和であるアクセル指令値とに基づいて第1の駆動輪に対応する第１の駆動力指令値と第２の駆動輪に対応する第２の駆動力指令値を算出するトルク分配演算手段と、前記第１および第２の各トルク指令値をそれぞれ第１および第２のスリップ率指令値に変換するトルク・スリップ率変換手段と、前記第１および第２のスリップ率指令値からスリップ率推定に基づいてスリップ率制御された第３および第２のトルク指令値を算出するスリップ率制御手段とを備え、前記ＹＭＯは、タイヤの横力が発生するコーナリングフォースによるモーメント及び横風などによる外乱モーメントを外乱として扱い、前記モータ制御手段は、前記第１のトルク指令値に基づいて前記第１の駆動輪の第１のモータを制御し、前記第２のトルク指令値に基づいて前記第２の駆動輪の第２のモータを制御することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項1に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置において、前記トルク・スリップ率変換手段は、スリップ率を一定値として算出したドライビングスティフネスに基づいてトルク・スリップ率変換を行うことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項1に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置において、前記トルク・スリップ率変換手段は、前記スリップ率制御手段においてオンラインで推定されたスリップ率から算出されたドライビングスティフネスに基づいてトルク・スリップ率変換を行うことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置において、前記トルク・スリップ率変換手段は、前記第１および第２の両駆動輪に対応するドライビングスティフネスを算出することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２又は３に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置において、前記トルク・スリップ率変換手段は、前記第１の駆動輪に対応する第１のドライビングスティフネスと前記第２の駆動輪に対応する第２のドライビングスティフネスとをそれぞれ算出することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、トルク指令に基づき第１および第２のモータを制御するモータ制御ステップを有した、前記第１および第２モータで第１および第２の駆動輪をそれぞれ駆動する自動車のヨーレートを制御するスリップ率制御に基づくヨーレート制御ステップにおいて、所与の舵角から所定のヨーレート指令値を算出するヨーレート演算ステップと、入力されたヨーレートからモーメントを算出するモーメント演算ステップと、ヨーレートオブザーバ（ＹＭＯ）を構成して外乱を抑圧する外乱抑圧ステップであって、計測されたヨーレートと前記モーメントからヨー軸周りのモーメントである駆動力モーメントを生成する外乱抑圧ステップと、前記駆動力モーメントと前記第１および第２の駆動輪に対する駆動力指令の和であるアクセル指令値とに基づいて前記第1の駆動輪に対応する第１の駆動力指令値と前記第２の駆動輪に対応する第２の駆動力指令値を算出するトルク分配演算ステップと、前記第１および第２の各トルク指令値をそれぞれ第１および第２のスリップ率指令値に変換するトルク・スリップ率変換ステップと、前記第１および第２のスリップ率指令値からスリップ率推定に基づいてスリップ率制御された第３および第２のトルク指令値を算出するスリップ率制御ステップとを有し、前記外乱抑圧ステップは、タイヤの横力が発生するコーナリングフォースによるモーメント及び横風などによる外乱モーメントを外乱として扱い、前記モータ制御ステップは、前記第１のトルク指令値に基づいて前記第１の駆動輪の第１のモータを制御し、前記第２のトルク指令値に基づいて前記第２の駆動輪の第２のモータを制御することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御方法において、前記トルク・スリップ率変換ステップは、スリップ率を一定値として算出したドライビングスティフネスに基づいてトルク・スリップ率変換を行うことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項６に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御方法において、前記トルク・スリップ率変換ステップは、前記スリップ率制御手段においてオンラインで推定されたスリップ率から算出されたドライビングスティフネスに基づいてトルク・スリップ率変換を行うことを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御方法において、前記トルク・スリップ率変換ステップは、前記第１および第２の両駆動輪に対応するドライビングスティフネスを算出することを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項７又は８に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御方法において、前記トルク・スリップ率変換ステップは、前記第１の駆動輪に対応する第１のドライビングスティフネスと前記第２の駆動輪に対応する第２のドライビングスティフネスとをそれぞれ算出することを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、トルク指令に基づき第１から第４のモータを制御するモータ制御手段を有した、前記第１から第４モータで第１から第４の駆動輪をそれぞれ駆動する自動車のヨーレートを制御するスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置において、所与の舵角から所定のヨーレート指令値を算出するヨーレート演算手段と、入力されたヨーレートからモーメントを算出するモーメント演算手段と、外乱を抑圧するヨーレートオブザーバ（ＹＭＯ）であって、計測されたヨーレートと前記モーメントからヨー軸周りのモーメントである駆動力モーメントを生成するＹＭＯと、前記駆動力モーメントと前記第１から第４の駆動輪に対する駆動力指令の和であるアクセル指令値とに基づいて第1から第４の駆動輪に対応する第１から第４の駆動力指令値を算出するトルク分配演算手段と、前記第１から第４の各駆動力指令値をそれぞれ第１から第４のスリップ率指令値に変換するトルク・スリップ率変換手段と、前記第１から第４のスリップ率指令値からスリップ率検出或いは推定に基づいてスリップ率制御された第１から第４のトルク指令値を算出するスリップ率制御手段とを備え、前記ＹＭＯは、タイヤの横力が発生するコーナリングフォースによるモーメント及び横風などによる外乱モーメントを外乱として扱い、前記モータ制御手段は、前記第１から第４のトルク指令値に基づいて前記第１から第４の駆動輪の第１から第４のモータを制御することを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、トルク指令に基づき第１から第４のモータを制御するモータ制御ステップを有した、前記第１から第４モータで第１から第４の駆動輪をそれぞれ駆動する自動車のヨーレートを制御するスリップ率制御に基づくヨーレート制御ステップにおいて、所与の舵角から所定のヨーレート指令値を算出するヨーレート演算ステップと、入力されたヨーレートからモーメントを算出するモーメント演算ステップと、ヨーレートオブザーバ（ＹＭＯ）を構成して外乱を抑圧する外乱抑圧ステップであって、計測されたヨーレートと前記モーメントからヨー軸周りのモーメントである駆動力モーメントを生成する外乱抑圧ステップと、前記駆動力モーメントと前記第１から第４の駆動輪に対する駆動力指令の和であるアクセル指令値とに基づいて前記第1から第４の駆動輪に対応する第１から第４の駆動力指令値を算出するトルク分配演算ステップと、前記第１から第４の各駆動力指令値をそれぞれ第１から第４のスリップ率指令値に変換するトルク・スリップ率変換ステップと、前記第１から第４のスリップ率指令値からスリップ率推定に基づいてスリップ率制御された第１から第４のトルク指令値を算出するスリップ率制御ステップとを有し、前記外乱抑圧ステップは、タイヤの横力が発生するコーナリングフォースによるモーメント及び横風などによる外乱モーメントを外乱として扱い、前記モータ制御ステップは、前記第１から第４のトルク指令値に基づいて前記第１から第４の駆動輪の第１から第４のモータを制御することを特徴とする。

本発明によれば、ヨーレート制御のみでは車体の姿勢を制御できない路面においても安定に走行することが可能になる。また、路面状況に応じてスリップ率制御することにより、高μ路においてもヨーレート制御の精度を高めることが可能になる。また、従来のＡＳＣに比べ、より応答性の良いトラクション制御が可能になる。

電気自動車は、駆動輪に接続されたモータの駆動力が駆動輪に伝達されて走行する。電源から出力された電流は、インバータを介してモータに供給される。モータは、制御手段としての電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称す）にインバータを介して電気的に接続されており、モータの出力は、ECUからの指令に基づいてインバータによって制御される。ＥＣＵは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵには、モータの発生トルクを測定するトルク測定器、モータに装備された位置センサ、車体に生じる加速度を測定する加速度センサがインバータを介して電気的にそれぞれ接続されている。

以下、図面を参照しながらECUに実装される本発明の実施形態について詳細に説明する。
１．ヨーモーメントオブザーバを用いた走行安定化制御
１．１車両運動方程式
図１に、車両モデルとして四輪を車軸に関して対象と仮定した二輪車モデルを示す。このように単純化した二輪車モデルを想定し、車体のローリングを無視し、一定速度で走行していると仮定する。この車両モデルの水平面内における運動方程式は次式で表される。

ただし、Ｍは車体質量、Ｖは車体速度、βは車体横滑り角、γはヨーレート、Ｉはヨー軸周りの慣性モーメント、ｌ_f、ｌ_rはそれぞれ車体重心から前輪軸、後輪軸までの距離である。Ｙ_f、Ｙ_rは前輪、後輪のコーナリングフォースであり、タイヤの特性に依存する非線形変数である。

１．２ヨーレート制御法
上記のβやＶを測定するには車体の実速度ベクトルが必要となる。また、コーナリングフォースについては非線形変数であるので測定や推定は困難である。本発明では、これらのパラメータによる影響を外乱モーメントと捉え外乱オブザーバによる一括補償を行う（非特許文献３参照）。

図２に、ＹＭＯを用いた走行安定化制御ブロック図を示す。式（２）の右辺で表されるタイヤに発生するコーナリングフォースによるモーメントをＮ_t、式（２）で考慮されていない路面状況の変化、横風などによる外乱モーメントをＮ_d、実験機の後輪に装着されている二つのインホイールモータの駆動力差により生成できるヨー軸周りのモーメントをＮ_zとする。ここでＮ_dt＝Ｎ_d−Ｎ_tとおくと、式（２）は、

と簡単化される。式（３）において、ヨーレートγを検出し、図２に示すＹＭＯを構成すれば外乱モーメントは抑圧され、

とノミナル化される。本発明に係るシステムでは、生成した駆動力モーメントＮ_zを以下の方法で左右の車輪に駆動力分配する。

ただし、Ｆ^* _acはアクセル指令、Ｆ^* _R、Ｆ^* _Lは右輪、左輪の駆動力指令、ｌ_pは各モータから車軸中心までの距離である。トルク分配則（ＴＤＬ）である式（５）、（６）を解くことで、左右それぞれの駆動力を決定することができる。さらに

として、各車輪駆動モータに対するトルク指令を決定する。ただし、ｒは車輪半径である。

モータに出力トルクリミッタがある場合、Ｎ_zとＦ^* _acが共に大きいと、式（５）、（６）の条件を満たせなくなることがある。その際に、本発明ではアクセル指令Ｔ^* _acを引き下げることで駆動力モーメントＮ_zの生成を優先して確保するものとする。

２．スリップ率制御に基づくヨーレート制御
ヨーレート制御では左右の駆動力差によりヨーモーメントを発生し車体の姿勢を制御するが、低μ路などにおいては、駆動輪が空転することによってヨーレート制御コントローラの求めるヨーモーメントが得られなかったり、駆動輪のコーナリングフォースが著しく減少したりすることから、特に後輪駆動車の場合スピンし易くなる。

乾燥路において車体速度がほぼ一定のヨーレート制御では、車輪角速度の変動

（ωｄｏｔ）が充分に小さいため式（１０）より式（７）、（８）も成り立つ。しかし、低μ路においては、加減速を伴う旋回を行うと車輪は容易に空転し、ωｄｏｔが大きな値を持つため式（７）、（８）は成立しない。このときヨーレート制御のために正確に駆動力を制御するにはスリップ率制御が有効である。

図３に、左右輪の駆動力指令値から左右輪のトルク指令値を生成するスリップ率制御器（ＳＲＣ）のブロック図を示す。上位のヨーレート制御系から与えられた駆動力指令を、低μ路のドライビングスティフネスを用いてスリップ率の指令値に換算し、下位のスリップ率制御系に与えることでより正確な駆動力配分を実現する。

ただし、λ^*はスリップ率指令値、Ｆ^* _dは駆動力指令値、Ｄ_snはドライビングスティフネスノミナル値である。ドライビングスティフネスは、予め推定した値を用いても、リアルタイムに同定したオンライン値を用いてもよく、オンライン値を用いた場合は路面変化に対応したより正確な駆動力制御が可能となる。スリップ率指令値が過大となる場合は、適当な値でスリップ率指令値にリミッタを設ける。図４に、本発明の一実施形態に係るＹＭＯを用いた走行安定化制御器にＳＲＣを組み込んだスリップ率制御に基づくヨーレート制御ブロック図を示す。これによりヨーレート制御性能は抑制されるものの車輪の空転による車体のヨー軸回りのスピンを防ぐことができる。尚、図３、４には、車体速度からスリップ率を算出するスリップ率制御器のブロック図を示したが、本発明において用いるスリップ率制御としては、これに替えて車体速度検出不要なスリップ率推定に基づくスリップ率制御器（非特許文献７参照）としてもよい。

２．１スリップ率制御
２．１．１スリップ率推定
モータのトルク応答の時定数が非常に小さいと仮定するとき、車両の運動方程式は以下の式で表現できる。

各変数は、モータの回転角速度ω、車体速度Ｖ、車輪速度Ｖ_ω、モータトルクＴ、駆動力Ｆ_d、走行抵抗Ｆ_drとする。各定数は、車体質量Ｍ、タイヤ半径ｒ、車輪回転慣性モーメントＪ_ωとする。またスリップ率λは下記の式（１３）で表されるが、本発明では駆動時のみ考えるものとしｍａｘ（Ｖ_ω、Ｖ）＝Ｖ_ωとする。

この式（１３）を両辺時間微分し、式（１０）から（１２）を式（１３）に代入し、Ｖ_ω、Ｖ、Ｆ_dを消去すると以下の式（１４）を得ることが出来る。

ただし、Ｊ（λ）は車輪と車体を合わせた回転部分の実際の慣性モーメントである。この式に基づいた以下のスリップ率推定器が提案されている（非特許文献７参照）。

センサから得た車輪速度ωと推定して得られたスリップ率

（λｈｕｔ）から車体速度の推定値を得ることが出来る。そして車体速度と目標スリップ率から目標車輪速度ω^*を計算することが出来る。

これより、一般的に使用されているモータの電流制御ループの外側に速度ループを組んだ回転速度制御を用いることで、スリップ率制御を実現する。

制御器はＰＩ制御器を用いる。一般的に速度ループは車輪の慣性モーメントを用いて以下の式に基づいて極配置法により制御ゲインを決定する。

しかし式（１４）より車体全体の慣性モーメントはスリップ率に応じて変化するため車輪の慣性モーメントのみで制御器を設計すると、スリップ率の変化に応じて相対的に制御器の極が変化する。そこで式（１４）のＪ（λ）＝Ｊ_ω＋ｒ²Ｍ（１−λ）に対して極が一定になるように制御ゲインをオンラインチューニングする。

ここでは、スリップ率制御として一例を挙げたが、スリップ率制御であればこれに替えて他のスリップ率制御を用いてもよい。

３．シミュレーション
低μ路において加速旋回する際のコンピュータシミュレーションを行った。車両モデルは車体質量４８０ｋｇ、ヨー慣性モーメント３５１Ｎｍｓ２、ホイールベース１．７１ｍ、トレッド０．８１５ｍである。時速１６ｋｍ／ｈで走行中に舵角を１８０ｄｅｇ（実舵角５．８３ｄｅｇに相当）切って加速旋回する。駆動トルクは１４０Ｎｍ（片輪７０Ｎｍ）とし、カットオフ周波数１０ｒａｄ／ｓのＹＭＯを用いたヨーレート制御を行う。ヨーレート制御器はノミナルプラント１Ｉｎｓに対して閉ループ極を−５ｒａｄ／ｓに配置した比例制御とした。スリップ率制御の極は−２０ｒａｄ／ｓとし、式（９）で使用するドライビングスティフネスはシミュレータ内の低μ路における値である４５００とした。

なお本実施形態の車両シミュレータでは、２次元タイヤモデル／発生力計算プログラム２Ｄ−ＴｉｒｅＭｏｄｅｌｖｅｒ１．０を使用している（非特許文献８）。

図５に、本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合と、制御なしの場合における車両の走行軌跡を示す。非制御時は旋回を始めると、ヨーモーメントによる姿勢制御が行われないため車体は外側に流れ、特に後輪駆動であるため後輪のコーナリングフォースが著しく減少しスピンし始めている。従来のヨーレート制御のみを行った場合でも、車体のスピンを抑える方向にヨーモーメントを発生させるため左右のモータに逆符号の過大なトルク指令が与えられ、両輪に大空転が発生しスピンに至っている。図６に、本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合の左右輪のスリップ率を示す。この図６からもスピンを抑える方向に駆動力を発生させて空転している様子が分かる。本発明に係るヨーレート制御にスリップ率制御を加えた場合では、スピンすることなく安定して旋回できている。図７に、本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合と、制御なしの場合と、ヨーレート指令値を示す。スリップ率制御に基づくヨーレート制御では、スリップ率を抑えることで車輪のコーナリングフォースで旋回できており、不足分をヨーモーメントで補うことで乾燥路と同等の旋回性能を得られている。

４．実験結果
小型の電気自動車を用いて走行実験を行った。実験環境は、アルミ製の板を並べて散水することでつくった低μ路面とした。実験条件はシミュレーションと同様とするが、スリップ率制御の極は−５０ｒａｄ／ｓとした。式（９）で使用するドライビングスティフネスは、実験環境において測定したスリップ率と駆動力オブザーバ(非特許文献９参照)から得た駆動力から約４０００と求めた。なお、実験では簡単のため車体速度は推定値ではなくセンサより得た値を使用して制御を行っている。図８に、本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合と、制御なしの場合のヨーレート応答とヨーレート指令値を示す。ヨーレート指令値は乾燥路を同程度の車体速度、操舵角で走行した時のヨーレート応答を基に０．４ｒａｄ／ｓとした。非制御の場合では後輪が空転しスピンしている。ヨーレート制御のみの場合でも初期は姿勢を維持しようとするが、ヨーモーメント発生のための駆動力により後輪が空転しスピンしている。ヨーレート制御にスリップ率制御を組み合わせた場合ではそのような空転によるスピンを回避し、乾燥路と同等な旋回が行えている。

図９に、本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合における左輪のスリップ率応答を示す。ヨーレート制御のみではスリップ率が増大し空転してしまうが、スリップ率制御を組み合わせることで、適切な値に抑えられている。

図１０に、本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合と、制御なしの場合における横加速度応答を示す。非制御の場合では横加速度の絶対値が増大し車体が横滑りしていることが分かる。ヨーレート制御のみ行う場合ではヨーレート応答の改善に従い、横加速度応答も比較的改善されるが、スリップ率制御を組み合わせることにより更に改善されることが分かる。

以上のことから、スリップ率制御に基づいたヨーレート制御の優位性を低μ路において示す事ができた。現在定数としてスリップ率制御に用いているドライビングスティフネスをオンラインで推定し、その値を用いてスリップ率制御を行うことが出来れば、路面変動などに対し、より正確なヨーレート制御の実現が期待できる。

５．ドライビングスティフネス推定
前章で述べたように、路面の粘着状態を示す重要なパラメータであり時々刻々と変化するドライビングスティフネスを、定数からリアルタイムに推定しスリップ率制御に用いることにより、路面変化に対してよりロバストなスリップ率制御を行うことができる。以下でドライビングスティフネスの推定法と、路面状態が変化した時の効果をシミュレーションにより示す。

５．１左右輪独立推定法
まず左右各輪のドライビングスティフネスを独立に推定する方法について述べる。車両の前後並進方向の運動方程式は以下のように表される。

ただし、Ｍは車体質量、Ｖｄｏｔは車体加速度、Ｄ_sR、Ｄ_sLは左右駆動輪と路面間のドライビングスティフネス、λ_R、λ_Lは左右駆動輪のスリップ率である。これを変形して次式を得る。

上式のリグレッサ［ξ₁、ξ₂］と出力Ｖｄｏｔにより、未知パラメータであるドライビングスティフネス［Ｄ_sR、Ｄ_sL］を推定することを考える。リグレッサはスリップ率λを推定あるいは計測することで計算することが出来る。

この推定式に忘却係数λを用いた逐次形最小二乗法を用い、次式に基づき推定する。

つぎに簡単のために左右のドライビングスティフネスを等しいものと仮定（Ｄ_sR＝Ｄ_sL＝Ｄ_s）とすることにより推定パラメータを１個にする方法について述べる。すなわち式（１８）を変形して次式を得る。

この推定式に忘却係数λを用いた逐次型最小二乗法を用いて推定する。

６．３シミュレーション
ドライビングスティフネスのリアルタイム推定を用いたスリップ率制御を用いた、ヨーレート制御のシミュレーションを行った。シミュレーション条件は前章のものと同様とするが、路面の摩擦係数の変化（低μ路（μ＝０．２５）から高μ路（μ＝０．９）へ進入）を伴うものとする。路面の摩擦係数の変化はドライビングスティフネスに大きく影響するため、リアルタイムに路面状態を推定することでより正確なスリップ率制御が期待できる。

図１１に、ドライビングスティフネスに定数値を用いたものと、推定値を用いたものの車両の走行軌跡を示す。推定値を用いることでスリップ率を適切に保つことができるため車輪の空転を防ぎ、より旋回能力を高めていることが分かる。図１２に、そのときの本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御において推定されたドライビングスティフネスを示す。高μ路に進入する２ｓｅｃからドライビングスティフネスが大きく増大している様子が分かる。以上からドライビングスティフネス推定値を用いることで路面変動に対してスリップ率制御のロバスト性を高めることが期待できる。

また、これまで２輪駆動車を対象として説明してきたが、本発明は４輪駆動車にも適用可能である。例えば、駆動力指令値Ｆ^* _R、Ｆ^* _Lを半分ずつ前後に割振ってスリップ率指令値に変換し、その指令値に基づいて各輪のスリップ率制御を行うようにすればよい。

車両モデルとして四輪を車軸に関して対象と仮定した二輪車モデルを示す図である。ＹＭＯを用いた走行安定化制御ブロック図である。左右輪の駆動力指令値から左右輪のトルク指令値を生成するスリップ率制御器（ＳＲＣ）のブロック図である。本発明の一実施形態に係るＹＭＯを用いた走行安定化制御器にＳＲＣを組み込んだスリップ率制御に基づくヨーレート制御ブロック図である。本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合と、制御なしの場合における車両の走行軌跡を示す図である。本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合の左右輪のスリップ率を示す図である。本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合と、制御なしの場合と、乾燥路におけるヨーレートを示す図である。本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合と、制御なしの場合と、乾燥路におけるヨーレート応答を示す図である。本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合における左輪のスリップ率応答を示す図である。本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御およびヨーレート制御のみの各場合と、制御なしの場合における横加速度応答を示す図である。ドライビングスティフネスに定数値を用いたものと、推定値を用いたものの車両の走行軌跡を示す図である。本発明の一実施形態に係るスリップ率制御に基づくヨーレート制御において推定されたドライビングスティフネスを示す図である。

Claims

トルク指令に基づき第１および第２のモータを制御するモータ制御手段を有した、前記第１および第２モータで第１および第２の駆動輪をそれぞれ駆動する自動車のヨーレートを制御するスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置において、
所与の舵角から所定のヨーレート指令値を算出するヨーレート演算手段と、
入力されたヨーレートからモーメントを算出するモーメント演算手段と、
外乱を抑圧するヨーレートオブザーバ（ＹＭＯ）であって、計測されたヨーレートと前記モーメントからヨー軸周りのモーメントである駆動力モーメントを生成するＹＭＯと、
前記駆動力モーメントと前記第１および第２の駆動輪に対する駆動力指令の和であるアクセル指令値とに基づいて第1の駆動輪に対応する第１の駆動力指令値と第２の駆動輪に対応する第２の駆動力指令値を算出するトルク分配演算手段と、
前記第１および第２の各駆動力指令値をそれぞれ第１および第２のスリップ率指令値に変換するトルク・スリップ率変換手段と、
前記第１および第２のスリップ率指令値からスリップ率検出或いは推定に基づいてスリップ率制御された第１および第２のトルク指令値を算出するスリップ率制御手段と
を備え、前記ＹＭＯは、タイヤの横力が発生するコーナリングフォースによるモーメント及び横風などによる外乱モーメントを外乱として扱い、前記モータ制御手段は、前記第１のトルク指令値に基づいて前記第１の駆動輪の第１のモータを制御し、前記第２のトルク指令値に基づいて前記第２の駆動輪の第２のモータを制御することを特徴とするスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置。
前記トルク・スリップ率変換手段は、スリップ率を一定値として算出したドライビングスティフネスに基づいてトルク・スリップ率変換を行うことを特徴とする請求項１に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置。
前記トルク・スリップ率変換手段は、前記スリップ率制御手段においてオンラインで推定されたスリップ率から算出されたドライビングスティフネスに基づいてトルク・スリップ率変換を行うことを特徴とする請求項１に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置。
前記トルク・スリップ率変換手段は、前記第１および第２の両駆動輪に対応するドライビングスティフネスを算出することを特徴とする請求項２又は３に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置。
前記トルク・スリップ率変換手段は、前記第１の駆動輪に対応する第１のドライビングスティフネスと前記第２の駆動輪に対応する第２のドライビングスティフネスとをそれぞれ算出することを特徴とする請求項２又は３に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置。
トルク指令に基づき第１および第２のモータを制御するモータ制御ステップを有した、前記第１および第２モータで第１および第２の駆動輪をそれぞれ駆動する自動車のヨーレートを制御するスリップ率制御に基づくヨーレート制御ステップにおいて、
所与の舵角から所定のヨーレート指令値を算出するヨーレート演算ステップと、
入力されたヨーレートからモーメントを算出するモーメント演算ステップと、
ヨーレートオブザーバ（ＹＭＯ）を構成して外乱を抑圧する外乱抑圧ステップであって、計測されたヨーレートと前記モーメントからヨー軸周りのモーメントである駆動力モーメントを生成する外乱抑圧ステップと、
前記駆動力モーメントと前記第１および第２の駆動輪に対する駆動力指令の和であるアクセル指令値とに基づいて前記第1の駆動輪に対応する第１の駆動力指令値と前記第２の駆動輪に対応する第２の駆動力指令値を算出するトルク分配演算ステップと、
前記第１および第２の各駆動力指令値をそれぞれ第１および第２のスリップ率指令値に変換するトルク・スリップ率変換ステップと、
前記第１および第２のスリップ率指令値からスリップ率推定に基づいてスリップ率制御された第１および第２のトルク指令値を算出するスリップ率制御ステップと
を有し、前記外乱抑圧ステップは、タイヤの横力が発生するコーナリングフォースによるモーメント及び横風などによる外乱モーメントを外乱として扱い、前記モータ制御ステップは、前記第１のトルク指令値に基づいて前記第１の駆動輪の第１のモータを制御し、前記第２のトルク指令値に基づいて前記第２の駆動輪の第２のモータを制御することを特徴とするスリップ率制御に基づくヨーレート制御方法。
前記トルク・スリップ率変換ステップは、スリップ率を一定値として算出したドライビングスティフネスに基づいてトルク・スリップ率変換を行うことを特徴とする請求項６に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御方法。
前記トルク・スリップ率変換ステップは、前記スリップ率制御手段においてオンラインで推定されたスリップ率から算出されたドライビングスティフネスに基づいてトルク・スリップ率変換を行うことを特徴とする請求項６に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御方法。
前記トルク・スリップ率変換ステップは、前記第１および第２の両駆動輪に対応するドライビングスティフネスを算出することを特徴とする請求項７又は８に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御方法。
前記トルク・スリップ率変換ステップは、前記第１の駆動輪に対応する第１のドライビングスティフネスと前記第２の駆動輪に対応する第２のドライビングスティフネスとをそれぞれ算出することを特徴とする請求項７又は８に記載のスリップ率制御に基づくヨーレート制御方法。
トルク指令に基づき第１から第４のモータを制御するモータ制御手段を有した、前記第１から第４モータで第１から第４の駆動輪をそれぞれ駆動する自動車のヨーレートを制御するスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置において、
所与の舵角から所定のヨーレート指令値を算出するヨーレート演算手段と、
入力されたヨーレートからモーメントを算出するモーメント演算手段と、
外乱を抑圧するヨーレートオブザーバ（ＹＭＯ）であって、計測されたヨーレートと前記モーメントからヨー軸周りのモーメントである駆動力モーメントを生成するＹＭＯと、
前記駆動力モーメントと前記第１から第４の駆動輪に対する駆動力指令の和であるアクセル指令値とに基づいて第1から第４の駆動輪に対応する第１から第４の駆動力指令値を算出するトルク分配演算手段と、
前記第１から第４の各駆動力指令値をそれぞれ第１から第４のスリップ率指令値に変換するトルク・スリップ率変換手段と、
前記第１から第４のスリップ率指令値からスリップ率検出或いは推定に基づいてスリップ率制御された第１から第４のトルク指令値を算出するスリップ率制御手段と
を備え、前記ＹＭＯは、タイヤの横力が発生するコーナリングフォースによるモーメント及び横風などによる外乱モーメントを外乱として扱い、前記モータ制御手段は、前記第１から第４のトルク指令値に基づいて前記第１から第４の駆動輪の第１から第４のモータを制御することを特徴とするスリップ率制御に基づくヨーレート制御装置。
トルク指令に基づき第１から第４のモータを制御するモータ制御ステップを有した、前記第１から第４モータで第１から第４の駆動輪をそれぞれ駆動する自動車のヨーレートを制御するスリップ率制御に基づくヨーレート制御ステップにおいて、
所与の舵角から所定のヨーレート指令値を算出するヨーレート演算ステップと、
入力されたヨーレートからモーメントを算出するモーメント演算ステップと、
ヨーレートオブザーバ（ＹＭＯ）を構成して外乱を抑圧する外乱抑圧ステップであって、計測されたヨーレートと前記モーメントからヨー軸周りのモーメントである駆動力モーメントを生成する外乱抑圧ステップと、
前記駆動力モーメントと前記第１から第４の駆動輪に対する駆動力指令の和であるアクセル指令値とに基づいて前記第1から第４の駆動輪に対応する第１から第４の駆動力指令値を算出するトルク分配演算ステップと、
前記第１から第４の各駆動力指令値をそれぞれ第１から第４のスリップ率指令値に変換するトルク・スリップ率変換ステップと、
前記第１から第４のスリップ率指令値からスリップ率推定に基づいてスリップ率制御された第１から第４のトルク指令値を算出するスリップ率制御ステップと
を有し、前記外乱抑圧ステップは、タイヤの横力が発生するコーナリングフォースによるモーメント及び横風などによる外乱モーメントを外乱として扱い、前記モータ制御ステップは、前記第１から第４のトルク指令値に基づいて前記第１から第４の駆動輪の第１から第４のモータを制御することを特徴とするスリップ率制御に基づくヨーレート制御方法。