JP2009078757A - 車両用路面変位推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両のアクティブ・サスペンション・システムにおける既存のセンサを利用しながら、計算量が少なくて済み、十分な応答性が得られる路面変位の推定装置を提供する。
【解決手段】アクティブ・サスペンション・システムのアクチュエータの制御則として、少なくとも、該アクチュエータから制御対象である車体及び車輪への伝達エネルギを表す項と、該車体及び車輪の振動状態を表す項と、該車体及び車輪の全エネルギ収支を表す項とを、有する関数の積分を最小化するようなものを用いる。この場合、路面変位の推定誤差による悪影響が軽微なものになるので、そのための推定演算式を以下の簡易式（式Ａ）に置き換える。 ｑ_０ ＝ α・Ｍ_１・ｑ_１″／Ｋ_１ ・・・（式Ａ）
但し、αは補正係数、Ｍ_１はばね下部材３の質量、ｑ_１″はばね下部材３の加速度、Ｋ_１はばね下部材のばね定数である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、アクチュエータによって車輪に少なくとも上下方向の制御力を付与するようにしたアクティブ・サスペンション・システムに関し、特に、車両の走行する路面の凹凸等の変位状態を推定する装置に係る。

従来より、この種のアクティブ・サスペンション・システムとしては、例えば特許文献１に開示される電磁サスペンション装置のように、車体と車輪との間に配置したアクチュエータ（リニアモータやボールねじ機構等）によってサスペンションをストロークさせるようにしたものが知られている。

また、特許文献２に記載のアクティブ・スタビライザ装置では、トーションバー式のスタビライザを左右に２分割し、それらの中間に設けたアクチュエータによって互いに逆向きに回転駆動することで、左右の車輪に逆相の制御力を付与するようにしており、これにより左右輪のバウンド、リバウンドを抑制する等、車両のロール剛性を可変制御することができる。
特開２００７−０８３８１３号公報 特開２００６−２３２０２３号公報

ところで、前記のようなアクティブ・サスペンション・システムにおいては、アクチュエータの制御のために路面の凹凸等を測定、或いは推定しなくてはならない場合があるが、そのためだけにセンサ（例えば超音波センサ等）を設けるのはコストアップに繋がり、好ましくない。

一方、システムに既存のセンサによって検出した車輪の挙動等に基づいて路面変位を推定する場合は、一般的に計算量がかなり多くなってしまい、応答遅れが大きくなったり、ＣＰＵの計算負荷が高くなり過ぎたりして問題がある。

また、カルマンフィルタを用いて路面凹凸を推定する手法も提案されているが、これは過去の走行データに基づいて現在の路面の凹凸を推定するものであり、或る程度以上の応答性が要求される制御には利用できない。

斯かる諸点に鑑みて本発明の目的は、車両のアクティブ・サスペンション・システムにおける既存のセンサを利用しながら、計算量が少なくて済み、十分な応答性が得られる路面変位の推定装置を提供することにある。

本発明の発明者は、アクティブ・サスペンション・システムのアクチュエータの制御則として或る種の最適制御則を用いる場合には、路面変位の推定誤差による悪影響が軽微なものになるという新規な知見を得て、そのための推定演算式を簡易式に置き換えることにより、前記の目的を達成した。

すなわち、請求項１の発明は、アクチュエータによって車輪に少なくとも上下方向の制御力を付与するようにした車両のアクティブ・サスペンション・システムにおいて、当該車両の走行する路面の変位を推定する車両用の路面変位推定装置が対象である。

そして、前記アクチュエータへの制御量を演算するための制御則が、少なくとも、当該アクチュエータから制御対象である車体及び車輪への伝達エネルギを表す項と、該車体及び車輪の振動状態を表す項と、該車体及び車輪の全エネルギ収支を表す項とを、有する関数の積分を最小化するような最適制御則である場合に、
前記路面変位推定装置は、車輪を含めたサスペンションのばね下部材の上下方向加速度を検出する加速度検出手段と、少なくとも、前記加速度検出手段により検出されたばね下部材の加速度、該ばね下部材の質量、及び該ばね下部材のばね定数に基づいて、路面変位を推定する路面変位推定手段と、を備えるものとする。

前記の構成では、例えばタイヤ及びホイール等、ばね下部材の質量は予め設定しておくことができ、そのタイヤのばね定数も比較的容易に求めることができるので、加速度検出手段によってばね下部材の加速度が検出されれば、複雑な演算を行うことなく、簡易な推定演算により比較的少ない計算量で、路面変位を推定することが可能になる。

例えば、ばね下部材の加速度ｑ_１″、該ばね下部材の質量Ｍ_１、及び該ばね下部材のばね定数Ｋ_１ に基づいて、以下の（式Ａ）により路面変位ｑ_０を推定演算することができる（請求項２）。この（式Ａ）においてαは補正係数であり、その値を４〜６程度に設定することで、比較的高い推定精度の得られることが実験的に確かめられている。

ｑ_０ ＝α・Ｍ_１・ｑ_１″／Ｋ_１ ・・・ （式Ａ）
前記の（式Ａ）は、アクティブ・サスペンション・システムに通常、設けられている加速度センサや変位センサ等によって検出可能な車体や車輪の挙動に基づいて、路面変位を求める演算式を簡略化したものであり、ばね下部材の加速度ｑ_１″以外は路面状態に因らず略一定とみなすことができるから、計算量は非常に少なくて済む。

一方で、そのような簡易式による路面変位の推定誤差が比較的大きくなることは避けられないが、この推定結果を用いて行われるアクティブ・サスペンション・システムの制御が前記のような最適制御則に従うものであれば、路面変位の推定誤差による悪影響は軽微なものになるので、実用上、問題は生じない。

前記（式Ａ）におけるばね下部材の質量Ｍ_１、ばね定数Ｋ_１、及び補正係数αは、予め車種毎に記憶手段に記憶させておくことができ（請求項３）、こうすれば、車種についての入力設定を行うだけでよいから、利便性が高い。尚、ばね下部材のばね定数Ｋ_１、即ちタイヤのばね定数は、空気圧によって変化するので、タイヤに付設した空気圧センサからの出力に応じて補正することが望ましい。

また、補正係数αの値を車両の走行状態に応じて変更するようにしてもよい（請求項４）。すなわち、前記（式Ａ）は、路面の凹凸によってばね下部材に生じる上下方向加速度の大きさが、その路面の凹凸の大きさに略比例することを示しているが、実際には路面の凹凸によるばね下の上下加速度の大きさは、例えば車速によっても影響を受けるものであり、この点を考慮して補正係数αの値を例えば車速に応じて変更するようにすれば、その影響も加味した推定が行える。

以上、説明したように、本発明に係る車両用の路面変位推定装置によると、アクティブ・サスペンション・システムにおけるアクチュエータの制御を或る種の最適制御則に従って行う場合に、路面変位の推定誤差による悪影響が軽微なものになることに着目し、その推定演算式を前記（式Ａ）のように簡略化することにより、既存のセンサを利用しながら推定演算のための計算量を少なくして、十分な制御応答性を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（アクティブ・サスペンション・システムの概略構成）
図１には、本発明に係るアクティブ・サスペンション・システムＳを搭載した自動車Ａ（車両）を模式的に示し、この例では、図(a)に示すように、前後左右４車輪のサスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，１_ＲＲ，１_ＲＬにそれぞれ電磁アクチュエータ２，２，…を設けている。各輪のサスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…は、タイヤ３ａ、ホイール３ｂ及びそれらを支持するホイールサポート等のサスペンション部材（図示せず）を含めた所謂ばね下部材３を、例えばコイルばね４（板ばねやトーションバー或いは空気ばね等でもよい）及びショックアブソーバ５を介して車体Ｂに連結するものであり、そのコイルばね４等と並列に車体Ｂとの間に設けた電磁アクチュエータ２によって、各輪に少なくとも上下方向の制御力を付与するようになっている。

同図(b)に簡略化して示すように、サスペンション１は、力学的には、タイヤ３ａ及びホイール３ｂ等からなるばね下部材３と、これにコイルばね４及びショックアブソーバ５によって連結されたばね上部材６（主に車体Ｂの分担質量分）とからなる２自由度の振動系とみなすことができる。この場合、図示のように、ばね下部材３の質量をＭ_１、そのばね定数をＫ_１、コイルばね４のばね定数をＫ_２、ショックアブソーバ５の減衰係数をＣとし、ばね上部材６の質量をＭ_２とする。

また、タイヤ３ａの接地する路面の凹凸、即ち上下方向変位をｑ_０、ばね下部材３の上下方向変位をｑ_１、ばね上部材６の上下方向変位をｑ_２とし、電磁アクチュエータ２に入力される制御量をｕ、これにより駆動される電磁アクチュエータ２の発生する力をｆ_ａ（図には示さず）とする。尚、電磁アクチュエータ２の発生力ｆ_ａは、ばね下部材３及びばね上部材６を互いに押し離す向きを正値とし、両者を引き寄せる向きを負値とする。

尚、電磁アクチュエータ２としては、一例としてリニアモータが用いられ、ばね下部材３に連結したロッドには永久磁石が、また、それを囲むようにばね上部材６側には駆動用コイルが、それぞれ配置されている。駆動用コイルへの給電制御によってロッドの進退駆動力が制御されて、ばね下部材３、ばね上部材６へそれぞれ制御力が付与される。勿論、ロッドをばね上に連結してもよい。

そして、各サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…毎の電磁アクチュエータ２，２，…の駆動制御がコントローラ１０によって行われる。図２に模式的に示すように、自動車Ａの車体Ｂには、各車輪毎のサスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…の取付部位（ばね上）に対応して上下方向の加速度ｑ_２″を検出する加速度センサ１１，１１，…と、サスペンション１のストロークｑ_ｓ（＝ｑ_２−ｑ_１）を検出するストロークセンサ１２，１２，…とが備えられ、さらに、所定の車両状態量を検出するための車両状態検出センサ１３も配設されている。

コントローラ１０は、前記の各センサ１１〜１３からの信号を受けて各サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…毎の電磁アクチュエータ２，２，…を制御し、それらの発生する制御力によってサスペンション１のストロークを積極的に変更する。具体的には路面の凹凸等による入力を吸収して、車体への振動伝達を軽減するとともに、慣性力による車体の姿勢変化を抑えるようにして、乗り心地及び運動性能を高次元で両立させる。

より具体的に、コントローラ１０には、加速度センサ１１，１１，…及びストロークセンサ１２，１２，…からの信号に基づいて各サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…毎のばね下部材３の上下方向変位ｑ_１、その速度ｑ_１′及び加速度ｑ_１″、並びにばね上部材６の上下方向変位ｑ_２及びその速度ｑ_２′、即ちサスペンション１の作動状態を表すサスペンション状態量を演算するサスペンション状態量検出部１０ａと、車両状態検出センサ１３からの信号を受けて例えば車速やその変化、即ち急加速や急制動、或いは急操舵等、種々の走行状態を検出する走行状態検出部１０ｂと、が備えられている。

また、コントローラ１０には、前記サスペンション状態量検出部１０ａにより算出されたばね下部材３の加速度ｑ_１″等に基づいて、自動車Ａの走行する路面の変位ｑ_０を推定する路面変位推定部１０ｃ（路面変位推定手段）と、この路面変位ｑ_０や前記サスペンション状態量（ｑ_１、ｑ_１′、ｑ_１″、ｑ_２、ｑ_２′）等に基づいて、電磁アクチュエータ２，２，…への制御出力ｕを演算する制御量演算部１０ｄと、が備えられ、さらに、車両の走行状態に応じて路面変位推定部１０ｃや制御量演算部１０ｄにおける演算の仕方を補正する補正制御部１０ｅ（補正手段）も備えられている。

前記サスペンション状態量検出部１０ａ、走行状態検出部１０ｂ、路面変位推定部１０ｃ、制御量演算部１０ｄ、補正制御部１０ｅのそれぞれの機能は、コントローラ１０のＣＰＵによって所定のプログラムが実行されることにより、実現するものであり、その意味でコントローラ１０は、前記各部１０ａ〜１０ｅをソフトウエア・プログラムの態様で備えている。

特に制御量演算部１０ｄには、前記の如く電磁アクチュエータ２，２，…の作動によりサスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…を積極的にストロークさせて、路面の凹凸等による入力を吸収し、車輪や車体Ｂの振動を抑えるとともに、そのためのエネルギ消費が最小となるように電磁アクチュエータ２，２，…を制御する、制御出力ｕの演算式が設定されている。言い換えると、前記制御出力ｕの演算式は、以下に詳述するような最適制御則に則ったものとされている。

（最適制御則の求め方）
次に、前記のようにコントローラ１０の制御量演算部１０ｄに設定されている制御出力ｕの演算式について、特に、前記のような最適制御のための演算式を導く手法、つまり、最適制御問題の解法について詳細に説明する。

−基本的な考え方−
まず、基本的な考え方から説明する。一般的に最適制御問題では、制御対象の特性を運動方程式で記述し、これを制御する系について種々の観点から定義した評価関数を最大、或いは最小にするような制御則を求めるものであるが、通常、そのような制御則を解析的に導くことは容易ではない。

この点につき本願の発明者らは、機械力学系システムの非線形系を含む比較的広範囲の最適制御問題を解析的に解く方法として、制御対象のエネルギ収支に着目し、システムを漸近安定させる制御則を簡単に導くことのできる手法を考案している。

この手法では、制御対象の特性を運動方程式で記述するのではなく、以下のように制御対象の全入出力パワーの収支の式(1)を用いる。この式(1)は、システムの各自由度毎の運動方程式をベクトル表示し、これに速度ベクトルを乗じたものである。入力パワーには制御入力だけでなく外乱入力も含まれる。尚、制御対象は受動要素だけとは限らないため、内部にエネルギ源があり、これが運動に影響を与えていれば、外乱入力として取り扱う。

前記式(1)において、ｄ，ｅ，ｑ，ｕ，ν，ｚ∈Ｒ^ｎ、Ｍ∈Ｒ^ｎ×ｎは正定対称な慣性マトリックス、ｎは制御対象の自由度である。ｑは一般化座標、ｕは制御入力で、独立なアクチュエータの数はｎとする。νは力入力の外乱、ｚは変位入力の外乱である。ｕとνは直接、慣性に作用し、ｚはばね下を介して慣性に作用するものとする。ｄはコリオリ力や遠心力やダンピング力等、ｅはポテンシャル力である。

制御対象が非線形であっても、制御装置を合理的に設計すれば、式(1)のようにｕを直接、Ｍに作用させることができる。このように合理的に設計された機械力学系システムを想定し、このシステムに対して次の評価関数Ｊを考える。

前記式(2)においてｇは、制御性能の評価を与えるスカラー関数であり、ｕ^Ｔｑ′は、制御装置のアクチュエータから制御対象に加えられるパワー、即ちアクチュエータから伝達されるエネルギである。ｒは重み係数で正定値である。また、この手法では実時間制御を対象とし、有限評価区間を前提としている。前記式(2)を最小化する制御量ｕ(t)を求めることが最適制御問題である。

まず、最適制御の必要条件を求めるために、以下のようなスカラー関数Ｌを定義する。

前記式(3)においてκは未定定数である。右辺の｛｝内は、式(1)の左辺と同じで制御対象の全パワー収支であるから、エネルギ保存則を満たし常にゼロである。従って、式(3)で表される関数Ｌの積分（汎関数）を最小化する条件は、式(2)をも最小化する条件を与える。

よって、Ｌの積分にｑを変数とする変分原理を適用した次式(4)は、制御入力ｕに関する最適制御のための必要条件を与える。Ｌはｕに関して１次式であるから、∂Ｌ／∂ｕには意味がなく、次式(4)に制御に関する全ての情報が含まれることになる。

但し、Ｌにはｑの２回の導関数が含まれるため、一般的なオイラーの方程式に第３項が追加されている。

前記式(4)を積分し、積分定数をゼロとすると、次式(5)が得られる。この式(5)に前記式(3)を代入して左辺第１〜３項を順に第１〜３行として記すと、以下の式(6)のようになる。

そして、前記式(6)から以下の式(7)のように制御則が求まる。

こうして、評価関数Ｊを最小化するｑとｕとの関係を直接、導くことができるため、従来一般的な手法のように２点境界値問題を最適性の原理を用いて解くプロセスは不用になる。κは未定定数であるが、κ＝０のときにｕは、評価関数のパラメータのみで定まることになり、一方、κ＝∞のときにｕは、制御対象のパラメータのみで定まることになるから、ｕが最適であるためのκはゼロでない有限値でなければならない。

前記式(7)の第１行は外力ν及び慣性のｑ依存性に対する制御、第２行はコリオリ力や遠心力やダンピング力に対する制御、第３行はポテンシャル力とそのｑ依存性及び外力ｚに対する制御、第４行は評価関数を低減させる制御である。式(7)には未実行の微積分項が含まれているが、全ての外力及び状態量の検出或いは推定が可能とすれば、これらの実時間での実行は可能である。

尚、前記式(5)においては積分定数をゼロとしたが、前記の結果より積分定数は制御則に一定のバイアスを与えることになるため、ゼロとすることが妥当であることが分かる。これは式(7)中の積分についても同様である。

また、前記式(7)ではアクチュエータの数と系の自由度とが同じであることを想定しており、アクチュエータの数が少ない場合には次のような処理が必要となる。例えばアクチュエータが２つの独立な慣性の間に置かれるような場合は、制御ベクトルにその拘束条件を含めておき、最適制御則は、２つの制御則にそれぞれ重み付けをして加算したものとすればよい。

すなわち、ｕ_ｉ，ｕ_ｉ＋１を、それぞれが独立な制御として導いた場合の最適制御則とし、ρ_ｉ，ρ_ｉ＋１を重み係数とすれば、制御出力 ｕ_ｏｐｔ ＝ ρ_ｉｕ_ｉ＋ρ_ｉ＋１ｕ_ｉ＋１ となる。尚、重み係数ρ_ｉ，ρ_ｉ＋１の値は理論的に導かれるものではなく、制御対象の構造的特徴に依るものである。

−サスペンション・システムの場合−
以上のような考え方に従って、この実施形態のアクティブ・サスペンション・システムＳにおける電磁アクチュエータ２の制御出力ｕの演算式、即ち最適制御則ｕを導出する。まず、前記した図２のモデルで表されるサスペンション・システムにおいて、式(2)の評価関数Ｊは、以下の式(8)のように変数ｑを用いて記述される。

前記式(8)において、ｒ_１，ｒは重み係数であって、重みｒ_１は、ばね下質量の制振が従来一般的な自動車と略同じになるような値（例えば５×１０^−３）とし、重みｒは、振動状態の評価とエネルギの評価とが同程度になるような値（例えば１０×１０^−５）とする。

また、前記式(3)の関数Ｌは、以下の式(9)のように記述される。

そして、前記式(9)を式(5)に代入すると、ｑ_１について以下の式(10)が得られ、これにより以下の式(11)の制御則が得られる。

同様に、ｑ_２について以下の式(12)が得られ、これにより式(13)の制御則が得られる。

まとめると、最終的な制御則は以下のようになる。

ｕ_ｏｐｔ ＝ ρ_１ｕ_１＋ρ_２ｕ_２ ・・・(14)
ここで、重み係数ρ_１，ρ_２の値の和を ρ_１＋ρ_２ ＝ ２ として、評価関数の重みを考慮した慣性Ｍ_１，Ｍ_２への制御出力ｕの感度を等しいと考えると、以下の式(15)のようになり、以上より、最適な制御出力ｕ＝ｕ_ｏｐｔは、以下の式(16)として求まる。

尚、式(16)においてρ_１ ＝２Ｍ_１／（Ｍ_１＋ｒ_１Ｍ_２）、ρ_２ ＝２ｒ_１Ｍ_２／（Ｍ_１＋ｒＭ_２）である。

本手法による制御則の導出は前記式(16)までであり、これは最適制御の必要条件を与える。式(16)における未定定数κについては、評価関数Ｊが最小となるような値を探索的手法により決定する。例えば、ランダムな路面入力のシミュレーションによって、評価関数Ｊが最小となるようなκの値を求めることができる。

以上のように導出した演算式(16)は、式(3)、(9)の関数Ｌ、即ち、電磁アクチュエータ２から制御対象（ばね上部材６及びばね下部材３）への伝達エネルギを表す項と、それらの振動状態を表す項と、該制御対象の全エネルギ収支を表す項とを、有する関数Ｌの積分を最小化するような最適制御則に則うものであり、この演算式(16)によって求めた制御出力ｕによって電磁アクチュエータ２を制御することにより、エネルギ消費を抑えつつ、サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…を最適に動作させて、車輪や車体Ｂの振動を効果的に抑えることができる。

（路面の変位状態の推定）
次に、本発明の特徴として、前記コントローラ１０の路面変位推定部１０ｃにおける路面変位ｑ_０の推定について説明する。上述したように、この実施形態のシステムＳでは、式(16)による電磁アクチュエータ２，２，…への制御出力ｕの演算において路面変位ｑ_０を用いており、これは一般的に超音波センサ等によって測定することもできるが、新たなセンサの追加はシステムのコストアップに繋がり、好ましくない。

そこで、この実施形態では、システムＳに既存のセンサ１１〜１３によって検出したサスペンション状態量（ｑ_１、ｑ_１′、ｑ_１″、ｑ_２、ｑ_２′）のうち、主にばね下部材３の加速度ｑ_１″に基づいて、路面からの入力による車輪や車体Ｂの挙動から路面変位ｑ_０を推定する演算を行うようにしている。

すなわち、まず、各サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…毎に接地力ｆ_ｇによる車輪の挙動は以下の式(17)にて表され、一方、コイルばね４のばね力ｆ_ｓｕｓと車輪の挙動との関係は、以下の式(18)にて表される。但し、タイヤ３ａの減衰係数をＣ_tireとする。

前記式(17)、(18)から接地力ｆ_ｇは以下の式(19)で表される。尚、ｑ_ｓは、ストロークセンサ１２により検出されるサスペンション・ストロークである（ｑ_ｓ＝ｑ_２−ｑ_１）。

前記の式(19)を式(17)に代入して常微分方程式として解けば、路面変位ｑ_０を推定する演算式を求めることができるが、こうして求めた演算式は複雑なものとなり計算量も多くなってしまうから、これによる路面変位ｑ_０の推定演算ではＣＰＵの計算負荷が高くなってしまう上に、計算時間が長くなって電磁アクチュエータ２の制御応答遅れが大きくなる懸念がある。しかも、式(17)にはタイヤ３ａの減衰係数Ｃ_tireのようにばらつきの大きな値が含まれており、本来、精度のよい推定ができるものとは言い難い。

そこで、式(17)からは左辺第２項を、また、式(19)からは右辺第４項を、というようにそれぞれ減衰力の項を削除して簡略化した上で、その式(19)を式(17)に代入すると、以下の式(20)が得られ、これをｑ_０について整理すると式(21)が得られる。

式(21)は、減衰の影響を省略し、主にばね下部材３の加速度から路面変位ｑ_０を推定するものであり、この演算式を用いて路面変位ｑ_０を推定するようにすれば、計算量はかなり少なくなる。さらに、その式(21)の右辺｛｝内の第１項（ばね下の加速度ｑ_１″の項）以外を削除し、補正係数αを乗じれば、 ｑ_０ ＝ αＭ_１ｑ_１″／Ｋ_１ ・・・ (22) となる。

この式(22)は、実質的にばね下部材３の加速度ｑ_１″のみに基づいて路面の変位状態を推定するものであり、計算量が非常に少ないから、こうして推定した路面変位ｑ_０に基づくサスペンション制御の応答性を高める上では非常に有利になる。一方で、このような簡易な演算式によれば路面変位ｑ_０の推定誤差は大きくなってしまうが、この推定値を用いて上述の如きサスペンション制御を行った結果、路面変位ｑ_０の推定誤差による悪影響は軽微なものであり、実用上、問題はないことが分かっている。

図３には、前記式(21)、(22)を用いて推定した路面変位ｑ_０に基づいて、前記式(16)の制御出力ｕによる本発明の最適制御を行った場合と、同じ推定値を用いて従来周知の最適制御であるＬＱ制御を行った場合とで、それぞれ、制御の結果をシミュレーションにより比較したものである。同図(a)は、上述した評価関数Ｊによって制御結果を比較した結果を示し、また、同図(b)は、ＬＱ制御において一般的な評価関数Ｊ_ＬＱによって比較した結果を示す。

図(a)から、式(21)の路面変位ｑ_０の推定値を用いれば、本発明の最適制御でも従来のＬＱ制御でも評価関数Ｊが非常に小さな値になっており、いずれの場合も同等の最適制御を行えることが分かる。一方、式(22)の路面変位ｑ_０の推定値を用いると、本発明の最適制御では評価関数Ｊが非常に小さな値になるものの、ＬＱ制御では評価関数Ｊの値がかなり大きくなってしまう。このことから、式(22)の推定値には無視できない誤差が含まれているが、本発明の最適制御を行う場合には、それによる悪影響は軽微なものとなり、実質、問題ないことが分かる。

同様の傾向は同図(b)からも読み取ることができ、式(21)の推定値を用いれば、本発明の最適制御とＬＱ制御とで評価関数Ｊ_ＬＱの値が概ね同じになる一方、式(22)の推定値を用いると、ＬＱ制御の場合のみ評価関数Ｊ_ＬＱの値がかなり大きくなってしまうことが分かる。尚、式(21)の推定値を用いたときに評価関数Ｊ_ＬＱの値が本発明の最適制御よりもＬＱ制御の方で小さくなっているのは、この評価関数Ｊ_ＬＱがＬＱ制御に最適化されているからである。

さらに、図４には、前記式(22)において補正係数αの値を変更しつつ、これによる路面変位ｑ_０の推定値を用いて本発明の最適制御とＬＱ制御とをそれぞれ実行したときの、評価結果を対比して示す。尚、本発明の最適制御の評価は評価関数Ｊにより、また、ＬＱ制御の評価は評価関数Ｊ_ＬＱにより行った。同図からは、補正係数αの値に依らずＬＱ制御の評価関数Ｊ_ＬＱが大きな値になってしまう一方、本発明の制御に係る評価関数Ｊの値は、α＝４〜１０、特に４〜６のときに非常に小さな値になることが分かる。

−路面変位の推定手順−
次に、コントローラ１０における路面変位ｑ_０の推定演算の手順を図５のフローチャートに沿って具体的に説明する。まず、図示のフローのスタート後のステップＳ１では、センサ１１〜１３からの信号を入力してばね上加速度ｑ_２″やサスペンションストロークｑ_ｓを検出し、続くステップＳ２ではサスペンション・ストロークｑ_ｓを２階微分して、ストローク加速度ｑ_ｓ″を算出する。

続いてステップＳ３において、前記ばね上加速度ｑ_２″からストローク加速度ｑ_ｓ″を減算して、ばね下部材３の加速度ｑ_１″を計算し（ｑ_１″＝ｑ_２″−ｑ_ｓ″）し、ステップＳ４では、そうして求めたばね下の加速度ｑ_１″を式(22)に代入して、路面変位ｑ_０を推定した後に、リターンする。

ここで、前記式(22)に含まれる補正係数α、ばね下質量Ｍ_１、ばね下のばね定数Ｋ_１は、それぞれ予め車種毎に実験等により設定されて、コントローラ１０のメモリ等（記憶手段）に記憶されている。特にばね下のばね定数Ｋ_１は、即ちタイヤ３ａのばね定数であり、こえは空気圧によって変化するので、例えばホイール３ｂに空気圧センサが付設されている場合には、その出力に応じてばね定数Ｋ_１を補正するのが好ましい。

また、補正係数αの値は、図４を参照して上述したようにα＝４〜６の範囲で実験等により設定されるが、さらに、この実施形態では自動車Ａの走行状態に応じて補正される。すなわち、コントローラ１０の補正制御部１０ｅによって、例えば車速の高いときほど、補正係数αの値が小さくなるように補正される。これにより、ばね下の加速度ｑ_１″に車速による影響を加味して、路面変位ｑ_０の推定が行われることになる。

前記ステップＳ１〜Ｓ３の手順は、コントローラ１０のサスペンション状態量検出部１０ａによって行われ、ステップＳ４の手順は同路面変位推定部１０ｃによって行われる。このサスペンション状態量検出部１０ａと路面変位推定部１０ｃとによって、自動車Ａの走行する路面の変位状態を推定する車両用の路面変位推定装置が構成される。

したがって、この実施形態に係る車両用の路面変位推定装置によると、自動車Ａのアクティブ・サスペンション・システムＳに既存のセンサ１１〜１３により検出したばね下部材３の加速度ｑ_１″と、ばね下部材３の質量Ｍ_１及びばね定数Ｋ_１とのみに基づき、簡略化した演算式(22)によって路面変位ｑ_０を推定演算するようにしたので、計算量が非常に少なくて済み、この推定結果を用いるサスペンション制御の応答性を十分に高くすることができる。

そうして簡略化した演算式による路面変位ｑ_０の推定結果には比較的大きな誤差が含まれることになるが、この実施形態のようなサスペンションの最適制御、即ち、制御対象への伝達エネルギを表す項と、制御対象の振動状態（制振性能）を表す項と、該制御対象の全エネルギ収支を表す項とを、有する関数Ｌの積分を最小化するような最適制御が行われる場合には、路面変位ｑ_０の推定誤差による悪影響は軽微なものとなり、実用上、問題は生じない。

つまり、システムＳに既存のセンサ１１〜１３を利用し、徒にコスト上昇を招くことなく、実用上、十分な精度及び応答性を有するアクティブ・サスペンション制御を行って、電磁アクチュエータ２，２，…の作動にかかるエネルギ消費を抑制しつつ、自動車Ａの乗り心地を向上し、且つ車輪の接地性を高めることができる。

また、この実施形態では、前記路面変位推定の演算式(22)におけるばね下部材３の質量Ｍ_１、ばね定数Ｋ_１、及び補正係数αを、予め車種毎にコントローラ１０のメモリ等に記憶させるようにしており、自動車Ａの生産ラインでは一々、ばね下部材３の質量Ｍ_１やばね定数Ｋ_１を測定する必要はなく、車種についての入力設定を行うだけでよいから、利便性も高い。

その上さらに、前記演算式(22)における補正係数αの値は車速等、自動車Ａの走行状態に応じて補正するようにしており、走行状態による影響を加味して路面変位ｑ_０を推定することができる。

（他の実施形態）
尚、本発明に係る路面変位推定装置の構成は前記の実施形態には限定されず、それ以外の種々の構成も包含する。すなわち、例えば前記の実施形態では、サスペンション１_ＦＲ，１_ＦＬ，…のそれぞれに電磁アクチュエータ２，２，…を設けているが、これに限らず、例えば前２輪、後２輪のいずれか一方のみに電磁アクチュエータ２，２を設けてもよい。

また、アクチュエータとして例示したリニアモータ以外にも例えば、油空圧シリンダや圧電素子等を用いることもでき、電動モータとボールねじ機構とを組み合わせてアクチュエータとすることも可能である。

また、アクティブ・サスペンション・システムＳにおけるセンサとしては、例示した車体Ｂの加速度センサ１１、サスペンションストロークセンサ１２に限定されず、種々の加速度センサ、速度センサ乃至変位センサを組み合わせて用いることができる。

さらに、アクティブ・サスペンション制御についても前記の実施形態は一例に過ぎず、例示した評価関数Ｊ以外にも種々の観点から定義した評価関数を最小化するような制御則に従うものとすればよいが、そういった制御則は、前記実施形態と同様に、評価関数の項に制御対象の全エネルギ収支を表す項を加えた関数（式(3)、(9)の関すＬ）の積分を最小化するようなものとしなくてはならない。

さらにまた、本発明に係る路面変位推定装置は、自動車以外の車両にも適用することができる。

本発明に係る路面変位推定装置は、車両用のアクティブ・サスペンション・システムに既存のセンサを利用しつつ、簡略化した演算式によって路面変位を推定演算できるので、低コストで十分な制御応答性を得ることができ、自動車への搭載に好適である。

本発明に係るアクティブ・サスペンション・システムを搭載した自動車(a)と、サスペンション(b)とを模式的に示す図である。 アクティブ・サスペンション・システムの概略構成を示すブロック図である。 路面変位の２つの推定演算式を切換えて、それぞれについて本発明の最適制御とＬＱ制御との評価結果を対比して示すグラフ図である。 補正係数の値を変更しながら、本発明の最適制御とＬＱ制御との評価結果を対比して示すグラフ図である。 路面変位の推定演算の手順を示すフローチャート図である。

符号の説明

Ａ 自動車（車両）
Ｂ 車体
Ｓ アクティブ・サスペンション・システム
１ サスペンション
２ 電磁アクチュエータ
３ ばね下部材
３ａ タイヤ
３ｂ ホイール
４ コイルばね
５ ショックアブソーバ
６ ばね上部材
１０ コントローラ
１０ａ サスペンション状態量検出部（加速度検出手段）
１０ｂ 走行状態検出部
１０ｃ 路面変位推定部（路面変位推定手段）
１０ｄ 制御量演算部
１０ｅ 補正制御部（補正手段）
１１ 加速度センサ
１２ ストロークセンサ

Claims (4)

1. アクチュエータによって車輪に少なくとも上下方向の制御力を付与するようにした車両のアクティブ・サスペンション・システムにおいて、当該車両の走行する路面の変位を推定する車両用の路面変位推定装置であって、
   前記アクチュエータへの制御量の演算は、少なくとも、該アクチュエータから制御対象である車体及び車輪への伝達エネルギを表す項と、該車体及び車輪の振動状態を表す項と、該車体及び車輪の全エネルギ収支を表す項とを、有する関数の積分を最小化するような最適制御則に従って行われるものであり、
   前記車輪を含めたサスペンションのばね下部材の上下方向加速度を検出する加速度検出手段と、
   少なくとも、前記加速度検出手段により検出されたばね下部材の加速度、該ばね下部材の質量、及び該ばね下部材のばね定数に基づいて、路面変位を推定する路面変位推定手段と、を備えることを特徴とする車両用路面変位推定装置。
2. 路面変位推定手段は、ばね下部材の加速度ｑ_１″、ばね下部材の質量Ｍ_１、及び該ばね下部材のばね定数Ｋ_１ に基づいて、以下の（式Ａ）により路面変位ｑ_０を演算する
   ｑ_０ ＝ α・Ｍ_１・ｑ_１″／Ｋ_１ ・・・ （式Ａ）
   但し、αは予め設定する補正係数である、請求項１に記載の車両用路面変位推定装置。
3. ばね下部材の質量Ｍ_１、ばね下部材のばね定数Ｋ_１、及び補正係数αが、予め車種毎に記憶された記憶手段を備える、請求項２に記載の車両用路面変位推定装置。
4. 車両の走行状態に応じて補正係数αの値を変更する補正手段を備える、請求項２又は３のいずれかに記載の車両用路面変位推定装置。

Images