JPH02106471A - 車両の運動状態量推定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、車両のヨーレート（ヨー角速度）や横方向
速度など、車両の運動状態量を推定する運動状態量推定
装置に関し、この推定装置は、該装置により推定された
運動情報を制御情報として舵角制御装置や能動型サスペ
ンションに与える場合などに好適なものである。

〔従来の技術］ 従来、車両のヨーレート横方向速度などの運動状態量を
用いて車両の運動特性を制御する装置としては、例えば
特開昭６２−２４１７７３号公報記載の装置（発明の名
称は「車両用実舵角制御装置」）が知られている。この
実舵角制御装置は、自軍の運動状態量を特徴とする特性
を数学モデル化した規範モデルから得られる運動状態量
の出力目標値に追従させるように舵角を指令制御するも
ので、例えば追従させる運動状態量として横加速度をと
るときには、出力フィードバックを行うための横加速度
センサの他に、状態フィードバックを行うための、ヨー
レート検出用のヨーレートセンサ（レートジャイロ）及
び横方向速度検出用の横方向速度センサ（対地車速計）
が搭載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述のヨーレートや横方向速度はその発
生量が小さく、横風や路面傾斜などの外乱の影響を受は
易いので、その検出に用いるレートジャイロ及び対地車
速計としては、検出精度の高いセンサであることが要求
され、この内、対地車速計では、車体外部に装備された
光源から路面に向けて照射される光信号のドツプラー効
果を用いた計測器（この種の計測器としては、例えば特
開昭６０−２５３９９０号公報参照）が実用に供する程
度であるため、その取り扱いが面倒であり、また制御シ
ステム全体が非常に高価になり、一般車両に搭載するに
は不向きであるという状況にあった。

この発明は、このような従来技術の有する状況を打破し
ようとしてなされたもので、車両のヨーレート、横方向
速度などの運動状態量をより低コストな構成で求めるこ
とができ、この運動状態量を用いる制御装置に組み込ん
で、一般車両に容易に搭載可能にすることを、その解決
しようとする課題としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明の請求項（１）記
載の装置では第１図（ａ）に示す如く、操舵角を直接に
検出する操舵角検出手段と、横加速度を直接に検出する
横加速度検出手段と、前記操舵角検出手段及び横加速度
検出手段による検出情報を入力し、車両の平面運動に関
する数学モデルに基づき設定されるゲイン行列のオブザ
ーバにより、車両のヨーイング及び横方向の運動情報を
同時に実時間で推定する運動状態量推定演算手段とを有
している。

また、請求項（２）記載の装置では第１図（ｂ）に示す
如く、請求項（１）記載の装置に、車速を直接に検出す
る車速検出手段を付加し、前記運動状態量推定演算手段
は、前記車速検出手段の検出値に応じてゲイン行列の値
を変化させるようにしている。

〔作用〕

この発明の請求項（１）記載の装置では、運動状態量推
定演算手段が、操舵角検出手段及び横加速度検出手段に
よる検出情報を入力し、車両の平面運動に関する数学モ
デルに基づき設定されるゲイン行列のオブザーバにより
、車両のヨーイング及び横方向の運動情報を同時に実時
間で推定する。

また請求項（２）記載の装置では、運動状態量推定演算
手段が、車速検出手段による車速値に応じてオブザーバ
のゲイン行列の値を変化させて、車両のヨーイング及び
横方向の運動情報を同時に実時間で精度良く推定する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第２図乃至第９図に基づい
て説明する。

まず、第２図は運動状態量推定装置のブロック図を、第
３図は当該推定装置が適用された車両を示す図である。

第２図において、運動状態量推定装置２は、横加速度セ
ンサ４．車速センサ６、操舵角センサ８゜及び演算部１
０を有している。横加速度センサ４は車両の横方向に生
じる加速度を車両重心点付近で検知して該加速度に応じ
た横加速度信号αを、車速センサ６は車速に応じた車速
信号■を、操舵角センサ８は操舵角に応じた操舵角信号
θを演算部１０に夫々出力するようになっている。

演算部１０は、各センサ４，６．８から出力された検出
信号α、■、θに対し夫々各別にフィルタリング処理及
びデジタル変換処理を施す信号処理回路１２ａ、１２ｂ
、１２ｃと、この信号処理回路１２ａ〜１２ｃにより信
号処理された各信号α、■、θを入力し、後述する手法
を用いてヨーレートψ及び横方向速度■、を推定するマ
イクロコンピュータ１４と、このマイクロコンピュータ
１４から出力される推定値ψ、■、に応じた信号をアナ
ログ量に個別に変換するＡ／Ｄ変換器１６ａ、１６ｂと
、このＡ／Ｄ変換器１６ａ、１６ｂの変換値を個別に増
幅する増幅器１８ａ、１８ｂとを備えている。

本実施例のマイクロコンピュータ１４は、同一次元オブ
ザーバを機能的に構成し、これにより前述した推定演算
を行うようになっている。

ここで、かかる同一次元オブザーバの設計方法について
説明する。

車両の横とヨーの２自由度平面運動に関する状態方程式
及び出力方程式は、次式で表される。

ｊｒ、ｐ　＝Ａｐ　Ｚｐ　＋１）＋ｒｕｒ　　”’　　
　　（１−ａ））’Ｐ＝ＣＦＩｐ　＋Ｄ　ＰＦ　ｕ　ｒ
　　−（１−ｂ）ここで、χ、は状態変数ベクトル＋ｕ
ｌ’は入力変数、ｙＰは出力変数、ＡＰは２×２行列（
システム行列）、ｂｐｐは２×１行列、Ｃ１は１×２行
列（出力ベクトル）、ＤＰＦは実数定数であって、であ
り、 Ｍ：車両質量、Ｉ２　：ヨー慣性モーメントＬｐ：前輪
・重心点間距離、Ｌ、：後輪・重心点間距離、に、：前
輪の等価コーナリングパワー、ＫＲ：後輪のコーナリン
グパワー、Ｎニステアリングギヤ比、■は車速である。

ここで、車速Ｖ、横加速度α以外の上記係数の夫々の値
は実験などにより予め測定し、既知であるとする。

（ステップ１） まず、このステップでは、システム行列、出力ベクトル
を転置し、可制御正準変換行列■を求める。

そこで、行列Ａ、の特性方程式は、 ｌ　ｓ　Ｉ　−Ａｐ　　１＝Ｓｚ　＋ａ、ｓ＋ａ。

ただし、ａ、＝−（ａ□、＋ａ、２□）ａｚ　　””ａ
ｌｌｌｌ　　　’　　ａＰ２Ｚ　　　　ａｐｅｘ　　’
　　ａＦ２１・・・（３） したがって、可制御正準変換行列■は、・・・（５） （ステップ２） このステップでは、オブザーバの収束を考慮して、その
設定種Ｔ＋＋Ｔｚを任意に定め、オブザーバのゲイン行
列Ｋを求める。

設定種がγ１．Ｔ、であるから、 （Ｓ十γ＋）（ｓ＋ｙｚ） ＝ｓ”　十ｄｚ　ｓ　＋ｄ＋　　　　　　　　　・・−
（６）ただし、ｄｚ＝Ｔ＋　＋γ２＋　　ｄｌ　＝γ１
　・γ２そこで、ゲイン行列にの転置行列ｆは、ｆ＝（
ｄｌ　　　ａ＋　、ｄｚ　　ａｚ　）ＸＴ−’＝（ｒ、
、ｒ、）　　　　　　　　　　・・・（７）したがって
、ゲイン行列には、 （ステップ３） このステップでは、オブザーバのシステム行列穴、を求
め、同一次元オブザーバを構成する。

入Ｐ　＝　ＡＰ　　Ｒ’　ＣＰ　　　　　　　　　　・
・・（９）完、−人、・ｆｏｐ　＋に−Ｙ　Ｐ　＋　ｂ
　ＰＦ・ｕｒ　・・・００）ただし、ｙ、−α−ＤＰＦ
’ｕｒ 以上ステップ１〜３によりオブザーバは構成されるから
、該オブザーバの機能ブロック図は第４図に示すように
なる。

つまり、マイクロコンピュータ１４は、上記第００）式
の演算を、後述する第５図の処理によって６１時間毎に
繰り返して行うように構成されており、これによりヨー
レートψ及び横方向速度Ｖｙの推定値を出力するもので
ある。このため、マイクロコンピュータ１４のメモリに
は、車速■の関数値となるｂＰＦ行列を記憶テーブル１
に、また車速■の関数値となる人２行列及びに行列を記
憶テーブル２に予め記憶させている。

次に、本実施例の推定演算動作を第５図のフローチャー
トに基づき説明する。

まず、同図のステップ■では、マイクロコンピュータ１
４は、横加速度センサ４．車速センサ６゜及び操舵角セ
ンサ８に係る横加速度信号α、車速信号■、及び操舵角
信号θを夫々読み込み、その値を横加速度α、車速■、
及び操舵角θとして一時記憶する。

次いでステップ■に移行し、出力変数ｙ、に横加速度α
の値を代入し、入力変数ｕ、に操舵角θの値を代入する
。

次いでステップ■に移行し、記憶テーブル１を参照する
ことにより、車速■の値に応じたｂＰＦ行列を作成する
。次いでステップ■に移行し、記憶テーブル２を参照す
ることにより、車速■の値に応じた人２行列及びに行列
を作成する。

次いでステップ■に移行し、前記第００）式に基づくオ
ブザーバ行列 ｔ、−人、・デ、＋Ｋ・α＋ｂＰＦ・θ　・・・（１１
）を作成する。父、は、ヨーレートψ及び横方向速度■
、の推定値から成る状態変数ベクトルである。

次いでステップ■に移行し、上記第（１１）式の演算を
行って、状態変数ベクトルゲ、の微分信金、を求める。

このとき、状態変数ベクトル２ｐは６１時間前の（ｉ−
１）回演算での値’ｌｐ　（ｉ”ｌ）を用いる。

次いでステップ■に移行し、ステップ■での演算信愛、
に対し、 ２Ｐ　＝　Ｓ　ｆｆ１ｒ　ｄｔ　　　　　　　　　　　
・・・０りの演算を行って、ヨーレートψ及び横方向速
度■。

から成る状態変数ベクトルｘｐの推定値？、を算出する
。この演算は、具体的には、６１時間前の（ｉ−１）回
目の推定値デＰ　（ｉ−１）を用い、今回ｉ回目演算の
推定値ｆｆ１ｐ（ｉ）を、２、　（ｉ）−デＰ　（ｉ−
１）十Δｔ−完、　・・・０３）の式から求める。

次いでステップ■に移行し、推定値ｆｆ１ｐ（ｉ）を２
Ｐ　（ｉ４）に更新し、ステップ■に移行する。このス
テップ■では、推定値’Ｘｐ　（ｉ）　、即ち現時点で
のヨーレートψ及び横方向速度■、に応じた信号をＤ／
Ａ変換器１６ａ、１６ｂ及び増幅器１８ａ、１８ｂを介
して出力する。

以上の処理はΔを時間毎に繰り返して行われるから、こ
の演算周期Δむを適宜に設定することにより、ヨーレー
トψ及び横方向速度■、を同時に実時間で且つ正確に推
定できる。

ここで、上記オブザーバによるシミュレーション結果の
一例を第６図乃至第９図に示す。これらの図は、車速Ｖ
＝２７．８　（ｍ／ｓ：ｌでの走行において、操舵角θ
＝０の直進走行時（第６図参照）に、約４０（ｍ／ｓ）
の瞬間的な横風外乱を受けた場合（第７図参照）のヨー
レートψ及び横方向速度■、の推定値φ及び９ｙの変化
を示す（第８図、第９図）。なお、このシミュレーショ
ンに用いた各係数の値は、Ｍ−１２５（ｋｇｆ　　−ｓ
”７ｍ）　。

Ｉｚ　＝２００　（ｋｇｆ　　−ｍ　　−ｓ”）　、　
　ＬＦ　＝１．０　（ｍ）　。

ＬＲ＝１．５　（ｍ　）、　　Ｋｒ　＝３７５０　〔ｋ
ｇｆ／ｒａｄ　）。

ＫＲ＝６０００　（ｋｇｆ／ｒａｄ　：ｌ　、　Ｎ＝２
０．オブザーバの設定権γ、＝−１５，−２０である。

これによると、横風外乱を受けた瞬間では、推定検出値
（図中、三角印の曲線）と直接検出値（口中、丸印の曲
線）とは異なるものの、その後、約０．５秒後には両者
は等しくなり且つ零に収束するという結果が得られ、本
実施例のオブザーバが有効にｍ能していることが確認で
きた。

以上のように、この推定装置は、比較的低コストな部品
でオブザーバを構成することにより、車両の運動状態量
としてのヨーレートψ及び横方向速度Ｖｙを高精度に推
定できるから、従来のように高価なレートジャイロ、対
地車速計を搭載しなくても済み、装置全体が低コストに
なり、−ｉ車両にも手軽に適用できるものとなる。

ここで、本実施例では、操舵角センサ８．信号処理回路
１２ｃ、及び第５図ステップ■の処理により操舵角検出
手段が構成され、横加速度センサ４、信号処理回路１２
ａ、及び第５図ステップ■の処理により横加速度検出手
段が構成され、車速センサ６、信号処理回路１２ｂ、及
び第５図ステップ■の処理により車速検出手段が構成さ
れ、第５図ステップ■〜■、Ｄ／Ａ変換器１６ａ、１６
ｂ　及び増幅器１８ａ、１８ｂにより運動状態量推定演
算手段が構成される。

なお、この発明におけるヨーイング運動情報としては、
前述のほかに例えばヨー角加速度をとることもでき、ま
た横方向運動情報としては、前述のほかに例えば車両重
心点での横すべり角をとることもできる。

また、前記実施例においては、オブザーバのゲイン行列
を車速■により可変としたが、これは固定値としても可
能である。

また、この発明におけるオブザーバを構成するハードウ
ェアは前述したマイクロコンピュータに限定されること
なく、例えばアナログ電子回路を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明の請求項（１）記載の装
置では、操舵角及び横加速度の検出情報を用いて、車両
の平面運動に関する数学モデルに基づき設定されるゲイ
ン行列のオブザーバにより、車両のヨーイング及び横方
向の運動状態量を同時に実時間で推定するとしたため、
例えばヨーレート及び横方向速度などの運動状態量を求
める際、従来のように高価なセンサを搭載せずとも精度
良く求められるから、この推定装置による推定結果を利
用する舵角制御装置などの制御装置全体の製作コストを
大幅に低減させることができ、これにより一般車両にも
容易に搭載可能になり、従来抱えていたコスト面での困
難な状況を一挙に打破できることとなる。

また、請求項（２）記載の装置によれば、運動状態量推
定演算手段のゲイン行列を車速に応じて変化させるとし
たため、ヨーイング及び横方向の運動状態量をより高精
度に求めることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）は夫々この発明の特許請求の範囲
との対応図、第２図はこの発明の一実施例を示すブロッ
ク図、第３図はその実施例を通用した車両の概略説明図
、第４図は第１図のマイクロコンピュータにより構成さ
れる同一次元オブザーバの機能ブロック図、第５図は第
１図のマイクロコンピュータにより演算処理されるフロ
ーチャート、第６図乃至第９図はシミュレーション結果
の一例を示すグラフであって、第６図は操舵角θの時間
変化を、第７図は外乱としての横風の時間変化を、第８
図はヨーレート直接検出値ψ及びヨーレート推定値φの
時間変化を、第９図は横方向速度直接検出値■ア及び横
方向速度推定値９ｙの時間変化を夫々示す。 図中、２は運動状態量推定装置、４は横加速度センサ、
６は車速センサ、８は操舵角センサ、１２ａ〜１２ｃは
信号処理回路、１４はマイクロコンピュータ、１６ａ、
１６ｂはＤ／Ａ変換器、１８ａ、１８ｂは増幅器である
。 第 図 第 図 第 回 時間（ｓｅｃ） 第 図 第 図 ａ弁間（ｓｅｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）操舵角を直接に検出する操舵角検出手段と、横加
   速度を直接に検出する横加速度検出手段と、前記操舵角
   検出手段及び横加速度検出手段による検出情報を入力し
   、車両の平面運動に関する数学モデルに基づき設定され
   るゲイン行列のオブザーバにより、車両のヨーイング及
   び横方向の運動情報を同時に実時間で推定する連動状態
   量推定演算手段とを有したことを特徴とする車両の連動
   状態量推定装置。
2. （２）前記請求項（１）記載の装置に、車速を直接に検
   出する車速検出手段を付加し、前記運動状態量推定演算
   手段は、前記車速検出手段の検出値に応じてゲイン行列
   の値を変化させるようにしたことを特徴とする車両の運
   動状態量推定装置。