JPH0629039B2 - 車両運動状態量推定装置 - Google Patents

車両運動状態量推定装置

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JPH0629039B2
JPH0629039B2 JP61001978A JP197886A JPH0629039B2 JP H0629039 B2 JPH0629039 B2 JP H0629039B2 JP 61001978 A JP61001978 A JP 61001978A JP 197886 A JP197886 A JP 197886A JP H0629039 B2 JPH0629039 B2 JP H0629039B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、予め想定された車両モデルにより、車両の
運動状態量を推定して求める車両運動状態量推定装置に
関する。
（従来の技術） 従来、車両の運動状態量を検出する装置としては、ヨー
レートセンサや横加速度センサ等の実測の容易な運動状
態量を検出する装置のみしか実現あるいは提案されてい
なかつた。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、近年の車両の電子制御技術の向上に伴つ
て、多種多様な運動状態量の検出が必要となつて来たの
に反して、運動状態量には実測の困難なものが多く、こ
れらのセンシング装置は実現されていない。また、１つ
の運動状態量に対して１つのセンシング装置を設ける
と、多種の運動状態量を必要とする場合には、センシン
グ装置の数が多数となり、車載が困難となる虞れもあ
る。
そこで、本願出願人は、先に、特願昭60-50553号におい
て、車両の運動特性を車両諸元や車両運動方程式によつ
て数学モデルとして設定した車両モデルを用いて、演算
により車両の運動状態量を求めるようにした装置を提案
している。
この装置によれば、ステアリングハンドルの操舵角と車
速を、各々のセンサで検出して上記車両モデルへ与える
ことで、ヨー運動や横方向運動等の種々の運動状態量
を、センサを用いずに求めることができる。
ところが、このような車両モデルを用いて種々の車両運
動状態量を求めるには、演算精度を高くするために、 (1)車両モデルのモデリング精度が高いこと、すなわ
ち、各自由度モデルとする必要がある。
(2)特に、デイジタル演算で積分を行う場合には、積分
間隔が短く、積分誤差が少ないことが望ましい。
等の条件が付く。
しかし、一般に、車載用のマイクロコンピュータは、演
算能力が比較的少ないため、上述の条件を全て満足する
ことは困難である。すなわち、上記の条件を満足するに
は、演算時間が長くなり、車両運動状態量の演算をリア
ルタイムで行えなくなつてしまう。
そこで、演算時間の制約を受けないアナログ演算器を用
いて上記の演算を行うことが考えられるが、アナログ演
算器は、ダイナミツクレンジを大きくすることやノイズ
マージンを確保することが困難である。このため、非線
形方程式や時変微分方程式をアナログ演算器で演算する
ことが難しい。
（問題点を解決するための手段） この発明は、上記問題点を解決するために、ステアリン
グハンドル操舵角と車速とを検出し、予め車両諸元およ
び複数の車両運動方程式によって数学モデルとして設定
された車両モデルを用いて、前記ステアリング操舵角と
車速とに基づいた車両運動状態量を演算により求める車
両運動状態量推定装置において、 前記複数の車両運動方程式のうち、前輪舵角を推定する
ために用いるステアリング系モデルを、アナログ演算を
行うアナログ演算部によって形成し、 該ステアリング系モデルによって演算された前輪舵角と
前記検出された車速とから、車両のヨー方向と横方向の
少なくとも一方の運動状態量を推定するために用いる車
両の平面運動モデルを、ディジタル演算を行うディジタ
ル演算部によって形成したことを特徴とするものであ
る。
（作用） 本発明の車両運動状態量推定装置にあっては、アナログ
演算を行うアナログ演算部によつて形成したステアリン
グ系モデルを用いて前輪舵角を推定し、ディジタル演算
を行うディジタル演算部によって形成した車両の平面運
動モデルによって車両のヨー方向と横方向の少なくとも
一方の運動状態量を推定している。車両の運動状態量を
推定する際に、ヨー方向もしくは横方向の運動に関する
演算式にあっては、非線形もしくは時変微分方程式を含
んでいるため、ダイナミツクレンジが限られたアナログ
演算よりディジタル演算を行う方が好ましく、精度良く
ヨー方向または横方向の運動量を得られる。一方、車両
においては、ヨー方向または横方向の固有振動数に対し
て、ステアリング機構の固有振動数は十数倍であるた
め、前記車両の平面運動モデルと同様の精度で前記ステ
アリング系モデルをディジタル演算するためには、演算
の刻み時間を十数倍短くとる必要があり、演算装置の負
担が大幅に増加するが、ステアリング系モデルが時不変
線形であることから、これをアナログ演算部で形成して
も精度良く、瞬時に演算でき、車両運動状態量推定装置
全体の演算時間を短縮できる。
（実施例） 本発明の一実施例の構成を第１図に示す。
本実施例は、ステアリングハンドル（図示略）の操舵角
θＳと、車速Ｖとを、それぞれ操舵角センサ６および車
速センサ７で検出し、これらの操舵角θＳおよび車速Ｖ
を、車両モデルに与えて、ヨーレートや横すべり角等の
所望の運動状態量を推定により求めるものである。
上記車両モデルは、車両諸元および複数の車両運動方程
式によつて数学モデルとして設定されており、アナログ
演算回路で構成されるステア系モデル１とローリングモ
デル２、およびマイクロコンピユータ５内に設けられた
２自由度近似（ヨーと横の２自由度）の車両運動モデル
によつて、計４自由度の車両モデルとなつている。
ステア系モデル１は、操舵角センサ６で検出されるステ
アリングハンドルの操舵角θＳと、マイクロコンピユー
タ５で推定によつて求められた復元トルクＭＦをD/Aコ
ンバータ４を介してアナログ信号化した信号を入力し
て、ステア系モデルを用いて前輪舵角δＦを推定する。
この前輪舵角δＦを表わすアナログ信号は、A/Dコンバ
ータ３を介してデイジタル信号に変換されてマイクロコ
ンピユータ５へ入力される。
ローリングモデル２には、D/Aコンバータ４を介してマ
イクロコンピユータ５から推定によつて求められた横加
速度αを表わすデイジタル信号がアナログ信号に変換し
て入力されている。そして、ローリングモデル２は、入
力された横加速度αの信号をローリングモデルに与え
て、ロール角φを推定する。このロール角φを表わす信
号は、A/Dコンバータ３を介してデイジタル信号に変換
されてマイクロコンピユータ５へ入力される。
マイクロコンピユータ５は、A/Dコンバータ３を介して
入力される前輪舵角δＦとロール角φを表わすデイジタ
ル信号と、車速センサ７で検出される車速Ｖの検出信号
を入力して、前記２自由度近似車両運動モデルを用い
て、上記復元トルクと横加速度αを推定するとともに、
ヨーレートや横すべり角等の所望の車両運動状態量を推
定し、これらの推定値S*を出力する。
４自由度車両モデルを車両運動方程式で表わすと次のよ
うになる。
（但し、ＭＦ＝２（ξＮ＋ξＣ）ＣＦである） Ｍ（ｙ＋Ｖ・）＝２ＣＦ＋２ＣＲ …(3) （但し、ＣＦ＝ＫＦβＦ・ＣＲ＝ＫＲβＲ， である） ＩＸ＝−Ｃφ−Ｋφ・φ＋（Ｈｇ−Ｈφ）Ｍα
…(4) （但し、α＝ｙ＋Ｖ・である） ここで、 Ｍ：質量 ＬＺ：ヨー慣性 ＬＦ：前軸と重心間の距離 ＬＲ：後軸と重心間の距離 ＫＦ：前輪コーナリングパワー ＫＲ：後輪コーナリングパワー Ｎ：ステアリングギヤ比 ＩＫ：キングピン廻りのイナーシャ ＤＫ：キングピン廻りの粘性係数 ＫＳ：タイヤ側から見たステアリング剛性 ξＮ：ニユーマチツクトレール ξＣ：キヤスタートレール ＩＸ：ロール慣性 Ｃφ：ロールリング運動粘性係数 Ｋφ：ロール剛性 ＲＳＦ：フロント・ロール・ステア係数〔rad／rad〕 ＲＳＲ：リア・ロール・ステア係数〔rad／rad〕 Ｈｇ：重心高 Ｈφ：ロール・センタ高 ：ヨーレート ：ヨー角加速度 Ｖｙ：横方向速度ｙ ：横方向速度の時間微分値 β：重心点横すべり角 ＣＦ：前輪コーナリングフオース ＣＲ：後輪コーナリングフオース βＦ：前輪タイヤ横すべり角 βＲ：後輪タイヤ横すべり角 である。
そして、前記(1)式が、キングピン廻りの運動方程式で
あり、前記ステア系モデル１を構成する方程式である。
また、(4)式は、ローリング運動方程式であり、前記ロ
ーリングモデル２を構成する方程式である。(2)式はヨ
ーイング運動方程式、(3)式は横方向運動方程式であ
り、前記２自由度近似車両運動モデルを構成する方程式
である。
上記ステア系モデル１について更に説明すると、前記
(1)式において、操舵角θＳとタイヤから入力される復
元力ＭＦを入力と考えて状態方程式を立てると次のよう
になる。
ここで、行列 の要素は、全て、車両諸元により決定される値であるか
ら、ステア系モデル、すなわち、前記(1)式は、時不変
線形方程式である。従つて、この(1)式を演算する回路
は、アナログ演算回路を用いて構成することができる。
このステア系モデル１の構成をブロツク線図で表わすと
第２図のようになる。また、具体的なアナログ回路で構
成した回路の一例を第３図に示す。
次にローリングモデル２について更に説明すると、前記
(4)式において、ローリング運動における入力を重心点
に働く横加速度αと考えて状態方程式を立てると次のよ
うになる。
ここで、やはり、行列 の要素は、全て車両諸元により決定される値であるか
ら、ローリングモデルも時不変線形であることになり、
前記(4)式を演算する回路は、アナログ演算回路を用い
て構成することができる。
このローリングモデルの構成をブロツク線図で表わす
と、第４図のようになる。また、具体的なアナログ回路
で構成した回路の一例を第５図に示す。
次に、２自由度近似車両運動モデルについて更に説明す
ると、前記(2)，(3)式において、前輪舵角δＦ，前輪ロ
ールステアＲＳＦ・φ，後輪ロールステアＲＳＲ・φを
入力と考えて状態方程式を立てると次のようになる。
ここで、行列 の各要素には、車速Ｖが含まれており、車速Ｖは、時間
と共に変化する時変数である。従つて、ヨーイング運動
と横方向運動の２自由度平面運動をシミユレートする２
自由度近似車両運動モデルは、時変系である。このた
め、前記(2)，(3)式は、アナログ演算回路を用いて演算
することは困難であり、本実施例のように、マイクロコ
ンピユータ５を用いてデイジタル演算によつて演算する
ことが必要となる。
この理由を説明すると、時変系の方程式を演算する場合
には、パラメータ（ここでは、上記行列 の各要素）の変化幅が大きくなる可能性があるため、ア
ナログ演算回路のように、限られたダイナミツクレンジ
のものでは、精度良く演算することが困難であるためで
ある。
これに対し、デイジタル演算回路の場合には、１データ
当りのbit長を十分長くとることで、十分大きなダイナ
ミツクレンジを確保できるので、上記のような時変系の
方程式を精度良く演算することができる。
上述のように、本実施例では、４自由度の車両モデルを
構成する車両運動方程式のうち、時変微分方程式である
ヨーイング運動方程式と横方向運動方程式をマイクロコ
ンピユータ５を用いたデイジタル演算で解き、時不変線
形の方程式であるキングピン廻りの運動方程式とローリ
ング運動方程式を、アナログ演算回路で解くように構成
したことで、マイクロコンピユータ５で行う演算の負担
を軽減して演算速度を速くでき、かつ、アナログ演算回
路では精度が低下する演算については、マイクロコンピ
ユータ５で行うことで、全体として高速、高精度の運動
状態量の推定演算が行える。
特に、ステア系の運動は、平面運動（ヨーイング運動と
横方向運動）やローリング運動の固有振動数が１〜２Hz
であるのに対し、その固有振動数は約８０Hzと大きい。
このため、仮に、ステア系モデル１をデイジタル演算で
行う場合に、アナログ演算で行う場合と同一レベルの精
度を確保するためには、平面運動を演算する場合に比し
て１０倍以上の演算速度が必要になる。
これに対して、アナログ演算回路は、連続系であるた
め、上記固有振動数の大小は、全く影響しないので好適
である。
なお、上記マイクロコンピユータ５は、TTLIC等のデイ
ジタル演算素子を用いたIC形のデイジタル演算回路で構
成することも可能であり、この場合の回路構成をブロツ
ク図で示すと第６図のようになる。
また、上記実施例では、ローリングモデル２をアナログ
演算回路で構成した例を示したが、これは、デイジタル
演算で行うことも可能である。
さらに、本発明は、上記実施例のように、４自由度の車
両モデルを具備するものに限定されることはなく、５自
由度以上の多自由度車両モデルを具備するものであつて
も良い（勿論、２または８自由度でも良い）。この場
合、時変系の微分方程式で表わされる車両の平面運動に
ついては、デイジタル演算を行うようにすることは言う
までもない。
また、本発明は、本願出願人が、先に、特願昭60−1438
40号で提案した車両運動状態推定装置のように、車両モ
デルの運動特性と実際の車両の運動特性との誤差を修正
するために、ヨーレートや横加速度等の車両運動状態量
をセンサで検出し、この検出した車両運動状態量を用い
て、上記車両モデルのパラメータ同定を行うようにする
こともできる。
さらに、本発明は、本願出願人が先に、特願昭59−1470
18号や特願昭59−188153号等で提案している車両用操舵
制御装置のような、車両モデルを用いて車両運動状態量
を推定し、この車両運動状態量の推定値を自車で実現す
るように車輪の舵角を制御する装置に適用できる。
（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明は、予め設定された
車両モデルを用いて、演算により車両の運動状態量を求
めるようにしたことで、複数の車両運動状態量を多くの
センサを用いることなく求めることができ、単一の運動
状態量のセンシング装置を複数備えることと同等の性能
を有することになる。また、センシングの困難な運動状
態量をも容易に求めることができる。
さらに、本発明は、前記車両モデルを構成する複数の車
両運動方程式を解く演算部として、デイジタル演算部と
アナログ演算部の両者を具備し、アナログ演算器では、
高い固有振動数をもつステアリング系モデルを形成し、
又ディジタル演算部では非線形もしくは時変微分方程式
を含む車両の平面モデルを形成して演算することで、デ
イジタル演算部の演算量の負担を軽減するとともに、ア
ナログ演算を平行して行うことで、演算時間を短縮でき
る。これにより、高精度かつ高速の演算が可能となり、
車載用のマイクロコンピユータを用いた装置でも、十分
に、車両運動状態の変化に追従して、演算することが可
能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例の構成図、 第２図は第１図中のステア系モデルの構成を示すブロツ
ク線図、 第３図は同ステア系モデルの具体的回路構成の一例を示
す回路図、 第４図は第１図中のローリングモデルの構成を示すブロ
ツク線図、 第５図は同ローリングモデルの具体的回路構成の一例を
示す回路図、 第６図は第１図中のマイクロコンピユータをIC形のデイ
ジタル回路で構成した場合の回路構成を示すブロツク図
である。 １……ステア系モデル（アナログ演算部） ２……ローリングモデル（アナログ演算部） ３……A/Dコンバータ ４……D/Aコンバータ ５……マイクロコンピユータ（デイジタル演算部） ６……操舵角センサ、７……車速センサ α……横加速度、φ……ロール角 δＦ……前輪舵角、ＭＦ……復元トルク θＳ……操舵角、Ｖ……車速 Ｓ＊……車両運動状態量推定値
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ６２Ｄ 137:00 (56)参考文献 特開 昭50−14028（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−4466（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−6056（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−142535（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−20041（ＪＰ，Ａ) 社団法人自動車技術会編「自動車工学便 覧」（第４刷），昭和54年２月１日発行, 図書出版社，Ｉ５−45左欄第42行−Ｉ５− 49右欄第22行

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ステアリングハンドル操舵角と車速とを検
    出し、予め車両諸元および複数の車両運動方程式によっ
    て数学モデルとして設定された車両モデルを用いて、前
    記ステアリング操舵角と車速とに基づいた車両運動状態
    量を演算により求める車両運動状態量推定装置におい
    て、 前記複数の車両運動方程式のうち、前輪舵角を推定する
    ために用いるステアリング系モデルを、アナログ演算を
    行うアナログ演算部によつて形成し、 該ステアリング系モデルによって演算された前輪舵角と
    前記検出された車速とから、車両のヨー方向と横方向の
    少なくとも一方の運動状態量を推定するために用いる車
    両の平面運動モデルを、ディジタル演算を行うディジタ
    ル演算部によって形成したことを特徴とする車両運動状
    態量推定装置。
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