JP6623782B2

JP6623782B2 - 車両の重心位置推定装置および重心位置推定方法

Info

Publication number: JP6623782B2
Application number: JP2016009220A
Authority: JP
Inventors: 辰弥堀米
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2036-01-20
Also published as: JP2017128232A

Description

本発明は、商用車などの車両の重心位置推定装置に関する。

従来より、トラック等の商用車では、車両の横転を防ぐため、車両の重心位置を推定することが重要となっている。特に商用車では、積荷の状態によって車両全体の重心の位置が大きく変化するため、積荷を積載した状態での重心位置を推定することが重要となる。

車両の重心位置を推定する技術に関して、例えば、以下のような提案がされている（特許文献１参照）。
すなわち、商用車では、車高調整機能を備えている。車高調整とは、車両の後輪のエアサスペンションのエアスプリングに対する空気の給排を制御することで、このエアサスペンションよりも上側の部分（以降、バネ上と呼ぶ）の高さや水平面に対する角度を調整する機能である。
特許文献１では、この車高調整の前後において、車両の後軸のロールモーメントおよび後軸のロール角を演算する。そして、車高調整の前後でバネ上のロールモーメントが不変であるとし、これら後軸のロールモーメントおよび後軸のロール角に基づいて、車両の左右重心位置を演算する。

特開２０１５−９６３７０号公報

特許文献１では、車高調整の前後でバネ上のロールモーメントが不変であるとしたが、実際には、車高調整の前後でロール角が変化するため、バネ上の重心位置が移動してしまう。そのため、バネ上の重心位置をより高精度で推定することが要請されている。

本発明は、バネ上の重心位置をより高精度で推定できる車両の重心位置推定装置および重心位置推定方法を提供することを目的とする。

本発明の車両重心位置推定装置（例えば、後述の車両重心位置推定装置１０）は、後軸に左右一対のサスペンション（例えば、後述のエアサスペンション５Ｌ、５Ｒ）を備える車両（例えば、後述の車両１）の重心位置推定装置であって、前記サスペンションに対する荷重（例えば、後述の荷重Ｆ_Ｌ、Ｆ_Ｒ）を演算する荷重演算手段（例えば、後述の後軸サスペンション荷重演算部４１）と、前記荷重演算手段で演算される荷重に基づいて、前記後軸のロールモーメント（例えば、後述の後軸のロールモーメントＭ_ｘＡＳ）を演算するロールモーメント演算手段（例えば、後述の後軸ロールモーメント演算部４２）と、前記サスペンションの変位量（例えば、後述の変位量Ｚ_Ｌ、Ｚ_Ｒ）に基づいて、前記後軸のロール角（例えば、後述のロール角φ_２）を演算するロール角演算手段（例えば、後述の後軸ロール角演算部４３）と、前記車両の車高を自動で調整する自動車高調整手段（例えば、後述の自動車高調整装置２０）と、前記自動車高調整手段による車高調整前後に亘る状態で、前記車両の固有値である統合ロール剛性の予め設定された暫定値（例えば、後述の統合ロール剛性の暫定値Ｋ_{φ１３＿ｐｒｅｖ}）、前記ロールモーメント演算手段で演算されるロールモーメント、および前記ロール角演算手段で演算されるロール角に基づいて、前記統合ロール剛性を補正する統合ロール剛性補正手段（例えば、後述の統合ロール剛性演算部４４）と、前記荷重演算手段で演算される荷重、前記ロールモーメント演算手段で演算されるロールモーメント、前記ロール角演算手段で演算されるロール角、および前記統合ロール剛性補正手段で補正した前記車両の統合ロール剛性（例えば、後述の統合ロール剛性Ｋ_φ１３）に基づいて、前記左右重心位置（例えば、後述の左右重心位置ｙ_ｃｇ）を演算する左右重心位置演算手段（例えば、後述の左右重心位置演算部４５）と、を備えることを特徴とする。

また、前記左右重心位置が、前記車両の横転の可能性を示す所定の上限閾値（例えば、後述の上限閾値ｙ_ｍａｘ）以上になると、ドライバに危険性を警報する警報手段（例えば、後述の警報制御部４６）をさらに備えてもよい。

また、前記左右重心位置が、前記車両の横転の可能性を示す所定の上限閾値以上になると、前記車両の走行速度を制限する速度制限手段（例えば、後述の車速制御部４７）をさらに備えてもよい。

本発明の車両重心位置推定後軸に左右一対のサスペンションを備える車両の重心位置推定方法であって、前記サスペンションに対する荷重を演算する荷重演算手順と、前記荷重演算手順で演算される荷重に基づいて、前記後軸のロールモーメントを演算するロールモーメント演算手順と、前記サスペンションの変位量に基づいて、前記後軸のロール角を演算するロール角演算手順と、前記車両の車高を自動で調整する車高調整前後に亘る状態で、前記車両の固有値である統合ロール剛性の予め設定された暫定値、前記ロールモーメント演算手順で演算されるロールモーメント、および前記ロール角演算手順で演算されるロール角に基づいて、前記統合ロール剛性を補正する統合ロール剛性補正手順と、前記荷重演算手順で演算される荷重、前記ロールモーメント演算手順で演算されるロールモーメント、前記ロール角演算手順で演算されるロール角、および前記統合ロール剛性補正手順で補正した前記車両の統合ロール剛性に基づいて、前記左右重心位置を演算する左右重心位置演算手順と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、バネ上の重心位置をより高精度で推定して、特に車両の横転防止装置に用いるのに好適な車両の重心位置推定装置および重心位置推定方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係る車両重心位置推定装置が設けられた車両を平面視した模式図である。前記実施形態に係る車両を後方から視た模式図である。前記実施形態に係る車両重心位置推定装置のコントロールユニットを示す機能ブロック図である。前記実施形態に係る車両の車高調整前の状態を示す模式図である。前記実施形態に係る車両の車高調整後の状態を示す模式図である。前記実施形態に係る車両重心位置推定装置の制御内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両重心位置推定装置１０が設けられた車両１を平面視した模式図である。図２は、車両１を後方から視た模式図である。
車両１は、リーフサスペンション４Ｌ、４Ｒを介して設けられた左前輪２Ｌおよび右前輪２Ｒと、エアサスペンション５Ｌ、５Ｒを介して設けられた左後輪３Ｌおよび右後輪３Ｒと、を備える。また、エアサスペンション５Ｌ、５Ｒは、積荷７が偏積されたバネ上６を支持している。

車両重心位置推定装置１０は、エアサスペンション５Ｌ、５Ｒのエアスプリング８Ｌ、８Ｒ内の圧力（以下、単に圧力ＰＬ、ＰＲと称する）を検出する左右一対の圧力センサ１１Ｌ、１１Ｒと、エアスプリング８Ｌ、８Ｒの変位量Ｚ_Ｌ、Ｚ_Ｒを検出する左右一対の変位量センサ１２Ｌ、１２Ｒと、自動車高調整装置２０と、コントロールユニット４０と、を備えている。

自動車高調整装置２０は、エアスプリング８Ｌ、８Ｒに対する空気の給排を制御することで、車両１の車高を水平に近づける自動車高調整を実行する。より詳しくは、自動車高調整装置２０は、変位量センサ１２Ｌ、１２Ｒで検出した変位量Ｚ_Ｌ、Ｚ_Ｒに基づいて現在のバネ上６の車高を求めるとともに、エアスプリング８Ｌ、８Ｒに空気を供給、若しくはエアスプリング８Ｌ、８Ｒから空気を排出することで、バネ上６を水平状態に近づける。

コントロールユニット４０は、車両１の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。
また、コントロールユニット４０は、図３に示すように、後軸サスペンション荷重演算部４１と、後軸ロールモーメント演算部４２と、後軸ロール角演算部４３と、統合ロール剛性演算部４４と、左右重心位置演算部４５と、警報制御部４６と、車速制御部４７とを一部の機能要素として有する。
これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるコントロールユニット４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

後軸サスペンション荷重演算部４１は、圧力センサ１１Ｌ、１１Ｒから入力される圧力ＰＬ、ＰＲに基づいて、エアスプリング８Ｌ、８Ｒに対する荷重Ｆ_Ｌ、Ｆ_Ｒを演算する。
より詳しくは、コントロールユニット４０には、予め実験等により求めたエアスプリング８Ｌ、８Ｒに対する荷重Ｆとエアスプリング圧力Ｐとの関係を示す圧力−荷重特性マップが記憶されている。後軸サスペンション荷重演算部４１は、この内圧−荷重特性マップから、圧力センサ１１Ｌ、１１Ｒで検出される圧力ＰＬ、ＰＲに対応する値を読み取ることで、エアスプリング８Ｌ、８Ｒに対する荷重Ｆ_Ｌ、Ｆ_Ｒをリアルタイムで演算する。なお、荷重Ｆ_Ｌ、Ｆ_Ｒの演算は、マップに限定されず、近似式等から演算してもよい。

また、後軸サスペンション荷重演算部４１は、エアスプリング８Ｌ、８Ｒに対するバネ上５の荷重Ｆｚを演算する。具体的には、後軸サスペンション荷重演算部４１で演算したエアスプリング８Ｌ、８Ｒに対する荷重Ｆ_Ｌ、Ｆ_Ｒの和をバネ上荷重Ｆｚとする。

後軸ロールモーメント演算部４２は、後軸サスペンション荷重演算部４１で演算した荷重Ｆ_Ｌ、Ｆ_Ｒを以下の式（１）に代入することで、積荷の偏積によって生じる後軸のロールモーメントＭ_ｘＡＳを演算する。

なお、式（１）において、ｙ_Ｌは左後輪のエアスプリング８Ｌから車両の左右方向中央までの水平方向の距離、ｙ_Ｒは右後輪のエアスプリング８Ｒから車両の左右方向中央までの水平方向の距離を示している。

後軸ロール角演算部４３は、変位量センサ１２Ｌ，１２Ｒで検出した変位量Ｚ_Ｌ、Ｚ_Ｒを以下の式（２）に代入することで、左右のエアスプリング８Ｌ、８Ｒの変位差によって生じる後軸のロール角φ_２を演算する。

統合ロール剛性演算部４４は、車高調整の前後に亘る状態量に基づいて、車両１に固有の統合ロール剛性Ｋ_φ１３を演算する。統合ロール剛性Ｋ_φ１３とは、前後軸のロール剛性や車体フレームの捻り剛性等を統合して、車両１のバネ上全体を一つの剛体と見なしたロール剛性であり、エアスプリング８Ｌ、８Ｒ以外の前後のサスペンションロール剛性の和である。
ここで、バネ上のロールモーメントＭ_ｘについて、以下の式（３）が成立する。

図４は、車高調整前の状態を示す模式図であり、図５は、車高調整後の状態を示す模式図である。
自動車高調整装置２０による車高調整前の状態をａ、車高調整後の状態をｂとすると、車高調整前のバネ上のロールモーメントをＭｘａ、車高調整後のバネ上のロールモーメントをＭｘｂについて、以下の式（４）が成立する。

以上の式（４）を統合ロール剛性Ｋφ_１３について整理すると、以下の式（５）が得られる。

式（５）の第一項は、車高調整の前後における後軸ロール角に対するエアバネロールモーメントの傾きである。そこで、車高調整の前後に加えて、車高調整中についても、後軸ロール角φ_２に対するロールモーメントＭ_ｘＡＳの比例係数を求めて、この比例係数の近似式（一次式）を最小二乗法により算出し、式（５）の第一項とする。この第一項をｆ（Ｍ_ｘＡＳ，φ_２）とすると、式（５）は、式（６）のようになる。
なお、後軸ロール角φ_２およびロールモーメントＭ_ｘＡＳのデータ数を増やすことで、近似式の精度をさらに向上できる。

また、バネ上のロールモーメントをＭｘは、バネ上の総重量をＦ_ｚとし、バネ上の左右重心位置をｙ_ｃｇとすると、以下の式（７）が成立する。

式（７）は、車高調整の前後においても成立するので、車高調整前を示す符号ａ、車高調整後を示す符号ｂを用いて、以下の式（８）が成立する。

式（８）を式（６）に代入すると、以下の式（９）が得られる。

式（９）の第２項のうち，未知の変数となるのが車高調整前後における左右重心位置の変化量（ｙ_ｃｇｂ−ｙ_ｃｇａ）である。この車高調整の前後におけるバネ上の重心の左右横位置の変化量（ｙ_ｃｇｂ−ｙ_ｃｇａ）が判れば、統合ロール剛性Ｋ_φ１３を補正できることになる。

ここで、式（４）および式（８）より、以下の式（１０）が導き出される。式（１０）におけるＫ_{φ１３＿ｐｒｅｖ}は、統合ロール剛性の暫定値（初期値あるいは前回に推定した値）である。

式（９）、式（１０）を整理すると、以下の式（１１）となる。

左右重心位置演算部４５は、車両１の停車時において、以下の式（１２）に、後軸ロールモーメント演算部４２で演算したロールモーメントＭ_ｘＡＳ、後軸ロール角演算部４３で演算したロール角φ_２、および後軸サスペンション荷重演算部４１で演算したバネ上荷重Ｆ_ｚを代入するとともに、統合ロール剛性演算部４４で演算した統合ロール剛性Ｋ_φ１３を代入することで、車両１の左右重心位置ｙ_ｃｇを演算する。

警報制御部４６は、左右重心位置演算部４５で演算された左右重心位置ｙ_ｃｇに基づいて、車両１に横転の可能性があるか否かをドライバに知らせる警報制御を実行する。より詳しくは、コントロールユニット４０には、予め実験等により求めた車両１の旋回走行時に横転の可能性を生じさせる左右重心位置ｙ_ｃｇの絶対値の上限閾値ｙ_ｍａｘが記憶されている。警報制御部４６は、左右重心位置演算部４５で演算した左右重心位置ｙ_ｃｇの絶対値が上限閾値ｙ_ｍａｘ以上の場合に、図示しない運転室の表示装置５１に横転の危険性を表示させる警告を実行する。なお、ドライバへの警告は、表示装置５１に限定されず、例えば、運転室に設けられた図示しないスピーカから音声等で知らせるように構成してもよい。

車速制御部４７は、左右重心位置演算部４５で演算した左右重心位置ｙ_ｃｇの絶対値が上限閾値ｙ_ｍａｘ以上の場合に、車両１の走行速度を制限して横転を回避させる車速制御を実行する。より詳しくは、コントロールユニット４０には、予め実験等により求めた車両１の横転を回避させるリミッタ速度ＶＬｉｍと左右重心位置ｙ_ｃｇの絶対値との関係を示す速度制限マップ（不図示）が記憶されている。車速制御部４７は、左右重心位置演算部４５で演算される左右重心位置ｙ_ｃｇの絶対値が上限閾値ｙ_ｍａｘ以上の場合に、速度制限マップから読み取ったリミッタ速度ＶＬｉｍをエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５２に出力することで、車両１の走行速度を制限するように構成されている。

次に、図６に基づいて、本発明の車両重心位置推定装置１０による制御フローを説明する。なお、本制御は、イグニッションキーのＯＮ操作と同時にスタートする。

ステップＳ１では、車高調整前の状態で、後軸ロールモーメント演算部４２によるロールモーメントＭ_ｘＡＳａの演算が実行されると共に、後軸ロール角演算部４３によるロール角φ_２ａの演算が実行される。

ステップＳ２では、自動車高調整装置２０による車高調整が実行される。なお、この車高調整の実行中も、後軸ロールモーメント演算部４２によるロールモーメントＭ_ｘＡＳの演算が実行されると共に、後軸ロール角演算部４３によるロール角φ_２の演算が実行される。

ステップＳ３では、車高調整後の状態で、後軸ロールモーメント演算部４２によるロールモーメントＭ_ｘＡＳｂの演算が実行されると共に、後軸ロール角演算部４３によるロール角φ_２ｂの演算が実行される。

ステップＳ４では、統合ロール剛性演算部４４により、統合ロール剛性Ｋ_φ１３の演算が実行される。すなわち、後軸ロール角φ_２に対するロールモーメントＭ_ｘＡＳの比例係数を求めて、この比例係数の近似式（一次式）であるｆ（Ｍ_ｘＡＳ，φ_２）を最小二乗法により算出する。また、上述の式（１１）に、このｆ（Ｍ_ｘＡＳ，φ_２）、Ｓ１で演算された車高調整前のロールモーメントＭ_ｘＡＳａおよびロール角φ_２ａが代入されると共に、Ｓ３で演算された車高調整後のロールモーメントＭ_ｘＡＳｂおよびロール角φ_２ｂが代入される。

ステップＳ５では、左右重心位置演算部４５による左右重心位置ｙ_ｃｇの演算が実行される。すなわち、上述の式（１２）に、ロールモーメントＭ_ｘＡＳおよびロール角φ_２、Ｓ４で演算された統合ロール剛性Ｋ_φ１３、およびバネ上荷重Ｆ_ｚが代入される。

ステップＳ６では、Ｓ５で演算された左右重心位置ｙ_ｃｇの絶対値が車両１の横転の可能性を示す上限閾値ｙ_ｍａｘ以上であるか否かが判定される。左右重心位置ｙ_ｃｇの絶対値が上限閾値ｙ_ｍａｘ以上の場合はＳ７に進み、左右重心位置ｙ_ｃｇの絶対値が上限閾値ｙ_ｍａｘ未満の場合はリターンされる。

ステップＳ７では、警報制御部４６によって、表示装置５１に横転の危険性を表示する警告が実行される。さらに、ステップＳ８では、車速制御部４７によって、車両１の走行速度がリミッタ速度ＶＬｉｍで制限されてリターンされる。

［本実施形態における効果］
以上説明したように、本実施形態における車両重心位置推定装置１０によれば、統合ロール剛性の予め設定された暫定値Ｋ_{φ１３＿ｐｒｅｖ}、ロールモーメントＭ_ｘＡＳ、およびロール角φ_２に基づいて、統合ロール剛性Ｋ_φ１３を演算し、次に、バネ上荷重Ｆ_ｚ、ロールモーメントＭ_ｘＡＳ、ロール角φ_２、およびこの統合ロール剛性Ｋ_φ１３を入力値として含むモデル式（１２）に基づいて、車両１の左右重心位置ｙ_ｃｇを演算する。したがって、車高調整の前後にかけての状態量から統合ロール剛性Ｋ_φ１３を従来に比べてより高精度に演算することが可能となり、車両１の左右重心位置ｙ_ｃｇを高精度に推定することができる。

車両重心位置推定装置１０は、左右重心位置ｙ_ｃｇの絶対値が横転の可能性を生じさせる上限閾値ｙ_ｍａｘ以上になると、表示装置５１に横転の危険性を表示して警告を実行するように構成されている。したがって、左右重心位置ｙ_ｃｇの移動による横転の危険性をドライバに確実に知らせることが可能となり、ドライバに横転を回避させる安全な走行を促すことができる。

また、車両重心位置推定装置１０は、左右重心位置ｙ_ｃｇの絶対値が横転の可能性を生じさせる上限閾値ｙ_ｍａｘ以上になると、横転を回避させるリミッタ速度ＶＬｉｍで車両１の走行速度を制限するように構成されている。したがって、左右重心位置ｙ_ｃｇの移動による車両１の横転を効果的に抑止することが可能になる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、上述の車両重心位置推定装置１０が適用可能な車両は、後輪にエアサスペンションを備えるものに限定されず、前後輪ともにエアサスペンションを備える車両や、前後輪ともにリーフサスペンションを備える車両であってもよい。前後輪ともにリーフサスペンションの場合は、各リーフサスペンションに荷重計を設ければよい。また、車両１はトラックに限定されず、乗用車等の他の車両であってもよい。

１車両
２Ｌ、２Ｒ左右前輪
３Ｌ、３Ｒ左右後輪
４Ｌ、４Ｒリーフサスペンション
５Ｌ、５Ｒエアサスペンション
６バネ上
７積荷
８Ｌ、８Ｒエアスプリング
１０重心位置推定装置
１１Ｌ、１１Ｒ圧力センサ
１２Ｌ、１２Ｒ変位量センサ
２０自動車高調整装置
４０コントロールユニット
４１後軸サスペンション荷重演算部（荷重演算手段）
４２後軸ロールモーメント演算部（ロールモーメント演算手段）
４３後軸ロール角演算部（ロール角演算手段）
４４統合ロール剛性演算部（統合ロール剛性補正手段）
４５左右重心位置演算部（重心位置演算手段）
４６警報制御部（警報手段）
４７車速制御部（車速制限手段）

Claims

後軸に左右一対のサスペンションを備える車両の重心位置推定装置であって、
前記サスペンションに対する荷重を演算する荷重演算手段と、
前記荷重演算手段で演算される荷重に基づいて、前記後軸のロールモーメントを演算するロールモーメント演算手段と、
前記サスペンションの変位量に基づいて、前記後軸のロール角を演算するロール角演算手段と、
前記車両の車高を自動で調整する自動車高調整手段と、
前記自動車高調整手段による車高調整前後に亘る状態で、前記車両の固有値である統合ロール剛性の予め設定された暫定値、前記ロールモーメント演算手段で演算されるロールモーメント、および前記ロール角演算手段で演算されるロール角に基づいて、前記統合ロール剛性を補正する統合ロール剛性補正手段と、
前記荷重演算手段で演算される荷重、前記ロールモーメント演算手段で演算されるロールモーメント、前記ロール角演算手段で演算されるロール角、および前記統合ロール剛性補正手段で補正した前記車両の統合ロール剛性に基づいて、前記車両の左右重心位置を演算する左右重心位置演算手段と、を備えることを特徴とする車両の重心位置推定装置。
前記左右重心位置の絶対値が、前記車両の横転の可能性を示す所定の上限閾値以上になると、ドライバに危険性を警報する警報手段をさらに備える請求項１に記載の車両の重心位置推定装置。
前記左右重心位置の絶対値が、前記車両の横転の可能性を示す所定の上限閾値以上になると、前記車両の走行速度を制限する速度制限手段をさらに備える請求項１または２に記載の車両の重心位置推定装置。
後軸に左右一対のサスペンションを備える車両の重心位置推定方法であって、
前記サスペンションに対する荷重を演算する荷重演算手順と、
前記荷重演算手順で演算される荷重に基づいて、前記後軸のロールモーメントを演算するロールモーメント演算手順と、
前記サスペンションの変位量に基づいて、前記後軸のロール角を演算するロール角演算手順と、
前記車両の車高を自動で調整する車高調整前後に亘る状態で、前記車両の固有値である統合ロール剛性の予め設定された暫定値、前記ロールモーメント演算手順で演算されるロールモーメント、および前記ロール角演算手順で演算されるロール角に基づいて、前記統合ロール剛性を補正する統合ロール剛性補正手順と、
前記荷重演算手順で演算される荷重、前記ロールモーメント演算手順で演算されるロールモーメント、前記ロール角演算手順で演算されるロール角、および前記統合ロール剛性補正手順で補正した前記車両の統合ロール剛性に基づいて、前記車両の左右重心位置を演算する左右重心位置演算手順と、を備えることを特徴とする車両の重心位置推定方法。