JP4781882B2 - 車両運動制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両運動制御装置及び制御方法にかかり、特に、制駆動力及び操舵角を総合して各輪タイヤ発生力を目標値に制御する車両統合制御によって実現する場合に、各輪μ利用率の上限を最小にすることができる車両運動制御装置及び制御方法に関する。

従来より、車両運動において目的とする車体合力とヨーモーメントとを実現する場合に、各輪のグリップ余裕を最大化する、すなわち各輪のμ利用率を最小化する４輪独立操舵及び独立制駆動制御が提案されている（特許文献１）。なお、μは、タイヤと路面との間の摩擦係数を表している。この従来技術では、各輪のμ利用率を均等化するという拘束条件の下で、このμ利用率が最も小さくなる各輪のタイヤ発生力方向を擬似逆行列の繰り返し演算によって導出している。

上記従来技術では、各輪のμ利用率を均等化するという拘束条件の下での最適解（μ利用率を最小にする解）は多くの場合、各輪μ利用率の最大値を最小にする解と一致する。
特開２００４−２４９９７１号公報

しかしながら、上記従来技術では、稀にある車輪のμ利用率を他の車輪のμ利用率と比較して低下させることによって、結果的に各輪μ利用率の最大値を減少させることができる状況が発生する。この状況は、上記の従来技術を利用した車両運動制御の場合、「μ利用率上限の最小化を実現できないことがある」ということを表している。したがって、従来技術ではμ利用率の上限を最小にすることができない、という問題がある。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、従来技術のμ利用率均等化解以外に最適解が存在することを想定して、均等化解からのずれに相当する各輪利用率を新たなパラメータとして再度最適化を図り、車両統合制御において常にμ利用率の上限を最小にすることができる車両運動制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の車両運動制御装置は、各輪タイヤの最大発生力を表す各輪摩擦円の大きさと、各輪のμ利用率の上限値に対する割合を表す各輪利用率とを乗算して各輪の利用摩擦円の大きさを演算する利用摩擦円演算手段と、目標車体前後力、目標車体横力、及び目標ヨーモーメントを表す目標車体フォース及びモーメントと前記利用摩擦円演算手段で演算された利用摩擦円の大きさとに基づいて、前記目標車体フォース及びモーメントを達成する拘束条件下でμ利用率の上限値を最小にする各輪タイヤ発生力の方向を演算する各輪発生力方向演算手段と、前記各輪発生力方向演算手段により前記拘束条件下で最小化されたμ利用率の上限値を低下させるように前記各輪利用率を演算すると共に、演算した各輪利用率に基づいて前記各輪の利用摩擦円の大きさが演算されるように、前記演算した各輪利用率を前記利用摩擦円演算手段に入力する各輪利用率演算手段と、前記各輪利用率演算手段の演算に応じて、前記各輪タイヤ発生力の方向を修正すると共に、修正した各輪タイヤ発生力の方向に基づいて前記各輪利用率が演算されるように、前記修正した各輪タイヤ発生力の方向を前記各輪発生力方向演算手段に入力する各輪発生力方向修正手段と、演算後の前記各輪利用率、修正された前記各輪タイヤ発生力方向、及び最小化されたμ利用率の上限値に基づいて、各輪タイヤ発生力を演算する各輪発生力演算手段と、前記各輪発生力演算手段により演算された各輪タイヤ発生力が得られるように車両運動を制御する制御手段と、を含んで構成されている。

本発明では、殆どの目標車体フォース及びモーメントの車体フォースとモーメントとの組み合わせでは、μ利用率の上限を最小にする解は、μ利用率を均等にする解と一致していることに着目し、各輪摩擦円の大きさと修正された各輪利用率の前回値とを乗算して各輪の利用摩擦円の大きさを演算し、目標車体フォース及びモーメントと演算された利用摩擦円の大きさとに基づいて、各輪タイヤ発生力と各輪利用率とを演算し、演算された各輪タイヤ発生力が得られるように車両運動を制御する。

本発明では、各輪利用率を用いているため、各輪μ利用率の上限を最小にすることができる。

本発明の各輪発生力演算手段は、前記目標車体フォース及びモーメントと前記各輪の利用摩擦円の大きさとに基づいて、前記目標車体フォース及びモーメントを達成する拘束条件下でμ利用率の上限値を最小にする各輪タイヤ発生力の方向を演算する各輪発生力方向演算手段と、前記目標車体フォース及びモーメントを達成する拘束条件下でμ利用率の上限値を低下させるように前記各輪のμ利用率の上限値に対する割合を表す各輪利用率を演算する各輪利用率演算手段と、前記拘束条件下で前記目標車体フォース及びモーメントを達成するための前記各輪利用率演算手段の演算に応じて、前記各輪タイヤ発生力の方向を修正する各輪発生力方向修正手段と、演算後の前記各輪利用率、前記各輪タイヤ発生力方向、及び最小のμ利用率の上限値に基づいて、各輪タイヤ発生力を演算する各輪発生力演算手段と、を含んで構成することができる。

このように構成することにより、各輪タイヤ発生力方向と各輪利用率を２段階で最適化することができる。すなわち、まず、μ利用率の上限を最小にする各輪タイヤ発生力方向を演算し、次いで、各輪利用率を演算することによってμ利用率の上限を低下させることができる場合に限り各輪利用率を演算する。このように、各輪タイヤ発生力方向と各輪利用率で２段階に分割して行うことによって、全てを一括して最適化する場合に比較して演算の効率を上げることができる。

また、本発明の制御手段は、前記各輪発生力演算手段で演算された各輪タイヤ発生力に基づいて、各輪の制動力及び駆動力の少なくとも一方を制御する第１の制御量、または前記第１の制御量及び各輪の操舵角を制御する第２の制御量を演算する制御量演算手段と、前記第１の制御量に基づいて、各輪の制動力及び駆動力の少なくとも一方を制御するか、または前記第１の制御量及び前記第２の制御量に基づいて、各輪の制動力及び駆動力の少なくとも一方及び各輪の操舵角を制御する制駆動舵角制御手段を含んで構成することができる。

また、本発明の車両運動制御装置は、目標車体前後力と目標車体横力とからなる目標車体フォースの方向に各輪のタイヤ発生力を発生させるときに、目標ヨーモーメントと逆方向のヨーモーメントが発生する車輪には、該逆方向のヨーモーメントが発生する車輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率と比較して小さくなるようにμ利用率の制御を行うように構成することもできる。

また、本発明の車両運動制御装置は、目標車体前後力と目標車体横力とからなる目標車体フォースの方向に各輪のタイヤ発生力を発生させるときに、目標ヨーモーメントと逆方向のヨーモーメントを発生させる場合には、該逆方向のヨーモーメントを発生させる車輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率と比較して小さくなるようにμ利用率の制御を行うように構成することもできる。この場合、目標車体前後力及び目標車体横力の大きさとタイヤ位置から車両重心までのモーメントアームの代表的な長さとの積が、前記目標ヨーモーメントの大きさと略一致する場合に、前記μ利用率の制御を行うのが効果的である。

本発明の車両運動制御装置では、更に以下のように制御するようにしてもよい。
旋回制動中に外向きヨーモーメントが要求されたときには、旋回内前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する。

旋回制動中に内向きヨーモーメントが要求されたときには、旋回外後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する。

旋回加速中に外向きモーメントが要求されたときには、旋回外前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する。

旋回加速中に内向きモーメントが要求されたときには、旋回内後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する。

本発明において、目標車体前後力と目標車体横力とからなる目標車体フォースの方向に各輪のタイヤ発生力を発生させるときに、目標ヨーモーメントと逆方向のヨーモーメントを発生させる場合には、該逆方向のヨーモーメントを発生させる車輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率と比較して小さくなるようにμ利用率の制御を行う場合には、この制御対象の車輪の荷重を低下させるように各輪荷重を制御することができる。

この各輪荷重を制御する場合には、ロール剛性配分を以下のように配分することができる。

旋回制動中に外向きモーメントが要求され、旋回内前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、旋回内前輪の荷重を低下させるように、ロール剛性配分を前輪に大きく配分する。

旋回制動中に内向きモーメントが要求され、旋回外後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、旋回外後輪の荷重を低下させるように、ロール剛性配分を前輪に大きく配分する。

旋回加速中に外向きモーメントが要求され、旋回外前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、旋回外前輪の荷重を低下させるように、ロール剛性配分を後輪に大きく配分する。

旋回加速中に内向きモーメントが要求され、旋回内後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、旋回内後輪の荷重を低下させるように、ロール剛性配分を後輪に大きく配分する。

全ての輪の中で最小の各輪利用率が基準値以下となったときに、この基準値以下になった車輪が旋回内前輪または旋回外後輪の場合に、各輪利用率に応じてロール剛性配分を前輪に、またこの基準値以下になった車輪が旋回外前輪または旋回内後輪の場合に、各輪利用率に応じてロール剛性配分を後輪に大きく配分する。

そして、本発明の車両運動制御方法は、目標車体前後力と目標車体横力とからなる目標車体フォースの方向に各輪のタイヤ発生力を発生させるときに、目標ヨーモーメントと逆方向のヨーモーメントを発生させる場合には、該逆方向のヨーモーメントを発生させる車輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率と比較して小さくなるようにμ利用率の制御を行うようにしたものである。

本発明の車両運動制御方法では、上記の車両運動制御装置で説明した制御内容を利用して車両運動を制御することができる。

さらに、本発明では、コンピュータを、各輪タイヤの最大発生力を表す各輪摩擦円の大きさと修正された各輪利用率の前回値とを乗算して各輪の利用摩擦円の大きさを演算する利用摩擦円演算手段と、目標車体前後力、目標車体横力、及び目標ヨーモーメントを表す目標車体フォース及びモーメントと前記利用摩擦円演算手段で演算された利用摩擦円の大きさとに基づいて、各輪タイヤ発生力と各輪のμ利用率の上限値に対する割合を表す各輪利用率とを演算する各輪発生力演算手段と、演算された前記各輪タイヤ発生力に基づいて、前記演算された各輪タイヤ発生力が得られるように車両運動を制御する制御手段と、を含んで機能させるためのプログラムとしても構成することができ、この場合においても上記の車両運動制御装置で説明した制御内容を利用してプログラムを構成することができる。

以上説明したように本発明によれば、各輪μ利用率の上限を最小にすることができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。まず、４輪独立に操舵と制動、及び操舵と駆動を行うことが可能な車両における操舵と制動、及び操舵と駆動の各協調制御、すなわち統合制御の原理について説明する。

まず、ドライバが望む車体運動を得るために４輪の各々で発生するタイヤ発生力の合力として車体に加えられる力等を、図１に示す車体前後軸の方向をｘ軸とする一般的な座標系で表される４輪車両運動モデルによって記述する。

ここでは、各輪の摩擦円の大きさＦ_i（ただし、ｉ＝１、２，３，４であり、１：左前輪、２：右前輪、３：左後輪、４：右後輪を表す）が既知であると仮定し、目標とする車体フォース（前後力Ｆ_x0、横力Ｆ_y0）、及び目標とするヨーモーメントＭ_z0（目標車体フォース及びモーメント）を確保しつつ、各輪のμ利用率の上限値（４輪の中の最大値）を最小化、すなわち最小にするための各輪タイヤ発生力の方向と各輪のμ利用率を求める。なお、各輪の摩擦円の大きさは、各輪タイヤの最大発生力の大きさで表すことができ、各輪の荷重や各輪の車輪速及びセルフアライニングトルク等から推定することができる。

まず、目標とする車体合力と目標とするヨーモーメントとを確保する（目標車体フォース及びモーメントを確保する）という拘束条件のモデル化を行う。タイヤ発生合力の方向をｘ軸、ｘ軸に垂直な方向をｙ軸とする座標変換を実施すると各タイヤの位置(ｘ、ｙ)＝(ｌ_i、ｄ_i)は、図１に示すように以下の（１）〜(８)式で表すことができる。

ただし、Ｔ_fは前輪間の間隔、Ｔ_rは後輪間の間隔、Ｌ_fは車両重心から前輪間の中点までの距離、Ｌ_rは車両重心から後輪間の中点までの距離であり、ｌ_iはｘ軸からタイヤ接地点までの距離、ｄ_iはｙ軸からタイヤ接地点までの距離を各々表している。

また、各輪のμ利用率の上限をγとすると共に、各輪のμ利用率のμ利用率上限γに対する割合を表す各輪利用率をｒ_i、各輪のタイヤ発生力方向をｑ_i（ｘ軸に対し、反時計方向を正とする）とすると、各輪のタイヤ発生力（Ｆ_xi、Ｆ_yi）は、以下の（９）、（１０）式のように記述することができる。

また、各輪のタイヤ発生力の合力である車体フォース（前後力Ｆ_x0、横力Ｆ_y0）、及びヨーモーメントＭ_z0は、以下の拘束条件で記述することができる。

ここで、上記(１１)式の両辺に横力Ｆ_y0を乗じた式から、(１２)式の両辺に前後力Ｆ_x0を乗じた式を減算すると、μ利用率の上限γを消去した下記（１４）式が得られる。

また、上記(１１)式の両辺にモーメントＭ_z0を乗じた式から、(１３)式の両辺に前後力Ｆ_x0を乗じた式を減算すると、μ利用率の上限γを消去した下記（１５）式が得られる。

さらに、上記(１２)式の両辺にヨーモーメントＭ_z0を乗じた式から、(１３)式の両辺に横力Ｆ_y0を乗じた式を減算すると、μ利用率の上限γを消去した下記（１６）式が得られる。

そして、μ利用率の上限γを消去した上記(１４)〜(１６)式の両辺を各々加算することによって、以下の（１７）式が得られる。

さらに、(１１)式の両辺にｄ₀ ²Ｆ_x0、(１２)式の両辺にｌ₀ ²Ｆ_y0、及び(１３)式の両辺にＭ_z0を各々乗じた３つの式を加算すると、以下の（１８）式が得られる。

ただし、ｄ₀、 ｌ₀は、各々力とモーメントとの次元を合わせるための定数であり、本実施の形態では、ｄ₀、 ｌ₀の各々を以下に示す（１９）式及び（２０）式のように設定した。

ここで、目標車体フォース及びモーメント（目標車体フォース＆モーメント）の大きさＭ_F0を次の（２１）式のように定義する。

また、上記(１３)式と(１８)式とからμ利用率の上限γを消去すると共に、目標車体フォース及びモーメントの大きさＭ_F0で規格化した以下の（２２）式及び（２３）式の拘束条件を利用する。

上記（２２）式及び（２３）式の拘束条件の場合には、Ｆ_x0、 Ｆ_y0、及びＭ_z0のいずれか２つが０となる場合でも拘束条件として機能することとなる。なお、この規格化は、ＥＣＵ等のコンピュータ及びプログラムを用いて固定小数点演算する際の演算精度向上のために実施するものである。

ここで、μ利用率の上限γの最小化を目的とした評価関数Ｊとして次の（２４）式を定義する。

この評価関数は、（定数）／（μ利用率の上限γ）で表わされており、（２４）式の最大化は、μ利用率の最小化を意味している。また、この評価関数は、この評価関数に上記(１８)式を代入することにより、次の（２５）式のように表される。

結局、上記(２５)式を最大化する各輪のタイヤ発生力方向ｑ_i、及びμ利用率の上限γに対する各輪利用率ｒ_iを求めれば、μ利用率の上限γを最小化することになる。

したがって、非線形最適化問題として、次の問題１に示すように定式化することができる。
問題１：(２２)式及び(２３)式の拘束条件を満足し、(２５)式を最大化する各輪のタイヤ発生力方向ｑ_i、及び各輪利用率ｒ_iを求める。

次に、各輪タイヤ発生力配分アルゴリズムについて説明する。各輪のμ利用率を均一に設定した従来技術の問題に加え、本実施の形態では、各輪利用率ｒ_iをパラメータに含める必要がある。本実施の形態では、各輪の発生力方向ｑ_i、及び各輪利用率ｒ_iを毎回個別に最適化するアルゴリズムを用いて繰り返し演算することにより各輪の発生力方向ｑ_i、及び各輪利用率ｒ_iを求める。

μ利用率一定摩擦円上の探索行うために、まず、各輪利用率ｒ_iを固定した状態で従来技術と同様、逐次２次計画法のアルゴリズムを利用して各輪の発生力方向ｑ_iを解く。

ｓｉｎｑ_i、 ｃｏｓｑ_iを次の（２６）式及び（２７）式に示すようにと１次近似することによって、上記（２２）式及び（２３）式の拘束条件は、次の（２８）式及び（２９）式に示すように各輪の発生力方向ｑ_iに関して線形化することができる。

また、ｓｉｎｑ_i、ｃｏｓｑ_iを２次のテーラー展開によって、次の（３０）式及び（３１）式に示すように近似すると、上記（２５）式の評価関数Ｊは、次の（３２）式で記述することができる。

さらに、（３７）式に示す変数変換を行うことによって、上記（２５）式の評価関数Ｊは、次の（３８）式に示すように表され、pのユークリッドノルム最小化問題に変換される。

また、線形近似された拘束条件は、次の（３９）式で記述することができる。

上記（３９）式を満足するユークリッドノルム最小解は、以下の（４４）式に示すように求めることができる。

ただし、Ａ⁺は行列Ａの擬似逆行列である。

結局、各輪タイヤ発生力方向を表すｑは、次の（４５）式で表される。

ただし、ｑは、各輪タイヤ発生力方向ｑ_ｉ（＝ｑ₁、ｑ₂、ｑ₃、ｑ₄）によって以下の（４６）式で表される。

ここで、ρが正の定数（１．０）で記述される次の（４６）式のペナルティ関数Ｐを定義し、（４５）式で導出された各輪タイヤ発生力方向ｑ_iを用いて（４６）式のペナルティ関数を演算し、ペナルティ関数Ｐが減少する場合には、再び（３３）〜（３５）式、（４０）〜（４３）式、及び（４５）式の演算を繰り返し実施する再帰的な手法によって収束演算を行う。

また、このアルゴリズムによって導出された各輪タイヤ発生力方向ｑ_iを利用した場合のμ利用率は、（２４）式及び（２８）式から次の（４９）式で演算することができる。（４９）式から理解されるようにμ利用率は評価関数に対する目標車体フォース及びモーメントの大きさの二乗の比で表される。

次に、各輪利用率の修正について説明する。各輪のμ利用率の上限γに対する各輪利用率ｒ_i（＝ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃、ｒ₄）をｒ_i＋ｄｒ_i（ｄｒ_iは変化量）に変化させて各輪利用率を修正したとき、目標車体フォース及びモーメントの拘束条件を表す上記（２２）式及び（２３)式は、次の（５０）式及び（５１）式で表される。

したがって、各輪利用率ｒ_iを変化させると各輪タイヤ発生力方向ｑ_ｉ及び評価関数も変化するので、各輪利用率ｒ_iをｒ_i＋ｄｒ_iに変化させたときに目標車体フォース及びモーメントの拘束条件を満足させるためには、（４５）式のｑを、例えばｑ＋ｄｑに修正する必要がある。ただし、各輪タイヤ発生力方向を表すｑの変化量ｄｑは、以下の（５４）式で表される。

ただし、ｄｑは、各輪タイヤ発生力方向の変化量ｄｑ_i（＝ｄｑ₁、ｄｑ₂、ｄｑ₃、ｄｑ₄）によって以下の式で表わされる。

ｄｑ＝[ｄｑ₁ ｄｑ₂ ｄｑ₃ ｄｑ₄]^T
ここでは、目標車体フォース及びモーメントの拘束条件を満足させることのみ考慮しているので修正は不定となる。すなわち、無数の修正法があり得るが、本実施の形態では演算の簡単化のために、導出済みの擬似逆行列をそのまま利用した修正法を用いている。このとき、上記（２５）式の評価関数ＪはＪ＋ ｄＪに変化する。ただし、変化量ｄＪは以下の（５５）式で表される。

したがって、評価関数Ｊの変化量ｄＪは近似的に評価関数Ｊを偏微分した次の（５６）式で表すことができる。

ただし、Ｄ_1ｉ、Ｄ_2ｉは以下の（５７）式、（５８）式で定義される。

本実施の形態では、内点の探索を最急降下法に基づいて、ｒ（＝[ｒ₁ ｒ₂ ｒ₃ ｒ₄]^T）を０〜１の範囲内で、次の（５９）式に示すように変更し、繰り返し演算の次のステップに進む。ただし、ｒ₀は繰り返し演算における各輪利用率ｒの前回値、ｋは正の定数を表している。これにより、評価関数Ｊが大きくなるように変化した場合には各輪利用率ｒが小さくなるように補正される。

このとき、各輪利用率ｒの変更に伴い、車体フォース及びモーメントの拘束条件を満足させるようにｑをｑ＋ｄｑに修正する。ただし、ｄｑは、上記で記載した下記の（５４）式で表される。

なお、μ利用率の上限γは、上記のようにして導出された角度ｑ_iを用い、上記（４９）式に基づき演算される。

次に、上記の原理を利用した本実施の形態の具体的構成を図２に基づいて説明する。図に示すように、本実施の形態には、各輪の車輪速運動及びセルフアライニングトルク等に基づいて推定された各輪タイヤの最大発生力である各輪摩擦円の大きさＦ_iと繰り返し演算の前ステップで演算された各輪利用率ｒ_iの前回値とを乗じて、（９）式及び（１０）式中の積ｒ_iＦ_iで表される各輪の利用摩擦円の大きさを演算する利用摩擦円演算手段１０が設けられている。

利用摩擦円演算手段１０は、車体前後力、車体横力、及びヨーモーメントの目標値である目標車体フォース及びモーメントと、利用摩擦円の大きさとから各輪のタイヤ発生力と各輪のμ利用率の上限γに対する割合を表す各輪利用率ｒ_iを演算する各輪発生力演算手段１２に接続されている。各輪発生力演算手段１２には、演算された各輪タイヤ発生力を車両統合制御によって実現する制御手段１４が接続されている。

各輪発生力演算手段１２には、目標車体フォース及びモーメントと、利用摩擦円演算手段１０で演算された各輪の利用摩擦円とから目標車体フォース及びモーメントを達成する拘束条件下でμ利用率の上限値γを最小化する各輪タイヤ発生力の方向ｑ_iを上記（４５）式に基づいて演算する各輪発生力方向演算手段１２Ａが設けられている。

各輪発生力方向演算手段１２Ａには、目標車体フォース及びモーメントを達成する拘束条件下でμ利用率の上限値γを低下させるように各輪のμ利用率の上限値γに対する割合を表す各輪利用率ｒ_iを上記（５９）式に従って演算する各輪利用率演算手段１２Ｂが接続されている。各輪利用率演算手段１２Ｂは、各輪利用率ｒ_iを０〜１の間で変化させ、評価関数Ｊが大きく変化する場合には、各輪利用率ｒ_iが小さくなるように変更する。

各輪利用率演算修正手段１２Ｂは、利用摩擦円演算手段１０に接続されており、各輪利用率演算手段１２Ｂで演算された各輪利用率の繰り返し演算における前回値を利用摩擦円演算手段１０に入力する。

また、各輪利用率演算手段１２Ｂには、目標車体フォース及びモーメントを達成するために各輪利用率の演算に伴って各輪タイヤ発生力の方向を（５４）式に従って各輪利用率に応じて修正する各輪発生力方向修正手段１２Ｃが接続されている。

各輪発生力方向修正手段１２Ｃは、各輪発生力方向演算手段１２Ａに接続されており、各輪タイヤ発生力方向の前回値を各輪発生力方向演算手段１２Ａに入力する。

各輪発生力方向修正手段１２Ｃには、修正後の各輪利用率と各輪タイヤ発生力方向、及び最小化されたμ利用率上限値から各輪の発生力を演算する各輪発生力演算手段１２Ｄが接続されている。各輪発生力演算手段１２Ｄは、（９）式及び（１０）式に従って各輪タイヤ発生力Ｆ_xi，Ｆ_yiを演算する。

次に制御手段による制駆動力及び操舵力の制御について説明する。

各輪の制駆動力は、μ利用率、各輪の限界摩擦円の大きさＦ_i、及び合成力の方向ｑ_iを用いて、上記の前後力Ｆ_xiを示す（９）式から導出することができる。なお、γＦ_iは、タイヤ発生力の大きさを表す。

また、同様に各輪の横力Ｆ_yiは、上記（１０）式から導出することができる。

各輪の舵角は、例えばブラッシュモデルと車両運動モデルとに基づいて演算することができる。ブラッシュモデルは、タイヤ発生力特性を理論式に基づいて記述したモデルであり、タイヤ発生力がブラッシュモデルに従って発生すると仮定すると、各輪の摩擦円の大きさＦ_i，各輪のμ利用率，各輪のタイヤ発生力の方向ｑ_iからスリップ角β_iを以下のように求めることができる。

ここで、Ｋ_s：ドライビングスティッフネス、Ｋβ：コーナリングスティッフネスである。

さらに各輪の舵角δ_iは、スリップ角から車両運動モデルに基づいて演算される。すなわち、車速ｖ、操舵角、アクセル開度、及びブレーキ踏力等から目標となる車両運動状態量として演算されるヨー角速度ｒ₀、車体スリップ角β₀から以下のように演算することができる。なお、β₁〜β₄は、（６０）式の各輪のスリップ角である。

操舵制御と制駆動制御との協調を行う場合には、上記のようにして求めた（９）式の制駆動力を第1の操作量とし、（６２）〜（６５）式の操舵角を第２の操作量として、第1の操作量に基づいて制動力及び駆動力を制御すると共に、第２の操作量に基づいて操舵角、すなわちタイヤ発生力の方向を制御する。なお、タイヤ発生力の方向を制御すると共に、制動力及び駆動力のいずれか一方の大きさを制御するようにしてもよい。

この制御に基づく操舵制御と制駆動制御との協調を実施した場合、常にμ利用率の上限を最小化することが可能となり、路面や横風などの外乱に対し最も余裕のある運動性能を示すことが可能である。

また、車体に加えるべき合成力を最大化するときには、上記（９）式において各輪のμ利用率を１とすれば各輪の制駆動力が求められ、上記（６１）式においてμ利用率を１とすれば（５７）〜（６０）式より各輪の操舵角が求められる。

そして、上記のようにして求めた各輪の制駆動力及び各輪の操舵角を操作量として車両の駆動力と操舵角、または制動力と操舵角を協調制御する。

協調制御する場合、制御手段は、操舵アクチュエータ及び制駆動アクチュエータを制御し、各輪の目標タイヤ発生力を実現するために必要な各輪の操舵角、または各輪の操舵角と制駆動力とを制御する。

制御手段１４としては、制動力制御手段、駆動力制御手段、前輪操舵制御手段、または後輪制御操舵手段を用いることができる。

この制駆動制御手段としては、ドライバ操作とは独立して各車輪の制動力を個別に制御する、いわゆるＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）に用いられる制御手段、ドライバ操作とは機械的に分離され、各車輪の制動力を信号線を介して任意に制御する制御手段（いわゆるブレーキ・バイ・ワイヤ）等がある。

駆動制御手段としては、エンジントルクをスロットル開度、点火進角の遅角、または燃料噴射量を制御することによって駆動力を制御する制御手段、変速機の変速位置を制御することによって駆動力を制御する制御手段、トルクトランスファを制御することによって前後方向及び左右方向の少なくとも一方の駆動力を制御する制御手段等を用いることができる。

前輪操舵制御手段としては、ドライバのステアリングホイール操作に重畳して前輪の操舵角を制御する制御手段、ドライバ操作とは機械的に分離され、ステアリングホイールの操作とは独立して前輪操舵角を制御する制御手段（いわゆるステア・バイ・ワイヤ）等を用いることができる。

また、後輪操舵制御手段としては、ドライバのステアリングホイール操作に応じて後輪の操舵角を制御する制御手段、ドライバ操作とは機械的に分離され、ステアリングホイールの操作とは独立して後輪操舵角を制御する制御手段等を用いることができる。

なお、制駆動力のみを演算し、駆動力、制動力、または制駆動力を制御する、すなわち操舵角を制御することなくタイヤ発生力の大きさのみを制御するようにしてもよい。

上記利用摩擦円演算手段１０、各輪発生力演算手段１２（各輪発生力方向演算手段１２Ａ、各輪利用率演算手段１２Ｂ、各輪発生力方向修正手段１２Ｃ、及び各輪発生力演算手段１２Ｄ）、及び制御手段１４は、１つまたは複数のコンピュータで構成することができる。この場合、コンピュータには、コンピュータを上記各手段として機能させるためのプロブラムが格納される。

次に、上記実施の形態の効果について、各輪利用率ｒ_iをｒ_i＝1に固定した場合と比較して示す。図３は、中μ路（路面μ＝０．５）走行時のシミュレーション結果を示したものである。このシミュレーションでは、漸化式の繰り返し演算を７回実施した後の各輪タイヤ発生力演算値を利用している。図３（ａ）に示すように各輪利用率ｒ_iをｒ_i＝１に固定した場合、後輪の左右輪横力が相殺し合う等、μ利用率を均一にすることによる弊害が現れている。

これに対し、図３（ｂ）に示す本実施の形態では右後輪のμ利用率を低下させることにより、後輪の左右輪横力の相殺がなくなっている。

また、図４は、このときのステップ毎、すなわち繰り返し回数毎の演算結果を示したものである。図４（ｂ）に示すように本実施の形態を適用することによって、右後輪のμ利用率に対する利用率ｒ₄が予め設定された下限値である０．1となり、この結果μ利用率上限値を０．７５から０．６５まで１５％程低減させることができている。

本実施の形態の制御手段では、以下のように制御することができる。

演算された各輪タイヤ発生力が得られるように車両運動を制御した場合に、目標ヨーモーメントと逆方向のヨーモーメントを発生する各輪タイヤ発生力が存在する場合には、タイヤ発生力を発生する車輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率と比較して小さくなるようにμ利用率の制御を行う。この場合、目標車体前後力及び目標車体横力の大きさとタイヤ位置から車両重心までのモーメントアームの代表的な長さとの積が、目標ヨーモーメントの大きさと略一致する場合に、μ利用率の制御を行うのが効果的である。

旋回制動中に外向きヨーモーメントが要求されたときには、旋回内前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する。

旋回制動中に内向きヨーモーメントが要求されたときには、旋回外後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する。

旋回加速中に外向きモーメントが要求されたときには、旋回外前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する。

旋回加速中に内向きモーメントが要求されたときには、旋回内後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する。

次に、μ利用率低減の効果について説明する。目標車体フォース、すなわち車体の横力と前後力とからなる車体合力の目標値が、目標ヨーモーメントに比較して大きい場合、すなわち目標車体フォースの大きさとタイヤ位置から車両重心までのモーメントアームの代表的な長さとの積が、目標ヨーモーメントの大きさに比較して大きい場合には、各輪のタイヤ発生力は目標車体フォースの方向に概ね一致させることがタイヤ発生力を効率よく利用してμ利用率の上限を低減させるタイヤ発生力配分になる。すなわち、目標車体フォースを得るために必要かつ効率的な各輪のタイヤ発生力は、目標車体フォースの方向に概ね一致する。

一方、目標車体フォースが目標ヨーモーメントに比較して小さい場合、すなわち目標車体フォースの大きさとタイヤ位置から車両重心までのモーメントアームの代表的な長さとの積が目標ヨーモーメントの大きさに比較して小さい場合には、各輪のタイヤ発生力は目標ヨーモーメントを発生させる方向に概ね一致させることがタイヤ発生力を効率よく利用してμ利用率の上限を低減させるタイヤ発生力配分になる。すなわち、目標モーメントを得るために必要かつ効率的な各輪のタイヤ発生力は、目標ヨーモーメントを発生させる方向に概ね一致する。

これに対し、目標車体フォースが目標ヨーモーメントと略一致する場合、すなわち目標車体フォースの大きさとタイヤ位置から車両重心までのモーメントアームの代表的な長さとの積が目標モーメントの大きさに略一致する場合には、目標車体フォースを効率よく得るために必要なタイヤ発生力と目標ヨーモーメントを効率よく得るために必要なタイヤ発生力を両立させる必要がある。このとき、目標車体フォースの方向と目標ヨーモーメントを発生させるタイヤ発生力の方向が逆方向である車輪では、目標車体フォースを得るためのタイヤ発生力と目標ヨーモーメントを発生させるタイヤ発生力が相殺し、この車輪のμ利用率が小さくなる。このように、目標車体フォースが目標ヨーモーメントと略一致する場合には、目標車体フォースの方向と目標ヨーモーメントを発生させるタイヤ発生力の方向とが逆方向である車輪のμ利用率を他の車輪に比較して小さくすることによって、全体としてのタイヤ発生力の利用率を向上させ、μ利用率上限を低減させることができる。

次に、μ利用率を低減させる車両の荷重を減少させる場合の効果について説明する。μ利用率を低減させる車輪の荷重を減少し、減少させた分の荷重を他の車輪に移動させることによって、μ利用率の大きな車輪の荷重が増加する。このとき、路面μと荷重の積で概ね記述できる摩擦円も大きくなることから、結果的にμ利用率の大きな車輪のμ利用率（＝タイヤ発生力の大きさ／摩擦円の大きさ）を低減することができる。これは、μ利用率の上限値が１となる限界の車体フォースモーメントの値を増加させる、すなわち限界性能を向上させることを意味している。

具体的に、旋回制動中に外向きヨーモーメントが要求され、旋回内前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、ロール剛性配分を前輪に大きく配分すると、後輪の左右輪に比較して前輪の左右輪の荷重差が大きくなり、前輪の内輪は荷重がより小さく、前輪の外輪は荷重がより大きくなる。μ利用率を他の車輪に比較して小さく設定する旋回内前輪は荷重を低減させることによってμ利用率は多少増加する。一方で、旋回外前輪は荷重が増加することに伴って摩擦円が大きくなる。この状況下で、タイヤ発生力の最適配分を再び実施することにより、目標車体フォースとモーメントの双方の実現に効率よく働く旋回外前輪のタイヤ力を有効に利用することが可能となり、限界性能を向上させたり、μ利用率上限値を低減、すなわちグリップ余裕を向上することができる。

同様に、旋回制動中に内向きヨーモーメントが要求され、旋回外後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、ロール剛性配分を前輪に大きく配分すると、前輪の左右輪に比べて後輪の左右輪の荷重差が小さくなり、標準のロール剛性配分の状態と比較して旋回外後輪の荷重を低下、旋回内後輪の荷重を増加させることができる。μ利用率を他の車輪に比較して小さく設定する旋回外後輪は荷重を低減させることによってμ利用率は多少増加する。一方で、旋回内後輪は荷重が増加することに伴って摩擦円が大きくなる。この状況下で、タイヤ発生力の最適配分を再び実施することにより、目標車体フォースとモーメントの双方の実現に効率よく働く旋回内後輪のタイヤ力を有効に利用することが可能となり、限界性能を向上させたり、μ利用率上限値を低減、すなわちグリップ余裕を向上することができる。

さらに、旋回加速中に外向きヨーモーメントが要求され、旋回外前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、ロール剛性配分を後輪に大きく分配すると、後輪の左右輪に比較して前輪の左右輪の荷重差が小さくなり、標準のロール剛性配分の状態と比較して旋回外前輪の荷重を低下、旋回内前輪の荷重を増加させることができる。μ利用率を他の車輪に比較して小さく設定する旋回外前輪は荷重を低減させることによってμ利用率は多少増加する。一方で、旋回内前輪は荷重が増加することに伴って摩擦円が大きくなる。この状況下で、タイヤ発生力の最適配分を再び実施することにより、目標車体フォースとモーメントとの双方の実現に効率よく働く旋回内前輪のタイヤ力を有効に利用することが可能となり、限界性能を向上させたり、μ利用率上限値を低減、すなわちグリップ余裕を向上することができる。

また、旋回加速中に内向きヨーモーメントが要求され、旋回内後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、ロール剛性配分を後輪に大きく配分すると、前輪の左右輪に比較して後輪の左右輪の荷重差が大きくなり、後輪の内輪は荷重がより小さく、後輪の外輪は荷重がより大きくなる。μ利用率を他の車輪に比較して小さく設定する旋回内後輪は荷重を低減させることによってμ利用率は多少増加する。一方で、旋回外後輪は荷重が増加することに伴って摩擦円が大きくなる。この状況下で、タイヤ発生力の最適配分を再び実施することにより、目標車体フォースとモーメントの双方の実現に効率よく働く旋回外後輪のタイヤ力を有効に利用することが可能となり、限界性能を向上させたり、μ利用率上限値を低減、すなわちグリップ余裕を向上することができる。

図５（ａ）〜（ｃ）は、路面μ＝１．０の高μ路で旋回制動時に横力８０００Ｎ、制動力６０００Ｎを要求されたときのタイヤ発生配分を示したものである。なお、ここでは通常時のロール剛性配分を６：４（＝前輪：後輪）に設定している。ヨーモーメントの指令値が０のときには、（ａ）に示すように各輪のμ利用率は均等に配分されている。ここで、何らかの原因でスピン傾向が生じたときには、各輪のタイヤ発生力配分によって外向きのヨーモーメントを発生させる必要がある。外向きのヨーモーメント指令が発生した場合を（ｂ）及び（ｃ）に示す。（ｂ）は、ロール剛性配分を変更しない状態で、横力と制動力を変更することなく限界までヨーモーメントを発生させたときの各輪のタイヤ発生力配分を示したものである。この状態では、旋回内前輪以外の車輪はμ利用率が１となる一方で、旋回内前輪のμ利用率は、０．３程度の値となっている。また、旋回内前輪の各輪利用率（０．３）に応じてロール剛性配分を前輪に大きく配分（１：０）すると、（ｃ）に示すように、各輪利用率の小さい旋回内前輪の摩擦円は小さく、利用率大きい旋回内後輪の摩擦円は大きくなる。このとき、大きさが変更された摩擦円に基づいてタイヤ発生力配分の最適化を実施すると、摩擦円が有効に利用されることによって、発生できる限界のヨーモーメントは１６％以上増加する。このように、発生限界のヨーモーメントを増加させることはスピン制御の性能を向上させることを意味しており、本実施の形態の統合制御によってロール剛性配分を変更することにより、安全性がさらに向上することがわかる。

車両運動モデルを示す概略図である。 図１の車両運動モデルにおける発生合力に対応した座標系を示す概略図である。 （ａ）は各輪利用率ｒ_iを１に固定した場合の演算結果における各輪のタイヤ発生力等を示す概略図であり、（ｂ）は本実施の形態の演算結果における各輪のタイヤ発生力方向等を示す概略図である。 （ａ）は各輪利用率ｒ_iを１に固定した場合の演算結果における繰り返し回数毎の各輪のタイヤ発生力方向等を示す概略図であり、（ｂ）は本実施の形態の演算結果におけるにおける繰り返し回数毎の各輪のタイヤ発生力方向等を示す概略図である。 路面μ＝１．０の高μ路で旋回制動時に横力８０００Ｎ、制動力６０００Ｎを要求されたときのタイヤ発生配分を示す概略図である。

符号の説明

１０ 利用摩擦円演算手段
１２ 各輪発生力演算手段
１４ 制御手段

Claims (20)

1. 各輪タイヤの最大発生力を表す各輪摩擦円の大きさと、各輪のμ利用率の最大値であるμ利用率の上限値に対する各輪の利用割合を表す各輪利用率とを乗算して各輪の利用摩擦円の大きさを演算する利用摩擦円演算手段と、
   目標車体前後力、目標車体横力、及び目標ヨーモーメントを表す目標車体フォース及びモーメントと前記利用摩擦円演算手段で演算された利用摩擦円の大きさとに基づいて、前記目標車体フォース及びモーメントを達成する拘束条件下でμ利用率の上限値を最小にする各輪タイヤ発生力の方向を演算する各輪発生力方向演算手段と、
   前記各輪発生力方向演算手段により前記拘束条件下で最小化されたμ利用率の上限値を低下させるように前記各輪利用率を演算すると共に、演算した各輪利用率に基づいて前記各輪の利用摩擦円の大きさが演算されるように、前記演算した各輪利用率を前記利用摩擦円演算手段に入力する各輪利用率演算手段と、
   前記各輪利用率演算手段の演算に応じて、前記各輪タイヤ発生力の方向を修正すると共に、修正した各輪タイヤ発生力の方向に基づいて前記各輪利用率が演算されるように、前記修正した各輪タイヤ発生力の方向を前記各輪発生力方向演算手段に入力する各輪発生力方向修正手段と、
   演算後の前記各輪利用率、修正された前記各輪タイヤ発生力方向、及び最小化されたμ利用率の上限値に基づいて、各輪タイヤ発生力を演算する各輪発生力演算手段と、
   前記各輪発生力演算手段により演算された各輪タイヤ発生力が得られるように車両運動を制御する制御手段と、
   を含む車両運動制御装置。
2. 前記制御手段を、
   前記各輪発生力演算手段で演算された各輪タイヤ発生力に基づいて、各輪の制動力及び駆動力の少なくとも一方を制御する第１の制御量、または前記第１の制御量及び各輪の操舵角を制御する第２の制御量を演算する制御量演算手段と、
   前記第１の制御量に基づいて、各輪の制動力及び駆動力の少なくとも一方を制御するか、または前記第１の制御量及び前記第２の制御量に基づいて、各輪の制動力及び駆動力の少なくとも一方及び各輪の操舵角を制御する制駆動舵角制御手段と、
   を含んで構成した請求項１記載の車両運動制御装置。
3. 前記制御手段は、演算された前記各輪タイヤ発生力に基づいて車両運動を制御した場合に、前記目標ヨーモーメントと逆方向のヨーモーメントが発生する車輪には、該逆方向のヨーモーメントが発生する車輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率と比較して小さくなるようにμ利用率の制御を行う請求項１または請求項２記載の車両運動制御装置。
4. 目標車体前後力及び目標車体横力の大きさとタイヤ位置から車両重心までのモーメントアームの代表的な長さとの積が、前記目標ヨーモーメントの大きさと略一致する場合に、前記μ利用率の制御を行う請求項３記載の車両運動制御装置。
5. 旋回制動中に外向きヨーモーメントが要求されたときには、旋回内前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の車両運動制御装置。
6. 旋回制動中に内向きヨーモーメントが要求されたときには、旋回外後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の車両運動制御装置。
7. 旋回加速中に外向きモーメントが要求されたときには、旋回外前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の車両運動制御装置。
8. 旋回加速中に内向きモーメントが要求されたときには、旋回内後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の車両運動制御装置。
9. μ利用率を他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、この制御対象の車輪の荷重を低下させるように各輪荷重を制御することを特徴とする請求項３記載の車両運動制御装置。
10. 旋回制動中に外向きモーメントが要求され、旋回内前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、旋回内前輪の荷重を低下させるように、ロール剛性配分を前輪に大きく配分することを特徴とする請求項９記載の車両運動制御装置。
11. 旋回制動中に内向きモーメントが要求され、旋回外後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、旋回外後輪の荷重を低下させるように、ロール剛性配分を前輪に大きく配分することを特徴とする請求項９記載の車両運動制御装置。
12. 旋回加速中に外向きモーメントが要求され、旋回外前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、旋回外前輪の荷重を低下させるように、ロール剛性配分を後輪に大きく配分することを特徴とする請求項９記載の車両運動制御装置。
13. 旋回加速中に内向きモーメントが要求され、旋回内後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する場合に、旋回内後輪の荷重を低下させるように、ロール剛性配分を後輪に大きく配分することを特徴とする請求項９記載の車両運動制御装置。
14. 全ての輪の中で最小の各輪利用率が基準値以下となったときに、この基準値以下になった車輪が旋回内前輪または旋回外後輪の場合に、各輪利用率に応じてロール剛性配分を前輪に、またこの基準値以下になった車輪が旋回外前輪または旋回内後輪の場合に、各輪利用率に応じてロール剛性配分を後輪に大きく配分することを特徴とする請求項３記載の車両運動制御装置。
15. 各輪タイヤの最大発生力を表す各輪摩擦円の大きさと、各輪のμ利用率の上限値に対する割合を表す各輪利用率とを乗算して各輪の利用摩擦円の大きさを演算し、
    目標車体前後力、目標車体横力、及び目標ヨーモーメントを表す目標車体フォース及びモーメントと演算された利用摩擦円の大きさとに基づいて、前記目標車体フォース及びモーメントを達成する拘束条件下でμ利用率の上限値を最小にする各輪タイヤ発生力の方向を演算し、
    前記拘束条件下で最小化されたμ利用率の上限値を低下させるように前記各輪利用率を演算すると共に、演算した各輪利用率に基づいて前記各輪の利用摩擦円の大きさを演算し、
    演算された前記各輪利用率に応じて、前記各輪タイヤ発生力の方向を修正すると共に、修正した各輪タイヤ発生力の方向に基づいて前記各輪利用率を演算し、
    演算後の前記各輪利用率、修正された前記各輪タイヤ発生力方向、及び最小化されたμ利用率の上限値に基づいて、各輪タイヤ発生力を演算し、
    演算された各輪タイヤ発生力が得られるように車両運動を制御した場合に、前記目標ヨーモーメントと逆方向のヨーモーメントを発生させる場合には、該逆方向のヨーモーメントを発生させる車輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率と比較して小さくなるようにμ利用率の制御を行う車両運動制御方法。
16. 目標車体前後力及び目標車体横力の大きさとタイヤ位置から車両重心までのモーメントアームの代表的な長さとの積が、前記目標ヨーモーメントの大きさと略一致する場合に、前記μ利用率の制御を行う請求項１５記載の車両運動制御方法。
17. 旋回制動中に外向きヨーモーメントが要求されたときには、旋回内前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する請求項１５または請求項１６の記載の車両運動制御方法。
18. 旋回制動中に内向きヨーモーメントが要求されたときには、旋回外後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する請求項１５〜請求項１７のいずれか１項記載の車両運動制御方法。
19. 旋回加速中に外向きモーメントが要求されたときには、旋回外前輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する請求項１５〜請求項１８のいずれか１項記載の車両運動制御方法。
20. 旋回加速中に内向きモーメントが要求されたときには、旋回内後輪のμ利用率が他の車輪のμ利用率に比較して小さくなるように制御する請求項１５〜請求項１９のいずれか１項記載の車両運動制御方法。