JP5145128B2 - 横安定制御方法及びそのための横安定制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の走行制御に係り、より詳しくは、横外乱発生の際にも横外乱による回転モーメントが減衰できるように車両の回転角速度を制御することにより、車両の走行における逸脱を防止し且つ交通事故に対する危険を防止することができる、横安定制御方法及びそのための横安定制御装置に関する。

最近、車両安全のための制御技術、例えば車両の安定的な走行のための先端安全自動車(Advanced Safety Vehicle：ＡＳＶ)技術などが盛んに開発されている。
このような先端安全自動車技術などの制御技術は、ドライバーの操舵意志が小さい直線路では制御介入を行い、ドライバーの操舵意志が大きい曲線路では制御介入を行わずにドライバーに制御権を渡す方式の制御技術である。

ところが、車両が曲線路走行中に横外乱が急に入り込むと、横外乱によるヨー(Yaw)成分によって回転モーメントが発生するが、従来の車両安全のための制御技術では横外乱に対する適切な制御及び対応技術を提供することができないため、ドライバーの意図する走行路を逸脱してしまうという問題点が発生し、これにより深刻な交通事故をもたらすおそれがあるという問題点がある。
これに対して、車両にかかる横方向外乱を精度よく推定し、車両の操舵系の制御を適切に行う特許文献１があるが、オブザーバを用いる複雑な制御を行うものである。

特開２００５−２８０３６８号公報

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、横外乱発生の際にも横外乱による回転モーメントが減衰できるように車両の回転角速度を制御することにより、車両の走行における逸脱を防止し且つ交通事故に対する危険を防止することができる、横安定制御方法及びそのための横安定制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明による横安定制御装置は、走行中に横外乱（Ｓｉｄｅ Ｗｉｎｄ）が発生した場合、車両の挙動を安定させるための横安定制御装置であって、ヨーレートセンサーを用いて横外乱を感知する横外乱感知部と、前記横外乱が感知されると、操舵角センサーを用いてドライバーの操舵角を算出し、前記算出されたドライバーの操舵角、車両挙動情報及び車両諸元情報が含まれた車両情報を用いてターゲットの回転角速度を計算するターゲット回転角速度演算部と、前記横外乱によって発生した回転モーメントが減衰するように車両の回転角速度を制御し、前記制御された車両の回転角速度を、前記計算されたターゲットの回転角速度に収斂させる車両回転角速度制御部とを含み、
前記ターゲット回転角速度演算部は、前記横外乱が感知された感知時点を基準として、前記感知時点以前の操舵角をサンプル周期間隔でサンプル数だけ抽出し、前記抽出されたサンプル数の操舵角を平均して前記ドライバーの操舵角を算出し、且つ、前記算出されたドライバーの操舵角から下記［数式１］によって計算された前輪操舵角、前記車両情報を用いて獲得された第１車両情報および第２車両情報に基づいて、微分方程式である下記［数式２］を解いて前記ターゲットの回転角速度を求め、
前記第１車両情報は下記［数式３］によって算出し、前記第２車両情報は下記［数式４］によって算出することを特徴とする。
［数式１］

δｆ：前輪操舵角（ｒａｄ）
δ：ドライバーの操舵角（ｄｅｇ）
ＧＲ：歯車比（Ｇｅａｒ Ｒａｔｉｏ）
［数式２］

γ _ｄ ′：ターゲットの回転角加速度（ｒａｄ／ｓ ^２ ）
γ _ｄ ：ターゲットの回転角速度（ｒａｄ／ｓ）
δ _ｆ ：前輪操舵角（ｒａｄ）
Ｋ：第１車両情報
Ｔ：第２車両情報
［数式３］

［数式４］

Ｖ：車両速度（ｍ／ｓ）
ｍ：車両質量（Ｋｇ）
ｌｆ：車両重心から前輪までの距離（ｍ）
ｌｒ：車両重心から後輪までの距離（ｍ）
ｌｚ：操舵系の慣性モーメント（ｋｇ・ｍ ^２ ）
Ｃｆ＝２＊Ｋｆ、Ｋｆ：前輪のコーナリングパワー（Ｎ／ｒａｄ）
Ｃｒ＝２＊Ｋｒ、Ｋｒ：後輪のコーナリングパワー（Ｎ／ｒａｄ）

また、本発明の横安定制御方法は、走行中に横外乱が発生した場合、車両の挙動を安定させるために、上述のような横安定制御装置が提供する横安定制御方法において、（ａ）横外乱を感知する横外乱感知段階と、（ｂ）前記横外乱が感知されると、ドライバーの操舵角を算出し、前記算出されたドライバーの操舵角、車両挙動情報及び車両諸元情報が含まれた車両情報を用いてターゲットの回転角速度を計算するターゲット回転角速度演算段階と、（ｃ）前記横外乱によって発生した回転モーメントが減衰するように車両の回転角速度を制御し、前記制御された車両の回転角速度を計算されたターゲットの回転角速度に収斂させる車両回転角速度制御段階とを含むことを特徴とする。

上述したように、本発明によれば、横外乱発生の際にも横外乱による回転モーメントが減衰できるように車両の回転角速度を制御することにより、車両走行における逸脱を防止し且つ交通事故に対する危険を防止することができるという効果がある。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明に係る横安定制御装置を示すブロック構成図である。
図１に示すように、走行中の車両に横外乱(side wind)が発生した場合、車両の挙動を安定させるための横安定制御装置１００は、横外乱感知部１１０、ターゲット回転角速度演算部１２０及び車両回転角速度制御部１３０を含み、操舵角を感知する操舵角センサー及び回転角速度(Yaw Rate)を感知するヨーレート(Yaw Rate)センサーを含んでもよい。

横外乱感知部１１０は横外乱を感知し、このような感知はヨーレートセンサーを用いることにより行われる。

ターゲット回転角速度演算部１２０は、横外乱が感知されると、ドライバーの操舵角を算出し、算出されたドライバーの操舵角、車両挙動情報及び車両諸元情報が含まれた車両情報を用いてターゲットの回転角速度を計算する機能を行う。前述した回転角速度をヨーレート(Yaw rate)ともいう。

車両回転角速度制御部１３０は、横外乱感知部１１０で感知された横外乱によって発生した回転モーメントが減衰するように車両の回転角速度を制御し、このように制御された車両の回転角速度を、ターゲット回転角速度演算部１２０で既に計算されたターゲットの回転角速度に収斂させる。

ターゲット回転角速度演算部１２０は、操舵角センサーを用いて、前述したドライバーの操舵角を算出する。
ターゲット回転角速度演算部１２０は、横外乱感知部１１０で横外乱が感知された感知時点を基準とし、基準になる感知時点以前の操舵角をサンプル周期間隔でサンプル数だけ抽出し、このように抽出されたサンプル数の操舵角を平均してドライバーの操舵角を算出することができる。例えば、もしサンプル周期が１０秒、サンプル数が５個であり、横外乱感知部１００が横外乱を５０秒で感知したならば、基準になる感知時点が５０秒地点となり、ターゲット回転角速度演算部１２０は操舵角センサーから０秒、１０秒、２０秒、３０秒及び４０秒における操舵角を受け取り、これらの５つの操舵角に対する合計をサンプル数５で割って平均値を求め、このように求められた平均値がドライバーの操舵角となる。

ターゲット回転角速度演算部１２０は、前述した方式によって算出されたドライバーの操舵角からターゲットの回転角速度を求めるための前輪操舵角をさらに計算する。前輪操舵角は下記［数１］を用いて計算することができる。

δ_ｆ：前輪操舵角(rad)
δ：ドライバーの操舵角(deg)
ＧＲ：歯車比(Gear Ratio)

ターゲット回転角速度演算部１２０は、算出されたドライバーの操舵角から計算された前輪操舵角、車両挙動情報及び車両諸元情報が含まれた車両情報を用いて獲得された第１車両情報と第２車両情報に基づいて、下記［数２］の微分方程式を解いてターゲットの回転角速度を求める。下記［数２］におけるターゲットの回転角加速度はターゲットの回転角速度を微分した成分である。

ｒ_ｄ ^’：ターゲットの回転角加速度(rad/s²)
ｒ_ｄ：ターゲットの回転角速度(rad/s)
δ_ｆ：前輪操舵角(rad)
Ｋ：第１車両情報
Ｔ：第２車両情報

前述した第１車両情報（Ｋ）及び第２車両情報（Ｔ）は、車両情報に含まれた車両挙動情報及び車両諸元情報を用いて求めることができ、このような車両情報となる車両速度、車両質量、前輪のコーナリングパワー、後輪のコーナリングパワー、車両重心から前輪までの距離、車両重心から後輪までの距離、及び操舵系の慣性モーメントを用いて求めることができるが、第１車両情報は下記［数３］から獲得することができ、第２車両情報は下記［数４］によって計算することができる。

Ｖ：車両速度(m/s)
ｍ：車両質量(Kg)
ｌ_ｆ：車両重心から前輪までの距離(m)
ｌ_ｒ：車両重心から後輪までの距離(m)
ｌ_ｚ：操舵系の慣性モーメント(kg・m²)
Ｃ_ｆ＝２＊Ｋ_ｆ、Ｋ_ｆ：前輪のコーナリングパワー(N/rad)
Ｃ_ｒ＝２＊Ｋ_ｒ、Ｋ_ｒ：後輪のコーナリングパワー(N/rad)

図２は本発明に係る横安定制御方法を示す流れ図である。
図２に示すように、走行中の車両に横外乱が発生した場合、車両の挙動を安定させるための横安定制御方法は、横外乱を感知する横外乱感知段階（Ｓ２００）、横外乱が感知されると、ドライバーの操舵角を算出し、算出されたドライバーの操舵角、車両挙動情報及び車両諸元情報が含まれた車両情報を用いてターゲットの回転角速度を計算するターゲット回転角速度演算段階（Ｓ２０２）、及び横外乱によって発生した回転モーメントが減衰するように車両の回転角速度を制御し、制御された車両の回転角速度を既に計算されたターゲットの回転角速度に収斂させる車両回転角速度制御段階（Ｓ２０４）を含む。

ターゲット回転角速度演算段階（Ｓ２０２）では、横外乱感知段階（Ｓ２００）から横外乱が感知された感知時点を基準として、感知時点以前の操舵角をサンプル周期間隔でサンプル数だけ操舵角センサーから抽出し、前記抽出されたサンプル数の操舵角を平均して前記ドライバーの操舵角を算出する。

前述した車両挙動情報と車両諸元情報が含まれた車両情報は、車両速度、車両質量、前輪のコーナリングパワー、後輪のコーナリングパワー、車両重心から前輪までの距離、車両重心から後輪までの距離、及び操舵系の慣性モーメントを含む。

ターゲット回転角速度演算段階（Ｓ２０２）では、前述したドライバーの操舵角及び車両情報を用いてターゲットの回転角速度に対して前記数式２のような微分方程式を作り、これを解いてターゲットの回転角速度を求める。このように求められたターゲットの回転角速度は、車両回転角速度制御段階（Ｓ２０４）で車両の回転角速度を制御する基準となる情報である。

図３は横外乱発生の際に横安定制御方法の適用による車両回転角速度の制御を示すシミュレーション結果グラフである。横外乱は０．５秒から２．５秒までの２秒間入力された。このように入力された横外乱によって横力及び回転モーメントが発生する。

本発明に係る横安定制御方法は、横外乱により発生した横力または回転モーメントによってドライバーの意図する走行路を逸脱する現象を防止するための方法であって、車両の回転角速度を制御して横外乱によるヨー(Yaw)成分によって発生する回転モーメントを減衰させることにより、車両の回転角速度が走行に必要なターゲットの回転角速度に収斂するように制御する。

図３を参照すると、本発明に係る横安定制御方法を適用し、車両の回転角速度が計算されたターゲットの回転角速度に収斂していくことを確認することができる。すなわち、本発明に係る横安定制御方法は、車両の回転角速度をターゲットの回転角速度に収斂するように制御する。

図４,５,６は直線路走行の際に横外乱が発生した場合、横安定制御の適用及び未適用による逸脱度合いを比較するためのシミュレーション結果を示すグラフである。

図４は、横外乱が発生しない状況で直線路を走行する車両に対して車両の挙動を示すグラフであって、横外乱発生の際に逸脱度合いがどれほどであるかの基準となるグラフである。

図５は、横外乱が０．５秒から２．５秒までの２秒間発生した状況で直線路を走行する車両に対して、横安定制御装置が備えられていないため横安定制御機能が適用されなかった車両の挙動を示すグラフである。

図６は、横外乱が０．５秒から２．５秒までの２秒間発生した状況で直線路を走行する車両に対して、横安定制御装置が備えられているため横安定制御機能が適用された車両の挙動を示すグラフである。

図４、図５及び図６において、グラフの横軸は時間を意味し、グラフの縦軸は時間による車両の横方向移動距離を意味する。

図４を参照すると、横外乱が発生しなかったため、全ての時間に対して横方向の移動距離が０であることが分かる。これは車両が正常状態で直線路を走行していることを示す。

図５を参照すると、横外乱の発生によって、横安定制御装置が備えられていない車両は、２秒間の横外乱発生以後である２．５秒地点で正常状態と比較して横方向の移動距離が約２ｍ以上逸脱したことを確認することができる。これほどの逸脱現象は交通事故をもたらすおそれがある。

反面、図６を参照すると、図５と同一の横外乱発生があったにも拘らず、横安定制御装置が備えられた車両は２．５秒地点で正常状態と比較して横方向の移動距離が約２５ｃｍ以下逸脱したことを確認することができるが、これは図５における２ｍの逸脱度合いと比較すれば相当減少した逸脱情報を示すことを意味する。

したがって、直線路を走行する車両に備えられた横安定制御装置は、横外乱発生の際にも、横外乱による回転モーメントが減衰できるように車両の回転角速度を制御することにより、車両走行時の逸脱を防止し且つ交通時間に対する危険を防止することができるという効果がある。

図７,８,９は曲線路走行の際に横外乱が発生した場合、横安定制御の適用及び未適用による逸脱情報を比較するためのシミュレーション結果を示すグラフである。

図７は、横外乱が発生しない状況で曲線路を走行する車両に対して、車両の挙動を示すグラフであって、横外乱発生時の逸脱度合いがどれほどであるかの基準となるグラフである。

図８は、横外乱が０．５秒から２．５秒までの２秒間発生した状況で曲線路を走行する車両に対して、横安定制御装置が備えられていないため横安定制御機能が適用されなかった車両の挙動を示すグラフである。

図９は、横外乱が０．５秒から２．５秒までの２秒間発生した状況で曲線路を走行する車両に対して、横安定制御装置が備えられているため横安定制御機能が適用された車両の挙動を示すグラフである。

図７、図８及び図９において、グラフの横軸は時間を意味し、縦軸は時間による車両の横方向移動距離を意味する。

図７は、全ての時間に対して正常状態で走行することを示すものであって、０秒で横方向の移動距離が０ｍであり、２．５秒となる地点で横方向の移動距離が約１．５ｍであることを確認することができる。

図８を参照すると、横外乱の発生によって、横安定制御装置が備えられていない車両は、２秒間の横外乱発生以後である２．５秒地点で横方向の移動距離が正常状態の１．５ｍより約２ｍ以上逸脱した４ｍ程度であることを確認することができる。これほどの大きい逸脱現象は急な交通事故をもたらすおそれがある。

他方、図９を参照すると、図８と同一の横外乱発生があったにも拘らず、横安定制御装置が備えられた車両は、２．５秒地点で横方向の移動距離が正常状態の１．５ｍより約２５ｃｍ以下逸脱した１．７ｍ程度であって、逸脱度合いが非常に小さいことを確認することができるが、これは図８における２ｍ以上の逸脱度合いに比べて相当減少した逸脱情報を示すことを意味する。

したがって、図４における直線路だけでなく曲線路においても、車両に備えられた横安定制御装置は、横外乱発生の際にも横外乱による回転モーメントが減衰できるように車両の回転角速度を制御することにより、車両走行における逸脱を防止し且つ交通事故に対する危険を防止することができるという効果がある。

本発明は車両の走行において、横外乱発生の際に逸脱を防止する分野に適用できる。

本発明に係る横安定制御装置を示すブロック構成図である。 本発明に係る横安定制御方法を示す流れ図である。 横外乱発生の際に横安定制御方法の適用による車両回転角速度の制御を示すシミュレーション結果を示すグラフである。 直線路走行の際に横外乱が発生した場合、横安定制御の適用及び未適用による逸脱情報を比較するためのシミュレーション結果を示すグラフである。 直線路走行の際に横外乱が発生した場合、横安定制御の適用及び未適用による逸脱情報を比較するためのシミュレーション結果を示すグラフである。 直線路走行の際に横外乱が発生した場合、横安定制御の適用及び未適用による逸脱情報を比較するためのシミュレーション結果を示すグラフである。 曲線路走行の際に横外乱が発生した場合、横安定制御の適用及び未適用による逸脱情報を比較するためのシミュレーション結果を示すグラフである。 曲線路走行の際に横外乱が発生した場合、横安定制御の適用及び未適用による逸脱情報を比較するためのシミュレーション結果を示すグラフである。 曲線路走行の際に横外乱が発生した場合、横安定制御の適用及び未適用による逸脱情報を比較するためのシミュレーション結果を示すグラフである。

符号の説明

１００ 横安定制御装置
１１０ 横外乱感知部
１２０ ターゲット回転角速度演算部
１３０ 車両回転角速度制御部

Claims (2)

1. 走行中に横外乱（Ｓｉｄｅ Ｗｉｎｄ）が発生した場合、車両の挙動を安定させるための横安定制御装置であって、
   ヨーレートセンサーを用いて横外乱を感知する横外乱感知部と、
   前記横外乱が感知されると、操舵角センサーを用いてドライバーの操舵角を算出し、前記算出されたドライバーの操舵角、車両挙動情報及び車両諸元情報が含まれた車両情報を用いてターゲットの回転角速度を計算するターゲット回転角速度演算部と、
   前記横外乱によって発生した回転モーメントが減衰するように車両の回転角速度を制御し、前記制御された車両の回転角速度を、前記計算されたターゲットの回転角速度に収斂させる車両回転角速度制御部とを含み、
   前記ターゲット回転角速度演算部は、前記横外乱が感知された感知時点を基準として、前記感知時点以前の操舵角をサンプル周期間隔でサンプル数だけ抽出し、前記抽出されたサンプル数の操舵角を平均して前記ドライバーの操舵角を算出し、且つ、前記算出されたドライバーの操舵角から下記［数式１］によって計算された前輪操舵角、前記車両情報を用いて獲得された第１車両情報および第２車両情報に基づいて、微分方程式である下記［数式２］を解いて前記ターゲットの回転角速度を求め、
   前記第１車両情報は下記［数式３］によって算出し、前記第２車両情報は下記［数式４］によって算出することを特徴とする横安定制御装置。
   ［数式１］
   

   

   δｆ：前輪操舵角（ｒａｄ）
   δ：ドライバーの操舵角（ｄｅｇ）
   ＧＲ：歯車比（Ｇｅａｒ Ｒａｔｉｏ）
   ［数式２］
   

   

   γ _ｄ ′：ターゲットの回転角加速度（ｒａｄ／ｓ ^２ ）
   γ _ｄ ：ターゲットの回転角速度（ｒａｄ／ｓ）
   δ _ｆ ：前輪操舵角（ｒａｄ）
   Ｋ：第１車両情報
   Ｔ：第２車両情報
   ［数式３］
   

   

   ［数式４］
   

   

   Ｖ：車両速度（ｍ／ｓ）
   ｍ：車両質量（Ｋｇ）
   ｌｆ：車両重心から前輪までの距離（ｍ）
   ｌｒ：車両重心から後輪までの距離（ｍ）
   ｌｚ：操舵系の慣性モーメント（ｋｇ・ｍ ^２ ）
   Ｃｆ＝２＊Ｋｆ、Ｋｆ：前輪のコーナリングパワー（Ｎ／ｒａｄ）
   Ｃｒ＝２＊Ｋｒ、Ｋｒ：後輪のコーナリングパワー（Ｎ／ｒａｄ）
2. 走行中に横外乱が発生した場合、車両の挙動を安定させるために、請求項１に記載の横安定制御装置が提供する横安定制御方法において、
   （ａ）横外乱を感知する横外乱感知段階と、
   （ｂ）前記横外乱が感知されると、ドライバーの操舵角を算出し、前記算出されたドライバーの操舵角、車両挙動情報及び車両諸元情報が含まれた車両情報を用いてターゲットの回転角速度を計算するターゲット回転角速度演算段階と、
   （ｃ）前記横外乱によって発生した回転モーメントが減衰するように車両の回転角速度を制御し、前記制御された車両の回転角速度を計算されたターゲットの回転角速度に収斂させる車両回転角速度制御段階とを含むことを特徴とする横安定制御方法。

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