特開 2023-177492 車両用制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023177492

(43)【公開日】2023-12-14

(54)【発明の名称】車両用制御装置

(51)【国際特許分類】

   B60W 30/02 20120101AFI20231207BHJP

【ＦＩ】

B60W30/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022090201

(22)【出願日】2022-06-02

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100109047

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 雄祐

(74)【代理人】

【識別番号】100109081

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 友由

(72)【発明者】

【氏名】竹内 琢磨

(72)【発明者】

【氏名】勝山 悦生

【テーマコード（参考）】

3D241

【Ｆターム（参考）】

3D241BA16

3D241CE09

3D241DA13Z

3D241DA39Z

3D241DB09Z

3D241DB26Z

(57)【要約】

【課題】車両のステアリング特性を適切に制御できる車両用制御装置を提供する。
【解決手段】車両用制御装置は、車両の前後加速度の要求値と横加速度のセンサ値とを取得する取得部と、車両の前後加速度および横加速度に制駆動力を対応付けた対応データを記憶する記憶部と、要求値およびセンサ値と対応データとに基づき、車両の制駆動力を制御する制御部と、を備える。制駆動力は、車両のタイヤのコンバインドスリップ特性および車両のサスペンション特性を用いて車両の旋回時におけるスタビリティファクタを表現するモデルに基づいて、前後加速度および横加速度に対応付けられている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両の前後加速度の要求値と横加速度のセンサ値とを取得する取得部と、
前記車両の前後加速度および横加速度に制駆動力を対応付けた対応データを記憶する記憶部と、
前記要求値および前記センサ値と前記対応データとに基づき、前記車両の制駆動力を制御する制御部と、を備え、
前記制駆動力は、前記車両のタイヤのコンバインドスリップ特性および前記車両のサスペンション特性を用いて前記車両の旋回時におけるスタビリティファクタを表現するモデルに基づいて、前記前後加速度および前記横加速度に対応付けられている、
車両用制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車両用制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、旋回時の車両を制御する技術が知られている。たとえば特許文献１には、取得した各輪の横滑り角、推定した各輪の接地荷重および路面の摩擦係数を表すパラメータに基づいて、各輪の駆動目標トルクを補正する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－１７８７５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、車両のステアリング特性への影響が考慮されていない。このため、特許文献１に記載の技術のように各輪の制駆動力を制御すると、ドライバにとって運転しづらいステアリング特性となる場合がある。

【0005】

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、車両のステアリング特性を適切に制御できる車両用制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある態様の車両用制御装置は、車両の前後加速度の要求値と横加速度のセンサ値とを取得する取得部と、車両の前後加速度および横加速度に制駆動力を対応付けた対応データを記憶する記憶部と、要求値およびセンサ値と対応データとに基づき、車両の制駆動力を制御する制御部と、を備え、制駆動力は、車両のタイヤのコンバインドスリップ特性および車両のサスペンション特性を用いて車両の旋回時におけるスタビリティファクタを表現するモデルに基づいて、前後加速度および横加速度に対応付けられている。

【0007】

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、車両のステアリング特性を適切に制御できる車両用制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態に係る車両用制御装置を説明するためのブロック図である。

【図2】コンバインドスリップ特性のイメージ図である。

【図3】コンバインドスリップ特性による前後力と横力との関係を前輪について計算した例を示す図である。

【図4】コンバインドスリップ特性による前後力と横力との関係を示す図である。

【図5】制駆動力によって重心点に発生するヨーモーメントを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［背景］
上述の特許文献１に記載の技術（以下、本明細書では「従来技術」とも称する。）によって車両のタイヤを有効に使うことができるようになり、車両の物理的な旋回性能の向上が見込まれる一方で、従来技術ではドライバーが運転する視点から考えたときにステアリング特性への影響が考慮されていない。ステアリング特性は、一般にスタビリティファクタと呼ばれる特性値で表現され、ドライバーのステアリング操作に対して車両の旋回特性が旋回を強める側に変化する（オーバーステア特性）か、その逆（アンダーステア特性）か、または変化しない（ニュートラルステア特性）かを表す。従来技術のように物理的な旋回性能を向上させるために各輪の制駆動力を制御すると、たとえば旋回中に加速するようなシーンでアクセルを踏むと車両がオーバーステア特性に変化し（一般的にはアンダーステア特性となるシーン）、ドライバーとしては運転しづらい特性になることが起こり得る。また、ヨーレートセンサなどを用いたフィードバック制御系においては、センサの誤差などの要因で性能保証が難しい点も課題として挙げられる。

【0011】

タイヤが前後方向に制駆動力を発生させると横方向の力が減少するコンバインドスリップ特性が一般に知られている。スタビリティファクタは、タイヤの横方向の力を基に算出されるが、従来技術のように制駆動力で車両の旋回性能を向上させると、コンバインドスリップ特性によってスタビリティファクタが変化する。更に、タイヤの荷重依存性も同様にスタビリティファクタへ影響し、制駆動力はサスペンションブシュの変形も引き起こす。このため、サスペンション特性もスタビリティファクタの変化の要因となる。したがって、タイヤ特性およびサスペンション特性を考慮した各輪の制駆動力制御設計が必要と考えられる。

【0012】

［実施形態］
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

【0013】

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用制御装置１０の機能を説明するためのブロック図である。本実施形態に係る車両用制御装置１０は、モータ２０が発生する制駆動力を制御する。なお、図１には、１つのモータ２０が示されているが、車両用制御装置１０は、車両の各輪を制御するための複数のモータを制御してよい。

【0014】

本実施形態に係る車両用制御装置１０は、取得部１２、記憶部１４および制御部１６を備える。車両用制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）を備えてよい。

【0015】

取得部１２は、各種の情報を取得し、制御部１６に伝達する。具体的には、取得部１２は、車両の前後加速度の要求値と横加速度のセンサ値とを取得する。たとえば、取得部１２は、車両のアクセルの開口度などに応じた前後加速度の要求値を取得してよいし、車両の車輪に設けられた加速度センサから横加速度のセンサ値を取得してよい。また、取得部１２は、車体に設けられた速度センサから車体速度のセンサ値を取得してよい。

【0016】

記憶部１４は、各種の情報を記憶する。記憶部１４は、車両の前後加速度および横加速度に制駆動力を対応付けた対応データを記憶する。この対応データにおいて、制駆動力は、車両のタイヤのコンバインドスリップ特性および車両のサスペンション特性を用いて車両の旋回時におけるスタビリティファクタを表現するモデル（「タイヤモデル」ともいう。）に基づいて、前後加速度および横加速度に対応付けられている。記憶部１４に記憶されている各種の情報（たとえば対応データなど）は、必要に応じて制御部１６に参照される。

【0017】

制御部１６は、各種の制御を実行する。具体的には、制御部１６は、前後加速度の要求値および横加速度のセンサ値と対応データとに基づき、車両の制駆動力を制御する。より具体的には、制御部１６は、各輪を駆動するモータ２０が発生する制駆動力を制御する。これにより、各輪にコンバインドスリップ特性、サスペンション特性およびスタビリティファクタを考慮した制駆動力が各輪に与えられ、車両のステアリング特性を適切に制御できる。

【0018】

制御部１６は、たとえば前後加速度の要求値、横加速度のセンサ値および車体速度を用いて、記憶部１４に記憶された対応データに基づき、対応付けられた制駆動力を発生するようにモータ２０を制御できる。具体的には、制御部１６は、左前輪、右前輪、左後輪、右後輪のそれぞれに、個別に対応付けられた制駆動力を発生するように、モータ２０を制御してよい。

【0019】

本実施形態では、上述のタイヤモデルは、車両のタイヤのコンバインドスリップ特性を用いて定義される。

【0020】

図２は、コンバインドスリップ特性の概念図である。図２において、横軸ｘは、タイヤの前後方向、縦軸ｙは、タイヤの横方向に対応する。曲線Ｃは、タイヤにかかる前後力と横力との関係を示す。スリップ角をα_ｉとするとき、ｘ軸とα_ｉの角度をなす直線Ｌと曲線Ｃとの交点Ｐがタイヤ発生力となる。

【0021】

このタイヤモデルにおいて、スリップ角がα_ｉであるときの粘着域におけるタイヤ発生力は、式（１）で表される。

【数1】

【0022】

Ｆ_Ａｘｉは粘着域におけるタイヤの制駆動力、Ｆ_ｚｉはタイヤの垂直荷重、Ｃ_Ｆｙｉは荷重依存性を持ったタイヤの正規化コーナリングパワー、Ｃ_ＣＳは荷重依存性を持った正規化キャンバスティフネス、γはキャンバ角をそれぞれ示す。なお、添え字のｉ（１～４）は、車両の各輪を特定する値であり、１は左前輪、２は右前輪、３は左後輪、４は右後輪をそれぞれ示す。ここで、タイヤの前後力と横力とによるコンバインドスリップ状態でのスリップ比Ｓ_ｉを式（２）に示す。

【数2】

【0023】

μｉは、荷重依存性を持ったタイヤの摩擦係数を表す。これより、コンバインドスリップを考慮したタイヤ発生力Ｆ_ｉは、式（３）で表される。

【数3】

【0024】

以上より、コンバインドスリップを考慮した前後および横のタイヤ力は、それぞれ式（４）および（５）で表される。

【数4】

【0025】

式（４）、（５）からタイヤの前後力と横力の関係を求めると図３のような関係になり、前後力に応じて横力が減少する特性を持つことがわかる。

【0026】

以上のようにして求められる各輪の横力Ｆ_ｙｉと車両のステアリング特性を表すスタビリティファクタＫとの関係を導く。スタビリティファクタＫは、式（６）のように表される。

【数5】

【0027】

ｌはホイールベース、ｇは重力加速度を示す。ここで、Ｃ^＊ _ｙｆおよびＣ^＊ _ｙｒは、それぞれ前軸および後軸の左右輪による正規化横力の局所勾配を平均化した値である。各輪正規化横力の局所購買Ｃ^＊ _ｙｉを式（７）に示す。

【数6】

【0028】

Ｗ_ｉは各輪の静止荷重であり、α’_ｉは後述するサスペンション特性を反映したタイヤの仮想的なスリップ角を示す。これより、Ｃ^＊ _ｙｆおよびＣ^＊ _ｙｒは、式（８）のように求められる。

【数7】

【0029】

次に、サスペンション特性とタイヤの仮想的なスリップ角α’_ｉとの関係を導く。本実施形態では、タイヤの仮想的なスリップ角α’_ｉを式（９）のように定義する。

【数8】

【0030】

Δｉは、サスペンション特性によって生じるタイヤの切れ角変化を表す。α’_ｉとタイヤの正規化コーナリングパワーＣ_Ｆｙｉとの関係は、式（１０）のように表すことができる。

【数9】

【0031】

Ｃ’_Ｆｙｉは、サスペンション特性を含めたタイヤの正規化コーナリングパワーであり、正規化等価コーナリングパワーと呼ばれる。式（９）、（１０）より、たとえばΔｉが正の値を持ち車両の旋回を助長する方向に切れ角変化を生じると、Ｃ’_Ｆｙｉが大きくなり、車両のコーナリングパワーが大きくなったかのような特性となる。なお、Δｉは、式（１１）で表される。

【数10】

【0032】

ΔＹ_ｉは横力ステア、ΔＴ_ｉはモーメントステアであり、フロントはトルクステアの影響を含む、Δφ_ｉはロールステア、ΔΓ_ｉは横力・ロールキャンバをステア角変換したもの、ΔＦ_ｘｉは制駆動力ステア、ΔＷ_ｓｉは加減速によるバンプステア、ΔΓ_ｗｉはバンプキャンバをステア角変換したもの、ΔΓ_Ｉｉはイニシャルキャンバをステア角変換したものである。なお、イニシャルトーの影響は、α_ｉに含めた。

【0033】

以上のようにして、タイヤの特性を横力Ｆ_ｙｉ、サスペンション特性を仮想的なスリップ角α’_ｉに反映し、これらの特性が陽にモデルへと反映されていることがわかる。

【0034】

以上のよう定義したモデルを用いて、車両がある車速において、前後加速度Ａ_ｘ・横加速度Ａ_ｙを伴い旋回している際に旋回性能の向上およびステアリング特性の補償に必要となる各輪制駆動力Ｆ_ｘｉを求める。このとき、前後それぞれの左右タイヤスリップ角は等しいと仮定して（α_１＝α_２，α_３＝α_４）、α_ｉおよびＦ_Ａｘｉの６変数を用いて、次の式（１２）の評価関数Ｊを最小化する。なお、左右のタイヤ切れ角を独立して制御可能である車両を想定した場合、左右のタイヤスリップ角が等しいという仮定を除外して考えることができる。

【数11】

【0035】

ｍは車両重量、Ｆ_ｃｄは車速依存性を持つコーナリングドラッグ、Ｍ_ｚＦｘは各輪の横力で発生する重心点のヨーモーメント、Ｍ_ｚＦｘは各輪の制駆動力で発生する重心点のヨーモーメント、Ｋ_ｔｇｔは目標スタビリティファクタであり、基本的にＡ_ｘ＝０におけるＫを示し、ｋはステアリング特性補償の重みを示す。Ｍ_ｚＦｙ，Ｍ_ｚＦｘはそれぞれ次の式（１３）、（１４）で表される。

【数12】

【0036】

ｌ_ｆは重心点から前の車軸までの距離、ｌ_ｒは重心点から後車軸までの距離、ｔ_ｆは前のトレッド幅、ｔ_ｒは後ろのトレッド幅を示す。

【0037】

ここで、式（１２）の右辺各項に注目すると，第１項は所定の前後加速度を達成するための条件式、第２項は所定の横加速度を実現するための条件式、第３項は車両に発生するヨーモーメントの総和が０となり、定常・準定常円旋回状態を実現するための条件式であり、第４項でステアリング特性補償の効果を付加していることがわかる。これにより、制駆動力制御がない場合と比較すると、第３項の効果で旋回性能の向上がなされており、同時に第４項でスタビリティファクタを条件としたステアリング特性への影響抑制がなされていると解釈することができる。

【0038】

したがって、ｋおよびＫ_ｔｇｔの設定次第で限界性能の向上とステアリング特性補償の調整も可能である。更には、Ｆ_Ａｘｉに条件を付加することで４輪全ての制駆動力が制御できるケースのみならず様々な制駆動力制御に拡張可能であることがわかる。たとえば、左右の駆動力差は制御できず前後の駆動力差のみ制御できるケース（Ｆ_Ａｘ１＝Ｆ_Ａｘ２，Ｆ_Ａｘ３＝Ｆ_Ａｘ４）において、Ｍ_ｚＦｘが０に近づくがステアリング特性補償の効果は期待することができる。また、モータによる制駆動力制御に限らず、ブレーキなど制動装置への適用も可能と考えられる。

【0039】

以上のようにして求めた制駆動力によって実現されるステアリング特性を例として、Ａ_ｙ＝３［ｍ／ｓ^２］においてＡ_ｘを－３［ｍ／ｓ^２］から３［ｍ／ｓ^２］まで変化させた場合の計算結果を図４に示す。図４に示すグラフでは、縦軸はスタビリティファクタＫを示し、横軸は前後加速度Ａ_ｘを示す。

【0040】

図４には、従来技術としてタイヤの特性等考慮せずに各輪の荷重に比例した制駆動力を出力した場合（旋回性能の最大化を目的とした場合）を比較として示している。この比較結果より、従来技術は特に加速側でオーバーステア特性に変化している一方で、本発明はステアリング特性を全領域一定に保っていることがわかる。

【0041】

更に、この時の制駆動力によって重心点に生じるヨーモーメントの計算結果を図５に示す。図５では、縦軸は各輪の横力で発生する重心点のヨーモーメントＭ_ｚＦｘを示し、横軸は前後加速度Ａ_ｘを示す。図５より、従来技術と比較してヨーモーメントが抑制されていることが確認できる。

【0042】

電動車では、電動機の複数・分散搭載が比較的容易であり、車両の各輪制駆動力を独立して制御することが可能である。これにより、旋回性能の向上が期待できる一方で、たとえば旋回中にアクセルを踏み込むと車両がより旋回挙動を強める（オーバーステア特性）、スタビリティファクタの減少を引き起こしドライバーの感性に合わない車両のステアリング特性となることが懸念される。

【0043】

本実施形態に係る車両用制御装置１０によれば、タイヤのコンバインドスリップ特性およびサスペンション特性を考慮した制御系を構築し、スタビリティファクタおよび旋回性能の両立を実現できる。なお、本開示の車両用制御装置１０は、各輪制駆動力が独立して制御できる車両に限らず、あらゆる駆動方式およびブレーキの活用にも対応可能であり、更には左右のタイヤ切れ角を独立して制御できる車両まで適応可能である。

【0044】

（応用例）
応用例では、車両用制御装置１０は、図５のようにして求められる制駆動力によって重心点に発生するヨーモーメントに基づいて、制駆動力を制御する。制駆動力の求め方までは、先に記述した通りであるが、応用例では、制駆動力によって重心点に発生するヨーモーメントＭ_ｚＦｘの形式でｍａｐとして記憶部１４に記憶される。応用例では、制御部１６は、統合制御器（図示しない。）を有し、ｍａｐから出力されるＭ_ｚＦｘとロール制御要求Ｍ_ｘとに基づいて、各輪の制駆動力を制御する。

【0045】

このように、ロール制御要求などを追加した場合であっても統合制御器による配分結果から適切な各輪の制駆動力が得られる。なお、追加する制御要求や統合制御器次第で元の制駆動力配分から乖離することとなるが、図５に示したように旋回方向の制御目標としてＭ_ｚＦｘを従来技術と比較するとより高いステアリング特性の補償効果が期待できる。

【0046】

［補足］
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

【符号の説明】

【0047】

１０ 車両用制御装置、１２ 取得部、１４ 記憶部、１６ 制御部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】