JP7245072B2

JP7245072B2 - 車両情報算出装置及び車両の制御装置

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Publication number: JP7245072B2
Application number: JP2019032259A
Authority: JP
Inventors: 朋之岡田; 翼大野; 慧吉澤
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2039-02-26
Also published as: JP2020137378A; CN111619581A; DE102020100801A1; US11498572B2; US20200269705A1

Description

本発明は、車両情報算出装置及び車両の制御装置に関する。

従来、例えば下記の特許文献１には、タイヤの共振周波数および反共振周波数を抽出し、タイヤのねじりばね定数および外側慣性モーメントを高精度で取得して、タイヤの状態を検出することが記載されている。

特開２０１２－８１８７３号公報

上記特許文献１に記載された技術は、振動入力部により所定の振動をタイヤへ入力してタイヤの周波数情報を取得し、抽出した共振周波数及び反共振周波数からタイヤの外側慣性モーメントおよびねじバネ定数を算出するものである。

しかしながら、このような手法では、振動入力部１１０により振動をタイヤへ入力する必要があり、構造が複雑になるとともに、製造コストが増大する問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、簡素な構成で車輪を含む回転部材の慣性モーメントを算出し、慣性モーメントに基づいて車両を制御することが可能な、新規かつ改良された車両情報算出装置及び車両の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、車両を駆動するモータのトルクを取得するモータトルク取得部と、前記モータの角加速度を取得する角加速度取得部と、前記車両の車輪の接地力を取得する接地力取得部と、前記トルク、前記角加速度、前記接地力、及び前記車両の車輪と接地面との間の摩擦係数に基づいて、前記車輪を含む回転部材の慣性モーメントを算出する慣性モーメント算出部と、前記車両が走行している際の前記トルク、前記角加速度、前記接地力、および、前記慣性モーメントに基づいて、前記車両が走行している際の前記車両の車輪と接地面との間の摩擦係数を算出する摩擦係数算出部と、を備える、車両情報算出装置が提供される。

前記車輪と接触するドラムであって前記車輪の回転に応じて回転する前記ドラム上に前記車両を載置した状態で前記トルク、前記角加速度、及び前記接地力を取得するものであっても良い。

また、算出した前記慣性モーメントを記憶する記憶部を更に備えるものであっても良い。

また、算出した前記慣性モーメントを車両の制御装置に記憶させるものであっても良い。

また、前記接地力取得部は、前記車輪の接地力を検出する接地力センサから前記接地力を取得するものであっても良い。

また、前記接地力取得部は、前記ドラムの荷重を検出する荷重センサから前記接地力を取得するものであっても良い。

また、前記慣性モーメント算出部は、前記トルク、前記角加速度、前記接地力、及び前記摩擦係数に加えて、前記車輪の径に基づいて前記慣性モーメントを算出するものであっても良い。

また、前記摩擦係数は、前記車輪と前記ドラムとの接触部における摩擦係数であり、予め取得された規定値であっても良い。

また、前記車輪の走行距離に対する前記ドラムの回転距離の比率に基づいて、前記比率が所定範囲外の場合にエラーを検出するエラー検出部を更に備えるものであっても良い。

また、前記車輪に係る前後方向力と前記角加速度との関係に基づいて、前記前後方向力に対する前記角加速度の比率が所定範囲から外れる場合にエラーを検出するエラー検出部を更に備えるものであっても良い。

また、前記エラー検出部によりエラーが検出された場合に、算出した前記慣性モーメントを破棄するものであっても良い。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、車両を駆動するモータのトルクを取得するステップと、前記モータの角加速度を取得するステップと、前記車両の車輪の接地力を取得するステップと、前記トルク、前記角加速度、前記接地力、及び前記車両の車輪と接地面との間の摩擦係数に基づいて、前記車輪を含む回転部材の慣性モーメントを算出するステップと、前記車両が走行している際の前記トルク、前記角加速度、前記接地力、および、前記慣性モーメントに基づいて、前記車両が走行している際の前記車両の車輪と接地面との間の摩擦係数を算出するステップと、を備える車両情報算出方法により算出された前記慣性モーメントが書き込まれた、車両の制御装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、簡素な構成で車輪を含む回転部材の慣性モーメントを算出し、慣性モーメントに基づいて車両を制御することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る車両の概略構成を示す模式図である。車両のタイヤの周辺の構成を示す模式図である。車両が工場で製造された際に、ドラム上に車両を載せ、計測を行う様子を示す模式図である。慣性モーメントＩを算出する処理を示すフローチャートである。前後方向力Ｆｘと角加速度αとの関係を示す特性図である。

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。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る車両１０００の概略構成について説明する。図１に示すように、車両１０００は、モータジェネレータ１１０、タイヤ（車輪）８００、制御装置９００を有して構成されている。制御装置９００は、車両１０００の全体を制御する装置である。

図２は、車両１０００のタイヤ８００の周辺の構成を示す模式図である。図２に示すように、車両１０００は、駆動ユニット１００、ドライブシャフト２００、アップライト３００、ボディ側のハブ４００、タイヤ側のハブ４１０、ベアリング４１２、ブレーキディスク５００、ブレーキキャリパー６００、ホイール７００、タイヤ８００、制御装置９００、を有して構成されている。図２において、制御装置９００以外の各構成要素は、車両の前面から見た状態を示している。

駆動ユニット１００は、モータジェネレータ１１０、電流センサ１２０、回転角センサ１３０を有している。モータジェネレータ１１０の駆動力は、ドライブシャフト２００を介してタイヤ８００に伝達される。また、路面からタイヤ８００に伝わる駆動力は、タイヤ８００からモータジェネレータ１１０へ回生駆動力として伝わる。なお、駆動ユニット１００は、モータジェネレータ１１０に加えて、モータジェネレータ１１０の回転を減速してドライブシャフト２００に伝達する減速機を有していても良い。

図２において、ボディ側のハブ４００はアップライト３００に固定されている。タイヤ側のハブ４１０は、ベアリング４１２を介してボディ側のハブ４００に対して回転可能とされている。ブレーキディスク５００は、タイヤ側のハブ４１０に対して固定されている。ホイール７００は、タイヤ側のハブ４１０またはブレーキディスク５００に対して固定されている。タイヤ８００は、ホイール７００の外周に装着されている。

ドライブシャフト２００はアップライト３００に設けられた孔３０２を貫通し、更にハブ４００の孔４０２を貫通してハブ４１０に連結されている。ドライブシャフト２００とアップライト３００の孔３０２との間には空隙が設けられ、ドライブシャフト２００とハブ４００の孔４０２との間にも空隙が設けられている。従って、ドライブシャフト２００の回転は、アップライト３００またはハブ４００と干渉することなく、ハブ４１０に伝達される。

ブレーキキャリパー６００は、アップライト３００などの車体側の固定部材に固定されている。ブレーキキャリパー６００は、車両のドライバー（運転者）によるブレーキペダルの操作に応じて、ブレーキディスク５００を制動する。これにより、摩擦ブレーキにより車両が制動される。

ハブ４１０には、検出部４２０が設けられている。検出部４２０は、タイヤ８００に作用する作用力を検出する。検出部４２０によって検出される作用力には、前後方向力Ｆｘ、横力Ｆｙおよび上下力Ｆｚを含む三方向の分力と、ハブ（車軸）４１０の軸周りのトルクＴｙとがある。前後方向力Ｆｘは、タイヤ８００の接地面に発生する摩擦力のうち車輪中心面に平行な方向（ｘ軸）に発生する分力であり、横力Ｆｙは、車輪中心面に直角な方向（ｙ軸）に発生する分力である。一方、上下力Ｆｚは、鉛直方向（ｚ軸）に作用する力、いわゆる、垂直荷重である。トルクＴｙは、タイヤ８００の車軸回りのトルク（ねじり力）である。

例えば、検出部４２０は、ひずみゲージと、このひずみゲージから出力される電気信号を処理し、作用力に応じた検出信号を生成する信号処理回路とを主体に構成されている。ハブ４１０に生じる応力は作用力に比例するという知得に基づき、ひずみゲージをハブ４１０に埋設することにより、作用力が直接的に検出される。なお、検出部４２０の具体的な構成については、例えば、特開平０４－３３１３３６号公報および特開平１０－３１８８６２号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。検出部４２０は、ドライブシャフト２００に設けられていても良い。

図２に示すように、制御装置９００は、角加速度取得部９１０、モータトルク取得部９２０、接地力取得部９３０、摩擦係数取得部９４０、慣性モーメント算出部９５０、エラー検出部９６０、記憶部９７０、を有して構成されている。図２に示す制御装置９００の構成要素は、回路（ハードウェア）、またはＣＰＵなどの中央演算処理装置とこれを機能させるためのプログラム（ソフトウェア）により構成することができる。

以上のように構成された本実施形態に係る車両１０００は、例えば工場で製造された後、出荷前に、ドラム（シャーシダイナモ）上でタイヤ８００を回転させて各種計測が行われる。図３は、ドラム２０００上に車両１０００を載せ、計測を行う様子を示す模式図である。本実施形態では、特にドラム２０００上で車両１０００を運転して各種パラメータを取得することで、タイヤ８００回りの慣性モーメントを算出する。ここで、タイヤ８００回りの慣性モーメントは、車輪を含む回転部材の慣性モーメントに相当する。車輪を含む回転部材の慣性モーメントは、例えばブレーキディスクなどの車両の走行に伴って回転する部材の慣性モーメントを含む。

計測の際には、車両１０００に対して計測装置９９０が接続されても良い。以下に説明する慣性モーメントＩの算出は、車両１０００の制御装置９００が行っても良いし、計測装置９９０が行っても良い。換言すれば、計測装置９９０は、図２に示す制御装置９００と同様の構成を備えている。計測装置９９０が慣性モーメントＩの算出を行う場合、計測装置９９０は、算出した慣性モーメントＩを制御装置９００の記憶部９７０に書き込む処理を行う。

ドラム２０００の形状（半径）、ドラム２０００の表面の状態は予め一定の状態に保たれている。また、出荷前のタイヤ８００は新品状態であり、予め定められた種類のタイヤが車両１０００に装着されている。このため、タイヤ８００とドラム２０００とが接触する際の摩擦係数μは、予め高い精度で求めることができる。

本実施形態では、この予め取得可能なタイヤ８００とドラム２０００との間の摩擦係数μを利用して、モータジェネレータ１１０のロータからタイヤ８００までの回転する部材の慣性モーメントＩを算出し、算出した慣性モーメントＩを制御装置９００の記憶部９７０に書き込む処理を行う。

以下に示す式（１）は、摩擦係数μ、モータジェネレータ１１０からハブ４１０（タイヤ８００）にかかるモータトルクＴ_{ｍｏｔｏｒ}、モータジェネレータ１１０のロータからタイヤ８００までの慣性モーメントＩ、モータジェネレータ１１０の回転角加速度α、タイヤ半径ｒ、接地力Ｗとの関係を示す式である。

μ＝｜（Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}－Ｉ×α）／（ｒ×Ｗ）｜・・・（１）

本実施形態では、車両１０００が工場から出荷される前に、ドラム２０００上で計測を行い、式（１）に基づいて慣性モーメントＩを算出する。ここで、摩擦係数μは、ドラム２０００とタイヤ８００との間の摩擦係数であって、予め定められた値（規定値）を用いる。また、モータトルクＴ_{ｍｏｔｏｒ}は、モータジェネレータ１１０の特性と、電流センサ１２０が検出するモータジェネレータ１１０の電流値から求まる。回転角加速度αは、モータジェネレータ１１０の回転角を検出する回転角センサ（エンコーダ）１３０の検出値から求まる。タイヤ半径ｒは、車両１０００の諸元から予め定められている。また、接地力Ｗは、検出部４２０から検出され、上述した上下力Ｆｚに相当する。なお、接地力Ｗは、ドラム２０００に設けられた、上下方向の荷重を検出する荷重センサから求めても良い。

従って、これらのパラメータを式（１）に代入することで、式（１）に基づいて慣性モーメントＩを求めることができる。算出した慣性モーメントＩは、制御装置９００の記憶部９７０に書き込まれ、または制御装置９００と別に設けられた記憶装置に書き込まれ、記憶される。なお、計測装置９９０が慣性モーメントＩを算出する場合は、計測装置９９０が算出した慣性モーメントＩが車両１０００側に送られて記憶される。

このように、車両１０００の出荷前に慣性モーメントＩを算出して車両１０００に記憶しておくことで、慣性モーメントＩに基づいて車両１０００の各種制御を精度良く行うことが可能となる。特に、安全な車両の制御を実現するために、車両毎に異なるモータを含むハードウェアの慣性モーメントＩを正確に反映して制御を行うことは非常に重要である。

一般的に、車両１０００の運転中に摩擦係数μを正確に算出することには困難が伴う。本実施形態によれば、タイヤ８００とドラム２０００との間の摩擦係数μは、予め高い精度で求められているため、式（１）に基づいて慣性モーメントＩを正確に求めることができる。従って、慣性モーメントＩに基づいて車両制御を正確に行うことが可能である。

具体的には、慣性モーメントＩを求めて車両１０００側で保持しておくことで、車両１０００が実際に走行している際に、式（１）の摩擦係数μ以外の各パラメータを取得し、慣性モーメントＩとともに式（１）に代入することで、走行時の実際の摩擦係数μ_ａｃｔを算出することができる。従って、走行中に得られる摩擦係数μ_ａｃｔに基づいて、車両１０００を最適に制御することが可能である。

慣性モーメントＩの演算は、式（１）以外の方法で行っても良い。ドラム２０００の慣性モーメントをＩ_ｄｒｕｍとし、ドラム２０００の角加速度をβとすると、以下の式（２）が成立する。ドラム２０００の慣性モーメントをＩ_ｄｒｕｍを予め求めておき、車両１０００をドラム２０００上で運転した際に、ドラム２０００の回転角センサにより角加速度βを検出することで、式（２）から慣性モーメントＩを求めることもできる。
Ｉ_ｄｒｕｍ×β＝Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}－Ｉ×α ・・・（２）

更に、校正時に０バランスされている場合は、以下の式（３）に基づいてＦｚ（＝Ｗ）の値を決めて、これを基準値ＢａｓｅＦｚとし、制御装置９００に書き込んでも良い。ここでは、センサを０バランスしているとき、つまりＷの接地荷重の絶対値が分からない場合にＦｘから現在荷重を求める。このときの前提としてスリップが発生していない、などの諸条件を用いても良い。
Ｆｘ＝Ｗ×μ ・・・（３）

接地力Ｗの値は、計測時に検出部４２０から得られる変化するＦｚを用いて、以下の式（４）で表すことができる。
Ｗ＝Ｆｚ＋ＢａｓｅＦｚ・・・（４）

次に、図４のフローチャートに基づいて、慣性モーメントＩを算出する処理について説明する。図４の処理は、所定の制御周期毎に、主に制御装置９００または計測装置９９０にて行われる。先ず、ステップＳ１０では、車両１０００の製造時に、最終検査工程でタイヤ８００をドラム２０００上に載せ、指定速度で走行を行う。具体的には、車両１０００が加速又は減速するように走行を行う。次のステップＳ１２では、摩擦係数取得部９４０が、予め測定済みのドラム２０００の摩擦係数μを取得する。次のステップＳ１４では、角加速度取得部９１０が、モータジェネレータ１１０の角加速度αを取得する。

次のステップＳ１６では、既知であるタイヤ８００の有効半径ｒを取得する。次のステップＳ１８では、モータトルク取得部９２０が、モータトルクＴ_{ｍｏｔｏｒ}を取得する。なお、モータトルクＴ_{ｍｏｔｏｒ}は、モータジェネレータ１１０の特性と、電流センサ１２０の電流値から求めることができる。次のステップＳ２０では、接地力取得部９３０が、検出部４２０からタイヤ垂直荷重（接地力Ｗ）を取得する。次のステップＳ２２では、慣性モーメント算出部９５０が、式（１）より慣性モーメントＩを算出する。

次のステップＳ２４では、ステップＳ２２で計算した慣性モーメントＩの計算値が設計値の±１０％の範囲内か否かを判定し、慣性モーメントＩの計算値が設計値の±１０％の範囲内の場合はステップＳ２５へ進む。一方、慣性モーメントＩの計算値が設計値の±１０％の範囲を超える場合は、その制御周期で算出した慣性モーメントＩを記録することなく、ステップＳ１０へ戻る。

ステップＳ２５では、エラー検出部９６０が、ドラム２０００上での計測中にエラーを検出したか否かを判定する。エラー判定は、以下の２通りの方法で行う。第１のエラー判定では、計測中に、タイヤ８００とドラム２０００が一定のスリップ率で回転しているか否かを判定する。換言すれば、タイヤ８００の走行距離に対し、ドラム２０００の回転による回転距離が一定の比率であるか否かを判定する。車両８００の走行距離は、タイヤ８００の回転数と半径から求まる。また、ドラム２０００の回転による回転距離もドラム２０００の回転数と半径から求まる。

タイヤ８００の走行距離に対するドラム２０００の回転距離の比率が、例えば０．８～０．９程度の値であれば、エラーが生じていないと判定する。

一方、タイヤ８００の走行距離に対するドラム２０００の回転による距離の比率が、０．８～０．９程度の範囲を逸脱する場合は、温度変化等によりタイヤ８００とドラム２０００との接触面の摩擦係数が変動していることが想定できる。従って、このような場合は、エラーを検出したものと判定する。以上のようにしてエラーを検出することで、慣性モーメントＩの算出条件が厳しくなり、慣性モーメントＩの算出精度を高めることが可能となる。

また、第２のエラー判定として、検出部４２０が検出した前後方向力Ｆｘと、ドラム２０００の角加速度αとの関係に基づいてエラーを判定する。図５は、前後方向力Ｆｘと角加速度αとの関係を示す特性図である。上述したように、ドラム２０００上での計測中は、車両２０００を加速または減速させて式（１）から慣性モーメントＩを算出する。この際、検出部４２０が検出した前後方向力Ｆｘと、ドラム２０００の角加速度αとの間には、運動方程式に基づき、本来的には図５に実線で示すような線形の関係が生じる。エラー検出部９６０は、計測中に前後方向力Ｆｘと角加速度αを図５のようにプロットし、例えば図５中に示す破線よりも外側にプロットが位置する場合は、検出部４２０により検出された前後方向力Ｆｘが異常値であると判定する。

これにより、検出部４２０による検出の正確性を担保することができ、前後方向力Ｆｘと上下力Ｆｚとの間の正しさも担保することができるため、慣性モーメントＩの算出精度をより高めることが可能となる。換言すれば、慣性モーメントＩの算出とともに、検出部４２０の故障や校正不足を検出することが可能である。

ステップＳ２５でエラーを検出した場合は、その周期で算出した慣性モーメントＩを記録することなく、ステップＳ１０へ戻る。一方、ステップＳ２５でエラーを検出しなかった場合は、ステップＳ２６へ進む。

ステップＳ２６では、ステップＳ２２で算出した慣性モーメントＩを記録する（ログ実施）。次のステップＳ２８では、ステップＳ２６における記録数が５回以下であるか否かを判定し、記録数が５回以下の場合はステップＳ１０に戻る。一方、記録数が５回を超える場合はステップＳ３０へ進む。ステップＳ３０では、記録された５回の慣性モーメントＩの平均値を算出する。次のステップＳ３２では、ステップＳ３０で算出した平均値を制御装置９００に書き込む。

以上説明したように本実施形態によれば、正確なタイヤ周りの慣性モーメントＩの算出を、車両１台毎に実施することが可能となる。これにより、タイヤ周りの各パーツ、モータ（コア）、ハブ、ホイール、タイヤを含めた慣性モーメントＩについて、各部品の計測を実施することなく慣性モーメントＩを求めることが可能となる。そして、慣性モーメントＩに基づいて車両制御を高精度に実現することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

９００制御装置
９１０角加速度取得部
９２０モータトルク取得部
９３０接地力取得部
９４０摩擦係数取得部
９５０慣性モーメント算出部
９６０エラー検出部
９９０計測装置

Claims

車両を駆動するモータのトルクを取得するモータトルク取得部と、
前記モータの角加速度を取得する角加速度取得部と、
前記車両の車輪の接地力を取得する接地力取得部と、
前記トルク、前記角加速度、前記接地力、及び前記車両の車輪と接地面との間の摩擦係数に基づいて、前記車輪を含む回転部材の慣性モーメントを算出する慣性モーメント算出部と、
前記車両が走行している際の前記トルク、前記角加速度、前記接地力、および、前記慣性モーメントに基づいて、前記車両が走行している際の前記車両の車輪と接地面との間の摩擦係数を算出する摩擦係数算出部と、
を備えることを特徴とする、車両情報算出装置。
前記車輪と接触するドラムであって前記車輪の回転に応じて回転する前記ドラム上に前記車両を載置した状態で前記トルク、前記角加速度、及び前記接地力を取得することを特徴とする、請求項１に記載の車両情報算出装置。
算出した前記慣性モーメントを記憶する記憶部を更に備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の車両情報算出装置。
算出した前記慣性モーメントを車両の制御装置に記憶させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の車両情報算出装置。
前記接地力取得部は、前記車輪の接地力を検出する接地力センサから前記接地力を取得することを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載の車両情報算出装置。
前記接地力取得部は、前記ドラムの荷重を検出する荷重センサから前記接地力を取得することを特徴とする、請求項２に記載の車両情報算出装置。
前記慣性モーメント算出部は、前記トルク、前記角加速度、前記接地力、及び前記摩擦係数に加えて、前記車輪の径に基づいて前記慣性モーメントを算出することを特徴とする、請求項１～６のいずれかに記載の車両情報算出装置。
前記摩擦係数は、前記車輪と前記ドラムとの接触部における摩擦係数であり、予め取得された規定値であることを特徴とする、請求項２に記載の車両情報算出装置。
前記車輪の走行距離に対する前記ドラムの回転距離の比率に基づいて、前記比率が所定範囲外の場合にエラーを検出するエラー検出部を更に備えることを特徴とする、請求項２に記載の車両情報算出装置。
前記車輪に係る前後方向力と前記角加速度との関係に基づいて、前記前後方向力に対する前記角加速度の比率が所定範囲から外れる場合にエラーを検出するエラー検出部を更に備えることを特徴とする、請求項１～９のいずれかに記載の車両情報算出装置。
前記エラー検出部によりエラーが検出された場合に、算出した前記慣性モーメントを破棄することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の車両情報算出装置。
車両を駆動するモータのトルクを取得するステップと、
前記モータの角加速度を取得するステップと、
前記車両の車輪の接地力を取得するステップと、
前記トルク、前記角加速度、前記接地力、及び前記車両の車輪と接地面との間の摩擦係数に基づいて、前記車輪を含む回転部材の慣性モーメントを算出するステップと、
前記車両が走行している際の前記トルク、前記角加速度、前記接地力、および、前記慣性モーメントに基づいて、前記車両が走行している際の前記車両の車輪と接地面との間の摩擦係数を算出するステップと、
を備える車両情報算出方法により算出された前記慣性モーメントが書き込まれたことを特徴とする、車両の制御装置。