车辆运动控制装置、车辆运动控制系统和车辆

相关申请

本申请要求2021年6月16日申请的JP特愿2021-100360的优先权，通过引用使其整体构成本申请的一部分作为参考。

技术领域

本发明涉及一种控制转弯中的车辆的侧倾运动的车辆运动控制装置、车辆运动控制系统及车辆。

背景技术

作为通过控制转弯时的车辆中的侧倾来提高车辆的乘坐舒适性和驾驶的容易性的技术，例如有专利文献1、2。

专利文献1是通过变更悬架的阻尼器的衰减力来控制由横向加速度产生的侧倾角、或由前后加速度产生的俯仰角的技术。通过基于横向加速度的微分值或前后加速度的微分值来变更阻尼器的衰减力，由此，提高了侧倾角控制或俯仰角控制的响应性。

专利文献2是在具有主动稳定器或能够变更衰减力的阻尼器的车辆中控制侧倾角的技术。根据已检测的车速和转向角来推算在车身上产生的侧倾角，根据与成为目标的侧倾角的偏差来变更悬架的衰减特性或弹簧特性，由此，抑制对应于横向加速度而产生的侧倾，减小横向加速度的产生与侧倾产生之间的时间差，或者使其保持不变。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2006-069527号公报

专利文献2：JP特开2007-106257号公报

发明内容

发明要解决的问题

一般来说，驾驶员操作转向装置后在车辆上产生横摆角速度的时刻和产生横向加速度的时刻伴随车速变化。例如，在低速行驶时，相对于驾驶员的转向操作，在车辆上产生横向加速度后，稍晚产生横摆角速度。由于弹簧上的惯性力矩和悬架的衰减力的影响，侧倾相对于横向加速度的产生而延迟，因此比横摆角速度延迟产生。在高速行驶时，相对于驾驶员的转向操作，在车辆上产生横摆角速度后，横向加速度延迟产生。由于弹簧上的惯性力矩和悬架的阻尼力的影响，侧倾相对于横向加速度进一步延迟产生。

在专利文献1、2中，相对于转弯时的车辆产生的横向加速度，控制侧倾的产生量及到产生为止的时间差，但由于不考虑横摆角速度，所以侧倾产生时刻依赖于横向加速度。即，作为车辆的旋转运动的横摆运动和侧倾运动在不同的时刻发生。由于驾驶员感觉到横摆和侧倾作为不同的运动，所以不能针对车辆的运动获得一体感。

本发明的一个目的在于，提供一种车辆运动控制装置、车辆和系统，在转弯时的车辆中，驾驶员能够获得与车辆运动的一体感。

解决问题的技术方案

本发明为了容易理解，参照实施方式的标号对本发明进行描述。

本发明的车辆运动控制装置涉及下述的车辆运动控制装置17、17A，该车辆运动控制装置搭载在具有产生侧倾力矩的致动器3、7的车辆1上，该车辆运动控制装置包括：

侧倾力矩演算器22，该侧倾力矩演算器22演算用于控制上述致动器3、7的侧倾力矩指令值；以及

致动器控制机构24，该致动器控制机构24根据由该侧倾力矩演算器22所演算的侧倾力矩指令值来控制上述致动器3、7；

上述侧倾力矩演算器22所演算的上述侧倾力矩指令值至少包含侧倾力矩第1成分和侧倾力矩第2成分，该侧倾力矩第1成分是根据上述车辆的侧滑角速度与车速的乘积计算的侧倾力矩该侧倾力矩第2成分是根据上述车辆的横摆角速度与车速的乘积计算的侧倾力矩。

在本发明中，“横摆角速度”与“横摆运动”同义，“侧倾角”与“侧倾运动”同义。

按照该方案，由于上述侧倾力矩指令值包含根据车辆的侧滑角速度与车速的乘积计算的侧倾力矩第1成分，因此能够消除在转弯时的车辆中由横向加速度所产生的侧倾力矩。由此，能够使车辆的侧倾运动与横摆运动联动。另外，由于上述侧倾力矩指令值包含根据车辆的横摆角速度与车速的乘积计算的侧倾力矩第2成分，因此能够自由地改变车辆的侧倾运动的大小。通过像这样使车辆的侧倾运动的大小自由地变化，并且使车辆的侧倾运动与横摆运动联动，在转弯时的车辆中，驾驶员能够获得与车辆运动的一体感。

上述侧倾力矩演算器22也可具有系数设定部22a，该系数设定部22a设定用于计算上述侧倾力矩第2成分的系数A

上述系数设定部22a也可以在车速大于阈值时使上述系数A

上述阈值是由设计等任意确定的值，例如，通过试验和模拟中的任一者或两者等求出适当的值来确定。

按照该方案，在车速大时有无由车辆运动控制装置进行的控制，即在产生侧倾力矩时和不产生侧倾力矩时，能够使车辆的侧倾角的大小为相同程度，因此能够减小对驾驶员造成的不协调感。

上述系数设定部22a也可以在车速为阈值以下时使上述系数A

上述侧倾力矩演算器22所演算的上述侧倾力矩指令值也可以包括侧倾力矩第3成分，该侧倾力矩第3成分是根据上述车辆的横摆角速度的微分值与车速的乘积计算的侧倾力矩。在该情况下，能够将侧倾力矩指令值设为补偿因悬架的衰减等而产生的延迟的值。因此，由悬架产生的侧倾角的延迟变小，因此驾驶员能够在车辆的运动中进一步获得一体感。

上述侧倾力矩演算器22a也可以具有系数设定部22a，该系数设定部22α设定用于计算上述侧倾力矩第2成分的系数A

上述系数设定部22a还可以根据车速的增加来减小上述系数A

本发明的车辆运动控制系统包括本发明的任意一者的车辆运动控制装置17、17A和上述致动器3、7。在这种情况下，对于本发明的车辆运动控制装置，能够得到上述的各效果。

本发明的车辆搭载有本发明的任意一者的车辆运动控制装置。在这种情况下，对于本发明的车辆运动控制装置，能够得到上述的各效果。另外，在由车辆运动控制装置控制车辆中现有的致动器的情况下，与向车辆追加新的致动器的情况相比，能够谋求成本的降低。因此，能够提高车辆运动控制装置的通用性。

在本发明中包括权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两种配置的任何组合。特别地，权利要求书中的各权利要求的两个以上的任何组合都包括在本发明中。

附图说明

根据下面参考附图的优选实施方式的描述会更清楚地理解本发明。然而，实施方式和附图仅用于图示和说明，不应用于限制本发明的范围。本发明的范围由所附的权利要求书确定。在附图中，多个附图中的相同标号表示相同或相当的部分。

图1为表示具有本发明的第1实施方式的车辆运动控制装置的车辆的构思方案的方框图；

图2为该车辆运动控制装置的方框图；

图3为表示该车辆运动控制装置的非动作时的各值的变化的图；

图4为表示该车辆运动控制装置的侧倾力矩第2成分的系数与控制增益的关系的图；

图5为表示在该车辆运动控制装置中，产生包含侧倾力矩第1、第2成分的侧倾力矩指令值时的各值的变化的图；

图6为表示该车辆运动控制装置的控制增益与各系数的关系的图；

图7为表示在该车辆运动控制装置中，产生包含侧倾力矩第1、第2、第3成分的侧倾力矩指令值时的各值的变化的图；

图8为表示车速与控制增益的关系的图；

图9为表示车速与侧滑角的关系的图；

图10为表示使用图8所示的车速和控制增益的函数转换为车速和各系数的关系的曲线图；

图11A为从车辆前方观察在车辆上产生的垂直力表示的作用说明图；

图11B为从车辆后方观察在车辆上产生的垂直力表示的作用说明图；

图11C为从车辆侧方观察在车辆上产生的垂直力表示的作用说明图；

图12为表示包括本发明的第2实施方式的车辆运动控制装置的车辆的构思方案的方框图；

图13为该车辆运动控制装置的方框图；

图14为示意性地表示该车辆所产生的垂直力和前后力的关系的图。

具体实施方式

[第1实施方式]

与图1～图11C一起地说明本发明的第1实施方式。

＜致动器＞

如图1所示的那样，本实施方式的车辆1包括作为能够产生侧倾力矩的致动器，与位于作为左右的前后轮的四轮上的后述的减振器7。车辆1在车身1A上具有分别支承成为左右的前轮2f的车轮2和成为左右的后轮2r的车轮2的前后的悬架装置4。

<悬架装置4>

前后的悬架装置4具有结构部件上下的悬架臂4a和减振器7。各车轮2经由车轮用轴承而支承在转向节25上。转向节25经由上下的悬架臂4a等支承在车身1A上。上下的悬架臂4a的车身侧端的支承点摆动自如地被支承，车轮2对应于这些上下的悬架臂4a的摆动而上下实施行程。

在下侧的悬架臂4a和车身1A之间设置有包括弹簧和阻尼器的减振器7。车身1A由减振器7弹性地可上下移动地支承，并且车身1A的上下方向的行程衰减。作为减振器7，在车辆1行驶时，应用例如能够由油压、气压或电动机等的驱动源而任意产生垂直力的主动悬架。

左右的前轮2f的悬架臂4a例如由扭杆等构成的稳定部件Sb相互连接。左右的后轮2r的悬架臂4a也通过稳定部件Sb相互连接。

＜传感器类＞

在车辆1中，作为传感器类设置有车速传感器13、转向角传感器14、横摆角速度传感器15以及加速度传感器16。车速传感器13检测车速，转向角传感器14检测转向角，横摆角速度传感器15检测横摆角速度。加速度传感器16检测车辆1的前后及左右方向的加速度。

＜关于控制系统＞

作为控制系统，在车辆1中，除了控制车辆1的基本动作的主ECU之外，还设有控制侧倾运动的车辆运动控制装置17、以及控制减振器7的悬架控制装置18。上述主ECU也称为VCU(车辆控制单元：Vehicle Control Unit)，由计算机等构成。车速传感器13、转向角传感器14、横摆角速度传感器15、加速度传感器16分别输出的车速、转向角、实际横摆角速度、实际横向加速度输入到车辆运动控制装置17中。但是，各传感器输出也可以经由ECU输入到车辆运动控制装置17。车辆运动控制系统20由车辆运动控制装置17和减振器7构成。

＜车辆运动控制装置＞

图2示意性地表示车辆运动控制装置17的方框图。车辆运动控制装置17具有侧滑角速度推算器21、侧倾力矩演算器22以及致动器控制机构24。

侧滑角速度推算器21根据使用已输入的各值所确定的规则来推算侧滑角速度，将其输出到侧倾力矩演算器22。使用线性模型或非线性轮胎模型的车辆模型，如后述的那样推算侧滑角速度。

侧倾力矩演算器22按照规定的规则，以转弯中的车辆的侧倾运动和横摆运动联动的方式演算用于控制减振器7(图1)的侧倾力矩指令值。

具体而言，侧倾力矩演算器22使用侧滑角速度推算值、车速及实际横摆角速度，通过后述的式(8)或式(15)来演算侧倾力矩，将其作为侧倾力矩指令值输出到致动器控制机构24。

致动器控制机构24按照侧倾力矩指令值，在车辆所具有的悬架装置4(图1)中产生侧倾力矩。

<关于侧滑角速度推算器21输出的侧滑角速度推算值>

为了直接测量侧滑角速度，需要昂贵的专用测量器，但为了不需要昂贵的专用测量器，也可使用下述方法，即，侧滑角速度推算器21采用车辆模型，根据转向角δ来推算侧滑角速度的方法；或者根据由车载的横摆角速度传感器15检测的实际横摆角速度r来推算侧滑角速度的方法。

在此说明书中，将侧滑角速度β有时表示为β“·”。

对于使用车辆模型，根据转向角δ来推算侧滑角速度β“·”的推算方法例如在使用两轮模型的情况下，相对于转向角δ的侧滑角速度β“·”的传递函数如下。

[数学公式1]

其中，

转向角δ例如除了来自设置在转向部上的转向角传感器14的输出的演算值之外，还可以使用根据作为设置在操舵传动装置上的传感器的输出的齿轮等的旋转角或齿条移动量等而演算的转向角信息。

作为根据横摆角速度r来推算侧滑角速度β“·”的方法，可以使用以下的两轮模型进行推算。

仅描述车辆的横向平移运动和围绕垂直轴的旋转运动的两轮模型的基本公式如下所示。坐标系x轴为车辆的前后方向，前方为正，y轴为左右方向，左方向为正，z轴为上下方向，上方向为正。

[数学公式2]

m表示车辆质量；V表示车速；

式(1)表示转弯时的车辆所产生的车辆的侧滑角速度β“·”与横摆角速度r的关系。另外，如果将两轮模型中的车辆的横向加速度设为a

[数学公式3]

如果对式(3)进行变形，则得到下述式。

通过使用式(3A)，可以根据由车载加速度传感器16检测的横向加速度a

在该推算方法中，使用下述式所示的非线性轮胎模型。

[数学公式4]

其中，T是表示前轮(f)或后轮(r)的后缀，K

根据由非线性轮胎模型的上述式(50)所计算的轮胎横向力Y

[数学公式5]

式(50)的非线性轮胎模型考虑了轮胎横向力Y

＜关于侧倾力矩演算器22所输出的侧倾力矩指令值＞

侧倾力矩演算器22具有系数设定部22a和侧倾力矩演算部22b。系数设定部22a基于车速设定并输出在演算侧倾力矩指令值时使用的系数A

侧滑角速度β“·”和横摆角速度r的关系式(3)表示车辆的横向加速度a

作为具体例子，图3表示进行了一次在高速行驶时从行进中的车道向其他车道转移的车道变更的单车道变更时的各值的变化。图3的曲线图表示本发明的车辆运动控制装置未动作(未使车辆产生基于控制的侧倾力矩)时的各值的变化。

在该图3横向加速度a

在这里，通过作用在车辆重心上的横向加速度a

[数学公式6]

式(4)右边的分子表示作用于转弯时的车辆上的侧倾力矩。式(4)表示根据悬架的衰减特性及车辆的侧倾惯性力矩，相对于横向加速度a

为了自由地改变侧倾运动的大小，并且使侧倾运动与横摆运动联动，取消在转弯时的横向加速度a

[数学公式7]

M

通过使控制增益α大于1，通过横摆运动作用在车辆上的侧倾力矩变大，通过使控制增益α小于1，通过横摆运动作用于车辆上的侧倾力矩变小。在控制增益α为1时，与通过横摆运动作用于车辆上的侧倾力矩相等。

如果使用式(3)，整理式(5)，则得到式(6)。

[数学公式8]

A

在这里，式(6)的右边第1项为侧倾力矩第1成分M

M

M

图2的侧倾力矩演算器22所演算的侧倾力矩指令值至少包括侧倾力矩第1成分和侧倾力矩第2成分，上述侧倾力矩第1成分是根据车辆的侧滑角速度与车速的乘积计算的侧倾力矩，该侧倾力矩第2成分是根据车辆的横摆加速度与车速的乘积计算的侧倾力矩。

作为式(8)右边第1项的侧倾力矩第1成分M

作为式(8)的右边第2项的侧倾力矩第2成分M

图5表示在图3的单车道改变的例子中产生式(8)的侧倾力矩的情况的例子。在式(8)中控制增益α小于1时的侧倾力矩指令值M

根据图4所示的控制增益α和系数A

为了进一步减小横摆运动与侧倾运动之间产生的延迟，如果将由施加给车身的横摆运动而产生的侧倾力矩设为补偿由悬架的衰减等产生的延迟的值，则式(5)为下式(11)。在该式(11)中，s表示拉普拉斯算符。

[数学公式9]

采用式(3)整理式(11)，得到式(12)。

在这里，将式(12)的右边第3项设为侧倾力矩第3成分M

[数学公式10]

M

M

另外，侧倾力矩第3成分M

[数学公式11]

M

式(15)的右边是相对于式(8)而追加的第3项的侧倾力矩第3成分M

图6表示控制增益α和式(12)右边的系数A

图7表示在图3的单车道改变的例子中产生式(15)的侧倾力矩的情况的例子。控制增益α小于1时的倾力矩指令值M

设定控制增益α，式(15)的侧倾力矩指令值M

如图2所示的那样，系数设定部22a具有控制增益设定部22aa，该控制增益设定部22aa根据车速来设定控制增益α。

控制增益设定部22a根据车速V例如使用图8所示的f

f

车速V小于V

因此，由致动器产生的侧倾力矩下的式(9)的侧倾力矩第1成分M

也就是说，致动器产生侧倾力矩第1成分M

在该情况下，得到图8中的f

因此，如图8所示的那样，在车速V大于阈值V

图10表示采用图8所示的车速V和控制增益α的函数，将图6所示的控制增益α和系数A

图10的车速V和系数A

即，如图10的函数g

图10的车速V和系数A

图10的车速V和系数A

如果使用图10所示的车速V与系数A

图2所示的侧倾力矩演算部22使用式(8)或式(15)来演算侧倾力矩指令值M

＜关于致动器控制机构24输出的垂直力指令值＞

由于致动器控制机构24控制产生侧倾力矩的主动悬架的垂直力，故作为悬架控制装置18能够接收的输入信号，将侧倾力矩指令值M

由致动器在悬架上产生的垂直力为FS

为了便于说明，假设各悬架装置4中的弹簧和阻尼器配置在同一轴上。如图11A～图11C所示的那样，将前轮2

侧倾力矩指令值M

[数学公式12]

例如，为了不产生俯仰和起伏，比如，如果使前轮和后轮各自的垂直力的和为零，位于对角的主动悬架的垂直力相等而符号相反，则产生侧倾力矩M

如图2所示的那样，从致动器控制机构24输入了垂直力指令值FS

＜作用效果＞

按照车辆运动控制装置17，由于上述侧倾力矩指令值包含根据车辆的侧滑角速度与车速的乘积计算的侧倾力矩第1成分，因此能够消除在转弯时的车辆中，由横向加速度产生的侧倾力矩。由此，能够使车辆的侧倾运动与横摆运动联动。另外，由于上述侧倾力矩指令值包含根据车辆的横摆角速度与车速的乘积计算的侧倾力矩第2成分，因此能够自由地改变车辆的侧倾运动的大小。通过像这样使车辆的侧倾运动的大小自由地变化，并且使车辆的侧倾运动与侧倾运动联动，在转弯时的车辆中，驾驶员能够获得针对车辆运动的一体感。

在侧倾力矩演算器22所演算的侧倾力矩指令值包含根据车辆的横摆角速度的微分值与车速的乘积计算的侧倾力矩即侧倾力矩第3成分的情况下，能够将侧倾力矩指令值作为对因悬架的衰减等而产生的延迟进行补偿的值。因此，由悬架产生的侧倾角的延迟变小，因此驾驶员能够针对车辆的运动进一步获得一体感。

<关于其他实施方式>

接着，对其他实施方式进行说明。在以下的说明中，对与在各实施方式中先行说明的事项对应的部分标注相同的标号，省略重复的说明。在仅说明结构的一部分的情况下，只要没有特别记载，结构的其他部分与先行说明的方式相同。从相同的构成起到相同的作用效果。不仅是在各实施方式中具体说明的部分的组合，特别是如果组合不产生障碍，也可以将实施方式彼此部分组合。

[第2实施方式：图12～图14]

图12为在四轮具备轮毂电动机3，在侧倾运动的控制中使用轮毂电动机3的前后力的例子。即，该车辆1包括作为产生侧倾力矩的致动器，位于四轮上的轮毂电动机3。在这种情况下，车辆运动控制系统20A由车辆运动控制装置17A和轮毂电动机3构成。

图12所示的实施方式与第1实施方式(图1)的不同之处在于，代替主动悬架和悬架控制装置而具有轮毂电动机3和电动机控制装置19。电动机控制装置19具有分别控制各轮毂电动机3的四台逆变器19a。逆变器19a具有将在图中未示出的电池的直流电力转换为用于电动机驱动的交流电的在图中未示出的功率电路部和控制该功率电路部的在图中未示出的驱动器电路部。加速踏板传感器11、制动踏板传感器12的输出输入到ECU 9中，通过ECU9转换为加速指令值及制动指令值，输入到车辆运动控制装置17A。从车速传感器13输出的车速也经由ECU 9输入到车辆运动控制装置17中。

图13为车辆运动控制装置17A的方框图。该图13与第1实施方式的方框图(图2)的不同点在于：致动器控制机构24的输出为前后力指令值，输出到电动机控制装置19。

图14为从车辆侧方观察在车辆上产生的垂直力和前后力而表示的作用说明图。该图14的Spc表示悬架瞬间旋转中心。如图14所示的那样，在悬架的连杆配置为假想的反俯冲角θ

图13所示的车辆运动控制装置17A的致动器控制机构24使用式(25)～式(28)，根据侧倾力矩指令值M

[数学公式13]

/>

为了产生侧倾力矩，可以使用摩擦制动器的制动力来代替轮毂电动机的制动力。另外，反俯冲角θ

[第3实施方式]

作为产生侧倾力矩的致动器，代替第1实施方式的上述主动悬架，可以使用成为侧倾刚性可变机构的主动稳定器等的能够产生车身的垂直力的致动器。上述主动稳定器分别相对于前轮和后轮而设置。各主动稳定器具有由扭杆等构成的左右的稳定器部件和将这些左右的稳定器部件可相互旋转地结合的稳定器致动部。

上述稳定器致动器部通过使左右的稳定器部件相互旋转，改变主动稳定器的整体弹力来控制车辆的侧倾刚性。上述稳定器致动部例如是具有作为驱动源的电动马达和对该电动马达的输出进行减速的减速器的输出轴低速旋转的旋转致动器。

如上所述，参照附图说明了优选的实施方式，但在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种追加、变更、删除。因此，这样的修改也包含在本发明的范围内。

标号的说明：

标号1表示车辆；

标号3表示轮毂电动机(致动器)；

标号7表示减振器(致动器)；

标号17、17A表示车辆运动控制装置；

标号20、20a表示车辆运动控制系统；

标号22表示侧倾力矩演算器；

标号22a表示系数设定部；

标号24表示致动器控制机构。