專利名稱：車輛運動控制裝置及控制方法
技術領域：
本發明涉及車輛運動控制裝置及控制方法，特別涉及在通過車輛聯合控制來實現控制的情況下能夠使各輪μ利用率的上限為最小的車輛運動控制裝置及控制方法，所述車輛聯合控制是指綜合了制動/驅動力和轉向角而將各輪輪胎發生力控制為目標值。
背景技術：
以往，為了在車輛運動中，有人提出了以下的四輪獨立轉向和獨立制動/驅動控制，即在實現作為目標的車身合力和橫擺力矩的情況下，使各輪的地面附著富余最大化、即使各輪的μ利用率最小化(專利文獻1)。其中，μ表示輪胎與路面之間的摩擦系數。在該現有技術中，在使各輪的μ利用率均等化的約束條件下，通過偽逆矩陣的反復計算來導出該μ利用率達到最小的各輪的輪胎發生力方向。
在上述現有技術中，很多情況下在使各輪的μ利用率均等化的約束條件下的最優解(使μ利用率為最小的解)與使各輪μ利用率的最大值為最小的解一致。
專利文獻1日本專利文獻特開2004-249971號公報。
發明內容
發明所要解決的問題 但是，在上述現有技術中，偶爾通過使某個車輪的μ利用率低于其他車輪的μ利用率，產生了可以減少各輪μ利用率的最大值的狀況。該狀況表明在利用上述現有技術進行車輛運動控制的情況下，“有時無法實現μ利用率上限的最小化”。因此，在現有技術中存在無法使μ利用率的上限最小的問題。
本發明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于提供一種車輛運動控制裝置及控制方法，假定在現有技術的μ利用率均等化解以外存在最優解，將相當于與均等化解的偏差的各輪利用率作為新的參數而再次謀求優化，從而在車輛聯合控制中可以始終使μ利用率的上限為最小。
用于解決問題的手段 為了達到上述目的，本發明的車輛運動控制裝置包括利用摩擦圓計算單元，將表示各輪輪胎的最大發生力的各輪摩擦圓的大小與前次計算出的各輪利用率相乘，計算各輪的利用摩擦圓的大小；各輪發生力計算單元，根據目標車身力和力矩與由所述利用摩擦圓計算單元計算出的利用摩擦圓的大小來計算各輪輪胎發生力和所述各輪利用率，所述目標車身力和力矩表示目標車身前后力、目標車身橫向力以及目標橫擺力矩，所述各輪利用率表示各輪的μ利用率相對于上限值的比例；控制單元，根據計算出的所述各輪輪胎發生力來控制車輛運動，以得到所述計算出的各輪輪胎發生力。
在本發明中，在大部分的目標車身力和力矩的車身力與力矩的組合中，著眼于使μ利用率的上限為最小的解與使μ利用率均等的解相一致，將各輪摩擦圓的大小與修正后的各輪利用率的前次值相乘，計算各輪的利用摩擦圓的大小，根據目標車身力和力矩與所計算出的利用摩擦圓的大小來計算各輪輪胎發生力和各輪利用率，控制車輛運動，以得到所計算出的各輪輪胎發生力。
在本發明中，由于使用了各輪利用率，因此可以使各輪μ利用率的上限為最小。
本發明的各輪發生力計算單元可以包括各輪發生力方向計算單元，根據所述目標車身力和力矩與所述各輪的利用摩擦圓的大小來計算在實現所述目標車身力和力矩的約束條件下使μ利用率的上限值為最小的各輪輪胎發生力的方向；各輪利用率計算單元，計算表示所述各輪的μ利用率相對于上限值的比例的各輪利用率，以在實現所述目標車身力和力矩的約束條件下使μ利用率的上限值下降；各輪發生力方向修正單元，根據由所述各輪利用率計算單元計算出的各輪利用率來修正所述各輪輪胎發生力的方向，以實現所述目標車身力和力矩；各輪發生力計算單元，根據計算出的所述各輪利用率、修正后的所述各輪輪胎發生力方向、以及被最小化的μ利用率的上限值來計算各輪輪胎發生力。
通過以上構成，可以兩階段地優化各輪輪胎發生力方向和各輪利用率。即，首先計算使μ利用率的上限為最小的各輪輪胎發生力方向，接著僅限于在通過計算各輪利用率可以降低μ利用率的上限的情況下計算各輪利用率。這樣，通過按照各輪輪胎發生力方向和各輪利用率而分成兩階段進行，與將全部一并優化的情況相比，可以提高計算的效率。
另外，本發明的控制單元可以包括控制量計算單元，根據由所述各輪發生力計算單元計算出的各輪輪胎發生力來計算控制各輪的制動力和驅動力中的至少一者的第一控制量或者控制所述第一控制量和各輪的轉向角的第二控制量；制動/驅動轉向角控制單元，根據所述第一控制量來控制各輪的制動力和驅動力中的至少一者，或者根據所述第一控制量和所述第二控制量來控制各輪的制動力和驅動力中的至少一者及各輪的轉向角。
另外，本發明的車輛運動控制裝置也可以如下構成對當由目標車身前后力和目標車身橫向力形成的目標車身力的方向上產生各輪的輪胎發生力時，產生與目標橫擺力矩相反方向的橫擺力矩的車輪進行μ利用率的控制，以使得該產生相反方向的橫擺力矩的車輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
另外，本發明的車輛運動控制裝置也可以如下構成當在由目標車身前后力和目標車身橫向力形成的目標車身力的方向上產生各輪的輪胎發生力時，如果產生與目標橫擺力矩相反方向的橫擺力矩，則進行μ利用率的控制，以使得該產生相反方向的橫擺力矩的車輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。此時，在目標車身前后力和目標車身橫向力的大小與從輪胎位置到車輛重心的力臂的代表性長度之積與所述目標橫擺力矩的大小近似一致的情況下，進行所述μ利用率的控制是有效的。
本發明的車輛運動控制裝置還可以如下地控制。
當在轉彎制動中要求向外橫擺力矩時，進行控制，以使彎內前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
當在轉彎制動中要求向內橫擺力矩時，進行控制，以使彎外后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
當在轉彎加速中要求向外力矩時，進行控制，以使彎外前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
當在轉彎加速中要求向內力矩時，進行控制，以使彎內后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
在本發明中，當在由目標車身前后力和目標車身橫向力形成的目標車身力的方向上產生各輪的輪胎發生力時，在車輪上產生與目標橫擺力矩相反方向的橫擺力矩的情況下，即在按照該車輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行μ利用率的控制的情況下，可以控制各輪負載，以使該控制對象的車輪的負載降低。
當控制該各輪負載時，可以如下地分配側傾剛度分配。
如果在轉彎制動中要求向外力矩并按照彎內前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制，則將側傾剛度分配較大地分配給前輪，以使彎內前輪的負載降低。
當在轉彎制動中要求向內力矩并按照彎外后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制的情況下，將側傾剛度分配較大地分配給前輪，以使彎外后輪的負載降低。
當在轉彎加速中要求向外力矩并按照彎外前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制的情況下，將側傾剛度分配較大地分配給后輪，以使彎外前輪的負載降低。
當在轉彎加速中要求向內力矩并按照彎內后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制的情況下，將側傾剛度分配較大地分配給后輪，以使彎內后輪的負載降低。
當全部的車輪中最小的各輪利用率為基準值以下時，如果成為該基準值以下的車輪為彎內前輪或彎外后輪，則根據各輪利用率將側傾剛度分配較大地分配給前輪，如果成為該基準值以下的車輪為彎外前輪或彎內后輪，則根據各輪利用率將側傾剛度分配較大地分配給后輪。
另外，本發明提供以下的車輛運動控制方法當在由目標車身前后力和目標車身橫向力形成的目標車身力的方向上產生各輪的輪胎發生力時，如果產生與目標橫擺力矩相反方向的橫擺力矩，則進行μ利用率的控制，以使得產生該相反方向的橫擺力矩的車輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
在本發明的車輛運動控制方法中，可以利用在上述的車輛運動控制裝置中說明的控制內容來控制車輛運動。
并且，本發明可以作為用于使計算機包括以下單元而發揮作用的程序來構成，所述單元有利用摩擦圓計算單元，將表示各輪輪胎的最大發生力的各輪摩擦圓的大小與修正后的各輪利用率的前次值相乘，計算各輪的利用摩擦圓的大小；各輪發生力計算單元，根據表示目標車身前后力、目標車身橫向力以及目標橫擺力矩的目標車身力和力矩與由所述利用摩擦圓計算單元計算出的利用摩擦圓的大小來計算各輪輪胎發生力和表示各輪的μ利用率相對于上限值的比例的各輪利用率；控制單元，根據所計算出的所述各輪輪胎發生力來控制車輛運動，以得到所計算出的所述各輪輪胎發生力，此時，也可以利用在上述的車輛運動控制裝置中說明的控制內容來構成程序。
發明的效果 如上所述，根據本發明，可以得到能夠使各輪μ利用率的上限為最小的效果。
圖1是簡要表示車輛運動模型的圖； 圖2是本發明實施方式的框圖； 圖3A是簡要表示將各輪利用率ri固定為1時的計算結果中的各輪的輪胎發生力等的圖； 圖3B是簡要表示本實施方式的計算結果中的各輪的輪胎發生力等的圖； 圖4A是將各輪利用率ri固定為1時的計算結果中的每個反復次數的各輪的輪胎發生力方向等的圖； 圖4B是本實施方式的計算結果中的每個反復次數的各輪的輪胎發生力方向等的圖； 圖5A是簡要表示在路面μ＝1.0的高摩擦系數路上進行轉彎制動時要求橫向力8000N、制動力6000N時，即橫擺力矩的指令值為0時的輪胎發生力分配的圖； 圖5B是簡要表示在路面μ＝1.0的高摩擦系數路上進行轉彎制動時要求橫向力8000N、制動力6000N時，即產生向外的橫擺力矩指令時的輪胎發生力分配的圖； 圖5C是簡要表示在路面μ＝1.0的高摩擦系數路上進行轉彎制動時要求橫向力8000N、制動力6000N時，即產生向外的橫擺力矩指令時的輪胎發生分配的圖。
標號說明 10 利用摩擦圓計算單元 12 各輪發生力計算單元 14 控制單元
具體實施例方式 以下，參照附圖來詳細說明本發明的實施方式。首先，對可以四輪獨立地進行轉向與制動及轉向與驅動的車輛中的轉向與制動及轉向與驅動的各協調控制、即聯合控制的原理進行說明。
首先，通過四輪車輛運動模型來描述為了得到駕駛員期望的車身運動而作為在四個車輪上分別產生的輪胎發生力的合力而施加給車身的力等，其中，所述四輪車輛運動模型由圖1所示的以車身前后軸的方向為X軸的一般坐標系來表示。
這里，假定各輪的摩擦圓(各輪摩擦圓)的大小Fi(其中，i＝1，2，3，4，其中，1表示左前輪，2表示右前輪，3表示左后輪，4表示右后輪)已知，在確保目標車身力(前后力Fx0，橫向力Fy0)和目標橫擺力矩Mz0(目標車身力和力矩)的情況下，求出用于使各輪的μ利用率的上限值(四輪中的最大值)最小化、即達到最小的各輪輪胎發生力的方向和各輪的μ利用率。各輪的摩擦圓的大小可以用各輪輪胎的最大發生力的大小表示，可以根據各輪的負載(各輪負載)、各輪的車輪速度以及自動回正力矩等來推定。另外，所謂μ利用率，是一種表示相對于能夠在輪胎與路面之間的摩擦中產生的最大摩擦力來說利用了其中多少的指標，它用輪胎發生力與車輪的摩擦圓之比表示。
首先，進行確保目標車身合力和目標橫擺力矩(確保目標車身力和力矩)的約束條件的模型化。當轉換為以輪胎發生合力的方向為x軸、以垂直于x軸的方向為y軸的坐標空間時，各輪胎的位置(x，y)＝(li，di)可以如圖1所示用以下(1)～(8)式表示。
其中，Tf為前輪間的間隔，Tr為后輪間的間隔，Lf為從車輛重心到前輪間的中點的距離，Lr為從車輛重心到后輪間的中點的距離，li為從x軸到輪胎著地點的距離，di為從y軸到輪胎著地點的距離。
另外，如果將各輪的μ利用率(各輪μ利用率)的上限設為γ，并且將表示各輪的μ利用率相對于μ利用率上限γ的比例的各輪利用率設為ri，將各輪的輪胎發生力方向設為qi(相對于x軸，以逆時針方向為正)，則各輪的輪胎發生力(Fxi，Fyi)可以如以下的(9)、(10)式進行描述。
[數2] Fxi＝γriFicos qi (9) Fyi＝γriFisin qi (10) 另外，各輪的輪胎發生力(各輪輪胎發生力)的合力即車身力(前后力Fx0，橫向力Fy0)、和橫擺力矩Mz0可以用以下的約束條件進行描述。
[數3] 這里，如果從在上述(11)式的兩邊乘以橫向力Fy0得到的式子中減去在(12)式的兩邊乘以前后力Fx0得到的式子，則可以得到消去了μ利用率的上限γ的下述(14)式。
[數4] 另外，如果從在上述(11)式的兩邊乘以力矩Mz0得到的式子中減去在(13)式的兩邊乘以前后力Fx0得到的式子，則可以得到消去了μ利用率的上限γ的下述(15)式。
[數5] 另外，如果從在上述(12)式的兩邊乘以橫擺力矩Mz0得到的式子中減去在(13)式的兩邊乘以橫向力Fy0得到的式子，則可以得到消去了μ利用率的上限γ的下述(16)式。
[數6] 通過將消去了μ利用率的上限γ的上述(14)～(16)式的兩邊分別相加，可以得到以下的(17)式。
[數7] 并 (17)且，如果將在(11)式的兩邊乘以d02Fx0、在(12)式的兩邊乘以l02Fy0、以及在(13)式的兩邊乘以Mz0得到的三個式子相加，則可以得到以下的(18)式。
[數8] 其中，d0，l0分別是用于使力和力矩的量綱一致的常數，在本實施方式中，按照以下所示的(19)式和(20)式來分別設定d0，l0。
[數9] 這里，如下述(21)式來定義目標車身力和力矩(目標車身力/力矩)的大小MF0。
[數10] 另外，利用以下(22)式和(23)式的約束條件，(22)式和(23)式是從上述(13)式和(18)式消去了μ利用率的上限γ并用目標車身力和力矩的大小MF0進行標準化而得到的。
[數11] 當為上述(22)式和(23)式的約束條件時，即使當Fx0、Fy0、以及Mz0中的某兩個為0時，也可以作為約束條件而發揮作用。另外，為了提高ECU等使用計算機和程序來進行固定小數點計算時的計算精度而實施該標準化。
這里，按照下述(24)式來定義以μ利用率的上限γ的最小化為目的的評價函數J。
[數12] 該評價函數用(常數)/(μ利用率的上限γ)來表示，(24)式的最大化意味著μ利用率的最小化。另外，通過將上述(18)式代入到上述(24)式中，如下述(25)式來表示該評價函數。
[數13] 結果，如果求出使上述(25)式最大化的各輪的輪胎發生力方向qi及相對于μ利用率的上限γ的各輪利用率ri，則可以使μ利用率的上限γ最小化。
因此，作為非線性最優化問題，可以如下述問題1所示的那樣進行公式化。
問題1滿足(22)式和(23)式的約束條件，求出使(25)式最大化的各輪的輪胎發生力方向qi和各輪利用率ri。
下面，對各輪輪胎發生力分配算法進行說明。除了均勻地設定各輪的μ利用率的現有技術的問題以外，在本實施方式中需要在參數中包含各輪利用率ri。在本實施方式中，使用每次分別使各輪的發生力方向qi和各輪利用率ri最優化的算法反復地計算，由此求出各輪的發生力方向qi和各輪利用率ri。
為了進行μ利用率恒定的摩擦圓上的探索，首先，在將各輪利用率ri固定的狀態下，與現有技術相同，利用序貫二次規劃算法來求解各輪的發生力方向qi。
通過如下述(26)式和(27)式所示的那樣對sinqi、cosqi進行一次近似，使上述(22)式和(23)式的約束條件可以如下述(28)式和(29)式所示的那樣與各輪的發生力方向qi相關而進行線性化。
[數14] sin qi＝sin qi0+cos qi0(qi-qi0) (26) cos qi＝cos qi0-sin qi0(qi-qi0) (27) 另外，如果通過對sinqi、cosqi進行二次泰勒展開，使其如下述(30)式和(31)式所示的那樣進行近似，則上述(25)式的評價函數J可以用下述(32)式進行描述。
[數15] 其中 XNi＝(d02Fx0-diMz0)(qi0cos qi0-sin qi0)+(l02Fy0+liMz0)(qi0sin qi0+cos qi0) (34) XDi＝(d02Fx0-diMz0)cos qi0+(l02Fy0+liMz0)sin qi0 (35) 另外，通過進行下述(37)式所示的變量轉換，上述(25)式的評價函數J被表示成下述(38)式，從而轉化為p的歐幾里德范數最小化問題。
[數16] 其中， p＝[p1 p2 p3 p4]T 另外，被線性近似的約束條件可以用下述(39)式進行描述。
[數17] 其中， 滿足上述(39)式的歐幾里德范數最小解可以如以下的(44)式所示的那樣來求出。
[數18] 其中，A+為矩陣A的偽逆矩陣。
結果，表示各輪輪胎發生力方向的q可以用下述(45)式來表示。
[數19] 其中，diag為對角矩陣。另外，q可以通過各輪輪胎發生力方向qi(＝q1、q2、q3、q4)用以下的式子來表示。
[數20] q＝[q1 q2 q3 q4]T 這里，定義了使用正的常數ρ(＝1.0)描述的下述(46)式的罰函數P。
[數21] 其中， 使用由上述(45)式導出的各輪輪胎發生力方向qi來計算上述(46)式的罰函數，在罰函數P減少的情況下，通過遞歸方法來進行收斂計算，在該遞歸方法中，反復進行(33)～(35)式、(40)～(43)式、以及(45)式的計算。
另外，利用了由該算法導出的各輪輪胎發生力方向qi時的μ利用率可以通過從上述(24)式和(28)式導出的下述(49)式來進行計算。由(49)式可知，μ利用率可以通過目標車身力和力矩的大小的平方與評價函數之比來表示。
[數22] 下面，對各輪利用率的修正進行說明。當使各輪的μ利用率相對于上限γ的各輪利用率ri(＝r1、r2、r3、r4)變化為ri+dri(dri為變化量)來修正各輪利用率時，表示目標車身力和力矩的約束條件的上述(22)式和(23)式可以用下述(50)式和(51)式來表示。
[數23] 其中， 因此，當使各輪利用率ri變化時，各輪輪胎發生力方向qi及評價函數也發生變化，因此在使各輪利用率ri變化為ri+dri時，為了滿足目標車身力和力矩的約束條件，需要將(45)式的q修正為例如q+dq。其中，表示各輪輪胎發生力方向的q的變化量dq可以用以下的(54)式來表示。
[數24] 其中，dq可以通過各輪輪胎發生力方向的變化量dqi(＝dq1、dq2、dq3、dq4)用以下的式子來表示。
dq＝[dq1 dq2 dq3 dq4]T 這里，由于僅考慮滿足目標車身力和力矩的約束條件，因此修正變得不確定。即，盡管可以有很多修正方法，但是在本實施方式中，為簡化計算，采用利用已經導出的偽逆矩陣的修正法。此時，上述(25)式的評價函數J變化為J+dJ。其中，變化量dJ可以用以下的(55)式來表示。
[數25] 因此，評價函數J的變化量dJ可以近似地用將評價函數J偏微分的下述(56)式來表示。
[數26]
其中，D1i、D2i可以用以下的(57)式、(58)式定義。
[數27] 其中， 在本實施方式中，根據最大斜率法，如以下(59)式所示，使r(＝[r1 r2 r3 r4]T)在0～1的范圍內變化，進入到反復計算的下一個步驟中，由此進行內點的探索。其中，r0表示反復計算中的各輪利用率r的前次值，k表示正的常數。由此，當評價函數J按照變大的方式進行變化時，各輪利用率r按照變小的方式進行修正。
[數28] 此時，伴隨著各輪利用率r的變更，將q修正為q+dq，以滿足目標車身力和力矩的約束條件。其中，dq可以用上面已記載的下述(54)式來表示。
[數29] dr＝r-r0 其中，μ利用率的上限γ可以使用上述導出的角度qi根據上述(49)式進行計算。
下面，根據圖2來說明利用上述原理的本實施方式的具體構成。如圖所示，本實施方式設置有利用摩擦圓計算單元10，所述利用摩擦圓計算單元10將根據各輪的車輪速運動和自動回正力矩等推定出的各輪輪胎的最大發生力即各輪摩擦圓的大小Fi與在反復計算之前的步驟中計算出的各輪利用率ri的前次值相乘，計算用(9)式和(10)式中的積riFi表示的各輪的利用摩擦圓的大小。
利用摩擦圓計算單元10與各輪發生力計算單元12連接，該各輪發生力計算單元12根據目標車身力和力矩與利用摩擦圓的大小來計算各輪的輪胎發生力和表示各輪的μ利用率相對于上限γ的比例的各輪利用率ri，所述目標車身力和力矩為車身前后力、車身橫向力以及力矩的目標值。在各輪發生力計算單元12上連接有控制單元14，所述控制單元14通過車輛聯合控制來實現所計算出的各輪輪胎發生力。
在各輪發生力計算單元12上設置有各輪發生力方向計算單元12A，所述各輪發生力方向計算單元12A基于上述(45)式，根據目標車身力和力矩與利用摩擦圓計算單元10計算出的各輪的利用摩擦圓，來計算在實現目標車身力和力矩的約束條件下使μ利用率的上限值γ最小化的各輪輪胎發生力的方向qi。
在各輪發生力方向計算單元12A上連接有各輪利用率計算單元12B，所述各輪利用率計算單元12B根據上述(59)式來計算表示各輪的μ利用率相對于上限值γ的比例的各輪利用率ri，以在實現目標車身力和力矩的約束條件下使μ利用率的上限值γ下降。各輪利用率計算單元12B使各輪利用率ri在0～1之間內變化，在評價函數J變大的情況下，各輪利用率ri變小。
各輪利用率計算單元12B與利用摩擦圓計算單元10連接，將各輪利用率計算單元12B計算出的各輪利用率的反復計算中的前次值輸入到利用摩擦圓計算單元10中。
另外，在各輪利用率計算單元12B上連接有各輪發生力方向修正單元12C，各輪發生力方向修正單元12C為了實現目標車身力和力矩，伴隨著各輪利用率的計算而根據各輪利用率，按照上述(54)式來修正各輪輪胎發生力的方向。
各輪發生力方向修正單元12C與各輪發生力方向計算單元12A連接，將各輪輪胎發生力方向的前次值輸入到各輪發生力方向計算單元12A中。
在各輪發生力方向修正單元12C上連接有各輪發生力計算單元12D，該各輪發生力計算單元12D根據修正后的各輪利用率、修正后的各輪輪胎發生力方向、以及被最小化的μ利用率上限值來計算各輪的發生力。各輪發生力計算單元12D按照(9)式和(10)式來計算各輪輪胎發生力Fxi、Fyi。
下面，對由控制單元進行的制動/驅動力和轉向力的控制進行說明。
各輪的制動/驅動力可以使用μ利用率、各輪的界限摩擦圓的大小Fi、以及合成力的方向qi根據表示上述前后力Fxi的(9)式導出。另外，γFi表示輪胎發生力的大小。
同樣地，各輪的橫向力Fyi可以根據上述(10)式導出。
各輪的轉向角可以根據例如刷子模型和車輛運動模型來進行計算。刷子模型為基于理論公式來描述輪胎發生力特性的模型，如果假定輪胎發生力按照刷子模型而產生，則可以根據各輪的摩擦圓的大小Fi、各輪的μ利用率、以及各輪的輪胎發生力的方向qi如下地求出滑移角βi。
[數30] 其中， 這里，Ks為驅動剛度，Kβ為側偏剛度。
另外，各輪的轉向角δi可以根據車輛運動模型由滑移角計算出來。即，可以根據橫擺角速度r0和車身滑移角β0，按照以下(62)式～(65)式計算各輪的轉向角δi，所述橫擺角速度r0是根據車速v、轉向角、加速器開度、以及制動踏板踩壓力等作為目標的車輛運動狀態量而計算出的。另外，β1～β4為上述(60)式的各輪的滑移角。
[數31] 當進行轉向控制與制動/驅動控制的協調時，將如上求出的上述(9)式的制動/驅動力作為第一操作量，將上述(62)～(65)式的轉向角作為第二操作量，根據第一操作量來控制制動力和驅動力，并且根據第二操作量來控制轉向角、即輪胎發生力的方向。另外，也可以在控制輪胎發生力的方向的同時控制制動力和驅動力中某一個的大小。
當進行基于該控制的轉向控制和制動/驅動控制的協調時，可以始終使μ利用率的上限最小化，從而對于路面或側風等干擾可以表現出具有很大富余的運動性能。
另外，當使應施加給車身的合成力最大化時，如果在上述(9)式中將各輪的μ利用率作為1，則可以求出各輪的制動/驅動力，如果在上述(61)式中將μ利用率作為1，則可以由上述(57)～(60)式求出各輪的轉向角。
并且，將以上求出的各輪的制動/驅動力和各輪的轉向角作為操作量，協調控制車輛的驅動力和轉向角、或者制動力和轉向角。
當進行協調控制時，控制單元控制轉向執行器和制動/驅動執行器，從而控制用于實現各輪的目標輪胎發生力所需要的各輪的轉向角、或各輪的轉向角和制動/驅動力。
作為控制單元14，可以使用制動力控制單元、驅動力控制單元、前輪轉向控制單元、或后輪轉向控制單元。
作為該制動/驅動控制單元，有獨立于駕駛員操作分別控制各車輪的制動力的、用于所謂ESC(Electronic Stability Control，電子穩定性控制)的控制單元或者與駕駛員操作機械地分離且經由信號線任意控制各車輪的制動力的控制單元(所謂線控制動)等。
作為驅動控制單元，可以使用通過控制節氣門開度、點火提前角的延遲角、或燃料噴射量等控制發動機轉矩來控制驅動力的控制單元、通過控制變速器的變速位置來控制驅動力的控制單元、或者通過控制轉矩分配來控制前后方向和左右方向中的至少一者的驅動力的控制單元等。
作為前輪轉向控制單元，可以使用與駕駛員的轉向盤操作重疊而控制前輪的轉向角的控制單元、或者與駕駛員操作機械地分離且獨立于轉向盤的操作而控制前輪轉向角的控制單元(所謂電動轉向)等。
另外，作為后輪轉向控制單元，可以使用根據駕駛員的轉向盤操作來控制后輪的轉向角的控制單元、或者與駕駛員操作機械地分離且獨立于轉向盤的操作而控制后輪轉向角的控制單元等。
另外，也可以僅計算制動/驅動力，控制驅動力、制動力或制動/驅動力。即，也可以在不控制轉向角的情況下僅控制輪胎發生力的大小。
上述利用摩擦圓計算單元10、各輪發生力計算單元12(各輪發生力方向計算單元12A、各輪利用率計算單元12B、各輪發生力方向修正單元12C、以及各輪發生力計算單元12D)、以及控制單元14可以由一個或多個計算機構成。此時，計算機可存儲用于使計算機作為上述各單元發揮作用的程序。
下面，對于上述實施方式的效果，與將各輪利用率ri固定為ri＝1的情況相比較而示出。圖3A、圖3B示出了在中等摩擦系數的路面(路面μ＝0.5)上行駛時的模擬結果。在該模擬中，利用了實施七次遞推式的反復計算后的各輪輪胎發生力計算值。如圖3A所示，在將各輪利用率ri固定為ri＝1的情況下，后輪的左右輪橫向力互相抵消等、由于μ利用率均勻化造成的弊病就顯現出來了。
與此相對，如圖3B所示，在本實施方式中，通過降低右后輪的μ利用率，使后輪的左右輪橫向力的抵消消失了。
另外，圖4A、圖4B示出了圖3A、圖3B中的每個步驟的計算結果、即每個反復次數的計算結果。如圖4B所示，通過應用本實施方式，使相對于右后輪的μ利用率的利用率r4成為預先設定的下限值0.1，結果可以使μ利用率上限值從0.75降到0.65，降低15％左右。
本實施方式的控制單元可以如下進行控制。
在為了得到所計算出的各輪輪胎發生力而控制車輛運動的情況下，如果存在產生與目標橫擺力矩相反方向的橫擺力矩的各輪輪胎發生力，則進行μ利用率的控制，以使產生輪胎發生力的車輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。此時，在目標車身前后力和目標車身橫向力的大小與從輪胎位置到車輛重心的力臂的代表性長度之積與目標橫擺力矩的大小近似一致的情況下，進行μ利用率的控制是有效的。
當在轉彎制動中要求向外橫擺力矩時，進行控制，以使彎內前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
當在轉彎制動中要求向內橫擺力矩時，進行控制，以使彎外后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
當在轉彎加速中要求向外力矩時，進行控制，以使彎外前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
當在轉彎加速中要求向內力矩時，進行控制，以使彎內后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
下面，對μ利用率降低的效果進行說明。如果在目標車身力即由車身的橫向力和前后力形成的車身合力的目標值大于目標橫擺力矩的情況下，即在目標車身力的大小與從輪胎位置到車輛重心的力臂的代表性長度之積大于目標橫擺力矩的大小的情況下，使產生各輪的輪胎發生力的方向與目標車身力的方向大體一致，則會成為有效利用了輪胎發生力、降低了μ利用率的上限的輪胎發生力分配。即，為了得到目標車身力而必需且有效的各輪的輪胎發生力的產生方向與目標車身力的方向大體一致。
另一方面，如果在目標車身力小于目標橫擺力矩的情況下，即在目標車身力的大小與從輪胎位置到車輛重心的力臂的代表性長度之積大于目標橫擺力矩的大小的情況下，使產生各輪的輪胎發生力的方向與產生目標橫擺力矩的方向大體一致，則會成為有效利用了輪胎發生力、降低了μ利用率的上限的輪胎發生力分配。即，為了得到目標力矩而必需且有效的各輪的輪胎發生力的產生方向與產生目標橫擺力矩的方向大體一致。
與此相對，在目標車身力與目標橫擺力矩近似一致的情況下，即在目標車身力的大小與從輪胎位置到車輛重心的力臂的代表性長度之積與目標力矩的大小近似一致的情況下，同時需要為了有效地得到目標車身力所必需的輪胎發生力和為了有效地得到目標橫擺力矩所必需的輪胎發生力。此時，在目標車身力的方向和產生目標橫擺力矩的輪胎發生力的方向為相反方向的車輪中，用于得到目標車身力的輪胎發生力和產生目標橫擺力矩的輪胎發生力抵消，該車輪的μ利用率變小。這樣，在目標車身力與目標橫擺力矩近似一致的情況下，通過使目標車身力的方向和目標橫擺力矩的輪胎發生力的產生方向為相反方向的車輪的μ利用率小于其他的車輪的μ利用率，可以從整體上提高輪胎發生力的利用率，降低μ利用率上限。
下面，對使降低μ利用率的車輪的負載減少的情況的效果進行說明。將降低μ利用率的車輪的負載減少，使減少部分的負載移動到其他車輪上，由此使μ利用率較大的車輪的負載增加。此時，由于能夠用路面μ與負載之積大體描述的摩擦圓變大，結果可以降低μ利用率較大的車輪的μ利用率(＝輪胎發生力的大小/摩擦圓的大小)。這意味著增加了μ利用率的上限值為1的界限的車身力矩的值，即提高了界限性能。
例如，在轉彎制動中要求向外橫擺力矩，并按照彎內前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制的情況下，如果將側傾剛度分配較大地分配給前輪，則與后輪的左右輪相比，前輪的左右輪的負載差變大，前輪的內輪的負載更小，前輪的外輪的負載更大。對于與其他的車輪相比較小地設定了μ利用率的彎內前輪而言，通過降低負載，μ利用率會稍稍增加。另一方面，對于彎外前輪，伴隨著負載增加，摩擦圓變大。在該情況下，通過再次實施輪胎發生力的最優分配，可以有效地利用在實現目標車身力和力矩這兩者方面充分發揮作用的彎外前輪的輪胎力，能夠提高界限性能，或者能夠降低μ利用率上限值、即提高地面附著富余。
同樣地，在轉彎制動中要求向內橫擺力矩，并按照彎外后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制的情況下，如果將側傾剛度分配較大地分配給前輪，則與前輪的左右輪相比，后輪的左右輪的負載差變小，與標準的側傾剛度分配的狀態相比，能夠降低彎外后輪的負載，增加彎內后輪的負載。對于與其他的車輪相比較小地設定了μ利用率的彎外后輪而言，通過降低負載，μ利用率會稍稍增加。另一方面，對于彎內后輪，伴隨著負載增加，摩擦圓變大。在該情況下，通過再次實施輪胎發生力的最優分配，可以有效地利用在實現目標車身力和力矩這兩者方面充分發揮作用的彎內后輪的輪胎力，能夠提高界限性能，或者能夠降低μ利用率上限值、即提高地面附著富余。
另外，在轉彎加速中要求向外橫擺力矩，并按照彎外前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制的情況下，如果將側傾剛度分配較大地分配給后輪，則與后輪的左右輪相比，前輪的左右輪的負載差變小，與標準的側傾剛度分配的狀態相比，能夠降低彎外前輪的負載，增加彎內前輪的負載。對于與其他的車輪相比較小地設定了μ利用率的彎外前輪而言，通過降低負載，μ利用率會稍稍增加。另一方面，對于彎內前輪，伴隨著負載增加，摩擦圓變大。在該情況下，通過再次實施輪胎發生力的最優分配，可以有效地利用在實現目標車身力和力矩這兩者方面充分發揮作用的彎內前輪的輪胎力，能夠提高界限性能，或者能夠降低μ利用率上限值、即提高地面附著富余。
另外，在轉彎加速中要求向內橫擺力矩，并按照彎內后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制的情況下，如果將側傾剛度分配較大地分配給后輪，則與前輪的左右輪相比，后輪的左右輪的負載差變大，后輪的內輪的負載更小，后輪的外輪的負載更大。對于與其他的車輪相比較小地設定了μ利用率的彎內后輪而言，通過降低負載，μ利用率會稍稍增加。另一方面，對于彎外后輪，伴隨著負載增加，摩擦圓變大。在該情況下，通過再次實施輪胎發生力的最優分配，可以有效地利用在實現目標車身力和力矩這兩者方面充分發揮作用的彎外后輪的輪胎力，能夠提高界限性能，或者能夠降低μ利用率上限值、即提高地面附著富余。
圖5A～圖5C示出了在路面μ＝1.0的高摩擦系數的路上進行轉彎制動時要求橫向力8000N、制動力6000N時的輪胎發生力分配。這里，將通常時的側傾剛度分配設定為6:4(＝前輪:后輪)。當橫擺力矩的指令值為0時，如圖5A所示，各輪的μ利用率被均等地分配。這里，當由于某些原因而產生自旋傾向時，需要通過各輪的輪胎發生力分配來產生向外的橫擺力矩。圖5B和圖5C表示產生向外的橫擺力矩指令的情況。圖5B示出了在不改變側傾剛度分配的狀態下，在不改變橫向力和制動力的情況下到達界限之前產生橫擺力矩時的各輪的輪胎發生力分配。在該狀態下，彎內前輪以外的車輪的μ利用率為1，而彎內前輪的μ利用率為0.3左右。另外，如果根據彎內前輪的各輪利用率(0.3)將側傾剛度分配較大地分配給前輪(1:0)，則如圖5C所示，各輪利用率較小的彎內前輪的摩擦圓變小，利用率較大的彎內后輪的摩擦圓變大。此時，如果根據大小改變后的摩擦圓來實施輪胎發生力分配的最優化，則可以有效地利用摩擦圓，由此可產生的橫擺力矩的界限會增加16％以上。這樣，增加產生的橫擺力矩的界限意味著可以提高自旋控制的性能，通過用本實施方式的聯合控制來改變側傾剛度分配，可以進一步提高安全性。
產業上的實用性 通過應用車輛的車輛運動控制裝置，可以提高安全性。
權利要求
1.一種車輛運動控制裝置，包括
利用摩擦圓計算單元，將表示各輪輪胎的最大發生力的各輪摩擦圓的大小與前次計算出的各輪利用率相乘，計算各輪的利用摩擦圓的大小；
各輪發生力計算單元，根據目標車身力和力矩與由所述利用摩擦圓計算單元計算出的利用摩擦圓的大小來計算各輪輪胎發生力和所述各輪利用率，所述目標車身力和力矩表示目標車身前后力、目標車身橫向力以及目標橫擺力矩，所述各輪利用率表示各輪的μ利用率相對于上限值的比例；
控制單元，根據計算出的所述各輪輪胎發生力來控制車輛運動，以得到所述計算出的各輪輪胎發生力。
2.如權利要求1所述的車輛運動控制裝置，其中，
所述各輪發生力計算單元包括
各輪發生力方向計算單元，根據所述目標車身力和力矩與所述各輪的利用摩擦圓的大小來計算在實現所述目標車身力和力矩的約束條件下使μ利用率的上限值為最小的各輪輪胎發生力的方向；
各輪利用率計算單元，計算表示所述各輪的μ利用率相對于上限值的比例的各輪利用率，以在實現所述目標車身力和力矩的約束條件下使μ利用率的上限值下降；
各輪發生力方向修正單元，根據由所述各輪利用率計算單元計算出的各輪利用率來修正所述各輪輪胎發生力的方向，以實現所述目標車身力和力矩；
各輪發生力計算單元，根據計算出的所述各輪利用率、修正后的所述各輪輪胎發生力方向、以及被最小化的μ利用率的上限值來計算各輪輪胎發生力。
3.如權利要求1或2所述的車輛運動控制裝置，其中，
所述控制單元包括
控制量計算單元，根據由所述各輪發生力計算單元計算出的各輪輪胎發生力來計算控制各輪的制動力和驅動力中的至少一者的第一控制量或者控制所述第一控制量和各輪的轉向角的第二控制量；
制動/驅動轉向角控制單元，根據所述第一控制量來控制各輪的制動力和驅動力中的至少一者，或者根據所述第一控制量和所述第二控制量來控制各輪的制動力和驅動力中的至少一者及各輪的轉向角。
4.一種車輛運動控制裝置，其中，
當在由目標車身前后力和目標車身橫向力形成的目標車身力的方向上產生各輪的輪胎發生力時，如果車輪上產生與目標橫擺力矩相反方向的橫擺力矩，則進行μ利用率的控制，以使該車輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
5.如權利要求4所述的車輛運動控制裝置，其中，
在目標車身前后力和目標車身橫向力的大小與從輪胎位置到車輛重心的力臂的代表性長度之積與所述目標橫擺力矩的大小近似一致的情況下，進行所述μ利用率的控制。
6.如權利要求1～5中任一項所述的車輛運動控制裝置，其中，
當在轉彎制動中要求向外橫擺力矩時，進行控制，以使彎內前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
7.如權利要求1～6中任一項所述的車輛運動控制裝置，其中，
當在轉彎制動中要求向內橫擺力矩時，進行控制，以使彎外后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
8.如權利要求1～7中任一項所述的車輛運動控制裝置，其中，
當在轉彎加速中要求向外力矩時，進行控制，以使彎外前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
9.如權利要求1～8中任一項所述的車輛運動控制裝置，其中，
當在轉彎加速中要求向內力矩時，進行控制，以使彎內后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
10.如權利要求4所述的車輛運動控制裝置，其中，
當按照μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制時，控制各輪負載，以使控制對象的車輪的負載降低。
11.如權利要求10所述的車輛運動控制裝置，其中，
當在轉彎制動中要求向外力矩并按照彎內前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制時，將側傾剛度分配較大地分配給前輪，以使彎內前輪的負載降低。
12.如權利要求10所述的車輛運動控制裝置，其中，
當在轉彎制動中要求向內力矩并按照彎外后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制時，將側傾剛度分配較大地分配給前輪，以使彎外后輪的負載降低。
13.如權利要求10所述的車輛運動控制裝置，其中，
當在轉彎加速中要求向外力矩并按照彎外前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制時，將側傾剛度分配較大地分配給后輪，以使彎外前輪的負載降低。
14.如權利要求10所述的車輛運動控制裝置，其中，
當在轉彎加速中要求向內力矩并按照彎內后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率的方式進行控制時，將側傾剛度分配較大地分配給后輪，以使彎內后輪的負載降低。
15.如權利要求4所述的車輛運動控制裝置，其中，
當在全部的車輪中最小的各輪利用率為基準值以下時，如果成為所述基準值以下的車輪為彎內前輪或彎外后輪，則根據各輪利用率將側傾剛度分配較大地分配給前輪，如果成為所述基準值以下的車輪為彎外前輪或彎內后輪，則根據各輪利用率將側傾剛度分配較大地分配給后輪。
16.一種車輛運動控制方法，其中，
當在由目標車身前后力和目標車身橫向力形成的目標車身力的方向上產生各輪的輪胎發生力時，如果車輪上產生與目標橫擺力矩相反方向的橫擺力矩，則進行μ利用率的控制，以使該車輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
17.如權利要求16所述的車輛運動控制方法，其中，
在目標車身前后力和目標車身橫向力的大小與從輪胎位置到車輛重心的力臂的代表性長度之積與所述目標橫擺力矩的大小近似一致的情況下，進行所述μ利用率的控制。
18.如權利要求16或17所述的車輛運動控制方法，其中，
當在轉彎制動中要求向外橫擺力矩時，進行控制，以使彎內前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
19.如權利要求16～18中任一項所述的車輛運動控制方法，其中，
當在轉彎制動中要求向內橫擺力矩時，進行控制，以使彎外后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
20.如權利要求16～19中任一項所述的車輛運動控制方法，其中，
當在轉彎加速中要求向外力矩時，進行控制，以使彎外前輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
21.如權利要求16～20中任一項所述的車輛運動控制方法，其中，
當在轉彎加速中要求向內力矩時，進行控制，以使彎內后輪的μ利用率小于其他車輪的μ利用率。
全文摘要
本發明提供一種車輛運動控制裝置及控制方法，將表示各輪輪胎的最大發生力的各輪摩擦圓的大小與前次計算出的各輪利用率相乘，計算各輪的利用摩擦圓的大小，根據表示目標車身前后力、目標車身橫向力以及目標橫擺力矩的目標車身力和力矩與計算出的利用摩擦圓的大小來計算各輪輪胎發生力和表示輪的μ利用率相對于上限值的比例的各輪利用率，根據所計算出的各輪輪胎發生力來控制車輛運動，以得到所計算出的各輪輪胎發生力，從而使各輪的μ利用率的上限為最小。
文檔編號B60W10/06GK101400558SQ200780008499
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月29日 優先權日2006年3月31日
發明者小野英一, 服部義和 申請人:豐田自動車株式會社