車両制御装置、自動車およびタイヤ横力推定方法
【課題】車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定すること。
【解決手段】自動車１は、前後輪の振る舞いを外乱によって駆動される一次遅れ系として表した状態方程式を用いて、その状態方程式に基づくカルマンフィルタによって状態推定を行うことにより、前後輪の横力を推定する。したがって、タイヤの振る舞いに対して成立する状態方程式の解としてタイヤ横力を得ることができるため、従来に比して、推定誤差がより少ないタイヤ横力の推定を行うことができる。
【解決手段】自動車１は、前後輪の振る舞いを外乱によって駆動される一次遅れ系として表した状態方程式を用いて、その状態方程式に基づくカルマンフィルタによって状態推定を行うことにより、前後輪の横力を推定する。したがって、タイヤの振る舞いに対して成立する状態方程式の解としてタイヤ横力を得ることができるため、従来に比して、推定誤差がより少ないタイヤ横力の推定を行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の状態解析あるいは制御を行う車両制御装置、自動車および車両のタイヤ横力推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両のタイヤに発生する横力を推定し、その推定値を用いて車両挙動を解析する技術が知られている。
このような技術は、タイヤ横力を推定し、タイヤの接地状態と車両モデルとを基に車両挙動を解析するといった形態で用いられ、車両がスリップするか否かについての安定状態判定や、制駆動力あるいは操舵による車両の安定化制御等に適用されている。
【０００３】
例えば、特開平９−２４０４５８号公報には、実ヨーレートγを含む車両の状態量に基づき前後輪の横力Ｆyf、Ｆyrを推定することにより車体のスリップ角（車両横滑り角）βｈおよびヨーレートγｈを推定しヨーレートをフィードバックする車両モデルに基づくオブザーバブロック３４を有し、車両の横滑り状態量として少なくとも車体のスリップ角βｈを演算する車両の横滑り状態量検出装置が記載されており、この装置において、車体のスリップ角推定用のフィードバックゲインＫｂおよび車両のヨーレート推定用のフィードバックゲインＫｇを、車両の状態量に基づく車両の基準ヨーレートγｔと実ヨーレートとの偏差に基づき演算される車輪横力の飽和度合Ｓａに応じて変更することが記載されている。
【特許文献１】特開平９−２４０４５８号公報
【発明の開示】
【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に記載された技術においては、タイヤ横力の推定値から車体スリップ角およびヨーレートを推定する上記車両モデルを用いた結果、車体スリップ角を実際の方向とは反対方向に推定する場合や、外乱となるタイヤの横力の推定値が現実に考え得る力の１０倍以上となる場合があった。このような状況は、車両状態量からタイヤ横力を推定する際の推定精度が十分でなく、また、その結果、車両横滑り角の推定精度も十分でなくなることに起因して発生したものであると考えられる。
このように、従来の技術においては、車両のタイヤに発生する横力の推定精度が十分なものではなかった。
本発明の課題は、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するため、本発明に係る車両制御装置は、車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得手段と、車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記物理量取得手段によって取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定手段とを備えることを特徴としている。
【０００６】
また、本発明に係る自動車は、サスペンションを介して車体に取り付けられた車輪と、操舵操作が入力されるステアリングホイールと、車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得手段と、車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記物理量取得手段によって取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定手段とを備えることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明に係るタイヤ横力推定方法は、車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得ステップと、車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定ステップとを含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る車両制御装置によれば、前後輪のタイヤ横力が白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定され、タイヤ横力推定手段がその状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力が推定される。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【０００９】
本発明に係る自動車によれば、ステアリングホイールへの操舵入力により発生した車輪のタイヤ横力が、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定され、タイヤ横力推定手段がその状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力が推定される。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【００１０】
本発明に係るタイヤ横力推定方法によれば、前後輪のタイヤ横力を白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、その状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力を推定する。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図を参照して本発明を適用した自動車の実施の形態を説明する。
（第１実施形態）
（構成）
図１は、本発明に係る自動車１の構成を示す図である。
図１において、自動車１は、ステアリングホイール１０と、ステアリングシャフト２０と、操舵角センサ３０と、ピニオン４０と、ラック５０と、タイロッド６０ａ，６０ｂと、左右の前輪７０ａ，７０ｂと、車速センサ８０と、ヨーレートセンサ９０と、横加速度センサ１００と、車両走行状態推定装置１１０とを備えている。
【００１２】
ステアリングホイール１０には、運転者によって操舵入力が行われ、ステアリングホイール１０に入力された操舵操作は、ステアリングシャフト２０を介して、ラックアンドピニオン機構を構成するピニオン４０に伝達される。このとき、ステアリングシャフト２０に設置された操舵角センサ３０が、操舵角度を検出し、検出した操舵角度を車両走行状態推定装置１１０に出力する。
【００１３】
また、ピニオン４０に伝達された操舵操作は、ラックアンドピニオン機構におけるラック５０に伝達され、車幅方向の往復運動に変換される。
ラック５０の先端には、左右の前輪７０ａ，７０ｂのナックルアームにつながるタイロッド６０ａ，６０ｂが連結されており、ラック５０による車幅方向の往復運動は、タイロッド６０ａ，６０ｂを介して、左右の前輪７０ａ，７０ｂに伝達される。これにより、ステアリングホイール１０に入力された操舵操作は、左右の前輪７０ａ，７０ｂにおける転舵動作として出力される。
【００１４】
また、図１におけるヨーレートセンサ９０は、自動車１に発生するヨーレートを検出し、検出したヨーレートを車両走行状態推定装置１１０に出力する。さらに、横加速度センサ１００は、自動車１における横加速度を検出し、検出した横加速度を車両走行状態推定装置１１０に出力する。
車両走行状態推定装置１１０には、操舵角センサ３０から操舵角が入力され、ヨーレートセンサ９０からヨーレートが検出され、横加速度センサ１００から横加速度が入力される。そして、車両走行状態推定装置１１０は、後述するタイヤ横力推定処理を実行し、入力された操舵角、ヨーレートおよび横加速度から車両の走行状態（ここでは主としてタイヤ横力）を推定する。
【００１５】
また、車両走行状態推定装置１１０は、自動車１における車両状態量から既存の算出方法を用いて、車両横滑り角βを算出する。
なお、自動車１においては、ヨーレートおよび横加速度のゼロ点について補正が行われる。
ヨーレートは停止中の値をゼロ点とする。横加速度は、ヨーレート＝０の時の横加速度をゼロ点とするが、路面カントなどの影響を受けることから、ハンドル角速度が所定閾値以下で、ヨーレート＝０の時の横加速度を統計的にヒストグラム化し、その平均値（あるいは中央値、最頻値）をゼロ点とする。
【００１６】
（車両走行状態推定方法）
次に、車両走行状態推定装置１１０における車両走行状態推定方法について説明する。
なお、以下の説明において、記号は以下のように定義されている。
Ｆｆ：前輪横力(左右２輪分)
Ｆｒ：後輪横力(左右２輪分)
β：車両横滑り角
βｆ：前輪スリップ角
βｒ：後輪スリップ角
γ：ヨーレート
Ｖ：車速
θ：操舵角
δ：前輪舵角
Ｋｆ：前輪コーナリングパワー
Ｋｒ：後輪コーナリングパワー
ｌｆ：車両重心点から前輪軸までの距離
ｌｒ：車両重心点から後輪軸までの距離
τｆ：前輪横力が外乱に駆動される時定数
τｒ：後輪横力が外乱に駆動される時定数
ｗｆ：前輪の外乱
ｗｒ：後輪の外乱
α：横加速度
Ｉｚ：ヨー慣性モーメント
ｍ：車両質量
【００１７】
前輪および後輪のタイヤスリップ角は、別途推定した車両横滑り角β、既知である車両重心点から前輪軸および後輪軸までの距離ｌｆ，ｌｒ、ヨーレートセンサ９０から入力されるヨーレートγ、車速センサ８０から入力される車速Ｖ、操舵角センサ３０から入力される操舵角θを基に算出される前輪舵角δを用いて、次式(１)によって求められる。ここで、各状態量はすべて絶対的な値であり、直進走行中の状態量を基準とする。
βｆ＝−β−ｌｆ・γ／Ｖ＋δ
βｒ＝−β−ｌｒ・γ／Ｖ （１）
また、車両の状態方程式および出力方程式は、それぞれ次式（２）、（３）に示すように表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
なお、（２）、（３）式は、各行列を置換すると次式（４）のように書き換えられる。
【００２０】
【数２】
【００２１】
上記（２），（３）式あるいは（４）式は、前後輪の振る舞いを外乱によって駆動される一次遅れ系として表したものである。上式においては、想定する外乱の分散の大きさ、観測ノイズの大きさにより推定の応答性を変化させると共に、前後輪の振る舞いにおける推定しようとする周波数帯域を上記時定数の変更によりコントロールできるようにしたものである。
車両走行状態推定装置１１０においては、上記（２），（３）式あるいは（４）式を用いてカルマンフィルタが構成されており（図２参照）、ヨーレートγ、横加速度αから前輪横力Ｆｆ、後輪横力Ｆｒおよびヨーレートγを推定している。
【００２２】
図２は、車両走行状態推定装置１１０の具体的構成を示すブロック図である。なお、図２におけるハット付きの文字は、推定値であることを表している。
図２に示すブロック構成により、オブザーバゲインＫと、（２），（３）式におけるＡ，Ｃの行列を用い、前輪横力Ｆｆ、後輪横力Ｆｒおよびヨーレートγ（行列ｘ）を状態フィードバックして、前輪横力Ｆｆ、後輪横力Ｆｒおよびヨーレートγ（行列ｘ）、ヨーレートγと横加速度αの推定値（行列ｙ）および車両横滑り角βの推定値が算出され、推定したヨーレートγと横加速度αの実測値との差分がフィードバックされることにより、逐次、これら推定値が更新される。
【００２３】
このように算出された前後輪横力Ｆｆ，Ｆｒは、直接的なタイヤの振る舞いに基づく状態方程式から算出されるものであるため、従来に比して推定誤差がより少ないものとなっている。また、（４）式には車速が要素として含まれていないため、図２に示す構成においては、従来のオブザーバやコントローラで行われているような車速に応じた調整が不要である。
ここで、図２におけるオブザーバゲインＫは、外乱の分散マトリクスをＱ、観測ノイズの分散マトリクスをＲとして、以下のＲｉｃａｔｔｉ方程式を解くことで求められる。
ＰＡＴ＋ＡＰ−ＰＣＴＲ−１ＣＰ＋Ｑ＝０ （５）
Ｋ＝ＰＣＴＲ−１ （６）
なお、（５），（６）式におけるＰは誤差共分散マトリクスである。
【００２４】
（動作）
次に、動作を説明する。
自動車１は、運転者の操舵入力に応じて左右前輪７０ａ，７０ｂが転舵され、それに伴いヨーレートおよび横加速度が発生する。
そして、車両走行状態推定装置１１０は、タイヤ横力推定処理によって、走行状態におけるタイヤ横力の推定を行う。
【００２５】
図３は、車両走行状態推定装置１１０が実行するタイヤ横力推定処理を示すフローチャートである。タイヤ横力推定処理は、イグニションオンと共に実行が開始される。
図３において、タイヤ横力推定処理が開始されると、車両走行状態推定装置１１０は、ヨーレートセンサ９０からヨーレートの入力を受けると共に、横加速度センサ１００から横加速度の入力を受ける（ステップＳ１）。
次に、車両走行状態推定装置１１０は、（２），（３）式に基づくカルマンフィルタによりフィードバック制御を行う（ステップＳ２）。
【００２６】
そして、車両走行状態推定装置１１０は、フィードバック制御において逐次算出されるタイヤ横力Ｆｆ，Ｆｒおよびヨーレートγを出力する（ステップＳ３）。
ここで出力されたタイヤ横力の推定値は、後段の車両制御装置に渡され、車両の安定状態判定や安定化制御等に用いられる。
ステップＳ２の後、車両走行状態推定装置１１０は、ステップＳ１の処理に戻り、タイヤ横力推定処理を繰り返す。
【００２７】
以上のように、本実施の形態に係る自動車１は、前後輪の振る舞いを外乱によって駆動される一次遅れ系として表した状態方程式を用いて、その状態方程式に基づくカルマンフィルタによって状態推定を行うことにより、前後輪の横力を推定する。
したがって、タイヤの振る舞いに対して成立する状態方程式の解としてタイヤ横力を得ることができるため、従来に比して、推定誤差がより少ないタイヤ横力の推定を行うことができる。
【００２８】
図４は、本発明によってタイヤ横力を推定した結果を示す図である。
図４においては、上段の図のように操舵角が入力された場合（ダブルレーンチェンジの場合）に、下段の図のように前後輪のタイヤ横力Ｆｆ，Ｆｒが表れることを示しており、下段の図に示される推定値は、６分力計で実測したタイヤ横力と高精度に一致している。
なお、本実施の形態において、車速センサ８０、ヨーレートセンサ９０、横加速度センサ１００および車両走行状態推定装置１１０が車両制御装置を構成し、車速センサ８０、ヨーレートセンサ９０および横加速度センサ１００が物理量取得手段を構成し、タイヤ横力推定処理を実行する車両走行状態推定装置１１０がタイヤ横力推定手段を構成する。
【００２９】
（第１実施形態の効果）
（１）本発明に係る車両制御装置によれば、前後輪のタイヤ横力が外乱（白色雑音）によって駆動される一次系の状態量と想定され、タイヤ横力推定手段がその状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力が推定される。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【００３０】
（２）前後輪のタイヤ横力について想定した状態量の状態方程式を用いて、その状態方程式に基づくカルマンフィルタによって状態推定を行うことにより、前後輪の横力を推定する。
したがって、タイヤの振る舞いに対して成立する状態方程式の解としてタイヤ横力を得ることができるため、従来に比して、推定誤差がより少ないタイヤ横力の推定を行うことができる。
【００３１】
（３）本発明に係る自動車によれば、ステアリングホイールへの操舵入力により発生した車輪のタイヤ横力が、外乱（白色雑音）によって駆動される一次系の状態量と想定され、タイヤ横力推定手段がその状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力が推定される。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【００３２】
（４）本発明に係るタイヤ横力推定方法によれば、前後輪のタイヤ横力を外乱（白色雑音）によって駆動される一次系の状態量と想定し、その状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力を推定する。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態においては、第１実施形態におけるタイヤ横力推定結果を用いて、車両の安定状態の判定を行う場合について説明する。
（構成）
図５は、本実施形態に係る自動車１の構成を示す図である。
図５に示す構成は、図１に示す構成に対して、タイヤスリップ角推定装置１２０が備えられていること、および、車両走行状態推定装置１１０における処理が異なるものである。
【００３４】
したがって、第１実施形態と同様の部分、即ち、タイヤ横力の推定に関する部分は第１実施形態を参照することとし、ここではタイヤスリップ角推定装置１２０および車両走行状態推定装置１１０を主として説明する。
タイヤスリップ角推定装置１２０は、ステアリングホイール１０に対する操舵角から、車両モデルを基にタイヤスリップ角を推定し、推定したタイヤスリップ角を車両走行状態推定装置１１０に出力する。
なお、ここではタイヤスリップ角を操舵角から推定するものとして説明するが、自動車１の進行方向に対するタイヤの向きを測定することによりタイヤスリップ角を実測値として検出することもできる。
【００３５】
車両走行状態推定装置１１０には、タイヤスリップ角推定装置１２０からタイヤスリップ角が入力される。そして、車両走行状態推定装置１１０は、第１実施形態の方法により推定した前後輪横力Ｆｆ，Ｆｒとタイヤスリップ角推定装置１２０から入力されたタイヤスリップ角とを基に、後述する安定状態判定処理を実行し、車両の安定状態の判定（車両がスリップするか否かの判定）を行う。
【００３６】
（車両の安定状態判定方法）
次に、車両走行状態推定装置１１０における安定状態の判定方法について説明する。
車両走行状態推定装置１１０は、別途推定された車両横滑り角βを用いて、旋回車両の平衡状態を表す系の安定性に基づいて、車両の安定状態を判定する。
図６は、タイヤスリップ角とタイヤ横力との関係を示す図である。
図６に示す縦軸を、各輪の輪荷重によって正規化した横加速度で表すと、図７のようになる。
図７は、タイヤスリップ角と横加速度との関係を示す図である。
図７において、ある旋回状態の平衡状態で線形化すると、線形化されたコーナリングパワー（ＣＰ）Ｋｆ，Ｋｒとして、
【００３７】
【数３】
が得られ、このＫｆ，Ｋｒの大きさは車両の安定性に大きな影響を与えることとなる。
【００３８】
なお、（７）式は、時間微分の形式で、より取り扱いやすい次式（８）のように書き直す。（８）式に従って実際に演算を行う場合、具体的な時間微分は各種方法によって行うことが可能である。例えば、単純に時系列に沿った差分値を取ることもでき、この場合には、なるべく長いサンプリングタイムを取り、変化量の分解能を高くすることが適切である。
【００３９】
【数４】
【００４０】
上記平衡状態における平衡点周りの運動方程式は、状態量を全て平衡点からの変化として、次式（９）のように記述できる。
【００４１】
【数５】
【００４２】
（９）式を状態方程式の形で表すと、次式（１０）のように表される。
【００４３】
【数６】
【００４４】
（１０）式に示す状態方程式は、ヨーレートγ、車両横滑り角βおよび前輪舵角δを入力とする図８のようなブロック図として表される。
図８は、（１０）式の状態方程式に基づく具体的構成を示すブロック図である。
図８に示すブロック図において、この系が不安定となるのは、ａ１２項が負となり、車両横滑り角βが発散して、回頭ヨーモーメントを生ずる場合に限られる。
したがって、ａ１２項は、この系の安定性を示すインデックスと捉えることができる。
ａ１２項をインデックスとして用いる場合には、スタティックマージン相当の物理量であれば良いため、本実施形態においては、ａ１２項の分子を用いて、ξ＝ｌｒＫｒ−ｌｆＫｆをインデックスとして用いることとする。
【００４５】
このように設定されたインデックスξにおいて、車両横すべり角βが旋回内側に発生して（つまり後部を外に振り出して）旋回しているときを車両横すべり角β＜０と符号付けすると、車両横滑り角β＜０の時にξ＞０であると、復元方向のヨーモーメントを発生するために、安定性は確保される。
一方、ξ＜０の場合、車体横滑り角β＜０のときには、回頭モーメントを発生するので、スピンを増大する方向になって、不安定となる。
【００４６】
このことは、定常状態においてのみではなく、過渡状態においても成立するので、インデックスξの値を逐次計算することによって、安定、不安定の判断だけでなく、安定度、不安定度のインデックスとして用いることができる。また、このインデックスξには上述のように物理的な意義があるため、車両を設計、実験する上でも理解しやすい指標となっている。
また、不安定の度合いはインデックスξから判定でき、どちらの回転方向（アンダーステア側あるいはオーバーステア側）にスピンしようとしているかは、ヨーレートγまたは、車両横滑り角βの方向から判断できる。
【００４７】
（動作）
次に、動作を説明する。
車両走行状態推定装置１１０は、第１実施形態におけるタイヤ横力推定処理を実行しており、さらに、推定されたタイヤ横力を用いて、本実施形態に係る安定状態判定処理を実行する。
図９は、車両走行状態推定装置１１０が実行する安定状態判定処理を示すフローチャートである。安定状態判定処理は、タイヤ横力推定処理と共に開始される。
【００４８】
図９において、安定状態判定処理が開始されると、車両走行状態推定装置１００は、タイヤ横力推定処理において推定された前後輪横力Ｆｆ，Ｆｒを用いて、安定状態を判定するためのインデックスξを算出する（ステップＳ１０１）。
次に、車両走行状態推定装置１１０は、算出したξを、安定状態判定のために設定された閾値（ここではξ＝０）と比較する（ステップＳ１０２）。
【００４９】
そして、車両走行状態推定装置１１０は、ステップＳ１０２における比較結果を基に、自動車１がアンダーステア（ＵＳ）方向に不安定であるか否かの判定を行う（ステップＳ１０３）。このとき、車両走行状態推定装置１１０は、ヨーレートγあるいは車両横滑り角βを参照し、その回転方向からＵＳ方向に不安定であるか否かを判定する。
ステップＳ１０３において、ＵＳ方向に不安定でないと判定した場合、車両走行状態推定装置１１０は、ステップＳ１０２における比較結果を基に、自動車１がオーバーステア（ＯＳ）方向に不安定であるか否かの判定を行う（ステップＳ１０４）。このとき、車両走行状態推定装置１１０は、ステップＳ１０３と同様に、ヨーレートγあるいは車両横滑り角βを参照し、その回転方向からＯＳ方向に不安定であるか否かを判定する。
【００５０】
ステップＳ１０４において、ＯＳ方向に不安定でないと判定した場合、車両走行状態推定装置１１０は、ステップＳ１０１に戻り、安定状態判定処理を繰り返す。
一方、ステップＳ１０３において、ＵＳ方向に不安定であると判定した場合、車両走行状態推定装置１１０は、ＵＳ方向に不安定となっていることを示す信号（以下、「ＵＳ不安定信号」という。）を出力し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０１に戻る。
【００５１】
また、ステップＳ１０４において、ＯＳ方向に不安定であると判定した場合、車両走行状態推定装置１１０は、ＯＳ方向に不安定となっていることを示す信号（以下、「ＯＳ不安定信号」という。）を出力し（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０１に戻る。
ステップＳ１０５，Ｓ１０６において出力されたＵＳ不安定信号およびＯＳ不安定信号は、後段の車両制御装置に渡され、ＡＢＳ（Anti-lock Brake System）やＴＣＳ（Traction Control System）のトリガ等として使用される。
【００５２】
ここで、本実施形態においては、インデックスξに対し、安定状態を判定するための閾値としてξ＝０を設定するものとして説明したが、この閾値は、実験あるいはチューニング等によって、車両ごとに定まる車両特性の初期値に対して相対的に決定することができる。このとき、インデックスξの閾値は、ＯＳ方向とＵＳ方向それぞれに対して個別に設定することができる。一般的に、車両特性の初期値は、ややＵＳ傾向とされている場合が多く、その場合、ＯＳ方向の不安定を判定する閾値でも、ＯＳ状態に至る前のＵＳ領域に設定することが可能である。このように設定すると、ＯＳ状態となった後に不安定状態を検出して安定化制御を行ったときに、制御遅れによって安定化が困難となる事態を防止することができる。
【００５３】
以上のように、本実施の形態に係る自動車１は、前後輪の振る舞いを外乱によって駆動される一次遅れ系として表した状態方程式を用いて、その状態方程式に基づくカルマンフィルタによってフィードバック処理を行うことにより、前後輪の横力を推定し、その推定したタイヤ横力を用いて記述された状態方程式から把握される系の安定性を基に、自動車１の挙動における安定状態を判定する。
【００５４】
したがって、実際のタイヤ横力の状態を適確に反映した安定性の指標に基づいて車両の安定状態を判定できるので、従来に比して、車両挙動の安定状態をより少ない判定誤差によって判定することができる。
また、タイヤ横力自体を推定して車両の安定状態を判定するため、一般に車両に働く力を積分することにより求められる車両横滑り角を推定して安定状態を判定する従来の技術に比べ、早期に車両の安定状態を判定することができる。
なお、本実施形態においては、車速センサ８０、ヨーレートセンサ９０、横加速度センサ１００、車両走行状態推定装置１１０およびタイヤスリップ角推定装置１２０が車両制御装置を構成し、タイヤスリップ角推定装置１２０がタイヤスリップ角取得手段を構成し、安定状態判定処理を実行する車両走行状態推定装置１１０が安定状態判定手段を構成する。
【００５５】
（第２実施形態の効果）
（１）タイヤスリップ角取得手段を備え、安定状態判定手段が、推定されたタイヤ横力と、取得されたタイヤスリップ角との関係に基づいて、車両挙動の安定状態を判定する。
したがって、実際のタイヤ横力の状態を適確に反映した判定基準によって車両挙動の安定状態を判定できるので、従来に比して判定誤差をより少なくすることができる。
（２）安定状態判定手段が、タイヤスリップ角の変化に対するタイヤ横力の変化勾配を線形化コーナリングパワーとし、その線形化コーナリングパワーを用いて表されるスタティックマージン相当の物理量の大きさを基に、車両挙動の安定状態を判定する。
したがって、実際のタイヤ横力の状態を適確に反映した安定性の指標に基づいて車両の安定状態を判定できるので、従来に比して、車両挙動の安定状態をより少ない判定誤差によって判定することができる。
【００５６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
本実施形態においては、第２実施形態における安定状態判定結果を用いて、車両の制駆動力制御を行う場合について説明する。
（構成）
図１０は、本実施形態に係る自動車１の構成を示す図である。
図１０に示す構成は、図５に示す構成に対して、制動力制御装置１３０が備えられている部分が異なるものである。
したがって、制動力制御装置１３０以外の部分については、第１実施形態および第２実施形態を参照することとし、ここでは制動力制御装置１３０を主として説明する。
【００５７】
制動力制御装置１３０は、自動車１の車両挙動に基づいて、車両における各車輪の制動力を制御する制動力制御処理を実行する。具体的には、制動力制御装置１３０は、車両走行状態推定装置１１０からＵＳ不安定信号およびＯＳ不安定信号の入力を受け、ＵＳ不安定信号が入力されている場合には、旋回内側の後輪に制動力を付加し、ＯＳ不安定信号が入力されている場合には、旋回外側の前輪に制動力を付加する。
このとき、制動力制御装置１３０は、より効果的に車両を安定化させるために、車輪がロックしない範囲で最大の制動力を上記各車輪に付加する。あるいは、ブレーキ圧力最大で上記各車輪に制動力を付加し、車輪がロックした時点でブレーキのリリースを繰り返すことも可能である。
【００５８】
（動作）
図１１は、制動力制御装置１３０が実行する制動力制御処理を示すフローチャートである。制動力制御処理は、タイヤ横力推定処理および安定状態判定処理と共に開始される。
図１１において、制動力制御処理が開始されると、制動力制御装置１３０は、車両走行状態推定装置１１０からＵＳ不安定信号あるいはＯＳ不安定信号のいずれかが入力されたか否かの判定を行う（ステップＳ２０１）。
ステップＳ２０１において、ＵＳ不安定信号あるいはＯＳ不安定信号のいずれも入力されていないと判定した場合、制動力制御装置１３０は、ステップＳ２０１に移行し、ＵＳ不安定信号あるいはＯＳ不安定信号のいずれかが入力されたと判定した場合、入力された信号がＵＳ不安定信号であるかあるいはＯＳ不安定信号であるかの判定を行う（ステップＳ２０２）。
【００５９】
そして、ステップＳ２０２において、入力された信号がＵＳ不安定信号であると判定した場合、制動力制御装置１３０は、旋回内側の後輪に制動力を付加し、制動力によりＯＳ方向のヨーモーメントを発生させる（ステップＳ２０３）。
一方、ステップＳ２０２において、入力された信号がＯＳ不安定信号であると判定した場合、制動力制御装置１３０は、旋回外側の前輪に制動力を付加し、制動力によりＵＳ方向のヨーモーメントを発生させる（ステップＳ２０４）。
ステップＳ２０３およびステップＳ２０４の後、制動力制御装置１３０は、制動力制御処理を繰り返す。
【００６０】
以上のように、本実施の形態に係る自動車１は、前後輪の振る舞いを外乱によって駆動される一次遅れ系として表した状態方程式を用いて、その状態方程式に基づくカルマンフィルタによってフィードバック処理を行うことにより、前後輪の横力を推定し、その推定したタイヤ横力を用いて記述された状態方程式から把握される系の安定性を基に、自動車１の挙動における安定状態を判定する。そして、その判定結果に応じて、車両に発生している不安定挙動のヨーレートを打ち消す方向の制動力制御を行う。
【００６１】
したがって、車両における実際の安定状態を適確に判定して制動力制御を行うことができるため、車両が不安定状態となっている場合に安定化制御が行われないことや、車両が安定状態である場合に不要な安定化制御が行われることを防ぐことができる。
なお、本実施形態において、車速センサ８０、ヨーレートセンサ９０、横加速度センサ１００、車両走行状態推定装置１１０、タイヤスリップ角推定装置１２０および制動力制御装置１３０が車両制御装置を構成し、制動力制御装置１３０が制駆動力制御手段を構成する。
【００６２】
（第３実施形態の効果）
（１）制駆動力制御手段が、安定状態判定手段の判定結果に基づいて、発生しているヨーレートを打ち消す方向に車両の制駆動力制御を行うので、車両における実際の安定状態を適確に判定して制動力制御を行うことができるため、車両が不安定状態となっている場合に安定化制御が行われないことや、車両が安定状態である場合に不要な安定化制御が行われることを防ぐことができる。
【００６３】
（応用例）
本発明は、タイヤスリップ角あるいはタイヤ横力が大きい領域でより効果が大きいものである。
そのため、第１〜第３実施形態において、自動車１が車両の規範モデルを持つこととし、規範モデルから算出されるヨーレートと実ヨーレートとの差が所定閾値より大きくなった場合に、上記実施形態に基づく動作を行わせる動作許可部をさらに備えることが可能である。また、動作制御部は、上記のようにヨーレートに基づいて動作を許可することの他、タイヤスリップ角あるいはタイヤ横力を直接監視し、上記実施形態に基づく動作を許可することが可能である。
図１２は、動作許可部１４０を備える自動車１の構成例を示す図である。
このような構成により、本発明の効果がより大きい領域で本発明を用いることができ、システムに対する信頼性を高めることができる。
なお、本応用例において、動作許可部が動作許可手段を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係る自動車１の構成を示す図である。
【図２】車両走行状態推定装置１１０の具体的構成を示すブロック図である。
【図３】車両走行状態推定装置１１０が実行するタイヤ横力推定処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明によってタイヤ横力を推定した結果を示す図である。
【図５】本実施形態に係る自動車１の構成を示す図である。
【図６】タイヤスリップ角とタイヤ横力との関係を示す図である。
【図７】タイヤスリップ角と横加速度との関係を示す図である。
【図８】（１０）式の状態方程式に基づく具体的構成を示すブロック図である。
【図９】車両走行状態推定装置１１０が実行する安定状態判定処理を示すフローチャートである。
【図１０】本実施形態に係る自動車１の構成を示す図である。
【図１１】制動力制御装置１３０が実行する制動力制御処理を示すフローチャートである。
【図１２】動作許可部１４０を備える自動車１の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 自動車、１０ ステアリングホイール、２０ ステアリングシャフト、３０ 操舵角センサ、４０ ピニオン、５０ ラック、６０ａ，６０ｂ タイロッド、７０ａ，７０ｂ 前輪、８０ 車速センサ、９０ ヨーレートセンサ、１００ 横加速度センサ、１１０ 車両走行状態推定装置、１２０ タイヤスリップ角推定装置、１３０ 制動力制御装置、１４０ 動作許可部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の状態解析あるいは制御を行う車両制御装置、自動車および車両のタイヤ横力推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両のタイヤに発生する横力を推定し、その推定値を用いて車両挙動を解析する技術が知られている。
このような技術は、タイヤ横力を推定し、タイヤの接地状態と車両モデルとを基に車両挙動を解析するといった形態で用いられ、車両がスリップするか否かについての安定状態判定や、制駆動力あるいは操舵による車両の安定化制御等に適用されている。
【０００３】
例えば、特開平９−２４０４５８号公報には、実ヨーレートγを含む車両の状態量に基づき前後輪の横力Ｆyf、Ｆyrを推定することにより車体のスリップ角（車両横滑り角）βｈおよびヨーレートγｈを推定しヨーレートをフィードバックする車両モデルに基づくオブザーバブロック３４を有し、車両の横滑り状態量として少なくとも車体のスリップ角βｈを演算する車両の横滑り状態量検出装置が記載されており、この装置において、車体のスリップ角推定用のフィードバックゲインＫｂおよび車両のヨーレート推定用のフィードバックゲインＫｇを、車両の状態量に基づく車両の基準ヨーレートγｔと実ヨーレートとの偏差に基づき演算される車輪横力の飽和度合Ｓａに応じて変更することが記載されている。
【特許文献１】特開平９−２４０４５８号公報
【発明の開示】
【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に記載された技術においては、タイヤ横力の推定値から車体スリップ角およびヨーレートを推定する上記車両モデルを用いた結果、車体スリップ角を実際の方向とは反対方向に推定する場合や、外乱となるタイヤの横力の推定値が現実に考え得る力の１０倍以上となる場合があった。このような状況は、車両状態量からタイヤ横力を推定する際の推定精度が十分でなく、また、その結果、車両横滑り角の推定精度も十分でなくなることに起因して発生したものであると考えられる。
このように、従来の技術においては、車両のタイヤに発生する横力の推定精度が十分なものではなかった。
本発明の課題は、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するため、本発明に係る車両制御装置は、車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得手段と、車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記物理量取得手段によって取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定手段とを備えることを特徴としている。
【０００６】
また、本発明に係る自動車は、サスペンションを介して車体に取り付けられた車輪と、操舵操作が入力されるステアリングホイールと、車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得手段と、車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記物理量取得手段によって取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定手段とを備えることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明に係るタイヤ横力推定方法は、車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得ステップと、車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定ステップとを含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る車両制御装置によれば、前後輪のタイヤ横力が白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定され、タイヤ横力推定手段がその状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力が推定される。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【０００９】
本発明に係る自動車によれば、ステアリングホイールへの操舵入力により発生した車輪のタイヤ横力が、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定され、タイヤ横力推定手段がその状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力が推定される。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【００１０】
本発明に係るタイヤ横力推定方法によれば、前後輪のタイヤ横力を白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、その状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力を推定する。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図を参照して本発明を適用した自動車の実施の形態を説明する。
（第１実施形態）
（構成）
図１は、本発明に係る自動車１の構成を示す図である。
図１において、自動車１は、ステアリングホイール１０と、ステアリングシャフト２０と、操舵角センサ３０と、ピニオン４０と、ラック５０と、タイロッド６０ａ，６０ｂと、左右の前輪７０ａ，７０ｂと、車速センサ８０と、ヨーレートセンサ９０と、横加速度センサ１００と、車両走行状態推定装置１１０とを備えている。
【００１２】
ステアリングホイール１０には、運転者によって操舵入力が行われ、ステアリングホイール１０に入力された操舵操作は、ステアリングシャフト２０を介して、ラックアンドピニオン機構を構成するピニオン４０に伝達される。このとき、ステアリングシャフト２０に設置された操舵角センサ３０が、操舵角度を検出し、検出した操舵角度を車両走行状態推定装置１１０に出力する。
【００１３】
また、ピニオン４０に伝達された操舵操作は、ラックアンドピニオン機構におけるラック５０に伝達され、車幅方向の往復運動に変換される。
ラック５０の先端には、左右の前輪７０ａ，７０ｂのナックルアームにつながるタイロッド６０ａ，６０ｂが連結されており、ラック５０による車幅方向の往復運動は、タイロッド６０ａ，６０ｂを介して、左右の前輪７０ａ，７０ｂに伝達される。これにより、ステアリングホイール１０に入力された操舵操作は、左右の前輪７０ａ，７０ｂにおける転舵動作として出力される。
【００１４】
また、図１におけるヨーレートセンサ９０は、自動車１に発生するヨーレートを検出し、検出したヨーレートを車両走行状態推定装置１１０に出力する。さらに、横加速度センサ１００は、自動車１における横加速度を検出し、検出した横加速度を車両走行状態推定装置１１０に出力する。
車両走行状態推定装置１１０には、操舵角センサ３０から操舵角が入力され、ヨーレートセンサ９０からヨーレートが検出され、横加速度センサ１００から横加速度が入力される。そして、車両走行状態推定装置１１０は、後述するタイヤ横力推定処理を実行し、入力された操舵角、ヨーレートおよび横加速度から車両の走行状態（ここでは主としてタイヤ横力）を推定する。
【００１５】
また、車両走行状態推定装置１１０は、自動車１における車両状態量から既存の算出方法を用いて、車両横滑り角βを算出する。
なお、自動車１においては、ヨーレートおよび横加速度のゼロ点について補正が行われる。
ヨーレートは停止中の値をゼロ点とする。横加速度は、ヨーレート＝０の時の横加速度をゼロ点とするが、路面カントなどの影響を受けることから、ハンドル角速度が所定閾値以下で、ヨーレート＝０の時の横加速度を統計的にヒストグラム化し、その平均値（あるいは中央値、最頻値）をゼロ点とする。
【００１６】
（車両走行状態推定方法）
次に、車両走行状態推定装置１１０における車両走行状態推定方法について説明する。
なお、以下の説明において、記号は以下のように定義されている。
Ｆｆ：前輪横力(左右２輪分)
Ｆｒ：後輪横力(左右２輪分)
β：車両横滑り角
βｆ：前輪スリップ角
βｒ：後輪スリップ角
γ：ヨーレート
Ｖ：車速
θ：操舵角
δ：前輪舵角
Ｋｆ：前輪コーナリングパワー
Ｋｒ：後輪コーナリングパワー
ｌｆ：車両重心点から前輪軸までの距離
ｌｒ：車両重心点から後輪軸までの距離
τｆ：前輪横力が外乱に駆動される時定数
τｒ：後輪横力が外乱に駆動される時定数
ｗｆ：前輪の外乱
ｗｒ：後輪の外乱
α：横加速度
Ｉｚ：ヨー慣性モーメント
ｍ：車両質量
【００１７】
前輪および後輪のタイヤスリップ角は、別途推定した車両横滑り角β、既知である車両重心点から前輪軸および後輪軸までの距離ｌｆ，ｌｒ、ヨーレートセンサ９０から入力されるヨーレートγ、車速センサ８０から入力される車速Ｖ、操舵角センサ３０から入力される操舵角θを基に算出される前輪舵角δを用いて、次式(１)によって求められる。ここで、各状態量はすべて絶対的な値であり、直進走行中の状態量を基準とする。
βｆ＝−β−ｌｆ・γ／Ｖ＋δ
βｒ＝−β−ｌｒ・γ／Ｖ （１）
また、車両の状態方程式および出力方程式は、それぞれ次式（２）、（３）に示すように表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
なお、（２）、（３）式は、各行列を置換すると次式（４）のように書き換えられる。
【００２０】
【数２】
【００２１】
上記（２），（３）式あるいは（４）式は、前後輪の振る舞いを外乱によって駆動される一次遅れ系として表したものである。上式においては、想定する外乱の分散の大きさ、観測ノイズの大きさにより推定の応答性を変化させると共に、前後輪の振る舞いにおける推定しようとする周波数帯域を上記時定数の変更によりコントロールできるようにしたものである。
車両走行状態推定装置１１０においては、上記（２），（３）式あるいは（４）式を用いてカルマンフィルタが構成されており（図２参照）、ヨーレートγ、横加速度αから前輪横力Ｆｆ、後輪横力Ｆｒおよびヨーレートγを推定している。
【００２２】
図２は、車両走行状態推定装置１１０の具体的構成を示すブロック図である。なお、図２におけるハット付きの文字は、推定値であることを表している。
図２に示すブロック構成により、オブザーバゲインＫと、（２），（３）式におけるＡ，Ｃの行列を用い、前輪横力Ｆｆ、後輪横力Ｆｒおよびヨーレートγ（行列ｘ）を状態フィードバックして、前輪横力Ｆｆ、後輪横力Ｆｒおよびヨーレートγ（行列ｘ）、ヨーレートγと横加速度αの推定値（行列ｙ）および車両横滑り角βの推定値が算出され、推定したヨーレートγと横加速度αの実測値との差分がフィードバックされることにより、逐次、これら推定値が更新される。
【００２３】
このように算出された前後輪横力Ｆｆ，Ｆｒは、直接的なタイヤの振る舞いに基づく状態方程式から算出されるものであるため、従来に比して推定誤差がより少ないものとなっている。また、（４）式には車速が要素として含まれていないため、図２に示す構成においては、従来のオブザーバやコントローラで行われているような車速に応じた調整が不要である。
ここで、図２におけるオブザーバゲインＫは、外乱の分散マトリクスをＱ、観測ノイズの分散マトリクスをＲとして、以下のＲｉｃａｔｔｉ方程式を解くことで求められる。
ＰＡＴ＋ＡＰ−ＰＣＴＲ−１ＣＰ＋Ｑ＝０ （５）
Ｋ＝ＰＣＴＲ−１ （６）
なお、（５），（６）式におけるＰは誤差共分散マトリクスである。
【００２４】
（動作）
次に、動作を説明する。
自動車１は、運転者の操舵入力に応じて左右前輪７０ａ，７０ｂが転舵され、それに伴いヨーレートおよび横加速度が発生する。
そして、車両走行状態推定装置１１０は、タイヤ横力推定処理によって、走行状態におけるタイヤ横力の推定を行う。
【００２５】
図３は、車両走行状態推定装置１１０が実行するタイヤ横力推定処理を示すフローチャートである。タイヤ横力推定処理は、イグニションオンと共に実行が開始される。
図３において、タイヤ横力推定処理が開始されると、車両走行状態推定装置１１０は、ヨーレートセンサ９０からヨーレートの入力を受けると共に、横加速度センサ１００から横加速度の入力を受ける（ステップＳ１）。
次に、車両走行状態推定装置１１０は、（２），（３）式に基づくカルマンフィルタによりフィードバック制御を行う（ステップＳ２）。
【００２６】
そして、車両走行状態推定装置１１０は、フィードバック制御において逐次算出されるタイヤ横力Ｆｆ，Ｆｒおよびヨーレートγを出力する（ステップＳ３）。
ここで出力されたタイヤ横力の推定値は、後段の車両制御装置に渡され、車両の安定状態判定や安定化制御等に用いられる。
ステップＳ２の後、車両走行状態推定装置１１０は、ステップＳ１の処理に戻り、タイヤ横力推定処理を繰り返す。
【００２７】
以上のように、本実施の形態に係る自動車１は、前後輪の振る舞いを外乱によって駆動される一次遅れ系として表した状態方程式を用いて、その状態方程式に基づくカルマンフィルタによって状態推定を行うことにより、前後輪の横力を推定する。
したがって、タイヤの振る舞いに対して成立する状態方程式の解としてタイヤ横力を得ることができるため、従来に比して、推定誤差がより少ないタイヤ横力の推定を行うことができる。
【００２８】
図４は、本発明によってタイヤ横力を推定した結果を示す図である。
図４においては、上段の図のように操舵角が入力された場合（ダブルレーンチェンジの場合）に、下段の図のように前後輪のタイヤ横力Ｆｆ，Ｆｒが表れることを示しており、下段の図に示される推定値は、６分力計で実測したタイヤ横力と高精度に一致している。
なお、本実施の形態において、車速センサ８０、ヨーレートセンサ９０、横加速度センサ１００および車両走行状態推定装置１１０が車両制御装置を構成し、車速センサ８０、ヨーレートセンサ９０および横加速度センサ１００が物理量取得手段を構成し、タイヤ横力推定処理を実行する車両走行状態推定装置１１０がタイヤ横力推定手段を構成する。
【００２９】
（第１実施形態の効果）
（１）本発明に係る車両制御装置によれば、前後輪のタイヤ横力が外乱（白色雑音）によって駆動される一次系の状態量と想定され、タイヤ横力推定手段がその状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力が推定される。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【００３０】
（２）前後輪のタイヤ横力について想定した状態量の状態方程式を用いて、その状態方程式に基づくカルマンフィルタによって状態推定を行うことにより、前後輪の横力を推定する。
したがって、タイヤの振る舞いに対して成立する状態方程式の解としてタイヤ横力を得ることができるため、従来に比して、推定誤差がより少ないタイヤ横力の推定を行うことができる。
【００３１】
（３）本発明に係る自動車によれば、ステアリングホイールへの操舵入力により発生した車輪のタイヤ横力が、外乱（白色雑音）によって駆動される一次系の状態量と想定され、タイヤ横力推定手段がその状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力が推定される。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【００３２】
（４）本発明に係るタイヤ横力推定方法によれば、前後輪のタイヤ横力を外乱（白色雑音）によって駆動される一次系の状態量と想定し、その状態量を車両のヨーレートおよび横加速度を基に解析することにより、前後輪の横力を推定する。
したがって、タイヤ横力を状態量として直接的に求めることができるため、車両のタイヤに発生する横力をより正確に推定することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態においては、第１実施形態におけるタイヤ横力推定結果を用いて、車両の安定状態の判定を行う場合について説明する。
（構成）
図５は、本実施形態に係る自動車１の構成を示す図である。
図５に示す構成は、図１に示す構成に対して、タイヤスリップ角推定装置１２０が備えられていること、および、車両走行状態推定装置１１０における処理が異なるものである。
【００３４】
したがって、第１実施形態と同様の部分、即ち、タイヤ横力の推定に関する部分は第１実施形態を参照することとし、ここではタイヤスリップ角推定装置１２０および車両走行状態推定装置１１０を主として説明する。
タイヤスリップ角推定装置１２０は、ステアリングホイール１０に対する操舵角から、車両モデルを基にタイヤスリップ角を推定し、推定したタイヤスリップ角を車両走行状態推定装置１１０に出力する。
なお、ここではタイヤスリップ角を操舵角から推定するものとして説明するが、自動車１の進行方向に対するタイヤの向きを測定することによりタイヤスリップ角を実測値として検出することもできる。
【００３５】
車両走行状態推定装置１１０には、タイヤスリップ角推定装置１２０からタイヤスリップ角が入力される。そして、車両走行状態推定装置１１０は、第１実施形態の方法により推定した前後輪横力Ｆｆ，Ｆｒとタイヤスリップ角推定装置１２０から入力されたタイヤスリップ角とを基に、後述する安定状態判定処理を実行し、車両の安定状態の判定（車両がスリップするか否かの判定）を行う。
【００３６】
（車両の安定状態判定方法）
次に、車両走行状態推定装置１１０における安定状態の判定方法について説明する。
車両走行状態推定装置１１０は、別途推定された車両横滑り角βを用いて、旋回車両の平衡状態を表す系の安定性に基づいて、車両の安定状態を判定する。
図６は、タイヤスリップ角とタイヤ横力との関係を示す図である。
図６に示す縦軸を、各輪の輪荷重によって正規化した横加速度で表すと、図７のようになる。
図７は、タイヤスリップ角と横加速度との関係を示す図である。
図７において、ある旋回状態の平衡状態で線形化すると、線形化されたコーナリングパワー（ＣＰ）Ｋｆ，Ｋｒとして、
【００３７】
【数３】
が得られ、このＫｆ，Ｋｒの大きさは車両の安定性に大きな影響を与えることとなる。
【００３８】
なお、（７）式は、時間微分の形式で、より取り扱いやすい次式（８）のように書き直す。（８）式に従って実際に演算を行う場合、具体的な時間微分は各種方法によって行うことが可能である。例えば、単純に時系列に沿った差分値を取ることもでき、この場合には、なるべく長いサンプリングタイムを取り、変化量の分解能を高くすることが適切である。
【００３９】
【数４】
【００４０】
上記平衡状態における平衡点周りの運動方程式は、状態量を全て平衡点からの変化として、次式（９）のように記述できる。
【００４１】
【数５】
【００４２】
（９）式を状態方程式の形で表すと、次式（１０）のように表される。
【００４３】
【数６】
【００４４】
（１０）式に示す状態方程式は、ヨーレートγ、車両横滑り角βおよび前輪舵角δを入力とする図８のようなブロック図として表される。
図８は、（１０）式の状態方程式に基づく具体的構成を示すブロック図である。
図８に示すブロック図において、この系が不安定となるのは、ａ１２項が負となり、車両横滑り角βが発散して、回頭ヨーモーメントを生ずる場合に限られる。
したがって、ａ１２項は、この系の安定性を示すインデックスと捉えることができる。
ａ１２項をインデックスとして用いる場合には、スタティックマージン相当の物理量であれば良いため、本実施形態においては、ａ１２項の分子を用いて、ξ＝ｌｒＫｒ−ｌｆＫｆをインデックスとして用いることとする。
【００４５】
このように設定されたインデックスξにおいて、車両横すべり角βが旋回内側に発生して（つまり後部を外に振り出して）旋回しているときを車両横すべり角β＜０と符号付けすると、車両横滑り角β＜０の時にξ＞０であると、復元方向のヨーモーメントを発生するために、安定性は確保される。
一方、ξ＜０の場合、車体横滑り角β＜０のときには、回頭モーメントを発生するので、スピンを増大する方向になって、不安定となる。
【００４６】
このことは、定常状態においてのみではなく、過渡状態においても成立するので、インデックスξの値を逐次計算することによって、安定、不安定の判断だけでなく、安定度、不安定度のインデックスとして用いることができる。また、このインデックスξには上述のように物理的な意義があるため、車両を設計、実験する上でも理解しやすい指標となっている。
また、不安定の度合いはインデックスξから判定でき、どちらの回転方向（アンダーステア側あるいはオーバーステア側）にスピンしようとしているかは、ヨーレートγまたは、車両横滑り角βの方向から判断できる。
【００４７】
（動作）
次に、動作を説明する。
車両走行状態推定装置１１０は、第１実施形態におけるタイヤ横力推定処理を実行しており、さらに、推定されたタイヤ横力を用いて、本実施形態に係る安定状態判定処理を実行する。
図９は、車両走行状態推定装置１１０が実行する安定状態判定処理を示すフローチャートである。安定状態判定処理は、タイヤ横力推定処理と共に開始される。
【００４８】
図９において、安定状態判定処理が開始されると、車両走行状態推定装置１００は、タイヤ横力推定処理において推定された前後輪横力Ｆｆ，Ｆｒを用いて、安定状態を判定するためのインデックスξを算出する（ステップＳ１０１）。
次に、車両走行状態推定装置１１０は、算出したξを、安定状態判定のために設定された閾値（ここではξ＝０）と比較する（ステップＳ１０２）。
【００４９】
そして、車両走行状態推定装置１１０は、ステップＳ１０２における比較結果を基に、自動車１がアンダーステア（ＵＳ）方向に不安定であるか否かの判定を行う（ステップＳ１０３）。このとき、車両走行状態推定装置１１０は、ヨーレートγあるいは車両横滑り角βを参照し、その回転方向からＵＳ方向に不安定であるか否かを判定する。
ステップＳ１０３において、ＵＳ方向に不安定でないと判定した場合、車両走行状態推定装置１１０は、ステップＳ１０２における比較結果を基に、自動車１がオーバーステア（ＯＳ）方向に不安定であるか否かの判定を行う（ステップＳ１０４）。このとき、車両走行状態推定装置１１０は、ステップＳ１０３と同様に、ヨーレートγあるいは車両横滑り角βを参照し、その回転方向からＯＳ方向に不安定であるか否かを判定する。
【００５０】
ステップＳ１０４において、ＯＳ方向に不安定でないと判定した場合、車両走行状態推定装置１１０は、ステップＳ１０１に戻り、安定状態判定処理を繰り返す。
一方、ステップＳ１０３において、ＵＳ方向に不安定であると判定した場合、車両走行状態推定装置１１０は、ＵＳ方向に不安定となっていることを示す信号（以下、「ＵＳ不安定信号」という。）を出力し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０１に戻る。
【００５１】
また、ステップＳ１０４において、ＯＳ方向に不安定であると判定した場合、車両走行状態推定装置１１０は、ＯＳ方向に不安定となっていることを示す信号（以下、「ＯＳ不安定信号」という。）を出力し（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０１に戻る。
ステップＳ１０５，Ｓ１０６において出力されたＵＳ不安定信号およびＯＳ不安定信号は、後段の車両制御装置に渡され、ＡＢＳ（Anti-lock Brake System）やＴＣＳ（Traction Control System）のトリガ等として使用される。
【００５２】
ここで、本実施形態においては、インデックスξに対し、安定状態を判定するための閾値としてξ＝０を設定するものとして説明したが、この閾値は、実験あるいはチューニング等によって、車両ごとに定まる車両特性の初期値に対して相対的に決定することができる。このとき、インデックスξの閾値は、ＯＳ方向とＵＳ方向それぞれに対して個別に設定することができる。一般的に、車両特性の初期値は、ややＵＳ傾向とされている場合が多く、その場合、ＯＳ方向の不安定を判定する閾値でも、ＯＳ状態に至る前のＵＳ領域に設定することが可能である。このように設定すると、ＯＳ状態となった後に不安定状態を検出して安定化制御を行ったときに、制御遅れによって安定化が困難となる事態を防止することができる。
【００５３】
以上のように、本実施の形態に係る自動車１は、前後輪の振る舞いを外乱によって駆動される一次遅れ系として表した状態方程式を用いて、その状態方程式に基づくカルマンフィルタによってフィードバック処理を行うことにより、前後輪の横力を推定し、その推定したタイヤ横力を用いて記述された状態方程式から把握される系の安定性を基に、自動車１の挙動における安定状態を判定する。
【００５４】
したがって、実際のタイヤ横力の状態を適確に反映した安定性の指標に基づいて車両の安定状態を判定できるので、従来に比して、車両挙動の安定状態をより少ない判定誤差によって判定することができる。
また、タイヤ横力自体を推定して車両の安定状態を判定するため、一般に車両に働く力を積分することにより求められる車両横滑り角を推定して安定状態を判定する従来の技術に比べ、早期に車両の安定状態を判定することができる。
なお、本実施形態においては、車速センサ８０、ヨーレートセンサ９０、横加速度センサ１００、車両走行状態推定装置１１０およびタイヤスリップ角推定装置１２０が車両制御装置を構成し、タイヤスリップ角推定装置１２０がタイヤスリップ角取得手段を構成し、安定状態判定処理を実行する車両走行状態推定装置１１０が安定状態判定手段を構成する。
【００５５】
（第２実施形態の効果）
（１）タイヤスリップ角取得手段を備え、安定状態判定手段が、推定されたタイヤ横力と、取得されたタイヤスリップ角との関係に基づいて、車両挙動の安定状態を判定する。
したがって、実際のタイヤ横力の状態を適確に反映した判定基準によって車両挙動の安定状態を判定できるので、従来に比して判定誤差をより少なくすることができる。
（２）安定状態判定手段が、タイヤスリップ角の変化に対するタイヤ横力の変化勾配を線形化コーナリングパワーとし、その線形化コーナリングパワーを用いて表されるスタティックマージン相当の物理量の大きさを基に、車両挙動の安定状態を判定する。
したがって、実際のタイヤ横力の状態を適確に反映した安定性の指標に基づいて車両の安定状態を判定できるので、従来に比して、車両挙動の安定状態をより少ない判定誤差によって判定することができる。
【００５６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
本実施形態においては、第２実施形態における安定状態判定結果を用いて、車両の制駆動力制御を行う場合について説明する。
（構成）
図１０は、本実施形態に係る自動車１の構成を示す図である。
図１０に示す構成は、図５に示す構成に対して、制動力制御装置１３０が備えられている部分が異なるものである。
したがって、制動力制御装置１３０以外の部分については、第１実施形態および第２実施形態を参照することとし、ここでは制動力制御装置１３０を主として説明する。
【００５７】
制動力制御装置１３０は、自動車１の車両挙動に基づいて、車両における各車輪の制動力を制御する制動力制御処理を実行する。具体的には、制動力制御装置１３０は、車両走行状態推定装置１１０からＵＳ不安定信号およびＯＳ不安定信号の入力を受け、ＵＳ不安定信号が入力されている場合には、旋回内側の後輪に制動力を付加し、ＯＳ不安定信号が入力されている場合には、旋回外側の前輪に制動力を付加する。
このとき、制動力制御装置１３０は、より効果的に車両を安定化させるために、車輪がロックしない範囲で最大の制動力を上記各車輪に付加する。あるいは、ブレーキ圧力最大で上記各車輪に制動力を付加し、車輪がロックした時点でブレーキのリリースを繰り返すことも可能である。
【００５８】
（動作）
図１１は、制動力制御装置１３０が実行する制動力制御処理を示すフローチャートである。制動力制御処理は、タイヤ横力推定処理および安定状態判定処理と共に開始される。
図１１において、制動力制御処理が開始されると、制動力制御装置１３０は、車両走行状態推定装置１１０からＵＳ不安定信号あるいはＯＳ不安定信号のいずれかが入力されたか否かの判定を行う（ステップＳ２０１）。
ステップＳ２０１において、ＵＳ不安定信号あるいはＯＳ不安定信号のいずれも入力されていないと判定した場合、制動力制御装置１３０は、ステップＳ２０１に移行し、ＵＳ不安定信号あるいはＯＳ不安定信号のいずれかが入力されたと判定した場合、入力された信号がＵＳ不安定信号であるかあるいはＯＳ不安定信号であるかの判定を行う（ステップＳ２０２）。
【００５９】
そして、ステップＳ２０２において、入力された信号がＵＳ不安定信号であると判定した場合、制動力制御装置１３０は、旋回内側の後輪に制動力を付加し、制動力によりＯＳ方向のヨーモーメントを発生させる（ステップＳ２０３）。
一方、ステップＳ２０２において、入力された信号がＯＳ不安定信号であると判定した場合、制動力制御装置１３０は、旋回外側の前輪に制動力を付加し、制動力によりＵＳ方向のヨーモーメントを発生させる（ステップＳ２０４）。
ステップＳ２０３およびステップＳ２０４の後、制動力制御装置１３０は、制動力制御処理を繰り返す。
【００６０】
以上のように、本実施の形態に係る自動車１は、前後輪の振る舞いを外乱によって駆動される一次遅れ系として表した状態方程式を用いて、その状態方程式に基づくカルマンフィルタによってフィードバック処理を行うことにより、前後輪の横力を推定し、その推定したタイヤ横力を用いて記述された状態方程式から把握される系の安定性を基に、自動車１の挙動における安定状態を判定する。そして、その判定結果に応じて、車両に発生している不安定挙動のヨーレートを打ち消す方向の制動力制御を行う。
【００６１】
したがって、車両における実際の安定状態を適確に判定して制動力制御を行うことができるため、車両が不安定状態となっている場合に安定化制御が行われないことや、車両が安定状態である場合に不要な安定化制御が行われることを防ぐことができる。
なお、本実施形態において、車速センサ８０、ヨーレートセンサ９０、横加速度センサ１００、車両走行状態推定装置１１０、タイヤスリップ角推定装置１２０および制動力制御装置１３０が車両制御装置を構成し、制動力制御装置１３０が制駆動力制御手段を構成する。
【００６２】
（第３実施形態の効果）
（１）制駆動力制御手段が、安定状態判定手段の判定結果に基づいて、発生しているヨーレートを打ち消す方向に車両の制駆動力制御を行うので、車両における実際の安定状態を適確に判定して制動力制御を行うことができるため、車両が不安定状態となっている場合に安定化制御が行われないことや、車両が安定状態である場合に不要な安定化制御が行われることを防ぐことができる。
【００６３】
（応用例）
本発明は、タイヤスリップ角あるいはタイヤ横力が大きい領域でより効果が大きいものである。
そのため、第１〜第３実施形態において、自動車１が車両の規範モデルを持つこととし、規範モデルから算出されるヨーレートと実ヨーレートとの差が所定閾値より大きくなった場合に、上記実施形態に基づく動作を行わせる動作許可部をさらに備えることが可能である。また、動作制御部は、上記のようにヨーレートに基づいて動作を許可することの他、タイヤスリップ角あるいはタイヤ横力を直接監視し、上記実施形態に基づく動作を許可することが可能である。
図１２は、動作許可部１４０を備える自動車１の構成例を示す図である。
このような構成により、本発明の効果がより大きい領域で本発明を用いることができ、システムに対する信頼性を高めることができる。
なお、本応用例において、動作許可部が動作許可手段を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係る自動車１の構成を示す図である。
【図２】車両走行状態推定装置１１０の具体的構成を示すブロック図である。
【図３】車両走行状態推定装置１１０が実行するタイヤ横力推定処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明によってタイヤ横力を推定した結果を示す図である。
【図５】本実施形態に係る自動車１の構成を示す図である。
【図６】タイヤスリップ角とタイヤ横力との関係を示す図である。
【図７】タイヤスリップ角と横加速度との関係を示す図である。
【図８】（１０）式の状態方程式に基づく具体的構成を示すブロック図である。
【図９】車両走行状態推定装置１１０が実行する安定状態判定処理を示すフローチャートである。
【図１０】本実施形態に係る自動車１の構成を示す図である。
【図１１】制動力制御装置１３０が実行する制動力制御処理を示すフローチャートである。
【図１２】動作許可部１４０を備える自動車１の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 自動車、１０ ステアリングホイール、２０ ステアリングシャフト、３０ 操舵角センサ、４０ ピニオン、５０ ラック、６０ａ，６０ｂ タイロッド、７０ａ，７０ｂ 前輪、８０ 車速センサ、９０ ヨーレートセンサ、１００ 横加速度センサ、１１０ 車両走行状態推定装置、１２０ タイヤスリップ角推定装置、１３０ 制動力制御装置、１４０ 動作許可部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得手段と、
車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記物理量取得手段によって取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定手段と、
を備えることを特徴とする車両制御装置。
【請求項２】
前記タイヤ横力推定手段は、タイヤ横力について想定した前記状態量の状態方程式を基に構成したカルマンフィルタを有し、前記物理量取得手段によって取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に該カルマンフィルタを適用することにより、前後輪のタイヤ横力を推定することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
【請求項３】
前後輪のタイヤスリップ角を取得するタイヤスリップ角取得手段と、
前記タイヤ横力推定手段によって推定されたタイヤ横力と、前記タイヤスリップ角取得手段によって取得されたタイヤスリップ角との関係に基づいて、車両挙動の安定状態を判定する安定状態判定手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の車両制御装置。
【請求項４】
前記安定状態判定手段は、前記タイヤスリップ角の変化に対する前記タイヤ横力の変化勾配を線形化コーナリングパワーとし、その線形化コーナリングパワーを用いて表されるスタティックマージン相当の物理量の大きさを基に、車両挙動の安定状態を判定することを特徴とする請求項３記載の車両制御装置。
【請求項５】
前記安定状態判定手段の判定結果に基づいて、発生しているヨーレートを打ち消す方向に車両の制駆動力制御を行う制駆動力制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の車両制御装置。
【請求項６】
タイヤスリップ角あるいはタイヤ横力が設定された閾値より大きくなる領域でのみ、前記タイヤ横力推定、安定状態判定あるいは制駆動力制御を実行させる動作許可手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の車両制御装置。
【請求項７】
サスペンションを介して車体に取り付けられた車輪と、
操舵操作が入力されるステアリングホイールと、
車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得手段と、
車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記物理量取得手段によって取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定手段と、
を備えることを特徴とする自動車。
【請求項８】
車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得ステップと、
車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定ステップと、
を含むことを特徴とするタイヤ横力推定方法。
【請求項１】
車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得手段と、
車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記物理量取得手段によって取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定手段と、
を備えることを特徴とする車両制御装置。
【請求項２】
前記タイヤ横力推定手段は、タイヤ横力について想定した前記状態量の状態方程式を基に構成したカルマンフィルタを有し、前記物理量取得手段によって取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に該カルマンフィルタを適用することにより、前後輪のタイヤ横力を推定することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
【請求項３】
前後輪のタイヤスリップ角を取得するタイヤスリップ角取得手段と、
前記タイヤ横力推定手段によって推定されたタイヤ横力と、前記タイヤスリップ角取得手段によって取得されたタイヤスリップ角との関係に基づいて、車両挙動の安定状態を判定する安定状態判定手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の車両制御装置。
【請求項４】
前記安定状態判定手段は、前記タイヤスリップ角の変化に対する前記タイヤ横力の変化勾配を線形化コーナリングパワーとし、その線形化コーナリングパワーを用いて表されるスタティックマージン相当の物理量の大きさを基に、車両挙動の安定状態を判定することを特徴とする請求項３記載の車両制御装置。
【請求項５】
前記安定状態判定手段の判定結果に基づいて、発生しているヨーレートを打ち消す方向に車両の制駆動力制御を行う制駆動力制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の車両制御装置。
【請求項６】
タイヤスリップ角あるいはタイヤ横力が設定された閾値より大きくなる領域でのみ、前記タイヤ横力推定、安定状態判定あるいは制駆動力制御を実行させる動作許可手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の車両制御装置。
【請求項７】
サスペンションを介して車体に取り付けられた車輪と、
操舵操作が入力されるステアリングホイールと、
車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得手段と、
車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記物理量取得手段によって取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定手段と、
を備えることを特徴とする自動車。
【請求項８】
車両におけるヨーレートおよび横加速度相当の物理量を取得する物理量取得ステップと、
車両前後輪のタイヤ横力を、白色雑音によって駆動される一次系の状態量と想定し、前記取得されたヨーレートおよび横加速度相当の物理量に基づいて前記状態量を解析することにより、前後輪のタイヤ横力を推定するタイヤ横力推定ステップと、
を含むことを特徴とするタイヤ横力推定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−４９８８４（Ｐ２００８−４９８８４Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２９１１２（Ｐ２００６−２２９１１２）
【出願日】平成１８年８月２５日（２００６．８．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２５日（２００６．８．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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