車輪外力推定装置
【課題】車輪に作用する外力の推定値を車輪に作用する実外力に近づけることができる車輪外力推定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】車輪外力推定装置２は、車両ボデーと前記車輪とを連結支持するサスペンション１に作用する荷重に応じた出力信号Ｓを出力するセンサ２１と、出力信号Ｓに対してサスペンション１の共振周波数Ｈｆ以上の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタリング処理を行い、且つ、出力信号Ｓに対して微分演算して共振周波数を含む所定周波数帯内から選択された選択周波数に対応する角周波数により除算する微分演算処理を行い、共振周波数の周波数成分を含む第１信号Ｓ２を生成する第１信号生成部２３と、出力信号Ｓから第１信号Ｓ２を除去した第２信号Ｓ３を生成する第２信号生成部２４と、第２信号Ｓ３に基づき外力の推定値を演算する外力推定値演算部２５とを備える。
【解決手段】車輪外力推定装置２は、車両ボデーと前記車輪とを連結支持するサスペンション１に作用する荷重に応じた出力信号Ｓを出力するセンサ２１と、出力信号Ｓに対してサスペンション１の共振周波数Ｈｆ以上の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタリング処理を行い、且つ、出力信号Ｓに対して微分演算して共振周波数を含む所定周波数帯内から選択された選択周波数に対応する角周波数により除算する微分演算処理を行い、共振周波数の周波数成分を含む第１信号Ｓ２を生成する第１信号生成部２３と、出力信号Ｓから第１信号Ｓ２を除去した第２信号Ｓ３を生成する第２信号生成部２４と、第２信号Ｓ３に基づき外力の推定値を演算する外力推定値演算部２５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の車輪に作用する外力を推定する車輪外力推定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の走行安定性を向上させるために、ドライバーの操作にメカニズム的な補助を与えてスリップ等の不安定な車体挙動を抑える車両制御システムがある。この車両制御システムは、例えば、ブレーキング時における車輪のロックを抑えるアンチロックブレーキングシステム（ＡＢＳ）や、急加速時における車輪の空転を抑えるトラクション制御、車両の挙動安定化を総合的に制御するビークルスタビリティ制御（ＶＳＣ）等である。
【０００３】
そして、この車両制御システムを行うために、車輪に作用する外力を用いている。この車輪に作用する外力とは、例えば、路面摩擦力や垂直抗力である。ところで、直接的に車輪に作用する外力を検出するには、種々の問題が生じるため困難である。そこで、直接的に車輪に作用する外力を検出するのではなく、車輪に作用する外力を推定することが、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
特許文献１には、車両ボデーと車輪との間のサスペンションに作用する荷重に応じた出力信号を出力するセンサを備えることが開示されている。このセンサは、例えば、車両ボデーに防振ゴムを介して支持され車輪を連結支持するサスペンションフレームと車両ボデーとの相対変位量に応じた出力信号を出力する変位センサなどである。そして、当該センサにより出力される出力信号に基づいて車輪に作用する外力を推定している。
【特許文献１】特開２００４−２７０８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記変位センサ等により出力される出力信号そのものを用いて算出された車輪に作用する外力の推定値と実験的に測定した車輪に作用する実外力とを比較した場合には、両者にずれが生じることが分かった。そのため、車輪に作用する実外力に対してずれた車両に作用する外力の推定値に基づき、アンチロックブレーキングシステム等の車両制御システムを機能させた場合には、適切な制御を行うことができないおそれがあった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、車輪に作用する外力の推定値を車輪に作用する実外力に近づけることができる車輪外力推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、車輪に作用する実外力に対する車輪に作用する外力の推定値のずれは、サスペンションの共振、いわゆる車体バネ下共振によるものであることを見出した。具体的には、変位センサにより出力される出力信号に対して周波数解析を行った結果、サスペンションの共振の影響により、出力信号はサスペンションの共振周波数付近の周波数帯において増幅していることが分かった。
【０００８】
そこで、本発明者は、出力信号からサスペンションの共振により増幅した周波数成分を取り除く処理を行うことを思いついた。つまり、出力信号からサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を抽出して、抽出した周波数成分を出力信号から除去することを思いついた。ここで、サスペンションの共振周波数付近の周波数成分を抽出するために、例えば、バンドパスフィルタを用いることが考えられる。しかし、バンドパスフィルタを用いてサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を抽出すると、抽出される周波数成分は出力信号に対して時間の遅れる方向へずれが生じる。この時間の遅れる方向へのずれは、車輪に作用する外力の推定値にそのまま影響を及ぼす。つまり、抽出される周波数成分の時間の遅れる方向へのずれが大きい場合には、適切に車輪に作用する外力を推定することができないおそれがある。
【０００９】
そこで、本発明者は、さらに研究を重ね、抽出されるサスペンションの共振周波数付近の周波数成分が出力信号に対して時間の遅れる方向へのずれを小さくすることができる車輪外力推定装置を発明した。
【００１０】
本発明の車輪外力推定装置は、車輪に作用する外力を推定する車輪外力推定装置であって、センサと、第１信号生成部と、第２信号生成部と、演算部とを備えることを特徴とする。センサは、車両ボデーと前記車輪とを連結支持するサスペンションに作用する荷重に応じた出力信号を出力する。そして、この出力信号には、上述したように、サスペンションの共振周波数の周波数成分などの複数の周波数成分が含まれている。第１信号生成部は、前記出力信号に対して前記サスペンションの共振周波数以上の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタリング処理を行い、且つ、前記出力信号に対して微分演算して前記共振周波数を含む所定周波数帯内から選択された選択周波数に対応する角周波数により除算する微分演算処理を行い、前記共振周波数の周波数成分を含む第１信号を生成する。第２信号生成部は、前記出力信号から前記第１信号を除去した第２信号を生成する。演算部は、前記第２信号に基づき前記外力の推定値を演算する。
【００１１】
ここで、微分演算処理は、上述したように、前記出力信号に対して微分演算して、選択周波数に対応する角周波数により除算する処理である。ここで、サスペンションの共振周波数を含む所定周波数帯とは、サスペンションの共振周波数付近の周波数帯である。例えば、所定周波数帯とは、サスペンションの共振周波数の０．８〜１．２倍の周波数範囲などとする。そして、微分演算処理により、出力信号に含まれる周波数成分のうち選択周波数以下の周波数帯における周波数成分を低減することができる。つまり、微分演算処理により、出力信号に含まれる周波数成分のうちサスペンションの共振周波数付近の周波数より低い周波数帯の周波数成分が低減される。
【００１２】
一方、ローパスフィルタリング処理は、出力信号に含まれる周波数成分のうちカットオフ周波数付近の周波数よりも高い周波数帯における周波数成分を低減することができる。ここで、カットオフ周波数はサスペンションの共振周波数以上の周波数であるので、ローパスフィルタリング処理により、出力信号に含まれる周波数成分のうち少なくともサスペンションの共振周波数よりも高い周波数帯の周波数成分が低減される。
【００１３】
従って、第１信号生成部は、出力信号に対してローパスフィルタリング処理及び微分演算処理を行うことで、出力信号に含まれる周波数成分のうちサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を確実に抽出した第１信号を生成することができる。
【００１４】
ところで、ローパスフィルタリング処理により、ローパスフィルタリング処理前の信号に比べてローパスフィルタリング処理後の信号には時間遅れが生じる。つまり、ローパスフィルタリング処理を行うことにより、ローパスフィルタリング処理前の信号に比べてローパスフィルタリング処理後の信号は、時間の遅れる方向にずれが生じる。一方、微分演算処理により、微分演算処理後の信号には微分演算処理前の信号に比べて位相進みが生じる。つまり、微分演算処理を行うことにより、微分演算処理前の信号に比べて微分演算処理後の信号は、時間の進む方向にずれが生じる。従って、ローパスフィルタリング処理に加えて微分演算処理を行うことで、ローパスフィルタリング処理による時間遅れの時間（処理遅れ時間）の少なくとも一部に対して微分演算処理の位相進み時間により相殺することができる。つまり、微分演算処理を行うことで、ローパスフィルタリング処理による時間遅れを低減することができる。
【００１５】
つまり、第１信号生成部により生成される第１信号は、サスペンションの共振周波数付近の周波数成分とすることができると共に、出力信号に対して時間の遅れる方向へのずれを小さくできる。
【００１６】
そして、第２信号は、上述した第１信号を用いて処理された信号であり、具体的には、出力信号から第１信号を除去した信号である。ここで、第１信号は、出力信号に対して時間の遅れる方向へのずれが小さい信号である。従って、第２信号は、出力信号から適切にサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を除去された信号とすることができる。そして、この第２信号を用いて、演算部が車輪に作用する外力を推定している。従って、本発明の車輪外力推定装置によれば、車輪に作用する外力の推定値を車輪に作用する実外力に近似させることができる。つまり、本発明の車輪外力推定装置により算出された車輪に作用する外力の推定値は、車輪に作用する実外力と比較すると、力のずれ及び時間のずれを小さくすることができる。
【００１７】
また、本発明の車輪外力推定装置を構成する前記第１信号生成部は、以下のようにするとよい。第１の第１信号生成部としては、前記出力信号に対して前記ローパスフィルタリング処理を行いフィルタリング処理信号を生成するローパスフィルタリング処理部と、前記フィルタリング処理信号に対して前記微分演算処理を行い前記第１信号を生成する微分演算処理部とを備えるようにしてもよい。つまり、センサから出力された出力信号に対して、まずローパスフィルタリング処理を行い、その後に微分演算処理を行うようにする。
【００１８】
第２の第１信号生成部としては、前記出力信号に対して前記微分演算処理を行い微分演算処理信号を生成する微分演算処理部と、前記微分演算処理信号に対して前記ローパスフィルタリング処理を行い前記第１信号を生成するローパスフィルタリング処理部とを備えるようにしもよい。つまり、センサから出力された出力信号に対して、まず微分演算処理を行い、その後にローパスフィルタリング処理を行うようにする。
【００１９】
上述した第１及び第２の第１信号生成部は、何れも出力信号のうちサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を抽出することができ、且つ、ローパスフィルタリング処理に伴う時間遅れを低減することができる。
【００２０】
ここで、第１の第１信号生成部と第２の第１信号生成部とを比較する。微分演算処理を行うことにより、出力信号に含まれる周波数成分のうちサスペンションの共振周波数付近の周波数より低い周波数帯の周波数成分が低減される。正確には、微分演算処理を行うことにより、除算する角周波数に対応付けられる選択周波数よりも低い周波数帯の周波数成分が低減される。しかし、微分演算処理を行うことにより、出力信号に含まれる周波数成分のうちサスペンションの共振周波数付近の周波数よりも高い周波数帯の周波数成分は増幅する。
【００２１】
一方、ローパスフィルタリング処理を行うことにより、出力信号に含まれる周波数成分のうちカットオフ周波数より高い周波数帯の周波数成分は低減される。また、ローパスフィルタリング処理を行ったとしても、カットオフ周波数より低い周波数帯の周波数成分はそれほど変化しない。そして、カットオフ周波数はサスペンションの共振周波数よりも高い周波数であるので、ローパスフィルタリング処理を行うことにより、サスペンションの共振周波数より高い周波数帯の周波数成分が低減される。
【００２２】
つまり、第１の第１信号生成部においては、最初にローパスフィルタリング処理を行うので、サスペンションの共振周波数より高い周波数帯の周波数成分が大きく低減される。その後、微分演算処理を行うことで、サスペンションの共振周波数付近より高い周波数帯の周波数成分は増幅される。しかし、微分演算処理を行う前にローパスフィルタリング処理によりサスペンションの共振周波数より高い周波数帯の周波数成分が大きく低減されているので、微分演算処理により増幅されたとしても、その増幅幅を小さくすることができる。
【００２３】
一方、第２の第１信号生成部においては、微分演算処理によりサスペンションの共振周波数付近より高い周波数帯の周波数成分が増幅された後に、ローパスフィルタリング処理によりサスペンションの共振周波数より高い周波数帯の周波数成分を低減している。そのため、一度増幅されたサスペンションの共振周波数より高い周波数帯の周波数成分をローパスフィルタリング処理により低減しようとしても、より高い低減効果を得ることができない。
【００２４】
従って、第１の第１信号生成部が、第２の第１信号生成部に比べて、より確実にサスペンションの共振周波数よりも高い周波数帯の周波数成分を低減することができる。
【００２５】
また、前記ローパスフィルタリング処理における前記カットオフ周波数は、前記共振周波数の２倍近傍の周波数であるとよい。ローパスフィルタリング処理を行った場合に、カットオフ周波数より低い周波数帯の周波数成分についても低減されることがある。しかし、カットオフ周波数をサスペンションの共振周波数の２倍近傍の周波数とすることで、確実にサスペンションの共振周波数付近の周波数成分が低減されることを抑制できる。つまり、カットオフ周波数をサスペンションの共振周波数の２倍近傍とすることで、出力信号のうちサスペンションの共振周波数付近の成分を確実に残留することができる。
【００２６】
また、微分演算処理において、出力信号を除算する角周波数に対応付けられる選択周波数は、サスペンションの共振周波数とするとよい。このように、サスペンションの共振周波数に対応する角周波数により出力信号を除算することで、出力信号のうちサスペンションの共振周波数の周波数成分を確実に残留することができる。つまり、このような第１信号生成部を用いることで、より確実にサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を抽出することができる。
【００２７】
また、前記ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間は、前記微分演算処理による前記共振周波数付近の周波数成分の位相進み時間以下であるとよい。もちろん、処理遅れ時間は、位相進み時間と一致させるようにしてもよい。処理遅れ時間と位相進み時間を一致させることで、出力信号と第１信号とがサスペンションの共振周波数付近において、ほぼ一致することになる。つまり、出力信号と第１信号のサスペンションの共振周波数付近の時間のずれが生じることを防止できる。
【００２８】
そして、処理遅れ時間を位相進み時間より短くした場合には、第１信号が、出力信号に比べて、時間の進む方向にずれが生じる。ただし、第１信号が時間の進む方向にずれているとしても、この第１信号を用いて第２信号を生成する際に、進んでいる時間を考慮して第２信号を生成することは容易である。つまり、処理遅れ時間を位相進み時間より短くすることで、この第１信号は、出力信号に対して時間のずれがない信号と同等の信号として用いることができる。
【００２９】
なお、例えば、前記処理遅れ時間は、前記微分演算処理によるサスペンションの共振周波数の周波数成分の位相進み時間以下であるとよい。これにより、第１信号のうちサスペンションの共振周波数の周波数成分が、出力信号のうちサスペンションの共振周波数の周波数成分に対して、ローパスフィルタリング処理の時間遅れによる時間のずれが生じることを防止できる。
【００３０】
また、前記サスペンションは、前記車輪が連結されるサスペンションフレームと、前記車両ボデーと前記サスペンションフレームとを弾性的に連結するゴムマウントとを備え、前記センサは、前記ゴムマウントに作用する荷重に応じた出力信号を出力するようにしてもよい。ここで、ゴムマウントに作用する荷重は、サスペンションフレームの各部に作用する荷重が合計された荷重に対応する。つまり、ゴムマウントに作用する荷重を用いることで、より高精度に車輪に作用する外力を推定することができる。
【００３１】
また、前記サスペンションは、前記車輪が連結されるサスペンションフレームと、前記車両ボデーと前記サスペンションフレームとを弾性的に連結するゴムマウントとを備え、前記センサは、前記車両ボデーに対する前記サスペンションフレームの相対変位量に対応する出力信号を出力する変位センサとしてもよい。前記相対変位量は、例えば、直交３軸方向の相対変位量とするとよい。この直交３軸方向とは、例えば、車両前後方向、車両左右方向、及び車両上下方向などとする。そして、この変位センサにより出力される前記相対変位量は、サスペンションに作用する荷重さらにはゴムマウントに作用する荷重に対応している。つまり、変位センサを用いることで、確実にゴムマウントに作用する荷重に応じた出力信号を出力することができる。そして、その出力信号を用いて、車輪に作用する外力を確実に推定することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の車輪外力推定装置によれば、車輪に作用する外力の推定値を車輪に作用する実外力に非常に近似させることができる。つまり、本発明の車輪外力推定装置により算出された車輪に作用する外力の推定値は、車輪に作用する実外力と比較すると、力のずれ及び時間のずれを小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。以下に、本実施形態の車輪外力推定装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３４】
（１）サスペンション１の構成
まず、本実施形態の車輪外力推定装置による外力推定対象である車輪が連結されるサスペンション１の構成について図１を参照して説明する。図１は、サスペンション１を示す斜視図である。
【００３５】
サスペンション１は、車両ボデー（図示せず）と車輪（図示せず）とを連結支持する懸架装置である。さらに、このサスペンション１は、路面からの衝撃や振動が車両ボデーに伝達されることを抑制する。このサスペンション１は、図１に示すように、左右の車輪の中間に配置され左右の車輪を連結支持するサスペンションフレーム１１と、サスペンションフレーム１１と車両ボデーとの間に介装されたゴムマウント１２、・・、１２とから構成される。
【００３６】
サスペンションフレーム１１は、車両ボデーの直下に配置される略矩形形状のサブフレーム１３と、サブフレーム１３と左右の車輪とをそれぞれ連結するロッド、リンク又はアーム等の連結部品１４とから構成される。ゴムマウント１２、・・、１２は、サブフレーム１３の四隅にそれぞれ配置され、車両ボデーとサブフレーム１３とを弾性的に連結している。そして、路面からの衝撃や振動が車輪及びサスペンションフレーム１１を介して伝達された場合であっても、ゴムマウント１２、・・、１２が変形することにより、前記衝撃や振動が車両ボデーに伝達されないようにしている。ここで、ゴムマウント１２、・・、１２は、車両前後方向、車両左右方向、及び車両上下方向に変形するようにされている。つまり、サブフレーム３が車両ボデーに対して車両前後方向、車両左右方向、及び車両上下方向に相対移動することができるようになる。
【００３７】
（２）第１実施形態の車輪外力推定装置２の構成
次に、第１実施形態の車輪外力推定装置２の構成について図２を参照して説明する。図２は、第１実施形態の車輪外力推定装置２の構成を示すブロック図である。図２に示すように、車輪外力推定装置２は、複数の変位センサ２１、・・、２１と、車輪外力推定部２２とから構成される。
【００３８】
複数の変位センサ２１、・・、２１は、車両後側の２つのゴムマウント１２、１２付近に取り付けられて、車両ボデーに対するサブフレーム３の相対変位量を検出する。具体的には、変位センサ２１、・・、２１は、車両ボデーに対するサブフレーム３の車両前後方向（ｘ方向）の相対変位量（Ｓｘ−ＬＨ、Ｓｘ−ＲＨ）、車両左右方向（ｙ方向）の相対変位量（Ｓｙ）、及び車両上下方向（ｚ方向）の相対変位量（Ｓｚ−ＬＨ、Ｓｚ−ＲＨ）の各変位量をそれぞれ検出する。そして、変位センサ２１、・・、２１は、検出した各変位量を電気信号に変換して車輪外力推定部２２へ出力する。これらの変位センサ２１、・・、２１がそれぞれ出力する出力信号Ｓには、複数の周波数成分が含まれている。この出力信号Ｓを数１に示す。なお、この変位センサ２１、・・、２１としては、例えば、ホール素子を用いた磁気センサや渦電流センサなど種々の変位センサが適用できる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
車輪外力推定部２２は、第１信号生成部２３と、第２信号生成部２４と、外力推定演算部２５とから構成される。第１信号生成部２３は、変位センサ２１、・・、２１から出力される出力信号Ｓを取り込む。そして、第１信号生成部２３は、それぞれの出力信号Ｓに対して第１信号処理を行う。第１信号処理とは、出力信号Ｓから主としてサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分を含む第１信号Ｓ２を生成する処理である。
【００４１】
この第１信号生成部２３は、共振周波数記憶部２６と、ローパスフィルタリング処理部２７と、微分演算処理部２８とから構成される。共振周波数記憶部２６は、車両前後方向、車両左右方向、及び車両上下方向におけるサスペンション１の共振周波数Ｈｆをそれぞれ記憶している。ここで、例えば、車両前後方向におけるサスペンション１の共振周波数Ｈｆは、約１４．５Ｈｚである。
【００４２】
ローパスフィルタリング処理部２７は、変位センサ２１、・・、２１から出力信号Ｓを取り込む。さらに、ローパスフィルタリング処理部２７は、共振周波数記憶部２６からサスペンション１の共振周波数Ｈｆを取り込む。そして、ローパスフィルタリング処理部２７は、変位センサ２１、・・、２１から取り込まれた出力信号Ｓに対してローパスフィルタリング処理を行い、フィルタリング処理信号Ｓ１を生成する。このフィルタリング処理信号Ｓ１を数２に示す。
【００４３】
【数２】
【００４４】
そして、ローパスフィルタリング処理は、出力信号Ｓに含まれる周波数成分のうちカットオフ周波数よりも高い周波数帯の周波数成分を低減する処理である。つまり、カットオフ周波数より高い周波数帯における数２の係数Ｄkは、数１の係数Ｃkに比べて小さくなっている。ここで、カットオフ周波数は、共振周波数記憶部２６から取り込まれたサスペンション１の共振周波数Ｈｆより高い周波数に設定される。従って、フィルタリング処理信号Ｓ１は、出力信号Ｓのうちサスペンション１の共振周波数Ｈｆより高い周波数帯の周波数成分を除去され、出力信号Ｓのうちサスペンション１の共振周波数Ｈｆ以下の周波数成分を含む信号となる。
【００４５】
ここで、カットオフ周波数は、サスペンション１の共振周波数Ｈｆの２倍近傍の周波数とするとよい。この理由について簡単に説明する。ローパスフィルタリング処理により、カットオフ周波数より高い周波数帯の周波数成分は大きく低減される。ただし、ローパスフィルタリング処理により、カットオフ周波数より低い周波数帯の周波数成分についても僅かではあるが低減されることがある。しかし、カットオフ周波数をサスペンション１の共振周波数Ｈｆの２倍近傍の周波数とすることで、ローパスフィルタリング処理が行われたとしても、サスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数成分は低減されることなく確実に残すことができる。
【００４６】
微分演算処理部２８は、ローパスフィルタリング処理部２７からフィルタリング処理信号Ｓ１を取り込む。さらに、微分演算処理部２８は、共振周波数記憶部２６からサスペンション１の共振周波数Ｈｆを取り込む。そして、微分演算処理部２８は、フィルタリング処理信号Ｓ１に対して微分演算して、サスペンション１の共振周波数Ｈｆに対応する角周波数ωm（以下、「共振角周波数」という）を微分回数だけ累乗した値により除算する微分演算処理を行い、微分演算処理信号Ｓ２を生成する。すなわち、１回微分演算の微分演算処理の場合には、１回微分演算して共振角周波数ωmそのものにより除算する。また、２回微分演算の微分演算処理の場合には、２回微分演算して共振角周波数ωmの２乗により除算する。ここで、１回微分演算の微分演算処理の場合における微分演算処理信号Ｓ２について数３に示す。なお、微分演算処理信号Ｓ２は、上述した第１信号Ｓ２に相当する。
【００４７】
【数３】
【００４８】
ここで、数３から分かるように、共振角周波数ωm以下の角周波数ωkに対応付けられる周波数帯においては、第１信号Ｓ２はフィルタリング処理信号Ｓ１よりも小さくなる。一方、共振角周波数ωm以上の角周波数ωkに対応付けられる周波数帯においては、第１信号Ｓ２はフィルタリング処理信号Ｓ１よりも大きくなる。ただし、共振角周波数ωm以上の角周波数ωkに対応付けられる周波数帯におけるフィルタリング処理信号Ｓ１は、ローパスフィルタリング処理により大きく低減されている。
【００４９】
ここで、車両前後方向における出力信号Ｓ及び第１信号Ｓ２について、図３を参照してさらに詳細に説明する。図３は、車両前後方向における出力信号Ｓ及び第１信号Ｓ２について、周波数に対する信号出力値を示す図である。なお、図３において、横軸の周波数Ｈｆは、上述したサスペンション１の共振周波数Ｈｆである。また、車両前後方向におけるサスペンション１の共振周波数Ｈｆは、上述したように、約１４．５Ｈｚである。
【００５０】
車両前後方向の出力信号Ｓの信号出力値は、図３の破線にて示すように、車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近において、大きなピークが存在する。この出力信号Ｓに対してローパスフィルタリング処理及び微分演算処理を行った車両前後方向の第１信号Ｓ２の信号出力値は、図３の実線にて示すように、車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近においては、出力信号Ｓの信号出力値と同等である。それに対して、車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆより低い周波数帯及び共振周波数Ｈｆより高い周波数帯において、第１信号Ｓ２の信号出力値は、出力信号Ｓの信号出力値に比べて小さくなっている。特に、車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆから遠ざかるほど、第１信号Ｓ２の信号出力値は出力信号Ｓの信号出力値に比べてより小さくなっている。このように、第１信号Ｓ２は、出力信号Ｓに含まれる周波数成分のうち、主としてサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数成分を抽出された信号となっている。なお、車両左右方向及び車両上下方向における出力信号Ｓ及び第１信号Ｓ２の関係についても、車両前後方向における出力信号Ｓ及び第１信号Ｓ２の関係と同様の関係となる。
【００５１】
ここで、出力信号Ｓと第１信号Ｓ２の時間のずれについて説明する。まず、第１信号Ｓ２は、上述したように、出力信号Ｓに対してローパスフィルタリング処理及び微分演算処理が行われた信号である。ここで、ローパスフィルタリング処理を行うことで、時間遅れを伴う。つまり、ローパスフィルタリング処理後の信号は、ローパスフィルタリング処理前の信号に比べて、時間の遅れる方向にずれが生じる。以下、この時間の遅れる方向のずれ時間を処理遅れ時間Ｔ１という。そして、この処理遅れ時間Ｔ１は、ローパスフィルタリング処理の種類などに応じて異なる。
【００５２】
また、微分演算処理を行うことで、位相進みが生じる。すなわち、微分演算処理後の信号は、微分演算処理前の信号に比べて、時間の進む方向にずれが生じる。以下、この時間の進む方向のずれ時間を位相進み時間Ｔ２という。そして、この位相進み時間Ｔ２は、１回微分演算を行った場合には、周波数成分の周期の４分の１となる。つまり、第１信号Ｓ２は、フィルタリング処理信号Ｓ１に対して、それぞれの周波数成分の周期Ｔの４分の１だけ位相進み時間Ｔ２を生じる。例えば、車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆは約１４．５Ｈｚであるので、車両前後方向の第１信号Ｓ２のうち車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分の位相進み時間Ｔ２は、約１７ｍｓｅｃとなる。
【００５３】
つまり、第１信号Ｓ２は、出力信号Ｓに対して、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１と微分演算処理の位相進み時間Ｔ２との合計した時間だけずれを生じることになる。ここで、微分演算処理の位相進み時間Ｔ２は、微分回数及び周波数成分によって一定である。一方、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１は、ローパスフィルタリング処理次第で自由に調整することが可能である。
【００５４】
そこで、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１を微分演算処理のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分の位相進み時間Ｔ２に一致させるようにする。例えば、１回の微分演算処理を行う場合に、処理遅れ時間Ｔ１が約１７ｍｓｅｃとなるローパスフィルタリング処理を選定する。そうすると、車両前後方向の出力信号Ｓのサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分と車両前後方向の第１信号Ｓ２のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分とに時間のずれが生じない。同様に、車両左右方向及び車両上下方向についても、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１を適宜調整することで、車両左右方向及び車両上下方向の出力信号Ｓのサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分と車両左右方向及び車両上下方向の第１信号Ｓ２のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分とに時間のずれが生じない。
【００５５】
第２信号生成部２４は、変位センサ２１、・・、２１から出力された出力信号Ｓを入力する。さらに、第２信号生成部２４は、微分演算処理部２８にて生成された第１信号Ｓ２を入力する。そして、第２信号生成部２４は、出力信号Ｓから第１信号Ｓ２を除去する除去処理を行う。つまり、第２信号生成部２４は、数４に示すように、出力信号Ｓから第１信号Ｓ２を除去した第２信号Ｓ３を生成する。従って、第２信号生成部２４により生成される第２信号Ｓ３は、出力信号Ｓからサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数成分を除去した信号となる。
【００５６】
【数４】
【００５７】
第２信号Ｓ３は、それぞれの出力信号Ｓに対応する信号である。つまり、第２信号Ｓ３は、車両ボデーに対するサブフレーム３の車両前後方向（ｘ方向）の相対変位量（Ｓｘ−ＬＨ、Ｓｘ−ＲＨ）、車両左右方向（ｙ方向）の相対変位量（Ｓｙ）、及び車両上下方向（ｚ方向）の相対変位量（Ｓｚ−ＬＨ、Ｓｚ−ＲＨ）に対応する信号からなる。すなわち、第２信号Ｓ３は、車両ボデーに対するサブフレーム３の車両前後方向（ｘ方向）の処理後相対変位量（Ｓ３ｘ−ＬＨ、Ｓ３ｘ−ＲＨ）、車両左右方向（ｙ方向）の処理後相対変位量（Ｓ３ｙ）、及び車両上下方向（ｚ方向）の処理後相対変位量（Ｓ３ｚ−ＬＨ、Ｓ３ｚ−ＲＨ）からなる。
【００５８】
ここで、上述したように、第１信号Ｓ２は、出力信号Ｓと時間のずれがない信号となっている。従って、第２信号生成部２４における除去処理の際に、ある時刻で見た場合に、出力信号Ｓのうちサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分と第１信号Ｓ２とが適切に一致又は近似している。従って、生成される第２信号Ｓ３は、出力信号Ｓから適切にサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分が除去された信号となる。
【００５９】
外力推定値演算部２５は、第２信号生成部２４にて生成された第２信号Ｓ３を入力する。そして、外力推定値演算部２５は、第２信号Ｓ３を用いて車輪に作用する外力の推定値Ｆを算出する。具体的には、外力推定値演算部２５は、数５に示す演算式を用いて、外力の推定値Ｆを算出する。外力推定値演算部２５により算出される車輪に作用する外力は、左右車輪に作用する車両前後方向（ｘ方向）の推定外力（Ｆｘ−ＬＨ、Ｆｘ−ＲＨ）、左右車輪に作用する車両左右方向（ｙ方向）の推定外力の合計値（Ｆｙ）、及び左右車輪に作用する車両上下方向（ｚ方向）の推定外力（Ｆｚ−ＬＨ、Ｆｚ−ＲＨ）である。
【００６０】
【数５】
【００６１】
ここで、数５における係数Ｋ１１〜Ｋ５５及び定数項Ｃ１〜Ｃ５は、予め実測した実験データ等によって得られた車輪に作用する外力とサスペンション１の伝達力の相関をとった伝達関数を考慮した値としている。なお、数５中における係数Ｋ１１〜Ｋ５５や定数Ｃ１〜Ｃ５は、必要に応じてその値を書き換えることも可能である。このように書き換えを行うことで、例えば伝達関数が経時的あるいは条件的に変化するような場合にも、より高精度に対応することができる。
【００６２】
このようにして算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆのうち車両前後方向の推定値は、図４に示すようになる。ここで、図４は、ブレーキをかけた直後からの経過時間に対する車輪に作用する車両前後方向の外力の推定値Ｆを示す図である。なお、図４において、ブレーキをかけた後の経過時間が約６５００ｍｓｅｃ付近に車両が停止している。後述するが、図４に示す車輪に作用する車両前後方向の外力の推定値Ｆは、車輪に作用する車両前後方向の実外力に非常に近似している。なお、図示しないが、車輪に作用する車両左右方向及び車両上下方向の外力の推定値Ｆについても、車輪に作用する車両左右方向及び車両上下方向の実外力に非常に近似している。
【００６３】
そして、このようにして算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆは、アンチロックブレーキングシステム（ＡＢＳ）、トラクション制御、ビークルスタビリティ制御（ＶＳＣ）等の車両制御システムの制御信号として利用することができる。つまり、本実施形態により算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆを制御信号として利用することで、車両制御システムを適切に制御することができる。
【００６４】
（３）上記処理を行わない場合の車輪に作用する外力の推定値について
次に、上述した第１信号生成部２３の第１信号処理及び第２信号生成部２４の除去処理を行わない場合における車輪に作用する車両前後方向の外力の推定値（以下、「未処理の外力の推定値」という）について図５を参照して説明する。なお、比較のため、車輪に作用する車両前後方向の実外力（以下、単に「実外力」という）について図６を参照する。図５及び図６は、何れもブレーキをかけた直後からの経過時間に対する未処理の外力の推定値及び実外力を示す図である。また、図５及び図６において、上述した図４と同様に、ブレーキをかけた後の経過時間が約６５００ｍｓｅｃ付近に車両が停止している。
【００６５】
ここで、図５に示す未処理の外力の推定値は、変位センサ２１、・・、２１から出力される出力信号Ｓそのものを用いて上述した外力推定値演算部２５にて算出された値である。また、図６に示す実外力は、車軸６分力計を用いて計測した値である。
【００６６】
図５及び図６を比較すると、図６に示す実外力に対して図５に示す未処理の外力の推定値は、全体的に振れが大きくなっていることが分かる。つまり、未処理の外力の推定値は、実外力に対して大きくずれていることになる。
【００６７】
ここで、図５に示す未処理の外力の推定値と図６の実外力について、周波数解析を行った結果を図７に示す。図７は、周波数に対する車輪に作用する車両前後方向の外力について示す図である。図７に示すように、サスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近において、未処理の外力の推定値は実外力よりも特に大きくなっていることが分かる。つまり、このサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分のずれが、図５に示す未処理の外力の推定値と図６の実外力とのずれに影響を及ぼしているものと考えられる。そして、このサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分のずれは、サスペンション１の共振作用によるものと考えられる。
【００６８】
これに対して、上述した図４に示すように、本実施形態のように第１信号処理及び除去処理を行った信号を用いて算出した車輪に作用する外力の推定値Ｆは、図６に示す実外力に非常に近似している。つまり、変位センサ２１、・・、２１から出力される出力信号Ｓに対して第１信号処理及び除去処理を行って、サスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分を除去した信号を用いて車輪に作用する外力の推定値Ｆを算出することで、より高精度の外力の推定値を得ることができる。従って、本実施形態により算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆを制御信号として利用することで、車両制御システムを適切に制御することができる。
【００６９】
（４）第２実施形態の車輪外力推定装置３の構成
次に、第２実施形態の車輪外力推定装置３の構成について図８を参照して説明する。図８は、第２実施形態の車輪外力推定装置３の構成を示すブロック図である。なお、第２実施形態の車輪外力推定装置３において、第１実施形態の車輪外力推定装置２と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７０】
第２実施形態の車輪外力推定装置３は、図８に示すように、変位センサ２１、・・、２１と、車輪外力推定部３２とから構成される。車輪外力推定部３２は、第１信号生成部３３と、第２信号生成部２４と、外力推定演算部２５とから構成される。第１信号生成部３３は、変位センサ２１、・・、２１から出力される出力信号Ｓを取り込む。そして、第１信号生成部３３は、それぞれの出力信号Ｓに対して第１信号処理を行う。第１信号処理とは、出力信号Ｓから主としてサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分を含む第１信号Ｓ５を生成する処理である。
【００７１】
この第１信号生成部３３は、共振周波数記憶部２６と、微分演算処理部３４と、ローパスフィルタリング処理部３５とから構成される。
【００７２】
微分演算処理部３４は、変位センサ２１、・・、２１から出力信号Ｓを取り込む。さらに、微分演算処理部３４は、共振周波数記憶部２６からサスペンション１の共振周波数Ｈｆを取り込む。そして、微分演算処理部３４は、出力信号Ｓに対して微分演算して、サスペンション１の共振周波数Ｈｆに対応する共振角周波数ωmを微分回数だけ累乗した値により除算する微分演算処理を行い、微分演算処理信号Ｓ４を生成する。すなわち、１回微分演算の微分演算処理の場合には、１回微分演算して共振角周波数ωmそのものにより除算する。また、２回微分演算の微分演算処理の場合には、２回微分演算して共振角周波数ωmの２乗により除算する。ここで、１回微分演算の微分演算処理の場合における微分演算処理信号Ｓ４について数６に示す。
【００７３】
【数６】
【００７４】
ここで、数６から分かるように、共振角周波数ωm以下の角周波数ωkに対応付けられる周波数帯においては、微分演算処理信号Ｓ４は出力信号Ｓよりも小さくなる。一方、共振角周波数ωm以上の角周波数ωkに対応付けられる周波数帯においては、微分演算処理信号Ｓ４は出力信号Ｓよりも大きくなる。
【００７５】
ローパスフィルタリング処理部３５は、微分演算処理部３４から微分演算処理信号Ｓ４を取り込む。さらに、ローパスフィルタリング処理部３５は、共振周波数記憶部２６からサスペンション１の共振周波数Ｈｆを取り込む。そして、ローパスフィルタリング処理部３５は、微分演算処理信号Ｓ４に対してローパスフィルタリング処理を行い、フィルタリング処理信号Ｓ５を生成する。このフィルタリング処理信号Ｓ５を数７に示す。なお、このフィルタリング処理信号Ｓ５は、上述した第１信号Ｓ５に相当する。
【００７６】
【数７】
【００７７】
なお、ローパスフィルタリング処理のカットオフ周波数は、共振周波数記憶部２６から取り込まれたサスペンション１の共振周波数Ｈｆの２倍近傍の周波数としている。また、カットオフ周波数より高い周波数帯における数７の係数Ｅkは、数６の係数Ｃkに比べて小さくなっている。そして、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１は、微分演算処理のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分の位相進み時間Ｔ２に一致させるようにする。これにより、出力信号Ｓのサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分と第１信号Ｓ５のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分とに時間のずれが生じない。
【００７８】
第２信号生成部２４は、変位センサ２１、・・、２１から出力された出力信号Ｓを入力する。さらに、第２信号生成部２４は、ローパスフィルタリング処理部３５にて生成された第１信号Ｓ５を入力する。そして、第２信号生成部２４は、出力信号Ｓから第１信号Ｓ５を除去する除去処理を行う。つまり、第２信号生成部２４は、出力信号Ｓから第１信号Ｓ５を除去した第２信号Ｓ６を生成する。従って、第２信号生成部２４により生成される第２信号Ｓ６は、出力信号Ｓからサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数成分を除去した信号となる。
【００７９】
そして、外力推定値演算部２５は、第２信号生成部２４にて生成された第２信号Ｓ６を入力する。そして、外力推定値演算部２５は、第２信号Ｓ６を用いて車輪に作用する外力の推定値Ｆを算出する。外力推定値演算部２５による車輪に作用する外力の推定値Ｆの算出は、上述した第１実施形態にて説明したものと同様であるので、説明を省略する。
【００８０】
外力推定値演算部２５により算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆは、車輪に作用する実外力に非常に近似している。そして、このようにして算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆは、アンチロックブレーキングシステム（ＡＢＳ）、トラクション制御、ビークルスタビリティ制御（ＶＳＣ）等の車両制御システムの制御信号として利用することができる。つまり、本実施形態により算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆを制御信号として利用することで、車両制御システムを適切に制御することができる。
【００８１】
（５）その他の実施形態
上記実施形態においては、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１と微分演算処理のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分の位相進み時間Ｔ２とを一致させるようにしたが、これに限られるものではない。ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１が微分演算処理のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分の位相進み時間Ｔ２以下であればよい。処理遅れ時間Ｔ１が位相進み時間Ｔ２より短い場合には、第１信号Ｓ２、Ｓ５が出力信号Ｓに対して時間の進む方向にずれが生じる。しかし、このような時間の進む方向へのずれは、第２信号生成部２４において第１信号Ｓ２、Ｓ５を出力信号Ｓから除去する際に、第１信号Ｓ２、Ｓ５を容易に調整することができる。つまり、処理遅れ時間Ｔ１を位相進み時間Ｔ２以下とすることで、第２信号生成部２４において出力信号Ｓから除去する第１信号Ｓ２、Ｓ５を出力信号Ｓに対して時間のずれが生じないものとして利用することができる。つまり、第２信号生成部２４において生成される第２信号Ｓ３、Ｓ６は、出力信号Ｓから適切にサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分を除去した信号とすることができる。
【００８２】
また、上記実施形態の微分演算処理においては、サスペンション１の共振周波数Ｈｆに対応する共振角周波数ωmにより除算したが、これに限られるものではない。除算する角周波数ωは、サスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数帯内から選択された選択周波数に対応する角周波数ωとすればよい。なお、除算する角周波数ωをサスペンション１の共振周波数Ｈｆに対応する共振角周波数ωmにすることで、出力信号Ｓと第１信号Ｓ２、Ｓ５のサスペンション１の共振周波数Ｈｆにおける周波数成分を一致させることができる。従って、除算する角周波数ωがサスペンション１の共振周波数Ｈｆとは異なる選択周波数に対応する角周波数ωとした場合には、出力信号Ｓと第１信号Ｓ２、Ｓ５のサスペンション１の共振周波数Ｈｆにおける周波数成分は僅かにずれを生じる。しかし、選択周波数をサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近とすることで、前記ずれは、非常に僅かである。従って、選択周波数をサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近とすることで、出力信号Ｓのうちサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数成分を主とする第１信号Ｓ２、Ｓ５を十分に抽出することができる。
【００８３】
また、上記実施形態のローパスフィルタリング処理におけるカットオフ周波数は、サスペンション１の共振周波数Ｈｆの２倍近傍としたが、これに限られるものではない。ローパスフィルタリング処理により処理前の信号のうちサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分が低減されることなく、残すことができるのであれば、カットオフ周波数はサスペンション１の共振周波数Ｈｆの２倍よりも低い周波数としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】サスペンション１を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の車輪外力推定装置２の構成を示すブロック図である。
【図３】車両前後方向における出力信号Ｓ及び第１信号Ｓ２について、周波数に対する信号出力値を示す図である。
【図４】ブレーキをかけた直後からの経過時間に対する車輪に作用する車両前後方向の外力の推定値Ｆを示す図である。
【図５】ブレーキをかけた直後からの経過時間に対する未処理の外力の推定値を示す図である。
【図６】ブレーキをかけた直後からの経過時間に対する実外力を示す図である。
【図７】周波数に対する車輪に作用する車両前後方向の外力について示す図である。
【図８】第２実施形態の車輪外力推定装置３の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８５】
１：サスペンション、 ２、３：車輪外力推定装置、 １１：サスペンションフレーム、 １２：ゴムマウント、 １３：サブフレーム、 １４：連結部品、 ２１：変位センサ、 ２２、３２：車輪外力推定部、 ２３、３３：第１信号生成部、 ２４：第２信号生成部、 ２５：外力推定演算部、 ２６：共振周波数記憶部、 ２７、３５：ローパスフィルタリング処理部、 ２８、３４：微分演算処理部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の車輪に作用する外力を推定する車輪外力推定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の走行安定性を向上させるために、ドライバーの操作にメカニズム的な補助を与えてスリップ等の不安定な車体挙動を抑える車両制御システムがある。この車両制御システムは、例えば、ブレーキング時における車輪のロックを抑えるアンチロックブレーキングシステム（ＡＢＳ）や、急加速時における車輪の空転を抑えるトラクション制御、車両の挙動安定化を総合的に制御するビークルスタビリティ制御（ＶＳＣ）等である。
【０００３】
そして、この車両制御システムを行うために、車輪に作用する外力を用いている。この車輪に作用する外力とは、例えば、路面摩擦力や垂直抗力である。ところで、直接的に車輪に作用する外力を検出するには、種々の問題が生じるため困難である。そこで、直接的に車輪に作用する外力を検出するのではなく、車輪に作用する外力を推定することが、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
特許文献１には、車両ボデーと車輪との間のサスペンションに作用する荷重に応じた出力信号を出力するセンサを備えることが開示されている。このセンサは、例えば、車両ボデーに防振ゴムを介して支持され車輪を連結支持するサスペンションフレームと車両ボデーとの相対変位量に応じた出力信号を出力する変位センサなどである。そして、当該センサにより出力される出力信号に基づいて車輪に作用する外力を推定している。
【特許文献１】特開２００４−２７０８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記変位センサ等により出力される出力信号そのものを用いて算出された車輪に作用する外力の推定値と実験的に測定した車輪に作用する実外力とを比較した場合には、両者にずれが生じることが分かった。そのため、車輪に作用する実外力に対してずれた車両に作用する外力の推定値に基づき、アンチロックブレーキングシステム等の車両制御システムを機能させた場合には、適切な制御を行うことができないおそれがあった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、車輪に作用する外力の推定値を車輪に作用する実外力に近づけることができる車輪外力推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、車輪に作用する実外力に対する車輪に作用する外力の推定値のずれは、サスペンションの共振、いわゆる車体バネ下共振によるものであることを見出した。具体的には、変位センサにより出力される出力信号に対して周波数解析を行った結果、サスペンションの共振の影響により、出力信号はサスペンションの共振周波数付近の周波数帯において増幅していることが分かった。
【０００８】
そこで、本発明者は、出力信号からサスペンションの共振により増幅した周波数成分を取り除く処理を行うことを思いついた。つまり、出力信号からサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を抽出して、抽出した周波数成分を出力信号から除去することを思いついた。ここで、サスペンションの共振周波数付近の周波数成分を抽出するために、例えば、バンドパスフィルタを用いることが考えられる。しかし、バンドパスフィルタを用いてサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を抽出すると、抽出される周波数成分は出力信号に対して時間の遅れる方向へずれが生じる。この時間の遅れる方向へのずれは、車輪に作用する外力の推定値にそのまま影響を及ぼす。つまり、抽出される周波数成分の時間の遅れる方向へのずれが大きい場合には、適切に車輪に作用する外力を推定することができないおそれがある。
【０００９】
そこで、本発明者は、さらに研究を重ね、抽出されるサスペンションの共振周波数付近の周波数成分が出力信号に対して時間の遅れる方向へのずれを小さくすることができる車輪外力推定装置を発明した。
【００１０】
本発明の車輪外力推定装置は、車輪に作用する外力を推定する車輪外力推定装置であって、センサと、第１信号生成部と、第２信号生成部と、演算部とを備えることを特徴とする。センサは、車両ボデーと前記車輪とを連結支持するサスペンションに作用する荷重に応じた出力信号を出力する。そして、この出力信号には、上述したように、サスペンションの共振周波数の周波数成分などの複数の周波数成分が含まれている。第１信号生成部は、前記出力信号に対して前記サスペンションの共振周波数以上の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタリング処理を行い、且つ、前記出力信号に対して微分演算して前記共振周波数を含む所定周波数帯内から選択された選択周波数に対応する角周波数により除算する微分演算処理を行い、前記共振周波数の周波数成分を含む第１信号を生成する。第２信号生成部は、前記出力信号から前記第１信号を除去した第２信号を生成する。演算部は、前記第２信号に基づき前記外力の推定値を演算する。
【００１１】
ここで、微分演算処理は、上述したように、前記出力信号に対して微分演算して、選択周波数に対応する角周波数により除算する処理である。ここで、サスペンションの共振周波数を含む所定周波数帯とは、サスペンションの共振周波数付近の周波数帯である。例えば、所定周波数帯とは、サスペンションの共振周波数の０．８〜１．２倍の周波数範囲などとする。そして、微分演算処理により、出力信号に含まれる周波数成分のうち選択周波数以下の周波数帯における周波数成分を低減することができる。つまり、微分演算処理により、出力信号に含まれる周波数成分のうちサスペンションの共振周波数付近の周波数より低い周波数帯の周波数成分が低減される。
【００１２】
一方、ローパスフィルタリング処理は、出力信号に含まれる周波数成分のうちカットオフ周波数付近の周波数よりも高い周波数帯における周波数成分を低減することができる。ここで、カットオフ周波数はサスペンションの共振周波数以上の周波数であるので、ローパスフィルタリング処理により、出力信号に含まれる周波数成分のうち少なくともサスペンションの共振周波数よりも高い周波数帯の周波数成分が低減される。
【００１３】
従って、第１信号生成部は、出力信号に対してローパスフィルタリング処理及び微分演算処理を行うことで、出力信号に含まれる周波数成分のうちサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を確実に抽出した第１信号を生成することができる。
【００１４】
ところで、ローパスフィルタリング処理により、ローパスフィルタリング処理前の信号に比べてローパスフィルタリング処理後の信号には時間遅れが生じる。つまり、ローパスフィルタリング処理を行うことにより、ローパスフィルタリング処理前の信号に比べてローパスフィルタリング処理後の信号は、時間の遅れる方向にずれが生じる。一方、微分演算処理により、微分演算処理後の信号には微分演算処理前の信号に比べて位相進みが生じる。つまり、微分演算処理を行うことにより、微分演算処理前の信号に比べて微分演算処理後の信号は、時間の進む方向にずれが生じる。従って、ローパスフィルタリング処理に加えて微分演算処理を行うことで、ローパスフィルタリング処理による時間遅れの時間（処理遅れ時間）の少なくとも一部に対して微分演算処理の位相進み時間により相殺することができる。つまり、微分演算処理を行うことで、ローパスフィルタリング処理による時間遅れを低減することができる。
【００１５】
つまり、第１信号生成部により生成される第１信号は、サスペンションの共振周波数付近の周波数成分とすることができると共に、出力信号に対して時間の遅れる方向へのずれを小さくできる。
【００１６】
そして、第２信号は、上述した第１信号を用いて処理された信号であり、具体的には、出力信号から第１信号を除去した信号である。ここで、第１信号は、出力信号に対して時間の遅れる方向へのずれが小さい信号である。従って、第２信号は、出力信号から適切にサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を除去された信号とすることができる。そして、この第２信号を用いて、演算部が車輪に作用する外力を推定している。従って、本発明の車輪外力推定装置によれば、車輪に作用する外力の推定値を車輪に作用する実外力に近似させることができる。つまり、本発明の車輪外力推定装置により算出された車輪に作用する外力の推定値は、車輪に作用する実外力と比較すると、力のずれ及び時間のずれを小さくすることができる。
【００１７】
また、本発明の車輪外力推定装置を構成する前記第１信号生成部は、以下のようにするとよい。第１の第１信号生成部としては、前記出力信号に対して前記ローパスフィルタリング処理を行いフィルタリング処理信号を生成するローパスフィルタリング処理部と、前記フィルタリング処理信号に対して前記微分演算処理を行い前記第１信号を生成する微分演算処理部とを備えるようにしてもよい。つまり、センサから出力された出力信号に対して、まずローパスフィルタリング処理を行い、その後に微分演算処理を行うようにする。
【００１８】
第２の第１信号生成部としては、前記出力信号に対して前記微分演算処理を行い微分演算処理信号を生成する微分演算処理部と、前記微分演算処理信号に対して前記ローパスフィルタリング処理を行い前記第１信号を生成するローパスフィルタリング処理部とを備えるようにしもよい。つまり、センサから出力された出力信号に対して、まず微分演算処理を行い、その後にローパスフィルタリング処理を行うようにする。
【００１９】
上述した第１及び第２の第１信号生成部は、何れも出力信号のうちサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を抽出することができ、且つ、ローパスフィルタリング処理に伴う時間遅れを低減することができる。
【００２０】
ここで、第１の第１信号生成部と第２の第１信号生成部とを比較する。微分演算処理を行うことにより、出力信号に含まれる周波数成分のうちサスペンションの共振周波数付近の周波数より低い周波数帯の周波数成分が低減される。正確には、微分演算処理を行うことにより、除算する角周波数に対応付けられる選択周波数よりも低い周波数帯の周波数成分が低減される。しかし、微分演算処理を行うことにより、出力信号に含まれる周波数成分のうちサスペンションの共振周波数付近の周波数よりも高い周波数帯の周波数成分は増幅する。
【００２１】
一方、ローパスフィルタリング処理を行うことにより、出力信号に含まれる周波数成分のうちカットオフ周波数より高い周波数帯の周波数成分は低減される。また、ローパスフィルタリング処理を行ったとしても、カットオフ周波数より低い周波数帯の周波数成分はそれほど変化しない。そして、カットオフ周波数はサスペンションの共振周波数よりも高い周波数であるので、ローパスフィルタリング処理を行うことにより、サスペンションの共振周波数より高い周波数帯の周波数成分が低減される。
【００２２】
つまり、第１の第１信号生成部においては、最初にローパスフィルタリング処理を行うので、サスペンションの共振周波数より高い周波数帯の周波数成分が大きく低減される。その後、微分演算処理を行うことで、サスペンションの共振周波数付近より高い周波数帯の周波数成分は増幅される。しかし、微分演算処理を行う前にローパスフィルタリング処理によりサスペンションの共振周波数より高い周波数帯の周波数成分が大きく低減されているので、微分演算処理により増幅されたとしても、その増幅幅を小さくすることができる。
【００２３】
一方、第２の第１信号生成部においては、微分演算処理によりサスペンションの共振周波数付近より高い周波数帯の周波数成分が増幅された後に、ローパスフィルタリング処理によりサスペンションの共振周波数より高い周波数帯の周波数成分を低減している。そのため、一度増幅されたサスペンションの共振周波数より高い周波数帯の周波数成分をローパスフィルタリング処理により低減しようとしても、より高い低減効果を得ることができない。
【００２４】
従って、第１の第１信号生成部が、第２の第１信号生成部に比べて、より確実にサスペンションの共振周波数よりも高い周波数帯の周波数成分を低減することができる。
【００２５】
また、前記ローパスフィルタリング処理における前記カットオフ周波数は、前記共振周波数の２倍近傍の周波数であるとよい。ローパスフィルタリング処理を行った場合に、カットオフ周波数より低い周波数帯の周波数成分についても低減されることがある。しかし、カットオフ周波数をサスペンションの共振周波数の２倍近傍の周波数とすることで、確実にサスペンションの共振周波数付近の周波数成分が低減されることを抑制できる。つまり、カットオフ周波数をサスペンションの共振周波数の２倍近傍とすることで、出力信号のうちサスペンションの共振周波数付近の成分を確実に残留することができる。
【００２６】
また、微分演算処理において、出力信号を除算する角周波数に対応付けられる選択周波数は、サスペンションの共振周波数とするとよい。このように、サスペンションの共振周波数に対応する角周波数により出力信号を除算することで、出力信号のうちサスペンションの共振周波数の周波数成分を確実に残留することができる。つまり、このような第１信号生成部を用いることで、より確実にサスペンションの共振周波数付近の周波数成分を抽出することができる。
【００２７】
また、前記ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間は、前記微分演算処理による前記共振周波数付近の周波数成分の位相進み時間以下であるとよい。もちろん、処理遅れ時間は、位相進み時間と一致させるようにしてもよい。処理遅れ時間と位相進み時間を一致させることで、出力信号と第１信号とがサスペンションの共振周波数付近において、ほぼ一致することになる。つまり、出力信号と第１信号のサスペンションの共振周波数付近の時間のずれが生じることを防止できる。
【００２８】
そして、処理遅れ時間を位相進み時間より短くした場合には、第１信号が、出力信号に比べて、時間の進む方向にずれが生じる。ただし、第１信号が時間の進む方向にずれているとしても、この第１信号を用いて第２信号を生成する際に、進んでいる時間を考慮して第２信号を生成することは容易である。つまり、処理遅れ時間を位相進み時間より短くすることで、この第１信号は、出力信号に対して時間のずれがない信号と同等の信号として用いることができる。
【００２９】
なお、例えば、前記処理遅れ時間は、前記微分演算処理によるサスペンションの共振周波数の周波数成分の位相進み時間以下であるとよい。これにより、第１信号のうちサスペンションの共振周波数の周波数成分が、出力信号のうちサスペンションの共振周波数の周波数成分に対して、ローパスフィルタリング処理の時間遅れによる時間のずれが生じることを防止できる。
【００３０】
また、前記サスペンションは、前記車輪が連結されるサスペンションフレームと、前記車両ボデーと前記サスペンションフレームとを弾性的に連結するゴムマウントとを備え、前記センサは、前記ゴムマウントに作用する荷重に応じた出力信号を出力するようにしてもよい。ここで、ゴムマウントに作用する荷重は、サスペンションフレームの各部に作用する荷重が合計された荷重に対応する。つまり、ゴムマウントに作用する荷重を用いることで、より高精度に車輪に作用する外力を推定することができる。
【００３１】
また、前記サスペンションは、前記車輪が連結されるサスペンションフレームと、前記車両ボデーと前記サスペンションフレームとを弾性的に連結するゴムマウントとを備え、前記センサは、前記車両ボデーに対する前記サスペンションフレームの相対変位量に対応する出力信号を出力する変位センサとしてもよい。前記相対変位量は、例えば、直交３軸方向の相対変位量とするとよい。この直交３軸方向とは、例えば、車両前後方向、車両左右方向、及び車両上下方向などとする。そして、この変位センサにより出力される前記相対変位量は、サスペンションに作用する荷重さらにはゴムマウントに作用する荷重に対応している。つまり、変位センサを用いることで、確実にゴムマウントに作用する荷重に応じた出力信号を出力することができる。そして、その出力信号を用いて、車輪に作用する外力を確実に推定することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の車輪外力推定装置によれば、車輪に作用する外力の推定値を車輪に作用する実外力に非常に近似させることができる。つまり、本発明の車輪外力推定装置により算出された車輪に作用する外力の推定値は、車輪に作用する実外力と比較すると、力のずれ及び時間のずれを小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。以下に、本実施形態の車輪外力推定装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３４】
（１）サスペンション１の構成
まず、本実施形態の車輪外力推定装置による外力推定対象である車輪が連結されるサスペンション１の構成について図１を参照して説明する。図１は、サスペンション１を示す斜視図である。
【００３５】
サスペンション１は、車両ボデー（図示せず）と車輪（図示せず）とを連結支持する懸架装置である。さらに、このサスペンション１は、路面からの衝撃や振動が車両ボデーに伝達されることを抑制する。このサスペンション１は、図１に示すように、左右の車輪の中間に配置され左右の車輪を連結支持するサスペンションフレーム１１と、サスペンションフレーム１１と車両ボデーとの間に介装されたゴムマウント１２、・・、１２とから構成される。
【００３６】
サスペンションフレーム１１は、車両ボデーの直下に配置される略矩形形状のサブフレーム１３と、サブフレーム１３と左右の車輪とをそれぞれ連結するロッド、リンク又はアーム等の連結部品１４とから構成される。ゴムマウント１２、・・、１２は、サブフレーム１３の四隅にそれぞれ配置され、車両ボデーとサブフレーム１３とを弾性的に連結している。そして、路面からの衝撃や振動が車輪及びサスペンションフレーム１１を介して伝達された場合であっても、ゴムマウント１２、・・、１２が変形することにより、前記衝撃や振動が車両ボデーに伝達されないようにしている。ここで、ゴムマウント１２、・・、１２は、車両前後方向、車両左右方向、及び車両上下方向に変形するようにされている。つまり、サブフレーム３が車両ボデーに対して車両前後方向、車両左右方向、及び車両上下方向に相対移動することができるようになる。
【００３７】
（２）第１実施形態の車輪外力推定装置２の構成
次に、第１実施形態の車輪外力推定装置２の構成について図２を参照して説明する。図２は、第１実施形態の車輪外力推定装置２の構成を示すブロック図である。図２に示すように、車輪外力推定装置２は、複数の変位センサ２１、・・、２１と、車輪外力推定部２２とから構成される。
【００３８】
複数の変位センサ２１、・・、２１は、車両後側の２つのゴムマウント１２、１２付近に取り付けられて、車両ボデーに対するサブフレーム３の相対変位量を検出する。具体的には、変位センサ２１、・・、２１は、車両ボデーに対するサブフレーム３の車両前後方向（ｘ方向）の相対変位量（Ｓｘ−ＬＨ、Ｓｘ−ＲＨ）、車両左右方向（ｙ方向）の相対変位量（Ｓｙ）、及び車両上下方向（ｚ方向）の相対変位量（Ｓｚ−ＬＨ、Ｓｚ−ＲＨ）の各変位量をそれぞれ検出する。そして、変位センサ２１、・・、２１は、検出した各変位量を電気信号に変換して車輪外力推定部２２へ出力する。これらの変位センサ２１、・・、２１がそれぞれ出力する出力信号Ｓには、複数の周波数成分が含まれている。この出力信号Ｓを数１に示す。なお、この変位センサ２１、・・、２１としては、例えば、ホール素子を用いた磁気センサや渦電流センサなど種々の変位センサが適用できる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
車輪外力推定部２２は、第１信号生成部２３と、第２信号生成部２４と、外力推定演算部２５とから構成される。第１信号生成部２３は、変位センサ２１、・・、２１から出力される出力信号Ｓを取り込む。そして、第１信号生成部２３は、それぞれの出力信号Ｓに対して第１信号処理を行う。第１信号処理とは、出力信号Ｓから主としてサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分を含む第１信号Ｓ２を生成する処理である。
【００４１】
この第１信号生成部２３は、共振周波数記憶部２６と、ローパスフィルタリング処理部２７と、微分演算処理部２８とから構成される。共振周波数記憶部２６は、車両前後方向、車両左右方向、及び車両上下方向におけるサスペンション１の共振周波数Ｈｆをそれぞれ記憶している。ここで、例えば、車両前後方向におけるサスペンション１の共振周波数Ｈｆは、約１４．５Ｈｚである。
【００４２】
ローパスフィルタリング処理部２７は、変位センサ２１、・・、２１から出力信号Ｓを取り込む。さらに、ローパスフィルタリング処理部２７は、共振周波数記憶部２６からサスペンション１の共振周波数Ｈｆを取り込む。そして、ローパスフィルタリング処理部２７は、変位センサ２１、・・、２１から取り込まれた出力信号Ｓに対してローパスフィルタリング処理を行い、フィルタリング処理信号Ｓ１を生成する。このフィルタリング処理信号Ｓ１を数２に示す。
【００４３】
【数２】
【００４４】
そして、ローパスフィルタリング処理は、出力信号Ｓに含まれる周波数成分のうちカットオフ周波数よりも高い周波数帯の周波数成分を低減する処理である。つまり、カットオフ周波数より高い周波数帯における数２の係数Ｄkは、数１の係数Ｃkに比べて小さくなっている。ここで、カットオフ周波数は、共振周波数記憶部２６から取り込まれたサスペンション１の共振周波数Ｈｆより高い周波数に設定される。従って、フィルタリング処理信号Ｓ１は、出力信号Ｓのうちサスペンション１の共振周波数Ｈｆより高い周波数帯の周波数成分を除去され、出力信号Ｓのうちサスペンション１の共振周波数Ｈｆ以下の周波数成分を含む信号となる。
【００４５】
ここで、カットオフ周波数は、サスペンション１の共振周波数Ｈｆの２倍近傍の周波数とするとよい。この理由について簡単に説明する。ローパスフィルタリング処理により、カットオフ周波数より高い周波数帯の周波数成分は大きく低減される。ただし、ローパスフィルタリング処理により、カットオフ周波数より低い周波数帯の周波数成分についても僅かではあるが低減されることがある。しかし、カットオフ周波数をサスペンション１の共振周波数Ｈｆの２倍近傍の周波数とすることで、ローパスフィルタリング処理が行われたとしても、サスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数成分は低減されることなく確実に残すことができる。
【００４６】
微分演算処理部２８は、ローパスフィルタリング処理部２７からフィルタリング処理信号Ｓ１を取り込む。さらに、微分演算処理部２８は、共振周波数記憶部２６からサスペンション１の共振周波数Ｈｆを取り込む。そして、微分演算処理部２８は、フィルタリング処理信号Ｓ１に対して微分演算して、サスペンション１の共振周波数Ｈｆに対応する角周波数ωm（以下、「共振角周波数」という）を微分回数だけ累乗した値により除算する微分演算処理を行い、微分演算処理信号Ｓ２を生成する。すなわち、１回微分演算の微分演算処理の場合には、１回微分演算して共振角周波数ωmそのものにより除算する。また、２回微分演算の微分演算処理の場合には、２回微分演算して共振角周波数ωmの２乗により除算する。ここで、１回微分演算の微分演算処理の場合における微分演算処理信号Ｓ２について数３に示す。なお、微分演算処理信号Ｓ２は、上述した第１信号Ｓ２に相当する。
【００４７】
【数３】
【００４８】
ここで、数３から分かるように、共振角周波数ωm以下の角周波数ωkに対応付けられる周波数帯においては、第１信号Ｓ２はフィルタリング処理信号Ｓ１よりも小さくなる。一方、共振角周波数ωm以上の角周波数ωkに対応付けられる周波数帯においては、第１信号Ｓ２はフィルタリング処理信号Ｓ１よりも大きくなる。ただし、共振角周波数ωm以上の角周波数ωkに対応付けられる周波数帯におけるフィルタリング処理信号Ｓ１は、ローパスフィルタリング処理により大きく低減されている。
【００４９】
ここで、車両前後方向における出力信号Ｓ及び第１信号Ｓ２について、図３を参照してさらに詳細に説明する。図３は、車両前後方向における出力信号Ｓ及び第１信号Ｓ２について、周波数に対する信号出力値を示す図である。なお、図３において、横軸の周波数Ｈｆは、上述したサスペンション１の共振周波数Ｈｆである。また、車両前後方向におけるサスペンション１の共振周波数Ｈｆは、上述したように、約１４．５Ｈｚである。
【００５０】
車両前後方向の出力信号Ｓの信号出力値は、図３の破線にて示すように、車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近において、大きなピークが存在する。この出力信号Ｓに対してローパスフィルタリング処理及び微分演算処理を行った車両前後方向の第１信号Ｓ２の信号出力値は、図３の実線にて示すように、車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近においては、出力信号Ｓの信号出力値と同等である。それに対して、車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆより低い周波数帯及び共振周波数Ｈｆより高い周波数帯において、第１信号Ｓ２の信号出力値は、出力信号Ｓの信号出力値に比べて小さくなっている。特に、車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆから遠ざかるほど、第１信号Ｓ２の信号出力値は出力信号Ｓの信号出力値に比べてより小さくなっている。このように、第１信号Ｓ２は、出力信号Ｓに含まれる周波数成分のうち、主としてサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数成分を抽出された信号となっている。なお、車両左右方向及び車両上下方向における出力信号Ｓ及び第１信号Ｓ２の関係についても、車両前後方向における出力信号Ｓ及び第１信号Ｓ２の関係と同様の関係となる。
【００５１】
ここで、出力信号Ｓと第１信号Ｓ２の時間のずれについて説明する。まず、第１信号Ｓ２は、上述したように、出力信号Ｓに対してローパスフィルタリング処理及び微分演算処理が行われた信号である。ここで、ローパスフィルタリング処理を行うことで、時間遅れを伴う。つまり、ローパスフィルタリング処理後の信号は、ローパスフィルタリング処理前の信号に比べて、時間の遅れる方向にずれが生じる。以下、この時間の遅れる方向のずれ時間を処理遅れ時間Ｔ１という。そして、この処理遅れ時間Ｔ１は、ローパスフィルタリング処理の種類などに応じて異なる。
【００５２】
また、微分演算処理を行うことで、位相進みが生じる。すなわち、微分演算処理後の信号は、微分演算処理前の信号に比べて、時間の進む方向にずれが生じる。以下、この時間の進む方向のずれ時間を位相進み時間Ｔ２という。そして、この位相進み時間Ｔ２は、１回微分演算を行った場合には、周波数成分の周期の４分の１となる。つまり、第１信号Ｓ２は、フィルタリング処理信号Ｓ１に対して、それぞれの周波数成分の周期Ｔの４分の１だけ位相進み時間Ｔ２を生じる。例えば、車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆは約１４．５Ｈｚであるので、車両前後方向の第１信号Ｓ２のうち車両前後方向のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分の位相進み時間Ｔ２は、約１７ｍｓｅｃとなる。
【００５３】
つまり、第１信号Ｓ２は、出力信号Ｓに対して、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１と微分演算処理の位相進み時間Ｔ２との合計した時間だけずれを生じることになる。ここで、微分演算処理の位相進み時間Ｔ２は、微分回数及び周波数成分によって一定である。一方、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１は、ローパスフィルタリング処理次第で自由に調整することが可能である。
【００５４】
そこで、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１を微分演算処理のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分の位相進み時間Ｔ２に一致させるようにする。例えば、１回の微分演算処理を行う場合に、処理遅れ時間Ｔ１が約１７ｍｓｅｃとなるローパスフィルタリング処理を選定する。そうすると、車両前後方向の出力信号Ｓのサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分と車両前後方向の第１信号Ｓ２のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分とに時間のずれが生じない。同様に、車両左右方向及び車両上下方向についても、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１を適宜調整することで、車両左右方向及び車両上下方向の出力信号Ｓのサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分と車両左右方向及び車両上下方向の第１信号Ｓ２のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分とに時間のずれが生じない。
【００５５】
第２信号生成部２４は、変位センサ２１、・・、２１から出力された出力信号Ｓを入力する。さらに、第２信号生成部２４は、微分演算処理部２８にて生成された第１信号Ｓ２を入力する。そして、第２信号生成部２４は、出力信号Ｓから第１信号Ｓ２を除去する除去処理を行う。つまり、第２信号生成部２４は、数４に示すように、出力信号Ｓから第１信号Ｓ２を除去した第２信号Ｓ３を生成する。従って、第２信号生成部２４により生成される第２信号Ｓ３は、出力信号Ｓからサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数成分を除去した信号となる。
【００５６】
【数４】
【００５７】
第２信号Ｓ３は、それぞれの出力信号Ｓに対応する信号である。つまり、第２信号Ｓ３は、車両ボデーに対するサブフレーム３の車両前後方向（ｘ方向）の相対変位量（Ｓｘ−ＬＨ、Ｓｘ−ＲＨ）、車両左右方向（ｙ方向）の相対変位量（Ｓｙ）、及び車両上下方向（ｚ方向）の相対変位量（Ｓｚ−ＬＨ、Ｓｚ−ＲＨ）に対応する信号からなる。すなわち、第２信号Ｓ３は、車両ボデーに対するサブフレーム３の車両前後方向（ｘ方向）の処理後相対変位量（Ｓ３ｘ−ＬＨ、Ｓ３ｘ−ＲＨ）、車両左右方向（ｙ方向）の処理後相対変位量（Ｓ３ｙ）、及び車両上下方向（ｚ方向）の処理後相対変位量（Ｓ３ｚ−ＬＨ、Ｓ３ｚ−ＲＨ）からなる。
【００５８】
ここで、上述したように、第１信号Ｓ２は、出力信号Ｓと時間のずれがない信号となっている。従って、第２信号生成部２４における除去処理の際に、ある時刻で見た場合に、出力信号Ｓのうちサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分と第１信号Ｓ２とが適切に一致又は近似している。従って、生成される第２信号Ｓ３は、出力信号Ｓから適切にサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分が除去された信号となる。
【００５９】
外力推定値演算部２５は、第２信号生成部２４にて生成された第２信号Ｓ３を入力する。そして、外力推定値演算部２５は、第２信号Ｓ３を用いて車輪に作用する外力の推定値Ｆを算出する。具体的には、外力推定値演算部２５は、数５に示す演算式を用いて、外力の推定値Ｆを算出する。外力推定値演算部２５により算出される車輪に作用する外力は、左右車輪に作用する車両前後方向（ｘ方向）の推定外力（Ｆｘ−ＬＨ、Ｆｘ−ＲＨ）、左右車輪に作用する車両左右方向（ｙ方向）の推定外力の合計値（Ｆｙ）、及び左右車輪に作用する車両上下方向（ｚ方向）の推定外力（Ｆｚ−ＬＨ、Ｆｚ−ＲＨ）である。
【００６０】
【数５】
【００６１】
ここで、数５における係数Ｋ１１〜Ｋ５５及び定数項Ｃ１〜Ｃ５は、予め実測した実験データ等によって得られた車輪に作用する外力とサスペンション１の伝達力の相関をとった伝達関数を考慮した値としている。なお、数５中における係数Ｋ１１〜Ｋ５５や定数Ｃ１〜Ｃ５は、必要に応じてその値を書き換えることも可能である。このように書き換えを行うことで、例えば伝達関数が経時的あるいは条件的に変化するような場合にも、より高精度に対応することができる。
【００６２】
このようにして算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆのうち車両前後方向の推定値は、図４に示すようになる。ここで、図４は、ブレーキをかけた直後からの経過時間に対する車輪に作用する車両前後方向の外力の推定値Ｆを示す図である。なお、図４において、ブレーキをかけた後の経過時間が約６５００ｍｓｅｃ付近に車両が停止している。後述するが、図４に示す車輪に作用する車両前後方向の外力の推定値Ｆは、車輪に作用する車両前後方向の実外力に非常に近似している。なお、図示しないが、車輪に作用する車両左右方向及び車両上下方向の外力の推定値Ｆについても、車輪に作用する車両左右方向及び車両上下方向の実外力に非常に近似している。
【００６３】
そして、このようにして算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆは、アンチロックブレーキングシステム（ＡＢＳ）、トラクション制御、ビークルスタビリティ制御（ＶＳＣ）等の車両制御システムの制御信号として利用することができる。つまり、本実施形態により算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆを制御信号として利用することで、車両制御システムを適切に制御することができる。
【００６４】
（３）上記処理を行わない場合の車輪に作用する外力の推定値について
次に、上述した第１信号生成部２３の第１信号処理及び第２信号生成部２４の除去処理を行わない場合における車輪に作用する車両前後方向の外力の推定値（以下、「未処理の外力の推定値」という）について図５を参照して説明する。なお、比較のため、車輪に作用する車両前後方向の実外力（以下、単に「実外力」という）について図６を参照する。図５及び図６は、何れもブレーキをかけた直後からの経過時間に対する未処理の外力の推定値及び実外力を示す図である。また、図５及び図６において、上述した図４と同様に、ブレーキをかけた後の経過時間が約６５００ｍｓｅｃ付近に車両が停止している。
【００６５】
ここで、図５に示す未処理の外力の推定値は、変位センサ２１、・・、２１から出力される出力信号Ｓそのものを用いて上述した外力推定値演算部２５にて算出された値である。また、図６に示す実外力は、車軸６分力計を用いて計測した値である。
【００６６】
図５及び図６を比較すると、図６に示す実外力に対して図５に示す未処理の外力の推定値は、全体的に振れが大きくなっていることが分かる。つまり、未処理の外力の推定値は、実外力に対して大きくずれていることになる。
【００６７】
ここで、図５に示す未処理の外力の推定値と図６の実外力について、周波数解析を行った結果を図７に示す。図７は、周波数に対する車輪に作用する車両前後方向の外力について示す図である。図７に示すように、サスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近において、未処理の外力の推定値は実外力よりも特に大きくなっていることが分かる。つまり、このサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分のずれが、図５に示す未処理の外力の推定値と図６の実外力とのずれに影響を及ぼしているものと考えられる。そして、このサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分のずれは、サスペンション１の共振作用によるものと考えられる。
【００６８】
これに対して、上述した図４に示すように、本実施形態のように第１信号処理及び除去処理を行った信号を用いて算出した車輪に作用する外力の推定値Ｆは、図６に示す実外力に非常に近似している。つまり、変位センサ２１、・・、２１から出力される出力信号Ｓに対して第１信号処理及び除去処理を行って、サスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分を除去した信号を用いて車輪に作用する外力の推定値Ｆを算出することで、より高精度の外力の推定値を得ることができる。従って、本実施形態により算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆを制御信号として利用することで、車両制御システムを適切に制御することができる。
【００６９】
（４）第２実施形態の車輪外力推定装置３の構成
次に、第２実施形態の車輪外力推定装置３の構成について図８を参照して説明する。図８は、第２実施形態の車輪外力推定装置３の構成を示すブロック図である。なお、第２実施形態の車輪外力推定装置３において、第１実施形態の車輪外力推定装置２と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７０】
第２実施形態の車輪外力推定装置３は、図８に示すように、変位センサ２１、・・、２１と、車輪外力推定部３２とから構成される。車輪外力推定部３２は、第１信号生成部３３と、第２信号生成部２４と、外力推定演算部２５とから構成される。第１信号生成部３３は、変位センサ２１、・・、２１から出力される出力信号Ｓを取り込む。そして、第１信号生成部３３は、それぞれの出力信号Ｓに対して第１信号処理を行う。第１信号処理とは、出力信号Ｓから主としてサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分を含む第１信号Ｓ５を生成する処理である。
【００７１】
この第１信号生成部３３は、共振周波数記憶部２６と、微分演算処理部３４と、ローパスフィルタリング処理部３５とから構成される。
【００７２】
微分演算処理部３４は、変位センサ２１、・・、２１から出力信号Ｓを取り込む。さらに、微分演算処理部３４は、共振周波数記憶部２６からサスペンション１の共振周波数Ｈｆを取り込む。そして、微分演算処理部３４は、出力信号Ｓに対して微分演算して、サスペンション１の共振周波数Ｈｆに対応する共振角周波数ωmを微分回数だけ累乗した値により除算する微分演算処理を行い、微分演算処理信号Ｓ４を生成する。すなわち、１回微分演算の微分演算処理の場合には、１回微分演算して共振角周波数ωmそのものにより除算する。また、２回微分演算の微分演算処理の場合には、２回微分演算して共振角周波数ωmの２乗により除算する。ここで、１回微分演算の微分演算処理の場合における微分演算処理信号Ｓ４について数６に示す。
【００７３】
【数６】
【００７４】
ここで、数６から分かるように、共振角周波数ωm以下の角周波数ωkに対応付けられる周波数帯においては、微分演算処理信号Ｓ４は出力信号Ｓよりも小さくなる。一方、共振角周波数ωm以上の角周波数ωkに対応付けられる周波数帯においては、微分演算処理信号Ｓ４は出力信号Ｓよりも大きくなる。
【００７５】
ローパスフィルタリング処理部３５は、微分演算処理部３４から微分演算処理信号Ｓ４を取り込む。さらに、ローパスフィルタリング処理部３５は、共振周波数記憶部２６からサスペンション１の共振周波数Ｈｆを取り込む。そして、ローパスフィルタリング処理部３５は、微分演算処理信号Ｓ４に対してローパスフィルタリング処理を行い、フィルタリング処理信号Ｓ５を生成する。このフィルタリング処理信号Ｓ５を数７に示す。なお、このフィルタリング処理信号Ｓ５は、上述した第１信号Ｓ５に相当する。
【００７６】
【数７】
【００７７】
なお、ローパスフィルタリング処理のカットオフ周波数は、共振周波数記憶部２６から取り込まれたサスペンション１の共振周波数Ｈｆの２倍近傍の周波数としている。また、カットオフ周波数より高い周波数帯における数７の係数Ｅkは、数６の係数Ｃkに比べて小さくなっている。そして、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１は、微分演算処理のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分の位相進み時間Ｔ２に一致させるようにする。これにより、出力信号Ｓのサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分と第１信号Ｓ５のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分とに時間のずれが生じない。
【００７８】
第２信号生成部２４は、変位センサ２１、・・、２１から出力された出力信号Ｓを入力する。さらに、第２信号生成部２４は、ローパスフィルタリング処理部３５にて生成された第１信号Ｓ５を入力する。そして、第２信号生成部２４は、出力信号Ｓから第１信号Ｓ５を除去する除去処理を行う。つまり、第２信号生成部２４は、出力信号Ｓから第１信号Ｓ５を除去した第２信号Ｓ６を生成する。従って、第２信号生成部２４により生成される第２信号Ｓ６は、出力信号Ｓからサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数成分を除去した信号となる。
【００７９】
そして、外力推定値演算部２５は、第２信号生成部２４にて生成された第２信号Ｓ６を入力する。そして、外力推定値演算部２５は、第２信号Ｓ６を用いて車輪に作用する外力の推定値Ｆを算出する。外力推定値演算部２５による車輪に作用する外力の推定値Ｆの算出は、上述した第１実施形態にて説明したものと同様であるので、説明を省略する。
【００８０】
外力推定値演算部２５により算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆは、車輪に作用する実外力に非常に近似している。そして、このようにして算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆは、アンチロックブレーキングシステム（ＡＢＳ）、トラクション制御、ビークルスタビリティ制御（ＶＳＣ）等の車両制御システムの制御信号として利用することができる。つまり、本実施形態により算出された車輪に作用する外力の推定値Ｆを制御信号として利用することで、車両制御システムを適切に制御することができる。
【００８１】
（５）その他の実施形態
上記実施形態においては、ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１と微分演算処理のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分の位相進み時間Ｔ２とを一致させるようにしたが、これに限られるものではない。ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間Ｔ１が微分演算処理のサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分の位相進み時間Ｔ２以下であればよい。処理遅れ時間Ｔ１が位相進み時間Ｔ２より短い場合には、第１信号Ｓ２、Ｓ５が出力信号Ｓに対して時間の進む方向にずれが生じる。しかし、このような時間の進む方向へのずれは、第２信号生成部２４において第１信号Ｓ２、Ｓ５を出力信号Ｓから除去する際に、第１信号Ｓ２、Ｓ５を容易に調整することができる。つまり、処理遅れ時間Ｔ１を位相進み時間Ｔ２以下とすることで、第２信号生成部２４において出力信号Ｓから除去する第１信号Ｓ２、Ｓ５を出力信号Ｓに対して時間のずれが生じないものとして利用することができる。つまり、第２信号生成部２４において生成される第２信号Ｓ３、Ｓ６は、出力信号Ｓから適切にサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分を除去した信号とすることができる。
【００８２】
また、上記実施形態の微分演算処理においては、サスペンション１の共振周波数Ｈｆに対応する共振角周波数ωmにより除算したが、これに限られるものではない。除算する角周波数ωは、サスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数帯内から選択された選択周波数に対応する角周波数ωとすればよい。なお、除算する角周波数ωをサスペンション１の共振周波数Ｈｆに対応する共振角周波数ωmにすることで、出力信号Ｓと第１信号Ｓ２、Ｓ５のサスペンション１の共振周波数Ｈｆにおける周波数成分を一致させることができる。従って、除算する角周波数ωがサスペンション１の共振周波数Ｈｆとは異なる選択周波数に対応する角周波数ωとした場合には、出力信号Ｓと第１信号Ｓ２、Ｓ５のサスペンション１の共振周波数Ｈｆにおける周波数成分は僅かにずれを生じる。しかし、選択周波数をサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近とすることで、前記ずれは、非常に僅かである。従って、選択周波数をサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近とすることで、出力信号Ｓのうちサスペンション１の共振周波数Ｈｆ付近の周波数成分を主とする第１信号Ｓ２、Ｓ５を十分に抽出することができる。
【００８３】
また、上記実施形態のローパスフィルタリング処理におけるカットオフ周波数は、サスペンション１の共振周波数Ｈｆの２倍近傍としたが、これに限られるものではない。ローパスフィルタリング処理により処理前の信号のうちサスペンション１の共振周波数Ｈｆの周波数成分が低減されることなく、残すことができるのであれば、カットオフ周波数はサスペンション１の共振周波数Ｈｆの２倍よりも低い周波数としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】サスペンション１を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の車輪外力推定装置２の構成を示すブロック図である。
【図３】車両前後方向における出力信号Ｓ及び第１信号Ｓ２について、周波数に対する信号出力値を示す図である。
【図４】ブレーキをかけた直後からの経過時間に対する車輪に作用する車両前後方向の外力の推定値Ｆを示す図である。
【図５】ブレーキをかけた直後からの経過時間に対する未処理の外力の推定値を示す図である。
【図６】ブレーキをかけた直後からの経過時間に対する実外力を示す図である。
【図７】周波数に対する車輪に作用する車両前後方向の外力について示す図である。
【図８】第２実施形態の車輪外力推定装置３の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８５】
１：サスペンション、 ２、３：車輪外力推定装置、 １１：サスペンションフレーム、 １２：ゴムマウント、 １３：サブフレーム、 １４：連結部品、 ２１：変位センサ、 ２２、３２：車輪外力推定部、 ２３、３３：第１信号生成部、 ２４：第２信号生成部、 ２５：外力推定演算部、 ２６：共振周波数記憶部、 ２７、３５：ローパスフィルタリング処理部、 ２８、３４：微分演算処理部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪に作用する外力を推定する車輪外力推定装置であって、
車両ボデーと前記車輪とを連結支持するサスペンションに作用する荷重に応じた出力信号を出力するセンサと、
前記出力信号に対して前記サスペンションの共振周波数以上の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタリング処理を行い、且つ、前記出力信号に対して微分演算して前記共振周波数を含む所定周波数帯内から選択された選択周波数に対応する角周波数により除算する微分演算処理を行い、前記共振周波数の周波数成分を含む第１信号を生成する第１信号生成部と、
前記出力信号から前記第１信号を除去した第２信号を生成する第２信号生成部と、
前記第２信号に基づき前記外力の推定値を演算する演算部と、
を備えることを特徴とする車輪外力推定装置。
【請求項２】
前記第１信号生成部は、
前記出力信号に対して前記ローパスフィルタリング処理を行いフィルタリング処理信号を生成するローパスフィルタリング処理部と、
前記フィルタリング処理信号に対して前記微分演算処理を行い前記第１信号を生成する微分演算処理部と、
を備える請求項１記載の車輪外力推定装置。
【請求項３】
前記第１信号生成部は、
前記出力信号に対して前記微分演算処理を行い微分演算処理信号を生成する微分演算処理部と、
前記微分演算処理信号に対して前記ローパスフィルタリング処理を行い前記第１信号を生成するローパスフィルタリング処理部と、
を備える請求項１記載の車輪外力推定装置。
【請求項４】
前記カットオフ周波数は、前記共振周波数の２倍近傍の周波数である請求項１〜３の何れか一項に記載の車輪外力推定装置。
【請求項５】
前記選択周波数は、前記共振周波数である請求項１〜３の何れか一項に記載の車輪外力推定装置。
【請求項６】
前記ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間は、前記微分演算処理による前記共振周波数付近の周波数成分の位相進み時間以下である請求項１〜３の何れか一項に記載の車輪外力推定装置。
【請求項７】
前記処理遅れ時間は、前記微分演算処理による前記共振周波数の周波数成分の位相進み時間以下である請求項６記載の車輪外力推定装置。
【請求項８】
前記サスペンションは、前記車輪に連結されるサスペンションフレームと、前記車両ボデーと前記サスペンションフレームとを弾性的に連結するゴムマウントと、を備え、
前記センサは、前記ゴムマウントに作用する荷重に応じた出力信号を出力する請求項１記載の車輪外力推定装置。
【請求項９】
前記サスペンションは、前記車輪に連結されるサスペンションフレームと、前記車両ボデーと前記サスペンションフレームとを弾性的に連結するゴムマウントと、を備え、
前記センサは、前記車両ボデーに対する前記サスペンションフレームの相対変位量に対応する出力信号を出力する変位センサである請求項１記載の車輪外力推定装置。
【請求項１】
車輪に作用する外力を推定する車輪外力推定装置であって、
車両ボデーと前記車輪とを連結支持するサスペンションに作用する荷重に応じた出力信号を出力するセンサと、
前記出力信号に対して前記サスペンションの共振周波数以上の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタリング処理を行い、且つ、前記出力信号に対して微分演算して前記共振周波数を含む所定周波数帯内から選択された選択周波数に対応する角周波数により除算する微分演算処理を行い、前記共振周波数の周波数成分を含む第１信号を生成する第１信号生成部と、
前記出力信号から前記第１信号を除去した第２信号を生成する第２信号生成部と、
前記第２信号に基づき前記外力の推定値を演算する演算部と、
を備えることを特徴とする車輪外力推定装置。
【請求項２】
前記第１信号生成部は、
前記出力信号に対して前記ローパスフィルタリング処理を行いフィルタリング処理信号を生成するローパスフィルタリング処理部と、
前記フィルタリング処理信号に対して前記微分演算処理を行い前記第１信号を生成する微分演算処理部と、
を備える請求項１記載の車輪外力推定装置。
【請求項３】
前記第１信号生成部は、
前記出力信号に対して前記微分演算処理を行い微分演算処理信号を生成する微分演算処理部と、
前記微分演算処理信号に対して前記ローパスフィルタリング処理を行い前記第１信号を生成するローパスフィルタリング処理部と、
を備える請求項１記載の車輪外力推定装置。
【請求項４】
前記カットオフ周波数は、前記共振周波数の２倍近傍の周波数である請求項１〜３の何れか一項に記載の車輪外力推定装置。
【請求項５】
前記選択周波数は、前記共振周波数である請求項１〜３の何れか一項に記載の車輪外力推定装置。
【請求項６】
前記ローパスフィルタリング処理の処理遅れ時間は、前記微分演算処理による前記共振周波数付近の周波数成分の位相進み時間以下である請求項１〜３の何れか一項に記載の車輪外力推定装置。
【請求項７】
前記処理遅れ時間は、前記微分演算処理による前記共振周波数の周波数成分の位相進み時間以下である請求項６記載の車輪外力推定装置。
【請求項８】
前記サスペンションは、前記車輪に連結されるサスペンションフレームと、前記車両ボデーと前記サスペンションフレームとを弾性的に連結するゴムマウントと、を備え、
前記センサは、前記ゴムマウントに作用する荷重に応じた出力信号を出力する請求項１記載の車輪外力推定装置。
【請求項９】
前記サスペンションは、前記車輪に連結されるサスペンションフレームと、前記車両ボデーと前記サスペンションフレームとを弾性的に連結するゴムマウントと、を備え、
前記センサは、前記車両ボデーに対する前記サスペンションフレームの相対変位量に対応する出力信号を出力する変位センサである請求項１記載の車輪外力推定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−２９２５７５（Ｐ２００６−２９２５７５Ａ）
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１１４６０８（Ｐ２００５−１１４６０８）
【出願日】平成１７年４月１２日（２００５．４．１２）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月１２日（２００５．４．１２）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
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