Methods and vehicle dynamics control system for stabilizing the vehicle combination

本発明は、牽引車両とトレーラー又はセミトレーラーとからなるカー・トレーラー連結車を安定化させるための方法に関する。 さらに、本発明は、牽引車両とトレーラー又はセミトレーラーとからなるカー・トレーラー連結車を安定化させるための当該方法を実施するために適切な走行ダイナミクス制御システムに関する。

牽引車両とトレーラー又はセミトレーラーとからなるカー・トレーラー連結車は、規定の制限速度から不安定な走行性能を示し始める。 制限速度を上回ると、トレーラー又はセミトレーラーの振幅の増大と共に、それらの蛇行運動が生じる。 特にハイウェーで走行するとき、カー・トレーラー連結車はしばしば制限速度に達し、この結果、一部では重大な事故をもたらすトレーラーの蛇行運動が引き起こされる。 この理由は、安定化のために実行される操舵運動が、反応時間のため、蛇行運動に対し必要な位相関係になく、この結果、蛇行運動がある状況下で増幅されもするので、平均的な能力の操作者が、一般に、蛇行するカー・トレーラー連結車を十分な程度まで安定化させることができないからである。

カー・トレーラー連結車を安定化させるために、堅牢にカー・トレーラー連結車のヨー振動を検出し、運転者から独立して制動介入することによってカー・トレーラー連結車を安定化させる走行ダイナミクス制御システムが当該技術分野で公知である。 この安定化が行われるとき、カー・トレーラー連結車の速度が制限速度未満に減速される。 さらに、牽引車両の操舵可能な車輪の操舵角が操舵アクチュエータによって運転者から独立して設定される自動的な操舵介入、又はヨー振動を減衰するヨートルクを生成するために制動介入を使用することが知られている。 ヨートルクは、特に、検出された実際のヨーレイトと基準ヨーレイトとの間の偏差から決定され、この偏差は、通常、特に運転者によって要求される方向を表す操舵角信号に基づく車両モデルを使用して計算される。

しかし、この点に関し、基準ヨーレイトの計算に含まれる操舵角信号が、トレーラーの蛇行運動に起因する信号振動を示す可能性があるという問題に直面する。 信号振動は、特に、運転者又はカー・トレーラー連結車のヨー振動を補償するための操舵アクチュエータによって実行される操舵運動によって引き起こされることがある。 このことは、走行ダイナミクス制御を損ない、より詳細には、制御システムの誤った介入を引き起こすことがある。

上記のことに鑑みて、本発明の目的は、牽引車両とトレーラー又はセミトレーラーとを備えるカー・トレーラー連結車を安定化させるためのより信頼性の高い走行ダイナミクス制御を提供することである。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する方法によって、及び請求項１５の特徴を有する装置によって達成される。

したがって、冒頭に参照した種類の方法が、
−トレーラー又はセミトレーラーの蛇行運動に起因する信号振動を有する入力信号を検出するステップであって、信号振動が入力信号の基礎成分に重畳されるステップと、
−入力信号から基準信号を計算するステップであって、入力信号の基礎成分から決定される基準信号に、基準信号が近似的に一致するように計算が実行されるステップと、
−基準信号と検出された実際の信号との間の偏差に応じて補正変数を決定するステップと、
−決定された補正変数に従って牽引車両の車両状態に作用するステップと、によって実施されることが提案される。

さらに、牽引車両とトレーラー又はセミトレーラーとからなるカー・トレーラー連結車を安定化させるために、走行ダイナミクス制御システムが提供される。 走行ダイナミクス制御システムは、
−トレーラー又はセミトレーラーの蛇行運動に起因する信号振動を含む入力信号を感知するために使用されるセンサであって、信号振動が入力信号の基礎成分に重畳されるセンサと、
−入力信号から基準信号を計算するように設計される計算装置であって、入力信号の基礎成分から決定される基準信号に、基準信号が近似的に一致するように計算が実行される計算装置と、
−基準信号と検出された実際の信号との間の偏差に応じて補正変数を決定することができる制御装置と、
−決定された補正変数に従って牽引車両の車両状態に作用することができるアクチュエータとを備える。

有利には、本発明は、入力信号がトレーラー又はセミトレーラーの蛇行運動に起因する振動成分を含み、さらに、車両の適切な経路に関係している基礎成分を含むという事実に基づいている。 この入力信号に基づき、基準信号の計算は、入力信号の基礎成分から決定された基準信号に、基準信号が近似的に一致するように実行される。 これによって、車両の所望の適切な経路を反映する基準信号が得られる。 次に、この基準信号に基づき走行ダイナミクス制御操作を確実に実施することができる。

本発明の関連における信号振動は、直接的又は間接的にトレーラー又はセミトレーラーの蛇行運動に起因する入力信号の振動成分を意味する。 例えば、トレーラーの蛇行運動は、可能な入力信号として車両のヨーレイトに対し直接影響する。 例えば、カー・トレーラー連結車のヨー振動を補償するために操舵運動が実行される場合、操舵角に対し、間接的に作用する動作が行われる。 振動が重畳される基礎成分は、特に、車両の経路又は運転者によって所望される経路をそれぞれ反映する入力信号の残りの成分である。 例えば、車両が前方に真っ直ぐ走行しているとき、この成分もゼロ値を取ることがある。

本方法及び走行ダイナミクス制御システムの実施形態では、中間信号が補正ステップの入力信号から計算され、この中間信号が近似的に入力信号の基礎成分に一致すること、及び基準信号を決定するために中間信号が考慮されることが意図される。

中間信号は、少なくとも近似的に入力信号の基礎成分に一致するので、修正された入力信号から本実施形態の基準信号を決定することができる。 すなわち、基準信号の計算は、従来の計算と比較して、中間信号が決定される１つのみの追加の信号処理ステップを必要とするに過ぎない。

本方法及び走行ダイナミクス制御システムの実施形態により、基準信号が基準ヨーレイト信号であり、実際の信号はヨーレイトセンサによって感知される実際のヨーレイト信号であることが提示される。

好ましくは、基準ヨーレイトは本実施形態で計算され、これに基づきカー・トレーラー連結車が安定化する。

さらに、本方法及び走行ダイナミクス制御システムの実施形態は、車両モデルを使用して中間信号に応じて基準信号が計算されることを含む。

本方法及び走行ダイナミクス制御システムの実施形態では、入力信号が、操舵角センサによって感知される操舵角信号であることが提示される。

このように、本発明では、カー・トレーラー連結車のヨー振動を補償するための操舵運動に特に起因する振動成分を含む操舵角信号から、通常の方法で、基準ヨーレイト信号を決定することができる。 この動作では、操舵角信号からこの振動成分が除かれる。

本方法及び走行ダイナミクス制御システムの他の実施形態は、入力信号が実際の信号に対応し、中間信号が基準信号に対応することを特徴とする。

より詳しくは、本実施形態の基準ヨーレイト信号は、モデルベースの計算を実施することなく、上に言及した補正ステップで感知されたヨーレイト信号から直接決定することができる。

本実施形態は、基準信号と実際の信号との間の偏差が、トレーラー又はセミトレーラーの蛇行運動に起因する入力信号の振動成分に正確に一致するという特別な利点を含む。

本方法及び走行ダイナミクス制御システムの改良形態は、補正ステップで、入力信号の連続する極値の平均値が生成されること、及び中間信号が平均値に従って決定されることを特徴とする。

要求された経路に起因する基準信号の基礎成分は、この改良形態では、入力信号の連続する極値の平均値に基づき決定されることが好ましい。 信号振動は、この平均化演算を使用して入力信号から計算によって取り除かれる。

しかし、一般に、入力信号の２つの連続する極値の発生の間にはある間隔がある。

したがって、本方法及び走行ダイナミクス制御システムの実施形態では、中間信号又は基準信号が、ある時点に、当該時点の前に生成された平均値から外挿プロセスによって決定されることが提示される。

これにより、入力信号の２つの極値の発生の間においても信号振動が除かれた中間信号を実際に決定することが可能である。 より詳細には、２つの極値の発生の間に行われる信号変化をこのように考慮することができる。

さらに、本方法及び走行ダイナミクス制御システムの実施形態は、直近の過去に生成された平均値についてよりも、それ以前の過去に生成された平均値について、より小さい重み付け係数が、外挿プロセスの平均値に設けられることを含む。

これにより、さらに外挿品質の向上が可能である。

さらに、本方法及び走行ダイナミクス制御システムの改良形態は、中間信号がモデルベースのフィルタによって平均値から決定されることを特徴とする。

その包括的なパラメータ化特性のため、モデルベースのフィルタにより、一般に、中間信号を入力信号にどの程度近似させるべきかについて特に柔軟な調整が可能になる。

本方法及び装置の実施形態は、入力信号が制御変数と考えられ、中間信号が、フィルタのベースであるモデル内のモデル出力量と考えられることを特徴とする。

この関連のモデル出力量は、フィルタのベースであるモデルの出力量を意味し、出力量は、典型的にモデルベースのシステムの状態変数に関係する。 この場合、「制御変数」という用語は、特に、モデルの制御入力を表す変数を指す。

本方法及び装置の実施形態では、フィルタがカルマンフィルタであることが提示される。

さらに、本方法及び装置の実施形態では、補正変数が、車両の走行状態に作用するために運転者によって操作されることができる操作ハンドルに加えられる操舵トルクであることが意図される。 本方法及び装置の他の実施形態では、補正変数が、車両の走行状態に作用するために、操舵システム（重畳操舵システム、電気油圧式又は電気式操舵システム）の制御を可能にする追加の操舵角であることが提示される。

本発明は、特に、本実施形態において安定制御を可能にする。 この理由は、この場合、操舵ハンドルに加えられる操舵トルクのため、基準ヨーレイトの生成のために検出されかつ考慮される操舵角が、カー・トレーラー連結車の振動を補償するために設定されるという問題に直面することがあるからである。 この結果、制御装置で決定される補正変数それ自体は、基準変数を決定するために使用され、これにより、一般に不安定な制御がもたらされる。 しかし、本発明の基準ヨーレイトは、カー・トレーラー振動の振動を補償する操舵角の振動成分のため発生する振動成分を含まないように計算されるので、このような不安定性は本発明では生じない。

さらに、上に示した種類の方法を含むアルゴリズムを定義するコンピュータプログラムプロダクトが提供される。

本発明のこれらの及び他の利点、特別な特性及び適切な実施形態についても、例によって明瞭に、かつ例に関し図を参照して以下に説明する。

図１は、カー・トレーラー連結車を安定化させるための制御システムの第１の実施形態の概略ブロック図を示している。 カー・トレーラー連結車は、例えば、操縦可能な前輪と、牽引車両に結合されたトレーラーとを有する２つの車軸の四輪牽引車両を備える。 制御システムは、基本的に当業者に公知の方法でトレーラーの蛇行運動が検出される作動装置１０１を備える。 トレーラーの蛇行運動は、実際のヨーレイト信号

の評価のみを示している。 この信号は、図示していないヨーレイトセンサによって感知される。 追加して又は代わりに考慮することができる横加速度信号は、同様に図示していない横加速度センサによって感知することができる。

トレーラーの蛇行運動が作動装置１０１で検出されると、制御装置１０２が作動され、ここで基準ヨーレイト信号

との間の偏差

から補正変数が計算され、この補正変数に従って、牽引車両又はカー・トレーラー連結車の駆動性能にアクチュエータによって作用することができる。 作動機構は、スイッチ１０５によって図１に概略的に示されている。 図示した実施形態の制御装置１０２は、適応比例微分制御器（ＰＤ制御器）を含み、その制御器パラメータは、特に、車輪回転速度センサの信号から決定することができる車両速度υに、例えば、横加速度センサによって感知される横加速度α

_ｙに、ならびに測定変数を介して確立される牽引車両の横滑り角度βの推定変化率に適応させることができる。 一例として示した制御システムの実施形態では、制御器の出力量は追加の操舵角Δδであり、牽引車両の操縦可能な車輪におけるその設定は、カー・トレーラー連結車の安定化及びヨー振動を補償するヨートルクの発生をそれぞれもたらす。

追加の操舵角Δδは、車両の操舵可能な車輪の操舵アクチュエータを使用して実施形態に設定される。 これが行われるとき、追加の操舵角が、運転者によって設定された操舵角に重畳され、この結果、運転者操舵角と追加の操舵角との和をもたらす操舵角が操舵可能な車輪で達成される。 例えば、いわゆる重畳操舵システムを、本実施形態のアクチュエータとして使用することができる。 本発明の他の実施形態では、牽引車両の操舵系統内に操舵トルクを導入するために、アクチュエータが使用され、前記操舵トルクは、運転者によって操作される操舵ハンドルに特に加えられる。 この操舵トルクは、操舵運動の安定化を実行する方法に関する推奨案を牽引車両の運転者に提供する。 図２に示したように、操舵トルクΔＭは、追加の操舵角Δδに基づきトルク計算装置２０１で決定される。 追加の操舵角Δδは別として、好ましくは、操舵可能な車輪に設定される操舵角δ _Ｈは、操舵トルクΔＭを確立するときにも考慮される。 さらに、決定は、車両速度υ、横加速度α _ｙ及び横滑り角度βに応じて実行される。 横滑り角度を含めることが可能であるが、必要ではない。 操舵トルクΔＭを操舵系統に導入するためのアクチュエータは、例えば、制御装置１０２による外部作動用のインタフェースを含む電子サーボ操舵システムとして構成される。

なお別の実施形態では、ブレーキアクチュエータを使用して制動介入を実行し、カー・トレーラー連結車を安定化させることもできる。 この場合、制御器の出力量は、ブレーキアクチュエータによって設定される車輪の個々のブレーキ力の計算のために考慮されるヨートルクであることが好ましい。

図１に示した制御システムの実施形態の基準ヨーレイト

_Ｈから車両モデルに基づき計算装置１０４内で決定される。 操舵角信号は、牽引車両の操舵可能な車輪で又はハンドルで運転者によって設定された操舵角を示し、操舵角センサによって感知される。 さらに、車両速度υのような追加の入力量を基準ヨーレイト

の計算のために考慮することができる。 基本的に当業者に公知である牽引車両の直線的な単一トラックモデルのようなモデルを車両モデルとして使用することができる。

トレーラーの蛇行運動に起因するカー・トレーラー連結車の振動は、一般に、操舵角信号δ _Ｈにも反映される。 このことは、カー・トレーラー連結車を安定化させるために、操舵トルクが牽引車両の操舵系統に加えられる場合に特に当てはまる。 振動を減衰するために、この操舵トルクはまた、カー・トレーラー連結車のヨー振動に対し実質的に逆位相にある周期的に振動する経路を有する。 操舵トルクトレーラー振動の位相関係は、アクチュエータ（操舵システムの慣性）に左右される。 実際に振動に対し近似的に逆位相の車輪に生じる操舵角に対する位相変化が重要である。 操舵運動は操舵トルクに基づき実行されるので、操舵角信号δ _Ｈも振動を含む。 この操舵角信号に基づき、基準ヨーレイト信号が車両モデルを使用して計算された場合、これらの振動も基準ヨーレイト信号に確認され、したがって、基準ヨーレイト信号はそれぞれ、制御用の基準信号として使用できないか、あるいは補正変数の基準信号へのフィードバックのため、不安定な制御をもたらすであろう。

本発明は、カー・トレーラー連結車の振動によって作用を受けた車両量は、カー・トレーラー連結車の振動に起因する振動成分を含むという事実に基づいている。 この振動成分はそれぞれ、車両の実際の経路によってのみ又は運転者が所望する車両の経路によって作用を受ける基礎成分に重畳される。 図示の目的で、図３は、牽引車両の測定されたヨーレイト

は、カー・トレーラー連結車の振動によって決定された振動成分と、車両の経路を反映する基礎成分との重畳によって達成される。 この成分は、曲線

によって図３に示されている。 特に、操舵トルクが操舵系統に導入される本発明の実施形態では、測定された操舵角信号は、基本的に、実際のヨーレイト信号

と同様の振動変化を有し、この場合、振動成分は、運転者によって要求される経路に対応する基礎成分に重畳される。

したがって、基準ヨーレイトの対応する基礎成分に対応する基準ヨーレイト信号

_Ｈは、ブロック４０１に送られる。 操舵角信号δ

_Ｈの振動成分を含まず、かつ運転者によって要求される方向を表す操舵角信号δ

_Ｈの基礎成分に近似的に一致する中間信号δ

_Ｈ．

_ｃｏｒｒは、操舵角信号に基づき、さらに説明する方法でブロック４０１で計算される。 次に、中間信号δ

_Ｈ．

_ｃｏｒｒは、車両モデルを使用して基準ヨーレイト信号ψ

_{ｒｅｆ，ｃｏｒｒ}を計算するためにブロック４０２で考慮される。

図５では、基準ヨーレイト信号

から計算装置５０１で計算される制御システムの他の実施形態が示されている。 さらに説明する方法で、振動成分を含まず、したがって、実際のヨーレイト信号

の基礎成分に対応する基準ヨーレイト信号

が、振動成分を含む実際のヨーレイト信号

から計算装置５０１で計算される。 他の点では、制御システムは図１に示したシステムに対応する。 したがって、本実施形態の基準ヨーレイト信号は、実際のヨーレイト信号

の基礎成分に対応する。 次に、カー・トレーラー連結車は、出現するヨー振動を除いて安定して移動していることが想定される。 本実施形態の利点は、偏差

がカー・トレーラー連結車のヨー振動を正確に反映することにある。

図６に基づき、操舵角信号δ _Ｈからの又は実際のヨーレイト信号

_Ｈ又は実際のヨーレイト信号

であることができる。 信号Ｙの振動は、図６にも示されている基礎信号Ｙ

_{Ｂａｓｉｓ}に重畳される。 補正された信号Ｙ

_ｃｏｒｒを使用して基礎信号Ｙ

_{Ｂａｓｉｓ}を近似計算するために、信号のそれぞれ連続する局所極値が感知され、この場合、図では、特に局所極小値Ｙ

_ｉ−１は、一例として時間ｔ

_ｉ−１でプロットされ、次の局所最大値Ｙ

_ｉは時間ｔ

_ｉでプロットされている。 次に、信号の２つの連続する局所極値を有する対について平均値が生成され、この場合、局所極小値Ｙ

_ｉ−１及び局所最大値Ｙ

_ｉの平均値、次式、

が一例として図にプロットされている。 この場合、平均値は、補正された信号Ｙ

_ｃｏｒｒの値を表している。 図示した典型的な実施形態では、平均値は、１対の連続する極値の第２の局所極値の出現の時間における信号Ｙ

_ｃｏｒｒの値として設定され、この結果、信号値

は、信号Ｙ

_ｃｏｒｒについて特に時間ｔ

_ｉに設定される。 しかし、基本的に、２つの連続する局所極値の出現の間の任意の所望の時間に信号値として設定することが可能である。

さらに、１対の第２の局所極値は、局所極値の次の対の第１の局所極値を表し、この次の対から、計算すべき信号Ｙ _ｃｏｒｒについて上に説明した方法で、再び信号値が決定される。 すなわち、例えば、時間ｔ _ｉにおける局所最大値Ｙ _ｉにより、さらに時間ｔ _ｉ＋１における最小値Ｙ _ｉ＋１を含む１対の第１の局所極値が生成される。

平均値、次式、

_ｉ＋１について設定される補正された信号の他の信号値を表す。 したがって、基準点、

は、信号Ｙの連続する極値対から信号Ｙ

_ｃｏｒｒについて連続して計算される。

基準点の計算後に、かつ次の基準点の計算まで、信号Ｙ _ｃｏｒｒは、以前にすでに決定された基準点によって外挿されることが好ましい。 この場合、規定順序の多項式のような関数のパラメータが、以前に確立された基準点によって決定される。 次に、先行する基準点の計算後の時間における信号値は、決定された関数の関数値として達成される。 さらに、最近の過去の基準点よりも、より以前の過去の基準点により低い重みを割り当てる重み付け係数をパラメータの決定に使用することが好ましい。 しばしば「忘却係数」と称されるこの種類の重み付け係数により、外挿の際に、より以前の過去の基準点をそれほど決定的に考えなくてもよいことが可能である。 同時に、元の信号Ｙがより大きく考慮される。

実際のヨーレイト信号

を直接決定するために特に適切な他の実施形態では、補正された信号は、ＰＤＴ

_２又はＰＴ

_２動的挙動によって特徴づけられる車両の単一トラックモデルに基づきカルマンフィルタによって計算される。 公知のように、カルマンフィルタアルゴリズムは、一般に、各々の計算サイクルで１つの予測ステップ及び１つの補正ステップを含む。 サイクルκでは、先行するサイクルκ−１で確立された状態推定

から、ならびに時間κにおける制御入力ｕ

_κの値からの状態推定

が、予測ステップ内で次式のように計算される。

この場合のＡは、システムの動的挙動を表すシステムマトリックスを示している。 本発明の関連で、ＰＤＴ _２動的挙動を有する車両の単一トラックモデル、又はＰＴ _２挙動を有するモデルが想定される。 動的挙動はマトリックスＡの構造を固定する。 マトリックスに含まれる具体的なパラメータ値は、それぞれの車両に適合されなければならず、例えば、これは走行テスト時に実行することができる。 補正された信号Ｙ _ｃｏｒｒは、本発明の関連で推定されるべきシステム状態に対応する。 動的挙動のため、状態式は、基本的に当業者に公知である方法に従って連立一次方程式に変換される１次元の状態変数に関する２次の差分方程式である。 状態ベクトルは、時間κにおける信号値Ｙ _ｃｏｒｒ （κ）に加えて、時間κ−１における信号値も含む。 したがって、式（３）の状態ベクトルは２次元であり、マトリックスＡは２×２マトリックスである。 測定信号Ｙは制御入力ｕ _κとして使用される。 システム状態の推定は別として、正しくない評価に関する予測

_ｋ−１ ）から決定され、

この場合、マトリックスＱはシステムノイズを表し、適切に選択される。

カルマンフィルタアルゴリズムの補正ステップで、最初にいわゆるカルマン増幅Κ _κが次式によって計算され、

さらに、状態の現在の推定レイト

この場合、測定変数ｙ

_κは、サイクルκで決定された平均値に対応する。 さらに、次のサイクルの予測ステップで使用されるべき誤差共分散マトリックスＰ

_κは、補正ステップで次式によって計算される。

このように、例示したカルマンフィルタを使用して、入力信号Ｙの信号振動が除かれた基礎信号Ｙ _ｃｏｒｒを近似的に決定することができる。 外挿と比較して、カルマンフィルタは有利であるが、この理由は、測定ノイズ（マトリックスＲ）及びシステムノイズ（マトリックスＱ）を適切に選択することにより、信号Ｙ _ｃｏｒｒを測定信号Ｙにどの程度適応させるべきかについて、特に柔軟に調整することができるからである。 さらに、時間の関数としての平均値の重み付けは、忘却係数の形態でカルマンフィルタで行うことができる。 上に述べたように、カルマンフィルタは、実際のヨーレイト信号

を直接決定するために特に適切である。

本発明は、操舵システムに介入することによって又は車輪の個々の制動介入によって、トレーラー又はセミトレーラーの蛇行運動の場合にカー・トレーラー連結車を安定化させるために使用することができる制御システムを提供する。 カー・トレーラー連結車の振動には、規定制限速度の上方で直面するので、いずれにせよ、実施形態において、継続する安定化を達成するためにカー・トレーラー連結車の振動が現れるときに、カー・トレーラー連結車の速度が制動介入によって制限速度未満に減速されることが提供される。 操舵システムへの安定化介入にもかかわらず、カー・トレーラー連結車のヨー振動が検出されるときに、特にこの種類の制動介入を実行することができる。

第１の実施形態の制御システムのブロック図である。

蛇行トレーラーを有するまた有しない牽引車両の運転操作中のヨーレイトの変化を表した図面である。

第１の実施形態の制御システムの計算ユニットのブロック図である。

第２の実施形態の制御システムの計算ユニットのブロック図である。

振動信号からの振動が除かれた信号の決定を示した図面である。