CN103717469B - 路面状态估计方法和路面状态估计设备 - Google Patents

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Abstract

为了提供可以使用簧下加速度和车轮速度的数据来精确地估计行驶期间的路面状态的方法和使用该方法的装置，利用安装至作为车辆簧下组件的转向节(31)的加速度传感器(11)来检测簧下前后加速度(Gx)，并且检测车轮速度(Vw)以计算车轮速度的变化量(ΔVw)。之后，计算车轮速度的变化量的变动范围(σ(ΔVw))和簧下前后加速度的变动范围(σ(Gx))。基于车轮速度的变化量的变动范围(σ(ΔVw))和簧下前后加速度的变动范围(σ(Gx))来估计路面是凹凸较多的路面还是平滑道路。

Description

路面状态估计方法和路面状态估计设备
技术领域
本发明涉及用于估计行驶期间的路面状态的方法和设备。
背景技术
为了提高车辆的行驶稳定性，期望精确地估计路面状态或轮胎的接地状态并将如此获得的数据反馈至车辆控制。如果可以及时地估计路面状态或轮胎的接地状态，则在采取诸如制动、加速或转向等的任何危险避免动作之前，可以使诸如ABS(防抱死制动系统)等的高级控制进行工作。利用这种设施，车辆运行的安全性将显著提高。
提出了用于估计路面状态的多个方法。在这些方法(例如，参见专利文献1)其中之一中，路面状态估计用轮胎具有按特定间距P形成的各自包含该轮胎的胎肩区域中沿轮胎圆周方向延长的刀槽的可变形结构区域。利用加速度传感器来检测行驶中的轮胎胎面的振动以获取振动频谱，并且同时利用车轮速度传感器来测量车轮速度。然后根据基于车轮速度传感器所测量到的车轮速度和间距P所计算出的检测频率处的由于可变形结构区域而引起的振动水平的大小来估计路面状态。
此外，提出了用于使用车轮运动状态量来估计车轮的接地性的方法(例如，参见专利文献2)。如专利文献2所述，通过从车轮速度提取簧下共振频率范围中的振动成分来进行FFT分析。然后将该分析中所获得的频率成分的增益的最大值Gv与预定基准值Gv0进行比较。在增益的最大值Gv大于基准值Gv0的情况下，将车轮的接地性判断为差，并且在增益的最大值Gv小于基准值Gv0的情况下，将车轮的接地性判断为好。
此外，公开了各种路面形状检测设备。在这些路面形状检测设备(例如，参见专利文献3)其中之一中，利用安装至左右车轮的车辆簧下部的加速度传感器来检测车辆经过路面突起时车辆簧下部的振动。同时，计算簧下振动的最大值和最小值之间的差Ap-p。然后使用该最大值和最小值之间的差Ap-p、以及表示预先确定的路面突起高度X1和路面突起宽度X2与最大值和最小值之差Ap-p之间的关系的多元回归方程来估计路面突起高度X1和路面突起宽度X2。注意，这里多元回归方程是针对各车轮速度所确定的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-274906
专利文献2：日本特开平8-15069
专利文献3：日本专利3186474
发明内容
发明要解决的问题
然而，使用所述路面状态估计用轮胎的方法提出了由于针对胎面花纹的特定限制而使得胎面花纹设计的自由度降低的问题。
此外，用于通过使用车轮运动状态量来估计车轮的接地性的方法仅依赖于实际用作车轮运动状态量的车轮速度。结果，如果要确保路面状态的估计精度，则必须添加轮胎或悬架的信息。
此外，用于检测车辆簧下振动的方法使用车辆经过路面突起的情况下发生的约为11～12Hz的簧下共振。因此，尽管可以估计瞬态的路面突起的形状，但难以估计与路面的滑溜有关的路面属性。
本发明是有鉴于上述问题而作出的，并且本发明的目的是提供一种用于使用簧下前后加速度和车轮速度数据来精确地估计行驶期间的路面状态的方法和设备。
用于解决问题的方案
通过系统彻底的研究，本发明人基于以下发现得到了本发明：车轮速度Vw的变化量ΔVw和车辆簧下前后加速度Gx彼此成比例关系。车轮速度Vw的变化量ΔVw的变动范围σ(ΔVw)和簧下前后加速度Gx的变动范围σ(Gx)之间的关系依赖于路面状态、特别由于路面的凹凸所引起的振动g的变动范围σ(g)。因此，可以通过检测车轮速度Vw和车辆簧下前后加速度Gx、并且求出车轮速度Vw的变化量ΔVw的变动范围σ(ΔVw)的大小和簧下前后加速度Gx的变动范围σ(Gx)的大小之间的关系，来精确地估计行驶期间的路面状态。
因此，本发明提供一种方法，包括以下步骤：利用安装至车辆的簧下位置的加速度传感器来检测簧下前后加速度Gx；检测车轮速度Vw；计算所检测到的所述车轮速度的变化量ΔVw；计算所计算出的所述车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和所检测到的所述簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)；以及根据所述车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和所述簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)之间的关系，来估计路面状态。
在路面的凹凸大的情况下，σ(Gx)将大于根据σ(ΔVw)所预期的σ(Gx)。因而，可以容易地估计为行驶期间的路面是诸如排水性铺设道路等的凹凸较多的路面、或诸如干燥铺设道路等的凹凸较少的平滑道路。
应当注意，可用作车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和簧下前后加速度Gx的变动范围σ(Gx)的量是预定时间(例如，0.5秒)内的ΔVw的数据、以及诸如假定Gx的数据采用高斯分布的情况下的标准偏差σ或半值宽度等的表示数据变化的任何量。
此外，本发明提供如下方法，其中：在估计所述路面状态的步骤中，在所计算出的所述簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)等于或小于通过将所述车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)代入变动范围判断公式所获得的簧下前后加速度的变动范围的计算值的情况下，估计为行驶期间的路面是平滑道路，其中所述变动范围判断公式表示所述簧下前后加速度的变动范围和所述车轮速度的变化量的变动范围之间的预先确定的关系(参见以下的等式(1))。
σ(Gx)＝K·σ(ΔVw)+σ(g)(1)
因而，通过使车辆在各种路面上运行来预先求出表示簧下前后加速度的变动范围和车轮速度的变化量的变动范围之间的关系的变动范围判断公式。然后，使用该变动范围判断公式来估计路面状态。因此，可以精确地估计行驶期间的路面是凹凸较多的路面还是平滑道路。
此外，本发明提供如下方法，其中：在估计所述路面状态的步骤中，在所述车轮速度的变化量的变动范围超过预先确定的最大车轮速度变化量变动范围的情况下、或者在所计算出的所述簧下前后加速度的变动范围超过预先确定的最大加速度变动范围的情况下，估计为行驶期间的路面是不平整道路。
“不平整道路”是诸如未铺设道路或出现裂缝的路面、或者凹凸多且不平整因而不能获得正常接地性的冰霜状积雪路面等的路面。在行驶期间的路面是不平整道路的情况下，车轮速度的变动范围和簧下前后加速度的变动范围其中之一或这两者可能变大。因而，如果将路面分类为不平整道路、凹凸较多的道路和平滑道路这三类，则可以进一步提高估计行驶期间的路面状态的精度。
此外，本发明提供如下方法，其中该方法还包括以下步骤：除了所述簧下前后加速度Gx以外，还检测作为车辆簧下的横向加速度的簧下横向加速度Gy；计算所述簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)；以及根据所计算出的所述簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)和所述簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)之间的关系，来判断所估计出的平滑道路是否是干燥铺设道路。
因而，通过研究簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)的大小和簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)的大小之间的关系，可以判断所估计出的平滑道路是平滑的干燥铺设道路还是平滑的结冰道路。因此，可以以较大的精度估计行驶期间的路面状态。
此外，本发明提供如下方法，其中该方法还包括以下步骤：除了所述簧下前后加速度Gx以外，还检测作为车辆簧下的横向加速度的簧下横向加速度Gy；计算所述簧下前后加速度和所述簧下横向加速度的积Gx×Gy的绝对值|Gx×Gy|、以及所述簧下前后加速度的绝对值|Gx|和所述簧下横向加速度的绝对值|Gy|的积|Gx|×|Gy|；以及根据所计算出的|Gx×Gy|和|Gx|×|Gy|之间的关系，来判断所估计出的平滑道路是否是干燥铺设道路。
因而，通过研究|Gx×Gy|的大小和|Gx|×|Gy|的大小之间的关系，可以判断所估计出的平滑道路是平滑的干燥铺设道路还是平滑的结冰道路。因此，可以以较大的精度估计行驶期间的路面状态。
此外，本发明提供如下方法，其中：估计所述路面状态的步骤还包括以下步骤：根据所述车轮速度的变化量的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围之间的关系，来估计行驶期间的路面是否是凹凸路面；以及在所估计出的路面是凹凸路面的情况下，计算作为通过对所检测到的所述簧下前后加速度进行频率分析所获得的频谱的频带200Hz～230Hz内的峰值位置处的频率的峰值频率，并且根据所述峰值频率和所述车轮速度来估计凹凸路面是否是滑溜路面，其中，在估计行驶期间的路面是否是凹凸路面的步骤中，在所计算出的所述簧下前后加速度的变动范围超过通过将所述车轮速度的变化量的变动范围代入变动范围判断公式所获得的簧下前后加速度的变动范围的计算值的情况下，估计为行驶期间的路面是凹凸路面，其中所述变动范围判断公式表示所述簧下前后加速度的变动范围和所述车轮速度的变化量的变动范围之间的预先确定的关系，以及在估计凹凸路面是否是滑溜路面的步骤中，在所检测到的所述峰值频率小于通过将所检测到的所述车轮速度代入频率判断公式所获得的峰值频率的计算值的情况下，估计为凹凸路面是路面摩擦系数μ小于0.3的滑溜路面，其中所述频率判断公式表示所述峰值频率和所述车轮速度之间的预先确定的关系。
注意，“凹凸路面”是作为不能获得正常接地性的路面的不平整道路和作为诸如干燥铺设道路等的凹凸较少的路面的平滑道路之间的中间路面。“凹凸的路面”是指“凹凸较多的路面”。
如果路面的凹凸大，则σ(Gx)将大于根据σ(ΔVw)可以预期的σ(Gx)。因此，可以容易地估计行驶期间的路面是诸如排水性铺设道路等的凹凸路面还是诸如干燥铺设道路等的凹凸较少的平滑道路。
此外，在路面是凹凸路面的情况下，根据作为通过对簧下前后加速度进行频率分析所获得的频谱的频带200Hz～230Hz内的峰值位置处的频率的峰值频率fp以及车轮速度Vw来估计凹凸路面是否是滑溜路面。因此，可以精确地估计凹凸路面是诸如排水性铺设道路等的不太滑溜的路面还是诸如积雪道路等的滑溜路面。
注意，变动范围判断公式例如是通过使车辆在各种路面上行驶所求出的表示车轮速度的变化量的变动范围和簧下前后加速度的变动范围之间的关系的一次表达式(参见以下的等式(1))。
σ(Gx)＝K·σ(ΔVw)+σ(g)(1)
此外，注意，频率判断公式例如是通过使车辆在排水性铺设道路和积雪道路上行驶所求出的表示峰值频率fp和车轮速度Vw之间的关系的一次表达式(参见以下的等式(2))。
fp＝a·Vw+b(2)
此外，可用作车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和簧下前后加速度Gx的变动范围σ(Gx)的量是预定时间(例如，0.5秒)内的ΔVw的数据、以及诸如假定Gx的数据采用高斯分布的情况下的标准偏差σ或半值宽度等的表示数据变化的任何量。
此外，本发明提供如下方法，其中：在估计行驶期间的路面是否是凹凸路面的步骤中，在所计算出的所述车轮速度的变化量的变动范围超过预先确定的最大车轮速度变化量变动范围的情况下、或者在所述簧下前后加速度的变动范围超过预先确定的最大加速度变动范围的情况下，估计为行驶期间的路面是不平整道路。
这里，“不平整道路”是如前面所述不能获得正常接地性的路面。在行驶期间的路面是不平整道路的情况下，车轮速度的变化量的变动范围和簧下前后加速度的变动范围其中之一或这两者将变大。
因而，在σ(ΔVw)>σAM或σ(Gx)>σGM的情况下，估计为路面是不平整道路，由此将该路面与诸如排水性铺设道路或积雪道路等的凹凸路面区别开。
因此，可以可靠地估计为行驶期间的路面是不平整道路。
此外，本发明提供一种实现路面状态估计方法的路面状态估计设备。所述设备包括：簧下前后加速度检测部件，其配置在车辆的簧下位置处，并且用于检测簧下前后加速度Gx；车轮速度检测部件，用于检测车轮速度Vw；车轮速度变化量计算部件，用于计算所检测到的所述车轮速度的变化量ΔVw；变动范围计算部件，用于计算所述车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和所述簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)；存储部件，用于存储表示所述车轮速度的变化量的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围之间的预先确定的关系的变动范围判断公式(σ(Gx)＝K·σ(ΔVw)+σ(g))；以及路面状态估计部件，用于使用所计算出的所述车轮速度的变化量的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围以及所述变动范围判断公式，来估计行驶期间的路面状态。
通过采用如上所述的结构，可以实现能够容易地估计行驶期间的路面是诸如排水性铺设道路等的凹凸较多的路面、还是诸如干燥铺设道路等的凹凸较少的平滑道路的路面状态估计设备。
此外，本发明提供如下路面状态估计设备，其中，还包括：簧下横向加速度检测部件，其配置在车辆的簧下位置处，并且用于检测簧下横向加速度Gy；以及簧下横向加速度变动范围计算部件，用于计算所检测到的所述簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)，其中，所述路面状态估计部件根据所计算出的所述簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)和所述簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)之间的关系，来判断所估计出的路面是否是干燥铺设道路。
这样使得可以确定地判断所估计出的路面是平滑的干燥铺设道路还是平滑的结冰道路。
此外，本发明提供如下路面状态估计设备，其中，还包括：簧下横向加速度检测部件，其配置在车辆的簧下位置处，并且用于检测簧下横向加速度Gy；以及加速度积计算部件，用于计算所述簧下前后加速度Gx和所述簧下横向加速度Gy的积的绝对值|Gx×Gy|、以及所述簧下前后加速度的绝对值|Gx|和所述簧下横向加速度的绝对值|Gy|的积|Gx|×|Gy|，其中，所述路面状态估计部件根据|Gx×Gy|和|Gx|×|Gy|之间的关系，来判断所估计出的路面是否是干燥铺设道路。
这样使得可以确定地判断所估计的路面是平滑的干燥铺设道路还是平滑的结冰道路。
此外，本发明提供如下路面状态估计设备，其中，还包括：频率分析部件，用于对所检测到的所述簧下前后加速度进行频率分析；以及峰值频率计算部件，用于计算作为通过所述频率分析所获得的频谱的频带200Hz～230Hz内的峰值位置处的频率的峰值频率，其中，所述存储部件还存储预先确定的所述车轮速度的最大变动范围、预先确定的所述簧下前后加速度的最大变动范围、以及表示所述簧下前后加速度的变动范围和所述车轮速度的变化量的变动范围之间的关系的变动范围判断公式，在所计算出的所述簧下前后加速度的变动范围大于通过将所述车轮速度的变化量的变动范围代入所述变动范围判断公式所获得的簧下前后加速度的变动范围的计算值、并且所述车轮速度的变化量的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围分别小于所述车轮速度的变化量的最大变动范围和所述簧下前后加速度的最大变动范围的情况下，所述路面状态估计部件判断为路面是凹凸路面，以及在所判断出的路面是凹凸路面的情况下，在所检测到的所述峰值频率小于通过将所检测到的所述车轮速度代入频率判断公式所获得的峰值频率的计算值时，所述路面状态估计部件估计为凹凸路面是路面摩擦系数μ小于0.3的滑溜路面，其中所述频率判断公式表示所述峰值频率和所述车轮速度之间的预先确定的关系。
结果，可以精确地估计行驶期间的路面是否是凹凸路面。同时，在路面是凹凸路面的情况下，可以容易地估计该路面是否是滑溜路面。
此外，应当理解，本发明的前述发明内容并非必须陈述本发明的所有本质特征，并且所有这些特征的子组合均意图包括在本发明中。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式1的路面状态估计设备的结构的图。
图2是示出车轮速度的变化量的变动范围和簧下前后加速度的变动范围之间的关系的图。
图3是示出根据本发明的实施方式2的路面状态估计设备的结构的图。
图4是示出簧下前后加速度的变动范围和簧下横向加速度的变动范围之间的关系的图。
图5是示出根据本发明的实施方式3的路面状态估计设备的结构的图。
图6是示出簧下前后加速度的变动范围和簧下横向加速度之积的平均值的绝对值与簧下前后加速度的变动范围的绝对值和簧下横向加速度的绝对值之积的平均值之间的关系的图。
图7是示出根据本发明的实施方式4的路面状态估计设备的结构的图。
图8是示出簧下前后加速度的频谱的示例的图。
图9是示出车轮速度和峰值频率之间的关系的图。
具体实施方式
以下将基于并不意图限制本发明的权利要求书的范围而是例示本发明的优选实施方式来说明本发明。这些实施方式中所述的所有特征及其组合对于本发明而言并非全部是必要技术特征。
实施方式1
图1是根据本发明的实施方式1的路面状态估计设备10的功能框图。
路面状态估计设备10包括作为簧下前后加速度检测部件的加速度传感器11、作为车轮速度检测部件的车轮速度传感器12、车轮速度变化量计算部件13、变动范围计算部件14、存储部件15和路面状态估计部件16。注意，车轮速度变化量计算部件13～路面状态估计部件16的各部件例如可以由计算机软件构成。
如图1所示，安装至转向节31的加速度传感器11检测簧下前后加速度Gx。转向节31是车轮单元30的非转动侧构件(车辆簧下构件)，其中车轮单元30经由轴承连接至连同装配有轮胎T的车轮32一起转动的轮毂33。转向节31利用诸如减震器34等的悬架构件悬挂至未示出的车体。
车轮速度传感器12检测车轮的转动速度Vw(以下称为车轮速度)。在本实施方式中采用用于检测车轮的转动角度的众所周知的电磁感应型车轮速度传感器，其中该车轮速度传感器配备有：转子，其外周部上形成有齿轮齿并且连同车轮一起转动；磁轭，其与转子组合构成磁电路；以及线圈，用于检测磁电路的磁通量变化。磁轭和线圈安装在转向节31上。
在本实施方式中，如后面所述，要使用的车轮速度Vw的数据和簧下前后加速度Gx的数据分别是在对车轮速度传感器12和加速度传感器11的采样输出进行A/D转换之后的值，从而使得能够计算变动范围σ(ΔVw)和σ(Gx)。
应当注意，对于在用于控制车辆的运行状态的车辆控制部件中形成有诸如CAN(控制器区域网)等的网络的车辆，优选从该网络获得车轮速度Vw的数据。
车轮速度变化量计算部件13计算作为车轮速度传感器12所检测到的车轮速度Vw的变化量的车轮速度的变化量ΔVw。作为车轮速度的变化量ΔVw，可以使用采样点之间的差。
变动范围计算部件14计算加速度传感器11所检测到的簧下前后加速度Gx的变动范围σ(Gx)和车轮速度变化量计算部件13所计算出的车轮速度的变化量ΔVw的变动范围σ(ΔVw)。由于可以通过高斯分布来近似预定时间T(例如，T＝0.5秒)的簧下前后加速度Gx的数据和车轮速度的变化量ΔVw的数据，因此在本实施方式中使用变动范围σ(Gx)作为各分布的标准偏差σ。
应当注意，可以作为表示预定时间长度内的数据变化的任何量的变动范围σ例如可以是半值宽度或2σ。
存储部件15存储预先确定的簧下前后加速度的变动范围的最大值σGM、预先确定的车轮速度的变化量的变动范围的最大值σAM、作为一次表达式(参见以下的等式1)的变动范围判断公式，其中该一次表达式表示预先确定的车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)之间的关系。
σ(Gx)＝K·σ(ΔVw)+σ(g)(1)
其中，K是比例系数并且σ(g)是一次表达式的截距。
变动范围判断公式(1)是使用通过使车辆在各种路面上运行所求出的σ(Gx)和σ(ΔVw)的数据所获得的表达式。使用这些数据，还可以设置簧下前后加速度的变动范围的最大值σGM和车轮速度的变化量的变动范围的最大值σAM。
路面状态估计部件16使用变动范围计算部件14所计算出的簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)和车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)、从存储部件15取出的簧下前后加速度的变动范围的最大值σGM和车轮速度的变化量的变动范围的最大值σAM、以及表示车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)之间的关系的变动范围判断公式，来估计行驶期间的路面状态。
更具体地，在σ(Gx)≤K·σ(ΔVw)+σ(g)的情况下、即在所计算出的簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)为通过将所计算出的车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)代入变动范围判断公式(1)所计算出的簧下前后加速度的变动范围的计算值(σcal(Gx)＝K·σ(ΔVw)+σ(g))以下的情况下，路面状态估计部件16估计为路面是诸如干燥铺设道路等的凹凸少的平滑道路，或者在计算值σ(Gx)超过计算值σcal(Gx)的情况下，路面状态估计部件16估计为行驶期间的路面是诸如排水性铺设道路等的凹凸较多的路面。
在本实施方式中，在簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)超过簧下前后加速度的变动范围的最大值σGM、或者车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)超过车轮速度的变化量的变动范围的最大值σAM的情况下，路面状态估计部件16判断为路面是诸如未铺设道路或出现裂缝的路面、或者凹凸多且不平整因而不能获得正常接地性的冰霜状积雪路面等的不平整路面。因而，路面状态估计部件16将该路面与诸如排水性铺设道路等的凹凸较多的路面区别开。因此，路面状态估计部件16可以将路面状态估计为平滑道路、凹凸较多的路面和不平整道路这三种状态其中之一。
接着说明用于使用路面状态估计设备10来估计路面状态的方法。
首先，加速度传感器11检测作为作用于转向节31的前后加速度的簧下前后加速度Gx并将该数据发送至变动范围计算部件14。同时，车轮速度传感器12检测车轮速度Vw并将该数据发送至车轮速度变化量计算部件13。
车轮速度变化量计算部件13计算作为车轮速度Vw的变化量的车轮速度的变化量ΔVw，并将该数据发送至变动范围计算部件14。
变动范围计算部件14分别计算簧下前后加速度Gx的变动范围σ(Gx)和车轮速度变化量计算部件13所计算出的车轮速度的变化量ΔVw的变动范围σ(ΔVw)，并将这些数据发送至路面状态估计部件16。
路面状态估计部件16使用簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)和车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)、簧下前后加速度的变动范围的最大值σGM和车轮速度的变化量的变动范围的最大值σAM、以及表示车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)之间的关系的变动范围判断公式，来将行驶期间的路面状态估计为平滑道路、凹凸较多的路面和不平整道路其中之一。更具体地，按照如下进行该估计。
A：σ(ΔVw)>σAM或者σ(Gx)>σGM：不平整道路
B：σ(Gx)>K·σ(ΔVw)+σ(g)：凹凸较多的路面
C：σ(Gx)≤K·σ(ΔVw)+σ(g)：平滑道路
因而，使用根据本发明的实施方式1的路面状态估计设备10，可以在无需将传感器安装至轮胎的情况下容易地检测路面的属性、例如该路面是不平整道路那样的颠簸路面还是平滑道路那样的凹凸少的路面。
在上述实施方式1中，根据车轮速度传感器12的输出来求出车轮速度Vw。然而，应当注意，对于在用于控制车辆的行驶状态的车辆控制部件中形成有信息系统(示例：CAN(控制器区域网络))的车辆，优选从该信息系统获得车轮速度Vw。这将使该设备进一步简化。
实施例1
准备了左前轮装配有轮胎大小为225/55R17的无钉防滑轮胎且左前轮的转向节安装有加速度传感器的车辆。使该车辆以预定速度(30km/h～80km/h)在平滑道路(平滑铺设道路和结冰道路)、凹凸较多的路面(排水性铺设道路)和不平整道路上行驶，以研究所计算出的车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)之间的关系。在图2的(a)和(b)中示出这些结果。
注意，变动范围的数据是针对每6.5米的行驶所计算出的。
此外，左轮的车轮速度信息是从车辆信息系统(CAN的线路)获取到的。
在图2的(a)和(b)中，横轴表示σ(ΔVw)，并且纵轴表示σ(Gx)。颜色较浅的圆形代表平滑铺设道路的数据，颜色较深的圆形代表结冰道路的数据，较小的正方形代表排水性铺设道路的数据，并且较大的正方形代表不平整道路的数据。
(b)图是(a)图的原点附近的放大图，并且该图中的粗点划线所示的直线是示出σ(ΔVw)和σ(Gx)之间的关系的变动范围判断公式。通过该图清楚可见，平滑道路的数据大部分分布在变动范围判断公式的下侧，而凹凸较多的路面的数据大部分分布在变动范围判断公式的上侧。因此，确认出：通过研究车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)之间的关系，可以将行驶期间的路面估计为诸如干燥铺设道路等的凹凸少的平滑道路或诸如排水性铺设道路等的凹凸较多的路面。
此外，如图2的(a)和(b)所示，不平整道路的数据分布在利用点划线包围的区域R0的外侧、即车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)大的区域或簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)大的区域。
因此，还确认出：通过适当地设置车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)的最大值σAM和簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)的最大值σGM，可以可靠地估计路面是否是诸如未铺设道路或出现裂缝的路面、或者凹凸多且不平整因而不能获得正常接地性的冰霜状积雪路面等的不平整路面。
实施方式2
在上述实施方式1中，将行驶期间的路面状态估计为平滑道路、凹凸较多的路面和不平整道路其中之一。然而，如图3所示，可以使用在转向节31上配备有用于检测簧下前后加速度的加速度传感器11和作为簧下横向加速度检测部件的第二加速度传感器11Y的路面状态估计设备10Y，来估计上述实施方式1中所估计出的平滑道路是路面摩擦系数μ大(μ>0.7)的平滑铺设道路还是路面摩擦系数μ小(μ<0.2)的平滑结冰道路(冰坡)。
注意，作为加速度传感器11，可以使用能够检测两个方向上的加速度、即簧下前后加速度Gx和簧下横向加速度Gy的加速度传感器。
路面状态估计设备10Y相对于实施方式1的路面状态估计设备10还配备有：第二加速度传感器11Y，用于检测车辆簧下的横向加速度(簧下横向加速度)Gy；簧下横向加速度变动范围计算部件17，用于计算簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)；以及平滑道路判别部件18。
平滑道路判别部件18使用第二判别公式(参见以下的等式(3))来判别路面状态估计部件16所估计出的平滑道路是平滑铺设道路还是结冰道路，其中该第二判别公式表示变动范围计算部件14所计算出的簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)和簧下横向加速度变动范围计算部件17所计算出的簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)之间的关系。
σ(Gy)＝a·σ(Gx)+b(3)
这里对第二判别公式进行说明。
在行驶期间，簧下部分因来自接地面的励振或轮胎自身所产生的力而振动。在路面摩擦系数μ高的情况下，由于来自路面的抑制力强，因此簧下部分不能广泛地运动。特别地，簧下部分不能在与轮胎的滚动方向垂直的横向(轮胎宽度方向)上运动。然而，在路面摩擦系数μ低的情况下，由于来自路面的抑制力减小，因此簧下部分可以容易地在横向上运动。结果，簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)将变大。
换句话说，在路面摩擦系数μ低的路面上，簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)相对于簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)的比率变大。
图4示出如下测试的结果：使左前轮装配有轮胎大小为225/55R17的无钉防滑轮胎且左前轮的转向节安装有加速度传感器的车辆以预定速度(30km/h)在平滑铺设道路和结冰道路上行驶。该图示出所计算出的簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)和所计算出的簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)之间的关系。变动范围的数据是针对每6.5米的行驶所计算出的。
很明显，该图中的圆形所示的平滑铺设道路的数据大部分分布在点划线所示的直线的下侧，并且该图中的十字形所示的结冰道路的数据大部分分布在该直线的上侧。因此，上述第二判别公式在其表示直线的情况下，使得可以判别路面状态估计部件16所估计出的平滑道路是平滑铺设道路还是结冰道路。
实施方式3
在上述实施方式2中，根据簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)和簧下横向加速度的变动范围σ(Gy)之间的关系来判别路面状态估计部件16所估计出的平滑道路是平滑铺设道路还是结冰道路。然而，还可以进行如下配置：计算簧下前后加速度Gx和簧下横向加速度Gy之积的绝对值|Gx×Gy|(实际为积的平均值的绝对值)、以及簧下前后加速度的绝对值|Gx|和簧下横向加速度的绝对值|Gy|之积|Gx|×|Gy|(实际为绝对值的积的平均值)，并且根据所计算出的|Gx×Gy|和|Gx|×|Gy|之间的关系来判断所估计出的平滑道路是否是干燥铺设道路。
图5是示出根据本发明的实施方式3的路面状态估计设备10P的结构的图。路面状态估计设备10P相对于实施方式1的路面状态估计设备10还配备有：第二加速度传感器11Y，用于检测车辆簧下的横向加速度(簧下横向加速度)Gy；加速度积计算部件19，用于计算Gx×Gy的平均值的绝对值、以及Gx的绝对值|Gx|和Gy的绝对值|Gy|之积|Gx|×|Gy|的平均值；以及平滑道路判别部件18P。
平滑道路判别部件18P使用加速度积计算部件19所计算出的Gx×Gy的平均值的绝对值(|ave(Gx×Gy)|)、|Gx|×|Gy|的平均值(ave(|Gx|×|Gy|))、以及表示|ave(Gx×Gy)|和ave(|Gx|×|Gy|)之间的关系的判别曲线，来判别路面状态估计部件16所估计出的平滑道路是平滑铺设道路还是结冰道路。
这里对判别曲线进行说明。
行驶期间的簧下部分经受来自接地面的励振、轮胎自身所产生的力、由于车辆姿势变化所引起的经由悬架进行传递的力等。在路面摩擦系数μ低的平滑道路上，由于来自路面的抑制减小，因此车辆的簧下部分可以更加自由地运动。结果，在簧下前后加速度Gx和簧下横向加速度Gy之间可以产生相位差，由此使Gx×Gy的正负改变。因而，可以通过研究|Gx×Gy|的大小和|Gx|×|Gy|的大小之间的关系来以提高的精度判断所估计出的平滑道路是平滑的干燥铺设道路还是诸如冰坡等的平滑的结冰道路。
图6示出如下测试的结果：使左前轮装配有轮胎大小为225/55R17的无钉防滑轮胎且左前轮的转向节安装有加速度传感器的车辆以固定速度(40km/h)在平滑铺设道路和结冰道路上行驶。该图示出|ave(Gx×Gy)|和ave(|Gx|×|Gy|))之间的关系。平均值的数据是针对每6.5米的行驶所计算出的。
很明显，该图中的十字形所示的平滑铺设道路的数据大部分分布在粗点划线所示的曲线的上侧，并且该图中的圆形所示的结冰道路的数据大部分分布在该曲线的下侧。
换句话说，在路面摩擦系数μ高的情况下，积的平均值的绝对值|ave(Gx×Gy)|将变大，并且理想地，将等于各个绝对值|Gx|和|Gy|之积的平均值ave(|Gx|×|Gy|)。因而，平滑铺设道路的数据大部分分布在曲线的上侧。
另一方面，在路面摩擦系数μ低的情况下，Gx×Gy的正负改变并且平均值ave(Gx×Gy)的绝对值|ave(Gx×Gy)|变小。因此，结冰道路的数据大部分分布在曲线的下侧。
因而，通过预先准备表示该曲线的近似公式或利用曲线示出划分的映射，可以判别路面状态估计部件16所估计出的平滑道路是平滑铺设道路还是结冰道路。
实施方式4
在上述实施方式1中，将行驶期间的路面状态估计为平滑道路、凹凸较多的路面和不平整道路其中之一。然而，如果使用通过对簧下前后加速度的时序波形进行频率分析所获得的簧下前后加速度的频谱，则在上述实施方式1中所估计的路面是凹凸路面的情况下，可以容易地判断凹凸路面是否是滑溜路面。
也就是说，在凹凸路面上，由于来自路面的输入所引起的轮胎的振动的峰值频率fp的位置依赖于路面的滑溜。因此，在求出根据车轮速度Vw所确定的峰值频率fp的位置和实际测量到的峰值频率fp的位置之间的关系的情况下，可以将凹凸路面容易地估计为诸如排水性铺设道路等的高μ道路或诸如积雪道路等的滑溜道路。
图7是根据本发明的实施方式4的路面状态估计设备10F的功能框图。
路面状态估计设备10F包括作为簧下前后加速度检测部件的加速度传感器11、作为车轮速度检测部件的车轮速度传感器12、车轮速度变化量计算部件13、变动范围计算部件14、存储部件15、路面状态估计部件16、频率分析部件21、峰值频率提取部件22和低μ道路判别部件23。
具有与实施方式1相同的附图标记的加速度传感器11和车轮速度传感器12以及车轮速度变化量计算部件13～路面状态估计部件16的各部件具有与实施方式1相同的结构。因此将省略针对这些部件的说明。
注意，频率分析部件21、峰值频率提取部件22和低μ道路判别部件23例如还可以由计算机软件构成。
频率分析部件21通过对加速度传感器11所检测到的簧下前后加速度的时序波形进行频率分析来获得簧下前后加速度的频谱。
图8是示出簧下前后加速度的频谱的示例的图。该图的横轴表示频率，并且其纵轴表示簧下前后加速度Gx。该图中的粗实线示出排水性铺设道路上行驶的情况下的频谱，并且细实线示出积雪道路上行驶的情况下的频谱。
峰值频率提取部件22提取作为簧下前后加速度的频谱的频带200Hz～230Hz内的峰值位置处的频率的峰值频率fp。
在行驶期间，轮胎的特性振动是由于来自路面的冲击所引起的。例如，诸如排水性铺设道路或积雪道路等的凹凸道路上的振动与诸如干燥沥青道路等的平滑道路上的振动相比将更加明显。这些振动的峰值位置、即峰值频率fp倾向依赖于路面的滑溜。更具体地，在诸如路面摩擦系数μ小于0.3的积雪道路等的滑溜路面上，如图8所示，箭头所表示的峰值频率fp的位置向着较低频率侧移动。可以考虑如下理由：路面和轮胎胎面之间的力学键合(弹簧常数)在滑溜路面上变弱。
应当注意，在诸如干燥沥青道路等的平滑铺设道路上可以观察到峰值频率。然而，与在排水性铺设道路或积雪道路上行驶的情况相比，振动水平较低。因此，在峰值频率fp处的振动水平Gx(fp)低于预定阈值K的情况下，峰值频率提取部件22没有提取峰值频率fp并且将表示路面是平滑道路的信号发送至低μ道路判别部件23。
低μ道路判别部件23根据峰值频率fp和车轮速度Vw，使用通过以下的等式(2)所示的上述频率判断公式来估计行驶期间的路面状态。
fp＝a·Vw+b(2)
接着说明用于使用路面状态估计设备10F来估计路面状态的方法。
首先，加速度传感器11检测作为作用于转向节31的前后方向的加速度的簧下前后加速度Gx并将该数据发送至变动范围计算部件14。同时，车轮速度传感器12检测车轮速度Vw并将该数据发送至车轮速度变化量计算部件13。
车轮速度变化量计算部件13计算作为车轮速度Vw的变化量的车轮速度的变化量ΔVw并将该数据发送至变动范围计算部件14。
变动范围计算部件14分别计算簧下前后加速度Gx的变动范围σ(Gx)和车轮速度变化量计算部件13所计算出的车轮速度的变化量ΔVw的变动范围σ(ΔVw)，并将这些数据发送至路面状态估计部件16。
路面状态估计部件16使用簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)和车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)、簧下前后加速度的变动范围的最大值σGM和车轮速度的变化量的变动范围的最大值σAM、以及表示车轮速度的变化量的变动范围σ(ΔVw)和簧下前后加速度的变动范围σ(Gx)之间的关系的变动范围判断公式，来将行驶期间的路面状态估计为平滑道路、凹凸道路和不平整道路其中之一。更具体地，按照如下进行该估计。
A：σ(ΔVw)>σAM或σ(Gx)>σGM：不平整道路
B：σ(Gx)>K·σ(ΔVw)+σ(g)：凹凸道路
C：σ(Gx)≤K·σ(ΔVw)+σ(g)：平滑道路
在利用路面状态估计部件16判断为行驶期间的路面是凹凸路面的情况下，进一步估计凹凸路面是否是滑溜路面。
更具体地，利用频率分析部件21对所检测到的簧下前后加速度Gx的时序波形进行频率分析，以求出如图8所示的簧下前后加速度的频谱。从该频谱中，提取作为频带200Hz～230Hz内的峰值位置处的频率的峰值频率fp。
然后，使用所提取的峰值频率fp、车轮速度传感器12所检测到的车轮速度Vw和频率判断公式(2)来估计行驶期间的路面状态。
fp＝a·Vw+b(2)
更具体地，在fp>a·Vw+b的情况下，估计为行驶期间的路面是诸如排水性铺设道路等的路面摩擦系数高(μ>0.7)的路面。并且在fp≤a·Vw+b的情况下，估计为行驶期间的路面是诸如积雪道路等的路面摩擦系数低(μ<0.3)的滑溜路面。
因此，在路面是凹凸路面的情况下，可以容易地估计为路面是诸如排水性铺设道路等的高μ道路或诸如积雪道路等的滑溜道路。
实施例2
使左前轮的转向节安装有加速度传感器的车辆以预定速度(40km/h、50km/h和60km/h)在排水性铺设道路和积雪道路上行驶。针对每6.5米的行驶计算频谱，并对过去5次行驶的频谱求平均。然后，提取该频谱的频带200Hz～230Hz中的峰值频率fp，并且研究车轮速度Vw和峰值频率fp之间的关系。在图9中示出这些结果。所使用的轮胎是大小为225/55R17的无钉防滑轮胎。
此外，左轮的车轮速度信息是从车辆信息系统(CAN的线路)所获取到的。
在图9中，该图的横轴表示车轮速度并且其纵轴表示频率。“+”标记(十字形)代表排水性铺设道路的数据，并且“×”标记代表积雪道路的数据。
如从该图清楚可见，作为路面摩擦系数低的滑溜道路的积雪道路的数据大部分分布在该图中的直线所示的频率判断公式的下侧，而路面摩擦系数高的排水性铺设道路的数据大部分分布在该频率判断公式的上侧。因此，确认出：通过研究车轮速度Vw和峰值频率fp之间的关系，可以可靠地估计行驶期间的路面是否处于滑溜状态。
在上述说明中，已经参考本发明的特定实施方式说明了本发明。然而，不应认为本发明的技术范围局限于这些实施方式。本领域技术人员将显而易见，可以在没有背离本发明的更宽精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和改变。通过所附权利要求书的范围还将显而易见，所有这些修改均意图包括在本发明的技术范围内。
附图标记说明
10路面状态估计设备、
11加速度传感器、11Y第二加速度传感器、
12车轮速度传感器、13车轮速度变化量计算部件、
14变动范围计算部件、15存储部件、16路面状态估计部件、
17簧下横向加速度变动范围计算部件、
18,18P平滑道路判别部件、19加速度积计算部件、
21频率分析部件、22峰值频率提取部件、
23低μ道路判别部件、
30车轮单元、31转向节、32车轮、33轮毂、
34减震器、T轮胎。

Claims (11)

1.一种路面状态估计方法，包括以下步骤：
利用安装至车辆的簧下位置的加速度传感器来检测簧下前后加速度；
检测车轮速度；
计算所检测到的所述车轮速度的变化量；
计算所计算出的所述车轮速度的变化量的变动范围和所检测到的所述簧下前后加速度的变动范围；以及
根据所述车轮速度的变化量的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围之间的关系，来估计路面状态。
2.根据权利要求1所述的路面状态估计方法，其中，在估计所述路面状态的步骤中，在所计算出的所述簧下前后加速度的变动范围等于或小于通过将所述车轮速度的变化量的变动范围代入变动范围判断公式所获得的簧下前后加速度的变动范围的计算值的情况下，估计为行驶期间的路面是平滑道路，其中所述变动范围判断公式表示所述簧下前后加速度的变动范围和所述车轮速度的变化量的变动范围之间的预先确定的关系。
3.根据权利要求1或2所述的路面状态估计方法，其中，在估计所述路面状态的步骤中，在所述车轮速度的变化量的变动范围超过预先确定的最大车轮速度变化量变动范围的情况下、或者在所计算出的所述簧下前后加速度的变动范围超过预先确定的最大加速度变动范围的情况下，估计为行驶期间的路面是不平整道路。
4.根据权利要求2所述的路面状态估计方法，其中，还包括以下步骤：
除了所述簧下前后加速度以外，还检测作为车辆簧下的横向加速度的簧下横向加速度；
计算所述簧下横向加速度的变动范围；以及
根据所计算出的所述簧下横向加速度的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围之间的关系，来判断所估计出的平滑道路是否是干燥铺设道路。
5.根据权利要求2所述的路面状态估计方法，其中，还包括以下步骤：
除了所述簧下前后加速度以外，还检测作为车辆簧下的横向加速度的簧下横向加速度；
计算所述簧下前后加速度和所述簧下横向加速度的积的平均值的绝对值、以及所述簧下前后加速度的绝对值和所述簧下横向加速度的绝对值的积的平均值；以及
根据所计算出的所述簧下前后加速度和所述簧下横向加速度的积的平均值的绝对值与所计算出的所述簧下前后加速度的绝对值和所述簧下横向加速度的绝对值的积的平均值之间的关系，来判断所估计出的平滑道路是否是干燥铺设道路。
6.根据权利要求1所述的路面状态估计方法，其中，估计所述路面状态的步骤还包括以下步骤：
根据所述车轮速度的变化量的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围之间的关系，来估计行驶期间的路面是否是凹凸路面；以及
在所估计出的路面是凹凸路面的情况下，计算作为通过对所检测到的所述簧下前后加速度进行频率分析所获得的频谱的频带200Hz～230Hz内的峰值位置处的频率的峰值频率，并且根据所述峰值频率和所述车轮速度来估计凹凸路面是否是滑溜路面，
其中，在估计行驶期间的路面是否是凹凸路面的步骤中，在所计算出的所述簧下前后加速度的变动范围超过通过将所述车轮速度的变化量的变动范围代入变动范围判断公式所获得的簧下前后加速度的变动范围的计算值的情况下，估计为行驶期间的路面是凹凸路面，其中所述变动范围判断公式表示所述簧下前后加速度的变动范围和所述车轮速度的变化量的变动范围之间的预先确定的关系，以及
在估计凹凸路面是否是滑溜路面的步骤中，在所检测到的所述峰值频率小于通过将所检测到的所述车轮速度代入频率判断公式所获得的峰值频率的计算值的情况下，估计为凹凸路面是路面摩擦系数μ小于0.3的滑溜路面，其中所述频率判断公式表示所述峰值频率和所述车轮速度之间的预先确定的关系。
7.根据权利要求6所述的路面状态估计方法，其中，在估计行驶期间的路面是否是凹凸路面的步骤中，在所计算出的所述车轮速度的变化量的变动范围超过预先确定的最大车轮速度变化量变动范围的情况下、或者在所述簧下前后加速度的变动范围超过预先确定的最大加速度变动范围的情况下，估计为行驶期间的路面是不平整道路。
8.一种路面状态估计设备，包括：
簧下前后加速度检测部件，其配置在车辆的簧下位置处，并且用于检测簧下前后加速度；
车轮速度检测部件，用于检测车轮速度；
车轮速度变化量计算部件，用于计算所检测到的所述车轮速度的变化量；
变动范围计算部件，用于计算所述车轮速度的变化量的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围；
存储部件，用于存储表示所述车轮速度的变化量的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围之间的预先确定的关系的变动范围判断公式；以及
路面状态估计部件，用于使用所计算出的所述车轮速度的变化量的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围以及所述变动范围判断公式，来估计行驶期间的路面状态。
9.根据权利要求8所述的路面状态估计设备，其中，还包括：
簧下横向加速度检测部件，其配置在车辆的簧下位置处，并且用于检测簧下横向加速度；以及
簧下横向加速度变动范围计算部件，用于计算所检测到的所述簧下横向加速度的变动范围，
其中，所述路面状态估计部件根据所计算出的所述簧下横向加速度的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围之间的关系，来判断所估计出的路面是否是干燥铺设道路。
10.根据权利要求8所述的路面状态估计设备，其中，还包括：
簧下横向加速度检测部件，其配置在车辆的簧下位置处，并且用于检测簧下横向加速度；以及
加速度积计算部件，用于计算所述簧下前后加速度和所述簧下横向加速度的积的平均值的绝对值、以及所述簧下前后加速度的绝对值和所述簧下横向加速度的绝对值的积的平均值，
其中，所述路面状态估计部件根据所述簧下前后加速度和所述簧下横向加速度的积的平均值的绝对值与所述簧下前后加速度的绝对值和所述簧下横向加速度的绝对值的积的平均值之间的关系，来判断所估计出的路面是否是干燥铺设道路。
11.根据权利要求8所述的路面状态估计设备，其中，还包括：
频率分析部件，用于对所检测到的所述簧下前后加速度进行频率分析；以及
峰值频率计算部件，用于计算作为通过所述频率分析所获得的频谱的频带200Hz～230Hz内的峰值位置处的频率的峰值频率，
其中，所述存储部件还存储预先确定的所述车轮速度的最大变动范围、预先确定的所述簧下前后加速度的最大变动范围、以及表示所述簧下前后加速度的变动范围和所述车轮速度的变化量的变动范围之间的关系的变动范围判断公式，
在所计算出的所述簧下前后加速度的变动范围大于通过将所述车轮速度的变化量的变动范围代入所述变动范围判断公式所获得的簧下前后加速度的变动范围的计算值、并且所述车轮速度的变化量的变动范围和所述簧下前后加速度的变动范围分别小于所述车轮速度的变化量的最大变动范围和所述簧下前后加速度的最大变动范围的情况下，所述路面状态估计部件判断为路面是凹凸路面，以及
在所判断出的路面是凹凸路面的情况下，在所检测到的所述峰值频率小于通过将所检测到的所述车轮速度代入频率判断公式所获得的峰值频率的计算值时，所述路面状态估计部件估计为凹凸路面是路面摩擦系数μ小于0.3的滑溜路面，其中所述频率判断公式表示所述峰值频率和所述车轮速度之间的预先确定的关系。
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