JP2002365150A - 路面摩擦状態推定装置 - Google Patents

路面摩擦状態推定装置

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JP2002365150A
JP2002365150A JP2001169485A JP2001169485A JP2002365150A JP 2002365150 A JP2002365150 A JP 2002365150A JP 2001169485 A JP2001169485 A JP 2001169485A JP 2001169485 A JP2001169485 A JP 2001169485A JP 2002365150 A JP2002365150 A JP 2002365150A
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JP
Japan
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steering
road surface
estimating
surface friction
reaction force
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JP2001169485A
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Hidekazu Ono
英一 小野
Masanori Miyashita
政則 宮下
Yoshitoshi Watanabe
良利 渡辺
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】路面摩擦状態を推定する低コストの装置を提供
する。 【解決手段】電動パワーステアリング装置に設けられて
いるトルクセンサ22で検出された操舵トルク信号をバ
ンドパスフィルタ30に入力し、40〜50Hz程度の
周波数帯域の信号のみを通過させる。オンライン同定手
法によって、バンドパスフィルタ30より出力された信
号からサスペンション−タイヤ共振モデルに近似した2
次共振モデルの減衰係数を同定し、同定した減衰係数か
らSAT勾配を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、路面摩擦状態推定
装置に係り、特に、路面摩擦状態に応じて操舵反力の振
動特性が異なる現象を利用して、操舵反力から路面摩擦
状態を推定する路面摩擦状態推定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】路面状態推定装置として、車輪速度信号
の振幅が小さいときにホイールシリンダ油圧を励振する
ホイールシリンダ油圧励振装置を設け、車輪速度信号に
振動成分が含まれている状態での車輪速度信号の時系列
データに基づいて路面摩擦状態を推定する路面状態推定
装置が知られている(特開2000−313327号公
報)。
【0003】また、車両の車輪の制動状態を表す第1の
物理量を検出する第1のセンサ、車両の速度を検出する
第2のセンサ、及び車輪のすべり易さを表す第2の物理
量を検出する第3のセンサを用いて、路面摩擦状態を推
定する路面状態推定装置が知られている(特開平11-
139293号公報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、ホイールシリンダ油圧励振装置を設けた
り、各種のセンサを取り付ける必要があるため、構造が
複雑になったり、コストが高くなる、という問題があ
る。
【0005】本発明は、上記問題点を解決すべく成され
たもので、新たなセンサを設けることなく、従来の車両
に搭載されているセンサを利用することによって、構造
を複雑にしたり、コストが高くならないようにした路面
摩擦状態推定装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、操舵反力を検出して操舵反力信号を出力す
る反力センサと、操舵反力信号から操舵反力の周波数特
性を推定する周波数特性推定手段と、推定された周波数
特性から路面摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定手段
と、を含んで構成したものである。
【0007】図1は、電動パワーステアリング装置搭載
車両が低速(例えば、15km/h)で走行している状
態で、操舵した時の操舵トルクの周波数特性を高μ路と
低μ路(例えば、路面摩擦係数μが0.2程度)とで比
較して示したものである。高μ路では、周波数が40〜
50Hz付近でトルク変動にピークが発生しており、低
μ路と比較して振動的な特性となっていることが理解で
きる。すなわち、路面摩擦状態に応じて振動特性が異な
っており、この振動特性が異なることを利用することに
よって路面摩擦状態の推定が可能となる。
【0008】そこで本発明では、周波数特性推定手段に
よって、操舵反力を検出して操舵反力信号を出力する反
力センサから出力された操舵反力信号から、操舵反力の
周波数特性を推定する。周波数特性としては、所定周波
数帯域(例えば、高μ路を検出する場合には40〜50
Hz)の操舵反力信号の共振特性の減衰係数等を用いる
ことができる。
【0009】路面摩擦状態推定手段は、路面摩擦状態に
応じて振動特性が異なることを利用して、推定された周
波数特性から路面摩擦状態を推定する。例えば、減衰係
数は、セルフアライニングトルク勾配(スリップ角の関
数で表されるセルフアライニングトルク曲線の任意の点
における接線の傾きで表される)が大きい程小さな値を
示すので、この特性を利用すれば、減衰係数に基づいて
セルフアライニングトルク勾配を推定することができ
る。
【0010】本発明の反力センサとして、電動パワース
テアリング装置に設けられている操舵トルクを検出する
ためのトルクセンサを使用すれば、新たな反力センサを
設ける必要がないのでより効果的である。また、反力セ
ンサは、タイロード軸力をひずみゲージ等で直接計測し
てもよい。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。本実施の形態は、操舵時の
操舵トルクの周波数特性において40〜50Hz付近の
周波数帯域でトルク変動のピークが発生する高μ路を走
行しているか否かを推定するようにしたものである。
【0012】図2に示すように、車両に搭載された電動
パワーステアリング装置には、ステアリングシャフト1
0の上端部に固定されたステアリングホイール12が設
けられている。ステアリングシャフト10の下端部は、
ラック・アンド・ピニオン式のステアリングギヤに連結
されている。
【0013】ステアリングギヤは、ステアリングシャフ
ト10と同軸に配設されたピニオン14と、このピニオ
ン14に噛合したラック16とにより構成されている。
また、ラック16の両側部にはタイロッド18が各々連
結されており、各タイロッド18の先端部の各々にはボ
ールジョイント20が設けられており、このボールジョ
イント20にはタイヤが配設されたサスペンション機構
が連結される。
【0014】ステアリングシャフト10の所定位置に
は、トルクセンサ22が取り付けられている。このトル
クセンサ22は、運転者がステアリングホイール12を
回転することによりステアリングシャフト10に発生し
た回転トルクを検出し、ステアリングホイール12の回
転操作方向に応じてた操舵トルク信号を出力する。この
トルクセンサ22から出力された操舵トルク信号は、パ
ワーステアリング用コンピュータ及びモータ駆動回路を
備えたパワーステアリング用制御装置24に入力され
る。
【0015】また、ステアリングシャフト12のトルク
センサ22取付位置より下側には、一対のすぐばかさ歯
車で構成された減速機26が取り付けられている。一方
のすぐばかさ歯車は、ステアリングシャフト10に固定
され、他方のすぐばかさ歯車は、パワーステアリング用
制御装置24によって制御される電気モータ28に接続
されている。
【0016】パワーステアリング用制御装置24によ
り、トルクセンサ22から出力される操舵トルクに基づ
いて、電気モータ28を駆動し、電気モータの回転力を
減速機26を介してステアリングシャフト10に伝達す
ることにより、ステアリングホイール12の操舵力をパ
ワーアシストすることができる。
【0017】更に、トルクセンサ22は、操舵トルク信
号に含まれている所定周波数帯域(例えば、40〜50
Hz付近の帯域)の信号を通過させるバンドパスフィル
タ30の入力端に接続されている。操舵トルクセンサ出
力は、ドライバがハンドルを操舵する力と路面−タイヤ
間で発生する操舵反力、ハンドルの運動、及びパワース
テアリング装置が発生するアシストトルクの釣り合いに
よって決まる値である。しかしながら、本発明で着目す
る40〜50Hz付近の高周波数領域においては、ドラ
イバの操舵力、ハンドルの運動やアシストトルクは、略
0とみなせることから操舵トルクセンサ出力は、操舵反
力と略等しくなる。このため、操舵トルクセンサ出力を
操舵反力として路面摩擦状態の推定が可能となる。バン
ドパスフィルタ30の出力端には、オンライン同定手法
によってバンドパスフィルタ30から出力された信号か
ら2次共振モデルの減衰係数を推定する減衰係数推定装
置32が接続されている。
【0018】減衰係数推定装置32の出力端には、推定
された減衰係数から路面摩擦状態を表す物理量の1つで
あるセルフアライニングトルク勾配(SAT勾配)を推
定するSAT勾配推定装置34が接続されている。
【0019】なお、SAT勾配推定装置34には、SA
T勾配の推定結果を表示する液晶表示装置等を接続する
ことができる。上記の減衰係数推定装置及び勾配推定装
置は、各々別々のコンピュータまたは共通の1つのコン
ピュータで構成することができる。
【0020】本実施の形態によれば、トルクセンサ22
から出力された操舵トルク信号は、バンドパスフィルタ
30に入力され、バンドパスフィルタ30から所定周波
数帯域の信号のみが出力される。バンドパスフィルタ3
0から出力された所定周波数帯域の信号は、減衰係数推
定装置32に入力され、以下で説明するようにして減衰
係数が推定される。そして、SAT勾配推定装置34に
よって、推定された減衰係数からSAT勾配が推定され
る。
【0021】次に、本実施の形態の減衰係数推定の原理
について説明する。まず、操舵トルクの振動特性を
(1)式に示すような2次共振モデルで近似する。
【0022】
【数1】
【0023】ただし、Kは定常ゲイン、ωn は自然周波
数、ζは減衰係数である。そして、このモデルの減衰係
数ζの同定を行う。2次共振モデルの減衰係数は、小さ
い程自然周波数における共振特性が明確になる(SAT
勾配が大きい程減衰係数が小さくなる)ことから、減衰
係数が小さく同定された場合にはSAT勾配は大きいと
推定し、また逆に減衰係数が大きく同定された場合には
SAT勾配は小さいと推定する。
【0024】減衰係数の同定について説明すると、上記
(1)式から車輪速度と操舵トルクとの関係を整理する
と、次の(2)式が得られる。
【0025】
【数2】
【0026】(2)式において、以下で説明するよう
に、入力である操舵トルクuを無視すると共に、離散化
し、オンライン同定手法を適用することによって減衰係
数を同定することができる。
【0027】まず、入力である操舵トルクuを無視する
と(2)式は、
【0028】
【数3】
【0029】と表される。
【0030】次に(4)式のTustin変換を(3)
式に代入して(3)式を離散化する。
【0031】
【数4】
【0032】ただし、τはサンプリング時間である。
【0033】ここで、離散化の方法はTustin変換
以外にも次の(5)式で表される後退差分方式等を用い
てもよい。
【0034】
【数5】
【0035】Tustin変換の結果(3)式は、次の
(6)式のように整理することができる。
【0036】
【数6】
【0037】この(6)式を時間領域で表現すると以下
の(7)式のようになる。
【0038】
【数7】
【0039】ただし、 φ=4 ωn τ(w[i-2]-w[i]) y=( ωn 2 τ2+4)(w[i-2]+w[i])+(2ωn 2 τ2-8)w[i-1] である。
【0040】ところで(7)式は(3)式を離散化した
ものであり、(3)式との対応より、φ、yの物理的な
意味としては、φは車輪速度の変化に対応した物理量、
yは車輪速度及び車輪速度の変化の各々に対応した物理
量と解釈することもできる。
【0041】次に、(7)式にオンライン同定手法を適
用する。ここでは、補助変数法を用いて減衰係数ζを同
定した。補助変数法を用いたアルゴリズムは、次の
(8)式のように表される。
【0042】
【数8】
【0043】ただし、λは忘却係数である。
【0044】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、大きな舵角で走行しているときに、走行路が高μ路
か否かを推定することができる。
【0045】なお、上記では補助変数法を用いて減衰係
数を同定した例について説明したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、最小2乗法等の他の同定手法を
用いて減衰係数を同定しても良い。
【0046】さらに、上記では路面と車輪との間の滑り
易さに関する物理量の1つであるSAT勾配を路面摩擦
状態として推定する例について説明したが、伝達関数 G
wu (s)は輪荷重や車体速度の変動によっても変化する。
従って、路面摩擦状態に関する物理量としてSAT勾配
に輪荷重及び車体速度の少なくとも1つの変動を加味し
た量を路面摩擦状態として推定するようにしてもよい。
【0047】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
新たなセンサを用いることなく車両に搭載されているセ
ンサを用いて路面の摩擦状態を推定することができるの
で、構成を複雑にすることなく低コストで路面摩擦状態
を推定することができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】操舵時の操舵トルクの周波数特性を示す線図で
ある。
【図2】本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
10 ステアリングシャフト 12 ステアリングホイール 14 ピニオン 16 ラック 18 タイロッド 20 ボールジョイント 22 トルクセンサ 24 パワーステアリング用制御装置 28 電気モータ 30 バンドパスフィルタ 32 減衰係数推定装置 34 勾配推定装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 19/02 G01N 19/02 B // B62D 119:00 B62D 119:00 (72)発明者 渡辺 良利 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 Fターム(参考) 2F051 AA01 AB06 AC01 BA03 BA07 3D032 DA15 DA82 DC07 DC14 3D033 CA03 CA16 CA28 3D046 BB23 HH08 HH46

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】操舵反力を検出して操舵反力信号を出力す
    る反力センサと、 操舵反力信号から操舵反力の周波数特性を推定する周波
    数特性推定手段と、 推定された周波数特性から路面摩擦状態を推定する路面
    摩擦状態推定手段と、 を含む路面摩擦状態推定装置。
  2. 【請求項2】前記周波数特性推定手段は、所定周波数帯
    域の操舵反力信号の共振特性の減衰係数を周波数特性と
    して推定し、前記路面摩擦状態推定手段は、推定された
    減衰係数からセルフアライニングトルク勾配を路面摩擦
    状態として推定する請求項1記載の路面摩擦状態推定装
    置。
  3. 【請求項3】前記反力センサは、電動パワーステアリン
    グ装置に設けられている操舵トルクを検出するためのト
    ルクセンサである請求項1または2記載の路面摩擦状態
    推定装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006201116A (ja) * 2005-01-24 2006-08-03 Jtekt Corp パワーステアリング装着車両用センサ付きハブユニットおよびパワーステアリング装着車両用センサ装置
JP2007176457A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Jtekt Corp 車両制御装置
JP2011245896A (ja) * 2010-05-24 2011-12-08 Mitsubishi Electric Corp 電動パワーステアリング装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006201116A (ja) * 2005-01-24 2006-08-03 Jtekt Corp パワーステアリング装着車両用センサ付きハブユニットおよびパワーステアリング装着車両用センサ装置
JP2007176457A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Jtekt Corp 車両制御装置
JP2011245896A (ja) * 2010-05-24 2011-12-08 Mitsubishi Electric Corp 電動パワーステアリング装置

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