JP2004074842A

JP2004074842A - 路面摩擦状態推定装置

Info

Publication number: JP2004074842A
Application number: JP2002234505A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Ono; 小野　英一; Shoji Inagaki; 稲垣　匠二
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-12
Also published as: DE10336818A1; US20050005691A1; JP3939612B2; US6898966B2; DE10336818B4

Abstract

【課題】路面外乱の影響を受けることなく、急に操舵されても精度よく路面摩擦状態を推定する。
【解決手段】ＳＡＴ推定部２３は、ＳＡＴ推定値Ｔ_ＳＡＴを求め、グリップ度推定部３０に供給する。加算器２９は、ハイパスフィルタ２５でフィルタ処理された前輪スリップ角α_Ｅと、ローパスフィルタ２８でフィルタ処理された前輪スリップ角α_Ｔとを加算して、統合スリップ角α_Ｉをグリップ度推定部３０に供給する。グリップ度推定部３０は、統合スリップ角α_Ｉに基づくＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０を演算し、ＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０とＳＡＴ推定値Ｔ_ＳＡＴとの比を演算して、横方向の摩擦力余裕に相当するグリップ度εを推定する。路面μ推定部３１は、グリップ度εが判定基準以下になったときに路面μを推定する。
【選択図】　　　　図２

Description

【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、特に車両のタイヤに生じたセルフアライニングトルクを利用して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】
セルフアライニングトルク（以下「ＳＡＴ」という。）を利用してグリップ状態を推定するものとして、特開平６−２２１９６８号公報では路面摩擦係数検出装置（以下「従来技術１」という。）が提案されている。
【０００３】
従来技術１は、操舵角に基づいて推定される前輪スリップ角の代わりに前輪横力を利用して、車両運動から演算される前輪横力演算値とＳＡＴとに基づいてグリップ状態を推定する。これにより、従来技術１は、バンク路面走行時や、横力とスリップ角の関係が非線形となる非線形領域においても正確にグリップ状態を推定することができる。
【０００４】
しかし、従来技術１は、路面外乱の影響を受けやすく、早く操舵するとＳＡＴと横力演算値の位相がずれてしまい、正確にグリップ状態を推定できない問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
また、特願２００１−２１２６８３号明細書には、操舵角に基づいて前輪スリップ角を推定し、ドライバの操舵トルクとパワーステアリング装置のアシストトルクから操舵系の摩擦を除去してＳＡＴを推定し、前輪スリップ角及びＳＡＴとに基づいてグリップ状態を推定する技術（以下「従来技術２」という。）が記載されている。
【０００６】
しかし、従来技術２は、バンク路面走行時において操舵角がゼロであり、かつＳＡＴもゼロにならない場合において、前輪スリップ角を正確に推定できない非線形領域に入ってしまうと、グリップ状態を正確に推定することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、路面外乱の影響を受けることなく、急に操舵されても精度よく路面摩擦状態を推定することができる路面摩擦状態推定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、セルフアライニングトルクを推定するセルフアライニングトルク推定手段と、スリップ角を推定するスリップ角推定手段と、前記スリップ角推定手段により推定されたスリップ角にハイパスフィルタ処理を施すハイパスフィルタと、横力を演算する横力演算手段と、前記横力演算手段により演算された横力をスリップ角に換算するスリップ角換算手段と、前記スリップ角換算手段により換算されたスリップ角にローパスフィルタ処理を施すローパスフィルタと、前記ハイパスフィルタによりハイパスフィルタ処理されたスリップ角と、前記ローパスフィルタによりフィルタ処理されたスリップ角とを加算する加算手段と、前記加算手段により加算されたスリップ角と、前記セルフアライニングトルク推定手段により推定されたセルフアライニングトルクとに基づいて、路面摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定手段と、を備えている。
【０００９】
セルフアライニングトルク推定手段は、タイヤに生じたセルフアライニングトルクを推定する。なお、セルフアライニングトルクの推定手法は特に限定されるものではない。スリップ角推定手段は、前記タイヤのスリップ角を推定する。
【００１０】
ハイパスフィルタは、スリップ角推定手段により推定されたスリップ角にハイパスフィルタ処理を施すことで、バンク路走行時にスリップ角に含まれるドリフト誤差を除去し、セルフアライニングトルクに対して位相遅れのない高周波成分を抽出する。
【００１１】
横力演算手段は、前記タイヤに生じた横力を演算する。ここで、横力とタイヤのスリップ角の間には、略線形の関係が存在する。そこで、スリップ角換算手段は、このような関係を考慮して、横力からスリップ角を換算する。ローパスフィルタは、換算されたスリップ角にローパスフィルタ処理を施すことで、高周波領域に含まれる外乱ノイズ等の変動成分を除去し、バンク路走行時で正確な低周波成分を抽出する。
【００１２】
加算手段は、ハイパスフィルタ処理済みのスリップ角と、ローパスフィルタ処理済みのスリップ角とを加算することで、外乱ノイズやドリフト誤差のない、セルフアライニングトルクに対して位相遅れのないスリップ角を演算する。
【００１３】
そして、路面摩擦状態推定手段は、加算手段により加算されたスリップ角と、セルフアライニングトルク推定手段により推定されたセルフアライニングトルクとに基づいて、タイヤと路面の路面摩擦状態を推定する。
【００１４】
したがって、請求項１に記載の発明によれば、外乱ノイズやドリフト誤差の影響を受けることなく、直線水平路やバンク路を走行する場合であっても、精度よく路面摩擦状態を推定することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ハイパスフィルタ及び前記ローパスフィルタは、同一の折点周波数を有している。ここでさらに、前記ハイパスフィルタ及び前記ローパスフィルタのそれぞれの伝達関数の和は、１であるのが好ましい。これにより、同一信号をハイパスフィルタとローパスフィルタに入力して、各フィルタの出力を加算した場合、元の信号が復元される。
【００１６】
したがって、請求項２に記載の発明によれば、外乱ノイズやドリフト誤差が除去されたスリップ角を求めることができ、このスリップ角を用いることで精度よく路面摩擦状態を推定することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ハイパスフィルタ及び前記ローパスフィルタの前記折点周波数の値を車両運動状態に応じて設定するものである。ここにいう車両運動状態としては、例えば車速や旋回状態等が該当する。
【００１８】
例えば、車両が水平直線路からバンク路へ進入する場合では、ハイパスフィルタ及びローパスフィルタの折点周波数は、路面カント変化速度以上の周波数に設定されている必要がある。そこで、路面カント変化速度は車速に比例するので、車速に比例して高い周波数になるように上記折点周波数を設定すれば、バンク路進入時でも、正確に路面摩擦状態を推定することができる。
【００１９】
また、スピンが発生するような場合では、ハイパスフィルタ及びローパスフィルタの折点周波数は、スリップ角推定手段で推定されたスリップ角とスリップ角換算手段で換算されたスリップ角との偏差が大きくなるに従って、高い周波数になるように設定されていればよい。
【００２０】
その理由として、上記偏差が大きくなった時とは、バンク路走行時や、横力とスリップ角との関係が線形性を有しない非線形領域になった時である。このような時、スリップ角推定手段によって推定されたスリップ角は精度が劣化しているため、横力から換算されたスリップ角を利用するのが好ましい。そこで、上記のように折点周波数を設定すれば、急激にバンク路に進入した場合や、急激にスピンに陥った場合でも、正確に路面摩擦状態を推定することができる。
【００２１】
したがって、請求項３に記載の発明によれば、車両運動状態に応じて前記折点周波数を設定することによって、水平直線路からバンク路へ進入したり、急にスピンが発生するような車両運動状態であっても、精度よく路面摩擦状態を推定することができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、前記路面摩擦状態推定手段は、前記加算手段により加算されたスリップ角に基づいてセルフアライニングトルク基準値を演算し、前記セルフアライニングトルク基準値と前記セルフアライニングトルク推定手段により推定されたセルフアライニングトルクとの比に基づいて、グリップ度を推定するものである。
【００２３】
したがって、請求項４に記載の発明によれば、路面外乱やドリフト誤差のないスリップ角に基づいてセルフアライニングトルク基準値を演算し、このセルフアライニングトルク基準値とセルフアライニングトルクとの比からグリップ度を推定するので、横方向の摩擦力余裕に相当するグリップ度を精度よく推定することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記路面摩擦状態推定手段は、前記グリップ度と横加速度とに基づいて路面摩擦係数を推定するものである。
【００２５】
したがって、請求項５に記載の発明によれば、請求項４で推定したグリップ度を用いることで、路面摩擦係数を精度よく推定することができる。なお、グリップ度が所定の判定基準以下になったときに、路面摩擦係数を推定するようにしてもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態に係る路面摩擦状態推定装置の構成を示すブロック図である。路面摩擦状態推定装置は、例えば電動式パワーステアリング装置が搭載された車両に用いることができるが、後述するように油圧式パワーステアリング装置が搭載された車両にも用いることができる。。
【００２８】
路面摩擦状態推定装置は、操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１１と、モータ電流を検出する電流センサ１２と、操舵角を検出する操舵角センサ１３と、車速を検出する車速センサ１４と、横加速度を検出する横加速度センサ１５と、ヨーレートを検出するヨーレートセンサ１６と、各センサから出力された信号を用いて路面摩擦状態を推定する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）２０とを備えている。
【００２９】
操舵トルクセンサ１１は、ステアリングシャフトと同軸上に取り付けられており、操舵軸に作用する操舵トルクに応じたセンサ信号を出力して、ＥＣＵ２０に供給する。電流センサ１２は、電動式パワーステアリング装置で使用される電動モータのモータ電流に応じたセンサ信号を出力して、ＥＣＵ２０に供給する。
【００３０】
操舵角センサ１３は、ドライバの操舵による操舵角θ_ｐに応じたセンサ信号を出力し、ＥＣＵ２０に供給する。車速センサ１４は、車速（車体速度）ｕに応じたセンサ信号を出力して、ＥＣＵ２０に供給する。
【００３１】
横加速度センサ１５は、車両の横方向の加速度（横加速度）に応じたセンサ信号を出力し、ＥＣＵ２０に供給する。ヨーレートセンサ１６は、車体重心回りの回転角速度であるヨーレートに応じたセンサ信号を出力し、ＥＣＵ２０に供給する。
【００３２】
図２は、ＥＣＵ２０の機能的な構成を示すブロック図である。
【００３３】
ＥＣＵ２０は、操舵トルクを検出する操舵トルク検出部２１と、アシストトルクを検出するアシストトルク検出部２２と、ＳＡＴを推定するＳＡＴ推定部２３と、スリップ角を推定するスリップ角推定部２４、スリップ角にハイパスフィルタ処理を施すハイパスフィルタ２５と、を備えている。
【００３４】
ＥＣＵ２０は、さらに、車両の前輪横力を演算する横力演算部２６と、前輪横力をスリップ角に換算するスリップ角換算部２７と、換算されたスリップ角にローパスフィルタ処理施すローパスフィルタ２８と、フィルタ処理済みの２つのスリップ角を加算する加算器２９と、グリップ度を推定するグリップ度推定部３０と、路面摩擦係数（以下「路面μ」という。）を推定する路面μ推定部３１と、を備えている。
【００３５】
操舵トルク検出部２１は、操舵トルクセンサ１１のセンサ信号に基づいて、ドライバが操舵したときに作用する操舵トルクを検出し、検出した操舵トルクをＳＡＴ推定部２３に供給する。
【００３６】
アシストトルク検出部２２は、電流センサ１２のセンサ信号に基づくモータ電流と、予め設定されたパラメータ（例えば、ピニオンリード、ボールネジリード、アシストモータトルク係数）とに基づいて、電動式パワーステアリング装置に作用するアシストトルクを検出し、アシストトルクをＳＡＴ推定部２３に供給する。なお、アシストトルク検出部２２は、上記モータ電流の代わりに、電動式パワーステアリング装置のモータに出力する電流指令値を使ってもよい。
【００３７】
ＳＡＴ推定部２３は、操舵トルク検出部２１で検出された操舵トルクと、アシストトルク検出部２２で検出されたアシストトルクとの和を演算することで、操舵系の摩擦を除去して、路面とタイヤ間で発生するＳＡＴを推定する。
【００３８】
図３は、操舵トルクとアシストトルクの和に対するＳＡＴ推定値を示す図である。２本の直線の幅は、操舵系の摩擦によるヒステリシス特性の大きさを表したものである。また、それぞれの直線の傾きは１である。
【００３９】
図４は、ヒステリシス特性の除去方法を説明するために表した操舵トルクとアシストトルクの和に対するＳＡＴ推定値を示す図である。
【００４０】
操舵トルクとアシストトルクの和がゼロ、スリップ角もゼロとなる直進状態では、ヒステリシス特性は発生しておらず、このときのＳＡＴ推定値は０となる。
【００４１】
次に操舵が行われ、ＳＡＴが発生した場合、ＳＡＴ推定値は、操舵トルクとアシストトルクの和に対し傾きＫ_１で演算される。具体的には、ＳＡＴ推定部２３は、離散化されたロジックにより、次の（１）式を演算する。
【００４２】
【数１】

【００４３】
ただし、Ｔ_ＳＡＴはＳＡＴ推定値、Ｔ_ＤＡは操舵トルクとアシストトルクの和である。また、クーロン摩擦等によって操舵トルクとアシストトルクの和が変動しても、ＳＡＴ推定値の変動は小さいことを表現するために、傾きＫ_１は１に比較して小さく設定されている。
【００４４】
操舵が行われた場合、（１）式によるＳＡＴ推定値は、図４におけるＡ点まで達する。さらに、操舵トルクとアシストトルクの和が増加する場合には、ＳＡＴ推定値は、モデルの下限を示す直線、すなわち（２）式に従って増加する。
【００４５】
【数２】

【００４６】
さらに操舵が行われ、Ｂ点まで達したところで切り増しが終了し、操舵トルクとアシストトルクの和が減少し始めた場合には、傾きＫ_１で（１）式に従ってＳＡＴ推定値は減少する。この領域では、操舵トルクとアシストトルクの和の変動に対し、ＳＡＴ推定値の変動は小さくなるように設定されている。これは、旋回時の保舵状態において、ドライバの操舵力が多少変化しても、パワーステアリング装置のクーロン摩擦等の影響によってＳＡＴ推定値に影響が現れないようにしたものである。
【００４７】
なお、Ｂ点からＳＡＴの減少によって到達したＣ点において、再び操舵トルクとアシストトルクの和が増加する場合には、（１）式に従いＢ点に向かってＳＡＴ推定値は増加する。また、切戻しによりＣ点からさらに操舵トルクとアシストトルクの和が減少し、モデルの上限に達した場合には、ＳＡＴ推定値は上限を示す直線、すなわち（２）式に従って減少する。このような２種類の傾きの設定によって、ヒステリシス特性が除去される。
【００４８】
図５（Ａ）は高μ路走行時の操舵トルクとアシストトルクの和の時間応答波形、（Ｂ）は高μ路走行時のＳＡＴ推定値の時間応答波形を示す図である。同図（Ａ）の操舵トルクとアシストトルクの和の値から、（１）式及び（２）式に基づいてヒステリシス特性を除去すると、同図（Ｂ）のＳＡＴ推定値になる。この結果、ヒステリシス特性を除去することによって、クーロン摩擦等の影響と考えられる保舵時の変動をほぼ補償することができる。
【００４９】
図６（Ａ）は高μ路、低μ路走行時のスリップ角に対する操舵トルクとアシストトルクの和の関係を示す図であり、（Ｂ）は高μ路、低μ路走行時のスリップ角に対するＳＡＴ推定値の関係を示す図である。同図（Ｂ）によると、スリップ角に対するＳＡＴ推定値は、高μ路、低μ路走行時のいずれの場合であっても、略直線状になり、ヒステリシス特性が除去されていることが分かる。
【００５０】
スリップ角推定部２４は、操舵角センサ１３のセンサ信号に基づく操舵角θ_ｐ［ｒａｄ］と、車速センサ１４のセンサ信号に基づく車速ｕ［ｍ／ｓ］とに基づいて、前輪タイヤのスリップ角である前輪スリップ角α_Ｅ［ｒａｄ］を推定する。ここで、前輪スリップ角α_Ｅは、車両運動の動特性を利用すると、（３）式及び（４）式の状態方程式によって表される。
【００５１】
【数３】

【００５２】
ただし、ｖ：横速度［ｍ／ｓ］、ｒ：ヨーレート［ｒａｄ／ｓ］、ｕ：車速［ｍ／ｓ］、ｃ_ｆ：前輪コーナリングパワー［Ｎ／ｒａｄ］、ｃ_ｒ：後輪コーナリングパワー［Ｎ／ｒａｄ］、Ｌ_ｆ：前軸重心間距離［ｍ］、Ｌ_ｒ：後軸重心間距離［ｍ］、Ｍ：車両質量［ｋｇ］、Ｉ_Ｚ：ヨー慣性［ｋｇｍ^２］、ｇ_ｈ：ハンドル実舵間ギヤ比である。
【００５３】
上記（３）式及び（４）式をサンプル時間τで離散化し、車速ｕの関数として表現すると、次の（５）式及び（６）式が得られる。
【００５４】
【数４】

【００５５】
ただし、ｋはサンプリング番号である。また、（５）式のＡ_ｓ及びＢ_ｓは、次の（７）式で表される。
【００５６】
【数５】

【００５７】
スリップ角推定部２４は、サンプル時間τ毎に、（５）から（７）式に従って演算することで前輪スリップ角α_Ｅを推定し、前輪スリップ角α_Ｅをハイパスフィルタ２５に供給する。
【００５８】
ハイパスフィルタ２５は、スリップ角推定部２４で推定された前輪スリップ角α_Ｅにハイパスフィルタ処理を施す。ここで、スリップ角推定部２４で推定された前輪スリップ角α_Ｅは、バンク路走行時に操舵中立点が移動した場合には低周波領域にドリフト誤差を含んでしまうが、高周波領域にはＳＡＴ推定値に対して位相遅れのない信号成分を含んでいる。そこで、ハイパスフィルタ２５は、前輪スリップ角α_Ｅにハイパスフィルタ処理を施すことで、低周波領域のドリフト誤差を除去すると共に、ＳＡＴ推定値に対して位相遅れのない高周波成分のみを抽出する。
【００５９】
ハイパスフィルタ２５は、１次の離散フィルタによって構成される。ここで、連続時間における１次ハイパスフィルタは、（８）式の伝達関数によって表される。
【００６０】
【数６】

【００６１】
ただし、ω_ｂは折点周波数である。（８）式をＴｕｓｔｉｎ変換などの手法を用いて変換すると、離散時間のハイパスフィルタを設計することができる。Ｔｕｓｔｉｎ変換において、サンプリング時間をＴ、時間進みオペレータをｚとした場合、ｓは（９）式で表される。
【００６２】
【数７】

【００６３】
（９）式を（８）式に代入すると、離散時間のハイパスフィルタは、（１０）式で表される。
【００６４】
【数８】

【００６５】
ハイパスフィルタ２５は、（１０）式に従って前輪スリップ角α_Ｅにハイパスフィルタ処理を施し、フィルタ処理された前輪スリップ角α_Ｅを加算器２９に供給する。
【００６６】
横力演算部２６は、横加速度センサ１５のセンサ信号に基づく横加速度ｇ_ｙと、ヨーレートセンサ１６のセンサ信号に基づくヨーレートｒとを用いて、前輪タイヤに生じた横力である前輪横力Ｆ_ｆを演算する。ここで、前輪横力Ｆ_ｆは、横加速度ｇ_ｙについては次の（１１）式の運動方程式を満たし、ヨーレートｒについては次の（１２）式の運動方程式を満たす。
【００６７】
【数９】

【００６８】
ただし、Ｆ_ｒは後輪横力である。また、横加速度ｇ_ｙは、次の（１３）式の通りである。
【００６９】
【数１０】

【００７０】
（１１）式及び（１２）式を整理すると、前輪横力Ｆ_ｆは（１４）式のようになる。
【００７１】
【数１１】

【００７２】
そこで、横力演算部２６は、ヨーレートｒと横加速度ｇｙとを用いて、（１４）式に従って前輪横力Ｆ_ｆを演算し、前輪横力Ｆ_ｆをスリップ角換算部２７に供給する。
【００７３】
スリップ角換算部２７は、横力演算部２６から供給された前輪横力Ｆ_ｆを前輪コーナリングパワーｃ_ｆで除算することで、前輪横力Ｆ_ｆを前輪スリップ角α_Ｔに換算する。具体的には、次の（１５）式を演算する。
【００７４】
【数１２】

【００７５】
ローパスフィルタ２８は、スリップ角換算部２７で演算された前輪スリップ角α_Ｔにローパスフィルタ処理を施す。ここで、スリップ角換算部２７で演算された前輪スリップ角α_Ｔは、高周波領域に路面外乱の影響を受けたノイズや位相遅れ等の変動成分を含んでいるものの、バンク路走行時であっても影響されない低周波成分を含んでいる。そこで、ローパスフィルタ２８は、前輪スリップ角α_Ｔにローパスフィルタ処理を施すことで、高周波領域の変動成分を除去すると共に、正確に演算された低周波成分のみを抽出する。
【００７６】
具体的には、ローパスフィルタ２８は、ハイパスフィルタ２５と同じ折点周波数を有する１次の離散フィルタとして構成されている。ここで、連続時間における１次ローパスフィルタは、次の（１６）式の伝達関数によって表される。
【００７７】
【数１３】

【００７８】
（１６）式をＴｕｓｔｉｎ変換すると、離散時間のローパスフィルタとなり、次の（１７）式で表される。
【００７９】
【数１４】

【００８０】
ローパスフィルタ２８は、（１７）式に従って前輪スリップ角α_Ｔにローパスフィルタ処理を施し、フィルタ処理された前輪スリップ角α_Ｔを加算器２９に供給する。
【００８１】
なお、折れ点周波数は、特に限定されるものではないが、路面外乱に伴うノイズを除去できるように、また、バンク路進入時に路面カント変化速度に対応できるような周波数であるのが好ましい。
【００８２】
加算器２９は、ハイパスフィルタ２５から供給された前輪スリップ角α_Ｅと、ローパスフィルタ２８から供給された前輪スリップ角α_Ｔとを加算して、統合スリップ角α_Ｉを演算する。すなわち、次の（１８）式を演算する。
【００８３】
【数１５】

【００８４】
ここで、ハイパスフィルタ２５の伝達関数とローパスフィルタ２８の伝達関数の和は、１となる。これは、同一信号をハイパスフィルタとローパスフィルタに入力し、各フィルタの出力を加算した場合、元の信号が復元されることを意味している。したがって、加算器２９は、ドリフト誤差やノイズ等の影響を受けないスリップ角α_Ｉを演算することができる。
【００８５】
図７は、バンク路進入時のスリップ角推定値α_Ｅ、スリップ角換算値α_Ｔ、統合スリップ角α_Ｉの時間応答波形を示す図である。この実験では、５秒付近でバンクに進入し、その後６秒付近で左に操舵した。これに伴ってスリップ角推定値α_Ｅは負の値になった。バンク路走行時には、操舵中立点が移動（図７では正方向に移動）する。したがって、グリップ度推定部３０で用いるスリップ角は、操舵中立点移動に伴って修正される必要がある。
【００８６】
ここで、操舵角から推定されたスリップ角推定値α_Ｅは、バンク路進入後であっても操舵開始までの区間（５秒から６秒の区間）はゼロになった。また、横力から演算されたスリップ角換算値α_Ｔは、バンク路進入時に操舵中立点の移動に対応して正方向に変動したが、路面外乱に応じたノイズを多く含んでいた。これに対して、これらの信号をフィルタ処理によって統合した統合スリップ角α_Ｉは、ノイズが除去されていると共に、操舵中立点の移動に対応して正方向に変動したことが分かる。
【００８７】
グリップ度推定部３０は、ＳＡＴ推定部２３で推定されたＳＡＴ推定値Ｔ_ＳＡＴと、加算器２９で演算された統合スリップ角α_Ｉとに基づいて、横方向の摩擦力余裕に相当するグリップ度εを推定する。
【００８８】
ここで、グリップ度εは、ＳＡＴ推定値Ｔ_ＳＡＴとＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０の比であり、次の（１９）式で表される。
【００８９】
【数１６】

【００９０】
ＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０は、スリップ角０で線形化された線形モデルのＳＡＴ値であり、高グリップ状態（すなわちグリップ度＝１）の状態のＳＡＴ値である。ＳＡＴ値のスリップ角に対する原点勾配をＫ_０とすると、ＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０は、原点勾配Ｋ_０と統合スリップ角α_Ｉの積で表される。したがって、グリップ度εは、次の（２０）式となる。
【００９１】
【数１７】

【００９２】
グリップ度推定部３０は、ＳＡＴ推定値Ｔ_ＳＡＴと統合スリップ角α_Ｉとを用いて、（２０）式に従ってグリップ度εを演算し、グリップ度εを路面μ推定部３１に供給する。
【００９３】
なお、グリップ度推定部３０は、上述した手法によってグリップ度εを推定する場合に限らず、例えば、ＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０とＳＡＴ推定値Ｔ_ＳＡＴの関数でグリップ度εを表してもよいし、ＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０とＳＡＴ推定値Ｔ_ＳＡＴの２次元マップでグリップ度εを記述してもよい。
【００９４】
図８は、ドライアスファルトのバンク路を走行したときのスリップ角に対するＳＡＴ推定値を示す図である。なお、スリップ角として、統合スリップ角α_Ｉを用いた場合を実線で示し、スリップ角推定値α_Ｅを用いた場合を点線で示している。また、参考のためＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０を破線で示した。
【００９５】
図９は、図８の実験と共に測定したデータであり、ドライアスファルトのバンク路を走行したときの（Ａ）グリップ度、（Ｂ）操舵角の時間応答波形を示す図である。なお、同図（Ａ）において、統合スリップ角α_Ｉを用いたグリップ度を実線で示し、スリップ角推定値α_Ｅを用いたグリップ度を点線で示した。さらに、演算されたグリップ度が１を超えた場合は、１とした。
【００９６】
スリップ角推定値α_Ｅは、バンク走行時には操舵中立点移動の影響を受けるため、図８に示すように、負の方向に変動した。この結果、スリップ角推定値α_ＥはＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０と比較して絶対値が小さくなり、図９に示すように、グリップ度は小さくなった。
【００９７】
これに対して、統合スリップ角α_Ｉは、バンク走行時であっても操舵中立点移動の影響を受けていない。つまり、図８に示すように、統合スリップ角α_Ｉに対するＳＡＴ推定値の関係は、ＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０を表す直線とほぼ一致した。また、図９に示すように、グリップ度は１となった。
【００９８】
以上の実験結果によれば、ドライアスファルトのバンク路面の場合、グリップ度は常に１付近の値にならなければならない。しかし、スリップ角推定値α_Ｅを用いたグリップ度は、１より小さな値になり、明らかな誤りであることが分かった。一方、統合スリップ角α_Ｉを用いたグリップ度は、常に１になり、正確に推定されたことが確認された。
【００９９】
路面μ推定部３１は、グリップ度推定部３０で推定されたグリップ度εが所定の判定基準以下（例えば、ε≦０．５）の状態になると、グリップ度εと横加速度ｇ_ｙとから路面μ_ｅｓｔを推定する。ここで、路面μ_ｅｓｔは、次の（２１）式によって表される。
【０１００】
【数１８】

【０１０１】
ただし、ｇは重力加速度である。また、ｇ_ｆｙは前輪位置横加速度であり、次の（２２）式で表される。
【０１０２】
【数１９】

【０１０３】
このように求められた路面μ_ｅｓｔは、グリップ度εが小さいほど、すなわち限界に近いほど推定精度が向上する。そこで、路面μ推定部３１は、上述のように、グリップ度εが所定の判定基準以下になったときに、（２１）式及び（２２）式に従って路面μ_ｅｓｔを推定する。
【０１０４】
図１０は氷上路を４０ｋｍ／ｈで走行したときの（Ａ）グリップ度、（Ｂ）路面μ_ｅｓｔ（μ推定値）、（Ｃ）操舵角の時間応答波形を示す図である。同図（Ｂ）の判定フラグは、グリップ度が判定基準以下になったときに１になり、グリップ度が判定基準を超えたときに０になるフラグである。図１０によると、判定フラグが１のときでは、μ推定値は常に０．３付近（≒氷上路の路面μ）の値になった。
【０１０５】
図１１は、圧雪路を４０ｋｍ／ｈで走行したときの（Ａ）グリップ度、（Ｂ）路面μ_ｅｓｔ（μ推定値）、（Ｃ）操舵角の時間応答波形を示す図である。図１１によると、判定フラグが１のときでは、μ推定値は、氷上路走行時の場合と比べて大きくなり、常に０．５付近（≒圧雪路の路面μ）の値になった。
【０１０６】
図１２は、ドライアスファルト路を４０ｋｍ／ｈで走行したときの（Ａ）グリップ度、（Ｂ）路面μ_ｅｓｔ（μ推定値）、（Ｃ）操舵角の時間応答波形を示す図である。図１２によると、グリップ度は常に判定基準（０．５）以上になり、判定フラグも常に０になった。このため、図１１や図１２とほぼ同様の操舵を行ったにもかかわらず、タイヤと路面間の摩擦力に十分な余裕が残っており、μ推定値は推定されなかった。
【０１０７】
以上のように、本実施の形態に係る路面摩擦状態推定装置は、ハイパスフィルタ２５及びローパスフィルタ２８によって抽出された統合スリップ角からＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０を演算し、ＳＡＴ基準値Ｔ_ＳＡＴ０とＳＡＴ推定部２３で推定されたＳＡＴ推定値Ｔ_ＳＡＴとの比を演算することで、横方向の摩擦力余裕に相当するグリップ度εを高精度に推定することができる。そして、グリップ度εが判定基準以下になったときには、路面μを高精度に推定することができる。
【０１０８】
特に、路面摩擦状態推定装置は、スリップ角推定値α_Ｅをハイパスフィルタ２５に通すことによって、バンク路走行時の操舵中立点の移動によるドリフト誤差を除去して、精度よくグリップ度εや路面μの路面摩擦状態を推定することができる。さらに、スリップ角換算値α_Ｔをローパスフィルタ２８に通すことによって、路面外乱の影響を受けることなく、精度よく路面摩擦状態を推定することができる。
【０１０９】
（その他の実施形態）
ここで、ハイパスフィルタ２５及びローパスフィルタ２８の折点周波数は、固定であってもよいが、バンク路進入時の路面カント変化速度（路面が傾く変化速度）以上に設定されることが必要である。ここで、路面カント変化速度は車速に比例するものである。そこで、ハイパスフィルタ２５及びローパスフィルタ２８は、車速が大きくなるに従って、高周波数の折点周波数になるように構成されてもよい。
【０１１０】
路面摩擦状態推定装置は、このような構成のハイパスフィルタ２５及びローパスフィルタ２８を備えることで、高速でバンクに進入する場合であっても、正確に路面摩擦状態を推定することができる。
【０１１１】
また、ハイパスフィルタ２５及びローパスフィルタ２８は、スリップ角推定値α_Ｅとスリップ角換算値α_Ｔとの偏差が大きくなるに従って、高周波数の折点周波数になるように構成されてもよい。その理由として、スリップ角推定値α_Ｅとスリップ角換算値α_Ｔとの偏差が大きくなった時は、バンク路走行時や、横力とスリップ角との関係が線形性を有しない非線形領域になった時である。このような時、操舵中立点変化やタイヤの非線形の影響を受けない前輪横力Ｆ_ｆに基づくスリップ角換算値α_Ｔを利用するのが好ましい。
【０１１２】
路面摩擦状態推定装置は、このような構成のハイパスフィルタ２５及びローパスフィルタ２８を備えることで、車両運動状態に応じて、操舵角に基づくスリップ角推定値α_Ｅよりも前輪横力Ｆ_ｆに基づくスリップ角換算値α_Ｔを使用する割合を高めることができる。この結果、例えば急激にバンク路に進入した場合や、急激にスピン状態に陥った場合であっても、正確に路面摩擦状態を推定することができる。
【０１１３】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で様々な設計上の変更を行うことができる。
【０１１４】
例えば、上述した実施の形態では、電動式パワーステアリング装置を用いてグリップ度や路面μを推定する場合を例に挙げて説明したが、油圧式パワーステアリング装置を用いることもできる。この場合、油圧式パワーステアリング装置の油圧等を計測して操舵トルク及びアシストトルクに対応するトルクをそれぞれ検出することで、上述した実施の形態と同様にしてグリップ度や路面μを推定することができる。
【０１１５】
また、上述した実施の形態では、１次伝達関数を用いてハイパスフィルタ２５及びローパスフィルタ２８を表したが、その他の関数を用いてもよい。
【０１１６】
【発明の効果】
本発明に係る路面摩擦状態推定装置は、推定されたスリップ角にローパスフィルタ処理を施すと共に、横力から換算されたスリップ角にローパスフィルタ処理を施した後、フィルタ処理された２つのスリップ角を加算し、加算されたスリップ角とセルフアライニングトルクとに基づいて路面摩擦状態を推定することにより、路面外乱やドリフト誤差の影響を受けることなく、精度よく路面摩擦状態を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る路面摩擦状態推定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ＥＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。
【図３】操舵トルクとアシストトルクの和に対するＳＡＴ推定値を示す図である。
【図４】ヒステリシス特性の除去方法を説明するために表した操舵トルクとアシストトルクの和に対するＳＡＴ推定値を示す図である。
【図５】（Ａ）は高μ路走行時の操舵トルクとアシストトルクの和の経時変化を示す図であり、（Ｂ）は高μ路走行時のＳＡＴ推定値の経時変化を示す図である。
【図６】（Ａ）は高μ路、低μ路走行時のスリップ角に対する操舵トルクとアシストトルクの和の関係を示す図であり、（Ｂ）は高μ路、低μ路走行時のスリップ角に対するＳＡＴ推定値の関係を示す図である。
【図７】バンク路進入時のスリップ角推定値α_Ｅ、スリップ角換算値α_Ｔ、統合スリップ角α_Ｉの時間応答波形を示す図である。
【図８】ドライアスファルトのバンク路を走行したときのスリップ角に対するＳＡＴ推定値を示す図である。
【図９】ドライアスファルトのバンク路を走行したときの（Ａ）グリップ度、（Ｂ）操舵角の時間応答波形を示す図である。
【図１０】氷上路を４０ｋｍ／ｈで走行したときの（Ａ）グリップ度、（Ｂ）路面μ_ｅｓｔ（μ推定値）、（Ｃ）操舵角の時間応答波形を示す図である。
【図１１】圧雪路を４０ｋｍ／ｈで走行したときの（Ａ）グリップ度、（Ｂ）路面μ_ｅｓｔ（μ推定値）、（Ｃ）操舵角の時間応答波形を示す図である。
【図１２】ドライアスファルト路を４０ｋｍ／ｈで走行したときの（Ａ）グリップ度、（Ｂ）路面μ_ｅｓｔ（μ推定値）、（Ｃ）操舵角の時間応答波形を示す図である。
【符号の説明】
２１　操舵トルク検出部
２２　アシストトルク検出部
２３　ＳＡＴ推定部
２４　スリップ角推定部
２５　ハイパスフィルタ
２６　横力演算部
２７　スリップ角換算部
２８　ローパスフィルタ
２９　加算器
３０　グリップ度推定部
３１　路面μ推定部

Claims

セルフアライニングトルクを推定するセルフアライニングトルク推定手段と、
スリップ角を推定するスリップ角推定手段と、
前記スリップ角推定手段により推定されたスリップ角にハイパスフィルタ処理を施すハイパスフィルタと、
横力を演算する横力演算手段と、
前記横力演算手段により演算された横力をスリップ角に換算するスリップ角換算手段と、
前記スリップ角換算手段により換算されたスリップ角にローパスフィルタ処理を施すローパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタによりハイパスフィルタ処理されたスリップ角と、前記ローパスフィルタによりフィルタ処理されたスリップ角とを加算する加算手段と、
前記加算手段により加算されたスリップ角と、前記セルフアライニングトルク推定手段により推定されたセルフアライニングトルクとに基づいて、路面摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定手段と、
を備えた路面摩擦状態推定装置。
前記ハイパスフィルタ及び前記ローパスフィルタは、同一の折点周波数を有する
請求項１に記載の路面摩擦状態推定装置。
前記ハイパスフィルタ及び前記ローパスフィルタの前記折点周波数の値を車両運動状態に応じて設定する
請求項２に記載の路面摩擦状態推定装置。
前記路面摩擦状態推定手段は、前記加算手段により加算されたスリップ角に基づいてセルフアライニングトルク基準値を演算し、前記セルフアライニングトルク基準値と前記セルフアライニングトルク推定手段により推定されたセルフアライニングトルクとの比に基づいて、グリップ度を推定する
請求項１から３のいずれか１項に記載の路面摩擦状態推定装置。
前記路面摩擦状態推定手段は、前記グリップ度と横加速度とに基づいて路面摩擦係数を推定する
請求項４に記載の路面摩擦状態推定装置。