JP2005214983A - タイヤ空気圧ロス検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定のホイール回転周期に渡って、車両における１つ以上のホイールにおける角速度変動を検出し、上記速度変動の周波数を分析することにより、上記車両のタイヤの空気圧ロスを検出する方法を提供すること。
【解決手段】本発明では、所定のホイール回転周期に渡って、車両における、１つ以上のホイールの角速度変動を検出し、該速度変動の振動を分析することにより、１つ以上のタイヤの空気圧ロスをモニタリングする。周波数の変化は、空気圧ロスと関連を有し、例えば、タイヤ空気圧ロス情報をディスプレイに表示することにより、タイヤ空気圧ロスをドライバーに知らせる。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、車両における１つ以上のタイヤの空気圧ロスの検出方法に関する。

本発明は、車両における１つ以上のタイヤの空気圧ロスの検出方法に関する。

運転中の車両におけるタイヤの空気圧の著しいロスは、該タイヤ破損や上記車両の制御不能を引き起こし得る。さらに言えば、タイヤのわずかな空気圧ロスでさえ、該タイヤの使用寿命は短くなり得る。それゆえ、車両におけるタイヤのうち少なくとも一本のタイヤが圧力損失を来たしつつある場合には、特に危険な状態に陥る前に、上記車両のドライバーに、タイヤの空気圧ロスが生じている旨を知らせることができることが望ましい。

あるシステムでは、車両における各々のタイヤの空気圧を直接測定し、該測定の結果を上記車両のドライバーに伝達する。また、別のシステムでは、タイヤの空気圧ロスや、道路により誘発された振動に応じて引き起こされる、タイヤの実効的なロール直径の変化を測定する。一方、他のシステムでは、タイヤの状態を確認するために、ある種の操作状況のもと、該タイヤの回転速度を測定する。例えば、タイヤの空気圧ロスは、該タイヤの回転抵抗の増加を引き起こし、それゆえ、感知可能な程度の該タイヤの回転速度の変化を生じさせる。

車両が道表面を走行すると、地面による励振は、上記車両における１つ以上のホイールの前後変位に起因する角速度変動及びねじり振動を生じさせる。上記速度変動の周波数は、タイヤ側壁の剛性に依存し、該剛性は主としてタイヤ空気圧により影響される。タイヤ空気圧ロスが存在すると、ホイールにおける上記角速度変動は、所定の速度において高周波から低周波へと変化する。

本発明では、所定のホイール回転周期に渡って、車両における１つ以上のホイールにおける角速度変動を検出し、上記速度変動の周波数を分析することにより、１つ以上のタイヤの空気圧ロスをモニターする。上記周波数の変化は、タイヤにおける空気圧ロスと関連を有し、タイヤ空気圧ロスの情報を、例えばディスプレイに表示させることで、ドライバーに指し示す。

その他の特性及び効果は、図面、実施形態、及び請求項から明らかとなる。

本発明によれば、所定のホイール回転周期に渡って、車両における１つ以上のホイールにおける角速度変動を検出し、上記速度変動の周波数を分析することにより、上記車両のタイヤの空気圧ロスを検出する方法を提供することができる。

以下に示す専門用語は、本発明の様々な側面を理解するのに有用である。

ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）‐高速フーリエ変換
ＤＦＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｉｎｉｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）‐離散型有限フーリエ変換
Θ‐フーリエ変換の評価のための（２π ｒａｄｉａｎの倍数である）角度の有限周期
Ｎ‐ＤＦＦＴの評価のための有限であるサンプル点の数
θ_ｎ‐サンプル信号ｎ_ｔｈの角度
Δθ‐２つの連続したサンプル間の角度間隔
（すなわち、Δθ＝Θ／Ｎ （２π ｒａｄｉａｎ））
Δｔ_ｎ‐ｎ_ｔｈがΔθ回転する間の時間間隔
ｒ（θ）‐角度θ＝ｎΔθにおけるサンプル信号（すなわち、立ち上がり又は立ち下がりである、２つのエンコーダ側面間の時間周期；ｒ（θ）＝ｒ（ｎΔθ）＝Δｔ_ｎ）
Ｍ‐周波数スペクトルにおいて検知された周波数の数
ΔΩ‐連続する周波数間の差分に等しい角度領域中の角周波数分解能（ｃｙｃｌｅｓ／２π ｒａｄｉａｎ）
Ω‐角度スペクトルにおいて定義された角周波数（ｃｙｃｌｅｓ／２π ｒａｄｉａｎ） Ω＝ｍΔΩ ｍ＝０，１，２，３，．．．，Ｍ−１
ω‐車軸の角速度（２π ｒａｄｉａｎ ／ｓｅｃ）
Δｆ‐時間領域における周波数分解能、または連続する周波数間の差分（Ｈｚ）

運転中の車両において、例えば地面による励振は、ホイールや、例えば駆動されたホイールの車軸といったその他の伝導機構部材における、ねじり振動や角速度変動を引き起こす。例えば、図２は、時速４０キロメートルまたはそれ以上の速さで直進する車両における励振により引き起こされた振動の周波数スペクトルを示している。同図に示すように、車両の移動方向における前後励振により引き起こされるねじり振動は、約４０ヘルツである。ねじり振動の周波数は、タイヤの側壁剛性に依存し、該剛性は主としてタイヤ空気圧の影響を受ける。タイヤ空気圧ロスが存在するときは、ホイールのねじり振動は、所定の速さにおいて高周波数から低周波数へと変動する。

本発明の種々の実施態様では、（例えば図１１や図１２に示すような）処理過程またはアルゴリズムが、タイヤが装着されているホイールのねじり振動や角速度変動において抽出された固有周波数に基づいて、タイヤ空気圧の状態を検出する。上記処理過程としては、ＤＦＦＴ分析を採用して上記ねじり振動を分析する。ＤＦＦＴ分析は、米国特許第６３７４１６３号に開示されており、ＤＦＦＴ分析の技術内容は、上記米国特許文献に全て盛り込まれている。したがって、本発明においては、ＡＢＳホイールスピードセンサーを用いた振動分析が、ねじり周波数の推移の検出、つまりタイヤ空気圧ロスの検出を可能とする。

ここで、図１は、Ｎ本の歯１２を有するＡＢＳエンコーダ１０を示した図であり、ＡＢＳエンコーダが回転しているときのΔｔ_ｆとΔｔ_ｒとは、それぞれ、エンコーダの立ち上がり側壁１４間の時間周期と、エンコーダの立ち下がり側壁１６間の時間周期とを示している。ホイールの回転に伴い、例えば車両に搭載された電子制御ユニット（ＥＣＵ）に組み込まれた適切なソフトウェアが、通過するエンコーダ側壁（歯）の数を検出し取得する。上記Δｔ_ｆ及び上記Δｔ_ｒ信号における不連続点は、スピードの変化、エンコーダの生産方法やマウンティングの状態、さらには走行する道の荒れ具合により引き起こされ得る。ＡＢＳエンコーダ（またはトーンホイール）は、ホイール回転当たりの複数のピーク出力を生み出す。また、一般に、ＡＢＳエンコーダ（またはトーンホイール）は、リラクタンスの値やホール効果装置の種類に依拠する。ＡＢＳエンコーダは、種々のアンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、ダイナミックスタビリティープログラム（ＤＳＰ）、及びトラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）への入力として用いられる正確なホイール速度、を測定するものとして提供されている。

各々スペースを空けたインターバル角度毎に、ある関数をサンプリングし、角度領域であるｓ（Ω）において、フーリエ変換を適用する。該ｓ（Ω）とは、角度θの逆数の関数であり（つまりΩ＝１／θ）、２πラジアン当たりのサイクル数で表され（つまりｃｙｃｌｅｓ／２π）、次式のように表現される。

フーリエ積分変換式は、離散的なサンプルデータ系として書き換え得る。角度領域において、Θはサンプリング角度であり、Ｎは、Θ間の周期中に採られるサンプルの数である。一般的に、Θは、２πラジアンの倍数が選ばれる。従って、スペクトルは、次式で表される。

ここで、角度間隔Δθは、一定値であると考えるので、すなわち、

となる（式（３）の分母は、ＡＢＳエンコーダにおける歯の数を表す）。

そして、回転角度は、

角周波数分解能は、次式から得られる。

ここで、角周波数Ωは、ｍΔΩとして表されている。

したがって、フーリエ積分は、離散的に抽出した角度領域を、ｃｙｃｌｅｓ／２πという単位で表される角周波数領域へと変換する。

時間間隔であるΔｔ_ｎは、ｎ_ｔｈがΔθ回転する時間周期を表しており、また、一般的にΔｔ_ｎは、使用されるホイールの角速度の変動のために、一定値ではない。

ここで、サンプル値の結果が

であるとすると、式（２）より、ＤＦＦＴアルゴリズムは、次式を用いる。なお、次式は、実部における一連の角度にも同様に適用する。

ここで、時間間隔Δｔ_ｎは、

として寄与する。

ねじり振動の分析のために、サンプリング長さＮを、次の等式により計算する。

各エンコーダ側壁のΔｔ_ｎ（ｎ＝０，１，２，３，．．．，Ｎ−１）は、

として、全ての所定の周波数へ連続的に寄与している。ここで留意すべきなのは、一般的には、ソフトウェアがループしている間は１つ以上のエンコーダ側壁が回転し、スペクトルへの上記エンコーダ側壁の寄与分は全て、同一のソフトウェアループ内で完了していることである。

式（２）における、周波数スペクトルを計算するというタスクは、

という、Ｎ個のサブタスクへと分割される。したがって、Δｔ_ｎ（ｎ＝０，１，２，３，．．．，Ｎ−１）に対しての全寄与分は、単一角周波数スペクトル

を生じる。

全チックである

は、角速度ωを計算するまで累積される。

式（７）を複素数領域に書き換えると、周波数スペクトルは、

で与えられ、該角周波数の振幅は、

と表される。

ここで留意すべきなのは、エンコーダトーンホイールの円周に配されている歯のピッチは、製造上の許容誤差の変動のゆえに、一定ではないということと、それゆえ、タイヤの回転毎に不均衡な変動が生じることである。これらの変動と関連する周波数は、ポールピッチ周波数と呼ばれる。また、ポールピッチエラーは、エンコーダトーンホイールの歯における最大許容誤差と定義される。

タイヤの回転に伴い、上記ポールピッチエラーは、周波数スペクトルにおいて、周期的にさらなる振動を生じさせる。これらの付加的な周波数は、角度領域におけるピークねじり振動の発見を、より困難にする。それゆえ、本発明では、単一スペクトルのポールピッチ周波数は、検出アルゴリズムや検出処理過程に移る前に、除去される。

具体的には、角度領域において、角周波数Ωがｃｙｃｌｅｓ／２π ｒａｄｉａｎの倍数に等しいときに、ポールピッチ振動が生じる。ポールピッチ振動と、角度領域における車両速度との間には相関関係は無いのであるが、時間領域におけるポールピッチ振動を除去するよりも、角度領域におけるポールピッチ振動を除去するほうが容易である。なぜなら、角度領域における決まった角周波数において、上記ポールピッチ振動が生じるからである。

図３は、車両が通常の道路を時速約８０キロメートルで走行中における、ポールピッチ周波数が存在する場合としない場合についての、角周波数スペクトルを示している。同図に示すように、ポールピッチエラーが周波数スペクトルを歪めている。

図３においては、角周波数領域におけるスペクトルを示しているが、車両の振動分析に関しては、表特性の振幅は、角周波数（ｃｙｃｌｅｓ／２π ｒａｄｉａｎ）で表すよりも、時間周波数ヘルツ（Ｈｚ）で表すほうがより都合がよい。これは、車両振動は、時間関数であるからである。それゆえ、ｃｙｃｌｅｓ／２πで表される角周波数スペクトルΩを、次式により、ヘルツ（Ｈｚ）で表される時間周波数スペクトルに書き換える。

ここで、Ωは、角周波数（ｃｙｃｌｅｓ／２π ｒａｄｉａｎ）であり、ωは、ホイールの角速度（２π ｒａｄｉａｎ／ｓｅｃ）である。

また、角周波数Ａ_θ（Ω）で表した角度特性の振幅を、次式により、時間周波数Ａ_ｔ（ｆ）に変換する。

ここで、Ａ_ｔは、時間周波数スペクトルの振幅を表し、Ａ_θは、角周波数スペクトルの振幅を表す。

図４は、時速約８０．０キロメートルで通常の道路を実質的に直進する、タイヤ空気圧ロスが１．２バールである車両においては、ポールピッチエラー除去後のピーク前後ねじり振動は、４７．０Ｈｚから３５．０Ｈｚへと移行することを、時間周波数領域において示している。図５は、時速約４０キロメートルでラフな道を走る、タイヤ空気圧ロス１．２バールの車両においては、ピーク前後ねじり振動は、４２．０Ｈｚから３５．０Ｈｚへと移行することを示している。

図４及び図５から分かるように、ポールピッチエラーの除去後であっても、単一スペクトルは、なお、ノイズ及び偏差を含む。それゆえ、該単一スペクトルの含む偏差を除去するために、次式により、連続するＫについて単一スペクトルを足し合わせた平均スペクトルＳ_ｐ（ｍΔΩ）を導入する。

ここで、一連の平均化した周波数スペクトルに対して、曲線のあてはめを行う。具体的には、角度領域におけるピークねじり振動周波数Ｆ_０（ｃｙｃｌｅｓ／２π）を、次式により、曲線に当てはめる。

また、ここで、Δ_ａは、

であり、Δ_ｂは、

である。また、ｘ_ｍ及びｙ_ｍは、

である。

曲線のあてはめにおける範囲は、角速度ωの関数であるＭ_１及びＭ_２の値により決定される。

当てはめた曲線が直線に回帰してしまう場合、すなわちΔ_ａが

の場合、ピーク位置が予め定めた範囲から外れている場合、または演算がオーバーフローした場合、である不適切なスペクトルは拒絶される。

上述したように、角周波数領域においてよりも、時間周波数領域において、車両振動を特徴づけするほうがより好都合である。それゆえ、周波数スペクトルからピークねじり振動を計算した後、上記処理過程は、角度領域から時間領域へ、ピークねじり振動をマッピングする。すなわち、上記処理過程は、一連の周波数観測を計算し続け、初期ねじり振動（ｆ_０）を、観測に基づいて、時間周波数領域において決定する。具体的には、次式により、ピークねじり振動は、周波数領域（Ｈｚ）へマッピングされる。

例えば、Θ＝２π×Ｉ，及びチックタイムをμ＝４×１０^−６ｓｅｃとすると、角速度は、

となる。ここで、Ｉは、サンプリングサイクルの所定の数である。

図６は、ラフな道を時速約６０．０キロメートルで走る車両に生じた周波数スペクトルを、時間周波数領域へマッピングした後、曲線の当てはめを適用した結果を示す図である。同図に示すように、ピーク周波数は、タイヤ空気圧ロスが２．７バールから１．５バールに移行する間に、４０．０Ｈｚから３５．０Ｈｚに移行する。

初期周波数の計算の後、処理過程は、やがて周波数の調整を行う。車両の速度が変化した場合でさえ、処理過程は、単一スペクトル、平均スペクトル、及びピーク角周波数を角度領域において計算し続け、そして、前述した処理過程、すなわち次式により、角度領域のピークＦ_ｉを、時間領域ｆ_ｉ（ｉ＝１，２，３，．．．）へマッピングする。

フィルタリング計算もまた、一連の観測値に対して適用される。さらに、ｉの値が所定の値Ｉに達すると、処理過程は、ねじり振動のピーク周波数をリアルタイムで出力し、更新し続ける。

前述の処理過程は、１つ以上のタイヤについて空気圧ロスを検出できる。なぜなら、例えば、フロントレフトタイヤの空気圧ロスは、該タイヤの振動を引き起こすが、フロントライトタイヤのパフォーマンスにまでは影響を及ぼさず、左右逆の場合もまた同様である。同様に、リアレフトタイヤの振動はリアライトタイヤの振動からは独立しており、左右逆の場合もまた同様である。

一例として、上記処理過程を、時速約６０キロメートルでラフな道を走る前輪駆動車両に組み込んだ場合、フロントライトタイヤのタイヤ空気圧は、２．３バールであり、リアライトタイヤのタイヤ空気圧は、２．１バールであった。ここで、フロントレフトタイヤ及びリアレフトタイヤの空気圧を１．５，１．９，及び２．５バールに変化させた。図７に示すように、フロントレフトタイヤの空気圧ロスは、ピーク前後振動を、４７．３Ｈｚから４０．９Ｈｚへと移行させる。図８に示すように、リアレフトタイヤの空気圧ロスは、ピーク前後振動を、４７．０Ｈｚから４３．８Ｈｚへと移行させる。

図７及び図８において注意すべきは、リアレフトタイヤに関係するピーク振動の振幅は、フロントレフトタイヤにおけるそれより小さいことである。このことは、前輪駆動車両においては、ねじりコンプライアンスは、フロントホイール車軸及びその他の伝導機構部材により供給されることから予期できる。他方、駆動されないリアホイールは、連結部材をほとんど有しないため、リアホイールと結びついて有効に連動したねじりコンプライアンスを有しない。

図９は、フロントライトタイヤに関連するピーク前後振動における大幅な変動がないことを示している。すなわち、フロントレフト車軸振動は、フロントライト車軸のパフォーマンスに影響を与えない。同様に、図１０は、リアライトタイヤに関連するピーク前後振動における、大幅な変化がないことを示している。

上述した処理過程を、状態図１００として図１１に示し、複数のステップからなる処理過程２００のフロー図を図１２に示す。特に、図１２を参照して説明すると、ステップ２０２において処理過程２００を開始後、処理過程２００は、ステップ２０４にて離散（Ｄｔ）コントリビューションを求める。ステップ２０６におけるスペクトルの計算のために、上記離散（Ｄｔ）コントリビューションより実数成分と虚数成分とを取得する。

単一スペクトルを生成した後、ステップ２０８において、処理過程２００はポールピッチエラーを除去し、ステップ２１０において、連続した単一スペクトルを合成して、角度領域における平均スペクトルを求める。ステップ２１２において、平均スペクトルを処理過程２００の曲線に当てはめ、ステップ２１４にて、曲線当てはめがなされたスペクトルのピーク周波数を、角度領域から時間領域へマッピングする。次いで、処理過程２００は、ピーク周波数をフィルタリングし、ステップ２１６において、ピーク周波数を長期間の調整（ｌｏｎｇ−ｔｅｒｍ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｓ）する。上述したように、車両のスピードが変化した場合でさえ、処理過程２００は、ねじり振動周波数を計算し続け、そして、周波数の推測を最適に行うために、一連の観測データに統計的分析を適用する。この情報更新は、ステップ２１８において、タイヤ空気圧ロスと関連を有するねじり振動周波数における変動を検出するのに用いられている。この結果は、ステップ２２０において表示され、その後分析は終了する。

その他の実施形態も、請求項の範囲内に含まれる。

本発明の一実施形態において、車軸のねじり振動における変化をモニターするのに使用するＡＢＳエンコーダを示す図である。 車軸の前後ねじり振動の周波数スペクトルを示す図である。 ポールピッチエラーにより引き起こされた周波数スペクトルの歪みを示す図である。 約１．２バールのタイヤ空気圧ロスであり、通常の道路を走行中の車両における、ポールピッチエラーを除去後の周波数スペクトルを示す図である。 約１．２バールのタイヤ空気圧ロスであり、ラフな道を走行中の車両における、ポールピッチエラーを除去後の周波数スペクトルを示す図である。 １．５バール時と２．７バール時におけるデータである周波数スペクトルと、それぞれの曲線当てはめの結果を示す図である。 種々の空気圧ロス時における、フロントレフトタイヤの周波数スペクトルを示す図である。 種々の空気圧ロス時における、リアレフトタイヤの周波数スペクトルを示す図である。 種々の空気圧ロス時における、フロントライトタイヤの周波数スペクトルを示す図である。 種々の空気圧ロス時における、リアライトタイヤの周波数スペクトルを示す図である。 本発明の一実施形態における、ねじり振動検出の状態図である。 本発明の一実施形態における、ねじり振動検出の一連のステップであるフロー図である。

符号の説明

１０…ＡＢＳエンコーダ、 １２…歯、 １４…エンコーダの立ち上がり側壁、 １６…エンコーダの立ち下がり側壁、 １００…状態図、 ２００…処理過程。

Claims (14)

1. 車両におけるタイヤの空気圧ロスを検出する方法であって、
   車両のホイールのうち少なくとも１つ以上のホイールの角速度変動を所定のホイール回転数に渡って検出する工程と、
   上記角速度変動の周波数を分析する工程と、
   単一角度スペクトルにおけるポールピッチエラーを除去する工程と、
   角度領域から時間領域へピーク周波数をマッピングする工程と、
   上記周波数が上記時間領域上で変化したか否かを判断する工程と、
   周波数変化とタイヤにおける空気圧ロスとを関連付けする工程と、
   車両のドライバーにタイヤにおける上記空気圧ロスを明示する工程と、
   を具備する方法。
2. 上記判断する工程は、所定の車両速度において、上記周波数が高周波数から低周波数へと変化するか否かを判断する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
3. 上記検出する工程は、ＡＢＳエンコーダを用いて振動を検出する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
4. 一連の連続する単一周波数スペクトルを平均化する工程を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
5. 上記角度領域において上記平均化した周波数スペクトルに曲線当てはめを行う工程を更に具備することを特徴とする請求項４に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
6. 上記平均化した周波数スペクトルから上記ピーク周波数を計算する工程を更に具備することを特徴とする請求項５に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
7. 一連のピーク周波数をフィルタリングすることで、長期間の調整を行う工程を更に具備することを特徴とする請求項６に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
8. 上記判断する工程は、上記ピーク周波数における変化を検出する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
9. 上記明示する工程では、タイヤ空気圧ロスの情報を、上記車両の上記ドライバーが目視するディスプレイに表示することを特徴とする請求項８に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
10. 離散値であるサンプル角度領域を角周波数領域へと変換するために、高速フーリエ変換を用いる工程を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
11. 離散型高速フーリエ変換を使用する工程を更に具備することを特徴とする請求項１０に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
12. 上記検出する工程は、４つのホイールの上記角速度変動を検出する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
13. 上記明示する工程は、各々のホイールに装着された４つのタイヤのうち少なくとも１つ以上のタイヤの空気圧ロスを明示する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。
14. 上記検出する工程は、車両速度が少なくとも時速４０キロメートル以上の場合に行われることを特徴とする請求項１に記載の車両における空気圧ロスを検出する方法。

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