JP2009001158A - 車両の路面状態推定装置 - Google Patents

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    • B60T2210/10Detection or estimation of road conditions
    • B60T2210/12Friction

Abstract

【課題】広範な走行領域での路面状態の推定が可能であり、たとえ、道路勾配のある路面を走行する場合であっても精度良く路面状態を推定する。
【解決手段】駆動輪の車輪速度としての前輪車輪速ωF、従動輪の車輪速度としての後輪車輪速ωR、従動輪の車輪加速度としての後輪加速度(dωR/dt)、駆動輪車輪速差分値としての前輪車輪速差分値ΔωF、従動輪車輪速差分値としての後輪車輪速差分値ΔωR、従動輪車輪加速度差分値としての後輪加速度差分値Δ(dωR/dt)を演算し、更に、駆動輪に作用する接地荷重である前輪接地荷重Fzfを演算し、これらの値に基づいて、スリップ率の変化量に対する路面摩擦係数の変化量であるタイヤ特性曲線の傾き(dμ/dλ)を演算し、予め設定した閾値KCH、KCLとタイヤ特性曲線の傾き(dμ/dλ)とを比較することにより路面状態としての路面摩擦係数μを判定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、路面摩擦係数と車輪のスリップ率との関係を基に路面状態を精度良く推定する車両の路面状態推定装置に関する。
近年、車両においてはトラクション制御,制動力制御,あるいはトルク配分制御等について様々な制御技術が提案され、実用化されている。これらの技術では、必要な制御パラメータの演算、或いは、補正に路面状態を表す路面摩擦係数を用いるものも多く、その制御を確実に実行するためには、正確な路面摩擦係数を推定する必要がある。
例えば、特開平7−159308号公報では、前輪と後輪の速度差を演算し、この速度差を順次所定間隔ごとに積算して積算値の所定時間内平均勾配を演算し、この所定時間内平均勾配より路面摩擦係数の推定時期に相応しいか判断し、相応しいと判断された場合、車輪速度変化が微小な車輪速度の所定時間内の変化勾配より路面摩擦係数を推定する技術が開示されている。
特開平7−159308号公報
上述の特許文献1に開示される技術は、路面摩擦係数μと車輪のスリップ率λとの関係が、例えば、図4に示すようになることから、スリップ率λがλsとなり、スリップ率の変化量に対する路面摩擦係数の変化量(dμ/dλ)が0になるときの路面摩擦係数μの値が、そのときの路面摩擦係数μとなる性質を利用した技術である。従って、車輪のグリップ限界近傍でのみしか路面摩擦係数μの値を推定することができず、それ以外の走行領域では路面摩擦係数μの推定ができないため、汎用性が低いと云う問題がある。すなわち、多くの車両制御では、車輪がグリップ限界に至る前に車両挙動を適切に制御して車両の安定性の確保を図る必要があり、こうした車両制御に対しては用いることが困難である。また、上述の特許文献1は、路面摩擦係数μと車輪の接地荷重との積が総駆動力に等しくなることを基に、路面摩擦係数μを推定するものであるが、道路勾配がある際には、この道路勾配によって生じる誤差も考慮しなければ、精度の良い路面摩擦係数μを得ることができない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、広範な走行領域での路面状態の推定が可能であり、たとえ、道路勾配のある路面を走行する場合であっても精度良く路面状態を推定することができる車両の路面状態推定装置を提供することを目的とする。
本発明は、駆動輪の車輪速度を検出する駆動輪車輪速検出手段と、従動輪の車輪速度を検出する従動輪車輪速検出手段と、従動輪の車輪加速度を検出する従動輪車輪加速度検出手段と、今回検出した駆動輪車輪速と過去に検出した駆動輪車輪速との差を駆動輪車輪速差分値として演算する駆動輪車輪速差分値演算手段と、今回検出した従動輪車輪速と過去に検出した従動輪車輪速との差を従動輪車輪速差分値として演算する従動輪車輪速差分値演算手段と、今回検出した従動輪車輪加速度と過去に検出した従動輪車輪加速度との差を従動輪車輪加速度差分値として演算する従動輪車輪加速度差分値演算手段と、駆動輪に作用する接地荷重を演算する駆動輪接地荷重演算手段と、上記駆動輪車輪速と上記従動輪車輪速と上記駆動輪車輪速差分値と上記従動輪車輪速差分値と上記従動輪車輪加速度差分値と上記駆動輪接地荷重とに基づいて路面摩擦係数とスリップ率の特性曲線の該スリップ率の変化量に対する上記路面摩擦係数の変化量を演算する特性演算手段と、上記スリップ率の変化量に対する上記路面摩擦係数の変化量に基づいて路面状態を判定する路面状態判定手段とを備えたことを特徴としている。
本発明による車両の路面状態推定装置によれば、広範な走行領域での路面状態の推定が可能であり、たとえ、道路勾配のある路面を走行する場合であっても精度良く路面状態を推定することが可能となる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図1乃至図4は本発明の実施の一形態を示し、図1は路面状態推定装置の構成を示す機能ブロック図、図2は路面状態推定プログラムのフローチャート、図3は車両モデルにおける各パラメータの説明図、図4は路面摩擦係数とスリップ率の特性曲線の説明図である。尚、本実施形態では、路面状態推定装置を搭載する車両として、フロントエンジン−フロントドライブの2輪駆動車(すなわち、前輪が駆動輪であり、後輪が従動輪である)を例に説明する。また、以下の各数式で用いる各パラメータは、図3に示すものである。
図1において、符号1は車両に搭載され、路面状態を推定する路面状態推定装置を示し、この路面状態推定装置1には、制御部2に、駆動輪としての左右前輪の車輪速ωFL、ωFRを検出する左右前輪車輪速センサ3FL、3FRが、従動輪としての左右後輪の車輪速ωRL、ωRRを検出する左右前輪車輪速センサ3RL、3RRが、車両の前後加速度Axを検出する前後加速度センサ4が接続されている。
そして、路面状態推定装置1の制御部2は、上述の各入力信号に基づき、後述する路面状態推定プログラムを実行し、路面状態(本実施の形態では路面摩擦係数μ)を推定して出力する。すなわち、制御部2は、図1に示すように、前輪車輪速演算部2a、後輪車輪速演算部2b、後輪加速度演算部2c、前輪車輪速差分値演算部2d、後輪車輪速差分値演算部2e、後輪加速度差分値演算部2f、前輪接地荷重演算部2g、(dμ/dλ)演算部2h、路面状態判定部2iから主要に構成されている。
前輪車輪速演算部2aは、左右前輪車輪速センサ3FL、3FRから左右前輪の車輪速ωFL、ωFRが入力される。そして、以下の(1)式により、駆動輪の車輪速度としての前輪車輪速ωFを演算し、前輪車輪速差分値演算部2d、(dμ/dλ)演算部2hに出力する。すなわち、前輪車輪速演算部2aは、駆動輪車輪速検出手段としてのものである。尚、以下、各記号の後に記される添字(n)は、今回の値であることを示し、添字(n−1)は前回の値(例えば、1サンプル前の値)であることを示す。
ωF(n)=(ωFL(n)+ωFR(n))/2 …(1)
後輪車輪速演算部2bは、左右後輪車輪速センサ3RL、3RRから左右後輪の車輪速ωRL、ωRRが入力される。そして、以下の(2)式により、従動輪の車輪速度としての後輪車輪速ωRを演算し、後輪加速度演算部2c、後輪車輪速差分値演算部2e、(dμ/dλ)演算部2hに出力する。すなわち、後輪車輪速演算部2bは、従動輪車輪速検出手段としてのものである。
ωR(n)=(ωRL(n)+ωRR(n))/2 …(2)
後輪加速度演算部2cは、後輪車輪速演算部2bから後輪車輪速ωRが入力される。そして、以下の(3)式により、従動輪の車輪加速度としての後輪加速度(dωR/dt)を演算し、後輪加速度差分値演算部2fに出力する。すなわち、後輪加速度演算部2cは、従動輪車輪加速度検出手段としてのものである。
(dωR/dt)(n)=(ωR(n)−ωR(n-1))/Δt …(3)
ここで、Δtはサンプリングタイムである。
前輪車輪速差分値演算部2dは、前輪車輪速演算部2aから前輪車輪速ωFが入力される。そして、以下の(4)式により、駆動輪車輪速差分値としての前輪車輪速差分値ΔωFを演算し、(dμ/dλ)演算部2hに出力する。すなわち、前輪車輪速差分値演算部2dは、駆動輪車輪速差分値演算手段としてのものである。
ΔωF(n)=ωF(n)−ωF(n-1) …(4)
後輪車輪速差分値演算部2eは、後輪車輪速演算部2bから後輪車輪速ωRが入力される。そして、以下の(5)式により、従動輪車輪速差分値としての後輪車輪速差分値ΔωRを演算し、(dμ/dλ)演算部2hに出力する。すなわち、後輪車輪速差分値演算部2eは、従動輪車輪速差分値演算手段としてのものである。
ΔωR(n)=ωR(n)−ωR(n-1) …(5)
後輪加速度差分値演算部2fは、後輪加速度演算部2cから後輪加速度(dωR/dt)が入力される。そして、以下の(6)式により、従動輪車輪加速度差分値としての後輪加速度差分値Δ(dωR/dt)を演算し、(dμ/dλ)演算部2hに出力する。すなわち、後輪加速度差分値演算部2fは、従動輪車輪加速度差分値演算手段としてのものである。
Δ(dωR/dt)(n)=(dωR/dt)(n)−(dωR/dt)(n-1)…(6)
前輪接地荷重演算部2gは、前後加速度センサ4から車両の前後加速度Axが入力される。そして、例えば、以下の(7)式により、駆動輪に作用する接地荷重である前輪接地荷重Fzfを演算し、(dμ/dλ)演算部2hに出力する。すなわち、前輪接地荷重演算部2gは、駆動輪接地荷重演算手段としてのものである。
Fzf=m・g・((Lr/L)−(H/L))・Ax …(7)
ここで、mは車両質量、gは重力加速度、Lはホイールベース、Lrは後軸−重心間距離、Hは重心高さである。
尚、前輪接地荷重Fzfの変動が小さい車両の場合は、前輪接地荷重Fzfを予め求めておいた定数とすることもできる。また、車両の前後加速度Axは、前後加速度センサ4からの検出値ではなく、以下の(8)式により演算するようにしても良い。
Ax=((T・i/R)−Fr)/m …(8)
ここで、Tはエンジントルク、iはトランスミッションギヤ比、Rはタイヤ径、Frは走行抵抗である。
(dμ/dλ)演算部2hは、前輪車輪速演算部2aから前輪車輪速ωFが、後輪車輪速演算部2bから後輪車輪速ωRが、前輪車輪速差分値演算部2dから前輪車輪速差分値ΔωFが、後輪車輪速差分値演算部2eから後輪車輪速差分値ΔωRが、後輪加速度差分値演算部2fから後輪加速度差分値Δ(dωR/dt)が、前輪接地荷重演算部2gから前輪接地荷重Fzfが入力される。そして、以下の(9)式により、スリップ率の変化量に対する路面摩擦係数の変化量であるタイヤ特性曲線の傾き(dμ/dλ)を演算し、路面状態判定部2iに出力する。すなわち、(dμ/dλ)演算部2hは、特性演算手段としてのものである。
(dμ/dλ)=((m・R+(Ir/R))・Δ(dωR/dt))
/((Fzf/ωF)・((ωR/ωF)・ΔωF−ΔωR)) …(9)
ここで、Irは従動輪である後輪2輪の総イナーシャである。
上述の(9)式の導出について以下説明する。
図3における車両の進行方向について駆動力をFdとすると、以下の(10)式が成立する。
R・Fd=(R・(dωR/dt)+g・sin(θ))・m・R
+(dωR/dt)・Ir …(10)
ここで、θは道路勾配である。
上述の(10)式において、今回の値と過去(例えば、前回)の値との差を差分として演算し、Δを付して表すと以下の(11)式を得る。
R・ΔFd=Δ(dωR/dt)・m・R+Δ(dωR/dt)・Ir
…(11)
この(11)式を導出するにあたり、登降坂により現れるg・sin(θ)の項は、差分を取る際に定数項として除去される。
次に、スリップ率λと路面摩擦係数μの関係(図4参照)を関数μ(λ)として表すと、駆動輪のタイヤ特性は、駆動輪の接地荷重である前輪接地荷重Fzfを用いて、以下の(12)式により表される。
Fd=Fzf・μ(λ) …(12)
この(12)式についても差分をとると以下の(13)式を得る。但し、登降坂角度変化や加速度の変化により発生する前輪接地荷重Fzfの時間変化ΔFzfは無視するものとする。登降坂角や加速度が一定の走行条件ではΔFzfはゼロになるので、この項を無視したことが問題になる場面は少ない。
ΔFd=Fzf・(dμ/dλ)・Δλ+μ(λ)・ΔFzf
≒Fzf・(dμ/dλ)・Δλ …(13)
また、スリップ率λは、前輪が駆動輪であり、後輪が従動輪であることから、以下の(14)式で定義され、この(14)式の差分をとると以下の(15)が得られる。
λ=(ωF−ωR)/ωF …(14)
Δλ=(1/ωF)・((ωR/ωF)・ΔωF−ΔωR) …(15)
一般に、タイヤのスリップ率λは、実測検証が難しく、2つの入力車輪速演算から導かれる2自由度の量なのでフィルタの選択に見通しが付けづらい。しかし、上述の(15)によれば、車輪速は容易に高精度の計測が可能なのでノイズ抑制と応答性を両立するフィルタの選択が容易になる。
そして、上述の(13)式に(11)式、及び、(15)式を代入し、(dμ/dλ)について整理する(すなわち、(dμ/dλ)=ΔFd/(Fzf・Δλ))ことにより、前述の(9)式を得ることができる。また、この式を用いれば、例えば(15)式よりΔλを求め、エンジントルク情報より駆動力Fdの差分値ΔFdを求める事で直接(dμ/dλ)を演算することも出来る。この方法は、エンジントルク推定が高精度に行なえるダイレクトインジェクションやディーゼルエンジンにおいて従動輪の加速度情報が不要になることから外乱の影響を受けにくく、安定した推定を行なうことが出来る。
尚、(dμ/dλ)を求める場合、上述の(9)式を各サンプル時間毎に実施することも可能であるが、時系列データから(dμ/dλ)を推定する方法として、再帰的最小二乗同定法(Recursive Least Square method)や、固定トレース法等のパラメータ同定手法が広く知られているので、これらを応用することができる。また、現在値からp個までの過去の値で直線回帰演算を行い、(dμ/dλ)、及び、(dμ/dλ)の逆数を統計的に求め、相関係数を評価して、推定値の書き換え判断に供するようにしても良い。
路面状態判定部2iは、(dμ/dλ)演算部2hからスリップ率の変化量に対する路面摩擦係数の変化量であるタイヤ特性曲線の傾き(dμ/dλ)が入力される。そして、例えば、以下のように、予め設定した閾値KCH、KCL(但し、KCH>KCL)とタイヤ特性曲線の傾き(dμ/dλ)とを比較することにより路面状態としての路面摩擦係数μを推定し、出力する。すなわち、路面状態判定部2iは、路面状態判定手段としてのものである。
・(dμ/dλ)≧KCHの場合、路面は高μ路
・KCH>(dμ/dλ)≧KCLの場合、路面は中μ路
・(dμ/dλ)<KCLの場合、路面は低μ路
すなわち、図4に示すように、路面摩擦係数μとスリップ率λの特性曲線では、タイヤ特性曲線の傾き(dμ/dλ)は、高μ路の場合は大きくなり、低μ路の場合は小さくなることが一般的に知られている。従って、この特性の違いを利用して路面摩擦係数μを推定するのである。
尚、本実施の形態では、予め設定した閾値KCH、KCLと(dμ/dλ)とを比較して3段階に路面摩擦係数μを判定するようにしているが、閾値を一つとして2段階に路面摩擦係数μを判定するようにしても良く、逆に、より多くの閾値を設定して、これらの閾値と比較することにより、路面摩擦係数μをより細かく判定するようにしても良い。
このように、路面状態判定部2iにて判定した路面状態(路面摩擦係数μ)は、例えば、図示しない外部表示装置に出力され、インストルメントパネルでの表示等によりドライバの注意を喚起するように用いられる。或いは、エンジン制御部、トランスミッション制御部、駆動力配分制御部、ブレーキ制御部(何れも図示せず)等に出力されて、各制御部における制御量の設定に寄与される。
次に、上述の路面状態推定装置1の制御部2で実行される路面状態推定プログラムを、図2のフローチャートで説明する。
まず、ステップ(以下、「S」と略称)101で、必要パラメータ、すなわち、左右前輪の車輪速ωFL、ωFR、左右後輪の車輪速ωRL、ωRR、車両の前後加速度Axを読み込む。
次に、S102に進み、前輪車輪速演算部2aで、前述の(1)式により、前輪車輪速ωF(n)を演算する一方、後輪車輪速演算部2bで、前述の(2)式により、後輪車輪速ωR(n)を演算する。
次いで、S103に進み、後輪加速度演算部2cで、前述の(3)式により、後輪加速度(dωR/dt)(n)を演算する。
次に、S104に進み、前輪車輪速差分値演算部2dで、前述の(4)式により、前輪車輪速差分値ΔωF(n)を演算する。
次いで、S105に進み、後輪車輪速差分値演算部2eで、前述の(5)式により、後輪車輪速差分値ΔωR(n)を演算する。
次に、S106に進み、後輪加速度差分値演算部2fで、前述の(6)式により、後輪加速度差分値Δ(dωR/dt)(n)を演算する。
次いで、S107に進み、前輪接地荷重演算部2gで、例えば前述の(7)式により、前輪接地荷重Fzfを演算する。
次に、S108に進み、(dμ/dλ)演算部2hで、前述の(9)式により、タイヤ特性曲線の傾き(dμ/dλ)を演算する。
そして、S109に進んで、路面状態判定部2iは、予め設定した閾値KCH、KCL(但し、KCH>KCL)とタイヤ特性曲線の傾き(dμ/dλ)とを比較することにより路面状態としての路面摩擦係数μが、高μ路か、中μ路か、低μ路かを判定し、出力してプログラムを抜ける。
このように本発明の実施の形態によれば、駆動輪の車輪速度としての前輪車輪速ωF、従動輪の車輪速度としての後輪車輪速ωR、従動輪の車輪加速度としての後輪加速度(dωR/dt)、駆動輪車輪速差分値としての前輪車輪速差分値ΔωF、従動輪車輪速差分値としての後輪車輪速差分値ΔωR、従動輪車輪加速度差分値としての後輪加速度差分値Δ(dωR/dt)を演算し、更に、駆動輪に作用する接地荷重である前輪接地荷重Fzfを演算し、これらの値に基づいて、スリップ率の変化量に対する路面摩擦係数の変化量であるタイヤ特性曲線の傾き(dμ/dλ)を演算し、予め設定した閾値KCH、KCL(但し、KCH>KCL)とタイヤ特性曲線の傾き(dμ/dλ)とを比較することにより路面状態としての路面摩擦係数μを判定するようになっている。このため、タイヤのグリップ限界のみならず、広範な走行領域での路面状態の推定が可能となっている。また、たとえ、道路勾配のある路面を走行する場合であっても、道路勾配による誤差を含むことなく精度良く路面状態を推定することが可能である。更に、接地荷重の影響を考慮して路面状態の推定を行うため、精度良く路面状態を推定することができる。また、車輪速の検出値を基に最低限の演算処理を行うことのみで路面状態の推定を行うようになっているので、フィルタ等による応答遅れが少なく、レスポンス良く路面状態の推定を行うことができる。
尚、本実施の形態では、フロントエンジン−フロントドライブの2輪駆動車を例に説明したが、フロントエンジン−リアドライブの2輪駆動車においても同様に適用できる。この場合、駆動輪と従動輪との関係が上述の関係とは逆になるので、前述の(9)式に対応する式は、以下の(16)式となる。
(dμ/dλ)=((m・R+(If/R))・Δ(dωF/dt))
/((Fzr/ωR)・((ωF/ωR)・ΔωR−ΔωF)) …(16)
ここで、Δ(dωF/dt))は従動輪車輪加速度差分値としての前輪加速度差分値、Fzrは駆動輪に作用する接地荷重である後輪接地荷重、Ifは従動輪である前輪2輪の総イナーシャである。
また、本実施の形態では、車両全体としての路面状態の推定を行うようにしているが、車両の左側と右側の路面状態の推定をそれぞれ行って、左右で路面状態が異なる、所謂、スプリットμ路をレスポンス良く検出することも可能である。
更に、本実施の形態では、2輪駆動車を例に説明しているが、トルク配分率を可変設定自在な4輪駆動車において、一方の車輪側(例えば、前輪側)に全ての駆動力を付加するような制御を行っている場合に、本実施形態による路面状態の推定が可能であることは云うまでもない。
路面状態推定装置の構成を示す機能ブロック図 路面状態推定プログラムのフローチャート 車両モデルにおける各パラメータの説明図 路面摩擦係数とスリップ率の特性曲線の説明図
符号の説明
1 路面状態推定装置
2 制御部
2a 前輪車輪速演算部(駆動輪車輪速検出手段)
2b 後輪車輪速演算部(従動輪車輪速検出手段)
2c 後輪加速度演算部(従動輪車輪加速度検出手段)
2d 前輪車輪速差分値演算部(駆動輪車輪速差分値演算手段)
2e 後輪車輪速差分値演算部(従動輪車輪速差分値演算手段)
2f 後輪加速度差分値演算部(従動輪車輪加速度差分値演算手段)
2g 前輪接地荷重演算部(駆動輪接地荷重演算手段)
2h (dμ/dλ)演算部(特性演算手段)
2i 路面状態判定部(路面状態判定手段)
3FL 左前輪車輪速センサ
3FR 右前輪車輪速センサ
3RL 左後輪車輪速センサ
3RR 右後輪車輪速センサ
4 前後加速度センサ

Claims (3)

  1. 駆動輪の車輪速度を検出する駆動輪車輪速検出手段と、
    従動輪の車輪速度を検出する従動輪車輪速検出手段と、
    従動輪の車輪加速度を検出する従動輪車輪加速度検出手段と、
    今回検出した駆動輪車輪速と過去に検出した駆動輪車輪速との差を駆動輪車輪速差分値として演算する駆動輪車輪速差分値演算手段と、
    今回検出した従動輪車輪速と過去に検出した従動輪車輪速との差を従動輪車輪速差分値として演算する従動輪車輪速差分値演算手段と、
    今回検出した従動輪車輪加速度と過去に検出した従動輪車輪加速度との差を従動輪車輪加速度差分値として演算する従動輪車輪加速度差分値演算手段と、
    駆動輪に作用する接地荷重を演算する駆動輪接地荷重演算手段と、
    上記駆動輪車輪速と上記従動輪車輪速と上記駆動輪車輪速差分値と上記従動輪車輪速差分値と上記従動輪車輪加速度差分値と上記駆動輪接地荷重とに基づいて路面摩擦係数とスリップ率の特性曲線の該スリップ率の変化量に対する上記路面摩擦係数の変化量を演算する特性演算手段と、
    上記スリップ率の変化量に対する上記路面摩擦係数の変化量に基づいて路面状態を判定する路面状態判定手段と、
    を備えたことを特徴とする車両の路面状態推定装置。
  2. 上記特性演算手段は、上記スリップ率の変化量に対する上記路面摩擦係数の変化量を、車両の駆動力の差分値を駆動輪のスリップ率の差分値と上記駆動輪接地荷重とで除した演算式を基に演算することを特徴とする請求項1記載の車両の路面状態推定装置。
  3. 上記路面状態判定手段は、予め設定した閾値と上記スリップ率の変化量に対する上記路面摩擦係数の変化量とを比較することにより路面摩擦係数を推定することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の車両の路面状態推定装置。
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