JP2014532170A - 車両ホイールの転がり抵抗を推定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、移動中の車両のホイールの転がり抵抗を推定するための方法であって、前記車両はタイヤを取り付けられた少なくとも２つのホイール（１）を有する方法に関する。本方法は、少なくとも1つのホイール（１）の回転の角速度Ωの値を測定又は推定するステップ、及び前記ホイール（１）に印加されるトルクτの値を測定又は推定するステップを含み、スライディングモード制御理論に基づいたホイール（１）の運動の観測器を用い、この観測器の入力信号がホイール（１）の角速度Ωの値及びホイール（１）に印加されるトルクτの値であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、車両ホイールのタイヤの空気充填状態の検知及び監視に関し、より詳細には自動車両のホイールに関する。

実際のところ、乗客の安全のためには、全ての車両において、その方向安定性、その操縦性及びその快適性に関して好適な車両の挙動を保証するために、ホイールの空気圧が十分であることが不可欠である。更に、タイヤの空気圧が不十分であると、過剰消費を引き起こすことが公知である。

ホイールと道路との間の接触に関する重要な情報の１つは転がり抵抗であり、この転がり抵抗の変化は、タイヤの負荷及び空気圧に関して車両の状態を極めてよく示している。

車両を制御するための戦略及びタイヤ診断ツールを改善するために、本発明は、ホイールの転がり抵抗を推定し、そこからタイヤの空気充填状態を推測することを提案する。

前記タイヤの特性を決定する目的で、タイヤを単独で考察してその転がり抵抗を推定することが特許文献１から公知である。この推定は、静的有限要素モデルに基づいており、道路に沿って走行中の車両には適用されない。

特許文献２及び特許文献３はまた、接線方向の転がり抵抗力の計測を可能にするセンサを備えたテストベンチを開示している。このようなアセンブリでは、車両の使用中に転がり抵抗を測定できず、結果として走行中のタイヤの空気圧を監視できない。

特開第２０１０−２４９５２７号 米国特許第４４８９５９８号 米国特許出願公開第２００８／０１１５５６３号

本発明は、公道上を移動中の車両ホイールの転がり抵抗を、車両の大半（特にＡＢＳ（アンチロック制動システム）デバイスを備えた車両）に既に存在するデータから、堅固かつ確実な方法で、リアルタイムで決定することを提案する。本発明はまた、車両のホイールの転がり抵抗を推定することによる、上記ホイールに取り付けられたタイヤの空気圧の推定及び監視に関する。

本発明は、移動中の車両のホイールの転がり抵抗を推定するための方法であって、上記車両はタイヤを取り付けられた少なくとも２つのホイールを有し、本方法は以下のステップ：
−少なくとも1つのホイールの回転の角速度の値を測定又は推定するステップ；
−上記ホイールに印加されるトルクの値を測定又は推定するステップ
を含む方法において、スライディングモード制御理論に基づいたホイールの運動の観測器を用い、この観測器の入力信号はホイールの角速度の値及びホイールに印加されるトルクの値であることを特徴とする、方法を用いて達成される。

このような方法により、スライディングモード制御理論に基づく観測器を用いて、２つの推定又は測定された信号から各車両ホイールの転がり抵抗の推定を得ることができ、これにより、本方法に、不確実性及び障害に対して、特にある一定のレベルの堅固性を与えることができる。

更に、この理論により速やかな収束も可能となる。

上記方法を特許請求する請求項に記載のように、転がり抵抗を推定するための本方法により、有利にはホイールの長手方向の速度を推定することができる。

本発明によると、観測器はホイールに適用される以下の方程式を用いる。

式中、Ｊ及びＭはそれぞれ、ホイールの慣性及び本体とホイールとを備える車の４分の１の質量であり、Ｒはホイールの有効半径であり、Ｃ_ｆはホイールの粘性摩擦係数であり、Ｆ_ｘは牽引力であり、Ｆ_ｄは動的空気力であり、Ｆ_ｒは転がり抵抗力である。

更に、牽引力はＦ_ｘ＝Ｍｇμ（式中、μはホイールの付着力の係数である）の関係式により定義され、この係数はホイールの疑似摺動λとの関係により近似され、以下の式により定義される：

式中、λ_０は、最大付着力μ_０に対応する最適疑似摺動である。

付着力の係数と疑似摺動との間のこの関係式は、一般に使用される関係式よりも実際的な近似値を表わし、ここで牽引力は疑似摺動に線形依存するものとして表される。

計算の有利な簡略化により、転がり抵抗の変化は以下の関係式に示されるように緩やかである。

この関係式により、観測器レベルでの簡略化が提供される。

ホイールの回転の角速度の値は、有利には車両のアンチロック制動システムのセンサにより提供され、これにより、この速度を測定するための専用のデバイスが不要となる。

本発明は、空気圧の変化のインジケータとしてホイールの転がり抵抗の変化を用いて、車両ホイールに取り付けられたタイヤの空気圧を監視するためのデバイスを備える自動車両であって、少なくとも１つのホイールの回転の角速度の値を測定又は推定するための手段、及び上記ホイールに印加されるトルクの値を測定又は推定するための手段を備え、転がり抵抗を、以下のステップ：
−ホイールの回転の角速度の値を測定又は推定するための手段を用いて、少なくとも１つのホイールの回転の角速度の値を測定又は推定するステップ；
−ホイールに印加されるトルクの値を測定又は推定する手段を用いて、上記ホイールに印加されるトルクの値を測定又は推定するステップ
を含む方法を用いてリアルタイムで推定する、自動車両において、上記車両は、スライディングモード制御理論に基づくホイールの運動の観測器により信号を処理するための手段を備え、この観測器の入力信号はホイールの角速度の値及びホイールに印加されるトルクの値であることを特徴とする、自動車両にも関する。

この車両は有利には、車両ホイールの転がり抵抗を記録及び比較するための手段を備える。

本発明は、添付の図面に関連する以下の説明により、よりよく理解されるであろう。

図１は、移動中の車両における、ホイール及び上記ホイールに印加される力の概略図である。 図２は、本発明による方法を用いたシミュレーション結果を示す。 図３は、本発明による方法を用いた別のシミュレーション結果を示す。 図４は、本発明による方法を用いた別のシミュレーション結果を示す。

本発明は、有利にはＡＢＳコーダにより提供されるエンジントルク及び角速度情報のみを用いて、転がり抵抗力を推定することを提案する。

図１は、地面２に載っている車両（図示せず）に取り付けられたホイール１の状態を示す。従って、このようなホイールは単独で考察されるものではなく、車両と地面との間の接触を保証するホイールの数で車両の総重量を割った重量にほぼ等しい負荷を受ける。従って、タイヤに取り付けられるホイールの半径は、車両の重量の影響により公称半径とは異なり、この公称半径Ｒ_ｎｏｍは、車両に取り付けられていない状態において分離して考えた場合のホイールの外径に対応している。

よって、ホイールの回転の軸と地面との間の距離に対応する、負荷下の半径Ｒ_ｃが定義され、ホイールが１回転でカバーする距離を２πで割った値に対応する、動的半径Ｒも定義される。

ホイールの運動を表すモデルは、加速段階中のホイールに影響する力へのニュートンの第二法則の適用に基づいている。これにより、ホイールにおける長手方向及び回転の運動の主な方程式を確立できる。

式中、Ωはホイールの角速度であり、Ｒは動的半径であり、Ｖ_ｘは車両の直線速度であり、Ｃ_ｆはホイールの粘性摩擦の係数であり、Ｊ及びＭはそれぞれ、ホイールの慣性及び本体とホイールとを備える車の４分の１の質量であり、ここで、提案する実施例では、車両は地面と接する４つのホイールを有すると想定する。

ホイールに印加されるトルクτに加え、ホイールに影響する主な力は、図１に示され、以下の式によって与えられるように、牽引力Ｆ_ｘ、動的空気力Ｆ_ｄ及び転がり抵抗力Ｆ_ｒである：

式中、Ｃ_ｄは空気への浸透力の係数であり、ρは空気のかさ密度であり、Ａ_ｄは車両の前部の表面である。パラメータμ（λ）は、ホイールの付着力の係数であり、ホイールの疑似摺動λに依存する。この係数は以下の関係式により定義される。

μとλとの間の関係は以下の関数により近似される。

式中、λ_０は、最大付着力μ（λ_０）＝μ_０に対応する最適疑似摺動である。この関係式は、よく見られる牽引力Ｆ_ｘと疑似摺動λとの間の線形変化に比べて、より正確かつ実際的である。

有効半径Ｒは一定であると想定し、その推定を求めようとしている転がり抵抗は、

のように緩やかな変化を有すると想定する。

本発明により、ホイールの角速度の測定値及び上記ホイールに印加されるトルクのみを用いる観測器を提案する。このような解決策により、一定の半径と想定する、車両の速度及び転がり抵抗を推定することができる。

より高次のスライディングモード制御理論に基づく観測器は、３次のものでなければならない。この種の観測器の主な特徴は、不確実性及び障害に対する堅固性、及び有限な時間内での収束性である。更に、これらの特徴は、観測可能なシステムの極めて幅広い種類に適用できる。

この観測戦略は、転がり抵抗の運動がアプリオリに公知ではなく、また有限の不確実性であると考えられるため、選択されてきた。

推定器を設計するために、ホイールの運動を表すモデルが必要である。

推定される求める値は、従って、ホイールの角速度Ω、牽引スピードＶ_ｘ、及び転がり抵抗Ｆ_ｒである。

よって、状態の表現は、ｘ＝［ｘ_１ｘ_２ｘ_３］^Ｔ＝［Ωｖ_ｘＦ_ｒ］^Ｔ、ここで制御入力ｕ＝τであり、よってこれにより、先行の方程式を考慮し、以下の関係式により

を表現できる。

更に、本発明によると、ターム

が既知の変数にのみ依存するように、回転の速度の値Ωが既知である。観測可能性のプロパティは、このタームを考慮に入れるか入れないかによって変更されないことが既知であり、従ってこのタームは以降無視される。

更に、この転がり抵抗力の運動は緩やか、かつ観測器には未知であるため、値η_ｏｂｓ＝０を観測器用に選択する。よって、観測器は簡略化されたシステムにおいて設計される。

先に定義した方程式を考慮し、牽引力Ｆ_ｘ（ｘ）は以下の関係式で表される。

よって、以下の変換が定義される。

このとき、測定出力y = Ω = x1である。

この変換のヤコビ行列式がゼロでない時、推定した状態変数の運動は、３次のスライディングモード制御用の技術に基づいて、以下のように記される。

式中、Ｌは測定器の制御パラメータである。上記ｓｉｇｎを考慮することで、推定した変数と測定した変数との間の偏差がゼロに近づきやすくなる。

提案される測定器が、予測される変数（即ち転がり抵抗及び長手方向の速度）の収束及び正しい推定を有しているかどうかを確認するために、角速度の実際の信号及びトルクの実際の信号を、ホイールの２つの空気充填段階に関して取得した。

できる限り実際の値に近づけるために、測定パラメータを選択する。それにより、必要なパラメータの様々な値は以下となる：Ｊ＝１．６７２ｋｇ ｘ ｍ^２、Ｒ＝０．３０５ ｍ、Ｍ＝６０７．５ｋｇ、Ａ_ｄ＝０．８１５ｍ^２、ρ＝１．２０５ｋｇ ｘ ｍ^−３、ｇ＝９．８０７ｍ ｘ ｓ^−２、Ｃ_ｆ＝０．０８ｋｇｘｍ^２ｘ ｓ^−１、Ｃ_ｄ＝０．３１２５、μ_０＝０．９及びλ_０＝０．１５。

パラメータＬは１に等しく設定される。

初期値

は以下の式に応じて選択される。

この実験においては、４０ｋｍ／ｈに等しい車両の長手方向の速度を選択した。ホイールの角速度及びエンジントルクの信号を、公称空気圧と比べて２０パーセントのタイヤの収縮の前後で取得した。

図２〜４はそれぞれ、車両の走行時間の関数として、ホイールの角速度の推定、車両の長手方向の速度の推定、及び転がり抵抗力の推定を示している。これらの各図について、インデックス１をもつ点線は、公称空気充填状態に対応しており、インデックス２をもつ実線は、タイヤの空気圧が２０％損失している状態に対応している。

図２では、曲線Ｃ_１及びＣ_２は、平均値という意味において互いに極めて近く、この２つの曲線の間の偏差は、０．５％未満である。この平均値に差異を持たせるのは難しく、これはホイールの回転速度の参照はタイヤの空気圧の状態にそれほど大きくは影響されないことを示す。

状況は図３においても同様であり、曲線Ｄ_１は、タイヤの収縮後のスピードの推定を示す曲線Ｄ_２に極めて近く、１１ｍ／ｓ付近の推定した値は、車両に課された４０ｋｍ／ｈのスピードとおおむね一致している。

対照的に、図４は、収縮前の転がり抵抗の推定に関する棒グラフＥ_１と、収縮後の転がり抵抗の推定に関する棒グラフＥ_２との間の明確な差異を示している。棒グラフをガウス形状で示すことにより、曲線Ｅ_１の最大値はおおよそ５５Ｎであるのに対し、曲線Ｅ_２の最大値はおおよそ６８Ｎであり、即ち、２０％より大きい偏差はデータ記録手段により簡単に確認できることに留意されたい。

転がり抵抗値棒グラフにおける、空気圧の差２０％という、この明らかな差異は、相対的に短い期間にわたって測定された（図示した棒グラフは４５秒の走行にわたって取得した）。この測定期間は、測定の確度を低減するか、又はより大きな空気圧の差を推定するために、低減してよい。

このような空気圧の差の検知を、いずれの公知のデバイス、すなわち音波若しくは光信号、又はダッシュボード上の車両表示スクリーンのような専用のインターフェースを用いて運転者に通知することができる。

本発明は従って、転がり抵抗及び車両の長手方向の速度の確実な推定を可能にし、後者の推定はほぼタイヤの空気圧の状態と独立しているが、対象的に転がり抵抗はタイヤの空気圧に大きく依存しているので、タイヤの空気圧を監視する有効な方法を構築し、更には推定又は測定値からホイールに印加されるトルク及びホイールの速度回転を構築する。

Claims (8)

1. 移動中の車両のホイールの転がり抵抗を推定する方法であって、前記車両はタイヤが取り付けられた少なくとも２つのホイール（１）を有しており、前記方法は、
   −少なくとも1つの前記ホイール（１）の回転の角速度Ωの値を測定又は推定するステップ、
   −前記ホイール（１）に印加されるトルクτの値を測定又は推定するステップ
   を含み、
   スライディングモード制御理論に基づいた前記ホイール（１）の運動の観測器を用い、前記観測器の入力信号は前記ホイール（１）の前記角速度Ωの値及び前記ホイール（１）に印加される前記トルクτの値であることを特徴とする方法。
2. 前記ホイール（１）の長手方向の速度Ｖ_ｘも推定する、請求項１に記載の転がり抵抗を推定する方法。
3. 前記観測器が、前記ホイール（１）に適用される以下の方程式、
   

   

   
   （式中、Ｊ及びＭはそれぞれ、慣性及び本体と前記ホイール（１）とを備える車の４分の１の質量であり、Ｒは前記ホイールの有効半径であり、Ｃ_ｆは前記ホイール（１）の粘性摩擦の係数であり、Ｆ_ｘは牽引力であり、Ｆ_ｄは動的空気力であり、Ｆ_ｒは前記転がり抵抗力である）を用いることを特徴とする、請求項１又は２に記載の転がり抵抗を推定する方法。
4. 前記牽引力は、関係式Ｆ_ｘ＝Ｍｇμ（式中、μは前記ホイール（１）の付着力の係数である）により定義され、前記係数は、前記ホイール（１）の疑似摺動λとの前記関係式により近似され、以下の式：
   

   

   
   （式中、λ_０は、最大付着力μ_０に対応する最適疑似摺動である）により定義されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり抵抗を推定する方法。
5. 前記転がり抵抗の変化が以下の関係式：
   

   

   
   に示されるように緩やかであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の転がり抵抗を推定する方法。
6. 前記ホイール（１）の回転の前記角速度の値が前記車両のアンチロック制動システムのセンサにより提供されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の転がり抵抗を推定する方法。
7. 空気圧の変化のインジケータとしてホイールの転がり抵抗の変化を用いて、前記車両ホイールに取り付けられたタイヤの空気圧を監視するためのデバイスを備える自動車両であって、
   −少なくとも１つの前記ホイールの回転の角速度の値を測定又は推定するための手段、及び
   −前記ホイールに印加されるトルクの値を測定又は推定するための手段
   を備えており、
   前記転がり抵抗が、
   −前記ホイールの回転の前記角速度Ωの値を測定又は推定するための手段を用いて、少なくとも１つの前記ホイール（１）の回転の前記角速度の値を測定又は推定するステップ、
   −前記ホイール（１）に印加される前記トルクτの値を測定又は推定する手段を用いて、前記ホイールに印加される前記トルクの値を測定又は推定するステップ
   を含む方法を援用してリアルタイムで推定される自動車両において、
   スライディングモード制御理論に基づく前記ホイール（１）の運動の観測器により信号を処理するための手段を備え、前記観測器の入力信号は前記ホイールの前記角速度の値及び前記ホイールに印加される前記トルクの値であることを特徴とする自動車両。
8. 前記車両ホイールの前記転がり抵抗を記録及び比較するための手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の自動車両。

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