JP3036190B2

JP3036190B2 - 路面状態推定装置

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Publication number: JP3036190B2
Application number: JP32373891A
Authority: JP
Inventors: 彰夫岡村
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1991-11-11
Filing date: 1991-11-11
Publication date: 2000-04-24
Anticipated expiration: 2015-04-24
Also published as: JPH05131943A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、路面状態を推定する路
面状態推定装置に係わり、特に車両の各種制御、例えば
パワーステアリング装置、アクティブサスペンション装
置等に用いて好適な路面状態推定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、車両の各種制御にマイクロコンピ
ュータが広く応用されており、そのために必要な情報の
１つにタイヤ・路面間の動摩擦係数を含む路面状態があ
る。従来、車両制御に必要な路面状態の推定は、車両の
運動方程式を用いて行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の車両制御における路面状態の推定は、車両の運
動方程式を用いて行っていたため、そのための車両のモ
デル化が難しく、また、計算が複雑で演算量が多く、リ
アルタイムな情報を得るために、高速演算が必要であっ
た。したがって、演算量の増加に伴う演算ハードウエア
のコストアップが生じる一方、演算量を抑えようとする
と、リアルタイムな情報を得るための高速化が妨げられ
るという問題点があった。また、車両の運動方程式を用
いているため、外乱に対して弱いという欠点があった。

【０００４】そこで本発明は、演算量を低減して演算ハ
ードウエアを低コスト化しつつ、リアルタイムな情報を
得ることができ、しかも外乱に対して強い路面状態推定
装置を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明による路面状態推定装置は、車
速を検出する車速検出手段と、操舵系の操舵量を検出す
る操舵量検出手段と、操舵系の操舵トルクを検出する操
舵トルク検出手段と、前記各手段から得られるデータを
ファジー入力とし、所定のファジールールに従ってファ
ジー推論を行い、走行路面の状態を推定する推定手段
と、を備え、前記推定手段は、平均車速および平均操舵
量を算出するとともに、これらの平均車速および平均操
舵量をファジー入力として平均推定操舵トルクを求め、
該平均推定操舵トルク、操舵トルク検出手段の出力から
算出した平均操舵トルクおよび平均車速をファジー入力
として前記ファジー推論を行って路面状態を推定するこ
とを特徴とする。

【０００６】請求項１に従属する請求項２記載の路面状
態推定装置は、車速を検出する車速検出手段と、操舵系
の操舵角を検出する操舵角検出手段と、車体のヨーレイ
トを検出する車体ヨーレイト検出手段と、を備え、前記
推定手段は、前記各手段から得られるデータをファジー
入力とし、所定のファジールールに従ってファジー推論
を行い、走行路面の状態を推定することを特徴とする。
請求項１に従属する請求項３記載の路面状態推定装置
は、前記推定手段は、操舵角検出手段および車体ヨーレ
イト検出手段の出力から操舵角の変化に対する車体ヨー
レイトの周波数特性のゲインと位相遅れを算出し、前記
車速、操舵角の変化、車体ヨーレイトの周波数特性のゲ
インおよび車体ヨーレイトの周波数特性の位相遅れをフ
ァジー入力として前記ファジー推論を行うことを特徴と
する。

【０００７】請求項１に従属する請求項４記載の路面状
態推定装置は、車輪の加減速度を検出する加減速度検出
手段と、ブレーキトルクを検出するブレーキトルク検出
手段と、車体のばね上車輪荷重を検出するばね上車輪荷
重検出手段と、を備え、前記推定手段は、前記各手段か
ら得られるデータをファジー入力とし、所定のファジー
ルールに従ってファジー推論を行い、走行路面の状態を
推定することを特徴とする。また、前記請求項１、３、
４記載の路面状態推定装置を単独にあるいは複数組合せ
て走行路面の状態を推定するようにしてもよい。

【０００８】

【作用】請求項１記載の発明では、平均車速および平均
操舵量を算出し、これらの平均車速および平均操舵量を
ファジー入力として平均推定操舵トルクを求め、該平均
推定操舵トルク、操舵トルク検出手段の出力から算出し
た平均操舵トルクおよび平均車速をファジー入力として
ファジー推論を行って走行路面の状態が推定される。し
たがって、路面状態の推定に際して車両の精密な制御モ
デルが不要で、演算量が少なくて済むとともに、演算ハ
ードウエアのコストが低減する。また、ファジー演算を
用いることで、車両の運動方程式を用いる場合に比べて
外乱に対して強いシステムとなる。

【０００９】また、請求項２記載の発明では、上記処理
に加えて、車体のヨーレイトから得られるデータがファ
ジー入力となり、ファジールールに従ってファジー推論
が行われて同様に走行路面の状態が推定される。請求項
３記載の発明では、上記処理に加えて、操舵角の変化に
対する車体ヨーレイトの周波数特性のゲインと位相遅れ
を算出し、車速、操舵角の変化、車体ヨーレイトの周波
数特性のゲインおよび車体ヨーレイトの周波数特性の位
相遅れがファジー入力となり、ファジー推論が行われ
る。

【００１０】請求項４記載の発明では、上記処理に加え
て、車輪の加減速度、ブレーキトルクおよび車体のばね
上車輪荷重から得られるデータがファジー入力となり、
ファジールールに従ってファジー推論が行われて同様に
走行路面の状態が推定される。

【００１１】したがって、ファジー演算の入力データは
相違するが、何れも車両の走行状態や路面の状態に関連
するパラメータが有効に用いられ、路面状態の推定に際
して車両の精密な制御モデルが不要で、演算量が少なく
て済む。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１〜図４は本発明に係る路面状態推定装置の第１の実施
例を示す図である。図１は本装置のハード構成を示すブ
ロック図である。この図において、１は車速検出手段
（例えば、車速センサ）、２は操舵角検出手段、３は車
体のヨーレイトを検出する車体ヨーレイト検出手段であ
る。車速検出手段１は車速ＳＰを検出してファジー演算
部４に出力する。

【００１３】操舵角検出手段２は操舵系の操舵角を検出
し、車体ヨーレイト検出手段３は車体のヨーレイト（例
えば、横揺れ）を検出する。操舵角検出手段２の出力は
操舵角変化としてファジー演算部４に入力されるととも
に、周波数特性演算手段５に入力される。また、車体ヨ
ーレイト検出手段３の出力は周波数特性演算手段５に入
力される。

【００１４】なお、以下の説明において、図面上は通常
通りに操舵角変化をθを用いてドットを文字の上に付加
して表すが、明細書本文ではドット表示が困難であるた
め、操舵角変化ｄθ／ｄｔをＳθとして適宜表すことに
する。

【００１５】周波数特性演算手段５は操舵角変化Ｓθに
対する車体ヨーレイトの周波数特性を演算し、その演算
結果をゲインおよび位相遅れをパラメータとしてファジ
ー演算部４に出力する。ファジー演算部５は上述した各
データをファジー入力として用い、下記のルールでファ
ジー推論を行って走行路面の状態を推定し、路面状態の
推定値あるいはタイヤ・路面間の動摩擦係数の値を出力
する。ファジー演算部５の出力値は、例えばパワーステ
アリング装置に用いられる。上記周波数特性演算手段５
およびファジー演算部５は推定手段６を構成する。

【００１６】図２（Ａ）〜（Ｄ）はファジー演算部５で
実行されるファジー推論における前件部のメンバーシッ
プ関数で、そのうち図２（Ａ）は検出車速ＳＰのメンバ
ーシップ関数、図２（Ｂ）は操舵角変化Ｓθのメンバー
シップ関数、図２（Ｃ）はゲインＧのメンバーシップ関
数、図２（Ｄ）は位相φのメンバーシップ関数である。
また、図２（Ｅ）は後件部における路面状態あるいはタ
イヤ・路面間の動摩擦係数のメンバーシップ関数であ
る。

【００１７】ファジィルールは図３のように示され、式
を用いて表すと、次のようになる。ルールはいわゆるＩ
Ｆ、ＴＨＥＮ（もし、ならば）の形式で表現される。Ｒ１．ＩＦＳＰ＝ＺＲＡＮＤＳθ＝ＺＲＡＮＤＧ＝ＰＬＡＮＤ φ＝ＰＬＴＨＥＮ μ＝ＮＬ

【００１８】このファジィルールＲ１は、「もし、車速
ＳＰが非常に小さく、かつ操舵角変化Ｓθが非常に小さ
く、かつゲインＧが大きく、かつ位相φの遅れが大きい
場合には、路面の摩擦係数μが小さい。」という意味で
ある。以下、同様に図３のファジィルールに従って走行
路面の状態が推定される。

【００１９】次に、走行路の状態推定を行うファジー推
論のプログラムは図４のように示される。図３におい
て、まずステップＳ１で図２に示したメンバーシップ関
数による評価、すなわち、車速ＳＰ、操舵角変化Ｓθ、
ゲインＧおよび位相φの遅れを入力パラメータとしてメ
ンバーシップ関数にどの程度適合するかの評価を行う。
次いで、ステップＳ２で図３に示すファジールールに従
ってファジー論理演算を行う。

【００２０】ファジィ論理演算過程では、その前件部で
上記入力パラメータが与えられ、ファジィルールの対応
するメンバーシップ関数にどの程度適合するかが求めら
れ、適合度の小さいものが選択されて後件部に与えら
れ、後件部では選択された適合度より出力のメンバーシ
ップ関数に制限をかけて例えば、台形状のメンバーシッ
プ関数を得る。次いで、ステップＳ３で上記メンバーシ
ップ関数をＭＡＸ合成処理によって重ね合わせて合成出
力を生成し、その後、デファジファイヤによってこの合
成出力の重心を確定出力として走行路面の状態を推定
し、制御対象の変数として、例えばパワーステアリング
装置に出力する。

【００２１】したがって、本実施例では路面状態の推定
に際して車両の精密な制御モデルが不要で、演算量が少
なくて済む。その結果、演算の高速化を図ることができ
るとともに、演算ハードウエアのコストを低減すること
ができる。また、ファジー演算を用いることにより、車
両の運動方程式を用いる場合に比べて外乱に対して強い
システムとなる。

【００２２】次に、図１に示す路面状態推定装置を車両
の電動式パワーステアリング装置に適用した一例につい
て説明する。図５は電動式パワーステアリング装置の機
械系の一例を示す構成図であり、この図において、操舵
ハンドル１０１の回転力はハンドル軸を介してピニオン
ギアを含むステアリングギア１０２に伝達されるととも
に、上記ピニオンギアによりラック軸１０３に伝達さ
れ、さらにナックルアーム等を経て車輪１０４が転向さ
れる。

【００２３】また、コントロール装置１０５により制御
駆動される操舵アシスト（補助）モータ（ＤＣモータ）
１０６の回転力はピニオンギアを含むステアリングギア
１０７とラック軸１０３との噛み合いによりラック軸１
０３に伝達され、ハンドル１０１による操舵を補助する
ことになる。ハンドル１０１とモータ１０６の回転軸は
ギア１０２、１０７およびラック軸１０３により機械的
に連結されている。

【００２４】一方、操舵トルクセンサ１１１（図６参
照）により、操舵トルク（戻りトルク）が検出され、車
速センサ１１２（図６参照）より車速が検出される。そ
して、これらの検出トルク、車速等に基づきコントロー
ル装置１０５によってモータ１０６が制御される。コン
トロール装置１０５およびモータ１０６には車両に搭載
されたバッテリ１０８から、その動作電力が供給され
る。

【００２５】コントロール装置１０５は電流検出器、電
圧検出器等の検出器、モータ１０６を駆動する駆動回
路、モータ１０６の全体的な制御を統括するコンピュー
タ（ＣＰＵ、例えばマイクロプロセッサ）、メモリ、コ
ンピュータと上記入／出力機器とのインターフェース回
路等から構成されている。

【００２６】次に、図６はコントロール装置１０５に内
蔵されたコンピュータの各種機能をブロック的に、他の
入／出力機器、各種回路を示すブロックとともに、描い
たものである。この図において、アシスト指令部１４０
にはトルクセンサ１１１の検出トルクＶ_Tと車速センサ
１１２の検出車速Ｖ_Sとが与えられる。アシスト指令部
１４０内のアシストトルク値指示関数部１１３は検出ト
ルクＶ_Tに応じてモータ１０６によって発生すべきアシ
ストトルクを表す指令値を出力する。

【００２７】また、乗算定数関数部１１４は検出車速Ｖ
_Sに応じて定数を発生し、この定数は乗算演算部１３１
に出力される。乗算演算部１３１では乗算定数関数部１
１４の出力にファジー演算部４の推定値（この場合は、
乗算演算部ゲインとなる）が乗算されて後段の乗算演算
部１３２に出力され、乗算演算部１３２ではアシストト
ルク値指示関数部１１３の出力に乗算演算部１３１の出
力が乗算されて電流制御部１２０に出力される。この結
果、乗算演算部１３２から出力されるアシストトルク値
（又はモータ電流指令値）は図７に示すように、基本的
に検出トルクＶ_Tと検出車速Ｖ_Sによって定められた値と
なる。

【００２８】図７は、操舵トルクＶ_Tに応じて、一定範
囲の操舵トルクＶ_Tに対してはこれにほぼ比例するモー
タ電流が流れ（アシストトルクが発生し）、上記範囲を
超えると、ある一定のモータ電流が流れる（アシストト
ルクが発生する）ように、また車速Ｖ_Sに応じて、車速
Ｖ_Sが速いときにはモータ電流（アシストトルク）を少
なくし、車速Ｖ_Sが遅いときにはモータ電流（アシスト
トルク）を多くするように、モータ１０６を制御するた
めのアシスト指令が発生することを表している。

【００２９】検出トルクＶ_Tは位相補償部１１６にも与
えられ、この位相補償部１１６によって検出トルクＶ_T
の微分値が乗算演算部１３２の出力に加算されることに
より、アシスト指令部１４０の出力（基準電流指令値）
となって電流制御部１２０に供給されるる。

【００３０】電流制御部１２０は、例えば４個のスイッ
チング素子を含むＨブリッジ駆動法に従うＰＷＭ（Puls
e Width Modulation）パルスを用いたチョッパ動作によ
ってモータ１０６を駆動制御するもので、電流フィード
バック制御を行う。すなわち、電機子電流検出部１２６
によってモータ１０６の電機子電流ｉａが検出され、電
流偏差演算部１２１において与えられた目標電流指令値
と検出電流ｉａとの偏差が演算される。この偏差の絶対
値が絶対値変換部１２４で得られ、この絶対値に基づき
デューティ生成部１２５でＰＷＭパルスのデューティ比
が決定される。

【００３１】一方、上記偏差の極性（正又は負）が正負
判別部１２２で判別され、生成されたデューティ比と判
別された極性はモータ駆動部１２３に与えられ、モータ
駆動部１２３はこれらの値に基づいてＨブリッジ型に配
線された４個のスイッチング素子をオン／オフ制御して
モータ１０６を駆動する。すなわち、電流制御部１２０
によりＰＷＭパルスを用いたチョッパ動作によってモー
タ１０６が駆動制御されて操舵系のアシストが行われ
る。

【００３２】したがって、本実施例の路面状態推定装置
を適用した電動式パワーステアリング装置では、例えば
凍結路や濡れたアスファルト路等など摩擦係数μの低い
路面ではアシスト力が弱められて、不安定な操舵感をな
くすることができる。また、逆に乾いたアスファルト路
や悪路ではアシスト力がやや強めとなって軽快な操舵感
を得ることができる。すなわち、車両の実際の走行路面
状態に適合した操舵力に制御することができる。

【００３３】次に、図８は路面状態推定装置の第２の実
施例のハード構成を示すブロック図である。この図にお
いて、１１は車輪の加減速度を検出する加減速度検出手
段、１２は車両のブレーキトルクを検出するブレーキト
ルク検出手段、１３は車体のばね上車輪荷重を検出する
ばね上車輪荷重検出手段である。これら各検出手段１１
〜１３からの出力はファジー演算部（推定手段）１４に
入力されており、ファジー演算部１４は各検出手段１１
〜１３から得られるデータをファジー入力とし、所定の
ファジールールに従ってファジー推論を行い、走行路面
の状態を推定し、路面状態の推定値あるいはタイヤ・路
面間の動摩擦係数の値を出力する。ファジー演算部５の
出力値は、例えば同様にパワーステアリング装置に用い
られる。

【００３４】本実施例においては、ファジー演算部１４
で実行されるファジー推論における前件部のメンバーシ
ップ関数および後件部における路面状態あるいはタイヤ
・路面間の動摩擦係数のメンバーシップ関数は前述した
図２（Ａ）〜（Ｅ）に示すものと同様の論理で適用さ
れ、またファジィルールも同様の論理で適用される。

【００３５】したがって、ファジー演算の入力データは
前記実施例と相違するが、車両の走行状態や路面の状態
に関連するパラメータが有効に用いられ、路面状態の推
定に際して車両の精密な制御モデルが不要で、演算量が
少なくて済む等の前記実施例と同様の効果を得ることが
できる。

【００３６】次に、図９は路面状態推定装置の第３の実
施例のハード構成を示すブロック図である。この図にお
いて、２１は車速検出手段、２２は操舵量検出手段、２
３は操舵トルク検出手段である。車速検出手段２１の出
力は平均車速としてファジー演算部２４に入力されると
ともに、推定ファジー演算部（推定手段）２５に入力さ
れる。

【００３７】また、操舵量検出手段２２の出力は平均操
舵量として同じくファジー演算部２４に入力される。フ
ァジー演算部２４は平均車速および平均操舵量から平均
推定操舵トルクを算出し、推定ファジー演算部２５に出
力する。推定ファジー演算部２５には、さらに操舵トル
ク検出手段２３の出力が平均操舵トルクとして入力され
ており、推定ファジー演算部２５は各入力データ、すな
わち平均車速、平均推定操舵トルクおよび平均操舵トル
クをファジー入力とし、所定のファジールールに従って
ファジー推論を行い、走行路面の状態を推定し、路面状
態の推定値あるいはタイヤ・路面間の動摩擦係数の値を
出力する。ファジー演算部５の出力値は、例えば同様に
パワーステアリング装置に用いられる。

【００３８】本実施例の場合も、推定ファジー演算部２
５で実行されるファジー推論における前件部のメンバー
シップ関数および後件部における路面状態あるいはタイ
ヤ・路面間の動摩擦係数のメンバーシップ関数は前述し
た図２（Ａ）〜（Ｅ）に示すものと同様の論理で適用さ
れ、またファジィルールも同様の論理で適用される。

【００３９】したがって、ファジー演算の入力データは
前記実施例と相違するが、車両の走行状態や路面の状態
に関連するパラメータが有効に用いられ、路面状態の推
定に際して車両の精密な制御モデルが不要で、演算量が
少なくて済む等の前記実施例と同様の効果を得ることが
できる。

【００４０】上記実施例は請求項１〜４記載の発明を単
独に実施した例であるが、本発明はこのような単独実施
に限らず、各項記載の発明を複数個組合せて実現しても
よい。そのようにすると、上記各実施例以上にきめ細か
く路面状態を推定することが可能になる。

【００４１】なお、上記各実施例ではファジー推論を行
うファジー推論部をマイクロコンピュータを用いてソフ
トによって実現しているが、例えばファジーチップを用
いてハード的に実現してもい。

【００４２】また、本発明の適用はパワーステアリング
装置に限らず、例えばＡＢＳ装置、４ＷＳ装置、定速走
行装置、アクティブサスペンション装置等の各種車両制
御装置に適用することができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、ファジー推論を用いて
走行路面の状態を推定しているので、路面状態の推定に
際して車両の精密な制御モデルが不要で、演算量が少な
くて済む。その結果、演算の高速化を図ることができる
とともに、演算ハードウエアのコストを低減することが
できる。また、ファジー演算を用いることにより、車両
の運動方程式を用いる場合に比べて外乱に対して強いシ
ステムにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明に係る路面状態推定装置の
第１の実施例のハード構成を示すブロック図である。

【図２】同実施例のファジー推論で用いられるメンバー
シップ関数を示す図である。

【図３】同実施例のファジー推論で用いられるファジー
ルールを示す図である。

【図４】同実施例のファジー推論のプログラムを示すフ
ローチャートである。

【図５】同実施例の路面状態推定装置を適用したパワー
ステアリング装置の機械系の一例を示す構成図である。

【図６】同実施例の路面状態推定装置を適用したパワー
ステアリング装置のコントロール装置に内蔵されたコン
ピュータの各種機能をブロック的に示す図である。

【図７】同実施例の路面状態推定装置を適用したパワー
ステアリング装置のアシストトルクの特性を示す図であ
る。

【図８】路面状態推定装置の第２の実施例のハード構成
を示すブロック図である。

【図９】路面状態推定装置の第３の実施例のハード構成
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１、２１車速検出手段２操舵角検出手段３車体ヨーレイト検出手段４ファジー演算部５周波数特性演算手段６推定手段１１加減速度検出手段１２ブレーキトルク検出手段１３ばね上車輪荷重検出手段１４ファジー演算部（推定手段）２２操舵量検出手段２３操舵トルク検出手段２４ファジー演算部２５推定ファジー演算部（推定手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＢ６２Ｄ 137:00 (56)参考文献特開平１−204865（ＪＰ，Ａ) 特開平１−127456（ＪＰ，Ａ) 特開平３−258650（ＪＰ，Ａ) 特開平３−258652（ＪＰ，Ａ) 特開平３−258651（ＪＰ，Ａ) 特開平３−7665（ＪＰ，Ａ) 特開平２−296574（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B62D 6/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】車速を検出する車速検出手段と、操舵系の操舵量を検出する操舵量検出手段と、操舵系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記各手段から得られるデータをファジー入力とし、所
定のファジールールに従ってファジー推論を行い、走行
路面の状態を推定する推定手段と、を備え、前記推定手段は、平均車速および平均操舵量を算出する
とともに、これらの平均車速および平均操舵量をファジ
ー入力として平均推定操舵トルクを求め、該平均推定操舵トルク、操舵トルク検出手段の出力から
算出した平均操舵トルクおよび平均車速をファジー入力
として前記ファジー推論を行って路面状態を推定するこ
とを特徴とする路面状態推定装置。
【請求項２】車速を検出する車速検出手段と、操舵系の操舵角を検出する操舵角検出手段と、車体のヨーレイトを検出する車体ヨーレイト検出手段
と、を備え、前記推定手段は、前記各手段から得られるデータをファ
ジー入力とし、所定のファジールールに従ってファジー
推論を行い、走行路面の状態を推定することを特徴とす
る請求項１記載の路面状態推定装置。
【請求項３】前記推定手段は、操舵角検出手段および
車体ヨーレイト検出手段の出力から操舵角の変化に対す
る車体ヨーレイトの周波数特性のゲインと位相遅れを算
出し、前記車速、操舵角の変化、車体ヨーレイトの周波数特性
のゲインおよび車体ヨーレイトの周波数特性の位相遅れ
をファジー入力として前記ファジー推論を行うことを特
徴とする請求項１記載の路面状態推定装置。
【請求項４】車輪の加減速度を検出する加減速度検出
手段と、ブレーキトルクを検出するブレーキトルク検出手段と、車体のばね上車輪荷重を検出するばね上車輪荷重検出手
段と、を備え、前記推定手段は、前記各手段から得られるデータをファ
ジー入力とし、所定のファジールールに従ってファジー
推論を行い、走行路面の状態を推定することを特徴とす
る請求項１記載の路面状態推定装置。
【請求項５】前記請求項１、３、４記載の路面状態推
定装置を単独にあるいは複数組合せて走行路面の状態を
推定することを特徴とする路面状態推定装置。