JP4073476B2 - 車両走行安全性評価装置および車両走行安全性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車車両の走行時の安全性の程度を評価するための装置および方法に関する。

自動車車両の操縦者が、自身が操縦して走行する自動車車両の走行状態を知っておくことは重要である。特に、自身が操縦して走行する自動車車両の走行時の安全性の程度（走行安全性）を知っておくことは重要である。ここで、走行安全性とは、車両走行時における、車両の操縦容易性または操縦安定性の少なくともいずれか一方の程度を表す。車両の走行安全性とは、具体的には、自動車車両のタイヤと路面との滑り具合の大きさの程度に対応している。自動車車両のタイヤと路面との滑り具合の大きさが大きいほど、車両の操縦容易性や操縦安定性の程度は低下し、車両の操縦は困難となる。自動車車両のタイヤと路面との滑り具合の大きさが大きいほど、車両の走行安全性は低いといえる。

例えば、自動車車両の走行中、この自動車車両のタイヤにかかるコーナリングフォースや横力の大きさが、ある程度大きくなると、タイヤと路面との接地領域において、すべりが発生する。このすべりが比較的大きくなると、タイヤが装着された車両の操縦（制御）が困難になってくる。タイヤと路面との接地領域において発生している、このようなすべりの程度は、自動車車両の走行時の安全性に大きく関わっている。下記特許文献１では、このようなすべりの程度に応じて発生するタイヤスキール音を、車両のタイヤ近傍に設けられたマイクによって計測し、計測したタイヤのスキール音に基いて、路面に対するタイヤの接地状態を推定して、推定した接地状態に基いて操縦者へ警報を発する装置が開示されている。なお、本明細書においてスキール音とは、特許文献１にも記載されているように、タイヤと路面との間で生じたすべりに起因してタイヤが振動することで発生する、周波数範囲５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚ程度の音のことをいう。スキール音は、タイヤと路面の接地状態に応じて発生するタイヤ振動に起因して生じる音であり、例えば、車両のタイヤ近傍に設けられたマイクによって、直接計測することができる。

下記特許文献２および特許文献３にも、タイヤと路面の接地状態に応じて発生するタイヤ振動に基いて、タイヤ走行状態を評価する方法や装置が提案されている。特許文献２には、特許文献２の段落［００１４］に記載されているように、乾燥路を定常走行しているときのタイヤ内部の加速度および音圧スペクトルを基準とし、走行時の特定周波数における基準周波数スペクトルからの変化を検出することで、路面状態を判定する方法および装置が開示されている。特許文献２では、タイヤに発生する車両前後方向の加速度信号の周波数スペクトルを用いて、路面状態を評価している。また、特許文献３には、車両の走行安全性を向上させることを目的になされた、路面状態およびタイヤ走行状態推定装置が開示されている。特許文献３では、特許文献３の段落［０００４］に記載されているように、制駆動や操舵といった動作が加わらない一定走行状態で、タイヤが接地している路面状態やタイヤの走行状態を精度良く推定している。特許文献３記載の発明は、特許文献３の段落［０００５］に記載されているように、走行中のタイヤの周方向の振動あるいは幅方向の振動を周波数分析して得られた、振動の周波数のスペクトルの振動レベルが、タイヤが接地している路面の状態やタイヤの故障形態によって特徴的に変化していることに、特許文献３の発明者が着目してなされたものである。特許文献３記載の発明は、ホイールやサスペンションの振動の情報を、タイヤの振動を表す情報として取得し、取得した振動を周波数分析して得られる周波数スペクトルの、特定周波数帯域の振動レベルから、走行時の路面状態（主に、路面とタイヤとの摩擦係数）やタイヤの走行状態（タイヤ内圧、摩耗、故障等）を推定している。

特開平５−３３２８８９号公報 特開２００２−３４０８６３号公報 特開２００３−１８２４７６号公報

特許文献１記載のタイヤ接地状態の推定方法および装置では、車両のタイヤ近傍に設けられたマイクによって、発生したタイヤのスキール音を直接計測している。このように、タイヤ近傍にマイクを設置した場合、エンジン音や風切り音等の外部音の影響を受け易く、タイヤの接地状態を精度良く推定することができないといった問題があった。

特許文献２記載の路面判定装置、および、特許文献３記載の路面状態およびタイヤ走行状態の推定方法は、双方とも、路面の状態を判定することを目的としている。タイヤに発生する車両前後方向の加速度信号の周波数スペクトルを用いて路面状態を評価する、特許文献２記載の路面判定装置では、自動車車両の操縦者は、自身が操縦する自動車車両が走行している路面の滑りやすさの程度について知ることはできる。しかし、例えば、自動車車両の操舵時において刻々と変化する、タイヤと路面との接地領域におけるすべりの程度や、このすべりの大きさに応じた車両の走行安全性などを知ることはできなかった。また、走行中のタイヤの、周方向あるいは幅方向の振動を周波数分析して得られた、振動の周波数スペクトルのレベルに基いて、路面状態およびタイヤ走行状態を推定する特許文献３記載の発明でも、自動車車両の操舵時において刻々と変化する、タイヤと路面との接地領域におけるすべりの程度や、このすべりの大きさに応じた車両の走行安全性などを知ることはできなかった。そこで、本発明は、自動車車両の操舵時において刻々と変化する、車両の走行安全性について、精度良く評価することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、タイヤが装着された車輪を備える車両について、この車両が路面を走行する際の走行安全性を評価する装置であって、前記車両が路面を走行する際、転動中の前記タイヤが前記路面から外力を受けることで発生する、前記タイヤに固定された所定位置の加速度データを時系列に取得する手段と、前記時系列の加速度データを周波数分析して前記加速度のスペクトルを求める手段と、前記加速度のスペクトルの、５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲におけるピーク値を検出する手段と、検出した前記ピーク値に応じて、前記車両の走行安全性を評価する手段と、を有することを特徴とする車両走行安全性評価装置を提供する。なお、前記加速度データ取得手段で取得される加速度データは、前記タイヤの半径方向の加速度のデータであることが好ましい。

また、前記タイヤの所定位置の加速度データは、前記タイヤの所定位置に配置されて、前記車両が路面を走行する際、転動中のタイヤが前記路面から外力を受けることで発生する、前記所定位置の加速度を計測して出力する加速度センサによって計測されることが好ましい。

また、前記スペクトルを求める手段は、取得した前記時系列の加速度データの計測時間範囲から、前記所定位置が前記タイヤと路面との接地領域に対応する部分を通過してから、タイヤ軸を介して前記接地領域の中心と反対側の位置に到達するまでの分析対象時間領域を抽出し、前記加速度のスペクトルとして、前記分析対象時間領域における前記時系列の加速度データのスペクトルを求めることが好ましい。なお、前記スペクトルを求める手段は、取得した前記時系列の加速度データに基づいて、前記分析対象時間領域を抽出することが好ましい。

なお、前記評価する手段は、前記分析対象時間領域における前記時系列の加速度データのスペクトルの前記ピーク値の最大値に応じて、前記車両の走行安全性を、前記タイヤの各回転毎に評価することが好ましい。

また、予め定められた閾値を記憶しておく記憶手段を備え、前記評価手段は、前記記憶手段から前記閾値を読み出して、読み出した前記閾値と前記ピーク値とを比較し、この比較結果に応じて、前記車両が安全な走行状態であるか否かを判定し、判定した結果を出力することが好ましい。なお、前記閾値は、転動中の前記タイヤに発生するコーナリングフォースの値または横力の値の少なくともいずれか一方を計測するタイヤ試験機を用いて予め取得された、前記タイヤに発生するコーナリングフォースの値または前記タイヤに発生する横力の値の少なくともいずれか一方と、前記タイヤ試験機において転動している最中に発生する、前記タイヤに固定された所定位置の加速度のスペクトルの、５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲におけるピーク値と、の対応関係に基いて予め定められていることが好ましい。

本発明は、また、タイヤが装着された車輪を備える車両について、この車両が路面を走行する際の走行安全性を評価する方法であって、前記車両が路面を走行する際、転動中の前記タイヤが前記路面から外力を受けることで発生する、前記タイヤに固定された所定位置の加速度データを時系列に取得するステップと、前記時系列の加速度データを周波数分析して前記加速度のスペクトルを求めるステップと、前記加速度のスペクトルの、前記タイヤから発生するスキール音の周波数に対応する５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲におけるピーク値を検出するステップと、検出した前記ピーク値に応じて、前記車両の走行安全性を評価するステップと、を有することを特徴とする車両走行安全性評価方法も、併せて提供する。

なお、前記スペクトルを求めるステップでは、前記時系列の加速度データに対応する時間領域のうち、前記所定位置が前記タイヤと路面との接地領域に対応する部分を通過してから、タイヤ軸を介して前記接地領域の中心と反対側の位置に到達するまでの分析対象時間領域を抽出し、前記加速度のスペクトルとして、前記分析対象時間領域における前記時系列の加速度データのスペクトルを求めることが好ましい。また、前記スペクトルを求めるステップでは、取得した前記時系列の加速度データに基づいて、前記分析対象時間領域を抽出することが好ましい。

本発明によれば、自動車車両の操舵時において刻々と変化する、タイヤと路面との接地領域におけるすべりの大きさに応じて、この自動車車両の走行安全性を精度良く評価することができる。

以下、本発明の車両の走行安全性を評価する装置および方法について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。

図１は、本発明の車両の走行安全性を評価する装置の一例である評価装置１０（装置１０）について説明する概略構成図である。装置１０は、４つの車輪１４ａ〜１４ｄが配備された車両１２に備えられている。装置１０は、センサユニット１６ａ〜１６ｄと、判定手段２０と、報知手段３４とを有して構成されている。センサユニット１６ａ〜１６ｄは、４つの車輪１４ａ〜１４ｄにそれぞれ備えられており、車両１２が路面を走行する際に、各車輪のタイヤ１５（図２参照）が路面から外力を受けることで発生する、このタイヤ１５の所定部位の加速度情報を取得して無線信号で送信する。判定手段２０は、センサユニット１６ａ〜１６ｄから送信された無線信号を受信して、タイヤ１５の所定部位の加速度データを時系列に取得し、取得した時系列の加速度データを周波数分析して加速度データの周波数スペクトルを求め、この加速度データの周波数スペクトルに基いて、現在の車両１２の走行状態が安全であるか否かを判定する。報知手段３４は、判定手段２０の判定結果を報知するとともに、判定手段２０における判定結果に応じて、車両１２の運転者に警告を発する。

図２は、図１に示す車両走行安全性評価装置における、センサユニットおよびデータ処理ユニットについて説明する図である。図２に示す判定手段２０は、受信機３と、増幅器（ＡＭＰ）４と、データ処理手段２１と、ＣＰＵ２３と、メモリ２７とを有する。判定手段２０は、メモリ２７に記憶されたプログラムをＣＰＵ２３が実行することで、データ処理手段２１の各手段（後述する各部）が機能する、受信機３とＡＭＰ４とが備えられたコンピュータである。判定手段２０は、車輪１４（車輪１４ａ〜車輪１４ｄのいずれか１つを代表して表す）を構成するタイヤ１５のトレッド部１９における加速度の計測データに基づき、現在の車両１２の走行状態が安全であるか否かを判定する。ここで用いられる加速度の計測データは、タイヤ１５のトレッド部１９の、タイヤの空洞領域の内周面に固定した加速度センサ２で検知され、車輪１４に設けられたセンサユニット１６の送信機１７から受信機３へ送信されて、アンプ４で増幅されたデータである。なお、送信機１７を設けず、例えば、加速度センサ２に別途送信機能を持たせ、加速度センサ２から受信機３へ送信するように構成してもよい。なお、車輪１４ａ〜１４ｄに設けられた各送信機１７は、それぞれを識別可能とする識別情報（ＩＤ）をそれぞれ保有しており、送信機１７は、対応する加速度センサで計測された加速度の計測データとともにＩＤを送信する。

加速度センサ２は、例えば、本願出願人が先に出願した特願２００３−１３４７２７号に開示された半導体加速度センサが例示される。半導体加速度センサは、具体的には、Ｓｉウエハ外周枠部内にダイアフラムが形成されたＳｉウエハと、このウエハ外周枠部を固定する台座とを有し、ダイアフラムの一方の面の中央部に重錘が設けられ、ダイアフラムには複数のピエゾ抵抗体が形成されている。この半導体加速度センサに加速度が作用した場合、ダイアフラムは変形し、この変形によりピエゾ抵抗体の抵抗値は変化する。この変化を加速度の情報として検出できるようにブリッジ回路が形成されている。
この加速度センサをタイヤ内周面に固定することにより、タイヤ回転中のトレッド部１９に作用する加速度を計測することができる。
加速度センサ２は、この他にピエゾ圧電素子を用いた加速度ピックアップを用いてもよいし、歪みゲージを組み合わせた歪みゲージタイプの加速度ピックアップを用いてもよい。

アンプ４で増幅された加速度の計測データが供給されるデータ処理手段２１は、データ取得部２２、時間領域抽出部２４、周波数分析部２６、ピーク値導出部２８、および評価部２９を有する。データ取得部２２は、アンプ４で増幅された少なくともタイヤ１回転分の加速度の計測データを入力データとして取得する部分である。アンプ４から供給されるデータはアナログデータであり、データ取得部２２では、このデータを所定のサンプリング周波数でサンプリングしてデジタルデータ（取得加速度データ）に変換する。取得加速度データは、メモリ２７に記憶される。なお、データ取得部２２は、各送信機１７から送信された上述のＩＤに基づき、各車輪から送信される加速度の計測データが、どの車輪のタイヤの加速度の計測データであるか（車輪１４ａ〜車輪１４ｄのいずれの車輪であるか）を判定する。以降、時間領域抽出部２４、周波数分析部２６、ピーク値導出部２８、および評価部２９で行なわれる各処理は、各車輪のタイヤの計測データそれぞれについて行なわれる。

時間領域抽出部２４は、取得加速度データをメモリ２７から読み出す。時間領域抽出部２４は、時系列の取得加速度データに基づいて、加速度センサ２が、タイヤ１５と路面との接地領域に対応する部分を通過してから、タイヤ軸を介して接地領域の中心位置と反対側の位置に到達するまでの分析対象時間領域を抽出する。分析対象時間領域とは、すなわち、図２中にαで示す分析対象部分に加速度センサ２が位置している時間領域のことをいう。時間領域抽出部２４では、例えば、時系列の取得加速度データから、タイヤの転動に起因した遠心力成分を除去することで、タイヤの変形に基く加速度成分を表す時系列データ（変形加速度データ）を抽出する。時間領域抽出部２４では、この変形加速度データを用いて、分析対象時間領域を抽出する。時間領域抽出部２４では、例えば、データ取得部２２によって取得されてデジタルデータに変換された加速度データを受け取り、このデータを平滑化処理することで、タイヤの変形に基く加速度成分を表す時系列データ（変形加速度データ）を抽出し、この変形加速度データを用いて、分析対象時間領域を抽出してもよい。

取得加速度データを平滑化処理して平滑化加速度データとするには、トレンドモデルを用いる手法や、デジタルフィルタを用いる手法、移動平均処理を用いる手法、また、スプライン関数を用いる手法など、公知の手法のいずれを用いてもよい。取得加速度データは、路面を転動するタイヤが変形することで生じる、タイヤの変形に基づく加速度の変化をトレンド成分として、このタイヤの変形に基づく加速度成分に、タイヤの振動などのノイズ成分が多く含まれたデータである。例えば、公知のトレンドモデルを用いた手法によって平滑化した加速度データは、取得加速度データからノイズ成分が除去された加速度成分を表しているといえる。時間領域抽出部２４は、このような平滑化加速度データを用いて、分析対象時間領域を抽出してもよい。

時間領域抽出部２４は、また、以下のようにしてタイヤの変形加速度データを抽出すればよい。図３（ａ）〜（ｃ）は、時間領域抽出部２４において実施される処理の例について説明する図である。この実施形態では、取得加速度データ（図３（ａ））に対して平滑化処理を行い、これら平滑化加速度データに対して近似曲線を算出して背景成分１を求める（図３（ｂ））。そして、この背景成分１を、平滑化加速度データから除去して、タイヤの変形に基づく加速度の時系列データ（タイヤの変形加速度データ）を抽出する（図３（ｃ））。平滑化加速度データに対する近似曲線の算出には、トレンドモデルを用いる手法や、デジタルフィルタを用いる手法、移動平均処理を用いる手法、また、スプライン関数を用いる手法など、公知の手法のいずれを用いてもよい。

時間領域抽出部２４は、変形加速度データの時系列波形から、トレッド部１９に設けられた加速度センサ２がタイヤ接地領域の前端部分を通過したタイミング（接地前端タイミング）と、加速度センサ２がタイヤ接地領域の後端部分を通過したタイミング（接地後端タイミング）とを抽出する。例えば、変形加速度データの時系列波形が、加速度０を横切るときの２つのタイミングを抽出し、より早い一方のタイミングを接地前端タイミング、より遅い一方のタイミングを接地後端タイミングとして抽出する。時間領域抽出部２４は、抽出した接地前端タイミングと接地後端タイミングとを基準に、分析対象時間領域を抽出する。分析対象時間領域の抽出については、後に詳述する。

ここで、本願発明者が本願発明を創作するにあたって着目した、本願発明者によって初めて見出された、タイヤに発生する振動とタイヤ接地領域のスリップ角との関係について説明しておく。

図４（ａ）〜（ｆ）は、走行中の車両のタイヤに発生する振動について説明する図であり、公知のフラットベルト型室内走行試験機を用い、上記タイヤ１５と同様にトレッド部１９の内面に加速度センサが設けられた、所定の仕様のタイヤＡにスリップ角入力を与えて得られたデータである。この際タイヤＡに設けられた加速度センサとしては、タイヤトレッド部１９の、タイヤ半径方向の振動の加速度のみならず、タイヤ周方向の振動の加速度およびタイヤ幅方向の振動の加速度も計測可能なものを使用した。図４（ｆ）は、タイヤＡと接地路面とのスリップ角の時系列データである。図４（ｆ）に示すように、タイヤＡには時系列に単調増加するスリップ角入力を与えた。図４（ａ）は、タイヤＡに設けられた加速度センサで計測されたタイヤ半径方向の加速度データをデジタル変換した、半径方向の取得加速度データである。図４（ｅ）は、この半径方向の取得加速度データの高周波成分を除いて平滑化処理した、半径方向加速度の平滑化加速度データである。図４（ｂ）〜（ｄ）は、取得加速度データを、所定の微小時間領域（０．００１６秒）毎に周波数分析して得られた、取得加速度データの周波数スペクトル（振動のスペクトル）の時系列の変化を表している。図４（ｂ）は、タイヤ周方向の周波数スペクトルの時系列データであり、図４（ｃ）は、タイヤ幅方向の周波数スペクトルの時系列データであり、図４（ｄ）は、タイヤ半径方向の周波数スペクトルデータである。図４（ａ）〜（ｆ）それぞれの横軸は時間軸であり、各時間軸における同一座標は、同一時刻を表している。タイヤＡを用いて行なったこの実験では、タイヤＡに与えるスリップ角入力の大きさがある程度大きく（具体的には、スリップ角が３°）なった時点で、タイヤＡからスキール音が発生していることが、タイヤＡの近くに位置していたオペレータによって確認された。

路面上を転動するタイヤには、図４（ｅ）に示すような、時系列で変動するタイヤ半径方向の変形加速度が生じる。すなわち、図２を参照すれば明らかなように、タイヤの半径方向の変形は、接地領域前端にさしかかった瞬間に大きくなり、接地領域を通過する最中では、加速度センサは路面と平行に移動するので小さく（特に接地領域の中心位置では、ほぼゼロ）なり、接地領域後端を通過した際に再び大きくなる。このため、図４（ｅ）に示すような、高周波成分（ノイズ成分）を除いた、タイヤ半径方向の平滑化加速度データに基づいて、図４（ｅ）に示すような、タイヤと路面との接地領域に加速度センサがさしかかっている時間領域（接地時間領域Ｃ_１〜Ｃ_８）を判定することができる。なお、平滑化処理および接地時間領域の判定処理については、後述する。

図４（ａ）に示す、タイヤ半径方向の取得加速度データは、図４（ｅ）に示す平滑化加速度データ（タイヤの変形にともなって生じる時系列の加速度）に、その他のノイズ成分（主にタイヤの振動成分）が加わったものである。図４（ｆ）と図４（ａ）とを比較してわかるように、タイヤのスリップ角が大きくなれば、取得加速度データのノイズ成分は大きくなっている。本願発明者は、タイヤのスリップ角の上昇にともなって増加する、タイヤ幅方向、周方向、半径方向それぞれのノイズ成分について着目し、図４（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ示すように、タイヤに発生する取得加速度データの周波数スペクトルの時間変化を導出し、その変化の態様について確認した。図４（ｂ）〜（ｄ）のグラフの縦軸は周波数であり、スペクトル値の大きさは、色の濃淡の程度（ドット密度）によって表している。

本願発明者は、図４（ｂ）〜（ｄ）のグラフを比較検討した結果、取得加速度データのノイズ成分は、タイヤ幅方向、周方向、半径方向のうち、タイヤ半径方向に最も強く表れることを見出した。そして、図４（ｄ）に示されるタイヤ半径方向の取得加速度データの周波数スペクトルについて、図４（ｅ）に示すグラフから判定された接地時間領域Ｃ_１〜Ｃ_８との対応を確認し、転動中のタイヤに設けられた加速度センサのタイヤ上の位置と、半径方向の周波数スペクトルとの関係を調査した。これにより、本願発明者は、図４（ｄ）に示すように、半径方向の周波数スペクトルが、加速度センサが接地領域内に位置している時間（接地時間領域Ｃ_１〜Ｃ_８）のみならず、加速度センサが接地領域の後端を通過した直後から、タイヤ軸を介して接地領域の中心位置と反対側の地点に到達するまでの間の所定の時間領域（分析対象時間領域Ｅ_１〜Ｅ_８）でも、依然高いスペクトル値を維持していることを見出した。すなわち、スリップ角の増加にともなってタイヤからスキール音が発生した状態では、タイヤ接地領域の前端からタイヤ接地領域の後ろ側（分析対象部分）にかけて、特に大きなタイヤ振動が発生していることを見出した。そして、この振動は、特にタイヤ半径方向の振動が支配的であることを見出した。

図４（ｂ）〜（ｄ）を比較してわかるように、取得加速度データの周波数スペクトルとしては、タイヤ半径方向が最も顕著に表れている。そして、接地時間領域から分析対象時間領域にわたって、周波数スペクトルのピークは５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの範囲に集中しており、ピーク周波数は、この５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲にあることがわかる。上述したように、５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲は、タイヤに発生するスキール音に対応する周波数範囲である。さらに、接地時間領域Ｃ_１〜Ｃ_８における周波数スペクトルの値の分布と、接地時間領域直後の分析対象時間領域Ｅ_１〜Ｅ_８の周波数スペクトルの値の分布とを比較すると、接地時間領域Ｃ_１〜Ｃ_８でのピーク周波数に比べて、分析対象時間領域Ｅ_１〜Ｅ_８でのピーク周波数の方が、低くなっている（周波数が低い）ことがわかる。

なお、図５（ａ）〜（ｆ）も、図４（ａ）〜（ｆ）と同様、走行中の車両のタイヤに発生する振動について説明する図である。図５（ａ）〜（ｆ）も、公知のフラットベルト型室内走行試験機を用い、上記タイヤ１５と同様にトレッド部１９の内面に加速度センサが設けられた、上記タイヤＡと異なる仕様のタイヤＢにスリップ角入力を与えて得られたデータである。タイヤＢを用いて行なったこの実験では、タイヤＡを用いた場合と同様に、スリップ角が１０°となるまで単調にスリップ角入力を大きくしても、タイヤＢの近くに位置していたオペレータが、タイヤＢからスキール音が発生していることを確認することはできなかった。この場合、図５（ｂ）〜（ｄ）に示す各データにも、特徴的なノイズ成分は表れなかった。

図６（ａ）は、タイヤＡに、スリップ角６°のスリップ角入力を与えた際の、タイヤが１回転する時間領域にわたる、半径方向の周波数スペクトルである。図４の各グラフからも判断できるように、この状態（スリップ角６°）では、タイヤＡにスキール音が発生している。図６（ａ）に示すように、スキール音が発生している状態では、半径方向の周波数スペクトルは、５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲で比較的大きなスペクトル値を有し、当然、この周波数範囲においてピークを有している。図６（ａ）に示す半径方向の周波数スペクトルでは、大きく分けて２つの特徴的なピークが確認できる。図４（ｄ）からも明らかなように、図６（ａ）に示す２つの特徴的なピークのうち、比較的低い周波数のピーク（図６（ａ）にＰ_１で示す）は、主に分析対象部分におけるタイヤ振動に起因しており、比較的高いピーク（図６（ａ）にＰ_２で示す）は、主に、加速度センサがタイヤ接地領域を通過している最中のタイヤ振動に起因している。

図６（ａ）に示す２つの特徴的なピークを比較してわかるように、タイヤが１回転する時間領域にわたるタイヤ振動は、分析対象部分における振動の成分が支配的である（図６（ａ）では、Ｐ_１の方がより大きい）。なお、図６（ｂ）は、タイヤＡと異なる上記タイヤＢに、スリップ角１０°のスリップ角入力を与えた際の、タイヤ１回転に対応する時間領域にわたる、半径方向の周波数スペクトルである。図４の各グラフからも判断できるように、タイヤ１５では、この状態（スリップ角１０°）でもスキール音は発生していない。図６（ｂ）に示すように、スキール音が発生していない状態では、５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲で有意なピークを有していない。

本願発明は、本願発明者が行なったこのような確認実験によって得られた、（１）スリップ角の増加にともなってタイヤスキール音が発生した際、取得加速度データのノイズ成分（主にタイヤの振動成分）は、タイヤ幅方向、周方向、半径方向のうち、タイヤ半径方向に最も強く表れること。（２）タイヤ半径方向の取得加速度データの周波数スペクトルの値が、加速度センサが接地領域内に位置している時間（接地時間領域）のみならず、加速度センサが接地領域の後端を通過した直後から、タイヤ軸を介して接地領域の中央位置と反対側の地点に到達するまでの間の所定の時間領域でも、依然高い値を維持していること。むしろ、加速度センサが接地領域の後端を通過した直後から、タイヤ軸を介して接地領域の中央位置と反対側の地点に到達するまでの間の所定の時間領域（分析対象時間領域）において支配的に大きいこと。（３）そして、このような半径方向の周波数スペクトルのピーク周波数は、タイヤに発生するスキール音に対応する５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲にあること。といった知見に基いてなされたものである。

時間領域抽出部２４において分析対象時間領域を抽出するのは、上述したように、タイヤ１回転にわたる時間領域におけるタイヤ半径方向の取得加速度データのノイズ成分（主に振動成分）のなかでは、この分析対象時間領域におけるタイヤ半径方向の取得加速度データのノイズ成分が、支配的に大きいからである。時間領域抽出部２４において抽出された分析時間領域の情報は、周波数分析部２６に送られる。

周波数分析部２６は、分析時間領域の情報を受け取り、また、メモリ２７から取得加速度データを読み出す。周波数分析部２６は、時間領域抽出部２４において抽出した、タイヤの各回転毎の分析対象時間領域毎に、取得加速度データを周波数分析して、上記図６（ａ）および（ｂ）に示されるような、タイヤ半径方向の取得加速度データの周波数スペクトルを求める。周波数分析部２６は、求めた半径方向の周波数スペクトルを、ピーク値導出部２８に出力する。ピーク値導出部２８は、周波数分析部２６から出力された半径方向の周波数スペクトルから、周波数スペクトルのピーク値（スペクトルピーク値）を求め、さらに求めたピーク値のうちの最大値（最大スペクトルピーク値）を導出する。

図７（ａ）および（ｂ）は、公知の室内タイヤ試験機を用いて導出された、所定の仕様のタイヤについての、スリップ角の大きさと、タイヤの接地領域に発生する横力、およびタイヤ半径方向の取得加速度データの最大スペクトルピーク値、それぞれとの対応を表すグラフである。図７（ａ）は、取得した加速度データ（取得加速度データ）の、タイヤが１回転する時間領域における最大スペクトルピーク値とスリップ角との対応関係を示すグラフである。図７（ｂ）は、取得加速度データを、上記分析対象時間領域についてのみ周波数分析して得られた、分析対象時間領域における最大スペクトルピーク値とスリップ角との対応関係を示すグラフである。図７（ａ）および（ｂ）に示すＦｙは、タイヤの接地領域に発生する横力であり、図７（ａ）および（ｂ）に示すＡｘ〜Ａｚのうち、Ａｘはタイヤ周方向の最大スペクトルピーク値、Ａｙはタイヤ幅方向の最大スペクトルピーク値、Ａｚはタイヤ半径方向の最大スペクトルピーク値である。各方向の最大スペクトルピーク値は、取得加速度データをタイヤが１回転する時間領域について周波数分析してスペクトル（周波数スペクトル）を得、各周波数スペクトルから周波数スペクトルのピーク値を求め、求めたピーク値のうちの最大値を抽出することで求めている。図７（ａ）および（ｂ）に示すように、タイヤと路面とのスリップ角が増加するにともない、最大スペクトルピーク値の値も単調に上昇していく。

図７（ａ）および図７（ｂ）いずれの場合でも、タイヤと路面とのスリップ角と、各方向の最大スペクトルピーク値とは、良好な線型関係を示す。図７（ａ）および図７（ｂ）のいずれの場合も、タイヤと路面とのスリップ角は、タイヤ半径方向の最大スペクトルピーク値と、特に良好な線形性を示す。タイヤと路面とのスリップ角と最大スペクトルピーク値とが、図７（ａ）に示すグラフのみならず図７（ｂ）に示すグラフにおいても良好な線型関係を示すのは、取得加速度データのノイズ成分（主に振動成分）は、タイヤが１回転する時間領域の中で、この分析対象時間領域において支配的に大きいからである。さらに、図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較すると、入力したスリップ角の範囲全体で、特にＡｚの値（タイヤ半径方向の最大スペクトルピーク値）が、図７（ａ）に比べて図７（ｂ）の方が大きくなっている。そして、上述のように、最大スペクトルピーク値に対応するピーク周波数は、タイヤに発生するスキール音に対応する５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲にある。タイヤ半径方向の取得加速度データを分析対象時間領域についてのみ周波数分析して得られた最大スペクトルピーク値の方が、タイヤ半径方向の取得加速度データをタイヤ１回転にわたる時間領域（接地領域を含む）について周波数分析して得られた最大スペクトルピーク値よりも、スキール音（に対応する振動）に対する感度が良いといえる。本実施形態では、このような、分析対象時間領域における最大スペクトルピーク値を用いて、タイヤと路面のとのスリップ角の大きさを表す評価値を導出する。

このように、タイヤ半径方向の取得加速度データの周波数スペクトルのピーク値の大きさは、タイヤと路面とのスリップ角の大きさを、精度良く表している。本実施形態では、例えば、車両１２に装着されているタイヤ１４について、予め、公知の室内タイヤ試験機を用いてスリップ角と最大スペクトルピーク値との対応関係を導出しておき、車両が安全に走行できるスリップ角の上限値に対応する最大スペクトルピーク値を、現在の車両の走行安全性を判定するための閾値として設定しておく。設定されたこの閾値は、メモリ２７に予め記憶されている。

評価部２９は、ピーク値導出部２８においてタイヤの各回転毎に導出した最大スペクトルピーク値（評価値）と、メモリ２７に予め記憶されているこの閾値とを比較して、評価値が閾値を上回るか否かを判定し、判定結果をディスプレイに表示出力する。ここで閾値は、上述のように、車両が安全に走行できるスリップ角の上限値を表している。評価値（タイヤ１５のスリップ角の大きさによく対応する、タイヤの半径方向の最大スペクトルピーク値）が、予め設定された上記閾値を下回る場合は、タイヤ１５と路面とのスリップ角の大きさは、タイヤ１５を備える車両１２が安全に走行できる範囲にあるといえる。また、評価値が、予め設定された上記閾値より大きい場合は、タイヤ１５と路面とのスリップ角の大きさが、タイヤ１５を備える車両１２が安全に走行できる上限値よりも大きくなっており、車両１２は安全な走行状態にないことがいえる。

報知手段３４は、例えば、図示しないディスプレイやスピーカなどからなり、評価部２９から送られた、車両が安全な走行状態にあるか否かの判定結果の情報を受けて、車両１２の運転者に対し警報を発する。報知手段３４は、これにより、車両１２の運転者に対し、どの車輪において、スリップ角が極端に大きくなっているかを報知する。例えば、スピーカから警告音を発生したり、ディスプレイに警告を伝える画像を表示することで、警報を発すればよい。

図８は、このような装置１０にて行われる車両走行安全性評価方法のフローチャートの一例である。以下、車両１２が走行している状態において、車両走行安全性を評価する一例について説明する。まず、アンプ４で増幅された、各車輪の加速度の計測データがデータ取得部２２に供給され、所定のサンプリング周波数にてサンプリングされて、デジタル化した計測データが取得される（ステップＳ１０２）。この際、データ取得部２２は、上述のように、各送信機１５から送信された上述のＩＤに基づき、各車輪から送信される加速度の計測データが、どの車輪のタイヤの加速度の計測データであるか（車輪１４ａ〜車輪１４ｄのいずれの車輪であるか）を判定する。以降の各処理は、各車輪のタイヤの計測データそれぞれについて、並列に行なわれる。

取得された計測データ（取得加速度データ）は、メモリ２７に記憶される。時間領域抽出部２４は、メモリ２７から取得加速度データを読み出す。そして、時間領域抽出部２４において、まず、ローパスフィルタによる平滑化処理が行われる（ステップＳ１０４）。図４（ａ）や図５（ａ）に示すように、時間領域抽出部２４に供給された計測データはノイズ成分が多く含まれるため、平滑化処理により、図４（ｅ）や図５（ｅ）に示すように滑らかなデータとされる。フィルタは、例えば、所定の周波数をカットオフ周波数とするデジタルフィルタが用いられる。カットオフ周波数は、転動速度やノイズ成分によって変化するが、例えば転動速度が６０（ｋｍ/時）の場合、カットオフ周波数は、０．５〜２（ｋHz）とされる。この他に、デジタルフィルタの替わりに、移動平均処理やトレンドモデル等を用いて平滑化処理を行ってもよい。

次に、時間領域抽出部２４が、平滑化された加速度データの時系列波形から、トレッド部１９に設けられた加速度センサ２がタイヤ接地領域の前端部分を通過したタイミング（接地前端タイミング）と、加速度センサ２がタイヤ接地領域の後端部分を通過したタイミング（接地後端タイミング）とを抽出する。具体的には、タイヤ半径方向の加速度データから遠心力成分を抽出して得られた変形加速度データの時系列波形が、加速度０を横切るときの２つのタイミングを抽出し、より早い一方のタイミングを接地前端タイミング、より遅い一方のタイミングを接地後端タイミングとして抽出する。図９は、変形加速度データの時系列波形を示す概略図であり、タイヤが２回転する時間範囲にわたって示している。時間領域抽出部２４では、図９に示すように、タイヤの各回転毎に、接地前端タイミング（Ｆ_ｎおよびＦ_ｎ＋１）と、接地後端タイミング（Ｒ_ｎおよびＲ_ｎ＋１）を抽出する。

そして、時間領域抽出部２４において、タイヤの各回転毎に、分析対象時間領域を抽出して設定する。上述のように、分析対象時間領域とは、加速度センサ２が、図２に示す分析対象部分αを通過している時間に対応する時間領域であり、より詳しくは、上述のように、タイヤと路面との接地領域に対応する部分を通過してから、タイヤ軸を介して接地領域の中心地点と反対側の位置に到達するまでの時間領域のことをいう。タイヤが一定速度で転動している場合、加速度センサがタイヤ接地領域の後端部分を通過したタイミング（例えば、図９に示す接地後端タイミングＲ_ｎ）から、加速度センサ２がタイヤ接地領域の前端部分を次に通過したタイミング（例えば、接地前端タイミングＦ_ｎ＋１）までの時間範囲において、この時間範囲を２等分した２つの時間領域のうちの前半部分の時間領域（例えば、図９に示すＥ_ｎ）と略一致する。時間領域抽出部２４では、抽出した接地前端タイミングと接地後端タイミングとに基き、例えば、図４（ｅ）および図５（ｅ）に示すように、タイヤの各回転毎に、分析対象時間領域（分析対象時間領域Ｅ_１〜Ｅ_８）を抽出する。

そして、周波数分析部２６は、分析時間領域の情報を受け取り、また、メモリ２７から取得加速度データを読み出す。周波数分析部２６は、時間領域抽出部２４において抽出したタイヤの各回転の分析対象時間領域毎に、時系列の取得加速度データを周波数分析して、タイヤ半径方向の取得加速度データの周波数スペクトル（半径方向の振動スペクトル）を求めて出力する（ステップＳ１１０）。

そして、ピーク値導出部２８が、周波数分析部２６から出力された半径方向の周波数スペクトルから、５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲にある、半径方向の周波数スペクトルのピーク値の最大値（最大スペクトルピーク値）を導出する（ステップＳ１１２）。そして、評価部２９が、タイヤの各回転毎（分析対象時間領域毎）に導出した最大スペクトルピーク値に基き、車両１２の現在の走行安全性を評価する（ステップＳ１１４）。評価部２９では、ステップＳ１１２において導出したタイヤの各回転毎の評価値と、メモリ２７に予め記憶されている上記閾値とを比較して、評価値が閾値を上回るか否かを判定し、判定結果を、報知手段３４の図示しないディスプレイに表示出力する。

評価値が、予め設定された上記閾値を下回る場合（ステップＳ１１４の判定結果がＹｅｓの場合）は、タイヤ１４と路面とのスリップ角の大きさは、タイヤ１４を備える車両１２が安全に走行できる範囲にあるといえる。この場合（ステップＳ１１４の判定結果がＹｅｓの場合）、判定結果を、通常の表示モードでディスプレイに表示出力する。これに対し、評価値が、予め設定された上記閾値より大きい場合（ステップＳ１１４の判定結果がＮｏの場合）は、タイヤ１４と路面とのスリップ角の大きさが、タイヤ１４を備える車両１２が安全に走行できる上限値よりも大きくなっており、車両１２は安全な走行状態にないことがいえる。この場合（ステップＳ１１４の判定結果がＮｏの場合）、報知手段３４によって警告が発せられる（ステップＳ１１６）。例えば、スピーカから警告音を発生したり、ディスプレイに警告を伝える画像を表示することで、車両１２の運転者に対し警報を発するとともに、どの車輪においてスリップ角が極端に大きくなっているか、報知する。このような警報によって、車両１２の運転者は、現在の車両が安全な走行状態にあるか否かを知ることができる。ステップＳ１０２〜ステップＳ１１６の一連の処理は、車両１２の走行が終了するまで、繰り返し実行される。

評価値は、分析対象時間領域における周波数スペクトルのピーク値の最大値（最大スペクトルピーク値）であることに限定されない。また、周波数分析する時間領域についても特に限定されず、例えば、評価値として、タイヤが１回転している時間領域における振動スペクトルのピーク値であってもよい。ただし、転動中のタイヤ振動のノイズ成分は、タイヤの分析対象部分において支配的に大きいので、車両の走行安全性をより高精度に評価するには、評価値として、分析対象時間領域における周波数スペクトルのピーク値を用いることが好ましい。また、評価値として、タイヤ半径方向の最大スペクトルピーク値を用いることに限定されず、タイヤ周方向またはタイヤ幅方向のスペクトル値を用いてもよい。ただし、タイヤ周方向の加速度およびタイヤ幅方向の加速度に比べて、タイヤ半径方向の加速度は、特に大きい。車両の走行安全性をより高精度に評価するには、評価値として、タイヤ半径方向の加速度のスペクトル値の最大値を用いることが、より好ましい。

本発明では、タイヤ１回転毎に評価値を算出して、タイヤ１回転毎に走行安全性を評価することに限定されない。例えば、所定時間間隔でタイヤ１回転あたりの評価値を算出して、この所定時間間隔で判定してもよい。また、所定時間単位で連続して、タイヤの各回転毎の評価値を算出して、この所定時間単位で取得された複数の評価値について平均値を求め、この平均値を用いて、所定時間単位毎に、車両の走行安全性を判定してもよい。本発明における判定方法や判定基準は特に限定されない。

以上、本発明の車両走行安全性評価装置、および車両走行安全性評価方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明の車両走行安全性評価装置の一例について説明する概略構成図である。 図１に示す車両走行安全性評価装置における、センサユニットおよびデータ処理ユニットについて説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図２に示す時間領域抽出部において実施される処理の例について説明する図である。 （ａ）〜（ｆ）は、走行中の車両のタイヤに発生する振動について説明する図である。 （ａ）〜（ｆ）は、走行中の車両のタイヤに発生する振動について説明する図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ異なるタイヤにスリップ角入力を与えた際の、タイヤ半径方向加速度の周波数スペクトルである。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ異なるタイヤについて、スリップ角の大きさに対する、タイヤの接地領域に発生する横力、およびタイヤ半径方向の加速度の周波数スペクトルの最大値それぞれの対応を表す散布図である。 本発明の車両走行安全性評価方法の一例を示すフローチャートである。 タイヤが２回転する間の、タイヤ半径方向の加速度の時系列波形を示す概略図である。

符号の説明

１０ 評価装置
１２ 車両
１４ａ〜１４ｄ 車輪
１５ タイヤ
１６ａ〜１６ｄ センサユニット
１７ 送信機
２０ 判定手段
２１ データ処理手段
２２ データ取得部
２３ ＣＰＵ
２４ 時間領域抽出部
２６ 周波数分析部
２７ メモリ
２８ ピーク値導出部
２９ 評価部
３４ 報知手段

Claims (11)

1. タイヤが装着された車輪を備える車両について、この車両が路面を走行する際の走行安全性を評価する装置であって、
   前記車両が路面を走行する際、転動中の前記タイヤが前記路面から外力を受けることで発生する、前記タイヤに固定された所定位置の加速度データを時系列に取得する手段と、
   前記時系列の加速度データを周波数分析して前記加速度のスペクトルを求める手段と、
   前記加速度のスペクトルの、５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲におけるピーク値を検出する手段と、
   検出した前記ピーク値に応じて、前記車両の走行安全性を評価する手段と、を有することを特徴とする車両走行安全性評価装置。
2. 前記加速度データ取得手段で取得される加速度データは、前記タイヤの半径方向の加速度のデータであることを特徴とする請求項１記載の車両走行安全性評価装置。
3. 前記タイヤの所定位置の加速度データは、前記タイヤの所定位置に配置されて、前記車両が路面を走行する際、転動中のタイヤが前記路面から外力を受けることで発生する、前記所定位置の加速度を計測して出力する加速度センサによって計測されることを特徴とする請求項１または２記載の車両走行安全性評価装置。
4. 前記スペクトルを求める手段は、取得した前記時系列の加速度データの計測時間範囲から、前記所定位置が前記タイヤと路面との接地領域に対応する部分を通過してから、タイヤ軸を介して前記接地領域の中心と反対側の位置に到達するまでの分析対象時間領域を抽出し、
   前記加速度のスペクトルとして、前記分析対象時間領域における前記時系列の加速度データのスペクトルを求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の車両走行安全性評価装置。
5. 前記スペクトルを求める手段は、取得した前記時系列の加速度データに基づいて、前記分析対象時間領域を抽出することを特徴とする請求項４記載の車両走行安全性評価装置。
6. 前記評価する手段は、前記分析対象時間領域における前記時系列の加速度データのスペクトルの前記ピーク値の最大値に応じて、前記車両の走行安全性を、前記タイヤの各回転毎に評価することを特徴とする請求項４または５に記載の車両走行安全性評価装置。
7. 予め定められた閾値を記憶しておく記憶手段を備え、
   前記評価手段は、前記記憶手段から前記閾値を読み出して、読み出した前記閾値と前記ピーク値とを比較し、この比較結果に応じて、前記車両が安全な走行状態であるか否かを判定し、判定した結果を出力することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の車両走行安全性評価装置。
8. 前記閾値は、転動中の前記タイヤに発生するコーナリングフォースの値または横力の値の少なくともいずれか一方を計測するタイヤ試験機を用いて予め取得された、前記タイヤに発生するコーナリングフォースの値または前記タイヤに発生する横力の値の少なくともいずれか一方と、
   前記タイヤ試験機において転動している最中に発生する、前記タイヤに固定された所定位置の加速度のスペクトルの、５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲におけるピーク値と、の対応関係に基いて予め定められていることを特徴とする請求項７記載の車両走行安全性評価装置。
9. タイヤが装着された車輪を備える車両について、この車両が路面を走行する際の走行安全性を評価する方法であって、
   前記車両が路面を走行する際、転動中の前記タイヤが前記路面から外力を受けることで発生する、前記タイヤに固定された所定位置の加速度データを時系列に取得するステップと、
   前記時系列の加速度データを周波数分析して前記加速度のスペクトルを求めるステップと、
   前記加速度のスペクトルの、前記タイヤから発生するスキール音の周波数に対応する５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの周波数範囲におけるピーク値を検出するステップと、
   検出した前記ピーク値に応じて、前記車両の走行安全性を評価するステップと、を有することを特徴とする車両走行安全性評価方法。
10. 前記スペクトルを求めるステップでは、前記時系列の加速度データに対応する時間領域のうち、前記所定位置が前記タイヤと路面との接地領域に対応する部分を通過してから、タイヤ軸を介して前記接地領域の中心と反対側の位置に到達するまでの分析対象時間領域を抽出し、
    前記加速度のスペクトルとして、前記分析対象時間領域における前記時系列の加速度データのスペクトルを求めることを特徴とする請求項９に記載の車両走行安全性評価方法。
11. 前記スペクトルを求めるステップでは、取得した前記時系列の加速度データに基づいて、前記分析対象時間領域を抽出することを特徴とする請求項１０記載の車両走行安全性評価方法。

Images