JP4358035B2 - 路面摩擦係数の推定方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、車輌の走行している路面の摩擦係数を推定する方法とその装置に関するものである。

自動車の走行安定性を高めるため、タイヤと路面間の摩擦係数（路面摩擦係数）あるいは路面状態を精度良く推定し、車輌制御へフィードバックすることが求められている。予め上記路面摩擦係数や路面状態を推定することができれば、制駆動や操舵といった危険回避の操作を起こす前に、例えば、ＡＢＳブレーキのより高度な制御等が可能になり、安全性が一段と高まることが予想される。また、運転者に走行中の路面状態の危険度を伝えるだけでも、運転者が早めの減速動作を行えるようになり、事故の減少が期待できる。
上記路面摩擦係数を推定する方法としては、例えば、車輌のバネ下とバネ上間の振動伝達特性から路面摩擦係数を推定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、車輪の上下方向の加速度であるバネ下加速度と、車体の上下方向の加速度であるバネ上加速度間の伝達関数の共振周波数ｆ_ｒと、ゲイン比（Ｇ_p／Ｇ_０）と車速Ｖとから路面摩擦係数を推定するもので、路面摩擦係数の推定に操舵力を用いていないため、操舵がほとんど行われない直線路での走行においても路面摩擦係数を推定することができるものである。

しかしながら、上記従来の方法では、バネやダンパー等の緩衝特性の大きな懸架装置を介した２点間の振動の伝達特性から路面摩擦係数を推定しているため、路面の凹凸の影響を受けやすいといった問題点があった。例えば、雪上などの荒れた路面上においては、バネ下の振動が大きくなるため、サスペンションによって振動が吸収されるバネ上の振動と、上記バネ下の振動との振動レベル差が大きくなってしまい、路面摩擦係数を正確に推定することができなかった。
そこで、タイヤと路面との間に作用する摩擦力の大きさに直接依存するタイヤ内面歪を計測し、このタイヤ内面歪の時間変化に基づいて路面摩擦係数を推定する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。これは、歪ゲージをタイヤトレッドの内面のタイヤトレッド主溝位置の内面に配置して、タイヤの周方向歪あるいはタイヤの幅方向歪波形を計測して路面摩擦係数を推定するもので、具体的には、接地面内でのタイヤ内面歪波形のピーク値を求め、このピーク値とタイヤと路面間の摩擦係数との関係を示すマップに基づいて、路面摩擦係数を推定する。
特開平１１−９４６６１号公報 特開２００２−２４７２号公報

ところで、路面摩擦係数μが低下すると、タイヤでは引張側の歪が大きくなるとともに、圧縮側の歪も大きくなるが、上記方法では、タイヤ内面歪の踏面内での歪（引張側の歪）のみ注目していることから、特に低μ路においては、路面摩擦係数の推定精度が必ずしも十分とはいえなかった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、車輌が走行している路面の路面摩擦係数を精度よく推定するとともに、上記推定された路面摩擦係数を用いて車輌の走行状態を制御して、車輌の安全性を高めることを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、踏面内でのタイヤ内面歪の情報だけでなく、接地面前後の接地面外変形点の歪量も情報として加えることにより、路面摩擦係数の推定精度を向上させることができることを見出し本発明に到ったものである。
すなわち、請求項１に記載の発明は、タイヤが走行している路面の摩擦係数を推定する方法であって、タイヤトレッドのインナーライナ部の変形量の時間波形から、当該タイヤの接地面前側の接地面外変形点の変形量である踏み側ピーク値Ｐ１と、接地面内における最大変形点の変形量である接地部ピーク値Ｐ２と、接地面後側の接地面外変形点の変形量である蹴り側ピーク値Ｐ３とを計測して、上記ピーク値Ｐ１と上記ピーク値Ｐ２と上記ピーク値Ｐ３とを用いて変形量比Ｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３を算出し、この変形量比Ｒから、タイヤが走行している路面の摩擦係数を推定することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、タイヤが走行している路面の摩擦係数を推定する方法であって、タイヤトレッドのインナーライナ部の変形量の時間波形から、当該タイヤの接地面内における最大変形点の変形量である接地部ピーク値Ｐ２と、接地面後側の接地面外変形点の変形量である蹴り側ピーク値Ｐ３とを計測して、上記ピーク値Ｐ２と上記ピーク値Ｐ３との比である変形量比Ｒ’＝Ｐ２／Ｐ３を算出し、この変形量比Ｒ’からタイヤが走行している路面の摩擦係数を推定することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、タイヤが走行している路面の摩擦係数を推定する装置であって、タイヤトレッドのインナーライナ部の変形量を計測するタイヤ変形量計測手段と、上記変形量の時間変化波形から、当該タイヤの接地面前側の接地面外変形点の変形量である踏み側ピーク値Ｐ１と、接地面内における最大変形点の変形量である接地部ピーク値Ｐ２と、接地面後側の接地面外変形点の変形量である蹴り側ピーク値Ｐ３とを検出するタイヤ変形量検出手段と、これらのピーク値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３からタイヤが走行している路面の摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段とを備え、上記路面摩擦係数推定手段は、上記ピーク値Ｐ１と上記ピーク値Ｐ２と上記ピーク値Ｐ３とを用いて変形量比Ｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３を算出し、この変形量比Ｒから、タイヤが走行している路面の摩擦係数を推定することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、タイヤが走行している路面の摩擦係数を推定する装置であって、タイヤトレッドのインナーライナ部の変形量を計測するタイヤ変形量計測手段と、上記変形量の時間変化波形から、当該タイヤの接地面内における最大変形点の変形量である接地部ピーク値Ｐ２と、接地面後側の接地面外変形点の変形量である蹴り側ピーク値Ｐ３とを検出するタイヤ変形量検出手段と、これらのピーク値Ｐ２，Ｐ３からタイヤが走行している路面の摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段とを備え、上記路面摩擦係数推定手段は、上記ピーク値Ｐ２と上記ピーク値Ｐ３との比である変形量比Ｒ’＝Ｐ２／Ｐ３を算出し、この変形量比Ｒ’からタイヤが走行している路面の摩擦係数を推定することを特徴とするものである。

本発明によれば、タイヤが走行している路面の摩擦係数を推定する際に、タイヤ周方向歪、または、周方向歪の変化量、または、トレッド面外曲げ歪などの、タイヤトレッドのインナーライナ部の接地面内のピーク値Ｐ２及び接地面前後の接地面外変形点のピーク値Ｐ１，Ｐ３を計測して、変形量の比Ｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３、あるいは、Ｒ’＝Ｐ２／Ｐ３を求め、この変形量の比から路面摩擦係数を推定するようにしたので、車輌が走行している路面の路面摩擦係数を精度よく推定することができる。
このとき、タイヤトレッドのインナーライナ部の、タイヤ径方向のほぼ同一な断面における少なくとも２箇所、特に、タイヤ軸方向中心に対して軸方向等距離の線対称な位置を含む複数の箇所でそれぞれ変形量を計測し、その平均値から上記路面摩擦係数を推定するようにすれば、横力が発生した場合でも、路面摩擦係数を精度よく推定することができる。

以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
図１は、本最良の形態に係る路面とタイヤとの摩擦係数の値を推定する路面摩擦係数推定装置１０の構成を示すブロック図で、図２は本発明によるセンサ付きタイヤ２０の模式図である。各図において、１１Ａ，１１Ｂは路面からタイヤトレッド２１への入力により変形するインナーライナ部２２の変形量をそれぞれ計測するタイヤ変形量計測手段、１２は上記タイヤ変形量計測手段１１Ａ，１１Ｂで計測されたタイヤ踏面以外でのタイヤ内面歪の平均値であるベースライン値を算出するベースライン算出手段で、本例では、踏面と反対側の１８０°分の平均値を用いて上記ベースライン値を算出する。
１３は、図３及び図４に示すような、上記計測されたインナーライナ部２２の変形量の時間変化波形から、接地面前側の接地面外変形点における変形量である踏み側ピーク値Ｐ１と、接地面内における最大変形点における変形量である接地部ピーク値Ｐ２と、接地面後側の接地面外変形点における変形量である蹴り側ピーク値Ｐ３とをそれぞれ検出するピーク値検出手段で、上記ピーク値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は上記変形量のベースライン値からの高さ（絶対値）である。また、１４は上記ピーク値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から、変形量比Ｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３を算出する変形量比算出手段、１５は記憶手段１６に記憶されている、予め求められた変形量比Ｒと路面摩擦係数μとの関係を示すマップ１６Ｍを用いて、上記算出された変形量比Ｒから車輌が走行している路面の摩擦係数の値を推定する路面摩擦係数推定手段である。

本例では、上記タイヤ変形量計測手段１１Ａ，１１Ｂとして、歪ゲージを用いるとともに、このタイヤ変形量計測手段１１Ａ，１１Ｂを、変形の大きなセンサ付きタイヤ２０のインナーライナ部２２のラグ溝内面側で、タイヤ径方向のほぼ同一な断面において、タイヤ軸方向中心に対して軸方向等距離の線対称な位置に、当該タイヤ２０の周方向の引張り歪を検出する方向にそれぞれ接着剤で貼り付け、更に、樹脂で被覆した。なお、上記タイヤ変形量計測手段１１Ａ，１１Ｂを、上記インナーライナ部２２のラグ溝内面側に加硫接着により取付け、ゴムで被覆するようにしてもよい。

上記インナーライナ部２２の変形量の大きさは、上述したように、走行時の路面状態、すなわち路面摩擦係数の大きさに依存する。
実際に、タイヤトレッドのインナーライナ部に、タイヤ周方向歪を測定する向きに歪ゲージを貼付けた車輌を、ドライアスファルトと氷路にて、試験速度３０ｋｍ／ｈｒで走行させてインナーライナ部の変形量の時間変化を測定した結果、タイヤ周方向の変形量は、図５に示すように、同図の太い実線で示す氷路上を走行している場合には、引張側のピークの大きさ（タイヤ踏面内の最大歪）も、圧縮側のピークの大きさ（踏み側最大歪及び蹴側最大歪）も、同図の細い実線で示すドライアスファルト上を走行したときのピーク値よりも大きくなっている。特に、蹴り側ピーク値に対する踏み側ピーク値の比が大きくなっている。
このように、路面摩擦係数μが小さくなると、上記ピーク値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が大きくなるとともに、Ｐ２とＰ３との比も大きくなるので、本例では、上記ピーク値Ｐ１，Ｐ２、Ｐ３から、変形量比Ｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３を算出して、この変形量比Ｒから路面摩擦係数μを推定するようにした。

ところで、タイヤ２０に横力が発生すると、図６（ａ），（ｂ）に示すように、その接地形状はタイヤ軸方向中心に対して一方の側の接地長が長くなり、他方の側が短くなるため、路面摩擦係数μの推定に横力の影響が出てしまう。そこで、本例では、インナーライナ部２２のタイヤ径方向のほぼ同一な断面において、タイヤ軸方向中心に対して軸方向等距離の線対称な位置にそれぞれタイヤ変形量計測手段１１Ａ，１１Ｂを配置して、検出したピーク値（Ｐ１Ａ，Ｐ２Ａ，Ｐ３Ａ）とピーク値（Ｐ１Ｂ，Ｐ２Ｂ，Ｐ３Ｂ）の平均値（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）を算出し、この算出されたピーク値を用いて変形量比Ｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３を算出するようにしている。これにより、横力が発生した場合でも、路面摩擦係数を精度よく求めることができる。
また、荷重変動があった場合、ピーク値（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）は変化するので、上記変形量比Ｒのように、比の形にしておけば、変形量の測定誤差を非常に小さくすることができる。
例えば、荷重が大きくなると、タイヤ撓み量も大きくなるので、ピーク値が大きくなったり、ピーク間の長さが長くなることから、インナーライナ部２２の変形量が見かけ上大きくなる。そこで、例えば、接地面外変形点間の長さである変形長により上記マップ１６Ｍを変更する機能を路面摩擦係数推定装置１０の中に組み入れて、適宜採用するマップを変更することにより、路面摩擦係数の推定精度を更に向上させることができる。

また、タイヤ変形量の大きさは、タイヤの内圧，温度などでも変わってくるため、予め上記各データの値に応じたマップを作成し、各データの変化に応じて自動的に的確なマップを選択するなどして、上記マップ１６Ｍを適宜変更することが望ましい。
また、加速・減速時には、タイヤに前後力が発生するため、インナーライナ部２２の変形量の時間変化波形は、図４（ｂ）に示すように、踏み側と蹴り側とのバランスが変わってしまうため、車輪速変動がある一定値を超えた場合には、上記変形量比Ｒから推定した路面摩擦係数の推定精度は悪くなる。そこで、車輪速変動がある一定値より小さい時のみ路面摩擦係数の推定を行い、急にブレーキが踏まれた時には、路面摩擦係数の推定を行わず、それまでに推定した路面摩擦係数の値を用いて車輌制御することが望ましい。

このように、本最良の形態によれば、タイヤ変形量計測手段１１Ａ，１１Ｂを、センサ付きタイヤ２０のインナーライナ部２２に取付け、路面からタイヤトレッド２１への入力により変形するインナーライナ部２２の変形量の時間変化波形から、この時間変化波形の接地部のピーク値Ｐ２と、接地面前後の接地面外変形点におけるピーク値Ｐ１，Ｐ３をそれぞれ検出し、これらのピーク値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から、変形量比Ｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３を算出し、この変形量比Ｒと、記憶手段１６に記憶されている、予め求められた変形量比Ｒと路面摩擦係数μとの関係を示すマップ１６Ｍとを用いて、路面摩擦係数μの値を推定するようにしたので、路面摩擦係数の推定精度を向上させることができる。
また、上記タイヤ変形量計測手段１１Ａ，１１Ｂを、インナーライナ部２２のタイヤ軸方向中心に対して軸方向等距離の線対称な位置に取付け、その平均値から上記路面摩擦係数を推定するようにすれば、横力が発生した場合でも、路面摩擦係数を精度よく推定することができる。

なお、上記ピーク値（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）そのものを用いても路面摩擦係数を推定することは可能であるが、タイヤ変形量計測手段１１Ａ，１１Ｂがキャリブレーションできないタイヤ２０の中に長くおかれると、変形量の測定誤差が大きくなる可能性があるので、本例のように、変形量比Ｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３を用いて路面摩擦係数を推定することが望ましい。
また、上記例では、変形量比をＲ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３としたが、変形量比は、路面摩擦係数の大きさを反映するものであればよく、例えば、Ｒ’＝（Ｐ２／Ｐ３）などのように、別な比率の取り方をしても良い。

また、上記最良の形態では、インナーライナ部２２の接地面内及び接地面前後の接地面外変形点の変形量の時間変化波形を用いたが、必要に応じて、上記変形量を時間微分した微分値の時間変化波形、または、上記変形量を時間積分した積分値の時間変化波形を用いてもよい。
また、上記例では、タイヤ変形量計測手段１１Ａ，１１Ｂとして歪ゲージを用いた場合について説明したが、圧電ポリマー（圧電フィルムまたは圧電ケーブル）を用いてもよい。上記歪ゲージの場合には、電気抵抗を測定しているが、上記圧電ポリマーの場合には、歪んだ分だけ電荷を発生するという特性を有しているので、周方向歪の変化量、すなわち、上記歪センサの出力波形の微分値に相当する出力が得られる。なお、上記圧電ポリマーは、消費電力も回路部のみに限られるため省電力化が図れること、フレキシブルであるので、耐久性に優れていることなど、上記歪センサよりも有利である。上記圧電ポリマーを用いた場合には、出力波形を積分し、積分値のピーク値を用いて路面摩擦係数μを推定することができる。

また、上記例では、インナーライナ部２２の周方向歪、あるいは、周方向歪の変化量を検出するようにしたが、トレッド面外曲げ歪を検出して路面摩擦係数μを求めるようにしてもよい。上記周方向歪は、実際には引張・圧縮歪と曲げ歪の両者が合わさったもので、特に、踏面では曲げ歪の影響が強い。すなわち、ベルトがほとんど不伸長であるため、ベルトが曲げられると、上記ベルトを中立軸として、内面及び外側が伸縮する。この曲げ歪は上記引張・圧縮歪とほぼ同じ位相の波形となるので、市販の曲げ歪ゲージをインナーライナ部２２に貼付けて上記曲げ歪を検出すれば、トレッド面外曲げ歪を検出できる。

このように、本発明によれば、車輌が走行している路面の摩擦係数を精度よく推定することができるので、上記推定された路面摩擦係数を車輌制御へフィードバックすることにより、車輌の走行安定性を格段に向上させることができる。

本発明の最良の形態に係る路面摩擦係数推定装置の構成を示すブロック図である。 本発明によるセンサ付きタイヤの模式図である。 タイヤの変形状態を示す模式図である。 インナーライナ部の変形量の時間変化波形を示す図である。 ドライアスファルトと氷路における走行時のインナーライナ部の変形量の時間変化波形を示す図である。 タイヤ踏面の接地形状を示す模式図である。

符号の説明

１０ 路面摩擦係数推定装置、１１Ａ，１１Ｂ タイヤ変形量計測手段、
１２ ベースライン算出手段、１３ ピーク値検出手段、１４ 変形量比算出手段、
１５ 路面摩擦係数推定手段、１６ 記憶手段、１６Ｍ マップ、
２０ センサ付きタイヤ、２１ タイヤトレッド、２２ インナーライナ部。

Claims (4)

1. タイヤトレッドのインナーライナ部の変形量の時間波形から、当該タイヤの接地面前側の接地面外変形点の変形量である踏み側ピーク値Ｐ１と、接地面内における最大変形点の変形量である接地部ピーク値Ｐ２と、接地面後側の接地面外変形点の変形量である蹴り側ピーク値Ｐ３とを計測して、上記ピーク値Ｐ１と上記ピーク値Ｐ２と上記ピーク値Ｐ３とを用いて変形量比Ｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３を算出し、この変形量比Ｒからタイヤが走行している路面の摩擦係数を推定することを特徴とする路面摩擦係数の推定方法。
2. タイヤトレッドのインナーライナ部の変形量の時間波形から、当該タイヤの接地面内における最大変形点の変形量である接地部ピーク値Ｐ２と、接地面後側の接地面外変形点の変形量である蹴り側ピーク値Ｐ３とを計測して、上記ピーク値Ｐ２と上記ピーク値Ｐ３との比である変形量比Ｒ’＝Ｐ２／Ｐ３を算出し、この変形量比Ｒ’からタイヤが走行している路面の摩擦係数を推定することを特徴とする路面摩擦係数の推定方法。
3. タイヤトレッドのインナーライナ部の変形量を計測するタイヤ変形量計測手段と、
   上記変形量の時間変化波形から、当該タイヤの接地面前側の接地面外変形点の変形量である踏み側ピーク値Ｐ１と、接地面内における最大変形点の変形量である接地部ピーク値Ｐ２と、接地面後側の接地面外変形点の変形量である蹴り側ピーク値Ｐ３とを検出するタイヤ変形量検出手段と、
   これらのピーク値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３からタイヤが走行している路面の摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段とを備え、
   上記路面摩擦係数推定手段は、
   上記ピーク値Ｐ１と上記ピーク値Ｐ２と上記ピーク値Ｐ３とを用いて変形量比Ｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ３を算出し、この変形量比Ｒからタイヤが走行している路面の摩擦係数を推定することを特徴とする路面摩擦係数推定装置。
4. タイヤトレッドのインナーライナ部の変形量を計測するタイヤ変形量計測手段と、
   上記変形量の時間変化波形から、当該タイヤの接地面内における最大変形点の変形量である接地部ピーク値Ｐ２と、接地面後側の接地面外変形点の変形量である蹴り側ピーク値Ｐ３とを検出するタイヤ変形量検出手段と、
   これらのピーク値Ｐ２，Ｐ３からタイヤが走行している路面の摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段とを備え、
   上記路面摩擦係数推定手段は、
   上記ピーク値Ｐ２と上記ピーク値Ｐ３との比である変形量比Ｒ’＝Ｐ２／Ｐ３を算出し、この変形量比Ｒ’からタイヤが走行している路面の摩擦係数を推定することを特徴とする路面摩擦係数推定装置。

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