JP4439985B2 - 路面摩擦係数の推定方法、路面摩擦係数推定装置、及び、車両制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の走行時におけるタイヤと路面間の摩擦係数を推定するための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、走行時のタイヤと路面との間の摩擦係数（路面摩擦係数）を精度良く推定し、車両制御へフィードバックすることが求められている。特に、制駆動や操舵といった危険回避の操作を起こす前に、予めタイヤの走行状態や路面摩擦係数を推定することができれば、例えば、ＡＢＳブレーキやこれを応用した車体姿勢制御装置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。
従来、路面摩擦係数を推定する方法としては、タイヤの微少スリップ率変化とタイヤ前後力との関係から推定する手法（例えば、特許文献１参照）や、車輪速信号に現れるタイヤ共振周波数から推定する方法（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。
特開２００１−２５３３３４号公報 特開平９−７６８９８号公報

しかしながら、上記従来の方法では、得られた信号を周波数解析する必要があるため、対象とする信号が弱い場合や周波数ピークの変化が小さいといった理由により、推定値を算出するのに必要な時間が車両挙動変化の時定数に比べて長くなってしまうといった問題点があった。例えば、算出に１秒かかるとすると、車両が７０ｋｍ/ｈｒ(約２０ｍ／ｓ)で走行中に急制動する場合、２０ｍ手前の２０ｍ分の路面摩擦係数平均値しか推定できないので、一部氷結している路面等、路面摩擦係数が一様でない路面を想定した場合、２０ｍの位置誤差は致命的となる。この誤差は車速が速いほど大きくなる。
また、周波数解析を用いないで方法としては、ＡＢＳ制動時の制動力と車輪加速度との関係から路面摩擦係数を推定する方法も考えられるが、この場合には、制動を一度かけなければ路面摩擦係数が判明しないといった問題点があった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、周波数解析の手法を用いることなく、正確にかつ短時間で路面摩擦係数を精度良く推定して、車両の走行安全性を向上させることを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、タイヤトレッドが接地面から離れる手前で、トレッド−路面間に、タイヤ−路面間の摩擦力に依存する滑りが発生すること、及び、上記滑りが加振源となってトレッドに振動が発生することを把握した。そこで、上記トレッドの振動を検出することにより、精度良くかつ速やかに路面摩擦係数を推定す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。
詳細には、タイヤの回転に伴ってトレッドが接地する際には、それまでは略円筒面であったタイヤは圧縮されて平面状に変形し、トレッドが接地面から離れるときには、圧縮が解放されて平面状から略円筒状に戻る。このトレッドへの圧縮が解放される時点、すなわちトレッドが接地面から離れる手前で、トレッド−路面間に滑りが発生する。この滑りはタイヤ−路面間の摩擦力に依存し、周方向変形が支配的なトレッド中心近傍では、路面摩擦係数が低いと上記圧縮が滑らかに解放されるので、トレッドの振動は小さい。逆に、路面摩擦係数が大きいと、滑る際に力が必要なため、反作用としてトレッドの振動が大きくなる。一方、トレッド端部では、路面摩擦係数が低いほど幅方向の変形量が大きいため、トレッドの振動は大きくなり、路面摩擦係数が大きいと変形量が小さくなるため、トレッドの振動が小さくなる。したがって、このようなタイヤトレッド部の振動を検出することにより、路面摩擦係数を正確に推定することが可能となる。
すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、タイヤと路面との間の摩擦係数である路面摩擦係数を推定する方法であって、トレッドの内面側に配設された振動検出手段により検出された振動波形の情報から上記振動波形の高周波成分を抽出するとともに、この抽出された高周波成分の蹴り出し時の振幅を検出して、上記振幅の大きさと予め設定された閾値とを比較し、タイヤと路面との間の摩擦係数である路面摩擦係数を推定するようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、走行中の車両のタイヤ−路面間の摩擦係数を推定する装置であって、トレッドの内面側に配設された振動検出手段と、上記振動検出手段で検出された振動の振動レベルの時間変化から上記トレッドが接地面から離れた時間を検出する手段と、上記振動検出手段で検出された振動波形の情報から上記振動波形の高周波成分を抽出する手段と、上記抽出された高周波成分の蹴り出し時の振幅を検出する手段と、上記振幅の大きさと予め設定された閾値とを比較して、路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段とを備えたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の路面摩擦係数推定装置において、上記振動検出手段をトレッド中心近傍またはトレッド中心近傍とトレッド端部の両方に配設したものである。
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の路面摩擦係数推定装置において、上記高周波成分抽出手段を、ウエーブレットフィルタから構成したものである。
請求項５に記載の発明は、請求項２〜請求項４のいずれかに記載の路面摩擦係数推定装置において、車輪速検出手段を設けるとともに、上記検出された車輪速を用いて上記抽出された蹴り出し時の振幅の大きさを補正する補正手段を備えたものである。

また、請求項６に記載の発明は、車両の走行状態を制御する装置であって、請求項２〜請求項５のいずれかに記載の路面摩擦係数推定装置と、この路面摩擦係数推定装置で推定された路面摩擦係数を用いて、緊急制御時の初期制動力の最大値を設定する手段とを備えたものである。

本発明によれば、トレッドの内面側に配設された振動検出手段により検出された振動波形の情報から上記トレッド振動の高周波成分を抽出するとともに、上記抽出された高周波成分の蹴り出し時の振幅を検出して、上記振幅の大きさと予め設定された閾値とを比較することで、路面摩擦係数を推定するようにしたので、周波数解析の手法を用いることなく、正確にかつ短時間で路面摩擦係数を精度良く推定することができる。このとき、上記推定された路面摩擦係数を上記車輪速度に応じて補正することにより、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。上記推定された路面摩擦係数を用いて、緊急制御時の初期制動力の最大値を設定するようにすれば、制動開始前に適切な初期制動力を設定することができるので、車両の走行安全性を著しく向上させることができる。

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摩擦係数推定装置１０の構成を示す機能ブロック図で、同図において、１１はタイヤ周方向の振動を検出する振動検出手段である加速度センサである。本例では、図２に示すように、上記加速度センサ１１を、タイヤ２０のタイヤトレッド２１の内側でインナーライナー部２２の中心近傍に、その検出方向が周方向（タイヤ回転方向）になるように取付け、タイヤトレッド２１の幅中心部の周方向振動を検出するようにしている。
また、１２は車輪の回転速度を検出する車輪速検出手段で、この車輪速検出手段１２としては、例えば、磁気抵抗素子を用いトランスミッションの回転を検出するタイプのものなど、周知の車輪速センサを使用することができる。
１３は上記加速度センサ１１の検出したタイヤ振動の情報から、その高周波成分を抽出する高周波成分抽出手段である。本例では、この高周波成分抽出手段として、ウエーブレットフィルタを用いている。上記ウエーブレットフィルタは、画像処理等で用いられているウエーブレット変換を用いたフィルタで、元の波形データの情報を損なわずに所定の周波数帯域の信号を抽出するもので、これにより、従来のハイパスフィルタを用いた場合に比較して、効率よく低周波成分を除去することができる。
１４は上記加速度センサ１１で検出したタイヤ振動の振動レベルの時間変化から、タイヤトレッド２１が接地した時間及び上記タイヤトレッド２１が接地面から離れた時間を検出する接地・蹴り出し時間検出手段、１５は上記高周波成分抽出手段１３で抽出されたタイヤ振動の高周波成分の振幅を検出する振動振幅検出手段、１６は上記検出された振幅を上記車輪速検出手段１２で検出された車輪速に応じて補正する振動振幅補正手段、１７は上記補正された振幅と予め設定された閾値とを比較して路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段である。

次に、上記構成の路面摩擦係数推定装置１０を用いて路面摩擦係数を推定する方法について説明する。
図３（ａ）及び図４（ａ）の破線は、それぞれ、上記タイヤ２０を装着した車両を、ドライアスファルト路面（μ≒１）及び低摩擦係数路面（μ≒０．２）に一定速度で進入した際の上記加速度センサ１１で検出された振動波形の一例を示す図で、実線は上記振動波形の低周波成分を表わす。また、図３（ｂ）及び図４（ｂ）は、それぞれ高周波成分抽出手段１３を用いて抽出した上記振動波形の高周波成分を表わす。
図から明らかなように、上記加速度センサ１１で検出された振動波形の振幅は、高摩擦係数路面であるドライアスファルト路面と低摩擦係数路面とで大きく異なっており、特に、蹴り出し部の高周波成分の振幅の差異が著しい。
そこで、高周波成分抽出手段１３により、上記加速度センサ１１で検出したタイヤの振動の情報から高周波成分を抽出し、振動振幅検出手段１５にて、上記高周波成分の蹴り出し時の振幅を検出し、路面摩擦係数推定手段１７にて、上記振幅の大きさと予め設定された閾値とを比較すれば、上記振動波形のデータを周波数分析することなく、路面摩擦係数の大小を正確に推定することができる。

ところで上記振幅の大きさ、すなわち、接地時にトレッドへの作用する圧縮力の大きさは、路面摩擦係数だけでなく、路面とタイヤとの衝突速度の大きさにも依存する。すなわち、図５に示すように、車輪速が大きいと路面との衝突速度が大きい。そこで、上記高周波成分の振幅の大きさの要因を、路面摩擦係数によるものと車輪速によるものとに分離するため、振動振幅検出手段１５にて検出して振動振幅を車輪速検出手段１２にて検出した車輪速により補正し、しかる後に、路面摩擦係数推定手段１７にて予め設定された閾値と比較して路面摩擦係数を推定するようにすれば、路面摩擦係数の推定精度を向上させることができる。
なお、上記高周波成分の振幅の大きさを車輪速により補正する代わりに、上記閾値を車輪速により変更しても同様の結果を得ることができる。

このように、本最良の形態によれば、加速度センサ１１で検出された振動波形の情報から高周波成分を抽出するとともに、上記高周波成分の蹴り出し時の振幅を検出し、上記振幅の大きさと予め設定された閾値とを比較して路面摩擦係数の大小を推定するようにしたので、振動波形のデータを周波数分析することなく、路面摩擦係数を正確に推定することができる。
また、車輪速検出手段１２にて車輪速を検出し、この車輪速により上記推定された路面摩擦係数を補正するようにしたので、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、本手法は、タイヤの転動時におけるトレッドの振動のみを用いて路面摩擦係数を推定するようにしているため、スリップ率が実質ゼロの通常走行時においても、路面摩擦係数を正確に推定することができる。したがって、上記構成の路面摩擦係数推定装置１０と、上記推定された路面摩擦係数を用いて、緊急制御時の初期制動力の最大値を設定する手段を備えた車両制御装置を構成することにより、例えば、ＡＢＳ制動時における制動開始前に適切な初期制動力を設定することができるので、車両の走行安全性を著しく向上させることができる。

なお、上記最良の形態では、加速度センサ１１で検出された振動波形の情報から高周波成分を抽出して路面摩擦係数の推定する場合について説明したが、図３（ａ）と図４（ａ）とを比較すれば明らかなように、低周波成分についても、高摩擦係数路面と低摩擦係数路面の振幅の大きさは異なっているので、低周波成分を別途抽出し、上記閾値とは異なる閾値を用いて、上記低周波成分の振幅の大きさを閾値とを比較すれば、路面摩擦係数の大小を推定することができる。
また、上記例では、タイヤ２０のインナーライナー部２２の中心近傍に加速度センサを取付けてタイヤトレッド２１の幅中心部の周方向振動を検出するようにしたが、上記中心近傍とは逆の変形をするトレッド端部の振動についても検出し、上記中心部のデータと組合わせて路面摩擦係数の大きさを推定するようにすれば、路面摩擦係数を更に正確に推定することができる。

また、上記例では、加速度センサ１１が１個の場合について説明したが、２個以上設置してもよい。本発明では、従来のように時間間隔ではなく、車両が周長を進む毎に路面摩擦係数を推定している。したがって、車両の進む距離毎にデータを更新できるので、更新間隔が時間に依存しないという利点も有する。また、センサの数を増やせば、それだけ更新距離を短くできる。
また、本例では、加速度センサ１１をタイヤのインナーライナー部に配置したが、タイヤの接地面に近いトレッドゴム内に加速度センサ１１を配置してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、周波数解析の手法を用いることなく、正確にかつ短時間で路面摩擦係数を精度良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用いて、緊急制御時の初期制動力の最大値を設定するなど、上記情報を車両制御へフィードバックすることにより、車両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わる路面摩擦係数推定装置の構成を示す機能ブロック図である。 加速度センサの装着位置の一例を示す図である。 ドライアスファルト路面における振動レベルの時間変化を示す図である。 低摩擦係数路面における振動レベルの時間変化を示す図である。 車輪速と高周波振動成分の振幅との関係を示す図である。

符号の説明

１０ 路面摩擦係数推定装置、１１ 加速度センサ、１２ 車輪速検出手段、
１３ 高周波成分抽出手段、１４ 接地・蹴り出し時間検出手段、
１５ 振動振幅検出手段、１６ 振動振幅補正手段、１７ 路面摩擦係数推定手段、
２０ タイヤ、２１ タイヤトレッド、２２ インナーライナー部。

Claims (6)

1. トレッドの内面側に配設された振動検出手段により検出された振動波形の情報から上記振動波形の高周波成分を抽出するとともに、この抽出された高周波成分の蹴り出し時の振幅を検出して、上記振幅の大きさと予め設定された閾値とを比較し、タイヤと路面との間の摩擦係数である路面摩擦係数を推定するようにしたことを特徴とする路面摩擦係数の推定方法。
2. トレッドの内面側に配設された振動検出手段と、上記振動検出手段で検出された振動の振動レベルの時間変化から上記トレッドが接地面から離れた時間を検出する手段と、上記振動検出手段で検出された振動波形の情報から上記振動波形の高周波成分を抽出する手段と、上記抽出された高周波成分の蹴り出し時の振幅を検出する手段と、上記振幅の大きさと予め設定された閾値とを比較して、路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段とを備えたことを特徴とする路面摩擦係数推定装置。
3. 上記振動検出手段をトレッド中心近傍またはトレッド中心近傍とトレッド端部の両方に配設したことを特徴とする請求項２に記載の路面摩擦係数推定装置。
4. 上記高周波成分抽出手段を、ウエーブレットフィルタから構成したことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の路面摩擦係数推定装置。
5. 車輪速検出手段を設けるとともに、上記検出された車輪速を用いて上記抽出された蹴り出し時の振幅の大きさを補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の路面摩擦係数推定装置。
6. 請求項２〜請求項５のいずれかに記載の路面摩擦係数推定装置と、この路面摩擦係数推定装置で推定された路面摩擦係数を用いて、緊急制御時の初期制動力の最大値を設定する手段とを備えたことを特徴とする車両制御装置。

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