JP4668571B2

JP4668571B2 - 路面状態判定方法および装置ならびに路面状態判定プログラム

Info

Publication number: JP4668571B2
Application number: JP2004251852A
Authority: JP
Inventors: 幸夫中尾
Original assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: JP2005313863A

Description

本発明は、路面状態判定方法および装置、ならびに路面状態判定プログラムに関する。

４つのタイヤ車輪の回転情報を用いて路面とタイヤとのあいだの摩擦係数を判定する路面状態判定装置は、たとえば特許文献１に開示されている。ＧＰＳ受信電波から求められる位置および絶対時間情報、外部から得られた天気情報、および車載センサから得られた外気温度情報から、現在の天候に適応するように車両を制御することは、たとえば特許文献２に開示されている。ナビゲーション装置から得た情報にもとづき操舵および車速制御を支援する車両走行制御装置は、たとえば特許文献３に開示されている。また、ＧＰＳによって得られる車両の移動速度情報を車両の絶対速度として利用することで、走行中の車両の駆動輪のスリップ率を計算し、またＧＰＳ速度情報を時間微分することで車両の加速度を求め、この加速度とスリップ率の関係から、走行中の路面の滑りやすさを判定しようとするものも知られており（例えば、特許文献４参照）、これにより４輪駆動への応答も可能になっている。

特開２００１−２５３３３４号公報特開２０００−８２１９８号公報特開平１０−１１９８０７号公報特開２００２−８１９８号公報特開２０００−７９８３５号公報

前記のように、路面の滑りやすさに関する発明は種々なされているが、その中で、通常走行時にリアルタイムに車両の滑りやすさを検出する方法が開示されているのは、特許文献１のみである。特許文献２は天候によって滑りやすさを推定し、特許文献３は操舵したときの舵角反力によって滑りやすさを推定し、特許文献５は前後輪の回転開始時期の違いにより滑りやすさを推定するものであって、特許文献４を含めて、いずれも路面勾配は考慮されていない。すなわち、前記の文献には路面勾配まで考慮して滑りやすさを推定する技術は開示されていない。

また、特許文献１が最もリアルタイムに滑りやすさを判定する技術を開示しているが、たとえば同じアスファルト舗装の路面状況であっても、平坦路から上り坂に変わった場合、特許文献１の方法では線形近似するためのデータ蓄積中に走行抵抗が変化するために、スリップ率と加速度の関係が大きく変化する。すなわち、スリップ率が大きくなっても加速度が大きくならない。このため、相関係数が低下し、線形近似できなくなる。したがって、もしその上り坂が一定の勾配であるなら、上り坂になってからしばらくのあいだ、走行抵抗の値が同じであるデータが集まるまで、路面の判定ができない状態が発生する。同様に、路面の勾配が変化し続けると、路面判定値が求められない。

本発明は、ＧＰＳによる速度情報を実移動速度にさらに路面勾配情報を加味することで、路面に勾配があっても正確な路面判定を実現することを目的としている。

本発明の第１の態様は、車両が走行している路面の状態を判定する路面状態判定方法であって、ＧＰＳに利用される衛星信号を受信し、当該衛星信号の情報に基づき算出される移動速度情報と、移動方向の水平に対する角度情報と、車両に取り付けられた車輪回転速度検出手段によって得られる車輪回転速度情報とによって、走行中の路面の状態を判定することを特徴としている。さらに正確には、ＧＰＳから得られる位置情報３次元データから、移動方向の水平方向に対する角度を算出し、移動方向の路面に平行な速度（実移動速度）を算出することによって、実移動速度にもとづいて路面状態を判定する。

本発明の第２の態様は、車両が走行している路面の状態を判定する路面状態判定装置であって、ＧＰＳに利用される衛星信号を受信するための受信手段と、該受信手段によって得られた情報に基づき算出する移動速度算出手段および移動方向の水平に対する角度を算出する角度算出手段と、車両に取り付けられ車輪速度を得るための車輪速度検出手段とを備えてなる路面情報判定装置である。

本発明の第３の態様は、車両が走行している路面の状態を判定する路面状態判定プログラムであって、ＧＰＳに利用される衛星信号を受信するための受信手段と、該受信手段によって得られる情報に基づいて移動速度情報および移動方向の水平に対する角度を算出するステップと、車両に取り付けられる車輪回転速度検出手段によって得られる車輪回転速度情報と、前記算出される移動速度と移動方向の水平に対する角度情報とによって、走行中の路面の情報を判定するステップとを有する路面情報判定プログラムである。

本発明によれば、如上のとおりに判定された路面滑りやすさの情報をＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）装置やＴＲＣ（トラクションコントロール）装置などに用いることにより、路面滑りやすさに応じた最適な制御を行なうことができる。また、滑りやすさが高いと判定された場合、運転者に滑りやすい路面であると注意を促すことができる。

たとえばＡＢＳ装置では、走行中の路面滑りやすさを本発明の路面状態判定装置から入力して、路面滑りやすさに応じたブレーキ操作力の上限を設定することができる。ＡＢＳ装置では、時々刻々スリップ（タイヤロック）していることを検出して、リアルタイムにブレーキ操作力を調節するものであるが、路面状態に応じてブレーキ操作力の上限を設定することによって、タイヤロックする直前の最大制動力を得ることが可能になり、より安全確実な制動を実現できる可能性がある。その結果、雨が降り始めた路面、雨によって埃が洗い流された路面、積雪路面（温度によって滑りやすさが異なる）をスタッドレスタイヤを装着して走行する場合、凍結した路面、砂利道などの路面とタイヤの状況に応じたブレーキ制御が可能になる。

ＴＲＣ装置では、路面滑りやすさを本発明の路面状態判定装置から入力して、たとえば、左右輪の駆動力配分を調節したり、路面滑りやすさに応じた駆動力の上限を設定して発進・加速時のスリップをなくし、より効果的な車両の駆動制御を実現できる。たとえば、雪の坂道でも適正な駆動力に制御して、スリップすることを回避できる。

また、本発明によれば、後述する実施の形態において、路面の滑りやすさを判定する路面滑りやすさ推定値（スリップ率／駆動加速度）として、０．０２前後の値を示しており、滑りやすさ推定値が０．０３を超えた場合に滑りやすいと判定し、警報ブザーを鳴動させることによって、運転者に滑りやすい危険な状態であることを伝えることができる。

走行中の車両において、ＧＰＳ装置によって得られる速度情報または位置情報を用いて路面の滑りやすさを判定する方法および装置が提供され、駆動方式を問わず、路面の勾配の変化時やブレーキ（制動）時も路面状態の推定が可能になり、車両の性能および安全性を高めることができる。

図１および図２を参照して、説明する。図１中、Ｍは車両の質量、Ｇは重力加速度、Θは路面の勾配、Ｔは車輪の回転速度、Ｔｆは前輪の回転速度、Ｔｒは後輪の回転速度、Ｖ_TはＧＰＳ装置によって得られる水平方向速度、Ｖ_Rは路面に沿った速度（対地速度）、ａは駆動力による加速度である。

タイヤが発生する力Ｆは、各輪がスリップ率Ｓによって生じるμ−Ｓ特性に従った反力ＦＴの総和である。前輪右をｆｒ、前輪左をｆｌ、後輪右をｒｒ、後輪左をｒｌで表わすと
Ｆ＝ＦＴfr＋ＦＴfl＋ＦＴrr＋ＦＴrl
ＦＴfr＝μ−Ｓ（Ｓfr）
ＦＴfl＝μ−Ｓ（Ｓfl）
ＦＴrr＝μ−Ｓ（Ｓrr)
ＦＴrl＝μ−Ｓ（Ｓrl）
である。

ここでスリップ率ＳはＶ_Rと各タイヤの回転速度Ｔfr、Ｔfl、Ｔrr、Ｔrlとの比較によって算出できる。
Ｓfr＝（Ｔfr−Ｖ_R）／Ｔfr
Ｓfl＝（Ｔfl−Ｖ_R）／Ｔfl
Ｓrr＝（Ｔrr−Ｖ_R）／Ｔrr
Ｓrl＝（Ｔrl−Ｖ_R）／Ｔrl

車両質量をｍとすると、前記タイヤが発生する力により、
Ｆ＝Ｍ・ａ
に相当する加速度ａを生ずる結果となる。

ＧＰＳ情報から対地実速度に変換された速度をＶ_R、
移動方向の水平に対する角度情報（路面の勾配）をθとすると、
このとき、路面勾配による重量加速度Ｇの影響を考慮すると、Ｖ_Rの時間微分Ｖ_R’との関係は
ａ＝Ｖ_R’−ＧSinθ
となる。ただし、Ｖ_R’はＶ_Rの時間微分である。

ゆえに、μ−Ｓ特性が４輪で同じで、かつ１次式で近似できるとすると、４輪各輪のスリップ率Ｓの総和と、Ｖ_R’−ＧSinθの関係を線形近似することでμ-S勾配の推定すなわち滑りやすさの判定が可能となる。

この値の大きさを、基準値（アスファルト走行時の値）と比較することで路面の滑りやすさを推定できる。

ここで、このスリップ率と駆動力を求めるにあたって、路面の凹凸による外乱の影響を除くため、サンプリング時間ごとに得られた所定の個数のデータ、たとえば５０個のデータを移動平均処理する。データの数を減らさずに、データの変動の影響を小さくするために、短時間のサンプリング時間、たとえば数十ｍｓごとにデータをサンプリングし、このサンプリング時間で得られた変動の大きいデータを移動平均する。ついでスリップ率と駆動力の１次式の関係を得るために、所定の個数、たとえば２０個ごとの最小自乗近似法による直線近似を行ない、この処理をサンプリング時間ごとに移動計算する。

本発明によれば、路面勾配による走行抵抗変化を加速度情報に加味することで、平坦路の走行中でなくても、路面の滑りやすさの判定が可能になる。また、ブレーキ時においても判定でき、そのうえ４輪でもＦＦでもＦＲでも同じロジックで判定できる。

ＧＰＳ速度計を用いた路面滑りやすさの推定（４輪、ブレーキ、勾配対応）
車両の対地実速度：Ｖ_R
路面勾配：θ
スリップ率Ｓ：Ｖ_Rと各タイヤの回転速度Ｔの相対比較Ｓ＝（Ｔ−Ｒ）／Ｔ
車両の質量＝Ｍ、タイヤによる発生力＝Ｆとすると
Ｆ＝Ｍ・ａ
ここで、Ｆ＝ＦＴfl＋ＦＴｆｒ＋ＦＴrl＋ＦＴrr
＝μ-ｓ（Ｓfl）＋μ-ｓ（Ｓfr）＋μ-ｓ（Ｓrl）＋μ-ｓ（Ｓrr）
μ-ｓ（Ｓ）を各車輪とも同じ１次式（ｙ＝Ａｘ＋Ｂ）で表わせるとすると、
＝Ａ（Ｓfl＋Ｓfr＋Ｓrl＋Ｓrr）＋４Ｂ
また、ａ＝Ｖ_R’−ＧSinθ
したがって、（Ｖ_R’−ＧSinθ）ｖｓ（スリップ率の和）をプロットすれば、線形近似により、μ−ｓ勾配に相当する、路面の滑りやすさを判定するための勾配が算出される。

実施の形態
本発明の実施の形態にかかわる路面状態判定装置のブロック図を図５に示す。路面状態判定装置１０はＧＰＳ受信装置１から入力装置３を介して３次元位置情報と時刻を入力して、メモリ５に記憶する。また車輪速検出装置２から車輪回転速度情報を入力してメモリ５に記憶する。車輪速検出装置２からの車輪回転速度情報は車輪の回転によって生じるパルスであってもよい。その場合は入力されるパルスの周期またはある時間間隔のパルス数から車輪回転速度を算出することができる。ＣＰＵ４はメモリ５におかれたプログラムを実行する。本実施の形態ではメモリ５を１つに記載しているが、プログラムをＲＯＭ（読み出し専用メモリ）に、演算データをＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）に記憶するよう分けてもよい。また、判定した路面状態を表示する路面状態表示装置７や、路面状態判定情報を利用する車両駆動制御装置８が接続される。

つぎに動作について説明する。メモリ５に入力された前記位置情報と時刻のデータ列から車両の速度ベクトルを算出する。速度ベクトルを算出するには差分法によってもよいし、高次の微分係数を使用する近似式によってもよい。算出される速度ベクトルから車両の進行方向の水平に対する角度（路面勾配）を算出する。速度ベクトルをさらに微分して加速度ベクトルを算出する。加速度ベクトルと路面勾配から駆動加速度ａを計算する。

一方、車輪の回転速度と所与の車輪動荷重半径とからタイヤの周速を算出し、この周速と路面に沿った速度との差からスリップ率を計算する。加速度ａとスリップ率とを順次計算し、連続する複数の加速度およびスリップ率の組からμ−Ｓ勾配を一次近似で推定する。

得られた推定値を路面状態表示装置または車両駆動制御装置に出力する。

なお、本実施の形態では、ＧＰＳ装置から不定間隔に３次元位置情報と時刻を入力する例を記載したが、車輪回転速度情報入力にあわせて一定間隔に３次元位置情報を入力してもよい。一定間隔に入力する場合、時間間隔は決められており、計算が簡単になる。

さらに、一定時間間隔毎に読み込んだ車輪回転速度、車両の実移動速度または実移動加速度、および路面勾配（移動方向の水平面に対する角度）に、所定の個数の移動平均処理を施してもよい。移動平均処理を施すことによって、ノイズの影響をキャンセルでき、安定した結果を得ることができる。また、精度の高い路面滑りやすさを速やかに計算することができるという効果がある。

比較例
アスファルト路面で平坦路から坂道に入る場合の例
車両：スバルレガシー３．０Ｒ
場所：住友ゴム（株）岡山ＴＣ近郊の平坦路から上り坂へ進入する路面
速度：４０〜５０ｋｍ／ｈ２名乗車
ＧＰＳデータは、レースロジック社（Racelogic Ltd.）製ＶＢＯＸより入力。

本比較例においては、車輪回転速度の検出は車輪の回転によって生ずるパルスの数を、一定の周期でカウントしている。カウントする周期は、５０ｍｓｅｃである。ＧＰＳデータを取り込む周期は、車輪回転速度を検出するためのパルスをカウントする周期と一致させている。また、検出した車輪回転速度とＧＰＳデータは、検出周期１秒周期分にわたって移動平均をとっている。

使用した演算装置は、ＣＰＵが日本電気（株）製３シリーズマイコン、動作クロック１６ＭＨｚ、作業用メモリ容量７６０Ｂｙｔｅである。データ取り込み装置と、ＰＣは日本ＩＢＭ（株）製ＴｈｉｎｋＰａｄ２４０である。

図３は勾配角度情報を使用しない従来の方法による加速度−スリップ率算定値をプロットしたものである。ＧＰＳ情報から得られる水平速度を使用し、路面の勾配を考慮しない従来の方法では、勾配が変化している路面においてスリップ率算定値は変動し、一次式で近似することができないので、路面滑りやすさを算出することができず、路面状態判定ができない状態があることがわかる。

一方、本発明の方法による駆動加速度−スリップ率算定値をプロットしたのが図４である。図４に示されるとおりスリップ率は、路面の勾配で補正された駆動加速度の一次関数として近似できるので、路面滑りやすさを常に推定することができる。

従来の方法によるスリップ率と、本発明の方法によるスリップ率とを比較すると、平坦路を走行している部分に相当する−０．２〜０．１ｍ／ｓ²ではグラフは一致するが、登り勾配にさしかかったところから、図３では折れ曲がっており（図３のグラフの屈曲点）、それより大きい加速度の領域では上方にシフトしてしまっている。したがって、勾配が変化する路面では加速度に対するスリップ率が変動し、路面滑りやすさを推定することができない。それに対して、本発明の方法による駆動加速度−スリップ率（図４）では、勾配にさしかかったところから、それ以降でも加速度（駆動加速度）に対するスリップ率は直線上にのるので、路面勾配が変動しても正しく路面滑りやすさを推定することができる。

本比較例では路面滑りやすさの推定のために、４０個のスリップ率算定値を使用したので、実質のリードタイム（最初のデータ入力から路面滑りやすさ推定値が最初に出力されるまでの時間）は３ｓｅｃであった。以後は時々刻々の路面滑りやすさ推定値が出力されるので、路面状態判定として有効であるといえる。

さらに、本発明を実際の車両に適用した場合の効果を以下に記載する。

本実施例では、路面の滑りやすさを判定する前記路面滑りやすさ推定値（スリップ率／駆動加速度）は、０．０１９８前後の値を安定して出力できた。

一方この車両が、滑りやすい路面を走行した場合の路面滑りやすさ推定値は、住友ゴム岡山ＴＣ内の各種滑りやすい路面を走行したときの平均値として０．０３８が得られている。また、同じく岡山ＴＣ内の乾燥アスファルト路面を走行したときの路面滑りやすさ推定値は０．０１５付近であり、たとえば基準値を０．０１５として、前記滑りやすさ推定値が０．０３を超えた場合に滑りやすいと判定し、警報ブザーを鳴動させることによって、運転者に滑りやすい危険な状態であることを伝えることができる。

本実施例の走行では誤報を発生せずに、つねに滑りやすい路面ではないことを示し続けることができる。

本発明の路面勾配を考慮する路面状態推定を説明する図である。スリップ率と加速度の関係を表す図である。比較例の従来の方法による加速度−スリップ率算定値をプロットした図である。比較例の本発明の方法による駆動加速度−スリップ率算定値をプロットした図である。本発明の実施の形態にかかわる路面状態判定装置のブロック図である。

符号の説明

１ＧＰＳ受信装置
２車輪速検出装置
３入力装置
４ＣＰＵ
５メモリ
６出力装置
７路面状態表示装置
８車両駆動制御装置
１０路面状態判定装置

Claims

車両が走行している路面の状態を判定する路面状態判定方法であって、ＧＰＳに利用される衛星信号を受信し、当該衛星信号の情報に基づき算出される移動速度情報と、当該衛星信号の情報に基づき算出される移動方向の水平に対する角度情報と、車両に取り付けられた車輪速度検出手段によって得られる車輪回転速度情報とによって、走行中の路面の状態を判定することを含む路面状態判定方法。
前記車輪回転速度情報が、所定の時間間隔で読み込まれる車輪速度検出手段の車輪回転パルスの周期および該パルス数から算出される車輪回転速度であり、
該車輪回転速度を算出する車輪回転速度検知の時間間隔に同期して、前記移動速度情報と移動方向の水平に対する角度を読み込み、ついで移動方向の水平面に対する角度に合致した実移動速度情報から実移動加速度とスリップ率を求めることを含み、
該スリップ率と実移動加速度と移動方向の水平面に対する角度との関係を用いて走行中の路面の状態を判定する請求項１記載の路面状態判定方法。
一定時間間隔毎に読み込んだ車輪回転速度、車両の実移動速度または実移動加速度、および移動方向の水平面に対する角度に、所定の個数の移動平均処理を施す請求項２記載の路面状態判定方法。
車両が走行している路面の状態を判定する路面状態判定装置であって、ＧＰＳに利用される衛星信号を受信するための受信手段と、該受信手段によって得られる情報に基づいて移動速度情報および移動方向の水平に対する角度を算出する、移動速度算出手段および角度算出手段と、車輪回転速度情報を検出するために車両に取り付けられる車輪回転速度検出手段とを備え、前記移動速度と、前記移動方向の水平に対する角度情報と、前記車輪回転速度情報とによって、走行中の路面の状態を判定する路面状態判定装置。
前記車輪回転速度情報が、所定の時間間隔で読み込まれる車輪速度検出手段の車輪回転パルスの周期および該パルス数から算出される車輪回転速度であり、
該車輪回転速度を算出する車輪回転速度検知の時間間隔に同期して、前記移動速度情報と移動方向の水平に対する角度を読み込み、ついで移動方向の水平面に対する角度に合致した実移動速度情報から実移動加速度とスリップ率を求めることを含み、
該スリップ率と実移動加速度と移動方向の水平面に対する角度との関係を用いて走行中の路面の状態を判定する請求項４記載の路面状態判定装置。
一定時間間隔毎に読み込んだ車輪回転速度、車両の実移動速度または実移動加速度、および移動方向の水平面に対する角度に、所定の個数の移動平均処理を施す請求項５記載の路面状態判定装置。
車両が走行している路面の状態を判定する路面状態判定プログラムであって、ＧＰＳに利用される衛星信号を受信するための受信手段と、該受信手段によって得られる情報に基づいて移動速度情報および移動方向の水平に対する角度を算出するステップと、車両に取り付けられる車輪回転速度検出手段によって得られる車輪回転速度情報と、前記算出される移動速度と移動方向の水平に対する角度情報とによって、走行中の路面の情報を判定するステップとを有する路面情報判定プログラム。
前記車輪回転速度情報が、所定の時間間隔で読み込まれる車輪速度検出手段の車輪回転パルスの周期および該パルス数から算出される車輪回転速度であり、
該車輪回転速度を算出する車輪回転速度検知の時間間隔に同期して、前記移動速度情報と移動方向の水平に対する角度を算出し、ついで移動方向の水平面に対する角度に合致した実移動速度情報から実移動加速度とスリップ率を求めるステップを含み、
該スリップ率と実移動加速度と移動方向の水平面に対する角度との関係を用いて走行中の路面の状態を判定する請求項７記載の路面状態判定プログラム。
一定時間間隔毎に算出される車輪回転速度、車両の実移動速度または実移動加速度、および移動方向の水平面に対する角度に、所定の個数の移動平均処理を施すステップを含む請求項８記載の路面状態判定プログラム。