JP4777347B2

JP4777347B2 - 速度の空間高調波分析により走行状態を判定するための方法

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Publication number: JP4777347B2
Application number: JP2007519835A
Authority: JP
Inventors: デュレ、クリストフ
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN SNR Roulements SA
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2025-07-04
Also published as: CN101010209B; FR2872905B1; FR2872905A1; EP1789267A1; WO2006013278A1; EP1789267B1; US20080033689A1; ATE442967T1; JP2008506097A; US7983875B2; DE602005016700D1; CN101010209A

Description

本発明は表面上で回転する部材の回転状態を判定する方法に関する。

本発明は、通常、地面上での少なくとも１つの自動車タイヤの回転、つまり「走行」状態を判定することに適用する。特に、判定された回転状態は、タイヤと地面の間の界面での接触の状態またはパラメータを決定するために使用でき、このような状態またはパラメータは、特に例えばアンチロックブレーキングシステム（ＡＢＳ）または電子安定化プログラム（ＥＳＰ）等の車両の力学を制御するためのシステムの実現に役立つ。

回転状態を判定するために、特に同じ車軸での２つの車輪のそれぞれの回転速度の変動を比較することによってタイヤの回転速度がどのように変化するのかを分析することが提案されてきた。しかしながら、その判定方法は、特にその相対的な性質が原因ではあるが、同じ車軸での車輪の相対速度に影響を及ぼす多数のパラメータ（例えばコーナーリング）のためにも満足がいくものではない。したがって、判定される回転状態の信頼性と精度は特に車両の動的安全性システムでの適用と両立しない。

その判定方法を改善するために、回転状態を判定するための法則を特定するように時間的にタイヤの回転速度を分析することが提案されてきた。残念なことに、特に法則が回転速度の変動に大いに依存するという事実のために、その方法により前述の問題を解決することは可能にはならない。

また、国際公開第Ａ−００／０１５４５号公報から、車両のパンクしたタイヤの回転状態を検出する方法が存在することも公知である。その方法では、回転の高調波の近くでのエネルギー変動を使用するために、車両の回転の角速度が空間フーリエ変換により分析される。その方法により時間的な分析に固有の制約を克服することは可能になるが、パンクしたタイヤの回転状態を判定する際に満足のいく信頼性を得ることはできない。

本発明を設計することに関して出願人により観察されるように、及び後述されるように、高調波を中心とするスペクトル帯におけるエネルギー変動は多数のパラメータに依存している。特にこのようなパラメータの中で、測定連鎖の特性またはタイヤの特性等のいくつかは回転状態とは無関係であり、それはエネルギーの変動と回転状態の変化との間の関係性の明白な性質を著しく悪化させる。したがって、国際公開第Ａ−００／０１５４５号公報の方法を実現するとき、エネルギー変動、つまり相当なエネルギー変動でさえ回転状態の変化を必ずしも暗示せず、それは回転状態の判定の信頼性を著しく悪化させる。

本発明のある特定の目的は、表面上で回転する回転部材の回転状態を判定する方法を提案することにより前述された問題を解決することであり、この判定は回転状態を正確に且つ確実に判定することが可能であるように、部材の回転速度及び界面パラメータの変化とは無関係に行われる。

この目的を達成するために、第１の態様では、本発明は表面上で回転する回転部材の回転状態を判定する方法を提供し、当該方法は、前記部材の回転の高調波を含まない少なくとも１つの周波数ウィンドウであって、前記回転状態を判定するための判定法則が規定されている少なくとも１つの周波数ウィンドウを特定するために、前記部材の回転速度の空間周波数分析を実行するための初期手順と、前記回転状態を判定するための反復手順であって、前記部材の回転速度Ｖを測定するステップと、一定の空間サンプリング期間△ｄで前記速度を空間的にサンプリングするステップと、前記規定された法則の関数として前記回転状態を判定するために、前記特定された周波数ウィンドウでサンプリングされた信号を分析するステップと、を含む反復手順とを備える。

第２の態様では、本発明は上記の判定方法を地面上で回転する自動車の少なくとも一つのタイヤの回転状態を判定する方法に使用することを提供する。
本発明の他の目的及び優位点は、添付図面に関して示される以下の説明から理解し得る。

本発明は、表面上で回転する回転部材、特に地面上で回転する自動車の車輪の回転状態を判定する方法に関する。
多くの用途では、ＡＢＳまたはＥＳＰ等の車両の力学を制御するための特定のシステムにおいて、特に前記回転状態の関数としてそれらのシステムの介入を適応させるために、回転状態を判定するのに有用である。

特に、回転状態は車輪の、及び／又はタイヤの状態、道路表面の状態、あるいはタイヤと地面との間の相互作用に関することがある。加えて、本発明に従って判定される回転状態は量的なタイプとなる、つまり一般的には二進である状態の形式である、あるいは質的なタイプとなる、つまりパラメータの形式となることがある。

一例として、以下の回転状態に言及できる。
・タイヤの圧力
・「摩擦係数」として知られる路面の付着力
・タイヤと地面との界面でかけられる力つまりモーメント
・ステアリングホイール角度
・ヨー角
・車輪の平面を基準にしたタイヤのドリフトの角度
・非駆動車輪に対する被駆動車輪の滑りの程度
・同じ車軸上での２つの車輪の速度差
・エンコーダ、車輪及びタイヤを備える回転アセンブリの偏心度
・車両のエンジンの振動のレベルまたは発振のレベル、及びその変速装置のレベル
・路面の状態（一面の氷、水たまり、油膜、埃、表面状態等）
・タイヤのパンク
・タイヤの磨耗状態
・誤って取り付けられたタイヤまたは車輪
・同じ車軸上の車輪セットの調整（車輪キャンバーまたはレーキ）
問題の用途の特定のニーズに応じて、本発明は少なくとも１つの回転状態を間接的に判定するための方法を提案し、それは車輪の回転速度に対する回転状態の影響を特定し、モデル化するための初期手順を実行すること、及び次いで回転状態を判定するための反復手順を実行することを備える。

初期手順は車輪の回転速度の空間高調波を分析することを備える。１つの実施例では、この分析は、
・車輪の回転速度Ｖを測定すること、
・一定の空間サンプリング期間△ｄで前記速度を空間的にサンプリングすること、
・部材の回転速度のスペクトルを取得するために、サンプリングされた信号の空間フーリエ変換を計算すること、
によって実行される。

したがって、空間高調波分析は、速度信号から個々の空間周波数を抽出すること、及びそれら空間周波数の各々にそれぞれの振幅を割り当てることを可能にする。
図１ａは、平均速度に関して１Ｈｚという周波数を有する正弦波である、速度Ｖの変動を表す曲線を破線として、及び１回転につきそれぞれ一度、二度、三度出現する同じ振幅の３つの障害が導入された同じ曲線を実線として示している。

図１ｂは、図１ａの曲線の時間フーリエ変換スペクトルを示している。これらのスペクトルでは、該障害の導入が、無視できない振幅の複数のスペクトル線のスペクトル全体での出現につながることが認められる。したがって、このスペクトルは、特に、回転状態の改変により誘発されるものからの障害が原因であるスペクトルの線の変動を無相関化するのが困難であるために回転状態の判定の法則を確立する目的で解釈するのは困難である。さらに、多数の現象が車輪の周波数の倍数である周波数で出現するために、時間分析は制限されており、車輪の回転の前記周波数が経時的に変化する場合には、それが特徴的なスペクトル線の広がり、増大、及び／又は重複を引き起こす。加えて、時間分析の関連では、獲得される速度信号の点の数が獲得中の車両の速度の変動の影響を制限するために小さくなくてはならないために、結果として生じるスペクトルの周波数分解能が必ず粗い。

したがって、本発明は、図１ａの曲線の空間フーリエ変換スペクトルを示す図１ｃに図示されるように、空間高調波分析を実行することを提案する。これらのスペクトルの線が細かく、局所化されており、それらを解釈しやすくしていることが認められる。例えば、第１のスペクトル線（高調波１）は車輪の１回転につき一度出現する障害に相当し（車輪の周囲が２メートル（ｍ）に等しいと解釈されると、このスペクトル線の空間周波数は０．５ｍ^−１である）、第２のスペクトル線（高調波２）は車輪の１回転につき二度出現する障害に相当する。

しかしながら、高調波線の振幅は対応する障害の振幅に比例している。図２ａ、図２ｂ、及び図２ｃは、車輪の１回転につき一度出現する障害の３つの振幅のそれぞれの振幅の関数として高調波１の振幅を示している。したがって、出願人は、高調波線の振幅の変動は回転状態の変化と確実に相関付けることはできないことを示した。周期的な（特にエンジン、変速装置、タイヤ、及び車輪の取り付け、ベアリング、エンコーダ及びセンサを備える測定連鎖における）障害の出現つまり変動は、高調波線の振幅の変動と干渉する。

したがって、本発明は、初期手順の間に、車輪回転高調波を含まず、かつ回転状態を判定するための法則がその中で規定されている少なくとも１つの周波数ウィンドウを特定することを提案する。前記ウィンドウのスペクトルの変動は障害とは無関係であり、回転状態の変化と単に相関付けることができる。

次に、図３及び図４を参照して、回転状態が路面の表面状態として、車輪が回転している表面の塊のサイズの関数として「通常の表面」または「粗粒表面」という２つの値を取り得るときの初期手順について説明する。

この実施例では、車輪の回転速度の空間周波数分析は、車輪が「通常の」タイプ（図３）の表面上で回転しているときの速度信号の空間フーリエ変換と、車輪が「粗粒」タイプ（図４）の表面で回転しているときの速度信号の空間フーリエ変換とを備える。例えば、該２つのタイプの速度信号は、車輪の回転速度を測定することによって、及び一定の空間サンプリング期間△ｄで前記速度を空間的にサンプリングすることによって、公知のタイプの表面での試験段階の間に獲得できる。

したがって、図３と図４の２つのスペクトルを比較することにより、著しい差異を認めることができる車輪回転高調波を含まない少なくとも１つの周波数ウィンドウを特定することが可能である。したがって、前記に示されたように、回転状態における状態の変化とこのような差異を相関付けることが可能である。示されている例では、２つのウィンドウが（車輪の円周が２ｍに等しい、つまり高調波が０．５ｍ^−１ごとに置かれるという仮定の下に）それぞれ９．１と９．４ｍ^−１の間、及び９．６と９．９ｍ^−１の間で特定される。前記ウィンドウでは、（スペクトルの振幅を積分するまたは平均することにより取得される）信号の総エネルギーは「通常の表面」状態におけるそれより「粗粒表面」状態において大きいことが認められる。したがって、判定の法則を規定することが可能となる。つまり本実施例では、その閾値を超えると「粗粒表面」状態が確実に判定される各ウィンドウの信号のエネルギーの閾値を判定可能である。

変形例では、回転状態を判定する上での信頼性をさらに高めるために、各ウィンドウから出現する少なくとも１つの値の関数として規定される判定法則を備えることが可能である。問題の例では、前述されたエネルギー閾値は、各ウィンドウで規定される閾値の組み合わせに等しくなることがある。

別の実施例では、少なくとも１つの回転状態を判定することを可能にする動作法則を備える判定法則を規定することが可能である。したがって、前述された例では、動作法則は、特定されたウィンドウ（複数の場合がある）におけるスペクトルのエネルギーの関数としての路面の付着力の変動となるであろう。

別の例では、信号のエネルギーがタイヤの圧力の関数として変化する少なくとも１つの周波数ウィンドウを特定することが可能である。したがって、本発明の方法を実施することによりタイヤの圧力を判定するために、動作法則、つまりウィンドウ（複数の場合がある）でのエネルギーの関数としてのタイヤの圧力を確立することが可能である。

別の実施例では、車輪回転高調波を含まない少なくとも１つのウィンドウと、車輪回転高調波を含む少なくとも１つのウィンドウとを特定すべく選ぶことが可能である。特に、この実施例により、周期的である、つまり主に高調波で出現する回転状態を判定することが可能になる。しかしながら、前述された周波数ウィンドウを組み合わせる方法によって、本発明は、高調波を含まないウィンドウから出現する少なくとも１つの値も考慮に入れる判定法則を使用することにより、高調波で、周期的な障害からの、かつ回転状態の変動からのそれぞれの効果（ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ）を無相関化することを可能にする。したがって、例えば、センサを基準にしたエンコーダの偏心度、タイヤと車輪アセンブリの楕円率（真円度）、あるいは車輪の粗末な平衡状態などの状態を確実に判定することが可能であり、それらの状態は、車輪の１回転につき一度出現するために高調波１の振幅の変動を含む。

前述されたように、初期手順は、所望される判定法則を確立するために、公知の条件下での回転試験の間に車輪の速度を測定することによって、及びサンプリングすることによって実施できる。次に、判定法則（複数の場合がある）は、以後使用されるために特定のコンピュータ、つまりホストコンピュータに記録できる。

この目的を達成するために、判定法則を規定した後に、方法は回転状態を判定するための反復手順を備え、その手順は
・前記部材の回転速度Ｖを測定するステップと、
・一定の空間サンプリング期間△ｄで前記速度を空間的にサンプリングするステップと、
・規定された法則の関数として前記回転状態を判定するために、特定された周波数ウィンドウ内でサンプリングされた信号を分析するステップと、
を含む。

図３と図４を参照して説明される例では、２つの周波数ウィンドウでサンプリングされる信号のエネルギーは、「通常の表面」または「粗粒表面」の回転状態を判定するために、このようにして閾値（複数の場合がある）と繰り返し比較される。

１つの実施例では、判定手順の間及び初期手順の間において、速度の測定とサンプリングは、
・部材とともに回転するように制約されたエンコーダであって、多極トラックを備えているエンコーダと、
・多極トラックに向かい合って配置され、かつ多極トラックからの読取距離に配置される少なくとも２つの高感度素子を含み、空間的にサンプリングされた速度信号を送信するように配置されている静止センサと
によって実行される。

特定の例では、エンコーダは、一定の角度幅で一様に分散されている複数の組のＮ極とＳ極とが磁化されている多極磁気部分から形成されている。例えば、エンコーダは、公知の方法で、車輪が取り付けられているベアリングの回転リングに固定される。

エンコーダからエアギャップ距離に、例えばホール効果プローブによって、またはマグネトレジスタによって形成されている少なくとも２つの高感度素子を配置することによって、センサは、公知の方法でシャシを基準にして車輪の速度を表す信号を送信することができ、前記信号は磁極の角度幅の関数である一定期間△ｄで空間的にサンプリングされる。特に、ＦＲ第Ａ−２７９２３８０号は、本発明の方法を実施するのに適応された速度信号を送信するように配置された、エンコーダとセンサとを備えたベアリングを説明している。

１つの実施例では、サンプリングされた速度信号はその空間分解能を高めるために補間され、このような補間は例えばＦＲ第２７５４０６３号に説明されている。この実施例では、注目すべき周波数ゾーンが拡大され、それによりさらに多数の可能性の中から周波数ウィンドウ（複数の場合がある）を特定することが可能である。特定の例では、エンコーダが４８組の極を有し、補間係数が３２であるとき、（車輪の円周が２ｍに等しいとき）到達できる最大周波数は１５５０ｍ^−１である。したがって、車輪の速度を乱す可能性のある０．６ｍｍより大きい空間期間の現象を検出可能となり、したがって本発明の方法を実施することにより、現象の発生は回転状態と判定できるであろう。

反復手順の間にサンプリングされる信号の分析の４つの実施例が後述される。これらの実施例では、速度信号は１０回の車輪回転に相当する点の数でサンプリングされる。
第１の実施例では、この分析は、
・部材の回転速度のスペクトルを取得するために、サンプリングされた信号の空間フーリエ変換を計算することと、
・特定された周波数ウィンドウにおいて、スペクトルの少なくとも１つの特徴値、つまり特にスペクトルのエネルギーの関数として判定法則を適用することと、
を備える。

したがって、この実施例では、判定の間の信号の分析は、反復手順の間に実行される分析と同タイプである。
第２の実施例では、分析は、
・部材の回転速度のスペクトルを取得するために、サンプリングされた信号の空間フーリエ変換を計算することと、
・重要ではない周波数を削除することによって、特定されたウィンドウにおいてスペクトルをフィルタリングすることと、
・特に、フィルタリングされた信号のエネルギーを表す、該フィルタリングされた信号の少なくとも１つの特徴値の関数として判定法則を適用することと、
を備える。

変形例では、判定法則を適用する前に、特定されたウィンドウが低周波に向かって変位されてから、空間信号が、以後実行される計算の量を制限するために当業者に公知の技法によってさらに低いサンプリング周波数（間引き（ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ））で再構築される。

以下の実施形態の両方において、初期手順の間に特定される周波数ウィンドウにその通過帯域が相当するデジタルフィルタを使用する方法が提供される。
第３の実施形態では、分析は、
・サンプリングされた信号を、特定されたウィンドウ内でデジタルフィルタリングすることとと、
・特に、フィルタリングされた信号のエネルギーを表す、該フィルタリングされた信号の少なくとも１つの特徴値の関数として判定法則を適用することと、
を備える。

この実施例では、サンプリングされた信号は、空間フーリエ変換を繰り返し計算することを回避するために、最初にフィルタリングされる。
第４の実施例では、分析は、
・サンプリングされた信号を、特定されたウィンドウ内でデジタルフィルタリングすることと、
・フィルタリングされた信号の空間フーリエ変換を計算することと、
・特に、スペクトルのエネルギーを表す、該スペクトルの少なくとも１つの特徴値の関数として判定法則を適用することと、
を備える。

変形例では、計算の前に、特定されたウィンドウは低周波に向かって変位され、次に空間信号が以後実行される計算の量を制限するためにさらに低いサンプリング周波数で再構築される（間引き）。

曲線が平均速度において１Ｈｚという周波数を有する正弦波であるとき（破線として示されている曲線）の理想的な場合において、それぞれ１回転あたり一度、二度、及び三度出現する同じ振幅の３つの障害が導入されたとき（実線として示されている曲線）の、時間Ｔの関数に対する車輪の回転速度Ｖの変動の曲線を示す。周波数Ｆの関数として振幅Ａの変動を示す図１ａの曲線の時間フーリエ変換スペクトルである。周波数Ｆの関数として振幅Ａの変動を示す図１ａの曲線の空間フーリエ変換スペクトルである。車輪の１回転あたり一度出現する障害についての３つの振幅（図２ａ〜図２ｃ）のうちの一つの振幅の関数として、車輪の回転の第１の高調波に対応するスペクトル線の変動を示す空間フーリエ変換スペクトルである。車輪の１回転あたり一度出現する障害についての３つの振幅（図２ａ〜図２ｃ）のうちの一つの振幅の関数として、車輪の回転の第１の高調波に対応するスペクトル線の変動を示す空間フーリエ変換スペクトルである。車輪の１回転あたり一度出現する障害についての３つの振幅（図２ａ〜図２ｃ）のうちの一つの振幅の関数として、車輪の回転の第１の高調波に対応するスペクトル線の変動を示す空間フーリエ変換スペクトルである。「通常の表面」の回転状態において、３つの異なる尺度（図３ａ〜図３ｃ）のうちの一つの尺度で、車輪の回転速度を表す信号の空間フーリエ変換スペクトルである。「通常の表面」の回転状態において、３つの異なる尺度（図３ａ〜図３ｃ）のうちの一つの尺度で、車輪の回転速度を表す信号の空間フーリエ変換スペクトルである。「通常の表面」の回転状態において、３つの異なる尺度（図３ａ〜図３ｃ）のうちの一つの尺度で、車輪の回転速度を表す信号の空間フーリエ変換スペクトルである。「粗粒表面」回転状態における図３ａのスペクトルに類似するスペクトルである。「粗粒表面」回転状態における図３ｂのスペクトルに類似するスペクトルである。「粗粒表面」回転状態における図３ｃのスペクトルに類似するスペクトルである。

Claims

表面上で回転する回転部材の回転状態を判定する方法であって、
当該方法は、
前記部材の回転の高調波を含まない少なくとも１つの周波数ウィンドウであって、前記回転状態を判定するための判定法則が規定されている少なくとも１つの周波数ウィンドウを特定するために、前記部材の回転速度の空間周波数分析を実行するための初期手順と、
前記回転状態を判定するための反復手順であって、
前記部材の回転速度Ｖを測定するステップと、
一定の空間サンプリング期間△ｄで前記速度を空間的にサンプリングするステップと、
前記規定された法則の関数として前記回転状態を判定するために、前記特定された周波数ウィンドウにおいてサンプリングされた信号を分析するステップと、
を含む反復手順と、
を備える方法。
前記空間周波数分析が、
前記部材の回転速度Ｖを測定すること、
一定の空間サンプリング期間△ｄで前記速度を空間的にサンプリングすること、
前記部材の回転速度のスペクトルを取得するために、前記サンプリングされた信号の空間フーリエ変換を計算すること、
によって実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
少なくとも２つの周波数ウィンドウが特定され、前記判定法則が各ウィンドウから出現する少なくとも１つの値の関数として規定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
少なくとも１つの周波数ウィンドウが前記部材の回転の高調波を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記判定法則が、少なくとも１つの回転状態を判定可能な閾値を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
前記判定法則が、少なくとも１つの回転パラメータを決定可能な動作法則を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
前記判定法則が、前記特定された周波数ウィンドウでのスペクトルのエネルギーの関数であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
前記速度のサンプリングが、
前記部材とともに回転するように制約され、多極トラックを備えているエンコーダと、
前記多極トラックに向かい合って配置され、かつ該多極トラックからの読取距離に配置される少なくとも２つの高感度素子を含み、前記空間的にサンプリングされた速度信号を送信するように配置されている静止センサと、
によって実行されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
前記サンプリングされた速度がその空間分解能を高めるために補間されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記サンプリングされた信号の分析が、
前記部材の回転速度のスペクトルを取得するために、前記サンプリングされた信号の空間フーリエ変換を計算すること、
前記特定された周波数ウィンドウにおいて、前記スペクトルの少なくとも１つの特徴値の関数として前記判定法則を適用すること、
を含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
前記サンプリングされた信号の分析が、
前記部材の回転速度のスペクトルを取得するために、前記サンプリングされた信号の空間フーリエ変換を計算すること、
前記特定されたウィンドウにおいて、前記スペクトルをデジタル的にフィルタリングすること、
該フィルタリングされた信号の少なくとも１つの特徴値の関数として前記判定法則を適用すること、
を含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
前記判定法則を適用する前に、前記特定されたウィンドウが低周波に向かって変位されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
前記サンプリングされた信号の分析が、
前記サンプリングされた信号を前記特定されたウィンドウでデジタルフィルタリングすること、
該フィルタリングされた信号の少なくとも１つの特徴値の関数として前記判定法則を適用すること、
を含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
前記サンプリングされた信号の分析が、
前記サンプリングされた信号を前記特定されたウィンドウでデジタルフィルタリングすること、
該フィルタリングされた信号の空間フーリエ変換を計算すること、
前記スペクトルの少なくとも１つの特徴値の関数として前記判定法則を適用すること、
を含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
前記フーリエ変換を計算する前に、前記特定されたウィンドウが低周波に向かって変位されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
請求項１乃至１５のいずれか１つによる判定方法を使用して、地面上で回転する自動車の少なくとも１つのタイヤの回転状態を判定する方法。