JP4959502B2

JP4959502B2 - 路面摩擦係数推定装置

Info

Publication number: JP4959502B2
Application number: JP2007266900A
Authority: JP
Inventors: 義暢山崎
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: JP2009096229A

Description

本発明は、直進時だけでなく旋回時にも適用でき、かつ加速時にも精度良く早期に路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定装置に関する。

近年、車両においてはトラクション制御，制動力制御，あるいはトルク配分制御等について様々な制御技術が提案され、実用化されている。これらの技術では、必要な制御パラメータの演算、あるいは、補正に路面摩擦係数を用いるものも多く、その制御を適切に実行するためには、正確な路面摩擦係数を推定する必要がある。

例えば、特開２００３−２３７５５８号公報では、４輪の平均車輪速度を車体速度として求め、この車体速度を微分して車両の前後加速度として演算し、主ブレーキ制動時に動力配分制御装置の油圧多板クラッチの締結を解放方向にさせ、後輪の車輪速度と前輪の車輪速度の差を前輪の車輪速度で除してすべり速度差変数を演算し、車両の前後加速度、すべり速度差変数を基に、予め設定しておいたマップを基に路面状態を推定する技術が開示されている。
特開平５−３３８４５７号公報

しかしながら、上述の特許文献１の技術では、例えば前後駆動力配分機構を有する４輪駆動車において、その制御を一般的に良く知られている、駆動トルクに応じたフィードフォワード制御と車輪差回転に応じたフィードバック制御により実行する場合、加速時は全輪が駆動状態であるため前後輪の駆動力（及びスリップ率）が時々刻々と変化し、車体速度の推定が困難で、特に加速時においては路面摩擦係数の推定が困難であるという問題がある。また、特許文献１の技術は路面摩擦係数に応じて発生する前後すべり速度差を利用して路面摩擦係数を推定する技術であるため、旋回中においては精度良く推定できず、誤判定してしまう虞がある。すなわち、旋回中においては旋回半径に応じた前後輪のすべり率差が発生してしまうため、路面摩擦係数に応じて発生する前後輪のすべり率差以外の外的要因が加わってしまい、路面摩擦係数を誤判定してしまう虞がある。そして結果として、直進付近でしか推定の原理を適用できないという問題もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、直進時だけでなく旋回時にも適用でき、かつ加速時にも精度良く早期に路面摩擦係数を推定できる路面摩擦係数推定装置を提供することを目的とする。

本発明は、車両の前後加速度に基づき、車輪が発生している第１の制駆動力を演算する第１の制駆動力演算手段と、車両の駆動源の出力トルクまたはブレーキの制動力に基づき車輪に付加する第２の制駆動力を演算する第２の制駆動力演算手段と、上記第１の制駆動力の今回の値と過去の値との差分値を第１の制駆動力差分値として演算する第１の制駆動力差分値演算手段と、上記第２の制駆動力の今回の値と過去の値との差分値を第２の制駆動力差分値として演算する第２の制駆動力差分値演算手段と、スリップ率と路面摩擦係数の関係を示すタイヤ特性に基づき、所定のスリップ率におけるドライビングスティフネス係数と車速と路面摩擦係数との関係を予め設定し記憶する記憶手段と、上記第１の制駆動力差分値と上記第２の制駆動力差分値により上記ドライビングスティフネス係数を演算するドライビングスティフネス係数演算手段と、車速と上記ドライビングスティフネス係数演算手段で演算したドライビングスティフネス係数を基に、上記記憶手段に記憶した上記ドライビングスティフネス係数と車速と路面摩擦係数との関係から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している。

本発明による路面摩擦係数推定装置によれば、直進時だけでなく旋回時にも適用でき、かつ加速時にも精度良く早期に路面摩擦係数を推定できるという優れた効果を奏する。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１乃至図５は本発明の実施の一形態を示し、図１は路面摩擦係数推定装置の構成を示す機能ブロック図、図２は路面摩擦係数推定プログラムのフローチャート、図３はドライビングスティフネス係数と車速と路面摩擦係数推定値の特性マップの一例を示す説明図、図４はドライビングスティフネス係数と車速とスリップ率の関係を示す説明図、図５は路面摩擦係数とスリップ率のタイヤ特性曲線の説明図である。

図１において、符号１は車両に搭載され、路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定装置を示し、この路面摩擦係数推定装置１には、制御部２に、４輪の車輪速センサ３、エンジン制御部４、トランスミッション制御部５、ブレーキ液圧センサ６、前後加速度センサ７が接続され、４輪車輪速ωfl（左前輪車輪速）、ωfr（右前輪車輪速）、ωrl（左後輪車輪速）、ωrr（右後輪車輪速）、エンジン回転数Ｎｅ、スロットル開度θth、タービン回転数Ｎｔ、トランスミッションギヤ比ｉ、ブレーキ液圧ＰＢ、前後加速度Ｇｘが入力される。

そして、路面摩擦係数推定装置１の制御部２は、上述の各入力信号に基づき、後述する路面摩擦係数推定プログラムを実行し、路面摩擦係数を推定して出力する（路面摩擦係数推定値μＥを出力する）。すなわち、制御部２は、図１に示すように、車速演算部２ａ、発生制駆動力演算部２ｂ、推定制駆動力演算部２ｃ、発生制駆動力差分値演算部２ｄ、推定制駆動力差分値演算部２ｅ、ドライビングスティフネス係数演算部２ｆ、路面摩擦係数推定値設定部２ｇから主要に構成されている。

車速演算部２ａは、４輪車輪速センサ３から各車輪の車輪速ωfl、ωfr、ωrl、ωrrが入力され、これらの平均を演算することで車速Ｖ（＝（ωfl＋ωfr＋ωrl＋ωrr）／４）を演算し、路面摩擦係数推定値設定部２ｇに出力する。

発生制駆動力演算部２ｂは、前後加速度センサ７から前後加速度Ｇｘが入力され、例えば、以下の（１）式により、第１の制駆動力としての発生制駆動力Ｆｄを演算し、発生制駆動力差分値演算部２ｄに出力する。すなわち、発生制駆動力演算部２ｂは、第１の制駆動力演算手段として設けられている。
Ｆｄ＝（（Ｍ・ｒ^２＋Ｊｗ）／ｒ）・Ｇｘ …（１）
ここで、Ｍは車重、ｒはタイヤ半径、Ｊｗは車輪と車軸などを併せた回転部分の慣性モーメントである。

推定制駆動力演算部２ｃは、エンジン制御部４からエンジン回転数Ｎｅ、スロットル開度θthが入力され、トランスミッション制御部５からタービン回転数Ｎｔ、トランスミッションギヤ比ｉが入力され、ブレーキ液圧センサ６からブレーキ液圧ＰＢが入力される。そして、例えば、以下の（２）式により、第２の制駆動力としての推定制駆動力Ｆｍを演算し、推定制駆動力差分値演算部２ｅに出力する。すなわち、推定制駆動力演算部２ｃは、第２の制駆動力演算手段として設けられている。
Ｆｍ＝（Ｔｍ＋ＫＢ・ＰＢ）／ｒ …（２）
ここで、Ｔｍは駆動トルク、ＫＢはブレーキ液圧ゲインであり、Ｔｍは、例えば、以下の（３）式により、演算される。
Ｔｍ＝Ｔｅ・ｉ・ｉｆ・ｔconv …（３）
ここで、Ｔｅは予め設定しておいたエンジン回転数Ｎｅとスロットル開度θthの特性マップを基に演算されるエンジン出力トルク、ｉｆは終段減速機のギヤ比、ｔconvはトルクコンバータ（図示せず）のトルコン比であり、このトルコン比ｔconvは、トルクコンバータの速度比ｅ（＝Ｎｔ／Ｎｅ）を基に予め設定されたマップから求められる。尚、エンジン出力トルクＴｅはエンジン制御部４等から直接入力される値を用いても良く、トルコン比ｔconvはトランスミッション制御部５等から直接入力される値を用いても良い。

発生制駆動力差分値演算部２ｄは、発生制駆動力演算部２ｂから発生制駆動力Ｆｄが入力される。そして、発生制駆動力Ｆｄの今回の値Ｆd(k)と、過去の値（本実施の形態では前回の値：Ｆd(k-1)）との差分値（発生制駆動力差分値）ΔＦｄを演算し、ドライビングスティフネス係数演算部２ｆに出力する。すなわち、
ΔＦｄ＝Ｆd(k)−Ｆd(k-1) …（４）
このように、発生制駆動力差分値演算部２ｄは、第１の制駆動力差分値としての発生制駆動力差分値ΔＦｄを演算する第１の制駆動力差分値演算手段として設けられている。尚、本実施の形態では、今回の値Ｆd(k)と前回の値Ｆd(k-1)とで発生制駆動力差分値ΔＦｄを演算するようにしているが、前回の値ではなく数サンプリング前の値を過去の値として用いるようにしても良い。

推定制駆動力差分値演算部２ｅは、推定制駆動力演算部２ｃから推定制駆動力Ｆｍが入力される。そして、推定制駆動力Ｆｍの今回の値Ｆm(k)と、過去の値（本実施の形態では前回の値：Ｆm(k-1)）との差分値（推定制駆動力差分値）ΔＦｍを演算し、ドライビングスティフネス係数演算部２ｆに出力する。すなわち、
ΔＦｍ＝Ｆm(k)−Ｆm(k-1) …（５）
このように、推定制駆動力差分値演算部２ｅは、第２の制駆動力差分値としての推定制駆動力差分値ΔＦｍを演算する第２の制駆動力差分値演算手段として設けられている。尚、本実施の形態では、今回の値Ｆm(k)と前回の値Ｆm(k-1)とで推定制駆動力差分値ΔＦｍを演算するようにしているが、前回の値ではなく数サンプリング前の値を過去の値として用いるようにしても良い。

ドライビングスティフネス係数演算部２ｆは、発生制駆動力差分値演算部２ｄから発生制駆動力差分値ΔＦｄが入力され、推定制駆動力差分値演算部２ｅから推定制駆動力差分値ΔＦｍが入力される。そして、これら発生制駆動力差分値ΔＦｄと推定制駆動力差分値ΔＦｍにより、後述する、スリップ率λと路面摩擦係数μの関係を示すタイヤ特性のドライビングスティフネス係数Ｑを演算し、路面摩擦係数推定値設定部２ｇに出力する。本実施の形態では、ドライビングスティフネス係数Ｑを時系列データから推定する方法として、一般的なパラメータ同定手法の一つである固定トレース法を用いる。すなわち、固定トレース法によれば、φの推定値であるφｅを求める式は、以下の（６）式で与えられる。尚、式中の添字（ｋ）は今回の値、（ｋ−１）は前回の値であることを示す。
φe(k)＝φe(k-1)−（Ｆ(k-1)・ｐ(k)）／（ζ＋ｐ(k)^Ｔ・Ｆ(k-1)・ｐ(k)）
・（ｐ(k)^Ｔ・φe(k-1)−ｙ(k)） …（６）
ここで、ζは以下の（７）式で与えられる。
ζ＝１／（１＋Ｆ(k-1)^２・ｐ(k)^２） …（７）

すなわち、ドライビングスティフネス係数Ｑは、後述の（１４）式に示すように、Ｑ＝ΔＦｄ／ΔＦｍで与えられる。発生制駆動力差分値ΔＦｄには、時々刻々変化するピッチング運動やサスペンション系の変動が含まれるため、パラメータ同定手法を用いて求めることにより、安定した精度の良いドライビングスティフネス係数Ｑが得られるようになっている。

そして、上述の（６）式、（７）式に対し、以下のようにパラメータを代入し、ドライビングスティフネス係数Ｑを推定するのである。
φe(k)＝Ｑ、ｐ(k)＝ｐ(k)^Ｔ＝ΔＦｍ、ｙ(k)＝ΔＦｄ
尚、トレースゲインであるＦ(k-1)は、例えば、０．０００１とする。

このように、ドライビングスティフネス係数演算部２ｆは、ドライビングスティフネス係数演算手段として設けられている。

路面摩擦係数推定値設定部２ｇは、車速演算部２ａから車速Ｖが入力され、ドライビングスティフネス係数演算部２ｆからドライビングスティフネス係数Ｑが入力される。そして、車速Ｖとドライビングスティフネス係数Ｑを基に予め記憶しておいたドライビングスティフネス係数Ｑと車速Ｖと路面摩擦係数推定値μＥとの関係を示す特性マップ（図３）を参照して路面摩擦係数推定値μＥを設定し、出力する。すなわち、路面摩擦係数推定値設定部２ｇは、記憶手段、及び、路面摩擦係数推定手段として設けられている。

ここで、図３のドライビングスティフネス係数Ｑと車速Ｖと路面摩擦係数μとの関係を示すマップについて説明する。Ｍを車重、Ｍｗを回転部分重量、Ｖを車体速度、Ｖｗを４輪平均車速、ωを駆動輪回転速度、Ｎを垂直荷重、μを路面摩擦係数とおくと、一輪モデルより車輪の運動方程式は、以下の（８）式となる。
Ｍｗ・（ｄＶｗ／ｄｔ）＝Ｆｍ−Ｆｄ …（８）

また、車体の運動方程式は、以下の（９）式で与えられる。

Ｍ・（ｄＶ／ｄｔ）＝Ｆｄ …（９）
但し、車輪の運動は、Ｍｗ＝Ｊｗ／ｒ^２、Ｆｍ＝（Ｔｍ＋ＫＢ・ＰＢ）／ｒ、Ｖｗ＝ｒ・ωとする。

また、路面とタイヤ間の特性（タイヤ特性）は、スリップ率と路面摩擦係数の路面摩擦関数（図５参照）により記述され、μは次式で定義される。
μ＝Ｆｄ／Ｎ …（１０）
ここで、駆動時のスリップ率λは次式で表される。

λ＝（Ｖｗ−Ｖ）／Ｖｗ …（１１）
以下では駆動時のみを考え、タイヤ・路面系を動作点の近似により取り扱う。ここで、あるスリップ率λ０における路面摩擦係数μの傾きをａと定義する。（８）式〜（１１）式の摂動システムを作りスリップ率λを消去すると、以下の（１２）、（１３）式が得られる。

（ｄｘ／ｄｔ）＝Ａ・ｘ＋Ｂ・ΔＦｍ …（１２）
ΔＦｄ＝Ｃ・ｘ …（１３）
但し、

ここで、Ｖ０、Ｖw0は、それぞれ動作点における車体速度と駆動輪速度である。

以上によりタイヤに与えたトルクから駆動力までの伝達関数を計算すると、ドライビングスティフネス係数Ｑについての以下の（１４）式を得る。
Ｑ＝ΔＦｄ／ΔＦｍ＝Ｋ／（１＋τ０・ｓ） …（１４）
ここで、
Ｋ＝（Ｍ・（１−λ０））／（Ｍｗ＋Ｍ・（１−λ０）） …（１５）
τ０＝（（Ｍｗ・Ｖw0）／（ａ・Ｎ））
・（Ｍ／（Ｍｗ＋Ｍ・（１−λ０）） …（１６）

上述の（１４）式を基に、ドライビングスティフネス係数Ｑとスリップ率λの関係を示すと、図４に示す特性図となる。

そして、図５に示す、路面摩擦係数とスリップ率のタイヤ特性曲線を基に、スリップ率が路面摩擦係数がピークとなる前のスリップ率（例えば、７％）を目標に、路面摩擦係数推定値μＥを、例えば、０．３とおき、車速Ｖ、ドライビングスティフネス係数Ｑ、路面摩擦係数推定値μＥの関係を設定すると、図３に示すような、ドライビングスティフネス係数Ｑと車速Ｖと路面摩擦係数推定値μＥの特性マップが得られるのである。

次に、上述の路面摩擦係数推定装置１の制御部２で実行される路面摩擦係数推定プログラムを、図２のフローチャートで説明する。
まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で、必要パラメータ、すなわち、４輪車輪速ωfl、ωfr、ωrl、ωrr、エンジン回転数Ｎｅ、スロットル開度θth、タービン回転数Ｎｔ、トランスミッションギヤ比ｉ、ブレーキ液圧ＰＢ、前後加速度Ｇｘを読み込む。

次に、Ｓ１０２に進み、車速演算部２ａで車速Ｖを演算する。

次いで、Ｓ１０３に進み、発生制駆動力演算部２ｂで、上述の（１）式により、発生制駆動力Ｆｄを演算し、推定制駆動力演算部２ｃで、上述の（２）式により、推定制駆動力Ｆｍを演算する。

次に、Ｓ１０４に進み、発生制駆動力差分値演算部２ｄで、上述の（４）式により、発生制駆動力差分値ΔＦｄを演算し、推定制駆動力差分値演算部２ｅで、上述の（５）式により、推定制駆動力差分値ΔＦｍを演算する。

次いで、Ｓ１０５に進み、ドライビングスティフネス係数演算部２ｆで、発生制駆動力差分値ΔＦｄと推定制駆動力差分値ΔＦｍにより、パラメータ同定手法の一つである固定トレース法を用い、すなわち、上述の（６）式を用いて、ドライビングスティフネス係数Ｑを推定する。

そして、Ｓ１０６に進み、路面摩擦係数推定値設定部２ｇで、車速Ｖとドライビングスティフネス係数Ｑを基に予め記憶しておいたドライビングスティフネス係数Ｑと車速Ｖと路面摩擦係数推定値μＥとの関係を示す特性マップ（図３）を参照して路面摩擦係数推定値μＥを設定し、出力する。

このように本実施の形態によれば、車両の前後加速度に基づき、車輪が発生している発生制駆動力Ｆｄを演算し、車両の駆動源の出力トルクやブレーキの制動力に基づき、車輪に付加する推定制駆動力Ｆｍを演算し、発生制駆動力Ｆｄの今回の値と過去の値との差分値（発生制駆動力差分値）ΔＦｄと推定制駆動力Ｆｍの今回の値と過去の値との差分値（推定制駆動力差分値）ΔＦｍを演算し、発生制駆動力差分値ΔＦｄと推定制駆動力差分値ΔＦｍによりパラメータ同定手法を用いてドライビングスティフネス係数Ｑを推定し、車速Ｖとドライビングスティフネス係数Ｑを基に、予め記憶しておいたドライビングスティフネス係数Ｑと車速Ｖと路面摩擦係数推定値μＥとの関係を示す特性マップを参照して路面摩擦係数推定値μＥを設定するようになっている。尚、本実施の形態では、路面摩擦係数の推定に前輪の車輪速度と後輪の車輪速度の差を使用しないため、旋回に伴い発生する前輪と後輪の車輪速度差の影響を受けず、旋回・直進に関わらず路面摩擦係数の推定が可能である。このため、加速、減速、操舵の幅広い運転領域で精度の良い路面摩擦係数の推定ができ、汎用性に優れるという優れた効果を奏する。

また、予め記憶しておいたドライビングスティフネス係数Ｑと車速Ｖと路面摩擦係数推定値μＥとの関係を示す特性マップは、スリップ率が路面摩擦係数がピークとなる前のスリップ率（例えば、７％）を目標に予め設定されるので、小さいスリップ率での判定が可能であり、応答性が良い。

更に、ドライビングスティフネス係数Ｑの推定は、発生制駆動力差分値ΔＦｄと推定制駆動力差分値ΔＦｍによりパラメータ同定手法を用いて行われるため、それぞれの差分値により道路勾配等による誤差が排除でき、精度の良い路面摩擦係数の推定を行うことができる。

尚、本実施の形態では、全ての運転領域において路面摩擦係数を推定するようになっているが、本手法により路面摩擦係数を推定する運転領域を、例えば、加速領域のみと限定するようにしても良い。

また、本実施の形態では、路面摩擦係数推定値設定部２ｇは、車速Ｖとドライビングスティフネス係数Ｑを基に予め記憶しておいたドライビングスティフネス係数Ｑと車速Ｖと路面摩擦係数推定値μＥとの関係を示す特性マップを参照して路面摩擦係数推定値μＥを設定し、そのまま出力するようになっているが、今回設定した路面摩擦係数推定値μE(k)と前回設定した路面摩擦係数推定値μE(k-1)とを比較して小さい方の値を出力するようにしても良い。

以上のように設定される路面摩擦係数推定値μＥは、例えば、図示しない外部表示装置に出力され、インストルメントパネルでの表示等によりドライバの注意を喚起するように用いられる。或いは、エンジン制御部、トランスミッション制御部、前後軸間或いは左右輪間の駆動力配分制御部、ブレーキ制御部（何れも図示せず）等に出力されて、各制御部における制御量の設定に寄与される。

例えば、前軸：後軸のトルク配分が、１００：０〜５０：５０の間でトランスファクラッチにより可変できる４輪駆動車の前後駆動力配分制御に用いる場合、燃費改善と前後駆動力配分制御とを両立させる為には、高μ路では不要な後輪伝達トルクを減らし内部循環トルクを低減させる一方、低μ路では安定性を重視して所定の後輪伝達トルクを発生させる必要がある。そのため、推定した路面摩擦係数推定値μＥに応じてトランスファクラッチトルクの締結力を制御し、後輪トルク配分率を連続的に変化させるようにする。

尚、本実施の形態では、ドライビングスティフネス係数演算部２ｆにおいてドライビングスティフネス係数Ｑをパラメータ同定手法を用いて求めるようになっているが、発生制駆動力差分値ΔＦｄと推定制駆動力差分値ΔＦｍの値を安定して求めることができるのであれば、単に、発生制駆動力差分値ΔＦｄと推定制駆動力差分値ΔＦｍとの比率により、ドライビングスティフネス係数Ｑを推定するようにしても良い。

路面摩擦係数推定装置の構成を示す機能ブロック図路面摩擦係数推定プログラムのフローチャートドライビングスティフネス係数と車速と路面摩擦係数推定値の特性マップの一例を示す説明図ドライビングスティフネス係数と車速とスリップ率の関係を示す説明図路面摩擦係数とスリップ率のタイヤ特性曲線の説明図

符号の説明

１路面摩擦係数推定装置
２制御部
２ａ車速演算部
２ｂ発生制駆動力演算部（第１の制駆動力演算手段）
２ｃ推定制駆動力演算部（第２の制駆動力演算手段）
２ｄ発生制駆動力差分値演算部（第１の制駆動力差分値演算手段）
２ｅ推定制駆動力差分値演算部（第２の制駆動力差分値演算手段）
２ｆドライビングスティフネス係数演算部（ドライビングスティフネス係数演算手段）
２ｇ路面摩擦係数推定値設定部（記憶手段、路面摩擦係数推定手段）
３４輪車輪速センサ
４エンジン制御部
５トランスミッション制御部
６ブレーキ液圧センサ
７前後加速度センサ

Claims

車両の前後加速度に基づき、車輪が発生している第１の制駆動力を演算する第１の制駆動力演算手段と、
車両の駆動源の出力トルクまたはブレーキの制動力に基づき車輪に付加する第２の制駆動力を演算する第２の制駆動力演算手段と、
上記第１の制駆動力の今回の値と過去の値との差分値を第１の制駆動力差分値として演算する第１の制駆動力差分値演算手段と、
上記第２の制駆動力の今回の値と過去の値との差分値を第２の制駆動力差分値として演算する第２の制駆動力差分値演算手段と、
スリップ率と路面摩擦係数の関係を示すタイヤ特性に基づき、所定のスリップ率におけるドライビングスティフネス係数と車速と路面摩擦係数との関係を予め設定し記憶する記憶手段と、
上記第１の制駆動力差分値と上記第２の制駆動力差分値により上記ドライビングスティフネス係数を演算するドライビングスティフネス係数演算手段と、
車速と上記ドライビングスティフネス係数演算手段で演算したドライビングスティフネス係数を基に、上記記憶手段に記憶した上記ドライビングスティフネス係数と車速と路面摩擦係数との関係から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。
上記ドライビングスティフネス係数演算手段は、上記第１の制駆動力差分値と上記第２の制駆動力差分値の比率によりドライビングスティフネス係数を求めることを特徴とする請求項１記載の路面摩擦係数推定装置。
上記ドライビングスティフネス係数演算手段は、パラメータ同定を用いて上記第１の制駆動力差分値と上記第２の制駆動力差分値により上記ドライビングスティフネス係数を演算することを特徴とする請求項１記載の路面摩擦係数推定装置。