JP4988359B2 - タイヤ空気圧損失の検出方法 - Google Patents

Description

この発明は、車両の一つ以上のタイヤにおける空気圧損失の検出に関する。

車両の運転時において、一つ以上のタイヤでの空気圧の著しい損失は、運転者による車両制御の喪失又はタイヤの損傷を引き起こすことがある。更に、タイヤの僅かな空気圧損失が、そのタイヤの寿命を低下させる場合が有る。

特許文献１は、圧力モジュールを用いてタイヤ空気圧を直接測定して、タイヤ空気圧に関する情報を運転者に伝えるタイヤ空気圧直接測定・監視システムを開示している。更に、例えば、車輪速度、角速度、タイヤの回転円周などの車輪速度データからタイヤ空気圧損失を求める特許文献２に記載された方式のタイヤ空気圧間接測定・監視システムが周知である。その上、例えば、特許文献３，４及び５は、車輪速度信号の振動解析又は周波数分析によりタイヤ空気圧損失を求めるタイヤ空気圧監視システムを開示している。
ドイツ特許出願公開第１９９３８４３１号明細書 ドイツ特許出願公開第１００５８１４０号明細書 国際特許公開第０１／８７６４７号明細書 欧州特許第０５７８８２６号明細書 欧州特許第０６９５６５３号明細書 米国特許第６，３７４，１６３号明細書

従って、特に、危険な状態に達する前に、一つ以上のタイヤが空気圧を減少させていることを運転者に通知することができることが望まれている。

路面上での車両操縦において、地面からの励振は、車両の一つ以上の車輪の角速度変化又は捻り振動を引き起こし、それらは、車輪後部での変位によって生じる。速度変化の周波数は、タイヤ側壁の剛性に依存し、この剛性は、主にタイヤ空気圧によって影響を受ける。タイヤ空気圧損失が存在すると、車輪の角速度変化は、所与の速度において、より高い周波数からより低い周波数にシフトする。

この発明では、車両の一つ以上の車輪の角速度変化を検出して、所定の車輪回転周期に渡って速度変化の周波数を解析することによって、一つ以上のタイヤにおける空気圧損失を監視する。周波数の変化は、一つ以上のタイヤでの空気圧損失に関係しており、そのことは、例えば、ディスプレイ上にタイヤ空気圧損失情報を表示することによって、運転者に通知される。

この発明の別の好ましい実施形態は、従属請求項から得られる。

以下において、図面にもとづき、この発明を詳しく説明する。

以下の用語は、この発明の様々な側面を理解するのに有用である。
ＦＦＴ：高速フーリエ変換
ＤＦＦＴ：離散高速フーリエ変換
Θ：フーリエ変換を評価するための有限な角度周期（２πラジアンの倍数）
Ｎ：ＤＦＦＴを評価するための有限なサンプリング点数
θ_n ：ｎ番目のサンプリング信号の角度
Δθ：二つの連続したサンプル間の角度間隔（即ち、Δθ＝Θ／Ｎ［２πラジアン］）
Δｔ_n ：Δθのｎ番目の回転時の時間周期
ｒ（θ）：角度θ＝ｎΔθにおけるサンプリング信号（即ち、二つのエンコーダー突起の立ち上り端又は立ち下り端間の時間周期；ｒ（θ）＝ｒ（ｎΔθ）＝Δｔ_n ）
Ｍ：周波数スペクトル内で検出された周波数の数
ΔΩ：連続する周波数間の差分に等しい、角度領域での角周波数の解像度（サイクル／２πラジアン）
Ω：角度スペクトル内で定義される角周波数（サイクル／２πラジアン）、Ω＝ｍΔΩ，ｍ＝０，１，２，３，_... ，Ｍ−１
ω：車軸の角速度（２πラジアン／秒）
Δｆ：時間領域における周波数解像度又は連続した周波数間の差分（ヘルツ）
車両の運転時において、例えば、地面からの励振は、車両の一つ以上の車輪又は駆動される車輪の車軸などのその他の駆動系部品の角速度変化又は捻り振動を引き起こす。例えば、図２には、車両が、時速４０ｋｍ以上で直線に沿って動いている場合などで励振によって引き起こされる振動の周波数スペクトルを図示している。図示されている通り、車両の進行方向に対して後部での励振によって引き起こされる捻り振動は、約４０Ｈｚである。捻り振動の周波数は、タイヤ側壁の剛性に依存し、その剛性は、主にタイヤ空気圧によって影響を受ける。タイヤに空気圧損失が存在する場合、車輪の捻り振動は、所与の速度において、より高い周波数からより低い周波数にシフトする。

この発明の様々な実施形態では、プロセス又はアルゴリズム（例えば、図１１又は１２参照）が、タイヤが取り付けられている車輪の捻り振動又は角速度変化の抽出された固有周波数にもとづき、タイヤ空気圧の状態を検出している。このプロセスは、捻り振動を分析するためにＤＦＦＴ解析を用いている。ＤＦＦＴ解析は、特許文献６に開示されており、その内容の全体を、ここに組み入れる。従って、この発明では、ＡＢＳ車輪速度センサーを用いた振動分析により、捻り周波数のシフトとそのことからタイヤ空気圧損失を検出することが可能である。

ここで、図１を参照すると、Ｎ個の歯１２を持つＡＢＳエンコーダー１０が図示されており、Δｔ_f とΔｔ_r は、それぞれＡＢＳエンコーダーの回転時における二つのエンコーダー突起の立ち上り端１４と立ち下り端１６間の時間周期を表している。車輪が回転している際に、例えば、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）に実装された相応のソフトウェアが、一つのエンコーダー突起（一つの歯）を通過する時のパルスの数を収集する。Δｔ_f 又はΔｔ_r 信号での不連続は、速度の変化、エンコーダーの製造／取付誤差、でこぼこの道路の中の一つ以上によって引き起こされる。ＡＢＳエンコーダー（又はトーンホイール）は、車輪の回転毎に複数のピーク出力を生成し、典型的には可変リアクタンス又はホール効果による機器をベースとしている。ＡＢＳエンコーダーは、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、動特性安定化プログラム（ＤＳＰ）制御システム（及びその他のヨーイング安定化・ロールオーバー安定化システム）、トラクション制御システム（ＴＣＳ）などの様々なシステム用の入力として使用するための車輪速度を精確に測定するために配備されている。

間隔を開けた角度間隔毎に関数をサンプリングして、角度領域において、フーリエ変換を適用し、以下の表現式で与えられる通り、２πラジアン当りのサイクル（即ち、サイクル／２π）で表される角度θの逆数（即ち、Ω＝１／θ）の関数であるｓ（Ω）が得られる。

このフーリエ積分変換は、離散的なサンプルデータ系に関して書き換えることができる。角度領域において、Θは、サンプリング角であり、Ｎは、Θの周期の間に取られるサンプル数である。一般的に、Θは、２πラジアンの倍数として選定される。従って、スペクトルは、以下の表現式で与えられる。

ここで、角度間隔Δθは、定数値、即ち、以下の通りと考えられ、

回転角は、次の通りである。

θ＝ｎΔθ （４）

角周波数解像度は、以下の表現式で与えられる。

ここで、角周波数Ωは、ｍΔΩで表される。従って、このフーリエ積分は、離散的なサンプリング角度領域をサイクル／２πの単位の角周波数領域に変換するものである。

時間Δｔ_n で開けた間隔は、Δθのｎ番目の回転時の時間周期を表し、Δｔ_n は、所与の車輪の角速度が変化するために、一般的に定数ではない。

次に、式（２）から、一連のサンプリング値が、以下の通りである場合、

ｒ（ｎΔθ）＝Δｔ_n （６）

ＤＦＦＴアルゴリズムは、以下の同じく実空間における一連の角度に適用される表現式を使用する。

ここで、時間Δｔ_n で開けられた間隔の寄与分は、

である。

捻り振動の解析のために、サンプリング長Ｎを以下の式で計算する。

各エンコーダー突起Δｔ_n （ｎ＝０，１，２，３，_... ，Ｎ−１）のすべての所定の周波数に対する連続的な寄与分は、

である。一般的に、一つ以上のエンコーダー突起は、一つのソフトウェアループの間に回転しており、これらのエンコーダー突起のスペクトルへのすべての寄与分は、その同じソフトウェアループ内で完結することに留意されたい。

式（２）において、周波数スペクトルを計算するタスクは、Ｎ個のサブタスク

に分割される。そのことから、Δｔ_n （ｎ＝０，１，２，３，_... ，Ｎ−１）に関する全体の寄与分は、以下の通り、単一の角周波数スペクトルを生成する。

全体的なパルス

を積算して、角速度ωを計算する。

複素数空間での式（７）を書き換えると、周波数スペクトルは、以下の通り与えられるとともに、

角周波数の振幅は、以下の通りとなる。

エンコーダーのトーンホイールの周囲に有る歯のピッチは、製造時の許容範囲内での変動のために一定ではなく、そのためタイヤの各回転に関して不平衡な変動が発生することに留意されたい。これらの変動に関連した周波数は、ポールピッチ周波数と称され、ポールピッチ誤差は、エンコーダーのトーンホイールの歯における最大許容誤差として定義される。

タイヤが回転している間、このピッチ誤差は、周波数スペクトルにおける追加的な振動を周期的に生成する。これらの追加的な周波数は、角度領域における捻り振動のピークを見出すことを難しくする。そのため、この発明では、検出アルゴリズム又はプロセスに進む前に、単一スペクトルのポールピッチ周波数を除去する。

特に、角度領域において、ポールピッチ振動は、角周波数Ωが、サイクル／２πラジアンの倍数に等しい場合に生じる。角度領域において、ポールピッチ振動と車両速度との間に関連は無いが、角度領域において、固定の角周波数で振動が起こるので、時間領域よりも角度領域の方が、ポールピッチ振動を除去することがより簡単となる。

図３は、車両が、約８０ｋｍの時速で規則的な道路上を走っている時のポールピッチ周波数を持つ場合と持たない場合の角周波数スペクトルを図示しており、ポールピッチ誤差が、周波数スペクトルを歪ませていることを示している。

図３のスペクトルは、車両の振動解析のために、角周波数領域で図示されているが、車両の振動は、時間の関数であるため、表面の輪郭の振幅をサイクル／２πラジアンでの角周波数形式よりも、ヘルツでの時間周波数形式で表す方がより好都合である。このことから、以下の表現式により、サイクル／２πでの角周波数スペクトルΩをヘルツでの時間周波数スペクトルに変換する。
ｆ（ヘルツ）＝Ω（サイクル／２πラジアン）×ω（２πラジアン／秒） （１１）
ここで、
Ω：角度領域における角周波数（サイクル／２πラジアン）
ω：車輪の角速度（２πラジアン／秒）
そして、角周波数形式での角度プロファイルの振幅

を、以下の表現式にもとづき、時間周波数Ａ_t （ｆ）に変換する。

ここで、
Ａ_t ：時間周波数スペクトルの振幅

：角周波数スペクトルの振幅
図４は、時間周波数領域において、車両が規則的な道路上をほぼ直線に沿って約８０ｋｍの時速で走っている時に、１．２バールのタイヤ空気圧損失に対して、後部捻り振動のピークが、ポールピッチ誤差の除去後に４７．０Ｈｚから３５．０Ｈｚにシフトすることを図示している。図５は、車両がでこぼこの道路上を約４０ｋｍの時速で走っている時に、１．２バールのタイヤ空気圧損失に対して、後部捻り振動のピークが、４２．０Ｈｚから３５．０Ｈｚにシフトすることを図示している。

図４と５から分かる通り、ポールピッチ誤差の除去後でさえ、単一の周波数スペクトルは、依然としてノイズ又は偏差を含んでいる。そのため、単一スペクトルの偏差を除去するために、以下の表現式にももとづきＫ個の連続的な単一スペクトルを組み合わせることによって、平均化したスペクトルＳ_p （ｍΔΩ）を導入している。

次に、一連の平均化した周波数スペクトルに対して、曲線近似を適用する。特に、以下の表現式にもとづき、角度領域における捻り振動周波数のピークＦ₀ （サイクル／２π）に関して曲線近似を行う。

ここで、

及び
ｘ_m ＝ｍΔΩ
ｙ_m ＝Ｓ_p （ｍΔΩ）、ｍ＝Ｍ₁ ，Ｍ₁ ＋１，_... ，Ｍ₂ −１ （１６）
曲線近似の範囲は、角速度ωの関数であるＭ₁ とＭ₂ の値によって決まる。

近似した曲線が、直線に戻ってしまう（即ち、Δ_a ≒０となる）場合、ピーク位置が、所定の範囲外に有る場合、或いは計算がオーバーフローした場合、「悪い」スペクトルは排除される。

前記の通り、車両の振動を角周波数領域でよりも時間周波数領域で特徴付けるのがより好都合である。そのため、周波数スペクトルから捻り振動のピークを計算した後、プロセスは、捻り振動のピークを角度領域から時間領域にマッピングする。即ち、プロセスは、一連の周波数観察結果を計算し続けるとともに、この観察結果にもとづき、時間周波数領域における初期捻り周波数（ｆ₀ ）を決定する。特に、以下により、捻り振動のピークを周波数領域（ヘルツ）にマッピングする。

ｆ₀ ＝Ｆ₀ ｘω₀ （１７ａ）

例えば、Θ＝２πｘＩ及びパルス時間μ＝４ｘ１０^-6秒と仮定すると、角速度は、以下の通りとなる。

ここで、Ｉは、サンプリングサイクルの所定数である。

図６は、車両がでこぼこの道路上を約６０ｋｍの時速で走っている時に得られる周波数スペクトルに関して、時間周波数領域へのマッピング後に曲線近似を適用した結果を図示している。図示されている通り、タイヤ空気圧損失が２．７バールから１．５バールになると、ピーク周波数が、４０．０Ｈｚから３５．０Ｈｚにシフトしている。

初期周波数の計算後、プロセスは、時間に関する周波数調整を行う。車両が速度を変えても、プロセスは、単一スペクトル、スペクトルの平均化及び角度領域における角周波数のピークを計算し続けるとともに、前記のプロセスにより、角度領域におけるピークＦ_i を時間領域におけるピークｆ_i （ｉ＝１，２，３，_... ）にマッピングする、即ち、以下の通りとなる。

ｆ_i ＝Ｆ_i ｘω_i 、ｉ＝１，２，３，_... ，Ｉ，_... （１８）

一連の観測値に対して、フィルタリング計算を適用する。更に、ｉが所定の値Ｉに達した場合、プロセスは、実時間における捻り振動のピーク周波数を出力するとともに、更新を続行する。

例えば、左前方タイヤにおけるタイヤ空気圧損失は、そのタイヤにおける振動のシフトを引き起こすが、右前方タイヤの動作に影響を与えず、その逆も言えるので、前記のプロセスは、一つ以上のタイヤにおける圧力損失を検出することができる。同様に、左後方タイヤの振動は、右後方タイヤの振動から隔離されており、その逆も言える。

一例として、右前方タイヤのタイヤ空気圧を２．３バールとして、右後方タイヤの空気圧を２．１バールとし、でこぼこの道路上を約６０ｋｍの時速で走る前輪駆動車両において、このプロセスを実施した。左前方と左後方タイヤのタイヤ空気圧を、１．５バール、１．９バール及び２．５バールに変化させた。図７に図示された通り、左前方タイヤの空気圧損失は、後部振動のピークを４７．３Ｈｚから４０．９Ｈｚにシフトさせた。図８に図示された通り、左後方タイヤの空気圧損失は、後部振動のピークを４７．０Ｈｚから４３，８Ｈｚにシフトさせた。

図７と８において、左後方タイヤに関連するピーク振動の振幅は、左前方タイヤのピーク振動の振幅よりも小さいことにも留意されたい。前輪駆動車両では、捻りコンプライアンスが、前輪の車軸とその他の駆動系部品によって実現されるので、このことは、想定内のことである。それに対して、駆動されない後方車輪の接続部品は非常に少なく、そのため後方車輪に関する大きな捻りコンプライアンスとの関連は存在しない。

図９は、右前方タイヤに関連する後部振動のピークに大きなシフトが存在しないことを図示している。即ち、左前方車軸の振動は、右前方車軸の動作に影響を与えない。同様に、図１０は、右後方タイヤに関して大きなシフトが存在しないことを示している。

前述したプロセスは、図１１に状態遷移図１００として、図１２にプロセスステップのフローチャート２００として図示されている。特に、図１２を参照すると、ステップ２０２から開始した後、プロセス２００は、ステップ２０４で、離散的な（Ｄｔ）寄与分を決定し、その寄与分から、ステップ２０６で、スペクトルを計算して、実数と虚数成分を取得している。

ステップ２０８で、単一スペクトルの生成後、プロセス２００は、ポールピッチ誤差を除去して、ステップ２１０で、連続的な単一スペクトルを角度領域における平均化したスペクトルに結合している。プロセス２００は、ステップ２１２で、平均化したスペクトルを曲線近似して、ステップ２１４で、曲線近似したスペクトルのピーク周波数を角度領域から時間領域にマッピングしている。それに続いて、プロセス２００は、ステップ２１６で、ピーク周波数をフィルタリングして、時間に関するピーク周波数の長時間調整を行っている。前述した通り、プロセス２００は、車両の速度が変化しても、捻り振動周波数を計算し続けるとともに、一連の観測データに統計的な解析を適用して、見込まれる周波数の最善値を抽出している。この更新は、ステップ２１８で、一つ以上のタイヤにおけるタイヤ空気圧損失に関連した捻り振動周波数におけるシフトを検出するために使用される。ステップ２２０において、これらの結果を表示して、その後解析は終了する。

その他の実施形態は、請求項の範囲内に有る。

この発明の実施形態にもとづき車軸の捻り振動におけるシフトを監視するために用いられるＡＢＳコンコーダーの図 車軸の後部捻り振動に関する周波数スペクトル ポールピッチ誤差により生じる周波数スペクトルの歪 規則的な道路上を走行する車両に関するポールピッチ誤差除去後の約１．２バールのタイヤ空気圧損失での周波数スペクトル でこぼこの道路上を走行する車両に関するポールピッチ誤差除去後の約１．２バールのタイヤ空気圧損失での周波数スペクトル １．５バールと２．７バールに関するデータの周波数スペクトル及びそれらの曲線近似結果 様々な空気圧損失に関する左前方タイヤの周波数スペクトル 様々な空気圧損失に関する左後方タイヤの周波数スペクトル 様々な空気圧損失に関する右前方タイヤの周波数スペクトル 様々な空気圧損失に関する右後方タイヤの周波数スペクトル この発明の実施形態にもとづく捻り振動の検出に関する状態遷移図 この発明の実施形態にもとづく捻り振動の検出に関する一連のステップのフローチャート

Claims (13)

1. 車両におけるタイヤ空気圧損失を検出する方法であって、
   ・所定数の車輪回転に渡って、車両の一つ以上の車輪の角速度変化を検出することと、
   ・当該の角速度変化の周波数を角度領域の角周波数スペクトルで解析することと、
   ・当該の角周波数スペクトルにおける、車輪速度を検出ために用いられるエンコーダーの製造誤差によって生じるポールピッチ誤差を除去することと、
   ・当該の角周波数スペクトルのピーク周波数を角度領域から時間領域にマッピングすることと、
   ・当該のピーク周波数が、時間領域において、変化するかどうか測定し、この測定は、所定の車速において、より高い周波数からより低い周波数に変化するか否かを測定することであり、
   ・当該の周波数変化はタイヤの空気圧損失に関係するものであり、
   ・当該の周波数変化が起きた場合に、空気圧損失を車両の運転者に通知することと、
   を有する方法。
2. 当該の検出は、ＡＢＳエンコーダーを用いて、当該の振動を検出することである請求項１に記載の方法。
3. 一連の連続的な単一角周波数スペクトルを平均化することを更に有する請求項１に記載の方法。
4. 角度領域において、当該の平均化した角周波数スペクトルを曲線近似することを更に有する請求項３に記載の方法。
5. 当該の平均化した角周波数スペクトルから、当該のピーク周波数を計算することを更に有する請求項４に記載の方法。
6. 一連のピーク周波数をフィルタリングすることによって調整を行うことを更に有する請求項５に記載の方法。
7. 当該の測定は、ピーク周波数のシフトを検出することである請求項１に記載の方法。
8. 当該の通知は、車両の運転者が見るディスプレイにタイヤ空気圧損失情報を表示することである請求項７に記載の方法。
9. 離散的にサンプリングした角度領域を角周波数領域に変換するために、高速フーリエ変換を用いることを更に有する請求項１に記載の方法。
10. 離散高速フーリエ変換を用いることを更に有する請求項９に記載の方法。
11. 当該の検出は、四つの車輪の角速度変化を検出することである請求項１に記載の方法。
12. 当該の通知は、各車輪に搭載された四つのタイヤの中の一つ以上のタイヤにおける空気圧損失を通知することである請求項１１に記載の方法。
13. 当該の検出は、少なくとも時速４０ｋｍの車両速度で行われることである請求項１に記載の方法。

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