JP5039143B2

JP5039143B2 - 摩擦係数を推定する方法および装置

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Publication number: JP5039143B2
Application number: JP2009537582A
Authority: JP
Inventors: ビアンニン; ガムレスクセリーヌ; マイアーアンドレアス; フィードラーイェンス
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: US8370019B2; KR101391195B1; JP2010510130A; DE102006054805A1; EP2094545A1; DE102006054805B4; DE502007003359D1; ATE462624T1; CN101636299A; KR20090085691A; CN101636299B; US20100145566A1; EP2094545B1; WO2008061852A1

Description

本発明は、少なくとも１つの車両タイヤと走行道路との間の摩擦係数（Reibkennzahl）を推定するための方法および装置に関する。

DE 39 120 14 A1は、走行道路と車両タイヤとの間の摩擦値（Reibwert）を算出する方法を開示している。車両が、横方向に対して力学的に臨界的な走行状態に近づくと、車両の操舵角、走行速度、ヨー角速度、および横加速度の値がそれぞれ検出または算出される。操舵角と走行速度に依存して、数学的な車両基準モデルにしたがって、基準ヨー角速度または目標ヨー角速度が算出される。さらに、車両の実際のヨー角速度と、基準ヨー角速度または目標ヨー角速度との差が算出される。走行道路と車両タイヤとの間の摩擦値のための尺度として、実際のヨー角速度と基準ヨー角速度または目標ヨー角速度との差が急激に増加し始める際の横加速度の値が算出される。

EP 1 627 790 A1は、摩擦係数（Reibungskoeffizient）を推定するための方法を開示している。操舵角および横加速度が検出される。摩擦係数の推定値は、表を用いて算出される。この表には、種々異なる操舵角および横加速度に対して複数の範囲が設けられており、これらの範囲に複数の摩擦係数が割り当てられている。検出された操舵角および検出された横加速度に依存して、所属する表の範囲が選択され、割り当てられている摩擦係数が、摩擦係数の推定値として使用される。

本発明の課題は、摩擦係数を推定するための信頼度の高い装置、および相応の方法を提供することである。

この課題は、独立請求項に記載された特徴により解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明は、少なくとも１つの車両タイヤと走行道路との間の摩擦係数（Reibkennzahl）を推定するための方法および相応の装置を特徴とする。スリップ角（Schraeglaufwinkel）が検出または算出される。少なくとも１つの車両タイヤと走行道路との間の横方向の摩擦値がモデルを用いて算出される。このモデルにおいては、横方向の摩擦値とスリップ角との関数関係が以下のように定められている。すなわち、スリップ角に対応する横方向の摩擦値の非線形の変化が、スリップ角に対応する横方向の摩擦値の初期勾配と、再帰的に算出された摩擦係数の推定値とに依存するように、関数関係が定められているのである。さらにこの関数関係は、前記初期勾配が、前記再帰的に算出された摩擦係数の推定値とは独立しているように定められている。さらに、走行運動特性に関する車両の測定変数が検出される。横方向の摩擦値に依存して、走行運動特性に関する測定変数に相応した走行運動特性に関するモデル変数が算出される。さらに、走行運動特性に関する測定変数と、走行運動特性に関するモデル変数との間のずれが算出される。摩擦係数の推定値を算出する際の再帰においては、前記摩擦係数の推定値が、算出された前記ずれに依存して調節される。

スリップ角は、車軸に対して垂直である車輪平面と、走行道路とタイヤとが接触する接触範囲の運動方向との間の角度として定義されている。横方向の摩擦値は、タイヤに作用する横力と、走行道路へのタイヤ接地力とからなる商として定義されている。摩擦係数は、タイヤと走行道路との間における摩擦を表しており、タイヤから走行道路に対して作用可能な、走行道路に平行な方向への最大の力と、タイヤ接地力とからなる商として定義されているか、もしくはスリップ値が大きい場合には、この商の制限値として定義されている。

初期勾配は、スリップ角が絶対値的に小さいときの、スリップ角に対応する横方向の摩擦値の曲線の傾きである。とりわけ初期勾配は、スリップ角がゼロに向かうときのこの曲線の傾きの限界値に相応する。

走行運動特性の測定変数および走行運動特性のモデル変数は、例えば横加速度、車両のヨーレート、または、センサを用いて検出可能な適当な値、もしくは検出された測定値から算出可能であり、かつ横方向の摩擦値に依存してモデルの枠内で算出可能な適当な値である。

本発明は以下の認識に基づいている。すなわち、横方向の摩擦値を算出するためにモデルが使用され、該モデルにおいて、スリップ角に関連した横方向の摩擦値の初期勾配が、再帰的に算出される摩擦係数の推定値とは実質的に独立しており、とりわけ一定である場合に、特にロバストかつ確実な摩擦係数の推定が行われるという認識に基づいているのである。このモデルにおける、横方向の摩擦値とスリップ角との間における関数関係によれば、スリップ角に関連した横方向の摩擦値の非線形の変化は広く定められ、実質的に摩擦係数の推定値にのみ依存している。摩擦係数の変化は、非常に簡単に確実に認識することができる。

有利な実施形態では、モデルの関数関係は、第１定数および第２定数を用いて、 μ_T = C1 ・ (1 - exp(-C2 ・ S)) - C3 ・ Sによって定められており、但しS = sqrt(2 ・ (1 - cos (α) ) )、 C1= μ_R ・ C1_0 、C2 = C2_0 / μ_Rである。横方向の摩擦値を算出するために上記関数関係を使用すると、この横方向の摩擦値を簡単に算出することができ、スリップ角に基づいた横方向の摩擦値の初期勾配が、再帰的に算出された摩擦係数の推定値とは実質的に独立し、さらに実質的に一定となる、という利点がある。このことにより、摩擦係数を確実かつ正確に推定することが可能となる。

以下、本発明の実施例を概略的な図面に基づいて説明する。

図1は、車両を示す。図２は、摩擦係数を推定するための装置を示す。図３は、横方向の摩擦値の第1線図を示す。図４は、図３による第1線図を拡大表示した、横方向の摩擦値の第２の線図を示す。図５は、摩擦係数を推定するためのフローチャートを示す。

同一の構造または同一の機能を有する要素には、全ての図面において同一の参照記号が付されている。

車両は、評価装置１と複数のセンサとを有する（図１）。これらのセンサは、評価装置１に結合されている。センサは、とりわけ走行運動特性に関する測定変数を検出するように構成されている。このようなセンサはとりわけ、横加速度a_yを検出する横加速度センサ２、および／またはヨーレートw_zを検出するヨーレートセンサ３、および／または操舵角を検出する操舵角センサ４である。さらに有利には、車両の各車輪に、それぞれの車輪の車輪回転数rdを検出する車輪回転数センサ５が配置されている。これらのセンサは、それぞれ評価装置１と結合されており、この評価装置にそれぞれ検出した測定値を供給する。さらに別のセンサ、例えば縦加速度センサを設けることも可能である。

評価装置１には信号処理ユニットSIGが設けられており、この信号処理ユニットSIGは、評価装置１のセンサによって供給された測定値を処理するために使用される（図２）。さらに推定ユニットESTが設けられており、この推定ユニットESTは、信号処理ユニットSIGの出力側と一方向に結合されている。信号処理ユニットSIGには、とりわけ検出された車輪回転数rd、検出された横加速度a_y、および検出されたヨーレートw_zが供給される。しかし信号処理ユニットSIGに、別の測定変数の測定値を供給することも可能である。

各測定値の処理には、例えばフィルタリング、とりわけローパスフィルタによるフィルタリング、および／または検出された測定値の訂正または変更が含まれる。さらにこの信号処理ユニットSIGは、供給された測定値に依存して導かれる測定変数を算出するように構成されている。この算出は、例えば、走行運動特性に関する車両モデルを用いて行われるか、もしくは以下のような計算処理、すなわち、検出された種々異なる測定変数の測定値のうち２つ以上の測定値を、これらの測定値から導かれる１つの測定変数の１つの測定値にする簡単な計算処理、によって行われる。このようにして導かれる測定変数には、例えば、検出された車輪回転数rdに依存して算出可能である走行速度v、または、走行道路に対して垂直に車両の車輪に及ぼされるタイヤ接地力F_z等がある。さらにスリップ角αを、検出されたヨーレートw_zに依存して検出することも可能である。しかし、上記導かれる測定変数を、場合によっては異なる方法によって検出または算出することもまた可能である。

推定ユニットESTは、この推定ユニットに供給される検出または算出された測定値に依存して、少なくとも１つの車両タイヤと走行道路との間の摩擦係数μ_Rの推定値を算出するように構成されている。摩擦係数μ_Rを推定するために、横方向の摩擦値 μ_Tが、検出または算出されたスリップ角αに依存してモデルを用いて算出される。このモデルにおいては、横方向の摩擦値μ_Tとスリップ角αとの間に、非線形の関数関係が存在する。この非線形の関数関係は、図３および図４にて、種々異なる摩擦係数 μ_Rの推定値についての第１曲線k1と第２曲線k2に例として示されている。摩擦係数μ_Rの推定値は、第１曲線k1では０．５であり、第２曲線k2では１である。

スリップ角αに対する横方向の摩擦値μ_Tの初期勾配は、実質的に、摩擦係数μ_Rの推定値とは独立しており、有利には一定である。特に有利な実施形態においては、横方向の摩擦値μ_Tとスリップ角αとの間の非線形の関数関係は、
μ_T = C1 ・ (1 - exp(-C2 ・ S) ) - C3 ・ S 、但し
S = sqrt (2 ・ (1 - cos (α) ) )
によって定められている。ここでexpは指数関数を示しており、sqrtは平方根を示している。さらに第1パラメータC1は、摩擦係数μ_Rの推定値と第1定数C1_0の積として定められており、第２パラメータC2は、第2定数C2_0と摩擦係数μ_Rの推定値とからなる商として定められている。有利には、第１定数C1_0は、約１の値を有し、第２定数C2_0は約２５の値を有する。しかし第１定数C1_0および第２定数C2_0を、違ったやり方で定めることも可能である。第３のパラメータC3は、有利には小さな値、例えば０．２を有する。スリップ角αが小さい場合、とりわけこのスリップ角αに対する横方向の摩擦値μ Tの初期勾配に関連して、項-C3 ・ Sを省略することができる。特に有利な実施形態においては、第３のパラメータC3の値はゼロである。したがって横方向の摩擦係数 μ_Tの検出は、特に簡単となる。

指数関数を級数展開し、第１項より後を切り捨てることにより、この独立変数-C2 ・ Sを備える指数関数について単純化された表現1 - C2 ・ Sが得られる。これにより横方向の摩擦係数μ_Tは、スリップ角αが小さい場合、C1 ・ C2 ・ S = C1_0 ・ C2_0 ・ Sとほぼ等しくなる。したがって、スリップ角αに対する横方向の摩擦係数μ_Tの初期勾配は、実質的に摩擦係数μ_Rの推定値とは独立し、実質的に一定となる。横方向の摩擦値μ_Tとスリップ角αとの間のこのような関係により、摩擦係数μ_Rを特に確実かつロバストに推定することが可能となる。しかし、横方向の摩擦値μ_Tとスリップ角αとの間の非線形の関数関係を、違ったやり方で定めることも可能である。

図５は、摩擦係数μ_Rを推定するためのプログラムのフローチャートを示す。このプログラムは、ステップS1においてスタートする。ステップ２では、時刻t-1における摩擦係数μ_Rの推定値が、所定の値、例えば１にセットされる。

ステップS3において、第1パラメータC1に、時刻t-1における摩擦係数μ_Rの推定値と第1定数C1_0との積が割り当てられる。さらに第２パラメータC2に、第２定数C2_0と、時刻t-1における摩擦係数の推定値とからなる商が割り当てられる。ステップS4において、スリップ角α、タイヤ接地力F_z、車両速度v、および検出された横加速度a_yが検出または算出される。ステップS5において、有利には、検出された横加速度a_yの絶対値が、横加速度の所定の下の制限値a_thよりも小さいか否かがチェックされる。この横加速度の所定の下の制限値a_thは、例えば０．５m/s²であるが、０．５m/s²より大きくても小さくてもよい。さらにステップS5において有利には、車両速度vが、所定の下の速度制限値y_thよりも小さいか否かがチェックされる。所定の下の速度制限値y_thは、例えば５m/sであるが、５m/sより大きくても小さくてもよい。ステップS5においてこれらの条件が満たされると、ステップS3においてプログラムが続行される。

ステップS5において条件が満たされない場合、ステップS6において、横方向の摩擦係数μ_Tが、スリップ角αに依存して算出される。ステップS7において、算出された横加速度a_y_cが、算出された横方向の摩擦値μ_Tに依存して、走行運動特性のモデル変数として算出され、有利にはローパスフィルタによって平らにされる。例えば横力F_yが、算出された横方向の摩擦値μ_Tとタイヤ接地力F_zとの積として算出される。その後、算出された横加速度a_y_cを、算出された横力F_yに依存して算出することができる。

ステップS8において、有利には、検出された横加速度a_yが、算出された横加速度a_y_cの所定の許容範囲内にあるか否かがチェックされる。所定の許容範囲の下の限界は、算出された横加速度a_y_cの絶対値と、下の加速度許容制限値a_minとの差として定められている。相応にして、所定の許容範囲の上の限界は、算出された横加速度a_y_cの絶対値、上の加速度許容制限値a_maxとの和によって定められている。検出された横加速度a_yの絶対値が所定の許容範囲内にある場合には、ステップ３においてプログラムが続行される。そうでない場合にはステップ９において、摩擦係数μ_R推定値が調整される。摩擦係数μ_Rの推定値の前記調整が行われ、時刻tにおける摩擦係数μ_Rの推定値には、時刻t-1における摩擦係数μ_Rから、算出された横加速度a_y_cの絶対値と検出された横加速度a_yとの差に係数Kを掛けた積、を引いた差が割り当てられる。さらにステップS10において、ステップS3からS9による後続の調節ステップに対して、時刻t-1における摩擦係数μ_Rの推定値に、時刻ｔにおける摩擦係数μ_Rの推定値が割り当てられる。プログラムは、ステップS3において続行される。このようにして、摩擦係数μ_Rの推定値が再帰的に算出されるのである。

有利には、このプログラムは、待ち時間T_Wの経過後に初めて続行される。待ち時間T_Wは、例えば、測定値が検出または算出されるサンプリング間隔に相応するか、または摩擦係数μ_Rの推定値の調節およびアップデートための所定の時間間隔に相応する。係数Kは、例えば約1.5 s/m ・ T_Wとして定められている。しかしこの係数Kを、違ったやり方で定めることも可能である。

このプログラムは、摩擦係数μ_Rを推定するために、検出および算出された横加速度a_y、a_y_cのかわりに検出および算出されたヨーレートw_z、w_z_cを使用する場合にも、相応に実行することができる。これに関して、例えばステップS4のかわりにステップS11が設けられている。このステップS11においては、スリップ角α、タイヤ接地力F_z、車両速度v、検出されたヨーレートw_zが検出または算出される。ステップS5のかわりとなるステップS12においては、検出されたヨーレートw_zの絶対値が、ヨーレートの所定の下の制限値w_thよりも小さいか否か、また、車両速度が所定の下の速度制限値y_thよりも小さいか否かがチェックされる。ステップS7のかわりにステップS13が設けられており、このステップS13においては、算出されたヨーレートw_z_cが、走行運転特性のモデル変数として、検出された横方向の摩擦値μ_Tに依存して算出され、有利にはローパスフィルタによって平らにされる。ステップS8のかわりにステップS14が設けられており、このステップS14においては、検出されたヨーレートw_zの絶対値が、算出されたヨーレートw_z_cの所定の許容範囲内にあるか否かがチェックされる。許容範囲の所定の下の制限値は、算出されたヨーレートw_z_cの絶対値と下のヨーレート許容制限値w_minとの差によって定められている。許容範囲の所定の上の制限値は、算出されたヨーレートw_z_cの絶対値と上のヨーレート許容制限値w_maxの和によって定められている。ステップS9のかわりにステップS15において、摩擦係数μ_Rの推定値の調節が行われる。時刻tにおける摩擦係数μ_Rの推定値には、ステップS15において、時刻t-1における摩擦係数μ_Rの推定値から、算出されたヨーレートw_z_cの絶対値と検出されたヨーレートw_zの絶対値の差に係数Kを掛けた積、を引いた差が供給される。

検出および算出された横加速度a_y,、a_y_c、または、検出および算出されたヨーレートw_z, w_z_cのかわりに、摩擦係数μ_Rを推定するために、測定変数として検出可能およびモデル変数として算出可能な別の運転特性変数が使用される場合にも、このプログラムを相応に実行することが可能である。このような別の車両運転特性変数は、例えばヨー加速度またはヨーモーメントである。

Claims

少なくとも１つの車両タイヤと走行道路との間の摩擦係数(μ_R)を推定するための方法において、
・スリップ角（α）が検出または算出され、
・少なくとも１つの車両タイヤと走行道路との間の横方向の摩擦値(μ_T)がモデルを用いて算出され、
該モデルにおいては、前記横方向の摩擦値(μ_T)と前記スリップ角（α）との関数関係が以下のように定められており、すなわち、
前記スリップ角（α）に対応する前記横方向の摩擦値(μ_T)の非線形の変化が、前記スリップ角（α）に対応する前記横方向の摩擦値(μ_T)の初期勾配と、再帰的に算出される摩擦係数(μ_R)の推定値とに依存するように、関数関係が定められており、
さらに前記関数関係は、前記初期勾配が、前記再帰的に算出される摩擦係数(μ_R)の推定値とは独立しているように定められており、
・走行運動特性に関する車両の測定変数が検出され、
・前記横方向の摩擦値(μ_T)に依存して、前記走行運動特性に関する測定変数に相応した走行運動特性に関するモデル変数が算出され、
さらに、前記走行運動特性に関する測定変数と、前記走行運動特性に関するモデル変数との間のずれが算出され、
・前記摩擦係数(μ_R)の推定値を算出する際の前記再帰においては、前記摩擦係数(μ_R)の推定値が、算出された前記ずれに依存して調節され、
・前記モデルの関数関係は、第１定数 (C1_0) 、第２定数 (C2_0) および第３のパラメータ (C3) を用いて、
μ_T = C1 ・ (1 - exp(-C2 ・ S)) - C3 ・ S、但し
S = sqrt(2 ・ (1 - cos (α) ) )、
C1= μ_R ・ C1_0、
C2 = C2_0 / μ_R、
によって定められている、
ことを特徴とする方法。
少なくとも１つの車両タイヤと走行道路との間の摩擦係数(μ_R)を推定するための装置において、該装置は以下のように構成されている、すなわち
・スリップ角（α）を検出または算出し、
・少なくとも１つの車両タイヤと走行道路との間の横方向の摩擦値(μ_T)をモデルを用いて算出し、
該モデルにおいては、前記横方向の摩擦値(μ_T)と前記スリップ角（α）との関数関係が以下のように定められており、すなわち、
前記スリップ角（α）に対応する前記横方向の摩擦値(μ_T)の非線形の変化が、前記スリップ角（α）に対応する前記横方向の摩擦値(μ_T)の初期勾配と、再帰的に算出される摩擦係数(μ_R)の推定値とに依存するように、関数関係が定められており、
さらに前記関数関係は、前記初期勾配が、前記再帰的に算出される摩擦係数(μ_R)の推定値とは独立しているように定められており、
・走行運動特性に関する車両の測定変数を検出し、
・前記横方向の摩擦値(μ_T)に依存して、前記走行運動特性に関する測定変数に相応した走行運動特性に関するモデル変数を算出し、
さらに、前記走行運動特性に関する測定変数と、前記走行運動特性に関するモデル変数との間のずれを算出し、
・前記摩擦係数(μ_R)の推定値を再帰的に算出し、
該再帰においては、算出された前記ずれに依存して前記推定値が調節され、
・前記モデルの関数関係は、第１定数 (C1_0) 、第２定数 (C2_0) および第３のパラメータ (C3) を用いて、
μ_T = C1 ・ (1 - exp(-C2 ・ S)) - C3 ・ S、但し
S = sqrt(2 ・ (1 - cos (α) ) )、
C1= μ_R ・ C1_0、
C2 = C2_0 / μ_R、
によって定められている、
ように構成されていることを特徴とする装置。