JP5089558B2 - 路面摩擦係数推定装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車の路面とタイヤとの間の最大摩擦係数（以下、路面摩擦係数という）を推定する路面摩擦係数推定装置に関するものである。

従来、ハンドル角センサを用いて路面摩擦係数を推定する手法が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平０９−１５６５１８号公報 特開平１１−２８７７４９号公報 特開２００３−１２７８８８号公報

従来の手法は、上述したように、路面摩擦係数を推定するのにハンドル角を用いる必要がある。このため、電動パワーステアリング装着車両に対してハンドル角センサなど追加のセンサが必要であり、製造において部品コストが増加するという課題があった。

この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、追加のセンサを必要とせずに、タイヤと路面との摩擦係数を求めることができ、低コストで路面摩擦係数を推定可能とすることができる路面摩擦係数推定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る路面摩擦係数推定装置は、走行中の車両のタイヤが路面から受ける路面反力トルクを検出する路面反力トルク検出手段と、前記路面反力トルク検出手段からの路面反力トルクの検出値の飽和を検出する路面反力トルク飽和検出手段と、前記路面反力トルク検出手段からの路面反力トルクの検出値と前記路面反力トルク飽和検出手段からの飽和判定値とに基づき、路面反力トルクの飽和判定時に、所定定数に基づく演算式に従って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、前記所定定数は、自動車に装着されるタイヤの特性に基づいて設定されるものである。

この発明によれば、路面反力トルクの飽和値を検出し、この飽和値により所定の演算式に基づき路面摩擦係数を推定することで、追加のセンサを必要とせずに、タイヤと路面との摩擦係数を求めることができ、低コストで路面摩擦係数を精度よく推定可能にすることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による路面摩擦係数推定装置を示す構成図である。実施の形態１に係る路面摩擦係数推定装置は次の要素から構成される。すなわち、車両の走行中に、操舵系が路面からタイヤを介して受ける反力を検出する路面反力トルク検出手段１、路面反力トルクが飽和状態にあるか否かを判定する路面反力トルク飽和検出手段２、路面反力トルク検出手段１からの路面反力トルクの検出値と路面反力トルク飽和検出手段２からの飽和判定値とに基づき、路面反力トルクの飽和判定時に、所定定数に基づく演算式に従って路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段３を備える。ここで、所定定数は、自動車に装着されるタイヤの特性に基づいて設定される。

次に、図２に示すフローチャートを用いて路面摩擦係数推定装置の動作を説明する。ステップＳ１１において、路面反力トルク検出手段１は、操舵系が路面からタイヤを介して受ける反力をキングピン周りのモーメントとして検出し、検出値を出力する。

ステップＳ１２において、路面反力トルク飽和検出手段２は、路面反力トルク検出手段１からの路面反力トルクの検出値に基づき、路面反力トルクが概ね飽和したか否かを２値で判定し、路面反力飽和判定値を出力する。ここで、飽和とは、図３に示すように、前輪横すべり角が増加しているにもかかわらず路面反力トルクが変化しない、または、減少する状況のことを指す。

ステップ１３において、路面摩擦係数推定手段３は、路面反力トルク検出手段１からの路面反力トルクの検出値と路面反力トルク飽和検出手段２からの路面反力飽和判定値とに基づき、飽和判定時に、路面反力検出値から後述する式（１）または式（２）に記載した演算式で路面摩擦係数μを推定する。

以下では、路面摩擦係数推定手段３の動作原理について説明する。一般に、タイヤの横力特性およびセルフアライニング特性として、Ｆｉａｌａのタイヤモデルとして下記が知られている。

ただし、Ｆ：タイヤの横力、μ：路面摩擦係数、Ｗ：タイヤの垂直荷重、Ｍ：タイヤのセルフアライニングトルク、ｌ：タイヤ接地長であり、ψは下記で定義される無次元化横すべり角である。

ただし、Ｋ：タイヤのコーナリングパワー、β：タイヤ横すべり角である。

前記Ｆｉａｌａのタイヤモデルの関係に基づけば、タイヤに働くキングピン周りの路面反力Ｍ_ｚは下記の通り表される。

ただし、ξ_ｃ：キャスタトレール、ξ_ｐ：ニューマチックトレールである。

また、この路面反力Ｍｚの極大値Ｍｚｍａｘは下記の通りである（この状況が上述の飽和した状態である）。

この関係を用いれば、路面反力が極大となったとき、下記の通り路面摩擦係数μが求まる。

ここで、上式（１）のうち、タイヤ接地長ｌ、操舵系の形状で決まるキャスタトレールξ_ｃおよびタイヤの垂直荷重Wについては、走行状態に依らずほぼ一定とみなせるため、これらをまとめて下式（２）に示す定数ａとして予め定めておくことができる。この定数ａの具体的な数値は車種等によって異なる。

なお、路面反力トルク検出手段１は、例えば電動パワーステアリング装置の機能を用いた公知技術（例えば、特開２００５−３２４７３７号公報参照）により求めたステアリング軸周りの路面反力トルクＴａｌｉｇｎで代用してもよい。この際、ステアリングギア比をＧｒｐとして、
Ｍｚ＝Ｇｒｐ／２×Ｔａｌｉｇｎ
とする。

また、上記のように電動パワーステアリングの機能を用いてステアリング軸周りの路面反力で代用する場合、操舵系の摩擦の影響を受ける場合がある。この場合、この摩擦の影響を除去するために、式（１）に代えて、下式（３）によって路面摩擦係数を求めてもよい。

ここで、bは操舵系の摩擦の影響を補償するオフセットを示しており、具体的な数値は車種や車速等によって異なる。

式（３）における定数ａおよびｂについて、ある車種の具体的な数値例としては、ａ＝０．００６９［１／Ｎｍ］、ｂ＝−０．０３４２である。これを図４に示す。この図４において、縦軸は路面摩擦係数μ、横軸は路面反力Ｍｚの極大値Ｍｚｍａｘを示している。図に引かれた直線は、定数ａおよびｂの値を定めたときの式（３）の関係を示している。一方、菱形でプロットされている点は、この発明とは異なる路面摩擦係数計測装置で計測した路面摩擦係数値とそのときの路面反力Ｍｚの極大値Ｍｚｍａｘの値である。このように別の計測装置による路面摩擦係数の推定値と本実施の形態１に係る手法により求まる路面摩擦係数の値はよく合致していることが分かる。

なお、操舵系の摩擦は車速に応じて変動することが知られているため、車速に応じたテーブルとしてこの定数ｂの値を定めてもよい。また、操舵系の摩擦は路面振動によって等価的に低下することが知られており、路面振動を路面反力の振動として検知して定数ｂの値を補正してもよい。

上述したように、実施の形態１によれば、舵角センサを必要としない安価な構成であるにもかかわらず、精度よく路面摩擦係数を推定可能となる。また、完成車を用いた特殊な測定を必要とせず、入手の容易な車両設計値とタイヤ特性値のみから路面摩擦係数の推定する際の所定定数を定めることができ、所定定数を定めるための工数を削減することができる。

実施の形態２．
タイヤに掛る垂直荷重が大きく変動する場合、実施の形態１のように、定数ａの演算式（２）において、左辺値ａを一定とみなして路面摩擦係数を推定すると、この推定精度が悪化する場合がある。これは、定数ａの演算式（２）の右辺において垂直荷重Wが一定とみなせないためである。

このような状況は、例えば、トラックなど荷物の積載状況によって車重が大きく変化する車両や、重心が高いために加減速によって前後輪間で大きく荷重移動が起こる車両などで起こりうる。このような車両に対しては、所定値ａを予め定めずに、荷重の変動に応じて定数ａの演算式（２）により、定数ａの値を補正する。なお、この荷重は、例えば、サスペンション系にロードセルを設けるなどの既存の方式を用いればよい。

このように、自動車に装着されるタイヤにかかる垂直荷重の検出値を用いて定数ａを補正することで、乗員数の変化等により車重に変動があったときにおいても、精度よく路面摩擦係数を推定することが可能となる。

実施の形態３．
一般に、タイヤ空気圧が低下することにより、タイヤ接地長は若干大きくなる。このため、定数ａの演算式（２）の右辺の実際の値は、空気圧の低下に伴い若干小さな値となる。この際に、実施の形態１のように一定の所定値を用いる場合は、路面摩擦係数の推定値が大きくなる。

そこで、路面摩擦係数の精度が重要である場合は、タイヤ空気圧に応じたタイヤ接地長さを予めマップデータとして所持し、所定値ａを予め定めずに、タイヤ空気圧に応じて定数ａの演算式（２）により、ａの値を補正し、これにより精度向上を図る。 なお、タイヤ空気圧については例えばタイヤ空気圧センサを用いるなど既存の方法を用いればよい。

このように、自動車に装着されるタイヤの空気圧の検出値を用いて定数ａを補正することで、タイヤ空気圧に変動があったときにおいても、精度よく路面摩擦係数を推定することが可能となる。

実施の形態４．
前輪駆動車においては、前輪に駆動力が掛るため、式（１）に示す関係を用いても精度よく路面摩擦係数μを求めることができない場合がある。前輪制動力により路面反力が影響を受けて変化するためである。これは特に駆動力の大きい場合に顕著である。ここで、駆動力が大きい場合とは、例えば、下記のいずれかに該当する場合である。

ここで、Ｆ_ｘは前輪制駆動力、Wは垂直荷重、ｃはタイヤ異方性係数（通常、１が設定される）、μ_{ｙ，ｓｅｔ}は路面摩擦係数推定値である。また、ｅ_１は許容誤差率、ｅ_２は許容誤差量を示すパラメータであり、例えばそれぞれ０．１と０．２が設定される（これらはそれぞれ、路面摩擦係数真値に対する路面摩擦係数推定値の誤差について、±０．1かつ±２０％以内ということを示している）。

図５は、この発明の実施の形態４による路面摩擦係数推定装置を示す構成図である。図５に示す実施の形態４に係る路面摩擦係数推定装置は、特に前輪において前述の大きな駆動力が発生しうる前輪駆動車および四輪駆動車を対象としたものである。路面反力トルク検出手段１、路面反力トルク飽和検出手段２および路面摩擦係数推定手段３については、実施の形態１から３までの既述のものと同様である。

図５に示すこの発明の実施の形態４による路面摩擦係数推定装置は、上述した構成の他に、ホイールにかかる駆動力（または制動力の少なくとも一方）を検出する駆動力検出手段４と、駆動力検出手段４からの駆動力（または制動力）の検出値に基づいて路面摩擦係数推定手段３から得られる路面摩擦係数推定値を補正する路面摩擦係数補正手段５とをさらに備えている。

駆動力検出手段４は、タイヤに働く駆動力を検出し、また、路面摩擦係数補正手段５は、路面摩擦係数推定手段３から得られる路面摩擦係数推定値について、駆動力を用いて下式（４）で補正するものである。

ただし、μ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}：路面摩擦係数補正値、Ｆ_ｘ：駆動力推定値、ｃ：タイヤ異方性係数（通常、１が設定される）である。

次に、図６に示すフローチャートを用いて本実施の形態４の動作を説明する。ステップＳ１１〜Ｓ１３では、実施の形態１と同様の動作を行う。ステップＳ１４において、駆動力検出手段４は、タイヤに働く駆動力の検出を行う。ステップＳ１５において、路面摩擦係数補正手段５は、式（４）に基づいて路面摩擦係数の補正を行い、路面摩擦係数の補正値を出力する。

なお、実施の形態４による補正は駆動力に限るものではなく、ブレーキによる制動力によって同様の補正を行ってもよい。制動によっても駆動のときと同様に、制動力によって路面反力が影響を受けて路面摩擦係数の推定精度が低下するためである。

上述したように、実施の形態４によれば、タイヤにかかる駆動力または制動力の検出値に基づいて路面摩擦係数推定値を補正することで、タイヤに制駆動力がかかる場合であっても、精度よく路面摩擦係数を推定することができる。

実施の形態５．
上述した実施の形態４では、タイヤにかかる駆動力または制動力の検出値に基づいて路面摩擦係数推定値を補正するようにしたが、図５に示す構成において、路面の不整状態を検出する路面不整状態検出手段（図示せず）を付加して、路面摩擦係数補正手段５により路面不整状態検出手段の検出値を用いて路面摩擦係数推定値をさらに補正することができる。

このような構成によれば、路面の不整状態を検出し、その検出値を用いて路面摩擦係数推定値を補正することで、不整路面のため路面反力が低下する場合であっても、精度よく路面摩擦係数を推定することができる。

この発明の実施の形態１による路面摩擦係数推定装置を示す図である。 この発明の実施の形態１の動作を示す流れ図である。 路面反力トルクの飽和を示す図である。 路面摩擦係数と路面反力トルク飽和値の関係を示す図である。 この発明の実施の形態４による路面摩擦係数推定装置を示す図である。 この発明の実施の形態４の動作を示す流れ図である。

符号の説明

１ 路面反力トルク検出手段、２ 路面反力トルク飽和検出手段、３ 路面摩擦係数推定手段、４ 駆動力検出手段、５ 路面摩擦係数補正手段。

Claims (4)

1. 走行中の車両のタイヤが路面から受ける路面反力トルクを検出する路面反力トルク検出手段と、
   前記路面反力トルク検出手段からの路面反力トルクの検出値の飽和を検出する路面反力トルク飽和検出手段と、
   前記路面反力トルク検出手段からの路面反力トルクの検出値と前記路面反力トルク飽和検出手段からの飽和判定値とに基づき、路面反力トルクの飽和判定時に、所定定数に基づく演算式に従って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、
   前記所定定数は、自動車に装着されるタイヤの特性に基づいて設定される
   ことを特徴とする路面摩擦係数推定装置。
2. 請求項１に記載の路面摩擦係数推定装置において、
   前記所定定数は、自動車に装着されるタイヤの空気圧またはタイヤにかかる垂直荷重の少なくとも一方の検出値を用いて補正される
   ことを特徴とする路面摩擦係数推定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の路面摩擦係数推定装置において、
   ホイールにかかる駆動力または制動力の少なくとも一方を検出する検出手段と、
   前記検出手段からの駆動力または制動力の検出値に基づいて前記路面摩擦係数推定手段から得られる路面摩擦係数推定値を補正する路面摩擦係数補正手段と
   をさらに備えたことを特徴とする路面摩擦係数推定装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の路面摩擦係数推定装置において、
   路面の不整状態を検出する路面不整状態検出手段と、
   前記路面不整状態検出手段からの検出値に基づいて前記路面摩擦係数推定手段から得られる路面摩擦係数推定値を補正する路面摩擦係数補正手段と
   をさらに備えたことを特徴とする路面摩擦係数推定装置。

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