JP5179891B2 - 路面摩擦係数推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の車両に設けられ、路面の摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定装置に関し、特に、停車時や微低速時であっても良好な推定が行えるものに関する。

自動車等の車両において、例えば各輪個別の制動力、エンジン出力、駆動力配分等の制御を適切に行うため、路面の摩擦係数を推定することが求められる。
従来、ステアリング舵角と車速から求められる前輪の横滑り角、及び、路面の摩擦係数に依存するコーナリングフォースが、パワーステアリング装置の作動圧とほぼ比例関係にあることを利用し、舵角、車速、及び、パワーステアリング装置の作動圧に基づいて路面の摩擦係数を推定することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平４−６６８４４号公報

しかし、上述した従来技術の場合、車両の停車時や微低速走行時のように十分なコーナリングフォースが発生しない場合には路面摩擦係数を推定することができず、発進時や車庫入れ等の低速走行時に適切な車両制御を行うことができない。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、停車時や微低速走行時であっても良好な摩擦係数の推定が行える路面摩擦係数推定装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、車両の操舵輪が接地している路面の摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定装置であって、操舵入力部に入力される操舵力に応じて操舵アシスト力を発生するパワーステアリング装置の前記操舵アシスト力を検出する操舵アシスト力検出手段と、前記操舵入力部に入力される操舵操作量を検出する操舵操作量検出手段とを備え、前記操舵操作量検出手段によって前記操舵操作量が検出された後、前記パワーステアリング装置の前記操舵アシスト力が所定値以上となるまでの時間に基づいて路面摩擦係数を推定することを特徴とする路面摩擦係数推定装置である。

請求項２の発明は、前記パワーステアリング装置は、油圧アクチュエータによって前記操舵アシスト力を発生し、前記操舵アシスト力検出手段は、前記油圧アクチュエータに供給される油圧に基づいて前記操舵アシスト力を検出することを特徴とする請求項１に記載の路面摩擦係数推定装置である。
請求項３の発明は、前記パワーステアリング装置は、電動アクチュエータによって前記操舵アシスト力を発生し、前記操舵アシスト力検出手段は、前記電動アクチュエータの出力に基づいて前記操舵アシスト力を検出することを特徴とする請求項１に記載の路面摩擦係数推定装置である。

請求項４の発明は、前記操舵入力部の操舵速度を検出する操舵速度検出手段と、前記操舵速度検出手段によって検出された前記操舵速度に応じて、前記操舵操作量検出手段によって前記操舵操作量が検出された後、前記パワーステアリング装置の前記操舵アシスト力が所定値以上となるまでの時間と路面摩擦係数との相関を変更することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の路面摩擦係数推定装置である。
請求項５の発明は、前記操舵操作量検出手段によって前記操舵操作量が検出された後、前記パワーステアリング装置の前記操舵アシスト力が所定値以上となるまでの時間が短いほど、路面摩擦係数が大きい値であると推定することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の路面摩擦係数推定装置である。

パワーステアリング装置を備えた車両において、路面の摩擦係数が高い場合には、転舵開始後、比較的短時間でアシスト力が立ち上がる。これに対して、路面の摩擦係数が低い場合には、転舵開始からアシスト力が立ち上がるまでの時間が長くなる。
本発明によれば、上述した特性を利用し、操舵操作量が検出された後、パワーステアリング装置の操舵アシスト力が所定値以上となるまでの時間に基づいて路面摩擦係数を推定することによって、車両の停止時や微低速走行時であっても、路面摩擦係数を良好に推定することができる。

また、油圧アクチュエータによって操舵アシスト力を発生する油圧式パワーステアリング装置の場合には、油圧アクチュエータに供給される油圧に基づいて操舵アシスト力を検出し、電動アクチュエータによって操舵アシスト力を発生する電動式パワーステアリング装置の場合には、電動アクチュエータの出力に基づいて操舵アシスト力を検出することによって、操舵アシスト力を簡単な構成によって適切に検出することができる。ここで、電動アクチュエータの出力は、操舵トルクを検出するトルクセンサの出力に応じて電動アクチュエータを制御する場合、トルクセンサの出力に基づいて検出することができる。また、電動アクチュエータに供給される駆動電力に基づいて検出してもよい。

さらに、操舵速度検出手段によって検出された操舵速度に応じて、操舵操作量が検出されてから操舵アシスト力が所定値以上となるまでの時間と路面摩擦係数との相関を変更することによって、操舵速度が異なることに起因するパワーステアリング装置の負荷の影響を補正し、良好な路面摩擦係数の推定を行うことができる

本発明は、停車時や微低速走行時であっても良好な摩擦係数の推定が行える路面摩擦係数推定装置を提供する課題を、ステアリング舵角センサが舵角を検出してから所定のアシスト力が立ち上がるまでの時間に基づいて摩擦係数を推定することによって解決した。

以下、本発明を適用した路面摩擦係数推定装置の実施例について説明する。
図１は、本発明を適用した路面摩擦係数推定装置の実施例の構成を示す図である。
実施例の路面摩擦係数推定装置は、例えば乗用車等の４輪の自動車の前輪を操舵するステアリングシステム１に設けられる。
ステアリングシステム１は、エンジン１０によって駆動されるフルードポンプ２０が発生する油圧によってアシスト力を発生する油圧式のパワーステアリング装置（操舵倍力装置）を備えている。
ステアリングシステム１は、さらに、ステアリングホイール３０、ステアリングシャフト４０、舵角センサ５０、コントロールバルブ６０、ステアリングギアボックス７０等を備えて構成されている。
また、路面摩擦係数推定装置は、ＥＣＵ１００を備えている。

エンジン１０は、車両の走行用動力源として用いられるものであって、例えばガソリンエンジン等の内燃機関である。
フルードポンプ（パワーステアリングポンプ）２０は、パワーステアリング装置の作動油圧を発生する、例えば可変容量型のベーンポンプである。フルードポンプ２０は、エンジン１０によってベルトを介して駆動され、コントロールバルブ６０から戻ってくるパワーステアリングフルードを加圧して吐出し、コントロールバルブ６０に戻す。フルードポンプ２０の吐出圧力は、パワーステアリング装置において要求されるアシスト力（ラック推力）に応じて変化する。
また、フルードポンプ２０は、フルードポンプ２０が発生する油圧に応じて動作する油圧スイッチ２１を備えている。油圧スイッチ２１は、油圧が予め設定された所定値以上となった際にオンとなる。すなわち、油圧スイッチ２１は、パワーステアリング装置におけるアシスト力が所定アシスト力以上となった際にオンされる、本発明にいう操舵アシスト力検出手段として機能する。

ステアリングホイール３０は、図示しないドライバが操舵操作を入力する操作部である。
ステアリングシャフト４０は、ステアリングホイール３０とコントロールバルブ６０とを連結し、ステアリングホイール３０の回転動作をコントロールバルブ６０に伝達する回転軸である。
舵角センサ５０は、例えばステアリングシャフト４０の途中等に設けられ、ステアリングシャフト４０の角度位置に基づいて、ステアリングホイール３０の操作量を検出するものである。舵角センサ５０は、本発明にいう操舵操作量検出手段として機能する。

コントロールバルブ６０は、ステアリングシャフト４０と、ステアリングギアボックス７０の入力部であるピニオン７１との間に設けられている。コントロールバルブ６０は、ステアリングホイール３０による転舵量（ステアリングシャフト４０の回転量）と、実際に転舵が行われた量（ピニオン７１の回転量）との差に応じて、パワーシリンダ７３に作用する油圧をコントロールするものである。コントロールバルブ６０は、ピニオン７１との接続部近傍に設けられた図示しないトーションバー及びロータリバルブを備えている。
ロータリバルブは、ステアリングシャフト４０と共に回転するロータと、ピニオン７１とともに回転するスリーブとを有する。ロータとスリーブとは、トーションバーを介して接続されている。そして、トーションバーに操舵トルクがかかって捩れると、ロータリとスリーブ間の相対位置が変化してフルード通路の断面積が変化し、フルード通路が切り替わってパワーシリンダ７３に供給されるフルード圧がステアリングホイール３０の操作に従って制御される。

図２は、ステアリングホイールとピニオンとの舵角偏差であるバルブ変位と、コントロールバルブからパワーシリンダへ供給される油圧との相関を示すグラフである。図２において、横軸はバルブ変位（舵角偏差）を示し、縦軸は油圧を示している。
図２に示すように、油圧は、舵角偏差（バルブ変位）に対してほぼ２次曲線状の相関を示す。

ステアリングギアボックス７０は、ステアリングホイール３０の回転運動を車幅方向の直進運動に変換するラックアンドピニオン機構を備えている。
ラックアンドピニオン機構は、ピニオン７１、ラック７２等を有して構成されている。
ピニオン７１は、コントロールバルブ６０に接続され、ステアリングホイール３０及びステアリングシャフト４０とともに回転し、ラック７２を駆動する円形歯車である。
ラック７２は、車幅方向に伸びて形成された部材にピニオン７１と係合する歯を形成したものである。ラック７２は、ピニオン７１の回転に応じて、車幅方向に直進移動する。
ラック７２の両端部は、図示しないタイロッドを介して、左右前輪を支持する図示しないハウジングに接続される。ハウジングは、仮想操向軸線であるキングピン軸回りに回転可能に支持されており、ラック７２の左右移動に応じて操向され、これによって前輪が転舵される。

また、ステアリングギアボックス７０には、パワーステアリング装置の操舵アシスト力を発生するパワーシリンダ７３及びピストン７４が設けられている。
パワーシリンダ７３及びピストン７４は、コントロールバルブ６０によって制御された油圧をアシスト力に変換してラック７２に作用させるものである。パワーシリンダ７３及びピストン７４は、本発明にいう油圧アクチュエータとして機能する。
パワーシリンダ７３は、円筒状に形成された油圧室であって、その内部にラック７２の一部、及び、ラック７２に固定されたピストン７４が挿入される。
パワーシリンダ７３は、ピストン７４を挟んだ両側にそれぞれ油圧室（右室７３Ｒ，左室７３Ｌ）を有する。

ここで、図１には、ラック７２を左側へ駆動する場合のフルードの流れを矢印によって図示している。ラック７２の左側への変位は、前輪の操向軸線（キングピン軸）に対してラック７２が前置きの場合には左への前輪転舵を意味し、ラック７２がキングピン軸に対して後置きの場合には右への前輪転舵を意味する。
この場合、図１に示すように、コントロールバルブ６０は、右室７３Ｒに加圧されたフルードを圧送するとともに、左室７３Ｌ内のフルードの一部を回収する。これによって、ピストン７４は左側へ押され、ラック７２を駆動する。

ＥＣＵ１００は、フルードポンプ２０の油圧スイッチ２１の出力、及び、舵角センサ５０の出力に基づいて、車両の前輪が接地している路面の路面摩擦係数μを推定するものである。すなわち、ＥＣＵ１００は、油圧スイッチ２１及び舵角センサ５０と協働して、本発明の路面摩擦係数推定装置として機能する。
ＥＣＵ１００の動作、機能については、後に詳しく説明する。

次に、本実施例において路面摩擦係数を推定する原理について説明する。
図３は、直進状態からステアリングホイール３０をほぼ一定の角速度で操舵した場合におけるステアリング舵角と油圧スイッチ出力との時間履歴の例を示すグラフである。図３（ａ）は路面摩擦係数が低い場合（路面抵抗が低い場合）を示し、図３（ｂ）は路面摩擦係数が高い場合（路面抵抗が高い場合）を示している。
図３（ａ）及び図３（ｂ）を比較すると、ステアリング舵角の増加率（操舵速度）はほぼ同等である。一方、ステアリング舵角の増加が始まってから、パワーステアリング装置のアシスト力が所定値となり油圧スイッチがオンとなるまでの時間は、路面摩擦係数が高い図３（ｂ）のほうが短くなっている。この時間は路面摩擦係数の関数として表すことができる。
このことから、仮に転舵速度が一定であるとすると、路面摩擦係数は転舵開始から油圧スイッチオンまでの転舵時間に基づいて算出可能であることがわかる。

次に、本実施例の路面摩擦係数推定装置の動作について説明する。
図４は、路面摩擦係数推定装置の動作を示すフローチャートである。以下、ステップ毎に順を追って説明する。

＜ステップＳ０１：転舵有無判断＞
ＥＣＵ１００は、舵角センサ５０の出力に基づいて設定される転舵フラグが１であればステップＳ０２に進み、０であればステップＳ０６に進む。
転舵フラグは、舵角センサ５０の出力に基づいて求められるステアリングホイール３０の操舵操作量が実質的にゼロ（直進状態）である場合には０にセットされ、操舵操作量が実質的にゼロ以外（転舵状態）である場合には１にセットされる。

＜ステップＳ０２：転舵開始判断＞
ＥＣＵ１００は、転舵フラグの履歴に基づいて、現在の状態が転舵開始直後（切り始め）であるか否かを判断する。
ＥＣＵ１００は、直近に転舵フラグが０から１にセットされた場合には転舵開始直後と判定してステップＳ０３に進み、以前から転舵フラグが１であった場合には定常的な転舵状態であると判定してステップＳ０５に進む。

＜ステップＳ０３：ステアリングタイマリセット・転舵開始舵角記憶＞
ＥＣＵ１００は、内蔵されたステアリングタイマのタイマ値をゼロとしてリセットするとともに、舵角センサ５０の出力に基づいて検出される転舵開始舵角（転舵開始時における舵角）を記憶してステップＳ０４に進む。
ステアリングタイマは、転舵開始から油圧スイッチ２１オンまでの時間を計時するタイマ手段である。

＜ステップＳ０４：油圧スイッチオン判断＞
ＥＣＵ１００は、油圧スイッチ２１のオンオフを検出し、オンの場合にはパワーステアリング装置のアシスト力が所定値以上まで増大したと判断してステップＳ０７に進み、オフの場合にはアシスト力が未だ所定値まで立ち上がっていないと判断して終了する。

＜ステップＳ０５：ステアリングタイマカウントアップ＞
ＥＣＵ１００は、ステアリングタイマのタイマ値を所定値だけカウントアップしてステップＳ０４に進む。

＜ステップＳ０６：ステアリングタイマリセット＞
ＥＣＵ１００は、ステアリングタイマのタイマ値をゼロとしてリセットし、終了する。

＜ステップＳ０７：転舵速度算出＞
ＥＣＵ１００は、舵角センサ５０の出力に基づいて検出される現在の舵角と、ステップＳ０３において記憶された転舵開始舵角との差として求められる転舵量を、ステアリングタイマのタイマ値である転舵時間で除して転舵速度を算出し、ステップＳ０８に進む。

＜ステップＳ０８：推定路面摩擦係数算出＞
ＥＣＵ１００は、ステップＳ０７において求めた転舵速度を予め設定された基準転舵速度で除した後に、さらにステアリングタイマのタイマ値である転舵時間を乗じ、さらに必要に応じて所定の係数を乗じることによって、路面抵抗推定値（推定路面摩擦係数）を算出し、一連の処理を終了する。
ここで、基準転舵速度は、転舵速度の違いに起因するフルードポンプ２０の負荷の違いを補正するために予め設定されている基準値である。
ここで、ＥＣＵ１００は、路面摩擦係数推定結果のアウトプットとして、推定摩擦係数の値を出力してもよく、また、一つ又は複数の閾値と比較して、路面摩擦係数を、例えば高・低の二段階や、高・普通・低の三段階等にランク付けして出力するようにしてもよい。

以上説明した本実施形態の路面摩擦係数推定装置によれば、舵角センサ５０の出力に基づいて転舵開始を検出してから、パワーステアリング装置のアシスト力が所定値以上に増大し油圧スイッチ２１がオンとなるまでの時間に基づいて路面の摩擦係数μを推定することによって、車両の停止時や微低速走行時であっても、路面摩擦係数を良好に推定することができる。
また、実際の転舵速度を基準転舵速度で除した値に転舵時間を乗じて路面抵抗推定値（推定路面摩擦係数）を算出することによって、転舵速度の違いに起因するフルードポンプ２０の負荷の違いを補正して、転舵速度が異なる場合であっても良好な路面摩擦係数の推定を行うことができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）実施例においてはパワーステアリング装置は油圧式のものであったが、本発明は電動アクチュエータによってアシスト力を発生する電動パワーステアリング装置にも適用することができる。この場合、電動アクチュエータの出力に基づいてアシスト力を検出することができる。例えば操舵トルクを検出するトルクセンサの出力に基づいて電動アクチュエータの出力が設定される場合、トルクセンサの出力に基づいて電動アクチュエータの出力を間接的に検出することができる。また、電動アクチュエータに供給される電力に基づいて電動アクチュエータの出力を間接的に検出してもよい。
（２）実施例においては、転舵速度を基準転舵速度で除した値を転舵時間に乗じることによって転舵速度の違いに起因するフルードポンプの負荷の違いを補正しているが、本発明はこれに限らず、例えば複数の操舵速度に対してそれぞれ転舵時間と推定路面摩擦係数との相関を準備したテーブルを用いて転舵速度に応じた補正を行うようにしてもよい。

本発明を適用した路面摩擦係数推定装置の実施例の構成を示す図である。 実施例におけるステアリングホイールとピニオンとの舵角偏差と、コントロールバルブからパワーシリンダへ供給される油圧との相関を示すグラフである。 実施例のステアリングシステムにおけるステアリング舵角と油圧スイッチ出力との履歴の例を示すグラフである。 実施例の路面摩擦係数推定装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ステアリングシステム １０ エンジン
２０ フルードポンプ ２１ 油圧スイッチ
３０ ステアリングホイール ４０ ステアリングシャフト
５０ 舵角センサ ６０ コントロールバルブ
７０ ステアリングギアボックス ７１ ピニオン
７２ ラック ７３ パワーシリンダ
７４ ピストン １００ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 車両の操舵輪が接地している路面の摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定装置であって、
   操舵入力部に入力される操舵力に応じて操舵アシスト力を発生するパワーステアリング装置の前記操舵アシスト力を検出する操舵アシスト力検出手段と、
   前記操舵入力部に入力される操舵操作量を検出する操舵操作量検出手段とを備え、
   前記操舵操作量検出手段によって前記操舵操作量が検出された後、前記パワーステアリング装置の前記操舵アシスト力が所定値以上となるまでの時間に基づいて路面摩擦係数を推定することを特徴とする路面摩擦係数推定装置。
2. 前記パワーステアリング装置は、油圧アクチュエータによって前記操舵アシスト力を発生し、
   前記操舵アシスト力検出手段は、前記油圧アクチュエータに供給される油圧に基づいて前記操舵アシスト力を検出すること
   を特徴とする請求項１に記載の路面摩擦係数推定装置。
3. 前記パワーステアリング装置は、電動アクチュエータによって前記操舵アシスト力を発生し、
   前記操舵アシスト力検出手段は、前記電動アクチュエータの出力に基づいて前記操舵アシスト力を検出すること
   を特徴とする請求項１に記載の路面摩擦係数推定装置。
4. 前記操舵入力部の操舵速度を検出する操舵速度検出手段と、
   前記操舵速度検出手段によって検出された前記操舵速度に応じて、前記操舵操作量検出手段によって前記操舵操作量が検出された後、前記パワーステアリング装置の前記操舵アシスト力が所定値以上となるまでの時間と路面摩擦係数との相関を変更すること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の路面摩擦係数推定装置。
5. 前記操舵操作量検出手段によって前記操舵操作量が検出された後、前記パワーステアリング装置の前記操舵アシスト力が所定値以上となるまでの時間が短いほど、路面摩擦係数が大きい値であると推定すること
   を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の路面摩擦係数推定装置。
   

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