JP6946970B2 - 路面状態判別装置 - Google Patents
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Description
本発明は、タイヤ側装置にてタイヤが受ける振動を検出すると共に、振動データに基づいて路面状態を示す路面データを作成して車体側システムに伝え、その路面データに基づいて路面状態を判別する路面状態判別装置に関する。
従来、特許文献1において、タイヤトレッドの裏面に加速度センサを備え、加速度センサにてタイヤに加えられる振動を検出すると共に、その振動の検出結果に基づいて路面状態の判別を行う路面状態判別方法が提案されている。この路面状態判別方法では、加速度センサが検出したタイヤの振動波形から特徴ベクトルを抽出し、抽出した特徴ベクトルと路面の種類ごとに記憶しておいた全サポートベクタとの類似度を計算することで、路面状態を判別する。例えば、カーネル関数を用いて、抽出した特徴ベクトルと全サポートベクタとの類似度が計算され、最も類似度が高い路面の種類、例えばドライ路面、ウェット路面、凍結路、積雪路などが現在走行中の路面状態であると判別される。このような路面状態判別方法により、ロバスト性の高い路面判定を行うことが可能となる。
上記のようにして路面状態判別を行う場合、アナログ信号となる加速度センサの検出信号をA/D変換してデジタル信号に変え、デジタル信号に基づいて特徴ベクトルの抽出などを行うことになる。
A/D変換における変換範囲は決まっており、この変換範囲に対応してA/D変換の分解能、つまり1LSB当たりの加速度値(以下、最小検出G値という)も決まる。例えば、路面状態判別に用いられる制御部のうちA/D変換に用いられるメモリのビット数は決まっており、例えば13ビットとされる。その場合、例えば入力加速度の最大範囲が±350G見込まれる場合には、13ビットで±350Gを表すことになることから、最小検出G値は、0.085G/LSBとなる。
ここで、路面状態判別においては、例えばA/D変換によりデジタル信号に変換した加速度センサの検出信号を0〜5kHzで複数に区画した各範囲の周波数成分の周波数解析を行うことで、特徴ベクトルの抽出を行う。このため、最小検出G値が大きすぎる場合、入力加速度が小さいと、加速度が変化してもデジタル値の変化が小さくなり、各範囲の周波数成分の周波数解析を的確に行うことができず、特徴ベクトルを抽出できなくなる。逆に、最小検出G値を小さくするためにA/D変換における変換範囲を狭くすると、変換範囲を超える入力加速度が発生した場合に、すべて同じデジタル値で表されることになり、特徴ベクトルを抽出できなくなる。したがって、入力加速度の大きさが変化したときに、的確に周波数解析が行えなくなり、精度良く路面状態を判別できなくなるという課題が発生し得る。
なお、ここではタイヤの振動の検出に加速度センサを用いる場合について説明したが、タイヤの振動を表す検出信号を出力する他のものを用いる場合においても、その検出信号をA/D変換して周波数解析を行うことになるため、上記と同様の課題が発生する。
本発明は上記点に鑑みて、タイヤの振動を表す検出信号をA/D変換したデジタル信号を周波数解析して路面状態を判別する路面状態判別装置において、タイヤの振動の大きさが変化しても、精度良く路面状態を判別できるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の路面状態判別装置は、車両に備えられる複数のタイヤ(3)それぞれに取り付けられ、タイヤの振動の大きさに応じた検出信号を出力する振動検出部(10)と、アナログ信号である振動検出部の検出信号を所定ビット数のデジタル信号にA/D変換してデジタル出力信号とするA/D変換部(12a)と、デジタル出力信号の波形に現れる路面状態を示す路面データを生成する波形処理部(12d)と、路面データを送信する第1データ通信部(13)と、を有するタイヤ側装置(1)と、第1データ通信部から送信された路面データを受信する第2データ通信部(24)と、路面データに基づいて車両の走行路面の路面状態を判別する路面判別部(25)と、を有する車体側システム(2)と、を備えている。このような構成において、タイヤ側装置は、車両の速度である車速を取得する車速取得部(12b)と、A/D変換部にて、検出信号をデジタル信号に変換する際のタイヤの振動の大きさの変換範囲を設定する範囲設定部(12c)と、を有している。
このような路面状態判別装置においては、振動センサ部の検出信号をA/D変換部においてA/D変換するときの変換範囲を車速に応じて可変させられる。このため、車速に応じて変化する振動検出部の検出信号の最大振幅に合わせて変換範囲を設定することができる。よって、タイヤの振動を表す検出信号をA/D変換したデジタル出力信号を周波数解析して路面状態を判別する際に、タイヤの振動の大きさが変化しても、精度良く路面状態を判別することが可能となる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
図1〜図9を参照して、本実施形態にかかる路面状態判別機能を有するタイヤ装置100について説明する。本実施形態にかかるタイヤ装置100は、車両の各車輪に備えられるタイヤの接地面に加わる振動に基づいて走行中の路面状態を判別すると共に、路面状態に基づいて車両の危険性の報知や車両運動制御などを行うものである。
図1〜図9を参照して、本実施形態にかかる路面状態判別機能を有するタイヤ装置100について説明する。本実施形態にかかるタイヤ装置100は、車両の各車輪に備えられるタイヤの接地面に加わる振動に基づいて走行中の路面状態を判別すると共に、路面状態に基づいて車両の危険性の報知や車両運動制御などを行うものである。
図1および図2に示すようにタイヤ装置100は、車輪側に設けられたタイヤ側装置1と、車体側に備えられた各部を含む車体側システム2とを有する構成とされている。車体側システム2としては、受信機21、ブレーキ制御用の電子制御装置(以下、ブレーキECUという)22、報知装置23などが備えられている。なお、このタイヤ装置100のうち路面状態判別機能を実現する部分が路面状態判別装置に相当する。本実施形態の場合、タイヤ側装置1と車体側システム2のうちの受信機21が路面状態判別装置を構成している。
本実施形態のタイヤ装置100は、タイヤ側装置1よりタイヤ3が走行中の路面状態に応じたデータ(以下、路面データという)を送信すると共に、受信機21で路面データを受信して路面状態の判別を行う。また、タイヤ装置100は、受信機21での路面状態の判別結果を報知装置23に伝え、報知装置23より路面状態の判別結果を報知させる。これにより、例えばドライ路やウェット路もしくは凍結路であることなど、路面状態をドライバに伝えることが可能となり、滑り易い路面である場合にはドライバに警告することも可能となる。また、タイヤ装置100は、車両運動制御を行うブレーキECU22などに路面状態を伝えることで、危険を回避するための車両運動制御が行われるようにする。例えば、凍結時には、ドライ路の場合と比較してブレーキ操作量に対して発生させられる制動力が弱められるようにすることで、路面μが低いときに対応じた車両運動制御となるようにする。具体的には、タイヤ側装置1および受信機21は、以下のように構成されている。
タイヤ側装置1は、図2に示すように、振動センサ部10、加速度検出部11、制御部12、データ通信部13、電源部14を備えた構成とされ、図3に示されるように、例えばタイヤ3のトレッド31の裏面側に設けられる。
振動センサ部10は、タイヤ3に加わる振動を検出するための振動検出部を構成するものである。例えば、振動センサ部10は、加速度センサによって構成される。振動センサ部10が加速度センサとされる場合、振動センサ部10は、タイヤ3が回転する際にタイヤ側装置1が描く円軌道に対して接する方向、つまり図3中の矢印Xで示すタイヤ接線方向の振動の大きさに応じた検出信号として、加速度の検出信号を出力する。より詳しくは、振動センサ部10は、矢印Xで示す二方向のうちの一方向を正、反対方向を負とする出力電圧などを検出信号として発生させる。例えば、振動センサ部10は、タイヤ3が1回転するよりも短い周期に設定される所定のサンプリング周期ごとに加速度検出を行い、それを検出信号として出力している。なお、振動センサ部10の検出信号は、出力電圧もしくは出力電流として表されるが、ここでは出力電圧として表される場合を例に挙げる。
加速度検出部11は、タイヤ側装置1が取り付けられたタイヤ3の径方向の加速度を検出するためのものである。具体的には、加速度検出部11は、図3中の矢印Zで示すタイヤ3の径方向の加速度に応じた検出信号を出力する。例えば、加速度検出部11は、タイヤ3が1回転するよりも短い周期に設定される所定のサンプリング周期ごとに加速度検出を行い、それを検出信号として出力している。
制御部12は、CPU、ROM、RAM、I/Oなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ROMなどに記憶されたプログラムに従って検出信号の信号処理を行い、検出信号に現れる路面状態を示す路面データを生成する。そして、制御部12は、それらの処理を行う機能部としてA/D変換部12a、車速取得部12b、範囲設定部12cおよび波形処理部12dを備えた構成とされている。
A/D変換部12aは、アナログ信号として出力される振動センサ部10の検出信号をA/D変換してデジタル信号とし、それを波形処理部11dに伝える役割を果たす。A/D変換部12aは、設定された変換範囲内において、振動センサ部10の検出信号が示す加速度をデジタル値に変換してデジタル信号として出力する。A/D変換の変換範囲は、後述す範囲設定部12cから伝えられる設定値に基づいて設定変更が可能となっており、本実施形態の場合、変換範囲を段階的に設定できるようになっている。
ここでは、A/D変換部12aは、13ビットで3段階の変換範囲のA/D変換が行えるようにされており、振動センサ部10の検出信号に相当する出力電圧を3段階の変換範囲でデジタル値に変換する。例えば、振動センサ部10が加速度センサにて構成され、検出されるタイヤ3の振動が加速度で表される場合、A/D変換部12aは、±20G、±100G、±350の3段階の変換範囲に設定可能とされる。
振動センサ部10の検出信号となる出力電圧波形の振幅は、車速に応じて変化し、図4に示されるように車速が高いほど指数関数的に大きくなる。すなわち、車速が低速域、例えば0〜30km/hのときには、振動センサ部10の出力電圧が示す加速度の最大振幅は例えば±20Gの範囲内となる。また、車速が実用速度域、例えば30〜80km/hのときには、振動センサ部10の出力電圧が示す加速度の最大振幅が±100Gの範囲内となる。さらに、車速が高速域、例えば80〜120km/hのときには、振動センサ部10の出力電圧が示す加速度の最大振幅が±350Gの範囲内となる。このため、A/D変換部12aは、各速度域に対応して変換範囲を上記した3段階に可変できるようになっている。
例えば、13ビットで±20Gを表す場合、最小検出G値は、0.0049G/LSBとなる。13ビットで±100Gを表す場合、最小検出G値は、0.024G/LSBとなる。13ビットで±350Gを表す場合、最小検出G値は、0.085G/LSBとなる。このように、最小検出G値を3段階に可変できる。
なお、車速が120km/hを超えると、振動センサ部10の出力電圧の最大振幅が±350Gの範囲外になる可能性もあるが、ここでは120km/h以上を同じ変換範囲にしている。勿論、120km/h以上の際に、±350Gよりも広い変換範囲を設定しても良い。
車速取得部12bは、車両の速度である車速を取得する役割を果たす。本実施形態の場合、車速取得部12bは、加速度検出部11の検出信号に基づいてタイヤ3の径方向の加速度を測定したのち、その加速度に基づいて車速を演算する。加速度検出部11の検出信号の出力電圧波形には、重力加速度成分と遠心加速度成分が含まれる。重力加速度成分は、タイヤ3の1回転分が1周期となるような振幅波形として現れ、遠心加速度成分は、タイヤ3の回転速度に比例する直流成分として現れる。このため、車速取得部12bは、重力加速度成分の振幅回数に基づいてタイヤ3の回転速度、つまり車速を演算したり、遠心加速度成分の大きさに基づいて車速を演算している。
範囲設定部12cは、車速取得部12bで演算された車速に基づいて、A/D変換部12aの変換範囲を決める設定値を設定する。設定値としては、A/D変換部12aにおいて、設定すべき変換範囲との対応が確認できる値であればどのような値であっても良い。ここでは設定値1〜3としており、例えば車速が0〜30km/hのときには設定値1、30〜80km/hの場合には設定値2、80km/h以上のときには設定値3が設定される。これらの設定値1〜3に基づき、A/D変換部12aは、変換範囲を変化させ、設定値1のときには±20G、設定値2のときには±100G、設定値3のときには±350Gの変換範囲が設定されるようになっている。
このように、車速に応じてA/D変換部12aにおけるA/D変換の変換範囲を可変としており、車速が大きくなるほどA/D変換の変換範囲が広く設定されるようにしている。このため、車速に応じて変化する振動センサ部10の出力電圧の最大振幅に合わせて変換範囲を設定することが可能になる。
波形処理部12dは、A/D変換後の振動センサ部10の検出信号(以下、デジタル出力信号という)をタイヤ接線方向の振動データを表す検出信号として用いて、デジタル出力信号が示す振動波形の波形処理を行うことで、タイヤ振動の特徴量を抽出する。本実施形態の場合、タイヤ3の加速度(以下、タイヤGという)の検出信号を信号処理することで、タイヤGの特徴量を抽出する。また、波形処理部12dは、抽出した特徴量を含むデータを路面データとしてデータ通信部13に伝える。なお、ここでいう特徴量の詳細については後で説明する。
また、波形処理部12dは、データ通信部13からのデータ送信を制御しており、データ送信を行わせたいタイミングでデータ通信部13に対して路面データを伝えることで、データ通信部13からデータ通信が行われるようにする。例えば、波形処理部12dは、タイヤ3が1回転するごとにタイヤGの特徴量の抽出を行い、タイヤ3が1回転もしくは複数回転する毎に1回もしくは複数回の割合で、データ通信部13に対して路面データを伝えている。例えば、波形処理部12dは、データ通信部13に対して路面データを伝えるときのタイヤ3の1回転中に抽出されたタイヤGの特徴量を含んだ路面データをデータ通信部13に対して伝えている。
データ通信部13は、第1データ通信部を構成する部分であり、例えば、波形処理部12dから路面データが伝えられると、そのタイミングで路面データの送信を行う。データ通信部13からのデータ送信のタイミングについては、波形処理部12dによって制御され、波形処理部12dからタイヤ3が1回転もしくは複数回転するごとに路面データが送られてくるたびに、データ通信部13からのデータ送信が行われるようになっている。
電源部14は、タイヤ側装置1の電源となるものであり、タイヤ側装置1に備えられる各部への電力供給を行うことで、各部が作動させられるようにしている。電源部14は、例えばボタン電池等の電池で構成される。タイヤ側装置1がタイヤ3内に備えられることから、容易に電池交換を行うことができないため、消費電力の軽減を図ることが必要となっている。また、電池の他にも、発電装置および蓄電池等によって電源部14を構成することもできる。電源部14が発電装置を有した構成とされる場合、電池とされる場合と比較すると電池寿命の問題は少なくなるが、大きな電力の発電は難しいため、消費電力の低減を図ることが望ましい。
一方、車体側システム2を構成する受信機21やブレーキECU22および報知装置23は、図示しないイグニッションスイッチなどの起動スイッチがオンされると駆動されるものである。
受信機21は、図2に示すように、データ通信部24と路面判別部25とを有した構成とされている。
データ通信部24は、第2データ通信部を構成する部分であり、タイヤ側装置1のデータ通信部13より送信された特徴量を含む路面データを受信し、路面判別部25に伝える役割を果たす。
路面判別部25は、CPU、ROM、RAM、I/Oなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ROMなどに記憶されたプログラムに従って各種処理を行って、路面状態を判定する。具体的には、路面判別部25は、サポートベクタを保存しており、制御部12から伝えられる路面データとサポートベクタとを比較することで路面状態の判別を行っている。
サポートベクタは、路面の種類ごとに記憶され、保存されている。サポートベクタは、手本となる特徴量のことであり、例えばサポートベクタマシンを用いた学習によって得ている。タイヤ側装置1を備えた車両を実験的に路面の種類別に走行させ、そのときに制御部12で抽出した特徴量を所定のタイヤ回転数分学習し、その中から典型的な特徴量を所定数分抽出したものがサポートベクタとされる。例えば、路面の種類別に、100万回転分の特徴量を学習し、その中から100回転分の典型的な特徴量を抽出したものをサポートベクタとしている。
そして、路面判別部25は、データ通信部24が受信したタイヤ側装置1より送られてきた特徴量と、保存された路面の種類別のサポートベクタとを比較することで、路面状態を判別する。例えば、今回受信した路面データに含まれる特徴量を路面の種類別のサポートベクタと対比して、その特徴量が最も近いサポートベクタの路面を現在の走行路面と判別している。
また、路面判別部25は、路面状態を判別すると、判別した路面状態を報知装置23に伝え、必要に応じて報知装置23より路面状態をドライバに伝える。これにより、ドライバは路面状態に対応した運転を心掛けるようになり、車両の危険性を回避することが可能となる。例えば、報知装置23を通じて判別された路面状態を常に表示するようにしても良いし、判別された路面状態がウェット路や凍結路等のように運転をより慎重に行う必要があるときにのみ路面状態を表示してドライバに警告するようにしても良い。また、受信機21からブレーキECU22などの車両運動制御を実行するためのECUに対して路面状態を伝えており、伝えられた路面状態に基づいて車両運動制御が実行されるようにしている。
なお、ブレーキECU22は、様々なブレーキ制御を行う制動制御装置を構成するものである。具体的には、ブレーキECU22は、ブレーキ液圧制御用のアクチュエータを駆動することでホイールシリンダ圧を増減して制動力を制御する。また、ブレーキECU22は、各車輪の制動力を独立して制御することもできる。このブレーキECU22により、受信機21から路面状態が伝えられると、それに基づいて車両運動制御として制動力の制御を行っている。例えば、ブレーキECU22は、伝えられた路面状態が凍結路であることを示していた場合、ドライ路面と比較して、ドライバによるブレーキ操作量に対して発生させる制動力を弱めるようにする。これにより、車輪スリップを抑制でき、車両の危険性を回避することが可能となる。
また、報知装置23は、例えばメータ表示器などで構成され、ドライバに対して路面状態を報知する際に用いられる。報知装置23をメータ表示器で構成する場合、ドライバが車両の運転中に視認可能な場所に配置され、例えば車両におけるインストルメントパネル内に設置される。メータ表示器は、受信機21から路面状態が伝えられると、その路面状態が把握できる態様で表示を行うことで、視覚的にドライバに対して路面状態を報知することができる。
なお、報知装置23をブザーや音声案内装置などで構成することもできる。その場合、報知装置23は、ブザー音や音声案内によって、聴覚的にドライバに対して路面状態を報知することができる。また、視覚的な報知を行う報知装置23としてメータ表示器を例に挙げたが、ヘッドアップディスプレイなどの情報表示を行う表示器によって報知装置23を構成しても良い。
このようにして、本実施形態にかかるタイヤ装置100が構成されている。なお、車体側システム2を構成する各部は、例えばCAN(Controller Area Networkの略)通信などによる車内LAN(Local Area Networkの略)を通じて接続されている。このため、車内LANを通じて各部が互いに情報伝達できるようになっている。
以上のようにして、本実施形態にかかるタイヤ装置100が構成されている。次に、上記した波形処理部12dで抽出する特徴量の詳細について説明する。
ここでいう特徴量とは、振動センサ部10が取得したタイヤ3に加わる振動の特徴を示す量であり、例えば特徴ベクトルとして表される。
タイヤ回転時における振動センサ部10の検出信号の出力電圧波形は、例えば図5に示す波形となる。この図に示されるように、タイヤ3の回転に伴ってトレッド31のうち振動センサ部10の配置箇所と対応する部分が接地し始めた接地開始時に、振動センサ部10の出力電圧が極大値をとる。以下、この振動センサ部10の出力電圧が極大値をとる接地開始時のピーク値を第1ピーク値という。さらに、図5に示されるように、タイヤ3の回転に伴ってトレッド31のうち振動センサ部10の配置箇所と対応する部分が接地していた状態から接地しなくなる接地終了時に、振動センサ部10の出力電圧が極小値をとる。以下、この振動センサ部10の出力電圧が極小値をとる接地終了時のピーク値を第2ピーク値という。
振動センサ部10の出力電圧が上記のようなタイミングでピーク値をとるのは、以下の理由による。すなわち、タイヤ3の回転に伴ってトレッド31のうち振動センサ部10の配置箇所と対応する部分が接地する際、振動センサ部10の近傍においてタイヤ3のうちそれまで略円筒面であった部分が押圧されて平面状に変形する。このときの衝撃を受けることで、振動センサ部10の出力電圧が第1ピーク値をとる。また、タイヤ3の回転に伴ってトレッド31のうち振動センサ部10の配置箇所と対応する部分が接地面から離れる際には、振動センサ部10の近傍においてタイヤ3は押圧が解放されて平面状から略円筒状に戻る。このタイヤ3の形状が元に戻るときの衝撃を受けることで、振動センサ部10の出力電圧が第2ピーク値をとる。このようにして、振動センサ部10の出力電圧が接地開始時と接地終了時でそれぞれ第1、第2ピーク値をとるのである。また、タイヤ3が押圧される際の衝撃の方向と、押圧から開放される際の衝撃の方向は逆方向であるため、出力電圧の符号も逆方向となる。
ここで、タイヤトレッド31のうち振動センサ部10の配置箇所と対応する部分が路面に接地した瞬間を「踏み込み領域」、路面から離れる瞬間を「蹴り出し領域」とする。「踏み込み領域」には、第1ピーク値となるタイミングが含まれ、「蹴り出し領域」には、第2ピーク値となるタイミングが含まれる。また、踏み込み領域の前を「踏み込み前領域」、踏み込み領域から蹴り出し領域までの領域、つまりタイヤトレッド31のうち振動センサ部10の配置箇所と対応する部分が接地中の領域を「蹴り出し前領域」、蹴り出し領域後を「蹴り出し後領域」とする。このように、タイヤトレッド31のうち振動センサ部10の配置箇所と対応する部分が接地する期間およびその前後を5つの領域に区画することができる。なお、図5中では、検出信号のうちの「踏み込み前領域」、「踏み込み領域」、「蹴り出し前領域」、「蹴り出し領域」、「蹴り出し後領域」を順に5つの領域R1〜R5として示してある。
路面状態に応じて、区画した各領域でタイヤ3に生じる振動が変動し、振動センサ部10の検出信号が変化することから、各領域での振動センサ部10の検出信号を周波数解析することで、車両の走行路面における路面状態を検出する。例えば、圧雪路のような滑り易い路面状態では蹴り出し時の剪断力が低下するため、蹴り出し領域R4や蹴り出し後領域R5において、1kHz〜4kHz帯域から選択される帯域値が小さくなる。このように、路面状態に応じて振動センサ部10の検出信号の各周波数成分が変化することから、検出信号の周波数解析に基づいて路面状態を判定することが可能になる。
このため、波形処理部12dは、まず、連続した時間軸波形となっているタイヤ3の1回転分の振動センサ部10の検出信号を、図6に示すように所定の時間幅Tの時間窓毎に複数の区画に分割すると共に、各区画で周波数解析を行い、特徴量を抽出している。具体的には、各区画で周波数解析を行うことで、各周波数帯域でのパワースペクトル値、つまり特定周波数帯域の振動レベルを求め、このパワースペクトル値を特徴量としている。
なお、ここでは理解を容易にするために、アナログ信号で表される振動センサ部10の検出信号の生波形をそのまま用いて説明したが、実際には、波形処理部12dによる特徴量の抽出は、A/D変換後のデジタル出力信号に基づいて行われる。
ここで、時間幅Tの時間窓で分割された区画の数は車速に応じて、より詳しくはタイヤ3の回転速度に応じて変動する値である。以下の説明では、タイヤ1回転分の区画数をn(ただし、nは自然数)としている。
例えば、各区画それぞれの検出信号を複数の特定周波数帯域のフィルタ、例えば0〜1kHz、1〜2kHz、2〜3kHz、3〜4kHz、4〜5kHzの5つのバンドパスフィルタに通して得られたパワースペクトル値を特徴量としている。この特徴量は、特徴ベクトルと呼ばれるもので、ある区画i(ただし、iは1≦i≦nの自然数)の特徴ベクトルXiは、各特定周波数帯域のパワースペクトル値をaikで示すと、これを要素とする行列として、次式のように表される。
続いて、本実施形態にかかるタイヤ装置100による路面状態判別について、図7〜図8を参照して説明する。
各車輪のタイヤ側装置1では、制御部12にて、図7に示すデータ送信処理を実行している。この処理は、所定の制御周期ごとに実行される。
まず、ステップS100において、加速度検出部11の検出信号に基づいてタイヤ3の径方向の加速度を測定したのち、ステップS110において、径方向の加速度に含まれる重力加速度成分もしくは遠心加速度成分に基づいて車速を演算する。その後、ステップS120に進み、ステップS110で演算した車速に応じたA/D変換の変換範囲の設定値を設定する。具体的には、車速が0〜30km/hの低速域では変換範囲が±20Gとなる設定値1、30〜80km/hの実用速度域では変換範囲が±100Gとなる設定値1、80km/h以上の高速域では変換範囲が±350Gとなる設定値3を設定する。
その後、ステップS130に進み、振動センサ部10の検出信号の入力処理を行ったのち、ステップS140に進んで、振動センサ部10の検出信号をA/D変換してデジタル出力信号を取得する。これらステップS130、S140の処理は、続くステップS150において、タイヤ3が1回転するまでの期間継続される。そして、デジタル出力信号をタイヤ1回転分入力すると、その後のステップS160に進み、入力したタイヤ1回転分のデジタル出力信号の時間軸波形の特徴量を抽出する。
なお、タイヤ3が1回転したことについては、デジタル出力信号の時間軸波形に基づいて判定している。すなわち、デジタル出力信号は図5に示した時間軸波形を描く振動センサ部10の検出信号をA/D変換したものとなることから、デジタル出力信号の第1ピーク値や第2ピーク値を確認することでタイヤ3の1回転を把握することができる。
また、路面状態がデジタル出力信号の時間軸波形の変化として特に現れるのが、「踏み込み領域」、「蹴り出し前領域」、「蹴り出し領域」を含めたその前後の期間である。このため、この期間中のデータが入力されていれば良く、必ずしもタイヤ1回転中におけるデジタル出力信号すべてのデータを入力していなくても良い。例えば、「踏み込み前領域」や「蹴り出し後領域」については、「踏み込み領域」の近傍や「蹴り出し領域」の近傍のデータがあれば良い。このため、デジタル出力信号のうちの振動レベルが所定の閾値よりも小さくなる領域については、「踏み込み前領域」や「蹴り出し後領域」の中でも路面状態の影響を受け難い期間として、デジタル出力信号の入力を行わないようにしても良い。
また、ステップS160で行う特徴量の抽出については、上述した通りの手法によって行っている。
そして、ステップS170に進み、データ送信を実行すべく、今回の制御周期の際に抽出した特徴量を含む路面データをデータ通信部13に伝える。これにより、データ通信部13より、特徴量を含む路面データが送信される。
一方、受信機21では、路面判別部25にて、図8に示す路面状態判別処理を行う。この処理は、所定の制御周期ごとに実行される。
まず、ステップS200では、データ受信処理が行われる。この処理は、データ通信部24が路面データを受信したときに、その路面データを路面判別部25が取り込むことによって行われる。データ通信部24がデータ受信を行っていないときには、路面判別部
25は何も路面データを取り込むことなく本処理を終えることになる。
25は何も路面データを取り込むことなく本処理を終えることになる。
この後、ステップS210に進み、データ受信が有ったか否かを判定し、受信していた場合にはステップS220に進み、受信していなければ受信するまでステップS200、S210の処理が繰り返される。
そして、ステップS220に進み、路面状態の判別を行う。路面状態の判別については、受信した路面データに含まれる特徴量と、路面判別部25に保存された路面の種類別のサポートベクタとを比較することで実行する。例えば、特徴量を路面の種類別の全サポートベクタとの類似度を求め、最も類似度が高かったサポートベクタの路面を現在の走行路面と判別している。
例えば、特徴量を路面の種類別の全サポートベクタとの類似度の算出は、次のような手法によって行うことができる。
上記したように特徴量を表す行列式Xについて、特徴量の行列式をX(r)、サポートベクタの行列式をX(s)とし、それぞれの行列式の各要素となるパワースペクトル値aikをa(r)ik,a(s)ikで表すとする。その場合、特徴量の行列式X(r)とサポートベクタの行列式X(s)は、それぞれ次のように表される。
例えば、図9に示すように、振動センサ部10の検出信号、具体的にはデジタル出力信号の時間軸波形について、今回のタイヤ3の回転時の時間軸波形とサポートベクタの時間軸波形それぞれを所定の時間幅Tの時間窓で各区画に分割する。図示例の場合、各時間軸波形を5つの区画に分割しているため、n=5となり、iは、1≦i≦5で表される。ここで、図中に示したように、今回のタイヤ3の回転時の各区画の特徴ベクトルXiをXi(r)、サポートベクタの各区画の特徴ベクトルをXi(s)とする。その場合、各区画の特徴ベクトルXiが示す座標間の距離Kyzについては、今回のタイヤ3の回転時の各区画の特徴ベクトルXi(r)を含む横の升とサポートベクタの各区画の特徴ベクトルXi(s)を含む縦の升とが交差する升のように示される。なお、距離Kyzについて、yはXi(s)におけるiを書き換えたものであり、zはXi(r)におけるiを書き換えたものである。なお、実際には、車速に応じて、今回のタイヤ3の回転時とサポートベクタとの区画数は異なったものとなり得るが、ここでは等しくなる場合を例に挙げてある。
本実施形態の場合、5つの特定周波数帯域に分けて特徴ベクトルを取得している。このため、時間軸と合わせた6次元空間において各区画の特徴ベクトルXiが表されることとなり、区画同士の特徴ベクトルがXi示す座標間の距離は、6次元空間における座標間の距離となる。ただし、各区画の特徴ベクトルが示す座標間の距離については、特徴量とサポートベクタとが似ているほど小さく、似ていないほど大きくなることから、当該距離が小さいほど類似度が高く、距離が大きいほど類似度が低いことを示している。
例えば、時分割によって区画1〜nとされている場合、区画1同士の特徴ベクトルが示す座標間の距離Kyzについては、次式で示される。
なお、ここでは類似度に対応する値として各区画の特徴ベクトルが示す2つの座標間の距離Kyzの総和Ktotalを用いているが、類似度を示すパラメータとして他のものを用いることもできる。例えば、類似度を示すパラメータとして、総和Ktotalを区画数で割って求めた距離Kyzの平均値である平均距離Kaveを用いたり、特許文献1に示されているように、様々なカーネル関数を用いて類似度を求めることもできるし、類似度の低いパスを除いて類似度の演算を行うようにしても良い。
以上説明したようにして、本実施形態にかかるタイヤ装置100により、車両の走行路面の路面状態を判別することができる。そして、路面状態の判別を行うに際し、振動センサ部10の検出信号をA/D変換部12aにおいてA/D変換しているが、その変換範囲を車速に応じて可変させられるようにしている。このため、車速に応じて変化する振動センサ部10の出力電圧の最大振幅に合わせて変換範囲を設定することができる。よって、タイヤ3の振動を表す検出信号をA/D変換したデジタル出力信号を周波数解析して路面状態を判別する際に、タイヤ3の振動の大きさが変化しても、精度良く路面状態を判別することが可能となる。
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して車速の取得手法を変更したものであり、その他については第1、第2実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して車速の取得手法を変更したものであり、その他については第1、第2実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本実施形態では、タイヤ側装置1に加速度検出部11を備えることで車速を取得するのではなく、車体側システム2よりタイヤ側装置1に対して車速に対応するデータを伝えることで車速を取得する。
図10に示すように、本実施形態では、タイヤ側装置1に加速度検出部11を備えていない。そして、データ通信部13とデータ通信部24とを通じて、タイヤ側装置1と車体側システム2との間において双方向通信が可能とされている。データ通信部13およびデータ通信部24は、ここでは1つの構成として記載されているが、送信部と受信部それぞれ別々に構成されたものであっても良い。また、双方向通信の形態については、様々なものを適用することができ、BLE(Bluetooth Low Energyの略)通信を含むブルートゥース通信、wifiなどの無線LAN(Local Area Networkの略)、Sub-GHz通信、ウルトラワイドバンド通信、ZigBeeなどを適用できる。なお、ブルートゥースは「登録商標」である。
このように、タイヤ側装置1と加速度検出部11との間において、双方向通信が行えるようにし、車体側システム2からタイヤ側装置1に対して車速に対応するデータが伝えられるようにしている。車速に対応するデータは、車速そのものを表すデータもしくは車速と対応する値を示したデータを意味している。例えばブレーキECU22などにおいて取り扱われていることから、受信機21は、車内LANを通じて車速に対応するデータを取得することで、データ通信部24を通じてタイヤ側装置1に伝えることができる。勿論、ブレーキECU22に限らず、車両に備えられる各種機器のうち車速に対応するデータを取り扱っているもの、例えばメータECUから車速に対応するデータが受信機21に伝えられるようにしても良い。
以上説明したように、タイヤ側装置1と車体側システム2との間において双方通信が行えるようにし、車体側システム2から車速に対応するデータをタイヤ側装置1に伝えるようにしても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1、第2実施形態に対してA/D変換の設定手法を変更したものであり、その他については第1、第2実施形態と同様であるため、第1、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、ここでは第1実施形態の構成に対して、本実施形態の構成を追加したものを例に挙げて説明するが、第2実施形態の構成に対しても同様に適用できる。
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1、第2実施形態に対してA/D変換の設定手法を変更したものであり、その他については第1、第2実施形態と同様であるため、第1、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、ここでは第1実施形態の構成に対して、本実施形態の構成を追加したものを例に挙げて説明するが、第2実施形態の構成に対しても同様に適用できる。
第1、第2実施形態では、車速に応じてA/D変換部12aにおけるA/D変換の変換範囲を設定したが、本実施形態では、それに加えて、振動センサ部10の温度に応じてA/D変換の変換範囲を補正する。
このため、図11に示すように、本実施形態のタイヤ側装置1には、温度センサ15が備えられていると共に、制御部12に温度補正部12eを備えた構成としている。
温度センサ15は、タイヤ側装置1の温度、つまり振動センサ部10の温度を検出するためのものであり、振動センサ部10の温度に応じた検出信号を出力する。温度補正部12eは、温度センサ15の検出信号を入力して温度を測定し、測定した温度に基づいてA/D変換部12aの変換範囲の補正を行う。例えば、温度補正部12eは、測定した温度に応じた補正係数を算出する。この補正係数がA/D変換部12aに伝えられ、A/D変換部12aで、補正前の変換範囲に対して補正係数が掛け算されることで、変換範囲の補正が行われる。
上記したように、車速に応じて振動センサ部10の出力電圧の最大振幅が変動することから、それに応じてA/D変換の変換範囲を設定するのが好ましい。ただし、同じ車速であっても、振動センサ部10は温度特性を有しており、振動センサ部10の温度に応じて出力電圧が変化する。つまり、温度に応じて振動センサ部10の感度が変化する。
例えば、図12は、走行路面が同じ路面状態である場合に同じ速度で車両を走行させたときの振動センサ部10の出力電圧の温度変化を調べた結果を示している。振動センサ部10が加速度センサにて構成され、検出されるタイヤ3の振動が加速度で表される場合、車両が使用される際の環境温度として想定される−40〜80℃の温度範囲においては、振動センサ部10の出力電圧が図12のように変化する。例えば、−40〜80℃の温度範囲の中央値となる20℃を基準温度とすると、−40℃のときの加速度は基準温度に対して−10%、80℃のときの加速度は基準温度に対して+10%した値となる。つまり、−40〜80℃の温度範囲において基準温度を中心として20%のずれが生じる。
このように、温度が高くなるほど振動センサ部10の出力電圧の最大振幅が大きくなることから、A/D変換の変換範囲についても、温度が高くなるほど広くなるように補正係数を設定する。具体的には、基準温度の補正係数を1として、−40℃の補正係数が0.9、80℃の補正係数が1.1となるように、図12に示される関係に応じた補正係数に設定している。
以上のように構成されるタイヤ側装置1では、路面状態判別処理として図13のフローチャートに示す処理を実行する。具体的には、ステップS100、S110では、図7と同様の処理を行ったのち、ステップS111、S112の処理を行う。ステップS111では、温度センサ15の検出信号に基づいて振動センサ部10の温度を測定し、ステップS112では、測定した温度に基づいて補正係数を演算する。そして、ステップS120において、車速に応じてA/D変換の変換範囲を設定する際に、その変換範囲に補正係数を掛け算し、これを補正後の変換範囲として設定する。この後は、ステップS130以降において、図7と同様の処理を行う。
このようにすることで、振動センサ部10の出力電圧が温度によって変動しても、温度に応じてA/D変換部12aの変換範囲を可変でき、精度良く路面状態を判別することが可能となる。
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(1)例えば、上記実施形態では、振動センサ部10を加速度センサによって構成する場合を例示したが、他の振動検出を行うことができる素子、例えば圧電素子などによって振動センサ部10を構成することもできる。このように振動センサ部10によって、加速度以外の物理量によって振動検出を行う場合、その振動を表す物理量の最大振幅に応じてA/D変換部12aでのA/D変換の変換範囲を設定すればよい。すなわち、車速が大きくなるほど振動センサ部10の検出信号となる出力電圧もしくは出力電流の最大振幅が大きくなる場合、車速が大きくなるほどA/D変換の変換範囲が広くなるようにすれば良い。
(2)また、上記各本実施形態では、A/D変換の変換範囲を段階的に、例えば3段階で変化させるようにした。しかしながら、これも一例を挙げたに過ぎず、3段階以外の複数段階に変化させるようにしても良いし、図4に示す関係のように、車速に対して指数関数的に変換範囲を広くするようにしても良い。
(3)また、上記実施形態では、振動センサ部10の検出信号に現れる路面状態を示す路面データとして、特徴量を含むデータを用いている。しかしながら、これも一例を示したに過ぎず、他のデータを路面データとして用いても良い。例えば、タイヤ3の1回転中の振動データに含まれる5つの領域R1〜R5それぞれの振動波形の積分値データを路面データとして良いし、検出信号そのものの生波形データを路面データとしても良い。
(4)また、上記各実施形態では、車体側システム2に備えられる受信機21の路面判別部25によって特徴量とサポートベクタとの類似度を求めて路面状態の判別を行っている。
しかしながら、これも一例を示したに過ぎず、車体側システム2のいずれかの場所、例えばブレーキECU22などのような他のECUによって類似度を求めたり、路面状態の判別を行ったりしても良い。また、タイヤ側装置1にサポートベクタを記憶しておき、タイヤ側装置1で路面状態の判別を行えるようにして、路面状態の判別結果を示すデータを路面データとして、車体側システム2に送るようにしても良い。
(4)また、タイヤ側装置1に、圧力センサや温度センサなどで構成する空気圧検出部を備えることもできる。この場合、空気圧および温度のデータもしくは所定の基準温度に換算した空気圧のデータをタイヤ空気圧に関するデータとして、路面データと共に、もしくは別々に、車体側システム2に送信することができる。
なお、第3実施形態では、タイヤ側装置1の温度を検出するために温度センサ15を備えるようにしたが、空気圧検出部に備えられる温度センサにてタイヤ側装置1の温度を検出しても良い。
(5)さらに、車速を取得するために、加速度検出部11を備えるようにしたが、振動センサ部10の検出信号に基づいて車速を取得するようにしても良い。具体的には、振動センサ部10の検出信号は図5のような波形を示すことから、出力電圧の第1ピーク値同士もしくは第2ピーク値同士の間の時間間隔などがタイヤ3の1回転に掛かった時間となる。このため、タイヤ3の1回転分の外周長さと1回転に掛かった時間とから車速を演算することができる。
なお、この場合、第1ピーク値や第2ピーク値を認識できれば良いため、波形成形前の振動センサ部10の検出信号の生波形に基づいて車速を演算することができる。また、車速については徐々に変化することから、A/D変換部12aでのA/D変換後の振動データに基づいて、もしくは波形処理部12dでの波形処理後の振動データに基づいて、車速を演算しても良い。
(5)また、第2実施形態のように、車体側システム2からタイヤ側装置1に伝える車速に対応するデータとして、車速そのものを示すデータなどを例に挙げているが、これも一例を示したに過ぎない。例えば、車速に対応したA/D変換の変換範囲を示すデータ、例えば設定値のデータを、車速に対応するデータとして、車体側システム2からタイヤ側装置1に伝えるようにしても良い。
(6)また、第3実施形態では、制御部12とは別構成の温度センサ15を備えるようにしたが、制御部12を構成するマイクロコンピュータのIC内に温度センサ15を作り込むようにしても良い。
1 タイヤ側装置
2 車体側システム
10 振動センサ部
11 加速度検出部
12 制御部
12a A/D変換部
12b 車速取得部
12c 範囲設定部
12d 波形処理部
25 路面判別部
2 車体側システム
10 振動センサ部
11 加速度検出部
12 制御部
12a A/D変換部
12b 車速取得部
12c 範囲設定部
12d 波形処理部
25 路面判別部
Claims (7)
- 車両に備えられる複数のタイヤ(3)それぞれに取り付けられ、前記タイヤの振動の大きさに応じた検出信号を出力する振動検出部(10)と、アナログ信号である前記振動検出部の検出信号を所定ビット数のデジタル信号にA/D変換してデジタル出力信号とするA/D変換部(12a)と、前記デジタル出力信号の波形に現れる路面状態を示す路面データを生成する波形処理部(12d)と、前記路面データを送信する第1データ通信部(13)と、を有するタイヤ側装置(1)と、
前記第1データ通信部から送信された前記路面データを受信する第2データ通信部(24)と、前記路面データに基づいて前記車両の走行路面の路面状態を判別する路面判別部(25)と、を有する車体側システム(2)と、を備え、
さらに、前記タイヤ側装置は、
前記車両の速度である車速に対応するデータを取得する車速取得部(12b)と、
前記A/D変換部にて、前記検出信号を前記デジタル信号に変換する際の前記タイヤの振動の大きさの変換範囲を、前記車速取得部が取得した車速に関するデータに基づいて設定する範囲設定部(12c)と、を有している路面状態判別装置。 - 前記範囲設定部は、前記車速が大きくなるほど前記変換範囲を広く設定する請求項1に記載の路面状態判別装置。
- 前記範囲設定部は、前記車速が大きくなるほど前記変換範囲を段階的に広く設定する請求項1に記載の路面状態判別装置。
- 前記タイヤ側装置には、前記タイヤの径方向の加速度に応じた検出信号を出力する加速度センサ(11)が備えられ、
前記車速取得部は、前記加速度センサの検出信号に基づいて前記車速を演算する請求項1ないし3のいずれか1つに記載の路面状態判別装置。 - 前記タイヤ側装置と前記車体側システムとは双方向通信が可能とされており、
前記車速取得部は、前記車体側システムからの通信によって前記車速に関するデータを取得する請求項1ないし3のいずれか1つに記載の路面状態判別装置。 - 前記タイヤ側装置は、前記振動検出部の温度に応じた検出信号を出力する温度センサ(15)を備え、
前記範囲設定部は、前記車速に基づいて設定する前記変換範囲を前記温度センサの検出信号より測定される温度に基づいて補正する請求項1ないし5のいずれか1つに記載の路面状態判別装置。 - 前記タイヤ側装置は、前記温度センサの検出信号より測定される温度に基づいて、前記温度が高くなるほど高い値とされる補正係数を算出する温度補正部(12e)を有し、
前記範囲設定部は、前記車速に基づいて設定する前記変換範囲に対して前記補正係数を掛け算することで補正後の変換範囲を設定する請求項6に記載の路面状態判別装置。
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