JP2002173044A - 路面摩擦状態推定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走行中の路面の摩擦係数をリアルタイムで推
定する。 【解決手段】 操向される車輪に作用するＳＡＴ（セル
フアライニングトルク）を反力算出部７０にて算出す
る。また、走行される車輪の横すべり角を操向量算出部
８０にて算出する。ＳＡＴを横すべり角の一次関数とし
て表すために、算出されたＳＡＴと横すべり角からオン
ライン最小二乗法を用いて、その関数の勾配、切片を、
関数決定部９０により求める。この勾配と切片より、路
面の摩擦係数を摩擦状態算出部１００にて算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、操向される車輪を
有する車両が、走行中の路面の摩擦状態を推定する装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】車輪を有し、路面上を走行する車両の運
動は、最終的には、車輪と路面の摩擦力により実現され
ている。言い換えれば、車輪と路面間に発生する摩擦力
を超えた車両の挙動は実現できない。すなわち、制動距
離、旋回半径と速度などの限界値は、車輪と路面間の摩
擦力により決定される。したがって、車輪路面間の摩擦
力を決定する大きな因子が路面の摩擦係数である。この
摩擦係数は、路面ごとに異なることに加え、路面の状況
によっても異なる。前者は、アスファルト路面か、コン
クリート路面か、砂利道か、などであり、後者は、乾い
ているか、濡れているか、雪が積もっているか、などで
ある。このような様々な状況下で、路面の摩擦係数は大
きく変化するが、車両の挙動を安定させるためには、現
在走行中の路面の状態、または摩擦係数が取得できると
好ましい。路面の状態を、「滑りやすい」「滑りにく
い」などと運転者に報知することもできる。また、アン
チロックブレーキ、トラクション制御、車両安定性制御
などのシステムにおいて、現在の路面状況を用いた制御
を行うことも可能となる。

【０００３】現在走行中の路面の摩擦係数を測定する装
置が特開平１１−２８７７４９号公報に記載されてい
る。この装置は、ステアリングホイールを切り増しした
ときに、この回転角（操舵角）の変化量に対する操舵ト
ルクの変化量を求め、この値から路面の摩擦係数を算出
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の公報の装置は、
ノイズの影響を受けやすいという欠点がある。これは、
摩擦係数を算出するための物理量として、操舵角の変化
量と操舵トルクの変化量という、ノイズを増幅させる傾
向のある物理量を用いているためである。ある物理量の
変化量を求めるということは、ある物理量を微分すると
いうことであり、微分演算は、ノイズを増幅させてしま
う。よって、前記公報の装置により算出された摩擦係数
はノイズを多く含むものとなるという問題があった。

【０００５】また、前記公報の装置は、切り増し時にの
み摩擦係数の算出を行うものである。したがって、これ
以上は切り増しを行えないという限界時において摩擦係
数を算出できない。最も欲しい摩擦係数は、限界時にお
ける摩擦係数であり、この装置では、この値を求めるこ
とができない。

【０００６】さらにまた、車輪路面間の摩擦係数は、操
舵角に対してヒステリシスを有し、切り増し時と切り戻
し時とで異なる特性を有する。前記公報の装置では、切
り増し時にのみ摩擦係数の算出を行うこととし、ヒステ
リシスの影響を排除しているが、切り戻し時や一定舵角
を保持しているときなどに、摩擦係数の算出を行えない
という問題があった。

【０００７】本発明は、前述の問題点を解決するために
なされたものであり、ノイズの影響を受けにくく、精度
が高く、また推定頻度の高い路面摩擦係数を推定する装
置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明にかかる路面摩擦状態推定装置は、車両の
操向される車輪が路面より受ける反力を、車輪の操向量
の一次関数として、この関数の勾配と切片を求め、これ
らから路面の摩擦状態を算出するものである。勾配と切
片を分離して求めることにより、路面状態によって変化
する、反力と操向量のヒステリシスの影響を受けずに、
勾配を求めることができる。

【０００９】また、勾配と切片の算出は、取得した反力
と操向量に基づきオンライン最小二乗法を適用して行わ
れる。関数の決定に当たって取得した物理量の微分量を
排除したことにより、ノイズの影響を低減させることが
できる。

【００１０】また、操向量は、車両の運動に関する特性
を、モデル化してあらかじめ記憶しておき、この特性を
適用して算出するようにできる。すなわち、車両の運動
状態を表す所定の物理量を検出して、この物理量を前記
モデル化された特性に適用して車両の運動状態を解析す
る。操向量はこの解析結果に含まれる。

【００１１】前述の操向量は車輪の横すべり角とすると
ができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。図１は、
本実施形態にかかる操舵装置２０の概略構成図である。
操舵装置２０は、ラックアンドピニオン機構を有するパ
ワーステアリング装置である。運転者が車両の旋回など
を行うために操作するステアリングホイール２２は、ス
テアリングシャフト２４を介して、前記ラックアンドピ
ニオン機構のピニオン２６に結合している。ピニオン２
６は、ラックロッド２８上に設けられたラックとかみ合
い、ここでステアリングホイール２２の回転運動がラッ
クロッド２８の直線運動に変換される。このラックロッ
ド２８の動きがタイロッドを介してナックルに伝達され
操向車輪３０，３２の向き、すなわち車輪の操向角が変
更される。

【００１３】ステアリングシャフト２４上には、このシ
ャフトに加わるトルクを検出するトルクセンサ４０と、
シャフトの回転角度である操舵角を検出する操舵角セン
サ４２が設けられている。これらのセンサの出力は、制
御部５０に送られる。

【００１４】制御部５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）５
２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されてお
り、処理プログラムを記憶したＲＯＭ（読み出し専用メ
モリ）５４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ（ラン
ダムアクセスメモリ）５６と、入出力ポート（図示せ
ず）とを備える。制御部５０には、トルクセンサ４０か
らのトルク信号や、操舵角センサ４２からの操舵角信
号、さらには、車体に設けられた車速センサ５８からの
車速信号が入力される。

【００１５】図２は、制御部５０が、路面の摩擦状態、
例えば摩擦係数の算出を行う装置として機能する場合に
かかる制御ブロック図である。反力算出部７０は、トル
クセンサ４０の出力、すなわち操舵トルクＴｐから、ラ
ックアンドピニオン機構のギア比、車輪操向機構のジオ
メトリなどを考慮して、セルフアライニングトルク（以
下、ＳＡＴと記す）を算出する。

【００１６】一方、操向量算出部８０は、車両の運動方
程式から、操向量として横すべり角αｆを算出する。車
両の運動特性は、運動方程式から導かれた状態方程式と
して特性記憶部８２に記憶されている。この記憶された
特性に従って、解析部８４にて、車両の運動状態を示す
物理量、例えば車両の車速ｕ、操舵角θｓに基づき現在
の運動状態が解析される。この状態に、横すべり角αｆ
が含まれる。なお、横すべり角αｆは、車輪を上から見
たときの車輪中心面と車輪の進行方向のなす角として定
義される。

【００１７】関数決定部９０において、求められたＳＡ
Ｔと横すべり角αｆの関係を決定する。すなわち、ＳＡ
Ｔを横すべり角の一次関数とみなし、この関数の勾配と
切片を求める。この勾配と切片に基づき摩擦状態算出部
１００にて、路面の摩擦状態として摩擦係数を算出す
る。

【００１８】次に、個々の算出部、決定部の演算につい
て詳細に説明する。前述したように、反力算出部７０で
は、トルクセンサ４０からの出力信号と、操舵機構の幾
何学的条件からＳＡＴを算出する。なお、ＳＡＴは、タ
イロッドの軸力を検出するセンサを設け、このセンサ出
力に基づき算出することも可能である。

【００１９】操向量算出部８０は、特性記憶部８２に記
憶された車両の運動状態モデルに基づき、操向量として
横すべり角αｆを算出する。運動状態のモデルは、次式
（１），（２）の状態方程式として記憶されている。

【００２０】

【数１】

【００２１】解析部８４において、式（１），（２）
は、離散化された状態で取り扱われる。また、式（１）
において、入力は車速ｕと操舵角θｓであり、横速度ν
およびヨーレートｒが、出力される。式（２）におい
て、横速度ν、ヨーレートｒに基づき前輪横すべり角α
ｆが算出される。

【００２２】関数決定部９０では、前述のように求めら
れたＳＡＴと横すべり角αｆから、次式（３）〜（７）
で記述されるオンライン最小二乗法によって動作点Ａ周
りの前輪横すべり角に対するＳＡＴの関数関係（勾配
ｋ、切片Ｔ）を演算する。

【００２３】

【数２】

【００２４】θの第１要素は、関数の勾配、第２要素は
切片である。ＳＡＴは、図３に示す破線のように、横す
べり角αｆに対して、単調に増加し、その後単調に減少
する特性を示すが、動作点Ａにおける接線として近似す
る。この接線の勾配ｋと切片Ｔが前述のオンライン最小
二乗法により求められる。

【００２５】路面摩擦状態算出部１００においては、前
記の勾配ｋ、切片Ｔより次式（８）に基づき摩擦係数μ
を算出する。

【００２６】

【数３】

【００２７】式（８）により、摩擦係数μを算出するの
に代えて、例えば、図４に示すようなマップを用いて路
面の摩擦状態を得ることも可能である。図４では、勾配
ｋと切片Ｔが共に小さな値となる場合は滑りやすい路面
（低μ路）、勾配ｋと切片Ｔのいずれかが大きな値とな
る場合は滑りにくい路面（高μ路）、中間を中μ路と３
段階に分けている。

【００２８】以上のように求められた路面の摩擦状態
は、これに基づき運転者に警告を与えたり、車両挙動制
御の因子として用いたりすることができる。

【００２９】次に、本実施形態の算出方法の特徴につい
て説明する。前述したように、本実施形態は、オンライ
ンで演算を行っているので、リアルタイムで路面摩擦係
数を取得することができる。このため、路面状態が急変
した場合においても、すばやく摩擦係数を算出すること
ができる。

【００３０】また、路面車輪間の摩擦係数は発生してい
る摩擦力により変化し、よって車両の限界状態の摩擦係
数は、最大摩擦力発生時、またはこれに近い状態のとき
算出するのが望ましい。従来技術として挙げた前述の公
報は、切り増し時のみ摩擦係数の算出を行っているの
で、最大摩擦力発生時およびその近傍に算出が行われる
とは限らず、限界の摩擦係数を求めることが必ずしもで
きない。一方、本実施形態によれば、横すべり角が極大
値に達したところで、摩擦係数を算出することにより、
より限界に近い摩擦係数を得ることができる。

【００３１】また、本実施形態の算出手法は、切り増
し、切り戻しに関わらず、摩擦係数の算出を行える。横
すべり角とＳＡＴの間にはヒステリシスが存在し、ステ
アリングホイールを切り増すときと、切り戻す時では、
異なる軌跡を描く。図５には、ＳＡＴの変化を１次近似
したヒステリシス特性が示されている。切り増し時と切
り戻し時において、勾配は変わらず、切片のみが変化し
ている。前述のように、本実施形態においては、式
（３）〜（７）により、勾配と切片が分離されるので、
切り増し時、切り戻し時双方にて精度よく摩擦係数の算
出を行うことができる。

【００３２】さらに、前述のヒステリシス特性は、路面
の摩擦係数によって、変化する。これは、このヒステリ
シスの発生が、主に車輪のタイヤ、特にそのトレッド面
のねじれによるものであり、摩擦係数の違いによってね
じれの程度が変化するために生じるものである。よっ
て、摩擦係数が高いほどヒステリシスが大きくなる、つ
まり、切り増し、切り戻しの切片の差が大きくなる。こ
のように、路面の摩擦係数によってヒステリシス特性が
変化するため、ヒステリシス特性を一定のものとして取
り扱うことはできず、本実施形態の手法が有効である。
図６には、路面の摩擦係数μの高低によるヒステリシス
特性の違いが示されている。低摩擦係数の路面において
は、ヒステリシスがほとんどなくなっていることが分か
る。

【００３３】図７は、高μ路において、速度４０ｋｍ／
ｈで走行中に、±４０ｄｅｇの操舵を連続して行ったと
きの操舵角と推定された前輪横すべり角および前輪横す
べり角の推定を行うモデルの検証のためこのモデルよっ
て導出されるヨーレートと、ヨーレートの実測値の比較
を示したものである。ヨーレートのモデル出力と実測値
はよく一致しており、このことから前輪横すべり角が正
確に推定できていることがわかる。

【００３４】図８は、推定された前輪横すべり角と、Ｓ
ＡＴ実測値からオンライン最小二乗法を適用して推定さ
れたＳＡＴの勾配ｋと切片Ｔ、更にこれらから推定され
た摩擦係数μの推定値を示している。摩擦係数μ推定値
は振動的ではあるが、後述する低μ路に比して高い値を
示しており、確かに高μ路を走行していることが分か
る。また、前輪横すべり角との対応から、前輪横すべり
角が大きな限界に近い領域で、摩擦係数μの推定値の変
動幅は小さくなっており、推定の精度が向上しているこ
とが分かる。さらに、切片Ｔに着目すると、操舵に応じ
て矩形は的に変化しており、ヒステリシスに伴う特性変
化が切片Ｔの値に現れていることが分かる。

【００３５】図９は、低μ路において、図７の実験と同
様に速度４０ｋｍ／ｈで走行中に±１５ｄｅｇの操舵を
連続して行ったときの操舵角と推定された前輪横すべり
角および前輪横すべり角の推定を行うモデルの検証のた
めこのモデルよって導出されるヨーレートと、ヨーレー
トの実測値の比較を示したものである。この実験におい
ても、ヨーレートのモデル出力と実測値はよく一致して
おり、前輪横すべり角が正確に推定できていることがわ
かる。また、低μ路においても高μ路と同じパラメータ
を用いたモデルが実測値と一致しているということは、
車輪路面間の応力特性には、路面摩擦係数μの影響が現
れていないといえる。すなわち、応力特性を表すパラメ
ータであるコーナリングスティフネスは、低μ路走行時
においても変化していないことが分かる。したがって、
このような定常走行に近い走行条件では、コーナリング
スティフネス変化はほとんど見られず、コーナリングス
ティフネス変化が車両バネ上特性に及ぼす影響から低μ
路走行を判別することは不可能であることが分かる。こ
れに対し、ＳＡＴには、このような定常走行に近い走行
条件においても路面μに依存した変化が現れることか
ら、ＳＡＴの勾配と切片から路面摩擦状態を推定する本
実施形態では、低μ路走行を判別することが可能であ
る。

【００３６】図１０は、推定された前輪横すべり角と、
ＳＡＴ実測値からオンライン最小二乗法を適用して推定
されたＳＡＴの勾配ｋと切片Ｔ、更にこれらから推定さ
れた摩擦係数μの推定値を示している。摩擦係数μ推定
値は振動的ではあるが、前述の項μ路に比して低い値を
示しており、確かに低μ路を走行していることが分か
る。また、図８の場合と同様、前輪横すべり角が大きな
限界に近い領域で、摩擦係数μの推定値の変動幅は小さ
くなっており、推定の精度が向上していることが分か
る。さらに、切片Ｔに着目すると、図８と同様、操舵に
応じて矩形波的に変化しているが、図８の切片Ｔの波形
に比較すると振幅が小さいことが分かる。これは路面摩
擦係数μに応じてヒステリシス特性が異なったことに起
因しているが、本手法では、このようなヒステリシス特
性の違いにかかわらず、ＳＡＴの勾配ｋおよび摩擦係数
μの推定を適切に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施形態の装置の概略構成を示す図であ
る。

【図２】 本実施形態の演算処理にかかるブロック図で
ある。

【図３】 ＳＡＴを横すべり角の一次関数として例示し
た図である。

【図４】 路面摩擦係数を算出するためのマップの例を
示す図である。

【図５】 ＳＡＴのヒステリシス特性を例示した図であ
る。

【図６】 摩擦係数の異なる路面におけるＳＡＴのヒス
テリシス特性の相違を示す図である。

【図７】 摩擦係数の高い路面において、左右に操舵を
連続し行った場合の、操舵角、横すべり角、実測値とモ
デル解析とによるヨーレートを示す図である。

【図８】 図７の条件で、ＳＡＴを示す一次関数の勾配
と切片、およびこれらから導かれた路面摩擦係数を示す
図である。

【図９】 摩擦係数の低い路面において、左右に操舵を
連続し行った場合の、操舵角、横すべり角、実測値とモ
デル解析とによるヨーレートを示す図である。

【図１０】 図９の条件で、ＳＡＴを示す一次関数の勾
配と切片、およびこれらから導かれた路面摩擦係数を示
す図である。

【符号の説明】

２０ 操舵装置、２２ ステアリングホイール、２４
ステアリングシャフト、２６ ピニオン、２８ ラック
ロッド、３０，３２ 操向車輪、４０ トルクセンサ、
４２ 操舵角センサ、５０ 制御部、５８ 車速セン
サ。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ６２Ｄ 113:00 Ｂ６２Ｄ 113:00 119:00 119:00 Ｆターム(参考） 2F051 AA01 BA00 3D032 CC05 DA03 DA15 DA23 DD02 EA01 EB04 EB16 EB21 GG01 3D046 BB23 HH08 HH21 HH22 HH36 HH46

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操向される車輪を有する車両が走行中の
   路面の摩擦状態を推定する路面摩擦状態推定装置であっ
   て、 前記操向される車輪が路面より受ける反力を取得する反
   力取得手段と、 前記操向される車輪の操向量を取得する操向量取得手段
   と、 前記反力を前記操向量の一次関数として、前記取得した
   反力と操向量に基づき、前記関数の勾配と切片を算出す
   る関数決定手段と、 前記関数の勾配と切片から、路面の摩擦状態を算出する
   路面摩擦状態算出手段と、を有する路面摩擦状態推定装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の路面摩擦状態推定装置
   であって、 前記関数決定手段は、前記取得した反力と操向量に基づ
   きオンライン最小二乗法を用いて前記関数の勾配と切片
   を算出するものである、路面摩擦状態推定装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の路面摩擦状態
   推定装置であって、 前記操向量取得手段は、 当該車両の運動に関する特性をあらかじめ記憶している
   車両特性記憶手段と、 当該車両の状態を表す所定の物理量を検出する車両状態
   検出手段と、 前記車両の運動に関する特性に従って、前記車両の運動
   状態を表す所定の物理量に基づき、前記車両の運動を解
   析し、前記操向量を算出する操向量算出手段と、を有す
   る、路面摩擦状態推定装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の路面摩擦状態推定装置
   であって、前記操向量は横すべり角である、路面摩擦状
   態推定装置。