JP2003261017A - 路面μ勾配推定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 推定精度を低下させることなく演算負荷を低
減して路面μ勾配を推定する。 【解決手段】 ２階差分演算回路３２は、車輪速信号の
振動成分ωの２階差分を演算する。相関演算回路３３
は、振動成分ω，ω’’の相関Ｓを演算する。２乗和演
算回路３４は、振動成分ω’’の２乗和Ｄ１を演算す
る。２乗和演算回路３５は、振動成分ωの２乗和Ｄ２を
演算する。相関係数演算回路３６は、相関Ｓ、２乗和Ｄ
１，Ｄ２を用いて相関係数σを演算する。路面μ勾配変
換回路３７は、相関係数σを路面μ勾配に変換して、フ
ィルタ３８を介して出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、路面μ勾配推定装
置に係り、特に演算負荷の軽減を図る路面μ勾配推定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】現在、
ＡＢＳ（Anti-lock Braking System）、ＴＣＳ（Tracti
on Control System）、空気圧低下警報システムなど、
車両の性能や安全性を高めるシステムが開発されてい
る。これらのシステムは、駆動時や制動時において車輪
と路面との間の摩擦状態を推定し、その推定値に基づい
て様々の制御を行っている。

【０００３】そこで、特開平１１−７８８４３号公報で
は、車輪と路面との間の摩擦特性を含む車輪共振系にお
ける振動モデルを用いて路面μ勾配を推定する車輪状態
推定装置（以下「従来技術」という。）が提案されてい
る。

【０００４】従来技術は、車両が車体速度ｖ（角速度換
算でω_v）で走行している時の車輪での振動現象、すな
わち少なくとも車輪と路面とによって構成される車輪共
振系の振動現象を、車輪回転軸で等価的にモデル化した
車輪回転振動モデルを用いている。

【０００５】図６は、車輪回転振動モデルを示す図であ
る。図７は、タイヤの摩擦力特性を示す図である。スリ
ップ速度（＝車体速−車輪速）がゼロより大きくなるに
従って、タイヤ摩擦力（＝路面μ×輪加重）は急激に大
きくなる。但し、スリップ速度が所定値になるとタイヤ
摩擦力は飽和し、スリップ速度が所定値以上になると、
タイヤ摩擦力はなだらかに減少する。

【０００６】そこで、従来技術は、上記車輪回転振動モ
デルとタイヤの摩擦力特性を組み合わせて、車輪共振系
の応答出力（図６の矢印に示すねじれ振動）などから未
知要素の１つである路面μ勾配を推定している。

【０００７】図８は、車輪速信号の各周波数帯域におけ
るスペクトルを示す図である。同図によると、路面μ勾
配が小さい場合では４０Ｈｚ付近の共振が小さくなり、
路面μ勾配が大きい場合では４０Ｈｚ付近の共振が大き
くなることが分かる。したがって、従来技術は、車輪速
信号の４０Ｈｚ付近の振動成分を用いて、路面μ勾配を
推定している。さらに、従来技術は、振動成分の離散化
データを所定の式に順次当てはめ、最小自乗法を適用す
ることによって未知要素を求めて、路面μ勾配を推定し
ていた。

【０００８】しかし、最小自乗法は非常に演算負荷が大
きく、演算時間がかかってしまう問題があった。一方、
演算負荷を小さくしようとすると、離散化データの数を
少なくする必要があり、推定精度が低下してしまうおそ
れがあった。

【０００９】本発明は、上述した課題を解決するために
提案されたものであり、推定精度を低下させることなく
演算負荷を低減して路面μ勾配を推定することができる
路面μ勾配推定装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、車輪速信号の
振動成分の共振強度と路面μ勾配に相関関係があること
を利用して、上述した課題を解決した。

【００１１】すなわち、請求項１記載の発明は、車輪速
信号を検出する車輪速検出手段と、前記車輪速検出手段
で検出された車輪速信号の振動成分を抽出する振動成分
抽出手段と、前記振動成分抽出手段で抽出された振動成
分の共振強度を演算する共振強度演算手段と、前記共振
強度演算手段で演算された共振強度に基づいて路面μ勾
配を推定する推定手段と、を備えている。

【００１２】振動成分抽出手段は、車輪速検出手段で検
出された車輪速信号から所定帯域の信号のみを抽出する
ことで振動成分を得る。所定帯域としては、路面μ勾配
が小さい場合では共振強度が小さくなり、路面μ勾配が
大きい場合では共振強度が大きくなることが明確になる
ような帯域、例えば４０Ｈｚ付近が好ましい。

【００１３】共振強度演算手段は、振動成分抽出手段で
抽出された振動成分の共振強度を演算する。ここで、共
振強度を求めるのは、車輪回転振動モデルにおける共振
強度は路面μ勾配と相関があり、共振強度が決まれば路
面μ勾配が決まる関係にあるからである。

【００１４】推定手段は、車輪回転振動モデルにおける
共振強度と路面μ勾配に相関があることを用いて、共振
強度演算手段で演算された共振強度に基づいて路面μ勾
配を直接推定する。

【００１５】したがって、請求項１記載の発明によれ
ば、車輪速信号の振動成分から共振強度を求め、この共
振強度に基づいて路面μ勾配を直接推定するので、従来
のように最小自乗法を用いなくて済み、演算負担を大幅
に低減することができる。

【００１６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記推定手段は、振動成分の共振強度と路
面μ勾配との対応関係を示したマップを記憶し、前記マ
ップを参照して前記共振強度演算手段で演算された共振
強度に対応する路面μ勾配を推定することを特徴とす
る。

【００１７】上述のように、車輪回転振動モデルにおけ
る共振強度と路面μ勾配に相関がある。そこで、推定手
段は、振動成分の共振強度と路面μ勾配との対応関係を
示すマップを予め用意しておき、前記共振強度演算手段
で演算された共振強度に対応するような路面μ勾配を求
める。したがって、このようなマップを用いることによ
って、振動成分の共振強度から路面μ勾配を直接推定す
ることができる。

【００１８】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、前記共振強度演算手段は、前記振
動成分抽出手段で抽出された振動成分の周期性の度合を
演算することで前記共振強度を演算することを特徴とす
る。

【００１９】振動成分の共振強度は、振動成分が周期性
を有するか否かによって異なる。具体的には、振動成分
が周期性を有する場合は共振強度が大きくなり、振動成
分があまり周期性を有しない場合は共振強度が小さくな
る。

【００２０】そこで、共振強度演算手段は、振動成分抽
出手段で抽出された振動成分の周期性の度合を演算する
ことで共振強度を求めている。これにより、共振強度と
路面μ勾配の関係を用いることが可能になり、直接路面
μ勾配を推定することができる。

【００２１】ここで、共振強度演算手段は、前記振動成
分抽出手段で抽出された振動成分と、前記振動成分の偶
数階差分又は偶数階微分の値と、に基づいて周期性の度
合を演算してもよい。

【００２２】例えば、振動成分が正弦波のような周期性
を有する信号であれば、振動成分に偶数階差分又は偶数
階微分を行うと再び正弦波の信号になる。一方、振動成
分が規則性のないノイズ等の信号であれば、振動成分に
偶数階差分又は偶数階微分を行っても、再び元の信号に
はならない。そこで、振動成分に偶数階差分又は偶数階
微分を行うことによって、振動成分の周期性の度合を求
めることができる。

【００２３】請求項４記載の発明は、請求項１から３の
いずれか１項記載の発明において、前記振動成分抽出手
段は、前記車輪速信号の振動成分をサンプル周期毎に抽
出し、前記共振強度演算手段は、前記振動成分抽出手段
で抽出された振動成分と、当該振動成分の偶数階差分又
は偶数階微分の演算値と、の相関を前記サンプル周期毎
に演算し、演算された相関を用いて前記サンプル周期よ
り遅い所定の周期毎に前記共振強度を演算することを特
徴とする。

【００２４】振動成分抽出手段は、サンプル周期毎に車
輪速信号の振動成分を抽出する。また、共振強度演算手
段は、振動成分とその偶数階差分又は偶数階微分の演算
値との相関をサンプル周期毎に演算するが、共振強度に
ついてはサンプル周期より遅い所定の周期毎に演算す
る。したがって、サンプル周期毎に最小自乗法を行う場
合に比べて、大幅に演算負荷を低減することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【００２６】図１は、本発明の実施の形態に係る路面μ
勾配推定装置１の構成を示す図である。

【００２７】路面μ勾配推定装置１は、車輪の回転角速
度である車輪速信号を検出する車輪速センサ１０と、車
輪速センサ１０で検出された車輪速信号に基づいて路面
μ勾配を推定する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と
いう。）２０と、を備えている。なお、車輪速センサ１
０は車両の各車輪にそれぞれ設けられているが、図１で
は１つだけを例示した。

【００２８】車輪速センサ１０は、車輪の回転と共に回
転するロータ１１と、ロータ１１の外周部との間の磁束
の変化を検出するピックアップ１２と、で構成されてい
る。ロータ１１の外周部には歯が形成されており、この
歯の数は特に限定されないが、本実施の形態では４８個
とする。ピックアップ１２は、ロータ１１が回転する
と、ロータ１１の外周部との間の空隙の変化によって生
じる磁束の変化に対応する車輪速信号を出力する。

【００２９】ＥＣＵ２０は、車輪速センサ１０から供給
される車輪速センサ信号の波形整形を行う波形整形回路
２１と、波形整形された車輪速センサ信号に基づいて車
輪速信号を演算し、その車輪速信号から路面μ勾配の推
定演算を行うマイクロコンピュータ２２と、を備えてい
る。

【００３０】図２は、マイクロコンピュータ２２の機能
的な構成を示すブロック図である。

【００３１】マイクロコンピュータ２２は、演算した車
輪速信号から所定帯域の振動成分ωを抽出するバンドパ
スフィルタ３１と、振動成分ωの２階差分である振動成
分ω’’を演算する２階差分演算回路３２と、振動成分
ω，ω’’の相関Ｓを演算する相関演算回路３３と、振
動成分ω’’の２乗和Ｄ１を演算する２乗和演算回路３
４と、振動成分ωの２乗和Ｄ２を演算する２乗和演算回
路３５と、相関Ｓ及び２乗和Ｄ１，Ｄ２を用いて相関係
数σを演算する相関係数演算回路３６と、相関係数σを
路面μ勾配に変換する路面μ勾配変換回路３７と、フィ
ルタ３８と、を備えている。

【００３２】ここで、バンドパスフィルタ３１、２階差
分演算回路３２、相関演算回路３３、２乗和演算回路３
４，３５は、サンプル周期（５ｍ秒）毎に演算を行って
いる。また、相関係数演算回路３６、路面μ勾配変換回
路３７、フィルタ３８は、サンプル周期より遅い周期
（例えば１秒）毎に演算を行っている。

【００３３】バンドパスフィルタ３１は、波形整形回路
２１が出力した車輪速センサ信号から演算した車輪速信
号の４０Ｈｚ付近の振動成分ωを抽出し、振動成分ωを
２階差分演算回路３２及び相関演算回路３３に供給す
る。

【００３４】２階差分演算回路３２は、振動成分ωの２
階差分を演算し、演算された振動成分ω’’を相関演算
回路３３及び２乗和演算回路３４に供給する。

【００３５】相関演算回路３３は、次の式（１）に基づ
いて振動成分ω，ω’’の相関Ｓを演算し、演算された
相関Ｓを相関係数演算回路３６に供給する。

【００３６】

【数１】

【００３７】ここで、ｋはサンプル番号（ｋ＝１，２，
３，…）を示している。また、ρ_cは、忘却係数であ
り、固定値である。後述する式（２）及び式（３）でも
同様である。ρ_cは０より大きく１以下の値をとる（０
＜ρ_c≦１）。演算負荷低減効果としてはρ_c＝１が望ま
しい。

【００３８】２乗和演算回路３４は、振動成分ω’’の
２乗和を求めるために、５ｍ秒毎に次の式（２）を演算
し、２乗和Ｄ１を相関係数演算回路３６に供給する。

【００３９】

【数２】

【００４０】２乗和演算回路３５は、振動成分ωの２乗
和を求めるために、５ｍ秒毎に次の式（３）を演算し、
２乗和Ｄ２を相関係数演算回路３６に供給する。

【００４１】

【数３】

【００４２】相関係数演算回路３６は、１秒毎に次の式
（４）を演算して、演算された相関係数σを路面μ勾配
変換回路３７に供給する。

【００４３】

【数４】

【００４４】ここで、相関係数σは、車輪回転振動モデ
ルにおける共振強度を示している。共振強度が大きいと
相関係数σは１に近づき、共振強度が小さいと相関係数
σはゼロに近づく。また、相関係数σは、車輪速信号の
振動成分の周期性の度合も示している。したがって、振
動成分が周期性を有すれば相関係数σは１に近づき、振
動成分が不規則なノイズ等を有すれば相関係数σはゼロ
に近づく。さらに、共振強度が大きくなると路面μ勾配
も大きくなり、共振強度が小さくなると路面μ勾配も小
さくなる。したがって、相関係数σと路面μ勾配とは相
関関係があり、相関係数σが決まると、路面μ勾配も決
定される。

【００４５】路面μ勾配変換回路３７は、０から１まで
の相関係数σにそれぞれ対応する路面μ勾配を示す変換
マップを記憶している。路面μ勾配変換回路３７は、変
換マップを参照して、相関係数演算回路３６から供給さ
れた相関係数σに対応する路面μ勾配を求め、路面μ勾
配をフィルタ３８に供給する。

【００４６】フィルタ３８は、路面μ勾配変換回路３７
から供給される路面μ勾配のうち、所定周波数成分の値
を出力する。所定周波数成分としては、例えば０．６Ｈ
ｚや０．０１Ｈｚがある。

【００４７】図３は、路面μ勾配を推定するときの本願
と従来技術の演算負荷を比較した図である。同図による
と、従来技術は、１５個の変数を必要としており、サン
プル周期（５ｍｓ）毎に、加減算を１０回、乗算を１６
回、除算を１回行っている。これに対して、本願は、７
個の変数を必要としており、サンプル周期毎に加減算を
３回、乗算を３回行い、さらに１秒毎に乗算を２回、除
算を１回行っている。総合的には、本願は、従来技術に
比べて１／３〜１／２程度の演算負荷を低減することが
できる。

【００４８】図４は、高μ路から低μ路を走行した場合
の本願による路面μ勾配の推定結果と従来技術による路
面μ勾配の推定結果を比較した図である。なお、フィル
タ３８は、０．６Ｈｚを使用した。同図に示すように、
本願の推定結果は、従来技術の推定結果とほぼ同じ値に
なった。

【００４９】図５は、一般走行時の本願による路面μ勾
配の推定結果と従来技術による路面μ勾配の推定結果を
比較した図である。なお、参考のために走行速度も表し
た。走行速度は補正されてなく、フィルタ３８は０．０
１Ｈｚを使用した。同図に示すように、本願の推定結果
は、従来技術の推定結果とほぼ同じ値になった。

【００５０】以上のように、本実施の形態に係る路面μ
勾配推定装置１は、車輪速信号の振動成分の共振強度を
求め、共振強度に基づいて直接路面μ勾配を推定するこ
とができる。これにより、最小自乗法を用いることなく
路面μ勾配を求めることができるので、従来に比べて路
面μ勾配の演算負担を低減することができる。

【００５１】特に、路面μ勾配推定装置１は、相関係数
演算回路３６においては振動成分ωの平均化処理を行う
ので短時間のサンプル周期で演算を行う必要がなく、例
えば１秒毎に演算を行うだけで済ませることができる。
これにより、路面μ勾配の演算負担を更に低減すること
ができる。

【００５２】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲
内で種々の設計上の変更を行うことができるのは勿論で
ある。例えば、本実施の形態では、２階差分演算回路３
２を用いたが、これに代えて４階以上の偶数階差分を行
ったり、偶数階微分を行う回路を用いることもできる。

【００５３】また、上述した実施の形態では、相関演算
回路３３、２乗和演算回路３４，３５は、サンプル周期
毎に演算を行ったが、サンプル周期より遅い第１の周期
毎に演算を行ってもよい。このとき、相関係数演算回路
３６は、第１の周期より遅い周期毎に演算を行うことが
できる。これにより、上述した実施の形態よりも演算負
荷を更に低減することができる。

【００５４】なお、サンプル周期や相関係数演算回路３
６の演算周期は上述した数値に限定されるものではな
く、その他の数値であってもよいのは勿論である。

【００５５】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、振動成分抽出手
段で抽出された振動成分の共振強度を演算し、演算され
た共振強度に基づいて路面μ勾配を推定することによっ
て、路面μ勾配の推定演算において最小自乗法を用いな
くて済み、この結果、演算負担を大幅に低減することが
できる。

【００５６】請求項２記載の発明は、振動成分の共振強
度と路面μ勾配との対応関係を示したマップを参照し
て、共振強度に対応する路面μ勾配を推定することによ
って、振動成分の共振強度から路面μ勾配を直接推定す
ることができる。

【００５７】請求項３記載の発明は、振動成分抽出手段
で抽出された振動成分の周期性の度合を演算することで
共振強度を求めるので、共振強度と路面μ勾配の関係を
用いることができ、この結果、直接路面μ勾配を推定す
ることができる。

【００５８】請求項４記載の発明は、サンプル周期毎に
車輪速信号の振動成分を抽出し、振動成分とその偶数階
差分又は偶数階微分の演算値との相関をサンプル周期毎
に演算し、共振強度についてはサンプル周期より遅い所
定の周期毎に演算することにより、サンプル周期毎に最
小自乗法を行う場合に比べて、大幅に演算負荷を低減す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る路面μ勾配推定装置
の構成を示す図である。

【図２】マイクロコンピュータの機能的な構成を示すブ
ロック図である。

【図３】路面μ勾配を推定するときの本願と従来技術の
演算負荷を比較した図である。

【図４】高μ路から低μ路を走行した場合の本願による
路面μ勾配の推定結果と従来技術による路面μ勾配の推
定結果を比較した図である。

【図５】一般走行時の本願による路面μ勾配の推定結果
と従来技術による路面μ勾配の推定結果を比較した図で
ある。

【図６】車輪回転振動モデルを示す図である。

【図７】タイヤの摩擦力特性を示す図である。

【図８】車輪速信号の各周波数帯域におけるスペクトル
を示す図である。

【符号の説明】

１ 路面μ勾配推定装置 １０ 車輪速センサ ２０ ＥＣＵ ３１ バンドパスフィルタ ３２ ２階差分演算回路 ３３ 相関演算回路 ３４，３５ ２乗和演算回路 ３６ 相関係数演算回路 ３７ 路面μ勾配変換回路 ３８ フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮下 政則 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 溝口 洋司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 堀之内 克年 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3D046 BB23 HH36 HH46 JJ01 JJ24 KK06 KK07

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車輪速信号を検出する車輪速検出手段
   と、 前記車輪速検出手段で検出された車輪速信号の振動成分
   を抽出する振動成分抽出手段と、 前記振動成分抽出手段で抽出された振動成分の共振強度
   を演算する共振強度演算手段と、 前記共振強度演算手段で演算された共振強度に基づいて
   路面μ勾配を推定する推定手段と、 を備えた路面μ勾配推定装置。
2. 【請求項２】 前記推定手段は、振動成分の共振強度と
   路面μ勾配との対応関係を示したマップを記憶し、前記
   マップを参照して前記共振強度演算手段で演算された共
   振強度に対応する路面μ勾配を推定することを特徴とす
   る請求項１記載の路面μ勾配推定装置。
3. 【請求項３】 前記共振強度演算手段は、前記振動成分
   抽出手段で抽出された振動成分の周期性の度合を演算す
   ることで前記共振強度を演算することを特徴とする請求
   項１または２記載の路面μ勾配推定装置。
4. 【請求項４】 前記振動成分抽出手段は、前記車輪速信
   号の振動成分をサンプル周期毎に抽出し、 前記共振強度演算手段は、前記振動成分抽出手段で抽出
   された振動成分と、当該振動成分の偶数階差分又は偶数
   階微分の演算値と、の相関を前記サンプル周期毎に演算
   し、演算された相関を用いて前記サンプル周期より遅い
   所定の周期毎に前記共振強度を演算することを特徴とす
   る請求項１から３のいずれか１項記載の路面μ勾配推定
   装置。