JP2007106169A - 路面状態推定装置および方法、ならびに路面状態推定のためのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】駆動時および制動時のいずれの場合においても、精度良く走行中の路面の状態を推定することができる路面状態推定装置および方法、ならびに路面状態推定のためのプログラムを提供する。
【解決手段】所定時間毎に、ＧＰＳに利用される衛星電波の情報に基づき車両速度情報を検出する手段、該車両速度情報から車両加速度を演算する手段、車両のタイヤ回転速度情報を定期的に検出する手段、該車両速度情報と該タイヤ回転速度情報からタイヤのスリップ率を演算する手段、車両加速度とスリップ率の関係を、摩擦係数の高い路面を走行したときの車両加速度とスリップ率から算出し保持された基準値と比較することで路面状態を推定する手段を含み、前記路面状態推定手段において、制動時には、制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持された制動基準値と比較し、非制動時には、非制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持された非制動基準値と比較することで路面状態を推定することを特徴とする路面状態推定装置である。
【選択図】なし

Description

本発明は路面状態推定装置および方法、ならびに路面状態推定のためのプログラムに関する。さらに詳しくは、とくに制動時においても、精度良く走行中の路面の状態を推定することができる路面状態推定装置および方法、ならびに路面状態推定のためのプログラムに関する。

従来、四輪タイヤの回転速度情報から、車両加速度とスリップ率を算出し、車両加速度とスリップ率の関係から路面状態を推定する方法がある（特許文献１）。また、車両加速度とスリップ率を所定距離分蓄積し、その関係から高μ路面を検出して路面状態を推定するための基準値およびしきい値を設定する方法がある（特許文献２）。しかしながら、これらの方法では、基本的に従動輪速度を車体速度として車両加速度やスリップ率を算出しているため、従動輪の存在しない四輪駆動車では適用するのが困難である。また、加速度センサなどを利用する方法も考えられるが、路面勾配の影響などを受けて精度よく車体加速度を推定するのは難しい。そこで、車載したＧＰＳ受信機が受信した衛星電波の情報を利用して車体速度を推定し、その車体速度から車両加速度とスリップ率を算出し、路面状態を推定する方法がある（特許文献３）。

ところで、特許文献１および２の方法では、車両速度として従動輪速度を利用しているため、制動時にはタイヤの回転に外的要因（フットブレーキによる制動力）が働き、正確に車体速度を求めることができない。したがって、制動中は路面状態を正確に推定することができないという問題点がある。一方、特許文献３に示すように、ＧＰＳ情報をもとに車両速度を算出する場合、制動時にも精度よく車両速度を推定することができるため、理論的には制動中も路面状態を推定することが可能である。

しかしながら、たとえば二輪駆動車の場合、駆動時には前輪または後輪にしか作用しない駆動力で車体が加速しているのに対し、制動時には四輪に作用する制動力で車体が減速する。したがって駆動時と制動時では、車体加減速度に対するスリップ率の関係が異なる場合がある。よって、特許文献３に記載されているように、１つのしきい値で路面状態を推定した場合、推定精度が悪くなってしまう場合がある。また四輪駆動車においても、駆動時の駆動力配分と制動時の制動力配分が同じであるとは限らないため、二輪駆動車の場合と同様、制動時と駆動時では、車体加速度とスリップ率の関係が異なる場合がある。

特開２００１−２５３３３４号公報 特開２００２−２７４３５７号公報 特開２００４−１７５３４９号公報

本発明は、駆動時および制動時のいずれの場合においても、精度良く走行中の路面の状態を推定することができる路面状態推定装置および方法、ならびに路面状態推定のためのプログラムを提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、ＧＰＳに利用される衛星電波を受信し、当該衛星電波の情報に基づき算出される車両速度情報と、駆動輪タイヤの回転速度情報とに基づいて路面状態を推定する路面状態推定装置であって、所定時間毎に、ＧＰＳに利用される衛星電波の情報に基づき車両速度情報を検出する手段、該車両速度情報から車両加速度を演算する手段、車両のタイヤ回転速度情報を定期的に検出する手段、該車両速度情報と該タイヤ回転速度情報からタイヤのスリップ率を演算する手段、車両加速度とスリップ率の関係を、摩擦係数の高い路面を走行したときの車両加速度とスリップ率から算出し保持された基準値と比較することで路面状態を推定する手段を含み、前記路面状態推定手段において、制動時には、制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持された制動基準値と比較し、非制動時には、非制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持された非制動基準値と比較することで路面状態を推定することを特徴とする路面状態推定装置に関する。

前記基準値が、車両加速度とスリップ率の互いの１次回帰係数をもとに算出されることが好ましい。

前記基準値を、新しく算出された基準値で更新する手段を含むことが好ましい。
また、本発明は、ＧＰＳに利用される衛星電波を受信し、当該衛星電波の情報に基づき算出される車両速度情報と、駆動輪タイヤの回転速度情報とに基づいて路面状態を推定する路面状態推定方法であって、所定時間毎に、ＧＰＳに利用される衛星電波の情報に基づき車両速度情報を検出する工程、該車両速度情報から車両加速度を演算する工程、車両のタイヤ回転速度情報を定期的に検出する工程、該車両速度情報と該タイヤ回転速度情報からタイヤのスリップ率を演算する工程、車両加速度とスリップ率の関係を、摩擦係数の高い路面を走行したときの車両加速度とスリップ率から算出し保持された基準値と比較することで路面状態を推定する工程を含み、前記路面状態推定工程において、制動時には、制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持された制動基準値と比較し、非制動時には、非制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持された非制動基準値と比較することで路面状態を推定することを特徴とする路面状態推定方法に関する。

さらに、本発明は、コンピュータに、所定時間毎に、ＧＰＳに利用される衛星電波の情報に基づき車両速度情報を検出する手順、該車両速度情報から車両加速度を演算する手順、車両のタイヤ回転速度情報を定期的に検出する手順、該車両速度情報と該タイヤ回転速度情報からタイヤのスリップ率を演算する手順、車両加速度とスリップ率の関係を、摩擦係数の高い路面を走行したときの車両加速度とスリップ率から算出し保持された基準値と比較することで路面状態を推定する手順を実行させ、路面状態を推定するためのプログラムであって、制動時には、制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持している制動基準値と比較し、非制動時には、非制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持している非制動基準値と比較することで路面状態を推定することを特徴とするプログラムに関する。

本発明によると、車両の制動時と非制動時で比較する基準値を変えているので、車両の制動時であっても非制動時であっても精度よく路面状態を推定することが可能となる。

以下、添付図面に基づいて、本発明の路面状態推定装置および方法、ならびに路面状態推定のためのプログラムについて説明する。

図１および２に示されるように、本発明の一実施の形態にかかわる路面状態推定装置において、４輪車両に備えられた４つのタイヤＦＬ、ＦＲ、ＲＬおよびＲＲの車輪速回転情報を検出するため、各タイヤにそれぞれ関連して設けられた通常の車輪速検出手段１を備えられている。前記車輪速検出手段１としては、電磁ピックアップなどを用いて回転パルスを発生させてパルスの数から車輪速回転情報を測定する車輪速センサまたはダイナモのように回転を利用して発電を行ない、この電圧からタイヤ速回転情報を測定するものを含む角速度センサなどを用いることができる。

前記車輪速検出手段１では、タイヤの回転数に対応したパルス信号（以下、車輪速パルスという）が出力される。またＣＰＵ２ｂでは、車輪速検出手段１から出力された車輪速パルスに基づき、所定のサンプリング周期ΔＴ(sec)、たとえばΔＴ＝０．０５秒ごとに各タイヤの回転角速度Ｆ_iが算出される。

ここで、タイヤは、規格内でのばらつき（初期差異）が含まれて製造されるため、各タイヤの有効転がり半径（一回転により進んだ距離を２πで割った値）は、すべてのタイヤがたとえ正常空気圧であっても、同一とは限らない。そのため、各タイヤの回転角速度Ｆ_iはばらつくことになる。そこで、初期差異によるばらつきを打ち消すために補正した回転角速度Ｆ１_iを算出する。具体的には、
Ｆ１₁＝Ｆ₁
Ｆ１₂＝ｍＦ₂
Ｆ１₃＝Ｆ₃
Ｆ１₄＝ｎＦ₄
と補正される。前記補正係数ｍ、ｎは、たとえば車両が直線走行していることを条件として回転角速度Ｆ_iを算出し、この算出された回転角速度Ｆ_iに基づいて、ｍ＝Ｆ₁／Ｆ₂、ｎ＝Ｆ₃／Ｆ₄として得られる。そして、前記車輪速回転情報は、車輪速検出手段１の車輪速パルスの周期とパルス数を所定の時間間隔ごとに読み込み、算出される回転速度であり、前記Ｆ１_iに基づき、各車輪のタイヤの回転速度Ｖｉを算出する。

前記車輪速検出手段１の出力はＡＢＳなどのコンピュータである制御ユニット２に与えられる。この制御ユニット２には、ＧＰＳアンテナ３ａからＧＰＳ電波を受信し、走行中の車両の位置と速度の情報を算出するＧＰＳ装置３が接続されている。また、路面の状態をドライバーに知らせる路面状態表示器４、たとえば液晶表示素子、プラズマ表示素子またはＣＲＴなどから構成された表示手段が接続されている。

制御ユニット２は、図２に示されるように、外部装置との信号の受け渡しに必要なＩ／Ｏインターフェイス２ａと、演算処理の中枢として機能するＣＰＵ２ｂと、該ＣＰＵ２ｂの制御動作プログラムが格納されたＲＯＭ２ｃと、前記ＣＰＵ２ｂが制御動作を行なう際にデータなどが一時的に書き込まれたり、その書き込まれたデータなどが読み出されるＲＡＭ２ｄとから構成されている。

従来より、カーナビゲーションに代表されるように、車両の位置測定については全地球測位システム（ＧＰＳ）を利用した側位が一般的に知られている。民間利用が許されている周波数帯における位置精度の向上について、多くの研究がなされており、その中で、各衛星から送られてくる情報の搬送波の位相を測定することでその精度を向上させる技術が電子情報通信学会誌（Ｖｏｌ．８２ Ｎｏ．１２）に紹介されている。

ＧＰＳ装置３としては、たとえばレースロジック（ＲＡＣＥＬＯＧＩＣ）社製のＶＢＯＸ（商品名）を用いることができる。このＶＢＯＸは、衛星電波の搬送波の位相差を利用して補正するＫｉｎｅｍａｔｉｃ ＧＰＳという位置特定方法を採用しているため、高精度に位置を特定することができる。なお、ＧＰＳ装置において、搬送波のドップラー効果を用いて、高精度に車両の速度を算出することができる場合、直接該車両の速度情報から路面状態を推定することがより好ましい。

本発明においては、ＧＰＳによる車両の情報（位置情報、車速情報など）を高精度に取得し、前記タイヤ速回転情報とともに車両が走行している路面の状態を推定し、ドライバーに知らせる。

以下、本実施の形態では、速度を直接算出することができないＧＰＳ装置について、位置情報から路面状態を推定する例について説明する。

本実施の形態におけるＧＰＳ装置３は、タイヤ回転速度を算出する速度検知の時間間隔に同期して車両の位置情報を読み込み、車両速度と車両の加速度を算出する車両情報演算手段とからなる。また、本実施の形態では、前記タイヤ回転速度と車両速度からスリップ率を演算するスリップ率演算手段を備えており、路面状態推定手段により、該スリップ率とＧＰＳ装置により算出された加速度との関係を用いて、走行中の路面の状態を推定する。ここで、スリップ率と加速度との関係というのは、一般的なタイヤと路面のμ−ｓ曲線と同じことであり、高μ路、中μ路、低μ路により勾配が変わる。

さらに一定時間間隔ごとに読み込んだタイヤ回転速度と車両の速度または加速度に、所定の個数の移動平均処理を施す移動平均処理手段を備えるのが好ましい。

本実施の形態の路面状態推定のプログラムは、制御ユニット２を、車輪速検出手段１から得られる車両のタイヤ回転速度と、ＧＰＳ装置３から得られる車両の速度情報との関係から、走行中の路面の状態を推定する路面状態推定手段として機能させる。また、制御ユニット２を、回転速度を算出する速度検知の時間間隔に同期した車両速度情報から車両加速度を演算する手段、車両速度と前記タイヤ回転速度とから、スリップ率を演算するスリップ率演算手段、車両加速度とスリップ率の関係を、摩擦係数の高い路面を走行したときの車両加速度とスリップ率から算出し保持された基準値と比較することで路面状態を推定する手段として機能させる。ここで、本発明においては、制動時には、制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持されている制動基準値と比較し、非制動時には、非制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持されている非制動基準値と比較することで路面状態を推定することを特徴とする。さらに、一定時間間隔ごとに読み込んだタイヤ回転速度と車両の速度または加速度に、所定の個数の移動平均処理を施す移動平均処理手段として機能させることが好ましい。

以下、本実施の形態の路面状態推定装置の動作の一例を手順(1)〜(6)に沿って説明する。

(1) 車両の駆動輪タイヤのそれぞれの回転速度（Ｖ１_n、Ｖ２_n、Ｖ３_n、Ｖ４_n）を算出する。たとえば、ＡＢＳセンサなどのセンサから得られた車両の各車輪タイヤのある時点の車輪速データをタイヤ回転速度Ｖ１_n、Ｖ２_n、Ｖ３_n、Ｖ４_nとする。

(2) ついで車両の駆動輪の回転速度Ｔを演算する。たとえば２輪駆動車の場合、駆動輪の平均回転速度とし、４輪駆動車の場合、４輪の平均回転速度とすることができる。また、２または４駆動輪のうちの１輪の回転速度とすることもできる。

(3) ＧＰＳ装置を利用して算出された車両速度をＶｆ_n、Ｖｆ_nより１つ前の車両速度データを車両速度Ｖｆ_n-1とすると、車両の加速度Ｖａｆ_nはつぎの式（１）で求められる。
Ｖａｆ_n＝（Ｖｆ_n−Ｖｆ_n-1）／Δｔ／Ｇ ・・・（１）
ここで、Δｔは前記回転速度のサンプリングと同期する、車両速度データから算出される平均車両速度Ｖｆ_nとＶｆ_n-1の時間間隔（サンプリング時間）であり、Ｇは重力加速度である。前記サンプリング時間としては、データのばらつきを小さくし、かつ短時間で判別するためには、０．１秒以下である必要がある。より好ましくは、０．０５秒以下である。

(4) 走行中の車両のスリップ率Ｓをつぎの式（２）で定義する。
Ｓ＝（Ｔ−Ｖｆ_n）／Ｔ ・・・（２）

(5) ついで車両の駆動輪のスリップ率と車両の加速度の関係を求める。すなわち、所定時間分の車両加速度とスリップ率のデータについて、線形近似により車両加速度とスリップ率の互いの１次の回帰係数を求める。このとき、制動時のみのデータおよび非制動時のみのデータでそれぞれ線形近似を行なう。なお、本発明でいう制動時とは、フットブレーキが作用している場合であり、非制動時とはそれ以外の場合のことである。よって、制動時か非制動時かは、フットブレーキが踏まれているか否かで判断する。

(6) 制動時のデータから算出された回帰係数は制動時基準値（ＢＳ）と比較し、非制動時のデータから算出された回帰係数は非制動時基準値（ＤＳ）と比較して路面状態を推定する。

制動時の制動基準値と非制動時の非制動基準値については、例えば下記の方法によりあらかじめ求めておく必要がある。この場合、所定時間（Ｔ１）の代わりに所定距離（Ｄ１）を算出し、所定距離（Ｄ１）毎に車両加速度とスリップ率の互いの１次の回帰係数を算出する。基準値の算出は、走行中絶えず実施し、新しい基準値が求まる毎に基準値を更新するのが望ましい。なぜならタイヤが経時変化するなどして、基準値が変化する場合が考えられるためである。

前述の方法にしたがってスリップ率と車両の加減速度を求め、走行距離が所定の距離ごとに移動平均して蓄積する。路面状態を推定する場合、走行中の路面状態は刻々と変化するため、短時間、たとえば数秒以下で推定する必要があるが、路面状態を推定するしきい値を設定する場合は、それほど早くなくてもよい。そこで、比較的距離の長い所定の距離分のデータを蓄積して、１次の回帰係数と相関係数を求める。

例えば、サンプリング時間ごとの車両の加速度およびスリップ率の平均値をそれぞれＭＡｆ_i、ＭＳ_iとすると、１次の回帰係数は次のように表される。

また、相関係数ＲＳは、
ＲＳ＝ＫＳ１×ＫＳ２ ・・・（５）
となる。

前記手順により相関係数ＲＳが所定の値、たとえば０．９以上の場合の１次の回帰係数ＫＳ１を基準値とする。この相関係数ＲＳが０．９以上のときというのは、摩擦係数が高い路面であることを意味している。なぜなら、アスファルトのような高μ路は、路面状態が安定しているために、比較的長い距離のデータを蓄積してもデータがばらつかず相関係数が高い。しかし、圧雪路やアイスバーン路などの低μ路は、路面状態が安定しておらず、比較的長い距離のデータを蓄積するとデータがばらつき相関係数が低くなるからである。このように、高μ路であると認識した場合の１次の回帰係数ＫＳ１を基準値とすることにより、現在装着されているタイヤ固有のしきい値を設定することができる。しきい値は次式（６）により算出することができる。
Ｌ＝６ＫＳ１²＋０．４ＫＳ１＋０．０４ ・・・（６）

この式（６）は、実験により算出されたものである。式（６）により求められたしきい値Ｌを、今までのＬで平均化して更新する。しきい値としては、たとえば基準値の値の１．１〜３．０倍に設定することが好ましい。

このように、基準値の算出は、車両加速度とスリップ率のデータを所定距離分蓄積し、その蓄積されたデータについての互いの１次の回帰係数を求めることにより決定することができる。高摩擦路面では、摩擦係数が安定しているために比較的長い距離のデータを蓄積しても車両加速度とスリップ率の１次の回帰係数の値がほぼ一定であるのに対し、低摩擦路面では、摩擦係数が安定していないために、比較的長い距離のデータから車両加速度とスリップ率の１次の回帰係数を算出すると値が一定しない。したがって、ここでいう所定距離は、約３００ｍから２，０００ｍ程度が望ましい。所定距離の算出は、車両速度にサンプリング時間を掛けて、サンプリング時間毎の走行距離を算出し、その距離を累積することで求めることができる。もちろん高摩擦路面であっても、前記１次回帰係数の値が一定でない場合があるため、その場合はデータを削除して基準値としては利用しないこととする。

以下に本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。

車両として、４輪駆動車（排気量３．０Ｌ）を用意した。タイヤのサイズは２１５／４５ Ｒ１７である。また、車両の走行条件としては、住友ゴム工業株式会社の岡山トラックコースにおいて、アスファルト路とアイスバーン路を走行した。車両に搭載したＧＰＳセンサは、ＲＡＣＥＬＯＧＩＣ社製のＶＢＯＸ ＰＲＯであり、ＧＰＳに基づいた車両速度およびタイヤの回転速度のサンプリング時間は５０ミリ秒とした。

所定時間分の車体加速度とスリップ率のデータについて、線形近似により車体加速度とスリップ率の互いの１次の回帰係数を算出した。この場合、フットブレーキを踏んでいるときと踏んでいないときで分けてデータを蓄積し、線形近似を行なった。四輪駆動車でアスファルト路と圧雪路を走行した場合の非制動時および制動時の車体加速度とスリップ率の関係をそれぞれ図３（ａ）および（ｂ）に示す。また、それぞれの路面での非制動時および制動時の車両加速度とスリップ率の互いの１次の回帰係数（Ｋ１）を表１に示す。

非制動時、制動時とも、アスファルト路よりも圧雪路の方が大きな値となっており、路面状態の違いによる影響が表れている。しかし、非制動時の圧雪路のＫ１と制動時のアスファルト路のＫ１はほぼ同じ値となっており、１つの基準値のみでは路面状態を推定することができないことがわかる。よって、制動時と非制動時でそれぞれ基準値を設け、その基準値に対するしきい値から路面状態を推定することで、絶えず精度よく路面状態を推定することができる。

本発明の路面状態推定装置の一実施の形態を示すブロック図である。 図１の路面状態推定装置の電気的構成を示すブロック図である。 四輪駆動車でアスファルト路と圧雪路を走行した場合の非制動時における車体加速度とスリップ率の関係を示す図である。 四輪駆動車でアスファルト路と圧雪路を走行した場合の制動時における車体加速度とスリップ率の関係を示す図である。

符号の説明

１ 車輪速検出手段
２ 制御ユニット
３ ＧＰＳ装置
３ａ ＧＰＳアンテナ
４ 路面状態表示器

Claims (5)

1. ＧＰＳに利用される衛星電波を受信し、当該衛星電波の情報に基づき算出される車両速度情報と、駆動輪タイヤの回転速度情報とに基づいて路面状態を推定する路面状態推定装置であって、
   所定時間毎に、ＧＰＳに利用される衛星電波の情報に基づき車両速度情報を検出する手段、該車両速度情報から車両加速度を演算する手段、車両のタイヤ回転速度情報を定期的に検出する手段、該車両速度情報と該タイヤ回転速度情報からタイヤのスリップ率を演算する手段、車両加速度とスリップ率の関係を、摩擦係数の高い路面を走行したときの車両加速度とスリップ率から算出し保持された基準値と比較することで路面状態を推定する手段を含み、
   前記路面状態推定手段において、制動時には、制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持された制動基準値と比較し、非制動時には、非制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持された非制動基準値と比較することで路面状態を推定することを特徴とする路面状態推定装置。
2. 前記基準値が、車両加速度とスリップ率の互いの１次回帰係数をもとに算出されることを特徴とする請求項１記載の路面状態推定装置。
3. 前記基準値を、新しく算出された基準値で更新する手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の路面状態推定装置。
4. ＧＰＳに利用される衛星電波を受信し、当該衛星電波の情報に基づき算出される車両速度情報と、駆動輪タイヤの回転速度情報とに基づいて路面状態を推定する路面状態推定方法であって、
   所定時間毎に、ＧＰＳに利用される衛星電波の情報に基づき車両速度情報を検出する工程、該車両速度情報から車両加速度を演算する工程、車両のタイヤ回転速度情報を定期的に検出する工程、該車両速度情報と該タイヤ回転速度情報からタイヤのスリップ率を演算する工程、車両加速度とスリップ率の関係を、摩擦係数の高い路面を走行したときの車両加速度とスリップ率から算出し保持された基準値と比較することで路面状態を推定する工程を含み、
   前記路面状態推定工程において、制動時には、制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持された制動基準値と比較し、非制動時には、非制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持された非制動基準値と比較することで路面状態を推定することを特徴とする路面状態推定方法。
5. コンピュータに、所定時間毎に、ＧＰＳに利用される衛星電波の情報に基づき車両速度情報を検出する手順、該車両速度情報から車両加速度を演算する手順、車両のタイヤ回転速度情報を定期的に検出する手順、該車両速度情報と該タイヤ回転速度情報からタイヤのスリップ率を演算する手順、車両加速度とスリップ率の関係を、摩擦係数の高い路面を走行したときの車両加速度とスリップ率から算出し保持された基準値と比較することで路面状態を推定する手順を実行させ、路面状態を推定するためのプログラムであって、
   制動時には、制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持している制動基準値と比較し、非制動時には、非制動時の車両加速度とスリップ率から算出し保持している非制動基準値と比較することで路面状態を推定することを特徴とするプログラム。

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