JP5686363B2

JP5686363B2 - 路面摩擦係数推定装置

Info

Publication number: JP5686363B2
Application number: JP2010052365A
Authority: JP
Inventors: 宏一岡
Original assignee: Kochi University of Technology
Current assignee: Kochi University of Technology
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2030-03-09
Also published as: JP2011183966A

Description

本発明は路面摩擦係数推定装置に関し、より詳しくは自動車の旋回時におけるタイヤと路面との摩擦係数をリアルタイムで推定する装置に関する。

冬季には降雪や路面の凍結により車両のスリップ事故が発生し易くなる。
スリップ事故が発生する際には、タイヤと路面との摩擦係数が低下していると考えられる。
そのため、この摩擦係数（路面摩擦係数）をリアルタイムで検知することができれば、運転者への警告やアクティブ操舵、検知した情報の共有による道路情報網の整備等に利用することができ、スリップ事故の発生を抑制することが可能となる。

スリップ事故は様々な状況で発生するが、例えば車両の旋回時において生じ易いことが知られている。
従来、車両旋回時における摩擦係数を推定する方法が種々提案されているが、提案されている方法の多くは、正確なシミュレーションモデルが必要であったり、大型の専用車両が必要であったりするため、簡便な装置とはなり得ない。

一方、下記特許文献１には、車両が直進中であるか旋回時であるかを判断した後、車輪を積極的にスリップさせることにより摩擦係数を検出する装置が開示されている。
しかし、このような装置では、走行中に運転者の意図しない駆動が生じることにより、運転者が違和感を覚えたり危険性が増したりする虞がある。

特開２００６−１５９２６号公報

本発明は、上記したような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、自動車の旋回時におけるタイヤと路面との摩擦係数を、シミュレーションを用いずにリアルタイムで推定することができるとともに、大型の専用車両が必要とせずに簡便な装置とすることが可能であり、更に走行中に運転者の意図しない駆動が行われることがない路面摩擦係数推定装置を提供するものである。

請求項１に係る発明は、自動車の左右のタイヤの回転数を測定する回転数測定手段と、自動車の進行方向を測定する進行方向測定手段と、前記タイヤの実舵角を測定する実舵角測定手段と、自動車の向きを測定する方角測定手段と、前記回転数測定手段、進行方向測定手段、実舵角測定手段、方角測定手段の各測定値に基づいてタイヤと路面の旋回時における摩擦係数を推定する推定手段とを備え、前記推定手段が、後述する式（８）に基づいてタイヤと路面の旋回時における摩擦係数を算出し、式（８）において、ｍはタイヤにかかる重量であり、ｌはタイヤの接地長であり、Ｇはタイヤの横弾性係数であり、ｖは速度であって、前記回転数測定手段により測定された左右のタイヤの回転数から求められ、Ｒは旋回半径であって、前記回転数測定手段により測定された左右のタイヤの回転数の差と左右のタイヤの間隔から求められ、βはタイヤのスリップ角であり後述する式（４）により求められ、ここで、前記自動車の向きは前記方角測定手段により、前記実舵角は前記実舵角測定手段により、前記自動車の進行方向は前記進行方向測定手段により求められることを特徴とする路面摩擦係数推定装置に関する。

請求項２に係る発明は前記回転数測定手段が、アンチロックブレーキシステムにおける回転数モニタリング手段であることを特徴とする請求項１記載の路面摩擦係数推定装置に関する。

請求項３に係る発明は、前記進行方向測定手段が、自動車に搭載されたＧＰＳであることを特徴とする請求項１又は２に記載の路面摩擦係数推定装置に関する。

請求項４に係る発明は、前記実舵角測定手段が、タイヤの車軸に取り付けられた直動型変位センサであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の路面摩擦係数推定装置に関する。

請求項５に係る発明は、前記方角測定手段が、自動車に搭載された複数のアンテナを備えたＧＰＳコンパスであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の路面摩擦係数推定装置に関する。

本発明に係る路面摩擦係数推定装置は、自動車の左右のタイヤの回転数を測定する回転数測定手段と、自動車の進行方向を測定する進行方向測定手段と、前記タイヤの実舵角を測定する実舵角測定手段と、自動車の向きを測定する方角測定手段と、前記各手段の測定値に基づいてタイヤと路面の旋回時における摩擦係数を推定する推定手段とを備えていることから、自動車の旋回時におけるタイヤと路面との摩擦係数を、シミュレーションを用いずに解析的手法によりリアルタイムで推定することができる。また、大型の専用車両を必要とせずに簡便な装置とすることが可能であるから、様々な自動車に搭載することができ、実用性、汎用性に優れている。更に、走行中に運転者の意図しない駆動がなされることがないため、運転者が違和感を覚える虞がなく安全である。

本発明に係る路面摩擦係数推定装置の構成を示すブロック図である。自動車が旋回している時にタイヤに生じる力を示す説明図である。左右のタイヤの移動距離と旋回半径を近似した説明図である。上図はタイヤの接地長とタイヤにかかる重量（荷重）の関係を示すグラフであり、下図はタイヤの接地長とタイヤの横方向の変形量（ゆがみ量）の関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る路面摩擦係数推定装置の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る路面摩擦係数推定装置の構成を示すブロック図である。
本発明に係る路面摩擦係数推定装置は、自動車の左右のタイヤの回転数を測定する回転数測定手段（１）と、自動車の進行方向を測定する進行方向測定手段（２）と、タイヤの実舵角を測定する実舵角測定手段（３）と、自動車の向きを測定する方角測定手段（４）と、前記各手段（１〜４）の測定値に基づいてタイヤと路面の旋回時における摩擦係数を推定する推定手段（５）とを備えている。

回転数測定手段（１）としては、アンチロックブレーキシステム（Antilock Brake System、以下ＡＢＳと略）における回転数モニタリング手段が好適に使用される。
ＡＢＳは、周知の如く、急ブレーキや低摩擦路面でのブレーキ操作においてタイヤがロックして滑るのを防止する装置である。ＡＢＳはタイヤの回転数をモニタしており、ブレーキを踏んだ際にタイヤがロックされたことを検知すると、制動力を弱めてロック解除し、再び制動力を強めてブレーキをかける。
本発明においては、自動車に備えられたＡＢＳが有する回転数モニタリング手段を回転数測定手段（１）として使用する。以下、本明細書において、ＡＢＳの回転数をモニタする信号をＡＢＳ信号と称する。
回転数測定手段（１）により測定された旋回時の左右のタイヤの回転数の差が、後述するタイヤに加わる遠心力をタイヤにかかる横力として算出する第一の横力算出式において用いられる。

進行方向測定手段（２）としては、自動車に搭載されたＧＰＳ（Global Positioning System）が好適に使用される。
ＧＰＳは自動車の進行方向を検出することができるため、本発明においてはＧＰＳを進行方向測定手段（２）として使用する。
進行方向測定手段（２）であるＧＰＳにより検出された自動車の進行方向は、後述するタイヤのスリップ角の算出のために用いられる。

実舵角測定手段（３）としては、タイヤの車軸に取り付けられた直動型変位センサが好適に使用される。
タイヤの車軸とタイヤの実舵角は線形の関係にあると考えられる。そこで、直動型変位センサをタイヤの車軸に取り付けて車軸の横方向の変位を計測することによりタイヤの実舵角を測定する。
実舵角測定手段（３）である直動型変位センサにより測定された実舵角は、後述するタイヤのスリップ角の算出のために用いられる。

方角測定手段（４）としては、自動車に搭載された複数のアンテナを備えたＧＰＳコンパスが好適に使用される。
ＧＰＳコンパスは、ＧＰＳ電波を複数のアンテナで受信し、その位相差から方角を測定することができる装置である。
方角測定手段（４）であるＧＰＳコンパスにより測定された自動車の向きは、後述するタイヤのスリップ角の算出のために用いられる。

推定手段（５）は、上述した回転数測定手段（１）、進行方向測定手段（２）、実舵角測定手段（３）、方角測定手段（４）の各測定値に基づいて、タイヤと路面の旋回時における摩擦係数をメモリに予め記憶された所定の計算式を使用して計算するコンピュータである。
所定の計算式は、旋回時にタイヤに加わる遠心力からタイヤにかかる横力を算出する第一の横力算出式と、旋回時のタイヤの変形からタイヤにかかる横力を求める第二の横力算出式と、旋回時にタイヤが滑りだす滑り開始位置を求める滑り開始位置算出式とを含んでいる。これらの計算式については後述する。

以下、本発明に係る路面摩擦係数推定装置を用いた路面摩擦係数推定方法について詳述する。
＜旋回時に発生するスリップ角と横力＞
自動車が旋回している時、タイヤの移動方向とタイヤの向いている方向には差が生じる。その角度の差をスリップ角という。
図２は自動車が旋回している時にタイヤに生じる力を示している。
図２の真上方向が進行方向とすると、進行方向への力はタイヤの回転方向とそれに垂直な力に分解される。タイヤの回転方向に垂直な力は、タイヤに働く遠心力であると考えられる。この遠心力に相当する力として旋回内向きに力が発生している。この力を横力という。

タイヤを切ることにより前輪にスリップ角が発生する。この際に発生した横力を進行方向とそれに垂直な力に分解した時に、進行方向と垂直な力がコーナリングフォースである。このコーナリングフォースが自動車の重心周りに働き、モーメントが発生して自動車が回頭を始める。自動車が回頭することにより、自動車の向きと同方向に固定された後輪にもスリップ角が発生する。その際、後輪にもコーナリングフォースが発生する。この前後のコーナリングフォースによって発生するモーメントの差により自動車は回頭する。尚、このモーメントが釣り合った際に定常旋回となる。

＜遠心力から求める横力＞
回転数測定手段（１）は、ＡＢＳ信号により左右のタイヤの回転数を検出する。
旋回時は左右のタイヤで回転数に差が生じる。そのため、図３に示すように、左右のタイヤの移動距離と旋回半径が近似できると考えることにより、左右のタイヤの間隔（既知）より各タイヤの旋回半径を求めることができる。
従って、旋回時にタイヤに加わる遠心力は、タイヤにかかる横力として下式（１）（第一の横力算出式）により求めることができる。

横力＝ｍｖ^２／Ｒ・・・（１）
ｍ：タイヤにかかる重量、ｖ：速度、Ｒ：旋回半径

＜タイヤの変形から求める横力＞
タイヤにかかる重量ｍは、図４の上図に示すようにタイヤの接地長さｌに対して放物線状にかかるとすると、放物線の式は下式（２）のように仮定できる。

ａ，ｂ：定数

放物線の式（２）の全区間を積分した値は、タイヤにかかる重量より下式（３）のようになる。

境界条件x＝0の時にy＝0、x＝lの時にy＝0、により定数ａ，ｂが求められる。
尚、lはタイヤの接地長である。

進行方向測定手段（２）であるＧＰＳの情報により自動車の進行方向が、方角測定手段（４）であるＧＰＳコンパスにより自動車の向きが、実舵角測定手段（３）である直動型変位センサにより実舵角が夫々求められ、これらからスリップ角が下式（４）の通りに求められる。
β＝自動車の向き＋実舵角−自動車の進行方向・・・（４）
β：スリップ角

タイヤは旋回時において図４の下図に示すようにスリップ角βで徐々に横方向に変形していき、ある一点で滑っていると考えられる。
この滑る点（滑り開始位置）は、「タイヤの横弾性係数とその時点までのゆがみの総量の積」と「路面摩擦係数と滑る場所のタイヤにかかっている荷重の積」が釣り合う点であると考えられる。よって、下式（５）が成り立つ。

ｓ：滑り開始位置、μ：路面摩擦係数、Ｇ：タイヤの横弾性係数

式（５）をｓについて整理すると、下式（６）（滑り開始位置算出式）となる。

図４の下図の全区間を積分した値が横力となる。
滑り開始位置以降の曲線部分を直線で近似すると、横力は下式（７）（第二の横力算出式）のように求められる。尚、lはタイヤの接地長である。

横力＝l sG／2tanβ ・・・（７）

推定手段（５）は、式（１）（第一の横力算出式）、式（６）（滑り開始位置算出式）、式（７）（第二の横力算出式）の連立式を解くことにより、旋回時における路面摩擦係数を下式（８）のように求める。

以上より、本発明によれば、シミュレーションを用いずにリアルタイムで路面摩擦係数を求めることができる。
更に、本発明によれば、各タイヤでそれぞれ路面摩擦係数を推定することもできる。
複数輪の兼ね合いは、車体及び積載物の重量分布とそれらのモーメントからタイヤにかかる重量を求めることのみで行うことができる。

本発明に係る装置は、自動車の旋回時におけるタイヤと路面との摩擦係数をリアルタイムで推定することができるため、車両に搭載することにより、運転者への警告やアクティブ操舵に利用することができる。また、多くの自動車が検知した情報を共有化することにより道路情報網の整備等に利用することもできる。

１回転数測定手段
２進行方向測定手段
３実舵角測定手段
４方角測定手段
５推定手段

Claims

自動車の左右のタイヤの回転数を測定する回転数測定手段と、
自動車の進行方向を測定する進行方向測定手段と、
前記タイヤの実舵角を測定する実舵角測定手段と、
自動車の向きを測定する方角測定手段と、
前記回転数測定手段、進行方向測定手段、実舵角測定手段、方角測定手段の各測定値に基づいてタイヤと路面の旋回時における摩擦係数を推定する推定手段とを備え、
前記推定手段が、下式（８）に基づいてタイヤと路面の旋回時における摩擦係数を算出し、

式（８）において、ｍはタイヤにかかる重量であり、ｌはタイヤの接地長であり、
Ｇはタイヤの横弾性係数であり、
ｖは速度であって、前記回転数測定手段により測定された左右のタイヤの回転数から求められ、
Ｒは旋回半径であって、前記回転数測定手段により測定された左右のタイヤの回転数の差と左右のタイヤの間隔から求められ、
βはタイヤのスリップ角であり下式（４）により求められ、
β＝自動車の向き＋実舵角−自動車の進行方向・・・（４）
ここで、前記自動車の向きは前記方角測定手段により、前記実舵角は前記実舵角測定手段により、前記自動車の進行方向は前記進行方向測定手段により求められる
ことを特徴とする路面摩擦係数推定装置。
前記回転数測定手段が、アンチロックブレーキシステムにおける回転数モニタリング手段であることを特徴とする請求項１記載の路面摩擦係数推定装置。
前記進行方向測定手段が、自動車に搭載されたＧＰＳであることを特徴とする請求項１又は２に記載の路面摩擦係数推定装置。
前記実舵角測定手段が、タイヤの車軸に取り付けられた直動型変位センサであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の路面摩擦係数推定装置。
前記方角測定手段が、自動車に搭載された複数のアンテナを備えたＧＰＳコンパスであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の路面摩擦係数推定装置。