JP5788710B2 - 路面摩擦係数推定方法、車両制御方法、及び、路面摩擦係数推定装置 - Google Patents

路面摩擦係数推定方法、車両制御方法、及び、路面摩擦係数推定装置 Download PDF

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Description

本発明は、走行中の路面の摩擦係数を推定する方法とその装置、及び、車両制御方法に関するものである。
自動車の走行安定性を高めるため、タイヤと路面との間の摩擦係数(路面摩擦係数)もしくはタイヤの接地状態を精度良く推定し、車両制御へフィードバックすることが求められている。予め前記路面摩擦係数やタイヤの接地状態を推定することができれば、制駆動や操舵といった危険回避の操作を起こす前に、例えば、ABSブレーキのより高度な制御等が可能になり、安全性が一段と高まることが予想される。
路面摩擦係数を推定する方法としては、タイヤのショルダー部にタイヤ周方向に延長するサイプを含む易変形構造領域が特定の周期Pで形成された路面状態推定用タイヤを用い、加速度センサーにより、走行中のタイヤトレッドの振動を検出して振動スペクトルを求めるとともに、車輪速センサーにより測定した車輪速と前記周期Pとから算出される検出周波数における易変形構造領域に起因する振動レベルの大きさから路面状態を推定する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2010−274906号公報
しかしながら、前記従来の路面状態推定用タイヤは、トレッドパターンが限定されるため、パターン作成の自由度が低いといった問題点があった。
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、バリアブルピッチを採用している一般的なタイヤパターンを基調とした路面摩擦係数検出用タイヤを用いて、走行中の路面の摩擦係数を精度よく推定することのできる方法とその装置、及び、車両制御方法を提供することを目的とする。
本願発明は、ブロックパターンを有するタイヤの振動を検出して回転次数比分析し、前記回転次数比分析されたタイヤの振動の回転次数成分の大きさから走行中の路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定方法であって、前記タイヤは、タイヤ周方向に沿ったブロックの総数Nが10以上であるブロック列を少なくとも1列有し、前記ブロック列が、タイヤ周方向に隣接するブロック同士を連結する連結部が設けられたラグ溝をn個有し、前記nが(N/2)≦n≦(N−5)を満たす範囲にあり、前記路面の摩擦係数を推定するための回転次数成分の次数が(N−n)であることを特徴とする。
これにより、一般的なブロックパターンにおいて連結部を設ける設計変更を行うだけで路面摩擦係数検出用タイヤを作製できるとともに、次数が(N−n)であるタイヤの回転次数成分(以下、回転次数成分という)の大きさは走行する路面により確実に変化するので、走行中の路面摩擦係数を精度よく推定することができる。
本発明で用いた回転次数比分析(回転次数分析ともいう)は、回転体の振動を回転速度に同期してサンプリングした信号をFFT(高速フーリエ変換)し、横軸を回転次数(order)とするパワースペクトルを求めるもので、回転次数nは、振動の1周期の角度をθ(deg.)とすると、n=360/θと表わせる。本発明において路面摩擦係数の推定に用いる回転次数成分は回転角度に対する周期成分の位相が固定されるので、時間単位で計測する周波数分析と比較して振動成分を精度良く検出できる。
また、本願発明は、前記連結部の当該ラグ溝の溝底からの高さが前記ブロックの高さ以下で、前記連結部のタイヤ幅方向の長さが前記ブロックの幅の1/2以下、もしくは、当該ラグ溝の深さ以下であることを特徴とする。
これにより、連結部を設けた設計変更によるタイヤ挙動の変化を最小限に抑制できるので、制・駆動特性や排水性などの設計変更前のブロックパターンの特性を維持したまま、走行中の路面摩擦係数を精度よく推定することができる。
また、本願発明は、前記ブロック列がタイヤトレッドのセンター部に形成されたブロック列であることを特徴とする。
前記ブロック列はトレッド端にあっても路面摩擦係数を精度よく推定できるが、特に、負荷の大きなタイヤトレッドのセンター部に設ければ、路面による回転次数成分の大きさの変化も大きくなるので、路面摩擦係数の推定精度を更に向上させることができる。
また、本願発明は、前記タイヤの振動を車両バネ下部にて検出することを特徴とする。
これにより、タイヤにセンサーを設けることなく、走行中の路面摩擦係数を精度よく推定することができる。また、タイヤへのセンサー取り付けが不要になるので、タイヤの生産効率が向上する。また、タイヤにセンサーを装着した場合に比較してセンサーの耐久性を向上させることができるだけでなく、センサーの交換も容易となる。
また、本願発明は、車両の走行状態を制御する方法であって、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の路面摩擦係数推定方法により推定した路面摩擦係数に基づいて車両の走行状態を制御することを特徴とする。
このように、推定された路面摩擦係数に基づいて、ABSブレーキ等を制御して車両の走行状態を制御すれば、車両の安全性を更に高めることができる。
請求項6に記載の発明は、走行中の路面の摩擦係数を推定する装置であって、タイヤ周方向に沿ったブロックの総数Nが10以上であるブロック列が少なくとも1列形成されたブロックパターンを有し、前記ブロック列のタイヤ周方向に隣接するブロック同士を連結する連結部が設けられたラグ溝の個数nが(N/2)≦n≦(N−5)の範囲にある路面摩擦係数検出用タイヤと、車両バネ下部に設置されて、前記路面摩擦係数検出用タイヤから車両バネ下部に伝播されるタイヤトレッドの振動を検出する振動検出手段と、前記振動検出手段で検出されたタイヤトレッドの振動を回転次数比分析して、次数が(N−n)である回転次数成分の大きさを抽出する回転次数成分抽出手段と、前記抽出された回転次数成分の大きさから走行中の路面の摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段とを備えたことを特徴とする。
このような構成を採ることにより、制・駆動特性や排水性などの設計変更前のブロックパターンの特性を維持したまま、走行中の路面摩擦係数を精度よく推定することができるとともに、車輪の回転速度によって変化するタイヤの共振振動による誤推定の確率を低下させることができる。また、タイヤにセンサーを設けることなく、走行中の路面摩擦係数を精度よく推定することができるので、センサーの耐久性を向上させることができる。
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。
本実施の形態に係る路面状態推定装置の構成を示す機能ブロック図である。 トレッドパターンの一例を示す図である。 トレッドの要部斜視図である。 高μ路面での回転次数スペクトルと低μ路面での回転次数スペクトルとを比較した図である。 連結部の有無による回転次数スペクトルの違いを示す図である。
以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、本実施の形態に係る路面状態推定装置10の機能ブロック図である。
路面状態推定装置10は、振動検出手段としての加速度センサー11と、回転速度検出手段としての車輪速センサー12と、回転信号生成手段13と、回転次数比分析手段14と、回転次数成分抽出手段15と、路面状態推定手段16と、警報手段17と、路面状態検出用タイヤ(以下、タイヤという)20とを備える。
図2はタイヤ20のトレッドパターンの一例を示す図で、タイヤ20は、タイヤトレッド21に形成されてタイヤ周方向に沿って延びる周方向溝22〜24と、周方向溝22〜24に交差する方向に延長するラグ溝25(25a,25b)と、周方向溝22,23とラグ溝25、及び、周方向溝23,24とにより区画され、タイヤセンターCLのタイヤ幅方向両側に配列された第1及び第2のセンターブロック26,27と、タイヤ幅方向外側に位置する周方向溝22,24のタイヤ幅方向外側に位置する複数のショルダーブロック28とを備える。
以下、周方向溝23をセンター溝、周方向溝22,24をショルダー溝という。
第1及び第2のセンターブロック26,27は、それぞれが、タイヤ周方向に沿って配列されたブロックの総数Nが10以上の第1及び第2のブロック列26K,27Kを構成する。
本例では、第1のブロック列26Kを周方向にn分割し、図2の矢印に示す分割位置に最も近いブロック間に位置するラグ溝25a以外のラグ溝25bにブロック26,26間を連結する連結部29を設けている。連結部29が設けられたラグ溝25bの本数をn本とすると、連結部29が設けられていないラグ溝25aの本数は(N−n)本となる。
本例では、N−nを、
5≦N−n≦N/2……(1)
を満たす範囲に設定している。例えば、ブロックの総数をN=60とし、N−n=23とすれば、N,N−nは前記式(1)を満たしている。
連結部29は、図3にも示すように、ラグ溝25aの溝底からの高さhが連結されるブロック26,26の高さH以下で、タイヤ幅方向の長さwがブロック26,26のタイヤ幅方向の長さW(もしくは、ラグ溝25aに沿った長さ)の1/2以下のブロック状のゴム部材で、ブロック26,26を構成するゴム部材と同じゴム部材から構成される。
また、本例では、ブロック26と連結部29とを、ラグ溝25aの延長方向に平行な辺とセンター溝23に平行な辺とを有する平面視平行四辺形状の部材とし、連結部29を、ラグ溝25aのセンター溝23側に配置した。
加速度センサー11は、図1に示すように、ナックル31に取り付けられて、ホイール32、ホイールハブ33を介してナックル31に伝播されるタイヤ20の振動(以下、タイヤ振動という)を検出する。加速度センサー11の検出方向はタイヤ前後方向である。
ナックル31は、タイヤ20を装着するホイール32とともに回転するホイールハブ33と軸受けを介して連結された車輪部30の非回転側部品(車両バネ下部品)で、このナックル31に図示しないブレーキ装置などが装着される。ナックル31はサスペンション部材34を備えた車両懸架装置の上下のアーム35,36と、ゴムブッシュなどの緩衝部材37,38を介して連結されている。
なお、加速度センサー11を、上下のアーム35,36などの、ホイール32と緩衝部材37,38を介して連結されている部材に取り付けると、緩衝部材37,38のダンパー効果によりトレッド21の振動の検出精度が低下する。したがって、加速度センサー11の取り付け箇所としては、車両バネ下部であっても、緩衝部材37,38よりもホイール32側に設置した方が当該タイヤ20から車両バネ下部に伝播される振動を精度良く検出することができる。
車輪速センサー12は車輪の回転速度(以下、車輪速という)を検出するもので、本例では、外周部に歯車が形成され車輪とともに回転するローターと、このローターと磁気回路を構成するヨークと、磁気回路の磁束変化を検出するコイルとを備え、車輪の回転角度を検出する周知の電磁誘導型の車輪速センサーを用いている。ヨークとコイルとはナックル31に装着される。なお、車輪速センサー12としては、リング多極マグネットと磁気抵抗素子とを組み合わせたものなど、他の構成の車輪速センサーを用いてもよい。あるいは、図示しないトランスミッションの回転速度を検出し、これを車輪速としてもよい。
回転信号生成手段13は、車輪速センサー12の出力のゼロクロス点で立ち上がるパルス信号を生成して出力する。タイヤ1回転で生成されるパルス数は、ローターの歯車数もしくはリング多極マグネットの磁極数の2倍となる。したがって、パルス数を計数することで車輪速を検出することができるとともに、回転信号生成手段13から出力されるパルス信号をサンプリングクロックとして使用することができる。サンプリングクロックは、回転速度に同期しているので、このサンプリングクロックを用いて加速度センサー11で検出したタイヤ振動をサンプリングすれば、1回転あたりのサンプル数が車輪速に関わらず一定となる。但し、時間的にみると、サンプリング間隔は、車輪速が遅いほど狭く、車輪速が速くなると広がる。
回転次数比分析手段14は、ローパスフィルタ14aと、サンプリング手段14bと、分析手段14cとを備える。
ローパスフィルタ14aは、加速度センサー11で検出したタイヤ振動の高周波成分を除去するとともに、回転次数比分析におけるエリアジング現象(折り返し)の発生を抑制する。
サンプリング手段14bは、回転信号生成手段13から出力されるサンプリングクロックを用いて加速度センサー11で検出したタイヤ振動をサンプリングする。
分析手段14cは、サンプリングされたタイヤ振動の振動波形をFFT処理して振動スペクトル(以下、回転次数スペクトルという)を求める。時間間隔一定で計測された振動波形の振動スペクトル(周波数スペクトル)の横軸は周波数となるが、回転間隔一定で計測された振動波形の振動スペクトルである回転次数スペクトルの横軸は回転次数(order)となる。
回転次数成分抽出手段15では、路面状態の推定に用いる(N−n)次の回転次数(ここでは、23次)の振動レベルである23次成分のピーク値Pを抽出し、路面状態推定手段16に出力する。
路面状態推定手段16では、23次成分のピーク値Pと予め設定された閾値Kとを比較し、ピーク値Pが閾値Kよりも小さい場合に、走行中の路面が低μ路面であると推定する。
走行中の路面が低μ路面であると推定された場合には、路面状態推定手段16は警報手段17に路面が低μ路面であるという信号を出力する。
警報手段17は、運転席近傍に設置されて、路面が低μ路面であるという信号が入力された時に、警報用のLEDを点灯もしくは点滅させるなどしてドライバーに路面が低μ路面であることを認識させる。なお、警報用のブザーを駆動し、警報音により、ドライバーに路面が低μ路面であることを認識させるようにしてもよいし、警報用のブザーとLEDとを併用してもよい。
図4は、連結部29の有無による回転次数比分析により得られた回転次数スペクトルの違いを示す図で、一点鎖線が連結部29を有しないタイヤ周方向にN個のブロックから成るブロック列を有するタイヤで、実線がこのタイヤのn本のラグ溝25bに連結部29を設けたタイヤで、いずれも、高μ路面(μ≒1.0)を走行した時の回転次数スペクトルである。ここでは、N−n=23とした。
車両の走行速度は60km/hで、同図の矢印で示す23次のピークは、タイヤ1回転で23回振動が発生することに対応する。
連結部29を有するタイヤでは、連結部29が設けられていないラグ溝25aに起因するタイヤ振動の23次の回転次数成分が高くなっていることがわかる。
すなわち、蹴り出し側の側面が連結部29が設けられていないラグ溝25aに面しているブロック26では、接地時のブロック剛性が下がり、蹴り出し側におけるブロックの変形量が増加する。これに対して、蹴り出し側の側面が連結部29が設けられているラグ溝25bに面しているブロック26では、相対的に接地時のブロック剛性が高いので、蹴り出し側におけるブロックの変形量は小さくなる。この変形の繰り返しが回転に伴い周期的に発生するため、対応した振動を次数成分として検知できる。なお、図4の回転次数スペクトルを求めたタイヤのブロックパターンのブロックやラグ溝の形状は、制・駆動特性、操縦安定性、排水性などを考慮したものであって、図2に示したような単純な形状ではないので、回転次数スペクトルも多数のピークを有している。
また、図5は路面による回転次数スペクトルの違いの一例を示す図で、同図の実線で示すグラフが高μ路面(μ≒1.0)を走行した時の回転次数スペクトル、一点鎖線で示すグラフが低μ路面(μ≒0.2)を走行した時の回転次数スペクトルである。なお、本例では、高μ路面としてはドライアスファルト、低μ路面としてはブラックアイスバーンの路面状態で実験した。
滑り易い路面では、路面がタイヤを拘束する力が小さいため、接地する際のブロックと路面との角度が小さくなる。ブロックと路面との角度が小さくなるとトレッドの変形量が小さくなるので、連結部29の有無によるブロック挙動の差は小さくなる。その結果、図5に示すように、滑り易い路面では、ブロック剛性の差に起因する23次の回転次数成分が小さくなる。したがって、23次の回転次数成分を予め設定した閾値と比較することで路面状態を推定することができる。
次に、本実施の形態に係る路面状態の推定方法について説明する。
まず、加速度センサー11によりナックル31に伝播されたタイヤ20の振動波形を検出するとともに、車輪速センサー12により車輪速を検出する。
次に、タイヤ20の振動波形を回転次数比分析手段14にて回転次数比分析し、図5に示すような、横軸を回転次数とする回転次数スペクトルを求める。
回転次数スペクトルは、加速度センサー11で検出したタイヤ振動を、回転信号生成手段13から出力される車輪速のデータと車輪速のデータパルス信号とに基づいてサンプリングした後、FFT処理して求められる。
路面状態の推定は、回転次数スペクトルから回転次数成分抽出手段15により求めた23次の回転次数成分の大きさであるピーク値Pと予め設定された閾値Kとを比較し、走行中の路面が低μ路面であるか否かを推定する。
走行中の路面が低μ路面であると推定された場合には、警報用のLEDを点灯もしくは点滅させるなどしてドライバーに路面が低μ路面であることを認識させるとともに、路面Rが低μ路面であるという情報を車両制御手段40に出力して、ABSなどによる車両制御を行う。これにより、ABSブレーキのより高度な制御等が可能になり、車両の安全性を更に高めることができる。
なお、前記実施の形態では、第1のブロック列26Kを構成するブロック数をN=60とし、検出する回転次数成分の次数がN−n=23となるように連結部29を設けたが、ブロック数Nと連結部29を設けるラグ溝25bの本数nは23に限るものではなく、N≧10、5≦N−n≦N/2を満たしていればよい。
また、連結部29を設けるブロック列も、第1のブロック列26Kに限るものではなく、第2のブロック列27Kに設けてもよいし、第1のブロック列26Kと第2のブロック列27Kの両方に設けてもよい。あるいは、ショルダーブロック28から成るブロック列に設けてもよい。
また、複数のブロック列に連結部29を設ける際には、ラグ溝25bの本数nをブロック列毎に変化させてもよい。この場合には、検出する回転次数成分の次数も複数個になるので、次数jのピーク値Pjそれぞれについての閾値Kjと比較し、例えば、ピーク値Pjのうち、閾値Kjよりも小さいものが70%以上あった場合に、走行中の路面が低μ路面であると推定するようにすればよい。
また、前記例では、連結部29のタイヤ幅方向の長さwをブロック26,26のタイヤ幅方向の長さWの1/2以下としたが、ラグ溝25の深さ以下としてもよい。いずれにせよ、連結部29の形状や大きさは、連結部29で連結されたブロックの変形量を小さくでき、かつ、設計変更によるタイヤ挙動の変化を最小限に抑制できるようにすればよい。
また、連結部29の位置はブロック26のセンター溝23側に限るものではなく、ブロック26の中心部に設けてもよい。
また、前記例では、車輪速センサー12の出力を回転信号生成手段13に送って、タイヤの回転数を求めるとともに、サンプリングクロックを回転次数比分析手段14に出力するようにしたが、車両制御手段40にCAN(コントローラ・エリア・ネットワーク)が形成されている車両では、車輪速をCANから取得することが好ましい。
また、前記例では、低μ路面であるか否かを推定したが、閾値Kを2個設けて路面状態を3つ以上の状態に分け、回転次数成分抽出手段15で抽出したピーク値Pが第1の閾値以下の場合には低μ路面と推定し、ピーク値が第1の閾値よりも大きく、かつ、第1の閾値よりも大きな第2の閾値以下の場合には中μ路面と推定し、ピーク値が第2の閾値よりも大きい場合には高μ路面と推定するなどしてもよい。
[実施例]
タイヤサイズが225/55R17のスタッドレスタイヤのトレッドのセンター部を周方向に23分割し、図2の矢印に示す分割位置に最も近いブロック間に位置するラグ溝以外のラグ溝にブロック間を連結する連結部を設けたタイヤを作製し、このタイヤを左前輪に装着した車両に本発明による路面状態推定装置を搭載し、この車両を、時速60km/hでスムースなアスファルト路面(μ≒1.0)から低μ試験路面(μ≒0.2)に進入させ、アスファルト路面と低μ試験路面とにおいて加速度及び車輪回転速度を計測し回転次数スペクトルを求めた。各路面の回転次数スペクトルは、10m走行したデータより得られる回転次数スペクトルを5回平均して得られたものである。
図4に示すように、回転次数スペクトル中の多くのピークに変化が少ない一方、連結部が設けられていないラグ溝に起因する次数成分である23次成分は低μ試験路面において減少していることから、23次の振動強度から低μ路面を検知することが可能であることがわかる。したがって、次数成分の大きさに閾値を設ければ、低μ路面を判定することが可能であることが確認された。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。
以上説明したように、本発明によれば、一般的なブロックパターンにおいて連結部を設ける設計変更を行うだけで走行中の路面状態を推定することができるので、パターン作成の自由度を上げることができる。したがって、タイヤ性能の向上と路面状態の推定精度の向上とを同時に図ることができる。
10 路面状態推定装置、11 加速度センサー、12 車輪速センサー、
13 回転信号生成手段、14 回転次数比分析手段、14a ローパスフィルタ、
14b サンプリング手段、14c 分析手段、15 回転次数成分抽出手段、
16 路面状態推定手段、17 警報手段、
20 路面状態検出用タイヤ、21 トレッド、22,24 ショルダー溝、
23 センター溝、25,25a,25b ラグ溝、26 第1のセンターブロック、
26K 第1のブロック列、27 第2のセンターブロック、
27K 第2のブロック列、28 ショルダーブロック、29 連結部、
30 車輪部、31 ナックル、32 ホイール、33 ホイールハブ、
34 サスペンション部材、35 上アーム、36 下アーム、37,38 緩衝部材、
40 車両制御手段、R 路面。

Claims (6)

  1. ブロックパターンを有するタイヤの振動を検出して回転次数比分析し、前記回転次数比分析されたタイヤの振動の回転次数成分の大きさから走行中の路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定方法において、
    前記タイヤは、タイヤ周方向に沿ったブロックの総数Nが10以上であるブロック列を少なくとも1列有し、
    前記ブロック列が、タイヤ周方向に隣接するブロック同士を連結する連結部が設けられたラグ溝をn個有し、
    前記nが(N/2)≦n≦(N−5)を満たす範囲にあり、
    前記路面の路面摩擦係数を推定するための回転次数成分の次数が(N−n)であることを特徴とする路面摩擦係数推定方法。
  2. 前記連結部の当該ラグ溝の溝底からの高さが前記ブロックの高さ以下で、
    前記連結部のタイヤ幅方向の長さが前記ブロックの幅の1/2以下、もしくは、当該ラグ溝の深さ以下であることを特徴とする請求項1に記載の路面摩擦係数推定方法。
  3. 前記ブロック列がタイヤトレッドのセンター部に形成されたブロック列であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の路面摩擦係数推定方法。
  4. 前記タイヤの振動を車両バネ下部にて検出することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の路面摩擦係数推定方法。
  5. 請求項1〜請求項4に記載の路面摩擦係数推定方法により推定した路面摩擦係数に基づいて車両の走行状態を制御することを特徴とする車両制御方法。
  6. タイヤ周方向に沿ったブロックの総数Nが10以上であるブロック列が少なくとも1列形成されたブロックパターンを有し、前記ブロック列のタイヤ周方向に隣接するブロック同士を連結する連結部が設けられたラグ溝の個数nが(N/2)≦n≦(N−5)の範囲にある路面摩擦係数検出用タイヤと、
    車両バネ下部に設置されて、前記路面摩擦係数検出用タイヤから車両バネ下部に伝播されるタイヤトレッドの振動を検出する振動検出手段と、
    前記振動検出手段で検出されたタイヤトレッドの振動を回転次数比分析して、次数が(N−n)である回転次数成分の大きさを抽出する回転次数成分抽出手段と、
    前記抽出された回転次数成分の大きさから走行中の路面の摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段とを備えたことを特徴とする路面摩擦係数推定装置。
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