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JP4636991B2 - 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

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 Download PDF

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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、駆動時および制動時のいずれの場合においても、絶えず路面状態を精度よく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両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。加速度センサなどを利用して車両加速度を算出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両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両速度を推定し、その車両速度から車両加速度を算出し、また車両速度とタイヤ回転速度から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に記載の方法では、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、正確に車両速度を求めることができないので、制動中は路面状態を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に示されているように、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両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両が減速する。したがって駆動時と制動時では、車両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、車両加速度とスリップ率の関係が異なる場合がある。
そこで、制動時と非制動時(駆動時を含む)でそれぞれ別々に車両加速度とスリップ率の関係を求め、それぞれの基準値を設定し比較する方法が提案されている。しかしながら、非制動時に対して制動時は、その頻度が少なく、また制動動作自体は比較的短いものであるため、連続したデータを得ることはあまり期待できない。その結果、制動時の基準値がなかなか精度よく設定できなかったり、仮に設定できたとしても、瞬時瞬時の路面状態を精度よく推定できない場合が多々発生するという問題がある。
特開2001−253334号公報 特開2002−274357号公報 特開2004−175349号公報
そこで本発明は、特に制動時において路面状態を精度よく推定することができる方法を提供する。
すなわち、本発明は、GPSに利用される衛星電波を受信し、該衛星電波の情報に基づき算出される車両速度情報と、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前輪スリップ率と後輪スリップ率を演算する手段、該車両加速度を横軸、該前輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配と、該車両加速度を横軸、該後輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配との比を演算する手段、得られた比に基づいて路面状態を推定する手段からなる路面状態推定装置に関する。
また、本発明は、GPSに利用される衛星電波を受信し、該衛星電波の情報に基づき算出される車両速度情報と、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前輪スリップ率と後輪スリップ率を演算する工程、該車両加速度を横軸、該前輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配と、該車両加速度を横軸、該後輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配との比を演算する工程、得られた比に基づいて路面状態を推定する工程からな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前輪スリップ率と後輪スリップ率を演算する手順、該車両加速度を横軸、該前輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配と、該車両加速度を横軸、該後輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配との比を演算する手順、得られた比に基づいて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に関する。
本発明によると、前輪スリップ率と後輪スリップ率をそれぞれ別々に算出し比較することにより、特に制動時において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=0.01秒ごとに各タイヤの回転角速度Fi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Fi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F1i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Fiを算出し、この算出された回転角速度Fi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F1i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位置情報を算出する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、ついで該位置情報から車両の移動距離を算出する距離演算手段と、該移動距離から車両速度と車両の加速度を算出する手段とからなる。また、本実施の形態では、GPSに基づく車両速度情報とタイヤ回転速度情報から、車両速度と前輪スリップ率および後輪スリップ率を演算し、車両加速度に対する前輪スリップ率の勾配と車両加速度に対する後輪スリップ率の勾配との比を演算する。本発明では、その比の値に基づいて制動時の路面状態を推定する。
また、本実施の形態の路面状態推定のためのプログラムは、制御ユニット2を、タイヤ回転速度検出手段1から得られる車両の駆動輪および従動輪の回転速度と、GPS装置3から得られる車両の位置情報との関係から、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、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、ついで該位置情報から算出される車両の移動距離から車両速度を算出する手段、該車両速度情報から車両加速度を算出する手段、該車両速度と前記タイヤ回転速度とから、前輪スリップ率と後輪スリップ率を演算するスリップ率演算手段、該車両加速度を横軸、該前輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配と、該車両加速度を横軸、該後輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配との比を演算する手段、得られた比に基づいて路面状態を推定する手段として機能させる。
通常、前輪と後輪に働くブレーキ力には差があり、一般的には、後輪よりも荷重の重い前輪の方がブレーキ力が大きく作用するように設定されている。その結果、前輪のスリップ率と後輪のスリップ率は異なる傾向がある。したがって、車両加速度と前輪スリップ率の勾配(K1Fr)と車両加速度と後輪スリップ率の勾配(K1Re)を比較した場合、差が生じる(図3)。
また、車両加速度とスリップ率の関係は、路面の摩擦係数によって図4のように異なることが一般的に知られている。通常の走行状態では、車両加速度とスリップ率の関係はほぼ線形関係とみなすことができることから、両者の勾配を求めることで、路面状態、具体的には路面のすべりやすさを推定することができる。摩擦係数の高い路面と摩擦係数の低い路面を比較した場合、同じ車両加速度を得るための前輪制動力と後輪制動力が路面摩擦係数によらず同一であると仮定した場合、スリップ率と車両加速度の関係が完全に線形であるとすると、上記勾配(K1FrとK1Re)の比(Rat)は同じとなる(図5(a))。
しかしながら、実際にはスリップ率と車両加速度の関係が完全な線形ではなく、また摩擦係数の低い路面ほど非線形となる傾向が大きいため、前記勾配の比(Rat)は、摩擦係数の高い路面と低い路面で異なる(図5(b))。したがって勾配の比(Rat)の値から路面の状態を推定することができる。
ここで、勾配の比(Rat)が所定値(L1)以上の場合、低μ路面であると判断する。なお、前記勾配の算出方法としては、線形近似により車両加速度と前輪スリップ率および後輪スリップ率の互いの1次の回帰係数を求めるなどの方法により演算することができる。
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)〜(5)に沿って説明する。
(1) 所定のサンプリング時間(T)毎に、GPSに利用される衛星電波を受信して、当該衛星信号の情報に基づいて車両速度(V)を算出する。ついで、車両速度(V)をサンプリング時間(T)毎に微分して車両加速度(A)を算出する。
n=(Vn−Vn-1)/T
(2) タイヤ回転速度(Vfl、Vfr、Vrl、Vrr)を検出する。例えば、ABSセンサなどのセンサから得られた車両の各タイヤのある時点の車輪速データをタイヤ回転速度(Vfl、Vfr、Vrl、Vrr)とする。ついで、車両の前輪の平均車輪速度(VFr)および後輪の平均車輪速度(VRe)を算出する。
VFrn=(Vfln+Vfrn)/2
VRen=(Vrln+Vrrn)/2
(3) 車両速度(V)と前輪平均車輪速度(VFr)および後輪平均車輪速度(VRe)から前輪スリップ率(SFr)および後輪スリップ率(SRe)を算出する。
SFrn=(VFrn−Vn)/VFrn
SRen=(VRen−Vn)/VRen
(4) 車両加速度(A)を横軸、前輪スリップ率(SFr)を縦軸にとった場合の勾配(K1Fr)、および車両加速度(A)を横軸、後輪スリップ率(SRe)を縦軸にとった場合の勾配(K1Re)を求める。それぞれの勾配は、所定時間(T1)分の車両加速度と前輪スリップ率および後輪スリップ率のデータについて線形近似により互いの1次の回帰係数として求めることができる。
(5) K1FrとK1Reの比Ratを求める。
Rat=K1Fr/K1Re
Ratが所定値(L1)以上の場合、路面が滑りやすいと判断する。この所定値(L1)は、あらかじめ車両毎に設定しておくこととする。具体的には、車両毎に事前に実験を行なうことにより設定される。
つぎ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215/45R17である。また、車両の走行条件としては、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。
前記工程にしたがって、車両加速度と前輪スリップ率の勾配(K1Fr)および車両加速度と後輪スリップ率の勾配(K1Re)を、それぞれの互いの1次の回帰係数として算出した。ついで、勾配K1Frと勾配K1Reの比(Rat)を求めた。なおK1FrおよびK1Reを算出するにあたり、1次回帰した場合の相関係数も同時に演算し、相関係数が0.7以下の場合は、Ratは算出しなかった。Ratおよび加速度(A)の関係を図6(a)および(b)に示す。
Ratが所定値(L1)2.0より大きい場合は、摩擦係数が低い路面であると判断した。結果、アスファルト走行時は、制動時(加速度がマイナスの場合)のRatは1.5程度であるのに対し、アイスバーン路では制動時には、Ratが3.5以上となっており、精度よく低μ路面を検出することができていると言える。
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。 車両加速度と前輪スリップ率の勾配(K1Fr)と車両加速度と後輪スリップ率の勾配(K1Re)の相違を示す図である。 路面の摩擦係数に応じた車両加速度とスリップ率の関係を示す図である。 同じ車両加速度を得るための前輪制動力と後輪制動力が路面摩擦係数によらず同一であり、かつスリップ率と車両加速度の関係が完全に線形であると仮定した場合の、車両加速度と前輪スリップ率の勾配(K1Fr)と車両加速度と後輪スリップ率の勾配(K1Re)の関係を示す図である。 実際の路面における車両加速度と前輪スリップ率の勾配(K1Fr)と車両加速度と後輪スリップ率の勾配(K1Re)の関係を示す図である。 四輪駆動車でアスファルト路を走行した場合のRatおよび加速度(A)の関係を示す図である。 四輪駆動車でアイスバーン路を走行した場合のRatおよび加速度(A)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 (3)

  1. GPSに利用される衛星電波を受信し、該衛星電波の情報に基づき算出される車両速度情報と、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前輪スリップ率と後輪スリップ率を演算する手段、該車両加速度を横軸、該前輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配と、該車両加速度を横軸、該後輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配との比を演算する手段、得られた比に基づいて路面状態を推定する手段を含む路面状態推定装置。
  2. GPSに利用される衛星電波を受信し、該衛星電波の情報に基づき算出される車両速度情報と、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前輪スリップ率と後輪スリップ率を演算する工程、該車両加速度を横軸、該前輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配と、該車両加速度を横軸、該後輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配との比を演算する工程、得られた比に基づいて路面状態を推定する工程を含む路面状態推定方法。
  3. 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前輪スリップ率と後輪スリップ率を演算する手順、該車両加速度を横軸、該前輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配と、該車両加速度を横軸、該後輪スリップ率を縦軸にとった場合の勾配との比を演算する手順、得られた比に基づいて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。
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