(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイヤの横滑り角およびタイヤの横滑り角の変化量を演算処理周期ごとに算出する横滑り角算出部と、
コーナーリングフォースおよびコーナーリングフォースの変化量を演算処理周期ごとに算出するコーナーリングフォース算出部と、
算出されたタイヤの横滑り角の変化量とコーナーリングフォースの変化量との比に基づいて、路面の摩擦係数を算出する路面摩擦係数推定部とを備え、
前記路面摩擦係数推定部は、前記タイヤの横滑り角が線形領域と飽和領域との間にある所定値に等しいときの前記比を算出し、メモリに予め保存された前記比と路面摩擦係数との関係を用いて、路面摩擦係数を推定し、
前記線形領域は、タイヤの横滑り角０度付近のタイヤの横滑り角に対するコーナーリングフォースの比が一定の領域であり、
前記飽和領域は、タイヤの横滑り角の変化量に対するコーナーリングフォースの変化量の比が前記線形領域よりも小さくなる領域である、路面摩擦係数推定装置。
【請求項２】
タイヤの横滑り角が線形領域と飽和領域との間にある所定値に等しいときのタイヤの横滑り角の変化量とコーナーリングフォースの変化量との比、及び路面摩擦係数の関係を数値で若しくは数式化して予めメモリに保存し、
実車両を走行させて、タイヤの横滑り角とコーナーリングフォースを検出し、
前記検出されたタイヤの横滑り角とコーナーリングフォースに基づいて前記タイヤの横滑り角が線形領域と飽和領域との間にある所定値に等しいときの前記タイヤの横滑り角の変化量と前記コーナーリングフォースの変化量との比を算出し、前記算出された比と前記メモリに保存された関係を用いて路面摩擦係数を推定し、
前記線形領域は、タイヤの横滑り角０度付近のタイヤの横滑り角に対するコーナーリングフォースの比が一定の領域であり、
前記飽和領域は、タイヤの横滑り角の変化量に対するコーナーリングフォースの変化量の比が前記線形領域よりも小さくなる領域である、路面摩擦係数推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用の路面摩擦係数推定装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両用の電動パワーステアリングに用いられる操舵補助電動モータは、ラックとピニオンからなるステアリングギア装置に設けられるもの、ステアリングホイールとステアリングギア装置との間のコラム機構に設けられるものなどがあり、いずれの場合も転舵輪に連結される転舵軸の作動を電動モータにより補助するようにしている。
ステアリングホイールを大きく回転させて、車の進行方向に対してタイヤを大きく傾けるほど路面から反力を受け、ステアリングホイールを回転させるには大きな力を必要とする。従って、上述した電動モータにあってはステアリングホイールの操舵トルクが大きくなるに従い、モータ電流を増大させることによって、その補助力となる操舵補助トルクが大きくなるように設定されている
本明細書では、車両がタイヤを介して地面から受ける力のうち、地面がタイヤを横方向（車両の進行方向と直角な方向）に引っ張る力を「コーナーリングフォース」といい、地面がタイヤを、タイヤの向きと直角な方向に引っ張る力を「タイヤ横力」という。また、タイヤの接地点回りのトルクを「セルフアライニングトルク」という。すなわちタイヤ横滑り角（車両の進行方向とタイヤの向きとの角度差）が付いてコーナーリングフォース（又は横力）を発生しているタイヤはそれ自身でタイヤ横滑り角＝０の状態に戻ろうとするモーメント（セルフアライニングトルク）を発生する。このセルフアライニングトルクは、コーナーリングフォースとトレール長（接地中心からこのコーナーリングフォースの着力点までの距離）との積で表される。ここでトレール長は、ニューマチックトレールとキャスタートレールとの和で表される。
【０００３】
また、コーナーリングフォースとタイヤ横滑り角との比を「コーナリングパワー」という。タイヤ横滑り角が０又はそれに近い小さな範囲では、コーナーリングフォースとタイヤ横滑り角とは比例関係（線形式）にあり、「コーナリングパワー」は一定値をとる。しかし、タイヤ横滑り角が大きくなってくると、コーナーリングフォースの増加率は徐々に少なくなる。この領域を飽和領域といい、この飽和領域では、コーナーリングフォースとタイヤ横滑り角との比は、路面摩擦係数の関数となる。
【０００４】
パワーステアリングの舵取り機構は、ステアリングコラムに連結されるピニオン軸と、ピニオン軸に噛み合い、車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸とを含んでいる。ラック軸の一対の端部のそれぞれにタイロッドを介してナックルアームが連結され、ナックルアームによって転舵輪及びタイヤを転回させる。
ラック軸にかかる左右方向のラック軸力にナックルアーム長をかけた数値は、旋回タイヤのセルフアライニングトルクに等しい。セルフアライニングトルクは、前述したように、コーナーリングフォースとトレール長との積で表される。したがって、ラック軸力は、コーナーリングフォースに、トレール長とナックルアーム長との比をかけたものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006-56388号公報
【特許文献２】特開2008-126985号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このラック軸力を車両モデルより計算で求めようとした場合、タイヤのコーナーリングフォースが飽和領域にあれば、ラック軸力推定式（あるいはコーナーリングフォース推定式）に路面摩擦係数の入った項目が現れる。ラック軸力推定式に使用される他の項目に関しては、車両に搭載している各種センサにより計測できるが、路面摩擦係数は計測するのが困難である。
【０００７】
したがって、路面摩擦係数の入らない線形領域のみ車両モデルを当てはめることができるが、路面摩擦係数の入ってくる飽和領域での車両モデルの適用は難しかった。
本発明は、タイヤすべり角に対するコーナーリングフォースの傾きが路面摩擦係数の関数となることを利用して路面摩擦係数を推定し、この推定で求められた路面摩擦係数の値を使用することができる、路面摩擦係数推定装置及び方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の路面摩擦係数推定装置は、タイヤの横滑り角およびタイヤの横滑り角の変化量を演算処理周期ごとに算出する横滑り角算出部と、コーナーリングフォースおよびコーナーリングフォースの変化量を演算処理周期ごとに算出するコーナーリングフォース算出部と、算出されたタイヤの横滑り角の変化量とコーナーリングフォースの変化量との比に基づいて、路面の摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定部とを備え、前記路面摩擦係数推定部は、前記タイヤの横滑り角が線形領域と飽和領域との間にある所定値に等しいときの前記比を算出し、メモリに予め保存された前記比と路面摩擦係数との関係を用いて、路面摩擦係数を推定するものである。前記線形領域は、タイヤの横滑り角０度付近のタイヤの横滑り角に対するコーナーリングフォースの比が一定の領域であり、前記飽和領域は、タイヤの横滑り角の変化量に対するコーナーリングフォースの変化量の比が前記線形領域よりも小さくなる領域である。
【０００９】
前記発明の構成によれば、路面摩擦係数が未知の任意の道路を走行している場合でも、横滑り角の変化量とコーナーリングフォースの変化量との比を算出し、メモリに予め保存された前記比と路面摩擦係数との関係を用いて、路面摩擦係数を推定することができる。
【００１１】
本発明の路面摩擦係数推定方法は、本発明の路面摩擦係数推定装置と実質の同一の発明に係る方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る路面摩擦係数推定装置が適用される電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】ＥＰＳ制御部３１の機能ブロック図である。
【図３】路面摩擦係数μとΔＣＦ／Δβとの関係を示すグラフである。
【図４】コーナーリングフォースＣＦとタイヤの滑り角βとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る路面摩擦係数推定装置が適用される電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール等の操舵部材２と、操舵部材２に同行回転可能に連結されるステアリングシャフト３とを有している。ステアリングシャフト３には、操舵部材２の操舵角を検出する操舵角センサ４と、操舵部材２の回転に基づく操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられている。操舵角センサ４は、例えばステアリングシャフト３の円周上に取り付けられた磁石からの磁気をホールセンサで検出することによりステアリングシャフト３の回転角を検出するセンサである。トルクセンサ１０は、ステアリングホイール１０によるトーションバー１０ａの捩れに基づく操舵トルクを検出するセンサである。ステアリングシャフト３の他端は自在継手５に連結され、ここから舵取り機構を介して、前輪タイヤに連結されている（本実施例では前輪が操舵輪である）。
【００１４】
舵取り機構は、ピニオン軸６と、ピニオン軸６の先端のピニオンに噛み合い、車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸７と、ラック軸７の一対の端部のそれぞれにタイロッド８Ｌ，８Ｒを介して連結されるナックルアーム９Ｌ，９Ｒとを有している。したがって、ピニオンの回転がラック軸７の軸方向の運動に変換され、各タイロッド８Ｌ，８Ｒを介して対応するナックルアーム９Ｌ，９Ｒがそれぞれ移動する。これにより、各ナックルアーム９Ｌ，９Ｒに連結された対応する前輪タイヤがそれぞれ操向する。
【００１５】
ラック軸７には、ギア装置１１を介して、操舵補助電動モータ１２が連結されている。この操舵補助電動モータ１２が、トルクセンサ１０によって検出されたトルク信号等に応じて制御され、操舵補助力が与えられる。なお操舵補助電動モータ１２はステアリングシャフト３に連結されるように、あるいは同軸となるように設置されていてもよい。
前輪又は後輪のロータ１４には、車輪の回転速度を検出する車輪速センサ１６が取り付けられている。車輪速センサ１６は、車輪のロータ１４の回転速度を光学的に読み取るセンサであって、読み取った回転速度に、タイヤの有効回転半径をかけることにより、車速Ｖｘを検出する。
【００１６】
さらにこの電動パワーステアリング装置には、車体に取り付けられたヨーレートセンサ１７と、車体に取り付けられた横加速度センサ１８とが備えられている。ヨーレートセンサは車両の回転角速度（ヨーレート）を検出するセンサであり、例えば圧電素子を用いて振動体にかかるコリオリの力を検出することにより、車両の回転角速度を検出する。横加速度センサは、車両の横方向にかかる加速度を検出するセンサであり、例えばセンサ素子の可動部と固定部との間に発生する静電容量の変化を検出することにより、車両の横方向にかかる加速度を検出する。また横加速度センサ１８によって検出された横加速度に基づいて、横加速度センサ１８に内蔵された積分部を通して、あるいは外付けの演算部を通して、横車速Ｖyを検出することもできる。
【００１７】
“３１”は操舵補助電動モータ１２を駆動制御するＥＰＳ制御部３１を示す。ＥＰＳ制御部３１には、前述の操舵角センサ４、トルクセンサ１０、車輪速センサ１６、ヨーレートセンサ１７及び横加速度センサ１８の各検出信号が入力される。ＥＰＳ制御部３１は、トルクセンサ１０が検出する操舵トルク及び車輪速センサ１６が検出する車速に応じて操舵補助電動モータ１２を駆動することによって、操舵状況及び車速に応じた適切な操舵補助を実現する。すなわち、操舵補助電動モータ１２のトルクがギア装置１１を介してラック軸７の軸方向の力に変換され、この力がナックルアーム９Ｌ，９Ｒをそれぞれ押圧又は吸引し、これにより、各ナックルアーム９Ｌ，９Ｒに連結された対応する前輪タイヤの転舵力が補助される。
【００１８】
ＥＰＳ制御部３１は、本発明の路面摩擦係数推定方法を実施するための装置構成を有している。ＥＰＳ制御部３１の内部機能を、図２を用いて説明する。ＥＰＳ制御部３１の、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部２３、インバータ駆動回路２４以外の部分は、ＣＰＵ及びメモリ（ＲＯＭ及びＲＡＭなど）を備えるマイクロコンピュータで構成されている。マイクロコンピュータは、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能する。
【００１９】
この複数の機能処理部には、アシスト調整部２１、電流値生成部２２、電流検出部２５、横滑り角算出部２６、コーナーリングフォース算出部２７、路面摩擦係数推定部２８が含まれている。
アシスト調整部２１は、トルクセンサ１０によって検出された操舵トルク信号に対応したアシスト量を演算して電流値生成部２２に与える。電流値生成部２２は、そのアシスト量に見合った電流指令値Ｉ*を生成し、ＰＷＭ制御部２３に供給する。
【００２０】
一方、電流検出部２５は、インバータ駆動回路２４から、操舵補助電動モータ１２に流れる電流を検出する。検出された電流はＰＷＭ制御部２３に与えられ、ＰＷＭ制御部２３は検出された電流と電流指令値Ｉ*との差分を演算し、この差に基づいてパルス幅変調を行い、インバータ駆動回路２４を通して操舵補助電動モータ１２を駆動する。
横滑り角算出部２６は、前輪タイヤの転舵角（以下「タイヤの転舵角」という）δに相当する信号を入力している。このタイヤの転舵角δは、例えば、転舵軸としてのラック軸７に取り付けられたリニアエンコーダなどで測定された、ラック軸７の移動量に基づいたものであってもよく、ステアリングシャフト３に取り付けられた操舵角センサ４で検出される操舵角度信号に基づいて算出されたタイヤの転舵角δであってもよい（操舵角度とタイヤの転舵角δとが比例関係にあるとみなせるならば、操舵角度からタイヤの転舵角δが簡単に算出できる）。
【００２１】
横滑り角算出部２６は、さらにヨーレートセンサ１７によって検出されたヨーレートγを表す信号、車輪速センサ１６によって検出された車速Ｖｘの信号、横加速度センサ１８によって検出され処理された横車速Ｖyの信号を入力している。
一方、コーナーリングフォース算出部２７は、トルクセンサ１０によって検出された操舵トルク信号とパワ−ステアリングのアシストトルク信号を入力している。
【００２２】
以下、βv：車体横滑り角、Ｌｆ：車両重心点と前車軸との距離（定数）、γ：ヨーレート、δ：タイヤの転舵角、Ｖｘ：車速、Ｖy：横車速とする。
横滑り角算出部２６は、前輪タイヤの滑り角βを、次の式を用いて算出する。
βv＝tan-1（Ｖｘ／Ｖy）    …(1)
β＝βv＋（Ｌｆ・γ／Ｖｘ）−δ    …(2)
前記(1)式は車体横滑り角βvを求める式、前記(2)式は車体横滑り角βv、ヨーレートγ、タイヤの転舵角δからタイヤの滑り角βを求める式である。
【００２３】
コーナーリングフォース算出部２７は、トルクセンサ１０によって検出された操舵トルクＴｈとパワ−ステアリングのアシストトルク信号との和を用いてコーナーリングフォースＣＦを算出する。ここで、ｒ：オーバーオールギアレシオ（ハンドル操舵角移動範囲をタイヤ転舵角移動範囲で割ったもの；定数）、Ｄ：ナックルアーム長（定数）、ξ：トレール長（定数）（ニューマチックトレールと、キャスタートレールとの和で表される）である。
【００２４】
ＣＦ＝（ｒ／２）Ｔｈ（Ｄ/ξ）      …(3)
この(3)式は、キングピンの回りのトルクのつりあいの式である。（１／２）が入っているのは、ハンドルにはタイヤ２輪分の力がかかるのに対して、この式では１輪あたりのコーナーコーナーリングフォースＣＦを算出しているからである。
横滑り角算出部２６による(1),(2)式の演算処理と、コーナーリングフォース算出部２７による(3)式の演算処理は、車両の走行中、演算処理周期ごとに行われる。したがって、今回の演算処理周期で算出したタイヤの滑り角βと前回の演算処理周期で処理したタイヤの滑り角βとの差分Δβ、今回の演算処理周期で算出したコーナーリングフォースＣＦと前回の演算処理周期で処理したコーナーリングフォースＣＦとの差分ΔＣＦを、それぞれ演算処理周期ごとに求めることができる。
【００２５】
タイヤの横滑り角の差分Δβ、コーナーリングフォースＣＦの差分ΔＣＦは、それぞれ路面摩擦係数推定部２８に入力され、ここにおいて、比ΔＣＦ／Δβが算出される。
図３は路面摩擦係数μとΔＣＦ／Δβとの関係を示すグラフである。路面摩擦係数推定部２８はこのグラフを用いて、ΔＣＦ／Δβを入力として、走行している道路の路面摩擦係数μを算出する。
【００２６】
この図３の路面摩擦係数μとΔＣＦ／Δβとの関係は、図４に示すコーナーリングフォースＣＦとタイヤの滑り角βとの関係を示すグラフから理解することができる。コーナーリングフォースＣＦとタイヤの滑り角βとの関係は、図４に示すように、タイヤの滑り角βが比較的低い値のときは（線形領域という）、直線比例関係にある（この傾き、すなわちタイヤ横滑り角０度付近のコーナーリングフォースＣＦとタイヤ横滑り角βとの比をコーナリングパワーという）。しかし、タイヤの滑り角βが大きな値になるとコーナーリングフォースＣＦの増加率が小さくなってくる。すなわち、タイヤの滑り角βが増大するほど、傾きΔＣＦ／Δβは小さくなる。傾きΔＣＦ／Δβが非常に小さくなったβの領域を「飽和領域」という。この傾きΔＣＦ／Δβの挙動は、路面摩擦係数とタイヤ垂直荷重Ｗとの積μＷによって異なり、同じタイヤの滑り角βでも、積μＷが小さければΔＣＦ／Δβは小さく、積μＷが大きければΔＣＦ／Δβは大きな値をとる。
【００２７】
図４において、線形領域と飽和領域との間にあるβの値を固定する。このβを“βd”と表記する。βdにおけるΔＣＦ／Δβは、積μＷの関数となる。積μＷが小さければΔＣＦ／Δβも小さく、積μＷが大きくなるとΔＣＦ／Δβも大きくなる。したがって、タイヤ垂直荷重Ｗが既知であれば、路面摩擦係数μとΔＣＦ／Δβとのグラフが描ける。このグラフが図３に示した路面摩擦係数μとΔＣＦ／Δβとの関係を表すグラフである。
【００２８】
路面摩擦係数推定部２８は予め、車両を路面摩擦係数が異なる複数の路面で走行させて、タイヤの横滑り角βとコーナーリングフォースＣＦとを検出してそれらの比ΔＣＦ／Δβを数値で若しくは数式化して、検出時のタイヤの滑り角βdの値に対応させて、予め不揮発性メモリ２９に記憶している。
なお、固定されたタイヤの横滑り角βdは、コーナーリングフォースが線形領域と飽和領域の間にあるときのタイヤの横滑り角とすることが好ましい。タイヤの横滑り角βdが飽和領域にあれば、ΔＣＦ／Δβが小さくなって、路面摩擦係数を推定するのに大きな誤差が出るおそれがある。線形領域にあればΔＣＦ／Δβは大きいが、コーナーリングフォースＣＦの値そのものが小さくなり、コーナーリングフォースＣＦの検出誤差の影響を大きく受ける。そこで、コーナーリングフォースＣＦが線形領域と飽和領域の間にあるときのタイヤの横滑り角を、基準値βdとして固定する。
【００２９】
路面摩擦係数推定部２８は、車両を実際に走行させたとき、タイヤの滑り角の値がβdであるときに算出した比ΔＣＦ／Δβを、メモリ２９に記憶したΔＣＦ／Δβと路面摩擦係数μの関係を示すテーブルに当てはめて、路面摩擦係数μを求めることができる。
このようにして求めた路面摩擦係数μは、車両がリアルタイムで走行している道路の路面摩擦係数μであるから、各種の用途に利用できる。
【００３０】
例えば、横滑り角算出部２６で求めたタイヤの滑り角βを、次の式
ＣＦ＝Ｋβ−(1/3)(Ｋβ)2 /(μＷ)＋(1/27) (Ｋβ)3 /(μＷ)2 …(4)
に当てはめることにより（Ｋはタイヤのコーナリングパワー）、コーナーリングフォースＣＦを求めることができる。このコーナーリングフォースＣＦは、タイヤの滑り角βが線形領域、飽和領域いずれの領域にあっても、直接求められるものである。
【００３１】
この(4)式を用いて求めたコーナーリングフォースＣＦを、次の式によりラック軸力Ｆrに換算することができる。
Ｆr＝ＣＦ（ξ/Ｄ）…(5)
この(5)式は、前述した(3)式と同様、キングピンの回りのトルクのつりあいの式である。
このラック軸力Ｆrに基づいて、ドライバの操作する操舵部材２に道路からの反力を返す反力制御を実現することができる。この場合、線形領域、飽和領域いずれの領域であってもそれらに応じた路面摩擦係数μが分かっており、路面摩擦係数μに応じたラック軸力Ｆrが求まるので、ドライバに返される反力は、そのときのロードインフォーメーションを正確に反映したものとなる。
【００３２】
以上の本発明の実施形態では、横滑り角算出部２６は、車速Ｖｘ、横車速Ｖy、車両重心点と前車軸との距離Ｌｆ（定数）、ヨーレートγ、タイヤの転舵角δを用いてタイヤの滑り角βを推定していたが、この方法以外に、ｍ：車両重量、Ｌ：ホイールベース（Ｌ＝Ｌf＋Ｌr）、Ｌr：車両重心点と後車軸との距離、Ｋf：前輪のコーナリングパワー、Ｋr：後輪のコーナリングパワー、を用いて、タイヤの滑り角βを、よく知られた次の式(6)を用いて算出するようにしてもよい。
【００３３】
β＝（Ａ／Ｂ）（Ｌf／Ｌ）δ      …(6)
Ａ，Ｂは、それぞれ
Ａ＝１−（ｍ／２Ｌ）（Ｌf／ＬrＫr）Ｖx2      …(7)
Ｂ＝１−（ｍ／２Ｌ2）［（ＬfＫf−ＬrＫr）／ＫfＫr］Ｖx2      …(8)
で表される。
【００３４】
また以上の本発明の実施形態では、車両を路面摩擦係数が異なる複数の路面で走行させて、比ΔＣＦ／Δβを予め不揮発性メモリ２９に記憶し、当該車両を実際に走行させたときに算出した比ΔＣＦ／Δβを、メモリ２９に記憶したΔＣＦ／Δβと路面摩擦係数μの関係を示すテーブルに当てはめて、路面摩擦係数μを求めていた。
これを任意の車両に一般化することができる。すなわち、重量の異なる車両を路面摩擦係数が異なる複数の路面で走行させて、重量ごとに、比ΔＣＦ／Δβを予め不揮発性メモリ２９に記憶し、ある重量Ｗの車両を実際に走行させたときに算出した比ΔＣＦ／Δβを、メモリ２９に記憶したその重量Ｗに対応するΔＣＦ／Δβと路面摩擦係数μの関係を示すテーブルに当てはめて、路面摩擦係数μを求めることとしてもよい。これによって、任意の重量の車両について路面摩擦係数μを求めることができる。
【００３５】
本発明によれば、走行中、タイヤの横滑り角を求めて、そのタイヤの横滑り角と、タイヤのコーナーリングフォースとを用いて、路面の摩擦係数を算出することができる。この推定した路面の摩擦係数を利用して、車両のパワーステアリング装置に用いる反力制御など種々の制御を実現することができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
２６…横滑り角算出部、２７…コーナーリングフォース算出部、２８…路面摩擦係数推定部、２９…メモリ
【図１】
0005995040.tif 000002
【図２】
0005995040.tif 000003
【図３】
0005995040.tif 000004
【図４】
0005995040.tif 000005