(57)【要約】【課題】運転手の手動操作に依ることなく自動的に駆動力の方向を切り替えてスタック状態から脱出することができるスタック脱出装置を提供する。【解決手段】例えば前進したとき、移動速度・位置検出部２が速度＝０を検出すると、駆動力反転指令部３が、窪みの斜面の途中から登れなくなった即ち上死点に達したと判断し、駆動・制動力制御部４に対して前後駆動力の反転指令を出力する。これにより、タイヤは反対方向に動いて斜面を下って行き、その後、斜面を登り、反対側の上死点に到達する。駆動力反転指令部３が、反対側の上死点に到達と判断すると、駆動・制動力制御部４に反転指令を出力する。このような動作を繰り返すことで最終的に斜面を登りきってスタックから脱出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の移動速度を検出する移動速度・位置検出部と、
前記移動速度・位置検出部で検出された前記車両の移動速度情報を利用して前記車両の前後駆動力を切り替える駆動力反転指令を出力する駆動力反転指令部と、
前記駆動力反転指令部から前記駆動力反転指令が出力されたときに前記車両の前後駆動力を切り替える制御を行う駆動・制動力制御部と、
を備え、
前記車両の前後駆動力の切り替えを繰り返すことで前記車両を振り子運動させるスタック脱出装置。
【請求項２】
前記移動速度・位置検出部は、第１加速度センサを備え、該第１加速度センサの出力値から前記車両の移動速度を検出する請求項１に記載のスタック脱出装置。
【請求項３】
前記駆動・制動力制御部は、前記移動速度・位置検出部からの前記移動速度と駆動力との関係からスタックからの脱出を判定する請求項１又は請求項２に記載のスタック脱出装置。
【請求項４】
前記駆動・制動力制御部は、前記車両の初期位置からの移動距離が一定値以上になったときにスタックからの脱出を判定する請求項２に記載のスタック脱出装置。
【請求項５】
前記移動速度・位置検出部は、前記第１加速度センサの検出値を二重積分することで前記車両の初期位置からの移動距離を算出する請求項２に記載のスタック脱出装置。
【請求項６】
前記移動速度・位置検出部は、前記車両のタイヤの回転を検出するタイヤ回転検出センサを備え、
前記駆動・制動力制御部は、前記車両の初期位置からの移動距離を前記タイヤ回転検出センサの出力値から算出する請求項１に記載のスタック脱出装置。
【請求項７】
前記移動速度・位置検出部は、第１加速度センサと、前記車両のタイヤの回転を検出するタイヤ回転検出センサとを備え、
前記駆動・制動力制御部は、前記タイヤ回転検出センサにて検出されたタイヤの角速度と前記第１加速度センサにて検出された加速度との関係から前記タイヤの空転を検出し、空転が発生しないように駆動力の制御を行う請求項１に記載のスタック脱出装置。
【請求項８】
前記駆動・制動力制御部は、スタックからの脱出を判定した場合、ブレーキをかける制御を行う請求項３乃至請求項７のいずれか一項に記載のスタック脱出装置。
【請求項９】
前記駆動・制動力制御部は、スタックからの脱出を判定した場合、一定の時間又は一定の距離を低速で走行させる制御を行う請求項３乃至請求項７のいずれか一項に記載のスタック脱出装置。
【請求項１０】
前記駆動力反転指令部は、前記車両の前後駆動力の切り替えに必要な時間を加味し、前後駆動力を切り替えるタイミングを調整する請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載のスタック脱出装置。
【請求項１１】
前記駆動力反転指令部は、前記車両の前後駆動力を切り替えるタイミングと前記第１加速度センサで検出される加速度との関係から前後駆動力の切り替えに必要な時間を計算する請求項２に記載のスタック脱出装置。
【請求項１２】
前記移動速度・位置検出部は、前記車両の上下方向の加速度を検出する第２加速度センサを備え、
前記駆動力反転指令部は、前記第２加速度センサで検出される前記加速度を加味して前記駆動力反転指令を出力する請求項２に記載のスタック脱出装置。
【請求項１３】
前記移動速度・位置検出部は、動作開始前の静止状態で前記第１加速度センサのＤＣオフセットを除去する請求項２に記載のスタック脱出装置。
【請求項１４】
前記駆動・制動力制御部は、予め定められたスタックからの脱出方向から駆動制御を開始する請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載のスタック脱出装置。
【請求項１５】
動作の開始および終了を乗員に知らせるための報知部を備える請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載のスタック脱出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乗用車やトラック等の車両に用いて好適なスタック脱出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
雪道、ぬかるみ、砂場などでは、タイヤと路面との間の摩擦力が低下するため、タイヤが空転するなどして駆動力（エンジンパワー）が路面に伝わらないことがある。さらに、タイヤの空転や自重によりタイヤ部分の路面がえぐれてしまってその場所にタイヤが入るような形になると、さらに駆動力が路面に伝わらなくなり、発進がし難くなる。また、雪道ではタイヤハウスに貼りついた雪が停車中に路面に落ちることがあり、そのようになると、ちょうど輪止めのような効果が発生し、発進させるためにはそれを乗り越えなくてはならなくなる。
【０００３】
車両では、駆動力をタイヤに伝えてタイヤを回転させたり、タイヤの回転を止める方向で制動力（ブレーキ）を加えたりする。車両は、タイヤが路面に接しているため路面との摩擦力による反力で前後に動く。つまり、車両の駆動力・制動力ともタイヤと路面との間の摩擦力が限界で、それを超えるとタイヤは空転やロックすることとなる。タイヤが窪み（凹み）から脱出したり凸部に乗り上げたりする部分をミクロに見れば斜面を登るのと同じである。
【０００４】
斜面では、下ろうとする力ｍ・ｇ・ｓｉｎ（θ）が作用する。ここで、“ｍ”はタイヤで差支える質量、“ｇ”は重力加速度、“θ”は斜度である。この力よりも駆動力が大きければ斜面を登るし、小さければ下がってしまう。一致しているときは上りも下りもしない均衡状態となる。しかし、前提はその駆動力が最大摩擦力より小さい場合であり、それを超えた瞬間タイヤは滑り始める。滑らない場合の最大の摩擦力は静止摩擦力である。これは路面と垂直方向の力に比例する。自重による路面垂直方向の力は、ｍ・ｇ・ｃｏｓ（θ）で表される。斜度が大きくなればなるほど、斜面を下ろうとする力が大きくなり、斜面を登るためにはそれ以上の大きな駆動力を必要とし、さらに斜度が大きくなればなるほど最大静止摩擦力が小さくなる。つまり、駆動力が最大静止摩擦力を超えやすくなる。雪道、ぬかるみ、砂場では通常の路面とは異なり摩擦係数が一桁小さくなるので、窪みから脱出することが非常に困難になる。これがスタック状態である。
【０００５】
発進が困難なスタック状態から脱出する方法として、
・板切れ、布シート、石などを窪みに入れてタイヤが乗り上げるようにする、
・ＦＲ車（前部にエンジンを搭載し、後輪を駆動する方式の車両）の場合、サイドブレーキを引き、差動歯車で片側タイヤが空転することにより反対側駆動輪に駆動力が伝わらない現象を阻止する、
・ＴＣＳ（Traction Control System）により、当該の駆動輪と他のタイヤ（従動輪）との回転速度の差が大きい場合に、駆動輪が空転していると判断して駆動力を落とす（特許文献１で開示された方法）、
・ギアをセカンドに入れて、タイヤ設置面に急激に力が働かないようにする、
などがあるが、板切れやそれに類するものがいつも手に入るわけではないし、静止摩擦力で登り切れない窪みの場合は脱出することができない。
【０００６】
一方、運転手が次のような運転を行ってスタック状態から脱出する方法がある。
・前進と後退をリズミカルに繰り返し車体を振り子のように振らせ、次第に振幅を増大させて脱出する。この脱出動作について図面を参照しながら詳細に説明する。図５は、スタック脱出時のタイヤ１００の挙動の一例を示す図である。同図において“円”がタイヤ１００を表している。同図では、タイヤ１００が路面１９０のすり鉢状の窪み２００に入っている状態を前提としている。タイヤ１００に駆動力を与えていない場合、タイヤ１００は窪み２００の底の位置で静止する（（ａ））。この位置（初期位置）をここでは原点と呼ぶことにする。この状態で前進しようとすると、タイヤ１００は窪み２００の壁面を登ることになるが、壁面の傾斜が次第に大きくなるため、ある所で壁面を登る力が最大静止摩擦力を超えてタイヤ１００が空転し始める。タイヤ１００が空転し始めると動摩擦力となるためタイヤ１００は壁面を滑り降りて、壁面を登る力と動摩擦力が均衡する地点で空転を続ける。
【０００７】
ここではタイヤ１００が空転しない範囲に駆動力を抑えることとする。ある駆動力で前進すると、自重により斜面を下ろうとする力と駆動力とが均衡するＡ１点まで壁面を登る（（ｂ））。ここで、タイヤ１００に対する駆動力を０（ゼロ）とすると、窪み２００の壁面をタイヤ１００は後退方向に転がって、慣性により最初の原点位置を少し行き過ぎて後退方向の壁面を登り、また前進方向に転がる。このように振り子のような振動が発生するが、実際には大きな転がり摩擦が働くため、１，２周期で振動は減衰し、最終的に原点位置付近で止まる。
【０００８】
前進でなく後退しようとしたときも方向のみ逆ではあるが全く同じ動作となる。即ち、最初は自重により斜面を下ろうとする力と駆動力とが均衡するＡ２点まで壁面を登る（（ｃ））。窪み２００の形状が前後で同じ場合、このＡ２点の高さはＡ１点の高さと基本的に同じである。今、Ａ３点に達した時点（（ｄ））で駆動力を逆転させると、壁面を転がり落ちるとともに駆動力により加速するため、原点通過時の速さは先ほどより大きく、反対側壁面を上り詰めた位置はＡ２点より高いＡ４点となる（（ｅ））。この時、駆動力再度逆転させると、今度はＡ３点を通り過ぎ、Ａ３点よりも高い位置Ａ５点まで上り詰め（（ｆ））、また駆動力を逆転させるとＡ４点よりも高いＡ６点まで上ることになる（（ｇ））。このようにして、車両を振り子のように前後に揺らしながらその振幅を次第に大きくしていき、最終的には窪み２００を乗り越えることになる（（ｈ））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−１８３５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、運転手が前後に駆動力を切り替えてスタック状態から脱出する方法は、前進・後退を約１秒前後で素早く切り替える必要があるため、オートマチック車であっても操作は容易ではない。また、操作をしてから駆動力がタイヤに伝わるまでのタイムラグがあり、振り子の周期も振幅の増大に合わせて長くしていく必要があるため、人間が操作するためには相当な練習が必要である。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、運転手の手動操作に依ることなく自動的に駆動力の方向を切り替えてスタック状態から脱出することができるスタック脱出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のスタック脱出装置は、車両の移動速度を検出する移動速度・位置検出部と、前記移動速度・位置検出部で検出された前記車両の移動速度情報を利用して前記車両の前後駆動力を切り替える駆動力反転指令を出力する駆動力反転指令部と、前記駆動力反転指令部から前記駆動力反転指令が出力されたときに前記車両の前後駆動力を切り替える制御を行う駆動・制動力制御部と、を備え、前記車両の前後駆動力の切り替えを繰り返すことで前記車両を振り子運動させる。
【００１３】
上記構成によれば、最大幅に振れたタイミング（窪みの斜面の途中だが、移動速度は０となるタイミング）を検出して車両の前後駆動力を切り替えることで振り子振動を発生させるので、スタック状態から脱出することができる。
【００１４】
上記構成において、前記移動速度・位置検出部は、第１加速度センサを備え、該第１加速度センサの出力値から前記車両の移動速度を検出する。
【００１５】
上記構成によれば、車両の移動速度を検出することができる。
【００１６】
上記構成において、前記駆動・制動力制御部は、前記移動速度・位置検出部からの前記移動速度と駆動力との関係からスタックからの脱出を判定する。
【００１７】
上記構成によれば、スタック脱出後における制御を適切に行うことができる。
【００１８】
上記構成において、前記駆動・制動力制御部は、前記車両の初期位置からの移動距離が一定値以上になったときにスタックからの脱出を判定する。
【００１９】
上記構成によれば、スタック脱出後における制御を適切に行うことができる。
【００２０】
上記構成において、前記移動速度・位置検出部は、前記第１加速度センサの検出値を二重積分することで前記車両の初期位置からの移動距離を算出する。
【００２１】
上記構成によれば、スタック脱出後における制御を行うことができる。
【００２２】
上記構成において、前記移動速度・位置検出部は、前記車両のタイヤの回転を検出するタイヤ回転検出センサを備え、前記駆動・制動力制御部は、前記車両の初期位置からの移動距離を前記タイヤ回転検出センサの出力値から算出する。
【００２３】
上記構成によれば、スタック脱出後における制御を行うことができる。
【００２４】
上記構成において、前記移動速度・位置検出部は、第１加速度センサと、前記車両のタイヤの回転を検出するタイヤ回転検出センサとを備え、前記駆動・制動力制御部は、前記タイヤ回転検出センサにて検出されたタイヤの角速度と前記第１加速度センサにて検出された加速度との関係から前記タイヤの空転を検出し、空転が発生しないように駆動力の制御を行う。
【００２５】
上記構成によれば、タイヤの空転を最小限に抑えることができ、スタックからの脱出時間の短縮化が図れる。
【００２６】
上記構成において、前記駆動・制動力制御部は、スタックからの脱出を判定した場合、ブレーキをかける制御を行う。
【００２７】
上記構成によれば、スタック脱出後における安全性を確保できる。
【００２８】
上記構成において、前記駆動・制動力制御部は、スタックからの脱出を判定した場合、一定の時間又は一定の距離を低速で走行させる制御を行う。
【００２９】
上記構成によれば、スタック脱出後における走行の安全性を確保できる。
【００３０】
上記構成において、前記駆動力反転指令部は、前記車両の前後駆動力の切り替えに必要な時間を加味し、前後駆動力を切り替えるタイミングを調整する。
【００３１】
上記構成によれば、駆動力をタイヤの振り子運動の周波数と位相に合わせることが可能となり、振動系により多くのパワーをつぎ込むことが可能となる。
【００３２】
上記構成において、前記駆動力反転指令部は、前記車両の前後駆動力を切り替えるタイミングと前記第１加速度センサで検出される加速度との関係から前後駆動力の切り替えに必要な時間を計算する。
【００３３】
この構成によれば、駆動力をタイヤの振り子運動の周波数と位相に合わせることが可能となり、振動系により多くのパワーをつぎ込むことができる。
【００３４】
上記構成において、前記移動速度・位置検出部は、前記車両の上下方向の加速度を検出する第２加速度センサを備え、前記駆動力反転指令部は、前記第２加速度センサで検出される前記加速度を加味して前記駆動力反転指令を出力する。
【００３５】
この構成によれば、車両の動きを把握する精度の向上が図れ、より的確なスタック脱出が可能となる。
【００３６】
上記構成において、前記移動速度・位置検出部は、動作開始前の静止状態で前記第１加速度センサのＤＣオフセットを除去する。
【００３７】
この構成によれば、移動速度の検出精度向上が図れる。
【００３８】
上記構成において、前記駆動・制動力制御部は、予め定められたスタックからの脱出方向から駆動制御を開始する。
【００３９】
この構成によれば、運転手は、スタックからの脱出において最初の駆動方向を認識できる。
【００４０】
上記構成において、動作の開始および終了を乗員に知らせるための報知部を備える。
【００４１】
この構成によれば、乗員はスタックからの脱出を容易に認識できる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、運転手の手動操作に依ることなく自動的に駆動力の方向を切り替えてスタック状態から脱出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係るスタック脱出装置の概略構成を示すブロック図
【図２】図１のスタック脱出装置によるスタック脱出時のタイヤの挙動を示す図
【図３】図１のスタック脱出装置にて３往復半でスタック状態から脱出したときにおける加速度、速度、変位の変化等を示す図
【図４】図１のスタック脱出装置にて７往復でスタック状態から脱出したときにおける加速度、速度、変位の変化等を示す図
【図５】スタック脱出時のタイヤの挙動の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４５】
発進が困難なスタック状態から脱出する方法として、車体をリズミカルに前後に動かす方法がある。この方法は有用であるが、駆動力方向を変えるタイミングが重要であり、かつタイヤを滑らさない限界の駆動力調整も重要で、人間が操作する場合はかなり訓練しなければならない。さらに脱出限界に近いスタックの場合は、前後に動かす回数も１０回以上必要となるためさらに難しくなる。本発明は、スタック状態からの脱出を自動化して誰でも簡単にスタックを脱出できるようにした。
【００４６】
図１は、本発明の一実施形態に係るスタック脱出装置１の概略構成を示すブロック図である。同図において、本実施形態に係るスタック脱出装置１は、移動速度・位置検出部２と、駆動力反転指令部３と、駆動・制動力制御部４と、を備える。移動速度・位置検出部２は、第１加速度センサ２１を有し、この第１加速度センサ２１の出力値から車両（図示略）の移動速度を検出する。駆動力反転指令部３は、移動速度・位置検出部２で検出された移動速度がゼロのときに駆動・制動力制御部４に対して車両の前後駆動力を切り替える駆動力反転指令を出力する。車両の移動速度はタイヤが上死点に達したときにゼロになるので、駆動力反転指令部３は、タイヤが上死点に達したと判定し、駆動力を反転させる指令を出力する。
【００４７】
駆動・制動力制御部４は、駆動力反転指令部３から駆動力反転指令が出力されたときに車両の前後駆動力を切り替える駆動制御を行う。即ち、前後駆動力が反転した車両は、現在動いている方向と反対方向に動く。例えば、現在動いている方向が前進方向であれば、後退方向に反転させる。反対方向に動いた後、反対方向の上死点に達すると、再び駆動力反転指令部３から駆動力を反転させる指令が出力されて駆動力が反転する。このように、駆動力反転指令部３から車両の前後駆動力を反転させる指令が出力される毎に現在の前後駆動力が反転する。
【００４８】
図２は、本実施形態に係るスタック脱出装置１によるスタック脱出時のタイヤ１００の挙動を示す図である。同図において、グラフ数値の単位は[ｍ]である。また、タイヤ１００の直上に示している数値のうち、例えば０．４５[秒]は初期状態からの経過時間、０．００[ｍ／ｓ]はタイヤ１００の速度である。駆動力反転指令部３は、移動速度・位置検出部２で検出される車両の移動速度から、上死点であるＡ１’点、Ａ２’点、Ａ３’点、Ａ４’点、Ａ５’点、Ａ６’点を検出し、これらの点（即ち上死点）において駆動力を反転させる指令を出力する。これらの点では車両が静止即ち速度＝０となることから、速度＝０を移動速度・位置検出部２の第１加速度センサ２１が検出する。なお、第１加速度センサ２１の加速度検出方向によらず、第１加速度センサ２１の出力値を積分して得られた速度は０となるが、ここでは基本的な前後方向加速度検出を考える。
【００４９】
まず動作開始前には、移動速度・位置検出部２は、第１加速度センサ２１のＤＣオフセットを除去する。このＤＣオフセットは第１加速度センサ２１そのものが持つオフセットと車両が水平でない場合に発生するオフセットを含んでいる。静止状態でセンサ出力を測定し、その後はその値を差し引いてセンサ出力とすることでＤＣオフセットを除去する。
【００５０】
ＤＣオフセットの除去後、駆動・制動力制御部４がタイヤ１００に対し、前進方向に一定の駆動力を与える。この時の駆動力は静止摩擦力を超えないようにする。なお、実は静止摩擦力を超えても脱出動作は可能であるが、振り子の反復回数が増えたり、場合によっては脱出できなかったりする場合もあるので、静止摩擦力を超えないようにする。
【００５１】
初期位置（図２の（ａ））から駆動力が与えられることで、タイヤ１００が窪み２００の壁面前側を登り始める。タイヤ１００が窪み２００の壁面前側を登り始めることで、速度（第１加速度センサ２１の出力の積分値）は０から正になり上昇するが、あるタイミングから下降し０に戻る。この０に戻ったタイミング（図２の（ｂ）におけるＡ１’点のタイミング）で駆動力が後退に切り替えられる。これにより、タイヤ１００は窪み２００の壁面前面を転がり落ち、壁面後面を登り始める。今度の速度は負に振れて下降するが、あるタイミングから上昇を始め０に近づく。この０のタイミング（図２の（ｃ）におけるＡ２’点のタイミング）で駆動力が前進に切り替えられる。この動作が繰り返されることで、前後振幅が次第に大きくなり、最後は窪み２００の壁面を登りきりスタック状態から脱出できたことになる（図２の（ｄ）〜（ｈ））。
【００５２】
前進時に脱出した場合の速度は、前進に切り替えて速度が正に振れて上昇し、あるタイミングで下降し始めたあと未脱出では０に至るが、脱出できた場合は再び上昇を始める。駆動・制動力制御部４は、これをもって窪み２００の壁面を登りきったと判定（即ちスタック状態から脱出したと判定）する。
【００５３】
窪み２００の壁面を登りきった後、安全のために速度制限をかけて駆動力を下げて低速で走行させて、例えば３０[ｃｍ]程進んだところで制動（ブレーキ）をかける。なお、窪み２００の壁面を登りきった後に、例えば３０[ｃｍ]程進んだところで制動をかける理由は、自動で脱出し終わると、自動で車両を停止させて、脱出シーケンスが終了したことを運転手に知らせる必要があるからである。車両が動いている状態のままで運転手の手動運転に切り替えることは理論的に可能であるが、安全性を考慮すると停止状態で運転を交代する方が自然と言える。
【００５４】
速度制御のための速度検出や移動距離の算出においては、第１加速度センサ２１の出力値の積分値で速度が得られ、さらに積分値で移動距離がわかるのでそれを利用できる。また、車両のタイヤの回転する検出するタイヤ回転検出センサを設けて、その出力値から車両の初期位置からの移動距離を算出することもできる。
【００５５】
後退で脱出振幅に至る場合も全く同様である。予め脱出方向が定められていて、脱出判定がなされたときが逆方向の場合、駆動・制動力制御部４は、速度制限モードに入らず、駆動力を逆転させる。そして、タイヤ１００が反対側の壁面を登りきり、スタック状態から脱出できたと判定すると、そこで速度制限モードに入ったあと停止するようにする。なお、どのような状況下でも運転手がブレーキをかけるとスタック自動脱出機能は停止するようにする。
【００５６】
なお、スタック状態からの脱出判定は、車両の初期位置からの移動距離に基づいて行うこともできる。即ち車両の初期位置からの移動距離が一定値以上になったときにスタック状態から脱出したと判定するようにしてもよい。 
【００５７】
図３は、スタック脱出装置１にて３往復半でスタック状態から脱出したときにおける「力」、「加速度」、「速度」、「変位」の時間変化を示す図である。「力」の時間変化を示す図において、太実線は路面駆動力即ちタイヤ駆動力が路面に対して作用する力を表している。時刻０から約１５００［Ｎ］の力が加わっている。符号は正であり前進（図２では右方向）方向の力である。「力」の時間変化の図において、太一点鎖線は最大静止摩擦力の大きさ（絶対値）である。最大静止摩擦力は路面の斜度の関数であるため、時間とともに変化している。本実施形態では強力にＴＣＳを動作させており、常に最大静止摩擦力で駆動するように駆動力が制御されている。
【００５８】
時間が経過すると、タイヤ１００が回転し始める。「加速度」の時間変化の図において、太実線は水平方向の加速度を示しており、太一点鎖線は鉛直方向の加速度を示している。これらはタイヤ１００の中心の移動加速度である。時刻０の直後ではタイヤ１００の駆動力により水平方向加速度は正となるが、斜面を登り始めると自重によって斜面を下る方向の力が働くため次第に加速度は下がり、自重と駆動力との釣り合いが取れる場所で加速度は０となり、それ以降は減速を始める。
【００５９】
「速度」の時間変化の図において、太実線はタイヤ１００の中心の水平方向の速度を示しており、太一点鎖線はタイヤ１００の中心の鉛直方向の速度を示している。ここでは加速度を積分して速度を算出するようにしている。さらに時間が進むと、水平方向・鉛直方向ともに速度が０となる。つまり上死点Ｐｕである。駆動力反転指令部３は、速度＝０をもって上死点Ｐｕに達したと判定して駆動力を反転させる指令を駆動・制動力制御部４に出力する。ここで、加速度が不連続に変化するのは駆動力が反転するからである。そして、タイヤ１００は駆動力と斜面を下る力が同方向であり後退方向に加速していく。そして、後退方向の斜面を登り始め上死点Ｐｕに達したところで速度は０となり、再度駆動力は前進方向に切り替わる。
【００６０】
「変位」の時間変化の図において、太実線はタイヤ１００の中心の水平方向の変位を示しており、太一点鎖線はタイヤ１００の中心の鉛直方向の変位を示している。ここでは加速度を二重積分して変位を求めている。この図の場合、振り子振動が次第に大きくなって、６回の駆動力切り替えで脱出できたことを示している。
【００６１】
ここで、駆動力切り替え無駄時間の影響を考える。図４は、スタック脱出装置１にて７往復でスタック状態から脱出したときにおける「力」、「加速度」、「速度」、「変位」の時間変化を示す図である。即ち、図４は、図３の系に切り替え無駄時間＝０．２秒を加味したものである。図４から分かるように、半周期が約０．４５秒であるので、０．２秒というのは無視できないほどの長い時間である。よって振り子振動系に注入するパワーが小さくなり、振り子周期の増加割合が小さくなり、結果脱出までの時間が長くなる。図３では３．８５秒であったが、図４では８．２１秒かかっており、切り替え回数は６回→１３回と増えている。このように、前進・後退を自動で切り替えることで、手動で切り替える場合よりも、スタックからの脱出時間を短くできる。
【００６２】
以上のように本実施形態に係るスタック脱出装置１によれば、車両の移動速度の検出を行い、速度＝０を検出したときに現在の車両の駆動方向を反転させ、この駆動方向の反転を車両がスタック状態から脱出するまで繰り返し行うので、運転手の手動操作に依ることなく自動的にスタック状態から脱出することができる。
【００６３】
なお、上述した実施形態では、路面の摩擦係数を０．１としてＴＣＳを強力に作用させた好条件であったが、路面の摩擦係数を０．０１とすることで、ＴＣＳ無しでもタイヤ１００が空転しない程度の駆動力で動作させることができる。
【００６４】
また、上述した実施形態では、スタック脱出装置１の基本的な機能について説明したが、以下で説明する機能を追加することで精度向上、利便性向上等が図れる。
【００６５】
上述した第１加速度センサ２１は前後方向の加速度を検出するものであったが、窪み２００の壁面では車両の動ベクトルは水平成分が減り鉛直成分が増える。従って、前後方向の加速度をする第１加速度センサ２１のみでは車両の上下方向の動きを正しく把握することが困難である。後述するようなさらに詳細な制御を行うためには、車両の詳細な状況を把握する必要があるし、駆動力反転タイミングを決定する速度＝０を検出する精度を高めることも重要である。そこで、鉛直方向の加速度を検出するための第２加速度センサ２２（図１参照）を更に装備することで両者の出力が共に略０となることで静止判定（速度＝０）を行えば、さらに動作を確実にすることができる。使用する加速度センサは、前後・上下という組み合わせのみに限定されず、登り４５度、下り４５度のハの字型などでもかまわない。
【００６６】
また、路面に対する駆動力は大きいほど短時間で脱出できるし、より深い窪み２００を脱出できる（即ち、脱出能力が高くなる）。従って、タイヤ１００が空転している状態の動摩擦力よりもタイヤ１００が空転しない静止摩擦力の範囲で動作させるほうが良い。しかし、窪み２００の底の方では斜度が小さいが、壁面を登ると斜度が大きくなるため、路面に対して垂直方向の力が減り、結果静止摩擦力が小さくなる。最初のうちはタイヤ１００の空転が発生しなくても振幅が大きくなってくると空転し始めるという現象に至るので、タイヤ１００の回転（角速度）を検出するタイヤ回転検出センサ２３（図１参照）も装備して、タイヤ１００の空転検出を行うようにすればよい。
【００６７】
路面に対する移動距離は、上述したように、路面に沿った方向の加速度（第１加速度センサ２１の出力値）の二重積分値で計算できる。この場合、加速度センサ一つでは誤差が大きくなるので、それが許容できない場合は、例えば上下の第２加速度センサ２２を装備し、上下・前後の第１，第２加速度センサ２１，２２の検出値の二乗平均を取ることにより精度高く移動速度を求めることができる。
【００６８】
第１，第２加速度センサ２１，２２から求めた移動速度とタイヤ回転検出センサ２３から求めた移動速度は、タイヤ１００が空転していない場合は略一致するが、空転をし始めるとタイヤ回転検出センサ２３から求めた移動速度が急激に増加して一致しなくなる。この様態をもって空転と判断する。空転が始まったら駆動力を下げて空転しないようにする。タイヤ１００の空転を検知して駆動力を下げる仕組みは既存のＴＣＳ（トラクションコントロールシステム）と同一であるので、ＴＣＳ装備車はその機能をＯＮにすればよい。
【００６９】
雪道でスタックした場合は、車重の影響もあり、雪が一旦溶けて凍り、アイスバーン状態となり路面摩擦力が極めて低下し脱出が困難になる。また、窪み２００が深い場合も脱出が困難になる。このような場合には振り子運動を何回も繰り返し少しずつ振幅を大きくしていく必要がある。振幅を大きくしていくためには振動系に効率よくパワーをつぎ込むことが重要である。そのためには振り子の固有振動数（振幅に依存する）に合わせたなるべく大きな駆動力を、位相を合わせてかける必要がある。
【００７０】
タイヤ１００の空転を検知して駆動力を下げる機能（ＴＣＳ）について説明したが、逆に言えば窪み２００の原点からの変位に対して空転しない最大駆動力が求められるということである。ＴＣＳは、タイヤ１００の空転を検知して駆動系にフィードバックするものであるので、一瞬ではあるがタイヤ１００の空転が発生することを避けることができない。しかし、窪み２００の原点からの変位の関数として最大駆動力を振り子動作中に記憶することにより、フィードフォワード型で空転しない最大駆動力を与えることが可能である。最大駆動力は窪み２００の原点で最大で、壁面を登るほど小さくなる。よって、窪み２００の原点からの変位に応じて駆動力を変化させることができ、それにより振動系により多くのパワーをつぎ込むことができる。
【００７１】
駆動系によっては前後の切り替えに無駄時間が必要なケースがある。わかりやすいのはガソリンエンジンなどの内燃機関が原動力となっている場合に前後の切り替えはギアミッションを機械的に切り替えて行うが、その切り替えには時間がかかるということである。この切り替えに要する時間は２００［ｍｓｅｃ］程度であり、ここでは切り替え無駄時間と呼ぶ。切り替えは、タイヤ１００が窪み２００の壁面を登って静止した上死点Ｐｕで行うが、切り替え無駄時間を有する系ではどうするかを考える。先に述べたように、駆動力を振り子の周波数と位相にあわせることが重要である。従って、位相を合わせるには、無駄時間を上死点Ｐｕで均等に振り分けるということとなる。即ち、無駄時間がｔ［ｍｓｅｃ]とすると、上死点Ｐｕに達する０．５ｔ［ｍｓｅｃ］前に切り替えを実施する。実際に反転駆動力が働くのが上死点Ｐｕを通過後０．５ｔ［ｍｓｅｃ］である。振動を繰り返すと次回上死点Ｐｕに達する時刻が予想できるため、その０．５ｔ［ｍｓｅｃ］前に切り替えを実施することが可能となる。また、先に述べたように、窪み２００の壁面を登れば登るほど斜度は大きくなり静止摩擦力は低下する。従って駆動力をタイヤ１００に伝えない無駄時間は斜度の高い部分に当てはめたほうが効率的である。その意味でも上死点Ｐｕを中心に均等割り付けの効果がある。
【００７２】
この話は、切り替え時間が固定の場合であるが、さらにインテリジェント化して無駄時間を自動推定することもできる。駆動力を切り替えてから、第１加速度センサ２１の出力が変化し始めるまでの時間を測定すればよいのである。これは、振り子動作中に常時計算するよりも、最初の振り始めのところで検出するほうが精度がよい。つまり駆動力切り替えから加速度が不連続に変化する瞬間までの時間を計測すればよいのである。
【００７３】
本実施形態に係るスタック脱出装置１の起動は運転手が行うが、スタック脱出装置１を起動すると、周囲に障害物などが無いかどうかの安全確認を促すとともに、ステアリングを極力直進にするなどの注意や、車両が前後に振動するなどの動作のあらましを画像で表示したり、音声案内したりするＨＭＩ（Human Machine Interface）装置（報知部）５（図１参照）を装備することで、運転手（乗員）にスタックからの脱出を知らせることができる。即ち、運転手がスタートボタンを押すことにより振り子動作が開始してスタックを脱出して車両が停止したらブレーキペダルを踏むことでスタック脱出機能が終了し通常運転モードとなることを案内する。運転手がスタートボタンを押すと振り子動作が開始され、スタック脱出判定がなされたら例えば３０ｃｍ進んだところで車両が自動停止して、運転手に脱出に成功したことを音などで伝える。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、乗用車やトラック等の車両に用いるスタック脱出装置として有用である。
【符号の説明】
【００７５】
１  スタック脱出装置
２  移動速度・位置検出部
３  駆動力反転指令部
４  駆動・制動力制御部
５  報知部
２１  第１加速度センサ
２２  第２加速度センサ
２３  タイヤ回転検出センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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