JP4868689B2 - 路面状態推定方法、及び、路面状態推定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走行時の路面状態を推定する方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両の安全走行にとって最も重要な因子であるタイヤと路面との関係、詳しくは、タイヤと路面間の摩擦係数（路面摩擦係数）もしくは路面状態に代表されるタイヤの接地状態や、タイヤの歪状態や空気圧などのタイヤの走行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。すなわち、予め上記タイヤの接地状態や走行状態を椎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。また、運転者に走行中の路面状態の危険度を伝えるだけでも、運転者が早めの減速動作を行えるようになり、事故の減少が期待できる。
【０００３】
従来、路面摩擦係数を推定する方法としては、車輪の回転速度の変動を表わす物理量であるタイヤのユニフォミティレベルが、路面摩擦係数の大きさによって変化することを利用して路面摩擦係数を推定する方法（例えば、特許文献１参照）や、前輪と車体とを連結するロアアームに加速度計を取付けて、トー角がついているタイヤの横振動を検出し、その振動レベルが路面摩擦係数によって変化することを利用して路面摩擦係数を推定する方法（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。
【特許文献１】
特開２０００−５５７９０号公報
【特許文献２】
特開平６−２５８１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記タイヤのユニフォミティレベルから路面摩擦係数を推定する方法では、タイヤにフラットスポットが生じてユニフォミティが悪化し、これが回復していく過程では、正確な推定が困難であった。
一方、上記トー角がついている前輪の横振動から路面摩擦係数を推定する方法では、タイヤのスリップ角が完全にゼロになった場合や、大きなスリップ角がついた場合などでの測定精度が低いといった問題点があった。
【０００５】
また、特開平１１−９４６６１号公報には、車輪の上下方向の加速度であるバネ下加速度と、車体の上下方向の加速度であるバネ上加速度間の伝達特性から路面摩擦係数を推定する方法も提案されている。この方法では、路面摩擦係数の推定に操舵力を用いていないため、操舵がほとんど行われない直線路においても路面摩擦係数を推定することができるという利点があるが、バネやダンパー等の緩衝特性の大きな懸架装置を介した２点間の振動の伝達特性から路面摩擦係数を推定しているため、路面の凹凸の影響を受けやすいといった問題点があった。例えば、雪上などの荒れた路面上においては、バネ下の振動が大きくなるため、サスペンションによって振動が吸収されるバネ上の振動と、上記バネ下の振動との振動レベル差が大きくなってしまい、路面摩擦係数を正確に推定することができなかった。
【０００６】
一方、タイヤ内圧もまたタイヤの走行状態の重要な要素であり、具体的には、タイヤ転動中の歪状態や振動レベルからタイヤの接地状態やタイヤの走行状態を正確に推定し、湿潤・氷雪路面などタイヤのグリップが低下する場合や凹凸路を走行時には、タイヤ内圧を下げるなどして接地面積を増加させてグリップを向上させたり、タイヤ剛性を低下させることで乗り心地を改良し、逆に、高速走行時やハイドロプレーニング現象が発生した場合は、タイヤ内圧を増加させるなどして走行燃費の改善や操縦性の回復を促す必要がある。
【０００７】
しかしながら、タイヤ転動中の歪状態や振動レベルを測定するための接地状態検出手段であるセンサは駆動電源を必要とするため、上記センサに電力を供給する必要がある。更には、上記接地状態検出手段の出力に基づいて、路面状態やタイヤの走行状態を推定したり制御する装置や、路面状態推定手段等の出力信号を車体側に伝達するための無線機をタイヤに搭載するような場合にも、上記装置や無線機への電力供給が必要であった。
回転体であるタイヤへの電力供給は、スリップリングや車体とタイヤ間の相対移動を利用した電磁誘導による起電力を用いることも可能である。ところが、これらの電力供給手段では車体構造の変更が必要となり、コストが高くなるという問題がある。
また、交換を前提とした電池を装備することが現時点では最も現実的な方法であると言えるが、交換の煩わしさや電池寿命という問題が残されている。
【０００８】
このように、路面状態やタイヤの走行状態などの車両の走行状態を精度よく推定するとともに、上記車両の走行状態の情報を車両やドライバーに供給するだけでなく、上記情報を用いてタイヤ特性を制御して、より安全な、あるいは、より快適な走行状態を提供するためのシステムの開発が望まれている。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、走行中の路面状態を精度よく推定する方法とその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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明者は種々の検討を重ねた結果、走行中の車両バネ下部の振動レベルを検出して、走行時の路面状態を推定することにより、従来の技術では困難であった荒れた路面上においても、スリップ角がゼロである状態においても、上記車両の走行する路面の状態を精度よく推定することができることを見出し、本発明に到ったものである。
すなわち、本願の請求項１に記載の路面状態推定方法は、走行中の車両バネ下部の振動レベルをタイヤトレッドの内面側に設けられた振動センサによって検出して上記振動レベルの時間変化の波形を求めるとともに車速を検出し、上記時間変化の波形の所定の位置、あるいは所定の時間範囲での振動レベルを予め求めておいた車速に応じた振動レベルのマスターカーブと比較して、走行時の路面状態を推定することを特徴とするものである。ここで、上記車両バネ下部とは、サスペンション，ハブ，ブレーキキャリパー，ホイール，タイヤ等を指し、サスペンションにバネを有さない、例えばハイドロリック機構の場合には該機構よりタイヤ側の部分を指す。
【００１１】
また、本発明の請求項２に記載の路面状態推定装置は、タイヤトレッドの内面側に設けられて走行中の車両バネ下部の振動レベルを検出する振動レベル検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、上記振動レベルの時間変化の波形を求める時間波形検出手段と、予め求めておいた車速に応じた振動レベルのマスターカーブを記憶する振動レベル記憶手段と、上記時間変化の波形の所定の位置、あるいは所定の時間範囲での振動レベルと上記マスターカーブとを比較して走行時の路面状態を推定する路面状態推定手段とを備え、走行時の路面状態を推定するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の路面状態推定装置であって、上記波形の、タイヤ踏込み部、タイヤ接地部、及びタイヤ蹴り出し部の少なくとも１個所の振動レベルを算出する手段を備えたものである。
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の路面状態推定装置であって、上記路面状態推定手段で推定された路面状態に基づいて路面の滑り易さを判定する手段と、路面状態が滑り易いと判定された場合には警告を発する警告手段とを更に設けたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係わる路面状態推定装置としての車両走行状態推定装置１０の構成を示すブロック図である。同図において、１１はタイヤトレッドの内面側に設けられた振動センサ、１２は車輪の速度を検出する回転センサ１２ａの出力パルスに基づいて車速を検出する車速検出手段、１３は上記振動センサの出力レベル（振動レベル）を時系列に配列して振動波形を求める振動波形検出手段、１４は上記回転センサ１２ａからの出方パルスを用いて、タイヤ踏面手前の踏み込み部と接地部とタイヤが踏面から離れる蹴り出し部とのそれぞれの振動レベルを算出して、タイヤトレッドの振動レベル分布を求める振動レベル分布演算手段、１５は振動レベル記憶手段１６に記憶されている、予め求められた車速に応じた振動レベルのマスターカーブを用いて、上記算出された振動レベルと検出された車速とから、車両の走行状態の１つである推定路面状態を推定する路面状態推定手段である。
【００１３】
本実施の形態１では、タイヤトレッドの振動状態を測定する振動センサ１１は、例えば、図２（ａ）に示すように、タイヤトレッド（以下、単にトレッドという）１の内面１Ａに配設されるが、振動センサ１１の設定位置はこれに限るものではなく、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、タイヤホイール部２のリム２Ａの外側あるいはサスペンション部３のサスペンション・アーム３Ａ上のなどの車両バネ下部に設置されていればよい。
なお、上記振動レベルのマスターカーブは、後述するように、試験車両のトレッド１の内面１Ａに振動センサ１１を貼付け、上記車両を、速度Ｖで路面摩擦係数μの異なる路面を走行させて、上記トレッド１の振動レベルを実測することにより作成される。
【００１４】
次に、路面状態の推定方法について説明する。
まず、トレッド１の内面１Ａ側に設けられた振動センサ１１により、走行中のトレッド１の振動レベルを検出し、振動波形検出手段１３により、上記検出された振動レベルを時系列に配列した振動波形を求め、振動分布演算手段１４において、図３に示すような、上記波形の時間軸に振動検出位置を対応させた振動レベル分布を示すカーブ（以下、振動レベル分布と略す）を作成する。なお、上記振動レベルの大きさとして、振動レベルのパワー値を用いた。
トレッド１には、はじめに、図３の丸１で示す踏面手前の踏込み部において、トレッド１が路面Ｌに接触する際の打撃による振動が発生する。図３の丸２で示すトレッド１が路面Ｌに接触している踏面内（接地部）では、トレッド１は路面Ｌに拘束されるため振動はほとんど発生しない。その後、図３の丸３で示す蹴り出し部でトレッド１が路面Ｌから離れた瞬間に、上記拘束が解放されることによって再び振動が発生する。
なお、上記踏込み部，接地部，蹴り出し部の位置及び車速Ｖは、図示しない車輪に設けられた回転センサ１２ａの出力パルスに基づいて、車速検出手段１２により検出する。
上記トレッド１の振動レベルは、主に、車両が走行している路面状態と車速とに依存する。
【００１５】
図４（ａ）は、通常の乾燥アスファルト路面上において、試験車両を低速（Ｖ＝２０ｋｍ／ｈ）で走行させたときのトレッド１の振動レベル分布を示す図で、図４（ｂ）は、高速（Ｖ＝９０ｋｍ／ｈ）で走行させたとき振動レベル分布を示す。
一方、一般に危険とされる路面摩擦係数μが低い状況では、トレッド１のレベル分布は、上記乾燥アスファルト路面上とは著しく異なっている。例えば、路面摩擦係数μが極端に低いと思われる氷盤上では、車両を低速（Ｖ＝２０ｋｍ／ｈ）で走行させた場合でも、接地面からの拘束が小さいため、図５（ａ）に示すように、通常は振動がほとんど発生しない接地部でもトレッド１が大きく振動している。また、高速（Ｖ＝９０ｋｍ／ｈ）で厚い水膜上を通過した場合には、ハイドロプレーニング現象が発生し、図５（ｂ）に示すように、接地部でのトレッド１の振動レベルが更に大きくなるとともに、踏込み部においてもトレッド１が大きく振動する。
これは、路面摩擦係数μが低い状態やタイヤが水膜によって浮いた状態では、接地面からの拘束が小さいため、通常は振動がほとんど発生しない接地部でもトレッド１が大きく振動することによるためで、特に、ハイドロプレーニングの発生時には、タイヤ前方にできた水膜や水流によって、本来の接地面よりも前方からトレッド１の振動が発生するためである。
【００１６】
本実施の形態１では、実際にトレッド１の内面１Ａに振動センサ１１を貼付けた車両を、上記のような路面摩擦係数μの異なる路面を速度Ｖで走行させて、路面状態と車速Ｖとをパラメータとするトレッド１の振動レベル分布を予め求め、この振動レベル分布を路面状態を推定するためマスターカーブとして、車両走行状態推定装置１０の振動レベル記憶手段１６に記憶してある。
したがって、振動レベル分布演算手段１４で得られたトレッド１の振動レベル分布と、上記振動レベル記憶手段１６に記憶されている上記マスターカーブとを比較することにより、路面状態を推定することができる。
また、計測された振動分布のカーブとマスターカーブとを比較する作業を簡略化して、振動レベル分布を所定の１つまたは複数の、検出位置または所定の時間範囲内での振動レベルに対して閾値を設け、上記算出された振動レベルが上記閾値を越えたときに、路面が低μ路であると推定するようにしてもよい。例えば、安全と考えられる路面摩擦係数μ及び車速の条件を満たす接地部でのトレッド１の振動レベルを上記閾値として予め振動レベル記憶手段１６に記憶し、走行中に算出された接地部でトレッド１の振動レベルと上記閾値とを比較することにより、走行中の路面状態が安全な高μ路なのか滑り易い低μ路なのかを推定する。なお、踏込み部と接地部の２つの振動レベルから路面状態が高μ路か低μ路かを推定するようにしてもよい。
あるいは、通常走行時や氷盤上などの様々な路面状態における上記図３の丸１で示す踏込み部，図３の丸２で示す接地部，図３の丸３で示す蹴り出し部の位置における振動レベルのパワー値の比、Ｐ_１：Ｐ_２：Ｐ_３を予め各速度毎に記憶しておき、これを、算出されたの振動レベル分布における踏込み部，接地部，蹴り出し部の位置の振動レベルのパワー値の比と比較することにより、路面状態を推定するようにしてもよい。
【００１７】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、振動波形検出手段１３により、振動センサ１１で計測した車両バネ下部の振動レベルを時系列に配列した後、振動レベル分布演算手段１４により、トレッド１の振動レベル分布を求めて路面状態を推定したが、図６に示すように、上記振動レベル分布演算手段１４に代えて、上記振動レベルを周波数変換した振動レベルの周波数スペクトルを求める周波数分析手段１４Ｆと、上記求められた周波数スペクトルの所定の周波数帯域内での振動レベルを算出する振動レベル算出手段１４Ｓとを設けるとともに、上記振動レベル算出手段１８で算出された振動レベルと、予め振動レベル記憶手段１６Ｓに記憶した、振動レベルの周波数スペクトルから路面状態を推定するためマスターカーブにとを比較して路面状態を推定する路面状態推定手段１５Ｓを設けることにより、車両バネ下部の振動の、所定の周波数帯域内での振動レベルから路面状態を推定することができる。
【００１８】
図７（ａ），（ｂ）は、通常の乾燥アスファルト路面上と、路面摩擦係数μが極端に低いと思われる状態で車両を走行させたときのトレッド１の振動スペクトルを示す図で、（ａ）図は、低速（Ｖ＝２０ｋｍ／ｈ）で氷盤上を走行させたときの、（ｂ）図は高速（Ｖ＝９０ｋｍ／ｈ）で水膜上を走行させたときの振動スペクトルである。
上記振動スペクトルの周波数成分を解析したところ、ほぼｆ＝５００Ｈｚ〜２ｋＨｚ帯域の振動レベルが路面状態によっ大きくて変化することが分かった。この周波数成分は、通常の路面上ではトレッド１が踏面から離れた直後に生じる振動の周波数成分と同等であり、トレッドブロックが持つせん断およびねじれの固有振動数に起因するものと推定される。そこで、上記振動スペクトルにおいて、特に、トレッドブロック固有振動数であるｆ＝１．４ｋＨｚ付近の振動レベルを比較すれば、路面状態を推定することが可能となる。
したがって、上記実施の形態１と同様の実車試験により得られた、振動レベルの周波数スペクトルを予め求め、この振動スペクトルを路面状態を推定するためマスターカーブとして記憶しておき、振動波形検出手段１３で得られたトレッド１の振動波形を周波数分析手段１４Ｆにより周波数変換し、振動レベル算出手段１４Ｓで得られた所定の周波数領域での振動レベルを、振動レベル記憶手段１６Ｓに記憶された上記マスターカーブとを比較することにより、路面状態を推定することができる。
また、計測された周波数スペクトルと上記周波数スペクトルのマスターカーブとを比較する作業を簡略化して、上記トレッド陸部（ここではブロック）の固有振動数付近の１つまたは複数の周波数あるいは所定の周波数帯域内での振動レベルを算出するとともに、上記振動レベルに対して閾値を設け、上記振動レベルが上記閾値を越えたときに、路面が低μ路であると推定するようにしてもよい。
【００１９】
実施の形態３．
上記実施の形態２では、振動レベル算出手段１４Ｓにより算出された所定の周波数領域の振動レベルから路面状態を推定するようにしたが、図８に示すように、上記振動レベル算出手段１４Ｓに代えて、上記求められた周波数スペクトルの少なくとも２つの周波数帯域内での振動レベルを演算する振動レベル演算手段１４Ｒを設けるとともに、上記振動レベル演算手段１４Ｒで算出された振動レベル演算値と、予め振動レベル記憶手段１６Ｒに記憶した、振動レベルの周波数スペクトルから路面状態を推定するためマスターカーブにとを比較して路面状態を推定する路面状態推定手段１５Ｒを設けて、路面状態を推定するようにしてもよい。
このとき、上記２つの周波数帯域としては、例えば、上記図７（ａ），（ｂ）に示したの車両バネ下部の振動スペクトルにおいて、路面状態の影響を受けにくい帯域である３００Ｈｚ〜１０００Ｈｚに設定し、もう１つの周波数帯域を、路面の滑り易さが反映される帯域である８００Ｈｚ〜５０００Ｈｚに設定することが望ましい。
なお、振動レベルの演算値としては、上記２つの周波数帯域に限るものではなく、３つあるいは４つ以上の周波数帯域内での振動レベルの演算値を算出して路面状態を推定するようにしてもよい。
【００２０】
図９は、乾燥路面、ウエット路面、氷盤路面において、車速１５ｋｍ／ｈ〜９０ｋｍ／ｈの範囲で走行した場合の、３００Ｈｚ〜１０００Ｈｚ帯域での振動レベル平均値と、１０００Ｈｚ〜２０００Ｈｚ帯域での振動レベル平均値との比αを演算した結果を示したものである。
乾燥路面では新品タイヤ、摩耗タイヤとも、上記演算値αは、速度によらず、０．４程度であるのに対し、ウエット面では高速であるほど、かつ摩耗タイヤの方が上記演算値αの値が大きくなっている。これは、摩耗したタイヤでウエット路を高速走行すると、ハイドロプレーニング現象が発生し、滑り易い危険な状態になっているためである。一方、氷盤路では、上記演算値αは、速度によらず、０．８〜１．１という高い値を示している。
このように、複数の周波数帯域における振動レベルから演算した値を用いることにより、速度やタイヤの摩耗状態によらず、路面状態の危険度を正確にかつリアルタイムに判断することが可能となる。
このとき、路面摩擦係数μと上記演算値αとの関係を用いて、閾値となる基準値を設定し、路面の状態を、例えば、α≦０．６なら（イ）通常状態、０．６＜α≦０．９なら（ロ）要注意状態（ウエット路、雪路など）、０．９＜αなら（ハ）危険状態（ハイドロプレーニング状態、圧雪路、ミラーバーンなど）の３段階に設定することにより、走行時における路面の滑り易さ＝危険度を判定することができる。
［実施例１］
【００２１】
本発明の車両走行状態推定装置１０を搭載するとともに、振動レベル演算手段１４Ｒで得られた上記演算値αが０．６を越えると要注意の、０．９を越えると危険の警報を発する警報装置を取付けた車両を用いて以下の試験を行った。
乾燥路と水深１０ｍｍのウエット路においては、新品及び摩耗タイヤのそれぞれで、車速３０ｋｍ／ｈ〜９０ｋｍ／ｈで走行し、更に、氷盤路においては、新品タイヤで車速１５ｋｍ／ｈ〜６０ｋｍ／ｈで走行した。
その結果、ウエット路において、新品タイヤでは６０ｋｍ／ｈ以上で要注意の、９０ｋｍ／ｈ以上で危険の警報が発せられ、摩耗タイヤでは、４５ｋｍ／ｈ以上で要注意の、７０ｋｍ／ｈ以上で危険の警報が発せられた。一方、一方、氷盤路を新品タイヤで走行した場合には、１５ｋｍ／ｈ以上で要注意の、３０ｋｍ／ｈ以上で危険の警報が発せられた。
【００２２】
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、走行中の車両バネ下部の振動レベルを検出して路面状態を推定する方法について説明したが、車両バネ下部の２点の振動状態をそれぞれ検出し、上記２点間の振動伝達特性から路面状態を推定することも可能である。
図１０は、本実施の形態４に係わる車両走行状態推定装置２０の構成を示すブロック図である。同図において、２１Ａ，２１Ｂは車両バネ下部の異なる２点にそれぞれ設けられた第１及び第２の振動センサ、１２は回転センサ１２ａを備えた車速検出手段、２３は上記第１及び第２の振動センサ２１Ａ，２１Ｂの出力レベル（振動レベル）から上記２点間における振動伝達関数を演算する伝達関数演算手段、２４は上記伝達関数の周波数特性から所定の周波数帯域内での振動レベルを演算する振動伝達レベル演算手段、２５は上記演算された振動伝達レベルと上記車速検出手段１２からの車速とを入力し、上記演算された振動伝達レベルを、振動レベル記憶手段２６に記憶されている、上記予め求められた車速毎の振動伝達レベルと路面状態との関係を示すＧ−μマップを用いて、路面状態を推定して車両の走行状態を推定する路面状態推定手段である。
なお、振動伝達特性を求めるために必要な、相対的な振動特性が異なる２点としては、緩衝部材を挟んだ２点が好ましいので、本実施の形態４では、図１１に示すように、上記振動センサ２１Ａ，２１Ｂをタイヤホイール部２のリム２Ａの外側とサスペンション部３のサスペンション・アーム３Ａ上とに設置した。上記振動センサ２１Ｂが設置されるサスペンション・アーム３Ａは、根元のゴムブッシュ３Ｂを介してハブ部３Ｃと接続されているので、これにより、２つの振動センサ２１Ａ，２１Ｂは緩衝部材を介して配置されていることになる。
【００２３】
図１２（ａ），（ｂ）は、車両下部バネ部であるタイヤホイール部２とサスペンション部３とに設けられた第１及び第２の振動センサ２１Ａ，２１Ｂで計測された振動の振動伝達レベルを測定した結果を示す図で、（ａ）図は低速（Ｖ＝２０ｋｍ／ｈ）のときの、（ｂ）図は高速（Ｖ＝９０ｋｍ／ｈ）のときの振動伝達レベルである。
同図から明らかなように、氷盤上や水膜上での振動伝達レベルは、通常の乾燥アスファルト路面上での振動伝達レベルと比較して、５００Ｈｚ〜２ｋＨｚの周波数帯域で著しくが高くなっている。これは、トレッド１の踏面内振動によってタイヤを含む足回りが加振されるつともに、路面μが低いためにトレッド１の路面からの拘束が小さいため、タイヤ−ホイール間、サスペンション−ホイール間の振動が伝達されやすい状態となり、上記帯域での振動伝達レベルが高くなることによる。
したがって、上記帯域の振動伝達レベルを監視することにより、路面状態を推定することが可能となる。具体的には、例えば、様々な路面状態で振動伝達レベルの周波数スペクトルを予め求め、この振動スペクトルを路面状態を推定するためマスターカーブとして記憶しておき、伝達関数演算手段２３で得られた振動伝達関数を周波数変換し、得られた周波数スペクトルと、上記周波数スペクトルのマスターカーブとを比較することにより、路面状態を推定する。あるいは、上記５００Ｈｚ〜２ｋＨｚの周波数帯域での振動伝達レベルを算出するとともに、上記振動伝達レベルに対して閾値を設け、上記振動伝達レベルが上記閾値を越えたときに、路面が低μ路であると推定する。
【００２４】
本実施の形態４では、上述した特開平１１−９４６６１号公報に記載の従来例とは異なり、車両バネ下の２点の振動伝達レベルを監視するようにしているので、路面粗さなどの外乱に左右されにくい精度の高い路面状態の推定が可能となる。
なお、図１３に示すように、タイヤホイール部３に弾性体からなる緩衝部材５を介して金属製の「浮き」４を取り付け、この「浮き」４上に第２の振動センサ２１Ｂを配設し、上記タイヤホイール部３に取付けられた第１の振動センサ２１Ａと上記第２の振動センサ２１Ｂとにより、上記タイヤホイール部３と上記「浮き」４との間の振動伝達特性を測定するようにしてもよい。
また、緩衝部材５としては、スタビライザーやリンクのブッシュ等を利用する方法のほかに、現状のバネ下部分に緩衝部材接合して利用しても良い。上記緩衝部材としては、弾性特性を有するゴム系（シリコン系・オレフィン系・フェニレン系等）や樹脂系（ウレタン系・テフロン（登録商標）系等）などが用いられる。
【００２５】
なお、上記実施の形態１〜４では、通常の乾燥アスファルト路面と、路面摩擦係数μが低い路面の２通りの路面状態を例として説明したが、路面状態の分類はこれに限るものではなく、車両が使用される地域や環境等に応じて適宜設定されるもので、路面状態を、例えば、（１）高μ路（μ≧０．６），（２）中μ路（０．３≦μ＜０．６），（３）低μ路（μ＜０．３）ように３つ以上の推定路面状態にランク分けしてもよい。
また、上記実施の形態１〜３の振動レベル、及び実施の形態４の振動伝達レベルは、タイヤの空気圧や温度、ゴム硬度あるいはトレッド摩耗量の経時変化などにより変化するので、予め上記各データの値に応じて上記マスターカーブあるいは閾値を変更できるようにしておけば、路面状態の推定精度を更に向上させることができる。
【００２６】
また、上記実施の形態１〜４では、振動レベルあるいは振動伝達レベルから、様々な路面状態での振動波形あるいは周波数スペクトルのマスターカーブを用いて、路面状態を推定するようにしたが、様々な路面状態で走行試験及び制動試験を行い、そのときの振動レベルあるいは振動伝達レベルを計測するとともに、上記路面での制動距離からタイヤと試験路面の路面摩擦係数μを算出して、各路面摩擦係数μでの振動波形あるいは周波数スペクトルのマスターカーブを作成することにより、走行中に計測された振動レベルあるいは振動伝達レベルから、上記マスターカーブを用いて、走路面摩擦係数μを推定することのできる路面状態推定装置を構成することができる。
例えば、図１４は氷盤路，積雪路及び乾燥アスファルト路での制動距離から求めた路面摩擦係数μを横軸に、上記実施の形態４で述べた振動伝達関数の５００Ｈｚ〜２ｋＨｚ帯域における振動伝達レベルの大きさ（２０ｋｍ／ｈの一定側走行時）を縦軸にとったものである。このように、上記路面摩擦係数μと振動伝達レベルとは高い相関（Ｒ^２＝０．９９８３）を示すことから、走行中に計測された振動伝達レベルから走路面摩擦係数μを精度良く推定できることがわかった。
【００２７】
実施の形態５．
上記実施の形態１〜４では、車両バネ下部の振動レベルあるいは振動伝達レベルから路面状態を推定する方法について説明したが、上記振動レベルあるいは振動伝達レベルから、路面がどの程度滑り易い状態にあるかを推定し、路面状態が滑り易いと推定された場合には、運転者あるいは乗員に危険度を警告することも可能である。
図１５は、本実施の形態５に係わる路面滑り警告装置３０の構成を示す図で、路面滑り警告装置３０は、上記実施の形態１の振動レベル記憶手段１６と路面状態推定手段１５とに代えて、図１６に示すような、車速Ｖと振動レベルの大きさとで囲まれた２つの警戒ゾーンＺ１，Ｚ２を有する警戒ゾーンマップを記憶するマップ記憶手段３６と、振動分布演算手段１４で得られたトレッド１の振動レベルと車速とが、上記警戒ゾーンマップのどの位置にあるかを判定する路面状態判定手段３５を設けるとともに、上記計測された振動レベルと車速とが上記警戒ゾーンＺ１，Ｚ２のある場合には、運転者あるいは乗員に危険度を警告する警告手段３７とを設けたものである。
本実施の形態５の路面滑り警告装置３０では、トレッド１の車速に応じた振動レベルが比較的低い第１段階の警戒ゾーンＺ１にあれば、警告手段３７を作動させ、例えば、図示しない赤ランプを点滅させ、上記振動レベルが比較的高い第２段階の警戒ゾーンＺ２にあれば、上記赤ランプの点滅に加えて警報音を発するようにするなどして、運転者あるいは乗員に路面の危険度を警告する。これにより、運転者に走行中の路面状態の危険度を伝えることができるので、運転者が早めの減速動作を行えるようになり、事故の減少を期待することができる。
［実施例２］
【００２８】
上記構成の路面滑り警告装置３０を搭載した試験車両を、乾燥アスファルト上及びウエット（水深が１０ｍｍの水溜まり）路上において、車速を２０，４０，６０，８０，９０ｋｍ／ｈと徐々に上げて走行させた結果、トレッド１の振動レベルは、図１５に示すように、通常の乾燥アスファルト路面上（同図の□印）においても、ハイドロプレーニングが発生しやすいウエットな路面上（同図○印）においても、車速とともに増加するが、特に、ウエットな路面でかつ車速が大きい場合には、上記振動レベルは急速に上昇した。そして、ウエットな路面では、車速が６０ｋｍ／ｈのときに第１段階の警告が発せられ、車速が８０ｋｍ／ｈ以上のときに第２段階の警告が発せられ、本発明の所期の目的が達成できることが確認された。
なお、上記実施の形態５では、上記実施の形態１と同様に、振動センサ１１で計測した車両バネ下部の振動レベル分布を求めて路面状態の滑り易さを推定して警告を発するようにしたが、上記実施の形態２，３と同様に、上記振動レベルを周波数変換した振動レベルの周波数スペクトルを求め、この周波数スペクトルの所定の周波数帯域内での振動レベル、あるいは少なくとも２つの周波数帯域内での振動レベルの演算値から路面状態の滑り易さを推定するようにしてもよい。
【００２９】
実施の形態６．
上記実施の形態５では、計測された車両バネ下部の振動レベルから路面状態の危険度を直接判定するようにしたが、車両バネ下部の２点の振動状態をそれぞれ検出し、上記２点間の振動伝達レベルから路面の滑り易さを推定して警告を発するようにすることも可能である。
図１７は、本実施の形態６に係わる路面滑り警告装置４０の構成を示す図で、路面滑り警告装置４０は、上記実施の形態４の振動レベル記憶手段２６と路面状態推定手段２５とに代えて、図１８に示すように、車速Ｖと振動伝達レベルＧとで囲まれた２つの警戒ゾーンＫ１，Ｋ２を有する警戒ゾーンマップを記憶するマップ記憶手段４６と、振動伝達レベル演算手段２４で得られた振動伝達レベルと車速とが、上記警戒ゾーンマップのどの位置にあるかを判定する路面状態判定手段４５を設けるとともに、上記計測された振動伝達レベルと車速とが上記警戒ゾーンＫ１，Ｋ２にある場合には、運転者あるいは乗員に危険度を警告する警告手段４７とを設け、トレッドの振動レベルと車速とが、第１段階の警戒ゾーンＫ１あるいは第２段階の警戒ゾーンＫ２にあれば、警告手段４７を作動させて運転者あるいは乗員に路面の危険度を警告する。
［実施例３］
【００３０】
上記構成の路面滑り警告装置４０を搭載した試験車両を、乾燥アスファルト上及び凍結路面上において、車速を２０，３０，４０ｋｍ／ｈの一定速度で走行させた結果、いずれの速度においても凍結路面上において第２段階の警告が発せられ、本発明の所期の目的が達成できることが確認された。
なお、上記実施の形態５，６では、計測された振動伝達レベルから路面状態の危険度を直接判定するようにしたが、上記実施の形態１〜４に記載した車両走行状態推定装置１０，２０と同様の推定路面状態演算装置を構成し、この推定路面状態演算装置からの路面状態に応じて、運転者あるいは乗員に危険度を警告するようにしてもよい。なお、この場合は、推定される路面状態と設定される警戒ゾーンとが対応するように上記路面状態と警戒ゾーンとを設定する必要があることは言うまでもない。
【００３１】
実施の形態７．
上記実施の形態２では、周波数分析手段１４Ｆで求められた車両バネ下部の振動レベルの周波数スペクトルから所定の周波数帯域内での振動レベルを算出して路面状態を推定する方法について説明したが、図１９に示すように、検出された振動レベルの２００Ｈｚ以下の周波数帯域内での振動レベルからタイヤの固有振動の周波数を算出するタイヤ固有振動算出手段１７Ａと、上記算出されたタイヤの固有振動数からタイヤ空気圧を推定するタイヤ空気圧推定手段１７Ｂと、この推定されたタイヤ空気圧から、タイヤの走行状態を推定するタイヤの走行状態推定手段１８とを設けることにより、車両の走行状態の１つであるタイヤの走行状態を推定することができる。
図２０は、タイヤの固有振動周波数（Ｈｚ）と実際のタイヤ空気圧（ＭＰａ）との関係を示す図で、このように、上記タイヤの固有振動周波数とタイヤ空気圧とは高い相関（Ｒ^２＝０．９８９１）を示すことから、車両バネ下部の振動レベルを検出して周波数分析し、その２００Ｈｚ以下での周波数帯域内での振動レベルからタイヤ空気圧を推精度良く推定することができる。
本例では、更に、上記推定された空気圧を用いて走行中のタイヤ圧を監視するタイヤ圧監視手段１９Ａと、上記タイヤ圧監視手段１９Ａで監視した空気圧が所定の値よりも低下した場合には、上記タイヤ圧の低下を乗員に警告するタイヤ圧低下警告手段１９Ｂとを設けて、タイヤ圧の低下を乗員に警告するようにしている。これにより、タイヤの走行状態を推定することができるとともに、走行中のタイヤ圧を監視して、タイヤ圧が所定の値よりも低下した場合には、これを乗員に警告することができるので、車両の安全性を向上させることができる。
【００３２】
実施の形態８．
上記実施の形態７では、固有振動算出手段１７Ａとタイヤ空気圧推定手段１７Ｂとにより、車両バネ下部の振動レベルの２００Ｈｚ以下の周波数帯域内での振動レベルからタイヤの固有振動周波数を算出してタイヤ空気圧を推定するようにしたが、図２１に示すように、タイヤ回転速度検出手段２７と、上記検出された振動レベルの、１００Ｈｚ以下の周波数帯域内での、タイヤ回転速度に応じて変化する振動レベルの平均値を算出して走行中のタイヤの状態を推定するタイヤ走行状態推定手段２８と、上記算出された振動レベルの平均値が予め設定された基準値を越えた場合には、タイヤに異常があると判定するタイヤ異常検出手段２９Ａ及び上記タイヤ異常検出手段２９Ａの検出結果に基づいてタイヤの異常を乗員に警告するタイヤ異常警告手段２９Ｂとを備えることにより、タイヤの走行状態を推定するとともに、タイヤの異常を判定して、これを乗員に警告することができる。
例えば、トレッド部の一部に剥離が生じた場合には、その部分が路面に接する度に振動が発生してタイヤ内面の空気を加振する。通常初期の剥離故障はタイヤ周上の１箇所に発生するため、それによって発生する振動はタイヤ回転数に応じて周期的なものとなる。その周期は、例えば、一般的な乗用車用タイヤの場合、時速１００ｋｍ／ｈｒで約１４Ｈｚ（一次），２８Ｈｚ（二次），４２Ｈｚ（三次），……となる。通常走行時でも、タイヤが接地することで上記ピークは発生するが、上述したように、周上１箇所に剥離などの故障が発生した場合には、上記ピークレベルが極端に大きくなるので、タイヤに何らかの異常が生じていることが推定される。
したがって、上記タイヤ走行状態推定手段２８により、車両バネ下部の振動レベルの、１００Ｈｚ以下の周波数帯域内での振動レベル（例えば、１４Ｈｚ，２８Ｈｚ，４２Ｈｚ）を算出し、この算出された振動レベルの平均値が所定の基準値を超えた場合には、タイヤに異常があると判定し、その情報タイヤ異常検出手段２９Ａに送ることにより、乗員にタイヤの異常が発生したことを警告することができる。
【００３３】
図２２は、タイヤトレッドとスチールベルトの間の周上の１箇所に故意に切込みを入れた故障タイヤを作製し、上記故障タイヤの振動レベル（ｄＢ）を測定し、通常タイヤの場合と比較した結果を示す図である。具体的には、上記故障タイヤと通常のタイヤとを、室内ドラム上で１００ｋｍ／ｈｒの一定速で走行させ、上記振動レベルを測定し、周波数解析した。
上述したように、通常のタイヤであっても、約１４Ｈｚ（一次），２８Ｈｚ（二次），４２ｋＨｚ（三次），……という周波数にピークが発生するが、故障タイヤの場合には、同図の破線に示すように、その大きさが通常タイヤに対して２０ｄＢ程度大きい。これはタイヤ故障を検出する基準として設定している、上記周波数における通常状態のピークを大幅に上回っており、このように車両バネ下部の振動レベルを検出することで、タイヤの故障を検出することができることが分かる。
ここで、上記基準値を、車両を、タイヤに異常が発生していない状態で所定の車速Ｖで走行させた時の、基準判定周波数Ｆ_ｎ＝ｎ×Ｖ／（２πｒ）における振動レベルの１．２〜５倍の範囲に設定することで、上記異常を精度よく検出することができる。なお、上記式において、ｒはタイヤ転がり半径、ｎは自然数である。
また、上記基準値は、温度やタイヤトレッドの摩耗量あるいはゴム硬度の劣化といった経時変化に応じて変更することができる。
【００３４】
実施の形態９．
図２３は、本実施の形態９に係わる車両制御装置５０の構成を示す図で、車両制御装置５０は、車両バネ下部の異なる２点にそれぞれ設けられた振動センサ２１Ａ，２１Ｂと、車速検出手段１２と、上記振動センサ２１Ａ，２１Ｂの出力レベル（振動レベル）から上記２点間の振動伝達関数を演算する伝達関数演算手段２３と、上記伝達関数の周波数特性から所定の周波数帯域内での振動レベルを演算する振動伝達レベル演算手段２４と、上記演算された振動伝達レベルと上記車速検出手段１２からの車速とを入力し、上記演算された振動伝達レベルを、振動レベル記憶手段２６に記憶されている、上記予め求められた車速毎の振動伝達レベルと路面状態との関係を示すＧ−μマップを用いて、路面状態を推定する路面状態推定手段２５と、この路面状態推定手段２５で得られた推定路面状態に基づいて、車両の走行状態を制御する車両制御手段５７と備えている。
上記車両制御手段５７は、上記推定路面状態に基づいてタイヤ空気圧を制御し、滑りやすい路面での制動距離を短縮する制御を行うもので、例えば、氷上のような低μ路ではタイヤ空気圧を低下させるようにすることにより、低μ路での制動距離を短くすることができる。
すなわち、推定された路面状態が低μ路であった場合には、車両制御手段５７により、タイヤ空気圧を自動あるいは手動により低下させて、タイヤ接地面積を増加させ、路面とタイヤとの摩擦力を増加させることにより、制動距離を短縮するようにする。
なお、タイヤ空気圧自動調整システムはいかなるものであっても良いが、例えば、圧力計，コントローラー、圧力調整弁付ホイール、フレキシブルジョイントホース、予備タンク、コンプレッサーなどから構成される。
また、車両制御装置５０に、上述したような、路面状態に応じて、運転者あるいは乗員に危険度を警告する手段を設けて、走行状態の制御と警告とを同時に行うようにしてもよい。
［実施例４］
【００３５】
本実施の形態９の車両制御装置５０を搭載し、タイヤ空気圧を制御するようにした試験車両で、乾燥アスファルト上，氷路上において制動試験を行い、凍結路面上で制動をかけた場合に、自動的にタイヤの空気圧を調整して制動距離が短縮できるかどうかを確認した。なお、上記車両制御装置５０には、上記実施の形態４，５と同様の路面滑り警告装置を搭載した。
まず、本発明の試験車両を用いて、Ｖ＝２０ｋｍ／ｈの一定速で凍結路面に進入したところ、警告が発せられると同時に自動的にタイヤの空気圧が２２０ｋＰａから１６０ｋＰａに調整されることを確認した。これは、車両が凍結路面に進入したことを検知すると、空気圧を減ずる指令が出るよう、予め演算機に記憶させているためである。更に、乾燥アスファルト路面および凍結路面での制動試験を行ったところ、従来の制御装置を搭載した車両では、制動距離がアスファルト対比で８５％長くなったのに対し、本発明の試験車両では５９％の悪化に抑えることができ、制動距離で約１４％、凍結路面での悪化代にして約３０％もの大幅な改良が認められた。この結果から、本実施の形態９の車両制御装置５０を用いることで凍結した路面上でもより安全に停止できることが確認された。
上記実施の形態９では、推定路面状態に基づき、車輪のロック状態やタイヤ空気圧を制御する車両制御手段を設けて、低μ路での制動距離を短縮するようにしたが、車両の姿勢を制御する車両制御手段を設け、推定された路面状態に基づいて、例えば、各車輪のブレーキ装置を個別に制御するなどして、車両の姿勢制御を行うことによっても、低μ路での制動距離を短縮することができる。
あるいは、車両の姿勢を制御する車両制御手段を備え、推定された路面状態に基づいて、例えば、各車輪のブレーキ装置を個別に制御するなどして、車両の姿勢制御を行うことによっても、低μ路での制動距離を短縮することができる。
また、車輪空転状態を制御する車両制御手段を備え、推定された路面状態に基づいて、ブレーキ装置あるいはエンジン回転数などを制御して車輪空転状態の制御を行うことによっても、低μ路での制動距離を短縮することができる。
また、自動運転システムを搭載した車両において、車間距離設定値を変更する制御を行う車両制御手段を備え、推定された路面状態に基づいて、上記車間距離設定値を変更し、車間距離を適正に設定する制御を行うようにすることにより、低μ路においても確実に安全な車間距離を保つことができる。
なお、上記例では、実施の形態４と同様に振動伝達レベルから推定された路面状態に基づき、車両の走行状態を制御するようにしたが、実施の形態１〜３と同様に振動レベルから推定された路面状態に基づき制御するようにしてもよい。
あるいは、実施の形態６，７に示したタイヤの走行状態推定手段１８，２８で推定されたタイヤの走行状態に基づき車両の走行状態を制御するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば、走行中の車両バネ下部の振動レベル、あるいは車両バネ下部の少なくとも２点間の振動伝達レベルを検出して、走行時の路面状態を推定するようにしたので、従来の技術では困難であった荒れた路面上においても、スリップ角がゼロである状態においても、路面状態を精度よく推定することができる。また、上記推定された路面状態を用いて、路面状態の危険度を乗員に警告したり、車両の走行状態をフィードバック制御することができるので、車両の安全性を著しく高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】 本実施の形態１に係る車両走行状態推定装置の構成を示す図である。
【図２】 本実施の形態１に係る振動センサの設置個所を示す図である。
【図３】 本実施の形態１に係るタイヤの振動レベルの時間的変化を示す図である。
【図４】 本実施の形態１に係る通常路面でのタイヤ周方向の振動レベル分布を示す図である。
【図５】 本実施の形態１に係る氷盤上でのタイヤ周方向の振動レベル分布を示す図である。
【図６】 本実施の形態２に係る車両走行状態推定装置の構成を示す図である。
【図７】 本実施の形態２に係るタイヤ周方向の振動スペクトルを示す図である。
【図８】 本実施の形態３に係る車両走行状態推定装置の構成を示す図である。
【図９】 本実施の形態３に係る様々な路面状態における振動レベル演算値と車速との関係を示す図である。
【図１０】 本実施の形態４に係る路面状態推定装置の構成を示す図である。
【図１１】 本実施の形態４に係る振動センサの設置個所を示す図である。
【図１２】 本実施の形態４に係る振動伝達レベルの振動スペクトルを示す図である。
【図１３】 本実施の形態４に係る振動センサの他の取り付け位置を示す図である。
【図１４】 本実施の形態４に係る路面摩擦係数μと振動伝達レベルの関係を示す図である。
【図１５】 本実施の形態５に係る路面滑り警告装置の構成を示す図である。
【図１６】 本実施の形態５に係る警戒ゾーンマップを示す図である。
【図１７】 本実施の形態６に係る路面滑り警告装置の構成を示す図である。
【図１８】 本実施の形態６の警戒ゾーンマップを示す図である。
【図１９】 本実施の形態７に係る車両走行状態検出装置の構成を示す図である。
【図２０】 本実施の形態７に係るタイヤ固有振動数と空気圧との関係を示す図である。
【図２１】 本実施の形態８に係る車両走行状態検出装置の構成を示す図である。
【図２２】 本実施の形態８に係るタイヤの剥離故障の検出例を示す図である。
【図２３】 本実施の形態９に係る車両制御装置の構成を示す図である。

Claims (4)

1. 走行中の車両バネ下部の振動レベルをタイヤトレッドの内面側に設けられた振動センサによって検出して上記振動レベルの時間変化の波形を求めるとともに車速を検出し、上記時間変化の波形の所定の位置、あるいは所定の時間範囲での振動レベルを予め求めておいた車速に応じた振動レベルのマスターカーブと比較して、走行時の路面状態を推定することを特徴とする路面状態推定方法。
2. タイヤトレッドの内面側に設けられて走行中の車両バネ下部の振動レベルを検出する振動レベル検出手段と、
   車速を検出する車速検出手段と、
   上記振動レベルの時間変化の波形を求める時間波形検出手段と、
   予め求めておいた車速に応じた振動レベルのマスターカーブを記憶する振動レベル記憶手段と、
   上記時間変化の波形の所定の位置、あるいは所定の時間範囲での振動レベルと上記マスターカーブとを比較して走行時の路面状態を推定する路面状態推定手段とを備えたことを特徴とする路面状態推定装置。
3. 上記波形の、タイヤ踏込み部、タイヤ接地部、及びタイヤ蹴り出し部の少なくとも１個所の振動レベルを算出する手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載の路面状態推定装置。
4. 上記路面状態推定手段で推定された路面状態に基づいて路面の滑り易さを判定する手段と、路面状態が滑り易いと判定された場合には警告を発する警告手段とを更に設けたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の路面状態推定装置。

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