专利名称：路面状态判断方法及路面状态判断装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种对车辆所行驶的路面的状态进行判断的方法及其装置，特别涉及ー种仅使用行驶中的轮胎振动的时间序列波形数据来判断路面状态的方法。
背景技术：
以往，作为检测行驶中的轮胎振动来估计路面状态的方法，提出了以下方法将检测出的轮胎振动的时间序列波形分割为踏入前区域一接地面区域一蹬出后区域或者踏入前区域一踏入区域一接地面区域ー蹬出区域一蹬出后区域等多个区域，从上述各区域中提取例如如踏入前区域和接地面区域中的低频带的振动成分和高频带的振动成分那样的当路面状态不同时振动水平变化大的频带的振动水平以及振动水平不取决于路面状态的频带的振动水平，根据这些振动水平之比来估计车辆所行驶路面的状态(例如參照专利文献I)。 专利文献I :W0 2006/135090A
发明内容
_4] 发明要解决的问题然而，在上述以往的方法中，需要以轮胎振动的时间序列波形中出现的蹬出位置等峰值位置为基准来决定特定时间位置的起点，使用车轮速度来决定各区域的时间宽度，因此不能说区域宽度的设定精度充分。另外，在轮胎尺寸不同的轮胎中，接地长度发生变化，因此需要针对每个轮胎尺寸来重新设定区域宽度。本发明是鉴于以往的问题点而完成的，目的在于，不进行峰值位置的检测、车轮速度的測量就分割轮胎振动的时间序列波形来判断路面状态，并且在路面状态的判断中附加对于轮胎尺寸变更的鲁棒性。用于解决问题的方案本申请的第一发明是一种对行驶中的轮胎的振动进行检测来判断轮胎所接触的路面的状态的方法，其特征在于，具备以下步骤检测行驶中的轮胎的振动；从检测出的上述轮胎的振动中按预先设定的时间宽度提取轮胎的振动的时间序列波形；基于上述时间序列波形来计算特征矢量；针对多个预先针对每个路面状态构成的隐马尔可夫模型分别计算上述特征矢量的似然度；以及将针对多个上述隐马尔可夫模型的每个隐马尔可夫模型计算出的似然度进行比较，将与似然度最大的隐马尔可夫模型对应的路面状态判断为该轮胎所行驶路面的路面状态，其中，上述特征矢量为特定频带的振动水平或者上述振动水平的函数，上述隐马尔可夫模型至少具有四种状态。此外，“四种状态”是指除了“开始和结束”这两种状态以外，还具有“踏入前”、“踏入”、“蹬出前”、“蹬出”、“蹬出后”这五种状态中的两种状态。这样，由于将隐马尔可夫模型(以下称为HMM)应用于轮胎振动的时间序列波形，因此不进行峰值位置的检测、车轮速度的测量而能够将轮胎振动的波形分割为具有特征的多个状态，并且使用各状态下的特征矢量的输出概率和状态转移概率来计算似然度，根据计算出的似然度来判断路面状态，因此能够大幅提高路面状态的判断精度。另外，通过应用HMM能够与接地长度无关地判断路面状态，因此能够在路面状态的判断中附加对于轮胎尺寸变更的鲁棒性。第二发明是第一发明所记载的路面状态判断方法，其特征在于，上述特征矢量为以下各项中的任一项或者多项或者全部对上述时间序列波形进行傅立叶变换时的特定频带的振动水平；使上述时间序列波形通过带通滤波器而得到的特定频带的振动水平；上述特定频带的振动水平的时变方差；以及上述时间序列波形的频率倒谱系数。由路面状态引起的轮胎振动的不同也表现在轮胎振动的时间序列波形本身中，但 是，在本发明中，使用依赖于频率的值作为特征矢量，从而容易出现似然度的差，因此能够进一步提闻路面状态的判断精度。第三发明是第一或者第二发明所记载的路面状态判断方法，其特征在干，每个路面状态的上述隐马尔可夫模型包括七种状态(“开始和结束”这两种状态、“踏入前”、“踏入”、“蹬出前”、“蹬出”、“蹬出后”这五种状态)。这样，通过将轮胎振动的时间序列波形设为具有七种状态的HMM，使各状态之间的特征矢量的输出概率分布的差更清楚，因此能够进ー步提高路面状态的判断精度。第四发明是第一至第三发明中的任ー项所记载的路面状态判断方法，其特征在于，每个路面状态的上述隐马尔可夫模型具有路面外隐马尔可夫模型和路面内隐马尔可夫模型，该路面外隐马尔可夫模型由接地面以外的振动波形且振动水平小于预先设定的背景水平的振动波形构成，该路面内隐马尔可夫模型由接地面或者接地面前后的振动波形且振动水平为预先设定的背景水平以上的振动波形构成，在上述路面内隐马尔可夫模型之前和/或之后设置上述路面外隐马尔可夫模型。这样，如果追加包括接地面前后的振动水平小的区域的模型来进行判断，则能够进一步提闻路面状态的判断精度。第五发明是一种对行驶中的轮胎的振动进行检测来判断轮胎所接触的路面的状态的路面状态判断装置，其特征在干，具备轮胎振动检测単元，其配置在轮胎胎面部的内衬层部的气室侧，对行驶中的轮胎的振动进行检测；加窗单元，其按照预先设定的时间宽度对由上述轮胎振动检测単元检测出的上述轮胎的振动的时间序列波形加窗，来按每个时间窗提取轮胎的振动的时间序列波形；特征矢量计算单元，其基于提取出的上述每个时间窗的时间序列波形来计算以特定频带的振动水平或者上述振动水平的函数为成分的特征矢量；存储单元，其存储多个预先针对每个路面状态构成的至少具有四种状态的隐马尔可夫模型；似然度计算单元，其针对存储在上述存储单元中的多个隐马尔可夫模型分别计算上述特征矢量的似然度；以及判断単元，其将针对上述多个隐马尔可夫模型的每个隐马尔可夫模型计算出的似然度进行比较，将与似然度最大的隐马尔可夫模型对应的路面状态判断为该轮胎所行驶路面的路面状态。如果使用具有本发明的结构的路面状态判断装置，能够可靠地实现第一发明所记载的路面状态判断方法，因此不进行峰值位置的检测、车轮速度的測量，而能够可靠地设定踏入前区域、踏入后区域等的时间宽度，并且能够提高路面状态的判断精度。
此外，上述发明的概要并不是用于例举本发明所需的全部特征的内容，这些特征群的子组合也能够成为发明。
图I是表示本发明的路面状态判断装置的结构的功能框图。图2是表示加速度传感器的安装位置的一例的图。图3是表示轮胎振动的时间序列波形中的踏入前区域、踏入区域、蹬出前区域、蹬出区域以及蹬出后区域的图。图4是表示路面HMM的一例的图。图5是表示使用于似然度计算的路面HMM的图。
图6是状态转移系列的示意图。图7是表示本发明的路面状态判断方法的流程图。图8是表示路面内HMM和路面外HMM的例子的图。图9是表示路面内HMM和路面外HMM的组合的例子的图。图10是表示路面内HMM和路面外HMM的组合的其它例子的图。图11是表示路面内HMM和路面外HMM的组合的其它例子的图。图12是表示使用了路面HMM的路面判断结果的图。附图标记说明10 :路面状态判断装置；10A :传感器部；10B :运算处理部；11 :加速度传感器；12 信号输入输出单兀12A :放大器；12B A/D变换器；13 :发送机；14 :接收机；15 :加窗单兀；16 :特征矢量计算单元；16广166 :带通滤波器；17 :存储单元；18 :似然度计算单元；19 :判断单元；20 :轮胎；21 :内衬层部；22 :轮胎气室；23 :胎面部；R :路面。
具体实施例方式以下，通过实施方式详细说明本发明，但是权利要求所涉及的发明并不限定于以下实施方式，并且，用于解决问题的方案中，在实施方式中说明的特征的所有组合并非是必须的。图I是表示路面状态判断装置10的结构的功能框图，路面状态判断装置10包括传感器部IOA和运算处理部10B。传感器部IOA具备加速度传感器11、信号输入输出单兀12、发送机13。如图2所示，加速度传感器11被一体地配置在轮胎20的内衬层部21的轮胎气室22侧的大致中央部，检测由路面R的输入引起的该轮胎20的振动。此外，附图标记23为该轮胎20的胎面部。信号输入输出单兀12具备对加速度传感器11的输出进行放大的放大器12a以及将放大后的信号变换为数字信号的A/D变换器12b。信号输入输出単元12与加速度传感器11被配置成一体。发送机13具有将A/D变换后的轮胎振动的数据发送给设置于车体侧的运算处理部IOB的天线13a，该发送机13配置在轮胎20的气门20v附近。运算处理部IOB具备接收机14、加窗单元15、特征矢量计算单元16、存储单元17、似然度计算单元18以及判断単元19。接收机14具有天线14a，通过天线14a接收从发送机13发送过来的作为轮胎振动数据的时间序列波形并发送给加窗単元15。图3是表示轮胎振动的时间序列波形的一例的图，轮胎振动的时间序列波形在踏入位置附近和蹬出位置附近具有大的峰，并且，实际上在轮胎20的接地部没有接地的踏入位置前的区域(踏入前区域凡)、蹬出位置后的区域(蹬出后区域R5),也出现根据路面状态不同而不同的振动。以下，将从踏入前区域R1至蹬出后区域R5称为路面区域，将路面区域以外的区域称为路面外区域。路面区域由踏入前区域R1、 踏入区域R2、蹬出前区域R3、瞪出区域R4以及蹬出后区域R5构成。在路面外区域几乎不受路面的影响，因此振动水平也小，不包含路面信息。以下，将该区域称为无信息区域凡。作为设定无信息区域的方法，例如对轮胎振动的时间序列波形设定背景水平，将振动水平小于该背景水平的区域称为无信息区域即可。加窗单元15按照预先设定的时间宽度(时间窗宽度)对上述时间序列波形加窗，按照每个时间窗提取轮胎振动的时间序列波形并发送给特征矢量计算单元16。特征矢量计算单元16对提取出的各时间窗的时间序列波形分别计算特征矢量X。在本例中，作为特征矢量X，使用使轮胎振动的时间序列波形分别通过OkHz-O. 5kHz、O. 5kHz-lkHz、lkHz-2kHz、2kHz-3kHz、3kHz-4kHz、4kHz-5kHz 的带通滤波器 161 166 而得到的特定频带的振动水平(滤波器过滤波的功率值)xk(t)。该特征矢量X的维度为六維。存储单元17存储针对每个路面状态构成的多个隐马尔可夫模型(以下称为路面HMM) ο路面HMM由路面内HMM(road)和路面外HMM(silent)构成。路面内HMM(road)由轮胎振动的时间序列波形中的出现在路面区域内的振动波形构成，路面外HMM(silent)由无信息区域的振动波形构成。如图4所示，路面HMM具有与轮胎振动的时间序列波形对应的七种状态fS7，各状态S^s7分别由特征矢量X的输出概率bu (X)和状态间的转移概率au(X)这两种參数构成(i, j=l 7) ο在本例中，进行学习，以除了各路面HMM的开始状态S1和结束状态S7以外的五种状态SfS6来将上述轮胎振动的时间序列波形分割为五种状态，求出各路面HMM的特征矢量X的输出概率bu⑴和状态间的转移概率au⑴。输出概率bu(X)是表示状态从状态Si转移为状态も时输出特征矢量X的概率。假设输出概率bu (X)为混合标准分布。转移概率au (X)是表示状态从状态Si转移为状态も的概率。此外，在特征矢量X的维度为k维的情况下，针对每个特征矢量X的k成分Xk设定输出概率bu。在本例中，预先将搭载有具备加速度传感器11的轮胎20的车辆在DRY (干燥)、WET(湿滑)、SNOW(积雪)以及ICE(结冰)的各路面上分別行驶而得到的轮胎振动的时间序列波形的数据作为学习用数据，来构建由DRY路面HMM、WET路面HMM、SN0W路面HMM以及ICE路面HMM构成的四个路面内HMM(road)和路面外HMM(silent)这五个路面HMM。路面内HMM(road)或者路面外HMM(silent)均为包括开始状态S1和结束状态S7的七种状态S^s7的HMM。通过EM算法、Baum-Welch算法、向前向后算法等公知的方法来进行HMM的学习。如图5所示，似然度计算单元18针对多个(在此为五个)路面HMM，分别计算特征矢量X的似然度。为了求出特征矢量X 的似然度，首先，针对每个时间窗用下式计算输出概率P(Xt)。[式I]
权利要求
1.一种路面状态判断方法，其特征在于，具备以下步骤 检测行驶中的轮胎的振动； 从检测出的上述轮胎的振动中按预先设定的时间宽度提取轮胎的振动的时间序列波形； 基于上述时间序列波形来计算特征矢量； 针对多个预先按每个路面状态构成的隐马尔可夫模型分别计算上述特征矢量的似然度；以及 将针对多个上述隐马尔可夫模型的每个隐马尔可夫模型计算出的似然度进行比较，将与似然度最大的隐马尔可夫模型对应的路面状态判断为该轮胎所行驶路面的路面状态，其中，上述特征矢量为特定频带的振动水平或者上述振动水平的函数， 上述隐马尔可夫模型至少具有四种状态。
2.根据权利要求I所述的路面状态判断方法，其特征在于， 上述特征矢量为以下各项中的任一项或者多项或者全部 对上述时间序列波形进行傅立叶变换时的特定频带的振动水平； 使上述时间序列波形通过带通滤波器而得到的特定频带的振动水平； 上述特定频带的振动水平的时变方差；以及 上述时间序列波形的频率倒谱系数。
3.根据权利要求I或者2所述的路面状态判断方法，其特征在于， 每个路面状态的上述隐马尔可夫模型包括七种状态。
4.根据权利要求I或者2所述的路面状态判断方法，其特征在于， 每个路面状态的上述隐马尔可夫模型具有路面外隐马尔可夫模型和路面内隐马尔可夫模型，该路面外隐马尔可夫模型由接地面以外的振动波形且振动水平小于预先设定的背景水平的振动波形构成，该路面内隐马尔可夫模型由接地面或者接地面前后的振动波形且振动水平为预先设定的背景水平以上的振动波形构成， 在上述路面内隐马尔可夫模型之前和/或之后设置上述路面外隐马尔可夫模型。
5.根据权利要求3所述的路面状态判断方法，其特征在于， 每个路面状态的上述隐马尔可夫模型具有路面外隐马尔可夫模型和路面内隐马尔可夫模型，该路面外隐马尔可夫模型由接地面以外的振动波形且振动水平小于预先设定的背景水平的振动波形构成，该路面内隐马尔可夫模型由接地面或者接地面前后的振动波形且振动水平为预先设定的背景水平以上的振动波形构成， 在上述路面内隐马尔可夫模型之前和/或之后设置上述路面外隐马尔可夫模型。
6.一种路面状态判断装置，其特征在于，具备 轮胎振动检测单元，其配置在轮胎胎面部的内衬层部的气室侧，对行驶中的轮胎的振动进行检测； 加窗单元，其按照预先设定的时间宽度对由上述轮胎振动检测单元检测出的上述轮胎的振动的时间序列波形加窗，来按每个时间窗提取轮胎的振动的时间序列波形； 特征矢量计算单元，其基于提取出的上述每个时间窗的时间序列波形来计算以特定频带的振动水平或者上述振动水平的函数为成分的特征矢量； 存储单元，其存储多个预先针对每个路面状态构成的至少具有四种状态的隐马尔可夫模型； 似然度计算单元，其针对存储在上述存储单元中的多个隐马尔可夫模型分别计算上述特征矢量的似然度；以及 判断单元，其将针对上述多个隐马尔可夫模型的每个隐马尔可夫模型计算出的似然度进行比较，将与似然度最大的隐马尔可夫模型对应的路面状态判断为该轮胎所行驶路面的路面状态。
全文摘要
本发明提供一种路面状态判断方法及路面状态判断装置，不进行峰值位置的检测、车轮速度的测量而通过分割轮胎振动的时间序列波形来判断路面状态，并且在路面状态的判断中附加对于轮胎尺寸变更的鲁棒性。通过加窗单元对由轮胎振动检测单元检测出的轮胎振动的时间序列波形加窗，提取每个时间窗的轮胎振动的时间序列波形，计算特征矢量(X)，之后按每个路面HMM计算似然度(Z)，将按每个路面HMM计算出的该似然度(Z1~Z5)进行比较，将与似然度最大的路面HMM对应的路面状态判断为该轮胎所行驶路面的路面状态。
文档编号B60W40/06GK102837702SQ20121021379
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月25日 优先权日2011年6月24日
发明者花塚泰史, 樋口知之, 松井知子 申请人:株式会社普利司通, 大学共同利用机关法人 情报·系统研究机构