专利名称：轮胎状态检测装置以及轮胎状态检测方法
技术领域：
本发明涉及检测轮胎状态的轮胎状态检测装置以及轮胎状态检测方法。
背景技术：
近年来，要求提高汽车或摩托车等车辆的行驶稳定性或提高燃油效率，用于实现这些要求的关键技术的研究开发不断推进。作为较大地影响行驶稳定性或燃油效率的因素之一，可列举轮胎状态。对于充气轮胎，由于长时间行驶等而发生磨损或轮胎气压(以下称作“轮胎内压”)下降。这种轮胎状态的变化使燃油效率或行驶稳定性恶化。因此，持续检测、监视轮胎状态是重要的。然而，若通过在轮胎内部安装检测轮胎内压的传感器等来直接检测轮胎状态，则虽能够以高精度进行检测，但需要成本。此外，产生用于将传感器的检测结果通知给司机的通信处理。因此，为了使传感器的蓄 电池长时间保持的同时进行工作，必须拉长检测结果的输出间隔，从而难以在需要的时候把握轮胎状态。对此，例如在非专利文献I中记载有根据轮胎的共振频率间接地检测轮胎内压的变化的技术。非专利文献I中记载的技术中，首先基于轮胎的共振频率依赖于轮胎内压的关系，设想轮胎的力学模型，并根据该力学模型设计干扰观测器。在轮胎的力学模型中，包括轮胎的外侧部分的转动惯量(以下称作“外侧转动惯量”)、轮胎的内侧部分的转动惯量(以下称作“内侧转动惯量”)、和将它们结合起来的扭曲弹簧。而且，非专利文献I记载的技术根据伴随行驶而在轮胎中产生的共振现象计算扭曲弹性常数，基于轮胎的扭曲弹性常数与轮胎内压的比例关系，根据扭曲弹性常数的变化检测轮胎内压的变化。另外，例如在专利文献I中记载有根据轮胎驱动力与轮胎的旋转角之间的相关关系间接地检测轮胎状态的技术。专利文献I记载的技术中，对于通过轮毂电机(Iniheelmotor)驱动的电动车辆，作为轮胎刚性特性值而检测出停车状态下的轮胎驱动力与轮胎的旋转角之间的相关关系。所谓轮毂电机，是近年来展开研究开发的直接对轮胎施加驱动力的电机。而且，专利文献I记载的技术在轮胎刚性特性值不满足基准的情况下，判断为轮胎内压下降。根据这些以往技术，能够间接地检测轮胎状态。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2006-151282号公报非专利文献非专利文献1:梅野孝治，“車輪速七 >寸全用Pt夕^ Y空気压估计法O開発”，丰田中央研究所R&D评论，1997年12月，Vol.32Νο.
发明内容
发明要解决的问题
然而，非专利文献I记载的技术中，与由于轮胎磨损等而使外侧转动惯量发生变化相应，干扰观测器的精度下降，计算出的扭曲弹性常数的精度也下降。另外，专利文献I记载的技术中，轮胎刚性特性值是受到轮胎厚度或弹性变化的影响的值，因此若轮胎磨损加剧，则无法高精度地判断轮胎内压是否满足基准。即，在以往技术中，存在无法高精度地检测轮胎状态的问题。本发明的目的在于提供能够高精度地检测轮胎状态的轮胎状态检测装置以及轮胎状态检测方法。解决问题的方案本发明的轮胎状态检测装置为检测固定在车轮上的充气轮胎的轮胎状态的轮胎状态检测装置，包括:振动输入单元，其对所述轮胎输入规定的振动；频率信息获取单元，其获取输入了所述规定的振动时的所述轮胎的频率信息；以及轮胎状态估计单元，其从获取了的所述频率信息中提取所述轮胎的共振频率及反共振频率，并根据提取出的所述轮胎的共振频率及反共振频率，计算使用外侧转动惯量、内侧转动惯量以及作用在它们之间的弹力的弹性常数对所述轮胎进行了模型化时的所述外侧转动惯量及所述弹性常数。本发明的轮胎状态检测方法，用于检测固定在车轮上的充气轮胎的轮胎状态，该轮胎状态检测方法包括以下的步骤:对所述轮胎输入规定的振动；获取输入了所述规定的振动时的所述轮胎的频率信息；从获取了的所述频率信息中提取所述轮胎的共振频率及反共振频率；以及根据提取出的所述轮胎的共振频率及反共振频率，计算使用外侧转动惯量、内侧转动惯量以及作用在它们之间的弹力的弹性常数对所述轮胎进行模型化时的所述外侧转动惯量及所述弹性常数。发明的效果根据本发明，提取轮胎的共振频率及反共振频率，因此每次都能够计算出轮胎的力学模型的扭曲弹性常数及外侧转动惯量，从而能够高精度地检测轮胎状态。
图1是表示一例本发明的实施方式I的轮胎状态检测装置的结构的方框图。图2是表示实施方式I的轮胎的力学模型的图。图3是表示一例实施方式I的轮胎状态检测装置的动作的流程图。图4是表示一例实施方式I的轮胎的频率特性的图。图5是表示一例本发明的实施方式2的轮胎状态检测装置的结构的方框图。图6是表示一例实施方式2的轮胎状态检测装置的动作的流程图。图7是表示一例本发明的实施方式3的轮胎状态检测装置的结构的方框图。图8是表示一例实施方式3的轮胎状态检测装置的动作的流程图。图9是表示一例本发明的实施方式4的轮胎状态检测装置的结构的方框图。图10是表示一例实施方式4的轮胎状态检测装置的动作的流程图。图11是表示一例本发明的实施方式5的轮胎状态检测装置的结构的方框图。图12是表不一例实施方式5的电机驱动系统的结构的控制方框图。图13是表示一例本发明的实施方式6的轮胎状态检测装置的结构的方框图。图14是表示一例本发明的实施方式7的轮胎状态检测装置的结构的方框图。
图15是表示一例本发明的实施方式8的轮胎状态检测装置的结构的方框图。图16是表示一例本发明的实施方式9的轮胎状态检测装置的结构的方框图。标号说明100轮胎状态检测装置110、IlOa振动输入单元111,340逆变器控制单元112控制单元113电流指示单元114反共振用振动指示单元120频率信息获取单元121旋转角速度检测单元123旋转角速度检测单元130、130a轮胎状态估计单元140轮胎内压计算单元150信息提示单元200 轮胎310蓄电池单元320逆变器单元321 PI 控制器330 电机单元331电机电路
具体实施例方式以下，参照附图详细说明本发明的各实施方式。(实施方式I)首先说明实施方式I的轮胎状态检测装置的结构。图1是表示一例实施方式I的轮胎状态检测装置的结构的方框图。如图1所示，轮胎状态检测装置100是连接到固定在车轮上的轮胎(以下简称作“轮胎”)200的装置。轮胎状态检测装置100包括振动输入单元110、频率信息获取单元120以及轮胎状态估计单元130。轮胎200稳定且固定地连接到该车辆，在与车轮之间内充空气或氮气等气体。振动输入单元110向轮胎200输入规定的振动。规定的振动是用于使后述的频率信息获取单元120容易提取轮胎200的反共振频率的、施加在轮胎200的旋转方向上的微小的前后振动，由转矩的大小和振动频率来定义。以下，将该规定的振动称作“反共振用振动”，将因反共振用振动而施加于轮胎200的轮圈的转矩称作“反共振用转矩”。振动输入单元110既可以通过电气性地或机械性地控制轮胎200的驱动系统而施加振动，也可以与驱动系统独立地对轮胎200直接机械性地施加振动。当直接机械性地施加振动时，振动输入单元110例如可设为安装在轮胎200的车轮等上的电磁型的振动器或在小型电机上安装有偏心荷重而得到的不均衡质量型的振动器。另外，振动输入单元110例如可设为主动悬架那样的、减震器的液压控制装置。频率信息获取单元120获取由振动输入单元110输入反共振用振动时的轮胎200的频率信息。频率信息是用于提取后述的轮胎200的共振频率及反共振频率的信息。频率信息例如包括轮胎200的旋转角速度。另外，当轮胎200的轮圈200由电机进行驱动时，频率信息是为了在电机驱动型车辆中流过电机驱动电流而施加的逆变器控制电压。如果是旋转角速度，例如可以通过配置编码器(未图示)来获取轮圈的旋转角度，并对轮圈的旋转角度分别进行时间微分而获取。该编码器例如包括:与轮胎200同步地旋转的转子、以及对转子的旋转角度进行检测并转换为电信号的传感器。作为编码器，例如可列举增量编码器或绝对编码器等光学式编码器、或者由霍尔元件等构成的磁式编码器。轮胎状态估计单元130从频率信息获取单元120所获取的频率信息提取轮胎200的共振频率及反共振频率，并估计轮胎200的状态。而且，轮胎状态检测装置100使用轮胎200的力学模型来估计轮胎200的状态。具体而言，轮胎状态估计单元130每当进行轮胎200的状态检测时计算出轮胎200的力学模型的扭曲弹性常数及外侧转动惯量。而且，轮胎状态估计单元130基于计算出的扭曲弹性常数及外侧转动惯量来估计轮胎200的状态。图2是表示轮胎状态估计单元130所用的轮胎200的力学模型的图。如图2所示，轮胎200的力学模型210包括轮胎200的轮圈220的转动惯量、轮胎200的胎面230的转动惯量、将它们结合起来的弹簧(扭曲弹簧)240以及减震器250。BP,轮胎200的力学模型210是将轮胎200产生的机械振动作为扭曲振动现象来进行模型化而得到的模型。力学模型210使用以下所示的各变量来表达。J1:轮圈220的转动惯量(内侧转动惯量)J2:胎面230的转动惯量(外侧转动惯量)K:轮胎200的扭曲弹性常数D:轮胎200的等效粘性系数Te:从车辆侧对轮圈220施加的输出转矩Td:由于轮胎200转动而从路面对胎面230施加的干扰转矩ω 1:轮圈220的旋转角速度ω2:胎面230的旋转角速度此外，将Θ s设为轮圈220与胎面230的旋转角度差。转动惯量J1以及等效粘性系数D是能够视为固定值的参数。外侧转动惯量J2是会因轮胎200的磨损等而变化的参数。扭曲弹性常数K是表示将轮圈220和胎面230结合的轮胎200的侧面橡胶部的弹性的参数，依赖于气压(轮胎内压)。输出转矩Te是控制对象。干扰转矩Td是不明确的参数。旋转角速度O1是能够高精度地测量的参数。轮胎状态检测装置100虽未图示，但例如包括CPU (Central Processing Unit:中央处理器)以及RAM (Random Access Memory,随机存储器)等存储介质等。此时,通过CPU执行控制程序来实现上述各功能单元的一部分或全部。轮胎状态检测装置100例如搭载于车辆中，可采用连接于轮胎200的驱动系统的ECU (Electric Control Unit:电子控制单元)的形态。此种轮胎状态检测装置100提取轮胎200的共振频率及反共振频率，所以能够高精度地获取轮胎200的扭曲弹性常数及外侧转动惯量，从而能够检测轮胎200的状态。SP，轮胎状态检测装置100即使因轮胎200的磨损或更换等而使外侧转动惯量发生变化，也能够基于变化后的外侧转动惯量的值来进行轮胎200的状态的检测。因此，轮胎状态检测装置100能够高精度地检测轮胎状态。接着，对轮胎状态检测装置100的动作进行说明。图3是表示实施方式I的轮胎状态检测装置100的动作的一例的流程图。首先，每当估计轮胎状态的时刻(以下称作“估计实施时刻”)到来时，振动输入单元Iio将规定的振动输入轮胎200 (S1090)。估计实施时刻既可以是在成为检测对象的车辆的行驶过程中也可以是在驻车过程中，既可是在以固定速度行驶过程中也可是在以不固定速度行驶过程中。另外，估计实施时刻既可以是以预定的周期到来，也可以是由驾驶员进行按下开关等规定操作时。而且，频率信息获取单元120获取轮胎200的频率信息，并将获取的频率信息输出至轮胎状态估计单元130 (S1100)。轮胎状态估计单元130从所输入的频率信息中提取轮胎200的共振频率及反共振频率(S1120)。然后，轮胎状态估计单元130根据提取出的共振频率及反共振频率计算轮胎200的外侧转动惯量J2及扭曲弹性常数K。此处，对轮胎状态估计单元130检测共振频率及反共振频率，并基于共振频率及反共振频率计算外侧转动惯量J2及扭曲弹性常数K的方法进行说明。此处，对将轮圈220的旋转角速度Q1作为频率信息而输入到轮胎状态估计单元130的情况进行说明。另外，频率信息例如为旋转角速度、用于驱动电机的控制电压的频率。图4是表示轮胎200的频率特性的一例的图。横轴表示频率f，纵轴表示轮圈220的旋转角速度O1的功率谱密度，以及输出转矩Te和旋转角速度O1之间的相位差。轮胎状态估计单元130对轮圈220的旋转角速度Q1进行FFT(Fast FourierTransform,快速傅里叶变换)等频率分析,从而能够获得图4所示的频谱波形311。频谱波形311表示轮胎200的频率特性。如图4所示，在频谱波形311中，受到轮胎内压影响的共振频率作为悬架的前后振动与轮胎200的扭曲弹簧共振之间的耦合共振而出现在频率312。关于该现象的详细情况，例如在非专利文献I中有所记载，所以此处省略说明。并且，在频谱波形311上，在轮胎200的共振频率即上述的频率312处出现陡峭的山的峰值，另一方面，在反共振频率314处出现陡峭的谷的峰值。因此，轮胎状态估计单元130通过检测频谱波形311的峰值位置来获取共振频率312和反共振频率314。另外，在这些峰值位置，存在相位差315反转180度的性质。因此，轮胎状态估计单元130能够通过确定相位差315从90度反转到-90度的频率和相位差315从-90度反转到90度的频率，来获取共振频率312和反共振频率314。另外，在图4中，达到峰值的频率除频率312之外还有频率313，但根据经验可知，出现于IOHz至15Hz周边的频率是由轮胎的规格而决定的频率。因此，通过滤波器抑制频率313的水平，从而也能够检测出共振频率312。另外，根据图2的力学模型，导出以下的数式(I)所示的状态方程式。
权利要求
1.轮胎状态检测装置，其检测固定在车轮上的充气轮胎的轮胎状态，该轮胎状态检测装置包括: 振动输入单元，其对所述轮胎输入规定的振动； 频率信息获取单元，其获取输入了所述规定的振动时的所述轮胎的频率信息；以及 轮胎状态估计单元，其从获取了的所述频率信息中提取所述轮胎的共振频率及反共振频率，并根据提取出的所述轮胎的共振频率及反共振频率，计算使用外侧转动惯量、内侧转动惯量以及作用在它们之间的弹力的弹性常数对所述轮胎进行了模型化时的所述外侧转动惯量及所述弹性常数。
2.如权利要求1所述的轮胎状态检测装置， 所述轮胎状态估计单元基于所述弹性常数的变化，检测所述轮胎的气压下降的发生。
3.如权利要求1所述的轮胎状态检测装置， 所述频率信息获取单元获取所述轮胎的旋转角速度，作为所述频率信息。
4.如权利要求2所述的轮胎状态检测装置， 所述振动输入单元在检测出所述气压下降的发生时以及上次提取出的所述轮胎的共振频率及反共振频率不存在时，将第一频带决定为所述规定的振动的频率，在未检测出所述气压下降的发生且上次提取出的所述轮胎的共振频率及反共振频率存在时，将包含上次提取出的所述轮胎的共振频率及反共振频率且比所述第一频带窄的第二频带决定为所述规定的振动的频率。
5.如权利要求2所述的轮胎状态检测装置，还包括: 轮胎内压计算单元，其根据计算出的所述弹性常数，计算所述轮胎的内压；以及 信息提示单元，其提示计算出的所述内压和检测出的所述气压下降的发生中的至少一个信息。
6.如权利要求1所述的轮胎状态检测装置， 所述车轮是由电机驱动的车轮， 所述振动输入单元控制逆变器对所述电机的控制电压，以从所述电机产生所述规定的振动，所述逆变器向所述电机提供电流。
7.如权利要求6所述的轮胎状态检测装置， 所述振动输入单元控制所述控制电压，以从所述电机输出在用于所述轮胎旋转的行驶用电流上重叠了用于所述规定的振动的、共振用电流和反共振用电流所得的合成驱动电流。
8.如权利要求3所述的轮胎状态检测装置， 所述频率信息获取单元根据从所述电机输出的驱动电流，获取所述旋转角速度。
9.如权利要求7所述的轮胎状态检测装置， 所述振动输入单元计算指令信息，该指令信息用于逆变器进行控制以从所述电机产生所述规定的振动，所述逆变器向所述电机提供电流。
10.如权利要求1所述的轮胎状态检测装置， 所述车轮是由电机驱动的车轮， 所述振动输入单元控制逆变器对所述电机的控制电压，以从所述电机产生所述规定的振动，所述逆变器向所述电机提供电流，所述频率信息获取单元获取所述控制电压作为所述频率信息。
11.轮胎状态检测方法，用于检测固定在车轮上的充气轮胎的轮胎状态，该轮胎状态检测方法包括以下的步骤: 对所述轮胎输入规定的振动； 获取 输入了所述规定的振动时的所述轮胎的频率信息； 从获取了的所述频率信息中提取所述轮胎的共振频率及反共振频率；以及根据提取出的所述轮胎的共振频率及反共振频率，计算使用外侧转动惯量、内侧转动惯量以及作用在它们之间的弹力的弹性常数对所述轮胎进行模型化时的所述外侧转动惯量及所述弹性常数。
全文摘要
本发明公开了能够高精度地检测轮胎状态的轮胎状态检测装置。该轮胎状态检测装置(100)为检测固定在车轮上的充气轮胎(200)的轮胎状态的装置，其包括振动输入单元(110)，其对轮胎(200)输入规定的振动；频率信息获取单元(120)，其获取输入了规定的振动时的轮胎(200)的频率信息；以及轮胎状态估计单元(130)，其从获取了的频率信息中提取轮胎(200)的共振频率及反共振频率，并根据提取出的轮胎(200)的共振频率及反共振频率，计算使用外侧转动惯量、内侧转动惯量以及作用在它们之间的弹力的弹性常数对轮胎(200)进行了模型化时的外侧转动惯量及弹性常数。
文档编号G01L17/00GK103153657SQ201180049109
公开日2013年6月12日 申请日期2011年9月22日 优先权日2010年10月12日
发明者曾田敏弘, 黑泽阳一, 藤本博志 申请人:松下电器产业株式会社