特開 2024-12955 タイヤ物理量算出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024012955

(43)【公開日】2024-01-31

(54)【発明の名称】タイヤ物理量算出装置

(51)【国際特許分類】

   G01M 17/02 20060101AFI20240124BHJP

【ＦＩ】

G01M17/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022114816

(22)【出願日】2022-07-19

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】522193547

【氏名又は名称】株式会社エー・アンド・デイ

(74)【代理人】

【識別番号】110000947

【氏名又は名称】弁理士法人あーく事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒川 敏邦

(72)【発明者】

【氏名】木戸 一希

(57)【要約】

【課題】タイヤの接地荷重の算出精度を向上させるとともに、実車レベルでタイヤ横力を算出可能なタイヤ物理量算出装置を提供する。
【解決手段】走行中におけるタイヤ３の形状に基づいて、タイヤ３に作用する物理量を算出するタイヤ物理量算出装置１０である。タイヤ３の内面３ｂに設定されたマーカ群１１と、タイヤ３の外面３ａにおけるマーカ群１１に対応する部位が接地する度に、マーカ群１１の全域を撮像可能なカメラ３０と、カメラ３０によって撮像された画像に基づいて、タイヤ３の内面接地形状を解析するとともに、内面接地形状における所定の特徴量を抽出する制御ボード３３と、を備えている。所定の変換式を用いて、所定の特徴量に基づき、タイヤ３に作用するタイヤ横力Ｆｙおよび接地荷重Ｆｚを算出するように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

走行中におけるタイヤの形状に基づいて、当該タイヤに作用する物理量を算出するタイヤ物理量算出装置であって、
上記タイヤの内面に設定されたマーカと、
上記タイヤの外面における上記マーカに対応する部位が接地する度に、当該マーカの全域を撮像可能なカメラと、
上記カメラによって撮像された画像に基づいて、上記タイヤの内面接地形状を解析するとともに、当該内面接地形状における所定の特徴量を抽出する特徴量抽出部と、を備え、
所定の変換式を用いて、上記所定の特徴量に基づき、上記タイヤに作用するタイヤ横力および接地荷重を算出するように構成されていることを特徴とするタイヤ物理量算出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、走行中のタイヤに作用する物理量を算出するタイヤ物理量算出装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、走行中におけるタイヤの状態を検出し、検出したタイヤの状態に基づいて、タイヤに作用する物理量を算出する技術が種々提案されている。

【0003】

例えば特許文献１には、ホイールに取り付けられた発射源からタイヤの内壁へ向けて射出され反射した検出波を、ホイールに取り付けられた検出波センサで検出することで、荷重、接地面積、接地法線ベクトル、回転数、側方傾斜角度の５つの運動パラメータを推定する、タイヤの運動パラメータセンシングシステムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－０７５９４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記特許文献１のものでは、タイヤの上下方向変形量と縦弾性係数との積によって接地荷重を推定するようにしているが、射出と反射とが一対一で対応する検出波センサの検出範囲は元々狭い上、車両旋回時には、タイヤの幅方向の変形により、検出波センサにて検出できない範囲が広がるため、上下方向変形量の計測精度が低下し、これにより、タイヤの接地荷重の算出精度が低下するという問題がある。

【0006】

また、タイヤ横力は車両旋回時の重要な物理量であるにも関わらず、特許文献１のもので推定される５つの運動パラメータからは、タイヤ横力を推定することが困難な上、タイヤ横力を計測可能な既存の６分力計は、実車には適用できないという問題がある。

【0007】

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、タイヤの接地荷重の算出精度を向上させるとともに、実車レベルでタイヤ横力を算出可能なタイヤ物理量算出装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記目的を達成するため、本発明に係るタイヤ物理量算出装置では、タイヤの内面接地形状における所定の特徴量に基づき、所定の変換式を用いて、タイヤに作用するタイヤ横力および接地荷重を算出するようにしている。

【0009】

具体的には、本発明は、走行中におけるタイヤの形状に基づいて、当該タイヤに作用する物理量を算出するタイヤ物理量算出装置を対象としている。

【0010】

そして、このタイヤ物理量算出装置は、上記タイヤの内面に設定されたマーカと、上記タイヤの外面における上記マーカに対応する部位が接地する度に、当該マーカの全域を撮像可能なカメラと、上記カメラによって撮像された画像に基づいて、上記タイヤの内面接地形状を解析するとともに、当該内面接地形状における所定の特徴量を抽出する特徴量抽出部と、を備え、所定の変換式を用いて、上記所定の特徴量に基づき、上記タイヤに作用するタイヤ横力および接地荷重を算出するように構成されていることを特徴とするものである。

【0011】

なお、「内面接地形状」とは、路面とタイヤが実際に接触した際における、タイヤ外面の接地形状に対応する、タイヤ内面の形状を意味する。

【0012】

この構成によれば、相対的に視野が広いカメラを用いて、タイヤの内面に設定されたマーカの全域を撮像し、撮像された画像に基づいてタイヤの内面接地形状を解析することから、内面接地形状における所定の特徴量を精度良く抽出することができる。

【0013】

そうして、このように精度良く抽出された所定の特徴量に基づき、所定の変換式を用いることで、タイヤの接地荷重の算出精度を向上させることができるとともに、従来は実車レベルにおいて算出困難であったタイヤ横力を算出することが可能となる。

【発明の効果】

【0014】

以上のように、本発明に係るタイヤ物理量算出装置によれば、タイヤの接地荷重の算出精度を向上させるとともに、実車レベルでタイヤ横力を算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態に係るタイヤ物理量算出装置を模式的に示す図である。

【図2】同図（ａ）は、解析されたタイヤの内面接地形状と、接地形状（路面とタイヤが実際に接触する接地圧力分布）を模式的に示す図であり、同図（ｂ）は、タイヤ横力に関する回帰直線１を示すグラフ図であり、同図（ｃ）は、接地荷重に関する回帰直線２を示すグラフ図である。

【図3】タイヤ物理量算出装置が実行する処理の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

【0017】

－装置構成－
図１は、本実施形態に係るタイヤ物理量算出装置１０を模式的に示す図であり、同図（ａ）は、タイヤ物理量算出装置１０が取り付けられた車輪１を示す側面図であり、同図（ｂ）は、図ａのｂ－ｂ線の矢視断面図であり、同図（ｃ）は、マーカの一例を示す図である。タイヤ物理量算出装置１０は、走行中におけるタイヤ３の形状に基づいて、タイヤ３に作用する物理量を算出するものである。

【0018】

タイヤ物理量算出装置１０が取り付けられる車輪１は、図１（ａ）に示すように、ホイール５の周りに、ゴム製の空気入りタイヤ３が取り付けられたものであり、バッテリ４０等がホイール５に取り付けられていること以外は、通常の車輪と同様である。

【0019】

タイヤ物理量算出装置１０は、図１（ｂ）に示すように、マーカ群１１と、磁気センサ２０と、磁石２１と、ブラケット２３と、カメラ３０と、制御ボード３３と、照明３５と、バッテリ４０と、ブラケット４１と、磁気センサ２０、制御ボード３３およびバッテリ４０を電気的に接続する配線５０と、を備えている。

【0020】

マーカ群１１は、図１（ｃ）に示すように、複数の白マーカ１３と複数の黒マーカ１５とからなる白黒の格子パターンとして、タイヤ３の内面３ｂに設定されている。各白マーカ１３は、矩形状に形成されていて、４つの頂点１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄおよび４辺の中点１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈの３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）によってその形状が把握される。なお、各黒マーカ１５についても同様である。

【0021】

磁気センサ２０は、車輪１における、マーカ群１１と１８０度反対側で、ホイール５に取り付けられている。磁石２１は、タイヤ３の外面３ａにおけるマーカ群１１に対応する部位が接地するときに、換言すると、ホイール５に取り付けられた磁気センサ２０が最も高い位置に来たときに、磁気センサ２０と最も近付くように、ブラケット２３を介して、ブレーキキャリパ等の車両固定部７に連結されている。それ故、磁気センサ２０が、磁石２１の磁気を検出することによって、タイヤ３の外面３ａにおけるマーカ群１１に対応する部位の接地タイミングが把握される。磁気センサ２０による検出結果は、配線５０を介して、制御ボード３３へ送信される。

【0022】

カメラ３０および制御ボード３３は、ホイール５におけるマーカ群１１と対向する部位に取り付けられている。ホイール５におけるカメラ３０の近傍には、タイヤ３の内面３ｂを照らすための照明３５が取り付けられている。カメラ３０の撮像タイミングおよび照明３５の点灯タイミングは制御ボード３３によって制御される。カメラ３０で撮像された画像データは制御ボード３３に送信される。カメラ３０には、マーカ群１１の全域が撮像可能となるように調整されたレンズ３１が取り付けられている。

【0023】

このような構成により、磁気センサ２０が磁石２１の磁気を検出したことをトリガーとして、制御ボード３３が、照明３５を点灯させるとともに、タイヤ３の内面３ｂをカメラ３０に撮像させる。これにより、タイヤ３の外面３ａにおけるマーカ群１１に対応する部位が接地する度に、マーカ群１１の全域がカメラ３０によって撮像される。なお、制御ボード３３による、タイヤ３の内面接地形状１０３（図２参照）の解析、内面接地形状１０３における所定の特徴量の抽出、および、タイヤ３に作用する物理量の算出については後述する。

【0024】

バッテリ４０は、ボルト４３でホイール５中央部に取り付けられたブラケット４１を介して、ホイール５に取り付けられている。バッテリ４０は、配線５０を介して、磁気センサ２０、カメラ３０、制御ボード３３および照明３５へ電力を供給する。

【0025】

－物理量の算出－
図２（ａ）は、解析されたタイヤ３の内面接地形状１０３と、接地形状（路面とタイヤが実際に接触する接地圧力分布）１０１を模式的に示す図である。より詳しくは、図２（ａ）は、本実施形態を理解し易くするために、タイヤ物理量算出装置１０によって推定される内面接地形状１０３と、後述するタイヤ台上試験機によって取得される接地圧力分布（接地形状１０１）と、を重ねて表示したものである。なお、図２（ａ）では、接地圧が高い部分程ハッチング間隔が狭くなるように、接地形状１０１にハッチングを施している。また、接地形状１０１における白い部分は、タイヤ３が接地しない部分、すなわち、トレッドパターンにおける溝を表している。

【0026】

制御ボード（特徴量抽出部）３３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や、処理プログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）や、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータを含んでいて、ＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭ等を協働させることで、以下の解析・演算等を行うように構成されている。

【0027】

先ず、制御ボード３３は、カメラ３０によって撮像されたマーカ群１１の画像に基づいて、タイヤ３の内面接地形状１０３を解析するように構成されている。具体的には、制御ボード３３は、ＰｎＰ問題（Perspective-n-Point Problem）を解く手法を応用することで、タイヤ３の内面接地形状１０３を解析するように構成されている。なお、「内面接地形状１０３」とは、路面とタイヤ３が実際に接触した際における、タイヤ３の外面３ａの接地形状１０１に対応する、タイヤ３の内面３ｂの形状を意味する。

【0028】

ＰｎＰ問題を解く手法は、公知の手法ゆえ、詳しい説明を省略するが、要するに、３次元空間中にある既知の点群と、２次元の画像上にある点群との関係から、カメラの位置姿勢を推定するものである。そうして、制御ボード３３は、これを応用して、既知であるカメラ３０の位置姿勢と、カメラ３０によって撮像された白黒の格子パターンの２次元の画像とに基づいて、３次元空間中にある点群（タイヤ３の微小部分の座標）を推定し、それら点群を用いて内面接地形状１０３を推定するようになっている。

【0029】

これにより、図２（ａ）に示すようなタイヤ３の内面接地形状１０３を得ることができる。なお、タイヤ３（内面接地形状１０３）における、接地部分と非接地部分との境界をより詳細に算出する場合には、推定された点群に基づいてタイヤ３の縦断図等を作成し、かかる縦断図に基づいて境界を確定するような手法を用いてもよい。

【0030】

次いで、制御ボード３３は、解析（推定）された内面接地形状１０３における所定の特徴量を抽出するように構成されている。具体的には、制御ボード３３は、内面接地形状１０３に基づいて、図２（ａ）に示すように、接地中心の移動量（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と、車幅方向内側における接地長Ｌｉと、車幅方向中央における接地長Ｌｃと、車幅方向外側における接地長Ｌｏと、接地幅Ｗと、接地面積Ａと、を抽出する。なお、非接地状態におけるマーカ群１１の中心座標を（０、０、０）に設定しておけば、接地状態におけるマーカ群１１の中心座標を算出することで、接地中心の移動量（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を容易に算出することができる。

【0031】

そうして、制御ボード３３は、下記の変換式１（式１）を用いて、所定の特徴量（接地中心の前後方向移動量Ｘ、接地中心の車幅方向移動量Ｙ、接地長Ｌｃ、接地長Ｌｏおよび接地長Ｌｉ）に基づき、タイヤ３に作用するタイヤ横力Ｆｙを算出するように構成されている。

【0032】

Ｆｙ＝Ｃｙ１×Ｘ＋Ｃｙ２×Ｙ＋Ｃｙ３×Ｌｃ＋Ｃｙ４×Ｌｏ＋Ｃｙ５×Ｌｉ
＋ＣＴｙ・・・・・（式１）
また、制御ボード３３は、下記の変換式２（式２）を用いて、所定の特徴量（接地中心の上下方向移動量Ｚ、接地長Ｌｃおよび接地面積Ａ）に基づき、タイヤ３に作用する接地荷重（タイヤ上下力）Ｆｚを算出するように構成されている。

【0033】

Ｆｚ＝Ｃｚ１×Ｚ＋Ｃｚ２×Ｌｃ＋Ｃｚ３×Ａ＋ＣＴｚ・・・・・（式２）
これら変換式１および２は、タイヤ台上試験機（図示せず）において、スリップ角、キャンバ角、接地荷重、車速、タイヤ空気圧から選定された試験条件で得られたタイヤ接地力（タイヤ横力Ｆｙおよび接地荷重Ｆｚ）と、その際にタイヤ物理量算出装置１０によって算出された所定の特徴量と、を紐付データ（同時計測データ）として取得し、所定の特徴量からタイヤ接地力へ変換するために、重回帰分析により作成された、各タイヤ固有の変換式である。つまり、係数Ｃｙ１，Ｃｙ２，Ｃｙ３，Ｃｙ４，Ｃｙ５，Ｃｚ１，Ｃｚ２，Ｃｚ３、および、定数項ＣＴｙ，ＣＴｚは、タイヤ３毎に異なる各タイヤ固有の値である。

【0034】

因みに、以下の説明に用いる試験タイヤでは、Ｃｙ１＝１４．８８９、Ｃｙ２＝１３７．２７５、Ｃｙ３＝３３．６０６、Ｃｙ４＝３３．２８１、Ｃｙ５＝－６１．５４６、ＣＴｙ＝－１０４６．８０１、Ｃｚ１＝－７８１．１６３４、Ｃｚ２＝１０８．２９５、Ｃｚ３＝８８６．５６７およびＣＴｚ＝６２０６．３であった。

【0035】

図２（ｂ）は、タイヤ横力Ｆｙに関する回帰直線１を示すグラフ図であり、同図（ｃ）は、接地荷重Ｆｚに関する回帰直線２を示すグラフ図である。これらのグラフ図は、横軸を、タイヤ台上試験機（より正確にはタイヤ台上試験機のタイヤ取付け軸）に備えられた６分力計の実測値とし、縦軸をタイヤ物理量算出装置１０による算出値として、実測値を取得した際のマーカ群１１の画像に基づいて算出した物理量をプロットするとともに、重回帰分析で得られた回帰直線を示すものである。

【0036】

仮に、タイヤ台上試験機に備えられた６分力計の実測値と、タイヤ物理量算出装置１０による算出値と、が完全に一致すれば、回帰直線はｙ＝ｘとなる。また、決定係数Ｒ²が１に近いほど、推定された回帰直線が実際のデータに当て嵌っていることになる。

【0037】

図２（ｂ）に示す、試験タイヤにおけるタイヤ横力Ｆｙに関する回帰直線１は、ｙ＝０．９８３２ｘであった。また、すべてのプロットが回帰直線１から±１０００Ｎの範囲に収まっており、決定係数Ｒ²＝０．９８５４であった。

【0038】

また、図２（ｃ）に示す、試験タイヤにおける接地荷重Ｆｚに関する回帰直線２は、ｙ＝０．９９９６ｘであった。また、すべてのプロットが回帰直線２から±３００Ｎの範囲に収まっており、決定係数Ｒ²＝０．９９４９であった。

【0039】

これらにより、タイヤ物理量算出装置１０による算出値が実測値と高い相関性を有することが、延いては、解析された内面接地形状１０３から得られる所定の特徴量が、タイヤ横力Ｆｙおよび接地荷重Ｆｚと高い相関性を有することが確認された。

【0040】

以上のように、本実施形態に係るタイヤ物理量算出装置１０によれば、タイヤ３の接地荷重Ｆｚの算出精度を向上させるとともに、従来は算出困難であったタイヤ横力Ｆｙを実車レベルで算出することが可能となる。なお、算出されたタイヤ横力Ｆｙおよび接地荷重ＦｚはＲＯＭに記憶され、回収後、実車レベルでの操縦安定性の評価に利用される。

【0041】

－制御フロー－
図３は、タイヤ物理量算出装置１０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。なお、このフローチャートは、例えばイグニッションＯＮを検出した場合やブレーキＯＦＦを検出した場合に、所定間隔で繰り返し実行されるようになっている。また、タイヤ固有の係数Ｃｙ１，Ｃｙ２，Ｃｙ３，Ｃｙ４，Ｃｙ５，Ｃｚ１，Ｃｚ２，Ｃｚ３、および、定数項ＣＴｙ，ＣＴｚは、車両への装着前に予め取得されて、制御ボード３３のＲＯＭ等に記憶されている。

【0042】

先ずステップＳ１では、制御ボード３３が、磁気センサ２０が磁力を検出したか否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、そのままＥＮＤしてＳＴＡＲＴに戻る。一方、この判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ２へ進む。

【0043】

次のステップＳ２では、制御ボード３３が、カメラ３０が撮像したマーカ群１１の画像を取得した後ステップＳ３へ進む。次のステップＳ３では、制御ボード３３が、ＰｎＰ問題を解く手法を応用して、タイヤ３の内面接地形状１０３を解析した後ステップＳ４へ進む。次のステップＳ４では、制御ボード３３が、解析された内面接地形状１０３における所定の特徴量を抽出した後ステップＳ５へ進む。

【0044】

次のステップＳ５では、制御ボード３３が、変換式１および２を用いて、タイヤ横力Ｆｙおよび接地荷重Ｆｚを算出した後ステップＳ６へ進む。次のステップＳ６では、制御ボード３３が、タイヤ横力Ｆｙおよび接地荷重Ｆｚを記憶した後ＥＮＤする。

【0045】

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

【0046】

上記実施形態では、タイヤ３の内面３ｂに設定されるマーカを格子としたが、タイヤ３の微小部分の座標を算出することができるのであれば、これに限らず、マーカはどのような模様・形状でもよい。

【0047】

また、上記実施形態では、タイヤ３の内面３ｂの一部に設定したマーカ１３、１５を１台のカメラ３０で撮像するようにしたが、これに限らず、タイヤ３の内面３ｂの全周に亘って設定したマーカを複数台のカメラ３０で撮像するようにしてもよい。

【0048】

さらに、上記実施形態では、磁気センサ２０は、車輪１における、マーカ群１１と１８０度反対側に対応する位置にて、ホイール５に取り付けたが、磁気センサ２０が磁石２１に近付くタイミングが接地タイミングと同じであれば、これに限らず、磁気センサ２０をホイール５のどこに取り付けてもよい。

【0049】

また、上記実施形態では、内面接地形状１０３の解析、特徴量の抽出、物理量の算出・記憶をすべて制御ボード３３に実行させるようにしたが、これに限らず、これらの全部または一部を、例えば車載のＥＣＵ（Electronic Control Unit）に実行させるようにしてもよい。

【0050】

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

【産業上の利用可能性】

【0051】

本発明によると、タイヤの接地荷重の算出精度を向上させるとともに、実車レベルでタイヤ横力を算出することができるので、走行中のタイヤに作用する物理量を算出するタイヤ物理量算出装置に適用して極めて有益である。

【符号の説明】

【0052】

３ タイヤ、３ａ 外面、３ｂ 内面、１０ タイヤ物理量算出装置、１３ 白マーカ、１５ 黒マーカ、３０ カメラ、３３ 制御ボード（特徴量抽出部）、１０３ 内面接地形状

【図1】

【図2】

【図3】