WO2005056312A1

WO2005056312A1 - 回転体の異常検知装置および方法

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Publication number: WO2005056312A1
Application number: PCT/JP2004/017795
Authority: WO
Inventors: Kazutomo Murakami; Hiroyuki Ueda
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2006-06-12
Also published as: EP1693231A4; EP1693231B1; EP1693231A1; US20070176763A1

Abstract

　回転中の回転体の各種物理量を計測する計測手段と、計測手段で計測したデータから回転体の回転に同期した信号を抽出する抽出手段と、抽出手段で抽出された信号から回転体の状態を判定する判定手段と、判定手段によって異常だと判定された場合に異常を警告する異常警告手段と、から回転体の異常検知装置を構成する。これにより、回転体、特に、タイヤのバーストやトレッドの剥離などの異常を初期段階で検知して、事故を未然に防ぐことのできる回転体の異常検知装置および方法を提供する。

Description

明細書

回転体の異常検知装置および方法

技術分野

[0001] 本発明は、回転体 (例えばタイヤ）の故障による事故を未然に防ぐための回転体の異常検知装置および方法に関するものである。

背景技術

[0002] 回転体例えばタイヤの異常を検知する装置として、タイヤ内圧が一定値以下になるとアラームを発してドライバーに警告をする内圧異常警報装置が知られている。この装置では、タイヤのホイールに取り付けられた内圧センサによって内圧を測定し、ある一定の内圧以下になった場合に警告を発するよう構成されている。

[0003] し力しながら、この内圧異常警報装置では、内圧低下以外の原因で発生する故障は検知できない。例えば、そのような故障の一例として、トレッドとベルト間、ベルトを構成するコード間、及び、サイドゴムとカーカスプライ間などでの剥離、プライコードやベルトコードの破断、ならびに、トレッドゴムのチャンクアウト（例えば、トレッドに設けられたブロック陸部力もぎ取られた状態)などがある。これらのタイヤ故障が生じた状態で走行を続ければ、突然のタイヤバーストが生じて走行不能となる可能性があり、カロえて、大きな事故を招く恐れがある。

[0004] このような内圧以外の故障を検知するシステムとして、タイヤの振動や音のデータを計測し、予め求めた正常時のデータと比較することで、タイヤの異常を知る回転体の異常検知システムが知られている（例えば、特開 2003— 80912号公報)。この回転体の異常検知システムでも、十分なレベルでタイヤの異常を検知することができるが

、簡単な構成で、さらに、性能の良い回転体の異常検知システムが近年求められていた。

発明の開示

[0005] 本発明の目的は、回転体、特に、タイヤのバーストやトレッドの剥離などの異常を初期段階で検知して、事故を未然に防ぐことのできる回転体の異常検知装置および方法を提供しょうとするものである。 [0006] 本発明の回転体の異常検知装置は、回転中の回転体の各種物理量を計測する計測手段と、計測手段で計測したデータ力回転体の回転に同期した信号を抽出する抽出手段と、抽出手段で抽出された信号から回転体の状態を判定する判定手段と、判定手段によって異常だと判定された場合に異常を警告する異常警告手段と、から構成され、抽出手段が適応デジタルフィルタを備え、適応デジタルフィルタにおいて、回転に同期した信号を抽出するとともに、計測手段で計測したデータと抽出手段で抽出した回転に同期した信号とから、回転に相関のない信号を求め、求めた回転に相関のない信号により適応デジタルフィルタを適応させることを特徴とするものである

[0007] また、本発明の回転体の異常検知装置における好適例としては、計測手段で計測する回転体の各種物理量が、振動、音、回転数または回転に相関のある信号であること、抽出手段で回転に同期した信号を抽出するにあたり、計測手段で計測したデータを遅延させたデータを利用すること、データ遅延時間が回転体の 1回転に対応する時間であること、データを遅延させるための遅延回路を、計測手段からのデータの入力部と適応デジタルフィルタとの間の信号ラインに設けたこと、及び、データを遅延させるための遅延回路を、計測手段力のデータの入力部と回転に相関のない信号を求めるための比較器との間の信号ラインに設けたこと、がある。

[0008] さらに、本発明の回転体の異常検知装置における他の好適例としては、抽出手段で回転に同期した信号を抽出するにあたり、計測手段で計測したデータのうち回転情報のデータ力回転周期を算出して生成した次数成分を利用すること、及び、次数成分を生成するための次数成分生成回路を、計測手段からの回転情報のデータの入力部と適応デジタルフィルタとの間の信号ラインに設けたこと、がある。

[0009] さらにまた、本発明の回転体の異常検知装置におけるさらに他の好適例としては、抽出手段で回転に同期した信号を抽出するにあたり、計測手段で計測したデータを、計測手段で計測したデータのうち回転速度情報のデータに応じて可変サンプリングして、見かけ上の周期を一定にすること、及び、可変サンプリングを実行するための可変サンプリング回路を、計測手段力のデータの入力部に設けたこと、がある。

[0010] また、本発明の回転体の異常検知方法は、上述した構成の回転体の異常検知装置を用い、回転中の回転体の各種物理量から、回転体の回転に同期した信号を抽出し、抽出した信号から回転体の異常を検知することを特徴とするものである。

図面の簡単な説明

[0011] [図 1]図 1は本発明の回転体の異常検知装置の一例を説明するための図である。

[図 2]図 2は本発明における抽出手段の一例を説明するためのブロック図である。

[図 3]図 3は本発明における抽出手段の他の例を説明するためのブロック図である。

[図 4]図 4 (a)、（b)はそれぞれ実際の波形を求める際の車両の状態を示す図である。

[図 5]図 5は良路における各タイヤの入力信号 X(i)、出力信号 Y(i)、エラー信号 E (i )の一例を示す図である。

[図 6]図 6は荒れた路面における各タイヤの入力信号 X(i)、出力信号 Y(i)、エラー信号 E (i)の一例を示す図である。

[図 7]図 7は本発明における抽出手段のさらに他の例を説明するためのブロック図でめる。

[図 8]図 8は図 7に示す抽出手段における入力信号 X(i)、出力信号 Y(i) (ここでは 3 出力信号を示す)、エラー信号 E (i) (ここでは 3エラー信号を示す)の一例を示す図である。

[図 9]図 9は本発明における抽出手段のさらに他の例を説明するためのブロック図でめる。

[図 10]図 10 (a)、（b)はそれぞれ本発明における抽出手段のさらに他の例を説明するためのブロック図である。

発明を実施するための最良の形態

[0012] 図 1は本発明の回転体の異常検知装置の一例を説明するための図である。なお、図 1に示す例では、回転体として車両に装着されるタイヤを例にとって本発明を説明するが、回転中の回転体の異常を検知する目的であれば、タイヤ以外の回転体にも同様に本発明を適用できることはいうまでもない。

[0013] 図 1に示す例において、 1は回転体としてのタイヤ、 2は各タイヤ 1に装着した振動または音を計測するためのセンサ、 3は各センサ 2からの信号に基づきタイヤ 1の異常を検知する中央処理装置である。本発明の回転体の異常検知装置は、各センサ 2により振動ある、は音などの物理量を計測する計測手段 11、計測手段 11で計測したデータ力もタイヤ 1の回転に同期した信号を抽出する抽出手段 21、抽出手段 21で抽出された信号からタイヤ 1の状態を判定する判定手段 31、判定手段 31によって異常だと判定された場合にドライバーに異常を警告する異常警告手段 41、力構成されている。

[0014] 計測手段 11は、タイヤ 1周りの、音または振動（センサ 2により測定）、あるいは、 AB Sなどの回転数信号 (センサ 2は必要な、）を計測し、計測したデータをデジタル信号として抽出手段 21に入力する。音を計測する場合は、センサ 2として、マイクロフォンなどを使用する。振動を計測する場合は、センサ 2として、加速度計、速度計、変位計などを使用する。また、車両が ABS (Anti-lock Brake System)を装着している場合は、 ABSの回転数信号を使用することができる。この場合はセンサ 2を設ける必要がなぐ簡易な構成とすることができる。 ABS以外でも、その他の方法で回転数又はタィャ回転に相関のある信号を計測し、その回転数信号を使用することもできる。

[0015] 抽出手段 21としては、適応デジタルフィルタを用いて、タイヤ 1の回転に同期した周期成分を抽出する手段を使用することが望ましい。すなわち、図 2に抽出手段 21の一例の構成を示すように、抽出手段 21では、計測手段 11で計測したデジタル信号 X (i)を入力し、その入力信号 (リファレンス信号 R (i)として比較器 24を介して適応デジタルフィルタ 23に供給される）とその入力信号を遅延回路 22を通して遅延させた信号（直接適応デジタルフィルタ 23に供給される）とを、リアルタイムで適応デジタルフィルタ 23にお、て演算し、出力信号 Y (i)としてタイヤ 1の周期に相関のある信号が出力される。そのため、出力信号 Y(i)は、タイヤ 1の回転に相関のある信号 (周期的な信号）として求めることができる。求めた出力信号 Y(i)は判定手段 31に入力される。

[0016] 遅延回路 22における遅延時間は、タイヤ 1の 1回転の時間間隔以下とすることが好ましいが、 2回転以上の時間間隔、または、若干 1回転の時間より長短の差がある時間間隔であっても、適応デジタルフィルタ 23の特性上演算で回転に同期した周期成分を求めるのためには問題はない。また、タイヤ 1の 1回転の時間間隔は回転数 (走行速度）によって変化する場合も、適応デジタルフィルタ 23のサンプリング周波数、タップ長をうまく設定しておくことで、対応可能である。又、低速、中速、高速の 3段階の遅延時間を予め定めておき、速度に応じて遅延回路 22の遅延時間を 3段階に変化させることでも実現できる。もちろん、車両の速度を常時測定し、その速度に応じて遅延回路 22の遅延時間をリアルタイムで変化させることも考えられる。

[0017] 適応デジタルフィルタ 23は従来力も公知の構成のものを使用することができる。図 2に示す例では、計測手段 11で計測したデジタルデータ X(i)力構成されるリファレンス信号 R (i)と、適応デジタルフィルタの出力 Y (i)とを、比較器 24で演算して両者の差を求め、それをエラー信号 E (i)として求めている。そのため、エラー信号 E (i)は、タイヤ 1の回転に無関係の、例えば、路面や車体に寄与した信号 (ランダムな信号）として求めることができる。そして、求めたエラー信号 E (i)を適応デジタルフィルタ 23 の係数変更部にフィードバックして、エラー信号 E (i)に応じて、適応デジタルフィルタ 23の係数を動的に変更させ、適応デジタルフィルタ 23の最適化を図っている。

[0018] エラー信号 E (i)を適応デジタルフィルタ 23の係数変更部にフィードバックして最適化を図る方法としては、従来力もフィルタ係数更新アルゴリズムとして知られて、る L MS (Least Mean Square)法、ニュートン法あるいは最急下法などの適応アルゴリズムを用いることができる。また、その他好適に利用できる適応アルゴリズムとして、複素 L MSァノレゴリズム (Complex Least Mean Square Algorithm), Normalized LMSァノレゴリズム (Normalized Least Mean Square Algorithm)、射影ァノレゴリズム (Projection Algorithm) SHARFァノレゴリズム (Simple Hyperstable Adaptive Recursive Filter Algorithm), RLSアルゴリズム (Recursive Least Square Algorithm), FLMSァルゴリズム (Fast Least Mean Square Algorithm), DCTを用いた適応フィルタ (Adaptive Filter using Discrete Cosine Transform) ^ SANフィルタ (single Frequency Adaptive Notch Filter),ニューラルネットワーク (Neural Network),遺伝的アルゴリズム (Genetic Algorithm)を用いることができる。

[0019] 抽出手段 21の例としては、図 2に示すように、遅延回路 22を計測手段 11からのデジタル信号 X(i)の入力部分と適応デジタルフィルタ 23との間に設けた例の他に、図 3に示すように、遅延回路 22を計測手段 11からのデジタル信号 X (i)の入力部分と比較器 24との間に設け、リファレンス信号 R (i)を遅延させても、図 2に示す本発明と同じ作用効果を得ることができる。 [0020] 判定手段 31は、抽出手段 21の適応デジタルフィルタ 23の出力信号 Y(i)の値を用いて、各タイヤ 1において正常状態の値と比較する方法、あるいは、タイヤ 1のうち 2 輪 (前後、左右)または 4輪の値を比較する方法、を行うことで異常値を示すタイヤ 1を異常と判断する。そのためには、タイヤ 1の正常時のデータをメモりしたデータベース部を持つコンピュータや、 2輪または 4輪の抽出データを比較してそれらの差力異常を判定する手段、を備えることが好ましい。

[0021] 異常警告手段 41は、判定手段 31で異常だと判定された場合にドライバーに警告を与える。異常警告手段 41としては、警告灯や警告アラームを使用することが好ましい。

[0022] 上述した構成の本発明の回転体の異常検知装置では、正確なタイヤの回転数の信号がなくても、簡単に、且つ、効果的に、タイヤ 1の回転に相関のある信号のみを出力信号 Y(i)として抽出することができる。すなわち、バーストなどのタイヤ 1の回転に相関のある信号のみが出力信号 Y(i)に含まれ、縁石にのりあげるなどの一回のみの事象でタイヤ 1の回転に相関のない信号は出力信号 Y(i)に含まれない。そのため、正確な異常判定を行うことができる。

[0023] なお、上述した例では、入力信号 X(i)としてセンサ 2で測定した振動、音の信号を利用した例を説明している。この他、入力信号 X(i)として ABSの回転数信号を利用した場合も、同様に本発明を適用することができる。すなわち、例えば所定の周期のサイン波力も構成される回転数信号には、上述したようにバーストおよび縁石にのりあげた際の信号を含んでいる。そのような場合でも、その回転数信号を入力信号 X(i )として抽出手段 21を通過させることで、タイヤ 1の回転に相関がある信号のみを含む出力信号 Y(i)を得ることができる。

[0024] 次に、本発明の回転体の異常検知装置における実際の波形について説明する。

04 (a)、 (b)に示すように、前輪 (左） 1—1、前輪 (右） 1—2、後輪 (左） 1—3、後輪 (右 ) 1 4を備える車両において、前輪 (左） 1—1のショルダー部にバースト部 51が発生した場合を想定して、バースト部 51の発生初期（時間が経つとタイヤ全体が損傷してしまうため）における、入力信号 X(i)、出力信号 Y(i)、エラー信号 E (i)の各タイヤの信号波形を、良路と荒れた路面とに対し、タイヤのナックル部に設けたセンサにより振動加速度を計測することで求めた。

[0025] 図 5は良路における各タイヤの入力信号 X(i)、出力信号 Y(i)、エラー信号 E (i)の一例を示す図であり、図 6は荒れた路面における各タイヤの入力信号 X(i)、出力信号 Y(i)、エラー信号 E (i)の一例を示す図である。図 5及び図 6の結果から、入力信号 X(i)として、タイヤの回転に相関のある信号 (バースト部） 51に起因する信号）とタィャの回転に相関のない信号 (路面の凹凸などに起因する信号)とが混在していても、バースト部 51を有する前輪 (左） 1 1の出力信号 Y(i)のみにバーストを示す周期的な信号が現れ、それ以外の正常な車輪の出力信号 Y(i)には何の信号も現れず、正確にバースト判定できることがわかる。

[0026] また、図 6の結果から、入力信号 X(i)に測定したいタイヤの回転に相関のある信号

(バースト部 51に起因する信号)よりも振幅の大き!/ヽ信号 (荒れた路面に起因する信号)が含まれていても、本発明によれば良路と同様に、バースト部 51を有する前輪（左） 1 1の出力信号 Y(i)のみにバーストを示す周期的な信号が現れ、それ以外の正常な車輪 1 2— 1 4の出力信号 Y(i)には何の信号も現れず、正確にバースト判定できることがわかる。また、図 5及び図 6に示す例において、エラー信号 E (i)は常に変化する信号となっており、その信号の変化に応じて適応デジタルフィルタ 23の係数が変更され、適応デジタルフィルタ 23の特性もそれに応じて変化することがわかる

[0027] 上述した本発明の回転体の異常検知装置は一例であって、その構成は上述した例に限定されるものではない。例えば、図 2及び図 3に示した抽出手段 21の変形例として、以下のような構成をとることができる。

[0028] 図 7は本発明における抽出手段 21の他の例を説明するためのブロック図である。

図 7に示す例において、図 2及び図 3に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図 7に示すように、タイヤの回転に同期していない成分 (路面 •車体等の影響)が、タイヤの回転に同期している信号より大きな場合、または、タイャの回転に同期している成分が小さい場合には、 1つの適応デジタルフィルタ 23を用いるより、複数のデジタルフィルタ 23 (ここでは 3個のデジタルフィルタ 23— 1— 23— 3)を直列に接続したほうがより精度よく抽出することができる。すなわち、図 7に示す例において、入力 X(i)に振動、音、または回転数の信号を入力し、 1段目（ADF1) のフィルタ 23— 1から得られる出力 Yl (i)を 2段目（ADF2)のフィルタ 23— 2に入力するという処理を繰り返し行うことで、より抽出精度の向上を図ることができる。なお、接続するフィルタの数にっ、て制限はな、。

[0029] 図 8は図 7に示す抽出手段 21における入力信号 X(i)、出力信号 Y(i) (ここでは 3 出力信号を示す)、エラー信号 E (i) (ここでは 3エラー信号を示す)の一例を示す図である。図 8に示すように、出力信号 Y(i)は、 1段目の出力信号 Yl (i)より 2段目の出力信号 Y2 (i)、 2段目の出力信号 Y2 (i)より 3段目の出力信号 Y3 (i)となるに従って、欠陥をより精度よく抽出できることがわかる。

[0030] 図 9は本発明における抽出手段 21のさらに他の例を説明するためのブロック図である。図 9に示す例において、図 2及び図 3に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。上述したように、適応デジタルフィルタによるロジック（多段化等）によれば周期的な信号は全て抽出することが可能であるが、その反面、回転体の異常により発生する回転に相関のある信号 (周期信号)の他に、外乱が周期的である場合も、外乱の影響を抽出してしまう。そこで、図 9に示すように、次数成分生成回路 25を、計測手段 11からの回転情報である回転信号 P (i)の入力部と適応デジタルフィルタ 23との間に設け、回転体の回転情報（車両の場合は例えば車輪速センサカの回転情報)から抽出したい次数成分を生成し、その信号から適応デジタルフィルタ 23を用いることで、抽出したい成分のみを抽出可能となる。この生成された次数成分は任意の次数でよぐその数についても特に制限されるものではない。また、フィルタの数にっヽても制限はな!/、。

[0031] 図 10 (a)、（b)はそれぞれ本発明における抽出手段 21のさらに他の例を説明するためのブロック図である。図 10 (a)、（b)に示す例において、図 2及び図 3に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。上述した図 2、図 3、図 7 及び図 9に示す実施例において、回転体の回転速度（車両の場合は車速）が変化した場合、適応デジタルフィルタ 23では充分適用できない場合がある。そこで、図 10 ( a)、（b)に示すように、可変サンプリングを実行するための可変サンプリング回路 26 を、計測手段からのデータの入力部に設け、回転体の回転情報（車両の場合は AB s車輪速信号など)を用いて、入力信号のデータをある正規ィ匕した回転数 (周期）となるようにサンプリングを可変にし、適応デジタルフィルタ 23内での処理では見かけ上の周期を一定として処理できるようにするロジックを用いることで、回転体の速度変化に充分対応可能としたものである。

[0032] なお、図 9および図 10 (a)、（b)の発明は、これを 1つのユニットとして、該ユニットを複数で直列に接続してもよい。この場合、抽出精度をより向上することができる。さらに、図 10 (a)に示す例では遅延回路 22を用いた例に対し、また、図 10 (b)に示す例では次数成分生成回路 25を用いた例に対し、それぞれ、可変サンプリング回路 26 を設けた例を示した力他の例、例えば図 7に示すような適応デジタルフィルタ 23を多段に組み合わせたものにも有効な手段である。また、図 10 (b)に示す次数成分生成回路 25を用いた例では、可変サンプリング回路 26で正規ィ匕した回転数 (周期）により次数成分を生成し、その信号と入力信号を適応フィルタを用いることで、抽出したい成分のみを抽出可能とすることができる。また、図 10 (a)では遅延回路 22を可変サンプリング回路 26と判定手段 31との間に配置した力可変サンプリング回路 26と適応デジタルフィルタ 23との間に配置してもよい。

[0033] また、判定手段 31の他の例として、適応デジタルフィルタ 23から出力された出力信号 Y (i)に対して周波数分析を行い、回転体の任意の回転次数成分を回転信号からトラッキングして抽出し、その大きさを足し合わせた結果を、正常時と比較することで異常時を判別することもできる。さらに、可変サンプリング回路 26を設けた適応デジタルフィルタ 23を用いると、任意の周期で正規ィ匕されているので、固定した任意の次数成分の周波数を足し合わせることで、正常時と異常時とを比較することが可能となる。なお、次数成分は任意の複数の次数であってもよい。また、周波数分析を行わなくとも、任意の次数成分のフィルタをかけ、時間軸信号の大きさを比較してもよい。

産業上の利用可能性

[0034] 本発明の回転体の異常検知装置は、回転中の回転体の各種物理量を計測する計測手段と、計測手段で計測したデータ力回転体の回転に同期した信号を抽出する抽出手段と、抽出手段で抽出された信号から回転体の状態を判定する判定手段と、判定手段によって異常だと判定された場合に異常を警告する異常警告手段と、から構成されているため、回転体の異常（回転中では周期的な信号として捉えることができる）、特に、タイヤのバースト、トレッドの剥離、などの異常を初期段階で検知でき、回転体の異常に基づく事故を未然に防ぐ全ての用途に適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 回転中の回転体の各種物理量を計測する計測手段と、計測手段で計測したデータカ回転体の回転に同期した信号を抽出する抽出手段と、抽出手段で抽出された信号から回転体の状態を判定する判定手段と、判定手段によって異常だと判定された場合に異常を警告する異常警告手段と、から構成され、抽出手段が適応デジタルフィルタを備え、適応デジタルフィルタにおいて、回転に同期した信号を抽出するとともに、計測手段で計測したデータと抽出手段で抽出した回転に同期した信号とから、回転に相関のない信号を求め、求めた回転に相関のない信号により適応デジタルフィルタを適応させることを特徴とする回転体の異常検知装置。

[2] 計測手段で計測する回転体の各種物理量が、振動、音、回転数又は回転に相関のある信号である請求項 1に記載の回転体の異常検知装置。

[3] 抽出手段で回転に同期した信号を抽出するにあたり、計測手段で計測したデータを遅延させたデータを利用する請求項 1または 2に記載の回転体の異常検知装置。

[4] データ遅延時間が回転体の 1回転に対応する時間である請求項 3に記載の回転体の異常検知装置。

[5] データを遅延させるための遅延回路を、計測手段からのデータの入力部と適応デジタルフィルタとの間の信号ラインに設けた請求項 3または 4に記載の回転体の異常

[6] データを遅延させるための遅延回路を、計測手段からのデータの入力部と回転に相関のない信号を求めるための比較器との間の信号ラインに設けた請求項 3または 4 に記載の回転体の異常検知装置。

[7] 抽出手段で回転に同期した信号を抽出するにあたり、計測手段で計測したデータのうち回転情報のデータ力回転周期を算出して生成した次数成分を利用する請求項 1または 2に記載の回転体の異常検知装置。

[8] 次数成分を生成するための次数成分生成回路を、計測手段からの回転情報のデータの入力部と適応デジタルフィルタとの間の信号ラインに設けた請求項 7に記載の回転体の異常検知装置。

[9] 抽出手段で回転に同期した信号を抽出するにあたり、計測手段で計測したデータを、計測手段で計測したデータのうち回転速度情報のデータに応じて可変サンプリングして、見かけ上の周期を一定にする請求項 1一 8のいずれ力 1項に記載の回転体の異常検知装置。

[10] 可変サンプリングを実行するための可変サンプリング回路を、計測手段からのデータの入力部に設けた請求項 9に記載の回転体の異常検知装置。

[11] 請求項 1一 10のいずれか 1項に記載の回転体の異常検知装置を用い、回転中の回転体の各種物理量から、回転体の回転に同期した信号を抽出し、抽出した信号力ら回転体の異常を検知することを特徴とする回転体の異常検知方法。